JP5074342B2 - Position detection device and electronic apparatus using the position detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、位置検出装置及びその位置検出装置を用いた電子機器に関し、より詳細には、磁石とホールセンサを用いた位置検出装置及びその位置検出装置を用いた電子機器に関する。 The present invention relates to a position detection device and an electronic device using the position detection device, and more particularly to a position detection device using a magnet and a hall sensor and an electronic device using the position detection device.
近年、様々なセンサがあらゆるところで用いられるようになっている。例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等に用いられる手ブレ補正装置やズームやオートフォーカスのためのレンズ位置検出装置では、瞬時に高精度な位置検出を行う機能を有するセンサが必要となると同時に、近年機器全体の小型化の要求が強いことから、センサ自体の小型化が要求されている。さらには、長寿命化、埃や油(グリース)などの影響を受けにくい特性をもつセンサなど様々な要求がある。 In recent years, various sensors have been used everywhere. For example, a camera shake correction device used in a digital still camera, a digital video camera, or a lens position detection device for zooming or autofocus requires a sensor having a function for instantaneously detecting a position with high accuracy. In recent years, there is a strong demand for downsizing of the entire device, and thus downsizing of the sensor itself is required. Furthermore, there are various demands such as a sensor having a long life and a characteristic that is not easily affected by dust and oil (grease).
このような要求をみたすために、センサとして磁気センサを用いた位置検出方法などが知られている。磁気センサとして、例えば、特許文献1に記載されている方法を変更・修正して行うことができる。すなわち、特許文献1の図3で示されているように、可動部に磁石を内包させ、その移動を複数個の磁気センサを用いて検出する方法である。
In order to meet such a demand, a position detection method using a magnetic sensor as a sensor is known. As the magnetic sensor, for example, the method described in
ここで、複数個の磁気センサを用いて、位置検出を行う原理及びその構成について説明する。 Here, the principle and configuration of position detection using a plurality of magnetic sensors will be described.
図8は、磁気センサとして複数のホールセンサを用いた位置検出方法を説明するための図である。規定の間隔を隔てて配置された2個のホールセンサ11,12に対向して配置された永久磁石23の側面方向(矢印方向)への移動による磁束密度の変化に応じて、2個のホールセンサ11,12のホール出力電圧がそれぞれ変化する。それらホール出力電圧の差分値を、差動信号処理回路により処理することにより、永久磁石23の位置検出を行うことができる。この位置検出の際、永久磁石23の移動方向は、2個のホールセンサ11,12を結ぶ直線に平行な状態となっている。
FIG. 8 is a diagram for explaining a position detection method using a plurality of Hall sensors as magnetic sensors. Two holes according to the change in magnetic flux density due to the movement of the
また、キャリブレーションの手間を省くため、上述したホール出力電圧の差分値が永久磁石23の側面方向への移動距離に対して線形に変化するように、その永久磁石23のサイズや、ホールセンサ11,12の間隔や、ホールセンサ11,12と永久磁石23との間隔を設計するのが一般的である。
Further, in order to save the labor of calibration, the size of the
この構成は、磁石とホールセンサの相対的移動範囲が数mm以内であれば、良好な特性を有しており、一眼レフデジタルカメラの手ブレ補正装置などでキーパーツとして使用されている。しかし、移動範囲が数mmを超える領域では、機構全体が大きくなるという問題があり、実用化されていない。 This configuration has good characteristics as long as the relative movement range of the magnet and the Hall sensor is within a few mm, and is used as a key part in a camera shake correction device of a single-lens reflex digital camera. However, in a region where the moving range exceeds several mm, there is a problem that the whole mechanism becomes large, and it has not been put into practical use.
また、広い温度範囲で高精度に位置検出を行う場合において、例えば、特許文献2で示された出力信号処理方法を用いて、ホールセンサや磁石の周囲温度変化による特性の変化を抑えて位置検出を行う場合もある。
In addition, when position detection is performed with high accuracy in a wide temperature range, for example, the output signal processing method disclosed in
さらに、狭い範囲での位置検出においては、部品点数を削減するために、例えば、特許文献4の図6で示されるような配置で、磁石と1個のホールセンサとを用いて1軸方向の位置検出を行うことも可能である。 Further, in position detection in a narrow range, in order to reduce the number of parts, for example, in an arrangement as shown in FIG. 6 of Patent Document 4, a magnet and one hall sensor are used in one axial direction. It is also possible to perform position detection.
また、狭い範囲で高い精度が求められる位置検出では、例えば、特許文献3のように磁石を2個使って特殊な配置で位置検出を行う場合もある。 In position detection that requires high accuracy in a narrow range, for example, as in Patent Document 3, position detection may be performed with a special arrangement using two magnets.
一方、広範囲な位置検出を行う際には、エンコーダを用いる手法が一般的である。ただし、エンコーダを用いる場合は、センサからの信号を処理するカウンタなどを含む複雑な処理回路が必要になるという問題がある。また、移動装置とエンコーダとが脱調すると、所望の特性が得られないため、あまり高速な移動対象には不向きである。 On the other hand, when performing position detection over a wide range, a method using an encoder is common. However, when an encoder is used, there is a problem that a complicated processing circuit including a counter for processing a signal from the sensor is required. In addition, if the moving device and the encoder step out, desired characteristics cannot be obtained, so that the moving device and the encoder are not suitable for a high-speed moving object.
また、広範囲で高精度を要求される位置検出では、特許文献5の図2で示されるような配置で、磁気センサからの出力に応じて、演算方法を切り替えることで位置検出を行う場合もある。 In addition, in position detection that requires high accuracy over a wide range, the position detection may be performed by switching the calculation method according to the output from the magnetic sensor in the arrangement as shown in FIG. .
