JP6928782B2

JP6928782B2 - 磁気式位置検出装置

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Publication number: JP6928782B2
Application number: JP2017045812A
Authority: JP
Inventors: 正孝田川; 俊道青木
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: JP2018151181A

Description

本発明は、光学機器のレンズ等のリニアの位置を検出する磁気式位置検出装置に関する。

従来のこの種の磁気式位置検出装置は、固定側の物体と移動側の物体との一方にＮ極とＳ極とを交互に着磁した磁気スケールを配置し、他方にこの磁気スケールからの磁気を検知する磁気センサを配置させるようにしていた。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開平８−２９６６０号公報

磁気式位置検出装置は、絶対位置の基準となる原点（基準）位置を予め設けておき、この原点位置からの相対位置を磁気センサで検出するようにしていた。

しかしながら、上記従来の磁気式位置検出装置は、原点検出のため、フォトインタラプタと遮蔽版を別に設置し、フォトインタラプタからの信号を磁気スケールの原点としているため、磁気スケールの原点検出のためだけに別の部品を使用する必要があり、これにより、構造が複雑になるという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成により、磁気スケールの原点を検出することができる磁気式位置検出装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するための、本発明は、磁気スケールにおいて着磁された方向におけるＮ極の中心と隣り合うＮ極の中心間の長さをλとしたとき、第１の磁気抵抗素子と第２の磁気抵抗素子をλ/２離れて配置した。

λ/２離れて配置した第１の磁気抵抗素子と第２の磁気抵抗素子は、磁気スケールが原点を通過したときのみ、信号が検出され、それ以外では信号が検出されないため、簡単な構成で、磁気スケールの原点を検出することができる。

本発明の一実施の形態における磁気式位置検出装置の概念図同磁気式位置検出装置の磁気スケールの主な磁力線を示した図同磁気式検出装置の検出原理を示す図同磁気式検出装置において磁気抵抗素子群の出力信号の波形を示す図同磁気式検出装置において原点検出用素子群を用いた原点検知の検出原理について説明する概念図同磁気式検出装置において原点検出用素子群の出力信号の波形を示す図本発明の一実施の形態における他の例の磁気式位置検出装置の概念図同磁気式位置検出装置において原点検出用素子群、他の原点検出用素子群、磁気抵抗素子群それぞれの出力信号の波形を示す図

図１は、本発明の一実施の形態における磁気式位置検出装置の概念図である。

本発明の一実施の形態における磁気式位置検出装置は、図１に示すように、磁気スケール１を備え、Ｎ極２とＳ極３とが交互に繰り返し着磁されている。着磁された方向におけるＮ極２の中心と隣り合うＮ極２の中心間の長さをλとし、Ｎ極２と隣接するＳ極３との中心間の距離をλ／２とする。

また、磁気スケール１の繰り返し着磁された方向に対し相対的に移動可能であり、かつ磁気スケール１からの磁界に応じて抵抗値が変化する第１〜第６の磁気抵抗素子４〜９を備え、第１の磁気抵抗素子４と第２の磁気抵抗素子５とを有する原点検出用素子群１０と、第３の磁気抵抗素子６、第４の磁気抵抗素子７、第５の磁気抵抗素子８および第６の磁気抵抗素子９とを有する磁気抵抗素子群１１とを備えている。

磁気スケール１は第１〜第６の磁気抵抗素子４〜９に対して図１における左右方向に移動し、磁気スケール１の着磁方向は図１における左から右方向または右から左方向になっている。

第１〜第６の磁気抵抗素子４〜９は、磁界の向きと同じ方向において抵抗値が変化し、紙面垂直方向の磁界では抵抗値が変化しないＭＲセンサまたはＧＭＲセンサである。第１〜第６の磁気抵抗素子４〜９はそれぞれ、実際には磁気スケール１に対向して配置されている。

前記原点検出用素子群１０は、第１の磁気抵抗素子４と第２の磁気抵抗素子５を有している。第１の磁気抵抗素子４と第２の磁気抵抗素子５とは電気的に直列に接続されている。

第１の磁気抵抗素子４における第２の磁気抵抗素子５とは異なる側の端部は第１の電圧印加端子１２である。第１の磁気抵抗素子４と第２の磁気抵抗素子５間は第１の出力端子１３が設けられている。第２の磁気抵抗素子５における第１の電圧印加端子１２とは異なる側の端部は第１のグランド端子１４である。

