JP2009300262A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストでコンパクトな構成をとりつつ、移動体の変位を確実に検出可能な変位検出装置を提供する。
【解決手段】回転移動及び回転軸に沿った方向の直線移動が可能であり、回転軸１０を法線とする平面に沿った一方向にパラレル着磁され回転軸１０を中心とする円筒状又は円弧状の磁極領域２を備えた移動部材１と、磁極領域２に対向して設けられ、磁極領域２の径方向に沿ったＸ軸、移動部材１の回転方向に沿ったＹ軸、及び、回転軸１０に沿ったＺ軸の互いに直行する３方向の磁場成分の大きさを検出可能な磁場検出手段３と、磁場検出手段３の検出結果に基づいて移動部材１の回転角度及び直線移動の変位を求める演算手段４とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動部材の回転角度及び回転軸に沿った直線移動の変位を検出する変位検出装置に関する。

上記のように異なる２方向の変位を検出可能な変位検出装置は、例えば車両のシフトレバーの位置検出装置などに用いられる。車両のシフトレバーには、車両の進行方向に沿ったシフト方向と、このシフト方向に直交するセレクト方向の２方向に変位するものがある。そこで、例えば、上述の変位検出装置によりシフトレバーのセレクト方向の移動を回転角度として検出し、シフト方向の移動を回転軸に沿った直線移動の変位として検出することにより、シフトレバーの位置が検出される。従来、この種の変位検出装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものが公知である。この変位検出装置は、回転軸の周囲に設けられた半円状の磁石と、回転軸の周囲に配置されたホール素子とを備える。ホール素子としては、磁石の回転軸に沿った方向の変位に応じた磁場強度を検出するよう検知面を回転軸に垂直に備えた一対のホール素子と、磁石の回転に応じた磁場強度を検出するよう検知面をＸ軸に垂直に備えた一対のホール素子とを備える。この変位検出装置において、半円径状の磁石の回転や回転軸に沿った直線移動に伴う磁場強度の変化に基づいて、磁石の回転方向及び回転軸に沿った方向の２方向位置が検出される。

特表２００２−５３０６６６号公報（００４１段落〜００４６段落及び図５〜図７）

しかしながら、上述の変位検出装置では、回転方向位置を検知するためのホール素子と、回転軸に沿った方向を検知するためのホール素子とを、方向及び配置場所を異ならせて配置する必要がある。このため、部品点数が増大しコストアップの要因となっていた。さらに、検出方向ごとにホール素子を配置するスペースを確保する必要があり、装置のコンパクト化を図ることが困難であった。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストでコンパクトな構成をとりつつ、移動部材の変位を確実に検出可能な変位検出装置を提供することにある。

本発明の第１特徴構成は、回転移動及び前記回転移動の回転軸に沿った方向の直線移動が可能であり、前記回転軸を法線とする平面に沿った一方向にパラレル着磁され前記回転軸を中心とする円筒状又は円弧状の磁極領域を備えた移動部材と、前記磁極領域に対向して設けられ、前記磁極領域の径方向に沿ったＸ軸、前記移動部材の回転方向に沿ったＹ軸、及び、前記回転軸に沿ったＺ軸の互いに直行する３方向の磁場成分の大きさを検出可能な磁場検出手段と、前記磁場検出手段の検出結果に基づいて前記移動部材の回転角度及び前記直線移動の変位を求める演算手段とを備えた点にある。

