JP4094497B2 - 非接触型位置センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は直線変位や回転変位を非接触で検出する非接触型位置センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８はこの種の非接触型位置センサの一例として、回転軸の回転変位位置（回転角）を検出する位置センサの従来構成例を示したものであり、この例では回転軸１１に一対の磁石（永久磁石）１２，１３と変位側コア１４が取り付けられ、回転軸１１に対する固定側に一対の固定側コア１５，１６と磁気センサ１７が配置されている。
変位側コア１４は回転軸１１の軸心を中心とする円筒形とされ、この変位側コア１４の内周面に一対の半円筒形をなす磁石１２，１３が全体として円筒をなすように配置されている。これら磁石１２，１３は円筒の径方向に互いに逆向きに着磁されており、即ち磁石１２と１３とは一方が内周側がＮ極、外周側がＳ極とされ、他方は内周側がＳ極、外周側がＮ極とされている。なお、変位側コア１４及び一対の磁石１２，１３は円形の取り付け板１８を介して回転軸１１に取り付けられている。
【０００３】
固定側コア１５，１６は磁石１２，１３がなす円筒内に位置されており、それぞれ半円柱状とされて、その周面と磁石１２，１３の内周面との間には所定の間隙１９が設けられている。固定側コア１５，１６及び変位側コア１４はけい素鋼等の軟磁性材料製とされる。
固定側コア１５と１６とは径方向に伸びる間隙２１を介して互いに対向されており、この間隙２１に磁気センサ１７が位置されている。磁気センサ１７は磁界（磁場）の強さを検出するもので、例えばホール素子を用いて構成されたホールＩＣとされる。
図８Ａ中、１７ａは磁気センサ１７の端子を示し、２２は固定側コア１５，１６及び磁気センサ１７が搭載固定されているベースを示す。
【０００４】
上記のような構成とされた位置センサによれば、回転軸１１の回転に伴い、変位側コア１４と磁石１２，１３とが固定側コア１５，１６の周りを回転して磁界が回転し、この磁界の回転により磁気センサ１７に作用する磁界が変化する。ホールＩＣよりなる磁気センサ１７は磁界の変化に応じた電圧を出力し、よってこの出力電圧の変化によって回転軸１１の回転変位位置を検出することができるものとなっている。
このように回転軸の回転変位位置を検出する従来の非接触型位置センサは、回転変位を磁界の変化によって検出するものとなっており、磁界を生じさせる磁石は回転軸に取り付けられ、一方磁界の変化を検出する磁気センサは固定側に配置されていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２９２０１７９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようにホールＩＣ等の磁気センサと永久磁石、軟磁性材料製のコアとを用いる非接触型位置センサにおいては所要の性能を得るべく、検出感度の調整が行われており、この調整は組み合わせられる磁石の磁界に合わせて所要の検出感度が得られるように磁気センサの感度や配置を調整するといった作業となることから、例えば回転変位を検出する非接触型位置センサでは回転変位を検出する機構（構造体）の回転軸に磁石及び変位側コアを取り付け、さらにその機構の回転軸に対する固定側に磁気センサ及び固定側コアを取り付けて調整作業を行わなければならず、このような作業は極めてやりずらいものとなっていた。
また、磁気センサが故障したり、あるいは磁石が損傷した場合には一般に両者共、交換するといったことが行われ、つまり磁気センサ及び磁石をそれぞれ取り外さなければならず、そのような作業は面倒で手間がかかるものとなっていた。
【０００７】
さらに、回転変位を検出する非接触型位置センサは例えば自動車のエンジンにおいてスロットルバルブの開度を検出するために用いられているが、この場合、スロットルバルブに一体化されたスロットルシャフト（回転軸）に磁石が取り付けられ、通常、この状態で所要の工程を経るため、その間に磁石に鉄粉等の特性に影響を及ぼすものが付着しないように注意しなければならず、その点で取り扱いに注意を要するものとなっていた。
