(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの可動性の強磁性対象（４）の角度移動または線形移動を計測可能な非接触磁気センサであって、
少なくとも一つの永久磁石（１）と、
少なくとも一つの強磁性部材（２）と、
少なくとも一つの磁気感度部材（３）と、を備え、
上記永久磁石は、上記強磁性対象（４）と対向する上面を有し、
上記永久磁石（１）は、概ね円柱または平行六面体の形状を有し、
キャビティ（５）を備え、
上記強磁性部材（２）は、上記キャビティ（５）の中に配置され、
上記磁気感度部材は、上記キャビティ（５）の中において、上記強磁性部材（２）の上方かつ上記磁石（１）の上記上面の下方に配置されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
上記強磁性部材（２）は、先端を切った円錐形状を有することを特徴とする請求項１に記載の角度移動または線形移動の磁気センサ。
【請求項３】
上記強磁性部材（２）は、矩形の底面を有する角柱形状を有することを特徴とする請求項１に記載の角度移動または線形移動の磁気センサ。
【請求項４】
上記磁石（１）は、その底面で、概ね垂直の磁化を示すことを特徴とする請求項１または２に記載の角度移動または線形移動の磁気センサ。
【請求項５】
上記磁気感度部材（３）は、磁場の大きさを計測することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の角度移動または線形移動の磁気センサ。
【請求項６】
上記磁気感度部材（３）は、磁場の方向を計測することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の角度移動または線形移動の磁気センサ。
【請求項７】
上記磁気感度部材（３）は、上記強磁性部材（２）にできるだけ接近していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の角度移動または線形移動の磁気センサ。
【請求項８】
上記磁気感度部材（３）は、ホール効果部材であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の角度移動または線形移動の磁気センサ。
【請求項９】
上記強磁性対象（４）は、一つの上記永久磁石（１）の磁化方向に対して垂直な平面上を移動することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
上記強磁性対象（４）は、一つの上記永久磁石（１）の磁化方向に対して平行な平面面上を移動することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
上記強磁性対象（４）は、上記磁化方向に対して平行な軸の周りを移動することを特徴とする請求項９に記載の回転移動の磁気センサ。
【請求項１２】
上記強磁性対象（４）は、上記磁化方向に対して垂直な軸の周りを移動することを特徴とする請求項１０に記載の回転移動の磁気センサ。
【請求項１３】
上記磁気感度部材（３）は、一つの上記永久磁石（１）の磁化方向に沿った平均磁束密度が０ガウスに近い領域に配置されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１４】
上記磁気感度部材（３）は、０ガウスに近い転換点を有する信号を処理するための電気回路に関連していることを特徴とする請求項１３に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一つの永久磁石と磁場の大きさおよび／または磁場の方向に対する磁場感度の測定のための少なくとも一つの部材とを備える非接触磁気位置センサ（線形または回転）の分野に関する。より具体的には、本発明は、移動する強磁性片の存在を測定するために用いられるセンサ（デジタルセンサ）あるいは、上記強磁性片の線形または回転（アナログセンサ）位置を測定するために用いられるセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
