JP2015145816A - 変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度に優れた小型の変位センサを提供する。
【解決手段】変位センサ１は、円環状の軟磁性体からなる第１ヨーク１０と、当該第１ヨーク１０の外周面１１と隙間６０を介して対向する内周面２１を有し、第１ヨーク１０と同軸上に配置される円環状の軟磁性体からなる第２ヨーク２０と、第１ヨーク１０の径方向中央部を軸方向に沿って移動可能に配置され、第１ヨーク１０の軸方向に沿って磁化されている磁石３０と、隙間６０に生じる磁束密度を検出し、磁束密度の検出方向が径方向に沿うように隙間６０に配置される検出素子４０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、直線移動する移動体の変位量を検出する変位センサに関する。

従来、直線移動する移動体の変位量を検出する技術が利用されてきた。このような技術として下記に出典を示す特許文献１及び２に記載のものがある。

特許文献１に記載の差動トランス式変位センサは、１次コイルに流す交流電流により二つの２次コイルに誘起起電力が発生されるように構成される。二つの２次コイルに発生する誘導起電力は往復移動自在な磁性体コアの変位に応じて変わるので、電位変動から磁性体コアの移動量を検出する差動トランスとなっている。

特許文献２に記載の位置センサは、往復移動する可動ヨークと、当該可動ヨークを内挿する状態に設けられたリング状の固定ヨークと、可動ヨークと平行に配置された二つの磁石の間に配置された磁気センサとを備えて構成される。可動ヨークが中央に位置している時には磁束が磁気センサを通過せず、可動ヨークが中央から変位した時に磁束が磁気センサを通過する。位置センサは、この磁気センサを通過する磁束密度を検出することで変位量を検出する。

特開２００２−１３９３０１号公報 特開２００９−４２１５４号公報

特許文献１に記載の技術は、補助コイルを用いて移動方向端部での検出感度を高めている。しかしながら、コイルを配置する範囲を磁性体コアの移動範囲より広くしなければならず、コイルの軸方向の長さが長くなり搭載性に課題がある。また、特許文献２に記載の技術は、可動ヨークの可動方向と平行に磁石が配置されており、磁気センサを通過する磁束の密度は、ヨークと磁石の距離の影響を受ける。特に、可動ヨークが変位方向に対して垂直に軸ズレを起こすと磁気センサが検出する磁束密度に誤差が生じる。このため、可動ヨークの軸ズレに対して出力変動が大きくなる。また、特許文献２に記載の技術も、特許文献１に記載の技術と同様に、２つの磁石と磁気センサとを合わせた長さが変位量以上の長さとなり、センサの搭載性に課題がある。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、測定精度に優れた小型の変位センサを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る変位センサの特徴構成は、円環状の軟磁性体からなる第１ヨークと、前記第１ヨークと同軸上に配置される円環状の軟磁性体からなり、その内周面が前記第１ヨークの外周面と隙間を介して対向する第２ヨークと、前記第１ヨークの径方向中央部を軸方向に沿って移動可能に配置され、前記第１ヨークの軸方向に沿って磁化されている磁石と、前記隙間に生じる磁束密度を検出し、前記磁束密度の検出方向が前記径方向に沿うように前記隙間に配置される検出素子と、を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、検出素子を挟むように第１ヨーク及び第２ヨークが配置されているので、第１ヨークと第２ヨークとの間には、これら２つのヨークを径方向に結ぶ磁路が形成され、磁石からの磁束を効率良く検出素子に集めることができる。したがって、第１ヨーク及び第２ヨークの軸方向長さを磁石の可動範囲よりも短く構成でき、変位センサを小型化できる。また、第１ヨークの外側を囲うように第２ヨークが配置されるので、当該第２ヨークが磁気抵抗の小さい経路を構成し、変位センサの外側から作用する外乱磁界の影響を抑制できる。

