JP2012189527A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に従来と異なる新しい方式によって高精度な位置検出を可能とした位置検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本実施形態の位置検出装置１は、Ｚ方向に間隔を空けて対向し、間隔内であってＺ方向に磁場を生じさせる一対の磁石２，３と、一対の磁石２，３間に配置された磁気検出素子５と、Ｘ方向に磁石２，３及び磁気検出素子５に対して移動可能な移動体（磁性体）６と、を有する。移動体６は、一対の磁石２，３と磁気検出素子５との間の各空間内にて浮いた状態で介在可能な一対の磁性対向部６ａ，６ｂと、各磁性対向部のＸ方向における一方の端部間を連結する磁性連結部６ｃと、を備える。移動体６がＸ方向に移動したときに、磁気検出素子５と磁性連結部６ｃとの間のＸ方向への距離の変化に伴う磁気検出素子５の出力変化に基づいて、移動体６の移動位置を検知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホール素子等の磁気検出素子を備えた非接触式の位置検出装置に関する。

下記の特許文献１には、磁気検出素子に対向する磁石の面を凸面とし、磁石を保持する摺動ホルダを案内面に押圧させた状態でスライド移動させる移動検出装置が開示されている。特許文献１では、磁石を摺動ホルダに押し付けることで、磁石と摺動ホルダとの位置決めを安定させている（特許文献１の［００２１］欄参照）。

下記の特許文献２には、一対の磁極部が間隔を空けて対向し、一方の磁極部に磁気検出素子が取り付けられており、前記一対の磁極部の間隔内を磁極部の対向方向に対し直交する方向に移動する磁性体からなる移動体が設けられた位置検出装置が開示されている。また特許文献３では、一対の磁極部に夫々磁気検出素子を取り付けている。特許文献２，３では特許文献１と異なって移動体が空中に浮いた状態であり、移動体を摺動移動させるものではない。

特許文献２，３では、移動体が移動すると、磁極部と移動体間のギャップが変化し、これにより磁気検出素子に作用する磁束密度が変化することで、前記ギャップに応じた出力を得ることができるとしている。

しかしながらギャップを変化させるために、移動体に斜面を設けることが必要になり、またそもそもギャップは広くないため、移動体の移動によりギャップ長に大きな変化を持たせることができず、高精度な位置検出を行うことが困難と考えられる。当然、もともとのギャップを広くすることも考えられるが、それでは装置自体の大型化にも繋がり、またギャップを広くすることで、そのギャップ内に作用する磁場強度が低下するといった問題もある。

特開２０１０−６０３３８号公報 特開２００５−２５７２７６号公報 特開２００７−８５８４４号公報

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に従来と異なる新しい方式によって高精度な位置検出を可能とした位置検出装置を提供することを目的とする。

本発明における位置検出装置は、
第１の方向に間隔を空けて対向し、前記間隔内であって前記第１の方向に磁場を生じさせる一対の磁極面と、前記一対の磁極面間に配置された磁気検出素子と、前記第１の方向に対して直交する第２の方向に前記磁極面及び磁気検出素子に対して相対移動可能な磁性体と、を有し、
前記磁性体は、前記第２の方向に相対移動したときに、前記一対の磁極面と前記磁気検出素子との間の各空間内にて浮いた状態で介在可能な一対の磁性対向部と、各磁性対向部の前記第２の方向における一方の端部間を連結する磁性連結部と、を備え、
前記磁性体が前記第２の方向に相対移動したときに、前記磁気検出素子と前記磁性連結部との間の前記第２の方向への距離の変化に伴う前記磁気検出素子の出力変化に基づいて、前記磁性体の相対移動位置を検知することを特徴とするものである。

