JP2010223595A - Position detection device - Google Patents

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Shoji Fujii
祥二 藤井
Masayuki Miki
正之 三木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a position detection device mountable on an existing rack-and-pinion type drive mechanism. <P>SOLUTION: The position detection device is mountable on the rack-and-pinion type drive mechanism whose rack (12) is made of magnetic material, and the detection device includes: a sensor unit (10) for detecting a change in magnetic flux accompanying movement of the rack; an oscillation circuit for generating a predetermined input waveform to input it to the sensor unit; and a converter composed of a phase difference detection circuit for measuring an output waveform output from the sensor unit and detecting a phase difference corresponding to a movement of the rack. An object of detection for this sensor unit is the rack itself. This sensor unit has three sets of magnetic sensor blocks composed of magnetic sensors and permanent magnets. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、ラック・アンド・ピニオン式駆動装置などに直接取り付け可能な磁気式位置検出器に関する。   The present invention relates to a magnetic position detector that can be directly attached to a rack and pinion type drive device or the like.

従来、磁気センサを用いて磁束の変化を検知することにより変位を計測する位置検出器が知られている。一般に位置計測器には光学式と磁気式とがあるが、磁気式は光学式と比べ、振動や油或いは水分などで汚れやすい悪環境でも使用することができる利点がある。   Conventionally, position detectors that measure displacement by detecting a change in magnetic flux using a magnetic sensor are known. In general, there are optical and magnetic type position measuring instruments, but the magnetic type has an advantage that it can be used even in a bad environment that is easily contaminated by vibration, oil, moisture, or the like.

磁気式の位置検出器では、一般に磁気センサが磁束の変化を計測するために、被検出対象に等ピッチの溝又は凹凸を設けた磁性体板などを取付ける必要がある。ところが、歯車のように通常は磁性体で形成され、かつ等ピッチの凹凸が設けられている場合には、検出対象である「歯車そのもの」の磁束の変化を計測することで変位量を精密に測定することができる利点がある。   In a magnetic position detector, in general, in order for a magnetic sensor to measure a change in magnetic flux, it is necessary to attach a magnetic body plate or the like provided with grooves or irregularities of equal pitch on a detection target. However, when gears are usually formed of a magnetic material and are provided with irregular pitches of equal pitch, the amount of displacement can be accurately measured by measuring the change in magnetic flux of the “gear itself” to be detected. There is an advantage that can be measured.

例えば、特許文献1では、半導体磁気抵抗素子を用いて歯車状凹凸を有する磁性体の変位を精密に測定することができる「位置変位センサ」が開示されている(第17段落〜第23段落等参照)。この文献によると、「正弦変位又は余弦変位を含む分担電圧を生ずる半導体磁気抵抗素子の直並列回路への印加電圧Vとして正弦波交流電圧」を用い、「α相出力とβ相出力からなる2相出力を取出し、これら2相出力に三角関数の加法定理を適用」して解を得たのち、「いずれかのゼロクロス点と印加電圧のゼロクロス点との時間差をカウントすることにより、歯車そのもの又は歯車状凹凸を有する磁性体の変位を精密に測定する」としている。より具体的には、4つの磁気抵抗素子を用いて「電気的に直列接続された各一対の半導体磁気抵抗素子の配列間隔が歯車ピッチの二分の一に対応」するように配置して、「且つ前記半導体磁気抵抗素子における前記一対の配列と、隣接した一対の配列とが相互補完関係に置かれ」る構成を採用している(第16〜17段落、図2、図4参照)。   For example, Patent Document 1 discloses a “position displacement sensor” that can accurately measure the displacement of a magnetic material having gear-like irregularities using a semiconductor magnetoresistive element (paragraphs 17 to 23, etc.). reference). According to this document, “a sinusoidal AC voltage is applied as a voltage V applied to a series-parallel circuit of a semiconductor magnetoresistive element that generates a shared voltage including a sine displacement or a cosine displacement”, and “2 consisting of an α-phase output and a β-phase output is used. After taking out the phase output and applying the trigonometric addition theorem to these two-phase outputs, and then obtaining the solution, "by counting the time difference between any zero cross point and the zero cross point of the applied voltage, the gear itself or The displacement of a magnetic material having gear-like irregularities is accurately measured. More specifically, the four magnetoresistive elements are used so that “the arrangement interval of each pair of semiconductor magnetoresistive elements electrically connected in series corresponds to a half of the gear pitch” In addition, a configuration is adopted in which the pair of arrays and the pair of adjacent arrays in the semiconductor magnetoresistive element are in a complementary relationship (see paragraphs 16 to 17 and FIGS. 2 and 4).

