JP4038308B2 - 非接触式ポジションセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、磁束変化を検出して電圧に変換するホール素子を用いた非接触式ポジションセンサに関し、特に、磁石に向き合う磁石対向辺が３つあるステータを用いたセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホール素子を用いた非接触式ポジションセンサとしては、ロータリーセンサとリニアセンサとがある。図２６は、特開平８−３５８０９号に記載された従来のロータリセンサの中央断面図である。同図に示すように、結合軸１は、最外側に円筒型のロータ２を有し、このロータ２の内側には、円筒型の永久磁石３が固定されている。永久磁石３の内側には、永久磁石３から若干の隙間を設けて半円型をした２つのステータ４，５が固定される。ステータ４，５の間には、直径方向に伸びる隙間６が形成され、この隙間６の中にホール素子７がある。
【０００３】
ステータ４，５の周りを円筒型のロータ２と永久磁石３とが回転すると、ホール素子７を通過する磁束が変化し、この磁束の変化がホール素子７の電圧の変化となって表れ、この電圧の変化を測定することによって、ロータ２の回転角度を測定することができることになる。
【０００４】
図２７は、特表平７−５００４２１号に記載されたリニアセンサの構成を示す。このセンサは、ホール素子１１と、このホール素子１１を挟んで設けられたステータ１２，１３と、可動磁石１４とを有し、可動磁石１４のステータ１２，１３と反対側にもう一つのステータ１５を設けた構成となっている。
【０００５】
可動磁石１４はスライダ１６に取り付けられ、スライダ１６がその長手方向に移動する。可動磁石１４が（ａ）のようにステータ１２，１３の中間にあると、２つの磁気回路Ａ，Ｂが対称的に形成され、中心に位置するホール素子１１を通過する磁束は０となる。可動磁石１４が（ｂ）に示すように右に移動すると、磁気回路Ａ，Ｂのバランスが崩れ、ホール素子１１は磁気回路Ａに含まれるので、この間の磁束の変化が検知され、スライダ１６の移動長さを知ることができる。可動磁石１４が（ｃ）に示すように左に移動すると、ホール素子１１は、磁気回路Ｂに含まれ、この間の磁束の変化からスライダ１６の位置を検知できることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来例において、図２６のロータリーセンサは、環状の永久磁石を使用しているので、出力特性角は１８０゜サイクルで出力勾配が設定される。そのうち使用可能角は１５０゜程度となり、１５０゜以下で使用する場合は、それだけ分解能が低下するという問題があった。
【０００７】
一方、図２７のリニアセンサでは、可動磁石１４の厚さｔが厚くなると、ステータ１２，１３と、ステータ１５との距離は大きくなり、漏れ磁束が増加し出力値の直進性が悪化してしまう。これを避けるために厚さｔを薄くすると、磁力が弱くなって所定の感度を得られなくなる、という問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の問題の解決を図ったもので、センサとしての基本的な構成が共通し、ロータリセンサに適用した場合は、任意の使用角度を設定でき、リニアセンサに適用した場合は、磁石の厚さを厚くしても漏れ磁束が増加することのない非接触式ポジションセンサを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の非接触式ポジションセンサは、２つの磁石対向辺を有する第１ステータと、上記２つの磁石対向辺の間であって、上記２つの磁石対向辺を結ぶ軌跡上に１つの磁石対向辺を有する第２ステータと、上記第２ステータの上記磁石対向辺の裏面側と上記第１ステータとの間に設けられたホール素子と、上記３つの磁石対向辺と対向するように上記軌跡に沿って移動自在であるとともに上記軌跡の方向に若干の隙間を介して隣接配置された同じ大きさの２つの磁石と、を有することを特徴としている。
【００１０】
リニアセンサとしては、上記磁石が板状磁石であってスライダに保持され、該スライダが直線の軌跡に沿って進退可能である構成を特徴としている。ロータリセンサとしては、上記磁石が湾曲した磁石であってロータに保持され、該ロータが円弧の軌跡に沿って回動可能である構成を特徴としている。
【００１１】
また、リニアセンサの場合、上記第１、第２ステータをケース内に収容するとともに、該ケース内に上記磁石と第１、第２ステータとの距離を一定に保つ案内部と上記スライダを進退自在に支持する軸受部とを形成した構成としてもよい。
【００１２】
このとき、上記案内部が、ケース内に形成されたレールと、スライダに設けられた１又は２以上のコロとを有する構成としたり、上記コロが上記２つの磁石の重心位置近くにあって、スライダの進退方向と直交する方向に一対設けられている構成とすることができる。
【００１３】
ロータリセンサの場合、上記第１、第２ステータをケース内に収容し、該ケースのカバーにガイドピンを立設して該ガイドピンで第１ステータを貫通保持するともに、第１ステータを貫通したガイドピンに上記ロータを回動自在に軸支させた構成とすることができる。
【００１４】
