JP2006518043A

JP2006518043A - 線形ホール効果センサを用いる位置センサ

Info

Publication number: JP2006518043A
Application number: JP2006503527A
Authority: JP
Inventors: ゴドキン、ミカイル
Original assignee: ビーイーアイセンサーズアンドシステムズカンパニーインコーポレイテッド
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2006-08-03
Also published as: EP1595114B1; US20070114990A1; CN100449268C; CN101424544B; KR20120031231A; KR101173519B1; KR20060012262A; CN101424544A; US7166996B2; CN1781013A; WO2004074853A2; WO2004074853A3; US7250754B2; EP1595114A2; KR101162050B1; US20040239313A1

Abstract

磁場センサを含み、且つストローク方向を有する形式の位置センサにおいて使用するための磁場アセンブリ及びそれを構成する方法が開示される。磁場アセンブリにおける第１と第２の磁性体は、磁性板（帰還経路）の表面上に離間距離をもって互いに離間して位置する。第１の磁性体は磁性板の表面に実質的に沿う磁気軸を有し、且つ第１の磁性体は第２の磁性体の極性と反対の極性を有する。第１と第２の磁性体の厚さはストローク方向に沿って変化するように選択されており、且つ離間距離は、磁気センサと磁場アセンブリとの間のギャップ長さに従って選択されて、位置センサについて所定の磁束密度対ストローク特性が与えられるようにされている。

Description

本発明は一般に位置センサに関し、特に磁性体厚さ及び間隔を変化させて所望の磁束密度対ストローク特性を与える位置センサに関する。

関連出願
本願は、米国仮特許出願第６０／４４７，７９８号（２００３年２月１４日出願）から米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づく優先権を主張する。

典型的な位置センサは、Alleglo MicroSystems, Inc(Worcester, MA)による名称”Linear Hall-Effect Sensors”の出願公報公開に説明されている。このような線形位置センサは例えば上述の公報から抜粋した図である図１に示されている。これら位置センサの各々は磁場アセンブリ２０及び線形ホール効果センサ２２からなる。磁場アセンブリ２０は、２つ又は４つの矩形磁性体２４と、軟磁性体ハウジング２６とからなる。線形ホール効果センサ２２は、磁性体により形成された磁場を図面上を左右方向に交差する。ホール効果センサ２２は位置Ｄ＝０に位置するときは、磁束密度は零（０）である。この形態は上記文献では「プッシュ−プル(Push-Pull)」方式と称されている。

図２は所謂「プッシュ−プル」方式を図示し、ここではホール効果センサ２８が同極性の２つの磁性体３０の間を移動する。この移動は紙面上の垂直（即ち上下）方向である。距離Ｄが２つの磁性体３０の間の中間点に対応するときは、磁束密度は零（０）である。磁性体３０はこの場合は矩形状であることにも言及しておかねばならない。

図３は他の方式、即ちモードによる両極スライドを示す。図３における図示はHoneywellによる”Hall Effect Sensing and Application, Micro Switch Sensing and Control”と称された文献からの抜粋である。この文献によれば、「モードによる両極スライド」において、線形ホール効果センサ３２は、磁性板３６に取り付けられて互いに所定距離だけ離間した２つの矩形状磁性体３４に関して移動する。図３は、磁場アセンブリ４２の中央ライン４０がセンサ３２の中心４４から離間される距離３８の関数として、磁場が如何に変動するかを図示する。

上述のセンサは全てそれらのストローク範囲に亘って非線形であると明言できる。

図１０は米国特許公報第６，２１５，２９９号からの複製である。明らかに、この形態においては、移動方向に沿って磁性体の対向端において北極及び南極を与えるように単独の磁性体が用いられている。このような形態では、開示されたセンサは磁性体からの漏洩磁束においてのみ作動するので、換言すればセンサの全性能に影響する。従って磁束密度対ストローク範囲がより良く制御されて、ストローク範囲に亘る向上された線形性が達成される位置センサが要請される。

