JPH02216009A - Angle-of-inclination sensor - Google Patents
Angle-of-inclination sensorInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野コ
本発明は、被測定物の傾斜角度を検出するための傾斜角
度センサに関し、さらに詳しくは、中空円筒形状の永久
磁石内に磁性球体と磁気抵抗素子とを配設し、該磁気抵
抗素子に対する該磁性球体の相対的な回転角度の変化を
電気信号として連続的に出力することにより、被測定物
の傾斜角度を検出するための傾斜角度センサに関する。Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to an inclination angle sensor for detecting the inclination angle of an object to be measured. An inclination angle sensor for detecting an inclination angle of an object to be measured by disposing a resistance element and continuously outputting changes in the relative rotation angle of the magnetic sphere with respect to the magnetoresistive element as an electric signal. Regarding.
［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］従来、
被測定物の傾斜角度を測定するためのセンサとしては、
■磁性流体と磁石とを組み合わせる方式、■磁石とコイ
ルと振り子とを組み合わせる方式、■非磁性体製（例え
ば陶磁器製）の円筒容器中に装填された球状磁石と、そ
の容器の外周の適所に固定した複数の磁気センサとを組
み合わせる方式、■非磁性体製（例えば陶磁器製）の円
筒容器（又は受は皿）中に装填された磁性球体と、該容
器における鉛直方向の外周面に固定した板状又は棒状の
永久磁石およびその延長線上に配置した磁気抵抗素子と
を組み合わせて、容器が傾斜したときの磁性球体の離反
により、磁石から磁気抵抗素子に作用している磁界強度
に影響を与え、その変化を電気的に検出する方式、等が
知られている。[Prior art and problems to be solved by the invention] Conventionally,
As a sensor for measuring the inclination angle of the object to be measured,
■A method that combines a magnetic fluid and a magnet, ■A method that combines a magnet, a coil, and a pendulum, ■A method that uses a spherical magnet loaded in a cylindrical container made of non-magnetic material (for example, ceramics) and a spherical magnet placed at a suitable location on the outer periphery of the container. A method of combining multiple fixed magnetic sensors, ■ A magnetic sphere loaded in a cylindrical container (or tray) made of non-magnetic material (for example, ceramic), and a magnetic sphere fixed to the vertical outer circumferential surface of the container. By combining a plate-shaped or rod-shaped permanent magnet and a magnetoresistive element placed on its extension, the separation of the magnetic spheres when the container is tilted affects the strength of the magnetic field acting on the magnetoresistive element from the magnet. , a method of electrically detecting the change, and the like are known.
しかるに、上記■のものにあっては、磁性流体の粘度が
変わると、応答速度も変化する。これは磁性流体の粘度
が温度により変化する特性を有するからであり、従って
センサが正確に作動可能な使用温度の範囲が狭いという
問題がある。However, in the case of item (2) above, when the viscosity of the magnetic fluid changes, the response speed also changes. This is because the viscosity of the magnetic fluid has the characteristic of changing with temperature, and therefore there is a problem that the operating temperature range in which the sensor can operate accurately is narrow.
上記■のものにあっては、振り子を使用するため、配設
する素子の数に応じたＯＮ・ＯＦＦが可能であるが、連
続的な電気出力は出来ないこと、また振り子の支点とな
る軸受は機構を設ける必要がある等構造が複雑となりコ
ストが高くなる。更に、他の方式のものに比べ振動等の
機械的外力に対して強度上の問題がある。In the case of item (■) above, since a pendulum is used, it is possible to turn on and off according to the number of installed elements, but it is not possible to output electricity continuously, and the bearing that serves as the fulcrum of the pendulum The structure becomes complicated, such as the need to provide a mechanism, and the cost increases. Furthermore, compared to other systems, there is a problem in terms of strength against external mechanical forces such as vibrations.
上記■のものにあってはく複数の磁気センサを必要とす
るため、連続的な電気出力を得ることができないこと、
また構造が複雑でかつコスト高となる問題がある。Unlike the above item (■), it requires multiple magnetic sensors, so continuous electrical output cannot be obtained.
Further, there is a problem that the structure is complicated and the cost is high.
更に、上記■のものにあっては、検出可能な範囲が容器
の最下点を中心とした。極めて局部的な部分でのＯＮ・
ＯＦＦに限られてしまうこと、また磁性球体９変化に対
応する連続的な出力信号が得られないという問題がある
。Furthermore, in the case of item ① above, the detectable range was centered around the lowest point of the container. ON in extremely localized areas
There are problems in that it is limited to OFF and that a continuous output signal corresponding to changes in the magnetic sphere 9 cannot be obtained.
そこで本発明の１的は、上記した問題点を解消し、１個
の磁気抵抗素子を用いて被測定物の傾斜角度を無制限な
角度でかつ連間的な電圧変化として測定することのでき
る傾斜角度センサを提供することにある。Therefore, one object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to make it possible to measure the inclination angle of the object to be measured at an unlimited angle and as a continuous voltage change using a single magnetoresistive element. An object of the present invention is to provide an angle sensor.
