JP5245114B2 - Position detection device - Google Patents

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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

本発明は、産業機械・自動車等の機械製品や、携帯情報端末のジョグダイヤルなどの回転または直動位置検出装置に関する。   The present invention relates to a rotation or linear motion position detection device for a machine product such as an industrial machine or automobile, or a jog dial of a portable information terminal.

所定の等しいピッチで磁極が交互に反転するように着磁されたリングやリニア・スケールと磁気センサを対向させておき、リングと磁気センサの相対回転またはリニア・スケールと磁気センサの相対移動に伴い、センサ部で変化する、センサを貫通する方向の磁束密度をホール出力電圧に変換し、変換されたアナログ信号をさらにシュミット回路などを介してパルス出力する、ロータリまたはリニア・パルス・エンコーダが良く知られている(例えば、非特許文献1参照)。ここで、上述したリニア・スケールは、半径無限大の交番着磁リングの一部と考えられるから、以下では、ロータリ・パルス・エンコーダを例にとり、説明する。   A ring or linear scale magnetized so that the magnetic poles are alternately reversed at a predetermined equal pitch are made to face each other, and the relative rotation of the ring and magnetic sensor or relative movement of the linear scale and magnetic sensor is accompanied. A rotary or linear pulse encoder is well known that converts the magnetic flux density in the direction of penetrating the sensor, which changes at the sensor section, into a Hall output voltage, and further outputs the converted analog signal via a Schmitt circuit. (See, for example, Non-Patent Document 1). Here, the above-described linear scale is considered to be a part of an alternating magnetized ring having an infinite radius, and therefore will be described below by taking a rotary pulse encoder as an example.

図3は、従来のロータリ・パルス・エンコーダの一例を示した図である。符号11は、所定の等しいピッチで磁極が交互に反転するように着磁されたリングであり、符号12および13は、その近傍に配置された磁気センサとしてのホールICである。ここで、回転角度または回転速度の検知のためには、パルス数をカウントするだけでよく、この場合は、センサは1個のみが使用される。図4は、このような場合に使用されるホールICのブロック図であり、ホール素子21、アンプ22、シュミット回路23、ドライバが一体化されている。このようなホールICは、広く用いられている。   FIG. 3 is a diagram showing an example of a conventional rotary pulse encoder. Reference numeral 11 is a ring magnetized so that the magnetic poles are alternately reversed at a predetermined equal pitch, and reference numerals 12 and 13 are Hall ICs as magnetic sensors arranged in the vicinity thereof. Here, in order to detect the rotation angle or the rotation speed, it is only necessary to count the number of pulses. In this case, only one sensor is used. FIG. 4 is a block diagram of the Hall IC used in such a case, in which the Hall element 21, the amplifier 22, the Schmitt circuit 23, and the driver are integrated. Such a Hall IC is widely used.

図3において、ホール素子12および13が示され、有る時点で、ホ−ルIC12はS極の中央部、ホールIC13は、磁極の境界部に配置されているように描かれている。このような着磁リング11に対するホールICの配置は、回転方向を検出する場合の構成を示している。この場合について図6を使用してさらに説明する。図6は、着磁リングとセンサの位置関係およびセンサの受ける磁束密度との関係をわかりやすく説明する図であり、着磁されたリングを直線的に描いている。図6に示すように少なくとも2個のセンサ(符号12および13で示すセンサAおよびセンサB)を、例えば、着磁リングのピッチの半分の間隔をもって配置し、どちらかのセンサの出力の立ち上がりまたは立下りでトリガをかけて他方のセンサの出力を見ることで、回転方向を検知することもできる。   In FIG. 3, Hall elements 12 and 13 are shown. At some point, the Hall IC 12 is depicted as being located at the center of the S pole, and the Hall IC 13 is located at the boundary of the pole. Such an arrangement of the Hall ICs with respect to the magnetized ring 11 indicates a configuration in the case of detecting the rotation direction. This case will be further described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram for easily explaining the relationship between the positional relationship between the magnetized ring and the sensor and the magnetic flux density received by the sensor, and the magnetized ring is drawn linearly. As shown in FIG. 6, at least two sensors (sensor A and sensor B indicated by reference numerals 12 and 13) are arranged, for example, at intervals of half the pitch of the magnetized ring, and the rise of the output of either sensor or It is also possible to detect the direction of rotation by triggering at the fall and looking at the output of the other sensor.

図7は、図6におけるセンサA及びBが、着磁リング11に対して、相対的に一定の速度であるいは一定の角速度で、移動あるいは回転した場合の、センサA及びBの相対移動に伴って、センサAおよびB内のホール素子が検出する磁束密度の変化を示す図である。ここで、t=0のポイントは、例えば、図6に示す着磁リングのピッチとセンサとの位置関係を示している。例えば、センサAは、どちらの方向に回転しても、t=0の時点では、N極の中央にあるために、検出磁束が減少することになる。一方、センサBは、t=0の時点では磁極の境界部にあるため、移動方向によっては、N極側またはS極側に移動することになる。N極に向かう場合は、センサAがt=0の時点で受けている磁束を受けるように変化し、S極に向かう場合は、その逆に変化することになる。   FIG. 7 shows the relative movement of the sensors A and B when the sensors A and B in FIG. 6 move or rotate with respect to the magnetized ring 11 at a relatively constant speed or a constant angular speed. FIG. 6 is a diagram showing changes in magnetic flux density detected by Hall elements in sensors A and B. Here, the point of t = 0 indicates, for example, the positional relationship between the pitch of the magnetized ring shown in FIG. 6 and the sensor. For example, regardless of which direction the sensor A rotates, the detected magnetic flux decreases because the sensor A is at the center of the N pole at the time t = 0. On the other hand, since the sensor B is at the boundary portion of the magnetic pole at the time of t = 0, the sensor B moves to the N pole side or the S pole side depending on the moving direction. When going to the N pole, the sensor A changes so as to receive the magnetic flux received at the time of t = 0, and when going to the S pole, the opposite is made.

