JP2004184319A

JP2004184319A - 磁気式位置検出装置

Info

Publication number: JP2004184319A
Application number: JP2002353788A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Haseo; 康之長谷生; Motoi Oda; 基小田; Akira Uchida; 明内田; Shinji Tsuda; 真二津田
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】磁束を平均化する手段を備えた磁気式位置検出装置において、１８０°より広い変位角の検出を可能とする磁気式位置検出装置を提供する。さらに、異形状容器の液体残量等を計測する際にリニアな検出を可能とする位置検出装置を提供する。
【解決手段】磁気円盤１１と、磁気検出素子１３と、磁気円盤１１および磁気検出素子１３との間において、一方の端面が磁気円盤１１と対向し、他方の端面が磁気検出素子１３と密着するように配置されるとともに、端面形状が磁気円盤１１から磁気検出素子１３に向けて相似な形状で縮小する集磁器１２とを設ける。さらに磁石基板３１１あるいは磁石円盤３１２に設けられた磁性部材３２が平行移動する際の磁気検出素子１３に対する対向面積の変化を、検出対象の位置変化特性に対応したマップ形状にて形成する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、計測器、電気機器、電気機械等の回転角度量や直線移動量を検知する磁気式位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、磁性部材の磁気的結合の面積の変化によって回転角度を検知する装置として位置検知装置が知られている（特許文献１参照）。この位置検出装置は、ギャップを介して対向した半円形の一対のＮ極、Ｓ極の磁石と、この磁石と同様の構成を持つとともに磁束を均一化する磁界誘導板との相対角度変位による磁気的結合の面積変化を回転中心部の磁界変化として磁気検出素子で検出し、回転角を検出するものである。
【０００３】
また、磁気信号を利用した位置、角度検出用として非接触型のポテンショメータが知られており、その構造として磁気式ポテンショメータ（特許文献２参照）、非接触磁気式計測装置（特許文献３参照）が提案されている。この非接触型のポテンショメータは一般的な抵抗接触型ポテンショメータに比べ非接触構造から耐久信頼性が高い。このため位置検出のみならずフロート等を用いて燃料タンクなどの容器内の液体残量の計測などにも広く利用されるようになってきた。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−６６５０８号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−４１７６８号公報
【０００６】
【特許文献３】
特開２００１−９１２９８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載の装置では、対向した一対のＮ極、Ｓ極の磁石と対向した一対の磁界誘導板を使用して回転中心で検出する構造により、最大角度検出範囲が０〜１８０°となってしまう問題がある。また、磁石と磁界誘導板、及びそれらのギャップが検出精度に影響することから構造の複雑化、製作の難しさの問題がある。このため一部のエンジンスロットル等に用途が限定されており、安価に製作して多くの回転部位の角度検出に利用されるものではなかった。
【０００８】
また、上記特許文献２、３に記載の装置では、磁性部材と磁気検出素子との対向面積が水平移動、あるいは回転角に対し規則的な関数式で変化するように磁性体の形状が印刷され、あるいは加工されている。このため、直方体、円柱形などの容器内の液体残量のように、残量に対し変位量が比例するような状態での残量計測に対しては残量に対しリニアな出力を得ることができるものの、自動車の燃料タンクなど限定された部位に異形形状で設置される容器の液体残量などを計測する場合は、残量に対し変位が比例しないため液体残量に対しリニアな出力が得られない。この場合、ポテンショメータの検出出力（電圧出力など）を別途のマイクロコンピュータなどで計算して補正を行うか、あるいはあらかじめ記憶させておいた燃料タンク形状のマップで補完して残量を計測する必要があった。
【０００９】
本発明は、上記点に鑑み、磁束を平均化する手段を備えた磁気式位置検出装置において、１８０°より広い変位角の検出を可能とする磁気式位置検出装置を提供することを目的とする。さらに、異形状容器の液体残量等を計測する際にリニアな検出を可能とする位置検出装置を提供することを他の目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、回転可能な磁気円盤（１１）と、磁気円盤の磁極から生じる磁気を検出する磁気検出素子（１３）と、磁気円盤と磁気検出素子との間において、一方の端面が磁気円盤と対向し、他方の端面が磁気検出素子と密着するように配置されるとともに、端面形状が磁気円盤から磁気検出素子に向けて相似な形状で縮小する集磁器（１２）とを備え、磁気円盤の集磁器及び磁気検出素子に対する相対角度を検出することを特徴としている。
【００１１】
