JP3404624B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、容器内における被
検出体の位置を、容器外から検出する磁気センサに関
し、さらに詳しくは、シリンダおけるピストンの位置の
検出などに好適な磁気センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、工場における製造ラインなどに
おいては、油圧あるいは空圧の流体圧シリンダのピスト
ンロッドが正規の位置まで作動してワーク等を正常に加
工しているか否かを把握するために、シリンダ内のピス
トンに磁石を組み込み、シリンダの外部からピストンが
所定の位置にきたことを、リードスイッチ、磁気抵抗素
子あるいはホール素子などを用いて検出する、いわゆる
シリンダスイッチが用いられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来例のシ
リンダスイッチでは、上述のように、シリンダの外部で
リードスイッチ、磁気抵抗素子あるいはホール素子など
を用いて磁石の磁束を検出するのであるが、これらのセ
ンサは、感度が低く、シリンダチューブの材料が鉄など
の磁性体材料である場合には、シリンダ外部へ漏洩する
磁束密度が小さくなって検出できず、このため、シリン
ダチューブの材料としてステンレスやアルミニウムなど
を使用せざるを得ず、コストが高くつくという難点があ
る。

【０００４】そこで、シリンダ外部に漏洩する僅かな磁
束密度を検出できる高感度な磁気センサが望まれるので
あるが、このような高感度の磁気センサでは、シリンダ
表面の残留磁気や地磁気の影響を受けるという難点があ
る。

【０００５】本発明は、上述の技術的課題に鑑みてなさ
れたものであって、シリンダ等の容器が磁性体材料であ
っても、被検出体の位置を検出できる磁気センサを提供
し、さらには、地磁気の影響などを除去して精度高く検
出できる磁気センサを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、上述の目的
を達成するために、次のように構成している。

【０００７】すなわち、請求項１に係る本発明は、磁石
が組み込まれたピストンの、磁性体材料からなるシリン
ダ内における位置を検出する磁気センサであって、前記
シリンダ外のロッドエンド側とヘッドエンド側とのそれ
ぞれにおいて、高透磁率の軟磁性体からなる芯材にコイ
ルを巻き付けてなる検出コイルを、少なくとも２個それ
ぞれ設け、この少なくとも２個の検出コイルを、前記ピ
ストンの移動方向に位置をずらして第１の検出コイル、
第２の検出コイルとして配置し、前記検出コイルを励磁
して、前記ピストンの位置に応じて変化する前記芯材の
磁気飽和特性曲線の高透磁率領域における透磁率を利用
して、前記第１の検出コイルの検出出力から第２の検出
コイルの検出出力を差し引いた差分に基づいて前記ピス
トン位置を検出するか、前記第２の検出コイルの検出出
力から前記第１の検出コイルの検出出力を差し引いた差
分に基づいて前記ピストン位置を検出するかを、切り替
え可能としたものである。

【０００８】ここで、容器とは、密閉あるいは開放に拘
わらず、内部に被検出体を収納するものであればよく、
シリンダ、タンク、ケースなどの各種の容器をいう。

【０００９】請求項２に係る本発明は、磁石が組み込ま
れたピストンの、磁性体材料からなるシリンダ内におけ
る位置を検出する磁気センサであって、前記シリンダ外
のロッドエンド側とヘッドエンド側とのそれぞれにおい
て、高透磁率の軟磁性体からなる芯材にコイルを巻き付
けてなる検出コイルを、少なくとも２個それぞれ設け、
この少なくとも２個の検出コイルを、前記ピストンの移
動方向に第１の検出コイル、第２の検出コイルとして前
記シリンダ内の所定位置にある前記ピストンの磁石の磁
力を検出する位置と、前記所定位置にある前記ピストン
の磁石の磁力の影響を受けることなく前記シリンダの残
留磁力を検出する位置とに離隔配置し、前記第１の検出
コイルと前記第２の検出コイルを励磁して、前記ピスト
ンの位置に応じて変化する前記芯材の磁気飽和特性曲線
の高透磁率を利用することにより前記ピストンの位置を
検出するものである。

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】（作用） 請求項１に係る本発明によれば、第１の検出コイルの検
出出力から第２の検出コイルの検出出力を差し引いた差
分に基づいて被検出体を検出するか、前記第２の検出コ
イルの検出出力から前記第１の検出コイルの検出出力を
差し引いた差分に基づいて前記被検出体を検出するか
を、切り替え可能としているので、当該磁気センサを、
例えば、シリンダのヘッドエンド側、あるいは、ロッド
エンド側に配置する際に、シリンダの両端から漏洩する
磁束の影響を受けにくい方の差分にも基づいて被検出体
を検出できる。

【００１５】請求項２に係る本発明によれば、所定位置
にある被検出体の磁石の磁力を検出する第１の検出コイ
ルと、所定位置にある前記被検出体の磁石の磁力の影響
を受けないように前記第１の検出コイルから離されて配
置されて残留磁力を検出する第２の検出コイルとを備え
ているので、二つの検出コイルで共に磁石の磁力を検出
して、磁石の磁束密度分布の山形あるいは谷形の傾斜を
利用して被検出体を検出する構成に比べて、例えば、磁
石の厚みが薄い場合や被検出体の移動速度が速い場合で
も被検出体を検出できる。

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る磁気センサの
実施形態を図面に基づいて説明する。

【００２１】（実施の形態１） 図１は、本発明の磁気センサを用いて、容器としてのシ
リンダ内のピストンの位置を検出するための前提となる
第１の基本構成を説明する概略構成図である。

【００２２】この実施の形態の磁気センサＡは、円筒状
のシリンダ１内のピストン２が所定の位置にきたことを
シリンダ１の外部から検出するものであって、被検出体
としてのピストン２には、環状の磁石３が組み込まれて
いる。ここで、磁石３は、棒状、球状、円柱状またはコ
イル状でもよい。

