JPS5988602A - １対の部材の相対位置を制御するアクチュエータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は位置監視装置に関し、特に、磁気センサ装置を
備え、その磁気センサ装置か同時に、電磁アクチュエー
タの制御要素の一部としての動きももっているような監
視装置に関する。

背景技術 多くの種類の位置監視装置が公知であり、通常これらの
位置監視装置は運動物体の相対位置を指示するか、また
は相対運動をする物体の連動を適当な信号に変換して閉
ループ制御の帰還信号に用いることにより、相対運動す
る物体の正確な位置制御を行なうようになっている。そ
のような装置において、磁気センサ装置、が用いられる
ことも公知である。比較的に一般的な磁気監視装置とし
て、ホール効果を利用したものがある。ホール効果を利
用するためには、ホールプローブすなわちホール電圧発
生器を用いるのであるが、その出力電圧しまそれを流れ
る電、流とそれに垂直な磁界との積に比例する。

ホール効果形の磁気センサを利用した位置監視装置の例
は、米国特許第３，１９９，６３０号に開示されている
。そこに説明されている装置においては、ホール甫５圧
発生器を２つの相対連動する部材の一方に取（＝Ｊけ、
その位置が他方の部材に取りつけられた永久磁石に対し
て一定の間隔を有するようにしている。このホール電圧
発生器をあらかじめ選択された位置の検出または指示の
ために使用する場合には、永久磁石がホール電圧発生器
と整列したときホール電圧が所定の最大１直に達するよ
うにしている。よって、また、磁気センサ装置が制御装
置内に用いられている装置も開示されている。その装置
においＣは、ホール電圧発生器か平形磁石の中央に位置
した時に発生ずるホール電圧かＵになるようにｌ、てい
る。プローブが中央位置を横切って一定方向に変位する
と、ホール電圧の極性が変化することになり、極めて限
定された変位に対しては、このホール電圧の変化は直線
的になる。こめ性質か位置調整のために利用され、その
場合、ホールプローブのゼロ位置を利用して正確な位置
調整を行うようにしている。米国特許第３，３４４，３
４７号には、ホール効果形の磁気センサ装置を用いた他
の位置監視装置が開示されている。この装置は、一本の
導体によって生じる磁界をホールプローブを用いて正確
に監視するようＫ　している。この方法はホール電圧の
直線性によって制餌１が有効に達成されるように開示さ
れているが、この直線性は導体の大きさによって制限さ
れる。

従来のホール効果形位置監視装置は上述の欠点を有して
いる上に、そのいずれもが、相対的に運動する部材の駆
動装置の一体部分として、監視装置を構成するようには
なってはいない。

発明の要約 本発明は、磁気監視方式を用いた監視装置を提供するこ
とを目的とする。図示の実施例においては、一定径路に
沿って互いに相対運動しうるように取付けられた第１お
よび第２部材が用いられている。一方の部材には少なく
とも１つの永久磁石装置が取付けられており、その永久
磁石装置は、前記一定径路に沿った相対連動の方向を横
切る方向に磁界を与える１対の永久磁石を有′１−る。

これらの磁界はそれぞれ互いに逆の極性を有しており、
それぞれの永久磁石は、互いにあらかじめ選択された並
置関係に配置されるとき、両磁石による磁束密度の、前
記径路に平行な磁石組立体の所定部分に沿った分布が、
その所定部分上の距離位置の関数として、実質的に直線
的に変化するような所定の形状、寸法、および磁界強度
を有している。

さらに、前記径路に沿ってのその磁界強度を検出して、
検出された磁界強度を表わす出力信号を発生】−る装置
が他の部拐に取付けられている。

好捷しい実施例においては、それぞれの永久磁石の磁極
面は互いに当接関係にあり、且つほぼ共面となっており
、磁界強度は実質的に等しい。

他の好ましい実施例においては、永久磁石の対が、相対
運動する部材を相対的に駆動するだめの電磁アクチュエ
ータの一部となっている。また、この実施例においては
、並置された永久磁石の共通接合部は磁束密度が実質的
に０になるようにしている。

このようにして、本発明の主たる諸目的は、改良された
磁気センサ装置を用いた位置監視装置を提供すること、
第１部材を一定径路に沿って第２部材に対し正確に位置
調整し、かつ／まｆｃは、２つの相対的に運動する部材
の一方の位置を指示するため０）改良された装置を提供
すること、１対の隣接した逆極性の永久磁石を備え、そ
れらの合成された空間部分内の一定径路に沿って磁束密
度か実質的に直線的に変化するようになった改良された
磁気センザ装置を提供すること、および、前記監視装置
の永久磁石を、前記第１および第２部材を相対的に駆動
しかつその相対的運動を閉ループ制御するための電磁ア
クチュエータの一部として利用する、改良された位置制
御装置を提供すること、である。

