JPH07332913A - 磁気式位置センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 少なくとも１つの第１閉磁路を形成する第１
の磁路形成手段（１）と、第１の磁路形成手段に対して
非接触で所定範囲に亘って相対的に移動可能であって第
１閉磁路を２つの閉磁路に分岐する分岐磁路を形成する
第２の磁路形成手段（６）と、所定範囲を挟む位置にて
第１閉磁路に鎖交する２つの第１及び第２コイル（２、
３）と、分岐磁路に鎖交する１つの第３コイル（４）と
からなり、第３のコイルを励磁して、第１及び第２のコ
イル（２、３）に生じる起電力を検出して第２の磁路形
成手段（５）の位置を得る磁気式位置センサであって、
第１及び第２のコイル（２、３）に生じる起電力の加算
値が常に一定になるように第３のコイル（４）に流れる
励磁電流を制御する。 【効果】 本発明の磁気式位置センサによれば、経時変
動等の影響を受けることなく高精度に位置検出が可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直線移動あるいは回転
移動する可動部材の位置を検出できる磁気式位置センサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、かかる磁気式位置センサとして、
自動車等のスロットル開度を検出するスロットルポジシ
ョンセンサ（Throttle Position Senser）が知られてい
る。一例を示すと、例えば、特公昭５５−１３２８６及
び特公昭５５−９８１８に開示されているものがある。
これらは、可動磁心と固定磁心とが３つの対向部で結合
し、２つの閉回路を構成している。可動磁心の変位によ
り対向部面積が変化し、各閉磁路の磁気抵抗による各コ
イルのインダクタンス変化を検出して、可動磁心の位置
信号を検出するものである。

【０００３】しかし、可動磁心と固定磁心で作られる２
つの閉回路は、対向部面積以外に、そのギャップ長の影
響を受けることになり、固定磁心が可動磁心に対して変
位する時に、両磁心のギャップ長を一定に維持するため
には、両磁心の対向面の平行度を高精度に製造する必要
があるため製造コストが高くなるという問題がある。ま
た、ホール素子を利用した磁気式位置センサがある。例
えば特開平５−２６６１０号公報に開示されているよう
なものである。

【０００４】かかるセンサの構造は、スロットルバルブ
に連動して回転するスロットルシャフトと一体的に回動
するように、その回転面上に一対の永久磁石を対向配置
し、さらに、この一対の永久磁石間でスロットルシャフ
トの軸線上に一つのホール素子を配置したものとなって
いる。これによれば、一対の永久磁石がスロットルシャ
フトの回転軸を挟んで磁気回路を形成する。そして、そ
の形成された磁気回路の磁界方向は、スロットルシャフ
トの回転角度に応じて変化することになる。従って、か
かる一対の永久磁石間に設けられたホール素子を通過す
る磁束の変化を検出して、スロットルの開度を検出でき
るというものである。

【０００５】また、シャフトの回転軸を中心とする円弧
上に沿って一対の円弧状永久磁石を並設し、これら円弧
状永久磁石から回転軸の軸線方向に離間した位置に一つ
のホール素子を配置して、かかる一対の円弧状永久磁石
によって形成される磁気回路の磁界の方向を検出するこ
とにより、アイドル運転状態を検出できるというもので
ある。

【０００６】これらの磁気式位置センサはいずれも、一
つの磁気回路内に一つのホール素子を配置して、かかる
磁気回路内の磁界の変化等を検出する構造となってい
る。しかし、磁気位置センサにホール素子等を用いる場
合には、その温度特性により出力ドリフトが生じるので
温度補償のための温度補償回路等が必要になるという欠
点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の問題点
等に鑑み、本願発明の目的とするところは、加工精度を
要求しない簡素な構成で、かつ耐久性があり、雰囲気温
度あるいはセンサを構成する磁性材料のインダクタンス
特性等の影響を受けることがなく、回動移動あるいは直
線移動等の変位位置を小規模な回路で高精度に検出でき
る磁気式位置センサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気式位置セン
サは、少なくとも１つの第１閉磁路を形成する第１の磁
路形成手段と、前記第１の磁路形成手段に対して非接触
で所定範囲に亘って相対的に移動可能であって前記第１
閉磁路を２つの閉磁路に分岐する分岐磁路を形成する第
２の磁路形成手段と、前記所定範囲を挟む位置にて前記
第１閉磁路に鎖交する２つの第１及び第２コイルと、前
記分岐磁路に鎖交する１つの第３コイルと、前記３つの
うち１つのコイルを交流励磁し、他の２つのコイルに発
生する起電力を検出して前記第２の磁路形成手段の位置
信号を発生する位置信号発生手段と、を有する磁気式位
置センサであって、前記位置信号発生手段は、前記他の
２つのコイルの検出起電力の加算値に応じて、前記１つ
のコイルに流れる励磁電流を制御し、前記他の２つのコ
イルの少なくとも一方の出力を検出出力とすることを特
徴とするものである。