発明の概要
改良された制御及び磁束密度対ストローク特性の線形性は、磁場センサを含む形式の位置センサに使用するための本発明の磁場アセンブリ及びこの磁場アセンブリを構成する方法により与えられる。磁場アセンブリの第１及び第２磁性体は磁性板の表面上に位置し、且つ離間距離をもって互いに離隔されている。第１磁性体は磁性板の表面に実質的に沿う磁性軸を有し、第１磁性体は第２磁性体の極性とは反対の極性を有する。第１及び第２磁性体の厚さは位置センサのストローク方向に沿って選択的に変動し、且つ離間距離が選択されて、所定の磁束密度対ストローク特性を位置センサのために与えることができる。

本発明の磁場アセンブリの一実施形態においては、第１及び第２の磁性体の各々の厚さが線形方式で変化するので、平坦な面が磁場センサに対面するように与えられ、この平坦面は磁性板の表面に沿った側に関して鋭角に角度付けられている。平坦な面はｍ第１及び第２の磁性体の厚さが磁場アセンブリの対向端で最大になるように、且つ磁場アセンブリの中央へ向かって最小になるように角度付けされていることが更に好ましい。線形磁束密度対ストローク特性を有する特定の好ましい実施形態においては、鋭角は約６０度に選択されている。

磁場アセンブリの更なる実施形態において、磁場アセンブリはギャップ長さ距離において位置センサの磁場センサに対する移動に関して位置決め可能であり、更に離間距離はギャップ長さよりも大きくなるように選択される。好ましい実施形態においては、離間距離はギャップ長さの５倍よりも大きくなるように選択される。

本発明の磁場アセンブリは、線形のみならず、回転センサの用途にも適している。線形の用途の状況においては、第１及び第２の磁性体が、磁性板の表面に沿い、且つ位置センサのストローク方向に対して実質的に平行な側面を有してもよい。

回転センサの用途の状況においては、位置センサは角度ストロークを有し、第１及び第２の磁性体が、磁性板の表面に沿い、且つ角度ストロークに沿って弧状をなす側面を有してもよい。

本発明による位置センサは上述した磁場アセンブリ、及びホール効果センサのような磁気センサを含む。

従って本発明の目的は、磁性板上に互いに離間して位置する第１磁性体と第２磁性体との厚さを変化させることにより磁場アセンブリが形成され、且つ磁性体の間の離間距離及びギャップ長さ距離を選択することにより所望の磁束密度対ストロークが与えられる装置及びその方法を与えることである。

本発明の更なる目的は、位置センサ装置及びそれを構成する方法を与えることであり、ここでは磁場アセンブリの第１磁性体と第２磁性体とが離間距離間隔で磁性板上に位置し、各磁性体の厚さが変化して、各磁性体が、磁気センサに対面して鋭角に角度付けされた平坦面を与える。

これらと他の目的、特徴及び利点は以下の添付図面に沿った本発明の特定の実施例の詳細な説明を考慮することにより一層容易に理解される。

本発明の詳細な説明

図４を参照すると、本発明による位置センサが図示されている。特に、本発明による改良された線形性を与える線形ホール効果センサを利用する位置センサの磁場アセンブリ５０の断面図が示されている。図４から明らかなように、ホール効果センサに対面する（磁性体５４の）側面５２は、磁性体５４の垂直側面６０に関して符号５８の角度に形成されている。この角度５８は好ましくは垂直側面６０に関して鋭角である。また磁性体５４は磁性板６２上に位置し、離間距離Ｄ（６４）をもって離間されている。磁場アセンブリ５０の移動方向は矢印６６により示されている。

図５は本発明の位置センサの具体的な実施例の利用の一例を示し、ここでは磁性体アセンブリ５０がハブ６８へ取り付けられ、次いでこのハブは運動デバイス（図示しないリニアモータ又はリニアボイスコイルアクチュエータ）のシャフトに置かれている。

図６は磁性体５４の側面５２と側面６０との間の角度５８の幾つかの異なる値における磁束密度対ストローク曲線の一群を示す。図から明らかなように、角度９０度は最も顕著な曲線を有し、一方、角度約６０度は最も線形な応答を与えることを表す。

