JP5675009B2

JP5675009B2 - 位置検出装置

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Publication number: JP5675009B2
Application number: JP2014545488A
Authority: JP
Inventors: 波多野　健太; 健太波多野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2032-11-07
Also published as: CN204988166U; JPWO2014073055A1; WO2014073055A1

Description

この発明は、直線運動をする物体の移動位置を検出する位置検出装置に関する。

特許文献１に記載された従来の位置検出装置は、磁石素子が固定された第１部材と、磁石素子から発生する磁束を検出する磁束検出素子が固定された第２部材とを向かい合わせて設置し、両部材間の相対的変位を磁気的に検知する構成である。

また、特許文献２に記載された従来の位置検出装置は、マグネットと、マグネットから発生する磁束を検出する磁気電気変換器要素が固定された磁束案内部材とを備え、磁束案内部材に対して相互に相対的に可動するマグネットの変位を磁気的に検知する構成である。

特開２００７−１２１２５６号公報特表２００５−５１５４５９号公報

従来の位置検出装置はマグネットと磁束案内部材との間に隙間をもたせて非接触で変位させる構成であるが、両部材が磁力により引き合うことにより、また、振動等の外的要因の印加によりがたつきが生じていた。がたつきが発生すると、磁気電気変換器要素を通過する磁束が変化するため、それに伴い出力値が変化する。結果、両部材の相対的な位置関係が変わっていなくても、位置が変化したことを示す出力値になるため、位置検出精度が低下するという課題があった。

なお、従来はがたつき対策として、例えばマグネットを磁束案内部材からオフセットさせた位置に配置したり、インサート成形したマグネットを磁束案内部材に押し付けるようにスプリングで与圧をかけたりしていたが、その分スペースおよび部品が必要となり、装置の大型化および構成部品点数の増加により複雑化することになり、信頼性、サイズ、コストへの影響が大きかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、マグネットのがたつきを防止して、精度を向上させた位置検出装置を提供することを目的とする。

この発明の位置検出装置は、Ｎ極の極性面およびその裏側にＳ極の極性面を有し、往復運動する駆動軸に取り付けられて当該ＮＳ極が並ぶ磁極方向と直交する方向に移動する移動磁界発生体と、移動磁界発生体の一方の極性面に対向して配置される曲線部を有する第１の固定磁性体と、移動磁界発生体のもう一方の極性面に対向する位置に配置され、移動磁界発生体を間にして第１の固定磁性体の曲線部に対向する、移動磁界発生体の移動方向に平行な直線部を有する第２の固定磁性体と、第１の固定磁性体と第２の固定磁性体の間に設置され、駆動軸の往復運動に応じて移動磁界発生体と第１の固定磁性体の曲線部との間の距離が変化することで、通過する磁束が変化することから移動磁界発生体の位置を検出する磁気センサとを備え、移動磁界発生体は、少なくとも第１の固定磁性体に対向する側および第２の固定磁性体に対向する側に設けられた非磁性のスペーサを有し、当該スペーサを間に挟んで第２の固定磁性体の直線部に磁力ではり付くものであり、スペーサは、第２の固定磁性体に対向する側の厚みより、第１の固定磁性体に対向する側の厚みの方が大きいものである。

この発明によれば、駆動軸に取り付けられた移動磁界発生体が、非磁性のスペーサを間に挟んで第２の固定磁性体の直線部に磁力ではり付いて摺動することにより、がたつきを防止することができ、位置検出精度を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る位置検出装置の基本構成を示す正面図である。実施の形態１に係る位置検出装置のスペーサを拡大した正面図である。実施の形態１に係る位置検出装置の移動磁界発生体とスペーサを拡大した断面図である。実施の形態１に係る位置検出装置のスペーサの変形例を示し、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）はＡＡ線に沿って切断した断面図である。この発明の実施の形態２に係る位置検出装置の基本構成を示す正面図である。実施の形態２に係る位置検出装置の変形例を示す正面図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における位置検出装置の基本構成図を示しており、ステータとなる第１の固定磁性体１０および第２の固定磁性体２０と、マグネットの移動磁界発生体３０と、ホール素子の磁気センサ４０と、非磁性のスペーサ５０とを備えている。

移動磁界発生体３０は、Ｎ極とＳ極の双方の極性を有する面を備えており、この移動磁界発生体３０はＮ極とＳ極が並ぶ方向（以下、磁極方向Ｙ）と直交する方向（以下、移動方向Ｘ）に移動する。移動磁界発生体３０の一方の極性面に対向して第１の固定磁性体１０が配置され、移動磁界発生体３０のもう一方の極性面に対して、第２の固定磁性体２０が配置されている。

