JP2001510576A - 回転角を無接触で検出する測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 回転角を無接触で検出する測定装置は、軟磁性材料から形成される支持プレート（１４）から成り、この支持プレートはロータとして使用される。支持プレート（１４）の平面にはスリット（２１）と間隔空隙（２２）とによって分離された２つのセグメント（１６、１７）が配置されている。支持プレート（１４）は軸（１１）に固定されており、この軸の延長部（１２）および軸（１１）自体は導磁性材料から形成されている。延長部（１２）はステータの一方のセグメント（１６）へ突出している。軸（１１）特にその延長部（１２）と、支持要素（１４）と、セグメント（１６、１７）とにより支持プレート（１４）上に配置された永久磁石（１５）の磁束が調整される。軸（１１）が磁束中に挿入されることにより、測定装置を比較的簡単にスペースを節約して構成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 回転角を無接触で検出する測定装置 従来の技術 本発明は請求項１の上位概念記載の回転角を無接触で検出する測定装置に関す る。 ドイツ連邦共和国特許出願公開１９６３４３８１．３から、３つの平面に重な り合って配置されたセンサが公知である。ロータは中央の平面を形成し、ここで はロータは永久磁石のための支持プレートから成る。支持プレート自体は非導磁 性材料から成っているので、磁束は他の２つの平面すなわちステータが延在する 平面を介して、ステータの２つの平面間に配置された２つのスペーサ部材により 調整される。軸または軸の延長部はロータに固定されており、磁束に影響を及ぼ さない。このセンサによれば比較的大きな角度領域が符号変化なしに測定できる が、軸線方向から見て３つの平行な面で構成されることにより比較的大きな構造 となる。 本発明の利点 本発明の請求項１の特徴部分に記載の構成を有する回転角を無接触で検出する 測定装置は、従来の技術に比べて、センサが軸線方向で比較的小さな寸法を有す る利点を有している。センサは２つの平面のみで構成 される。ロータとなる永久磁石の支持プレートは同時に磁束を案内するためにも 用いられる。さらにロータが取り付けられているシャフトないし軸が磁束の案内 部に含まれており、このため付加的な磁束案内部材を省略することができる。ま たこうした構造により部材数ひいてはこれにかかる取り付けのコストを低減する ことができる。 このセンサは構造が簡単なため比較的小さな取り付けのコストで種々の装置、 例えばスロットル状態測定装置やアクセルペダル値センサのペダルモジュールの 装置に集積可能であり、またスロットルバルブセンサまたは車体懸架装置におけ る固有のセンサとして使用可能である。 従属請求項に記載の構成を有する手段により、請求項１に記載の測定装置の別 の有利な実施形態および改善形態が得られる。 図面 本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。図１から図４には第１の実 施例を種々の方向から見た図ないし部分図が示されている。ここでは図１には図 ３の観察方向Ｘから見た断面図が示されている。図２には図４のＢ−Ｂの部分が 示されている。図３には図１の観察方向Ｙから見た平面図が示されている。図４ には図３のＡ−Ａから見た断面図が示されている。図５、図６にはそれぞれ回転 角度０°、誘導値Ｂ＝０の 場合の磁束が示されている。図７、図８には相応して、それぞれ回転角度が最大 、誘導値Ｂ＝ｍａｘの場合の磁束が示されている。図９には回転角度αに関する 誘導値Ｂの相応の特性が示されている。図１０、図１１にはセンサをスロットル バルブ調整器またはペダル値センサへセンサを組み込む別の実施例の断面図が示 されている。図１２、図１４には別の実施例の平面図が示されており、図１３、 図１５にはその断面図が示されている。図１６から図２４には実施例の種々の変 化態様が示されている。 実施例の説明 図１から図４には参照番号１０でセンサが示されており、このセンサは図示さ れない構成素子に接続された軸１１によりその回転角度を検出する。軸１１の前 面には延長部１２が設けられており、肩部１３が存在し、この肩部の上に中央で 支持プレート１４が載置されている。この支持プレートは同時にロータとして用 いられる。軸１１、延長部１２、および支持プレート１４は個々の構成素子とし て製造してもよいし、また唯一の構成ユニットとして製造してもよい。