JP4136308B2 - 磁気変位センサおよび磁束形成磁極片 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位が一定である磁気抵抗を有する磁気変位センサに関する。さらに詳しくは、本発明は、性能を改良するために、改良した磁束形成磁極片を有する磁気変位センサに関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
典型的には、磁気変位センサは、一定の磁束源と磁束を測定するピックアップ機器を備えた磁束生成器を有している。典型的には、磁束生成器は、ある素子に装着され、ピックアップ機器は別の素子に装着され、ピックアップ機器によって検知される磁束密度は、素子間の変位に基づいている。磁気変位センサは、典型的には、線形または回転変位を測定し、素子間の絶対的な線形または回転変位に比例する出力を出す。磁気変位センサは、磁束源として電磁石または永久磁石を利用することができる。ピックアップ機器(磁気抵抗器、磁気ダイオードまたはホール効果センサ)が磁束を横切り、磁石によって生成される磁場の変化を検知する。
【0003】
磁気変位センサは、一般的に界磁機器を備えたリモートコントロールシステム内のマイクロプロセッサーと協同して使用される。例えば、磁気変位センサは、バルブ位置を監視するために使用することができる。従来の磁気変位センサの例は、プリンツ等の米国特許4532810、ウォルフ等の米国特許5497081、リッグス等の米国特許5359288に開示されている。
【0004】
従来の磁気変位センサの有用な範囲は、磁石のフリンジ磁束によって制限される。2個の永久磁石を隣接して配置すると、各磁石の磁気特性と他方の磁石の磁極面に近接していることに起因して、一方の磁極面から他方の磁極面への磁束分布が影響を受ける。磁極において、磁石の間にフリンジ磁束が現れる。フリンジ磁束の変化は非線形である。それゆえ、磁気変位センサによって検知される磁場は、変位とともに非線形に変化する。この非線形動作に起因して、センサの表示は不正確で誤ったものとなり、磁気変位センサの使用範囲と有効性を限定してしまう。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気変位センサの磁極面のための磁束形成磁極片に関する。
【0006】
本発明によれば、変位センサは第一と第二の素子の間の相対的な変位を検知する。変位センサは、第一と第二の素子の一方に装着するためのハウジングを有する磁気アセンブリを備えている。第一と第二の磁石が磁気アセンブリハウジングに装着されており、一方の磁石の北極は他方の磁石の南極と対面し、その逆も実現される。磁気アセンブリハウジングは第一と第二の磁石を支持して、第一と第二の磁石の間に縦方向の空間を形成する。磁束形成磁極片は、第一と第二の磁石の各磁極に備えられている。磁束形成磁極片は、縦方向の空間にフリンジ磁束を描くような形状をしているので、縦方向の空間における磁束密度は、第一の磁石の北極と第二の磁石の南極の間の点と、第一の磁石の南極と第二の磁石の北極の間の点との間にわたって、縦方向の空間内の線に沿って実質的に直線的に変化する。磁場センサアセンブリは、第一と第二の素子の他方に装着するためのハウジングを備えている。磁束センサが、第一と第二の磁石の間の縦方向の空間内の線上のセンサハウジングに装着されている。
【0007】
変位センサの一実施形態として、磁束形成磁極片は、第一と第二の磁石の磁極に付加された金属磁極片である。磁石によって得られる磁力は、磁極片を磁極に接触するように磁極片を保持するために利用される。また、磁極片を接着剤で磁極に固着させることもできる。
【0008】
変位センサの他の実施形態として、磁束形成磁極片を、第一と第二の磁石に一体に組み込まれた構造のものとすることもできる。
【0009】
変位センサのさらに他の実施形態として、第一と第二の磁石は永久磁石とされる。
【0010】
変位センサのさらに他の実施形態として、磁束形成磁極片の各々は、主磁束模様の平面内で五角形をしており、第一と第二の磁石の間の縦方向の空間に対面する狭い表面を形成する。本実施形態において、各磁束形成磁極片の狭い表面は、縦方向の空間内の線の長手方向に沿うよりも、主磁束模様を横切る方向に幅が広い。
【0011】
