JP2023136569A - position sensor - Google Patents

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Masahiro Komatsu
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Abstract

To detect a position of a movable part with a resolution finer than before.SOLUTION: A position sensor includes: a bridge circuit 1 that is a sensor circuit including a magneto resistance effect element; a magnet 11 that linearly moves on a plane 9 crossing a sensor plane 6 on which a thin film resistor pattern of the magneto resistance effect element is formed; a sensor output detection unit 21 that detects output of the bridge circuit 1; an angle calculation unit 22 that calculates an angle of a magnetic field generated by the magnet 11 on the basis of the output of the bridge circuit 1; and a position calculation unit 23 that calculates coordinates of the magnet 11 on the basis of the angle of the magnetic field.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、直線移動する可動部の位置を検出する位置センサに関するものである。 The present invention relates to a position sensor that detects the position of a movable part that moves linearly.

従来より、非接触で高精度に位置検出する位置センサとしては、リニアエンコーダなどが一般的である(特許文献1参照)。リニアエンコーダには、磁気式と光学式がある。光学式のリニアエンコーダは、図15に示すようにスリットが形成されたスケール200と、位置情報を検出する検出器201とからなり、スケール200を透過または反射した光を検出器201で検出することにより、位置を検出する。磁気式のリニアエンコーダは、S極とN極が細かく交互に配列された磁気スケールが作り出す磁界分布の変化を磁気センサで検出することにより、位置を検出する。 BACKGROUND ART Conventionally, linear encoders and the like have been commonly used as position sensors that detect positions with high precision in a non-contact manner (see Patent Document 1). There are two types of linear encoders: magnetic and optical. The optical linear encoder consists of a scale 200 in which a slit is formed and a detector 201 that detects position information, as shown in FIG. 15, and the detector 201 detects light transmitted or reflected by the scale 200. Detects the position. A magnetic linear encoder detects a position by using a magnetic sensor to detect changes in the magnetic field distribution created by a magnetic scale in which S poles and N poles are arranged finely and alternately.

従来の技術では、磁気式、光学式のいずれのリニアエンコーダにおいてもスケールを用いるため、スケールの目盛の間隔よりも細かい分解能で位置を検出することができないという課題があった。 In the conventional technology, since a scale is used in both magnetic and optical linear encoders, there is a problem in that it is not possible to detect a position with a resolution finer than the interval between graduations of the scale.

特開2007-121277号公報Japanese Patent Application Publication No. 2007-121277

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来よりも細かい分解能で可動部の位置を検出可能な位置センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a position sensor that can detect the position of a movable part with finer resolution than conventional ones.

本発明の位置センサは、磁気抵抗効果素子を含むセンサ回路と、前記磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面と交差する平面上を直線移動するように構成された磁石と、前記センサ回路の出力を検出するように構成されたセンサ出力検出部と、前記センサ回路の出力に基づいて、前記磁石によって発生する磁界の角度を算出するように構成された角度算出部と、前記磁界の角度に基づいて前記磁石の座標を算出するように構成された位置算出部とを備えることを特徴とするものである。 The position sensor of the present invention includes a sensor circuit including a magnetoresistive element, a magnet configured to move linearly on a plane intersecting a sensor surface on which a thin film resistance pattern of the magnetoresistive element is formed, and the magnetoresistive element. a sensor output detection section configured to detect the output of the sensor circuit; an angle calculation section configured to calculate the angle of the magnetic field generated by the magnet based on the output of the sensor circuit; and the magnetic field. and a position calculation unit configured to calculate the coordinates of the magnet based on the angle.

また、本発明の位置センサの1構成例は、前記センサ回路の出力電圧がゼロとなる基準位置が、前記平面と前記センサ面との交線と一致し、前記磁石は、前記平面上を前記交線の方向に直線移動し、前記位置算出部は、前記磁界の角度に基づいて前記磁石の前記交線方向の座標を算出することを特徴とするものである。
また、本発明の位置センサの1構成例は、前記センサ回路の出力電圧がゼロとなる基準位置が、前記平面と前記センサ面との交線上になく、前記磁石は、前記平面上を前記交線の方向に直線移動し、前記位置算出部は、前記磁界の角度と、前記センサ面上での前記基準位置と前記交線との角度とに基づいて、前記磁石の前記交線方向の座標を算出することを特徴とするものである。
Further, in one configuration example of the position sensor of the present invention, a reference position at which the output voltage of the sensor circuit becomes zero coincides with an intersection line between the plane and the sensor surface, and the magnet moves on the plane. The magnet moves linearly in the direction of the intersection line, and the position calculation unit calculates the coordinates of the magnet in the direction of the intersection line based on the angle of the magnetic field.
Further, in one configuration example of the position sensor of the present invention, the reference position at which the output voltage of the sensor circuit becomes zero is not on the intersection line between the plane and the sensor surface, and the magnet moves on the plane at the intersection. The position calculation unit calculates the coordinates of the magnet in the direction of the line of intersection based on the angle of the magnetic field and the angle between the reference position on the sensor surface and the line of intersection. This method is characterized by calculating .

また、本発明の位置センサは、磁気抵抗効果素子を含むセンサ回路と、前記磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面と平行な平面上の軌道を直線移動するように構成された第1の磁石と、前記センサ回路を間に挟んで前記第1の磁石と相対するように前記平面上の固定の位置に配置された第2の磁石と、前記センサ回路の出力を検出するように構成されたセンサ出力検出部と、前記センサ回路の出力に基づいて、前記第1、第2の磁石によって発生する磁界の角度を算出するように構成された角度算出部と、前記磁界の角度に基づいて前記第1の磁石の座標を算出するように構成された位置算出部とを備えることを特徴とするものである。 Further, the position sensor of the present invention is configured to linearly move along a trajectory on a plane parallel to a sensor surface on which a sensor circuit including a magnetoresistive element and a thin film resistance pattern of the magnetoresistive element are formed. a first magnet; a second magnet disposed at a fixed position on the plane so as to face the first magnet with the sensor circuit therebetween; and a second magnet configured to detect the output of the sensor circuit. a sensor output detection section configured to, an angle calculation section configured to calculate an angle of a magnetic field generated by the first and second magnets based on the output of the sensor circuit, and an angle of the magnetic field. and a position calculation unit configured to calculate the coordinates of the first magnet based on the coordinates of the first magnet.

また、本発明の位置センサの1構成例において、前記第1の磁石は、前記センサ回路の出力電圧がゼロとなる基準位置の方向と交差する前記軌道の方向に直線移動し、前記位置算出部は、前記センサ回路から前記基準位置の方向と前記軌道との交点までの距離と、前記センサ回路から前記第2の磁石までの距離と、前記磁界の角度とに基づいて、前記第1の磁石の前記軌道上の座標を算出することを特徴とするものである。
また、本発明の位置センサの1構成例において、柱状体の前記第1、第2の磁石は、それぞれ径方向に相対するように両磁極が着磁され、軸回りの自由な回転が許容される状態で収容筒の内部に収容され、軸方向が前記第1の磁石の軌道の方向と直交するように配置されることを特徴とするものである。
また、本発明の位置センサの1構成例において、前記センサ回路は、4つの前記磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路であり、前記センサ出力検出部が検出する前記センサ回路の出力は、前記ブリッジ回路の中点電位差である。
Further, in one configuration example of the position sensor of the present invention, the first magnet moves linearly in the direction of the trajectory that intersects the direction of the reference position where the output voltage of the sensor circuit becomes zero, and the position calculation unit is based on the distance from the sensor circuit to the intersection of the direction of the reference position and the trajectory, the distance from the sensor circuit to the second magnet, and the angle of the magnetic field. The present invention is characterized in that coordinates on the orbit of are calculated.
Further, in one configuration example of the position sensor of the present invention, both magnetic poles of the first and second columnar magnets are magnetized so as to face each other in the radial direction, and free rotation around the axis is allowed. The first magnet is housed in a housing cylinder in a state in which the first magnet is placed in the housing cylinder, and is arranged such that the axial direction thereof is perpendicular to the direction of the orbit of the first magnet.
Further, in one configuration example of the position sensor of the present invention, the sensor circuit is a bridge circuit in which four of the magnetoresistive elements are connected, and the output of the sensor circuit detected by the sensor output detection section is It is the midpoint potential difference of the circuit.

