JP2005338003A - 磁界形成デバイス及びこれを用いた変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 変位センサを組み立てるとき、永久磁石などの磁気部材を可動部材に対して規定位置に精度良く取り付け可能にする。
【解決手段】 変位センサ（１０）において、可動部材（１４）のシャフト（２４）は筒状部分（２６）をもつ。筒状部分（２６）の一端は開口（２６ｃ）である。永久磁石などの棒状の磁気部材（２８）の細い箇所にスペーサ３２が外嵌され、その磁気部材（２８）が開口（２６ｃ）から筒状部分（２６）内に挿入される。磁気部材（２８）の最も太い箇所とスペーサ３２とが、筒状部分（２６）の側壁（２６ｂ）に密着することで、磁気部材（２８）が筒状部分（２６）と同軸になるよう配置される。磁気部材（２８）を軸方向に動かないよう固定するため、筒状部分（２６）の開口（２６ｃ）にストッパ（２６ｄ）が施される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホールICのような磁気感応素子と、磁界を発生し、磁気感応素子に対して相対的に移動可能な磁界形成デバイスとを備え、磁気感応素子と磁界形成デバイスとの間の相対的な変位量に応じたレベルをもつ電気信号を磁気感応素子から出力する変位センサに関する。

本発明はまた、永久磁石のような磁気部材を用いて外部空間に磁界を提供するための磁気形成デバイスに関する。

特許文献１に開示された位置測定装置（変位センサ）は、エンジンの給排気弁の駆動軸のような可動部材に取り付けられた永久磁石を有し、この永久磁石とホール素子により、給排気弁の位置（変位）が検出される。棒状の永久磁石は、駆動軸の末端に結合された筒状部材の中に収容され、エポキシ樹脂系の接着剤により筒状部材の中で弾性的に固定される。

特開２００１−２６３３１９号公報

この種の変位センサにおいて、永久磁石は加工が困難であるため、これを直接的に上述した給排気弁の駆動軸のような可動部材に取り付けることは困難である。そこで、特許文献１に開示された発明では、検出対象物に筒状部材を取り付け、その筒状部材の中に永久磁石を収容して固定するという構成が採用される。この構成においては、永久磁石は筒状部材内の規定の位置、典型的には、永久磁石の中心軸が筒状部材の中心軸に一致する位置（つまり、筒状部材と同軸の位置）に配置される必要がある。しかし、特許文献１に記載されたように接着剤を用いて永久磁石を筒状部材内に固定するという組み立て方法では、永久磁石の中心軸を筒状部材の中心軸に精度良く位置合わせすることが難しい。また、この組み立て方法では、接着剤が硬化するまでに相当の時間がかかるので、組み立てが遅いという問題もある。

従って、本発明の目的は、磁界形成デバイス又はこれを用いた変位センサにおいて、永久磁石などの磁気部材を規定位置に精度良く取り付け可能にすることにある。

本発明の別の目的は、磁気部材を取り付けるための作業を容易にすることにある。

本発明に従う、磁界を外部空間に提供するための磁界形成デバイスは、柱状の内部空間を囲んだ側壁をもつ筒状部分を有し、この筒状部分の一端に開口を有するシャフトと、このシャフトの筒状部分の内部空間内に入れられて筒状部分に対して固定される、前記磁界を発生するための棒状の磁気部材と、この磁気部材に外嵌され且つ前記筒状部分の側壁に密着して、磁気部材の中心軸を筒状部分の規定位置に固定するリング状のスペーサとを有する。

この磁界形成デバイスにおいては、棒状の磁気部材に外嵌されたリング状のスペーサが、シャフトの筒状部分の側壁に密着して、磁気部材の中心軸を筒状部分の内部空間の規定位置（例えば、内部空間の中心軸の位置）に固定する。組み立て時には、磁気部材にリング状のスペーサを外嵌し、その磁気部材をシャフトの一端の開口から筒状部分の内部空間に挿入するという簡単な作業で、磁気部材の中心軸を内部空間の規定位置に精度良く位置合わせすることができる。

