(57)【要約】【課題】望ましくない外部磁場に対して実質的に鈍感であり、３６０°の測定範囲を有する固定子に対する回転子の絶対角度位置を測定するための装置等を提供する。【解決手段】  磁気センサ装置（（１００、１５０、２２０）は、磁石アセンブリ（２５、３１）及び磁気センサ（６）を備え、磁石アセンブリ（２５、３１）は、磁気センサ（６）の場所で、異なる角度周期性を有する少なくとも２つの磁場成分（Ｂｐ、Ｂｓ）を有する磁場を形成し、磁気センサ（６）は、異なる磁場成分（Ｂｐ、Ｂｓ）を検知して、少なくとも第１及び第２のセンサ素子信号を生成するための手段を含み、演算素子は、少なくとも第１及び第２のセンサ素子信号を受信し、それらを結合してセンサに対する磁石の固有の角度位置を生成する。固有の角度位置を決定する方法も提供される。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気センサ装置（１００、１５０、２４０）であって、
−磁石アセンブリ（２５、３１）及び磁気センサ（６）であって、前記磁石アセンブリ（２５、３１）が、前記磁気センサ（６）の場所に異なる角度周期性を有する少なくとも２つの磁場成分（Ｂｐ、Ｂｓ）を有する磁場を形成し、前記磁気センサ（６）が、前記異なる磁場成分（Ｂｐ、Ｂｓ）を検知して、少なくとも第１及び第２のセンサ素子信号を生成するための手段を含む、磁石アセンブリ（２５、３１）及び磁気センサ（６）と、
−前記少なくとも第１及び第２の信号を受信し、それらを結合して、前記センサ（６）に対する前記磁石の固有の角度位置を生成する演算素子と、を備える、磁気センサ装置。
【請求項２】
前記磁石アセンブリが、単一の磁石、つまり連続的な磁化材料の素子である、請求項１に記載の磁気センサ装置。
【請求項３】
前記磁石アセンブリが、異なる大きさの２つ以上の磁極を有する、請求項１または請求項２に記載の磁気センサ装置。
【請求項４】
前記磁石アセンブリが、異なるセクタを有し、前記異なる大きさが、前記磁石アセンブリの差分セクタ磁化の結果である、請求項３に記載の磁気センサ装置。
【請求項５】
前記差分セクタ磁化が、異なるセクタの磁化強度もしくは異なるセクタ領域、またはそれらの組み合わせの結果である、請求項４に記載の磁気センサ装置。
【請求項６】
前記磁石アセンブリが、永久磁石を含むことができる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気センサ装置。
【請求項７】
前記磁石アセンブリが、コイル及び磁石コントローラの装置である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気センサ装置。
【請求項８】
前記磁石アセンブリが、異なる大きさの２つ以上の極を有し、前記磁石コントローラが、異なる大きさの前記極を形成するために、前記コイルに電流に対する異なる電圧を提供する、請求項７に記載の磁気センサ装置。
【請求項９】
前記磁気センサが、２つ以上のセンサ素子を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁気センサ装置。
【請求項１０】
前記演算素子が、前記第１のセンサ素子信号及び前記第２のセンサ素子信号を結合して、前記センサに対する前記磁石の前記固有の角度位置を生成する回路を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁気センサ装置。
【請求項１１】
前記磁気センサが、表面と、電気出力を提供し、前記磁気センサの前記表面に配設された２つ以上の検知素子と、を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の磁気センサ装置。
【請求項１２】
前記検知素子の前記電気出力が、前記第１のものを第２の信号で生成するように線形結合される、請求項１１に記載の磁気センサ装置。
【請求項１３】
前記磁場検知素子が、前記表面に対して垂直であるか、または前記表面に平行であるか、またはそれらの組み合わせである磁場に敏感である、請求項１２に記載の磁気センサ装置。
【請求項１４】
前記演算素子手段が、フーリエ変換回路を含まない、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の磁気センサ装置。
【請求項１５】
磁気センサ（６）に対する磁石アセンブリ（２５、３１）の固有の角度位置を決定する方法であって、
前記磁石アセンブリ（２５、３１）が、前記磁気センサ（６）の前記場所に異なる角度周期性を有する少なくとも２つの磁場成分（Ｂｐ、Ｂｓ）を有する磁場を形成し、
前記磁気センサ（６）が、検知手段と、演算素子と、を含む、方法であって、
−前記磁気センサ（６）を検知するための前記手段を使用して、前記異なる磁場成分（Ｂｐ、Ｂｓ）を検知して、少なくとも第１及び第２のセンサ素子信号を生成することと、
−前記演算手段を使用して、前記少なくとも第１及び第２のセンサ素子信号を受信し、それらを結合して、前記固有の角度位置を生成することと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場を使用する角度位置センサの分野に関する。より詳細には、本発明は、非接触装置及び特定の磁石、センサデバイス、そのような磁石を使用して、０°〜３６０°の範囲の角度位置を決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転角度の測定は、手動電気スイッチまたは、モータもしくはバルブなどの位置検出など、様々な用途に必要とされている。コスト及び精度の制約に応じて、この作業は、機械的接触、ポテンショメータ、光学式エンコーダ、または磁気式エンコーダなどのさまざまな方法で行うことができる。
【０００３】
現代の集積回路技術は、磁気センサ及びその読み出し回路、ならびに角度計算エレクトロニクスを単一のチップ上に集積する可能性を提供する。これは、回転子に据え付けられた永久磁石と、固定子に据え付けられたモノリシックに集積されたセンサとからなる機械的回転の検出器を、競争力のあるコストと良好な性能で提供することを可能にする。磁石を有する回転子とセンサを有する固定子との間の機械的接触がないことは、センサの密閉封入が可能にする。これにより、過酷な環境条件下で摩耗のない角度測定が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】欧州特許第０９１６０７４号公報
【特許文献２】米国出願公開第２００２／００２１１２４号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１４／０２９８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電気システムのコンパクトさの増大、特にハイブリッドエンジンシステムの到来を伴う自動車では、そのような位置センサは、さらに、強電流（例えば、１００Ａ超）を有する近くの電流導体からの外部磁場に曝される。このような条件下で高い検知精度を維持するために、センサは強磁性シールドによってシールドすることができ、またはそのような場に対して本質的に頑強にする必要がある。
【０００６】
特許文献１は、０°から３６０°の範囲の角度を測定することができる角度位置センサを記載している。
【０００７】
特許文献２は、１つ以上のいわゆる磁場コンセントレータ（略称「ＩＭＣ」）を使用して、ＩＭＣの下に位置する水平ホール素子、またはＩＭＣの縁部に接して位置する垂直ホール素子のいずれかと組み合わせて、磁力線を曲げるための位置センサを記載している。
【０００８】
本発明と同一の出願人によって出願された特許文献３は、多極子磁石と、円上に配列された複数のセンサ素子を含むセンサと、を含む角度位置測定装置を記載している。角度位置を計算するための２つのアルゴリズムが開示されている。そこに記載されたセンサは、外部場（「Ｆｒｅｍｄｆｅｌｄ」）に対する鈍感性のようないくつかの有利な特徴を提供するが、この装置の欠点は、角度位置範囲が３６０°の整数分率のみに、すなわち、４極子磁石の場合は１８０°、６極磁石の場合は１２０°、高次磁石の場合はさらに少ない角度に制限されることである。
【０００９】
本発明の目的は、望ましくない外部磁場（「Ｆｒｅｍｄｆｅｌｄ」）に対して実質的に鈍感であり、３６０°の測定範囲を有する固定子に対する回転子の絶対角度位置を測定するための装置、方法、及びセンサデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、本発明の実施形態による装置及び方法によって達成される。
【００１１】
第１の態様では、本発明は、磁石アセンブリ及び磁気センサを備える磁気センサ装置を提供する。磁石アセンブリは、磁気センサの場所に異なる角度周期性を有する少なくとも２つの磁場成分を有する磁場を形成するように配列され、磁気センサは、異なる磁場成分を検知して、少なくとも第１及び第２のセンサ素子信号を生成する手段を含む。磁気センサ装置はさらに、少なくとも第１及び第２の信号を受信し、これらを結合してセンサに対する磁石の固有の角度位置を生成するための演算素子を備える。
【００１２】
このような磁気センサ装置の利点は、全３６０°の範囲の角度を提供できることである。
【００１３】
本発明の実施形態の利点は、この装置が一定の外部磁場に対して非常に鈍感（頑強）であることである。
【００１４】
本発明の実施形態では、磁石アセンブリは、磁化された材料の連続要素を意味する、単一の磁石であり得る。
【００１５】
本発明の実施形態では、磁石アセンブリは、異なる大きさの２つ以上の磁極を有することができる。磁石アセンブリは異なるセクタを有してもよく、異なる大きさは磁石アセンブリの差分セクタ磁化の結果であってもよい。本発明の実施形態では、差分セクタ磁化は、異なるセクタの磁化強度または異なるセクタ領域の結果であってもよく、またはそれらの組み合わせであってもよい。
【００１６】
本発明の実施形態では、磁石アセンブリは、永久磁石であってもよいし、永久磁石を含んでもよい。別の実施形態では、磁石アセンブリは、コイル及び磁石コントローラの装置とすることができる。後者の実施形態では、磁石アセンブリは、異なる大きさの２つ以上の磁極を有してもよく、磁石コントローラは、異なる大きさの磁極を形成するためにコイルに電流に対する異なる電圧を供給してもよい。
【００１７】
本発明の実施形態では、磁気センサは、２つ以上のセンサ素子を備えてもよい。
【００１８】
本発明の実施形態では、演算素子は、第１及び第２のセンサ素子信号を結合する回路を含むことができる。
【００１９】
本発明の特定の実施形態では、磁気センサは、表面と、電気出力を提供し、磁気センサの表面に配設された２つ以上の検知素子と、を有する。検知素子の電気出力は、線形結合され、第１及び第２の信号を生成することができる。磁場検知素子は、表面に垂直であるか、または表面に平行な磁場またはそれらの組み合わせに敏感であり得る。
【００２０】
本発明の実施形態では、演算素子手段は、フーリエ変換回路を含まない。
【００２１】
第２の態様では、本発明は、センサに対する磁石アセンブリの固有の角度位置を決定する方法を提供し、磁石アセンブリは、磁気センサの場所に異なる角度周期性を有する少なくとも２つの磁場成分を有する磁場を形成し、磁気センサは、検知するための手段と、演算素子とを含む。この方法は、磁気センサを検出するための手段を使用して、異なる磁場成分を検出して少なくとも第１及び第２のセンサ素子信号を生成することと、少なくとも第１及び第２のセンサ素子信号を受信し、それらを結合して演算手段を使用して該固有の角度位置を生成することと、を含む。少なくとも１つのセンサを使用して、少なくとも第１及び第２のセンサ素子信号を検知することができる。
【００２２】
本発明の特定の好ましい態様は、添付の独立請求項及び従属請求項に記載されている。従属請求項からの特徴は、独立請求項の特徴及び適切かつ単に請求項に明記されない他の従属請求項の特徴と結合させることができる。
【００２３】
