JPH07101163B2 - 磁束制限器及び磁気分散手段を備えるホール効果位置センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、動作、縁端、周波数及
び速度センサ、又は計数装置のような能動的な位置セン
サに関する。特に、本発明は、ホール効果装置を内蔵
し、歯又は切欠きがセンサ装置を通るとき、金属部材に
歯車の歯又は切欠きが存在するか、又は存在しないかを
検出する歯車の歯センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】歯車の歯センサに対する従来の手段に
は、磁気抵抗型装置、近接スイッチ及びその他の同様の
装置が含まれる。極く最近、金属歯車の歯、又は切欠き
を検出したときに便宜な論理信号出力を発生するホール
効果装置を内蔵する、位置センサが開発されている。基
本的に、ホール効果装置を磁界中に配置し、その装置を
通って流れる電流に直角に方向決めしたとき、そのホー
ル装置に対して直角に磁束構成要素の強さに正比較する
電圧出力が発生される。典型的に、このホール効果装置
の信号は、トランジスタに供給され、このホール効果装
置からの電圧を使用して、トランジスタのオン・オフを
行い、論理信号を発生させる。

【０００３】ホール効果装置を内蔵する多くの位置セン
サが開発されている。従来の装置の殆どは、温度の変
化、及び一般に空隙として公知の歯車の歯とセンサとの
間の距離の感知可能な変化の影響を受け易い。かかる装
置の１つは、カール（Carr）等への米国特許第4,745,36
3号に記載されている。このカール等の特許に開示され
た装置は、温度及び空隙に対する望ましい許容公差を備
える検知装置を提供するため、離間したオフセット磁束
集中装置を備えている。

【０００４】ボイヤー（Boyer）への米国特許第4,293,8
14号及びボディジアック（Bodziak）への米国特許第4,5
24,932号は、共に、ホール効果センサを備える近接又は
位置検出装置を開示している。ボディジアックの特許
は、球状磁石の北極面に配置されたホール効果センサを
開示している。このボディジアックの磁石／ホール効果
センサ組立体は、鉄道車両のレールの下方に配置され、
鉄道車両の金属車輪がその装置付近を通過するときに、
その金属車輪を検出する。このボディジアックの装置
は、鉄道の車輪の検出に応答して、二乗波出力、又はパ
ルス信号を発生させる。

【０００５】ボイヤーの装置は、ボディジアックの装置
と略同様の方法で機能する。しかし、ボディジアック及
びボイヤーの特許は、共に、センサ組立体の磁石とホー
ル効果装置との間に極片を介在させることを開示してい
ない。ボイヤーの特許における回路は、ホール効果セン
サと共に使用される自動調節閾値電圧を提供することを
目的とする。このボイヤーの特許に示された回路の出力
は、ホール効果装置に対するトーン車輪の位置を示す二
乗波信号を発生させる。

【０００６】エベリィ（Avery）への米国特許第4,518,9
18号には、２つのホール効果センサが開示されており、
その２つのホール効果装置は磁石の１つの極に取り付け
られ、一方のホール効果装置が歯車の谷底又は切欠きを
検出すると同時に、その他方のホール効果装置は、歯車
の突起、即ち、歯或はトーン車輪を検出するように位置
決めされる。これらセンサの出力は、差動増幅器回路に
送られ、トーン車輪の回転速度に対応するパルス列信号
を発生させる。

【０００７】動いている磁気変路手段、又は歯車の歯に
応答して作動されるホール効果装置を内蔵する位置セン
サ位置を開示するその他の特許には、ロプス（Rops）へ
の米国特許第4,853,629号、キーズ（Kiess）等への米国
特許第4,406,272号、及びオノデラ（Onodera）等への米
国特許第4,725,776号がある。ホーラー（Hauler）等へ
の米国特許第4,481,469号には、ホール効果装置を使用
して、歯車の歯を検出する別の手段が開示されている。
このホーラー等への特許のセンサのホール効果装置は、
回転するトーン車輪に起因する半径方向への磁界の変化
ではなく、接線方向の磁界を検出するし得るように位置
決めされている。ホール効果装置を内蔵する近接、又は
位置センサのその他の例は、バーリング（Buring）等へ
の米国特許第3,195,941号及びヒグズ（Higgs）等への米
国特許第4,859,941号に開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】機能の安定性及び製造
が容易であることが位置センサの設計の主たる目的であ
る。プラスチックに収容した三方包装内に包装した各種
のホール効果装置が市販されている。これら在庫品があ
り直ぐ手に入る装置は、典型的に、温度に関して機能特
性が著しく変動する。更に、歯の幅、高さ及び空隙の幅
が広い範囲で変動するといった広範囲に亙る条件に応じ
てホール効果装置を適正に機能させるため、対応する磁
気強度の磁石は、十分に磁束を変化し得ないから、ホー
ル効果装置の磁束スイッチ点は、常に位置センサへの使
用に適しているとは限らない。これらを考慮にして、ホ
ール効果装置に衝突する磁束を制限し且つ制御する構造
体を備え、トーン車輪の歯の通過に応答して最大の磁束
差を生じ得るように磁束を分散させ、これにより、セン
サの感度を向上させる磁束分散手段を備える新規な位置
センサ設計が課題とされている。

【０００９】本発明の一つの目的は、改良されたホール
効果位置センサを提供することである。

【００１０】本発明の別の目的は、在庫品があり直ぐ手
に入る温度感知型ホール効果装置を位置センサに具体化
し得るように、磁束制限手段及び磁気分散手段を備える
ホール効果位置センサを提供することである。