この発明の目的はこれら問題に鑑み、磁石を磁気センサと共に固定側に配置するようにして、検出感度の調整や修理交換作業を容易に行えるようにし、また変位する側はコアだけとすることにより、従来のように製造工程内で磁石に鉄粉等が付着しないように注意するといった煩わしさを解消できるようにし、これらの点で取り扱いが極めて容易な非接触型位置センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、直線変位する可動体の変位位置を検出する非接触型位置センサは、可動体に取り付けられた軟磁性材料よりなる第１及び第２のコアと、可動体に対する固定側に上記変位方向に配列されて配置された一対の磁石と、上記固定側に固定された磁気センサとよりなり、一対の磁石は第１及び第２のコアと対向する方向において互いに逆向きに着磁され、第１のコアは断面コ字状とされて、そのコ字の両脚部が上記変位方向に配列され、かつ両脚部の先端面が一対の磁石と対向する側に位置されており、第２のコアは上記コ字内に第１のコアと所定の間隙を介して位置され、その上記変位方向に沿う間隙内に磁気センサのセンサ部が位置されているものとされる。
【０００９】
請求項２の発明によれば、回転軸の回転変位位置を検出する非接触型位置センサは、回転軸に対する固定側に配置されて全体として回転軸の軸心を中心とする円筒をなし、その円筒の径方向に互いに逆向きに着磁されている半円筒形の一対の磁石と、回転軸に取り付けられて上記円筒内に位置され、それぞれ上記円筒の内周面に沿った外周面を有する一対の軟磁性材料よりなるコアと、上記固定側に固定された磁気センサとよりなり、一対のコアのうちの一方はほぼ半円筒形とされており、他方はその内面が一方のコアの内周面及び周方向両端面と所定の間隙を介して対向する形状とされて、その一方のコアの内周面に沿う間隙内に磁気センサのセンサ部が位置されているものとされる。
【００１０】
請求項３の発明では請求項１の発明において、上記変位方向に沿う間隙の間隔に広狭が設けられているものとされる。
請求項４の発明では請求項２の発明において、上記一方のコアの内周面に沿う間隙の間隔に広狭が設けられているものとされる。
請求項５の発明では請求項１乃至４のいずれかの発明において、一対の磁石が着磁方向が途中で変えられた一個の磁石よりなるものとされる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による直線変位を検出する非接触型位置センサの一実施例を示したものであり、この例では直線変位する可動体はアーム３１とされ、このアーム３１の変位位置を検出するものとなっている。図１Ｃ中、矢印はアーム３１の変位方向を示す。
位置センサは固定側コア４１と一対の磁石（永久磁石）４２，４３と磁気センサ４４と変位側コア４５，４６とによって構成され、さらにこの例ではこれらがケース４７，４８に収容された構造となっている。
【００１２】
アーム３１に対して固定側をなすケース４７，４８は互いに組み合わされて直方体状の箱を構成する構造とされ、合わせ面には段部４７ａ，４８ａがそれぞれ設けられている。アーム３１はこれらケース４７，４８の合わせ面に設けられた窓４９を介して内部に導入されており、このアーム３１に第１の変位側コア４５と第２の変位側コア４６が取り付けられている。
変位側コア４５は断面コ字状とされ、そのコ字の両脚部４５ａ，４５ｂがアーム３１の変位方向に配列されてアーム３１に取り付けられており、この変位側コア４５のコ字内に変位側コア４５と所定の間隙を介して位置するように、直方体状をなす変位側コア４６がアーム３１に取り付けられている。
ケース４７の、変位側コア４５の両脚部４５ａ，４５ｂの先端面及び変位側コア４６と対向する内面には固定側コア４１が取り付けられ、この固定側コア４１の上に一対の磁石４２，４３が搭載固定される。
【００１３】
一対の磁石４２，４３は方形板状とされて、アーム３１の変位方向に配列されて隣接配置されており、これら磁石４２，４３は板厚方向において、つまり変位側コア４５，４６と対向する方向において互いに逆向きに着磁されている。変位側コア４５，４６はこれら磁石４２，４３と近接対向して変位するように位置されている。
磁気センサ４４は図１Ｂに示したようにケース４７の固定側コア４１が配置されている面と隣接直交する面に設けられた穴５１に端子４４ａが挿通固定されてケース４７に取り付けられており、そのセンサ部４４ｂは変位側コア４５と４６との間のアーム３１の変位方向に沿った間隙５２内に位置されている。
【００１４】
