JP2005083855A - 非接触型位置センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 検出範囲を大きく取ることができる非接触型位置センサを提供する。
【解決手段】 可動体に取り付けられて可動体と共に変位するリング状磁石３５と、可動体に対する固定側に可動体の変位方向に延伸されて配置され、全体として円筒状外周面を構成すると共に、その円筒の軸回りのらせん状スリット３７によって２つに分割されている軟磁性材料よりなるコア（固定側コア）３１，３２と、スリット３７に配置された磁気センサ３３とよりなる。磁石３５はそのリングの一方の半円部と他方の半円部とが径方向に互いに逆向きに着磁され、コア３１，３２の外周面を所定の間隙３８を介して囲むように配置される。磁石３５の変位に応じて磁気センサ３３を通過する磁束の方向及び磁束密度が変化する。
【選択図】 図１

Description

この発明は直線変位や回転変位を非接触で検出する非接触型位置センサに関する。

図５Ａはこの種の非接触型位置センサの一例として、直線変位する可動体の変位位置を検出する位置センサの従来構成例を示したものであり、この例では可動体（スライダ）１１に一対の磁石（永久磁石）１２，１３が取り付けられ、可動体１１に対する固定側に軟磁性材料よりなるコア１４，１５と磁気センサ１６とが配置されている。

コア１４はコ字状をなすものとされて、そのコ字の両脚部１４ａ，１４ｂが可動体１１の変位方向（図中、矢印で示す）に配列されており、このコア１４のコ字内にコア１５が所定の間隙を介して配置されている。コア１４の両脚部１４ａ，１４ｂの先端面とコア１５の外側面とは同一平面上に位置されている。

一対の磁石１２，１３は板状とされて可動体１１の変位方向に配列されて配置されており、可動体１１の変位に伴い、コア１４，１５と近接対向して変位するものとされる。これら磁石１２，１３はコア１４，１５と対向する方向において、つまり板厚方向において互いに逆向きに着磁されている。

磁気センサ１６はコア１５の内側面とコア１４のコ字の中間部１４ｃとの間の間隙１７に位置されており、間隙１７内においてコア１４，１５間の磁界の強さを検出するものとされる。磁気センサ１６は例えばホール素子を用いて構成されたホールＩＣとされる。

上記のような構成とされた位置センサ１８によれば、磁石１２，１３がコア１４，１５に対してちょうど中央に位置している場合は磁気センサ１６を通過する磁束は０となり、これに対し磁石１２，１３が中央から変位すると、磁束が磁気センサ１６を通過するようになる。磁気センサ１６を通過する磁束の方向及び磁束密度は可動体１１の変位位置に応じて変化し、磁気センサ１６はこの磁界の変化に応じた電圧を出力する。従って、この出力電圧の変化よって可動体１１の直線変位位置を検出することができるものとなっている（例えば、特許文献１参照）。

一方、図６Ａは回転軸の回転変位位置（回転角）を検出する非接触型位置センサの従来構成例を示したものであり、この例では回転軸（図示せず）に変位側コア２１と一対の磁石２２，２３が取り付けられ、回転軸に対する固定側に一対の固定側コア２４，２５と磁気センサ２６とが配置されている。

変位側コア２１は回転軸の軸心を中心とする円筒状とされ、この変位側コア２１の内周面に一対の半円筒状をなす磁石２２，２３が全体として円筒をなすように配置されている。これら磁石２２，２３は円筒の径方向に互いに逆向きに着磁されている。なお、変位側コア２１及び一対の磁石２２，２３は取り付け部材（取り付け板）等を介して回転軸の先端に取り付けられる。

固定側コア２４，２５は磁石２２，２３がなす円筒内に位置され、それぞれ半円柱状とされて、その周面と磁石２２，２３の内周面との間には所定の間隙が設けられている。これら固定側コア２４，２５は径方向に伸びる間隙２７を介して互いに対向されており、この間隙２７に磁気センサ２６が位置されている。磁気センサ２６は前述の磁気センサ１６と同様のものとされ、変位側コア２１及び固定側コア２４，２５は共に軟磁性材料よりなるものとされる。

この図６Ａに示した位置センサ２８によれば、回転軸の回転に伴い、変位側コア２１と磁石２２，２３とが固定側コア２４，２５の回りを回転して磁界が回転し、この磁界の回転により磁気センサ２６を通過する磁束が変化する。従って、磁気センサ２６の出力電圧の変化によって回転軸の回転変位位置を検出することができるものとなっている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−７４４０９号公報 特許第２９２０１７９号公報

上述したように、従来の非接触型位置センサは可動体の変位を磁界の変化によって検出することにより非接触で可動体の変位位置を検出することができるものとなっているものの、構成上、検出可能な変位量に限界があり、検出範囲を大きく取ることができないといった問題があった。

