(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界センサと、ロッド状構成要素、特にアクチュエータの軸の線形変位に関する解析電子装置であって、磁界を発生する要素およびこの磁界の磁界強度角度を測定する位置センサを有する解析電子装置とを、備えているとともに、
前記位置センサによって決定された磁界強度角度が、変位経路決定のために使用される装置であって、
磁界を発生する要素が磁気ケーシングであり、この磁気ケーシングは、アクチュエータそれ自体のロッド状構成要素を囲み、ロッド状構成要素の軸方向に磁化されており、ロッド状構成要素に結合され、かつ、その変位軸の周りにロッド状構成要素とともに回転可能であり、
前記磁気ケーシングは、互いに結合された複数の環状円板により構成されており、これら複数の環状円板がそれぞれ異なる残留磁気を有する材料により構成されている、ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記ロッド状構成要素が、非強磁性材料又は弱い強磁性材料だけからなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記位置センサの磁界センサが、磁気抵抗素子を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記磁界センサが、ホール効果センサを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項５】
前記磁界センサが、界磁コイルを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項６】
前記環状円板により構成された磁石ケーシングが、２／３〜３／２の範囲の直径対長さの比を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記直径対長さの比が、およそ１である、ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記磁界センサが、ケーシング状スクリーンの内側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記磁界センサを有する解析電子装置が、前記スクリーン内にあることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記磁石ケーシングが、前記ロッド状構成要素の環状凹部の中に入れられ、かつ、はめ込み磁石ケーシングが、前記磁石ケーシングの長さよりも大きい長さの非強磁性シャフトケーシングによって囲まれることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記シャフトケーシングが、前記ロッド状構成要素の中にも入れられることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記ロッド状構成要素が、その前記ケーシング開口において前記磁石ケーシングとともに摺動できる非強磁性線形ガイドケーシングによって囲まれ、かつ前記非強磁性線形ガイドケーシングが、その内部に磁界センサがあるケーシング状スクリーンによって囲まれることを特徴とする請求項１乃至８および１０および１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記解析電子装置が、前記スクリーンの外側上に配置され、かつ前記スクリーンを通って案内されたキャリアによって前記線形ガイドケーシング内に前記磁気センサを搭載することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
測定装置の領域の前記ロッド状構成要素が、中央ピン装置によって一緒に接続された２つの部分からなり、かつ前記磁石ケーシングおよび前記シャフトケーシングが、前記ピン装置の領域の前記ロッド状構成要素に押し進められることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
磁界センサと、ロッド状構成要素、特にアクチュエータの軸の線形変位に関する解析電子装置であって、磁界を発生する要素およびこの磁界の磁界強度角度を測定する位置センサを有する解析電子装置とを、備えているとともに、
前記位置センサによって決定された磁界強度角度が、変位経路決定のために使用される装置であって、
磁界を発生する要素が磁気ケーシングであり、この磁気ケーシングは、アクチュエータそれ自体のロッド状構成要素を囲み、ロッド状構成要素の軸方向に磁化されており、ロッド状構成要素に結合され、かつ、その変位軸の周りにロッド状構成要素とともに回転可能であり、
