(57)【要約】【課題】小型で簡単な構造の位置検出装置を提供する。【解決手段】静磁界を発生する静磁界発生装置８が設けられ間隔を空けて対向する両端面間に静磁界領域が形成される磁気回路を構成するヨーク１と、直線上を移動する位置検出対象に固定され上記位置検出対象の移動に従って全長の一部が上記静磁界領域内を磁界の方向と直交する方向に通過しながら移動する、上記移動方向に直交する断面積が移動方向に沿って変わる形状に形成された磁性体からなる移動体４と、上記ヨークの両端面の少なくとも一方に設けられ、上記移動体の移動に従って変化する上記静磁界領域での磁界強度の変化を検出する磁電変換素子７ａ，７ｂ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】
静磁界を発生する静磁界発生装置が設けられ間隔を空けて対向する両端面間に静磁界領域が形成される磁気回路を構成するヨークと、
直線上を移動する位置検出対象に固定され上記位置検出対象の移動に従って全長の一部が上記静磁界領域内を磁界の方向と直交する方向に通過しながら移動する、上記移動方向に直交する断面積が移動方向に沿って変わる形状に形成された磁性体からなる移動体と、
上記ヨークの両端面の少なくとも一方に設けられ、上記移動体の移動に従って変化する上記静磁界領域での磁界強度の変化を検出する磁電変換素子と、
を備えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
上記移動体が、上記ヨークの端面に面し移動方向に沿って端面とのギャップ量が変化するように形成された位置検出面を上記ヨークの端面に面した少なくとも一方の側に有し、上記磁電変換素子が、上記ヨークの両端面の少なくとも上記移動体の位置検出面に面した端面に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
上記移動体の位置検出面の移動方向に沿った形状が、上記磁電変換素子で得られる上記静磁界領域での磁界強度が上記移動体の位置の変位量に比例して変化するように二次曲線又は二次曲線を近似した形状となっていることを特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
【請求項４】
上記磁電変換素子で検出された検出信号を信号処理して移動体の位置を示す位置信号を得るためのコンピュータを含む信号処理部をさらに備え、上記信号処理部が、予め求められた上記磁電変換素子で検出された上記静磁界領域での磁界強度を示す検出信号の各値に対する上記移動体の位置を示す位置信号の値の関係が示された磁界強度／移動位置変換テーブルを格納したメモリと、上記磁界強度／移動位置変換テーブルに従って上記磁電変換素子での検出信号を上記移動体の位置信号に変換する磁界強度／移動位置変換手段と、を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
【請求項５】
上記ヨークの両端面にそれぞれ上記磁電変換素子が設けられ、上記信号処理部の磁界強度／移動位置変換テーブルが、予め求められた双方の上記磁電変換素子で検出された上記静磁界領域での磁界強度を示す検出信号の和の各値に対する上記移動体の位置を示す位置信号の値の関係が示されたテーブルであり、上記磁界強度／移動位置変換手段が上記磁界強度／移動位置変換テーブルに従って上記磁電変換素子での検出信号の和を上記移動体の位置信号に変換することを特徴とする請求項４に記載の位置検出装置。
【請求項６】
上記信号処理部が、上記メモリに上記磁電変換素子の各温度における検出信号の補償値を示す温度補償テーブルを格納し、さらに上記磁電変換素子で検出された検出信号に対して上記磁電変換素子での温度と上記温度補償テーブルに従って磁電変換素子における温度補償を行う磁電変換素子出力温度補償手段をさらに含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の位置検出装置。
【請求項７】
少なくとも上記静磁界発生装置が設けられたヨーク、移動体および磁電変換素子を含む部分が磁気シールドカバーで覆われたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、直線上を移動する移動物体の位置を検出する位置検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の位置検出装置として例えば、移動物体の移動方向における位置の変化と対応して磁束数が直線的に変化するように構成されている直流磁界を移動物体の移動経路に沿って設けると共に、移動物体の移動に伴って前記の直流磁界中を移動するホール素子を含んで構成された検出部を設けて、移動物体の位置に応じた出力電圧が検出部から得られるようにしたものがある(例えば下記特許文献１参照)。
