JP6824483B1

JP6824483B1 - 磁気式リニア位置検出器

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Publication number: JP6824483B1
Application number: JP2020544551A
Authority: JP
Inventors: 武史武舎; 芳直立井; 久範鳥居; 慎東野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2040-03-10
Also published as: CN115210536A; JPWO2021181535A1; US11933640B2; US20230033559A1; WO2021181535A1; DE112020006388T5

Abstract

磁気式リニア位置検出器（２０）は、固定子（１）と、固定子（１）に対して第１の方向に沿って移動可能とされた可動子（２）と、を備える。固定子（１）および可動子（２）のいずれか一方は磁気検出素子（３）を有し、固定子（１）および可動子（２）の他方は磁石（４）を有する。磁石（４）のうち磁気検出素子（３）と対向する第１の面は、第１の方向に沿ってＮ極とＳ極の磁極が交互に設けられている。磁石（４）は、第１の領域（１１）と、第１の方向に沿った第１の領域（１１）の両側に設けられた第２の領域（１２）とを有する。第１の領域（１１）では、第１の面に垂直な第２の方向に沿った長さが一定である。第２の領域（１２）では、第２の方向に沿った長さが第１の領域（１１）とは異なっている。

Description

本開示は、直線的に移動する可動子の位置を検出可能な磁気式リニア位置検出器に関する。

直線的に移動する可動子の位置を検出可能な磁気式リニア位置検出器が知られている。磁気式リニア位置検出器では、可動子および固定子のいずれか一方に磁気検出素子が設けられ、他方に磁石が設けられる。磁石では、固定子の移動方向に沿ってＳ極とＮ極が交互に並べて設けられている。磁気検出素子は、磁石から受ける磁界の変化を電圧等の電気信号に変換する素子である。

Ｓ極とＮ極が交互に並べられた磁石では、端部の磁極部分から発生する磁束分布と、端部以外の磁極部分から発生する磁束分布とが異なる。例えば、端部の磁極部分のＮ極から発せられる磁力線の一部は、一方側に他の磁極部分がないため、端部の磁極部分の裏面であるＳ極に向かう。一方、端部以外の磁極部分のＮ極から発せられる磁力線は、隣接する磁極部分のＳ極に向かう。この違いが、磁束分布の違いを生じさせる。

端部の磁極部分と端部以外の磁極部分で磁束分布が異なるため、端部の磁極部分で磁気検出素子が受ける磁界と、端部以外の磁極部分で磁気検出素子が受ける磁界とがアンバランスになり、端部付近での位置検出の精度が低下する場合があり、端部付近での位置検出結果に補正を行う必要がある。

特許文献１には、磁石の端部で磁極部分の幅を狭くして、磁束分布の均一化を図った構成が開示されている。

特開２０１１−１０１５５２号公報

磁気式リニア位置検出器の設計自由度の向上の観点からは、磁石の端部で磁極部分の幅を狭くした構成以外にも、磁束分布の均一化を図ることができる他の構成があることが望ましい。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、磁石の端部と端部以外とで磁束分布の均一化を図ることができる磁気式リニア位置検出器を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示は、固定子と、固定子に対して第１の方向に沿って移動可能とされた可動子と、を備える。固定子および可動子のいずれか一方は磁気検出素子を有し、固定子および可動子の他方は磁石を有する。磁石のうち磁気検出素子と対向する第１の面は、第１の方向に沿ってＮ極とＳ極の磁極が交互に設けられている。磁石は、第１の領域と、第１の方向に沿った第１の領域の両側に設けられた第２の領域とを有する。第１の領域では、第１の面に垂直な第２の方向に沿った長さが一定である。第２の領域では、第２の方向に沿った長さが第１の領域とは異なっている。

本開示にかかる磁気式リニア位置検出器は、磁石の端部と端部以外とで磁束分布の均一化を図ることができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる磁気式リニア位置検出器の概略構成を示す斜視図実施の形態１にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図比較例にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図比較例にかかる磁気式リニア位置検出器の磁気検出素子が感知する磁界強度を示す図実施の形態１にかかる磁気式リニア位置検出器の磁気検出素子が感知する磁界強度を示す図実施の形態１の変形例１にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図実施の形態１の変形例２にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図実施の形態１の変形例３にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図実施の形態１の変形例４にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図実施の形態１の変形例５にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図

