JP2006294363A - 磁気近接スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気近接スイッチにおいて、磁場検出部と磁場発生部間のギャップ変動に対する動作位置の変化を小さくできるようにする。
【解決手段】 磁場発生部１２は、板状の磁性金属体１３ｄと、それに吸着された形状及び材質の等しい３個の永久磁石１３ａ、１３ｂ、１３ｃで構成される。３個の永久磁石１３ａ〜１３ｃは、同極（Ｓ極）の磁極面が磁場検出部１１を向くようにして、磁場発生部１２のスライド方向に沿って等間隔で並列に配設される。各永久磁石１３ａ〜１３ｃが発生する磁力のギャップ方向成分が等しい点を結んだ等磁力線は、その両端において、ギャップ方向の変動に対する動作位置の変化が少ない曲線となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁場発生部と、該磁場発生部に対して相対的にスライドし、該磁場発生部から発生される磁場を検出する磁場検出部を備える磁気近接スイッチに関する。

エレベーターのカゴ室の各階停止等の制御に使用される磁気近接スイッチが知られている。

［公知例１］
図７は、従来の磁気近接スイッチの一構成例を示す図である。
同図に示す磁気近接スイッチ１００は、磁気検出素子（磁場検出部）１０１と操作用磁石（磁場発生部）１０３から構成されている。磁気検出素子１０１は、磁気抵抗素子またはホール素子である。操作用磁石１０３は永久磁石である。操作用磁石１０３は、その磁極面が磁気検出素子１０１に向かうように配置される。操作用磁石１０３は、磁気検出素子１０１に対して動作距離（ギャップ）１０５を保持しながら、磁気検出素子１０１に対して方向（スライド方向）１０７にスライド移動する。

図８は、操作用磁石１０３が発生する磁力線の様子を示す図である。
同図において、Ｙ軸は操作用磁石１０３のＳ極の磁極面と磁気検出素子１０１の操作用磁石１０３側の端面との間の距離であるギャップ１０５を示し、X軸は操作用磁石１０３の磁気検出素子１０１に対するスライド方向１０７の位置を示す。Ｘ軸とＹ軸は直交している。

図８に示すように、操作用磁石１０３の周囲には、操作用磁石１０３のＮ極とＳ極とを曲線的に結ぶ磁力線１１２が存在する。また、操作用磁石１０３が発生する磁力のギャップ成分が等しい場所をプロットして得られる曲線状の等磁力線１１３（１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ等）が存在する。

磁力線１１２及び等磁力線１１３は、実際には、Ｘ軸の下方にも存在するが、図８では省略している。

［公知例２］
また、別の公知技術として、図９に示す磁気近接スイッチが知られている。
同図に示す磁気近接スイッチ２００は、磁場検出部であるリードスイッチ２０１と永久磁石である操作用磁石（磁場発生部）２０３から構成されている。操作用磁石２０３は、リードスイッチ２０１に対して動作距離（ギャップ）２０５を維持しながら、リードスイッチ２０１の長手方向と垂直な方向（スライド方向）２０７にスライドする。

図１０は、操作用磁石２０３が発生する磁力線の様子を示す図である。
同図において、Ｙ軸は操作用磁石２０３とリードスイッチ２０１間の距離であるギャップ２０５を示し、X軸は操作用磁石１０３のリードスイッチ２０１に対するスライド方向２０７の距離を示す。

図１０に示すように、操作用磁石２０３の周囲には、操作用磁石２０３のＮ極からＳ極に向かう曲線的な磁力線２１２が存在する。また、操作用磁石が発生する磁力の等しい場所をプロットして得られる曲線状の等磁力線２１３（２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃ等）が存在する。等磁力線２１３は、実際には、Ｘ軸の下方にも存在するが、図９では省略している。

［公知例３］
また、さらに他の公知技術としては、例えば、操作用磁石である磁場発生部を、第１の永久磁石と、その両側に等しいギャップで配置された第２及び第３の永久磁石とで構成したホール効果位置センサーが知られている（特許文献１参照）。

