JP5646946B2 - POSITION DETECTION DEVICE AND ELECTRONIC DEVICE HAVING THE SAME - Google Patents
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本発明は、位置検出装置及びそれを備えた電子機器に関し、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れを備えた電子機器に関する。 The present invention relates to a position detection apparatus and an electronic apparatus including the position detection apparatus, and more particularly to a position detection apparatus using a magnet and a hall sensor and an electronic apparatus including the position detection apparatus.
近年、デジタルビデオカメラ及びデジタルスチルカメラ、一眼レフカメラ等の高性能化、高画質化が進んでいるが、これに伴い撮影レンズユニットに対する要求性能も高くなってきている。特に、ＡＦ（オートフォーカス）やＺｏｏｍの高速化、さらにはＡＦ及びＺｏｏｍレンズの位置制御の高精度化等を図るため、ＡＦ及びＺｏｏｍレンズ等の移動レンズ群の駆動には、マグネットとコイルによるリニアアクチュエータが用いられるようになってきている。また、移動レンズ群の位置検出には、磁気センサであるホールセンサもしくはＭＲセンサと磁石を組み合わせた位置検出方法が知られている。 In recent years, digital video cameras, digital still cameras, single-lens reflex cameras, and the like have been improved in performance and image quality. With this, the required performance for the photographic lens unit has also increased. In particular, in order to increase the speed of AF (autofocus) and zoom, and to increase the precision of position control of AF and zoom lenses, etc., a moving lens group such as AF and zoom lenses is driven linearly by a magnet and a coil. Actuators have come to be used. For detecting the position of the moving lens group, a position detection method combining a Hall sensor or MR sensor, which is a magnetic sensor, and a magnet is known.
ここで、位置検出方法を大きく分類すると２種類に分けられる。１つは絶対位置検出法、もう１つは相対位置検出法である。まず、前者の絶対位置検出法とは、移動レンズが移動する範囲内においてどの位置に存在するかを検出する方法であり、後者の相対位置検出法とは、移動レンズが移動開始位置から移動した位置までの位置を検出する方法である。この絶対位置検出法としては、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。この特許文献１に記載のものは、磁電変換素子型ポインティングデバイスの外形寸法を、操作部の操作性を損なうことなく、携帯型情報機器への搭載が実現可能な水準まで削減するにしたもので、このポインティングデバイスは、基部と、この基部に対して任意の水平方向へ移動可能に基部上に支持される操作部と、この操作部に設置される磁石と、この磁石の近傍で基部に設置される磁電変換素子とを備え、操作部は、磁石を保持して基部上に水平移動可能に支持される保持部と、基部上での保持部の水平移動に伴い、保持部を水平移動範囲の原点位置に復帰させる弾性力を発揮する弾性部とを備えている。すなわち、この特許文献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ホールセンサを用いて検出する方法である。
Here, the position detection methods are roughly classified into two types. One is an absolute position detection method, and the other is a relative position detection method. First, the former absolute position detection method is a method of detecting the position where the moving lens exists within the moving range, and the latter relative position detection method is that the moving lens has moved from the movement start position. This is a method for detecting a position up to a position. As this absolute position detection method, for example, the method described in
次に、相対位置検出法としては、例えば、特許文献２乃至４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。この特許文献２に記載のものは、可動レンズの位置検出に用いる位置検出用磁気ヘッドを用いたセンサのゲインやオフセットを調整することで、製造時における位置検出用磁気ヘッドやマグネットの取付位置のばらつきに依存することなく略等しい位置検出用磁気ヘッドの出力を得ることができるカメラ装置に関するもので、鏡筒部に所定のピッチで磁気信号が記録されたエンコーダマグネットを内包させ、可動部に取り付けられたＭＲセンサを用いて検出する方法である。
Next, as the relative position detection method, for example, the methods described in
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、広範囲で絶対位置検出を実現したいという要求が増えている。さらには一眼レフカメラ等の交換レンズを取り替えた際に、即座にフォーカシングを実現したいという要求が増えている。 In recent years, there has been an increasing demand for realizing absolute position detection over 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, when an interchangeable lens such as a single-lens reflex camera is replaced, there is an increasing demand for realizing instant focusing.
しかしながら、上述した特許文献１に記載の方法を用いて広範囲で位置検出を行う場合、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る。
However, when position detection is performed over a wide range using the method described in
また、上述した特許文献２及び３に記載されている方法は、広範囲での位置検出は可能ではあるが、相対位置検出法であり、絶対位置検出するためには、基準点を検出するために、一度基準点まで移動させなくてはならないという問題がある。
In addition, the methods described in
なお、上述した特許文献４に記載されている方法は、擬似正弦波の波数をカウントすることで、絶対位置検出が可能ではあるが、例えば、上述したように交換レンズを取り替えた直後は、波数をカウントできず絶対位置検出が出来ないという問題がある。
The method described in
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．数％程度という高精度で、絶対位置検出が即座に可能で、磁石を用いた位置検出装置は、移動体の移動距離が数ｍｍ以内のものしか実用化されていない。 For these reasons, up to now, the position detection range is 0. Absolute position detection is possible immediately with high accuracy of about several percent, and position detection devices using magnets have only been put to practical use within a moving distance of a moving body within several millimeters.
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て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、かつ小型で広範囲な距離を高精度にかつ絶対位置検出が即座に可能な位置検出装置及びそれを備え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 a problem, and the object of the present invention is to use a hall sensor as a magnetic sensor, and even when a component is configured by a general-purpose product or an easily available component, It is an object of the present invention to provide a position detection device with a simple configuration, a small size, a wide range of distances with high accuracy, and capable of instantaneously detecting an absolute position, and an electronic apparatus including 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、本発明の一態様は、基板上に複数の磁気センサを１組として移動方向に沿って配置された磁束検出手段と、該磁束検出手段に磁場を印加するための磁束発生手段と、前記磁束検出手段からの出力信号に基づいて位置検出を行う信号処理手段とを備え、前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段を所定の距離だけ移動した場合に、前記複数の磁気センサからの出力信号が、各々減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号であり、前記磁束検出手段から前記減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号を発生させるために、前記磁束発生手段は、移動方向に沿って発生する磁界の強さが減衰又は増幅するように着磁されていることを特徴とする位置検出装置である。（全実施例、図９５，図９６） The present invention has been made to achieve such an object, and one aspect of the present invention includes a magnetic flux detection means arranged along a moving direction with a plurality of magnetic sensors as a set on a substrate, and A magnetic flux generating means for applying a magnetic field to the magnetic flux detecting means; and a signal processing means for detecting a position based on an output signal from the magnetic flux detecting means, the magnetic flux detecting means or the magnetic flux generating means being set at a predetermined distance. when moved by the output signal from the plurality of magnetic sensors, each damped oscillation wave or amplification vibration wave of the output signal der is, generates an output signal of the damped oscillation wave or amplified vibration wave from said magnetic flux detection means to the magnetic flux generating means is a position detection device the intensity of the magnetic field generated along the movement direction, characterized that you have been magnetized to attenuate or amplify. (All examples, FIG. 95, FIG. 96)
また、本発明の他の態様は、基板上に複数の磁気センサを１組として移動方向に沿って配置された磁束検出手段と、該磁束検出手段に磁場を印加するための磁束発生手段と、前記磁束検出手段からの出力信号に基づいて位置検出を行う信号処理手段とを備え、前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段を所定の距離だけ移動した場合に、前記複数の磁気センサからの出力信号が、各々減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号であり、前記磁束検出手段から前記減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号を発生させるために、前記磁束発生手段は、移動方向に沿って発生する磁界の強さが減衰又は増幅するように、前記基板に対して所定の傾きを持って支持されていることを特徴とする。
また、本発明の他の態様は、基板上に複数の磁気センサを１組として移動方向に沿って配置された磁束検出手段と、該磁束検出手段に磁場を印加するための磁束発生手段と、前記磁束検出手段からの出力信号に基づいて位置検出を行う信号処理手段とを備え、前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段を所定の距離だけ移動した場合に、前記複数の磁気センサからの出力信号が、各々減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号であり、前記磁束発生手段が、長尺状磁石であることを特徴とする。
また、本発明の他の態様は、基板上に複数の磁気センサを１組として移動方向に沿って配置された磁束検出手段と、該磁束検出手段に磁場を印加するための磁束発生手段と、前記磁束検出手段からの出力信号に基づいて位置検出を行う信号処理手段とを備え、前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段を所定の距離だけ移動した場合に、前記複数の磁気センサからの出力信号が、各々減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号であり、前記磁束発生手段が、環状磁石で、前記環状磁石のＮ極とＳ極が交互に繰り返し着磁されていることを特徴とする。
また、本発明の他の態様は、基板上に複数の磁気センサを１組として移動方向に沿って配置された磁束検出手段と、該磁束検出手段に磁場を印加するための磁束発生手段と、前記磁束検出手段からの出力信号に基づいて位置検出を行う信号処理手段とを備え、前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段を所定の距離だけ移動した場合に、前記複数の磁気センサからの出力信号が、各々減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号であり、前記磁束発生手段が、円柱状磁石であり、記移動方向は、前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段が、任意の軸を中心に回転する方向であることを特徴とする。
また、本発明の他の態様は、さらに、前記磁束発生手段が、長尺状磁石であることに加えて、該磁石のＮ極とＳ極が交互に繰り返し着磁されており、前記移動方向は、前記磁束検出手段の感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向であることを特徴とする。
また、本発明の他の態様は、さらに、前記磁束発生手段が、環状磁石で、前記環状磁石のＮ極とＳ極が交互に繰り返し着磁されていることに加えて、前記移動方向は、前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段が、任意の軸を中心に回転する方向であることを特徴とする。
また、本発明の他の態様は、さらに、前記磁束発生手段が、円柱状磁石であることに加えて、該磁石のＮ極とＳ極が１極ずつ着磁されていることを特徴とする。
また、本発明の他の態様は、さらに、前記磁束検出手段から前記減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号を発生させるために、前記磁束発生手段は、移動方向に沿って発生する磁界の強さが減衰又は増幅するように着磁されていることを特徴とする。（実施例１乃至６，１０）
According to another aspect of the present invention, there is provided a magnetic flux detection means arranged along a moving direction as a set of a plurality of magnetic sensors on a substrate, a magnetic flux generation means for applying a magnetic field to the magnetic flux detection means, Signal processing means for detecting a position based on an output signal from the magnetic flux detection means, and output signals from the plurality of magnetic sensors when the magnetic flux detection means or the magnetic flux generation means is moved by a predetermined distance. Are each an output signal of a damped vibration wave or an amplified vibration wave, and the magnetic flux generation means is generated along the moving direction in order to generate the output signal of the damped vibration wave or the amplified vibration wave from the magnetic flux detection means. The magnetic field is supported with a predetermined inclination with respect to the substrate so that the strength of the magnetic field to be attenuated or amplified.
According to another aspect of the present invention, there is provided a magnetic flux detection means arranged along a moving direction as a set of a plurality of magnetic sensors on a substrate, a magnetic flux generation means for applying a magnetic field to the magnetic flux detection means, Signal processing means for detecting a position based on an output signal from the magnetic flux detection means, and output signals from the plurality of magnetic sensors when the magnetic flux detection means or the magnetic flux generation means is moved by a predetermined distance. Are output signals in the form of damped vibration waves or amplified vibration waves, and the magnetic flux generating means is a long magnet.
According to another aspect of the present invention, there is provided a magnetic flux detection means arranged along a moving direction as a set of a plurality of magnetic sensors on a substrate, a magnetic flux generation means for applying a magnetic field to the magnetic flux detection means, Signal processing means for detecting a position based on an output signal from the magnetic flux detection means, and output signals from the plurality of magnetic sensors when the magnetic flux detection means or the magnetic flux generation means is moved by a predetermined distance. Are output signals in the form of damped vibration waves or amplified vibration waves, and the magnetic flux generating means is an annular magnet, and the N and S poles of the annular magnet are alternately and repeatedly magnetized.
According to another aspect of the present invention, there is provided a magnetic flux detection means arranged along a moving direction as a set of a plurality of magnetic sensors on a substrate, a magnetic flux generation means for applying a magnetic field to the magnetic flux detection means, Signal processing means for detecting a position based on an output signal from the magnetic flux detection means, and output signals from the plurality of magnetic sensors when the magnetic flux detection means or the magnetic flux generation means is moved by a predetermined distance. Are each an output signal of a damped vibration wave or an amplified vibration wave, the magnetic flux generating means is a cylindrical magnet, and the moving direction of the magnetic flux detecting means or the magnetic flux generating means is centered on an arbitrary axis. It is the direction of rotation.
Further, according to another aspect of the present invention, in addition to the magnetic flux generating means being a long magnet, the N pole and S pole of the magnet are alternately and repeatedly magnetized, and the moving direction Is parallel to a straight line connecting the centers of the magnetic sensing parts of the magnetic flux detection means.
In addition, according to another aspect of the present invention, in addition to the magnetic flux generation means being an annular magnet, the N pole and the S pole of the annular magnet are alternately and repeatedly magnetized, The magnetic flux detecting means or the magnetic flux generating means is in a direction rotating around an arbitrary axis.
Another aspect of the present invention is characterized in that the magnetic flux generating means is a cylindrical magnet, and the N pole and S pole of the magnet are magnetized one by one. .
Another aspect of the present invention, furthermore, in order to generate an output signal of the damped oscillation wave or amplified vibration wave from said magnetic flux detection means, said magnetic flux generating means, the strength of the magnetic field generated along the direction of movement It is magnetized so as to be attenuated or amplified. (Examples 1 to 6, 10)
また、本発明の他の態様は、さらに、前記磁束検出手段から前記減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号を発生させるために、前記磁束発生手段は、移動方向に沿って発生する磁界の強さが減衰又は増幅するような形状を有していることを特徴とする。（実施例７） Another aspect of the present invention, furthermore, in order to generate an output signal of the damped oscillation wave or amplified vibration wave from said magnetic flux detection means, said magnetic flux generating means, the strength of the magnetic field generated along the direction of movement It is characterized by having a shape that attenuates or amplifies. (Example 7)
また、本発明の他の態様は、さらに、前記磁束検出手段から前記減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号を発生させるために、前記磁束発生手段は、移動方向に沿って発生する磁界の強さが減衰又は増幅するように、前記基板に対して所定の傾きを持って支持されていることを特徴とする。（実施例８及び９） Another aspect of the present invention, furthermore, in order to generate an output signal of the damped oscillation wave or amplified vibration wave from said magnetic flux detection means, said magnetic flux generating means, the strength of the magnetic field generated along the direction of movement The substrate is supported with a predetermined inclination with respect to the substrate so as to attenuate or amplify. (Examples 8 and 9)
また、本発明の他の態様は、さらに、前記磁束検出手段からの前記減衰振動波状の出力信号は、減衰正弦波状及び減衰余弦波状の出力信号であることを特徴とする。（実施例１，３乃至１１） Another aspect of the present invention, further, the damped oscillation wave of the output signal from said magnetic flux detection means, characterized in that it is a damping sinusoidal and damped cosine-wave output signal. (Examples 1, 3 to 11)
また、本発明の他の態様は、さらに、前記磁束検出手段からの前記増幅振動波状の出力信号は、増幅正弦波状及び増幅余弦波状の出力信号であることを特徴とする。（実施例２） Another aspect of the present invention, further, the amplification vibration wave of the output signal from said magnetic flux detection means may amplify a sine wave and the output signal of the amplifier cosine wave. (Example 2)
また、本発明の他の態様は、さらに、前記磁束検出手段の前記磁気センサは２個であり、前記減衰振動波状の出力信号又は前記増幅振動波状の出力信号が、各々減衰正弦波状の出力信号及び減衰余弦波状の出力信号、もしくは増幅正弦波状の出力信号及び増幅余弦波状の出力信号となるように、９０度の電気角を有して配置されていることを特徴とする。（全実施例） Further , according to another aspect of the present invention, there are two magnetic sensors of the magnetic flux detection means, and the attenuated vibration wave output signal or the amplified vibration wave output signal is an attenuated sine wave output signal, respectively. And an output signal in the form of an attenuated cosine wave or an output signal in the form of an amplified sine wave and an output signal in the form of an amplified cosine wave. (All examples)
また、本発明の他の態様は、さらに、前記信号処理手段が、前記磁束検出手段からの一方の出力値Ｖ１１をａ倍した出力値及び他方の出力値Ｖ２１をｂ倍した出力値をＶｏ１＝√（（ａ×Ｖ１１）2＋（ｂ×Ｖ２１）2）（ただしａ及びｂは実数）の関係式から求められる算出値Ｖｏ１を用いて位置検出を行うことを特徴とする。（実施例１及び２） According to another aspect of the present invention, the signal processing means further sets an output value obtained by multiplying one output value V11 from the magnetic flux detecting means by a and an output value obtained by multiplying the other output value V21 by b by Vo1 = The position detection is performed using a calculated value Vo1 obtained from a relational expression of √ ((a × V11) 2 + (b × V21) 2 ) (where a and b are real numbers). (Examples 1 and 2)
また、本発明の他の態様は、さらに、前記信号処理手段が、前記磁束検出手段からの前記減衰正弦波状の出力信号及び前記減衰余弦波状の出力信号の組、もしくは前記増幅正弦波状の出力信号及び前記増幅余弦波状の出力信号の組をあらかじめテーブルに記憶しておき、前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段が移動した際の前記磁束検出手段からの出力値を前記テーブルの記憶値と比較して位置検出を行うことを特徴とする。（実施例６） According to another aspect of the present invention, the signal processing means further includes a set of the attenuated sine wave output signal and the attenuated cosine wave output signal from the magnetic flux detection means, or the amplified sine wave output signal. And a set of output signals in the form of the amplified cosine wave are stored in a table in advance, and the output value from the magnetic flux detection means when the magnetic flux detection means or the magnetic flux generation means moves is compared with the stored value of the table. And position detection. (Example 6)
また、本発明の他の態様は、さらに、前記信号処理手段は、１周期内の電気角Ａに対する正弦波の値Ｖｓ１及び余弦波の値Ｖｃ１の組をあらかじめテーブルに記憶しておき、前記磁束検出手段からの前記減衰正弦波状の出力値又は増幅正弦波状の出力値Ｖ１２をｃ倍した出力値及び前記減衰余弦波状の出力値又は増幅余弦波状の出力値Ｖ２２をｄ倍した出力値をｃ×Ｖ１２×Ｖｃ１−ｄ×Ｖ２２×Ｖｓ１＝０（ただしｃ及びｄは実数）の関係式が成り立つ電気角Ａを求め、Ｖｏ２＝√（（ｃ×Ｖ１２）2＋（ｄ×Ｖ２２）2）の関係式から求められる算出値Ｖｏ２及び前記電気角Ａにより、前記減衰振動波状の出力信号又は増幅振動波状の出力信号においてＢ番目の周期に位置することを見極め、前記減衰振動波状の出力信号又は増幅振動波状の出力信号の１周期の距離をＣとした場合に、Ｄ＝Ｃ×（Ｂ−１）＋（Ａ×Ｃ÷３６０）の関係式から求められる位置Ｄが求めたい検出位置であることを特徴とする。（実施例３乃至５，７乃至１１） Further , according to another aspect of the present invention, the signal processing means stores a set of a sine wave value Vs1 and a cosine wave value Vc1 for an electrical angle A within one period in a table in advance, and the magnetic flux An output value obtained by multiplying the attenuated sine wave output value V12 or the amplified sine wave output value V12 from the detection means and an output value obtained by multiplying the attenuated cosine wave output value or the amplified cosine wave output value V22 by d is expressed as c ×. An electrical angle A that satisfies the relational expression of V12 × Vc1−d × V22 × Vs1 = 0 (where c and d are real numbers) is obtained, and a relationship of Vo2 = √ ((c × V12) 2 + (d × V22) 2 ) Based on the calculated value Vo2 obtained from the equation and the electrical angle A, it is determined that the output signal of the damped vibration wave or the output signal of the amplified vibration wave is positioned in the Bth period, and the output signal or the amplified vibration of the damped vibration wave Wavy When the distance of one cycle of the force signal is C, the position D obtained from the relational expression D = C × (B−1) + (A × C ÷ 360) is the detection position to be obtained. To do. (Examples 3 to 5, 7 to 11)
また、本発明の他の態様は、さらに、前記磁束検出手段を、１つのパッケージに一体に封入したことを特徴とする。（全実施例） Another aspect of the present invention, further, the magnetic flux detecting means, and wherein the encapsulated integrated in one package. (All examples)
また、本発明の他の態様は、さらに、前記磁束検出手段が、磁気増幅を行うための磁性体チップを含まないことを特徴とする。（全実施例） Another aspect of the present invention, further, the magnetic flux detection means, characterized in that it does not contain a magnetic material chip for performing magnetic amplification. (All examples)
また、本発明の他の態様は、さらに、前記磁束検出手段が、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。（全実施例） Another aspect of the present invention, further, the magnetic flux detection means, GaAs, InAs, and wherein the InSb is a Hall sensor that includes III-V compound semiconductor such as. (All examples)
また、本発明の他の態様は、さらに、前記磁束検出手段が、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。（全実施例） Another aspect of the present invention, further, the magnetic flux detection means, Si, and wherein the Ge is a Hall sensor comprising a group IV semiconductor such as. (All examples)
また、本発明の他の態様は、上記の位置検出装置と、該位置検出装置からの出力信号が入力される、オートフォーカス（ＡＦ）機構及びズーム（Ｚｏｏｍ）機構とを備えたことを特徴とする電子機器である。（全実施例） According to another aspect of the present invention, there is provided the position detection device described above , and an autofocus (AF) mechanism and a zoom (Zoom) mechanism to which an output signal from the position detection device is input. Electronic equipment. (All examples)
また、本発明の他の態様は、さらに、前記ＡＦ機構及びＺｏｏｍ機構は、デジタルカメラ、又は携帯電話のオートフォーカス及びズームを行うことを特徴とする。（全実施例） In another aspect of the present invention, the AF mechanism and the Zoom mechanism further perform auto focus and zoom of a digital camera or a mobile phone. (All examples)
本発明によれば、ホールセンサを磁気センサとして用いて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、かつ小型で広範囲な距離を高精度にかつ絶対位置検出が即座に可能な位置検出装置及びそれを備えた電子機器を作製することが可能となる。 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 parts that are easily available, the simple configuration, the small size, and the wide range of distances with high accuracy and absolute It is possible to manufacture a position detection device capable of instantaneously detecting a position and an electronic apparatus including the position detection apparatus.
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明に係る位置検出装置の実施例１を図１（ａ），（ｂ）乃至図９に基づいて以下に説明する。本実施例１においては、ホールセンサの出力信号は、図９５に示すように、減衰振動波形の出力信号である。 A first embodiment of the position detecting device according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b) to FIG. In the first embodiment, the output signal of the hall sensor is an output signal of a damped vibration waveform as shown in FIG.
＜実施例１の構成＞
図１（ａ），（ｂ）は、本発明に係る位置検出装置の実施例１を説明するための概略構成図で、一軸上に整列した２個のホールセンサを使用した場合の位置検出装置を示し、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は上面図を示している。
<Configuration of Example 1>
FIGS. 1A and 1B are schematic configuration diagrams for explaining a first embodiment of a position detection device according to the present invention, and a position detection device using two Hall sensors aligned on one axis. 1A is a cross-sectional view, and FIG. 1B is a top view.
位置検出装置１００は、Ｎ極Ｓ極をそれぞれ交互に所定の間隔毎に着磁された直方体磁石（磁束発生手段）１０１と、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）１０２ａ，１０２ｂと、ホールセンサ１０２ａ（第１のホールセンサ）と、ホールセンサ１０２ｂ（第２のホールセンサ）と、これら２つのホールセンサを実装した基板１０３とを備えている。なお、本発明に係る位置検出装置１００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。
The
ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂは、基板１０３上に所定の間隔で配置され、感磁方向が基板１０３に対して垂直である。直方体磁石１０１は、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂからの信号を所定の演算を行った際に、図２に示される出力信号となるよう着磁された構成となっており、基板１０３と対向する一平面１０９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、基板１０３上に２個を１組としたホールセンサ１０２ａ，１０２ｂが、移動方向（Ｘ方向）に沿って配置され、直方体磁石１０１が、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂに磁場を印加するように設けられていて、位置検出は、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂからの出力信号に基づいて、後述する信号処理回路１０６によって行われる。
In other words, two
図２は、図１に示した位置検出装置において、直方体磁石又は２個のホールセンサを移動させた際に得られる２個のホールセンサの出力信号を示す波形図である。 FIG. 2 is a waveform diagram showing output signals of the two hall sensors obtained when the rectangular parallelepiped magnet or the two hall sensors are moved in the position detection apparatus shown in FIG.
ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂ（固定）に対して直方体磁石１０１を基準位置からＸ方向に沿って移動された場合には、一方のホールセンサ１０２ａの出力信号は、図中の白四角のように減衰振動波形の出力信号を示し、他方のホールセンサ１０２ｂの出力信号は、図中の黒丸のように、一方のホールセンサ１０２ａの出力信号と位相のずれた減衰振動波形の出力信号を示す。また、同様に、直方体磁石１０１（固定）に対してホールセンサ１０２ａ，１０２ｂを所定の距離だけ移動した場合にも、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂからの出力信号が、図９５に示すように、減衰振動波形の出力信号を示す。
When the
また、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂから減衰振動波状の出力信号を発生させるために、直方体磁石１０１は、移動方向に沿って発生する磁界の強さが減衰するように着磁されている。
Further, in order to generate the damped vibration wave output signal from the
また、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂからの減衰振動波状の出力信号は、減衰正弦波状及び減衰余弦波状の出力信号であることもできる。また、減衰振動波状の出力信号が、各々減衰正弦波状の出力信号及び減衰余弦波状の出力信号となるように、９０度の電気角を有して配置されている。
Further, the damped oscillation wave-like output signals from the
ここで電気角について説明する。６０枚の歯を持つ歯車に電磁式検出器を取り付け、歯車が１回転すると、電磁式検出器からの信号は、正弦波６０サイクル分が出力される。ここで信号正弦波の１周期を２πｒａｄ（３６０度）にとって表現した位相を＝電気角という、また、歯車の１回転を２πｒａｄにとった位相を＝機械角という。 Here, the electrical angle will be described. When an electromagnetic detector is attached to a gear having 60 teeth and the gear rotates once, 60 cycles of a sine wave are output from the electromagnetic detector. Here, the phase expressed as one cycle of the signal sine wave is 2π rad (360 degrees) is referred to as “electric angle”, and the phase obtained when one rotation of the gear is 2π rad is referred to as “mechanical angle”.
直方体磁石１０１は、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向で、かつ基板１０３に平行な平面内を移動可能に支持されており、Ｎ極とＳ極の１組が、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂの感磁部の中心間を結んだ距離の４倍の距離となるように複数組分着磁されている。つまり、長尺状磁石は、その長尺状磁石のＮ極とＳ極が交互に繰り返し着磁されており、移動方向は、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向である。
The
ここで、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向でかつ基板１０３に平行な平面内を移動可能という意味は、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線と直方体磁石１０１の移動方向を示す直線とを、基板１０３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。
Here, the meaning of being able to move in a plane parallel to the straight line connecting the centers of the magnetic sensing parts of the
直方体磁石１０１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１０３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１０２ａの感磁部中心と、第２のホールセンサ１０２ｂ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１０２ａと１０２ｂは、直方体磁石１０１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１（ａ），（ｂ）において、Ａ１０１は直方体磁石１０１の長辺方向Ｘの長さ、Ａ１０２は直方体磁石１０１の短辺方向Ｙの長さ、Ａ１０３は直方体磁石１０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さ、Ａ１０４は着磁された磁石の１周期分の長さをそれぞれ示す。また、Ｂ１０１は、直方体磁石１０１のホールセンサ１０２ａ，１０２ｂの基板１０３に対向する平面１０９から、ホールセンサ１０２ａと１０２ｂの感磁部の中心までの距離を示す。Ｂ１０２は、第１のホールセンサ１０２ａの感磁部の中心と、第２のホールセンサ１０２ｂの感磁部の中心とを結ぶ距離を示す。
1A and 1B, A101 is the length in the long side direction X of the
ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂ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。また、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂは、磁気増幅を行うための磁性体チップを含まない。
The
図３は、図１（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置の位置検出回路の回路図である。位置検出装置１００は、２個のホールセンサ１０２ａ，１０２ｂを有する駆動回路１０５と、このホールセンサ１０２ａ，１０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う信号処理回路１０６とを備えている。
FIG. 3 is a circuit diagram of the position detection circuit of the position detection apparatus shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). The
駆動回路１０５は、１組のホールセンサ１０２ａ，１０２ｂと、これらのホールセンサ１０２ａ，１０２ｂに電圧を供給する電源部Ｖｄｄとから構成される。
The
第１のホールセンサ１０２ａは、正極入力端子１０２ａ（Ａ）と、正極出力端子１０２ａ（Ｂ）と、負極入力端子１０２ａ（Ｃ）と、負極出力端子１０２ａ（Ｄ）とから構成される。
The
第２のホールセンサ１０２ｂは、正極入力端子１０２ｂ（Ｅ）と、正極出力端子１０２ｂ（Ｆ）と、負極入力端子１０２ｂ（Ｇ）と、負極出力端子１０２ｂ（Ｈ）とから構成される。
The
正極出力端子１０２ａ（Ｂ）と負極出力端子１０２ａ（Ｄ）とは、差動増幅器１０７ａの入力信号となり、差動増幅器１０７ａからはＶ１０１１が出力される。正極出力端子１０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子１０２ｂ（Ｈ）とは、差動増幅器１０７ｂの入力信号となり、差動増幅器１０７ｂからはＶ１０２１が出力される。
The
信号処理部１０６は、差動増幅器１０７ａ，１０７ｂと、計算処理部１０８とにより構成される。この信号処理部１０６では、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う。
The
＜実施例１の回路動作＞
以下に、本発明における位置検出装置１００の実施例１の動作について説明する。
図３に示す信号処理部１０６は、２個のホールセンサを搭載した基板に対して、磁石を移動方向へ所定の距離だけ移動した場合において、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個のホールセンサの出力の所定の相関関係を用いることで位置検出を行うことができる。
<Circuit Operation of Example 1>
The operation of the first embodiment of the
The
例えば、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個のホールセンサの出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 For example, the position may be detected by using a predetermined correlation between the calculated values obtained from the output values of the two Hall sensors on the substrate with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet.
さらに、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個のホールセンサの出力を所定倍した出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 Further, the position may be detected using a predetermined correlation of the calculated value obtained from the output value obtained by multiplying the output of the two Hall sensors on the substrate by a predetermined value with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet. Good.
以下、位置検出回路の具体的な動作について詳細に説明する。 Hereinafter, a specific operation of the position detection circuit will be described in detail.
信号処理部１０６は、基板１０３上に配置された２個のホールセンサ１０２ａ，１０２ｂにおいて、ホールセンサ１０２ａ及び１０２ｂからのそれぞれの出力をＶ１０１１，Ｖ１０２１とした場合、出力Ｖ１０１１，Ｖ１０２１をそれぞれ実数倍した値を用いて、
Ｖｏ１＝√（（ａ×Ｖ１０１１）2＋（ｂ×Ｖ１０２１）2）・・・（１）
の関係式から求められる値Ｖｏ１を用いて位置検出を行う。ただし、ａ≠０かつｂ≠０である実数である。
In the two
Vo1 = √ ((a × V1011) 2 + (b × V1021) 2 ) (1)
Position detection is performed using a value Vo1 obtained from the relational expression. However, it is a real number in which a ≠ 0 and b ≠ 0.
駆動回路１０５において、第１のホールセンサ１０２ａの正極入力端子１０２ａ（Ａ）と、第２のホールセンサ１０２ｂの正極入力端子１０２ｂ（Ｅ）とが接続されることによって入力端子とされ、第１のホールセンサ１０２ａの負極入力端子１０２ａ（Ｃ）と、第２のホールセンサ１０２ｂの負極入力端子１０２ｂ（Ｇ）とが接続されることによって入力端子とされる。
In the
第１のホールセンサ１０２ａの正極出力端子１０２ａ（Ｂ）と負極出力端子１０２ａ（Ｄ）は、信号処理回路１０６の第１の差動増幅器１０７ａに接続され、第２のホールセンサ１０２ｂの正極出力端子１０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子１０２ｂ（Ｈ）は、信号処理回路１０６の第２の差動増幅器１０７ｂに接続される。
The
第１の差動増幅器１０７ａの出力端子と第２の差動増幅器１０７ｂ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１０８に伝達される。
The output terminal of the first
このような駆動回路１０５と信号処理部１０６とによって、第１のホールセンサ１０２ａのホール出力Ｖ１０１１と、第２のホールセンサ１０２ｂのホール出力Ｖ１０２１とを用いて、√（（ａ×Ｖ１０１１）2＋（ｂ×Ｖ１０２１）2）の値（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）である出力値Ｖｏ１が、直方体磁石１０１の位置に対応したものになる。
By using the hall output V1011 of the
なお、本実施例１では、第１のホールセンサ１０２ａと第２のホールセンサ１０２ｂと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１０７ａ，１０７ｂ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。
In the first embodiment, the input terminals of the
また、差動増幅器１０７ａ，１０７ｂの信号をＡＤ変換して、√（（ａ×Ｖ１０１１）2＋（ｂ×Ｖ１０２１）2）の値（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）を計算処理部１０８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、√（（ａ×Ｖ１０１１）2＋（ｂ×Ｖ１０２１）2）の値（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）を求めることもできる。
Further, AD conversion is performed on the signals of the
＜実施例１の比較例＞
位置検出装置１００の構成を、従来の構成と比較して説明する。
<Comparative example of Example 1>
The configuration of the
図４（ａ），（ｂ）は、図１（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置に対応する構成例を示す図で、図５の従来の位置検出装置の構成と比較用の等倍図として示す説明図で、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は上面図である。なお、図４（ａ），（ｂ）におけるホールセンサ１０２ａ，１０２ｂ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. 4A and 4B are diagrams showing a configuration example corresponding to the position detection device shown in FIGS. 1A and 1B, and are for comparison with the configuration of the conventional position detection device of FIG. FIG. 4A is a sectional view, and FIG. 4B is a top view. Note that
図５（ａ），（ｂ）は、従来の位置検出装置の構成を、図４（ａ），（ｂ）の本発明の位置検出装置の構成と比較用の等倍図として示す説明図で、図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は上面図である。従来の位置検出装置２００を示している。
5 (a) and 5 (b) are explanatory diagrams showing the configuration of the conventional position detection device as an equivalent view for comparison with the configuration of the position detection device of the present invention of FIGS. 4 (a) and 4 (b). 5A is a cross-sectional view, and FIG. 5B is a top view. A conventional
位置検出範囲の０．１％以内の位置検出精度で絶対位置検出を行うには、図５に示すように、直方体磁石２０１の長辺方向Ｘの長さＣ２０１＝１５．４ｍｍ、直方体磁石２０１の短辺方向Ｙの長さＣ２０２＝１５．３ｍｍ、直方体磁石２０１の厚み方向Ｚの長さＣ２０３＝４．３ｍｍ、直方体磁石２０１のホールセンサ２０２ａ，２０２ｂに対向する面からホールセンサ２０２ａ，２０２ｂの感磁部までの距離Ｄ２０１＝６．３ｍｍ、基板２０３上に設けられたホールセンサ２０２ａの感磁部の中心とホールセンサ２０２ｂの感磁部の中心との距離Ｄ２０２＝１１．６ｍｍとなる。
In order to perform absolute position detection with position detection accuracy within 0.1% of the position detection range, the length C201 of the
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を示す説明図で、図６（ａ）は断面図、図６（ｂ）は上面図で、比較用として示した従来の磁石とホールセンサを用いた図５の位置検出装置２００の概略構成を拡大して示している。
6 (a) and 6 (b) are explanatory views showing a schematic configuration of a position detecting device using a conventional magnet and a hall sensor as a comparative example. FIG. 6 (a) is a sectional view and FIG. In the top view, the schematic configuration of the
以下に、この図６（ａ），（ｂ）を用いて、７ｍｍの位置検出範囲を、絶対位置検出する場合について説明する。符号２０１は、ホールセンサに対向する平面２０９に垂直に単極着磁された直方体磁石である。２０２ａ，２０２ｂは、ホールセンサである。２０３は、ホールセンサ２０２ａ，２０２ｂを実装した基板である。
The case where the absolute position is detected in the position detection range of 7 mm will be described below with reference to FIGS. 6 (a) and 6 (b).
