JP6561914B2 - 位置センサ - Google Patents

Description

本発明は、検出対象の位置を検出する位置センサに関する。

従来より、直線上の位置を検出する位置センサが、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、位置センサは、厚さ方向に着磁された磁石の片面に当該磁石の長さ方向に対する幅が当該長さ方向の位置によって異なる磁性板が設けられたセンサ本体を備えている。また、位置センサは、センサ本体の磁性板の上方に一定のギャップを空けて長手方向に沿って移動する磁気変換素子を備えている。

このような構成によると、磁石から出る磁界が幅の異なる磁性板によって遮蔽されるので、磁性板の表面の磁界強さが磁石の長さ方向の位置によって変化する。したがって、移動する磁気変換素子からの出力を検知することで、磁気変換素子の磁石に対する位置を検出することができる。

特開平５−２６４３２６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、磁気変換素子にセンサ本体以外の磁界が入射することや、磁気変換素子の近傍にセンサ本体以外の磁性体が近づくこと等により、磁気変換素子に入射する磁界が変化してしまう。磁気変換素子は、信号成分と外乱成分を区別することができないので、磁気変換素子の検出精度が低下してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、外乱成分による検出精度の低下を抑制することができる位置センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、位置センサは、表面（１１）及び裏面（１２）を有する支持基板（１０）と、表面側に設けられ、表面に直交する第１磁束を発生させる第１磁束発生部（２１）と、表面側に設けられ、表面に直交すると共に第１磁束とは逆向きの第２磁束を発生させる第２磁束発生部（２２）と、を備えている。

位置センサは、裏面側のうち第１磁束の透過範囲に設けられ、裏面から離れて位置すると共に磁性体で構成された検出対象（１００）のうちの裏面の面方向の先端部（１１０）が基準位置から当該面方向の一方向である移動方向に移動する移動量に応じて変化する第１磁束の強弱に対応した第１検出信号を出力する第１磁気素子（３１）を備えている。

位置センサは、裏面側のうち第２磁束の透過範囲に設けられていると共に面方向のうち移動方向に対する垂直方向において第１磁気素子の隣に位置し、先端部が基準位置から移動方向に移動する移動量に応じて変化する第２磁束の強弱に対応した第２検出信号を出力する第２磁気素子（３２）を備えている。

また、位置センサは、第１磁束発生部のうち支持基板とは反対側及び第２磁束発生部のうち支持基板とは反対側に設けられ、第１磁束及び第２磁束を通すヨーク（４０）と、第１検出信号及び第２検出信号を入力し、各検出信号の差分を取得する信号処理部（５０）と、を備えている。

これによると、各磁気素子（３１、３２）で検出される各検出信号は磁束の向きが逆向きになっている。このため、各検出信号の差分が取得されることで各検出信号に含まれる外乱成分が相殺され、信号成分のみを得ることができる。したがって、外乱成分による検出精度の低下を抑制することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る位置センサの側面図である。 図１のII−II断面図である。 図１のIII−III断面図である。 検出対象移動量に対する各磁気素子の出力を示した図である。 外乱磁界の影響を受ける位置センサの断面図である。 周囲磁性体が周囲に位置する位置センサの断面図である。 検出対象移動量に対する各ペアの信号処理後の出力を示した図である。 検出対象移動量に対する出力信号を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る位置センサの断面図である。 本発明の第３実施形態に係る位置センサの断面図である。 本発明の第４実施形態に係る位置センサの断面図である。 本発明の第５実施形態に係る位置センサの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る位置センサは、検出対象の位置を検出するものである。図１及び図２に示されるように、位置センサ１は、支持基板１０、第１磁石２１、第２磁石２２、複数の磁気素子３１、３２、ヨーク４０、及び信号処理部５０を備えて構成されている。なお、図１では、ヨーク４０を破線で示している。