【００１１】本発明の更に別の目的は、トーン車輪の位
置に対する感度に優れ、温度、空隙、工具の高さ、切欠
きの高さ及び歯又は切欠きの幅のような機能特性がより
広い範囲に亙って変化するのを許容するホール効果位置
センサを提供することである。

【００１２】本発明の上記及びその他の目的は、好適な
実施例に関する以下の説明から一層明らかになるであろ
う。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの特徴によ
る位置センサは、ホール効果ＩＣと、温度的に安定的な
磁石と、第１及び第２の対向端を有し且つ極片の両端に
おける該極片の断面積に比べて、極片の中央領域の面積
の方が小さい極片と、を備え、該ホール効果ＩＣが該極
片の第１の端部に取り付けられ、磁石が該極片の第２の
端部に取り付けられる。

【００１４】本発明の別の特徴による位置センサは、ホ
ール効果ＩＣと、磁化可能な金属極片であって、該極片
を通過する磁束を制限する手段を有する極片と、磁気継
手部材と、磁束のを分散手段と、を備えており、ホール
効果ＩＣが磁束分散手段に取り付けられる一方、永久磁
石が極片の磁気継手部材に取り付けられ、磁石の一方の
極が該極片に取り付けられるようにする。

【００１５】本発明の別の特徴による位置センサは、ホ
ール効果装置と、中空の円筒状磁石と、該磁石よりも長
い軸方向長さの中空の円筒状非磁化鉄心であって、磁石
内に位置決めされ且つ該磁石に取り付けられた鉄心と、
該鉄心及び磁石に取り付けられた環状極片と、該鉄心を
受け入れる第１の皿穴を有する円筒状極片と、を備え、
該皿穴が極片の第１の軸方向端部内に伸長し、又、円筒
状極片が、該極片の第２の軸方向端部内に伸長し且つ皿
穴に連通する第２の軸方向穴を有し、極片が該鉄心上に
位置決めされ且つ磁石に当接し、磁束の一部を環状極片
から円筒状極片に磁気的に変路する磁束戻り手段であっ
て、鉄心の中空部分内に配置され且つ該中空部分内に取
り付けられた磁束戻り手段を備え、上記ホール効果ＩＣ
が第２の穴の上で上記円筒状極片に取り付けられる。

【００１６】本発明の別の特徴によるホール効果位置セ
ンサは、ホール効果装置と、第１の極片の中央部分から
突出する磁束戻り手段を有する円盤状極片と、その中央
に形成した穴を有する環状極片と、長さが等しく且つ磁
束戻り手段がその間に略位置決めされるように円盤状極
片と環状極片との間に取り付けられる第１及び第２の磁
石と、を備え、ホール効果装置が環状極片に取り付けら
れ且つ上記穴に隣接して配置される。

【００１７】本発明の別の特徴による位置センサは、ホ
ール効果装置と、狭小な中央断面を有する極片と、該中
央断面よりも大きい寸法の断面積を有する第１及び第２
の端部と、を備え、該ホール効果装置が該第１の端部に
取り付けられ、極片の第２の端部に取り付けられた温度
変化の補正手段と、該温度変化の補正手段を囲繞する磁
石と、を備え、上記補正手段及び磁石が同心状である。

【００１８】本発明の更に別の特徴による位置センサ
は、ホール効果装置と、第１の基部及び第２の基部を有
する中空の円筒状磁石と、磁石の軸方向長さに略等しい
軸方向長さを有する中空の円筒状非磁化鉄心であって、
磁石内に同心状に位置決めされた鉄心と、第１の基部に
取り付けられた第１の環状極片と、第２の基部に取り付
けられた第２の環状極片と、磁束の一部を第１の環状極
片から第２の環状極片に磁気的に変路する磁束戻り手段
であって、第１の極片を通じて挿入され且つ鉄心の中空
部分内に取り付けられた磁束戻り手段と、を備え、ホー
ル効果装置が第２の極片の中央に取り付けられる。

【００１９】本発明の別の特徴による位置センサは、ホ
ール効果装置と、第１の基部及び第２の基部を有する中
空の円筒状磁石と、該第１の基部に取り付けられた第１
の環状極片と、第２の基部に取り付けられた第２の環状
極片であって、その内部にホール効果装置を受け入れる
寸法のスロットを有する第２の環状極片と、磁束の一部
を第１の環状極片から第２の環状極片に磁気的に変路す
る磁束戻り手段であって、上記第１の極片を通じて挿入
され且つ磁石の中空部分内に配置された磁石戻り手段
と、を備え、ホール効果ＩＣが第２の極片のスロット内
に取り付けられる。

【００２０】

【実施例】本発明の原理を一層良く理解し得るようにす
る目的のため、以下、添付図面に図示した実施例に関
し、特定の用語を使用して説明する。しかし、以下の説
明は本発明の範囲を何等、限定することを意図するもの
ではなく、本発明の属する技術分野の当業者には、記載
した装置の変形例及び応用例、更に本発明の原理の更な
る適用例が明らかであろう。

【００２１】先ず、図１を参照すると、本発明によるホ
ール効果位置センサ１０の側面図が図示されている。該
センサ１０は、極片１２と、磁石１４と、ホール効果装
置１６と、回路板１８と、を備えている。極片１２の大
きく成した接続端部１２ｃは、極片１２と磁石１４との
間の磁束連結を最大にすることを目的とする。磁石１４
からの磁束は、極片１２のテーパー付き部分１２ｄ及び
ネック部分１２ａを通って極片の他端の分散フランジ板
１２ｂに達する。同様の磁束線は相互に反発し合うた
め、フランジ板１２ｂにおける磁束線は、該フランジ板
１２ｂの面を横断して分散され、「非負荷」状態にて、
フランジ板の中心部が最小磁束密度領域となり、該フラ
ンジ板の外端が最大磁束密度領域となる。「非負荷」と
いう用語は、トーン車輪、又は歯車がセンサ１０に近く
ないことを意味する。フランジ板１２ｂの端面図である
図３を参照のこと。歯車２４の歯車歯２５ｂがホール効
果装置１６の近くを通るとき、該ホール効果装置は、磁
束が増大し、歯２５がホール効果装置１６の近くにある
結果、磁束が増大することを示す出力信号を発生させ
る。

