(57)【要約】【課題】検出対象物の移動位置を正確に検出するための煩雑な作業を要することなく、検出対象物の正確な移動位置を簡単に検出すること。【解決手段】位置検出センサ１は、支持体に固定された固定磁石７１と、検出対象物４に設けられ当該検出対象物の移動に伴い移動する可動磁石７２と、固定磁石７１と可動磁石７２との間に設けられ固定磁石７１から可動磁石７２への磁場角度の変化による磁気抵抗の変化に基づいて可動磁石７１の位置を検出するセンサ部７６と、を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体に固定された固定磁石と、
検出対象物に設けられ当該検出対象の移動に伴い移動する可動磁石と、
前記固定磁石と前記可動磁石との間に設けられ前記固定磁石から前記可動磁石への磁場角度の変化による磁気抵抗の変化に基づいて前記可動磁石の位置を検出するセンサ部と、を備えたことを特徴とする位置検出センサ。
【請求項２】
前記可動磁石の移動方向における長さを、前記移動方向における前記固定磁石の長さに比べて相対的に長くしたことを特徴とする請求項１に記載の位置検出センサ。
【請求項３】
前記可動磁石の移動方向における長さは、前記固定磁石の長さの略３倍から略５倍であることを特徴とする請求項２に記載の位置検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動する検出対象物の位置を検出する位置検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の位置検出センサとして、磁場の強さの変化により検出対象の位置を検出するリニア型位置検出センサが知られている（特許文献１参照）。このリニア型位置検出センサにおいては、矩形形状の磁石と、この磁石上に設けられると共に磁石の短手方向の幅が異なるように形成された磁性板と、ホール素子を有し磁性板上を長手方向に移動可能なセンサアセンブリと、を備え、磁性板上を移動するホール素子の出力が磁場の強さに伴って変化することにより、磁性板に対するセンサアセンブリの移動位置を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０５−２６４３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の位置検出センサにおいては、ホール素子が磁束密度を読み取る構造であるため、磁性板に機械的な寸法誤差があると磁束密度の変化に影響してしまい、ホール素子の出力が変動し易い構造になっている。従って、検出対象物であるセンサアセンブリの移動位置を正確に検出するためには、各位置に対する安定した磁束密度に対応する磁性板の寸法精度が要求されるため、検出対象物の正確な移動位置を簡単に検出することができない問題があった。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、検出対象物の移動位置を正確に検出するための煩雑な作業を要することなく、検出対象物の正確な移動位置を簡単に検出することができる位置検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の位置検出センサは、支持体に固定された固定磁石と、検出対象物に設けられ当該検出対象の移動に伴い移動する可動磁石と、前記固定磁石と前記可動磁石との間に設けられ前記固定磁石から前記可動磁石への磁場角度の変化による磁気抵抗の変化に基づいて前記可動磁石の位置を検出するセンサ部と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、センサ部が固定磁石から可動磁石への磁場角度の変化による磁気抵抗の変化に基づいて可動磁石の位置を検出するので、可動磁石の位置を介して当該可動磁石の設けられた検出対象物の位置を検出することができる。このため、従来のように検出対象物の移動位置を正確に検出するための煩雑な作業を要することなく、検出対象物の移動位置を簡単に検出することができる。
【０００８】
本発明は、上記位置検出センサにおいて、前記可動磁石の移動方向における長さを、前記移動方向における前記固定磁石の長さに比べて相対的に長くしたことを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、位置検出の直線性（リニアリティ）をより確保するために、固定磁石と可動磁石との位置関係を磁場角度の変化として、より長い距離で直線的に検知することが可能となった。
【００１０】
