JP2013088172A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】補正および調整による精度向上を図った位置検出装置を得る。
【解決手段】第２の固定磁性体２０と第３の固定磁性体３０の対向面間にバイアス用の電磁石６０を設置して、磁気センサ５０の検知する磁束密度の範囲を変更し、磁束密度ゼロが含まれるようにする。磁気センサ５０の温度特性等の補正および調整は、磁束密度ゼロの状態で行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、直線運動をする物体の移動位置を検出する位置検出装置に関する。

従来の位置検出装置は、例えば特許文献１に開示されている。図８は、従来の位置検出装置の構成を示す正面図である。位置検出装置は、第１の固定磁性体（磁束案内部材）９１、第２の固定磁性体（磁束案内部材）９２、磁界発生体（マグネット）９３、磁気センサ（磁気電気変換要素）９４で構成されている。磁界発生体９３は、第１の固定磁性体９１と第２の固定磁性体９２の対向面間を直線的に移動し（図８に矢印Ｘで示す方向）、これら第１の固定磁性体９１および第２の固定磁性体９２の対向する内面側は曲線形状である。第１の固定磁性体９１と第２の固定磁性体９２の内面側を曲線形状とすることで、磁界発生体９３と第１および第２の固定磁性体９１，９２との距離（図８に矢印Ｙで示す）が磁界発生体９３の移動位置に応じて変化するようにしている。この距離（位置関係）が変わることにより、磁界発生体９３の移動位置に応じて、磁気センサ９４を通過する磁束密度が変化する。その磁束密度の変化量を磁気センサ９４で検知し、電気信号に変換する。この電気信号が磁界発生体９３の位置に対して直線的な関係を有する信号であることから、磁気センサ９４の出力信号から磁界発生体９３の位置情報を検出できる。

特表２００５−５１５４５９号公報

磁気センサに内蔵されている一般的なホール素子は、温度によって感度が変化する温度特性などを有する。従って、温度補正をはじめ各種の補正および調整を行って検知精度を高める必要があるが、このとき磁束密度ゼロの状態で補正を行うと最も精度を高くすることができる。
しかしながら、従来の位置検出装置では、磁界発生体９３の移動距離に対する磁束密度の検知範囲がプラス側またはマイナス側の一方のみとなり、磁束密度ゼロが含まれていなかった。そのため、磁気センサ９４を磁束密度ゼロの状態で高精度に補正および調整を行うことができないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、補正および調整による精度向上を図った位置検出装置を得ることを目的とする。

この発明の位置検出装置は、Ｎ極の極性面およびその裏側にＳ極の極性面を有し、往復運動する駆動軸に取り付けられて当該ＮＳ極が並ぶ磁極方向と直交する方向に移動する磁界発生体と、磁界発生体の一方の極性面に対向して配置される曲線部を有する第１の固定磁性体と、磁界発生体のもう一方の極性面に対向する位置に配置され、当該磁界発生体を間にして第１の固定磁性体の曲線部に対向する、磁界発生体の移動方向に平行な直線部を有する第２の固定磁性体と、第２の固定磁性体に対向する位置に、第１の固定磁性体と並べて配置される第３の固定磁性体と、第１の固定磁性体と第３の固定磁性体との対向面に挟まれた状態に設置され、駆動軸の往復運動に応じて磁界発生体と第１の固定磁性体との間の磁極方向の距離が変化することで、通過する磁束が変化することから磁界発生体の位置を検出する磁気センサと、第２の固定磁性体と第３の固定磁性体の対向面間に設置され、磁気センサを通過する磁束を変化させて磁束密度の検知範囲にゼロが含まれるよう作用する電磁石とを備えるものである。