近年、非接触式で長寿命であり、埃やチリなどの影響を受けない磁気センサを用いて、広範囲で位置検出を実現したいという要求が増えている。さらに、デジタルカメラなどの携帯機器では小型化要求も強い。 In recent years, there has been an increasing demand to realize position detection in a wide range using a magnetic sensor that is non-contact and has a long life and is not affected by dust or dust. Furthermore, there is a strong demand for downsizing of portable devices such as digital cameras.
後述する比較例(特許文献1に記載の方法)に記載の方法を用いて広範囲で位置検出を行う場合、上述したホール出力電圧の差分値が永久磁石の側面方向への移動距離に対して線形に変化するように設計すると、磁石のサイズや、2個のホールセンサの間隔、及びホールセンサと磁石との間隔が大きくなり、位置検出装置の小型化が困難であるという問題があった。 When position detection is performed over a wide range using the method described in a comparative example (method described in Patent Document 1) described later, the above-described difference value of the Hall output voltage is linear with respect to the movement distance in the lateral direction of the permanent magnet. If the design is made to change to, the size of the magnet, the distance between the two Hall sensors, and the distance between the Hall sensor and the magnet are increased, which makes it difficult to reduce the size of the position detection device.
また、上述した特許文献3や特許文献4に記載されているような方法は、原理的に広い範囲においてホールセンサの出力が線形になるように磁石を配置するのが難しく、カメラのズームやオートフォーカスのためのレンズ位置検出装置で要求されるような、5mm以上の広範囲な位置検出は不可能であるという問題があった。 In addition, the methods described in Patent Document 3 and Patent Document 4 described above are difficult in principle to dispose the magnet so that the output of the Hall sensor is linear in a wide range. There has been a problem that position detection over a wide range of 5 mm or more, which is required for a lens position detection device for focusing, is impossible.
また、上述した特許文献5に記載されている方法は、磁石の移動距離方向のサイズが、位置検出範囲よりも長くなり、小型化には不向きであるという問題があった。さらには、磁石はN極とS極が2極ずつ具備され、磁気センサの感磁面に対して垂直に着磁されたものを使用するが、不着磁部のサイズによって、線形性が変化するため、不着時部のサイズを規定した特殊な磁石を用意する必要があるという問題もあった。 Moreover, the method described in Patent Document 5 described above has a problem that the size of the magnet in the moving distance direction is longer than the position detection range, and is not suitable for downsizing. Furthermore, the magnet has two N poles and two S poles and is magnetized perpendicular to the magnetic sensing surface of the magnetic sensor, but the linearity changes depending on the size of the non-magnetized part. For this reason, there is a problem that it is necessary to prepare a special magnet that defines the size of the non-attached portion.
このような理由により、現在までのところ、小型で位置検出範囲の0.1%程度という高精度で、磁石を用いた位置検出装置は、磁石の移動距離が数mm以内のものしか実用化されていなかった。 For these reasons, up to the present, only a small position detection device using a magnet with a high accuracy of about 0.1% of the position detection range has been put into practical use within a moving distance of a few millimeters. It wasn't.
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、ホールセンサを磁気センサとして用い構成部品を汎用品や入手が容易な部品などにより構成した場合においても、簡易な構成で小型化を実現することができると共に広範囲な距離を高精度に検出することが可能な位置検出装置及びその位置検出装置を用いた電子機器を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems. The object of the present invention is simple even when the hall sensor is used as a magnetic sensor and the component parts are constituted by general-purpose products or easily available parts. An object of the present invention is to provide a position detection device capable of realizing downsizing with a simple configuration and capable of detecting a wide range of distances with high accuracy, and an electronic apparatus using the position detection device.
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、基板上に配置され、感磁方向が前記基板に対して垂直である2個の磁気センサを1組としてなる磁束検出手段と、前記磁気センサの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向に、かつ前記基板に平行な平面内を移動可能に支持され、前記基板に対して垂直方向にN極とS極が着磁された磁石からなる磁束発生手段と、前記磁気センサからの出力に基づいて位置検出を行う信号処理手段とを備え、該信号処理手段が、前記磁石の移動範囲を3分割し、該3分割した移動範囲のうち中央部分については、前記磁気センサの出力をそれぞれVa及びVbとした場合に、(Va−Vb)又は(Va−Vb)/(Va+Vb)の関係式を用いて位置検出を行い、前記3分割した移動範囲のうち、Vaを出力する磁気センサ側については、(Va−Vb)/(nVa+mVb)の関係式を用いて位置検出を行い、前記3分割した移動範囲のうち、Vbを出力する磁気センサ側については、(Va−Vb)/(mVa+nVb)の関係式を用いて位置検出を行う(ただし、n及びmの絶対値は同値ではない実数)ことを特徴とする。
The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to
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、前記3分割は、前記磁石の移動範囲を約4等分したうちの中央2ヶ所と、一端の1ヶ所と、他の一端の1ヶ所となるように3分割することを特徴とする。
The invention according to
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記磁気センサの感磁部の中心間を結ぶ直線の中点と、前記磁石の移動範囲の中点とが同じであることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the midpoint of a straight line connecting the centers of the magnetic sensing portions of the magnetic sensor and the midpoint of the moving range of the magnet are It is characterized by being the same.
