JP2004219321A - Position displacement sensor using semiconductor magnetoresistive element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体磁気抵抗素子を用いた位置変位センサ、特に交流印加による正弦/余弦変位検出型のセンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、位置変位を交流振幅の正弦/余弦変位として検出するセンサが開発され、それらのセンサは駆動原理から誘導型とインピーダンス型の二つに分けられる。いずれの型においても複数のインピーダンス素子又はコイルが直線状に配列された直線変位検出方式と、円周方向に配列された回転角度検出方式とがあり、誘導型においては、トランスの二次コイルによってこれらの配列が形成される(例えば、特許文献1、及び特許文献2参照)。
【0003】
【特許文献1】
実用新案登録第3036285号公報(図2参照)
【0004】
【特許文献2】
特開平10‐176925号公報(図1〜図3参照)
【0005】
一方、磁界の変動によるインピーダンス変化から物体の位置変位を検出する素子として、近年、半導体磁気抵抗素子を用いたもの(例えば、特許文献3参照)も存在するが、これらは磁界変動に伴う当該素子の直流抵抗の変化(直流電圧降下)を測定するに過ぎないものであり,本発明のように正弦波交流を加えて三角関数処理による精密測定を行おうとするものではない。
【0006】
【特許文献3】
特開2000‐292113号公報(要約参照)
【0007】
そこで、本発明の対象である交流振幅の正弦/余弦変位による位置変位センサの基礎的理解のため、その誘導型位置変位センサについて、まず直線方式の動作原理を図1により概観する。図1において、1はソレノイド型一次コイル、2はその内側に同軸配置された二次コイル列であり、ここでは同一規格の4個のコイルL1,L2,L3,L4が等間隔で配列されている。このコイル配列に対しては、コイル軸と同軸且つ軸方向動自在の関係で磁性体配列棒(可動磁性体)3が挿入される。磁性体配列棒3にはコイル配列間隔(隣接コイル中心間距離)の4倍を1ピッチとして、複数の円筒状強磁性体4が配列されている。磁性体配列棒3の棒軸は顕著な磁性を示さない金属又はプラスチック物質からなっている。
【0008】
二次コイルL1,L2,L3,L4は、図のごとく正弦波電圧ASinωtが印加された一次コイル1からの相互誘導作用により、正弦波電圧を誘起されるが、前述した磁性体配列棒3との関係位置に応じた磁束の変化によって二次回路の構成時、異なった振幅のコイル端間電圧を具現するものであり、図1における磁性体配列棒3の軸方向位置(L1−L3の位置:両コイルともL2を挟んで対向する端部のみが強磁性体4の端部に対応するか、僅かに被る程度の平衡位置。L2−L4の位置:L2が強磁性体4に対応し、L4が強磁性体4間の大空隙を介して配列棒3の棒軸に対応する位置)をx=0とし、且つ同棒の、例えば図の左方への移動を正方向とすれば、L1− L3差動出力は、誘起される正弦波Sinωtに、変動する係数すなわち振幅の変位aSinxを掛けた値
・ aSinxSinωt
となり、L2− L4差動出力は、誘起される正弦波Sinωtに、変動する係数すなわち振幅の変位aCosxを掛けた値
・ aCosxSinωt
となり、したがって、磁性体配列棒3の1ピッチ変位(実寸)を正弦又は余弦関数において、x(p)=2π[rad] (360度)として処理しうることが理解されるであろう。
【0009】
回転方式の動作原理は図2に示すとおりである。図2において二次コイル2’の各コイルL1,L2,L3,L4は、大直径一次コイル1’に内接する形で平行軸を有し、且つ環状・等間隔に配列されたものであり、いずれも同一の軸横断面内に位置した極端面を有する極鉄心5を有している。二次コイル2’の中心軸、したがって二次コイル配列の中心軸と同軸に配置されたシャフトスリーブには、二次コイルの極鉄心5を回転位置に応じて覆うための強磁性偏心板6が支持されている。
【0010】
コイルL1,L2,L3,L4は、一次コイル1’との相互誘導により、一次側に印加された正弦波電圧ASinωtに基づく正弦波電圧を誘起されるが、前述した強磁性偏心板6の被り具合に応じた磁束の変化によって、二次回路構成時、異なるコイル端間電圧を具現するようになっている。これらのコイル端間電圧は、配置関係が180度(逆位相)であるL1− L3の組,及びL2− L4の組において差動的に取出せば、倍化して検出できるということが明らかである。
