(57)【要約】      （修正有）【課題】センサの長さをその測定領域よりもずっと短くできるセンサ構造を有するセンサを提供する。【解決手段】測定区間３に沿った発信磁石２の直線的な相対運動を少なくとも１つのセンサ素子４を用いて磁気的に検出する測定区間３よりも短いセンサ１であって、センサ素子４が発信磁石２の磁場５の２つの互いに直交する成分を検出し、軸方向の成分Ｂｘと半径方向の成分Ｂｙが評価ユニット９においてＡＲＣＴＡＮ（半径方向の成分Ｂｙ／軸方向の成分Ｂｘ）又はＡＲＣＴＡＮ（軸方向の成分Ｂｘ／半径方向の成分Ｂｙ）が評価され、発信磁石２の測定区間３に沿った各位置１３に対して値域の一つの値が対応した、部分毎に単調な位置信号が生成され、評価ユニット９が、位置信号を測定区間３の少なくとも一領域において一定の補正値を用いて補正することで、全測定区間にわたって単調な値域を有する単調な位置信号を生成するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定区間（３）に沿った発信磁石（２）の直線的な相対運動を少なくとも１つのセンサ素（４）子を用いて非接触で磁気的に検出するためのセンサであって、前記センサ素子（４）が前記発信磁石（２）の磁場（５）の２つの互いに直交する成分（６、７）を検出し、
該センサ素子（４）とセンサ（１）が前記測定区間（３）よりも短く、
第１の成分（６）が軸方向の成分（Ｂｘ）であり、
第２の成分（７）が半径方向の成分（Ｂｙ）であり、
評価ユニット（９）が設けられ、
前記軸方向の成分（Ｂｘ）と前記半径方向の成分（Ｂｙ）が該評価ユニット（９）において数学的な関数により評価可能であり、該数学的な関数はＡＲＣＴＡＮ（半径方向の成分／軸方向の成分）又はＡＲＣＴＡＮ（軸方向の成分／半径方向の成分）であり、
これにより、前記発信磁石（２）の測定区間（３）に沿った各位置（１３）に対して値域（１２）の一つの値（１１）が対応した、部分毎に単調な位置信号（１０）が生成されるセンサにおいて、
前記評価ユニットが、前記位置信号（１０）を前記測定区間（３）の少なくとも一領域（１４）において一定の補正値（２１）を用いて補正することで、全測定区間（３）にわたって単調な値域（１２）を有する単調な位置信号（１０）を生成するように構成され、更に前記評価ユニット（９）が真理値表（２６）を用いて前記位置信号（１０）の値（１１）の補正を行うように構成され、該真理値表（２６）が領域毎に一定の補正値（２１）を示していることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記センサ素子（４）がＴＭＲ技術に基づく角度センサであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記センサ素子（４）が少なくとも１つのアナログ出力（２４）を有する集積部品であり、前記評価ユニット（９）が統合されたＡ／Ｄ変換器を含むマイクロコントローラであり、これにより、軸方向の成分及び半径方向の成分に対応する値を持って前記アナログ出力（２４）に現れる少なくとも１つのアナログ信号（２４）を前記評価ユニット（９）においてデジタル的に処理できることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記評価ユニット（９）が前記測定区間を少なくとも４つの領域（１４）に分割するように構成され、該領域の境界（２５）が、ＡＲＣＴＡＮの値域の不連続箇所及び位置信号（１０）が最大の勾配を示す箇所にそれぞれあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ。
【請求項５】
前記評価ユニット（９）が、各領域における前記軸方向の成分（Ｂｘ）の値の勾配及び／又は前記半径方向の成分（Ｂｙ）の値の勾配を検出するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセンサ。
【請求項６】
前記評価ユニット（９）が、前記半径方向の成分の大きさ（｜Ｂｙ｜）と前記軸方向の成分の大きさ（｜Ｂｘ｜）を求め、それらの大きさ（｜Ｂｙ｜、｜Ｂｘ｜）の差をとって減算結果（ＳＥ）を得るように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ。