本構成のように、回転軸を法線とする平面に沿った一方向にパラレル着磁され回転軸を中心とする円筒状又は円弧状の磁極領域を設けると、磁極領域の周囲の磁場のＸＹ平面に沿った成分の方向は、移動部材の回転方向位置に対応して変化し、一周で磁場のＸＹ平面に沿った成分も一回転する。また、磁場のＸＺ平面に沿った方向の成分は、回転軸に沿った方向における磁場領域の中央部から変位するに従って、回転軸に沿う方向に変化する。このように、移動部材の回転方向の変位及び回転軸に沿った方向の変位の組み合わせに応じて、磁場の３次元方向が一義的に定まる。従って、３方向の磁場成分の大きさを検出することにより、移動部材の回転方向及び回転軸に沿った方向の２方向の変位を検出することができる。
上述のように、一義的に定まる磁場の３次元方向を測定するので、移動部材の２方向の変位を検出するために、従来のように複数の磁場検出手段を設ける必要がない。この結果、低コストでコンパクトな構成をとりつつ、移動体の変位を確実に検出可能な変位検出装置を得ることができる。

本発明の第２特徴構成は、前記演算手段が、前記Ｘ軸・前記Ｙ軸・前記Ｚ軸の原点を始点とする前記磁場の三次元空間における空間ベクトルを想定し、当該空間ベクトルをＸＹ平面に投影した際の前記ＸＹ平面内における前記投影ベクトルの方向に基づいて前記回転角度を求めるとともに、前記空間ベクトルをＸＺ平面に投影した際の前記ＸＺ平面内における前記投影ベクトルの方向に基づいて前記直線移動の変位を求める点にある。

上述のように、磁場のＸＹ平面に沿った成分の方向は移動部材の回転方向位置に対応して変化し、磁場のＸＺ平面に沿った方向の成分は回転軸に沿った方向における位置に応じて変化する。従って、磁場のＸＹ平面内における投影ベクトルの方向に基づいて回転角度を求めるとともに、磁場のＸＺ平面内における投影ベクトルの方向に基づいて回転軸に沿った方向の変位を求めることにより、２方向の変位を容易に求めることができる。

本発明に係る変位検出装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。
この変位検出装置は、図１に示すように、移動部材１と、移動部材１の周囲に発生する磁場を検出する磁場検出手段としての磁場検出装置３と、磁場検出装置３の検出情報に基づいて磁場検出装置３に対する移動部材１の移動変位を求める演算手段としての演算部４とを備える。

図１、図２及び図３に示すように、移動部材１は、回転軸１０を中心とした回転変位と、回転軸１０に沿った方向の直線変位の２方向の変位が可能である。図２に示すように、移動部材１には、磁場領域を形成するリング状の磁石２が当該移動部材１と一体移動可能に設けられている。この実施形態では、磁石２は、磁石２における磁場の方向が、回転軸１０を法線とする平面、つまり、ＸＹ平面に沿った一方向となるようパラレルに着磁されている。

磁場検出装置３は、図１及び図４に示すように、磁石２（磁場領域）の径方向に沿ったＸ軸、移動部材１の回転方向に沿ったＹ軸、及び、回転軸１０の軸方向に沿ったＺ軸の互いに直行する３方向の磁場成分の大きさを検出可能に構成されている。
磁場検出装置３は、例えばホールＩＣであり、具体的には、Ｍｅｌｅｘｉｓ社のＭＬＸ９０３３３等を用いることができる。
この磁場検出装置３は、磁性プレート８と磁場を検出する検出素子９とを有する。磁性プレート８は、円板状に形成されている。検出素子９（ホール素子）は、磁性プレート８の端部の直下に配置されている。検出素子９は、Ｙ軸に沿って配置された一対の検出素子９ａ，９ｂと、Ｚ軸に沿って配置された一対の検出素子９ｃ，９ｄとの二対が設けられている。

磁場検出装置３の検出原理について、図５に基づいて説明する。
Ｘ方向の磁場成分は、以下のように検出される。つまり、 図５（ａ）に示すように、Ｘ方向に外部磁場が印加されると、Ｚ方向に沿って配置した一対の検出素子９ｃ，９ｄにＸ方向に沿う磁場成分が発生する。このとき、検出素子９ｃと検出素子９ｄとでは、発生する磁場成分の方向が同じ方向となる。したがって、一対の検出素子９ｃ，９ｄの出力電圧を加算することにより、外部磁場の大きさに比例した磁場成分を検出できる。

