JP4941108B2 - 位置検出装置および位置決め装置 - Google Patents
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Description
本発明は位置検出装置および位置決め装置に関する。
Ｎ極とＳ極とを交互に着磁した可動部材の位置を、２つの磁気検出素子が検出した磁界の強度をＡ，Ｂとして、ａｒｃｔｎａｎ（Ａ／Ｂ）の演算によって位相を算出することで高分解能に算出する方法が知られている。しかしながら、ａｒｃｔｎａｎ（Ａ／Ｂ）の演算は処理の負荷が大きく、可動部材が高速に移動する場合、演算が追いつかないという問題が生じる。
そこで、ａｒｃｔｎａｎ（Ａ／Ｂ）の演算結果を予めテーブルに記憶しておいて、Ａ，Ｂの値を基にテーブルを参照してａｒｃｔｎａｎ（Ａ／Ｂ）を求める方法が考えられる。しかし、Ａ，Ｂの分解能をそれぞれ１０ｂｉｔとすると、テーブルには、１０２４×１０２４＝１０４８５７６個ものデータを保持する必要があり、大きなメモリ空間が必要になり、コストアップを招くことになる。
特許文献１には、Ａ＞０の場合、Ｂ＜０の場合、および、Ａ≦０且つＢ≧０の場合にそれぞれ、異なる演算式を用いることで、演算負荷が小さく、参照テーブルを記憶する必要のない位置検出装置が記載されている。
特許文献１の位置検出装置では、図９に示すように、Ｎ極とＳ極との着磁距離毎に略リニアに増加と減少とを繰り返す演算値が得られる。また、特許文献１の位置検出装置では、Ｎ極とＳ極とが１組だけ着磁されている場合にも、図１０に示すように、Ｎ極とＳ極との着磁距離の間で略リニアな演算値が得られる。
特許文献１の位置検出装置では、Ｎ極とＳ極との着磁距離の範囲を超えると、演算値だけでは可動部材の位置を特定できない。
特開２００６−２９２３９６号公報
前記問題点に鑑みて、本発明は、Ｎ極とＳ極との着磁距離を超える広い範囲でリニア出力が得られる位置検出装置を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明による位置検出装置は、所定の可動方向に移動可能であり、前記可動方向に並んでＮ極とＳ極とに着磁された可動部材と、前記可動部材に対向して、前記可動方向に並んで配設され、それぞれ、磁界の変化を検出する２つの磁界検出素子とを備え、前記２つの磁界検出素子の検出信号をＡ，Ｂとして、前記Ａ，Ｂを基に前記可動部材の位置を示す演算値を、Ａ≧０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、Ａ＜０、且つ、Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）、Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２の演算を行って算出するものとする。
この構成によれば、Ａ＋Ｂの正負に応じて、演算式を切り替えるので、Ａ＋Ｂが正の場合の演算値とＡ＋Ｂが負の場合の演算値とを直線的に変化するように繋ぎ合わせることができ、リニア出力が得られる範囲を広くすることができ、Ｎ極とＳ極との着磁距離の２倍に近い範囲でリニアな演算値が得られる。
また、本発明の位置検出装置において、前記２つの磁界検出手段の間隔は、前記Ｎ極と前記Ｓ極との着磁距離の１／２の奇数倍であってもよい。
この構成によれば、各演算式の線形部分の傾きが同じになるので、各演算式の線形部分を繋ぎ合わせることで、リニアな演算出力が得られる。
本発明によれば、Ａの正負、Ｂの正負およびＡ＋Ｂの正負に応じて演算式を切り替えるので、Ｎ極とＳ極との着磁距離の略２倍の広い範囲でリニアな演算値が得られ、可動部材の位置を一義的に特定できる。
これより、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の第１実施形態の位置検出装置１の構成を示す。位置検出装置１は、ｘ方向に移動可能な可動部材２の表面にＮ極３とＳ極４とを一定の着磁距離で交互に着磁し、可動部材２に対向するように固定された２つのホール素子（磁界検出素子）５で、可動部材２によって形成される磁界の強度をそれぞれ検出し、ホール素子５の検出信号をアンプ６を介して演算装置７に入力することにより、可動部材２の位置を算出するように構成されている。
図１に、本発明の第１実施形態の位置検出装置１の構成を示す。位置検出装置１は、ｘ方向に移動可能な可動部材２の表面にＮ極３とＳ極４とを一定の着磁距離で交互に着磁し、可動部材２に対向するように固定された２つのホール素子（磁界検出素子）５で、可動部材２によって形成される磁界の強度をそれぞれ検出し、ホール素子５の検出信号をアンプ６を介して演算装置７に入力することにより、可動部材２の位置を算出するように構成されている。
可動部材２は、アクチュエータの移動子などの検出対象に固定され、検出対象とともに移動する。また、２つのホール素子５は、着磁距離の５／２倍（１＋１／４周期）の間隔を空けて固定されている。
演算装置７は、ホール素子５の出力をそれぞれ、Ａ，Ｂとして、Ａの正負、Ｂの正負およびＡ＋Ｂの正負に応じて演算式を切り替える。具体的には、演算装置７は、
Ａ≧０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、
Ａ＜０、且つ、Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）、
Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２の演算を行う。
Ａ≧０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、
Ａ＜０、且つ、Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）、
Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２の演算を行う。
図２に、演算装置７の出力値をＦ（Ａ，Ｂ）として、可動部材２の位置による変化を、ホール素子５の出力Ａ，Ｂと、３つの演算式の演算値（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、および、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２とともに示す。
