JP6464907B2 - 位置検出装置及び位置検出装置の使用構造 - Google Patents

Description

本発明は、位置検出装置及び位置検出装置の使用構造に関する。

従来の位置検出装置として、例えば、特許文献１に記載された装置が知られている。特許文献１に記載の位置検出装置は、Ｎ極とＳ極とが交互に着磁された磁気部材と、磁気部材の磁極配列面に対向する磁気抵抗効果素子と、を備えている。磁気抵抗効果素子は、複数の磁石を含んで構成されており、検出対象物に設けられる。

特開２００６−２３１７９号公報

上述のように、磁気抵抗効果素子は、複数の磁石を含んで構成されている。しかしながら、検出対象物の構成によっては、複数個の磁石を取り付ける領域を確保できない場合がある。そのため、従来の位置検出装置では、適用できる検出対象物に制限があった。また、磁石の数を少なくすると、磁界への作用が小さくなるため、磁界の向きの変化が小さくなる。そのため、検出対象物の移動量が大きい場合、検出対象物の位置によっては、磁界の向きの変化を捉えることが難しくなる。したがって、検出対象物の位置を検出できる範囲が小さかった。

本発明は、種々の検出対象物の位置を広範囲で検出できる位置検出装置及び位置検出装置の使用構造を提供することを目的とする。

本発明に係る位置検出装置は、磁性体である検出対象物の位置を検出する位置検出装置であって、第１磁石及び第２磁石と、第１磁石及び第２磁石により発生する磁界の向きを検出する検出素子と、を備え、第１磁石と第２磁石とは、同じ極性が対向して配置されており、第１磁石と第２磁石との対向方向における検出対象物の移動により、検出素子によって検出される磁界の向きが変化する。

この位置検出装置では、第１磁石と第２磁石とは、同じ極性が対向して配置されている。検出素子は、この２つの磁石の対向方向における検出対象物の移動により変化する磁界の検出素子の位置における向きを検出する。同極が対向する２つの磁石により発生する磁界は、各磁石から発生する磁力線の微妙なバランスで成立している。そのため、磁界の向きは、磁力線の遮蔽及び／又は吸収といった外部からの作用を受けると大きく変化する。そのため、位置検出装置では、検出対象物による磁界への作用が小さい場合であっても、検出素子の位置において、検出対象物の移動に伴う磁界の向きの変化を検出できる。したがって、位置検出装置では、種々の検出対象物の位置を広範囲で検出できる。

一実施形態においては、検出対象物は、対向方向に直交する方向から見て、第１磁石と第２磁石との間の範囲に位置していてもよい。この構成では、検出対象物は、第１磁石と第２磁石との間の範囲で移動する。これにより、検出対象物の移動が、磁界の向きに効果的に作用する。したがって、検出素子は、磁界の向きの変化をより確実に検出できる。その結果、検出対象物の位置を精度良く検出できる。

一実施形態においては、検出対象物は、少なくとも一部が第１磁石と第２磁石との間に位置していてもよい。この構成では、検出対象物に対して第１磁石及び第２磁石の位置を容易に設定でき、検出対象物と第１磁石及び第２磁石との位置にずれが生じることを抑制できる。これにより、検出対象物の移動による磁界の向きへの作用をより正確なものとすることができる。したがって、検出素子は、磁界の向きの変化をより確実に検出できる。その結果、検出対象物の位置を精度良く検出できる。

一実施形態においては、検出素子は、検出対象物が磁界の向きに作用している状態において、対向方向に直交する方向から見て、第１磁石と第２磁石との間の範囲で磁界が相殺されている位置と、検出対象物との間に配置されていてもよい。この構成では、検出素子により、磁界の向きを確実に検出できる。したがって、検出対象物の位置を精度良く検出できる。