支持プレ ート１４上には中心点からできる限り大きく半径方向での距離を置いて、すなわ ち軸１１の始点から距離を置いて、リング形の永久磁石１５が配置されている。 この場合は前述の距離が大きくなるにつれて測定信号の分解能が向上する。永久 磁石１５は円形の部材（円 形セグメント）または円形リング部材として構成することができる。永久磁石の 角度領域は、監視すべき構成要素ないし測定すべき構成要素での検出すべき最大 の回転角度と少なくとも同じ大きさである。図２、図３に示されていることから わかるように、永久磁石１５の角度領域はこの実施例では１８０°であり、この ため測定すべき１８０°の回転角度を得ることができる。永久磁石１５はさらに 軸線方向で、すなわち支持プレート１２に対して垂直な方向で分極している。支 持プレート１４は導磁性の材料例えば軟磁性材料から成る。本発明によれば軸１ １および延長部１２か、または少なくとも延長部１２が導磁性の材料、例えば軟 磁性材料から形成される。 永久磁石１５の上方の第２の平面には、支持プレート１４に対して平行に小さ な距離を置いて２つのセグメント１６、１７から成るステータが配置されている 。セグメント１６はここでは弧１９によって延長部１２を包囲している。この実 施例では弧１９は円弧として構成されている。ただし他の輪郭線も可能である。 ここで重要なのは、延長部１２とセグメント１６との間の導磁性の接続が可能と なるということである。したがって軸１１と弧１９との間の空隙２０はできる限 り小さく構成しなければならない。２つのセグメント１６、１７間には連続した 空隙が形成されており、この空隙は図１から図４の実施例では同じように構成さ れた外側の２つの区間２１と、弧１９の領域に存在する中央の間隔区間２２とを 有する。間隔空隙２２では、セグメント１６と１７との間、すなわちこの実施例 における弧１９の領域に、永久磁石１５から発生される磁束線の流れができる限 り生じないことが重要である。したがって間隔空隙２２を空気または他の非導磁 性材料によって充填してもよい。間隔空隙２２が空気で充填される場合、上述の 効果を達成するためにこの間隔空隙は空隙２１に比べて大きく構成しなければな らない。空気の代わりに他の非導磁性材料を選択することもできる。空隙２１に はほぼ中央に磁界感応性の素子２５、例えばフィールドプレート、マグネットト ランジスタ、コイル、磁気抵抗性素子、またはホール素子が配置されている。こ こで重要なのは、磁界感応性の構成素子が出力信号と磁気誘導値Ｂとの間にでき る限り線形の依存性を有することである。図１から図４には唯一の磁界感応性素 子２５、すなわちホール素子を有するそれぞれの測定部が示されている。この場 合、素子２５はできる限り空隙２１の中央に配置しなければならない。逆に例え ばそれぞれの素子２５を２つの空隙２１に配置して、例えばいわゆる冗長的測定 （確実性のための測定）を行うこともできる。また、１つの空隙に２つの素子を 配置することも考えられる。図３に示されているようにただ１つの空隙２１にた だ１つの磁界感応性素子２５のみを配置する場合には 、対向する側の空隙２１もまた、間隔空隙２２の大きさと間隔空隙２２を占めて いる非導磁性の機能とを有する。また測定空隙として使用される空隙２１を、図 ３に示されているような対称にではなく、非対称に配置したり、屈曲して配置し たりすることもできる。ここで重要なのは、磁束線の流れを磁界感応性の素子２ ５を通してできる限り障害なく流れさせるために、空隙２１が間隔空隙２２に比 べて相対的に小さく構成されている点である。 図９には素子２５例えばホール素子での磁気誘導値Ｂの経過が軸１１の回転角 αに関して示されている。回転角αが０°の場合には誘導値Ｂも同様にゼロであ り、回転角αが最大の場合には誘導値も最大に達する。この実施例では最大の回 転角は１８０°である。回転角０°の場合のセンサ１０の位置が図５、図６に示 されている。永久磁石１５の磁束はロータがステータに対して運動するために用 いられる小さな空隙を越えてセグメント１６へ案内され、そこから小さな支承部 空隙を越えて延長部１２へ案内され、そこから支持プレート１４を介して永久磁 石１５へ戻ってくる。例えば図６からわかるように、磁束が制御されて、回転角 が０°の場合には磁束が素子２５を通って延在せず、そのため素子２５には磁気 誘導値Ｂが生じない。軸１１および支持プレート１４が永久磁石１５とともに回 転されると、素子２５を通って延在する磁束が拡大さ れ、図９に示される線形の測定曲線が生じる。最大の回転角αでの調整は図７、 図８に示されている。図７には図８の観察方向Ａから見た図が示されている。最 大回転角αの位置では永久磁石１５の磁束全体が小さな空隙を介してセグメント １７内へ延在している。