JP7351179B2 - position detection device - Google Patents
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Description
本発明は、磁気スケールと磁気センサを備えた磁気式の位置検出装置に関する。 The present invention relates to a magnetic position detection device equipped with a magnetic scale and a magnetic sensor.
磁気スケールと磁気センサを備えた磁気式の位置検出装置は、例えば、直線的な方向または回転方向に位置が変化する可動物体の位置を検出するために用いられている。可動物体の位置を検出するために用いられる位置検出装置は、可動物体の位置の変化に対応して、所定の範囲内で、磁気センサに対する磁気スケールの相対位置が変化するように構成されている。 A magnetic position detection device including a magnetic scale and a magnetic sensor is used, for example, to detect the position of a movable object whose position changes in a linear direction or a rotational direction. A position detection device used to detect the position of a movable object is configured such that the relative position of the magnetic scale with respect to the magnetic sensor changes within a predetermined range in response to changes in the position of the movable object. .
磁気スケールは、例えば、直線的な方向または回転方向に沿って配列された複数の磁石を含んでいる。磁気センサに対する磁気スケールの相対位置が変化すると、磁気スケールによって発生されて磁気センサに印加される検出対象磁界の方向が回転する。磁気センサは、例えば、検出対象磁界の互いに異なる2つの方向の成分を検出して、この2つの方向の成分の強度に対応する2つの検出信号を生成する。そして、磁気センサは、2つの検出信号に基づいて、磁気センサに対する磁気スケールの相対位置と対応関係を有する検出値を生成する。 A magnetic scale includes, for example, a plurality of magnets arranged along a linear direction or a rotational direction. When the relative position of the magnetic scale with respect to the magnetic sensor changes, the direction of the magnetic field to be detected that is generated by the magnetic scale and applied to the magnetic sensor rotates. A magnetic sensor, for example, detects components of a magnetic field to be detected in two different directions, and generates two detection signals corresponding to the intensities of the components in the two directions. Based on the two detection signals, the magnetic sensor generates a detection value that corresponds to the relative position of the magnetic scale with respect to the magnetic sensor.
特許文献1には、磁気感知素子と、磁極面が磁気感知素子と対向して直線状に配列された複数の磁気部材とを備え、複数の磁気部材に対する磁気感知素子の位置を検出する位置検出装置が記載されている。特許文献2には、磁気ドラムの回転角を検知する磁気式エンコーダであって、磁気ドラムの外周面に形成された多極着磁層に対向しかつ約180°対向位置に配置された2個の磁気センサを備えた磁気式エンコーダが記載されている。
特許文献3には、検出対象の回転軸の回転位置を検出する磁気式エンコーダであって、多極マグネットの円形外周面に沿って配置した第1および第2磁気検出素子と第3および第4磁気検出素子を、多極マグネットの円周方向に沿って、機械角で180°離れた角度位置に配置した磁気式エンコーダが記載されている。この磁気式エンコーダでは、第1の検出信号の出力信号と第3の磁気検出素子の出力信号の和信号あるいは差信号と、第2の検出信号の出力信号と第4の磁気検出素子の出力信号の和信号あるいは差信号とに基づいて、回転軸の回転位置を表す信号を生成する。
特許文献4には、検出磁石の回転軸上に並べて配置された2つのホール素子と、2つのホール素子からの検出信号を差動出力する差動出力回路とを備えた磁気検出装置が記載されている。この磁気検出装置では、2つのホール電圧の差動をとることによって、外乱磁界に起因するオフセット電圧をキャンセルして、外乱磁界が印加されていない場合と略等しい出力波形の電圧を出力する。
磁気式の位置検出装置では、磁気センサに、検出対象磁界の他に、検出対象磁界以外のノイズ磁界が印加される場合がある。ノイズ磁界としては、例えば地磁気やモーターからの漏れ磁界がある。このように磁気センサにノイズ磁界が印加される場合には、磁気センサは、検出対象磁界とノイズ磁界との合成磁界を検出することになる。そのため、検出対象磁界の方向とノイズ磁界の方向が異なるときには、検出値に誤差が生じる。 In a magnetic position detection device, in addition to the magnetic field to be detected, a noise magnetic field other than the magnetic field to be detected may be applied to the magnetic sensor. Examples of noise magnetic fields include earth's magnetism and leakage magnetic fields from motors. When a noise magnetic field is applied to the magnetic sensor in this way, the magnetic sensor detects a composite magnetic field of the detection target magnetic field and the noise magnetic field. Therefore, when the direction of the magnetic field to be detected differs from the direction of the noise magnetic field, an error occurs in the detected value.
特許文献1に記載された位置検出装置と特許文献2に記載された磁気式エンコーダでは、ノイズ磁界は考慮されていない。一方、特許文献3に記載された磁気式エンコーダと特許文献4に記載された磁気検出装置では、ノイズ磁界に起因する誤差を低減することはできるが、磁気センサの位置が制約される。
The position detection device described in
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、磁気センサの設置に大きな制約を生じさせることなく、ノイズ磁界に起因した誤差を低減できるようにした位置検出装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and its purpose is to provide a position detection device that can reduce errors caused by noise magnetic fields without imposing major restrictions on the installation of magnetic sensors. It is in.