【００２３】シリンダ１は、圧油または圧縮空気などの
流体が、出入り口８，９から流入あるいは排出されるこ
とによって、ピストン２がシリンダ１の軸方向（図の左
右方向）に移動してピストンロッド１０の他端側で、例
えば、ワークに加工処理などを施すものである。

【００２４】この実施の形態の磁気センサＡは、アモル
ファス合金等の高透磁率の軟磁性体材料からなる芯材４
にコイル５を巻回してなる検出コイル６を一つ備えてお
り、この検出コイル６が収納された検出ユニット７がシ
リンダ１の外周に配設される。

【００２５】この磁気センサＡでは、アモルファス合金
等の高透磁率の軟磁性体材料からなる芯材４の磁気飽和
特性曲線の高透磁率領域における透磁率の変化を利用し
ており、これによって、コイル５のインダクタンス変化
を大きくして高感度で検出できるようにしている。

【００２６】なお、芯材４の形状は、棒状に限らず、Ｕ
字状やその他の形状であってもよく、また、芯材４もア
モルファス合金に限らず、パーマロイ、ケイ素鋼、鉄コ
バルト合金などのような他の高透磁率の軟磁性体材料を
用いてもよい。

【００２７】図２は、図１の実施の形態の磁気センサＡ
の構成を示すブロック図である。この実施の形態の磁気
センサＡは、上述の検出コイル６の一端に、電流制限抵
抗Ｒ１およびドライバ回路１１を介してパルス発振回路
１２からの矩形の励磁パルスが与えられ、検出用抵抗Ｒ
２を介して接地された検出コイル６の他端からの検出出
力をピークホールド回路１３でピークホールドし、その
出力を、コンパレータ回路１４で予め定めた閾値と比較
して閾値を越えたときに、ピストンが所定の位置にある
ことを示す出力を与えるものである。

【００２８】次に、この実施の形態の磁気センサＡの動
作を、図３および図４の信号波形図に基づいて説明す
る。

【００２９】ここで、図３は、検出コイル６に外部磁界
が作用していない場合を、図４は、検出コイル６に外部
磁界が作用している場合をそれぞれ示し、各図（ａ）は
検出コイル６の一端側に印加される励磁パルス、各図
（ｂ）は検出コイル６の他端側の検出電流、各図（ｃ）
はピークホールド回路１３の出力をそれぞれ示してい
る。

【００３０】検出コイル６の一端に、パルス発振回路１
２から図３（ａ）あるいは図４（ａ）に示されるパルス
状の電圧を印加すると、コイル５のインダクタンスによ
って電流が制限されて図３（ｂ）に示されるように、徐
々に増加する検出電流が流れ、この電流が、飽和磁束密
度（飽和限界）Ｌ１を越えなければコイルのインダクタ
ンスは変化せず、ピークホールド回路１３の出力は、図
３（ｃ）に示されるようにほぼ一定値となる。

【００３１】しかし、磁石３が組み込まれたピストン２
が検出コイル６に近接して外部から磁界がかかり、検出
コイル６を構成する芯材４であるアモルファス合金が予
め磁化されていると、コイル電流はより小さい所で飽和
磁束密度Ｌ２を越えて、すなわち、アモルファス合金が
磁気飽和してコイルのインダクタンスが小さくなり、図
４（ｂ）に示されるように電流が多く流れるようにな
り、ピークホールド回路１３の出力は、図４（ｃ）に示
されるように、図３（ｃ）に比べて大きくなる。

【００３２】したがって、ピークホールド回路１３の出
力と検出すべきピストン２の所定の位置に対応する閾値
とをコンパレータ回路１４で比較することにより、ピス
トン２が所定の位置にあることを判定できることにな
る。

【００３３】具体的には、閾値を予め設定しておき、検
出すべき所定の位置にピストン２を停止させ、その状態
で検出コイル６をシリンダ１の軸方向に沿って移動させ
て磁気センサＡの出力が得られるシリンダ１の外周位置
に検出コイル６を設置するものである。

【００３４】これによって、上述の図１において、ピス
トン２が、例えば、左方向から所定の位置に到達したと
きに磁気センサＡから検出出力が得られることになる。

【００３５】このように高透磁率の軟磁性体材料からな
る芯材４にコイル５を巻回してなる検出コイル６を励磁
してその検出出力に基づいて磁石３が組み込まれたピス
トン２の位置を検出するので、リードスイッチ、磁気抵
抗素子あるいはホール素子などを用いる従来例に比べて
高感度で検出できることになり、シリンダチューブの材
料を、従来例のようにステンレスやアルミニウムなどで
構成する必要がなく、鉄などの磁性体材料で構成できる
ことになり、コストの低減を図ることができ、特に、大
型のシリンダに適用する場合には、コスト低減の効果が
顕著となる。

【００３６】図５は、本発明の前提となる第２の基本構
成を説明するための図１に対応する概略構成図であり、
対応する部分には、同一の参照符号を付す。

【００３７】上述の実施の形態では、検出コイル６を一
つ設けたけれども、この実施の形態では、同一構造およ
びサイズの検出コイルを二つ設け、各検出コイル６₁，
６₂の位置を、図５および図６の平面図に示されるよう
に、シリンダ１の軸方向にずらして配置し、後述のよう
に、各検出コイル６₁，６₂の検出出力の差分に基づいて
ピストン２の位置を検出するようにしている。

【００３８】この実施の形態においては、シリンダ１の
表面に漏洩する磁束は、約１ガウス程度であり、検出す
る磁束密度の大きさは、例えば０.５ガウスとしてい
る。しかも、これらの値は、磁石３の強さやシリンダ１
の磁気的特性によってバラツキを有しており、さらに、
地磁気の影響もある。したがって、検出コイル６を一つ
用いて磁束密度の絶対値を検出する上述の実施の形態１
の構成では、検出位置が不安定になる可能性がある。