一実施形態においては、検出対象物は、軟磁性体であってもよい。検出対象物自体が鉄等の軟磁性体である場合、検出対象物に磁石等を設ける必要がない。したがって、検出対象物において磁石等を取り付ける領域を確保しなくてもよいため、種々の検出対象物の位置の検出が可能となる。

一実施形態においては、検出対象物は、板状であってもよい。検出対象物が板状である場合、磁石により発生した磁力線を遮蔽及び／又は吸収し易い。したがって、検出対象物の磁界への作用（影響）を大きくすることができる。その結果、検出対象物の移動に伴う磁界の向きの変化が顕著となるため、検出対象物の位置をより精度良く検出することができる。

本発明に係る位置検出装置の使用構造は、第１磁石及び第２磁石と、第１磁石及び第２磁石により発生する磁界の向きを検出する検出素子と、を有する位置検出装置と、磁性体からなり、移動によって磁界の向きに作用する検出対象物と、を備え、第１磁石と第２磁石とは、同じ極性が対向して配置されており、第１磁石と第２磁石との対向方向における検出対象物の移動により、検出素子によって検出される磁界の向きが変化する。

この位置検出装置の使用構造では、位置検出装置の第１磁石と第２磁石とは、第１磁石と第２磁石とは、同じ極性が対向して配置されている。検出素子は、この２つの磁石の対向方向における検出対象物の移動により変化する磁界の検出素子の位置における向きを検出する。同極が対向する２つの磁石により発生する磁界は、各磁石から発生する磁力線の微妙なバランスで成立している。そのため、磁界の向きは、磁力線の遮蔽及び／又は吸収といった外部からの作用を受けると大きく変化する。そのため、位置検出装置では、検出対象物による磁界への作用が小さい場合であっても、検出素子の位置において、検出対象物の移動に伴う磁界の向きの変化を検出できる。したがって、位置検出装置の使用構造では、種々の検出対象物の位置を広範囲で検出できる。

本発明によれば、種々の検出対象物の位置を広範囲で検出できる。

一実施形態に係る位置検出装置を備える位置検出装置の使用構造を示す図である。 第１バイアス磁石及び第２バイアス磁石の磁力線を示す図である。 検出対象物の位置と磁界の向きとの関係を示す図である。 検出対象物の移動量と検出素子の位置における磁力線の角度との関係を示すグラフである。 他の実施形態に係る位置検出装置の使用構造を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、一実施形態に係る位置検出装置を備える位置検出装置の使用構造を示す図である。図１に示されるように、位置検出装置の使用構造１００は、位置検出装置１と、検出対象物Ｄと、を備えている。位置検出装置１は、移動する検出対象物Ｄの位置を検出する。位置検出装置１は、第１バイアス磁石（第１磁石）３と、第２バイアス磁石（第２磁石）５と、検出素子７と、を備えている。以下の説明では、図１に示す直交する３方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）を定義し、この３方向を説明に用いることもある。

最初に、位置検出装置１により位置が検出される検出対象物Ｄについて説明する。検出対象物Ｄは、軟磁性体（磁性体）である。軟磁性体は、例えば、鉄、又は、鉄合金等である。検出対象物Ｄは、例えば、円盤状（板状）を呈している（Ｘ方向から見て円形状を呈している）。図１では、Ｚ方向から見て、検出対象物Ｄが矩形状である形態を一例に示しているが、実際の検出対象物Ｄの形状はこれに限定されない。検出対象物Ｄは、図１において矢印で示されるように、Ｘ方向（後述する対向方向）に沿って移動する。

続いて、位置検出装置１の各構成について説明する。第１バイアス磁石３及び第２バイアス磁石５は、例えば、ネオジウム磁石（希土類磁石）、又は、フェライト磁石等である。第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５は、同じ形状を呈している。本実施形態では、第１バイアス磁石３及び第２バイアス磁石５のそれぞれは、長方形状（棒状）を呈している。

