JPWO2002052221A1 - 変位センサ - Google Patents

Abstract

ホール素子を用いた変位センサを用いて、被測定物の狭い領域の、２軸方向の変位を効率よくかつ正確に測定するために、被測定物１０上に設けられた、厚さ方向に磁化された板状の磁石２０と、上記磁石２０の磁極面２０ａをＸＹ平面としたときに、上記磁極面２０ａの中心近傍に対向して配置され、上記磁石２０から磁界の、磁石２０の厚さ方向であるＺ軸方向に平行な成分を検出する第１のホール素子２１と、上記第１のホール素子２１の上記磁石２０とは反対側に配置された、上記磁石２０からの磁界のＸ軸方向に平行な成分を検出する第２のホール素子２２とを備え、上記被測定物２０の２軸（Ｘ軸、Ｚ軸）方向の変位を同時に検出可能とした。

Description

技術分野
本発明は、ホール素子を用いた変位センサに関するもので、特に、２軸方向あるいは３軸方向の変位を同時に検出する変位センサに関する。
背景技術
従来、被測定物の変位や位置を測定する方法として、ホール素子を用いた変位センサや位置検出センサが多く用いられている。第５図（ａ）は、特開平０９−２３１８８９号公報に開示された位置検出センサの構成を示す図で、この位置検出センサは、被測定物であるピストン３０に永久磁石３１を埋め込み、上記永久磁石３１からの磁界を、シリンダチューブ３２の外側に設けられた筐体３３内の基板３４上に所定の距離を隔てて配設された、２つのホール素子３５Ａ，３５Ｂにより検知し、上記ピストン３０の位置を検出するものである。すなわち、ピストン３０が同図のＤ方向に移動するに伴って、上記ホール素子３５Ａは上記シリンダチューブ３２表面から出ていく方向の磁界を検知して、第５図（ｂ）の一点鎖線に示すような正の電圧を出力し、上記ホール素子３５Ａは上記シリンダチューブ３２表面から出ていく方向の磁界を検知して、第５図（ｂ）の二点鎖線に示すような正の電圧を出力するので、上記ホール素子３５Ａ，３５Ｂに発生するホール電圧Ｖ_ａ，Ｖ_ｂの差を求めることにより、上記ピストン３０の位置を精度良く検出することができる。
また、第６図（ａ）は、特開平０７−１０５８０９号公報に開示された変位センサの構成を示す図である。この変位センサは、磁性体４３を介して結合され、変位方向Ｘに沿って所定の距離を隔てて配設された２つの永久磁石４２，４４を有して被検出物を構成する磁場発生部４１からの磁界を、上記永久磁石４２，４４に対向するように配設され、変位方向Ｘに沿って上記磁場発生部４１と相対的にスライドするホール素子４５により検知するもので、第６図（ｂ）に示すように上記ホール素子４５の出力Ｖが、磁場発生部４１とホール素子４５との相対的な変位量ΔＸにしたがって変化することから、上記変位量ΔＸを検出する。
なお、上記ホール素子３５Ａ，３５Ｂ，４５の出力電圧の符号は、上記各ホール素子３５Ａ，３５Ｂ，４５に印可される磁界の方向と流す制御電流の方向によるので、検出方法により適宜選定することができる。
ところで、従来のホール素子を用いた変位センサや位置検出センサでは、被測定物に取り付けられた磁界発生手段である永久磁石と、上記永久磁石からの磁界のうち、所定の方向の磁界成分を検出する１個あるいは複数のホール素子とを用いて、上記被測定物の１方向の変位のみを検出する構成となっているので、例えば、第６図のホール素子４５では、ｈが変化した場合には、出力Ｖも変化するので、Ｘ方向の磁界成分とｈ方向の磁界成分とを分離して検出することができなかった。すなわち、被測定物の２軸方向あるいは３軸方向の変位を同時に測定する場合には、上記永久磁石とホール素子とをそれぞれ２対あるいは３対準備して、被測定物の各軸方向の変位を別個に測定しなければならなかった。
しかしながら、被測定物の所定の領域に、磁化方向が異なる複数個の永久磁石を、その磁界が干渉することなく取り付けることは困難であるため、各軸方向の変位を検出するための永久磁石とホール素子との対を、被測定物の互いに離れた位置に取り付けなければならなかった。また、被測定物全体が剛体で構成されていない場合には、被測定物の適当な複数箇所の変位を測定しても意味がないので、当該変位測定箇所に２対あるいは３対の永久磁石とホール素子を取り付けて、各軸方向の変位を検出しなければならないため、上記の場合と同様に、広いスペースが必要であった。
したがって、被測定物の変位測定箇所に十分な取り付けスペースを確保することができない場合には、被測定物の所定の領域における２軸方向あるいは３軸方向の変位を正確に測定することが困難であった。