以下に、本開示の実施の形態にかかる磁気式リニア位置検出器を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの開示が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる磁気式リニア位置検出器の概略構成を示す斜視図である。磁気式リニア位置検出器２０は、固定子１と可動子２とを備える。可動子２は、固定子１に対して図１に示すＸ軸に沿った方向に直線的に移動可能とされている。なお、Ｘ軸に沿った方向は第１の方向である。

固定子１には、磁気検出素子３が取り付けられている。可動子２には、磁石４が設けられている。磁気検出素子３は、磁石４から受ける磁界の変化を電圧等の電気信号に変換する素子である。磁気検出素子３には、例えばホール素子、ホールＩＣなどがある。

磁気式リニア位置検出器２０では、磁石４のＸ軸に沿った方向への移動に伴って磁気検出素子３が受ける磁界が変化する。この変位量を磁気検出素子３で電気信号の出力変化に変換し、不図示の演算部にて磁石４と磁気検出素子３との相対位置が算出される。

このとき、一般的には磁気検出素子３は位相が９０°異なる２つ以上の素子からなり、各々の素子から出力される正弦波および余弦波をＴａｎ^−１演算することで磁石４と磁気検出素子３との相対位置が算出される。

磁石４は、磁気検出素子３と対向する第１の面４ａを有する。なお、第１の面４ａと垂直なＹ軸を規定する。Ｙ軸に沿った方向は、第２の方向である。また、Ｘ軸およびＹ軸に垂直なＺ軸を規定する。また、以下の説明において、Ｘ軸に沿った方向を幅方向といい、Ｙ軸に沿った方向を厚さ方向という。

図２は、実施の形態１にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図である。磁石４の第１の面４ａは、幅方向に沿ってＮ極とＳ極の磁極が交互に設けられている。図２において磁石４に重ねて示した矢印６は、磁石の着磁後の内部磁化の方向を示す。矢印６の先端がＮ極を示す。したがって、図２の紙面において最も左側の端部における第１の面４ａの磁極はＮ極である。また、図２の紙面において最も右側の端部における第１の面４ａの磁極はＳ極である。また、図２において矢印５は磁石４から発せられる磁力線を示している。

磁石４は、第１の領域１１と、幅方向に沿った第１の領域１１の両側に設けられた第２の領域１２とを有する。第１の領域１１には、複数の磁極が含まれている。また、１つの第２の領域１２には、複数の磁極が含まれている。磁石４の第１の面４ａは平坦面である。一方、第１の面４ａの裏面である第２の面４ｂであって第２の領域１２に含まれる部分は、階段状の段差が設けられている。

第２の領域１２では、第１の領域１１側の磁極部分から幅方向に沿った端部の磁極部分に向けて厚さ方向に沿った長さが、磁極ごとに段階的に短くなっている。これにより、上述したように、磁石４の第２の面４ｂであって第２の領域１２に含まれる部分に階段状の段差が設けられる。

これは、第２の領域１２では磁石４の厚さ方向に沿った長さが、第１の領域１１の厚さ方向に沿った長さよりも短いとも換言できる。図１および図２に示した例では、１つの第２の領域１２に２つの磁極が含まれている。例えば、第１の領域１１での厚さ方向の長さをｔとした場合に、最も端部の磁極の厚さ方向の長さを０．５ｔとし、その隣の磁極の厚さ方向の長さを０．７５ｔとする。なお、１つの第２の領域１２には、１つの磁極が含まれていてもよいし、３つ以上の磁極が含まれていてもよい。

図３は、比較例にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図である。図３では、磁石４に重ならない矢印５で磁力線を示している。図４は、比較例にかかる磁気式リニア位置検出器の磁気検出素子が感知する磁界強度を示す図である。図４では、横軸が磁石４０の変位量を示し、縦軸が磁気検出素子３の感知方向であるＹ軸に沿った方向の磁界強度を示す。

比較例における磁石４０は、全領域で厚さ方向の長さが一定である。幅方向に沿った磁石４０の端部以外の磁極には、両隣に他の磁極があるため、端部以外のＮ極から発せられた磁力線は隣のＳ極の磁極に向かう。一方、端部の磁極の一方側には、隣接する磁極がないため、Ｎ極から発せられた磁力線は空気中を通って裏側のＳ極に向かって流れる。