【００３９】そこで、この実施の形態では、上述のよう
に検出コイルを二つ設けてその検出位置をずらせて両者
の磁束密度の差を取ってその差が予め定めた閾値を越え
たときに、ピストンが所定の位置にあることを示す出力
を与えるように構成している。

【００４０】図７は、この実施の形態のブロック図であ
り、図２に対応する部分には、同一の参照符号を付す。

【００４１】この実施の形態では、各検出コイル６₁，
６₂に上述の実施の形態１と同様に、矩形の励磁パルス
を印加し、各検出コイル６₁，６₂の出力を、各ピークホ
ールド回路１３₁，１３₂でそれぞれピークホールドし、
そのピークホールド回路１３₁，１３₂の出力を差動増幅
回路１５で差動増幅し、その差動増幅回路１５の出力と
予め定めた閾値とをコンパレータ回路１４で比較して出
力を与えるように構成している。

【００４２】図８および図９は、動作説明に供する信号
波形図であり、上述の実施の形態の図３および図４に対
応する信号波形図である。なお、図９においては、第１
の検出コイル６₁に対応する出力を実線で、第２の検出
コイル６₂に対応する出力を破線でそれぞれ示してい
る。

【００４３】各検出コイル６₁，６₂の各一端に、図８
（ａ）あるいは図９（ａ）に示されるパルス状の電圧を
印加すると、外部から磁界がかかっていない場合には、
図８（ｂ）に示される検出電流がそれぞれ流れ、各ピー
クホールド回路１３₁，１３₂の出力は、図８（ｃ）に示
されるようにほぼ一定値となって等しくなる。

【００４４】しかし、磁石３が組み込まれたピストン２
が検出コイル６₁，６₂に近接して外部から磁界がかかる
と、コイル電流はより小さい所で飽和磁束密度を越えて
コイルのインダクタンスが小さくなり、図９（ｂ）に示
されるように電流が多く流れるようになり、ピークホー
ルド回路１３₁，１３₂の出力値は、図９（ｃ）に示され
るように、大きくなる。

【００４５】しかも、二つの検出コイル６₁，６₂は、シ
リンダ１の軸方向に位置をずらせて配置されているの
で、各検出コイル６₁，６₂にはたらく磁束密度の大きさ
が異なり、図９（ｂ）に示される検出電流、したがっ
て、ピークホールド回路１３₁，１３₂の出力値も図９
（ｃ）に示されるように差Δが生じることになる。

【００４６】この実施の形態では、第１の検出コイル６
₁に対応するピークホールド回路１３₁の出力から第２の
検出コイル６₂に対応するピークホールド回路６₂の出力
を差し引いた図９（ｄ）に示される差分が、予め定めた
閾値を越えたときに、ピストン２が所定の位置にあると
してコンパレータ回路１４から出力を与えるように構成
している。

【００４７】図１０は、ピストン２に組み込まれた磁石
３の位置とシリンダ１の表面における磁束密度との関係
を示す図であり、各検出コイル６₁，６₂の位置を併せて
示している。

【００４８】ピストン２に組み込まれた磁石３は、シリ
ンダ表面に図示のような磁束密度分布（軸方向成分）を
示す。なお、磁束密度分布の−は、図中右から左方向の
磁束を示し、＋は、矢符Ｂで示される図中左から右方向
の磁束を示す。

【００４９】図１０（ａ）に示される磁束密度分布は、
図１０（ｂ）の磁石３の移動に伴って移動するのである
が、二つの検出コイル６₁，６₂は、それぞれの設置位置
で磁束密度を検出し、その差が予め定めた閾値以上にな
ったときに、所定の位置にピストン２があるとして出力
を与えるのである。

【００５０】すなわち、この実施の形態では、図１０
（ａ）に示される山形の曲線の磁束密度分布における左
側の傾斜において、検出コイル６₁，６₂で検出される磁
束密度の差分Ｄが閾値以上になったときに、ピストンが
所定の位置にきたとして出力を与えるのである。

【００５１】このようにピストン２の移動方向に沿って
位置をずらせて配置した二つの検出コイル６₁，６₂の差
動出力が、予め定めた閾値を越えたときに、ピストン２
が所定の位置にあるとして出力を与えるので、シリンダ
１の残留磁気や地磁気を相殺して除去することができ、
精度の高い検出を行うことができる。

【００５２】なお、二つの検出コイル６₁，６₂の軸方向
におけるずれ量は、例えば、計測された磁束分布のデー
タなどに基づいて適宜設定され、両検出コイル６₁，６₂
のシリンダ１における取り付け位置は、上述の実施の形
態１と同様に、ピストン２を検出すべき所定の位置に停
止させた状態で、両検出コイル６₁，６₂をシリンダ１に
沿って移動させて磁気センサＡ’の出力が得られるシリ
ンダ１の外周位置に設置するものである。従って、設置
された磁気センサＡ’の位置までピストンが来れば、磁
気センサＡ’はピストン位置を検出することになる。

【００５３】図１１は、本発明の第１の実施の形態を説
明する概略構成図であり、対応する部分には、同一の参
照符号を付す。

【００５４】先ず、この実施の形態１の説明に先立っ
て、上述の基本構成の問題点について説明する。

【００５５】上述の第２の基本構成では、磁気センサＡ
´の取り付け方向や取り付け位置などについては、詳し
くは説明しなかったけれども、磁気センサＡ´をシリン
ダ１のロッドエンド側あるいはヘッドエンド側に取り付
ける場合には、以下のような不具合が生じる場合があ
る。

【００５６】すなわち、図１２〜図１４は、筒状のシリ
ンダ１の材質を磁性体材料にした場合のシリンダ表面の
軸方向の磁束密度分布（ａ）とピストン２の位置（ｂ）
との関係を示す図である。

