(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動する対象物（１２）の位置を決定する直線位置センサ（１０）であって、
該直線位置センサは、磁界を形成する２つの磁石（１４，１６）を有しており、
前記の移動する対象物（１２）は、心棒（２２）に連結されており、
前記の２つの磁石は、前記の心棒（２２）の回りに間隔を空けて取り付けられている形式の直線位置センサにおいて、
前記の直線位置センサはさらに
第１磁界トランスデューサ（４６）と、第２磁界トランスデューサ（４８）と、信号プロセッサユニット（５０）とを有しており、
前記第１磁界トランスデューサ（４６）は、形成された磁界を検出しかつ当該磁界の方向を表す第１正弦波信号を出力し、
前記第２磁界トランスデューサ（４８）は、形成された磁界を検出しかつ当該磁界の方向を表す第２正弦波信号を出力し、
前記信号プロセッサユニット（５０）は、第１および第２磁界トランスデューサに接続されており、かつ第１および第２トランスデューサを基準とする対象物の位置を表す正弦波信号の関数である信号を出力し、
前記の第１磁界トランスデューサ（４６）の正弦波信号は、前記の磁界方向の角度の正弦であり、第２磁界トランスデューサ（４８）の正弦波信号は、前記の磁界方向の角度の余弦であり、
前記の一方の磁石（１６）が含まれかつ当該磁石（１６）の磁極方向に垂直な第１平面と、他方の磁石（１４）が含まれかつ当該磁石（１４）の磁極方向に垂直な第２平面との間の角度が互いに調整されて、前記の２つの正弦波信号と前記の対象物の実際位置との間の直線的な関係が最適化され、
前記の信号プロセッサ（５０）は、前記の２つの正弦波信号の逆正接値を計算するモジュールを含んでおり、かつ前記の磁界の角度を表す線形の出力を形成し、ひいては前記の対象物の直線位置を形成することを特徴とする
直線位置センサ。
【請求項２】
前記の第１の平面および第２の平面は１０°の角度に調整されて、前記のセンサの線形応答が最適化されている、
請求項１に記載の直線位置センサ。
【請求項３】
前記の第１磁界トランスデューサ（４６）には、４つの磁界トランスデューサ素子（６２，６４，６６，６８）を有するホイートストーンブリッジ（７８）が含まれており、
前記の第２磁界トランスデューサ（４８）には、別の４つの磁界トランスデューサ素子（７０，７２，７４，７６）を有する別のホイートストーンブリッジ（８０）が含まれている、
請求項１に記載の直線位置センサ。
【請求項４】
前記磁界トランスデューサ素子（６２，６４，６６，６８；７０，７２，７４，７６）は磁気抵抗素子である
請求項３に記載の直線位置センサ。
【請求項５】
前記磁石（１４，１６）は、互いに向き合う面の磁極が同じであり、
前記磁界トランスデューサ素子（４６，４８）により、当該の同じ磁極間の磁界を検出する
請求項１から４までのいずれか１項に記載の直線位置センサ。
【請求項６】
２つの磁石（１４，１６）を、対象物（１２）に連結された心棒（２２）の回りに間隔を空けて固定して当該対象物（１２）の位置を決定する方法において、
前記の一方の磁石（１６）を含みかつ当該磁石（１６）の磁極方向に垂直な第１平面と、他方の磁石（１４）を含みかつ当該磁石（１４）の磁極方向に垂直な第２平面との間の角度を互いに調整して、前記の磁石によって形成される磁場の正弦波状の変化に基づいて最適な直線的応答が得られるようにし、
前記の磁石によって形成される磁界方向を第１磁界トランスデューサ（４６）および第２磁界トランスデューサ（４８）によって検出し、
前記の磁界方向を正弦波信号に変換し、
信号処理ユニット（５０）にて当該正弦波信号を処理して、当該正弦波信号に基づき、前記の位置を決定し、ここで前記の磁界方向を決定するステップには、磁界方向の角度の正弦を測定することおよび磁界方向の角度の余弦を測定することが含まれており、
前記の２つの正弦波信号の逆正接値を計算し、当該逆正接値を前記対象物（１２）の直線位置表示として出力することを特徴とする、
対象物（１２）の位置を決定する方法。
【請求項７】
前記の第１の平面および第２の平面は１０°の角度に調整して、前記の線形応答を最適化する、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記の第１磁界トランスデューサ（４６）には、４つの磁界トランスデューサ素子（６２，６４，６６，６８）を有するホイートストーンブリッジ（７８）が含まれており、
前記の第２磁界トランスデューサ（４８）には、別の４つの磁界トランスデューサ素子（７０，７２，７４，７６）を有する別のホイートストーンブリッジ（８０）が含まれている
請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記磁界トランスデューサ素子（６２，６４，６６，６８，７０，７２，７４，７６）は磁気抵抗素子である
