JP5138039B2 - 磁気式位置センサ - Google Patents
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Description
この発明は、磁気検出素子を用いて測定対象物の位置を検出する磁気式位置センサに関するものである。
従来の磁気式位置センサは、非磁性リングを介して円筒状の強磁性体固定子が重ねられている。非磁性リングにより形成されたエアギャップ内には、磁気検出素子が配置されている。強磁性体固定子は、円筒状の支柱により囲繞されている。支柱には、その中央を分岐点とする２つの磁束ループを発生する円筒状の永久磁石が固定されている。支柱は、強磁性体固定子に対して、軸方向へ変位可能であるとともに、軸周りに回転可能である（例えば、特許文献１参照）。
上記のような従来の磁気式位置センサでは、支柱を軸周りに回転可能とするために円筒状の永久磁石を用いているため、使用される永久磁石の量が多くなり、全体が高価になってしまう。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、測定対象物の回転を許容しつつ、磁石量を低減することができる磁気式位置センサを得ることを目的とする。
この発明による磁気式位置センサは、検出ギャップを挟んで軸方向に並べて配置された筒状の第１及び第２の検出側コアと、第１及び第２の検出側コアの周方向に互いに間隔をおいて検出ギャップに配置され、検出ギャップを通過する磁束を検出する複数の磁気検出素子とを有する筒状の検出ユニット、及び磁石側コアと、磁石側コアに結合されたブロック状の永久磁石とを有し、測定対象物の変位に伴って検出ユニットに対して相対的に軸方向へ変位可能かつ軸周りに回転可能に検出ユニット内に設けられ、向きが異なる複数の磁束ループを第１及び第２の検出側コアとの間に発生する磁石ユニットを備えている。
以下、この発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による磁気式位置センサの軸線に沿う断面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図において、ケース１は、円筒部１ａと、円筒部１ａの軸方向両端部に設けられた第１及び第２の円板部１ｂ，１ｃとを有している。円板部１ｂ，１ｃの中央には、それぞれ軸支持孔１ｄ，１ｅが設けられている。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による磁気式位置センサの軸線に沿う断面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図において、ケース１は、円筒部１ａと、円筒部１ａの軸方向両端部に設けられた第１及び第２の円板部１ｂ，１ｃとを有している。円板部１ｂ，１ｃの中央には、それぞれ軸支持孔１ｄ，１ｅが設けられている。
軸支持孔１ｄ，１ｅには、測定対象物（図示せず）の変位に伴って変位される断面円形の可動軸２が貫通されている。可動軸２は、軸方向に沿って摺動可能、かつ軸周りに回転可能な状態で円板部１ｂ，１ｃに支持されている。
円筒部１ａの内周面には、鉄等の強磁性体からなる円筒状の第１及び第２の検出側コア（固定子コア）３，４が固定されている。第１及び第２の検出側コア３，４は、リング状の検出ギャップｇ１を挟んで軸方向に並べて配置されている。第１及び第２の検出側コア３，４の外形寸法は、互いに同じである。
検出ギャップｇ１には、検出ギャップｇ１を通過する磁束を検出する第１及び第２の磁気検出素子５，６が設けられている。第１及び第２の磁気検出素子５，６は、第１及び第２の検出側コア３，４の周方向に互いに間隔をおいて同一円周上に配置されている。この例では、第１の磁気検出素子５が検出ギャップｇ１の上端部に配置され、第２の磁気検出素子６が第１の磁気検出素子５から９０°ずらした位置に配置されている。円筒部１ａには、第１及び第２の磁気検出素子５，６が挿入された第１及び第２の素子挿入孔１ｆ，１ｇが設けられている。
磁気検出素子５，６には、例えばホール素子からなる感磁部が設けられている。また、磁気検出素子５，６は、図１の左右方向、即ち可動軸２の摺動方向に平行な方向の磁束に応じた信号を発生する。
実施の形態１の検出ユニット７は、ケース１と、第１及び第２の検出側コア３，４と、第１及び第２の磁気検出素子５，６とを有している。
