JP6374129B1

JP6374129B1 - 位置検出装置

Info

Publication number: JP6374129B1
Application number: JP2018023781A
Authority: JP
Inventors: 正章澤
Original assignee: 株式会社マコメ研究所
Priority date: 2018-02-14
Filing date: 2018-02-14
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2038-02-14
Also published as: JP2019138827A

Abstract

【課題】地磁気や磁気センサの温度特性等によるオフセット成分の変化の影響を受けることがなく、直線補間によっても高精度な磁石位置検出を可能とする。【解決手段】位置検出装置１は、磁石１０と、磁石１０の相対的な移動方向に沿って配列され、磁石１０が最も近接した際に最大の検出値を出力する向きに配列されたＭ個(Ｍは３以上の整数)の磁気センサＭＳと、１つ飛ばしの２つの磁気センサＭＳの各検出値の差分値を算出し、これらの１つ飛ばしの２つの磁気センサの中間に位置する仮想センサの磁界値として、（Ｍ−２）個の仮想センサの磁界値を算出する仮想センサ磁界値生成部４１と、仮想センサの磁界値を補間して得られた磁界分布の磁界値がゼロとなる位置を磁石１０の位置として出力する位置信号生成部４２と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、位置検出装置に関し、詳しくは、磁気方式の位置検出装置に関する。

位置検出装置として、永久磁石(以下、「磁石」という。)の磁界の大きさを検出することによって、磁石の位置を検出する磁気方式の位置検出装置が知られている。例えば、特許文献１には、複数の磁気センサを直線上に並べ、各磁気センサで検出した磁界値を直線あるいは曲線で補間して得た磁界分布から磁界値がゼロになる点を求めることによって、磁石の位置を検出する従来装置が開示されている。

しかしながら、この方式では地磁気等外部磁界の影響で磁界のオフセット成分が変化した場合、磁界値がゼロになる点がずれてしまい、誤差が発生するという問題がある。また、磁気センサの温度特性等により、同様にオフセット成分が変化した場合も、磁界値がゼロになる点がずれてしまい、誤差が出てしまう。

図１７は、従来装置において、オフセット成分がない場合の磁石の位置と磁界との関係を示す図であり、図１８は、従来装置において、オフセット成分がある場合の磁石の位置と磁界との関係を示す図である。図１７，図１８とも磁気センサに対し磁石を一定距離離し、磁気センサの配列方向に直線的に移動させた場合を示しており、磁石は磁気センサ側に例えばＮ極を向け、磁気センサでは磁界の垂直成分を検出している。図１７、図１８の縦軸は磁界の大きさを示し、横軸は磁気センサに対する磁石の位置を示している。また、横軸の０ｍｍの位置に磁気センサがある。

図１７はオフセット成分がない場合の状態を示しており、図１８はオフセット成分が加わった場合の状態を示している。そして、図１７では磁界値ゼロの点が横軸の０の位置にあるが、図１８ではオフセット成分が加わるため、磁界値ゼロの点がＸ_off辺りと左にずれている。そのため、オフセット成分がある場合は、磁石が０ｍｍの位置ではなく、Ｘ_offの位置にあるとして誤差が出てしまう。

さらに、磁界値がゼロになる点を求める際、曲線補間によって求める場合は、誤差は小さくなるが演算処理が複雑となり演算回路の大型化を招く。また、ソフトで演算する場合は、演算処理に時間がかかる等の問題が生じる。そして、直線補間によって求める場合に、検出精度を上げるために磁界分布のゼロ点付近の直線的な部分を使おうとすると、磁気センサの数を増やさなければならない問題がある。

特開平８−５０００４号公報

上記のように、従来の検出装置では、磁石の磁界を検出する際に、地磁気等の外部磁界の影響を受けて位置検出値に誤差を生じたり、直線補間を行う場合には、磁界分布のゼロ点付近で十分な精度を得るために磁気センサの数を増やす必要があった。

本発明は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、地磁気等の外部磁界の影響で磁界のオフセット成分が変化した場合や、磁気センサの温度特性等により同様にオフセット成分が変化した場合でも、オフセット成分による影響を受けることがなく、さらに、磁気センサを増やすことなく直線補間でも高精度な位置検出を可能とすることを、その目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、永久磁石と、該永久磁石の相対的な移動方向に沿って配列され、前記永久磁石が最も近接した際に最大の検出値を出力する向きに配列されたＭ個(Ｍは３以上の整数)の磁気センサと、１つ飛ばしの２つの前記磁気センサの各検出値の差分値を算出し、前記１つ飛ばしの２つの前記磁気センサの中間に位置する仮想センサの磁界値として、（Ｍ−２）個の第１群の仮想センサの磁界値を算出する仮想センサ磁界値生成部と、前記第１群の仮想センサの磁界値を直線か曲線で補間して得られる磁界分布の磁界値がゼロとなる位置を前記永久磁石の位置として出力する位置信号生成部と、を備えたことを特徴とするものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記仮想センサ磁界値生成部は、さらに、隣接する前記磁気センサの各検出値の差分値を算出し、該差分値を前記隣接する２つ前記磁気センサとの中間に位置する仮想センサの磁界値として、（Ｍ−１）個の第２群の仮想センサの磁界値を算出し、前記位置信号生成部は、前記第１群の仮想センサと前記第２群の仮想センサとを含む前記仮想センサの磁界値を直線か曲線で補間して得られる磁界分布の磁界値がゼロとなる位置を前記永久磁石の位置として出力することを特徴とするものである。