本発明の他の諸目的および他の応用範囲については、添
付図面を参照しつつ行なわれる以下の詳細な説明におい
て明らかにされる。添付図面において、同一部品に対し
ては同一符号が句せられている。

実施例の説明 第１図および第２図には、本発明の改良された位置監視
装置１０が示されている。この図示されている実施例に
おける位置監視装Ｍ１０は、可動部材１２の位置および
変位を制御するのに特に適している。可動部材１２は定
置部材１４に対し、矢印Ａで示されたほぼ直線的な径路
に沿って運動しうるように取付けられている。可動部材
１２は任意の適宜な出力装置または工作物（図示されて
いない）用の駆動装置でありうる。例えは、可動部材１
２は写真機のプログラムシャツ多ト考えてもよし・。

６を置監視装置１０は磁気±ンサ装置１６を備えている
。この磁気センサ装置１６内には、可動部材１２の同じ
衣面上に並置された１対の永久磁石１８および２０が含
まれている。永久磁石１８および２′０は、好ましくは
、サマリウムコパル、トのような希土類形のものとする
。図示の実施例においては、永久磁石１８および２０は
、薄くて乎たく、はぼ長方形状とな、っている。両磁石
１８．　・２０は、共通接合部２２にそって互いに当接
している。本発明においては、それぞれの永久磁石の露
出表面２４は、隣接する永久磁石の露出表面と同一平面
上にある。これらの隣接する表面の磁気極性は互いに逆
になっている。図示の目的で特定しただけであるが、永
久磁石１８の露出表面２４はＳ極になっていて、そこか
ら広がる磁界はほぼ径路Ａに対し垂直になっている。永
久磁石２０の露出表面はＮ極になっていて、そこから広
がる磁界もほぼ径路Ａに対し垂直になっている。これら
の隣接した逆向きの磁界の意味については後述する。永
久磁石１８．２０は、隣接した逆向きの永久磁界を発生
ずる磁気装置を構成している。首だ、これらの磁石の磁
界強度は、制御目的に用いるのに十分な大きさのホール
音圧を発生せしめうるように選択され、実質的に等しい
磁界強度になっている。

第１図、第２図、および第２Ａ図に概略的に示されてい
るよう゛に、平面状のコイル装置２６は、平行に対向す
る長手方向巻線部分２６ａ、２６ｂを有し、この巻線部
分は接合ｓ２２に府してほぼ平行に延長している。巻線
部分２６ａ、２６ｂはそれぞれ永久磁石１８．２０によ
って作られる磁界内を延長ｌ−ている。コイル装置２６
の長手方向巻線部分２５ａ、２６ｂを接続する巻線部分
２６ｃ。

２６ｄは、永久磁石１８．２０の合成磁界の外部に位置
せしめられている。巻線部分２６　ａ　−２６６は、好
ましくは２８によって示されるような適宜のプラスチッ
ク外被内に収容する。一定の極性をもった電流で付勢さ
・れると、コイル部分２６ａ。

２６ｂには反対向きの電流が流れる。第１図および第２
図においては、巻線部分２’６ａには、記号「■」で糸
されているように、紙面から手前へ向かう電流が流れて
いるものとして示されている。

コイル部分２６ｂには、記号「Ｑ９」で示されているよ
うに、紙面内へ向かう電流が流れている。巻線部分２６
ａＴ　　２６ｂを流れる電流はこれと逆であってもよい
。巻線部分２６ａ、２６ｂを流れる電流は電磁界を作る
。後述のように、これらの電磁界と永久磁石の磁界との
相互作用によって、可動部材１２は定置部材１４に対し
て相対的に変位する。電流の極性は可動部材の変位の方
向を決定し、電流の強さは可動部材の変位速度を決定す
る。

磁気センサ装置１６にはさらに、コイル装置２６の中央
に位置して、定置部材１４に固定された磁気検出−制御
回路３０が含まれて（・る（第２Ａ図）。物理的には、
この磁気検出−制御回路３０はて単一の集゛積回路（Ｉ
Ｃ）チップ３２によって構成されうる。いうまでもなく
、この構成によれは、高度に圧縮された構造が得られる
ので、制御装置の小形化に非常に役立つ。図示を容易に
するために、巻線部の間に配置された制御回路３０の諸
要素は、ホール効果素子３６以外は図示してない。磁気
検出−制御回路３０への電力は、好ましくは直流（ＩＩ
）Ｃ）　電源３４から供給する。