本発明によれば、磁気抵抗効果素子を含むセンサ回路と、磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面と交差する平面上を直線移動する磁石と、センサ回路の出力を検出するセンサ出力検出部と、センサ回路の出力に基づいて、磁石によって発生する磁界の角度を算出する角度算出部と、磁界の角度に基づいて磁石の座標を算出する位置算出部とを設けることにより、従来よりも細かい分解能で可動部である磁石の位置を検出することができる。 According to the present invention, a sensor circuit including a magnetoresistive element, a magnet that moves linearly on a plane intersecting a sensor surface on which a thin film resistance pattern of the magnetoresistive element is formed, and a sensor that detects the output of the sensor circuit. By providing an output detection section, an angle calculation section that calculates the angle of the magnetic field generated by the magnet based on the output of the sensor circuit, and a position calculation section that calculates the coordinates of the magnet based on the angle of the magnetic field, The position of the magnet, which is a movable part, can be detected with a finer resolution.

また、本発明では、磁気抵抗効果素子を含むセンサ回路と、磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面と平行な平面上の軌道を直線移動する第1の磁石と、センサ回路を間に挟んで第1の磁石と相対するように平面上の固定の位置に配置された第2の磁石と、センサ回路の出力を検出するセンサ出力検出部と、センサ回路の出力に基づいて、第1、第2の磁石によって発生する磁界の角度を算出する角度算出部と、磁界の角度に基づいて第1の磁石の座標を算出する位置算出部とを設けることにより、従来よりも細かい分解能で可動部である第1の磁石の位置を検出することができる。 Further, in the present invention, a sensor circuit including a magnetoresistive element, a first magnet that linearly moves on a trajectory on a plane parallel to a sensor surface on which a thin film resistance pattern of the magnetoresistive element is formed, and a sensor circuit are provided. a second magnet disposed at a fixed position on a plane so as to face the first magnet; a sensor output detection section that detects the output of the sensor circuit; By providing an angle calculation section that calculates the angle of the magnetic field generated by the first and second magnets, and a position calculation section that calculates the coordinates of the first magnet based on the angle of the magnetic field, finer resolution than before can be achieved. The position of the first magnet, which is the movable part, can be detected.

図1は、従来の角度センサの構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a conventional angle sensor. 図2は、AMR素子で構成されたブリッジ回路の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a bridge circuit made up of AMR elements. 図3は、本発明で用いる角度センサの原理を説明する図である。FIG. 3 is a diagram explaining the principle of the angle sensor used in the present invention. 図4は、図3の角度センサにおける回転体の回転に伴う磁石の軌道を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the trajectory of the magnet as the rotating body rotates in the angle sensor shown in FIG. 図5は、図3の角度センサにおける回転体の回転に伴う磁石の軌道を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the trajectory of the magnet as the rotating body rotates in the angle sensor shown in FIG. 図6は、本発明の第1の実施例に係る位置センサの構成を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a position sensor according to the first embodiment of the present invention. 図7は、本発明の第1の実施例に係る磁石の軌跡をセンサ面上に投影した図である。FIG. 7 is a diagram in which the locus of the magnet according to the first embodiment of the present invention is projected onto the sensor surface. 図8は、本発明の第2の実施例に係る位置センサの構成を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the configuration of a position sensor according to a second embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第2の実施例に係る磁石の軌跡をセンサ面上に投影した図である。FIG. 9 is a diagram in which the locus of a magnet according to the second embodiment of the present invention is projected onto a sensor surface. 図10は、本発明の第2の実施例に係る位置センサの効果について説明する図である。FIG. 10 is a diagram illustrating the effect of the position sensor according to the second embodiment of the present invention. 図11は、本発明の第3の実施例に係る位置センサの構成を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the configuration of a position sensor according to a third embodiment of the present invention. 図12は、本発明の第3の実施例に係る第1の磁石の軌道をセンサ面上に投影した図である。FIG. 12 is a diagram in which the trajectory of the first magnet according to the third embodiment of the present invention is projected onto the sensor surface. 図13は、本発明の第3の実施例に係る第1、第2の磁石の断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view of the first and second magnets according to the third embodiment of the present invention. 図14は、本発明の第1~第3の実施例に係る位置センサを実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。FIG. 14 is a block diagram showing an example of the configuration of a computer that implements the position sensor according to the first to third embodiments of the present invention. 図15は、従来のリニアエンコーダの構成を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing the configuration of a conventional linear encoder.

[発明の原理]
本発明では、異方性磁気抵抗効果(AMR:Anisotropic Magneto Resistive effect)素子を利用した角度センサを用いて位置を検出する。AMR素子を利用した角度センサでは、磁界を発生する磁石の軌道が既知であれば、磁石が回転運動でなく直線運動する場合でも、磁石の位置を磁界の角度から測定可能である。
[Principle of the invention]
In the present invention, a position is detected using an angle sensor using an anisotropic magnetoresistive effect (AMR) element. In an angle sensor using an AMR element, as long as the orbit of the magnet that generates the magnetic field is known, the position of the magnet can be measured from the angle of the magnetic field even when the magnet moves not in rotation but in a linear motion.

AMR素子やホール素子などを用いた角度センサでは、一般的にはセンサ回路の外周で磁石を回転させることで磁界の角度を測定する。一方、本発明のように、センサ回路の外周ではなく、センサ回路の面を横切るように磁石を移動させると、磁界の角度を検出することで、従来よりも細かい分解能で精度良く位置を測定することが可能である。 An angle sensor using an AMR element, a Hall element, or the like generally measures the angle of a magnetic field by rotating a magnet around the outer periphery of a sensor circuit. On the other hand, as in the present invention, if the magnet is moved across the surface of the sensor circuit rather than the outer periphery of the sensor circuit, by detecting the angle of the magnetic field, the position can be measured with finer resolution and accuracy than before. Is possible.

[従来例]
まず、本発明の実施例について説明する前に、従来の角度センサについて詳細に説明する。図1は角度センサの構成を示す図である。角度センサは、回転体2に取り付けられた磁石3,4による磁界の回転角度を測定する。角度測定には、AMR素子を用いたセンサ回路であるブリッジ回路1が使用される。図1の5は磁石3,4による磁界の向きを示し、6はブリッジ回路1のセンサ面を示している。従来の角度センサでは、図1に示すようにセンサ面6と磁界の回転面とが平行となるように設置される。
[Conventional example]
First, before describing embodiments of the present invention, a conventional angle sensor will be described in detail. FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an angle sensor. The angle sensor measures the rotation angle of the magnetic field generated by the magnets 3 and 4 attached to the rotating body 2. A bridge circuit 1, which is a sensor circuit using an AMR element, is used for angle measurement. 1 indicates the direction of the magnetic field generated by the magnets 3 and 4, and 6 indicates the sensor surface of the bridge circuit 1. In FIG. A conventional angle sensor is installed so that the sensor surface 6 and the rotating surface of the magnetic field are parallel to each other, as shown in FIG.

磁界によって電気抵抗が変化するAMR素子で構成されたブリッジ回路1を図2に示す。ブリッジ回路1は、第1のAMR素子10-1と第2のAMR素子10-2とを直列に接続した第1の直列回路10-5と、第3のAMR素子10-3と第4のAMR素子10-4とを直列に接続した第2の直列回路10-6とを並列に接続したものである。 FIG. 2 shows a bridge circuit 1 composed of an AMR element whose electrical resistance changes depending on a magnetic field. The bridge circuit 1 includes a first series circuit 10-5 in which a first AMR element 10-1 and a second AMR element 10-2 are connected in series, a third AMR element 10-3, and a fourth AMR element 10-2. A second series circuit 10-6 in which an AMR element 10-4 is connected in series is connected in parallel.

