JP2007178158A

JP2007178158A - 磁気ライン式位置センサ

Info

Publication number: JP2007178158A
Application number: JP2005374209A
Authority: JP
Inventors: Toru Takahashi; 亨高橋
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-12

Abstract

【課題】非接触で分解能の高い絶対位置検出が可能で、簡単かつ安価に構成できる磁気ライン式位置センサを提供する。
【解決手段】この磁気ライン式位置センサは、多数の磁気センサ素子１ａをライン状に並べた磁気ラインセンサ１と、この磁気ラインセンサ１に対面して磁気センサ素子１ａの並び方向に移動する磁気発生体を備える。磁気ラインセンサ１の磁気センサ素子１ａをスキャナ回路３で順次選択し、選択されたセンサ素子１ａの信号をアンプ４で増幅し、このアンプ４の出力をＡＤ変換回路５でデジタル信号に変換する。計算回路６により、前記ＡＤ変換回路５の出力から、磁気ラインセンサ１に印加されている磁界の分布を測定して磁気発生体の位置を計算する。
【選択図】図２

Description

この発明は、各種の機器における位置検出に用いられる磁気ライン式位置センサに関する。

従来、非接触で位置を検出するために、光学式、静電容量検出式、磁気式など、様々なセンサが利用されている。
なお、各種の機器における回転検出を行うものとしては、多数の磁気センサ素子をマトリックス状に配置して磁気センサアレイを構成し、この磁気センサアレイを回転側部材に配置される磁石に対向配置して、磁石の発生する磁界分布を前記磁気センサアレイで検出し、検出される磁界分布から磁石の回転角度を検出するようにしたものが提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００３−１４８９９９号公報

上記した光学式、静電容量検出式、磁気式などの位置センサは、高価であったり、調整が必要だったり、相対変位の検出しかできない等の課題がある。

この発明の目的は、非接触で分解能の高い絶対位置検出が可能で、簡単かつ安価に構成できる磁気ライン式位置センサを提供することである。

この発明の磁気ライン式位置センサは、多数の磁気センサ素子をライン状に並べた磁気ラインセンサと、この磁気ラインセンサに対面して磁気センサ素子の並び方向に移動する磁気発生体と、前記磁気ラインセンサの磁気センサ素子を順次選択するスキャナ回路と、選択されたセンサ素子の信号を増幅するアンプと、このアンプの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路の出力から、前記磁気ラインセンサに印加されている磁界の分布を測定して前記式発生体の位置を計算する計算回路とを備えたものである。
前記磁気発生体は、磁気ラインセンサに対面する一対のＮＳ極を有する磁石であり、前記計算回路は、前記ＡＤ変換回路の出力により得られるセンサ信号の波形変化から磁気発生体の位置を検出するものであっても良い。
前記計算回路は、前記ＡＤ変換回路のセンサ信号出力波形のゼロクロス位置を検出するものであっても良い。また、計算回路は、ゼロクロス位置を実際の磁気発生体の位置に換算し、絶対位置を計算して出力するものとしても良い。

この磁気ライン式位置センサでは、磁気発生体による磁界が磁気ラインセンサに印加され、各磁気センサ素子がこのとき印加される磁気をそれぞれ検出する。磁気ラインセンサの各磁気センサ素子はスキャナ回路によって順次選択され、選択された磁気センサ素子の検出信号がアンプで増幅され、アンプの出力がＡＤ変換回路でデジタル信号に変換される。計算回路では、磁気発生体による磁界の分布における磁極の境界位置（ゼロクロス位置）付近の複数の検出信号から直線近似を行うことによりゼロクロス位置を求め、このゼロクロス位置を磁気発生体の位置として算出する。これにより直線移動する磁気発生体の位置を摩耗の問題のない非接触により絶対位置で検出することができる。
このように、磁気ラインセンサによる検出信号のうちゼロ近辺の複数の信号から直線近似を行ってゼロクロス位置を求めることで、磁気ラインセンサにおける磁気センサ素子の配置ピッチよりも高い分解能で磁気発生体の位置を検出することができ、磁界強度の絶対値（強さ）に影響されることもない。また、前記直線近似はゼロ近辺の複数の検出信号を用いて計算されるため、各検出信号に含まれるノイズ成分が平均化され、ノイズの影響を受け難くする効果も得られる。