本発明によれば、磁性体が第２の方向に相対移動したときに、一対の磁極面と磁気検出素子との間の空間に夫々、磁性対向部が浮いた状態で介在するとともに前記磁気検出素子と前記磁性連結部との間の前記第２の方向への距離が変動する。一対の磁極面間にて第１の方向に生じた磁場状態は、磁性体の相対移動位置により変化する。すなわち、磁性体が、磁気検出素子及び一対の磁極面から第２の方向へ離れた状態であると、磁気検出素子に作用する磁場は強い。この状態から磁性体が相対移動して、各磁性対向部が一対の磁極面と磁気検出素子との間の各空間内に入り込むと、一部の磁場は磁性体内を通るため、磁気検出素子に作用する磁場は小さくなる。しかも磁性体が更に相対移動して、磁気検出素子と磁性連結部間の距離が縮まると、磁性体を介して磁気検出素子の方向に漏れ出すよりも磁性体内にて、磁性対向部から磁性連結部を通る磁気回路のほうがより通り抜けやすくなり、ますます磁気検出素子に作用する磁場を減衰させることができる。このように本発明では、磁性体が第２の方向に相対移動したときに、磁気検出素子と磁性連結部との間の第２の方向への距離の変化に伴って磁気検出素子に作用する磁場強度を変化させることができ、この磁場強度の変化による磁気検出素子の出力変化に基づいて、前記磁性体の相対移動位置を検知することが可能になる。このとき本発明では、特許文献２，３のようにギャップ長を変化させる構成に比べて、移動体の移動に伴う磁気検出素子と磁性連結部間の距離の変化を大きくできるため、移動体に作用する磁場強度をダイナミックに変化させることができ、また磁性体の相対移動位置の検出可能範囲を広く取ることができる。よって高精度な位置検出を行うことが可能である。

本発明では、前記一対の磁極面及び磁気検出素子が固定側で、前記磁性体が移動体であることが好ましい。

また前記磁気検出素子は、前記一対の磁極面の前記第１の方向における中心位置に配置されることが好ましい。

一対の磁極面と磁気検出素子との間の各空間にて浮いた状態の磁性対向部が第１の方向に位置ずれを起こしても、磁気検出素子を一対の磁極面間に形成された間隔の中心位置に配置することで、磁気検出素子の出力ずれを抑制でき、１個の磁気検出素子で、高精度な位置検出を行うことが可能になる。そして、磁性体の相対移動位置に対する磁気検出素子の出力のリニアリティを効果的に向上させることが可能である。

また、前記第１の方向に間隔を空けて対向する一対の磁石及び前記磁石間に配置される磁気検出素子が、共通の支持部に支持されていることが好ましい。

本発明によれば、磁性体が第２の方向（一対の磁極面の対向する第１の方向に対して直交する方向）に相対移動したときに、磁気検出素子と磁性連結部（磁性体を構成する磁性対向部間を連結している部分）との間の第２の方向への距離の変化に伴って磁気検出素子に作用する磁場強度を変化させることができ、この磁場強度の変化による磁気検出素子の出力変化に基づいて、前記磁性体の相対移動位置を検知することが可能になる。

図１（ａ）は、本実施形態における位置検出装置の正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の位置検出装置を矢印Ａ方向から見た側面図、 図２（ａ）〜（ｃ）は移動体の位置と、一対の磁極面間で生じる磁場状態との関係を説明するための位置検出装置の正面図、 図２に示す移動体の各移動位置と磁気検出素子に作用する磁場強度との関係を示すグラフ（模式図）、 本実施形態における磁石の変形例（正面図あるいは側面図）、 本実施形態における移動体（磁性体）の変形例（斜視図）、 本実施形態における移動体（磁性体）の変形例（正面図）、 磁場を生じさせるコア構造を示す正面図、 （ａ）（ｂ）は、図９に示す磁場強度の実験を行うために移動体をＺ方向にずらした側面図、 中心位置Ｏ１からＺ方向への距離と、磁場強度との関係を示すグラフ。

図１（ａ）は、本実施形態における位置検出装置の正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の位置検出装置を矢印Ａ方向から見た側面図、図２（ａ）〜（ｃ）は移動体の位置と、一対の磁極面間で生じる磁場状態との関係を説明するための位置検出装置の正面図、図３は図２に示す移動体の各移動位置と磁気検出素子に作用する磁場強度との関係を示すグラフ（模式図）である。

各図におけるＸ方向及びＹ方向は水平面内にて直交する２方向を指し、Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向の双方に直交する高さ方向を指す。「第１の方向」及び第１の方向に直交する「第２の方向」は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のいずれかに該当し、本明細書では、「第１の方向」をＺ方向、「第２の方向」をＸ方向として説明する。

図１に示す位置検出装置１は、Ｚ方向に間隔を空けて対向する一対の磁石２，３と、各磁石２，３を固定するための支持部４と、磁石２，３間に配置される磁気検出素子５と、磁性体で構成され、Ｘ方向に移動可能に支持された移動体６とを有して構成される。

図１に示すように磁石２，３はいずれもＸ−Ｙ平面に平行に配置されており、磁石２，３のＺ方向における各対向面２ａ，３ａが異極の磁極面（以下、磁極面２ａ，３ａという）となっている。