図7において、正方向移動時には、センサAの出力の立ち下がり時点のセンサBの出力は、lowであり、逆方向移動時ではhighとなることを示している。   In FIG. 7, when moving in the forward direction, the output of sensor B when the output of sensor A falls is low, indicating that it is high when moving in the reverse direction.

ここで、2個のセンサの間隔は、その出力信号の位相差が電気角にしてπ/2となることが好ましい。この場合、センサAおよびBの配置は、着磁リングのピッチに依存することになる。また、位相差がπ/2の場合には、2個のセンサの出力状態の排他的論理和を取ることで、パルス数をセンサが1個の場合の2倍にすることができ、同一の着磁リングを使用する場合でも、1個のセンサの出力のみを使用する場合に較べて、検出分解能を倍増させることもできる。この場合、理想的には、着磁リングのそれぞれの着磁の大きさおよび回転方向の寸法が等しく、2つのセンサの受ける磁束変化が、位相のみが異なるだけで等しいことが求められる。この場合に、上述の排他的論理和の出力のデューティー比は1:1となり、一定の周期になることになる。   Here, the interval between the two sensors is preferably π / 2 in terms of an electrical angle of the phase difference between the output signals. In this case, the arrangement of the sensors A and B depends on the pitch of the magnetized ring. When the phase difference is π / 2, the number of pulses can be doubled as compared with the case of one sensor by taking the exclusive OR of the output states of the two sensors. Even when the magnetized ring is used, the detection resolution can be doubled as compared with the case where only the output of one sensor is used. In this case, ideally, the magnitude of magnetization and the dimension in the rotation direction of the magnetized rings are equal, and the change in magnetic flux received by the two sensors is required to be equal only by different phases. In this case, the duty ratio of the above-mentioned exclusive OR output is 1: 1, which is a constant cycle.

旭化成電子(株)ホールICカタログ 1999.7.1−96303HE版 P3,P6参照Asahi Kasei Microdevices Hall IC catalog 1999.7.1-96303HE version P3, P6 reference

しかし、2個のセンサを、着磁リングのピッチに依存する所定の間隔をもって別個に着磁リングに対向して配置させることは、殊に着磁リングのピッチが狭い場合には、実装位置ずれの影響が相対的に大きくなり、検出精度を上げることが困難である。すなわち、ピッチが狭くなるため、電気角π/2に相当する機械角が小さくなる結果、2個のセンサの機械的位置のばらつきが、電気角位相差に対してより大きく影響するようになったり、リングとの距離によって、2個のセンサの最適な間隔が変わることを意味する。   However, disposing the two sensors separately on the magnetized ring with a predetermined interval depending on the pitch of the magnetized ring is not suitable for mounting position deviation especially when the pitch of the magnetized ring is narrow. Is relatively large, and it is difficult to improve detection accuracy. That is, since the pitch becomes narrower, the mechanical angle corresponding to the electrical angle π / 2 becomes smaller. As a result, variations in the mechanical positions of the two sensors have a greater influence on the electrical angle phase difference. This means that the optimum distance between the two sensors varies depending on the distance from the ring.

これらの問題を解決するために、2個のセンサを同一の基板上に所定の間隔をもって形成したり、特性の揃った2個のセンサを、同一のリードフレーム上に所定の間隔をもって形成し、1個のパッケージに封止したりすることができる。しかしながら、検出対象である着磁リングの大きさや着磁ピッチはまちまちであり、そのためピッチが違う着磁リングを精度よく検出するためには、着磁リングに依存して、あるいはそれとの間隔に応じて2個のセンサの間隔を変える必要があった。   In order to solve these problems, two sensors are formed on the same substrate with a predetermined interval, or two sensors with uniform characteristics are formed on the same lead frame with a predetermined interval. It can be sealed in one package. However, the size and magnetization pitch of the magnetized ring to be detected vary, so depending on the magnetized ring or depending on the distance from it, it is necessary to accurately detect magnetized rings with different pitches. It was necessary to change the interval between the two sensors.