本発明の位置検出装置は、強度および方向が空間的な分布を有する外部磁界を発生する磁気スケールと、外部磁界の一部である検出対象磁界と検出対象磁界以外のノイズ磁界とを検出する磁気センサとを備えた位置検出装置である。磁気スケールは、直線的な方向または回転方向である移動方向に沿った所定の範囲内において、磁気センサに対する相対位置が変化可能である。任意の位置における検出対象磁界の方向は、相対位置の変化に伴って任意の位置を中心として回転する。検出対象磁界の強度は、磁気スケールからの距離に応じて変化する。 The position detection device of the present invention includes a magnetic scale that generates an external magnetic field whose intensity and direction have a spatial distribution, and a magnetic scale that detects a magnetic field to be detected that is a part of the external magnetic field and a noise magnetic field other than the magnetic field to be detected. This is a position detection device equipped with a sensor. The relative position of the magnetic scale to the magnetic sensor can be changed within a predetermined range along a moving direction that is a linear direction or a rotational direction. The direction of the magnetic field to be detected at an arbitrary position rotates around the arbitrary position as the relative position changes. The strength of the magnetic field to be detected changes depending on the distance from the magnetic scale.
磁気センサは、第1の強度の検出対象磁界とノイズ磁界との合成磁界である第1の合成磁界を検出するように配置された第1の検出部および第2の検出部と、第1の強度とは異なる第2の強度の検出対象磁界とノイズ磁界との合成磁界である第2の合成磁界を検出するように配置された第3の検出部および第4の検出部とを含んでいる。第1の検出部は、第1の合成磁界の第1の方向の成分の強度に対応する第1の検出信号を生成する。第2の検出部は、第1の合成磁界の第1の方向とは異なる第2の方向の成分の強度に対応する第2の検出信号を生成する。第3の検出部は、第2の合成磁界の第3の方向の成分の強度に対応する第3の検出信号を生成する。第4の検出部は、第2の合成磁界の第3の方向とは異なる第4の方向の成分の強度に対応する第4の検出信号を生成する。 The magnetic sensor includes a first detection section and a second detection section arranged to detect a first composite magnetic field that is a composite magnetic field of a detection target magnetic field of a first intensity and a noise magnetic field; The magnetic field includes a third detection section and a fourth detection section arranged to detect a second composite magnetic field that is a composite magnetic field of a detection target magnetic field having a second intensity different from the intensity and a noise magnetic field. . The first detection unit generates a first detection signal corresponding to the intensity of the component in the first direction of the first composite magnetic field. The second detection unit generates a second detection signal corresponding to the intensity of a component of the first composite magnetic field in a second direction different from the first direction. The third detection unit generates a third detection signal corresponding to the intensity of the component of the second composite magnetic field in the third direction. The fourth detection unit generates a fourth detection signal corresponding to the intensity of a component of the second composite magnetic field in a fourth direction different from the third direction.
磁気センサは、更に、第1の検出信号と第3の検出信号との差に対応する第1の演算後信号を生成する第1の演算回路と、第2の検出信号と第4の検出信号との差に対応する第2の演算後信号を生成する第2の演算回路と、第1および第2の演算後信号に基づいて、相対位置と対応関係を有する検出値を生成する第3の演算回路とを含んでいる。 The magnetic sensor further includes a first calculation circuit that generates a first calculation signal corresponding to the difference between the first detection signal and the third detection signal, and a second detection signal and a fourth detection signal. a second arithmetic circuit that generates a second post-computation signal corresponding to the difference between It includes an arithmetic circuit.
本発明の位置検出装置において、検出対象磁界の方向が理想的に変化する場合に想定される、第1の検出部が検出する検出対象磁界の方向が第1の方向に対してなす角度を第1の角度とし、第3の検出部が検出する検出対象磁界の方向が第3の方向に対してなす角度を第3の角度としたときに、第1の検出部と第3の検出部は、第1の角度と第3の角度が互いに等しくなるように配置されてもよい。また、検出対象磁界の方向が理想的に変化する場合に想定される、第2の検出部が検出する検出対象磁界の方向が第2の方向に対してなす角度を第2の角度とし、第4の検出部が検出する検出対象磁界の方向が第4の方向に対してなす角度を第4の角度としたときに、第2の検出部と第4の検出部は、第2の角度と第4の角度が互いに等しくなるように配置されていてもよい。第1の角度と第2の角度との差は90°であってもよく、第3の角度と第4の角度との差は90°であってもよい。 In the position detection device of the present invention, the angle formed by the direction of the magnetic field to be detected detected by the first detection unit with respect to the first direction, which is assumed when the direction of the magnetic field to be detected changes ideally, is 1, and when the angle that the direction of the magnetic field to be detected detected by the third detection section makes with respect to the third direction is the third angle, the first detection section and the third detection section are , the first angle and the third angle may be arranged to be equal to each other. Further, the angle that the direction of the detection target magnetic field detected by the second detection unit makes with respect to the second direction, which is assumed when the direction of the detection target magnetic field changes ideally, is defined as the second angle, and When the angle between the direction of the magnetic field to be detected detected by the fourth detecting section and the fourth direction is the fourth angle, the second detecting section and the fourth detecting section are arranged at the second angle. The fourth angles may be arranged to be equal to each other. The difference between the first angle and the second angle may be 90°, and the difference between the third angle and the fourth angle may be 90°.