このように、端面形状が磁気円盤から磁気検出素子に向けて相似な形状で縮小する集磁器を用いることで、変位角に対する磁極の面積比に比例した磁束を平均化して磁気検出素子に誘導できるとともに、１８０°を超える変位角度に対し回転角度の検出が行うことができる。
【００１２】
また、集磁器は対向した磁気円盤側の磁束を平均化し、磁気検出素子側へ導くことから、磁気検出素子単体時の検出可能面積以上の磁束を精度良く検出でき、位置検出を高い精度で行うことができる。このため、磁気検出素子の検出可能面積が増加するため、磁気円盤の着磁パターンを大きくすることができる。これにより、磁気円盤の加工精度を向上させることができるとともに、加工が容易になりコストを低減することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明では、磁気円盤の集磁器に対向する面は、その中心から外周方向に向けてアルキメデス曲線（１１１）で区切られており、アルキメデス曲線で区切られた一方の領域が単極着磁され、あるいはアルキメデス曲線で区切られた双方の領域がアルキメデス曲線を境にＮ極およびＳ極とに分極着磁されていることを特徴としている。
【００１４】
このように、アルキメデス曲線で区切った一方の領域を単極着磁し、あるいは双方の領域を分極着磁することで、回転角度に対して比例した磁束を得ることができ、磁気検出素子は回転角度に比例した電気信号を得る事が出来る。さらに、アルキメデス曲線を境に分極着磁した場合には、磁気検出素子にホール素子を使用した際、単極着磁の場合より高感度で磁力を検出する事ができ、高い精度で位置検出をすることができる。
【００１５】
請求項３記載の発明では、磁気円盤の集磁器に対向する面がアルキメデス曲線を境に分極着磁されている場合に、磁気円盤の集磁器に対する反対側の面が磁気円盤の集磁器に対向する面の着磁パターンと相対する磁極で着磁されることにより、磁気円盤が両面着磁されていることを特徴としている。
【００１６】
このように、磁気円盤に両面着磁した場合には磁界の向きが磁石円盤に対して垂直になり、集磁器内を通り磁気検出素子に向かう磁束が単面着磁に比べて増加し、位置検出装置のＳ／Ｎ比が向上する。
【００１７】
請求項４記載の発明では、集磁器は軟磁性体で構成されていることを特徴としている。このように、集磁器を磁力保持力の低いフェライト等の軟磁性体で製作することにより、残留磁束の影響を受けず感度、精度及び応答速度が向上する。
【００１８】
請求項５記載の発明では、磁気検出素子における集磁器の反対面と、磁気円盤における集磁器の反対面との間に、磁性体からなる磁界誘導手段（２２、２３）を設けたことを特徴としている。このように、磁気検出素子の反対面から磁気円盤の反対面までに磁界誘導手段を配することで磁気閉回路を構成して集磁器内の磁束の漏れを低減できるため、検出感度が向上する。
【００１９】
請求項６記載の発明では、磁界誘導手段は、磁気円盤、磁気検出素子および集磁器を収納するケースを兼ねていることを特徴としている。これにより、部品点数を削減し磁気式位置検出装置を製作することができる。
【００２０】
請求項７記載の発明では、磁性部材（３２）を有する磁石基板（３１１、３１２）と、磁性部材と対向するように設けられた磁気検出素子（１３）とを備え、磁石基板が磁気検出素子に対して相対的に平行移動する際の、磁性部材の磁気検出素子に対向する対向面積の変化に基づいて検出対象の位置を検出する磁気式位置検出装置であって、磁性部材の形状は、磁性部材の平行移動による対向面積の変化が検出対象の位置変化特性に対応したマップ形状にて形成されていることを特徴としている。
【００２１】
このように、磁性部材の平行移動による対向面積変化の割合を、あらかじめ計測した計測対象の変化特性に合わせたマップ形状とすることで、磁性部材を有する磁石基板の移動量が計測対象の変位に比例しない場合であっても、磁気検出素子の検出出力は計測対象の変化特性を加味した出力となり補正を不要とすることができる。
【００２２】
請求項８記載の発明のように、磁性部材のマップ形状は、磁性部材の印刷形状により、または、単極着磁あるいは両極着磁の着磁形状により形成することができる。
【００２３】
請求項９記載の発明のように、磁性部材はマップ形状を構成するマップ曲線で区切り、マップ曲線で区切られた一方の領域を単極着磁し、あるいはマップ曲線で区切られた双方の領域がマップ曲線を境にＮ極およびＳ極に分極着磁することで、マップ形状に従い磁束面積割合を変化させることができる。
【００２４】
請求項１０記載の発明では、請求項７ないし９のいずれか１つに記載の磁気式位置検出装置と、磁気式位置検出装置の出力信号を処理する処理回路（４０）と、処理回路からの信号に基づいて検出対象の位置を表示する指示計（４４）とを備えることを特徴としている。
【００２５】
請求項７ないし９に記載の磁気式位置検出装置を用いた計測では、たとえ計測対象物の変化が磁気式位置検出装置の機械的な変位量に比例していなくても、磁気式位置検出装置の電気的出力は計測対象物の変化に比例した出力となる。このため、磁気式位置検出装置の電気的出力に対する補正が不要となり変位量計測システムを簡単に構成することができる。
【００２６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した実施形態を図に基づいて説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
