JP2016151486A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を大型化しなくとも、距離の測定精度を向上させることが可能な距離測定装置を提供する。
【解決手段】距離測定装置１は、所定の並び方向に並んで配置された一対の永久磁石２１，２２と、一対の永久磁石２１，２２の並び方向と交差する方向に移動する移動体１１に固定され、一対の永久磁石２１，２２の磁界の磁路を形成する磁気ヨーク３と、検出される磁界強度が移動体１１の移動に伴って変化するように一対の永久磁石２１，２２との相対位置が固定された磁界センサ４とを備え、一対の永久磁石２１，２２は、Ｎ極及びＳ極のうち一方の磁極同士が向かい合うように間隔をあけて配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象との距離を測定する距離測定装置に関する。

従来、測定対象との距離を永久磁石の磁気によって測定可能な非接触型の距離計が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載の距離計は、軟磁性体からなる測定対象を通過する磁束を発生させる永久磁石と、永久磁石と測定対象との間に配置された磁気センサと、磁気センサから測定対象までの距離の変化量を磁気センサで検出された磁束密度の変化量から算出する距離算出回路とを備えて構成されている。磁気センサは、円柱状に形成されたコアと、コアに巻装された検出コイルからなり、距離算出回路は、検出コイルの両端出力電圧の正負の波高値に基づいて磁気センサから測定対象までの距離の変化量を算出する。

特開平３−２４３８０１号公報

特許文献１に記載の距離計では、永久磁石と測定対象との間に磁気センサが配置されるので、永久磁石と測定対象との間が大きくあいてしまう。このため、測定対象を通過する磁束を大きくすることができず、磁気センサから測定対象までの距離の変化量に対する磁気センサにおける磁束密度の変化量の割合が小さいため、磁気センサから測定対象までの距離の精度向上が難しかった。

また、例えば永久磁石の大きさを大きくすれば、測定対象を通過する磁束を増大させることができるが、この場合には、設置スペースの大型化と高コスト化を招来してしまう。

そこで、本発明は、永久磁石を大型化しなくとも、距離の測定精度を向上させることが可能な距離測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、所定の並び方向に並んで配置された一対の永久磁石と、前記一対の永久磁石に対して前記並び方向と交差する方向に移動する測定対象に固定され、前記一対の永久磁石の磁界の磁路を形成する磁気ヨークと、検出される磁界強度が前記測定対象の移動に伴って変化するように前記一対の永久磁石との相対位置が固定された磁界センサとを備え、前記一対の永久磁石は、Ｎ極及びＳ極のうち一方の磁極同士が向かい合うように間隔をあけて配置された、距離測定装置を提供する。

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、軟磁性体からなる測定対象の移動距離を測定する距離測定装置であって、前記測定対象の移動方向に対して交差する方向に並んで配置された一対の永久磁石と、検出される磁界強度が前記測定対象の移動に伴って変化するように前記一対の永久磁石との相対位置が固定された磁界センサとを備え、前記一対の永久磁石は、Ｎ極及びＳ極のうち一方の磁極同士が向かい合うように間隔をあけて配置された、距離測定装置を提供する。

本発明に係る距離測定装置によれば、永久磁石を大型化しなくとも、距離の測定精度を向上させることがすることが可能となる。

（ａ）は、本実施の形態に係る距離測定装置の構成例を示す分解斜視図であり、（ｂ）は、この距離測定装置に用いられる磁界センサを示す斜視図である。 第１部材に対して固定された磁気ヨークと、第１磁石及び第２磁石とをその長手方向の側面から見た構成図である。 （ａ）及び（ｂ）は、距離測定装置の動作を説明するために示す説明図である。

［実施の形態］
以下、図１乃至図３を参照し、本発明の実施の形態に係る距離測定装置について説明する。

図１（ａ）は、本実施の形態に係る距離測定装置の構成例を示す分解斜視図である。図１（ｂ）は、この距離測定装置に用いられる磁界センサを示す斜視図である。

この距離測定装置１は、測定対象としての移動体１１の移動距離を測定するためのものであり、本実施の形態では、後述する一対の永久磁石２１，２２を保持する保持部材１２に対する移動体１１の移動距離を測定可能である。図１（ａ）では、保持部材１２を二点鎖線で示し、その内部に保持された一対の永久磁石２１，２２を実線で示している。移動体１１は、一対の永久磁石２１，２２の並び方向に対して交差する方向に移動する。以下、距離測定装置１の構成の詳細について説明する。