［公知例４］
また、エレベーターカーの位置を検出する検出器として、バックプレート上に3個のマグネットを配置したものが知られている。この検出器においては、バックプレート上の中央に長いマグネットを配置し、その両側に短いマグネットを配置している（特許文献２参照）。
特開平７―７８５３８号公報 特開平１１−２４６１３９号公報

図１１は、上記公知例１の磁気近接スイッチ１００の動作特性を示す図である。
同図のＸ軸は、磁気検出素子１０１と操作用磁石１０３との相対位置（距離）であり、Ｙ軸は、磁気検出素子１０１と操作用磁石１０３との間のギャップ１０５である。Ｘ軸、Ｙ軸は、共に、単位はｍｍである。

図１１に示す実線は動作特性曲線１３１であり、破線は磁気復帰特性曲線１３２である。
ここで、動作特性曲線１３１は、磁気検出素子１０１が動作する（操作用磁石１０３を検出する）点を結んだ曲線であり、復帰特性曲線１３２は、磁気検出素子１０１が動作状態から非動作状態に復帰する点を結んだ曲線である。

同図に示すように、動作特性曲線１３１は、ギャップ１０５が大きくなるにつれて、操作用磁石１０３のスライド方向に広がり、さらに、ギャップ１０５が大きくなるにしたがい、操作用磁石１０３のスライド方向に狭まる曲線となる。

図１０に示す例では、磁気検出素子１０１は、ギャップ１０５が約２８ｍｍのときに、操作用磁石１０３との相対位置が２０ｍｍになった時点で動作している。そして、磁気検出素子１０１は、ギャップ１０５が１０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲１３３では、操作用磁石１０３との相対位置が約７ｍｍ〜１０ｍｍとなる領域１３４で動作（スイッチング）している。

図１２は、上記公知例２の磁気近接スイッチ２００の動作特性を示す図である。
同図のＸ軸、Ｙ軸は、図１１と同様である。図１２の実線はリードスイッチ２０１の動作特性曲線２３１であり、破線は復帰特性曲線２３２である。動作特性曲線２３１は、リードスイッチ２３１が動作する（オンとなる）点を結んだ曲線であり、復帰特性曲線２３２は、リードスイッチ２３１が動作状態から非動作状態に復帰する（オンからオフになる）点を結んだ曲線である。

リードスイッチ２０１の動作特性曲線２３１及び復帰特性曲線２３２は、Ｘ−Ｙ平面の原点（０、０）を中心とする略半円形となる。図１２に示す例では、リードスイッチ２０１は、ギャップ２０５が５ｍｍ〜１５ｍｍの範囲２３３において、リードスイッチ２０１と操作用磁石２０３の相対位置が約１１ｍｍ〜２１ｍｍとなる領域２３４で動作している。

このように、従来の磁気近接スイッチ１００、２００は、ギャップ（１０５、２０５）の変動に対して、検出部（磁気検出素子１０１、リードスイッチ２０１）がスイッチング動作する位置（以後、この位置を「動作位置」と表現する）が大きく変動する。このため、従来の磁気近接スイッチ１００、２００を、各種装置（例えば、エレベーターなど）の停止位置を制御するためのセンサーに使用した場合、装置のガタなどにより、検出部と操作用磁石のギャップが変化すると、装置の停止位置のバラツキが大きくなってしまい、装置の運用に支障をきたすなどの問題が発生していた。

また、公知例３のホール効果位置センサーは、上記問題を解決するが、磁場発生部が２種類の磁石で構成されているため、部材統合化による安価な部品調達を実現できず、製品のコストアップの要因となるという欠点があった。

本発明の目的は、磁場発生部と磁場検出部のギャップが変動した場合でも、磁場発生部のスライド方向の変動に対して動作位置の変化が少ない磁気近接スイッチを実現することである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の磁気近接スイッチの実施形態を示す構成図である。
同図に示す磁気近接スイッチ１０は、磁場検出部１１と磁場発生部１２を備えている。

磁場検出部１１は、磁気抵抗素子、ホール素子またはリードスイッチなどの磁気検出素子である。磁場発生部１２は、磁場検出部１１に対して相対的にスライド方向１７にスライドする操作用磁石である。

