JP3191530U - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置と電気的出力のリニア特性が良好で、固定子と可動子の距離が変動しても、検出精度の低下が抑制できる位置検出装置を提供する。【解決手段】位置検出装置１は、磁石１１の両端にヨーク２１、２２が設けられた磁石部１０と、磁石部１０に対して相対的に移動可能なセンサ部３０とを備え、磁石１１とヨーク２１、２２との接合面において、ヨーク２１、２２に切り欠き部２１ａ、２２ｂが設けられている。これにより、検出範囲内での磁束密度の均一性が向上する。そのため、固定子であるセンサ部３０と可動子である磁石部１０との間のギャップ変動があっても、リニア特性の変化が小さい。したがって、固定子であるセンサ部３０と可動子である磁石部１０との間のギャップが所定の値より変動した場合にも、検出精度の低下が抑制できる。【選択図】図１

Description

本考案は、変位する被検出体の位置を検出する位置検出装置に関する。

従来から、例えば、車両の各種制御には、位置検出装置からの出力値が多数利用されており、制御上、重要な位置を占めるようになっている。

位置検出装置は、例えば、磁束を形成し被検出体の変位に応じて直線的に変位する可動子と、磁束密度を電気的出力に変換して出力する固定子とを備え、可動子と固定子とが接触することなく被検出体のストローク量を検出する非接触式の検出器である。電子制御装置（ＥＣＵ）は、位置検出装置からの出力値に基づいて被検出体のストローク量を把握して各種の制御処理を実行する。

このような位置検出装置として、ストロークセンサが開示されている。（例えば、特許文献１）。特許文献１のストロークセンサ１００の構成を、図９〜図１０を用いて説明する。

ストロークセンサ１００は、図９（ａ）に示すように、被検出体の変位に応じて直線的に変位する可動子としての２つの磁石１０２、１０３と、磁束密度を検出し、電気的出力に変換して出力する固定子としての２つの感磁部１０４、１０５とを備えている。感磁部１０４、１０５は、磁石１０２、１０３により形成される磁束に感磁してアナログ信号を発生するホール素子と、ホール素子から得られるアナログ信号をデジタル処理する回路とが１パッケージ化されたホールＩＣである。そして、感磁部１０４、１０５は、デジタル化された電気的出力を出力する。

位置検出装置としての検出精度を高くするためには、位置と電気的な出力値との関係がリニア特性となることが望ましい。磁石１０２、１０３の長手方向への直線的な変位量（以下、ストローク量Ｌと呼ぶ）、ストローク量Ｌに対する出力値Ｖ（Ｌ）は、図９（ｂ）に示すように、ストローク量Ｌの実使用範囲においてリニア特性を示す。なお、この変形例として、図１０（ａ）に示すように、２つの磁石１０２、１０３の長手方向の両端にヨーク１４３を接合させたものが開示されている。

また、図１０（ｂ）に示すように、磁石１０２のみにより可動子が構成されている位置検出装置は、小型になるとともに、コストが低くなるとされている。

特許第４９８５７３０号公報

しかしながら、可動子と固定子とが接触することなく被検出体のストローク量を検出する非接触式の検出器であるため、固定子と可動子との間のギャップは製造時における組み立て精度内で変動してしまう。このため、固定子と可動子との間のギャップが所定の値より変動した場合に、位置ずれによってリニア特性が低下し、検出精度を高めることができないという問題があった。

本考案は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、位置と電気的出力のリニア特性が良好で、固定子と可動子の距離が変動しても、検出精度の低下が抑制できる位置検出装置を提供することを目的とする。

本考案は、磁石の両端にヨークが設けられた磁石部と、前記磁石部に対して相対的に移動可能なセンサ部とを備えた位置検出装置において、前記磁石と前記ヨークとの接合面において、少なくとも前記ヨークに切り欠き部が設けられている、という特徴を有する。

これによれば、磁石とヨークとの接合面において、切り欠き部が設けられることにより、検出範囲内での磁束密度の均一性が向上する。そのため、固定子であるセンサ部と、可動子である磁石部と、の間のギャップ変動があっても、リニア特性の変化が小さい。したがって、固定子と可動子との間のギャップが所定の値より変動した場合にも、検出精度の低下が抑制できる、という効果を奏する。

