CN108351222B - 位置检测装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种位置检测装置，使用磁传感器，能够抑制由于温度变化而引起的测定值的直线性的变动。在移动部(10)设置有第1磁铁(11)与第2磁铁(12)。在检测部(20)搭载有具有灵敏度轴(Sx)的第1磁传感器以及具有灵敏度轴(Sz)的第2磁传感器。移动部(10)与检测部(20)沿着移动轨迹(Tx)相对地移动。磁铁(11、12)的对置面(11a、12a)为其两端部相比中央部从移动轨迹(Tx)后退的突曲面形状。通过设为该形状，能够抑制高温环境下磁铁去磁时的测定值的直线性的误差。

Description

位置检测装置
技术领域
本发明涉及对搭载有磁传感器的检测部与磁铁的相对的位置以及移动进行检测的位置检测装置。
背景技术
在专利文献1中记载了与位置检测装置相关的发明。
该位置检测装置设置有在壳体内进退移动的支架，在该支架上沿着移动方向排列配置两个磁铁。在壳体中固定有检测部，在该检测部设置有与移动的上述磁铁对置的两个磁阻元件。
支架被压缩螺旋弹簧朝从壳体突出的方向施力。当按压与支架一体的轴部而使壳体朝与压缩螺旋弹簧的施力方向相反的方向移动时，利用磁阻元件对磁铁的移动进行检测，从而计算支架的移动位置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本实用新案登录第3191531号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在专利文献1中并未详细说明支架的位置的检测方法，而一般在这种位置检测装置中，利用磁阻元件对从两个磁铁产生的泄漏磁场的磁通密度中的、与支架的移动方向正交的朝向的分量(Bz)、以及与支架的移动方向平行的朝向的分量(Bx)进行检测，由此计算支架的移动位置。例如，根据上述分量(Bz)的检测值与上述分量(Bx)的检测值运算反正切，根据该运算值求出支架的位置。
此处，来自磁铁的泄漏磁场的强度受到温度的影响，产生当变为高温时泄漏磁场的磁通密度降低的去磁现象。以往以来，认知为长方体的磁铁被加热时的磁通密度的降低率在与磁化面正交的朝向的分量(Bz)和与磁化面平行的朝向的分量(Bx)中始终为相同的比例。
基于该认知，认为如果基于常温时从磁阻元件获得的检测值运算反正切并在电路上进行修正以便在该运算值中能够确保直线性，则即便存在温度变化，也能够确保支架移动时的运算值的直线性。
但是，在实际的位置检测装置中，当变为高温环境时，基于来自检测部的输出运算得出的反正切的值与相对于磁铁的磁化面的对置位置的变化相应地变动，产生无法确保位置检测的直线性的课题。
本发明用于解决上述现有的课题，其目的在于提供一种形成为即便当由于温度变化而产生磁铁的去磁时，也容易确保对磁铁与检测部的相对移动进行检测的检测值的直线性的构造的位置检测装置。
用于解决课题的手段
本发明提供一种位置检测装置，具有检测部以及与上述检测部对置的磁铁，上述检测部与上述磁铁相对地移动，其特征在于，
上述磁铁在与上述检测部的相对的移动轨迹正交的朝向上被磁化，在上述检测部设置有对从上述磁铁出来的磁通中的与上述移动轨迹平行的分量进行检测的磁传感器以及对与上述移动轨迹正交的分量进行检测的磁传感器，
上述磁铁具有与上述移动轨迹对置的对置面，上述对置面形成于沿着上述移动轨迹的方向的两端部相比中央部远离上述移动轨迹的位置。
本发明的位置检测装置例如构成为，上述对置面为在沿着上述移动轨迹的方向上具有曲率的突曲面。
在该情况下，优选上述曲率的半径为上述对置面与上述移动轨迹的最短距离的1.7倍以上3.4倍以下。
本发明的位置检测装置能够构成为，上述磁铁沿着上述移动轨迹设置有多个，相邻的上述磁铁的上述对置面被磁化为反极性。
本发明的位置检测装置构成为，上述移动轨迹为直线。或者，上述移动轨迹为圆弧。
发明效果