そこから磁束は空隙２１を通ってセグメント１６へ流れ 、対向する側にある他方の空隙２１へいたり、延長部１２の支承部空隙を通り、 そこから支持プレート１４を介して永久磁石１５へ戻ってくる。特に図８からわ かるように、空隙２１の通過時に磁束のほぼ全体が素子２５を通って案内され、 これにより素子２５に最大可能な磁気誘導値Ｂが生じる。図８からさらにわかる ように、間隔空隙２２を通って磁束のほぼ完全な特性が空隙２１を越えてさらに 素子２５を通って生じる。間隔空隙２２を越える磁束はできる限り生じないよう にする。 図１０の実施例では、上述のセンサをスロットルバルブ調整ユニット３０に組 み込む態様が示されている。ユニット３０を用いて、機関制御のためのスロット ルバルブの回転角が検出される。この場合ステータのセグメント１６、１７は直 接にスロットルバルブ調整ユニット３０のカバー３１に配置されている。カバー ３１はプラスティックから形成されているので、カバー３１内のセグメント１６ 、１７はともに射出成形することができる。また、ステータの２つのセグメント １６、１７をカバー３１にはめ込んでもよい。ただしこの場合、永久磁石１５の 磁束がセグメント１６および１７へ流れることができる空隙３３を設けなければ ならないのは明らかである。図１０には示されていないが、空隙３３には同様に １つまたは２つの素子２５が存在している。この場合軸１１は直接にスロットル バルブのシャフト３２に固定されているか、またはシャフト３２の延長部である 。ロータとして使用される支持プレート１４および永久磁石１５はこのため直接 にスロットルバルブのシャフト３２に固定されている。大きな変更なしに図１か ら図４または図１２から図１５に記載されたセンサをスロットルバルブ調整ユニ ット３０に組み込むことができる。この場合には簡単に例えば従来使用されてい るポテンショメータと交換される。図１１にはペダル値センサが示されている。 図１１ではステータのセグメント１６、１７はユニット３０ａの底部４０に配置 されている。セグメント１６、１７を同様に底部４０内に成形するか、またはは め込むことができる。シャフト３２の延長部はステータを通して突出しており、 ロータとして使用される支持プレートは軸３２の端部に固定されている。これに より図１０、図１１に相応のセンサは図１から図４または図１２から図１５の構 成に対応してスロットルバルブ調整ユニット３０またはペダル値センサの構造的 な条件に適合可能である。 図１２、図１３の実施例ではセンサの支持プレートは完全なディスクではない 。支持プレート１４ａがセグメントとして構成されている場合、このセグメント は永久磁石１５の大きさに相応する角度領域を有していれば充分である。図１２ には図１から図４に関連して１８０°の角度領域を有する永久磁石が示されてい る。このため支持プレート１４ａもほぼ１８０°の角度領域を有する。セグメン トとして構成された支持ディスク１４ａの外側の輪郭線は任意に構成可能である 。したがって例えば図１４、図１５では支持セグメント１４ｂは歯車セグメント として構成されている。例えば図１５からわかるように、歯車セグメント４５は 支持ディスク１４ｂに射出成形されており、歯車セグメント４５も永久磁石１５ を包囲している。非導磁性材料から製造される歯車セグメントを用いて、同時に 支持プレートへの駆動力を導入することができる。これによりドライブ装置への 集積化およびきわめてコンパクトな構造形態が可能となる。 図１６から図１９の実施例では図１８から明らかなように、空隙２２から２つ の空隙２１への移行部にそれぞれ１つずつ切欠５０が設けられている。切欠５０ はこの場合には空隙２２の延長部であり、この延長部はステータのセグメント１ ６内へ突出している。切欠５０は図１８で弧の形状で示されている。ただし他の 形状の可能である。ここで重要なのは切欠５０が少な くとも１５°はセグメント１６内へ突出していることである。弧の形状の構成で は切欠５０のサイドエッジが空隙２２の延長部であり、この延長部は円弧に接続 されている。切欠５０は永久磁石１５の漏洩磁束を比較的強く阻止する。これに より漏洩磁束は空隙２２から２つの空隙２１への移行部で最小化され、出力信号 が線形性の点でさらに改善される。切欠５０により、間隔空隙として使用される 空隙２２を従来の実施例に比べて縮小し、センサの構造サイズを低減することが できる。磁束を最適に利用するために、２つの空隙２１の領域で対向しているセ グメント１６、１７の面は近似的に等しい大きさにしなければならない。