JP2004508562A - 非接触式線形位置センサ - Google Patents

Abstract

【課題】双極テーパ磁石（２２）を持つ非接触式線形位置センサを提供する。
【解決手段】一対の磁石（２２、２４）が互いに隣接して位置決めされており、移動可能な物体に取り付けられている。各磁石は、磁石の両端よりも薄い中央部分を有する。一対の磁極片（４０、４２）の端部は、中央部分の周囲で平行な関係で間隔が隔てられて配置された端部を有する。これらの磁極片の他端は間隔が隔てられており、その間に磁束センサ（５０）が配置されている。この磁束センサ（５０）は、磁石の移動時に、取り付けられた移動可能な物体の位置を表す可変の磁界を検出する。磁石は、中央部分の両側の極性が逆である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願は、１９９８年１２月９日に出願された「双極テーパ磁石を使用する非接触式位置センサ」という標題の米国特許出願第０９／２０８，２９６号の一部継続出願である。同特許出願に触れたことにより、その特許出願に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。
【０００２】
本願は、１９９９年６月１８日に出願された「半径方向双極テーパ磁石を使用する非接触式位置センサ」という標題の米国特許出願第０９／３３５，５４６号と関連している。同特許出願に触れたことにより、その特許出願に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。
【０００３】
本発明は、全体として、非接触式位置センサに関する。更に詳細には、本発明は、ホール効果装置を使用する非接触式位置センサの磁石の形体に関し、詳細には、自動車の環境で使用される非接触式位置センサの磁石の形体に関する。
【０００４】
【従来の技術】
電子装置は、益々、日々の暮らしのどこにでもあるものとなっている。電子装置及び電子構成要素は、現在は、従来は主に機械的であると考えられた自動車等の製品を含む多数の製品に一体化されている。この風潮は、ほぼ確実に続いていく。電子構成要素及び機械的構成要素をうまく一体化するため、二つの技術間に何等かの種類のインターフェースが必要である。一般的には、このインターフェースは、センサ及びアクチュエータ等の装置を使用して得られる。
【０００５】
位置の感知は、機械的構成要素の位置又は移動を電子的に監視するために使用される。位置センサは、問題の構成要素の位置が変化するときに変化する電気信号を発生する。電気位置センサは、無数の製品の重要な部分である。例えば、位置センサにより、自動車の様々な作動状態及びプロセスを電子的に監視し且つ制御できる。
【０００６】
位置センサは、計測された位置に基づいて適当な電気信号を与えなければならないという点で正確でなければならない。不正確であれば、位置センサは、監視を受ける構成要素の位置を適正に評価したり制御したりすることができない。
【０００７】
更に、位置センサは、その計測が適切に正確でなければならない。計測を行う上で必要とされる正確さは、明らかに、特定の使用環境に応じて変化する。幾つかの目的については、位置をおおまかに示すだけでよい。例えば、バルブが最大に開放されているか或いは最大に閉鎖されているかのいずれかを示す。他の用途では、位置を更に正確に示すことが必要とされる。
【０００８】
位置センサは、更に、このセンサが配置された環境について十分に丈夫でなければならない。例えば、自動車のバルブで使用される位置センサは、自動車が作動している場合、ほぼ一定の移動を被る。このような位置センサは、その寿命中にかなりの機械的振動、過度の熱、及び熱勾配を受けるにも拘わらず、十分な正確さを保持できるように組み立てられた機械的構成要素及び電気的構成要素で形成されていなければならない。
【０００９】
従来、位置センサは、代表的には、「接触」式センサであった。接触式位置センサは、電気信号を発生するため、信号発生器と感知エレメントとの間で物理的接触を必要とする。接触式位置センサは、典型的には、構成要素の位置の関数として変化する電気信号を発生する電位差計を含む。接触式位置センサは、概ね、正確である。残念なことに、接触式位置センサの移動中の接触による摩耗が丈夫さを制限する。更に、接触による摩耗により、センサが構成要素の作動に悪影響を及ぼす場合がある。更に、電位差計センサに水が侵入すると、センサが不能になる場合がある。
【００１０】