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、2個の素子の感度ばらつきや実装位置ずれにより位相差がずれること、ロータの着磁ピッチが変わるたびにセンサの実装間隔を変えなければならないこと、を解決した位置検出装置を提供することであり、すなわち、回転ロータの着磁ピッチやそれとの間隔に依存しない位置検出装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is that each time the phase difference shifts due to sensitivity variations of two elements or mounting position shifts, and the magnetization pitch of the rotor changes. An object of the present invention is to provide a position detection device that solves the need to change the sensor mounting interval, that is, to provide a position detection device that does not depend on the magnetizing pitch of the rotating rotor and the interval therebetween.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1は、所定の等しいピッチで磁極を交互に反転配置した環状もしくは直線状の磁束発生源と組み合わされる位置検出装置であって、所定の間隔をおいて配置された2個のホール素子と、前記2個のそれぞれのホール素子の感磁部上に当該感磁部を覆うように配置された保護膜と、当該保護膜上に配置され、前記2個のホール素子の前記感磁部を覆うように配置された薄膜状磁性板と、前記2つのホール素子の各出力の和の信号を生成する第1の回路と、前記2つのホール素子の各出力の差の信号を生成する第2の回路とを備えることを特徴とするものである。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の位置検出装置であって、前記第1の回路の出力信号を所定のシュミット・レベルと比較し、比較結果を出力する第1のシュミット回路と、前記第2の回路の出力信号を所定のシュミット・レベルと比較し、比較結果を出力する第2のシュミット回路とを備えることを特徴とするものである。
また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の位置検出装置であって、前記第1のシュミット回路の出力と前記第2のシュミット回路の出力から方向に関する出力を生成する方向出力回路を備えることを特徴とするものである。
また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の位置検出装置であって、前記第1のシュミット回路と前記第2のシュミット回路の出力を入力し、これらの入力の排他的OR出力を生成するパルス出力回路を備えることを特徴とするものである。
また、請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の位置検出装置であって、前記第1の回路の出力信号と前記第2の回路の出力信号から方向に関する出力を生成する方向出力回路を備えることを特徴とするものである。
In order to achieve such an object, the present invention provides a position detection device combined with an annular or linear magnetic flux generation source in which magnetic poles are alternately inverted at a predetermined equal pitch. Two Hall elements arranged at intervals of each other, a protective film arranged on the magnetic sensitive parts of the two Hall elements so as to cover the magnetic sensitive part, and arranged on the protective film A thin-film magnetic plate disposed so as to cover the magnetically sensitive portions of the two Hall elements, a first circuit for generating a sum signal of the outputs of the two Hall elements, and the two And a second circuit for generating a difference signal between the outputs of the Hall elements .
According to a second aspect of the present invention, there is provided the position detecting device according to the first aspect, wherein the output signal of the first circuit is compared with a predetermined Schmitt level and a comparison result is output. It comprises a Schmitt circuit and a second Schmitt circuit that compares the output signal of the second circuit with a predetermined Schmitt level and outputs the comparison result.
According to a third aspect of the present invention, there is provided the position detection device according to the second aspect, wherein the direction output generates a direction-related output from the output of the first Schmitt circuit and the output of the second Schmitt circuit. A circuit is provided.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the position detecting device according to the third aspect, wherein outputs of the first Schmitt circuit and the second Schmitt circuit are inputted, and an exclusive OR of these inputs is inputted. A pulse output circuit for generating an output is provided.
Further, the invention according to claim 5 is the position detection device according to claim 1, wherein the direction output generates a direction-related output from the output signal of the first circuit and the output signal of the second circuit. A circuit is provided.

また、請求項に記載の発明は、請求項1から5のいずれかに記載の位置検出装置であって、前記薄膜状磁性板の前記感磁部を覆う部分のそれぞれは、帯形状の前記薄膜状磁性板の対抗する端部であることを特徴とするものである。 The invention according to claim 6 is the position detecting device according to any one of claims 1 to 5 , wherein each of the portions covering the magnetically sensitive portion of the thin-film magnetic plate has the band shape. It is an edge part which opposes a thin film-shaped magnetic board, It is characterized by the above-mentioned.

また、請求項に記載の発明は、請求項1から5のいずれかに記載の位置検出装置であって、前記薄膜状磁性板の前記感磁部を覆う部分のそれぞれは、2つのホール素子の中間点で、2つのホール素子を結ぶ直線に直交する方向で、分断されていることを特徴とするものである。 The invention according to claim 7 is the position detecting device according to any one of claims 1 to 5 , wherein each of the portions of the thin film magnetic plate that covers the magnetically sensitive portion has two Hall elements. It is divided in the direction perpendicular to the straight line connecting the two Hall elements at the intermediate point.

また、請求項に記載の発明は、請求項4に記載の位置検出装置であって、前記2個のホール素子と、前記第1および第2の回路と、前記第1および第2のシュミット回路と、前記方向出力回路と、前記パルス出力回路は、1つの基板上に形成されていることを特徴とするものである。 The invention according to claim 8 is the position detection device according to claim 4, wherein the two Hall elements, the first and second circuits, and the first and second Schmitts. The circuit, the direction output circuit, and the pulse output circuit are formed on one substrate.

また、請求項に記載の発明は、請求項4に記載の位置検出装置であって、前記2個のホール素子と、前記第1および第2の回路と、前記第1および第2のシュミット回路と、前記方向出力回路と、前記パルス出力回路は、1つの外囲器に収められていることを特徴とするものである。 The invention according to claim 9 is the position detecting device according to claim 4, wherein the two Hall elements, the first and second circuits, and the first and second Schmitts. The circuit, the direction output circuit, and the pulse output circuit are housed in one envelope.

本発明の位置検出装置によれば、着磁リングと組み合わせる場合に、その着磁ピッチに、あるいはそれとの間隔に依存することなく、回転方向に依存性のある2つの信号をπ/2の位相差で正確に検出することが可能となる。また、2個のホール素子の近傍に磁性板を備え、且つ2個のホール素子の出力の和・差を用いるため、ホール素子の感度が2倍になったのと等価な効果が得られ、これにより、従来よりも小型で、センサの実装間隔(位置)の制約もなく、かつ精度の高い回転位置検出が可能な位置検出装置とすることができる。   According to the position detection device of the present invention, when combined with a magnetizing ring, two signals dependent on the rotation direction can be obtained at a position of π / 2 without depending on the magnetizing pitch or the interval therebetween. It becomes possible to accurately detect the phase difference. In addition, since a magnetic plate is provided in the vicinity of the two Hall elements and the sum / difference of the outputs of the two Hall elements is used, an effect equivalent to the doubled sensitivity of the Hall elements can be obtained. Thereby, it can be set as the position detection apparatus which is smaller than before, does not restrict | limit the mounting interval (position) of a sensor, and can detect a rotational position with high precision.