第３の技術手段は、永久磁石と、該永久磁石の相対的な移動方向に沿って配列され、前記永久磁石が最も近接した際に最大の検出値を出力する向きに配列されたＭ個(Ｍは３以上の整数)の磁気センサと、隣接する２つの前記磁気センサの各検出値の差分値を算出し、該差分値を前記隣接する２つの前記磁気センサの中間に位置する仮想センサの磁界値として、（Ｍ−１）個の仮想センサの磁界値を算出する仮想センサ磁界値生成部と、前記仮想センサの磁界値を直線か曲線で補間して得られる磁界分布の磁界値がゼロとなる位置を前記永久磁石の位置として出力する位置信号生成部と、を備えたことを特徴とするものである。

第４の技術手段は、第１から第３のいずれか１の技術手段において、前記位置信号生成部は、前記磁気センサの内、最大の検出値を出力する前記磁気センサを特定し、該磁気センサに最も近接する前記仮想センサの磁界値と該仮想センサの前後の前記仮想センサの磁界値とがゼロを跨いでいるか否かを判別し、ゼロを跨いでいる２つの前記仮想センサの磁界値を直線か曲線で補間し、磁界値がゼロとなる位置を前記永久磁石の位置として出力することを特徴とするものである。

第５の技術手段は、第１から第４のいずれか１の技術手段において、前記磁気センサが等ピッチで配列されていることを特徴とするものである。

第６の技術手段は、第５の技術手段において、前記位置信号生成部からの出力に含まれる周期的な誤差を補正する周期誤差補正部を、さらに有することを特徴とするものである。

本発明によれば、地磁気等の外部磁界の影響で磁界のオフセット成分が変化した場合や、磁気センサの温度特性等により同様にオフセット成分が変化した場合でも、オフセット成分による影響を受けることがなく、さらに、磁気センサを増やすことなく直線補間でも高精度な位置検出が可能となる。

本発明の実施形態に係る位置検出装置の一構成を示す図である。磁石と磁気センサとの具体的な配置の一例を示す図である。磁石の位置に対する磁気センサの検出値（磁界値）の特性を説明するための図である。１つ飛ばしの２つの磁気センサの各検出値の差分値の特性を説明するための図である。磁気センサの位置と第１群の仮想センサの位置との関係を示す図である。磁気センサにオフセット成分が加わった際の、各磁気センサの検出値を示す図である。磁気センサにオフセット成分が加わった際の、１つ飛ばしの２つの磁気センサの各検出値の差分値を示す図である。本発明の実施形態に係る位置検出装置における処理フローの例を示す図である。磁石の位置を求めるための直線補間について説明するための図である。第１群の仮想センサの磁界値から直線補間によって求めた磁石位置と、実際の磁石位置との誤差の関係を示す図である。隣接する２つの磁気センサの各検出値の差分値の特性を説明するための図である。磁気センサの位置と第１群と第２群を合わせた仮想センサの位置との関係を示す図である。図４と図１１とを合成した図であり、磁石の位置に対する第１群と第２群の仮想センサの磁界値の関係を説明するための図である。第１群と第２群の仮想センサの磁界値から直線補間によって求めた磁石位置と、実際の磁石位置との誤差の関係を示す図である。磁石の構成を変更した場合の例を示す図である。磁石と磁気センサとの具体的な配置の他の例を示す図である。従来装置において、オフセット成分がない場合の磁石の位置と磁界との関係を示す図である。従来装置において、オフセット成分がある場合の磁石の位置と磁界との関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の位置検出装置に係る好適な実施形態について説明する。以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。なお、本発明はこれらの実施形態での例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内および均等の範囲内におけるすべての変更を含む。

(第１の実施形態)
図１は、本発明の第１の実施形態に係る位置検出装置の一構成を示す図である。位置検出装置１は、検出用の磁石１０、磁石１０を検出する複数の磁気センサＭＳ、複数の磁気センサＭＳを切り替えるマルチプレクサ２０、磁気センサＭＳからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３０、磁気センサＭＳの検出値を元に磁石１０の位置を演算するマイコン４０、マイコン４０で演算した値をアナログ信号で出力する出力回路５０を備えている。なお、本明細書では、磁気センサを特定せずに総称する場合は磁気センサＭＳと記載し、磁気センサを特定する場合は、磁気センサＭＳ２のように番号を付して記載する。このことは、後述する仮想センサについても同様である。

マイコン４０は、機能部として、仮想センサ磁界値生成部４１、位置信号生成部４２、周期誤差補正部４３、および、マルチプレクサ信号生成部４４を有している。これらの機能部の機能は、マイコン４０の図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭと、ＲＯＭに予め記憶した制御プログラムを実行することによって実現できる。

磁気センサＭＳとしては、ホール素子や可飽和コイル等を用いたものが利用できる。可飽和コイルを用いたものとしては、例えば、コアの飽和領域まで可飽和コイルを励磁、外部磁界の作用によってコアの飽和点が移動することを利用したもの、例えば、特開２００３-２１５２２１号公報に開示されたものを利用することができる。

図２は、磁石と磁気センサの具体的な配置の一例を示す図である。本実施形態では、磁気センサＭＳは、基板ＢＳ上で直線上に１０ｍｍ間隔のピッチＰでＭ個、例えば、１１個並べられ、マルチプレクサ２０と繋がる。磁石１０は磁気センサＭＳ１〜ＭＳ１１と一定距離を保ちながら基板ＢＳに対して平行に移動する。磁石１０の磁化方向は移動方向に対してＳ極、Ｎ極に磁化されているが、磁化方向は逆でも構わない。磁気センサＭＳは、磁石１０の水平磁界を検出する。複数の磁気センサＭＳの磁石１０の磁界に対する検出値の出力特性は同じである。

