(57)【要約】  【課題】  磁性材料の磁化特性によるヒステリシス誤差を発生しない、磁気式リニアポジションセンサを提供すること。  【解決手段】  変位を検出する方向にＮ極とＳ極の第１、第２のマグネット１１ａ、１１ｂを軟質磁性材料のヨーク１０で連結配置し、これらのマグネットに空隙１２を介して対向する位置に軟質磁性材料製のヨーク１４を配置し、第１と第２のマグネットに対する空隙の長さを、変位方向の中心部では大きく、両端部では小さくなるように直線的に変化させたマグネットとヨークからなる一体構造の磁気回路ブロックを形成し、この空隙部分に挿入された磁電変換素子１３と磁気回路ブロックの相対位置を直線的に変化させたとき、移動方向に垂直方向の磁束密度の変化を検出する方向に上記磁電変換素子１３の感磁面を配置する。  【選択図】図１
2005195481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位を検出する方向にある角度をなして表面がＮ極とＳ極の第１、第２のマグネットを軟質磁性材料のヨークで連結配置し、これらのマグネットに空隙を介して対向する位置に軟質磁性材料のヨークを配置し、第１と第２のマグネットに対する空隙の長さを、変位方向の中心部では大きく、両端部では小さくなるように直線的に変化させたマグネットとヨークからなる一体構造の磁気回路ブロックを形成し、該磁気回路ブロックの空隙部分に磁電変換素子を挿入し構成し、磁気回路ブロックと磁電変換素子との相対位置を直線的に変化させたとき、移動方向に垂直方向の成分の磁束密度の変化を検出する方向に、該磁電変換素子の感磁面を配置したことを特徴とする磁気式リニアポジションセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載の構成で、第１、第２のマグネットとして、シート成形タイプのマグネットを使用したことを特徴とする磁気式リニアポジションセンサ。
【請求項３】
請求項１に記載の構成で、第１、第２のマグネットとして、ＳｍＦｅＮ系希土類ボンド磁石のシート成形タイプのマグネットを使用したことを特徴とする請求項３に記載の磁気式リニアポジションセンサ
【請求項４】
請求項1及び請求項２及び請求項３に記載の構成で、磁電変換素子として、プログラマブルホールＩＣを用いたことを特徴とする磁気式リニアポジションセンサ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁束の変化を電圧に変換する磁電変換素子（例えばホール素子等）を用いて、直線変位を非接触で検出するリニアポジションセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁束の変化を電圧に変換する磁電変換素子を用いて非接触で直線変位の絶対位置を電気的な出力として検出する磁気式リニアポジションセンサとしては、先願である特願２００３−２０５２７３号の明細書等に記載された磁気式リニアポジションセンサがある。
【０００３】
図６は、上記先願の磁気式リニアポジションセンサの基本構成を示す断面図である。図に示すように軟質磁性材料のステータヨーク１０１と１０２の間にセンサを挿入するセンサギャップ１０３を設け、その中に磁電変換素子であるホール素子１０４を配置して固定子部を構成し、その固定子部に対向して、センサギャップ１０３に垂直な方向に主エアギャップ１０５を介して、厚み方向にＮＳ極着磁した永久磁石１０６と、２つの脚部１０７が永久磁石の主エアギャップ１０５とほぼ等しいエアギャップで固定子１０１，１０２に対向する形状の軟質磁性材料の継鉄１０８とを一体化した可動子部を、直線的に移動自在とした磁気回路構成で形成される。可動子は直線運動機構の一部であるスライダ１０９に結合され、図の矢印で示すように移動可能で、この移動量がセンサによって検知される。
【０００４】
図６に示すように、固定子部に対して可動子部が中央にある場合、永久磁石１０６と継鉄１０８及びその脚部１０７と固定子１０１，１０２によって、磁気回路Ａ，Ｂが形成され、ホール素子１０４を通過する磁束は０となる。
【０００５】
図７に示すように可動子が右端にくると、磁気回路Ａ，Ｂのバランスがくずれ、ホール素子１０４には磁気回路Ａの磁束が通過する。ホール素子１０４を通過する磁束は図６の０から可動子が右に移動するにつれて徐々に増加し、図７で最大になる。そしてホール素子１０４は磁束の変化に応じた電圧を出力し、可動子の位置すなわちスライダ１０９の位置を検知できることになる。  
