JPH0778538A - ホール効果形位置センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁場発生部と磁場検出部との動作距離が変化
した場合でも、スライド方向の検出位置のずれを小さく
抑えるようにしたホール効果形位置センサを提供する。 【構成】 磁場発生部１を、第１の永久磁石６と、この
第１の永久磁石６のスライド方向３に沿った両側に等し
いギャップＤを隔てて配置された、第１の永久磁石６よ
りも長さ寸法の小さい第２及び第３の永久磁石７，８と
から構成し、第１の永久磁石６の極性に対して第２及び
第３の永久磁石７，８の極性を逆極性となるように着磁
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被検出体を構成する永
久磁石からなる磁場発生部と、この磁場発生部に対して
相対的にスライドし磁場発生部からの磁場を検出するホ
ール素子からなる磁場検出部とから構成されたホール効
果形位置センサに関し、特に磁場発生部の構造の改良に
関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、永久磁石とホール素子とを組み合
わせたホール効果形位置センサが、各種機械装置、電気
・電子機器、オートメーション機器等に応用されてい
る。このホール効果形位置センサは、位置を検出したい
被検出体に永久磁石を取り付けて磁場発生部を構成する
と共に、これらの磁場発生部に対して相対的にスライド
するようにホール素子からなる磁場検出部を構成するよ
うにしたものであり、磁場発生部と磁場検出部とが近接
したとき、磁場検出部のホール素子がホール効果によっ
て磁場発生部からの磁場を検出して電気信号を出力する
ことにより、被検出体の位置を検出するようにしたもの
である。

【０００３】ホール効果は周知の如く、図６に示したよ
うに例えば１ｎＳｂのような半導体薄膜２０からなるホ
ール素子を用いて、この半導体薄膜２０のある方向に電
流Ｉを流して、この電流Ｉの方向と直交する方向に磁場
Ｈを加えると、電流Ｉと磁場Ｈのいずれにも直交する方
向にホール電圧Ｖｈを発生する現象であり、このホール
電圧Ｖｈは電流Ｉと磁場Ｈの積に比例する。よって、ホ
ール素子に磁場れを作用させることにより、この磁場の
大きさに応じたホール電圧Ｖｈすなわち電気信号を出力
させることができ、これによって被検出体の位置を検出
してこの位置で被検出体を停止させる等の必要な制御動
作を施すことができる。このようなホール素子を磁場検
出部として構成したホール効果形位置センサは、マイク
ロスイッチ等のような機械的な接点を有することなく、
被検出体に非接触で動作するため信頼性が高いという利
点を備えているので、広範囲に応用されている。

【０００４】このようなホール効果形位置センサの従来
例として、例えば実開平１−８１８３７号公報に開示さ
れた構造が知られている。この構造は、図７に示したよ
うに部分的に異なる方向に磁化された２つの磁石部２
１，２２からなる磁石２３によって磁場発生部２４を構
成するようにしたものであり、この磁場発生部２４とホ
ール素子からなる磁場検出部２５を動作距離ｈを保っ
て、両者２４，２５を相対的に磁束方向２６にスライド
させるようになっている。

【０００５】また、他の従来例として、例えば実開平１
−１００３４８号公報に開示された構造が知られてい
る。この構造は、図８に示したように位置を検出したい
被検出体としてのピストン３１に永久磁石３２を取り付
け、さらにこの永久磁石３２のスライド方向に沿った両
端に磁性体３３を取り付けるようにして、磁場発生部３
４を構成するようにしたものである。そして、シリンダ
チューブ３５を介してホール素子３６からなる磁場検出
部３７を磁場発生部３４に対して相対的にスライドさせ
るようにしたものである。これらの各従来例において、
ホール素子から出力されたホール電圧Ｖｈは、増幅器に
より増幅され、さらに比較器により基準値と比較される
ことによってスイッチング動作が行われて、制御信号が
被検出体に出力されるようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来のホール
効果形位置センサでは、磁場発生部と磁場検出部との動
作距離が変化した場合のスライド方向の検出位置のずれ
が大きくなるという問題がある。例えば図７の従来例に
おいては、磁場発生部２４と磁場検出部２５との動作距
離ｈの変化は実用上避けられないので、この動作距離ｈ
が変化するとスライド方向２６の検出位置がずれてくる
ため、検出精度が低下するようになる。

