JP5387480B2

JP5387480B2 - 位置検出装置

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Publication number: JP5387480B2
Application number: JP2010080386A
Authority: JP
Inventors: 正幸小林; 清悟在間; 竜麿堀
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011214850A

Description

本発明は位置検出装置に関し、特に磁気スケール及び磁気センサーを用いる位置検出装置に関する。

マウンターなどの産業機器には、移動する物体の位置を検出するために、磁気を利用して物体の位置検出を行う位置検出装置を備えるものがある（例えば特許文献１を参照）。

図１２は、本発明の背景技術による位置検出装置１０を示す図である。同図に示すように、位置検出装置１０は、位置検出対象の物体（不図示）に貼付される磁気センサー２０と、物体の移動方向（図示したｘ方向）に延伸する表面３０ａを有し、この表面３０ａにＮ極とＳ極とが交互に現れるように着磁した磁気スケール３０とを備えている。

図１２に示す矢印付の曲線は、磁気スケール３０によって作られる磁界の磁力線を表している。同図に示すように、この磁界は、磁気スケール３０の表面３０ａに形成される各磁極の中央付近に磁気反転領域Ｉを形成する。位置検出装置１０は、磁気センサー２０を利用してこの磁気反転領域Ｉを検出する機能を有しており、物体の移動に伴って検出された磁気反転領域Ｉの数をカウントすることで、物体の位置（移動距離）を検出する。あるいは、磁気センサー２の出力値からデータテーブルを基に、物体の位置（移動位置）を検出してもよい。ここで、データテーブルは磁気センサー２の移動距離に応じて、磁気センサー２の出力値と位置検出対象（不図示）の移動距離とが離散的に対応するものであってもよい。

特開昭６１−８２１１２号公報

しかしながら、上記位置検出装置１０では、正確な位置検出を行うために、磁気センサー２０と磁気スケール３０の表面３０ａとを極めて近接させる必要がある。そのために高精度な組み付けが必要となり、製造コストが高くなってしまっている。

したがって、本発明の目的の一つは、磁気センサーと磁気スケール表面との間の距離を拡大できる位置検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明による位置検出装置は、位置検出対象の物体の移動方向に沿って延伸する表面を有し、該表面に前記移動方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に現れるように着磁した磁気スケールと、前記表面に配置された複数の磁性体と、前記物体とともに移動可能に構成され、かつ前記表面に対向して配置された磁気センサーとを備え、前記複数の磁性体は前記表面に現れる磁極ごとに設けられ、それぞれ対応する前記磁極の前記移動方向の中央部に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、磁気反転領域が強調されるので、磁気センサーと磁気スケール表面との間の距離を拡大できる。なお、本発明において「移動」とは、位置検出対象の物体と磁気スケールの相対的な移動を意味する。すなわち、例えば地表面を基準として考えると、磁気スケールが地表面に対して固定され、物体が地表面に対して移動することとしてもよいし、物体が地表面に対して固定され、磁気スケールが地表面に対して移動することとしてもよいし、物体・磁気スケールの双方が地表面に対して互いに異なる方向へ移動することとしてもよい。

上記位置検出装置において、前記各磁性体の前記移動方向の長さは、対応する前記磁極の前記移動方向の長さの２６％以上６０％以下であることが好適である。また、前記各磁性体の前記表面の法線方向の長さは、当該磁性体の幅の１５％以下であることが好適である。また、前記磁気スケールの前記表面の法線方向の長さは、前記各磁極の幅の３０％以上１００％以下であることが好適である。

また、上記位置検出装置において、前記各磁性体は、厚膜印刷によって前記表面に形成された磁性体膜であることとしてもよいし、前記各磁性体は、前記表面に貼り付けられた磁性体個片であることとしてもよい。

