JP4136308B2 - 磁気変位センサおよび磁束形成磁極片 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位が一定である磁気抵抗を有する磁気変位センサに関する。さらに詳しくは、本発明は、性能を改良するために、改良した磁束形成磁極片を有する磁気変位センサに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
典型的には、磁気変位センサは、一定の磁束源と磁束を測定するピックアップ機器を備えた磁束生成器を有している。典型的には、磁束生成器は、ある素子に装着され、ピックアップ機器は別の素子に装着され、ピックアップ機器によって検知される磁束密度は、素子間の変位に基づいている。磁気変位センサは、典型的には、線形または回転変位を測定し、素子間の絶対的な線形または回転変位に比例する出力を出す。磁気変位センサは、磁束源として電磁石または永久磁石を利用することができる。ピックアップ機器（磁気抵抗器、磁気ダイオードまたはホール効果センサ）が磁束を横切り、磁石によって生成される磁場の変化を検知する。
【０００３】
磁気変位センサは、一般的に界磁機器を備えたリモートコントロールシステム内のマイクロプロセッサーと協同して使用される。例えば、磁気変位センサは、バルブ位置を監視するために使用することができる。従来の磁気変位センサの例は、プリンツ等の米国特許４５３２８１０、ウォルフ等の米国特許５４９７０８１、リッグス等の米国特許５３５９２８８に開示されている。
【０００４】
従来の磁気変位センサの有用な範囲は、磁石のフリンジ磁束によって制限される。２個の永久磁石を隣接して配置すると、各磁石の磁気特性と他方の磁石の磁極面に近接していることに起因して、一方の磁極面から他方の磁極面への磁束分布が影響を受ける。磁極において、磁石の間にフリンジ磁束が現れる。フリンジ磁束の変化は非線形である。それゆえ、磁気変位センサによって検知される磁場は、変位とともに非線形に変化する。この非線形動作に起因して、センサの表示は不正確で誤ったものとなり、磁気変位センサの使用範囲と有効性を限定してしまう。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気変位センサの磁極面のための磁束形成磁極片に関する。
【０００６】
本発明によれば、変位センサは第一と第二の素子の間の相対的な変位を検知する。変位センサは、第一と第二の素子の一方に装着するためのハウジングを有する磁気アセンブリを備えている。第一と第二の磁石が磁気アセンブリハウジングに装着されており、一方の磁石の北極は他方の磁石の南極と対面し、その逆も実現される。磁気アセンブリハウジングは第一と第二の磁石を支持して、第一と第二の磁石の間に縦方向の空間を形成する。磁束形成磁極片は、第一と第二の磁石の各磁極に備えられている。磁束形成磁極片は、縦方向の空間にフリンジ磁束を描くような形状をしているので、縦方向の空間における磁束密度は、第一の磁石の北極と第二の磁石の南極の間の点と、第一の磁石の南極と第二の磁石の北極の間の点との間にわたって、縦方向の空間内の線に沿って実質的に直線的に変化する。磁場センサアセンブリは、第一と第二の素子の他方に装着するためのハウジングを備えている。磁束センサが、第一と第二の磁石の間の縦方向の空間内の線上のセンサハウジングに装着されている。
【０００７】
変位センサの一実施形態として、磁束形成磁極片は、第一と第二の磁石の磁極に付加された金属磁極片である。磁石によって得られる磁力は、磁極片を磁極に接触するように磁極片を保持するために利用される。また、磁極片を接着剤で磁極に固着させることもできる。
【０００８】
変位センサの他の実施形態として、磁束形成磁極片を、第一と第二の磁石に一体に組み込まれた構造のものとすることもできる。
【０００９】
変位センサのさらに他の実施形態として、第一と第二の磁石は永久磁石とされる。
【００１０】
変位センサのさらに他の実施形態として、磁束形成磁極片の各々は、主磁束模様の平面内で五角形をしており、第一と第二の磁石の間の縦方向の空間に対面する狭い表面を形成する。本実施形態において、各磁束形成磁極片の狭い表面は、縦方向の空間内の線の長手方向に沿うよりも、主磁束模様を横切る方向に幅が広い。
【００１１】
