JP2020153824A

JP2020153824A - 磁界発生ユニット、位置検出装置及び磁界発生ユニットの製造方法

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Publication number: JP2020153824A
Application number: JP2019052755A
Authority: JP
Inventors: 貴裕守屋; Takahiro Moriya; 俊夫石川原; Toshio Ishikawara; 俊彦大山; Toshihiko Oyama
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: CN111721327A; DE102020103199A1; US11506727B2; US11754642B2; JP6988851B2; US20200300927A1; US20230053319A1

Abstract

【課題】複雑な形状でも安価に精度よく作製することのできる磁界発生ユニットを提供する。【解決手段】磁界発生ユニット２は、磁界検出手段３に対して相対移動する対象物７に固定される。磁界発生ユニット２は、磁界発生部４と、対象物７に固定される第１の支持部５と、第１の支持部５に支持されるとともに磁界発生部４を支持する、第１の支持部５とは別部材の第２の支持部６と、を有する。例えば、第２の支持部６は非磁性材料から形成され、磁界発生部４は第１の支持部５から離間している。【選択図】図１

Description

本発明は磁界発生ユニットとこれを用いた位置検出装置、及び磁界発生ユニットの製造方法に関し、特に磁界発生ユニットの磁界発生部の支持構造に関する。

直線運動する対象物の位置を検出する位置検出装置が知られている。特許文献１には、磁界検出手段と、直線運動する支持部に支持され磁界検出手段に対して相対移動可能な２つの磁石と、を有する位置検出装置が開示されている。２つの磁石が磁界検出手段に対して相対移動することによって、磁界検出手段が検出する磁界が変化する。この磁界の変化に基づき、磁界検出手段に対する２つの磁石の位置、すなわち対象物の位置が検出される。

特開２０１３−９６７２３号公報

磁石などの磁界発生部は、対象物に固定された支持部を介して、対象物に間接的に支持されることがある。支持部と磁界発生部との組立体である磁界発生ユニットは通常、機械装置に組み込まれて使用されるため、磁界発生部と機械装置との干渉防止、あるいは磁界発生部と他の磁性体との離隔距離の確保のため、支持部が複雑な形状となることがある。支持部は例えば板金や鍛造によって作られるが、複雑な形状の場合、磁界発生ユニットの製作コストや工数が増加する。

本発明は、複雑な形状でも安価に精度よく作製することのできる磁界発生ユニットを提供することを目的とする。

本発明の磁界発生ユニットは、磁界検出手段に対して相対移動する対象物に固定される。磁界発生ユニットは、磁界発生部と、対象物に固定される第１の支持部と、第１の支持部に支持されるとともに磁界発生部を支持する、第１の支持部とは別部材の第２の支持部と、を有する。

磁界発生部は互いに独立した第１の支持部と第２の支持部によって対象物に支持されるため、第１の支持部と第２の支持部の形状を単純化できる。従って、本発明によれば、複雑な形状でも安価に精度よく作製することのできる磁界発生ユニットを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る位置検出装置の斜視図である。図１に示す位置検出装置の磁界発生ユニットの側面図と断面図である。図１に示す位置検出装置の磁界発生部と磁界検出手段の拡大図である。磁界発生ユニットの製造方法を示す図である。磁界発生ユニットの製造方法を示す図である。本発明の他の実施形態に係る磁界発生ユニットの断面図である。本発明の他の実施形態に係る磁界発生部の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は位置検出装置の斜視図である。図２（ａ）は図１のＡ方向からみた磁界発生ユニットの側面図、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線で切断した磁界発生ユニットの断面図である。Ｘ方向は、第２の支持部６の長手方向、あるいは第１の磁石８と第２の磁石９が配列する方向、あるいはヨーク１０の長手方向である。Ｙ方向は第１の支持部５の長手方向であり、Ｘ方向と直交している。位置検出装置１は磁界発生ユニット２と、磁界検出手段３と、を有している。磁界発生ユニット２は、磁界検出手段３に対して相対移動する位置検出対象物（以下、対象物７という）に固定される。本実施形態では、磁界検出手段３が静止した構造物（図示せず）に固定され、磁界発生ユニット２が当該構造物に対して相対移動する対象物７に固定されているが、磁界発生ユニット２が静止した構造物に固定され、磁界検出手段３が当該構造物に対して相対移動する対象物７に固定されていてもよい。