この発明において、前記磁気ラインセンサを四角形に配置し、前記計算回路は、磁気発生体の位置と角度を同時に検出するものとしても良い。この構成の場合、磁気発生体の直線移動と回転を検出する構成を、安価に省スペースで実現できる。

この発明の磁気ライン式位置センサは、多数の磁気センサ素子をライン状に並べた磁気ラインセンサと、この磁気ラインセンサに対面して磁気センサ素子の並び方向に移動する磁気発生体と、前記磁気ラインセンサの磁気センサ素子を順次選択するスキャナ回路と、選択されたセンサ素子の信号を増幅するアンプと、このアンプの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路の出力から、前記磁気ラインセンサに印加されている磁界の分布を測定して前記式発生体の位置を計算する計算回路とを備えたものであるため、非接触で分解能の高い絶対位置検出が可能で、簡単かつ安価に構成できる。

この発明の一実施形態を図１ないし図５と共に説明する。図１は、この実施形態の磁気ライン式位置センサの原理構成を示す。この磁気ライン式位置センサは、磁気ラインセンサ１（図２）を有するセンサチップ７と、前記磁気ラインセンサ１に対し非接触に対面して磁気ラインセンサ１のセンサ素子並び方向Ｘに移動する磁気発生体２とを備える。センサチップ７は固定側部材１１の上に固定され、磁気発生体２はセンサチップ７と平行に直線移動する可動側部材１２に固定される。

磁気ラインセンサ１は磁気発生体２の磁気を検出するセンサであって、図２（Ｂ）のように一つのセンサチップ７の面上に、多数のセンサ素子１ａをライン状に並べて構成される。センサチップ７には、図２（Ａ）のように前記磁気ラインセンサ１と共に、磁気ラインセンサ１の磁気センサ素子１ａを順次選択するスキャナ回路３と、選択された磁気センサ素子１ａの信号を増幅するアンプ４と、このアンプ４の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路５と、このＡＤ変換回路５の出力から、前記磁気ラインセンサ１に印加されている磁界の分布を測定して前記磁気発生体２の位置を計算する計算回路６とが集積されている。

磁気発生体２は、図１のように磁気ラインセンサ１に対面し、そのセンサ素子並び方向Ｘに並ぶ一対のＮＳ磁極２ａ，２ｂを有する磁石からなる。図３には、磁気ラインセンサ１と磁気発生体２との位置関係を平面図で示す。

次に、上記磁気ライン式位置センサの動作を説明する。磁気ラインセンサ１に対して、磁気発生体２が例えば図３の位置関係にある状態において、磁気発生体２による磁界のセンサチップ７に対する垂直成分が磁気ラインセンサ１に印加され、各磁気センサ素子１ａがこのとき印加される磁気をそれぞれ検出する。磁気ラインセンサ１の各磁気センサ素子１ａはスキャナ回路３によって順次選択され、選択された磁気センサ素子１ａの検出信号がアンプ４で増幅され、アンプ４の出力がＡＤ変換回路５でデジタル信号に変換される。図４は、このような信号処理により得られた各磁気センサ素子１ａの検出信号を読み出した順に並べてプロットした図であり、磁気発生体２による磁界の分布に対応している。同図において、＋側の波形部分は磁気発生体２におけるＳ磁極２ｂによる磁界に対応するものであり、−側の波形部分は磁気発生体２におけるＮ磁極２ａによる磁界に対応するものである。Ｎ磁極２ａとＳ磁極２ｂの境界位置（ゼロクロス位置）Ｘo 付近の検出信号は、印加される磁界成分がゼロとなるため、ゼロ出力に近くなる。計算回路６では、ゼロ近辺の複数の検出信号から図４に直線Ｌで示すような直線近似を行うことにより前記ゼロクロス位置Ｘo を求め、このゼロクロス位置Ｘo を磁気発生体２の位置として算出する。上記直線近似には最小自乗法などが用いられる。