本発明は、上記位置検出センサにおいて、前記可動磁石の移動方向における長さは、前記固定磁石の長さの略３倍から略５倍であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、検出対象物の移動位置を正確に検出するための煩雑な作業を要することなく、検出対象物の正確な移動位置を簡単に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る位置検出センサを示す分解斜視図である。
【図２】本実施の形態に係る位置検出センサの要部を示す斜視図である。
【図３】本実施の形態に係る位置検出センサを模式的に示した断面図である。
【図４】本実施の形態に係る位置検出センサを模式的に示した上面図である。
【図５】本実施の形態に係る位置検出センサを模式的に示した断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る位置検出センサを模式的に示した断面図である。
【図７】比較例及び本実施の形態に係る位置検出センサの出力とストローク長とのシミュレーション結果を示した図である。
【図８】比較例及び本実施の形態に係る位置検出センサの磁場回転角度とストローク長とのシミュレーション結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。本発明の実施の形態に係る位置検出センサは、移動する検出対象物の位置を検出するセンサであり、例えば、自動車のエンジンにおいて、ピストンの移動速度と吸排気のエアーの流速に合わせて、吸排気バルブの開閉タイミングを制御する可変バルブ（ＶＶＴ：Variable  Valve  Timing）機構に用いられるものである。以下、本発明の実施の形態に係る位置検出センサを、可変バルブ機構に用いた場合を例に説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る位置検出センサを示す分解斜視図である。図２は、位置検出センサのセンサユニット周辺部を示す斜視図である。図３は、位置検出センサを前面側から見た状態を示す断面図である。図４は、位置検出センサのセンサユニット周辺部を上面側から見た状態を模式的に示した図である。なお、説明の都合上、図２には、位置検出センサの上面側を一部省略したものが示されている。以下、前後、左右、上下は、図１に示す方向に従うものとして説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態に係る位置検出センサ１は、下面が開口されたケース２と、ケース２の開口に装着されて収容部を形成する蓋体３とを備え、ケース２及び蓋体３が組み合わされて略円筒形状の箱状体をなしている。ケース２及び蓋体３により形成される収容部内には、後述する可動体４、センサユニット７及びセンサユニット支持体８が収容される。
【００１６】
ケース２の上面の略中心位置には開口部２ａが形成され、開口部２ａには可動体４のシャフト４ａが挿通される。また、ケース２の内周面には、後述する一対のバネ５を保持する一対のバネ保持部２ｂ，２ｂが対向して設けられている（図２）。蓋体３上面には凹部が形成されており、凹部内に信号処理用の回路基板６が収容される。この信号処理用の回路基板６は、図示しないエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ：Engine  Control  Unit）に接続されている。
【００１７】
可動体４は、位置検出センサ１の検出対象物となるものであり、上方に突設した略円筒形状のシャフト４ａと、シャフト４ａを支持するシャフト支持部４ｂと、シャフト支持部４ｂの一端部に設けられた収容ケース４ｃと、から一体形成されている。
【００１８】
シャフト４ａは、ケース２の開口部２ａに挿通し、図示しない吸気又は排気バルブの駆動により上下に往復動可能に構成されている。シャフト支持部４ｂは、前後方向に延在した略矩形形状の板状部材で形成されている。板状部材の上面中央部にはシャフト４ａが設けられ、裏面両端部には下方に突出した一対の突出部４ｄが形成されている。この一対の突出部４ｄには、可動体４とセンサユニット支持体８を付勢する一対のバネ５の一端がそれぞれ係止される。
【００１９】
収容ケース４ｃは、ケース２の内側部分と外側部分の一部とが開口した略方形形状の箱状体に形成され、可動側磁石（可動磁石）７２が、一部を外部に露出させた状態で収容される。この収容ケース４ｃは、センサユニット支持体８に設けられたガイド部８ｃに案内可能に構成されており、シャフト４ａの往復動に伴い収容ケース４ｃがガイド部８ｃに案内されて、可動磁石７２がケース２内を往復動する。
【００２０】