センサ技術における一つの重要な発展は、非接触式位置センサの開発であった。一般的提案として、非接触式位置センサ（「ＮＰＳ」）は、信号発生器と感知エレメントとの間の物理的接触を必要としない。本明細書中に説明するように、ＮＰＳは磁石を使用して位置の関数として変化する磁界を発生し、変化する磁界を検出する装置が、監視されるべき構成要素の位置を計測する。多くの場合、ホール効果装置を使用し、この装置に入射する磁束の大きさ及び極性に応じた電気信号を発生する。ホール効果装置は、監視されるべき構成要素に物理的に取り付けることができ、構成要素が移動するときに定置の磁石に対して移動する。逆に、ホール効果装置は、監視されるべき構成要素に取り付けられた磁石に関して定置であってもよい。いずれの場合でも、監視されるべき構成要素の位置は、ホール効果装置が発生する電気信号によって決定できる。
【００１１】
ＮＰＳを使用することにより、接触式位置センサを使用する場合を越える幾つかの明瞭な利点が得られる。ＮＰＳが信号発生器と感知エレメントとの間の物理的接触を必要としないため、作動中の物理的摩耗が少なく、センサの丈夫さが大きくなる。更に、ＮＰＳを使用することは、監視される物体とセンサ自体との間が物理的に全く接触していないためにセンサが構成要素に及ぼす抵抗や抗力が減少するため、有利である。ＮＰＳが電気的接触に依拠していないため、水の侵入により電気的短絡が生じる可能性が小さい。
【００１２】
ＮＰＳを使用することにより幾つかの利点が得られるけれども、ＮＰＳを多くの用途で満足の行く位置センサとするために解決しなければならない幾つかの欠点もある。磁気的不規則性（ｅｄｇｅ　ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ）又は欠陥により、ＮＰＳの正確性が損なわれる場合がある。ＮＰＳの正確性もまた、多くの機械的振動やセンサで起こり易い動揺により悪影響を受ける。監視されるべき物品とセンサとの間に物理的接触がないため、このような振動や摂動等によってこれらが整合状態から外れてしまう場合がある。不整合が生じると、任意の特定の位置で計測された磁界は、元来の整合状態での磁界と異なる。計測された磁界が、適正に整合した場合の磁界と異なるため、感知された位置は不正確である。磁界の強さ及び結果的に得られた信号の線形性もまた関心事である。
【００１３】
ＮＰＳを使用しようとするこれらの試みのうちの幾つかは、現存の装置、例えば、マッカーリー等に付与され且つＣＴＳ社に譲渡された米国特許第５，７１２，５６１号の装置によってなされてきた。同特許に触れたことにより、その特許に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。しかしながら、物品の物理的位置を所定位置での計測された磁界に基づいて更に正確に決定する必要が残されている。更に詳細には、温度変化によるばらつきが最小で磁界の線形性が最大の新たな種類の非接触式位置センサを線形移動の用途で使用することが必要とされている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、取り付けられた移動可能な物体の移動を感知するためのセンサを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本センサは、互いに隣接して配置されており且つ移動可能な物体に取り付けられた第１及び第２の磁石を含む。各磁石は、第１及び第２の磁石の両端よりも薄い中央部分を有する。第１及び第２の磁極片は、第１端及び第２端を有する。第１端は、中央部分の周囲で平行な関係で間隔が隔てられて配置されている。第２端は、間隔が隔てられて配置されている。第１及び第２の空隙が、第１端と磁石との間に形成される。第１及び第２の磁石の移動時に、取り付けられた移動可能な物体の位置を表す可変の磁界を検出するため、磁束センサが、第２端間に配置されている。第１及び第２の磁石は、中央部分の一方の側部に第１極性を有し、中央部分の他方の側部に実質的に逆の第２極性を有する。第１及び第２の磁石の各々は、中央部分にスロットを有する。
【００１６】
