JP2017508982A - 運動する構成部材のストロークを検出するためのセンサ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、運動する構成部材（５）のストロークを検出するためのセンサ装置（１）であって、磁気測定装置（１０）の磁界の少なくとも一つの空間的な成分が、検出すべきストローク（Ｒ）にわたる構成部材（５）の運動によって変化し、これによって、位置固定の検知測定素子（１６．１）に対する、運動する構成部材（５）の位置を検出することが可能である、センサ装置に関する。本発明によれば、運動する構成部材（５）に結合された少なくとも一つの有効磁石（１８）と、検知測定素子（１６．１）の測定範囲内に位置固定的に配置された少なくとも一つの支持磁石（１２）とが、磁界を形成する。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された、運動する構成部材のストロークを検出するためのセンサ装置に関する。

従来技術から、回転運動又は位置変化を、これに対応する磁界の変化を検出することによって識別、評価することができる回転数センサ及び位置センサが公知である。この場合には通常、公知の磁気センサが使用され、このような磁気センサは、用途及び使用領域に応じて、ホールセンサ、ＡＭＲセンサ、ＧＭＲセンサ、ＴＭＲセンサ、又は、概してｘＭＲセンサとして構成することができ、例えば自動車におけるエンジンの制御のために又はトランスミッション若しくはドライビングダイナミクスシステムの制御のために使用することができるセンサである。所定のストローク又は角度にわたる磁気角度の変化を検出することによってストローク及び角度を磁気的に測定するこのようなセンサ装置の磁気回路を設計する際には、規定された磁束密度範囲の維持に関して、検知素子又は評価モジュール（ＡＳＩＣ）の要求を満たさなければならない。所定のストローク又は角度にわたる磁気角度の変化を検出することによってストローク又は角度を測定する場合、長いストローク（＞２０ｍｍ）を高精度で測定できるようにするために、一般的には少なくとも二つの可動の磁石が使用される。これらの可動の磁石は、操作ストローク又は操作角度にわたってできるだけ大きな（＜３６０°）磁気角度の変化を有する一つの共通の磁界を提供すると同時に、規定された磁束密度も提供している。このことはつまり、比較的大きな二つの磁石を、適用される装置の可動の構成部材に組み込まなければならないということを意味しており、このことは、構造スペース上の理由から必ずしも可能とは限らず、又は、複雑な、ひいては高コストの構造と、強力な、ひいては同様に高コストの磁石とを以てしか可能ではない。

使用される検知測定素子のために、回転又は回動する磁界ベクトルを検出することが重要である。磁界ベクトルのこの回転運動又は回動運動は、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）の一部とされ得る検知測定素子によって検出される。この検出は、例えば２次元又は３次元のホールセンサにおいて、配向された磁束密度のアークタンジェント関数による間接的な角度検出によって実施される。

独国特許出願公開第１０２００９０５５１０４号明細書（ＤＥ１０２００９０５５１０４Ａ１）は、例えば、運動する構成部材のストロークを検出するための磁界センサ装置を開示しており、同磁界センサ装置では、運動する構成部材における磁石系の磁界の空間的な成分が、該成分の方向において、検出すべきストロークにわたって変化し、これにより、位置固定のセンサに対する前記運動する構成部材の位置を、対応して検出することが可能である。線形に且つ他の自由度において運動可能な構成部材に、前記磁石系の構成部材として少なくとも一つの磁石又は他の磁性構成部材が設けられており、前記磁石又は磁性構成部材の外周に対し所定の間隔を置いて相対して、磁界方向を検出する少なくとも一つの位置固定のセンサが対応配置されており、前記磁石の優勢な磁界方向が、前記運動する構成部材のストロークに対して０°と９０°との間において所定の角度を成して配向させられている。