センサユニット７は、センサユニット支持体８に固定される固定磁石７１と、固定磁石７１と対向する位置で可動体４の移動に伴って移動する可動磁石７２と、磁気抵抗効果素子（ＧＭＲセンサ）７６を有した磁気検出部材７３と、固定磁石７１及び可動磁石７２を保護する保護板７４と、を備えている。
【００２１】
固定磁石７１は、略直方体形状に形成されており、上下に位置決めされた状態でセンサユニット支持体８の一端側に固定されている（図５）。可動磁石７２は、略直方形状に形成されており、センサユニット支持体８の他端側に設けられた収容ケース４ｃに取り付けられている。固定磁石７１の可動磁石７２と対向する面はＮ極に着磁され、可動磁石７２の固定磁石７１と対向する面はＳ極に着磁されている。したがって、ケース２の収容部内には、矢印で示す方向に、固定磁石７１から可動磁石７２に磁束が流れるように磁界が形成されている（図４）。
【００２２】
磁気検出部材７３は、固定磁石７１と可動磁石７２との略中間位置に設けられ、正面視Ｌ字状の基板７５と、基板７５に取り付けられた磁気抵抗効果素子７６及び複数の接続端子７７と、から構成されている。
【００２３】
基板７５は、磁気抵抗効果素子７６の実装面が前面を向く状態で、その両側部がセンサユニット支持体８の支持部本体８ｂに取り付けられている。複数の接続端子７７は、基板７５の下方に取り付けられており、センサユニット支持体８の支持板部８ａを貫通して、回路基板６に接続されている（図３）。
【００２４】
磁気抵抗効果素子７６は、基板７５の実装面において、固定磁石７１と可動磁石７２との間であって、かつ固定磁石７１及び可動磁石７２間の磁束の流れの影響を受ける位置に取り付けられている（図４及び図５）。この磁気抵抗効果素子７６は、作用する磁束方向の影響に応じて電気抵抗値が変化するように構成されている。
【００２５】
ここで、磁気抵抗効果素子７６について簡単に説明する。磁気抵抗効果素子７６は、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用したＧＭＲ素子であり、基板上に下から絶縁層、下地層、反強磁性層、固定磁性層、非磁性中間層、フリー磁性層及び保護層の順に、薄膜プロセスを用いて形成されている。反強磁性層と固定磁性層とが接して形成されているため、磁場中熱処理を施すことにより両磁性層の界面に交換結合磁界が生じ、固定磁性層の磁化方向は一方向に固定される。一方、フリー磁性層の磁化方向は、固定磁性層と違って磁化方向が固定されておらず、外部磁界の侵入方向の変化によって磁化変動するように構成されている。
【００２６】
したがって、磁気抵抗効果素子７６が、固定磁石７１から可動磁石７２へ流れる磁場フラックスの影響を受けると、固定磁性層の磁化方向に対するフリー磁性層の磁化方向の角度（磁場角度）が変化し、この磁場角度の変化に基づいて電気抵抗値が変化する。この磁場角度の変化に応じた電気抵抗値に基づく出力信号により、可動体４の移動に伴い移動する可動磁石７２の移動位置（つまり可動体４の移動位置）を検出することが可能となる。磁気抵抗効果素子７６が検出した出力信号は、基板７５の接続端子７７を介して回路基板６に出力され、図示しないＥＣＵに出力される。
【００２７】
保護板７４は、平面視略コ字状に形成されており、固定磁石７１及び可動磁石７２の外側面並びに基板７５の背面側を覆うように、センサユニット支持体８に取り付けられている。この保護板７４は、金属材料で形成されており、固定磁石７１から可動磁石７２に向かって流れる磁場フラックスを固定磁石７１側に再び戻すためのバックヨークとして機能する（図４）。すなわち、固定磁石７１、可動磁石７２及び保護板７４は磁気回路として機能する。したがって、可動磁石７２から流れる磁束は、側板部７４ａを経由して側板部７４ｂに伝えられ、側板部７４ｂから可動磁石７２への磁場を安定させることができる。また、保護板７４の可動磁石７２を覆う側板部７４ａは、固定磁石７１を覆う側板部７４ｂに比べて大きく形成されており、ガイド部８ｃの外側部分を覆うように構成されている。これにより、可動磁石７２が取り付けられた収容ケース４ｃがガイド部８ｃに案内されて上下動した場合でも、可動磁石７２が受ける磁場を側板部７４ａ及び７４ｂを介して固定磁石７１に伝えることが可能になる。一方、固定磁石７１を覆う側板部７４ｂ内面には突部７４ｃが形成されており、この突部７４ｃにより固定磁石７１の上面側が位置決めされる（図５）。
【００２８】
センサユニット支持体８は、蓋体３と上面視略同一形状に形成された支持板部８ａと、支持板部８ａの略中央から立設した支持部本体８ｂと、支持部本体８ｂの側部に設けられたガイド部８ｃと、を備えている。
【００２９】