また、本発明の位置検出装置において、第3の方向は、第1の方向と同じ方向であってもよく、第4の方向は、第2の方向と同じ方向であってもよい。 Furthermore, in the position detection device of the present invention, the third direction may be the same direction as the first direction, and the fourth direction may be the same direction as the second direction.
また、本発明の位置検出装置において、移動方向は、直線的な方向であってもよい。この場合、第1の合成磁界は、磁気スケールと交差し且つ移動方向に直交する仮想の直線上の第1の検出位置における検出対象磁界とノイズ磁界との合成磁界であってもよい。また、第2の合成磁界は、仮想の直線上の第1の検出位置とは異なる第2の検出位置における検出対象磁界とノイズ磁界との合成磁界であってもよい。 Furthermore, in the position detection device of the present invention, the moving direction may be a linear direction. In this case, the first composite magnetic field may be a composite magnetic field of the detection target magnetic field and the noise magnetic field at the first detection position on a virtual straight line that intersects the magnetic scale and is orthogonal to the movement direction. Further, the second composite magnetic field may be a composite magnetic field of the detection target magnetic field and the noise magnetic field at a second detection position different from the first detection position on the virtual straight line.
また、本発明の位置検出装置において、移動方向は、所定の中心軸を中心とする回転方向であってもよい。この場合、第1の検出部が検出する第1の合成磁界は、中心軸と交差する第1の仮想の直線上の第1の検出位置における検出対象磁界とノイズ磁界との合成磁界であってもよい。また、第2の検出部が検出する第1の合成磁界は、中心軸と交差し、第1の仮想の直線とは異なる第2の仮想の直線上の第2の検出位置における検出対象磁界とノイズ磁界との合成磁界であってもよい。また、第3の検出部が検出する第2の合成磁界は、第1の仮想の直線上の第1の検出位置とは異なる第3の検出位置における検出対象磁界とノイズ磁界との合成磁界であってもよい。また、第4の検出部が検出する第2の合成磁界は、第2の仮想の直線上の第2の検出位置とは異なる第4の検出位置における検出対象磁界とノイズ磁界との合成磁界であってもよい。 Furthermore, in the position detection device of the present invention, the movement direction may be a rotation direction about a predetermined central axis. In this case, the first composite magnetic field detected by the first detection unit is a composite magnetic field of the detection target magnetic field and the noise magnetic field at the first detection position on the first imaginary straight line intersecting the central axis. Good too. Further, the first composite magnetic field detected by the second detection unit is the detection target magnetic field at a second detection position on a second imaginary straight line that intersects the central axis and is different from the first imaginary straight line. It may be a composite magnetic field with a noise magnetic field. Further, the second composite magnetic field detected by the third detection unit is a composite magnetic field of the detection target magnetic field and the noise magnetic field at a third detection position different from the first detection position on the first imaginary straight line. There may be. Further, the second composite magnetic field detected by the fourth detection unit is a composite magnetic field of the detection target magnetic field and the noise magnetic field at a fourth detection position different from the second detection position on the second imaginary straight line. There may be.
また、本発明の位置検出装置において、移動方向に沿って配置された複数の磁石を含んでいてもよい。外部磁界は、複数の磁石の各々が発生する磁界が合成されたものである。複数の磁石は、互いに間隔を開けて配置されていてもよい。この場合、磁気スケールは、更に、磁性材料よりなり、複数の磁石を磁気的に接続するヨークを含んでいてもよい。 Further, the position detection device of the present invention may include a plurality of magnets arranged along the movement direction. The external magnetic field is a combination of magnetic fields generated by each of the plurality of magnets. The plurality of magnets may be spaced apart from each other. In this case, the magnetic scale may further include a yoke made of a magnetic material and magnetically connecting the plurality of magnets.
また、本発明の位置検出装置において、第1ないし第4の検出部の各々は、少なくとも1つの磁気抵抗効果素子を含んでいてもよい。あるいは、第1ないし第4の検出部の各々は、少なくとも1つのホール素子を含んでいてもよい。 Further, in the position detection device of the present invention, each of the first to fourth detection sections may include at least one magnetoresistive element. Alternatively, each of the first to fourth detection sections may include at least one Hall element.