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記磁石（１４，１６）は、互いに向き合う面の磁極が同じであり、
前記磁界トランスデューサ素子（４６，４８）により、当該の同じ磁極間の磁界を検出する
請求項６から９までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動する対象物の位置を決定する直線位置センサに関し、殊に磁気抵抗素子を使用して磁界の方向を、対象物の位置を表す正弦波信号として検出する直線位置センサに関する。また本発明は対象物の位置の検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの適用において、決められた経路を直線的に移動する種々の対象物の精確な位置を決定することは望ましいことである。例えば、シリンダに再循環される排気ガス量の制御に使用される排気ガス交換（ＥＧＲ=Exhaust gas reciprocating）バルブの場合、シリンダに戻してもよいガス量を精確に制御するためにバルブの位置を精確に決定することは極めて望ましいことである。バルブ位置を精確に測定することによって、最適な量のガスが再循環され、エンジン性能が増大すると共に、シリンダの燃焼を妨げる排気ガスの過多も回避される。
【０００３】
直線位置センシングは、現在、種々の電子ベースのセンサ装置を使用して行われている。現在の直線位置センサには、線形電圧差分トランスデューサ（ＬＤＶＴ＝Linear voltage differential transducer）形と、可変インダクタンス形と、可変キャパシタンス形と、うず電流抑制式発振器形とが含まれる。ＬＤＶＴおよび可変インダクタンスセンサは直線位置を、導線からなる１つまたは複数のコイルに挿入されるロッドによって決定する。ロッドの位置は、１つまたは複数のコイルのインダクタンスまたはまたはこれらを流れる電流の量によって決定される。ロッドが１つまたは複数のコイルに挿入されると、測定されるインダクタンスが変化する。したがってロッドの位置は、測定されるインダクタンスまたは電流の量にほぼ比例する。この測定したインダクタンスまたは電流を直線位置表示に変換するために計算を行うことができる。しかしながら、これらの解決手段によって、コスト、測定の分解能、精度およびパッケージングについての問題が発生する。これらの装置は機能はするが、コストが高くなりがちであり、しばしばその適用においてパッケージングが問題になる。例えば、ＬＶＤＴの場合、２つのコイルが必要であり、センサのパッケージのサイズが２倍になり、センサのコストが上昇する。
【０００４】
これに対してうず電流およびキャパシタンスベースの位置センサでは周波数が測定される。信号の周波数はターゲットの位置に依存する。直線位置に対する共通の方法では、ロッドまたはピストンなどの移動する部材に接続された磁石を使用し、この磁石からの磁界を測定する。磁界の測定値は、磁石からの距離にほぼ比例する。したがってこの位置は、測定した磁界に対して一連の計算を行うことによって決定される。
【０００５】
現在行われているこれらの方法にはいくつか問題がある。もっとも重大なのは、磁界の強度、インダクタンスの強度および電流の強度は精確に直線的ではなく、これによって位置測定に誤差が生じることである。このような不精確さは、磁界またはインダクタンスまたは電流を供給する、磁界測定トランスデューサが離れていればいるほど増大する。
【０００６】
付加的な解決手段では、移動する磁石と共に直線的な磁気抵抗トランスデューサが使用される。このトランスデューサによって検出された磁界は、磁石の位置を表している。しかしながら磁界の非直線性によって、歪みが磁石の移動方向の端部近傍で生じる。このような歪みは補正することはできるが、このような補正には別の回路または処理が必要であり、これらによって装置の複雑度とコストが増大してしまう。
【０００７】
したがって直線的な磁石位置センサが必要である。さらに、磁気抵抗素子を使用した、簡単な回路を有する位置センサも必要である。現在の位置センサよりも精確な直線位置信号を供給する直線位置センサも必要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従来の直線位置センサよりも精確な直線位置信号を供給する直線位置センサと、対象物の位置を決定する方法とを供給することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明により、請求項１の特徴部分に記載された特徴的構成を有する直線位置センサと、請求項６の特徴部分に記載された特徴的構成を有する、対象物の位置を決定する方法とによって解決される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、磁界を形成する２つの磁石を有する、移動する対象物の位置を決定する直線位置センサにおいて実現される。