距離測定装置１は、所定の並び方向に並んで配置された一対の永久磁石２１，２２と、移動体１１に固定された磁性体からなる磁気ヨーク３と、一対の永久磁石２１，２２による磁界の強度を検出する磁界センサ４と、一対の永久磁石２１，２２を保持する保持部材１２と、磁界センサ４による磁界の強度の検出結果に基づいて移動体１１の移動距離を演算により求める演算部（後述）とを備えて構成されている。

移動体１１は、例えばアルミニウム等の非磁性体からなり、保持部材１２との対向面に磁気ヨーク３が例えば接着によって固定されている。以下の説明では、移動体１１が一対の永久磁石２１，２２の並び方向に対して直交する方向（矢印Ａ方向）に直線運動する場合について説明するが、これに限らず、移動体１１が図略の支持軸を中心として回転運動するように支持されていてもよい。

一対の永久磁石２１，２２は、例えばフェライト磁石からなり、それぞれが一対の磁極（Ｎ極及びＳ極）を有している。また、一対の永久磁石２１，２２は、Ｎ極及びＳ極のうち、一方の磁極同士が向かい合うように間隔をあけて配置されている。なお、一対の永久磁石２１，２２として、より高い残留磁束密度を得ることができるサマリウムコバルト磁石やネオジム磁石を用いてもよい。一対の永久磁石２１，２２は、磁極の並び方向が長手方向となる直方形状であり、この磁極の並び方向が、一対の永久磁石２１，２２の並び方向と一致している。

保持部材１２は、モールド樹脂からなり、このモールド樹脂に一対の永久磁石２１，２２がインサート成型されている。なお、本実施の形態では、第２部材１２が四角柱状であるが、保持部材１２は、一対の永久磁石２１，２２及び磁界センサ４の相対的な位置関係を固定することが可能な非磁性体であればよく、その材質や形状は、様々なものを用いることが可能である。

磁気ヨーク３は、鉄系金属等の軟磁性体からなり、一対の永久磁石２１，２２の磁界の磁路を形成する。本実施の形態では、磁気ヨーク３が移動体１１の移動方向に厚みを有する板状であり、保持部材１２側から見た磁気ヨーク３の形状は、一対の永久磁石２１，２２の並び方向が長辺方向となる長方形状である。

また、本実施の形態では、磁界センサ４がホールＩＣであり、ホール効果を利用して磁界の強度を電気信号に変換するホール素子を樹脂やセラミック等の絶縁体によって封止してなる直方体状の本体部４０と、本体部４０から導出された第１乃至第３のリード線４１〜４３とを有している。第１のリード線４１は電源線であり、第２のリード線４２は信号線であり、第３のリード線４３はグランド線である。

磁界センサ４は、検出される磁界強度が移動体１１の移動に伴って変化するように、一対の永久磁石２１，２２との相対位置が固定されている。また、磁界センサ４は、磁界検出面４０ａが一対の永久磁石２１，２２の対向面間に位置するように配置されている。磁界センサ４は、この磁界検出面４０ａに交差する磁界の強度を検出し、磁界の強度に応じた電気信号を第２のリード線４２から出力する。本体部４０における磁界検出面４０ａとは反対側の側面４０ｂは、磁気ヨーク３を指向する。ただし、磁気ヨーク３側の面が磁界検出面４０ａとなるように、磁界センサ４を配置してもよい。

図２は、距離測定装置１を一対の永久磁石２１，２２の並び方向に対して直交する方向から見た構成図である。以下、一対の永久磁石２１，２２のそれぞれを明確に区別するため、一対の永久磁石２１，２２の一方を第１の永久磁石２１とし、他方を第２の永久磁石２２とする。

第１の永久磁石２１は、図２に示すように、長手方向の磁界センサ４側の一端部２１０にＮ極が、他端部２１１にＳ極が、それぞれ形成されている。第２の永久磁石２２は、長手方向の磁界センサ４側の一端部２２０にＮ極が、他端部２２１にＳ極が、それぞれ形成されている。第１の永久磁石２１の一端部２１０と第２の永久磁石２２の一端部２２０とは、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の並び方向に沿って、磁界センサ４を配置可能な間隔をあけて向かい合っている。つまり、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２は、Ｎ極同士が向かい合うように間隔を開けて配置されている。

なお、本実施の形態では、上記のように、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２はＮ極同士が向かい合うように配置されているが、Ｎ極及びＳ極のうち一方の磁極同士が向かい合うように間隔をあけて配置されていればよく、向かい合う磁極はこれに限定されるものではない。例えば、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２のＳ極同士が向かい合うように配置されていてもよい。