第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とは、同じ極性（磁極）が対向して配置されている。本実施形態では、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とは、Ｎ極同士がＸ方向において対向するように配置されている。具体的には、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とは、第１バイアス磁石３の端面（Ｎ極面）３ａと第２バイアス磁石５の端面（Ｎ極面）５ａとがＹ方向（Ｚ方向）において平行に延在するように、対向して配置されている。

本実施形態では、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とは、第１バイアス磁石３の端面３ａの中心と第２バイアス磁石５の端面５ａの中心とを結ぶ直線ＬがＸ方向に平行となるように配置されている。すなわち、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との対向方向は、Ｘ方向である。第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間隔は、Ｘ方向に沿って移動する検出対象物Ｄの移動量に応じて適宜設定される。第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間隔は、少なくとも、検出対象物Ｄの最大移動量以上に設定されている。検出対象物Ｄは、上記対向方向に直交する方向から見て、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間の範囲に位置する。すなわち、検出対象物Ｄは、Ｚ方向から見て、第１バイアス磁石３の端面３ａに沿った線（Ｙ方向に沿って延在）と第２バイアス磁石５の端面５ａに沿った線とにより区画される範囲（領域）内で移動する。検出対象物Ｄは、厚み方向がＸ方向に沿うように位置する。

検出素子７は、第１バイアス磁石３及び第２バイアス磁石５により発生する磁界の向きを検出する。具体的には、検出素子７は、第１バイアス磁石３及び第２バイアス磁石５により当該検出素子７に対して印加された磁界の向き（ベクトル）、すなわち検出素子７の位置における磁力線の向きを検出する。検出素子７としては、例えば、ホール素子、ホールＩＣ（Integrated Circuit）、又は、ＧＭＲ（Giant MagnetoResistive effect）素子等を用いることができる。具体的には、検出素子７は、例えば、複数のホール素子と磁性体ヨークとを有する構成、又は、複数のスピンバルブ型磁気抵抗素子を有する構成とされている。

検出素子７は、検出対象物Ｄが磁界の向きに作用している状態において、対向方向に直交する方向から見て、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間の範囲で磁界が相殺されている位置と、検出対象物Ｄとの間に配置されている。検出対象物Ｄが磁界の向きに作用している状態とは、図２に示されるように、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とにより発生する磁界において、検出対象物Ｄによる磁力線Ｍの遮蔽及び／又は吸収により、検出対象物Ｄが存在していない場合の磁界の向きから変化が生じている状態である。磁界が相殺されている位置は、第１バイアス磁石３の磁界と、この磁界とは逆向きの第２バイアス磁石５の磁界とが互いに打ち消しあっている位置であり、いわゆるゼロ磁界となる点である。本実施形態では、ゼロ磁界は、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間の中心で且つ直線Ｌよりも上方に検出対象物Ｄが位置している場合、例えば、図２において直線Ｌ上に黒丸で示す部分となる。

本実施形態では、検出素子７は、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間に一部が位置し、ゼロ磁界と検出対象物Ｄとの間に配置されている。具体的には、検出素子７は、図２に示されるように、直線Ｌよりも図示上方で、且つ、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間の距離の中心に配置されている。検出素子７は、検出した磁界の向きを示す信号を出力する。

続いて、上記構成を有する位置検出装置１による検出対象物Ｄの位置の検出方法について、図２及び図３を参照して説明する。図２及び図３においては、磁力線Ｍを模式的に示している。

図２に示されるように、検出対象物Ｄが第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との中間地点（検出素子７の直上）に位置しているときには、検出素子７に対して、第１バイアス磁石３及び第２バイアス磁石５の磁界がそれぞれ略均等に影響する。このとき、検出素子７の位置において検出素子７により検出される磁界の向きは、図２において矢印で示されるように、上向きの方向（Ｙ方向）となる。