即ち、図５Ａに示した直線変位を検出する位置センサ１８では磁石１２，１３がコア１４，１５に対してちょうど中央に位置している状態から右へ、つまりコア１４の脚部１４ｂ方向へ移動するに従い、磁気センサ１６を通過する磁束は０から徐々に増加し、磁石１３が脚部１４ｂと対向する右端にくると、磁束が最大となる。一方、磁石１２，１３がこれとは逆に左へ、つまりコア１４の脚部１４ａ方向へ移動すると、磁気センサ１６を通過する磁束の方向は右へ移動した場合と逆向きになり、移動するに従い、磁気センサ１６を通過する磁束は徐々に増加し、磁石１２が脚部１４ａと対向する左端にくると、磁束が最大となる。

図５Ｂはこのような磁束の変化による位置センサ１８の出力と変位量の関係を示したものであり、検出可能な変位量は２Ｌ（−Ｌ〜＋Ｌ）となる。
ここで、可動体１１の変位方向のコア１４の脚部１４ａ，１４ｂの長さを共にＬ₁とし、コア１５の長さをＬ₂、磁石１２，１３の長さを共にＬ₃とすると、良好な検出感度を得るために、これらは例えば、
Ｌ₁＝Ｌ₂＝Ｌ₃
Ｌ₃≒２Ｌ
というような関係に選定され、つまりこの場合、検出可能な変位量は各磁石１２，１３の長さ程度となる。

一方、図６Ｂは図６Ａに示した回転変位を検出する位置センサ２８の出力と変位量（回転角）の関係を示したものであり、検出可能な回転角は１８０°（−９０°〜＋９０°）以下となる。
この発明の目的はこのような状況に鑑み、従来より検出範囲を大きくすることができ、広範囲の変位検出が可能な非接触型位置センサを提供することにある。

請求項１の発明によれば、可動体の変位位置を非接触で検出する非接触型位置センサは、可動体に取り付けられて可動体と共に変位するリング状磁石と、可動体に対する固定側に可動体の変位方向に延伸されて配置され、全体として円筒状外周面を構成すると共に、その円筒の軸回りのらせん状スリットによって２つに分割されている軟磁性材料よりなるコアと、上記スリットに配置された磁気センサとよりなり、リング状磁石はそのリングの一方の半円部と他方の半円部とが径方向に互いに逆向きに着磁され、コアの外周面を所定の間隙を介して囲むように配置されているものとされる。

請求項２の発明によれば、可動体の変位位置を非接触で検出する非接触型位置センサは、可動体に取り付けられて可動体と共に変位する磁石と、可動体に対する固定側に可動体の変位方向に延伸されて配置され、全体として円筒状をなすと共に、その円筒の軸回りの互いに対向する２つのらせん状スリットによって２つに分割されている軟磁性材料よりなるコアと、上記スリットに配置された磁気センサとよりなり、磁石はリング状もしくは円柱状をなすものとされて、その一方の半円部と他方の半円部とが径方向に互いに逆向きに着磁され、コアのなす円筒内にコアの内周面と所定の間隙を介して位置されているものとされる。

請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、可動体が回転変位するものとされ、上記コアは円弧をなすように延伸されているものとされる。

この発明によれば、磁界の変化を利用して可動体の変位位置を非接触で検出する位置センサにおいて、検出可能な変位量を従来より大幅に増大することができ、広範囲な変位検出が可能となる。

この発明を実施するための最良の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による非接触型位置センサの一実施例として、直線変位する可動体の変位位置を検出する位置センサの構成を示したものであり、この例では位置センサ３０は固定側コア３１，３２と磁気センサ３３とセパレータ３４と磁石３５と変位側コア３６とによって構成されている。なお、可動体の図示は省略している。

固定側コア３１，３２は全体として円筒状外周面を構成すると共に、その円筒の軸回りのらせん状をなすスリット３７によって２つに分割されてなるものとされ、可動体に対する固定側に可動体の変位方向（図中、矢印で示す）に延伸されて配置される。なお、固定側コア３１，３２はこの例では全体として円筒形をなし、互いに対向する２つのらせん状スリット３７によって分割されたものとなっている。

磁気センサ３３は固定側コア３１，３２の一端側において、一方のスリット３７内に収容配置されており、他方のスリット３７内及び他端側における両スリット３７内にはセパレータ３４がそれぞれ配置されている。固定側コア３１，３２はこの例ではこれら両端に配置された計３つのセパレータ３４によって所定の間隙のスリット３７を保つと共に、互いに固定一体化されている。

変位側コア３６はリング状をなすものとされ、この変位側コア３６の内周面にリング状をなす磁石３５が固定配置されている。磁石３５はそのリングの一方の半円部と他方の半円部とが径方向に互いに逆向きに着磁されている。