本発明を要約する目的及び先行技術を超えて達成される利点のために、本発明の特定の目的及び利点を上記で説明した。もちろん、そのような目的または利点の全てが必ずしも本発明の特定の実施形態に従って達成されるわけではないことを理解されたい。したがって、例えば、本明細書に教示または示唆されるような他の目的または利点を必ずしも達成することなく、本明細書に教示された利点または利点群を達成または最適化する方法で本発明を具現化または実施できることを当業者は認識するであろう。
【００２４】
本発明の上記及び他の態様は、以下に記載される実施形態（複数含む）を参照して明らかになるであろう。
【００２５】
ここで、添付の図面を参照して、例として、本発明をさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】特許文献３の図２のコピーであり、４極子ディスク磁石を使用して１８０°範囲での絶対角度位置測定のための先行技術の装置を示している。磁極の数、センサ素子の数及び使用されるアルゴリズムに依存して、このセンサ装置は、一定の外乱場に対して非常に鈍感である。
【図２】特許文献３の図２４のコピーであり、図１と同様の先行技術の装置を示すが、一定の外部場の代わりに、電流導線によって生じる外部磁場が示されている。磁極の数、センサ素子の数及び使用されるアルゴリズムに依存して、センサは、磁場勾配を有する外乱磁場に対しても鈍感である。この先行技術のセンサの測定範囲も１８０°である。
【図３】特許文献３の図６のコピーであり、上面図（図３の底部）及び内側面図（図３の上部）に示されている中心開口を有する４極子リング磁石の例を示す。図３はまた、磁石からの距離に位置する平面内の先行技術のセンサデバイスのセンサ素子の例示的な位置を示す。
【図４】特許文献３の図７のコピーであり、磁石表面から３ｍｍ下方の距離にある図３の４極子リング磁石の接線方向場成分「Ｂｔ」のシミュレーションを示す。外側及び中間の円は、リング磁石の外径及び内径に対応する。内側の円は、センサ素子が載置される仮想円に対応する。
【図５】特許文献３の図１５のコピーであり、（線Ａ−Ａ上で測定できるように）半径の関数として図４の接線磁場成分「Ｂｔ」の強度を示している。
【図６】特許文献３の図９のコピーであり、磁石表面から３ｍｍ下方の距離にある図３の４極子リング磁石の半径方向場成分「Ｂｒ」のシミュレーションを示す。図４と同一のリングが示されている。
【図７】特許文献３の図１４のコピーであり（線Ａ−Ａ上で測定できるように）半径の関数として、図６の半径方向磁場成分「Ｂｒ」の強度を示している。
【図８】特許文献３の図１１のコピーであり、磁石表面から３ｍｍ下方の距離にある図３の４極子リング磁石の軸方向場成分「Ｂｚ」のシミュレーションを示す。図４と同一のリングが示されている。
【図９】特許文献３の図１３のコピーであり、（線Ａ−Ａ上で測定できるように）半径の関数として図８の軸方向磁場成分の強度を示している。
【図１０】本発明の第１の実施形態の装置を示す図である。これは、４極子と単一双極子とから構成される磁石と、第１の円上に配列された複数の１次センサ素子を含むセンサデバイスとを含む。４極子によって発生した場は、１次磁場「Ｂｐ」と呼ばれる。双極子によって発生した場は、２次磁場「Ｂｓ」呼ばれる。
【図１１】単一の円筒双極子によって発生する磁場の典型的な例を示す。この磁場の下部は、センサ素子によって「見える」磁場である。
【図１２（ａ）】１次センサ素子を有する第１の円の拡大図を示し、図１０の円筒双極子によって発生した２次磁場「Ｂｓ」のＸＹ平面内の磁力線を示す。また、センサ素子を有する半径の典型的な相対的な寸法、及び双極子からの距離を示す。
【図１２（ｂ）】距離の関数として双極子によって発生した２次磁場「Ｂｓ」の典型的な大きさ曲線を示す。
【図１２（ｃ）】径方向または接線方向にそれぞれ配向された垂直ホール素子によって測定された１次信号の和及び差に及ぼす、この２次磁場Ｂｓの影響を示す。
【図１２（ｄ）】径方向または接線方向にそれぞれ配向された垂直ホール素子によって測定された１次信号の和及び差に及ぼす、この２次磁場Ｂｓの影響を示す。
【図１３】図１３（ａ）及び図１３（ｃ）は図１０の４極子によって発生する１次磁場「Ｂｐ」の軸方向場成分「Ｂｚ」に対するコンピュータシミュレーションであり、図１３（ｂ）及び図１３（ｄ）は４極子によって発生した１次磁場「Ｂｐ」と図１０の双極子によって発生した２次磁場「Ｂｓ」とを含む結合磁場の軸方向場成分「Ｂｚ」のコンピュータシミュレーションである。
【図１４】図１４（ａ）は４極子によって発生した図１３（ａ）の１次磁場「Ｂｐ」の軸方向場成分の「Ｂｚ」信号の一例を示す図であり、図１４（ｂ）は図１３（ｃ）の１次及び２次結合磁場の軸方向場成分の「Ｂｚ」信号の一例を示す図であり、図１４（ｃ）は図１４（ａ）に示すような信号を加算して減算すること及び特定の公式を使用して、その位相シフトされたバージョンにより得られる第１、第２の差信号「ｄｉｆｆ１」、「ｄｉｆｆ２」を示し、図１４（ｄ）は図１４（ｂ）の信号及びその位相シフトされたバージョンに基づく第１及び第２の差信号「ｄｉｆｆ１」、「ｄｉｆｆ２」を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態としての第２の装置を示す図である。この装置は、４極子と、回転軸の両側に位置し、回転軸から同一の距離にあり、反対方向に配向された２つの同一の円筒双極子とからなる永久磁石を含む。
【図１６（ａ）】図１５の２つの双極子によって発生した２次磁場「Ｂｓ」のＸＹ平面内の磁力線を示す（４極子の場は示されていない）。
【図１６（ｂ）】この２次磁場「Ｂｓ」が半径方向または接線方向に配向された垂直ホール素子によって測定された１次信号の和及び差に及ぼす影響を示す。
【図１６（ｃ）】この２次磁場「Ｂｓ」が半径方向または接線方向に配向された垂直ホール素子によって測定された１次信号の和及び差に及ぼす影響を示す。
【図１７】本発明の一実施形態による角度位置を０°〜３６０°の範囲で算出する方法を示すフローチャートである。最初の２つのステップは、特許文献３に記載されている「第２のアルゴリズム」とまったく同一である。これらのステップは、４極子の場合には０°〜１８０°の範囲の角度α１を提供する。残りのステップは、２次磁場を使用して１次角度α１を０°〜３６０°の範囲の角度に変換するために使用される。
【図１８】図１６（補正ステップ１７４の後、すなわち４極子によって発生した１次磁場「Ｂｐ」の「除去」の後の１次センサ素子から得られる信号に対応する、図１５の２つの双極子によって発生した）の２次磁場の方向（以下、「２次角度α２」と称する）が、４極子によって発生した回転対称磁場の半径方向成分「Ｂｒ」を測定するように配列された（同一の）垂直ホール素子を含む。
【図１９】図１６（補正ステップ１７４の後、すなわち４極子によって発生した１次磁場「Ｂｐ」の「除去」の後の１次センサ素子から得られる信号に対応する、図１５の２つの双極子によって発生した）の２次磁場の方向（以下、「２次角度α２」と称する）が、４極子によって発生した回転対称磁場の接線方向成分「Ｂｔ」を測定するように配列された（同一の）垂直ホール素子を含む。
【図２０】図２０（ａ）〜図２０（ｇ）は図１８及び図１９で決定した２次角度α２に対する外乱場の影響を示している。
【図２１】図１８の変形例である。
【図２２】図１９の変形例である。（図３２または図３３に示された磁石の２つの外側リングセグメントによって発生した第２の場「Ｂｓ」の磁力線を示し、補正ステップ１７４の後、すなわち４極子によって生成された１次場「Ｂｐ」の「除去」の後の１次センサ素子から得られた信号に対応する）。
【図２３】図１４（ｂ）及びその位相シフトされたバージョンの信号のような２つの「Ｂｚ」信号の比較を、１次角度α１を完全な３６０°範囲の角度に変換するために使用することができるかを示す図である。
【図２４】本発明の第３の実施形態の別の例示装置を示す図である。この装置は、４極子と３つの同一の円筒双極子から構成された永久磁石を含み、その少なくとも２つは異なる方向に配向されている。
【図２５】図２５〜図３０は本発明の実施形態で使用可能なセンサデバイスのいくつかの例を示し、図２５は、第１の円上に配列され、Ｘ−Ｙ平面内の半径方向場成分「Ｂｒ」を測定するように配向された垂直ホール素子の形態の８つの１次センサ素子及び第２の円上に配列され、任意選択で、Ｘ−Ｙ平面に垂直な垂直方向場成分「Ｂｚ」を測定するために配向された２つの追加の水平ホール素子の形態の複数の少なくとも２つの２次センサを有する本発明の実施形態によるセンサデバイスを示す。
【図２６】第１の円上に配列され、Ｘ−Ｙ平面内の接線方向場成分「Ｂｔ」を測定するように配向された垂直ホール素子の形態の８つの１次センサ素子、及び任意選択で第２の円上に配列され、任意選択で、Ｘ−Ｙ平面に垂直な垂直方向場成分「Ｂｚ」を測定するために配向された２つの水平ホール素子の形態の複数の少なくとも２つの２次センサを有する本発明の実施形態によるセンサデバイスを示す。
【図２７（ａ）】８個の水平ホール素子を有し、中央ディスクと複数の細長いストリップとの形態の集積磁場コンセントレータをさらに備えた本発明の実施形態によるセンサデバイスの上面図を示し、ホール素子は、中央ディスクの下に配列される。この図は特許文献３の図２６と同様であるが、センサ素子及びストリップの数は異なり、角度を計算するためのアルゴリズムは異なる。
【図２７（ｂ）】は、センサ素子とその信号を示す。
【図２８（ａ）】図２７（ａ）の上面図に示すセンサデバイスの変形例の上面図を示す。８つの１次センサ素子は、細長いストリップの下に位置する。この図は、特許文献３の図２７と同様であるが、センサ素子とストリップの数は異なり、角度を計算するアルゴリズムは異なる。
【図２８（ｂ）】は、センサ素子とその信号を示す。
【図２９】８対の水平ホール素子を有し、第１の円の上方に配列されたリングセグメントの形態の集積磁場コンセントレータ（ＩＭＣ）をさらに備える、本発明によるセンサデバイスの実施形態を示す。この図は特許文献３の図１９と同様であるが、センサ素子とストリップの数は異なり、角度を計算するアルゴリズムは異なる。
【図３０】図２９の変形例を示す図であり、第２の円上に配列された複数の少なくとも２つの第２のホール素子をさらに備える。
【図３１】図３１〜図５９は本発明の実施形態で使用可能な磁石のいくつかの例を示し、図３１は一定でない厚さの４極子ディスク磁石の例を示す。
【図３２】中心部が４極子のディスク磁石であり、外部が垂直方向（図面の奥行き方向）に磁化された２つのリング状セグメントの例を示す。
【図３３】中心部が４極子のディスク磁石であり、外部が垂直方向（図面の奥行き方向）に磁化された２つのリング状セグメントの例を示す。
【図３４】一定の厚さの４つのディスクセグメントを有するが、サイズが異なる少なくとも２つのディスクセグメントを有する不規則な４極子ディスク磁石の例を示す。
【図３５】偏心磁化を有する不規則な４極子ディスク磁石の他の例を示す図である。この磁石は、磁石の幾何学的中心が回転子の回転軸上に位置するように取り付けられるが、磁気の「ゼロ点」は該回転軸からオフセットされる。
【図３６】（上面図）本発明の実施形態で使用することができる永久磁石アセンブリを示しており、磁石アセンブリは、２つの第１のサイズ、２つの第１のサイズとは異なる第２のサイズで、エポキシまたはポリマーなどの結合材料によって一緒に保持される４つの別々の円筒双極子磁石よりなる。１次磁場は４極子であり、２次磁場は２つの垂直双極子の組み合わせである。
【図３７】（斜視図）本発明の実施形態で使用することができる永久磁石アセンブリを示しており、磁石アセンブリは、２つの第１のサイズ、２つの第１のサイズとは異なる第２のサイズで、エポキシまたはポリマーなどの結合材料によって一緒に保持される４つの別々の円筒双極子磁石よりなる。１次磁場は４極子であり、２次磁場は２つの垂直双極子の組み合わせである。
【図３８】（上面図）本発明の実施形態で使用することができる永久磁石アセンブリを示しており、磁石アセンブリは、４つの別個の円筒双極子磁石、３つの第１のサイズ、１つの第１のサイズとは異なる第２のサイズの４つの別々の円筒双極子磁石よりなる。１次磁場は４極子であり、２次磁場は単一の垂直双極子である。
