(57)【要約】  本発明は、磁界を生成する磁界源（１０２）と磁界センサ（１００）の互いに対する相対位置の無接触測定のための方法に関する。また、本発明は更に、対応する変位センサに関する。本発明に従って、磁界センサ（１００）は、磁界の少なくとも二つの空間成分（Ｂｚ，Ｂｙ）を検出し、且つ位置信号が測定された成分から生成される。本方法は、以下の工程、即ち、二つの磁界成分の割合に基づいて位置信号を計算する工程と、その割合が計算される前に、磁界源（１０２）と磁界センサ（１００）との間で移動方向へ延在する磁界成分を修正する工程を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界を生成する磁界源と磁界センサの互いに関する相対位置の非接触測定のための方法であって、
前記磁界源と前記磁界センサが互いに対して移動可能であり、
前記磁界センサが前記磁界の少なくとも二つの空間成分を検出すること且つ位置信号が前記測定された成分から生成され、
前記方法が、
前記二つの磁界成分の割合に基づいて前記位置信号を計算する工程と、
前記割合が計算される前に、前記磁界源と前記磁界センサとの間に移動方向へ延在する前記磁界成分を計算する工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記磁界源と前記磁界センサとの間に相対線形移動が行われ、
前記方法は、
前記相対移動方向へ延在する磁界成分に対する少なくとも第１の測定値を設定する工程と、
前記相対移動方向に対して横方向へ延在する磁界成分に対する少なくとも第２の測定値を設定する工程と、
修正項によって修正された前記第１の測定値と前記第２の測定値の割合から前記位置信号を計算する工程と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記磁界センサは、二次元又は三次元ホールセンサであることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記磁界源は、少なくとも一つの永久磁石を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記修正された磁界成分は、一定のオフセット値を前記測定された磁界成分へ追加することによって計算されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記修正された磁界成分は、補助磁石によって生成された補助磁界を前記永久磁石によって生成された磁界に重ねることによって形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
必要な修正の値は、
位置の値に従って前記移動方向における磁界成分の線を設定する工程と、
前記位置の値に従って前記線の二次導関数を計算し且つ前記二次導関数のゼロ位置を設定する工程と、
前記修正のためのオフセット値を計算するために前記ゼロ位置の前記線の関数値を最小間隔の位置の関数値から減算する工程と
によって設定されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
磁界を生成する磁界源（１０２）と磁界センサ（１００）の互いに対する相対位置の無接触測定のための変位センサであって、
前記磁界源（１０２）と前記磁界センサ（１００）が互いに対して移動可能であることと、
前記磁界センサ（１００）は、前記磁界センサが前記磁界の少なくとも二つの空間成分（Ｂｚ，Ｂｙ）を検出し且つ前記測定された成分から前記二つの磁界成分の割合に基づいて位置信号を生成するように構成されること、
前記変位センサは、更に、前記割合が計算される前に、前記磁界源（１０２）と前記磁界センサ（１００）との間で移動方向（ｚ）へ延在する前記磁界成分の値を修正する修正ユニットを備えることを特徴とする変位センサ。
【請求項９】
前記修正ユニットは、一定修正係数（ＯＳ）を演算的に追加するための計算ユニットを備えることを特徴とする請求項８に記載の変位センサ。
【請求項１０】
前記修正ユニットは、前記磁界源と前記磁界センサとの間で移動方向へ延在する前記磁界成分の値が一定の修正係数によって修正されるように、磁界が前記磁界源（１０２）の磁界へ重ねられる少なくとも一つ補助磁石（１１４）を備えることを特徴とする請求項８又は９に記載の変位センサ。