まず、第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。図１は本第１実施形態の磁気式位置検出装置（位置検出センサ）１０１の断面図であり、図２は磁気式位置検出装置１０１の分解斜視図である。
【００２９】
図１、図２に示すように、位置検出装置１０１は、磁石円盤１１、集磁器１２、磁気検出素子１３、回転軸１４、回路基板１５、フレーム２１、トップケース２２、ボトムケース２３、スペーサ２４、Ｏリング２５を備えている。
【００３０】
磁石円盤１１は、両面着磁されているとともにＮ極、Ｓ極に分極着磁された円盤状の磁石である。集磁器１２は、一方の端面が磁石円盤１１に所定間隔を設けて対向するように配置され、磁気円盤１１側から得られる磁力を集約して他方の端面に密着している磁気検出素子１３に導くものである。磁気検出素子１３は、集磁器１２における磁気円盤１１の反対面に密着して配置されている。磁気検出素子１３は磁電変換するものであり、磁石円盤１１におけるＳ極、Ｎ極の面積割合に比例した値を出力する。磁気検出素子１３としては、例えばホール素子または磁気抵抗素子等を用いることができる。磁石円盤１１、集磁器１２、磁気検出素子１３は位置検出装置１０１の検出部を構成している。これらについては後で詳細に説明する。
【００３１】
回路基板１５は、磁気検出素子１３からの電気信号を増幅する電気回路が搭載されており、磁電変換された変位角に対する磁気検出素子１３の出力電圧変化を増幅し、位置検出装置１０１の回転角信号として出力とする。
【００３２】
フレーム２１は、樹脂等の非磁性体の材料で製作され、集磁器１２、回路基板１５の固定と回転軸１４の軸受けの役割を果たすとともに、磁気円盤１１は、回転軸１４を介して回転可能にフレーム２１に支持される。集磁器１２は、フレーム２１における磁石円盤１１の反対側に固定されている。集磁器１２と磁石円盤１１との間はフレーム２１によって一定のギャップが保持され、非接触となっている。集磁器１２の上側には、磁気検出素子１３が搭載された回路基板１５がフレーム２１に固定されており、集磁器１２は磁気検出素子１３より上部から押さえつけられ固定されている。
【００３３】
トップケース２２は、フレーム２１を上側から覆うように配置されている。トップケース２２とフレーム２１との間には、Ｏリング２５が設けられている。ボトムケース２３は、フレーム２１を下側から覆うように配置されている。ボトムケース２３と磁気円盤１１との間には、スペーサ２４が配置される。
【００３４】
トップケース２２、ボトムケース２３は鉄等の強磁性体の材料で製作されている。これによりトップケース２２、ボトムケース２３は、回路基板１５、磁気検出素子１３に対して外来磁気の影響を遮断する役目を果たす。また、トップケース２２、ボトムケース２３は、外来磁気の影響を遮断する役目とともに磁気円盤１１、集磁器１２、磁気検出素子１３、トップケース２２、ボトムケース２３を通した磁気閉回路を構成し、磁気検出素子１３での平均磁力検出の精度向上の役目も持つ。トップケース２２およびボトムケース２３は、本発明の磁界誘導手段を構成している。
【００３５】
図３は、位置検出装置１０１の検出部１１、１２、１３の構成例を示す斜視図である。集磁器１２及び磁気検出素子１３は固定されており、磁石円盤１１が集磁器１２及び磁気検出素子１３に対して回転軸１４で相対的に回転する構造となっている。
【００３６】
磁石円盤１１は、両面着磁されているとともに回転中心からの距離が回転角に比例して大きくなるアルキメデス曲線１１１でＮ極１１２、Ｓ極１１３に分極着磁された磁石である。アルキメデス曲線１１１は計算式ｒ＝ｒ０×ａ×θで表される。そして、磁石円盤１１が集磁器１２と相対回転することで集磁器１２の底面に接する部分のＮ極１１２、Ｓ極１１３の磁極の面積比率が変化するようになっている。
【００３７】
集磁器１２は、両端面を幾何学的に相似な形で拡大あるいは縮小すると一方の端面の磁束分布が他方の端面に相似状に現れることを利用したもので、磁石円盤１１側の端面の磁極面積比に比例した磁束を磁気検出素子１３側の端面に集中誘導するものである。本第１実施形態の集磁器１２は端面が矩形形状となっており、磁石円盤１１→磁気検出素子１３に向けて端面が相似な形で縮小するように構成されている。このような構成の集磁器１２により、磁気円盤１１側の密着面から得られる磁力の平均磁力が集約されて対面の磁気検出素子１３に誘導できる。
【００３８】
集磁器１２として、ソフトフェライト又は低炭素鋼に代表される軟磁性体が用いられている。軟磁性体からなる集磁器１２は残留磁束の影響を受けず、磁化によるヒステリシス誤差を生じない。このため、磁石円盤１１の平均磁力を効率よく磁気検出素子１３へ導くことができる。これにより磁気検出素子１３が、より効果的に磁電変換を行うことができ、感度、精度及び応答速度が向上する。
【００３９】
集磁器１２は、長手方向が磁石円盤１１の半径方向を向くように配置されている。このように、集磁器１２が磁石円盤１１の半径方向に配置され、さらに磁気検出素子１３に上面で接していれば、集磁器１２は底面側のＮ極１１２、Ｓ極１１３の平均磁力を上面に接する磁気検出素子１３へ導く役目を果たす。そして、磁気検出素子１３は集磁器１２から導かれた平均磁力を電気信号に変換する。
【００４０】
図４は、図３の構成における集磁器１２および磁気検出素子１３に対する磁石円盤１１の相対的な回転角度と出力電圧変化の実際の測定結果を示す特性図である。図４に示すように、図３の検出構成によれば磁石円盤１１の回転角度に比例した電気信号が得られ、変位角度０〜３６０°近くまでリニアな出力電圧を得る事が出来る。
