JPH06160011A - 磁気的位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】希土類磁石と磁気センサとの距離が遠く離れて
いる場合に有効に作用する磁気的位置検出装置を提供す
る。 【構成】希土類磁石と磁気センサとからなる磁気的位置
検出装置において、希土類磁石の高さＬと直径Ｄとの比
が０．１〜１．０の関係を有している。また、希土類磁
石と磁気センサとの間に非磁性のハウジングを有するこ
とができる。また、希土類磁石に背向する磁気センサの
面にヨークが積層できる。 【効果】遠距離における検出できる磁束密度を発生させ
うる希土類磁石の小型化の達成により小型の磁気的位置
検出装置を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁気的位置検出装置、特
に希土類磁石と磁気センサとの距離が離れている場合に
有効に作用する磁気的位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】被検出物体の変位による磁束密度の変化
を磁気センサでとらえることにより、物体の位置、変
位、回転を感知する技術が広く使用されている。これら
の技術としては、被検出物に磁石あるいは磁性薄膜を配
置し、それによって生じる磁場を磁気センサで感知する
もの、被検出物にインダクタンスの異なった部分を配置
し、外部から磁場を与えた際のインダクタンス変化を上
記磁気センサで検出するものなどがある。

【０００３】磁場の検出においては、各種の磁気センサ
を用いて検出を行っているがＭＲ素子（磁気抵抗素子）
を使用した磁気センサが検出感度が良いことから幅広く
利用されている。この感度の良いＭＲ素子を用いた磁気
センサにおいても、外部磁場（他の機器から発生してい
る外乱磁気）の影響を避けて感磁するためには磁束密度
は少なくとも１００Ｇを必要としている。他方、検出位
置における磁場の磁束密度は磁石からの距離が遠くなる
ほど急速に低下している。

【０００４】そこで、磁気センサを用いた技術として感
磁レベルとして１００Ｇ以上を確保するために、一般的
には通常磁気センサは被検出物にできるだけ近づけて配
置されており、磁気センサと被検出物との距離は０．５
〜１．０ｍｍとされている。この磁気センサを被検出物
に近づけるため様々な工夫がなされている。例えば図４
に示す回転センサでは、作動空間４０ａを形成するハウ
ジング４０に貫通孔４４を形成し、この貫通孔４４にセ
ンサ４３の軟磁性材の先端を挿入し作動空間４０ａ内に
突出させている。なお、この作動空間４０ａには、外周
面に一端を表出させた焼結フェライト磁石４２をもつ回
転子４１が回転自在に保持されている。

【０００５】また、磁石側では、磁気センサまでの距離
が遠く離れている場合には磁気センサで検出する磁束密
度を高めるために磁気特性の高い磁石を使用したり、磁
石の高さを高くして（反磁場の影響を少なくなるような
形状）体積を増やしたりしている。例えば、磁気センサ
と被検出物との距離が６．０ｍｍと遠く離れている場合
について磁束密度を測定した結果を表１および図５に示
す。

【０００６】

【表１】

【０００７】表１においては、供試磁石として磁石の強
度を２．０〜１８．５ＭＧＯｅと変化させたＡ１〜Ａ４
の磁石を用いて、磁石の高さＬと直径Ｄを同一にして体
積を一定にしている。図５においては、磁石強度を４．
８ＭＧＯｅ、直径Ｄを同一にして高さＬを高くすること
により大きな体積とともに低い反磁場係数を有する磁石
でもって検出磁場における磁束密度を測定したものであ
る。これらより、磁気センサで感磁する磁束密度１００
Ｇを達成するためには、磁石体積が同一の場合には磁気
特性の高い磁石を必要とし、コスト的に高くなる。ま
た、同じ磁石強度を有する磁石を使用する場合には、高
さを高くすることにより体積が大きくなって磁石の大型
化と磁石を埋設するためにより大きな場所を必要とし、
被検出物が大きくなったりする。さらに、コストも高く
なる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の磁気センサを被
検出物にできるだけ近づける方法では、ハウジングに貫
通孔を形成する等、構造の複雑化、製造コストの上昇、
あるいは出来るだけ磁石とセンサとを近接させるため高
い精度を必要とする等の問題がある。また、被検出が油
圧機器中に存在するような場合、オイル流路を介して油
圧機器の外部から検出を行うことは、磁気センサと被検
出物との距離が遠く離れるため、従来の磁気検出装置で
は困難であるか不可能であった。