可動軸２には、磁石ユニット８が搭載されている。磁石ユニット８は、検出ユニット７内で可動軸２に固定されている。また、磁石ユニット８は、鉄等の強磁性体からなり可動軸２に固定された第１及び第２の磁石側コア９，１０と、第１及び第２の磁石側コア９，１０に結合された直方体状（ブロック状）の第１及び第２の永久磁石１１，１２とを有している。
第１及び第２の磁石側コア９，１０は、分割ギャップｇ２を挟んで軸方向に並べて配置されている。第１の磁石側コア９の第２の磁石側コア１０とは反対側の軸方向端部には、可動軸２の径方向外側へ延長され第１の検出側コア３の内周面に対向する一対の対向部９ａ，９ｂが設けられている。第２の磁石側コア１０の第１の磁石側コア９とは反対側の軸方向端部には、可動軸２の径方向外側へ延長され第２の検出側コア４の内周面に対向する一対の対向部１０ａ，１０ｂが設けられている。
第１及び第２の永久磁石１１，１２の軸方向一端部は、第１の磁石側コア９に固定されている。また、第１及び第２の永久磁石１２の軸方向他端部は、第２の磁石側コア１０に固定されている。さらに、第１及び第２の永久磁石１１，１２は、可動軸２の軸周りに互いに１８０°ずらして配置されている。即ち、第２の永久磁石１２は、第１の永久磁石１１の裏側に第１の永久磁石１１とは逆向きに配置されている。
また、第１の永久磁石１１は、対向部９ａ，１０ａ間に設けられている。さらに、第２の永久磁石１２は、対向部９ｂ，１０ｂ間に設けられている。さらにまた、第１及び第２の永久磁石１１，１２は、それらの厚み方向に２極着磁されている。これにより、磁石ユニット８は、向きが異なる複数の磁束ループ１３ａ〜１３ｄを第１及び第２の検出側コア３，４との間に発生する。磁束ループ１３ａ，１３ｃの向きと磁束ループ１３ｂ，１３ｄの向きとは、分割ギャップｇ２を境に逆向きとなっている。
また、磁石ユニット８は、測定対象物の変位に伴って可動軸２と一体に変位可能、かつ回転可能である。即ち、磁石ユニット８は、第１及び第２の検出側コア３，４の軸方向に沿って変位可能であるとともに、軸周りに回転可能である。検出ユニット７の内周面と磁石ユニット８の外周面との間には、主ギャップｇ３が設けられている。
第１及び第２の磁気検出素子５，６からの信号は、測定部１４に入力される。測定部１４は、第１及び第２の磁気検出素子５，６からの信号を加算し、その加算結果に基づいて測定対象物の位置を測定する。
次に、測定対象物の位置の検出方法について説明する。磁石ユニット８が検出ユニット７に対して図１に示す中立位置に位置する場合、分割ギャップｇ２の軸方向位置が磁気検出素子５，６と一致しており、磁気検出素子５，６の両側で磁束ループ１３ａ，１３ｃと磁束ループ１３ｂ，１３ｄとが打ち消すように作用するため、磁気検出素子５，６で検出される磁束密度は０に近い状態となる。
図３は図１の可動軸２及び磁石ユニット８が軸方向へ変位された状態を示す断面図である。図３に示すように、磁石ユニット８が図１の右側へ変位されると、磁束ループ１３ａの磁束が磁気検出素子５に多く入るため、磁石ユニット８の移動する量に対応して磁気検出素子５の出力が変化する。同様に、磁石ユニット８が図１の左側へ変位されると、磁束ループ１３ｂの磁束が磁気検出素子５に多く入るため、磁気検出素子５の出力が逆に変化する。
また、磁石ユニット８が軸方向へ変位されたとき、図２に示すように第１の永久磁石１１が第１の磁気検出素子５に対向していると、第１の磁気検出素子５には、第１の永久磁石１１からの磁束ループ１３ａ（又は１３ｂ）が多く流れている。さらに、磁束ループ１３ａ（又は１３ｂ）の一部は、第１の検出側コア３（又は第２の検出側コア４）を介して第２の磁気検出素子６にも流れている。さらに、第２の磁気検出素子６には、第２の永久磁石１２からの磁束ループ１３ｃ（又は１３ｄ）が流れている。
このとき、第１の磁気検出素子５が出力する電圧Ｖ１と、第２の磁気検出素子６が出力する電圧Ｖ２とを比較すると、永久磁石１１，１２との距離が最も近い第１の磁気検出素子５からの電圧Ｖ１がＶ２よりも大きくなる。
