JP4787601B2

JP4787601B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JP4787601B2
Application number: JP2005323811A
Authority: JP
Inventors: 敬友水野; 晃幸神川
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-11-08
Also published as: JP2007132710A

Description

本発明は、磁気検知手段を用いた位置検出装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に記載されるように、磁気抵抗素子（ＭＲＥ）を用いた非接触式の位置検出装置が提案されており、例えばシートベルトのバックルスイッチ等に用いられている。図４に示すように、この種の位置検出装置５１は、ＭＲＥ５２を内蔵したＩＣパッケージ５３と、そのＩＣパッケージ５３と相対移動する磁石５４とを備えている。

この位置検出装置５１における磁石５４は、長手方向に対して直交する方向に着磁された長方形状をなし、ＩＣパッケージ５３に対して長手方向（同図に示す矢印Ｆ方向）に相対移動可能となっている。このため、磁石５４とＩＣパッケージ５３との相対的な位置関係が変化すると、ＭＲＥ５２によって検知される磁界の方向も変化し、ＭＲＥ５２から出力される電圧も変化する。よって、ＩＣパッケージ５３は、このＭＲＥ５２からの出力電圧の変化に基づき、相対的に移動する磁石５４の位置を検出可能となる。
特開２００２−８１９０３号公報

しかしながら、こうした位置検出装置５１では、外乱磁界が加わっていない状態においては、例えば図５（ａ）に示すような磁石５４との位置関係に対するＭＲＥ５２の出力電圧の変化特性が得られる。すなわち、この位置検出装置５１では、出力電圧の極性が変化するポイント（ゼロ電位）近辺においては、磁石５４の位置に対する出力電圧の変化が小さい。このため、該ゼロ電位付近においてＩＣパッケージ５３は、微少な磁石５４の位置変化を検出しにくい。また、例えば図５（ｂ）に示すように、外乱磁界が加わった場合には、ゼロ電位となる磁石５４の位置が大幅にずれてしまう。よって、従来の位置検出装置５１では、磁石５４の位置検出精度の点において改良の余地が残されている。なお、この位置検出装置５１では、図４に示すように、ＭＲＥ５２の中心線Ｏ上に磁石５４の移動方向における中央箇所が位置する際にゼロ電位となる。また、ここでは、磁石５４の移動方向における全長は１１mmに設定され、該磁石５４の最大移動距離（ストローク範囲）は１６mmに設定されている例を示す。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、位置検出精度をより向上させることができる位置検出装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、磁石と、その磁石の磁界の向きに基づいて該磁石との相対位置を検出する磁気検知手段とを備えた位置検出装置であって、前記磁気検知手段は、前記磁石の着磁方向に離間して設けられ、該磁石及び該磁気検知手段は、該磁石の着磁方向と直交する方向に相対移動可能に設けられ、前記磁石は、前記相対移動方向における両端部位の磁束の方向が、該相対移動方向に対して積極的に傾斜する方向を向くように変化する形状をなし、前記磁石において前記磁気検知手段と対向する面には、前記両端部位に向かって前記磁気検知手段から離間する傾斜面が設けられている、又は、前記磁石において前記磁気検知手段と対向する面には、中央部位に前記相対移動方向と平行な第１平行面が設けられ、その両端部位にそれぞれ該第１平行面よりも前記磁気検知手段から離間する第２平行面がそれぞれ設けられていることを要旨とする。

上記構成によると、磁石の両端部位においては磁束の方向が相対移動方向に対して積極的に傾斜しているため、該磁石の中央部位付近において磁束の方向が一方向に集中しにくくなり、相対移動方向に沿って磁束の方向が大きく変化しやすくなる。それゆえ、磁石に対する磁気検知手段の移動量に対し、該磁気検知手段によって検出される磁界の向きも大きく変化しやすくなる。よって、磁気検出手段は、微少な磁石の位置変化を、より高精度に検出可能となる。しかも、磁石と磁気検出手段との位置変化に対する磁界の向きの変化が大きくなることから、外乱磁界が加わった場合においても影響を受けにくくなる。
ここで、磁石の両端部位に傾斜面又は第２平行面を設けることにより、磁束の方向が積極的に変化する。すなわち、磁石において磁気検知手段と対向する面に傾斜面又は第２平行面を設けることで磁束の方向が大きく変化する。このため、磁石に対する磁気検知手段の移動量に対し、該磁気検知手段によって検出される磁界の向きを大きく変化させることができる。よって、磁気検出手段は、微少な磁石の位置変化を、より高精度に検出可能となる。