【図３９】（斜視図）本発明の実施形態で使用することができる永久磁石アセンブリを示しており、磁石アセンブリは、４つの別個の円筒双極子磁石、３つの第１のサイズ、１つの第１のサイズとは異なる第２のサイズの４つの別々の円筒双極子磁石よりなる。１次磁場は４極子であり、２次磁場は単一の垂直双極子である。
【図４０】本発明の実施形態で使用することができる不規則な４極子の上面図であり、４極子は、同一のサイズの、全て同一の直立位置（例えば、センサの平面に対して９０°未満）に配向された４つの別個の円筒双極子磁石のみからなる磁石アセンブリの形態である。３つの双極子は、回転軸上に中心が位置する円上に位置するが、双極子の１つは、該円に対して半径方向内側または外側にシフトする。
【図４１】本発明の実施形態で使用することができる不規則な４極子の斜視図であり、４極子は、同一のサイズの４つの別個の円筒双極子磁石のみからなる磁石の形態であり、全て円形である回転軸上に位置する中心を有する円上に位置する。３つの双極子は、センサの平面に平行に配向され、一方の双極子は、センサ平面に垂直な該方向に対して１０°〜９０°の範囲の角度で傾斜する。
【図４２】（上面図）本発明の実施形態で使用することができる永久磁石アセンブリを示しており、磁石アセンブリは、６つの円筒双極子磁石よりなり、４極子を形成する第１のサイズの４つ（内側）円筒双極子と、２次磁場を発生する第２のサイズの２つの（外側の）円筒双極子とを含む。回転軸は、２つの双極子間の真ん中にある。
【図４３】図４２に示す磁石アセンブリの変形例であり、同一の円筒磁石からなるが、２つの外側磁石は対称的に位置合わせされていない。また、この磁石アセンブリは、本発明の実施形態で使用されてもよい。
【図４４】本発明の実施形態で使用することができる磁石の例を示しており、磁石は４極子リング磁石の形態である１つの内側部分と、リングセグメントの形態である２つの外側部分を有する。
【図４５】本発明の実施形態で使用することができる磁石の例を示しており、磁石は４極子リング磁石の形態である１つの内側部分と、リングセグメントの形態である２つの外側部分を有する。
【図４６】本発明の実施形態で使用することができる磁石の例を示しており、磁石は４極子リング磁石の形態である１つの内側部分と、リングセグメントの形態である２つの外側部分を有する。
【図４７】本発明の実施形態で使用することができる磁石の例を示しており、磁石は４極子リング磁石の形態である１つの内側部分と、リングセグメントの形態である２つの外側部分を有する。
【図４８】本発明の実施形態で使用することができる磁石の例を示しており、磁石は４極子リング磁石の形態である１つの内側部分と、リングセグメントの形態である２つの外側部分を有する。
【図４９】本発明の実施形態で使用され得る磁石を示し、磁石は、４極リング磁石の形態の１つの内側部分と、ビームの形態のリング磁石の外側に位置する２つの双極子とを含む。
【図５０】本発明の実施形態で使用することができる図４４〜図４９に示す磁石の変形例であり、磁石は、４極子リング磁石の形態の外側部分と、リングセグメントまたは回転非対称である２次磁場を形成するためのビームの形態の内側部分とを有する。
【図５１】本発明の実施形態で使用することができる図４４〜図４９に示す磁石の変形例であり、磁石は、４極子リング磁石の形態の外側部分と、リングセグメントまたは回転非対称である２次磁場を形成するためのビームの形態の内側部分とを有する。
【図５２】本発明の実施形態で使用することができる図４４〜図４９に示す磁石の変形例であり、磁石は、４極子リング磁石の形態の外側部分と、リングセグメントまたは回転非対称である２次磁場を形成するためのビームの形態の内側部分とを有する。
【図５３】本発明の実施形態で使用することができる図４４〜図４９に示す磁石の変形例であり、磁石は、４極子リング磁石の形態の外側部分と、リングセグメントまたは回転非対称である２次磁場を形成するためのビームの形態の内側部分とを有する。
【図５４】本発明の実施形態で使用することができる図４４〜図４９に示す磁石の変形例であり、磁石は、４極子リング磁石の形態の外側部分と、リングセグメントまたは回転非対称である２次磁場を形成するためのビームの形態の内側部分とを有する。
【図５５】本発明の実施形態で使用することができる図４４〜図４９に示す磁石の変形例であり、磁石は、４極子リング磁石の形態の外側部分と、リングセグメントまたは回転非対称である２次磁場を形成するためのビームの形態の内側部分とを有する。
【図５６】本発明の実施形態で使用可能であり、回転対称の６極子（１２０°の周期性を有する）、回転非対称である２次磁場を形成するための１つまたは２つまたは３つの垂直双極子を形成するように適合された磁石アセンブリのいくつかの例を示す。これらの磁石は、１２個の１次センサ素子（４つのグループ×３つの要素／グループ）を有するセンサデバイスと連結して使用される。
【図５７】本発明の実施形態で使用可能であり、回転対称の６極子（１２０°の周期性を有する）、回転非対称である２次磁場を形成するための１つまたは２つまたは３つの垂直双極子を形成するように適合された磁石アセンブリのいくつかの例を示す。これらの磁石は、１２個の１次センサ素子（４つのグループ×３つの要素／グループ）を有するセンサデバイスと連結して使用される。
【図５８】本発明の実施形態で使用可能であり、回転対称の６極子（１２０°の周期性を有する）、回転非対称である２次磁場を形成するための１つまたは２つまたは３つの垂直双極子を形成するように適合された磁石アセンブリのいくつかの例を示す。これらの磁石は、１２個の１次センサ素子（４つのグループ×３つの要素／グループ）を有するセンサデバイスと連結して使用される。
【図５９】本発明の実施形態で使用可能であり、回転対称の６極子（１２０°の周期性を有する）、回転非対称である２次磁場を形成するための１つまたは２つまたは３つの垂直双極子を形成するように適合された磁石アセンブリのいくつかの例を示す。これらの磁石は、１２個の１次センサ素子（４つのグループ×３つの要素／グループ）を有するセンサデバイスと連結して使用される。
【図６０】本発明の実施形態で使用可能であり、回転対称の６極子（１２０°の周期性を有する）、回転非対称である２次磁場を形成するための１つまたは２つまたは３つの垂直双極子を形成するように適合された磁石アセンブリのいくつかの例を示す。これらの磁石は、１２個の１次センサ素子（４つのグループ×３つの要素／グループ）を有するセンサデバイスと連結して使用される。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図面は概略的なものに過ぎず、限定的ではない。図面において、要素のいくつかのサイズは、説明のために誇張されており、縮尺通りに描かれていない場合がある。寸法及び相対的な寸法は、必ずしも本発明を実施するための実際の縮小に対応するものではない。
【００２８】
特許請求の範囲の参照符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００２９】
異なる図面において、同一の参照符号は、同一のまたは類似の要素を指す。
【００３０】
本発明は、個別の実施形態に関して、及び特定の図面を参照して説明されるが、本発明はそれに限定されず、請求項によってのみ限定される。
【００３１】
説明及び特許請求の範囲における第１、第２などの用語は、類似の要素を区別するために使用され、必ずしも時間的に、空間的に、または他の方法で順序を記述するためではない。そのように使用される用語は、適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載された本発明の実施形態は、本明細書に記載または図示されている以外の順序で動作可能であることを理解されたい。
【００３２】
さらにその上、説明及び特許請求の範囲における上部（ｔｏｐ）、下部（ｂｏｔｔｏｍ）、前部（ｆｒｏｎｔ）、後部（ｂａｃｋ）、先行（ｌｅａｄｉｎｇ）、後続（ｔｒａｉｌｉｎｇ）、下方（ｕｎｄｅｒ）、上方（ｏｖｅｒ）などのような方向の用語は、記載されている図面の方向を参照して説明目的で使用されており、相対的な位置を記述するために必要ではない。本発明の実施形態の成分は多数の異なる方向に位置付けすることができるので、方向の用語は説明のためにのみ使用され、他に指示がない限り、決して限定することを意図するものではない。したがって、そのように使用される用語は、適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載された本発明の実施形態は、本明細書に記載または図示されている以外の方向で動作可能であることを理解されたい。
【００３３】
特許請求の範囲で使用される用語「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、その後に列挙される手段に限定されると解釈されるべきではないことに留意されるべきであり、他の要素またはステップを排除するものではない。したがって、記載された特徴、整数、ステップまたは成分の存在を特定するものとして解釈されるが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップまたは成分、またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。したがって、「手段Ａ及びＢを含むデバイス」という表現の範囲は、成分Ａ及びＢのみからなるデバイスに限定されるべきではない。これは、本発明に関して、デバイスの唯一の関連する成分は、Ａ及びＢであることを意味する。
【００３４】
本明細書を通して、「一実施形態」または「実施形態」は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の様々な箇所における「一実施形態では」または「実施形態では」という表現の出現は、必ずしも全てが同一の実施形態を指しているわけではないが、そうでなくてもよい。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つ以上の実施形態において、本開示から当業者に明らかであるように、任意の好適な方法で結合させることができる。
【００３５】
同様に、本発明の例示的な実施形態の説明において、本発明の様々な特徴は、開示を合理化し、様々な発明的態様の１つ以上の理解を助けるために、その単一の実施形態、図面及びその説明の中に、時々グループ化されることは理解されるべきである。しかしながら、この開示の方法は、特許請求された発明が各請求項に明示的に記載されているより多くの特徴を必要とするという意図を反映するものと解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、本発明の態様は、単一の前述の開示された実施形態の全ての特徴よりも少ないものである。したがって、詳細な説明に続く請求項は、この詳細な説明に明示的に組み込まれ、各請求項は、本発明の別個の実施形態として独立して成り立っている。
【００３６】
さらに、本明細書に記載されたいくつかの実施形態は、他の実施形態に含まれるいくつかの特徴を含み、他の特徴を含まないが、異なる実施形態の特徴の組み合わせは本発明の範囲内であり、当業者によって理解されると考えられるように、異なる実施形態を形成することが意味される。例えば、以下の特許請求の範囲において、特許請求された実施形態のいずれかは、任意の組み合わせで使用することができる。
【００３７】
本発明の特定の特徴または態様を説明するときに、特定の用語を使用することは、その用語が関連付けられる本発明の特徴または態様の任意の特定の特徴を含むことを制限されるように用語が本明細書で再定義されていることを意味するものではないことは留意すべきである。
【００３８】
本明細書で提供される説明では、多くの具体的な詳細が述べられている。しかし、本発明の実施形態は、これらの特定の詳細なしに実施され得ることが理解される。他の例では、周知の方法、構造及び技術は、この説明の理解を不明瞭にしないために詳細に示されていない。
【００３９】
「外部磁場」または「不要磁場」または「外乱磁場」または「Ｆｒｅｍｄｆｅｌｄ」または「Ｓｔｒａｙｆｉｅｌｄ」を参照する場合、磁気センサ装置の磁石によって引き起こされる磁場以外の磁場を意味する。
【００４０】