Ｃ２０１は、直方体磁石２０１の長辺方向Ｘの長さ、Ｃ２０２は、直方体磁石２０１の短辺方向Ｙの長さ、Ｃ２０３は、直方体磁石２０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）を示す。Ｄ２０１は、直方体磁石２０１のホールセンサ２０２ａ，２０２ｂに対向する平面２０９からホールセンサ２０２ａ，２０２ｂの感磁部の中心までの距離、Ｄ２０２はホールセンサ２０２ａの感磁部の中心とホールセンサ２０２ｂの感磁部の中心との距離を示す。
C201 is the length in the long side direction X of the
この比較例では、直方体磁石２０１は、図６（ａ），（ｂ）中に示すＸ軸方向にのみ移動する。また、直方体磁石２０１の移動方向Ｘに対して水平な平面状にホールセンサ２０２ａ，２０２ｂを配置する。
In this comparative example, the
以上より、図４（ａ），（ｂ）に示す本発明に係る位置検出装置１００の構成は、比較用の図５（ａ），（ｂ）及び図６（ａ），（ｂ）に示す従来の位置検出装置２００の構成に比べて、位置検出装置全体の大きさ及び厚さを著しく小さくすることができるという効果を奏する。
From the above, the configuration of the
＜実施例１の位置検出例＞
次に、本発明に係る位置検出装置１００の具体的な位置検出例について説明する。７ｍｍの絶対位置検出範囲を、位置検出範囲の０．１％以内の位置検出精度で絶対位置検出する場合について示す。図１（ａ），（ｂ）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 in Example 1>
Next, a specific position detection example of the
図４（ａ），（ｂ）に示すように、直方体磁石１０１の長辺方向Ｘの長さＡ１０１＝９．０ｍｍ、直方体磁石１０１の短辺方向Ｙの長さＡ１０２＝１．０ｍｍ、直方体磁石１０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ１０３＝０．５ｍｍ、着磁された磁石の１周期分の長さＡ１０４＝１．０ｍｍとする。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the length A101 of the
また、直方体磁石１０１のホールセンサ１０２ａ，１０２ｂに対向する平面１０９からホールセンサ１０２ａ，１０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ１０１＝０．２５ｍｍ、第１のホールセンサ１０２ａの感磁部の中心と第２のホールセンサ１０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ１０２＝０．２５ｍｍとする。
Further, the distance B101 = 0.25 mm from the
上記設計の際、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂを１つのパッケージ内に搭載する方が、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂ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１０２ａ，１０２ｂを設けることも可能である。
In the above design, mounting the
従って、第１のホールセンサ１０２ａと第２のホールセンサ１０２ｂ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７及び図８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の関係を示す図で、図７は、図１で示した位置検出装置において、直方体磁石の移動距離に対する第１のホールセンサの出力電圧若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説明図で、図８は、図１で示した位置検出装置において、直方体磁石の移動距離に対する第２のホールセンサの出力電圧若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説明図である。 7 and 8 are diagrams showing the relationship of the output voltage of the Hall sensor with respect to the moving distance of the rectangular parallelepiped magnet, and FIG. 7 is a diagram illustrating the first Hall sensor with respect to the moving distance of the rectangular parallelepiped magnet in the position detecting device shown in FIG. FIG. 8 is an explanatory diagram showing the result of calculating the output voltage or the calculated value from the magnetic simulation. FIG. 8 is a diagram illustrating the output voltage of the second Hall sensor with respect to the moving distance of the rectangular parallelepiped magnet in the position detection device shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the result of having calculated | required the value after a calculation from a magnetic simulation.
図７は、磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ１０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ１０１１の変化Ｌ１０１１を示す図である。図８は、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ１０２ｂの出力電圧を２．０２倍した値２．０２×Ｖ１０２１の変化Ｌ１０２１を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a change L1011 of a
図９は、図１（ａ），（ｂ）で示した位置検出装置において、直方体磁石の移動距離に対する第１及び第２のホールセンサの出力電圧若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説明図で、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ１０１１）2＋（２．０２×Ｖ１０２１）2）の変化Ｌ１０３１及び理想直線Ｌ１０４１を示す図である。 FIG. 9 is a result of obtaining from the magnetic simulation the output voltage of the first and second Hall sensors with respect to the moving distance of the rectangular parallelepiped magnet or the calculated value in the position detection device shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). FIG. 6 is a diagram illustrating a change L1031 and an ideal straight line L1041 of √ ((2 × V1011) 2 + (2.02 × V1021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet.
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１０２ａ，１０２ｂ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１０１の各極における中央の表面磁束密度の絶対値が、１８０ｍＴ〜１１０ｍＴまでリニアに減少するよう着磁されているとして行う。
As the premise of the magnetic simulation, the sensitivity of the two
図９に示した磁気シミュレーション結果より、直方体磁石１０１の移動距離に対して、Ｖ１０１１及びＶ１０２１の値を用いて演算した値√（（２×Ｖ１０１１）2＋（２．０２×Ｖ１０２１）2）が、高い線形性を持つことが分かる。
From the magnetic simulation result shown in FIG. 9, the value √ ((2 × V1011) 2 + (2.02 × V1021) 2 ) calculated using the values of V1011 and V1021 with respect to the moving distance of the
ここで、図９に記載した理想直線Ｌ１０４１は、直方体磁石１０１の移動距離が０ｍｍにおける２個の出力電圧Ｖ１０１１，Ｖ１０２１の値を用いて演算した値√（（２×Ｖ１０１１）2＋（２．０２×Ｖ１０２１）2）と、この直方体磁石１０１の移動距離が７ｍｍにおける２個の出力電圧Ｖ１０１１，Ｖ１０２１の値を用いて演算した値√（（２×Ｖ１０１１）2＋（２．０２×Ｖ１０２１）2）とを結んだ直線である。
Here, the ideal straight line L1041 shown in FIG. 9 is a value √ ((2 × V1011) 2 + (2....) Calculated using the values of the two output voltages V1011 and V1021 when the moving distance of the
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、磁気シミュレーション結果Ｌ１０３１は理想直線Ｌ１０４１からのズレが大きい場合、位置検出誤差が大きくなる。しかしながら、図９においては、磁気シミュレーション結果Ｌ１０３１が理想直線Ｌ１０４１と一致するように、着磁強度を調整した直方体磁石１０１を使用してある。なお、着磁強度のバラツキや実装バラツキ等、各種誤差がある場合は、当然磁気シミュレーション結果Ｌ１０３１は理想直線Ｌ１０４１からズレ、位置検出誤差が発生する。この位置検出誤差が、所望の位置検出精度より大きい場合は、位置検出誤差を小さくするために、後述するその他実施例（例えば、実施例６）を適用すると良い。
Generally, since position detection is performed using the value on the ideal straight line, when the magnetic simulation result L1031 has a large deviation from the ideal straight line L1041, the position detection error becomes large. However, in FIG. 9, the
上述のように演算中の係数ａ及びｂの値をそれぞれ、ａ＝２、ｂ＝２．０２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１００において、直方体磁石１０１の長辺方向Ｘの長さＡ１０１、直方体磁石１０１の短辺方向Ｙの長さＡ１０２、直方体磁石１０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ１０３、着磁された磁石の１周期分の長さＡ１０４、直方体磁石１０１のホールセンサ１０２ａ，１０２ｂに対向する平面１０９からホールセンサ１０２ａ，１０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ１０１、ホールセンサ１０２ａの感磁部の中心とホールセンサ１０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ１０２、直方体磁石１０１の着磁強度の調整を最適化することで、比較例よりも良い結果が得られる。
As described above, the calculation is performed with the values of the coefficients a and b being calculated as a = 2 and b = 2.02, respectively. Length A101 in the side direction X, length A102 in the short side direction Y of the
以上のような位置検出処理を行うことによって、以下に示す効果を得ることができる。 By performing the position detection process as described above, the following effects can be obtained.
ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂ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。
Two
また、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂ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１０２ａ，１０２ｂ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
以上説明したように、感磁方向が、配置された基板に対して垂直な２個のホールセンサを１組とし、この２個のホールセンサの中心を結ぶ直線及び基板に平行に可動可能に支持し、基板に対して垂直にＮ極とＳ極が所定の間隔で所定の組数着磁された磁石を配置し、２個のホールセンサの出力を実数倍した出力をＶ１０１１，Ｖ１０２１とした場合、√（（ａ×Ｖ１０１１）2＋（ｂ×Ｖ１０２１）2）の関係式を用いて位置検出を行う（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）信号処理回路を設けたので、ホールセンサを磁気センサとして用いて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、また、広範囲な距離を高精度に、かつ連続的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作製することが可能になる。 As described above, a pair of two hall sensors whose magnetic direction is perpendicular to the substrate on which they are arranged is a set, and is supported so as to be movable parallel to the straight line connecting the centers of the two hall sensors and the board. In the case where a magnet in which a predetermined number of sets of N poles and S poles are magnetized at a predetermined interval is arranged perpendicular to the substrate, and the output obtained by multiplying the outputs of the two Hall sensors by a real number is V1011 and V1021 , √ ((a × V1011) 2 + (b × V1021) 2 ) is used to detect the position (however, a real number where a ≠ 0 and b ≠ 0). Even when components are made up of general-purpose products or parts that are easily available using the sensor as a magnetic sensor, downsizing can be achieved with a simple configuration, and a wide range of distances can be achieved with high accuracy and continuously. Position detection that can be detected automatically An electronic device using the apparatus and its position detection apparatus can be manufactured.
＜実施例１の応用例＞
実施例１の応用例として、本実施例１のような位置検出装置１００を備えた電子機器として構成することも可能である。例として、位置検出装置１００は、デジタルカメラ、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る。さらに、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にも好適に使用可能である。
<Application example of Example 1>
As an application example of the first embodiment, it can be configured as an electronic apparatus including the
電子機器の具体例としては、位置検出装置１００と、位置検出装置１００からの出力信号が入力される、オートフォーカス（ＡＦ）機構及びズーム（Ｚｏｏｍ）機構とを備えて構成してもよい。ＡＦ機構及びＺｏｏｍ機構は、デジタルカメラ、又は携帯電話のオートフォーカス及びズームを行うことができる。
As a specific example of the electronic device, the electronic apparatus may include a
本発明に係る位置検出装置の実施例２を図１０（ａ），（ｂ）乃至図１６に基づいて以下に説明する。 A second embodiment of the position detection apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 10 (a) and 10 (b) to FIG.
本実施例２は、上述した実施例１の変形例であり、位置検出装置１００において、直方体磁石１０１の移動に伴って、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂの出力がリニアに増加するよう直方体磁石１０１の着磁を変更した場合の例である。つまり、この実施例２においては、ホールセンサの出力信号は、図９６に示すように、増幅振動波形の出力信号である。
The second embodiment is a modification of the first embodiment described above. In the
＜実施例２の構成＞
図１０（ａ），（ｂ）は、本発明に係る位置検出装置の実施例２を説明するための概略構成図で、一軸上に整列した２個のホールセンサを使用した場合の位置検出装置を示し、図１０（ａ）は断面図、図１０（ｂ）は上面図を示している。
<Configuration of Example 2>
FIGS. 10A and 10B are schematic configuration diagrams for explaining a second embodiment of the position detection apparatus according to the present invention, and the position detection apparatus in the case of using two hall sensors aligned on one axis. FIG. 10A shows a cross-sectional view, and FIG. 10B shows a top view.
位置検出装置３００は、Ｎ極Ｓ極をそれぞれ交互に所定の間隔毎に着磁された直方体磁石（磁束発生手段）３０１と、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）３０２ａ，３０２ｂと、第１のホールセンサ３０２ａと、第２のホールセンサ３０２ｂと、これら２つのホールセンサを実装した基板３０３とを備えている。なお、本発明に係る位置検出装置３００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。
The
ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂは、基板３０３上に所定の間隔で配置され、感磁方向が基板３０３に対して垂直である。直方体磁石３０１は、ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂからの信号を所定の演算を行った際に、後述する図１１に示される信号となるよう着磁された構成となっており、基板３０３と対向する一平面３０９内で、Ｘ方向に沿って移動可能に配置されている。
The
図１１は、図１０（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置において、直方体磁石又は２個のホールセンサを移動させた際に得られる２個のホールセンサの出力信号を示す波形図である。 FIG. 11 is a waveform diagram showing output signals of two hall sensors obtained when a rectangular parallelepiped magnet or two hall sensors are moved in the position detection device shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). is there.
ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂ（固定）に対して直方体磁石３０１を基準位置からＸ方向に沿って移動された場合には、一方のホールセンサ３０２ａの出力信号は、図中の白四角のように増幅振動波形の出力信号を示し、他方のホールセンサ３０２ｂの出力信号は、図中の黒丸のように、一方のホールセンサ３０２ａの出力信号と位相のずれた増幅振動波形の出力信号を示す。また、同様に、直方体磁石３０１（固定）に対してホールセンサ３０２ａ，３０２ｂを所定の距離だけ移動した場合にも、ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂからの出力信号が、図９６に示すように、増幅振動波形の出力信号を示す。
When the
また、ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂから増幅振動波状の出力信号を発生させるために、直方体磁石３０１は、移動方向に沿って発生する磁界の強さが増幅するように着磁されている。
Further, in order to generate amplified vibration wave-like output signals from the
また、ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂからの増幅振動波状の出力信号は、増幅正弦波状及び増幅余弦波状の出力信号であることもできる。また、増幅振動波状の出力信号が、各々増幅正弦波状の出力信号及び増幅余弦波状の出力信号となるように、９０度の電気角を有して配置されている。
Further, the amplified oscillation wave-like output signals from the
直方体磁石３０１は、ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向でかつ基板３０３に平行な平面内を移動可能に支持されており、Ｎ極とＳ極の１組が、ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂの感磁部の中心間を結んだ距離の４倍の距離となるように複数組分着磁されている。
The
ここで、ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向でかつ基板３０３に平行な平面内を移動可能という意味は、ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線と直方体磁石３０１の移動方向を示す直線とを、基板３０３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。
Here, the meaning of being able to move in a plane parallel to the straight line connecting the centers of the magnetic sensing parts of the
直方体磁石３０１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３０３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３０２ａの感磁部中心と、第２のホールセンサ３０２ｂ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３０２ａと３０２ｂは、直方体磁石３０１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１０（ａ），（ｂ）において、Ａ３０１は直方体磁石３０１の長辺方向Ｘの長さ、Ａ３０２は直方体磁石３０１の短辺方向Ｙの長さ、Ａ３０３は直方体磁石３０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さ、Ａ３０４は着磁された磁石の１周期分の長さをそれぞれ示す。また、Ｂ３０１は、直方体磁石３０１のホールセンサ３０２ａ，３０２ｂの基板３０３に対向する平面３０９から、ホールセンサ３０２ａと３０２ｂの感磁部の中心までの距離を示す。Ｂ３０２は、第１のホールセンサ３０２ａの感磁部の中心と、第２のホールセンサ３０２ｂの感磁部の中心とを結ぶ距離を示す。
10A and 10B, A301 is the length in the long side direction X of the
ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂ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１２は、図１０（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置の位置検出回路の回路図である。位置検出装置３００は、２個のホールセンサ３０２ａ，３０２ｂを有する駆動回路３０５と、このホールセンサ３０２ａ，３０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う信号処理回路３０６とを備えている。
FIG. 12 is a circuit diagram of the position detection circuit of the position detection device shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). The
駆動回路３０５は、１組のホールセンサ３０２ａ，３０２ｂと、これらのホールセンサ３０２ａ，３０２ｂに電圧を供給する電源部Ｖｄｄとから構成される。
The
第１のホールセンサ３０２ａは、正極入力端子３０２ａ（Ａ）と、正極出力端子３０２ａ（Ｂ）と、負極入力端子３０２ａ（Ｃ）と、負極出力端子３０２ａ（Ｄ）とから構成される。
The
第２のホールセンサ３０２ｂは、正極入力端子３０２ｂ（Ｅ）と、正極出力端子３０２ｂ（Ｆ）と、負極入力端子３０２ｂ（Ｇ）と、負極出力端子３０２ｂ（Ｈ）とから構成される。
The
正極出力端子３０２ａ（Ｂ）と負極出力端子３０２ａ（Ｄ）とは、差動増幅器３０７ａの入力信号となり、差動増幅器３０７ａからはＶ３０１１が出力される。正極出力端子３０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子３０２ｂ（Ｈ）とは、差動増幅器３０７ｂの入力信号となり、差動増幅器３０７ｂからはＶ３０２１が出力される。
The
信号処理部３０６は、差動増幅器３０７ａ，３０７ｂと、計算処理部３０８とにより構成される。この信号処理部３０６では、ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う。
The
＜実施例２の回路動作＞
以下に、本発明の実施例２における位置検出装置３００の動作について説明する。
図１２に示す信号処理部３０６は、２個の磁気センサを搭載した基板に対して、磁石を移動方向へ所定の距離だけ移動した場合において、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力の所定の相関関係を用いることで位置検出を行うことができる。
<Circuit Operation of Example 2>
Hereinafter, the operation of the
The
例えば、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 For example, the position detection may be performed using a predetermined correlation of the calculated values obtained from the output values of the two magnetic sensors on the substrate with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet.
さらに、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力を所定倍した出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 Further, the position may be detected using a predetermined correlation of the calculated value obtained from the output value obtained by multiplying the output of the two magnetic sensors on the substrate by a predetermined value with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet. Good.
以下、位置検出回路の具体的な動作について詳細に説明する。 Hereinafter, a specific operation of the position detection circuit will be described in detail.
信号処理部３０６は、基板３０３上に配置された２個の磁気センサ３０２ａ，３０２ｂにおいて、磁気センサ３０２ａ及び３０２ｂからのそれぞれの出力をＶ３０１１，Ｖ３０２１とした場合、出力Ｖ３０１１，Ｖ３０２１をそれぞれ実数倍した値を用いて、
Ｖｏ３＝√（（ａ×Ｖ３０１１）2＋（ｂ×Ｖ３０２１）2）・・・（２）
の関係式から求められる値Ｖｏ３を用いて位置検出を行う。ただし、ａ≠０かつｂ≠０である実数である。
In the two
Vo3 = √ ((a × V3011) 2 + (b × V3021) 2 ) (2)
Position detection is performed using a value Vo3 obtained from the relational expression. However, it is a real number in which a ≠ 0 and b ≠ 0.
駆動回路３０５において、第１のホールセンサ３０２ａの正極入力端子３０２ａ（Ａ）と、第２のホールセンサ３０２ｂの正極入力端子３０２ｂ（Ｅ）とが接続されることによって入力端子とされ、第１のホールセンサ３０２ａの負極入力端子３０２ａ（Ｃ）と、第２のホールセンサ３０２ｂの負極入力端子３０２ｂ（Ｇ）とが接続されることによって入力端子とされる。
In the
第１のホールセンサ３０２ａの正極出力端子３０２ａ（Ｂ）と負極出力端子３０２ａ（Ｄ）は、信号処理回路３０６の第１の差動増幅器３０７ａに接続され、第２のホールセンサ３０２ｂの正極出力端子３０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子３０２ｂ（Ｈ）は、信号処理回路３０６の第２の差動増幅器３０７ｂに接続される。
The
第１の差動増幅器３０７ａの出力端子と第２の差動増幅器３０７ｂ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３０８に伝達される。
The output terminal of the first
このような駆動回路３０５と信号処理部３０６とによって、第１のホールセンサ３０２ａのホール出力Ｖ３０１１と、第２のホールセンサ３０２ｂのホール出力Ｖ３０２１とを用いて、√（（ａ×Ｖ３０１１）2＋（ｂ×Ｖ３０２１）2）の値（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）である出力値Ｖｏ３が、直方体磁石３０１の位置に対応したものになる。
By using the hall output V3011 of the
なお、本実施例２では、第１のホールセンサ３０２ａと第２のホールセンサ３０２ｂと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３０７ａ，３０７ｂ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。
In the second embodiment, the input terminals of the
また、差動増幅器３０７ａ，３０７ｂの信号をＡＤ変換して、√（（ａ×Ｖ３０１１）2＋（ｂ×Ｖ３０２１）2）の値（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）を計算処理部３０８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、√（（ａ×Ｖ３０１１）2＋（ｂ×Ｖ３０２１）2）＾０．５の値（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）を求めることもできる。
Further, AD conversion is performed on the signals of the
＜実施例２の位置検出例＞
次に、本発明に係る位置検出装置３００の具体的な位置検出例について説明する。７ｍｍの絶対位置検出範囲を、位置検出範囲の０．１％以内の位置検出精度で絶対位置検出する場合について示す。図１０（ａ），（ｂ）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 in Example 2>
Next, a specific position detection example of the
図１３（ａ），（ｂ）は、図１０（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置に対応する構成図で、図１３（ａ）は断面図、図１３（ｂ）は上面図である。 FIGS. 13A and 13B are configuration diagrams corresponding to the position detection apparatus shown in FIGS. 10A and 10B, FIG. 13A is a cross-sectional view, and FIG. 13B is a top view. It is.
図１３（ａ），（ｂ）に示すように、直方体磁石３０１の長辺方向Ｘの長さＡ３０１＝９．０ｍｍ、直方体磁石３０１の短辺方向Ｙの長さＡ３０２＝１．０ｍｍ、直方体磁石３０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ３０３＝０．５ｍｍ、着磁された磁石の１周期分の長さＡ３０４＝１．０ｍｍとする。
As shown in FIGS. 13A and 13B, the length A301 of the
また、直方体磁石３０１のホールセンサ３０２ａ，３０２ｂに対向する平面３０９からホールセンサ３０２ａ，３０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ３０１＝０．２５ｍｍ、第１のホールセンサ３０２ａの感磁部の中心と第２のホールセンサ３０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ３０２＝０．２５ｍｍとする。
Further, the distance B301 = 0.25 mm from the
上記設計の際、ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂを１つのパッケージ内に搭載する方が、ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂ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３０２ａ，３０２ｂを設けることも可能である。
In the above design, mounting the
従って、第１のホールセンサ３０２ａと第２のホールセンサ３０２ｂ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１４及び図１５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の関係を示す図で、図１４は、磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ３０２ａの出力電圧を２．０２倍した値２．０２×Ｖ３０１１の変化Ｌ３０１１を示す図で、図１５は、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ３０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ３０２１の変化Ｌ３０２１を示す図である。
14 and 15 are diagrams showing the relationship of the output voltage of the Hall sensor with respect to the moving distance of the rectangular magnet, and FIG. 14 is a value obtained by multiplying the output voltage of the
図１６は、磁石の移動距離に対する√（（２．０２×Ｖ３０１１）2＋（２×Ｖ３０２１）2）の変化Ｌ３０３１及び理想直線Ｌ３０４１を示す図である。 FIG. 16 is a diagram showing a change L3031 and an ideal straight line L3041 of √ ((2.02 × V3011) 2 + (2 × V3021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet.
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３０２ａ，３０２ｂ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３０１の各極における中央の表面磁束密度の絶対値が、１１０ｍＴ〜１８０ｍＴまでリニアに増幅するよう着磁されているとして行う。
As the premise of the magnetic simulation, the sensitivity of the two
図１６に示した磁気シミュレーション結果より、直方体磁石３０１の移動距離に対して、Ｖ３０１１及びＶ３０２１の値を用いて演算した値√（（２．０２×Ｖ３０１１）2＋（２×Ｖ３０２１）2）が、高い線形性を持つことが分かる。
From the magnetic simulation result shown in FIG. 16, the value √ ((2.02 × V3011) 2 + (2 × V3021) 2 ) calculated using the values of V3011 and V3021 with respect to the moving distance of the
ここで、図１６に記載した理想直線Ｌ３０４１は、直方体磁石３０１の移動距離が０ｍｍにおける２個の出力電圧Ｖ３０１１，Ｖ３０２１の値を用いて演算した値√（（２．０２×Ｖ３０１１）2＋（２×Ｖ３０２１）2）と、この直方体磁石３０１の移動距離が７ｍｍにおける２個の出力電圧Ｖ３０１１，Ｖ３０２１の値を用いて演算した値√（（２．０２×Ｖ３０１１）2＋（２×Ｖ３０２１）2）とを結んだ直線である。
Here, an ideal straight line L3041 shown in FIG. 16 is a value √ ((2.02 × V3011) 2 + () calculated using values of two output voltages V3011 and V3021 when the moving distance of the
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、磁気シミュレーション結果Ｌ３０３１は理想直線Ｌ３０４１からのズレが大きい場合、位置検出誤差が大きくなる。しかしながら、図１６においては、磁気シミュレーション結果Ｌ３０３１が理想直線Ｌ３０４１と一致するように、着磁強度を調整した直方体磁石３０１を使用してある。なお、着磁強度のバラツキや実装バラツキ等、各種誤差がある場合は、当然磁気シミュレーション結果Ｌ３０３１は理想直線Ｌ３０４１からズレ、位置検出誤差が発生する。この位置検出誤差が、所望の位置検出精度より大きい場合は、位置検出誤差を小さくするために、後述するその他実施例（例えば、実施例６）を適用すると良い。
Generally, since position detection is performed using the value on the ideal straight line, when the magnetic simulation result L3031 has a large deviation from the ideal straight line L3041, the position detection error becomes large. However, in FIG. 16, a
上述のように演算中の係数ａ及びｂの値をそれぞれ、ａ＝２．０２、ｂ＝２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３００において、直方体磁石３０１の長辺方向Ｘの長さＡ３０１、直方体磁石３０１の短辺方向Ｙの長さＡ３０２、直方体磁石３０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ３０３、着磁された磁石の１周期分の長さＡ３０４、直方体磁石３０１のホールセンサ３０２ａ，３０２ｂに対向する平面３０９からホールセンサ３０２ａ，３０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ３０１、ホールセンサ３０２ａの感磁部の中心とホールセンサ３０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ３０２、直方体磁石３０１の着磁強度の調整を最適化することで、比較例よりも良い結果が得られる。
As described above, the calculation is performed with the values of the coefficients a and b being calculated as a = 2.02 and b = 2, respectively. However, even if these values are different, the
以上のような位置検出処理を行うことによって、以下に示す効果を得ることができる。 By performing the position detection process as described above, the following effects can be obtained.
ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂ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。
Two
また、ホールセンサ３０２ａ，３０２ｂ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３０２ａ，３０２ｂ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
以上説明したように、感磁方向が、配置された基板に対して垂直な２個のホールセンサを１組とし、この２個のホールセンサの中心を結ぶ直線及び基板に平行に可動可能に支持し、基板に対して垂直にＮ極とＳ極が所定の間隔で所定の組数着磁された磁石を配置し、２個のホールセンサの出力を実数倍した出力をＶ３０１１，Ｖ３０２１とした場合、√（（ａ×Ｖ３０１１）2＋（ｂ×Ｖ３０２１）2）の関係式を用いて位置検出を行う（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）信号処理回路を設けたので、ホールセンサを磁気センサとして用いて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、また、広範囲な距離を高精度に、かつ連続的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作製することが可能になる。 As described above, a pair of two hall sensors whose magnetic direction is perpendicular to the substrate on which they are arranged is a set, and is supported so as to be movable parallel to the straight line connecting the centers of the two hall sensors and the board. In the case where a magnet in which a predetermined number of sets of N poles and S poles are magnetized at a predetermined interval is arranged perpendicular to the substrate, and the output obtained by multiplying the outputs of the two Hall sensors by a real number is V3011, V3021 , √ ((a × V3011) 2 + (b × V3021) 2 ) is used to detect the position (however, a real number where a ≠ 0 and b ≠ 0). Even when components are made up of general-purpose products or parts that are easily available using the sensor as a magnetic sensor, downsizing can be achieved with a simple configuration, and a wide range of distances can be achieved with high accuracy and continuously. Position detection that can be detected automatically An electronic device using the apparatus and its position detection apparatus can be manufactured.
本発明に係る位置検出装置の実施例３を図１８（ａ），（ｂ）乃至図２６に基づいて以下に説明する。 A third embodiment of the position detection apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 18 (a) and (b) to FIG.
本実施例３は、実施例１の変形例であり、位置検出装置１００において、直方体磁石１０１の移動に伴って、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂの出力がリニアではなく、単調減少するよう直方体磁石１０１の着磁を変更した場合の例である。
The third embodiment is a modification of the first embodiment, and in the
ここで、単調減少にも様々な例が存在するが、その代表的な一例を図１７に示す。なお、図１７で示す直線及び曲線は、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだものである。図１７における『１』は第１の実施例で示した直線である。１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が『２』となる場合の例を実施例３で示す。１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が『３』となる場合の例を実施例４で示す。１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が『４』となる場合の例を実施例５で示す。 Here, there are various examples of monotonous decrease, and a typical example is shown in FIG. In addition, the straight line and curve shown in FIG. 17 connect the output peak value of one Hall sensor. “1” in FIG. 17 is the straight line shown in the first embodiment. An example in which the curve connecting the output peak values of one hall sensor is “2” is shown in the third embodiment. An example in which the curve connecting the output peak values of one hall sensor is “3” is shown in the fourth embodiment. Example 5 shows a case where the curve connecting the output peak values of one hall sensor is “4”.
＜実施例３の構成＞
図１８（ａ），（ｂ）は、本発明に係る位置検出装置の実施例３を説明するための概略構成図で、一軸上に整列した２個のホールセンサを使用した場合の位置検出装置を示し、図１８（ａ）は断面図、図１８（ｂ）は上面図を示している。
<Configuration of Example 3>
FIGS. 18A and 18B are schematic configuration diagrams for explaining a third embodiment of the position detection apparatus according to the present invention, and a position detection apparatus in the case of using two Hall sensors aligned on one axis. 18A is a cross-sectional view, and FIG. 18B is a top view.
位置検出装置４００は、Ｎ極Ｓ極をそれぞれ交互に所定の間隔毎に着磁された直方体磁石（磁束発生手段）４０１と、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）４０２ａ，４０２ｂと、ホールセンサ４０２ａ（第１のホールセンサ）と、ホールセンサ４０２ｂ（第２のホールセンサ）と、これら２つのホールセンサを実装した基板４０３とを備えている。なお、本発明に係る位置検出装置４００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。
The
ホールセンサ４０２ａ，４０２ｂは、基板４０３上に所定の間隔で配置され、感磁方向が基板４０３に対して垂直である。直方体磁石４０１は、ホールセンサ４０２ａ，４０２ｂからの信号を所定の演算を行った際に、図１９に示される信号となるよう着磁された構成となっており、基板４０３と対向する１平面４０９内で、Ｘ方向に沿って移動可能に配置されている。
The
図１９は、図１８（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置において、直方体磁石又は２個のホールセンサを移動させた際に得られる２個のホールセンサの出力信号を示す波形図である。 FIG. 19 is a waveform diagram showing output signals of two hall sensors obtained when a rectangular parallelepiped magnet or two hall sensors are moved in the position detection device shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b). is there.
ホールセンサ４０２ａ，４０２ｂ（固定）に対して直方体磁石４０１を基準位置からＸ方向に沿って移動された場合には、一方のホールセンサ４０２ａの出力信号は、図中の白四角のように減衰振動波形の出力信号を示し、他方のホールセンサ４０２ｂの出力信号は、図中の黒丸のように、一方のホールセンサ４０２ａの出力信号と位相のずれた減衰振動波形の出力信号を示す。
When the
直方体磁石４０１は、ホールセンサ４０２ａ，４０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向でかつ基板４０３に平行な平面内を移動可能に支持されており、Ｎ極とＳ極の１組が、ホールセンサ４０２ａ、４０２ｂの感磁部の中心間を結んだ距離の４倍の距離となるように複数組分着磁されている。
The
ここで、ホールセンサ４０２ａ，４０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向でかつ基板４０３に平行な平面内を移動可能という意味は、ホールセンサ４０２ａ，４０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線と直方体磁石４０１の移動方向を示す直線とを、基板４０３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。
Here, the meaning of being able to move in a plane parallel to the straight line connecting the centers of the magnetic sensing parts of the
直方体磁石４０１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４０３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４０２ａの感磁部中心と、第２のホールセンサ４０２ｂ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４０２ａと４０２ｂは、直方体磁石４０１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１８（ａ），（ｂ）において、Ａ４０１は直方体磁石４０１の長辺方向Ｘの長さ、Ａ４０２は直方体磁石４０１の短辺方向Ｙの長さ、Ａ４０３は直方体磁石４０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さ、Ａ４０４は着磁された磁石の１周期分の長さをそれぞれ示す。また、Ｂ４０１は、直方体磁石４０１のホールセンサ４０２ａ，４０２ｂの基板４０３に対向する平面４０９から、ホールセンサ４０２ａと４０２ｂの感磁部の中心までの距離を示す。Ｂ４０２は、第１のホールセンサ４０２ａの感磁部の中心と、第２のホールセンサ４０２ｂの感磁部の中心とを結ぶ距離を示す。
18A and 18B, A401 is the length in the long side direction X of the
ホールセンサ４０２ａ，４０２ｂ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２０は、図１８（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置の位置検出回路の回路図である。位置検出装置４００は、２個のホールセンサ４０２ａ，４０２ｂを有する駆動回路４０５と、このホールセンサ４０２ａ，４０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う信号処理回路４０６とを備えている。
FIG. 20 is a circuit diagram of the position detection circuit of the position detection device shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b). The
駆動回路４０５は、１組のホールセンサ４０２ａ，４０２ｂと、これらのホールセンサ４０２ａ，４０２ｂに電圧を供給する電源部Ｖｄｄとから構成される。
The
第１のホールセンサ４０２ａは、正極入力端子４０２ａ（Ａ）と、正極出力端子４０２ａ（Ｂ）と、負極入力端子４０２ａ（Ｃ）と、負極出力端子４０２ａ（Ｄ）とから構成される。
The
第２のホールセンサ４０２ｂは、正極入力端子４０２ｂ（Ｅ）と、正極出力端子４０２ｂ（Ｆ）と、負極入力端子４０２ｂ（Ｇ）と、負極出力端子４０２ｂ（Ｈ）とから構成される。
The
正極出力端子４０２ａ（Ｂ）と負極出力端子４０２ａ（Ｄ）とは、差動増幅器４０７ａの入力信号となり、差動増幅器４０７ａからはＶ４０１１が出力される。正極出力端子４０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子４０２ｂ（Ｈ）とは、差動増幅器４０７ｂの入力信号となり、差動増幅器４０７ｂからはＶ４０２１が出力される。
The
信号処理部４０６は、差動増幅器４０７ａ，４０７ｂと、計算処理部４０８とにより構成される。この信号処理部４０６では、ホールセンサ４０２ａ，４０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う。
The
＜実施例３の回路動作＞
以下に、本実施例３の位置検出装置４００の動作について説明する。
<Circuit Operation of Example 3>
Hereinafter, the operation of the
図２０に示す信号処理部４０６は、２個の磁気センサを搭載した基板に対して、磁石を移動方向へ所定の距離だけ移動した場合において、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力の所定の相関関係を用いることで位置検出を行うことができる。
The
例えば、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 For example, the position detection may be performed using a predetermined correlation of the calculated values obtained from the output values of the two magnetic sensors on the substrate with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet.
さらに、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力を所定倍した出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 Further, the position may be detected using a predetermined correlation of the calculated value obtained from the output value obtained by multiplying the output of the two magnetic sensors on the substrate by a predetermined value with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet. Good.
以下、位置検出回路の具体的な動作について詳細に説明する。 Hereinafter, a specific operation of the position detection circuit will be described in detail.
駆動回路４０５において、第１のホールセンサ４０２ａの正極入力端子４０２ａ（Ａ）と、第２のホールセンサ４０２ｂの正極入力端子４０２ｂ（Ｅ）とが接続されることによって入力端子とされ、第１のホールセンサ４０２ａの負極入力端子４０２ａ（Ｃ）と、第２のホールセンサ４０２ｂの負極入力端子４０２ｂ（Ｇ）とが接続されることによって入力端子とされる。
In the
第１のホールセンサ４０２ａの正極出力端子４０２ａ（Ｂ）と負極出力端子４０２ａ（Ｄ）は、信号処理回路４０６の第１の差動増幅器４０７ａに接続され、第２のホールセンサ４０２ｂの正極出力端子４０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子４０２ｂ（Ｈ）は、信号処理回路４０６の第２の差動増幅器４０７ｂに接続される。
The
第１の差動増幅器４０７ａの出力端子と第２の差動増幅器４０７ｂ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４０８に伝達される。
The output terminal of the first
計算処理部４０８は、以下の処理を行って位置検出を行う。
The
＜実施例３の計算処理部の処理＞
計算処理部４０８では、１周期内の任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持している。基板４０３上に配置された２個の磁気センサ４０２ａ，４０２ｂにおいて、磁気センサ４０２ａ及び４０２ｂからのそれぞれの出力をＶ４０１１，Ｖ４０２１とした場合、出力Ｖ４０１１，Ｖ４０２１をそれぞれ実数倍した値、及びテーブル上に保持してある電気角Ｒ４０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ４０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ４０１）の組を用いて、
ａ×Ｖ４０１１×ｃｏｓ（Ｒ４０１）
−ｂ×Ｖ４０２１×ｓｉｎ（Ｒ４０１）・・・（３）
の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ４０１をまず求める。ただし、ａ≠０かつｂ≠０である実数である。
<Processing of Calculation Processing Unit of Example 3>
In the
a × V4011 × cos (R401)
-B * V4021 * sin (R401) (3)
First, an electrical angle R401 whose value is closest to zero is obtained. However, it is a real number in which a ≠ 0 and b ≠ 0.
次に
Ｖｏ４＝√（（ａ×Ｖ４０１１）2＋（ｂ×Ｖ４０２１）2）・・・（４）
の関係式から求められる値Ｖｏ４及び電気角Ｒ４０１を用いて、図１９で示される減衰振動波状出力においてＮ番目の周期であることを求める。なお、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『２』で示される曲線であるため、磁石の移動距離に対するＶｏ４の値は単調減少とはならない場合が多い。そのため、減衰振動波状出力においてＮ番目の周期かどうかをＶｏ４の値のみでは判断できない。そこでＶｏ４及びＲ４０１を用いて、次のようにしてＮ番目の周期であることを特定する。
Next, Vo4 = √ ((a × V4011) 2 + (b × V4021) 2 ) (4)
Using the value Vo4 and the electrical angle R401 obtained from the relational expression, the Nth period is obtained in the damped oscillation wave output shown in FIG. Since the curve connecting the output peak values of one Hall sensor is a curve indicated by “2” in FIG. 17, the value of Vo4 with respect to the moving distance of the magnet does not often monotonously decrease. For this reason, whether or not it is the Nth period in the damped vibration wave output cannot be determined only by the value of Vo4. Therefore, using Vo4 and R401, the Nth cycle is specified as follows.