【０００９】

【作用】このような特徴を有する本発明の磁気式位置セ
ンサによれば、センサ内に配置された３つのコイルの１
つを励磁し、第２の磁路形成手段の位置に対応した他の
２つのコイルに生じる起電力を検出する。その両検出出
力の加算値と基準値を比較して差信号を得る。かかる差
信号により前記１つのコイルを励磁する励磁電流を調整
することにより、前記他の２つのコイルの起電力の加算
値が常に一定になるように前記１つのコイルに流れる励
磁電流を制御するものである。また、他の２つのコイル
の起電力の加算値が常に一定であるので、第２の磁路形
成手段の位置は、一方のコイルの起電力に比例すること
になる。従って、１つのコイルの起電力を検出すること
により正確に第２の磁路形成手段の位置を検出すること
が可能となる。

【００１０】

【実施例】以下、本願発明に係わる磁気式位置センサの
実施例を第１図に示す。本図に示される実施例において
は、第１の磁路形成手段は、半円環状磁性部材１ａ及び
半円環状磁性部材１ａの両脚部間に架設された棒状磁性
部材１ｂとからなる。第２の磁路形成手段は、コイル４
が巻回された磁性部材７及び磁路部材５から構成されて
いる。磁性部材７及び磁路部材５は、半円環状磁性部材
１ａ及び棒状磁性部材１ｂによって囲まれる空間内に配
置されている。磁性部材７の一端は棒状磁性部材１ｂと
当接又は固着している。また、磁性部材７と棒状磁性部
材１ｂとは一体に成型されることも考えられる。磁路部
材５は回動シャフト６にネジ等の結合手段８により結合
されており、磁路部材５は回動シャフト６に担持されて
半円環状磁性部材１ａの半円周内で回動運動を行う。磁
性部材７の他端は磁路部材５の回転中心部と当接してい
る。半円環状磁性部材１ａの曲率半径よりも磁路部材５
の回動半径は小さく設定され、それら曲率の中心と回動
の中心とは一致している。また、半円環状磁性部材１ａ
には一対のコイル２、３が巻回配置されている。

【００１１】以上のような構成から成る磁気式位置セン
サによれば、コイル４を図示しない交流電源にて励磁す
るとコイル４からでた磁束は、磁路部材５を通り、磁路
部材５と半円環状磁性部材１ａとのギャップを通過して
半円環状磁性部材１ａに入り、２つの磁束に分岐されコ
イル２、３を夫々経由し、棒状磁性部材１ｂを通り、再
びコイル４に戻り２つの閉磁路を形成する。この磁束の
方向は励磁電流の方向に応じて変化する。このように２
分された閉磁路において、コイル２、３の出力電圧を検
出すれば磁路部材５の位置すなわち回転角度を検出する
ことができる。

【００１２】また、本実施例に係る磁気式位置センサの
具体的応用については、回動シャフトを例えば内燃機関
のスロットルバルブに連結することにより、スロットル
ポジションセンサを得ることができる。以上の実施例等
に係る磁気式位置センサは、さらに、自動工作機械、自
動搬送機械等における位置検出手段としても用いること
ができ、工場の自動化（ＦＡ）等においても好ましく適
用できるものである。