【請求項７】
前記軸方向の成分（Ｂｘ）の値（Ｘ）、前記半径方向の成分（Ｂｙ）の値（Ｙ）、前記軸方向の成分（Ｂｘ）の勾配（Ｂｘｄｘ）、前記半径方向の成分（Ｂｙ）の勾配（Ｂｙｄｘ）、及び前記減算結果（ＳＥ）がそれぞれ異なる重み付け因子（Ｇ）で重み付けされ、特に該重み付け因子（Ｇ）が２のべき乗に対応していることを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記評価ユニット（９）が、各領域（１４）の前記軸方向の成分（Ｂｘ）の値（Ｘ）、前記半径方向の成分（Ｂｙ）の値（Ｙ）、前記軸方向の成分（Ｂｘ）の勾配（Ｂｘｄｘ）、前記半径方向の成分（Ｂｙ）の勾配（Ｂｙｄｘ）、及び前記減算結果（ＳＥ）の重み付け因子（Ｇ）を加算してその都度重み付け因子和（ＧＳ）を求めるように構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ。
【請求項９】
前記評価ユニット（９）が、前記重み付け因子和（ＧＳ）から前記発信磁石（２）の極性（Ｐ）を特定するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記評価ユニット（９）が、求められた重み付け因子和（ＧＳ）に基づいて、前記測定区間（３）の少なくとも１つの領域（１４）における前記位置信号（１０）を一定の補正値（２１）で補正することで、全測定区間（３）にわたって単調な値域（１２）を有する単調な位置信号（１０）を生成するように構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１１】
前記評価ユニット（９）が、速度ベクトル乃至変化率を求めるために第１の成分の変化と第２の成分の変化を評価するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１２】
前記評価ユニット（９）が、ＡＲＣＴＡＮ（半径方向の成分／軸方向の成分）の一次導関数、ＡＲＣＴＡＮ（軸方向の成分／半径方向の成分）の一次導関数、ＡＲＣＴＡＮ（半径方向の成分／軸方向の成分）の二次導関数、又は、ＡＲＣＴＡＮ（軸方向の成分／半径方向の成分）の二次導関数を求め、それにより、磁化方向が所与の場合に磁石の極性を求めることができるように構成されていることされていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１３】
前記評価ユニット（９）が、前記軸方向の成分の大きさ（｜Ｂｘ｜）と前記半径方向の成分の大きさ（｜Ｂｙ｜）を求め、それらの大きさの差（｜Ｂｘ｜−｜Ｂｙ｜）をとって減算結果（ＳＥ）を得ることにより、磁化方向が所与の場合に磁石の極性を求めることができるように構成されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１４】
少なくとも２つのセンサ素子（４）が前記測定区間（３）に沿って並べて配置されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定区間に沿った発信磁石の直線的な相対運動を少なくとも１つのセンサ素子を用いて非接触で磁気的に検出するためのセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気シリンダにおいては、多くの場合、ピストンの位置を該ピストンに固定された発信磁石を通じて特定する。その際、磁石の向き、磁化、残留磁気又は形状等の特性にはばらつきがあり得る。
【０００３】
前記の場合、磁石の位置の特定は測定領域とほぼ同じ長さの位置センサを用いて行うことがほとんどである。
【０００４】
発信磁石の位置を特定するため、まず、測定区間に沿った多数のホール素子の配列を用いるという測定方法がある。ホール素子は一定の間隔で配置されており、各々が磁場の半径方向の成分を各ホール素子の中心点の左右の狭い範囲内で測定することができる。測定領域を広げるにはホール素子の数を増やす。公知の製品として、例えば出願人の製品群「ＭＰＳ」及び「ＭＰＡ」がある。
【０００５】
この測定方法は高精度ではあるものの、センサの長さが、到達可能な測定領域に必ず一致していなければならないという欠点がある。その上、比較的複雑な制御で個々のホール素子を選択する必要があり、しかも軸方向に磁化された磁石を有するシリンダ上でなければそれらを駆動できない。また多数の部品を要するため、全体としてかなり高価な解決策である。