第１の磁気抵抗素子４、第２の磁気抵抗素子５は、磁気スケール１の着磁方向、すなわち図１における左から右方向にλ／２離して配置されている。

なお、第１の磁気抵抗素子４、第２の磁気抵抗素子５は、これらの間での相対位置が変化しないように、同一の物体（図示せず）上に固定されている。

磁気抵抗素子群１１は第３の磁気抵抗素子６、第４の磁気抵抗素子７、第５の磁気抵抗素子８および第６の磁気抵抗素子９を有している。

第３の磁気抵抗素子６と第４の磁気抵抗素子７とは電気的に直列に接続されている。第３の磁気抵抗素子６における第４の磁気抵抗素子７とは異なる側の端部は第２の電圧印加端子１５である。第３の磁気抵抗素子６と第４の磁気抵抗素子７間は第２の出力端子１６が設けられている。第４の磁気抵抗素子７における第２の電圧印加端子１５とは異なる側の端部は第２のグランド端子１７である。

同様に第５の磁気抵抗素子８と第６の磁気抵抗素子９とは電気的に直列に接続され、第５の磁気抵抗素子８における第６の磁気抵抗素子９とは異なる側の端部は第３の電圧印加端子１８であり、第５の磁気抵抗素子８と第６の磁気抵抗素子９間は第３の出力端子１９が設けられ、第６の磁気抵抗素子９における第３の電圧印加端子１８とは異なる側の端部は第３のグランド端子２０である。

ここで、第５の磁気抵抗素子８と第６の磁気抵抗素子９との間に第４の磁気抵抗素子７が、第３の磁気抵抗素子６と第４の磁気抵抗素子７との間に第５の磁気抵抗素子８が位置している。

第３の磁気抵抗素子６、第５の磁気抵抗素子８、第４の磁気抵抗素子７および第６の磁気抵抗素子９は、磁気スケール１の着磁方向、すなわち図１における左右方向にλ／８ずつ離して配置されている。電気的に直列に接続された第３の磁気抵抗素子６と第４の磁気抵抗素子７とはλ／４離して配置され、電気的に直列に接続された第５の磁気抵抗素子８と第６の磁気抵抗素子９とはλ／４離して配置されている。

なお、第３の磁気抵抗素子６、第４の磁気抵抗素子７、第５の磁気抵抗素子８および第６の磁気抵抗素子９は、これらの間での相対位置が変化しないように、同一の物体（図示せず）上に固定されている。

ここで、原点検出用素子群１０および磁気抵抗素子群１１を同一の物体（図示せず）上に固定し、１パッケージ化してもよい。これにより、原点検出用素子群１０、磁気抵抗素子群１１間での相対位置の変化を確実に防止することができる。

そして、磁気スケール１と原点検出用素子群１０、磁気抵抗素子群１１とは相対的に移動を行う。これは、固定された磁気スケール１に対して原点検出用素子群１０、磁気抵抗素子群１１が移動するものであっても、固定された原点検出用素子群１０、磁気抵抗素子群１１磁に対して磁気スケール１が移動するものであっても、磁気スケール１と原点検出用素子群１０、磁気抵抗素子群１１とがともに移動するものであってもよい。

磁気スケール１と原点検出用素子群１０、磁気抵抗素子群１１との相対的な移動方向は、磁気スケール１の着磁方向であるが、磁気スケール１の移動方向（図１では紙面左から右方向）に磁気抵抗素子群１１と原点検出用素子群１０とが順に並んで位置している（図１では左から右方向へ、磁気抵抗素子群１１、原点検出用素子群１０の順）。

図２は、本発明の一実施の形態における磁気式位置検出装置の磁気スケール１の主な磁力線を示した図である。図中の矢印は磁力線を示している。Ｎ極２とＳ極３とに関係する磁力線を中心に記載している。Ｎ極２の着磁方向の中央部から磁力線が両隣のＳ極３に向かって伸びている。またＳ極３は着磁方向の中央部に両隣のＮ極２からの磁力線が向かっている。なお、図２においては、左のＳ極３の左側の磁力線および右のＮ極２の右側の磁力線を省略している。

図３は、本発明の一実施の形態における磁気式検出装置の検出原理を示す図である。図３の上段の図は、磁気スケール１と第１の磁気抵抗素子４との位置関係を示している。磁気スケール１に対向して第１の磁気抵抗素子４が設けられ、第１の磁気抵抗素子４は磁気スケール１における着磁方向に移動可能となっている。第１の磁気抵抗素子４のそれぞれの位置における磁界の第１の磁気抵抗素子４の感磁方向成分を示したのが中段のグラフで、それぞれの位置における第１の磁気抵抗素子４の抵抗値を示したのが下段のグラフである。