この発明によれば、電磁石により磁気センサを通過する磁束を変化させて、磁束密度の検知範囲にゼロが含まれるようにしたので、磁束密度ゼロの状態で高精度に磁束センサの補正および調整を行うことができる。よって、補正および調整による精度向上を図った位置検出装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る位置検出装置の基本構成を示す正面図である。 実施の形態１に係る位置検出装置において、電磁石が存在しない場合の磁束の流れを説明する図である。 実施の形態１に係る位置検出装置の磁気センサが検知する磁束密度のグラフを示し、破線が電磁石のない場合、実線が電磁石のある場合である。 実施の形態１に係る位置検出装置における磁束の流れを説明する図である。 実施の形態１に係る位置検出装置の変形例を示す外観斜視図である。 実施の形態１に係る位置検出装置の変形例を示す外観斜視図である。 この発明の実施の形態２に係る位置検出装置の磁気センサが検知する磁束密度のグラフを示し、破線が電磁石のない場合、実線が電磁石のある場合である。 従来の位置検出装置の基本構成を示す正面図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における位置検出装置の基本構成図を示しており、ステータとなる第１の固定磁性体１０、第２の固定磁性体２０および第３の固定磁性体３０と、永久磁石の磁界発生体４０と、磁気センサ５０と、バイアス磁石となる電磁石６０とを備えている。

磁界発生体４０は、Ｎ極とＳ極の双方の極性を有する面を備えており、この磁界発生体４０はＮ極とＳ極が並ぶ方向（以下、磁極方向Ｙ）と直交する方向（以下、移動方向Ｘ）に移動する。磁界発生体４０の一方の極性面に対向して第１の固定磁性体１０が配置され、磁界発生体４０のもう一方の極性面に対向して、第２の固定磁性体２０が配置されている。また、この磁界発生体４０はアクチュエータの駆動軸４１などに取り付けられており、駆動軸４１が移動方向Ｘに往復運動（直動）することにより、この駆動軸４１と一体になった磁界発生体４０も移動方向Ｘへ移動する。
この磁界発生体４０は永久磁石であり、例えばサマリウム・コバルト系の方形磁石を使用する。

第１の固定磁性体１０の磁界発生体４０に対向する側の面は、曲線部１１と２箇所の直線部１２，１３とから構成されている。図１の例では、直線部１２，１３が磁界発生体４０の移動範囲の両側端部に形成され、直線部１２，１３の間に曲線部１１が形成されている。この曲線部１１は、滑らかな曲線形状でなくてもよく、多数の直線を含む多角形状であってもよい。直線部１２，１３は、磁界発生体４０の移動方向Ｘに平行な直線形状である。
他方、第２の固定磁性体２０の磁界発生体４０に対向する側の面は、磁界発生体４０の移動方向Ｘと平行な直線部２１で構成されている。即ち、磁極方向Ｙ上に、第１の固定磁性体１０、磁界発生体４０、第２の固定磁性体２０が並ぶ。従って、磁界発生体４０は、第１の固定磁性体１０と第２の固定磁性体２０の対向面で構成されるギャップ中を、第２の固定磁性体２０の直線部２１と一定の距離を保ちながら移動するか、直線部２１に当接しながら摺動することになる。

さらに、第３の固定磁性体３０が、第２の固定磁性体２０に対向して、第１の固定磁性体１０と同じ側に並べて配置されている。
また、第１の固定磁性体１０と第３の固定磁性体３０の間に磁気センサ５０が配置され、リードワイヤ（電極端子）５１が外部へ出されている。図１の例においては、磁気センサ５０が、第１の固定磁性体１０と第３の固定磁性体３０との間に挟まれた状態に設置され、そのリードワイヤ５１が、第１の固定磁性体１０と第３の固定磁性体３０の隙間と同じ方向に伸びている。即ち、移動方向Ｘと平行に、第１の固定磁性体１０、磁気センサ５０、第３の固定磁性体３０が並ぶ。
また、第２の固定磁性体２０と第３の固定磁性体３０の間に電磁石６０が配置されている。即ち、磁極方向Ｙと平行に、第３の固定磁性体３０、電磁石６０、第２の固定磁性体２０が並ぶ。