上記のような構造において、変位側コア４５，４６及び固定側コア４１は共に軟磁性材料よりなるものとされ、その材料にはけい素鋼等が使用される。磁石４２，４３には例えばボンド磁石が用いられ、樹脂に混合される永久磁石の粉末にはサマリウムコバルトやフェライトなどの粉末が使用される。ケース４７，４８は例えば樹脂製とされる。
磁気センサ４４は例えばホール素子を用いて構成されたホールＩＣとされ、そのセンサ部４４ｂは間隙５２内において変位側コア４５，４６間の磁界の変化を検出するように配置されている。なお、この例では磁気センサ４４の端子４４ａはケース４７の穴５１に接着剤（図示せず）によって固定されているが、例えばアウトサート成形により磁気センサ４４とケース４７とを固定一体化するようにしてもよい。
【００１５】
図２は磁石４２，４３によって構成される磁束線（点線で示す）が変位側コア４５，４６の位置によって変化する様子を示したものであり、図２Ａに示したように変位側コア４５，４６が磁石４２，４３に対して中央に位置している場合には磁束は変位側コア４５，４６を通り、磁気センサ４４を通過する磁束は０となる。
これに対し、アーム３１の変位に伴って変位側コア４５，４６が変位すると、図２Ｂ，Ｃに示したように磁束線が変化し、磁気センサ４４を磁束が通過するようになる。磁気センサ４４を通過する磁束の方向及び磁束密度は変位側コア４５，４６の変位位置に応じて、つまりアーム３１の変位に応じて変化し、磁気センサ４４はこの磁界の変化に応じた電圧を出力するものとなる。
従って、この例によれば磁気センサ４４の出力電圧の変化によって、変位側コア４５，４６が取り付けられているアーム３１の直線変位位置を検出することができるものとなっている。
【００１６】
上記のような構成を有する非接触型位置センサによれば、直線変位する可動体（アーム３１）には変位側コア４５，４６のみが取り付けられ、磁石４２，４３及び磁気センサ４４は共に可動体に対する固定側（ケース４７）に配置されて、それら磁石４２，４３と磁気センサ４４とを一体に取り扱うことができるものとなっている。
従って、この例によれば磁石と磁気センサとを組み合わせて行う検出感度の調整作業を従来のように変位を検出すべき機構（構造体）に取り付けることなく、位置センサ単体で行うことができるため、調整作業は極めてやり易いものとなり、また磁気センサが故障したり、あるいは磁石が損傷しても、それら両者を交換する作業を従来に比し、簡単に行えるものとなる。
【００１７】
さらに、可動体には変位側コアのみを取り付ければよいため、製造工程内において例えばその可動体を有する機構が所要の工程を経るとしても、鉄粉等が付着する虞れがないことから取り扱い易く、従来のように磁石に鉄粉等が付着しないように注意しなければならないといった煩わしさを解消することができる。
上記のような直線変位を検出する非接触型位置センサは例えば自動車において言えば、座席の前後位置や高さ位置を検出するセンサや車高を検出するセンサとして使用される。
【００１８】
次に、同様に自動車において、例えばスロットルバルブの開度を検出する等の用途に用いられる回転変位を検出する非接触型位置センサの構成について説明する。
図３はこのような回転軸の回転変位位置を検出するこの発明による非接触型位置センサの一実施例を示したものであり、この例では位置センサは図１に示した位置センサと同様、固定側コア６１と一対の磁石６２，６３と磁気センサ６４と変位側コア６５，６６とによって構成され、これらがベース６７に蓋されてなるケース６８に収容された構造となっている。
回転軸１１に対して固定側をなすケース６８は一端面が開放された円筒形とされ、その一端面にベース６７が取り付けられている。ケース６８の閉塞された他端面の中央には軸部６９が突設されており、この軸部６９の中心に貫通形成された穴７１を介して回転軸１１がケース６８内に導入されている。
【００１９】
図３Ａ中、７２は回転軸１１の軸心方向の位置を規定する止め輪（Ｃリング）を示す。
回転軸１１の内端には円形の取り付け板７３が取り付けられ、この取り付け板７３に一対の変位側コア６５，６６が取り付けられている。
一方の変位側コア６５は図３Ｂに示したようにほぼ半円柱形とされ、さらに回転軸１１の軸心上に位置する突部６５ａを備えた形状となっている。これに対し、他方の変位側コア６６はほぼ半円筒形をなすものとされ、これら変位側コア６５，６６の外周面は回転軸１１の軸心を中心とする一円筒面上に位置するものとされる。