【００１３】次に、上記した実施例等に係わる磁気式位
置センサの動作原理を図２の概念図に基づいて説明す
る。図１と同等部分は同一符号を付し、同一部材の説明
は省略する。図２において、磁束の流れを矢印で表す。
コイル４を図示しない交流電源にて励磁すると磁束が発
せられる。コイル４から発した磁束はギャップ９、磁路
部材５、及びギャップ１０を通過して半円環状磁性部材
１ａに入り磁束は２つに分岐され、コイル２、３を夫々
経由し、棒状磁性部材１ｂを通り、コイル４に再び戻
り、２つの閉磁路Ｓ１及びＳ２が夫々形成される。

【００１４】この時、２つの閉磁路Ｓ１及びＳ２を通る
磁束の大きさは、磁路部材５の位置に応じて変化する。
例えば、磁路部材５がコイル３側に回転すればコイル３
に鎖交する磁束の大きさが増加し、その分コイル２に鎖
交する磁束の大きさが減少する。一方、磁路部材５がコ
イル２側に回転すれば、上記現象と逆の現象が生じるこ
とになる。

【００１５】従って、かかるコイル２、３の起電力を検
出することにより、磁性部材１に対する磁路部材５の位
置すなわち回転角を求めることができる。以下、この検
出原理を図２の概念図に基づいて詳述する。磁路部材５
の回動中心Ｏから半円環状磁性部材１ａに対し垂下した
線と半円環状磁性部材１ａとが交差する点をＣとする。
Ｏ−Ｃ線と磁路部材５とが為す角をα（ここで、αの単
位をラジアンとする）とする。半円環状磁性部材１ａ及
び棒状磁性部材１ｂにおいて磁束が通る全経路長を２Ｌ
とし、磁性部材７、磁路部材５の長さをＬ1、Ｌ2とし、
磁路部材５の回動半径をｒとし、磁束の通過する断面積
を全てＳとし、磁性部材７、磁路部材５の磁界の強さを
Ｈ0、Ｈ3とし、ギャップ９、１０の磁界の強さをＨ9、
Ｈ10とし、ギャップ９、１０の長さをＬ9、Ｌ10とし、
閉磁路Ｓ１、Ｓ２の磁界の強さを夫々Ｈ1、Ｈ2とし、コ
イル４で発生する起磁力をＮiとするとアンペアの周積
分の定理より閉磁路Ｓ１、Ｓ２には、それぞれ下記数式
１、数式２の関係がある。

【００１６】

【数１】Ｈ0・Ｌ1＋Ｈ9・Ｌ9＋Ｈ3・Ｌ2＋Ｈ10・Ｌ10＋
Ｈ1（Ｌ＋ｒ・α）＝Ｎi

【００１７】

【数２】Ｈ0・Ｌ1＋Ｈ9・Ｌ9＋Ｈ3・Ｌ2＋Ｈ10・Ｌ10＋
Ｈ2（Ｌ−ｒ・α）＝Ｎi 上記数式１及び２において、共通項を削除するために、
（上記数式１）−（上記数式２）なる演算をなし、その
結果をαについてまとめると下記数式３の関係が導き出
される。

【００１８】

【数３】 ここでＨ2＋Ｈ1＝const（constは定数）とすると下記数
式４が導出される。

【００１９】

【数４】 コイル２、３に生じる交流電圧Ｖ1及びＶ2は、Ｈ1及び
Ｈ2に比例するので下記数式５が導かれる。

【００２０】

【数５】 ここで、上記数式５をαについて整理すると、下記数式
６が導かれる。

【００２１】

【数６】 α＝（２Ｌ／ｒ・const）・（Ｖ2−const／２） 上記数式３より明かな如くＶ1及びＶ2を検出することで
磁路部材５の回転角を得ることができる。さらに、（Ｖ
1＋Ｖ2）を一定に制御できれば、磁路部材５の回転角は
上記数式６より明らか如くＶ2のみで正確に表すことが
可能となる。