独国特許出願公開第１０２００９０５５１０４号明細書

本発明の開示
これに対して、独立請求項１に記載の特徴を有する、運動する構成部材のストロークを検出するためのセンサ装置は、少なくとも一つの小さく低コストの磁石が、適用される装置の定置の部分又はセンサハウジング内に配置され、しかも例えば検知測定素子の直近に配置されるという利点を有する。適用される装置の定置の部分に設けられる位置固定の磁気回路は、一つ又は複数の小さい磁石を有することができる。さらには、検知測定範囲と、少なくとも一つの位置固定の磁石を備える定置のクランプ範囲とからなる広い測定範囲を、従来のように可動の部分に設けられた二つの格段に長い磁石によって実現するのではなく、適用される装置の可動の部分に設けられた少なくとも一つのより小さな、ひいてはより低コストの磁石によって実現することが可能となる。従来の磁石よりも小さな構造スペースしか必要としない比較的小さな磁石を可動の部分に組み込むことができるので、少なくとも一つの有効磁石の組み込みを有利にも容易にすることができる。少なくとも一つの定置の磁石は、支持磁石として機能し、同様にして非常に小さく低コストに設計することができる。なぜなら、この少なくとも一つの定置の磁石は、検知測定素子の極めて近傍に取り付けることができるからである。検知測定素子が回路基板に取り付けられている場合には、支持磁石も同様にしてこの回路基板上に、例えば検知測定素子に隣接して配置することができるか、又は、例えば回路基板の、検知測定素子とは反対の側に配置することができる。本発明の実施形態は、例えばホールセンサ、特にいわゆる２Ｄ若しくは３Ｄホールセンサ、又は、例えばＡＭＲセンサ若しくはＧＭＲセンサのようなｘＭＲセンサ等といった、磁束密度の方向の変化を評価する総てのストロークセンサ及び／又は角度センサにおいて使用可能である。特に二つ又は三つの空間方向における磁束密度を測定する検知測定素子は、複数の磁石の磁化方向を組み合わせることと、少なくとも一つの有効磁石に対する少なくとも一つの支持磁石の配置とによって、例えば少なくとも一つの磁束コンセントレータを備える３Ｄホールセンサのような検知測定素子の要求を満たす多くの可能性を提供する。

少なくとも一つの可動の有効磁石は、定置の検知測定素子の位置において磁界ベクトルの回転を引き起こし、ひいては、検知測定範囲内において信号変化を引き起こす。少なくとも一つの定置の支持磁石は、少なくとも一つの有効磁石が定置の検知測定素子から遠く離れすぎると直ちに、定置の検知測定素子の位置において、回転しない定置の磁界ベクトルと、充分な磁束密度とを生じさせる。少なくとも一つの定置の支持磁石によって形成された磁界と、回転しない磁界ベクトルとは、定置のクランプ範囲内において一定の出力信号を形成するために利用することができる。少なくとも一つの支持磁石は、有利には、少なくとも一つの有効磁石が検知測定素子の測定範囲から出る瞬間に、当該少なくとも一つの支持磁石の磁化方向が、最後に測定された磁界方向を維持するように配向されており、即ち、先行する測定の経過中において検知測定素子の測定範囲から出るときまでに少なくとも一つの有効磁石によって予め測定されなかった一定の測定角度を提供するように配向されている。

本発明の実施形態は、運動する構成部材のストロークを検出するためのセンサ装置であって、磁気測定装置の磁界の少なくとも一つの空間的な成分が、検出すべきストロークにわたる前記構成部材の運動によって変化し、これによって、位置固定の検知測定素子に対する、運動する前記構成部材の位置を検出することが可能である、センサ装置を提供する。本発明によれば、運動する前記構成部材に結合された少なくとも一つの有効磁石と、前記検知測定素子の測定範囲内に位置固定的に配置された少なくとも一つの支持磁石とが、前記磁界を形成する。