【０００３】
【特許文献１】特開昭５５−１２２１１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような位置検出装置にあっては、磁束数が直線的に変化する直流磁界を移動物体の移動経路全長に渡って設ける必要があり、従って測定距離に応じてヨークひいては装置が大型化する、また、ホール素子を含む検出部が直流磁界中を移動するため、ホール素子の位置ずれや傾き等により測定誤差が発生する、また移動する検出部に電線や回路等の配線が必要であるために装置構成が複雑となる、さらに、外部磁界対策がなされていないため、他の電流線等、磁界を発生する物質が近接して置かれた場合、測定精度が低下する等、装置の大型化、複雑化、測定精度の低下の問題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、小型で簡単な構造で、さらに測定精度の向上も可能な位置検出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、静磁界を発生する静磁界発生装置が設けられ間隔を空けて対向する両端面間に静磁界領域が形成される磁気回路を構成するヨークと、直線上を移動する位置検出対象に固定され上記位置検出対象の移動に従って全長の一部が上記静磁界領域内を磁界の方向と直交する方向に通過しながら移動する、上記移動方向に直交する断面積が移動方向に沿って変わる形状に形成された磁性体からなる移動体と、上記ヨークの両端面の少なくとも一方に設けられ、上記移動体の移動に従って変化する上記静磁界領域での磁界強度の変化を検出する磁電変換素子と、を備えたことを特徴とする位置検出装置にある。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、位置検出対象の移動に従って移動する移動体が静磁界領域中を通過しながら移動することにより生じる静磁界領域での磁界強度の変化を磁電変換素子で検出する構成としたので、装置を小型で簡単な構造にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、この発明による位置検出装置の各実施の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の位置検出装置の位置検出部の構成の一例を示す図で、(ａ)は側面断面図、(ｂ)は(ａ)の矢印Ａからの側面図である。図において、位置検出対象である移動物体や移動駆動機構(図示省略)に結合部５により結合されて共に移動する移動体４の位置を検出する位置検出装置の位置検出部１００は、ヨーク１、移動体４、磁電変換素子７ａ，７ｂ、静磁界発生装置である永久磁石８とで構成されている。ヨーク１の開口２の互いに対向する端面には磁極部３が設けられている。この磁極部３にはそれぞれの面に磁電変換素子７ａ，７ｂが取り付けられていて、磁電変換素子７ａ，７ｂに対向して磁極部３との間にギャップＧを有して移動体４が設けられている。移動体４にはヨーク１の磁極部３(端面)に面し移動方向に沿って磁極部３とのギャップ量が変化する形状を有する位置検出面４ａがヨーク１の両磁極部３に面してそれぞれ形成されている。
【０００９】
ヨーク１のヨーク縦部１ａの間には永久磁石８が設けられている。磁気回路を構成するヨーク１はパーマロイ、フェライトまたはケイ素鋼板の積層構造等で形成されている。また、用途に応じて薄鋼板の積層構造でもよい。また、ヨーク１は図１に示した例ではコの字型としたが、これに限定されず図２のようなＣ字型の形状であってもよく、開口２と磁極部３を有し、磁路が形成されるものであればよい。図３のように簡易的に磁極部３を設けなくともよい。また永久磁石８がヨーク縦部１ａに設けられているが、磁極基部３ａの一方または双方に設ける構成であってもよく、その設置位置はヨーク１のいずれの個所であればよい。
【００１０】
磁極部３の先端にはそれぞれ磁電変換素子７ａ，７ｂが接着剤などで取り付けられている。磁電変換素子を実装した基板を、磁極部３の先端に取り付けてもよい。この磁電変換素子７ａ，７ｂはこの実施の形態１ではホール素子を用いているが、ホール素子に限定されることなく、例えば磁界変動に従って電気抵抗が変化する磁気抵抗素子(ＭＲ素子)でもよい。
【００１１】
磁電変換素子７ａ，７ｂであるホール素子は図５に示すように４端子構造で、２端子が入力、他の２端子は出力に用いられ、後述する信号処理部に接続される。このホール素子７ａ，７ｂは移動体４の斜面(位置検出面)に対向して磁極部３に設置されているので、対向面が感磁面となり、移動体４の移動方向に直交する磁界の強度を示す磁束密度の変化を検出する。