図2の両向き矢印で示すように、向かい合うAMR素子10-1と10-4の感磁方向(抵抗値が最小になる磁界の方向)が同一であり、向かい合うAMR素子10-2と10-3の感磁方向が同一である。また、隣り合うAMR素子の感磁方向は直交する。 As shown by the double-headed arrow in FIG. 2, the magnetic sensing direction (the direction of the magnetic field where the resistance value is minimum) of the facing AMR elements 10-1 and 10-4 is the same, and the facing AMR elements 10-2 and 10- 3 have the same magnetic sensing direction. Further, the magnetic sensing directions of adjacent AMR elements are orthogonal to each other.

角度センサの磁石3,4による磁界の回転面と、4つのAMR素子10-1~10-4の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面6(AMR素子10-1~10-4の感磁方向と平行な面であり、図2の紙面と平行な面)とが平行な場合、図示しない電源からブリッジ回路1に一定の電流Iを流すと、中点電位差(第1の直列回路10-5の中点と第2の直列回路10-6の中点との電位差)V(θ)は、磁界の回転角度θによって式(1)のようになる。 The rotating surface of the magnetic field generated by the magnets 3 and 4 of the angle sensor, and the sensor surface 6 on which the thin film resistance patterns of the four AMR elements 10-1 to 10-4 are formed (the magnetic sensing direction of the AMR elements 10-1 to 10-4) When a constant current I is passed through the bridge circuit 1 from a power supply (not shown), the midpoint potential difference (the first series circuit 10-5 The potential difference (V(θ)) between the midpoint and the midpoint of the second series circuit 10-6 is expressed by equation (1) depending on the rotation angle θ of the magnetic field.

Figure 2023136569000002
Figure 2023136569000002

式(1)から中点電位差V(θ)は、振幅がV0で、磁界が1回転する間に2周期となる周期関数となる。磁界の回転角度θは、中点電位差V(θ)から式(2)のように求まる。 From equation (1), the midpoint potential difference V(θ) is a periodic function with an amplitude of V 0 and two periods during one rotation of the magnetic field. The rotation angle θ of the magnetic field is determined from the midpoint potential difference V(θ) as shown in equation (2).

Figure 2023136569000003
Figure 2023136569000003

半周期を超えると、中点電位差V(θ)に対し回転角度θが一意に決まらなくなるため、従来の角度センサの角度測定範囲は90度以内となる。 If the half period is exceeded, the rotation angle θ cannot be uniquely determined with respect to the midpoint potential difference V(θ), so the angle measurement range of the conventional angle sensor is within 90 degrees.

[I.磁界の回転面とセンサ面とが平行でない場合]
次に、本発明の第1、第2の実施例では、磁界を発生する磁石が、角度センサのセンサ面と角度αで交差する平面上の軌道を通る構成とするため、この構成を具体的に説明する前に、回転面がセンサ面と交差する場合の角度センサの動作について説明する。
[I. When the rotating surface of the magnetic field and the sensor surface are not parallel]
Next, in the first and second embodiments of the present invention, the magnet that generates the magnetic field is configured to pass along a trajectory on a plane that intersects the sensor surface of the angle sensor at an angle α. Before explaining, the operation of the angle sensor when the rotational surface intersects the sensor surface will be explained.

図3は本発明で用いる角度センサの原理を説明する図である。図3の構成では、磁界の回転面7がセンサ面6と交差するように、ブリッジ回路1と回転体2と磁石3,4とを配置する。磁石3,4は、回転体2に取り付けられ、回転体2の回転に伴って回転軸Aを中心として回転する。回転軸Aの延長線は、図2に示す菱形(正方形)のブリッジ回路1の中心を通る。 FIG. 3 is a diagram explaining the principle of the angle sensor used in the present invention. In the configuration of FIG. 3, the bridge circuit 1, the rotating body 2, and the magnets 3, 4 are arranged so that the rotating surface 7 of the magnetic field intersects the sensor surface 6. The magnets 3 and 4 are attached to the rotating body 2 and rotate about the rotation axis A as the rotating body 2 rotates. An extension of the rotation axis A passes through the center of the rhombic (square) bridge circuit 1 shown in FIG.

AMR素子10-1~10-4の出力は、磁気飽和状態では磁石3,4との距離によらず不変で、磁界の角度のみに依存する。したがって、図3のようにセンサ面6に対して磁界の回転面7が傾く場合、測定範囲中で磁石3,4が最もAMR素子10-1~10-4から離れる位置でもAMR素子10-1~10-4が磁気飽和状態となるだけの磁界強度を保っていれば、磁石3,4の回転軌道による距離の変化を考慮しなくて良い。 In a magnetically saturated state, the outputs of the AMR elements 10-1 to 10-4 remain unchanged regardless of the distance from the magnets 3 and 4, and depend only on the angle of the magnetic field. Therefore, when the rotating surface 7 of the magnetic field is tilted with respect to the sensor surface 6 as shown in FIG. ~10-4 maintains a magnetic field strength sufficient to reach a magnetic saturation state, there is no need to consider changes in distance due to the rotational orbits of the magnets 3 and 4.

回転体2の回転に伴って磁石3,4は、磁界の回転面7の面内において真円の軌道を描く。ここで、磁界の回転角度をφ、磁界の回転面7とセンサ面6とのなす角をα、センサ面6上での磁界の回転角度をθとすると、上述のとおり磁石3,4との距離を考慮する必要が無いため、磁石3,4の回転を真円ではなく楕円軌道として考えることができる。具体的には、磁石3,4の軌道は、磁石3,4の回転半径をRとすると、短径R、長径R/cosαとなる図4の楕円8の軌道として考えることができる。 As the rotating body 2 rotates, the magnets 3 and 4 draw perfect circular orbits in the plane of the rotating surface 7 of the magnetic field. Here, if the rotation angle of the magnetic field is φ, the angle between the rotation surface 7 of the magnetic field and the sensor surface 6 is α, and the rotation angle of the magnetic field on the sensor surface 6 is θ, then as described above, the angle between the magnets 3 and 4 is Since there is no need to consider distance, the rotation of the magnets 3 and 4 can be considered as an elliptical orbit rather than a perfect circle. Specifically, the orbits of the magnets 3 and 4 can be considered as the orbits of an ellipse 8 in FIG. 4, where the radius of rotation of the magnets 3 and 4 is R, and the minor axis is R and the major axis is R/cosα.

図4より、式(3)~式(6)が得られる。
cosφ=cosθ ・・・(3)
sinφ=sinθ/cosα ・・・(4)
tanφ=sinφ/cosφ=(sinθ/cosα)/cosθ
=tanθ/cosα ・・・(5)
φ=tan-1(tanθ/cosα) ・・・(6)
From FIG. 4, equations (3) to (6) are obtained.
cosφ=cosθ...(3)
sinφ=sinθ/cosα...(4)
tanφ=sinφ/cosφ=(sinθ/cosα)/cosθ
=tanθ/cosα...(5)
φ=tan -1 (tanθ/cosα) ...(6)

ここで、式(7)より、式(8)が得られる。 Here, equation (8) is obtained from equation (7).

Figure 2023136569000004
Figure 2023136569000004

Figure 2023136569000005
Figure 2023136569000005

また、sin2θ=V(θ)/V0なので、V(θ)/V0=vとおくと、式(9)が得られる。 Furthermore, since sin2θ=V(θ)/V 0 , by setting V(θ)/V 0 =v, equation (9) is obtained.