磁気ヨーク３は、移動体１１に接合された接合面３ａと、厚み方向において接合面３ａとは反対側に位置し、かつ磁界センサ４における本体部４０に対向する対向面３ｂとを有している。磁気ヨーク３は、移動体１１における保持部材１２との対向面１１ａに固定されている。

第１の永久磁石２１の一端部２１０における長手方向の端面は、第２磁石２２に対向する対向面２１０ａとして形成されている。同様に、第２磁石２２の一端部２２０における長手方向の端面は、第１磁石２１に対向する対向面２２０ａとして形成されている。磁界センサ４は、本体部４０の磁界検出面４０ａが第１磁石２１の対向面２１０ａ及び第２磁石２２の対向面２２０ａの間に位置するように配置されている。

また、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の並び方向と平行な方向の磁気ヨーク３における幅寸法をＷ_１とし、第１磁石２１の対向面２１０ａ及び第２磁石２２の対向面２２０ａの間の距離をＷ_２とすると、磁気ヨーク３の幅寸法Ｗ_１は、上記対向面２１０ａ，２２０ａ間の距離Ｗ_２よりも大きい（Ｗ_１＞Ｗ_２）。

図３（ａ）及び（ｂ）は、距離測定装置１の動作を説明するために示す説明図である。図３（ａ）は、移動体１１が保持部材１２から最も離間した状態を示し、図３（ｂ）は、移動体１１が保持部材１２に最も接近した状態を示している。移動体１１と保持部材１２との間の距離は、図３（ａ）示す最長距離Ｌ_１と、図３（ｂ）に示す最短距離Ｌ_２との間で変動する。

図３（ａ）及び（ｂ）では、保持部材１２の内部における磁界センサ４、及び磁界センサ４に接続されるケーブル５を実線で示し、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の磁界を示す磁力線を点線で示している。磁界センサ４は、ケーブル５によって演算部６に接続されている。

ケーブル５は、第１乃至第３の電線５１〜５３と、第１乃至第３の電線５１〜５３を一括して被覆するシース５０とを有している。第１乃至第３の電線５１〜５３は、それぞれが芯線を絶縁被覆してなる絶縁電線であり、第１の電線５１の芯線が磁界センサ４の第１のリード線４１に、第２の電線５２の芯線が磁界センサ４の第２のリード線４２に、第３の電線５３の芯線が磁界センサ４の第３のリード線４３に、それぞれ接続されている。

本実施の形態では、移動体１１が、保持部材１２との対向面１１ａに垂直な方向に沿って、保持部材１２に対して接近及び離間する。磁界センサ４は、本体部４０の磁界検出面４０ａが、第１の永久磁石２１と第２の永久磁石２２との並び方向に対して平行で、かつ保持部材１２に対する移動体１１の移動方向に対して直交するように配置されている。すなわち、磁界センサ４の感磁方向は、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の並び方向に対して垂直で、保持部材１２に対する移動体１１の移動方向に平行である。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２のＮ極側から放射された磁力線の一部は磁気ヨーク３を通過する。磁気ヨーク３を通過する磁力線の数は、移動体１１が保持部材１２に接近するほど多くなる。移動体１１が保持部材１２に接近すると、Ｎ極とＳ極間の磁気抵抗が減少すると共に第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の磁束が磁気ヨーク３に引き寄せられ、磁界センサ４を通過する磁束が増加して、磁界センサ４によって検出される磁界の強度が強くなる。

図３（ｂ）に示すように、磁気ヨーク３が第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２に最も接近したとき、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の対向面２１０ａ，２２０ａ間において磁界強度が最も弱くなる位置を磁界死点Ｋとすると、磁界センサ４は、磁界死点Ｋよりも磁気ヨーク３側に磁界検出面４０ａが位置するように配置されている。これにより、移動体１１の移動に伴って変化する磁界センサ４で検出される磁界強度の変化量が大きくなる。ここで、磁界死点Ｋとは、磁束の打ち消し合いによって生じる磁界強度が実質的にゼロとなる点である。

このように、移動体１１が保持部材１２に接近すると、磁界センサ４によって検出される磁界の強度が強くなり、移動体１１が保持部材１２から遠ざかると、磁界センサ４によって検出される磁界の強度が弱くなる。演算部６は、磁界センサ４によって検出される磁界の強度に基づいて、移動体１１と保持部材１２との間の距離を演算によって求める。