好適な実施形態では、棒状の磁気部材は、軸方向で外径が変化する形状（例えば、中央箇所が最も太くなった紡錘形状）をしている。シャフトの筒状部分の内部空間は、磁気部材の最も太い箇所とフィットするサイズと形に形成されている。よって、磁気部材はその最も太い箇所にて、シャフトの筒状部分の側壁に密着する。そして、リング状のスペーサは、磁気部材のより細い所定の一箇所に外嵌されて、シャフトの筒状部分の側壁に密着する。その結果、磁気部材の最も太い箇所と、リング状のスペーサにより、磁気部材の中心軸の位置が固定される。この構成によれば、組み立て時に、一個のリング状のスペーサを磁気部材の上記所定の一箇所に外嵌して、筒状部分の内部空間に挿入するという極めて単純な作業で、磁気部材の中心軸の位置を筒状部分の規定位置に固定することができる。

好適な実施形態では、磁気部材を筒状部分内で中心軸方向に移動しないよう固定するストッパが、筒状部分の開口の近傍に設けられる。この構成によれば、組み立て時には、磁気部材をシャフトの筒状部分の内部空間へ挿入し、そして、磁気部材が筒状部分から抜け出ないように開口の近傍にストッパを施すという簡単な作業で、磁気部材をシャフトに完全に固定することができる。

好適な実施形態では、前記スペーサが、前記筒状部分の開口の近傍に配置され、そのスペーサに、上述の穴又は溝が設けられる。そして、上記のストッパが、上記開口の近傍であって前記穴又は溝を塞がないような位置に設けられる。

好適な実施形態では、さらに、シャフトの筒状部分の内部空間とシャフトの外部空間とを連通するための穴又は溝が、筒状部分の側壁又はスペーサに設けられる。例えば、この変位センサが油圧の差圧センサや油圧バルブのストロークセンサなどの用途に適用される場合、可動部材が移動する空間（つまり、シャフトの外部空間）は作動油で満たされ、そして、その外部空間の油圧が大きく変動することが多い。このように外部空間の圧力が大きく変動する場合であっても、外部空間と内部空間を連通する穴又は溝が、外部空間と内部空間の間の圧力差が過大になることを防止し、その結果、その圧力差によって磁気部材がシャフト外へ押し出されたり或いはシャフトが破壊されたりするという虞が解消される。

本発明の別の側面に従う変位センサは、磁気感応素子を有する本体と、この本体に対し相対的に移動可能であり、変位に応じた強度をもつ磁界を磁気感応素子の位置に提供するための、上述した構成の磁気形成デバイスとを備える。

図１は、本発明に従う磁界形成デバイスを用いた変位センサの一実施形態の断面図である。図中、斜線のハッチングで示された部品は、磁性材料製の部品である。白抜きで示された部品は、永久磁石２８を除き、非磁性材料（例えば、非磁性ステンレス鋼、プラスチック、ゴムなど）製の部品である。

図１に示すように、変位センサ１０は、センサ本体１２と、センサ本体１２内に挿入される棒状の軸方向に移動可能な磁気形成デバイス（以下、可動プラグという）１４を備える。センサ本体１２は、前後端に開口もつ筒状の本体ハウジング１６を有し、この本体ハウジング１６の後端に本体キャップ１８が被せられている。本体ハウジング１６と本体キャップ１８は共に磁性材料製であり、センサ本体１２の外殻を構成し、センサ本体１２の内部を外部から磁気的に遮蔽する機能を持つ。

本体ハウジング１６内には、その前端の開口側から耐圧スリーブ２０が挿入されて固定されている。耐圧スリーブ２０の外側面の異なる位置に、１個又は複数個（この実施形態では例えば２個）の磁気感応素子、例えばホールＩＣ３４Ａ、３４Ｂが固定されている。これらのホールＩＣ３４Ａ、３４Ｂの出力信号は信号ケーブル３７を通じてセンサ本体１２の外部へ取り出され、図示しない信号処理回路に入力される。