磁界発生ユニット２は磁界発生部４と、第１の支持部５と、第２の支持部６と、を有している。第１の支持部５は対象物７に固定されている。第２の支持部６は第１の支持部５に支持されるとともに、磁界発生部４を支持している。第２の支持部６は第１の支持部５とは別部材、すなわち第１の支持部５から独立した部材である。磁界発生部４は第１の支持部５から離間している。第１の支持部５はＹ方向に細長い形状を有し、第２の支持部６はＸ方向に細長い形状を有し、第２の支持部６はその長手方向Ｙの端部で第１の支持部５に支持されている。第１の支持部５と第２の支持部６は全体としてＬ型形状を呈するため、磁界発生部４を他の構造物との干渉を回避しつつ、対象物７から離れたところに設置するのが容易である。

対象物７はＸ方向に直線運動する。本実施形態では、対象物７は中心軸７Ａに沿って直線運動するシャフト７である。第１の支持部５は、シャフト７が貫通する第１の穴５１と、位置決め用の第２の穴５２と、を有している。第２の穴５２はシャフト７とともに移動する構造物（図示せず）に設けられた穴と位置合わせされ、これらの穴に円筒形の固定具５３が挿入される。第１の支持部５は、シャフト７に対する回転及びＸ方向の相対運動を拘束されつつ、シャフト７に固定される。このようにして、磁界発生ユニット２は移動する対象物７に支持され、固定された磁界検出手段３に対して対象物７とともにＸ方向に相対移動する。

図３は、磁界発生部４と磁界検出手段３を示す図２（ｂ）のＣ部拡大図である。磁界発生部４は、第１の磁石８と、第２の磁石９と、ヨーク１０と、を有している。第１及び第２の磁石８，９は概ね直方体形状であり、それぞれ、磁界検出手段３と対向する第１及び第２の面８Ａ，９Ａと、第１及び第２の面８Ａ，９Ａの裏面（以下、第１及び第２の裏面８Ｂ，９Ｂという）と、を有している。ヨーク１０は第１及び第２の裏面８Ｂ，９Ｂで第１及び第２の磁石８，９に固定されている。第１の面８Ａと第２の面９Ａは互いに極性が異なり、例えば、第１の面８ＡがＮ極である場合、第２の面９ＡはＳ極である。ヨーク１０はＮｉＦｅなどの軟磁性体からなる細長い金属板である。ヨーク１０は第２の磁石９の第２の裏面（Ｎ極）を出た磁束が第１の磁石８の第１の裏面（Ｓ極）に効率的に入るように磁束の流れを制御する。ヨーク１０を設けることによって第１の磁石８と第２の磁石９を小型化することができる。第１の磁石８と第２の磁石９はほぼ同じ形状とほぼ同じサイズを有し、同一の材料からなる。また、第１の面８Ａと第２の面９Ａは同一平面にあり、第１及び第２の磁石８，９はヨーク１０の長手方向Ｘの中心１０Ａから等距離の位置に設けられている。すなわち、磁界発生部４は対称形に形成されている。このため、第１の面８Ａを出て第２の面９Ａに入る磁束線は、第１及び第２の磁石８，９からＹ方向に離れた位置では概ね正弦波形状となる。

磁界検出手段３は、第１の磁界検出素子１１と第２の磁界検出素子１２とを有している。第１の磁界検出素子１１は、第１及び第２の面８Ａ，９Ａと平行で且つ第１の磁石８と第２の磁石９が配列する方向と平行なＸ方向成分の磁界を検出する。第２の磁界検出素子１２は第１及び第２の面８Ａ，９Ａと直交するＹ方向成分の磁界を検出する。第１及び第２の磁界検出素子１１，１２はホール素子であるが、ＡＭＲ，ＧＭＲ，ＴＭＲなどの磁気抵抗効果素子であってもよい。第１の磁界検出素子１１で検出されたＸ方向の磁界成分Ｈｘと第２の磁界検出素子１２で検出されたＹ方向の磁界成分Ｈｙからａｒｃｔａｎ（Ｈｙ／Ｈｘ）を算出することで、Ｘ−Ｙ面内におけるＸ方向に対する磁界の角度θを求めることができる。磁界の角度θから、第１及び第２の磁石８，９、すなわち対象物７の磁界検出手段３に対するＸ方向の相対位置を求めることができる。