図７は、このような磁束密度対ストローク特性を示し、これは磁性体角度６０度、ホール効果センサ５６と磁性体５４の上隅との間のギャップ長さ（Ｌｇ）０．２８４ｍｍにおけるものである。本発明のこの実施例について、磁性体５４が互いに離間される離間距離Ｄ（６４）は約１．８ｍｍである。従って、この特定の形態のために、分離距離はギャップ長さ距離より大きくなるように選択されており、この例では５倍以上である。選択された形状は位置センサの線形出力をストローク範囲４．５ｍｍで３％以内に達成することを可能とする。上述の説明及び図面から、本発明によれば以下のことが認められる。即ち、位置センサの磁場アセンブリの新たな形態は、センサ特性の線形特性を改良することが発見され、また所望によりセンサ特性を形成するように使用することも可能である。一般に、磁場アセンブリにおける磁性体の厚さは、位置センサの磁束密度対ストローク特性の形状に影響するように変化する。この厚さにおける変化は位置センサのストロークの方向に沿ってなされる。本発明の好ましい実施例によれば、厚さは線形的に変化するので、各磁性体においてはホール効果センサに対面する平坦面が与えられており、これは磁性体の垂直側面に対して角度付けされている。好ましい実施例によれば、この表面の角度付けは磁性体の厚さが磁場アセンブリの両端部において最大であり、且つ磁場アセンブリの中央へ向かって最小になるように選択されている。

本発明の好ましい実施例においては、三つのパラメータ、即ち磁性体角度、磁性体間の距離、磁性体と線形ホール効果センサとの間の距離を変動させることにより、線形性を実質的に向上できることが見出された。

上述したように本発明の構成は、従来のセンサ構成を越える多数の利点を与える。本発明においては、磁性体アセンブリは、選択されて変化した厚さを有する個別の磁性体を含み、且つこれらは軟磁性板又はボディへ取り付けられている。軟磁性板は、個別の磁性体及び磁性アセンブリにより生成された磁束分布に影響する帰還経路を操作する。合成磁気回路は、磁束の増大された法線成分を与えるように集中する磁束を可能とし、その法線成分はホールセンサにより検出されるように利用可能である。従来のセンサ構成における単独の磁性体の場合に比較すると、本発明は磁気アセンブリからの磁束の増大された法線成分及び低減された接線成分を与える。次いで、磁気アセンブリの大きさは、例えば高さについて、従来のセンサ構成に比べて最小化することができる。これは位置センサ自体の全高を比例的に低減できることになる。

更に、個別の磁性体の使用は、各磁性体を互いに独立に磁化させることを可能とするので、その磁気特性は、磁性体について選択された厚さ変化により生成された磁束分布における所望の効果を生成するように良好にあつらえることができる。例えば、高エネルギ製品材料は、本発明における磁性体においては、単独の磁性体構成において使用できるよりも使用できる。更に、従来のセンサに比較して、これは位置センサの高さにおける更なる低減を可能とする。

また本発明によれば、本発明の説明した実施例は、磁場アセンブリ５０における対称構成の磁性体５４を使用したが、目標とする位置センサの磁束密度対ストローク特性に応じて他の構成も採用できる。従って本発明によれば磁場アセンブリにおける各磁性体の形状、磁性体相互間の間隔、及び磁性体とホール効果センサとの間のギャップ長さを変化させることにより、位置センサについての磁束密度対ストローク特性の変化が得られる。

更に、本明細書に説明した各磁性体は、一片から構成する必要は無く、特定の形状の個別の磁性体の組み合わせにより与えることができる。磁性体の材料は成型又は焼結ネオジミウム鉄ボロン、又はサマリウムコバルト、或いは他の適切な材料とすることができる。

更に、上述した実施例は本発明の線形位置センサの応用であるが、本発明の概念は回転型位置センサにも使用できる。図８は本発明の回転型実施例の磁場アセンブリ７０の上面図である。上述の線形実施例のように、回転型実施例の磁性体７２は磁場アセンブリの両端７４において最大厚さを有し、磁場アセンブリの中央へ向かって最小化するように厚さをテーパー状にされている。この方式においては、ホール効果センサに対面する角度付けされた面が与えられる。この回転型実施例の磁性体７２及び磁性板７６の曲率は、磁性体７４の互いからの離間距離は半径方向に変化し得る。磁性板の表面に沿う磁性体７２の側面は、回転ストローク方向に沿う弧状として説明できる。