耐圧スリーブ２０は、その前端に開口を有し、その内側には、耐圧スリーブ２０の壁によって囲まれた細長い円柱状の、可動プラグ１４のための移動空間３０を有する。この変位センサ１０の代表的な用途は、例えば、油圧の差圧で移動するスプールの変位量や油圧バルブのストローク量の検出のような油圧機械での変位量検出であり、この用途において、耐圧スリーブ２０内側の移動空間３０は高圧の作動油で満たされ、耐圧スリーブ２０の壁には高圧の油圧が加わる。耐圧スリーブ２０は、堅牢な非磁性材料（例えば、非磁性ステンレス鋼）製であり、内側空間３０からの高圧の油圧に耐えられる十分な強度をもつ。

可動プラグ１４が、耐圧スリーブ２０の前端の開口から移動空間３０内に挿入される。可動プラグ１４は移動空間３０と同軸の位置に配置される。可動プラグ１４は、その中心軸２２に沿って一定の距離範囲内で移動可能である。可動プラグ１４の耐圧スリーブ２０内に挿入された部分の外径は、耐圧スリーブ２０の内径より僅かに小さく、可動プラグ１４の外面と耐圧スリーブ２０の内面との間には微小なクリアランスが確保され、それにより、可動プラグ１４はスムーズに移動できる。上述したように、油圧機械での変位量検出の用途では、可動プラグ１４と耐圧スリーブ２０の間の隙間（移動空間３０）は作動油で満たされる。

可動プラグ１４の本体は、非磁性材料製のほぼ円柱形のシャフト２４である。このシャフト２４の前端部分２５には、変位量測定の対象物、例えば油圧バルブのスプールなどに結合するための螺子が形成されている。シャフト２４の後半の耐圧スリーブ２０内に挿入される部分２６は、永久磁石２８を固定するためのホルダとなっている。このホルダ２６は円筒形であって、円柱形の内部空間２６ａを囲んだ側壁２６ｂを有し、また、後端には開口２６ｃを有する。このホルダ２６の内部空間２６ａ内に、丸棒状の永久磁石２８が収容されている。ホルダ２６の側壁２６ｂの後端縁には複数の爪２６ｄがある。これらの爪２６ｄは、開口２６ｃを閉じるように内側へ折り曲げられて永久磁石２８の後端面に当接している。つまり、爪２６ｄは、ストッパとして、ホルダ２４ｂ内で永久磁石２８を中心軸２２方向に動かないように固定する。また、次に述べる方法により、永久磁石２８はホルダ２６内でこれと同軸の位置に固定される。

永久磁石２８は、中心軸２２方向の場所によって太さ（外径）が異なるような形状に成形されている。例えば、この実施形態では、永久磁石２８は、軸方向の中央箇所で最も太く、そこから両端へむかってテーパする紡錘状の形状に成形されている。このような永久磁石２８の形状は、永久磁石２８により形成される磁界３３の強度（特に、ホールＩＣ３４Ａ、３４Ｂにより検出される磁界成分の強度）の分布を所定の特性（例えばリニア）にするために選ばれたものである。そして、ホルダ２６の内部空間２６ａは、永久磁石２８の最も太い箇所（この実施形態では中央箇所）にフィットする形状とサイズになっている。従って、永久磁石２８は、その最も太い中央箇所にて、ホルダ２６の側壁２６ｂに密着している。永久磁石２８の細い後端部に、円リング状のスペーサ３２が外嵌されている。スペーサ３２は、その内側面にて永久磁石２８に密着するとともに、その外側面にてホルダ２６の側壁２６ｂに密着している。従って、永久磁石２８は、その最も太い中央箇所と、スペーサ３２の取り付けられた後端の２箇所にて、その軸位置がホルダ２４ｂの中心軸２２に一致するように固定される。スペーサ３２の材質を適切に選ぶことで、永久磁石２８に加わるストレスを和らげることも可能である。

