JP6287696B2 - 位置検出装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、製品出荷後に生じた取り付けガタ又は経年変化等による位置ずれが生じた場合、位置検出装置の出力誤差の原因となるおそれがある。そのため、高精度が求められる製品に位置検出装置を使用する場合、出力誤差の低減が課題となる。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、磁束伝達部に対する検出部の相対的位置ずれによる出力誤差を低減することの可能な位置検出装置を提供することを目的とする。
また、「第1磁束伝達部と第2磁束伝達部とが延びる方向における第1検出部の中点電圧」とは、第1磁束伝達部と第2磁束伝達部とが延びる方向において第1磁界源と第2磁界源との中心に第1検出部が位置するときに第1検出部が出力する電圧である。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態を図1〜図10に示す。第1実施形態の位置検出装置1は、例えばリニアアクチュエータなどの種々の製品に使用され、2つの部材の相対的な位置関係を検出するものである。
図1及び図2に示すように、位置検出装置1は、第1磁石11、第2磁石12、第1ヨーク21、第2ヨーク22、第1ホール素子31、第2ホール素子32及び検出回路40(図9参照)などを備えている。
本実施形態の第1磁石11、第2磁石12、第1ヨーク21、第2ヨーク22、第1ホール素子31および第2ホール素子32は、それぞれ、特許請求の範囲に記載の第1磁界源、第2磁界源、第1磁束伝達部、第2磁束伝達部、第1検出部および第2検出部の一例に相当する。
第1ヨーク21と第2ヨーク22とは、対向して設けられ、互いに平行、且つ、直線状に延びている。第1ヨーク21と第2ヨーク22は、磁性体から形成されている。
第1ヨーク21は、一端が第1磁石11のN極に接続され、他端が第2磁石12のS極に接続されている。第2ヨーク22は、一端が第1磁石11のS極に接続され、他端が第2磁石12のN極に接続されている。これにより、第1磁石11、第2磁石12、第1ヨーク21および第2ヨーク22は磁気回路を形成する。
なお、図1及び図2では、主磁束を模式的に示した矢印の一部のみに符号Aを付し、漏洩磁束を模式的に示した矢印の一部のみに符号Bを付している。
また、X軸に対し垂直、且つ、第1ヨーク21と第2ヨーク22とが対向する方向をY軸とする。本実施形態のY軸は、特許請求の範囲に記載の「対向軸」の一例に相当する。
第1ホール素子31と第2ホール素子32は、Y軸における第1ヨーク21と第2ヨーク22との中心を、Y軸の基準位置(Y0)として設けられる。また、第1ホール素子31と第2ホール素子32は、X軸における第1磁石11と第2磁石12との中心を、X軸の基準位置(X0)として設けられる。
図1に示すように、第1ヨーク21と第2ヨーク22との距離をYaとすると、第2ヨーク22からY軸の基準位置(Y0)までの距離はYa/2である。また、第1磁石11と第2磁石12との距離をXaとすると、第1磁石11からX軸の基準位置(X0)までの距離はXa/2である。
図1に示した状態では、第1ホール素子31と第2ホール素子32は、(X0、Y0)の位置座標にある。
なお、図2に示すように、第1ヨーク21と第2ヨーク22の幅Wの範囲内は磁束密度が均一である。そのため、第1ホール素子31と第2ホール素子32は、第1ヨーク21と第2ヨーク22の幅Wの範囲内に設けられていればよい。
これに対し、位置検出装置1が取り付けられる製品のガタ、又は経年劣化などにより、第1ホール素子31と第2ホール素子32がY軸における基準位置(Y0)から第1ヨーク21側又は第2ヨーク22側に位置ずれする場合がある。この場合、第1ホール素子31は、その状態でX軸方向に移動するとき、図3の破線Dに示す電圧信号を出力する。
また、図4及び図5に示すように第1ホール素子31が上記の位置座標(X2、Y0)よりもX軸における基準位置(X0)に近い位置座標(X1、Y0)にあるとき、図3の点Qに示すように第1ホール素子31の出力はV1である。
したがって、第1ホール素子31がY軸方向に位置ずれすると、第1ホール素子31の出力(V1)は位置ずれする前の出力(V2)よりも小さくなるので、X軸におけるストローク誤差として検出される。上述の場合、実際のストローク位置であるX2が、X1として検出される。