本発明の位置検出装置では、第1の検出信号と第3の検出信号との差に対応する第1の演算後信号と、第2の検出信号と第4の検出信号との差に対応する第2の演算後信号に基づいて、相対位置と対応関係を有する検出値を生成する。本発明では、その強度が第1の強度となる検出対象磁界を検出することができる位置に、第1および第2の検出部を配置するという要件と、その強度が第2の強度となる検出対象磁界を検出することができる位置に、第3および第4の検出部を配置するという要件を満たす必要があるが、これらの要件は、第1ないし第4の検出部の設置に大きな制約を生じさせるものではない。従って、本発明によれば、磁気センサの設置に大きな制約を生じさせることなく、ノイズ磁界に起因した誤差を低減することができるという効果を奏する。 In the position detection device of the present invention, the first calculated signal corresponds to the difference between the first detection signal and the third detection signal, and the first calculated signal corresponds to the difference between the second detection signal and the fourth detection signal. Based on the second post-computation signal, a detected value having a correspondence relationship with the relative position is generated. In the present invention, there is a requirement that the first and second detection sections be arranged at positions where the magnetic field to be detected can detect the magnetic field whose intensity becomes the first intensity, and a detection whose intensity becomes the second intensity. Although it is necessary to satisfy the requirement that the third and fourth detection sections be placed in positions where they can detect the target magnetic field, these requirements place significant restrictions on the installation of the first to fourth detection sections. It is not something that causes it. Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the error caused by the noise magnetic field without imposing any major restrictions on the installation of the magnetic sensor.
[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図1および図2を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る位置検出装置の概略の構成について説明する。本実施の形態に係る位置検出装置1は、磁気スケール2と、磁気センサ3とを備えている。磁気スケール2は、強度および方向が空間的な分布を有する外部磁界MFを発生する。磁気センサ3は、外部磁界MFの一部である検出対象磁界と、検出対象磁界以外のノイズ磁界Mexとを検出する。
[First embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, with reference to FIGS. 1 and 2, a schematic configuration of a position detection device according to a first embodiment of the present invention will be described. The
磁気スケール2は、直線的な方向または回転方向である移動方向に沿った所定の範囲内において、磁気センサ3に対する相対位置が変化可能である。また、磁気スケール2は、移動方向に沿って配置された複数の磁石を含んでいる。複数の磁石は、互いに間隔を開けて配置されていてもよい。本実施の形態では特に、磁気スケール2は、複数の磁石として、互いに間隔を開けて配置された3つの磁石4,5,6を含んでいる。外部磁界MFは、3つの磁石4,5,6の各々が発生する磁界が合成されたものである。
The relative position of the
本実施の形態では特に、磁気スケール2は、リニアスケールである。磁石4,5,6は、一方向にこの順に配置されている。磁石4と磁石5の間隔と、磁石5と磁石6の間隔は、互いに等しい。磁気スケール2は、更に、NiFe等の磁性材料よりなるヨーク7を含んでいる。ヨーク7は、磁石4,5,6を磁気的に接続すると共に、磁石4,5,6を支持する基板として用いられる。ヨーク7は、一方向に長い板状である。また、ヨーク7は、上面7aと下面7bを有している。磁石4,5,6は、ヨーク7の上面7aの上に配置されている。磁気センサ3は、ヨーク7の上面7aに対向するように配置されている。
Particularly in this embodiment, the
磁気スケール2は、更に、樹脂等の非磁性材料よりなり、磁石4,5,6とヨーク7の一部を覆う保護部8を含んでいる。なお、図2では、保護部8を省略している。
The
ここで、図1および図2に示したように、X方向、Y方向およびZ方向を定義する。本実施の形態では、ヨーク7の上面7aに垂直で下面7bから上面7aに向かう方向をZ方向とする。また、Z方向に垂直な2方向であって、互いに直交する2つの方向をX方向とY方向とする。図2では、Y方向を図2における手前から奥に向かう方向として表している。また、X方向とは反対の方向を-X方向とし、Y方向とは反対の方向を-Y方向とし、Z方向とは反対の方向を-Z方向とする。
Here, as shown in FIGS. 1 and 2, the X direction, Y direction, and Z direction are defined. In this embodiment, the direction perpendicular to the
3つの磁石4,5,6は、X方向にこの順に配置されている。また、3つの磁石4,5,6の各々は、N極とS極を有している。磁石4,6では、N極とS極は、-Z方向にこの順に配置されている。磁石5では、N極とS極は、Z方向にこの順に配置されている。ヨーク7は、磁石4のS極側の端面と、磁石5のN極側の端面と、磁石6のS極側の端面を磁気的に接続している。ヨーク7は、磁石5のN極側の端面より発生された磁束が、磁石4のS極側の端面および磁石6のS極側の端面に効率的に流入するように、磁束の流れを制御する機能を有している。
The three
前記の移動方向は、直線的な方向であって、X方向に平行な方向である。以下、移動方向を記号X1で表す。磁気スケール2は、移動方向X1に沿った所定の範囲内において、磁気センサ3に対する相対位置が変化可能である。以下、磁気センサ3に対する磁気スケール2の相対位置を、単に、相対位置と言う。本実施の形態では、磁気スケール2と磁気センサ3の一方は、図示しない可動物体に連動して、X方向または-X方向に直線的に移動する。これにより、相対位置がX方向または-X方向に変化する。任意の位置における検出対象磁界の方向は、相対位置の変化に伴って任意の位置を中心として回転する。