Figure 2023136569000006
Figure 2023136569000006

したがって、ブリッジ回路1の出力から磁界の回転角度φを求めることができる。ここで、-45°≦θ≦45°の90°の範囲に対応する磁界の回転角度φの範囲が、センサ面6に対する磁界の回転面7の傾斜角度αによってどのように変化するかを考える。このθの範囲で-1≦sin2θ≦1となり、磁界の回転角度φはθが45°のとき最大値φmaxをとり、θが-45°のとき最小値φminをとる。 Therefore, the rotation angle φ of the magnetic field can be determined from the output of the bridge circuit 1. Here, consider how the range of the rotation angle φ of the magnetic field corresponding to the 90° range of -45°≦θ≦45° changes depending on the inclination angle α of the rotating surface 7 of the magnetic field with respect to the sensor surface 6. . In this range of θ, -1≦sin2θ≦1, and the rotation angle φ of the magnetic field takes a maximum value φ max when θ is 45°, and a minimum value φ min when θ is −45°.

Figure 2023136569000007
Figure 2023136569000007

Figure 2023136569000008
Figure 2023136569000008

最大値φmaxと最小値φminとの差、すなわち測定可能な磁界の回転角度φの範囲Δφは式(12)のようになる。 The difference between the maximum value φ max and the minimum value φ min , that is, the range Δφ of the measurable rotation angle φ of the magnetic field, is expressed by equation (12).

Figure 2023136569000009
Figure 2023136569000009

傾斜角度α=0°のとき、φ=θのため、測定可能な磁界の回転角度φの範囲Δφ=90°である。一方、傾斜角度α=±90°のとき、回転角度φは、θの値によらないため、測定不可である。 When the inclination angle α=0°, since φ=θ, the measurable range of the rotation angle φ of the magnetic field is Δφ=90°. On the other hand, when the tilt angle α=±90°, the rotation angle φ does not depend on the value of θ and cannot be measured.

[II.磁界の回転面とセンサ面とが平行でなく、平面の交線上に基準位置が無い場合]
図4の例では、ブリッジ回路1の中点電位差V(θ)がゼロとなる方向(基準位置)が、磁界の回転面(図4の軌道8の面)とセンサ面6との交線(図4のL)と一致するようにブリッジ回路1と回転体2と磁石3,4とを配置していた。図2、図4では基準位置をθ0で示している。図2の例では、基準位置θ0は、AMR素子10-2,10-3の感磁方向と平行で、AMR素子10-1,10-4の感磁方向と直交する方向である。
[II. When the rotating surface of the magnetic field and the sensor surface are not parallel and there is no reference position on the intersection line of the planes]
In the example of FIG. 4, the direction (reference position) in which the midpoint potential difference V(θ) of the bridge circuit 1 is zero is the intersection line ( The bridge circuit 1, the rotating body 2, and the magnets 3 and 4 were arranged so as to correspond to L in FIG. 4. In FIGS. 2 and 4, the reference position is indicated by θ 0 . In the example of FIG. 2, the reference position θ 0 is parallel to the magnetic sensing direction of the AMR elements 10-2 and 10-3 and perpendicular to the magnetic sensing direction of the AMR elements 10-1 and 10-4.

これに対して、図5の例では、磁界の回転面(図5の軌道8の面)がセンサ面6と平行でなく、かつブリッジ回路1の基準位置θ0が磁界の回転面とセンサ面6との交線L上にない場合について説明する。ここでは図5に示すように、ブリッジ回路1の基準位置θ0が、センサ面6上で交線Lに対して角度βだけずれ、磁界の回転面上で交線Lに対して角度ψだけずれる場合を考える。 On the other hand, in the example of FIG. 5, the rotation surface of the magnetic field (the surface of the orbit 8 in FIG. 5) is not parallel to the sensor surface 6, and the reference position θ 0 of the bridge circuit 1 is between the rotation surface of the magnetic field and the sensor surface. 6 will be explained below. Here, as shown in FIG. 5, the reference position θ 0 of the bridge circuit 1 is shifted by an angle β with respect to the intersection line L on the sensor surface 6, and by an angle ψ with respect to the intersection line L on the rotating surface of the magnetic field. Consider the case where there is a deviation.

式(6)でφ→φ-ψ、θ→θ-βと置き替えると、式(13)が得られる。 By replacing φ→φ−ψ and θ→θ−β in equation (6), equation (13) is obtained.

Figure 2023136569000010
Figure 2023136569000010

また、角度ψとβの間にも、式(14)のような関係が成り立つ。 Furthermore, the relationship shown in equation (14) also holds between angles ψ and β.

Figure 2023136569000011
Figure 2023136569000011

式(13)に式(14)を代入すると、磁界の回転角度φは式(15)のようになる。 By substituting equation (14) into equation (13), the rotation angle φ of the magnetic field becomes as shown in equation (15).

Figure 2023136569000012
Figure 2023136569000012

式(15)の右辺を整理してvを使って表すと、式(16)のようになる。 When the right side of equation (15) is rearranged and expressed using v, it becomes equation (16).

Figure 2023136569000013
Figure 2023136569000013

-45°≦θ≦45°の範囲で測定可能な磁界の回転角度φの範囲Δφは、センサ面6に対する磁界の回転面の傾斜角度αと、磁界の回転面とセンサ面6との交線Lに対する、センサ面6上での基準位置θ0の角度βとによって変化する。
本発明では、図2~図5で説明した角度センサの動作原理を利用して磁石の位置を検出する。
The range Δφ of the rotation angle φ of the magnetic field that can be measured in the range of −45°≦θ≦45° is the inclination angle α of the rotational surface of the magnetic field with respect to the sensor surface 6, and the intersection line between the rotational surface of the magnetic field and the sensor surface 6. It changes depending on the angle β of the reference position θ 0 on the sensor surface 6 with respect to L.
In the present invention, the position of the magnet is detected using the operating principle of the angle sensor explained in FIGS. 2 to 5.

[第1の実施例]
図6は本発明の第1の実施例に係る位置センサの構成を示す図である。本実施例の位置センサは、ブリッジ回路1(センサ回路)と、AMR素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面6と交差する平面9上を直線移動する可動部である磁石11と、ブリッジ回路1に電流を供給する電源20と、ブリッジ回路1の出力を検出するセンサ出力検出部21と、ブリッジ回路1の出力に基づいて、磁石11によって発生する磁界の角度を算出する角度算出部22と、磁界の角度に基づいて磁石11の座標を算出する位置算出部23とから構成される。
[First example]
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a position sensor according to the first embodiment of the present invention. The position sensor of this embodiment includes a bridge circuit 1 (sensor circuit), a magnet 11 that is a movable part that moves linearly on a plane 9 that intersects a sensor surface 6 on which a thin film resistance pattern of an AMR element is formed, and a bridge circuit. 1, a sensor output detection unit 21 that detects the output of the bridge circuit 1, and an angle calculation unit 22 that calculates the angle of the magnetic field generated by the magnet 11 based on the output of the bridge circuit 1. , and a position calculation unit 23 that calculates the coordinates of the magnet 11 based on the angle of the magnetic field.

本実施例では、可動部である磁石11は、図6の軌道pで示すように、ブリッジ回路1のセンサ面6と角度αで交差する平面9上を直線的に移動する。平面9とセンサ面6との交線は、ブリッジ回路1の中心を通る。ただし、軌道pはブリッジ回路1の中心を通過しない。 In this embodiment, the magnet 11, which is a movable part, moves linearly on a plane 9 that intersects the sensor surface 6 of the bridge circuit 1 at an angle α, as shown by the trajectory p in FIG. The intersection line between the plane 9 and the sensor surface 6 passes through the center of the bridge circuit 1. However, the trajectory p does not pass through the center of the bridge circuit 1.

磁石11は、例えば図示しないリニアガイド機構のキャリッジに搭載され、キャリッジがリニアガイド機構のレールに沿って動くことで、平面9上を直線的に移動できるようになっている。なお、リニアガイド機構を用いる場合には、キャリッジとレールは、磁石11に吸着されない非磁性、かつ磁石11の磁力線を透過する透磁性の材料からなることが望ましい。 The magnet 11 is mounted, for example, on a carriage of a linear guide mechanism (not shown), and can move linearly on the plane 9 by moving the carriage along the rails of the linear guide mechanism. In addition, when using a linear guide mechanism, it is desirable that the carriage and the rail be made of a non-magnetic material that is not attracted to the magnet 11 and a magnetically permeable material that allows the lines of magnetic force of the magnet 11 to pass through.