図5に示すように、第1ホール素子31がY軸における基準位置(Y0)にあるとき、第1ヨーク21と第2ヨーク22との間を流れる磁束Bは、第1ホール素子31の磁気検出面を垂直に通過する。
これに対し、図7に示すように、第1ホール素子31がY1の位置にあるとき、第1ヨーク21と第2ヨーク22との間を流れる磁束Bは、第1ホール素子31の磁気検出面を斜めに通過する。そのため、第1ホール素子31を斜めに通過する磁束Bを2つのベクトルB1,B2に分解すると、第1ホール素子31の磁気検出面に作用するY軸方向のベクトルB1の強度は、その磁気検出面を斜めに通過する磁束Bの磁束密度の強度よりも小さいものとなる。そのため、第1ホール素子31がY軸における基準位置(Y0)から第1ヨーク21側または第2ヨーク22側に位置ずれするほど、第1ホール素子31から出力される電圧信号は小さくなる。
図8に示すように、第2ホール素子32は、Y軸の基準位置(Y0)から第1ヨーク21側又は第2ヨーク22側に移動するとき、実線Eに示す電圧信号を出力する。第2ホール素子32が出力する電圧信号は、第1ヨーク21に近づくほど大きくなり、第2ヨーク22に近づくほど小さくなる。この電圧信号は、中点電圧Vyを中心として、点対称である。中点電圧Vyは、第2ホール素子32がY軸の基準位置(Y0)に位置するときに第2ホール素子32から出力される電圧である。
図5に示すように、第2ホール素子32がY軸における基準位置(Y0)にあるとき、第1ヨーク21と第2ヨーク22との間を流れる磁束Bは、第2ホール素子32の磁気検出面に対し平行である。このとき、第2ホール素子32は、その磁気検出面をX軸方向に通過する磁束密度を検出することなく、中点電圧Vyを出力する。
図9に示すように、第1ホール素子31から出力されたアナログ電圧信号と、第2ホール素子32から出力されたアナログ電圧信号は、それぞれアナログ−デジタル変換回路41,42を経由してデジタル信号に変換され、検出回路40に入力される。
検出回路40はCPU、DSP及びEEPROM等のメモリなどから構成されたマイクロコンピュータであり、第1ホール素子31と第2ホール素子32が出力した電圧信号に基づき、第1ヨーク21及び第2ヨーク22に対する第1ホール素子31のX軸における相対的な位置を検出する。
検出回路40は、記憶手段43としてのメモリに格納されたプログラムを実行することにより、絶対値算出手段44、補正係数選択手段45及び補正手段46等として機能する。
まず、検出回路40は絶対値算出手段44として機能し、第2ホール素子32が出力した信号(Vout2)と、記憶手段43に予め記憶されているY軸中点電圧(Vy)との差の絶対値(Dyn)を、次の式2により算出する。なお、Y軸中点電圧(Vy)とは、第2ホール素子32がY軸における基準位置(Y0)にあるときに第2ホール素子32から出力されるデジタル信号である。
Dyn=|Vout2−Vy| ・・・(式2)
具体的に、補正手段46は、まず、次の式3による演算を行う。
Dx=Vout1−Vx ・・・(式3)
即ち、Dxは、第1ホール素子31が出力したデジタル信号(Vout1)から、X軸の中点電圧(Vx)を引いた値である。
Dx´=kn×Dx ・・・(式4)
即ち、Dx´は、補正係数選択手段45が設定した補正係数(kn)と上記Dxとの積である。
Vout1´=Dx´+Vx ・・・(式5)
即ち、Vout1´は第1ホール素子31がY軸の基準位置(Y0)にあるとしたときの出力信号である。
Vout1´=kn×(Vout1−Vx)+Vx ・・・(式1)
検出回路40は、上述した演算により補正した第1ホール素子31の出力信号(Vout1´)を、デジタル−アナログ変換回路48を経由してアナログ信号に変換し、出力ポート49から出力する。
次に、上記の式4により、Dxに対し、補正係数(kn)を積算すると、Dx´となる。
続いて、上記の式5により、Dx´に中点電圧Vxを加算した値はV2である。
このようにして、検出回路40は、第1ホール素子31がY軸における基準位置(Y0)から位置ずれした場合でも、第1ホール素子31の出力を補正し、X軸における第1ホール素子31の相対位置を正確に検出することが可能である。
(1)第1実施形態では、位置検出装置1は、Y軸に垂直な磁気検出面を有する第1ホール素子31とX軸に垂直な磁気検出面を有する第2ホール素子32を備え、第1ホール素子31および第2ホール素子32が出力した信号に基づき、X軸における第1ホール素子31の位置を検出する。
