JP4571899B2 - 磁気式変位センサ - Google Patents

Description

この発明は直線変位や回転変位を磁気を使用して検出する磁気式変位センサに関する。

図１２はこの種の磁気式変位センサの従来構成例として特許文献１に記載されている変位センサの構成を示したものであり、この例では変位センサは直線変位を検出するものとなっている。
軟磁性材料よりなるヨーク１１は直方体状をなすものとされ、図には示していないが直線変位を検出すべき可動体に取り付けられている。図１２中、矢印は可動体と共に直線変位するヨーク１１の変位方向を示す。
可動体に対する固定側には軟磁性材料よりなるバックヨーク１２が配置され、このバックヨーク１２上に一対の磁石１３，１４と磁気センサ１５とが搭載固定されている。

一対の磁石１３，１４は方形板状をなすものとされてヨーク１１の変位方向に配列されて配置され、これら磁石１３，１４の間に磁気センサ１５が配置されている。
一対の磁石１３，１４は板厚方向において、つまりヨーク１１と対向する方向において互いに逆向きに着磁されており、ヨーク１１はこれら磁石１３，１４と所定の空隙を介し、近接対向して変位するように配置されている。
磁気センサ１５にはホール素子と増幅回路等の回路が集積化されたホールＩＣが用いられ、バックヨーク１２の板面と直交する方向の、つまり磁石１３，１４の板厚方向の磁束の変化を検出するように配置されている。

図１３は上記のような構成を有する磁気式変位センサにおいて、磁石１３，１４によって形成される磁束線（点線で示す）がヨーク１１の変位によって変化する様子を示したものであり、図１３Ａ〜Ｃに示したようにヨーク１１の変位に応じて磁石１３と１４の間の磁束密度及び磁束の方向が変化し、磁気センサ１５はこの磁束の変化に応じた電圧を出力する。従って、磁気センサ１５の出力電圧の変化によってヨーク１１が取り付けられている可動体の直線変位を検出することができるものとなっている。
一方、図１４は特許文献１に記載されている回転変位を検出する磁気式変位センサの構成を示したものであり、この例では回転軸２０の回転変位（回転角）を検出するものとなっている。

軟磁性材料よりなるヨーク２１は半円形をなす平板状とされており、回転軸２０の端部にその板面が回転軸２０の回転軸心と垂直とされて取り付けられている。
回転軸２０に対する固定側には軟磁性材料よりなるバックヨーク２２が配置され、このバックヨーク２２上に一対の磁石２３，２４と磁気センサ１５とが搭載固定されている。
一対の磁石２３，２４はほぼ半円形をなす平板状とされて円板状をなすバックヨーク２２上に図１４に示したように配置されており、磁気センサ１５はバックヨーク２２の周縁上において一対の磁石２３，２４の間に配置されている。

回転軸２０の回転軸心と垂直な平面上に位置するこれら一対の磁石２３，２４はその板厚方向において互いに逆向きに着磁されており、ヨーク２１はこれら磁石２３，２４上に所定の空隙を介して位置し、磁石２３，２４と近接対向して回転変位するように配置されている。
この図１４に示した磁気式変位センサにおいてもヨーク２１が回転軸２０と共に回転変位することにより、その回転変位方向に配列されている磁石２３，２４間の磁束が変化し、この磁束の変化を磁気センサ１５で検出することによって回転軸２０の回転変位（回転角）を検出することができるものとなっている。
特開２００４−３５４２３７号公報