第１の磁気抵抗素子４がＮ極２と左のＳ極３の境界に位置するときには、第１の磁気抵抗素子４を貫く磁力線の感磁方向（直交）成分が増加し、抵抗値は低下する。一方、第１の磁気抵抗素子４がＮ極２の中央部に位置するときには、第１の磁気抵抗素子４を貫く磁力線の感磁方向成分は減少し抵抗値は上昇する。第１の磁気抵抗素子４がＮ極２と右のＳ極３の境界に位置するときは、Ｎ極２と左のＳ極３の境界に位置するときに比べて磁界の方向は逆であるが、第１の磁気抵抗素子４は磁界の正逆の向きに対して同様の抵抗値を示すので、抵抗値としてはＮ極２と左のＳ極３の境界に位置するときと同様の抵抗値を示す。

図３の下段に示すように、第１の磁気抵抗素子４の抵抗値は、略正弦波の抵抗値変化を示す。そして、第１の磁気抵抗素子４の抵抗値変化は磁気スケール１におけるλ／２間で一周期となっている。なお、図３は、説明を簡単にするために、代表として第１の磁気抵抗素子４が紙面左から右方向に移動した場合について説明している。

図１に示すように、第３の磁気抵抗素子６と第４の磁気抵抗素子７とはλ／４の間隔で配置されている。従って、第２の出力端子１６からは第３の磁気抵抗素子６と第４の磁気抵抗素子７との抵抗値変化に応じた電圧を取り出すことができ、その磁気抵抗素子群１１の移動に対しては、図３の下段の正弦波と同周期の略正弦波の出力となる。

第５の磁気抵抗素子８と第６の磁気抵抗素子９においても同様であり、第３の出力端子１９から略正弦波の出力がなされるが、第３の磁気抵抗素子６と第５の磁気抵抗素子８間、第４の磁気抵抗素子７と第６の磁気抵抗素子９間はλ／４の距離が離れているので、第２の出力端子１６からの出力に対してλ／８の位相差の出力となる。

磁気抵抗素子群１１の出力信号（第２の出力端子１６からの出力信号、第３の出力端子１９からの出力信号）の波形を図４に示す。両者の位相差から移動方向を検知し、信号の計数から移動距離を検知する。

次に、第１の磁気抵抗素子４と第２の磁気抵抗素子５とを備えた原点検出用素子群１０を用いた原点検知の検出原理について説明する。

なお、この原点は、絶対位置の基準であり、ここでは磁気スケール１の端部に対応する。

図５に示すように、紙面左方向から磁気スケール１が移動してきたとき、原点検出用素子群１０の左側の第１の磁気抵抗素子４が、最も右端のＮ極２の磁界によって抵抗値が変化し信号を出力する。この信号によって原点が検知される。

さらに磁気スケール１が右方向へ移動すると、第１の磁気抵抗素子４と第２の磁気抵抗素子５間の距離がλ／２であり、上述したように抵抗値変化はλ／２間で一周期するため、両者とも同じ抵抗値となり、信号を出力しない。

移動が終了する際、原点検出用素子群１０の右側の第２の磁気抵抗素子５が、最も左端のＮ極２の磁界によって抵抗値が変化し信号を出力する。移動の終了時では原点と磁界の方向が逆であるため、原点の出力とは逆の向きになっている。

したがって、原点検出用素子群１０からは磁気スケール１の両端部（磁気スケール１の移動の最初と最後）のみで信号が出力される。図６に原点検出用素子群１０の出力信号の波形を示す。２つの出力信号間の長さが磁気スケール１の長さとなる。

なお、紙面右方向から磁気スケール１が移動してきたときは、原点検出用素子群１０の右側の第２の磁気抵抗素子５が、最も左端のＮ極２とＳ極３との間の境界の磁界によって抵抗値が変化し信号を出力し、この信号によって原点が検知される。

本発明の一実施の形態における磁気式位置検出装置は、磁気スケール１において着磁された方向におけるＮ極２の中心と隣り合うＮ極２の中心間の長さをλとしたとき、第１の磁気抵抗素子４と第２の磁気抵抗素子５をλ/２離れて配置しているため、第１の磁気抵抗素子４または第２の磁気抵抗素子５は、磁気スケール１が原点を通過したときのみ、信号が検出され、それ以外では信号が検出されず、これにより、簡単な構成で、磁気スケールの原点を検出することができるという効果が得られるものである。