ホルダ２６の内部空間２６ａは、永久磁石２８の中央部より前方の領域と後方の領域の２つの領域に分かれる。ホルダ２６の側壁２６ｂの１箇所又は複数箇所に、ホルダ２６の内部空間２６ａの前方領域とホルダ２６の外部空間（つまり、移動空間３０）とを連通する圧力逃がし穴２６ｅが穿たれている。また、後述する図２に示されているように、スペーサ３２には、ホルダ２６の内部空間２６ａの後方領域とホルダ２６の外部空間（移動空間３０）とを連通する圧力逃がし溝３２ｃが形成されている。上述した油圧機械の変位量測定のような用途では、ホルダ２６の外部空間（移動空間３０）は高圧の作動油で満たされ、そして、特に建設機械などの場合は、その作動油の油圧が大幅に変動する。そのような場合であっても、圧力逃がし穴２６ｅ及び圧力逃がし溝３２ｃの作用により、ホルダ２６の内部空間２６ａと外部空間（移動空間３０）との間の圧力差は小さく抑えられるので、この圧力差が過大になることによる不具合が防止される。

例えば、ここで圧力逃がし穴２６ｅも圧力逃がし溝３２ｃも無い構造を想定する。ホルダ２６の外部空間（移動空間３０）の油圧が非常に高くなったとき、その高圧の作動油が、スペーサ３２や永久磁石２８とホルダ２６の側壁２６ｂとの間の微小な隙間を通って内部空間２６ａ内に浸入する場合がある。その後、ホルダ２６の外部空間（移動空間３０）の油圧が低下したときに、内部空間２６ａ内の高い油圧によって、永久磁石２８がホルダ２６の外へ押し出されたり、ホルダ２６が破壊したりすることがある。このような問題が、上述した圧力逃がし穴２６ｅ及び圧力逃がし溝３２ｃによって解消される。

図２は、スペーサ３２の構成を示す。図２Ａは、スペーサ３２を前方から見た正面図であり、図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ断面図である。

図２に示すように、スペーサ３２は、永久磁石２８に密着するための内側面３２ａと、ホルダ２６の側壁２６ｂに密着するための外側面３２ｂとを有する。外側面３２ｂの１箇所又は複数箇所には、圧力逃がし溝３２ｃが形成されている。

図３は、ホルダ２６の後端部における永久磁石２８を固定するための構造を示す。図３Ａは、ホルダ２６の後端部の構造の中心軸２２に沿った断面図であり、図３Ｂは、ホルダ２６の後端部を後方から見た背面図である。

図３に示すように、ホルダ２６の後端の縁から伸びた例えば４本の爪２６ｄが、スペーサ３２と永久磁石２８の後端部の外形状に沿って内側に折り曲げられ、それにより、ストッパとして、永久磁石２８が軸方向に動かないようこれを堅く固定している。図３Ｂに示すように、スペーサ３２の圧力逃がし溝３２ｃが、爪２６ｄと爪２６ｄの間の空間に位置合わせされている。

なお、ストッパとしては、図３に示したような分割された複数の爪２６ｄを折り曲げたもの以外に、さまざまな構成を用いることができる。例えば、ホルダ２６の後端の縁を全周にわたり一様に内側へ折り曲げるようにかしめて、ストッパとしてもよい。或いは、図４Ａに示すように、ホルダ２６内に螺入された螺子４０をストッパとして用いて、これで永久磁石２８とスペーサ３２を固定しても良いし、或いは、図４Ｂに示すように、ホルダ２６に被せた蓋４１をストッパとして用いて、これで永久磁石２８とスペーサ３２を固定しても良い。また、スペーサ３２に圧力逃がし溝３２ｃを設ける代わりに、ホルダ２６の側壁２６ｂに追加の圧力逃がし穴を開けてもよい。