変位側コア３６と一体化されてなる磁石３５は固定側コア３１，３２によって挿通されて固定側コア３１，３２の回りを囲むように位置され、固定側コア３１，３２の外周面と磁石３５の内周面とは所定の間隙３８を介して対向されている。このように変位側コア３６と一体化されて固定側コア３１，３２の回りに位置された磁石３５は直線変位する可動体に取り付けられ、固定側コア３１，３２と所定の間隙３８を維持して可動体と共に直線変位するものとされる。

上記のような構造において、固定側コア３１，３２及び変位側コア３６は共に軟磁性材料よりなるものとされ、その材料には例えばけい素鋼等が使用される。磁石３５は例えばボンド磁石とされ、樹脂に混合される永久磁石の粉末にはサマリウムコバルトやフェライトなどの粉末が使用される。セパレータ３４は非磁性材料によって構成される。

磁気センサ３３は例えばホール素子を用いて構成されたホールＩＣとされ、スリット３７内において固定側コア３１，３２間の磁界の変化を検出するものとされる。図中、３３ａは端子を示す。なお、固定側コア３１，３２は図には示していないが、筐体等に取り付けられて固定される。

図２は磁石３５によって構成される磁束線（点線で示す）を示したものであり、磁石３５が可動体と共に変位し、固定側コア３１，３２の延伸方向に移動することにより、らせん状をなすように形成されているスリット３７を通過する磁束は変化する。

図２Ａは磁石３５が固定側コア３１，３２の延伸方向（軸方向）のほぼ中央に位置している状態を示したものであり、この状態ではスリット３７を通過する磁束は０となる。図２Ｂは図１Ａにおいて磁石３５が中央より左寄りに位置した時の状態を示したものであり、この状態では図に示したようにスリット３７を磁束が通過するようになる。

らせん状をなすスリット３７はこの例では磁石３５が固定側コア３１，３２の延伸方向両端に位置した時に、スリット３７を通過する磁束がそれぞれ最大となるように、かつ磁気センサ３３を通過する磁束の方向が逆になるように形成されており、つまり磁石３５が固定側コア３１，３２の右端に位置した時の磁石３５の幅中心（変位方向の中心）と、左端に位置した時の磁石３５の幅中心との間において、スリット３７のなすらせんは軸回りに１８０°回転されている。

このような構成により、磁気センサ３３を通過する磁束の方向及び磁束密度は磁石３５の固定側コア３１，３２の全長にわたる変位に応じて変化するものとなり、磁気センサ３３はこの磁界の変化に応じた電圧を出力し、この磁気センサ３３の出力電圧の変化によって磁石３５が取り付けられている可動体の直線変位位置を検出することができるものとなっている。

上記のような構成を有する位置センサ３０によれば、検出可能な変位量は固定側コア３１，３２の長さから磁石３５の幅を差し引いた長さとなり、よって図５Ａに示した従来の位置センサ１８と比べ、検出範囲を大幅に増大することができ、一例を示せば検出範囲を磁石３５の幅の２０倍程度とすることもできる。

次に、回転変位する可動体の回転変位位置（回転角）を検出することができるようにしたこの発明による位置センサの一実施例を、図３を参照して説明する。
この図３に示した位置センサ４０は図１に示した位置センサ３０における固定側コア３１，３２を円弧をなすように延伸したものであって、この例では円弧の中心角は２７０°程度とされ、つまり固定側コア３１，３２はほぼ３／４円弧を構成するものとされている。

リング状をなして一体化されている変位側コア３６と磁石３５は回転変位する可動体（図示せず）に取り付けられ、磁石３５は固定側コア３１，３２と所定の間隙３８を維持して回転変位するものとされる。なお、例えば回転変位する可動体が回転軸の場合にはその周面に直接変位側コア３６を固定するようにしてもよく、また例えば所要の取り付け部材を介して取り付けるようにしてもよい。

この図３に示した位置センサ４０によれば、検出可能な回転変位量（回転角）は固定側コア３１，３２の長さから磁石３５の幅を差し引いた長さ（円弧）に相当する角度となり、よって検出範囲は図６Ａに示した従来の位置センサ２８における検出範囲１８０°以下を大幅に越えるものとなり、例えば固定側コア３１，３２のなす円弧をさらに延伸することにより、ほぼ３６０°近くまで検出範囲を増大することができる。

なお、これら図１及び図３に示した位置センサ３０，４０では、いずれも固定側コア３１，３２は全体として円筒状をなすものとされ、つまり中空構造となっているが、これに限らず、固定側コア３１，３２が全体として円柱状をなすものとしてもよい。この場合は固定側コア３１，３２はその軸回りの１つのらせん状スリットによって分割され、そのスリットを介して互いに内面が対向された構造となる。