この実施形態における支持部４は磁性、非磁性の別を問わない。ただし支持部４は特に磁性とする必要がなければ装置外部への影響も考慮して非磁性とすることが好適である。また図１（ｂ）に示すように支持部４は磁石２，３のみならず磁気検出素子５を支持する支持片４ａも有しており、共通の支持部４にて磁石２，３及び磁気検出素子５を支持でき、磁石２，３と磁気検出素子５間の距離を高精度に規制することができる。また磁気検出素子５が支持部４により支持される形態では支持部４は非磁性であることが好適である。

磁気検出素子５にはホール素子やＭＲ素子等を選択できるが、その中でもホール素子を用いることが好適である。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、磁石２，３のＺ方向への間隔はＴ１であり、その中心位置Ｏ１に、磁気検出素子５が配置されている。ここで「中心位置Ｏ１に配置」とは、磁気検出素子５の厚さ方向の中心位置Ｏ２と、間隔Ｔ１の中心位置Ｏ１とがＸ及びＹ方向にて一致していることを指す。

この実施形態では磁石２，３及び磁気検出素子５は固定側であり動かない。磁石２，３及び磁気検出素子５を移動側とする（このとき移動体（磁性体）６は固定される）ことも可能であるが、磁石２，３及び磁気検出素子５を固定側とするほうが、移動機構を簡単にできるし、移動に伴う磁石２，３と磁気検出素子５間の距離のぶれもない。

移動体（磁性体、稼働ヨーク）６は、図示しない移動軸に接続されてＸ方向に平行に移動可能に支持されている。また、移動体６の材質を特に限定するわけではないがパーマロイ等の鉄を含む軟磁性体とすることが好適である。

移動体６は、Ｚ方向に間隔を空けて対向する第１の磁性対向部６ａと第２の磁性対向部６ｂと、各磁性対向部６ａ，６ｂのＸ方向における一方の端部６ａ１，６ｂ１間を連結する磁性連結部６ｃとを有して構成される。各磁性対向部６ａ，６ｂ及び磁性連結部６ｃは一体化されていることが好ましいが、後述する図２（ｂ）（ｃ）の状態のとき、各磁性対向部６ａ，６ｂと磁性連結部６ｃとの間に磁気回路を形成できれば、磁性対向部６ａ，６ｂと磁性連結部６ｃとを別々に形成し、磁性対向部６ａ，６ｂと磁性連結部６ｃ間を接着剤等で接続した構成とすることも出来る。

図１に示すように、第１の磁性対向部６ａが、第１の磁石２と磁気検出素子５との間の空間Ｂ内にて浮いた状態で入り込み、第２の磁性対向部６ｂが、第２の磁石３と磁気検出素子５との間の空間Ｃ内にて浮いた状態で入り込めるように、各磁性対向部６ａ，６ｂ間のＺ方向への間隔や移動体６の支持位置が規制されている。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、各磁性対向部６ａ，６ｂはＺ方向への厚さやＹ方向への幅に比べてＸ方向に長く延出して形成されている。例えば移動体６は図５（ａ）に示す形態であり、各磁性対向部６ａ，６ｂはＸ及びＹ方向に平行に配置された平板状で形成されている。

磁性対向部６ａ，６ｂのＸ方向への長さ寸法は、移動体６に対する移動位置の検出可能範囲を規制し、磁性対向部６ａ，６ｂのＸ方向への長さ寸法を長くすれば、それだけ検出可能範囲を広げることができる。磁性対向部６ａ，６ｂのＸ方向への長さ寸法は使用用途に応じて適宜決定することが出来る。

図２（ａ）に示すように第１の磁石２の磁極面２ａはＮ極に、第２の磁石３の磁極面３ａはＳ極に着磁されており、磁石２，３間にはＺ方向に磁場Ｈ１が生じている。

図２（ａ）に示すように、磁性体からなる移動体６が磁気検出素子５に対してＸ方向に離れて位置すると、図３にも示すように磁気検出素子５に作用する磁場強度は強くなる。

図２（ａ）の状態から移動体６がＸ方向に移動し、第１の磁性対向部６ａが第１の磁石２と磁気検出素子５との間の空間Ｂ内に侵入し、第２の磁性対向部６ｂが第２の磁石３と磁気検出素子５との間の空間Ｃ内に侵入すると、図２（ａ）に示した磁場Ｈ１のうち一部の磁場（磁力）Ｈ２が磁性体からなる移動体６に吸い込まれ、移動体６内を、第１の磁性対向部６ａ−磁性連結部６ｃ−第２の磁性対向部６ｂからなる磁気回路により通り抜けてしまうため、図３に示すように、図２（ｂ）の状態での磁気検出素子５に作用する磁場Ｈ４の強度は、図２（ａ）の状態よりも弱くなる。