本構成であれば、仮に磁石の移動中心が第１ヨークの軸心からズレた場合には、磁石と各ヨークとの間の距離が縮小する部分と拡大する部分とが共存し、双方の部分を通過する磁束量の変化が互いに補償される。よって、磁石の移動中心の軸ズレの影響を小さくすることができる。

また、前記第１ヨークの外周面及び前記第２ヨークの内周面の少なくとも一方に前記隙間の間隔を小さくする軟磁性体よりなる突出部が設けられ、前記検出素子が前記隙間のうち、前記突出部により間隔の狭くなった部分に配置されると好適である。

このような構成とすれば、突出部が設けられた間隔の狭い部分の磁気抵抗が小さくなり、第１ヨークに集磁された磁束を、突出部を介して第２ヨークに伝達させ易くなる。したがって、突出部の先端近傍に設けられた検出素子に磁束が集中し、変位センサの感度を高めることができる。

また、前記突出部を複数設ける際に前記第１ヨークを軸方向に見て、１２０度以下の中心角からなる扇形の円弧上に配置されていると好適である。

例えば第１ヨークと第２ヨークとの間に検出素子を複数配し、各検出素子に対応して突出部を設ける場合、複数の突出部の配置によっては外乱磁界の影響を受け易くなる。特に二つの突出部が夫々のヨークの中心位置を挟んで対称の位置にある場合、上記二つの突出部をつなぐ方向が外乱磁界の方向と一致すると、前記二つの突出部の先端近傍に配された検出素子が外乱磁界の影響を受け易くなる。このため、双方の検出素子に同時に誤差が発生し、検出精度が低下することとなる。
そこで本構成では、複数の突出部を設ける場合、夫々の突出部をヨークの中心に対して１２０度以下の扇形領域に配置することとした。こうすることで、複数の突出部がヨークの中心位置を挟んで対称の位置に配されることがなくなり、突出部の先端近傍に配された検出素子を通過する外乱磁界に起因する磁束密度が減少し、変位センサの検出精度を高めることができる。なお、上記扇型領域内に複数の突出部は、第１ヨークの軸方向における位置を変更して配置することも可能である。

また、前記検出素子が、前記第１ヨークの周方向に沿って前記隙間に複数配置されていると好適である。

本構成であれば、各検出素子が正常に動作していれば、いずれの検出素子も同様の検出値を示すはずである。このため、複数の検出素子のいずれかに出力異常がある場合には検出素子のいずれかが異常であることが容易にわかる。さらに検出素子が三つ以上あれば、異常な出力をしている検出素子の同定ならびに出力異常の検出素子以外の検出素子により、正しい変位のセンサ出力を出力することができる。

また、前記磁石と同等の温度特性を持つ磁石が前記第１ヨークと前記第２ヨークに対して相対的に固定配置されていると好適である。

本構成であれば、固定配置された磁石と移動可能に配置された磁石の温度がほぼ等しければ変位センサの基準点においては常に移動可能に配置された磁石に起因する検出素子を通過する磁束密度は固定配置された磁石によりキャンセルされ、前記基準点におけるセンサ出力の温度変化による変動を抑制できる。

変位センサをブレーキシステムに適用した場合の例を示す図である。 変位センサの斜視図である。 変位センサを第１ヨークの軸方向外側から見た図である。 磁石の移動経路を示す図である。 磁石の原点からの変位量に対する検出素子を通過する磁束密度を示す図である。 温度特性補正用磁石の配置例を示す図である。 その他の実施形態に係る変位センサを第１ヨークの軸方向外側から見た図である。