The moving direction is a linear direction and parallel to the X direction. Hereinafter, the moving direction will be represented by the symbol X1. The relative position of the
位置検出装置1は、相対位置を検出するための装置である。磁気センサ3は、相対位置と対応関係を有する検出値を生成する。本実施の形態では特に、磁気センサ3は、検出値として、基準平面内において基準位置における検出対象磁界の方向が基準方向DRに対してなす角度を表す値θsを生成する。以下、検出値を、検出値θsとも記す。検出値θsは、相対位置と対応関係を有する。
The
本実施の形態では、検出値θsの範囲を、相対位置を一意に特定可能な範囲としてもよい。このような検出値θsの範囲は、複数の相対位置において検出値θsが同じ値になることがない範囲である。これは、例えば、0°~360°よりも狭い範囲である。検出値θsの範囲を0°~360°よりも狭い範囲にするには、相対位置が変化可能な所定の範囲(以下、可動範囲と言う。)を、検出値θsの0°~360°に対応する範囲とするが、実際に磁気センサ3が生成する検出値θsの範囲を0°~360°よりも狭い範囲に制限して、その制限された検出値θsの範囲に対応する相対位置の範囲のみを、検出可能な相対位置の範囲としてもよい。あるいは、可動範囲を、検出値θsが0°~360°となる範囲よりも狭い範囲としてもよい。これらのことにより、検出値θsによって、相対位置を一意に特定することができる。
In this embodiment, the range of the detected value θs may be a range in which the relative position can be uniquely specified. Such a range of the detected value θs is a range in which the detected value θs does not have the same value at a plurality of relative positions. This is, for example, a narrower range than 0° to 360°. In order to make the range of the detected value θs narrower than 0° to 360°, set a predetermined range in which the relative position can change (hereinafter referred to as the movable range) to 0° to 360° of the detected value θs. However, the range of the detected value θs actually generated by the
磁気センサ3は、2つの電子部品10,20を含んでいる。また、磁気センサ3は、第1の検出部11と、第2の検出部12と、第3の検出部21と、第4の検出部22とを含んでいる。第1の検出部11と第2の検出部12は、電子部品10に含まれている。第3の検出部21と第4の検出部22は、電子部品20に含まれている。電子部品10,20は、磁気スケール2に対して、Z方向について離れた位置にある。
The
ここで、図2に示したように、磁気スケール2と交差し且つ移動方向X1に直交する仮想の直線Lを想定する。電子部品10,20は、仮想の直線L上の互いに異なる位置に配置されている。電子部品20は、電子部品10よりも磁気スケール2からより遠い位置に配置されている。
Here, as shown in FIG. 2, a virtual straight line L that intersects the
検出対象磁界の強度は、磁気スケール2からの距離に応じて変化する。第1および第2の検出部11,12は、第1の強度の検出対象磁界とノイズ磁界Mexとの合成磁界である第1の合成磁界MF1を検出するように配置されている。第3および第4の検出部21,22は、第1の強度とは異なる第2の強度の検出対象磁界とノイズ磁界Mexとの合成磁界である第2の合成磁界MF2を検出するように配置されている。
The intensity of the magnetic field to be detected changes depending on the distance from the
本実施の形態では特に、第1の合成磁界MF1は、仮想の直線L上の第1の検出位置P1における検出対象磁界とノイズ磁界Mexとの合成磁界である。電子部品10は、第1の検出位置P1に配置されている。これにより、第1および第2の検出部11,12は、第1の合成磁界MF1を検出することができる。同様に、第2の合成磁界MF2は、仮想の直線L上の第1の検出位置P1とは異なる第2の検出位置P2における検出対象磁界とノイズ磁界Mexとの合成磁界である。電子部品20は、第2の検出位置P2に配置されている。これにより、第3および第4の検出部21,22は、第2の合成磁界MF2を検出することができる。
Particularly in this embodiment, the first composite magnetic field MF1 is a composite magnetic field of the detection target magnetic field and the noise magnetic field Mex at the first detection position P1 on the imaginary straight line L. The
図2に示したように、本実施の形態では、第2の検出位置P2を、第1の検出位置P1よりも磁気スケール2からより遠い位置とする。
As shown in FIG. 2, in this embodiment, the second detection position P2 is located farther from the
第2の検出位置P2におけるノイズ磁界Mexの方向および強度は、それぞれ第1の検出位置P1におけるノイズ磁界Mexの方向および強度と等しい。ノイズ磁界Mexは、その方向と強度が時間的に一定の磁界であってもよいし、その方向と強度が時間的に周期的に変化する磁界であってもよいし、その方向と強度が時間的にランダムに変化する磁界であってもよい。 The direction and intensity of the noise magnetic field Mex at the second detection position P2 are respectively equal to the direction and intensity of the noise magnetic field Mex at the first detection position P1. The noise magnetic field Mex may be a magnetic field whose direction and intensity are constant over time, a magnetic field whose direction and intensity change periodically over time, or a magnetic field whose direction and intensity are constant over time. It may also be a magnetic field that changes randomly.