特開2004−271423号公報JP 2004-271423 A

しかし、上述した特許文献1では、α相とβ相の2相位相差方式であるため、リップルが大きくなりやすく、検出結果の信頼性の点で問題があると考えられる。また、磁気センサとして、4個の半導体磁気抵抗素子からなる直並列回路(すなわち1つの「ブリッジ回路」)を用いていたため、取り付け精度の点でも信頼性が低いと考えられる。   However, in Patent Document 1 described above, since it is a two-phase phase difference method of an α phase and a β phase, ripples are likely to increase, and it is considered that there is a problem in terms of reliability of detection results. Further, since a series-parallel circuit (that is, one “bridge circuit”) composed of four semiconductor magnetoresistive elements is used as the magnetic sensor, it is considered that the reliability is low in terms of mounting accuracy.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高速にかつ高分解能で計測できる信頼性の高い磁気式位置検出器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a highly reliable magnetic position detector that can measure at high speed and with high resolution.

本発明に係る位置検出器は、歯車であるピニオンと、ピニオンの歯と嵌合する歯が設けられピニオンの回転に応じて直線的に移動するラックとで構成され、ラックが磁性体からなるラック・アンド・ピニオン式の駆動機構に取り付け可能である。この位置検出器は、ラックの移動に伴う磁束の変化を検出するセンサユニットと、センサユニットに入力するための所定の入力波形を生成する発振回路およびセンサユニットから出力される出力波形を計測して前記ラックの移動量に対応する位相差を検出する位相差検出回路からなる変換器とを具備し、このセンサユニットは、ラック自体を被検出対象とすることを特徴とするというものである。   A position detector according to the present invention includes a pinion that is a gear, and a rack that is provided with teeth that fit with the teeth of the pinion and moves linearly according to the rotation of the pinion, and the rack is made of a magnetic material. -It can be attached to a drive mechanism of an & pinion type. This position detector measures a sensor unit that detects a change in magnetic flux accompanying the movement of the rack, an oscillation circuit that generates a predetermined input waveform for input to the sensor unit, and an output waveform output from the sensor unit. A converter comprising a phase difference detection circuit for detecting a phase difference corresponding to the amount of movement of the rack, and this sensor unit is characterized in that the rack itself is to be detected.

望ましくは、センサユニットは、磁気センサと、磁気センサに対して略垂直に磁束が貫通するように配置された少なくとも1つの永久磁石とで構成された磁気センサブロックを3組有する。   Desirably, the sensor unit has three sets of magnetic sensor blocks including a magnetic sensor and at least one permanent magnet arranged so that the magnetic flux penetrates substantially perpendicularly to the magnetic sensor.

このセンサユニットは、センサユニットにおける磁束を検知する部分が固定する部分に対して水平面内で回転可能に設けられていることが好ましい。これは、ラックのピッチが本来の最適値よりも若干小さい場合、取付部に対してセンシング部を回転させることで磁気センサブロックS1,S2,S3の間隔がラックに対して見かけ上小さくなり、ラックのピッチと合致してセンサの本来の精度が確保される効果があるためである。   This sensor unit is preferably provided so as to be rotatable in a horizontal plane with respect to a portion to which a portion for detecting magnetic flux in the sensor unit is fixed. This is because when the rack pitch is slightly smaller than the original optimum value, the distance between the magnetic sensor blocks S1, S2, and S3 is apparently smaller than the rack by rotating the sensing unit with respect to the mounting unit. This is because there is an effect that the original accuracy of the sensor is ensured in conformity with the pitch.