また、請求項4に記載の発明は、請求項1,2又は3に記載の発明において、前記関係式のうちn又はmの一方がゼロであることを特徴とする。
The invention described in claim 4 is characterized in that, in the invention described in
また、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明において、前記磁気センサを1つのパッケージに一体に封入していることを特徴とする。
The invention according to claim 5 is the invention according to any one of
また、請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の発明において、前記磁気センサは、磁気増幅を行うための磁性体チップを有していないことを特徴とする。
The invention according to claim 6 is the invention according to any one of
また、請求項7に記載の発明は、請求項1乃至6のいずれかに記載の発明において、前記磁気センサは、GaAs、InAs、InSbなどのIII−V族化合物半導体を含むホールセンサであることを特徴とする。
The invention according to claim 7 is the invention according to any one of
また、請求項8に記載の発明は、請求項1乃至6のいずれかに記載の発明において、前記磁気センサは、Si、GeなどのIV族半導体を含むホールセンサであることを特徴とする。
The invention according to claim 8 is the invention according to any one of
また、請求項9に記載の発明は、請求項1乃至8のいずれかに記載の位置検出装置を用いたことを特徴とする電子機器である。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an electronic apparatus using the position detecting device according to any one of the first to eighth aspects.
本発明によれば、ホールセンサを磁気センサとして用い構成部品を汎用品や入手が容易な部品などにより構成した場合においても、簡易な構成で小型化を実現することができると共に広範囲な距離を高精度に検出することが可能な位置検出装置とその位置検出装置を用いた電子機器を提供することが可能になる。 According to the present invention, even when the hall sensor is used as a magnetic sensor and the component parts are constituted by general-purpose products or easily available parts, it is possible to achieve downsizing with a simple configuration and to increase a wide range of distances. It is possible to provide a position detection device capable of detecting with high accuracy and an electronic apparatus using the position detection device.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
<本発明の位置検出装置の構成>
図1(a),(b)は、本発明に係る位置検出装置の概略構成図で、図1(a)は断面図、図1(b)は上面図である。図中符号30は位置検出装置、31はN極S極をそれぞれ1極ずつ着磁した直方体磁石(磁束発生手段)、32a,32bは2個を1組としたホールセンサ(磁気センサ/磁束検出手段)、33はホールセンサ32a(第1のホールセンサ)とホールセンサ32b(第2のホールセンサ)を実装した基板を示している。本発明に係る位置検出装置は、様々な形状の磁石と、種々なホールセンサとを用いて構成できる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Configuration of Position Detection Device of the Present Invention>
1A and 1B are schematic configuration diagrams of a position detection device according to the present invention, in which FIG. 1A is a sectional view and FIG. 1B is a top view. In the figure,
ホールセンサ32a,32bは、基板33上に配置され、感磁方向が基板33に対して垂直である2個を1組としたものである。直方体磁石31は、ホールセンサ32a,32bを実装した基板33に対して垂直に着磁された構成となっており、基板33と対向する1平面100内で、x方向に沿って移動可能に配置されている。
The
つまり、直方体磁石31は、ホールセンサ32a,32bの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向に、かつ基板33に平行な平面内を移動可能に支持され、基板33に対して垂直方向にN極とS極が着磁されている。
That is, the
ここで、2個のホールセンサ32a,32bの感磁部中心間を結ぶ直線に対して平行方向に、かつ基板33に平行な平面内を移動可能という意味は、ホールセンサ32a,32bの感磁部の中心間を結ぶ直線と直方体磁石31の移動方向を示す直線を、基板33に平行な任意の同一平面上に投影した場合にそれぞれの延長線が平行であることを意味するものである。また、2個のホールセンサ32a,32bの感磁部の中心間を結ぶ直線の中点と、直方体磁石31の移動範囲の中点とが同じである。
Here, the meaning of being able to move in a direction parallel to the straight line connecting the centers of the magnetic sensing portions of the two
直方体磁石31は、フェライトやネオジ鉄ボロン、サマリウムコバルト磁石などが適用可能であり、薄型の磁石の場合は、プラスチック磁石やゴム磁石を用いることも可能である。磁石の着磁方向は、基板33に対して垂直方向にN極とS極が着磁された方向にするとよい。
As the
1組のホールセンサとして構成された、第1のホールセンサ32aの感磁部中心と、第2のホールセンサ32bの感磁部中心を結ぶ直線もx方向である。また、ホールセンサ32a,32bは、直方体磁石31の面と対向した位置に配置されている。
A straight line connecting the center of the magnetic sensing part of the
図中符号A1は、直方体磁石31の長辺方向Xの長さ、A2は直方体磁石31の短辺方向Yの長さ、A3は直方体磁石31の厚み(着磁)方向Zの長さを示している。また、B1は、直方体磁石31のホールセンサ32a,32bの基板33に対向する平面100から、ホールセンサ32a,32bの感磁部の中心までの距離を示している。B2は、第1のホールセンサ32aの感磁部の中心と、第2のホールセンサ32bの感磁部の中心とを結ぶ距離を示している。
In the figure, A1 indicates the length in the long side direction X of the
ホールセンサ32a,32bは、GaAs、InAs、InSbなどのIII−V族化合物半導体を含むものである。また、Si、GeなどのIV族半導体を含むものでもよい。
The
図2は、図1に示した位置検出装置の位置検出回路の構成図で、図中符号19は駆動回路、20は信号処理部、21a,21bは差動増幅器、22は計算処理部を示している。
