JP2018013390A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出する磁界に対して外乱ノイズが及ぼす影響を低減するとともに、単磁極の磁石で検出可能な範囲を磁気検出素子のピッチより広げた変位検出装置を提供する。【解決手段】変位検出装置３は、変位方向Ｄｓに変位するものであって、棒状であり長手方向が変位方向Ｄｓと予め定めた角度θをなす形状を有する磁石２と、変位方向Ｄｓに直行するｘ方向及びｚ方向において磁石２の形成する磁界の磁束密度を検出する磁気検出素子群を予め定めた間隔ｄｐで、対で配置し、当該磁気検出素子群の出力の差分を出力するセンサＩＣ１とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、変位検出装置に関する。

従来の技術として、外乱ノイズが及ぼす影響を低減するために差動式の磁気検出素子を用いて検出対象の変位に応じた磁界の変化を検出し、検出対象の変位を検出する変位検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された変位検出装置は、多磁極列を有する磁石と、当該磁石の多磁極列面に対して平行移動する第１及び第２のセンサデバイスとを有し、第１及び第２のセンサデバイスはブリッジ回路を構成し、変位に応じて回路から出力される信号に基づいて位置を検出する。この変位検出装置は、検出対象として多磁極列を有する磁石を用いて、検出対象が形成する磁界の範囲を拡げているため、磁気検出素子が検出可能な変位の範囲を磁気検出素子のピッチより広げることができる。

特開２０１１‐２５７４３２号公報

しかし、特許文献１に示す変位検出装置は、単磁極の磁石に比べて高価な多磁極列を有する磁石を用いる必要があるため、コストが増加するという問題があった。

従って、本発明の目的は、検出する磁界に対して外乱ノイズが及ぼす影響を低減するとともに、単磁極の磁石で検出可能な範囲を磁気検出素子のピッチより広げた変位検出装置を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の変位検出装置を提供する。

［１］一の方向に変位するものであって、棒状であり長手方向が前記一の方向と予め定めた角度をなす形状を有する磁石と、
前記一の方向に直行する方向において前記磁石の形成する磁界の磁束密度を検出する磁気検出素子群を予め定めた間隔で、対で配置し、当該磁気検出素子群の出力の差分を出力するセンサとを有する変位検出装置。
［２］前記センサは、前記磁気検出素子群に含まれる磁気検出素子が前記一の方向に直行する第一の方向に感度方向を有し、前記一の方向及び前記第一の方向に直行する第二の方向の磁束を前記第一の方向の磁束に変換する磁気コンセントレータを有する前記［１］に記載の変位検出装置。
［３］前記センサは、前記磁気検出素子群に含まれる磁気検出素子の出力を加算して前記第一の方向の磁束密度を検出し、前記磁気検出素子群に含まれる磁気検出素子の出力の差分をとることで前記第二の方向の磁束密度を検出する前記［２］に記載の変位検出装置。
［４］前記磁石は、前記一の方向に直行する方向に磁化方向を有する前記［１］‐［３］のいずれかに記載の変位検出装置。

請求項１に係る発明によれば、検出する磁界に対して外乱ノイズが及ぼす影響を低減するとともに、単磁極の磁石で検出可能な範囲を磁気検出素子のピッチより広げることができる。
請求項２に係る発明によれば、磁気検出素子群に含まれる磁気検出素子が一の方向に直行する第一の方向に感度方向を有し、一の方向及び第一の方向に直行する第二の方向の磁束を第一の方向の磁束に変換する磁気コンセントレータを有するセンサを用いることができる。
請求項３に係る発明によれば、磁気検出素子群に含まれる磁気検出素子の出力を加算して第一の方向の磁束密度を検出し、磁気検出素子群に含まれる磁気検出素子の出力の差分をとることで第二の方向の磁束密度を検出することができる。
請求項４に係る発明によれば、一の方向に直行する方向に磁化方向を有する磁石を用いることができる。