【０００７】本発明は以上のような問題に対処してなさ
れたもので、磁場発生部と磁場検出部との動作距離が変
化した場合でも、スライド方向の検出位置のずれを小さ
く抑えるようにしたホール効果形位置センサを提供する
ことを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の本発明は、被検出体を構成する永久磁石か
らなる磁場発生部と、この磁場発生部に対して相対的に
スライドし磁場発生部からの磁場を検出するホール素子
からなる磁場検出部とから構成されたホール効果形位置
センサにおいて、上記磁場発生部は、第１の永久磁石
と、この第１の永久磁石のスライド方向に沿った両側に
等しいギャップを隔てて配置された、第１の永久磁石よ
り長さ寸法の小さい第２及び第３の永久磁石とから構成
され、第１の永久磁石の極性に対して第２及び第３の永
久磁石の極性を逆極性となるように着磁したことを特徴
とするものである。

【０００９】請求項２の本発明は、請求項１において、
第１、第２及び第３の永久磁石を一体に保持することを
特徴とするものである。

【００１０】請求項３の本発明は、請求項１乃至２のい
ずれかにおいて、磁場検出部を構成するホール素子の出
力電圧に所定のバイアス電圧を印加して、ホール素子の
出力特性曲線がほぼ垂直となるようにしたことを特徴と
するものである。

【００１１】請求項４の本発明は、請求項１乃至３にお
いて、第１、第２及び第３の永久磁石を非磁性ケースに
収納し、取付板に一体に取り付けたことを特徴とするも
のである。

【００１２】請求項５の本発明は、請求項４において、
取付板は強磁性材料からなることを特徴とするものであ
る。

【００１３】請求項６の本発明は、請求項４において、
非磁性ケースに動作範囲を示す目印を設けたことを特徴
とするものである。

【００１４】請求項７の本発明は、請求項４において、
取付板に長円形状の取付孔を設けたことを特徴とするも
のである。

【００１５】

【作用】請求項１に記載の本発明の構成によれば、磁場
発生部を、第１の永久磁石と、この第１の永久磁石のス
ライド方向に沿った両側に等しいギャップを隔てて配置
された、第１の永久磁石よりも長さ寸法の小さい第２及
び第３の永久磁石とから構成し、第１の永久磁石の極性
に対して第２及び第３の永久磁石の極性を逆極性となる
ように着磁したことにより、磁場発生部と磁場検出部と
の動作距離が変化した場合でも、スライド方向の検出位
置のずれを小さく抑えることができる。

【００１６】請求項２記載の本発明の構成によれば、第
１、第２及び第３の永久磁石を一体に保持することによ
り、請求項１と同様な作用を行わせることができる。

【００１７】請求項３に記載の本発明の構成によれば、
磁場検出部を構成するホール素子の出力電圧に所定のバ
イアス電圧を印加して、ホール素子の出力特性曲線がほ
ぼ垂直となるようにしたことにより、請求項１と同様な
作用を行わせることができる

【００１８】請求項４に記載の本発明の構成によれば、
第１、第２及び第３の永久磁石を非磁性ケースに収納
し、取付板に一体に取り付けたことにより、請求項１と
同様な作用を行わせることができる。

【００１９】請求項５に記載の本発明の構成によれば、
取付板は強磁性材料からなることにより、請求項１と同
様な作用を行わせることができる。

【００２０】請求項６に記載の本発明の構成によれば、
非磁性ケースに動作範囲を示す目印を設けたことによ
り、請求項１と同様な作用を行わせることができる。

【００２１】請求項７に記載の本発明の構成によれば、
取付板に長円形状の取付孔を設けたことにより、請求項
１と同様な作用を行わせることができる。

【００２２】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明のホール効果形位置センサの実施例を
示す構成図で、１は被検出体を構成する永久磁石からな
る磁場発生部、２はこの磁場発生部１に対して相対的に
磁束方向３にスライドすると共に、動作距離ｈを保って
磁場発生部１からの磁場を検出けするホール素子５から
なる磁場検出部である。４は後述のように磁場発生部２
のホール素子５の出力電圧に加えられるバイアス電圧で
ある。磁場検出部２を構成するホール素子５は前述した
ように、例えばＩｎＳｂのような半導体薄膜が用いられ
る。

