JPH1038506A - 磁気センサ及び磁気センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 精度良い静止位置検出が可能な磁気センサ及
び磁気センサ装置を得る。 【解決手段】 磁気センサ１は、６個の磁気抵抗効果素
子２〜７と、これらの素子２〜７にバイアス磁場を印加
する磁石８と、素子２，６、３，７のそれぞれの一端に
接続されたグランド端子９及び電源端子１１と、素子３
と４の中継線に接続された出力端子１２と、素子５と６
の中継線に接続された出力端子１０と、前記各部品２〜
１２を収容して樹脂１６にて充填固定するためのケース
１５とで構成されている。素子２〜７は、素子２〜４を
１組、素子５〜７を１組とし、それぞれの組の３個の素
子２〜４、５〜７は、シリンダ１８の移動方向ａに所定
のピッチ寸法ｌ₁で配設されると共に、前記２組の素子
２〜７の配設位置がシリンダ１８の移動方向ａにずれて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気センサ、例え
ば、ロボットや建設機械のシリンダの静止位置制御装置
等に組み込まれ用いられる磁気センサ及び磁気センサ装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロボットや建設機械のシリンダの
静止位置制御装置に組み込まれている磁気センサとして
は、図５に示すものが知られている。この磁気センサ４
１は所定の間隔で並べた２個の磁気抵抗効果素子４２，
４３と、この磁気抵抗効果素子４２，４３にバイアス磁
場を印加する磁石４４と、磁気抵抗効果素子４２，４３
のそれぞれの一端に接続された電源端子４５及びグラン
ド端子４７と、磁気抵抗効果素子４２と４３の中継線に
接続された出力端子４６と、前記各部品４２〜４７を収
容して樹脂５１にて充填固定するためのケース５０とで
構成されている。

【０００３】磁気抵抗効果素子４２，４３は、磁石４４
に対向するように配置され、かつ直列に接続されてい
る。被検出体であるシリンダ５５は図中矢印ａ方向に移
動し、このシリンダ５５に設けたキー状の溝５６の位置
を、この磁気抵抗効果素子４２，４３にて検知する。

【０００４】図６は、この磁気センサ４１を備えた磁気
センサ装置の電気回路図である。６０は電源、６１はコ
ンパレータ、６２はコンパレータ６１の負荷抵抗であ
る。この回路において、磁気抵抗効果素子４２，４３の
抵抗値をそれぞれＲ₁₁，Ｒ₁₂、電源端子４５に入力され
る電源６０の電圧をＶｉとすると、出力端子４６の出力
電圧Ｖｏは以下の（１）式にて表示される。 Ｖｏ＝｛Ｒ₁₂／（Ｒ₁₁＋Ｒ₁₂）｝×Ｖｉ ……（１）

【０００５】シリンダ５５の溝５６が、磁気抵抗効果素
子４２，４３から離れた位置にあるときは、両素子４
２，４３にバイアスされる磁石４４の磁場は等しく集中
する。従って、両素子４２，４３の抵抗値はＲ₁₁＝Ｒ₁₂
＝Ｒ₀となり、前記（１）式より、出力電圧Ｖｏ₁は以下
の（２）式となる。 Ｖｏ₁＝［（１＋Ｋ）Ｒ₀／｛（１＋Ｋ）Ｒ₀＋（１＋Ｋ）Ｒ₀｝］×Ｖｉ ＝Ｖｉ／２ ……（２） （ただし、Ｋは感度）

【０００６】シリンダ５５が移動し、溝５６が磁気抵抗
効果素子４２，４３に近づくと、溝５６に対向した位置
の磁気抵抗効果素子４２（又は４３）の磁場集中がなく
なり、その素子４２（又は４３）の抵抗値は小さくな
る。溝５６が移動するに従って、溝５６に対向する素子
４２，４３は順次変わるので、出力端子４６の出力信号
Ｓ１１は、図７に示すように、一つの谷と一つの山の連
続した信号波形となる。出力信号Ｓ１１は、Ｖｉ／２よ
り高い電位にしきい値Ｓ１２を設定したコンパレータ６
１によって負理論の論理信号Ｓ１３に変換される。磁気
抵抗効果素子４２，４３が差動動作する谷と山の間に論
理の変換点を設け、この位置を静止位置（動作範囲の境
界）Ｐ１として使用していた。