平面9とセンサ面6との交線の方向をx、センサ面6上でのx方向と垂直な方向をy、センサ面6の法線方向をz、センサ面6上でのブリッジ回路1の基準位置の方向をθ0、センサ面6上での基準位置θ0からの磁界の角度をθとする。本実施例は、基準位置θ0とx方向が一致する例である。図7は、図6の磁石11の軌道pをセンサ面6上に投影した図である。 The direction of the intersection between the plane 9 and the sensor surface 6 is x, the direction perpendicular to the x direction on the sensor surface 6 is y, the normal direction of the sensor surface 6 is z, and the direction of the bridge circuit 1 on the sensor surface 6 is Let the direction of the reference position be θ 0 and the angle of the magnetic field from the reference position θ 0 on the sensor surface 6 be θ. This embodiment is an example in which the reference position θ 0 and the x direction coincide. FIG. 7 is a diagram in which the trajectory p of the magnet 11 in FIG. 6 is projected onto the sensor surface 6.

本実施例では、角度センサの出力であるブリッジ回路1の中点電位差V(θ)=V0・sin2θより、式(17)のようにvを定義する。
v=V(θ)/V0=sin2θ ・・・(17)
In this embodiment, v is defined as in equation (17) from the midpoint potential difference V(θ)=V 0 ·sin2θ of the bridge circuit 1, which is the output of the angle sensor.
v=V(θ)/V 0 =sin2θ...(17)

磁石11の座標をf(θ)=(x,y,z)とし、図6、図7に示したようにブリッジ回路1の中心から磁石11までの直線をセンサ面6上に投影した直線の長さをL(θ)とすると、磁石のx座標、y座標、z座標は、それぞれ式(18)~式(20)のようになる。
x=L(θ)・cos(θ) ・・・(18)
y=L(θ)・sin(θ) ・・・(19)
z=y・tanα=L(θ)・sin(θ)・tanα ・・・(20)
Let the coordinates of the magnet 11 be f(θ) = (x, y, z), and as shown in FIGS. 6 and 7, the straight line from the center of the bridge circuit 1 to the magnet 11 is projected onto the sensor surface 6. When the length is L(θ), the x-coordinate, y-coordinate, and z-coordinate of the magnet are as shown in equations (18) to (20), respectively.
x=L(θ)・cos(θ)...(18)
y=L(θ)・sin(θ)...(19)
z=y・tanα=L(θ)・sin(θ)・tanα...(20)

例えば磁石11がx方向に直線移動するように予め定められている場合、磁石11の位置は式(21)によって表すことができる。
y=c ・・・(21)
For example, if the magnet 11 is predetermined to move linearly in the x direction, the position of the magnet 11 can be expressed by equation (21).
y=c...(21)

式(21)のcは定数である。したがって、長さL(θ)は式(22)のように決まる。
L(θ)=c/sin(θ) ・・・(22)
c in equation (21) is a constant. Therefore, the length L(θ) is determined as shown in equation (22).
L(θ)=c/sin(θ)...(22)

式(17)~式(22)より、磁石11のx座標、z座標は、それぞれ式(23)、式(24)のように求めることができる。 From equations (17) to (22), the x-coordinate and z-coordinate of the magnet 11 can be determined as shown in equations (23) and (24), respectively.

Figure 2023136569000014
Figure 2023136569000014

z=c・tanα ・・・(24)
このときxの項にzが現れないので、zの変動はxの測定に影響しない。
z=c・tanα...(24)
At this time, since z does not appear in the x term, variations in z do not affect the measurement of x.

図6に示す本実施例の電源20は、ブリッジ回路1に一定の電流Iを供給する。センサ出力検出部21は、ブリッジ回路1の中点電位差V(θ)をセンサ出力として検出する。 The power supply 20 of this embodiment shown in FIG. 6 supplies a constant current I to the bridge circuit 1. The sensor output detection unit 21 detects the midpoint potential difference V(θ) of the bridge circuit 1 as a sensor output.

角度算出部22は、中点電位差V(θ)に基づいて、センサ面6上での磁界の角度θを算出する。この際、角度算出部22は、予め登録されている、中点電位差V(θ)と磁界の角度θとの関係を示す近似関数を用いて、中点電位差V(θ)から磁界の角度θを算出すればよい。 The angle calculation unit 22 calculates the angle θ of the magnetic field on the sensor surface 6 based on the midpoint potential difference V(θ). At this time, the angle calculation unit 22 calculates the angle θ of the magnetic field from the midpoint potential difference V(θ) using a preregistered approximation function that indicates the relationship between the midpoint potential difference V(θ) and the magnetic field angle θ. All you have to do is calculate.

位置算出部23は、磁界の角度θと既知の定数cとに基づいて、式(23)により磁石11のx座標を算出する。こうして、本実施例では、磁石11の位置を算出することができる。 The position calculation unit 23 calculates the x-coordinate of the magnet 11 using equation (23) based on the angle θ of the magnetic field and the known constant c. In this way, in this embodiment, the position of the magnet 11 can be calculated.

本実施例では、AMR素子10-1~10-4で構成されたブリッジ回路1を用いる角度センサの原理を利用して磁界の角度θを検出する。角度センサは、磁界の角度θを連続的に検出できるため、従来のリニアエンコーダーのような分解能の制約はない。したがって、本実施例では、従来よりも細かい分解能で磁石11の位置を検出することができる。 In this embodiment, the angle θ of the magnetic field is detected using the principle of an angle sensor using a bridge circuit 1 made up of AMR elements 10-1 to 10-4. Since the angle sensor can continuously detect the angle θ of the magnetic field, there is no restriction on resolution as with conventional linear encoders. Therefore, in this embodiment, the position of the magnet 11 can be detected with finer resolution than the conventional method.

[第2の実施例]
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図8は本発明の第2の実施例に係る位置センサの構成を示す図である。第1の実施例では、磁石11が通る平面9がセンサ面6と平行でなく、かつブリッジ回路1の中点電位差V(θ)がゼロとなる方向である基準位置θ0が、平面9とセンサ面6との交線と一致するように平面9を定めていた。
[Second example]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a diagram showing the configuration of a position sensor according to a second embodiment of the present invention. In the first embodiment, the plane 9 through which the magnet 11 passes is not parallel to the sensor surface 6, and the reference position θ 0 , which is the direction in which the midpoint potential difference V(θ) of the bridge circuit 1 is zero, is parallel to the plane 9. The plane 9 was determined to coincide with the line of intersection with the sensor surface 6.

これに対して、本実施例では、平面9がセンサ面6と平行でなく、かつブリッジ回路1の基準位置θ0が平面9とセンサ面6との交線上にない場合について説明する。第1の実施例と同様に、平面9とセンサ面6との交線はブリッジ回路1の中心を通る。 In contrast, in this embodiment, a case will be described in which the plane 9 is not parallel to the sensor surface 6 and the reference position θ 0 of the bridge circuit 1 is not on the intersection line between the plane 9 and the sensor surface 6. As in the first embodiment, the line of intersection between the plane 9 and the sensor surface 6 passes through the center of the bridge circuit 1.