【０００９】他方、遠距離における被検出物を測定する
ために磁石強度の高い磁石や大きな磁石を使用する場合
には、コスト的な問題とともに大きな磁石では、磁石の
スペースが大きくなって小型化に対応できない等の問題
がある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、遠距離まで
大きな磁束を維持できる磁石を研究した結果、磁石の形
状としては磁石の直径を同一にして高さを高くすること
による細長い形状の磁石に変えて、むしろ薄い磁石を使
用することにより遠距離まで大きな値の磁束を作ること
ができることを見いだした。また、偏平な磁石では、希
土類磁石のような最大エネルギー積ＢＨ(max) の大きな
磁石の方がＢＨ(max) の小さな磁石よりより効果的に磁
石より離れた位置で大きな磁束密度を与えることを見い
だした。

【００１１】本発明の磁気的位置検出装置はかかる研究
に基づくもので、第一物体と、該第一物体に対して相対
移動する第二物体と、該第一物体及び第二物体のいずれ
か一方に保持された希土類磁石と、該第一物体及び第二
物体の他方に保持され該希土類磁石の磁気を検出するこ
とにより該第一物体と該第二物体との相対位置を検出す
る磁気センサとを具備する磁気的位置検出装置であっ
て、前記希土類磁石は前記磁気センサに対向する面がＮ
極およびＳ極の一方の極を形成し、磁気センサに対向す
る面がＮ極およびＳ極の他方の極を形成するとともに該
磁気センサに対向する面内で描ける最大の円の直径Ｄと
該磁気センサに対向する面および背向する面の間の距離
Ｌとの間に ０．１≦Ｌ／Ｄ≦１．０ の関係をもつことを特徴とする。

【００１２】本発明の磁気的位置検出装置を構成する第
一物体は内部に作動空間を形成する非磁性体で作られた
ハウジングとし、第二物体は該作動空間内に変位可能に
保持され、希土類磁石および磁気センサの一方は該作動
空間を形成する面と反対側の面となるハウジング表面の
側に固定されていてもよい。

【００１３】さらに、本発明の磁気的位置検出装置にお
いて、希土類磁石に対向する磁気センサが、希土類磁石
と対向して形成する磁気センサの背向する面にヨークが
積層されていてもよい。

【００１４】本発明者は、最大エネルギー積ＢＨ(max)
が４．８ＭＧＯe のネオジ鉄ボロン系希土類磁石粉末を
含む樹脂磁石を用い、磁石体積を２０１mm³ と一定と
し、直径および高さを変えた多数の偏平状ないし棒状の
磁石を作り、各棒状磁石の中心線上で磁石端面より所定
距離での磁束密度Ｇを測定した。その結果を図１に示
す。図３は、高さ１．０ｍｍと高さ１６．０ｍｍ、高さ
４．０ｍｍと直径８．０ｍｍ、高さ６．２５ｍｍと直径
６．５ｍｍ、高さ１６．０ｍｍと直径４．０ｍｍ、高さ
２５．０ｍｍと直径３．２ｍｍおよび高さ６４．０ｍｍ
と直径２．０ｍｍの６種類の磁石を使用し、中心線上で
磁石端面より所定の位置での磁束密度を測定したもの
を、横軸に各磁石の高さ／直径の値の対数目盛りを取
り、縦軸に磁束密度を取ったものである。各磁石の中心
線上で磁石端面からの距離は、４．０ｍｍ、５．９ｍ
ｍ、８．０ｍｍおよび１６．０ｍｍとした。磁石端面よ
り４．０ｍｍの位置の値を黒四角、磁石端面より５．９
ｍｍの位置の値を白四角、磁石端面より８．０ｍｍの位
置の値を黒菱、磁石端面より１６．０ｍｍの位置の値を
白菱でそれぞれ示す。

【００１５】図３より磁石の端面より距離を隔てる程、
その距離での最大磁束密度は磁石の高さ／直径の値が小
さくなる方にずれることが分かる。磁石端面より４．０
ｍｍの距離では、磁束密度は磁石の高さ／直径の値が
０．５程度のところに、磁石端面より５．９ｍｍの距離
では、磁束密度は磁石の高さ／直径の値が０．５より少
し小さい所に、磁石端面より８．０ｍｍの距離では、磁
束密度は磁石の高さ／直径の値が０．３程度のところ
に、磁石端面より１６．０ｍｍの距離では、磁束密度は
磁石の高さ／直径の値が０．２の所に最大磁束密度を持
つ。

