Small electronic position sensor

【発明の詳細な説明】 本発明は、補聴器等に使用して音量制御したり、機能シフトしたり、またはその他に調整しうる諸パラメータを変化させたりするための小型電子位置センサに関するものである。 この位置センサは、磁界感知素子を用いて作動され、磁界感知素子を含む固定ベース部分またはステータと、回転しうるように取り付けられていて且つ永久磁石を含む調整手段またはロータとを備える。 そのステータは、ステータに埋設された複数の導電端子を用いて補聴器等の装置に電気的に結合されており、且つ、永久磁石、したがって、ロータの位置にしたがった電気信号を与えるように磁界感知手段を配設する集積回路を備えている。

前述した型の位置センサは、US−Ａ−4415856に開示されている。 この従来のセンサでは、そのロータは、ハウジングのパネルの開口を通すようにして取り付けられている。 ジュアルインラインパッケージ（DIP）にて配置されたステータの集積回路は、ロータの下でハウジングのプリント回路基板に取り付けられている。 このようなDIP部材は、約10×6mmのサイズで、各側の４つの端子の間の距離が約2.5mmであるような標準部品である。 ステータとロータとを相互に独立して取り付けるのでは、
ロータの磁石とステータの磁界感知素子との間の距離が相当なものとなってしまい、これは、信頼性があり且つ精密な動作をさせるには不利である。 その上、それは、
磁界感知素子に充分な磁気応答をさせるために永久磁石のサイズを増大させる必要があり、不利である。 この種のセンサの全体の高さは、前述したような構造のためと、DIP部材に使用される端子接続方法のためとで、大きなものとなってしまう。

前述した型の位置センサは、集積回路を用いて、デジタル出力信号を与えるのに特に適したものである。 このことは、装置の他の回路がこのような信号に全面的にまたは部分的に基づくようなときには、重要である。 しかしながら、このような既知のホール効果位置センサは、
例えば、補聴器に使用する場合のごとく、部品の外形寸法が、直径においても高さにおいても３−4mmの大きさを越えてはならないような小型電子装置としては適していないものであり、このようなサイズで充分に正確な動作位置を有したような位置センサを与えるものではない。 このようなことは、例えば、US−Ａ−4054860、US
−Ａ−4054860、AS−Ａ−4054861、US−Ａ−4199741、U
S−Ａ−4459578およびDE−Ａ−3908892に開示されたようなその他の既知の形態のホール効果位置センサまたは回転スイッチにも言えることである。

補聴器等の小型電子装置のための電子パルス発生器は、本出願人のデンマーク出願第1838/90および52/91号明細書に開示されている。 これらの出願明細書による発明は、この種のパルス発生器を簡単化し、同時に信頼性のある電気機械的構造とする方向での開発に係るものであるが、これらの発明の係るものは、厳密にいえば、構造的な観点からは、比較的に複雑であり、補聴器に使用するときには故障を生ずる危険があり、且つ製造コストも掛かるものである。

したがって、本発明の目的は、前述したような従来の位置センサまたは電気機械的パルス発生器の問題点を解消しうるような、特に補聴器に使用する小型電子位置センサを提供することである。

この目的は、請求の範囲第１項の前段部分の記載にて限定されたような型であって、同項の特徴部分の記載によって限定されたような特徴を有する小型電子位置センサによって達成される。

本発明による小型電子位置センサのその他の効果のある特徴は、請求の範囲第２項から第10項に限定されている。

本発明による小型電子位置センサは、２、３の機械的部品だけからなる非常にコンパクトな構造であり、動作の正確さが著しく高いという点で、特に顕著なものである。 これらの点は、すべて、前述したような従来の位置センサよりもほぼ一桁も大きさを小さくするという程に、外形寸法を非常に小さく保つことにより、得られている。

この位置センサは、完全なデジタル制御、すなわち、
コンピュータ回路に基づく電子制御を有するような補聴器等の構成部品として組み込まれる。 このような型の補聴器は、一般的に補聴器の将来に向かっての開発目標とされるものになるものと予想される。 このような使用に対するこのような部品の備えるべき特性のうちの一つは、その動作モードに加えて、従来の音量制御およびスイッチに比べて非常に改善された信頼性を有するということである。