さらに、ラックの歯の形状を出力波形(例えばサインカーブなどの三角関数)と相似形に構成することで、磁気センサで検知する磁束の変化がsin状となり、三角関数の加法定理がより一層正確に満たされて、センサの精度が向上する。磁界強度は距離の2乗に反比例するため、ラックの歯の形状を√(sin x)と相似形に構成することで磁束の変化がラックの歯の変化と対応するため、読取精度は一層高められる。   Furthermore, by configuring the shape of the rack teeth to be similar to the output waveform (for example, a trigonometric function such as a sine curve), the change in magnetic flux detected by the magnetic sensor becomes sin, and the trigonometric addition theorem is more accurate. The accuracy of the sensor is improved. Since the magnetic field strength is inversely proportional to the square of the distance, by configuring the shape of the rack tooth to be similar to √ (sin x), the change in magnetic flux corresponds to the change in the rack tooth, so reading accuracy is further improved. It is done.

さらに、入力波形として三角関数波形の電圧振幅を与えたとき、磁気回路特性の変化が1ピッチ内で三角関数の電流振幅となるようにセンサユニットを配置することが好ましい。この方法には、具体的には、後述する実施形態で説明するように、センサユニットとラックとのギャップGを調整すること又は上述のようにセンサユニットを水平面内で回転させることで磁気センサブロックの間隔を見かけ上小さくすること等が考えられる。   Furthermore, it is preferable to arrange the sensor unit so that when the voltage amplitude of the trigonometric function waveform is given as the input waveform, the change of the magnetic circuit characteristics becomes the current amplitude of the trigonometric function within one pitch. Specifically, in this method, as described in the embodiments described later, the magnetic sensor block is adjusted by adjusting the gap G between the sensor unit and the rack or by rotating the sensor unit in the horizontal plane as described above. It is conceivable to make the interval of these apparently small.

本発明によると、ラック自体を被検出対象とするため磁性体のスケールを別途設ける必要が無く、コストは低減され、かつ構造が簡単であり、読み取り精度の向上も期待できる。   According to the present invention, since the rack itself is a detection target, it is not necessary to separately provide a magnetic scale, the cost is reduced, the structure is simple, and the reading accuracy can be improved.

図1は、本発明に係る位置センサの実施形態の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of an embodiment of a position sensor according to the present invention. 図2は、磁気センサ群11とラック12との位置関係を示す拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view showing the positional relationship between the magnetic sensor group 11 and the rack 12. 図3は、本発明の実施形態に係る位置検出装置の全体構成図である。FIG. 3 is an overall configuration diagram of the position detection apparatus according to the embodiment of the present invention. 図4(a)は、センサユニット10の側面図を、図4(b)は正面図である。4A is a side view of the sensor unit 10, and FIG. 4B is a front view. 図5は、三角関数(Y=sin A)及び、関数Y=√(sin A)及びY=−√(sin A)の一部を表す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a part of trigonometric function (Y = sin A) and functions Y = √ (sin A) and Y = −√ (sin A). 図6は、センサユニット10とラック12との相対的な位置関係を表す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a relative positional relationship between the sensor unit 10 and the rack 12. 図7は、磁束変化の様子を表す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating how the magnetic flux changes.

(第1の実施形態)
始めに、図3を参照して本発明の実施形態に係る位置検出装置の全体構成を説明する。この装置は大きく分けて、ヘッドアンプ50と変換器20とで構成される。ヘッドアンプ50は磁束の変化を検知して電気信号に変換する3個の磁気センサと、差動増幅器を組み合わせてなる。変換器20は、ヘッドアンプ50への入力信号波形として3相交流信号(U相、V相、W相)を発生させるための発振回路30と、ヘッドアンプ50からフィードバックされる位相差信号を検出および計測する位相差検出回路40とで構成される。
(First embodiment)
First, the overall configuration of the position detection apparatus according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This apparatus is roughly divided into a head amplifier 50 and a converter 20. The head amplifier 50 is a combination of three magnetic sensors that detect changes in magnetic flux and convert them into electrical signals, and a differential amplifier. The converter 20 detects an oscillation circuit 30 for generating a three-phase AC signal (U phase, V phase, W phase) as an input signal waveform to the head amplifier 50, and a phase difference signal fed back from the head amplifier 50. And a phase difference detection circuit 40 to be measured.