従属請求項に記載された手段及び発展形態によって、独立請求項１に記載された、運動する構成部材のストロークを検出するためのセンサ装置の有利な改良が可能である。

特に有利には、少なくとも一つの定置の前記支持磁石は、前記検知測定素子の位置において、一定の定置の第１磁界ベクトルを形成する。少なくとも一つの定置の前記支持磁石の一定の定置の前記第１磁界ベクトルは、前記検知測定素子の位置において、前記検知測定素子の測定面の法線に対して予め定められた角度を有する。

本発明に係るセンサ装置の有利な実施形態では、少なくとも一つの可動の前記有効磁石は、前記検知測定素子の前記測定範囲内に入ると、前記検知測定素子の位置において回転する第２磁界ベクトルを形成し、前記第２磁界ベクトルの磁界は、少なくとも一つの前記支持磁石の前記磁界に重畳する。検知測定素子の位置において回転する第２磁界ベクトルを形成するために、運動する構成部材に、複数の有効磁石又は唯一の有効磁石を結合させることができる。複数の有効磁石を使用する場合には、検知測定素子の位置において回転する第２磁界ベクトルを形成するために、これらの有効磁石を、唯一の有効磁石の場合よりも小さく構成することができる。複数のより小さい有効磁石を適当に分布させることによって、運動する構成部材上の既存の構造スペースを最適に利用して、所期の第２磁界ベクトルを形成することが可能となる。

本発明に係るセンサ装置の別の有利な実施形態では、少なくとも一つの前記有効磁石の磁化と、少なくとも一つの前記支持磁石の磁化とは、互いに予め定められた角度を有することができる。予め定められたこれらの磁石の磁化方向によって、検知測定素子の位置において、検知測定素子の測定面の法線に対する磁界ベクトルの角度範囲を予め定めることができ、これによってセンサ装置の磁気回路を、任意の磁化角度によって、種々異なる使用例及び／又は設置空間に簡単に適合させることができる。

本発明に係るセンサ装置の別の有利な実施形態では、前記検知測定素子を、第１表面及び第２表面を有する回路基板上に配置することができる。従って、少なくとも一つの定置の前記支持磁石を、例えば前記検知測定素子に隣接して前記回路基板の同一の表面上に配置することができ、又は、前記検知測定素子の下に若しくは前記検知測定素子に隣接して前記回路基板の他方の表面上に配置することができ、又は、前記回路基板の貫通孔内に配置することができる。少なくとも一つの支持磁石をできるだけ小さく構成できるようにするために、少なくとも一つの支持磁石は、好ましくは検知測定素子のできるだけ近傍に、即ち、検知測定素子に対してできるだけ小さい間隔で配置される。複数の支持磁石を使用する場合には、個々の支持磁石の可能な配置位置を組み合わせることができる。検知測定素子に対する少なくとも一つの支持磁石の位置の選択によって、検知測定素子の位置において、検知測定素子の測定面の法線に対する定置の磁界ベクトルの角度を有利に簡単に予め定めることができる。支持磁石の磁界の方向は、支持磁石の位置と、少なくとも一つの運動する有効磁石の磁化とに適合するように選択される。さらには、定置の前記支持磁石は、強磁性の磁束導体片と共に取り付けることができる。

本発明に係るセンサ装置の別の有利な実施形態では、前記検知測定素子は、評価モジュールの一部として構成することができる。評価ユニットは、好ましくはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）として構成されている。

本発明に係るセンサ装置の別の有利な実施形態では、前記検出すべきストロークは、並進運動又は回転運動を表すことができる。

本発明の実施例を図面に図示し、以下の記載においてより詳細に説明する。図面では、同一又は類似の機能を実施するコンポーネント又は要素には、同様の参照符号が付されている。