【０００７】また、被検出体であるシリンダの静止位置
が動作範囲の中間位置にある場合には、別の磁気センサ
として、図８に示すものが知られている。この磁気セン
サ４１は、所定の間隔で並べた３個の磁気抵抗効果素子
７２，７３，７４と、この磁気抵抗効果素子７２〜７４
にバイアス磁場を印加する磁石７５と、磁気抵抗効果素
子７３，７４のそれぞれの一端に接続された電源端子７
６及びグランド端子７８と、磁気抵抗効果素子７２と７
３の中継線に接続された出力端子７７と、前記各部品７
２〜７８を収容して樹脂８１にて充填固定するためのケ
ース８０とで構成されている。

【０００８】磁気抵抗効果素子７２〜７４は、磁石７５
に対向するように配置され、かつ、素子７３，７２，７
４の順に直列に接続されている。被検出体であるシリン
ダ８５は図中矢印ａ方向に移動し、このシリンダ８５に
設けたキー状の溝８６の位置を、この磁気抵抗効果素子
７２〜７４にて検知する。

【０００９】図９は、この磁気センサ７１を備えた磁気
センサ装置の電気回路図である。９０は電源、９１はコ
ンパレータ、９２はコンパレータ９１の負荷抵抗であ
る。この回路において、磁気抵抗効果素子７２〜７４の
抵抗値をそれぞれＲ₁₃，Ｒ₁₄，Ｒ₁₅、電源端子７６に入
力される電源９０の電圧をＶｉとすると、出力端子７７
の出力電圧Ｖｏは以下の（３）式にて表示される。 Ｖｏ＝｛（Ｒ₁₃＋Ｒ₁₅）／（Ｒ₁₃＋Ｒ₁₄＋Ｒ₁₅）｝×Ｖｉ ……（３）

【００１０】シリンダ８５の溝８６が、磁気抵抗効果素
子７２〜７４から離れた位置にあるときは、素子７２〜
７４の抵抗値はＲ₁₃＝Ｒ₁₄＝Ｒ₁₅＝Ｒ₀となり、前記
（３）式より、出力電圧Ｖｏ₂は以下の（４）式とな
る。 Ｖｏ₂＝［｛（１＋Ｋ）Ｒ₀＋（１＋Ｋ）Ｒ₀｝／｛（１＋Ｋ）Ｒ₀＋（１＋ Ｋ）Ｒ₀＋（１＋Ｋ）Ｒ₀｝］×Ｖｉ＝２Ｖｉ／３ ……（４）

【００１１】シリンダ８５が移動し、溝８６が磁気抵抗
効果素子７２〜７４に近づくと、溝８６に対向した位置
の磁気抵抗効果素子７２（又は７３又は７４）の磁場集
中がなくなり、その素子７２（又は７３又は７４）の抵
抗値は小さくなる。溝８６が移動するに従って、溝８６
に対向する素子７２，７３，７４は順次変わるので、出
力端子７７の出力信号Ｓ１４は、図１０に示すように、
一つの山とこの山の両側の二つの谷の連続した信号波形
となる。出力信号Ｓ１４は、２Ｖｉ／３より高い電位に
しきい値Ｓ１５を設定したコンパレータ９１によって負
理論の論理信号Ｓ１６に変換される。磁気抵抗効果素子
７２〜７４の差動動作する谷と山と谷の間に論理の変換
点を設け、この負理論の範囲を静止位置範囲Ｐ２として
使用していた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
磁気センサ４１を備えた磁気センサ装置においては、静
止制御の際にシリンダ５５がスリップして静止位置Ｐ１
を大きく越えると、出力信号Ｓ１１は山を越えてしきい
値Ｓ１２を下まわり、正論理に変わってしまい、制御が
効かなくなるという問題があった。

【００１３】また、磁気センサ７１を備えた磁気センサ
装置においては、静止位置の精度を高めるため、負論理
の範囲、すなわち静止位置範囲Ｐ２を狭くする必要があ
る。ところが、静止位置範囲Ｐ２が狭いと、静止制御の
際にシリンダ８５がスリップして静止位置範囲Ｐ２を越
えるという問題がある。さらに、電源投入時にシリンダ
８５が静止位置から前後にずれ、位置が判別できないと
いう問題も生じる。

【００１４】従って、以上の磁気センサ４１，７１を用
いて、精度の高いシリンダの静止位置制御装置を構成す
るには、他にマイクロスイッチ等の補助手段を追加する
必要があり、多くのシリンダを使用する精密なロボット
を製作する際には製造コストがアップする。そこで、本
発明の目的は、精度良い静止位置検出が可能な磁気セン
サ及び磁気センサ装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段と作用】以上の目的を達成
するため、本発明に係る磁気センサ及び磁気センサ装置
は、３個の磁電変換素子を１組として２組を備え、それ
ぞれの組の３個の磁電変換素子が被検出体の移動方向に
所定のピッチで配設されると共に、前記２組の磁電変換
素子の配設位置が前記被検出体の移動方向にずれている
ことを特徴とする。ここに、磁電変換素子としては、磁
気抵抗効果素子やホール効果素子等がある。