【請求項１１】
前記少なくとも一つの補助磁石（１１４）は、前記磁界センサ（１００）に対して所定の位置に固定されるように配置されることを特徴とする請求項１０に記載の変位センサ。
【請求項１２】
前記少なくとも一つの補助磁石（１１４）は、前記磁界センサ（１００）を有する共通回路キャリア（１１６）上に取り付けられることを特徴とする請求項１１に記載の変位センサ。
【請求項１３】
前記磁界センサ（１００）は、二次元又は三次元ホールセンサを備えることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか一項に記載の変位センサ。
【請求項１４】
前記磁界源（１０２）は、少なくとも一つの永久磁石を備えることを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか一項に記載の変位センサ。
【請求項１５】
前記磁界源（１０２）は、前記磁界源と前記磁界センサとの間で相対線形移動によって画定される軸と回転対称である磁界を生成することを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか一項に記載の変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界を生成する磁界源と磁界センサの互いに対する相対位置の非接触測定のための方法に関する。更に、本発明は、対応する変位センサにも関する。
【背景技術】
【０００２】
特に、線形移動は、ホール効果に基づいて１個以上の永久磁石と磁気センサとの間の磁気相互作用によって本発明に従う方法によって非接触方法で検出され且つ判断されるようになっている。
【０００３】
線形移動の測定は、例えば、油圧において、自動化技術及びロボット工学（技術）において並びに自動車用センサにおいてマシンツールを制御するために使用される。移動の非接触検出には、とりわけ摩耗が存在しない利点がある。非接触測定方法の内、光学的方法と磁気的方法は最も広まっている。光学的方法が光の短波長のおかげで非常に高いレベルの精度を確保しているのに対し、磁気的方法は特に磁石とセンサコンポーネントが完全に非磁気的ハーメチックケージングに包み込まれることができる点で汚染及び損傷に関して極めて感度が乏しい。
【０００４】
変位可能永久磁石の位置が二次元又は三次元ホールセンサによって設定されている変位センサシステムは、種々の製造業者によって市販されている。
【０００５】
ある位置で相対線形移動を検出するために、その位置を決定するために互いに対して垂直である二つの磁界成分が測定され且つそれらの割合が求められる。この方法は、磁界成分が極値を取り、従って小さな変位を検出しない領域では、他の磁界成分が変位に対して全てがより強く反応し、それによってあらゆる点で高レベルの測定精度が全体の測定範囲に亘って得られる利点を有する。
【０００６】
更に、この原理は、磁界成分同士間の比例数がその位置を検出するために使用されるので、絶対磁界強度の変化に関して比較的感度が高くない利点を有する。
【０００７】
欧州特許明細書ＥＰ０９７９９８８Ｂ１は、永久磁石と電子センサとの間の相対線形移動の非接触磁気検出のための測定方法を開示している。電子センサによってその相対線形移動を検出するために、その位置を設定するために割合が求められる二つの互いに対して垂直な磁界成分が検出される。
【０００８】
第２の方法の変形例では、既知の測定方法が実行されることができ、電子センサによって相対線形移動を検出するために、位置を定めるために割合が求められる二つの互いに対して垂直な磁界成分が二つの位置で検出される。
【０００９】
欧州特許出願公開ＥＰ２１５９５４６Ａ２は、二つの相互に垂直な磁界成分（Ｒ，Ａ）を検出するためのセンサ構成と永久磁石との間の相対線形移動の非接触検出のための測定方法を開示している。二次元又は三次元ホールセンサは、異なる磁界成分を検出すために個別のセンサの代わりに使用される。準線形位置測定線は、関数Ｕ＝ｙ−ｅ+ｇによって形成され、その関数では、ｙは磁界成分同士の関数関係であり、ｅとｇは、事前決定可能な値である。特に、準線形位置測定線Ｕ＝ｆ（ｙ）は、関係ｙ＝ａ+ｂ・Ｒ／ｆ（ｃ・Ｒｎ+ｄ・Ａｎ）に従ってホールセンサの出力信号から形成され、この関係において、Ｒが半径方向磁界成分であり、Ａが軸方向磁界成分であり、Ｕが測定電圧であり、及びａ，ｂ，ｃ，ｄ及びｎは、定数係数である。