集積回路チップ３２内には、電源３４から基準音流の供
給を受けるホール効果素子ずなわちホール効果センサ３
６が含まれている。電源３４は、ホール効果センサ３６
を付勢するだけモはなく、コイル装置２６の付勢をも行
なう。この実施例においては、ホール効果センサ３６は
、第１図に示されているように接合部２２上に固定的に
配設されていて、静止状態にある。精度を高めるため、
ホール効果センサ３６は、永久磁石１８．２０に対する
並進運動中、これらの磁石から上方へ一様な間隔の間隙
を保つようにされている。ホール効果センサ３６は、該
センサを流れる制御電流の面に垂直に磁束が通るように
取付けられている。すなわち、ホール効果センサ３Ｇは
、永久磁石１８゜２０によって発生ずる磁界を相対的に
走査する時、効果的にホール電圧を発生するようになっ
ている。

この実施例においては、ホール効果センサ３６は一定の
直流電流に基づいて、動作するようになっているが、と
のセンサは直流電圧を基礎として動作させることもでき
る。ホール効果センサ３６が直流の定電流源によって動
作するので、発生するホール電圧、すなわちセンサから
生じる出力信号は、磁石１８および２０によって画定さ
れる垂直な磁界強度に正比例することになる。その場合
には、ホール効果センサ３６は、可動部材１２の位置お
よび／または変位を監視するのに利用することができる
。

集積回路チップ３２はまた、位置制御ユニット３８をも
含んでいる。制御ユニット３８は、ホール効果センサ３
６がら入力を受ける増幅器（図示されていない）を含ん
でいる。この増幅器の出力は、アナログ比較装＃（図示
されていない）への入力をなす。この比較装置は、セン
サ３６からのホール信号を位置アドレス信号と比較する
。位置アドレス信号は、可動部材１２の位置および変位
の制御を容易ならしめうる種類の適宜の制御装置（図示
されていない）によって発生せしめられる。

位置制御ユニット３８には、コイル制御回路４゜が作動
的に接続されている。コイル制御回路４゜は位置制御ユ
ニット３８の出刃信号に応答して、電源３４からコイル
装置２６への電流の供給を制御する。ホール効果センサ
３６は、センサ３６が磁石１８．２０に対して占める特
定の位置を表わす信号を発生ずる。この位置信号が、位
置制御ユニット３８に供給されるアドレス指令信号と一
致すると、セ゛ロ状態が生じる。このセ゛ロ状態はコイ
ル制御回路４０を動作させて、コイル装置２６への電流
供給を停止せしめる。従って、コイル装置２６はそれ以
上可動部材１２を駆動しえなくなる。

コイル制御（ロ）路４ｏは、ホール３’ｌｔンサ３６が
らのホール信号とアドレス指令信号との差に応じて、コ
イル装＠２６へ供給される璽流緻をそれに比例するよう
に制御する。

再び永久磁石１８．２０ＶＣついて述べると、それぞれ
の磁石は基本的に他の磁石と同一のものであり、それら
は好ましくは互いに同一平面上で当接関係に置かれる（
第１図ないし第２Ａ図参照）。

瞬接する永久磁石１８．２０の磁界強度については、驚
くべき関係が存在していることが分った。

すなわち、磁石の磁界強度と、径路Ａに沿った直線距離
の可成りの長さの所定部分との間には顕著な直線関係が
存在し、その所定部分は共通接合部２２０両側のほぼ等
しい距離範囲を含むことがわかった。

第６図には、永久磁石１８．２０によって作られる合成
磁界強度が示されている。第３図のグラフは、径路Ａに
沿った磁石上の直線距離の関数として、ガウスを単位と
して測定した磁石の磁束密度を示している。

第６図において、実線の曲線Ｂは、ホール効果センサ３
６と、磁石の共通平面をなす外表面２４との間に所定の
間隙が存在する場合における、永久磁石１８．２０の磁
束密度または磁界強度を示している。曲＃ｊｌＢを観察
すると、磁石を図示のように隣接関係に配設することに
より、いくつかの顕著で意外な特徴が得られることがわ
かる。すなわち、そのように配置された永久磁石によっ
て作られる合成磁界の磁束密度には、かなりの程度の直
線性が存在しており、曲線Ｂの点りから点Ｄ′までの磁
束密度は実質的に直線的に変化している。