再び図１，２を参照すると、本実施形態では、第２の支持部６は第１の支持部５と磁界発生部４とに接合された樹脂で形成されている。第１の支持部５の磁界発生部４側の第１の端部領域５Ａは樹脂で覆われ、第１の端部領域５Ａの反対側の第２の端部領域５Ｂと、第１の端部領域５Ａと第２の端部領域５Ｂとの間の中間領域５Ｃは、樹脂で覆われていない。第２の支持部６はインサート成形された樹脂である。樹脂は磁界発生部４の一部だけを覆っており、第１の磁石８の第１の面８Ａと第２の磁石９の第２の面９Ａは露出している。これによって、樹脂の量を削減することができる。樹脂はフィラーを含んでいても含んでいなくてもよいが、フィラーを含む場合、フィラーは非磁性材料から形成されることが好ましい。すなわち、第２の支持部６は非磁性材料から形成されることが好ましい。前述のように第１の磁石８と第２の磁石９との間に形成される磁束線はほぼ正弦波形状をとる。しかし、第２の支持部６が磁性材料で形成されていると、磁束線が攪乱され、ＨｘとＨｙが変動するため、位置検出精度が低下する。すなわち、磁界検出精度を確保するためには、磁界発生部４が形成する磁界が周囲の構造物によって影響されないことが好ましい。換言すれば、磁界発生部４の近傍には他の磁性体が存在していないことが好ましい。従来の支持部は鉄などの磁性体で形成されることが多く、しかも支持部がヨークを兼ねていたため、磁界発生部４が形成する磁界が支持部によって撹乱されやすい。本実施形態では、磁界発生部４が他の磁性体から磁気的に隔離した状態、あるいは磁気的にフロートした状態が実現されるため、位置検出精度を確保することが容易である。

また、従来は支持部とヨークが一体の部材として作られていたため、一つの部材にヨークとしての機能と支持部としての機能が求められ、材料の選択が制限されていた。ヨークとしての機能を優先する場合、全体を鉄などの磁性体で作成する必要があり、上述の課題が生じる。Ｌ型形状の支持部をアルミニウムなどの非磁性材料で製作する場合、材料費が高く、且つ所望の形状に成形する費用も掛かるため、コスト的に不利となる。さらに、支持部とは別に軟磁性体からなるヨークを設けるか、第１の磁石８と第２の磁石９を大型化する必要が生じる。本実施形態では第１の支持部５、ヨーク１０としてそれぞれ適切な材料を選択でき、且つ第１の磁石８と第２の磁石９の小型化が可能である。

第１の支持部５は鉄で形成されている。第１の支持部５は棒状、長板状などの細長い部材であるため、安価に製作することが可能である。第１の支持部５は磁界発生部４から離れているため、第１の支持部５の磁界発生部４への磁気的影響は小さい。第１の支持部５はアルミニウムや樹脂などの非磁性材料から形成されていてもよい。これによって、第１の支持部５の磁界発生部４への磁気的影響がゼロとなるため、位置検出精度をさらに改善することができる。

次に磁界発生ユニット２の製造方法を説明する。まず、図４（ａ）に示すようにインサート成形のための下型１３を用意する。下型１３には磁界発生部４（第１及び第２の磁石８，９並びにヨーク１０）が設置される第１の凹部１５と、第１の支持部５の第１の端部領域５Ａが設置される第２の凹部１６と、第２の凹部１６に隣接し、第１の支持部５の中間領域５Ｃが設置される第３の凹部１７と、が形成されている。第１及び第２の凹部１５，１６は連続した一つの凹部であり、第２の凹部１６と第３の凹部１７との間には樹脂の充填領域を定める食い切り部１８が形成されている。第３の凹部１７の第２の凹部１６と反対側の端部には第２の端部領域５Ｂを保持するための溝１９が形成されている。