本発明の他の目的は、周辺温度の変化に影響されること
なく正確に作動し、かつ簡単な構造により安価に製造で
き、大量生産に適した傾斜角度センサを提供することを
目的とする。Another object of the present invention is to provide a tilt angle sensor that operates accurately without being affected by changes in ambient temperature, has a simple structure, can be manufactured at low cost, and is suitable for mass production.
［課題を解決するための手段］
本発明の傾斜角度センサは、「内側層と外側層との２極
に分極して着磁された円筒形に形成され、該円筒内で同
一の磁界が、円筒軸心で反発し合ってバランスするよう
に形成された磁石と、磁気抵抗パターン面の略中心部を
該磁石の円筒軸心が直交する位置となるように、該筒内
に配設された磁気抵抗素子と、該磁気抵抗素子を中心と
してその周囲を公転するように上記円筒の内周面に沿っ
て正逆転動自由に装填された磁性球体と、からなり上記
磁気抵抗素子と磁性球体との相対的な回転角度の変化を
連続的な電気信号として出力することにより、被測定物
の傾斜角度を検出可能に設けてなるＪことを特徴とする
。[Means for Solving the Problems] The inclination angle sensor of the present invention is formed into a cylindrical shape that is polarized and magnetized into two poles, an inner layer and an outer layer, and the same magnetic field is applied within the cylinder. A magnet formed to repel and balance each other at the cylindrical axis, and a magnet arranged in the cylinder so that the cylindrical axis of the magnet is perpendicular to the approximate center of the magnetic resistance pattern surface. The magnetoresistive element and the magnetic sphere are comprised of a magnetoresistive element and a magnetic sphere which is loaded so as to freely move forward and backward along the inner peripheral surface of the cylinder so as to revolve around the magnetoresistive element. The device is characterized in that the angle of inclination of the object to be measured can be detected by outputting changes in the relative rotation angle of the object as a continuous electrical signal.
（作用）
同一磁極で内周面を形成した円筒磁石の内空においては
、常態において、磁力線は円筒軸心を中心として互いに
放射状に反発し合って、その略軸心においてバランスす
るため、該略軸心部に、所定の磁界作用を電気信号とし
て検出する磁気抵抗素子を配設しても全方向の磁界がバ
ランスして打ぢ消し合い、出力信号を得ることはできな
い。(Function) In the inner space of a cylindrical magnet whose inner peripheral surface is formed by the same magnetic poles, the lines of magnetic force normally repel each other radially around the cylindrical axis, and are balanced approximately at the axial center. Even if a magnetoresistive element that detects a predetermined magnetic field action as an electric signal is provided at the shaft center, the magnetic fields in all directions are balanced and cancel each other out, making it impossible to obtain an output signal.
しかるに、上記した構成に係る本発明の傾斜角度センサ
は、内側周面が同一１ｉｆ’？極で覆われた円筒磁石と
その略軸心部に配設された磁気抵抗素子との間に磁性球
体が転動自在に挿填されている。However, in the inclination angle sensor of the present invention having the above-described configuration, the inner peripheral surface is the same 1if'? A magnetic sphere is rotatably inserted between a cylindrical magnet covered with poles and a magnetoresistive element disposed approximately at its axial center.
従って、該円筒磁石と磁性球体とが直接又は間接に接触
して磁気的に結合した部分は磁性球体が周囲より突出し
た磁路を形成するので、磁力線が通り易くなる。その結
果、該磁力線は磁気抵抗素子の中心を貫通し、それに反
発対向する磁力線に対して該磁気抵抗素子の中心部を外
れた位置でバランスすることになる。すなわち、円筒磁
石内空における上記した対抗磁束相互のバランス状態は
、磁気抵抗素子の中心と磁性球体とを結んだ方向だけが
他の方向と異なるものとなる。Therefore, in the portion where the cylindrical magnet and the magnetic sphere are in direct or indirect contact and magnetically coupled, the magnetic sphere forms a magnetic path that protrudes from the surroundings, making it easier for lines of magnetic force to pass through. As a result, the magnetic field lines pass through the center of the magnetoresistive element and are balanced at a position away from the center of the magnetoresistive element with respect to the repelling and opposing magnetic field lines. That is, the balance state of the above-mentioned opposing magnetic fluxes in the space inside the cylindrical magnet differs only in the direction connecting the center of the magnetoresistive element and the magnetic sphere from other directions.
而して、磁性球体が被検出面の傾斜に伴い磁気抵抗素子
周囲を転動することにより、磁性球体を通過する磁力線
（貫通磁界）と磁気抵抗素子との相対的な回転角度が変
化する。本発明の傾斜角度センサによれば、この回転角
度の変化を磁気抵抗素子からの連続的な電気信号として
出力し、被測定物の傾斜角度を測定することができる。As the magnetic sphere rolls around the magnetoresistive element as the detection surface inclines, the relative rotation angle between the magnetic force lines (penetrating magnetic field) passing through the magnetic sphere and the magnetoresistive element changes. According to the inclination angle sensor of the present invention, the change in the rotation angle can be output as a continuous electrical signal from the magnetoresistive element, and the inclination angle of the object to be measured can be measured.