【００２２】次に、図３に、上記図１のコイル４を励磁
してコイル２，３に生じる起電力に基づいて、磁路部材
５の位置を示す位置信号を発生する位置信号発生回路の
実施例を示す。図３の位置信号発生回路は、電圧検出回
路１１，１２、加算回路１３、制御回路１４、及び励磁
回路１５から構成されている。次に、かかる位置信号検
出回路の動作を説明する。コイル４を励磁回路１５にて
交流励磁すると、コイル２，３には起電力が生じる（図
１参照）。このコイル２，３の出力は電圧検出回路１
１，１２にそれぞれ入力し、電圧Ｖ１，Ｖ２が検出され
る。この検出電圧Ｖ１及びＶ２は加算回路１３で加算さ
れＶ３となる。この加算回路１３の出力Ｖ３は制御回路
１４の一方に入力され、他方には基準電圧Ｖrefが入力
される。この制御回路１４ではＶ３と基準電圧Ｖrefと
の差に応じた差信号Ｓ１が生成され励磁回路１５に供給
される。この差信号Ｓ１によりコイル４に印加する励磁
電圧を制御して、コイル４に流れる励磁電流を制御する
ものである。

【００２３】この位置信号発生回路では、２つのコイル
の出力電圧の加算値Ｖ３を常に一定にすることが可能と
なる。上記数式６より磁路部材５の位置は、一方のコイ
ルの出力電圧に比例するので、Ｖ１のみを検出して磁路
部材５の位置を検出することができる。換言すれば、複
数の検出コイルのうち１つのコイルの電圧を検出して比
検出部材の位置の検出が可能となる。

【００２４】さらに、本願発明によれば、二つのコイル
に出力電圧の加算値が一定になるようにコイル４に印加
する励磁電圧を制御しているので、経時変動等の影響を
受けることなく、常に高精度なセンサ出力が得られる。
尚、上記実施例では、Ｖ１を位置信号としたがＶ２を位
置信号としても良い。次に、図３の位置信号発生回路の
具体的電気回路例を図４に示す。

【００２５】図４（ａ）に示す電圧検出回路はコイル２
の出力電圧を検出する電圧検出回路１１の具体例であ
る。かかる電圧検出回路は、増幅部、整流部、平滑部か
らなり、実効電圧を検出するものである。コイル２の出
力電圧は抵抗Ｒ１〜Ｒ６で決まる増幅率で増幅される。
ダイオードＤ１及びＤ２は整流作用をなし、コンデンサ
Ｃ１及びＣ２は平滑化を行う。尚、Ｒ８はオフセット調
整用である。かかる電圧検出回路の出力はＶ１となる。
コイル３の出力電圧を検出する電圧検出回路１２につい
ても同じ構成の回路を用いることが出来る。

【００２６】図４（ｂ）に示す回路は図３の加算回路１
３及び制御回路１４に対応する。電圧検出回路１１，１
２の検出出力Ｖ１，Ｖ２が夫々入力し、合流点で加算さ
れＶ３となり、増幅器ＯＰ３の正相入力端子に入力す
る。逆相入力端子にはＧＮＤ、電源ＶＥＥ及び抵抗Ｒ１
１，１２で決まる基準電圧Ｖrefが入力し、Ｖ３とＶref
との電圧差を時間積分した差信号Ｓ１が出力される。

【００２７】図３の励磁回路１５を、図４（Ｃ）の発振
回路と図４（ｄ）のドライバー回路とによって構成す
る。図４（Ｃ）の発振回路は方形波出力Ｓ２を生成する
回路であり、コンデンサＣ４、抵抗Ｒ１６、Ｒ１７によ
って方形波出力Ｓ２の周期が決まる。図４（ｄ）のドラ
イバ回路には、図３（ｄ）の発振回路で生成された方形
波出力Ｓ２、及び制御回路１４で生成された差信号Ｓ１
が夫々入力する。方形波出力Ｓ２はトランジスタＴ１を
所定の周期でＯＮ／ＯＦＦさせ、コイル４のＡ２端子に
は方形波電圧が印加される。また、差信号Ｓ１はトラン
ジスタＴ１をＯＮ／ＯＦＦさせコイル４のＡ１端子に印
加する方形波電圧を調整して、コイル４に印加する方形
波電圧の振幅を制御する。