【0011】
図2における強磁性偏心板6の角度位置(コイルL2の鉄心が偏心板6に完全に覆われ、コイルL4の鉄心が完全に露出し、コイルL1− L3の組が等しく半露出状態となっている位置)をθ=0とし、且つ図の時計回りの回転を正方向とすれば、二次コイルL1− L3差動出力が、誘起される正弦波Sinωtに、係数すなわち振幅の変位aSinθを掛けた値、すなわち
・ aSinθSinωt
となり、L2− L4差動出力が、誘起される正弦波Sinωtに、係数すなわち振幅の変位aCosθを掛けた値、すなわち
・ aCosθSinωt
となり、したがって、強磁性偏心板6の1回転は、θの360度変位に対応することが理解されるであろう。
【0012】
これらの関係を、角度及び直線変位について一括し、回路的に示したものが図3であり、同様の関係はL1〜L4を実質上自己インダクタンスのみからなるインピーダンス素子として,正弦波電圧ASinωtを直接加えた場合にも生ずることを示したのが図4の回路図である。本発明は、直接には後者のインピーダンス型において、交流振幅の正弦/余弦変位として位置変位を検出する新規のセンサ構造に関するものである。
【0013】
そこで、インピーダンス型においても、上記と同様にして得られるコイルL1〜L4の各端子電圧を、角度及び直線変位を一括した正弦係数の式をX、余弦係数の式をYとすれば次のように表すことができる。
・ X=aSin(θ,x)・Sinωt・・・・・・(1)
・ Y=aCos(θ,x)・Sinωt・・・・・・(2)
これらの式から、角度変位θ(直線変位xについても同様であるため、ここではθのみで説明する。)を求める演算回路としては、まず(1)式及び(2)式にそれぞれ、0から順次増加するデジタル位相値φの余弦関数Cosφ、及び正弦関数Sinφを乗じていき、
・ Sinφ・Cosθ−Cosφ・Sinθ=0・・(3)
の時点において、θ=φとしてθを特定する公知のR−D変換方式があるが、この方式ではφを追従カウントするときのクロック遅れが生じ,応答性が悪いという問題がある。
【0014】
本発明の実施例では(1)式におけるSinωtを回路上でCosωtに変換することによって、aSin(θ,x)・Cosωtを得、直接に三角関数の加法定理を適用する。すなわち
【0015】
この方式を位相差変換と呼び、図5に動作波形及び解析手順を示す。図5の分図(A)は印加電圧ASinωtと、Sinωtを搬送波とするθ変位に対応した(1)、(2)式の各右辺の電圧波形図、同(B)はASinωtのグラフと特定の位相(θ,x)を含む右辺の正弦波、この場合は、aSin(ωt−θ,x)のグラフとの時間関係を示す波形図であり、更に同(C)はこれらの波形図の根拠となる数式的推移を示したものである。なお、進み位相波aSin(ωt+θ,x)の場合、そのグラフは破線で示した遅れ位相波aSin(ωt−θ,x)のグラフと対称的に、実線で示したASinωtのグラフよりも(θ,x)だけ時間的に先行した正弦波として想起できるであろう。
【0016】
図5Bのグラフから明らかなとおり、θ又はxを求めるにはASinωtグラフのゼロクロス点から、aSin(ωt−θ,x)又はaSin(ωt+θ,x)グラフのゼロクロス点までの時間をカウントすればよいことが理解されるであろう。このカウントは進相、遅相いずれの位相で求めてもよいが、コイルL1〜L4等に温度変化によるインピーダンス変化が生じている場合,それによる位相変動誤差±dはωtに付随するため、ここでは詳述しないが上記の進相、遅相の両正弦波グラフの双方を用いて処理することにより、この±dを容易に消去することができる。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
さて、インピーダンス型において、位置変位を上記のように交流振幅の正弦/余弦変位として検出するセンサの場合、コイルL1〜L4で相当のインピーダンス値(Z)を得て、そのインピーダンスによる十分な交流電圧の降下(コイル端間電圧)を生ずるためにはZ=2πfL(Ω)を与える周波数fを高くするか、インダクタンスL(H)自体を大きくする必要がある。
【0018】
しかしながら、周波数fを高くすることに対しては回路の応答性による制約があり、逆に1周期内のクロック数(θ分解能)を大きくしたいという要請からは周波数fを低下すべきであるため、その調和点としてf=10kHz程度が採用され、それ以上はθ分解能を上げられないという問題がある。(この場合のθ分解能とは、交流の1周期を2πラジアンという尺度で見た場合の表現であり、直線型の場合にはx分解能に対応する。)、また相当のインダクタンスを得るには1コイル当たり約200〜800ターンを要するため、図6に示すとおり、直線型の場合のコイルペアL1− L3又はL2 − L4の間隔( 中心間隔)を約4.1mm以下にはできないという設計的理由による実寸分解能の制約がある。