(第1の実施形態)
図1Aは、本発明の第1の実施形態のホールICと着磁リングの関係を説明する図であり、図1Bは、図1AにおけるホールICの平面を説明する図である。なお、この図1Aおよび図1Bは、拡大図ではなく、着磁リングとホールICの寸法の相対関係を表すことを意図していない。このホールICでは、Si基板上に2個のホール素子を離して形成し、その上部に保護膜をつけた後、2個のホール素子を端部でオーバーラップするように、長方形状にめっきでNi−Fe合金からなる薄膜磁性板14が形成されている。図1Bに示す面が、磁極の円周面に平行に配置される面であり、ホール素子12および13は、図1Bに示す面に垂直方向の磁束密度を検出する。2つのホール素子は、図1Aにおいて、回転方向に沿った直線上に位置するように、ホールICは方向付けされる。
(First embodiment)
FIG. 1A is a diagram illustrating the relationship between the Hall IC and the magnetized ring according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a diagram illustrating the plane of the Hall IC in FIG. 1A. 1A and 1B are not enlarged views, and are not intended to represent the relative relationship between the dimensions of the magnetized ring and the Hall IC. In this Hall IC, two Hall elements are formed separately on a Si substrate, a protective film is attached on the upper part, and then the two Hall elements are plated in a rectangular shape so that they overlap at the ends. A thin film magnetic plate 14 made of a Ni—Fe alloy is formed. The surface shown in FIG. 1B is a surface arranged parallel to the circumferential surface of the magnetic pole, and the Hall elements 12 and 13 detect the magnetic flux density in the direction perpendicular to the surface shown in FIG. 1B. In FIG. 1A, the Hall ICs are oriented so that the two Hall elements are located on a straight line along the rotation direction.

なお、図11に示すように、図1Bに示す面が、磁極の円周面に垂直に配置される面としてもよい。この場合でも、ホール素子12および13は、図1Bに示す面に垂直方向の磁束密度を検出する。この場合も、2つのホール素子は、図1Aにおいて、回転方向に沿った直線上に位置するように、ホールICは方向付けされる。   Note that, as shown in FIG. 11, the surface shown in FIG. 1B may be a surface that is disposed perpendicular to the circumferential surface of the magnetic pole. Even in this case, the Hall elements 12 and 13 detect the magnetic flux density in the direction perpendicular to the plane shown in FIG. 1B. Also in this case, the Hall IC is oriented so that the two Hall elements are located on a straight line along the rotation direction in FIG. 1A.

図1Bにおいて、磁性板14は、ホール素子の感磁部を覆うことが可能な幅を有する帯形状を有し、一つの帯形状の対抗する端部にホール素子の感磁部が位置するように配置される。   In FIG. 1B, the magnetic plate 14 has a band shape having a width that can cover the magnetic sensing part of the Hall element, and the magnetic sensing part of the Hall element is located at the opposite end of one band shape. Placed in.

図5は、同じSi基板上に形成されたホール素子以外の回路を示しているブロック図である。図5のブロック図において、符号21は、ホール素子、符号22は、増幅器、符号25は加算回路、符号26は減算回路、符号23および24は、所定のシュミット・レベルを有するシュミット回路、符号27は方向出力回路、符号28はXOR回路である。   FIG. 5 is a block diagram showing a circuit other than the Hall element formed on the same Si substrate. In the block diagram of FIG. 5, reference numeral 21 is a Hall element, reference numeral 22 is an amplifier, reference numeral 25 is an addition circuit, reference numeral 26 is a subtraction circuit, reference numerals 23 and 24 are Schmitt circuits having a predetermined Schmitt level, reference numeral 27 Is a direction output circuit, and 28 is an XOR circuit.

ここで、シュミット回路23および24は、単一のリファレンスレベルを有するコンパレータと異なり、出力状態によって、その出力を変化させる入力レベル(シュミット・レベル)が異なっており、入出力特性にはヒステリシス特性を有している。加算回路や減算回路出力にノイズが含まれ、これによって、方向出力やパルス出力に誤った出力が出力されないようにするために、シュミット回路が使用されている。加算回路や減算回路出力を、フィルタを通して、シュミット回路に入力することも考えられる。   Here, unlike the comparator having a single reference level, the Schmitt circuits 23 and 24 have different input levels (Schmitt levels) for changing the output depending on the output state, and the input / output characteristics have hysteresis characteristics. Have. A Schmitt circuit is used to prevent noise from being included in the output of the adder circuit and the subtractor circuit, thereby preventing an erroneous output from being output as the direction output or the pulse output. It is also conceivable that the output of the addition circuit or subtraction circuit is input to the Schmitt circuit through a filter.

シュミット回路23および24の出力は、方向性出力回路27に接続される。方向性出力回路27は、シュミット回路23の出力信号の立ち上がりエッジまたは立下りエッジでシュミット回路24の出力を観測しており、立ち上がりでシュミット回路24の出力がLレベル、または立下りでシュミット回路24の出力がHレベルであれば、例えば、H信号を出力する。また立ち上がりでシュミット回路24の出力がHレベル、または立下りでシュミット回路24の出力がLレベルであれば、例えば、L信号を出力する。これにより、方向出力回路27は、回転方向を出力していることになる。また、シュミット回路23とシュミット回路24の信号の排他的論理和のパルス出力は、回転パルス出力として使用される。   The outputs of the Schmitt circuits 23 and 24 are connected to the directional output circuit 27. The directional output circuit 27 observes the output of the Schmitt circuit 24 at the rising edge or falling edge of the output signal of the Schmitt circuit 23, and the output of the Schmitt circuit 24 is L level at the rising edge, or the Schmitt circuit 24 at the falling edge. Is output at H level, for example, an H signal is output. Further, if the output of the Schmitt circuit 24 is H level at the rising edge, or the output of the Schmitt circuit 24 is L level at the falling edge, for example, an L signal is output. As a result, the direction output circuit 27 outputs the rotation direction. The pulse output of the exclusive OR of the signals of the Schmitt circuit 23 and the Schmitt circuit 24 is used as a rotation pulse output.

