JP2017142158A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気部材とホール素子との相対的位置の温度が依存して変化した場合にも出力値を補正する変位検出装置を提供する。
【解決手段】変位検出装置７は、検出した磁束密度に応じた信号を出力するものであって、磁石２の変位に応じて変化する磁束密度を検出するホール素子と、ホール素子の出力する信号を予め定めた計算方法を用いて処理し、磁石２の変位に比例した出力値を算出するとともに、磁石２とホール素子との相対位置と、温度との関係に基づいて定められる補正値を用いて当該出力値を補正するＤＳＰとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、変位検出装置に関する。

従来の技術として、シートのクッションパッドの温度依存性による検出誤差を補正して、クッションパッドを支えるクッションばねの変位を検出する変位検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された変位検出装置は、シートのクッションばねの上下方向変位に連動して回転する磁気発生部材と、磁気発生部材の磁界内に配置されて磁気発生部材に対する相対角度が変化すると磁束密度が変化するように配置された一対のギャップをもつヨークと、一対のギャップの一方に配置されて磁束密度を検出するホールＩＣとを有し、ホールＩＣはクッションばねの上下方向変位の温度依存性による検出誤差を補正する温度補正部を有する。クッションばね上に配置されたクッションパッドは、温度が高いと軟化して低いと硬化するという温度依存性を有する。従って、温度が高いとクッションパッドが変形しやすくなるため、クッションばねの変位量が大きくなり、温度が低いとクッションパッドが変形しにくくなるため、クッションばねの変位量が小さくなるが、当該温度依存性を上記温度補正部が測定された温度に応じて補正する。

特開２００５−２３３６７２号公報

しかし、特許文献１に示す変位検出装置は、シートのクッションパッドの温度依存性による検出誤差を補正するが、磁気発生部材、ヨーク、クッションばねを含む及び磁気センサのケースの温度依存性については考慮されていない。つまり、磁気発生部材、ヨーク、クッションばねも温度により変形するものであり、かつ、磁気センサ内にはホール素子が配置され、樹脂により封止してケースとしており、当該ケースが温度に依存して変形することでホール素子の配置された位置が変化することで、ひいては磁気発生部材とホール素子との相対的位置（オフセット）が変化するが、特許文献１に示す変位検出装置は、クッションパッド以外の温度依存性を考慮しておらず、磁気発生部材とホール素子との相対的位置の温度依存性による変位を補正できない、という問題があった。

従って、本発明の目的は、磁気部材とホール素子との相対的位置の温度が依存して変化した場合にも出力値を補正する変位検出装置を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の変位検出装置を提供する。

［１］検出した磁束密度に応じた信号を出力するものであって、磁気部材の変位に応じて変化する磁束密度を検出する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子の出力する信号を予め定めた計算方法を用いて処理し、前記磁気部材の変位に比例した出力値を算出するとともに、前記磁気部材と前記磁気検出素子との相対位置と、温度との関係に基づいて定められる補正値を用いて当該出力値を補正する信号処理部とを有する変位検出装置。
［２］検出した磁束密度に応じた信号を出力するものであって、磁気部材の変位に応じて変化する磁束密度を検出する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子の出力する信号を予め定めた計算方法を用いて処理し、前記磁気部材の変位に比例した出力値を算出する信号処理部と、
前記磁気部材と前記磁気検出素子との相対位置と、温度との関係に基づいて定められる補正値を用いて当該出力値を補正して出力信号を出力する出力部とを有する変位検出装置。
［３］前記信号処理部は、前記予め定めた計算方法に、一の検出方向について前記磁気検出素子の出力する信号と、他の検出方向について前記磁気検出素子の出力する信号との比を用いる前記［１］又は［２］に記載の変位検出装置。

請求項１又は２に係る発明によれば、磁気部材とホール素子との相対的位置の温度が依存して変化した場合にも出力値を補正することができる。
請求項３に係る発明によれば、一の検出方向について磁気検出素子の出力する信号の温度依存性と、他の検出方向について磁気検出素子の出力する信号の温度依存性とを相殺することができる。

図１（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図及び側面図である。 図２（ａ）及び（ｂ）は、磁気センサの構成を示す斜視図及び断面図である。 図３は、磁気センサの構成の一例を示すブロック図である。 図４は、変位検出装置の磁気センサの動作を説明するための概略図である。 図５（ａ）−（ｃ）は、変位検出装置の動作を説明するための概略図である。 図６（ａ）及び（ｂ）は、磁石の変位と磁気センサの検出する磁束密度との関係及び磁石の変位と磁気センサの出力との関係を表すグラフ図である。 図７は、磁気センサのＤＳＰが変換した電圧と角度との関係を示すグラフ図である。 図８は、補正値と温度との関係を示すグラフ図である。 図９は、磁気センサのＤＳＰが変換した電圧と角度との関係を示すグラフ図である。 図１０は、磁気センサの出力部が変換した電圧と角度との関係を示すグラフ図である。

