JP7316494B2

JP7316494B2 - 磁気式位置検出装置

Info

Publication number: JP7316494B2
Application number: JP2019196939A
Authority: JP
Inventors: 正孝田川; 秀之谷川; 正彦大林
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2023-07-28
Anticipated expiration: 2039-10-30
Also published as: JP2021071334A

Description

本発明は、光学機器のレンズ等のリニアの位置を検出する磁気式位置検出装置に関する。

従来のこの種の磁気式位置検出装置は、固定側の物体と移動側の物体のうち一方にＮ極とＳ極とを交互に着磁した磁気スケールを配置し、他方にこの磁気スケールからの磁気を検知する磁気センサを配置するようにしていた。

そして、磁気スケールからの磁界の変化を磁気センサで検出することによって、移動体の移動量や位置を検出するようにしていた。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開平８－２９６６０号公報

上記従来の磁気式位置検出装置は、磁気スケールのＮ極の着磁方向の中央部から磁力線が両隣のＳ極に向い、Ｓ極は着磁方向の中央部に両隣のＮ極からの磁力線が向かっているため、複数のＮ極とＳ極とを交互に着磁した磁気スケールを移動させた場合、磁気センサでは正弦波が検出され、その移動に対する検出位置が一義的に決定されず、これにより、磁気スケールの絶対移動距離（位置）の検出が困難であるという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、絶対的位置検出が可能な磁気式位置検出装置を提供することを目的とする。

第１の態様に係る磁気式位置検出装置は、Ｎ極およびＳ極が交互に着磁された磁気スケールと、前記磁気スケールと対向する磁気センサとを備え、前記磁気スケールの着磁方向における前記Ｎ極の中心部と隣り合う前記Ｎ極の中心部の間の長さをλとしたとき、前記Ｎ極と前記Ｓ極の幅は略同一でそれぞれλ／２であり、前記磁気センサは、第１の磁気センサと第２の磁気センサとで構成され、前記第１の磁気センサは、電気的に直列に接続された第１の磁気抵抗素子、第２の磁気抵抗素子と、前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子との間に接続された第１の出力端子とを有し、前記第２の磁気センサは、電気的に直列に接続された第３の磁気抵抗素子、第４の磁気抵抗素子と、前記第３の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子との間に接続された第２の出力端子とを有し、さらに、前記第１の磁気抵抗素子および前記第３の磁気抵抗素子に接続された電圧印加端子と、前記第２の磁気抵抗素子および前記第４の磁気抵抗素子に接続されたグランド端子とを有し、前記磁気スケールの着磁方向において、前記第１の磁気抵抗素子と第２の磁気抵抗素子との距離、前記第３の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子との距離はそれぞれλ／４、前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子との距離、前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子との距離がそれぞれλ／８で、前記磁気スケールまたは前記磁気センサは、前記磁気センサが前記磁気スケールの着磁方向に対してλ／２移動しながら
着磁方向と直交する方向に移動するように直線状に移動可能となっている。

磁気スケールの移動距離と磁気センサの出力との関係に直線性を持たせることができるため、磁気スケールの絶対的位置の検出が可能になる。

本開示の一実施の形態における磁気式位置検出装置の模式図同磁気式検出装置における磁気センサの移動距離と出力との関係図同磁気式検出装置における磁気センサの移動距離と出力との関係図

図１は、本開示の一実施の形態における磁気式位置検出装置の模式図である。

本開示の一実施の形態における磁気式位置検出装置は、図１に示すように、Ｎ極１およびＳ極２が交互に等間隔で着磁された矩形状の磁気スケール３と、磁気スケール３と移動可能に対向する磁気センサ４とを備えている絶対位置検出装置である。

前記磁気スケール３には、その一辺（短辺）３ａと平行な方向に沿ってＮ極１と、Ｎ極１と隣接するＳ極２とが交互に着磁されている。すなわち、磁気スケール３の一辺３ａと直交する他辺（長辺）３ｂにはＮ極１のみが形成またはＳ極２のみが形成される。

また、着磁方向（一辺３ａと平行な短手方向）のＮ極１の幅の寸法とＳ極２の幅の寸法は略同一でλ/２となっている。したがって、磁気スケール３において着磁方向におけるＮ極１の中心部と隣り合うＮ極１の中心部の間の長さがλとなる。

