JP4612281B2

JP4612281B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JP4612281B2
Application number: JP2003122709A
Authority: JP
Inventors: 和敏石橋
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei Microdevices Corp
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2023-04-25
Also published as: JP2004348173A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の移動又は傾斜を検出する位置検出装置に関し、さらにはこの位置検出装置を用いて、パーソナルコンピュータや携帯電話等の入力手段として使用される位置検出装置に関する。より詳細には、マグネットの移動による周囲の磁界変化を検出することにより、座標検知を行う磁気検出方式の位置検出装置に関する。
【０００２】
物体の移動又は傾斜あるいは移動角度を磁石や磁性体と磁気センサで検出する装置が知られている。また、パーソナルコンピュータ（アミューズメント用やシミュレーション用のコンピュータを含み）のポインティングデバイス（ジョイスティックやトラックボールなど）における座標検出の方式としては、光学式、感圧式、可変抵抗式、磁気検出式などが実用化されているが、近年、小型化が容易でしかも無接点で長寿命という特徴を有する磁気検出式が有力になってきている。
【０００３】
【従来の技術】
図８は、従来の磁気検出式ポインティングデバイスの磁気検出回路を示すブロック図で、検出部３１は、Ｘ軸及びＹ軸の沿って２個ずつ対称に配設された４個のホール素子４１からなり、このホール素子４１の上方に配設されたマグネットの移動によるＸ軸方向とＹ軸方向の各ホール素子４１の出力信号をそれぞれ差動アンプ３２が差動的に増幅し、その出力信号（アナログ値）をＡ／Ｄ変換器３３がデジタル値に変換し、その出力信号（電圧）を検出制御部３４がＸ座標値及びＹ座標値に変換し、これを出力制御部３５を介して出力するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
前述したマグネットを移動可能にする支持機構の具体例としては、図９に示すように、コイルスプリング４４の一端にマグネット４２を支持し、コイルスプリング４４を設置する基板に配設された磁気センサ４１により、マグネット４２の移動を磁気センサ４１で検出するように構成されているものが提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２０９９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した位置検出装置や磁気検出式ポインティングデバイスは、以下に示すように３つの問題点がある。まず第１の問題点として、磁石の強さや磁気センサの感度のバラツキ、磁気センサの温度特性によるドリフトが、磁石の移動量や傾斜に対する出力信号に影響を及ぼすという問題がある。次に、第２の問題点として、同じ軸上の２つの磁気センサの間の距離が変わったり、磁気センサと磁石の間の距離がずれたりすると、同様に出力信号に影響を及ぼすという問題がある。さらに、第３の問題点として、磁石が磁気センサの間にある場合には、比較的、移動量と出力される信号とが単調増加するけれども、磁気センサの範囲を超えて大きく移動する場合には、差信号が徐々に暫減するため、磁気センサ間の距離を大きくできないという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、磁石や磁気センサの特性のバラツキや組立精度に対して影響を抑える位置検出装置を提供することにある。
【０００８】