（実施例） 次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。(Example) Next, embodiments of the present invention will be described based on the drawings.
第１図及び第２図は本発明の一実施例にかかる傾斜角度
センサの斜視図であり、１は永久磁石１０より構成され
る中空円筒体であり、磁気抵抗素子１３と磁性球体１５
とを内設している。なお、本実施例においては、該永久
磁石１０の外面を保護するための外部保護層１２と、磁
性球体１５を転動し易くするための十分平滑な内面と必
要な硬度を有する内部保護層１１とが、該永久磁石１０
に各軸心が合致するように嵌合せしめられ、あるいはコ
ーティングされている。1 and 2 are perspective views of an inclination angle sensor according to an embodiment of the present invention, in which 1 is a hollow cylinder composed of a permanent magnet 10, a magnetoresistive element 13 and a magnetic sphere 15.
is installed internally. In this embodiment, an outer protective layer 12 for protecting the outer surface of the permanent magnet 10, and an inner protective layer 11 having a sufficiently smooth inner surface and necessary hardness to make the magnetic spheres 15 roll easily. The permanent magnet 10
They are fitted or coated so that their axes align with each other.
永久磁石１０は、第２図の一部切欠分解斜視図に示すよ
うに、中空円筒形状であり、かつ、例えば、内側層がＮ
極に外側層がＳ極となるように（第３図参照）、内側層
と外側層とに２極分極して着磁されている。従って、常
態における永久磁石１０の筒体内部磁界は、Ｎ極で周囲
を覆われているので、磁力線が互いに反発し合い、筒体
略軸心付近においχ反発力がバランスした状態が保持さ
れている。The permanent magnet 10 has a hollow cylindrical shape, as shown in the partially cutaway exploded perspective view of FIG.
The inner layer and the outer layer are polarized and magnetized so that the outer layer becomes the S pole (see FIG. 3). Therefore, in the normal state, the magnetic field inside the cylinder of the permanent magnet 10 is surrounded by N poles, so the lines of magnetic force repel each other, and a balanced state of χ repulsion is maintained near the axis of the cylinder. There is.
磁気抵抗素子１３は、後述のケーシング２，３の突出部
２１．３１に固定される支持部材１４内部に収納支持さ
れ、かつ、第３図に示すように、永久磁石１０の筒体軸
心が磁気パターン１４０面の略中心を通って直交するよ
うに配設される。而して、永久磁石１０からは該磁気抵
抗素子１３の磁気パターン１４０面に沿って３６０°の
全方向の放射状外部磁界が付与される。The magnetic resistance element 13 is housed and supported inside a support member 14 fixed to protrusions 21.31 of the casings 2 and 3, which will be described later, and as shown in FIG. The magnetic pattern 140 is arranged so as to pass approximately through the center of the plane and be orthogonal to the plane. Thus, a 360° omnidirectional radial external magnetic field is applied from the permanent magnet 10 along the magnetic pattern 140 surface of the magnetoresistive element 13.
磁性球体１５は、鉄等の強磁性材料からなり、磁気パタ
ーン１４０面の仮想延長面が横切る永久磁石１０の内周
面上において、磁気抵抗素子１３の周囲を転動自由に挿
填される。而して、常態において磁気パターン１４０面
の略中心部すなわち永久磁石１０の略軸心でバランスし
ている反発磁界、すなわち磁気パターン１４０面に対す
る外部磁界は、この磁性球体１５の挿填により、永久磁
石１０の反発磁界のバランス状態が変化する。つまり磁
性球体１５を通過する磁力線と、これに対向反発する磁
力線とが磁気抵抗素子１３の中心部から外れた点でバラ
ンスすることになる。このとき、上記した磁気抵抗素子
１３はこの反発磁界のバランス状態の変化に伴ない、相
応する電気信号を出力する。The magnetic sphere 15 is made of a ferromagnetic material such as iron, and is inserted so as to freely roll around the magnetoresistive element 13 on the inner peripheral surface of the permanent magnet 10 that is crossed by the virtual extension surface of the magnetic pattern 140 surface. Therefore, by inserting the magnetic spheres 15, the repulsive magnetic field that is normally balanced approximately at the center of the surface of the magnetic pattern 140, that is, approximately the axis of the permanent magnet 10, that is, the external magnetic field to the surface of the magnetic pattern 140, is permanently balanced. The balance state of the repulsive magnetic field of the magnet 10 changes. In other words, the lines of magnetic force passing through the magnetic sphere 15 and the lines of magnetic force opposing and repelling the magnetic sphere are balanced at a point away from the center of the magnetoresistive element 13. At this time, the above-mentioned magnetoresistive element 13 outputs a corresponding electric signal as the balance state of this repelling magnetic field changes.