【００１６】以上の構成により、静止制御の際にシリン
ダがスリップして静止位置を越えても、また、電源投入
時にシリンダが静止位置から前後にずれても、静止位置
の前後位置が検出され、静止位置への復帰が容易にな
る。さらに、それぞれの組の２個の磁電変換素子の長さ
を残りの１個の磁電変換素子の長さの１／２に設計した
り、磁電変換素子の配設ピッチ寸法ｌ₁を被検出体に設
けた溝の幅寸法ｌ₂と等しくなるように設計することに
より、静止位置検出精度がアップする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る磁気センサ及
び磁気センサ装置の一実施形態について添付図面を参照
して説明する。図１に示すように、磁気センサ１は、６
個の磁気抵抗効果素子２，３，４，５，６，７と、これ
らの磁気抵抗効果素子２〜７にバイアス磁場を印加する
磁石８と、磁気抵抗効果素子２，６、３，７のそれぞれ
の一端に接続されたグランド端子９及び電源端子１１
と、磁気抵抗効果素子３と４の中継線に接続された出力
端子１２と、磁気抵抗効果素子５と６の中継線に接続さ
れた出力端子１０と、前記各部品２〜１２を収容して樹
脂１６にて充填固定するためのケース１５とで構成され
ている。ケース１５は樹脂等の非磁性体で製作されてい
る。被検出体であるシリンダ１８は図中矢印ａ方向に移
動し、このシリンダ１８に設けたキー状の溝１９の位置
を磁気抵抗効果素子２〜７にて検知する。シリンダ１８
は磁性体（好ましくは強磁性体）からなる。

【００１８】磁気抵抗効果素子２〜７は、図２に示すよ
うに、素子２〜４を１組、素子５〜７を１組とし、それ
ぞれの組の３個の素子２〜４、５〜７は、シリンダ１８
の移動方向ａに所定のピッチ寸法ｌ₁で順に配設される
と共に、前記２組の素子２〜７の配設位置がシリンダ１
８の移動方向ａにずれている。本実施形態では、静止位
置検出精度をアップさせるために、ピッチ寸法ｌ₁をシ
リンダ１８の溝１９の幅寸法ｌ₂と等しくなるように設
計すると共に、素子２〜４の組と素子５〜７の組のずれ
量をピッチ寸法ｌ₁と等しい寸法に設計している。素子
２〜７は、その長手方向がシリンダ１８の移動方向ａに
対して直交するように配設されている。さらに、素子
３，６の長さを、ピッチ寸法ｌ₁より短く（ｌ₁の１／２
〜１／４）、かつ、他の素子１，２，４，５の長さの２
倍に設計している。磁気抵抗効果素子２〜７は、その長
さに比例して抵抗値が大きくなる性質を有している。

【００１９】素子２の一端は引出し電極２１に接続さ
れ、素子３と４の一端は引出し電極２２に接続され、素
子３の他端は引出し電極２３に接続されている。素子２
と素子４は直列に電気的に接続され、素子４と素子３も
引出し電極２２を介して直列に電気的に接続されてい
る。そして、引出し電極２１はグランド端子９に接続さ
れ、引出し電極２２は出力端子１２に接続され、引出し
電極２３は電源端子１１に接続されている。

【００２０】一方、素子５と６の一端は引出し電極２４
に接続され、素子６の他端は引出し電極２５に接続さ
れ、素子７の一端は引出し電極２６に接続されている。
素子５と素子７は直列に電気的に接続され、素子５と素
子６も引出し電極２４を介して直列に電気的に接続され
ている。そして、引出し電極２４は出力端子１０に接続
され、引出し電極２５はグランド端子９に接続され、引
出し電極２６は電源端子１１に接続されている。

【００２１】図３は、この磁気センサ１を備えた磁気セ
ンサ装置の電気回路図である。３０は電源、３１，３２
はコンパレータ、３３，３４はそれぞれコンパレータ３
１，３２の負荷抵抗、３５はＯＲ素子である。磁気セン
サ１の出力端子１２はコンパレータ３１の負入力に接続
され、出力端子１０はコンパレータ３２の正入力に接続
され、電源端子１１は電源３０に接続されている。