上述したように、従来の磁気式変位センサにおいては直線変位を検出すべき可動体や回転変位を検出すべき回転軸に軟磁性材料よりなるヨークを取り付け、固定側に着磁方向が互いに逆向きとされた一対の磁石を配置して、ヨークがそれら磁石と近接対向して磁石の配列方向に変位するようにし、そのヨークの変位に伴う磁束の変化を一対の磁石の間に配置した磁気センサによって検出するものとなっている。
しかるに、従来においてはヨークは可動体や回転軸に固定される構造となっているため、例えば変位動作において可動体や回転軸にぶれが生じるとヨークもそれに伴ってぶれることになり、このようなぶれにより、特にヨークと一対の磁石との距離（空隙）が変動すると磁束の流れ（磁界分布）は大きな影響を受け、磁気センサの出力に誤差が生じて検出精度が大きく損なわれるものとなっていた。

この発明の目的は上述した問題に鑑み、変位を検出すべき可動体や回転軸がぶれても、そのぶれの影響を受けることなく、本来の変位方向の変位を精度良く検出することができるようにした磁気式変位センサを提供することにある。

請求項１の発明によれば、直線変位する可動体の変位を検出する磁気式変位センサは、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、それら磁石間に配置された磁気センサと、一対の磁石上に配置された非磁性材料よりなるスペーサと、可動体に取り付けられる非磁性材料よりなるスライダと、そのスライダに保持され、可動体の変位に伴い、スペーサ上を摺動する軟磁性材料よりなるヨークとを備え、一対の磁石はスペーサの配置面と直交する方向において互いに逆向きに着磁されており、磁気センサは上記直交方向の磁束の変化を検出するものとされ、ヨークは上記直交方向に移動可能にスライダに保持されているものとされる。

請求項２の発明によれば、回転軸の回転変位を検出する磁気式変位センサは、回転軸の回転軸心を中心とする周方向に配列されて回転軸に対する固定側に配置された一対の磁石と、それら磁石間に配置された磁気センサと、上記回転軸心方向において一対の磁石上に配置された非磁性材料よりなるスペーサと、回転軸に取り付けられる非磁性材料よりなるロータと、そのロータに保持され、回転軸の回転変位に伴い、スペーサ上を摺動する軟磁性材料よりなるヨークとを備え、一対の磁石は上記回転軸心方向に互いに逆向きに着磁されており、磁気センサは上記回転軸心方向の磁束の変化を検出するものとされ、ヨークは上記回転軸心方向に移動可能にロータに保持されているものとされる。

請求項３の発明では請求項１の発明において、ヨークはスライダのスペーサとの対向面に形成された凹部に収容さ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、ヨークはロータのスペーサとの対向面に形成された凹部に収容されているものとされる。
請求項５の発明では請求項１の発明において、ヨークはサスペンションを介してスライダに保持され、そのサスペンションによりスペーサに押圧されているものとされる。
請求項６の発明では請求項２の発明において、ヨークはサスペンションを介してロータに保持され、そのサスペンションによりスペーサに押圧されているものとされる。

請求項７の発明では請求項１乃至６のいずれかの発明において、一対の磁石のスペーサ配置面と反対面に軟磁性材料よりなるバックヨークが配置される。

この発明によれば、ヨークと一対の磁石との距離（間隔）はそれら間に介在するスペーサによって規定されており、かつヨークは常にスペーサ上を摺動して変位するものとなっているため、直線変位を検出すべき可動体あるいは回転変位を検出すべき回転軸がぶれてもその影響を受けず、ヨークと一対の磁石との距離は常に一定に保たれるものとなっている。従って、可動体や回転軸がぶれても本来の検出すべき変位方向のみの変位を高精度に検出することができる。

この発明の実施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磁気式変位センサの一実施例を示したものであり、この例では磁気式変位センサは一対の磁石３１，３２と磁気センサ３３とスペーサ３４とヨーク３５とスライダ３６とケース３７とバックヨーク３８とによって構成されている。
ケース３７は断面コ字状をなすものとされ、そのコ字の開放面に方形板状をなすバックヨーク３８が配されて開放面（底面）がバックヨーク３８によって蓋されたものとなっている。ケース３７の上面には窓３７ａが形成されている。