図４は図２の磁石ユニット８が軸周りに４５°回転された状態を示す断面図である。磁石ユニット８が軸方向へ変位されたとき、図４に示すように磁石ユニット８が回転されていると、第１の永久磁石１１と第１の磁気検出素子５との距離と、第２の永久磁石１２と第２の磁気検出素子６との距離とが等しくなり、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２とが同じになる。また、回転角度が４５°以外であれば、磁束ループ１３ａ〜１３ｄの流れは図２と図４との中間的な状態となる。
従って、第１の磁気検出素子５からの電圧Ｖ１と第２の磁気検出素子６からの電圧Ｖ２とを加算した値は、可動軸２及び磁石ユニット８の軸周りの回転角度によらず同じ値になり、可動軸２及び磁石ユニット８の軸方向への変位量のみによって変化する。このため、測定部１４は、第１及び第２の磁気検出素子５，６からの電圧信号を加算し、その加算結果に基づいて測定対象物の位置を測定することができる。
このような磁気式位置センサでは、検出ギャップｇ１に周方向に互いに間隔をおいて第１及び第２の磁気検出素子５，６を設けたので、直方体状の永久磁石１１，１２を用いて測定対象物の位置を測定することができ、円筒状の永久磁石を用いる場合に比べて磁石量を低減することができる。即ち、測定対象物の回転を許容しつつ、磁石量を低減することができる。
なお、実施の形態１では、第１及び第２の磁気検出素子５，６からの信号の加算結果に基づいて測定対象物の位置を測定したが、第１及び第２の磁気検出素子５，６からの信号の平均値を求め、その平均値に基づいて測定対象物の位置を測定することもできる。
実施の形態２．
次に、図５はこの発明の実施の形態２による磁気式位置センサの軸線に沿う断面図、図６は図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図、図７は図６の磁石ユニットが軸周りに４５°回転された状態を示す断面図である。
次に、図５はこの発明の実施の形態２による磁気式位置センサの軸線に沿う断面図、図６は図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図、図７は図６の磁石ユニットが軸周りに４５°回転された状態を示す断面図である。
図において、検出ギャップｇ１には、第１ないし第３の磁気検出素子５，６，１５が設けられている。第１ないし第３の磁気検出素子５，６，１５は、第１及び第２の検出側コア３，４の周方向に互いに等間隔をおいて同一円周上に配置されている。即ち、第１ないし第３の磁気検出素子５，６，１５は、第１及び第２の検出側コア３，４の周方向に１２０°ずつずらして配置されている。円筒部１ａには、第１ないし第３の磁気検出素子５，６，１５が挿入された第１ないし第３の素子挿入孔１ｆ，１ｇ，１ｈが設けられている。
実施の形態２の検出ユニット７は、ケース１と、第１及び第２の検出側コア３，４と、第１ないし第３の磁気検出素子５，６，１５とを有している。
また、実施の形態２の磁石ユニット８は、第１及び第２の磁石側コア１６，１７と、第１及び第２の磁石側コア１６，１７に結合された直方体状（ブロック状）の１個の永久磁石１８とを有している。
第１の磁石側コア１６の第２の磁石側コア１７とは反対側の軸方向端部には、可動軸２の径方向外側へ延長され第１の検出側コア３の内周面に対向する対向部１６ａが設けられている。第２の磁石側コア１７の第１の磁石側コア１６とは反対側の軸方向端部には、可動軸２の径方向外側へ延長され第２の検出側コア４の内周面に対向する対向部１７ａが設けられている。
永久磁石１８の軸方向一端部は、第１の磁石側コア１６に固定されている。また、永久磁石１８の軸方向他端部は、第２の磁石側コア１７に固定されている。さらに、永久磁石１８は、対向部１６ａ，１７ａ間に設けられている。さらにまた、永久磁石１８は、その厚み方向に２極着磁されている。これにより、磁石ユニット８は、向きが異なる磁束ループ１３ａ，１３ｂを第１及び第２の検出側コア３，４との間に発生する。
第１ないし第３の磁気検出素子５，６，１５からの信号は、測定部１４に入力される。測定部１４は、第１ないし第３の磁気検出素子５，６，１５からの信号を加算し、その加算結果に基づいて測定対象物の位置を測定する。他の構成は、実施の形態１と同様である。
磁石ユニット８が軸方向へ変位されたとき、図６に示すように永久磁石１８が第１の磁気検出素子５に対向していると、永久磁石１８からの距離が最も近い第１の磁気検出素子５からの出力電圧Ｖ１が、第２及び第３の磁気検出素子６，１５からの出力電圧Ｖ２，Ｖ３よりも大きい。