【0019】
本発明は、位置変位を交流振幅の正弦/余弦変位として検出するインピーダンス型センサにおける上記のような問題点を克服して、高い分解能の位置変位センサを提供しようとするものである。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は交流電圧が印加される少なくとも一対のインピーダンス素子が所定の経路、特に直線経路上又は円周経路上において間隔を置いて配列され、可動磁性体が前記一対のインピーダンス素子の一方に対応する位置から他方に対応する位置まで前記所定の経路に沿って変位する間に、各素子のインピーダンスが前記可動磁性体との位置関係に応じて変化することにより、正弦波の半周期に対応する変化成分を含むようにした位置変位センサにおいて、前記インピーダンス素子としてフィールド磁極に近接した半導体磁気抵抗素子を用いたことを特徴とするものである。
【0021】
本発明の構成によれば、上記の通りインピーダンス素子として半導体磁気抵抗素子を用いたため、そのインピーダンス(抵抗値)は印加交流電圧の周波数とは無関係となり、十分な低周波数とすること、及び前述したコイルペアの間隔に対応する素子配列ピッチも十分に小さくすることができる。また、素子間隔がある程度大きくても、いわゆるθ分解能を十分に高めることにより、計測精度を上げ、高分解能を得ることができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
【0023】
一般に、MRと称される半導体磁気抵抗素子(以下「MR素子」と略称する)は温度特性が大きいため、従来の直流印加方式においても、図7に示すように一対のMR素子を直列接続し、温度特性が互いに相殺されるように差動出力を取出す構成としている。
【0024】
本発明において、インピーダンス素子として従来のコイルペア、例えば,L1− L3に代えて用いられるMR素子であるMR1、MR3は前述した通り計測動作上のインピーダンス変化が逆位相関係となり、図8に示すごとく、差動増幅器7等を用いて基本的に差動出力を取出す構成となっているため、両者の温度特性もまた当然に相殺されるようになっている。直線型センサ及び回転型センサの具体的な構成例は、それぞれ図9及び図10に示す通りである。
【0025】
【実施例】
図9Aは直線変位検出用センサ10の実施例を示す模式的な断面略図である。センサ本体にはNまたはS磁極を有するフィールド磁石12が配置され、例えば、4個のMR素子、MR1〜MR4が等間隔で磁極横断方向に間隔を置いて順次配列される。これらのMR配列に沿って磁性体配列棒13が配置され、その軸方向(MR配列)に移動可能として被計測体の直線変位を測定できるようになっている。
【0026】
磁性体配列棒13は強磁性体14と、反磁性体15とをMR1〜MR4の配列のほぼ全長(正確にはMR間ピッチの4倍)を1ピッチとして交互に配列したものであり、1個のMR素子(例えば、MR2)が強磁性体14の中央部に対応するときは、それと対をなす1個飛んだ位置のMR素子(例えば、MR4)が反磁性体15の中央部に対応するようになっている。なお、反磁性体15に代えて,図1に示した従来の誘導方式(直線型)における弱磁性体等の心棒のみにし、空隙を拡大する形で強磁性体14よりも顕著に磁気抵抗(リラクタンス)を大きくする形式としてもよい。
【0027】
図9Bに示すとおり、各R− MR回路に並列的に交流電圧E=ASinωtが印加されると、この場合の素子MR1,MR2,MR3,MR4は、前述した誘導方式においてコイルインダクタンスの変化を与えたと同様な、磁性体配列棒3との関係位置に応じた抵抗値変化を示すため、それらMR素子両端に現れる正弦波電圧の振幅がその抵抗値変化に応じて変化する。このような各MR素子間電圧は、MR1− MR3の組,及びMR2− MR4の組におけるセンサ出力として、演算増幅器OAにより差動的に取出されるものである。
【0028】