【００２８】本実施例は、コイル４に印加する方形波電
圧の振幅を制御するものであるが、差信号Ｓ１によって
出力周波数が制御されるＶＣＯ出力によってコイル４を
励磁しても良い。かかる構成はコイル４に印加される方
形波電圧の周波数を制御するものである。また、ノコギ
リ波発生回路から出力されるノコギリ波と差信号Ｓ１と
をコンパレータに入力して、コンパレータから出力され
る方形波電圧にてコイル４を励磁しても良い。かかる構
成はコイル４に印加される方形波電圧のデューティ比を
制御するものである。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の磁気式位置
センサは、非接触型であるので耐久性があり、かつ構造
が簡単である。また、可動の磁性部材と固定の磁性部材
とのギャップは高精度である必要がないので加工が容易
である。更に、ホール素子等のかわりにコイルを用いて
いるため温度特性に大きく影響されることなく被検知対
象に連動する可動部材の位置を高精度に検出することが
可能である。更に、複数のコイルの出力電圧の加算値が
一定になるように制御し、かつ、１つのコイルの出力電
圧を検出して前記可動部材の位置を検出できるように回
路構成されているため、経時変動等の影響を受けること
なく簡単な回路構成で高精度な磁気式位置センサの出力
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る磁気式位置センサの実施例を示
す図であり図４（ａ）はセンサの正面図、図４（ｂ）は
図４（ａ）のＢ−Ｂ線からみた断面図を夫々示す。

【図２】 本発明に係る磁気式位置センサの原理を示す
概念図である。

【図３】 本発明に係る磁気式位置センサの位置信号発
生回路の構成を示すブロック図である。

【図４】 本発明に係る磁気式位置センサの位置信号発
生回路の具体例を示す電気回路図である。

【主要部分の符号の説明】

１、７ 磁性部材 ２、３、４ コイル ９、１０ ギャップ ５ 磁路部材 ６ 回動シャフト Ｒ 電気抵抗 Ｃ コンデンサ ＯＰ オペアンプ Ｄ ダイオード ＶＣＣ、ＶＥＥ、ＶＤＤ 直流電源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つの第１閉磁路を形成する
   第１の磁路形成手段と、前記第１の磁路形成手段に対し
   て非接触で所定範囲に亘って相対的に移動可能であって
   前記第１閉磁路を２つの閉磁路に分岐する分岐磁路を形
   成する第２の磁路形成手段と、前記所定範囲を挟む位置
   にて前記第１閉磁路に鎖交する２つの第１及び第２コイ
   ルと、前記分岐磁路に鎖交する１つの第３コイルと、前
   記３つのうち１つのコイルを交流励磁し、他の２つのコ
   イルに発生する起電力を検出して前記第２の磁路形成手
   段の位置信号を発生する位置信号発生手段と、を有する
   磁気式位置センサであって、前記位置信号発生手段は、
   前記他の２つのコイルの検出起電力の加算値に応じて、
   前記１つのコイルに流れる励磁電流を制御することを特
   徴とする磁気式位置センサ。
2. 【請求項２】 前記位置信号発生手段は、前記１つのコ
   イルを交流励磁する励磁手段と、前記他の２つのコイル
   に生じる起電力を検出する検出手段と、前記検出手段の
   検出起電力を加算する加算手段と、前記加算手段の加算
   値と基準値とを比較して差信号を生成し、前記差信号に
   応じて前記励磁手段の励磁電流を制御する制御手段と、
   からなり、前記検出手段の前記他の２つのコイルの少な
   くとも一方を前記第２の磁路形成手段の位置を表す検出
   出力とする出力手段と、からなることを特徴とする磁気
   式位置センサ。
3. 【請求項３】 前記第２の磁路形成手段は前記対向部の
   一方に一端が固設した固定分岐磁性部材を更に含み、前
   記可動分岐磁性部材は前記固定分岐磁性部材の他端の近
   傍の回転中心軸の回りに回動自在であり、かつ前記対向
   部の他方が前記可動分岐磁性部材の先端の可動軌跡に沿
   って延在していることを特徴とする請求項１及び２のい
   ずれか１記載の磁気式位置センサ。