以上詳述したように、本発明によれば、位置検出精度をより向上させることができる位置検出装置を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２に基づき詳細に説明する。
図１（ａ）に示すように、位置検出装置１は、磁気検知手段としての磁気抵抗素子（ＭＲＥ）２を内蔵したＩＣパッケージ３と、そのＩＣパッケージ３に対して相対移動可能な磁石４とを備えている。こうした位置検出装置１は、例えば車載用シートベルト装置のバックルスイッチに用いられた場合、該バックルスイッチの筐体（図示略）内にＩＣパッケージ３が固定されるとともに、シートベルトの取付金具（図示略）の取付・取外動作に伴って矢印Ｆ方向に往復動する可動部材（図示略）に磁石４が固定される。このため、磁気抵抗素子２と磁石４とは、矢印Ｆ方向に相対移動することとなる。なお、磁石４は相対移動方向（矢印Ｆ方向）と直交する方向に着磁され、磁気抵抗素子２と磁石４とは、該磁石４の着磁方向と同方向に所定距離離間した位置関係となるように、それぞれ配設されている。また、本実施形態において磁石４は、Ｎ極が磁気抵抗素子２と対向するように配設されている。

磁気抵抗素子２は、例えば強磁性体であるＮｉ−Ｃｏ材料からなる磁気抵抗体を複数個備え、それら磁気抵抗体の配置パターンから磁界に対する指向性を有し、検知面としての素子面によってその素子面と平行な向きの磁石４の磁界を検知する。そして、磁気抵抗素子２は、検知した磁界に応じた電圧を出力する。ＩＣパッケージ３は、こうした磁気抵抗素子２からの出力電圧に基づいて、磁石４の位置を検出する。

図１（ｂ）にも併せ示すように、磁石４において磁気抵抗素子２と対向する面には、相対移動方向Ｆと平行な平行面４ａと、その平行面４ａに対して傾斜する傾斜面４ｂとが設けられている。すなわち、磁石４のＮ極側端面は、三面構成となっている。平行面４ａは、磁石４の移動方向における中央箇所に設けられ、傾斜面４ｂは、その平行面４ａの両端部位にそれぞれ設けられている。各傾斜面４ｂは、端部に向かうに従って磁気抵抗素子２から離間する傾斜面となっており、本実施形態においては平行面４ａに対して３０゜〜４５゜程度の傾斜角に設定されている。このため、図１（ｂ）に模式的に示すように、各傾斜面４ｂを通る磁束の方向は、平行面４ａを通る磁束の方向と比べて、前記相対移動方向Ｆに対して積極的に傾斜することとなる。すなわち、磁石４が直方体状に形成されている場合に比べて、磁石４周辺全体の磁束の方向は、より放射状をなすこととなる。なお、本実施形態において平行面４ａ及び各傾斜面４ｂは、磁石４において磁気抵抗素子２と対向する面を相対移動方向Ｆに三等分するようにそれぞれ設けられている。

こうした磁石４は、図１（ａ）に示すストローク範囲Ｌ内で移動可能となっており、そのストローク範囲Ｌ内において半分移動した際に、前記磁気抵抗素子２の中心線Ｏに該磁石４の移動方向における中央箇所が位置するようになっている。なお、本実施形態において磁石４の移動方向における全長は１１mmに設定され、該磁石４の最大移動距離（ストローク範囲Ｌ）は１６mmに設定されている。また、磁気抵抗素子２からの出力電圧値は、磁石４の一端（例えば右端）近辺が該中心線Ｏ上に位置する際に最大値となり、該磁石の他端（例えば左端）近辺が該中心線Ｏ上に位置する際に最小値となるように設定されている。

このため、磁気抵抗素子２と磁石４との位置関係は、外乱磁界が存在しない状態にあっては、図２に示すように、磁気抵抗素子２の中心線Ｏ上に磁石４の移動方向における中央箇所が位置した際に、該磁気抵抗素子２からの出力電圧値が中間電位（ここでは「電圧値＝０（ゼロ電位）」となる。なお、図２（ａ）においては、出力電圧値が中間電位となる磁石４の位置を「０」（基準位置）として示している。