添付図面は縮尺通りでない。添付図面は本発明の代表的実施例のみを示そうとするものであり、従って、本発明の範囲を限定しようとするものであると考えられるべきではない。本発明を特定的に且つ詳細に添付図面を通して説明する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、テーパ付きの双極磁石を使用する線形非接触式位置センサ（ＮＰＳ）を示す。好ましい実施例のＮＰＳは、特に、構成要素の線形位置の監視で使用するようになっている。センサ１０はハウジング１２を含む。シャフト１４が、蝶ネクタイ形の磁石アッセンブリ２０に取り付けられている。シャフト１４は、プラスチック等の非鉄材料から形成される。磁石アッセンブリ２０は、Ｖ形でテーパ付きの上磁石２２と、Ｖ形でテーパ付きの下磁石２４とを含む。これらの磁石２２及び２４は厚味のある端部即ち厚端を有し、これらの端部は、これらの端部よりも薄い中央部分２５までテーパ形状をなしている。磁石２２及び２４は、これらの磁石の極性が変化する移行領域２６によって分けられる。これらの磁石は、結合したフェライト又は他の磁性体（又は磁気材料）で形成されている。磁石アッセンブリ２０は、接着剤又は他の手段によってシャフト１４に取り付けることができる。上磁石２２は、Ｎ極領域２２Ａ及びＳ極領域２２Ｂを有する。下磁石２４は、Ｎ極領域２４Ａ及びＳ極領域２４Ｂを有する。Ｎ極領域２２Ａ及び２４Ａは、磁石の極性が変化する移行領域２７によってＳ極領域２２Ｂ及び２４Ｂから分けられている。
【００１８】
磁石２２は上スロット２８を有しており、磁石２４には、下スロット３０が形成されている。これらのスロット２８及び３０は、磁石アッセンブリ２０の狭幅部分に配置されている。スロット２８の上方で上磁石２２のＶ形状の間にある領域に上空隙３２が形成される。同様に、スロット３０の下方で下磁石２４のＶ形状の間にある領域に下空隙３４が形成される。以下に詳細に説明するように、磁石が発生する磁界は、磁石が軸線６０に沿って移動するときに実質的に線形をなして変化する。
【００１９】
Ｌ形の上磁極片４０及びＬ形の下磁極片４２が、ハウジング１２によって保持されている。磁極片４０、は第１アーム４０Ａ及び第２アーム４０Ｂを有する。磁極片４２は、第１アーム４２Ａ及び第２アーム４２Ｂを有する。磁極片４０及び４２は、ステンレス鋼等の透磁性材料（磁気を通す材料）から形成されており、ハウジングに挿入成形される。磁極片４０及び４２は、磁石からの磁束８０をループをなして導く。磁石２２Ａから出た磁束８０は、隙間３２を横切り、磁極片４０、ホール装置５２、磁極片４２、隙間３４、及び磁石２４Ｂを通って移動し、ループを完成する。
【００２０】
ホール効果装置５０等の磁束センサを、第２アーム４０Ｂと４２Ｂとの間に配置する。ホール効果装置５０は、ハイブリッド回路基板又はプリント回路基板（図示せず）上に支持されている。ハイブリッド回路基板又はプリント回路基板に接続するため、ワイヤリード５２がホール効果装置に接続されている。ホール効果装置は、磁石が発生した磁界の縁部不規則性（ｅｄｇｅ　ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ）をなくすため、好ましくは、アーム４０Ｂと４２Ｂとの中間に向かって位置決めされている。ホール効果装置５０及び磁極片４０及び４２は、磁石２２及び２４が軸線６０に沿って移動するとき、定置である（すなわち、動かず静止している）。ホール効果装置及び磁極片は、ハウジング１２内に収容されている。
【００２１】
磁石によって発生されホール効果装置によって検出される磁界の強さが、線形移動に従って変化するため、ホール効果装置が発生する信号はこれに従って変化し、監視されるべき取り付けられた物体の位置を確認できる。
【００２２】
磁石２２及び２４は、磁束密度ベクトル８０によって示されるように、変化する磁界又は磁束を発生する。磁石２２Ａが発生する磁界の極性は、ベクトル８０の上方への方向によって示される。同様に、磁界の強さはベクトルの長さによって示される。磁石２２Ａが発生する磁界の強さは、厚端からスロット２８まで減少する。磁石２２Ｂ、２４Ａ、及び２４Ｂも、図示のように、同様に設計されている。
【００２３】
上スロット２８及び下スロット３０は、空隙３２及び３４内の磁界の線形性を高める。実際には、磁石の薄端は常に有限の厚さを有し、発生する磁界はゼロではない。極性が逆の二つの磁石の薄端が直ぐ隣接している場合には、空隙の中央周囲の組み合わせ磁界は不連続となる。テーパ磁石の隣接した薄端間にスロットを設けることにより、センサ出力の線形性に影響を及ぼすこの不連続性及び他の問題点をなくすことができる。更に、スロット２８及び３０により、一貫したニュートラルゾーンがスロットの中央の周囲に磁化特性の変化とは別個に形成され、これがセンサ出力の線形性を補助する。スロット２８及び３０は、磁石の成形中に形成できる。磁石が個々に形成される場合には、個々の磁石を適切に位置決めすることによって隙間を形成できる。別の態様では、磁石の形成後に磁石の材料を取り除くことによって隙間を形成できる。