または、上記第１、第２ステータをケース内に収容し、上記ロータに中空結合部を形成し、上記ケースに上記ロータの中空結合部と嵌合する突起部を設けた構成としてもよい。
【００１５】
上記のリニアセンサやロータリセンサにおいて、上記第１、第２ステータの上記軌跡と直交する方向の幅と、上記可動磁石の軌跡と直交する方向の幅とがほぼ同じである構成とすることが望ましい。
【００１６】
リニアセンサにおいて、第２ステータの１つの磁石対向辺の両側に第１ステータの２つの磁石対向辺を対称に配置し、第１ステータの磁石対向辺の長さをＳａ１，Ｓａ２第２ステータの磁石対向辺の長さをＳａ３、２つの磁石の長さをＭａ１，Ｍａ２、磁石間の隙間をＧａ１、３つの磁石対向辺間の隙間をＧａ２，Ｇａ３とし、磁石のストロークを２Ｌとした場合、
Ｍａ１＝Ｍａ２＝２Ｌ−Ｇａ１
Ｇａ１＝Ｇａ２＝Ｇａ３
Ｓａ１＝Ｓａ２＝Ｓａ３＝Ｍａ１
という構成が最も高感度となる。
【００１７】
同じく、リニアセンサにおいて、第２ステータの１つの磁石対向辺の両側に第１ステータの２つの磁石対向辺を対称に配置し、第１ステータの２つの磁石対向辺の長さをＳｂ１，Ｓｂ２、第２ステータの磁石対向辺の長さをＳｂ３、２つの磁石の長さをＭｂ１，Ｍｂ２、磁石間の隙間をＧｂ１、３つの磁石対向辺間の隙間をＧｂ２，Ｇｂ３とし、磁石のストロークを２Ｌとした場合、
Ｍｂ１＝Ｍｂ２＝Ｌ−Ｇｂ１／２
Ｇｂ１＝Ｇｂ２＝Ｇｂ３
Ｓｂ１＝Ｓｂ２＝Ｓｂ３／２＝Ｍｂ１
という構成が最もコンパクトとなる。
【００１８】
ロータリセンサでは、第２ステータの１つの磁石対向辺の両側に第１ステータの２つの磁石対向辺を対称に配置し、第１ステータの２つの磁石対向辺の中心角をＳθａ１，Ｓθａ２、第２ステータの磁石対向辺の中心角をＳθａ３、２つの磁石の中心角をＭθａ１，Ｍθａ２、磁石間の隙間をＧθａ１、３つの磁石対向辺間の隙間をＧθａ２，Ｇθａ３とし、磁石のストロークを２θとした場合、
Ｍθａ１＝Ｍθａ２＝２θ−Ｇθａ１
Ｇθａ１＝Ｇθａ２＝Ｇθａ３
Ｓθａ１＝Ｓθａ２＝Ｓθａ３＝Ｍθａ１
という構成が最も高感度となる。
【００１９】
また、第２ステータの１つの磁石対向辺の両側に第１ステータの２つの磁石対向辺を対称に配置し、第１ステータの２つの磁石対向辺の中心角をＳθｂ１，Ｓθｂ２第２ステータの磁石対向辺の中心角をＳθｂ３、２つの磁石の中心角をＭθｂ１，Ｍθｂ２、磁石間の隙間をＧθｂ１、３つの磁石対向辺間の隙間をＧθｂ２，Ｇθｂ３とし、磁石のストロークを２θとした場合、
Ｍθｂ１＝Ｍθｂ２＝θ−Ｇθｂ１／２
Ｇθｂ１＝Ｇθｂ２＝Ｇθｂ３
Ｓθｂ１＝Ｓθｂ２＝Ｓθｂ３／２＝Ｍθｂ１
という構成が最もコンパクトになる。
【００２０】
さらに、第１ステータと第２ステータ間のホール素子が挿入される隙間の間隔が、磁石間の隙間及び３つの磁石対向辺間の隙間と等しい構成とすることが望ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の非接触式ポジションセンサを図面を用いて説明する。
図１は本発明の非接触式ポジションセンサの基本構成を示す図で、リニアセンサに適用した例を示す。本発明のセンサは、第１ステータ１０１と、第２ステータ１０２と、これらの間に配置されたホール素子１０３と、これらに対向して配置された可動磁石１０４，１０５と、可動磁石を結合するスライダ１０６とで構成される。
【００２２】
第１ステータ１０１は、「コ」字型で、両側に磁石対向辺１０１ａ，１０１ｂを有し、第２ステータ１０２は、ただ１つの磁石対向辺１０２ａを有し、これら３つの磁石対向辺１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａは、一つの直線上に配置されている。第１、第２ステータ１０１，１０２とホール素子１０３の配置は、鏡面対称である。スライダ１０６は、図の矢符号で示すように、その長手方向に進退可能で、その移動量が、このセンサによって検知される。
【００２３】
可動磁石１０４，１０５は、若干の隙間を介して配置された同じ長さの板状磁石で、その厚さ方向に磁極Ｎ，Ｓが形成され、可動磁石１０４と１０５とでは、磁極が反対になるように図示のように配置される。このような磁極の配置は、以下に記載する他の実施例でも同様となっている。
【００２４】
図１（ａ）に示すように可動磁石１０４，１０５が丁度中央にある場合、可動磁石１０４，１０５と第１ステータ１０１とによって磁気回路Ａが形成され、可動磁石１０４，１０５と第２ステータ１０２とによって磁気回路Ｂが形成され、ホール素子１０３を通過する磁束は０となる。
【００２５】
図１（ｂ）に示すように可動磁石１０４，１０５が右端にくると、可動磁石と第１、第２ステータ１０１，１０２の右側とで磁気回路Ｃが形成され、ホール素子１０３を磁束が通過する。ホール素子１０３を通過する磁束は、（ａ）の０から可動磁石が右に移動するに連れて徐々に増加し、（ｂ）で最大となる。そして、磁束の変化に応じた電圧を出力し、可動磁石の位置、すなわち、スライダ１０６の位置を検知できることになる。
【００２６】
図１（ｃ）に示すように可動磁石１０４，１０５が左端に移動すると、第１ステータ１０１の左側に偏った磁気回路Ｄが形成される。この磁束の方向は磁気回路Ｃとは逆向きになるので、スライダ１０６の右方向の移動量をプラスとすれば、この（ｃ）の左方向への移動はマイナスとして検知される。
【００２７】
上記図１の非接触式ポジションセンサは、次の特性を有する。