「回転軸に対する回転対称場」とは、磁場が周期性として知られている３６０°の整数部分、特に４極の磁石の場合は１８０°、６極の磁石の場合は１２０°などに等しい角度にわたって該回転軸の周りを回転した後に磁場が同一に見えることを意味する。
【００４１】
「回転軸に対する回転非対称場」とは、場が該回転軸に対して回転対称でないことを意味し、これは周期性が３６０°であることを意味する。
【００４２】
「一定の外部場」または「均一な外部場」とは、一定の振幅及び一定の方向を有する場を意味する。このような場は、定数ベクトル（Ｂｘｏ、Ｂｙｏ、Ｂｚｏ）として記述することができる。
【００４３】
「一定の勾配を有する場」とは、距離と共に直線的に変化する振幅を有する場を意味する。このような場は、Ｂｘｏ、Ｂｙｏ、Ｂｚｏ、ＧｒａｄＸ、ＧｒａｄＹ、ＧｒａｄＺが定数であり、ｘ、ｙ、ｚが座標であるとき、（Ｂｘ０＋ＧｒａｄＸ＊ｘ、Ｂｙ０＋ＧｒａｄＹ＊ｙ、Ｂｚ０＋ＧｒａｄＺ＊ｚ）によって記述される。
【００４４】
本出願において、用語「磁石」または「磁石アセンブリ」または「磁石構造」は、同義語として使用される。磁石は、永久磁石であってもよいし、コイル及び磁石コントローラの装置であってもよい。
【００４５】
この出願では、「規則的なディスク磁石」という用語は、図１に示されるようなディスク磁石を意味し、各ディスクセグメントが同一の厚さを有し、同一の材料で作られ、同一の角度（４極子の場合には９０°、６極子の場合には６０°）のセグメントを画定し、磁化の中心は、ディスクの幾何学的中心と一致する。
【００４６】
「規則的なリング磁石」についても同様の定義を与えることができ、ここで磁石はディスク状ではなくリング状である。
【００４７】
本出願において、用語「不規則なディスク磁石」は、少なくとも１つの不規則性を有するディスク磁石を意味し、例えば、一定ではない厚さ、及び／または異なる角度を画定するセグメント、及び／またはディスクの幾何学的中心と一致しない磁化の中心などである。
【００４８】
この出願において、「アルゴリズム２」または「第２のアルゴリズム」が参照される場合、式［２］（さらに参照されたい）を参照するか、または４極子を有する磁石の場合、式［３］〜［１０］または式［１１］〜［１４］の組または式［１５］〜［１６］の組、または等価式を参照する。
【００４９】
この文書では、用語「４極子」または「四−極」または「４−極」または「４極の多極」という用語を同義語として使用される。
【００５０】
この文書では、「ＸＹ平面」と「センサ平面」という用語と「第１の円で画定される平面」という用語は同義語として使用される。
【００５１】
本発明は、本発明と同一の出願人によって出願された、最も近い先行技術であると考えられる特許文献３（Ａ１）に開示されているもののさらなる改良である。この開示をよく理解することは、本発明を完全に理解し理解するために重要である。特許文献３の全文は、参照により本明細書に組み込まれる。そのような組み込みが許可されていない管轄区域については、その開示の概要が十分であるとみなされる。興味のある読者は、必要であれば、特許文献３に詳細な情報を問い合わせることができる。
【００５２】
図１は、１８０°の範囲における絶対角度位置測定のための先行技術の装置１を示す。装置１は、４極子ディスク磁石５と、一定の外部場Ｂｆｒｅｍｄ内に円上に配列された複数のセンサ素子を含むセンサデバイス６と、を備える。この図は、特許文献３の図２のコピーであり、この文献では、「アルゴリズム１」及び「アルゴリズム２」と称される角度位置を決定するための２つのアルゴリズムが記載されている。つまり、アルゴリズム１は次の式に要約される。
ａｒｃｔａｎ（Σ（Ｓｉ）／Σ（Ｔｉ））［１］、
アルゴリズム２は次の式に要約される。
ａｒｃｔａｎ（（Σ（Ｓｉ）−Σ（Ｕｉ））／（Σ（Ｔｉ）−Σ（Ｖｉ））［２］、
Ｓｉ、Ｔｉ、Ｕｉ、Ｖｉは、特許文献３に記載されているように、特定の幾何学的関係を有するセンサ素子から得られる信号を表す。式［２］は、本明細書では「合計の差の比率の絶対値」とも呼ばれる。
【００５３】
本発明は、４極子及び８つのセンサ素子を有するセンサに限定されないが、以下に説明する例の多くは、よりよい理解を提供するために、４極子に関連している。
【００５４】
図１の磁石５が、規則的な４極子である場合、「第２のアルゴリズム」は、以下の方程式の組によっても表すことができる。
【００５５】
和１＝Ｓ１＋Ｓ２    ［３］
和２＝Ｔ１＋Ｔ２    ［４］
和３＝Ｕ１＋Ｕ２    ［５］
和４＝Ｖ１＋Ｖ２    ［６］
差１＝和１−和３    ［７］
差２＝和２−和４    ［８］
Ｒ＝差１／差２    ［９］
α１＝（ａｒｃｔａｎ  Ｒ）／２    ［１０］
【００５６】
または、式の次の組によって、
差１＝（Ｓ１＋Ｓ２）−（Ｕ１＋Ｕ２）    ［１１］
差２＝（Ｔ１＋Ｔ２）−（Ｖ１＋Ｖ２）    ［１２］
Ｒ＝差１／差２    ［１３］
α１＝（ａｒｃｔａｎ  Ｒ）／２    ［１４］
【００５７】
または、式の任意の他の等価組によって、例えば、
【００５８】
Ｒ＝（Ｕ１＋Ｕ２−Ｓ１−Ｓ２）／（Ｖ１＋Ｖ２−Ｔ１−Ｔ２）    ［１５］
α１＝（ａｒｃｔａｎ  Ｒ）／２    ［１６］
【００５９】
さらに図１を参照すると、磁極の数、センサ素子の数、及び使用される「第１または第２のアルゴリズム」（それぞれ式［１］及び［２］に対応する）に応じて、先行技術のセンサデバイス６は、４極子磁石によって発生する磁場を測定することによって、センサデバイスに対する、したがって固定子に対する回転子の磁石の回転角度位置α１を決定することができる。この決定は、均一な外乱場に対して非常に鈍感である。この点に関して、特許文献３の表１を参照すると、そのような装置の最も重要な特徴の概要が示されている。
【００６０】
本発明では、「第２アルゴリズム」（すなわちアルゴリズム２）のみが使用されるが、混乱を避けるために、本明細書では、それが１次角度α１を計算するため、またはより正確に計算するために現在使用されている唯一のアルゴリズムであるとしても、「第２アルゴリズム」となお、称され、本発明による方法は、この「第２のアルゴリズム」をステップの１つとして使用する（図１７のステップ１７２）が、さらなるステップが追加される。
【００６１】
図２は、図１のものと同様の先行技術の装置１を示すが、一定の外部場の代わりに、電流導線によって生じる外部場Ｂｆｒｅｍｄが示されている。磁極の数、センサ素子の数及び使用されるアルゴリズムに応じて、先行技術のセンサデバイス６は、場勾配（すなわち、距離と共に変化する振幅を有する）を有する外乱磁場に対しても鈍感である。この図は、特許文献３の図２４のコピーである。この先行技術のセンサ装置６の測定範囲は１８０°である。
【００６２】
図３は、上面図（図３の底部）及び内側面図（図３の上部）に示された中心開口を有する規則的な４極子リング磁石１５及び、磁石１５から距離ｄ１で平面ＸＹ内の円上に位置する複数のセンサ素子「Ｅ」を有するセンサデバイスを備える先行技術の装置の一例を示す。これは特許文献３の図６のコピーである。
【００６３】
図４は、磁石表面から３ｍｍ下方の距離にある図３の４極子リング磁石１５の接線方向場成分「Ｂｔ」のシミュレーションを示す。外側及び中間の円はリング磁石１５の外径及び内径に対応する。内側の円は、センサ素子Ｅが載置されている仮想円に対応する。これは特許文献３の図７のコピーである。図示していないが、円８上の異なる位置で測定された接線方向場成分「Ｂｔ」は、正弦波状に変化する。
【００６４】
図５は、センサ素子Ｅが位置する円８の半径ｒの関数として図４の接線方向場成分Ｂｔの強度を示す。この図は、特許文献３の図１５のコピーである。この図は、接線方向場Ｂｔを測定するように適合されたセンサが位置誤差に対して非常に鈍感であることを説明するのに有用である。また、「Ｂｔ」の信号振幅は、半径８が減少するにつれて減少することを示し、これは、接線方向場を測定することができるセンサデバイスが（原理的に）非常に小さいサイズに収縮できることを意味する。そして実際には、想定されるセンサデバイスの場合、センサ素子が位置する半径は、好ましくは１００ミクロン〜２５００ミクロンの範囲、例えば２００ミクロン〜２５００ミクロンの範囲にある。
【００６５】
図６は、磁石表面から３ｍｍ下方の距離にある図３の４極子リング磁石の半径方向成分「Ｂｒ」のシミュレーションを示す。図４と同一のリングが示されている。これは特許文献３の図９のコピーである。図示されていないが、円８上の異なる位置で測定された半径方向成分「Ｂｒ」は、正弦波状に変化する。
【００６６】
図７は、センサ素子Ｅが位置する円８の半径の関数として図６の半径方向場成分Ｂｒの強度を示す。これは特許文献３の図１４のコピーである。この図は、半径方向磁場Ｂｒを測定するように適合されたセンサが位置誤差に対しても非常に鈍感であることを説明するのに有用である。また、「Ｂｒ」の信号振幅は、半径８が減少するにつれて減少し、したがって、このデバイスも（原理的に）非常に小さいサイズに収縮することができることを示す。
【００６７】
図８は、磁石表面から３ｍｍ下方の距離にある図３の４極リング磁石の軸方向場成分Ｂｚのシミュレーションを示す。図４と同一のリングが示されている。これは特許文献３の図１１のコピーである。図示していないが、円８上の異なる位置で測定された軸方向場成分Ｂｚは正弦波状に変化する。
【００６８】
図９は、センサ素子Ｅが位置する円８の半径の関数として図８の軸方向場成分Ｂｚの強度を示す。これは特許文献３の図１３のコピーである。示されているように、信号振幅は半径と線形に変化しない。このプロットは、そのようなセンサが位置誤差に対してより敏感であることを示している。
【００６９】
特許文献３に記載され、図１〜図９に示されたセンサ装置は、高感度、位置−オフセット誤差に対する無感度または低感度、均一な外場（Ｆｒｅｍｄｆｅｌｄ）に対する感度または低感度、及び場の勾配を有する外部場に対する低感度など、非常に有利な特徴を有するとしても、１つの主要な欠点を有する、すなわち、その測定範囲が限定されており、４極子磁石アセンブリでは１８０°に、６極子磁石アセンブリでは１２０°に制限され、一般的にＮ個の磁極を有する磁石装置の場合３６０°／（Ｎ／２）になる。
【００７０】
本発明の発明者らは、先の発明によってもたらされた全ての利点を失うことなく、完全な３６０°の範囲にわたって角度の測定を可能にする方法の発見の課題に直面した。彼らは驚くべきことに、もはや外部場を課題として、すなわち測定されないように「フィルタリングされる」必要がある場とは考えないという考えに至った。彼らは、先の発明に極めて対向する、回転子軸に関して回転対称ではない２次磁場「Ｂｓ」を故意に導入し、この２次磁場「Ｂｓ」を使用して角度不確定性を解決することを決断した（すなわち、４極子磁石アセンブリを使用する場合、１８０°を追加するべきかどうか、６極子磁石アセンブリの場合に、０°または１２０°または２４０°を追加するべきかどうか、など、または、一般的に、ｋを整数として、Ｎ極子磁石アセンブリの場合に、３６０°／（Ｎ／２ｋ）を、測定値に追加するべきかどうか）。これは、本発明の根底にある考えの１つである。
【００７１】
図１０は、本発明の第１の実施形態としての装置１００を示す。装置１００は、磁石アセンブリ２５及びセンサデバイス６を備える。磁石アセンブリ２５は、センサデバイス６の場所に異なる角度周期性を有する少なくとも２つの磁場成分を有する磁場を形成する。図示の実施形態では、磁石アセンブリ２５は、例えば、エポキシまたはポリマー（図示せず）を用いて、任意の好適な方法で一緒に固定接続された規則的な４極子２６及び単一の円筒双極子２７を含む。図示のように、回転子２の回転軸４は、４極子２６の中心を通り、センサ素子が位置する円８の中心を通過する。後で明らかにする理由により、図示された８つの例示センサ素子において、センサ素子が位置する円８は「第１の円」と呼ばれ、４５°の角度距離で図示された例において、第１の円上に位置するセンサ素子は、「１次センサ素子」と呼ばれる。
【００７２】
４極子２６によって発生した磁場は、「１次磁場」と称される。この場は、１８０°の周期性を有する回転軸４に関して回転対称であり、１次センサ素子は特許文献３（「第２のアルゴリズム」を使用して）と全く同一の方法で使用して、０°から１８０°の範囲でα１を計算し、本明細書では「１次角度」と称される。