また、磁石の移動量に対して信号の単調増加の範囲が大きくなるような、小型化が可能な位置検出装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、Ｘ軸及びＹ軸に沿って２個ずつ配設された４つの磁気センサと、前記４つの磁気センサの中心付近に移動自在又は傾斜自在に配設される磁石とを備え、該磁石の移動量に対して出力信号の単調増加の範囲が大きくなるようにした位置検出装置であって、前記Ｘ軸上の前記２つの磁気センサの差信号を該Ｘ軸上の前記２つの磁気センサの和信号で除算した出力値と、前記Ｙ軸上の前記２つの磁気センサの差信号を該Ｙ軸上の前記２つの磁気センサの和信号で除算した出力値とをそれぞれ位置信号として出力し、前記磁石の移動距離に対して前記出力値が所定範囲以上で増加することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、Ｘ軸及びＹ軸に沿って２個ずつ配設された４つの磁気センサと、前記４つの磁気センサの中心付近に移動自在又は傾斜自在に配設される磁石とを備え、Ｘ軸上の２つの磁気センサの差信号を前記４つの磁気センサの和信号で除算した値と、Ｙ軸上の２つの磁気センサの差信号を前記４つの磁気センサの和信号で除算した値とをそれぞれ位置信号として出力することを特徴とする。
【００１３】
なお、磁気センサとしては、ホール素子、ホールＩＣ、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）、磁気抵抗効果ＩＣ（ＭＲＩＣ）、リードスイッチなど様々な磁気センサの適用が可能であり、アナログ出力型のポインティングデバイスには、アナログ出力型の磁気センサが望ましく、デジタル出力型のポインティングデバイスには、デジタル出力型の磁気センサが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明に係るポインティングデバイスの一実施例を説明するための構成図で、図中符号１は磁気センサ、２はマグネット、３は弾性部材としてのシリコーン樹脂、４は実装基板、５は押圧部材、６はスイッチ、７は空間部、７ａは切り欠き部である。磁気センサ１は、前述したようにＸ軸及びＹ軸に沿って２個ずつ対称に、実装基板４上に配置されている。マグネット２は、鉛直方向にＮＳの着磁がされている。
【００１５】
シリコーン樹脂３を実装基板４に対して平行な面内においてずらすように動かすと、このシリコーン樹脂３は、切り欠き部７ａの端部を支点として揺動し、これにともないマグネット２も同様に揺動する。
【００１６】
このように、本発明のポインティングデバイスは、実装基板４上に設けられた複数の磁気センサ１と、実装基板４上に設けられて、任意の方向に揺動可能とする空間部７を有する弾性部材３と、この弾性部材３に設けられたマグネット２とを備え、弾性部材３の弾性変形によるマグネット２の摺動によって生じる磁気密度変化を複数の磁気センサ１で検出し、座標情報又はベクトル情報を入力するように構成されている。
【００１７】
また、マグネット２は、上述したように水平方向に揺動自在であるとともに、実装基板４に対して垂直方向に変位可能であり、実装基板４に対して水平方向と垂直方向に動けるような自由度を有している。
【００１８】
また、弾性部材３は屈曲部を有し、この屈曲部に切り欠き部７ａを形成して、マグネット２の揺動自在を効果的なものにしている。
また、空間部７内で、実装基板４上にスイッチ６を配設し、ポインティングデバイスにスイッチ機能を持たせてある。
【００１９】
また、スイッチとしては、特に種類の限定はないが、押しボタンスイッチなど、どのようなスイッチでもかまわないが、押したことが確認しやすく（クリック感のある）、スイッチを押し込んだ後に自動復帰するタクティール（tactile）スイッチ、タクト（tact）スイッチ、タッチ（touch）スイッチ、ストロークスイッチ等、対象物との物理的接触を利用して対象物を確認するスイッチが適している。
【００２０】
また、マグネット２についても、特に種類の限定はないが、通常量産されているフェライト系、サマリウム−コバルト系、ネオジ系など様々なマグネットが適用可能である。ポインティングデバイスの小型化を進める上では、マグネットの小型化が必須であるので、小さくても強磁場を発生するサマリウム−コバルト系やネオジ系などのマグネットが好ましい。
【００２１】
また、弾性部材についても、特に種類の限定はないが、現在様々な用途に使われているシリコーン樹脂が好ましい。
【００２２】