▲１▼磁気回路が閉ループで構成されており、磁束の漏れがすくない。
▲２▼スライダ１０６は磁力によりその移動方向と直角方向にはずれにくいため出力変動が少ない。
▲３▼可動磁石１０４，１０５の厚さｔが厚くなっても、磁束漏れが増すことはない。
▲４▼スライダ１０６が常に第１、第２ステータ１０１，１０２側に吸い寄せられているので、振動を受けても動きにくい。
【００２８】
図２は図１の非接触式ポジションセンサを角度センサに適用した実施例である。この非接触式ポジションセンサ１１０は、２つの磁石対向辺１１１ａ，１１１ｂを備えた第１ステータと、１つの磁石対向辺１１２ａを備えた第２ステータと、これらの間に配置されたホール素子１１３と、可動磁石１１４，１１５と、これら可動磁石を固定するロータ１１６とから構成される。
【００２９】
３つの磁石対向辺１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａは、同一の円弧上に配置され、全体でほぼ半円を形成している。一方、可動磁石１１４，１１５は、磁石対向辺の円弧と同じ曲率中心を持つ湾曲した板状磁石で、円弧に沿って配置され、ロータ１１６はこの円弧に沿って矢印のように回動する。
【００３０】
この実施例でも、可動磁石１１４，１１５が円弧に沿って移動すると、図１と同じように磁気回路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに相当するものが形成され、ホール素子１１３を通過する磁束が変化し、これを検知することでロータ１１６の回転角度を検出することができることになる。
【００３１】
図３は、本発明の非接触式ポジションセンサを実際のリニアセンサに適用した組立図で、（ａ）はセンサ中央の断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。これらの図において、センサのケース１２０内の空間に、第１ステータ１２１と第２ステータ１２２が収容され、これらの間にホール素子１２３が配置される。可動磁石１２４，１２５は、スライダ１２６内の第３ステータ１２６ａに貼付され、第１、第２ステータ１２１，１２２に対面するように収容される。
【００３２】
スライダ１２６の両側にはコロ１２６ｂがあり、ケース１２０内に形成されたレール１２７上を転動自在となっている。また、スライダ１２６のステータに面する側と反対側には、スプリング受部１２６ｃがあり、ケース１２０内に形成されたスプリング受部１２０ａとの間にコイルスプリング１２８を嵌装し、スライダ１２６を常に、図の下方に向けて付勢している。
【００３３】
以上の構成において、スライダ１２６は、ケース１２０の軸受１２０ｂに支持され、可動磁石１２４，１２５が第１、第２ステータ１２１，１２２を吸引したとき、コロ１２６ｂがレール１２７に接触することでそれ以上ステータ１２１，１２２に近づくことができなくなる。コロ１２６は、可動磁石１２４，１２５と第３ステータ１２６ａの重心近くに設けられていることから、左右一対で安定して支持できるが、可動磁石１２４，１２５の上下両端近くに一対づつ、計４個設ける構成等、他の構成としてもよい。また、軸受１２０ｂとスライダ１２６との間にガタツキがあっても、上記のコロ１２６ｂとレール１２７との支持により支障を生じることはない。
【００３４】
スライダ１２６は、可動磁石１２４，１２５によってステータの中心に吸引されるため、スライダ１２６が可動磁石１２４，１２５の吸引方向と直角方向にズレることはない。しかしながら、第１、第２ステータ１２１，１２２の移動方向と直交する方向の幅Ｈと、可動磁石１２４，１２５の同じ方向の幅ｈとをほぼ等しくしておくことが最も望ましい。
【００３５】
以上のように、本発明の実施例では、スライダ１２６を、一対又は複数対のコロ１２６とレール１２７とにより支持し、さらに、軸受１２０ｂにおいて支持したので、寸法の誤差等が生じてもスライダを安定して支持でき、スムーズに摺動させることが可能となった。また、外部から振動を受けてスライダと可動磁石に荷重が発生しても、その荷重がスライダの軸受１２０ｂに殆ど加わらないので、軸受けの摩耗が少ない。さらに、一対のコロ１２６と軸受１２０ｂで支持する構成なので、メカニカル・ヒステリシスが小さく、したがって、作動時の出力ヒステリシスも小さい。
【００３６】
図４は、本発明の非接触式ポジションセンサを実際のロータリーセンサに適用した組立図である。同図においてケース１３０内には、第１ステータ１３１、第２ステータ１３２があり、これらの間にホール素子１３３が挿入されている。
【００３７】
ケース１３０内のこれらが嵌装される空間は、カバー１３７で閉止されるが、このカバー１３７にはロータ１３６を回動自在に支持するガイドピン１３７ａと、第２ステータ１３２を固定するピン１３７ｂとがある。ガイドピン１３７ａは第１ステータ１３１を貫通支持し、貫通した先にロータ１３６が回動自在に嵌合される。もう一方のピン１３７ｂには、第２ステータ１３２が嵌合固定される。また、ロータ１３６とケース１３０との間の空間には渦巻き状のバネ１３８が嵌装され、ロータ１３６がガイドピン１３７ａを軸として一方向に回転するように常時付勢している。図示しないが、ロータ１３６の回転を所定の位置で止めるためのストッパが設けられている。
【００３８】