かかる構成からなる中空円筒体１は、測定対象物の被検
出面（図示せず〕、に当接すべき少なくとも一つの平滑
面たる基準面Ｋを有するケーシングに支持固定される。The hollow cylindrical body 1 having such a configuration is supported and fixed to a casing having a reference surface K, which is at least one smooth surface that should come into contact with a detection surface (not shown) of a measurement object.
例えば、第１図及び第２図に示したように、突出部２１
．３１と基準面にとをそれぞれ形成した２つのケーシン
グ２，３を対向配置し、該突出部２１．３１に中空円筒
体１を嵌合せしめ、筒体軸心を基準面と平行になるよう
に固定用ボルト４を締着して支持固定される。この場合
、ケーシング２．３の突出部２１．３１には、磁気抵抗
素子１３の保持用支持部材１４を嵌合固定するための溝
２２．３２が設けられているとともに、ケーシング３に
は磁気抵抗素子１３用の電源コード５をセンサ外部に引
き出すための孔３３が形成されている。For example, as shown in FIGS. 1 and 2, the protrusion 21
．． Two casings 2 and 3 with 31 and 3 formed on the reference plane are arranged facing each other, and the hollow cylindrical body 1 is fitted into the protrusion 21.31 so that the axis of the cylindrical body is parallel to the reference plane. It is supported and fixed by tightening the fixing bolt 4. In this case, the protrusion 21.31 of the casing 2.3 is provided with a groove 22.32 for fitting and fixing the holding support member 14 of the magnetoresistive element 13, and the casing 3 is provided with a groove 22.32 for fitting and fixing the holding support member 14 of the magnetoresistive element 13. A hole 33 is formed for pulling out the power cord 5 for the element 13 to the outside of the sensor.
ここで、上記した磁気抵抗素子１３は、第３．４図に示
すように、ガラス製、セラミック製等の非磁性材料から
なる基板１３０の上面に、蒸着やスパッタリング等によ
り櫛歯状の磁気抵抗パターン１４０を形成し、これをリ
ードフレームのアイランド部１５０に載置して各端子１
６０〜１６３をリード端子１５１〜１５４に結゛合した
のち、第３図に示すようにバイアス磁石１８０を積層し
、さらに外被用のプラスチック等のモールド１７０層に
より全体を密封したもの、または、第４Ｃ図に示すよう
に、バイアス磁石１８０のみモールド１７０層外に積層
したものである。Here, as shown in FIG. 3.4, the above-mentioned magnetoresistive element 13 is formed into a comb-shaped magnetoresistive material by vapor deposition, sputtering, etc. on the upper surface of a substrate 130 made of a non-magnetic material such as glass or ceramic. A pattern 140 is formed and placed on the island portion 150 of the lead frame to connect each terminal 1.
60 to 163 are connected to lead terminals 151 to 154, a bias magnet 180 is laminated as shown in FIG. As shown in FIG. 4C, only the bias magnet 180 is laminated outside the mold 170 layer.
而して、バイアス磁石１８０の磁界は、第３〜４０図に
示すようにＹ軸方向すなわち上記パターン１４０の全て
の櫛目方向に対して４５゜に作用するように設定される
。このバイアス磁界により、磁気抵抗パターンの磁気ヒ
ステリシスによる不都合が解消される。すなわち、外部
磁界特に弱磁界において同一磁力でも履歴により出力電
圧に相違が生じるという欠点を除去し、・第５図に示す
ような安定したリニアな出力電圧特性を生じさせるため
の補正機能を持つものである。The magnetic field of the bias magnet 180 is set to act at an angle of 45 degrees with respect to the Y-axis direction, that is, with respect to all comb directions of the pattern 140, as shown in FIGS. This bias magnetic field eliminates the disadvantages due to magnetic hysteresis of the magnetoresistive pattern. In other words, it eliminates the disadvantage that the output voltage may vary depending on the history even with the same magnetic force in an external magnetic field, especially in a weak magnetic field, and has a correction function to produce stable and linear output voltage characteristics as shown in Figure 5. It is.
なお、このバイアス磁界を発生させるに当り、第４Ｃ図
に示すようにバイアス磁石１８０をモールド１７，０層
の外面例えば底面に接着等により外付は固着することと
してもよいが、磁気抵抗パターン面との間隔が大きいの
で強力な永久磁石を必要とする。In order to generate this bias magnetic field, the bias magnet 180 may be fixed to the outer surface of the mold 17, 0 layer, for example, to the bottom surface, as shown in FIG. Since the distance between the two is large, a strong permanent magnet is required.