【０００６】
従来知られている３次元ホール素子の大部分は、求められた個々の磁場成分の測定値を伝送するデジタルインターフェイスを備えている。これを通じた後段のマイクロコントローラへの測定値の伝送はかなり低速である。しかも３次元ホール素子にはかなり大きな信号ノイズがあるため、磁石位置の高速且つ正確な測定は不可能である。
【０００７】
特許文献１は発信磁石の磁化方向を求めるためのセンサ配列に関するものであるが、少なくとも２つの磁場センサが必須である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】DE 10 2010 003 292 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、全測定領域にわたって厳密に単調であるようなセンサの位置信号、出力信号乃至は出力特性曲線を提供することである。また、センサの長さをその測定領域よりもずっと短くできるセンサ構造を有するセンサを提供する。
【００１０】
更に該センサが、高い位置分解能、高い測定速度、高いノイズ低減性、できるだけ直線的な特性曲線及び／又はできるだけ大きな測定領域を有するようにする。
【００１１】
加えて該センサが、高分解能の場合でも、高いスイッチング周波数、高いノイズ低減性及びできるだけ線形性誤差の小さい特性曲線を同時に示すようにする。更に該センサを、軸方向及び半径方向のいずれに磁化された磁石を有するシリンダにも使用できるようにする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は、請求項１に記載の、測定区間に沿った発信磁石の直線的な相対運動を少なくとも１つのセンサ素子を用いて非接触で磁気的に検出するためのセンサにより解決される。該センサでは、センサ素子が発信磁石の磁場の２つの互いに直交する成分を検出し、該センサ素子とセンサが測定区間よりも短く、第１の成分が軸方向の成分であり、第２の成分が半径方向の成分であり、評価ユニットが設けられ、前記軸方向の成分と前記半径方向の成分が該評価ユニットにおいて数学的な関数により評価可能であり、該数学的な関数はＡＲＣＴＡＮ（半径方向の成分／軸方向の成分）又はＡＲＣＴＡＮ（軸方向の成分／半径方向の成分）であり、これにより、発信磁石の測定区間に沿った各位置に対して値域の一つの値が対応した、部分毎に単調な位置信号が生成され、前記評価ユニットは、前記位置信号を前記測定区間の少なくとも一領域において一定の補正値を用いて補正することで、全測定区間にわたって単調な値域を有する単調な位置信号を生成するように構成され、更に前記評価ユニットは真理値表を用いて前記位置信号の値の補正を行うように構成され、該真理値表は領域毎に一定の補正値を示している。
【００１３】
本発明によれば、１つのセンサ素子だけで単調な位置信号を生成することができる。従って、本センサは、発信磁石を有し長さの異なる多数の異なるシリンダ上で使用できる。
【００１４】
センサ素子は発信磁石の磁場の２つの互いに直交する成分を検出する。その際、該成分はシリンダの全長にわたり乃至は全測定領域にわたり検出される。これにより、センサ素子とセンサを測定区間より短くできる。
【００１５】
軸方向の成分と半径方向の成分は測定区間に沿って２つの異なる信号の推移を形成し、それらの組み合わせが発信磁石の正確な位置に関する一義的な情報をもたらす。
【００１６】
評価ユニットは数学的な関数により軸方向の成分と半径方向の成分を評価するものである。その数学的な関数は両成分の比率から求められる逆正接、即ち、ＡＲＣＴＡＮ（半径方向の成分／軸方向の成分）又はＡＲＣＴＡＮ（半径方向の成分／軸方向の成分）である。
【００１７】
これにより、まず、発信磁石の測定区間に沿った各位置に対して値域の一つの値が対応した、部分毎に単調な位置信号が生成される。ただ、ピストン行程が十分に大きい場合や測定領域が十分に大きい場合、この信号にはまだ不連続な箇所がある。逆正接の結果におけるこの不連続性は、値域がπ／２から−π／２に制限されていることから生じる。
【００１８】
