JP2010286401A

JP2010286401A - 位置検出装置

Info

Publication number: JP2010286401A
Application number: JP2009141349A
Authority: JP
Inventors: Sosuke Nishida; 聡佑西田
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2010-12-24

Abstract

【課題】様々な着磁ピッチλの磁石に対して、磁電変換素子の間隔を機械的に変更することなく、精密に位置を検出することが可能な、小型の位置検出装置を提供する。
【解決手段】本発明は、所定の等しいピッチで反転する磁極を交互に配置され前記反転する磁極を交互に配置されて伸長する方向に移動可能な直線状の磁石と、前記磁石の着磁面に対向するように前記磁石から所定の間隔をおいて配置された第１の磁電変換素子と、前記磁石の着磁面に対向するように前記磁石から所定の間隔をおいて配置された第２の磁電変換素子とを備えた位置検出装置であって、前記第１の磁電変換素子は前記磁石の着磁面に垂直な方向の磁束密度を検出し、前記第２の磁電変換素子は前記磁石の移動方向の磁束密度を検出することを特徴とする位置検出装置である。かかる特徴により、様々な着磁ピッチλの磁石に対して、磁電変換素子が配置される間隔を変更することなく精密に位置を検出することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁石と磁気センサを用いた位置検出装置に関する。

近年、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置において、ＣＣＤ等の撮像素子の多画素化、小型化に伴い、オートフォーカス用レンズやズーム用レンズの位置決め制御における数μｍオーダーの高い精度が要求されるようになってきている。これは、撮像素子が多画素化、小型化されるほど、レンズの位置決め誤差によるピントボケが目立ちやすくなることから、撮像装置としての性能を確保するために、高度なレンズの位置決め精度が必要とされるからである。また、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置の小型化に伴い、位置検出装置の小型化が求められている。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など様々な要求がある。

これらの要求を満たすために、所定の等しいピッチで反転する磁極を交互に配置した直線状の磁石と、ホールセンサなどの磁気センサを複数用いることで、小型で高精度な位置検出装置を実現することができる（特許文献１を参照）。特許文献１に記載の位置検出装置では、磁極の着磁ピッチをλとしたとき、（１／４＋ｍ）×λの距離を隔てて２個の磁電変換素子を配置する。ここでｍは０以上の整数である。磁石の移動に対して、一方の磁電変換素子から正弦波出力、他方の磁電変換素子から余弦波出力を得て、それらの値を用いて演算することにより、位置を検出する。

上記の位置検出装置では、位置検出精度を向上させるために、様々な演算や回路を用いて、正弦波出力と余弦波出力の振幅を同じにし、正弦波出力と余弦波出力の電気角位相差を正確に９０°にするということが知られている。

図１は、従来技術の位置検出装置における磁石とセンサの一配置例を示す図である。この位置検出装置は、第１の磁電変換素子１と、第２の磁電変換素子２と、直線状の磁石３から構成され、磁電変換素子１および２が備える磁気センサは、ホールセンサであり、直線状磁石３は、所定の等しいピッチで磁極を交互に反転して配置される。図１に示したように、第１の磁電変換素子１と第２の磁電変換素子２を、磁石の着磁ピッチをλとしたとき、（１／４＋ｍ）×λの距離を隔てて配置する（ｍは０以上の整数）。ここで、第１の磁電変換素子１と第２の磁電変換素子２の検出する磁束密度の向きは同じである。また、図１において、隣り合うＮ極とＮ極のピッチを着磁ピッチλとしているが、これはホールセンサがＮ極とＳ極とを判別可能であるからであり、異方性磁気抵抗素子などのＮ極とＳ極が判別できない磁気センサでは、隣り合うＮ極とＳ極のピッチを着磁ピッチλとすることは言うまでも無い。

特開２００４−０１２７４５号公報特開２００６−１６５４９２号公報

従来技術の位置検出装置では、磁石の着磁ピッチλが変更されれば、それに応じて磁電変換素子の機械的な位置も変更しなければならないという問題があった。また、磁石の着磁ピッチλが大きい場合は、磁電変換素子の配置に必要な面積が大きくなり、位置検出装置全体の小型化が困難になるという問題もあった。