FIG. 2 is a block diagram of the position detection circuit of the position detection apparatus shown in FIG. 1. In FIG. 2,
駆動回路19は、1組のホールセンサ32a,32bと、これらのホールセンサ32a,32bに電圧を供給する電源部Vcとから構成されている。第1のホールセンサ32aは、正極入力端子32a(A)と正極出力端子32a(B)と負極入力端子32a(C)と負極出力端子32a(D)とから構成され、また、第2のホールセンサ32bは、正極入力端子32b(E)と正極出力端子32b(F)と負極入力端子32b(G)と負極出力端子32b(H)とから構成されており、正極出力端子32a(B)と負極出力端子32a(D)とから第1のホールセンサ32aの出力電圧Vaが出力され、また、正極出力端子32b(F)と負極出力端子32b(H)とから第2のホールセンサ32bの出力電圧Vbが出力される。
The
信号処理部20は、ホールセンサ32a,32bからの出力に基づいて位置検出を行うものである。一般に直方体磁石31とホールセンサ32a,32bの位置関係など、位置検出装置30の構成を最適化しても、直方体磁石31の移動に伴い直線的に磁束密度が変化する範囲というのは、概ね移動する直方体磁石31の長辺の長さの7〜8割程度である。本発明においては、直方体磁石31の移動範囲を3分割する。
The
この磁石31の移動範囲の3分割は、直方体磁石31の移動範囲を約4等分したうちの中央2ヶ所と、一端の1ヶ所と、別一端の1ヶ所となるように3分割するものである。
The movement range of the
直方体磁石31の移動範囲の中心において、対象に分割することで、移動範囲の端点付近での精度が両端点で同じとなる。言い換えれば、直方体磁石31の移動範囲の中心で対象でないと、両端点付近での精度が変わる。すなわち、どちらかの端点付近の精度が悪化することになる。さらに、直方体磁石31の移動範囲を約4等分して、その中央2ヶ所部分と、その他端点という風に分割することで、両端点付近の精度と、中央部分の精度が、近付くことが多い。
By dividing the object in the center of the moving range of the
本発明における信号処理部20は、この3分割した移動範囲のうち中央部分については、ホールセンサ32a,32bの出力をそれぞれVa及びVbとした場合に、(Va−Vb)又は(Va−Vb)/(Va+Vb)の関係式を用いて位置検出を行い、3分割した移動範囲のうち、Vaを出力する第1のホールセンサ32a側については、(Va−Vb)/(nVa+mVb)の関係式を用いて位置検出を行い、3分割した移動範囲のうち、Vbを出力する第2のホールセンサ32b側については、(Va−Vb)/(mVa+nVb)の関係式を用いて位置検出を行うものである。
The
ただし、n及びmの絶対値は同値ではない実数である。また、このn又はmの一方がゼロである。つまり、n及びmの値には、磁石サイズや磁石とホールセンサとの距離等の構成により最適値が存在するが、一方をゼロとすることで、精度が良くなる場合が多い。 However, the absolute values of n and m are real numbers that are not equivalent. One of n or m is zero. That is, there are optimum values for n and m depending on the configuration such as the magnet size and the distance between the magnet and the Hall sensor, but the accuracy is often improved by setting one to zero.
また、ホールセンサ32a,32bは、2個を1つのパッケージに一体に封入している。2個のホールセンサの特性(感度やオフセット)が、あまりにかけはなれていると位置検出精度が悪化する。2個のホールセンサの特性を揃えるために、例えば、製造段階でウェハのとなりあった場所にある2個のホールセンサを1つのパッケージに納めることで、上述した問題が解決でき、高精度な位置検出装置を構成することができる。
Further, two
また、ホールセンサ32a,32bは、磁気増幅を行うための磁性体チップを有していない。ホールセンサ32a,32bが内部に磁性体チップを有しており、センサ部分の検出磁場を増幅する構成が知られているが、本発明の構成では磁性体チップの磁気飽和が問題になり、広い範囲で正確に位置検出を行うのが困難である。磁気増幅していないホールセンサを用いることで、広い範囲を正確に位置検出できる。
The
このような構成を採ることにより、磁石の移動に伴い直線的に磁束密度が変化する範囲が、移動磁石の長辺の長さを10としたとき、20程度まで広がる。つまり、磁石のサイズを小さくしても、5mmをこえる範囲で高精度に位置検出を行うことができる。ホールセンサが、増幅器を有したホールICの場合、出力信号線の数をホールセンサに比べて低減できるので、実装基板の省スペース化と、外部ノイズの影響を低減できる。 By adopting such a configuration, the range in which the magnetic flux density changes linearly with the movement of the magnet extends to about 20 when the length of the long side of the moving magnet is 10. That is, even if the size of the magnet is reduced, position detection can be performed with high accuracy within a range exceeding 5 mm. When the Hall sensor is a Hall IC having an amplifier, the number of output signal lines can be reduced as compared with the Hall sensor, so that the mounting board can be saved in space and the influence of external noise can be reduced.
また、このような位置検出装置を用いた電子機器を提供することができる。本発明の位置検出装置は、デジタルカメラやカムコーダ、カメラ付き携帯電話などに代表される、カメラ部を有した電子機器に好適であり、オートフォーカスや光学ズーム、光学手ブレ補正など、内部で高精度にレンズやCCDなどの位置検出を行う際、好適に使用可能である。 In addition, an electronic device using such a position detection device can be provided. The position detection device of the present invention is suitable for an electronic apparatus having a camera unit, represented by a digital camera, a camcorder, a camera-equipped mobile phone, and the like. It can be suitably used when detecting the position of a lens or CCD with high accuracy.
以下に図2に示した位置検出回路の動作について説明する。
位置検出装置30は、2個のホールセンサ32a、32bの駆動回路19と、このホールセンサ32a、32bからの出力に基づいて位置検出を行う信号処理回路20とを備えている。
The operation of the position detection circuit shown in FIG. 2 will be described below.