【００２２】この回路において、磁気抵抗効果素子２〜
７の抵抗値をそれぞれＲ₂，Ｒ₃，Ｒ ₄，Ｒ₅，Ｒ₆，Ｒ₇、
電源端子１１に入力される電源３０の電圧をＶｉとする
と、出力端子１２の出力電圧Ｖ（Ａ）及び出力端子１０
の出力電圧Ｖ（Ｂ）はそれぞれ以下の（５）式、（６）
式にて表示される。 Ｖ（Ａ）＝｛（Ｒ₂＋Ｒ₄）／（Ｒ₂＋Ｒ₃＋Ｒ₄）｝×Ｖｉ ……（５） Ｖ（Ｂ）＝｛Ｒ₆／（Ｒ₅＋Ｒ₆＋Ｒ₇）｝×Ｖｉ ……（６）

【００２３】シリンダ１８の溝１９が、磁気抵抗効果素
子２〜７から離れた位置にあるときは、各素子２〜７に
バイアスされる磁石８の磁場は等しく集中する。従っ
て、素子２，４，５，７の抵抗値はＲ₂＝Ｒ₄＝Ｒ₅＝Ｒ₇
＝Ｒ₀、素子３，６の抵抗値はＲ₃＝Ｒ₆＝２Ｒ₀となり、
前記（５），（６）式より、出力電圧Ｖ（Ａ）₁，Ｖ
（Ｂ）₁は以下の（７）式、（８）式となる。

【００２４】 Ｖ（Ａ）₁＝｛（１＋Ｋ）Ｒ₀＋（１＋Ｋ）Ｒ₀）／［（１＋Ｋ）Ｒ₀＋（１ ＋Ｋ）・２Ｒ₀＋（１＋Ｋ）Ｒ₀］｝×Ｖｉ＝Ｖｉ／２ ……（７） Ｖ（Ｂ）₁＝｛［（１＋Ｋ）・２Ｒ₀）］／［（１＋Ｋ）Ｒ₀＋（１＋Ｋ） ・２Ｒ₀＋（１＋Ｋ）Ｒ₀］｝×Ｖｉ＝Ｖｉ／２ ……（８）

【００２５】シリンダ１８が移動し、溝１９が磁気抵抗
効果素子２〜７に近づくと、溝１９に対向した位置の磁
気抵抗効果素子２〜７の磁場集中がなくなり、その素子
２〜７の抵抗値は小さくなる。溝１９が移動するに従っ
て、溝１９に対向する素子２〜７は順次変わるので、出
力端子１２の出力信号Ｓ１は、図４に示すように、一つ
の山とこの山の両側の二つの谷の連続した信号波形とな
る。素子３は、素子２，４の長さの２倍あり、抵抗及び
抵抗変化も２倍になるため、山の振幅は谷の振幅の約２
倍になる。出力信号Ｓ１は、Ｖｉ／２より高い電位にし
きい値Ｓ３を設定したコンパレータ３１のマイナス入力
端子に入力することにより、三つの素子２〜４が差動動
作する谷と山と谷の間に論理の変換点が設けられ、負論
理の論理信号Ｓ５に変換される。

【００２６】一方、出力端子１０の出力信号Ｓ２は、一
つの谷とこの谷の両側の二つの山の連続した信号波形と
なる。素子６は、素子５，７の長さの２倍あり、抵抗及
び抵抗変化も２倍になるため、谷の振幅は山の振幅の約
２倍となる。出力信号Ｓ２は、Ｖｉ／２より低い電位に
しきい値Ｓ４を設定したコンパレータ３２のプラス入力
端子に入力することにより、三つの素子５〜７が差動動
作する山と谷と山の間に論理の変換点が設けられ、負論
理の論理信号Ｓ６に変換される。

【００２７】この論理信号Ｓ５とＳ６は、素子２〜４の
組と素子５〜７の組の、シリンダ１８の移動方向ａに対
するずれ量を、ピッチ寸法ｌ₁と等しい寸法に設定して
いるので、ｌ₁分だけ位相がずれている。すなわち、素
子２〜４の組と素子５〜７の組のシリンダ１８の移動方
向ａに対するずれ量を、調整することで論理信号Ｓ５と
Ｓ６の位相差を調整することができる。この位相差を調
整することで後述の静止位置範囲Ｐ３の幅を狭くした
り、広くしたりして静止位置検出精度を緩くしたり厳し
くしたりする。論理信号Ｓ５とＳ６はＯＲ素子３５を介
して、ＯＲ論理信号Ｓ７とされ、このＯＲ論理信号Ｓ７
の負論理の範囲を静止位置範囲Ｐ３として使用する。