更に、移動体６が図２（ａ）の状態よりもＸ方向に移動して、磁気検出素子５と磁性連結部６ｃ間のＸ方向への距離が縮まると、磁石２，３間に生じた磁場が、移動体６を介して漏れ出て磁気検出素子５の方向へ向うよりも、磁性体の移動体６に吸収されて移動体６内を、第１の磁性対向部６ａ−磁性連結部６ｃ−第２の磁性対向部６ｂからなる磁気回路により通り抜ける磁場（磁力）Ｈ３がよりいっそう大きくなり、その結果、図３に示すように、図２（ｃ）の状態での磁気検出素子５に作用する磁場Ｈ５の強度は、図２（ｂ）の状態よりも更に弱くなる。

すなわち、移動体６がＸ方向に移動することで、磁気検出素子５と移動体６を構成する磁性連結部６ｃとの間の距離が変化するが、この距離が徐々に近づくにつれて、磁場が移動体６を介して磁気検出素子５に向けて漏れ出すよりも、磁性連結部６ｃを通って移動体６内を通り抜けやすくなってしまい、図３に示すように、磁気検出素子５に作用する磁場強度は徐々に低下するのである。

このように磁気検出素子５に作用する磁場強度が変化することで、磁気検出素子５の出力が変動し、磁気検出素子５の出力変化に基づいて、移動体６の移動位置を検知することが可能である。例えば移動体６に対する移動軸が垂直に磁性連結部６ｃに接続されており、移動軸の位置を、磁気検出素子５の出力変化に基づいて検出することが出来る。

このように本実施形態では特許文献２，３で示したような移動体に傾斜部を設ける必要はなく、また特許文献２，３のようにギャップ長を変化させる形態でもない。ギャップ長を変化させる形態であると、変化のレンジが小さいため、磁気検出素子に作用する磁場強度の変化も小さく、位置検出精度の向上を図ることができないが、本実施形態では、移動体６の移動に伴う磁気検出素子５と磁性連結部６ｃ間の距離の変化を大きくできるため、移動体６に作用する磁場強度をダイナミックに変化させることができるし、移動体６の移動位置の検出可能範囲を広く取ることができる。よって高精度な位置検出を行うことが可能である。

本実施形態における磁石２，３の形状は図１に限定されるものではない。例えば図４（ａ）に示すように、各磁石２，３の磁極面２ａ，３ａが凹形状であってもよいし、図４（ｂ）に示すように各磁石２，３の磁極面２ａ，３ａが凸形状であってもよい。図４（ａ）（ｂ）に示す磁石２，３の形状は図１（ａ）と同じ正面図、あるいは図１（ｂ）と同じ側面図に現れてもよい。

図５は移動体６の斜視図を示すが、図５（ａ）のように、磁性対向部６ａ，６ｂが矩形状の平板状でなく、例えば磁性対向部６ａ，６ｂのＹ方向の側端部１０，１１が夫々、Ｘ方向に対して斜めに形成されていてもよい。このとき、各磁性対向部６ａ，６ｂのＸ方向における開放端６ａ２，６ｂ２から磁性連結部６ｃに向けて、徐々に磁性対向部６ａ，６ｂのＹ方向の幅が広がるように形成されていることが、図２に示す磁気検出素子５に作用する磁場強度を移動体６の移動に伴ってよりダイナミックに変化させることができ好適である。あるいは図６（ｃ）のように各磁性対向部６ａ，６ｂの先端を複数に分離（図６（ｃ）では二股形状）して形成することも可能である。このとき、各磁性対向部６ａ，６ｂに形成された切欠部１２のＹ方向への幅が、各磁性対向部６ａ，６ｂの開放端６ａ２，６ｂ２から磁性連結部６ｃに向けて徐々に狭くなるように形成することが、図２に示す磁気検出素子５に作用する磁場強度を移動体６の移動に伴ってよりダイナミックに変化させることができ好適である。

また、磁性対向部６ａ，６ｂは、図１（ａ）（ｂ）、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、Ｘ及びＹ方向に平行に配置されているが、図６（図１（ａ）と同じ正面図）に示すように磁性対向部６ａ，６ｂが、Ｘ方向からＺ方向に向けて斜めに配置された構成とすることも可能である。ただし磁性対向部６ａ，６ｃは、Ｘ方向と平行な対称軸Ｄに対して線対称形状にて形成されていることが好適である。また図６に示すように、各磁性対向部６ａ，６ｂの開放端６ａ２，６ｂ２から磁性連結部６ｃに向けて、各磁性対向部６ａ，６ｂのＺ方向への間隔が広がるように形成したほうが好適である。これにより、図２で説明した磁気検出素子５に作用する磁場強度を移動体６の移動に伴ってよりダイナミックに変化させることができる。