【００７３】
しかし、先行技術とは対照的に、センサデバイス６によって見られる磁場は、４極子２６によって発生する場だけでなく、双極子２７が偏心して取り付けられているので、回転軸４に関して回転対称ではない円筒双極子２７によって形成されるこの１次磁場「Ｂｐ」と２次磁場「Ｂｓ」重ね合わせでもある。
【００７４】
図１１は、先行技術で本来知られている単一円筒双極子によって発生する磁場の典型的な例を示す。この場の下部は、センサ素子によって「見える」場である。
【００７５】
図１２〜図１４は、この２次磁場Ｂｓが、アルゴリズム２に連結して、第１の円８上の１次センサ素子によって大きく（完全ではないが）フィルタリングされていることを示すために使用され、従って、１次角度α１の測定に重大な影響を与えない。
【００７６】
図１２（ａ）は、「１次センサ素子」（黒丸で示す）を有する「第１の円」８の上面図と、図１０の円筒双極子２７によって発生する２次磁場Ｂｓの拡大図と、を示す。矢印は、ＸＹ平面における２次磁場Ｂｓの磁力線を表し、破線の円のセグメントは、ＸＹ平面における２次磁場Ｂｓの等磁場面を表す。当技術分野で知られているように、双極子２７の長手方向軸に垂直な平面ＸＹ内の図１１の双極子２７の磁力線は、半径方向に配向され、磁気振幅は双極子２７からの距離が増加するにつれて減少する。
【００７７】
図１２（ｂ）は、双極子２７によって発生した２次磁場Ｂｓの半径方向「Ｂｒ」成分及び接線方向「Ｂｔ」成分の典型的な大きさ曲線をＸＹ平面の場所で測定したものを示す。
【００７８】
図１２（ｃ）及び図１２（ｄ）は、接線または半径方向に配向された垂直ホール素子によって測定された１次信号の和及び差に対するこの２次磁場Ｂｓの影響をそれぞれ示している。
【００７９】
分かるように、和と差の少なくともいくつかは正確にゼロには等しくないので、双極子によって発生した２次磁場Ｂｓは、１次角度α１の測定に影響するが、第１の円８の寸法（比較的小さい）及びセンサ素子と円筒双極子２７の長手方向軸との間の距離（比較的大きい）を考慮すると、そして双極子２７の磁力線を考慮すると、その影響が実際には非常に小さいことが分かり、１次角度上の誤差が、０．５度未満であると推定され、例えばＢｓ／Ｂｐの最大比（例えば、センサ素子によって測定され得るような）が、少なくとも５０倍、好ましくは少なくとも１００倍である場合、０．１度のオーダーにある。この誤差は、円８の半径を減少させることによって及び／または（双極子２６によって発生する）１次磁場Ｂｐに対して（双極子２７によって発生する）２次磁場Ｂｓの磁場強度を減少させることにより、及び／または双極子２７の回転軸４と長手方向軸との間の距離を増加させることによって、さらに低減することができる。
【００８０】
しかしながら、全ての用途が０．５°の角度精度を必要とするわけではなく、例えば約１°〜２°の角度位置誤差が許容される用途では、センサ素子と円筒双極子２７の長手方向軸の間の距離と第１の円８の直径に対する比ｄ３／ｄ１は、適切に、例えば係数１０．０より小さく、例えば３．０〜９．０の範囲の係数、例えば約８．０または約６．０または約４．０から選択することができる。
【００８１】
図１３（ａ）は、図１の規則的な４極子５によって発生した１次磁場「Ｂｐ」の軸方向場成分「Ｂｚ」のコンピュータシミュレーションにより得られた強度プロットである（図１０のような円筒双極子の存在なしで単独で行われる）。第１の円８上のセンサ素子の場所は「＋」記号で示されている。
【００８２】
図１３（ｃ）は、図１３（ａ）の強度場に対応する磁力線を示す。理解できるように、１次磁場Ｂｐは、１８０°の周期性（黒と白の図が誤って示唆されるように９０°ではない）で回転軸（中心）に関して回転対称である。
【００８３】
図１３（ｂ）は、図１０の永久磁石アセンブリ２５によって発生した磁場の軸方向場成分「Ｂｚ」の例示的な強度プロットであり、４極子２６によって発生した１次磁場「Ｂｐ」と、垂直に設置された円筒双極子２７によって発生した２次磁場「Ｂｓ」との重ね合わせである。分かるように、この結合場（Ｂｐ及びＢｓ）は、図１３（ａ）に示されたものとは全く異なり、回転軸４を（第１の円の中心）中心に回転対称ではない。
【００８４】
図１３（ｄ）は、図１３（ｂ）の強度場に対応する磁力線を示す。分かるように、これらの磁力線は、図１３（ｃ）示されたものとは全く異なる。
【００８５】
図１４（ａ）は、図１０に示すような円筒双極子２７がない場合、第１の円８上の個々の１次センサ素子によって測定されるように多極子磁石５によって発生する図１３（ａ）に示す１次磁場Ｂｐの軸方向場成分Ｂｚに対応する信号を示す。他の１次センサ素子は、正確に同一の信号を測定するが、４５°の整数倍だけ位相シフトしている（８つの１次センサが存在する場合）。分かるように、これは、１８０°の周期性を有する正弦波状信号である（磁石アセンブリ５が４極子である場合）。
【００８６】
図１４（ｃ）は、図１４（ａ）と同様の信号及び位相シフトされたバージョン（１つの信号のみが示されている）のような信号を使用して、上述した式［１１］及び［１２］による第１及び第２差信号ｄｉｆｆ１及びｄｉｆｆ２を示している。分かるように、図１４（ａ）のものと同一の状況下では、これらの差信号は、に示すように、１８０°の周期性を有する正弦波状信号である。
【００８７】
図１４（ｂ）は、多極子、例えば、４極子２６による１次磁場Ｂｐ及び双極子２７による２次磁場Ｂｓの重ね合わせである結合場の存在下で個々の１次センサ素子によって測定されるように図１３（ｃ）に示す磁場の軸方向場成分Ｂｚに対応する信号を示している。分かるように、この信号は、１８０°の周期性を有しない。
【００８８】
図１４（ｄ）は、上述した式［１１］及び［１２］による第１及び第２差信号ｄｉｆｆ１及びｄｉｆｆ２を、他のセンサ素子によって測定されるように、図１４（ｂ）及びその位相シフトされたバージョン（１つの信号のみが示されている）のような信号を使用して示す。
【００８９】
これらの差信号ｄｉｆｆ１、ｄｉｆｆ２が図１４（ｃ）のものとほぼ同一であることがわかる。したがって、ｄｉｆｆ１とｄｉｆｆ２の比のａｒｃｔａｎ関数は、双極子が存在しない図１４（ｃ）及び双極子２７が存在する図１４（ｄ）とほぼ同一の結果を与える。これは、「第２のアルゴリズム」と称される第２のアルゴリズムと共に使用される場合、８つの１次センサ素子を有するセンサデバイス６が双極子２７によって発生するＢｚ場に対して非常に鈍感であることを証明する。
【００９０】
２次磁場Ｂｓを使用して３６０°の角度で角度を計算する方法を説明する前に、本発明の永久磁石は２つ以上の単一双極子、例えば図１５に示すような２つの双極子、図２４に示すような、３つの双極子、または３つ以上の双極子（図示せず）の１つ以上を含んでもよい。
【００９１】
図１５は、本発明の第２の実施形態としての装置１５０を示す。この装置は、またセンサデバイス６の場所の異なる角度周期性を有する磁場成分を形成する永久磁石アセンブリ２５を備える。図示された実施形態では、磁石アセンブリ２５は、規則的な４極子２６と、第１及び第２の磁石２７、２８、この実施形態では、同一の円筒双極子は、回転軸４に平行に配向され、例えば、垂直方向及び磁気的に反対方向に配向されている。図示された実施形態では、回転子２の回転軸４は、２つの双極子２７、２８の間の真ん中に、それらの長手方向軸に平行に配列されている。
【００９２】
４極子２６は、上記と同様に回転対称で１８０°の周期性を有する１次磁場Ｂｐを発生する。２つの双極子２７、２８は、１８０°の周期性を持たない２次磁場Ｂｓを発生する。
【００９３】
図１６（ａ）は、図１５に示す装置１５０の双極子２７、２８によって発生した２次磁場Ｂｓの磁力線を示す概略図である。
【００９４】
図１６（ｂ）は、半径方向場「Ｂｒ」を測定するため配向された垂直ホール素子の形態の８つの１次センサ素子を有するセンサのために、対称的に配列された双極子２７、２８によって形成された２次磁場Ｂｓが、上述の「ｄｉｆｆ１」及び「ｄｉｆｆ２」の式に及ぼす影響を示している。分かるように、場が一定ではないにもかかわらず、ｄｉｆｆ１とｄｉｆｆ２の値は驚くほど正確にゼロになる。これは、１次角度α１の測定に対する２次磁場Ｂｓの影響が完全に排除されていることを意味する。さらにその上、これは、第１の円８の半径（１次センサ素子が位置する）の半径の寸法に関係なく当てはまる。これは、双極子２７、２８の間の距離ｄ４が減少しても、１次角度α１の測定の精度が２次場の存在によって悪影響を受けないことを暗示し、センサデバイス６を小型化することができるだけでなく磁石アセンブリ２５自体を小型化することができ、さらにその上、これは互いに独立して可能である。磁石の価格はそのサイズ（または重量）に大きく依存するので、これは、本発明の装置１５０を技術によって許容されるほど小さくすることが好ましいことを意味する。これは、本発明の実施形態の大きな利点である。
【００９５】
図１６（ｃ）は、同一の記述が、「第２のアルゴリズム」を使用するときにはセンサデバイス６によって完全に除去されているように見える接線方向場「Ｂｔ」を測定するように配向された垂直ホール素子の形の８つの１次センサ素子の形態の８つのセンサ素子を有するセンサデバイス６に用意されていることを示す。
【００９６】
図１７〜図２３は、本発明の実施形態による方法を示す。図１７は、この方法の一般的な表現である。図１８〜図２０は、第１の特定の実施形態を示し、１次センサ素子から得られた信号を使用して２次場Ｂｓの角度α２が測定または推定される。図２１及び図２２は、図３２の磁石と同一の原理を示している。図２３は、１次センサ素子の一部であっても、または追加のセンサ素子であってもよい水平ホール素子から得られる位相シフトされたＢｚ測定値に基づく第２の特定の実施形態を示す。
【００９７】
図１７は、固定子に対する回転子２の角度位置α１を計算する方法を示すフローチャートであり、角度は０°から３６０°の範囲の値である。
【００９８】
１次センサ素子から１次センサ信号Ｓ１、Ｓ２、Ｔ１、Ｔ２、Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２を取得する第１のステップ１７１と、「第２のアルゴリズム」を適用する第２のステップ１７２（上記式［２］〜［１６］参照）は、センサデバイス６の場所に異なる角度周期性を有する少なくとも２つの磁場成分を有する非回転対称磁場に対してこれらのステップが実行されるが、先行技術で行われたのと同一であり、この磁場は、回転子２に多極子磁石からなる磁石アセンブリと、回転子２に対して偏心して載置された少なくとも１つの円筒双極子磁石と、によって発生する。方法ステップ１７１、１７２は、回転子２の回転軸における多極子磁石の磁極子数Ｎを有する０°〜３６０°（Ｎ／２）の範囲内の１次角度α１提供し、４極子の場合は０°〜１８０°、６極子の場合は０°〜１２０°など、である。
【００９９】
次のステップ１７３において、少なくとも１つの円筒双極子磁石によって発生した２次磁場Ｂｓが、２次センサ素子を使用して測定される。いくつかの実施形態（例えば、センサデバイスが追加の水平ホール素子を有さない場合）では、このステップ１７３は、実際にはステップ１７１と同一のステップであり、この場合、信号Ｓ１〜Ｖ２は２次信号としても使用される。他の実施形態（センサデバイスが少なくとも２つの追加のホール素子ＸＥ１、ＸＥ２を有する場合）では、このステップは、これらの少なくとも２つの追加のホール素子ＸＥ１、ＸＥ２を使用して磁場を測定し、これらの少なくとも２つのセンサ素子から得られたセンサ信号ＳＥ１、ＳＥ２を「２次信号」として提供することを意味する（「２次信号」は「２次磁場」Ｂｓに関する情報を含むため「２次信号」と称される）。
【０１００】
この方法はまた、多極子によって発生する１次磁場Ｂｐの影響を除去するため及び補正された信号を提供するために、いくつかの実施形態では、２次センサ信号Ｓ１〜Ｖ２、または他の実施形態では、ＳＥ１、ＳＥ２などを補正する任意選択のステップ１７４を含む。この段階では、このステップは、このステップでは、１次角度α１が既知であるので可能であることに注意するべきである（１８０°の範囲であるが、１次磁場は１８０°の周期で回転対称であるため、問題ではない）。