運動する構成部材のストロークを検出するための本発明に係るセンサ装置の一つの実施例の概略断面図である。 図１の運動する構成部材のストロークを検出するための本発明に係るセンサ装置のための磁気測定装置の個々のコンポーネントの概略斜視図である。 磁気測定装置の支持磁石を配置するための複数の異なる位置を説明するための、磁気測定装置の側面図である。 図３の磁気測定装置の平面図である。 磁気測定装置の支持磁石を配置するための別の位置を説明するための、磁気測定装置の側面図である。 図５の磁気測定装置の平面図である。 図２の磁気測定装置の特性曲線である。 図２の磁気測定装置の特性曲線である。

発明を実施するための形態
図１及び図２から見て取れるように、運動する構成部材５のストロークを検出するための本発明に係るセンサ装置１の図示された実施例は、磁気測定装置１０を含む。磁気測定装置１０の磁界の少なくとも一つの空間的な成分は、検出すべきストロークＲにわたる構成部材５の運動によって変化し、これによって、位置固定の検知測定素子１６．１に対する、運動する構成部材５の位置を検出することが可能である。本発明によれば、運動する構成部材５に結合された少なくとも一つの有効磁石１８と、検知測定素子１６．１の測定範囲内に位置固定的に配置された少なくとも一つの支持磁石１２とが、磁界を形成する。

図示された実施例では、運動する構成部材５は、例えばブレーキペダルの操作によってブレーキブースタのシリンダ７内を並進運動するピストンである。図１からさらに見て取れるように、少なくとも一つの支持磁石１２と、例えばＡＳＩＣとして構成された評価モジュール１６とは、ブレーキブースタのハウジング３に固定された回路基板１４上に位置固定的に配置されている。図２からさらに見て取れるように、検知測定素子１６．１は、評価モジュール１６の一部として構成されている。

少なくとも一つの定置の支持磁石１２は、検知測定素子１６．１の位置において、一定の定置の第１磁界ベクトルを形成する。さらに、少なくとも一つの定置の支持磁石１２の一定の定置の第１磁界ベクトルは、検知測定素子１６．１の位置において、検知測定素子１６．１の測定面の法線に対する所定の角度を有する。この磁界ベクトルの大きさ又は長さは、支持磁石１２と検知測定素子１６．１との間の間隔Ｌ１に依存している。

図２からさらに見て取れるように、少なくとも一つの可動の有効磁石１８は、検知測定素子１６．１の測定範囲内に入ると、検知測定素子１６．１の位置において回転する第２磁界ベクトルを形成し、この第２磁界ベクトルの磁界が、少なくとも一つの支持磁石１２の磁界に重畳する。検知測定素子１６．１の測定範囲は、図２に間隔Ａによって表されている。定置の検知測定素子１６．１の位置における、少なくとも一つの運動する有効磁石１８の回転する磁界ベクトルの大きさ又は現在の長さは、検知測定素子１６．１に対する間隔に依存している。回転する磁界ベクトルの最大の長さは、少なくとも一つの有効磁石１８と検知測定素子１６．１との間の空隙Ｌ２に依存している。

種々異なる使用例及び／又は設置空間に適合させるために、少なくとも一つの有効磁石１８の磁化と、少なくとも一つの支持磁石１２の磁化とは、互いに予め定められた角度を有している。

図３及び図４から見て取れるように、少なくとも一つの定置の支持磁石１２と検知測定素子１６．１とは、回路基板１４のそれぞれ異なる表面１４．１，１４．２に配置することができる。検知測定素子１６．１に対する少なくとも一つの支持磁石１２の位置の選択によって、及び、少なくとも一つの支持磁石１２の磁化方向によって、検知測定素子１６．１の位置において、検知測定素子１６．１の測定面の法線に対する定置の磁界ベクトルの角度を有利に簡単に予め定めることができる。図３及び図４には、破線で図示した支持磁石１２の配置に関して考えられる種々の位置が示されている。このように支持磁石１２は、例えば検知素子１６．１の真上に配置することができ、又は、検知素子１６．１に対して種々の間隔を置いて所定の角度で配置することができる。これに代えて、図示されていない実施形態では、支持磁石１２を、検知測定素子１６．１に隣接して回路基板１４の同一の表面１４．１若しくは１４．２上に配置することができ、又は、回路基板１４の貫通孔内に配置することができる。少なくとも一つの支持磁石１２をできるだけ小さく構成することができるようにするために、少なくとも一つの支持磁石１２は、好ましくは検知測定素子１６．１のできるだけ近傍に、即ち、検知測定素子１６．１に対してできるだけ小さい間隔で配置される。