前記磁石ケーシングは、均質の磁気材料により構成されており、軸方向に異なって磁化される、ことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界センサと、ロッド状構成要素、特に磁界を発生する要素およびこの磁界の磁界強度角度を測定する位置センサを有するアクチュエータの軸の線形変位のための解析電子装置を備えている磁気位置センサを有する装置に関し、このセンサによって決定された電界角度信号が変位経路決定のために使用される。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第５，５７０，０１５号明細書は、ロッド状構成要素、例えば、バルブシャフトの線形変位を測定できる磁気位置測定装置を開示している。測定目的だけのために使用されるシャフトおよび位置センサからなる特定の測定装置は、その変位が測定されるべきであるロッド状構成要素上に配置される。測定装置のシャフトの中に入れるのは、このシャフトの縦方向に磁界を発生するロッド状磁石である。位置センサは、磁界の領域に固定して配置されている。シャフトの位置に対するシャフトの相対変位で、位置センサは、解析電子装置を使用して変位経路にほぼ比例して磁界強度角度を決定する磁界センサによって測定する。しかしながら、経路比例は所定の範囲内だけに存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
必要とされる大きな空間とは別に、この装置の欠点は、シャフトが回転してはいけないことである。遮蔽が使用される場合、この装置は、もはや十分直線的に作動しないので、もはや十分精密でない。
【０００４】
本発明の目的は、構造がより簡単で、より小さいが、特にアクチュエータのロッド状構成要素上で無接触に、直接にその測定を実行する磁気位置センサを有する装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は、磁界を発生する要素が、アクチュエータそのもののロッド状構成要素を囲む軸方向に磁化された磁石ケーシングであり、それに固定して接続され、その変位軸の周りにそれとともに回転できることにより、達成される。
【０００６】
磁界を発生する要素がアクチュエータの軸に直接取り付けられる場合、測定装置の別個のシャフトに対する要求が全くない。他の長所は、この軸がこれが測定に影響を及ぼさないでこのシャフト自体の軸の周りに回転できることである。この場合、丸いアクチュエータシャフトが測定のための耐ねじりガイドを必要としないために、このことは非常に重要である。無故障動作の場合、アクチュエータシャフトが非強磁性材料又は弱い強磁性材料だけからなる場合、有利である。位置センサは、近接不可能なシャフト端の場合にも応用できる。
【０００７】
磁石ケーシング長さに関して、長い測定範囲がある。これは、非感温測定原理によるコンパクトな構造を可能にする。位置と測定信号との間の相関の高い直線性もある。精度を増加させるためにセンサ曲線を使用する付加解析装置は、この場合省くことができる。
【０００８】
本発明の他の実施形態では、磁界センサは、磁気抵抗素子、ホール効果センサ又は界磁コイルを含む。
【０００９】
測定精度の場合、動作中ではなく、所定の形状に関してだが、単一磁石ケーシングの形状に関して磁界を変えることは望ましい。本発明の他の実施形態では、磁石ケーシングは、好ましくは軸方向に接合された環状円板の磁性材料からなる。
【００１０】
円板のアセンブリはさらなる変形も可能である。本発明の他の実施形態では、円状円板は異なる残留磁気を持つ材料からなる。
【００１１】
円板のアセンブリが望まれない場合、本発明の他の実施形態の磁石ケーシングは、均質の磁性材料からなる場合、軸方向に異なって磁化される。磁石ケーシングのこれらの形式では、測定精度はかなり改良される。
【００１２】
本発明の他の実施形態では、均質材料からなるか又は環状円板から組み立てられるかのいずれかの磁石ケーシングは、最小磁界強度を形成するように２／３〜３／２の範囲、好ましくは１に近い直径対長さの比を有する。
【００１３】
本発明の他の実施形態では、磁界センサは、ケーシング状スクリーンの内側上に配置される。このスクリーンは、丸い又は正方形の断面を有してもよい。
【００１４】
本発明の他の実施形態では、全位置センサ、すなわち磁界センサおよび解析電子装置の両方はスクリーン内にある。この組み合わせは極端に簡単であり、柔軟性がある。
【００１５】
本発明の他の実施形態では、磁石ケーシングは、ロッド状構成要素の環状凹部の中に入れられ、かつはめ込み磁石ケーシングは、前記磁石ケーシングの長さよりも大きい長さの非強磁性シャフトケーシングによって囲まれる。このシャフトケーシングは、ロッド状構成要素の中にも入れることができる。
【００１６】
本発明の他の実施形態では、ロッド状構成要素は、そのケーシング開口において磁石ケーシングとともに摺動できる非強磁性線形ガイドケーシングによって囲まれ、かつこの非強磁性線形ガイドケーシングは、その内部に磁界センサがあるケーシング状スクリーンによって囲まれる。
【００１７】
本発明の他の実施形態では、解析電子装置は、スクリーンの外側上に配置され、かつこのスクリーンを通って案内されたキャリアによって線形ガイドケーシング内に磁気センサを搭載する。
【００１８】
本発明の他の実施形態では、測定装置の領域のロッド状構成要素は、中央ピン装置によって一緒に接続された２つの部分からなり、かつ磁石ケーシングおよびシャフトケーシングは、ピン装置の領域のロッド状構成要素に押し進められる。
【００１９】