【００２４】
ホール効果装置５０等の磁束センサを、アーム４０Ｂと４２Ｂとの間に位置決めする。シャフト１４の移動により、磁石２２及び２４と磁極片４０及び４２との間に相対的な移動を生じる。磁極片内の磁界は、磁石領域２２Ａ、２２Ｂ、２４Ａ、及び２４Ｂが発生する磁界の和である。組み合わせた磁界の極性及び強さは軸線６０に沿って変化する。
【００２５】
磁石２２及び２４が軸線６０に沿って移動する際にホール効果装置５２によって検出される磁界は、磁石領域２２Ａ及び２４Ｂの厚端で大きく上方方向であり、スロット２８及び３０に近付くにつれて実質的に線形をなして減少し、磁界はスロットのところで実質的にゼロになる。磁石が軸線６０に沿って移動し続けるとき、検出される磁界の極性が逆転し、大きさが実質的に線形をなして増大する。
【００２６】
磁界の極性及び強さが線形位置の関数として変化することにより、ホール装置５０からの電気出力信号が変化する。信号は、領域２２Ａ及び２４Ｂの厚端での大きな正の信号から、スロット２８及び３０でのゼロを通って線形をなして大きく変化し、磁石領域２２Ｂ及び２４Ａの厚端で大きな負の信号となる。ホール効果装置５０が発生する信号は、磁極片４０及び４２により運ばれた磁束密度と比例する。所望であれば、磁石の極性の方向を逆にし、信号の傾きを逆にすることができる。両厚端で、例えば＋０．５ｖから＋４．５ｖまでの正の電圧を発生するように出力をオフセットできる。
【００２７】
本発明は、取り付けられた物体の線形移動を測定又は計測する上で有用である。この位置センサは、磁界の線形性及び結果的に得られる信号が改良されており、温度変化による信号のばらつきが小さくなる。これは、スロット２８及び３０の中央の辺りでの磁石の移動により生じる。これは、ゼロガウス点とも呼ばれる。これは、センサの性能を向上し、従来必要とされた回路及びプロセス上の追加の処理の複雑さをなくすことによって温度変化を補償する。本発明による位置センサは、任意の適当な方法で監視されるべき物体に取り付けることができる。
【００２８】
本明細書中に説明した例示の実施例からの多くの変更を、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができるということは理解されるべきである。磁石自体は個々の磁石であってもよいし、又は大きな磁石の磁石部分であってもよい。隣接した磁石又は磁石領域の薄端間の磁石隙間は、様々な方法のうちの任意の方法で形成できる。位置センサが取り付けられた装置の正確な種類は、本発明にとって重要ではない。同様に、本発明による非接触式位置センサと関連して使用される磁束密度センサの特定の種類は重要ではない。磁石アッセンブリを監視されるべき物体に取り付けるのに様々な機構を使用できる。電気接続部及び電気的接続を形成する方法は、好ましい実施例による図示のものとは異なっていてもよい。同様に、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの他の変更を容易に行うことができるということを確認するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、テーパ付き双極磁石を使用する線形位置センサの斜視図である。
【図２】
図２は、図１の側面図である。
【符号の説明】
１０　線形非接触式位置センサ　　　　１２　ハウジング
１４　シャフト　　　　　　　　　　　２０　蝶ネクタイ形磁石アッセンブリ
２２　上Ｖ形テーパ磁石　　　　　　　２２Ａ　Ｎ極領域
２２Ｂ　Ｓ極領域　　　　　　　　　　２４　下Ｖ形テーパ磁石
２４Ａ　Ｎ極領域　　　　　　　　　　２４Ｂ　Ｓ極領域
２５　中央部分　　　　　　　　　　　２６　移行領域
２７　移行領域　　　　　　　　　　　２８　上スロット
３０　下スロット　　　　　　　　　　３２　上空隙
３４　下空隙　　　　　　　　　　　　４０　Ｌ形上磁極片
４０Ａ　第１アーム　　　　　　　　　４０Ｂ　第２アーム
４２　Ｌ形下磁極片　　　　　　　　　４２Ａ　第１アーム
４２Ｂ　第２アーム　　　　　　　　　５２　ホール装置
８０　磁束

Claims (18)

1. 取り付けられた移動可能な物体の移動を感知するためのセンサであって、
   ａ）互いに隣接して位置決めされ且つ前記移動可能な物体に取り付けられたテーパ付きの第１及び第２の磁石を備え、前記第１の磁石と前記第２の磁石の各々は、両端よりも薄い中央部分を有しており、