【００２３】図２乃至図４は磁場発生部１の具体的な構
成を示すもので、図２は平面図、図３は図２のＡ−Ｂ断
面図、図４は図２のＣ−Ｄ断面図である。６は例えば抗
磁力の大きな異方性Ｂａフェライト磁石からなる第１の
永久磁石、７，８はこの第１の永久磁石６のスライド方
向３に沿った両側に等しいギャップＤ（図５参照）を隔
てて配置された、第１の永久磁石よりも長さ寸法が小さ
くかつ第１の永久磁石６と同一材料からなる第２及び第
３の永久磁石であり、これら第２及び第３の永久磁石
７，８の極性は第１の永久磁石６の極性に対して逆極性
となるように着磁されている。図５に示したように、ス
ライド方向３に沿った第１、第２及び第３の永久磁石
６，７，８の長さ寸法を各々Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃とし、高さ
寸法をＨ、紙面に垂直方向の幅寸法をＷとしたとき、一
例としてＬ₁＝６mm、Ｌ₂＝Ｌ₃＝３mm、Ｈ＝３mm、Ｗ＝
６mm、Ｄ＝３mmに設定される。図５は各永久磁石６，
７，８から発生される磁束を破線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…で
示すと共に、この磁場発生部１によって実験的に得られ
たホール出力（電圧）の特性曲線を実線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ
３…で示している。なお、各永久磁石６，７，８に対し
て、動作距離ｈを保った高さ位置で磁場検出部２をスラ
イドさせる例で示している。横軸（ｘ軸）はスライド方
向、縦軸（ｙ軸）は高さ方向を示している。

【００２４】各永久磁石６，７，８は例えばプラスチッ
クのような非磁性ケース９内に収納されて、非磁性材料
または強磁性材料からなる取付板１０に一体に取り付け
られる。取付板１０には予め位置決め孔１１が設けられ
ており、この孔１１に非磁性ケース９の底部に設けられ
た突出部１２を位置決めした状態で、各永久磁石６，
７，８は接着剤によって非磁性ケース９、取付板１０と
一体化される。また、非磁性ケース９の上面にはスイッ
チング動作範囲を示す目印となる溝１３が設けられてい
る。取付板１０は、後述のように特性上軟鋼等の強磁性
材料を用いることが望ましい。取付板１０にはスライド
方向に沿った長円形状の取付孔１４が設けられており、
この取付孔１４に取付ねじ１５をねじ込むことによっ
て、取付板１０は被検出体に固定される。この固定位置
は取付孔１４に沿ってスライドさせることで調整可能に
なっている。

【００２５】図５において実線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…は、
ホール出力が０Ｖ、±０．１Ｖ、±０．２Ｖになる特性
曲線を示しており、破線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…の磁束はそ
のホール出力の特性曲線群から推定してプロットしたも
のである。なお、各特性曲線及び磁束は第１の永久磁石
６の中央部ＣＬを中心にして左右対象に示されている。
各永久磁石６，７，８の上方に動作距離ｈを保って近接
している磁場検出部２のホール素子５面はｙ軸に垂直に
保持されているので、垂直方向の磁束密度Ｂに比例した
ホール出力が得られる。ホール出力０Ｖの特性曲線上で
は垂直方向の磁束密度Ｂは０でなければならない。磁束
を示す破線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…はほぼそのようになるよ
うにプロットされている。磁束はｘ軸の下方向にも存在
するが省略してある。

【００２６】磁場検出部２を動作距離ｈを保ってスライ
ドさせる際、磁場検出部２がｘ＝０の原点よりはるか左
側にある場合は、上下方向の磁束密度Ｂは０であるか
ら、ホール出力は０Ｖになる。磁場検出部２を右側にス
ライドさせると、Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄，Ｐ₅の各点で各
々−０．２Ｖ、−０．１Ｖ、０Ｖ、０．１Ｖ、０．２Ｖ
のホール出力を発生する。さらに、右側にスライドさせ
ると、Ｑ₁，Ｑ₂，Ｑ₃，Ｑ₄，Ｑ₅の各点で各々０．２
Ｖ、０．１Ｖ、０Ｖ、−０．１Ｖ、−０．２Ｖのホール
出力を発生する。Ｐ₅からＱ₁の間では０．２Ｖ以上のホ
ール出力を発生し、最高で０．３Ｖに達して飽和する。