ここで、図1A、図1Bおよび図5に示す本発明の位置検出装置について以下に考察する。   Here, the position detection apparatus of the present invention shown in FIGS. 1A, 1B, and 5 will be considered below.

まず、着磁リングの磁極の周囲の磁界分布に着目する。ここで、着磁リングの円周面に平行な、回転方向をX方向とし、この円周面に垂直な方向をZ方向とする。図6に示すように、着磁リングとホール素子の相対移動に伴い、ホール素子13が検出可能な、図1Bに示す平面に垂直な(着磁リングの円周面に垂直な)磁束密度Bzは、正弦波状に変化する。通常の強磁性薄膜磁気抵抗素子による回転検出に使われる信号に変換されるのは、この磁束密度Bzの変化である。一方、この磁束密度Bzと直交するX方向の磁束密度成分Bxに着目すると、これも略正弦波状に変化している。   First, focus on the magnetic field distribution around the magnetic pole of the magnetized ring. Here, the rotation direction parallel to the circumferential surface of the magnetized ring is defined as the X direction, and the direction perpendicular to the circumferential surface is defined as the Z direction. As shown in FIG. 6, the magnetic flux density Bz perpendicular to the plane shown in FIG. 1B (perpendicular to the circumferential surface of the magnetized ring) that can be detected by the Hall element 13 with the relative movement of the magnetized ring and the Hall element. Changes sinusoidally. It is this change in magnetic flux density Bz that is converted into a signal used for rotation detection by a normal ferromagnetic thin film magnetoresistive element. On the other hand, when attention is paid to the magnetic flux density component Bx in the X direction orthogonal to the magnetic flux density Bz, this also changes in a substantially sinusoidal shape.

図8は、磁界シミュレーションにより計算した、着時リングとの相対移動に対するBzとBxの変化を示す。Bxは(一般にはその尖頭値こそBzと異なるものの)Bzとπ/2の位相差をもって変化していることがわかる。ここで、周期は、着磁リングのピッチの回転に相当する。BzおよびBxの双方のゼロクロス点は、正確にπ/2の位相差をもっているから、着磁リングにより発生するBzとBxのゼロクロス位置を同時に検出することができれば、電気角の位相差がπ/2である2つの信号を出力することができることになる。なお、実際には、ゼロクロス・コンパレータでは、回路や周辺の電気的・磁気的ノイズにより、出力にばたつきが発生することがあるため、所定のヒステリシス特性をもったシュミット回路を使用することになる。   FIG. 8 shows changes in Bz and Bx with respect to the relative movement with the ring at the time of calculation, calculated by magnetic field simulation. It can be seen that Bx changes with a phase difference of Bz and π / 2 (although its peak value is generally different from Bz). Here, the period corresponds to the rotation of the pitch of the magnetized ring. Since the zero-cross points of both Bz and Bx have a phase difference of exactly π / 2, if the zero-cross positions of Bz and Bx generated by the magnetizing ring can be detected simultaneously, the phase difference of the electrical angle will be π / 2 can be output. Actually, in the zero-crossing comparator, the output may fluctuate due to electrical and magnetic noises in the circuit and surroundings. Therefore, a Schmitt circuit having a predetermined hysteresis characteristic is used.

さらにBzとBxの位相関係は、回転方向に依存するため、2つの信号のどちらの位相が進んでいるかを検知することで、回転方向を検知することができる。位相の検出はシュミット回路により整形された波形において、一方の相の立ち上がりまたは立下りで、他相の波形のレベルを見ることで行うことができる。以下にBzとBxを検出する原理を述べる。   Further, since the phase relationship between Bz and Bx depends on the rotation direction, the rotation direction can be detected by detecting which phase of the two signals is advanced. Phase detection can be performed by looking at the waveform level of the other phase at the rising or falling edge of one phase in the waveform shaped by the Schmitt circuit. The principle of detecting Bz and Bx will be described below.

まず、Bxを取り出す方法として、磁束を検知するために前記の磁極に対向して配置された2個のホール素子と、該2個のホール素子の感磁部間を橋渡しするように配置した磁性板を組み合わせることを考える。   First, as a method of taking out Bx, two Hall elements arranged opposite to the magnetic pole to detect magnetic flux and a magnetic element arranged so as to bridge between the magnetic sensing portions of the two Hall elements. Consider combining boards.

