磁気近接スイッチ及び磁気検出システム

本発明は、磁気近接スイッチ及び磁気検出システムに関し、特に、ホールＩＣを用いた磁気近接スイッチ及び磁気検出システムに関する。

従来、特許文献１に開示されているように、固定ベースに磁気検出部を埋設し、可動ベースに希土類磁石を埋設した磁気的位置検出装置がある（特許文献１の図２参照）。

特開平６−１６００１１号公報

しかし、特許文献１に開示されているような磁気的位置検出装置の場合には、希土類磁石と磁気検出部とが、所要の位置関係となったときに、希土類磁石からの磁力が、磁気検出部で検知される必要がある。 とすると、通常、希土類磁石は、その周辺が磁性体であれば、磁力がそこに吸収されてしまうので、これを回避するために、非磁性体とすることが求められている。

ところが、位置検出装置は、たとえば、鉄製の産業用工作機械などの位置制御用のように、周辺に磁性体が存在する環境下においての使用も要求されている。 現状では、この種の環境下では、希土類磁石と磁気検出部とを備える位置検出装置が使用できない。

そこで、本発明は、希土類磁石と磁気検出部とのレイアウトを工夫して、磁性環境においても、位置検出が可能な磁気近接スイッチ及び磁気検出システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、希土類磁石が第１部材に埋設され、前記希土類磁石からの磁力を検知する動作点を有するホールＩＣを備える磁気近接スイッチが第２部材に埋設され、前記第１部材と前記第２部材との相対位置を検出する磁気検出システムであって、前記希土類磁石の磁極が前記動作点に対向し、かつ、前記希土類磁石の磁極の中央部から直線状に発磁する磁力線の延長上に前記動作点上が到達可能に配置されている磁気検出システムである。

本発明によれば、Ｎ極からＳ極に向けて曲線状に延びる磁力線が、たとえ、周辺の磁性体に吸収されたとしても、上記直線状に発磁する磁力線が動作点に到達さえすれば、ホールＩＣからの信号のオン／オフが切り替わるので、磁気検出システムを動作させることが可能となる。

なお、前記第１部材と前記第２部材とのいずれかであって、前記希土類磁石と前記磁気近接スイッチとの間に、これらのいずれかよりも大きな幅の溝部を形成することによって、前記希土類磁石と前記磁気近接スイッチとを柔軟に位置合わせできるようにするとよい。

また、本発明は、上記磁気検出システムに用いられる磁気近接スイッチであって、前記ホールＩＣは、前記動作点が磁気近接スイッチ本体の長手方向又は短手方向に向く態様で、非磁性体のケースに収容されている、磁気近接スイッチである。 こうすると、ホールＩＣの埋設用の穴の向きを、第１部材の移動方向に沿って又はこれに直交した方向とすればよいので、穴加工が容易になる。

本発明の実施形態１に係る磁気近接スイッチの模式的な構成を示す側面図である。

図１に示す磁気近接スイッチを用いた磁気検出システムの模式的な構成図である。

本発明の実施形態２の磁気検出システムの模式的な構成図である。

本発明の実施形態３の磁気検出システムの模式的な構成図である。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る磁気近接スイッチの模式的な構成を示す側面図である。 図１には、以下説明する、スイッチ本体４０と、シース４２と、信号線４４と、ＬＥＤランプ部４６とを示している。

スイッチ本体４０は、ステンレスなどの非磁性体で、かつ、強度のある筐体を有する。 筐体内には、ホールＩＣ（例えば、旭化成製の製品番号ＥＷ−４６２）が配置されている。 このホールＩＣは、ホールＩＣの先端側（図面左側）の所定距離内の磁性を検知可能に配置されている。 典型的には、このホールＩＣは、スイッチ本体４０の先端から、たとえば、２．５ｍｍの位置に、希土類磁石が位置した場合に、信号線４４にオン信号を出力できるように配置されている。

シース４２は、スイッチ本体４０の基端側から、図示しない制御装置まで延びている。 シースは、ゴムなどの非磁性体から成る。 シース４２とスイッチ本体４０とは密閉されていて、外部からの水分、ゴミ等が、ホールＩＣに到達することを防止している。