本発明の別の実施形態によれば、磁束形成磁極片は、第一と第二の素子の間の相対的な変位を検知する磁気変位センサの磁石の磁極として形成される。磁石は別の磁石とともに配置され、一方の磁石の北極は他方の磁石の南極に対面し、あるいはその逆も実現されるように配置されるので、磁石間に縦方向の空間を形成する。磁極片は磁性材料からなり、縦方向の空間にフリンジ磁束を描くので、縦方向の空間における磁束密度は、一方の磁石の北極と他方の磁石の南極の間の点と、一方の磁石の南極と他方の磁石の北極の間の点との間において、縦方向の空間内の線に沿って実質的に直線的に変化する。
【0012】
磁束形成磁極片の一実施形態として、磁束形成磁極片は磁石の磁極に付加された金属磁極片である。磁石の磁力は、磁極片を磁極に接触するように磁極片を保持するために利用される。また、磁極片を磁極に固着させることもできる。
【0013】
磁束形成磁極片の別の実施形態として、磁束形成磁極片を、磁石に一体に組み込まれた構造のものとすることもできる。
【0014】
磁束形成磁極片のさらに別の実施形態として、磁束形成磁極片は主磁束模様の平面内で五角形をしており、磁石の間の縦方向の空間に対面する狭い表面を形成する。本実施形態において、磁束形成磁極片の狭い表面は、縦方向の空間内の線の長手方向に沿うよりも、主磁束模様を横切る方向に幅が広い。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は、磁束形成磁極片を有する磁気変位センサの本発明の好ましい実施形態の斜視図である。磁気変位センサは、移動可能な磁気アセンブリ10(図2〜5に詳細を示す)と磁場センサアセンブリ20を有している。磁場センサアセンブリ20は、装着アーム34によって静止したハウジング30とアクチュエータヨーク32に装着されている。図2に示すように、磁気アセンブリ10は、矢示38方向において、弁棒106の直線的または往復運動が可能なように配置される。コネクタ102によって、アクチュエータ棒104と弁棒106が連結される。アクチュエータ棒104は、圧力応答ダイヤフラム(図示せず)のようなバルブアクチュエータの直線的な動きを弁棒106に伝達し、弁体(図示せず)を公知の方法で作動させ、弁を制御下において、開閉する。
【0016】
特に、図2〜5に示すように、磁気アセンブリ10は、開口部64と66に、それぞれ棒状の永久磁石52と54を保持するハウジング50を有している。図5に示すように、磁石52と54は、一方の磁石52は、その北極56がハウジング50の頂面に向かうように、その南極58がハウジング50の底面に向かうように配置される。他方の磁石54は、その北極62がハウジング50の底面に向かうように、その南極60がハウジング50の頂面に向かうように、磁石52とは、反対方向に配置される。ハウジング50は、磁石52と54の対面する表面57が互いに平行に且つ磁石の間の縦方向の空間の縦方向の線81に対して平行になるように、磁石52と54を位置させる。磁石52と54は、電磁石または永久磁石のいずれでもよいが、永久磁石とするのが好ましい。というのは、容易にセンサの中に組み込むことができ、別の電源を必要としないからである。磁石52と54は、アルニコV磁石が好ましい。磁石52と54は、一定の磁束源となるものである。
【0017】
図5に示すように、磁束形成磁極片70は、磁石52と54の各磁極56、58、60、62に付加される。磁極片70は、G10100冷間圧延鋼板のような適切な磁性材料からなる。磁極片は磁性があるため、磁石52と54の周りに得られる磁力は、磁極片70を磁極に接触するように保持し、エポキシ樹脂や接着剤のような物質は必要ない。しかし、磁極片70を各磁極に取り付けるために接着剤を用いることもできる。
【0018】
本発明の別の実施形態として、磁束形成磁極片70は、磁石52および54と別体のものとするのではなく、磁石に一体に組み込むこともできる。このように、磁石52と54は、磁極片70を磁石の一部として組み込むように、一体的に成形される。その実施形態において、各磁石(磁極片とともに)は、ハウジング50の開口部64と66に配置された単一の部品となる。
【0019】
磁極片70は、磁気変位センサに最適の機能を付与する。典型的には、磁石は磁極にフリンジ磁束を生成し、その結果、非線形の磁束変化になり、磁気変位センサの機能が不正確になったり、誤ったものになる。磁極片70は、磁束密度に線形変化を起こすように磁束を描く(sculpt)。フリンジ磁束を描くことによって、磁極片70は、磁石の長手方向にわたって測定される磁束を線形化する。そこで、磁石と磁気変位センサの有用な範囲を劇的に増加する。