【００２２】線２２は、はんだ端子部分１９ａ及び回路
板のランナー１９を介してホール効果装置１６の導線１
７に接続される。該線２２は、典型的に、ホール効果装
置１６により発生される駆動、接地及び出力信号（典型
的に論理０、又は論理１）という３つの信号を伝達す
る。

【００２３】適当なホール効果装置は、スプラジェ・イ
ンコーポレーテッド（Sprague Inc.）から市販されてい
るホール効果装置１６のようなものである。磁石１４
は、アルニコ（Alnico）磁石、又はスマリア・コバル
ト、又は同様の希土類金属材料から成る希土類金属磁石
である。極片１２は、常温圧延鋼、又はその他の磁化可
能な金属から成り、又、粉末金属技術を使用して形成す
ることも出来る。回路板１８は、ガラス繊維材料であ
り、図２に図示するように銅ランナー１９を備えてい
る。該銅ランナー１９は、ホール効果装置１６の導線と
線２２との便宜な接続を許容する。図２に図示した切欠
き２０は、線２２に対する便宜な外装箇所を提供する。
同様に、図３及び図４に図示するように、フランジ板１
２ｂの切欠き１２ｅは、線２２の便宜な配置を可能にす
る。

【００２４】歯車歯の最小幅Ａ、歯車歯の最小高さＢ、
及び位置センサ１０の作用空隙Ｃは次の通りである。即
ち、Ａ＝1.27ｍｍ（0.050インチ）、Ｂ＝1.6256ｍｍ
（0.064インチ）、Ｃ＝0.0254ｍｍ乃至1.524ｍｍ（0.00
1乃至0.060インチ）である。

【００２５】センサ１０の設計は、フランジ付き磁束拡
散極片１２に重点が置かれ、これにより、低コストのホ
ール効果集積回路装置、即ちＩＣの使用を許容し、150
乃至375ガウス、及び90ガウス以下のヒステリシスの領
域内で作用又はスイッチ箇所を温度的に安定した高磁束
密度の磁石に相互接続することを可能にする。磁石１４
の磁束密度は、適正に設計した磁束分散極片１２を使用
する場合、3,000ガウス以上にすることが出来る。極片
１２は、温度的に安定的な希土類金属、及びアルニコ８
磁石を低磁束密度で機能するように設計した低コストの
大量生産によるホール効果ＩＣと共に使用することを許
容する。極片のネック部１２ａ、又は磁束制限手段は、
フランジ板１２ｂの外面、又はその面を横断して磁石に
より発生される磁束密度よりも小さい所望の任意の磁束
密度を形成し得るよう寸法決めすることが出来る。当該
技術分野で周知であるように、磁気材料の特定の断面内
に存在する磁束が飽和点に達したならば、その磁石材料
は、それ以上の磁束を伝達し、又は透過することは出来
ない。このため、ネック部１２ａは、フランジ板１２ｂ
に供給される磁束の量を制限する磁束制限手段として機
能する。

【００２６】板部分１２ｂの断面積は、ネック部１２ａ
の断面積の約4.5倍である。この4.5倍の面積比は、セン
サ１０が適正に機能するための最小の面積比として推奨
される。

【００２７】センサ１０の典型的な寸法は、次の通りで
ある。即ち、磁石径9.525ｍｍ（0.375インチ）、極片の
ネック部１２ａの径2.54ｍｍ（0.10インチ）、極片の径
１２ｂ13.97ｍｍ（0.550インチ）、極片の径１２ｃ9.52
5ｍｍ（0.375インチ）及びネック部１２ａの長さ11.43
ｍｍ（0.45インチ）である。

【００２８】次に、図５及び図５Ａを参照すると、本発
明によるホール効果位置センサ３０の別の実施例が図示
されている。位置センサ３０は、ホール効果装置１６
と、スプール状極片３２と、円筒状希土類金属、又はア
ルニコ８磁石３４と、円筒状ねじ付きアルミニウムイン
サート３６と、円盤状極片３８と、ねじ４０と、を備え
ている。円盤状極片３８及びねじ４０は、常温圧延鋼の
ような磁化可能な材料から成る。ホール効果装置１６
は、スプール状極片３２の半閉塞端３２ａ上に取り付け
られ、穴３２ｂ上に中心が置かれる。スプール状極片３
２は、円筒状磁石３４に当接され、円筒状磁石に磁気的
に結合される。スプール状極片３２と円筒状磁石３４
は、接着剤、又はその他の適当な接続手段により結合さ
れる。雌ねじ３６ａを備えるアルミニウムインサート３
６は、スプール状極片３２及び磁石３４により形成され
る円筒状穴内に挿入される。鋼製座金極片３８がセンサ
３０の後端に取り付けられる。鋼製機械ねじ４０が、ね
じ付きアルミニウムインサート３６内において調整され
る。ねじ４０は、センサ３０、及びスプール状極片３
２、鋼製座金極片３８、ねじ４０及び磁石３４から形成
される磁気回路の磁気効率を制御し、又は制限する調節
可能な磁束戻りガイドとして機能する。ホール効果装置
１６と磁束戻りねじ４０との間の空隙が、特定の用途に
選択された標的装置、又はトーン車輪に対して適正なセ
ンサ機能を果たし得るように、調整される。このため、
ねじ４０は、磁束制限手段として機能する。歯車、又は
トーン車輪４２は、切欠き４３を備えており、寸法Ａ
は、５ｍｍ（０．２０インチ）以上とし、寸法Ｂは、
３．８ｍｍ（０．１５０インチ）以上、及び空隙Ｃは、
０．０２５４ｍｍ乃至１．５２４ｍｍ（０．００１イン
チ乃至０．０６０インチ）の範囲とされる。