支持板部８ａは、蓋体３との間に回路基板６を挟み込むようにして、ケース２内部に収容されている。支持板部８ａの上面には、支持部本体８ｂを挟んで上方に突出した一対の突出部８ｄ，８ｄが形成されている。この突出部８ｄには、一対のバネ５の他端がそれぞれ係止される。また、ガイド部８ｃ及び支持部本体８ｂの背面側であって、支持板部８ａ上面には、保護板７４を保持する保護板保持部８ｅが形成されている（図３）。
【００３０】
支持部本体８ｂは、上方が開口した略箱状体に形成されており、箱状体内部を左右方向に仕切る仕切り壁８ｆ，８ｇが設けられている（図４）。この仕切り壁８ｆ，８ｇに基板７５の両端部がそれぞれ取り付けられて、基板７５が支持部本体８ｂに固定される。また、ガイド部８ｃが設けられた側と対向する支持部本体８ｂの側壁と、仕切り壁８ｆとの間には、固定磁石７１を下方から支持する固定磁石支持部８ｉが形成されている（図５）。固定磁石７１は、固定磁石支持部８ｉ上に載置されると共に、保護板７４の側板部７４ｂに形成された突部７４ｃに位置決めされた状態で支持部本体８ｂに対して固定される。また、支持部本体８ｂの固定磁石７１の固定位置外側には、保護板７４を取り付けるための切り欠き部８ｊが形成されている。保護板７４は、上記保護板保持部８ｅ及び切り欠き部８ｊに取り付けられて、センサユニット支持体８に固定される（図３）。
【００３１】
ガイド部８ｃは、支持板部８ａの上面に立設した一対のガイド板８ｋ，８ｋで形成されている。ガイド板８ｋ，８ｋの内側、支持部本体８ｂの側壁８ｈ及び保護板７４の側板７４ａで形成される空間に、収容ケース４ｃが収容され、収容ケース４ｃの上下動が案内されるように構成されている。
【００３２】
このように構成された位置検出センサ１は、蓋体３の凹部に回路基板６が収容され、支持部本体８ｂに固定磁石７１が載置されると共に支持部本体８ｂ内部に磁気抵抗効果素子７６が実装された基板７５が取り付けられる。このとき、基板７５に取り付けられた接続端子７７は、支持板部８ａを介して回路基板６に接続される。支持部本体８ｂに固定磁石７１及び基板７５が取り付けられると、保護板７４が、ガイド部８ｃの開口部分及び固定磁石７１を覆うようにガイド部８ｃ及び支持部本体８ｂに取り付けられる。収容ケース４ｃに可動磁石７２が取り付けられた可動体４が、一対のバネ５に付勢されながらセンサユニット支持体８に対して取り付けられ、ケース２が蓋体３に装着されて、位置検出センサ１が組み立てられる。
【００３３】
次に、図４及び図５を用いて、本実施の形態に係る位置検出センサ１の作用について説明する。図５は、本実施の形態に係る位置検出センサ１を正面側から模式的に示した断面図である。ここでは、図５における可動磁石７２の位置Ｐ１を初期位置として説明する。なお、図５においては、説明の都合上、バネ５等の一部の構成部材を省略している。
【００３４】
図５に示す初期位置Ｐ１において、固定磁石７１から可動磁石７２への磁場フラックスは、矢印Ａで示す方向に流れている。そして、図示しない吸気又は排気バルブの駆動によりシャフト４ａがケース２内を上方に移動すると、これに伴って収容ケース４ｃに取り付けられた可動磁石７２も位置Ｐ２に移動する。このとき、可動磁石７２の上方への移動に伴い固定磁石７１から可動磁石７２への磁場フラックスが矢印Ｂで示す方向に変わり、ケース２内の磁界が変化する。磁気抵抗効果素子７６は、この磁界の変化の影響を受けると磁場角度が変化し、この磁場角度の変化に基づいて電気抵抗値が変化し、変化した電気抵抗値に基づく出力信号を出力する。これにより、可動磁石７２の移動位置Ｐ２を介して検出対象である可動体４の移動位置を検出することができる。同様に、シャフト４ａがケース２内を下方に移動すると、これに伴って可動磁石７２も位置Ｐ３に移動する。このとき、可動磁石７２の下方への移動に伴い固定磁石７１から可動磁石７２への磁場フラックスが矢印Ｃで示す方向に変わり、ケース２内の磁界が変化する。磁気抵抗効果素子７６は、この磁界の変化の影響を受けると磁場角度が変化し、これにより変化した電気抵抗値に基づく出力信号を出力する。
【００３５】
このように本実施の形態の位置検出センサ１によれば、磁気抵抗効果素子７６が固定磁石７１から可動磁石７２への磁場角度の変化による磁気抵抗の変化に基づいて可動磁石７２の位置を検出するので、可動磁石７２の位置を介して検出対象物である可動体４の位置を検出することができる。このため、従来のように検出対象物の移動位置を正確に検出するための煩雑な作業を要することなく、検出対象物の移動位置を簡単に検出することができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本発明の第２の実施の形態に係る位置検出センサ１は、上述した第１の実施の形態に係る位置検出センサ１と比べて、可動体４のストローク方向における固定磁石及び可動磁石の長さのみ相違している。したがって、特に相違点についてのみ説明し、同一の構成については同一の符号を用い、繰り返しの説明を省略する。