【００２７】ここで、実際の使用方法として、ホール出
力が０Ｖでスイッチング動作するような方法は、動作が
不安定となるので避けなければならない。これは、磁場
検出部２がｙ軸よりもはるか左側にある場合も、ホール
出力が０になっているのでスイッチング動作してしまう
ため、これを防止するためである。このため、本実施例
では図１に示したように、ホール素子５にバイアス電圧
４を印加して、このバイアス電圧とホール出力との和が
０になったときに、スイッチング動作が行われるように
図られている。具体例として、バイアス電圧として−
０．０５Ｖをホール出力に印加するようにしたとする
と、図５の実線Ｃ３，Ｃ６のＶ曲線は−０．５Ｖ曲線に
なり、実線Ｃ２，Ｃ７の−０．１Ｖ曲線は−０．１５Ｖ
曲線になる。このように全ての曲線が−０．０５Ｖだけ
出力がずれるようになる。従って、破線Ｃ１０，Ｃ２０
の０．０５Ｖ曲線は０Ｖ曲線になる。

【００２８】このように、バイアス電圧が加えられた状
態の動作は次のようになる。すなわち、磁場検出部２が
ｙ軸よりはるかに左側にある場合では、ホール出力０Ｖ
にバイアス電圧−０．０５Ｖが印加されることによっ
て、全出力は−０．０５Ｖになる。次に、磁場検出部２
がＰ₁点にスライドすると、この場合の全出力はＣ１の
−０．２Ｖに−０．０５Ｖが印加されて−０．２５Ｖに
なる。同様にして、Ｐ₂点にスライドした場合の全出力
は−０．１５Ｖに、Ｐ₃点にスライドした場合の全出力
は−０．０５Ｖになり、破線Ｃ１０の０．０５Ｖ曲線と
の交点ではじめて全出力が０Ｖになって、スイッチング
動作が行われて制御信号が出力される。磁場検出部２を
右側にスライドさせて、Ｑ₁，Ｑ₂点を過ぎて破線Ｃ２０
の交点を過ぎるまでは全出力は正であり、スイッチング
動作が保持される。さらに、右側にスライドしてＱ₃，
Ｑ₄，Ｑ₅点に達すると、全出力は負になり、スイッチン
グ動作は解除される。

【００２９】これにより、破線Ｃ１０とＣ２０の範囲内
で磁場発生部２がスライドする限り、スイッチング動作
は保持されることになるので、広いスイッチング動作幅
を確保することができる。このように、スイッチング動
作幅を広く確保することにより、位置センサとして確実
な動作を可能にすることができ、被検出体を所定位置で
停止させることができるようになる。この点、スイッチ
ング動作幅が狭い場合には、慣性の大きな負荷では応々
にして飛び越してしまうという致命的不都合を起こすこ
とがある。また、破線Ｃ１０，Ｃ２０の０．０５Ｖ曲線
をほぼ垂直に近い理想に近い形にすることができるの
で、磁場検出部２がｙ軸方向に変化しても、すなわち、
磁場発生部１と磁場検出部２との動作距離ｈが変化した
場合でも、スライド方向の検出位置のずれを小さく抑え
ることができるようになるので、検出精度を向上するこ
とができる。これに伴い、動作距離ｈを大きくとること
ができるようになる。この点、従来のように磁場発生部
を構成する永久磁石をギャップを設けずに一体に密着さ
せた場合には、０Ｖ曲線が外側に大きく傾斜してしまう
ので、適当なバイアス電圧を印加したとしても０Ｖ曲線
を垂直に近い理想形にするのは困難であるため、動作距
離ｈを大きくとることができない。

【００３０】このように０Ｖ曲線を理想形にできた理由
としては、図５における実線Ｃ３，Ｃ６の０Ｖ曲線が外
側にわずか傾斜している形になっていることがあげら
れ、これは第２及び第３の永久磁石７，８の各長さ寸法
Ｌ₂，Ｌ₃を、第１の永久磁石６の長さ寸法Ｌ₁よりも小
さく設定したことと、ギャップＤを設けたことに原因し
ている。なお、本実施例で、磁場検出部２のホール素子
５の電流方向を逆にした場合には、各特性曲線の符号は
全て逆転する。また、この場合にはバイアス電圧として
は＋０．０５Ｖを印加することになる。これに伴い、実
線Ｃ１０とＣ２０との間のスイッチング動作範囲で出力
される全出力は負になる。