【００２８】以上の構成の磁気センサ装置において、電
源投入時にシリンダ１８が静止位置範囲Ｐ３からずれて
も、論理信号Ｓ５，Ｓ６とＯＲ論理信号Ｓ７とを比較
し、ＯＲ論理信号Ｓ７がＯＦＦで論理信号Ｓ５がＯＮで
あれば、シリンダ１８は静止位置範囲Ｐ３を越えてマイ
ナス側の位置にずれていると判定され、シリンダ１８を
進める制御動作を行なう。一方、ＯＲ論理信号Ｓ７がＯ
Ｎで論理信号Ｓ６がＯＮであれば、シリンダ１８は静止
位置範囲Ｐ３を越えてプラス側の位置にずれていると判
定され、シリンダ１８を戻す制御動作を行なう。

【００２９】以上のように、磁気センサ１を用いること
によって、静止制御の際にシリンダ１８がスリップして
静止位置範囲Ｐ３を越えても、また、電源投入時にシリ
ンダ１８が静止位置範囲Ｐ３からずれても、シリンダ１
８が静止位置範囲Ｐ３のプラス側にずれているかマイナ
ス側にずれているかを検出できるので、静止位置範囲Ｐ
３に戻す制御を容易に行なうことができる。

【００３０】なお、本発明に係る磁気センサ及び磁気セ
ンサ装置は前記実施形態に限定するものではなく、その
要旨の範囲内で種々に変更することができる。特に、磁
石や磁電変換素子は前記実施形態に限定されるものでは
なく、仕様に合わせて種々のものが用いられる。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、３個の磁電変換素子を１組として２組備え、そ
れぞれの組の３個の磁電変換素子を被検出体の移動方向
に所定のピッチで配置すると共に、前記２組の磁電変換
素子の配設位置を被検出体の移動方向にずらしたので、
静止制御の際に被検出体がスリップして静止位置を越え
ても、また、電源投入時に被検出体が静止位置からずれ
ても、被検出体が静止位置の前後いずれの側にずれてい
るかを検出することができ、静止位置に戻す制御を容易
に行なうことができる。

【００３２】この結果、精度良い静止位置検出が可能な
磁気センサ及び磁気センサ装置を得ることができ、より
精度の高いシリンダやロボットを容易に、かつ、安価に
製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁気センサの一実施形態を示す断
面図。

【図２】磁気抵抗効果素子の配設位置を示す平面図。

【図３】図１に示した磁気センサを備えた磁気センサ装
置の電気回路図。

【図４】図３に示した電気回路のタイミングチャート。

【図５】従来の磁気センサを示す断面図。

【図６】図５に示した磁気センサを備えた磁気センサ装
置の電気回路図。

【図７】図６に示した電気回路のタイミングチャート。

【図８】別の従来の磁気センサを示す断面図。

【図９】図８に示した磁気センサを備えた磁気センサ装
置の電気回路図。

【図１０】図９に示した電気回路のタイミングチャー
ト。

【符号の説明】

１…磁気センサ ２〜７…磁気抵抗効果素子 １８…シリンダ １９…溝 ３１，３２…コンパレータ ３５…ＯＲ素子 ａ…移動方向 ｌ₁…磁気抵抗効果素子の配設ピッチ寸法 ｌ₂…溝の幅寸法

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３個の磁電変換素子を１組として２組を
   備え、それぞれの組の３個の磁電変換素子が被検出体の
   移動方向に所定のピッチで配設されると共に、前記２組
   の磁電変換素子の配設位置が前記被検出体の移動方向に
   ずれていることを特徴とする磁気センサ。
2. 【請求項２】 それぞれの組の３個の磁電変換素子のう
   ち、２個の磁電変換素子の長さが残りの１個の磁電変換
   素子の長さの１／２であることを特徴とする請求項１記
   載の磁気センサ。
3. 【請求項３】 それぞれの組の３個の磁電変換素子の配
   設ピッチ寸法ｌ₁が、前記被検出体に設けた溝の幅寸法
   ｌ₂に等しいことを特徴とする請求項１記載の磁気セン
   サ。
4. 【請求項４】 請求項１に記載された磁気センサと、前
   記磁気センサの出力信号を波形成形する波形成形回路
   と、前記波形成形回路の出力信号から論理信号を得るた
   めの論理回路とを備えたことを特徴とする磁気センサ装
   置。