図１は、第１の実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図である。 図２（ａ）及び（ｂ）は、変位検出装置の構成を示す平面図及び側面図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は、センサＩＣの構成の一例を示す平面図及び側面図である。 図４は、変位検出装置のセンサＩＣの動作を説明するための概略図である。 図５は、センサＩＣが出力ΔＢ_ｘを得る場合の回路を示す概略図である。 図６は、センサＩＣが出力ΔＢ_zを得る場合の回路を示す概略図である。 図７（ａ）‐（ｃ）は、それぞれ磁石の変位を示す概略平面図、磁石によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路から出力される出力値を示すグラフ図である。 図８（ａ）‐（ｃ）は、それぞれ磁石の変位を示す概略平面図、磁石によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路から出力される出力値を示すグラフ図である。 図９（ａ）‐（ｃ）は、それぞれ磁石の変位を示す概略平面図、磁石によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路から出力される出力値を示すグラフ図である。 図１０は、第２の実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図である。 図１１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ磁石によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路から出力される出力値を示すグラフ図である。

［第１の実施の形態］
（変位検出装置の構成）
図１は、第１の実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、変位検出装置の構成を示す平面図及び側面図である。

変位検出装置３は、センサＩＣ１と、センサＩＣ１の磁気検出面に対向して配置される磁石２とを有する。

センサＩＣ１は、後述するように、複数のホール素子により磁束密度を検出し、差動方式によりx方向及びz方向の磁束密度にそれぞれ比例した電圧を出力する磁気センサＩＣである。

磁石２は、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジウム等の材料を用いて形成された永久磁石であり、z軸に平行な方向を磁化方向Ｄｍとするとともに、y軸に平行な方向を変位方向Ｄｓとする。また、磁石２は、変位方向Ｄｓに予め定めた角度θで傾斜した形状を有する。一例として、ｘ方向の幅を３ｍｍ、ｙ方向の長さを２０ｍｍ、z方向の厚みを５ｍｍとする。

なお、磁石２は、センサＩＣ１に対して相対的に変位すればよく、磁石２を固定してセンサＩＣ１が変位するものであってもよいし、両者が共に変位するものであってもよい。

センサＩＣ１と磁石２とはz方向に予め定めた間隔だけ、例えば、３ｍｍ離間して配置される。

図３（ａ）及び（ｂ）は、センサＩＣ１の構成の一例を示す平面図及びＡ−Ａ断面図である。

センサＩＣ１は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、一例として、ｚ方向に厚みを有する平板状の基板１０と、基板１０上に設けられてｘｙ面に平行な検出面を有し、検出方向をｚ方向とする磁気検出素子としてのホール素子１１_ｌ１、１１_ｌ２、１１_ｒ１、１１_ｒ２と、ホール素子１１_ｌ１、１１_ｌ２、１１_ｒ１、１１_ｒ２上に一部が重なるように設けられてｘ方向の磁束をｚ方向に変換してホール素子１１_ｌ１、１１_ｌ２、１１_ｒ１、１１_ｒ２に検出させる磁気コンセントレータ（ＩＭＣ）１２_ｌ及び１２_ｒと、ホール素子１１_ｌ１、１１_ｌ２、１１_ｒ１、１１_ｒ２の出力する信号を処理する信号処理回路（図５、図６）を有し、ｘ、ｚ方向の磁束密度を検出するホールＩＣである。なお、y方向にホール素子をさらに配置してy方向の磁束密度を検出するようにしてもよい。

センサＩＣ１は、例えば、メレキシス製ＭＬＸ９０３７１センサ等を用い、ホール素子群であるホール素子１１_ｌ１、１１_ｌ２の出力を演算することで感度方向Ｄ_ｄｌをｘ方向及びｚ方向とし、ホール素子群であるホール素子１１_ｒ１、１１_ｒ２の出力を演算することで感度方向Ｄ_ｄｒを‐ｘ方向、‐z方向の磁束密度に比例した出力を得ることができる。磁束密度と出力との関係は後述する。また、ホール素子１１_ｌ１、１１_ｌ２との間隔、ホール素子１１_ｒ１、１１_ｒ２との間隔ｄ_ｒは、ＩＭＣ１２_ｌ及び１２_ｒの直径と略同一であり、ｄ_ｒ＝０．２ｍｍであり、ＩＭＣ１２_ｌと１２_ｒとの間隔ｄ_ｐは、ｄ_ｐ＝１．８‐１．９ｍｍである。また、センサＩＣ１は、ｚ方向の厚みが４０μm、ｘ方向の幅が2500μm、ｙ方向の幅が2000μmである。なお、センサＩＣ１のＩＭＣ１２として、パーマロイを用いることができる。

なお、センサＩＣ１は、各ホール素子群の検出方向がｘ方向及びz方向であって、各ホール素子群の出力の差動によって出力を得るものであればＭＲ素子等の他の種類の素子を用いてもよいし、検出方向がｘ方向及びz方向を含めば複数の軸方向にそれぞれ磁気検出素子を配置した多軸磁気検出ＩＣを用いてもよい。