【００４１】
図５は位置検出装置１０１の角度検出範囲を変更した場合における磁石円盤１１の着磁パターンを示しており、図５（ａ）は検出範囲１１４が０〜３６０°、図５（ｂ）は検出範囲１１４が０〜１８０°、図５（ｃ）は検出範囲１１４が０〜９０°の場合を示している。
【００４２】
図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各アルキメデス曲線１１１のパターン例のように使用範囲に応じた着磁パターンとすることは角度位置検出範囲１１４において最大の磁極割合変化を得る事が出来るため、使用する角度検出範囲１１４が狭くなっても精度誤差の影響を受けず好適な方法である。なお、図５（ａ）〜（ｃ）で示した３例以外にも検出範囲１１４に応じて任意の角度のアルキメデス曲線１１１のパターンとしても良いことは言うまでもない。
【００４３】
以上、本第１実施形態の位置検出装置１０１のように、端面形状が磁気円盤１１から磁気検出素子１３に向けて相似な形状で縮小する集磁器１２を用いることで、変位角に対する磁極の面積比に比例した平均磁力を集約して磁気検出素子１３に誘導できるとともに、１８０°を超えて３６０°近くまでの変位角度に対し回転角度の検出が行うことができる。また、磁気円盤１１における磁石の極をアルキメデス曲線１１１で区切ることで、リニアな出力を得ることができる。
【００４４】
また、集磁器１２を用いることで、磁気検出素子１３の磁気検出面積が増加したことと同等になり、集磁器１２を使わない同方式の磁気式位置検出装置に比べ、位置検出素子１３の検出精度を向上させることができる。さらに、磁気検出素子１３の検出可能面積が増加することで、磁気円盤１１の着磁パターンを大きくすることができる。これにより、磁気円盤１１の加工精度を向上させることができるとともに、加工が容易になり安価にできる。
【００４５】
また、磁石円盤１１、集磁器１２、磁気検出素子１３のセンシング部に対し、トップケース２２、ボトムケース２３からなる磁界誘導手段によって磁気閉回路を構成することにより磁束の漏れを低減でき、検出感度を向上させて高精度とすることができる。また、ケース２２、２３を用いて磁気閉回路を構成することで部品点数を削減でき、構造も比較的簡単にでき安価に提供できるという効果も奏する。
【００４６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６、図７に基づいて説明する。本第２実施形態は、位置検出装置を燃料タンク内の燃料残量を計測する燃料残量計として適用した例である。
【００４７】
図６は、第２実施形態の位置検出装置を磁気式位置検出装置６４として燃料タンク６１内に組み込んだ燃料残量計の構成例を示す。図６に示すように、燃料タンク６１上部には磁気式位置検出装置６４が取り付けられている。磁気式位置検出装置６４の回転軸上にはアーム６３の一端側がシャフト６５を介して固定されている。アーム６３の回転により、シャフト６５も同角度回転する。
【００４８】
アーム６３の他端側にはフロート６２が回転可能な形で接続されており、フロート６２は燃料タンク６１内の燃料の液面で浮いている。フロート６２の位置が液面変動によって移動するとアーム６３の角度が変わり、シャフト６５が同角度回転する。シャフト６５の回転角度から磁気式位置検出装置６４が角度に応じた電気信号を出力し、この電気信号を燃料の液面高さとみなして燃料タンク６１内の液残量を検出している。
【００４９】
図７は磁気式位置検出装置６４の構成を示しており、図７（ａ）は磁気式位置検出装置６４の平面図、図７（ｂ）は磁気式位置検出装置６４の断面図である。図７に示すように、磁気式位置検出装置６４では、軸を中心に回転可能な磁石円盤６４１がシャフト６５に固定されている。センサハウジングに固定された集磁器６４２と回路基板６４４、および回路基板６４４に固定されたホール素子（磁気検出素子）６４３によって位置検出装置の検出部を構成している。
【００５０】
燃料の液面高さによって回転するアーム６３の回転によってシャフト６５が回転し、シャフト６５に固定された磁石円盤６４１がアーム６３の変動に合わせて同角度回転する。集磁器６４２の磁石円盤６４１に接する面の磁極割合が角度に比例して合わせて増減し、ホール素子６４３にて平均磁力を検出している。回路基板６４４にて磁電変換を行い角度に応じた電気信号を得ている。
【００５１】
以上の磁気式位置検出装置６４の構成により、燃料タンク６１内の液面高さを検出でき、液残量を検出することができる。
【００５２】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８、図９に基づいて説明する。本第３実施形態は、位置検出装置を車両エンジンにおける吸気バルブ制御用アクチュエータ内に組み込んだ例である。
【００５３】
図８は、位置検出装置を吸気バルブ制御用アクチュエータ内に組み込んだ構成例を示している。ハウジング５６内にはアクチュエータ本体をなすモータおよびギア機構５７等が格納されている。ギア機構５７は、モータの回転動力を第１ギア５７４を経て第２ギア５７５に伝達する構造になっている。第２ギア５７５は、円盤状のベース部５９の外周端面にベース部５９と同軸になるように形成されている。また、ベース部５９の外周端面には、第２ギア５７５の他、取り付け用の円弧状の凹部５９１に円弧状の磁石円盤５４が嵌め込まれている。