本実施形態では、有効検出長Ａは、左右両端の磁気センサＭＳ１と磁気センサＭＳ１１を除く、磁気センサＭＳ２から磁気センサＭＳ１０までの距離８０ｍｍとなる。なお、本実施形態では、磁気センサＭＳはピッチＰで等間隔に配列しているが、磁気センサＭＳの配列は等間隔でなくてもよい。いずれの場合も、マイコン４０には、予め各磁気センサＭＳ１〜ＭＳ１１の位置が記憶されているものとする。また、磁気センサＭＳの個数Ｍも１１に限定されないが、３個以上を必要とする。

図３は、磁石の位置に対する磁気センサの検出値である磁界値の特性を説明するための図である。なお、図３に示す特性は、磁気センサＭＳに可飽和コイル、磁石１０にネオジムφ５×６を使用している。図３の縦軸は磁界の大きさを表すマイコン４０の内部値を示し、横軸は基板ＢＳに沿った座標位置を示している。図３に示す位置０ｍｍは、図２に示すように磁気センサＭＳ２の位置を基準にしている。そして、例えば、磁気センサＭＳ１は−１０ｍｍの位置に、磁気センサＭＳ２は０ｍｍの位置に、磁気センサＭＳ３は１０ｍｍの位置に、磁気センサＭＳ４は２０ｍｍの位置に、また、磁気センサＭＳ１０は８０ｍｍの位置にある。図３では、磁石の位置が有効検出長Ａから外れている−１０ｍｍより小さい位置での検出値も記載しているが、実際には位置検出のためには用いない。

図３では、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ４の各検出値である磁界値を示している。例えば、磁石１０が０ｍｍの位置にある場合は、各磁気センサＭＳ１〜ＭＳ４の検出値は、図３で示す磁気センサＭＳ１〜ＭＳ４の特性曲線が０ｍｍの場合の磁界値を出力する。また、磁石１０が１０ｍｍの位置にある場合は、各磁気センサＭＳ１〜ＭＳ４の検出値は、図３で示す磁気センサＭＳ１〜ＭＳ４の特性曲線が１０ｍｍの場合の磁界値を出力する。このように、各磁気センサＭＳは、磁石１０の中心と磁気センサＭＳの中心が同じ位置の時に検出値が最大になる。すなわち、磁石１０と磁気センサＭＳとが最も近接した際に、磁気センサＭＳは最大の検出値を出力するように配置されている。

マルチプレクサ２０ではマイコン４０のマルチプレクサ信号生成部４４からの指令により磁気センサＭＳ１〜ＭＳ１１を順次切り替え、各磁気センサＭＳからのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器３０でデジタル信号に変換しマイコン４０に入力する。

図３に示す通り磁気センサＭＳの検出値のままでは、直線あるいは曲線で補間して磁界値のゼロ点を求め、磁石１０の位置を検出することは難しい。そのため、本実施形態では、マイコン４０の内部で磁気センサＭＳの検出値を１つ飛ばし毎に差分値を求め、求めた差分値を、１つ飛ばしの２つの磁気センサＭＳの中間に位置する仮想センサの磁界値としている。具体的には、「磁気センサＭＳ３の検出値−磁気センサＭＳ１の検出値」、「磁気センサＭＳ４の検出値−磁気センサＭＳ２の検出値」、「磁気センサＭＳ５の検出値−磁気センサＭＳ３の検出値」・・・「磁気センサＭＳ１１の検出値−磁気センサＭＳ９の検出値」を求め、それぞれ、差分を求めた１つ飛ばしの磁気センサＭＳの中間にある仮想センサＶＬ１、ＶＬ２、ＶＬ３・・・ＶＬ９の磁界値としている（後述する図５参照。）。

図４は、１つ飛ばしの２つの磁気センサの各検出値の差分値の特性を説明するための図であり、図５は、磁気センサの位置と第１群の仮想センサの位置との関係を示す図である。図４の縦軸は磁界の大きさを表すマイコンの内部値を示し、横軸は基板ＢＳに沿った座標位置を示している。

例えば、本実施形態の場合、所定の磁気センサＭＳとして、磁気センサＭＳ１とこの磁気センサから１つ飛ばしの磁気センサＭＳ３の各検出値の差分値、すなわち、「磁気センサＭＳ３の検出値−磁気センサＭＳ１の検出値」を算出し、磁気センサＭＳ１と磁気センサＭＳ３の中間に位置する仮想センサＶＬ１の磁界値としている。本実施形態の場合、仮想センサＶＬ１の位置は磁気センサＭＳ２の位置と等しくなり、図４に示す特性が生成される。図４から分かるように、磁石１０が０ｍｍの位置にある場合は、仮想センサＶＬ１の磁界値はゼロとなり、位置０ｍｍの前後で仮想センサＶＬ１の磁界値はほぼ直線的に変化している。