【００１２】
ヨーク１の開口２の一方の磁極部３に設けられたホール素子７ａと、他方の磁極部３に設けられたホール素子７ｂとの空間には、例えばパーマロイ等の磁性体よりなる移動体４が設置されている。移動体４はこの実施の形態１では、図１の(ｂ)に矢印Ｂで示す方向に直線的に移動する。この移動に伴い、磁極部３と移動体４の位置検出面である斜面とのギャップ(隙間)Ｇのギャップ量は可変となる。例えば図１に示すヨーク１の磁極部３間の中心を通る中心線Ｃに沿った移動体４の直線的な移動を逸脱せず確実に行うため、移動体４あるいはこれの結合部５には例えば移動ガイド６が設けられている。移動体４の移動距離は、移動体４の長さ以下に制限される。なお図示のものでは結合部５を移動体４の片側に設けた例を示したが、両側(図１の(ｂ)であれば移動体４の図面上の左右両側)に設けてもよい。
【００１３】
なお、ヨーク１の磁極部３間の開口２の部分に所要の静磁界領域を発生させるため、永久磁石８がヨーク１に設けられているが、これに限定されるものでなく、図４に示すように電磁コイル９を巻回し、磁界強度は、電磁コイル９の巻数やコイル電流を変えることにより出力調整を行ってもよい。永久磁石８としては、強い磁界が必要であれば例えばネオジム磁石などの希土類系磁石がよく、それより弱い磁界であればフェライト磁石でもよい。
【００１４】
図５はこの発明の位置検出装置の信号処理部の構成の一例を示す図で、信号処理部１００ａにおいて、ホール素子７ａ，７ｂの出力電圧は増幅器１０ａ、１０ｂで増幅され、フィルタ回路１１ａ，１１ｂを通してＡ／Ｄ変換器１０３内蔵のコンピュータ１０１に入力される。コンピュータ１０１において、メモリ１０９は予め求められた磁電変換素子であるホール素子７ａ，７ｂで検出された静磁界領域での磁束密度ひいては磁界強度に対応する検出信号の各値に対する移動体４の位置を示す位置信号の値の関係が示された磁界強度／移動位置変換テーブルＴ１等を格納している。そして磁界強度／移動位置変換手段は、メモリ１０９の磁界強度／移動位置変換テーブルＴ１に従ってホール素子７ａ，７ｂでの検出信号を移動体４の位置信号に変換する。
【００１５】
また、位置検出装置を温度が可変する環境で使用する場合のために、磁電変換素子出力温度補償手段１０５は磁電変換素子であるホール素子７ａ，７ｂで検出された検出信号に対してホール素子７ａ，７ｂにおける温度補償を行う。このため、ホール素子７ａ，７ｂの温度を検出する温度センサ１２を設けると共に、メモリ１０９に各温度におけるホール素子７ａ，７ｂの検出信号の補償値の関係を示す温度補償テーブルＴ３を格納しておく。なお、ホール素子７ａ，７ｂが温度センサを内蔵し、磁界強度の検出信号と共に温度信号をコンピュータ１０１に入力する構成としてもよい。
【００１６】
次に動作について説明する。この発明では概して、静磁界を発生する静磁界発生装置８が設けられたヨーク１の間隔を空けて対向する両端面間に形成された静磁界領域中を、移動方向に直交する断面積が移動方向に沿って変わる形状に形成された移動体４が、直線上を移動する位置検出対象の移動に従って全長の一部が静磁界領域内を磁界の方向と直交する方向に通過するようにしながら移動し、移動体４の移動に従って変化する静磁界領域での磁界強度の変化を磁電変換素子７ａ，７ｂで検出し、磁電変換素子７ａ，７ｂでの検出信号を移動体４の位置信号に変換するものである。
【００１７】
より詳細に説明すると、ホール素子７ａ，７ｂの駆動方式には、一般に定電流駆動と定電圧駆動の２種類がある。いずれの駆動方式においても使用する素子種にもよるが、ホール素子の出力電圧は磁界強度を示す磁束密度に対して比例する。ヨーク１に設けられた静磁界発生装置である例えば永久磁石８により、磁極部３間には静磁界が発生される。この静磁界内を、磁束の方向の厚みが移動方向に沿って異なる磁性体である移動体４が、磁束の方向(磁極部３(端面)間を結ぶ方向)に直交する方向に沿って移動し、磁極部３と移動体４の斜面(位置検出面４ａ)とのギャップ量Ｇが可変すると、開口２を移動体４が占める量に応じて磁界強度が変化する。この磁界強度が変化を磁束密度の変化としてホール素子７ａ，７ｂが検出し、例えば図６に示すようにギャップ量Ｇに応じた電圧をそれぞれ出力する。
【００１８】
ここで図１に示すように、移動体４のホール素子７ａ，７ｂに対向する斜面(位置検出面４ａ)が移動方向に直線的に傾斜するよう設けられているとき、図６の横軸は図７に示すように移動体４の位置あるいは変位量(移動量)に読み替えられ、ホール素子７ａ，７ｂの出力により位置検出が可能となる。ホール素子７ａ，７ｂの出力は、永久磁石８の調整(種類、大きさ)つまり静磁界量(強度)を可変とすることにより、自由に調整可能である。