【００５４】
磁石円盤５４と対向して検出部ベース５５が設けられており、検出部ベース５５にはホール素子５５１と集磁器５５２が設けられている。ホール素子５５１は、集磁器５５２を検出部ベース５５内に固定する形で、検出部ベース５５に固定される。ホール素子５５１は、検出部ベース５５に対して平行に固定される。
【００５５】
図９は、本第３実施形態の位置検出装置の検出部５４、５５１、５５２の拡大図である。磁石円盤５４は円弧形状に形成され、着磁の際にアルキメデス曲線１１１でＮ極１１２とＳ極１１３が区切られている。集磁器５５２は、磁石５４の半径方向（ベース部５９の中心軸とホール素子５５１の中心とを結ぶ線）に対して長手方向が平行となるように配置される。ホール素子５５１は、感磁面が集磁器５５２に密着するように配置されている。
【００５６】
このような検出構成により、集磁器５５２は磁石円盤５４に接する部分における磁石５４の平均磁力を均等にホール素子５５１に接する面から放出する。平均磁力が均等に放出されるため、ホール素子５５１が集磁器５５２に密着していればホール素子５５１の位置に関係なく検出誤差を受けなくなり、リニアで精度の良く回転位置を検出する事が可能となる。
【００５７】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１０〜図１４に基づいて説明する。本第４実施形態は、位置検出装置を異形状のタンクの残量を測定する燃料タンク残量計測システムに適用した例である。本第４実施形態では、位置検出装置の磁気パターン形状をマップ補正することにより、異形状タンクにおける位置検出装置の出力をリニア出力にする。
【００５８】
図１０は、第４実施形態の位置検出装置１０４を使用した燃料タンク残量計測システムの構成例を示している。図１０に示すように、燃料タンク残量計測システムは、フロート４３、回路基板４０、指示計４４、位置検出装置１０４を備えている。位置検出装置１０４は、磁石基板３１１、磁性体３２、磁気検出素子１３から構成されている。
【００５９】
フロート４３は、異形燃料タンク４１の残燃料４２の液面に浮かんでおり、残燃料４２の液面変化により上下方向に移動する。異形燃料タンク４１は、下部が狭く上部が広い形状となっている。このため、フロート４３の移動量は、タンク４１の下部と上部とで異なる。なお、フロート４３の移動に伴う磁石基板３１１の移動方向をＡ、異形燃料タンク４１の狭部範囲をＬ１、広部範囲をＬ２で表している。
【００６０】
次に、位置検出装置１０４による燃料残量の計測方法について説明する。まず、残燃料４２の液面でフロート４３が上下方向に移動すると、位置検出装置１０４の磁石基板３１１に着磁されている磁性体３２が磁気検出素子１３に対してＡ方向に平行移動する。これにより、磁性体３２と磁気検出素子１３の対向面積が変化する。磁気検出素子１３は相応のセンサ出力を位置検出装置１０４の検出出力として回路基板４０に与え、回路基板４０はセンサ出力を増幅し指示計４４にて燃料残量が表示される。
【００６１】
図１１は、本第４実施形態の位置検出装置１０４の斜視図である。図１２に示すように、位置検出装置１０４内の磁石基板３１１には磁性体３２が所定のパターンで形成されている。磁性体３２の着磁の形成は、磁石基板３１１の移動方向Ａと平行であって、磁気検出素子１３の中心線に対し左右対称に形成するのが好ましい。
【００６２】
次に、磁性体３２の着磁パターンを図１２、図１３に基づいて説明する。
【００６３】
図１２は、異形燃料タンク４１の燃料残量と磁性体３２の平行移動量との関係を示す特性図である。図１２に示すように、異形燃料タンク４１の狭部範囲Ｌ１では、磁性体３２の平行移動量に対する燃料残量の変化が比較的小さく、広部範囲Ｌ２では、磁性体３２の平行移動量に対する燃料残量の変化が比較的大きい。
【００６４】
変位に対しリニア（比例）な出力を得る従来の磁気式ポテンショメータ等では、多くの場合に指示計４４が回路出力に対し比例した指示値を示すようになっている。このため、液面変化により燃料残量を検出する場合、回路基板４０はあらかじめ計測しておいた異形燃料タンク４１の形状に従いマイクロコンピュータなどで計算し、又は記憶メモリのマップから残量補正する必要があった。
【００６５】
図１３は、本第４実施形態の磁性体３２における磁気検出素子１３に対向する部位の面積と磁性体３２の平行移動量との関係を示す特性図である。図１３に示すように、燃料残量の変化、すなわち燃料タンク４１の形状の変化をマップ化して磁性体３２の面積変化を燃料残量の変化に対応させている。具体的には、図１２で示した燃料残量と磁性体３２の平行移動量との関係から、燃料タンク４１の狭部範囲Ｌ１、広部範囲Ｌ２における燃料残量に対応するように磁性体３２の狭部の磁性体マップＭ１、広部の磁性体マップＭ２として、燃料タンク４１の形状を磁性体３２の面積にマップ化している。
【００６６】
図１１に戻り、磁性部材３２には、上記図１３の平行移動量と磁性体面積とのマップに従い、異形燃料タンク４１の狭部マップ範囲Ｍ１間は比較的狭い広がりで、広部マップ範囲Ｍ２間は比較的広い広がりの異形燃料タンク４１の固有特性にマップ化され着磁した磁性体３２が形成されている。これにより、異形燃料タンク４１の形状特性を磁性体３２の面積として変換し、燃料残量の変化と磁性体面積を対応させることができる。
【００６７】