平面9とセンサ面6との交線の方向をx、センサ面6上でのx方向と垂直な方向をy、センサ面6の法線方向をz、センサ面6上でのブリッジ回路1の基準位置の方向をθ0、センサ面6上での基準位置θ0からの磁界の角度をθ、センサ面6上での基準位置θ0と交線(x軸)との角度をβとする。図9は、図8の磁石11の軌道pをセンサ面6上に投影した図である。 The direction of the intersection between the plane 9 and the sensor surface 6 is x, the direction perpendicular to the x direction on the sensor surface 6 is y, the normal direction of the sensor surface 6 is z, and the direction of the bridge circuit 1 on the sensor surface 6 is The direction of the reference position is θ 0 , the angle of the magnetic field from the reference position θ 0 on the sensor surface 6 is θ, and the angle between the reference position θ 0 and the intersection line (x-axis) on the sensor surface 6 is β . FIG. 9 is a diagram in which the trajectory p of the magnet 11 in FIG. 8 is projected onto the sensor surface 6.

第1の実施例と同様に、磁石11の座標をf(θ)=(x,y,z)とし、図8、図9に示したようにブリッジ回路1の中心から磁石11までの直線をセンサ面6上に投影した直線の長さをL(θ)とすると、磁石のx座標、y座標、z座標はそれぞれ式(25)~式(27)のようになる。
x=L(θ)・cos(θ-β) ・・・(25)
y=L(θ)・sin(θ-β) ・・・(26)
z=y・tanα=L(θ)・sin(θ-β)・tanα ・・・(27)
As in the first embodiment, let the coordinates of the magnet 11 be f(θ) = (x, y, z), and draw a straight line from the center of the bridge circuit 1 to the magnet 11 as shown in FIGS. 8 and 9. When the length of the straight line projected onto the sensor surface 6 is L(θ), the x-coordinate, y-coordinate, and z-coordinate of the magnet are as shown in equations (25) to (27), respectively.
x=L(θ)・cos(θ-β)...(25)
y=L(θ)・sin(θ−β) (26)
z=y・tanα=L(θ)・sin(θ−β)・tanα...(27)

第1の実施例と同様に、磁石11がx方向に直線移動するように予め定められている場合、磁石11の位置は式(21)によって表すことができる。したがって、長さL(θ)は式(28)のように決まる。
L(θ)=c/sin(θ-β) ・・・(28)
Similar to the first embodiment, when the magnet 11 is predetermined to move linearly in the x direction, the position of the magnet 11 can be expressed by equation (21). Therefore, the length L(θ) is determined as shown in equation (28).
L(θ)=c/sin(θ-β)...(28)

式(17)、式(25)~式(28)より、磁石11のx座標、z座標は、それぞれ式(29)、式(24)のように求めることができる。 From Equations (17) and Equations (25) to (28), the x-coordinate and z-coordinate of the magnet 11 can be determined as shown in Equations (29) and Equations (24), respectively.

Figure 2023136569000015
Figure 2023136569000015

なお、式(29)はtanθを式(30)のように変形した。 Note that in equation (29), tanθ is transformed as in equation (30).

Figure 2023136569000016
Figure 2023136569000016

第1の実施例と同様に、zの変動はxの測定に影響しない。角度センサは1/100°以下の分解能での測定実績があるので、c=1mmとするとv=0の近傍では計算上10μm程度の分解能で磁石11のx座標を検出可能である。 Similar to the first example, variations in z do not affect the measurement of x. Since the angle sensor has a track record of measuring with a resolution of 1/100° or less, when c=1 mm, it is possible to detect the x-coordinate of the magnet 11 with a calculated resolution of about 10 μm in the vicinity of v=0.

c=0に近づける(磁石11の軌道がブリッジ回路1の中心に近い)ほど、磁石11の短距離の移動を精度良く検出することができる。vとx/cとの関係を図10に示す。図10によれば、x/c=0付近で傾きがなだらかになり、磁石11の小さな移動量に対して出力変化vが大きくなることが分かる。 The closer c is to 0 (the closer the orbit of the magnet 11 is to the center of the bridge circuit 1), the more accurately the movement of the magnet 11 over a short distance can be detected. FIG. 10 shows the relationship between v and x/c. According to FIG. 10, it can be seen that the slope becomes gentle near x/c=0, and the output change v becomes large for a small movement amount of the magnet 11.

電源20とセンサ出力検出部21と角度算出部22の動作は第1の実施例で説明したとおりである。
本実施例の位置算出部23aは、角度算出部22によって算出された磁界の角度θと既知の定数cと既知の角度βとに基づいて、式(29)により磁石11のx座標を算出する。
The operations of the power supply 20, sensor output detection section 21, and angle calculation section 22 are as described in the first embodiment.
The position calculation unit 23a of this embodiment calculates the x-coordinate of the magnet 11 using equation (29) based on the angle θ of the magnetic field calculated by the angle calculation unit 22, the known constant c, and the known angle β. .

[第3の実施例]
第1、第2の実施例では、磁石を1つだけ使用していた。磁界を整えるためには、磁石を2個使用することが望ましい。磁石を2個使用する場合、対になる2個の磁石がブリッジ回路の中心に対して対称になるように動かすことが困難になる。 そこで、本実施例では、可動部となる第1の磁石に対して、もう一方の第2の磁石の位置を固定する。第1、第2の磁石によって発生する磁界がブリッジ回路の中心を通ることが望ましいが、ブリッジ回路の中心部に磁石を配置することは難しいため、ブリッジ回路の外側に第2の磁石を配置する。
[Third example]
In the first and second embodiments, only one magnet was used. In order to arrange the magnetic field, it is desirable to use two magnets. When two magnets are used, it becomes difficult to move the two magnets in a pair symmetrically with respect to the center of the bridge circuit. Therefore, in this embodiment, the position of the other second magnet is fixed with respect to the first magnet serving as the movable part. It is desirable that the magnetic fields generated by the first and second magnets pass through the center of the bridge circuit, but it is difficult to place the magnets in the center of the bridge circuit, so the second magnet is placed outside the bridge circuit. .

図11は本実施例に係る位置センサの構成を示す図である。本実施例の位置センサは、ブリッジ回路1と、ブリッジ回路1のセンサ面6と平行な平面上の軌道を直線移動する可動部である第1の磁石11-1と、ブリッジ回路1を間に挟んで第1の磁石11-1と相対するように前記平面上の固定の位置に配置された第2の磁石11-2と、ブリッジ回路1に電流を供給する電源20と、ブリッジ回路1の出力を検出するセンサ出力検出部21bと、ブリッジ回路1の出力に基づいて、第1、第2の磁石11-1,11-2によって発生する磁界の角度を算出する角度算出部22bと、磁界の角度に基づいて第1の磁石11-1の座標を算出する位置算出部23bとから構成される。 FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the position sensor according to this embodiment. The position sensor of this embodiment has a bridge circuit 1, a first magnet 11-1 which is a movable part that moves linearly on a trajectory on a plane parallel to the sensor surface 6 of the bridge circuit 1, and a bridge circuit 1 between which a second magnet 11-2 placed at a fixed position on the plane so as to face the first magnet 11-1; a power source 20 for supplying current to the bridge circuit 1; A sensor output detection unit 21b that detects the output; an angle calculation unit 22b that calculates the angle of the magnetic field generated by the first and second magnets 11-1 and 11-2 based on the output of the bridge circuit 1; , and a position calculation unit 23b that calculates the coordinates of the first magnet 11-1 based on the angle of the first magnet 11-1.

図11の12は磁石11-1,11-2による磁界の向きを示している。本実施例では、磁石11-1,11-2が配置される平面とブリッジ回路1のセンサ面とは平行である。第1、第2の実施例と同様に、磁石11-1は、例えば図示しないリニアガイド機構のキャリッジに搭載され、キャリッジがリニアガイド機構のレールに沿って動くことで、ブリッジ回路1の基準位置θ0と直交する方向に直線的に移動する。本実施例では、この基準位置θ0と直交する方向をxとする。 12 in FIG. 11 indicates the direction of the magnetic field generated by the magnets 11-1 and 11-2. In this embodiment, the plane on which the magnets 11-1 and 11-2 are arranged and the sensor surface of the bridge circuit 1 are parallel. As in the first and second embodiments, the magnet 11-1 is mounted, for example, on a carriage of a linear guide mechanism (not shown), and as the carriage moves along the rails of the linear guide mechanism, the magnet 11-1 is moved to the reference position of the bridge circuit 1. Move linearly in the direction perpendicular to θ 0 . In this embodiment, the direction perpendicular to this reference position θ 0 is defined as x.