これらの２つの磁石は、対象物の移動方向の面を基準に垂直な面において間隔を置いて配置される。このセンサは第１磁界トランスデューサを有しており、これは形成された磁界を検出しかつこの磁界方向を表す第１正弦波信号を出力する。第２磁界トランスデューサは、形成された磁界を検出しかつこの磁界方向を表す第２正弦波信号を出力する。信号プロセッサユニットが、この第１および第２磁界トランスデューサに接続されている。この信号プロセッサユニットは、第１および第２トランスデューサに対する対象物の位置を表す正弦波信号の関数である信号を出力する。これらの磁石は、相互に所定の角度で配置され、これによって正弦波信号と、対象物の実際位置との間の直線的な関係が最適化される。
【００１１】
本発明はまた対象物の位置を決定する方法において実現される。２つの磁石を対象物に固定する。これらの磁石を所定の角度でセットし、これにより、最適な直線的応答が、磁石によって形成される磁界の正弦波状の変化に基づいて得られる。磁石によって形成される磁界方向を検出する。検出した磁界方向を正弦波信号に変換する。この後、位置を正弦波信号に基づいて決定する。
【００１２】
上記の一般的な説明および以下の詳細な説明は両者とも制限するためではなく、本発明をより詳細に説明することを意図していると理解されたい。本明細書に組み込まれており、その一部をなす添付の図面は、本発明の方法および装置を図解し、さらにその理解を深めるためのものである。本発明を以下、図面に基づいて詳しく説明する。
【００１３】
【実施例】
本発明は種々の形態で実施することができるが、図面および以下の説明において有利な実施形態を説明する。現在の開示内容は、本発明の実施例とみなすべきであり、本発明を説明した特定の実施形態に限定することを意図していないことを理解されたい。
【００１４】
図面、殊に図１および２を参照すると、ここでは一般に参照符号１０で示された、本発明の一般原理を実施する直線位置センサの斜視図および側面図がそれぞれ示されている。
【００１５】
一般に直線位置センサ１０は、排気ガス交換（ＥＧＲ）バルブ１２のような対象物の位置を検知する。この排気ガス交換バルブは、直線位置センサ１１０を基準に直線的に移動する。直線位置センサ１０によって検出される対象物は通例、固定のトラックまたは経路を移動するか、これに取り付けられており、厳密に直線的な動きが保証される。排気ガス交換バルブ１２は１対の磁石１４および１６を有しており、これらは排気ガス交換バルブ１２の移動方向の面を基準に垂直な面に間隔を置かれて配置されている。
【００１６】
対象物の位置は、センサユニット４０によって検出される。センサユニット４０は、磁気の干渉を最小化するために非鉄製パッケージ内に取り付けられている。この実施例では対象物は排気ガスバルブ１２であるが、直線位置センサ１０の原理は任意の直線位置決めの適用事例に適用できると理解されたい。
【００１７】
排気ガス交換バルブ１２は心棒２２を有しており、これの一方の端部は図示しない駆動機構に取り付けられている。この駆動機構は、電気モータまたは真空駆動装置または任意の他の適切な装置とすることができる。したがって心棒２２は直線的な経路を前後に駆動される。磁石１４および１６は、心棒２２の周りに同軸的に取り付けられており、間隔を置いて配置されている。これによって以下に説明するように磁界が形成される。
【００１８】
心棒２２の他方の端部は、ダイアフラム２４に取り付けられている。ダイアフラム２４はバルブ本体２６に接触している。バルブ本体２６は入力ポート２８を有しており、これは、図示しない排気ガス源に接続されている。バルブ本体２６はまた出力ポート３０を有しており、これは、図示しないエンジンシリンダに接続されている。入力ポート２８からの排気ガスはチャンバ３２を通って出力ポート３０を出てエンジンシリンダに押しやられる。チャンバ３２を通って押しやられるガスの量は、ダイアフラム２４に接続されたバルブ３４に位置に依存する。心棒２２、したがってダイアフラム２４が移動すると、より少ない排気ガスまたはより多くの排気ガスがエンジンシリンダに送出される。エンジンシリンダに送出されるガスの量は排気ガスバルブ１２の位置の関数である。
【００１９】
センサユニット４０は、処理およびセンシング電子回路を有しており、これらはプリント基板ボード４２に取り付けられている。プリント基板ボード４２は磁気センサ素子を有しており、これはトランスデューサチップ４４である。トランスデューサチップ４４は、磁気抵抗素子４６および４８などの１対の磁界トランスデューサを有しており、これらは磁石１４および１６によって形成された磁界の方向を検出する。