この逆正接の制限を回避するため、測定区間の少なくとも一領域における結果乃至位置信号を一定の補正値を用いて補正することで、全測定区間にわたって単調な値域を有する単調な位置信号を生成する必要がある。
【００１９】
本発明では、評価ユニットが真理値表を用いて位置信号の値の補正を行うように構成され、該真理値表は領域毎に一定の補正値を示している。
【００２０】
例えば４つの領域が形成されている場合、位置信号は例えば１番目の領域と４番目の領域で補正される。また、例えば６つの領域が形成されている場合、位置信号は例えば１番目の領域と６番目の領域で補正される。真理値表の一定の補正値は、例えばゼロ、＋π又は−π、乃至は比較可能な電圧値である。
【００２１】
軸方向に磁化された発信磁石と比べて、直径方向に磁化された磁石では軸方向と半径方向の成分の特性曲線が入れ替わる。両成分が入れ替わった後は、軸方向に磁化された磁石の場合と同じグラフが得られる。
【００２２】
本発明によれば、発信磁石は例えば軸方向又は直径方向のいずれに磁化されていてもよい。
【００２３】
本発明に係るセンサは従来技術に比べてはるかに安価である。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態では、センサ素子がＴＭＲ技術に基づく角度センサである。トンネル磁気抵抗（英語でtunnel magnetoresistance、ＴＭＲ）又はＴＭＲ効果は、磁気トンネル接合（英語でmagnetic tunnel junction、ＭＴＪ）において生じる磁気抵抗的な効果である。これは薄い断路器（アイソレータ）により分離された２つの強磁性体から成る部品である。断路層が十分に薄ければ（典型的には数ｎｍ）、２つの強磁性体の間を電子が通り抜けることができる。前記角度センサでは、磁場の半径方向及び軸方向の成分を測定するために、２つの部品が互いに対して垂直に配置される。
【００２５】
ＴＭＲ型角度センサは信号ノイズが非常に少ない。またＴＭＲ型角度センサは非常に弱い場でも十分な信号を出力する。ゆえに、特に周縁領域での分解能が大幅に高まる。ＴＭＲ型角度センサは特に磁場強度が低い場合に感度が良く、これが同様に分解能に良い作用を及ぼす。ＴＭＲ技術に基づく角度センサには、ブリッジ抵抗が極めて高いため所要電流がマイクロアンペア程度で済むという利点がある。
【００２６】
また、前記角度センサの信号の高さは磁場強度に依存しない。故に、３次元ホールセンサに比べて、磁場成分の大きさは利用できない。
【００２７】
本発明の発展形態では、センサ素子が少なくとも１つのアナログ出力を有する集積部品である。本発明の発展形態における評価ユニットは、統合されたＡ／Ｄ変換器を含むマイクロコントローラであり、これにより軸方向の成分及び半径方向の成分に対応する値を持つ少なくとも１つのアナログ信号を評価ユニットにおいてデジタル的に処理できる。
【００２８】
これにより、軸方向の成分及び半径方向の成分に対応する値の非常に高速な信号処理が保証される。この高速性という利点から、センサの性能に関する更に２つの重要な利点が生まれる。例えば、より多くの信号の平均値を計算できるため、外乱の影響を受けにくくなる。同時に、それでもなおスイッチング周波数を高めることができる。なぜなら、高速性の利点はアナログ信号乃至アナログ電圧の読み出しの場合に極めて顕著だからである。
【００２９】
好ましい実施形態では、評価ユニットが測定区間を少なくとも４つの領域に分割するように構成され、該領域の境界が、ＡＲＣＴＡＮの値域の不連続箇所及び位置信号が最大の勾配を示す箇所にそれぞれある。
【００３０】
特に好ましくは、評価ユニットが測定区間を６つの領域に分割するように構成され、該領域の２つの追加の境界が、ＡＲＣＴＡＮの値域の不連続箇所と位置信号が最大の勾配を示す箇所との間にある。
【００３１】
複数の領域の形成により、位置信号を個々の領域でそれぞれ個別に分析し、位置信号の領域をそれぞれ個別に補正することができる。
【００３２】
本発明の発展形態では、前記評価ユニットが、各領域における軸方向の成分の値の勾配及び／又は半径方向の成分の値の勾配を検出するように構成される。
【００３３】