【０００６】
図８に示すように可動子が左端にくると、ホール素子１０４には磁気回路Ｂの磁束が通過する。このとき磁束の方向は磁気回路Ａとは逆向きになるので、スライダ１０９の右方向の移動量をプラスとすれば、この図８の左方向への移動はマイナスとして検知される。ホール素子１０４を通過する磁束は図６の０から可動子が左に移動するにつれて徐々に増加し、図８最大になる。  
【特許文献１】特開２００３−２０５２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の技術での問題点は、固定子部として軟質磁性材料のステータヨーク１０１と１０２を使用し、その間にセンサを挿入するセンサギャップ１０３を設け、その中にホール素子１０４を配置した構成を使用しているため、ステータヨーク１０１と１０２の中を磁束線が通り、可動子側のマグネットの移動に伴い磁束線の方向はＮとＳの両極性にまたがって変化する。そのためステータヨークの軟質磁性材料の磁化特性によりヒステリシス現象が発生する。すなわち、可動子が右に移動したときと、左に移動して戻ってきたときの同じ位置に対する出力電圧の値に差を生じることになる。一般に軟質磁性材料として電磁軟鉄を使用したときに、フルスケールの0.5％程度、高級ケイ素鋼板を使用したとき0.2％程度、パーマロイ等のさらに高級な磁性材料を使用しても0.1％程度のヒステリシスが残り、検出精度が要求される用途では問題視される。
【０００８】
技術的解決策の必要性は、この磁性材料のヒステリシス特性による出力電圧の差を小さく抑えることである。しかし、このような磁気回路構成でヒステリシスを低減あるいは無くすことは非常に難しい。例えばヒステリシスを小さく抑えるために、高級な磁性材料を使用したり焼鈍処理を加えたりすると、ポジションセンサ全体の価格が高価となる。ポジションセンサへの要求特性として、検出値の再現性を重視する用途の場合、例え0.1%オーダーのヒステリシスであっても無視できるレベルではなく、精度上大きな値として問題になることがあり、ヒステリシスは全く無いことが望ましい。
【０００９】
この改善策としては、ヒステリシス現象の少ない材料を使用することよりも、むしろ原理的にヒステリシスの発生しない磁気回路構造を採用することが望ましい。
【００１０】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、磁気回路と磁電変換素子（例えばホール素子等）で構成された磁気式リニアポジションセンサにおいて、磁気回路を構成する磁性材料の磁化特性によって、センサ出力にヒステリシス誤差が生じることのない、原理的にヒステリシスの発生しない磁気回路構造を用いたリニアポジション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】
【００１１】
この目的を達成するため本発明においては、変位を検出する方向にＮ極とＳ極の第１、第２のマグネットを軟質磁性材料のヨークで連結配置し、これらのマグネットに空隙を介して対向する位置に軟質磁性材料製のヨークを配置し、第１と第２のマグネットに対する空隙の長さを、変位方向の中心部では大きく、両端部では小さくなるように直線的に変化させたマグネットとヨークからなる一体構造の磁気回路ブロックを形成し、この空隙部分に挿入された磁電変換素子と磁気回路ブロックの相対位置を直線的に変化させたとき、移動方向に垂直方向の磁束密度の変化を検出する方向に上記磁電変換素子の感磁面を配置する。
【００１２】
上記磁電変換素子として、プログラマブルホールICを用いてもよい。
【００１３】
上記マグネットとして、シート成形タイプのものを使用してもよい。
【００１４】
この場合、上記マグネットとして、ＳｍＦｅＮ系希土類ボンド磁石のシート成形タイプを使用してもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の磁気式リニアポジションセンサは、変位を検出する方向にＮ極とＳ極の第１、第２のマグネットを軟質磁性材料のヨークで連結配置し、これらのマグネットに空隙を介して対向する位置に軟質磁性材料製のヨークを配置して磁気回路を構成し、この空隙内の磁界を利用しているので、マグネットとヨークの配置は固定された状態で、磁気回路内の磁力線の流れも固定されており、ポジションセンサとして動作するときも、マグネットとヨークの組合せは一体化されたまま移動するので、磁気回路に付随するヒステリシス特性は原理的に発生しない。