また、本考案の位置検出装置において、前記磁石と前記ヨークとの接合面において、前記磁石に面取り部が設けられており、前記切り欠き部と前記面取り部の深さ方向の高さは同等となっている、という特徴を有する。

これによれば、磁石とヨークの接合面での磁場の受け渡しがスムーズになる。そのため、検出範囲内での磁束密度の均一性がさらに向上する。

また、本考案の位置検出装置において、前記磁石部は円筒形状であり、前記切り欠き部は全周に渡って設けられている、という特徴を有する。

これによれば、円筒形状の磁石部の切り欠き部は軸周りに回転対称であり、取り付け時に方向を考慮しなくても良いので組立て性がよい。

また、本考案の位置検出装置において、前記切り欠き部は、前記センサ部との相対的な移動方向に沿って端部までテーパ形状となっている、という特徴を有する。

これによれば、切り欠き部のテーパ形状により磁場が磁石側に傾斜して発生して、検出範囲内での磁場強度を向上させることができる。

また、本考案の位置検出装置において、前記センサ部の移動方向における前記磁石の長さは、前記センサ部の移動距離よりも短いものである、という特徴を有する。

これによれば、磁石部の長さは、磁石の両端に設けたヨークの長さによってセンサ部の移動距離よりも長くできるので、磁石の長さをセンサ部の移動距離よりも短くすることでコストダウンを図ることができる。

また、本考案の位置検出装置において、前記磁石は複数であり、前記磁石間にも前記ヨークが配置されている、という特徴を有する。

これによれば、磁石を複数とすることで検出精度を保ったまま検出範囲を広げることができる。

また、本考案の位置検出装置において、前記センサ部はホール素子からなる、という特徴を有する。

これによれば、センサ部をホール素子とすることで、ギャップ変動があっても精度よく検出を行うことができる。

本考案によれば、磁石とヨークとの接合面において、切り欠き部が設けられることにより、固定子であるセンサ部と可動子である磁石部との間のギャップ変動があっても、検出精度の低下が抑制できる位置検出装置を提供することができる。

本考案の実施形態の位置検出装置を示す構成図である。 磁石により発生する磁束とセンサ部の配置との関係を示す説明図である。 センサ部の配置と電気的出力との相関を示す特性図である。 センサ部と磁石部とのギャップが変動した状態を示す説明図である。 電気的出力の検出精度を説明する比較図である。 第１変形例の位置検出装置を示す構成図である。 第２変形例の位置検出装置を示す構成図である。 第３変形例の位置検出装置を示す構成図である。 特許文献１の位置検出装置を示す事例であり、（ａ）はストロークセンサを示す構成図であり、（ｂ）はストローク量と出力値との相関を示す特性図である。 特許文献１の位置検出装置を示す他の事例であり、（ａ）はストロークセンサの変形例を示す構成図であり、（ｂ）はストロークセンサの他の変形例を示す構成図である。

以下に、本考案の位置検出装置１の実施の形態について、図１〜図４を用いて説明する。

図１は、本考案の実施形態の位置検出装置１を示す構成図である。位置検出装置１は、円筒形状の磁石部１０と、磁石部１０の磁束に感磁して電気的出力を発生するセンサ部３０とを備える。磁石部１０は、略円筒形状の長手方向に着磁された磁石１１と、磁石１１の長手方向両端に磁石１１に接触して配置されるヨーク２１、２２と、によって構成されている。なお、図１では、Ｘ１−Ｘ２方向を磁石１１の長手方向として図示している。また、センサ部３０は、磁石１１の長手方向と平行な方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に、磁石１１に対して相対的に移動可能となるように構成されている。なお、磁石部１０とセンサ部３０とが収容される位置検出装置１の筐体については、本発明の主要部分ではないので省略する。

本実施形態の磁石部１０は円筒形状であり、磁石１１及びヨーク２１、２２は、それぞれ、略円筒形状になっている。磁石１１は、その長手方向と平行な方向に着磁された永久磁石である。そして、磁石１１の長手方向両端には面取り部１１ａ、１１ｂが設けられている。