The
第1のホールセンサ32aは、正極入力端子32a(A)と、正極出力端子32a(B)と、負極入力端子32a(C)と、負極出力端子32a(D)とからなる。また、第2のホールセンサ32bは、正極入力端子32b(E)と、正極出力端子32b(F)と、負極入力端子32b(G)と、負極出力端子32b(H)とからなる。
The
第1のホールセンサ32aの正極入力端子32a(A)と、第2のホールセンサ32bの正極入力端子32b(E)とを接続し、第1のホールセンサ32aの負極入力端子32a(C)と、第2のホールセンサ32bの負極入力端子32b(G)とを接続して駆動回路19の入力端子とする。
The
第1のホールセンサ32aの正極出力端子32a(B)と負極出力端子32a(D)は、信号処理回路20の第1の差動増幅器21aに接続され、第2のホールセンサ32bの正極出力端子32b(F)と負極出力端子32b(H)は、信号処理回路20の第2の差動増幅器21bに接続される。第1の差動増幅器21aの出力端子と第2の差動増幅器21bの出力端子は、ADコンバータに入力され、適宜出力を計算する計算処理部22に伝達される。
The
このような駆動回路19と信号処理回路によって、第1のホールセンサ32aのホール出力電圧Vaと第2のホールセンサ32bのホール出力電圧Vbを用いた(Va−Vb)、(Va−Vb)/(Va+Vb)、(Va−Vb)/(nVa+mVb)、(Va−Vb)/(mVa+nVb)の値(ただし、n及びmの絶対値は同値ではない実数)である出力値Voが、直方体磁石31の位置に対応したものになる。
By using the
本発明の構成では、第1のホールセンサ32aと第2のホールセンサ32bの入力端子を並列に接続しているが、これは特に並列接続に限定されるものではない。また、差動増幅器21aと21bについても、より高精度な計装アンプを用いてもよいことは言うまでもない。また、21aと21bの信号をAD変換して、(Va−Vb)、(Va−Vb)/(Va+Vb)、(Va−Vb)/(nVa+mVb)、(Va−Vb)/(mVa+nVb)の値(ただし、n及びmの絶対値は同値ではない実数)を計算処理部22で計算して求めたが、別途差動増幅器を設けて、アナログ信号のままで、(Va−Vb)、(Va−Vb)/(Va+Vb)、(Va−Vb)/(nVa+mVb)、(Va−Vb)/(mVa+nVb)の値(ただし、n及びmの絶対値は同値ではない実数)を求めることもできる。
In the configuration of the present invention, the input terminals of the
<本発明の位置検出方法>
次に、位置検出方法について説明する。
従来の位置検出方法は、2個のホールセンサ32a、32bの差出力もしくは差/和出力のみを用いて、直方体磁石31の位置を検出していた。
<Position detection method of the present invention>
Next, a position detection method will be described.
In the conventional position detection method, the position of the
本発明の位置検出方法は、従来の方法とは異なり、直方体磁石31の位置に応じて、第1のホールセンサ32aのホール出力電圧Vaと第2のホールセンサ32bのホール出力電圧Vbより演算した、(Va−Vb)もしくは、(Va−Vb)/(Va+Vb)と、(Va−Vb)/(nVa+mVb)と、(Va−Vb)/(mVa+nVb)と(ただし、n及びmの絶対値は同値ではない実数)を使いわけて、直方体磁石31の位置を検出する。
Unlike the conventional method, the position detection method of the present invention is calculated from the hall output voltage Va of the
具体的には、直方体磁石31の移動範囲を約4等分し、真ん中の2ヶ所部分を第1のホールセンサ32aのホール出力電圧Vaと第2のホールセンサ32bのホール出力電圧Vbより演算した(Va−Vb)もしくは(Va−Vb)/(Va+Vb)を用いて位置検出し、約4等分した移動範囲の真ん中の2ヶ所部分以外のうち、第1のホールセンサ32aに近い部分を第1のホールセンサ32aのホール出力電圧Vaと第2のホールセンサ32bのホール出力電圧Vbより演算した(Va−Vb)/(nVa+mVb)を用いて位置検出し、約4等分した移動範囲の真ん中の2ヶ所部分以外のうち、第2のホールセンサ32bに近い部分を第1のホールセンサ32aのホール出力電圧Vaと第2のホールセンサ32bのホール出力電圧Vbより演算した(Va−Vb)/(mVa+nVb)を用いて位置検出を行うと、良好な特性が得られることが多い。
Specifically, the moving range of the
<位置検出装置の実施例>
次に、位置検出装置30の具体的な実施例について説明する。
広い温度範囲において、7mm(±3.5mm)の位置検出範囲を、位置検出範囲の0.1%以内の位置検出精度で位置検出する場合について示す。図1における各構成部品のパラメータの最適値の設計例を説明する。
<Example of position detection device>
Next, a specific embodiment of the
A case where a position detection range of 7 mm (± 3.5 mm) is detected with a position detection accuracy within 0.1% of the position detection range in a wide temperature range will be described. A design example of optimum values of parameters of each component in FIG. 1 will be described.
後述する図7(a),(b)に示すように、直方体磁石31の長辺方向Xの長さA1=3.5mm、直方体磁石31の短辺方向Yの長さA2=2.3mm、直方体磁石31の厚み方向Zの長さ(磁石の着磁方向の長さ)A3=2.7mmとする。
As shown in FIGS. 7A and 7B described later, the length A1 of the
また、直方体磁石31のホールセンサ32a、32bに対向する平面100からホールセンサ32a、32bの感磁部の中心までの距離B1=3.2mm、第1のホールセンサ32aの感磁部の中心と第2のホールセンサ32bの感磁部の中心との距離B2=0.8mmとする。
Further, the distance B1 = 3.2 mm from the
上記設計の際、ホールセンサ32a、32bを1つのパッケージ内に搭載する方が、ホールセンサ32a、32bの配置誤差が小さくなり、位置検出装置の高精度化に貢献できる。また、例えばSi基板上にホールセンサ32a、32bを設ける事も可能である。
In the above design, mounting the
従って、第1のホールセンサ32aと第2のホールセンサ32bとを、1つのパッケージ内に封入することが望ましい。
Therefore, it is desirable to enclose the
図3(a)乃至(c)及び図4(a)乃至(c)は、直方体磁石の移動距離に対するホールセンサの出力電圧もしくは演算後の値を磁気シミュレーションから求めた結果を示す図である。 FIGS. 3A to 3C and FIGS. 4A to 4C are diagrams illustrating the results of obtaining the output voltage of the Hall sensor with respect to the moving distance of the rectangular parallelepiped magnet or the calculated value from the magnetic simulation.