支持基板１０は、表面１１及び裏面１２を有する板状の部品である。支持基板１０は、図示しないパッドや配線パターンが形成された回路基板である。支持基板１０として、プリント基板等の磁束を透過するものが用いられる。

第１磁石２１及び第２磁石２２は、検出対象１００の有無に応じて変化する磁束を各磁気素子３１、３２に印加するための部品である。各磁石２１、２２は、支持基板１０の表面１１に直交する方向に磁束が向くように着磁されている。各磁石２１、２２は一体化されている。また、各磁石２１、２２は、支持基板１０の表面１１に接着剤等で固定されている。

ここで、検出対象１００は、板状の磁性体によって構成されている。検出対象１００は、支持基板１０の裏面１２から離れて位置している。また、検出対象１００は、各磁気素子３１、３２に対して一定のギャップを空けて、支持基板１０の裏面１２の面方向に基準位置から移動する。具体的には、検出対象１００のうち支持基板１０の裏面１２の面方向の先端部１１０が、当該裏面１２の上方の空間のうち磁束の透過範囲に対応する空間部２００を当該面方向の一方向である移動方向に各磁気素子３１、３２と並行を保ちながら移動する。

第１磁石２１は第１磁束を発生させる一方、第２磁石２２は第１磁束とは逆向きの第２磁束を発生させる。例えば、第１磁石２１のＳ極及び第２磁石２２のＮ極が支持基板１０の表面１１側に向けられている。この関係は逆でも良い。本実施形態では、各磁石２１、２２は一体化されている。また、各磁石２１、２２は、移動方向に延設されている。

第１磁気素子３１及び第２磁気素子３２は、検出対象１００の先端部１１０の基準位置からの移動量に応じて変化する磁束の強弱に対応した検出信号を出力する検出手段である。検出信号は、例えば磁束の強弱に対応した大きさの電圧である。各磁気素子３１、３２として、磁気の強さを検出するホール素子等が用いられる。

第１磁気素子３１は、支持基板１０の裏面１２のうち第１磁束の透過範囲に接着剤等で固定されている。第１磁気素子３１は、検出対象１００の先端部１１０が基準位置から移動方向に移動する移動量に応じて変化する第１磁束の強弱に対応した第１検出信号を出力する。

第２磁気素子３２は、支持基板１０の裏面１２のうち第２磁束の透過範囲に接着剤等で固定されている。図２に示されるように、第２磁気素子３２は、支持基板１０の裏面１２の面方向のうちの移動方向に対する垂直方向において、第１磁気素子３１の隣に位置している。また、第２磁気素子３２は、検出対象１００の先端部１１０が基準位置から移動方向に移動する移動量に応じて変化する第２磁束の強弱に対応した第２検出信号を出力する。

第１磁気素子３１は、垂直方向において第１磁石２１の中心付近に配置されている。第２磁気素子３２は、垂直方向において第２磁石２２の中心付近に配置されている。

さらに、第１磁気素子３１と第２磁気素子３２とのペアが移動方向に複数設けられている。図１に示されるように、本実施形態では、５つのペア３３〜３７が支持基板１０に設けられている。したがって、各磁気素子３１、３２は、各ペア３３〜３７の配置方向に２列で配置されている。そして、第１磁石２１及び第１磁気素子３１と第２磁石２２及び第２磁気素子３２とは、支持基板１０の裏面１２の面方向のうちの移動方向に対する垂直方向において対称に配置されている。

ヨーク４０は、磁性材料により形成されていると共に、第１磁束及び第２磁束を通すことにより磁気回路を構成するための部品である。図２に示されるように、ヨーク４０は、第１板部４１、第２板部４２、及び第３板部４３を有して構成されている。

第１板部４１は、各磁石２１、２２のうち支持基板１０とは反対側に接着剤等で固定された一面４１ａを有している。また、第１板部４１は、検出対象１００の移動方向、すなわち各磁気素子３１、３２のペアの配置方向に延びている。