次に、位置検出装置の磁束の流れを説明する。
先ず、図２を用いて、電磁石６０が存在しない場合の磁束の流れを説明する。なお、図２（ａ）は磁界発生体４０が移動範囲の一端側（Ａ）に位置する場合、図２（ｂ）は磁界発生体４０が移動範囲の他端側（Ｂ）に位置する場合を示す。
この例では、磁界発生体４０の第１の固定磁性体１０に対向する側がＳ極、第２の固定磁性体２０に対向する側がＮ極になっているものとする。図２（ａ）に示すように、移動方向の一端側Ａに磁界発生体４０がある場合、磁界発生体４０のＮ極から出た磁束の一部は、ギャップを経由して第２の固定磁性体２０に入り、再びギャップ（本来は電磁石６０のある空間）を経由して第３の固定磁性体３０に入り、磁気センサ５０を通過して、第１の固定磁性体１０からギャップを経由して磁界発生体４０のＳ極へ戻る。また、磁界発生体４０のＮ極から出た磁束の一部は、ギャップを経由して第２の固定磁性体２０に入り、再びギャップを経由して第１の固定磁性体１０に入り、ギャップを経由して磁界発生体４０のＳ極へ戻る。
図２（ｂ）に示すように、移動方向の他端側Ｂに磁界発生体４０がある場合、磁界発生体４０のＮ極から出た磁束は、ギャップを経由して第２の固定磁性体２０に入り、再びギャップ（本来は電磁石６０のある空間）を経由して第３の固定磁性体３０に入り、磁気センサ５０を通過して、第１の固定磁性体１０からギャップを経由して磁界発生体４０のＳ極へ戻る。

このとき、第１の固定磁性体１０と第２の固定磁性体２０の距離（ギャップ）が磁界発生体４０の位置に応じて異なることにより、磁気回路の磁気抵抗が変わり、磁気センサ５０で検知する磁束（密度）が変わることから、磁界発生体４０の位置、ひいては駆動軸４１などの位置を検出することができる。この位置検出装置は、磁界発生体４０の移動に応じた磁束密度の特性が線形になるように、第１の固定磁性体１０の曲線部１１および直線部１２，１３の形状を決定しているので、磁界発生体４０が直線部１２側に移動すると磁束密度が高くなり、直線部１３側に移動すると磁束密度が低くなる。また、磁気センサ５０を通過する磁束は、正負のどちらかの強弱となるため、検知した磁束密度の強弱に応じて出力信号（電圧値）も正負のどちらかとなる。磁束の正負は、磁界発生体４０の磁極の向き、および磁気センサ５０の検知方向により決まる。

図３は、磁気センサ５０が検知する磁束密度のグラフであり、破線が電磁石６０のない場合を示す。グラフの縦軸は磁気センサ５０が検知する磁束密度、横軸は磁界発生体４０の位置であり、Ａは図２（ａ）に示す磁界発生体４０の位置Ａ、Ｂは図２（ｂ）に示す磁界発生体４０の位置Ｂに相当する。図２に示す構成の場合は、磁気センサ５０が正側の磁束密度を検知している。

次に、図４を用いて、電磁石６０が存在する場合の磁束の流れを説明する。なお、図４（ａ）は磁界発生体４０が移動範囲の一端側（Ａ’）に位置する場合、図４（ｂ）は磁界発生体４０が移動範囲の他端側（Ｂ’）に位置する場合を示す。
図４に示す位置検出装置は、図２および図３で説明した位置検出原理を元に、磁気回路中に電磁石６０を配置したものである。この電磁石６０のＮＳ極が、磁界発生体４０のＮＳ極と同じ向きになるよう電流を流す。即ち、電磁石６０は、磁界発生体４０の発する磁束の向きと逆向きの磁束を発生する。その結果、磁気センサ５０を通過する磁束は弱められ、図３に示す破線から実線へ、磁束密度が平均的に弱められる。

電磁石６０がない場合は磁束密度の検知範囲が正側のみだったのに対し（図３の破線）、電磁石６０を設置した場合は逆磁界が作用して磁界発生体４０の発する磁束密度にバイアスがかかり、検知範囲が正負両方を含む範囲へオフセットする（図３の実線）。よって、磁界発生体４０の移動範囲内に磁束密度ゼロとなる点を設けることができる。

なお、磁束密度検知範囲のオフセット量は、電磁石６０に流す電流を調節して磁束（磁力）を調整することにより自由に変更可能である。
電磁石６０と磁界発生体４０の磁束密度の大小関係は、磁石サイズ、磁極面積、ギャップ、残留磁束密度などによって変わるので、一概には言えないが、目安としては電磁石６０の発生する磁束が、磁界発生体４０の発生する磁束と同等かそれより小さい磁束になるようにする。