   ｂ）第１の磁極片及び第２の磁極片を備え、前記第１の磁極片及び第２の磁極片の各々は第１端と第２端とを有しており、前記第１の磁極片の第１端と前記第２の磁極片の第１端とは、前記中央部分の周囲で平行な関係で間隔が隔てられて配置されており、前記第１の磁極片の第２端と前記第２の磁極片の第２端とは、間隔が隔てられて配置されており、
   ｃ）前記第１端と前記磁石との間に形成された第１及び第２の空隙と、
   ｄ）前記第２端間に位置決めされ、前記取り付けられた移動可能な物体の位置を表す可変の磁界を検出するための磁束センサとを備えた、センサ。
2. 請求項１に記載のセンサにおいて、
   前記第１及び第２の磁石の各々は、前記中央部分の一方の側部に第１の極性を有し、前記中央部分の他方の側部に実質的に逆の第２極性を有する、センサ。
3. 請求項２に記載のセンサにおいて、
   前記第１及び第２の磁石の各々は、前記中央部分にスロットを有する、センサ。
4. 請求項２に記載のセンサにおいて、
   前記磁束センサはホール効果装置を含む、センサ。
5. 請求項１に記載のセンサにおいて、
   前記磁石は蝶ネクタイ形状を有する、センサ。
6. 請求項１に記載のセンサにおいて、
   前記センサは線形移動を計測する、センサ。
7. 非接触式位置センサにおいて、
   ａ）互いに隣接して配置された第１及び第２の磁気分極磁石を備え、前記第１の磁気分極磁石及び第２の磁気分極磁石の各々は、一対の厚端と薄い中央部分とを有しており、各磁石の厚さは、前記中央部分から前記厚端まで実質的に線形をなして増大し、一方の厚端は第１の極性を有し、他方の厚端は前記第１極性と実質的に逆の第２の極性を有し、前記磁石は移動可能な物体に取り付けられており、
   ｂ）第１の磁極片及び第２の磁極片を備え、前記第１の磁極片及び第２の磁極片の各々は第１端と第２端とを有しており、前記第１の磁極片の第１端と前記第２の磁極片の第１端とは、前記中央部分の周囲で平行な関係で間隔が隔てられて配置されており、前記第１の磁極片の第２端と前記第２の磁極片の第２端とは、間隔が隔てられて配置されており、
   ｃ）前記第２端間に位置決めされた、前記取り付けられた移動可能な物体の位置を表す可変の磁界を検出するための磁束センサを備えた、非接触式位置センサ。
8. 請求項７に記載のセンサにおいて、
   前記第１及び第２の磁極片は、透磁性材料で形成されている、センサ。
9. 請求項７に記載のセンサにおいて、
   前記第１及び第２の磁石の各々は、前記中央部分にスロットを有する、センサ。
10. 請求項７に記載のセンサにおいて、
    前記磁束センサはホール効果装置である、センサ。
11. 請求項７に記載のセンサにおいて、
    前記磁石は蝶ネクタイ形状を形成する、センサ。
12. 請求項８に記載のセンサにおいて、
    前記第１及び第２の磁極片は、Ｌ形である、センサ。
13. 請求項７に記載のセンサにおいて、
    前記センサはハウジングに収容されている、センサ。
14. 取り付けられた移動可能な物体の移動を感知するためのセンサであって、
    ａ）一対の厚端及び薄い中央部分を持つ蝶ネクタイ形状の磁石と、
    ｂ）第１の磁極片及び第２の磁極片とを備え、前記第１の磁極片及び第２の磁極片の各々は第１端と第２端とを有しており、前記第１の磁極片の第１端と前記第２の磁極片の第１端とは、前記中央部分の周囲で平行な関係で間隔が隔てられて配置されており、前記第１の磁極片の第２端と前記第２の磁極片の第２端とは、間隔が隔てられて配置されており、前記第１の磁極片及び第２の磁極片は、前記移動可能な物体に取り付けられており、
    ｃ）前記移動可能な物体が移動するとき、前記取り付けられた移動可能な物体の位置を表す可変の磁界を検出するため、前記第２端間に位置決めされた磁束センサを備えた、センサ。
15. 請求項１４に記載のセンサにおいて、
    前記蝶ネクタイ形状の磁石は、第１の磁石と第２の磁石とを備えており、前記第１の磁石と第２の磁石の各々は、前記中央部分の一方の側部に第１の極性を有し、前記中央部分の他方の側部に実質的に逆の第２極性を有している、センサ。
16. 請求項１５に記載のセンサにおいて、
    前記第１及び第２の磁石の各々は、前記中央部分にスロットを有する、センサ。
17. 請求項１６に記載のセンサにおいて、
    第１及び第２の空隙が、前記第１端と前記磁石との間に形成される、センサ。
18. 請求項１７に記載のセンサにおいて、
    前記磁束センサはホール効果装置であり、このホール効果装置はワイヤで外部電気回路に接続されている、センサ。