以下、第1の検出位置P1における検出対象磁界を第1の部分磁界MFaと言い、第2の検出位置P2における検出対象磁界を第2の部分磁界MFbと言う。第1の部分磁界MFaの強度は第1の強度であり、第2の部分磁界MFbの強度は第2の強度である。第1および第2の部分磁界MFa,MFbの方向は、相対位置の変化に応じて変化する。 Hereinafter, the magnetic field to be detected at the first detection position P1 will be referred to as a first partial magnetic field MFa, and the magnetic field to be detected at the second detection position P2 will be referred to as a second partial magnetic field MFb. The intensity of the first partial magnetic field MFa is a first intensity, and the intensity of the second partial magnetic field MFb is a second intensity. The directions of the first and second partial magnetic fields MFa, MFb change according to changes in relative position.
ここで、検出対象磁界の方向が理想的に変化する場合を想定する。検出対象磁界の方向が理想的に変化する場合とは、相対位置の変化と、任意の位置における検出対象磁界の方向が所定の方向に対してなす角度の変化との関係が、線形性を満たす関係にある場合である。以下、検出対象磁界の方向が理想的に変化する場合を、理想状態と言う。理想状態において想定される、第1の部分磁界MFaの方向と第2の部分磁界MFbの方向は、互いに一致している。 Here, assume that the direction of the magnetic field to be detected changes ideally. A case where the direction of the magnetic field to be detected changes ideally means that the relationship between the change in relative position and the change in the angle that the direction of the magnetic field to be detected at any position makes with respect to a predetermined direction satisfies linearity. This is the case when they are in a relationship. Hereinafter, a case where the direction of the magnetic field to be detected changes ideally will be referred to as an ideal state. The direction of the first partial magnetic field MFa and the direction of the second partial magnetic field MFb, which are assumed in an ideal state, coincide with each other.
第1の合成磁界MF1は、第1の部分磁界MFaとノイズ磁界Mexとの合成磁界である。第1の検出部11は、第1の合成磁界MF1を検出して、第1の合成磁界MF1の第1の方向D1の成分の強度に対応する第1の検出信号S1を生成する。第2の検出部12は、第1の合成磁界MF1を検出して、第1の合成磁界MF1の第1の方向D1とは異なる第2の方向D2の成分の強度に対応する第2の検出信号S2を生成する。第1の方向D1は、第1の検出部11が第1の検出信号S1を生成する基準となる方向である。第2の方向D2は、第2の検出部12が第2の検出信号S2を生成する基準となる方向である。
The first composite magnetic field MF1 is a composite magnetic field of the first partial magnetic field MFa and the noise magnetic field Mex. The
第2の合成磁界MF2は、第2の部分磁界MFbとノイズ磁界Mexとの合成磁界である。第3の検出部21は、第2の合成磁界MF2を検出して、第2の合成磁界MF2の第3の方向D3の成分の強度に対応する第3の検出信号S3を生成する。第4の検出部22は、第2の合成磁界MF2を検出して、第2の合成磁界MF2の第3の方向D3とは異なる第4の方向D4の成分の強度に対応する第4の検出信号S4を生成する。第3の方向D3は、第3の検出部21が第3の検出信号S3を生成する基準となる方向である。第4の方向D4は、第4の検出部22が第4の検出信号S4を生成する基準となる方向である。
The second composite magnetic field MF2 is a composite magnetic field of the second partial magnetic field MFb and the noise magnetic field Mex. The
ここで、理想状態において想定される、第1の検出部11が検出する第1の部分磁界MFaの方向が第1の方向D1に対してなす角度を第1の角度と言い、記号θ1で表す。また、理想状態において想定される、第2の検出部12が検出する第1の部分磁界MFaの方向が第2の方向D2に対してなす角度を第2の角度と言い、記号θ2で表す。また、理想状態において想定される、第3の検出部21が検出する第2の部分磁界MFbの方向が第3の方向D3に対してなす角度を第3の角度と言い、記号θ3で表す。また、理想状態において想定される、第4の検出部22が検出する第2の部分磁界MFbの方向が第4の方向D4に対してなす角度を第4の角度と言い、記号θ4で表す。第1の検出部11と第3の検出部21は、第1の角度θ1と第3の角度θ3が互いに等しくなるように配置される。第2の検出部12と第4の検出部22は、第2の角度θ2と第4の角度θ4が互いに等しくなるように配置される。
Here, the angle that the direction of the first partial magnetic field MFa detected by the
図3は、本実施の形態における基準方向DRと第1ないし第4の方向D1~D4を示す説明図である。基準方向DRは、基準平面P内に位置する。本実施の形態では特に、Z方向を基準方向DRとする。基準平面Pは、磁気スケール2と交差するXZ平面である。この基準平面P内において、第1の部分磁界MFaは第1の検出位置P1を中心として回転し、第2の部分磁界MFbは第2の検出位置P2を中心として回転する。以下の説明において、第1および第2の部分磁界MFa,MFbの方向とは、基準平面P内に位置する方向を指す。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the reference direction DR and the first to fourth directions D1 to D4 in this embodiment. The reference direction DR is located within the reference plane P. In this embodiment, in particular, the Z direction is set as the reference direction DR. The reference plane P is an XZ plane that intersects the