このように、磁界発生体４０の移動範囲内で磁束密度がゼロになる状態を作ることにより、磁束密度ゼロ状態で磁気センサ５０の補正および調整を高精度に行うことができる。
磁気センサ５０としては、内部に温度検知素子が含まれ、温度補償機能をプログラムできるＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ；特定用途向け半導体）付きホール素子（ホールＩＣ）を使用し、ゼロ点および出力勾配を調整し、高温環境でも出力が変動しない構成にする。

図１〜図４の例では磁界発生体４０と電磁石６０のＳ極を第１の固定磁性体１０と第３の固定磁性体３０に向け、Ｎ極を第２の固定磁性体２０に向ける配置にしたが、極性を逆に配置してもよい。

また、図１〜図４の例では、磁気センサ５０のリードワイヤ５１の向きを磁界発生体４０の磁極方向Ｙに平行な方向に配置したが、例えば図５に示すように紙面垂直方向にリードワイヤ５１を出すように磁気センサ５０を配置してもよい。この構成により、第１の固定磁性体１０の正面側でリードワイヤ５１を外部端子または電子基板（不図示）と接続可能となり、位置検出装置の移動方向Ｘの全長を縮小でき、小型化できる。それによって、製造コストを低減させることが可能となる。
また、図６に示すように、第１の固定磁性体１０、第２の固定磁性体２０および第３の固定磁性体３０を積層鋼板で構成してもよい。積層鋼板を使用することにより、第１の固定磁性体１０、第２の固定磁性体２０および第３の固定磁性体３０に発生する渦電流を抑制でき、精度向上に繋がる。あるいは、第１の固定磁性体１０、第２の固定磁性体２０および第３の固定磁性体３０を圧粉鉄芯で形成して、積層鋼板同様に、渦電流を抑制してもよい。
さらに、図５と図６の構成を組み合わせてもよい。

以上より、実施の形態１によれば、位置検出装置は、Ｎ極の極性面およびその裏側にＳ極の極性面を有し、往復運動する駆動軸４１に取り付けられて当該ＮＳ極が並ぶ磁極方向と直交する方向に移動する磁界発生体４０と、磁界発生体４０の一方の極性面に対向して配置される曲線部１１を有する第１の固定磁性体１０と、磁界発生体４０のもう一方の極性面に対向する位置に配置され、磁界発生体４０を間にして第１の固定磁性体１０の曲線部１１に対向する移動方向Ｘに平行な直線部２１を有する第２の固定磁性体２０と、第２の固定磁性体２０に対向する位置に第１の固定磁性体１０と並べて配置される第３の固定磁性体３０と、第１の固定磁性体１０と第３の固定磁性体３０の対向面に挟まれた状態に設置され、駆動軸４１の往復運動に応じて磁界発生体４０と第１の固定磁性体１０との間の磁極方向の距離が変化することで、通過する磁束が変化することから磁界発生体４０の位置を検出する磁気センサ５０と、第２の固定磁性体２０と第３の固定磁性体３０の対向面間に設置され、磁気センサ５０を通過する磁束を変化させて磁束密度の検知範囲にゼロが含まれるよう作用する電磁石６０とを備える構成にした。このため、磁束密度ゼロの状態で磁気センサ５０の補正および調整を行うことができる。よって、補正および調整による精度向上を図った位置検出装置を得ることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、磁界発生体４０の移動範囲内で磁束密度がゼロを通過する構成にしたが、本実施の形態２では、移動範囲の端部で磁束密度がゼロになるよう構成する。なお、本実施の形態２の位置検出装置は、図１および図４に示す位置検出装置と図面上では同様の構成であるため、以下では図１および図４を援用して説明する。

図７は、磁気センサ５０が検知する磁束密度のグラフであり、破線が電磁石６０のない場合、実線が電磁石６０のある場合を示す。グラフ中のＡ，Ａ’，Ｂ，Ｂ’の磁束密度は、図２および図４において磁界発生体４０がＡ，Ａ’，Ｂ，Ｂ’の位置における磁気センサ５０の検知する磁束密度に相当する。本実施の形態２では、電磁石６０への通電量を調節して、磁界発生体４０が移動範囲の一端側（Ｂ’）にあるときに磁束密度がゼロになるようなバイアスをかける。