本発明の位置センサについて線形ホール効果センサを用いて説明したが、当業者には本発明の要旨の範囲内で他の形式の磁気センサを採用できることが理解されよう。

例えば、図９を参照して本発明の更なる実施形態を説明する。断面図で示されたこの実施例は、距離Ｄで離間されて径方向に磁化された二つの環状磁性体を有する磁気リングの形態を有する。図示の構成においては、磁気リングは、その内側寸法が既存のシャフト上を摺動するようにそのシャフトへ結合可能にされており、その位置情報が検出されるようにしてある。代替的には、磁気経路は中実なシリンダの形状で実現でき、且つ磁気アセンブリをシャフト（その位置が監視される）へ接続する適宜な特徴を備えている。径方向に磁化された環状磁性体の厚さ、離間、及び他の寸法特徴は本発明の他の実施例について上述した基準に従って好ましく選択される。

環状磁性体及び磁気リング（帰還経路）は共通の軸を共用する。使用においては、この磁気アセンブリの移動方向は、代表的には、この共通軸に平行であると共に、磁気センサは共通軸に平行な平面に、共通軸及び磁気アセンブリから径方向に離間した距離に位置する。図９の構成の重要な利点は、シャフト軸に関する何らかのシャフトの角度的な誤アライメントに対して非常に感度が低いことである。従って、対回転デバイスを欠いているか、或いは他の理由により、その軸の周りの特定の角度をもってシャフトが回転する場合においてさえも、磁気センサは磁気アセンブリに対して連続的に正確に整合する。実際的な応用においては、例えば線形ボイスコイルアクチュエータにおいては、シャフトの若干の角度移動を必然的に伴う。従って図９の構成は、そのような状況では特に有益である。本明細書に採用された用語及び表現は説明のための用語としてのみ意図されており、限定の意図はなく、またこのような用語及び表現は、図示及び説明された特徴の均等物又は部分を除外する意図は無く、本発明の特許請求の範囲の目的の範囲内で様々な変更例が可能であることが認められる。

図１は従来の線形位置センサを示す図である。図２は従来の所謂「プッシュ−プッシュ」線形位置センサの応用を示す図である。図３はモードによる二極スライドと称される他の従来の線形位置センサの応用を示す図である。図４は本発明による位置センサを示す図である。図５は例示的な位置センサ形態における本発明の磁場アセンブリ実施例の使用の一例を示す図である。図６は本発明による位置センサ実施形態についての磁束密度対ストローク曲線の一群を示す図である。図７は磁気角度６０度及びギャップ長さ（Ｌｇ）０．２８４ｍｍの本発明の実施例の磁束密度対ストローク特性を示す図である。図８は本発明の回転実施形態の磁場アセンブリの上面図である。図９は本発明による円筒状センサ形状を示す図である。図１０は米国特許第６，２１５，２９９号の図２の複製である。