線形位置または角度位置の磁気センサ（デジタルおよびアナログ）には多くの利点がある。
・  可動部分と機械的接触がない、従って磨耗がない。
・  汚れに反応しない。
・  製造費の低減。
・  長い耐用年数。
【０００３】
強磁性片（その周囲で力を表す片）の位置および／または速度を測定するために用いられる磁気センサは、モータの電子点火制御を目的としてカム軸の位置／速度を知るために、自動車産業で一般的に用いられる。
【０００４】
最も非接触な磁気デジタル位置センサは、プローブにより検出された平均磁束密度を除去するために、いくつかの磁気感度部材（差動プローブ）に関連した軸方向に磁化した円柱形状の永久磁石を用いる。実際、磁石の形状が与えられると、プローブにより検出された誘導（インダクション）はとても高く、従って温度変化に加えて磁石の磁気特性の変化にとても敏感である。二つの磁気感度部材間の誘導の差を計算することにより、平均磁束密度をキャンセルすることが可能になるが、他方で、システムの開始時に上記検出部材の位置を知ることが難しくなる。いくつかの磁気感度部材の使用はまた、センサの費用をより重要にし、そしてセンサの全体的な量をより大きくする。
【０００５】
単一の磁気感度部材に関連した空洞（キャビティ）を備える概ね円柱の永久磁石を用いるシステムもまた存在する。キャビティを備える磁石は、磁気感度部材での平均磁束密度を減らすことができ、従って、単一の磁気感度部材の使用を減らすことができる。これらのシステムもまた、センサが起動するとすぐに検出するので、上記部材の位置を知ることができる。
【０００６】
この種のセンサの現在のトレンドは、性能レベルを落とさずに更により小さなセンサを有することである。上述した二種類のシステムでは、性能を損なうことなくサイズをそれほど小さくすることはできない。更に、（対象を）検出するための部材とセンサとの間の距離もまた、より重要であり、そして、性能を保証することが必要である。このことは、対象の位置に従って磁気感度部材での磁気誘導の変化を増加することによってのみ可能である。
【０００７】
先端技術において知られている、特許出願ＦＲ２７２４７２２および特許ＵＳ６０４３６４６では、単一の磁気感度部材を用いる概ね円柱の永久磁石を有するデジタル位置／速度センサが記載されている。記載されたシステムは、磁気感度部材で、０Ｇに非常に近い平均磁束密度を得ることが可能である。しかしながら、磁石のサイズを全て減らすことは、センサ感度の低下を導き、従って性能を低下させる。
【０００８】
複数の力を表す強磁性片を検出するために用いられるデジタル位置センサを記載した特許ＵＳ５７８１００５もまた知られている。このセンサは、同じ方向に磁化されかつ強磁性板に積まれた二つの永久磁石を使う。対象と磁石との間のこの組み立て品の上方に位置したホール効果プローブは、磁化と平行に磁気誘導の変化を計測する。プローブの磁気感度部材は、対象の近くに位置する。そのようなシステムで、平均磁束密度を０Ｇに近づけることは難しく、そして外径を減らすことは、性能を低下させることを導く。
【０００９】
線形位置または回転位置アナログセンサを記載した特許出願ＦＲ２８４５４６９もまた先端技術において知られている。このアナログセンサは、強磁性片と永久磁石との間の磁気抵抗の変化によって発生した誘導変化する手段によって移動する強磁性片（線形または回転）の位置を計測する。その誘導変化はホール効果プローブにより計測される。このシステムの問題点は、磁石とプローブを備えるセンサのサイズを減らすことが性能の低下を導くことであり、そしてホール効果プローブでの平均磁束密度を０ガウスに近づけることが困難なことである。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、センサが電源投入されるとすぐに位置情報を検出できる寸法を減らした位置センサをその性能を下げることなく実現することにより、先端技術の欠点を改善することを提案する。
【００１１】