本发明着眼于从磁铁产生的磁场的磁通密度由于温度变化而引起的去磁率在与磁铁的磁化面正交的方向和与磁化面平行的方向上不同，将上述磁化面即与检测部的对置面的形状设为使沿着检测部的相对的移动轨迹的方向的两端部相比中央部后退的形状。由此，在磁通密度中的与移动轨迹正交的朝向的分量和与移动轨迹平行的朝向的分量中，由于温度变化而引起的去磁率的差变小，即便存在温度变化，也能够确保来自检测部的检测输出的直线性。
附图说明
图1的(A)是示出本发明的第1实施方式的位置检测装置的说明图，(B)是示出现有的位置检测装置的说明图。
图2是示出本发明的第2实施方式的位置检测装置的说明图。
图3的(A)、(B)是示出本发明的第3与第4实施方式的位置检测装置的说明图。
图4的(A)、(B)、(C)是实施例1、实施例2、实施例3的说明图。
图5的(A)、(B)、(C)是比较例1、比较例2、比较例3的说明图。
图6的(A)、(B)、(C)是示出实施例1、实施例2、实施例3中的由于去磁而引起的反正切的运算值的变动的线图。
图7的(A)、(B)、(C)是示出比较例1、比较例2、比较例3中的由于去磁而引起的反正切的运算值的变动的线图。
图8的(A)、(B)、(C)、(D)是示出实施例2的变形例即实施例2A、实施例2B、实施例2C以及实施例2D中的由于去磁而引起的反正切的运算值的变动的线图。
具体实施方式
在图1的(A)中示出本发明的第1实施方式的位置检测装置1的构造的概要。
位置检测装置1具有移动部10。在移动部10设置有沿着X方向直线地往复移动的移动基座(未图示)，在移动基座上搭载有第1磁铁11与第2磁铁12。在位置检测装置1中设置有检测部20，移动部10与检测部20在Z方向上对置。
移动部10与第1磁铁11和第2磁铁12一起沿着X方向移动，因此，在图1的(A)中用Tx表示移动部10与检测部20的相对的移动轨迹。本发明的位置检测装置1也可以形成为第1磁铁11与第2磁铁12停止，检测部20移动的构造。在该情况下，磁铁11、12与检测部20的相对的移动轨迹也为Tx。
在图1(A)中，检测部20与第1磁铁11和第2磁铁12的X方向的中间对置，第1磁铁11与第2磁铁12从图1的(A)所示的中立位置朝X方向的右方向与左方向移动。或者，也可以构成为，移动部10的移动基座被压缩螺旋弹簧等的施力部件朝X方向的左方向施力而在初始位置停止，当移动基座被朝图示右方向推压时，以磁铁11、12朝右方向移动后朝左方向返回的方式进行往复移动。
第1磁铁11具有与移动轨迹Tx对置的对置面11a、其相反侧的背面11b、以及朝向X方向的两侧面11c、11d。对置面11a是X方向为曲率方向的圆筒面的一部分。对置面11a的X方向的中心与移动轨迹Tx的对置距离用δa表示。此外，对置面11a的侧面11c侧的端部与移动轨迹Tx的对置距离用δc表示，对置面11a的侧面11d侧的端部与移动轨迹Tx的对置距离用δd表示。δc与δd为相同的长度，δc与δd比δa长。即，对置面11a形成为沿着移动轨迹Tx的X方向的两端部相比中央部远离移动轨迹Tx的形状。
第1磁铁11的背面11b是与移动轨迹Tx平行且与纸面正交的平面。侧面11c与侧面11d是与移动轨迹Tx正交且与纸面正交的平面。
第1磁铁11朝向与移动轨迹Tx正交的方向即Z方向磁化，对置面11a与背面11b为彼此成为反极性的磁化面。对置面11a被磁化为N极，背面11b被磁化为S极。
第1磁铁11与第2磁铁12的大小以及形状相同。第2磁铁12也具有对置面12a、背面12b以及侧面12c、12d。各面的形状以及尺寸与第1磁铁11相同。对置面12a与移动轨迹Tx的对置距离δa、δc、δd也与第1磁铁11相同。
第2磁铁12也在Z方向上被磁化，对置面12a与背面12b成为磁化面。但是，第2磁铁12的磁化方向相对于第1磁铁11的磁化方向反转180度，对置面12a为S极且背面12b为N极。
在检测部20搭载有至少两个磁传感器。第1磁传感器的灵敏度轴Sx朝向与移动轨迹Tx平行的方向，能够对与移动轨迹Tx平行的朝向的磁通密度进行检测。第2磁传感器的灵敏度轴Sz朝向与移动轨迹Tx正交的方向，能够对与移动轨迹Tx正交的朝向的磁通密度进行检测。磁传感器由霍尔元件或者磁阻效应元件等构成。
