CN107643042A - 位移检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供位移检测装置，该移检测装置能够根据检测中的输出值唯一地确定检测对象的位移，并且能够使检测对象的位移范围比传感器能够检测的位移范围宽。位移检测装置(3)具有：磁铁(2)，其在位移方向(Ds)进行位移且为棒状，并具有长度方向与位移方向(Ds)成预定角度(θ)的形状；以及传感器(IC1)，其在与位移方向(Ds)正交的x方向及z方向对磁铁(2)形成的磁场的磁通密度进行检测，输出与检测出的磁场成比例的信号。

Description

位移检测装置
技术领域
本发明涉及位移检测装置。
背景技术
作为以往技术，提出了以非接触方式检测旋转体的旋转角度的位移检测装置(例如，参照专利文献1)。
专利文献1中公开的位移检测装置具有：作为被检测体的磁性体，其设置在圆筒形状的旋转体的外周面，并以相对于旋转体的旋转方向大致直线地倾斜的同时绕旋转体的外周面一周的方式而配置；两个磁阻元件，其与磁性体相对置地配置且在旋转体的轴向设置间隔地被配置；和磁铁，其对磁阻元件施加偏置磁场。该位移检测装置将两个磁阻元件串联连接并向两端施加恒定电压，测量两个磁阻元件间的电阻值，但是，伴随旋转体的旋转被磁性体诱导的偏置磁场发生变化，从而两个磁阻元件的磁阻的平衡发生变化，从磁阻元件间输出与旋转体的旋转角相伴随的电压，因此，根据该电压能够检测旋转体的旋转。另外，通过将该位移检测装置设置在多个轴，从而能够根据各位移检测装置的输出信号之差，检测出多个轴之间的相对角度差，并计算出转矩量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-257432号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，专利文献1所示的位移检测装置存在以下问题：伴随旋转体的旋转输出的电压周期性地变化，周期性变化是线性地增加和减少，因此，即使旋转角的变化微小，也能够高精度地检测出，然而，由于产生增加和减少，无法根据输出值唯一地确定旋转角度，若不知道输出值的变化(增加或减少的任意一者)，则不能确定旋转角度。
因此，本发明的目的在于，提供能够根据检测中的输出值唯一地确定检测对象的位移，并且能够使检测对象的位移范围比传感器能够检测的位移范围宽的位移检测装置。
解决问题的方案
对于本发明的一形态，为了实现上述目的，提供以下的位移检测装置。
技术方案1的位移检测装置具有：
磁铁，其在一个方向进行位移且为棒状，并具有长度方向与所述一个方向成预定角度的形状；以及
传感器，其至少在与所述一个方向和所述磁铁的磁化方向正交的方向对所述磁铁形成的磁场的磁通密度进行检测，输出与检测出的磁场成比例的信号。
技术方案2是如技术方案1所述的位移检测装置，其中，所述传感器具有以与所述一个方向正交的第1方向为敏感方向的多个磁检测元件，所述传感器具有磁集中器，该磁集中器将与所述一个方向及所述第一方向正交的第二方向的磁通变换成所述第一方向的磁通。
技术方案3是如技术方案2所述的位移检测装置，其中，所述传感器将所述多个磁检测元件的输出相加来输出与所述第1方向的磁通密度成比例的信号，通过取得所述多个磁检测元件的输出之差，从而输出与所述第2方向的磁通密度成比例的信号。
技术方案4是如技术方案1至3中任一项所述的位移检测装置，其中，
所述磁铁的磁化方向为与所述一个方向正交的方向。
发明效果
根据技术方案1的发明，可以根据检测中的输出值唯一地确定检测对象的位移，并且可以使检测对象的位移范围比传感器能够检测的位移范围宽。
根据技术方案2的发明，通过将与一个方向及第1方向正交的第2方向的磁通变换成第1方向的磁通，从而能够利用以与一个方向正交的第1方向为敏感方向的多个磁检测元件，检测第1方向的磁通和第2方向的磁通。
根据技术方案3的发明，可以将多个磁检测元件的输出相加来输出与第1方向的磁通密度成比例的信号，通过取得多个磁检测元件的输出之差，从而输出与第2方向的磁通密度成比例的信号。