図10は、図1Aに示す磁性板14に対して、X方向に磁界を印加した場合、この磁性板付近に誘起される磁力線の様子を示す図である。ここで横軸はX方向であり、縦軸はZ方向である。この磁性板14の両端部では、磁力線が磁性板14に吸い込まれているが、これは、この部分でZ方向の磁束密度が発生している、言い換えるとX方向に印加した磁束密度Bxが、Z方向の磁束密度Bzxに変換されていることを意味する。変換されたZ方向の磁束密度Bzxは、磁性体の形状・磁性体からの相対位置の関数を係数として、Bxに比例する。また、磁性板の右端部・左端部では、磁界の対称性からBzxの分布も対称となり、磁性板からの垂直距離が等しく、水平方向に対称な位置では、符号が異なり等しい絶対値をもつ。したがって磁性体14の両端部付近にホール素子を配置し、双方のホール素子の出力信号の差を取ることで、X方向磁束密度Bxに比例した信号を取り出すことができる。この時、もしZ方向磁束密度BzとBzxが重畳された信号が得られたとしても、2つのホール素子に印加されるBzは、磁性板14の存在により、大きさ・極性共に同じとなるはずであるから、あるいは同じとなるように構成することにより、双方のホール素子の出力信号の差を取ることで、このBzの影響はキャンセルされることになる。   FIG. 10 is a diagram showing a state of magnetic lines of force induced near the magnetic plate when a magnetic field is applied in the X direction to the magnetic plate 14 shown in FIG. 1A. Here, the horizontal axis is the X direction, and the vertical axis is the Z direction. Magnetic field lines are sucked into the magnetic plate 14 at both ends of the magnetic plate 14, and this is because the magnetic flux density in the Z direction is generated in this portion, in other words, the magnetic flux density Bx applied in the X direction is It means that it has been converted to the magnetic flux density Bzx in the Z direction. The converted magnetic flux density Bzx in the Z direction is proportional to Bx with the function of the shape of the magnetic body and the relative position from the magnetic body as a coefficient. Further, at the right end and left end of the magnetic plate, the distribution of Bzx is also symmetric due to the symmetry of the magnetic field, the vertical distance from the magnetic plate is equal, and at the positions symmetrical in the horizontal direction, the signs are different and have the same absolute value. Therefore, a signal proportional to the X-direction magnetic flux density Bx can be extracted by arranging Hall elements in the vicinity of both ends of the magnetic body 14 and taking the difference between the output signals of both Hall elements. At this time, even if a signal in which Z-direction magnetic flux densities Bz and Bzx are superimposed is obtained, Bz applied to the two Hall elements should be the same in size and polarity due to the presence of the magnetic plate 14. Therefore, or by configuring the same so as to be the same, the influence of this Bz is canceled by taking the difference between the output signals of both Hall elements.

一方、2つのホール素子の出力電圧の和を取ることで、Bzxの影響をキャンセルしながら、Bzに比例した信号を得ることができる。   On the other hand, by taking the sum of the output voltages of the two Hall elements, a signal proportional to Bz can be obtained while canceling the influence of Bzx.

言い換えれば、双方のホール素子の出力信号の差を取ることで、図8に示したBxに比例した信号を得ることが可能であり、また2つのホール素子の出力電圧の和を取ることでBzに比例した信号を得ることが可能である。したがって、本発明におけるホールICは、着磁リングのピッチとは無関係に、言い換えれば本発明のホールICの2つのホール素子間の距離と着磁リングのピッチの関係とは独立に、例えば、図6に示したホール素子AおよびBの出力信号に相当する信号を作り出すことができる。   In other words, a signal proportional to Bx shown in FIG. 8 can be obtained by taking the difference between the output signals of both Hall elements, and Bz can be obtained by taking the sum of the output voltages of the two Hall elements. It is possible to obtain a signal proportional to Therefore, the Hall IC in the present invention is independent of the pitch of the magnetized ring, in other words, independently of the relationship between the distance between the two Hall elements of the Hall IC of the present invention and the pitch of the magnetized ring. A signal corresponding to the output signals of the Hall elements A and B shown in FIG.

ここでBzxを大きなレベルで取り出すためには、磁性体14のアスペクト比が大きく、また、感磁部と磁性体14の間のZ方向の距離が近いことが好ましい。そのため、磁性体14の平面形状は長方形もしくは長楕円形であることが好ましく、また、磁性体14と感磁部(ホール素子12および13)との位置関係は、各ホール素子そのものに印加される磁束密度を均一にさせるためには、磁性体が感磁部を全て包み込むような形状であることが好ましい。   Here, in order to extract Bzx at a large level, it is preferable that the aspect ratio of the magnetic body 14 is large and that the distance in the Z direction between the magnetic sensing portion and the magnetic body 14 is short. Therefore, the planar shape of the magnetic body 14 is preferably rectangular or oblong, and the positional relationship between the magnetic body 14 and the magnetic sensitive portions (Hall elements 12 and 13) is applied to each Hall element itself. In order to make the magnetic flux density uniform, it is preferable that the magnetic body has a shape that envelops the entire magnetosensitive portion.

また、BzとBxを同じ点で見るためには、2つのホール素子の間隔が小さい方が好ましいことはいうまでもない。   Needless to say, in order to see Bz and Bx at the same point, it is preferable that the distance between the two Hall elements is small.

以上に考察したように、図1A、図1Bおよび図5に示す位置検出装置により得られた2つの信号、例えば、前記2つのホール素子の各出力の差の信号と、前記2つのホール素子の各出力の和の信号は、着磁リングの着磁ピッチや、着磁リングとホール素子の間隔に関わらず、正確にπ/2の位相差をもっているため、2個の信号の排他的論理和を取ることで、1回転あたりのパルス数を、正確に1:1のデューティー比で倍にすることができる。すなわち、分解能を倍にすることができる。   As discussed above, the two signals obtained by the position detection device shown in FIGS. 1A, 1B and 5, for example, the signal of the difference between the outputs of the two Hall elements, and the two Hall elements The sum signal of each output has an exact phase difference of π / 2 regardless of the magnetizing pitch of the magnetizing ring and the interval between the magnetizing ring and the Hall element, and therefore the exclusive OR of the two signals. The number of pulses per rotation can be accurately doubled with a duty ratio of 1: 1. That is, the resolution can be doubled.