（変位検出装置の動作）
次に、第１の実施の形態の作用を、図１−図９を用いて説明する。

（センサＩＣの動作）
図４は、変位検出装置３のセンサＩＣ１の動作を説明するための概略図である。図示するのは左側のホール素子群であるホール素子１１_ｌ１及び１１_ｌ２の検出する磁束であるが、右側のホール素子群であるホール素子１１_ｒ１及び１１_ｒ２の検出する磁束についても同様である。

センサＩＣ１を透過する磁束はホール素子１１_ｌ１、１１_ｌ２によって感知され、磁束密度に比例した電圧の信号を出力する。

磁束ｆのうち、平行成分Ｂ//はＩＭＣ１２に誘導されることで、磁束密度の大きさが平行成分Ｂ//に比例する垂直成分Ｂ⊥に変換され、ホール素子１１_ｌ１及び１１_ｌ２によって感知される。垂直成分であるＢ_Ｚもホール素子１１_ｌ１及び１１_ｌ２によって感知される。

つまり、図面左側のホール素子１１_ｌ１は“Ｂ⊥−Ｂ_Ｚ”を感知する一方、図面右側のホール素子１１_ｌ２は“−Ｂ⊥−Ｂ_Ｚ”を感知する。

従って、ホール素子１１_ｌ１の出力とホール素子１１_ｌ２の出力との差をとれば２Ｂ⊥に比例した電圧の信号が得られ、和をとれば−２Ｂｚに比例した電圧の信号が得られる。

図５は、センサＩＣ１が磁場のｘ成分に比例した出力を得る場合の回路を示す概略図である。また、図６は、センサＩＣ１が磁場のｚ成分に比例した出力を得る場合の回路を示す概略図である。

図５に示すように、差動回路１３_ｌは、左側のホール素子群であるホール素子１１_ｌ１、１１_ｌ２の出力差を出力するものであり、上記したように磁束密度のｘ成分である２Ｂ⊥に比例した電圧を出力する。また、同様に、差動回路１３_ｒは、右側のホール素子群であるホール素子１１_ｒ１、１１_ｒ２の出力差を出力するものであり、上記したように磁束密度のｘ成分である２Ｂ⊥に比例した電圧を出力する。

次に、差動回路１５_ｘは、差動回路１３_ｌと差動回路１３_ｒとの出力差、つまり、左側のホール素子群によって検出された磁束密度のｘ成分と右側のホール素子群によって検出された磁束密度のｘ成分との差であるΔＢ_ｘに比例した電圧ΔＶ_ｘを出力するものである。

また、図６に示すように、加算回路１４_ｌは、左側のホール素子群であるホール素子１１_ｌ１、１１_ｌ２の出力の和を出力するものであり、上記したように磁束密度のz成分である‐２Ｂｚに比例した電圧を出力する。また、同様に、加算回路１４_ｒは、右側のホール素子群であるホール素子１１_ｒ１、１１_ｒ２の出力の和を出力するものであり、上記したように磁束密度のz成分である‐２Ｂｚに比例した電圧を出力する。

次に、差動回路１５_ｚは、加算回路１４_ｌと加算回路１４_ｒとの出力差、つまり、左側のホール素子群によって検出された磁束密度のｚ成分と右側のホール素子群によって検出された磁束密度のｚ成分との出力差であるΔＢ_ｚに比例した電圧ΔＶ_ｘを出力するものである。

なお、上記した図５及び図６は、センサＩＣ１の回路構成を説明するためのものであり、ホール素子１１_ｌ１、１１_ｌ２、１１_ｒ１、１１_ｒ２の出力をアナログ回路で処理をしてもよいし、ＤＥＭＵＸにより順次出力を取得してデジタル回路で処理をしてもよい。

（磁石の変位と出力値との関係）
図７（ａ）‐（ｃ）は、それぞれ磁石２の変位を示す概略平面図、磁石２によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路１５_ｘと１５_ｚとから出力される出力値を示すグラフ図である。