根据技术方案4的发明，可以使用磁化方向为与一个方向正交的方向的磁铁。
附图说明
图1是表示第1实施方式的位移检测装置的结构例的立体图。
图2中(a)及(b)是表示位移检测装置的结构的俯视图及侧视图。
图3中(a)及(b)是表示传感器IC的结构的一例的俯视图及侧视图。
图4是用于说明位移检测装置的传感器IC的动作的概略图。
图5是表示传感器IC得到与磁场的x分量成比例的输出的情况下的电路的概略图。
图6是表示传感器IC得到与磁场的z分量成比例的输出的情况下的电路的概略图。
图7中(a)-(c)分别是表示磁铁的位移的概略俯视图、表示由磁铁形成的磁场的状况的概略主视图及表示从差动电路和加法电路输出的输出值的曲线图。
图8中(a)-(c)分别是表示磁铁的位移的概略俯视图、表示由磁铁形成的磁场的状况的概略主视图及表示从差动电路和加法电路输出的输出值的曲线图。
图9中(a)-(c)分别是表示磁铁的位移的概略俯视图、表示由磁铁形成的磁场的状况的概略主视图及表示从差动电路和加法电路输出的输出值的曲线图。
图10是表示第2实施方式的位移检测装置的结构例的立体图。
图11中(a)及(b)分别是表示由磁铁形成的磁场的状况的概略主视图及表示从差动电路和加法电路输出的输出值的曲线图。
符号说明
1 传感器IC
2 磁铁
2A 磁铁
3 位移检测装置
3A 位移检测装置
10 基板
11l、11r 霍尔元件
13 差动电路
14 加法电路
具体实施方式
[第1实施方式]
(位移检测装置的结构)
图1是表示第1实施方式的位移检测装置的结构例的立体图。图2中(a)及(b)是表示位移检测装置的结构的俯视图及侧视图。
位移检测装置3具有传感器IC1、和与传感器IC1的磁检测面相对置地配置的作为检测对象的磁铁2。
传感器IC1如后述那样是利用多个霍尔元件检测磁通密度，输出分别与x方向及z方向的磁通密度成比例的电压的磁传感器IC。
磁铁2是使用铁氧体、钐钴、钕等材料形成的永磁铁，其磁化方向Dm为与z轴平行的方向，并且其位移方向Ds为与y轴平行的方向。另外，磁铁2具有相对于位移方向Ds以预定角度θ倾斜的形状。作为一例，将x方向的宽度设为3mm，将y方向的长度设为20mm，将z方向的厚度设为5mm。
此外，磁铁2相对于传感器IC1相对地进行位移即可，既可以将磁铁2固定而使传感器IC1进行位移，也可以是两者都进行位移。另外，磁铁2也可以与其它检测对象连接进行位移。
将传感器IC1和磁铁2配置为，在z方向上以预定间隔例如3mm间隔开。
图3中(a)及(b)是表示传感器IC1的结构的一例的俯视图及A-A剖面图。
传感器IC1如图3中(a)及(b)所示，作为一例具有：在z方向上具有厚度的平板状的基板10；设置于基板10上并具有与xy面平行的检测面，将检测方向设为z方向的作为磁检测元件的霍尔元件11l、11r；被设置为一部分重叠在霍尔元件11l、11r上、将x方向的磁通变换为z方向来使霍尔元件11l、11r检测出的磁集中器(IMC)12；和对霍尔元件11l、11r输出的信号进行处理的信号处理电路(图5、图6)，该传感器IC1是检测x、z方向的磁通密度的霍尔IC。此外，也可以构成为，进一步在y方向配置霍尔元件，来对y方向的磁通密度进行检测。
对于传感器IC1，例如使用迈利芯(Melexis)制MLX90365传感器等，其通过运算霍尔元件11l、11r的输出，从而能够使敏感方向Dd为x方向及z方向，得到与各敏感方向的磁通密度成比例的输出。对于磁通密度和输出之间的关系，将后述。另外，霍尔元件11l、11r之间的间隔dr与IMC12的直径大致相同，是dr＝0.2mm。另外，传感器IC1的z方向的厚度为40μm、x方向的宽度为2500μm、y方向的宽度为2000μm。此外，作为传感器IC1的IMC12，可以使用坡莫合金(Permalloy)。
此外，对于传感器IC1，如果检测方向为x方向及z方向，且得到与磁通密度成比例的输出，则也可以使用MR元件等其它种类的元件，如果检测方向包括x方向及z方向，则也可以使用在多个轴向分别配置有磁检测元件的多轴磁检测IC。