図４にプロットされる検出信号の波形は、例えば図３において磁気発生体２が右側に移動すると、図５に示すように、実線で示す波形から破線で示す波形のように変化し、その変化に伴い前記計算回路６から磁気発生体２の位置として算出されるゼロクロス位置Ｘo が変化する。これにより直線移動する磁気発生体２の位置、つまり可動側部材１２の移動位置が摩耗の問題のない非接触により絶対位置で検出される。

この磁気センサ式位置センサでは、磁気ラインセンサ１による検出信号のうちゼロ近辺の複数の信号から直線近似を行ってゼロクロス位置Ｘo を求めるようにしているので、磁気ラインセンサ１における磁気センサ素子１ａの配置ピッチよりも高い分解能で磁気発生体２の位置を検出することができ、磁界強度の絶対値（強さ）に影響されることもない。また、前記直線近似はゼロ近辺の複数の検出信号を用いて計算されるため、各検出信号に含まれるノイズ成分が平均化され、ノイズの影響を受け難くする効果も得られる。
また、この磁気センサ式位置センサの構成部品としては、磁気発生体２を構成する永久磁石や、磁気ラインセンサ２、および磁気ラインセンサ２に付随する回路基板、ケース類だけで足り、部品点数も少なく、外部の補正回路も必要ないので、簡単かつ安価に構成できる。

なお、上記計算回路６における磁気発生体２の位置算出においては、直線近似により求めたゼロクロス位置Ｘo の座標を、磁気発生体２の実際の位置に換算して出力するようにしても良い。たとえば、ある位置を基準位置（０）として記憶しておき、この基準位置に対して＋３００μｍの位置などとして磁気発生体２の位置を出力する。このように計算処理を行う場合、上記計算回路６には、上記基準位置を外部から与えるための手段と、その基準位置を記憶しておく不揮発メモリを備えておく。

この実施形態の磁気ライン式位置センサの利点を、纏めなおして次に示す。
（１）非接触で位置を検出できる。そのため、摩耗の問題がない。
（２）微小な磁気センサ素子１ａを多数並べるので、分解能の高い位置検出が行える。
（３）装置構成が、磁気発生体２、磁気ラインセンサ１、回路基板、およびケース類であり、部品点数も少なく、外部の補正回路も必要ない。
（４）絶対位置が検出できる。
（５）ゼロクロス位置を検出する方式により、ギャップが変化したり、磁界の強さが変化しても、影響を受けずに位置検出できる。ゼロ近傍の直線近似によりゼロクロス位置を検出する場合は、磁気センサ素子１ａの配列ピッチよりも高い分解能で位置を検出することができる。

図６は、この発明の他の実施形態を示す。この磁気ラインセンサ式位置センサは、先の実施形態において、センサチップ７の上に４つの磁気ラインセンサ１Ａ〜１Ｄを、四角形に配置したものである。先の実施形態の場合とほぼ同様に、各磁気ラインセンサ１Ａ〜１Ｄの近傍には、各磁気ラインセンサに対応するスキャナ回路３、アンプ４、ＡＤ変換回路５、計算回路６（図２）が配置される。ここでは磁気発生体２（図１）は図示しないが、その構造は先の実施形態の場合と同じである。ただし、磁気発生体２の一対のＮＳ磁極２ａ，２ｂの並び方向は、磁気ラインセンサ１Ａ〜１Ｄのセンサ素子並び方向に対して特定の関係は持たされていない。