図3には、理想状態において想定される第1および第2の部分磁界MFa,MFbと、第1ないし第4の角度θ1~θ4を示している。図3において、MFaを付した矢印の長さは、第1の部分磁界MFaの強度すなわち第1の強度を模式的に表している。また、MFbを付した矢印の長さは、第2の部分磁界MFbの強度すなわち第2の強度を模式的に表している。図3に示したように、第2の強度は、第1の強度よりも小さい。 FIG. 3 shows the first and second partial magnetic fields MFa, MFb and the first to fourth angles θ1 to θ4 assumed in an ideal state. In FIG. 3, the length of the arrow labeled MFa schematically represents the intensity of the first partial magnetic field MFa, that is, the first intensity. Further, the length of the arrow labeled MFb schematically represents the intensity of the second partial magnetic field MFb, that is, the second intensity. As shown in FIG. 3, the second intensity is smaller than the first intensity.
理想状態において想定される、第1の部分磁界MFaの方向が基準方向DRに対してなす角度と、第2の部分磁界MFbの方向が基準方向DRに対してなす角度は、互いに等しくなる。以下、これらの角度を、記号θで表す。角度θは、基準方向DRから時計回り方向に見たときに正の値で表し、基準方向DRから反時計回り方向に見たときに負の値で表す。 In an ideal state, the angle that the direction of the first partial magnetic field MFa makes with the reference direction DR and the angle that the direction of the second partial magnetic field MFb makes with the reference direction DR are equal to each other. Hereinafter, these angles will be represented by the symbol θ. The angle θ is expressed as a positive value when viewed clockwise from the reference direction DR, and is expressed as a negative value when viewed counterclockwise from the reference direction DR.
基準位置は、基準平面P内に位置する。以下の説明では、理想状態において想定される第1および第2の部分磁界MFa,MFbの方向は、理想状態において想定される基準位置における検出対象磁界の方向に一致するものとする。この要件を満たす限り、基準位置は、第1の検出位置P1と一致していてもよいし、第2の検出位置P2と一致していてもよいし、これらの位置とは異なる任意の位置であってもよい。理想状態において想定される基準位置における検出対象磁界の方向が基準方向DRに対してなす角度は、角度θと等しい。 The reference position is located within the reference plane P. In the following description, it is assumed that the directions of the first and second partial magnetic fields MFa and MFb assumed in the ideal state match the direction of the magnetic field to be detected at the reference position assumed in the ideal state. As long as this requirement is met, the reference position may coincide with the first detection position P1, the second detection position P2, or any position different from these positions. There may be. The angle that the direction of the magnetic field to be detected at the reference position assumed in the ideal state makes with respect to the reference direction DR is equal to the angle θ.
本実施の形態では、第1の方向D1と第3の方向D3をX方向とし、第2の方向D2と第4の方向D4をZ方向とする。すなわち、本実施の形態では、第3の方向D3は、第1の方向D1と同じ方向であり、第4の方向D4は、第2の方向D2と同じ方向である。 In this embodiment, the first direction D1 and the third direction D3 are the X direction, and the second direction D2 and the fourth direction D4 are the Z direction. That is, in this embodiment, the third direction D3 is the same direction as the first direction D1, and the fourth direction D4 is the same direction as the second direction D2.
前述のように、第1の角度θ1と第3の角度θ3は互いに等しく、第2の角度θ2と第4の角度θ4は互いに等しい。また、第1の角度θ1と第2の角度θ2との差は90°であり、第3の角度θ3と第4の角度θ4との差は90°である。第1ないし第4の角度θ1~θ4の正負の定義は、角度θと同様である。図3に示したように、第2および第4の角度θ2,θ4は、角度θと等しい。 As described above, the first angle θ1 and the third angle θ3 are equal to each other, and the second angle θ2 and the fourth angle θ4 are equal to each other. Further, the difference between the first angle θ1 and the second angle θ2 is 90°, and the difference between the third angle θ3 and the fourth angle θ4 is 90°. The definitions of positive and negative of the first to fourth angles θ1 to θ4 are the same as the angle θ. As shown in FIG. 3, the second and fourth angles θ2 and θ4 are equal to the angle θ.