演算部６は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）と、ＲＯＭやＲＡＭ等によって構成される記憶素子と、ケーブル５の第２の電線５２によって伝送される磁界センサ４の出力信号をアナログ−デジタル変換するＡＤ変換素子とを有して構成され、記憶素子には、磁界センサ４によって検出される磁界の強度と移動体１１及び保持部材１２間の距離との関係を示す関係情報が記憶されている。ＣＰＵは、磁界センサ４によって検出され、ＡＤ変換素子でデジタル変換された磁界の強度を示す数値情報に基づいて記憶素子に記憶された関係情報を参照し、移動体１１と保持部材１２との間の距離を算出する。

ここで、移動体１１と保持部材１２との間の距離は、移動体１１の移動量に応じて変化する、磁界センサ４で検出される磁界強度の変化幅が大きいほど精度よく求めることができる。本実施の形態では、第１の永久磁石２１と第２の永久磁石２２との間に磁界センサ４を配置すると共に、第１の永久磁石２１と第２の永久磁石２２とのＮ極同士を向かい合わせることで磁界センサ４の磁界検出面４０ａを通過する磁界の強度を高め、磁界センサ４で検出される磁界強度が移動体１１の移動に伴って大きく変化するように構成されている。これにより、移動体１１と保持部材１２との間の距離の精度向上が図られている。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明した本実施の形態によれば、以下のような作用及び効果が得られる。

（１）第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２は、Ｎ極同士が向かい合うように間隔をあけて配置され、測定対象である移動体１１が保持部材１２に接近したときに磁気ヨーク３に磁束が引き寄せられると共に磁気抵抗が減少するため、磁界センサ４によって検出される磁界の強度が変化する。これにより、例えば特許文献１に記載された距離計のように、磁界センサを測定対象と永久磁石との間に配置した場合に比較して、移動体１１の移動量に対する磁界センサ４によって検出される磁界強度の変化量を大きくすることができる。すなわち、磁石を大型化しなくても、距離の測定精度を高めることができる。

（２）磁界センサ４は、移動体１１が保持部材１２に最も接近したときに形成される磁界死点Ｋよりも磁気ヨーク３側に磁界検出面４０ａが配置されているので、例えば磁界検出面４０ａが磁界死点Ｋよりも磁気ヨーク３から遠い位置に配置されている場合に比較して、磁界検出面４０ａを通過する磁束を多くすることができる。これにより、上記（１）に記載の効果をさらに向上させることができる。

（３）磁界センサ４は、本体部４０の磁界検出面４０ａが第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２における対向面２１０ａ，２２０ａ間に位置するように配置されているので、保持部材１２を小型化できると共に、保持部材１２に対する移動体１１の移動に伴って変化する対向面２１０ａ，２２０ａ間における磁界の強度の変化をより確実に検出することができる。

（４）磁気ヨーク３はその幅寸法Ｗ_１が第１磁石２１及び第２磁石２２における対向面２１０ａ，２２０ａ間の距離Ｗ_２よりも大きく設定されているので、例えば磁気ヨーク３の幅寸法Ｗ_１が対向面２１０ａ，２２０ａ間の距離Ｗ_２よりも小さい場合に比較して、より確実に磁気ヨーク３を磁路とする磁束が形成される。また、磁気ヨーク３を移動体１１に固定する際の位置決め精度が低い場合でも、磁気ヨーク３の位置ずれによる影響を抑制することが可能となる。

［変形例］
以上、非磁性体からなる移動体１１に磁気ヨーク３を固定し、この磁気ヨーク３を第１及び第２の永久磁石２１，２２の磁界の磁路として含む場合について説明したが、本発明はこれに限らず、移動体１１が軟磁性体からなる場合にも適用可能であり、この場合には磁気ヨーク３を要しない。つまり、移動体１１が軟磁性体からなる場合には、所定の並び方向に並んで配置された一対の永久磁石２１，２２と、一対の永久磁石２１，２２による磁界の強度を検出する磁界センサ４と、一対の永久磁石２１，２２を保持する保持部材１２と、磁界センサ４による磁界の強度の検出結果に基づいて移動体１１の移動距離を演算により求める演算部６とによって、距離測定装置１を構成することができる。また、この場合にも、上記説明した（１）〜（４）の作用及び効果を得ることができる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］所定の並び方向に並んで配置された一対の永久磁石（２１，２２）と、前記一対の永久磁石（２１，２２）に対して前記並び方向と交差する方向に移動する移動体（１１）に固定され、前記一対の永久磁石（２１，２２）の磁界の磁路を形成する磁気ヨーク（３）と、検出される磁界強度が前記移動体（１１）の移動に伴って変化するように前記一対の永久磁石（２１，２２）との相対位置が固定された磁界センサ（４）とを備え、前記一対の永久磁石（２１，２２）は、Ｎ極及びＳ極のうち一方の磁極同士が向かい合うように間隔をあけて配置された、距離測定装置（１）。