(位移检测装置的动作)
接着，使用图1-图9对第1实施方式的作用进行说明。
(传感器IC的动作)
图4是用于说明位移检测装置3的传感器IC1的动作的概略图。
透过传感器IC1的磁通由霍尔元件11l、11r感测，输出与磁通密度成比例的电压信号。
磁通f中的平行分量B//由IMC12感应到，从而变换成磁通密度的大小与平行分量B//成比例的垂直分量B⊥，并由霍尔元件11l及11r感测出。作为垂直分量的BZ也由霍尔元件11l及11r感测出。
总之，图面左侧的霍尔元件11l感测“B⊥-BZ”，而图面右侧的霍尔元件11r感测“-B⊥-BZ”。
从而，如果取得霍尔元件11l的输出与霍尔元件11r的输出之差，则得到与2B⊥成比例的电压信号，如果取和，则得到与-2Bz成比例的电压信号。
图5是表示传感器IC1得到与磁场的x分量成比例的输出的情况下的电路的概略图。另外，图6是表示传感器IC1得到与磁场的z分量成比例的输出的情况下的电路的概略图。
如图5所示，差动电路13输出霍尔元件11l、11r的输出差，如上所述，输出与磁通密度的x分量即2B⊥成比例的电压Vx。
另外，如图6所示，加法电路14输出霍尔元件11l、11r的输出之和，如上所述，输出与磁通密度的z分量即-2Bz成比例的电压Vz。
此外，上述的图5及图6是用于说明传感器IC1的电路结构的图，可以利用模拟电路对霍尔元件11l、11r的输出进行处理，也可以利用DEMUX依次获得输出，并利用数字电路进行处理。
(磁铁的位移与输出值之间的关系)
图7中(a)-(c)分别是表示磁铁2的位移的概略俯视图、表示由磁铁2形成的磁场的状况的概略主视图及表示从差动电路13和加法电路14输出的输出值的曲线图。
如图7中(a)所示，是传感器IC1和磁铁2未相对地进行位移的情况，如图7中(b)所示，是磁铁2位于传感器IC1正上方的位置的状态。此外，图7中(b)是与zx平面平行的面且是通过传感器IC1的y方向中心的面的剖面图。
在这种情况下，传感器IC1检测出x方向为0、z方向为最大的磁通密度。因此，如图7中(c)所示，从差动电路13输出的与磁场的x分量成比例的输出值即电压Vx为0，从加法电路14输出的与磁场的z分量成比例的输出值为Vz0。
图8中(a)-(c)分别是表示磁铁2的位移的概略俯视图、表示由磁铁2形成的磁场的状况的概略主视图及表示从差动电路13和加法电路14输出的输出值的曲线图。此外，图8中(b)是与zx平面平行的面且是通过传感器IC1的y方向中心的面的剖面图。
如图8中(a)所示，是传感器IC1和磁铁2相对地位移了Ds1的情况，如图8中(b)所示，是磁铁2位于比传感器IC1的正上方靠图面左侧的位置的状态。
在这种情况下，传感器IC1检测出在x方向具有负值、且在z方向具有正值的磁通密度。因此，如图8中(c)所示，从差动电路13输出的与磁场的x分量成比例的输出值即电压Vx为-Vx1，从加法电路14输出的与磁场的z分量成比例的输出值即电压Vz为Vz1。
图9中(a)-(c)分别是表示磁铁2的位移的概略俯视图、表示由磁铁2形成的磁场的状况的概略主视图及表示从差动电路13和加法电路14输出的输出值的曲线图。此外，图9中(b)是与zx平面平行的面且是通过传感器IC1的y方向中心的面的剖面图。
如图9中(a)所示，是传感器IC1和磁铁2相对地位移了Ds1的情况，如图9中(b)所示，是磁铁2位于比传感器IC1的正上方靠图面右侧的位置的状态。
在这种情况下，传感器IC1检测出在x方向具有正值、且在z方向具有正值的磁通密度。因此，如图9中(c)所示，从差动电路13输出的与磁场的x分量成比例的输出值即电压Vx为Vx1，从加法电路14输出的与磁场的z分量成比例的输出值即电压Vz为Vz1。
(第1实施方式的效果)
根据上述的第1实施方式，因为构成为，将磁铁2设为相对于位移方向Ds以预定角度θ倾斜的形状配置在传感器IC1上，检测出与位移方向Ds正交的x方向及z方向的磁通(因为至少x方向上的磁通单调减少)，所以，能够根据传感器IC1的输出值唯一地确定作为检测对象的磁铁2的位移，并且能够使检测对象的位移范围比传感器IC1能够检测的位移范围宽。