したがって、この部品は、磁石および磁界中に配置される集積回路（IC）のみを含む簡単な磁気システムとして構成されている。 この磁気システムは、種々な形で設計されうる。 したがって、磁石は、集積回路に対して平行にも、またはある角度をなすようにして配置されうる。 集積回路は、低い電圧および高い電圧にそれぞれ対応する０および１に相当する２進値を単一の電気接続を介して伝送する直列データラインを備える。 補聴器へコンピュータを組み込むことにより、そのコンピュータに、直列データラインを介して簡単な入力信号に基づいて比較的に複雑な動作を実施させることができる。 この位置センサは、ステータに対するロータの位置に相当するコード（数）の形の信号を与え、そのとき、コンピュータは、その信号を、音量制御、プログラムの切り換え、トーン制御、モードシフト等の補聴器の所望の調整のための信号へと変換する。

棒状またはディスク型の永久磁石を組み込んだロータは、ステータに関して360度に渡って手動にて自由に回転しうる。 したがって、ステータにおける集積回路の諸回路に対して磁石が影響して、その集積回路が、ロータの瞬時位置を決定することができる。 必要ならば、ステータには、ロータの回転に対する機械的止めが設けられる。 ロータおよびステータは、成形プラスチック材料にて都合良く形成されうる。 この部品では、内蔵集積回路は、通常、1V以上の供給電圧を有し且つ5Vまでの許容範囲を有し2000Hzより低いリップル周波数である±0.3Vのリップルを有したエネルギ供給を必要とする能動素子として動作する。 したがって、この部品には、この目的のために、通常、ステータに埋設された３つの端子が設けられており、すなわち、この部品から補聴器のコンピュータへデータを伝送するライン、および正および負電池電圧が設けられている。 この信号の伝送は、また、電力供給ラインの電流変調または電圧変調としても行われうる。 この場合には、この部品は、２つの接続線のみで動作するようにされうる。

小型電子装置における供給電圧を調整することがしばしば必要となる。 しかしながら、電池電圧の制御は、しばしば、部分的にのみ、集積回路に組み込まれうる。 このためには、集積回路には、それ自身の端子を有した外部キャパシタが付加される。 したがって、この部品は、
もう一つ別の端子を有することになり、すなわち、通常、この集積回路に導電的に接続される端子は、全部で４つとなる。

集積回路に端子を取り付けた後に、この集積回路は、
ステータ内に埋設される。

また、集積回路は、２つ以上のドレインを有する磁界効果型トランジスタ（MAGFET）からなる多数の磁界感知素子を備える。 それらドレインは、個々のMAGFETにおける電流を分割するためのものである。 このような分割により、ロータの永久磁石を用いて磁界がそれら素子に対して直角に形成されるときに、それら素子の端子間に差動電流を測定することが可能となる。 差動電流の測定は、ホール素子における電圧を測定するのに比較してその部品のノイズレベルを改善する上で効果的であり、同様に、例えば、３つのドレインを使用すると、感度を改善することができる。

集積回路によるステータの位置に対するロータ位置の決定は、デジタル的にもアナログ的に行われうる。

デジタル的な手法においては、集積回路における磁界感知素子またはセンサは、円形状に配列され、その配列する数は、必要とされる角度解像度によって決定される。 このような配列の場合には、個々のセンサからの信号は、多数の比較器を用いて比較され、一連のデジタル信号が発生され、これらデジタル信号は、デジタルデコーディング回路を使用して、デジタルコードへ変換される。 このようなデジタル的な手法に伴う不便さは、所望の角度解像度を得るために例えば、64もの多数のセンサを集積回路に円形状に位置決めする必要があり、それに対応する多くの接続線が必要とされることである。 一方、このようなデジタル的な手法の利点は、比較器を専用的に使用するので、測定が簡単となり、測定速度も速くなることである。

アナログ的な手法では、磁界の大きさが、１つ以上のセンサによって測定され、それらセンサは、永久磁石の位置にしたがったアナログ信号を与え、従って、位置決定のために使用されうる。