磁場発生部１２は、スライドする際、磁場検出部１１に対してギャップ１５（磁場検出部１１と磁場発生部１２間の図１上における垂直方向の距離）を維持しながらスライド方向１７に動く。ここで、本明細書においては、磁場発生部１２が磁場検出部１１に対してスライド方向１７にスライドするときにおける磁場検出部１１と磁場発生部１２のスライド方向１７の距離を“相対位置１６”と定義する。

磁場検出部１１は、上記相対位置１６が所定距離になるまで接近すると、動作する。この動作には、本スイッチのオン／オフ（スイッチング）及び本スイッチが接続された上位装置（不図示）や電気回路（不図示）等への検出信号等の出力が含まれる。また、磁場検出部１１が動作する相対位置１６を、“動作位置”と定義する。

本実施形態の磁気近接スイッチ１０は、後述するように、ギャップ１５が大きく変動しても、動作位置の変動が極めて少なくなるように構成されている。

図２は、図１の磁場発生部１２の一実施例を示す構成図である。
図２に示す磁場発生部１２は、３個の永久磁石１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）と、それらの永久磁石に磁力で吸着された板状の磁性金属体１２ｄを備えている。永久磁石１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、いずれも、Ｓ極の磁極面が磁場検出部１１の方を向くように配置されている。そして、永久磁石１２ａ〜１２ｃのＮ極側の磁極面に板状の磁性金属体１２ｄが吸着・配設されている。

該板状の磁性金属体１２ｄは、磁力線が通りやすい透磁率が高く、飽和磁束密度が高く、かつ磁化特性ヒステリシスが小さい材料が好ましい。
また、板状の磁性金属体１２ｄは、永久磁石１３ａ〜１３ｃを固定配設する以外に、形状を適当に決定することにより、永久磁石１３ａ〜１３ｃが発生する磁界の磁力線の流れを意図したように誘導する共に、等磁力線の形状を意図した曲線にするために使用されている。このため、板状の磁性金属体１２ｄは、加工性が良いことが重要である。したがって、板状の磁性金属体１２ｄとしては、加工性が良く安価な部材が好ましい。例えば、鉄（ＳＰＣＣなど）等である。鉄板は、切り抜き加工と曲げ加工が、共に、プレス等で可能であり、安価に生産可能である。

また、磁性金属体以外に、フェライトなどのフェリ磁性体を永久磁石１３ａ〜１３ｃの配設部材に使用してもよい。この場合、ヒステリシスの小さいソフトフェライト（例えば、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト）が望ましい。但し、フェライトは、焼結用の型が必要であり、製造工程も煩雑なので、金属材料に比べ、一般的に高価である。

図２の構成の磁場発生部１２では、３個の永久磁石１３ａ〜１３ｃを、隣接する永久磁石の磁極の向きを揃えて配置するようにしたので、各永久磁石２から発生される磁束が反発し合って強まるようになる。また、磁性金属体１２ｄは空気よりも透磁率が高いので、永久磁石１３ａ〜１３ｃが発生する磁束は、空気よりも透磁率の高い磁性金属体１２ｄの方をはるかに流れやすい。このため、磁性金属体１２ｄの形状を適切に決定することで、各永久磁石１３ａ〜１３ｃのＳ極とＮ極とを結ぶ磁力線の流れを意図する方向に誘導できると共に、該各永久磁石１３ａ〜１３ｃの磁力線におけるギャップ方向成分の等しい点を結ぶことによって得られる等磁力線の形状を意図した曲線にすることが容易に可能となる。

上記構成の磁場発生部（操作用磁石）１２は、磁場検出部１１に対してギャップ１５を保ちながら、スライド方向１７にスライドするように構成されている。
ここで、上記構成の磁気近接スイッチ１０の動作を説明する。