［実施の形態］
（変位検出装置の構成）
図１（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図及び側面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、磁気センサの構成を示す斜視図及び断面図である。

変位検出装置７は、磁束密度の変化を検出方向Ｄ_ｓｘ及びＤ_ｓｚで検出する磁気センサ１と、ばね５及びロッド３に接続されて検出方向Ｄ_ｓｘと平行な変位方向Ｄ_ｓに変位する磁石２と、アクチュエータ４に接続されるロッド３と、ロッド３をｘ方向のマイナス方向に変位させるアクチュエータ４と、アクチュエータ４の変位に対してロッド３に反力を加えるばね５と、磁気センサ１、アクチュエータ４及びばね５を保持する筐体６とを有する。

磁気センサ１は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、一例として、ｚ方向に厚みを有する平板状の基板１０と、基板１０上に設けられてｘｙ面に平行な検出面を有し、磁気検出素子として検出方向をｚ方向とするホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２と、ホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２上に一部が重なるように設けられてｘ方向及びｙ方向の磁束をｚ方向に変換してホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２に検出させる磁気コンセントレータ１２と、ホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２の出力する信号を処理する信号処理部（ＤＳＰ１４、図３）を有し、ｘ、ｙ、ｚ方向の磁束密度を検出するホールＩＣである。

磁気センサ１は、磁気式ポジションセンサを用い、ホール素子１１_ｘ１と１１_ｘ２との出力の差分、ホール素子１１_ｙ１と１１_ｙ２との出力の差分をとることでｘ方向、ｙ方向の磁束密度に比例した出力を得ることができる。磁束密度と出力との関係は後述する。また、ホール素子１１_ｘ１と１１_ｘ２との間隔、ホール素子１１_ｙ１と１１_ｙ２との間隔は、ｄ_ｓ＝０．２ｍｍであり、パッケージモールド部はｚ方向の厚みが１．５ｍｍ、ｘ方向の幅が４．１ｍｍ、ｙ方向の高さが３ｍｍである。磁気センサ１の磁気コンセントレータ１２として、パーマロイを用いることができる。また、磁気センサ１は、ホール素子１１_ｙ１と１１_ｙ２を省略してもよい。

なお、磁気センサ１は、検出方向がｘ方向及びｚ方向であればＭＲ素子等の他の種類の素子を用いてもよいし、検出方向がｘ方向及びｚ方向を含めば複数の軸方向にそれぞれ磁気検出素子を配置した多軸磁気検出ＩＣを用いてもよい。

なお、ストローク方向Ｄ_ｓの変位量は一例として数十ｍｍ程度（±１０ｍｍ）の変位であるとする。

一対の磁石２は、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジウム等の材料を用いて形成された永久磁石である。

ロッド３は図示しない測定対象に接続されており、測定対象はアクチュエータによって変位され、当該変位が磁気センサ１によって検出される。

図３は、磁気センサ１の構成の一例を示すブロック図である。

磁気センサ１は、ホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２を総称したホール素子１１と、ホール素子１１の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部１３と、デジタル信号を処理する信号処理部としてのＤＳＰ１４と、処理済みのデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換部１５と、アナログ信号を出力する出力部１６と、磁気センサ１の周囲の温度を検出する温度センサ１７とを有する。ＤＳＰ１４は、信号処理のためのプログラムや設定値等の情報を格納するメモリ１４０を有する。

（変位検出装置の動作）
次に、実施の形態の作用を、図１−図９を用いて説明する。

図４は、変位検出装置７の磁気センサ１の動作を説明するための概略図である。

磁気センサ１を透過する磁束はホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２によって感知され、磁束密度に比例した信号を出力する。以下、ｘ方向の磁束、つまりホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２によって検出される磁束について説明する部分は、ｙ方向についても同様に説明されるものである。

磁束ｆのうち、平行成分Ｂ//は磁気コンセントレータ１２に誘導されることで、磁束密度の大きさが平行成分Ｂ//に比例する垂直成分Ｂ⊥に変換され、１対のホール素子１１_ｘ１及び１１_ｘ２によって検出される。垂直成分であるＢ_Ｚも１対のホール素子１１_ｘ１及び１１_ｘ２によって検出される。

つまり、図面左側のホール素子１１_ｘ１は“Ｂ⊥−Ｂ_Ｚ”を検出する一方、図面右側のホール素子１１_ｘ２は“−Ｂ⊥−Ｂ_Ｚ”を検出する。Ｙ方向についても１１_ｙ１、１１_ｙ２が同様に検出する。