来自设置于检测部20的第1磁传感器与第2磁传感器的输出由检测电路2检测，各个输出被A/D转换后提供给运算部3。运算部3由CPU与存储器等构成。
在图1的(B)中，为了进行本发明的位置检测装置1的检测动作的说明以及进行比较，示出现有的位置检测装置101。
该位置检测装置101为，第1磁铁111与第2磁铁112均为立方体形状，对置面111a与对置面112a均为与移动轨迹Tx平行且与纸面垂直的平面。背面111b与背面112b是与对置面111a和对置面112a平行的平面。
第1磁铁111与第2磁铁112均在Z方向上被磁化，第1磁铁111的对置面111a为N极，第2磁铁112的对置面112a为S极。并且，对置面111a、112a与移动轨迹Tx的对置距离δa与图1的(A)所示的各磁铁11、12的对置面11a、12a的中央部处的对置距离δa相同。
在图1的(A)所示的位置检测装置1中，形成从第1磁铁11的对置面11a到第2磁铁12的对置面12a的磁场H，在图1的(B)所示的位置检测装置101中，也形成从第1磁铁111的对置面111a到第2磁铁112的对置面112a的磁场H。在图1的(A)、(B)中，用虚线表示形成磁场H的磁力线。
在上述磁场H的内部，当检测部20沿着移动轨迹Tx相对地移动时，搭载于检测部20且具有灵敏度轴Sx的第1磁传感器的检测输出、以及具有灵敏度轴Sz的第2磁传感器的检测输出体现近似正弦曲线与余弦曲线的波形。在运算部3中，根据近似正弦曲线与余弦曲线的变化输出运算反正切。反正切的运算值大致以一次函数变化，因此，能够测定移动部10与检测部20的移动相对位置。
此处，已知各磁铁产生变为高温时所产生的磁场降低的去磁。本发明是着眼于如下情况而完成的：当磁铁变为高温时，在从磁铁出来的磁场的磁通密度中的朝向X方向的分量(Bx)的去磁率与朝向Z方向的分量(Bz)的去磁率上产生不同。将使用实施例与比较例在后面进行说明，但变为高温时的上述分量(Bx)的去磁率与上述分量(Bz)的去磁率的差随着从对置面111a、112a的X方向的中央部趋向两端部而逐渐增大。
因此，在高温环境下，由运算部3根据正弦曲线与余弦曲线之比运算得出的上述反正切的计算值的误差随着检测部20的对置位置从磁铁111、112的中央部到达两端部附近而变大，其结果是，检测部20的位置的测定值的直线性降低。
因此，如图1的(A)所示，在本发明的实施方式的位置检测装置1中，作为磁铁11、12的对置面11a、12a的形状，形成为使X方向的两端部与移动轨迹Tx的对置距离δc、δd比中央部处的对置距离δa长。
在图1的(A)所示的位置检测装置1中，当检测部20到达例如与第1磁铁11的侧面11d的前方对置的位置时，对置面11a与移动轨迹Tx的对置距离δd宽，因此，由检测部20检测到的磁通密度的Z方向的分量(Bz)的灵敏度同与对置面11a的中心部对置时相比降低。该分量(Bz)的灵敏度的降低率大于检测部20与侧面11d的前方对置时的磁通密度的X方向的分量(Bx)的灵敏度的降低率。
进而，对置面11a形成为随着从中央部趋向侧面11d而从移动轨迹Tx逐渐后退的倾斜曲面。因此，从第1磁铁11的对置面11a朝向第2磁铁12的对置面12a的磁场H容易随着趋向对置面11a的右侧的端部而朝X方向倾斜。由此，检测部20与侧面11d的前方对置时的磁通密度的Z方向的分量(Bz)的灵敏度的降低率大于X方向的分量(Bx)的灵敏度的降低率。
其结果是，当磁铁暴露于高温而侧面11d的前方的磁通密度的X方向的分量(Bx)衰减时，与此相伴，能够借助对置面11a的形状使由检测部20检测到的磁通密度的Z方向的分量(Bz)降低。因此，对于基于由检测部20检测到的具有灵敏度轴Sx的第1磁传感器的检测输出、与具有灵敏度轴Sz的第2磁传感器的检测输出之比运算得出的反正切的计算值，当检测部20与对置面11a、12a的X方向的中央部对置时以及与X方向的两端部对置时，能够维持直线性。
为此，需要使磁铁11、12的对置面11a、12a的X方向的两端部与中央部相比以逐渐远离移动轨迹Tx的方式倾斜。进而，通过将对置面11a、12a设为突曲面形状，在高温环境下，容易使随着趋向两端部而磁通密度的X方向的分量(Bx)衰减时的衰减率与Z方向的分量(Bz)的衰减率一致。