ＬＥＤランプ部４６は、シース４２の所要位置に設けられている。 シース４２の位置は、特に限定されるものではないが、スイッチ本体４０から１ｍ程度の位置に設けると、磁気近接スイッチに近すぎず、管理者がＬＥＤランプ部４６を視認しやすいという利点がある。 ＬＥＤランプ部４６に設けられているＬＥＤランプは、スイッチ本体４０がオンしたときに点灯し、オフしたときに消灯するようにしてある。 このため、ＬＥＤランプを視認することで、スイッチ本体４０のオン／オフを識別することができる。

信号線４４は、シース４２内を通り、スイッチ本体４０に内蔵されているホールＩＣと制御装置とを結ぶものである。 信号線４４は、ここでは３本示していて、各々、正極用、負極用、グランド接地用としている。

なお、磁気近接スイッチの各部のサイズの一例をあげると以下のとおりとなる。
スイッチ本体４０：長さ１３ｍｍ〜２０ｍｍ、直径４．５φ〜５．５φ、
シース４２：長さ任意、直径２．５φ〜３．０φ、
信号線４４：長さ任意、直径１．２φ〜１．８φ、
ＬＥＤランプ部４６：長さ２０ｍｍ〜３０ｍｍ、直径５φ〜１０φ。

図２は、図１に示す磁気近接スイッチを用いた磁気検出システムの模式的な構成図である。 図２には、図１の磁気近接スイッチの他に、以下説明する、移動体１０と、ベース２０と、希土類磁石３０と、固定ねじ５０とを示している。

移動体１０は、典型的には、産業用工作機械の一部などが考えられる。 移動体１０は、ここでは、水平方向（図面左右方向（或いは、図面奥手前方向））に移動する場合の使用例を示している。 移動体１０は、希土類磁石３０に対応するタップ穴１２を有する。 移動体１０が、産業用工作機械の一部である場合には、これが鉄製であることが多いので、希土類磁石３０からの磁力の一部が移動体１０に吸い取られる。 この量を低減するために、たとえば、移動体１０のタップ穴１２の開口部付近に、タップ穴１２の奥（図面上方向）に向かって細くなるテーパ状の溝部を形成してもよい。 この場合には、ベース１０の底面全体をフラットにするために、溝部を樹脂などの非磁性体で充填することも一法である。

ベース２０は、磁気近接スイッチのスイッチ本体４０が位置するドリル穴２２と、ドリル穴２２に連結していて磁気近接スイッチのシース４２が通される孔２４と、ドリル穴２２に連結していて固定ねじ５０が捻じ込まれるねじ穴２６とを有する。 磁気近接スイッチは、スイッチ本体４０の先端が、ベース２０の上面から例えば０．５ｍｍほど埋まる態様でベース２０にセットして、ギャップ２８を形成している。 ギャップ２８は、必要に応じて、樹脂などの非磁性体で充填すればよい。

また、上記のように、希土類磁石３０からの磁力が移動体１０に吸い取られにくくするために、たとえば、ベースのドリル穴２２の開口部付近に、ドリル穴２２の奥（図面下方向）に向かって細くなるテーパ状の溝部を形成してもよい。 この場合には、ベース２０の上面全体をフラットにするために、溝部を樹脂などの非磁性体で充填するとよい。

希土類磁石３０は、Ｓ極及びＮ極が平面端部となる円筒状又は円柱状のものを用いているが、これらの形状に限定する必要はない。 希土類磁石３０は、たとえばＳＵＳ３０３などのステンレス製のケースに収容されている。 この際、希土類磁石３０は、本実施形態では、Ｎ極が磁気近接スイッチ側に向く態様で、つまり、Ｎ極が図面下側に向く態様で配置できるように、ケースに収容する。 このケースは、タップ穴１２に対応するサイズとされており、マイナスドライバーなどの工具の受け部が形成されている。 この受け部を通じて、希土類磁石３０を、そのケースを通じてタップ穴１２に捻じ込み、その後、必要に応じて接着剤などを用いて固着する。 なお、磁気近接スイッチのホールＩＣのオン／オフを切り替え可能な磁力を備えているのであれば、希土類以外の磁石を用いることもできる。