また、永久磁石２８の形状も、欲しい磁界３３の分布特性に応じて、図１に示した紡錘形とは異なるものが採用されてもよい。そして、図５Ａ〜図５Ｃに例示するように、永久磁石２８の形状に応じて、その軸位置を固定するための構造（例えばスペーサ２３の位置やサイズなど）が異なってよい。

さらに、図１及び図５Ａ〜図５Ｃにそれぞれ示した例では、永久磁石２８は、その最も太い箇所でホルダ２６の側壁２６ｂに密着するため、そこ以外の一箇所にスペーサ３２を取り付けることで、その軸位置が固定される。しかし、これに代えて、永久磁石２８の複数箇所、例えば２箇所にスペーサ３２を取り付けて、この２箇所のスペーサ３２で永久磁石２８の軸位置を固定するようにしてもよい。図６は、その一例を示している。図６に示す変形例では、永久磁石２８の両端にそれぞれ外嵌された２つのスペーサ３２Ａ、３２Ｂにより、永久磁石２８の軸位置が固定される。この場合、永久磁石２８それ自体は、ホルダ２６の側壁２６ｂに直接接触する必要がない。永久磁石２８に加わるストレスをスペーサ３２Ａ、３２Ｂで和らげることが一層容易である。

また、磁界発生源として単体の永久磁石２８に代えて、１又は複数の永久磁石と磁性材料とを組み合わせた複合体を用いることもできる。図７は、そのようにした一例を示す。図７に示す変形例では、透磁率の高い磁性材料製の円筒状のヨーク５０の両端部に２つの円リング状の永久磁石５１Ａ、５１Ｂが外嵌されている。このヨーク５０と永久磁石５１Ａ、５１Ｂとの複合体が形成する磁界の分布をリニアなものにするために、ヨーク５０は、その外径が両端部で最も大きく、そこから中央に向かってテーパするような外形状になっている。この複合体も、両端の２箇所にそれぞれ外嵌された２つのスペーサ３２Ａ、３２Ｂによって、その軸位置が固定されている。

以上、本発明の一つの実施形態と、幾つかの変形例を説明した。これらのいずれも、組み立て時の永久磁石２８（又は、ヨーク５０と永久磁石５１の複合体）を可動プラグ１４のシャフト２４に取り付ける作業は従来技術に比較して容易であり短時間で終わる。すなわち、永久磁石２８（又は、ヨーク５０と永久磁石５１の複合体）に１個（又は複数個）のスペーサ３２を外嵌し、それをホルダ２６の後端の開口２６ｃからホルダ２６の内部空間２６ａに挿入し、そして、開口２６ｃにストッパを施すという簡単な作業で、永久磁石２８（又は、ヨーク５０と永久磁石５１の複合体）は自ずとホルダ２６と同軸の規定位置に固定される。

以上説明した実施形態や変形例は、本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。

図１は、本発明に従う磁界形成デバイスを用いた変位センサの一実施形態の断面図である。 図２Ａは、スペーサ３２を前方から見た正面図であり、図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ断面図である。 図３Ａは、ホルダ２６の後端部における永久磁石２８を固定するための構造の中心軸２２に沿った断面図であり、図３Ｂは、ホルダ２６の後端部を後方から見た背面図である。 図４Ａは、螺子４０を用いたストッパの変形例を示す断面図であり、図４Ｂは、蓋４１を用いたストッパの変形例を示す断面図。 図５Ａ〜図５Ｃは、異なる形状の永久磁石２８の軸位置を固定する構造の変形例を示す断面図である。 ２箇所のスペーサ３２で永久磁石２８の軸位置を固定する変形例を示す断面図。 磁界発生源として２つの永久磁石と磁性材料とを組み合わせた複合体を用いた変形例を示す断面図。