また、磁石４周辺の磁束の方向は積極的に放射状をなしているため、磁気抵抗素子２からの出力電圧値は、磁石４の位置変化に対して、図２（ａ）に示すようにほぼ正弦波形となるように変化する。すなわち、本実施形態の出力電圧特性は、同図に示す前記従来の出力電圧特性と比較すると明らかなように、中間電位付近において、磁石４の位置に対する出力電圧の変化が大きくなる。よって、該中間電位付近においてもＩＣパッケージ３は、微少な磁石４の位置変化を検出しやすくなる。しかも、出力電圧が最大値となる磁石４の位置（ここでは「−５mm」の位置）から最小値となる磁石４の位置（ここでは「５mm」の位置）までのストローク量は１０mmとなる。これに対し、従来構成においては、出力電圧が最大値となる磁石５４の位置（ここでは「−６mm」の位置）から最小値となる磁石５４の位置（ここでは「６mm」の位置）までのストローク量は１２mmとなる。すなわち、磁石４及び前記従来の磁石５４の相対移動方向Ｆにおける全長及び磁力が同一の場合であっても、出力電圧が最大値から最小値となるまでに必要なストローク量は、本実施形態の方が短くなる。なお、出力電圧の最大値及び最小値の値にも、大きな変化は生じない。

さらに、図２（ｂ）に示すように、磁石４の周辺の磁界に外乱磁界が加わった場合には、中間電位となる磁石４の位置が変動するものの、従来構成と比較するとその変動が小さくなる。同様に、各位置における電圧変動も従来構成と比較すると小さくなる。よって、外乱磁界に起因する位置検出誤差も小さくなる。

したがって、本実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）磁石４は、両端部位において磁束の方向が相対移動方向Ｆに対して積極的に傾斜するような形状に形成されているため、図１（ｂ）に示したように、該磁石４の中央部位付近において磁束の方向が一方向に集中しにくくなり、相対移動方向Ｆに沿って磁束の方向が大きく変化しやすくなる。それゆえ、磁石４に対する磁気抵抗素子２の移動量に対し、該磁気抵抗素子２によって検出される磁界の向きも大きく変化しやすくなる。よって、磁気抵抗素子２は、微少な磁石４の位置変化を、より高精度に検出することができる。しかも、磁石４と磁気抵抗素子２との位置変化に対する磁界の向きの変化が大きくなることから、外乱磁界が加わった場合においても影響を受けにくくなり、磁気抵抗素子２は、磁石４の位置を高精度に検出することができる。

（２）磁石４において磁気抵抗素子２と対向する面の両端部位に傾斜面４ｂが設けられたことにより、磁束の方向が積極的に変化する。すなわち、磁石４において磁気抵抗素子２と対向する面に傾斜面４ｂを設けることで磁束の方向を大きく変化させることができる。このため、磁石４に対する磁気抵抗素子２の移動量に対し、該磁気抵抗素子２によって検出される磁界の向きを大きく変化させることができる。

（３）磁気抵抗素子２の出力電圧が最大値から最小値となるまでに必要なストローク量を、磁石４を直方体状に構成した従来の位置検出装置に比べて短くすることができる。
（４）位置検出装置１をスイッチとして用い、ＩＣパッケージ３が、磁気抵抗素子２の出力電圧が予め設定されたＯＮ電圧を超えた際にＯＮ状態、予め設定されたＯＦＦ電圧を下回った際にＯＦＦ状態と認識する場合においても、優れた作用効果を奏し得ることができる。詳しくは、例えば図２（ａ）に示すように、ＯＮ電圧を「１０mV」、ＯＦＦ電圧を「−１０mV」に設定した場合、本実施形態においてＩＣパッケージ３は、磁石４が「約−２mm」の位置以下となった際にＯＮ状態と判断し、磁石４が「約１．５mm」の位置以上となった際にＯＦＦ状態と判断することとなる。これに対し、前記従来の構成においてＩＣパッケージ５３は、磁石５４が「約−３．５mm」の位置以下となった際にＯＮ状態と判断し、磁石５４が「約３．５mm」の位置以上となった際にＯＦＦ状態と判断することとなる。このため、ＩＣパッケージ３がＯＮ状態ともＯＦＦ状態とも判断しない不定領域となるストローク量は、同図にＳ１，Ｓ２で示すように、従来構成よりも本実施形態の方が短くなる。すなわち、本実施形態では、該不定領域となるストローク量を短くすることができる。また、図２（ｂ）に示すように、外乱磁界が加わった場合においても、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態と判断する磁石４の位置変動が、従来構成と比べて小さくなるため、ＩＣパッケージ３がＯＮ状態及びＯＦＦ状態を誤判断してしまうのを抑制することができる。

なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
・磁石の形状は前記実施形態における磁石４の形状に限定されず、例えば図３（ａ）〜（ｃ）に示すような形状に変更されてもよい。

すなわち、図３（ａ）に示す磁石１１のように、磁気抵抗素子２と対向する面全体に、中央部位から両端部位に向かって磁気抵抗素子２からそれぞれ離間するような傾斜面１１ａ，１１ｂを設けた形状としてもよい。