次に、仮想センサＶＬ２は、磁気センサＭＳ４と磁気センサＭＳ２の中間点にある磁気センサＭＳ３の位置と等しくなり、「磁気センサＭＳ４の検出値−磁気センサＭＳ２の検出値」の差分値をその磁界値としている。仮想センサＶＬ２の特性は、磁石が１０ｍｍの位置にある場合に磁界値がゼロとなるように、図４に示す仮想センサＶＬ１の特性を基板ＢＳのプラス方向（紙面の右側に）に１０ｍｍシフトさせた特性となる。
さらに、仮想センサＶＬ３は磁気センサＭＳ４の位置と等しくなり、「磁気センサＭＳ５の検出値−磁気センサＭＳ３の検出値」の差分値に等しい磁界値を有する。仮想センサＶＬ３の特性は、図４に示す仮想センサＶＬ１の特性を基板ＢＳのプラス方向に２０ｍｍシフトさせた特性となる。

以降、順次１つ飛ばしの２つの磁気センサＭＳの検出値の差分値を求めて、求めた差分値を、１つ飛ばしの磁気センサＭＳの中間に位置する仮想センサＶＬの磁界値として生成する。そして、最後に、「磁気センサＭＳ１１の検出値−磁気センサＭＳ９の検出値」の差分値を求めて、磁気センサＭＳ１０と同じ位置にある仮想センサＶＬ９の磁界値とする。仮想センサＶＬ９の特性は、図４に示す仮想センサＶＬ１の特性を基板ＢＳのプラス方向に８０ｍｍシフトさせた特性となる。

本実施形態では、磁気センサＭＳの個数Ｍを１１としているため、１つ飛ばしの磁気センサＭＳの差分値は９つ求まる。また、磁気センサＭＳを等ピッチＰで配列しているため、１つ飛ばしの２つの磁気センサＭＳの中間の位置は、図５に示すように、１つ飛ばしの２つの磁気センサＭＳの間に位置する磁気センサＭＳの位置と等しくなる。このように、本実施形態では、仮想センサＶＬは、仮想センサＶＬ１〜ＶＬ９の９つ生成でき、それらの位置は、それぞれ磁気センサＭＳ２〜ＭＳ１０の位置に等しくなる。なお、磁気センサＭＳは等ピッチで配置する必要はなく、この場合、仮想センサＶＬの位置は、各磁気センサＭＳの位置に基づいて１つ飛ばしの磁気センサの中間の位置とすればよい。本発明では、１つ飛ばしの２つの磁気センサＭＳの中間に位置する複数の仮想センサを第１群の仮想センサと呼ぶ。

次に、１つ飛ばしの２つの磁気センサＭＳの検出値の差分値を求めて、仮想センサＶＬの磁界値とした場合に、磁気センサＭＳの検出値にオフセットが生じても、仮想センサＶＬの磁界値はその影響を受けないことについて説明する。
図６は、磁気センサにオフセット成分が加わった際の磁気センサの検出値を示す図であり、図７は、磁気センサにオフセット成分が加わった際の１つ飛ばしの２つの磁気センサの各検出値の差分値を示す図である。

図６では、図３に比べて、磁気センサＭＳ１〜ＭＳ３の検出値に、マイナスのオフセット成分が生じている。これらのオフセット成分は、地磁気等外部磁界の影響や磁気センサＭＳの温度特性によって発生する。図７は、これらのオフセット成分を有する磁気センサＭＳの検出値に基づいて、「磁気センサＭＳ３の検出値−磁気センサＭＳ１」の差分値から求めた、磁石１０の位置が０ｍｍの位置にある仮想センサＶＬ１の特性を示している。図４と図７とも、磁界値ゼロの点は横軸の０ｍｍの位置にあり磁気センサＭＳの検出値のオフセット成分が変化した場合でも仮想センサＶＬ１の磁界値のゼロ点が変わらないことが分かる。

マイコン４０では、算出した仮想センサＶＬ１〜ＶＬ９の磁界値を、直線あるいは曲線で補間し、磁界値のゼロ点を求め磁石１０の位置を検出する。マイコン４０で求めた磁石１０の位置の値はデジタル信号であり、出力回路５０で所定のアナログ信号に変換し出力される。磁石１０の位置をデジタル信号として処理する場合は、出力回路５０を省略してもよい。

以上のように、本発明では、磁気センサＭＳの検出値の差を求めていることから、地磁気等外部磁界の影響で磁界のオフセット成分が変化した場合でも、磁石１０の検出位置に影響を受けることがない。また、磁気センサＭＳの温度特性等により同様にオフセット成分が変化した場合も、磁石１０の検出位置に影響を受けない。そのため、地磁気等外部磁界の影響で磁界のオフセット成分が変化した場合や磁気センサＭＳの温度特性等により同様にオフセット成分が変化した場合でも、これらの影響を受けることなく高精度な位置検出が可能である。

次に、直線補間を用いた磁石１０の位置検出のための処理を含め、位置検出装置の処理フローについて説明する。図８は、本発明の実施形態に係る位置検出装置における処理フローの例を示す図である。
磁気センサＭＳ１〜ＭＳ１１からの検出値は、マルチプレクサ信号生成部４４からの信号に基づいてマルチプレクサ２０を切り換えることによって、順次Ａ／Ｄ変換器３０に送られ、デジタル値に変換された後、マイコン４０に取り込まれる。磁気センサＭＳからの検出値のマイコン４０への取り込みは、図８に示す処理フローと並行して行ってもよい。

図８のステップＳ１で、まず、変数ｎに１が置かれる。ステップＳ２に移り、図１に示す仮想センサ磁界値生成部４１は、ｎ番目とｎ＋２番目の磁気センサＭＳの検出値の差分を算出し、ステップＳ３で、この差分値をｎ番目とｎ＋２番目の磁気センサＭＳの中間に位置する仮想センサＶＬ（ｎ）の磁界値として、マイコン４０の、記憶装置に記憶する。