従って、ホール素子１１_ｘ１の出力とホール素子１１_ｘ２の出力との差をとれば２Ｂ⊥が得られ、和をとれば−２Ｂｚが得られる。以下において磁気センサ１は、当該Ｂｘ⊥及びＢｚによって磁石２の変位を検出する。

図５（ａ）−（ｃ）は、変位検出装置７の動作を説明するための概略図である。

アクチュエータ４によりロッド３がｘ方向の正の方向に変位すると、磁石２が同様に変位し、図５（ａ）に示すように、磁気センサ１のホール素子を貫く磁束密度Ｂのうち検出方向Ｄ_ｓｘ及びＤ_ｓｚの磁束密度Ｂ_ｘ及びＢ_ｚは、ｘ方向と磁束とのなす角度をα_１とすると、Ｂ_ｘ＝Ｂ_０・ｃｏｓα_１＜０となり負の値を、Ｂ_ｚ＝Ｂ_０・ｓｉｎα_１＞０となり正の値をとる。

次に、図５（ａ）に示す状態から、ロッド３がｘ方向の負の方向に変位すると、ある地点において、図５（ｂ）に示すように、磁気センサ１と磁石２とが互いに最も接近する。この状態において磁気センサ１のホール素子を貫く磁束密度Ｂのうち検出方向Ｄ_ｓｘ及びＤ_ｓｚの磁束密度は、Ｂ_ｘ＝Ｂ_０・ｃｏｓ０°＝Ｂ_０であり、Ｂ_ｚ＝Ｂ_０・ｓｉｎ０°＝０である。

次に、図５（ｂ）に示す状態から、ロッド３がさらにｘの負の方向に変位すると、図５（ｃ）に示すように、磁気センサ１のホール素子を貫く磁束密度Ｂのうち検出方向Ｄ_ｓｘ及びＤ_ｓｚの磁束密度Ｂ_ｘ及びＢ_ｚは、ｘ方向と磁束とのなす角度をα_２とすると、Ｂ_ｘ＝Ｂ_０・ｃｏｓα_２＜０となり負の値を、Ｂ_ｚ＝Ｂ_０・ｓｉｎα_２＜０となり負の値をとる。

これらの磁石２の変位と磁気センサ１の検出する磁束密度との関係は、以下に説明する図６（ａ）のように表される。また、磁気センサ１のＤＳＰ１４は、上記Ｂ_ｘ及びＢ_ｚを用いてα＝Ａｒｃｔａｎ（Ｂ_ｘ／Ｂ_ｚ）を算出し、当該αと磁石２の変位との関係は図６（ｂ）のように表される。

図６（ａ）及び（ｂ）は、磁石２の変位と磁気センサ１の検出する磁束密度との関係及び磁石２の変位と磁気センサ１の出力との関係を表すグラフ図である。

ロッド３がアクチュエータ４によって動かされていない状態（図５（ｃ）の状態）をストローク０．５ｍｍであるとすると、ロッド３がアクチュエータ４に押されるに従ってストロークが増加する。磁石２の変位と磁気センサ１の検出する２方向（Ｄ_ｓｘ、Ｄ_ｓｚ）の磁束密度との関係は、図６（ａ）に示すようになる。また、磁石２の変位と磁気センサ１のＤＳＰ１４が算出したαとの関係は、図６（ｂ）に示すように、ストロークが正に増加するに従い磁束密度が増加するものであり、ストローク０．５〜１．５ｍｍの間では直線性（ダイナミックレンジが８０ｄｅｇ）が確保されたものとなる。

また、磁気センサ１のＤＳＰ１４は、通常は算出したαに比例した電圧Ｖ_ｄｄを出力値として出力部１６から出力するが、算出したαをメモリ１４０に予め用意された条件に基づいて以下に示す図７のように変換した電圧Ｖ_ｄｄを出力値として出力してもよい。

図７は、磁気センサ１のＤＳＰ１４が変換した電圧Ｖ_ｄｄと角度αとの関係を示すグラフ図である。

出力部１６から出力される電圧Ｖ_ｄｄは、角度αの範囲α_ｓ−α_１、α_１−α_２、α_２−α_３、α_３−α_４、α_４−α_５、α_５−α_６、α_６−、を利用者が指定し、各範囲の傾きを指定することで決定される。この変換により、例えば、フューエルタンクの燃料面の高さと燃料残量との関係のように、ロッド３の変位と、ロッド３に接続された測定対象の変化量とが比例していない場合に対応することができる。

次に、磁気センサ１のＤＳＰ１４は、メモリ１４０に予め用意された条件に基づいて、温度センサ１７から入力された温度Ｔに対応した補正値Δαを以下の図８に示すように定める。