Ｘ方向の磁場成分を検出する際、Ｚ方向の磁場成分については、以下の通り除去される。つまり、図５（ｂ）に示すように、Ｚ方向に磁場が印加されると、磁性プレート８により磁束が曲げられて、一対の検出素子９ｃ，９ｄにＺ方向に沿う磁場成分が発生する。このとき、検出素子９ｃと検出素子９ｄとでは、発生する磁場成分の方向が逆方向となる。従って、一対の検出素子９ｃ，９ｄの出力電圧の和を算出することにより、Ｚ方向の磁場成分を除去することができる。

一方、Ｚ方向の磁場成分は以下のように検出される。つまり、図５（ｂ）に示すように、Ｚ方向の磁場成分が印加されると、磁性プレート８により磁束が曲げられて、Ｚ方向に沿って配置した一対の検出素子９ｃ，９ｄには、磁性プレート８に垂直なＸ方向の磁場成分が発生する。このとき、Ｘ方向の磁場成分の大きさは、外部磁場の大きさに比例したものとなり、検出素子９ｃと検出素子９ｄとでは、発生する磁場成分の方向が逆方向となる。したがって、一対の検出素子９ｃ，９ｄの出力電圧の差分を算出することにより、Ｚ方向の外部磁場の大きさに比例した磁場成分を検出できる。

Ｚ方向の磁場成分を検出する際、Ｘ方向の磁場成分については、以下の通り除去される。つまり、上述のように、Ｘ方向に磁場が印加されると、一対の検出素子９ｃ，９ｄにＸ方向に沿う磁場成分が発生する。このとき、検出素子９ｃと検出素子９ｄとでは、発生する磁場成分の方向が同方向となる。従って、一対の検出素子９ｃ，９ｄの出力電圧の差を算出することにより、Ｘ方向の磁場成分を除去することができる。

Ｙ方向の磁場成分が印加されたときも、Ｚ方向の磁場成分が印加されたときと同様に、磁性プレート８に垂直なＸ方向の磁場成分が発生する。したがって、磁場検出装置３は、Ｙ方向に沿って配置した一対の検出素子９ａ，９ｂの出力電圧の差分を算出することにより、Ｙ方向の磁場成分の大きさを検出できる。

次に、演算部４による演算について説明する。
演算部４は、磁場検出装置３が検出したＸ方向の磁場成分、Ｙ方向の磁場成分、及びＺ方向の磁場成分に基づいて、移動部材１の回転軸１０を中心とした回転変位θ（図２を参照）と移動部材１の回転軸１０に沿った直線変位Ｚ（図３を参照）とを演算する。

本実施形態では、図６に示すように、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の原点を始点とする磁場の三次元空間における空間ベクトルＶを想定する。そして、当該空間ベクトルＶをＸＹ平面に投影した際のＸＹ平面内における投影ベクトルＶ’の方向（投射ベクトルＶ’のＸ軸とのなす角度α）と、空間ベクトルＶをＸＺ平面に投影した際のＸＺ平面内における投影ベクトルＶ’’の方向（投射ベクトルＶ’’のＸ軸とのなす角度β）とに基づいて、移動部材１の変位を検出する。