第２板部４２は、第１板部４１の一面４１ａにおいて垂直方向の一端側から突出している。第３板部４３は、第１板部４１の一面４１ａにおいて垂直方向の他端側すなわち第２板部４２とは反対側から第２板部４２に平行に突出している。したがって、ヨーク４０は、配置方向に垂直な断面がＵ字状になっている。また、ヨーク４０全体の形状は半筒状になっている。

さらに、第２板部４２は、第１板部４１とは反対側の端部４２ａが支持基板１０の裏面１２から突出している。同様に、第３板部４３は、第１板部４１とは反対側の端部４３ａが支持基板１０の裏面１２から突出している。これにより、各磁束を各磁気素子３１、３２の近傍に分散させずにヨーク４０に通すことができる。さらに、ヨーク４０は、支持基板１０の裏面１２の面方向のうちの移動方向に対する垂直方向に対称の形状に形成されている。

そして、ヨーク４０は、第１磁石２１→第１板部４１→第２板部４２→第１磁石２１という第１磁束の第１閉回路２と、第２磁石２２→第１板部４１→第３板部４３→第２磁石２２という第２磁束の第２閉回路３と、を構成している。空間部２００は、各閉回路２、３の一部を構成している。なお、第１磁石２１から第１板部４１を介して第２磁石２２に入射する磁束も多少ある。

信号処理部５０は、各磁気素子３１、３２から各検出信号を入力して信号成分を取得する信号処理や、感度やオフセット等の信号処理を行う回路部である。信号処理部５０は、例えばＩＣチップとして構成されている。信号処理部５０は、支持基板１０の裏面１２に実装されている。信号処理部５０は、支持基板１０の表面１１に実装されていても良い。

以上が、位置センサ１の構成である。なお、位置センサ１は、上記各構成を収容する筐体や、他の装置と電気的接続を行うための端子等を備えている。

次に、位置センサ１の作動について説明する。まず、図１に示されるように、空間部２００での検出対象１００の位置に応じて磁束の強弱が異なる。具体的には、検出対象１００が支持基板１０の表面１１に直交する方向に位置する場合、各磁石２１、２２の各磁束は磁性体である検出対象１００に引き寄せられるので、磁束が強くなる。一方、検出対象１００が支持基板１０の表面１１に直交する方向に位置しない場合、各磁石２１、２２の磁束の強さは変化しない。つまり、検出対象１００が位置する場合の磁束よりも弱くなる。

検出対象１００が支持基板１０の表面１１に直交する方向に位置する場合、第１磁束の一部が第２板部４２から検出対象１００に優先的に流入する。また、検出対象１００に流入した第１磁束は、第１磁石２１に戻る。したがって、図３に示されるように、第１磁石２１→第１板部４１→第２板部４２→検出対象１００→第１磁石２１という第３閉回路４が構成される。同様に、第２磁石２２→検出対象１００→第３板部４３→第１板部４１→第２磁石２２という第４閉回路５が構成される。一方、検出対象１００が支持基板１０の表面１１に直交する方向に位置しない場合、図２に示された各閉回路２、３が構成される。

このような磁束の強弱は、検出対象１００の先端部１１０の移動に伴って、当該先端部１１０の移動方向に変化する。したがって、各磁気素子３１、３２は、検出対象１００の先端部１１０の位置に応じた検出信号の出力を行う。

検出対象１００の先端部１１０が例えばペア３３の第１磁気素子３１に近づくと、第１磁気素子３１の出力Ｖ１が変化する。そして、検出対象１００の先端部１１０の移動量の増加に伴って第１磁気素子３１が受ける磁束が強くなるので、図４に示されるように第１磁気素子３１の出力Ｖ１も増加する。第１磁気素子３１が受ける磁束の強さが最大になると、出力Ｖ１は一定値となる。