すなわち、位置情報を検出する磁気抵抗素子群１１と同じような構成で原点を検知する原点検出用素子群１０を構成できるため、同一の基板、物体（図示せず）上に両者を固定すれば、別の部品を使用する必要がなくなり、これにより、光学機器等の構造が複雑になることを防止することができる。また、位置の調整が不要となる。

なお、図７に示すように、さらに他の原点検出用素子群１０ａを設け、磁気スケール１の着磁方向に対し、磁気抵抗素子群１１の左側、すなわち磁気抵抗素子群１１を挟んで原点検出用素子群１０と反対側に他の原点検出用素子群１０ａを配置してもよい。他の原点検出用素子群１０ａからも磁気スケール１の両端部のみで信号が出力される。他の原点検出用素子群１０ａは原点検出用素子群１０と同じ構成になっている。

図８に、原点検出用素子群１０、他の原点検出用素子群１０ａ、磁気抵抗素子群１１それぞれの出力信号の波形を示す。

磁気抵抗素子群１１で出力される信号のうちの一部が位置情報として使用する信号有効範囲Ｘとして規定されている場合、原点検出用素子群１０の最初の出力信号と他の原点検出用素子群１０ａの最後の出力信号との間の信号を信号有効範囲Ｘとすることができる。

このとき、原点検出用素子群１０と磁気抵抗素子群１１との距離Ａ、磁気抵抗素子群１１と他の原点検出用素子群１０ａとの距離Ｂを適切に設定しておく。

さらに、他の原点検出用素子群１０ａにおいて、第１のグランド端子１４から電圧を印加し、第１の電圧印加端子１２をグランドとした場合、他の原点検出用素子群１０ａにおける出力信号は、原点検出用素子群１０の出力信号と反対（正負が逆）になる。

この場合、他の原点検出用素子群１０ａの最後の出力信号は、原点検出用素子群１０の最初の出力信号と同じ方向（正負が同一）になる。図８では、他の原点検出用素子群１０ａの最後の出力信号も、原点検出用素子群１０の最初の出力信号と同じゼロよりプラス（正）の出力になる。しがたって、出力信号のプラス部分に閾値を設ければ、容易に信号有効範囲Ｘを測定できる。

本発明に係る磁気式位置検出装置は、簡単な構成で、磁気スケールの原点を検出することができるという効果を有するものであり、特にカメラ等の光学機器のレンズ等のリニアの位置を検出する磁気式位置検出装置等として有用である。

１磁気スケール
２Ｎ極
３Ｓ極
４第１の磁気抵抗素子
５第２の磁気抵抗素子
６第３の磁気抵抗素子
７第４の磁気抵抗素子
８第５の磁気抵抗素子
９第６の磁気抵抗素子
１０原点検出用素子群
１１磁気抵抗素子群
１２第１の電圧印加端子
１３第１の出力端子
１４第１のグランド端子
１５第２の電圧印加端子
１６第２の出力端子
１７第２のグランド端子
１８第３の電圧印加端子
１９第３の出力端子
２０第３のグランド端子

Claims

Ｎ極およびＳ極が交互に着磁された磁気スケールと、
前記磁気スケールの繰り返し着磁された方向に対し相対的に移動可能であり、かつ前記磁気スケールからの磁界に応じて抵抗値が変化する第１の磁気抵抗素子と第２の磁気抵抗素子とを設けた一対の原点検出用素子群と、
前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子とを電気的に直列に接続し、前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子との電気的接続部に形成された一対の第１の出力端子と、
前記磁気スケールの繰り返し着磁された方向に対し相対的に移動可能であり、かつ前記磁気スケールからの磁界に応じて抵抗値が変化する第３の磁気抵抗素子、第４の磁気抵抗素子、第５の磁気抵抗素子および第６の磁気抵抗素子とを設けた磁気抵抗素子群と、
前記一対の第１の出力端子からの出力により前記磁気スケールの原点を求めるための処理を行う処理回路とを備え、
前記原点検出用素子群をそれぞれ前記磁気スケールに対向して配置し、
前記磁気スケールにおいて着磁された方向におけるＮ極の中心と隣り合うＮ極の中心間の長さをλとしたとき、
前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子をλ/２離れて配置するとともに、前記磁気スケールの繰り返し着磁された方向に対し、前記磁気抵抗素子群の両側の一方側に前記一対の原点検出用素子群のうちの一方を設けかつ、他方側に前記一対の原点検出用素子群のうちの他方を設ける構成とした磁気式位置検出装置。