１） 磁場発生部１２が、磁場検出部１１の動作位置よりも遠方にある場合、磁場検出部１１は非動作状態となる（例えば、出力（検出信号）がオフとなる）。
２） 磁場発生部１２が磁場発生部１２に接近し、磁場発生部１２が磁場検出部１１の動作位置まで来ると、磁場発生部１２が磁場検出部１１に与える磁力が増大し、磁場検出部１１が動作する（例えば、出力（検出信号）がオフからオンに変化する）。
３） 磁場発生部１２が磁場検出部１１から遠ざかり、磁場検出部１１の動作位置よりも離れると、磁場発生部１２が磁場検出部１１に与える磁力が減少し、磁場検出部１１が非動作状態に復帰する（例えば、出力（検出信号）がオンからオフになる）。

図３は、図２の３個の永久磁石１３ａ〜１３ｃが発生する磁界の分布図である。
図３において、Ｘ軸はスライド方向１７の成分を示す軸であり、Ｙ軸はギャップ１５の方向（永久磁石１２のＳ極から磁場検出部１１に向かう方向）の成分を示す軸である。

同図に示すように、永久磁石１３ａ〜１３ｃと磁場検出部１１（図３においては不図示）の間の空間には、永久磁石１３ａ〜１３ｃのＳ極とＮ極との間を曲線的に結ぶ磁力線１１が存在する。各永久磁石から発生される磁力線１１のギャップ１５方向成分（Ｙ軸成分）の磁力が等しい場所を通る等磁力線は、図３において破線で示す等磁力線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄのような曲線となる。これらの等磁力線の中で、等磁力線２２ｂ、２２ｃは、ギャップ１５の変動（Ｘ軸成分の変動）に対し磁場発生部１２のスライド方向１７の変動（Ｙ軸成分の変動）が小さい曲線となる。

尚、磁力線及び等磁力線はＸ軸の下方にも存在するが、図３では省略している。
図４は、本実施形態の磁気近接スイッチ１０の動作特性を示す図である。
同図において、Ｘ軸は相対位置１６（単位はｍｍ）を示し、Ｙ軸はギャップ１５（単位はｍｍ）を示す。また、Ｙ軸の両側に示された実線の曲線は動作特性曲線３１であり、破線は復帰特性曲線３２である。

動作特性曲線３１は、磁場検出部１１が動作する点を結んだ曲線である。復帰特性曲線３２は、磁場検出部１１が復帰する点を結んだ曲線である。
図４に示すように、動作特性曲線３１は相対位置１６が２２ｍｍ近傍でＹ軸に平行な垂線に近くなる。このため、相対位置１６が２２ｍｍ近傍で１０〜４０ｍｍのギャップ変動３３が生じても、磁場検出部１１の動作位置の変動は極めて小さい。したがって、磁場検出部１１と磁場発生部１２の相対位置１６が２２ｍｍ近傍であるとき、ギャップ変動３３が３０ｍｍ程度生じても、磁場検出部１１は、相対位置１６が２２ｍｍ近傍となる位置まで磁場発生部１２がスライドしてきたとき、ギャップ変動３３が４０ｍｍ程度まで大きくても動作するようになる。

したがって、本実施形態の磁気近接スイッチ１０は、磁場発生部１２の動作位置が２２ｍｍ近傍になった時点で、ギャップ変動３３が大きくても確実に動作する。
上記実施例では、板状の磁性金属体１２ｄに永久磁石１３ａ〜１３ｃのＮ極の磁極面を吸着させるようにしているが、極性を反転させて、Ｓ極の磁極面を吸着させる構成にしてもよい。

［永久磁石の他の配置例］
図５は、磁場発生部１２において複数の永久磁石を配置する他の構成例を示す図である。

本発明においては、複数の永久磁石は必ずしも等間隔で配置する必要はない。但し、左右対称に配置することが望ましい。これは、複数の永久磁石を左右対称に配置しないと、動作特性曲線が非対称になってしまい、実用上、使い勝手が悪いからである。

図５に示す例では、５個の永久磁石１３−１〜１３−５を、磁場発生部１２のスライド方向に並列に配置している。図中における縦方向の破線は、永久磁石２の並列配置における中心線４０である。