固定ねじ５０は、ねじ穴２６に対して捻じ込むことによって、磁気近接スイッチをドリル穴２２の内壁に押し当てる態様で、ベース２０内に固定するものである。 なお、固定ねじ５０及びねじ穴２６は必ずしも必要ではなく、磁気近接スイッチをドリル穴２２に捻じ込み、接着剤などを用いて固着してもよい。

なお、図２に示す各部のサイズの一例をあげると以下のとおりとなる。
タップ穴１２：長さ８ｍｍ〜１０ｍｍ、直径４．５φ〜５．５φ、
ドリル穴２２：長さ１５ｍｍ〜２３ｍｍ、直径４．５φ〜５．５φ、
ドリル穴２４：長さ１３ｍｍ〜２０ｍｍ、直径２．８φ〜３．８φ、
ねじ穴２６：固定ねじ５０に準ずる、
ギャップ２８：長さ０．３ｍｍ〜０．８ｍｍ、直径４．５φ〜５．５φ、
固定ねじ５０：長さ１０ｍｍ〜１５ｍｍ、直径２．２φ〜２．８φ。

ここで、ギャップ２８の形成は、ホールＩＣでの磁力検出精度を向上させるために必要である。 希土類磁石３０からの磁力線に着目すると、希土類磁石３０のＮ極側の端面の中央部分からは真っ直ぐに発磁されるが、その周辺部分からは曲線状にＳ極に向けて発磁される。 この曲線状の磁力は、移動体１０が鉄製などの磁性体であれば、一部がそこに吸収されることは既述のとおりである。 また、曲線状の磁力の残りの部分は、希土類磁石３０の軸心に対して偏心した方向となる。 したがって、ギャップ２８を形成しなければ、この偏心した磁力がホールＩＣのオン／オフの切り替えに寄与してしまうことがある。

換言すると、ギャップ２８が形成されていない場合には、偏心した磁力がホールＩＣの動作点に到達し、実際には、希土類磁石３０が、本来、ホールＩＣをオンしたい位置にまで、まだ到達していない状況でも、ホールＩＣからオン信号が出力されることという事態が生じうる。

したがって、このような事態を回避するためには、偏心した磁力がホールＩＣの動作点に到達しないようにすることが必要であり、このために、ギャップ２８を確保している。 また、ギャップ２８の形成は、ベース２０に限ったものではなく、移動体１０に対する固定ねじ５０の捻じ込み量を増加させて、移動体１０側でギャップを形成してもよい。

実際に、移動体１０にＭ５×０．５Ｐのタップ穴１２を形成し、かつ、タップ穴１２にＭ５×０．５Ｐのケースに収容された希土類磁石３０を捻じ込んだ。 また、ベース２０に長さ２０ｍｍで直径５φのドリル穴２２を形成し、かつ、ドリル穴２２に長さ１６ｍｍで直径４．９φのスイッチ本体４０を挿入してから、長さ０．５ｍｍで直径５φ、ギャップ２８が形成されるように接着剤で固定した。

こうして、磁気近接スイッチの動作実験をしてみたところ、移動体１０が動くことによって、ホールＩＣから約４ｍｍ幅のオン出力を確認できた。 また、希土類磁石３０と磁気近接スイッチとの軸心ずれは±０．８ｍｍ程度まで動作が安定していることを確認できた。 さらに、磁気近接スイッチの動作点（希土類磁石３０からの磁力の検知点）の精度誤差は０．０１０ｍｍ以下であることも確認できた。

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２の磁気検出システムの模式的な構成図である。 実施形態１では、移動体１０が、水平方向（図面左右方向（或いは、図面奥手前方向））に移動する場合の使用例を説明した。 本実施形態では、移動体１０が、垂直方向（図面上下方向）に移動する場合の使用例を説明する。 具体的には、かかる場合には、移動体１０がプレス型、ダイカスト、特定の冶具の場合を想定している。

図３に示す磁気検出システムは、図２に示したものと対比すると、下記の３点が相違する。

（１）まず、タップ穴１２の形態が異なる。 具体的には、まず、タップ穴１２は移動体１０を貫通するような形態としている。 これは、以下説明するアタッチメント３２を、タップ穴１２内に捻じ込めるようにするためである。