また、押圧部材５は、指先で押したときにマグネット２がぶれたり、へこんで内側に位置がずれたりしないように、剛体的な性状を有する材料で形成するのがよい。特に、外部に漏れる磁場の強さを小さくするために非磁性体が好ましい。例えば、ポリカーボネートを切削加工したり、変性ポリフェリレンエーテル、ポリスチレンなどの樹脂、プレス加工などで成型したマグネシュウム合金、アルミニュウム合金などの金属などで作製される。
【００２３】
このような構成により、押圧部材５を右側から左方向に向かって押すと、弾性部材３と実装基板４との結合端部を支点として、左方向に揺動変位し、逆に、押圧部材５を左側から右方向に向かって押すと、弾性部材３と実装基板４との結合端部を支点として、右方向に揺動変位する。このようにして、弾性部材３に設けられたマグネット２は左右に揺動自在となる。この操作は、人差し指の腹の部分、または親指の腹の部分によって可能である。この場合、指との密着性を考慮して、押圧部材５の表面を、粗面、凹状面、凸状面、凸状四角錐、凹状四角錐のいずれかにすることが望ましい。また、押圧部材５の形状を、円形、正方形、矩形、八角形、楕円形、歯車形のいずれかにすることも可能である。
【００２４】
[実施例１]
図２は、本発明に係る位置検出装置の実施例１を説明するための回路ブロックで、図中符号１１は検出部、１２（１２ｘ，１２ｙ）は差動アンプ、１３はＡ／Ｄ変換器、１４は検出制御部、１５は座標変換部、１６は座標切換部、１７は出力方法記憶部、１８は出力制御部、２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）はホール素子、５１は距離算出部、５２は角度算出部、５３は距離出力制限部を示している。
【００２５】
検出部１１は、４個の磁気センサ（例えば、ホール素子，半導体磁気抵抗素子，感磁性体磁気抵抗素子，ＧＭＲ素子）２１からなり、このホール素子２１は、Ｘ軸及びＹ軸に沿って２個ずつ対称に配置されている。Ｘ軸及びＹ軸上に対称に配設された４個のホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの中央付近にマグネットが配置されている。このマグネットの移動による磁界の変化によりホール素子２１の出力電圧が変化する。差動アンプ１２は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の各ホール素子２１の出力信号をそれぞれ差動的に増幅する。Ｚ軸方向の磁界が原点Ｏについて対称、すなわち、マグネットの着磁方向が鉛直方向にあるとき、出力信号が０になるようにしてあり、マグネットが移動すると、これに応じて差動アンプ１２x，１２ｙに出力信号Ｘｏ，Ｙｏがそれぞれ発生する。
【００２６】
ここで、検出部１１のＸ軸方向に配設されたホール素子２１ａからの信号をＸ１、ホール素子２１ｂからの信号をＸ２とし、また、検出部１１のＹ軸方向に配設されたホール素子２１ｃからの信号をＹ１、ホール素子２１ｄからの信号をＹ２とし、差動アンプ１２ｘの出力をＸｏ、差動アンプ１２ｙの出力をＹｏとすると、
Ｘｏ＝（Ｘ１−Ｘ２）／（Ｘ１＋Ｘ２）
Ｙｏ＝（Ｙ１−Ｙ２）／（Ｙ１＋Ｙ２）
となるような出力を生成する。
【００２７】
つまり、Ｘ軸方向に配設されたホール素子２１ａ，２１ｂの差信号（Ｘ１−Ｘ２）を、このホール素子２１ａ，２１ｂの和信号（Ｘ１＋Ｘ２）で除算した信号（Ｘｏ＝（Ｘ１−Ｘ２）／（Ｘ１＋Ｘ２））を生成するとともに、Ｙ軸方向に配設されたホール素子２１ｃ，２１ｄの差信号（Ｙ１−Ｙ２）を、このホール素子２１ｃ，２１ｄの和信号（Ｙ１＋Ｙ２）で除算した信号（Ｙｏ＝（Ｙ１−Ｙ２）／（Ｙ１＋Ｙ２））を生成する。
【００２８】
従来は、差動アンプ１２ｘの出力Ｘｏは、Ｘ１−Ｘ２であり、また、差動アンプ１２ｙの出力ＹｏはＹ１−Ｙ２であった。磁石の移動距離が増加した場合の出力信号を図５及び図６に示す。図５は、従来の、２つの磁気センサの出力差と磁石の移動距離の関係を示す図であり、図６は、出力差／出力和と磁石の移動距離の関係を示す図である。ここで、磁石のサイズを３ｍｍ×３ｍｍ×０．８ｍｍ（縦×横×高さ）、軸上の２つのセンサのピッチを３．２５ｍｍとしている。図中に示すＧaｐは、磁石表面とセンサ面までのＺ軸方向の距離を示している。
【００２９】
従来は、図５に示すように、２ｍｍから暫減しているのに対し、本発明においては、図６に示すように（図中右側下段に示す３つの曲線）、２ｍｍ以上の範囲で差出力電圧は増加していることが分かる。