【0020】
図5と図7に示すように、主磁束模様の平面で見ると(図7)、磁極片70は五角形をしており、互いに垂直な2組の平行な表面を有する。五角形の狭い表面71は、磁石52と54の長手方向よりも主磁束模様を横切る方向に(図7の紙面方向で、図5の線83に沿って)広い、狭い表面を形成する。さらに、我々は、磁極片70の五角形状は、磁気変位センサの磁石の全長にわたる直線的機能を最適化することを実験的に確かめた。五角形の磁極片70の大きさは、磁石52と54の間隔、磁石の全長および磁石の横断面積に基づく。このように、磁石の大きさと間隔が異なることによって、五角形の磁極片の大きさも異なるものが必要である。
【0021】
各五角形の磁極片70の表面71は、それぞれ棒磁石52と54の表面57に対して平行であることが本発明で重要である。もし、磁極の表面53が各磁石の表面57に対して垂直でなければ、表面71が磁石の表面57に対して平行になるように、磁石の表面53と各磁極片70の表面55との間に磁性詰め物または他のスペーサ(接着剤でもよい)を挿入することが必要となる。それゆえ、磁極面53が傷つけられたり、損傷したりして、磁石の長手方向に対して垂直でなくなれば、磁石を使用可能なように、介挿物による修復が必要である。
【0022】
図3と図4に示すように、磁場センサアセンブリ20は、ハウジング50内の磁石52と54の間に伸びる非磁性シリンダ82を有している。シリンダ82の材料としては、アルミニウムまたはセラミックを使用できる。シリンダ82は、磁石52と54の間の磁気アセンブリ10に近接するように配置された、ホール効果センサのような磁場センサ80を含んでいる。磁場センサ80は、0.002インチ内の精度でシリンダ82内に正確に配置されるように、アセタールのプラスチックブッシュ85によってシリンダ82内に装着されている。シリンダ84がハウジング30内に差し込まれ(図1と図2)、そこを通って電気の配線が可能になる。本発明の一実施形態として、ハウジング30は、アルミニウムまたはプラスチックのような非磁性材料で形成されるのが好ましい。非磁性締結具86が、磁場センサアセンブリ20のハウジングをハウジング30に装着し、装着アーム34がハウジング30をアクチュエータヨーク32に装着する。
【0023】
図2に示すように、磁気アセンブリ10のハウジング50は、ハウジング50内の長孔98と100に沿って締め付けるようにして、ピンボルト92とワッシャ94とナット96によってブラケット90に取り付けられている。さらに、ブラケット90は、ねじを施されたアクチュエータ棒104を弁棒106に結合するコネクタ102に連結されている。それゆえ、磁気アセンブリ10は、弁棒および弁のアクチュエータアセンブリに剛性的に装着され、その位置は本発明の変位センサによって監視される。弁棒106は、矢示38の方向に移動し、コネクタ102とブラケット90は、磁気アセンブリ10を、磁場センサアセンブリ20に対して相対的に移動させる。磁場センサ80(図6)は、静止したままである。というのは、それは、アクチュエータヨーク32とハウジング30に結合されているからである。磁気アセンブリ10の矢示38方向の移動によって、磁場センサアセンブリ20内において、磁気アセンブリと磁場センサ80の間の相対的な変位を起こす。このように、磁場センサ80を通る磁束密度は、アクチュエータ104と弁棒106の変位とともに変化する。
【0024】
図6は、磁束形成磁極片70を付加された磁石52と54の間に位置する磁場センサ80の斜視図であり、図7は磁石52と54の間の磁束線110を示す。磁石52と54は、磁気強度が等しいのが好ましい。線81は、磁石52と54の表面57の間であって、その表面57に対して平行に、真ん中に位置している。線83は、表面57の幅方向に沿っており、線81に対して直角である。そして、線83は、磁極片と、表面57の幅方向において磁石52と54の中心とを結ぶ線の中間点112において、線81と交差する(図5と図7)。点112において、磁束密度は、ゼロである。センサは、磁場強度がゼロである中間点112に、そのセンサ80を置いて、較正される。
【0025】