図７に、種々の移動部材１のＺ方向位置において、回転軸１０を中心として移動部材１を回転させた場合のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションにおいて、移動部材は、内周直径１６ｍｍ、外周直径２０ｍｍ、高さ（厚さ）１０ｍｍのリング状の磁石２で、回転軸１０を法線とする平面に沿った一方向、つまり、ＸＹ平面に平行な平面における一方向にパラレル着磁されたものを前提とした。このシミュレーションにおいて、Ｚ方向位置は、移動部材１の高さ方向（厚み方向）における中央部をＺ＝０とし、Ｚ＝−３．５ｍｍからＺ＝３．５ｍｍの種々のＺ方向位置において、移動部材１の回転角度θと投射ベクトルＶ’のなす角度αとの相関関係を得た。図中の曲線は、移動部材１のＺ方向位置をＺ＝−３．５ｍｍからＺ＝３．５ｍｍの範囲で変動させた場合の移動部材１の回転角度θと投射ベクトルＶ’のなす角度αとの相関関係の変動範囲を示す。図７から明らかなように、移動部材のＺ方向位置に拘わらず、移動部材１の回転角度θと投射ベクトルＶ’のなす角度αとの相関関係が略一致した。

図８に、種々の回転角度θにおいて、移動部材１を回転軸１０の軸心に沿って移動させた場合のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションにおいても上述と同一のリング状の磁石２を前提とした。また、このシミュレーションにおいて移動部材１の回転角度θをθ＝−５０ｄｅｇからθ＝＋５０ｄｅｇの範囲で変動させた場合の移動部材１のＺ方向位置と投射ベクトルＶ’’のＸ軸とのなす角度βとの相関関係を求めた。図中の曲線は、移動部材１の回転角度θをθ＝−５０ｄｅｇからθ＝＋５０ｄｅｇの範囲で変動させた場合の移動部材１のＺ方向位置となす角度βとの相関関係の変動範囲を示す。図８から明らかなように、回転角度θに拘わらず、移動部材１のＺ方向位置となす角度βとの相関関係が、略一致した。

上述のように、移動部材１の回転角度θと角度αとの相関関係、及び、移動部材１のＺ方向位置と角度βとの相関関係は、夫々に独立して精度よく得ることができる。従って、演算部４は、角度αに基づいて移動体の回転角度を算出し、角度βに基づいて直線移動の変位を算出することができる。具体的には、演算部４は、Ｘ方向の磁場成分Ｂｘ及び、Ｙ方向の磁場成分Ｂｙに基づいて、以下の式により角度αを算出する。
［式１］
α＝ａｒｃｔａｎ（Ｂｙ／Ｂｘ）
また、さらに、Ｘ方向の磁場成分Ｂｘ、Ｚ方向の磁場成分Ｂｚに基づいて、以下の式により角度βを算出する。
［式２］
β＝ａｒｃｔａｎ（Ｂｚ／Ｂｘ）

そして、算出された角度αに基づいて、移動部材４の回転角度θ（図２を参照）を検出する。また、角度βに基づいて、移動部材４の回転軸１０に沿った移動変位Ｚ（図３を参照）を検出する。これにより、移動部材２の２方向の変位が検出される。

上述のように、一義的に定まる磁場の３次元方向を測定するので、移動部材１の２方向の変位を検出するために、従来のように複数の磁場検出装置３を設ける必要がない。このため、低コストでコンパクトな構成をとりつつ、移動部材の変位を確実に検出可能な変位検出装置を得ることができる。

なお、図７及び図８に示す相関関係では、上述のように良好な相関関係が得られるものの相関関係が直線関係とはならない。この原因としては、ＢｘとＢｙ、或いは、ＢｘとＢｚの強度比が１：１ではなく、Ｂｘの強度がＢｙ及びＢｚと比較して大きいことが挙げられる。そこで、演算部４は、補正後の強度比が１：１に近づくように、Ｂｙ及びＢｚに強度比に応じた係数ｋを乗じる補正を行ってもよい。