【００３０】
Ａ／Ｄ変換器１３は、差動アンプ１２の出力信号（アナログ値）をデジタル値に変換する。検出制御部１４は、Ａ／Ｄ変換器１３からの出力信号（電圧）をＸ座標値及びＹ座標値に変換する。座標変換部１５は、検出制御部１４から出力されるＸＹ座標の座標値（Ｘ，Ｙ）を極座標の座標値（Ｒ，θ）に変換する。
【００３１】
座標切換部１６は、座標変換部１５から出力される極座標の座標値と、検出制御部１４から出力されるＸＹ座標の座標値の双方の信号を受け、出力方法記憶部１７の指示に従っていずれか一方を出力制御部１８に出力する。出力方法記憶部１７は、外部から指定された出力方法（ＸＹ座標／極座標）を記憶してこれを座標切換部１６に指示する。出力制御部１８は、外部に対する座標値出力を制御する。
【００３２】
座標変換部１５は、距離算出部５１と角度算出部５２と距離出力制限部５３とからなり、距離算出部５１で距離Ｒを、例えば、Ｒ＝√（Ｘ^２＋Ｙ^２）の形で、また、角度算出部５２を、例えば、θ＝ｔａｎ^−１（Ｙ／Ｘ）の形で、それぞれ算出する。距離出力制限部５３は、距離算出部５１が算出したＲを予め定めた限界値Ｒｍａｘと比較し、Ｒ＞Ｒｍａｘの場合には、ＲをＲｍａｘに変換して出力する。これを図３により説明する。
【００３３】
図３は、出力制限機能の説明図である。つまり、入力座標値（Ｒ，θ）におけるＲがＲｍａｘより大きい場合、出力座標値を常に（Ｒｍａｘ，θ）とする。
【００３４】
なお、このＲを制限する機能は、円形領域に表示を行うようなアプリケーションの場合に表示不能となることを防止するためのものであるが、機構的にＲがＲｍａｘを超えることがないようになっているなど、この機能を必要としない場合には、この距離出力制限部５３を設けなくてよい。
【００３５】
図４は、本発明に係る位置検出装置の他の実施例を説明するための回路ブロックで、図２と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。この実施例において、検出制御部１４と座標変換部１５と出力制御部１８とが直列に接続されており、図２における座標切換部１６と出力方法記憶部１７がなく、したがって、極座標の座標値のみを出力するように構成されている。
【００３６】
[実施例２]
次に、本発明に係る位置検出装置の実施例２について説明する。この実施例２の回路ブロックは、上述した実施例１と同様である。実施例１との相違は、差動アンプ１２ｘの出力Ｘｏと差動アンプ１２ｙの出力Ｙｏの算出方法が異なる点である。
【００３７】
検出部１１のＸ軸方向に配設されたホール素子２１ａからの信号をＸ１、ホール素子２１ｂからに信号をＸ２とし、また、検出部１１のＹ軸方向に配設されたホール素子２１ｃからの信号をＹ１、ホール素子２１ｄからの信号をＹ２とし、差動アンプ１２ｘの出力をＸｏ、差動アンプ１２ｙの出力をＹｏとすると、
Ｘｏ＝（Ｘ１−Ｘ２）／（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｙ１＋Ｙ２）
Ｙｏ＝（Ｙ１−Ｙ２）／（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｙ１＋Ｙ２）
となるような出力を生成する。
【００３８】
つまり、Ｘ軸方向に配設されたホール素子２１ａ，２１ｂの差信号（Ｘ１−Ｘ２）を、このホール素子２１ａ〜２１ｄの和信号（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｙ１＋Ｙ２）で除算した信号（Ｘｏ＝（Ｘ１−Ｘ２）／（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｙ１＋Ｙ２））を生成するとともに、Ｙ軸方向に配設されたホール素子２１ｃ，２１ｄの差信号（Ｙ１−Ｙ２）を、このホール素子２１ａ〜２１ｄの和信号（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｙ１＋Ｙ２）で除算した信号（Ｙｏ＝（Ｙ１−Ｙ２）／（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｙ１＋Ｙ２））を生成する。この実施例２によれば、図６に示すように（図中右側上段に示す３つの曲線）、実施例１と比べて、さらに単調増加する範囲が広くなっていることが分かる。
【００３９】