この目的を達成するために、本発明は、少なくとも磁気感度部材および概ね円錐形状の強磁性片が挿入されるキャビティを備える概ね平行六面体または円柱形状の永久磁石を使うことを提案する。
【００１２】
この目的を達成するために、本発明は、少なくとも一つの可動性の強磁性対象（４）の角度移動または線形移動を計測可能な非接触磁気センサであって、少なくとも一つの永久磁石（１）と、少なくとも一つの強磁性部材（２）と、少なくとも一つの磁気感度部材（３）と、を備え、上記永久磁石は、上記強磁性対象（４）と対向する上面を有し、上記永久磁石（１）は、概ね円柱または平行六面体の形状を有し、キャビティ（５）を備え、上記強磁性部材（２）は、上記キャビティ（５）の中に配置され、上記磁気感度部材は、上記キャビティ（５）の中において、上記強磁性部材（２）の上方かつ上記磁石（１）の上記上面の下方に配置されている磁気センサに関連する。
【００１３】
このセンサは、縮小した体積で、現在のセンサと同等または更により高い性能を達成可能である。
【００１４】
限定されない代案によれば、永久磁石は、円柱のＵ字形であり、そして概ね軸方向に磁化される。
【００１５】
好ましくは、先端を切った円錐の強磁性片が、永久磁石のキャビティの中に配置される。この円錐片の底が、永久磁石のＵ形状の水平部分に固定される。この強磁性片の目的は、磁気感度部材に対し磁石により発生した力線を向けること、および、センサが検出対象の存在下にない場合、低い磁束密度の領域を作ることである。強磁性片の先端を切った円錐形状に限定されず、例えば、底が直方形の先端を切った角錘もまた考慮されうる。
【００１６】
好ましくは、磁気感度部材は、平均磁束密度が０ガウスに近い領域内の強磁性円錐の先端を切った部分の上に配置され、そして、先端を切った強磁性円錐の最も狭い部分に対して最も近い磁場の軸方向成分を計測する。実際には、磁気感度部材（ホール効果プローブ、ＡＭＲ、ＧＭＲ…）は、通常、プラスチックケーシングで包まれた状態で使用可能ある。従って、磁気感度部材を強磁性部材に接触させて配置することができなくなる。しかしながら、磁気感度部材を含むケーシングは、強磁性片と磁気感度部材との間の距離を最小にするように配置される。
【００１７】
好ましくは、Ｕ字形の永久磁石の鉛直部分は、磁気感度部材の両側かつ検出対象にできるだけ近くに立ち上がっている。
【００１８】
好ましくは、磁気感度部材は、閾値を０Ｇ近くに設定した簡単なスイッチ型のホール効果プローブである。一つの選択肢では、磁気感度部材は、プログラム可能な閾値を有するスイッチ型のホール効果プローブである。
【００１９】
もう一つの選択肢では、磁気感度部材は、線形かつプログラム可能なホール効果プローブである。
【００２０】
もう一つの選択肢では、キャビティ内に配置された磁気感度部材は、磁場方向に敏感である。
【００２１】
本発明は、先行技術の解決策に関していくつかの利点がある。
・  同等の性能で、センサのサイズを低減する可能性
・  磁石体積の低減、従って製造コストの低減
・  動作空隙の観点からの性能向上、高い性能を維持することにより、より重要な対象／磁石の空隙を介して動作する可能性
・  簡単なホール効果プローブの使用、従って経済的。
【００２２】
この発明の利点の一つは、まず第一に、センサが作動するための磁石の体積が減るという事実により、経済的利点を有しながら、体積減少が高い性能の維持を可能にすることである。
【００２３】
製造の理由により、強磁性片の底は、磁石の中へ直接接して成形されうる。従って、組み立て品の機械的保持力を強化させる。
【００２４】
磁石の形状は、単純であり、永久磁石の製造のために使われる製造方法と共用できる。フェライトベースの磁石、例えばＮＢＦｅＢまたはＳｍＣｏは、注入、加圧形成、焼結等の様々な製造方法と共に用いられうる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明は、明細書の記載と以下の図を読むことでより理解されるだろう。