これにより、磁石の極性、つまり発信磁石が負極性又は正極性のいずれであるかが特定される。２つの磁場成分、つまり軸方向及び半径方向の磁場成分の値乃至測定値だけでは、場合によっては全ての領域における全ての場合に対しては一義的な結果が得られなくなる。軸方向及び半径方向の成分の現在の勾配に関する追加情報があれば、発信磁石が運動中の場合に一義的な割り当てができる。
【００３４】
本発明の発展形態では、前記評価ユニットが、半径方向の成分の大きさと軸方向の成分の大きさを求め、それらの大きさの差をとって減算結果を得るように構成される。これにより、部分的に直線状になった補助特性曲線が作られる。
【００３５】
本発明の発展形態では、軸方向の成分の値、半径方向の成分の値、軸方向の成分の勾配、半径方向の成分の勾配、及び減算結果がそれぞれ異なる重み付け因子で重み付けされ、特に該重み付け因子が２のべき乗に対応している。各領域の評価は個々のパラメータの二値的な重み付けにより行われる。この重み付けにより各値及び各勾配並びに減算結果を計算上互いに区別することができる。特に、この重み付け因子は評価ユニットにおいてデジタル的に容易に処理することができる。
【００３６】
本発明の発展形態では、評価ユニットが、各領域の軸方向の成分の値、半径方向の成分の値、軸方向の成分の勾配、半径方向の成分の勾配、及び減算結果の重み付け因子を加算してその都度重み付け因子和を求めるように構成される。これにより重み付け因子和が求められ、発信磁石の磁化及び／又は極性を検出乃至認識するために評価ユニットにおいて複数の重み付け因子和を評価することができる。
【００３７】
例えば４つの異なる領域の重み付け因子和を評価ユニットにより分析すれば、磁化を特定乃至認識することができる。
【００３８】
本発明の発展形態では、評価ユニットが、重み付け因子和から発信磁石の極性を特定するように構成される。
【００３９】
磁化が分かれば、評価対象は極性だけに絞られる。極性は、例えば２つの中央の領域の重み付け因子和を観察するだけで既に特定乃至認識することができる。
【００４０】
本発明の好ましい実施形態では、評価ユニットが、求められた重み付け因子和に基づいて、測定区間の少なくとも１つの領域における位置信号を一定の補正値で補正することで、全測定区間にわたって単調な値域を有する単調な位置信号を生成するように構成される。これにより、様々な発信磁石を軸方向又は直径方向の磁化乃至極性で以て自動的に区別し、認識することができる。
【００４１】
本発明の発展形態では、評価ユニットが、速度ベクトル乃至変化率を求めるために第１の成分の変化と第２の成分の変化を評価するように構成される。
【００４２】
磁場が非常に強く且つ磁石と溝底部との間隔が非常に狭いシリンダの場合、測定区間乃至測定領域の周縁領域において多義性が生じ、その結果、外側の領域の向こうに擬似領域が生じる可能性がある。この別の領域は誤認識されないように抑制する必要がある。この抑制は別の基準、つまり２つの磁場成分の変化率に基づく変化率又は速度ベクトルを導入することで達成される。一様な運動の場合、この変化率又は速度ベクトルは中間の４つの領域内の方がその外側の領域即ち擬似領域内よりも大きい。そこで、認識された各領域において変化率又は速度ベクトルを調べて、４つの認識された領域がほぼ同じ変化率又は同じ速度ベクトルを示している場合にのみ実在のものとして認識する。ある変化率又は速度ベクトルが他よりも明らかに小さい場合、それは疑似的な認識であるため拒絶される。
【００４３】
中央の２つの領域だけを用いた認識も可能であるが、その場合も変化率又は速度ベクトルが基準として一緒に取り込まれる。ここでも、ある有意な領域の遷移を有効なものと認識するには、それと同時に両方の領域の変化率又は速度ベクトルがほぼ同じ大きさでなければならないということが重要である。一方の変化率又は速度ベクトルが他方よりも明らかに大きければ、測定領域の中心を通過しておらず、それは疑似的な認識である。
【００４４】
本発明の発展形態では、評価ユニットが、ＡＲＣＴＡＮ（半径方向の成分／軸方向の成分）の一次導関数、ＡＲＣＴＡＮ（軸方向の成分／半径方向の成分）の一次導関数、ＡＲＣＴＡＮ（半径方向の成分／軸方向の成分）の二次導関数、又は、ＡＲＣＴＡＮ（軸方向の成分／半径方向の成分）の二次導関数を求め、それにより、磁化方向が所与の場合に磁石の極性を求めることができるように構成される。
【００４５】