図１４は、本第４実施形態の位置検出装置１０４における燃料残量とセンサ出力との関係を示す特性図である。位置検出装置１０４の磁気検出素子１３は、着磁された磁性体３２との対向面積に比例した値を出力する。このため本第４実施形態の位置検出装置１０４のセンサ出力は、図１４に示すように、異形燃料タンク４１の形状（固有特性）に対応した磁性体３２の形状に従い、異形燃料タンク４１の形状を補正した出力となる。これにより、位置検出装置１０４は、異形燃料タンク４１の狭部範囲Ｌ１、広部範囲Ｌ２においても残燃料４２に対しリニア（直線的な特性）な出力を得ることができる。
【００６８】
この結果、図１０に示した回路基板４０では、計算又はマップにて残量補正をする必要がない。従って、簡便かつ最小の回路構成で指示計４４にて燃料残量を表示することができ、異形燃料タンク４１における燃料残量表示システムを簡便に安価に構成することができる。このように、異形燃料タンク４１の残燃料計測のような計測において、あらかじめ位置検出装置内の磁性体３２を計測対象の特性に合わせたマップ形状に着磁することでリニアな出力を得ることができる。これにより、センサ出力の補正の必要がなく、その後の回路を大幅に簡略化することができる。
【００６９】
また、本第４実施形態の位置検出装置１０４における磁石基板３１１の磁性体３２は、多くの場合において磁石基板３１１上の磁性体３２に単極、あるいは両極着磁の処理を行う製法で製作されている。このため着磁処理において従来の規則的な広がり（平行移動に比例した広がり）から、異形燃料タンク４１の固有特性に合わせたマップ形状の着磁処理に変更するだけで良く、製作工程を変更することなく容易に実施することができる。従って、複雑な形状の異形タンク４１にも、容易に対応することができる。
【００７０】
さらに、本第４実施形態の位置検出装置１０４の磁性体３２は、検出形状となるよう磁石基板３１１上に磁性体３２を印刷塗布し乾燥硬化した後に着磁の処理を行う製法でも製作できる。この場合においても磁性体３２の印刷塗布で異形燃料タンク４１の固有特性に合わせたマップ形状で印刷して磁性体３２を全面着磁すれば良く、製作工程を変更することなく容易に実施することができる。
【００７１】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１５〜図２２に基づいて説明する。本第５実施形態は、位置検出装置を異形状のタンクの残量を測定する燃料タンク残量計測システムに適用した例である。本第５実施形態では、上記第４実施形態と比較して、位置検出装置が角度検出機構に構成されている点が異なる。上記第４実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。
【００７２】
図１５は、本第５実施形態になる位置検出装置１０５を使用した燃料タンク残量計測システムの構成例を示す概念図であり、図１５（ａ）は左側面図、図１５（ｂ）は正面図である。図１５に示すように、本第５実施形態の位置検出装置１０５は角度検出機構を有している。具体的には、残燃料４２の液面におけるフロート４３の上下移動によりロッド４５が回転することで位置検出装置１０５のシャフトが回転し、位置検出装置１０５が変位角相応のセンサ出力を出力し回路基板４０で増幅し指示計４４にて表示する。
【００７３】
図１６は、本第５実施形態の位置検出装置１０５の斜視図である。図１６に示すように、本第５実施形態の位置検出装置１０５は、回転軸１４、磁性体３２が形成された磁石円盤３１２、磁気検出素子１３から構成されている。磁気検出素子１３は、磁性体３２に対して平行かつ対向して配置されている。回転軸１４の回転により磁石円盤３１２が回転し、それに伴い磁性体３２が磁気検出素子１３と平行に回転する。これにより、磁気検出素子１３と磁性体３２との対向面積が変化するため、この面積変化を磁気検出素子１３がセンサ出力として出力し、位置検出装置１０５の出力を得るようになっている。
【００７４】
次に、磁性体３２の着磁パターンを図１７、図１８に基づいて説明する。
【００７５】
図１７は、異形燃料タンク４１の燃料残量と磁石円盤３１２の変位角との関係を示す特性図である。図１７においても、上記第４実施形態の図１２の場合と同様、異形燃料タンク４１の狭部範囲Ｌ１間は変位角に対する残量の変化が比較的小さく、また広部範囲Ｌ２間は変位角に対し残量の変化が比較的大きくなっている。そこで第５実施形態の位置検出装置１０５においても第４実施形態と同様に磁性体面積マップ化を実施する。
【００７６】
図１８は、本第５実施形態の磁性体３２における磁気検出素子１３に対向する部位の面積と磁石円盤３１２の変位角との関係を示す特性図である。図１８に示すように、上記第４実施形態と同様、燃料残量の変化、ずなわち燃料タンク４１の形状の変化をマップ化して磁性体３２の面積変化を燃料残量の変化に対応させており、異形燃料タンク４１の固有特性を磁性体３２の面積として変換した推定計算値を示している。具体的には、図１７の変位角と燃料残量の関係から、位置検出装置１０５内の磁性体３２の形状を狭部マップ範囲Ｍ１、広部マップ範囲Ｍ２等に磁性体３２の面積としてマップ化している。
【００７７】
図１６に戻り、本第５実施形態の位置検出装置１０５内の磁石円盤３１２には、図１８の変位角と磁性体３２の面積のマップに従い、磁気検出素子１３の中心を起点とした円周線３３を基準にして、異形燃料タンク４１の狭部マップ範囲Ｍ１間は比較的狭い広がりで、広部マップ範囲Ｍ２間は比較的広い広がりの異形燃料タンク４１の固有特性にマップ化された磁性体３２が着磁されている。
【００７８】