永久磁石１３−１は中心に配置されており、その右側に、２個の永久磁石１３−２、１３−３が、その左側に、２個の永久磁石１３−４、１３−５が配置されている。ここで、中心の永久磁石１３−１とその左に隣接する永久磁石１３−２との間隔及び永久磁石１３−１とその右に隣接する永久磁石１３−４との間隔は、共に“Ｂ”となっている。また、永久磁石１３−２とその左に隣接する永久磁石１３−５との間隔及び永久磁石１３−４とその右に隣接する永久磁石１３−５との間隔は、共に“Ａ”となっている（Ｂ＞Ａ）。

このように、図５に示す例では、５個の永久磁石１３−１〜１３−５を、左右対称、かつ非等間隔に配置している。

図６は、磁場発生部１２の他の実施例を示す構成図である。
同図に示す磁場発生部１２は、５個の永久磁石１３−１〜１３−５と、ケース５０及び封止材６０から構成されている。

ケース５０は、永久磁石１３−１〜１３−５が嵌め込まれる５つの凹部を有しており、これらの凹部に永久磁石１３−１〜１３−５の上部が嵌合されている。上記凹部は、例えば、図５と同様な間隔で、永久磁石１３−１〜１３−５が並列配置ように形成されている。ケース５０の凹部に嵌合された永久磁石１３−１〜１３−５の下部は封止材６０で固定されている。

ケース５０及び封止材６０は、共に、非磁性体である必要がある。これは、永久磁石１３−１〜１３−５から発生される磁束の流れを妨げないようにするためである。また、ケース５０及び封止材６０は、比透磁率が空気に近い部材が望ましい。ケース５０の部材としては、例えば、プラスチックやアルミ（例えば、アルミダイキャスト）、黄銅等が使用できる。封止材６０の部材としては、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂が使用できる。

本発明の磁場発生部においては、さらに多数の永久磁石を磁場発生部１２のスライド方向に並列配置することも可能である。この場合、それらの永久磁石を、左右対称でなく、かつ非等間隔に配置するようにすることも可能である。

多数の永久磁石を上記スライド方向に並列配置することにより、磁場検出部１１の動作範囲（Ｙ軸の右側の動作特性曲線と左側の動作特性曲線で囲まれた範囲）を広くすることが可能となる。このような場合、上記並列配置の中央部においては永久磁石１２を疎に配置する。そして、該中央部の両側では、動作特性曲線の両端において、ギャップ変動に対する動作位置の変動が小さくなる曲線（ほぼ、垂線に近い曲線）が得られるように、複数の永久磁石１２を配置する。

このような配置パターンで、多数の永久磁石を磁場発生部１２のスライド方向に並列設置することにより、多数の永久磁石を永久磁石の使用個数を減らして、製造原価を低減することができる。

このように、本発明においては、磁場発生部１２が発生する磁界の等磁力線が、ギャップ変動時のスライド方向の変化量が少なくなる曲線となるように、磁場発生部１２において、複数の永久磁石をスライド方向に並列配置する構成する。

上述したように、本実施形態の磁気近接スイッチ１０によれば、ギャップ変動３３が変動した場合における磁場検出部１１の動作位置の変動を従来よりも著しく小さくできる（図４と、図１０及び図１１を比較参照）。したがって、本実施形態の磁気近接スイッチ１０の動作信号（動作位置で出力される信号）を装置の停止信号として利用した場合、該装置のガタによりギャップ１５が変動しても、常に同じ位置で停止信号を出力することができ、上記装置の停止位置精度を向上させることが可能になる。また、本実施形態の磁気近接スイッチ１０は、形状及び材質が等しい３個の永久磁石３ａ、３ｂ、３ｃを使用するので、部材の統合化が図れ、安価な部材調達が可能となる。

本実施形態の磁気近接スイッチ１０は、例えば、エレベーターのカゴ室床面と各階の床面の位置合わせに適用できる。この場合、例えば、磁場発生部１２を各階の床に設置し、磁場検出部１１をエレベーターのカゴ室に設置する。