したがって、特に自動車セクタで好ましく使用できる非常に簡単で、適しているコンパクトな測定装置が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は、軸変位を実行するロッド状構成要素、例えばバルブ（図示せず）のシャフト３を示している。磁力線４ａを通して見えるようにされる磁界４を発生する磁石ケーシングＭは、バルブシャフト３にあり、それに固定して結合されている。この磁力線４ａは等しいベクトルポテンシャルの力線である。磁界センサの周りに広がっている磁界４ａを測定する磁界センサ５は、磁界４に配置されている。シャフト軸ｚに沿って、シャフトはｚ線形変位を行い、またシャフト軸ｚの周りを回転可能である。磁石ケーシングＭは長さＬを持つ。磁石ケーシングの外径はＤとして示される。ｒ０はシャフト軸ｚからの磁界センサ５の距離である。磁石ケーシングの磁化方向は、ｚと示された軸方向にある。磁界センサ５および解析電子装置７は一緒に位置センサを形成する。
【００２１】
測定される角度はψｍｅｓである。これは、ｚ軸に対する磁界強度Ｈの角度である。磁界センサ５は、今度は理想的には変位経路に相当する磁界角度を決定する解析電子装置（図示せず）に磁界強度信号を出力する。
【００２２】
図２（ａ）は、変位経路の測定磁界角度を実線曲線６で示している。この曲線の下の破線は理想線である。この曲線は、磁石長の約８０％に相当する、選択範囲ｚｍｅｓの変位経路の関数として本来直線であることに注目すべきである。図２（ｂ）は、範囲ｚｍｅｓの測定エラーが約−０．４〜＋０．４（磁石長の約８０％である）で非常に低いことを示す曲線７に対する経路にある測定エラーを示している。この図は、変位経路ｚ／Ｌのパーセンテージ測定エラー△ψｍｅｓを示している。
【００２３】
図２（ａ）および図２（ｂ）は、遮蔽が全く必要なく、この装置が注意深く選択された場合に全く存在しない状況を示している。磁石ケーシングは、軸方向に均質の材料からなる。実際には、特にいくつかの測定装置がすぐ近くで作動される場合、しばしば遮蔽なしに作動できない。ここで、作動結果は悪化する。この悪化は、図３を参照して説明された軸方向に構造化された磁石ケーシングＭで補償できる。
【００２４】
図３は、一緒に接合された３つの環状本体Ｍ１、Ｍ２およびＭ３を含む磁石ケーシングＭを示している。この構造は、対称的であり、すなわち、軸長Ｌ１、Ｌ２およびＬ３は等しい。ここで、異なる寸法も、もちろん選択されてもよい。環状本体Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３を構造化するいろいろな可能性がある。１つの可能性は、これらを異なる残留磁気の全磁化材料で作ることにある。他の可能性は、個別の環状本体Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３を同じ材料で作り、これらを異なる強度に磁化することにある。他の好ましい可能性は、均一の材料の磁石ケーシングＭを使用し、適当な装置を使用してシャフト軸ｚに沿って異なる強度にこの環状本体を磁化することにある。他の変形も可能である。３つ未満の環状本体又は４つ以上の環状本体が可能である。
【００２５】
測定精度および達成できる最小磁界強度に対して好ましいケーシング長を得るために、軸方向に修正された磁化を有する均質材料からなるか又は環状円板（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）から組み立てられるかのいずれかの磁石ケーシングは、最小磁界強度を形成するように２／３から３／２の範囲、好ましくは１に近い直径対長さの比を有する。
【００２６】
図４は、いかに測定装置が外部磁界から遮蔽できるかを示す。図４は、シャフト軸ｚに対するシャフト３を示す。軸方向に均質の材料の磁石ケーシングＭ（破線分離線Ｍ４は無視されねばならない変形例）がシャフト３上にある場合、図示されてはいるが、本質適には望ましくない、図５に示された破線測定エラー曲線を用いる。しかしながら、図３に示されるような３つの異なる環状本体Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の軸方向に構造化された磁石ケーシングＭがシャフト３上にある場合、測定エラーは、特にこの要求に応じる図５に示された実線エラー曲線を補償することができる。
【００２７】
強磁性材料の遮蔽プレート６は、この装置の周りに延びる。シャフト３は、非強磁性材料又は弱い強磁性材料だけからなる。磁界センサ５がある解析電子装置７を有する全位置センサは、遮蔽プレート６の内側６ａに配置されている。接続ケーブル８は、位置信号を制御装置（図示せず）に伝達する。この遮蔽は、隣接センサ又は隣接部からの干渉磁界が磁界歪みをセンサ領域に生じることを防止する。
【００２８】
図４とは著しく違って、シャフト３は、シャフト３の中に入れられる磁石ケーシングＭを有する図６に示された構造も有してもよい。シャフト３は、測定値変化を生じないでこのセンサに対して自由に回転できることはこの構造から明らかである。
【００２９】
図５は、パーセンテージ測定エラーのために既に示された図である。図１の遮蔽されていない測定装置では、破線エラー曲線９が得られる。３つの磁気環状本体Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３又は軸方向に変えられる磁化分布が使用される図４の遮蔽測定装置では、実線エラー曲線１０が得られる。この図では、パーセンテージ測定エラー△ψｍｅｓは、使用される経路がｚｍｅｓと示される変位経路ｚ／Ｌ上に示されている。軸方向に材料又は磁化状態を変えた形状では、測定誤りは図２（ａ）に示される測定誤りと比べて明らかに確かにかなり減少される。