【００２０】
有利な実施形態ではトランスデューサチップ４４はPhilips Electronics社製のＫＭＺ４１磁界センサである。トランスデューサチップ４４は、磁石１４および１６から検出した磁界方向に反応して電子的な信号を出力する。しかしながら適切な任意の磁界センサを使用可能である。以下に説明するようにトランスデューサチップ４４は、磁気抵抗素子４６および４８のような磁界トランスデューサからの変化する正弦波信号を出力する。これらは磁石１４および１６から検出した磁界の角度方向を表す。
【００２１】
トランスデューサチップ４４の出力側は信号プロセッサユニット５０に接続されている。信号プロセッサユニット５０はトランスデューサチップ４４からの正弦波信号出力を読み、これらをデジタルの直線的出力に変換する。この有利な実施形態における信号プロセッサユニット５０は、Philips Electronics社製のＵＺＺ９０００センサコンディショニング電子ユニットである。しかしながら任意の適切なハードウェアまたはソフトウェア構成を使用し、トランスデューサチップ４４からの生信号を処理して直線的信号を出力することも可能である。
【００２２】
磁石１４および１６は、エアギャップを形成するために間隔が置かれて配置されている。センサユニット５０は、排気ガスバルブ１２を基準に配置されており、これによってトランスデューサチップ４４が、両方の磁石１４および１６からの磁界を排気ガスバルブ１２の移動方向経路で検出するようにしている。
【００２３】
磁石１４および１６は通例、希土類磁石であり、これらは有利にはＳｍＣｏ材料からなる。しかし任意の適切な磁性体を使用することができる。比較的強力な磁界が望まれる場合には択一的に電磁石を使用することも可能である。磁石１４はＮ極５２とＳ極５４を有しており、これに対して磁石１６はＮ極５６とＳ極５８を有する。磁石１４のＮ極５２は磁石１６のＮ極５６を向いている。これによて磁界が、磁石１４と１６との間で図１の流線によって示されたように形成される。
【００２４】
図３Ａはトランスデューサユニット４４の回路図であり、これはＫＭＺ４１フィリップス磁界センサである。トランスデューサユニット４４は集積回路パッケージであるが、他の任意の適切なパッケージを使用可能である。各センシング素子４６および４８は、それぞれ４つの磁気抵抗素子６２，６４，６６および６８と、７０，７２，７４および７６とからなる直列回路を有しており、これらは２つのホイートストーンブリッジ回路７８および８０を構成している。磁気抵抗素子６２〜７６は有利には薄膜パーマロイである。ホイートストーンブリッジ回路７８および８０は導電分離されている。
【００２５】
ホイートストーンブリッジ回路７８および８０は、電源８２およびグランド線に接続されている。ホイートストーンブリッジ回路７８および８０は正の出力側８４および８６をそれぞれ有しており、負の出力側８８および９０をそれぞれ有している。正の出力側８４および８６は処理回路８０に接続されている。ホイートストーンブリッジ回路７８は、磁石１４および１６から検出した磁界方向の正弦を表す正弦波信号を出力する。ホイートストーンブリッジ回路８０は、ホイートストーンブリッジ回路７８に対して４５°の角度で配向されており、したがって磁石１４および１６から検出した磁界方向の余弦を表す正弦波信号を出力する。
【００２６】
ホイートストーンブリッジ回路７８および８０は、これらの回路７８および８０を基準とする磁界の角度を決定するために配置されている。検出した磁界の角度は、トランスデューサユニット４４を基準とする磁石１４および１６の位置にほぼ正弦波状に比例する。磁石１４および１６が移動すると、磁界の角度の逆正接はほぼ直線的に変化する。これが図４に示されており、これは排気ガスバルブ１２の位置と、トランスデューサユニット４４の出力電圧とのプロットであり、これは磁界の角度の逆正接を表している。
【００２７】
図３Ｂは処理回路ユニット５０の回路図である。ホイートストーンブリッジ回路７８の正の出力信号８４はアナログ−デジタル変換回路９２に接続されている。同様にホイートストーンブリッジ回路８０の正の出力信号８６はアナログ−デジタル変換回路９４に接続されている。アナログ−デジタル変換回路９２および９４のデジタル出力側は、信号プロセッサブロック９６に接続されている。信号プロセッサブロック９６はこれらの信号をデジタル信号に、ＣＯＲＤＩＣアルゴリズムを使用して変換する。ＣＯＲＤＩＣアルゴリズムは、正弦波信号から得た正弦および余弦値を逆正接値に変換する。しかしながらこの代わりに任意の適切な変換アルゴリズムを使用することができる。
【００２８】