まず、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ４の値をメモリに保持させる。保持させる値は、例えば、あらかじめシミュレーションにより求められた値を保持させておいても良いし、磁石を移動させて個別キャリブレーションを行う際に、ホールセンサ４０２ａの出力Ｖ４０１１がゼロを示した際のＶｏ４の値を保持させておいても良い。次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ４値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ４値をＶ（Ｎ−１）とした場合、
（Ｖ（Ｎ−１）×Ｖｓ）≧Ｖｏ４≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ４０１≦Ｒｓ度
または、
Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ４＞（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）
または、
（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）≧Ｖｏ４≧Ｖ（Ｎ）かつＲ４０１≧Ｒｓ度
であればＮ番目の周期であると特定する。ここで、Ｖｓ及びＲｓの値は位置検出装置４００の構成毎に最適な数値を求める事が望ましいが、Ｖｓはおよそ百数％、Ｒｓは１００〜３４０度とすることで、位置検出が可能であることが多い。なお、ここでＮ＝１の場合、Ｖ（Ｎ−１）の電気角３６０度の値が無い場合がある。その場合は、Ｖ（Ｎ）のおよそ１．２倍以上の値をメモリに保持させれば良い。
First, the value of Vo4 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is held in the memory. The value to be held may be, for example, a value obtained by simulation in advance, or when the output V4011 of the
(V (N−1) × Vs) ≧ Vo4 ≧ V (N−1) and R401 ≦ Rs degrees, or
V (N-1)>Vo4> (V (N) × Vs)
Or
If (V (N) × Vs) ≧ Vo4 ≧ V (N) and R401 ≧ Rs degrees, the Nth cycle is specified. Here, it is desirable to obtain optimum values of Vs and Rs for each configuration of the
次に、求められた電気角Ｒ４０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、
Ｐ４００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ４０１×Ｐ÷３６０）・・・（５）
の関係式から求められる値Ｐ４００を用いて位置検出を行う。ただし、Ｐは１周期の間に磁石が移動する距離である。
Next, using the obtained electrical angle R401 and the Nth value of the cycle,
P400 = P × (N−1) + (R401 × P ÷ 360) (5)
Position detection is performed using a value P400 obtained from the relational expression. Here, P is the distance that the magnet moves during one cycle.
つまり、計算処理部４０８は、１周期内の電気角Ａに対する正弦波の値Ｖｓ１及び余弦波の値Ｖｃ１の組をあらかじめテーブルに記憶しておき、ホールセンサ４０２ａ，４０２ｂからの減衰正弦波状の出力値又は増幅正弦波状の出力値Ｖ１２をｃ倍した出力値及び減衰余弦波状の出力値又は増幅正弦波状の出力値Ｖ２２をｄ倍した出力値を
ｃ×Ｖ１２×Ｖｃ１−ｄ×Ｖ２２×Ｖｓ１＝０
（ただしｃ及びｄは実数）
の関係式が成り立つ電気角Ａを求め、
Ｖｏ２＝√（（ｃ×Ｖ１２）2＋（ｄ×Ｖ２２）2）
の関係式から求められる算出値Ｖｏ２及び電気角Ａにより、減衰振動波状の出力信号又は増幅正弦波状の出力信号においてＢ番目の周期に位置することを見極め、減衰振動波状の出力信号又は増幅正弦波状の出力信号の１周期の距離をＣとした場合に、
Ｄ＝Ｃ×（Ｂ−１）＋（Ａ×Ｃ÷３６０）
の関係式から求められる位置Ｄが求めたい検出位置である。
That is, the
(Where c and d are real numbers)
The electrical angle A for which the relational expression of
Vo2 = √ ((c × V12) 2 + (d × V22) 2 )
From the calculated value Vo2 and the electrical angle A obtained from the relational equation (1), it is determined that the output signal is a damped oscillation wave-like output signal or an amplified sine wave output signal or an amplified sine wave-like output signal. When the distance of one cycle of the output signal is C,
D = C × (B−1) + (A × C ÷ 360)
The position D obtained from the relational expression is a detection position to be obtained.
なお、本実施例３では、第１のホールセンサ４０２ａと第２のホールセンサ４０２ｂと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４０７ａ，４０７ｂ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。
In the third embodiment, the input terminals of the
＜実施例３の位置検出例＞
次に、本発明に係る位置検出装置４００の具体的な位置検出例について説明する。７ｍｍの位置検出範囲を、絶対位置検出する場合について示す。図１８（ａ），（ｂ）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 in Example 3>
Next, a specific position detection example of the
図２１（ａ），（ｂ）は、図１８（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置に対応する構成図で、図２１（ａ）は断面図、図２１（ｂ）は上面図である。 FIGS. 21A and 21B are configuration diagrams corresponding to the position detection device shown in FIGS. 18A and 18B, FIG. 21A being a cross-sectional view, and FIG. 21B being a top view. It is.
図２１（ａ），（ｂ）に示すように、直方体磁石４０１の長辺方向Ｘの長さＡ４０１＝９．０ｍｍ、直方体磁石４０１の短辺方向Ｙの長さＡ４０２＝１．０ｍｍ、直方体磁石４０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ４０３＝０．５ｍｍ、着磁された磁石の１周期分の長さＡ４０４＝１．０ｍｍとする。
As shown in FIGS. 21A and 21B, the length A401 of the
また、直方体磁石４０１のホールセンサ４０２ａ，４０２ｂに対向する平面４０９からホールセンサ４０２ａ，４０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ４０１＝０．２５ｍｍ、第１のホールセンサ４０２ａの感磁部の中心と第２のホールセンサ４０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ４０２＝０．２５ｍｍとする。
Further, the distance B401 = 0.25 mm from the
上記設計の際、ホールセンサ４０２ａ，４０２ｂを１つのパッケージ内に搭載する方が、ホールセンサ４０２ａ，４０２ｂ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４０２ａ，４０２ｂを設けることも可能である。
In the above design, mounting the
従って、第１のホールセンサ４０２ａと第２のホールセンサ４０２ｂ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２２及び図２３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の関係を示す図である。 22 and 23 are diagrams showing the relationship of the output voltage of the Hall sensor with respect to the moving distance of the rectangular parallelepiped magnet.
図２２は、磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ４０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ４０１１の変化Ｌ４０１１を示す図である。図２３は、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ４０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ４０２１の変化Ｌ４０２１を示す図である。
FIG. 22 is a diagram illustrating a change L4011 of a
図２４は、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ４０１１）2＋（２×Ｖ４０２１）2）の変化Ｌ４０３１を示す図である。 FIG. 24 is a diagram illustrating a change L4031 of √ ((2 × V4011) 2 + (2 × V4021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet.
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４０２ａ，４０２ｂの感度を２．２ｍＶ／ｍＴ（一般的なホールセンサの感度）、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『２』で示される曲線になるよう、直方体磁石４０１の各極における中央の表面磁束密度の絶対値が、１９０ｍＴ〜８０ｍＴまで単調減少するよう着磁されているとして行う。
As a premise for the magnetic simulation, the sensitivity of the two
図２４に示した、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ４０１１）2＋（２×Ｖ４０２１）2）の変化Ｌ４０３１は、単調減少していないため、位置検出は出来ない。そのため、次に示す演算を行い、位置検出を行う。 The change L4031 of √ ((2 × V4011) 2 + (2 × V4021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet shown in FIG. 24 is not monotonously decreasing, and therefore position detection cannot be performed. Therefore, the following calculation is performed to detect the position.
あらかじめ電気角で３６０／１０２４度毎（＝１０ｂｉｔで分割）の、正弦波と余弦波の値の組をテーブルに保持しておく。磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ４０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ４０１１と、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ４０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ４０２１の変化Ｌ４０２１と、任意の電気角Ｒ４０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ４０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ４０１）の組を用いて、２×Ｖ４０１１×ｃｏｓ（Ｒ４０１）−２×Ｖ４０２１×ｓｉｎ（Ｒ４０１）の値が最もゼロに近づくＲ４０１を求める。
A set of values of sine wave and cosine wave every 360/1024 degrees in electrical angle (= divided by 10 bits) is held in advance in a table. A
次に、Ｖｏ４＝√（（２×Ｖ４０１１）2＋（２×Ｖ４０２１）2）の関係式からＶｏ４を求める。 Next, Vo4 is obtained from the relational expression of Vo4 = √ ((2 × V4011) 2 + (2 × V4021) 2 ).
次に、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ４の値をメモリに保持させる。本実施例３では、
１周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ４＝３２８．２２ｍＶ
２周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ４＝３０９．５７ｍＶ
３周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ４＝２８５．８９ｍＶ
４周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ４＝２５７．７５ｍＶ
５周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ４＝２２５．２８ｍＶ
６周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ４＝１８８．５６ｍＶ
７周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ４＝１４７．６１ｍＶ
をメモリに保持させることになる。
Next, the value of Vo4 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is stored in the memory. In this example 3,
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the first cycle, Vo4 = 328.22 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the second period, Vo4 = 309.57 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the third period, Vo4 = 285.89 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fourth period, Vo4 = 257.75 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fifth cycle, Vo4 = 225.28 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the sixth cycle, Vo4 = 188.56 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the seventh cycle, Vo4 = 147.61 mV
Is stored in the memory.
なお、１周期目であることを特定するためには、０周期目の３６０度の場合のＶｏ４もメモリに保持させる必要がある。この場合、１周期目の電気角３６０度のＶｏ４の値の１．２倍の値をメモリに保持させる。 In order to specify that it is the first period, it is necessary to store Vo4 in the case of 360 degrees in the zero period in the memory. In this case, a value 1.2 times the value of Vo4 at the electrical angle of 360 degrees in the first cycle is held in the memory.
０周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ４＝３９３．８６ｍＶ
次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ４値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ４値をＶ（Ｎ−１）とした場合、（Ｖ（Ｎ−１）×１．０３１）≧Ｖｏ４≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ４０１≦３００度、または、Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ４＞（Ｖ（Ｎ）×１．０３１）、または、（Ｖ（Ｎ）×１．０３１）≧Ｖｏ４≧Ｖ（Ｎ）かつＲ４０１≧３００度であればＮ番目の周期であると特定する。
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the 0th cycle, Vo4 = 393.86 mV
Next, when the Vo4 value at the electrical angle 360 degrees of the Nth cycle is V (N) and the Vo4 value at the electrical angle 360 degrees of the N-1th cycle is V (N-1), (V ( N-1) × 1.031) ≧ Vo4 ≧ V (N−1) and R401 ≦ 300 degrees, or V (N−1)>Vo4> (V (N) × 1.031), or (V If (N) × 1.031) ≧ Vo4 ≧ V (N) and R401 ≧ 300 degrees, the Nth cycle is specified.
次に、求められた電気角Ｒ４０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、Ｐ４００＝１０００×（Ｎ−１）＋（Ｒ４０１×１０００÷３６０）の関係式から求められる値Ｐ４００を用いて位置検出を行う。 Next, position detection is performed using a value P400 obtained from a relational expression of P400 = 1000 × (N−1) + (R401 × 1000 ÷ 360) using the obtained electrical angle R401 and the Nth value of the cycle. Do.
図２５は、磁石の移動距離に対するＰ４００の変化Ｌ４０４１を示す図である。図２５より７ｍｍの位置検出範囲において、Ｐ４００が高い線形性を持つことがわかる。 FIG. 25 is a diagram showing a change L4041 of P400 with respect to the moving distance of the magnet. FIG. 25 shows that P400 has high linearity in a position detection range of 7 mm.
図２６は、磁石の移動距離に対する、実際の位置とＰ４００との誤差の変化Ｌ４０５１を示す図である。図２６より７ｍｍの位置検出範囲において、±２４μｍ以内の誤差で絶対位置検出可能であることがわかる。 FIG. 26 is a diagram showing a change L4051 in error between the actual position and P400 with respect to the moving distance of the magnet. 26 that the absolute position can be detected with an error within ± 24 μm within the position detection range of 7 mm.
なお、着磁強度のバラツキや実装バラツキ等、各種誤差がある場合は、当然磁気シミュレーション結果Ｌ４０５１は、位置検出誤差が大きくなる可能性がある。この位置検出誤差が、所望の位置検出精度より大きい場合は、位置検出誤差を小さくするために、後述するその他実施例（例えば、実施例６）を適用すると良い。 When there are various errors such as variations in magnetization intensity and mounting variations, naturally, the magnetic simulation result L4051 may have a large position detection error. When this position detection error is larger than the desired position detection accuracy, another embodiment (for example, embodiment 6) described later may be applied to reduce the position detection error.
上述のように演算中の係数ａ及びｂ及びＶｓ及びＲｓの値をそれぞれ、ａ＝ｂ＝２、Ｖｓ＝１０３．１％、Ｒｓ＝３００度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４００において、直方体磁石４０１の長辺方向Ｘの長さＡ４０１、直方体磁石４０１の短辺方向Ｙの長さＡ４０２、直方体磁石４０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ４０３、着磁された磁石の１周期分の長さＡ４０４、直方体磁石４０１のホールセンサ４０２ａ，４０２ｂに対向する平面４０９からホールセンサ４０２ａ，４０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ４０１、ホールセンサ４０２ａの感磁部の中心とホールセンサ４０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ４０２、直方体磁石４０１の着磁強度の調整を最適化することで、比較例よりも良い結果が得られる。
As described above, the calculation is performed with the coefficients a and b and the values of Vs and Rs being calculated as a = b = 2, Vs = 103.1%, and Rs = 300 degrees. In the
以上のような位置検出処理を行うことによって、以下に示す効果を得ることができる。 By performing the position detection process as described above, the following effects can be obtained.
ホールセンサ４０２ａ，４０２ｂ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。
Two
また、ホールセンサ４０２ａ，４０２ｂ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４０２ａ，４０２ｂ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
以上説明したように、感磁方向が、配置された基板に対して垂直な２個のホールセンサを１組とし、この２個のホールセンサの中心を結ぶ直線及び基板に平行に可動可能に支持し、基板に対して垂直にＮ極とＳ極が所定の間隔で所定の組数着磁された磁石を配置し、２個のホールセンサの出力を実数倍した出力をＶ４０１１，Ｖ４０２１とし、任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持し、任意の電気角Ｒ４０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ４０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ４０１）とし、１周期の間に磁石が移動する距離をＰとした場合、ａ×Ｖ４０１１×ｃｏｓ（Ｒ４０１）−ｂ×Ｖ４０２１×ｓｉｎ（Ｒ４０１）の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ４０１と、Ｖｏ４＝√（（ａ×Ｖ４０１１）2＋（ｂ×Ｖ４０２１）2）の関係式から得られる値Ｖｏ４とを用いて得られた周期Ｎ番目と、電気角Ｒ４０１とから、Ｐ４００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ４０１×Ｐ÷３６０）の関係式を用いて位置検出を行う（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）信号処理回路を設けたので、ホールセンサを磁気センサとして用いて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、また、広範囲な距離を高精度に、かつ絶対位置検出を行うことが可能な、位置検出装置とその位置検出装置を用いた電子機器を作製することが可能になる。 As described above, a pair of two hall sensors whose magnetic direction is perpendicular to the substrate on which they are arranged is a set, and is supported so as to be movable parallel to the straight line connecting the centers of the two hall sensors and the board. A magnet in which a predetermined number of sets of N poles and S poles are magnetized at a predetermined interval with respect to the substrate is arranged, and the output obtained by multiplying the outputs of the two Hall sensors by a real number is designated as V4011, V4021. A set of a sine wave value and a cosine wave value corresponding to the electrical angle is stored on a table in advance, and a sine wave value sin (R401) and a cosine wave value cos (R401) at an arbitrary electrical angle R401 are stored. When the distance that the magnet moves during one cycle is P, the electrical angle R401 where the value of a × V4011 × cos (R401) −b × V4021 × sin (R401) is closest to zero and Vo4 = √ ( (A × V4011) 2 + (B × V4021) 2 ), the value Vo4 obtained from the relational expression V4, and the electrical angle R401, P400 = P × (N−1) + (R401 × P ÷ 360 ) Is used to detect the position (however, a real number where a ≠ 0 and b ≠ 0). Therefore, the Hall sensor is used as a magnetic sensor, and the components can be easily obtained as general-purpose products. Even when configured with parts, a position detector that can achieve downsizing with a simple configuration and that can perform absolute position detection over a wide range of distances with high accuracy and its position detection. An electronic device using the apparatus can be manufactured.
本発明に係る位置検出装置の実施例４を図２７（ａ），（ｂ）乃至図３５に基づいて以下に説明する。 A fourth embodiment of the position detection apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 27 (a) and (b) to FIG.
本実施例４は、実施例１の変形例であり、位置検出装置１００において、直方体磁石１０１の移動に伴って、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂの出力がリニアではなく、単調減少するよう直方体磁石１０１の着磁を変更した場合の例である。なお、先の実施例３でも述べたように、本実施例４では、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ図１７において、『３』の曲線となる場合の実施例を示す。
The fourth embodiment is a modification of the first embodiment, and in the
＜実施例４の構成＞
図２７（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る位置検出装置の実施例４を説明するための概略構成図で、一軸上に整列した２個のホールセンサを使用した場合の位置検出装置を示し、図２７（ａ）は断面図、図２７（ｂ）は上面図を示している。
<Configuration of Example 4>
FIGS. 27A and 27B are schematic configuration diagrams for explaining the position detection device according to the fourth embodiment of the present invention. The position detection device uses two Hall sensors aligned on one axis. FIG. 27A is a cross-sectional view, and FIG. 27B is a top view.
位置検出装置５００は、Ｎ極Ｓ極をそれぞれ交互に所定の間隔毎に着磁された直方体磁石（磁束発生手段）５０１と、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）５０２ａ，５０２ｂと、ホールセンサ５０２ａ（第１のホールセンサ）と、ホールセンサ５０２ｂ（第２のホールセンサ）と、これら２つのホールセンサを実装した基板５０３とを備えている。なお、本発明に係る位置検出装置５００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。
The
ホールセンサ５０２ａ，５０２ｂは、基板５０３上に所定の間隔で配置され、感磁方向が基板５０３に対して垂直である。直方体磁石５０１は、ホールセンサ５０２ａ，５０２ｂからの信号を所定の演算を行った際に、図２８に示される信号となるよう着磁された構成となっており、基板５０３と対向する１平面５０９内で、Ｘ方向に沿って移動可能に配置されている。
The
図２８は、図２７（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置において、直方体磁石又は２個のホールセンサを移動させた際に得られる２個のホールセンサの出力信号を示す波形図である。 FIG. 28 is a waveform diagram showing output signals of two hall sensors obtained by moving a rectangular magnet or two hall sensors in the position detection device shown in FIGS. 27 (a) and 27 (b). is there.
ホールセンサ５０２ａ，５０２ｂ（固定）に対して直方体磁石５０１を基準位置からＸ方向に沿って移動された場合には、一方のホールセンサ５０２ａの出力信号は、図中の白四角のように減衰振動波形の出力信号を示し、他方のホールセンサ５０２ｂの出力信号は、図中の黒丸のように、一方のホールセンサ５０２ａの出力信号と位相のずれた減衰振動波形の出力信号を示す。
When the
直方体磁石５０１は、ホールセンサ５０２ａ，５０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向でかつ基板５０３に平行な平面内を移動可能に支持されており、Ｎ極とＳ極の１組が、ホールセンサ５０２ａ、５０２ｂの感磁部の中心間を結んだ距離の４倍の距離となるように複数組分着磁されている。
The
ここで、ホールセンサ５０２ａ，５０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向でかつ基板５０３に平行な平面内を移動可能という意味は、ホールセンサ５０２ａ，５０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線と直方体磁石５０１の移動方向を示す直線とを、基板５０３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。
Here, the meaning of being able to move in a plane parallel to the straight line connecting the centers of the magnetic sensing parts of the
直方体磁石５０１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５０３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５０２ａの感磁部中心と、第２のホールセンサ５０２ｂ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５０２ａと５０２ｂは、直方体磁石５０１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２７（ａ），（ｂ）において、Ａ５０１は直方体磁石５０１の長辺方向Ｘの長さ、Ａ５０２は直方体磁石５０１の短辺方向Ｙの長さ、Ａ５０３は直方体磁石５０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さ、Ａ５０４は着磁された磁石の１周期分の長さをそれぞれ示す。また、Ｂ５０１は、直方体磁石５０１のホールセンサ５０２ａ，５０２ｂの基板５０３に対向する平面５０９から、ホールセンサ５０２ａと５０２ｂの感磁部の中心までの距離を示す。Ｂ５０２は、第１のホールセンサ５０２ａの感磁部の中心と、第２のホールセンサ５０２ｂの感磁部の中心とを結ぶ距離を示す。
27A and 27B, A501 is the length in the long side direction X of the
ホールセンサ５０２ａ，５０２ｂ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。
図２９は、図２７（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置の位置検出回路の回路図である。位置検出装置５００は、２個のホールセンサ５０２ａ，５０２ｂを有する駆動回路５０５と、このホールセンサ５０２ａ，５０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う信号処理回路５０６とを備えている。
FIG. 29 is a circuit diagram of the position detection circuit of the position detection device shown in FIGS. 27 (a) and 27 (b). The
駆動回路５０５は、１組のホールセンサ５０２ａ，５０２ｂと、これらのホールセンサ５０２ａ，５０２ｂに電圧を供給する電源部Ｖｄｄとから構成される。
The
第１のホールセンサ５０２ａは、正極入力端子５０２ａ（Ａ）と、正極出力端子５０２ａ（Ｂ）と、負極入力端子５０２ａ（Ｃ）と、負極出力端子５０２ａ（Ｄ）とから構成される。
The
第２のホールセンサ５０２ｂは、正極入力端子５０２ｂ（Ｅ）と、正極出力端子５０２ｂ（Ｆ）と、負極入力端子５０２ｂ（Ｇ）と、負極出力端子５０２ｂ（Ｈ）とから構成される。
The
正極出力端子５０２ａ（Ｂ）と負極出力端子５０２ａ（Ｄ）とは、差動増幅器５０７ａの入力信号となり、差動増幅器５０７ａからはＶ５０１１が出力される。正極出力端子５０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子５０２ｂ（Ｈ）とは、差動増幅器５０７ｂの入力信号となり、差動増幅器５０７ｂからはＶ５０２１が出力される。
The
信号処理部５０６は、差動増幅器５０７ａ，５０７ｂと、計算処理部５０８とにより構成される。この信号処理部５０６では、ホールセンサ５０２ａ，５０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う。
The
＜実施例４の回路動作＞
以下に、本実施例４の位置検出装置５００の動作について説明する。
図２９に示す信号処理部５０６は、２個の磁気センサを搭載した基板に対して、磁石を移動方向へ所定の距離だけ移動した場合において、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力の所定の相関関係を用いることで位置検出を行うことができる。
<Circuit Operation of Example 4>
Hereinafter, the operation of the
The
例えば、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 For example, the position detection may be performed using a predetermined correlation of the calculated values obtained from the output values of the two magnetic sensors on the substrate with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet.
さらに、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力を所定倍した出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 Further, the position may be detected using a predetermined correlation of the calculated value obtained from the output value obtained by multiplying the output of the two magnetic sensors on the substrate by a predetermined value with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet. Good.
以下、位置検出回路の具体的な動作について詳細に説明する。 Hereinafter, a specific operation of the position detection circuit will be described in detail.
駆動回路５０５において、第１のホールセンサ５０２ａの正極入力端子５０２ａ（Ａ）と、第２のホールセンサ５０２ｂの正極入力端子５０２ｂ（Ｅ）とが接続されることによって入力端子とされ、第１のホールセンサ５０２ａの負極入力端子５０２ａ（Ｃ）と、第２のホールセンサ５０２ｂの負極入力端子５０２ｂ（Ｇ）とが接続されることによって入力端子とされる。
In the
第１のホールセンサ５０２ａの正極出力端子５０２ａ（Ｂ）と負極出力端子５０２ａ（Ｄ）は、信号処理回路５０６の第１の差動増幅器５０７ａに接続され、第２のホールセンサ５０２ｂの正極出力端子５０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子５０２ｂ（Ｈ）は、信号処理回路５０６の第２の差動増幅器５０７ｂに接続される。
The
第１の差動増幅器５０７ａの出力端子と第２の差動増幅器５０７ｂ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５０８に伝達される。
The output terminal of the first
計算処理部５０８は、以下の処理を行って位置検出を行う。
The
＜実施例４の計算処理部の処理＞
計算処理部５０８では、１周期内の任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持している。基板５０３上に配置された２個の磁気センサ５０２ａ，５０２ｂにおいて、磁気センサ５０２ａ及び５０２ｂからのそれぞれの出力をＶ５０１１，Ｖ５０２１とした場合、出力Ｖ５０１１，Ｖ５０２１をそれぞれ実数倍した値、及びテーブル上に保持してある電気角Ｒ５０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ５０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ５０１）の組を用いて、
ａ×Ｖ５０１１×ｃｏｓ（Ｒ５０１）
−ｂ×Ｖ５０２１×ｓｉｎ（Ｒ５０１）・・・（６）
の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ５０１をまず求める。ただし、ａ≠０かつｂ≠０である実数である。
<Processing of Calculation Processing Unit of Example 4>
In the
a × V5011 × cos (R501)
-B * V5021 * sin (R501) (6)
First, an electrical angle R501 whose value is closest to zero is obtained. However, it is a real number in which a ≠ 0 and b ≠ 0.
次に
Ｖｏ５＝√（（ａ×Ｖ５０１１）2＋（ｂ×Ｖ５０２１）2）・・・（７）
の関係式から求められる値Ｖｏ５及び電気角Ｒ５０１を用いて、図２８で示される減衰振動波状出力においてＮ番目の周期であることを求める。なお、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『３』で示される曲線であるため、磁石の移動距離に対するＶｏ５の値は単調減少とはならない場合が多い。そのため、減衰振動波状出力においてＮ番目の周期かどうかをＶｏ５の値のみでは判断できない。そこでＶｏ５及びＲ５０１を用いて、次のようにしてＮ番目の周期であることを特定する。
Next, Vo5 = √ ((a × V5011) 2 + (b × V5021) 2 ) (7)
Using the value Vo5 and the electrical angle R501 obtained from the relational expression, the Nth period is obtained in the damped vibration wave output shown in FIG. Since the curve connecting the output peak values of one hall sensor is the curve indicated by “3” in FIG. 17, the value of Vo5 with respect to the moving distance of the magnet does not often monotonously decrease. For this reason, whether or not it is the Nth period in the damped vibration wave output cannot be determined only by the value of Vo5. Therefore, using Vo5 and R501, the Nth cycle is specified as follows.
まず、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ５の値をメモリに保持させる。保持させる値は、例えば、あらかじめシミュレーションにより求められた値を保持させておいても良いし、磁石を移動させて個別キャリブレーションを行う際に、ホールセンサ５０２ａの出力Ｖ５０１１がゼロを示した際のＶｏ５の値を保持させておいても良い。次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ５値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ５値をＶ（Ｎ−１）とした場合、
（Ｖ（Ｎ−１）×Ｖｓ）≧Ｖｏ５≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ５０１≦Ｒｓ度
または、
Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ５＞（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）
または、
（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）≧Ｖｏ５≧Ｖ（Ｎ）かつＲ５０１≧Ｒｓ度
であればＮ番目の周期であると特定する。ここで、Ｖｓ及びＲｓの値は位置検出装置５００の構成毎に最適な数値を求める事が望ましいが、Ｖｓはおよそ百数％、Ｒｓは１００〜３４０度とすることで、位置検出が可能であることが多い。なお、ここでＮ＝１の場合、Ｖ（Ｎ−１）の電気角３６０度の値が無い場合がある。その場合は、Ｖ（Ｎ）のおよそ１．２倍以上の値をメモリに保持させれば良い。
First, the value of Vo5 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is held in the memory. The value to be held may be, for example, a value obtained in advance by simulation, or when the output V5011 of the
(V (N−1) × Vs) ≧ Vo5 ≧ V (N−1) and R501 ≦ Rs degree or
V (N-1)>Vo5> (V (N) × Vs)
Or
If (V (N) × Vs) ≧ Vo5 ≧ V (N) and R501 ≧ Rs degrees, the Nth cycle is specified. Here, it is desirable to obtain optimum values of Vs and Rs for each configuration of the
次に、求められた電気角Ｒ５０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、
Ｐ５００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ５０１×Ｐ÷３６０）・・・（８）
の関係式から求められる値Ｐ５００を用いて位置検出を行う。ただし、Ｐは１周期の間に磁石が移動する距離である。
Next, using the obtained electrical angle R501 and the Nth value of the cycle,
P500 = P × (N−1) + (R501 × P ÷ 360) (8)
Position detection is performed using a value P500 obtained from the relational expression. Here, P is the distance that the magnet moves during one cycle.
なお、本実施例４では、第１のホールセンサ５０２ａと第２のホールセンサ５０２ｂと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５０７ａ，５０７ｂ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。
In the fourth embodiment, the input terminals of the
＜実施例４の位置検出例＞
次に、本発明に係る位置検出装置５００の具体的な位置検出例について説明する。７ｍｍの位置検出範囲を、絶対位置検出する場合について示す。図２７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 in Example 4>
Next, a specific position detection example of the
図３０（ａ），（ｂ）は、図２７（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置に対応する構成図で、図３０（ａ）は断面図、図３０（ｂ）は上面図である。 30 (a) and 30 (b) are configuration diagrams corresponding to the position detection device shown in FIGS. 27 (a) and 27 (b), FIG. 30 (a) is a cross-sectional view, and FIG. 30 (b) is a top view. It is.
図３０（ａ），（ｂ）に示すように、直方体磁石５０１の長辺方向Ｘの長さＡ５０１＝９．０ｍｍ、直方体磁石５０１の短辺方向Ｙの長さＡ５０２＝１．０ｍｍ、直方体磁石５０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ５０３＝０．５ｍｍ、着磁された磁石の１周期分の長さＡ５０４＝１．０ｍｍとする。
As shown in FIGS. 30A and 30B, the length A501 of the
また、直方体磁石５０１のホールセンサ５０２ａ，５０２ｂに対向する平面５０９からホールセンサ５０２ａ，５０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ５０１＝０．２５ｍｍ、第１のホールセンサ５０２ａの感磁部の中心と第２のホールセンサ５０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ５０２＝０．２５ｍｍとする。
Further, the distance B501 = 0.25 mm from the
上記設計の際、ホールセンサ５０２ａ，５０２ｂを１つのパッケージ内に搭載する方が、ホールセンサ５０２ａ，５０２ｂ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５０２ａ，５０２ｂを設けることも可能である。
In the above design, mounting the
従って、第１のホールセンサ５０２ａと第２のホールセンサ５０２ｂ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３１及び図３２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の関係を示す図である。 31 and 32 are diagrams showing the relationship of the output voltage of the Hall sensor with respect to the moving distance of the rectangular parallelepiped magnet.
図３１は、磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ５０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ５０１１の変化Ｌ５０１１を示す図である。図３２は、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ５０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ５０２１の変化Ｌ５０２１を示す図である。
FIG. 31 is a diagram showing a change L5011 of a
図３３は、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ５０１１）2＋（２×Ｖ５０２１）2）の変化Ｌ５０３１を示す図である。 FIG. 33 is a diagram showing a change L5031 of √ ((2 × V5011) 2 + (2 × V5021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet.
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５０２ａ，５０２ｂの感度を２．２ｍＶ／ｍＴ（一般的なホールセンサの感度）、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『３』で示される曲線になるよう、直方体磁石５０１の各極における中央の表面磁束密度の絶対値が、１９０ｍＴ〜８０ｍＴまで単調減少するよう着磁されているとして行う。
As a premise of the magnetic simulation, the sensitivity of the two
図３３に示した、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ５０１１）2＋（２×Ｖ５０２１）2）の変化Ｌ５０３１は、単調減少していないため、位置検出は出来ない。そのため、次に示す演算を行い、位置検出を行う。 The change L5031 of √ ((2 × V5011) 2 + (2 × V5021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet shown in FIG. 33 is not monotonously decreasing, and therefore position detection cannot be performed. Therefore, the following calculation is performed to detect the position.
あらかじめ電気角で３６０／１０２４度毎（＝１０ｂｉｔで分割）の、正弦波と余弦波の値の組をテーブルに保持しておく。磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ５０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ５０１１と、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ５０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ５０２１の変化Ｌ５０２１と、任意の電気角Ｒ５０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ５０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ５０１）の組を用いて、２×Ｖ５０１１×ｃｏｓ（Ｒ５０１）−２×Ｖ５０２１×ｓｉｎ（Ｒ５０１）の値が最もゼロに近づくＲ５０１を求める。
A set of values of sine wave and cosine wave every 360/1024 degrees in electrical angle (= divided by 10 bits) is held in advance in a table. A
次に、Ｖｏ５＝√（（２×Ｖ５０１１）2＋（２×Ｖ５０２１）2）の関係式からＶｏ５を求める。 Next, Vo5 is obtained from a relational expression of Vo5 = √ ((2 × V5011) 2 + (2 × V5021) 2 ).
次に、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ５の値をメモリに保持させる。本実施例４では、
１周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ５＝２６０．００ｍＶ
２周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ５＝２１９．８４ｍＶ
３周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ５＝１８３．２４ｍＶ
４周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ５＝１５０．６９ｍＶ
５周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ５＝１２２．３３ｍＶ
６周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ５＝９８．１６ｍＶ
７周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ５＝７８．１６ｍＶ
をメモリに保持させることになる。
Next, the value of Vo5 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is held in the memory. In this example 4,
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the first cycle, Vo5 = 260.00 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the second period, Vo5 = 219.84 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the third period, Vo5 = 183.24 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fourth period, Vo5 = 150.69 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fifth cycle, Vo5 = 122.33 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the sixth cycle, Vo5 = 98.16 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the seventh cycle, Vo5 = 78.16 mV
Is stored in the memory.
なお、１周期目であることを特定するためには、０周期目の３６０度の場合のＶｏ５もメモリに保持させる必要がある。この場合、１周期目の電気角３６０度のＶｏ５の値の１．２倍の値をメモリに保持させる。 In order to specify the first period, it is necessary to store Vo5 in the case of 360 degrees in the zero period in the memory. In this case, a value 1.2 times the value of Vo5 at the electrical angle of 360 degrees in the first cycle is held in the memory.
０周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ５＝３１２．００ｍＶ
次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ５値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ５値をＶ（Ｎ−１）とした場合、（Ｖ（Ｎ−１）×１．０５）≧Ｖｏ５≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ５０１≦２００度、または、Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ５＞（Ｖ（Ｎ）×１．０５）、または、（Ｖ（Ｎ）×１．０５）≧Ｖｏ５≧Ｖ（Ｎ）かつＲ５０１≧２００度であればＮ番目の周期であると特定する。
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the 0th cycle, Vo5 = 312.00 mV
Next, when the Vo5 value at the electrical angle 360 degrees in the Nth cycle is V (N) and the Vo5 value at the electrical angle 360 degrees in the N-1th cycle is V (N-1), (V ( N-1) × 1.05) ≧ Vo5 ≧ V (N−1) and R501 ≦ 200 degrees, or V (N−1)>Vo5> (V (N) × 1.05), or (V If (N) × 1.05) ≧ Vo5 ≧ V (N) and R501 ≧ 200 degrees, the Nth cycle is specified.
次に、求められた電気角Ｒ５０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、Ｐ５００＝１０００×（Ｎ−１）＋（Ｒ５０１×１０００÷３６０）の関係式から求められる値Ｐ５００を用いて位置検出を行う。 Next, position detection is performed using a value P500 obtained from a relational expression of P500 = 1000 × (N−1) + (R501 × 1000 ÷ 360) using the obtained electrical angle R501 and the Nth value of the cycle. Do.
図３４は、磁石の移動距離に対するＰ５００の変化Ｌ５０４１を示す図である。図３４より７ｍｍの位置検出範囲において、Ｐ５００が高い線形性を持つことがわかる。 FIG. 34 is a diagram showing a change L5041 in P500 with respect to the moving distance of the magnet. FIG. 34 shows that P500 has high linearity in the position detection range of 7 mm.
図３５は、磁石の移動距離に対する、実際の位置とＰ５００との誤差の変化Ｌ５０５１を示す図である。図３５より７ｍｍの位置検出範囲において、±２１μｍ以内の誤差で絶対位置検出可能であることがわかる。 FIG. 35 is a diagram showing a change L5051 in error between the actual position and P500 with respect to the moving distance of the magnet. FIG. 35 shows that the absolute position can be detected with an error within ± 21 μm within the position detection range of 7 mm.
なお、着磁強度のバラツキや実装バラツキ等、各種誤差がある場合は、当然磁気シミュレーション結果Ｌ５０５１は、位置検出誤差が大きくなる可能性がある。この位置検出誤差が、所望の位置検出精度より大きい場合は、位置検出誤差を小さくするために、後述するその他実施例（例えば、実施例６）を適用すると良い。 When there are various errors such as variations in magnetization intensity and mounting variations, naturally, the magnetic simulation result L5051 may have a large position detection error. When this position detection error is larger than the desired position detection accuracy, another embodiment (for example, embodiment 6) described later may be applied to reduce the position detection error.