図３からさらに見て取れるように、少なくとも一つの可動の有効磁石１８は、図示された実施例では右（Ｎ）から左（Ｓ）へと磁化されており、即ち、Ｎ極が右に、Ｓ極が左になるように配置されている。なお、この図示された実施例では、唯一の有効磁石１８だけが使用される。これに代えて、検知測定素子１６．１の位置において回転する第２磁界ベクトルを形成するために、複数の有効磁石１８を使用して、これらの有効磁石１８が、運動する構成部材５において互いに調整された磁化方向及び位置を有するようにすることも可能である。従って、少なくとも一つの有効磁石１８は、例えば図面の上から下への磁化方向、即ち、上がＮ極で下がＳ極の磁化方向、又は、下から上への磁化方向、即ち、上がＳ極で下がＮ極の磁化方向を有していてもよい。少なくとも一つの有効磁石１８は、さらに、斜めの磁化方向を有することも可能である。少なくとも一つの支持磁石１２に関しては、磁化方向は図示されていない。少なくとも一つの支持磁石１２の位置と、少なくとも一つの可動の有効磁石１８の磁化とに依存して、少なくとも一つの支持磁石１２のために種々異なる磁化方向を予め定めることができる。従って、少なくとも一つの支持磁石１２を、例えば少なくとも一つの有効磁石１８と同一の方向に、即ち、右から左へと磁化することができる。これに代えて、少なくとも一つの支持磁石１２に関して、上から下への磁化方向、即ち、上がＮ極で下がＳ極の磁化方向、又は、下から上への磁化方向、即ち、上がＳ極で下がＮ極の磁化方向も考えられる。少なくとも一つの支持磁石１２はさらに、斜めの磁化方向を有することも可能である。少なくとも一つの支持磁石１２の磁化と、有効磁石１８の磁化とによって、同様にして、検知測定素子１６．１の位置における、対応する磁界ベクトルの方向を予め定めることが可能となる。図４に図示した支持磁石１２の磁化方向は、一例である。もちろん、他の磁化方向を予め定めることも可能である。

図５及び図６から見て取れるように、定置の支持磁石１２を、回路基板１４の、検知測定素子１６．１と同一の表面１４．１上に配置することも、回路基板１４の他方の表面１４．２上に配置することもどちらも可能である。この実施形態でも、検知測定素子１６．１に対する少なくとも一つの支持磁石１２の位置の選択によって、及び、少なくとも一つの支持磁石１２の磁化方向によって、検知測定素子１６．１の位置における、検知測定素子１６．１の測定面の法線に対する定置の磁界ベクトルの角度を有利に簡単に予め定めることができる。図５及び図６には、破線で図示した少なくとも一つの支持磁石１２の配置に関して考えられる種々の位置が示されている。上述したように、少なくとも一つの支持磁石１２又は少なくとも一つの有効磁石１８に対して任意の磁化方向を予め定めることが可能である。なお、図５及び図６に図示された支持磁石１２及び有効磁石１８の磁化方向は、一例に過ぎない。