【０１０１】
補正された信号を使用することは、２次磁場の配向を誤って推定するリスクを低減し、外部場の感度を高めるので、有利である。
【０１０２】
ステップ１７５では、固定子３に対する回転子２の角度位置αが、式α＝α１＋Ｍ．ＵＡを使用して計算され、Ｎは多極子の磁極の数Ｎで、ＵＡは３６０°（Ｎ／２）の不確定角度または周期性であり、４極子の場合は１８０°、６極子の場合は１２０°など）であり、Ｍは０、１、．．．、の整数値であり、Ｍは任意選択で補正された２次信号、いくつかの実施形態ではＳ１〜Ｖ２、他の実施例ではＳＥ１、ＳＥ２などに基づいて選択される。
【０１０３】
Ｍの値を決定するための計算は、例えば、比較を含む、または最大値または最小値の発見を含む単純なＢｏｏｌｅａｎ演算または算術演算、によって実行され得ることは有利である。
【０１０４】
この式の背後にある考え方は、双極子（複数含む）によって発生した２次磁場Ｂｓの方向（ここでは２次角度α２と称される）の推定に基づいて不確定性が解決されるという考え方である。この推定は、さらに説明するように、異なる方法で行うことができるが、本発明は、これらの特定の方法に限定されず、他の方法も使用可能である。
【０１０５】
図１８は、４極子によって発生した１次磁場Ｂｐの半径方向成分「Ｂｒ」を測定するように配列された８個の垂直ホール素子を有するセンサデバイス６について、２次磁場Ｂｓの２次角α２を決定するための第１の具体例を示す。示されているのは、ステップ１７４において、少なくとも信号Ｓ１〜Ｖ２のサブセットについて、１次磁場Ｂｐの影響が除去されたと仮定して、２次磁場Ｂｓのみの磁力線である。信号の大きさに応じて、任意選択のステップ１７４は必要でない場合もある。
【０１０６】
この例では、１次センサ素子から得られた個別信号Ｓ１〜Ｖ２は、２次信号ＳＥ１〜ＳＥ８としても使用される。２次角度α２は、例えば、最大の正の信号を生じる１次センサ素子を見つけることによって容易に決定することができる。示された例では、これは、信号Ｕ１に対応するセンサ素子であり、したがって、この例では、図の左側を指しているこのセンサ素子に対応する方向として２次角度α２が選択される。最大値を見つける代わりに、最も低い値（最も負の値）を見つけることも可能であり、この場合は信号Ｕ２であり、反対方向（図の左側）を選択する。多極子の磁極の数Ｎを有する、例えば、４極子の場合は８つのセンサ位置となる、Ｎ＊２個のセンサ位置があり、例えば、１つの最大値または１つの最小値のような選択された極値のみが存在し得るので、結果として得られる角度α２は、８つのセンサ位置に対して４５°の整数倍のような、３６０°／（Ｎ＊２）の整数倍となるが、２次角度α２は、ステップ１７２で決定された１次角度α１に１８０°を加算する必要があるか否かを判断するためだけに使用されるので、十分に正確である。したがって、半径方向場「Ｂｒ」を測定するように配向された８つの垂直ホール素子を有する、図示の実施形態のセンサデバイス６では、２次磁場Ｂｓを測定するために追加のホール素子は必要なく、センサデバイスのソフトウェアを変更する必要があるだけである。
【０１０７】
図１８は、２つの双極子によって発生した磁力線を示しているが、任意選択で信号Ｓ１〜Ｖ２を補正し、任意選択で補正された信号Ｓ１〜Ｖ２の最大値または最小値を見つける同一のステップは、単一の双極子によって発生した２次磁場の２次角度α２を決定するために適用することができる（図１２ａを参照）。この場合にも、信号Ｕ１に対応するセンサが最大の値を生じるので、センサは、図１２（ａ２の２次場Ｂｓが、また左を指すことを検出することができる。
【０１０８】
４極子２６と１つ以上の双極子２７、２８（所与の磁石に対して固定され、プログラム内でハードコードされているか、または不揮発性メモリに格納されている）の相対的な角度位置（オフセット）に依存して、このオフセットに対して２次角度α２を補正することができ、任意の好適な距離基準、例えば、最小角度距離を使用して、角度α１またはα１＋１８０°のいずれが、推定され、任意選択でオフセットされた角度α２によく対応しているかに応じて、１次角度α１に１８０°を加えるべきかどうかを決定することができる。
【０１０９】
図１９は、４極子２６によって発生した１次磁場Ｂｐの接線方向成分「Ｂｔ」を測定するために配列された８つの垂直ホール素子を有するセンサデバイス６の特定の実施形態のための、２次磁場Ｂｓの２次角α２を決定するための第２の具体例を示している。この場合にも、８つの１次信号Ｓ１〜Ｖ２の最大値が見いだされ、この場合は信号Ｓ２となる。このようにして得られた２次角度α２は、Ｓ２に対応するセンサ素子に示された矢印記号であり、再度、図の左側を指している。したがって、接線方向場を測定するために配向された８つの垂直ホール素子を有するこのセンサデバイスについても、２次磁場Ｂｓを測定するために追加のホール素子は必要とされない。最小値が見つかった場合、結果は信号Ｓ１であり、α２の方向は矢印記号の反対に選択され、したがって再度、図の左側を指す。再び、多極子磁石と双極子（複数含む）の相対的な角度位置（オフセット）に応じて、角度α１またはα１＋１８０°のいずれが、推定された及び任意選択で、オフセット補正された角度α２に最もよく対応するかが決定され得る。
【０１１０】
最大値または最小値を見つける代わりに、例えば、余弦波状信号として（Ｕ２−Ｕ１）を、正弦波状信号として（Ｓ１−Ｓ２）、または１次信号の２つ以上の他の組み合わせを考慮することによって、２磁場Ｂｓの方向α２を見出すこともできる。
【０１１１】
乱場：
上述の方法は、望ましくない外乱角（Ｆｒｅｍｄｆｅｌｄ）が存在する場合にも非常に良好に機能する。すなわち、
１）「第２のアルゴリズム」（ステップ１７２）によって決定される１次角度α１は、（特許文献３に記載されているように）一定の外部場に対して非常に鈍感であり、
２）２次角度α２は、次に説明するように、外部場に対して非常に鈍感な方法で決定することもできる。
【０１１２】
図２０を参照すると、ステップ１７２で算出された１次角度α１を図２０（ａ）に示す角度とする。これは、図２０（ｂ）に示すように、「実際の」回転子位置が位置α１または位置α１＋１８０°のいずれかにあることを意味する。一定の外部場Ｂｆｒｅｍｄが、図２０（ｃ）に示すような大きさ及びサイズで存在し、２次角度α２は、左を指し、図２０（ｄ）に示すような振幅を有するベクトルとして決定されたものと仮定すると、実際の２次磁界Ｂｓ＿ｒｅａｌは、図２０（ｄ）に示す推定されたベクトルの代わりに、図２０（ｅ）に示すベクトルとなる。しかし、ベクトルＢｓ＿ｅｓｔｉｍａｔｅは、図２０（ｂ）に示すα１＋１８０°よりも図２０（ａ）に示すベクトルα１に「近い」ので、正しい結果をもたらす０°が加えられるべきである（すなわち、Ｍ＝０の値が選択されるべきである）と決定される。
【０１１３】
図２０（ｆ）は、外部場Ｂｆｒｅｍｄを表すベクトルのいくつかの他の例を示し、図２０（ｇ）は、２次磁場の大きさＢｓ＿ｒｅａｌが外部場Ｂｆｒｅｍｄの大きさよりも大きい限り、最も近い角度として（α１＋１８０°）ではなく（α１）を選択する正しい決定が行われることを示している。これらの図から、本発明の方法は、（２次磁場より小さい大きさを有する）外乱場Ｂｆｒｅｍｄが存在する場合であっても、０°〜３６０°までの範囲の角度αに対して正確で正しい結果を提供することが理解できる。
【０１１４】
２次場ベクトルの推定値Ｂｓ＿ｅｓｔｉｍａｔｅを使用して、外部場Ｂｆｒｅｍｄの強度の推定値を提供することができることに留意されたい。これは、２次磁石部分の場強度が固定される、例えば、校正中に事前定義され、または測定され、ハードコード化されるか、または不揮発性メモリに格納され得るために可能である。このようにして計算された外部場Ｂｆｒｅｍｄの強度値は、センサによって任意選択で出力されてもよく、例えば、いくつかの用途において重要な測定の信頼性の指標として使用されてもよい。
【０１１５】
図２１は、図３２または図３３に示された磁石アセンブリ３１の図１８の変形例であり、ここでは、１次磁場は規則的な４極子ディスク磁石３２によって発生し、２次磁場は２つのハーフリング部分３３によって形成される。図２１は、補正ステップ１７４を実行した後の２次場Ｂｓの磁力線のみを示している。この２次磁場Ｂｓの磁力線は均一であり、第２のアルゴリズムはこの磁場を完全に相殺するので、２次磁場Ｂｓの存在は、４極子によって発生した１次磁場Ｂｐに関する１次角度α１の測定に悪影響を及ぼさない。図１８で説明したのと同一の原理をここで使用して、２次角度α２を決定することもできる。
【０１１６】
図２２は、図３２または図３３の磁石アセンブリ３１の図１９の変形例であり、第１の円に接線方向に配向された垂直ホール素子を使用して２次磁場の方向をどのように測定できるかの別の例が示されている。
【０１１７】
図１２（ａ）〜図１２（ｄ）及び図１６（ａ）〜図１６（ｃ）、図１８及び図１９、図２１及び図２２から、本開示の恩恵を受ける当業者にとっては、本発明の原理を使用して、第２のアルゴリズムによるセンサ装置がそのような２次磁場に対して強くまたは完全に頑強であるため、特許文献３に記載されているのと同一の方法で、２次場Ｂｓの存在の影響が全くないかまたはほとんどなく、１次角度α１を測定することができ、１次磁場の周期性に起因する限定された測定範囲を解決するために２次磁場Ｂｓを使用することができることは明らかである。これを、単一の円筒双極子については図１２に、１対の円筒双極子については図１６及び図１８図に、そして１対の半円形双極子については、図２１及び図２２に示す。これらの例から、当業者は、２次磁石部分の形状は、１次角度α１の精度に軽微な影響を及ぼし得るが、本明細書に記載される全ての実施形態の角度位置は、３６０°の全範囲において決定され得ることを理解するであろう。
【０１１８】
図２３は、少なくとも２つまたは少なくとも３つの水平ホール素子からの信号を使用して２次角度α２がどのように見出されるかを説明するために使用される。
【０１１９】
図２４は、本発明の第３の実施形態としての別の例示的な装置２４０を示す。この装置は、別個の規則的な４極子４１と３つの個々の円筒双極子４２、４３、４４とからなる永久磁石アセンブリ４０を含む。双極子４２、４３、４４は垂直に（すなわち、４極子４１の平面、図示された実施形態ではＸＹ平面で示される、に直交して）、配向され、それらの少なくとも２つは、対向して配向され、示された実施例では、双極子４２、４３は双極子４４に対向して配向されている。４極子４１は１８０°の周期性を有する回転軸４の周りに回転対称である１次磁場Ｂｐを発生する。３つの双極子４２、４３、４４のセットは、回転軸４の周りで回転対称ではない２次磁場Ｂｓを発生する。
【０１２０】
３つの双極子４２、４３、４４の全てが上向きまたは全部が下向きである場合、すなわち全て同一の方向に配向される場合、２次場Ｂｓは、機能しない１２０°の周期性を有する回転対称であることに留意されたい。この双極子の組４２、４３、４４によって発生する磁場は、図１２（ａ）に示す種類の３つの磁場の重ね合わせである。図１５に示す２つの双極子の組とは対照的に、３つの双極子４２、４３、４４によって発生した場は、「第２のアルゴリズム」によって完全に除去されず、したがって、１次角度α１に小さな誤差が生じる。図１２に関して示されているように、この誤差は実際の寸法及び場強度を考慮に入れた場合、実際には小さく、第１の円８のより小さい半径及び／または回転軸４と双極子の長手方向軸との間の大きな距離を選択することによって及び／または１次磁場Ｂｐに対する２次磁場Ｂｓの強度を減少させることによって、さらに低減することができる。
【０１２１】
上述した実施形態では、センサデバイス６は、半径方向または接線方向に配向された垂直ホール素子の形態の８つの１次センサ素子を有し、同一の１次センサ素子またはそのサブセットは、もう１つの双極子によって発生した２次磁場Ｂｓを検出するために使用することもできるが、それは絶対に必要なわけではない。
【０１２２】