図１９は、本第５実施形態の位置検出装置１０４における燃料残量とセンサ出力との関係を示す特性図である。図１９に示すように、位置検出装置１０５のセンサ出力は、異形燃料タンク４１の形状（固有特性）に対応した磁性体３２の形状に従い、異形燃料タンク４１の形状（固有の特性）を補正した出力となる。これにより、異形燃料タンク４１の狭部範囲Ｌ１、広部範囲Ｌ２においても残燃料４２に対しリニア（直線的な特性）な出力を得ることができる。
【００７９】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図２０〜図２２に基づいて説明する。本第６実施形態は、上記第５実施形態に比較して、位置検出装置１０５内の磁性体３２が両極着磁方式で構成されている点が異なるものである。上記第５実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００８０】
図２０は本第６実施形態の位置検出装置１０６の斜視図であり、図２１は位置検出装置１０６の磁気円盤３１２の平面図である。図２０、図２１に示すように、本第６実施形態の磁石円盤３１２には、Ｎ極１１２、Ｓ極１１３の両極が分極着磁されている。
【００８１】
図２２は、本第６実施形態の磁気円盤３１２おけるＮ極１１２、Ｓ極１１３の磁極比率と磁気円盤３１２の変位角との関係を示す特性図である。図２２に示すように、本第６実施形態の磁気円盤３１２では、燃料残量の変化、ずなわち燃料タンク４１の形状の変化をマップ化してＮ極１１２、Ｓ極１１３の相対割合（形状）を燃料残量の変化に対応させており、異形燃料タンク４１の固有特性を磁気円盤３１２の磁極比率として変換した推測計算値を示している。具体的には、上記第５実施形態における図１７の変位角と燃料残量の関係から、両極着磁方式のＮ極１１２、Ｓ極１１３の磁極比率を狭部マップ範囲Ｍ１、広部マップ範囲Ｍ２等によりマップ化している。
【００８２】
図２１に戻り、本第５実施形態の磁石円盤３１２におけるＮ極１１２、Ｓ極１１３の着磁は、回転軸１４を中心に磁石円盤３１２の半径方向に、図２２の変位角に対するＮ極１１２、Ｓ極１１３の磁極比率のマップに従い実施する。図２１に示すように、変位角に比例出力する従来の位置検出装置に多く採用されている規則的に広がる規則線３４と比較すると、Ｎ極１１２、Ｓ極１１３の磁極比率が異形燃料タンク４１の固有特性に従ってマップ形状に変化していることが理解できる。
【００８３】
以上のように、本第６実施形態においても、Ｎ極１１２、Ｓ極１１３の半径方向の着磁割合が変位角に添って異形燃料タンク４１のマップ形状となっている。このため、Ｎ極１１２、Ｓ極１１３の磁極比率を出力とする磁気検出素子１３のセンサ出力は、異形燃料タンク４１の固有特性に従って形成されたＮ極１１２、Ｓ極１１３の着磁パターンにより、異形燃料タンク４１の形状（固有の特性）を補正した出力となる。
【００８４】
このように、本第６実施形態の構成においても、異形燃料タンク４１の狭部範囲Ｌ１、広部範囲Ｌ２で残燃料４２に対しリニア（直線的な特性）な出力を得ることができる。従って、回路基板４０での計算、マップによる補正を行うことなく指示器４４で燃料残量を表示することができる。
【００８５】
（他の実施形態）
なお、上記第２実施形態では本発明の位置検出装置を燃料残量計に適用し、上記第３実施形態では吸気バルブ制御用アクチュエータに適用したが、これらに限らず、位置検出を必要とするどのような装置にも使用可能であり、上記２例に限られないことは言うまでもない。
【００８６】
また、上記第４、第５実施形態では、位置検出装置１０４、１０５を異形燃料タンク４１の残燃料４２の計測に用いた場合について説明したが、計測対象が異形の形状などから固有の特性を持ち、位置検出装置で計測するものならどのような計測対象であっても良く、異形燃料タンク４１の残燃料４２の計測に限られないことは言うまでもない。
【００８７】
また、上記第１〜第３実施形態の位置検出装置で設けられた集磁器１２、６４２、５５２を、上記第４〜第６実施形態における磁性体の着磁パターンをマップ形状とした位置検出装置に用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における位置検出装置の断面図である。
【図２】第１実施形態の位置検出装置の分解斜視図である。
【図３】第１実施形態の位置検出装置の検出部の構成例を示す斜視図である。
【図４】集磁器および磁気検出素子に対する磁石円盤の相対的な回転角度と出力電圧変化の実際の測定結果を示す特性図である。
【図５】第１実施形態において回転角度検出範囲を変更した場合の磁気円盤の平面図である。
【図６】本発明の第２実施形態における燃料タンク残量計を備える燃料タンクの部分断面側面図である。
【図７】（ａ）は第２実施形態の位置検出センサの平面図、（ｂ）は断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態におけるアクチュエータの部分断面側面図である。
【図９】図８の位置検出装置の検出部の拡大図である。
【図１０】本発明の第４実施形態における燃料タンク残量計測システムの構成を示す概念図である。
【図１１】図１０の位置検出装置１０４の斜視図である。
【図１２】第４実施形態の異形燃料タンクの燃料残量と磁性体の平行移動量との関係を示す特性図である。
【図１３】第４実施形態の磁性体における磁気検出素子に対向する部位の面積と磁性体の平行移動量との関係を示す特性図である。