また、この移動磁界発生体３０を非磁性の樹脂部材によりインサート成形して、スペーサ５０と駆動軸５１とを形成している。図示は省略するが、駆動軸５１がアクチュエータのシャフトなどに取り付けられ、シャフトが移動方向Ｘに往復運動（直動）することにより、このシャフトと一体になった駆動軸５１と移動磁界発生体３０も移動方向Ｘへ移動する。

第１の固定磁性体１０の移動磁界発生体３０に対向する側の面には曲線部１１が形成されている。この曲線部１１は、滑らかな曲線形状でなくてもよく、多数の直線を含む多角形状であってもよい。
他方、第２の固定磁性体２０の移動磁界発生体３０に対向する側の面（先述の第１の固定磁性体１０の対向面）は、移動磁界発生体３０の移動方向Ｘに平行な直線部２１が形成されている。従って、移動磁界発生体３０は、第１の固定磁性体１０と第２の固定磁性体２０の対向面で構成されるギャップ中を、スペーサ５０を間に挟んで第２の固定磁性体２０の直線部２１に磁力ではり付いた状態で移動方向Ｘに摺動することになる。

また、第１の固定磁性体１０と第２の固定磁性体２０の間に磁気センサ４０が配置され、リードワイヤ（電極端子）４１が外部へ出されている。図１の例においては、第２の固定磁性体２０の移動方向Ｘの一端を垂直に曲げたＬ形状にして、この垂直に曲げた突出部２２を第１の固定磁性体１０の端面に対向させる。そして、この突出部２２と第１の固定磁性体１０の対向面間に磁気センサ４０を配置している。

移動磁界発生体３０のＮ極側の極性面から出た磁束は、第１の固定磁性体１０の曲線部１１、磁気センサ４０、第２の固定磁性体２０の突出部２２から直線部２１を通って、Ｓ極側の極性面へ流れる磁束ループを構成している。そして、移動磁界発生体３０が移動方向Ｘに移動することで、第１の固定磁性体１０の曲線部１１と移動磁界発生体３０との距離が離れてループする磁束密度が減少したり、曲線部１１と移動磁界発生体３０との距離が近づいてループする磁束密度が増加したりする。

第１の固定磁性体１０の曲線部１１は、移動磁界発生体３０の移動方向Ｘの移動距離と磁気センサ４０を通過する磁束密度（磁束ループ）とが比例する形状としている。磁気センサ４０は、磁束を電圧に比例変換して出力しており、移動磁界発生体３０の移動距離に対応した電圧を出力する。従って、磁気センサ４０の出力電圧から、移動磁界発生体３０の位置を検出、ひいてはアクチュエータのシャフトなどの位置を検出することができる。

本実施の形態１の位置検出装置において、移動磁界発生体３０を内包したスペーサ５０が、第２の固定磁性体２０の直線部２１に磁力ではり付いた状態で移動方向Ｘに摺動するため、振動等の外的要因が印加されても移動磁界発生体３０ががたつかない。よって、磁気センサ４０の出力電圧が変動せず、検出精度が向上する。
また、スペーサ５０で被覆することにより、移動磁界発生体３０が破損した場合の飛散を防止できる。

なお、移動磁界発生体３０のＮ極とＳ極の向きが反対であってもよい。また、磁気センサ４０を設置する場所は、移動磁界発生体３０の磁界上であればよく、図示例に限定されない。

ここで、移動磁界発生体３０を第２の固定磁性体２０に磁力ではり付かせるための、好ましい構成例を説明する。
図２は、スペーサ５０を拡大した正面図である。図２に示すように、移動磁界発生体３０を内包したスペーサ５０の、第２の固定磁性体２０の直線部２１にはり付く側の厚みＡ、第１の固定磁性体１０の曲線部１１に対向する側の厚みＢとすると、Ａ＜Ｂの寸法関係になるように、移動磁界発生体３０をインサート成形する。これにより、移動磁界発生体３０から第１の固定磁性体１０までの距離より、移動磁界発生体３０から第２の固定磁性体２０までの距離が短くなるように移動磁界発生体３０が保持され、移動磁界発生体３０と第１の固定磁性体１０との間に作用する磁力よりも移動磁界発生体３０と第２の固定磁性体２０との間に作用する磁力の方が大きくなる。よって、移動磁界発生体３０が第２の固定磁性体２０にはり付きやすくなる。
また、図２の場合、スペーサ５０の厚みＡ，Ｂを調整するだけでよいので、容易に製造でき、生産性向上およびコスト低減の効果が得られる。

