JP2018013391A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出に伴う出力値から一意に検出対象の変位を決定するとともに、検出対象の変位の範囲をセンサが検出可能な変位の範囲より広げることができる変位検出装置を提供する。
【解決手段】変位検出装置１は、変位方向Ｄｓに変位するものであって、棒状であり長手方向が変位方向Ｄｓと予め定めた角度θをなす形状を有する磁石２と、変位方向Ｄｓに直行するｘ方向及びｚ方向において磁石２の形成する磁界の磁束密度を検出し、検出した磁界に比例した信号を出力するセンサＩＣ１とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、変位検出装置に関する。

従来の技術として、非接触で回転体の回転角度を検出する変位検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された変位検出装置は、円筒形状の回転体の外周面に設けられ回転体の回転方向に対して略直線的に傾斜しながら回転体の外周面を一周するように配置された被検出体としての磁性体と、磁性体に対向して配置され回転体の軸方向に間隔を設けて配置された２つの磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子にバイアス磁界を印可する磁石とを有する。この変位検出装置は、２つの磁気抵抗素子を直列に接続して両端に定電圧を印加し、２つの磁気抵抗素子間の抵抗値を測定するが、回転体の回転に伴い磁性体に誘引されるバイアス磁界が変化することで２つの磁気抵抗素子の磁気抵抗のバランスが変化し、回転体の回転角に伴った電圧が磁気抵抗素子間から出力されるため、当該電圧から回転体の回転が検出できる。また、当該変位検出装置を複数の軸に設けて、各変位検出装置の出力信号の差から複数の軸間の相対角度差を検出してトルク量を算出することができる。

特開２０１１‐２５７４３２号公報

しかし、特許文献１に示す変位検出装置は、回転体の回転に伴い出力される電圧が周期的に変化し、周期的変化は線形に増加及び減少するため、回転角の変化が微小でも精度よく検出できるものの、増加及び減少が生じるために出力値から回転角度を一意に決めることができず、出力値の変化（増加又は減少のいずれか）がわからないと回転角度が定められない、という問題があった。

従って、本発明の目的は、検出に伴う出力値から一意に検出対象の変位を決定するとともに、検出対象の変位の範囲をセンサが検出可能な変位の範囲より広げることができる変位検出装置を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の変位検出装置を提供する。

［１］一の方向に変位するものであって、棒状であり長手方向が前記一の方向と予め定めた角度をなす形状を有する磁石と、
少なくとも前記一の方向及び前記磁石の磁化方向に直行する方向において前記磁石の形成する磁界の磁束密度を検出し、検出した磁界に比例した信号を出力するセンサとを有する変位検出装置。
［２］前記センサは、前記一の方向に直行する第１の方向を感度方向とする複数の磁気検出素子を有し、前記一の方向及び前記第１の方向に直行する第２の方向の磁束を前記第１の方向の磁束に変換する磁気コンセントレータを有する前記［１］に記載の変位検出装置。
［３］前記センサは、前記複数の磁気検出素子の出力を加算して前記第１の方向の磁束密度に比例した信号を出力し、前記複数の磁気検出素子の出力の差分をとることで前記第２の方向の磁束密度に比例した信号を出力する前記［２］に記載の変位検出装置。
［４］前記磁石は、前記一の方向に直行する方向に磁化方向を有する前記［１］‐［３］のいずれかに記載の変位検出装置。

請求項１に係る発明によれば、検出に伴う出力値から一意に検出対象の変位を決定するとともに、検出対象の変位の範囲をセンサが検出可能な変位の範囲より広げることができる。
請求項２に係る発明によれば、一の方向及び第１の方向に直行する第２の方向の磁束を第１の方向の磁束に変換することで、一の方向に直行する第１の方向を感度方向とする複数の磁気検出素子によって、第１の方向の磁束及び第２の方向の磁束を検出することができる。
請求項３に係る発明によれば、複数の磁気検出素子の出力を加算して第１の方向の磁束密度に比例した信号を出力し、複数の磁気検出素子の出力の差分をとることで第２の方向の磁束密度に比例した信号を出力することができる。
請求項４に係る発明によれば、一の方向に直行する方向に磁化方向を有する磁石を用いることができる。

図１は、第１の実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図である。 図２（ａ）及び（ｂ）は、変位検出装置の構成を示す平面図及び側面図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は、センサＩＣの構成の一例を示す平面図及び側面図である。 図４は、変位検出装置のセンサＩＣの動作を説明するための概略図である。 図５は、センサＩＣが磁場のｘ成分に比例した出力を得る場合の回路を示す概略図である。 図６は、センサＩＣが磁場のｚ成分に比例した出力を得る場合の回路を示す概略図である。 図７（ａ）‐（ｃ）は、それぞれ磁石の変位を示す概略平面図、磁石によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路と加算回路から出力される出力値を示すグラフ図である。 図８（ａ）‐（ｃ）は、それぞれ磁石の変位を示す概略平面図、磁石によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路と加算回路から出力される出力値を示すグラフ図である。 図９（ａ）‐（ｃ）は、それぞれ磁石の変位を示す概略平面図、磁石によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路と加算回路から出力される出力値を示すグラフ図である。 図１０は、第２の実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図である。 図１１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ磁石によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路と加算回路とから出力される出力値を示すグラフ図である。