位置検出装置１では、検出対象物Ｄが移動すると、検出素子７の位置において、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とにより発生する磁界に変化が生じる。具体的には、図３（ａ）に示されるように、検出対象物Ｄが図示左側に移動すると、その移動に伴い磁力線Ｍが変化する。このとき、第１バイアス磁石３から発生する磁力線は、検出対象物Ｄに吸収及び／又は遮蔽される。そのため、検出素子７において検出される磁界の向きには、第２バイアス磁石５の磁界の影響が大きくなる。これにより、検出素子７において検出される磁界の向きは、図３（ａ）において矢印で示されるように、左向きの方向となる。

図３（ｂ）に示されるように、検出対象物Ｄが図示右側に移動すると、その移動に伴い磁力線Ｍが変化する。このとき、第２バイアス磁石５から発生する磁力線は、検出対象物Ｄに吸収及び／又は遮蔽される。そのため、検出素子７において検出される磁界の向きには、第１バイアス磁石３の磁界の影響が大きくなる。これにより、検出素子７において検出される磁界の向きは、図３（ｂ）において矢印で示されるように、右向きの方向となる。

以上のように、検出素子７の位置における磁界は、検出対象物Ｄの移動に伴い向きが変化する。位置検出装置１では、検出素子７の位置における磁界の向きに基づいて、検出対象物Ｄの位置を検出する。位置検出装置１では、磁界の向きに検出対象物Ｄの位置が１対１の関係で対応付けられている。位置検出装置１は、磁界の向きを検出することにより、検出対象物Ｄの位置を検出（特定）する。位置検出装置１では、検出対象物Ｄの位置を検出することにより、検出対象物Ｄの移動量を検出することが可能である。

図４は、検出対象物Ｄの移動量と検出素子７の位置における磁界の向きとの関係を示すグラフである。図４において、横軸は、検出対象物ＤのＸ方向における移動量を示し、縦軸は、検出素子７の位置における磁界の向き（磁力線の向きが所定の基準に対して成す角度）［ｄｅｇ］を示している。縦軸の磁界の向きは、図２に示されるように、検出対象物Ｄが第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との中間地点（検出素子７の直上）に位置しているときを「９０ｄｅｇ」としている。

図４に示されるように、検出対象物Ｄが図３（ａ）に示されるように図示左側に移動した場合には、検出素子７の位置における磁界の向きは、「９０ｄｅｇ」を基準として「＋」（〜１８０ｄｅｇ）となる。検出対象物Ｄが図３（ｂ）に示されるように図示右側に移動した場合には、検出素子７の位置における磁界の向きは、「９０ｄｅｇ」を基準として「−」（〜０ｄｅｇ）となる。このように、位置検出装置１では、少なくとも、０〜１８０［ｄｅｇ］の範囲において磁界の向きの変化を検出できる。これにより、位置検出装置１は、検出対象物Ｄの移動を広範囲（例えば、１５ｍｍ〜２０ｍｍ）にわたって検出できる。

以上説明したように、本実施形態に係る位置検出装置１では、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とは、同じ極性が対向して配置されている。検出素子７は、この２つのバイアス磁石３，５の対向方向における検出対象物Ｄの移動により変化する磁界の検出素子７の位置における向きを検出する。同極が対向する２つのバイアス磁石３，５により発生する磁界は、各バイアス磁石３，５から発生する磁力線の微妙なバランスで成立している。そのため、磁界の向きは、磁力線の遮蔽及び／又は吸収といった外部からの作用を受けると大きく変化する。そのため、位置検出装置１では、検出対象物Ｄの磁界への作用が小さい場合であっても、検出素子７の位置において、検出対象物Ｄの移動に伴う磁界の向きの変化を検出できる。したがって、位置検出装置１では、種々の検出対象物Ｄの位置を広範囲で検出できる。