本発明の別の実施形態によれば、磁束形成磁極片は、第一と第二の素子の間の相対的な変位を検知する磁気変位センサの磁石の磁極として形成される。磁石は別の磁石とともに配置され、一方の磁石の北極は他方の磁石の南極に対面し、あるいはその逆も実現されるように配置されるので、磁石間に縦方向の空間を形成する。磁極片は磁性材料からなり、縦方向の空間にフリンジ磁束を描くので、縦方向の空間における磁束密度は、一方の磁石の北極と他方の磁石の南極の間の点と、一方の磁石の南極と他方の磁石の北極の間の点との間において、縦方向の空間内の線に沿って実質的に直線的に変化する。
【００１２】
磁束形成磁極片の一実施形態として、磁束形成磁極片は磁石の磁極に付加された金属磁極片である。磁石の磁力は、磁極片を磁極に接触するように磁極片を保持するために利用される。また、磁極片を磁極に固着させることもできる。
【００１３】
磁束形成磁極片の別の実施形態として、磁束形成磁極片を、磁石に一体に組み込まれた構造のものとすることもできる。
【００１４】
磁束形成磁極片のさらに別の実施形態として、磁束形成磁極片は主磁束模様の平面内で五角形をしており、磁石の間の縦方向の空間に対面する狭い表面を形成する。本実施形態において、磁束形成磁極片の狭い表面は、縦方向の空間内の線の長手方向に沿うよりも、主磁束模様を横切る方向に幅が広い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、磁束形成磁極片を有する磁気変位センサの本発明の好ましい実施形態の斜視図である。磁気変位センサは、移動可能な磁気アセンブリ１０（図２〜５に詳細を示す）と磁場センサアセンブリ２０を有している。磁場センサアセンブリ２０は、装着アーム３４によって静止したハウジング３０とアクチュエータヨーク３２に装着されている。図２に示すように、磁気アセンブリ１０は、矢示３８方向において、弁棒１０６の直線的または往復運動が可能なように配置される。コネクタ１０２によって、アクチュエータ棒１０４と弁棒１０６が連結される。アクチュエータ棒１０４は、圧力応答ダイヤフラム（図示せず）のようなバルブアクチュエータの直線的な動きを弁棒１０６に伝達し、弁体（図示せず）を公知の方法で作動させ、弁を制御下において、開閉する。
【００１６】
特に、図２〜５に示すように、磁気アセンブリ１０は、開口部６４と６６に、それぞれ棒状の永久磁石５２と５４を保持するハウジング５０を有している。図５に示すように、磁石５２と５４は、一方の磁石５２は、その北極５６がハウジング５０の頂面に向かうように、その南極５８がハウジング５０の底面に向かうように配置される。他方の磁石５４は、その北極６２がハウジング５０の底面に向かうように、その南極６０がハウジング５０の頂面に向かうように、磁石５２とは、反対方向に配置される。ハウジング５０は、磁石５２と５４の対面する表面５７が互いに平行に且つ磁石の間の縦方向の空間の縦方向の線８１に対して平行になるように、磁石５２と５４を位置させる。磁石５２と５４は、電磁石または永久磁石のいずれでもよいが、永久磁石とするのが好ましい。というのは、容易にセンサの中に組み込むことができ、別の電源を必要としないからである。磁石５２と５４は、アルニコＶ磁石が好ましい。磁石５２と５４は、一定の磁束源となるものである。
【００１７】
図５に示すように、磁束形成磁極片７０は、磁石５２と５４の各磁極５６、５８、６０、６２に付加される。磁極片７０は、Ｇ１０１００冷間圧延鋼板のような適切な磁性材料からなる。磁極片は磁性があるため、磁石５２と５４の周りに得られる磁力は、磁極片７０を磁極に接触するように保持し、エポキシ樹脂や接着剤のような物質は必要ない。しかし、磁極片７０を各磁極に取り付けるために接着剤を用いることもできる。
【００１８】
本発明の別の実施形態として、磁束形成磁極片７０は、磁石５２および５４と別体のものとするのではなく、磁石に一体に組み込むこともできる。このように、磁石５２と５４は、磁極片７０を磁石の一部として組み込むように、一体的に成形される。その実施形態において、各磁石（磁極片とともに）は、ハウジング５０の開口部６４と６６に配置された単一の部品となる。
【００１９】
磁極片７０は、磁気変位センサに最適の機能を付与する。典型的には、磁石は磁極にフリンジ磁束を生成し、その結果、非線形の磁束変化になり、磁気変位センサの機能が不正確になったり、誤ったものになる。磁極片７０は、磁束密度に線形変化を起こすように磁束を描く（sculpt）。フリンジ磁束を描くことによって、磁極片７０は、磁石の長手方向にわたって測定される磁束を線形化する。そこで、磁石と磁気変位センサの有用な範囲を劇的に増加する。
【００２０】