このことにより、比較例における磁石４０では、図３および図４に示すように、両端部で磁力線のループが大きくなり、磁界強度が高くなる。そのため、磁気検出素子３で正弦波および余弦波をＴａｎ^−１演算すると、正弦波および余弦波の振幅のアンバランスに起因して、磁石４０と磁気検出素子３との相対位置の検出結果に誤差が生じる。

図２に戻って、本実施の形態１における磁石４では、第１の領域１１の両側に設けた第２の領域１２で、磁極の厚さ方向に沿った長さが短くなっているので、磁石４の端部でのＹ軸に沿った方向の磁界強度が抑制される。

図５は、実施の形態１にかかる磁気式リニア位置検出器の磁気検出素子が感知する磁界強度を示す図である。図５では、横軸が磁石４の変位量を示し、縦軸が磁気検出素子３の感知方向であるＹ軸に沿った方向の磁界強度を示す。図５に示した磁界強度からも、磁石４の端部でのＹ軸に沿った方向の磁界強度が抑制されていることが分かる。これにより、実施の形態１にかかる磁気式リニア位置検出器２０では、磁石４の幅方向における全域で磁束分布が均一化されるため、位置検出精度の向上を図ることが可能となる。

なお、磁石４の端部において厚さ方向に沿った長さが短くなることで、磁界強度が抑制される要因は以下の２点による。１点目は、単純に磁石４の端部で磁石体積が減ることによる磁力の低下である。また、２点目は、端部でＮ極からＳ極に向かう磁力線のループの大きさが小さくなることによる磁力の低下である。これは、磁石４の第１の面４ａと磁気検出素子３との距離が離れるほど、磁力の低下幅が大きくなる。すなわち、２点目の要因によれば、磁石４の第１の面４ａと磁気検出素子３との距離に応じて、第２の領域１２における磁石４の厚さ方向に沿った長さの最適値が決まる。

なお、磁石４の幅方向に沿った一方の端部と他方の端部とでは極を異ならせている。具体的には、図２の紙面左方の端部では、第１の面４ａの極がＮ極となっており、右方の端部では、第１の面４ａの極がＳ極となっている。このようにすることで、磁石４全体でＮ極とＳ極を同数にすることができる。これにより、極数が異なることによるオフセットを無くして、より精度の高い相対位置の検出が可能となる。

図６は、実施の形態１の変形例１にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図である。変形例１における磁石４では、第２の領域１２において、第１の領域１１から幅方向に離れるほど、磁極の幅方向の長さが短くなっている。

比較例として示した構成では、図３で示したように、磁石４０の端部で磁力線のループが大きくなっている。このことにより、図４で示したように、磁石４０の両端部で磁界強度が高くなるとともに、波形の横軸方向の幅が広がっている。

図５に示したように、第２の領域１２において磁石４の厚さ方向の長さを短くすることで、磁石４の両端部での磁界強度を抑えるとともに、波形の横軸方向の幅も狭くなってはいる。しかしながら、第１の領域１１が設けられた中央部分の波形と同等の幅までは狭くなっていない。

磁石４の厚さ方向の長さだけを磁力制御のパラメータにして、中央部と端部とで磁力を揃えようとした場合には、磁界強度を揃えようとすると波形の幅が端部で広くなり、波形の幅を揃えようとすると磁界強度が中央部よりも低くなってしまう。したがって、磁石４の厚さ方向の長さだけを磁力制御のパラメータとした場合には、磁界強度と波形の幅の両方を揃えることが難しい。

本変形例１では、磁石４の厚さ方向の長さに加えて、幅方向の長さもパラメータとしている。そして、端部側となる第２の領域１２で、第１の領域１１よりも磁極の幅方向の長さを短くすることで、波形の幅を狭くして、磁石４の中央部と端部とで磁界強度と波形の幅とを揃えている。

磁石４の中央部と端部とで磁界強度と波形の幅とが揃うことで、磁束密度のより一層の均一化を図り、位置検出の精度のより一層の向上を図ることができる。なお、第２の領域１２に含まれるすべての磁極で幅方向の長さを短くする必要はなく、幅方向に沿った最も端部の磁極のみで幅方向の長さを短くしてもよい。