Claims

磁場センサを含み、且つストローク方向を有する形式の位置センサデバイスにおいて使用するための磁場アセンブリであって、
磁性板の表面上に、離間距離をもって互いに離間して位置された第１と第２の磁性体であり、その第１の磁性体は前記磁性板の表面に実質的に沿う磁気軸を有し、第１磁性体は第２磁性体の極性とは反対の極性を有し、
第１と第２の磁性体の断面の厚さはストローク方向に沿って選択的に変化し、且つ前記離間距離が選択されており、所定の磁束密度対ストローク特性が位置センサに与えられる磁場アセンブリ。
請求項１の磁場アセンブリにおいて、第１及び第２の磁性体の各々の厚さが線形に変化して、平坦な面が磁場センサに対面するように与えられ、この平坦面は磁性板の表面に沿った側に関して鋭角に角度付けられている磁場アセンブリ。
請求項２の磁場アセンブリにおいて、前記平坦な面は第１及び第２の磁性体の厚さが磁場アセンブリの対向端で最大になるように、且つ磁場アセンブリの中央へ向かって最小になるように角度付けされている磁場アセンブリ。
請求項３の磁場アセンブリにおいて、磁場アセンブリはギャップ長さ距離において磁場センサに関して移動するように位置決め可能であると共に、前記離間距離は前記ギャップ長さよりも大きくなるように選択される磁場アセンブリ。
請求項４の磁場アセンブリにおいて、前記鋭角が約６０度に選択されている磁場アセンブリ。
請求項５の磁場アセンブリにおいて、前記離間距離はギャップ長さの５倍よりも大きくなるように選択されている磁場アセンブリ。
請求項１の磁場アセンブリにおいて、第１及び第２の磁性体が、前記磁性板の表面に沿い、且つ前記位置センサのストローク方向に対して実質的に平行な側面を有する磁場アセンブリ。
請求項１の磁場アセンブリにおいて、前記位置センサは回転ストロークを有すると共に、第１及び第２の磁性体が、前記磁性板の表面に沿い、且つ前記回転ストロークに沿って弧状をなす側面を有する磁場アセンブリ。
請求項８の磁場アセンブリにおいて、第１及び第２の磁性体が幅寸法を有し、これは前記位置センサのストローク方向に沿って変化する磁場アセンブリ。
請求項１の磁場アセンブリにおいて、前記磁場センサはホール効果センサである磁場アセンブリ。
ストローク方向を有する位置センサであって、
磁場センサと、
磁性板の表面上に離間距離だけ互いに離間して位置する第１と第２の磁性体を含む磁場アセンブリとを備え、
第１の磁性体は前記磁性板の前記表面に実質的に沿う磁気軸を有し、且つ第１の磁性体は第２の磁性体の極性と反対の極性を有すると共に、前記磁場アセンブリはギャップ長さ距離にて前記磁場センサに対して移動するように位置されており、
第１と第２の磁性体の厚さは前記位置センサのストローク方向に沿って変化するように選択されており、前記ギャップ長さ距離及び前記離間距離は、前記位置センサについて所定の磁束密度対ストローク特性が与えられるように選択される位置センサ。
請求項１１の位置センサにおいて、第１及び第２の磁性体の各々の厚さが線形に変化して、平坦な面が磁場センサに対面するように与えられ、この平坦面は磁性板の表面に沿った側に関して鋭角に角度付けられている位置センサ。
請求項１２の位置センサにおいて、前記平坦な面は第１及び第２の磁性体の厚さが磁場アセンブリの対向端で最大になるように、且つ磁場アセンブリの中央へ向かって最小になるように角度付けされている位置センサ。
請求項１３の位置センサにおいて、前記離間距離は前記ギャップ長さ距離よりも大きくなるように選択されている位置センサ。
請求項１４の位置センサにおいて、前記鋭角が約６０度に選択されている位置センサ。
請求項１５の位置センサにおいて、前記離間距離は前記ギャップ長さの５倍よりも大きくなるように選択されている位置センサ。
請求項１１の位置センサにおいて、第１及び第２の磁性体が、前記磁性板の表面に沿い、且つ前記位置センサのストローク方向に対して実質的に平行な側面を有する位置センサ。
請求項１１の位置センサにおいて、前記位置センサは回転ストロークを有すると共に、第１及び第２の磁性体が、前記磁性板の表面に沿い、且つ前記回転ストロークに沿って弧状をなす側面を有する位置センサ。
請求項１８の位置センサにおいて、第１及び第２の磁性体が幅寸法を有し、これは前記位置センサのストローク方向に沿って変化する位置センサ。
請求項１１の位置センサにおいて、前記磁場センサはホール効果センサである磁場アセンブリ。