図５と図７に示すように、主磁束模様の平面で見ると（図７）、磁極片７０は五角形をしており、互いに垂直な２組の平行な表面を有する。五角形の狭い表面７１は、磁石５２と５４の長手方向よりも主磁束模様を横切る方向に（図７の紙面方向で、図５の線８３に沿って）広い、狭い表面を形成する。さらに、我々は、磁極片７０の五角形状は、磁気変位センサの磁石の全長にわたる直線的機能を最適化することを実験的に確かめた。五角形の磁極片７０の大きさは、磁石５２と５４の間隔、磁石の全長および磁石の横断面積に基づく。このように、磁石の大きさと間隔が異なることによって、五角形の磁極片の大きさも異なるものが必要である。
【００２１】
各五角形の磁極片７０の表面７１は、それぞれ棒磁石５２と５４の表面５７に対して平行であることが本発明で重要である。もし、磁極の表面５３が各磁石の表面５７に対して垂直でなければ、表面７１が磁石の表面５７に対して平行になるように、磁石の表面５３と各磁極片７０の表面５５との間に磁性詰め物または他のスペーサ（接着剤でもよい）を挿入することが必要となる。それゆえ、磁極面５３が傷つけられたり、損傷したりして、磁石の長手方向に対して垂直でなくなれば、磁石を使用可能なように、介挿物による修復が必要である。
【００２２】
図３と図４に示すように、磁場センサアセンブリ２０は、ハウジング５０内の磁石５２と５４の間に伸びる非磁性シリンダ８２を有している。シリンダ８２の材料としては、アルミニウムまたはセラミックを使用できる。シリンダ８２は、磁石５２と５４の間の磁気アセンブリ１０に近接するように配置された、ホール効果センサのような磁場センサ８０を含んでいる。磁場センサ８０は、０．００２インチ内の精度でシリンダ８２内に正確に配置されるように、アセタールのプラスチックブッシュ８５によってシリンダ８２内に装着されている。シリンダ８４がハウジング３０内に差し込まれ（図１と図２）、そこを通って電気の配線が可能になる。本発明の一実施形態として、ハウジング３０は、アルミニウムまたはプラスチックのような非磁性材料で形成されるのが好ましい。非磁性締結具８６が、磁場センサアセンブリ２０のハウジングをハウジング３０に装着し、装着アーム３４がハウジング３０をアクチュエータヨーク３２に装着する。
【００２３】
図２に示すように、磁気アセンブリ１０のハウジング５０は、ハウジング５０内の長孔９８と１００に沿って締め付けるようにして、ピンボルト９２とワッシャ９４とナット９６によってブラケット９０に取り付けられている。さらに、ブラケット９０は、ねじを施されたアクチュエータ棒１０４を弁棒１０６に結合するコネクタ１０２に連結されている。それゆえ、磁気アセンブリ１０は、弁棒および弁のアクチュエータアセンブリに剛性的に装着され、その位置は本発明の変位センサによって監視される。弁棒１０６は、矢示３８の方向に移動し、コネクタ１０２とブラケット９０は、磁気アセンブリ１０を、磁場センサアセンブリ２０に対して相対的に移動させる。磁場センサ８０（図６）は、静止したままである。というのは、それは、アクチュエータヨーク３２とハウジング３０に結合されているからである。磁気アセンブリ１０の矢示３８方向の移動によって、磁場センサアセンブリ２０内において、磁気アセンブリと磁場センサ８０の間の相対的な変位を起こす。このように、磁場センサ８０を通る磁束密度は、アクチュエータ１０４と弁棒１０６の変位とともに変化する。
【００２４】
図６は、磁束形成磁極片７０を付加された磁石５２と５４の間に位置する磁場センサ８０の斜視図であり、図７は磁石５２と５４の間の磁束線１１０を示す。磁石５２と５４は、磁気強度が等しいのが好ましい。線８１は、磁石５２と５４の表面５７の間であって、その表面５７に対して平行に、真ん中に位置している。線８３は、表面５７の幅方向に沿っており、線８１に対して直角である。そして、線８３は、磁極片と、表面５７の幅方向において磁石５２と５４の中心とを結ぶ線の中間点１１２において、線８１と交差する（図５と図７）。点１１２において、磁束密度は、ゼロである。センサは、磁場強度がゼロである中間点１１２に、そのセンサ８０を置いて、較正される。
【００２５】
磁石の間の縦方向の線８１において、磁束密度は中間点から磁極に向かって一様に増加し、磁極面７１の間で最大の磁束密度になる。磁極は反対方向に位置しているため、磁束の方向は線８１に沿って中間点に至るまでの各領域において反対である。それゆえ、磁束密度は、線８１に沿って、磁極面の一方の対の最大磁束密度から中間点１１２のゼロを経て磁極面の他方の対の最大磁束密度まで変化する。磁気アセンブリは線８１に対して平行に矢示３８方向に（図２）往復運動をするので、磁場センサ８０を、線８１上で磁石５２と５４の間の真ん中におくと、磁場センサ８０は、滑動する磁石の間の磁束模様を横切り、磁気アセンブリ１０に対する磁場センサ８０の相対的な位置に比例する電圧を発生する。フリンジ磁束を描くことによって、磁極片７０は、磁石の長手方向にわたって測定される磁束を線形化する。このように、磁極片７０は、磁場センサ８０によって発生する電圧表示の有用な範囲と正確さを劇的に向上する。