本発明の目的は、磁石の着磁ピッチλが変わった場合に、磁電変換素子の配置間隔を変更することなく、精密に位置を検出することが可能な小型の位置検出装置を提供することにある。

本発明の一実施形態は、所定の等しいピッチで反転する磁極を交互に配置され、この反転する磁極を交互に配置されて伸長する方向に移動可能な直線状の磁石と、磁石の着磁面に対向するように磁石から所定の間隔をおいて配置された第１の磁電変換素子と、磁石の着磁面に対向するように磁石から所定の間隔をおいて配置された第２の磁電変換素子とを備えた位置検出装置であって、第１の磁電変換素子は磁石の着磁面に垂直な方向の磁束密度を検出し、第２の磁電変換素子は磁石の移動方向の磁束密度を検出する。

本発明の一実施形態では、第１の磁電変換素子および第２の磁電変換素子は、それぞれホールセンサを備える。

本発明の一実施形態では、第２の磁電変換素子は、ホールセンサおよび薄膜状磁性板を備える。

本発明の一実施形態では、第１の磁電変換素子と第２の磁電変換素子との信号処理部のうち、少なくとも一方は、感度調節機能を備える。

本発明の一実施形態では、第１の磁電変換素子および第２の磁電変換素子は、同一の半導体チップに形成される。

本発明の一実施形態では、第１の磁電変換素子および第２の磁電変換素子は、１つのパッケージ内に封入される。

本発明の一実施形態では、薄膜状磁性板は、パーマロイである。

本発明の一実施形態では、第１の磁電変換素子および第２の磁電変換素子は、同一の半導体チップに形成されて、第１の磁電変換素子の感磁面は、半導体チップの表面に平行になるように形成され、第２の磁電変換素子の感磁面は、第１の磁電変換素子の感磁面に垂直に形成される。

本発明により、様々な着磁ピッチλの磁石に対して、２個の磁電変換素子が配置される間隔を変更することなく精密に位置を検出することが可能な、小型の位置検出装置を提供することができる。

従来技術の位置検出装置における磁石とセンサの一配置例を示す図である。本発明の位置検出装置における磁石とセンサの一配置例を示す図である。本発明における磁石と磁気センサの配置を行った場合であって、磁石の着磁ピッチλが２６４μｍの場合における、各ホールセンサの出力電圧変化のシミュレーション結果を示す図である。本発明における磁石と磁気センサの配置を行った場合であって、磁石の着磁ピッチλが５２８μｍの場合における、各ホールセンサの出力電圧変化のシミュレーション結果を示す図である。本発明で使用する磁電変換素子の１つの例の概略図である。磁電変換素子１１および磁電変換素子１２を同一の半導体チップに形成する場合の１つの例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図２は、本発明の位置検出装置における磁石とセンサの一配置例を示す図である。図２（ａ）が上面図を、図２（ｂ）が断面図を表す。この位置検出装置は、所定の等しいピッチで反転する磁極を交互に配置され、この反転する磁極を交互に配置されて伸長する方向に移動可能な直線状の磁石１３と、磁石の着磁面に対向するように磁石から所定の間隔をおいて配置された第１の磁電変換素子１１および第２の磁電変換素子１２から構成される。第１の磁電変換素子１１は、磁石の着磁面に垂直な方向（図２においてＺ軸方向）の磁束密度を検出し、第２の磁電変換素子１２は、磁石の移動方向（図２においてＸ軸方向）の磁束密度を検出する。ここで、磁石の着磁面に垂直な方向の磁束密度を検出する磁電変換素子１１と磁石の移動方向の磁束密度を検出する磁電変換素子１２の位置が入れ替わっても良い。

磁石の着磁面に垂直な方向の磁束密度を検出する磁電変換素子１１は、例えば旭化成エレクトロニクス製のＨＧ１０６ＣやＨＱ−０１１１のような実装面に垂直な磁束密度を検出するホールセンサが適している。

また、磁石の移動方向の磁束密度を検出する磁電変換素子１２は、例えば旭化成エレクトロニクス製のＨＱ−０６１１のような実装面に水平な磁束密度を検出するホールセンサが適している。加えて、磁石の移動方向の磁束密度を検出する磁電変換素子１２として、旭化成エレクトロニクス製のＨＺ−３１２ＣのようにＳＩＰパッケージのホールセンサを実装基板に垂直に実装することもできる。