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、被測定物の狭い領域の、２軸方向あるいは３軸方向の変位を効率よくかつ正確に測定することのできる変位センサを提供することを目的とする。
発明の開示
請求の範囲１に記載の発明は、ホール素子を備えた変位センサであって、被測定物上に設けられた、厚さ方向に磁化された板状の磁石と、上記磁石の磁極面をＸＹ平面としたときに、上記磁極面の中心近傍に対向して配置され、上記磁石から磁界の、磁石の厚さ方向であるＺ軸方向に平行な成分を検出する第１のホール素子と、上記第１のホール素子の上記磁石とは反対側に配置された、上記磁石からの磁界のＸ軸方向に平行な成分を検出する第２のホール素子とを備え、上記被測定物の２軸（Ｘ軸、Ｚ軸）方向の変位を同時に検出可能としたものである。
請求の範囲２に記載の発明は、請求の範囲１に記載の変位センサにおいて、Ｚ軸方向の検出精度を向上させるため、すなわち、Ｘ方向の変位の影響のない領域を広くとるために、上記磁石の形状を、Ｘ軸方向の長さがＹ軸方向の長さよりも長い形状としたものである。
請求の範囲３に記載の発明は、請求の範囲１に記載の変位センサにおいて、上記第２のホール素子に加えて、上記第１のホール素子の上側あるいは下側に配置された、上記磁石からの磁界のＹ軸方向に平行な成分を検出する第３のホール素子を配設して、上記被測定物の３軸方向の変位を同時に検出可能としたものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の最良の形態について、図面に基づき説明する。
第１図は、本最良の形態に係わる変位センサの構成を示す図である。同図において、１０は被測定物、２０はこの被測定物１０の変位測定部位に取り付けられた、厚さ方向に磁化された長方形板状の磁石（永久磁石）で、表面側がＮ極に、裏面側がＳ極になるよう着磁されている。以下、位置関係を明確にするため、上記表面側を磁極面２０ａ、裏面側を磁極面２０ｂとし、磁極面２０ａの中心を原点Ｏ、上記磁極面２０ａ及び磁極面２０ｂをＸＹ平面に平行な面とする。
２１は上記磁石２０と、磁石２０の厚み方向であるＺ軸方向に所定の距離を隔てて、磁極面２０ａの中央部（原点Ｏ）に対向するように配置された第１のホール素子、２２は上記第１のホール素子２１の上記磁石２０とは反対側で、Ｚ軸方向に延長する方向に、上記第１のホール素子２１と所定の距離をおいて配置された第２のホール素子である。
また、本例では、Ｙ軸方向の変位量よりもＸ軸方向の変位量が大きい試料の変位を測定するものとし、Ｚ軸方向の磁界成分を検出する際に、Ｘ方向の変位の影響のない領域を広くとることができるように、上記磁石２０を、Ｘ軸方向の長さがＹ軸方向の長さよりも長いものとした。
上記磁石２０からの磁界の方向は、第１図に示すように、磁極面２０ａとの距離が短い領域においては、周縁部を除いては、磁極面２０ａにほぼ垂直なＺ軸方向を向き、磁極面２０ａから離れるに従って上記磁石２０の磁力線はＹＺ平面に平行な側面２０ｃ及びＺＸ平面に平行な側面２０ｄ方向に向かうので、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向の磁界成分が増加する。
本例では、第１のホール素子２１の、検出すべき磁界の方向と垂直な面である磁界印可面２１ｓを、ＸＹ平面に平行になるように配置するとともに、上記第１のホール素子２１を、第２図の網線部に示すような、磁界の方向が略Ｚ軸方向を向くような領域Ｒのほぼ中央部に配置し、更に、上記磁界印可面２１ｓに平行な面内（例えば、Ｘ軸方向）に制御電流を流して、磁石２０からの磁界のＺ軸方向に平行な成分を検出する。
また、第３図に示すように、上記領域Ｒの外側には、磁界磁力線の方向は略ＺＸ平面内にあり、かつ、Ｘ座標が同じ　場所では上記磁界のＸ成分が略同じ値となる領域Ｓがある。
そこで、第２のホール素子２２の磁界印可面２２ｓをＹＺ平面に平行になるように配置するとともに、第１のホール素子２１後方の上記領域Ｓのほぼ中央部に配置し、更に、上記磁界印可面２２ｓに平行な面内（例えば、Ｙ軸方向）に制御電流を流して、磁石２０からの磁界のＸ軸方向に平行な成分を検出する。
したがって、被測定物１０がＺＸ平面内で変位した場合には、第１のホール素子２１によりＺ軸方向の変位を、第２のホール素子２２によりＸ軸方向の変位を検出することができるので、１個の磁石２０を被測定物１０の変位測定箇所に取り付けるだけで、当該箇所の２軸の変位を同時にかつ分離して検出することができる。詳細には、被測定物１０がＸＺ平面内で、第１のホール素子２１が上記領域Ｒ内にある範囲で変位した場合には、上記磁石２０から磁界の方向は略Ｚ方向を向いているので、上記第１のホール素子２１では、Ｘ軸方向の変位量に係わらず、Ｚ軸方向の変位のみを検出する。一方、このとき、第２のホール素子２２では、磁界のＺ成分が変化してもＸ成分は変化しないような領域Ｓ内にあるので、上記に第２のホール素子２２では、Ｚ軸方向の変位量に係わらず、Ｘ軸方向の変位のみを検出する。