図3(a)は、磁石の移動距離に対する第1のホールセンサ32aの出力電圧Vaの変化aを示す図である。図3(b)は、磁石の移動距離に対する第2のホールセンサ32bの出力電圧Vbの変化bを示す図である。図3(c)は、磁石の移動距離に対する第1のホールセンサ32aと第2のホールセンサ32bとの出力電圧の差(Va−Vb)の変化d及び出力電圧の和(Va+Vb)の変化cを示す図である。
FIG. 3A is a diagram showing a change a of the output voltage Va of the
図4(a)は、磁石の移動距離を4等分し、真ん中の2ヶ所部分(−1.75mm〜+1.75mm)において第1のホールセンサ32aのホール出力電圧Vaと第2のホールセンサ32bのホール出力電圧Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(Va+Vb)の変化e及び理想直線fを示す図である。図4(b)は、4等分した移動距離の真ん中の2ヶ所部分以外のうち、第1のホールセンサ32aに近い部分(−3.5mm〜−1.75mm)において第1のホールセンサ32aのホール出力電圧Vaと第2のホールセンサ32bのホール出力電圧Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(nVa+mVb)の変化g及び理想直線hを示す図である。図4(c)は、4等分した移動距離の真ん中の2ヶ所部分以外のうち、第2のホールセンサ32bに近い部分(1.75mm〜3.5mm)において第1のホールセンサ32aのホール出力電圧Vaと第2のホールセンサ32bのホール出力電圧Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(mVa+nVb)の変化i及び理想直線jを示す図である。ここで、演算中の係数n及びmの値はそれぞれn=0、m=1で計算してある。
FIG. 4 (a) divides the moving distance of the magnet into four equal parts, and the hall output voltage Va of the
磁気シミュレーションの前提として、2個のホールセンサ32a、32bの感度を2.2mV/mT(一般的なホールセンサの感度)、直方体磁石31の残留磁束密度Brを1400mT(一般的なネオジム焼結磁石の値)として行った。
As preconditions for the magnetic simulation, the sensitivity of the two
図4(a)に示した磁気シミュレーション結果より、直方体磁石31の移動距離を4等分し、真ん中の2ヶ所部分において第1のホールセンサ32aのホール出力電圧Vaと第2のホールセンサ32bのホール出力電圧Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(Va+Vb)が、高い線形性を持ち、理想直線とよく一致することが分かる。
From the magnetic simulation result shown in FIG. 4 (a), the moving distance of the
図4(b)に示した磁気シミュレーション結果より、直方体磁石31の移動距離を4等分し、真ん中の2ヶ所部分以外のうち、第1のホールセンサ32aに近い部分において第1のホールセンサ32aのホール出力電圧Vaと第2のホールセンサ32bのホール出力電圧Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(nVa+mVb)が、高い線形性を持ち、理想直線とよく一致することが分かる。
From the magnetic simulation result shown in FIG. 4B, the moving distance of the
図4(c)に示した磁気シミュレーション結果より、直方体磁石31の移動距離を4等分し、真ん中の2ヶ所部分以外のうち、第2のホールセンサ32bに近い部分において第1のホールセンサ32aのホール出力電圧Vaと第2のホールセンサ32bのホール出力電圧Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(mVa+nVb)が、高い線形性を持ち、理想直線とよく一致することが分かる。
From the magnetic simulation result shown in FIG. 4 (c), the moving distance of the
ここで、図4(a)に記載した理想直線fは、直方体磁石31の移動距離が−1.75mmにおける2個のホールセンサ32a,32bの出力電圧Va、Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(Va+Vb)と、この直方体磁石31の移動距離が+1.75mmにおける2個のホールセンサ32a,32bの出力電圧Va,Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(Va+Vb)とを結んだ直線である。
Here, the ideal straight line f described in FIG. 4A is a value calculated using the values of the output voltages Va and Vb of the two
図4(b)に記載した理想直線hは、この直方体磁石31の移動距離が、−3.5mmにおける2個のホールセンサ32a,32bの出力電圧Va,Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(nVa+mVb)と、この直方体磁石31の移動距離が、−1.75mmにおける2個のホールセンサ32a,32bの出力電圧Va,Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(nVa+mVb)とを結んだ直線(ただしn=0、m=1とする)である。
The ideal straight line h shown in FIG. 4B is a value calculated using the values of the output voltages Va and Vb of the two
図4(c)に記載した理想直線jは、この直方体磁石31の移動距離が、+1.75mmにおける2個のホールセンサ32a,32bの出力電圧Va,Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(mVa+nVb)と、この直方体磁石31の移動距離が、+3.5mmにおける2個のホールセンサ32a,32bの出力電圧Va,Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(mVa+nVb)とを結んだ直線(ただしn=0、m=1とする)である。
The ideal straight line j described in FIG. 4C is a value (Va) calculated using the values of the output voltages Va and Vb of the two
一般的には、この理想直線上の値を用いて位置検出を行うため、第1のホールセンサ32aの出力電圧Vaと、第2のホールセンサ32bの出力電圧Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(Va+Vb)が理想直線fからのズレが大きい場合もしくは、第1のホールセンサ32aの出力電圧Vaと、第2のホールセンサ32bの出力電圧Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(nVa+mVb)が理想直線hからのズレが大きい場合もしくは、第1のホールセンサ32aの出力電圧Vaと、第2のホールセンサ32bの出力電圧Vbの値を用いて演算した値(Va−Vb)/(mVa+nVb)が理想直線jからのズレが大きい場合、位置検出誤差が大きくなる。
In general, in order to detect the position using the value on the ideal straight line, the value calculated using the output voltage Va of the
図5(a)乃至(c)は、理想直線と図3(a)乃至(c)及び図4(a)乃至(c)に示した磁気シミュレーション結果のズレとから換算した磁石の移動距離に対する位置検出誤差を示す図である。 5 (a) to 5 (c) show the movement distance of the magnet converted from the ideal straight line and the deviation of the magnetic simulation results shown in FIGS. 3 (a) to 3 (c) and FIGS. 4 (a) to 4 (c). It is a figure which shows a position detection error.