本発明によれば、磁気反転領域が強調されるので、磁気センサーと磁気スケール表面との間の距離を拡大できる。

本発明の実施の形態による位置検出装置１の構成を示す図である。（ａ）（ｂ）はそれぞれ、本発明の背景技術による位置検出装置と、本実施の形態による位置検出装置とについて、図１に示した領域Ａに相当する断面の磁界をシミュレートした結果を示す図である。本発明の背景技術による位置検出装置と、本実施の形態による位置検出装置とのそれぞれについてのΔＢを、棒グラフ化して示した図である。ｄ_１，ｄ_２，ｄ_５をそれぞれ５ｍｍ、２ｍｍ、０．１ｍｍに固定してｄ_４を０ｍｍから５ｍｍまで１ｍｍ単位で変更した場合の差分ΔＢの変化を示す図である。図４に示したｄ_４の値それぞれについて、図１に示した領域Ａに相当する断面の磁界をシミュレートした結果を示す図である。ｄ_１，ｄ_２，ｄ_４をそれぞれ５ｍｍ、２ｍｍ、２ｍｍに固定してｄ_５を０．１ｍｍから２ｍｍまで４段階で変更した場合の差分ΔＢの変化を示す図である。図６に示したｄ_５の値それぞれについて、図１に示した領域Ａに相当する断面の磁界をシミュレートした結果を示す図である。ｄ_１，ｄ_４，ｄ_５をそれぞれ５ｍｍ、２ｍｍ、０．１ｍｍに固定してｄ_２を１ｍｍから５ｍｍまで４段階で変更した場合の差分ΔＢの変化を示す図である。図８に示したｄ_２の値それぞれについて、図１に示した領域Ａに相当する断面の磁界をシミュレートした結果を示す図である。ｄ_１，ｄ_２，ｄ_４，ｄ_５をそれぞれ５ｍｍ、２ｍｍ、２ｍｍ、０．１ｍｍに固定し、磁気スケール及び磁性体の材料を変更した場合の差分ΔＢの変化を示す図である。磁気スケール及び磁性体の材料の組み合わせごとに、図１に示した領域Ａに相当する断面の磁界をシミュレートした結果を示す図である。本発明の背景技術による位置検出装置を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態による位置検出装置１の構成を示す図である。同図に示すように、位置検出装置１は、位置検出対象の物体（不図示）に貼付される磁気センサー２と、ｘ方向（物体の移動方向）に延伸する表面３ａ，３ｂを有する磁気スケール３と、表面３ｂに沿って設けられたヨーク部４と、表面３ａに配置された複数の磁性体５とを備えている。

磁気スケール３は、表面３ａにｘ方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に現れるように着磁した強磁性体である。各磁極の幅（ｘ方向の長さ）はｄ_１であり、磁気スケール３の高さ（表面３ａの法線方向の長さ）はｄ_２である。磁気スケール３は、具体的には並置された複数の永久磁石によって構成される。各永久磁石は、図１に示すように、一方の磁極面（Ｓ極又はＮ極）が表面３ａに露出するよう、配置することが好ましい。また、各永久磁石は、フェライト磁石又はボンド磁石とすることが好ましい。

図１に示す矢印付の曲線は、磁気スケール３によって作られる磁界の磁力線を表している。同図に示すように、この磁界は、磁気スケール３の表面３ａに形成される各磁極の中央付近に磁気反転領域Ｉを形成する。

磁気センサー２は、位置検出対象の物体とともに移動可能に構成されており、表面３ａに対向して配置される。磁気センサー２は、表面３ａから距離ｄ_３だけ離れた位置に設置される。磁気センサー２は、例えばＧＭＲ(giant magnetoresistive)素子やＡＭＲ(Anisotropic magnetoresistive)素子などの磁気抵抗素子を含んで構成される。位置検出装置１は、磁気センサー２を利用して磁気反転領域Ｉを検出する機能を有しており、物体の移動に伴って検出された磁気反転領域Ｉの数をカウントすることで、物体の位置（移動距離）を検出する。あるいは、磁気センサー２の出力値からデータテーブルを基に、物体の位置（移動位置）を検出してもよい。ここで、データテーブルは磁気センサー２の移動距離に応じて、磁気センサー２の出力値と位置検出対象（不図示）の移動距離とが離散的に対応するものであってもよい。

ヨーク部４は、磁気スケール３によって作られる磁界の磁路として機能する部材であり、磁性体によって構成される。

磁性体５は、磁気スケール３の表面３ａに現れる磁極ごとに配置され、図１に示すように、対応する磁極のｘ方向の中央部に配置される。個々の磁性体５の幅（ｘ方向の長さ）はｄ_４であり、高さ（表面３ａの法線方向の長さ）はｄ_５である。磁性体５の具体的な材料としては、ステンレス（ＳＵＳ４４０など）又はスチールを用いることが好適である。

なお、磁性体５は、ステンレスやスチールなどの磁性体材料からなる磁性体膜を厚膜印刷によって表面３ａに形成することで作製してもよいし、ステンレスやスチールなどの磁性体個片（幅ｄ_４、高さｄ_５の磁性体個片）を表面３ａに貼り付けることで作製してもよい。また、磁気スケール３を組み立てる前の段階で永久磁石の表面に形成してもよいし、磁気スケール３の組み立て後の表面３ａに形成してもよい。

磁性体５を配置したことにより、位置検出装置１では、背景技術による位置検出装置１０（図１２）に比べて磁気反転領域Ｉが強調されている。以下、この点について、シミュレーション結果を示しながら具体的に説明する。