図８は、補正値Δαと温度Ｔとの関係を示すグラフ図である。

補正値Δαは、常温（Ｔ＝２５℃）の補正量を０とし、各温度の範囲の傾きを指定することで定められる。これは、変位検出装置７が置かれた環境の温度において、ばね５の自然長や弾性係数、ロッド３及びアクチュエータ４の初期位置及び変位、ホール素子１１の磁気センサ１内における位置が変化し、磁石２と磁気センサ１との相対的な位置が変化することを考慮して定められたものである。

次に、磁気センサ１のＤＳＰ１４は、以下の図９に示すように、算出したαにΔαを加算して、電圧Ｖ_ｄｄに変換する。

図９は、磁気センサ１のＤＳＰ１４が変換した電圧Ｖ_ｄｄと角度αとの関係を示すグラフ図である。

図９に示すように、角度αと出力される電圧Ｖ_ｄｄとの関係は、Δαを加算する前と比較して、図７に示したグラフを横方向にΔαだけシフトしたものとなる。つまり、αの全範囲に対して傾きを変換したものではなく、スタートポイントであるα_ｓがα_ｓ＋Δαにシフトしたものとなる。

（実施の形態の効果）
上記した実施の形態によれば、ＤＳＰ１４において算出された角度αに温度に依存する補正値Δαを加算するようにしたため、磁気部材である磁石２と、磁気センサ１のホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２との相対的位置が温度に依存して変化する場合にも、磁気センサ１の出力値を補正することができる。

また、ホール素子が磁束密度に対して出力する信号は、常温から離れるほどに直線性が低下していくが、αの算出においてＢ_ｘとＢ_ｚとの比を用いているため、当該直線性の低下を相殺することができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々な変形が可能である。

上記嫉視の形態では、磁気部材としての磁石２がロッド３とともに変位する例を示したが、磁気センサ１の下に磁石を固定して、磁石２の代わりにロッド３とともに変位する軟磁性体を磁気部材として用意し、軟磁性体の変位によって変化する磁束密度の変化を磁気センサ１によって検出するようにしてもよい。また、磁石の形状や磁化方向も特に限定されるものではない。

また、磁気センサ１は、磁界の角度を検出するものであれば磁気検出方向はｘ方向及びｚ方向に限るものではなく、任意の方向で検出が可能である。また、算出する磁界の角度はαに限られるものではなく、検出した方向に応じて適宜変更可能である。

また、上記実施の形態では、温度に依存する補正値ΔαをＤＳＰ１４においてαに加算したが、以下の図１０に示すように、温度に依存する補正値ΔＶを出力部１６において加算するようにしてもよい。

図１０は、磁気センサ１の出力部１６が変換した電圧Ｖ_ｄｄと角度αとの関係を示すグラフ図である。

図１０に示すように、角度αと出力される電圧Ｖ_ｄｄとの関係は、ΔＶを加算する前と比較して、図７に示したグラフを縦方向にΔＶだけシフトしたものとなる。なお、電圧Ｖ_１及びＶ_６は、ΔＶだけシフトしていないが、これは実際にはΔＶだけシフトした後、その後段に設けられるクランプ設定により出力される最小電圧Ｖ_１及び最大電圧Ｖ_６に制限されているためである。なお、図９に示す例もクランプ設定により最小電圧Ｖ_１及び最大電圧Ｖ_６が制限されたものである。

１ 磁気センサ
２ 磁石
３ ロッド
４ アクチュエータ
５ ばね
６ 筐体
７ 変位検出装置
１０ 基板
１１ ホール素子
１２ 磁気コンセントレータ
１３ Ａ／Ｄ変換部
１４ ＤＳＰ
１５ Ｄ／Ａ変換部
１６ 出力部
１７ 温度センサ
１４０ メモリ

Claims (3)

1. 検出した磁束密度に応じた信号を出力するものであって、磁気部材の変位に応じて変化する磁束密度を検出する磁気検出素子と、
   前記磁気検出素子の出力する信号を予め定めた計算方法を用いて処理し、前記磁気部材の変位に比例した出力値を算出するとともに、前記磁気部材と前記磁気検出素子との相対位置と、温度との関係に基づいて定められる補正値を用いて当該出力値を補正する信号処理部とを有する変位検出装置。
2. 検出した磁束密度に応じた信号を出力するものであって、磁気部材の変位に応じて変化する磁束密度を検出する磁気検出素子と、
   前記磁気検出素子の出力する信号を予め定めた計算方法を用いて処理し、前記磁気部材の変位に比例した出力値を算出する信号処理部と、
   前記磁気部材と前記磁気検出素子との相対位置と、温度との関係に基づいて定められる補正値を用いて当該出力値を補正して出力信号を出力する出力部とを有する変位検出装置。
3. 前記信号処理部は、前記予め定めた計算方法に、一の検出方向について前記磁気検出素子の出力する信号と、他の検出方向について前記磁気検出素子の出力する信号との比を用いる請求項１又は２に記載の変位検出装置。
   
   
   
   

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