図７（ａ）に示すように、センサＩＣ１と磁石２とが相対的に変位していない場合、図７（ｂ）に示すように、センサＩＣ１の真上に磁石２が位置する状態となる。

この場合、センサＩＣ１の左側のホール素子群はｘ方向に正の値、ｚ方向に正の値を有する磁束密度を検出し、一方、右側のホール素子群はｘ方向に負の値、ｚ方向に正の値を有する磁束密度を検出する。それぞれのホール素子群が検出するx方向の磁束密度の絶対値及びｚ方向の磁束密度の絶対値は同一のものとなる。従って、図７（ｃ）に示すように、差動回路１５_ｘから出力されるΔＢ_ｘに比例した出力値ΔＶ_ｘは最大値であるΔＶ_ｘ０となり、差動回路１５_ｚから出力されるΔＢ_ｚに比例した出力値は０となる。

図８（ａ）‐（ｃ）は、それぞれ磁石２の変位を示す概略平面図、磁石２によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路１５_ｘと１５_ｚとから出力される出力値を示すグラフ図である。

図８（ａ）に示すように、センサＩＣ１と磁石２とが相対的にＤ_ｓ１だけ変位した場合、図８（ｂ）に示すように、センサＩＣ１の真上より図面左側に磁石２が位置する状態となる。

この場合、センサＩＣ１の左側のホール素子群はｘ方向に負の値、ｚ方向に正の値を有する磁束密度を検出し、一方、右側のホール素子群はｘ方向に負の値、ｚ方向に正の値を有する磁束密度を検出する。それぞれのホール素子群が検出するx方向の磁束密度の絶対値は左側のホール素子群より右側のホール素子群が大きくなり、ｚ方向の磁束密度の絶対値は左側のホール素子群より右側のホール素子群が小さくなる。従って、図８（ｃ）に示すように、差動回路１５_ｘから出力されるΔＢ_ｘに比例した出力値ΔＶ_ｘはΔＶ_ｘ１となり、差動回路１５_ｚから出力されるΔＢ_ｚに比例した出力値ΔＶ_ｚはΔＶ_ｚ１となる。

図９（ａ）‐（ｃ）は、それぞれ磁石２の変位を示す概略平面図、磁石２によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路１５_ｘと１５_ｚとから出力される出力値を示すグラフ図である。

図９（ａ）に示すように、センサＩＣ１と磁石２とが相対的にＤ_ｓ１だけ変位した場合、図９（ｂ）に示すように、センサＩＣ１の真上より図面右側に磁石２が位置する状態となる。

この場合、センサＩＣ１の左側のホール素子群はｘ方向に正の値、ｚ方向に正の値を有する磁束密度を検出し、一方、右側のホール素子群はｘ方向に正の値、ｚ方向に正の値を有する磁束密度を検出する。それぞれのホール素子群が検出するx方向の磁束密度の絶対値は左側のホール素子群より右側のホール素子群が小さくなり、ｚ方向の磁束密度の絶対値は左側のホール素子群より右側のホール素子群が大きくなる。従って、図９（ｃ）に示すように、差動回路１５_ｘから出力されるΔＢ_ｘに比例した出力値ΔＶ_ｘはΔＶ_ｘ１となり、差動回路１５_ｚから出力されるΔＢ_ｚに比例した出力値ΔＶ_ｚは‐ΔＶ_ｚ１となる。

（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によれば、差動式で磁束の変化を検出するセンサＩＣ１を用いたことで、検出する磁界に対して外乱ノイズが及ぼす影響を低減するとともに、磁石２を変位方向Ｄｓに対して予め定めた角度θだけ傾いた形状としてセンサＩＣ１上に配置したため、単磁極の磁石を用いたにもかかわらず検出可能な変位の範囲を磁気検出素子のピッチｄ_ｐより広げることができる。

つまり、通常、差動式のセンサＩＣ１を用いた場合は、磁石の変位方向をx方向とすると、センサＩＣ１が検出できる磁石の変位の範囲はｄ_ｐ程度となるが、磁石２を用いることで、変位方向Ｄｓの変位に対してｔａｎθを乗じたものがｘ方向の変位となるため、センサＩＣ１が検出できる磁石２の変位の範囲はｙ方向にｄ_ｐ／ｔａｎθとなり、θの値を小さくすればするほど大きな変位を検出できることとなる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、第１の実施の形態の磁石の磁化方向Ｄｍをｘ軸に平行な向きにした点で第１の実施の形態と異なる。なお、以下において、第１の実施の形態と共通する構成については同様の符号を用いる。