ヨーク２１、２２は、軟磁性材料で形成されている。磁石１１に接触して設けられるヨーク２１には、磁石１１の面取り部１１ａと対向する位置に切り欠き部２１ａが設けられている。同様に、磁石１１に接触して設けられるヨーク２２には、磁石１１の面取り部１１ｂと対向する位置に切り欠き部２２ｂが設けられている。図1に示す切り欠き部２１ａ、２２ｂは全周に渡って設けられている。また、切り欠き部２１ａ、２２ｂと面取り部１１ａ、１１ｂの深さ方向の高さは同等となっている。

センサ部３０は、磁束に感磁して電気的出力を発生するホール素子からなる。センサ部３０は、磁石１１の周りに形成される磁束を検出できるように、磁石１１と対向して配置されている。

本実施形態の位置検出装置１は、固定子であるセンサ部３０に対して、可動子である磁石部１０が移動し、その移動量を非接触で検出するものである。固定子であるセンサ部３０と可動子である磁石部１０とが接触しないように、それらの間にギャップが設けられて非接触状態で配置されている。なお、図１〜図３では、可動子である磁石部１０が移動する位置を基準にして、それに対するセンサ部３０の相対位置を２点鎖線で示している。

図1に、位置検出装置１における基準位置（Ｘ０）と、移動範囲（＋Ｘ）〜（−Ｘ）の移動距離ＳＴ１を示す。移動位置（＋Ｘ）、（−Ｘ）は、磁石１１の長手方向両端のヨーク２１、２２が配置された位置である。位置検出装置１におけるセンサ部３０の相対的な移動方向（Ｘ１−Ｘ２方向）における磁石１１の長さは、移動距離ＳＴ１よりも短いものである。

図２に、このような構成の位置検出装置１での磁石１１により発生する磁束とセンサ部３０の配置との関係を示す。図３には、センサ部３０の配置と電気的出力との相関を示す。図４は、このときのセンサ部３０と磁石部１０とのギャップが変動した状態を示す説明図である。本実施形態の位置検出装置１は、図２に示す磁束のＸ１−Ｘ２方向の磁場強度またはＹ１−Ｙ２方向の磁場強度がセンサ部３０との相対的な移動により変化することを検出して、その磁場強度からセンサ部３０との相対的な位置を算出するものである。図３及び図４では、ギャップが基準位置（Ｙ０）の場合と、ギャップがより近接した近接位置（−Ｙ）及びギャップがより離れた遠隔位置（＋Ｙ）と、を表わしている。図５は、電気的出力の検出精度を説明する比較図である。図５の横軸は切り欠き部の寸法、縦軸はその位置での電気的出力の検出精度としてリニアリティ（理想のリニア特性からのずれ度合い）を示している。

図２に示すように、磁石部１０の長手方向に沿った磁場が形成され、任意の位置での磁場強度は磁石１１に近づくほど強く、また、磁石１１の長手方向の中央でＸ１−Ｘ２方向の磁場強度のみとなる。本実施形態の位置検出装置１は、図１に示すように、面取り部１１ａ、１１ｂ及び切り欠き部２１ａ、２２ｂを有している。図２に示すように、磁石１１により発生する磁束は、切り欠き部２１ａ及び切り欠き部２２ｂ近辺を通過するようになり、切り欠き部２１ａ、２２ｂのテーパ形状により磁場が磁石１１側に傾斜して発生して、検出範囲内での磁場強度を向上させることができる。

この結果、磁石１１の両端に設けたヨーク２１、２２の長さによって、磁石１１の長手方向（Ｘ１−Ｘ２方向）の長さより外側に検出範囲を拡げることが可能である。すなわち、磁石１１の長さよりもセンサ部３０の移動距離を長くして検出範囲とすることができる。なお、ヨーク２１、２２を配置せず、磁石１１のみで磁石部１０を形成する場合には、検出範囲よりも磁石１１の長手方向の長さを長くしていなければならなかった。これに比べて、ヨーク２１、２２を配置することによって、磁石１１の長さを短くすることができる。