発信磁石の磁化方向が所与であるとすれば、ＡＲＣＴＡＮの結果の勾配、即ち一次導関数、又は、湾曲、即ち二次導関数から、運動中の磁石の極性を直接求めることができる。その前提は、ＡＲＣＴＡＮの結果が磁石の極性に依存しないという事実である。
【００４６】
その場合、勾配は磁石の運動方向、つまり前進又は後退を示し、湾曲は勾配の変化を示す。次の表にその関係を示す。
【表１】
2018025540.tif 000003
【００４７】
従って、半径方向の磁場成分の情報と組み合わせれば、領域の遷移が起きなくても、６つの領域のいずれかへの一義的な割り当てが可能である。
【００４８】
本発明の発展形態では、評価ユニットが、軸方向の成分の大きさと半径方向の成分の大きさを求め、それらの大きさの差をとって減算結果を得ることにより、磁化方向が所与の場合に磁石の極性を求めることができるように構成される。
【００４９】
即ち、軸方向に磁化された発信磁石の場合、出力が例えば閾値０．６を超えたら、軸方向の磁場成分に基づいて極性を求めることができる。その場合、磁石の極性は軸方向の磁場成分の極性と一致する。
【００５０】
本発明の発展形態では、少なくとも２つのセンサ素子が測定区間に沿って並べて配置される。これにより、測定領域を拡大し、直線性を改善することができる。そのために、第２のセンサ素子は測定領域の軸に沿って固定的に定められた距離に配置される。両方のセンサ素子が、逆正接の計算により符号は逆であるものの大きさは同じ結果値を出力しているとき、発信磁石は２つのセンサ素子のちょうど中間にある。この値は個々のセンサ素子の特性曲線の湾曲に対する指標として利用することができ、それにより例えば５次の多項式補償関数の係数を適合させることができる。
【００５１】
以下、本発明について、更なる利点及び特徴をも考慮しつつ、模範的な実施例に基づき、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】特に軸方向に磁化された発信磁石の、測定区間に沿った直線的な相対運動を非接触で磁気的に検出するためのセンサ。
【図２】軸方向に磁化された正極性の発信磁石の２つの磁場成分の特性曲線を示すグラフ。
【図３】軸方向に磁化された負極性の発信磁石の２つの磁場成分の特性曲線を示すグラフ。
【図４】領域毎の一定の補正値を示す真理値表。
【図５】軸方向の成分、半径方向の成分、軸方向の成分の勾配、半径方向の勾配及び減算結果の異なる重み付け因子を示す表。
【図６】様々な領域及び異なる発信磁石に対する様々な重み付け因子和。
【図７】図６においてそれぞれ欠落している重み付け因子和。
【図８】評価ユニットにより分析される４つの異なる領域の重み付け因子和。
【図９】軸方向の成分の値、半径方向の成分の値、軸方向の成分の勾配及び半径方向の成分の勾配のそれぞれの重み付け因子、並びに重み付け因子和。
【図１０】２つの一定の補正値で２つの領域において補正された測定区間の位置信号。
【図１１】測定区間に沿って並べて配置された２つのセンサ素子を有するセンサ。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、各図において同一の部分には同一の符号が付されている。
【００５４】
図１は、特に軸方向に磁化された発信磁石２の、測定区間３に沿った直線的な相対運動を少なくとも１つのセンサ素子４を用いて非接触で磁気的に検出するためのセンサ１を示している。センサ素子４は発信磁石２の磁場５の２つの互いに直交する成分を検出し、該センサ素子４とセンサ１は測定区間よりも短く、第１の成分６は軸方向の成分Ｂｘであり、第２の成分７は半径方向の成分Ｂｙであり、評価ユニット９が設けられ、軸方向の成分Ｂｘと半径方向の成分Ｂｙが該評価ユニット９において数学的な関数により評価され、該数学的な関数はＡＲＣＴＡＮ（半径方向の成分Ｂｙ／軸方向の成分Ｂｘ）又はＡＲＣＴＡＮ（軸方向の成分Ｂｘ／半径方向の成分Ｂｙ）であり、これにより、図３のように、発信磁石２の測定区間３に沿った各位置１３に対して値域１２の一つの値１１が対応した、部分毎に単調な位置信号１０が生成され、該位置信号１０は、図４及び図１０のように、測定区間３の少なくとも一領域において一定の補正値２１を用いて補正され、その結果、全測定区間３にわたって単調な値域を有する単調な位置信号１０が生成される。
【００５５】