上述のように演算中の係数ａ及びｂ、Ｖｓ及びＲｓの値をそれぞれ、ａ＝ｂ＝２、Ｖｓ＝１０５％、Ｒｓ＝２００度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５００において、直方体磁石５０１の長辺方向Ｘの長さＡ５０１、直方体磁石５０１の短辺方向Ｙの長さＡ５０２、直方体磁石５０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ５０３、着磁された磁石の１周期分の長さＡ５０４、直方体磁石５０１のホールセンサ５０２ａ，５０２ｂに対向する平面５０９からホールセンサ５０２ａ，５０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ５０１、ホールセンサ５０２ａの感磁部の中心とホールセンサ５０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ５０２、直方体磁石５０１の着磁強度の調整を最適化することで、比較例よりも良い結果が得られる。
As described above, the values of the coefficients a and b, Vs, and Rs being calculated are set as a = b = 2, Vs = 105%, and Rs = 200 degrees. In the
以上のような位置検出処理を行うことによって、以下に示す効果を得ることができる。 By performing the position detection process as described above, the following effects can be obtained.
ホールセンサ５０２ａ，５０２ｂ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。
Two
また、ホールセンサ５０２ａ，５０２ｂ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５０２ａ，５０２ｂ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
以上説明したように、感磁方向が、配置された基板に対して垂直な２個のホールセンサを１組とし、この２個のホールセンサの中心を結ぶ直線及び基板に平行に可動可能に支持し、基板に対して垂直にＮ極とＳ極が所定の間隔で所定の組数着磁された磁石を配置し、２個のホールセンサの出力を実数倍した出力をＶ５０１１，Ｖ５０２１とし、任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持し、任意の電気角Ｒ５０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ５０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ５０１）とし、１周期の間に磁石が移動する距離をＰとした場合、ａ×Ｖ５０１１×ｃｏｓ（Ｒ５０１）−ｂ×Ｖ５０２１×ｓｉｎ（Ｒ５０１）の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ５０１と、Ｖｏ５＝√（（ａ×Ｖ５０１１）2＋（ｂ×Ｖ５０２１）2）の関係式から得られる値Ｖｏ５とを用いて得られた周期Ｎ番目と、電気角Ｒ５０１とから、Ｐ５００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ５０１×Ｐ÷３６０）の関係式を用いて位置検出を行う（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）信号処理回路を設けたので、ホールセンサを磁気センサとして用いて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、また、広範囲な距離を高精度に、かつ絶対位置検出を行うことが可能な、位置検出装置とその位置検出装置を用いた電子機器を作製することが可能になる。 As described above, a pair of two hall sensors whose magnetic direction is perpendicular to the substrate on which they are arranged is a set, and is supported so as to be movable parallel to the straight line connecting the centers of the two hall sensors and the board. Then, magnets in which a predetermined number of sets of N poles and S poles are magnetized at a predetermined interval are arranged perpendicular to the substrate, and outputs obtained by multiplying the outputs of the two Hall sensors by real numbers are designated as V5011, V5021. A set of a sine wave value and a cosine wave value corresponding to the electrical angle is stored on a table in advance, and a sine wave value sin (R501) and a cosine wave value cos (R501) at an arbitrary electrical angle R501. When the distance that the magnet moves during one cycle is P, the electrical angle R501 where the value of a × V5011 × cos (R501) −b × V5021 × sin (R501) is closest to zero and Vo5 = √ ( (A × V5011) 2 + (B × V5021) 2 ), the value Vo5 obtained from the relational expression Vo5, and the electrical angle R501, P500 = P × (N−1) + (R501 × P ÷ 360) ) Is used to detect the position (however, a real number where a ≠ 0 and b ≠ 0). Therefore, the Hall sensor is used as a magnetic sensor, and the components can be easily obtained as general-purpose products. Even when configured with parts, a position detector that can achieve downsizing with a simple configuration and that can perform absolute position detection over a wide range of distances with high accuracy and its position detection. An electronic device using the apparatus can be manufactured.
本発明に係る位置検出装置の実施例５を図３６（ａ）,（ｂ）乃至図４４に基づいて以下に説明する。 A fifth embodiment of the position detecting apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 36 (a), (b) to FIG.
本実施例５は、実施例１変形例であり、位置検出装置１００において、直方体磁石１０１の移動に伴って、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂの出力がリニアではなく、単調減少するよう直方体磁石１０１の着磁を変更した場合の例である。なお、先の実施例３でも述べたように、本実施例５では、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ図１７において、『４』の曲線となる場合の実施例を示す。
The fifth embodiment is a modification of the first embodiment. In the
＜実施例５の構成＞
図３６（ａ），（ｂ）は、本発明に係る位置検出装置の実施例５を説明するための概略構成図で、一軸上に整列した２個のホールセンサを使用した場合の位置検出装置を示し、図３６（ａ）は断面図、図３６（ｂ）は上面図を示している。
<Configuration of Example 5>
36 (a) and 36 (b) are schematic configuration diagrams for explaining the fifth embodiment of the position detecting device according to the present invention, and the position detecting device in the case of using two Hall sensors aligned on one axis. 36 (a) is a cross-sectional view, and FIG. 36 (b) is a top view.
位置検出装置６００は、Ｎ極Ｓ極をそれぞれ交互に所定の間隔毎に着磁された直方体磁石（磁束発生手段）６０１と、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）６０２ａ，６０２ｂと、ホールセンサ６０２ａ（第１のホールセンサ）と、ホールセンサ６０２ｂ（第２のホールセンサ）と、これら２つのホールセンサを実装した基板６０３とを備えている。なお、本発明に係る位置検出装置６００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。
The
ホールセンサ６０２ａ，６０２ｂは、基板６０３上に所定の間隔で配置され、感磁方向が基板６０３に対して垂直である。直方体磁石６０１は、ホールセンサ６０２ａ，６０２ｂからの信号を所定の演算を行った際に、図３７に示される信号となるよう着磁された構成となっており、基板６０３と対向する１平面６０９内で、Ｘ方向に沿って移動可能に配置されている。
The
図３７は、図３６（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置において、直方体磁石又は２個のホールセンサを移動させた際に得られる２個のホールセンサの出力信号を示す波形図である。 FIG. 37 is a waveform diagram showing output signals of the two hall sensors obtained when the rectangular parallelepiped magnet or the two hall sensors are moved in the position detection device shown in FIGS. 36 (a) and 36 (b). is there.
ホールセンサ６０２ａ，６０２ｂ（固定）に対して直方体磁石６０１を基準位置からＸ方向に沿って移動された場合には、一方のホールセンサ６０２ａの出力信号は、図中の白四角のように減衰振動波形の出力信号を示し、他方のホールセンサ６０２ｂの出力信号は、図中の黒丸のように、一方のホールセンサ６０２ａの出力信号と位相のずれた減衰振動波形の出力信号を示す。
When the
直方体磁石６０１は、ホールセンサ６０２ａ，６０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向でかつ基板６０３に平行な平面内を移動可能に支持されており、Ｎ極とＳ極の１組が、ホールセンサ６０２ａ、６０２ｂの感磁部の中心間を結んだ距離の４倍の距離となるように複数組分着磁されている。
The
ここで、ホールセンサ６０２ａ，６０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向でかつ基板６０３に平行な平面内を移動可能という意味は、ホールセンサ６０２ａ，６０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線と直方体磁石６０１の移動方向を示す直線とを、基板６０３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。
Here, the meaning of being movable in a plane parallel to the straight line connecting the centers of the magnetic sensing parts of the
直方体磁石６０１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６０３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６０２ａの感磁部中心と、第２のホールセンサ６０２ｂ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６０２ａと６０２ｂは、直方体磁石６０１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３６（ａ），（ｂ）において、Ａ６０１は直方体磁石６０１の長辺方向Ｘの長さ、Ａ６０２は直方体磁石６０１の短辺方向Ｙの長さ、Ａ６０３は直方体磁石６０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さ、Ａ６０４は着磁された磁石の１周期分の長さをそれぞれ示す。また、Ｂ６０１は、直方体磁石６０１のホールセンサ６０２ａ，６０２ｂの基板６０３に対向する平面６０９から、ホールセンサ６０２ａと６０２ｂの感磁部の中心までの距離を示す。Ｂ６０２は、第１のホールセンサ６０２ａの感磁部の中心と、第２のホールセンサ６０２ｂの感磁部の中心とを結ぶ距離を示す。
36A and 36B, A601 is the length in the long side direction X of the
ホールセンサ６０２ａ，６０２ｂ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。
図３８は、図３６（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置の位置検出回路の回路図である。位置検出装置６００は、２個のホールセンサ６０２ａ，６０２ｂを有する駆動回路６０５と、このホールセンサ６０２ａ，６０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う信号処理回路６０６とを備えている。
FIG. 38 is a circuit diagram of the position detection circuit of the position detection device shown in FIGS. 36 (a) and 36 (b). The
駆動回路６０５は、１組のホールセンサ６０２ａ，６０２ｂと、これらのホールセンサ６０２ａ，６０２ｂに電圧を供給する電源部Ｖｄｄとから構成される。
The
第１のホールセンサ６０２ａは、正極入力端子６０２ａ（Ａ）と、正極出力端子６０２ａ（Ｂ）と、負極入力端子６０２ａ（Ｃ）と、負極出力端子６０２ａ（Ｄ）とから構成される。
The
第２のホールセンサ６０２ｂは、正極入力端子６０２ｂ（Ｅ）と、正極出力端子６０２ｂ（Ｆ）と、負極入力端子６０２ｂ（Ｇ）と、負極出力端子６０２ｂ（Ｈ）とから構成される。
The
正極出力端子６０２ａ（Ｂ）と負極出力端子６０２ａ（Ｄ）とは、差動増幅器６０７ａの入力信号となり、差動増幅器６０７ａからはＶ６０１１が出力される。正極出力端子６０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子６０２ｂ（Ｈ）とは、差動増幅器６０７ｂの入力信号となり、差動増幅器６０７ｂからはＶ６０２１が出力される。
The
信号処理部６０６は、差動増幅器６０７ａ，６０７ｂと、計算処理部６０８とにより構成される。この信号処理部６０６では、ホールセンサ６０２ａ，６０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う。
The
＜実施例５の回路動作＞
以下に、本実施例５の位置検出装置６００の動作について説明する。
<Circuit Operation of Example 5>
Hereinafter, the operation of the
図３８に示す信号処理部６０６は、２個の磁気センサを搭載した基板に対して、磁石を移動方向へ所定の距離だけ移動した場合において、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力の所定の相関関係を用いることで位置検出を行うことができる。
The
例えば、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 For example, the position detection may be performed using a predetermined correlation of the calculated values obtained from the output values of the two magnetic sensors on the substrate with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet.
さらに、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力を所定倍した出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 Further, the position may be detected using a predetermined correlation of the calculated value obtained from the output value obtained by multiplying the output of the two magnetic sensors on the substrate by a predetermined value with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet. Good.
以下、位置検出回路の具体的な動作について詳細に説明する。 Hereinafter, a specific operation of the position detection circuit will be described in detail.
駆動回路６０５において、第１のホールセンサ６０２ａの正極入力端子６０２ａ（Ａ）と、第２のホールセンサ６０２ｂの正極入力端子６０２ｂ（Ｅ）とが接続されることによって入力端子とされ、第１のホールセンサ６０２ａの負極入力端子６０２ａ（Ｃ）と、第２のホールセンサ６０２ｂの負極入力端子６０２ｂ（Ｇ）とが接続されることによって入力端子とされる。
In the
第１のホールセンサ６０２ａの正極出力端子６０２ａ（Ｂ）と負極出力端子６０２ａ（Ｄ）は、信号処理回路６０６の第１の差動増幅器６０７ａに接続され、第２のホールセンサ６０２ｂの正極出力端子６０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子６０２ｂ（Ｈ）は、信号処理回路６０６の第２の差動増幅器６０７ｂに接続される。
The
第１の差動増幅器６０７ａの出力端子と第２の差動増幅器６０７ｂ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６０８に伝達される。
The output terminal of the first
計算処理部６０８は、以下の処理を行って位置検出を行う。
The
＜実施例５の計算処理部の処理＞
計算処理部６０８では、１周期内の任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持している。基板６０３上に配置された２個の磁気センサ６０２ａ，６０２ｂにおいて、磁気センサ６０２ａ及び６０２ｂからのそれぞれの出力をＶ６０１１，Ｖ６０２１とした場合、出力Ｖ６０１１，Ｖ６０２１をそれぞれ実数倍した値、及びテーブル上に保持してある電気角Ｒ６０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ６０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ６０１）の組を用いて、
ａ×Ｖ６０１１×ｃｏｓ（Ｒ６０１）
−ｂ×Ｖ６０２１×ｓｉｎ（Ｒ６０１）・・・（９）
の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ６０１をまず求める。ただし、ａ≠０かつｂ≠０である実数である。
<Processing of Calculation Processing Unit of Example 5>
In the
a x V6011 x cos (R601)
-B * V6021 * sin (R601) (9)
First, an electrical angle R601 whose value is closest to zero is obtained. However, it is a real number in which a ≠ 0 and b ≠ 0.
次に
Ｖｏ６＝√（（ａ×Ｖ６０１１）2＋（ｂ×Ｖ６０２１）2）・・・（１０）
の関係式から求められる値Ｖｏ６及び電気角Ｒ６０１を用いて、図１７で示される減衰振動波状出力においてＮ番目の周期であることを求める。なお、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『４』で示される曲線であるため、磁石の移動距離に対するＶｏ６の値は単調減少とはならない場合が多い。そのため、減衰振動波状出力においてＮ番目の周期かどうかをＶｏ６の値のみでは判断できない。そこでＶｏ６及びＲ６０１を用いて、次のようにしてＮ番目の周期であることを特定する。
Next, Vo6 = √ ((a × V6011) 2 + (b × V6021) 2 ) (10)
Using the value Vo6 and the electrical angle R601 obtained from the relational expression, the Nth cycle is obtained in the damped vibration wave output shown in FIG. Since the curve connecting the output peak values of one Hall sensor is a curve indicated by “4” in FIG. 17, the value of Vo6 with respect to the moving distance of the magnet does not often monotonously decrease. For this reason, whether or not it is the Nth period in the damped vibration wave output cannot be determined only by the value of Vo6. Therefore, using Vo6 and R601, the Nth cycle is specified as follows.
まず、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ６の値をメモリに保持させる。保持させる値は、例えば、あらかじめシミュレーションにより求められた値を保持させておいても良いし、磁石を移動させて個別キャリブレーションを行う際に、ホールセンサ６０２ａの出力Ｖ６０１１がゼロを示した際のＶｏ６の値を保持させておいても良い。次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ６値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ６値をＶ（Ｎ−１）とした場合、
（Ｖ（Ｎ−１）×Ｖｓ）≧Ｖｏ６≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ６０１≦Ｒｓ度
または、
Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ６＞（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）
または、
（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）≧Ｖｏ６≧Ｖ（Ｎ）かつＲ６０１≧Ｒｓ度
であればＮ番目の周期であると特定する。ここで、Ｖｓ及びＲｓの値は位置検出装置６００の構成毎に最適な数値を求める事が望ましいが、Ｖｓはおよそ百数％、Ｒｓは１００〜３４０度とすることで、位置検出が可能であることが多い。なお、ここでＮ＝１の場合、Ｖ（Ｎ−１）の電気角３６０度の値が無い場合がある。その場合は、Ｖ（Ｎ）のおよそ１．２倍以上の値をメモリに保持させれば良い。
First, the value of Vo6 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is stored in the memory. As the value to be held, for example, a value obtained in advance by simulation may be held, or when the individual calibration is performed by moving the magnet, when the output V6011 of the
(V (N−1) × Vs) ≧ Vo6 ≧ V (N−1) and R601 ≦ Rs degree or
V (N-1)>Vo6> (V (N) × Vs)
Or
If (V (N) × Vs) ≧ Vo6 ≧ V (N) and R601 ≧ Rs degrees, the Nth cycle is specified. Here, it is desirable to obtain optimum values of Vs and Rs for each configuration of the
次に、求められた電気角Ｒ６０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、
Ｐ６００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ６０１×Ｐ÷３６０）・・・（１１）
の関係式から求められる値Ｐ６００を用いて位置検出を行う。ただし、Ｐは１周期の間に磁石が移動する距離である。
Next, using the obtained electrical angle R601 and the Nth value of the cycle,
P600 = P × (N−1) + (R601 × P ÷ 360) (11)
Position detection is performed using a value P600 obtained from the relational expression. Here, P is the distance that the magnet moves during one cycle.
なお、本実施例５では、第１のホールセンサ６０２ａと第２のホールセンサ６０２ｂと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６０７ａ，６０７ｂ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。
In the fifth embodiment, the input terminals of the
＜実施例５の位置検出例＞
次に、本発明に係る位置検出装置６００の具体的な位置検出例について説明する。７ｍｍの位置検出範囲を、絶対位置検出する場合について示す。図３６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 in Example 5>
Next, a specific position detection example of the
図３９（ａ），（ｂ）は、図３６（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置に対応する構成図で、図３９（ａ）は断面図、図３９（ｂ）は上面図である。 39 (a) and 39 (b) are configuration diagrams corresponding to the position detection device shown in FIGS. 36 (a) and 36 (b), FIG. 39 (a) is a sectional view, and FIG. 39 (b) is a top view. It is.
図３９（ａ），（ｂ）に示すように、直方体磁石６０１の長辺方向Ｘの長さＡ６０１＝９．０ｍｍ、直方体磁石６０１の短辺方向Ｙの長さＡ６０２＝１．０ｍｍ、直方体磁石６０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ６０３＝０．５ｍｍ、着磁された磁石の１周期分の長さＡ６０４＝１．０ｍｍとする。
As shown in FIGS. 39A and 39B, the length A601 of the
また、直方体磁石６０１のホールセンサ６０２ａ，６０２ｂに対向する平面６０９からホールセンサ６０２ａ，６０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ６０１＝０．２５ｍｍ、第１のホールセンサ６０２ａの感磁部の中心と第２のホールセンサ６０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ６０２＝０．２５ｍｍとする。
Further, a distance B601 = 0.25 mm from the
上記設計の際、ホールセンサ６０２ａ，６０２ｂを１つのパッケージ内に搭載する方が、ホールセンサ６０２ａ，６０２ｂ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６０２ａ，６０２ｂを設けることも可能である。
In the above design, mounting the
従って、第１のホールセンサ６０２ａと第２のホールセンサ６０２ｂ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４０及び図４１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の関係を示す図である。 40 and 41 are diagrams showing the relationship of the output voltage of the Hall sensor with respect to the moving distance of the rectangular parallelepiped magnet.
図４０は、磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ６０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ６０１１の変化Ｌ６０１１を示す図である。図４１は、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ６０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ６０２１の変化Ｌ６０２１を示す図である。
FIG. 40 is a diagram illustrating a change L6011 of a
図４２は、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ６０１１）2＋（２×Ｖ６０２１）2）の変化Ｌ６０３１を示す図である。 FIG. 42 is a diagram showing a change L6031 of √ ((2 × V6011) 2 + (2 × V6021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet.
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６０２ａ，６０２ｂの感度を２．２ｍＶ／ｍＴ（一般的なホールセンサの感度）、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『４』で示される曲線になるよう、直方体磁石６０１の各極における中央の表面磁束密度の絶対値が、１９０ｍＴ〜８０ｍＴまで単調減少するよう着磁されているとして行う。
As a premise of the magnetic simulation, the sensitivity of the two
図４２に示した、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ６０１１）2＋（２×Ｖ６０２１）2）の変化Ｌ６０３１は、単調減少していないため、位置検出は出来ない。そのため、次に示す演算を行い、位置検出を行う。 Since the change L6031 of √ ((2 × V6011) 2 + (2 × V6021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet shown in FIG. 42 is not monotonously decreasing, position detection cannot be performed. Therefore, the following calculation is performed to detect the position.
あらかじめ電気角で３６０／１０２４度毎（＝１０ｂｉｔで分割）の、正弦波と余弦波の値の組をテーブルに保持しておく。磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ６０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ６０１１と、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ６０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ６０２１の変化Ｌ６０２１と、任意の電気角Ｒ６０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ６０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ６０１）の組を用いて、２×Ｖ６０１１×ｃｏｓ（Ｒ６０１）−２×Ｖ６０２１×ｓｉｎ（Ｒ６０１）の値が最もゼロに近づくＲ６０１を求める。
A set of values of sine wave and cosine wave every 360/1024 degrees in electrical angle (= divided by 10 bits) is held in advance in a table. A
次に、Ｖｏ６＝√（（２×Ｖ６０１１）2＋（２×Ｖ６０２１）2）の関係式からＶｏ６を求める。 Next, Vo6 is determined from the relational expression Vo6 = √ ((2 × V6011) 2 + (2 × V6021) 2 ).
次に、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ６の値をメモリに保持させる。本実施例５では、
１周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ６＝２４１．１０ｍＶ
２周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ６＝２０９．６２ｍＶ
３周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ６＝１６５．６３ｍＶ
４周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ６＝１４３．５２ｍＶ
５周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ６＝１１３．２８ｍＶ
６周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ６＝９８．０７ｍＶ
７周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ６＝７７．２１ｍＶ
をメモリに保持させることになる。
Next, the value of Vo6 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is stored in the memory. In this example 5,
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the first cycle, Vo6 = 241.10 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the second period, Vo6 = 209.62 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the third period, Vo6 = 165.63 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fourth period, Vo6 = 143.52 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fifth cycle, Vo6 = 113.28 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the sixth cycle, Vo6 = 98.07 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the seventh cycle, Vo6 = 77.21 mV
Is stored in the memory.
なお、１周期目であることを特定するためには、０周期目の３６０度の場合のＶｏ６もメモリに保持させる必要がある。この場合、１周期目の電気角３６０度のＶｏ６の値の１．２倍の値をメモリに保持させる。 In order to specify that it is the first cycle, it is also necessary to store Vo6 in the case of 360 degrees in the 0th cycle in the memory. In this case, a value 1.2 times the value of Vo6 at the electrical angle of 360 degrees in the first cycle is held in the memory.
０周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ６＝２８９．３２ｍＶ
次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ６値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ６値をＶ（Ｎ−１）とした場合、（Ｖ（Ｎ−１）×１．０７）≧Ｖｏ６≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ６０１≦２５０度、または、Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ６＞（Ｖ（Ｎ）×１．０７）、または、（Ｖ（Ｎ）×１．０７）≧Ｖｏ６≧Ｖ（Ｎ）かつＲ６０１≧２５０度であればＮ番目の周期であると特定する。
When the electrical angle at the 0th cycle is 360 degrees, Vo6 = 289.32 mV
Next, when the Vo6 value at the electrical angle 360 degrees in the Nth cycle is V (N) and the Vo6 value at the electrical angle 360 degrees in the N−1th cycle is V (N−1), (V ( N-1) × 1.07) ≧ Vo6 ≧ V (N−1) and R601 ≦ 250 degrees, or V (N−1)>Vo6> (V (N) × 1.07), or (V If (N) × 1.07) ≧ Vo6 ≧ V (N) and R601 ≧ 250 degrees, the Nth cycle is specified.
次に、求められた電気角Ｒ６０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、Ｐ６００＝１０００×（Ｎ−１）＋（Ｒ６０１×１０００÷３６０）の関係式から求められる値Ｐ６００を用いて位置検出を行う。 Next, using the obtained electrical angle R601 and the Nth value of the period, position detection is performed using a value P600 obtained from a relational expression of P600 = 1000 × (N−1) + (R601 × 1000 ÷ 360). Do.
図４３は、磁石の移動距離に対するＰ６００の変化Ｌ６０４１を示す図である。図４３より７ｍｍの位置検出範囲において、Ｐ６００が高い線形性を持つことがわかる。 FIG. 43 is a diagram showing a change L6041 of P600 with respect to the moving distance of the magnet. FIG. 43 shows that P600 has high linearity in a position detection range of 7 mm.
図４４は、磁石の移動距離に対する、実際の位置とＰ６００との誤差の変化Ｌ６０５１を示す図である。図４４より７ｍｍの位置検出範囲において、±２３μｍ以内の誤差で絶対位置検出可能であることがわかる。 FIG. 44 is a diagram showing a change L6051 in error between the actual position and P600 with respect to the moving distance of the magnet. 44 that the absolute position can be detected with an error within ± 23 μm within the position detection range of 7 mm.
なお、着磁強度のバラツキや実装バラツキ等、各種誤差がある場合は、当然磁気シミュレーション結果Ｌ６０５１は、位置検出誤差が大きくなる可能性がある。この位置検出誤差が、所望の位置検出精度より大きい場合は、位置検出誤差を小さくするために、後述するその他実施例（例えば、実施例６）を適用すると良い。 If there are various errors such as variations in magnetization intensity and mounting variations, naturally, the magnetic simulation result L6051 may have a large position detection error. When this position detection error is larger than the desired position detection accuracy, another embodiment (for example, embodiment 6) described later may be applied to reduce the position detection error.
上述のように演算中の係数ａ及びｂ及びＶｓ及びＲｓの値をそれぞれ、ａ＝ｂ＝２、Ｖｓ＝１０７％、Ｒｓ＝２５０度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６００において、直方体磁石６０１の長辺方向Ｘの長さＡ６０１、直方体磁石６０１の短辺方向Ｙの長さＡ６０２、直方体磁石６０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ６０３、着磁された磁石の１周期分の長さＡ６０４、直方体磁石６０１のホールセンサ６０２ａ，６０２ｂに対向する平面６０９からホールセンサ６０２ａ，６０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ６０１、ホールセンサ６０２ａの感磁部の中心とホールセンサ６０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ６０２、直方体磁石６０１の着磁強度の調整を最適化することで、比較例よりも良い結果が得られる。
As described above, the values of the coefficients a and b and Vs and Rs being calculated are calculated with a = b = 2, Vs = 107%, and Rs = 250 degrees, respectively. In the
以上のような位置検出処理を行うことによって、以下に示す効果を得ることができる。 By performing the position detection process as described above, the following effects can be obtained.
ホールセンサ６０２ａ，６０２ｂ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。
Two
また、ホールセンサ６０２ａ，６０２ｂ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６０２ａ，６０２ｂ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
以上説明したように、感磁方向が、配置された基板に対して垂直な２個のホールセンサを１組とし、この２個のホールセンサの中心を結ぶ直線及び基板に平行に可動可能に支持し、基板に対して垂直にＮ極とＳ極が所定の間隔で所定の組数着磁された磁石を配置し、２個のホールセンサの出力を実数倍した出力をＶ６０１１，Ｖ６０２１とし、任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持し、任意の電気角Ｒ６０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ６０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ６０１）とし、１周期の間に磁石が移動する距離をＰとした場合、ａ×Ｖ６０１１×ｃｏｓ（Ｒ６０１）−ｂ×Ｖ６０２１×ｓｉｎ（Ｒ６０１）の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ６０１と、Ｖｏ６＝√（（ａ×Ｖ６０１１）2＋（ｂ×Ｖ６０２１）2）の関係式から得られる値Ｖｏ６とを用いて得られた周期Ｎ番目と、電気角Ｒ６０１とから、Ｐ６００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ６０１×Ｐ÷３６０）の関係式を用いて位置検出を行う（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）信号処理回路を設けたので、ホールセンサを磁気センサとして用いて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、また、広範囲な距離を高精度に、かつ絶対位置検出を行うことが可能な、位置検出装置とその位置検出装置を用いた電子機器を作製することが可能になる。 As described above, a pair of two hall sensors whose magnetic direction is perpendicular to the substrate on which they are arranged is a set, and is supported so as to be movable parallel to the straight line connecting the centers of the two hall sensors and the board. In addition, magnets in which a predetermined number of sets of N poles and S poles are magnetized at a predetermined interval are arranged perpendicularly to the substrate, and outputs obtained by multiplying the outputs of the two Hall sensors by real numbers are designated as V6011, V6021. A set of a sine wave value and a cosine wave value corresponding to the electrical angle is stored on a table in advance, and a sine wave value sin (R601) and a cosine wave value cos (R601) at an arbitrary electrical angle R601 are stored. When the distance that the magnet moves during one cycle is P, the electrical angle R601 where the value of a × V6011 × cos (R601) −b × V6021 × sin (R601) is closest to zero, and Vo6 = √ ( (A × V6011) 2 + (B × V6021) 2 ) From the value Vo6 obtained from the relational expression Vo6 and the electrical angle R601, P600 = P × (N−1) + (R601 × P ÷ 360 ) Is used to detect the position (however, a real number where a ≠ 0 and b ≠ 0). Therefore, the Hall sensor is used as a magnetic sensor, and the components can be easily obtained as general-purpose products. Even when configured with parts, a position detector that can achieve downsizing with a simple configuration and that can perform absolute position detection over a wide range of distances with high accuracy and its position detection. An electronic device using the apparatus can be manufactured.
本発明に係る位置検出装置の実施例６を図４５（ａ）,（ｂ）乃至図４９に基づいて以下に説明する。 A sixth embodiment of the position detection apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 45 (a) and (b) to FIG.
本実施例６は、上述した実施例１の変形例であり、位置検出装置１００において、直方体磁石１０１の移動に伴って、ホールセンサ１０２ａ，１０２ｂの出力がリニアではなく、単調減少するよう直方体磁石１０１の着磁を変更した場合の例である。
The sixth embodiment is a modification of the first embodiment described above, and in the
＜実施例６の構成＞
図４５（ａ），（ｂ）は、本発明に係る位置検出装置の実施例６を説明するための概略構成図で、一軸上に整列した２個のホールセンサを使用した場合の位置検出装置を示し、図４５（ａ）は断面図、図４５（ｂ）は上面図を示している。
<Configuration of Example 6>
FIGS. 45A and 45B are schematic configuration diagrams for explaining a sixth embodiment of the position detection device according to the present invention, and the position detection device in the case of using two Hall sensors aligned on one axis. FIG. 45A shows a cross-sectional view, and FIG. 45B shows a top view.
位置検出装置７００は、Ｎ極Ｓ極をそれぞれ交互に所定の間隔毎に着磁された直方体磁石（磁束発生手段）７０１と、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）７０２ａ，７０２ｂと、ホールセンサ７０２ａ（第１のホールセンサ）と、ホールセンサ７０２ｂ（第２のホールセンサ）と、これら２つのホールセンサを実装した基板７０３とを備えている。なお、本発明に係る位置検出装置７００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。
The
ホールセンサ７０２ａ，７０２ｂは、基板７０３上に所定の間隔で配置され、感磁方向が基板７０３に対して垂直である。直方体磁石７０１は、ホールセンサ７０２ａ，７０２ｂからの信号を所定の演算を行った際に、上述した図３７に示される信号となるよう着磁された構成となっており、基板７０３と対向する１平面７０９内で、Ｘ方向に沿って移動可能に配置されている。
The
直方体磁石７０１は、ホールセンサ７０２ａ，７０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向でかつ基板７０３に平行な平面内を移動可能に支持されており、Ｎ極とＳ極の１組が、ホールセンサ７０２ａ、７０２ｂの感磁部の中心間を結んだ距離の４倍の距離となるように複数組分着磁されている。
The
ここで、ホールセンサ７０２ａ，７０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向でかつ基板７０３に平行な平面内を移動可能という意味は、ホールセンサ７０２ａ，７０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線と直方体磁石７０１の移動方向を示す直線とを、基板７０３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。
Here, the meaning of being movable in a plane parallel to the straight line connecting the centers of the magnetic sensing parts of the
直方体磁石７０１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７０３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７０２ａの感磁部中心と、第２のホールセンサ７０２ｂ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７０２ａと７０２ｂは、直方体磁石７０１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４５（ａ），（ｂ）において、Ａ７０１は直方体磁石７０１の長辺方向Ｘの長さ、Ａ７０２は直方体磁石７０１の短辺方向Ｙの長さ、Ａ７０３は直方体磁石７０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さ、Ａ７０４は着磁された磁石の１周期分の長さをそれぞれ示す。また、Ｂ７０１は、直方体磁石７０１のホールセンサ７０２ａ，７０２ｂの基板７０３に対向する平面７０９から、ホールセンサ７０２ａと７０２ｂの感磁部の中心までの距離を示す。Ｂ７０２は、第１のホールセンサ７０２ａの感磁部の中心と、第２のホールセンサ７０２ｂの感磁部の中心とを結ぶ距離を示す。
45A and 45B, A701 is the length in the long side direction X of the
ホールセンサ７０２ａ，７０２ｂ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４６は、図４５（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置の位置検出回路の回路図である。位置検出装置７００は、２個のホールセンサ７０２ａ，７０２ｂを有する駆動回路７０５と、このホールセンサ７０２ａ，７０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う信号処理回路７０６とを備えている。
46 is a circuit diagram of the position detection circuit of the position detection device shown in FIGS. 45 (a) and 45 (b). The
駆動回路７０５は、１組のホールセンサ７０２ａ，７０２ｂと、これらのホールセンサ７０２ａ，７０２ｂに電圧を供給する電源部Ｖｄｄとから構成される。
The
第１のホールセンサ７０２ａは、正極入力端子７０２ａ（Ａ）と、正極出力端子７０２ａ（Ｂ）と、負極入力端子７０２ａ（Ｃ）と、負極出力端子７０２ａ（Ｄ）とから構成される。
The
第２のホールセンサ７０２ｂは、正極入力端子７０２ｂ（Ｅ）と、正極出力端子７０２ｂ（Ｆ）と、負極入力端子７０２ｂ（Ｇ）と、負極出力端子７０２ｂ（Ｈ）とから構成される。
The
正極出力端子７０２ａ（Ｂ）と負極出力端子７０２ａ（Ｄ）とは、差動増幅器７０７ａの入力信号となり、差動増幅器７０７ａからはＶ７０１１が出力される。正極出力端子７０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子７０２ｂ（Ｈ）とは、差動増幅器７０７ｂの入力信号となり、差動増幅器７０７ｂからはＶ７０２１が出力される。
The
信号処理部７０６は、差動増幅器７０７ａ，７０７ｂと、計算処理部７０８とにより構成される。この信号処理部７０６では、ホールセンサ７０２ａ，７０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う。
The
＜実施例６の回路動作＞
以下に、本実施例６の位置検出装置７００の動作について説明する。
<Circuit Operation of Example 6>
The operation of the
図４６に示す信号処理部７０６は、２個の磁気センサを搭載した基板に対して、磁石を移動方向へ所定の距離だけ移動した場合において、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力の所定の相関関係を用いることで位置検出を行うことができる。
The
例えば、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 For example, the position detection may be performed using a predetermined correlation of the calculated values obtained from the output values of the two magnetic sensors on the substrate with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet.
さらに、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力を所定倍した出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 Further, the position may be detected using a predetermined correlation of the calculated value obtained from the output value obtained by multiplying the output of the two magnetic sensors on the substrate by a predetermined value with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet. Good.
以下、位置検出回路の具体的な動作について詳細に説明する。 Hereinafter, a specific operation of the position detection circuit will be described in detail.
駆動回路７０５において、第１のホールセンサ７０２ａの正極入力端子７０２ａ（Ａ）と、第２のホールセンサ７０２ｂの正極入力端子７０２ｂ（Ｅ）とが接続されることによって入力端子とされ、第１のホールセンサ７０２ａの負極入力端子７０２ａ（Ｃ）と、第２のホールセンサ７０２ｂの負極入力端子７０２ｂ（Ｇ）とが接続されることによって入力端子とされる。
In the
第１のホールセンサ７０２ａの正極出力端子７０２ａ（Ｂ）と負極出力端子７０２ａ（Ｄ）は、信号処理回路７０６の第１の差動増幅器７０７ａに接続され、第２のホールセンサ７０２ｂの正極出力端子７０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子７０２ｂ（Ｈ）は、信号処理回路７０６の第２の差動増幅器７０７ｂに接続される。
The
第１の差動増幅器７０７ａの出力端子と第２の差動増幅器７０７ｂ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７０８に伝達される。
The output terminal of the first
計算処理部７０８では、磁石の全移動範囲における任意の位置に相当する減衰状正弦波出力の値と減衰状余弦波出力の値との組をあらかじめテーブル上に保持している。保持させる値は、例えば、あらかじめシミュレーションにより求められた値等を保持させておけば良い。保持させる減衰状正弦波出力の値と減衰状余弦波出力の値との組を増やすほど、高分解能な位置検出が可能となる。
In the
計算処理部７０８では、磁気センサ７０２ａ，７０２ｂからのそれぞれの出力をＶ７０１１，Ｖ７０２１とした場合、出力Ｖ７０１１，Ｖ７０２１をそれぞれ実数倍した値と、あらかじめ保持してある減衰状正弦波出力の値と減衰状余弦波出力の値との組とを比較し、位置検出を行う。
In the
つまり、計算処理部７０８が、ホールセンサ７０２ａ，７０２ｂからの減衰正弦波状の出力信号及び減衰余弦波状の出力信号の組、もしくは増幅正弦波状の出力信号及び増幅余弦波状の出力信号の組をあらかじめテーブルに記憶しておき、ホールセンサ７０２ａ，７０２ｂ又は直方体磁石７０１が移動した際のホールセンサ７０２ａ，７０２ｂからの出力値をテーブルの記憶値と比較して位置検出を行う。
In other words, the
図４７（ａ），（ｂ）は、図４５（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置に対応する構成例を示す図で、図４７（ａ）は断面図、図４７（ｂ）は上面図である。 47A and 47B are diagrams showing a configuration example corresponding to the position detection device shown in FIGS. 45A and 45B. FIG. 47A is a cross-sectional view, and FIG. Is a top view.