そこで、より効率のよい構成として第４ａ図及び第４ｂ
図に示すものを提案する。すなわち、基板１３０として
硬磁性材料を用い、上記パターン中の全ての櫛目方向に
対して４５６のバイアス磁界が作用するようにパターン
形゛成前の段階またはパターン形成後の適宜な時期に着
磁することにより、磁気抵抗パターン１４０面との間隔
を至近距離とし、これらをモールド１７０層内に密封固
定した素子とするものである。Therefore, as a more efficient configuration, Figures 4a and 4b
Suggest what is shown in the figure. That is, a hard magnetic material is used as the substrate 130, and it is magnetized at a stage before pattern formation or at an appropriate time after pattern formation so that a bias magnetic field of 456 acts on all comb directions in the pattern. As a result, the distance between the magnetoresistive pattern 140 and the magnetoresistive pattern 140 is set at close distance, and the element is hermetically fixed within the mold 170 layer.
この方式の利点は、基板１３０が通常正方形または矩形
に成形して使用されるため、いずれか−辺に対して直角
な方向に磁束が生じるように位置決めして正確に着磁す
ることが容易であるとともに、このような方形の基板１
３０の各辺に対してそれぞれ４５°の角度の櫛目による
パターンを正確に形成することが容易である、というこ
とである。The advantage of this method is that since the substrate 130 is usually formed into a square or rectangle, it is easy to position and accurately magnetize so that magnetic flux is generated in a direction perpendicular to either side. At the same time, such a rectangular substrate 1
This means that it is easy to accurately form a comb pattern with an angle of 45° on each side of 30.
また、パターン面に接した至近距離に基板１３０と共通
のバイアス磁石１８０が位置することとなるので、非常
に弱い磁力でもってヒステリシス補正のために必要なバ
イアス磁束量を供給することができ、永久磁石１０によ
る外部磁界が弱い場合にも高感度で出力できるので、磁
気センサとしての性能を向上させることができる。さら
に、バイアス磁石をより薄型にすることができる。In addition, since the bias magnet 180 common to the substrate 130 is located close to the pattern surface, it is possible to supply the amount of bias magnetic flux necessary for hysteresis correction with a very weak magnetic force, making it permanent. Even when the external magnetic field generated by the magnet 10 is weak, output can be performed with high sensitivity, so the performance as a magnetic sensor can be improved. Furthermore, the bias magnet can be made thinner.
なお、第４ｂ図に示すように、基板１３０と磁気抵抗パ
ターン１４０面との間に平滑度の高い薄膜の絶縁層１９
０を介在させることにより、磁気抵抗パターン１４０を
均一厚さの平滑な面に形成するとともに、バイアス磁石
１８０が導電性材料であるときにおけるリードフレーム
のアイランド部１５０との絶縁性を確保するようにして
もよい。As shown in FIG. 4b, a thin insulating layer 19 with high smoothness is provided between the substrate 130 and the surface of the magnetoresistive pattern 140.
By interposing 0, the magnetoresistive pattern 140 is formed on a smooth surface with a uniform thickness, and insulation from the island portion 150 of the lead frame is ensured when the bias magnet 180 is made of a conductive material. You can.
かかる構成の傾斜角度センサによれば、基準面Ｋが重力
方向に対して直角であるとき、磁気抵抗素子１３の中心
と磁性球体１５の中心は、第３図のＹ軸上に位置する。According to the inclination angle sensor having such a configuration, when the reference plane K is perpendicular to the direction of gravity, the center of the magnetoresistive element 13 and the center of the magnetic sphere 15 are located on the Y axis in FIG. 3.
このとき、磁気抵抗素子１３に対する永久磁石１０から
の磁界作用は、磁性球体１５を通過する貫通外部磁界（
Ｈｅｘ）の角度すなわちＹ軸方向によって決定され、こ
の場合にセンサから出力される電圧は、第５図のグラフ
において原点（Ｐ）にある。At this time, the magnetic field action from the permanent magnet 10 on the magnetoresistive element 13 is caused by the penetrating external magnetic field (
The voltage output from the sensor in this case is at the origin (P) in the graph of FIG.
なお、この出力特性グラフにおいてはＸ軸を回転角度０
°としているからＹ軸は回転角度９０゜を示す。In addition, in this output characteristic graph, the X-axis is rotated at an angle of 0.
Since the rotation angle is 90°, the Y axis indicates a rotation angle of 90°.
また、基準面Ｋが第１図において実線矢印ｅ方向に傾斜
すると、中空円筒体１を構成している永久磁石１０と磁
気抵抗素子１３はケーシング２゜３とともに同じ（ｅ方
向に回転する。このとき磁性球体１５は、磁気抵抗素子
１３に対して常に重力方向すなわち第３図Ｙ軸上に位置
しようとする。かかる状態は、相対的には磁性球体１５
が磁気抵抗素子１３の周囲を回転しているとみることが
できる。Furthermore, when the reference plane K is tilted in the direction of the solid arrow e in FIG. At this time, the magnetic sphere 15 always tries to be located in the direction of gravity with respect to the magnetoresistive element 13, that is, on the Y axis in FIG.
can be seen to be rotating around the magnetoresistive element 13.