符号の説明

１０ 変位センサ
１２ センサ本体
１４ 可動プラグ
１６ 本体ハウジング
１８ 本体キャップ
２０ 耐圧スリーブ
２２ 中心軸
２４ シャフト
２６ａ ホルダの内部空間
２６ｂ ホルダの側壁
２６ｃ ホルダの開口
２６ｄ ホルダの爪（ストッパ）
２６ｅ ホルダの圧力逃がし穴
２８ 棒磁石
３０ 移動空間
３２ スペーサ
３２ｃ スペーサの圧力逃がし溝
３４A、３４B ホールIC
５０ ヨーク
５１Ａ、５１Ｂ 永久磁石

Claims (5)

1. 磁界を外部空間に提供するための磁界形成デバイス（１４）において、
   柱状の内部空間（２６ａ）を囲んだ側壁（２６ｂ）をもつ筒状部分（２６）を有し、前記筒状部分（２６）の一端に開口（２６ｃ）を有するシャフト（２４）と、
   前記シャフト（２４）の前記筒状部分（２６）の前記内部空間（２６ａ）内に入れられて前記筒状部分（２６）に対して固定される、前記磁界を発生するための棒状の磁気部材（２８）と、
   前記磁気部材（２８）に外嵌され且つ前記筒状部分（２６）の前記側壁（２６ｂ）に密着して、前記磁気部材（２８）の中心軸を前記筒状部分の規定位置（２２）に固定するリング状のスペーサ（３２）と
   を有することを特徴とする磁界形成デバイス。
2. 請求項１記載の磁界形成デバイスにおいて、
   前記筒状部分（２６）の前記開口（２６ｃ）の近傍に、前記磁気部材（２８）を前記筒状部分（２６）内で前記中心軸（２２）方向に移動しないよう固定するストッパを有する磁界形成デバイス。
3. 請求項１記載の磁界形成デバイスにおいて、
   前記筒状部分（２６）の側壁（２６ｂ）又は前記スペーサに、前記シャフト（２４）の前記筒状部分（２６）の前記内部空間（２６ａ）と前記シャフト（２４）の外部空間（３０）とを連通するための穴（２６ｅ）又は溝（３２ｃ）が設けられている磁界形成デバイス。
4. 請求項１記載の磁界形成デバイスにおいて、
   前記スペーサが、前記筒状部分（２６）の前記開口（２６ｃ）の近傍に配置され、
   前記スペーサに、前記シャフト（２４）の前記筒状部分（２６）の前記内部空間（２６ａ）と前記シャフト（２４）の外部空間（３０）とを連通するための穴（２６ｅ）又は溝（３２ｃ）が設けられ、
   前記開口（２６ｃ）の近傍であって前記穴（２６ｅ）又は溝（３２ｃ）を塞がないような位置に、前記磁気部材（２８）を前記筒状部分（２６）内で前記中心軸（２２）方向に移動しないよう固定するストッパを有する磁界形成デバイス。
5. 磁気感応素子を有する本体（１２）と、前記本体（１２）に対し相対的に移動可能であり、変位に応じた強度をもつ磁界を前記磁気感応素子の位置に提供する磁界形成デバイス（１４）とを備え、
   前記磁界形成デバイス（１４）が、
   柱状の内部空間（２６ａ）を囲んだ側壁（２６ｂ）をもつ筒状部分（２６）を有し、前記筒状部分（２６）の一端に開口（２６ｃ）を有するシャフト（２４）と、
   前記シャフト（２４）の前記筒状部分（２６）の前記内部空間（２６ａ）内に入れられて前記筒状部分（２６）に対して固定される、前記磁界を発生するための棒状の磁気部材（２８）と、
   前記磁気部材（２８）に外嵌され且つ前記筒状部分（２６）の前記側壁（２６ｂ）に密着して、前記磁気部材（２８）の中心軸を前記筒状部分の規定位置（２２）に固定するリング状のスペーサ（３２）と
   を有することを特徴とする変位センサ。

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