この場合、演算部４は以下の式に基づいてα及びβを算出する。
［式３］
α＝ａｒｃｔａｎ（ｋＢｙ／Ｂｘ）
［式４］
β＝ａｒｃｔａｎ（ｋＢｚ／Ｂｘ）

図９にｋ＝２．２とした場合の移動部材１の回転角度θと角度αとの相関関係を示す。図７と同様に、移動部材１のＺ方向位置をＺ＝−３．５ｍｍからＺ＝３．５ｍｍの範囲で変動させた結果を示す。図９から明らかなように、このような補正を行うことにより、相関関係を示す線の直線性が向上した。また、図１０にｋ＝２．５とした場合の移動部材のＺ方向位置と角度βとの相関関係を示す。図８と同様に、移動部材１の回転角度θをθ＝−５０ｄｅｇからθ＝＋５０ｄｅｇの範囲で変動させた場合の結果を示す。図１０から明らかなように、このような補正を行うことにより、相関関係を示す線の直線性が向上した。上述のように、回転角度及びＺ方向位置のいずれの場合においても、上述の補正により、相関関係を示す線の直線性が向上した。従って、上述の補正により、移動部材の変位検出の精度がより向上する。

上述の変位検出装置は、特に限定はされないが、例えば、車両のシフトレバーの車両進行方向に沿ったシフト方向変位と、シフト方向に直交するセレクト方向変位とを検出するレバー位置検出装置に適用することができる。

［別実施形態］
（１）上述の実施形態において、磁場領域を形成する磁石２としてとしてリング状の磁石２を用いる場合を例に説明したが、これに限られるものではない。例えば、図１１に示すようにハーフリング形状の磁石２など、円弧形状の磁石２を用いてもよい。

（２）上述の実施形態では、検出素子９ａ，９ｂがＹ軸の方向に沿うとともに、検出素子９ｃ，９ｄがＺ軸の方向に沿うように磁場検出装置３を配置する例を説明したがこれに限られるものではない。例えば、検出素子９ａ，９ｂをＸ方向に沿わせるとともに、検出素子９ｃ，９ｄをＹ方向に沿わせるなど、上述以外の配置であってもよい。

本発明に係る変位検出装置を示す斜視図 本発明に係る変位検出装置を示す断面図 本発明に係る変位検出装置を示す側面図 磁場検出装置の一例を示す図 各方向の磁場成分を検出する原理を示す図 演算手段による演算の一例を示す図 移動部材を回転変位させた場合のシミュレーション結果を示す図 移動部材を直線変位させた場合のシミュレーション結果を示す図 磁場強度の補正を行った場合の移動部材を回転変位させたシミュレーション結果を示す図 磁場強度の補正を行った場合の移動部材を直線変位させたシミュレーション結果を示す図 本発明に係る変位検出装置の別実施形態を示す図

符号の説明

１ 移動部材
２ 磁石
３ 磁場検出装置
４ 演算部
Ｖ 空間ベクトル
Ｖ’ 投影ベクトル
Ｖ’’ 投影ベクトル

Claims (2)

1. 回転移動及び前記回転移動の回転軸に沿った方向の直線移動が可能であり、前記回転軸を法線とする平面に沿った一方向にパラレル着磁され前記回転軸を中心とする円筒状又は円弧状の磁極領域を備えた移動部材と、
   前記磁極領域に対向して設けられ、前記磁極領域の径方向に沿ったＸ軸、前記移動部材の回転方向に沿ったＹ軸、及び、前記回転軸に沿ったＺ軸の互いに直行する３方向の磁場成分の大きさを検出可能な磁場検出手段と、
   前記磁場検出手段の検出結果に基づいて前記移動部材の回転角度及び前記直線移動の変位を求める演算手段とを備えた変位検出装置。
2. 前記演算手段が、前記Ｘ軸・前記Ｙ軸・前記Ｚ軸の原点を始点とする前記磁場の三次元空間における空間ベクトルを想定し、当該空間ベクトルをＸＹ平面に投影した際の前記ＸＹ平面内における投影ベクトルの方向に基づいて前記回転角度を求めるとともに、前記空間ベクトルをＸＺ平面に投影した際の前記ＸＺ平面内における前記投影ベクトルの方向に基づいて前記直線移動の変位を求める請求項１に記載の変位検出装置。

Images