この磁気ライン式位置センサは、４つの磁気ラインセンサ１Ａ〜１Ｄからなる四角形において、対向し合う２辺の磁気ラインセンサを利用することで、磁気発生体２の移動位置と角度を求めるものである。具体的には、磁気発生体２の一対のＮＳ磁極２ａ，２ｂの境界位置（ゼロクロス位置）が、例えば対向し合う２辺の磁気ラインセンサ１Ｂ，１ＤにおけるＺ１，Ｚ２の位置にあることを、磁気ラインセンサ１Ｂ，１Ｄの検出信号に基づきこれら磁気ラインセンサに対応する各計算回路６で演算すると共に、これら２点のゼロクロス位置Ｚ１，Ｚ２の座標を使用することで、ゼロクロス位置Ｚ１，Ｚ２を結ぶゼロラインＬ１の角度とセンサチップ７上でのゼロラインＬ１の位置とを同時に求める。この場合のゼロラインＬ１は、磁気発生体２の磁界の分布におけるＮ磁極領域とＳ磁極領域との境界線となる。２点のゼロクロス位置Ｚ１，Ｚ２からゼロラインＬ１の角度と位置を求める計算は、４つの磁気ラインセンサ１Ａ〜１Ｄに対応する各計算回路６のいずれか１つが担うものとするか、センサチップ７の上に別に配置する専用の計算回路で行う。

この磁気ライン式位置センサでは、磁気発生体２が例えば図６に矢印Ｐで示す方向に移動すると、検出される２点のゼロクロス位置はＺ１’，Ｚ２’の位置となるので、これらゼロクロス位置Ｚ１，Ｚ２の座標から移動したゼロラインＬ１（同図に破線で示す）の位置を検出することができる。
また、前記ゼロラインＬ１の位置検出と角度検出を１つのセンサでできるため、磁気発生体２の直線移動と回転を検出する構成が、安価に省スペースで実現できる。

この発明の一実施形態にかかる磁気ライン式位置センサの原理構成を示す正面図である。（Ａ）は同磁気ライン式位置センサにおけるセンサチップの平面図、（Ｂ）は同センサチップの斜視図である。同同磁気ライン式位置センサにおける磁気ラインセンサと磁気発生体の位置関係を示す平面図である。同磁気ライン式位置センサにおける磁気ラインセンサからの検出信号を読み出した順に並べてプロットした波形図である。同磁気ライン式位置センサによる検出信号波形の磁気発生体移動に伴う変化を示した波形図である。この発明の他の実施形態にかかる磁気ライン式位置センサの磁気ラインセンサを配置したセンサチップを示す斜視図である。

符号の説明

１，１Ａ〜１Ｄ…磁気ラインセンサ
１ａ…磁気センサ素子
２…磁気発生体
２ａ，２ｂ…磁極
３…スキャナ回路
４…アンプ
５…ＡＤ変換回路
６…計算回路

Claims

多数の磁気センサ素子をライン状に並べた磁気ラインセンサと、この磁気ラインセンサに対面して磁気センサ素子の並び方向に移動する磁気発生体と、前記磁気ラインセンサの磁気センサ素子を順次選択するスキャナ回路と、選択されたセンサ素子の信号を増幅するアンプと、このアンプの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路の出力から、前記磁気ラインセンサに印加されている磁界の分布を測定して前記式発生体の位置を計算する計算回路とを備えた磁気ライン式位置センサ。
請求項１において、前記磁気発生体が、磁気ラインセンサに対面する一対のＮＳ極を有する磁石であり、前記計算回路は、前記ＡＤ変換回路の出力により得られるセンサ信号の波形変化から磁気発生体の位置を検出するものである磁気ライン式位置センサ。
請求項１または請求項２において、前記計算回路は、前記ＡＤ変換回路のセンサ信号出力波形のゼロクロス位置を検出するものである磁気ライン式位置センサ。
請求項３において、前記計算回路は、ゼロクロス位置を実際の磁気発生体の位置に換算し、絶対位置を計算して出力するものとした磁気ライン式位置センサ。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記磁気ラインセンサを四角形に配置し、前記計算回路は、磁気発生体の位置と角度を同時に検出するものとした磁気ライン式位置センサ。