発振回路30は水晶発振器、CPU(中央処理装置)、D/A変換器などから構成され、3相交流(U相、V相、W相)の電圧波形を発生させる。それぞれの波形は以下の式1で表されるように、位相が2π/3(=120°)ずつ異なる正弦波の電圧波形からなる。
(式1)
=Vsinθ
=Vsin(θ+(2n+2/3)・π)
=Vsin(θ+(2n+4/3)・π)
(但し、V0は定数、nは整数とする)
また、前記磁気センサブロックS1,S2,S3の間隔がそれぞれ
S1−S2間: (N+1/3)・P
S1−S3間: (M+2/3)・P
(但し、N,Mは整数、Pは1ピッチの長さ)
の関係を満たすように配置されている。なお、θは角速度ωおよび時刻tを用いてθ=ω・tと表すこともできる。
The oscillation circuit 30 includes a crystal oscillator, a CPU (central processing unit), a D / A converter, and the like, and generates a three-phase alternating current (U phase, V phase, W phase) voltage waveform. Each waveform is composed of a voltage waveform of a sine wave whose phase is different by 2π / 3 (= 120 °) as represented by the following Expression 1.
(Formula 1)
V 1 = V 0 sin θ
V 2 = V 0 sin (θ + (2n + 2/3) · π)
V 3 = V 0 sin (θ + (2n + 4/3) · π)
(However, V0 is a constant and n is an integer.)
Further, the interval between the magnetic sensor blocks S1, S2, S3 is between S1 and S2: (N + 1/3) · P
Between S1 and S3: (M + 2/3) · P
(However, N and M are integers, and P is the length of one pitch.)
It is arranged to satisfy the relationship. Θ can also be expressed as θ = ω · t using the angular velocity ω and time t.

なお、4個(2対)の磁気センサとし、発振回路30において入力信号として2相交流信号を発生させるように構成することも可能であるが上述の3相式と比べ、読み取り精度が低下するだけでなく、センサユニットが4個必要となるため構成も複雑となる。2相式の場合、2つの入力信号の位相差をπ(=180°)とする。   It is possible to configure four (two pairs) magnetic sensors and generate a two-phase AC signal as an input signal in the oscillation circuit 30, but the reading accuracy is lower than that of the above-described three-phase type. In addition, since four sensor units are required, the configuration is complicated. In the case of the two-phase system, the phase difference between the two input signals is π (= 180 °).

図1は、本発明に係る位置検出装置の一実施形態を示している。この図に示すように、本発明に係る位置検出装置は、「ラック・アンド・ピニオン」式の駆動機構に取り付けられる。センサユニット10,ラック12,ピニオン14は支持部材1,2,4によって取り付けられる。ピニオン14は回転歯車であり、モータなどの回転駆動源に接続される。ラック12はピニオン14の歯と嵌合する歯が設けられる。このため、ピニオン14の回転に応じてラック12が被駆動体3と共に直線的に移動することができる。   FIG. 1 shows an embodiment of a position detection device according to the present invention. As shown in this figure, the position detection device according to the present invention is attached to a “rack and pinion” type drive mechanism. The sensor unit 10, the rack 12, and the pinion 14 are attached by support members 1, 2, and 4. The pinion 14 is a rotating gear and is connected to a rotational driving source such as a motor. The rack 12 is provided with teeth that fit into the teeth of the pinion 14. For this reason, the rack 12 can move linearly with the driven body 3 in accordance with the rotation of the pinion 14.