図４は上述した位置センサ３０，４０と異なり、可動体に取り付けられて可動体と共に変位する磁石３５が全体として円筒状をなす固定側コア３１，３２の円筒の内部に位置され、この内部を直線変位する構造とした位置センサ５０を示したものであり、このような構成を採用することもできる。

磁石３５はリング状とされて、その一方の半円部と他方の半円部とが径方向に互いに逆向きに着磁されており、その外周面と固定側コア３１，３２がなす円筒の内周面との間には所定の間隙３８′が設けられ、この間隙３８′を維持して磁石３５は直線変位するものとされる。なお、固定側コア３１，３２を２つに分割しているらせん状をなす２つのスリット３７は図１におけるスリット３７と同様に形成されており、また磁石３５のなすリング内には円柱状をなす変位側コア３６′が固定配置されている。

この図４に示した位置センサ５０においても、磁気センサ３３を通過する磁束の方向及び磁束密度は可動体に取り付けられた磁石３５の変位に応じて変化し、磁気センサ３３はこの磁界の変化に応じた電圧を出力し、この出力電圧の変化によって可動体の直線変位位置を検出することができるものとなる。

なお、この例では円柱状をなす変位側コア３６′の回りにリング状をなす磁石３５が配置されたものとなっているが、例えば磁石３５を円柱形状とし、変位側コア３６′をなしとしてもよい。この場合、磁石３５はリング形状の場合と同様、一方の半円部と他方の半円部とが径方向に互いに逆向きに着磁されているものとされる。

磁気センサ３３は上述した例ではいずれも固定側コア３１，３２の一端側において一方のスリット３７内に配置された構造となっているが、磁気センサ３３の配置位置はこのような固定側コア３１，３２の端部に限らず、固定側コア３１，３２の延伸方向中間部においてスリット３７内に配置することも可能である。

また、スリット３７に配置する磁気センサ３３の数は１つに限らず、複数配置することもでき、例えば固定側コア３１，３２の延伸方向両端にそれぞれ配置するようにしてもよい。この場合、複数の磁気センサ３３の出力を平均化し、それによって変位位置を検出するようにすれば、検出精度の向上を図ることができる。
磁石３５は上述した例ではいずれも着磁方向を途中で変えた１個の磁石としているが、これを着磁方向が互いに逆向きとされた２個の磁石によって構成するようにしてもよい。

請求項１の発明の一実施例を示す図、Ａは斜視図、Ｂは左側面図、Ｃは右側面図。 図１に示した非接触型位置センサにおけるスリットを通過する磁束が変化する様子を示す図。 請求項３の発明の一実施例を示す斜視図。 請求項２の発明の一実施例を示す図、Ａは斜視図、Ｂは左側面図、Ｃは右側面図。 Ａは直線変位を検出する非接触型位置センサの従来構成を示す斜視図、Ｂはその変位量と出力の関係を示すグラフ。 Ａは回転変位を検出する非接触型位置センサの従来構成を示す斜視図、Ｂはその変位量（回転角）と出力の関係を示すグラフ。

Claims (3)

1. 可動体の変位位置を非接触で検出するセンサであって、
   上記可動体に取り付けられて可動体と共に変位するリング状磁石と、
   上記可動体に対する固定側に上記可動体の変位方向に延伸されて配置され、全体として円筒状外周面を構成すると共に、その円筒の軸回りのらせん状スリットによって２つに分割されている軟磁性材料よりなるコアと、
   上記スリットに配置された磁気センサとよりなり、
   上記リング状磁石はそのリングの一方の半円部と他方の半円部とが径方向に互いに逆向きに着磁され、上記コアの外周面を所定の間隙を介して囲むように配置されていることを特徴とする非接触型位置センサ。
2. 可動体の変位位置を非接触で検出するセンサであって、
   上記可動体に取り付けられて可動体と共に変位する磁石と、
   上記可動体に対する固定側に上記可動体の変位方向に延伸されて配置され、全体として円筒状をなすと共に、その円筒の軸回りの互いに対向する２つのらせん状スリットによって２つに分割されている軟磁性材料よりなるコアと、
   上記スリットに配置された磁気センサとよりなり、
   上記磁石はリング状もしくは円柱状をなすものとされて、その一方の半円部と他方の半円部とが径方向に互いに逆向きに着磁され、上記コアのなす円筒内に上記コアの内周面と所定の間隙を介して位置されていることを特徴とする非接触型位置センサ。
3. 請求項１又は２記載の非接触型位置センサにおいて、
   上記可動体は回転変位するものとされ、
   上記コアは円弧をなすように延伸されていることを特徴とする非接触型位置センサ。

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