ステップＳ４では、ｎ＋２の値が磁気センサＭＳの個数Ｍに等しいかどうか判別し、等しくない場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ５に移り、変数ｎに１を加えた後、ステップＳ２以降の処理を繰り返す。ステップＳ４でｎ＋２の値が磁気センサＭＳの個数Ｍに等しい場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ６に移り、位置信号生成部４２は、最大の検出値を出力した磁気センサＭＳに最も近接する仮想センサＶＬを特定する。これにより、大まかな磁石１０の位置を知ることができ、隣接する仮想センサＶＬの磁界値がゼロ点を跨いでないかを探す基準になる。最大値を示す磁気センサＭＳに最も近接する仮想センサＶＬを特定した後は、ステップＳ７に移り、特定した仮想センサＶＬの磁界値と、この特定した仮想センサＶＬの前後の仮想センサの磁界値とがゼロを跨いでいるか否かを判別する。

例えば、本実施形態では、磁気センサＭＳ５の検出値が最も大きい場合、磁気センサＭＳ５の位置に最も近接する仮想センサＶＬは仮想センサＶＬ４であり、磁気センサＭＳ５と仮想センサＶＬ４の位置は同じである。そして、仮想センサＶＬ４の磁界値の極性と、仮想センサＶＬ４に隣接する前後の仮想センサＶＬ３、ＶＬ５の磁界値の極性とを比較する。２つの仮想センサＶＬの磁界値の極性が逆になっていれば、この２つの仮想センサの間で磁界値はゼロを跨いでおり、この２つの仮想センサの間に磁石１０があることになる。

仮に、仮想センサＶＬ３の磁界値がプラス、仮想センサＶＬ４の磁界値がマイナス、仮想センサＶＬ５の磁界値がマイナスの場合、仮想センサＶＬ３の磁界値と仮想センサＶＬ４の磁界値の極性が逆であるので、この間に磁石１０があることが分かる。そして、磁石１０の位置を得るために、ステップＳ８に移り、ゼロを跨ぐ２つの仮想センサＶＬの磁界値を直線補間し、磁界値がゼロとなる位置を磁石１０の位置として算出する。

本実施形態では、仮想センサＶＬ３の磁界値と仮想センサＶＬ４の磁界値との間で直線補間を行う。本実施形態では、ピッチＰが１０ｍｍであるので、仮想センサＶＬ３の位置は２０ｍｍの位置にあり、仮想センサＶＬ４の位置は３０ｍｍの位置にある。磁石１０の位置は、２０ｍｍと３０ｍｍとの間にあり、仮想センサＶＬ３の磁界値と仮想センサＶＬ４の磁界値との間で直線補間を行って、最終的な磁石の位置を算出している。

図９は、磁石位置を求めるための直線補間について説明するための図である。図９の縦軸は磁界の大きさを表すマイコンの内部値であり、横軸は基板ＢＳに沿った座標位置を示している。位置Ｘ０にある仮想センサＶＬ（ｎ）が磁界値Ｙ０を有し、位置Ｘ１にある仮想センサＶＬ（ｎ＋１）が磁界値Ｙ１を有する場合、図９の座標系では、仮想センサＶＬ（ｎ）の座標位置は点ａにあり、仮想センサＶＬ（ｎ＋１）の座標位置は点ｂで示される。直線補間は、点ａと点ｂとを結ぶ直線と磁界値０の線との交点のＸの位置を求めることによって、磁石の位置を求めるものである。

ここで、Ｘの位置は、Ｘ＝Ｘ０＋Ｙ０×(Ｘ１-Ｘ０)／（Ｙ０-Ｙ１)（式１）で求まる。例えば、Ｘ０＝２０、Ｘ１＝３０、Ｙ０＝１００、Ｙ１＝−２００の時、この式に当てはめると、磁石の位置は２３．３３３となり、簡単に磁石の位置を求めることができる。

図１０は、第１群の仮想センサの磁界値から直線補間によって求めた磁石位置と、実際の磁石位置との誤差の関係を示す図である。図１０の縦軸は誤差を示し、横軸は基板ＢＳに沿った座標位置を示す。図１０から分かるように、本実施形態では、周期が１０ｍｍで約０．５ｍｍの大きさの誤差が周期的に発生している。誤差は、例えば０ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍと磁石１０が磁気センサＭＳに近い場合、および、例えば、５ｍｍ、１５ｍｍ、２５ｍｍと磁気センサＭＳの中間にある場合に小さくなっているが、これは、仮想センサＶＬの磁界値の特性によるものである。

図４に示すように、磁石位置を算出するために用いた仮想センサＶＬの磁界値の特性は、１つ飛ばしの２つの磁気センサＭＳの検出値の差分値から求めているため、仮想センサＶＬ１の位置に磁石１０が対向した場合に、仮想センサＶＬ１の磁界値はゼロの値をとり、磁石１０が位置０ｍｍに近い場合は、仮想センサＶＬ１の磁界値はほぼ直線的に変化する。しかしながら、磁石の位置が０ｍｍの位置から離れるにしたがって、符号Ｃで示すように直線性が悪くなる。他の仮想センサＶＬの特性も同様であり、この影響により、周期的な誤差が発生する。