センサユニット10は、磁気センサと、前記磁気センサに対して略垂直に磁束が貫通するように配置された少なくとも1つの永久磁石とで構成される。磁気センサはホール素子や磁気抵抗素子4つの直並列回路からなるブリッジ回路、GMR(Giant Magneto Resistive Head)など、磁束の変化を検出する機能を備える素子であればよい。   The sensor unit 10 includes a magnetic sensor and at least one permanent magnet arranged so that magnetic flux penetrates substantially perpendicularly to the magnetic sensor. The magnetic sensor may be an element having a function of detecting a change in magnetic flux, such as a Hall element, a bridge circuit composed of four series-parallel circuits of magnetoresistive elements, or a GMR (Giant Magneto Resistive Head).

図1に示すように、センサユニット10はラック12の歯列に対向して非接触でわずかに離間して設けられている。離間する距離は磁束の強さによって変わるものである。一方、ラックは通常、金属(特に常磁性或いは強磁性を持つもの)で構成される。このため、ラック12が移動すると歯列の凹凸に応じてセンサユニット10の永久磁石からの磁束が変化する。この変化がセンサユニット10で検知され電気信号に変換される。ただし、ラック12自体が自発分極を持つものでない限り、センサユニット10側において永久磁石を持つ必要がある。ラック12自体が磁化されている場合は、センサユニット10の永久磁石を省略することができる。   As shown in FIG. 1, the sensor unit 10 is provided so as to be opposed to the tooth row of the rack 12 and is slightly contacted with no contact. The separation distance varies depending on the strength of the magnetic flux. On the other hand, the rack is usually made of a metal (particularly paramagnetic or ferromagnetic). For this reason, when the rack 12 moves, the magnetic flux from the permanent magnet of the sensor unit 10 changes according to the unevenness of the dentition. This change is detected by the sensor unit 10 and converted into an electrical signal. However, unless the rack 12 itself has spontaneous polarization, it is necessary to have a permanent magnet on the sensor unit 10 side. When the rack 12 itself is magnetized, the permanent magnet of the sensor unit 10 can be omitted.

図4(a)は、センサユニット10の側面図を、図4(b)は正面図を表している。この図に示すように、センサユニット10はセンサユニットにおける磁束を検知する部分が固定する部分に対して図に示す点Oを回転中心として水平面内で回転可能に設けられるように構成してもよい。これは、ラックのピッチが本来の最適値よりも若干小さい場合、取付部に対してセンシング部を回転させることで磁気センサブロックS1,S2,S3の間隔がラックに対して見かけ上小さくなり、ラックのピッチと合致してセンサの本来の精度が確保される効果があるためである。   4A shows a side view of the sensor unit 10, and FIG. 4B shows a front view. As shown in this figure, the sensor unit 10 may be configured to be provided so as to be rotatable in a horizontal plane with a point O shown in the figure as a center of rotation with respect to a portion where a magnetic flux detecting portion in the sensor unit is fixed. . This is because when the rack pitch is slightly smaller than the original optimum value, the distance between the magnetic sensor blocks S1, S2, and S3 is apparently smaller than the rack by rotating the sensing unit with respect to the mounting unit. This is because there is an effect that the original accuracy of the sensor is ensured in conformity with the pitch.

センサユニット10への入力電圧として三角関数波形(サイン波形)を印加してセンサユニット10からの出力電流波形を検知することで歯列の凹凸が位相変化(時間変化)に変換される。従って、変換器20の位相検出回路40でゼロクロスを検出し、計数回路でカウントすることでラックの変位量をデジタル的に表すことができる位置検出器として動作させることができる。   By applying a trigonometric function waveform (sine waveform) as an input voltage to the sensor unit 10 and detecting an output current waveform from the sensor unit 10, the unevenness of the dentition is converted into a phase change (time change). Therefore, it is possible to operate as a position detector capable of digitally representing the amount of rack displacement by detecting the zero crossing with the phase detection circuit 40 of the converter 20 and counting with the counting circuit.