ロータ１３６は、その一部が第２ステータ１３２と対向する位置まで延設され、ここに第３のステータ１３６ａが嵌装され、第３のステータには円弧状の２つの可動磁石１３４，１３５を１つの円弧に沿って配置する。
【００３９】
第１、第２ステータ、可動磁石、ロータの位置関係は、図２に示したものと基本的には同じである。
以上の構成であるから、可動磁石１３４，１３５は、ガイドピン１３７ａを中心に回転し、第１、第２ステータ１３１，１３２の磁石対向辺が形成する円弧に沿って移動する。
【００４０】
ガイドピン１３７ａとロータ１３６との嵌合部にガタツキがあって、可動磁石１３４，１３５に磁石の吸引方向のずれが生じた場合、可動磁石１３４，１３５と第１、第２ステータとの間で吸引するので、ガタツキの一方に片寄せられ、出力精度への影響が小さくなり、作動ヒステリシスも殆ど無く、作動に影響を与えることはない。
【００４１】
ロータ１３６のずれが吸引方向と直角方向に生じた場合、これはガイドピンのスラスト方向のずれとなるが、可動磁石１３４，１３５と第１、第２ステータ１３１，１３２の位相が一致するように規制され、スラスト方向のガタツキも吸収される。
【００４２】
図５は、図４と同じくロータリセンサの実施例であるが、この実施例は、ガイドピンを使用しない例である。（ａ）は中心の断面図、（ｂ）は（ａ）のII−II断面図、（ｃ）は（ａ）のIII−IIIから見た図で、図２に対応する図である。
【００４３】
ケース１４０内には、第１ステータ１４１と第２ステータ１４２が円弧に沿って配置され、これらの間にはホール素子１４３が、外側には可動磁石１４４，１４５と第３のステータ１４６ａとが配置される。可動磁石１４４，１４５と第３のステータ１４６ａとは、ともにロータ１４６に固定され、ロータの回転によって第１、第２ステータの円弧の若干外側を隙間を介して回動自在である。
【００４４】
ロータ１４６は、その一方に形成された中空結合部１４６ｃをケースの突起部１４０ａに嵌合してケース１４０に回動自在に支持され、他方は、ロータリセンサの取り付け相手のボディ１４９から突出したシャフト１４８に支持される。図５（ｂ）に示すように、シャフト１４８の先端には切欠部１４８ａがあり、ロータ１４６に形成された切欠部１４６ｂと重なって回り止めとなっている。
【００４５】
シャフト１４８が軸ａを中心に回動すると、可動磁石１４４，１４５が円弧上を移動し、ホール素子１４３を通過する磁束が変化するので、シャフト１４８の回転角を測定できることになる。
【００４６】
ロータ１４６の嵌合部に、可動磁石１４４，１４５の吸引方向のガタツキが生じた場合、可動磁石１４４，１４５が第１、第２ステータ１４１，１４２を吸引して、ガタツキの一方に寄せることでガタツキを吸収する。
【００４７】
ロータ１４６が吸引方向と直角方向にずれた場合、これは軸ａの方向のずれであるが、可動磁石１４４，１４５と第１、第２ステータ１４１，１４２の位相が一致するように（中心が一致するように）規制され、スラスト方向のずれも吸収される。
したがって、上記のずれやガタツキにより出力精度への影響が小さくなり、作動ヒステリシスも殆ど無い。
【００４８】
すなわち、図４及び図５の実施例では、ロータと可動磁石との間に振動による外力が作用した場合でも、上述したように、ロータは常に一定の位置に自動的に復帰するので、振動の影響を受けにくい。また、振動の影響がロータの軸受部に加わらないので、摩耗も少なくなる。
【００４９】
図６は、本発明の非接触式ポジションセンサの変位量と出力の関係を示す線図である。縦軸にホール素子の出力をとり、横軸には、リニアセンサの場合は、移動長さ、ロータリセンサの場合は角度をとる。本発明の非接触式ポジションセンサは、左右対称形状としているので、中心からある範囲内では、図６に示すように、磁力の変化と、角度や長さの変位との間には、直線的な関係がある。この直線部分が測定可能領域となる。そこで、実際のセンサでは、角度や長さの変位をこの中心付近の直線部分内に納まるように設計するが、そのとき、この直線の勾配tanαがセンサの感度を表わすことになる。一般に、可動磁石の長さを長くすると、感度が向上するが、ステータの形状も可動磁石に合わせて大きくしなければ効果的ではない。
【００５０】
図７は本発明のリニア型非接触式ポジションセンサで、最も感度が良くなる実施例を示す。すなわち、最も感度の良いステータと可動磁石の寸法と位置関係を示す実施例である。基本的な構成は図１に記載したものと同じとなっているが、磁石対向辺や可動磁石の長さが長くなっていることに特徴がある。
【００５１】
第１ステータの２つの磁石対向辺の長さをＳａ１，Ｓａ２、第２ステータの磁石対向辺の長さをＳａ３とし、２つの可動磁石の長さをそれぞれＭａ１とＭａ２とする。可動磁石間の隙間をＧａ１、一直線に並んだ３つの磁石対向辺間の隙間をＧａ２，Ｇａ３とする。可動磁石のストロークを中心から片側にＬづつ、計２Ｌとする。
【００５２】
以下に、最も感度が良くなる各部の寸法、位置関係について、説明する。まず、可動磁石の長さＭａ１とＭａ２との関係であるが、図８に示すように、Ｍａ１＝Ｍａ２付近が良い。
【００５３】
すなわち、図８（ａ）はＭａ１＝Ｍａ２のときで、リニアリティは０で直線性が確保できる。しかし、（ｂ）に示すようにＭａ１＞Ｍａ２の場合や、（ｃ）に示すように、Ｍａ１＜Ｍａ２の場合は、変位量と電圧との間のリニアリティが悪化する。