図１に示す周期誤差補正部４３は、上記の周期的な誤差を補正するためのものである。周期誤差補正部４３は、予め位置検出装置１で測定した磁石１０の位置と、別途、標準器等を用いて測定した磁石１０の位置との誤差を、少なくとも１周期分記憶しておき、位置検出装置１によって算出した磁石位置の周期的誤差を補正している。これによって、位置検出装置１の測定誤差をさらに小さくすることができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、１つ飛ばしの２つの磁気センサＭＳ毎に差分値を求めて仮想センサＶＬを生成しているため、仮想センサＶＬの数は磁気センサの数よりも２個少なく、また、磁気センサを１０ｍｍの等ピッチＰで配置した場合、仮想センサＶＬの間隔も磁気センサＭＳの間隔と同じ１０ｍｍである。そして、第１の実施形態において、直線補間をする場合、磁界値のゼロ点から±１０ｍｍの区間（磁気センサＭＳの間隔分）が直線であることが望ましいが、図４の符号Ｃに示すように、磁界値のゼロ点から離れると直線性が悪くなる。そのため、この状態で直線補間をすると、図１０に示す通り、周期的な誤差が大きく現れる。

第２の実施形態は、計算が簡単な直線補間でもより高精度な磁石１０の位置検出を可能とするものである。このため、本実施形態では、第１の実施形態の磁気センサＭＳの検出値を１つ飛ばし毎に差を求める方式に加え、磁気センサＭＳの隣同士の検出値の差分値も求めている。すなわち、第１の実施形態で求めた（Ｍ−２）個の第１群の仮想センサＶＬに加え、隣接する２つの磁気センサの検出値の差分値を算出し、この差分値を磁界値として有する、隣接する２つの磁気センサの中間に位置する（Ｍ−１）個の第２群の仮想センサＶＬを用いている。本発明では、隣接する２つの磁気センサＭＳの中間に位置する複数の仮想センサを第２群の仮想センサと呼ぶ。

図１１は、隣接する２つの磁気センサの各検出値の差分値の特性を説明するための図であり、図１２は、磁気センサの位置と第１群と第２群を合わせた仮想センサの位置を示す図である。

具体的には、「磁気センサＭＳ２の検出値−磁気センサＭＳ１の検出値」の差分値を求め、この差分値を、磁気センサＭＳ１と磁気センサＭＳ２の中間の−５ｍｍの位置にある仮想センサＶＬ１の磁界値とし、「磁気センサＭＳ３の検出値−磁気センサＭＳ１の検出値」の差分値を求め、この差分値を、磁気センサＭＳ１と磁気センサＭＳ３の中間に位置する０ｍｍの位置にある仮想センサＶＬ２の磁界値とし、「磁気センサＭＳ３の検出値−磁気センサＭＳ２の検出値」の差分値を求め、この差分値を、磁気センサＭＳ２と磁気センサＭＳ３の中間の５ｍｍの位置する仮想センサＶＬ３の磁界値とし、「磁気センサＭＳ４の検出値−磁気センサＭＳ２の検出値」の差分値を求め、この差分値を、磁気センサＭＳ２と磁気センサＭＳ４の中間の１０ｍｍに位置する仮想センサＶＬ４の磁界値とし、順次、仮想センサＶＬ１９までの磁界値を算出している。

ここで、偶数番目の９個の仮想センサＶＬ２、ＶＬ４、ＶＬ６・・・ＶＬ１８は、第１の実施形態で求めた１つ飛ばしの２つの磁気センサＭＳから生成したものであり、第１群の仮想センサＶＬに相当する。第１群の仮想センサＶＬの特性は、それぞれ図４で示した特性曲線と同じ特性曲線を有する。また、奇数番目の１０個の仮想センサＶＬ１、ＶＬ３、ＶＬ５・・・ＶＬ１９は、隣接する２つの磁気センサＭＳから生成したものであり、第２群の仮想センサＶＬに相当する。

第２群の仮想センサＶＬの特性を図１１に示す。図１１において、縦軸は磁界の大きさを表すマイコンの内部値であり、横軸は基板ＢＳに沿った位置を示している。この特性は、図３に示す磁気センサＭＳ２の検出値と磁気センサＭＳ３の検出値から求めたものであり、仮想センサＶＬ３の特性を示している。仮想センサＶＬ３は、磁気センサＭＳ２と磁気センサＭＳ３の中間の位置である５ｍｍの位置にあり、その磁界値は５ｍｍの位置でゼロとなり、ゼロ点を挟む前後の磁界値は直線的に変化している。同様に、第２群に属する仮想センサＶＬ１の特性は、図１１の仮想センサＶＬ３の特性を基板ＢＳのマイナス方向に１０ｍｍシフトさせた特性となり、仮想センサＶＬ５の特性は、図１１の仮想センサＶＬ３の特性を基板ＢＳのプラス方向に１０ｍｍシフトさせた特性となる。

これにより、第２の実施形態では、図４で示す特性と同様の特性を有する９個の偶数番目の仮想センサＶＬと、図１１で示す特性と同様な特性を有する１０個の奇数番目の仮想センサＶＬとが、図１２で示すように５ｍｍ間隔のピッチＰ’で生成される。これは、５ｍｍ間隔で磁気センサが並んでいることと同じであり、磁界値のゼロ点から±５ｍｍの区間という直線的な部分で補間が可能となるため、直線補間でも高精度な磁石１０の位置検出が可能となる。