図２及び図１１及び図１９及び図２８及び図３７に示すように、磁石の移動距離により２つの磁気センサの出力の組は、一意に決まるため、磁気センサ７０２ａ及び７０２ｂからのそれぞれの出力をＶ７０１１，Ｖ７０２１とした場合、出力Ｖ７０１１，Ｖ７０２１をそれぞれ実数倍した値と、あらかじめ保持してある減衰状正弦波出力の値と減衰状余弦波出力の値との組とを比較することで、位置検出が可能であることは明らかである。
As shown in FIGS. 2, 11, 19, 28, and 37, the set of outputs of the two magnetic sensors is uniquely determined by the moving distance of the magnets. Therefore, the respective outputs from the
なお、本実施例６では、第１のホールセンサ７０２ａと第２のホールセンサ７０２ｂと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７０７ａ，７０７ｂ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。
In the sixth embodiment, the input terminals of the
＜実施例６の位置検出例＞
次に、本発明に係る位置検出装置７００の具体的な位置検出例について説明する。７ｍｍの位置検出範囲を、絶対位置検出する場合について示す。図４５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 in Example 6>
Next, a specific position detection example of the
図４７（ａ），（ｂ）に示すように、直方体磁石７０１の長辺方向Ｘの長さＡ７０１＝９．０ｍｍ、直方体磁石７０１の短辺方向Ｙの長さＡ７０２＝１．０ｍｍ、直方体磁石７０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ７０３＝０．５ｍｍ、着磁された磁石の１周期分の長さＡ７０４＝１．０ｍｍとする。
47 (a) and 47 (b), the length A701 of the
また、直方体磁石７０１のホールセンサ７０２ａ，７０２ｂに対向する平面７０９からホールセンサ７０２ａ，７０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ７０１＝０．２５ｍｍ、第１のホールセンサ７０２ａの感磁部の中心と第２のホールセンサ７０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ７０２＝０．２５ｍｍとする。
Further, a distance B701 = 0.25 mm from the
上記設計の際、ホールセンサ７０２ａ，７０２ｂを１つのパッケージ内に搭載する方が、ホールセンサ７０２ａ，７０２ｂ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７０２ａ，７０２ｂを設けることも可能である。
In the above design, mounting the
従って、第１のホールセンサ７０２ａと第２のホールセンサ７０２ｂ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４８及び図４９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の関係を示す図である。 48 and 49 are diagrams showing the relationship of the output voltage of the Hall sensor with respect to the moving distance of the rectangular parallelepiped magnet.
図４８は、磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ７０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ７０１１の変化Ｌ７０１１を示す図である。図４９は、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ７０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ７０２１の変化Ｌ７０２１を示す図である。
FIG. 48 is a diagram showing a change L7011 of a
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７０２ａ，７０２ｂの感度を２．２ｍＶ／ｍＴ（一般的なホールセンサの感度）、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『４』で示される曲線になるよう、直方体磁石７０１の各極における中央の表面磁束密度の絶対値が、１９０ｍＴ〜８０ｍＴまで単調減少するよう着磁されているとして行う。
As a premise of the magnetic simulation, the sensitivity of the two
位置検出は、次のように行う。 Position detection is performed as follows.
あらかじめ磁石の移動１０μｍ毎の、図４８におけるＬ７０１１と、図４９におけるＬ７０２１との組をテーブル上に保持しておく。 A set of L7011 in FIG. 48 and L7021 in FIG. 49 is held on a table in advance for every 10 μm of magnet movement.
磁石が移動する度に、テーブル上に保持した値と、磁気センサ７０２ａ及び７０２ｂからのそれぞれの出力をＶ７０１１，Ｖ７０２１とした場合、出力Ｖ７０１１，Ｖ７０２１をそれぞれ２倍した値とを比較し、位置検出を行う。出力Ｖ７０１１，Ｖ７０２１をそれぞれ２倍した値と、テーブル上に保持してある値とを比較し、２値の誤差がより少ない位置が検出したい位置である。本例においては、１０μｍ毎にＬ７０１１とＬ７０２１との組をテーブル上に保持したため、位置検出誤差は１０μｍである。位置検出誤差を小さくしたい場合、更に狭い間隔で図４８におけるＬ７０１１と、図４９におけるＬ７０２１との組をテーブル上に保持させれば良いことは言うまでもない。
Each time the magnet moves, the value held on the table is compared with the value obtained by doubling the outputs V7011, V7021 when the respective outputs from the
上述のように２個の磁気センサからの出力をそれぞれ２倍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７００において、直方体磁石７０１の長辺方向Ｘの長さＡ７０１、直方体磁石７０１の短辺方向Ｙの長さＡ７０２、直方体磁石７０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ７０３、着磁された磁石の１周期分の長さＡ７０４、直方体磁石７０１のホールセンサ７０２ａ，７０２ｂに対向する平面７０９からホールセンサ７０２ａ，７０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ７０１、ホールセンサ７０２ａの感磁部の中心とホールセンサ７０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ７０２、直方体磁石７０１の着磁強度の調整を最適化することで、比較例よりも良い結果が得られる。
As described above, the calculation is performed by doubling the outputs from the two magnetic sensors. Even if the numerical values are different, the
以上のような位置検出処理を行うことによって、以下に示す効果を得ることができる。 By performing the position detection process as described above, the following effects can be obtained.
ホールセンサ７０２ａ，７０２ｂ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。
Two
また、ホールセンサ７０２ａ，７０２ｂ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７０２ａ，７０２ｂ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
以上説明したように、感磁方向が、配置された基板に対して垂直な２個のホールセンサを１組とし、この２個のホールセンサの中心を結ぶ直線及び基板に平行に可動可能に支持し、基板に対して垂直にＮ極とＳ極が所定の間隔で所定の組数着磁された磁石を配置し、２個のホールセンサの出力を実数倍した出力をＶ７０１１，Ｖ７０２１とし、磁石の全移動範囲における任意の位置に相当する減衰状正弦波出力の値と減衰状余弦波出力の値との組をあらかじめテーブル上に保持し、２個の磁気センサからのそれぞれの出力Ｖ７０１１，Ｖ７０２１をそれぞれ実数倍した値と、あらかじめ保持してある減衰状正弦波出力の値と減衰状余弦波出力の値との組とを比較し、位置検出を行う信号処理回路を設けたので、ホールセンサを磁気センサとして用いて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、また、広範囲な距離を高精度に、かつ絶対位置検出を行うことが可能な、位置検出装置とその位置検出装置を用いた電子機器を作製することが可能になる。 As described above, a pair of two hall sensors whose magnetic direction is perpendicular to the substrate on which they are arranged is a set, and is supported so as to be movable parallel to the straight line connecting the centers of the two hall sensors and the board. A magnet in which a predetermined number of sets of N poles and S poles are magnetized at a predetermined interval is arranged perpendicularly to the substrate, and outputs obtained by multiplying the outputs of the two Hall sensors by real numbers are denoted as V7011, V7021 and magnets A set of the value of the damped sine wave output and the value of the damped cosine wave output corresponding to any position in the entire movement range is previously stored on the table, and the respective outputs V7011, V7021 from the two magnetic sensors. Is provided with a signal processing circuit that detects the position by comparing the value obtained by multiplying each value by a real number with the previously stored value of the attenuated sine wave output and the value of the attenuated cosine wave output. As a magnetic sensor Even if the component parts are composed of general-purpose products or parts that are easily available, the size can be reduced with a simple configuration, and the absolute position can be detected over a wide range with high accuracy. It is possible to manufacture a position detection device and an electronic device using the position detection device.
本発明に係る位置検出装置の実施例７を図５０（ａ）,（ｂ）乃至図５８に基づいて以下に説明する。 A seventh embodiment of the position detecting apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 50 (a) and 50 (b) to FIG.
本実施例７は、上述した実施例１の変形例であり、位置検出装置８００において、均一な着磁強度により着磁された直方体磁石８０１の移動に伴って、ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂの出力が、単調減少するよう直方体磁石８０１の形状を変更した場合の例である。なお、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ図１７において、『３』の曲線となる場合の実施例を示す。
The seventh embodiment is a modification of the first embodiment described above, and in the
＜実施例７の構成＞
図５０（ａ），（ｂ）は、本発明に係る位置検出装置の実施例７を説明するための概略構成図で、一軸上に整列した２個のホールセンサを使用した場合の位置検出装置を示し、図５０（ａ）は断面図、図５０（ｂ）は上面図を示している。
<Configuration of Example 7>
FIGS. 50A and 50B are schematic configuration diagrams for explaining the seventh embodiment of the position detection apparatus according to the present invention, and the position detection apparatus in the case of using two Hall sensors aligned on one axis is shown. FIG. 50A shows a cross-sectional view, and FIG. 50B shows a top view.
位置検出装置８００は、Ｎ極Ｓ極をそれぞれ交互に所定の間隔毎に着磁された台形柱磁石（磁束発生手段）８０１と、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）８０２ａ，８０２ｂと、ホールセンサ８０２ａ（第１のホールセンサ）と、ホールセンサ８０２ｂ（第２のホールセンサ）と、これら２つのホールセンサを実装した基板８０３とを備えている。なお、本発明に係る位置検出装置８００は、様々な種類の磁石と、種々なホールセンサとを用いて構成できる。
The
ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂは、基板８０３上に所定の間隔で配置され、感磁方向が基板８０３に対して垂直である。台形柱磁石８０１は、ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂからの信号を所定の演算を行った際に、後述する図５１に示される信号となるよう着磁された構成となっており、基板８０３と対向する１平面８０９内で、Ｘ方向に沿って移動可能に配置されている。
The
台形柱磁石８０１は、ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向でかつ基板８０３に平行な平面内を移動可能に支持されており、Ｎ極とＳ極の１組が、ホールセンサ８０２ａ、８０２ｂの感磁部の中心間を結んだ距離の４倍の距離となるように複数組分着磁されている。
The
ここで、ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線に対して平行方向でかつ基板８０３に平行な平面内を移動可能という意味は、ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂの感磁部の中心間を結ぶ直線と台形柱磁石８０１の移動方向を示す直線とを、基板８０３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。
Here, the meaning of being movable in a plane parallel to the straight line connecting the centers of the magnetic sensing parts of the
ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂから減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号を発生させるために、台形柱磁石８０１は、移動方向に沿って発生する磁界の強さが減衰又は増幅するような形状を有している。
In order to generate a damped vibration wave or amplified vibration wave output signal from the
台形柱磁石８０１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８０３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８０２ａの感磁部中心と、第２のホールセンサ８０２ｂの感磁部中心を結ぶ直線もＸ方向である。
A straight line connecting the center of the magnetic sensing part of the
図５０（ａ），（ｂ）において、Ａ８０１は台形柱磁石８０１の長辺方向Ｘの長さ、Ａ８０２ａは台形柱磁石８０１の短辺方向Ｙのうち長い側の長さ、Ａ８０２ｂは台形柱磁石８０１の短辺方向Ｙのうち短い側の長さ、Ａ８０３は台形柱磁石８０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さ、Ａ８０４は着磁された磁石の１周期分の長さをそれぞれ示す。また、Ｂ８０１は、台形柱磁石８０１のホールセンサ８０２ａ，８０２ｂの基板８０３に対向する平面８０９から、ホールセンサ８０２ａと８０２ｂの感磁部の中心までの距離を示す。Ｂ８０２は、第１のホールセンサ８０２ａの感磁部の中心と、第２のホールセンサ８０２ｂの感磁部の中心とを結ぶ距離を示す。Ｂ８０３は、第１のホールセンサ８０２ａの感磁部の中心及び、第２のホールセンサ８０２ｂの感磁部の中心から、台形柱磁石８０１の短辺方向Ｙの中心との距離を示す。
50A and 50B, A801 is the length of the
ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂ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５１（ａ），（ｂ）は、図５０に示した位置検出装置において、台形柱磁石又は２個のホールセンサを移動させた際に得られる２個のホールセンサの出力信号を示す波形図である。 51 (a) and 51 (b) are waveform diagrams showing output signals of two hall sensors obtained when the trapezoidal column magnet or the two hall sensors are moved in the position detection apparatus shown in FIG. It is.
ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂ（固定）に対して台形柱磁石８０１を基準位置からＸ方向に沿って移動された場合には、一方のホールセンサ８０２ａの出力信号は、図中の白四角のように減衰振動波形の出力信号を示し、他方のホールセンサ８０２ｂの出力信号は、図中の黒丸のように、一方のホールセンサ８０２ａの出力信号と位相のずれた減衰振動波形の出力信号を示す。
When the
図５２は、図５０（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置内の位置検出回路の回路図である。位置検出装置８００は、２個のホールセンサ８０２ａ，８０２ｂを有する駆動回路８０５と、このホールセンサ８０２ａ，８０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う信号処理回路８０６とを備えている。
FIG. 52 is a circuit diagram of the position detection circuit in the position detection device shown in FIGS. 50 (a) and 50 (b). The
駆動回路８０５は、１組のホールセンサ８０２ａ，８０２ｂと、これらのホールセンサ８０２ａ，８０２ｂに電圧を供給する電源部Ｖｄｄとから構成される。
The
第１のホールセンサ８０２ａは、正極入力端子８０２ａ（Ａ）と、正極出力端子８０２ａ（Ｂ）と、負極入力端子８０２ａ（Ｃ）と、負極出力端子８０２ａ（Ｄ）とから構成される。
The
第２のホールセンサ８０２ｂは、正極入力端子８０２ｂ（Ｅ）と、正極出力端子８０２ｂ（Ｆ）と、負極入力端子８０２ｂ（Ｇ）と、負極出力端子８０２ｂ（Ｈ）とから構成される。
The
正極出力端子８０２ａ（Ｂ）と負極出力端子８０２ａ（Ｄ）とは、差動増幅器８０７ａの入力信号となり、差動増幅器８０７ａからはＶ８０１１が出力される。正極出力端子８０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子８０２ｂ（Ｈ）とは、差動増幅器８０７ｂの入力信号となり、差動増幅器８０７ｂからはＶ８０２１が出力される。
The
信号処理部８０６は、差動増幅器８０７ａ，８０７ｂと、計算処理部８０８とにより構成される。この信号処理部８０６では、ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う。
The
＜実施例７の回路動作＞
以下に、本実施例７の位置検出装置８００の動作について説明する。
<Circuit Operation of Example 7>
Hereinafter, the operation of the
図５２に示す信号処理部８０６は、２個の磁気センサを搭載した基板に対して、磁石を移動方向へ所定の距離だけ移動した場合において、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力の所定の相関関係を用いることで位置検出を行うことができる。
The
例えば、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 For example, the position detection may be performed using a predetermined correlation of the calculated values obtained from the output values of the two magnetic sensors on the substrate with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet.
さらに、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力を所定倍した出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 Further, the position may be detected using a predetermined correlation of the calculated value obtained from the output value obtained by multiplying the output of the two magnetic sensors on the substrate by a predetermined value with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet. Good.
以下、位置検出回路の具体的な動作について詳細に説明する。 Hereinafter, a specific operation of the position detection circuit will be described in detail.
駆動回路８０５において、第１のホールセンサ８０２ａの正極入力端子８０２ａ（Ａ）と、第２のホールセンサ８０２ｂの正極入力端子８０２ｂ（Ｅ）とが接続されることによって入力端子とされ、第１のホールセンサ８０２ａの負極入力端子８０２ａ（Ｃ）と、第２のホールセンサ８０２ｂの負極入力端子８０２ｂ（Ｇ）とが接続されることによって入力端子とされる。
In the
第１のホールセンサ８０２ａの正極出力端子８０２ａ（Ｂ）と負極出力端子８０２ａ（Ｄ）は、信号処理回路８０６の第１の差動増幅器８０７ａに接続され、第２のホールセンサ８０２ｂの正極出力端子８０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子８０２ｂ（Ｈ）は、信号処理回路８０６の第２の差動増幅器８０７ｂに接続される。
The
第１の差動増幅器８０７ａの出力端子と第２の差動増幅器８０７ｂ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８０８に伝達される。
The output terminal of the first
計算処理部８０８は、以下の処理を行って位置検出を行う。
The
＜実施例７の計算処理部の処理＞
計算処理部８０８では、１周期内の任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持している。基板８０３上に配置された２個の磁気センサ８０２ａ，８０２ｂにおいて、磁気センサ８０２ａ及び８０２ｂからのそれぞれの出力をＶ８０１１，Ｖ８０２１とした場合、出力Ｖ８０１１，Ｖ８０２１をそれぞれ実数倍した値、及びテーブル上に保持してある電気角Ｒ８０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ８０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ８０１）の組を用いて、
ａ×Ｖ８０１１×ｃｏｓ（Ｒ８０１）
−ｂ×Ｖ８０２１×ｓｉｎ（Ｒ８０１）・・・（１２）
の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ８０１をまず求める。ただし、ａ≠０かつｂ≠０である実数である。
<Processing of Calculation Processing Unit of Example 7>
In the
a × V8011 × cos (R801)
-B * V8021 * sin (R801) (12)
First, an electrical angle R801 whose value is closest to zero is obtained. However, it is a real number in which a ≠ 0 and b ≠ 0.
次に
Ｖｏ８＝√（（ａ×Ｖ８０１１）2＋（ｂ×Ｖ８０２１）2）・・・（１３）
の関係式から求められる値Ｖｏ８及び電気角Ｒ８０１を用いて、図１７で示される減衰振動波状出力においてＮ番目の周期であることを求める。なお、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『３』で示される曲線であるため、磁石の移動距離に対するＶｏ８の値は単調減少とはならない場合が多い。そのため、減衰振動波状出力においてＮ番目の周期かどうかをＶｏ８の値のみでは判断できない。そこでＶｏ８及びＲ８０１を用いて、次のようにしてＮ番目の周期であることを特定する。
Next, Vo8 = √ ((a × V8011) 2 + (b × V8021) 2 ) (13)
Using the value Vo8 and the electrical angle R801 obtained from the relational expression, the Nth period is obtained in the damped vibration wave output shown in FIG. Since the curve connecting the output peak values of one Hall sensor is the curve indicated by “3” in FIG. 17, the value of Vo8 with respect to the moving distance of the magnet does not often monotonously decrease. For this reason, whether or not it is the Nth period in the damped vibration wave output cannot be determined only by the value of Vo8. Therefore, using Vo8 and R801, the Nth cycle is specified as follows.
まず、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ８の値をメモリに保持させる。保持させる値は、例えば、あらかじめシミュレーションにより求められた値を保持させておいても良いし、磁石を移動させて個別キャリブレーションを行う際に、ホールセンサ８０２ａの出力Ｖ８０１１がゼロを示した際のＶｏ８の値を保持させておいても良い。次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ８値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ８値をＶ（Ｎ−１）とした場合、
（Ｖ（Ｎ−１）×Ｖｓ）≧Ｖｏ８≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ８０１≦Ｒｓ度
または、
Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ８＞（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）
または、
（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）≧Ｖｏ８≧Ｖ（Ｎ）かつＲ８０１≧Ｒｓ度
であればＮ番目の周期であると特定する。ここで、Ｖｓ及びＲｓの値は位置検出装置８００の構成毎に最適な数値を求める事が望ましいが、Ｖｓはおよそ百数％、Ｒｓは１００〜３４０度とすることで、位置検出が可能であることが多い。なお、ここでＮ＝１の場合、Ｖ（Ｎ−１）の電気角３６０度の値が無い場合がある。その場合は、Ｖ（Ｎ）のおよそ１．２倍以上の値をメモリに保持させれば良い。
First, the value of Vo8 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is stored in the memory. As the value to be held, for example, a value obtained in advance by simulation may be held, or when the individual calibration is performed by moving the magnet, when the output V8011 of the
(V (N−1) × Vs) ≧ Vo8 ≧ V (N−1) and R801 ≦ Rs degree or
V (N-1)>Vo8> (V (N) × Vs)
Or
If (V (N) × Vs) ≧ Vo8 ≧ V (N) and R801 ≧ Rs degrees, the Nth cycle is specified. Here, it is desirable to obtain optimum values of Vs and Rs for each configuration of the
次に、求められた電気角Ｒ８０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、
Ｐ８００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ８０１×Ｐ÷３６０）・・・（１４）
の関係式から求められる値Ｐ８００を用いて位置検出を行う。ただし、Ｐは１周期の間に磁石が移動する距離である。
Next, using the obtained electrical angle R801 and the Nth value of the cycle,
P800 = P × (N−1) + (R801 × P ÷ 360) (14)
Position detection is performed using a value P800 obtained from the relational expression. Here, P is the distance that the magnet moves during one cycle.
なお、本実施例７では、第１のホールセンサ８０２ａと第２のホールセンサ８０２ｂと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８０７ａ，８０７ｂ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。
In the seventh embodiment, the input terminals of the
＜実施例７の位置検出例＞
次に、本発明に係る位置検出装置８００の具体的な位置検出例について説明する。７ｍｍの位置検出範囲を、絶対位置検出する場合について示す。図５０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 in Example 7>
Next, a specific position detection example of the
図５３（ａ），（ｂ）は、図５０（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置に対応する構成例を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。 53 (a) and 53 (b) are diagrams showing a configuration example corresponding to the position detection device shown in FIGS. 50 (a) and 50 (b). FIG. 53 (a) is a sectional view and FIG. 53 (b) is a top view. is there.
図５３（ａ），（ｂ）に示すように、台形柱磁石８０１の長辺方向Ｘの長さＡ８０１＝９．０ｍｍ、台形柱磁石８０１の短辺方向Ｙのうち長い側の長さＡ８０２ａ＝１．１ｍｍ、台形柱磁石８０１の短辺方向Ｙのうち短い側の長さＡ８０２ｂ＝０．４ｍｍ、台形柱磁石８０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ８０３＝０．５ｍｍ、着磁された磁石の１周期分の長さＡ８０４＝１．０ｍｍとする。
53 (a) and 53 (b), the length A801 of the
また、台形柱磁石８０１のホールセンサ８０２ａ，８０２ｂに対向する平面８０９からホールセンサ８０２ａ，８０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ８０１＝０．２ｍｍ、第１のホールセンサ８０２ａの感磁部の中心と第２のホールセンサ８０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ８０２＝０．２５ｍｍ、第１のホールセンサ８０２ａの感磁部の中心及び、第２のホールセンサ８０２ｂの感磁部の中心から、台形柱磁石８０１の短辺方向Ｙの中心との距離Ｂ８０３＝０．４ｍｍとする。
Further, the distance B801 = 0.2 mm from the plane 809 facing the
上記設計の際、ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂを１つのパッケージ内に搭載する方が、ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂ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８０２ａ，８０２ｂを設けることも可能である。
In the above design, mounting the
従って、第１のホールセンサ８０２ａと第２のホールセンサ８０２ｂ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５４及び図５５は、台形柱磁石の移動距離に対するホールセンサの出力電圧の関係を示す図である。 54 and 55 are diagrams showing the relationship of the output voltage of the Hall sensor with respect to the moving distance of the trapezoidal column magnet.
図５４は、磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ８０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ８０１１の変化Ｌ８０１１を示す図である。図５５は、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ８０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ８０２１の変化Ｌ８０２１を示す図である。
FIG. 54 is a diagram showing a change L8011 of a
図５６は、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ８０１１）2＋（２×Ｖ８０２１）2）の変化Ｌ８０３１を示す図である。 FIG. 56 is a diagram showing a change L8031 of √ ((2 × V8011) 2 + (2 × V8021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet.
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８０２ａ，８０２ｂの感度を２．２ｍＶ／ｍＴ（一般的なホールセンサの感度）、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『３』で示される曲線になるよう、台形柱磁石８０１の各極における中央の表面磁束密度の絶対値が、２４０ｍＴとなるよう着磁されているとして行う。
As a premise of the magnetic simulation, the sensitivity of the two
図５６に示した、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ８０１１）2＋（２×Ｖ８０２１）2）の変化Ｌ８０３１は、単調減少していないため、位置検出は出来ない。そのため、次に示す演算を行い、位置検出を行う。 The change L8031 of √ ((2 × V8011) 2 + (2 × V8021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet shown in FIG. 56 is not monotonously decreasing, and therefore position detection cannot be performed. Therefore, the following calculation is performed to detect the position.
あらかじめ電気角で３６０／１０２４度毎（＝１０ｂｉｔで分割）の、正弦波と余弦波の値の組をテーブルに保持しておく。磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ８０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ８０１１と、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ８０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ８０２１の変化Ｌ８０２１と、任意の電気角Ｒ８０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ８０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ８０１）の組を用いて、２×Ｖ８０１１×ｃｏｓ（Ｒ８０１）−２×Ｖ８０２１×ｓｉｎ（Ｒ８０１）の値が最もゼロに近づくＲ８０１を求める。
A set of values of sine wave and cosine wave every 360/1024 degrees in electrical angle (= divided by 10 bits) is held in advance in a table. A
次に、Ｖｏ８＝√（（２×Ｖ８０１１）2＋（２×Ｖ８０２１）2）の関係式からＶｏ８を求める。 Next, Vo8 is obtained from the relational expression of Vo8 = √ ((2 × V8011) 2 + (2 × V8021) 2 ).
次に、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ８の値をメモリに保持させる。本実施例７では、
１周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ８＝３０７．４９ｍＶ
２周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ８＝２６４．４６ｍＶ
３周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ８＝２１７．２３ｍＶ
４周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ８＝１７０．８５ｍＶ
５周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ８＝１２９．６１ｍＶ
６周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ８＝９６．２７ｍＶ
７周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ８＝７３．５９ｍＶ
をメモリに保持させることになる。
Next, the value of Vo8 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is held in the memory. In this example 7,
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the first cycle, Vo8 = 307.49 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the second cycle, Vo8 = 264.46 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the third period, Vo8 = 217.23 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fourth period, Vo8 = 170.85 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fifth cycle, Vo8 = 129.61 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the sixth period, Vo8 = 96.27 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the seventh cycle, Vo8 = 73.59 mV
Is stored in the memory.
なお、１周期目であることを特定するためには、０周期目の３６０度の場合のＶｏ８もメモリに保持させる必要がある。この場合、１周期目の電気角３６０度のＶｏ８の値の１．２倍の値をメモリに保持させる。 In order to specify the first cycle, Vo8 in the case of 360 degrees in the 0th cycle needs to be held in the memory. In this case, a value 1.2 times the value of Vo8 at an electrical angle of 360 degrees in the first cycle is held in the memory.
０周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ８＝３６８．９８ｍＶ
次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ８値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ８値をＶ（Ｎ−１）とした場合、（Ｖ（Ｎ−１）×１．０７）≧Ｖｏ８≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ８０１≦２５０度、または、Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ８＞（Ｖ（Ｎ）×１．０７）、または、（Ｖ（Ｎ）×１．０７）≧Ｖｏ８≧Ｖ（Ｎ）かつＲ８０１≧２５０度であればＮ番目の周期であると特定する。
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the 0th cycle, Vo8 = 368.98 mV
Next, when the Vo8 value at the electrical angle 360 degrees in the Nth cycle is V (N) and the Vo8 value at the electrical angle 360 degrees in the N−1th cycle is V (N−1), (V ( N-1) × 1.07) ≧ Vo8 ≧ V (N−1) and R801 ≦ 250 degrees, or V (N−1)>Vo8> (V (N) × 1.07), or (V If (N) × 1.07) ≧ Vo8 ≧ V (N) and R801 ≧ 250 degrees, the Nth cycle is specified.
次に、求められた電気角Ｒ８０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、Ｐ８００＝１０００×（Ｎ−１）＋（Ｒ８０１×１０００÷３６０）の関係式から求められる値Ｐ８００を用いて位置検出を行う。 Next, using the obtained electrical angle R801 and the Nth value of the period, position detection is performed using a value P800 obtained from a relational expression of P800 = 1000 × (N−1) + (R801 × 1000 ÷ 360). Do.
図５７は、磁石の移動距離に対するＰ８００の変化Ｌ８０４１を示す図である。図５７より７ｍｍの位置検出範囲において、Ｐ８００が高い線形性を持つことがわかる。 FIG. 57 is a diagram showing a change L8041 in P800 with respect to the moving distance of the magnet. FIG. 57 shows that P800 has high linearity in a position detection range of 7 mm.
図５８は、磁石の移動距離に対する、実際の位置とＰ８００との誤差の変化Ｌ８０５１を示す図である。図５８より７ｍｍの位置検出範囲において、±２２μｍ以内の誤差で絶対位置検出可能であることがわかる。 FIG. 58 is a diagram showing a change L8051 in error between the actual position and P800 with respect to the moving distance of the magnet. 58 that the absolute position can be detected with an error within ± 22 μm within the position detection range of 7 mm.
なお、着磁強度のバラツキや実装バラツキ等、各種誤差がある場合は、当然磁気シミュレーション結果Ｌ８０５１は、位置検出誤差が大きくなる可能性がある。この位置検出誤差が、所望の位置検出精度より大きい場合は、位置検出誤差を小さくするために、その他実施例（例えば、実施例６）を適用すると良い。 If there are various errors such as variations in magnetization intensity and mounting variations, the magnetic simulation result L8051 may naturally have a large position detection error. When this position detection error is larger than the desired position detection accuracy, another embodiment (for example, embodiment 6) may be applied to reduce the position detection error.
上述のように演算中の係数ａ及びｂ、Ｖｓ及びＲｓの値をそれぞれ、ａ＝ｂ＝２、Ｖｓ＝１０７％、Ｒｓ＝２５０度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８００において、台形柱磁石８０１の長辺方向Ｘの長さＡ８０１、台形柱磁石８０１の短辺方向Ｙのうち長い側の長さＡ８０２ａ、台形柱磁石８０１の短辺方向Ｙのうち短い側の長さＡ８０２ｂ、台形柱磁石８０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ８０３、着磁された磁石の１周期分の長さＡ８０４、台形柱磁石８０１のホールセンサ８０２ａ，８０２ｂに対向する平面８０９からホールセンサ８０２ａ，８０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ８０１、ホールセンサ８０２ａの感磁部の中心とホールセンサ８０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ８０２、第１のホールセンサ８０２ａの感磁部の中心及び、第２のホールセンサ８０２ｂの感磁部の中心から、台形柱磁石８０１の短辺方向Ｙの中心との距離Ｂ８０３を最適化することで、比較例よりも良い結果が得られる。
As described above, the values of the coefficients a and b, Vs, and Rs being calculated are set as a = b = 2, Vs = 107%, and Rs = 250 degrees, respectively. In the
以上のような位置検出処理を行うことによって、以下に示す効果を得ることができる。 By performing the position detection process as described above, the following effects can be obtained.
ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂ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。
Two
また、ホールセンサ８０２ａ，８０２ｂ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８０２ａ，８０２ｂ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
以上説明したように、感磁方向が、配置された基板に対して垂直な２個のホールセンサを１組とし、この２個のホールセンサの中心を結ぶ直線及び基板に平行に可動可能に支持し、基板に対して垂直にＮ極とＳ極が所定の間隔で所定の組数着磁された磁石を配置し、２個のホールセンサの出力を実数倍した出力をＶ８０１１，Ｖ８０２１とし、任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持し、任意の電気角Ｒ８０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ８０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ８０１）とし、１周期の間に磁石が移動する距離をＰとした場合、ａ×Ｖ８０１１×ｃｏｓ（Ｒ８０１）−ｂ×Ｖ８０２１×ｓｉｎ（Ｒ８０１）の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ８０１と、Ｖｏ８＝√（（ａ×Ｖ８０１１）2＋（ｂ×Ｖ８０２１）2）の関係式から得られる値Ｖｏ８とを用いて得られた周期Ｎ番目と、電気角Ｒ８０１とから、Ｐ８００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ８０１×Ｐ÷３６０）の関係式を用いて位置検出を行う（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）信号処理回路を設けたので、ホールセンサを磁気センサとして用いて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、また、広範囲な距離を高精度に、かつ絶対位置検出を行うことが可能な、位置検出装置とその位置検出装置を用いた電子機器を作製することが可能になる。 As described above, a pair of two hall sensors whose magnetic direction is perpendicular to the substrate on which they are arranged is a set, and is supported so as to be movable parallel to the straight line connecting the centers of the two hall sensors and the board. Then, a magnet in which a predetermined number of sets of N poles and S poles are magnetized at a predetermined interval with respect to the substrate is arranged, and outputs obtained by multiplying the outputs of the two Hall sensors by real numbers are designated as V8011, V8021, and arbitrary A set of a sine wave value and a cosine wave value corresponding to the electrical angle is previously stored on a table, and a sine wave value sin (R801) and a cosine wave value cos (R801) at an arbitrary electrical angle R801 are stored. When the distance that the magnet moves during one cycle is P, the electrical angle R801 where the value of a × V8011 × cos (R801) −b × V8021 × sin (R801) is closest to zero, and Vo8 = √ ( (A × V8011) 2 + (B × V8021) 2 ) From the period Nth obtained using the value Vo8 obtained from the relational expression and the electrical angle R801, P800 = P × (N−1) + (R801 × P ÷ 360 ) Is used to detect the position (however, a real number where a ≠ 0 and b ≠ 0). Therefore, the Hall sensor is used as a magnetic sensor, and the components can be easily obtained as general-purpose products. Even when configured with parts, a position detector that can achieve downsizing with a simple configuration and that can perform absolute position detection over a wide range of distances with high accuracy and its position detection. An electronic device using the apparatus can be manufactured.
本発明に係る位置検出装置の実施例８を図５９（ａ）,（ｂ）乃至図６７に基づいて以下に説明する。 An eighth embodiment of the position detection apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 59 (a) and (b) to FIG.
本実施例８は、上述した実施例１の変形例であり、位置検出装置９００において、均一な着磁強度により着磁された直方体磁石９０１の移動に伴って、ホールセンサ９０２ａ，９０２ｂの出力が、単調減少するよう直方体磁石９０１に傾きを持たせて配置した場合の例である。なお、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ図１７において、『３』の曲線となる場合の実施例を示す。
The eighth embodiment is a modification of the first embodiment described above, and in the
＜実施例８構成＞
図５９（ａ），（ｂ）は、本発明に係る位置検出装置の実施例８を説明するための概略構成図で、一軸上に整列した２個のホールセンサを使用した場合の位置検出装置を示し、図５９（ａ）は断面図、図５９（ｂ）は上面図を示している。
<Configuration of Example 8>
FIGS. 59A and 59B are schematic configuration diagrams for explaining an eighth embodiment of the position detection apparatus according to the present invention, and a position detection apparatus in the case of using two Hall sensors aligned on one axis. 59 (a) is a cross-sectional view, and FIG. 59 (b) is a top view.
位置検出装置９００は、Ｎ極Ｓ極をそれぞれ交互に所定の間隔毎に着磁された直方体磁石（磁束発生手段）９０１と、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）９０２ａ，９０２ｂと、ホールセンサ９０２ａ（第１のホールセンサ）と、ホールセンサ９０２ｂ（第２のホールセンサ）と、これら２つのホールセンサを実装した基板９０３とを備えている。なお、本発明に係る位置検出装置９００は、様々な種類の磁石と、種々なホールセンサとを用いて構成できる。
The
ホールセンサ９０２ａ，９０２ｂは、基板９０３上に所定の間隔で配置され、感磁方向が基板９０３に対して垂直である。
The
直方体磁石９０１は、ホールセンサ９０２ａ，９０２ｂからの信号を所定の演算を行った際に、図６０に示される信号となるよう着磁された構成となっており、Ｘ方向に沿って移動可能に配置されている。直方体磁石９０１は、Ｙ方向を軸として基板９０３に対し所定の角度を持って支持されている。Ｎ極とＳ極の１組が、ホールセンサ９０２ａ、９０２ｂの感磁部の中心間を結んだ距離の４倍の距離となるように複数組分着磁されている。平面９０９は、直方体磁石９０１の基板９０３に最も近い辺を通り、かつ基板９０３に平行な１平面である。
The
ホールセンサ９０２ａ，９０２ｂから減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号を発生させるために、直方体磁石９０１は、移動方向に沿って発生する磁界の強さが減衰又は増幅するように、基板９０３に対して所定の傾きを持って支持されている。
In order to generate a damped vibration wave-like or amplified vibration wave-like output signal from the
図６０は、図５９（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置において、直方体磁石又は２個のホールセンサを移動させた際に得られる２個のホールセンサの出力信号を示す波形図である。 FIG. 60 is a waveform diagram showing output signals of two hall sensors obtained by moving a rectangular magnet or two hall sensors in the position detection device shown in FIGS. 59 (a) and 59 (b). is there.