【００５７】図１２は、ピストン２がシリンダ１の中央
に位置する場合の磁束密度分布を測定したものであり、
この図から明らかなように、シリンダ１の中央部分で磁
束密度分布は、一つのピークを示す。これは、ピストン
２に埋め込まれた磁石３によるものである。しかしなが
ら、このような磁束密度分布のピークは、シリンダ１の
中央部分以外にもシリンダ１の両端付近で生じているこ
とが分かる。

【００５８】これは、図１５に示されるように、筒状の
シリンダ１の内部を通過した磁束が、シリンダ１のエッ
ジ部分に集中して漏洩することが原因である。このた
め、シリンダ１の両端部分では、ピストン２が存在しな
いにも拘わらず、磁束密度分布のピークが発生する。

【００５９】図１３および図１４は、ピストン２がシリ
ンダ１のそれぞれの端、すなわち、ロッドエンド側およ
びヘッドエンド側にある場合の磁束密度分布を示してお
り、これらの図から明らかなように、ピストン２に埋め
込まれた磁石３による磁束密度分布のピークとシリンダ
１の端から漏洩する磁束密度分布のピークとが重なるた
めに、磁石３によって発生する磁束密度分布のピークの
シリンダ端側の傾斜が埋もれてしまうことが分かる。す
なわち、図１３に示されるように、ピストン２がロッド
エンド側にあるときには、磁石３による磁束密度分布の
ピークのロッドエンド側の傾斜が埋もれることになり、
図１４に示されるように、ピストン２がヘッドエンド側
にあるときには、磁石３による磁石密度分布のピークの
ヘッドエンド側が埋もれることになる。

【００６０】ここで、シリンダ１に対する磁気センサの
取り付けについて説明する。通常、磁気センサＡ’は、
図１６に示されるように、シリンダ１の両端に一対で取
り付けられる。これは、ピストン２が正常に動作してい
ることを確認するために、ピストン２のストロークの上
死点、下死点、すなわち、シリンダ１の両端でピストン
２をそれぞれ検出するためである。また、磁気センサ
Ａ’の取り付け方向は、ケーブル２０の処理の関係上、
ロッドエンド側の磁気センサＡ’は、ケーブル２０をヘ
ッドエンド側へ引き出し、ヘッドエンド側の磁気センサ
Ａ’は、ケーブル２０をロッドエンド側に引き出せるよ
うに、逆向きに取り付けられる。なお、図１６において
は、説明の便宜上、第１の検出コイル６₁を磁気センサ
Ａ’の先端側に、第２の検出コイル６₂を磁気センサ
Ａ’のケーブル２０引き出し側に、間隔をあけて配置し
ている。

【００６１】さらに、ここで、磁気センサの向きと該磁
気センサの検出コイルの検出出力との関係を、図１７お
よび図１８にイメージ的に示す。これらの図は、磁気セ
ンサＡ’をシリンダ１の中央位置に向きを逆に配置した
場合を示しており、（ａ）は第１，第２の検出コイル６
₁，６₂の検出出力１，２を、（ｂ）は磁気センサの向き
を示しており、検出出力は、実際にはシリンダ１からの
漏洩磁束などの影響によって図示のようにきれいなピー
クではないが、これらの図では、説明の便宜上イメージ
的に示している。

【００６２】これらの図に示されるように、磁気センサ
Ａ’の向きによって検出出力のピークの向きが谷形ある
いは山形に反転することになる。これは、図１９および
図２０に示されるように、磁気センサの向きによって検
出コイル６₁，６₂に流れる電流によって発生するコイル
の磁束の向きと、ピストン２に埋め込まれた磁石３の磁
束の向きが同一方向であるか逆方向であるかによって検
出出力の変化の方向が変わるためである。なお、図１９
および図２０において、（ａ）は磁気センサを、（ｂ）
はピストンを、（ｃ）は検出出力をそれぞれ示してお
り、矢符Ｂは電流の向きを、矢符Ｃは検出コイル６₁，
６₂に発生する磁束の向きを、矢符Ｄは磁石３の磁束の
向きを、矢符Ｅはピストン２の動作方向をそれぞれ示し
ている。

【００６３】上述の第２の基本構成では、一方の検出コ
イルから他方の検出コイルの検出出力を差し引いた差動
出力が、予め定めた閾値を越えたときに、磁気センサの
検出出力を与えるものであり、例えば、図２１または図
２２の各検出コイルの検出出力（ａ）および磁気センサ
の検出出力（ｂ）に示されるように、実線で示される第
１の検出コイル６₁の検出出力１から破線で示される第
２の検出コイル６₁の検出出力２を差し引いた差動出力
を用いてピストン２を検出する場合には、磁気センサ
を、いずれの向きに配置しても、各図（ｂ）の磁気セン
サの検出出力に示されるように、検出コイル６₁，６₂の
検出出力のピークのヘッドエンド寄り、図の右寄りの傾
斜を利用して検出することになる。つまり、第１の検出
コイル６₁の検出出力１が第２の検出コイル６₂の検出出
力２を上回っていて、その差分が正となる領域を利用し
て検出することになる。なお、この図２１，２２は、磁
気センサをシリンダ１の中央位置に配置した場合に、中
央位置のピストン２を検出した状態を示している。

【００６４】つまり、上述の第２の基本構成において、
第１の検出コイル６₁を第２の検出コイル６₂よりも磁気
センサの先端寄りに配置して第１の検出コイル６₁から
第２の検出コイル６₂の検出出力を差し引いた差動出力
が、予め定めた閾値を越えたときに、磁気センサの検出
出力を与える構成では、検出出力のピークのヘッドエン
ド寄りの傾斜を利用してピストン２の検出が行われるこ
とになる。