以上より、実施の形態２によれば、位置検出装置の電磁石６０への通電量を、磁気センサ５０の検知する磁束密度が磁界発生体４０の移動範囲の一端側でゼロになる値とすることにより、磁束密度ゼロ状態になるときの磁界発生体４０の絶対位置が決まるので、磁界発生体４０が移動範囲の一端部にあるときに磁気センサ５０の補正および調整を行えばよいことになる。従って、補正および調整の作業を簡易化できる。
特に、磁気センサ５０としてホールＩＣ等のプログラマブルセンサを用い、位置検出装置をアクチュエータ等に搭載した後で補正および調整に用いるパラメータを書き込む場合、磁界発生体４０が移動範囲の一端部にある磁束密度ゼロの状態で、パラメータを求めて書き込めば良いため、作業が容易となる。

あるいは、電磁石６０への通電量を、磁気センサ５０の検知する磁束密度が磁界発生体４０の移動範囲の中心でゼロになる値にしてもよい。この場合は、磁界発生体４０を移動範囲の中心位置に位置合わせした状態で、補正および調整を行えばよい。

このように、電磁石６０への通電量を調節することで磁束密度のバイアス量を自由に変更することができるので、磁気センサ５０の磁束密度の検知範囲を調整したり、磁束密度がゼロになる磁界発生体４０の位置を調整したりすることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

以上のように、この発明に係る位置検出装置は、磁気センサの温度特性等を磁束密度ゼロの状態で高精度に補正および調整できるようにしたので、車両に搭載されるスロットルバルブ、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）バルブ、ＷＧ（Ｗａｓｔｅ Ｇａｔｅ）バルブ、ＶＧ（Ｖａｒｉａｂｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ）ターボシステムの可動ベーンなどを駆動するアクチュエータのシャフト位置を検出する位置検出装置など、高温下での使用に適している。

１０ 第１の固定磁性体、 １１ 曲線部、 １２，１３ 直線部、 ２０ 第２の固定磁性体、 ２１ 直線部、 ３０ 第３の固定磁性体、 ４０ 磁界発生体、 ４１ 駆動軸、 ５０ 磁気センサ、 ６０ 電磁石、 ９１ 第１の固定磁性体、 ９２ 第２の固定磁性体、 ９３ 磁界発生体、 ９４ 磁気センサ。

Claims (3)

1. Ｎ極の極性面およびその裏側にＳ極の極性面を有し、往復運動する駆動軸に取り付けられて当該ＮＳ極が並ぶ磁極方向と直交する方向に移動する磁界発生体と、
   前記磁界発生体の一方の極性面に対向して配置される曲線部を有する第１の固定磁性体と、
   前記磁界発生体のもう一方の極性面に対向する位置に配置され、当該磁界発生体を間にして前記第１の固定磁性体の曲線部に対向する、前記磁界発生体の移動方向に平行な直線部を有する第２の固定磁性体と、
   前記第２の固定磁性体に対向する位置に、前記第１の固定磁性体と並べて配置される第３の固定磁性体と、
   前記第１の固定磁性体と前記第３の固定磁性体との対向面に挟まれた状態に設置され、前記駆動軸の往復運動に応じて前記磁界発生体と前記第１の固定磁性体との間の前記磁極方向の距離が変化することで、通過する磁束が変化することから前記磁界発生体の位置を検出する磁気センサと、
   前記第２の固定磁性体と前記第３の固定磁性体の対向面間に設置され、前記磁気センサを通過する磁束を変化させて磁束密度の検知範囲にゼロが含まれるよう作用する電磁石とを備える位置検出装置。
2. 電磁石への通電量は、磁気センサの検知する磁束密度が磁界発生体の移動範囲の一端側でゼロになる値であることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
3. 電磁石への通電量は、磁気センサの検知する磁束密度が磁界発生体の移動範囲の中心でゼロになる値であることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。

Images