次に図４（ｂ）に示すように、磁界発生部４を第１の凹部１５に、第１の支持部５の第１の端部領域５Ａを第２の凹部１６に、第１の支持部５の中間領域５Ｃを第３の凹部１７に設置する。磁界発生部４と第１の支持部５は互いに離間して設置する。図示は省略するが、第１の凹部１５と第２の凹部１６にはそれぞれ、磁界発生部４と第１の支持部５を支持するための押え部が設けられている。次に、磁界発生部４と第１の支持部５が設置された下型１３に上型１４をかぶせる。上型１４は第１及び第２の凹部１５，１６に対応した範囲１３Ａに設けられる。上型１４には第１及び第２の凹部１５，１６と対向する第４の凹部２０が形成されている。図５（ａ）に示すように、第１及び第２の凹部１５，１６と第４の凹部２０とによって形成された空間に樹脂２１を充填する。その後樹脂２１を硬化させ、図５（ｂ）に示すように、上型１４を外し、下型１３から磁界発生部４と第１の支持部５と硬化した樹脂２１を取り出す。充填されて硬化した樹脂２１は、第１の支持部５に支持されるとともに磁界発生部４を支持する非磁性の第２の支持部６となる。第２の支持部６の形状は磁界発生ユニット２によって異なるが、第１の支持部５の第１の端部領域５Ａと磁界発生部４は共通化することができる。このため、下型１３、１４を変更するだけで様々な形状の磁界発生ユニット２を作成することができる。

図６は本発明の他の実施形態を示している。図６（ａ）を参照すると、樹脂は磁界発生部４の全面を覆っていてもよい。この場合、第１及び第２の磁石８，９とヨーク１０を外部環境から保護することができる。図６（ｂ）を参照すると、第１及び第２の支持部５，６は細長い形状を有し、第２の支持部６はその長手方向Ｙの中間位置で第１の支持部５に支持されている。磁界発生部４と対象物７との相対位置関係によっては、図１，２に示す実施形態に代えて用いることができる。図６（ｃ），６（ｄ）を参照すると、第２の支持部６はヨーク１０と兼用されており、第１の支持部５に接合手段であるねじ２２で固定されている。図６（ｃ）に示す例では、ねじ２２は第１の支持部５の長手方向Ｙに延びて第２の支持部６を第１の支持部５に固定している。図６（ｄ）に示す例では、ねじ２２は第１の支持部５の長手方向Ｙと直交する方向Ｘに延びて、第２の支持部６を第１の支持部５に固定している。第１の支持部５とねじ２２を非磁性材料で形成することで位置検出精度を改善することができる。第２の支持部６を第１の支持部５に接合する接合手段はねじ２２に限らず、接着剤であってもよい。

図７は本発明のさらに他の実施形態を示している。本実施形態では磁界発生部４の構成が上述の実施形態と異なる。図７（ａ）を参照すると、第１の磁石８の第１の面８Ａと第２の磁石９の第２の面９Ａは同じ方向を向いているが、図３と異なり同じ極性（Ｎ極またはＳ極）となっている。図７（ｂ）を参照すると、第１の磁石８の第１の面８Ａと、第２の磁石９の第２の面９Ａが互いに対向しており、且つ同じ極性（Ｎ極またはＳ極）となっている。第１の磁石８と第２の磁石９は、第１の面８Ａに隣接する第３の面８Ｂと第２の面９Ａに隣接する第４の面９Ｂでヨーク１０に固定され、第３の面８Ｂの裏面８Ｃと第４の面９Ｂの裏面９Ｃが磁界検出手段３と対向している。これらの実施形態では、第１の面８Ａと第２の面９Ａが同じ極性であるため、磁束線は互いから遠ざかるように形成されるが、図３の場合と同様、ＨｘとＨｙより対象物７の磁界検出手段３に対するＸ方向の相対位置を求めることができる。さらに、図７（ｃ）に示すように、磁界発生部４を単一の磁石から形成し、ヨークを省略することもできる。他の実施形態と比べて磁石のサイズは大きくなるが、磁界発生部４の構成を単純化することができる。