かかる見方をした場合、磁性球体１５は、第３図におい
て実線矢印ｇ方向に回転していることになる。その結果
、磁気抵抗素子１３に対する貫通外部磁界（Ｈｅｘ）の
相対的角度が変化し、それに伴って出力電圧が第３図破
線矢印ａで示す変化となる。ここで、磁性球体１５は筒
体内面を無限に転動可能であるから、この出力変化は第
５図から明らかなように、略正弦波状に変化するが、少
なくとも原点（Ｐｌから＋６０°すなわち角度９０°か
ら１５ｏ°までの回転角の間では、磁性球体１５の回転
角度に相応して（Ｐｌから（Ｑ）までの直線的な出力電
圧の増加が得られる。When viewed in this way, the magnetic sphere 15 is rotating in the direction of the solid arrow g in FIG. As a result, the relative angle of the penetrating external magnetic field (Hex) with respect to the magnetoresistive element 13 changes, and accordingly, the output voltage changes as shown by the broken arrow a in FIG. 3. Here, since the magnetic sphere 15 can roll infinitely on the inner surface of the cylindrical body, this output change changes in a substantially sinusoidal manner, as is clear from FIG. Between the rotation angle of 90 degrees and 15 degrees, a linear increase in output voltage from (Pl to (Q)) is obtained corresponding to the rotation angle of the magnetic sphere 15.
一方、基準面Ｋが第１図において破線矢印ｆ方向に回転
傾斜した場合には、磁性球体１５は第３図破線矢印り方
向に回転することになる。On the other hand, when the reference plane K rotates and tilts in the direction indicated by the broken line arrow f in FIG. 1, the magnetic sphere 15 rotates in the direction indicated by the broken line arrow in FIG.
この場合の磁気抵抗素子１３に対する貫通外部６Ｒ界（
Ｈｅｘ）の角度変化に伴う出力電圧の変化は、第５図破
線矢印すで示す変化となる。このとき、少なくとも原点
（Ｐ）から−６０°すなわち角度９０°から３０’ ま
での回転角の間では、磁性球体１５の回転角度に対して
（Ｐ）から（Ｒ１までの直線的な出力電圧の減少が得ら
れる。In this case, the penetrating external 6R field for the magnetoresistive element 13 (
The change in the output voltage due to the change in the angle of (Hex) becomes the change shown by the broken line arrow in FIG. At this time, at least within the rotation angle of -60° from the origin (P), that is, from 90° to 30', the output voltage is linear from (P) to (R1) with respect to the rotation angle of the magnetic sphere 15. A decrease is obtained.
なお、第５図の磁性球体１５の回転角度に対する出力電
圧の変化グラフにおける負のピーク（Ｓ）、原点（Ｐｌ
及び正のピーク（Ｔ）の各点に対応する合成磁界の方向
と磁気抵抗パターン１４０との関係を第６ａ〜６０図に
示す。In addition, the negative peak (S) and the origin (Pl
6a to 60 show the relationship between the direction of the composite magnetic field corresponding to each point of the positive peak (T) and the magnetoresistive pattern 140.
同図において、Ｈｂｉはバイアス磁石による磁界を、Ｈ
ｅｘは磁性球体１５を通過して磁気抵抗素子１３を貫通
する貫通外部磁界を、ＨｃｏｍはＨｂｉとＨｅｘとによ
る合成磁界をそれぞれ表す。In the same figure, Hbi is the magnetic field generated by the bias magnet, H
ex represents a penetrating external magnetic field that passes through the magnetic sphere 15 and penetrates the magnetoresistive element 13, and Hcom represents a composite magnetic field due to Hbi and Hex.
上記のように、直線的な出力電圧を得られる精密な磁気
抵抗素子１３を使用すれば、動作基準点の原点（Ｐ）を
境として、出力電圧の「正」 「負」により左右又は前
後の傾斜（又は回転）方向を区別して知ることができる
と同時に、その傾斜角度も正確に検出することができる
。As described above, if a precision magnetoresistive element 13 that can obtain a linear output voltage is used, the movement can be made to the left or right or front and back depending on the "positive" or "negative" output voltage, with the origin (P) as the operating reference point as the boundary. The tilt (or rotation) direction can be distinguished and the tilt angle can be detected accurately.
更に、本発明によれば、磁気抵抗素子１３としてさほど
精度の高（ないものを使用した場合であっても、スイッ
チング用のセンサとして十分な機能を有する。すなわち
、出力電圧特性グラフが通常の滑らかな曲線波形の正弦
波であって、直線的な出力電圧部が得られない精度の低
い磁気抵抗素子であっても、第５図に示した（Ｓｌ ま
たは（Ｔｌが動作基準点となるように、磁気抵抗素子１
３と磁性球体１５との相対的な回転角度を初期設定して
おき、かつ例えば「しきい値ｊ」を設けることにより、
スイッチングすることができる。Furthermore, according to the present invention, even if a magnetoresistive element 13 that is not highly accurate is used, it has a sufficient function as a switching sensor.In other words, the output voltage characteristic graph is smooth as usual. Even if the magnetoresistive element has a sinusoidal waveform with a curved waveform and has low precision and cannot obtain a linear output voltage part, it is possible to , magnetoresistive element 1
By initially setting the relative rotation angle between 3 and the magnetic sphere 15 and providing, for example, a "threshold j",
Can be switched.