これに対し、第２磁気素子３２は、第１磁気素子３１に入射する第１磁束とは逆向きの第２磁束が入射するので、検出対象１００の先端部１１０の移動量の増加に伴って第２磁気素子３２の出力Ｖ２は減少する。つまり、出力Ｖ２は出力Ｖ１の反転した値となる。出力Ｖ１をＶ１＝Ｂ１とし、出力Ｖ２をＶ２＝Ｂ２とすると、Ｂ１＝−Ｂ２である。

ここで、図５に示されるように第２磁束側に外乱磁界が入射する場合や、図６に示されるようにヨーク４０の近傍に周囲磁性体３００が位置する場合がある。各磁石２１、２２の各磁束はヨーク４０に閉じ込められるので、各磁束は周囲磁性体３００にほとんど入射しない。このため、周囲磁性体３００が位置センサ１に近づいても各磁石２１、２２から発生した各磁束に影響を与えない。

しかし、外乱磁界は各磁束の強弱に影響するので、外乱成分が出力Ｖ１、Ｖ２に含まれる。具体的には、外乱磁界が位置センサ１に入射した場合、外乱磁界の一部がヨーク４０に吸収されると共に、各磁気素子３１、３２に入射する。一方、信号磁界となる各磁石２１、２２の各磁束はペア３３を構成する各磁気素子３１、３２に入射するが、各磁石２１、２２の着磁方向が逆になっているので、信号磁界の向きも逆相になる。他のペア３４〜３７についても同じである。信号成分をＢ１、Ｂ２とし、外乱成分をＢｅｘとすると、第１磁気素子３１の出力Ｖ１はＶ１＝Ｂ１＋Ｂｅｘとなり、第２磁気素子３２の出力Ｖ２はＶ２＝Ｂ２＋Ｂｅｘとなる。

したがって、信号処理部５０は、ペア３３から入力した各検出信号の差分Ｓ１を取得する。すなわち、信号処理部５０は、Ｓ１＝Ｖ１−Ｖ２＝（Ｂ１＋Ｂｅｘ）−（Ｂ２＋Ｂｅｘ）＝２×Ｂ１を演算する。これにより、外乱成分Ｂｅｘはキャンセルされるので、信号処理部５０は２倍の信号成分のみの出力Ｓ１を得る。この後、信号処理部５０は、出力Ｓ１の感度やオフセット等の信号処理を行う。

そして、ペア３４〜３７についても上記と同様に出力Ｖ１、Ｖ２が変化する。したがって、信号処理部５０は、ペア３４〜３７毎に出力の差分Ｓ２〜Ｓ５を取得する。これにより、図７に示されるように、検出対象移動量に対する信号処理後の各ペア３３〜３７の出力Ｓ１〜Ｓ５が得られる。

各出力Ｓ１〜Ｓ５には切替閾値が設定されている。これは、各磁気素子３１、３２が受ける磁束の強さが最大または最小になると出力が一定値になるためである。したがって、磁束の変化に応じて出力Ｓ１〜Ｓ５が変化する範囲が切替閾値によって設定されている。

切替閾値は、各出力Ｓ１〜Ｓ５に対して最大値側と最小値側との２つが設定されている。切替閾値は固定値ではなく、各出力Ｓ１〜Ｓ５の最大値及び最小値に対応して変動するように設定されている。切替閾値は、信号処理部５０に予め記憶されている。

例えば、出力Ｓ１が最小値側の切替閾値を超えると、信号処理部５０はペア３３の出力Ｓ１を出力信号とする。出力Ｓ１が最大値側の切替閾値を超えると、信号処理部５０はペア３４の出力Ｓ２を出力信号とする。信号処理部５０はこのような出力信号の切り替えを行う。これにより、図８に示されるように、信号処理部５０は、検出対象１００の移動量に比例して変化する出力信号を出力することができる。また、各ペア３３〜３７の各出力Ｓ１〜Ｓ５を繋げているので、検出対象１００の長い移動距離を検出することができる。