図2は、磁気センサ群11とラック12との位置関係を示すために拡大した図である。この図に示すように、ラックのピッチをPとしたとき、隣接する3個の磁気センサを(P+P/3)および(2P+2P/3)ずつ離して配置する。   FIG. 2 is an enlarged view showing the positional relationship between the magnetic sensor group 11 and the rack 12. As shown in this figure, when the rack pitch is P, the three adjacent magnetic sensors are spaced apart by (P + P / 3) and (2P + 2P / 3).

このように配置して、入力信号波形として上述の三角関数の3相交流信号を印加し、位相差検出回路によってゼロクロスを検出することで高速性を保ちながら1ピッチの2の13乗〜2の16乗分の1程度もの高い分解能を得ることができる。   Arranged in this way, the three-phase AC signal of the above trigonometric function is applied as an input signal waveform, and zero cross is detected by the phase difference detection circuit, while maintaining high speed, 1 pitch of 2 13 to 2 A resolution as high as about 1/16 power can be obtained.

本発明の実施形態にかかる位置検出器は1ピッチの長さが1/2ピッチのラックに対して1種類のセンサユニットで対応することができる。 The position detector according to the embodiment of the present invention can correspond to a rack having a pitch of 1/2 n pitch with one type of sensor unit.

なお、上記の実施形態では入力信号を電圧波形、出力信号を電流波形として説明したが、電流、電圧のいずれに対しても励磁可能であるので入力信号を電流波形、出力信号を電圧波形としてもよい。   In the above embodiment, the input signal has been described as a voltage waveform and the output signal as a current waveform. However, since excitation is possible for both current and voltage, the input signal can be a current waveform and the output signal can be a voltage waveform. Good.

(第2の実施形態)
図5は、三角関数(Y=sin A)の1周期と、関数Y=√(sin A)及びY=−√(sin A)を表している。ラックの歯の形状を出力波形(例えばサインカーブなどの三角関数)と相似形に構成することで、磁気センサで検知する磁束の変化がsin状となり、三角関数の加法定理がより一層正確に満たされて、センサの精度が向上する。磁束の変化は距離の2乗に反比例するためラックの歯の形状を√(sin x)と相似形にすれば、一層精度は高められると考えられる。
(Second Embodiment)
FIG. 5 shows one period of the trigonometric function (Y = sin A) and the functions Y = √ (sin A) and Y = −√ (sin A). By configuring the tooth shape of the rack to be similar to the output waveform (for example, a trigonometric function such as a sine curve), the change in magnetic flux detected by the magnetic sensor becomes sin, and the addition theorem of the trigonometric function is more accurately satisfied. As a result, the accuracy of the sensor is improved. Since the change in the magnetic flux is inversely proportional to the square of the distance, it is considered that the accuracy can be further improved if the shape of the rack teeth is similar to √ (sin x).

図6は、センサユニット10とラック12との相対的な位置関係を表している。また、図7は、センサユニット10とラック12との距離Gが、小さい場合と、大きい場合の磁束変化の様子と、三角関数(cos関数)のグラフの一部を表している。この図は、センサユニット10とラック12との距離Gは磁束変化に影響を及ぼすことを表している。距離Gが小さい方が、大きい場合よりも、cos関数(又はsin関数)のカーブに近い形状となっていることがわかる。すなわち、距離Gを適切に微調整すれば読取精度が向上することを意味している。相対的な位置関係の微調整には、距離G、すなわち垂直距離の調整と、図4を用いて説明したセンサユニット10の水平面内での回転による調整の両方を含み、このようなセンサユニット10とラック12との相対位置関係を微調整するための機構を備えることで読取精度が向上する。   FIG. 6 shows the relative positional relationship between the sensor unit 10 and the rack 12. Further, FIG. 7 shows a state of magnetic flux change when the distance G between the sensor unit 10 and the rack 12 is small and large, and a part of a graph of a trigonometric function (cos function). This figure shows that the distance G between the sensor unit 10 and the rack 12 affects the change in magnetic flux. It can be seen that the smaller the distance G is, the closer the curve is to the cos function (or sin function) curve than when the distance G is large. That is, if the distance G is finely adjusted appropriately, it means that the reading accuracy is improved. The fine adjustment of the relative positional relationship includes both the adjustment of the distance G, that is, the vertical distance, and the adjustment by rotating the sensor unit 10 in the horizontal plane described with reference to FIG. The reading accuracy is improved by providing a mechanism for finely adjusting the relative positional relationship between the rack 12 and the rack 12.