［第１の実施の形態］
（変位検出装置の構成）
図１は、第１の実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、変位検出装置の構成を示す平面図及び側面図である。

変位検出装置３は、センサＩＣ１と、センサＩＣ１の磁気検出面に対向して配置される検出対象としての磁石２とを有する。

センサＩＣ１は、後述するように、複数のホール素子により磁束密度を検出し、ｘ方向及びｚ方向の磁束密度にそれぞれ比例した電圧を出力する磁気センサＩＣである。

磁石２は、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジウム等の材料を用いて形成された永久磁石であり、ｚ軸に平行な方向を磁化方向Ｄｍとするとともに、ｙ軸に平行な方向を変位方向Ｄｓとする。また、磁石２は、変位方向Ｄｓに予め定めた角度θで傾斜した形状を有する。一例として、ｘ方向の幅を３ｍｍ、ｙ方向の長さを２０ｍｍ、ｚ方向の厚みを５ｍｍとする。

なお、磁石２は、センサＩＣ１に対して相対的に変位すればよく、磁石２を固定してセンサＩＣ１が変位するものであってもよいし、両者が共に変位するものであってもよい。また、磁石２は他の検出対象に接続されて変位するものであってもよい。

センサＩＣ１と磁石２とはｚ方向に予め定めた間隔だけ、例えば、３ｍｍ離間して配置される。

図３（ａ）及び（ｂ）は、センサＩＣ１の構成の一例を示す平面図及びＡ−Ａ断面図である。

センサＩＣ１は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、一例として、ｚ方向に厚みを有する平板状の基板１０と、基板１０上に設けられてｘｙ面に平行な検出面を有し、検出方向をｚ方向とする磁気検出素子としてのホール素子１１_ｌ、１１_ｒと、ホール素子１１_ｌ、１１_ｒ上に一部が重なるように設けられてｘ方向の磁束をｚ方向に変換してホール素子１１_ｌ、１１_ｒに検出させる磁気コンセントレータ（ＩＭＣ）１２と、ホール素子１１_ｌ、１１_ｒの出力する信号を処理する信号処理回路（図５、図６）を有し、ｘ、ｚ方向の磁束密度を検出するホールＩＣである。なお、ｙ方向にホール素子をさらに配置してｙ方向の磁束密度を検出するようにしてもよい。

センサＩＣ１は、例えば、メレキシス製ＭＬＸ９０３６５センサ等を用い、ホール素子１１_ｌ、１１_ｒの出力を演算することで感度方向Ｄ_ｄをｘ方向及びｚ方向とし、各感度方向の磁束密度に比例した出力を得ることができる。磁束密度と出力との関係は後述する。また、ホール素子１１_ｌ、１１_ｒとの間隔ｄ_ｒは、ＩＭＣ１２の直径と略同一であり、ｄ_ｒ＝０．２ｍｍである。また、センサＩＣ１は、ｚ方向の厚みが４０μｍ、ｘ方向の幅が２５００μｍ、ｙ方向の幅が２０００μｍである。なお、センサＩＣ１のＩＭＣ１２として、パーマロイを用いることができる。

なお、センサＩＣ１は、検出方向がｘ方向及びｚ方向であって、磁束密度に比例した出力を得るものであればＭＲ素子等の他の種類の素子を用いてもよいし、検出方向がｘ方向及びｚ方向を含めば複数の軸方向にそれぞれ磁気検出素子を配置した多軸磁気検出ＩＣを用いてもよい。

（変位検出装置の動作）
次に、第１の実施の形態の作用を、図１−図９を用いて説明する。

（センサＩＣの動作）
図４は、変位検出装置３のセンサＩＣ１の動作を説明するための概略図である。

センサＩＣ１を透過する磁束はホール素子１１_ｌ、１１_ｒによって感知され、磁束密度に比例した電圧の信号を出力する。

磁束ｆのうち、平行成分Ｂ／／はＩＭＣ１２に誘導されることで、磁束密度の大きさが平行成分Ｂ／／に比例する垂直成分Ｂ⊥に変換され、ホール素子１１_ｌ及び１１_ｒによって感知される。垂直成分であるＢ_Ｚもホール素子１１_ｌ及び１１_ｒによって感知される。