［２］前記磁界センサ（４）は、前記磁気ヨーク（３）が前記一対の永久磁石（２１，２２）に最も接近したときに前記一対の永久磁石（２１，２２）の対向面（２１０ａ，２２０ａ）間において磁界強度が最も弱くなる磁界死点（Ｋ）よりも前記磁気ヨーク（３）側に磁界検出面（４０ａ）が位置するように配置された、［１］に記載の距離測定装置（１）。

［３］前記磁界センサ（４）は、前記磁界検出面（４０ａ）が前記一対の永久磁石（２１，２２）の対向面（２１０ａ，２２０ａ）間に位置するように配置された、［２］に記載の距離測定装置（１）。

［４］前記磁気ヨーク（４）は、前記一対の永久磁石（２１，２２）の前記並び方向に平行な方向の幅寸法（Ｗ_１）が、前記一対の永久磁石（２１，２２）の対向面（２１０ａ，２２０ａ）間の距離（Ｗ_２）よりも大きい、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の距離測定装置（１）。

［５］軟磁性体からなる移動体（１１）の移動距離を測定する距離測定装置（１）であって、前記移動体（１１）の移動方向に対して交差する方向に並んで配置された一対の永久磁石（２１，２２）と、検出される磁界強度が前記移動体（１１）の移動に伴って変化するように前記一対の永久磁石（２１，２２）との相対位置が固定された磁界センサ（４）とを備え、前記一対の永久磁石（２１，２２）は、Ｎ極及びＳ極のうち一方の磁極同士が向かい合うように間隔をあけて配置された、距離測定装置（１）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、保持部材１２が固定され、測定対象としての移動体１１が保持部材１２ならびに第１及び第２の永久磁石２１，２２に対して移動する場合について説明したが、これに限らず、測定対象が機器のフレーム等の固定部材に固定され、保持部材１２ならびに第１及び第２の永久磁石２１，２２が測定対象に対して移動するように距離測定装置を構成してもよい。

１…距離測定装置
１１…移動体（測定対象）
２１…第１の永久磁石
２２…第２の永久磁石
２１０ａ，２２０ａ…対向面
３…磁気ヨーク
４…磁界センサ
４０ａ…磁界検出面

Claims (5)

1. 所定の並び方向に並んで配置された一対の永久磁石と、
   前記一対の永久磁石に対して前記並び方向と交差する方向に移動する測定対象に固定され、前記一対の永久磁石の磁界の磁路を形成する磁気ヨークと、
   検出される磁界強度が前記測定対象の移動に伴って変化するように前記一対の永久磁石との相対位置が固定された磁界センサとを備え、
   前記一対の永久磁石は、Ｎ極及びＳ極のうち一方の磁極同士が向かい合うように間隔をあけて配置された、
   距離測定装置。
2. 前記磁界センサは、前記磁気ヨークが前記一対の永久磁石に最も接近したときに前記一対の永久磁石の対向面間において磁界強度が最も弱くなる磁界死点よりも前記磁気ヨーク側に磁界検出面が位置するように配置された、
   請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記磁界センサは、前記磁界検出面が前記一対の永久磁石の対向面間に位置するように配置された、
   請求項２に記載の距離測定装置。
4. 前記磁気ヨークは、前記一対の永久磁石の前記並び方向に平行な方向の幅寸法が、前記一対の永久磁石の対向面間の距離よりも大きい、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の距離測定装置。
5. 軟磁性体からなる測定対象の移動距離を測定する距離測定装置であって、
   前記測定対象の移動方向に対して交差する方向に並んで配置された一対の永久磁石と、
   検出される磁界強度が前記測定対象の移動に伴って変化するように前記一対の永久磁石との相対位置が固定された磁界センサとを備え、
   前記一対の永久磁石は、Ｎ極及びＳ極のうち一方の磁極同士が向かい合うように間隔をあけて配置された、
   距離測定装置。

Images