本実施形態では、検出対象物Ｄは、対向方向に直交する方向から見て、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間の範囲に位置している。この構成では、検出対象物Ｄは、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間の範囲で移動する。これにより、検出対象物Ｄの移動が、磁界の向きに効果的に作用する。したがって、検出素子７は、磁界の向きの変化をより確実に検出できる。その結果、検出対象物Ｄの位置を精度良く検出できる。

本実施形態では、検出素子７は、検出対象物Ｄが磁界の向きに作用している状態において、対向方向に直交する方向から見て、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間の範囲で磁界が相殺されている位置と、検出対象物Ｄとの間に配置されている。この構成では、検出素子７により、磁界の向きを確実に検出できる。したがって、検出対象物Ｄの位置を精度良く検出できる。

本実施形態では、検出対象物Ｄは、軟磁性体である。検出対象物Ｄ自体が鉄等の軟磁性体である場合、検出対象物Ｄに磁石を設ける必要がない。したがって、検出対象物Ｄにおいて磁石等を取り付ける領域を確保しなくてもよいため、種々の検出対象物Ｄの位置の検出が可能となる。

本実施形態では、検出対象物Ｄは、円盤状を呈している。検出対象物Ｄが円盤（板）状である場合、第１バイアス磁石３及び第２バイアス磁石５により発生した磁力線を遮蔽及び／又は吸収し易い。したがって、検出対象物Ｄの磁界への作用（影響）を大きくすることができる。その結果、検出対象物Ｄの移動に伴う磁界の向きの変化が顕著となるため、検出対象物の位置をより精度良く検出することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、第１バイアス磁石３及び第２バイアス磁石５のそれぞれが長方形状（棒状）を呈する形態を一例に説明したが、第１バイアス磁石３及び第２バイアス磁石５の形状はこれに限定されない。第１バイアス磁石３及び第２バイアス磁石５は、例えば、円盤状、円環状等であってもよい。

上記実施形態では、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とが同形状である形態を一例に説明したが、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とは、形状（大きさ）が異なっていてもよい。検出素子７により検出される磁界の向きと検出対象物Ｄの位置とが対応付けられた関係が成立していれば、磁石の形状は異なっていてもよい。

上記実施形態では、検出対象物Ｄが、図１に示されるように、第１バイアス磁石３及び第２バイアス磁石５よりも図示上方に位置している、すなわち第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間に位置していない形態を一例に説明した。しかし、検出対象物Ｄは、図５に示されるように、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間に位置、すなわち第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間の領域に少なくとも一部が位置（侵入）していてもよい。具体的には、検出対象物Ｄの先端が、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間の領域に位置している。この構成では、検出対象物Ｄに対して第１バイアス磁石３及び第２バイアス磁石５の位置を容易に設定でき、検出対象物Ｄと第１バイアス磁石３及び第２バイアス磁石５との位置にずれが生じることを抑制できる。これにより、検出対象物Ｄの移動による磁界の向きへの作用をより正確なものとすることができる。したがって、検出素子７は、磁界の向きの変化をより確実に検出できる。その結果、検出対象物Ｄの位置を精度良く検出できる。

上記実施形態では、検出対象物Ｄ自体が軟磁性体である形態を一例に説明したが、検出対象物Ｄの形態はこれに限定されない。検出対象物Ｄは、磁性体（軟磁性体）を有していてもよい。例えば、検出対象物Ｄは、検出対象物（磁性体以外の材料で形成されているもの）に磁性体（磁石、金属等）を設ける形態であってもよい。この場合、磁性体の個数及び形状等は、検出対象物の構成に合わせて適宜設定されればよい。本発明に係る位置検出装置では、磁性体が１個の場合であっても、検出対象物の位置を検出できる。

上記実施形態では、第１バイアス磁石３及び第２バイアス磁石５のＮ極同士がＸ方向において対向して配置されている形態を一例に説明したが、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とは、Ｓ極同士が対向して配置されてもよい。要は、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とは、異なる極性同士が対向して配置されていればよい。