【００１０】
欧州特許出願公開ＥＰ１２４３８９７Ａ１は、所定経路に沿って互いに対して変位され得る磁界源と磁界センサを備える磁気変位センサに関する。磁界センサは、磁界源によって生成される磁界の二つの成分を測定する。磁界センサと磁界源との相対位置を表す位置信号が測定された成分から得られる。この明細書に示される変位センサの構成は、位置信号の決定が磁界の二つの測定された成分の分割を含むことにおいて区別される。
【００１１】
しかしながら、これらの既知の方法は、永久磁石と磁気センサとの間の間隔がその測定において重要な誤差源を構成する。特に、組立許容誤差、熱によって導入される材料膨張及び振動の影響に起因してその間隔を一定に保つことがしばしば非常に困難になる。
【００１２】
図１は、線形移動を非接触で検出し且つ移動可能永久磁石１０２の磁界を検出するためにホールセンサ１００が所定位置に固定されるように適合される配置を示している。永久磁石１０２の移動方向におけるＮ極／Ｓ極の極性付与に従って、移動の方向へ延在する磁界は、以下では磁界成分Ｂｚと呼ばれ、且つその方向を横切るように延在する磁界成分は、磁界成分Ｂｙと呼ばれる。以下の式（１）に従って計算されることができる角度αは、一般的に、測定信号として用いられる。
【数式１】
【００１３】
図２に示されるように、角度αは、所与の閾値までのホールセンサに関する永久磁石１０２の位置に比較的線形的に依存している。通常、現在測定されている特性線は、線１０４によって、図２に示されるように、更に直線化される。次に、その直線化された線α＿ｌｉｎ１０４は、そのセンサの特性出力線を形成する。
【００１４】
図３と図４を参照すると、永久磁石１０２とセンサ１００との間の間隔ｄへの出力信号の依存がより詳細に説明される（図１参照）。
【００１５】
図３において、磁界成分Ｂｙ，Ｂｚに対する線の群は、パラメータとして異なる間隔ｂで指示される。値に関して最も小さい磁界を有する線は、夫々、最大の間隔（この例では、７ｍｍ）を有する線である。その角度が永久磁石の位置への依存によってそれらの磁界成分から計算されると、図４に示される経路が得られる。勾配誤差が如何に大きいかを示すために、特性線が一方を他方から引き、且つパーセント誤差が設定される。図５に示される依存は、結果として生成される。
【００１６】
線１０６は、７ｍｍの間隔に対する線と６．５ｍｍの間隔に対する線との間の誤差を示し、他方、線１０８は、６．５ｍｍの間隔に対する角度αと５．５ｍｍの間隔に対する角度との差を表す。即ち、１ｍｍの間隔のバラツキは、１．６％の偏差となり、且つ１．５ｍｍの間隔のバラツキは、２．３％の偏差となる。
【００１７】
しかしながら、これは、例えば、自動車における支援ステアリングシステムやペダル移動測定のような非常に感度の高いシステムには許容されない。この結果、永久磁石とホールセンサ要素との間の間隔の望ましくないバラツキに関してあまり感度が高くない改良された信号処理作業が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、上述のタイプの測定方法と変位センサを提供して、可能な限り広い測定範囲にわたって直線的な測定信号を生成し、磁界源と磁界センサとの間の間隔におけるバラツキによる影響を可能な限り小さくすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この目的は、独立の請求項の主題によって達成される。従属の請求項は、本発明に従う方法と変位センサの有利な展開に関連する。
【００２０】
本発明は、アークタンジェント計算において移動方向の磁界成分に対する値を直接に使用せず、代わりに、修正値によってこの項を拡張する概念に基づく。そのオフセット値は、異なる間隔ｄで角度αに対する線の勾配適応となる。
【００２１】
これは、比較的に単純な計算作業であるので、極度に単純な方法で汎用型に従って変位センサの精度を向上することができる。
【００２２】
本発明をより良く理解するために、以下の図面に示される実施形態を参照してより詳細に説明される。同一のコンポーネントは、同一の参照符号及び同一のコンポーネント記号表示で示される。
【００２３】