【００６５】ところが、上述の図１３および図１４にお
いて説明したように、シリンダ１の内部を通過した磁束
が、シリンダ１の両端部分に集中して漏洩するため、シ
リンダ１の両端部分では、磁束密度分布のピークが発生
する。

【００６６】したがって、上述の第２の基本構成では、
磁気センサＡ’をロッドエンド側に配置してピストン２
を検出する場合には、図２３および図２４に示されるよ
うに、検出出力のピークのヘッドエンド寄り、すなわ
ち、図の右寄りの傾斜を利用して検出するので、第１の
検出コイル６₁の検出出力が第２の検出コイル６₂の検出
出力を上回って正しく検出できるけれども、磁気センサ
Ａ’をヘッドエンド側に配置してピストン２を検出する
場合には、図２５および図２６に示されるように、検出
出力のピークのヘッドエンド寄り、すなわち、図の右寄
りの傾斜が、シリンダ１のヘッドエンドから漏洩する磁
束密度分布のピークに埋もれることになり、検出出力が
得られないことになる。

【００６７】同様に、第２の検出コイル６₂の検出出力
から第１の検出コイル６₁の検出出力を差し引いた差動
出力を用いてピストン２を検出する場合には、磁束密度
分布のピークのロッドエンド寄りの傾斜を利用して検出
することになるので、磁気センサＡ’をヘッドエンド側
に配置してピストン２を検出する場合には、第２の検出
コイル６₂の検出出力が第１の検出コイル６₁の検出出力
を上回って正しく検出できるけれども、磁気センサＡ’
をロッドエンド側に配置してピストン２を検出する場合
には、検出出力のピークのロッドエンド寄りの傾斜が、
シリンダ１のロッドエンドから漏洩する磁束密度分布の
ピークに埋もれることになり、検出出力が得られないこ
とになる。

【００６８】そこで、この実施の形態１では、磁気セン
サを、シリンダ１のロッドエンドあるいはヘッドエンド
のいずれかの側に配置してもピストン２を正しく検出で
きるようにするために、次のように構成している。

【００６９】すなわち、この実施の形態の磁気センサ
Ａ’’は、図１１に示されるように、第１，第２のピー
クホールド回路１３₁，１３₂と差動増幅回路１５との間
に、各ピークホールド回路１３₁，１３₂の出力を、差動
増幅回路１５の非反転入力あるいは反転入力にそれぞれ
切り替え選択して出力する第１，第２の信号切替回路２
１₁，２１₂と、これら信号切替回路２１₁，２１₂に対し
て、いずれのピークホールド回路１３₁，１３₂の出力を
選択するかの第１，第２の切替信号を出力する切替信号
出力回路２２を備えており、この切替信号出力回路２２
は、後述の切替スイッチの切替操作に応じて対応する切
替信号を出力するものである。

【００７０】この実施の形態では、切り替え操作によっ
て、切替信号出力回路２２は、ハイレベルまたはローレ
ベルの第１の切替信号を第１の信号切替回路２１₁に出
力するとともに、第１の切替信号を反転したローレベル
またはハイレベルの第２の切替信号を第２の信号切替回
路２１₂に出力する。各信号切替回路２１₁，２１₂は、
例えばハイレベルの切替信号が与えられると、第１のピ
ークホールド回路１３₁の出力を選択出力し、ローレベ
ルの切替信号が与えられると、第２のピークホールド回
路１３₂の出力を選択出力するものである。

【００７１】この実施の形態では、磁気センサＡ’’
を、図１６の左方に示されるロッドエンド側に配置して
ピストン２を検出する場合には、切替スイッチは、ロッ
ドエンドに対応する操作位置が選択され、この状態で
は、切替信号出力回路２２は、ハイレベルの第１の切替
信号を第１の信号切替回路２１₁に出力する一方、ロー
レベルの第２の切替信号を第２の信号切替回路２１₂に
出力し、これによって、第１の信号切替回路２１₁は、
第１のピークホールド回路１３₁の出力を差動増幅回路
１５の非反転入力に与える一方、第２の信号切替回路１
３₂は、第２のピークホールド回路１３₂の出力を差動増
幅回路１５の反転入力に与え、第１の検出コイル６₁の
検出出力から第２の検出コイル６₂の検出出力を差し引
いた差動出力を、コンパレータ１４で比較することにな
る。

【００７２】この場合、すなわち、ロッドエンド側に配
置した場合には、検出出力のピークのヘッドエンド寄り
の傾斜、すなわち、シリンダ１のロッドエンドから漏洩
する磁束密度分布に埋もれない側の傾斜を利用して検出
するので正しく検出できることになる。

【００７３】次に、磁気センサＡ’’を、図１６の右方
に示されるヘッドエンド側に配置してピストン２を検出
する場合には、切替スイッチは、ヘッドエンドに対応す
る操作位置に切替選択され、この状態では、切替信号出
力回路２２は、ローレベルの第１の切替信号を第１の信
号切替回路２１₁に出力する一方、ハイレベルの第２の
切替信号を第２の信号切替回路２１₂に出力し、これに
よって、第１の信号切替回路２１₁は、第２のピークホ
ールド回路１３₂の出力を差動増幅回路１５の非反転入
力に与える一方、第２の信号切替回路２１₂は、第１の
ピークホールド回路１３₂の出力を差動増幅回路１５の
反転入力に与え、第２の検出コイル６₂の検出出力から
第１の検出コイル６₁の検出出力を差し引いた差動出力
を、コンパレータ１４で比較することになる。

【００７４】この場合、すなわち、ヘッドエンド側に配
置した場合は、検出出力のピークのロッドエンド寄りの
傾斜を利用して検出するので、ヘッドエンド寄りの傾斜
を利用する場合のように、シリンダ１のヘッドエンドか
ら漏洩する磁束密度分布のピークに埋もれて検出できな
いといったことがなく、正しく検出できることになる。