磁石の間の縦方向の線81において、磁束密度は中間点から磁極に向かって一様に増加し、磁極面71の間で最大の磁束密度になる。磁極は反対方向に位置しているため、磁束の方向は線81に沿って中間点に至るまでの各領域において反対である。それゆえ、磁束密度は、線81に沿って、磁極面の一方の対の最大磁束密度から中間点112のゼロを経て磁極面の他方の対の最大磁束密度まで変化する。磁気アセンブリは線81に対して平行に矢示38方向に(図2)往復運動をするので、磁場センサ80を、線81上で磁石52と54の間の真ん中におくと、磁場センサ80は、滑動する磁石の間の磁束模様を横切り、磁気アセンブリ10に対する磁場センサ80の相対的な位置に比例する電圧を発生する。フリンジ磁束を描くことによって、磁極片70は、磁石の長手方向にわたって測定される磁束を線形化する。このように、磁極片70は、磁場センサ80によって発生する電圧表示の有用な範囲と正確さを劇的に向上する。
【0026】
本発明を好ましい実施例とともに説明したが、当業者であれば、本発明の範囲を外れない範囲において、修正が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の磁束形成磁極片を有する磁気変位センサの斜視図である。
【図2】 図1に示す磁気変位センサの(明瞭のために一部を除去した)拡大斜視図である。
【図3】 図2を線3方向から見た磁気変位センサの磁気ブロックアセンブリと磁場センサアセンブリの斜視図である。
【図4】 図3に示すアセンブリの頂面図である。
【図5】 図3と図4に示す磁気ブロックアセンブリの分解組立図である。
【図6】 磁石の間に磁場センサを有する磁気ブロックアセンブリの(明瞭のために一部を除去した)斜視図である。
【図7】 図3〜5の磁気ブロックアセンブリと磁束模様を示す図である。
【符号の説明】
10…磁気アセンブリ
20…磁場センサアセンブリ
30、50…ハウジング
52、54…永久磁石
56、62…北極
58、60…南極
70…磁束形成磁極片
71…狭い表面
80…磁場センサ
104…アクチュエータ棒
106…弁棒
Claims (9)
- 第一と第二の素子の間の相対的な変位を検知するための変位センサであって、
この変位センサが磁気アセンブリ(10)と磁場センサアセンブリ(20)とを有し、 上記磁気アセンブリ(10)が、
第一の素子に装着するための磁気アセンブリハウジング(50)と、
第一の磁石(52)の北極(56)が第二の磁石(54)の南極(60)に対面し、第一の磁石(52)の南極(58)が第二の磁石(54)の北極(62)に対面して一対の対面する表面(57)を形成するように、且つ磁気アセンブリハウジング(50)が第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の間に縦方向の空間を形成するように第一の磁石(52)と第二の磁石(54)を保持するものであって、上記磁気アセンブリハウジング(50)に装着された磁気強度が等しい第一および第二の磁石(52、54)と、
第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の間の縦方向の空間にフリンジ磁束を描くことによって線形に変化する磁束密度を形成することができる断面が五角形である磁束形成磁極片(70)であって、第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の北極(56、62)と南極(58、60)の上に位置する磁束形成磁極片(70)とを有し、
上記磁場センサアセンブリ(20)が、
第二の素子に装着するためのセンサハウジング(30)と、第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の間の縦方向の空間内において第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の間の真ん中に位置し且つ第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の表面(57)に平行である線(81)上においてセンサハウジング(30)に装着された磁場センサ(80)とを有し、