１位置検出装置
２磁界発生ユニット
３磁界検出手段
４磁界発生部
５第１の支持部
６第２の支持部
７対象物
８第１の磁石
８Ａ第１の面
９第２の磁石
９Ａ第２の面
１０ヨーク
１３下型
１４上型
２２接合手段

図３は、磁界発生部４と磁界検出手段３を示す図２（ｂ）のＣ部拡大図である。磁界発生部４は、第１の磁石８と、第２の磁石９と、ヨーク１０と、を有している。第１及び第２の磁石８，９は概ね直方体形状であり、それぞれ、磁界検出手段３と対向する第１及び第２の面８Ａ，９Ａと、第１及び第２の面８Ａ，９Ａの裏面（以下、第１及び第２の裏面８Ｂ，９Ｂという）と、を有している。ヨーク１０は第１及び第２の裏面８Ｂ，９Ｂで第１及び第２の磁石８，９に固定されている。第１の面８Ａと第２の面９Ａは互いに極性が異なり、例えば、第１の面８ＡがＮ極である場合、第２の面９ＡはＳ極である。ヨーク１０はＮｉＦｅなどの軟磁性体からなる細長い金属板である。ヨーク１０は第２の磁石９の第２の裏面９Ｂ（Ｎ極）を出た磁束が第１の磁石８の第１の裏面８Ｂ（Ｓ極）に効率的に入るように磁束の流れを制御する。ヨーク１０を設けることによって第１の磁石８と第２の磁石９を小型化することができる。第１の磁石８と第２の磁石９はほぼ同じ形状とほぼ同じサイズを有し、同一の材料からなる。また、第１の面８Ａと第２の面９Ａは同一平面にあり、第１及び第２の磁石８，９はヨーク１０の長手方向Ｘの中心１０Ａから等距離の位置に設けられている。すなわち、磁界発生部４は対称形に形成されている。このため、第１の面８Ａを出て第２の面９Ａに入る磁束線は、第１及び第２の磁石８，９からＹ方向に離れた位置では概ね正弦波形状となる。

次に図４（ｂ）に示すように、磁界発生部４を第１の凹部１５に、第１の支持部５の第１の端部領域５Ａを第２の凹部１６に、第１の支持部５の中間領域５Ｃを第３の凹部１７に設置する。磁界発生部４と第１の支持部５は互いに離間して設置する。図示は省略するが、第１の凹部１５と第２の凹部１６にはそれぞれ、磁界発生部４と第１の支持部５を支持するための押え部が設けられている。次に、磁界発生部４と第１の支持部５が設置された下型１３に上型１４をかぶせる。上型１４は第１及び第２の凹部１５，１６に対応した範囲１３Ａに設けられる。上型１４には第１及び第２の凹部１５，１６と対向する第４の凹部２０が形成されている。図５（ａ）に示すように、第１及び第２の凹部１５，１６と第４の凹部２０とによって形成された空間に樹脂２１を充填する。その後樹脂２１を硬化させ、図５（ｂ）に示すように、上型１４を外し、下型１３から磁界発生部４と第１の支持部５と硬化した樹脂２１を取り出す。充填されて硬化した樹脂２１は、第１の支持部５に支持されるとともに磁界発生部４を支持する非磁性の第２の支持部６となる。第２の支持部６の形状は磁界発生ユニット２によって異なるが、第１の支持部５の第１の端部領域５Ａと磁界発生部４は共通化することができる。このため、下型１３及び上型１４を変更するだけで様々な形状の磁界発生ユニット２を作成することができる。