【００３７】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る位置検出センサ１ａの構成を模式的に示した断面図である。なお、図６においては、説明の都合上、バネ５等の一部の構成部材を省略している。
【００３８】
図６に示す位置検出センサ１ａは、可動磁石７２ａの移動方向における長さが、この移動方向における固定磁石７１ａの長さに比べて相対的に長く構成されている。可動磁石７２ａの移動方向における長さは、固定磁石７１ａの長さの略３倍から略５倍であることが好ましい。本実施の形態の位置検出センサ１ａにおいては、固定磁石７１ａの長さＬ１を２ｍｍに、可動磁石７２ａの長さＬ２を８ｍｍとし、固定磁石７１ａの長さに対する可動磁石７２ａの長さを４倍として構成している。これにより、位置検出の直線性（リニアリティ）をより確保するために、固定磁石７１ａと可動磁石７２ａとの間の磁場を変化させることができる。なお、図６において、Ｌ３は、移動方向における可動磁石７２ａの中心位置の移動距離（ストローク長）を示している。
【００３９】
次に、図７及び図８を用いて、比較例と比較しながら、本実施の形態に係る位置検出センサ１ａの出力及び磁場回転角度（磁場角度）と可動磁石の移動（ストローク）距離とのシミュレーション結果について説明する。図７は、比較例及び本実施の形態に係る位置検出センサの出力とストローク長とのシミュレーション結果を示した図である。図８は、比較例及び本実施の形態に係る位置検出センサの磁場回転角度とストローク長とのシミュレーション結果を示した図ある。図７及び図８において、（ａ）は比較例に係るシミュレーション結果を示し、（ｂ）は本実施の形態に係るシミュレーション結果を示している。ここでは、移動方向における固定磁石７１ａ及び可動磁石７２ａの長さ寸法を同寸法（４ｍｍ）にしたものを比較例としている。
【００４０】
図７（ａ）及び図８（ａ）に示すように、固定磁石７１ａ及び可動磁石７２ａの移動方向における長さ寸法を同じにした場合、位置検出のリニア出力の領域は狭く、供用領域は約４ｍｍ程度である。一方、図７（ｂ）及び図８（ｂ）に示すように、固定磁石７１ａに比べて可動磁石７２ａの移動方向における長さ寸法を４倍にした場合、位置検出のリニア出力の領域は広くなり、供用領域は、比較例に比べて約２．５倍の約１０ｍｍ程度となることが確認できた。なお、図７及び図８では、移動方向における可動磁石７２ａの長さを固定磁石７１ａの４倍とした場合のシミュレーション結果の一例を示したが、本発明者達は、移動方向における可動磁石７２ａの長さを固定磁石７１ａの略３倍から５倍にした場合に、位置検出のリニア出力の領域が略２倍から３倍に広がることを確認している。このように、移動方向における可動磁石７２ａ長さを、同方向における固定磁石７１ａの長さに比べて相対的に長く構成することにより、固定磁石７１ａと可動磁石７２ａとの間の磁場が変化して、位置検出の直線性（リニアリティ）をさらに確保することができ、位置検出センサ１ａの供用領域（位置検出範囲）をさらに拡大することが可能となる。
【００４１】
なお、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、自動車のエンジンの吸排気バルブの開閉タイミングを制御する可変バルブ機構や車体の高さの検出、シートの位置検出など、３０ｍｍ以下程度の比較的短距離の直線位置の検出に適用可能である。また、本発明は、ピアノ等の鍵盤楽器などのきわめて微小な距離の位置検出などにも適用可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１，１ａ  位置検出センサ
４  可動体
４ａ  シャフト
４ｂ  シャフト支持部
４ｃ  収容ケース
７  センサユニット
７１，７１ａ  固定磁石
７２，７２ａ  可動磁石
７３  磁気検出部材
７４  保護板
７５  基板
７６  磁気抵抗効果素子（センサ部）
８  センサユニット支持体（支持体）
８ａ  支持板部
８ｂ  支持部本体
８ｃ  ガイド部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010185853.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010185853.tif 000007
【図６】
2010185853.tif 000008
【図７】
2010185853.tif 000009
【図８】
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