【００５４】
次に、可動磁石の長さＭａ１とストロークＬとの関係であるが、Ｍａ１＝２Ｌ付近が良く、特に、Ｍａ１＝２Ｌ−Ｇａ１付近が効率の良い長さである。仮に、Ｍａ１＜２Ｌの場合、図９の一点鎖線に示すように、ストローク２Ｌ内で、リニアリティが悪化する。Ｍａ１＞２Ｌの場合は、リニアリティへの影響はないが、作動ストロークに対して不要な長さとなり、無駄である。
【００５５】
図１０はクリアランスＧａ２，Ｇａ３とリニアリティとの関連を示す図である。同図（ａ）に示すようにＧａ２＝Ｇａ３付近の場合のリニアリティは良好なのに対し、（ｂ）、（ｃ）に示すようにＧａ２＜Ｇａ３やＧａ２＞Ｇａ３の場合は、いずれもリニアリティが悪化する。
【００５６】
次に、ホール素子が挿入される第１、第２ステータのクリアランスＴとＧａ２，Ｇａ３の関係であるが、Ｔ＜Ｇａ２＝Ｇａ３のときがリニアリティが良いが、図１１（ａ）に示すように、Ｔ＝Ｇａ２＝Ｇａ３付近のとき特に効率が良い。Ｔ＞Ｇａ２＝Ｇａ３のときは、磁束のショートカットが起きて、図１１（ｂ）に示すように、リニアリティが悪化する。
【００５７】
３つのクリアランスＧａ１，Ｇａ２，Ｇａ３の関係であるが、図１２（ａ）に示すように、Ｇａ１＝Ｇａ２＝Ｇａ３付近のとき、リニアリティが最も良くなり、Ｇａ１＞Ｇａ２＝Ｇａ３のときは、図１２（ｂ）のような傾向があり、Ｇａ１＜Ｇａ２＝Ｇａ３のときは図１２（ｃ）のようになって、いずれもリニアリティが悪化する。
【００５８】
第２ステータの長さＳａ３と、可動磁石の長さＭａ１との関係は、図１３（ａ），（ｂ）に示す通りである。すなわち、Ｓａ３＜Ｍａ１＝２Ｌ−Ｇａ１の場合、（ａ）の一点鎖線で示すように、ストローク２Ｌの範囲内でのリニアリティが悪化し、Ｓａ３＞Ｍａ１＝２Ｌ−Ｇａ１の場合は、（ｂ）に示すように、計測可能な範囲Ｗは２Ｌ以上に拡がるが、リニアリティは悪化している。したがって、Ｓａ３＝Ｍａ１＝２Ｌ−Ｇａ１付近が最も良好である。
【００５９】
第１ステータの磁石対向辺の長さＳａ１，Ｓａ２と、第２ステータの磁石対向辺Ｓａ３と、ストローク２Ｌとの関係は、図１４に示す通りである。同図の実線は、Ｓａ１＝Ｓａ２＝Ｓａ３の場合で、２Ｌの範囲全体でリニアリティが良好である。これに対し、Ｓａ１＜Ｓａ２の場合は、−Ｌ側でのリニアリティが悪化し、Ｓａ２＜Ｓａ３の場合は、＋Ｌ側でのリニアリティが悪化する。
【００６０】
以上から、最も感度の良いセンサの条件は、ストロークを２Ｌとして、ほぼ
▲１▼ ２つの可動磁石の長さＭａ１，Ｍａ２は、可動磁石間の隙間をＧａ１として、Ｍａ１＝Ｍａ２＝２Ｌ−Ｇａ１
▲２▼ 第２ステータの長さＳａ３＝Ｍａ１＝２Ｌ−Ｇａ１
▲３▼ 第１ステータの長さＳａ３×３＋Ｇａ２×２（Ｓａ１＝Ｓａ２＝Ｓａ３）≧６Ｌ−Ｇａ１
▲４▼ 隙間の幅は、Ｇａ１＝Ｇａ２＝Ｇａ３
の関係が成り立つこととなる。
【００６１】
図１５は、最もコンパクトにできるリニア型非接触式ポジションセンサの構成を示す図である。基本的な構成は図７に記載したものと同じであるが、磁石対向辺の長さや、可動磁石の長さが異なっている。
【００６２】
第１ステータの２つの磁石対向辺の長さをＳｂ１，Ｓｂ２、第２ステータの磁石対向辺の長さをＳｂ３とし、２つの可動磁石の長さをそれぞれＭｂ１とＭｂ２とする。可動磁石間の隙間をＧｂ１、一直線に並んだ３つの磁石対向辺間の隙間をＧｂ２，Ｇｂ３とする。可動磁石のストロークは中心から片側にＬづつ、計２Ｌである。
【００６３】
以下に、最もコンパクトになる各部の寸法、位置関係について、可動磁石の長さとリニアリティの関係から説明する。
図１６に示すように、可動磁石の長さＭｂ１とＭｂ２とは、Ｍｂ１＝Ｍｂ２付近が良い。特に、Ｍｂ１＝Ｍｂ２＝Ｌ付近が良く、特に、Ｍｂ１＝Ｍｂ２＝Ｌ−（Ｇｂ１／２）付近が効率の良い長さである。仮に、Ｍｂ１＜Ｌでは、図１６のように、作動ストローク２Ｌの範囲で磁力のリニアリティが悪化する。また、Ｍｂ１＞Ｌでは作動ストロークに対して不要な長さであり、無駄となる。
【００６４】
図１７は隙間Ｇｂ２，Ｇｂ３に関するものである。（ａ）はＧｂ２＝Ｇｂ３のときで、リニアリティが良好である。さらには、Ｇｂ１＝Ｇｂ２＝Ｇｂ３の付近が最も良好である。（ｂ）はＧｂ２＜Ｇｂ３で、（ｃ）はＧｂ２＞Ｇｂ３の場合で、共に、リニアリティが悪化している。
【００６５】
ホール素子が挿入される第１、第２ステータのクリアランスＴとＧｂ２，Ｇｂ３の関係であるが、図１１で説明したのと同様の理由から、Ｔ＜Ｇｂ２＝Ｇｂ３付近のときが良い。
隙間についても、図１２で説明したのと同様の理由から、Ｇｂ１＝Ｇｂ２＝Ｇｂ３付近のときがリニアリティが最も良くなる。
【００６６】
図１８は第２ステータの長さＳｂ３と、可動磁石の長さＭｂ１及びストロークＬとの関係を示す図である。図１８（ａ）の実線はＳｂ３＝Ｍｂ１×２＝２Ｌ−Ｇｂ１の時で、リニアリティは作動長さ２Ｌの全体で確保されている。しかし、Ｓｂ３＜Ｍｂ１×２＝２Ｌ−Ｇｂ１の場合は、一点鎖線で示すように、２Ｌの両端において、リニアリティが悪化している。Ｓｂ３＞Ｍｂ１×２＝２Ｌ−Ｇｂ１の場合は、図１８（ｂ）に示すように計測範囲Ｗは拡がるが、リニアリティは悪化している。
【００６７】