以上説明したように、本実施形態では、ペア３３〜３７を構成する各磁気素子３１、３２に逆相の信号磁界を印加すると共に、各磁石２１、２２の各磁束をヨーク４０に通過させる構成になっている。これにより、各磁気素子３１、３２で検出される各検出信号が逆相の信号になるので、各検出信号の差分が取得されることで各検出信号に含まれる外乱成分をキャンセルすることができる。したがって、外乱成分による検出精度の低下を抑制することができる。

位置センサ１は、例えば、自動車ドライブシャフト、カムシャフト、ギヤ等の回転体の軸方向の移動位置検出、シフトポジション検出、ピストンやバルブ等の位置検出に適用される。もちろん、位置センサ１は自動車以外の他の用途に適用されても良い。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、第１磁石２１が特許請求の範囲の「第１磁束発生部」に対応し、第２磁石２２が特許請求の範囲の「第２磁束発生部」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図９に示されるように、ヨーク４０は、各板部４１〜４３の他に第１支持部４４及び第２支持部４５を有している。各支持部４４、４５はヨーク４０の一部であり、各板部４１〜４３と同様に磁性体によって構成されている。各支持部４４、４５は、各板部４１〜４３から分離されている。

第１支持部４４は、第１磁石２１と支持基板１０の表面１１とに挟まれている。また、第２支持部４５は、第２磁石２２と支持基板１０の表面１１とに挟まれている。これによると、隣接する各磁石２１、２２の一方の磁束が他方に引きつけられにくくなるので、各磁気素子３１、３２に対する信号強度を向上させることができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図１０に示されるように、第１磁石２１及び第２磁石２２は、離間して配置されている。これにより、各磁石２１、２２の一方が他方の磁束に影響しにくくなるので、各磁気素子３１、３２に対する信号強度を向上させることができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。図１１に示されるように、ヨーク４０は、第１板部４１のみで構成されている。すなわち、ヨーク４０は、一面４１ａが各磁気素子３１、３２のペアの配置方向（移動方向）に延びると共に各磁石２１、２２に固定されている。このように、ヨーク４０の第２板部４２及び第３板部４３を省略することにより、位置センサ１を小型化することができる。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１〜第４実施形態と異なる部分について説明する。図１２に示されるように、第１板部４１は、第１磁石２１側と第２磁石２２側とに各磁気素子３１、３２のペアの配置方向に沿って分割されている。つまり、第１板部４１は、第２板部４２に接続された第１の部分４１ｂと、第３板部４３に接続された第２の部分４１ｃと、によって構成されている。このような構成により、第１磁束は第２板部４２側を通りやすくなると共に第２磁束は第３板部４３側を通りやすくなるので、各磁気素子３１、３２に供給される磁束密度を増やすことができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された位置センサ１の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記各実施形態で示された構成を適宜組み合わせることができる。

上記各実施形態では、磁束を発生させるものとして各磁石２１、２２が用いられていたが、これは構成の一例である。例えば、電磁石等の磁束発生手段が用いられても良い。

上記各実施形態では、位置センサ１は５つのペア３３〜３７を備えていたが、複数備えている必要は無い。１つのペア３３でも位置センサ１として構成することができる。

上記各実施形態では、各磁石２１、２２は支持基板１０の表面１１に直接固定されていたが、各磁石２１、２２と支持基板１０の表面１１との間に他の部品が介在していても良い。同様に、各磁気素子３１、３２は支持基板１０の裏面１２に直接固定されていたが、各磁気素子３１、３２と支持基板１０の裏面１２との間に他の部品が介在していても良い。

上記各実施形態では、ヨーク４０の各端部４２ａ、４３ａが支持基板１０の裏面１２から突出するように構成されていたが、これはヨーク４０の形状の一例である。したがって、ヨーク４０の各端部４２ａ、４３ａは支持基板１０の裏面１２から突出していなくても良い。

上記各実施形態では、検出対象１００は板状に構成されていたが、これは形状の一例である。したがって、検出対象１００は板状に限られず、他の形状でも良い。

第２実施形態の別の例として、第１支持部４４は、支持基板１０の裏面１２と第１磁気素子３１とに挟まれていても良い。また、第２支持部４５は、支持基板１０の裏面１２と第２磁気素子３２とに挟まれていても良い。