【００１９】
図１の(ｂ)に示すように移動体４の位置が必ず開口２の中心線Ｃ上にあるとき、ホール素子７ａ，７ｂがいずれも同じ磁束の方向に設置されていれば、同じ出力電圧となるため、いずれかの出力電圧のみ、ひいては移動体４の位置検出面４ａに面した側の磁極部３だけにホール素子を設けて観測することで移動体４の位置を検出できる。しかしながら図８のように、移動体４の位置が開口２の中心線Ｃからズレたとき、ホール素子７ａ，７ｂは図９に示すように位置ズレにより互いに逆方向にズレた異なる出力電圧値となり、正しい移動体４の位置を検出できなくなる。そこでこれを解消するために、ホール素子７ａ，７ｂの加算出力をモニタすることで、移動体４の位置が開口２の中心線Ｃからズレたときも正確に位置検出が可能となる。
【００２０】
図５の信号処理部１００ａでは、ホール素子７ａ，７ｂの出力電圧は増幅器１０ａ、１０ｂでそれぞれ所望大きさに増幅された後、帯域フィルタ等からなるフィルタ回路１１ａ，１１ｂでノイズ除去が施されてコンピュータ１０１に入力される。コンピュータ１０１では、Ａ／Ｄ変換器１０３でアナログ信号がディジタル信号に変換された後、磁界強度／移動位置変換手段１０７で、メモリ１０９に格納されている、予め実際に測定して求めたホール素子の出力電圧(検出信号)に対する移動体４の移動方向の位置(位置信号)との関係を示す磁界強度／移動位置変換テーブルＴ１、および予め実際に測定して求めたホール素子７ａ，７ｂの出力電圧(検出信号)の和に対する移動体４の移動方向の位置(位置信号)との関係を示す磁界強度／移動位置変換テーブルＴ２のいずれかに基づき、ホール素子７ａ，７ｂでの検出信号を移動体４の位置信号に変換する磁界強度の移動位置への変換が行われる。また、ホール素子の代わりに磁気抵抗素子を用いた場合も上記各テーブルに対応する磁気抵抗素子用のテーブルをメモリ１０９にそれぞれ格納して、同様に変換を行う。
【００２１】
また、位置検出装置を温度変化が激しい環境で使用する場合等、磁界強度／移動位置変換手段１０７で磁界強度／移動位置変換を行う前に、磁電変換素子出力温度補償手段１０５により温度センサ１２等からの温度信号に基づき、メモリ１０９に格納されている温度補償テーブルＴ３に従って、ホール素子７ａ，７ｂの検出信号に温度補償を施すようにしてもよい。これにより位置検出精度がさらに向上する。
【００２２】
なお、移動体４の形状を図１０のように移動方向の全面に斜面(位置検出面)を設けた円錐状とした例を示したが、図１１に示すようにヨーク１の両側の磁極部３に面した両側の面にそれぞれに移動方向に直線的に傾斜した斜面を設けた楔形のものであってもよい。また、片側の磁極部３に面した面にのみ移動方向に直線的に傾斜した斜面を設けたものとしてもよい。また移動体４を、片側の磁極部３に面した面にのみ移動方向に直線的に傾斜した斜面を設けたものとし、これに面した磁極部３だけにホール素子を設けて位置検出するようにしてもよく、この場合には移動体４の反対側の磁極部３に面した面は、例えば静時間領域の磁界の方向に直交した平面としてもよい。また材質はパーマロイの例を示したが、これに限定されることなくフェライト等他の磁性体であってもよい。
【００２３】
このように構成することで、測定距離に応じてヨークが大型化する問題を回避させることができる。また移動体４に電気的接続が不要なため構造が簡単なものとなる。また、移動体４の位置ズレによる誤差や温度特性による誤差を解消できるので、測定精度を向上させることができる。
【００２４】
実施の形態２．
なお、実施の形態１では移動体４の概念形状を図１０に示すように斜面を移動体４の移動方向に直線的に傾斜しているものとした。このような形状の移動体４が静磁界内を移動すると、その変位量(位置)に対するホール素子７ａ，７ｂの出力はリニア(比例関係)とならず、図７に示したように非線形状となる。そこで移動体４の位置の変位量に対してホール素子７ａ，７ｂで変位量に比例した出力が必要なとき、移動体４の位置検出面４ａを図１２に示すように、移動体４の位置検出面４ａの移動方向に沿った形状、言い換えると移動体４の静磁界領域での磁界の方向に切断した断面の外縁の形状を、ホール素子７ａ，７ｂで得られる静磁界領域での磁界強度が移動体４の位置の変位量に比例して変化する二次曲線状又は略二次曲線の非線形形状とする。これにより、ホール素子７ａ，７ｂで移動体４の位置の変位量に比例した出力が得られる。なおこの形状は、二次曲線を直線でステップ状に近似した形状としてもよい。そのときのホール素子７ａ，７ｂの出力例を図１３に示す。このように移動体４の形状を工夫することにより、ホール素子７ａ，７ｂで移動体４の位置の変位量に比例した出力を容易に得ることができる。なお、静磁界領域での磁界強度は磁極部３と移動体４のギャップ量Ｇの二乗に反比例するので、これを逆変換するために移動体４の位置検出面４ａの形状は二次曲線となる。