［実施例３］
図７は、本発明に係る位置検出装置のさらに他の実施例を説明するための図で、図中符号２２は位置や移動量、傾斜度合いを検出する対象の被検出物体、２３は磁石を示している。被検出物体２２には磁石２３が固定されていて、上述した図１に示した磁気センサ１上で磁石２３を移動又は傾斜させることにより、被検出物体２２の位置や移動量、傾斜度合いを検出できるように構成されている。なお、回路ブロックは、上述した実施例１，２と同じものである。
【００４０】
本実施例３においては、このような構成により、温度変化や磁石のばらつきがあっても、被検出物体２２の移動量を０．１ｍｍレベルで検出することが可能となった。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、Ｘ軸及びＹ軸に沿って２個ずつ配設された４つの磁気センサと、前記４つの磁気センサの中心付近に移動自在又は傾斜自在に配設される磁石とを備え、該磁石の移動量に対して出力信号の単調増加の範囲が大きくなるようにした位置検出装置であって、前記Ｘ軸上の前記２つの磁気センサの差信号を該Ｘ軸上の前記２つの磁気センサの和信号で除算した出力値と、前記Ｙ軸上の前記２つの磁気センサの差信号を該Ｙ軸上の前記２つの磁気センサの和信号で除算した出力値とをそれぞれ位置信号として出力し、前記磁石の移動距離に対して前記出力値が所定範囲以上で増加するので、磁石や磁気センサの特性のバラツキやその温度特性によるドイフトに対して、全く影響を受けない出力を得ることができる。また、磁石と磁気センサの距離の影響が小さくなり、磁石の移動量に対して信号の単調増加の範囲が大きくなるので、設計、調整、組立てが容易になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るポインティングデバイスの一実施例を説明するための構成図である。
【図２】本発明に係る位置検出装置の実施例１を説明するための回路ブロックである。
【図３】出力制限機能の説明図である。
【図４】本発明に係る位置検出装置の他の実施例を説明するための回路ブロックである。
【図５】従来の、２つの磁気センサの出力差と磁石の移動距離の関係を示す図である。
【図６】出力差／出力和と磁石の移動距離の関係で、２つの和と４つの和で割った場合を示す図である。
【図７】本発明に係る位置検出装置のさらに他の実施例を説明するための図である。
【図８】従来の磁気検出式ポインティングデバイスの磁気検出回路を示すブロック図である。
【図９】従来のポインティングデバイスで使用されているマグネット支持機構の例を示す図である。
【符号の説明】
１磁気センサ
２マグネット
３弾性部材としてのシリコーン樹脂
４実装基板
５押圧部材
６スイッチ
７空間部
７ａ切り欠き部
１１検出部
１２（１２ｘ，１２ｙ）差動アンプ
１３Ａ／Ｄ変換器
１４検出制御部
１５座標変換部
１６座標切換部
１７出力方法記憶部
１８出力制御部
２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）ホール素子
２２被検出物体
２３磁石
３１検出部
３２差動アンプ
３３Ａ／Ｄ変換器
３４検出制御部
３５出力制御部
４１ホール素子
５１距離算出部
５２角度算出部
５３距離出力制限部

Claims

Ｘ軸及びＹ軸に沿って２個ずつ配設された４つの磁気センサと、前記４つの磁気センサの中心付近に移動自在又は傾斜自在に配設される磁石とを備え、該磁石の移動量に対して出力信号の単調増加の範囲が大きくなるようにした位置検出装置であって、
前記Ｘ軸上の前記２つの磁気センサの差信号を該Ｘ軸上の前記２つの磁気センサの和信号で除算した出力値と、前記Ｙ軸上の前記２つの磁気センサの差信号を該Ｙ軸上の前記２つの磁気センサの和信号で除算した出力値とをそれぞれ位置信号として出力し、前記磁石の移動距離に対して前記出力値が所定範囲以上で増加することを特徴とする位置検出装置。
Ｘ軸及びＹ軸に沿って２個ずつ配設された４つの磁気センサと、前記４つの磁気センサの中心付近に移動自在又は傾斜自在に配設される磁石とを備え、Ｘ軸上の２つの磁気センサの差信号を前記４つの磁気センサの和信号で除算した値と、Ｙ軸上の２つの磁気センサの差信号を前記４つの磁気センサの和信号で除算した値とをそれぞれ位置信号として出力することを特徴とする位置検出装置。