ここで、図４に示す特性と図１１に示す特性の磁界値のゼロ点から±５mmの区間で特性に違いがあると、磁石１０の位置検出精度に影響するため、なるべく特性に違いのないことが望ましい。図１３は、図４と図１１とを合成した図であり、磁石の位置に対する第１群と第２群の仮想センサの磁界値の関係を説明するための図である。図１３は、図４と図１１とを磁界値のゼロ点を基準に重ねたものであるが、ゼロ点から±５mmの区間で特性が重なっているのが分かる。このため、磁界値のゼロ点から±５ｍｍの区間で直線的な特性を利用でき、直線補間によっても高精度な磁石１０の位置検出が可能であることが分かる。

第２の実施形態において、直線補間によって磁石１０の位置を検出する方法は、第１の実施形態と同様である。
まず、磁気センサＭＳの中から最大の検出値を出力する磁気センサＭＳを特定する。これにより大まかな磁石の位置を知ることができ、仮想センサＶＬの磁界値がゼロ点を跨いでないかを探す基準になる。次に、最大値を示す磁気センサＭＳに最も近接する仮想センサＶＬを特定し、特定した仮想センサＶＬの磁界値と、この特定した仮想センサＶＬの前後の仮想センサの磁界値とがゼロを跨いでいるか否かを判別する。

例えば、磁気センサＭＳ５が最大値をとる場合は、磁気センサＭＳ５に最も近接する仮想センサＶＬは仮想センサＶＬ８となるため、仮想センサＶＬ８の磁界値の極性と、この仮想センサＶＬ８に隣接する仮想センサＶＬ７および仮想センサＶＬ９の磁界値の極性をそれぞれ比較する。そして、２つの仮想センサＶＬの磁界値の極性が逆になっていれば、この２つの仮想センサの間で磁界値はゼロを跨いでおり、この２つの仮想センサの間に磁石１０があるということになる。

仮に、仮想センサＶＬ７の磁界値がプラス、仮想センサＶＬ８の磁界値がマイナス、仮想センサＶＬ９の磁界値がマイナスの場合、仮想センサＶＬ７の磁界値と仮想センサＶＬ８の磁界値の極性が逆であるので、この間に磁石１０があることが分かる。本実施形態では、仮想センサＶＬ７の位置は、磁気センサＭＳ２の位置を０とした場合、２５ｍｍの位置にあるため、磁石１０は、２５ｍｍから３０ｍｍの間にあることが分かる。そして、磁石１０の位置を得るために、ゼロを跨ぐ２つの仮想センサＶＬの磁界値を直線補間し、磁界値がゼロとなる位置を磁石１０の位置として算出する。

直線補間の方法についても、第１の実施形態と同様である。図９を用いて説明したように、磁石の位置Ｘは、Ｘ＝Ｘ０＋Ｙ０×(Ｘ１-Ｘ０)／（Ｙ０-Ｙ１)（式１）で求まる。例えば、Ｘ０＝２５、Ｘ１＝３０、Ｙ０＝１００、Ｙ１＝−２００の時、この式に当てはめると、磁石の位置は、２６．６６７となり、簡単に磁石１０の位置を求めることができる。

図１４は、第１群と第２群の仮想センサの磁界値から直線補間によって求めた磁石位置と、実際の磁石位置との誤差の関係を示す図である。図１０の縦軸は誤差を示し、横軸は基板ＢＳに沿った座標位置を示す。図１４から分かるように、本実施形態では、周期が５ｍｍで約０．２ｍｍ以下の大きさの誤差が発生している。これらの誤差の大きさは、図１０で示した第１の実施形態の場合と比べても、明らかに小さくなっており、第２の実施形態は第１の実施形態よりも検出精度がよいことが分かる。

なお、本実施形態で追加した、第２群の仮想センサＶＬの特性も磁気センサＭＳの検出値の差を求めていることから、本実施形態は、第１の実施形態と同様に、地磁気等外部磁界の影響で磁界のオフセット成分が変化した場合や磁気センサの温度特性等により同様にオフセット成分が変化した場合でも、これらの影響を受けることなく高精度な位置検出が可能である。そして、本実施形態では、磁気センサを増やすことなく直線補間でも高精度な位置検出が可能であり、さらに、有効検出長Ａ’も１８×ピッチＰ’から９０ｍｍとなり、第１の実施形態よりも長くできる。

（第３の実施形態）
第１の実施形態では、第１群の仮想センサのみを用いて磁石１０の位置を検出し、第２の実施形態では、第１群の仮想センサと第２群の仮想センサとを用いて磁石１０の位置を検出したが、本実施形態では、第２の仮想センサのみを用いて磁石１０の位置を検出するものである。すなわち、本実施形態では、隣接する２つの磁気センサＭＳの検出値の差分値を算出し、この差分値を、隣接する２つの磁気センサＭＳの中間に位置する仮想センサＶＬの磁界値とし、（Ｍ−１）個の仮想センサＶＬの磁界値から、磁石１０の位置を検出している。

このように、第３の実施形態は、第２の実施形態において、第１群の仮想センサＶＬを用いることなく、磁石１０の位置を算出するものであり、図１２において、奇数番目の仮想センサＶＬ１、ＶＬ３、ＶＬ５…ＶＬ１９の特性のみを用いている。したがって、磁気センサＭＳを１０ｍｍのピッチＰで配列した場合、第１の実施形態と同様に、周期が１０ｍｍ毎の誤差を生じることになる。第３の実施形態では、位置検出の精度を上げるために、この周期的な誤差をあらかじめ求めておき、周期誤差補正部４３によって補正することが望ましい。第３の実施形態における直線補間の方法やその他の構成については、第１、第２の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