【００２５】
実施の形態３．
また、図１４に示すように位置検出装置の少なくとも静磁界発生装置８が設けられたヨーク１、移動体４および磁電変換素子７ａ，７ｂを含む位置検出部１００(図１参照)を外乱磁界からシールドするための磁気シールドカバー１３で覆ってもよい。この磁気シールドカバー１３は、鋼板等の磁性体より構成される。さらに図５に示す信号処理部１００ａを含む位置検出装置全体を覆うケース状のものであってもよく、また外乱磁界の強さ、方向により適宜カバーの厚さを変えてもよく、また一部にカバーを設けてもよい。このように磁気シールドカバー１３を設けることにより、設置場所における地磁気や、付近を通る電車や自動車による外乱となる磁界の影響を受けず、外乱磁界をシールドすることが可能となり位置検出精度がより向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態１による位置検出装置の位置検出部の構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１による位置検出装置のヨークの別の例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１による位置検出装置のヨークの別の例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１による位置検出装置の静磁界発生装置の別の例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１による位置検出装置の信号処理部の構成の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１による位置検出装置のホール素子出力電圧と磁極ギャップとの関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１による位置検出装置のホール素子出力電圧と移動体の変位量との関係を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１による位置検出装置における移動体位置ズレを説明するための図である。
【図９】本発明の図８でのホール素子出力電圧と磁極ギャップとの関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１による位置検出装置の移動体の一例を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態１による位置検出装置の移動体の別の例を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態２による位置検出装置の移動体の一例を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２による位置検出装置のホール素子出力電圧と移動体の変位量との関係を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態３による位置検出装置の磁気シールドカバーの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  ヨーク、１ａ  ヨーク縦部、２  開口、３  磁極部、３ａ  磁極基部、４ａ  位置検出面、４  移動体、５  結合部、６  移動ガイド、７ａ，７ｂ  ホール素子(磁電変換素子)、８  永久磁石(静磁界発生装置)、９  電磁コイル、１０ａ，１０ｂ  増幅器、１１ａ，１１ｂ  フィルタ回路、１２  温度センサ、１３  磁気シールドカバー、１００  位置検出部、１００ａ  信号処理部、１０１  コンピュータ、１０３  Ａ／Ｄ変換器、１０５  磁電変換素子出力温度補償手段、１０７  磁界強度／移動位置変換手段、１０９  メモリ、Ａ，Ｂ  矢印、Ｃ  中心線、Ｇ  ギャップ(ギャップ量)、Ｔ１，Ｔ２  磁界強度／移動位置変換テーブル、Ｔ３  温度補償テーブル。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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