更に、示され且つ記述される実施形態からの個々の特徴と特徴の組合せもまた本発明に従う独立の発明解決策（単数又は複数）を個別に構成し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に従って信号の値が求められることができる変位センサを示す。
【図２】永久磁石の位置に従って生成された磁界成分の経路及びその経路から計算された非修正角度αを示す。
【図３】永久磁石と磁界センサとの間の間隔に従ってｙ方向とｚ方向における永久磁石によって生成された磁界成分を示す。
【図４】異なる間隔ｄに対する永久磁石の位置の関数として角度αを示す。
【図５】永久磁石と磁界センサとの間の間隔に従う相対誤差を示す。
【図６】本発明に従って修正のために計算準備の説明を示す。
【図７】永久磁石と磁界センサとの間の間隔に従う修正された角度αの経路を示す。
【図８】異なる間隔に対する位置に従う相対誤差を示す。
【図９】図８の二つの線を拡大して示す。
【図１０】位置に従う測定磁気成分及び修正された磁界成分の経路を示す。
【図１１】位置の変化に平行に延在する磁界成分の経路とその磁界の一次導関数を示す。
【図１２】第２の実施形態に従う変位センサ配置を示す。
【図１３】第３の実施形態に従う変位センサ配置を示す。
【図１４】第４の実施形態に従う変位センサ配置を示す。
【図１５】従来の計算準備に対する磁石とセンサとの間の間隔のバラツキに対する特性線の図である。
【図１６】本発明に従う修正が使用される場合に図１に従う配置に対する特性線の経路を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、最初に、図６と図１を参照して以下でより詳細に説明される。
【００２６】
第１の実施形態に従う変位センサ配置が図１に示されている。ホールセンサ１００は、所定位置に固定されるように取り付けられ、永久磁石１０２は、そのホールセンサ１００に関連して線状に移動可能であるように支持される。永久磁石１０２は、そのＮ極／Ｓ極の軸線が移動方向と平行に配向されるような極構成を有する。しかしながら、原理上は、Ｎ極／Ｓ極の軸線が移動方向に対して横切るように延在する極構成を永久磁石１０２が有する配置に対して本発明の原理を使用することも可能である。永久磁石１０２は、例えば、図１に示されるゼロ位置から二つの方向へ、例えば約２５ｍｍだけ変位されることができる。ホールセンサ１００は、少なくとも二つの直交磁界成分、即ち移動線に沿って延在する成分とそれに対して横方向へ延在する成分を検出する。それら二つの成分のベクトル加法は磁界の値｜Ｂ｜を提供する。角度αは、移動方向に対して垂直な線と全磁界ベクトル｜Ｂ｜とのなす角度として定義される。
【００２７】
既に述べたように、角度αは、式（１）に従って移動方向における又はそれに対して横方向の磁界成分から計算される。
【数１】
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【００２８】
当然、本発明に従う原理を他の磁界源、例えば、電磁石、及び磁気抵抗センサや誘導センサのような磁界センサへ移すことも可能である。
【００２９】
図６は、磁界センサ、この例では、ホールセンサ１００である磁界センサの永久磁石１０２の位置に従って測定される測定信号を示す。これらの信号は、一方では移動方向における磁界の値Ｂｚであり、他方では移動方向に対して横方向の磁界の値Ｂｙである。勿論、計算のために、Ｂｙに対して直交方向へ延在する値Ｂｘを使用することも可能である。
【００３０】
本発明に従って、式（１）に従うＢｙに対するＢｚの割合のアークタンジェントは、測定信号として使用されないが、代わりに、移動方向へ延在する磁界成分Ｂｚがオフセット値によって修正される。そのオフセット値は、勾配適応（gradient adaptation）となる。以下の式（２）は、角度αの計算のために生成される。
【数２】
2014528085.tif 000004
【００３１】
修正された済（Ｂｚ+ＯＳ）線は図６では、参照番号１１０で示されている。
【００３２】
修正された角度α＿ＯＳの線進行方向は、異なる間隔ｄに対して図７で考察されると、その線の進行方向は、その線の群に対するパラメータとしてここで示される間隔ｄのバラツキに実質的にあまり依存しないことが明白である。
【００３３】
このことは、一方では、組立誤差が本発明に従う解決策で受け入れられるが、他方では、バラツキに起因する影響も防止されることを意味する。
【００３４】