【００３０】
図６は、この装置の他の構造を示す縦断面図である。図７は、線VII‐VIIについての図６に示された装置の断面である。磁石ケーシングＭは、ロッド状構成要素３、例えば、バルブシャフト３の環状磁石凹部１２の中に入れられる。この場合、磁石ケーシングＭは、好ましくは軸方向に磁化される均質の材料からもなってよいし又は３つの環状円板数が単なる一例である磁気環状円板Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３からなってもよい。他の実施形態の場合と同様に、２つ又はそれ以上の３個の環状円板だけが使用されてもよい。磁気環状円板への可能な分割が図６に示される。磁石ケーシングＭは、これが挿入されたより長さの長い非強磁性材料シャフトケーシング１３によって囲まれる。このシャフトケーシング１３は、磁石ケーシングＭ上でその磁石凹部１２の上にあるカバー凹部１４の中に嵌入される。このシャフトケーシング１３の外部壁１５は、好ましくはバルブシャフト３の外部壁１６と同一平面である。
【００３１】
線形ガイドケーシング１７は、ケーシング開口１８で自由に変位可能であり、回転可能である、図６に示されたバルブシャフト３を囲む。線形ガイドケーシング１７は、非強磁性材料からなる。線形ガイドケーシング１７は、磁界センサ５の解析電子装置７が配置されたケーシング状スクリーン１９によって囲まれる。このスクリーン１９は、盲穴２２として線形ガイドケーシング１７の中に延ばされる開口２１を有する。解析電子装置７上に配置されたのは、線形ガイドケーシング１７の盲穴２２に磁界センサ５を保持するキャリア２３である。
【００３２】
シャフトケーシング１３内のバルブシャフト３は、中央ピン２４ａおよびピン２４ａが係合する中央凹部２４ｂからなる中央ピン装置２４を有する。バルブシャフト３が延ばされる場合、磁石ケーシングＭおよびシャフトケーシング１３は容易に押し進めることができる。
【００３３】
全ての場合、磁界センサ５は公知の方法で構成されてもよい。対にされた磁気抵抗センサ、ホール効果センサ又は界磁コイルを使用できる。
【００３４】
図７は、図６の装置の線VII‐VIIについての断面である。非強磁性材料又は弱い強磁性材料の中心のバルブシャフト３は、磁石ケーシングＭ、シャフトケーシング１３および線形ガイドケーシング１７によって囲まれる。この線形ガイドケーシング１７はスクリーン１９によって囲まれる。解析電子装置７は、キャリア２１によって磁界センサ５を搭載する。センサ５までの変位軸ｚの距離はｒ０として示される。Ｄｉは磁石ケーシングＭの内径である。Ｄは磁石ケーシングの外径である。Ｄｓはスクリーン１９の内径である。Ｌは磁石ケーシングの軸長である。Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、一緒に磁石ケーシングＭの全軸長を形成する個別の環状磁石Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の長さである。
【００３５】
図６および図７に示された装置の例として、下記の寸法は例として示すことができる。
ｒ０＝０．６４Ｄ
Ｌ＝Ｄ
Ｄｓ＝２ｘＤ
Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３
【００３６】
環状磁石Ｍ１およびＭ３の磁化はＭ２の磁化よりも約１０％高くあるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】軸変位が、構成要素を囲み、それに固定して結合される磁石ケーシングおよび磁石ケーシングの磁界の磁界センサ装置によって決定されるロッド状構成要素を有する本発明による磁気位置センサを有する装置概略構成図。
【図２】経路の測定角の曲線を示す図。
【図３】いくつかの環状本体で構成される磁石ケーシングを示す図。
【図４】磁石ケーシングが軸方向の均質の材料からなるか又は図３におけるようにいくつかの環状本体から組み立てられる場合、および磁界センサを有する解析電子装置がスクリーン内に配置される場合、スクリーンを有する測定装置の断面図。
【図５】異なる磁石ケーシングの使用中生じる測定エラーの比較に関する図４の装置の角度／経路曲線を示す図。
【図６】ロッド状構成要素に統合された磁石ケーシングおよび非常にコンパクトに遮蔽された構造を有する測定装置の縦断面図。
【図７】図６に示された装置の線VII‐VIIについての横断面図。
【符号の説明】
３  ロッド状構成要素
４  磁界
５  磁界センサ
７  解析電子装置
Ｍ  磁石ケーシング
ｚ  変位軸
【図１】
0004157916.tif 000002
【図２】
0004157916.tif 000003
【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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