また、ホール素子２１，２２は小型の素子であるので、被測定物１０の狭い領域の２軸方向の変位を効率よくかつ正確に測定することができる。
なお、上記最良の形態では、Ｙ軸方向の変位量よりもＸ軸方向の変位量が大きい試料の変位を精度よく測定するため、上記磁石２０を長方形状としたが、正方形であっても十分に２軸方向の変位量を検出することができる。また、上記磁石２０の形状は長方形あるいは正方形に限るものではないが、上，下あるいは左，右の変位量に対して同等の電圧値を得るためには、Ｘ軸あるいはＹ軸に関して対称な形状であることが望ましい。
また、第４図に示すように、上記第１のホール素子２１の上側に上記磁石２０からの磁界のＹ軸方向に平行な成分を検出する第３のホール素子２３を配置することにより、上記被測定物１０のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向の変位を同時にかつ分離して測定することができる。
詳細には、上記第３のホール素子２３を、その磁界印可面２３ｓがＺＸ平面に平行になるように配置するとともに、上記磁界印可面２３ｓに平行な面内（例えば、Ｚ軸方向）に制御電流を流して、磁石２０からの磁界のＹ軸方向に平行な成分を検出する。
なお、上記第１，第２及び第３のホール素子２１，２２，２３の配置方法は、上記例に限るものではなく、例えば、第１のホール素子２１の下側に第３のホール素子２３を配置したりしてもよい。更には、磁極面２０ａの中央部に対向するように第３のホール素子２３を配置し、第１のホール素子２１を上記第３のホール素子２３の上，下いずれかに配置し、第２のホール素子２２を上記第３のホール素子２３の後方に配置するようにしても、上記被測定物１０のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の３軸方向の変位を同時にかつ測定することができる。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明によれば、被測定物上に設けられた、厚さ方向に磁化された板状の磁石と、上記磁極面の中心近傍に対向して配置され、上記磁石から磁界のＺ軸方向に平行な成分を検出する第１のホール素子と、上記第１のホール素子の上記磁石とは反対側に、上記第１のホール素子と所定の距離をおいて配置された、上記磁石からの磁界のＸ軸方向に平行な成分を検出する第２のホール素子とを備え、上記被測定物のＸ軸方向の変位とＺ軸方向の変位とを同時に検出することができるようにしたので、被測定物の狭い領域の２軸方向の変位を効率よくかつ正確に測定することができる。
更に、上記第１のホール素子の上側あるいは下側に、上記第１のホール素子と所定の距離をおいて、上記磁石からの磁界のＹ軸方向に平行な成分を検出する第３のホール素子を配置することにより、上記被測定物の３軸方向の変位を同時に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の最良の形態に係わる変位センサの構成を示す図である。
第２図は、磁石からの磁界の方向と第１のホール素子の設置位置を示す図である。
第３図は、磁石からの磁界の方向と第２のホール素子の設置位置を示す図である。
第４図は、本発明に係わる３軸検出用変位センサの構成を示す図である。
第５図は、従来の位置検出センサの構成を示す図である。
第６図は、従来の変位センサの構成を示す図である。

Claims (3)

1. 被測定物上に設けられた、厚さ方向に磁化された板状の磁石と、上記磁石の磁極面をＸＹ平面としたときに、上記磁極面の中心近傍に対向して配置され、上記磁石から磁界の、磁石の厚さ方向であるＺ軸方向に平行な成分を検出する第１のホール素子と、上記第１のホール素子の上記磁石とは反対側に配置された、上記磁石からの磁界のＸ軸方向に平行な成分を検出する第２のホール素子とを備えたことを特徴とする変位センサ。
2. 上記磁石の形状を、Ｘ軸方向の長さがＹ軸方向の長さよりも長くしたことを特徴とする請求の範囲１に記載の変位センサ。
3. 上記第１のホール素子の上側あるいは下側に配置された、上記磁石からの磁界のＹ軸方向に平行な成分を検出する第３のホール素子を備えたことを特徴とする請求の範囲１に記載の変位センサ。

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