【００７５】このように、磁気センサＡ’’をロッドエ
ンド側に配置してピストン２を検出する場合には、シリ
ンダ１のロッドエンドから漏洩する磁束密度分布のピー
クに、ピストン２の磁石３の磁束密度分布のピークが埋
もれないヘッドエンド寄りの傾斜を用いて検出し、磁気
センサＡ’’をヘッドエンド側に配置してピストン２を
検出する場合には、シリンダ１のヘッドエンドから漏洩
する磁束密度分布のピークに、ピストン２の磁石３の磁
束密度分布のピークが埋もれないロッドエンド寄りの傾
斜を用いて検出するので、いずれの位置に配置する場合
にも、シリンダ１の両エンドから漏洩する磁束密度分布
の影響を受けることなく、正しく検出できることにな
る。

【００７６】図２７は、図１１の具体的構成の一例を示
すブロック図であり、対応する部分には、同一の参照符
号を付す。

【００７７】各信号切替回路２１₁，２１₂は、ハイレベ
ルの切替信号によって導通するそれぞれ二つのアナログ
スイッチ２３₁，２３₂；２３₃，２３₄で構成され、切替
信号出力回路２２は、切り替え操作される上述の切替ス
イッチ２４と、インバータ２５と、抵抗Ｒ３とを備えて
おり、切替スイッチ２４がオフしているときには、ロー
レベルの切替信号が、各信号切替回路２１₁，２１₂の第
１，第４のアナログスイッチ２３₁，２３₄に与えられる
一方、インバータ２５を介してハイレベルの切替信号
が、各信号切替回路２１₁，２１₂の第２，第３のアナロ
グスイッチ２３₂，２３₃に与えられてアナログスイッチ
２３₂，２３₃がオンし、これによって、第１のピークホ
ールド回路１３₁の出力が、第２の信号切替回路２１₂を
介して差動増幅回路１５の反転入力に与えられる一方、
第２のピークホールド回路１３₂の出力が、第１の信号
切替回路２１₁を介して差動増幅回路１５の非反転入力
に与えられ、これによって、第２の検出コイル６₂の検
出出力から第１の検出コイル６₁の検出出力を差し引い
た差動出力を、コンパレータ１４で比較することにな
る。

【００７８】また、切替スイッチ２４を、オンすると、
ハイレベルの切替信号が、各信号切替回路２１₁，２１₂
の第１，第４のアナログスイッチ２３₁，２３₄に与えら
れてアナログスイッチ２３₁，２３₄がオンする一方、イ
ンバータ２５を介してローレベルの切替信号が、各信号
切替回路２１₁，２１₂の第２，第３のアナログスイッチ
２３₂，２３₃に与えられ、これによって、第１のピーク
ホールド回路１３₁の出力が、第１の信号切替回路２１₁
を介して差動増幅回路１５の非反転入力に与えられる一
方、第２のピークホールド回路１３₂の出力が、第２の
信号切替回路２１₂を介して差動増幅回路１５の反転入
力に与えられ、これによって、第１の検出コイル６₁の
検出出力から第２の検出コイル６₂の検出出力を差し引
いた差動出力を、コンパレータ１４で比較することにな
る。

【００７９】なお、切替信号出力回路２２は、図２８に
示されるように、トランジスタＴＲ、排他的論理和回路
２６，２７、インバータ２８，２９、および抵抗Ｒ４〜
Ｒ７で構成してもよい。その他の構成は、図２７と同様
であり、トランジスタＴＲのベースに、切替操作に対応
してハイレベルまたはローレベルの操作信号を与えれば
よい。

【００８０】また、図２９に示されるように、差動増幅
回路１５₁，１５₂を二つ設け、一方の差動増幅回路１５
₁の非反転入力には、第１のピークホールド回路１３₁の
出力を、反転入力には、第２のピークホールド回路１３
₂の出力をそれぞれ与え、他方の差動増幅回路１５₂の非
反転入力には、第２のピークホールド回路１３₂の出力
を、反転入力には、第１のピークホールド回路１３₁の
出力をそれぞれ与え、切替操作に対応する切替信号出力
回路３０からの切替信号によって、信号切替回路３１で
いずれかの差動増幅回路１５₁，１５₂の出力を選択して
コンパレータ１４で比較するようにしてもよい。

【００８１】すなわち、信号切替回路３１で一方の差動
増幅回路１５₁の出力を選択した場合には、第１の検出
コイル６₁の検出出力から第２の検出コイル６₂の検出出
力を差し引いた差動出力を、コンパレータ１４で比較す
ることになり、他方の差動増幅回路１５₂の出力を選択
した場合には、第２の検出コイル６₂の検出出力から第
１の検出コイル６₁の検出出力を差し引いた差動出力
を、コンパレータ１４で比較することになる。

【００８２】（実施の形態２） 図３０は、本発明のさらに他の実施の形態の動作原理を
説明するための図であり、同図（ａ）はこの実施の形態
の検出コイル６₁，６₂の配置を示すものであり、同図
（ｂ）はピストン２がロッドエンドの検出位置にあると
きの磁束密度分布を示す図である。

【００８３】上述の実施の形態１では、図１０に示され
るように、各検出コイル６₁，６₂で磁石３の磁力を検出
してその差分を用いてピストン２を検出したが、例え
ば、ピストン２の軸方向の厚みを薄くしてストロークを
確保する場合には、ピストン２に埋め込む磁石３の厚み
も薄くせざるを得ず、かかる場合には、磁石３の山形の
磁束密度分布の幅が狭くなるので、上述の図１０のよう
に山形の傾斜を利用して検出するのは困難となる。