一方、本実施形態の位置検出装置１は、固定子であるセンサ部３０に対して、可動子である磁石部１０が移動し、その移動量を非接触で検出するものであり、その組み立て上、ギャップにばらつきを生じてしまうことが考えられる。

図３及び図４に示すように、基準位置（Ｙ０）に対して、より近接したギャップ位置（−Ｙ）とより離れたギャップ位置（＋Ｙ）ではセンサ部３０の検出する磁場強度が変化するとともに、センサ部３０の移動方向（Ｘ１−Ｘ２方向）における電気的出力のリニア特性が変動する。なお、図４では、最小出力を電源電圧の１６％、最大出力を電源電圧の８４％とするように、電気的出力の大きさを調整している。図４に示すように、基準位置（Ｙ０）でリニア特性が良好であっても、ギャップにばらつきを生じて、より近接したギャップ位置（−Ｙ）とより離れたギャップ位置（＋Ｙ）ではリニア特性が悪化してしまう。図４では、リニア特性からのずれを強調して分かりやすくしている。

検出精度を高くするためには、ギャップにばらつきを生じても、位置と電気的な出力値との関係がリニア特性となることが望ましい。図５に示すように、ヨーク２１、２２にテーパ形状に設けた切り欠き部２１ａ、２２ｂの寸法によって、磁場が変化するため、リニア特性が変化する。図５は、切り欠き部の寸法を最適にすれば、基準位置（Ｙ０）からギャップ位置が変化したときのリニア特性の劣化が抑制できることを示している。

本実施形態の位置検出装置１は、磁石１１の両端にヨーク２１、２２を配置し、ヨーク２１、２２に切り欠き部２１ａ、２２ｂを設けることによって、ギャップが変動してもリニア特性の劣化を抑制できる。さらに、円筒形状の磁石部１０の切り欠き部２１ａ、２２ｂは軸周りに回転対称であり、取り付け時に方向を考慮しなくても良いので組立て性がよい。また、センサ部３０をホール素子とすることで、センサ部３０と磁石部１０とのギャップが変動しても、精度よく検出を行うことができる。

なお、本実施形態の位置検出装置１では、固定子を固定するケースや、可動子の摺動機構等を図示していない。実使用形態では、ケースに収納され、非検出対象物が可動子に接続される。

以下、本実施形態としたことによる効果について説明する。

本実施形態の位置検出装置１は、磁石１１の両端にヨーク２１が設けられた磁石部１０と、磁石部１０に対して相対的に移動可能なセンサ部３０とからなり、磁石１１とヨーク２１との接合面において、磁石１１に面取り部１１ａ、１１ｂが設けられており、ヨーク２１、２２に切り欠き部２１ａ、２２ｂが設けられている。これによれば、磁石１１とヨーク２１、２２との接合面において、切り欠き部２１ａ、２２ｂが設けられていることにより、検出範囲内での磁束密度の均一性が向上する。そのため、固定子であるセンサ部３０と、可動子である磁石部１０と、の間のギャップ変動があっても、リニア特性の変化が小さい。したがって、固定子と可動子との間のギャップが所定の値より変動した場合にも、検出精度の低下が抑制できる、という効果を奏する。

また、本実施形態の位置検出装置１において、磁石１１とヨーク２１、２２との接合面において、切り欠き部２１ａ、２２ｂと面取り部１１ａ、１１ｂの深さ方向の高さは同等となっている。これによれば、磁石１１とヨーク２１、２２の接合面での磁場の受け渡しがスムーズになる。そのため、検出範囲内での磁束密度の均一性がさらに向上する。

また、本実施形態の位置検出装置１において、磁石部１０は円筒形状であり、切り欠き部２１ａ、２２ｂは全周に渡って設けられている。これによれば、円筒形状の磁石部１０の切り欠き部２１ａ、２２ｂは軸周りに回転対称であり、取り付け時に方向を考慮しなくても良いので組立て性がよい。