図２５に示すセンサデバイス６は、第１の円８と同心の第２の円９上に配列された少なくとも２つの追加の水平ホール素子ＸＥ１、ＸＥ２（そのうちの２つのみが示されている）を有する。この例では、第２の円９の半径は、第１の円８の半径より小さいが、同一であってもよいし、大きくてもよい。この例では、少なくとも２つの追加のホール素子ＸＥ１、ＸＥ２が約３５°の角度距離で示されているが、これは必要ではなく、この角度を比較的小さく、例えば５°〜４５°の範囲に保つことが好ましいが、約５°〜約１７５°の範囲の任意の角度も機能する。水平ホール素子の使用は、垂直ホール素子と比較して感度が高く、オフセットが小さいという利点がある。
【０１２３】
少なくとも２つの水平ホール素子ＸＥ１、ＸＥ２は、磁石とセンサとの間の全磁場、例えば図１３（ｂ）及び図１３（ｄ）に示す磁場、の垂直磁場成分Ｂｚの値を示す信号ＳＥ１、ＳＥ２を提供する。
【０１２４】
図２３は、信号ＳＥ１及びＳＥ２を比較することによって（例えば、２つの信号のうち最大のものを見つけることによって）、１次角度α１に０°または１８０°が加算されるべきか否かを決定することができることを示す。この例では、ＳＥ１＞ＳＥ２であれば、方法ステップ１７５でＭを０に設定し、１次角度α１に０°を加算する。ＳＥ１＜ＳＥ２であれば、方法ステップ１７５において、Ｍは１に等しく設定され、１８０°が１次角度α１加算される。これは、理論上は正しいが、実際には、信号Ｓ１及びＳ２がほぼ同一の場合（図２３の例ではα１が１６０°に近く３４０°に近い場合）誤った結論が採用され得るが、この問題は、例えば信号ＳＥ１とＳＥ２がほぼ同一であれば、ＳＥ１とＳＥ３またはＳＥ２とＳＥ３は、全く異なるので、少なくとも３つの水平ホール素子ＸＥ１、ＸＥ２、ＸＥ３（図示せず）を使用することによって容易に解決することができる。全ての信号ＳＥ１、ＳＥ２及び任意選択でＳＥ３に同一の値を加えることは、比較（複数含む）の結果を変更しないので、この原理は一定の外部場に対して非常に頑強であることに留意されたい。
【０１２５】
したがって、少なくとも２つの追加のセンサ素子ＸＥ１、ＸＥ２をセンサ６に追加することにより、一定の漂遊場に対して実質的に頑強な形態で２次角度α２を見つけることができる。少なくとも３つの追加のセンサ素子ＸＥ１〜ＸＥ３の使用は、一定の勾配を有する漂遊磁界に対して実質的に頑強な形態で２次角度α２を見つけることができる。
【０１２６】
図２３で分かるように、信号ＳＥ１、ＳＥ２は、図１４（ｂ）に示す結合磁場（１次場Ｂｐと２次場Ｂｓ）の信号Ｂｚ１、Ｂｚ２にそれぞれ対応している場合、（図１７の）任意の補正ステップ１７４を行わなくても、２次信号ＳＥ１、ＳＥ２自体に対して比較を直接実行することができる。他の実施形態では、補正ステップ１７４は、比較を行う前に実行される。
【０１２７】
図２６は、本発明の一実施形態による別のセンサデバイス６を示す。このセンサデバイスは、接線方向場Ｂｔを測定するために方向付けられ、第１の円８上に位置する垂直ホール素子ＶＨ１〜ＶＨ８の形態の８つの１次センサ素子を有し、第１の円８と同心の第２の円９上に位置する水平ホール素子の形態の３つの追加の２次素子ＸＥ１、ＸＥ２、ＸＥ３を有する。第２の円９の半径は、１次センサ素子が位置する第１の円８の半径よりも小さく、等しいか、または大きくすることができる。分かるように、追加のセンサ素子ＸＥ１、ＸＥ２、ＸＥ３の位置は、１次センサ素子の位置に関連する必要はなく、独立して選択することができる。もちろん、ステップ１７５において、全てのセンサ素子の相対角度位置が考慮される。これらの相対位置は、使用される磁石アセンブリとは独立しているが、不揮発性メモリに格納することもできるため、通常はハードコード化されている。
【０１２８】
２次センサ素子ＸＥ１、ＸＥ２、ＸＥ３は、磁石とセンサとの間の全磁場の垂直場成分Ｂｚの値を示す信号ＳＥ１、ＳＥ２、ＳＥ３を提供する。これらの値は、４極子によって発生した対称的な場Ｂｚの影響を減じるために任意選択で補償することができるが、必ずしも必要ではない。
【０１２９】
１次角度α１に、０°または１８０°（４極子の場合）、または多極子磁石の磁極数Ｎのとき、より一般的に３６０°／（Ｎ／２）にするか否かの決定は、図２５に関連して説明したように、信号ＳＥ１、ＳＥ２、ＳＥ３の比較に基づく。水平ホール素子は、任意選択で、上部にＩＭＣを有することができるが、これは必ずしも必要ではない。ＩＭＣと組み合わせて水平ホール素子を使用する利点は、ＩＭＣが磁力線を曲げ、水平ホール素子がそうでなければ測定できない信号を測定できることである。ＩＭＣは受動的な方法で信号増幅を提供する。
【０１３０】
図２７（ａ）及び図２７（ｂ）は、８つの水平ホール素子ＨＨ１〜〜ＨＨ８を有し、中央ディスク１１の形態の集積磁場コンセントレータと、複数の半径方向に配向された細長いストリップ１０とをさらに備える、本発明によるセンサ装置６の実施形態を示し、ホール素子は中央ディスク１１の下に配列されている。この図は特許文献３の図２６と同様であるが、センサ素子とストリップの数は異なる。図２７（ａ）は、センサデバイスの上面図を示し、図２７（ｂ）は、１次センサ素子ＨＨ１〜ＨＨ８及びその信号Ｓ１〜Ｔ１を示す。
【０１３１】
このセンサを使用して０°〜３６０°までの範囲内の角度を決定する方法では、ステップ１７２において、「第２のアルゴリズム」を使用して（例えば、式［２］または式［３］〜［１０］または式［１１］〜［１４］または式［１５〜［１６］を使用して）１次角度α１を計算することができる。信号Ｓ１〜Ｖ２は既に２次場Ｂｓに関する情報を含んでおり、１次信号は２信号ＳＥ１〜ＳＥ８として使用することもできるので、図１３（ｄ）図に示すＢｚ場を測定するために追加の２次センサ素子ＸＥ１、ＸＥ２等は必要ではない。この実施形態の利点は、空間を節約するように、専用の２次センサ素子を必要としないことである。
【０１３２】
この方法のステップ１７４は、１次角度α１が決定されると、１次センサＨＨ１〜ＨＨ８から得られた値から図１３（ｃ）に示す場を減算することを意味するが、このステップは任意である。信号ＳＥ１〜ＳＥ８は、例えば、２次磁場の方向を、例えば、個々のセンサの最も大きい（最大）信号を見つけることによって、または最も小さいもの（最小）を見つけることによって、及びこれらの角度のいずれが２次磁場の方向α２に最も良く対応するかに応じて、回転子位置αをα１（ステップ１７５でＮ＝０）またはα１＋１８０°（ステップ１７５でＮ＝１）として選択し、任意選択で、上述したように、磁石の１次磁場Ｂｐと２次磁場Ｂｓとの間の角度オフセットを考慮に入れることによって決定するために使用することができる。
【０１３３】
図２８（ａ）及び図２８（ｂ）は、図２７（ａ）及び２７（ｂ）に示すセンサデバイスの変形例を示し、８つの１次センサ素子ＨＨ１〜ＨＨ８が、中央ディスク１１の下ではなく半径方向に配向された細長いストリップ１０の下に位置する。実際、この実施形態では、中央ディスク１１は不要であり、省略することができる。
【０１３４】
図２９は、８対の水平ホール素子を有し、センサ素子が位置する第１の円８の上方に配列されたリングセグメントの形態の集積磁場コンセントレータ（ＩＭＣ）をさらに含む、本発明によるセンサデバイス６の実施形態を示す。この図は特許文献３の図１９と同様であるが、センサ素子とＩＭＣストリップの数は異なっており、角度αを計算する方法、特に方法の第２の部分（すなわち、ステップ１７３〜１７５）は異なる。本実施形態では、１８０°加算するか否かを、例えば、上述したように、最大値または最小値を見つけることによって、信号Ｓ１〜Ｖ２を、決定するための２次信号として使用することができるので、専用の２次センサ素子を備えていない。
【０１３５】
図３０は、図２９の実施形態の変形例を示し、図２６で説明したように、追加の信号ＳＥ１、ＳＥ２のどちらが大きいかに依存して、１８０°が加えられるべきかどうかを決定するために使用され得る２つの追加のセンサ素子ＸＥ１、ＸＥ２が追加される。上述したように、少なくとも３つの追加のホール素子ＸＥ１、ＸＥ２、ＸＥ３（図示せず）を有する方がよい。
【０１３６】
図３１〜図６０は、本発明の実施形態で使用可能な磁石のいくつかの例を示す。
【０１３７】
図３１は、一定でない厚さを有する４極ディスク磁石５０の例を示す。例えば、セグメント５１ａ、５１ｄは第１の厚さＴ１を有し、セグメント５１ｂ、５１ｃは第１の厚さＴ１と異なる第２の厚さＴ２を有する。別の例（図示せず）では、セグメント５１ａ、５１ｂ、５１ｃは第１の厚さＴ１を有し、セグメント５１ｄは第１の厚さＴ１とは異なる第２の厚さＴ２を有する。この磁石は単一の磁性材料で構成されているが（具体的には成形され、磁化されているが）、実際には、このような磁石は、規則的な４極子の形態の１次磁場と、１つ以上の双極子の形態の２次磁場と、任意選択で、図１０に示す磁石によって形成される磁場に非常に類似した、センサの挙動に有意な影響を及ぼさない、いくつかの高次の項と、との重ね合わせと考え得る磁場を形成する。この例では、厚さの変化は２次磁場Ｂｓを引き起こす。
【０１３８】
図３２及び図３３は、本発明の実施形態で使用することができる磁石の例を示しており、中央部分が規則的な４極子ディスク磁石（一定の厚さ及び９０°のセグメントを有し、磁石の幾何学的中心が回転軸と一致するように取り付けられる）を有し、２つの垂直双極子（図面の深さ方向に垂直に磁化されていると仮定する）として作用する２つのリングセグメントの形態の外側部分を有する。これらのリングセグメントによって形成された２次場を図２０及び図２１に示した。
【０１３９】
図３２及び図３３は、同様の磁石アセンブリの２つの例を示すが、４極子３２と２つのリングセグメント３３との間に異なる角度オフセットを有する。他の実施形態（図示せず）では、４極子３２及び双極子３３の別の相対的な角度位置、例えば１０°または２０°または３０°または任意の他の値を選択することができる。相対角度位置（例えば、角度オフセット）は、ハードコードされていてもよいし、不揮発性メモリに格納されてもよい。図３２の実施形態は、図１６に関連して説明したのと同一の対称性の利点を提供することが期待されるが、これは本発明が機能するために必要とされるものではない。
【０１４０】
図３４は、４つのディスクセグメントを有する不規則な４極子ディスク磁石３４の例を示しており、その少なくとも１つは９０°とは異なる角度、例えば９２°から１１０°の範囲の角度を画定する。シミュレーションは、そのような磁石が、規則的な４極子の形態の１次磁場と、１つ以上の双極子の形態の２次磁場と、任意選択でセンサの挙動に重大な影響を及ぼさないある程度高い次数の項との重ね合わせと考え得る磁場を形成することを示している。この例では、セグメント角度の変化は、２次磁場Ｂｓを引き起こす。
【０１４１】
図３５は、４つのディスクセグメントを有し、９０°の角度を画定する不規則な４極子ディスク磁石３５の他の例を示しているが、磁石の中心（すなわち、磁場成分Ｂｔ、Ｂｒ、Ｂｚがゼロの場所、図５、図７及び図９参照、は磁石の幾何学的中心と一致していない。シミュレーションは、そのような磁石が、規則的な４極子の形態の１次磁場と、１つ以上の双極子の形態の２次磁場と、任意選択でセンサの挙動に重大な影響を及ぼさないある程度高い次数の項との重ね合わせと考え得る磁場を形成することを示している。この例では、磁化のオフセットは、この磁石が回転軸４上にその幾何学的中心を持って取り付けられるとき、２次磁場Ｂｓを生じる。この磁石の１次磁場Ｂｐは完全に回転対称ではないが、オフセットｄｘ、ｄｙが第１の円の半径に対して十分に小さい場合には、「第２のアルゴリズム」と組み合わせて１次センサ素子によって「見られる」１次磁場が、磁石が完全に規則的である（ｄｘ＝０及びｄｙ＝０の場合）場合と正確に同一の１次角度α１を提供する。この例では、オフセットｄｘ、ｄｙは２次磁場Ｂｓを引き起こす。
【０１４２】
特定の実施形態では、磁石の外径は、２０ｍｍより小さくても１０ｍｍよりも小さくてもよく、オフセットｄｘ及び／またはｄｙは、例えば、ディスク磁石の外径の少なくとも３％、少なくとも５％、例えば少なくとも１０％または少なくとも１５％または少なくとも２０％の値である。
【０１４３】