（２）つぎに、図３に示す磁気検出システムは、希土類磁石３０のケースに付帯するアタッチメント３２を有する点が異なる。 希土類磁石３０のケースのアタッチメント３２は、希土類磁石３０のケースの位置を微調整できる環境を維持しつつ、当該ケースをタップ穴１２内に固着するためのものである。

典型的には、希土類磁石３０のケースをタップ穴１２の下側から所要の位置まで捻じ込み、その後、ベース２０の上面と移動体１０の下面とが接するか否かという位置関係のときにホールＩＣからオン信号が出力されるように、タップ穴１２における希土類磁石３０の位置調整を行い、それから、アタッチメント３２をタップ穴１２の上側から捻じ込み、希土類磁石３０のケースをタップ穴１２に固着する。

（３）さらに、図３に示す磁気検出システムは、図２に示したものと対比すると、ベース２０と磁気近接スイッチとの位置関係も異なる。 具体的には、ベース２０の上面と磁気近接スイッチとの平坦性を、樹脂などを充填する工程を設けることなく確保するためである。

なお、タップ穴１２における希土類磁石３０の位置調整は、本実施形態では、ケース底面がタップ穴１２の開口部から約２．５ｃｍの位置であった。 そして、この場合の磁気近接スイッチの動作実験をした結果、本実施形態においても、磁気近接スイッチの動作点の精度誤差は０．０１ｍｍ以下であることが確認できた。

（実施形態３）
図４は、本発明の実施形態３の磁気検出システムの模式的な構成図である。 図４に示す磁気検出システムは、図２に示したものと対比すると、下記の３点が相違する。

（１）まず、ベース２０に対するドリル穴２２の形成向きが異なる。 本実施形態の磁気検出システムは、ベース２０の厚みなどの制約によって、図１に示す態様でドリル穴２２が形成できない場合に有用な手法である。

（２）また、図面上明らかにはなっていないが、磁気近接スイッチ内のホールＩＣの向き関係、つまり、スイッチ本体１０とホールＩＣとの向きの関係が実施形態１の場合とは異なる。 換言すると、希土類磁石３０に対するホールＩＣの向きは、両実施形態で同じである。 ただし、希土類磁石３０に対する磁気近接スイッチ自体の向きが、両実施形態で異なる。 これは、既知のように、ホールＩＣは動作点が磁石側に向けられている必要があるためである。

（３）さらに、図４に付記しているように、ドリル穴２２に付帯して溝部２９を形成している点が、実施形態１の場合とは異なる。 これは、希土類磁石３０からの磁力を十分にスイッチ本体２０内のホールＩＣに到達させるためである。

なお、ドリル穴２２の軸心をベース２０の上面に対して３．５ｍｍ〜４．０ｍｍ程度とし、溝部２９を深さ３ｍｍで直径８ｍｍとした場合には、ホールＩＣから約３ｍｍ幅のオン出力を確認できた。 また、希土類磁石３０と磁気近接スイッチとの軸心ずれは±０．５ｍｍ程度まで動作が安定していることを確認できた。 さらに、磁気近接スイッチの動作点（希土類磁石３０からの磁力の検知点）の精度誤差は０．０１５ｍｍ以下であることも確認できた。

本発明の各実施形態では、産業用工作機械などに位置検出システムを用いる場合を例に説明したが、位置検出システムの用途は、これに限定されず、磁石を備えている或いは磁石を埋め込んだ、自動車、エレベータ、介護用機器、ホームセキュリティシステム、折り畳み式を含む携帯電話機、断線検知システムなどに適用可能である。

具体的には、自動車のドアの開閉を検知するドアスイッチや、エレベータの停止位置を制御するエレベータシステムや、産業用機械・介護用機器のロボットアーム等の位置制御を行うアーム位置制御や、ピアノ線などの断線の有無を検知する断線検知システムや、折り畳み式携帯電話機の筐体相互の開閉の検知、携帯電話機のボタンの押下の有無の検知などにも適用できる。

１０ 移動体 ２０ ベース ３０ 希土類磁石 ４０ スイッチ本体 ４２ シース ４４ 信号線 ４６ ＬＥＤランプ部 ５０ 固定ねじ