【００２９】磁気継手部材３２ｄの断面積は、極片３２
の磁束制限部材３２ｃの断面積よりも大きい。極片３２
の表面積３２ａは、極片３２の断面積３２ｃよりも少な
くとも4.5倍以上の大きさにすることが最適である。

【００３０】当該技術分野で周知であるように、空気の
透過性（ｍ_o）は、センサ３０が機能するときの最適な
磁束制限手段として機能し、このため、ユーザは、ねじ
４０を調節することにより、極片３２の面３２ａに表れ
る所望のガウス磁界強度を「ダイヤル式に調節」するこ
とが出来る。ねじ４０を適正に調節したならば、ホール
効果装置１６は、従来技術の磁石／極片の組み合わせに
より実現可能なガウス磁束範囲よりも広い範囲に露呈さ
れ、これにより、センサ３０の感度を向上させ、該セン
サ３０の使用可能な空隙パラメータの範囲を拡大する。
アルミニウムインサート３６は、磁気フリンジ（fringi
ng）を最小に維持し、磁石３４内で磁束戻りガイド４０
を中心決めする働きをする。

【００３１】典型的な適用例において、線、又はその他
の電気的接続手段は、装置１０の導線に取り付けられ、
ホール効果装置の出力信号を監視可能な回路にホール効
果装置１６により発生された信号を接続する。図示した
センサ３０は、調節可能な磁束戻りガイド４０を備えて
いるが、該ガイド４０は又、アルミニウムインサート３
６の内側通路３６ａに圧力嵌めされた非ねじ式インサー
トとしてもよい。

【００３２】次に、図６を参照すると、本発明による位
置センサ５０の別の実施例が図示されている。位置セン
サ５０は、図１の位置センサ１０と略同一の構成要素を
備えているが、スペースの節約のため、磁石５２は、極
片５４に対し異なる方法で取り付け且つ方向決めされて
いる。位置センサ５０の構成要素は、ホール効果装置１
６と、フランジ板５４ｂと、極片５４及び磁石５２を備
えるネック片５４ａと、である。線２２がホール効果装
置１６の導線に相互に接続され、信号監視回路の適当な
駆動、接地及び信号監視端子にホール効果装置を接続す
ることを可能にする。

【００３３】次に、図７及び図７ａを参照すると、本発
明による位置センサ６０の別の実施例が図示されてい
る。この実施例において、矩形の形状の磁石６４からの
磁界は、鋼フランジ板６６の表面積に亙って分散され
る。円筒状磁石（図５の磁石３４と同様)は、センサ６
０の磁石６４の適当な代替品として機能することが出来
る。該磁気回路は、鋼製底部フランジ板６２及び鋼製機
械ねじ６８を使用して完成される。鋼製機械ねじ６８
は、後部フランジ板６２の円筒状部材６２ａ内で調節
し、ホール効果装置１６と機械ねじ６８との間の全体と
して寸法Ｄで示した空隙を変化させることが出来る。ホ
ール装置１６の領域内における測定磁界の強さの変化
は、フランジ板６６の表面積、及びフランジ板６６と後
部フランジ板６２との間の距離Ｅにより制御される。希
土類磁石６４は、円形、方形又は矩形の断面とし、寸法
Ｅに対応する長さ又は高さとすることが出来る。しか
し、磁石の断面積は、可能な限り小さくすべきことに注
意する必要がある。穴６６ａが適当な寸法である、正確
に設計したフランジ板−磁石−穴の組み合わせは、非負
荷回路状態と負荷回路状態との間で５対１以上の磁束の
強さの変化を実現する。負荷状態とは、トーン車輪の金
属部分がホール装置１６に隣接して配置される状態をい
い、開放又は非負荷回路状態とは、トーン車輪がホール
装置１６の近くに配置されない状態をいう。

【００３４】次に、図８を参照すると、２つの曲線Ａ、
Ｂは、空隙がホール装置１６と標的２４との間で0.0254
ｍｍ（0.001インチ）から3.556ｍｍ（0.140インチ）ま
で増大するときの、図１の負荷フランジ極片１２の中心
で測定した磁束密度を示す。曲線Ａは、低炭素鋼極片の
測定応答性を示す一方、曲線Ｂは、常温圧延鋼極片の測
定応答性を示す。センサの負荷及び非負荷磁束の強さ
は、センサ組立体１０に使用されるホール効果装置の作
用及び解放点の上下で生じるように設計する。このよう
に、ホール効果装置の作用点が350ガウス及び250ガウス
（それぞれ掛止及び解放時）の場合、図８の曲線に従
い、0.0254ｍｍ乃至約2.667ｍｍ（0.001インチ乃至約0.
105インチ）の作用空隙が適当となる。センサ３０、５
０、６０でも同様の結果が得られる。

【００３５】次に、図９を参照すると、図１のセンサ１
０の負荷及び非負荷状態の磁束密度の図が示してある。
曲線Ａは、鋼のような磁化可能な金属の標的材料がホー
ル効果装置１６に近接して配置される負荷状態に対応す
る。非負荷曲線Ｂは、付近に標的装置が存在しないとき
のフランジ板１２ｂの面を横断する磁束の分布を示す。
このように、図１のセンサ１０に対する負荷状態から非
負荷作用状態まで符号Ｃで示すようにフランジ板１２ｂ
の中心付近で300ガウスの差が生じることが分かる。セ
ンサ３０、５０、６０の場合も同様の負荷及び非負荷磁
束の相違が生じる。