図２（ａ）（ｂ）はそれぞれ、背景技術による位置検出装置１０と、本実施の形態による位置検出装置１とについて、図１に示した領域Ａに相当する断面の磁界をシミュレートした結果を示す図である。なお、このシミュレーションではｄ_１＝５ｍｍ、ｄ_２＝２ｍｍ、ｄ_４＝２ｍｍ、ｄ_５＝０．１ｍｍとし、位置検出装置１０に関しても同様とした。また、磁気スケール３及び磁性体５の材料はそれぞれ、フェライト磁石及びＳＵＳ４４０とした。

図２（ａ）（ｂ）を比較すると理解されるように、位置検出装置１では、磁性体５を配置したことによってその上方の磁界が磁性体５に吸い取られ、その結果として磁極中央付近上方の磁界が小さくなっている。これに対し、磁極の端部付近については、両者であまり違いはない。

磁気反転領域Ｉの強調度合いは、磁極のｘ方向の中央部上方の磁界Ｂ１と、磁極の端部上方の磁界Ｂ２との差分ΔＢ＝Ｂ２−Ｂ１によって表すことができる。ここでは、表面３ａから１ｍｍ（磁性体５がある場合には磁性体５の上面から１ｍｍ）の位置Ｐ１，Ｐ２における磁界Ｂ１，Ｂ２を用いることにすると、図２（ａ）に示すように、位置検出装置１０では、Ｂ１，Ｂ２はそれぞれ０．２Ｔ，０．２４Ｔとなる。したがって、ΔＢ＝０．０４Ｔである。一方、位置検出装置１では、Ｂ１，Ｂ２はそれぞれ０．１５Ｔ，０．２３Ｔとなる。したがって、ΔＢは０．０８Ｔである。

図３は、位置検出装置１，１０それぞれのΔＢを、棒グラフ化して示した図である。同図から明らかなように、位置検出装置１では、位置検出装置１０に比べて磁気反転領域Ｉが強調されている。したがって、磁気センサーと表面３ａとの間の距離ｄ_３を、位置検出装置１０に比べて拡大することが可能になる。

以下、ｄ_２，ｄ_４，ｄ_５の最適値、並びに磁気スケール３及び磁性体５の最適材料について、シミュレーション結果を参照しながら具体的に説明する。以下のシミュレーション結果において、Ｂ１，Ｂ２，ΔＢの意味は上記と同様である。

まず、図４は、ｄ_１，ｄ_２，ｄ_５をそれぞれ５ｍｍ、２ｍｍ、０．１ｍｍに固定してｄ_４を０ｍｍから５ｍｍまで１ｍｍ単位で変更した場合の差分ΔＢの変化を示す図である。磁気スケール３及び磁性体５の材料はそれぞれ、フェライト磁石及びＳＵＳ４４０とした。図５は、それぞれのｄ_４の値について、図１に示した領域Ａに相当する断面の磁界をシミュレートした結果を示す図である。同図（ａ）（ｃ）はそれぞれ、図２（ａ）（ｂ）の再掲である。なお、図５では、磁気スケール３及び磁性体５の描画を省略しており、この点は後掲の各図でも同様である。また、次の表１は、シミュレーションの結果得られるＢ１，Ｂ２，ΔＢの値をまとめたものである。

次に、図６は、ｄ_１，ｄ_２，ｄ_４をそれぞれ５ｍｍ、２ｍｍ、２ｍｍに固定してｄ_５を０．１ｍｍから２ｍｍまで４段階で変更した場合の差分ΔＢの変化を示す図である。磁気スケール３及び磁性体５の材料はそれぞれ、フェライト磁石及びＳＵＳ４４０とした。図７は、それぞれのｄ_５の値について、図１に示した領域Ａに相当する断面の磁界をシミュレートした結果を示す図である。同図（ａ）は、図２（ｂ）の再掲である。また、次の表２は、シミュレーションの結果得られるＢ１，Ｂ２，ΔＢの値をまとめたものである。

次に、図８は、ｄ_１，ｄ_４，ｄ_５をそれぞれ５ｍｍ、２ｍｍ、０．１ｍｍに固定してｄ_２を１ｍｍから５ｍｍまで４段階で変更した場合の差分ΔＢの変化を示す図である。磁気スケール３及び磁性体５の材料はそれぞれ、フェライト磁石及びＳＵＳ４４０とした。図９は、それぞれのｄ_２の値について、図１に示した領域Ａに相当する断面の磁界をシミュレートした結果を示す図である。同図（ｂ）は、図２（ｂ）の再掲である。また、次の表３は、シミュレーションの結果得られるＢ１，Ｂ２，ΔＢの値をまとめたものである。