図9Aにおける磁性体配列棒13の軸方向位置(MR2− 強磁性体14対応、MR4− 反磁性体15対応位置)をx=0とし、且つ同棒の、例えば図の左方への移動を正方向とすれば、図9Bの回路では、MR1− MR3用演算増幅器OA(1− 3)の出力Xが、基本信号としての正弦波Sinωtに、変動する係数すなわち振幅の変位aSinxを掛けた値となり、MR2− MR4用演算増幅器OA(2− 4)の出力Yが、基本信号としての正弦波Sinωtに、変動する係数すなわち振幅の変位aCosxを掛けた値となるように構成されている。したがって、これらの正弦波では磁性体配列棒13の1ピッチ変位(実寸)をx(p)=2π[rad] (360度)として処理しうることが理解されるであろう。
【0029】
図10Aは回転変位検出用センサ10’の実施例を示す模式的な断面略図であり、円環状センサ本体(ヨーク)内において中心軸に向かって突出した4磁極(この場合、N極)が90度間隔で配置され、これらの磁極端面に、それぞれ素子MR1,MR2,MR3,MR4が装着され、各素子の突出端が更に中心軸を向くようになっている。センサ本体内には更に、素子MR1〜MR4よりも内側で中心軸の周りで回転するようにした強磁性体からなる偏心磁性体16が配置され、各N極から出た磁束は素子MR1〜MR4を通り,空隙から偏心磁性体16の周囲面に入り、同16のいずれかの部位から何らかの磁路17を経てセンサ本体のS極に戻るようになっている。
【0030】
図10Bに示すとおり、素子MR1〜MR4は、適当な抵抗を介して並列接続されて交流電源Eに接続されることにより、直線型の場合と同じく同相で印加され、偏心磁性体16周面との間隔に応じたインダクタンスの変化によって異なる両端間電圧を具現するようになっている。この場合も、各MR素子間電圧は、MR1− MR3の組,及びMR2− MR4の組におけるセンサ出力として、演算増幅器OAにより差動的に取出されるようになっている。
【0031】
図10Aにおける偏心磁性体16の角度位置(最下位偏心位置)をθ=0とし、且つ図の時計回りの回転を正方向とすれば、図10Bでは、MR1− MR3用演算増幅器OA(1− 3)の出力Xが、基本信号としての正弦波Sinωtに、係数すなわち振幅の変位aSinθを掛けた値となり、MR2− MR4用演算増幅器OA(2− 4)の出力Yが、基本信号としての正弦波Sinωtに、係数すなわち振幅の変位aCosθを掛けた値となるように差動回路を構成したことを示している。したがって、偏心磁性体16の1回転は、θの360度変位に対応することが理解されるであろう。
【0032】
かくして、基本信号の周波数を十分に低くし、且つ直線型においては測定ピッチを1mm程度としても、上記のような出力X及びYを正確に得ることができ、これらを前述した図5の過程に従ってX式のSinωtをCosωtに変換したX’式として、X’+Y=aSin(ωt±θ,x)を得るならば、例えば、1ピッチ(θ=360度、x=1mm)を216=65536分割し,角度の場合なら360/65536=0.0055[ 度] の分解能、1mmピッチの直線変位の場合なら1000/65536=0.015[ μm] という、所謂ナノレベルの分解能を得ることができる。
【0033】
【発明の効果】
以上述べたとおり、本発明は位置変位を交流振幅の正弦/余弦変位として検出するインピーダンス型センサにおけるインピーダンス素子として半導体磁気抵抗素子、いわゆるMR素子を用いたことにより、所謂ナノテクノロジーにも対応できる高分解能の位置変位センサを提供するものであることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の誘導方式による直線変位検出型センサの構造原理を模式的に示す斜視図である。
【図2】従来の誘導方式による回転変位検出型センサの構造原理を模式的に示す斜視図である。
【図3】図1及び図2の構造がそれぞれ対象とする角度及び直線変位検出の態様を、一括して回路的に示したものである。
【図4】図3の誘導方式におけるトランス構造に代えて、実質上自己インダクタンスL1〜L4のみからなるインピーダンス素子を用い,同様の関係が得られるようにしたセンサ回路図である。
【図5】直線変位検出型及び回転変位検出型センサの動作波形及び解析手順を示す図であり、(A)は印加電圧ASinωtと、Sinωtを搬送波とするθ変位を含む電圧波形図、(B)はASinωtのグラフと特定の位相(θ,x)を含む正弦波、aSin(ωt−θ,x)のグラフとの時間関係を示す波形図、(C)はこれらの波形図の根拠となる数式的推移を示した図である。
【図6】従来の直線型センサの場合におけるコイルペアL1− L3又はL2 − L4の間隔( 中心間隔)を約8.2mm以下にはできないことを示すためのコイル断面図である。という設計的理由による実寸分解能の制約がある。