これにより、第1ホール素子31と第2ホール素子32とが、Y軸方向に位置ずれした場合、第1ヨーク21又は第2ヨーク22に近づくほど、第2ホール素子32の出力(Vout2)とY軸中点電圧(Vy)との差の絶対値(Dyn)は大きくなり、第1ホール素子31の出力(Vout1)とX軸中点電圧(Vx)との差の絶対値(Dxn)は小さくなる。そのため、位置検出装置1が備える検出回路40は、第2ホール素子32の出力(Vout2)に応じて、第1ホール素子31の出力(Vout1)を補正することが可能である。したがって、位置検出装置1は、経年変化等により第1ヨーク21及び第2ヨーク22に対し第1ホール素子31が位置ずれした場合でも、検出回路40の出力誤差を低減することが可能である。
これにより、第1ホール素子31は、X軸の基準位置(X0)より第1磁石11側へ移動したときに出力する信号と、X軸の基準位置(X0)より第2磁石12側へ移動したときに出力する信号とが、X軸の中点電圧を中心として点対称になる。そのため、検出回路40は、第1ホール素子31がX軸の基準位置(X0)より第1磁石11側へ移動しているか、または、X軸の基準位置(X0)より第2磁石12側へ移動しているかを判定することが可能である。
これにより、第1ホール素子31は、Y軸の基準位置(Y0)から位置ずれしていないとき、第1ヨーク21と第2ヨーク22とが対向する方向に流れる磁束Bの磁束密度が最も強い位置で、その磁束密度に応じた信号を出力することが可能である。したがって、位置検出装置1は、検出精度を高めることができる。
これにより、検出回路40は、第2ホール素子32が出力した信号(Vout2)に対応する補正係数(kn)を記憶手段43に予め記憶しておくことにより、第1ヨーク21及び第2ヨーク22に対する第1ホール素子31の位置ずれを正確に補正することが可能である。
これにより、検出回路40は、絶対値(Dyn)に対応した補正係数(kn)を記憶手段43に記憶しておけばよいので、記憶手段43の記憶するデータ量を少なくすることが可能である。
なお、仮に、第2ホール素子32が出力した信号に対応した補正係数(kn)を記憶手段43に記憶するとすれば、そのテータ量は絶対値(Dyn)に対応した補正係数(kn)の約2倍になる。
これにより、位置検出装置1は、第1ホール素子31のY軸方向の位置ずれを正確に補正することが可能である。
これにより、位置検出装置1は、直線状に駆動する例えばリニアアクチュエータなどの位置検出に適用することが可能である。
本発明の第2実施形態を図11から図13に示す。第2実施形態では、位置検出装置1は、例えばバルブ作動装置などの位置検出に適用することが可能である。
第1ヨーク23と第2ヨーク24とは、対向して設けられ、互いに平行、且つ、円弧状に延びている。第1磁石11、第2磁石12、第1ヨーク23および第2ヨーク24は、第1実施形態と同様に、磁気回路を形成する。
第1ホール素子31と第2ホール素子32は共に、第1ヨーク23と第2ヨーク24が延びる方向に相対移動可能である。例えば、位置検出装置1がバルブ作動装置等の製品に使用される場合、上述した磁気回路はバルブ作動装置が備えるモータ51のシャフト52が有する回転盤53に取り付けられる。一方、第1ホール素子31と第2ホール素子32はそのモータ51のハウジング54から延びる突起55に固定される。
また、第2実施形態のY軸は、X軸に対し垂直、且つ、第1ヨーク23と第2ヨーク24とが対向する方向である。したがって、第2実施形態のY軸は、上記の回転軸Oを中心として径方向に放射状に延びるものである。この第2実施形態のY軸も、特許請求の範囲に記載の「対向軸」の一例に相当する。なお、図12及び図13では、放射状に延びるY軸の一部のみを概念的に示している。
よって、第2実施形態の位置検出装置1は、第1実施形態のものと同一の作用効果を奏することが可能である。
(1)上述した実施形態では、第1磁界源および第2磁界源として、永久磁石を使用した。これに対し、他の実施形態では、第1磁界源および第2磁界源として、例えば電磁石を使用してもよい。また、他の実施形態では、ヨークと磁界源とを磁性体から一体に形成し、磁界源を形成する箇所のみを着磁するようにしてもよい。
このように、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
11・・・第1磁石(第1磁界源)
12・・・第2磁石(第2磁界源)