ホールセンサ９０２ａ，９０２ｂ（固定）に対して直方体磁石９０１を基準位置からＸ方向に沿って移動された場合には、一方のホールセンサ９０２ａの出力信号は、図中の白四角のように減衰振動波形の出力信号を示し、他方のホールセンサ９０２ｂの出力信号は、図中の黒丸のように、一方のホールセンサ９０２ａの出力信号と位相のずれた減衰振動波形の出力信号を示す。
When the
直方体磁石９０１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、磁石の各面のうち、基板９０３に対抗する面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９０２ａの感磁部中心と、第２のホールセンサ９０２ｂの感磁部中心を結ぶ直線はＸ方向である。
A straight line connecting the center of the magnetic sensing part of the
図５９（ａ），（ｂ）において、Ａ９０１は直方体磁石９０１の長辺方向Ｘの長さ、Ａ９０２は直方体磁石９０１の短辺方向Ｙの長さ、Ａ９０３は直方体磁石９０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さ、Ａ９０４は着磁された磁石の１周期分の長さをそれぞれ示す。また、Ｂ９０１は、平面９０９から、ホールセンサ９０２ａもしくは９０２ｂの感磁部の中心までの距離を示す。Ｂ９０２は、第１のホールセンサ９０２ａの感磁部の中心と、第２のホールセンサ９０２ｂの感磁部の中心とを結ぶ距離を示す。
59A and 59B, A901 is the length in the long side direction X of the
ホールセンサ９０２ａ，９０２ｂ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。
図６１は、図５９（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置内の位置検出回路の回路図である。 61 is a circuit diagram of a position detection circuit in the position detection device shown in FIGS. 59 (a) and 59 (b).
位置検出装置９００は、２個のホールセンサ９０２ａ，９０２ｂを有する駆動回路９０５と、このホールセンサ９０２ａ，９０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う信号処理回路９０６とを備えている。
The
駆動回路９０５は、１組のホールセンサ９０２ａ，９０２ｂと、これらのホールセンサ９０２ａ，９０２ｂに電圧を供給する電源部Ｖｄｄとから構成される。
The
第１のホールセンサ９０２ａは、正極入力端子９０２ａ（Ａ）と、正極出力端子９０２ａ（Ｂ）と、負極入力端子９０２ａ（Ｃ）と、負極出力端子９０２ａ（Ｄ）とから構成される。
The
第２のホールセンサ９０２ｂは、正極入力端子９０２ｂ（Ｅ）と、正極出力端子９０２ｂ（Ｆ）と、負極入力端子９０２ｂ（Ｇ）と、負極出力端子９０２ｂ（Ｈ）とから構成される。
The
正極出力端子９０２ａ（Ｂ）と負極出力端子９０２ａ（Ｄ）とは、差動増幅器９０７ａの入力信号となり、差動増幅器９０７ａからはＶ９０１１が出力される。正極出力端子９０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子９０２ｂ（Ｈ）とは、差動増幅器９０７ｂの入力信号となり、差動増幅器９０７ｂからはＶ９０２１が出力される。
The
信号処理部９０６は、差動増幅器９０７ａ，９０７ｂと、計算処理部９０８とにより構成される。この信号処理部９０６では、ホールセンサ９０２ａ，９０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う。
The
＜実施例８の回路動作＞
以下に、本実施例８の位置検出装置の動作について以下に説明する。
<Circuit Operation of Example 8>
The operation of the position detection device according to the eighth embodiment will be described below.
図６１に示す信号処理部９０６は、２個の磁気センサを搭載した基板に対して、磁石を移動方向へ所定の距離だけ移動した場合において、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力の所定の相関関係を用いることで位置検出を行うことができる。
The
例えば、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 For example, the position detection may be performed using a predetermined correlation of the calculated values obtained from the output values of the two magnetic sensors on the substrate with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet.
さらに、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力を所定倍した出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 Further, the position may be detected using a predetermined correlation of the calculated value obtained from the output value obtained by multiplying the output of the two magnetic sensors on the substrate by a predetermined value with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet. Good.
以下、位置検出回路の具体的な動作について詳細に説明する。 Hereinafter, a specific operation of the position detection circuit will be described in detail.
駆動回路９０５において、第１のホールセンサ９０２ａの正極入力端子９０２ａ（Ａ）と、第２のホールセンサ９０２ｂの正極入力端子９０２ｂ（Ｅ）とが接続されることによって入力端子とされ、第１のホールセンサ９０２ａの負極入力端子９０２ａ（Ｃ）と、第２のホールセンサ９０２ｂの負極入力端子９０２ｂ（Ｇ）とが接続されることによって入力端子とされる。
In the
第１のホールセンサ９０２ａの正極出力端子９０２ａ（Ｂ）と負極出力端子９０２ａ（Ｄ）は、信号処理回路９０６の第１の差動増幅器９０７ａに接続され、第２のホールセンサ９０２ｂの正極出力端子９０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子９０２ｂ（Ｈ）は、信号処理回路９０６の第２の差動増幅器９０７ｂに接続される。
The
第１の差動増幅器９０７ａの出力端子と第２の差動増幅器９０７ｂ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９０８に伝達される。
The output terminal of the first
計算処理部９０８は、以下の処理を行って位置検出を行う。
The
＜実施例８の計算処理部の処理＞
計算処理部９０８では、１周期内の任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持している。基板９０３上に配置された２個の磁気センサ９０２ａ，９０２ｂにおいて、磁気センサ９０２ａ及び９０２ｂからのそれぞれの出力をＶ９０１１，Ｖ９０２１とした場合、出力Ｖ９０１１，Ｖ９０２１をそれぞれ実数倍した値、及びテーブル上に保持してある電気角Ｒ９０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ９０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ９０１）の組を用いて、
ａ×Ｖ９０１１×ｃｏｓ（Ｒ９０１）
−ｂ×Ｖ９０２１×ｓｉｎ（Ｒ９０１）・・・（１５）
の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ９０１をまず求める。ただし、ａ≠０かつｂ≠０である実数である。
<Processing of Calculation Processing Unit of Example 8>
In the
a × V9011 × cos (R901)
-B * V9021 * sin (R901) (15)
First, an electrical angle R901 whose value is closest to zero is obtained. However, it is a real number in which a ≠ 0 and b ≠ 0.
次に
Ｖｏ９＝√（（ａ×Ｖ９０１１）2＋（ｂ×Ｖ９０２１）2）・・・（１６）
の関係式から求められる値Ｖｏ９及び電気角Ｒ９０１を用いて、図１７で示される減衰振動波状出力においてＮ番目の周期であることを求める。なお、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『３』で示される曲線であるため、磁石の移動距離に対するＶｏ９の値は単調減少とはならない場合が多い。そのため、減衰振動波状出力においてＮ番目の周期かどうかをＶｏ９の値のみでは判断できない。そこでＶｏ９及びＲ９０１を用いて、次のようにしてＮ番目の周期であることを特定する。
Next, Vo9 = √ ((a × V9011) 2 + (b × V9021) 2 ) (16)
Using the value Vo9 and the electrical angle R901 obtained from the relational expression, the Nth period is obtained in the damped oscillation wave output shown in FIG. Since the curve connecting the output peak values of one Hall sensor is the curve indicated by “3” in FIG. 17, the value of Vo9 with respect to the moving distance of the magnet does not often monotonously decrease. For this reason, whether or not it is the Nth period in the damped vibration wave output cannot be determined only by the value of Vo9. Therefore, using Vo9 and R901, the Nth cycle is specified as follows.
まず、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ９の値をメモリに保持させる。保持させる値は、例えば、あらかじめシミュレーションにより求められた値を保持させておいても良いし、磁石を移動させて個別キャリブレーションを行う際に、ホールセンサ９０２ａの出力Ｖ９０１１がゼロを示した際のＶｏ９の値を保持させておいても良い。次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ９値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ９値をＶ（Ｎ−１）とした場合、
（Ｖ（Ｎ−１）×Ｖｓ）≧Ｖｏ９≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ９０１≦Ｒｓ度
または、
Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ９＞（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）
または、
（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）≧Ｖｏ９≧Ｖ（Ｎ）かつＲ９０１≧Ｒｓ度
であればＮ番目の周期であると特定する。ここで、Ｖｓ及びＲｓの値は位置検出装置９００の構成毎に最適な数値を求める事が望ましいが、Ｖｓはおよそ百数％、Ｒｓは１００〜３４０度とすることで、位置検出が可能であることが多い。なお、ここでＮ＝１の場合、Ｖ（Ｎ−１）の電気角３６０度の値が無い場合がある。その場合は、Ｖ（Ｎ）のおよそ１．２倍以上の値をメモリに保持させれば良い。
First, the value of Vo9 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is held in the memory. As the value to be held, for example, a value obtained in advance by simulation may be held, or when the individual calibration is performed by moving the magnet, when the output V9011 of the
(V (N−1) × Vs) ≧ Vo9 ≧ V (N−1) and R901 ≦ Rs degree or
V (N-1)>Vo9> (V (N) × Vs)
Or
If (V (N) × Vs) ≧ Vo9 ≧ V (N) and R901 ≧ Rs degrees, the Nth cycle is specified. Here, it is desirable to obtain optimum values of Vs and Rs for each configuration of the
次に、求められた電気角Ｒ９０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、
Ｐ９００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ９０１×Ｐ÷３６０）・・・（１７）
の関係式から求められる値Ｐ９００を用いて位置検出を行う。ただし、Ｐは１周期の間に磁石が移動する距離である。
Next, using the obtained electrical angle R901 and the Nth value of the cycle,
P900 = P × (N−1) + (R901 × P ÷ 360) (17)
Position detection is performed using a value P900 obtained from the relational expression. Here, P is the distance that the magnet moves during one cycle.
なお、本実施例８では、第１のホールセンサ９０２ａと第２のホールセンサ９０２ｂと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９０７ａ，９０７ｂ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。
In the eighth embodiment, the input terminals of the
＜実施例８の位置検出例＞
次に、本発明に係る位置検出装置の具体的な位置検出例について説明する。７ｍｍの位置検出範囲を、絶対位置検出する場合について示す。図５９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 in Example 8>
Next, a specific position detection example of the position detection device according to the present invention will be described. A case where a 7 mm position detection range is detected is shown. A design example of the optimum value of the parameter of each component in FIG. 59 will be described.
図６２（ａ），（ｂ）は、図５９（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置に対応する構成例を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。 62A and 62B are diagrams showing a configuration example corresponding to the position detection device shown in FIGS. 59A and 59B. FIG. 62A is a sectional view and FIG. 62B is a top view. is there.
図６２（ａ），（ｂ）に示すように、直方体磁石９０１の長辺方向Ｘの長さＡ９０１＝９．０ｍｍ、直方体磁石９０１の短辺方向Ｙの長さＡ９０２＝１．６ｍｍ、直方体磁石９０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ９０３＝０．５ｍｍ、着磁された磁石の１周期分の長さＡ９０４＝１．０ｍｍとする。直方体磁石９０１は、Ｙ方向を軸として基板９０３に対し１．５度の角度を持って支持されている。
As shown in FIGS. 62A and 62B, the length A901 of the
また、平面９０９からホールセンサ９０２ａもしくは９０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ９０１＝０．２ｍｍ、第１のホールセンサ９０２ａの感磁部の中心と第２のホールセンサ９０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ９０２＝０．２５ｍｍとする。
Further, the distance B901 = 0.2 mm from the
上記設計の際、ホールセンサ９０２ａ，９０２ｂを１つのパッケージ内に搭載する方が、ホールセンサ９０２ａ，９０２ｂ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９０２ａ，９０２ｂを設けることも可能である。
In the above design, mounting the
従って、第１のホールセンサ９０２ａと第２のホールセンサ９０２ｂ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６３及び図６４は、磁石の移動距離に対するホールセンサの出力電圧の関係を示す図である。 63 and 64 are diagrams showing the relationship of the output voltage of the Hall sensor with respect to the moving distance of the magnet.
図６３は、磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ９０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ９０１１の変化Ｌ９０１１を示す図である。図６４は、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ９０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ９０２１の変化Ｌ９０２１を示す図である。
FIG. 63 is a diagram showing a change L9011 of a
図６５は、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ９０１１）2＋（２×Ｖ９０２１）2）の変化Ｌ９０３１を示す図である。 FIG. 65 is a diagram showing a change L9031 of √ ((2 × V9011) 2 + (2 × V9021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet.
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９０２ａ，９０２ｂの感度を２．２ｍＶ／ｍＴ（一般的なホールセンサの感度）、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『３』で示される曲線になるよう、直方体磁石９０１の各極における中央の表面磁束密度の絶対値が、２４０ｍＴとなるよう着磁されているとして行う。
As a premise of the magnetic simulation, the sensitivity of the two
図６５に示した、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ９０１１）2＋（２×Ｖ９０２１）2）の変化Ｌ９０３１は、単調減少していないため、位置検出は出来ない。そのため、次に示す演算を行い、位置検出を行う。 The change L9031 of √ ((2 × V9011) 2 + (2 × V9021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet shown in FIG. 65 is not monotonously decreasing, and therefore position detection cannot be performed. Therefore, the following calculation is performed to detect the position.
あらかじめ電気角で３６０／１０２４度毎（＝１０ｂｉｔで分割）の、正弦波と余弦波の値の組をテーブルに保持しておく。磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ９０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ９０１１と、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ９０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ９０２１の変化Ｌ９０２１と、任意の電気角Ｒ９０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ９０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ９０１）の組を用いて、２×Ｖ９０１１×ｃｏｓ（Ｒ９０１）−２×Ｖ９０２１×ｓｉｎ（Ｒ９０１）の値が最もゼロに近づくＲ９０１を求める。
A set of values of sine wave and cosine wave every 360/1024 degrees in electrical angle (= divided by 10 bits) is held in advance in a table. A
次に、Ｖｏ９＝√（（２×Ｖ９０１１）2＋（２×Ｖ９０２１）2）の関係式からＶｏ９を求める。 Next, Vo9 is obtained from the relational expression of Vo9 = √ ((2 × V9011) 2 + (2 × V9021) 2 ).
次に、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ９の値をメモリに保持させる。本実施例８では、
１周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ９＝３７１．４０ｍＶ
２周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ９＝３１７．７５ｍＶ
３周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ９＝２７０．７３ｍＶ
４周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ９＝２３０．１８ｍＶ
５周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ９＝１９５．３４ｍＶ
６周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ９＝１６５．３２ｍＶ
７周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ９＝１３８．８８ｍＶ
をメモリに保持させることになる。
Next, the value of Vo9 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is stored in the memory. In Example 8,
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the first cycle, Vo9 = 371.40 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the second period, Vo9 = 317.75 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the third period, Vo9 = 270.73 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fourth period, Vo9 = 230.18 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fifth cycle, Vo9 = 195.34 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the sixth period, Vo9 = 165.32 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the seventh cycle, Vo9 = 138.88 mV
Is stored in the memory.
なお、１周期目であることを特定するためには、０周期目の３６０度の場合のＶｏ９もメモリに保持させる必要がある。この場合、１周期目の電気角３６０度のＶｏ９の値の１．２倍の値をメモリに保持させる。 In order to specify the first cycle, Vo9 in the case of 360 degrees in the 0th cycle also needs to be held in the memory. In this case, a value 1.2 times the value of Vo9 at the electrical angle of 360 degrees in the first cycle is held in the memory.
０周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ９＝４４５．６７ｍＶ
次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ９値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ９値をＶ（Ｎ−１）とした場合、（Ｖ（Ｎ−１）×１．０５）≧Ｖｏ９≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ９０１≦２５０度、または、Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ９＞（Ｖ（Ｎ）×１．０５）、または、（Ｖ（Ｎ）×１．０５）≧Ｖｏ９≧Ｖ（Ｎ）かつＲ９０１≧２５０度であればＮ番目の周期であると特定する。
In the case of the electrical angle of 360 degrees in the 0th cycle, Vo9 = 445.67 mV
Next, when the Vo9 value at an electrical angle of 360 ° in the Nth cycle is V (N) and the Vo9 value at an electrical angle of 360 ° in the N−1th cycle is V (N−1), (V ( N-1) × 1.05) ≧ Vo9 ≧ V (N−1) and R901 ≦ 250 degrees, or V (N−1)>Vo9> (V (N) × 1.05), or (V If (N) × 1.05) ≧ Vo9 ≧ V (N) and R901 ≧ 250 degrees, the Nth cycle is specified.
次に、求められた電気角Ｒ９０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、Ｐ９００＝１０００×（Ｎ−１）＋（Ｒ９０１×１０００÷３６０）の関係式から求められる値Ｐ９００を用いて位置検出を行う。 Next, position detection is performed using a value P900 obtained from the relational expression P900 = 1000 × (N−1) + (R901 × 1000 ÷ 360) using the obtained electrical angle R901 and the Nth value of the cycle. Do.
図６６は、磁石の移動距離に対するＰ９００の変化Ｌ９０４１を示す図である。図６６より７ｍｍの位置検出範囲において、Ｐ９００が高い線形性を持つことがわかる。 FIG. 66 is a diagram showing a change L9041 in P900 with respect to the moving distance of the magnet. FIG. 66 shows that P900 has high linearity in the position detection range of 7 mm.
図６７は、磁石の移動距離に対する、実際の位置とＰ９００との誤差の変化Ｌ９０５１を示す図である。図６７より７ｍｍの位置検出範囲において、±１０μｍ以内の誤差で絶対位置検出可能であることがわかる。 FIG. 67 is a diagram showing a change L9051 in error between the actual position and P900 with respect to the moving distance of the magnet. FIG. 67 shows that the absolute position can be detected with an error within ± 10 μm within the position detection range of 7 mm.
なお、着磁強度のバラツキや実装バラツキ等、各種誤差がある場合は、当然磁気シミュレーション結果Ｌ９０５１は、位置検出誤差が大きくなる可能性がある。この位置検出誤差が、所望の位置検出精度より大きい場合は、位置検出誤差を小さくするために、その他実施例（例えば実施例６）を適用すると良い。 If there are various errors such as variations in magnetization intensity and mounting variations, naturally, the magnetic simulation result L9051 may have a large position detection error. When this position detection error is larger than the desired position detection accuracy, another embodiment (for example, embodiment 6) may be applied to reduce the position detection error.
上述のように演算中の係数ａ及びｂ及びＶｓ及びＲｓの値をそれぞれ、ａ＝ｂ＝２、Ｖｓ＝１０５％、Ｒｓ＝２５０度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９００において、直方体磁石９０１の長辺方向Ｘの長さＡ９０１、直方体磁石９０１の短辺方向Ｙの長さＡ９０２、直方体磁石９０１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ９０３、着磁された磁石の１周期分の長さＡ９０４、平面９０９からホールセンサ９０２ａもしくは，９０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ９０１、ホールセンサ９０２ａの感磁部の中心とホールセンサ９０２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ９０２、磁石９０１の基板９０３に対するＹ方向を軸とした所定の角度を最適化することで、比較例よりも良い結果が得られる。
As described above, the values of the coefficients a and b and Vs and Rs being calculated are calculated with a = b = 2, Vs = 105%, and Rs = 250 degrees, respectively. In the
以上のような位置検出処理を行うことによって、以下に示す効果を得ることができる。 By performing the position detection process as described above, the following effects can be obtained.
ホールセンサ９０２ａ，９０２ｂ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。
Two
また、ホールセンサ９０２ａ，９０２ｂ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９０２ａ，９０２ｂ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
以上説明したように、感磁方向が、配置された基板に対して垂直な２個のホールセンサを１組とし、この２個のホールセンサの中心を結ぶ直線に垂直かつ基板に平行な直線を軸として、基板に対し所定の角度を持って、基板に平行に可動可能に支持し、磁石の各面のうち基板に対抗する面に対して垂直方向にＮ極とＳ極が着磁された磁石を配置し、２個のホールセンサの出力を実数倍した出力をＶ９０１１，Ｖ９０２１とし、任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持し、任意の電気角Ｒ９０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ９０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ９０１）とし、１周期の間に磁石が移動する距離をＰとした場合、ａ×Ｖ９０１１×ｃｏｓ（Ｒ９０１）−ｂ×Ｖ９０２１×ｓｉｎ（Ｒ９０１）の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ９０１と、Ｖｏ９＝√（（ａ×Ｖ９０１１）2＋（ｂ×Ｖ９０２１）2）の関係式から得られる値Ｖｏ９とを用いて得られた周期Ｎ番目と、電気角Ｒ９０１とから、Ｐ９００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ９０１×Ｐ÷３６０）の関係式を用いて位置検出を行う（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）信号処理回路を設けたので、ホールセンサを磁気センサとして用いて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、また、広範囲な距離を高精度に、かつ絶対位置検出を行うことが可能な、位置検出装置とその位置検出装置を用いた電子機器を作製することが可能になる。 As described above, two Hall sensors perpendicular to the substrate on which the magnetic sensing direction is arranged are taken as one set, and a straight line perpendicular to the straight line connecting the centers of the two Hall sensors and parallel to the substrate is formed. An axis having a predetermined angle with respect to the substrate is supported so as to be movable in parallel with the substrate, and N and S poles are magnetized in a direction perpendicular to the surface of the magnet facing the substrate. Magnets are arranged, and outputs obtained by multiplying the outputs of the two Hall sensors by a real number are set as V9011, V9021, and a set of a sine wave value and a cosine wave value corresponding to an arbitrary electrical angle is held on a table in advance. When a sinusoidal value sin (R901) and a cosine wave value cos (R901) at an arbitrary electrical angle R901 are set, and a distance that the magnet moves during one period is P, a × V9011 × cos (R901) − b × V9021 × sin (R90 Electrical angle R901 value of) approaches most zero, Vo9 = √ ((a × V9011) 2 + (b × V9021) period N th obtained using the value Vo9 obtained from equation 2) and The signal processing circuit performs position detection using the relational expression P900 = P × (N−1) + (R901 × P ÷ 360) from the electrical angle R901 (where a ≠ 0 and b ≠ 0 are real numbers). Therefore, even when the hall sensor is used as a magnetic sensor and the component parts are composed of general-purpose products or easily available parts, it is possible to achieve downsizing with a simple configuration and a wide range of distances. It is possible to manufacture a position detection device and an electronic device using the position detection device capable of performing absolute position detection with high accuracy.
本発明に係る位置検出装置の実施例９を図６８（ａ）,（ｂ）乃至図７６に基づいて以下に説明する。 A ninth embodiment of the position detecting apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 68 (a), (b) to FIG.
本実施例９は、上述した実施例１の変形例であり、位置検出装置１０００において、均一な着磁強度により着磁された直方体磁石１００１の移動に伴って、ホールセンサ１００２ａ，１００２ｂの出力が、単調減少するよう直方体磁石１００１に傾きを持たせて配置した場合の例である。なお、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ図１７において、『３』の曲線となる場合の実施例を示す。
The ninth embodiment is a modification of the first embodiment described above, and in the
＜実施例９の構成＞
図６８（ａ），（ｂ）は、本発明に係る位置検出装置の実施例９を説明するための概略構成図で、一軸上に整列した２個のホールセンサを使用した場合の位置検出装置を示し、図６８（ａ）は断面図、図６８（ｂ）は上面図を示している。
<Configuration of Example 9>
68 (a) and 68 (b) are schematic configuration diagrams for explaining the ninth embodiment of the position detecting device according to the present invention, and the position detecting device in the case of using two Hall sensors aligned on one axis. 68 (a) is a cross-sectional view, and FIG. 68 (b) is a top view.
位置検出装置１０００は、Ｎ極Ｓ極をそれぞれ交互に所定の間隔毎に着磁された直方体磁石（磁束発生手段）１００１と、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）１００２ａ，１００２ｂと、ホールセンサ１００２ａ（第１のホールセンサ）と、ホールセンサ１００２ｂ（第２のホールセンサ）と、これら２つのホールセンサを実装した基板１００３とを備えている。なお、本発明に係る位置検出装置１０００は、様々な種類の磁石と、種々なホールセンサとを用いて構成できる。
The
ホールセンサ１００２ａ，１００２ｂは、基板１００３上に所定の間隔で配置され、感磁方向が基板１００３に対して垂直である。直方体磁石１００１は、ホールセンサ１００２ａ，１００２ｂからの信号を所定の演算を行った際に、図６９に示される信号となるよう着磁された構成となっており、基板１００３と対向する１平面１００９内で、Ｘ方向に沿って移動可能に配置されている。
The
図６９は、図６８（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置において、直方体磁石又は２個のホールセンサを移動させた際に得られる２個のホールセンサの出力信号を示す波形図である。 FIG. 69 is a waveform diagram showing output signals of two hall sensors obtained by moving a rectangular magnet or two hall sensors in the position detection device shown in FIGS. 68 (a) and 68 (b). is there.
ホールセンサ１００２ａ，１００２ｂ（固定）に対して直方体磁石１００１を基準位置からＸ方向に沿って移動された場合には、一方のホールセンサ１００２ａの出力信号は、図中の白四角のように減衰振動波形の出力信号を示し、他方のホールセンサ１００２ｂの出力信号は、図中の黒丸のように、一方のホールセンサ１００２ａの出力信号と位相のずれた減衰振動波形の出力信号を示す。
When the
直方体磁石１００１は、Ｚ方向を軸として、２個のホールセンサ１００２ａ，１００２ｂの感磁部の中心間を結んだ直線に対し所定の角度を持って支持されている。Ｎ極とＳ極の１組が、ホールセンサ１００２ａ、１００２ｂの感磁部の中心間を結んだ距離の４倍の距離となるように複数組分着磁されている。
The
直方体磁石１００１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１００３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１００２ａの感磁部中心と、第２のホールセンサ１００２ｂの感磁部中心を結ぶ直線はＸ方向である。
A straight line connecting the center of the magnetic sensing part of the
図６８（ａ），（ｂ）において、Ａ１００１は直方体磁石１００１の長辺方向Ｘの長さ、Ａ１００２は直方体磁石１００１の短辺方向Ｙの長さ、Ａ１００３は直方体磁石１００１の厚み（着磁）方向Ｚの長さ、Ａ１００４は着磁された磁石の１周期分の長さをそれぞれ示す。また、Ｂ１００１は、平面１００９から、ホールセンサ１００２ａもしくは１００２ｂの感磁部の中心までの距離を示す。Ｂ１００２は、第１のホールセンサ１００２ａの感磁部の中心と、第２のホールセンサ１００２ｂの感磁部の中心とを結ぶ距離を示す。Ｂ１００３は、第１のホールセンサ１００２ａの感磁部の中心及び、第２のホールセンサ１００２ｂの感磁部の中心から、直方体磁石１００１の短辺方向Ｙの中心との距離が最も近づいた箇所における距離を示す。角度Ｂ１００４は、第１のホールセンサ１００２ａの感磁部の中心と、第２のホールセンサ１００２ｂの感磁部の中心とを結んだ直線と、直方体磁石１００１の長辺方向との角度を示す。
68A and 68B, A1001 is the length in the long side direction X of the
ホールセンサ１００２ａ，１００２ｂ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７０は、図６８（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置内の位置検出回路の回路図である。位置検出装置１０００は、２個のホールセンサ１００２ａ，１００２ｂを有する駆動回路１００５と、このホールセンサ１００２ａ，１００２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う信号処理回路１００６とを備えている。
70 is a circuit diagram of a position detection circuit in the position detection device shown in FIGS. 68 (a) and 68 (b). The
駆動回路１００５は、１組のホールセンサ１００２ａ，１００２ｂと、これらのホールセンサ１００２ａ，１００２ｂに電圧を供給する電源部Ｖｄｄとから構成される。
The
第１のホールセンサ１００２ａは、正極入力端子１００２ａ（Ａ）と、正極出力端子１００２ａ（Ｂ）と、負極入力端子１００２ａ（Ｃ）と、負極出力端子１００２ａ（Ｄ）とから構成される。
The
第２のホールセンサ１００２ｂは、正極入力端子１００２ｂ（Ｅ）と、正極出力端子１００２ｂ（Ｆ）と、負極入力端子１００２ｂ（Ｇ）と、負極出力端子１００２ｂ（Ｈ）とから構成される。
The
正極出力端子１００２ａ（Ｂ）と負極出力端子１００２ａ（Ｄ）とは、差動増幅器１００７ａの入力信号となり、差動増幅器１００７ａからはＶ１００１１が出力される。正極出力端子１００２ｂ（Ｆ）と負極出力端子１００２ｂ（Ｈ）とは、差動増幅器１００７ｂの入力信号となり、差動増幅器１００７ｂからはＶ１００２１が出力される。
The
信号処理部１００６は、差動増幅器１００７ａ，１００７ｂと、計算処理部１００８とにより構成される。この信号処理部１００６では、ホールセンサ１００２ａ，１００２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う。
The
＜実施例９の回路動作＞
以下に、本実施例９の位置検出装置１０００の動作について説明する。
<Circuit Operation of Example 9>
The operation of the
図７０に示す信号処理部１００６は、２個の磁気センサを搭載した基板に対して、磁石を移動方向へ所定の距離だけ移動した場合において、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力の所定の相関関係を用いることで位置検出を行うことができる。
The
例えば、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 For example, the position detection may be performed using a predetermined correlation of the calculated values obtained from the output values of the two magnetic sensors on the substrate with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet.
さらに、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力を所定倍した出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 Further, the position may be detected using a predetermined correlation of the calculated value obtained from the output value obtained by multiplying the output of the two magnetic sensors on the substrate by a predetermined value with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet. Good.
以下、位置検出回路の具体的な動作について以下に詳細に説明する。 The specific operation of the position detection circuit will be described in detail below.
駆動回路１００５において、第１のホールセンサ１００２ａの正極入力端子１００２ａ（Ａ）と、第２のホールセンサ１００２ｂの正極入力端子１００２ｂ（Ｅ）とが接続されることによって入力端子とされ、第１のホールセンサ１００２ａの負極入力端子１００２ａ（Ｃ）と、第２のホールセンサ１００２ｂの負極入力端子１００２ｂ（Ｇ）とが接続されることによって入力端子とされる。
In the
第１のホールセンサ１００２ａの正極出力端子１００２ａ（Ｂ）と負極出力端子１００２ａ（Ｄ）は、信号処理回路１００６の第１の差動増幅器１００７ａに接続され、第２のホールセンサ１００２ｂの正極出力端子１００２ｂ（Ｆ）と負極出力端子１００２ｂ（Ｈ）は、信号処理回路１００６の第２の差動増幅器１００７ｂに接続される。
The
第１の差動増幅器１００７ａの出力端子と第２の差動増幅器１００７ｂ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１００８に伝達される。
The output terminal of the first differential amplifier 1007a and the output terminal of the second differential amplifier 1007b are input to an AD converter and transmitted to a
計算処理部１００８は、以下の処理を行って位置検出を行う。
The
＜実施例９の計算処理部の処理＞
計算処理部１００８では、１周期内の任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持している。基板１００３上に配置された２個の磁気センサ１００２ａ，１００２ｂにおいて、磁気センサ１００２ａ及び１００２ｂからのそれぞれの出力をＶ１００１１，Ｖ１００２１とした場合、出力Ｖ１００１１，Ｖ１００２１をそれぞれ実数倍した値、及びテーブル上に保持してある電気角Ｒ１００１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ１００１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ１００１）の組を用いて、
ａ×Ｖ１００１１×ｃｏｓ（Ｒ１００１）
−ｂ×Ｖ１００２１×ｓｉｎ（Ｒ１００１）・・・（１８）
の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ１００１をまず求める。ただし、ａ≠０かつｂ≠０である実数である。
<Processing of Calculation Processing Unit of Example 9>
In the
a × V10011 × cos (R1001)
-B * V10021 * sin (R1001) (18)
First, an electrical angle R1001 whose value is closest to zero is obtained. However, it is a real number in which a ≠ 0 and b ≠ 0.
次に
Ｖｏ１０＝√（（ａ×Ｖ１００１１）2＋（ｂ×Ｖ１００２１）2）・・・（１９）
の関係式から求められる値Ｖｏ１０及び電気角Ｒ１００１を用いて、図１７で示される減衰振動波状出力においてＮ番目の周期であることを求める。なお、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『３』で示される曲線であるため、磁石の移動距離に対するＶｏ１０の値は単調減少とはならない場合が多い。そのため、減衰振動波状出力においてＮ番目の周期かどうかをＶｏ１０の値のみでは判断できない。そこでＶｏ１０及びＲ１００１を用いて、次のようにしてＮ番目の周期であることを特定する。
Next, Vo10 = √ ((a × V10011) 2 + (b × V10021) 2 ) (19)
Using the value Vo10 and the electrical angle R1001 obtained from the relational expression, the Nth period is obtained in the damped oscillation wave output shown in FIG. Since the curve connecting the output peak values of one Hall sensor is the curve indicated by “3” in FIG. 17, the value of Vo10 with respect to the moving distance of the magnet does not often monotonously decrease. For this reason, whether or not it is the Nth period in the damped vibration wave output cannot be determined only by the value of Vo10. Therefore, using Vo10 and R1001, the Nth cycle is specified as follows.
まず、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ１０の値をメモリに保持させる。保持させる値は、例えば、あらかじめシミュレーションにより求められた値を保持させておいても良いし、磁石を移動させて個別キャリブレーションを行う際に、ホールセンサ１００２ａの出力Ｖ１００１１がゼロを示した際のＶｏ１０の値を保持させておいても良い。次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ１０値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ１０値をＶ（Ｎ−１）とした場合、
（Ｖ（Ｎ−１）×Ｖｓ）≧Ｖｏ１０≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ１００１≦Ｒｓ度
または、
Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ１０＞（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）
または、
（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）≧Ｖｏ１０≧Ｖ（Ｎ）かつＲ１００１≧Ｒｓ度
であればＮ番目の周期であると特定する。ここで、Ｖｓ及びＲｓの値は位置検出装置１０００の構成毎に最適な数値を求める事が望ましいが、Ｖｓはおよそ百数％、Ｒｓは１００〜３４０度とすることで、位置検出が可能であることが多い。なお、ここでＮ＝１の場合、Ｖ（Ｎ−１）の電気角３６０度の値が無い場合がある。その場合は、Ｖ（Ｎ）のおよそ１．２倍以上の値をメモリに保持させれば良い。
First, the value of Vo10 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is held in the memory. The value to be held may be, for example, a value obtained in advance by simulation, or when the output V10011 of the
(V (N−1) × Vs) ≧ Vo10 ≧ V (N−1) and R1001 ≦ Rs degree or
V (N-1)>Vo10> (V (N) × Vs)
Or
If (V (N) × Vs) ≧ Vo10 ≧ V (N) and R1001 ≧ Rs degrees, the Nth cycle is specified. Here, it is desirable to obtain optimum values of Vs and Rs for each configuration of the
次に、求められた電気角Ｒ１００１及び周期Ｎ番目の値を用いて、
Ｐ１０００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ１００１×Ｐ÷３６０）・・・（２０）
の関係式から求められる値Ｐ１０００を用いて位置検出を行う。ただし、Ｐは１周期の間に磁石が移動する距離である。
Next, using the obtained electrical angle R1001 and the Nth value of the cycle,
P1000 = P × (N−1) + (R1001 × P ÷ 360) (20)
Position detection is performed using a value P1000 obtained from the relational expression. Here, P is the distance that the magnet moves during one cycle.
なお、本実施例９では、第１のホールセンサ１００２ａと第２のホールセンサ１００２ｂと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１００７ａ，１００７ｂ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。
In the ninth embodiment, the input terminals of the
＜実施例９の位置検出例＞
次に、本発明に係る位置検出装置１０００の具体的な位置検出例について説明する。７ｍｍの位置検出範囲を、絶対位置検出する場合について示す。図６８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 in Example 9>
Next, a specific position detection example of the
図７１（ａ），（ｂ）は、図６８（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置に対応する構成例を示す図で、図７１（ａ）は断面図、図７１（ｂ）は上面図である。 71A and 71B are diagrams showing a configuration example corresponding to the position detection device shown in FIGS. 68A and 68B. FIG. 71A is a cross-sectional view, and FIG. Is a top view.
図７１（ａ），（ｂ）に示すように、直方体磁石１００１の長辺方向Ｘの長さＡ１００１＝９．０ｍｍ、直方体磁石１００１の短辺方向Ｙの長さＡ１００２＝１．５５ｍｍ、直方体磁石１００１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ１００３＝０．５ｍｍ、着磁された磁石の１周期分の長さＡ１００４＝１．０ｍｍとする。直方体磁石１００１は、Ｚ方向を軸として、２個のホールセンサ１００２ａ，１００２ｂの感磁部の中心間を結んだ直線に対し１．０度の角度を持って支持されている。
As shown in FIGS. 71 (a) and 71 (b), the length A1001 of the
また、平面１００９からホールセンサ１００２ａもしくは１００２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ１００１＝０．２ｍｍ、第１のホールセンサ１００２ａの感磁部の中心と第２のホールセンサ１００２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ１００２＝０．２５ｍｍ、第１のホールセンサ１００２ａの感磁部の中心及び、第２のホールセンサ１００２ｂの感磁部の中心から、直方体磁石１００１の短辺方向Ｙの中心との距離が最も近づいた箇所における距離Ｂ１００３＝０．８ｍｍとする。
Further, the distance B1001 = 0.2 mm from the
上記設計の際、ホールセンサ１００２ａ，１００２ｂを１つのパッケージ内に搭載する方が、ホールセンサ１００２ａ，１００２ｂ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１００２ａ，１００２ｂを設けることも可能である。
In the above design, mounting the
従って、第１のホールセンサ１００２ａと第２のホールセンサ１００２ｂ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７２及び図７３は、磁石の移動距離に対するホールセンサの出力電圧の関係を示す図である。 72 and 73 are diagrams showing the relationship of the output voltage of the Hall sensor with respect to the moving distance of the magnet.
図７２は、磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ１００２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ１００１１の変化Ｌ１００１１を示す図である。図７３は、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ１００２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ１００２１の変化Ｌ１００２１を示す図である。
FIG. 72 is a diagram showing a change L10011 of a
図７４は、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ１００１１）2＋（２×Ｖ１００２１）2）の変化Ｌ１００３１を示す図である。 FIG. 74 is a diagram showing a change L10031 of √ ((2 × V10011) 2 + (2 × V10021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet.