図5(a)は、図4(a)に示したシミュレーション結果eと理想直線fとのズレから換算した位置検出における誤差pを示した図である。図5(b)は、図4(b)に示したシミュレーション結果gと理想直線hとのズレから換算した位置検出における誤差qを示した図である。図5(c)は、図4(c)に示したシミュレーション結果iと理想直線jとのズレから換算した位置検出における誤差rを示した図である。 FIG. 5A is a diagram showing an error p in position detection converted from a deviation between the simulation result e and the ideal straight line f shown in FIG. FIG. 5B is a diagram showing an error q in position detection converted from a deviation between the simulation result g and the ideal straight line h shown in FIG. FIG. 5C is a diagram showing an error r in position detection converted from the deviation between the simulation result i and the ideal straight line j shown in FIG.
図5(a)及至(c)に示す結果より、位置検出誤差は最大でも3.5um程度であり、分解能は全ストローク7mmに対して0.05%と高精度な位置検出を達成していることがわかる。 From the results shown in FIGS. 5A to 5C, the position detection error is about 3.5 μm at the maximum, and the resolution is 0.05% with respect to the total stroke of 7 mm, achieving highly accurate position detection. I understand that.
当然、図4(a)で示したシミュレーション結果から最小2乗法で求めた直線を理想直線fとしてもかまわない。さらに図4(b)で示したシミュレーション結果から最小2乗法で求めた直線を理想直線hとしてもかまわない。さらに図4(c)で示したシミュレーション結果から最小2乗法で求めた直線を理想直線jとしてもかまわない。最小2乗法で求めた直線を理想直線とすると、さらに位置検出誤差は小さくなり、分解能は高くなる。 Naturally, the straight line obtained by the least square method from the simulation result shown in FIG. Furthermore, the straight line obtained by the least square method from the simulation result shown in FIG. Furthermore, a straight line obtained by the least square method from the simulation result shown in FIG. If the straight line obtained by the least square method is an ideal straight line, the position detection error is further reduced and the resolution is increased.
なお、上述のように演算中の係数n及びmの値をn=0、m=1として演算を行ったが、この数値が異なっても、位置検出装置30において、直方体磁石31の長辺方向Xの長さA1、直方体磁石31の短辺方向Yの長さA2、直方体磁石31の厚み方向Zの長さ(磁石の着磁方向の長さ)A3、直方体磁石31のホールセンサ32a,32bに対向する平面100からホールセンサ32a,32bの感磁部の中心までの距離B1、ホールセンサ32aの感磁部の中心とホールセンサ32bの感磁部の中心との距離B2を最適化することで、以下に示す比較例よりも良い結果が得られる。
Although the calculation is performed with the values of the coefficients n and m being calculated as n = 0 and m = 1 as described above, the
例えば、位置検出範囲7mmにおいて、A1=3.6mm、A2=4.8mm、A3=4.0mm、B1=2.9mm、B2=0.9mmの構成において、演算中の係数n及びmの値がn=0、m=1の場合には、位置検出誤差は8.9um程度であり、分解能は全ストローク7mmに対して0.127%であるが、n=−0.1、m=2とすることで、位置検出誤差は6.1um程度となり、分解能は全ストローク7mmに対して0.087%まで改善され、位置検出範囲の0.1%以内の位置検出精度での位置検出が可能となる。 For example, in the position detection range of 7 mm, the values of coefficients n and m being calculated in the configuration of A1 = 3.6 mm, A2 = 4.8 mm, A3 = 4.0 mm, B1 = 2.9 mm, B2 = 0.9 mm When n = 0 and m = 1, the position detection error is about 8.9 μm and the resolution is 0.127% with respect to the total stroke of 7 mm, but n = −0.1 and m = 2. As a result, the position detection error is about 6.1 μm, and the resolution is improved to 0.087% with respect to the total stroke of 7 mm. Position detection with position detection accuracy within 0.1% of the position detection range is possible. It becomes.
また、上述したように、直方体磁石31の移動距離を4等分し、演算方法を変更させたが、完全に4等分でなくとも良い。上述した4等分の真ん中の2ヶ所部分の端点の絶対値(分割位置)である1.75mmを1.65mm及至1.85mmまで0.5mmステップで変化させた場合の位置検出誤差を表1に示す。
Further, as described above, the moving distance of the
表1より、直方体磁石31の移動距離を完全に4等分しない場合においても、ストロークに対して0.1%以内の分解能を達成できることがわかる。
From Table 1, it can be seen that a resolution within 0.1% of the stroke can be achieved even when the moving distance of the
このように、本発明の位置検出装置30を用いることにより、以下の比較例で説明する位置検出装置と比較して、小型な位置検出装置を実現できる。
As described above, by using the
<比較例>
比較例として、従来の方法を用いて、上述した実施例と同様に、広い温度範囲において、7mm(±3.5mm)の位置検出範囲を、位置検出する場合について説明する。
<Comparative example>
As a comparative example, a case will be described in which a position detection range of 7 mm (± 3.5 mm) is detected in a wide temperature range using a conventional method, as in the above-described embodiment.