【００３６】図５及び図７に示した装置は、調節可能な
磁束戻り手段を備えるが、かかる磁束戻り手段は、試験
スタンド又は試験装置内で調節することが出来、次に、
磁束戻り手段は、所定位置に係止、接着又は溶接するこ
とが出来、本発明に従いセンサ３０、６０に対し適当な
機能特性を付与することが出来る。大量生産のために
は、磁気回路の調節特性が公知で且つ予測可能な場合、
ここに開示した調節可能なねじに代えて、固定式の非調
節型磁束戻りガイドとすることも可能である。装置の寸
法の割合、磁石の磁束容量、磁気回路の構成要素の透磁
性及びホール効果装置の作用可能なスイッチ点に従っ
て、図示したセンサのその他の変形例が可能である。

【００３７】次に図１０を参照すると、本発明による位
置センサ７０の別の実施例が図示されている。センサ７
０は、ホール効果装置１６と同一のホール効果装置７６
と、図１の極片１２と同一の極片７２と、極片７２の磁
気継手部材７２ｃからある距離Ｇにてフェライトロッ
ド、又は鉄心７８に取り付けられた中空円筒状磁石７４
と、を備えている。該距離Ｇは、所望であれば、0.01イ
ンチと小さくし、又は磁石と極片との間の磁気結合を制
限するため、大きくすることも可能である。軟鉄心７８
を構成する柔らかいフェライト鉄心材料は、温度と共に
変化する透磁性を備えている。温度の上昇に伴って、該
鉄心７８の透磁性、又はｍが低下する。このため、ホー
ル効果装置７６が高温で感度が低下する場合、柔軟なフ
ェライト鉄心材料の透磁性の変化は、ホール効果装置の
感度の低下を補正し、これにより、より広い温度範囲に
亙り、センサ７０に対しより均一な作動特性を付与する
す働きをする。

【００３８】便宜に包装する目的のため、センサ１０、
３０、５０、６０、７０は、収容し、即ち、容器に収容
することが出来る。ある種の歯車歯のセンサ装置は、セ
ンサをねじ穴内にねじ込むことが必要であり、このた
め、ホール効果装置が対応する極片の上で中心決めされ
るようにセンサを包装することにより、センサをねじ込
みハウジング（図示せず）内に包装し、ハウジングを取
り付け位置にねじ込み且つその位置から外すことで位置
決めしなければならない場合、歯車、又はトーン車輪に
対してホール効果装置を正確に位置決めすることが確実
となる。

【００３９】次に、図１１を参照すると、本発明による
位置センサ９０の別の実施例が図示されている。センサ
９０は、ホール効果装置１６と、磁石９２と、雌ねじ付
きアルミニウムインサート９４と、鋼製座金、又は極片
９６、９８と、鋼製機械ねじ１００と、を備えている。
機能的に説明すれば、センサ９０は、図５のセンサ３０
の代替例である。具体的には、センサ９０は、図５のセ
ンサ３０から発生される磁石フリンジを減少させ、又は
制限するアルミニウムインサート９４と、調節可能な磁
束戻り手段、又は磁束戻りガイド１００と、磁石９２に
取り付けたとき、図５の極片３２と同様の磁束分散特性
を示す極片と、を備えている。インサート９４内の極片
９８に対する磁束戻りガイド１００の位置により、空隙
が設定され、これにより、極片９８の面に伝達され且つ
該面に表れる磁束レベルを制限する磁束制限手段が提供
される。ねじ１００のねじ山を受け入れるねじを形成す
るため、穴９４ｂを穿孔する。ホール効果装置１６は、
穴９８ｂの上で極片９８に取り付けられる。極片９８
は、センサ９０の面９２ａ、９４ａに当接する。磁石９
２、及びインサート９４は、軸方向高さが等しく、この
ため、極片９６も磁石９２及びセンサ９０のインサート
９４の双方に当接する。極片の面９８ａは、磁石９２の
面９２ａの面積に対応する磁石９２の半径方向断面より
も著しく大きく、その結果、磁石９２からの磁束は、極
片の面９８ａを横断して均一に分散される。これと別
に、寸法的に安定的なセンサ構成要素の試験により、セ
ンサ９０の磁気特性が十分に既知であるならば、ねじ１
００に代えて、固定位置の磁束戻りガイドを使用するこ
とも出来る。

【００４０】次に、図１２を参照すると、本発明による
位置センサ１１０の別の実施例が図示されている。該セ
ンサ１１０は、ホール効果装置１６と、正面の磁束分散
フランジ極片１１４と、温度的に安定的な円筒状磁石１
１８（磁石１４、又は３４と同様）と、後部磁束分散フ
ランジ極片１１６と、円筒状磁石１１８の中心で軸方向
に位置決めされた磁束戻り継手部材（この場合、円筒状
透磁性ロッド）と、を備えている。