図７は、実施の形態１の変形例２にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図である。変形例２における磁石４では、第２の領域１２が、第１の領域１１側の磁極部分から離れるにしたがって、厚さ方向に沿った長さが滑らかに短くなるテーパ状部分となっている。

変形例２における磁石４では、第２の領域１２で厚さ方向に沿った長さを滑らかに短くすることで、端部と中央部での磁界強度を揃えて、位置検出の精度の向上を図っている。また、磁力線は、磁石４からの発せられる部分または磁石４に入り込む部分で、磁石４の表面に対して垂直となる。そのため、テーパ部の傾斜角度によって、磁力線のループの形状等を制御することが可能となる。

したがって、本変形例２では、磁石４の厚さ方向の長さに加えて、表面の傾斜角度も磁力制御のパラメータとすることができる。これにより、磁石４の中央部と端部とで磁界強度と波形の幅とを揃えて、位置検出の精度のより一層の向上を図ることができる。

なお、変形例１と同様に、第２の領域１２において磁極の幅方向の長さを短くして、位置検出の精度のより一層の向上を図ってもよい。

図８は、実施の形態１の変形例３にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図である。変形例３における磁石４では、第２の面４ｂが平坦面となっている。また、第１の面４ａに階段状の段差を設けることで、第２の領域１２における厚さ方向に沿った長さを、第１の領域１１における厚さ方向に沿った長さよりも短くしている。

このように構成することで、中央部と端部とで磁界強度を揃えて、位置検出の精度の向上を図ることができる。また、着磁ヨークを用いて第１の面４ａを一括して着磁する場合、第２の領域１２の第１の面４ａは、第１の領域１１の第１の面４ａよりも着磁ヨークから離れる。

そのため、第１の領域１１と第２の領域１２とで着磁率が異なる。より具体的には、第２の領域１２において第１の領域１１よりも着磁率が小さくなる。したがって、本変形例３では、第１の面４ａに段差を設けることで、磁極の厚さ方向に沿った長さに加えて、着磁率を磁力制御のパラメータとすることができる。これにより、磁石４の中央部と端部とで磁界強度と波形の幅とを揃えて、位置検出の精度のより一層の向上を図ることができる。

図９は、実施の形態１の変形例４にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図である。変形例４における磁石４では、幅方向の最も端部に設けられた磁極に第２の領域１２が設けられている。幅方向の最も端部に設けられた磁極は、第１の面４ａ側の角部が面取りされている。

端部での面取りによって、厚さ方向に沿った長さを短くして、磁界強度を抑えることができる。また、図７に示した変形例２と同様に、面取りされた部分の傾斜角度によって、磁力線のループの形状等を制御することが可能となる。したがって、本変形例４では、磁石４の厚さ方向の長さに加えて、面取りされた部分の傾斜角度も磁力制御のパラメータとすることができる。これにより、磁石４の中央部と端部とで磁界強度と波形の幅とを揃えて、位置検出の精度のより一層の向上を図ることができる。

図１０は、実施の形態１の変形例５にかかる磁気式リニア位置検出器をＺ軸に沿って見た図である。変形例５における磁石４では、第２の領域１２において、第１の領域１１から幅方向に離れるほど、磁極の幅方向の長さが短くなっている。

これにより、図５に示した磁界強度の波形の幅を狭めることができる。ただし、磁極の幅方向の長さを短くすることで、端部の磁界強度が中央部の磁界強度よりも小さくなってしまう場合がある。そこで、本変形例５では、第２の領域１２において、磁極を第２の面４ｂ側に突出させて、厚さ方向に沿った長さを第１の領域１１よりも長くしている。より具体的には、第２の領域１２では、第１の領域１１側の磁極部分から幅方向に沿った端部の磁極部分に向けて厚さ方向に沿った長さが、磁極ごとに段階的に長くなっている。これにより、磁石４の第２の面４ｂであって第２の領域１２に含まれる部分に階段状の段差が設けられる。

本変形例５にかかる磁石４によれば、第２の領域１２において、磁極の幅方向に沿った長さを短くしたために低下した磁界強度を、磁極の厚さ方向に沿った長さを長くすることで補強して、磁石４の中央部と端部とで磁界強度と波形の幅とを揃えて、位置検出の精度の向上を図ることができる。なお、第２の領域１２に含まれるすべての磁極で幅方向の長さを長くする必要はなく、幅方向に沿った最も端部の磁極のみで幅方向の長さを短くしてもよい。