【図7】従来の直流印加方式において、一対のMR素子を直列接続し温度特性が互いに相殺されるように差動出力を取出す構成とした回路図である。
【図8】本発明の直線型センサ及び回転型センサの部分要素として、差動増幅器等を用いて基本的に差動出力を取出すように構成した部分回路図である。
【図9】本発明のセンサに適用される好ましい直線変位検出センサの実施例を示す図であって、その構造の模式的な断面略図(A)、及び素子MR1− MR3の組,及びMR2− MR4の組の差動接続と演算増幅器より構成されるそれらの並列的な差動回路(B)を示したものである。
【図10】本発明のセンサに適用される好ましい回転変位検出センサの実施例を示す図であって、その構造の模式的な断面略図(A)、及び素子MR1− MR3の組,及びMR2− MR4の組の差動接続と演算増幅器より構成されるそれらの並列的な差動回路(B)を示したものである。
【符号の説明】
7 差動増幅器
10 直線変位検出用センサ
12 フィールド磁石
MR1〜MR4 半導体磁気抵抗素子
13 磁性体配列棒
14 強磁性体
15 反磁性体
16 偏心磁性体
17 磁路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a position displacement sensor using a semiconductor magnetoresistive element, and more particularly to a sine / cosine displacement detection type sensor by applying an alternating current.
[0002]
[Prior art]
In recent years, sensors that detect position displacement as sine / cosine displacement of AC amplitude have been developed, and these sensors are classified into two types, an inductive type and an impedance type, based on a driving principle. In either type, there are a linear displacement detection method in which a plurality of impedance elements or coils are linearly arranged, and a rotation angle detection method in which the impedance elements or coils are arranged in the circumferential direction.In the induction type, a secondary coil of a transformer is used. These arrays are formed (for example, see
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Utility Model Registration No. 3036285 (see FIG. 2)
[0004]
[Patent Document 2]
JP-A-10-176925 (refer to FIGS. 1 to 3)
[0005]
On the other hand, as an element for detecting a displacement of an object from an impedance change due to a change in a magnetic field, there has recently been used an element using a semiconductor magnetoresistive element (for example, see Patent Document 3). It is merely to measure the change in DC resistance (DC voltage drop), and is not intended to perform a precise measurement by trigonometric function processing by adding a sine wave AC as in the present invention.