点り、Ｄ’間の直線性を利用すれは、これらの点間のど
こでも部材１２を容易に制御することかできる。曲線Ｂ
上の点り、Ｄ’はそれぞれ、永久磁石１８．２０上の点
Ｄ工、Ｄ２に対応している。曲線Ｂは、幅２．２９ｒｎ
ｍＣＯ，０９０インチ）、厚さ１．２７ｉｎ（０，０５
０インチ）、長さ４．４５ｍｍ　（０，１７５インチ）
と（・う寸法のサマリウム・コバルト磁石の対において
観察されたものである。曲線Ｂにおける磁束密度の振幅
は、ホール効果センサ３６と表面２４との間の間隙の間
隔によって変化する。

曲線Ｂにおけるこの間隙は０．１２７朋（０，００５イ
ンチ）であった。容易に理解しうるように、磁束密度の
振幅は、間隙の間隔が増大すると減少づる。また、上述
の２点間における直線性は、実際にはわずかな偏差があ
るかもしれないが、そのような偏差は非常に小さく無視
しつるものであり、比較的容易に位置制御ユニット３８
によって調整され補正されうる。磁束密度の」二連の直
線性の程度は、永久磁石の寸法などのさまさまな因子に
よって変化しうる。

接合部２２に沿っての磁束密度は、間隙の間隔か変化し
てもセ゛口になることがわかった。磁束密度がゼロにな
るこの事実は、位置側（３）ｊ機構に特に有利に用いら
れる。その理由は、そのゼロ点を都合よく、基準点とし
て利用できるからである。

上述のように磁石１８．２０を配置することによって得
られる比較的広い範囲にわたる磁束密度または磁界強度
の直線性は、ホール効果センサを用いた従来の磁気セン
サ装置に対してかなり有利な改良を実現する。

本発明の装置の動作レコ、以上の説明から明らかである
と思わ九るが、これを補足する簡単な説明を次に述べる
。可動部材１２を、第１図に示されている静止位置から
新しい位置、すなわち点Ｄユ。

Ｄ２間の任意の位置まで、径路Ａに沿って右方へ変位せ
しめたいものと仮定する。この新しい位置は、位＃Ｄ′
に対応する位置であってもよい。これを実現するために
は、適宜の位置アドレス信号重圧が位置制御ユニット３
８に供給されるか、この重圧は、ポール効果センサ３６
が位置Ｄ′において発生する市川に相当するものである
。それと同時に、コイル装置２Ｇは、電源３４からの電
流によって付勢される。前述のように、この電流は図に
示されているように巻線部分２６ａ、２６ｂを流れる。

これによって、永久磁石１８．２０の逆向き電界と、巻
線部分２６ａ、２６ｂの雷、磁界との間に相互作用が生
じ、その結果、可動部材１２は第２図に示されているよ
うに所望の右方へ移動せしめられる。もちろん、可動部
拐１２を逆向きに移動させるためには、コイル制御ユニ
ット３８によって、コイル巻縁２６ａ、２６ｂに流れる
電流の極性を逆にずれはよい。可動部材１２の移動中に
、ホール効果センサ３６は表面２４上を走査して、磁束
密度を監視する。良い動作結果を得るためには、ホール
効果センサ３６が、磁石１８゜２０によって作られる磁
界の比較的小部分を占めるようにずべきである。このよ
うにすれは、センサ３６は、磁石１８．２０に沿った任
慧の点における磁束密度を、より正確に監視することが
できる。検出されるホール電圧が、所望の位置アドレス
信号電圧に相当する値に達すれば、セ゛ロ状態が発生ず
る。これによって、コイル制御回路４０は、コイル装置
２６への電流供給を停止するように動作せしめられる。

もちろん、それによって部材１２に作用する駆動力はな
くなる。可動部拐１２か所望位置へ近づくのに伴い、検
出されるホール爾、圧ともγ置アドレス電、圧との差は
しだいに減少する。その結果、コイル制御回路４０によ
りコイル装置２６に供給される電圧は、その差に比例し
て減少することになる。このような力学系においては、
ｈ］動部材１２は運動量をもっているために所望位置を
越えて移動しがちである。本発明においては、他の従来
の制御装置におけるような方法を用いて可動部材１２を
減速し、そのような運動量を拐消して正確な位置制御を
行なうようにすることもできる。

本発明は必ずしも、使用される制御装置そのものの形式
または機構を問題にしているわけではない。むしろ、本
発明は、制御の目的に使用できる磁気センサ装置を問題
にしており、かつ、制御の目的で使用される電磁アクチ
ュエータの一体ｉｔｓ分をなすそのようなセンサ装置を
問題にしでいるのである。