また、本実施形態の位置検出装置１において、センサ部３０の移動方向における磁石１１の長さは、センサ部３０の移動距離よりも短いものである。これによれば、磁石部１０の長さは、磁石１１の両端に設けたヨーク２１、２２の長さによってセンサ部３０の移動距離よりも長くできるので、磁石１１の長さをセンサ部３０の移動距離よりも短くすることでコストダウンを図ることができる。

また、本実施形態の位置検出装置１において、センサ部３０はホール素子からなる。これによれば、センサ部３０をホール素子とすることで、ギャップ変動があっても精度よく検出を行うことができる。

以上のように、本実施形態の位置検出装置１を具体的に説明したが、本考案は上記の実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能である。例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本考案の技術的範囲に属する。

（１）本実施形態において、固定子であるセンサ部３０に対して、可動子である磁石部１０が移動する構成としたが、磁石部１０を固定子にして、センサ部３０を可動子にする構成としてもよい。

（２）本実施形態において、切り欠き部２１ａ、２２ｂは、センサ部３０との相対的な移動方向に沿って端部までテーパ形状となっていてもよい。図６は、第１変形例の位置検出装置２を示す構成図である。これによれば、切り欠き部２１ａ、２２ｂのテーパ形状により磁場が磁石１１側に傾斜して発生して、検出範囲内での磁場強度を向上させることができる。

（３）本実施形態において、磁石１１とヨーク２１との接合面において、少なくともヨーク２１、２２に切り欠き部２１ａ、２２ｂが設けられていればよい。図７は、第２変形例の位置検出装置３を示す構成図である。磁石１１は面取りされていないが、ヨーク２１、２２に切り欠き部２１ａ、２２ｂが設けられているので、図２に示す磁束とほぼ同じ状態とすることができる。

（４）本実施形態において、磁石１１は長手方向の長さが短い磁石の組み合わせであってもよい。図８は、第３変形例の位置検出装置４を示す構成図である。本変形例の位置検出装置４において、複数の磁石１２、１３を備えており、磁石１２と磁石１３との間にもヨーク２３が配置されている。磁石１２はヨーク２１側に面取り部１２ａが設けられている。磁石１３はヨーク２２側に面取り部１３ｂが設けられている。これによれば、ヨーク２３は磁石１２と磁石１３との磁束を繋げるように働くので、実効的に１本の磁石のように磁束が形成される。ヨーク２３を挿入し、ヨーク２１、２２切り欠き部２１ａ、２２ｂを設けることによって、磁石１２及び磁石１３の長さが短くても検出精度を保つことができる。したがって、磁石１２、１３を複数とすることで検出精度を保ったまま検出範囲を広げることができる。また、磁石部１０の長さは、ヨーク２１、２２、２３の長さによってセンサ部３０の移動距離よりも長くできるので、磁石１２、１３の長さをセンサ部３０の移動距離よりも短くすることでコストダウンを図ることができる。

１、２、３、４ 位置検出装置
１０ 磁石部
１１、１２、１３ 磁石
１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１３ｂ 面取り部
２１、２２、２３ ヨーク
２１ａ、２２ｂ 切り欠き部
３０ センサ部
ＳＴ１ 移動距離

Claims (7)

1. 磁石の両端にヨークが設けられた磁石部と、前記磁石部に対して相対的に移動可能なセンサ部とを備えた位置検出装置において、前記磁石と前記ヨークとの接合面において、少なくとも前記ヨークに切り欠き部が設けられていることを特徴とする位置検出装置。
2. 前記磁石と前記ヨークとの接合面において、前記磁石に面取り部が設けられており、前記切り欠き部と前記面取り部の深さ方向の高さは同等となっていることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記磁石部は円筒形状であり、前記切り欠き部は全周に渡って設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置検出装置。
4. 前記切り欠き部は、前記センサ部との相対的な移動方向に沿って端部までテーパ形状となっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の位置検出装置。
5. 前記センサ部の移動方向における前記磁石の長さは、前記センサ部の移動距離よりも短いものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の位置検出装置。
6. 前記磁石は複数であり、前記磁石間にも前記ヨークが配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の位置検出装置。
7. 前記センサ部はホール素子からなることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の位置検出装置。