【００１６】図３の結果より、磁石より離れるに従いそ
の位置での最大磁束密度Ｇはより偏平な磁石が担うこと
になるのが分かる。しかし、磁石より離れるに従い磁束
密度は急速に低下するため、磁石より離す距離には限界
がある。これらのことを勘案すると、実用上で使用でき
る磁石の長さ／直径の値が０．１〜１．０より好ましく
は０．３〜０．８である。このような偏平な磁石を使用
すると磁石から５．９〜８．０ｍｍ以上離れた位置に磁
気センサーを設けることができる。また、磁気センサで
感磁する磁束密度が１００Ｇ以上あれば検知できるため
に磁石から磁気センサまでの距離が４．０ｍｍ程度まで
近い場合には磁石の体積を２０１mm³ から小さくでき、
２５mm³ 程度になる。

【００１８】本発明の磁気的位置検出装置は前記した知
見に基づくものである。本発明の磁気的位置検出装置を
構成する第一物体と第二物体はそれぞれ相対移動する物
体で、例えば従来技術の欄で説明した回転センサーにお
いてハウジング４０を第一物体とすると回転子４１が第
二物体に該当する。エンコーダ、磁気スケール、スピー
ドセンサ等の変位検出センサはそれぞれ相対移動する少
なくとも２個の物体をもつ。この２個の物体の一方が第
一物体、他方が第二物体に相当する。別の見方をする
と、従来のセンサで磁石の取り付けられている部分が本
発明の第一物体および第二物体の一方を構成し、磁気セ
ンサの取り付けられている部分が本発明の第一物体およ
び第二物体の他方を構成する。なお、本発明の第一物体
および第二物体を従来公知の変位検出センサで説明した
が、今後開発されるであろう変位検出センサにもあては
まる。

【００１７】本発明の磁気的位置検出装置を構成する磁
石は前記したように高さ／直径の値が０．１〜１．０の
磁石である。磁石の具体的な長さ直径は使用する用途の
特性に応じ、高さ／直径の値が０．１〜１．０の範囲で
自由に選択できる。なお、磁石は断面が真円の円盤状で
ある必要はない。目的に応じ断面が楕円形状のもの角形
状のもの等種々選択できる。しかし断面の面内で描ける
最大の円の直径Ｄと磁石の両極を形成する端面間の距離
Ｌとの間には０．１≦Ｌ／Ｄ≦１．０の関係がなければ
ならない。また、磁石の極を構成する端面も常に平面で
ある必要はない。凸状あるいは凹状の球面の一部でもよ
い。また、磁石が取り付けられる物体の表面に応じた特
殊な面であつてもよい。

【００１８】磁石は、本発明においては希土類磁石を必
須とするけれども、最大エネルギー積を必要とする場合
には焼結磁石が、磁石形状を自由に設計したい場合には
樹脂磁石が好ましい。磁石は、第一物体および第二物体
の一方に固定される。このとき磁石のＮ極およびＳ極の
一方の断面が磁気センサに対向するように固定する。物
体への磁石の固定は本実施例における埋設する方法のみ
でなく、接着剤を使用するとか機械的に固定するような
従来の方法をそのまま使用できる。

【００１９】本発明の磁気的位置検出装置を構成するセ
ンサは、従来の変位検出センサに使われていた磁気セン
サをそのまま使用できる。具体的には、実施例における
ＭＲ素子のみでなくピックアップコイル、磁気ヘッドお
よびホール素子をそのまま本発明の磁気センサとして使
用できる。磁気センサは、第一物体および第二物体の他
方に固定される。固定方法は従来と同じ方法で固定でき
る。しかし本発明の磁気的位置検出装置では、磁石から
遠く離れた位置に磁気センサを設けることができるた
め、磁石と磁気センサの間には自由空間のみでなく、オ
イルや水等の流体の流路を設けたり、非磁性のハウジン
グを設けることができる。

【００２０】本発明の磁気的位置検出装置における被検
出物から磁気センサまでの距離は、従来の近づけて検出
する場合の０．５〜１．０ｍｍの距離に対して、２．５
ｍｍ以上の遠距離をいう。４．０〜８．０ｍｍの遠距離
の場合においては、被検出物と磁気センサとの間に非磁
性金属材料からなるハウジング、仕切り壁等を設けるこ
とができ、機械・装置と磁気的位置検出装置の一体化に
よる小型化が可能となる。