图2示出本发明的第2实施方式的位置检测装置1A。
在该位置检测装置1A中使用的第1磁铁11与第2磁铁12与设置于图1的(A)所示的位置检测装置1的第1磁铁11与第2磁铁12相同。在图2所示的位置检测装置1A中，具有磁铁11、12的移动部10旋转，移动部10与检测部20的相对的移动轨迹Tx沿着圆弧。另外，在该位置检测装置1A中，也可以将磁铁11、12固定，而使检测部20沿着圆弧的移动轨迹Tx移动。
在图2所示的位置检测装置1A中，对于各个磁铁11、12的对置面11a、12a，沿着移动轨迹的两端部与移动轨迹Tx的对置距离δc、δd比中央部与圆弧的移动轨迹Tx的对置距离δa长。在该实施方式中，在高温环境下，也能够减小沿着移动轨迹Tx的朝向的检测输出和与移动轨迹Tx正交的朝向的检测输出的减少率的差，从而能够维持直线性。
图3的(A)示出本发明的第3实施方式的位置检测装置1B。在该位置检测装置1B中使用的磁铁11B中，对置面11a由与移动轨迹Tx平行的中央部的平面部(i)以及其两侧的倾斜平面(ii)构成。
图3的(B)示出本发明的第4实施方式的位置检测装置1C。在该位置检测装置1C中使用的磁铁11C中，对置面11a由中央部的突曲面部(iii)以及其两侧的倾斜平面(ii)构成。
在该位置检测装置1B、1C中，当检测部20沿着移动轨迹Tx相对地移动时，也能够减小检测输出的直线性的误差。
另外，本发明的位置检测装置可以如图4的(A)所示那样仅使用一个磁铁，也可以如图4的(C)所示那样使用三个以上的磁铁。
实施例
图4的(A)为实施例1，一个磁铁11与检测部20的相对的移动轨迹Tx对置。图4的(B)为实施例2，两个磁铁11、12与检测部20的相对的移动轨迹Tx对置。图4的(C)为实施例3，三个磁铁11、12、13与检测部20的相对的移动轨迹Tx对置。
磁铁11、12、13的对置面11a、12a、13a为朝沿着移动轨迹Tx的方向具有曲率的突曲面，该曲率半径用R表示。
图5的(A)为比较例1，一个磁铁111与检测部20的相对的移动轨迹Tx对置。图5的(B)为比较例2，两个磁铁111、112与检测部20的相对的移动轨迹Tx对置。图5的(C)为比较例3，三个磁铁111、112、113与检测部20的相对的移动轨迹Tx对置。
磁铁111、112、113的对置面111a、112a、113a全部为平面。
实施例的磁铁11、12、13与比较例的磁铁111、112、113为稀土类(Nd-Fe-B类)的注射成型磁铁。
实施例的磁铁11、12、13与比较例的磁铁111、112、113的尺寸均是高度Hm为6mm，沿着移动轨迹Tx的方向的长度L为9mm，与移动轨迹Tx正交的方向的宽度尺寸W为9mm。磁铁11、12、13的对置面11a、12a、13a的曲率半径R为9mm。实施例的磁铁11、12、13的对置面的中心部与移动轨迹Tx的对置距离δa以及比较例的磁铁111、112、113的各对置面与移动轨迹Tx的对置距离δa、即各个磁铁与移动轨迹Tx的对置距离的最小值均为3.55mm。
图4的(B)的实施例2与图5的(B)的比较例2的磁铁间距离S1为17mm，图4的(C)的实施例3与图5的(C)的比较例3的磁铁间距离S2为18mm。
图6的(A)、(B)、(C)示出各实施例的检测部20的移动位置与输出的直线性的误差。图7的(A)、(B)、(C)示出各比较例的检测部20的移动位置与输出的直线性的误差。
图6的各图与图7的各图的横轴表示沿着移动轨迹Tx的磁铁与检测部20的相对位置。
图6的(A)为实施例1的测定结果，横轴的原点“0”是如图4的(A)所示那样检测部20与磁铁11的中心对置的位置。图6的(B)为实施例2的测定结果，横轴的原点“0”为如图4的(B)所示那样检测部20与两个磁铁11、12的中间对置的位置。图6的(C)为实施例3的测定结果，横轴的原点“0”为如图4的(C)所示那样检测部20与中央的磁铁11的中心对置的位置。