次に、図１０は、ｄ_１，ｄ_２，ｄ_４，ｄ_５をそれぞれ５ｍｍ、２ｍｍ、２ｍｍ、０．１ｍｍに固定し、磁気スケール３及び磁性体５の材料を変更した場合の差分ΔＢの変化を示す図である。また、図１１は、磁気スケール３及び磁性体５の材料の組み合わせごとに、図１に示した領域Ａに相当する断面の磁界をシミュレートした結果を示す図である。同図（ａ）は、図２（ｂ）の再掲である。また、次の表４は、シミュレーションの結果得られるＢ１，Ｂ２，ΔＢの値をまとめたものである。本シミュレーションでは、次の表４に示す３つの組み合わせについて、ΔＢをシミュレートした。

図４を参照すると、ΔＢが最大値０．０８Ｔとなるのは各磁性体５のｘ方向の幅ｄ_４が２ｍｍであるときであり、ΔＢが位置検出装置１０のΔＢ＝０．０４Ｔの１．５倍以上（０．０６Ｔ）となるのは、幅ｄ_４が概ね１．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であるときである。

また、図６を参照すると、ΔＢが最大値０．０８Ｔとなるのは各磁性体５の高さｄ_５が０．１ｍｍであるときであり、ΔＢが位置検出装置１０のΔＢ＝０．０４Ｔの１．５倍以上（０．０６Ｔ）となるのは、高さｄ_５が概ね０．３ｍｍ以下であるときである。

また、図８を参照すると、ΔＢが最大値０．０８Ｔとなるのは磁気スケール３の高さｄ_２が２ｍｍであるときであり、ΔＢが位置検出装置１０のΔＢ＝０．０４Ｔの１．５倍以上（０．０６Ｔ）となるのは、高さｄ_２が概ね１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であるときである。

以上の結果から、ｄ_２，ｄ_４，ｄ_５の値としては、それぞれ２ｍｍ，２ｍｍ，０．１ｍｍが最適であり、１．５≦ｄ_２≦５、１．３≦ｄ_４≦３、ｄ_５≦０．３が満たされるとき、磁気反転領域Ｉを十分に強調することが可能になると言うことができる。各磁性体５のｘ方向の幅ｄ_４について表面３ａに現れる磁極の幅ｄ_１（＝５ｍｍ）との関係で言えば、幅ｄ_１の２６％以上６０％以下とすることが好ましいと言える。また、磁性体５の高さ（法線方向の長さ）ｄ５について磁性体５の幅ｄ_４（＝２ｍｍ）との関係で言えば、幅ｄ_４の１５％以下とすることが好ましいと言える。また、磁気スケール３の高さ（法線方向の長さ）ｄ_２について磁極の幅ｄ_１（＝５ｍｍ）との関係で言えば、幅ｄ_１の３０％〜１００％の間にすることが好ましいと言える。

また、図１０の結果から、今回シミュレートした磁気スケール３及び磁性体５の材料は、いずれも好適に用いることができるものであると言うことができる。

以上説明したように、本実施の形態による位置検出装置１によれば、磁気反転領域Ｉが強調される。したがって、磁気センサーと磁気スケール表面との間の距離を拡大できるので、高精度な組み付けが必要なくなり、位置検出装置の製造コストを従来に比べて下げることが可能になる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。

１位置検出装置
２磁気センサー
３磁気スケール
３ａ，３ｂ磁気スケールの表面
４ヨーク部
５磁性体

Claims

位置検出対象の物体の移動方向に沿って延伸する表面を有し、該表面に前記移動方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に現れるように着磁した磁気スケールと、
前記表面に配置された複数の磁性体と、
前記物体とともに移動可能に構成され、かつ前記表面に対向して配置された磁気センサーとを備え、
前記複数の磁性体は前記表面に現れる磁極ごとに設けられ、それぞれ対応する前記磁極の前記移動方向の中央部に配置される
ことを特徴とする位置検出装置。
前記各磁性体の前記移動方向の長さは、対応する前記磁極の前記移動方向の長さの２６％以上６０％以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
前記各磁性体の前記表面の法線方向の長さは、当該磁性体の前記移動方向の長さの１５％以下である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
前記磁気スケールの前記表面の法線方向の長さは、前記各磁極の前記移動方向の長さの３０％以上１００％以下である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の位置検出装置。
前記各磁性体は、厚膜印刷によって前記表面に形成された磁性体膜である
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の位置検出装置。
前記各磁性体は、前記表面に貼り付けられた磁性体個片である
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の位置検出装置。