変位側コア６５の内面、即ち突部６５ａの周面及びその周面と半円筒状外周面とをつなぐ平面は変位側コア６６の内周面及び周方向両端面と所定の間隙を介して対向されている。
【００２０】
ベース６７の内面には固定側コア６１及び一対の磁石６２，６３が取り付けられる。固定側コア６１は円筒形とされ、この固定側コア６１の内周面に半円筒形をなす一対の磁石６２，６３が全体として円筒をなすように配置されている。これら固定側コア６１及び円筒をなす一対の磁石６２，６３は回転軸１１の軸心と同軸心とされ、変位側コア６５，６６を囲むように配置される。
一対の磁石６２，６３がなす円筒内に位置する変位側コア６５，６６は外周面が磁石６２，６３と近接対向された状態となる。なお、磁石６２，６３は円筒の径方向に互いに逆向きに着磁され、即ち磁石６２と６３とは一方が内周側がＮ極、外周側がＳ極とされ、他方は内周側がＳ極、外周側がＮ極とされる。
【００２１】
固定側コア６１及び一対の磁石６２，６３はベース６７の内面に突設された環状の段部７３上に固定されており、さらにこのベース６７に設けられた穴７４に端子６４ａが挿通固定されて磁気センサ６４がベース６７に取り付けられている。磁気センサ６４のセンサ部６４ｂは図３Ｂに示したように変位側コア６５と６６との間の変位側コア６６の内周面に沿う間隙７５内に位置される。
変位側コア６５，６６及び固定側コア６１は前述した図１における変位側コア４５，４６及び固定側コア４１と同様の材料によって形成され、磁石６２，６３も磁石４２，４３と同様、例えばボンド磁石とされる。ケース６８及びベース６７は例えば樹脂製とされる。また、磁気センサ６４は磁気センサ４４と同様、例えばホールＩＣとされ、径方向の磁界の変化を検出するように配置される。
【００２２】
図４は磁石６２，６３によって構成される磁束線（点線で示す）が変位側コア６５，６６の位置によって変化する様子を示したものであり、図４Ａに示したように変位側コア６５，６６がそれぞれ両磁石６２，６３に対して均等に対向するように位置している場合には磁束は変位側コア６５，６６を通り、磁気センサ６４を通過する磁束は０となる。
これに対し、回転軸１１の回転に伴って変位側コア６５，６６が回転変位することにより、図４Ｂに示したように磁気センサ６４を磁束が通過するようになり、よって磁気センサ６４の出力電圧の変化によって回転軸１１の回転変位位置（回転角）を検出することができるものとなる。
この図３に示した回転軸１１の回転変位を検出する非接触型位置センサにおいても、回転軸１１には変位側コア６５，６６が取り付けられ、磁石６２，６３及び磁気センサ６４は共に回転軸１１に対する固定側（ベース６７）に配置されて一体化されているため、図１に示した直線変位を検出する非接触型位置センサと同様、検出感度の調整や修理交換作業を容易に行うことができ、取り扱いも容易となる。
【００２３】
図５は図１に示した直線変位を検出する非接触型位置センサに対し、磁気センサ４４のセンサ部４４ｂが位置する間隙５２の間隔を図１のように一定ではなく、広狭を設けた例を示したものであり、この例では変位側コア４５の脚部４５ｂ寄りの間隙５２′が脚部４５ｂに向って徐々に広がっている構造となっている。間隙５２の間隔が一定の場合、変位側コア４５，４６の変位量に比例して、つまり可動体の変位量に比例して磁気センサ４４に作用する磁界は直線的に変化し、変位量と磁気センサ４４の出力とは比例関係にあり、直線性を示すが、この図５に示したように間隙５２の間隔に広狭を設けることで、磁気センサ４４の出力特性を直線ではない所望の特性（カーブ特性）を示すものとすることができる。
【００２４】
図６は可動体の変位と磁気センサ４４の出力との関係を示したものであり、実線は間隙５２の間隔が一定の場合を示す。これに対し、可動体が変位し、磁気センサ４４の位置する間隙５２の間隔が相対的に狭い所から広い所へと変化すると破線で示したような出力特性となり、一方広い所から狭い所へと変化すると点線で示したような出力特性となる。
非接触型位置センサの用途、使用形態に応じて間隙５２の間隔に広狭を設けることにより、このような出力特性を得ることができる。
【００２５】
図７は図３に示した回転変位を検出する非接触型位置センサに対し、所望の出力特性が得られるように磁気センサ６４のセンサ部６４ｂが位置する間隙７５の間隔に広狭を設けた例を示したものであり、間隙７５′部分が徐々に広くなっている。