図８と図９の線は、各ケースにおけるより高い値との関連で、ｄ＝６．５ｍｍに比較してのｄ＝７ｍｍに対する角度α＿ＯＳの対応する相対誤差（線１１８は、α＿７．０ｍｍ−α＿ＯＳ＿６．５ｍｍの相対誤差を指す）及びｄ＝６．５ｍｍ及びｄ＝５．５ｍｍに対する角度α＿ＯＳの対応する相対誤差（線１２０は、α＿ＯＳ＿６．５ｍｍ−α＿ＯＳ＿５．５ｍｍを指す）を示す。
【００３５】
図５の線に比較して、測定信号への間隔ｄの影響は、この例では実質的により小さい。１ｍｍの間隔のばらつきは０．３％未満の偏差となり、１．５ｍｍの間隔のばらつきも０．３％未満の偏差となる。
【００３６】
本発明に従って、出力信号の間隔依存は、未修正計算に対して約１／８へ減少される。
【００３７】
図６で使用される修正値は、ＯＳ＝１４．７ｍＴである。その値の計算による設定は、図１０と図１１を参照して以下でより詳細に説明される。
【００３８】
図１０において、直交磁界成分Ｂｙ，Ｂｚの経路が示される。図１１は、永久磁石１０２の位置に従う線Ｂｚと、位置ｘに対する移動に沿う磁界成分の導関数とを示している。項ＯＳに対する最適条件は、Ｂｚの変曲点がゼロに等しい時に、即ち、二次導関数がゼロすなわち図示の線１１２の勾配が水平である時に達成されることが理解される。
【００３９】
Ｂｚの最大値とｄ２Ｂｚ／ｄｚ２＝０の位置での値との間の差が図１に示される実施形態に対してＯＳ＝１４．７ｍＴのオフセット値となる。
【００４０】
しかしながら、そのオフセット値は、必ずしも計算方法において磁界成分へ追加される必要はないが、代わりに、定数因数が常に本発明に従う方法へ追加されるので、このオフセット値は他の補助磁石１１４によって物理的に生成されてもよい。
【００４１】
補助磁石１１４は、移動可能永久磁石からの間隔がホールセンサ１００と同じ間隔ｄである平面に配置されることができる（図１２と図１３を参照）。補助磁石１１４のおかげで、式（２）に従う必要な修正を保証する磁界成分が移動方向Ｂｚ＿ＯＳに生成される。
【００４２】
しかしながら、或いは、補助磁石１１４は、回路キャリア、例えば、印刷回路基板（ＰＣＢ）１１６の後部側に、即ちホールセンサ１００が構成されるＰＣＢ１１６の他方の側に、取り付けられてもよい。この実施形態が概略的に図１４に示される。
【００４３】
補助磁石１１４を使用するハードウェア解決策は、計算準備が式（１）に従って非変更状態で実行されることができるが、それにもかかわらず向上されたレベルの精度が達成される利点を有する。
【００４４】
本発明に従う解決策の利点は、図１５と図１６の比較によって直接的に示されることができる。
【００４５】
図１５は、パラメータとして磁石とセンサとの間の異なる距離ｄに対する永久磁石の変位に従うセンサの出力信号を示している。間隔におけるバラツキに従う異なる勾配値が明瞭に見られる。しかしながら、対応する磁界成分の最大値と変曲点の値との間の差の値が図１１を参照して上記のように計算されると、１４．７ｍＴのオフセット値が得られる。値１４．７ｍＴによって修正された値がアークタンジェント計算のために非修正磁界成分の代わりに使用されると、図１６の線の群が、一般的には間隔に大きく依存している図１５の特性線の群に比較して生成される。
【００４６】
間隔ｄのバラツキの場合、永久磁石とホールセンサとの間の間隔ｄに従う特性線の偏差が図１６ではもう全く設定されず、勾配値が測定ノイズに関して最早検出されない。
【符号の説明】
【００４７】
１００    ホールセンサ
１０２    永久磁石
１０４    線進行方向α＿ｌｉｎ
１０６    線進行方向α＿７．０ｍｍ−α＿６．５ｍｍ
１０８    線進行方向α＿６．５ｍｍ−α＿５．５ｍｍ
１１０    線進行方向Ｂｚ+ＯＳ
１１２    線進行方向α＿ＯＳ
１１４    補助磁石
１１６    回路キャリア（ＰＣＢ）
１１８    線進行方向α＿ＯＳ＿７．０ｍｍ−α＿ＯＳ＿６．５ｍｍ
１２０    線進行方向α＿ＯＳ＿６．５ｍｍ−α＿ＯＳ＿５．５ｍｍ
【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】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
2014528085.tif 000021
2014528085.tif 000022
2014528085.tif 000023