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１００２ａ，１００２ｂの感度を２．２ｍＶ／ｍＴ（一般的なホールセンサの感度）、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『３』で示される曲線になるよう、直方体磁石１００１の各極における中央の表面磁束密度の絶対値が、２４０ｍＴとなるよう着磁されているとして行う。
As a premise for magnetic simulation, the sensitivity of the two
図７４に示した、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ１００１１）2＋（２×Ｖ１００２１）2）の変化Ｌ１００３１は、単調減少していないため、位置検出は出来ない。そのため、次に示す演算を行い、位置検出を行う。 The change L10031 of (√ ((2 × V10011) 2 + (2 × V10021) 2 )) with respect to the moving distance of the magnet shown in FIG. Therefore, the following calculation is performed to detect the position.
あらかじめ電気角で３６０／１０２４度毎（＝１０ｂｉｔで分割）の、正弦波と余弦波の値の組をテーブルに保持しておく。磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ１００２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ１００１１と、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ１００２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ１００２１の変化Ｌ１００２１と、任意の電気角Ｒ１００１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ１００１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ１００１）の組を用いて、２×Ｖ１００１１×ｃｏｓ（Ｒ１００１）−２×Ｖ１００２１×ｓｉｎ（Ｒ１００１）の値が最もゼロに近づくＲ１００１を求める。
A set of values of sine wave and cosine wave every 360/1024 degrees in electrical angle (= divided by 10 bits) is held in advance in a table. A
次に、Ｖｏ１０＝√（（２×Ｖ１００１１）2＋（２×Ｖ１００２１）2）の関係式からＶｏ１０を求める。 Next, Vo10 is obtained from the relational expression of Vo10 = √ ((2 × V10011) 2 + (2 × V10021) 2 ).
次に、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ１０の値をメモリに保持させる。本実施例９では、
１周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１０＝７３．０２ｍＶ
２周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１０＝６３．３０ｍＶ
３周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１０＝５４．２２ｍＶ
４周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１０＝４６．１６ｍＶ
５周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１０＝３９．０６ｍＶ
６周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１０＝３２．７０ｍＶ
７周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１０＝２６．４８ｍＶ
をメモリに保持させることになる。
Next, the value of Vo10 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is held in the memory. In Example 9,
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the first cycle, Vo10 = 73.02 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the second period, Vo10 = 63.30 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the third period, Vo10 = 54.22 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fourth period, Vo10 = 46.16 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fifth cycle, Vo10 = 39.06 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the sixth period, Vo10 = 32.70 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the seventh cycle, Vo10 = 26.48 mV
Is stored in the memory.
なお、１周期目であることを特定するためには、０周期目の３６０度の場合のＶｏ１０もメモリに保持させる必要がある。この場合、１周期目の電気角３６０度のＶｏ１０の値の１．２倍の値をメモリに保持させる。
０周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１０＝８７．６２ｍＶ
In order to specify the first cycle, Vo10 in the case of 360 degrees in the 0th cycle also needs to be held in the memory. In this case, a value 1.2 times the value of Vo10 at the electrical angle of 360 degrees in the first cycle is held in the memory.
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the 0th cycle, Vo10 = 87.62 mV
次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ１０値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ１０値をＶ（Ｎ−１）とした場合、（Ｖ（Ｎ−１）×１．０５）≧Ｖｏ１０≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ１００１≦２７０度、または、Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ１０＞（Ｖ（Ｎ）×１．０５）、または、（Ｖ（Ｎ）×１．０５）≧Ｖｏ１０≧Ｖ（Ｎ）かつＲ１００１≧２７０度であればＮ番目の周期であると特定する。 Next, when the Vo10 value at the electrical angle 360 degrees in the Nth cycle is V (N) and the Vo10 value at the electrical angle 360 degrees in the N-1th cycle is V (N-1), (V ( N-1) × 1.05) ≧ Vo10 ≧ V (N−1) and R1001 ≦ 270 degrees, or V (N−1)> Vo10> (V (N) × 1.05), or (V If (N) × 1.05) ≧ Vo10 ≧ V (N) and R1001 ≧ 270 degrees, the Nth cycle is specified.
次に、求められた電気角Ｒ１００１及び周期Ｎ番目の値を用いて、Ｐ１０００＝１０００×（Ｎ−１）＋（Ｒ１００１×１０００÷３６０）の関係式から求められる値Ｐ１０００を用いて位置検出を行う。 Next, position detection is performed using a value P1000 obtained from the relational expression P1000 = 1000 × (N−1) + (R1001 × 1000 ÷ 360) using the obtained electrical angle R1001 and the Nth value of the period. Do.
図７５は、磁石の移動距離に対するＰ１０００の変化Ｌ１００４１を示す図である。図７５より７ｍｍの位置検出範囲において、Ｐ１０００が高い線形性を持つことがわかる。 FIG. 75 is a diagram showing a change L10041 of P1000 with respect to the moving distance of the magnet. From FIG. 75, it can be seen that P1000 has high linearity in the position detection range of 7 mm.
図７６は、磁石の移動距離に対する、実際の位置とＰ１０００との誤差の変化Ｌ１００５１を示す図である。図７６より７ｍｍの位置検出範囲において、±２４μｍ以内の誤差で絶対位置検出可能であることがわかる。 FIG. 76 is a diagram showing a change L10051 in error between the actual position and P1000 with respect to the moving distance of the magnet. FIG. 76 shows that the absolute position can be detected with an error within ± 24 μm within the position detection range of 7 mm.
なお、着磁強度のバラツキや実装バラツキ等、各種誤差がある場合は、当然磁気シミュレーション結果Ｌ１００５１は、位置検出誤差が大きくなる可能性がある。この位置検出誤差が、所望の位置検出精度より大きい場合は、位置検出誤差を小さくするために、その他実施例（例えば実施例６）を適用すると良い。 If there are various errors such as variations in magnetization intensity and mounting variations, naturally the magnetic simulation result L10051 may have a large position detection error. When this position detection error is larger than the desired position detection accuracy, another embodiment (for example, embodiment 6) may be applied to reduce the position detection error.
上述のように演算中の係数ａ及びｂ及びＶｓ及びＲｓの値をそれぞれ、ａ＝ｂ＝２、Ｖｓ＝１０５％、Ｒｓ＝２７０度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１０００において、直方体磁石１００１の長辺方向Ｘの長さＡ１００１、直方体磁石１００１の短辺方向Ｙの長さＡ１００２、直方体磁石１００１の厚み方向Ｚの長さ（磁石の着磁方向の長さ）Ａ１００３、着磁された磁石の１周期分の長さＡ１００４、平面１００９からホールセンサ１００２ａもしくは，１００２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ１００１、ホールセンサ１００２ａの感磁部の中心とホールセンサ１００２ｂの感磁部の中心との距離Ｂ１００２、第１のホールセンサ１００２ａの感磁部の中心及び、第２のホールセンサ１００２ｂの感磁部の中心から、直方体磁石１００１の短辺方向Ｙの中心との距離が最も近づいた箇所における距離Ｂ１００３、磁石１００１の２個のホールセンサ１００２ａ，１００２ｂの感磁部の中心間を結んだ直線に対するＺ方向を軸とした所定の角度を最適化することで、比較例よりも良い結果が得られる。
As described above, the values of the coefficients a and b and Vs and Rs being calculated are calculated as a = b = 2, Vs = 105%, and Rs = 270 degrees, respectively. In the
以上のような位置検出処理を行うことによって、以下に示す効果を得ることができる。 By performing the position detection process as described above, the following effects can be obtained.
ホールセンサ１００２ａ，１００２ｂ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。
Two
また、ホールセンサ１００２ａ，１００２ｂ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１００２ａ，１００２ｂ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。
以上説明したように、感磁方向が、配置された基板に対して垂直な２個のホールセンサを１組とし、この２個のホールセンサの中心を結ぶ直線に垂直かつ基板に垂直な直線を軸として、２個のホールセンサの中心を結ぶ直線に対し所定の角度を持って、基板に平行に可動可能に支持し、基板に対して垂直方向にＮ極とＳ極が着磁された磁石を配置し、２個のホールセンサの出力を実数倍した出力をＶ１００１１，Ｖ１００２１とし、任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持し、任意の電気角Ｒ１００１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ１００１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ１００１）とし、１周期の間に磁石が移動する距離をＰとした場合、ａ×Ｖ１００１１×ｃｏｓ（Ｒ１００１）−ｂ×Ｖ１００２１×ｓｉｎ（Ｒ１００１）の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ１００１と、Ｖｏ１０＝√（（ａ×Ｖ１００１１）2＋（ｂ×Ｖ１００２１）2）の関係式から得られる値Ｖｏ１０とを用いて得られた周期Ｎ番目と、電気角Ｒ１００１とから、Ｐ１０００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ１００１×Ｐ÷３６０）の関係式を用いて位置検出を行う（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）信号処理回路を設けたので、ホールセンサを磁気センサとして用いて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、また、広範囲な距離を高精度に、かつ絶対位置検出を行うことが可能な、位置検出装置とその位置検出装置を用いた電子機器を作製することが可能になる。 As described above, two hall sensors perpendicular to the substrate on which the magnetic sensing direction is arranged are taken as one set, and a straight line perpendicular to the straight line connecting the centers of the two hall sensors and perpendicular to the substrate is formed. A magnet having a predetermined angle with respect to a straight line connecting the centers of the two Hall sensors as an axis, supported so as to be movable parallel to the substrate, and magnetized with N and S poles perpendicular to the substrate The outputs obtained by multiplying the outputs of the two Hall sensors by a real number are V10011 and V10021, and a set of a sine wave value and a cosine wave value corresponding to an arbitrary electrical angle is stored on the table in advance. Sine wave value sin (R1001) and cosine wave value cos (R1001) at an electrical angle R1001 of the following, and the distance that the magnet moves during one period is P, a × V10011 × cos (R1001) −b × V1002 × electrical angle R1001 which the value of sin (R1001) approaches most zero, obtained using the Vo10 = √ ((a × V10011 ) 2 + (b × V10021) 2) values obtained from the relationship of Vo10 Position detection is performed using the relational expression P1000 = P × (N−1) + (R1001 × P ÷ 360) from the cycle N and the electrical angle R1001 (provided that a ≠ 0 and b ≠ 0 are real numbers) ) Since the signal processing circuit is provided, even when the hall sensor is used as a magnetic sensor and the components are composed of general-purpose products or easily available components, it is possible to achieve downsizing with a simple configuration. It becomes possible to manufacture a position detection device and an electronic apparatus using the position detection device capable of performing absolute position detection over a wide range with high accuracy.
なお、実施例１，実施例３乃至実施例５で示したように磁石の着磁強度を変更する構成と、実施例７で示したように磁石の形状を変更する構成と、実施例８で示したように磁石が基板に対し傾いて実装された構成と、実施例９で示したように磁石が２個の磁気センサの感磁面を結んだ直線に対して傾いて実装された構成とを、各々組み合わせた構成においても、絶対位置検出が可能であることは明らかである。 It should be noted that in the configuration for changing the magnetizing strength of the magnet as shown in Example 1, Example 3 to Example 5, the configuration for changing the shape of the magnet as shown in Example 7, and in Example 8. A configuration in which the magnet is mounted inclined with respect to the substrate as shown, and a configuration in which the magnet is mounted inclined with respect to the straight line connecting the magnetic sensitive surfaces of the two magnetic sensors as shown in Example 9. It is clear that absolute position detection is possible even in a configuration in which each is combined.
本発明に係る位置検出装置の実施例１０を図７７（ａ）,（ｂ）乃至図８５に基づいて以下に説明する。本実施例１０の位置検出装置は、回転軌道上に整列した２個のホールセンサを使用した場合の回転位置検出装置である。 A tenth embodiment of the position detection apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 77 (a) and (b) to FIG. The position detection apparatus according to the tenth embodiment is a rotation position detection apparatus in the case where two Hall sensors aligned on a rotation path are used.
＜実施例１０の構成＞
図７７（ａ），（ｂ）は、本発明に係る回転位置検出装置の実施例１０を説明するための概略構成図で、回転軌道上に整列した２個のホールセンサを使用した場合の回転位置検出装置を示し、図７７（ａ）は上面図、図７７（ｂ）は断面図を示している。
<Configuration of Example 10>
FIGS. 77 (a) and (b) are schematic configuration diagrams for explaining the tenth embodiment of the rotational position detecting device according to the present invention, and the rotation when two Hall sensors aligned on the rotational trajectory are used. FIG. 77 (a) is a top view and FIG. 77 (b) is a cross-sectional view showing a position detection device.
位置検出装置としての回転位置検出装置１１００は、Ｎ極Ｓ極をそれぞれ交互に所定の間隔毎に着磁された環状（バームクーヘン状）磁石（磁束発生手段）１１０１と、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）１１０２ａ，１１０２ｂと、ホールセンサ１１０２ａ（第１のホールセンサ）と、ホールセンサ１１０２ｂ（第２のホールセンサ）と、これら２つのホールセンサを実装した基板１１０３とを備えている。なお、本発明に係る回転位置検出装置１１００は、様々な種類の磁石と、種々なホールセンサとを用いて構成できる。
A rotational
ホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂは、基板１１０３上に所定の間隔で配置され、感磁方向が基板１１０３に対して垂直である。環状磁石１１０１は、ホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂからの信号を所定の演算を行った際に、後述する図７８に示される信号となるよう着磁された構成となっており、１平面１１０９内で、基板上の任意の点１１１０から、基板１１０３から垂直に伸びたＺ方向を軸として、回転可能に配置され、Ｘ―Ｙ平面から見た場合に、基板上の任意の点１１１０から内径までの距離が全て等距離であり、Ｘ―Ｙ平面から見た場合に、基板上の任意の点１１１０から外径までの距離が全て等距離であり、Ｎ極とＳ極の１組が、ホールセンサ１１０２ａ、１１０２ｂの感磁部の中心間を結んだ距離の４倍の距離となるように複数組分着磁されている。
The
環状磁石１１０１のＮ極とＳ極が交互に繰り返し着磁されており、移動方向は、ホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂ又は環状磁石１１０１が、任意の軸を中心に回転する方向である。
The N pole and S pole of the
環状磁石１１０１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１１０３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１１０２ａの感磁部中心と、第２のホールセンサ１１０２ｂの感磁部中心は、基板上の任意の点１１１０から同距離に配置されている。
The magnetic sensor center of the
図７７（ａ），（ｂ）において、Ａ１１０１ａは環状磁石１１０１の外径の長さ、Ａ１１０１ｂは環状磁石１１０１の内径の長さ、Ａ１１０２は環状磁石１１０１の内径端から外径端までの幅方向の長さ、Ａ１１０３は環状磁石１１０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さ、Ａ１１０４は着磁された磁石の１周期分の、内径の距離をそれぞれ示す。また、Ｂ１１０１は、平面１１０９から、ホールセンサ１１０２ａもしくは１１０２ｂの感磁部の中心までの距離を示す。Ｂ１１０２は、第１のホールセンサ１１０２ａの感磁部の中心と、第２のホールセンサ１１０２ｂの感磁部の中心とを結ぶ距離を示す。Ｂ１１０３は、Ｘ―Ｙ平面から見た場合に、第１のホールセンサ１１０２ａの感磁部の中心及び、第２のホールセンサ１１０２ｂの感磁部の中心から、基板上の任意の点１１１０までの距離を示す。Ｂ１１０４は、Ｘ―Ｙ平面から見た場合に、環状の磁石１１０１の内径から、基板上の任意の点１１１０までの距離を示す。
77 (a) and 77 (b), A1101a is the length of the outer diameter of the
ホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂ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７８は、図７７（ａ），（ｂ）に示した回転位置検出装置において、環状磁石又は２個のホールセンサを移動（回転）させた際に得られる２個のホールセンサの出力信号を示す波形図である。 FIG. 78 shows the output signals of the two Hall sensors obtained when the annular magnet or the two Hall sensors are moved (rotated) in the rotational position detection device shown in FIGS. 77 (a) and (b). FIG.
ホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂ（固定）に対して環状磁石１１０１を基準位置からＸ方向に沿って移動された場合には、一方のホールセンサ１１０２ａの出力信号は、図中の白四角のように減衰振動波形の出力信号を示し、他方のホールセンサ１１０２ｂの出力信号は、図中の黒丸のように、一方のホールセンサ１１０２ａの出力信号と位相のずれた減衰振動波形の出力信号を示す。
When the
図７９は、図７７（ａ），（ｂ）に示した回転位置検出装置内の位置検出回路の回路図である。回転位置検出装置１１００は、２個のホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂを有する駆動回路１１０５と、このホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う信号処理回路１１０６とを備えている。
79 is a circuit diagram of a position detection circuit in the rotational position detection device shown in FIGS. 77 (a) and 77 (b). The rotational
駆動回路１１０５は、１組のホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂと、これらのホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂに電圧を供給する電源部Ｖｄｄとから構成される。
The
第１のホールセンサ１１０２ａは、正極入力端子１１０２ａ（Ａ）と、正極出力端子１１０２ａ（Ｂ）と、負極入力端子１１０２ａ（Ｃ）と、負極出力端子１１０２ａ（Ｄ）とから構成される。
The
第２のホールセンサ１１０２ｂは、正極入力端子１１０２ｂ（Ｅ）と、正極出力端子１１０２ｂ（Ｆ）と、負極入力端子１１０２ｂ（Ｇ）と、負極出力端子１１０２ｂ（Ｈ）とから構成される。
The
正極出力端子１１０２ａ（Ｂ）と負極出力端子１１０２ａ（Ｄ）とは、差動増幅器１１０７ａの入力信号となり、差動増幅器１１０７ａからはＶ１１０１１が出力される。正極出力端子１１０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子１１０２ｂ（Ｈ）とは、差動増幅器１１０７ｂの入力信号となり、差動増幅器１１０７ｂからはＶ１１０２１が出力される。
The
信号処理部１１０６は、差動増幅器１１０７ａ，１１０７ｂと、計算処理部１１０８とにより構成される。この信号処理部１１０６では、ホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う。
The
＜実施例１０の回路動作＞
以下に、本実施例１０の回転位置検出装置１１００の動作について説明する。
図７９に示す信号処理部１１０６は、２個の磁気センサを搭載した基板に対して、磁石を移動方向へ所定の距離だけ移動した場合において、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力の所定の相関関係を用いることで位置検出を行うことができる。
<Circuit Operation of Example 10>
The operation of the rotational
The
例えば、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 For example, the position detection may be performed using a predetermined correlation of the calculated values obtained from the output values of the two magnetic sensors on the substrate with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet.
さらに、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力を所定倍した出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 Further, the position may be detected using a predetermined correlation of the calculated value obtained from the output value obtained by multiplying the output of the two magnetic sensors on the substrate by a predetermined value with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet. Good.
以下、回転位置検出回路の具体的な動作について詳細に説明する。
駆動回路１１０５において、第１のホールセンサ１１０２ａの正極入力端子１１０２ａ（Ａ）と、第２のホールセンサ１１０２ｂの正極入力端子１１０２ｂ（Ｅ）とが接続されることによって入力端子とされ、第１のホールセンサ１１０２ａの負極入力端子１１０２ａ（Ｃ）と、第２のホールセンサ１１０２ｂの負極入力端子１１０２ｂ（Ｇ）とが接続されることによって入力端子とされる。
Hereinafter, a specific operation of the rotational position detection circuit will be described in detail.
In the
第１のホールセンサ１１０２ａの正極出力端子１１０２ａ（Ｂ）と負極出力端子１１０２ａ（Ｄ）は、信号処理回路１１０６の第１の差動増幅器１１０７ａに接続され、第２のホールセンサ１１０２ｂの正極出力端子１１０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子１１０２ｂ（Ｈ）は、信号処理回路１１０６の第２の差動増幅器１１０７ｂに接続される。
The
第１の差動増幅器１１０７ａの出力端子と第２の差動増幅器１１０７ｂ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１１０８に伝達される。
The output terminal of the first
計算処理部１１０８は、以下の処理を行って位置検出を行う。
The
＜実施例１０の計算処理部の処理＞
計算処理部１１０８では、１周期内の任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持している。基板１１０３上に配置された２個の磁気センサ１１０２ａ，１１０２ｂにおいて、磁気センサ１１０２ａ及び１１０２ｂからのそれぞれの出力をＶ１１０１１，Ｖ１１０２１とした場合、出力Ｖ１１０１１，Ｖ１１０２１をそれぞれ実数倍した値、及びテーブル上に保持してある電気角Ｒ１１０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ１１０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ１１０１）の組を用いて、
ａ×Ｖ１１０１１×ｃｏｓ（Ｒ１１０１）
−ｂ×Ｖ１１０２１×ｓｉｎ（Ｒ１１０１）・・・（２１）
の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ１１０１をまず求める。ただし、ａ≠０かつｂ≠０である実数である。
<Processing of Calculation Processing Unit of Example 10>
In the
a × V11011 × cos (R1101)
-B * V11021 * sin (R1101) (21)
First, an electrical angle R1101 whose value is closest to zero is obtained. However, it is a real number in which a ≠ 0 and b ≠ 0.
次に
Ｖｏ１１＝√（（ａ×Ｖ１１０１１）2＋（ｂ×Ｖ１１０２１）2）・・・（２２）
の関係式から求められる値Ｖｏ１１及び電気角Ｒ１１０１を用いて、図１７で示される減衰振動波状出力においてＮ番目の周期であることを求める。なお、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『３』で示される曲線であるため、磁石の移動距離に対するＶｏ１１の値は単調減少とはならない場合が多い。そのため、減衰振動波状出力においてＮ番目の周期かどうかをＶｏ１１の値のみでは判断できない。そこでＶｏ１１及びＲ１１０１を用いて、次のようにしてＮ番目の周期であることを特定する。
Next, Vo11 = √ ((a × V11011) 2 + (b × V11021) 2 ) (22)
Using the value Vo11 and the electrical angle R1101 obtained from the relational expression, the Nth cycle is obtained in the damped vibration wave output shown in FIG. Since the curve connecting the output peak values of one Hall sensor is the curve indicated by “3” in FIG. 17, the value of Vo11 with respect to the moving distance of the magnet does not often monotonously decrease. For this reason, whether or not it is the Nth period in the damped vibration wave output cannot be determined only by the value of Vo11. Therefore, using Vo11 and R1101, the Nth cycle is specified as follows.
まず、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ１１の値をメモリに保持させる。保持させる値は、例えば、あらかじめシミュレーションにより求められた値を保持させておいても良いし、磁石を移動させて個別キャリブレーションを行う際に、ホールセンサ１１０２ａの出力Ｖ１１０１１がゼロを示した際のＶｏ１１の値を保持させておいても良い。次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ１１値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ１１値をＶ（Ｎ−１）とした場合、
（Ｖ（Ｎ−１）×Ｖｓ）≧Ｖｏ１１≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ１１０１≦Ｒｓ度
または、
Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ１１＞（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）
または、
（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）≧Ｖｏ１１≧Ｖ（Ｎ）かつＲ１１０１≧Ｒｓ度
であればＮ番目の周期であると特定する。ここで、Ｖｓ及びＲｓの値は位置検出装置１１００の構成毎に最適な数値を求める事が望ましいが、Ｖｓはおよそ百数％、Ｒｓは１００〜３４０度とすることで、位置検出が可能であることが多い。なお、ここでＮ＝１の場合、Ｖ（Ｎ−１）の電気角３６０度の値が無い場合がある。その場合は、Ｖ（Ｎ）のおよそ１．２倍以上の値をメモリに保持させれば良い。
First, the value of Vo11 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is held in the memory. The value to be held may be, for example, a value obtained in advance by simulation, or when the output V11011 of the
(V (N−1) × Vs) ≧ Vo11 ≧ V (N−1) and R1101 ≦ Rs degree or
V (N-1)>Vo11> (V (N) × Vs)
Or
If (V (N) × Vs) ≧ Vo11 ≧ V (N) and R1101 ≧ Rs degrees, the Nth cycle is specified. Here, it is desirable to obtain optimum values of Vs and Rs for each configuration of the
次に、求められた電気角Ｒ１１０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、
Ｐ１１００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ１１０１×Ｐ÷３６０）・・・（２３）
の関係式から求められる値Ｐ１１００を用いて位置検出を行う。ただし、Ｐは１周期の間に磁石が移動する距離である。
Next, using the obtained electrical angle R1101 and the Nth value of the cycle,
P1100 = P × (N−1) + (R1101 × P ÷ 360) (23)
Position detection is performed using a value P1100 obtained from the relational expression. Here, P is the distance that the magnet moves during one cycle.
なお、本実施例１０では、第１のホールセンサ１１０２ａと第２のホールセンサ１１０２ｂと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１１０７ａ，１１０７ｂ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。
In the tenth embodiment, the input terminals of the
＜実施例１０の位置検出例＞
次に、本発明に係る位置検出装置１１００の具体的な回転位置検出例について説明する。８．４ｍｍの位置検出範囲を、絶対位置検出する場合について示す。図７７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 in Example 10>
Next, a specific example of rotational position detection of the
図８０（ａ），（ｂ）は、図７７（ａ），（ｂ）に示した位置検出装置に対応する構成例を示す図で、図８０（ａ）は上面図、図８０（ｂ）は断面図である。 FIGS. 80A and 80B are diagrams showing a configuration example corresponding to the position detection device shown in FIGS. 77A and 77B. FIG. 80A is a top view and FIG. Is a cross-sectional view.
図８０（ａ），（ｂ）に示すように、環状磁石１１０１の外径の長さＡ１１０１ａ＝１２．５７ｍｍ、環状磁石１１０１の内径の長さＡ１１０１ｂ＝９．０ｍｍ、環状磁石１１０１の内径端から外径端までの幅方向の長さＡ１１０２＝１．７ｍｍ、環状磁石１１０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さＡ１１０３＝０．５ｍｍ、環状磁石１１０１の着磁された磁石の１周期分の内径の距離Ａ１１０４＝１．０ｍｍ、平面１１０９から、ホールセンサ１１０２ａもしくは１１０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ１１０１＝０．２５ｍｍ、第１のホールセンサ１１０２ａの感磁部の中心と、第２のホールセンサ１１０２ｂの感磁部の中心とを結ぶ距離Ｂ１１０２＝０．３ｍｍ、Ｘ―Ｙ平面から見た場合に、第１のホールセンサ１１０２ａの感磁部の中心及び、第２のホールセンサ１１０２ｂの感磁部の中心から、基板上の任意の点１１１０までの距離Ｂ１１０３＝５．１５ｍｍ、Ｘ―Ｙ平面から見た場合に、環状の磁石１１０１の内径から、基板上の任意の点１１１０までの距離Ｂ１１０４＝４．３ｍｍとする。
As shown in FIGS. 80A and 80B, the length A1101a of the outer diameter of the
上記設計の際、ホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂを１つのパッケージ内に搭載する方が、ホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂ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１１０２ａ，１１０２ｂを設けることも可能である。
In the above design, mounting the
従って、第１のホールセンサ１１０２ａと第２のホールセンサ１１０２ｂ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８１及び図８２は、磁石の移動距離に対するホールセンサの出力電圧の関係を示す図である。 81 and 82 are diagrams showing the relationship of the output voltage of the Hall sensor with respect to the moving distance of the magnet.
図８１は、磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ１１０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ１１０１１の変化Ｌ１１０１１を示す図である。図８２は、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ１１０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ１１０２１の変化Ｌ１１０２１を示す図である。
FIG. 81 is a diagram showing a change L11011 of a
図８３は、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ１１０１１）2＋（２×Ｖ１１０２１）2）の変化Ｌ１１０３１を示す図である。 FIG. 83 is a diagram showing a change L11031 of √ ((2 × V11011) 2 + (2 × V11021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet.
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１１０２ａ，１１０２ｂの感度を２．２ｍＶ／ｍＴ（一般的なホールセンサの感度）、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『３』で示される曲線になるよう、環状磁石１１０１の各極における中央の表面磁束密度の絶対値が、２００ｍＴ〜７０ｍＴまで単調減少するよう着磁されているとして行う。
As a premise of the magnetic simulation, the sensitivity of the two
図８３に示した、磁石の移動距離に対する√（（２×Ｖ１１０１１）2＋（２×Ｖ１１０２１）2）の変化Ｌ１１０３１は、単調減少していないため、位置検出は出来ない。そのため、次に示す演算を行い、位置検出を行う。 The change L11031 of √ ((2 × V11011) 2 + (2 × V11021) 2 ) with respect to the moving distance of the magnet shown in FIG. 83 is not monotonously decreasing, and therefore position detection cannot be performed. Therefore, the following calculation is performed to detect the position.
あらかじめ電気角で３６０／１０２４度毎（＝１０ｂｉｔで分割）の、正弦波と余弦波の値の組をテーブルに保持しておく。磁石の移動距離に対する第１のホールセンサ１１０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ１１０１１と、磁石の移動距離に対する第２のホールセンサ１１０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ１１０２１の変化Ｌ１１０２１と、任意の電気角Ｒ１１０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ１１０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ１１０１）の組を用いて、２×Ｖ１１０１１×ｃｏｓ（Ｒ１１０１）−２×Ｖ１１０２１×ｓｉｎ（Ｒ１１０１）の値が最もゼロに近づくＲ１１０１を求める。
A set of values of sine wave and cosine wave every 360/1024 degrees in electrical angle (= divided by 10 bits) is held in advance in a table. A
次に、Ｖｏ１１＝√（（２×Ｖ１１０１１）2＋（２×Ｖ１１０２１）2）の関係式からＶｏ１１を求める。 Next, Vo11 is obtained from the relational expression of Vo11 = √ ((2 × V11011) 2 + (2 × V11021) 2 ).
次に、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ１１の値をメモリに保持させる。本実施例１０では、
１周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１１＝３８８．３９ｍＶ
２周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１１＝３４９．０９ｍＶ
３周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１１＝３０８．８４ｍＶ
４周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１１＝２６８．４１ｍＶ
５周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１１＝２２７．９８ｍＶ
６周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１１＝１８８．０６ｍＶ
７周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１１＝１５１．３５ｍＶ
をメモリに保持させることになる。
Next, the value of Vo11 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is held in the memory. In Example 10,
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the first cycle, Vo11 = 388.39 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the second period, Vo11 = 349.09 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the third period, Vo11 = 308.84 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fourth period, Vo11 = 268.41 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the fifth cycle, Vo11 = 227.98 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the sixth cycle, Vo11 = 188.06 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the seventh cycle, Vo11 = 151.35 mV
Is stored in the memory.
なお、１周期目であることを特定するためには、０周期目の３６０度の場合のＶｏ１１もメモリに保持させる必要がある。この場合、１周期目の電気角３６０度のＶｏ１１の値の１．２倍の値をメモリに保持させる。 In order to specify the first cycle, Vo11 in the case of 360 degrees in the 0th cycle also needs to be held in the memory. In this case, a value 1.2 times the value of Vo11 at the electrical angle of 360 degrees in the first cycle is held in the memory.
０周期目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１１＝４６６．０７ｍＶ
次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ１１値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ１１値をＶ（Ｎ−１）とした場合、（Ｖ（Ｎ−１）×１．０６）≧Ｖｏ１１≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ１１０１≦２５０度、または、Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ１１＞（Ｖ（Ｎ）×１．０６）、または、（Ｖ（Ｎ）×１．０６）≧Ｖｏ１１≧Ｖ（Ｎ）かつＲ１１０１≧２５０度であればＮ番目の周期であると特定する。
In the case of an electrical angle of 360 degrees in the 0th cycle, Vo11 = 466.07 mV
Next, when the Vo11 value at the electrical angle 360 degrees in the Nth cycle is V (N) and the Vo11 value at the electrical angle 360 degrees in the N−1th cycle is V (N−1), (V ( N-1) × 1.06) ≧ Vo11 ≧ V (N−1) and R1101 ≦ 250 degrees, or V (N−1)>Vo11> (V (N) × 1.06), or (V If (N) × 1.06) ≧ Vo11 ≧ V (N) and R1101 ≧ 250 degrees, the Nth cycle is specified.
次に、求められた電気角Ｒ１１０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、Ｐ１１００＝１０００×（Ｎ−１）＋（Ｒ１１０１×１０００÷３６０）の関係式から求められる値Ｐ１１００を用いて位置検出を行う。 Next, position detection is performed using a value P1100 obtained from the relational expression P1100 = 1000 × (N−1) + (R1101 × 1000 ÷ 360) using the obtained electrical angle R1101 and the Nth value of the period. Do.
図８４は、磁石の移動距離に対するＰ１１００の変化Ｌ１１０４１を示す図である。図８４より８．４ｍｍの位置検出範囲において、Ｐ１１００が高い線形性を持つことがわかる。 FIG. 84 is a diagram showing a change L11041 in P1100 with respect to the moving distance of the magnet. FIG. 84 shows that P1100 has high linearity in the position detection range of 8.4 mm.
図８５は、磁石の移動距離に対する、実際の位置とＰ１１００との誤差の変化Ｌ１１０５１を示す図である。図８５より８．４ｍｍの位置検出範囲において、±１７μｍ以内の誤差で絶対位置検出可能であることがわかる。 FIG. 85 is a diagram showing a change L11051 in error between the actual position and P1100 with respect to the moving distance of the magnet. FIG. 85 shows that the absolute position can be detected with an error within ± 17 μm within the position detection range of 8.4 mm.
なお、着磁強度のバラツキや実装バラツキ等、各種誤差がある場合は、当然磁気シミュレーション結果Ｌ１１０５１は、位置検出誤差が大きくなる可能性がある。この位置検出誤差が、所望の位置検出精度より大きい場合は、位置検出誤差を小さくするために、その他実施例（例えば実施例６）を適用すると良い。 If there are various errors such as variations in magnetization intensity and mounting variations, naturally, the magnetic simulation result L11051 may have a large position detection error. When this position detection error is larger than the desired position detection accuracy, another embodiment (for example, embodiment 6) may be applied to reduce the position detection error.
上述のように演算中の係数ａ及びｂ及びＶｓ及びＲｓの値をそれぞれ、ａ＝ｂ＝２、Ｖｓ＝１０６％、Ｒｓ＝２５０度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１１００において、環状磁石１１０１の外径の長さＡ１１０１ａ、環状磁石１１０１の内径の長さＡ１１０１ｂ、環状磁石１１０１の内径端から外径端までの幅方向の長さＡ１１０２、環状磁石１１０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さＡ１１０３、環状磁石１１０１の着磁された磁石の１周期分の内径の距離Ａ１１０４、平面１１０９から、ホールセンサ１１０２ａもしくは１１０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ１１０１、第１のホールセンサ１１０２ａの感磁部の中心と、第２のホールセンサ１１０２ｂの感磁部の中心とを結ぶ距離Ｂ１１０２、Ｘ―Ｙ平面から見た場合に、第１のホールセンサ１１０２ａの感磁部の中心及び、第２のホールセンサ１１０２ｂの感磁部の中心から、基板上の任意の点１１１０までの距離Ｂ１１０３、Ｘ―Ｙ平面から見た場合に、環状の磁石１１０１の内径から、基板上の任意の点１１１０までの距離Ｂ１１０４を最適化することで、比較例よりも良い結果が得られる。
As described above, the calculation is performed with the values of the coefficients a and b and Vs and Rs being calculated as a = b = 2, Vs = 106%, and Rs = 250 degrees. In the
以上のような位置検出処理を行うことによって、以下に示す効果を得ることができる。 By performing the position detection process as described above, the following effects can be obtained.
ホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂ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。
Two
また、ホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂ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１１０２ａ，１１０２ｂ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
以上説明したように、配置された基板の任意の点から同距離で、感磁方向が配置された基板に対して垂直な２個のホールセンサを１組とし、基板上の任意の点から、基板から垂直に伸びたＺ方向を軸として、回転可能に支持し、Ｘ―Ｙ平面から見た場合に、基板上の任意の点から内径までの距離が全て等距離であり、Ｘ―Ｙ平面から見た場合に、基板上の任意の点から外径までの距離が全て等距離であり、基板に対して垂直方向にＮ極とＳ極が着磁された磁石を配置し、２個のホールセンサの出力を実数倍した出力をＶ１１０１１，Ｖ１１０２１とし、任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持し、任意の電気角Ｒ１１０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ１１０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ１１０１）とし、１周期の間に磁石が移動する距離をＰとした場合、ａ×Ｖ１１０１１×ｃｏｓ（Ｒ１１０１）−ｂ×Ｖ１１０２１×ｓｉｎ（Ｒ１１０１）の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ１１０１と、Ｖｏ１１＝√（（ａ×Ｖ１１０１１）2＋（ｂ×Ｖ１１０２１）2）の関係式から得られる値Ｖｏ１１とを用いて得られた周期Ｎ番目と、電気角Ｒ１１０１とから、Ｐ１１００＝Ｐ×（Ｎ−１）＋（Ｒ１１０１×Ｐ÷３６０）の関係式を用いて位置検出を行う（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）信号処理回路を設けたので、ホールセンサを磁気センサとして用いて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、また、広範囲な距離を高精度に、かつ絶対位置検出を行うことが可能な、位置検出装置とその位置検出装置を用いた電子機器を作製することが可能になる。 As described above, a set of two Hall sensors that are the same distance from an arbitrary point on the arranged substrate and perpendicular to the substrate on which the magnetic sensing direction is arranged, and from any point on the substrate, When supported from the XY plane, the distance from any point on the substrate to the inner diameter is all equal, and the XY plane When viewed from above, the distances from any point on the substrate to the outer diameter are all equal, and magnets with N and S poles magnetized in a direction perpendicular to the substrate are arranged, Outputs obtained by multiplying the output of the Hall sensor by a real number are set to V11011 and V11021, and a set of a sine wave value and a cosine wave value corresponding to an arbitrary electrical angle is previously stored on a table, and a sine wave at an arbitrary electrical angle R1101 Value sin (R1101) and cosine wave value cos (R110) ) And the distance that the magnet moves during one cycle is P, the electrical angle R1101 where the value of a × V11011 × cos (R1101) −b × V11021 × sin (R1101) is closest to zero, and Vo11 = From the period Nth obtained using the value Vo11 obtained from the relational expression √ ((a × V11011) 2 + (b × V11021) 2 ) and the electrical angle R1101, P1100 = P × (N−1) ) + (R1101 × P ÷ 360) Position detection is performed using a relational expression (however, a real number where a ≠ 0 and b ≠ 0), so that a component using a Hall sensor as a magnetic sensor Even if it is configured with general-purpose products or easily available parts, it is possible to achieve downsizing with a simple configuration, and it is possible to detect absolute position over a wide range with high accuracy. Do, it is possible to produce an electronic device using the position detecting device and the position detecting device.