【００３１】本実施例のように各永久磁石６，７，８を
非磁性ケース９内に収納することにより、周囲からの鉄
粉の吸着量を軽減することができる。例え吸着してしま
った場合でも、その除去は容易である。また、取付板１
０として軟鋼等の強磁性材料を用いた場合は、永久磁石
の起磁力は軟鋼内ではほとんど消費されないから、永久
磁石に全起磁力が上面に作用するので、動作距離ｈを大
きくとれるようになる。さらに、取付板１０は多くの場
合鉄鋼材料に取り付けられるが、軟鋼を用いておけば取
付による磁場の変化を少なくすることができる。

【００３２】なお、ホール素子の出力にバイアス電圧を
印加する手段は、多くの方法があり特に説明するまでも
ないので省略する。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、磁場
発生部を、第１の永久磁石と、この第１の永久磁石のス
ライド方向に沿った両側に等しいギャップを隔てて配置
された、第１の永久磁石よりも長さ寸法の小さい第２及
び第３の永久磁石とから構成し、第１の永久磁石の極性
に対して第２及び第３の永久磁石の極性を逆極性となる
ように着磁するようにしたので、磁場発生部と磁場検出
部との動作距離が変化した場合でも、スライド方向の検
出位置のずれを小さく抑えることができ、さらに動作距
離を大きくとることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のホール効果形位置センサの実施例を示
す構成図である。

【図２】本実施例のホール効果形位置センサの磁場発生
部の構成を示す平面図である。

【図３】図２のＡ−Ｂ断面図である。

【図４】図２のＣ−Ｄ断面図である。

【図５】本実施例のホール効果形位置センサによって得
られるホール出力の特性図である。

【図６】ホール効果を説明する概略図である。

【図７】従来のホール効果形位置センサを示す概略図で
ある。

【図８】従来のホール効果形位置センサを示す概略図で
ある。

【符号の説明】

１ 磁場発生部 ２ 磁場検出部 ３ スライド方向 ４ バイアス電圧 ５ ホール素子 ６ 第１の永久磁石 ７ 第２の永久磁石 ８ 第３の永久磁石 ９ 非磁性ケース １０ 取付板 １４ 取付孔

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出体を構成する永久磁石からなる磁
   場発生部と、この磁場発生部に対して相対的にスライド
   し磁場発生部からの磁場を検出するホール素子からなる
   磁場検出部とから構成されたホール効果形位置センサに
   おいて、上記磁場発生部は、第１の永久磁石と、この第
   １の永久磁石のスライド方向に沿った両側に等しいギャ
   ップを隔てて配置された、第１の永久磁石より長さ寸法
   の小さい第２及び第３の永久磁石とから構成され、第１
   の永久磁石の極性に対して第２及び第３の永久磁石の極
   性を逆極性となるように着磁したことを特徴とするホー
   ル効果形位置センサ。
2. 【請求項２】 第１、第２及び第３の永久磁石を一体に
   保持することを特徴とする請求項１に記載のホール効果
   形位置センサ。
3. 【請求項３】 磁場検出部を構成するホール素子の出力
   電圧に所定のバイアス電圧を印加して、ホール素子の出
   力特性曲線がほぼ垂直となるようにしたことを特徴とす
   る請求項１乃至２のいずれかに記載のホール効果形位置
   センサ。
4. 【請求項４】 第１、第２及び第３の永久磁石を非磁性
   ケースに収納し、取付板に一体に取り付けたことを特徴
   とする請求項１乃至３に記載のホール効果形位置セン
   サ。
5. 【請求項５】 取付板は強磁性材料からなることを特徴
   とする請求項４に記載のホール効果形位置センサ。
6. 【請求項６】 非磁性ケースに動作範囲を示す目印を設
   けたことを特徴とする請求項４に記載のホール効果形位
   置センサ。
7. 【請求項７】 取付板に長円形状の取付孔を設けたこと
   を特徴とする請求項４に記載のホール効果形位置セン
   サ。