JP2015075407A - ３軸ポジションセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】２つのセンサを比較的容易に実装することが可能な３軸ポジションセンサを提供すること。【解決手段】３軸ポジションセンサ１は、カウンタマグネット２を検出対象として、Ｘ−Ｙ平面上での回転を検出するとともに、Ｚ軸に沿った接近を検出する。Ｘ−Ｙ平面に沿ってＭＲセンサが設けられた基板４には、Ｚ軸に沿って伸縮するダイヤフラム７が形成され、そのダイヤフラム７には、当該ダイヤフラム７の伸縮に応じた電気信号を出力する圧力センサが設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、運動部材を検出対象として、互いに直交する３軸のうち２軸による平面上での回転を検出する第１のセンサと、残りの１軸に沿った変位を検出する第２のセンサとを備えた３軸ポジションセンサに関する。

特許文献１には、第１のＭＲ（magnetoresistance ）センサを設けた台座に対して、第２のＭＲセンサを設けた基板を垂直に配置し、操作レバーを検出対象として、第１のＭＲセンサでＸ−Ｙ平面上での回転を検出するとともに、第２のＭＲセンサでＺ軸に沿った変位を検出する３軸ポジションセンサが開示されている。

特開２００９−２６６６４６号公報

台座に対して基板を垂直に配置することは比較的難しく、また、それに代わり、共通の基板に２つのＭＲセンサを互いに垂直に実装することも難しい。
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、その目的は、２つのセンサを比較的容易に実装することが可能な３軸ポジションセンサを提供することにある。

上記課題を解決する３軸ポジションセンサは、運動部材を検出対象として、互いに直交する３軸のうち２軸による平面上での回転を検出する第１のセンサと、残りの１軸に沿った変位を検出する第２のセンサとを備えた３軸ポジションセンサにおいて、前記２軸による平面に沿って前記第１のセンサが設けられた基板には、前記残りの１軸に沿って伸縮するダイヤフラムが形成され、そのダイヤフラムには、当該ダイヤフラムの伸縮に応じた電気信号を出力する前記第２のセンサが設けられることをその要旨としている。

この構成によれば、例えば、Ｘ−Ｙ平面に沿って第１のセンサが設けられた基板に、Ｚ軸に沿って伸縮するダイヤフラムが形成され、そのダイヤフラムには、当該ダイヤフラムの伸縮に応じた電気信号を出力する第２のセンサが設けられる。第２のセンサを第１のセンサと同じＸ−Ｙ平面に沿って設けることが可能となる。これにより、共通の基板に２つのセンサを互いに垂直に実装することから解放される。したがって、２つのセンサを比較的容易に実装することができる。

上記３軸ポジションセンサについて、前記第２のセンサは、前記ダイヤフラムの縁に対応して設けられることとしてもよい。
この構成によれば、ダイヤフラムの伸縮に応じて電気信号が大きく変化する箇所に第２のセンサが設けられる。したがって、検出精度を高めることができる。

本発明によれば、２つのセンサを比較的容易に実装することができる。

３軸ポジションセンサの構成を示す断面図。 基板の裏面を示す斜視図。 ＭＲセンサの構成を示す回路図。 ＭＲセンサの出力信号を示すグラフ。 圧力センサの構成を示す回路図。

以下、３軸ポジションセンサの一実施の形態について説明する。
図１に示すように、３軸ポジションセンサ１は、操作レバー（図示略）の操作に連動するカウンタマグネット２を検出対象として、Ｘ−Ｙ平面上での回転を検出するとともに、Ｚ軸に沿った接近を検出するものと規定される。

３軸ポジションセンサ１は、ガラス製の台座３と、その台座３の裏面に陽極接合されたシリコン製の基板４と、その基板４の裏側に設けられたバイアスマグネット５とが一体化されている。基板４には、表側の空洞部６により肉薄とされたダイヤフラム７が形成されている。台座３には、空洞部６と連通する孔８が形成されている。

図２に示すように、基板４の裏面には、空洞部６に対応してＭＲセンサ９が設けられている。ＭＲセンサ９の周囲には、それぞれがダイヤフラム７の縁７ａに対応して配置された合計４つのピエゾ抵抗素子１０が設けられている。４つのピエゾ抵抗素子１０によって圧力センサ１１が構成される。

図３に示すように、ＭＲセンサ９は、４つのＭＲ素子によるブリッジ回路１２と、ブリッジ回路１２を４５°回転させた配置をとるブリッジ回路１３とを備えている。カウンタマグネット２とバイアスマグネット５との協働により磁界が生じる。カウンタマグネット２の回転に伴い磁界が変化すると、各ＭＲ素子の電気抵抗が変化する。各ＭＲ素子の電気抵抗の変化は、ブリッジ回路１２、１３のそれぞれの出力信号Ｓ１、Ｓ２の変化となって現れる。

図４に示すように、ブリッジ回路１２の出力信号Ｓ１とブリッジ回路１３の出力信号Ｓ２との位相差は４５°となる。図示しない制御系によりＡｒｃｔａｎ（Ｓ１／Ｓ２）を算出することで、カウンタマグネット２のＸ−Ｙ平面上での回転が検出される。