以下、本実施形態の変位センサ１について、詳細に説明する。

図１には、本実施形態に係る変位センサ１の概要を示す。この変位センサ１は例えば車両用ブレーキのマスターシリンダ１００に内挿されるピストン９０の変位量を検出する。ピストン９０は、ブレーキペダル２の踏み込みに応じてスライド移動する。よってピストン９０の変位量を検出することによってブレーキペダル２の踏み込み量、すなわちドライバーのブレーキ操作量の推定が可能となる。上記ピストン９０の変位量は電子制御ブレーキシステムの制動力制御に用いられ、緊急時に通常ブレーキよりも制動力を上げるブレーキアシストにおいて、緊急時のブレーキ操作の検知に上記ピストン９０の変位量や変位速度等の情報が用いられる。また、ハイブリッド自動車等のようにモータによる回生ブレーキと摩擦による機械式ブレーキを併用する場合に、回生ブレーキと機械式ブレーキの総合制動力の目標値を決めるのに上記ピストン９０の変位量が用いられる。

図２には変位センサ１の斜視図が示され、図３には変位センサ１の正面図が示される。図２及び図３に示されるように、変位センサ１は、第１ヨーク１０、第２ヨーク２０、磁石３０、検出素子４０を備えて構成される。第１ヨーク１０及び第２ヨーク２０は円環状の軟磁性体から構成され、例えば珪素鋼板やパーマロイ、パーメンジュール等透磁率が高く、保磁力の小さい材料が望ましい。更に飽和磁束密度が高いと更に望ましい。

第２ヨーク２０は、第１ヨーク１０と同軸上に配置され、第２ヨーク２０は第１ヨーク１０の外周面１１と隙間６０を介して対向する内周面２１を有する。本実施形態では、第１ヨーク１０と第２ヨーク２０とは、互いに同じ軸方向長さを有するように形成される。

本実施形態では、第２ヨーク２０の内周面２１に、隙間６０の間隔を小さくする軟磁性体よりなる突出部５０が設けられる。つまり、突出部５０は、第２ヨーク２０の内周面２１から中心側に突出形成される。このような突出部５０は、第２ヨーク２０と一体形成するか、別に突出部５０のみを形成したものを第２ヨーク２０に取り付けても良い。なお本実施形態では第１ヨーク１０の内周面と第２ヨーク２０の外周面が同軸上に配置されていることが望ましい。

磁石３０は、第１ヨーク１０の径方向中央部を軸方向に沿って移動可能に配置される。ここで、図４には変位センサ１の側方断面が示される。本実施形態では、図２及び図４に示されるように、円柱状の磁石３０が用いられ、図４において実線の矢印で示されるように、第１ヨーク１０の軸方向に沿って往復移動する。
検出素子４０は、第１ヨーク１０の外周面１１と第２ヨーク２０の内周面２１との隙間６０に生じる磁束密度を検出する。磁束密度の検出方向は径方向に沿う方向である。
なお図４記載の実施形態では、検出素子４０は、隙間６０のうち、突出部５０により他より間隔の狭くなった部分に配置される。

磁石３０は、図４に示されるように、第１ヨーク１０の軸方向一方の側を向く端面がＮ極となり、第１ヨーク１０の軸方向他方の側を向く端面がＳ極となるように磁化される。第１ヨーク１０の軸方向中心と上記磁石３０の中心が一致する点を原点とすると、上記構成とすることにより、上記磁石３０が原点より右側にあれば隙間６０には第１ヨーク１０から第２ヨーク２０に向かう磁束、即ち検出素子４０を第１ヨーク１０から第２ヨーク２０に向かって通過する磁束が形成され、磁石３０が原点より左側にあれば検出素子４０を通過する磁束の向きも反対になる。また、上記磁石３０が上記原点から変位するのに従い検出素子４０を通過する磁束密度の大きさは増加し極大値を持って減少に転じ磁束密度０に漸近する。これは、磁石３０が上記原点から変位するに従い磁石３０の一方の端面が第１ヨーク１０に近づき一方の端面と第１ヨーク１０の間の磁気抵抗は減少し、磁石３０の他方の端面は第１ヨーク１０から離れ他方の端面と第１ヨーク１０の間の磁気抵抗は増加する。第２ヨーク２０と磁石３０の両端面の位置関係も同様に変化するが、第２ヨーク２０は第１ヨーク１０を囲うように配置されている為第２ヨーク２０と磁石３０の両端面の距離変化の割合は小さく第２ヨーク２０と磁石３０の両端面間の磁気抵抗の変化の割合も第１ヨーク１０と磁石３０の両端面間の磁気抵抗の変化の割合より小さくなる。よって、磁石３０の原点からの変位に対して隙間６０の磁束密度は増加する。更なる磁石３０の変位により磁石３０全体が第１ヨーク１０より右または左に存在する場合、図４に記載されるような磁路が形成され、磁石３０の変位に従い第１ヨーク１０及び第２ヨーク２０との距離が拡大し、磁気抵抗が増加し隙間６０の磁束密度は減少する。