図６は本発明の他の実施形態を示している。図６（ａ）を参照すると、樹脂は磁界発生部４の全面を覆っていてもよい。この場合、第１及び第２の磁石８，９とヨーク１０を外部環境から保護することができる。図６（ｂ）を参照すると、第１及び第２の支持部５，６は細長い形状を有し、第２の支持部６はその長手方向Ｘの中間位置で第１の支持部５に支持されている。磁界発生部４と対象物７との相対位置関係によっては、図１，２に示す実施形態に代えて用いることができる。図６（ｃ），６（ｄ）を参照すると、第２の支持部６はヨーク１０と兼用されており、第１の支持部５に接合手段であるねじ２２で固定されている。図６（ｃ）に示す例では、ねじ２２は第１の支持部５の長手方向Ｙに延びて第２の支持部６を第１の支持部５に固定している。図６（ｄ）に示す例では、ねじ２２は第１の支持部５の長手方向Ｙと直交する方向Ｘに延びて、第２の支持部６を第１の支持部５に固定している。第１の支持部５とねじ２２を非磁性材料で形成することで位置検出精度を改善することができる。第２の支持部６を第１の支持部５に接合する接合手段はねじ２２に限らず、接着剤であってもよい。

Claims

磁界検出手段に対して相対移動する対象物に固定される磁界発生ユニットであって、
磁界発生部と、前記対象物に固定される第１の支持部と、前記第１の支持部に支持されるとともに前記磁界発生部を支持する、前記第１の支持部とは別部材の第２の支持部と、を有する、磁界発生ユニット。
前記第２の支持部は非磁性材料から形成され、前記磁界発生部は前記第１の支持部から離間している、請求項１に記載の磁界発生ユニット。
前記第１の支持部は非磁性材料から形成されている、請求項２に記載の磁界発生ユニット。
前記第２の支持部は前記第１の支持部と前記磁界発生部とに接合された樹脂で形成されている、請求項２または３に記載の磁界発生ユニット。
前記樹脂は前記磁界発生部の一部を覆っている、請求項４に記載の磁界発生ユニット。
前記樹脂は前記磁界発生部の全面を覆っている、請求項４に記載の磁界発生ユニット。
前記第２の支持部はインサート成形された樹脂である、請求項４から６のいずれか１項に記載の磁界発生ユニット。
非磁性材料から形成され、前記第２の支持部を前記第１の支持部に接合する接合手段を有する、請求項２または３に記載の磁界発生ユニット。
前記磁界発生部は、前記磁界検出手段と対向する第１の面を有する第１の磁石と、前記磁界検出手段と対向し第２の面を有する第２の磁石と、前記第１及び第２の面の裏面で前記第１及び第２の磁石に固定され、細長い軟磁性体からなるヨークと、を有し、前記第１及び第２の磁石は前記ヨークの長手方向の中心から等距離の位置に設けられている、請求項１から８のいずれか１項に記載の磁界発生ユニット。
前記第２の面は前記第１の面と極性が異なる、請求項９に記載の磁界発生ユニット。
前記磁界発生部は、第１の面を有する第１の磁石と、前記第１の面と対向し前記第１の面と極性が同じである第２の面を有する第２の磁石と、前記第１及び第２の面にそれぞれ隣接する面で前記第１及び第２の磁石に固定され、細長い軟磁性体からなるヨークと、を有し、前記第１及び第２の磁石は前記ヨークの長手方向の中心から等距離の位置に設けられている、請求項１から８のいずれか１項に記載の磁界発生ユニット。
前記第１及び第２の支持部は細長い形状を有し、前記第２の支持部はその長手方向の中間位置で前記第１の支持部に支持されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載の磁界発生ユニット。
前記第１及び第２の支持部は細長い形状を有し、前記第２の支持部はその長手方向の端部で前記第１の支持部に支持されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載の磁界発生ユニット。
直線運動する対象物に固定される、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁界発生ユニットと、前記磁界発生ユニットで発生した磁界を検出する磁界検出手段と、を有する、位置検出装置。
磁界検出手段に対して相対移動する対象物に固定される磁界発生ユニットの製造方法であって、
磁界を発生する磁界発生部と、前記対象物に固定される第１の支持部と、を互いに離間して型に設置することと、
前記型に樹脂を充填し、前記樹脂によって、前記第１の支持部に支持されるとともに前記磁界発生部を支持する非磁性の第２の支持部を形成することと、を有する磁界発生ユニットの製造方法。