【００２６】
本発明を好ましい実施例とともに説明したが、当業者であれば、本発明の範囲を外れない範囲において、修正が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の磁束形成磁極片を有する磁気変位センサの斜視図である。
【図２】 図１に示す磁気変位センサの（明瞭のために一部を除去した）拡大斜視図である。
【図３】 図２を線３方向から見た磁気変位センサの磁気ブロックアセンブリと磁場センサアセンブリの斜視図である。
【図４】 図３に示すアセンブリの頂面図である。
【図５】 図３と図４に示す磁気ブロックアセンブリの分解組立図である。
【図６】 磁石の間に磁場センサを有する磁気ブロックアセンブリの（明瞭のために一部を除去した）斜視図である。
【図７】 図３〜５の磁気ブロックアセンブリと磁束模様を示す図である。
【符号の説明】
１０…磁気アセンブリ
２０…磁場センサアセンブリ
３０、５０…ハウジング
５２、５４…永久磁石
５６、６２…北極
５８、６０…南極
７０…磁束形成磁極片
７１…狭い表面
８０…磁場センサ
１０４…アクチュエータ棒
１０６…弁棒

Claims (9)

1. 第一と第二の素子の間の相対的な変位を検知するための変位センサであって、
   この変位センサが磁気アセンブリ（１０）と磁場センサアセンブリ（２０）とを有し、 上記磁気アセンブリ（１０）が、
   第一の素子に装着するための磁気アセンブリハウジング（５０）と、
   第一の磁石（５２）の北極（５６）が第二の磁石（５４）の南極（６０）に対面し、第一の磁石（５２）の南極（５８）が第二の磁石（５４）の北極（６２）に対面して一対の対面する表面（５７）を形成するように、且つ磁気アセンブリハウジング（５０）が第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の間に縦方向の空間を形成するように第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）を保持するものであって、上記磁気アセンブリハウジング（５０）に装着された磁気強度が等しい第一および第二の磁石（５２、５４）と、
   第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の間の縦方向の空間にフリンジ磁束を描くことによって線形に変化する磁束密度を形成することができる断面が五角形である磁束形成磁極片（７０）であって、第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の北極（５６、６２）と南極（５８、６０）の上に位置する磁束形成磁極片（７０）とを有し、
   上記磁場センサアセンブリ（２０）が、
   第二の素子に装着するためのセンサハウジング（３０）と、第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の間の縦方向の空間内において第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の間の真ん中に位置し且つ第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の表面（５７）に平行である線（８１）上においてセンサハウジング（３０）に装着された磁場センサ（８０）とを有し、
   各磁束形成磁極片（７０）の外表面は、隣接する表面同士が互いに直角に交わっている第一の表面（７０ａ）から第二の表面（７０ｂ）、第三の表面（７０ｃ）を経て第四の表面（７０ｄ）に至る４つの表面と、第一の表面（７０ａ）と第四の表面（７０ｄ）を接続する斜めの第五の表面（７０ｅ）とを有し、各磁束形成磁極片（７０）の第一の表面（７０ａ）を第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の北極（５６、６２）と南極（５８、６０）の上に配置することによって第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の間の縦方向の空間を介して２対の第四の表面（７０ｄ）が相対峙し、第四の表面（７０ｄ）は第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の表面（５７）に平行であるもの。