前記磁気センサ４は、磁気スケール３と対向し、磁気スケール３に対して相対的に移動可能であり、磁気スケール３からの磁界に応じて抵抗値が変化する第１～第４の磁気抵抗素子５～８を備えている。

第１～第４の磁気抵抗素子５～８は、その平面方向の磁界によって抵抗値が低くなるよう変化し、その厚み方向の磁界では抵抗値が変化しないＭＲセンサまたはＧＭＲセンサである。第１～第４の磁気抵抗素子５～８は、それぞれ実際には磁気スケール３の、一辺３ａ、他辺３ｂと直交する垂直方向に磁気スケール３と対向して配置されている。

そして、磁気センサ４は、第１の磁気センサ９と第２の磁気センサ１０とで構成されている。

第１の磁気センサ９は、電気的に直列に接続された第１の磁気抵抗素子５、第２の磁気抵抗素子６と、第１の磁気抵抗素子５と第２の磁気抵抗素子６との間に接続された第１の出力端子１１とを有し、第２の磁気センサ１０は、電気的に直列に接続された第３の磁気抵抗素子７、第４の磁気抵抗素子８と、第３の磁気抵抗素子７と第４の磁気抵抗素子８との間に接続された第２の出力端子１２とを有している。

さらに、第１の磁気抵抗素子５および第３の磁気抵抗素子７の両方に接続された電圧印加端子１３と、第２の磁気抵抗素子６および第４の磁気抵抗素子８の両方に接続されたグランド端子１４とを有している。

なお、第１～第４の磁気抵抗素子５～８、第１の出力端子１１、第２の出力端子１２、電圧印加端子１３、グランド端子１４は１つの基板（図示せず）の表面に設けられている
。

第１の磁気抵抗素子５と第２の磁気抵抗素子６は、磁気スケール３の一辺３ａと互いに略平行になるように配置され、第３の磁気抵抗素子７と第４の磁気抵抗素子８は、磁気スケール３の一辺３ａと互いに略平行になるように配置されている。

また、磁気スケール３の着磁方向において、第１の磁気センサ９の第１の磁気抵抗素子５と第２の磁気抵抗素子６との中心間距離、第２の磁気センサ１０の第３の磁気抵抗素子７と第４の磁気抵抗素子８との中心間距離はそれぞれλ／４である。

第１の磁気抵抗素子５と第３の磁気抵抗素子７との距離、第２の磁気抵抗素子６と第４の磁気抵抗素子８との距離はそれぞれλ／８である。すなわち、第１の磁気センサ９と第２の磁気センサ１０とは磁気スケール３の着磁方向にλ／８ずれている。

なお、磁気スケール３の他辺３ｂ方向（長手方向）における第１の磁気センサ９と第２の磁気センサ１０との距離は、極力短くし、例えばλ／８とされる。

図１においては、磁気センサ４は紙面左右方向（矢印方向）に移動させ、磁気スケール３は紙面上下方向に着磁されている。また、図１に、断面方向（垂直方向）における磁力線もあわせて図示している。図中の破線矢印は磁力線を示している。磁力線は、Ｎ極１からＳ極２に向かい、Ｎ極１、Ｓ極２の中心部では垂直方向に出入りする。さらに、磁気センサ４は磁気スケール３の着磁方向および磁気スケール３の他辺３ｂ方向（長手方向）に対して斜めに移動させる。

ここで、図１において磁気スケール３、磁気センサ４の位置と出力との関係について説明する。

第１の磁気センサ９が紙面の最も左側に位置しているときは、第１の磁気抵抗素子５の中心部はＮ極１とＳ極２の境界部分、第２の磁気抵抗素子６の中心部はＮ極１の中央部分に位置し、この場合は、第１の磁気抵抗素子５が磁気スケール３の磁界によって抵抗値が最も低くなるよう変化し、第２の磁気抵抗素子６の抵抗値は変化しない。よって、第１の出力端子１１から出力される電圧は最も大きくなる。なお、この場所が始点（原点）となる。

紙面の右側に移動すると、第１の磁気抵抗素子５の抵抗値が高く、第２の磁気抵抗素子６の抵抗値が低く変化していくため、出力される電圧は徐々に低くなっていく。

第１の磁気センサ９が紙面の中央部に位置しているときは、第１の磁気抵抗素子５の中心部はＳ極２の中央部分に位置し、第２の磁気抵抗素子６の中心部はＮ極１とＳ極２の境界部分に位置し、この場合は、第１の磁気抵抗素子５の抵抗値は変化せず、第２の磁気抵抗素子６の抵抗値は最も低くなるように変化する。よって、第１の出力端子１１から出力される電圧は最も低くなる。