このように、本実施の形態１に係る位置検出装置ではスペーサ５０が第２の固定磁性体２０の直線部２１に磁力によりはり付いて摺動するため、長期間使用することによりスペーサ５０の第２の固定磁性体２０側（厚みＡ側）の面が摺動磨耗する。スペーサ５０の第２の固定磁性体２０側が摩滅すると、移動磁界発生体３０が摺動時にがたついたり第２の固定磁性体２０へ直接接触したりする可能性があるため、スペーサ５０の厚みＡに磨耗分の厚みを確保することが望ましい。

磨耗分の厚みは、磨耗試験を行い、位置検出装置の寿命に相当する摺動回数など、所定の回数摺動させた場合のスペーサ５０の磨耗量の測定結果に基づいて決定すればよい。
なお、磨耗分の厚みを確保した場合でも、この磨耗分の厚みを含めた厚みＡより厚みＢの方が厚くなるよう寸法を設定する。

移動磁界発生体３０を第２の固定磁性体２０に磁力ではり付かせるための、好ましい構成例として、図２のようにスペーサ５０の厚みＡ，Ｂの寸法関係を工夫する以外にも、例えば移動磁界発生体３０の形状を工夫してもよい。
図３に、移動磁界発生体３０とスペーサ５０を、第１の固定磁性体１０から第２の固定磁性体２０の方向に切断した断面図を示す。図３（ａ）に示すように、移動磁界発生体３０の断面が三角形状になるように構成する。また例えば、図３（ｂ）に示すように、移動磁界発生体３０の断面が凸形状になるように構成する。また例えば、図３（ｃ）に示すように、移動磁界発生体３０の、第１の固定磁性体１０の曲線部１１に対向する極性面の中央部を凹ませて、断面が凹形状になるように構成する。

図３（ａ）〜図３（ｃ）のいずれの形状の場合にも、移動磁界発生体３０の、第２の固定磁性体２０の直線部２１にはり付く側の体積が、第１の固定磁性体１０の曲線部１１に対向する側の体積より大きくなり、移動磁界発生体３０と第１の固定磁性体１０との間に作用する磁力よりも移動磁界発生体３０と第２の固定磁性体２０との間に作用する磁力の方が大きくなる。よって、移動磁界発生体３０が第２の固定磁性体２０にはり付きやすくなる。
好ましくは、移動磁界発生体３０の体積が第２の固定磁性体２０側に半分以上を占めるように構成する。

なお、図３では断面三角形、凸形状および凹形状を例示したが、移動磁界発生体３０の変形例はこれらに限定されるものではない。
また、図２に示したスペーサ５０の厚みＡ，Ｂの寸法関係の工夫と、図３に示した移動磁界発生体３０の形状の工夫のうちのいずれか一方のみ実施してもよいし、両方を組み合わせて実施してもよい。

さらに、図１〜図３では、スペーサ５０が移動磁界発生体３０全体を被覆する構成にしたが、一部を被覆する構成にしてもよい。ここで、図４にスペーサ５０の変形例を示す。図４（ａ）の外観斜視図に示すように、移動磁界発生体３０を非磁性の樹脂部材によりインサート成形してスペーサ５０と駆動軸５１とを形成する際に、スペーサ５０を枠体にし、図４（ｂ）の断面図に示すように、開口部５０ａ〜５０ｄを設けている。この構成の場合にも、移動磁界発生体３０を囲う枠体状のスペーサ５０が第２の固定磁性体２０の直線部２１に磁力ではり付いて摺動する。

また、上記説明ではスペーサ５０を非磁性の樹脂部材により構成したが、これに限定されるものではなく、非磁性の部材であればよい。

以上より、実施の形態１によれば、位置検出装置は、Ｎ極の極性面およびその裏側にＳ極の極性面を有し、往復運動する駆動軸５１に取り付けられて当該ＮＳ極が並ぶ磁極方向Ｙと直交する移動方向Ｘに移動する移動磁界発生体３０と、移動磁界発生体３０の一方の極性面に対向して配置される曲線部１１を有する第１の固定磁性体１０と、移動磁界発生体３０のもう一方の極性面に対向する位置に配置され、移動磁界発生体３０を間にして第１の固定磁性体１０の曲線部１１に対向する、移動磁界発生体３０の移動方向Ｘに平行な直線部２１を有する第２の固定磁性体２０と、第１の固定磁性体１０と第２の固定磁性体２０の間に設置され、駆動軸５１の往復運動に応じて移動磁界発生体３０と第１の固定磁性体１０の曲線部１１との間の距離が変化することで、通過する磁束が変化することから移動磁界発生体３０の位置を検出する磁気センサ４０とを備え、移動磁界発生体３０は、少なくとも第１の固定磁性体１０に対向する側および第２の固定磁性体２０に対向する側に設けられた非磁性のスペーサ５０を有し、当該スペーサ５０を間に挟んで第２の固定磁性体２０の直線部２１に磁力ではり付くように構成した。このため、移動磁界発生体３０を内包したスペーサ５０が第２の固定磁性体２０の直線部２１に磁力ではり付いた状態で摺動するようになり、振動等の外的要因が印加されても移動磁界発生体３０ががたつかない。従って、磁気センサ４０の出力が変動せず、位置検出精度が向上する。