本発明は、現在広く普及している既存のラック・アンド・ピニオン式駆動装置の「ラック」に非接触でセンサユニットを取付けることでラックの変位量から位置を正確に特定できるため、産業上の利用可能性はきわめて大きい。   Since the present invention can accurately identify the position from the displacement amount of the rack by attaching the sensor unit in a non-contact manner to the “rack” of the existing rack-and-pinion type drive device that is widely used at present, The availability is enormous.

1,2,4 支持部材
3 被駆動体
10 センサユニット
11 磁気センサ群
12 ラック(歯車直径が無限大の歯車)
14 ピニオン(回転歯車)
20 変換器
30 発振回路
40 位相差検出回路
50 ヘッドアンプ
1, 2, 4 Support member 3 Driven body 10 Sensor unit 11 Magnetic sensor group 12 Rack (gear with infinite gear diameter)
14 Pinion (Rotating gear)
20 Converter 30 Oscillation circuit 40 Phase difference detection circuit 50 Head amplifier

Claims (10)

歯車であるピニオンと、前記ピニオンの歯と嵌合する歯が設けられ前記ピニオンの回転に応じて直線的に移動するラックとで構成され、
前記ラックが磁性体からなるラック・アンド・ピニオン式の駆動機構に取り付け可能な位置検出器であって、
前記位置検出器は、前記ラックの移動に伴う磁束の変化を検出するセンサユニットと、前記センサユニットに入力するための所定の入力波形を生成する発振回路および前記センサユニットから出力される出力波形を計測して前記ラックの移動量に対応する位相差を検出する位相差検出回路からなる変換器とを具備し、
前記センサユニットは、前記ラック自体を被検出対象とすることを特徴とする位置検出器。
A pinion that is a gear, and a rack that is provided with teeth that fit with the teeth of the pinion and moves linearly according to the rotation of the pinion,
The rack is a position detector that can be attached to a rack and pinion type driving mechanism made of a magnetic material,
The position detector includes a sensor unit that detects a change in magnetic flux accompanying the movement of the rack, an oscillation circuit that generates a predetermined input waveform to be input to the sensor unit, and an output waveform output from the sensor unit. A converter comprising a phase difference detection circuit for measuring and detecting a phase difference corresponding to the amount of movement of the rack;
The position detector, wherein the sensor unit targets the rack itself as a detection target.
前記センサユニットは、磁気センサと、前記磁気センサに対して略垂直に磁束が貫通するように配置された少なくとも1つの永久磁石とで構成された磁気センサブロックを3組有することを特徴とする請求項1記載の位置検出器。 The sensor unit includes three sets of magnetic sensor blocks each including a magnetic sensor and at least one permanent magnet arranged so that magnetic flux penetrates substantially perpendicularly to the magnetic sensor. Item 1. The position detector according to Item 1. 前記センサユニットは、検出面が前記ラックの歯列に対して略水平に対向して配置され、前記ラックの歯の山と谷との繰り返し1周期分を1ピッチとしたとき、
前記1ピッチ内における前記ラックと前記磁気センサブロックとの間隔の変化に起因する磁気回路特性の変化を検出することを特徴とする請求項2記載の位置検出器。
When the sensor unit is arranged so that the detection surface is substantially horizontally opposed to the tooth row of the rack, and one cycle of the crest and trough of the rack teeth is one pitch,
The position detector according to claim 2, wherein a change in magnetic circuit characteristics due to a change in an interval between the rack and the magnetic sensor block within the one pitch is detected.
前記入力波形として三角関数波形の電圧又は電流振幅を与えたとき、
前記磁気回路特性の変化が1ピッチ内で三角関数の電流又は電圧振幅となるように前記センサユニットを配置することを特徴とする請求項3記載の位置検出器。
When a voltage or current amplitude of a trigonometric function waveform is given as the input waveform,
4. The position detector according to claim 3, wherein the sensor unit is arranged so that the change in the magnetic circuit characteristics is a trigonometric current or voltage amplitude within one pitch.