2. 第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）が永久磁石である請求項１記載の変位センサ。
3. 磁束形成磁極片（７０）の各々が第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の各磁極に付加された金属磁極片である請求項１記載の変位センサ。
4. 磁束形成磁極片（７０）が各磁石（５２、５４）によって得られる磁力によって各磁極に付着している請求項３記載の変位センサ。
5. 磁束形成磁極片（７０）の各々が第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）に組み込まれて一体になっている請求項１記載の変位センサ。
6. 第一と第二の素子の一方は、バルブアクチュエータ（１０４）と弁棒（１０６）であり、第一と第二の素子の他方はハウジング（３０）であり、変位センサは弁棒（１０６）とハウジング（３０）の間の直線的な変位を検知する請求項１記載の変位センサ。
7. 第一と第二の素子の間の相対的な変位を検知するための磁気変位センサの第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の磁極のための断面が五角形である磁束形成磁極片（７０）であって、
   第一の磁石（５２）の北極（５６）は第二の磁石（５４）の南極（６０）に対面し、第一の磁石（５２）の南極（５８）は第二の磁石（５４）の北極（６２）に対面して、第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の間に縦方向の空間を形成するように、第一の磁石（５２）は第二の磁石（５４）に対面して配置され、上記磁束形成磁極片（７０）は磁気材料を有し、
   上記磁気材料は、
   第一の磁石（５２）の磁極に付着するように配置された表面と、第二の磁石（５４）の磁極に付着するように配置された表面と、磁束形成磁極片（７０）が第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の磁極に付着されているときに磁束形成磁極片（７０）の各々は縦方向の空間にフリンジ磁束を描いて、縦方向の空間の磁束密度は第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の対面する磁極の間の縦方向の空間内の線に沿って直線的に変化するように配置された形状とを有し、
   磁束形成磁極片（７０）は、第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の北極（５６、６２）と南極（５８、６０）の上に位置し、
   各磁束形成磁極片（７０）の外表面は、隣接する表面同士が互いに直角に交わっている第一の表面（７０ａ）から第二の表面（７０ｂ）、第三の表面（７０ｃ）を経て第四の表面（７０ｄ）に至る４つの表面と、第一の表面（７０ａ）と第四の表面（７０ｄ）を接続する斜めの第五の表面（７０ｅ）とを有し、各磁束形成磁極片（７０）の第一の表面（７０ａ）を第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の北極（５６、６２）と南極（５８、６０）の上に配置することによって第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の間の縦方向の空間を介して２対の第四の表面（７０ｄ）が相対峙し、第四の表面（７０ｄ）は第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の表面（５７）に平行であるもの。
8. 磁束形成磁極片（７０）は、第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の各磁極に付加するための金属磁極片である請求項７記載の磁束形成磁極片。
9. 磁束形成磁極片（７０）は、第一の磁石（５２）と第二の磁石（５４）の磁力によって各磁極と接触して保持されるものである請求項８記載の磁束形成磁極片。

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