【図１】図１ａから図１ｄは、先行技術（順に、ＵＳ５７８１００５、ＦＲ２８４５４６９、ＦＲ２７２４７２２、ＵＳ６０４３６４６）からのいくつかの構造を示す図である。二つの軸方向に磁化した磁石の間に挿入された強磁性片、および、キャビティを有する磁石を備える二つの構造を示す。
【図２】本発明の優先的な構成を示す図である。
【図３】本発明の他の構成を示す図である。
【図４】移動を有する長方形の対象に関連した本発明に係るセンサを示す図である。
【図５】移動を有する様々な外形を持つ対象に関連した本発明に係るセンサのアナログの代替を示す図である。
【図６】単独で磁石を有するシステムにおける力線を示す図である。
【図７】磁石および検出対象を有するシステムにおける力線を示す図である。
【図８】検出対象の縦の位置に従って本発明のセンサにより計測した、ホール効果部材での誘導変化を表す図である。この信号変化は、先行技術の構造の場合における誘導変化と比較される。
【図９】本発明の構造および先行技術の構造のための計測した空隙に従って磁束密度の変化を示した図である。
【図１０】ホール効果部材の異なる位置のための計測した空隙に従って磁束密度の変化を示した図である。
【図１１】ホール効果部材の異なる位置のための円錐形状に従って磁束密度の変化を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１ａから図１ｄは、先行技術に属するデジタルセンサの四つの構造を示す。
【００２７】
図１ａは、シート形状で二つの永久磁石１および強磁性片２のサンドイッチ状のものを表す。この組み立て品の上方には、検出対象の位置に従って誘導変化を計測するホール効果プローブ３が配置される。
【００２８】
図１ｂおよび図１ｄは、キャビティ５を有する磁石１を表し、このキャビティ内に磁気感度プローブ３が配置される。
【００２９】
図１ｃは、通り抜けられるキャビティ５を有する磁石１を表す。プローブ３は、磁石１と強磁性片または検出対象４との間のこの磁石１の前方に配置される。
【００３０】
図２は、磁化したＵ字型磁石１を示す。その磁化の方向は、自身の軸と概ね一致して方向付けられる。Ｕ字型磁石１のキャビティ５内に、強磁性片２が先端を切った円錐形状にセットされる。その底は、Ｕ字型の水平部分に対して押し付けられる。この強磁性片の上方には、ホール効果プローブ３が配置され、その磁気感度部材は、強磁性片の上の部分にできるだけ近づけて配置される。円錐の高さは、センサと強磁性検出対象と間の距離が増すのを避けるために、円錐と磁石の上の部分との間にプローブを挿入するのに充分な空間を残すような高さである。
【００３１】
図３は、本発明の別の可能性を示す。磁化を有するＵ字形磁石１があり、その磁化の方向は自身の軸と概ね一致して方向付けられる。Ｕ字型磁石１のキャビティ５の中に、先端を切った円錐形状の強磁性片２が配置される。その底は、Ｕ字型の水平部分に対してして押し付けられる。この強磁性片の底は直方形である。この強磁性片の上方には、ホール効果プローブ３が配置され、その磁気感度部材は、強磁性片の上の部分の最も近くに配置される。円錐の高さは、センサと強磁性の検出対象と間の距離が増すのを避けるために、円錐と磁石の上の部分との間にプローブを挿入するのに充分な空間を残すような高さである。
【００３２】
図４は、検出するために必要である強磁性片４と共に本発明によるセンサを示す。平行六面体の強磁性片は、線形移動を示す。強磁性片の移動は、二つの方向に従って実行されるうる。
・  永久磁石の上面に対して概ね平行な面において対象が横断移動
・  永久磁石の上面に対して垂直な面において対象が移動（遠くへ動かす、または、近づけてゆく）
【００３３】
図５は、本発明による線形位置アナログセンサを示す。センサは、概ね軸方向に磁化した永久磁石１、強磁性片２、および磁気感度部材３より構成される。このセンサは、センサに対して横断して動く様々な外形を持つ強磁性対象４に関連している。従って、この外形は、対象の線形位置の予め定義された線形または非線形関数に従って、磁気感度部材で誘導変化を得ることができるセンサと上記対象との間の不定の空隙を定義する。対象の外形は、どんな単調または連続関数にも従って誘導変化を得るために、適合可能である。