また、図３（ｂ）に示す磁石１２のように、磁気抵抗素子２と対向する面の中央部位に前記相対移動方向Ｆと平行な第１平行面１２ａを設けるとともに、その両端部位に、それぞれ第１平行面１２ａよりも磁気抵抗素子２から離間する第２平行面１２ｂを設けた形状としてもよい。すなわちこの場合、略「凸」字状をなした形状となるように磁石１２を構成してもよい。

さらに、図３（ｃ）に示す磁石１３のように全体を湾曲させた形状（ここでは円弧形状）とし、磁気抵抗素子２と対向する面１３ａを、中央部位から両端部位に向かうに従って磁気抵抗素子２から離間するような形状としてもよい。

これら変更態様においても、各磁石１１〜１３の相対移動方向Ｆにおける両端部位の磁束の方向が、該相対移動方向に対して積極的に傾斜する方向を向くように変化するため、前記実施形態と同等の作用効果を奏し得ることができる。

・前記実施形態では、ＩＣパッケージ３がバックルスイッチの筐体などに固定され、磁石４が相対移動方向Ｆに往復動可能に構成されているが、磁石４を固定し、ＩＣパッケージ３が往復動可能に構成されてもよい。

・磁石４の磁極を反転させてもよい。すなわち、磁石４における磁気抵抗素子２側をＳ極としてもよい。
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）位置検出装置において、前記磁石において前記磁気検知手段と対向する面の中央部位には、着磁方向と直交する直交面が設けられ、前記傾斜面は、その直交面の両端にそれぞれ設けられていること。なお、前記実施形態において「直交面」は平行面４ａに相当する。

（２）位置検出装置において、前記傾斜面は、前記磁石において前記磁気検知手段と対向する面の中央部位から両端部位に向かう全面にそれぞれ設けられていること。

（３）位置検出装置において、前記磁石において前記磁気検知手段と対向する面には、中央部位に前記相対移動方向と平行な第１平行面が設けられ、その両端部位にそれぞれ該第１平行面よりも前記磁気検知手段から離間する第２平行面がそれぞれ設けられていること。

（４）位置検出装置において、前記磁石において前記磁気検知手段と対向する面は、中央部位から両端部位に向かうに従って前記磁気検知手段から離間する湾曲面となっていること。

（５）位置検出装置において、前記磁気検知手段及び前記磁石は、前記相対移動範囲内において、一端側近辺で前記磁気検知手段が最大値を出力し、他端側近辺で該磁気検知手段が最小値を出力し、中間位置で該磁気検知手段がそれらの中間値を出力するようにそれぞれ配置されていること。

（ａ）は本発明の一実施形態の位置検出装置の構成を模式的に示す図、（ｂ）は同実施形態の磁石の磁界を模式的に示す図。（ａ）は外乱磁界が加わっていない状態における磁気検知手段の出力特性を従来構成における出力特性と比較して示すグラフ、（ｂ）は外乱磁界が加わった状態における磁気検知手段の出力特性を従来構成における出力特性と比較して示すグラフ。（ａ）〜（ｃ）は、他の実施形態の磁石と、その磁石の磁界を模式的に示す図。従来の位置検出装置の構成を模式的に示す図。（ａ）は従来の位置検出装置において、外乱磁界が加わっていない状態における磁気検知手段の出力特性を示すグラフ、（ｂ）は外乱磁界が加わった状態における磁気検知手段の出力特性を示すグラフ。

符号の説明

１…位置検出装置、２…磁気検知手段としての磁気抵抗素子、４，１１〜１３…磁石、４ｂ，１１ａ，１１ｂ…傾斜面、１２ａ…第１平行面、１２ｂ…第２平行面、１３ａ…面。

Claims

磁石と、その磁石の磁界の向きに基づいて該磁石との相対位置を検出する磁気検知手段とを備えた位置検出装置であって、
前記磁気検知手段は、前記磁石の着磁方向に離間して設けられ、
該磁石及び該磁気検知手段は、該磁石の着磁方向と直交する方向に相対移動可能に設けられ、
前記磁石は、前記相対移動方向における両端部位の磁束の方向が、該相対移動方向に対して積極的に傾斜する方向を向くように変化する形状をなし、
前記磁石において前記磁気検知手段と対向する面には、前記両端部位に向かって前記磁気検知手段から離間する傾斜面が設けられている、又は、前記磁石において前記磁気検知手段と対向する面には、中央部位に前記相対移動方向と平行な第１平行面が設けられ、その両端部位にそれぞれ該第１平行面よりも前記磁気検知手段から離間する第２平行面がそれぞれ設けられていることを特徴とする位置検出装置。