【００８４】そこで、この実施の形態では、かかる場合
にも正確に検出できるようにするために、磁気センサの
第１の検出コイル６₁は、所定の検出位置にあるピスト
ン２の磁石３の磁力を検出し、第２の検出コイル６
₂は、前記検出位置にあるピストン２の磁石３の磁力の
影響を直接受けることなく、シリンダ１の残留磁力を検
出できるように離れた位置に配置している。その他の構
成は、上述の実施の形態２と同様であり、第１の検出コ
イル６₁の検出出力から第２の検出コイル６₂の検出出力
を差し引いた差分が予め定めた閾値を越えたときに、磁
気センサの検出出力を与えるものである。

【００８５】この図３０に示されるように、磁気センサ
をロッドエンド側に配置し、ピストン２がロッドエンド
側の検出位置にきたときには、第１の検出コイル６₁で
ピストン２の磁石３の磁力が検出される一方、第２の検
出コイル６₂では、磁石２の磁力の影響を受けることな
く、シリンダ１の残留磁力および地磁気を検出すること
になる。したがって、第１の検出コイル６₁の検出出力
から第２の検出コイル６₂の検出出力を差し引くと、そ
の差分ΔＨが正の大きな値となって閾値を越えて磁気セ
ンサの検出出力が得られることになる。

【００８６】また、磁気センサを、図３１に示されるよ
うに、ヘッドエンド側に配置した場合も、第１の検出コ
イル６₁は、ヘッドエンド側の検出位置にあるピストン
２の磁石３の磁力を検出し、第２の検出コイル６₂は、
検出位置にあるピストン２の磁石３の磁力の影響を受け
ることなく、残留磁力および地磁気を検出することにな
る。したがって、第１の検出コイル６₁の検出出力から
第２の検出コイル６₂の検出出力を差し引くと、その差
分ΔＨが正の大きな値となって閾値を越えて磁気センサ
の検出出力が得られることになる。

【００８７】一方、図３２に示されるように、例えば、
磁気センサをロッドエンド側に配置し、ピストン２が所
定の検出位置にないとき、例えば、第２の検出コイル６
₂の位置にあるときには、第１の検出コイル６₁では、ピ
ストン２が所定の検出位置にないために磁石３の磁力を
検出しておらず、第２の検出コイル６₂は、ピストン２
の磁石３の影響を直接受けてその磁力を検出しているた
めに、第１の検出コイル６₁の出力から第２の検出コイ
ル６₂の出力を差し引くと、その差分ΔＨが負となって
磁気センサの検出出力が得られないことになる。

【００８８】このように、第１の検出コイル６₁を所定
の検出位置にあるピストン２の磁石３の磁力を検出する
ように配置し、第２の検出コイル６₂を所定の検出位置
にあるピストン２の磁石３の磁力の影響を直接受けるこ
となく、シリンダ１の残留磁力を検出できるように配置
することにより、第１の検出コイル６₁の検出出力から
第２の検出コイル６₂の検出出力を差し引いた差分が、
予め定めた閾値を越えることによって、検出位置にある
ピストン２を検出できることになる。

【００８９】なお、閾値や第１の検出コイル６₁と第２
の検出コイル６₂との配置間隔などは、実験的に定めら
れる。

【００９０】この実施の形態では、ピストン２の磁石３
の磁力と残留磁力との差分を用いて検出するので、上述
の第２の基本構成のように、磁石３による山形の磁束密
度分布の傾斜を利用して検出する場合に比べて、磁石３
の厚みが薄くなったり、ピストン２の移動速度が速くな
っても正確な検出が可能となる。

【００９１】なお、第１の検出コイル６₁の検出出力か
ら第２の検出コイル６₂の検出出力を差し引くので、上
述の実施の形態２と同様に、残留磁力や地磁気の影響を
除くことができる。

【００９２】また、シリンダ１の残留磁力や地磁気の影
響を除くだけであれば、本発明の検出コイルに代えて、
リードスイッチ、磁気抵抗素子あるいはホール素子など
を用いて検出するようにしてもよい。

【００９３】この実施の形態では、一つの筺体に、第
１，第２の検出コイル６₁，６₂を内蔵したけれども、第
１，第２の検出コイル６₁，６₂は、離れて配置されるの
で、個別の筺体に内蔵させて配置してもよい。

【００９４】（その他の実施の形態）上述の実施の形態
では、各検出コイル６₁，６₂は、シリンダ１に平行に配
置したれども、本発明の他の実施の形態として、図３３
に示されるようにシリンダ１に対して傾斜させて配置し
てもよい。

【００９５】上述の実施の形態では、直流パルスを検出
コイルに印加して励磁したけれども、本発明の他の実施
の形態として、交流電流で励磁してもよい。

【００９６】上述の実施の形態では、シリンダ内のピス
トンの位置を検出するシリンダスイッチに適用したれど
も、本発明は、これに限ることなく、容器内を移動する
被検出体を容器の外部から検出する場合に適用できるも
のである。

【００９７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、次のよう
な効果が奏される。

【００９８】請求項１に係る本発明によれば、第１の検
出コイルの検出出力から第２の検出コイルの検出出力を
差し引いた差分に基づいて被検出体を検出するか、前記
第２の検出コイルの検出出力から前記第１の検出コイル
の検出出力を差し引いた差分に基づいて前記被検出体を
検出するかを、切り替え可能としているので、当該磁気
センサを、例えば、シリンダのヘッドエンド側、あるい
は、ロッドエンド側に配置する際に、シリンダの両端か
ら漏洩する磁束の影響を受けにくい方の差分にも基づい
て被検出体を検出できる。

【００９９】請求項２に係る本発明によれば、所定位置
にある被検出体の磁石の磁力を検出する第１の検出コイ
ルと、所定位置にある前記被検出体の磁石の磁力の影響
を受けないように前記第１の検出コイルから離されて配
置されて残留磁力を検出する第２の検出コイルとを備え
ているので、二つの検出コイルで共に磁石の磁力を検出
して、磁石の磁束密度分布の山形あるいは谷形の傾斜を
利用して被検出体を検出する構成に比べて、例えば、磁
石の厚みが薄い場合や被検出体の移動速度が速い場合で
も被検出体を検出できる。