【００１６】
また、変位を検出する方向にＮ極とＳ極の第１、第２のマグネットを軟質磁性材料のヨークで連結配置し、これらのマグネットに空隙を介して対向する位置に軟質磁性材料製のヨークを配置し、第１と第２のマグネットに対する空隙の長さを、変位方向の中心部では大きく、両端部では小さくなるように直線的に変化させたマグネットとヨークからなる一体構造の磁気回路ブロックを形成し、この空隙部分に挿入された磁電変換素子と磁気回路ブロックの相対位置を機械的に変化させたとき、移動方向に垂直方向の磁束密度の変化を検出する方向に上記磁電変換素子の感磁面を配置することにより、機械的変位に対する感磁面での磁束密度の変化を直線的することことができる。
【００１７】
また、磁電変換素子として、プログラマブルホールICを用いたときには、ゲイン設定やマグネットの温度補正を簡単に行うことができ、調整しやすく温度特性のよいセンサを得ることができる。
【００１８】
また、第１、第２のマグネットとして、シート成形タイプのものを使用したときには、マグネットを製作するための高価な金型が不要となり、磁気式リニアポジションセンサを安価に製造することができる。
【００１９】
また、第１、第２のマグネットとして、ＳｍＦｅＮ系希土類ボンド磁石のシート成形タイプを使用したときには、磁気特性の温度変化が少なく耐熱温度も高いので、温度特性が良好なセンサを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は本発明に係わる磁気式リニアポジションセンサの基本構成を示す図である。図に示すように、変位を検出する方向にＮ極とＳ極の第１、第２のマグネット１１ａ、１１ｂを軟質磁性材料のヨーク１０で連結配置し、これらのマグネットに空隙１２を介して対向する位置に軟質磁性材料製のヨーク１４を配置し、第１と第２のマグネットとヨーク１４との間の空隙の長さを、変位方向の中心部では大きく、両端部では小さくなるように直線的に変化させ、マグネット部１０，１１ａ、１１ｂとヨーク１４の組合せを、非磁性材料を用いた例えばフレーム１５で一体構造化した磁気回路ブロックを構成し、この空隙部分に挿入された磁電変換素子１３と磁気回路ブロックの相対位置を直線的に移動変化させたとき、その移動方向に対して垂直方向の磁束密度の変化を検出する方向に上記磁電変換素子１３の感磁面を配置する。
【００２１】
図２は、図１に示した磁気式リニアポジションセンサの、磁束の流れとセンサの動作原理をを説明する図である。図に示すようにＮ極である第１のマグネットから出た磁束線は、Ｓ極である第２のマグネットの方向に湾曲する。このため二つのマグネットの中心部では磁束線はＳ極である第２のマグネットに直接流れ込む。マグネットの中心部から両端部に向かうにつれ磁束線はヨーク１４にも流れ込み、ヨーク１４の中を通ってＳ極に向かう磁束線が増える。したがってマグネット１１ａ、１１ｂとヨーク１４間の空隙１２には、磁束密度の変化パターンが形成される。特にヨーク１４に平行な直線上のヨーク１４に垂直方向の磁束成分に着目すると、中心部では垂直方向成分はゼロであり、左右外側に向かうにつれ垂直方向の成分が大きくなる。そこで図１に示すようにヨークからＧの距離に磁電変換素子１３（例えばホール素子等）の感磁面をヨーク１４に対して垂直方向に向けて配置し、空隙１２の中をヨーク１４に対して平行な方向に直線的に移動させると、磁束密度の変化を直線的に検出することができる。
【００２２】
図２（ａ）に示すように、ホール素子１３が中央にあるときは、ホール素子１３の感磁面に対して垂直方向に通過する磁束成分は無いので、ホール素子の出力電圧は零となる。
【００２３】
ホール素子１３を中央から図２（ｂ）に示すように右方向に移動すると、ホール素子１３の感磁面に垂直方向の磁束成分が次第に増加し右端で最大となる。
【００２４】
逆に、ホール素子１３を図２（ｃ）に示すように中央から左方向に移動すると、ホール素子１３の感磁面に垂直方向の磁束が次第に増加し左端で最大となる。このとき、図２（ｂ）と図２（ｃ）では、磁束線の方向が逆になるので、ホール素子の出力電圧の極性が反転する。
【００２５】
上記では、空隙１２の中をホール素子１３が移動することで説明したが、ホール素子側を固定して、マグネット部１０，１１ａ、１１ｂとヨーク１４の組合せを非磁性材料を用いた例えばフレーム１５で磁気回路ブロックとして一体構造化したものを移動しても、センサの動作としては同じになる。