[0006]
[Patent Document 3]
JP-A-2000-292113 (see abstract)
[0007]
Therefore, in order to provide a basic understanding of the position displacement sensor based on the sine / cosine displacement of the AC amplitude, which is the object of the present invention, first, the operation principle of the linear type displacement sensor will be outlined with reference to FIG. In FIG. 1,
[0008]
The secondary coils L1, L2, L3, and L4 induce a sine wave voltage by a mutual induction action from the
The L2-L4 differential output is a value obtained by multiplying the induced sine wave Sinωt by a fluctuating coefficient, that is, an amplitude displacement aCosx. ACosxSinωt
Therefore, it will be understood that one pitch displacement (actual size) of the
[0009]
The operation principle of the rotation method is as shown in FIG. In FIG. 2, each of the coils L1, L2, L3, and L4 of the secondary coil 2 'has a parallel axis in a form inscribed in the large-diameter primary coil 1', and is arranged at an annular interval. Both have pole cores 5 with extreme faces located in the same axial cross section. A ferromagnetic eccentric plate 6 for covering the pole core 5 of the secondary coil in accordance with the rotational position is provided on the shaft sleeve which is arranged coaxially with the central axis of the
[0010]
The coils L1, L2, L3, and L4 induce a sine wave voltage based on the sine wave voltage ASinωt applied to the primary side by mutual induction with the
[0011]
The angular position of the ferromagnetic eccentric plate 6 in FIG. 2 (the core of the coil L2 is completely covered by the eccentric plate 6, the core of the coil L4 is completely exposed, and the set of coils L1 to L3 is equally and semi-exposed. Is set to θ = 0 and the clockwise rotation in the figure is set to the positive direction, the secondary coil L1-L3 differential output multiplies the induced sine wave Sinωt by a coefficient, that is, an amplitude displacement aSinθ. Value, ie, aSinθSinωt
The L2-L4 differential output is a value obtained by multiplying the induced sine wave Sinωt by a coefficient, that is, a displacement of the amplitude aCosθ, ie, aCosθSinωt
Therefore, it will be understood that one rotation of the ferromagnetic eccentric plate 6 corresponds to a 360 degree displacement of θ.
[0012]
FIG. 3 is a circuit diagram showing these relationships collectively with respect to the angle and the linear displacement, and FIG. 3 shows a similar relationship. In the same relationship, L1 to L4 are impedance elements substantially consisting only of a self-inductance, and the sine wave voltage ASinωt is directly applied. FIG. 4 is a circuit diagram showing that this also occurs when added. The present invention relates to a novel sensor structure for directly detecting a positional displacement as a sine / cosine displacement of an AC amplitude in the latter impedance type.
[0013]
Therefore, also in the impedance type, if the terminal voltages of the coils L1 to L4 obtained in the same manner as above are represented by X as a sine coefficient equation and Y as a cosine coefficient equation, the angle and linear displacement are collectively expressed as follows. Can be expressed as
X = aSin (θ, x) · Sinωt (1)
Y = aCos (θ, x) Sinωt (2)
From these equations, as an arithmetic circuit for calculating the angular displacement θ (the same applies to the linear displacement x, the description will be made only with θ), first, the equations (1) and (2) are calculated from 0 to 0, respectively. By multiplying the cosine function Cosφ and the sine function Sinφ of the digital phase value φ that sequentially increases,
・ Sinφ ・ Cosθ-Cosφ ・ Sinθ = 0 ・ ・ (3)
At this point, there is a known RD conversion method that specifies θ by setting θ = φ, but this method has a problem that a clock delay occurs when φ is tracked and counted, resulting in poor response.
[0014]
In the embodiment of the present invention, by converting Sinωt in the equation (1) into Cosωt on the circuit, aSin (θ, x) · Cosωt is obtained, and the addition theorem of the trigonometric function is directly applied. Ie
[0015]
This method is called phase difference conversion, and FIG. 5 shows an operation waveform and an analysis procedure. 5A is a voltage waveform diagram on each right side of equations (1) and (2) corresponding to applied voltage ASinωt and θ displacement using Sinωt as a carrier, and FIG. 5B is a graph of ASinωt. Is a waveform diagram showing the time relationship with the sine wave on the right side including the phase (θ, x) of this example, in this case, the graph of aSin (ωt−θ, x), and FIG. It shows a mathematical transition that serves as a basis. In the case of the leading phase wave aSin (ωt + θ, x), the graph is symmetrical to the graph of the lagging phase wave aSin (ωt−θ, x) shown by the broken line, and is more (θ) than the graph of ASinωt shown by the solid line. , X) could be recalled as a sine wave temporally preceding.