実装位置ズレの影響を小さくするため、磁電変換素子１１と、磁電変換素子１２を同一の半導体チップに形成し、または、２個の磁電変換素子を１つのパッケージ内に封入することができる。

図２（ｂ）に示すように、磁電変換素子１１は、着磁面から所定の間隔ｄ1をおいて配置され、磁電変換素子１２は、着磁面から所定の間隔ｄ2をおいて配置される。この際、磁石の着磁面から各磁電変換素子１１、１２までのそれぞれの距離ｄ1、ｄ2は、磁石が移動した際に、各磁電変換素子の出力電圧の振幅が同じになるように配置することができる。また、好ましくは、磁石が移動したとき、各磁電変換素子からの出力振幅を等しくするように、磁電変換素子の信号処理部の少なくとも一方が、感度調節機能を備える。

以下、磁電変換素子はすべて１個のホールセンサとした場合における本発明を説明するための計算結果を示す。

図３は、図２のように磁石とホールセンサを配置して、磁石が図２の移動方向に沿って移動した場合の、電気角および各ホールセンサの出力電圧を磁気シミュレーションにより求めた結果を示す図である。ここで、磁石１３の材質は異方性フェライト磁石（残留磁束密度Ｂｒ＝４１５ｍＴ）であり、着磁ピッチλ（隣り合うＮ極とＮ極の距離）は２６４μｍであり、磁石１３の着磁面（磁石のセンサに対向する面）から磁電変換素子（ホールセンサ）１１、１２までの距離ｄ1、ｄ2は、それぞれ０．１ｍｍである。図３において、破線（Ｖｘ）は、磁石が移動した際のホールセンサ１２の出力電圧を示し、実線（Ｖｚ）は磁石が移動した際のホールセンサ１１の出力電圧を示す。磁気シミュレーションは、各ホールセンサの感度Ｖｈを１．０ｍＶ／ｍＴとして計算を行っている。このＶｈ値は、一般的なホール素子の感度である。図３に示すように、この結果から、本発明のように磁石とホールセンサを配置すると、２個のホールセンサの出力電圧の電気角位相差は正確に９０°となることがわかる。これは、所定の等しいピッチで反転する磁極を交互に配置した直線状の磁石の、磁石の着磁面に垂直な方向の磁束密度と、磁石の移動方向の磁束密度との位相差が正確に９０°である事に起因している。

次に、磁石の着磁ピッチλを変更した場合のシミュレーション結果を示す。図４は、図２のように磁石とホールセンサを配置して、磁石が図２の移動方向に沿って移動した場合の、電気角および各ホールセンサの出力電圧を磁気シミュレーションにより求めた結果を示す図である。ここで、磁石１３の材質は異方性フェライト磁石（残留磁束密度Ｂｒ＝４１５ｍＴ）であり、着磁ピッチλ（隣り合うＮ極とＮ極の距離）は５２８μｍであり、磁石１３の着磁面（磁石のセンサに対向する面）から磁電変換素子（ホールセンサ）１１、１２までの距離ｄ1、ｄ2は、それぞれ０．１ｍｍである。図４において、破線（Ｖｘ）は、磁石が移動した際のホールセンサ１２の出力電圧を示し、実線（Ｖｚ）は磁石が移動した際のホールセンサ１１の出力電圧を示す。磁気シミュレーションは、各ホールセンサの感度Ｖｈを１．０ｍＶ／ｍＴとして計算を行っている。

図３および図４の結果から、本明細書で示すように磁石と２個のホールセンサを配置する事により、磁石の着磁ピッチλによらず、２個のホールセンサの出力電圧の電気角位相差を正確に９０°とすることができる。従って、上記のような磁石とセンサの配置を用いる事により、電気角位相差が正確に９０°である正弦波出力と余弦波出力を得ることができ、それらを用いて位置を演算する事により、精密な位置を検出することができる。ここで、位置を算出する演算方法は、内挿や表引きで行えることが当業者によって知られている。