図9は、この関係を示す図であり、図7と同じ条件の場合を示す図である。基本的には、図7と同じ結果を得ることができることを示している。   FIG. 9 is a diagram showing this relationship, and is a diagram showing the same conditions as in FIG. Basically, the same results as in FIG. 7 can be obtained.

なお、ホール素子と集積回路は1つの基板上に形成されていることが望ましいが、化合物半導体基板上に形成された2個のホール素子上に磁性板を形成して1つの個片とし、別のSiなどに形成した集積回路と電気的に接合する構造でも構わない。また、これらが、1つの外囲器に収められている構造とすることもできる。   The Hall element and the integrated circuit are preferably formed on one substrate. However, a magnetic plate is formed on two Hall elements formed on a compound semiconductor substrate to form one piece. A structure that is electrically connected to an integrated circuit formed on Si or the like may be used. Moreover, these can also be set as the structure accommodated in one envelope.

(第2の実施形態)
図2は、本発明の第2の実施形態のホールICの主要部を示す図である。この図は、図1Bと同じ視点からの図である。このホールICでは、Si基板上に2個のホール素子を近接して形成し、保護膜をつけた後、2個のホール素子の間にギャップを有するように2分割され、かつ各片が各ホール素子をオーバーラップするように、長方形状にめっきでNi−Fe合金からなる薄膜磁性板が形成されている。この図では、周辺の磁束をホール素子に集中させる目的で、磁性体14の平面形状を、対抗するホール素子と反対側で、2つのホール素子を通る直線に垂直な方向の幅を大きくし、ホール素子が配置される付近の幅を絞りこんでいる。この構成でも、図1Bにおけるのと同様の効果を得ることができる。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a diagram showing a main part of the Hall IC according to the second embodiment of the present invention. This figure is from the same viewpoint as FIG. 1B. In this Hall IC, two Hall elements are formed close to each other on a Si substrate, a protective film is attached, and then divided into two so as to have a gap between the two Hall elements. A thin film magnetic plate made of a Ni—Fe alloy is formed in a rectangular shape by plating so as to overlap the Hall elements. In this figure, for the purpose of concentrating the peripheral magnetic flux on the Hall element, the planar shape of the magnetic body 14 is increased on the side opposite to the opposing Hall element and the width in the direction perpendicular to the straight line passing through the two Hall elements is increased. The width in the vicinity of the hall element is narrowed down. Even with this configuration, the same effect as in FIG. 1B can be obtained.

なお、本発明の位置検出装置(ホールIC)において、上述した考察から、2つのホール素子の間の距離Wは、組み合わせる着磁リングの磁極のピッチPよりも小さいことが望ましいことが理解されよう。理想的には、W≪Pであることが望ましいことになる。同じようなことが、図2における2つの薄膜磁性板の、2つのホール素子を通る直線方向の長さについても言えることになる。言い換えれば、図2における2つの薄膜磁性板の底辺間の距離は、着磁リングの磁極のピッチPよりも小さいこと、好ましくは、より小さいことが望まれる。   In the position detection device (Hall IC) of the present invention, it can be understood from the above-described consideration that the distance W between the two Hall elements is preferably smaller than the pitch P of the magnetic poles of the combined magnetizing ring. . Ideally, W << P is desirable. The same is true for the lengths of the two thin film magnetic plates in FIG. 2 in the direction of the straight line passing through the two Hall elements. In other words, it is desired that the distance between the bottom sides of the two thin film magnetic plates in FIG. 2 is smaller than, preferably smaller than, the pitch P of the magnetic poles of the magnetized ring.

本発明の特徴ある構成により、2つのホール素子の間隔が着磁リングの磁極のピッチPよりも小さいにも関わらず、2つのホール素子の出力信号の差の信号を感度良く取り出すことができる。   According to the characteristic configuration of the present invention, the difference signal between the two Hall elements can be extracted with high sensitivity even though the distance between the two Hall elements is smaller than the magnetic pole pitch P of the magnetizing ring.

本発明は、産業機械・自動車等の機械製品はもとより、小型・薄型・低電力消費が不可欠である携帯情報端末のジョグダイヤルなどの回転または直動位置検出装置に適用できる。   The present invention can be applied not only to machine products such as industrial machines and automobiles, but also to rotation or linear motion position detection devices such as a jog dial of a portable information terminal in which small size, thinness, and low power consumption are indispensable.