なお、上記説明では、固定子に磁気検出素子が設けられ、可動子に磁石が設けられた磁気式リニア位置検出器を例に挙げて説明したが、固定子に磁石が設けられ、可動子に磁気検出素子が設けられていてもよい。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１固定子、２可動子、３磁気検出素子、４，４０磁石、４ａ第１の面、４ｂ第２の面、５，６矢印、１１第１の領域、１２第２の領域、２０磁気式リニア位置検出器。

Claims

固定子と、
前記固定子に対して第１の方向に沿って移動可能とされた可動子と、を備え、
前記固定子および前記可動子のいずれか一方は磁気検出素子を有し、
前記固定子および前記可動子の他方は磁石を有し、
前記磁石のうち前記磁気検出素子と対向する第１の面は、前記第１の方向に沿ってＮ極とＳ極の磁極が交互に設けられており、
前記磁石は、第１の領域と、前記第１の方向に沿った前記第１の領域の両側に設けられた第２の領域とを有し、
前記第１の領域では、前記第１の面に垂直な第２の方向に沿った長さが一定であり、
前記第２の領域では、前記第１の領域側の磁極部分から前記第１の方向に沿った端部の磁極部分に向けて前記第２の方向に沿った長さが、磁極ごとに段階的に短くなることを特徴とする磁気式リニア位置検出器。
前記磁石は、前記第１の方向に沿った端部の磁極部分の前記第１の方向に沿った長さが、他の磁極部分の前記第１の方向に沿った長さよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の磁気式リニア位置検出器。
固定子と、
前記固定子に対して第１の方向に沿って移動可能とされた可動子と、を備え、
前記固定子および前記可動子のいずれか一方は磁気検出素子を有し、
前記固定子および前記可動子の他方は磁石を有し、
前記磁石のうち前記磁気検出素子と対向する第１の面は、前記第１の方向に沿ってＮ極とＳ極の磁極が交互に設けられており、
前記磁石は、第１の領域と、前記第１の方向に沿った前記第１の領域の両側に設けられた第２の領域とを有し、
前記第１の領域では、前記第１の面に垂直な第２の方向に沿った長さが一定であり、
前記第２の領域では、前記第１の領域から前記第１の方向に離れるほど前記第２の方向に沿った長さが前記第１の領域よりも長くなることを特徴とする磁気式リニア位置検出器。
前記第２の領域では、前記第１の領域側の磁極部分から前記第１の方向に沿った端部の磁極部分に向けて前記第２の方向に沿った長さが、磁極ごとに段階的に長くなることを特徴とする請求項３に記載の磁気式リニア位置検出器。
前記磁石は、前記第１の方向に沿った端部の磁極部分の前記第１の方向に沿った長さが、他の磁極部分の前記第１の方向に沿った長さよりも短いことを特徴とする請求項３または４に記載の磁気式リニア位置検出器。
固定子と、
前記固定子に対して第１の方向に沿って移動可能とされた可動子と、を備え、
前記固定子および前記可動子のいずれか一方は磁気検出素子を有し、
前記固定子および前記可動子の他方は磁石を有し、
前記磁石のうち前記磁気検出素子と対向する第１の面は、前記第１の方向に沿ってＮ極とＳ極の磁極が交互に設けられており、
前記磁石は、第１の領域と、前記第１の方向に沿った前記第１の領域の両側に設けられた第２の領域とを有し、
前記第１の領域では、前記第１の面に垂直な第２の方向に沿った長さが一定であり、
前記第２の領域では、前記第１の領域から前記第１の方向に離れるほど、磁極の前記第１の方向の長さが短くなり、
前記第２の領域では、前記第２の方向に沿った長さが前記第１の領域よりも長いことを特徴とする磁気式リニア位置検出器。
前記磁石は、前記第１の面が平坦面であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の磁気式リニア位置検出器。
前記磁石は、前記第１の面の裏面である第２の面が平坦面であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気式リニア位置検出器。
前記磁石は、一方の端部の磁極部分と、他方の端部の磁極部分とで、磁極が異なることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の磁気式リニア位置検出器。