図５には、磁石３０の原点からの変位量に対する検出素子４０を通過する磁束密度の例が示される。図５では、縦軸を検出素子４０を通過する磁束密度とし、横軸を磁石３０の第１ヨーク１０の軸方向に沿った原点からの変位量としている。

図５においては、磁束密度が最小値となる位置から左側の領域Ａ、原点近傍で磁石３０の変位に対して磁束密度が単調増加する領域Ｂ、及び磁束密度が最大値となる位置から右側の領域Ｃが示されているが、各領域においては、検出される磁束密度によって磁石３０の位置が一義に決まる。また、磁石３０が領域Ａと領域Ｂとの何れの領域にあるか、あるいは領域Ｂと領域Ｃとの何れの領域にあるかを区別できる検知手段を併用すれば、一つの磁石３０を用いて領域Ａ、領域Ｂ、及び領域Ｃの全領域に亘る変位量の検出が可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態において、変位センサ１の基準点が図５の原点即ち磁束密度が０になるとは限らない。この場合、基準点となる出力を回路で補正する必要があるが、磁石３０は温度特性を有するため、基準点における検出素子４０を通過する磁束密度も温特を有し、変位センサ１の出力も環境温度の変化によって変動する。基準点近傍における出力の変動は出力誤差となり、磁石３０の変位による出力変化の小さい基準点近傍では相対的に大きな誤差となってしまう。

上記誤差を低減するために、磁石３０と同等の温度特性を持つ磁石（以下「温度特性補正用磁石７０」とする）を第１ヨーク１０と第２ヨーク２０との間等の固定部に追加して基準点における検出素子４０を通過する磁束密度をキャンセルすることが有効である。上記追加した温度特性補正用磁石７０と磁石３０の温度がほぼ等しければ基準点においては常に磁石３０に起因する検出素子４０を通過する磁束密度は温度特性補正用磁石７０によりキャンセルされ、基準点におけるセンサ出力の温度変化による変動を抑制できる。

例えば、図５の変位量が正側に変位センサ１の基準点を設定する場合、図６に示すように温度特性補正用磁石７０を、Ｓ極を第１ヨーク１０に向け、Ｎ極を第２ヨーク２０に向けて、検出素子４０に対して第１ヨーク１０の周方向に隣接して配すると好適である。

これにより、変位センサ１の基準点においては磁石３０に起因する検出素子４０を通過する磁束密度が温度特性補正用磁石７０によりキャンセルされ磁束密度が減少するので、磁石３０の温度特性に起因する上記基準点における出力変動を抑制できる。

一方、図５の変位量が負側に変位センサ１の基準点を設定する場合には、変位量が正側に変位センサ１の基準点を設定した場合とは異なり、温度特性補正用磁石７０を、Ｎ極を第１ヨーク１０に向け、Ｓ極を第２ヨーク２０に向けて、検出素子４０に対して第１ヨーク１０の周方向に隣接して配することにより、基準点における検出素子４０を通過する磁束密度をキャンセルすることができる。