磁場センサ及びストローク方向を有する形式の位置センサデバイスにおいて使用するための磁場アセンブリを構成する方法であって、
第１と第２の磁性体を磁性板の表面上に、離間間隔をもって互いに離間して位置させる段階であり、その第１の磁性体は前記磁性板の表面に実質的に沿う磁気軸を有し、第１磁性体は第２磁性体の極性とは反対の極性を有する段階と、
第１と第２の磁性体の断面の厚さをストローク方向に沿って選択的に変化させ、且つ前記離間距離を選択して、所定の磁束密度対ストローク特性を位置センサに与える段階とを含む方法。
請求項２１の方法において、前記選択的に変化させる段階が、第１及び第２の磁性体の各々の厚さを線形に変化させることにより、平坦な面を磁場センサに対面するように与え、且つこの平坦面を磁性板の表面に沿った側に関して鋭角に角度付けらる段階を含む方法。
請求項２２の方法において、前記選択的に変化させる段階が、前記平坦な面を第１及び第２の磁性体の厚さが磁場アセンブリの対向端で最大になるように、且つ磁場アセンブリの中央へ向かって最小になるように角度付けさせる段階を更に含む方法。
請求項２３の方法において、前記磁場アセンブリはギャップ長さ距離において磁場センサに関して移動するように位置決め可能であると共に、前記選択的に変化させる段階が、前記離間距離を前記ギャップ長さよりも大きくなるように設定する段階を更に含む方法。
請求項２４の方法において、前記角度付けする段階では、前記鋭角を約６０度に選択する方法。
請求項２５の方法において、前記選択的に変化させる段階では、前記離間距離を前記ギャップ長さの５倍よりも大きくなるように選択する方法。
請求項２１の方法において、前記特性を位置センサに与える段階が、第１及び第２の磁性体を、前記磁性板の表面に沿い、且つ前記位置センサのストローク方向に対して実質的に平行な側面を有するように構成する段階を含む方法。
請求項２１の方法において、前記位置センサは回転ストロークを有すると共に、前記特性を位置センサに与える段階が、第１及び第２の磁性体を、前記磁性板の表面に沿い、且つ前記回転ストロークに沿って弧状をなす側面を有するように構成する段階を含む方法。
請求項２８の方法において、前記特性を位置センサに与える段階が、第１及び第２の磁性体を、幅寸法を有し、この幅寸法は前記位置センサのストローク方向に沿って変化するように構成する段階を含む方法。
磁場センサを含み、且つストローク方向を有する形式の位置センサデバイスにおいて使用するための磁場アセンブリであって、
円筒状断面を有する磁気帰還経路の表面上に離間距離をもって互いに離間して位置する第１と第２の磁性体を備え、第１の磁性体は前記磁気帰還経路の前記表面に実質的に沿う磁気軸を有し、且つ第１の磁性体は第２の磁性体の極性と反対の極性を有すると共に、
第１と第２の磁性体の断面厚さは前記ストローク方向に沿って変化するように選択されており、前記離間距離は、位置センサについて所定の磁束密度対ストローク特性が与えられるように選択される磁場アセンブリ。
請求項１の磁場アセンブリにおいて、第１及び第２の磁性体は環状磁性体であり、且つ磁気帰還経路が磁気リングである磁場アセンブリ。
請求項３０の磁場アセンブリにおいて、第１及び第２の環状磁性体の各々の厚さが線形に変化して、角度付けされた面が磁場センサに対面するように与えられ、この面は前記磁気リングの表面に沿う側面に関して鋭角に角度付けられている磁場アセンブリ。
請求項３１の磁場アセンブリにおいて、前記角度付けされた面は第１及び第２の環状磁性体の厚さが前記磁場アセンブリの対向端で最大になるように、且つ前記磁場アセンブリの中央へ向かって最小になるように角度付けされている磁場アセンブリ。
請求項３２の磁場アセンブリにおいて、前記磁場アセンブリはギャップ長さ距離において前記磁場センサに関して移動するように位置決め可能であり、且つ前記離間距離は前記ギャップ長さ距離よりも大きくなるように選択されている磁場アセンブリ。
請求項３４の磁場アセンブリにおいて、前記鋭角が約６０度に選択されている磁場アセンブリ。
請求項３４の磁場アセンブリにおいて、前記離間距離は前記ギャップ長さの５倍よりも大きくなるように選択されている磁場アセンブリ。
請求項３０の磁場アセンブリにおいて、第１及び第２の環状磁性体が、前記磁気帰還経路の表面に沿い、且つ前記位置センサのストローク方向に対して実質的に平行な側面を有する磁場アセンブリ。
請求項３０の磁場アセンブリにおいて、前記磁場センサはホール効果センサである磁場アセンブリ。