図6(a),(b)は、比較例として従来の磁石とホールセンサを用いた位置検出装置の概略構成図で、図6(a)は断面図、図6(b)は上面図である。図中符号41はホールセンサに対向する平面200に垂直に単極着磁された直方体磁石、42a,42bはホールセンサ、43はホールセンサ42a,42bを実装している基板を示している。
6 (a) and 6 (b) are schematic configuration diagrams of a position detecting device using a conventional magnet and a hall sensor as a comparative example, FIG. 6 (a) is a cross-sectional view, and FIG. 6 (b) is a top view. is there. In the figure,
また、図中符号C1は直方体磁石41の長辺方向Xの長さ、C2は直方体磁石41の短辺方向Yの長さ、C3は直方体磁石41の厚み方向Zの長さ(磁石の着磁方向の長さ)を示している。また、D1は、直方体磁石41のホールセンサ42a,42bに対向する平面200からホールセンサ42a,42bの感磁部の中心までの距離、D2はホールセンサ42aの感磁部の中心とホールセンサ42bの感磁部の中心との距離を示している。
In the figure, C1 is the length in the long side direction X of the
この比較例では、直方体磁石41は、図中に示すx軸方向にのみ移動する。また、直方体磁石41の移動方向に対して水平な平面状にホールセンサ42a、42bを配置する。
In this comparative example, the
図7(a)乃至(d)は、図1に示した本発明の位置検出装置の構成と、従来の位置検出装置の構成を比較用の等倍図として示す図で、(a)は本発明による構成の断面図、(b)は本発明による構成の上面図、(c)は従来の構成の断面図、(d)は従来の構成の上面図である。ここで、図7(a),(b)におけるホールセンサ32a,32bは1つのパッケージに一体に封入されたセンサを示している。
FIGS. 7A to 7D are diagrams showing the configuration of the position detection device of the present invention shown in FIG. 1 and the configuration of the conventional position detection device as a comparison isometric view, and FIG. FIG. 3B is a cross-sectional view of a configuration according to the present invention, FIG. 4B is a top view of the configuration according to the present invention, FIG. Here,
位置検出範囲の0.1%以内の位置検出精度で位置検出を行うには、図7(c),(d)に示すように、直方体磁石41の長辺方向Xの長さC1=15.4mm、直方体磁石41の短辺方向Yの長さC2=15.3mm、直方体磁石41の厚み方向Zの長さC3=4.3mm、直方体磁石41のホールセンサに対向する面からホールセンサの感磁部までの距離D1=6.3mm、ホールセンサ42aの感磁部の中心とホールセンサ42bの感磁部の中心との距離D2=11.6mmとなる。
In order to perform position detection with position detection accuracy within 0.1% of the position detection range, as shown in FIGS. 7C and 7D, the length C1 = 15. 4 mm, length C2 of the
これにより、本発明に係る図7(a),(b)に示す位置検出装置30の構成は、比較用の図7(c),(d)に示す位置検出装置40の従来例の構成に比べて、位置検出装置全体の大きさと厚さを著しく小さくすることができるという効果を得ることがわかる。
Accordingly, the configuration of the
11 第1のホールセンサ
12 第2のホールセンサ
19 駆動回路
20 信号処理回路
21a,21b 差動増幅器
22 演算処理計算部
23 永久磁石
30 位置検出装置
31,41 直方体磁石
32a,42a 第1のホールセンサ
32b,42b 第2のホールセンサ
32a(A),32b(E) 正極入力端子
32a(B),32b(F) 正極出力端子
32a(C),32b(G) 負極入力端子
32a(D),32b(H) 負極出力端子
33,43 基板
100 平面
200 平面
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記磁気センサの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向に、かつ前記基板に平行な平面内を移動可能に支持され、前記基板に対して垂直方向にN極とS極が着磁された磁石からなる磁束発生手段と、
前記磁気センサからの出力に基づいて位置検出を行う信号処理手段とを備え、
該信号処理手段が、
前記磁石の移動範囲を3分割し、該3分割した移動範囲のうち中央部分については、前記磁気センサの出力をそれぞれVa及びVbとした場合に、(Va−Vb)又は(Va−Vb)/(Va+Vb)の関係式を用いて位置検出を行い、前記3分割した移動範囲のうち、Vaを出力する磁気センサ側については、(Va−Vb)/(nVa+mVb)の関係式を用いて位置検出を行い、前記3分割した移動範囲のうち、Vbを出力する磁気センサ側については、(Va−Vb)/(mVa+nVb)の関係式を用いて位置検出を行う(ただし、n及びmの絶対値は同値ではない実数)ことを特徴とする位置検出装置。 Magnetic flux detecting means arranged on a substrate and having two magnetic sensors each having a magnetic sensing direction perpendicular to the substrate as a set;
The magnetic sensor is supported so as to be movable in a plane parallel to a straight line connecting the centers of the magnetic sensing portions of the magnetic sensor and parallel to the substrate, and an N pole and an S pole are attached in a direction perpendicular to the substrate. Magnetic flux generation means comprising magnetized magnets;
Signal processing means for performing position detection based on the output from the magnetic sensor,
The signal processing means
The moving range of the magnet is divided into three, and the central part of the divided moving range is divided into (Va−Vb) or (Va−Vb) / Va / Vb when the outputs of the magnetic sensor are Va and Vb, respectively. Position detection is performed using the relational expression (Va + Vb), and position detection is performed using the relational expression (Va−Vb) / (nVa + mVb) for the magnetic sensor side that outputs Va out of the three movement ranges. The position of the magnetic sensor that outputs Vb is detected using the relational expression (Va−Vb) / (mVa + nVb) in the movement range divided into three (however, the absolute values of n and m) Is a real number that is not the same value).
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