（第４の実施形態）
図１５は、磁石の構成を変更した場合の例を示す図である。第１〜第３の実施形態では、磁石１０を１つの永久磁石から構成したが、第４の実施形態では、磁石１０を複数の磁石、例えば、磁石１０₁と磁石１０₂とから構成し、磁石１０の作る磁場によって磁気センサＭＳが図３に示すような検出値（磁界値）の特性を持つようにし所定の磁場を得るようにしている。

より具体的には、磁石１０は、磁石１０₁と磁石１０₂の磁化方向が同じ方向となるように、中間部材１１を介して固着したものであり、中間部材１１としては、磁性体あるいは非磁性体のいずれであってもよい。そして、本実施形態では、磁石１０₁と磁石１０₂の磁化の強さを変えたり、中間部材１１の厚みや透磁率を変えたりすることによって、所望の磁束分布が得られるようにしている。

（第５の実施形態）
図１６は、位置検出装置の磁石と磁気センサとの具体的な配置の他の例を示す図であり、図１６（Ａ）は、位置検出装置を斜めから見た図、図１６（Ｂ）は、上方から見た図である。第１〜第３の実施形態では、位置検出装置１は、１つの磁石１０を有していたが、本実施形態においては、磁気センサＭＳに対して、相対的な位置が同じ位置になるように複数の磁石１０₁〜１０₄を、磁化方向が同じ方向になるように配置している。複数の磁石１０₁〜１０₄は、図示しない固着手段によって一体化されており、磁気センサＭＳの配列に対して相対的に上下方向に移動可能である。これにより、磁気センサＭＳに作用する磁束密度が大きくなり、ノイズ等の影響を受けにくくなる。本実施形態は、例えば、フロート部分に磁石を設けた液面計に適用可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、磁石１０の向きは、移動方向に対して平行にＮＳ極を有していてもよいし、移動方向に対して垂直にＮＳ極を有していてもよい。いずれの場合も、磁気センサＭＳは、磁石１０が最も近接した際に最大の検出値を出力するように配置しておく必要がある。また、磁石位置を求める際に、仮想センサＶＬの磁界値の直線補間を用いたが、曲線補間によって磁石位置を求めてもよい。

１…位置検出装置、１０、１０₁、１０₂、１０₃、１０₄…磁石、１１…中間部材、
２０…マルチプレクサ、３０…Ａ／Ｄ変換器、４０…マイコン、４１…仮想センサ磁界値生成部、４２…位置信号生成部、４３…周期誤差補正部、４４…マルチプレクサ信号生成部、５０…出力回路、ＢＳ…基板、ＭＳ…磁気センサ、ＶＬ…仮想センサ。

Claims

永久磁石と、
該永久磁石の相対的な移動方向に沿って配列され、前記永久磁石が最も近接した際に最大の検出値を出力する向きに配列されたＭ個(Ｍは３以上の整数)の磁気センサと、
１つ飛ばしの２つの前記磁気センサの各検出値の差分値を算出し、前記１つ飛ばしの２つの前記磁気センサの中間に位置する仮想センサの磁界値として、（Ｍ−２）個の第１群の仮想センサの磁界値を算出する仮想センサ磁界値生成部と、
前記第１群の仮想センサの磁界値を直線か曲線で補間して得られた磁界分布の磁界値がゼロとなる位置を前記永久磁石の位置として出力する位置信号生成部と、
を備えたことを特徴とする位置検出装置。
前記仮想センサ磁界値生成部は、さらに、隣接する前記磁気センサの各検出値の差分値を算出し、該差分値を前記隣接する２つ前記磁気センサとの中間に位置する仮想センサの磁界値として、（Ｍ−１）個の第２群の仮想センサの磁界値を算出し、
前記位置信号生成部は、前記第１群の仮想センサと前記第２群の仮想センサとを含む前記仮想センサの磁界値を直線か曲線で補間して得られた磁界分布の磁界値がゼロとなる位置を前記永久磁石の位置として出力することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
永久磁石と、
該永久磁石の相対的な移動方向に沿って配列され、前記永久磁石が最も近接した際に最大の検出値を出力する向きに配列されたＭ個(Ｍは３以上の整数)の磁気センサと、
隣接する２つの前記磁気センサの各検出値の差分値を算出し、該差分値を前記隣接する２つの前記磁気センサの中間に位置する仮想センサの磁界値として、（Ｍ−１）個の仮想センサの磁界値を算出する仮想センサ磁界値生成部と、
前記仮想センサの磁界値を直線か曲線で補間して得られた磁界分布の磁界値がゼロとなる位置を前記永久磁石の位置として出力する位置信号生成部と、
を備えたことを特徴とする位置検出装置。
前記位置信号生成部は、前記磁気センサの内、最大の検出値を出力する前記磁気センサを特定し、該磁気センサに最も近接する前記仮想センサの磁界値と該仮想センサの前後の前記仮想センサの磁界値とがゼロを跨いでいるか否かを判別し、ゼロを跨いでいる２つの前記仮想センサの磁界値を直線か曲線で補間し、磁界値がゼロとなる位置を前記永久磁石の位置として出力することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
前記磁気センサが等ピッチで配列されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の位置検出装置。
前記位置信号生成部からの出力に含まれる周期的な誤差を補正する周期誤差補正部を、さらに有することを特徴とする請求項５に記載の位置検出装置。