なお、上述した実施例ではいずれも着磁方向が互いに逆向きとされた一対の磁石を使用するものとなっているが、これら磁石を着磁方向を途中で変えた一個の磁石によって構成するようにしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による非接触型位置センサによれば、従来と異なり、磁石は磁気センサと共に固定側に配置されるため、それらを一体化でき、一体に取り扱うことができる。
従って、磁石と磁気センサとを組み合わせて（対として）行う検出感度の調整作業を位置センサ単体で行うことができ、また例えば磁石と磁気センサとを同時交換するといった修理交換作業も容易に行えるものとなる。
【００２７】
さらに、例えば自動車のエンジンにおいてスロットルバルブの開度を検出する場合、従来においてはスロットルシャフトに磁石が取り付けられることから、例えば製造工程内で磁石に鉄粉等の特性に影響を及ぼすものが付着しないように注意が必要であったのに対し、この発明によればスロットルシャフトにはコア（変位側コア）を取り付ければよいため、鉄粉等の付着に注意しなければならないといった煩わしさを解消でき、この点でも極めて取り扱い易いものとなる。
なお、請求項３及び４の発明によれば、直線的ではない所望の出力特性（出力カーブ特性）を得ることができ、用途に応じてこのような出力特性を有する非接触型位置センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の一実施例を示す図、Ａは側面図、ＢはＥＥ断面図、ＣはＦＦ断面図。
【図２】図１に示した非接触型位置センサにおいて、変位側コアの直線変位によって磁束線が変化する様子を示す図。
【図３】請求項２の発明の一実施例を示す図、Ａは縦断面図、Ｂは一部省略した平面図。
【図４】図３に示した非接触型位置センサにおいて、変位側コアの回転変位によって磁束線が変化する様子を示す図。
【図５】請求項３の発明の一実施例を説明するための図。
【図６】磁気センサが位置する間隙間隔が一定の場合及び広狭を設けた場合の変位と出力との関係を示すグラフ。
【図７】請求項４の発明の一実施例を説明するための図。
【図８】従来の非接触型位置センサを示す図、Ａは縦断面図、Ｂは一部省略した平面図。

Claims (5)

1. 直線変位する可動体の変位位置を検出する非接触型位置センサであって、
   上記可動体に取り付けられた軟磁性材料よりなる第１及び第２のコアと、
   上記可動体に対する固定側に上記変位方向に配列されて配置された一対の磁石と、
   上記固定側に固定された磁気センサとよりなり、
   上記一対の磁石は上記第１及び第２のコアと対向する方向において互いに逆向きに着磁され、
   上記第１のコアは断面コ字状とされて、そのコ字の両脚部が上記変位方向に配列され、かつ両脚部の先端面が上記一対の磁石と対向する側に位置されており、
   上記第２のコアは上記コ字内に上記第１のコアと所定の間隙を介して位置され、その上記変位方向に沿う間隙内に上記磁気センサのセンサ部が位置されていることを特徴とする非接触型位置センサ。
2. 回転軸の回転変位位置を検出する非接触型位置センサであって、
   上記回転軸に対する固定側に配置されて全体として上記回転軸の軸心を中心とする円筒をなし、その円筒の径方向に互いに逆向きに着磁されている半円筒形の一対の磁石と、
   上記回転軸に取り付けられて上記円筒内に位置され、それぞれ上記円筒の内周面に沿った外周面を有する一対の軟磁性材料よりなるコアと、
   上記固定側に固定された磁気センサとよりなり、
   上記一対のコアのうちの一方はほぼ半円筒形とされており、他方はその内面が上記一方のコアの内周面及び周方向両端面と所定の間隙を介して対向する形状とされて、その一方のコアの内周面に沿う間隙内に上記磁気センサのセンサ部が位置されていることを特徴とする非接触型位置センサ。
3. 請求項１記載の非接触型位置センサにおいて、
   上記変位方向に沿う間隙の間隔に広狭が設けられていることを特徴とする非接触型位置センサ。
4. 請求項２記載の非接触型位置センサにおいて、
   上記一方のコアの内周面に沿う間隙の間隔に広狭が設けられていることを特徴とする非接触型位置センサ。
5. 請求項１乃至４記載のいずれかの非接触型位置センサにおいて、
   上記一対の磁石は着磁方向が途中で変えられた一個の磁石よりなることを特徴とする非接触型位置センサ。

Images