Ａ，Ｂは、ホール素子５がそれぞれＮ極３に正対するときに最大となり、ホール素子５がそれぞれＳ極４に正対するときに最小となるように可動部材２の位置に応じて周期的に変動する。つまり、ＡまたはＢの最大値と最小値との横軸距離（Ａ，Ｂの１／２周期）が、Ｎ極３とＳ極４との着磁距離に相当する。
（Ａ＋Ｂ）および（Ｂ−Ａ）は、それぞれ、着磁距離（１／２周期）毎に０になる。演算（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）の値は、（Ｂ−Ａ）＝０のときに発散し（±∞になり）、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、および、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２の値は、それぞれ、（Ａ＋Ｂ）＝０のときに発散する。各演算式の値は、発散する位置の中央で略線形な変化をする部分を有している。
検出信号Ａ＝０のとき、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）＝Ｂ／Ｂ＝１であり、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２＝−Ｂ／Ｂ＋２＝１である。また、検出信号Ｂ＝０のとき、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）＝−Ａ／Ａ＝−１であり、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２＝Ａ／Ａ−２＝−１である。
以上より、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２が発散する前のＡ＝０のときに、演算式を（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）に切り替え、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）が発散する前のＢ＝０のときに、演算式を（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２に切り替えることで、各演算式の略線形な部分を繋ぎ合わせて、着磁距離の３／２倍以上の範囲で発散しない連続した出力Ｆ（Ａ，Ｂ）を得ることができる。
特に、２つのホール素子５の間隔を、Ｎ極３とＳ極４との着磁距離の１／２の奇数倍にすることで、ＡとＢとの位相が９０°異なるようにすれば、各演算式の線形範囲の傾きが等しくなるので、着磁距離の３／２倍以上の範囲で略リニアな出力Ｆ（Ａ，Ｂ）を得ることができる。
図３に、本実施形態の位置検出装置１において、使用する演算式をさらに追加した代案を示す。この代案では、演算装置７は、
Ａ≧０、Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）＋４、
Ａ≧０、Ｂ≧０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、
Ａ＜０、且つ、Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）、
Ａ＜０、Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２、
Ａ≧０、Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）−４の演算を行う。
Ａ≧０、Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）＋４、
Ａ≧０、Ｂ≧０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、
Ａ＜０、且つ、Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）、
Ａ＜０、Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２、
Ａ≧０、Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）−４の演算を行う。
演算式（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）＋４、および、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）−４も、（Ｂ−Ａ）＝０のときに発散するが、その中央では、略線形な変化をしている。
検出信号Ａ＞０、且つ、Ｂ＝０のとき、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２＝Ａ／Ａ＋２＝３であり、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）＋４＝Ａ／（−Ａ）＋４＝３である。また、検出信号Ａ＝０、且つ、Ｂ＜０のとき、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２＝−Ｂ／Ｂ−２＝−３であり、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）−４＝Ｂ／Ｂ−４＝−３である。
よって、Ａ＞０、且つ、Ｂ＝０のときに、演算式（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２と（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）＋４とを切り替え、Ａ＝０、且つ、Ｂ＜０のときに、演算式（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２と、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）−４とを切り替えることで、５つの演算式の線形部分を繋ぎ合わせて、あらゆる検出信号Ａ，Ｂに対して、演算出力Ｆ（Ａ，Ｂ）が発散しないようにできる。
特に、ＡとＢとの位相が９０°（着磁距離の１／２倍）異なるようにすれば、各演算式の線形範囲の傾きが等しくなるので、図示するように、着磁距離の２倍の範囲で略リニアな、鋸歯状の出力Ｆ（Ａ，Ｂ）を得ることができる。
続いて、図４に、本発明の第２実施形態の位置検出装置１を示す。本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。本実施形態において、可動部材２には、Ｎ極３と１つのＳ極４とがそれぞれ１箇所ずつ着磁され、Ｎ極３とＳ極４との間に、着磁されない不着磁部８が設けられている。