磁石対向辺の長さＳｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３は、図１９の実線に示すように、Ｓｂ１＝Ｓｂ２＝Ｓｂ３／２が最も効率が良い。したがって、第１ステータの長さは、Ｓｂ３×２＋Ｇｂ２×２が良く、Ｓｂ１＜Ｓｂ３／２や、Ｓｂ２＜Ｓｂ３／２の場合は、図１９の一点鎖線や点線で示すようにリニアリティが悪化する。Ｓｂ１＝Ｓｂ２＞Ｓｂ３／２でも良いが、全長が長くなるだけ無駄であり、コンパクト化に反することになる。
【００６８】
したがって、第１ステータの長さは、
第１ステータ長さ≧２（２Ｌ−Ｇｂ１）＋Ｇｂ１×２≧４Ｌ
となる。
【００６９】
以上から最もコンパクトなリニアセンサは、ストロークを２Ｌとして、ほぼ
▲１▼ ２つの可動磁石の長さＭｂ１，Ｍｂ２は、可動磁石間の隙間をＧｂ１として、Ｍｂ１＝Ｍｂ２＝Ｌ−Ｇｂ１／２
▲２▼ 第２ステータの長さＳｂ３＝２Ｍｂ１＝２Ｌ−Ｇｂ１
▲３▼ 第１ステータの長さＳｂ３×２＋Ｇｂ２×２（Ｓｂ１＝Ｓｂ２＝Ｓｂ３／２）≧４Ｌ
▲４▼ 隙間の幅は、Ｇｂ１＝Ｇｂ２＝Ｇｂ３
の関係が成り立つこととなる。
【００７０】
同一のストロークＬに対して、図７のリニアセンサと、図１５のリニアセンサとの第１ステータの長さは、図７のリニアセンサでは６Ｌ−Ｇａ１で、図１５では、４Ｌとなり、図７の方がほぼ５０％長くなる。
【００７１】
図７のリニアセンサと図１５のリニアセンサとを比較すると、図７の方が約２倍の感度となっている。これについて、図２０と図２１で説明する。
【００７２】
図２０は図７のリニアセンサの磁気回路の形成状況を説明する図である。この図に示すように図７のリニアセンサでは磁石が中央にある（ｂ）のとき、内回りと外回りの２つの磁気回路が形成される。磁石が右又は左に移動すると、（ａ），（ｃ）に示すように、４つの磁気回路が形成される。
【００７３】
これに対し、図１５のコンパクトなリニアセンサでは、図２１に示すように、磁石が中央にある（ｂ）のとき、１つの磁気回路しか形成されない。また、磁石が右又は左に移動すると、（ａ），（ｃ）に示すように、２つの磁気回路が形成され、結局、図２０の場合の半分の磁気回路しか形成されないためである。
【００７４】
図２２は、図７のリニアセンサに対応するロータリセンサで、最も感度の良いロータリセンサを示す。リニアセンサでは各部の大きさを長さで表したが、ここでは中心角で表している。すなわち、ストロークを２θ（±θ）可動磁石の長さをＭθａ１，Ｍθａ２、第１、第２ステータの磁石対向辺の長さをそれぞれＳθａ１，Ｓθａ２，Ｓθａ３、隙間の間隔をＧθａ１，Ｇθａ２，Ｇθａ３と表している。そして、これらの間には、図７のセンサについて、図８から図１４（図１１は除く）で説明したことが全て該当する。
【００７５】
したがって、最も感度の高いロータリセンサの条件は、ほぼ
▲１▼ ２つの可動磁石の長さＭθａ１，Ｍθａ２は、可動磁石間の隙間をＧθａ１として、Ｍθａ１＝Ｍθａ２＝２θ−Ｇθａ１
▲２▼ 第２ステータの長さＳθａ３＝Ｍθａ１＝２θ−Ｇθａ１
▲３▼ 第１ステータの長さＳθａ３×３＋Ｇθａ２×２（Ｓθａ１＝Ｓθａ２＝Ｓθａ３）≧６θ−Ｇθａ１
▲４▼ 隙間の幅は、Ｇθａ１＝Ｇθａ２＝Ｇθａ３
の関係が成り立つこととなる。
【００７６】
図２３は、図１５のリニアセンサに対応するロータリセンサで、最もコンパクトな構成のものである。ここでも各部の大きさを角度で表している。すなわち、ストロークを２θ（±θ）可動磁石の長さをＭθｂ１，Ｍθｂ２、第１、第２ステータの長さをＳθｂ１，Ｓθｂ２、隙間の間隔をＧθｂ１，Ｇθｂ２，Ｇθｂ３と表している。そして、これらの間には、図１５のセンサについて、図１６から図１９で説明したことが全て該当する。
【００７７】
したがって、最もコンパクトなロータリセンサは、ストロークを２θとして、ほぼ
▲１▼ ２つの可動磁石の長さＭθｂ１，Ｍθｂ２は、可動磁石間の隙間をＧθｂ１として、Ｍθｂ１＝Ｍθｂ２＝２θ−Ｇθｂ１
▲２▼ 第２ステータの長さＳθｂ３＝２Ｍθｂ１＝２θ−Ｇθｂ１
▲３▼ 第１ステータの長さＳθｂ３×２＋Ｇθｂ２×２（Ｓθｂ１＝Ｓθｂ２＝Ｓθｂ３／２）≧４θ
▲４▼ 隙間の幅は、Ｇθｂ１＝Ｇθｂ２＝Ｇθｂ３
の関係が成り立つこととなる。
【００７８】
図２２のロータリセンサと図２３のロータリセンサとを比較すると、図２２の方が約２倍の感度となる。これについて、図２４と図２５で説明する。
【００７９】
図２４は図２２のロータリセンサの磁気回路の形成状況を説明する図である。この図に示すように図２２のロータリセンサでは磁石が中央にある（ｂ）のとき、内回りと外回りの磁気回路が形成される。磁石が右又は左に回転すると、（ａ），（ｃ）に示すように、４つの磁気回路が形成される。
【００８０】
これに対し、図２３のコンパクトなロータリセンサでは、図２５に示すように、磁石が中央にある（ｂ）のとき、１つの磁気回路しか形成されない。また、磁石が右又は左に回転すると、（ａ），（ｃ）に示すように、２つの磁気回路が形成され、結局図２４の場合の半分の磁気回路しか形成されないためである。
【００８１】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明の非接触式ポジションセンサは、２つの磁石対向辺を有する第１ステータと、上記２つの磁石対向辺を結ぶ軌跡上に１つの磁石対向辺を有する第２ステータと、上記第１、第２ステータ間に設けられたホール素子と、上記３つの磁石対向辺と対向するように上記軌跡に沿って移動自在であるとともに上記軌跡の方向に隣接配置された２つの磁石と、を有する構成としたので、ロータリセンサに適用した場合は、任意の使用角度を設定でき、リニアセンサに適用した場合は、磁石の厚さを厚くしても漏れ磁束が増加することのない非接触式ポジションセンサを得ることができる。