図３６（上面図）及び図３７（斜視図）は、第１のサイズの２つと、第１のサイズとは異なる第２のサイズの２つの、４つの別個の円筒双極子磁石から構成される永久磁石アセンブリを示す。図３８（上面図）及び図３９（斜視図）は、第１のサイズの３つと、第１のサイズとは異なる第２のサイズのうちの１つの、４つの円筒双極子磁石から構成される永久磁石アセンブリを示す。これらの円筒双極子磁石は、エポキシまたはポリマーまたは任意の他の好適な材料のような非磁性材料によって一緒に保持される。これらの磁石は、４極子と１つまたは２つの垂直双極子との組み合わせとして見ることができる。第２のサイズ（例えば直径）と第１のサイズ（例えば直径）との比は、例えば、約２００％〜約１０５％の範囲、例えば約１２０％または約１３０％または約１４０％または約１５０％で選択することができるが、他の値を使用してもよい。１２０％の比率であっても、例えば図１４（ｄ）に示すような信号Ｂｚ、中程度の外部場の存在下で、値を補正しなくても（ステップ１７４）１８０°を追加する必要があるかどうかについて確実に判断できるように十分に大きいことが期待される。
【０１４４】
図４０は、全てが同一の直立位置（例えば、センサ平面に対して９０°未満）に配向された、同一のサイズの４つの円筒双極子磁石のみからなる磁石アセンブリの上面図である。３つの双極子は、回転軸上に中心を有する円上に位置するが、一方の双極子は、距離ｄｒにわたって半径方向に内側または外側にシフトする。
【０１４５】
図４１は、全てが回転軸上に中心を有する円上に位置する同一のサイズの４つの円筒双極子磁石のみからなる磁石アセンブリの上面図である。３つの双極子は、センサ平面に対して垂直に配向され、双極子の１つは、該センサ平面の法線に対して５°〜８０°、好ましくは１０°〜３０°の範囲の角度φの下に傾斜する。
【０１４６】
図３１、図３４、図３５、図３８、図３９、図４０、及び図４１に示す磁石は、例えば厚さの変化、セグメント角度の変化、または磁気の中心と幾何学的中心との間のオフセットの変化、または個々の磁石のサイズの変化、または内方または外方への半径方向シフト、または傾斜角、またはこれらの組み合わせ、の形態の意図的な不規則性を有する多極子磁石が、回転軸４を中心に実質的に回転対称な１次磁場（Ｎ極子の多極子の場合、３６０°／（Ｎ／２）の周期性を有する、例えば４極子の場合には１８０°の周期性）と、回転対称ではない２次磁場との重ね合わせとして考え得る磁場を形成することができることを示す例である。
【０１４７】
図４２（上面図）は、共に規則的な４極子を形成する第１の大きさの４つの（内側の）円筒双極子、及び２次磁場を形成する第２の大きさの２つの（外側の）双極子の、６つの円筒双極子磁石から構成される永久磁石アセンブリを示す。第２のサイズは、第１のサイズよりも小さく、等しいか、または大きくすることができる。このように形成された４極子の回転軸は、２つの外側双極子の間の真ん中にある。この実施形態は、図１６に関して説明したのと同一の対称性利点を提供することが期待されるがこれは本発明が機能するために必要とされるものではない。
【０１４８】
この実施形態の変形例（図示せず）では、外側双極子の１つが省略されている。
【０１４９】
図４３は、図４２に示す磁石アセンブリの変形例であり、２つの外側円筒磁石は、４つの内側双極子によって形成された４極子の回転軸の両側に整列していない。
【０１５０】
図４２及び図４３の変形例では、６つの円筒双極子は全て同一のサイズを有し、このような磁石アセンブリを製造する場合に有利である。
【０１５１】
図４４〜図４８は、規則的な４極子リング磁石の形態の内側部分と、リングセグメントの形態の２つの外側部分とを有する磁石アセンブリ４８のいくつかの実施形態を示す。実用上の理由から、リング部分及びリングセグメントは、互いに小さな距離に位置付けされ、例えば、両者の間の黒色領域によって示唆されるようにエポキシまたはポリマーを使用して、共に保持され得る。外側部分の角度位置は、内側部分の角度位置から独立して選択することができるが、上で説明したように、これは、本発明が機能するためには必要ではないが、いくつかの実施形態は、図１６に関して説明したのと同一の対称性を提供することができる。本発明の実施形態では、例えば図４９に示すように、リングセグメントは、４極子リング磁石のリング部分を完全に取り囲む必要はない。
【０１５２】
これらの実施形態の変形例（図示せず）では、外側リングセグメントの１つが省略されている。
【０１５３】
図４９は、内側の部分が規則的な４極子リング磁石の形をした磁石アセンブリと、２つの垂直双極子をビームの形で示している。この磁石の変形例では、２つの外側部分は、２つの円筒磁石、または任意の他の好適な形状の磁石である。
【０１５４】
図５０〜図５５は、図４４〜図４９に示された磁石の変形例であり、規則的な４極子のリング磁石の形態の外側の部分と２次磁場を形成する内側の部分を含む。これらの磁石は、図４４〜図４９のものと非常に類似の結果をもたらすことが期待される。
【０１５５】
これらの磁石（図示せず）の変形例では、内側部分の１つが省略されている。
【０１５６】
６極子磁石：
図５６〜図６０は、回転対称６極子（１２０度の周期性を有する）を形成するための磁石アセンブリのいくつかの実施例を示し、本発明の実施形態で使用され得る、２次磁場Ｂｓを形成するための、１つのみ、または２つまたは３つのみの垂直双極子を示す。
【０１５７】
これらの磁石は、特許文献３に記載されている方法で、及びその図２３及びその図２５に示されているように、１グループに３つの１次素子を有する、グループＳ、Ｔ、Ｕ、Ｖの４つのグループに分けられた１２個の１次センサ素子を有するセンサデバイス６と連結して使用されるべきものである。１次センサ素子は、（特許文献３の図２２のように）半径方向場成分を測定するのに適した垂直ホール素子であってもよいし、（特許文献３の図２３のように）接線方向場成分を測定するために適合された垂直ホール素子であってもよいし、（特許文献３の図２４〜図２７のように）ＩＭＣによってカバーされる水平ホール素子であってもよい。４極子に適用可能な式［３］〜［１６］の代わりに、次の式［１７］と［１８］、または同等の式がこの場合に使用される。
【０１５８】
ｄｉｆｆ１＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）−（Ｕ１＋Ｕ２＋Ｕ３）  ［１７］
ｄｉｆｆ２＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ１）−（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３）  ［１８］
【０１５９】
図５６〜図６０の全ての磁石、及び４極子ディスク／リング／円筒が、６極子ディスク／リング／円筒によって再載置されている図３１〜図５５の変形例は、１次角度α１の精度に影響はないか、またはわずかであるように、角度αが３６０°の範囲で決定されるという意味で、これらのセンサと組み合わせて機能する。図５７の磁石では、式［１７］及び式［１８］は、２つの双極子によって発生した２次場Ｂｓに対して完全に鈍感であり、図５６及び図５８〜図６０の他の磁石では、２次磁場Ｂｓはおそらくより多くの影響を有し、１次角度α１にある程度の不正確さをもたらす。しかし、上述したのと同一の理由で、不正確さは約２°より小さくなることが予想され、第１の半径が減少し、及び／または回転軸と双極子の長手方向軸との間の距離が増加するにつれて、及び／または２次磁場の強度が１次場に対して減少するにつれて、精度が向上することが期待される。方法のステップ１７５（図１７参照）では、それぞれＭ＝０，１または２に対応して０°または１２０°または２４０°を追加する必要があるかどうか、を決定する、不確定角度またはＵＡ＝１２０°の周期性（６極子の場合）。上述のように、Ｍに関する最良の値は、複数の少なくとも２つ、または少なくとも３つ、または少なくとも４つ、例えば、６つ、または８つまたは１２個の２次信号ＳＥｉ、に基づくことができ、それらは、複数の少なくとも２つのまたは少なくとも３つの追加の水平ホール素子ＸＥｉから得られる信号であってもよく、または１次センサ信号と同一の信号であってもよい。信号ＳＥまたはＳ１〜Ｖ２は、任意選択で補正することができる（図１７の方法ステップ１７４参照）。
【０１６０】
図５６〜図６０と同様に、６つの円筒双極子の代わりに、６極子磁石は６つのセグメントを有するディスク磁石することができ、図３２及び図３３と同様、双極子（複数含む）はリングセグメントすることができるが（図示せず）、４極子は６極子に再載置される。外側リングセグメントの数は２つのままである。
【０１６１】
他の実施形態（図示せず）では、６つの円筒双極子の代わりに、６極子磁石は、６つのセグメントを有するリング磁石とすることができ、図４４〜図５５と同様、１つまたは２つ以上の双極子を、リングセグメントまたはビームとすることができるが、４つのリングセグメントを有するリングは、６つのリングセグメントを有するリングによって再載置される。
【０１６２】
図３１の変形例では、６つのセグメントを有し、少なくとも１つのセグメントが他のセグメントとは異なる厚さを有する６極ディスク磁石が提供される。
【０１６３】
図３４の変形例では、６つのセグメントを有し、少なくともオンセグメントが、６０°とは異なる、例えば４５°〜７５°の範囲、または５０°〜７０°の範囲、または５５°〜６５°の範囲の角度を画定する６極子ディスク磁石が提供される。
【０１６４】
図３５に示す変形例では、磁石の中心が磁石の幾何学的中心と一致しない６つのセグメントを有する６極子ディスク磁石が、提供される。
【０１６５】
以上から、本開示の恩恵を受ける当業者は、本発明の教示を８極磁石または高次磁石に容易に拡張することができる。
【０１６６】
多くの例が円筒磁石で与えられているが、本発明は、もちろん、例えば梁形状の磁石（正方形または長方形の断面を有する）のような他の形状を有する磁石でも機能する。
【０１６７】
本発明は、磁場を形成する永久磁石を用いて説明したが、本発明は、バックバイアス磁石または少なくとも１つのコイルの形態の磁石でも機能する。
【０１６８】
本発明は、図面及び前述の説明において詳細に図示され説明されたが、そのような図示及び説明は、設系用または例示的であって限定的ではないとみなされるべきである。前述の説明は、本発明の特定の実施形態を詳述している。しかしながら、上記のことがどのように詳細に記載されているとしても、本発明は多くの方法で実施され得ることが理解されるであろう。本発明は開示された実施形態に限定されない。
【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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【図１２（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
2018081098.tif 000015
【図１２（ｃ）】
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【図１２（ｄ）】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６（ａ）】
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【図１６（ｂ）】
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【図１６（ｃ）】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７（ａ）】
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【図２７（ｂ）】
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【図２８（ａ）】
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【図２８（ｂ）】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【外国語明細書】
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