図12は、図11の磁石11-1の軌道pをセンサ面6上に投影した図である。図12に示すように、ブリッジ回路1の中心から、ブリッジ回路1の基準位置θ0と磁石11-1の軌道pとの交点までの距離をLA、ブリッジ回路1の中心から磁石11-2までの距離をLB、センサ面6上でのブリッジ回路1の基準位置θ0からの磁界の角度をω、ブリッジ回路1の中心と磁石11-1との角度をλとする。ブリッジ回路1の中点電位差V(ω)=V0・sin2ωより、式(31)のようにvを定義する。
v=V(ω)/V0=sin2ω ・・・(31)
FIG. 12 is a diagram in which the trajectory p of the magnet 11-1 in FIG. 11 is projected onto the sensor surface 6. As shown in FIG. 12, the distance from the center of the bridge circuit 1 to the intersection of the reference position θ 0 of the bridge circuit 1 and the orbit p of the magnet 11-1 is L A , and the distance from the center of the bridge circuit 1 to the intersection of the orbit p of the magnet 11-2 is L A Let L B be the distance to the sensor surface 6, ω be the angle of the magnetic field from the reference position θ 0 of the bridge circuit 1 on the sensor surface 6, and λ be the angle between the center of the bridge circuit 1 and the magnet 11-1. From the midpoint potential difference V(ω)=V 0 ·sin2ω of the bridge circuit 1, v is defined as in equation (31).
v=V(ω)/V 0 =sin2ω...(31)

距離LA,LBと角度λ,ωとの関係は、式(32)、式(33)のようになる。
A・tanλ=(LA+LB)・tanω ・・・(32)
The relationship between the distances L A and L B and the angles λ and ω is as shown in equations (32) and (33).
L A・tanλ=(L A +L B )・tanω (32)

Figure 2023136569000017
Figure 2023136569000017

よって、磁石11-1のx座標は、式(34)のようになる。 Therefore, the x-coordinate of the magnet 11-1 is as shown in equation (34).

Figure 2023136569000018
Figure 2023136569000018

本実施例の電源20は、ブリッジ回路1に一定の電流Iを供給する。センサ出力検出部21bは、ブリッジ回路1の中点電位差V(ω)をセンサ出力として検出する。 The power supply 20 of this embodiment supplies a constant current I to the bridge circuit 1. The sensor output detection unit 21b detects the midpoint potential difference V(ω) of the bridge circuit 1 as a sensor output.

角度算出部22bは、中点電位差V(ω)に基づいて、センサ面6上での磁界の角度ωを算出する。この際、角度算出部22bは、予め登録されている、中点電位差V(ω)と磁界の角度ωとの関係を示す近似関数を用いて、中点電位差V(ω)から磁界の角度ωを算出すればよい。 The angle calculation unit 22b calculates the angle ω of the magnetic field on the sensor surface 6 based on the midpoint potential difference V(ω). At this time, the angle calculation unit 22b calculates the angle ω of the magnetic field from the midpoint potential difference V(ω) using a preregistered approximation function that indicates the relationship between the midpoint potential difference V(ω) and the angle ω of the magnetic field. All you have to do is calculate.

位置算出部23bは、磁界の角度ωに基づいて式(31)によりvを算出し、算出したvと既知の距離LA,LBとに基づいて、式(34)により磁石11-1のx座標を算出する。 The position calculation unit 23b calculates v using equation (31) based on the angle ω of the magnetic field, and calculates the position of the magnet 11-1 using equation (34) based on the calculated v and the known distances L A and L B. Calculate the x coordinate.

磁石11-1と磁石11-2とは互いに引き合うことが必要であるが、磁石11-2の位置が固定されているのに対し、磁石11-1の位置が変わるため、磁石11-1と磁石11-2とが反発してしまうことが有り得る。そこで、磁石11-1の位置が変動した場合でも、磁石11-1と磁石11-2とが互いに引き合うように磁極の位置が自動的に変更されるようにする。 It is necessary for the magnets 11-1 and 11-2 to attract each other, but while the position of the magnet 11-2 is fixed, the position of the magnet 11-1 changes. There is a possibility that the magnet 11-2 will repel the magnet 11-2. Therefore, even if the position of the magnet 11-1 changes, the position of the magnetic poles is automatically changed so that the magnets 11-1 and 11-2 attract each other.

図13に磁石11-1,11-2の断面を示す。磁石11-1,11-2は、それぞれ円柱状に形成され、円柱の径方向に相対するようにN極とS極の2極が着磁されている。
収容筒13-1,13-2は、磁石11-1,11-2に吸着されない非磁性で、かつ磁石11-1,11-2の磁力線を透過する透磁性の材料(例えば、合成樹脂)からなり、両端が閉塞された円筒形に形成されている。このような収容筒13-1,13-2の円柱状の内部空間に、それぞれ磁石11-1,11-2が収容されている。
FIG. 13 shows a cross section of the magnets 11-1 and 11-2. Each of the magnets 11-1 and 11-2 is formed into a cylindrical shape, and two poles, an N pole and an S pole, are magnetized to face each other in the radial direction of the cylinder.
The housing cylinders 13-1 and 13-2 are made of a non-magnetic material that is not attracted to the magnets 11-1 and 11-2, and a magnetically permeable material that allows the lines of magnetic force of the magnets 11-1 and 11-2 to pass through (for example, synthetic resin). It is formed into a cylindrical shape with both ends closed. Magnets 11-1 and 11-2 are housed in the cylindrical internal spaces of the housing cylinders 13-1 and 13-2, respectively.

収容筒13-1,13-2の内径は、磁石11-1,11-2の外径よりも少し大きくなっている。また、収容筒13-1,13-2の内部空間の長さは、磁石11-1,11-2の長さよりも少し長くなっている。このような構造により、磁石11-1,11-2は、収容筒13-1,13-2の内部で、軸回りの自由な回転が許容される。収容筒13-1,13-2の内壁面は、磁石11-1,11-2との間で平滑性が発揮されるように表面処理がなされていてもよい。 The inner diameters of the housing cylinders 13-1 and 13-2 are slightly larger than the outer diameters of the magnets 11-1 and 11-2. Further, the length of the internal space of the housing tubes 13-1 and 13-2 is slightly longer than the length of the magnets 11-1 and 11-2. With such a structure, the magnets 11-1 and 11-2 are allowed to freely rotate around their axes inside the housing tubes 13-1 and 13-2. The inner wall surfaces of the housing cylinders 13-1 and 13-2 may be subjected to surface treatment so as to exhibit smoothness between them and the magnets 11-1 and 11-2.

以上のような磁石11-1,11-2と収容筒13-1,13-2を、磁石11-1,11-2の軸方向が磁石11-1の軌道pの方向と直交(基準位置θ0の方向と平行)するように配置する。 The magnets 11-1, 11-2 and the housing tubes 13-1, 13-2 are arranged so that the axial direction of the magnets 11-1, 11-2 is perpendicular to the direction of the orbit p of the magnet 11-1 (at the reference position). (parallel to the direction of θ 0 ).