【００８２】
リニアセンサの場合、上記第１、第２ステータをケース内に収容するとともに、該ケース内に上記磁石と第１、第２ステータとの距離を一定に保つ案内部と上記スライダを進退自在に支持する軸受部とを形成した構成なので、振動等でスライダや磁石が動いても一定の位置に戻るようにすることができ、振動の影響も受けにくい非接触式ポジションセンサを得ることができる。
【００８３】
ロータリセンサの場合、上記第１、第２ステータをケース内に収容し、該ケースのカバーにガイドピンを立設して該ガイドピンで第１ステータを貫通保持するともに、第１ステータを貫通したガイドピンに上記ロータを回動自在に軸支させた構成とすれば、やはり、振動等によりロータや磁石が動いても一定の場所に復帰するようにできる。
【００８４】
また、第２ステータの１つの磁石対向辺の両側に第１ステータの２つの磁石対向辺を対称に配置し、第１ステータの磁石対向辺の長さ、第２ステータの磁石対向辺の長さ、磁石の長さ、磁石間の隙間、磁石対向辺間の隙間を所定の関係にすることで、感度を最も良くしたり、構成を最もコンパクトなものにしたりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非接触式ポジションセンサをリニアセンサに適用した場合の構成を示す図である。
【図２】本発明の非接触式ポジションセンサを角度センサに適用した場合の構成を示す図である。
【図３】非接触式ポジションセンサを実際のリニアセンサに適用した組立図で、（ａ）はセンサ中央の断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
【図４】本発明の非接触式ポジションセンサを実際のロータリーセンサに適用した組立図である
【図５】ロータリセンサの別の実施例を示す図で、（ａ）は中心の断面図、（ｂ）は（ａ）のII−II断面図、（ｃ）は（ａ）のIII−IIIから見た図である。
【図６】本発明の非接触ポジションセンサの変位量と出力の関係を示す線図である。
【図７】本発明のリニア型非接触式ポジションセンサで、最も感度が良くなる実施例を示す図である。
【図８】磁石の長さとリニアリティとの関係を示す線図である。
【図９】センサのストロークＬと磁石の長さＭａ１とが感度のリニアリティに与える影響を示す線図である。
【図１０】隙間Ｇａ２，Ｇａ３とリニアリティの関係を示す線図である。
【図１１】第１と第２ステータ間の隙間Ｔと隙間Ｇａ２，Ｇａ３との関係を示す線図である。
【図１２】隙間Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇａ３とリニアリティの関係を示す線図である。
【図１３】第２ステータの磁石対向辺の長さと可動磁石の長さＭａ１との関係を示す線図である。
【図１４】磁石対向辺の長さＳａ１，Ｓａ２，Ｓａ３と、ストロークＬとの関係を示す線図である。
【図１５】本発明のリニア型非接触式ポジションセンサで、最もコンパクトになる実施例を示す図である。
【図１６】可動磁石の長さＭｂ１とストロークＬとの関係を示す線図である。
【図１７】隙間Ｇｂ２，Ｇｂ３の関係を示す線図である。
【図１８】第２ステータの長さＳｂ３と、可動磁石の長さＭｂ１及びストロークＬとの関係を示す線図である。
【図１９】磁石対向辺Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３の大きさの関係を示す線図である。
【図２０】最も感度の良いリニアセンサの磁気回路の発生状況を示す図である。
【図２１】最もコンパクトなリニアセンサの磁気回路の発生状況を示す図である。
【図２２】本発明のロータリ型非接触式ポジションセンサで、最も感度が良くなる実施例を示す図である。
【図２３】本発明のロータリ型非接触式ポジションセンサで、最もコンパクトな実施例を示す図である。
【図２４】最も感度の良いロータリセンサの磁気回路の発生状況を示す図である。
【図２５】最もコンパクトなロータリセンサの磁気回路の発生状況を示す図である。
【図２６】従来のリニアセンサの構成を示す図である。
【図２７】従来のロータリセンサの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０１，１１１，１２１，１３１，１４１ 第１ステータ
１０１ａ，１０１ｂ，１１１ａ，１１１ｂ 磁石対向辺（第１ステータ）
１０２，１１２，１２２，１３２，１４２ 第２ステータ
１０２ａ，１１２ａ 磁石対向辺（第２ステータ）
１０３，１１３，１２３，１３３，１４３ ホール素子
１０４，１０５，１１４，１１５，１２４，１２５，１３４，１３５，１４４，１４５ 磁石
１０６，１２６ スライダ
１１６，１３６，１４６ ロータ
１２０，１３０，１４０ ケース
１２０ｂ 軸受部
１２６ｂ コロ
１２７ レール
１３７ カバー
１３７ａ ガイドピン
１４０ａ 突起部
１４６ｃ 中空結合部

Claims (14)