【００４１】図５のセンサ３０及び図１１のセンサ９０
と同様、空隙は、磁石内における極片１１４に対する磁
束戻り継手部材１２０の位置により設定され、これによ
り、センサ１０の極片ネック部１２ａにより提供される
磁束制限手段と同様に、極片１１４に伝達される磁束レ
ベルを制御する磁束制限手段が提供される。図１２に図
示するように、部材１２０は、一定の空隙を提供する。
しかし、図１１のガイド１００と同様の調節可能な継手
部材の採用が可能である。例えば、部材１２０は、極片
１１６内に調節可能に螺合させることが出来る。極片１
１４は、伝達された磁束レベルをその表面全体に分散さ
せることで、磁束分散手段を提供し、センサ１１０の
「非負荷」状態のとき、その中央が最小磁束密度領域と
なり、、その外端縁が最大密度領域となるようにする。
従って、磁石１１８により発生された磁束の伝達手段
は、上述の磁束制限手段、及び磁束分散手段により提供
され、ホール効果装置１６にて、該ホール効果装置の作
用点又はスイッチ点以下の低いレベルの磁束密度を提供
する。

【００４２】極片１１４、１１６は、環状鋼フランジ付
き座金である一方、そのフランジ１２２、１２４は、円
筒状磁石１１８のフランジ１２６にそれぞれ整合する。
磁束戻り継手部材１２０は、極片１１６を介して受け入
れた肩部付きロッドであり、その肩部は、極片の面に当
接する。従って、ロッド１２０は、極片１１４から一定
の距離にて装置１１０内に配置される。位置センサ１１
０は、適正に機能するためには、特定の方向を必要とせ
ず、従って、フランジ１２２、１２４、１２６は、装置
の作用可能な適正な方向を維持する割り出し手段とし
て、特に必要とはされない。その代わりに、ホール効果
装置１６の導線１７に接続する外部迂回配線手段とし
て、フランジ１２２、１２４、１２６が設けられる。装
置１１０の各種の構成要素の組み立ては、ねじ式締結
具、又は接着剤、或はその組み合わせを利用して行うこ
とが出来る。一つの具体的な実施例において、装置１１
０は、接着剤を使用して組み立て、次に、プラスチック
内に収容し、導線１７が外方に伸長し、自動車に適用す
る場合のような苛酷な環境に露呈させるのに適した堅牢
な位置センサを提供する。

【００４３】図１２及び図１３に図示するように、正面
フランジ極片１１４は、更に変形を加え、ホール効果装
置１６の内部の能動的なホール効果電子回路要素を極片
１１４の露出面１３０に対してより正確に同一高さとな
るように取り付けることを許容する。ホール効果装置１
６を極片１１４内で凹状に取り付ける構成とすることに
より、ホール効果装置は、その内部の能動的ホール効果
電子回路要素が面１３０と略同一高さとなるようにその
内部に取り付けることが出来る。それにより、負荷状態
から非負荷状態への磁束密度の変化が一層顕著となり、
その結果、例えば、歯車の歯は、センサ１１０の面１３
０に凹状に取り付けたホール効果装置１６に隣接して通
過する。正面及び後部フランジ極片は、常温圧延鋼のよ
うな柔軟な磁気材料から成るため、例えば、図１１に図
示するような凹状でないホール効果ＩＣを取り付ける場
合、磁束密度の変化は、フランジ極片の外側の磁束密度
の変化よりもはるかに大きくなる。この磁束密度の変化
の増大により、センサ１１０の正面１３０に凹状に形成
したホール効果装置と通過する歯車歯との間に大きい作
用空隙を許容し、この空隙は、その他の凹状でないホー
ル効果装置センサの作用可能な空隙よりも大きい。

【００４４】次に、図１３を参照すると、正面フランジ
極片１１４の更に詳細が示してある。該極片１１４は、
ホール効果装置１６の寸法に極めて類似した寸法のスロ
ット又は凹所１１５を備えている。該スロット１１５
は、次のような幅１３２及び長さ１３４の寸法であるこ
とが望ましい。即ち、装置１６の内部の電子ホール効果
回路要素をスロット１１５内に取り付けたとき、これら
要素が穴１３６の真上に位置するような寸法にする。ス
ロット１１５の深さ１３８は、装置１６の内部の電子ホ
ール効果装置を極片１１４の露出面１３０と略同一高さ
に位置決めし得るような寸法とする。例えば、全体の厚
さ1.57ｍｍのホール効果装置１６の場合、内部の電子ホ
ール効果装置は、装置の上面から約0.64ｍｍ下方に位置
決めされる。この特定の実施例において、スロット１１
５は、約0.93ｍｍの深さ１３８であることが望ましい。
異なる型式の鉄系標的に対する最良の検出感度を実現す
るためには、電子ホール効果装置の実際の位置は、装置
１６を面１３０の上方に、該面１３０の上に、又は面１
３０の真下に位置決めすることを必要とする。

【００４５】次に、図１４を参照すると、凹状の位置セ
ンサの機能特性（曲線Ｄ）と図１１に示したセンサのよ
うな凹状でない位置センサの特性（曲線Ａ）とを比較し
た磁束密度の図が示してある。凹状でない位置センサ９
０の負荷状態と非負荷状態との磁束密度の差は、Ｃで示
してある一方、凹状の位置センサ１１０の負荷状態と非
負荷作動状態との磁束密度の差は、Ｅで示してある。図
１４に図示するように、凹状の位置センサは、凹状でな
い位置センサと比較したとき、その磁束密度の差は、約
100ガウスに増大している。この磁束密度の差の増大の
結果、凹状の位置センサは、通過する歯車の歯から、例
えば、1.5乃至2.0倍、装置９０に関係する作用可能な空
隙よりも、遠い位置に取り付けることを許容する一方、
負荷及び非負荷状態の磁束の強さレベルは、センサ組立
体９０に使用されるホール効果装置の作用及び解放装置
の作用及び解放点の上方及び下方にする。