【００２６】
図３は、図１に示した磁気式リニアポジションセンサの基本構成を、各部の寸法をそれぞれ下記の値とし直線変位10mmのリニアポジションセンサに適用した例についての、直線変位と検出磁束密度の関係を示すグラフである。このセンサの直線変位と直線性誤差の関係は、図４のように±０．１％以下の直線性誤差が実現できる。
Ａ＝３０、Ｂ＝１４、Ｃ＝６、Ｄ＝２．５、Ｅ＝１、Ｆ＝８、Ｇ＝１．５
【００２７】
図５は、図１の各部の寸法は下記のような値として、直線変位２５ｍｍのセンサに適用した例についての、直線変位と直線性誤差の関係を示すグラフであり、±０．６％以下の直線性誤差が実現できる。
Ａ＝３４、Ｂ＝１３、Ｃ＝６．７、Ｄ＝２．５、Ｅ＝１、Ｆ＝８、Ｇ＝２．５
【００２８】
上記各部の寸法は、一義的なものではなく、いろいろな組合せが可能である。測定範囲や直線性の要求特性に応じて、磁界解析シミュレーション等によって最適値を求めることができる。上記の例は、そのようにして求めた結果の一例である。
【００２９】
なお、磁電変換素子１３としてはホール素子の他に磁気抵抗効果センサやＭＩ（Magneto-impedance）センサ等も使用できる。特に感磁部にホール素子を使用し、ＡＤ変換、ＤＳＰ，ＤＡ変換回路等を一体化した構造のプログラマブルホールＩＣが、このような用途には適している。磁束密度と出力電圧の関係を決めるゲイン調整や、磁界の極性と主力電圧の極性を変える機能、あるいは温度変化による磁気特性の変化をキャンセルする温度特性補償機能等を内蔵しており、かつそれらの機能がプログラマブルとなっているので、現状では最も使いやすい磁気センサであり、センサ感度を決めるゲイン設定やマグネットの温度特性の補正を簡単に行うことができる。
【００３０】
図１の基本構造に示すように、マグネット１１ａ、１１ｂは薄板状の形状であり、シート成形タイプのマグネットが適している。均一な薄板形状に圧延成形された材料から、センサ用のマグネットを容易に切り出して製作できるので、高価な金型を必要としないため、安価に製造することができるメリットがある。とくに、ＳｍＦｅＮ系希土類ボンド磁石のシート成形タイプは磁気特性の温度係数が小さく、耐熱性も１５０℃と高いので、このリニアポジションセンサを自動車用センサ等に使用するときは最適の材料である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
機械的直線変位を電気出力として検出するためのセンサとして、機械装置例えばオフセット印刷機の版胴位置検出や、自動車のスロットルバルブその他の位置検出センサに適している。ポテンショメータ等の接触式センサと比較し、無接触構造のため機械的振動による摩耗等がなく、信頼性の高いセンサとすることができる。  
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係わる磁気式リニアポジションセンサの基本構成を示す図である。
【図２】図１に示した磁気式リニアポジションセンサの、磁束の流れとセンサの動作原理を説明する図である。
【図３】図１に示した磁気式リニアポジションセンサの基本構成を、直線変位１０ｍｍのセンサに適用した場合の、直線変位と検出磁束密度の関係を示すグラフである。
【図４】図１に示した磁気式リニアポジションセンサの基本構成を、直線変位１０ｍｍのセンサに適用した場合の、直線変位と直線性誤差の関係を示すグラフである。
【図５】図１に示した磁気式リニアポジションセンサの基本構成を、直線変位２５ｍｍのセンサに適用した場合の、直線変位と直線性誤差の関係を示すグラフである。
【図６】先願の磁気式リニアポジションセンサの基本構成を示す図である。
【図７】図６に示した磁気式リニアポジションセンサについて、可動子が右端にきたときの磁束の流れを示す図である。
【図８】図７に示した磁気式リニアポジションセンサについて、可動子が左端にきたときの磁束の流れを示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０……ヨーク
１１ａ…第１のマグネット
１１ｂ…第２のマグネット
１２……空隙
１３……磁電変換素子
１４……ヨーク
１５……フレーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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