本発明に係る位置検出装置の実施例１１を図８６（ａ）,（ｂ）乃至図９４に基づいて以下に説明する。本実施例１１の位置検出装置は、回転角度検出装置である。 An eleventh embodiment of the position detection apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 86 (a) and 86 (b) to FIG. The position detection device of the eleventh embodiment is a rotation angle detection device.
＜実施例１１の構成＞
図８６（ａ），（ｂ）は、本発明に係る位置検出装置の実施例１１を説明するための概略構成図で、回転軌道上に整列した２個のホールセンサを使用した場合の回転角度検出装置を示し、図８６（ａ）は上面図、図８６（ｂ）は断面図を示している。
<Configuration of Example 11>
86 (a) and 86 (b) are schematic configuration diagrams for explaining the eleventh embodiment of the position detecting device according to the present invention, and the rotation angle when two Hall sensors aligned on the rotation track are used. FIG. 86 (a) is a top view and FIG. 86 (b) is a cross-sectional view showing the detection device.
回転角度検出装置１２００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）１２０２ａ，１２０２ｂと、ホールセンサ１２０２ａ（第１のホールセンサ）と、ホールセンサ１２０２ｂ（第２のホールセンサ）と、これら２つのホールセンサを実装した基板１２０３と、Ｎ極Ｓ極がそれぞれ１極であり、基板１２０３に水平方向に着磁された円柱状磁石（磁束発生手段）１２０１と、を備えている。なお、本発明に係る位置検出装置１２００は、様々な種類の磁石と、種々なホールセンサとを用いて構成できる。
The rotation
ホールセンサ１２０２ａ，１２０２ｂは、基板１２０３上に所定の間隔で配置され、感磁方向が基板１２０３に対して垂直である。円柱状磁石１２０１は、ホールセンサ１２０２ａ，１２０２ｂからの信号を所定の演算を行った際に、図８７に示される信号となるよう着磁された構成となっており、円面と基板１２０３は水平であり、円の中心間を軸として回転可能に配置されており、１回転する毎に基板１２０３から所定の距離離れるよう配置されている。
The
円柱状磁石１２０１のＮ極とＳ極が１極ずつ着磁されており、移動方向は、ホールセンサ１２０２ａ，１２０２ｂ又は円柱状磁石１２０１が、任意の軸を中心に回転する方向である。
The N and S poles of the
図８７は、図８６（ａ），（ｂ）に示した回転角度検出装置において、円柱状磁石又は２個のホールセンサを回転させた際に得られる２個のホールセンサの出力信号を示す波形図である。 FIG. 87 is a waveform showing output signals of the two hall sensors obtained when the cylindrical magnet or the two hall sensors are rotated in the rotation angle detection device shown in FIGS. 86 (a) and 86 (b). FIG.
ホールセンサ１２０２ａ，１２０２ｂ（固定）に対して円柱状磁石１２０１を基準位置からＸ方向に沿って回転された場合には、一方のホールセンサ１２０２ａの出力信号は、図中の白四角のように減衰振動波形の出力信号を示し、他方のホールセンサ１２０２ｂの出力信号は、図中の黒丸のように、一方のホールセンサ１２０２ａの出力信号と位相のずれた減衰振動波形の出力信号を示す。
When the
円柱状磁石１２０１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１２０３に対して水平方向に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１２０２ａの感磁部中心と、第２のホールセンサ１２０２ｂの感磁部中心は、円柱状磁石の回転軸を基板１２０３上に投影した点１２１０から同距離であり、第１のホールセンサ１２０２ａの感磁部中心を基板１２０３上に投影した点１２１１と点１２１０を結んだ直線１２１２と、第２のホールセンサ１２０２ｂの感磁部中心を基板１２０３上に投影した点１２１３と点１２１０を結んだ直線１２１４とが９０度の角度を以って配置されている。
The magnetic sensor center of the
図８６（ａ），（ｂ）において、Ａ１２０１は円柱状磁石１２０１の半径の長さ、Ａ１２０２は円柱状磁石１２０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さをそれぞれ示す。また、Ｂ１２０１は、円柱状磁石１２０１と基板１２０３が最近接した場合の、円柱状磁石１２０１から、ホールセンサ１２０２ａもしくは１２０２ｂの感磁部の中心までの距離を示す。Ｂ１２０２は、点１２１０から、点１２１１もしくは点１２１３までの距離を示す。
86A and 86B, A1201 indicates the length of the radius of the
ホールセンサ１１０２ａ，１１０２ｂ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。
図８８は、図８６（ａ），（ｂ）に示した回転角度検出装置内の回転角度検出回路の回路図である。 FIG. 88 is a circuit diagram of a rotation angle detection circuit in the rotation angle detection device shown in FIGS. 86 (a) and 86 (b).
回転角度検出装置１２００は、２個のホールセンサ１２０２ａ，１２０２ｂを有する駆動回路１２０５と、このホールセンサ１２０２ａ，１２０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う信号処理回路１２０６とを備えている。
The rotation
駆動回路１２０５は、１組のホールセンサ１２０２ａ，１２０２ｂと、これらのホールセンサ１２０２ａ，１２０２ｂに電圧を供給する電源部Ｖｄｄとから構成される。
The
第１のホールセンサ１２０２ａは、正極入力端子１２０２ａ（Ａ）と、正極出力端子１２０２ａ（Ｂ）と、負極入力端子１２０２ａ（Ｃ）と、負極出力端子１２０２ａ（Ｄ）とから構成される。
The
第２のホールセンサ１２０２ｂは、正極入力端子１２０２ｂ（Ｅ）と、正極出力端子１２０２ｂ（Ｆ）と、負極入力端子１２０２ｂ（Ｇ）と、負極出力端子１２０２ｂ（Ｈ）とから構成される。
The
正極出力端子１２０２ａ（Ｂ）と負極出力端子１２０２ａ（Ｄ）とは、差動増幅器１２０７ａの入力信号となり、差動増幅器１２０７ａからはＶ１２０１１が出力される。正極出力端子１２０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子１２０２ｂ（Ｈ）とは、差動増幅器１２０７ｂの入力信号となり、差動増幅器１２０７ｂからはＶ１２０２１が出力される。
The
信号処理部１２０６は、差動増幅器１２０７ａ，１２０７ｂと、計算処理部１２０８とにより構成される。この信号処理部１２０６では、ホールセンサ１２０２ａ，１２０２ｂからのそれぞれの出力に基づいて位置検出を行う。
The
＜実施例１１の回路動作＞
以下に、本実施例１１の回転角度検出装置１２００の動作について説明する。
図８８に示す信号処理部１２０６は、２個の磁気センサを搭載した基板に対して、磁石を移動方向へ所定の距離だけ移動した場合において、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力の所定の相関関係を用いることで位置検出を行うことができる。
<Circuit Operation of Example 11>
The operation of the rotation
The
例えば、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 For example, the position detection may be performed using a predetermined correlation of the calculated values obtained from the output values of the two magnetic sensors on the substrate with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet.
さらに、磁石の移動方向への移動距離に対する、基板上の２個の磁気センサの出力を所定倍した出力値から得られた演算値の所定の相関関係を用いて位置検出を行うようにしてもよい。 Further, the position may be detected using a predetermined correlation of the calculated value obtained from the output value obtained by multiplying the output of the two magnetic sensors on the substrate by a predetermined value with respect to the moving distance in the moving direction of the magnet. Good.
以下、回転角度検出回路の具体的な動作について以下に詳細に説明する。
駆動回路１２０５において、第１のホールセンサ１２０２ａの正極入力端子１２０２ａ（Ａ）と、第２のホールセンサ１２０２ｂの正極入力端子１２０２ｂ（Ｅ）とが接続されることによって入力端子とされ、第１のホールセンサ１２０２ａの負極入力端子１２０２ａ（Ｃ）と、第２のホールセンサ１２０２ｂの負極入力端子１２０２ｂ（Ｇ）とが接続されることによって入力端子とされる。
The specific operation of the rotation angle detection circuit will be described in detail below.
In the
第１のホールセンサ１２０２ａの正極出力端子１２０２ａ（Ｂ）と負極出力端子１２０２ａ（Ｄ）は、信号処理回路１２０６の第１の差動増幅器１２０７ａに接続され、第２のホールセンサ１２０２ｂの正極出力端子１２０２ｂ（Ｆ）と負極出力端子１２０２ｂ（Ｈ）は、信号処理回路１２０６の第２の差動増幅器１２０７ｂに接続される。
The
第１の差動増幅器１２０７ａの出力端子と第２の差動増幅器１２０７ｂ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１２０８に伝達される。
The output terminal of the first
計算処理部１２０８は、以下の処理を行って位置検出を行う。
The
＜実施例１１の計算処理部の処理＞
計算処理部１２０８では、１周期内の任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持している。基板１２０３上に配置された２個の磁気センサ１２０２ａ，１２０２ｂにおいて、磁気センサ１２０２ａ及び１２０２ｂからのそれぞれの出力をＶ１２０１１，Ｖ１２０２１とした場合、出力Ｖ１２０１１，Ｖ１２０２１をそれぞれ実数倍した値、及びテーブル上に保持してある電気角Ｒ１２０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ１２０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ１２０１）の組を用いて、
ａ×Ｖ１２０１１×ｃｏｓ（Ｒ１２０１）
−ｂ×Ｖ１２０２１×ｓｉｎ（Ｒ１２０１）・・・（２４）
の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ１２０１をまず求める。ただし、ａ≠０かつｂ≠０である実数である。
<Processing of Calculation Processing Unit of Example 11>
In the
a × V12011 × cos (R1201)
-B * V12021 * sin (R1201) (24)
First, an electrical angle R1201 that is closest to zero is obtained. However, it is a real number in which a ≠ 0 and b ≠ 0.
次に
Ｖｏ１２＝√（（ａ×Ｖ１２０１１）2＋（ｂ×Ｖ１２０２１）2）・・・（２５）
の関係式から求められる値Ｖｏ１２及び電気角Ｒ１２０１を用いて、図１７で示される減衰振動波状出力においてＮ番目の周期であることを求める。なお、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『３』で示される曲線であるため、磁石の移動距離に対するＶｏ１２の値は単調減少とはならない場合が多い。そのため、減衰振動波状出力においてＮ番目の周期かどうかをＶｏ１２の値のみでは判断できない。そこでＶｏ１２及びＲ１２０１を用いて、次のようにしてＮ番目の周期であることを特定する。
Next, Vo12 = √ ((a × V12011) 2 + (b × V12021) 2 ) (25)
Using the value Vo12 and the electrical angle R1201 obtained from the relational expression, the Nth cycle is obtained in the damped vibration wave output shown in FIG. Since the curve connecting the output peak values of one Hall sensor is the curve indicated by “3” in FIG. 17, the value of Vo12 with respect to the moving distance of the magnet does not often monotonously decrease. For this reason, it is not possible to determine whether or not it is the Nth period in the damped vibration wave output only by the value of Vo12. Therefore, using Vo12 and R1201, the Nth cycle is specified as follows.
まず、周期毎の電気角３６０度におけるＶｏ１２の値をメモリに保持させる。保持させる値は、例えば、あらかじめシミュレーションにより求められた値を保持させておいても良いし、磁石を移動させて個別キャリブレーションを行う際に、ホールセンサ１２０２ａの出力Ｖ１２０１１がゼロを示した際のＶｏ１２の値を保持させておいても良い。次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ１２値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ１２値をＶ（Ｎ−１）とした場合、
（Ｖ（Ｎ−１）×Ｖｓ）≧Ｖｏ１２≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ１２０１≦Ｒｓ度
または、
Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ１２＞（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）
または、
（Ｖ（Ｎ）×Ｖｓ）≧Ｖｏ１２≧Ｖ（Ｎ）かつＲ１２０１≧Ｒｓ度
であればＮ番目の周期であると特定する。ここで、Ｖｓ及びＲｓの値は位置検出装置１２００の構成毎に最適な数値を求める事が望ましいが、Ｖｓはおよそ百数％、Ｒｓは１００〜３４０度とすることで、位置検出が可能であることが多い。なお、ここでＮ＝１の場合、Ｖ（Ｎ−１）の電気角３６０度の値が無い場合がある。その場合は、Ｖ（Ｎ）のおよそ１．２倍以上の値をメモリに保持させれば良い。
First, the value of Vo12 at an electrical angle of 360 degrees per cycle is stored in the memory. As the value to be held, for example, a value obtained in advance by simulation may be held, or when the individual calibration is performed by moving the magnet, when the output V12011 of the
(V (N−1) × Vs) ≧ Vo12 ≧ V (N−1) and R1201 ≦ Rs degree or
V (N-1)>Vo12> (V (N) × Vs)
Or
If (V (N) × Vs) ≧ Vo12 ≧ V (N) and R1201 ≧ Rs degree, the Nth cycle is specified. Here, it is desirable to obtain optimum values of Vs and Rs for each configuration of the
次に求められた電気角Ｒ１２０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、
Ｐ１２００＝３６０×（Ｎ−１）＋Ｒ１２０１・・・（２６）
の関係式から求められる値Ｐ１２００を用いて位置検出を行う。
Next, using the obtained electrical angle R1201 and the Nth value of the cycle,
P1200 = 360 × (N−1) + R1201 (26)
Position detection is performed using a value P1200 obtained from the relational expression.
なお、本実施例１１では、第１のホールセンサ１２０２ａと第２のホールセンサ１２０２ｂと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１２０７ａ，１２０７ｂ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。
In the eleventh embodiment, the input terminals of the
＜実施例１１の位置検出例＞
次に、本発明に係る回転角度検出装置１２００の具体的な回転角度の検出例について説明する。円柱状磁石が７回転する際の回転角度を検出する場合について示す。図８６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 in Example 11>
Next, a specific example of detecting the rotation angle of the rotation
図８９（ａ），（ｂ）は、図８６（ａ），（ｂ）に示した回転角度検出装置に対応する構成例を示す図で、図８９（ａ）は上面図、図８９（ｂ）は断面図である。 89 (a) and 89 (b) are diagrams showing a configuration example corresponding to the rotation angle detecting device shown in FIGS. 86 (a) and 86 (b). FIG. 89 (a) is a top view and FIG. ) Is a cross-sectional view.
図８９（ａ），（ｂ）に示すように、円柱状磁石１２０１の半径Ａ１２０１＝２．５ｍｍ、円柱状磁石１２０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さＡ１２０２＝１．５ｍｍ、円柱状磁石１２０１と基板１２０３が最近接した場合の、円柱状磁石１２０１から、ホールセンサ１２０２ａもしくは１２０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ１２０１＝１．５ｍｍ、点１２１０から、点１２１１もしくは点１２１３までの距離Ｂ１２０２＝２．０ｍｍとする。なお、円柱状磁石は１回転する毎に、基板１２０３から０．１ｍｍ離れるよう設置されている。
As shown in FIGS. 89 (a) and 89 (b), the radius A1201 of the
上記設計の際、ホールセンサ１２０２ａ，１２０２ｂを１つのパッケージ内に搭載する方が、ホールセンサ１２０２ａ，１２０２ｂ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１２０２ａ，１２０２ｂを設けることも可能である。
In the above design, mounting the
従って、第１のホールセンサ１２０２ａと第２のホールセンサ１２０２ｂ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９０及び図９１は、磁石の回転角度に対するホールセンサの出力電圧の関係を示す図である。 90 and 91 are diagrams showing the relationship of the output voltage of the Hall sensor with respect to the rotation angle of the magnet.
図９０は、磁石の回転角度に対する第１のホールセンサ１２０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ１２０１１の変化Ｌ１２０１１を示す図である。図９１は、磁石の回転角度に対する第２のホールセンサ１２０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ１２０２１の変化Ｌ１２０２１を示す図である。
FIG. 90 is a diagram illustrating a change L12011 of a
図９２は、磁石の回転角度に対する√（（２×Ｖ１２０１１）2＋（２×Ｖ１２０２１）2）の変化Ｌ１２０３１を示す図である。 FIG. 92 is a diagram showing a change L12031 of √ ((2 × V12011) 2 + (2 × V12021) 2 ) with respect to the rotation angle of the magnet.
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１２０２ａ，１２０２ｂの感度を２．２ｍＶ／ｍＴ（一般的なホールセンサの感度）、１つのホールセンサの出力ピーク値を結んだ曲線が図１７の『３』で示される曲線になるよう、円柱状磁石１２０１の残留磁束密度が１３００ｍＴとなるよう着磁されているとして行う。
As a premise of the magnetic simulation, the sensitivity of the two
図９２に示した、磁石の回転角度に対する√（（２×Ｖ１２０１１）2＋（２×Ｖ１２０２１）2）の変化Ｌ１２０３１は、単調減少していないため、位置検出は出来ない。そのため、次に示す演算を行い、位置検出を行う。 The change L12031 of √ ((2 × V12011) 2 + (2 × V12021) 2 ) with respect to the rotation angle of the magnet shown in FIG. 92 is not monotonously decreasing, and therefore position detection cannot be performed. Therefore, the following calculation is performed to detect the position.
あらかじめ電気角で３６０／１０２４度毎（＝１０ｂｉｔで分割）の、正弦波と余弦波の値の組をテーブルに保持しておく。磁石の回転角度に対する第１のホールセンサ１２０２ａの出力電圧を２倍した値２×Ｖ１２０１１と、磁石の回転角度に対する第２のホールセンサ１２０２ｂの出力電圧を２倍した値２×Ｖ１２０２１の変化Ｌ１２０２１と、任意の電気角Ｒ１２０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ１２０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ１２０１）の組を用いて、２×Ｖ１２０１１×ｃｏｓ（Ｒ１２０１）−２×Ｖ１２０２１×ｓｉｎ（Ｒ１２０１）の値が最もゼロに近づくＲ１２０１を求める。
A set of values of sine wave and cosine wave every 360/1024 degrees in electrical angle (= divided by 10 bits) is held in advance in a table. A
次に、Ｖｏ１２＝√（（２×Ｖ１２０１１）2＋（２×Ｖ１２０２１）2）の関係式からＶｏ１２を求める。 Next, Vo12 is obtained from a relational expression of Vo12 = √ ((2 × V12011) 2 + (2 × V12021) 2 ).
次に、回転数毎の電気角３６０度におけるＶｏ１２の値をメモリに保持させる。 Next, the value of Vo12 at an electrical angle of 360 degrees for each rotation speed is held in the memory.
本実施例１１では、
１回転目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１２＝３３０．０８ｍＶ
２回転目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１２＝３０６．０５ｍＶ
３回転目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１２＝２８４．０４ｍＶ
４回転目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１２＝２６３．８６ｍＶ
５回転目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１２＝２４５．３３ｍＶ
６回転目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１２＝２２８．３１ｍＶ
７回転目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１２＝２１２．６４ｍＶ
をメモリに保持させることになる。
In this Example 11,
In the case of the electrical angle of the first rotation of 360 degrees, Vo12 = 330.08 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees for the second rotation, Vo12 = 306.05 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees for the third rotation, Vo12 = 284.04 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees for the fourth rotation, Vo12 = 263.86 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees for the fifth rotation, Vo12 = 245.33 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees for the sixth rotation, Vo12 = 228.31 mV
In the case of an electrical angle of 360 degrees at the seventh rotation, Vo12 = 212.64 mV
Is stored in the memory.
なお、１回転目であることを特定するためには、０回転目の３６０度の場合のＶｏ１２もメモリに保持させる必要がある。この場合、１回転目の電気角３６０度のＶｏ１２の値の１．２倍の値をメモリに保持させる。 In order to specify that the rotation is the first rotation, Vo12 in the case of 360 degrees of the 0th rotation needs to be held in the memory. In this case, a value 1.2 times the value of Vo12 at the electrical angle of 360 ° for the first rotation is stored in the memory.
０回転目の電気角３６０度の場合、Ｖｏ１２＝３９６．１０ｍＶ
次に、Ｎ番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ１２値をＶ（Ｎ）とし、Ｎ−１番目の周期の電気角３６０度におけるＶｏ１２値をＶ（Ｎ−１）とした場合、（Ｖ（Ｎ−１）×１．０５）≧Ｖｏ１２≧Ｖ（Ｎ−１）かつＲ１２０１≦３１０度、または、Ｖ（Ｎ−１）＞Ｖｏ１２＞（Ｖ（Ｎ）×１．０５）、または、（Ｖ（Ｎ）×１．０５）≧Ｖｏ１２≧Ｖ（Ｎ）かつＲ１２０１≧３１０度であればＮ番目の周期であると特定する。
When the electrical angle at the 0th rotation is 360 degrees, Vo12 = 396.10 mV
Next, when the Vo12 value at the electrical angle 360 degrees of the Nth cycle is V (N) and the Vo12 value at the electrical angle 360 degrees of the N−1th cycle is V (N−1), (V ( N-1) × 1.05) ≧ Vo12 ≧ V (N−1) and R1201 ≦ 310 degrees, or V (N−1)>Vo12> (V (N) × 1.05), or (V If (N) × 1.05) ≧ Vo12 ≧ V (N) and R1201 ≧ 310 degrees, the Nth cycle is specified.
次に、求められた電気角Ｒ１２０１及び周期Ｎ番目の値を用いて、Ｐ１２００＝３６０×（Ｎ−１）＋Ｒ１２０１の関係式から求められる値Ｐ１２００を用いて回転角度検出を行う。 Next, rotation angle detection is performed using a value P1200 obtained from the relational expression P1200 = 360 × (N−1) + R1201 using the obtained electrical angle R1201 and the Nth value of the period.
図９３は、磁石の回転角度に対するＰ１２００の変化Ｌ１２０４１を示す図である。図９３より７回転の回転角度検出範囲において、Ｐ１２００が高い線形性を持つことがわかる。 FIG. 93 is a diagram showing a change L12041 in P1200 with respect to the rotation angle of the magnet. FIG. 93 shows that P1200 has high linearity in the rotation angle detection range of 7 rotations.
図９４は、磁石の移動距離に対する、実際の角度とＰ１２００との誤差の変化Ｌ１２０５１を示す図である。図９４より７回転の回転角度検出範囲において、４度以内の誤差で回転角度検出可能であることがわかる。 FIG. 94 is a diagram showing a change L12051 in error between the actual angle and P1200 with respect to the moving distance of the magnet. It can be seen from FIG. 94 that the rotation angle can be detected with an error within 4 degrees in the rotation angle detection range of 7 rotations.
なお、着磁強度のバラツキや実装バラツキ等、各種誤差がある場合は、当然磁気シミュレーション結果Ｌ１２０５１は、位置検出誤差が大きくなる可能性がある。この位置検出誤差が、所望の位置検出精度より大きい場合は、位置検出誤差を小さくするために、その他実施例（例えば、実施例６の演算を参照）を適用すると良い。 If there are various errors such as variations in magnetization intensity and mounting variations, naturally the magnetic simulation result L12051 may have a large position detection error. When this position detection error is larger than the desired position detection accuracy, another embodiment (for example, refer to the calculation in the sixth embodiment) may be applied to reduce the position detection error.
上述のように演算中の係数ａ，ｂ及びＶｓ，Ｒｓの値をそれぞれ、ａ＝ｂ＝２、Ｖｓ＝１０５％、Ｒｓ＝３１０度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１２００において、円柱状磁石１２０１の半径Ａ１２０１、円柱状磁石１２０１の厚み（着磁）方向Ｚの長さＡ１２０２、円柱状磁石１２０１と基板１２０３が最近接した場合の、円柱状磁石１２０１から、ホールセンサ１２０２ａもしくは１２０２ｂの感磁部の中心までの距離Ｂ１２０１、点１２１０から、点１２１１もしくは点１２１３までの距離Ｂ１２０２を最適化し、さらに、円柱状磁石が１回転する毎に、基板１２０３から所定の距離離れるよう設置することで、比較例よりも良い結果が得られる。
As described above, the values of the coefficients a and b and Vs and Rs being calculated are calculated with a = b = 2, Vs = 105%, and Rs = 310 degrees, respectively. In the
以上のような位置検出処理を行うことによって、以下に示す効果を得ることができる。 By performing the position detection process as described above, the following effects can be obtained.
ホールセンサ１２０２ａ，１２０２ｂ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。
Two
また、ホールセンサ１２０２ａ，１２０２ｂ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１２０２ａ，１２０２ｂ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
以上説明したように、２個のホールセンサが配置された基板と円面が水平であり、円の中心間を軸として回転可能に配置されており、基板に対して水平方向にＮ極とＳ極が着磁され、１回転する毎に基板から所定の距離離れるよう配置された磁石と、磁石の回転軸を基板上に投影した点から同距離で、第１のホールセンサの感磁部中心を基板上に投影した点と円柱状磁石の回転軸を基板上に投影した点を結んだ直線と、第２のホールセンサの感磁部中心を基板上に投影した点と円柱状磁石の回転軸を基板上に投影した点を結んだ直線とが９０度の角度を以って配置され、感磁方向が配置された基板に対して垂直な２個のホールセンサを１組とし、２個のホールセンサの出力を実数倍した出力をＶ１２０１１，Ｖ１２０２１とし、任意の電気角に相当する正弦波の値と余弦波の値との組をあらかじめテーブル上に保持し、任意の電気角Ｒ１２０１における正弦波の値ｓｉｎ（Ｒ１２０１）と余弦波の値ｃｏｓ（Ｒ１２０１）とし、１周期の間に磁石が移動する距離をＰとした場合、ａ×Ｖ１２０１１×ｃｏｓ（Ｒ１２０１）−ｂ×Ｖ１２０２１×ｓｉｎ（Ｒ１２０１）の値が最もゼロに近づく電気角Ｒ１２０１と、Ｖｏ１２＝√（（ａ×Ｖ１２０１１）2＋（ｂ×Ｖ１２０２１）2）の関係式から得られる値Ｖｏ１２とを用いて得られた周期Ｎ番目と、電気角Ｒ１２０１とから、Ｐ１２００＝３６０×（Ｎ−１）＋Ｒ１２０１の関係式を用いて回転角度検出を行う（ただし、ａ≠０かつｂ≠０の実数）信号処理回路を設けたので、ホールセンサを磁気センサとして用いて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、また、複数回転時の回転角度を高精度に、かつ絶対角度検出を行うことが可能な、回転角度検出装置とその角度検出装置を用いた電子機器を作製することが可能になる。 As described above, the substrate on which the two Hall sensors are arranged and the circular surface are horizontal, and are arranged so as to be rotatable around the center of the circle, and the N-pole and S in the horizontal direction relative to the substrate The magnet is arranged such that the pole is magnetized so as to be separated from the substrate by a predetermined distance every rotation, and the center of the magnetic sensing portion of the first Hall sensor at the same distance from the point where the rotation axis of the magnet is projected on the substrate. Of the projection on the substrate and the straight line connecting the projection of the axis of rotation of the cylindrical magnet onto the substrate, and the rotation of the cylindrical magnet and the point projected on the substrate of the magnetically sensitive part of the second Hall sensor A straight line connecting the points projected on the substrate is arranged at an angle of 90 degrees, and two Hall sensors perpendicular to the substrate on which the magnetosensitive direction is arranged are made into one set. The output obtained by multiplying the output of the Hall sensor by a real number is V12011, V12021, and an arbitrary electrical angle A set of a corresponding sine wave value and cosine wave value is stored in advance on a table, and a sine wave value sin (R1201) and a cosine wave value cos (R1201) at an arbitrary electrical angle R1201 are stored in one cycle. When the distance that the magnet moves between is P, the electrical angle R1201 in which the value of a × V12011 × cos (R1201) −b × V12021 × sin (R1201) is closest to zero and Vo12 = √ ((a × V12011 ) 2 + (b × V12021) 2 ) From the value Vo12 obtained from the relational expression Vo12 and the electrical angle R1201, the relational expression of P1200 = 360 × (N−1) + R1201 is obtained. Is used to detect the rotation angle (but a real number where a ≠ 0 and b ≠ 0), so the hall sensor is used as a magnetic sensor and Even when configured with easily available parts, it is possible to achieve downsizing with a simple configuration, and it is possible to detect the rotation angle with high accuracy and absolute angle at the time of multiple rotations. A rotation angle detection device and an electronic apparatus using the angle detection device can be manufactured.
１００乃至１０００ 位置検出装置
１０１乃至１００１ 直方体磁石
１０２ａ乃至１２０２ａ 第１のホールセンサ
１０２ｂ乃至１２０２ｂ 第２のホールセンサ
１０３乃至１２０３ 基板
１０５乃至１１０５ 駆動回路
１０６乃至１１１０ 信号処理回路
１０７ａ乃至１１０７ａ 第１の差動増幅器
１０７ｂ乃至１１０７ｂ 第１の差動増幅器
１０８乃至１１０８ 計算処理部
１０９乃至１００９ 基板と対向する一平面
１１００ 回転位置検出装置
１１０１ 環状磁石
１２００ 回転角度検出装置
１２０１ 円柱状磁石
100 to 1000
Claims (23)
該磁束検出手段に磁場を印加するための磁束発生手段と、
前記磁束検出手段からの出力信号に基づいて位置検出を行う信号処理手段とを備え、
前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段を所定の距離だけ移動した場合に、前記複数の磁気センサからの出力信号が、各々減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号であり、
前記磁束検出手段から前記減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号を発生させるために、前記磁束発生手段は、移動方向に沿って発生する磁界の強さが減衰又は増幅するように着磁されていることを特徴とする位置検出装置。 Magnetic flux detecting means arranged along the moving direction as a set of a plurality of magnetic sensors on the substrate;
Magnetic flux generation means for applying a magnetic field to the magnetic flux detection means;
Signal processing means for performing position detection based on an output signal from the magnetic flux detection means,
When the magnetic flux detecting means or said magnetic flux generating means is moved by a predetermined distance, the output signal from the plurality of magnetic sensors, Ri each damped oscillation wave or amplification vibration wave of the output signal der,
In order to generate the damped vibration wave or amplified vibration wave output signal from the magnetic flux detection means, the magnetic flux generation means is magnetized so that the strength of the magnetic field generated along the moving direction is attenuated or amplified. A position detecting device characterized by that.
該磁束検出手段に磁場を印加するための磁束発生手段と、 Magnetic flux generation means for applying a magnetic field to the magnetic flux detection means;
前記磁束検出手段からの出力信号に基づいて位置検出を行う信号処理手段とを備え、 Signal processing means for performing position detection based on an output signal from the magnetic flux detection means,
前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段を所定の距離だけ移動した場合に、前記複数の磁気センサからの出力信号が、各々減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号であり、 When the magnetic flux detection means or the magnetic flux generation means is moved by a predetermined distance, the output signals from the plurality of magnetic sensors are output signals of damped vibration waves or amplified vibration waves,
前記磁束検出手段から前記減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号を発生させるために、前記磁束発生手段は、移動方向に沿って発生する磁界の強さが減衰又は増幅するように、前記基板に対して所定の傾きを持って支持されていることを特徴とする位置検出装置。 In order to generate the output signal of the damped vibration wave or amplified vibration wave from the magnetic flux detection means, the magnetic flux generation means is arranged on the substrate so that the strength of the magnetic field generated along the moving direction is attenuated or amplified. A position detecting device characterized by being supported with a predetermined inclination.
該磁束検出手段に磁場を印加するための磁束発生手段と、 Magnetic flux generation means for applying a magnetic field to the magnetic flux detection means;
前記磁束検出手段からの出力信号に基づいて位置検出を行う信号処理手段とを備え、 Signal processing means for performing position detection based on an output signal from the magnetic flux detection means,
前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段を所定の距離だけ移動した場合に、前記複数の磁気センサからの出力信号が、各々減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号であり、 When the magnetic flux detection means or the magnetic flux generation means is moved by a predetermined distance, the output signals from the plurality of magnetic sensors are output signals of damped vibration waves or amplified vibration waves,
前記磁束発生手段が、長尺状磁石であることを特徴とする位置検出装置。 The position detecting device, wherein the magnetic flux generating means is a long magnet.
該磁束検出手段に磁場を印加するための磁束発生手段と、 Magnetic flux generation means for applying a magnetic field to the magnetic flux detection means;
前記磁束検出手段からの出力信号に基づいて位置検出を行う信号処理手段とを備え、 Signal processing means for performing position detection based on an output signal from the magnetic flux detection means,
前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段を所定の距離だけ移動した場合に、前記複数の磁気センサからの出力信号が、各々減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号であり、 When the magnetic flux detection means or the magnetic flux generation means is moved by a predetermined distance, the output signals from the plurality of magnetic sensors are output signals of damped vibration waves or amplified vibration waves,
前記磁束発生手段が、環状磁石で、前記環状磁石のＮ極とＳ極が交互に繰り返し着磁されていることを特徴とする位置検出装置。 The position detecting device according to claim 1, wherein the magnetic flux generating means is an annular magnet, and the N and S poles of the annular magnet are alternately and repeatedly magnetized.
該磁束検出手段に磁場を印加するための磁束発生手段と、 Magnetic flux generation means for applying a magnetic field to the magnetic flux detection means;
前記磁束検出手段からの出力信号に基づいて位置検出を行う信号処理手段とを備え、 Signal processing means for performing position detection based on an output signal from the magnetic flux detection means,
前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段を所定の距離だけ移動した場合に、前記複数の磁気センサからの出力信号が、各々減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号であり、 When the magnetic flux detection means or the magnetic flux generation means is moved by a predetermined distance, the output signals from the plurality of magnetic sensors are output signals of damped vibration waves or amplified vibration waves,
前記磁束発生手段が、円柱状磁石であり、 The magnetic flux generating means is a cylindrical magnet;
前記移動方向は、前記磁束検出手段又は前記磁束発生手段が、任意の軸を中心に回転する方向であることを特徴とする位置検出装置。The position detecting device characterized in that the moving direction is a direction in which the magnetic flux detecting means or the magnetic flux generating means rotates about an arbitrary axis.
Ｖｏ１＝√（（ａ×Ｖ１１）2＋（ｂ×Ｖ２１）2）
（ただしａ及びｂは実数）
の関係式から求められる算出値Ｖｏ１を用いて位置検出を行うことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の位置検出装置。 The signal processing means calculates an output value obtained by multiplying one output value V11 from the magnetic flux detection means by a and an output value obtained by multiplying the other output value V21 by b by Vo1 = √ ((a × V11) 2 + (b × V21) 2 )
(Where a and b are real numbers)
Position detection device according to any one of claims 1 to 14, characterized in that the position detection by using the calculated value Vo1 obtained from relational expressions.
ｃ×Ｖ１２×Ｖｃ１−ｄ×Ｖ２２×Ｖｓ１＝０
（ただしｃ及びｄは実数）
の関係式が成り立つ電気角Ａを求め、
Ｖｏ２＝√（（ｃ×Ｖ１２）2＋（ｄ×Ｖ２２）2）
の関係式から求められる算出値Ｖｏ２及び前記電気角Ａにより、前記減衰振動波状の出力信号又は増幅振動波状の出力信号においてＢ番目の周期に位置することを見極め、
前記減衰振動波状の出力信号又は増幅振動波状の出力信号の１周期の距離をＣとした場合に、
Ｄ＝Ｃ×（Ｂ−１）＋（Ａ×Ｃ÷３６０）
の関係式から求められる位置Ｄが求めたい検出位置であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の位置検出装置。 The signal processing means stores a set of a sine wave value Vs1 and a cosine wave value Vc1 for an electrical angle A within one period in a table in advance, and the attenuated sine wave output value from the magnetic flux detection means or An output value obtained by multiplying the amplified sine wave output value V12 by c and an output value obtained by multiplying the attenuated cosine wave output value or the amplified cosine wave output value V22 by d × c × V12 × Vc1−d × V22 × Vs1 = 0
(Where c and d are real numbers)
The electrical angle A for which the relational expression of
Vo2 = √ ((c × V12) 2 + (d × V22) 2 )
From the calculated value Vo2 obtained from the relational expression and the electrical angle A, it is determined that the output signal of the damped vibration wave shape or the output signal of the amplified vibration wave shape is located in the Bth period,
When the distance of one cycle of the attenuated vibration wave output signal or the amplified vibration wave output signal is C,
D = C × (B−1) + (A × C ÷ 360)
Position detection device according to any one of claims 1 to 14, wherein the position D obtained from the relational expression is detected positions to be obtained.
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