図５に、本実施形態においても、演算装置７は、第１実施形態と同様に、
Ａ≧０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、
Ａ＜０、且つ、Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）、
Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２の演算を行う。
Ａ≧０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、
Ａ＜０、且つ、Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）、
Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２の演算を行う。
図５に、可動部材２の位置による、ホール素子５の出力Ａ，Ｂと、３つの演算式の演算値（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、および、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２と、演算装置７の出力値Ｆ（Ａ，Ｂ）を示す。図５において、横軸中央が、２つのホール素子５の中央が、Ｎ極３とＳ極４との中央に正対する位置である。この中央において、ホール素子５の出力のうち、小さい方がＡであり、大きい方がＢになっている。
本実施形態でも、図示するように、３つの演算式の線形部分を繋ぎ合わせて、着磁距離の３／２倍以上の範囲で略リニアな出力Ｆ（Ａ，Ｂ）を得られる。
ここで、２つのホール素子５の中央が、Ｎ極３とＳ極４との中央に正対する位置において、ホール素子５の出力のうち、大きい方をＡとし、小さい方をＢとすると、図６に示すように、横軸中央で演算出力Ｆ（Ａ，Ｂ）が発散し、リニアな出力が得られないので、Ｎ極３とＳ極４とが１つずつの場合には、Ｎ極３とＳ極４との中央に正対する位置において、ホール素子５の出力のうち、小さい方をＡとし、大きい方をＢとしなければならない。
さらに、図７に、第２実施形態の位置検出装置１において、使用する演算式をさらに追加した代案を示す。この代案では、演算装置７は、
Ａ≧０、Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）＋４、
Ａ≧０、Ｂ≧０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、
Ａ＜０、且つ、Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）、
Ａ＜０、Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２、
Ａ≧０、Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）−４の演算を行う。
Ａ≧０、Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）＋４、
Ａ≧０、Ｂ≧０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、
Ａ＜０、且つ、Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）、
Ａ＜０、Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２、
Ａ≧０、Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）−４の演算を行う。
この代案では、Ｎ極３とＳ極４とが１つずつの場合には、演算式が３つの場合と比べて、線形範囲を広げることはできないが、演算出力Ｆ（Ａ，Ｂ）の発散をなくすことはできる。
この代案においても、２つのホール素子５の中央が、Ｎ極３とＳ極４との中央に正対する位置において、ホール素子５の出力のうち、大きい方をＡとし、小さい方をＢとすると、図６に示すように、横軸中央で演算出力Ｆ（Ａ，Ｂ）が発散するので、出力ＡとＢとの大小に留意が必要である。
なお、本発明において、着磁した可動部材の移動とは、磁界検出素子に対する相対移動を指す。例えば、本発明の位置検出装置を、自走式のアクチュエータに適用する場合、着磁した可動部材の絶対位置が変わらず、磁界検出素子の絶対位置が移動することになるが、そのような場合も、可動部材の磁界検出素子に対する位置を算出するものと解され、本発明から除外されない。
１ 位置決め装置
２ 可動部材
３ Ｎ極
４ Ｓ極
５ ホール素子
６ アンプ
７ 演算装置
８ 付着磁部
Ａ 検出信号
Ｂ 検出信号
Ｆ（Ａ，Ｂ）演算出力
２ 可動部材
３ Ｎ極
４ Ｓ極
５ ホール素子
６ アンプ
７ 演算装置
８ 付着磁部
Ａ 検出信号
Ｂ 検出信号
Ｆ（Ａ，Ｂ）演算出力
Claims (3)
- 所定の可動方向に移動可能であり、前記可動方向に並んでＮ極とＳ極とに着磁された可動部材と、
前記可動部材に対向して、前記可動方向に並んで配設され、それぞれ、磁界の変化を検出する２つの磁界検出素子とを備え、
前記２つの磁界検出素子の検出信号をＡ，Ｂとして、前記Ａ，Ｂを基に前記可動部材の位置を示す演算値を、
Ａ≧０、且つ、Ａ＋Ｂ≧０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、
Ａ＜０、且つ、Ｂ≧０のときは、（Ａ＋Ｂ）／（Ｂ−Ａ）、
Ｂ＜０、且つ、Ａ＋Ｂ＜０のときは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２の演算を行って算出することを特徴とする位置検出装置。 - 前記Ｎ極と前記Ｓ極とはそれぞれ１箇所ずつ着磁され、
前記２つの磁界検出手段の中央が、前記Ｎ極と前記Ｓ極との中央に対向する位置において、前記磁界検出素子の検出信号の小さい方をＡ、大きい方をＢとすることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。 - 前記２つの磁界検出手段の間隔は、前記Ｎ極と前記Ｓ極との着磁距離の１／２の奇数倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出装置。
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