つまり、図面左側のホール素子１１_ｌは“Ｂ⊥−Ｂ_Ｚ”を感知する一方、図面右側のホール素子１１_ｒは“−Ｂ⊥−Ｂ_Ｚ”を感知する。

従って、ホール素子１１_ｌの出力とホール素子１１_ｒの出力との差をとれば２Ｂ⊥に比例した電圧の信号が得られ、和をとれば−２Ｂｚに比例した電圧の信号が得られる。

図５は、センサＩＣ１が磁場のｘ成分に比例した出力を得る場合の回路を示す概略図である。また、図６は、センサＩＣ１が磁場のｚ成分に比例した出力を得る場合の回路を示す概略図である。

図５に示すように、差動回路１３は、ホール素子１１_ｌ、１１_ｒの出力差を出力するものであり、上記したように磁束密度のｘ成分である２Ｂ⊥に比例した電圧Ｖ_ｘを出力する。

また、図６に示すように、加算回路１４は、ホール素子１１_ｌ、１１_ｒの出力の和を出力するものであり、上記したように磁束密度のｚ成分である‐２Ｂｚに比例した電圧Ｖ_ｚを出力する。

なお、上記した図５及び図６は、センサＩＣ１の回路構成を説明するためのものであり、ホール素子１１_ｌ、１１_ｒの出力をアナログ回路で処理をしてもよいし、ＤＥＭＵＸにより順次出力を取得してデジタル回路で処理をしてもよい。

（磁石の変位と出力値との関係）
図７（ａ）‐（ｃ）は、それぞれ磁石２の変位を示す概略平面図、磁石２によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路１３と加算回路１４とから出力される出力値を示すグラフ図である。

図７（ａ）に示すように、センサＩＣ１と磁石２とが相対的に変位していない場合、図７（ｂ）に示すように、センサＩＣ１の真上に磁石２が位置する状態となる。なお、図７（ｂ）は、ｚｘ平面に平行な面であってセンサＩＣ１のｙ方向中心を通る面による断面図である。

この場合、センサＩＣ１はｘ方向に０、ｚ方向に最大の磁束密度を検出する。従って、図７（ｃ）に示すように、差動回路１３から出力される磁場のｘ成分に比例した出力値である電圧Ｖ_ｘは０となり、加算回路１４から出力される磁場のｚ成分に比例した出力値はＶ_ｚ０となる。

図８（ａ）‐（ｃ）は、それぞれ磁石２の変位を示す概略平面図、磁石２によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路１３と加算回路１４とから出力される出力値を示すグラフ図である。なお、図８（ｂ）は、ｚｘ平面に平行な面であってセンサＩＣ１のｙ方向中心を通る面による断面図である。

図８（ａ）に示すように、センサＩＣ１と磁石２とが相対的にＤ_ｓ１だけ変位した場合、図８（ｂ）に示すように、センサＩＣ１の真上より図面左側に磁石２が位置する状態となる。

この場合、センサＩＣ１はｘ方向に負の値、ｚ方向に正の値を有する磁束密度を検出する。従って、図８（ｃ）に示すように、差動回路１３から出力される磁場のｘ成分に比例した出力値である電圧Ｖ_ｘは‐Ｖ_ｘ１となり、加算回路１４から出力される磁場のｚ成分に比例した出力値である電圧Ｖ_ｚはＶ_ｚ１となる。

図９（ａ）‐（ｃ）は、それぞれ磁石２の変位を示す概略平面図、磁石２によって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路１３と加算回路１４とから出力される出力値を示すグラフ図である。なお、図９（ｂ）は、ｚｘ平面に平行な面であってセンサＩＣ１のｙ方向中心を通る面による断面図である。

図９（ａ）に示すように、センサＩＣ１と磁石２とが相対的にＤ_ｓ１だけ変位した場合、図９（ｂ）に示すように、センサＩＣ１の真上より図面右側に磁石２が位置する状態となる。

この場合、センサＩＣ１はｘ方向に正の値、ｚ方向に正の値を有する磁束密度を検出する。従って、図９（ｃ）に示すように、差動回路１３から出力される磁場のｘ成分に比例した出力値である電圧Ｖ_ｘはＶ_ｘ１となり、加算回路１４から出力される磁場のｚ成分に比例した出力値である電圧Ｖ_ｚはＶ_ｚ１となる。

（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によれば、磁石２を変位方向Ｄｓに対して予め定めた角度θだけ傾いた形状としてセンサＩＣ１上に配置し、変位方向Ｄｓと直行するｘ方向及びｚ方向の磁束を検出するようにしたため（少なくともｘ方向の磁束は単調減少するため）、センサＩＣ１の出力値から一意に検出対象である磁石２の変位を決定することができるとともに、検出対象の変位の範囲をセンサＩＣ１が検出可能な変位の範囲より広げることができる。