信号プロセッサブロック９６の出力側は、出力曲線特性プロセッサ９８に接続されている。出力曲線特性プロセッサ９８は、信号を整形して、所望の範囲とオフセット角度で出力する。出力曲線特性プロセッサ９８の出力側は、デジタル−アナログ−デジタル変換器１００に接続されており、この変換器は、バッファ回路１０２によってバッファリングされる信号を出力する。
【００２９】
上記のように信号プロセッサ５０は、磁界方向の正弦および余弦に基づいて角度の逆正接を計算する。ここでこの磁界方向は、磁石１４と１６との間の磁界を測定するセンシング素子４６および４８から決定される。
【００３０】
角度の逆正接は直線的な出力を形成し、これは磁界の角度を、したがって対象物１２の直線的な位置を表す。磁石１４および１６は、位置の変化が磁界の角度を正弦波状に変化させ、したがって正弦波の磁界信号がセンシング素子４６および４８によって検出されるように配向されている。
【００３１】
磁石１４および１６の配向によって正弦波信号が供給され、これは逆正接値を介して、磁石１４および１６の位置ひいては対象物１２の位置を直線的に近似する。図５は信号プロセッサ５０の出力を、排気ガス交換バルブ１２のような対象物の位置に関して示す線図である。図５の出力曲線は、検出された磁界の角度（−１８０〜１８０°）および対象物の位置のおおまかな近似である。図５の出力曲線は、相互に平行に固定された磁石１４および１６から得られた結果である。図５から分かるように出力はほぼ直線的である。しかしながら曲線にはいくつか平坦な箇所がある。これらによって位置が不精確になってしまう。
【００３２】
最善の直線近似を得るためには、図１および２から分かるように磁石１４および１６の一方の磁石の角度を他方を基準に調整することが望ましい。例えば磁石１６を約１０°の角度だけ調整することによって、より直線的な曲線が得られる。図６は、逆正接の出力電圧を角度で、排気ガス交換バルブ１２の位置について示した線図である。ここから分かるように曲線はより直線的であり、したがって位置はより精確である。磁石１６の角度は、センサ１０の直線的答が最適化されるように調整されている。これはセンサ製造者にとって最適な角度を決定し、かつ磁石をこの角度に固定するために行われる。
【００３３】
本発明が、直線的な位置を決定する必要のある任意の応用に使用できることは当然である。自動車分野の例には、ショックアブソーバ、シートポジション、アイドリングエアーコントロールバルブ、ブレーキペダル位置、ステアリングラック位置、バルブリフタ、インジェクションポータル、ブレーキパッド摩耗表示器、ヘッドライト位置、ウィンドウ位置、エアダム位置がある。
【００３４】
当業者には本発明の方法および装置の種々の変更および変形が、本発明の精神および範囲を逸脱することなく可能であることが明らかである。したがって本発明は、上記の説明によって限定されず、本発明の精神とそれに基づく請求項の範囲内にあるすべての変更および変形を包含することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による直線磁界位置センサを有するバルブの斜視図である。
【図２】本発明による直線磁界位置センサとバルブの側面図である。
【図３Ａ】本発明のセンサ回路の回路図である。
【図３Ｂ】本発明のセンサ回路の回路図である。
【図４】本発明の磁石によって形成された、対象物の位置に対する磁界方向の逆正接を示す線図である。
【図５】本発明によるセンサの位置出力を示す線図である。
【図６】本発明にしたがって、直線的な応答に対して最適化された磁石配置を有するセンサの位置出力を示す線図である。
【符号の説明】
１０  直線位置センサ
１２  排気ガス交換バルブ
１４，１６  磁石
２２  心棒
２４  ダイアフラム
２６  バルブ本体
２８  入力ポート
３０  出力ポート
３４  バルブ
４０  センサユニット
４２  プリント基板ボード
４４  トランスデューサチップ
５０  信号プロセッサユニット
５２  磁石１４のＮ極
５４  磁石１４のＳ極
５６  磁石１６のＮ極
５８  磁石１６のＳ極
６２，６４，６６，６８  磁気抵抗素子
７０，７２，７４，７６  磁気抵抗素子
７８，８０  ホイートストーンブリッジ回路
８２  電源
８４，８６  ホイートストーンブリッジ回路の正の出力側
８８，９０  ホイートストーンブリッジ回路の正の出力側
９２，９４  アナログ−デジタル変換器
９６  信号プロセッサブロック
９８  出力曲線特性プロセッサ
１００  デジタル−アナログ変換器
１０２  バッファ回路
【図１】
0004653323.tif 000002
【図２】
0004653323.tif 000003
【図３Ａ】
0004653323.tif 000004
【図３Ｂ】
0004653323.tif 000005
【図４】
0004653323.tif 000006
【図５】
0004653323.tif 000007
【図６】
0004653323.tif 000008