紙面の右側にさらに移動すると、第１の磁気抵抗素子５の抵抗値が低く、第２の磁気抵抗素子６の抵抗値が高く変化していくため、出力される電圧は徐々に大きくなっていく。

第１の磁気センサ９が紙面の最も右側に位置しているときは、第１の磁気抵抗素子５の中心部はＮ極１とＳ極２の境界部分、第２の磁気抵抗素子６の中心部はＳ極２の中央部分に位置し、この場合は、第１の磁気抵抗素子５が磁気スケール３の磁界によって抵抗値が最も低くなるよう変化し、第２の磁気抵抗素子６の抵抗値は変化しない。よって、第１の
出力端子１１から出力される電圧は最も大きくなる。なお、この場所が終点となる。

この結果、第１の磁気センサ９の第１の出力端子１１から出力される信号（電圧値）は、図２のＶｏｕｔ１のように、余弦波形（ｃｏｓφ）になる。

第２の磁気センサ１０が紙面の最も左側に位置しているときは、第３の磁気抵抗素子７の中心部と第４の磁気抵抗素子８の中心部は、Ｎ極１の中心部分を介して同一距離離れている。この場合は、第３の磁気抵抗素子７が磁気スケール３の磁界による抵抗値変化と、第４の磁気抵抗素子８の抵抗値変化は同一なので、第２の出力端子１２から出力される電圧は変動しない（電圧印加端子１３から印加される電圧の１／２）。なお、この場所が始点（原点）となる。

紙面の右側に移動し、第３の磁気抵抗素子７の中心部がＮ極１とＳ極２の境界部分に位置し、第４の磁気抵抗素子８の中心部がＮ極１の中央部分に位置すると、第３の磁気抵抗素子７の抵抗値は最も低くなるよう変化し、第４の磁気抵抗素子８の抵抗値は変化しない。よって、出力される電圧は最も高くなる。

さらに紙面の右側に移動し、第２の磁気センサ１０が紙面の中央部に位置しているときは、第３の磁気抵抗素子７の中心部と第４の磁気抵抗素子８の中心部は、Ｎ極１とＳ極２の境界部分を介して同一距離離れている。この場合は、第３の磁気抵抗素子７が磁気スケール３の磁界による抵抗値変化と、第４の磁気抵抗素子８の抵抗値変化は同一なので、第２の出力端子１２から出力される電圧は変動しない。

紙面の右側にさらに移動し、第３の磁気抵抗素子７の中心部がＳ極２の中央部分に位置し、第４の磁気抵抗素子８の中心部がＮ極１とＳ極２の境界部分に位置すると、第３の磁気抵抗素子７の抵抗値は変化せず、第４の磁気抵抗素子８の抵抗値は最も低くなるよう変化する。よって、出力される電圧は最も低くなる。

さらに紙面の右側に移動し、第２の磁気センサ１０が紙面の最も右側に位置しているときは、第３の磁気抵抗素子７の中心部と第４の磁気抵抗素子８の中心部は、Ｓ極２の中心部分を介して同一距離離れている。この場合は、第３の磁気抵抗素子７の抵抗値変化と、第４の磁気抵抗素子８の抵抗値変化は同一なので、第２の出力端子１２から出力される電圧は変動しない。なお、この場所が終点となる。

この結果、第２の磁気センサ１０の第２の出力端子１２から出力される信号（電圧値）は、図２のＶｏｕｔ２ように、正弦波形（ｓｉｎφ）になる。

なお、磁気スケール３における始点と終点との間隔の寸法が、磁気センサ４で位置検出される部分の長さＬ（ストローク長）となる。

このとき、磁気センサ４は他辺３ｂ（長手方向）に沿ってＬの距離を移動しながら、他辺３ｂと直交する一辺３ａ（着磁方向）に沿ってλ／２移動する。この移動は直線的である。例えば、第１の磁気抵抗素子５が磁気スケール３のＮ極１とＳ極２の境界に配置されている状態から、隣接するＮ極１とＳ極２の境界に配置される状態まで斜めに直線的に移動する。