スライダ３６はケース３７内に収容された基部３６ａとその基部３６ａの上面中央に突設された連結部３６ｂとよりなり、連結部３６ｂはケース３７の窓３７ａから外部に突出されている。スライダ３６は直線変位を検出すべき可動体（図示せず）に連結部３６ｂが連結固定され、可動体の変位に伴い変位するものとされる。なお、可動体と共に直線変位するスライダ３６の変位方向をここではＸ方向とする。
可動体に取り付けられたスライダ３６に対して固定側となるバックヨーク３８の内面上には一対の磁石３１，３２と磁気センサ３３とが搭載固定され、さらにそれらの上にスペーサ３４が搭載固定される。一対の磁石３１，３２は方形板状とされてスライダ３６の変位方向（Ｘ方向）に配列されて配置され、これら磁石３１，３２の間に磁気センサ３３が配置されている。一対の磁石３１，３２は板厚方向において、つまりスペーサ３４の配置面と直交するＺ方向において互いに逆向きに着磁されており、磁気センサ３３はＺ方向の磁束の変化を検出するように配置されている。

スペーサ３４は図１に示したように磁石３１，３２を覆う大きさとされて磁石３１，３２及び磁気センサ３３上に配置されており、このスペーサ３４上にヨーク３５が位置されている。ヨーク３５は方形板状をなすものとされてスライダ３６のスペーサ３４との対向面に、つまり基部３６ａの下面に形成されている凹部３６ｃに収容されている。なお、凹部３６ｃの大きさはヨーク３５の大きさよりわずかに大とされており、ヨーク３５はスライダ３６に固定されることなく、単に凹部３６ｃに収容されて保持された状態となっている。

上記のような構造において、ヨーク３５及びバックヨーク３８は共に軟磁性材料よりなるものとされ、これらヨーク３５及びバックヨーク３８は例えばプレス加工した電磁鋼板を積層することによって作製される。磁石３１，３２には例えばボンド磁石が用いられ、磁気センサ３３は例えばホールＩＣとされる。一方、スペーサ３４、スライダ３６及びケース３７は共に非磁性材料よりなり、例えば樹脂製とされる。
このような構成とされた磁気式変位センサでは可動体の変位に伴い、ヨーク３５を保持したスライダ３６が変位し、これによりヨーク３５がスペーサ３４上をＸ方向に変位する。従って、図１２及び１３に示した従来の磁気式変位センサと同様、ヨーク３５の変位に応じて磁石３１，３２間の磁束が変化し、磁気センサ３３はこの磁束の変化に応じた電圧を出力する。よって、磁気センサ３３の出力電圧の変化によって可動体の直線変位を検出することができる。

なお、この例ではヨーク３５はスライダ３６に固定されず、Ｚ方向に移動可能にスライダ３６に保持されており、またヨーク３５には磁石３１，３２からの磁気吸引力が作用してヨーク３５は常に磁石３１，３２に吸引されているため、可動体がその変位動作においてぶれ、Ｘ方向以外の動きを含んだとしてもヨーク３５は常にスペーサ３４上を摺動して変位するものとなっている。
図２及び３はこの様子を示したものであり、可動体のぶれによってこれら図中にそれぞれ矢印Ａで示したような力がスライダ３６に作用してスライダ３６が傾き、そのＸ方向の一端側が磁石３１，３２からＺ方向に遠ざかるような動きをしても、ヨーク３５はその動きに連動せず、常にスペーサ３４に接した状態を維持し、つまりヨーク３５と一対の磁石３１，３２とのＺ方向の距離はこの例では常に一定に保たれるものとなる。