【０１００】

【０１０１】

【０１０２】

【０１０３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の前提となる第１の基本構成を説明する
ための概略構成図である。

【図２】図１の磁気センサの構成を示すブロック図であ
る。

【図３】外部磁界がない場合の信号波形図である。

【図４】外部磁界がある場合の信号波形図である。

【図５】本発明の前提となる第２の基本構成を説明する
ための概略構成図である。

【図６】図５の平面図である。

【図７】図５の磁気センサの構成を示すブロック図であ
る。

【図８】外部磁界がない場合の信号波形図である。

【図９】外部磁界がある場合の信号波形図である。

【図１０】磁石の位置と磁束密度分布とを示す図であ
る。

【図１１】本発明の実施の形態１のブロック図である。

【図１２】中央位置にあるピストンと磁束密度分布との
関係を示す図である。

【図１３】ロッドエンド側にあるピストンと磁束密度分
布との関係を示す図である。

【図１４】ヘッドエンド側にあるピストンと磁束密度分
布との関係を示す図である。

【図１５】シリンダからの漏洩磁束を示す図である。

【図１６】磁気センサの取り付け状態を示す図である。

【図１７】磁気センサの向きと検出出力との関係をイメ
ージ的に示す図である。

【図１８】磁気センサの向きと検出出力との関係をイメ
ージ的に示す図である。

【図１９】検出コイルに発生する磁束の向き、ピストン
の磁石の磁束の向きおよび検出出力の関係を示す図であ
る。

【図２０】検出コイルに発生する磁束の向き、ピストン
の磁石の磁束の向きおよび検出出力の関係を示す図であ
る。

【図２１】各検出コイルの検出出力と磁気センサの検出
出力との関係を示す図である。

【図２２】各検出コイルの検出出力と磁気センサの検出
出力との関係を示す図である。

【図２３】磁気センサをロッドエンド側に配置したとき
の各検出コイルの検出出力と磁気センサの検出出力との
関係を示す図である。

【図２４】磁気センサをロッドエンド側に配置したとき
の各検出コイルの検出出力と磁気センサの検出出力との
関係を示す図である。

【図２５】磁気センサをヘッドエンド側に配置したとき
の各検出コイルの検出出力と磁気センサの検出出力との
関係を示す図である。

【図２６】磁気センサをヘッドエンド側に配置したとき
の各検出コイルの検出出力と磁気センサの検出出力との
関係を示す図である。

【図２７】図１１の具体的構成の一例を示すブロック図
である。

【図２８】図１１の具体的構成の他の例を示すブロック
図である。

【図２９】本発明の実施の形態１の他の例のブロック図
である。

【図３０】本発明の実施の形態２の動作原理を説明する
ための図である。

【図３１】本発明の実施の形態２の動作原理を説明する
ための図である。

【図３２】本発明の実施の形態２の動作原理を説明する
ための図である。

【図３３】検出コイルの配置の他の例を示す平面図であ
る。

フロントページの続き (72)発明者 松井 健次 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オムロン株式会社内 (72)発明者 大塚 隆史 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オムロン株式会社内 (72)発明者 元氏 知史 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オムロン株式会社内 (72)発明者 萩原 克明 大阪府大阪市東淀川区北江口１丁目１番 １号 太陽鉄工株式会社内 (72)発明者 東海 正明 大阪府大阪市東淀川区北江口１丁目１番 １号 太陽鉄工株式会社内 (56)参考文献 実開 平６−43305（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 7/00 F15B 15/28 G01D 5/20 H01H 36/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁石が組み込まれたピストンの、磁性体
   材料からなるシリンダ内における位置を検出する磁気セ
   ンサであって、前記シリンダ外のロッドエンド側とヘッドエンド側との
   それぞれにおいて、高透磁率の軟磁性体からなる芯材に
   コイルを巻き付けてなる検出コイルを、少なくとも２個
   それぞれ設け、この少なくとも２個の検出コイルを、前
   記ピストンの移動方向に位置をずらして第１の検出コイ
   ル、第２の検出コイルとして配置し、前記検出コイルを
   励磁して、前記ピストンの位置に応じて変化する前記芯
   材の磁気飽和特性曲線の高透磁率領域における透磁率を
   利用して、前記第１の検出コイルの検出出力から第２の
   検出コイルの検出出力を差し引いた差分に基づいて前記
   ピストン位置を検出するか、前記第２の検出コイルの検
   出出力から前記第１の検出コイルの検出出力を差し引い
   た差分に基づいて前記ピストン位置を検出するかを、切
   り替え可能とした ことを特徴とする磁気センサ。
2. 【請求項２】 磁石が組み込まれたピストンの、磁性体
   材料からなるシリンダ内における位置を検出する磁気セ
   ンサであって、 前記シリンダ外のロッドエンド側とヘッドエンド側との
   それぞれにおいて、高透磁率の軟磁性体からなる芯材に
   コイルを巻き付けてなる検出コイルを、少なくとも２個
   それぞれ設け、この少なくとも２個の検出コイルを、前
   記ピストンの移動方向に第１の検出コイル、第２の検出
   コイルとして前記シリンダ内の所定位置にある前記ピス
   トンの磁石の磁力を検出する位置と、前記所定位置にあ
   る前記ピストンの磁石の磁力の影響を受けることなく前
   記シリンダの残留磁力を検出する位置とに離隔配置し、
   前記第１の検出コイルと前記第２の検出コイルを励磁し
   て、前記ピストンの位置に応じて変化する前記芯材の磁
   気飽和特性曲線の高透磁率を利用することにより前記ピ
   ストンの位置を検出する 磁気センサ。