总之，若假如将磁铁的位移方向设为x方向，则传感器IC1能够检测的磁铁的位移范围为dr的数倍左右，但是，通过使用磁铁2，对位移方向Ds的位移乘以tanθ的值是x方向上的位移，因此，传感器IC1能够检测的磁铁2的位移范围在y方向上为1/tanθ倍，使θ的值越小则能够检测出越大的位移。
[第2实施方式]
第2实施方式在使第1实施方式的磁铁的磁化方向Dm为与x轴平行的朝向这点与第1实施方式不同。此外，在下面，对于与第1实施方式共同的结构，使用相同的符号。
图10是表示第2实施方式的位移检测装置的结构例的立体图。
位移检测装置3A具有传感器IC1、和配置在传感器IC1上方的磁铁2A。
磁铁2A是与磁铁2同样地使用铁氧体、钐钴、钕等材料形成的永磁铁，其磁化方向Dm为与x轴平行的方向，并且其位移方向Ds为与y轴平行的方向。另外，磁铁2A具有相对于位移方向Ds以预定角度θ倾斜的形状。作为一例，将x方向的宽度设为3mm，将y方向的长度设为20mm，将z方向的厚度设为5mm。
此外，磁铁2A相对于传感器IC1相对地进行位移即可，既可以是传感器IC1进行位移，也可以是两者都进行位移。
将传感器IC1和磁铁2A配置为，在z方向上以预定间隔例如5mm间隔开。
(位移检测装置的动作)
接着，使用图10及图11对第2实施方式的作用进行说明。
图11中(a)及(b)分别是表示由磁铁2A形成的磁场的状况的概略主视图及表示从差动电路13和加法电路14输出的输出值的曲线图。
如图10所示，是传感器IC1和磁铁2A未相对地进行位移的情况，如图11中(a)所示，是磁铁2A位于传感器IC1正上方的位置的状态。
在这种情况下，传感器IC1检测出在x方向具有正值、且在z方向具有0值的磁通密度。各个霍尔元件组检测出的x方向的磁通密度的绝对值及z方向的磁通密度的绝对值是相同的。因此，如图11中(b)所示，从差动电路13输出的与磁场的x分量成比例的输出值即电压Vx为Vx0，从加法电路14输出的与磁场的z分量成比例的输出值即电压Vz为0。
另外，与磁铁2A的位移相应，从差动电路13输出的与磁场的x分量成比例的输出值即电压Vx、和从加法电路14输出的与磁场的z分量成比例的输出值即电压Vz如图11中(b)所示。
(第2实施方式的效果)
根据上述的第2实施方式，即使在将磁化方向Dm设为x方向的情况下，也与第1实施方式同样地，能够根据传感器IC1的输出值唯一地确定作为检测对象的磁铁2的位移，并且能够使检测对象的位移范围比传感器IC1能够检测的位移范围宽。
[其它实施方式]
此外，本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变形。
另外，上述的第1～第2实施方式的传感器、磁铁为示例，在不损害位置检测的功能且不改变本发明的主旨的范围内，也可以分别适当地选择它们而变更为新的组合来进行使用。

Claims (4)

1.一种位移检测装置，具有：
磁铁，其在一个方向进行位移且为棒状，并具有长度方向与所述一个方向成预定角度的形状；以及
传感器，其至少在与所述一个方向和所述磁铁的磁化方向正交的方向对所述磁铁形成的磁场的磁通密度进行检测，输出与检测出的磁场成比例的信号。
2.如权利要求1所述的位移检测装置，其中，
所述传感器具有以与所述一个方向正交的第1方向为敏感方向的多个磁检测元件，所述传感器具有磁集中器，该磁集中器将与所述一个方向及所述第一方向正交的第二方向的磁通变换成所述第一方向的磁通。
3.如权利要求2所述的位移检测装置，其中，
所述传感器将所述多个磁检测元件的输出相加来输出与所述第1方向的磁通密度成比例的信号，通过取得所述多个磁检测元件的输出之差，从而输出与所述第2方向的磁通密度成比例的信号。
4.如权利要求1至3中任一项所述的位移检测装置，其中，
所述磁铁的磁化方向为与所述一个方向正交的方向。
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