【００２１】また、希土類磁石に背向する磁気センサの
面にヨークを積層した場合には、図３における磁石から
磁気センサまでの距離が５．９ｍｍにおいて希土類磁石
の高さと直径を同様にかえて測定した。その結果、高さ
１．０ｍｍの直径１６．０ｍｍでは１８９Ｇ、高さ４．
０ｍｍの直径８．０ｍｍでは２４６Ｇ、高さ６．２５ｍ
ｍの直径６．５ｍｍでは２１９Ｇ、高さ１６．０ｍｍの
直径４．０ｍｍでは１３１Ｇ、高さ２５．０ｍｍの直径
３．２ｍｍでは９２Ｇ、高さ６４．０ｍｍの直径２．０
ｍｍでは４０Ｇの磁束密度が得られて、ヨークを積層し
ない場合に比べて８〜１５％高い磁束密度であった。な
お、ヨーク材としてはＳ１５Ｃからなる厚さ１．５ｍ
ｍ、直径５．０ｍｍの円板状の板を磁気センサに積層し
た。

【００２２】

【作用】本発明の磁気的位置検出装置においては、磁石
強度の大きな希土類磁石を用い、かつ形状を直径と高さ
の比が０．１〜１．０の偏平としている。このため、遠
くまで高い磁束密度を得ることができる。

【００２３】

【実施例】

実施例１ 本発明の磁気的位置検出装置の一実施例である回転セン
サを説明する。この回転センサは、その要部を概略的に
図３に示すように、内部に作動空間１０ａを持つハウジ
ング１０とこの作動空間内１０ａ内に回転自在に保持さ
れた回転ロータ１１と回転ロータ１１に保持された磁石
１２とハウジング１０に保持された磁気検出部１３とか
ら構成されている。

【００２４】ハウジング１０は内径１４７．５ｍｍ、外
径１５０ｍｍの円筒状で厚さ２．５ｍｍの炭素鋼（Ｓ２
５Ｃ）で主として構成され、一部の壁部が同じ２．５ｍ
ｍ厚さの非磁性ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）で構成さ
れている。

【００２５】回転ロータ１１はハウジング１０の両端部
に軸支されたシャフト１５に同軸的に固定され作動空間
１０ａ内に回転自在に保持されている。なお、回転ロー
タ１１を収納する作動空間１０ａにはオイルが保持され
ている。この回転ロータ１１はアルミニウムで形成さ
れ、その外径は１４６ｍｍである。

【００２６】磁石１２は高さ４．０ｍｍ、直径５．０ｍ
ｍ（高さ／直径＝０．８）の円盤状に形成されたネオジ
鉄ボロン系希土類磁石粉末を含む樹脂磁石であり、その
磁石強度ＢＨ（ｍａｘ）は５．５ＭＧＯｅである。この
磁石１２は回転ロータ１１の外周面に一端面が表出する
ように一体的に埋設されている。

【００２７】磁気検出部１３は、ＭＲ素子を用いた磁気
センサと磁石に背向する面にＳ１５Ｃからなる直径５．
０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのヨークとからなっており、非
磁性ステンレス鋼の壁部１４の外周部に固定されてい
る。

【００２８】回転ロータ１１に保持された磁石１２とハ
ウジング１０の外周面側に保持された磁気検出部１３の
最接近距離は４．０ｍｍであり、その時の磁気検出部１
３の位置での磁束密度は１０７Ｇである。この回転セン
サの回転ロータ１１を外部よりシャフトを介して回転さ
せた。この回転は磁気検出部１３で磁束密度の変化とし
て観測された。

【００２９】本実施例の回転センサは、その磁気検出部
１３がハウジング１０の外周面側に固定され、回転ロー
タ１１に固定されている磁石２２との最接近距離が４．
０ｍｍと極めて遠い距離にある。しかも、磁石１２と磁
気検出部１３との間には厚さ２．５ｍｍの非磁性ステン
レス鋼が介在している。これらの条件にも係わらず、磁
気検出部１３の位置の磁束密度は１０７Ｇと比較的大き
く、通常のＭＲ素子を用いた磁気センサからなる磁気検
出部１３で磁石１２の最接近時の磁気を十分に検出でき
た。

【００３０】また、本実施例の回転センサは磁気検出部
１３をハウジング１０の内周面側に固定する必要がない
ため、製作が容易であるとともに磁気検出部１３の補修
が容易となっている。

【００３１】実施例２ 本実施例の磁気的位置検出装置は、図２に示すようにボ
ール盤に組付けられている。このボール盤は基台２１、
この基台２１に立設されたフレーム２２、フレーム２２
の上端に固定された切削ヘッド２３、フレーム２２の中
程に固定された固定ベース２４、この固定ベース２４に
摺動自在に保持された可動ベース２５とからなる。