図５に示すように、圧力センサ１１は、４つのピエゾ抵抗素子１０によるブリッジ回路として規定される。バイアスマグネット５に対しカウンタマグネット２が離間しているときと接近しているときとで、マグネット同士の吸引及び反発の度合が異なるため、ダイヤフラム７に加わる圧力が変化する。ダイヤフラム７に加わる圧力に応じて各ピエゾ抵抗素子１０のそれぞれの電気抵抗が変化する。各ピエゾ抵抗素子１０の電気抵抗の変化は、ブリッジ回路の出力信号Ｓ３の変化となって現れる。上記制御系により出力信号Ｓ３を監視することで、カウンタマグネット２の接近或いは離間といったＺ軸方向の変位が検出される。

次に、３軸ポジションセンサ１の作用について説明する。
カウンタマグネット２がＸ−Ｙ平面上で回転されると、ＭＲセンサ９に作用する磁界が変化し、カウンタマグネット２の回転位置に応じた出力信号Ｓ１、Ｓ２が得られる。そして、Ａｒｃｔａｎ（Ｓ１／Ｓ２）が算出される。そして、Ａｒｃｔａｎ（Ｓ１／Ｓ２）の値とカウンタマグネット２の回転位置とが関連付けされたテーブルが参照され、上記算出された値に対応する回転位置が特定される。その結果、ＭＲセンサ９を媒体として、カウンタマグネット２のＸ−Ｙ平面上での回転が検出される。

カウンタマグネット２がＺ軸方向に沿って変位されると、Ｚ軸方向に沿ってダイヤフラム７が伸縮する。これにより、圧力センサ１１に作用する圧力が変化し、カウンタマグネット２の変位位置に応じた出力信号Ｓ３が得られる。そして、出力信号Ｓ３の値が閾値と比較され、出力信号Ｓ３の値が閾値を超えたとき、カウンタマグネット２が接近位置にあることが特定される一方、出力信号Ｓ３の値が閾値以下のとき、カウンタマグネット２が離間位置にあることが特定される。その結果、圧力センサ１１を媒体として、カウンタマグネット２のＺ軸方向の変位が検出される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）Ｘ−Ｙ平面に沿ってＭＲセンサ９が設けられた基板４に、Ｚ軸に沿って伸縮するダイヤフラム７が形成され、そのダイヤフラム７には、当該ダイヤフラム７の伸縮に応じた電気信号を出力する圧力センサ１１が設けられる。圧力センサ１１をＭＲセンサ９と同じＸ−Ｙ平面に沿って設けることが可能となる。これにより、共通の基板に２つのセンサを互いに垂直に実装することから解放される。したがって、２つのセンサ９、１１を比較的容易に実装することができる。

（２）圧力センサ１１を構成する４つのピエゾ抵抗素子１０は、それぞれがダイヤフラム７の縁７ａに対応して設けられる。つまり、ダイヤフラム７の伸縮に応じて電気抵抗が大きく変化する箇所に各ピエゾ抵抗素子１０が設けられる。したがって、検出精度を高めることができる。

（３）基板４の中央にダイヤフラム７を形成しつつ、ダイヤフラム７を規定する空洞部６に対応してＭＲセンサ９を設けるとともに、その周囲に各ピエゾ抵抗素子１０（圧力センサ１１）を配置することで、２つのセンサ９、１１が効率良く配置される。したがって、実装面積を縮小することができる。

尚、上記実施の形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・カウンタマグネット２のＺ軸方向の変位を検出するにあたり、接近／離間の二値を検出することに代えて、分解能を高めつつＺ軸方向に沿った離間距離を多値で検出してもよい。この場合、出力信号Ｓ３の値と離間距離とが関連付けされたテーブルが用意される。

次に、上記実施の形態及び別例から把握できる技術的思想について記載する。
（イ）３軸ポジションセンサにおいて、第２のセンサは、第１のセンサの周囲に配置されること。

（ロ）３軸ポジションセンサにおいて、第１のセンサは、ダイヤフラムを規定する空洞部に対応して設けられること。
（ハ）３軸ポジションセンサにおいて、第２のセンサは、ダイヤフラムの伸縮に応じて電気抵抗が変化する抵抗素子によるブリッジ回路として規定されること。

１…３軸ポジションセンサ、２…カウンタマグネット（運動部材）、３…台座、４…基板、５…バイアスマグネット、６…空洞部、７…ダイヤフラム、７ａ…縁、８…孔、９…ＭＲセンサ（第１のセンサ）、１０…ピエゾ抵抗素子、１１…圧力センサ（第２のセンサ）、１２…ブリッジ回路、１３…ブリッジ回路。

Claims (2)

1. 運動部材を検出対象として、互いに直交する３軸のうち２軸による平面上での回転を検出する第１のセンサと、残りの１軸に沿った変位を検出する第２のセンサとを備えた３軸ポジションセンサにおいて、
   前記２軸による平面に沿って前記第１のセンサが設けられた基板には、前記残りの１軸に沿って伸縮するダイヤフラムが形成され、そのダイヤフラムには、当該ダイヤフラムの伸縮に応じた電気信号を出力する前記第２のセンサが設けられる
   ことを特徴とする３軸ポジションセンサ。
2. 前記第２のセンサは、前記ダイヤフラムの縁に対応して設けられる
   請求項１に記載の３軸ポジションセンサ。