【００３４】
図６は、本発明の構造において発生した力線を示す。この円錐強磁性片は、この円錐片が磁気感度部材で力線を引き付けそして集めることができるので、磁気感度部材で０Ｇに近い磁気誘導レベルを達成することができる。
【００３５】
図７は、強磁性の検出対象の存在下での本発明の構造で発生した力線を示す。
【００３６】
図８は、検出対象の線形位置に従って、磁気感度部材により検出した磁気誘導変化を示す（図４参照）。この同様の曲線で、本発明に係るセンサの信号Ｓ１、および、先行技術の構造の信号Ｓ０を示す。
【００３７】
対象の存在下で（曲線の中央部）誘導レベルが高く、そして対象がもはやセンサの向かいでない時、誘導レベルは減少し、最小に到達する。全体的に同等のサイズに対して、本発明は、先行技術の構造で得られたものより著しく高い誘導変調（induction modulation）（対象と向かい合っているときの信号−対象が無いときの信号）に達することができる。
【００３８】
図９は、センサと検出対象との距離に従って本発明の構造および先行技術の構造のための誘導変調（対象と向かい合っているセンサの誘導から対象が無いとのセンサの誘導を差し引いたセンサの誘導）の比較を表す。上述と同様に、Ｓ１は本発明に係るセンサの信号であり、Ｓ０は先行技術の構造の信号である。
【００３９】
どんな対象−センサ間距離であっても、本発明によれば、誘導変調に関する明らかな利点が得られる。このパラメータは、センサの性能を決定する。なぜなら、それにより、重要な対象−センサ間の空隙を介して動作するための容量が決定されるとともに、同じ空隙に対してＳＮ比（信号雑音比）および対象の検出に関する精度が増加するからである。
【００４０】
図１０は、磁石の頂上に対する磁気感度部材の位置に従って本発明のための誘導変調の変化を示す。
【００４１】
曲線Ｃ１は、円錐頂上と磁気感度部材との間の距離が０．５ｍｍに等しい場合のセンサ−対象間距離に従って誘導変調（変調＝対象の有無における磁気感度部材での誘導の差）を示す。そして曲線Ｃ２は、円錐頂上と磁気感度部材との間の距離が１ｍｍに等しい場合の誘導変調を示す。
【００４２】
磁気感度部材が強磁性円錐の頂上へ近づくにつれて、誘導変調がより重要になる。磁気感度部材が円錐の頂上に接触する時、その制限は明らかである。磁気感度部材を取り巻くケーシングに最小距離が存在することを要求されるので、磁気感度部材が円錐の頂上に接触することは事実不可能である。
【００４３】
図１１は、磁気感度部材の二つの位置のための円錐頂上の半径および、固定された円錐の底の半径に従って誘導変調の変化を示す。
【００４４】
曲線Ｃ１は、円錐頂上と磁気感度部材との間の距離が０．５ｍｍに等しい場合の円錐頂上の半径に従って誘導変調を示す。そして、曲線Ｃ２は、円錐頂上と磁気感度部材との間の距離が１ｍｍに等しい場合の円錐頂上の半径に従って誘導変調を示す。
【００４５】
強磁性片の円錐形状は、誘導変調を増加することが可能である。実際、先端が鋭くなるほど、変調が大きくなる。しかしながら、磁気感度部材の位置決めに関する公差を考慮しなければならない。実際、円錐の先端が鋭くなるほど、磁気感度部材の位置決めの逸脱に対してより敏感になる。
【図１ａ】
0005226872.tif 000002
【図１ｂ】
0005226872.tif 000003
【図１ｃ】
0005226872.tif 000004
【図１ｄ】
0005226872.tif 000005
【図２】
0005226872.tif 000006
【図３】
0005226872.tif 000007
【図４】
0005226872.tif 000008
【図５】
0005226872.tif 000009
【図６】
0005226872.tif 000010
【図７】
0005226872.tif 000011
【図８】
0005226872.tif 000012
【図９】
0005226872.tif 000013
【図１０】
0005226872.tif 000014
【図１１】
0005226872.tif 000015