図１０は、第２の実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図である。

変位検出装置３Ａは、センサＩＣ１と、センサＩＣ１の上方に配置される磁石２Ａとを有する。

磁石２Ａは、磁石２と同様に、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジウム等の材料を用いて形成された永久磁石であり、ｘ軸に平行な方向を磁化方向Ｄｍとするとともに、y軸に平行な方向を変位方向Ｄｓとする。また、磁石２は、変位方向Ｄｓに予め定めた角度θで傾斜した形状を有する。一例として、
ｘ方向の幅を３ｍｍ、ｙ方向の長さを２０ｍｍ、z方向の厚みを５ｍｍとする。

なお、磁石２は、センサＩＣ１に対して相対的に変位すればよく、センサＩＣ１が変位するものであってもよいし、両者が変位するものであってもよい。

センサＩＣ１と磁石２とはz方向に予め定めた間隔だけ、例えば、3ｍｍ離間して配置される。

（変位検出装置の動作）
次に、第２の実施の形態の作用を、図１０及び図１１を用いて説明する。

図１１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ磁石２Ａによって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路１５_ｘと１５_ｚとから出力される出力値を示すグラフ図である。

図１０に示すように、センサＩＣ１と磁石２Ａとが相対的に変位していない場合、図１１（ａ）に示すように、センサＩＣ１の真上に磁石２Ａが位置する状態となる。

この場合、センサＩＣ１の左側のホール素子群はｘ方向に正の値、ｚ方向に負の値を有する磁束密度を検出し、一方、右側のホール素子群はｘ方向に正の値、ｚ方向に正の値を有する磁束密度を検出する。それぞれのホール素子群が検出するx方向の磁束密度の絶対値及びｚ方向の磁束密度の絶対値は同一のものとなる。従って、図１１（ｂ）に示すように、差動回路１５_ｘから出力されるΔＢ_ｘに比例した出力値ΔＶ_ｘは０となり、差動回路１５_ｚから出力されるΔＢ_ｚに比例した出力値ΔＶ_ｚは最大値であるΔＶ_ｚ０となる。

また、磁石２Ａの変位に応じて、差動回路１５_ｘから出力されるΔＢ_ｘに比例した出力値ΔＶ_ｘ、及び差動回路１５_ｚから出力されるΔＢ_ｚに比例した出力値ΔＶ_ｚは、図１１（ｂ）に示すようになる。

（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によれば、磁化方向Ｄｍをｘ方向とした場合も、第１の実施の形態と同様に、検出する磁界に対して外乱ノイズが及ぼす影響を低減するとともに、単磁極の磁石を用いたにもかかわらず検出可能な変位の範囲を磁気検出素子のピッチｄ_ｐより広げることができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々な変形が可能である。

また、上記した第１〜第２の実施の形態のセンサ、磁石は例示であって、位置検出の機能が損なわれず、本発明の要旨を変更しない範囲内で、これらをそれぞれ適宜選択して新たな組み合わせに変更して用いてもよい。

１ ：センサＩＣ
２ ：磁石
２Ａ ：磁石
３ ：変位検出装置
３Ａ ：変位検出装置
１０ ：基板
１１_ｌ１、１１_ｌ２ ：ホール素子
１１_ｒ１、１１_ｒ２ ：ホール素子
１３_ｌ、１３_ｒ ：差動回路
１４_ｌ、１４_ｒ ：加算回路
１５_ｘ、１５_ｚ ：差動回路

Claims (4)

1. 一の方向に変位するものであって、棒状であり長手方向が前記一の方向と予め定めた角度をなす形状を有する磁石と、
   前記一の方向に直行する方向において前記磁石の形成する磁界の磁束密度を検出する磁気検出素子群を予め定めた間隔で、対で配置し、当該磁気検出素子群の出力の差分を出力するセンサとを有する変位検出装置。
2. 前記センサは、前記磁気検出素子群に含まれる磁気検出素子が前記一の方向に直行する第一の方向に感度方向を有し、前記一の方向及び前記第一の方向に直行する第二の方向の磁束を前記第一の方向の磁束に変換する磁気コンセントレータを有する請求項１に記載の変位検出装置。
3. 前記センサは、前記磁気検出素子群に含まれる磁気検出素子の出力を加算して前記第一の方向の磁束密度を検出し、前記磁気検出素子群に含まれる磁気検出素子の出力の差分をとることで前記第二の方向の磁束密度を検出する請求項２に記載の変位検出装置。
4. 前記磁石は、前記一の方向に直行する方向に磁化方向を有する請求項１‐３のいずれか１項に記載の変位検出装置。
   
   
   

Images