また、図３および図４に示したシミュレーション結果では、磁石が移動した際の各ホールセンサの位置でのＸ軸方向とＺ軸方向の磁束密度の振幅が異なるため、各出力電圧の振幅が異なっている。数μｍオーダーの精密な位置検出を行う為には、正弦波出力と余弦波出力の振幅も同じであることが好ましいので、感度調節機能によって出力電圧振幅が同じにすることが好ましい。

以下、本発明の実施例を幾つか示す。

図５は、本発明で使用する、磁石の移動方向に水平な方向の磁束密度を検出する第２の磁電変換素子の１つの例の概略図である。図５（ａ）が上面図を、図５（ｂ）が断面図を表す。図５に示すように、第２の磁電変換素子は、ホールセンサ５１、５２と、薄膜状磁性板５３を備える。図５に示す磁電変換素子は、磁電変換素子を形成する２個のホールセンサ５１と５２との出力電圧の差をとる事により、図５に表す方向の磁束密度のみを検出することができる。ここで、薄膜状磁性板５３の材料として、パーマロイなどの軟磁性体を用いることができる。

図６は、本発明で使用する、磁石の着磁面に垂直な方向（図６においてＺ軸方向）の磁束密度を検出する第１の磁電変換素子１１、および磁石の移動方向（図６においてＹ軸方向）の磁束密度を検出する第２の磁電変換素子１２を、同一の半導体チップに形成した場合の１つの例を示す図である。図６（ａ）が上面図を、図６（ｂ）が断面図を表す。図６に示すように、磁電変換素子１１および磁電変換素子１２を、同一の半導体チップ６３に形成する場合、磁電変換素子１１の感磁面６１は半導体チップ表面に平行になるように形成し、磁電変換素子１２の感磁面６２は磁電変換素子１１の感磁面６１に垂直に形成することができる（図６（ｂ）を参照）。ここで磁電変換素子１２を、当業者によって知られている方法で作成することができる（特許文献２を参照）。

１第１の磁電変換素子
２第２の磁電変換素子
３直線状の磁石
１１磁石の着磁面に垂直な方向の磁束密度を検出する第１の磁電変換素子
１２磁石の移動方向の磁束密度を検出する第２の磁電変換素子
１３直線状の磁石
５１、５２ホールセンサ
５３薄膜状磁性板
６１磁石の着磁面に垂直な方向の磁束密度を検出する第１の磁電変換素子１１の感磁面
６２磁石の移動方向の磁束密度を検出する第２の磁電変換素子１２の感磁面
６３半導体チップ

Claims

所定の等しいピッチで反転する磁極を交互に配置され、前記反転する磁極を交互に配置されて伸長する方向に移動可能な直線状の磁石と、前記磁石の着磁面に対向するように前記磁石から所定の間隔をおいて配置された第１の磁電変換素子と、前記磁石の着磁面に対向するように前記磁石から所定の間隔をおいて配置された第２の磁電変換素子とを備えた位置検出装置であって、
前記第１の磁電変換素子は前記磁石の着磁面に垂直な方向の磁束密度を検出し、前記第２の磁電変換素子は前記磁石の移動方向の磁束密度を検出することを特徴とする位置検出装置。
前記第１の磁電変換素子および前記第２の磁電変換素子は、それぞれホールセンサを備えることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
前記第２の磁電変換素子は、ホールセンサおよび薄膜状磁性板を備えることを特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載の位置検出装置。
前記第１の磁電変換素子と前記第２の磁電変換素子との信号処理部のうち、少なくとも一方は、感度調節機能を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の位置検出装置。
前記第１の磁電変換素子および前記第２の磁電変換素子は、同一の半導体チップに形成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の位置検出装置。
前記第１の磁電変換素子および前記第２の磁電変換素子は、１つのパッケージ内に封入されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の位置検出装置。
前記薄膜状磁性板は、パーマロイであることを特徴とする請求項３ないし６のいずれかに記載の位置検出装置。
前記第１の磁電変換素子および前記第２の磁電変換素子は、同一の半導体チップに形成されて、前記第１の磁電変換素子の感磁面は、前記半導体チップの表面に平行になるように形成され、前記第２の磁電変換素子の感磁面は、前記第１の磁電変換素子の感磁面に垂直に形成されることを特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載の位置検出装置。