前記センサユニットは、3組の磁気センサブロックS1,S2,S3のブリッジ回路の入力端子間に各々
=Vsinθ
=Vsin(θ+(2n+2/3)・π)
=Vsin(θ+(2n+4/3)・π)
(但し、V0は定数、nは整数とする)
の交流電圧波形又はこれと相似形である交流電流波形が印加され、
前記磁気センサブロックS1,S2,S3の間隔がそれぞれ
S1−S2間: (N+1/3)・P
S1−S3間: (M+2/3)・P
(但し、N,Mは整数、Pは1ピッチの長さ)
の関係を満たすように配置されていることを特徴とする請求項4記載の位置検出器。
The sensor unit includes V 1 = V 0 sin θ between the input terminals of the bridge circuit of the three magnetic sensor blocks S1, S2, and S3.
V 2 = V 0 sin (θ + (2n + 2/3) · π)
V 3 = V 0 sin (θ + (2n + 4/3) · π)
(However, V0 is a constant and n is an integer.)
AC voltage waveform or an alternating current waveform similar to this is applied,
The interval between the magnetic sensor blocks S1, S2 and S3 is between S1 and S2: (N + 1/3) · P
Between S1 and S3: (M + 2/3) · P
(However, N and M are integers, and P is the length of one pitch.)
The position detector according to claim 4, wherein the position detector is disposed so as to satisfy the relationship.
前記N,Mがいずれも0であることを特徴とする請求項5記載の位置検出器。 6. The position detector according to claim 5, wherein both N and M are 0. 前記磁気センサは、ブリッジ回路を構成する1組の磁気抵抗素子又はホール素子からなることを特徴とする請求項2記載の位置検出器。 3. The position detector according to claim 2, wherein the magnetic sensor comprises a set of magnetoresistive elements or Hall elements that constitute a bridge circuit. 前記センサユニットは、前記センサユニットにおける磁束を検知する部分が固定する部分に対して水平面内で回転可能に設けられていることを特徴とする請求項2乃至7のいずれか1項に記載の位置検出器。 The position according to any one of claims 2 to 7, wherein the sensor unit is provided so as to be rotatable in a horizontal plane with respect to a portion to which a portion for detecting a magnetic flux in the sensor unit is fixed. Detector. 前記ラックは、前記出力波形となるような形状を有することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の位置検出器。 The position detector according to claim 1, wherein the rack has a shape that forms the output waveform. 歯車であるピニオンと、前記ピニオンの歯と嵌合する歯が設けられ前記ピニオンの回転に応じて直線的に移動するラックとで構成され、
前記ラックが強磁性体からなるラック・アンド・ピニオン式の駆動機構に取り付け可能な位置検出器であって、
前記位置検出器は、前記ラックの移動に伴う磁束の変化を検出するセンサユニットと、前記センサユニットに入力するための所定の入力波形を生成する発振回路および前記センサユニットから出力される出力波形を計測して前記ラックの移動量に対応する位相差を検出する位相差検出回路からなる変換器とを具備し、
前記センサユニットは、前記ラック自体を被検出対象とし、かつ、前記センサユニット内に永久磁石を有しないことを特徴とする位置検出器。
A pinion that is a gear, and a rack that is provided with teeth that fit with the teeth of the pinion and moves linearly according to the rotation of the pinion,
The rack is a position detector that can be attached to a rack and pinion type drive mechanism made of a ferromagnetic material,
The position detector includes a sensor unit that detects a change in magnetic flux accompanying the movement of the rack, an oscillation circuit that generates a predetermined input waveform to be input to the sensor unit, and an output waveform output from the sensor unit. A converter comprising a phase difference detection circuit for measuring and detecting a phase difference corresponding to the amount of movement of the rack;
The position detector, wherein the sensor unit has the rack itself as a detection target and does not have a permanent magnet in the sensor unit.
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