エレベーターは、部材の加工寸法・組立寸法の精度が低く、カゴ室の通過位置変動が大きい。このため、磁気近接スイッチをエレベーターのカゴ室の停止位置制御に利用した場合、磁場発生部と磁場検出部のギャップ変動が大きくなる。しかしながら、本実施形態の磁気近接スイッチ１０は、カゴ室の通過位置の変動に係わりなく、同じ位置で磁気近接スイッチ１０が動作（スィッチング動作）するので、エレベーターのカゴ室と各階の床面の位置合わせを容易かつ正確に行うことができる。また、本実施形態の磁気近接スイッチ１０は、安価な部材調達が可能なので製品コストを低くでき、装置の原価低減に寄与できる。

本発明は、エレベーターのみならず、機械装置、電気・電子機器、オートメーション機器などの各種の装置・機器の位置検出・制御に適用可能である。

本発明の実施形態である磁気近接スイッチの全体構成図である。 実施例１の磁場発生部の構成図である。 図２の３個の永久磁石によって形成される磁界を示す図である。 図２の磁場発生部を備える磁気近接スイッチの動作特性を示す図である。 実施例１の磁場発生部における永久磁石の他の並列配置例を示す図である。 実施例２の磁場発生部の構成図である。 従来の磁気近接スイッチの全体構成図である。 図７の操作用磁石による磁界を示す図である。 従来の他の磁気近接スイッチの全体構成図である。 図９の永久磁石による磁界を示す図である。 図７の磁気近接スイッチの動作特性を示す図である。 図９の磁気近接スイッチの動作特性を示す図である。

符号の説明

１０ 磁気近接スイッチ
１１ 磁場検出部
１２ 磁場発生部
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 永久磁石
１３ｄ 磁性金属体
１３−１〜１３−５ 永久磁石
５０ ケース
６０ 封止材

Claims (12)

1. 永久磁石を有する磁場発生部と、該磁場発生部に対して相対的に所定の方向にスライドし、該磁場発生部の接近を検出する磁場検出部を備える磁気近接スイッチであって、
   前記磁場発生部は、同極の磁極面が前記磁場検出部を向くようにして、前記磁場発生部のスライド方向に並列に配設された複数の永久磁石を備えることを特徴とする磁気近接スイッチ。
2. 請求項１記載の磁気近接スイッチであって、
   前記磁場発生部は、
   前記複数の永久磁石を所定位置に固定する固定手段を有し、前記複数の永久磁石は、前記磁場検出部に対向している磁極面と反対側の磁極面が前記固定手段に対向していることを特徴とする。
3. 請求項２記載の磁気近接スイッチであって、
   前記固定手段は、磁性体であることを特徴とする。
4. 請求項３記載の磁気近接スイッチであって、
   前記磁性体は、板状であることを特徴とする。
5. 請求項４記載の磁気近接スイッチであって、
   前記磁性体は、加工性の良い材料であることを特徴とする。
6. 請求項３記載の磁気近接スイッチであって、
   前記磁性体は、磁性金属体であることを特徴とする。
7. 請求項６記載の磁気近接スイッチであって、
   前記磁性金属体は、透磁率が高く、飽和磁束密度が高く、かつ磁化特性のヒステリシスが小さいことを特徴とする。
8. 請求項２記載の磁気近接スイッチであって、
   前記固定手段は、
   前記複数の永久磁石の一部が嵌合される凹部を有するケースと、
   前記複数の永久磁石の該ケースに嵌合されていない部分を覆う封止材と
   から構成されることを特徴とする。
9. 請求項８記載の磁気近接スイッチであって、
   前記ケース及び前記封止材は、非磁性体であることを特徴とする。
10. 請求項１、または２記載の磁気近接スイッチであって、
    前記複数の永久磁石は、前記磁場発生部が発生する磁界の前記ギャップ方向成分が等しい点を結んで得られる等磁力線が、ギャップ変動時のスライド方向の変化量が少なくなる曲線となるように配置されることを特徴とする。
11. 請求項１０記載の磁気近接スイッチであって、
    前記複数の永久磁石は、左右対称となるように配置されていることを特徴とする。
12. 請求項１１記載の磁気近接スイッチであって、
    前記複数の永久磁石は、中央部が疎となるように配置されていることを特徴とする。