また、実施の形態１によれば、スペーサ５０は、第２の固定磁性体２０に対向する側の厚みＡより第１の固定磁性体１０に対向する側の厚みＢの方が大きくなるように構成した。このため、製造が容易な構成で、移動磁界発生体３０を内包したスペーサ５０を第２の固定磁性体２０にはり付かせることができ、生産性向上およびコスト低減が可能になる。

また、実施の形態１によれば、スペーサ５０の第２の固定磁性体２０に対向する側の厚みＡを、第２の固定磁性体２０の直線部２１上を所定の回数摺動した場合の磨耗量に相当する厚みを確保した厚みになるよう構成した。このため、使用上、スペーサ５０の第２の固定磁性体２０側が摺動磨耗しても、移動磁界発生体３０が直接第２の固定磁性体２０に接触することなく安定した摺動性を確保できる。

また、実施の形態１によれば、移動磁界発生体３０は、第１の固定磁性体１０側の体積より第２の固定磁性体２０側の体積の方が大きい形状になるよう構成した。このため、上述のようにスペーサ５０の厚みＡ，Ｂを調整するだけでなく、移動磁界発生体３０の体積を調整することによっても、移動磁界発生体３０を内包したスペーサ５０を第２の固定磁性体２０にはり付かせることができる。

実施の形態２．
図５は、本実施の形態２に係る位置検出装置の基本構成を示す正面図であり、図１〜図４と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。上記実施の形態１ではマグネットの移動磁界発生体３０を位置検出対象にしたが、本実施の形態２では、移動磁性体７０を位置検出対象とする。

この構成においては、マグネットの固定磁界発生体６０を、第２の固定磁性体２０の突出部２２と磁気センサ４０との間に設置している。また、移動磁性体７０を非磁性の樹脂部材でインサート成形して、スペーサ５０と駆動軸５１を形成している。

固定磁界発生体６０のＮ極側の極性面から出た磁束は、第２の固定磁性体２０の突出部２２から直線部２１、移動磁性体７０、第１の固定磁性体１０の曲線部１１、磁気センサ４０を通って、Ｓ極側の極性面へ流れる磁束ループを構成している。そして、スペーサ５０に内包された移動磁性体７０が、固定磁界発生体６０の磁力によって第２の固定磁性体２０の直線部２１にはり付きながら移動することで、第１の固定磁性体１０の曲線部１１と移動磁性体７０との距離が離れてループする磁束密度が減少したり、曲線部１１と移動磁性体７０との距離が近づいてループする磁束密度が増加したりする。磁気センサ４０は、磁束を電圧に比例変換して出力しており、移動磁性体７０の移動距離に対応した電圧を出力する。

なお、固定磁界発生体６０のＮ極とＳ極の向きが反対であってもよい。また、図５では磁気センサ４０と第２の固定磁性体２０の間に固定磁界発生体６０を設置したが、図６に示すように、磁気センサ４０と第１の固定磁性体１０の間に設置してもよい。

さらに、上記実施の形態１の図２で説明したように、移動磁性体７０を内包したスペーサ５０の、第２の固定磁性体２０の直線部２１にはり付く側の厚みより、第１の固定磁性体１０の曲線部１１に対向する側の厚みの方が厚くなるように形成して、第２の固定磁性体２０にはり付きやすくしてもよい。また、上記実施の形態１の図３で説明したように、移動磁性体７０の、第１の固定磁性体１０側の体積より第２の固定磁性体２０側の体積が大きくなるように構成して、第２の固定磁性体２０にはり付きやすくしてもよい。