[0016]
As is clear from the graph of FIG. 5B, to obtain θ or x, the time from the zero cross point of the ASin ωt graph to the zero cross point of the aSin (ωt−θ, x) or aSin (ωt + θ, x) graph may be counted. It will be appreciated. This count may be obtained in any of the leading phase and the lagging phase. However, if an impedance change occurs due to a temperature change in the coils L1 to L4 and the like, a phase variation error ± d due to the variation is accompanied by ωt. Although not described in detail, by performing processing using both of the above-described sine wave graphs of the leading phase and the lagging phase, ± d can be easily eliminated.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
Now, in the case of an impedance type sensor that detects a position displacement as a sine / cosine displacement of an AC amplitude as described above, a considerable impedance value (Z) is obtained by the coils L1 to L4, and a sufficient AC voltage due to the impedance is obtained. In order to cause the voltage drop (voltage between coil ends), it is necessary to increase the frequency f at which Z = 2πfL (Ω) or to increase the inductance L (H) itself.
[0018]
However, increasing the frequency f is limited by the responsiveness of the circuit, and conversely, the frequency f should be reduced in response to a request to increase the number of clocks in one cycle (θ resolution). As the harmony point, about f = 10 kHz is adopted, and beyond that, there is a problem that the θ resolution cannot be increased. (The θ resolution in this case is an expression when one cycle of AC is viewed on a scale of 2π radians, and corresponds to x resolution in the case of a linear type.) To obtain a considerable inductance, Since about 200 to 800 turns are required per coil, as shown in FIG. 6, the design is such that the interval (center interval) between the coil pairs L1 to L3 or L2 to L4 cannot be reduced to about 4.1 mm or less in the case of the linear type. There is a restriction on the actual size resolution.
[0019]
An object of the present invention is to provide a high-resolution position displacement sensor by overcoming the above-described problems in an impedance type sensor that detects a position displacement as a sine / cosine displacement of an AC amplitude.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides that at least a pair of impedance elements to which an AC voltage is applied are arranged at intervals on a predetermined path, particularly on a linear path or a circumferential path, and the movable magnetic body is provided with the pair of impedance elements. During the displacement along the predetermined path from the position corresponding to one of the impedance elements to the position corresponding to the other of the impedance elements, the impedance of each element changes according to the positional relationship with the movable magnetic body, so that the sine In a position displacement sensor including a change component corresponding to a half cycle of a wave, a semiconductor magnetoresistive element close to a field magnetic pole is used as the impedance element.
[0021]
According to the configuration of the present invention, since the semiconductor magnetoresistive element is used as the impedance element as described above, its impedance (resistance value) is independent of the frequency of the applied AC voltage, and is set to a sufficiently low frequency. The element arrangement pitch corresponding to the interval between the coil pairs can also be made sufficiently small. Further, even if the element spacing is large to some extent, by sufficiently increasing the so-called θ resolution, the measurement accuracy can be increased and a high resolution can be obtained.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0023]
In general, since a semiconductor magnetoresistive element called MR (hereinafter abbreviated as “MR element”) has a large temperature characteristic, even in a conventional DC application method, a pair of MR elements are connected in series as shown in FIG. , And a differential output is taken so that the temperature characteristics cancel each other.
[0024]
In the present invention, the conventional coil pairs as the impedance elements, for example, MR1 and MR3, which are MR elements used in place of L1-L3, have the impedance change in the measurement operation in the opposite phase relationship as described above, and as shown in FIG. Since the differential output is basically obtained by using the differential amplifier 7 and the like, the temperature characteristics of the two are naturally canceled. Specific configuration examples of the linear sensor and the rotary sensor are as shown in FIGS. 9 and 10, respectively.
[0025]
【Example】
FIG. 9A is a schematic sectional view showing an embodiment of the
[0026]
The magnetic
[0027]
As shown in FIG. 9B, when an AC voltage E = ASinωt is applied to each R-MR circuit in parallel, the elements MR1, MR2, MR3, and MR4 in this case give a change in coil inductance in the inductive method described above. In order to show a change in resistance according to the position relative to the magnetic
[0028]
9A, the axial position (position corresponding to the MR2-
[0029]
FIG. 10A is a schematic cross-sectional schematic view showing an embodiment of the rotational
[0030]
As shown in FIG. 10B, the elements MR1 to MR4 are connected in parallel via an appropriate resistor and connected to an AC power source E, so that the elements MR1 to MR4 are applied in the same phase as in the case of the linear type, and are connected to the peripheral surface of the eccentric
[0031]
If the angle position (lowest eccentric position) of the eccentric
[0032]
Thus, even if the frequency of the basic signal is sufficiently low and the measurement pitch is about 1 mm in the linear type, the outputs X and Y as described above can be accurately obtained. If X ′ + Y = aSin (ωt ± θ, x) is obtained as X ′ expression obtained by converting Sinωt of the X expression into Cosωt, for example, one pitch (θ = 360 degrees, x = 1 mm) is calculated as 2 16 = 65536. It is possible to obtain a so-called nano-level resolution of 360/65536 = 0.0055 [degree] in the case of an angle and 1000/65536 = 0.015 [μm] in the case of a 1 mm pitch linear displacement. .