【００４６】次に、図１５乃至図１７を参照すると、装
置１１０の磁束線の更に詳細が示してある。図１７にお
いて、磁束線は、極片１１４に対する磁束戻り部材１２
０により設定される空隙Ｇ′を架橋する略円形の通路を
備える状態で示してある。図１５において、装置１０
は、トーン車輪１２８の歯１３０に隣接するその負荷状
態で示してある。歯１３０の存在により、極片１１４を
横断して分散される磁束線が変化し、その結果、通常、
ホール効果装置１６の範囲外となる大きい磁束密度レベ
ルは、内部の電子ホール効果回路要素と一致する。例え
ば、図１６に詳細に示した磁束レベルの数値で示すよう
に、非負荷状態において、ホール効果装置１６に一致す
る磁束は、0−150ガウスの範囲内にある。負荷状態のと
き、ホール効果装置１６に一致する磁束レベルは、約60
0ガウスであり、これにより、負荷状態と非負荷状態と
の磁束密度の差は、450−600ガウスの範囲となる。この
磁束密度の差は、図１４に符号Ｅで示した磁束密度の差
に一致し、これは、凹状でない形態を使用するときの値
を約100ガウス上廻るものである。

【００４７】凹状のホール効果装置をセンサ１０、３
０、５０、６０、７０、９０に内蔵させるとき、又はセ
ンサ１０、３０、５０、６０、７０、９０、１１０の各
々に類似したその他のセンサがホール効果装置、磁石、
及び磁束により発生された磁束を、磁束の制限手段及び
磁束の分散手段を含むホール効果装置に伝達する手段を
備えるときに、同様の結果が得られる。

【００４８】本発明は、添付図面及び上記の説明で詳細
に図示し且つ説明したが、これは、単に一例にしか過ぎ
ず、限定的な意味を有するものではなく、好適な実施例
のみを図示し且つ記載したものであり、本発明の精神に
包含される全ての変形例及び応用例は保護の対象に含め
ることを意図するものである。

【００４９】

【発明の効果】 【図面の簡単な説明】

【図１】トーン車輪に近接して配置された状態で示した
本発明によるホール効果位置センサの実施例の側面図で
ある。

【図２】図１の回路板１８の平面図である。

【図３】図１に示した極片１２の極片フランジ１２ｂの
端面図である。

【図４】図１の極片１２の斜視図である。

【図５】図５は、本発明によるホール効果位置センサの
第２の実施例の分解斜視図である。図５Ａは、図５の矢
印５Ａの方向に見たときの位置センサの断面図である。

【図６】本発明によるホール効果位置センサの第３の実
施例の側面図である。

【図７】図７は、本発明によるホール効果位置センサの
第４の実施例の斜視図である。図７Ａは、図７に示した
位置センサの符号７Ａで示した矢印方向に見たときの断
面図である。

【図８】常温圧延鋼及び低炭素鋼極片の磁束密度対空隙
の関係を示す磁束密度のグラフ図である。

【図９】図１に示した位置センサの負荷状態と非負荷作
用状態との磁束密度の差を示すグラフ図である。

【図１０】本発明によるホール効果位置センサの第５の
実施例の側面図である。

【図１１】本発明によるホール効果位置センサの第６の
実施例の分解図である。

【図１２】本発明によるホール効果位置センサの第７の
実施例の分解斜視図である。

【図１３】図１２の極片１１４の斜視図である。

【図１４】図１１に示した位置センサの負荷状態と非負
荷作用状態との磁束密度の差と比較したときの、図１２
の位置センサの負荷作用状態と非負荷作用状態との磁束
密度の差を示すグラフ図である。

【図１５】歯車歯に隣接して設けられ、点線で示した磁
束線を有する、図１２のホール効果位置センサの部分断
面図である。

【図１６】無負荷状態に隣接し、点線で示した磁束線を
有する図１２のホール効果位置センサの部分断面図であ
る。

【図１７】矢印で示した方向に流れる磁束線を示す、図
１２のホール効果位置センサの断面図である。

【符号の説明】

１０ ホール効果位置センサ １２ 極片 １２ａ ネック部分 １２ｂ フラン
ジ板 １２ｃ 接続端部 １２ｄ テーパ
ー付き部分 １２ｅ フランジ板の切欠き １４ 磁石 １６ ホール効果装置 １７ 導線 １８ 回路板 １９ ランナー １９ａ はんだ端子部分 ２０ 切欠き ２２ 線 ２４ 歯車 ２５ 歯車歯