以上より、実施の形態２によれば、位置検出装置は、往復運動する駆動軸５１に取り付けられて移動する移動磁性体７０と、曲線部１１を有する第１の固定磁性体１０と、移動磁性体７０を間にして第１の固定磁性体１０の曲線部１１に対向する、移動磁性体７０の移動方向に平行な直線部２１を有する第２の固定磁性体２０と、第１の固定磁性体１０と第２の固定磁性体２０の間に設置され、第１の固定磁性体１０の曲線部１１と第２の固定磁性体２０の直線部２１を通る磁界を発生させる固定磁界発生体６０と、固定磁界発生体６０の磁界上に配置され、駆動軸５１の往復運動に応じて移動磁性体７０と第１の固定磁性体１０の曲線部１１との間の距離が変化することで、通過する磁束が変化することから移動磁性体７０の位置を検出する磁気センサ４０とを備え、移動磁性体７０は、少なくとも第１の固定磁性体１０に対向する側および第２の固定磁性体２０に対向する側に設けられた非磁性のスペーサ５０を有し、当該スペーサ５０を間に挟んで第２の固定磁性体２０の直線部２１に固定磁界発生体６０の磁力ではり付くように構成した。このため、移動磁性体７０を内包したスペーサ５０が第２の固定磁性体２０の直線部２１に磁力ではり付いた状態で摺動するようになり、振動等の外的要因が印加されても移動磁性体７０ががたつかない。従って、磁気センサ４０の出力が変動せず、位置検出精度が向上する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１０第１の固定磁性体、１１曲線部、２０第２の固定磁性体、２１直線部、２２突出部、３０移動磁界発生体、４０磁気センサ、４１リードワイヤ、５０スペーサ、５０ａ〜５０ｄ開口部、５１駆動軸、６０固定磁界発生体、７０移動磁性体。

Claims

Ｎ極の極性面およびその裏側にＳ極の極性面を有し、往復運動する駆動軸に取り付けられて当該ＮＳ極が並ぶ磁極方向と直交する方向に移動する移動磁界発生体と、
前記移動磁界発生体の一方の極性面に対向して配置される曲線部を有する第１の固定磁性体と、
前記移動磁界発生体のもう一方の極性面に対向する位置に配置され、前記移動磁界発生体を間にして前記第１の固定磁性体の曲線部に対向する、前記移動磁界発生体の移動方向に平行な直線部を有する第２の固定磁性体と、
前記第１の固定磁性体と前記第２の固定磁性体の間に設置され、前記駆動軸の往復運動に応じて前記移動磁界発生体と前記第１の固定磁性体の曲線部との間の距離が変化することで、通過する磁束が変化することから前記移動磁界発生体の位置を検出する磁気センサとを備え、
前記移動磁界発生体は、少なくとも前記第１の固定磁性体に対向する側および前記第２の固定磁性体に対向する側に設けられた非磁性のスペーサを有し、当該スペーサを間に挟んで前記第２の固定磁性体の直線部に磁力ではり付くものであり、
前記スペーサは、前記第２の固定磁性体に対向する側の厚みより、前記第１の固定磁性体に対向する側の厚みの方が大きい
ことを特徴とする位置検出装置。
前記スペーサの前記第２の固定磁性体に対向する側の厚みは、前記第２の固定磁性体の直線部上を所定の回数摺動した場合の磨耗量に相当する厚みを確保した厚みであることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
Ｎ極の極性面およびその裏側にＳ極の極性面を有し、往復運動する駆動軸に取り付けられて当該ＮＳ極が並ぶ磁極方向と直交する方向に移動する移動磁界発生体と、
前記移動磁界発生体の一方の極性面に対向して配置される曲線部を有する第１の固定磁性体と、
前記移動磁界発生体のもう一方の極性面に対向する位置に配置され、前記移動磁界発生体を間にして前記第１の固定磁性体の曲線部に対向する、前記移動磁界発生体の移動方向に平行な直線部を有する第２の固定磁性体と、
前記第１の固定磁性体と前記第２の固定磁性体の間に設置され、前記駆動軸の往復運動に応じて前記移動磁界発生体と前記第１の固定磁性体の曲線部との間の距離が変化することで、通過する磁束が変化することから前記移動磁界発生体の位置を検出する磁気センサとを備え、
前記移動磁界発生体は、少なくとも前記第１の固定磁性体に対向する側および前記第２の固定磁性体に対向する側に設けられた非磁性のスペーサを有し、当該スペーサを間に挟んで前記第２の固定磁性体の直線部に磁力ではり付くものであり、
前記移動磁界発生体は、前記第１の固定磁性体側の体積より前記第２の固定磁性体側の体積の方が大きい形状である
ことを特徴とする位置検出装置。
前記移動磁界発生体は、前記第１の固定磁性体から前記第２の固定磁性体の方向の断面が三角形状、凸形状、または凹形状であることを特徴とする請求項３記載の位置検出装置。