【００３２】磁気的位置検出装置を構成する２個の磁石
２６、２７は固定ベース２４に対向する可動ベース２５
の下面側に埋設され、厚さ２．５ｍｍの非磁性ステンレ
ス鋼でカバーされている。磁気的位置検出装置を構成す
る他方の部材である磁気検出部２８は可動ベースが摺動
する固定ベース２４の上面側の中央部分に埋設され、厚
さ１．５ｍｍの非磁性ステンレス鋼でカバーされてい
る。

【００３３】磁石２６、２７としては高さ５．６ｍｍ、
直径８．０ｍｍ（高さ／直径＝０．７）の円盤状に成形
されたネオジ鉄ボロン系希土類磁石粉末を含む樹脂磁石
を用い、磁石の外周は厚さ１．５ｍｍのアルミニウム製
リングで被覆した。これらの磁石の磁石強度ＢＨ（ｍａ
ｘ）は５．５ＭＧＯｅであった。磁気検出部２８として
はＭＲ素子を用いた磁気センサを採用した。

【００３４】このボール盤での磁石２６、２７と磁気検
出部２８との最接近距離は４．３ｍｍであり、この最接
近時の磁気検出部２８の位置での磁束密度は１３５Ｇで
あった。

【００３５】

【発明の効果】以上の詳述した本発明によれば、同一体
積の希土類磁石で最大の磁束密度が得られることができ
る。従って、遠距離における１００Ｇ以上の磁束密度を
発生させうる希土類磁石の小型化を達成することにより
小型の磁気的位置検出装置を得ることができる。また、
１００Ｇ以上の磁束密度を遠距離においても得られるた
めに磁束を発生する希土類磁石と磁束を検知する磁気セ
ンサとの間に、磁束が透過できる非磁性材料からなるハ
ウジング等を介在させることがために、磁気的位置検出
装置の構造を簡単かつ強度的にも優れたものとすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１にかかる回転センサの概略図である。

【図２】実施例２にかかるボール盤のリミット装置の概
略図である。

【図３】磁石から所定の距離において磁気センサが検出
した磁束密度と磁石の形状比（高さ／直径の対数）との
関係を示す図である。

【図４】従来の回転センサである。

【図５】磁束密度に及ぼす磁石の高さの影響を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０ ------ ハウジング １０ａ ------ 作動空間（オイルが充填されてい
る。） １１ ------ 回転ロータ １２ ------ 希土類磁石 １３ ------ 磁気検出部 １４ ------ 非磁性ステンレス鋼 １５ ------ シャフト ２１ ------ 基台 ２２ ------ フレーム ２３ ------ 切削ヘッド ２４ ------ 固定ベース ２５ ------ 可動ベース ２６、２７ ------ 希土類磁石（外周はアルミニウム
製リングからなる） ２８ ------ 磁気検出部 ４０ ------ ハウジング ４０ａ ------ 作動空間 ４１ ------ 回転子 ４２ ------ 焼結フェライト磁石 ４３ ------ センサ ４４ ------ 貫通孔

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第一物体と、該第一物体に対して相対移
   動する第二物体と、該第一物体及び第二物体のいずれか
   一方に保持された希土類磁石と、該第一物体及び第二物
   体の他方に保持され該希土類磁石の磁気を検出すること
   により該第一物体と該第二物体との相対位置を検出する
   磁気センサとを具備する磁気的位置検出装置であって、 前記希土類磁石は前記磁気センサに対向する面がＮ極お
   よびＳ極の一方の極を形成し、磁気センサに背向する面
   がＮ極およびＳ極の他方の極を形成するとともに該磁気
   センサに対向する面内で描ける最大の円の直径Ｄと該磁
   気センサに対向する面および背向する面の間の距離Ｌと
   の間に ０．１≦Ｌ／Ｄ≦１．０ の関係をもつことを特徴とする磁気的位置検出装置
2. 【請求項２】 第一物体は内部に作動空間を形成する非
   磁性体で作られたハウジングをもち、第二物体は該作動
   空間内に変位可能に保持され、希土類磁石および磁気セ
   ンサの一方は該作動空間を形成する面と反対側の面の側
   に固定されている請求項１記載の磁気的位置検出装置。
3. 【請求項３】 希土類磁石の背向する磁気センサの面に
   ヨークが積層されている請求項１記載の磁気的位置検出
   装置。
4. 【請求項４】 希土類磁石に背向する磁気センサの面に
   ヨークが積層されている請求項２記載の磁気的位置検出
   装置。