上記実施形態では、検出素子４０が一つ設けた例を示したが、図７に示すように隙間６０に複数の検出素子４０を配しても良い。複数の検出素子４０を配することにより、検出素子４０のいずれかに異常があった場合に他の検出素子４０とは異なる出力となり変位センサ１の異常が検出できる。
更に検出素子４０を三つ以上備えて構成することにより上記のように変位センサ１の異常の検出に加え、正常動作する検出素子４０が半数以上あれば、出力異常の検出素子４０の同定を行い、正常動作する検出素子４０の出力により変位センサ１の出力の算出が可能となる。したがって、変位センサ１の信頼性を高めることが可能となる。
上記実施形態では、突出部５０が第２ヨーク２０の内周面２１から径方向内側に突出形成される例を説明した。しかしながら、突出部５０は、第１ヨーク１０の外周面１１から径方向外側に突出させても良い。また、突出部５０が第１ヨーク１０の外周面１１及び第２ヨーク２０の内周面２１の双方に設けられても良い。

また、突出部５０は、第１ヨーク１０の外周面１１に複数備えることも可能であるし、第２ヨーク２０の内周面２１に複数備えることも可能である。あるいは、第１ヨーク１０の外周面１１及び第２ヨーク２０の内周面２１の双方に少なくとも１つずつ備えるように構成することも可能である。図７には、第２ヨーク２０の内周面２１に、検出素子４０を複数備えた場合の例が示される。

図７に示されるように、第１ヨーク１０を軸方向に沿って見たとき、複数の突出部５０を１２０度以下の中心角θからなる扇形の円弧状に配置することにより、突出部５０がヨークの中心を挟んで反対方向に配置されることがないため、検出素子４０を通過する外乱磁界に起因する磁束密度を抑制でき、変位センサ１の検出精度を高めることができる。

また、図７に示すように隙間６０に二つの検出素子４０を配する場合には、図示はしないが温度特性補正用磁石７０を二つの検出素子４０の間に配置すると良い。本構成であれば、一つの温度特性補正用磁石７０で変位センサ１の基準点における磁石３０に起因し二つの検出素子４０を通過する磁束密度を等価にキャンセルすることが可能となる。

上記実施形態では、変位センサ１が車両用ブレーキのマスターシリンダ１００に内挿されるピストン９０の変位量を検出する場合の例を挙げて説明した。しかしながら、変位センサ１は、他の用途に適用することも可能である。

本発明は、直線移動する移動体の変位量を検出する変位センサに用いることが可能である。

１：変位センサ
１０：第１ヨーク
１１：外周面（第１ヨークの外周面）
２０：第２ヨーク
２１：内周面（第２ヨークの内周面）
３０：磁石
４０：検出素子
５０：突出部
６０：隙間
７０：温度特性補正用磁石

Claims (5)

1. 円環状の軟磁性体からなる第１ヨークと、
   前記第１ヨークの外周面と隙間を介して対向する内周面を有し、前記第１ヨークと同軸上に配置される円環状の軟磁性体からなる第２ヨークと、
   前記第１ヨークの径方向中央部を軸方向に沿って移動可能に配置され、前記第１ヨークの軸方向に沿って磁化されている磁石と、
   前記隙間に生じる磁束密度を検出し、前記磁束密度の検出方向が前記径方向に沿うように前記隙間に配置される検出素子と、
   を備える変位センサ。
2. 前記第１ヨークの外周面及び前記第２ヨークの内周面の少なくとも一方に前記隙間の間隔を小さくする軟磁性体よりなる突出部が設けられ、
   前記検出素子が前記隙間のうち、前記突出部により間隔の狭くなった部分に配置される請求項１に記載の変位センサ。
3. 前記突出部は複数設けられ、前記第１ヨークを軸方向に見て、１２０度以下の中心角からなる扇形の円弧上に配置されている請求項２に記載の変位センサ。
4. 前記検出素子が、前記第１ヨークの周方向に沿って前記隙間に複数配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の変位センサ。
5. 前記磁石と同等の温度特性を持つ磁石が前記第１ヨークと前記第２ヨークに対して相対的に固定配置されている請求項１から４のいずれか一項に記載の変位センサ。

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