【図１４】第４実施形態の位置検出装置における燃料残量とセンサ出力との関係を示す特性図である。
【図１５】本発明の第５実施形態による位置検出装置を使用した燃料タンク残量計測システムの構成例を示す概念図である。
【図１６】第５実施形態の位置検出装置の斜視図である。
【図１７】第５実施形態の異形燃料タンクの燃料残量と磁石円盤の変位角との関係を示す特性図である。
【図１８】第５実施形態の磁性体における磁気検出素子に対向する部位の面積と磁石円盤の変位角との関係を示す特性図である。
【図１９】第５実施形態の位置検出装置における燃料残量とセンサ出力との関係を示す特性図である。
【図２０】第６実施形態の位置検出装置１０６の斜視図である。
【図２１】第６実施形態の位置検出装置の磁気円盤の平面図である。
【図２２】第６実施形態の磁気円盤おけるＮ極、Ｓ極の磁極比率と磁気円盤の変位角との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０１…第１実施形態の位置検出装置、１０４…第４実施形態の位置検出装置、１０５…第５実施形態の位置検出装置、１０６…第６実施形態の位置検出装置、１１…磁石円盤、１１１…アルキメデス曲線、１１２…Ｎ極、１１３…Ｓ極、１１４…検出範囲、１２…集磁器、１３…磁気検出素子、１４…回転軸、１５…回路基板、２１…フレーム、２２…トップケース、２３…ボトムケース、２４…スペーサ、２５…Ｏリング、３１１…磁石基板、３１２…磁石円盤、３２…磁性体、３３…円周線、３４…規則線、４０…回路基板、４１…異形燃料タンク、４２…残燃料、４３…フロート、４４…指示計、４５…ロッド、５４…磁石円盤（円弧状）、５５…検出部ベース、５５１…ホール素子、５５２…集磁器、５６…ハウジング、５７…ギア機構、５７４…第１ギア、５７５…第２ギア、５９…ベース部、５９１…凹部、６１…燃料タンク、６２…フロート、６３…アーム、６４…磁気式位置検出センサ、６４１…磁石円盤、６４２…集磁器、６４３…ホール素子、６４４…回路基板、６５…シャフト。

Claims

回転可能な磁気円盤（１１）と、
前記磁気円盤の磁極から生じる磁気を検出する磁気検出素子（１３）と、
前記磁気円盤と前記磁気検出素子との間において、一方の端面が前記磁気円盤と対向し、他方の端面が前記磁気検出素子と密着するように配置されるとともに、端面形状が前記磁気円盤から前記磁気検出素子に向けて相似な形状で縮小する集磁器（１２）とを備え、
前記磁気円盤の前記集磁器及び前記磁気検出素子に対する相対角度を検出することを特徴とする磁気式位置検出装置。
前記磁気円盤の前記集磁器に対向する面は、その中心から外周方向に向けてアルキメデス曲線（１１１）で区切られており、
前記アルキメデス曲線で区切られた一方の領域が単極着磁され、あるいは前記アルキメデス曲線で区切られた双方の領域が前記アルキメデス曲線を境にＮ極およびＳ極とに分極着磁されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気式位置検出装置。
前記磁気円盤の前記集磁器に対向する面が前記アルキメデス曲線を境に分極着磁されている場合に、前記磁気円盤の前記集磁器に対する反対側の面が前記磁気円盤の前記集磁器に対向する面の着磁パターンと相対する磁極で着磁されることにより、前記磁気円盤が両面着磁されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気式位置検出装置。
前記集磁器は軟磁性体で構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の磁気式位置検出装置。
前記磁気検出素子における前記集磁器の反対面と、前記磁気円盤における前記集磁器の反対面との間に、磁性体からなる磁界誘導手段（２２、２３）を設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の磁気式位置検出装置。
前記磁界誘導手段は、前記磁気円盤、前記磁気検出素子および前記集磁器を収納するケースを兼ねていることを特徴とする請求項５に記載の磁気式位置検出装置。
磁性部材（３２）を有する磁石基板（３１１、３１２）と、前記磁性部材と対向するように設けられた磁気検出素子（１３）とを備え、前記磁石基板が前記磁気検出素子に対して相対的に平行移動する際の、前記磁性部材の前記磁気検出素子に対向する対向面積の変化に基づいて検出対象の位置を検出する磁気式位置検出装置であって、
前記磁性部材の形状は、前記磁性部材の平行移動による対向面積の変化が前記検出対象の位置変化特性に対応したマップ形状にて形成されていることを特徴とする磁気式位置検出装置。
前記磁性部材の前記マップ形状は、前記磁性部材の印刷形状により、または、単極着磁あるいは両極着磁の着磁形状により形成されていることを特徴とする請求項７に記載の磁気式位置検出装置。
前記磁性部材は前記マップ形状を構成するマップ曲線で区切られており、前記マップ曲線で区切られた一方の領域が単極着磁され、あるいは前記マップ曲線で区切られた双方の領域が前記マップ曲線を境にＮ極およびＳ極に分極着磁されていることを特徴とした請求項７に記載の磁気式位置検出装置。
請求項７ないし９のいずれか１つに記載の磁気式位置検出装置と、
前記磁気式位置検出装置の出力信号を処理する処理回路（４０）と、
前記処理回路からの信号に基づいて前記検出対象の位置を表示する指示計（４４）とを備えることを特徴とする変位量計測システム。