図４は比較例としてヨーク３５がスライダ３６に固定されて取り付けられている場合を示したものであり、この例では矢印Ａで示したような力がスライダ３６に作用するとヨーク３５はスペーサ３４から浮き上がって隙間３９が発生し、よって磁気センサ３３の出力に誤差が生じることになる。なお、可動体の変位検出時におけるこのようなＺ方向の隙間３９の発生は可動体の変位の検出精度を大きく損なうものとなる。
以上説明したように、この例では可動体と共に変位するヨーク３５と固定配置された一対の磁石３１，３２との間には従来のように空隙が存在するのではなく、スペーサ３４が存在し、スペーサ３４の厚さによってヨーク３５と磁石３１，３２との距離が規定され、このスペーサ３４にヨーク３５は常に接して変位するものとなっているため、可動体がたとえぶれても、その本来の変位方向のみの変位を安定かつ高精度に検出することができる。

次に、回転変位を検出する磁気式変位センサの構成について説明する。
図５は回転軸の回転変位を検出するこの発明による磁気式変位センサの一実施例の外観を示したものであり、図６Ａ，Ｂはその断面構造をそれぞれ示したものである。また、図７は回転変位を検出すべき回転軸４０が取り付けられた状態を示したものである。この例では磁気式変位センサは一対の磁石４１，４２と磁気センサ４３とケース４４とヨーク４５とロータ４６とカバー４７とバックヨーク４８とによって構成されている。
バックヨーク４８はリング形状をなすものとされ、このバックヨーク４８上に一対の磁石４１，４２と磁気センサ４３とが配置されている。一対の磁石４１，４２は図５に示したように回転軸４０の回転軸心（図中、点Ｃで示す）を中心とする円弧形状をなし、回転軸心Ｃを中心とする周方向に配列されて配置されている。磁気センサ４３は磁石４１，４２の配列されている周方向において、磁石４１と４２の間に配置されている。一対の磁石４１，４２は回転軸４０の回転軸心方向において互いに逆向きに着磁されており、磁気センサ４３はその回転軸心方向の磁束の変化を検出するように配置されている。図５中、４３ａは磁気センサの端子を示す。

バックヨーク４８、一対の磁石４１，４２及び磁気センサ４３は略筒状をなすケース４４の下半部に収納されて固定されており、一対の磁石４１，４２の上には、つまり磁石４１，４２のバックヨーク４８が位置する面と反対面上にはケース４４の中間部内壁よりリング状をなすように中心に向って突出形成された薄肉部４４ａが位置されている。なお、この薄肉部４４ａは前述の図１に示した磁気式変位センサにおけるスペーサ３４に対応し、つまり一対の磁石４１，４２とヨーク４５との距離を規定するものとして機能する。
一方、ケース４４の上半部にはロータ４６とヨーク４５とが収容されている。ロータ４６は軸部４６ａとその外周に設けられたフランジ部４６ｂとよりなり、軸部４６ａには回転軸４０が挿入嵌合される貫通穴４６ｃが形成されている。貫通穴４６ｃはこの例ではＤ字形状とされ、いわゆるＤカットされた穴となっている。

ヨーク４５は図５に示したように回転軸心Ｃを中心とする半円弧形状をなすものとされ、ロータ４６のフランジ部４６ｂの下面に、つまりケース４４の薄肉部４４ａとの対向面に形成された凹部４６ｄに収容されて薄肉部４４ａ上に位置されている。ヨーク４５はロータ４６に固定されることなく、単に凹部４６ｄに収容されて保持された状態となっており、回転軸４０の回転軸心方向に移動可能とされている。
ロータ４６はその軸部４６ａがケース４４の薄肉部４４ａの中央に形成されている穴４４ｂに軸支されて回転可能とされており、カバー４７によって抜け止めされてケース４４内に保持されている。