本実施形態では、磁場発生手段として、図１のように一対の磁石２，３を用いる構成のほか、例えば図７のように、磁性材料で形成され、磁石１７から生じる磁束により磁気回路を形成するコア１５，１６を設け、各コア１５，１６の先端をＺ方向に対向させて、その対向面を一対の磁極面とした構成やコアにコイルを巻回した構成等であってもよい。

図１では、移動体６をＺ方向の中央に配置して、各磁性対向部６ａ，６ｂを、磁石２，３と磁気検出素子５間の各空間Ｂ，Ｃの中央に介在させているが、以下では、磁性対向部６ａ，６ｂがＺ方向に位置ずれを起こしたときの磁気検出素子５に作用する磁場強度について考察する。

図８（ａ）（ｂ）は、いずれも図１（ｂ）と同じ側面図であり、図８（ａ）は、図１（ａ）よりも磁性対向部６ａ，６ｂが第２の磁石３の方向へ片寄っており（磁性対向部６ａが磁性体向部６ｂよりも磁気検出素子５に近づく）、図８（ｂ）は、図１（ａ）よりも磁性対向部６ａ，６ｂが第１の磁石２の方向へ片寄っている（磁性対向部６ｂが磁性対向部６ａよりも磁気検出素子５に近づく）。

そして各磁石２，３のＺ方向での中心位置Ｏ１から図示上方向（第１の磁石２の方向）への距離をマイナス値、図示下方向（第２の磁石３の方向）への距離をプラス値として、各Ｚ方向での位置での磁場強度を測定した結果が図９である。

この実験で言えることは、図９に示す横軸の０の位置、すなわち、各磁石２，３のＺ方向での中心位置Ｏ１における磁場強度は図８（ａ）（ｂ）のように移動体６がＺ方向に位置ずれを起こしても変化してないことである。このため、磁気検出素子５の膜厚方向の中心位置Ｏ２を、各磁石２，３のＺ方向での中心位置Ｏ１に一致させることで、移動体６がＺ方向に位置ずれを起こしても磁気検出素子５に作用する磁場強度は変化せず、よって磁気検出素子５の出力ずれを抑制することができ、１個の磁気検出素子５で、高精度な位置検出を行うことが可能になる。

そして本実施形態では、図１の構成、さらには図４ないし図６等の磁石２，３や移動体６の形状改良により、移動体６のＸ方向への移動に対する磁気検出素子５の出力のリニアリティを効果的に向上させることが可能となる。

Ｂ、Ｃ 空間
Ｈ１〜Ｈ５ 磁場
１ 位置検出装置
２、３ 磁石
２ａ、３ａ 磁極面
４ 支持部
５ 磁気検出素子
６ 移動体（磁性体）
６ａ、６ｂ 磁性対向部
６ｃ 磁性連結部
１５、１６ コア

Claims (4)

1. 第１の方向に間隔を空けて対向し、前記間隔内であって前記第１の方向に磁場を生じさせる一対の磁極面と、前記一対の磁極面間に配置された磁気検出素子と、前記第１の方向に対して直交する第２の方向に前記磁極面及び磁気検出素子に対して相対移動可能な磁性体と、を有し、
   前記磁性体は、前記第２の方向に相対移動したときに、前記一対の磁極面と前記磁気検出素子との間の各空間内にて浮いた状態で介在可能な一対の磁性対向部と、各磁性対向部の前記第２の方向における一方の端部間を連結する磁性連結部と、を備え、
   前記磁性体が前記第２の方向に相対移動したときに、前記磁気検出素子と前記磁性連結部との間の前記第２の方向への距離の変化に伴う前記磁気検出素子の出力変化に基づいて、前記磁性体の相対移動位置を検知することを特徴とする位置検出装置。
2. 前記一対の磁極面及び磁気検出素子が固定側で、前記磁性体が移動体である請求項１記載の位置検出装置。
3. 前記磁気検出素子は、前記一対の磁極面の前記第１の方向における中心位置に配置される請求項１又は２に記載の位置検出装置。
4. 前記第１の方向に間隔を空けて対向する一対の磁石及び前記磁石間に配置される磁気検出素子が、共通の支持部に支持されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の位置検出装置。

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