１つのセンサは、適切な印加磁界にほぼ直線的に依存した信号を与える。 その磁界は、ロータの位置につれて変化し、その信号と回転角度との間の関係を比例関係とすべき場合には、磁界は、角度につれて直線的に変化するものでなければならない。

センサを１つのみ設けるのでは、信号と角度との間に一義的な関係を得ることは不可能である。 ロータ、したがって、磁石が360度回転するとき、磁界は、最小値から最大値へと変化し、さらに、その逆に最大値から最小値へと変化する。 したがって、ロータの２つの位置において同じ磁界強度が発生する。 位置に関する不足情報は、第１のセンサから特定の距離での磁界を感知する付加的なセンサを用いることによって得られる。

もし、磁界が正弦的に変化するならば、互いに90度ずれた位置に２つのセンサを用いると効果的であり、その場合には、所定の位置に対して最も都合の良い信号を与えるセンサを使用する。 このような構成においては、最も強力な信号を与え、したがって、ノイズの問題を減少させるセンサが使用されるか、また、最も小さな信号を与え、したがって、小さな位置変化に対して信号の最も大きな変化、すなわち、最も高い感度を有するセンサが使用される（磁界は最大のところでは平坦となっているので、最も大きな信号を有するセンサは、より低い感度を与える）。

センサからの信号は、A/D変換器によって、デジタルコードに変換される。 このデジタルコードは、そのコードにおける所定のビット数に対応して可能な数の値をとりうる。 これは、センサからの最大信号がどのくらい大きいのか分からないので、問題である。 磁気回路の変動が生じ、これにより、最大磁界強度が変動することがあり、また、電子回路の諸パラメータの差が生ずることがある。

このことは、最も大きな信号に対応するコードが落ちてしまい、その部品での最大（または最小）がセットされないような危険があることを意味している。

しかしながら、常に、適当な巾の安全範囲が使用されるので、信号は、コードの落ちがないようにするに充分に大きい。 しかしながら、もし、変動が幅広い場合には、この範囲は、信号が最も大きいときに、A/D変換器が一定の最大または最小値を与える大きな角度範囲を形成するに充分に巾広くすべきである。

センサによって与えられる最大値および最小値が分からないという問題は、互いに90度ずらして配置された２
つのセンサを使用し、且つ信号が０に達しうることが保証されている事実を利用することにより、解決されうる。

最も小さな信号を与えるセンサが、測定信号を与えるために使用される。 他方のセンサは、基準として使用され、位置決定のためには、その測定信号をその基準信号にて除すことによって得られる値が使用される。 もし、
その測定信号が０であるならば、その基準値は、最大であろう。 もし、角度がゆっくりと変化するならば、測定信号は増大し、基準値は減少する。 全体として、測定信号および基準信号が同じレベルに達したとき、１である増大する値が得られる。 これは、０レベルに対する45度の角度に対応する。

基準信号は、比較器によって測定信号と比較され、測定信号が最も大きいときに、それら２つの信号は、それらの役割を変える。 ０レベルから90度の角度にわたる回転により、０度での０から45度での１まで変化し、また、90度で０に戻るような信号が発生される。 したがって、この信号は直接には使用され得ない。 90度の角度範囲内にてすべてのコードが２度現れる。 最も大きな信号を与え基準として使用されるセンサに対応するコードにもう１つのビットを与える比較器から不足情報が得られる。

このようにして、90度の範囲の後半部により、45度で生ずる最大コードから減少する値が生ぜしめられる。 この問題は、信号が減少するコードを与える範囲内において発していることを比較器が示すときに、信号コードをデジタル的に補足することにより解決される。 これは、
コードが比較器からの特別ビットにて増大される前に行われる。

２つのセンサのこのような組合せにより、最大問題に対する解決原理が与えられる。 これは、90度内においてのみ働くので、実際には適用できない。 しかしながら、
この原理は、360度全体にわたる場合に適用しうるように拡張することができる。 そのためには、４つのセンサ、３つの付加的な比較器およびより少し総合的なデジタル制御を必要とする。 それらの比較器は、４つのセンサからの信号を比較し、測定のために正の信号を与える２つの信号を選択する。 これら２つのセンサを用いての測定は、全部で２つのみのセンサを用いた測定と同じようにして行われる。 しかしながら、コードは、１つの比較器からの１ビットで増大されず、その代わりに、測定のために選択されたセンサにしたがって３つのビットで増大される。