この場合に、出力電圧がしきい値ｊよりも高いとき、す
なわち各点ＦＴ＋、（ｍｌ 、 （ｎ）で囲まれた領域
での出力と、しきい値ｊより低いときの出力は、両方と
も「＋」の電圧であるため傾斜（又は回転）の「方向」
は認識することは出来ない。しかし、所定の角度の範囲
内であるか、又はその範囲外であるかを識別することに
よりスイッチングを行なうことができるものである。而
して、このしきい値ｊを、ボリューム等の可変機構を用
いて任意に設定することにより、各種の安全装置や警報
装置に適用することができる。In this case, when the output voltage is higher than the threshold j, that is, the output in the area surrounded by each point FT+, (ml, (n)), and when it is lower than the threshold j, the output is both Since it is a “+” voltage, the “direction” of tilt (or rotation)
cannot be recognized. However, switching can be performed by identifying whether the angle is within or outside a predetermined angle range. By arbitrarily setting this threshold value j using a variable mechanism such as a volume control device, the present invention can be applied to various safety devices and alarm devices.
（効果）
本発明の傾斜角度センサによれば、磁気抵抗素子を中心
としてその周囲を一定の距離で自由に転動公転するよう
に磁性球体を配設し、両者の相対的な回転角度に応じた
連続的な電気信号に変換して検出することにより、被測
定物の傾斜角（回転角）を測定する構造であるため、磁
性流体を使用したセンサのように周辺温度に左右される
ことがないとともに、複数の素子を列設する場合の出力
信号の不連続や、コスト高の欠点がない。(Effect) According to the inclination angle sensor of the present invention, a magnetic sphere is arranged so as to freely roll and revolve around a magnetoresistive element at a fixed distance, and the magnetic sphere is arranged so as to freely roll and revolve around the magnetoresistive element at a certain distance, and The structure measures the tilt angle (rotation angle) of the object to be measured by converting it into a continuous electric signal and detecting it, so it is not affected by the ambient temperature like sensors using magnetic fluid. In addition, there are no disadvantages such as discontinuity of output signals or high cost when a plurality of elements are arranged in a row.
また、素子又は磁石の一方を重力方向に姿勢保持するた
めの内部回転体やこれを支持するための精密な軸受は機
構も不要であるので、簡単な構造で安価に製造でき大量
生産に適しているとともに、取扱いも簡易であり、建設
、農業分野その他あらゆる分野における傾斜角（回転角
）の検出に使用することができる。In addition, since there is no need for an internal rotating body to maintain the orientation of one of the elements or magnets in the direction of gravity, and a mechanism for precision bearings to support this, the structure is simple and can be manufactured at low cost, making it suitable for mass production. In addition, it is easy to handle and can be used to detect tilt angles (rotation angles) in construction, agriculture, and all other fields.
特に、自動車の車体に取り付けておけば、走行中や作業
中の異常な車体の傾斜を検出して、安全のための警報を
発することができるほか、車体の一端部を吊り上げ牽引
して盗み去ろうとしたり、タイヤをはずそうとしたりす
る場合に、車体の傾斜角度を検出して警報を発すること
ができるものである。In particular, if it is attached to the body of a car, it will be possible to detect abnormal tilting of the car body while driving or working, and issue a safety warning. This system can detect the angle of inclination of the vehicle body and issue a warning if the driver attempts to remove the tire or remove the tire.
更に、磁気抵抗素子として、バイアス磁石を磁気パター
ン面に密接配置して磁気効率を向上せしめたものを使用
すれば、回転角度に対応して電圧変化を広範囲に亙りリ
ニアに出力することのできる高感度な傾斜角度センサと
することができる。Furthermore, if a bias magnet is placed closely on the magnetic pattern surface to improve magnetic efficiency as a magnetoresistive element, it is possible to linearly output voltage changes over a wide range in response to the rotation angle. It can be a sensitive tilt angle sensor.
第１図は本発明に係る傾斜角度センサの一実施例を示す
斜視図、第２図は同実施例の一部切欠分解斜視図、第３
図は磁気抵抗素子と磁性球体を通過する貫通外部磁界と
の関係を示す一部切欠概略構成斜視図、第４ａ〜４０図
は磁気抵抗素子の実施例を示す第３図ＩＶ −ＴＶ断面
図、第５図は貫通外部耐主界の回転角度に対する電圧出
力特性グラフ、第６ａ〜６ｃ図は磁気抵抗素子における
バイアスＮｆｌ界と貫通外部磁界の合成磁界の関係を示
す説明図、である。
１・・・・・・中空円筒体
２３・・・・・・ケーシング
１０・・・・・円筒永久磁石
１３・・・・・・磁気抵抗素子
１５・・・・・・磁性球体
１３０・・・・・・基板
１４０・・・・・・磁気抵抗パターン
１８０・・・・・・バイアス磁石
特許出願人二株式会社 日本オートメーション化 理
人：弁理士 千 １） 稔手
続
補
正
書
号ＩＪ
紙
（方式・自発）
平成 １年 ３月２２日
７ 。
補正の内容FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the inclination angle sensor according to the present invention, FIG. 2 is a partially cutaway exploded perspective view of the same embodiment, and FIG.