ヨーク４５及びバックヨーク４８は共に軟磁性材料よりなり、例えばプレス加工した電磁鋼板を積層することによって作製される。磁石４１，４２には例えばボンド磁石が用いられ、磁気センサ４３は例えばホールＩＣとされる。ロータ４６、ケース４４及びカバー４７は非磁性材料よりなり、ロータ４６及びケース４４は例えば樹脂製とされ、カバー４７は金属板によって形成される。
上記のような構成を有する磁気式変位センサでは回転軸４０の回転変位に伴い、回転軸４０に取り付けられたロータ４６が回転変位し、ロータ４６に保持されたヨーク４５が薄肉部４４ａ上を回転変位する。従って、ヨーク４５の回転変位に応じて磁石４１，４２間の磁束が変化し、磁気センサ４３はこの磁束の変化に応じた、即ち回転軸４０の回転変位に応じた電圧を出力し、これにより回転軸４０の回転変位（回転角）を検出することができるものとなっている。

この際、回転軸４０がぶれ、回転変位方向以外の動きを含んだとしてもヨーク４５は回転軸心方向に移動可能にロータ４６に保持され、かつ磁石４１，４２に吸引されているため、回転軸４０のぶれの影響を受けることなく、常に薄肉部４４ａ上を摺動し、これによりヨーク４５と一対の磁石４１，４２との回転軸心方向の距離は常に一定に保たれるものとなっている。従って、回転軸４０の回転変位を高精度に検出することができる。
図８は回転軸４０がぶれ、ロータ４６が傾いた状態を示したものであり、このような状態においてもヨーク４５は薄肉部４４ａに接した状態を維持するものとなっている。

図９は回転軸の回転変位を検出するこの発明による磁気式変位センサの他の実施例の要部構成を各部に分解した状態で示したものであり、図５及び６に示した実施例と対応する部分には同一符号を付してある。なお、図９中、４９は磁石４１，４２とヨーク４５との間に介在されてそれらの距離を規定するスペーサを示す。
この図９に示した例ではロータ４６には前述したような凹部４６ｄではなく、ヨーク４５の形状に対応した半円弧形状をなす穴４６ｅが形成されたものとなっており、この穴４６ｅにヨーク４５が収容保持されるものとなっている。なお、ヨーク４５は回転軸心方向に移動可能に保持され、かつ磁石４１，４２によって常に吸引されるため、凹部４６ｄに替えてこのような穴４６ｅ形状を採用することもできる。

図１０は図９に示したようなヨーク４５の保持構造において、例えば衝撃等が加わった際にヨーク４５がスペーサ４９から離れることのないようにしたものであり、２本の板ばね５１でヨーク４５を押さえ、スペーサ４９にヨーク４５を押圧させるようにしている。
一方、図１１はスペーサ４９に対してヨーク４５を押圧させる他の構造を示したものであり、この例ではロータ４６に３本の板ばね状のサスペンション５２をインサート成形してそれらサスペンション５２にヨーク４５を取り付けたものとなっている。この構造ではヨーク４５はサスペンション５２によってスペーサ４９に押圧され、よって衝撃等が加わってもヨーク４５はスペーサ４９から離れないものとなっている。なお、この例ではヨーク４５はリベット５３によってサスペンション５２に取り付け固定されているが、リベット止めに替え、サンペンション５２にヨーク４５を溶接によって固定するようにしてもよい。

上述した各実施例では直線変位する可動体や回転軸と共に直線変位あるいは回転変位する軟磁性材料よりなるヨークはスペーサ（図６に示した構成ではスペーサ機能をなすケース４４の薄肉部４４ａ）と直接摺動する構造となっているが、ヨークの摺動面に例えばフッ素樹脂等、低摩擦、非磁性の薄い樹脂板を貼り付けるようにしてもよく、このような構成を採用すれば摺動性の向上を図ることができ、かつ耐久性の向上も図ることができる。なお、スペーサ（図６に示した構成ではケース４４）は樹脂製としているが、樹脂製に限らず、金属製とすることもできる。