６つのビットに対応する64の値を有するコードは、それらビットの半分が比較器から来るものであることを意味しており、したがって、１つの３ビットA/D変換器だけでよい。

それらセンサからの信号の処理には、２つのアナログ信号を互いに除算することが含まれるので、除算の問題と変換の問題との両者を解決するために二重スロープA/
D変換器が使用されるとよい。

測定センサからの信号（差動電流）は、所定の時間期間の間その変換器のキャパシタを充電するのに使用される。 それから、そのキャパシタは、基準信号によって放電させられ、その放電期間が、位置の尺度として使用される。

A/D変換器を使用したアナログ的な手法によれば、コードの数を２倍とすることが非常に簡単であるという効果が得られる。 これは、A/D変換が１つの付加的なビットで行われるようにすることによってなされる。 もし、
位置のために例えば、７ビットコードを持ちたい場合には、その付加的なビットは、単に、４ビットA/D変換器を使用することによって導入されうる。 コードの数をこのように２倍とすると、デジタル的な手法においては、
例えば、寸法の許容範囲に関するような特定の問題が生ずる。

コードの数を増大することにより、角度の解像度を増大させることができるが、付加的なビットに伴う付加的な効果として、それを、ノイズ抑制のために使用できるということもある。 例えば、その回路は、前のものより高い特定の値であるもの、または、２つの最近に記録された位置とは異なるものが検出されるまでは、新しい位置コードを伝送しないように設計されうる。

特定の実施態様によれば、集積回路は、磁界感知素子及び別の位置決定回路に加えて１つのポテンショメータまたは可変抵抗器を含み、その部品が、通常の回転ポテンショメータとして作用するようにして、完全なデジタル制御のない通常の小型電子装置においてその部品を使用できるようにしている。

もう一つ別の特定の実施態様によれば、集積回路は、
磁気感知素子および他の位置決定回路に加えて、電子信号を増幅するための可変増幅度を有する増幅器を含む。
その増幅度は、ステータに対するロータの位置によって決定される。

最後に、集積回路は、外部制御が不要であるように供給電圧のための制御回路を備えてもよい。

次に、本発明の一実施例を、これに発明を限定する意味ではなく例示している添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

第１図は、位置センサの縦断面図である。

第２図は、その位置センサの分解部品配列図である。

参照番号１は、下方に向いた中空スペース８を有する円形回転ノブまたはロータを示している。 この中空スペース８内には、図においては棒磁石である永久磁石２が配列されている。 その取り付け位置においては、ロータ１は、既知の方法で内側に向いたフランジ９によって、
ベース部分またはステータ３の対応する外側に向いたフランジ10と係合している。 ステータ３の上方に向いた内部中空スペース11には、軟鉄ディスク５が取り付けられており、この軟鉄ディスク５のすぐ上には、磁界感知素子を有する集積回路４が取り付けらている。 集積回路の周辺領域には、全部で４つの端子６が、そこに導電接続するようにして、テープ自動ボンディング（TAB）によって取り付けられている。 これら端子６は、集積回路４
および軟鉄ディスクと共に、ステータ３の中空スペース
11に埋設されている。 これら端子６は、ステータに埋設されるか、または、ダクトまたはノッチ７を通してステータの壁部を通して延びている。

磁石２を有したロータ１が、集積回路４を有したステータ３に対して、時計方向および反時計方向の両方向において360度にわたって自由に回転させられるとき、それによって行われる磁石の位置の変化は、集積回路の磁界感知素子によって感知され、前述したようにデジタルコードへ変換され、そのデジタルコードは、位置センサがその一部となっている図示していない補聴器のコンピュータへと伝送される。 そのコンピュータは、受信したコード信号を、装置の所望の機能、例えば、音量を増大したり減少させたりする機能へと変換する。