21,23・・・第1ヨーク(第1磁束伝達部)
22,24・・・第2ヨーク(第2磁束伝達部)
31・・・第1ホール素子(第1検出部)
32・・・第2ホール素子(第2検出部)
40・・・検出回路
Claims (8)
- 磁界を生じる第1磁界源(11)と、
前記第1磁界源から離れた位置で磁界を生じる第2磁界源(12)と、
前記第1磁界源のN極と前記第2磁界源のS極を接続する第1磁束伝達部(21,23)と、
前記第1磁束伝達部に対向して設けられ、前記第1磁界源のS極と前記第2磁界源のN極を接続する第2磁束伝達部(22,24)と、
前記第1磁束伝達部及び前記第2磁束伝達部が延びる方向(X)に、前記第1磁束伝達部及び前記第2磁束伝達部に対して相対移動可能に設けられ、前記第1磁束伝達部と前記第2磁束伝達部とが対向する方向(Y)の磁束密度に応じた信号を出力する第1検出部(31)と、
前記第1検出部と共に移動可能に設けられ、前記第1磁束伝達部及び前記第2磁束伝達部が延びる方向の磁束密度に応じた信号を出力する第2検出部(32)と、
前記第1検出部および前記第2検出部が出力した信号に基づき、前記第1磁束伝達部及び前記第2磁束伝達部が延びる方向における前記第1検出部の相対的な位置を検出する検出回路(40)と、を備えることを特徴とする位置検出装置(1)。 - 前記第1磁束伝達部及び前記第2磁束伝達部に対し前記第1検出部及び前記第2検出部が相対移動する方向を移動軸(X)とすると、
前記第1検出部は、前記移動軸における前記第1磁界源と前記第2磁界源との中心を前記移動軸の基準位置(X0)として設けられ、
前記検出回路は、前記第1磁束伝達部及び前記第2磁束伝達部に対する前記第1検出部の前記移動軸における相対的な位置を検出することを特徴とする請求項1に記載の位置検出装置。 - 前記第1磁束伝達部と前記第2磁束伝達部とが対向する方向を対向軸(Y)とすると、
前記第1検出部及び前記第2検出部は、前記対向軸における前記第1磁束伝達部と前記第2磁束伝達部との中心を前記対向軸の基準位置(Y0)として設けられ、
前記検出回路は、前記第2検出部が出力した信号(Vout2)に応じて、前記対向軸の基準位置からの前記第1検出部の位置ずれによる出力誤差を補正することを特徴とする請求項2に記載の位置検出装置。 - 前記検出回路は、
前記第2検出部が出力した信号に対応する補正係数(kn)を記憶する記憶手段(43)と、
前記第1検出部(Vout1)が出力した信号を、前記補正係数に基づいて補正する補正手段(46)と、を有することを特徴とする請求項3に記載の位置検出装置。 - 前記記憶手段は、
前記第2検出部が前記対向軸の基準位置にあるときに前記第2検出部から出力される対向軸中点電圧(Vy)と、
前記第2検出部が出力した信号(Vout2)と前記対向軸中点電圧(Vy)との差の絶対値(Dyn)に対応する前記補正係数と、を記憶しており、
前記検出回路は、
前記第2検出部が出力した信号と前記対向軸中点電圧との差の絶対値(Dyn)を算出する絶対値算出手段(44)と、
前記絶対値算出手段が算出した前記絶対値に対応する前記補正係数を前記記憶手段から選択する補正係数選択手段(45)と、を有することを特徴とする請求項4に記載の位置検出装置。 - 前記記憶手段は、前記第1検出部が前記移動軸の基準位置にあるときに前記第1検出部から出力される移動軸中点電圧(Vx)を予め記憶しており、
前記第1検出部が出力した信号をVout1、
前記補正係数選択手段が選択した前記補正係数をkn、
前記移動軸中点電圧をVx、
前記第1検出部が前記対向軸の基準位置にあるとしたときの前記第1検出部の出力信号をVout1´とすると、
前記補正手段は、前記Vout1´を、次の式1により検出することを特徴とする請求項5に記載の位置検出装置。
Vout1´=kn×(Vout1−Vx)+Vx ・・・(式1) - 前記第1磁束伝達部(21)及び前記第2磁束伝達部(22)は、互いに平行かつ直線状に延びることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の位置検出装置。
- 前記第1磁束伝達部(23)及び前記第2磁束伝達部(24)は、互いに平行、且つ、円弧状に延びるものであることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の位置検出装置。
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