１０ 支持基板
１１ 表面
１２ 裏面
２１、２２ 磁石（磁束発生部）
３１、３２ 磁気素子
４０ ヨーク
５０ 信号処理部
１００ 検出対象
１１０ 先端部

Claims (8)

1. 表面（１１）及び裏面（１２）を有する支持基板（１０）と、
   前記表面側に設けられ、前記表面に直交する第１磁束を発生させる第１磁束発生部（２１）と、
   前記表面側に設けられ、前記表面に直交すると共に前記第１磁束とは逆向きの第２磁束を発生させる第２磁束発生部（２２）と、
   前記裏面側のうち前記第１磁束の透過範囲に設けられ、前記裏面から離れて位置すると共に磁性体で構成された検出対象（１００）のうちの前記裏面の面方向の先端部（１１０）が基準位置から当該面方向の一方向である移動方向に移動する移動量に応じて変化する前記第１磁束の強弱に対応した第１検出信号を出力する第１磁気素子（３１）と、
   前記裏面側のうち前記第２磁束の透過範囲に設けられていると共に前記面方向のうち前記移動方向に対する垂直方向において前記第１磁気素子の隣に位置し、前記先端部が基準位置から前記移動方向に移動する移動量に応じて変化する前記第２磁束の強弱に対応した第２検出信号を出力する第２磁気素子（３２）と、
   前記第１磁束発生部のうち前記支持基板とは反対側及び前記第２磁束発生部のうち前記支持基板とは反対側に設けられ、前記第１磁束及び前記第２磁束を通すヨーク（４０）と、
   前記第１検出信号及び前記第２検出信号を入力し、前記各検出信号の差分を取得する信号処理部（５０）と、
   を備えている位置センサ。
2. 前記第１磁束発生部及び前記第２磁束発生部は、前記移動方向に延設されており、
   前記第１磁気素子及び前記第２磁気素子のペアが前記移動方向に複数設けられ、
   前記信号処理部は、前記ペア毎に前記差分を取得する請求項１に記載の位置センサ。
3. 前記ヨークは、前記移動方向に延びると共に前記第１磁束発生部及び前記第２磁束発生部に固定された一面（４１ａ）を有する第１板部（４１）と、前記一面において前記移動方向に垂直な方向の一端側から突出した第２板部（４２）と、前記一面において前記移動方向に垂直な方向の他端側から突出した第３板部（４３）と、を有する半筒状に構成されている請求項１または２に記載の位置センサ。
4. 前記第２板部のうち前記第１板部とは反対側の端部（４２ａ）及び前記第３板部のうち前記第１板部とは反対側の端部（４３ａ）は、前記支持基板の前記裏面から突出している請求項３に記載の位置センサ。
5. 前記ヨークは、前記移動方向に延びると共に前記第１磁束発生部及び前記第２磁束発生部に固定された一面（４１ａ）を有する第１板部（４１）として構成されている請求項１または２に記載の位置センサ。
6. 前記第１板部は、前記第１磁束発生部側と前記第２磁束発生部側とに分割されている請求項３ないし５のいずれか１つに記載の位置センサ。
7. 前記ヨークは、
   前記第１磁束発生部と前記支持基板の前記表面とに挟まれた、もしくは前記支持基板の前記裏面と前記第１磁気素子とに挟まれた第１支持部（４４）と、
   前記第２磁束発生部と前記支持基板の前記表面とに挟まれた、もしくは前記支持基板の前記裏面と前記第２磁気素子とに挟まれた第２支持部（４５）と、
   を有している請求項１ないし６のいずれか１つに記載の位置センサ。
8. 前記第１磁束発生部及び前記第２磁束発生部は、離間して配置されている請求項１ないし７のいずれか１つに記載の位置センサ。

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