この状態から、例えば図７に示すように磁石ユニット８が軸周りに４５°回転されると、第１及び第３の磁気検出素子５，１５からの出力電圧Ｖ１，Ｖ３が互いに等しくなり、第２の磁気検出素子６からの出力電圧Ｖ２がＶ１，Ｖ３よりも小さくなる。また、回転角度が４５°以外であれば、磁束ループ１３ａ，１３ｂの流れは図６と図７との中間的な状態となる。
従って、第１ないし第３の磁気検出素子５，６，１５からの電圧Ｖ１〜Ｖ３を加算した値は、可動軸２及び磁石ユニット８の軸周りの回転角度によらず同じ値になり、可動軸２及び磁石ユニット８の軸方向への変位量のみによって変化する。このため、測定部１４は、第１ないし第３の磁気検出素子５，６，１５からの電圧信号を加算し、その加算結果に基づいて測定対象物の位置を測定することができる。
このような磁気式位置センサでは、検出ギャップｇ１に周方向に互いに間隔をおいて第１ないし第３の磁気検出素子５，６，１５を設けたので、直方体状の永久磁石１８を用いて測定対象物の位置を測定することができ、円筒状の永久磁石を用いる場合に比べて磁石量を低減することができる。即ち、測定対象物の回転を許容しつつ、磁石量を低減することができる。
また、３個の磁気検出素子５，６，１５を用いたことにより、永久磁石１８を１個にすることができ、磁石量をさらに低減することができる。
なお、実施の形態２では、第１ないし第３の磁気検出素子５，６，１５からの信号の加算結果に基づいて測定対象物の位置を測定したが、第１ないし第３の磁気検出素子５，６，１５からの信号の平均値を求め、その平均値に基づいて測定対象物の位置を測定することもできる。
また、実施の形態１、２では、検出ユニット７の内周面に対向する永久磁石１１，１２，１８の面が平面であるが、これに限定されるものではなく、例えば図８に示すように、検出ユニット７の内周面に沿った断面円弧状の曲面としてもよい。
さらに、実施の形態１、２では、円筒状の検出ユニット７を示したが、これに限定されるものではなく、例えば断面多角形の筒状であってもよい。
さらにまた、実施の形態１、２では、検出ユニット７を固定し、磁石ユニット８を測定対象物とともに変位可能としたが、逆であってもよい。
また、第１及び第２の磁石側コア９，１０，１６，１７は、必ずしも分割されていなくてもよい。
さらにまた、実施の形態１、２では、検出ユニット７を固定し、磁石ユニット８を測定対象物とともに変位可能としたが、逆であってもよい。
また、第１及び第２の磁石側コア９，１０，１６，１７は、必ずしも分割されていなくてもよい。
Claims (5)
- 検出ギャップを挟んで軸方向に並べて配置された円筒状の第１及び第２の検出側コアと、上記第１及び第２の検出側コアの周方向に互いに間隔をおいて上記検出ギャップに配置され、上記検出ギャップを通過する磁束を検出する複数の磁気検出素子とを有する筒状の検出ユニット、及び
磁石側コアと、上記磁石側コアに結合された直方体状の永久磁石とを有し、測定対象物の変位に伴って上記検出ユニットに対して相対的に軸方向へ変位可能かつ軸周りに回転可能に上記検出ユニット内に設けられ、向きが異なる複数の磁束ループを上記第１及び第２の検出側コアとの間に発生する磁石ユニット
を備えている磁気式位置センサ。 - 上記磁気検出素子は、第１の磁気検出素子と、上記第１の磁気検出素子に対して軸周りに９０°ずらして配置された第２の磁気検出素子とを含み、
上記永久磁石は、第１の永久磁石と、上記第１の永久磁石の裏側に配置された第２の永久磁石とを含む請求項１記載の磁気式位置センサ。 - 上記磁気検出素子は、軸周りに１２０°ずつずらして配置された第１ないし第３の磁気検出素子を含む請求項１記載の磁気式位置センサ。
- 上記磁気検出素子からの信号を加算し、その加算結果に基づいて上記測定対象物の位置を測定する測定部をさらに備えている請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の磁気式位置センサ。
- 上記磁気検出素子からの信号の平均値を求め、その平均値に基づいて上記測定対象物の位置を測定する測定部をさらに備えている請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の磁気式位置センサ。
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