本発明の第1の実施形態のホールICと着磁リングの関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between Hall IC and the magnetized ring of the 1st Embodiment of this invention. 図1AにおけるホールICの平面を説明する図である。It is a figure explaining the plane of Hall IC in Drawing 1A. 本発明の、第2の実施形態におけるホールICの主要部を示す図である。It is a figure which shows the principal part of Hall IC in 2nd Embodiment of this invention. 従来の技術の一例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed an example of the prior art. 図2に示す例に使用されるホールICのブロック図の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the block diagram of Hall IC used for the example shown in FIG. 本発明の実施形態における集積回路の一例を示したブロック図である。It is the block diagram which showed an example of the integrated circuit in embodiment of this invention. 着磁リングとその表面付近の磁束密度の分布、及び従来の技術の一例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed a magnetized ring, distribution of the magnetic flux density of the surface vicinity, and an example of the prior art. 図6において、着磁リングの回転方向と、2つのホールICの出力の変化を示した説明図である。In FIG. 6, it is explanatory drawing which showed the rotation direction of the magnetizing ring, and the change of the output of two Hall IC. 着磁リングの表面付近の、Z方向とX方向の磁束密度のシミュレーションによる計算値である。It is a calculated value by simulation of the magnetic flux density in the Z direction and the X direction near the surface of the magnetized ring. 本発明における、着磁リングの回転方向とBx検知出力・Bz検知出力の変化を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the rotation direction of the magnetizing ring in this invention, and the change of Bx detection output and Bz detection output. X方向に平行方向の一様磁束密度場内の、磁性板近傍の磁力線を、シミュレーションにより計算した結果をX軸とZ軸を含む面で示した図である。It is the figure which showed the result of having calculated the magnetic force line near a magnetic board in the uniform magnetic flux density field of a direction parallel to a X direction by the simulation including the X-axis and the Z-axis. 本発明の、第1の実施形態におけるホールICの主要部を示す別の図である。It is another figure which shows the principal part of Hall IC in 1st Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 着磁リング
12,13 ホール素子
14 磁性板
15 基板
16 電極
21 ホール素子
22 増幅器
23,24 シュミット回路
25 加算回路
26 減算回路
27 論理回路
28 論理回路
11 Magnetized Rings 12 and 13 Hall Element 14 Magnetic Plate 15 Substrate 16 Electrode 21 Hall Element 22 Amplifier 23 and 24 Schmitt Circuit 25 Adder Circuit 26 Subtractor Circuit 27 Logic Circuit 28 Logic Circuit

Claims (9)

所定の等しいピッチで磁極を交互に反転配置した環状もしくは直線状の磁束発生源と組み合わされる位置検出装置であって、
所定の間隔をおいて配置された2個のホール素子と、
前記2個のそれぞれのホール素子の感磁部上に当該感磁部を覆うように配置された保護膜と、
当該保護膜上に配置され、前記2個のホール素子の前記感磁部を覆うように配置された薄膜状磁性板と
前記2つのホール素子の各出力の和の信号を生成する第1の回路と、
前記2つのホール素子の各出力の差の信号を生成する第2の回路と、
を備えることを特徴とする位置検出装置。
A position detection device combined with an annular or linear magnetic flux generation source in which magnetic poles are alternately inverted at a predetermined equal pitch,
Two Hall elements arranged at a predetermined interval;
A protective film disposed on the magnetic sensitive portions of the two Hall elements so as to cover the magnetic sensitive portions;
A thin-film magnetic plate disposed on the protective film and disposed so as to cover the magnetically sensitive portions of the two Hall elements ;
A first circuit for generating a sum signal of the outputs of the two Hall elements;
A second circuit for generating a difference signal between the outputs of the two Hall elements;
A position detection device comprising:
前記第1の回路の出力信号を所定のシュミット・レベルと比較し、比較結果を出力する第1のシュミット回路と、
前記第2の回路の出力信号を所定のシュミット・レベルと比較し、比較結果を出力する第2のシュミット回路と、
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。
A first Schmitt circuit that compares an output signal of the first circuit with a predetermined Schmitt level and outputs a comparison result;
A second Schmitt circuit that compares an output signal of the second circuit with a predetermined Schmitt level and outputs a comparison result;
The position detection device according to claim 1, further comprising:
前記第1のシュミット回路の出力と前記第2のシュミット回路の出力から方向に関する出力を生成する方向出力回路を備えることを特徴とする請求項2に記載の位置検出装置。The position detection device according to claim 2, further comprising a direction output circuit that generates an output related to a direction from the output of the first Schmitt circuit and the output of the second Schmitt circuit. 前記第1のシュミット回路と前記第2のシュミット回路の出力を入力し、これらの入力の排他的OR出力を生成するパルス出力回路を備えることを特徴とする請求項3に記載の位置検出装置。The position detection device according to claim 3, further comprising a pulse output circuit that inputs outputs of the first Schmitt circuit and the second Schmitt circuit and generates an exclusive OR output of these inputs. 前記第1の回路の出力信号と前記第2の回路の出力信号から方向に関する出力を生成する方向出力回路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。The position detection device according to claim 1, further comprising a direction output circuit that generates an output related to a direction from the output signal of the first circuit and the output signal of the second circuit. 前記薄膜状磁性板の前記感磁部を覆う部分のそれぞれは、帯形状の前記薄膜状磁性板の対抗する端部であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の位置検出装置。 Each of the portion covering the sensing section of the thin-film magnetic plate, the position detection according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the end portion to oppose the thin-film magnetic plate of band-shaped apparatus. 前記薄膜状磁性板の前記感磁部を覆う部分のそれぞれは、2つのホール素子の中間点で、2つのホール素子を結ぶ直線に直交する方向で、分断されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の位置検出装置。 2. Each of the portions of the thin film magnetic plate covering the magnetically sensitive portion is divided at a midpoint between two Hall elements in a direction perpendicular to a straight line connecting the two Hall elements. The position detection device according to any one of 1 to 5 . 前記2個のホール素子と、前記第1および第2の回路と、前記第1および第2のシュミット回路と、前記方向出力回路と、前記パルス出力回路は、1つの基板上に形成されていることを特徴とする請求項4に記載の位置検出装置。   The two Hall elements, the first and second circuits, the first and second Schmitt circuits, the direction output circuit, and the pulse output circuit are formed on one substrate. The position detection device according to claim 4. 前記2個のホール素子と、前記第1および第2の回路と、前記第1および第2のシュミット回路と、前記方向出力回路と、前記パルス出力回路は、1つの外囲器に収められていることを特徴とする請求項4に記載の位置検出装置。   The two Hall elements, the first and second circuits, the first and second Schmitt circuits, the direction output circuit, and the pulse output circuit are housed in one envelope. The position detection device according to claim 4, wherein
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