1. ２つの磁石対向辺を有する第１ステータと、上記２つの磁石対向辺の間であって、上記２つの磁石対向辺を結ぶ軌跡上に１つの磁石対向辺を有する第２ステータと、上記第２ステータの上記磁石対向辺の裏面側と上記第１ステータとの間に設けられたホール素子と、上記３つの磁石対向辺と対向するように上記軌跡に沿って移動自在であるとともに上記軌跡の方向に若干の隙間を介して隣接配置された同じ大きさの２つの磁石と、を有することを特徴とする非接触式ポジションセンサ。
2. 上記磁石が板状磁石であってスライダに保持され、該スライダが直線の軌跡に沿って進退可能であることを特徴とする請求項１記載の非接触式ポジションセンサ。
3. 上記磁石が湾曲した板状磁石であってロータに保持され、該ロータが円弧の軌跡に沿って回動可能であることを特徴とする請求項１記載の非接触式ポジションセンサ。
4. 請求項２記載の非接触式ポジションセンサにおいて、上記第１、第２ステータをケース内に収容するとともに、該ケース内に上記磁石と第１、第２ステータとの距離を一定に保つ案内部と上記スライダを進退自在に支持する軸受部とを形成したことを特徴とする非接触式ポジションセンサ。
5. 上記案内部が、ケース内に形成されたレールと、スライダに設けられた１又は２以上のコロとを有することを特徴とする請求項４記載の非接触式ポジションセンサ。
6. 上記コロが上記２つの磁石の重心位置近くにあって、スライダの進退方向と直交する方向に一対設けられていることを特徴とする請求項５記載の非接触式ポジションセンサ。
7. 請求項３記載の非接触式ポジションセンサにおいて、上記第１、第２ステータをケース内に収容し、該ケースのカバーにガイドピンを立設して該ガイドピンで第１ステータを貫通保持するともに、第１ステータを貫通したガイドピンに上記ロータを回動自在に軸支させたことを特徴とする非接触式ポジションセンサ。
8. 請求項３記載の非接触式ポジションセンサにおいて、上記第１、第２ステータをケース内に収容し、上記ロータに中空結合部を形成し、上記ケースに上記ロータの中空結合部と嵌合する突起部を設けたことを特徴とする非接触式ポジションセンサ。
9. 上記第１、第２ステータの上記軌跡と直交する方向の幅と、上記可動磁石の軌跡と直交する方向の幅とがほぼ同じであることを特徴とする請求項４から８のいずれかに記載の非接触式ポジションセンサ。
10. 請求項２記載の非接触式ポジションセンサにおいて、第２ステータの１つの磁石対向辺の両側に第１ステータの２つの磁石対向辺を対称に配置し、第１ステータの磁石対向辺の長さをＳａ１，Ｓａ２第２ステータの磁石対向辺の長さをＳａ３、２つの磁石の長さをＭａ１，Ｍａ２、磁石間の隙間をＧａ１、３つの磁石対向辺間の隙間をＧａ２，Ｇａ３とし、磁石のストロークを２Ｌとした場合、ほぼ
    Ｍａ１＝Ｍａ２＝２Ｌ−Ｇａ１
    Ｇａ１＝Ｇａ２＝Ｇａ３
    Ｓａ１＝Ｓａ２＝Ｓａ３＝Ｍａ１
    の関係が成り立つことを特徴とする非接触式ポジションセンサ。
11. 請求項２記載の非接触式ポジションセンサにおいて、第２ステータの１つの磁石対向辺の両側に第１ステータの２つの磁石対向辺を対称に配置し、第１ステータの２つの磁石対向辺の長さをＳｂ１，Ｓｂ２、第２ステータの磁石対向辺の長さをＳｂ３、２つの磁石の長さをＭｂ１，Ｍｂ２、磁石間の隙間をＧｂ１、３つの磁石対向辺間の隙間をＧｂ２，Ｇｂ３とし、磁石のストロークを２Ｌとした場合、ほぼ
    Ｍｂ１＝Ｍｂ２＝Ｌ−Ｇｂ１／２
    Ｇｂ１＝Ｇｂ２＝Ｇｂ３
    Ｓｂ１＝Ｓｂ２＝Ｓｂ３／２＝Ｍｂ１
    の関係が成り立つことを特徴とする非接触式ポジションセンサ。
12. 請求項３記載の非接触式ポジションセンサにおいて、第２ステータの１つの磁石対向辺の両側に第１ステータの２つの磁石対向辺を対称に配置し、第１ステータの２つの磁石対向辺の中心角をＳθａ１，Ｓθａ２、第２ステータの磁石対向辺の中心角をＳθａ３、２つの磁石の中心角をＭθａ１，Ｍθａ２、磁石間の隙間をＧθａ１、３つの磁石対向辺間の隙間をＧθａ２，Ｇθａ３とし、磁石のストロークを２θとした場合、ほぼ
    Ｍθａ１＝Ｍθａ２＝２θ−Ｇθａ１
    Ｇθａ１＝Ｇθａ２＝Ｇθａ３
    Ｓθａ１＝Ｓθａ２＝Ｓθａ３＝Ｍθａ１
    の関係が成り立つことを特徴とする非接触式ポジションセンサ。
13. 請求項３記載の非接触式ポジションセンサにおいて、第２ステータの１つの磁石対向辺の両側に第１ステータの２つの磁石対向辺を対称に配置し、第１ステータの２つの磁石対向辺の中心角をＳθｂ１，Ｓθｂ２第２ステータの磁石対向辺の中心角をＳθｂ３、２つの磁石の中心角をＭθｂ１，Ｍθｂ２、磁石間の隙間をＧθｂ１、３つの磁石対向辺間の隙間をＧθｂ２，Ｇθｂ３とし、磁石のストロークを２θとした場合、ほぼ
    Ｍθｂ１＝Ｍθｂ２＝θ−Ｇθｂ１／２
    Ｇθｂ１＝Ｇθｂ２＝Ｇθｂ３
    Ｓθｂ１＝Ｓθｂ２＝Ｓθｂ３／２＝Ｍθｂ１
    の関係が成り立つことを特徴とする非接触式ポジションセンサ。
14. 第１ステータと第２ステータ間のホール素子が挿入される隙間の間隔が、磁石間の隙間及び３つの磁石対向辺間の隙間とほぼ等しいことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の非接触ポジションセンサ。

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