そして、磁気センサ４は、磁気スケール３の他辺３ｂ（長辺）に対して、下記式（１）の関係を満たす傾斜角θで移動する。

上述したように、第１、第２の出力端子１１、１２から、位相が９０°ずれた正弦波形、余弦波形の２つの信号が出力されるため、磁気センサ４の検出位置を一義的に決定することが可能になる。

さらに、上述した第１、第２の出力端子１１、１２からそれぞれ出力される２つの信号（ｓｉｎφ、ｃｏｓφ）について、第１の出力端子１１から出力される信号の逆正接と第２の出力端子１２から出力される信号の逆正接との差を演算処理することによって、図３に示すように、磁気スケール３の移動距離に対する磁気センサ４の出力の変化量は直線状になる。

このとき、逆正接で演算処理しているため、出力温特をキャンセルできる。

本一実施の形態における磁気式位置検出装置は、磁気スケール３の着磁方向におけるＮ極１の中心部と隣り合うＮ極１の中心部の間の長さをλとしたとき、磁気スケール３の着磁方向において、第１の磁気抵抗素子５と第２の磁気抵抗素子６との距離、第３の磁気抵抗素子７と第４の磁気抵抗素子８との距離をそれぞれλ／４とし、第１の磁気抵抗素子５と第３の磁気抵抗素子７との距離、第２の磁気抵抗素子６と第４の磁気抵抗素子８との距離をそれぞれλ／８とし、磁気センサ４は磁気スケール３の着磁方向に対してλ／２移動しながら着磁方向と直交する方向に移動するように直線状に移動可能となっているため、第１、第２の出力端子１１、１２からそれぞれ出力される２つの信号は正弦波、余弦波（ｓｉｎφ、ｃｏｓφ）となり、これにより、逆正接演算処理することによって、磁気スケール３の移動距離に対する磁気センサ４の出力との関係に直線性を持たせることができる。この結果、磁気スケール３の移動に対する検出位置が一義的に決定され、磁気スケール３の絶対的位置の検出が可能になるという効果が得られる。

また、シート状の磁気スケール３に従来のようにＮ極１とＳ極２とを交互に着磁するだけで、容易に絶対位置検出ができる。

なお、上記一実施の形態における磁気式位置検出装置では、磁気スケール３を固定し、磁気センサ４を移動する場合について説明したが、磁気センサ４を固定し、磁気スケール３を移動させるようにしてもよい。

本発明に係る磁気式位置検出装置は、磁気スケールの絶対的位置検出が可能になるという効果を有するものであり、特にカメラ等の光学機器のレンズ等のリニアの位置を検出する磁気式位置検出装置等として有用である。

１Ｎ極
２Ｓ極
３磁気スケール
４磁気センサ
５第１の磁気抵抗素子
６第２の磁気抵抗素子
７第３の磁気抵抗素子
８第４の磁気抵抗素子
９第１の磁気センサ
１０第２の磁気センサ
１１第１の出力端子
１２第２の出力端子
１３電圧印加端子
１４グランド端子

Claims

Ｎ極およびＳ極が交互に着磁された磁気スケールと、前記磁気スケールと対向する磁気センサとを備え、
前記磁気スケールの着磁方向における前記Ｎ極の中心部と隣り合う前記Ｎ極の中心部の間の長さをλとしたとき、前記Ｎ極と前記Ｓ極の幅は略同一でそれぞれλ／２であり、
前記磁気センサは、第１の磁気センサと第２の磁気センサとで構成され、
前記第１の磁気センサは、電気的に直列に接続された第１の磁気抵抗素子、第２の磁気抵抗素子と、前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子との間に接続された第１の出力端子とを有し、
前記第２の磁気センサは、電気的に直列に接続された第３の磁気抵抗素子、第４の磁気抵抗素子と、前記第３の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子との間に接続された第２の出力端子とを有し、
さらに、前記第１の磁気抵抗素子および前記第３の磁気抵抗素子に接続された電圧印加端子と、前記第２の磁気抵抗素子および前記第４の磁気抵抗素子に接続されたグランド端子とを有し、
前記磁気スケールの着磁方向において、前記第１の磁気抵抗素子と第２の磁気抵抗素子との距離、前記第３の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子との距離はそれぞれλ／４、前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子との距離、前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子との距離がそれぞれλ／８で、
前記磁気スケールまたは前記磁気センサは、
前記磁気センサが前記磁気スケールの長辺に対して下記式（１）の関係を満たす

θの角度に直線的に移動するように構成された磁気式位置検出装置。