つまり、仮に磁石の変位方向をｘ方向とすると、センサＩＣ１が検出できる磁石の変位の範囲はｄ_ｒの数倍程度となるが、磁石２を用いることで、変位方向Ｄｓの変位に対してｔａｎθを乗じたものがｘ方向の変位となるため、センサＩＣ１が検出できる磁石２の変位の範囲はｙ方向に１／ｔａｎθ倍となり、θの値を小さくすればするほど大きな変位を検出できることとなる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、第１の実施の形態の磁石の磁化方向Ｄ_ｍをｘ軸に平行な向きにした点で第１の実施の形態と異なる。なお、以下において、第１の実施の形態と共通する構成については同様の符号を用いる。

図１０は、第２の実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図である。

変位検出装置３Ａは、センサＩＣ１と、センサＩＣ１の上方に配置される磁石２Ａとを有する。

磁石２Ａは、磁石２と同様に、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジウム等の材料を用いて形成された永久磁石であり、ｘ軸に平行な方向を磁化方向Ｄｍとするとともに、ｙ軸に平行な方向を変位方向Ｄ_ｓとする。また、磁石２は、変位方向Ｄ_ｓに予め定めた角度θで傾斜した形状を有する。一例として、ｘ方向の幅を３ｍｍ、ｙ方向の長さを２０ｍｍ、ｚ方向の厚みを５ｍｍとする。

なお、磁石２は、センサＩＣ１に対して相対的に変位すればよく、センサＩＣ１が変位するものであってもよいし、両者が変位するものであってもよい。

センサＩＣ１と磁石２とはｚ方向に予め定めた間隔だけ、例えば、５ｍｍ離間して配置される。

（変位検出装置の動作）
次に、第２の実施の形態の作用を、図１０及び図１１を用いて説明する。

図１１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ磁石２Ａによって形成される磁場の様子を示す概略正面図及び差動回路１３と加算回路１４とから出力される出力値を示すグラフ図である。

図１０に示すように、センサＩＣ１と磁石２Ａとが相対的に変位していない場合、図１１（ａ）に示すように、センサＩＣ１の真上に磁石２Ａが位置する状態となる。

この場合、センサＩＣ１はｘ方向に正の値、ｚ方向に０の値を有する磁束密度を検出する。それぞれのホール素子群が検出するｘ方向の磁束密度の絶対値及びｚ方向の磁束密度の絶対値は同一のものとなる。従って、図１１（ｂ）に示すように、差動回路１３から出力される磁場のｘ成分に比例した出力値である電圧Ｖ_ｘはＶ_ｘ０となり、加算回路１４から出力される磁場のｚ成分に比例した出力値である電圧Ｖ_ｚは０となる。

また、磁石２Ａの変位に応じて、差動回路１３から出力される磁場のｘ成分に比例した出力値である電圧Ｖ_ｘ、及び加算回路１４から出力される磁場のｚ成分に比例した出力値である電圧Ｖ_ｚは、図１１（ｂ）に示すようになる。

（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によれば、磁化方向Ｄｍをｘ方向とした場合も、第１の実施の形態と同様に、センサＩＣ１の出力値から一意に検出対象である磁石２の変位を決定することができるとともに、検出対象の変位の範囲をセンサＩＣ１が検出可能な変位の範囲より広げることができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々な変形が可能である。

また、上記した第１〜第２の実施の形態のセンサ、磁石は例示であって、位置検出の機能が損なわれず、本発明の要旨を変更しない範囲内で、これらをそれぞれ適宜選択して新たな組み合わせに変更して用いてもよい。

１ ：センサＩＣ
２ ：磁石
２Ａ ：磁石
３ ：変位検出装置
３Ａ ：変位検出装置
１０ ：基板
１１_ｌ、１１_ｒ ：ホール素子
１３ ：差動回路
１４ ：加算回路

Claims (4)

1. 一の方向に変位するものであって、棒状であり長手方向が前記一の方向と予め定めた角度をなす形状を有する磁石と、
   少なくとも前記一の方向及び前記磁石の磁化方向に直行する方向において前記磁石の形成する磁界の磁束密度を検出し、検出した磁界に比例した信号を出力するセンサとを有する変位検出装置。
2. 前記センサは、前記一の方向に直行する第１の方向を感度方向とする複数の磁気検出素子を有し、前記一の方向及び前記第１の方向に直行する第２の方向の磁束を前記第１の方向の磁束に変換する磁気コンセントレータを有する請求項１に記載の変位検出装置。
3. 前記センサは、前記複数の磁気検出素子の出力を加算して前記第１の方向の磁束密度に比例した信号を出力し、前記複数の磁気検出素子の出力の差分をとることで前記第２の方向の磁束密度に比例した信号を出力する請求項２に記載の変位検出装置。
4. 前記磁石は、前記一の方向に直行する方向に磁化方向を有する請求項１‐３のいずれか１項に記載の変位検出装置。
   
   
   

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