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ホール効果装置（１６）と、 第１の基部及び第２の基部を有し軸方向の磁束を発生す
   る中空円筒状磁石（１１８）と、 第１の基部に取り付けられる第１の環状極片（１１６）
   と、 第２の基部に取り付けられ且つ露出面（１３０）を有す
   る第２の環状極片（１１４）であって、露出面（１３
   ０）が、露出面（１３０）の下方で且つ第２の環状極片
   の中心上にホール効果装置（１６）を受け入れることが
   できるスロット（１１５）を含む第２の環状極片（１１
   ４）と、 第１の環状極片（１１６）から第２の環状極片（１１
   ４）への磁束の一部を磁気的に変路させる磁束戻り手段
   （１２０）であって、第１の環状極片（１１６）を通し
   て挿入されて中空円筒状磁石（１１８）の中空部分内に
   配置される磁束戻り手段（１２０）と、を備え、 ホール効果装置（１６）は、第２の環状極片のスロット
   内に取り付けられ、ホール効果装置における磁束レベル
   が所定の限界値を上廻るのに応答して、出力信号を発生
   することを特徴とする位置センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の位置センサにして、ホ
   ール効果装置（１６）は、内部にホール効果回路要素を
   備え、スロット（１１５）は、ホール効果回路要素が露
   出面（１３０）と同一平面にあるように、ホール効果装
   置を受け入れ得る寸法であることを特徴とする位置セン
   サ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の位置センサにして、磁
   束戻り手段は、第１の環状極片（１１６）に取り付けら
   れる固定の円筒状部材（１２０）であり、円筒状部材と
   第２の環状極片（１１４）との間に空隙（Ｇ）が形成さ
   れ、空隙（Ｇ）は、第１の環状極片から第２の環状極片
   に伝達される磁束を制限することを特徴とする位置セン
   サ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の位置センサにして、第
   １の環状極片及び第２の環状極片は、それぞれ第１の環
   状鋼製座金（１１６）及び第２の環状鋼製座金（１１
   ４）であり、前記円筒状部材は、肩部を有する鋼製ロッ
   ド（１２０）であり、鋼製ロッドは、第１の環状鋼製座
   金（１１６）を通じて受け入れられ、前記肩部は、第１
   の環状鋼製座金に隣接することを特徴とする位置セン
   サ。
5. 【請求項５】 プラスチック内に収容されることを特徴
   とする請求項４に記載の位置センサ。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の位置センサにして、ホ
   ール効果装置（１６）が取り付けられる第２の環状極片
   （１１４）の表面積が、中空円筒状磁石の半径方向断面
   積よりも大きいことを特徴とする位置センサ。
7. 【請求項７】 歯車（２４）又はトーン車輪のような金
   属対象物の位置を検出する位置センサであって、金属対
   象物を検出するときに生じる負荷状態、及びその不存在
   を検出するときに生じる非負荷状態を有し、前記位置セ
   ンサは、 磁束レベルが所定の限界値を上廻るのに応答して出力信
   号を発生するホール効果装置（１６）と、 所定の限界値を上廻る第１レベルの磁束を発生する磁気
   手段（１４）と、 磁気手段により発生される磁束をホール効果装置に伝達
   する伝達手段（１２）であって、磁束制限手段（１２
   ａ）及び磁束分散手段（１２ｂ）を有する伝達手段と、
   を備え、磁束分散手段（１２ａ）は、磁束が分散されると共にス
   ロットを有する面を有し、スロットは、ホール効果装置
   を前記面の下方に受け入れ得る寸法であり、 ホール効果
   装置（１６）は、スロット内に取り付けられ、 磁束制限手段（１２ａ）は、磁気手段（１４）から第１
   レベルの磁束を受け入れ、低下した第２レベルの磁束を
   磁束分散手段（１２ｂ）に供給し、磁束分散手段（１２
   ｂ）は、位置センサが非負荷状態のとき、第２レベルの
   磁束を分散させてホール効果装置（１６）の所定の限界
   値以下とし、ホール効果装置は、位置センサが負荷状態
   のとき、所定の限界値を上廻る磁束レベルに応答して、
   出力信号を発生することを特徴とする位置センサ。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の位置センサにして、ホ
   ール効果装置（１６）は、内部にホール効果回路要素を
   備え、前記スロットは、ホール効果回路要素が前記の面
   と同一平面にあるように、ホール効果装置を受け入れ得
   る寸法であることを特徴とする位置センサ。
9. 【請求項９】 請求項８に記載の位置センサにして、ホ
   ール効果装置（１６）はトーン車輪（２４）に近接して
   配置されることを特徴とするセンサ。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の位置センサにして、
    前記磁気手段（１４）は、希土類金属又はアルニコ磁石
    であることを特徴とする位置センサ。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の位置センサにし
    て、ホール効果装置（１６）におけるガウス電界強さ
    が、非負荷状態のとき２５０ガウス以下であり、負荷状
    態のとき５５０ガウス以上であることを特徴とする位置
    センサ。
12. 【請求項１２】 ホール効果装置（１６）と、 第１の基部及び第２の基部を有し軸方向の磁束を発生す
    る中空円筒状磁石（１１８）と、 第１の基部に取り付けられる第１の環状極片（１１６）
    と、 第２の基部に取り付けられる第２の環状極片（１１４）
    と、 第１の環状極片から第２の環状極片への磁束の一部を磁
    気的に変路させる磁束戻り手段（１２０）であって、第
    １の環状極片を通じて挿入され且つ中空円筒状磁石（１
    ４）の中空部分内に配置される磁束戻り手段（１２０）
    と、を備え、 ホール効果装置（１６）は、第２の環状極片（１１４）
    の中心上で第２の環状極片（１１４）に設けられたスロ
    ット内に取り付けられ、ホール効果装置（１６）におけ
    る磁束レベルが所定の限界値を上廻るのに応答して、出
    力信号を発生することを特徴とする位置センサ。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の位置センサにし
    て、磁束戻り手段は、第１の環状極片（１１６）に取り
    付けられた固定の円筒状部材（１２０）であり、円筒状
    部材と第２の環状極片との間に空隙が形成され、前記空
    隙（Ｇ）が第１の環状極片から第２の環状極片に伝達さ
    れる磁束を制限することを特徴とする位置センサ。
14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の位置センサにし
    て、第１の環状極片及び第２の環状極片は、それぞれ第
    １の環状鋼製座金（１１６）及び第２の環状鋼製座金
    （１１４）であり、前記円筒状部材は、肩部を有する鋼
    製ロッド（１２０）であり、鋼製ロッドは、第１の環状
    鋼製座金（１１６）を通じて受け入れられ、前記肩部
    は、第１の環状鋼製座金に隣接することを特徴とする位
    置センサ。
15. 【請求項１５】 プラスチック内に収容されることを特
    徴とする請求項１４に記載の位置センサ。
16. 【請求項１６】 請求項１５に記載の位置センサにし
    て、ホール効果装置が取り付けられる第２の環状極片の
    表面積が、中空円筒状磁石（１１８）の半径方向断面積
    よりも大きいことを特徴とする位置センサ。