ここに説明した実施例においては、同一平面内にある永
久磁石１８．２０は当接しているように図示されている
が、本発明においては、これらの永久磁石は実際に当接
している８装はなく、極めて狭い、あらかじめ選択され
た間隔かそれらの間にあってもよいと考えられている。

甘だ、永久磁石１８．２０は一様な厚さを有するように
図示されているが、これらの永久磁石の断面は他の厚さ
を有していてもよい。しかし、いかなる他の構造および
間隔が選択されたとしても、それらは実質的に上述の磁
束密度対距離の直線性を生じうるものでなけれはならな
い。

上述の装置に対しては、本発明の範曲を逸脱することな
く、ある改変を施すことができるので、以上の説明に含
甘れ、または添付図面に示されている全ての内容は例示
的な意味のものであって限定的な意味のものでないと解
釈すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理を用いた位僅応答監祝装置の概
略図で、１動作状態における晶装素の相対位置を示して
いる。 第２図は、第１図と同じ装置の概略図であるか、諸要素
か異なる相対位置にある場合を示している。 第２Ａ図は、本発明の装置の一部の要素を示才概略斜視
図である。 第６図は、同一平面内にあるように隣接して配信され／
ζ１対の永久磁石から発生する磁束密度な表わ′Ｊダラ
フである。 １０・・・位儀°監視装置、１２・・・可動部材、Ａ・
・連動径路、１４・・・定置部材、１８．２０・・永久
磁石、２６・・・コイル装置、２６ａ、２６ｂ−縦方向
巻線８１へ分、３６・・ホール効果センサ、３８・・・
位置：ｌ１ｌｌ　Ｉｉユニット、４０・・コイル制御回
路。 代理人　浅　村　　　皓

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）１部材が一定径路に沿い他部材に対して可動であ
   るそれら１対の部材間の位置関係を監視するための位置
   監視装置において、ｌ記１部拐に、固定された磁気装置
   であって前記径路とある角度をなして広がる一定の磁界
   強度をもった逆極性の隣接した磁界を発生ずるようにな
   っておりそれによって該磁界の隣接個所を横切って延長
   する径路上においてほぼ直線的に変化する磁界強度を実
   現するようになっている前記磁気装置と、前記他部材に
   固定されていることにより前記両部材の相対運動に応答
   して前記延長径路に沿って運動しうるようになっている
   磁界強度センサ装置であって、該センサ装置が該両部材
   の該相対運動中に実質的に直線的な応答を行なうように
   なっている前記磁界強度センサ装置と、を備えた位置監
   視装置。 （２、特許請求の範囲第１項において、前記磁界か前記
   一定径路゛に対してｔまは垂直になっており、前記磁界
   強度かほぼ等しくなっており、前記延長径路が前記一定
   径路に対してほぼ平行になっている、位置監視装置。 （３）特許請求の範囲第１項において、前記磁気装置か
   １対の永久磁石を包んでおり、該永久磁石が互いに隣接
   ｔ７て配置されていることによって前記Ｉｋ接磁界を発
   生するようになっている、位置監視装置。 （４）第１部材が一定径路に沿い第２部材に対して可動
   であるそれら１対の部材の相対位置を制御するだめのア
   クチュエータ装置において、該第１部材の少なくとも一
   部をなす磁気装置であって前記一定径路に対してほぼ垂
   直に広がるほぼ等しい磁界強度をもった逆極性の隣接し
   た磁界を発生ずるようになっておりそれによって該磁界
   の隣接個所を横切って延長する径路上において実質的に
   直線的に変化する磁界強度を実現するようになっている
   前記磁気装置と、前記第２部材の少なくとも一部をなす
   界磁コイルであって前記磁界内に配置された導音部分を
   有し付勢された時前記第１部材を前記一定径路に沿って
   相対運動させるようになっている前記界磁コイルと、該
   界磁コイルのほぼ中央部に位置するように前記第２部材
   に固定されていることにより前記両部材の相対運動に応
   答して前記延長径路に沿って運動しうるようになってい
   る磁界強度センサ装置であって、該センサ装置が該両部
   材の該相対連動中に実質的に直線的な応答をなし、磁界
   強度を表わす出力信号を発生するようになっている前記
   磁界強度センサ装置と、該出力信号に応答１−て前記界
   磁コイルの付勢を制御し、それによって前記両部材の位
   置の閉ループ制御を行なう装置と、備えたアクチュエー
   タ装＠。