上記実施形態では、第１バイアス磁石３の端面３ａと第２バイアス磁石５の端面５ａとがＹ方向において平行に延在するように配置することで、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とが対向する形態を一例に説明した。しかし、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とが対向する形態はこれに限定されない。例えば、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５とは、第１バイアス磁石３の端面３ａに沿った仮想線と第２バイアス磁石５の端面５ａに沿った仮想線とが所定の角度を成して対向してもよい。すなわち、第１バイアス磁石３の延在方向と第２バイアス磁石５の延在方向とが同一直線上に位置していなくてもよい。この場合、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との対向方向は、端面３ａの中心と端面５ａの中心とを結ぶ直線の延在方向であり、上記実施形態と同様に、Ｘ方向となる。

上記実施形態では、検出素子７が直線Ｌの上方に位置し且つ一部が第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間に位置している形態を一例に説明したが、検出素子７の位置はこれに限定されない。検出素子７は、ゼロ磁界と検出対象物Ｄとの間に配置されていればよい。また、検出素子７は、上記対向方向に直交する方向から見て、第１バイアス磁石３と第２バイアス磁石５との間の範囲に配置されていればよい。すなわち、検出素子７は、Ｚ方向から見て、第１バイアス磁石３の端面３ａに沿った線（Ｙ方向に沿って延在）と第２バイアス磁石５の端面５ａに沿った線とにより区画される範囲（領域）内に配置されればよい。

１…位置検出装置、３…第１バイアス磁石（第１磁石）、５…第２バイアス磁石（第２磁石）、７…検出素子、１００…位置検出装置の使用構造、Ｄ…検出対象物。

Claims (5)

1. 磁性体である検出対象物の位置を検出する位置検出装置であって、
   第１磁石及び第２磁石と、
   前記第１磁石及び前記第２磁石により発生する磁界の向きを検出する検出素子と、を備え、
   前記第１磁石と前記第２磁石とは、同じ極性が対向して配置されており、
   前記検出対象物は、前記第１磁石と前記第２磁石との対向方向に直交する方向から見て、前記第１磁石と前記第２磁石との間の範囲に位置し、
   前記検出素子は、前記検出対象物が前記磁界の向きに作用している状態において、前記対向方向に直交する方向から見て、前記第１磁石と前記第２磁石との間の範囲で前記磁界が相殺されている位置と、前記検出対象物との間において、前記磁界が相殺されている前記位置を含まない位置に配置されており、
   前記第１磁石と前記第２磁石との前記対向方向における前記検出対象物の移動により、前記検出素子によって検出される前記磁界の向きが変化する、位置検出装置。
2. 前記検出対象物は、少なくとも一部が前記第１磁石と前記第２磁石との間に位置する、請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記検出対象物は、軟磁性体である、請求項１又は２に記載の位置検出装置。
4. 前記検出対象物は、板状を呈している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の位置検出装置。
5. 第１磁石及び第２磁石と、前記第１磁石及び前記第２磁石により発生する磁界の向きを検出する検出素子と、を有する位置検出装置と、
   磁性体からなり、移動によって前記磁界の向きに作用する検出対象物と、を備え、
   前記第１磁石と前記第２磁石とは、同じ極性が対向して配置されており、
   前記検出対象物は、前記第１磁石と前記第２磁石との対向方向に直交する方向から見て、前記第１磁石と前記第２磁石との間の範囲に位置し、
   前記検出素子は、前記検出対象物が前記磁界の向きに作用している状態において、前記対向方向に直交する方向から見て、前記第１磁石と前記第２磁石との間の範囲で前記磁界が相殺されている位置と、前記検出対象物との間において、前記磁界が相殺されている前記位置を含まない位置に配置されており、
   前記第１磁石と前記第２磁石との前記対向方向における前記検出対象物の移動により、前記検出素子によって検出される前記磁界の向きが変化する、位置検出装置の使用構造。

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