The figure is a partially cutaway schematic configuration perspective view showing the relationship between the magnetoresistive element and the penetrating external magnetic field passing through the magnetic sphere, and Figures 4a to 40 are Figure 3 IV-TV sectional views showing examples of the magnetoresistive element. FIG. 5 is a voltage output characteristic graph with respect to the rotation angle of the penetrating external main field, and FIGS. 6a to 6c are explanatory diagrams showing the relationship between the bias Nfl field in the magnetoresistive element and the composite magnetic field of the penetrating external magnetic field. 1...Hollow cylindrical body 23...Casing 10...Cylindrical permanent magnet 13...Magnetic resistance element 15...Magnetic sphere 130... ... Substrate 140 ... Magnetoresistive pattern 180 ... Bias magnet patent applicant Nippon Automation Co., Ltd.
Person: Patent Attorney 1,000 1) Minoru Procedures Amendment No. IJ Paper (Method/Volunteer) March 22, 1999 7. Contents of correction
Claims (2)
円筒形に形成され、該円筒内で同一の 磁界が円筒軸心で反発し合ってバランスするように形成
された磁石と、 磁気抵抗パターン面の略中心部を該磁石の 円筒軸心が直交する位置となるように、該筒内に配設さ
れた磁気抵抗素子と、 該磁気抵抗素子を中心としてその周囲を公 転するように上記円筒の内周面に沿って正逆転動自由に
装填された磁性球体と、 からなり、上記磁気抵抗素子と磁性球体との相対的な回
転角度の変化を連続的な電気信号として出力することに
より、被測定物の傾斜角度を検出可能に設けてなる傾斜
角度セン サ。(1) A magnet formed into a cylindrical shape that is polarized and magnetized into two poles, an inner layer and an outer layer, and is formed so that the same magnetic fields repel each other at the cylindrical axis and are balanced within the cylinder. and a magnetoresistive element disposed within the cylinder such that the cylindrical axis of the magnet is perpendicular to the approximate center of the magnetoresistive pattern surface, and a magnetoresistive element that revolves around the magnetoresistive element. A magnetic sphere is loaded so that it can freely move forward and backward along the inner peripheral surface of the cylinder, and a change in the relative rotation angle between the magnetoresistive element and the magnetic sphere is converted into a continuous electrical signal. A tilt angle sensor capable of detecting the tilt angle of an object to be measured by outputting an output.
れた非磁性体製の支持部材を介して上記永久磁石円筒体
内に配設固定された磁気抵抗素子と、 該磁気抵抗パターン面の仮想延長面が横切 る永久磁石の内周面上で転動自由に挿填されて、該永久
磁石筒内の反発磁界のバランスを変化させる磁性球体と
、 を備えたことを特徴とする傾斜角度センサ。(2) In the above claim 1, a casing having a reference surface to be in contact with the object to be measured, a permanent magnet supported and fixed to the casing so that the cylindrical axis is substantially horizontal, and made of a ferromagnetic thin film. a magnetoresistive element formed by laminating a bias layer on a magnetoresistive pattern layer, and arranged and fixed in the permanent magnet cylinder via a support member made of a non-magnetic material connected to the casing; A magnetic sphere is inserted in a freely rolling manner on the inner peripheral surface of the permanent magnet that is crossed by the virtual extension surface of the resistance pattern surface, and changes the balance of the repulsion magnetic field in the permanent magnet cylinder. Tilt angle sensor.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3632489A JPH02216009A (en) | 1989-02-17 | 1989-02-17 | Angle-of-inclination sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3632489A JPH02216009A (en) | 1989-02-17 | 1989-02-17 | Angle-of-inclination sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02216009A true JPH02216009A (en) | 1990-08-28 |
Family
ID=12466658
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3632489A Pending JPH02216009A (en) | 1989-02-17 | 1989-02-17 | Angle-of-inclination sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02216009A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011100658A (en) * | 2009-11-06 | 2011-05-19 | National Agriculture & Food Research Organization | Inclination switch |
| CN110906851A (en) * | 2019-10-22 | 2020-03-24 | 上海海事大学 | Bridge crane swing angle and rope length detection device and detection method |
-
1989
- 1989-02-17 JP JP3632489A patent/JPH02216009A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011100658A (en) * | 2009-11-06 | 2011-05-19 | National Agriculture & Food Research Organization | Inclination switch |
| CN110906851A (en) * | 2019-10-22 | 2020-03-24 | 上海海事大学 | Bridge crane swing angle and rope length detection device and detection method |
| CN110906851B (en) * | 2019-10-22 | 2021-07-23 | 上海海事大学 | Bridge crane swing angle and rope length detection device and detection method |
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