[0033]
【The invention's effect】
As described above, the present invention uses a semiconductor magnetoresistive element, a so-called MR element, as an impedance element in an impedance type sensor for detecting a position displacement as a sine / cosine displacement of an AC amplitude, and thus can respond to a so-called nanotechnology. It is clear that it provides a position displacement sensor with high resolution.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure principle of a conventional linear displacement detection type sensor using an induction method.
FIG. 2 is a perspective view schematically showing the structural principle of a conventional rotational displacement detection type sensor using an induction method.
FIG. 3 is a circuit diagram collectively showing the angle and linear displacement detection modes targeted by the structures of FIGS. 1 and 2, respectively.
FIG. 4 is a sensor circuit diagram in which a similar relationship is obtained by using an impedance element having substantially only self-inductances L1 to L4 instead of the transformer structure in the inductive system of FIG.
5A and 5B are diagrams showing operation waveforms and analysis procedures of a linear displacement detection type sensor and a rotational displacement detection type sensor. FIG. 5A is a voltage waveform diagram including an applied voltage ASinωt and a θ displacement using Sinωt as a carrier wave, and FIG. ) Is a waveform diagram showing the time relationship between the graph of ASinωt and a sine wave including a specific phase (θ, x), and the graph of aSin (ωt−θ, x), and FIG. 2C is the basis for these waveform diagrams. It is a figure showing a mathematical transition.
FIG. 6 is a coil cross-sectional view showing that the distance (center distance) between coil pairs L1-L3 or L2-L4 cannot be reduced to about 8.2 mm or less in the case of a conventional linear sensor. There is a restriction on the actual size resolution due to design reasons.
FIG. 7 is a circuit diagram of a conventional DC application method, in which a pair of MR elements are connected in series and a differential output is taken out so that temperature characteristics are offset each other.
FIG. 8 is a partial circuit diagram configured to basically take out a differential output by using a differential amplifier or the like as a partial element of the linear sensor and the rotary sensor of the present invention.
FIG. 9 is a view showing an embodiment of a preferred linear displacement detection sensor applied to the sensor of the present invention, which is a schematic cross-sectional view (A) of the structure, a set of elements MR1-MR3, and MR2- It shows a differential connection (B) composed of a differential connection of MR4 sets and an operational amplifier.
FIG. 10 is a view showing an embodiment of a preferred rotational displacement detection sensor applied to the sensor of the present invention, which is a schematic cross-sectional schematic view (A) of the structure, a set of elements MR1-MR3, and MR2- This shows a differential connection (B) composed of a differential connection of MR4 sets and an operational amplifier.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 7
Claims (3)
Priority Applications (1)
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JP2003008579A JP2004219321A (en) | 2003-01-16 | 2003-01-16 | Position displacement sensor using semiconductor magnetoresistive element |
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JP2003008579A JP2004219321A (en) | 2003-01-16 | 2003-01-16 | Position displacement sensor using semiconductor magnetoresistive element |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008530541A (en) * | 2005-02-08 | 2008-08-07 | コンティネンタル オートモーティヴ フランス | Use of magneto-impedance in non-contact position sensors and related sensors |
US7511510B2 (en) | 2005-11-30 | 2009-03-31 | International Business Machines Corporation | Nanoscale fault isolation and measurement system |
-
2003
- 2003-01-16 JP JP2003008579A patent/JP2004219321A/en active Pending
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JP2008530541A (en) * | 2005-02-08 | 2008-08-07 | コンティネンタル オートモーティヴ フランス | Use of magneto-impedance in non-contact position sensors and related sensors |
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