磁石11-1が直線移動した際に、仮に磁石11-1,11-2が反発するようになってしまったとしても、磁石11-1,11-2がそれぞれ収容筒13-1,13-2の内部で軸回りに回転して、磁石11-1,11-2の異極が互いに吸着する。すなわち、磁石11-1,11-2の磁極の位置が自動的に変更される。したがって、磁石11-1の位置が変動したとしても、磁石11-1と磁石11-2とが反発するようなことがない。以上のような磁石11-1,11-2の構造は、特許第3822062号公報に開示されている。なお、磁石11-1,11-2は同形状である必要はない。 Even if the magnets 11-1 and 11-2 were to repel when the magnet 11-1 moved in a straight line, the magnets 11-1 and 11-2 would move in the housing tubes 13-1 and 13-, respectively. The different polarities of the magnets 11-1 and 11-2 attract each other. That is, the positions of the magnetic poles of the magnets 11-1 and 11-2 are automatically changed. Therefore, even if the position of the magnet 11-1 changes, the magnets 11-1 and 11-2 will not repel each other. The structure of the magnets 11-1 and 11-2 as described above is disclosed in Japanese Patent No. 3822062. Note that the magnets 11-1 and 11-2 do not need to have the same shape.

第1~第3の実施例で説明した角度算出部22,22bと位置算出部23,23a,23bとは、CPU(Central Processing Unit)、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図14に示す。コンピュータは、CPU300と、記憶装置301と、インタフェース装置(I/F)302とを備えている。I/F302には、センサ出力検出部21,21bのハードウェア等が接続される。CPU300は、記憶装置301に格納されたプログラムに従って第1~第3の実施例で説明した処理を実行する。 The angle calculation units 22, 22b and the position calculation units 23, 23a, 23b described in the first to third embodiments are composed of a computer equipped with a CPU (Central Processing Unit), a storage device, and an interface with the outside. This can be realized by a program that controls hardware resources. An example of the configuration of this computer is shown in FIG. The computer includes a CPU 300, a storage device 301, and an interface device (I/F) 302. The hardware of the sensor output detection units 21 and 21b, etc. are connected to the I/F 302. The CPU 300 executes the processes described in the first to third embodiments according to the program stored in the storage device 301.

本発明は、直線移動する可動部の位置を検出する技術に適用することができる。 INDUSTRIAL APPLICATION This invention can be applied to the technique of detecting the position of the movable part which moves linearly.

1…ブリッジ回路、10-1~10-4…AMR素子、11,11-1,11-2…磁石、13-1,13-2…収容筒、20…電源、21,21b…センサ出力検出部、22,22b…角度算出部、23,23a,23b…位置算出部。 1... Bridge circuit, 10-1 to 10-4... AMR element, 11, 11-1, 11-2... Magnet, 13-1, 13-2... Housing tube, 20... Power supply, 21, 21b... Sensor output detection 22, 22b... Angle calculation part, 23, 23a, 23b... Position calculation part.

Claims (7)

磁気抵抗効果素子を含むセンサ回路と、
前記磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面と交差する平面上を直線移動するように構成された磁石と、
前記センサ回路の出力を検出するように構成されたセンサ出力検出部と、
前記センサ回路の出力に基づいて、前記磁石によって発生する磁界の角度を算出するように構成された角度算出部と、
前記磁界の角度に基づいて前記磁石の座標を算出するように構成された位置算出部とを備えることを特徴とする位置センサ。
a sensor circuit including a magnetoresistive element;
a magnet configured to move linearly on a plane intersecting a sensor surface on which a thin film resistance pattern of the magnetoresistive element is formed;
a sensor output detection section configured to detect the output of the sensor circuit;
an angle calculation unit configured to calculate the angle of the magnetic field generated by the magnet based on the output of the sensor circuit;
A position sensor comprising: a position calculation unit configured to calculate coordinates of the magnet based on the angle of the magnetic field.
請求項1記載の位置センサにおいて、
前記センサ回路の出力電圧がゼロとなる基準位置が、前記平面と前記センサ面との交線と一致し、
前記磁石は、前記平面上を前記交線の方向に直線移動し、
前記位置算出部は、前記磁界の角度に基づいて前記磁石の前記交線方向の座標を算出することを特徴とする位置センサ。
The position sensor according to claim 1,
a reference position at which the output voltage of the sensor circuit is zero coincides with an intersection line between the plane and the sensor surface;
The magnet moves linearly on the plane in the direction of the intersection line,
The position sensor is characterized in that the position calculation unit calculates coordinates of the magnets in the intersecting direction based on the angle of the magnetic field.
請求項1記載の位置センサにおいて、
前記センサ回路の出力電圧がゼロとなる基準位置が、前記平面と前記センサ面との交線上になく、
前記磁石は、前記平面上を前記交線の方向に直線移動し、
前記位置算出部は、前記磁界の角度と、前記センサ面上での前記基準位置と前記交線との角度とに基づいて、前記磁石の前記交線方向の座標を算出することを特徴とする位置センサ。
The position sensor according to claim 1,
A reference position at which the output voltage of the sensor circuit becomes zero is not on an intersection line between the plane and the sensor surface,
The magnet moves linearly on the plane in the direction of the intersection line,
The position calculation unit calculates coordinates of the magnet in the intersection line direction based on the angle of the magnetic field and the angle between the reference position on the sensor surface and the intersection line. position sensor.
磁気抵抗効果素子を含むセンサ回路と、
前記磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面と平行な平面上の軌道を直線移動するように構成された第1の磁石と、
前記センサ回路を間に挟んで前記第1の磁石と相対するように前記平面上の固定の位置に配置された第2の磁石と、
前記センサ回路の出力を検出するように構成されたセンサ出力検出部と、
前記センサ回路の出力に基づいて、前記第1、第2の磁石によって発生する磁界の角度を算出するように構成された角度算出部と、
前記磁界の角度に基づいて前記第1の磁石の座標を算出するように構成された位置算出部とを備えることを特徴とする位置センサ。
a sensor circuit including a magnetoresistive element;
a first magnet configured to move linearly on a trajectory on a plane parallel to a sensor surface on which a thin film resistance pattern of the magnetoresistive element is formed;
a second magnet disposed at a fixed position on the plane so as to face the first magnet with the sensor circuit in between;
a sensor output detection section configured to detect the output of the sensor circuit;
an angle calculation unit configured to calculate the angle of the magnetic field generated by the first and second magnets based on the output of the sensor circuit;
and a position calculation unit configured to calculate coordinates of the first magnet based on the angle of the magnetic field.
請求項4記載の位置センサにおいて、
前記第1の磁石は、前記センサ回路の出力電圧がゼロとなる基準位置の方向と交差する前記軌道の方向に直線移動し、
前記位置算出部は、前記センサ回路から前記基準位置の方向と前記軌道との交点までの距離と、前記センサ回路から前記第2の磁石までの距離と、前記磁界の角度とに基づいて、前記第1の磁石の前記軌道上の座標を算出することを特徴とする位置センサ。
The position sensor according to claim 4,
The first magnet moves linearly in a direction of the trajectory that intersects with a direction of a reference position where the output voltage of the sensor circuit is zero,
The position calculating unit calculates the position based on the distance from the sensor circuit to the intersection of the direction of the reference position and the trajectory, the distance from the sensor circuit to the second magnet, and the angle of the magnetic field. A position sensor that calculates the coordinates of the first magnet on the orbit.
請求項4または5記載の位置センサにおいて、
柱状体の前記第1、第2の磁石は、それぞれ径方向に相対するように両磁極が着磁され、軸回りの自由な回転が許容される状態で収容筒の内部に収容され、軸方向が前記第1の磁石の軌道の方向と直交するように配置されることを特徴とする位置センサ。
The position sensor according to claim 4 or 5,
The first and second columnar magnets have both magnetic poles magnetized so as to face each other in the radial direction, and are housed inside the housing tube in a state where free rotation around the axis is allowed. is arranged so as to be perpendicular to the direction of the orbit of the first magnet.
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の位置センサにおいて、
前記センサ回路は、4つの前記磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路であり、
前記センサ出力検出部が検出する前記センサ回路の出力は、前記ブリッジ回路の中点電位差であることを特徴とする位置センサ。
The position sensor according to any one of claims 1 to 6,
The sensor circuit is a bridge circuit connecting the four magnetoresistive elements,
The position sensor, wherein the output of the sensor circuit detected by the sensor output detection section is a midpoint potential difference of the bridge circuit.
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