切欠５ ０にはこの実施例および前述の実施例と同様に空気を充填してもよいし、また相 応の材料組成を有する非導磁性のスペーサ部材を充填してもよい。空隙２１と空 隙２２または切欠５０との間の大きさの比にとって重要なのは、空隙２２および 切欠５０が２つの空隙２１に比べてはるかに大きいことである。これにより空隙 ２２および切欠５０を越える永久磁石１５の磁束は生じず、ひいては磁束がほぼ 完全に２つの空隙２１にわたって延在する。図１８に示されており、かつ前述の 実施例で言及したように、１つの磁界感応性素子２５のみを空隙２１に存在させ ることもできる。この場合には直径をはさんで対向する空隙を、磁界感応性素子 ２５を有する空隙２１と同じ大きさのオーダで構成す ることもできる。また磁界感応性素子２５で充填されていない空隙２１を空隙２ ２の大きさのオーダで間隔空隙として構成することも考えられる。この場合この 空隙は前述のように、空隙２２の大きさのオーダを有することもできるし、およ び／または付加的に非導磁性材料または空気で充填することができる。図では磁 界感応性素子２５を有する空隙２１が半径方向で外側へ向かって延在する空隙と して示されている。この測定空隙を屈曲して構成したり、または非対称に構成し たりすることも可能である。 図２０から図２３には回転角位置α＝０°の場合の磁束と回転角位置α＝最大 の場合の磁束とが図５から図９に関連して示されている。図２０、図２１からわ かるように、セグメント１６内へ入る永久磁石の磁束が切欠５０により阻止され 、角度位置α＝０°では誘導値Ｂも同様にゼロであり、漏洩磁束によって障害が 生じることがほとんどない。逆に図２２、図２３では最大の回転角αで最大の誘 導値Ｂ＝ｍａｘに達する。切欠５０のためにこの場合にも磁界感応性素子２５の わきに延在する漏洩磁束が阻止される。 このため磁束のほぼ全体が１つまたは複数の磁界感応性素子を介して案内され る。図２４にはロータ１４ａの変化形が示されている。ロータ１４ａのジオメト リに基づいて、センサの特性曲線の線形性が１４０°の測定領域の上方で著しく 改善される。永久磁石１５ ａの漏洩磁束が低減され、これによりセンサの測定曲線のゼロ点は高い温度安定 性を有する。図２４からわかるようにロータ１４ａは円形セグメントであるが、 このセグメントは前述の実施例でのロータ１４とは異なって＜１８０°の角度を 有する。ロータ１４ａはこの場合軸１１を把持していなければならない。点Ｃと 点Ｂとの間に存在するロータ１４ａの円形の部材６０はその中心点を軸１１の中 心点Ｍに有する。さらに中心点Ｍを通ってラインＳが延在している。このライン Ｓについてロータ１４ａは鏡像対称に構成されている。このことはラインＳ上に 存在する点Ａと点Ｃとの接続線がラインＳに対して点Ｂと点Ａとの接続線に等し い角度を有することを意味する。点Ａはロータ１４ａの円弧形の部材６０に対向 する側に存在している。点Ａ、Ｂ、Ｃの領域ではロータ１４ａは角を丸められた エッジを有する。ロータ１４ａの角度の大きさは使用される磁石セグメント１５ ａに依存する。ロータ１４ａの角度領域は使用される磁石の角度と等しいか、ま たはそれ以上の大きさであることが保証されていなければならない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＪＰ，Ｋ Ｒ，ＵＳ (72)発明者 ミヒャエル シュテーヴェ ドイツ連邦共和国 Ｄ―96114 ヒルシャ イト ケラーシュトラーセ 82

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ロータ（１４）上に永久磁石（１３）が配置されており、 ステータ（１６、１７）とロータ（１４）との間に空隙が存在しており、 ステータは少なくとも２つのセグメント（１６、１７）から成っており、該 セグメントは少なくとも１つの非導磁性の空隙（２１、２２）によって分離され ており、 少なくとも１つの空隙（２１）に少なくとも１つの磁界感応性素子（２５） が存在しており、 ステータの少なくとも一方の部材（１７）はロータ（１４）との導磁性の接 続を有さない、 ステータ（１６、１７）とロータ（１４）との間の回転角αを無接触で検出する 測定装置において、 ロータ（１４）の軸（１１）は導磁性材料から成る少なくとも１つの領域を 有しており、 該領域は少なくともロータ（１４）から、該ロータ（１４）との導磁性の接 続を有するステータの部材（１６）へ延在しており、 少なくとも１つの第１の空隙（２２）がステータの２つの部材（１６、１７ ）間に設けられており、 該空隙により永久磁石（１５）の磁束が阻止されて、磁束が少なくとも１つ の他方の空隙（２１）を 介して延在するように調整される、 ことを特徴とする回転角αを無接触で検出する測定装置。 ２． 第１の空隙（２２）は他方の空隙（２１）よりも大きい、請求項１記載の 測定装置。 ３． 軸（１１）例えば延長部（１２）とロータ（１４）とは軟磁性材料から形 成されている、請求項１および／または２記載の測定装置。 ４． ステータの一方の部材（１６）は延長部（１９）を有しており、該延長部 に軸（１１）例えば該軸の延長部（１２）が突出している、請求項１から３まで のいずれか１項記載の測定装置。 ５． 前記ステータの部材（１６）の延長部（１９）は弧状に構成されている、 請求項４記載の測定装置。 ６． ロータおよびステータはディスク形に構成されている、請求項１から５ま でのいずれか１項記載の測定装置。 ７． ロータはセグメントとして構成されている、請求項１から６までのいずれ か１項記載の測定装置。 ８． 他の２つの空隙（２１）が設けられており、該空隙にそれぞれ少なくとも １つのホール素子（２５）が配置されている、請求項１から７までのいずれか１ 項記載の測定装置。 ９． 軸（１１）およびロータ（１４）は一体に構成 されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の測定装置。 １０． ステータの部材（１６）内の第１の空隙（２１）から他方の空隙（２２ ）への移行部に少なくとも１つの切欠（５０）が形成されている、請求項１から ９までのいずれか１項記載の測定装置。 １１． 第１の空隙（２２）、他方の空隙（２１）、および切欠（５０）に空気 または非導磁性物質が充填されている、請求項１から１０までのいずれか１項記 載の測定装置。 １２． 少なくとも１つの切欠（５０）は≧１５°の侵入度を有する、請求項１ から１１までのいずれか１項記載の測定装置。 １３． 他方の空隙（２１）の幅は切欠（５０）の幅よりも小さい、請求項１か ら１２までのいずれか１項記載の測定装置。 １４． 切欠（５０）の幅は第１の空隙（２２）の幅に相応する、請求項１から １３までのいずれか１項記載の測定装置。 １５． 切欠（５０）は円形の形状を有する、請求項１から１４までのいずれか １項記載の測定装置。 １６． 他方の空隙（２１）には少なくとも１つの磁界感応性素子（２５）が設 けられており、ステータの２つの部材（１６、１７）の間に存在する残りの空隙 （２２）は前記他方の空隙（２１）よりも大き く構成されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の測定装置。 １７． 他方の空隙（２１）から空隙（２２）への移行部に第１の切欠（５０） が設けられており、直径をはさんだ対向する側に第２の切欠（５０）が構成され ている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の測定装置。 １８． 他方の空隙（２１）は屈曲されるか、または非対称に構成されている、 請求項１から１７までのいずれか１項記載の測定装置。 １９． ロータ（１４ａ）は円形セグメントであり、該セグメントは軸（１１） を把持している、請求項１から１８までのいずれか１項記載の測定装置。 ２０． 円形セグメントとして構成されたロータ（１４ａ）は永久磁石（１５ａ ）の角度と等しいかまたはそれより大きい角度を有する、請求項１から１９まで のいずれか１項記載の測定装置。 ２１． 円形セグメントは円形の外側輪郭（６０）を有しており、該輪郭の中心 点は軸（１１）の中心点Ｍに位置しており、円形セグメントは軸（１１）の中心 点Ｍを通って延在するライン（Ｓ）に対して軸対称に構成されている、請求項１ から２０までのいずれか１項記載の測定装置。 ２２． 円形セグメント（１４ａ）は２つの直線状のエッジを有する、請求項１ から２１までのいずれか １項記載の測定装置。 ２３． ロータ（１４ａ）のエッジの移行部は重なりあっており、円形の外側輪 郭（６０）に対するエッジは角を丸められている、請求項１から２２までのいず れか１項記載の測定装置。 ２４． ステータ（１６、１７）として使用される部材はセンサ（３０）のカバ ー（３１）に統合されており、該カバー（３１）はプラスティックから成る、 ことを特徴とする請求項１から２３までのいずれか１項記載の測定装置を有する スロットルバルブセンサまたはペダル値センサ。 ２５． ステータ（１６、１７）として使用される部材はセンサ（３０）の底部 （４０）に統合されており、該底部（４０）はプラスティックから成る、 ことを特徴とする請求項１から２３までのいずれか１項記載の測定装置を有する スロットルバルブセンサまたはペダル値センサ。