この発明による直線変位を検出する磁気式変位センサの一実施例を示す断面図。 図１に示した磁気式変位センサにおいて、変位を検出する可動体のぶれによってスライダが傾いた状態の一例を示す部分拡大断面図。 図１に示した磁気式変位センサにおいて、変位を検出する可動体のぶれによってスライダが傾いた状態の他の例を示す部分拡大断面図。 図３に対する比較例として、ヨークがスライダに固定されている場合にヨークとスペーサとの間に隙間が生じる様子を示した部分拡大断面図。 この発明による回転軸の回転変位を検出する磁気式変位センサの一実施例を示す平面図。 Ａは図５のＡ−Ａ線断面図、Ｂは図５のＢ−Ｂ線断面図。 図５に示した磁気式変位センサに回転軸が嵌合された状態を示す断面図。 図７に示した磁気式変位センサにおいて、回転軸のぶれによってロータが傾いた状態を示す部分拡大断面図。 この発明による回転軸の回転変位を検出する磁気式変位センサの他の実施例を説明するための分解斜視図。 ヨークをスペーサに押圧させる構造の一例を説明するための斜視図。 ヨークをスペーサに押圧させる構造の他の例を説明するための斜視図。 直線変位を検出する磁気式変位センサの従来構成例を示す斜視図。 図１２に示した磁気式変位センサにおいて、ヨークの変位によって磁束線が変化する様子を示す図。 回転軸の回転変位を検出する磁気式変位センサの従来構成例を示す斜視図。

Claims (7)

1. 直線変位する可動体の変位を検出するセンサであって、
   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、
   それら磁石間に配置された磁気センサと、
   上記一対の磁石上に配置された非磁性材料よりなるスペーサと、
   上記可動体に取り付けられる非磁性材料よりなるスライダと、
   そのスライダに保持され、上記可動体の変位に伴い、上記スペーサ上を摺動する軟磁性材料よりなるヨークとを備え、
   上記一対の磁石は上記スペーサの配置面と直交する方向において互いに逆向きに着磁されており、
   上記磁気センサは上記直交方向の磁束の変化を検出するものとされ、
   上記ヨークは上記直交方向に移動可能に上記スライダに保持されていることを特徴とする磁気式変位センサ。
2. 回転軸の回転変位を検出するセンサであって、
   上記回転軸の回転軸心を中心とする周方向に配列されて上記回転軸に対する固定側に配置された一対の磁石と、
   それら磁石間に配置された磁気センサと、
   上記回転軸心方向において上記一対の磁石上に配置された非磁性材料よりなるスペーサと、
   上記回転軸に取り付けられる非磁性材料よりなるロータと、
   そのロータに保持され、上記回転軸の回転変位に伴い、上記スペーサ上を摺動する軟磁性材料よりなるヨークとを備え、
   上記一対の磁石は上記回転軸心方向に互いに逆向きに着磁されており、
   上記磁気センサは上記回転軸心方向の磁束の変化を検出するものとされ、
   上記ヨークは上記回転軸心方向に移動可能に上記ロータに保持されていることを特徴とする磁気式変位センサ。
3. 請求項１記載の磁気式変位センサにおいて、
   上記ヨークは上記スライダの上記スペーサとの対向面に形成された凹部に収容されていることを特徴とする磁気式変位センサ。
4. 請求項２記載の磁気式変位センサにおいて、
   上記ヨークは上記ロータの上記スペーサとの対向面に形成された凹部に収容されていることを特徴とする磁気式変位センサ。
5. 請求項１記載の磁気式変位センサにおいて、
   上記ヨークはサスペンションを介して上記スライダに保持され、そのサスペンションにより上記スペーサに押圧されていることを特徴とする磁気式変位センサ。
6. 請求項２記載の磁気式変位センサにおいて、
   上記ヨークはサスペンションを介して上記ロータに保持され、そのサスペンションにより上記スペーサに押圧されていることを特徴とする磁気式変位センサ。
7. 請求項１乃至６記載のいずれかの磁気式変位センサにおいて、
   上記一対の磁石の上記スペーサ配置面と反対面に軟磁性材料よりなるバックヨークが配置されていることを特徴とする磁気式変位センサ。

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