センサ素子４は発信磁石２の磁場５の２つの互いに直交する成分を検出する。その際、該成分はシリンダ２８の全長にわたり乃至は全測定区間３にわたり検出される。これにより、センサ素子４とセンサ１を測定区間３より短くすることができる。更に、このセンサは測定区間の任意の箇所に配置することができる。
【００５６】
軸方向の成分Ｂｘと半径方向の成分Ｂｙは測定区間３に沿って２つの異なる信号の推移を形成し、それらの組み合わせが発信磁石２の正確な位置１３に関する一義的な情報をもたらす。
【００５７】
評価ユニット９は数学的な関数により軸方向の成分Ｂｘと半径方向の成分Ｂｙを評価する。その数学的な関数は両成分の比率から求められる逆正接、即ち、ＡＲＣＴＡＮ（半径方向の成分Ｂｙ／軸方向の成分Ｂｘ）又はＡＲＣＴＡＮ（軸方向の成分Ｂｘ／半径方向の成分Ｂｙ）である。
【００５８】
図１のセンサ素子４はＴＭＲ技術に基づく角度センサである。この角度センサでは、磁場５の半径方向Ｂｙ及び軸方向の成分Ｂｘを測定するために、２つの部品が互いに対して垂直に配置される。
【００５９】
図１のセンサ素子４は少なくとも１つのアナログ出力２４を有する集積部品である。評価ユニット９は、例えば統合されたＡ／Ｄ変換器を含むマイクロコントローラであり、これにより軸方向の成分Ｂｘ及び半径方向の成分Ｂｙに対応する値を持つ少なくとも１つのアナログ信号を評価ユニット９においてデジタル的に処理できる。
【００６０】
図２のグラフは軸方向に磁化された正極性の発信磁石の２つの磁場成分の特性曲線を示している。位置信号１０には不連続な箇所２９が２つある。
【００６１】
図３のグラフは軸方向に磁化された負極性の発信磁石の２つの磁場成分の特性曲線を示している。もっとも、発信磁石は例えば軸方向又は直径方向のいずれに磁化されていてもよい。ここでも位置信号１０には不連続な箇所２９が２つある。
【００６２】
図３では、まず、発信磁石の測定区間に沿った各位置に対して値域の一つの値が対応した、部分毎に単調な位置信号１０が生成されている。しかし、ピストン行程が十分に大きい場合や測定領域が十分に大きい場合、この信号にはまだ不連続な箇所２９がある。逆正接の結果におけるこの不連続な箇所２９は、値域がπ／２から−π／２に制限されていることから生じる。
【００６３】
図２及び図３のように、評価ユニットは測定区間３を少なくとも４つの領域Ｂに分割するように構成されており、該領域Ｂの境界は、ＡＲＣＴＡＮの値域の不連続な箇所２９及び位置信号１０が最大の勾配を示す箇所にそれぞれある。
【００６４】
評価ユニット９は測定区間３を６つの領域Ｂ、即ちＢ１からＢ６に分割するように構成されており、該領域Ｂの２つの追加の境界はＡＲＣＴＡＮの値域の不連続な箇所２９と位置信号１０が最大の勾配を示す箇所との間にある。
【００６５】
領域Ｂ１〜Ｂ６の形成により、位置信号１０を個々の領域Ｂでそれぞれ個別に分析し、位置信号１０の領域Ｂをそれぞれ個別に補正することができる。
【００６６】
この逆正接の制限を回避するため、図４のように、測定区間３の領域Ｂ１及びＢ６における結果乃至位置信号１０を一定の補正値２１を用いて補正することで、図１０に示したように、全測定区間３にわたって単調な値域を有する単調な位置信号１０を生成する必要がある。
【００６７】
図４のように、評価ユニットは真理値表２６を用いて位置信号の値の補正を行うように構成され、該真理値表２６は領域Ｂ１〜Ｂ６毎に一定の補正値２１、つまり０（ゼロ）、＋π及び−πを示している。
【００６８】
例えば４つの領域が形成されている場合、位置信号は例えば１番目の領域と４番目の領域で補正される。また、例えば図４のように６つの領域Ｂ１〜Ｂ６が形成されている場合、位置信号は例えば１番目の領域Ｂ１と６番目の領域Ｂ６で補正される。真理値表２６の一定の補正値２１は、例えば＋π又は−π、乃至はそれらと同等の電圧値である。
【００６９】
軸方向に磁化された発信磁石と比べて、直径方向に磁化された磁石では軸方向と半径方向の成分の特性曲線が入れ替わる。両成分が入れ替わった後は、軸方向に磁化された磁石の場合と同じグラフが得られる。
【００７０】
図３において、評価ユニットは、各領域Ｂ１〜Ｂ６における軸方向の成分の値の勾配及び／又は半径方向の成分の値の勾配を検出するように構成されている。
【００７１】