图7的(A)为比较例1的测定结果，横轴的原点“0”为如图5的(A)所示那样检测部20与磁铁111的中心对置的位置。图7的(B)为比较例2的测定结果，横轴的原点“0”为如图5的(B)所示那样检测部20与两个磁铁111、112的中间对置的位置。图7的(C)为比较例3的测定结果，横轴的原点“0”为如图5的(C)所示那样检测部20与中央的磁铁111的中心对置的位置。
在图6的(A)、(B)、(C)与图7的(A)、(B)、(C)中，环境温度为150℃时的特性用实线表示，环境温度为-40℃时的特性用虚线表示。
图6的各图与图7的各图的纵轴表示基于搭载于检测部20且具有灵敏度轴Sx的第1磁传感器的检测输出、与具有灵敏度轴Sz的第2磁传感器的检测输出运算得出的反正切的计算值(ATAN)的误差。即，20℃的常温时的反正切的计算值(ATAN)与150℃时的反正切的计算值(ATAN)的差(deg)用实线表示，20℃的常温时的反正切的计算值(ATAN)与-40℃时的反正切的计算值(ATAN)的差(deg)用虚线表示。
可知：在图7的各比较例中，当变为高温环境时，检测部20与磁铁的两端部对置时反正切的计算值的误差变大，损害位置检测的直线性，与此相对，在图6的各实施例中，能够抑制误差，能够改善直线性。
在图6的(A)与图7的(A)中，当将检测部20的相对的移动量设为±3.5mm的范围时，在图7的(A)所示的比较例1中，与计算值(ATAN)的差(deg)为0.24deg，与此相对，在图6的(A)所示的实施例1中，与计算值(ATAN)的差(deg)为0.03deg左右。
在图6的(B)与图7的(B)中，当将检测部20的相对的移动量设为±7.5mm的范围时，在图7的(B)所示的比较例2中，与计算值(ATAN)的差(deg)为0.21deg，与此相对，在图6的(B)所示的实施例2中，与计算值(ATAN)的差(deg)为0.06deg。
在图6的(C)与图7的(C)中，当将检测部20的相对的移动量设为±17mm的范围时，在图7的(C)所示的比较例3中，与计算值(ATAN)的差(deg)为0.25deg，与此相对，在图6的(C)所示的实施例3中，与计算值(ATAN)的差(deg)为0.07deg。
图8是与使图4的(B)所示的实施例2变形后的实施例2A、2B、2C、2D相关的模拟结果。图8的(A)的实施例2A的磁铁的对置面的曲率半径R为4.5mm，图8的(B)的实施例2B的R为6.0mm，图8的(C)的实施例2C的R为9.0mm，图8的(D)的实施例2D的R为12mm。
实施例2A、2B、2C、2D与图7所示的比较例2相比较，反正切的计算值的直线性均得以改善。但是，当将R设为从6.0mm到12mm的范围时，计算值的直线性的改善效果变得非常好。磁铁的对置面与移动轨迹Tx的距离为3.55mm，因此，R/δa的比优选为1.7以上3.4以下的范围。
标记说明
1、1A、1B、1C：位置检测装置；10：移动部；11：第1磁铁；11a：对置面；12：第2磁铁；12a：对置面；13：磁铁；13a：对置面；20：检测部；111、112、113：磁铁；111a、112a、113a：对置面。

Claims (3)

1.一种位置检测装置，具有检测部以及与上述检测部对置的磁铁，上述检测部与上述磁铁相对地移动，其特征在于，
上述磁铁在与上述检测部的相对的移动轨迹正交的朝向上被磁化，在上述检测部设置有对从上述磁铁出来的磁通中的与上述移动轨迹平行的分量进行检测的磁传感器以及对与上述移动轨迹正交的分量进行检测的磁传感器，
上述磁铁沿着上述移动轨迹设置有多个，且分别具有与上述移动轨迹对置的对置面，上述对置面形成于沿着上述移动轨迹的方向的两端部相比中央部远离上述移动轨迹的位置，并且相邻的上述磁铁的上述对置面被磁化为反极性，
上述对置面为在沿着上述移动轨迹的方向上具有曲率的突曲面，
上述曲率的半径为上述对置面与上述移动轨迹的最短距离的1.7倍以上3.4倍以下。
2.如权利要求1所述的位置检测装置，其中，
上述移动轨迹为直线。
3.如权利要求1所述的位置检测装置，其中，
上述移动轨迹为圆弧。
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