図７及び図８の特性曲線から見て取れるように、少なくとも一つの可動の有効磁石１８は、定置の検知測定素子１６．１の位置において磁界ベクトルの回転を引き起こし、ひいては、検知測定素子１６．１の測定範囲Ａ内において信号変化を引き起こす。少なくとも一つの定置の支持磁石１８は、定置の検知測定素子１６．１の位置から遠く離れ過ぎると直ちに、回転しない定置の磁界ベクトルと、充分な磁束密度とを生じさせる。一定の磁界ベクトルは、定置のクランプ範囲内において一定の出力信号を形成するために利用される。少なくとも一つの支持磁石１２は、有利には、有効磁石１８が検知測定素子１６．１の測定範囲から出る瞬間に、当該少なくとも一つの支持磁石１２の磁化方向が、最後に測定された磁界方向を維持するように配向されており、即ち、先行する測定の経過中において検知測定素子１６．１の測定範囲から出るときまでに予め測定されなかった一定の測定角度を提供するように配向されている。

図示された実施形態では、測定すべきストロークＲは、運動する構成部材５の並進運動に相当する。これに代えて、運動する構成部材５のストロークを検出するための本発明に係るセンサ装置１の実施形態を、回転運動を検出するために使用することも可能である。

Claims (10)

1. 運動する構成部材（５）のストロークを検出するためのセンサ装置であって、
   磁気測定装置（１０）の磁界の少なくとも一つの空間的な成分が、検出すべきストローク（Ｒ）にわたる前記構成部材（５）の運動によって変化し、これによって、位置固定の検知測定素子（１６．１）に対する、運動する前記構成部材（５）の位置を検出することが可能である、
   センサ装置において、
   運動する前記構成部材（５）に結合された少なくとも一つの有効磁石（１８）と、前記検知測定素子（１６．１）の測定範囲内に位置固定的に配置された少なくとも一つの支持磁石（１２）とが、前記磁界を形成する、
   ことを特徴とするセンサ装置。
2. 少なくとも一つの定置の前記支持磁石（１２）は、前記検知測定素子（１６．１）の位置において、一定の定置の第１磁界ベクトルを形成する、
   請求項１記載のセンサ装置。
3. 少なくとも一つの定置の前記支持磁石（１２）の一定の定置の前記第１磁界ベクトルは、前記検知測定素子（１６．１）の位置において、前記検知測定素子（１６．１）の測定面の法線に対して予め定められた角度を有する、
   請求項２記載のセンサ装置。
4. 少なくとも一つの可動の前記有効磁石（１８）は、前記検知測定素子（１６．１）の前記測定範囲内に入ると、前記検知測定素子（１６．１）の位置において回転する第２磁界ベクトルを形成し、前記第２磁界ベクトルの磁界は、少なくとも一つの前記支持磁石（１２）の前記磁界に重畳する、
   請求項１乃至３のいずれか一項記載のセンサ装置。
5. 少なくとも一つの前記有効磁石（１８）の磁化と、少なくとも一つの前記支持磁石（１２）の磁化とは、互いに予め定められた角度を有する、
   請求項１乃至４のいずれか一項記載のセンサ装置。
6. 前記検知測定素子（１６．１）は、第１表面（１４．１）及び第２表面（１４．２）を有する回路基板（１４）上に配置されている、
   請求項１乃至５のいずれか一項記載のセンサ装置。
7. 少なくとも一つの定置の前記支持磁石（１２）は、前記検知測定素子（１６．１）に隣接して前記回路基板（１４）の同一の表面（１４．１）上に配置されている、又は、前記検知測定素子（１６．１）の下に若しくは前記検知測定素子に隣接して前記回路基板（１４）の他方の表面（１４．２）上に配置されている、又は、前記回路基板（１４）の貫通孔内に配置されている、
   請求項６記載のセンサ装置。
8. 少なくとも一つの定置の前記支持磁石（１２）は、強磁性の磁束導体片と共に取り付けられている、
   請求項６又は７記載のセンサ装置。
9. 前記検知測定素子（１６．１）は、評価モジュール（１６）の一部として構成されている、
   請求項１乃至８のいずれか一項記載のセンサ装置。
10. 前記検出すべきストローク（Ｒ）は、並進運動又は回転運動を表す、
    請求項１乃至９のいずれか一項記載のセンサ装置。

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