これにより、磁石の極性、つまり発信磁石が負極性又は正極性のいずれであるかが特定される。２つの磁場成分、つまり軸方向の成分Ｂｘと半径方向の成分Ｂｙの値乃至測定値だけでは、場合によっては全ての領域Ｂ１〜Ｂ６における全ての場合に対しては一義的な結果が得られなくなる。軸方向の成分Ｂｘ及び半径方向の成分Ｂｙの現在の勾配に関する追加情報があれば、発信磁石が運動中の場合に一義的な割り当てができる。
【００７２】
更に評価ユニットは、半径方向の成分の大きさと軸方向の成分の大きさを求め、それらの大きさの差をとって減算結果を得るように構成されている。これにより、部分的に直線状になった補助特性曲線が作られる。
【００７３】
図５のように、軸方向の成分の値Ｂｘ、半径方向の成分の値Ｂｙ、軸方向の成分の勾配Ｂｘｄｘ、半径方向の成分の勾配Ｂｙｄｘ、及び減算結果ＳＥ、即ちＳＥ＝｜Ｂｘ｜−｜Ｂｙ｜が、それぞれ異なる重み付け因子Ｇで重み付けされ、特に該重み付け因子Ｇが２のべき乗に対応している。各領域の評価は個々のパラメータの二値的な重み付けにより行われる。この重み付けにより各値及び各勾配並びに減算結果ＳＥを計算上互いに区別することができる。特に、重み付け因子Ｇは評価ユニットにおいてデジタル的に容易に処理することができる。
【００７４】
図９のように、評価ユニットは、各領域の軸方向の成分の値Ｘ、半径方向の成分の値Ｙ、軸方向の成分の勾配、半径方向の成分の勾配、及び例えば減算結果（図９には示していない）の重み付け因子を加算してその都度重み付け因子和ＧＳを求めるように構成されている。
【００７５】
これにより重み付け因子和ＧＳが求められ、発信磁石の磁化及び／又は極性を検出乃至認識するために、評価ユニットにおいて図６のように複数の重み付け因子和ＧＳを評価することができる。
【００７６】
図７には、図６において欠落している重み付け因子和が示されている。
【００７７】
例えば、図８のように、４つの異なる領域の重み付け因子和ＧＳを評価ユニットにより分析すれば、磁化を特定乃至認識することができる。
【００７８】
また評価ユニットは、図６のように、重み付け因子和ＧＳから発信磁石の極性を特定するように構成されている。
【００７９】
磁化が分かれば、評価対象は極性だけに絞られる。極性は、例えば２つの領域、即ち図６では領域Ｂ３と領域Ｂ４の重み付け因子和ＧＳを観察するだけで既に特定乃至認識することができる。
【００８０】
図１０のように、評価ユニットは、求められた重み付け因子和に基づいて、測定区間３の少なくとも１つの領域、即ち領域Ｂ１及びＢ６における位置信号１０を一定の補正値で補正することで、全測定区間３にわたって単調な値域を有する単調な位置信号１０を生成するように構成されている。
【００８１】
図１１では、少なくとも２つのセンサ素子４が測定区間３に沿って並べて配置されている。これにより、測定領域を拡大し、直線性を改善することができる。そのために、第２のセンサ素子４は第１のセンサ素子４に対して測定領域の軸に沿って固定的に定められた距離に配置されている。両方のセンサ素子４が、逆正接の計算により符号は逆であるものの大きさは同じ結果値を出力しているとき、発信磁石２は２つのセンサ素子４のちょうど中間にある。この値は個々のセンサ素子４の特性曲線の湾曲に対する指標として利用することができ、それにより例えば５次の多項式補償関数の係数を適合させることができる。
【符号の説明】
【００８２】
１…センサ
２…発信磁石
３…測定区間
４…センサ素子
５…磁場
６…第１の成分
Ｂｘ…軸方向の成分
７…第２の成分
Ｂｙ…半径方向の成分
９…評価ユニット
１０…位置信号
１１…値
１２…値域
１３…位置
Ｂ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６…領域
２１…一定の補正値
２４…アナログ出力
２６…真理値表
２８…シリンダ
２９…不連続箇所
｜Ｂｘ｜…軸方向の成分の大きさ
｜Ｂｙ｜…半径方向の成分の大きさ
ＳＥ…減算結果
Ｘ…軸方向の成分の値
Ｙ…半径方向の成分の値
Ｂｘｄｘ…軸方向の成分の勾配
Ｂｙｄｘ…半径方向の成分の勾配
Ｇ…重み付け因子
ＧＳ…重み付け因子和
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
2018025540000001.pdf