各磁束形成磁極片(70)の外表面は、隣接する表面同士が互いに直角に交わっている第一の表面(70a)から第二の表面(70b)、第三の表面(70c)を経て第四の表面(70d)に至る4つの表面と、第一の表面(70a)と第四の表面(70d)を接続する斜めの第五の表面(70e)とを有し、各磁束形成磁極片(70)の第一の表面(70a)を第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の北極(56、62)と南極(58、60)の上に配置することによって第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の間の縦方向の空間を介して2対の第四の表面(70d)が相対峙し、第四の表面(70d)は第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の表面(57)に平行であるもの。 - 第一の磁石(52)と第二の磁石(54)が永久磁石である請求項1記載の変位センサ。
- 磁束形成磁極片(70)の各々が第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の各磁極に付加された金属磁極片である請求項1記載の変位センサ。
- 磁束形成磁極片(70)が各磁石(52、54)によって得られる磁力によって各磁極に付着している請求項3記載の変位センサ。
- 磁束形成磁極片(70)の各々が第一の磁石(52)と第二の磁石(54)に組み込まれて一体になっている請求項1記載の変位センサ。
- 第一と第二の素子の一方は、バルブアクチュエータ(104)と弁棒(106)であり、第一と第二の素子の他方はハウジング(30)であり、変位センサは弁棒(106)とハウジング(30)の間の直線的な変位を検知する請求項1記載の変位センサ。
- 第一と第二の素子の間の相対的な変位を検知するための磁気変位センサの第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の磁極のための断面が五角形である磁束形成磁極片(70)であって、
第一の磁石(52)の北極(56)は第二の磁石(54)の南極(60)に対面し、第一の磁石(52)の南極(58)は第二の磁石(54)の北極(62)に対面して、第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の間に縦方向の空間を形成するように、第一の磁石(52)は第二の磁石(54)に対面して配置され、上記磁束形成磁極片(70)は磁気材料を有し、
上記磁気材料は、
第一の磁石(52)の磁極に付着するように配置された表面と、第二の磁石(54)の磁極に付着するように配置された表面と、磁束形成磁極片(70)が第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の磁極に付着されているときに磁束形成磁極片(70)の各々は縦方向の空間にフリンジ磁束を描いて、縦方向の空間の磁束密度は第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の対面する磁極の間の縦方向の空間内の線に沿って直線的に変化するように配置された形状とを有し、
磁束形成磁極片(70)は、第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の北極(56、62)と南極(58、60)の上に位置し、
各磁束形成磁極片(70)の外表面は、隣接する表面同士が互いに直角に交わっている第一の表面(70a)から第二の表面(70b)、第三の表面(70c)を経て第四の表面(70d)に至る4つの表面と、第一の表面(70a)と第四の表面(70d)を接続する斜めの第五の表面(70e)とを有し、各磁束形成磁極片(70)の第一の表面(70a)を第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の北極(56、62)と南極(58、60)の上に配置することによって第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の間の縦方向の空間を介して2対の第四の表面(70d)が相対峙し、第四の表面(70d)は第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の表面(57)に平行であるもの。 - 磁束形成磁極片(70)は、第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の各磁極に付加するための金属磁極片である請求項7記載の磁束形成磁極片。
- 磁束形成磁極片(70)は、第一の磁石(52)と第二の磁石(54)の磁力によって各磁極と接触して保持されるものである請求項8記載の磁束形成磁極片。
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