次に、図4を参照して、磁気センサ3の構成について詳しく説明する。図4は、磁気センサ3の構成を示すブロック図である。前述の通り、磁気センサ3は、第1ないし第4の検出部11,12,21,22を含んでいる。磁気センサ3は、更に、アナログ-デジタル変換器(以下、A/D変換器と記す。)31,32,33,34を含んでいる。A/D変換器31は、第1の検出信号S1をデジタル信号に変換する。A/D変換器32は、第2の検出信号S2をデジタル信号に変換する。A/D変換器33は、第3の検出信号S3をデジタル信号に変換する。A/D変換器34は、第4の検出信号S4をデジタル信号に変換する。
Next, the configuration of the
磁気センサ3は、更に、第1の演算回路35と、第2の演算回路36と、第3の演算回路37とを含んでいる。第1ないし第3の演算回路35~37は、例えば、特定用途向け集積回路(ASIC)またはマイクロコンピュータによって実現することができる。第1ないし第3の演算回路35~37は、機能ブロックであってもよいし、物理的に別個の回路であってもよい。
The
第1の演算回路35は、A/D変換器31によってデジタル信号に変換された第1の検出信号S1と、A/D変換器33によってデジタル信号に変換された第3の検出信号S3との差S1-S3に対応する第1の演算後信号Saを生成する。第1の演算後信号Saは、差S1-S3そのものであってもよいし、差S1-S3にゲイン調整およびオフセット調整等の所定の補正を加えたものであってもよい。
The first
第2の演算回路36は、A/D変換器32によってデジタル信号に変換された第2の検出信号S2と、A/D変換器34によってデジタル信号に変換された第4の検出信号S4との差S2-S4に対応する第2の演算後信号Sbを生成する。第2の演算後信号Sbは、差S2-S4そのものであってもよいし、差S2-S4にゲイン調整およびオフセット調整等の所定の補正を加えたものであってもよい。
The second
第3の演算回路37は、第1および第2の演算後信号Sa,Sbに基づいて、検出値θsを生成する。具体的には、第3の演算回路37は、例えば下記の式(1)によって、θsを算出する。なお、“atan”は、アークタンジェントを表す。
The third
θs=atan(Sa/Sb) …(1) θs=atan(Sa/Sb)...(1)
θsが0°以上360°未満の範囲内では、式(1)におけるθsの解には、180°異なる2つの値がある。しかし、Sa,Sbの正負の組み合わせにより、θsの真の値が、式(1)におけるθsの2つの解のいずれであるかを判別することができる。第3の演算回路37は、式(1)と、上記のSa,Sbの正負の組み合わせの判定により、0°以上360°未満の範囲内でθsを求める。
Within the range of θs from 0° to less than 360°, the solution of θs in equation (1) has two values that differ by 180°. However, depending on the positive/negative combination of Sa and Sb, it is possible to determine which of the two solutions of θs in equation (1) the true value of θs is. The third
次に、磁気センサ3の第1および第2の例について説明する。始めに、磁気センサ3の第1の例について説明する。第1の例では、第1ないし第4の検出部11,12,21,22の各々は、少なくとも1つの磁気抵抗効果素子を含んでいる。以下、磁気抵抗効果素子をMR素子と記す。
Next, first and second examples of the
図5は、第1の例における第1の検出部11の具体的な構成の一例を示している。この例では、第1の検出部11は、2つのMR素子R11,R12と、電源ポートV11と、グランドポートG11と、出力ポートE11とを含んでいる。MR素子R11の一端は、電源ポートV11に接続されている。MR素子R11の他端は、MR素子R12の一端と出力ポートE11に接続されている。MR素子R12の他端は、グランドポートG11に接続されている。電源ポートV11には、所定の大きさの電源電圧が印加される。グランドポートG11はグランドに接続される。出力ポートE11は、MR素子R11,R12の接続点の電位に対応する信号を出力する。
FIG. 5 shows an example of a specific configuration of the
第1の例では、第3の検出部21の構成は、第1の検出部11の構成と同じである。そのため、以下の説明では、第3の検出部21の構成要素について、第1の検出部11の構成要素と同じ符号を用いる。
In the first example, the configuration of the
図6は、第1の例における第2の検出部12の具体的な構成の一例を示している。この例では、第2の検出部12は、2つのMR素子R21,R22と、電源ポートV12と、グランドポートG12と、出力ポートE12とを含んでいる。MR素子R21の一端は、電源ポートV12に接続されている。MR素子R21の他端は、MR素子R22の一端と出力ポートE12に接続されている。MR素子R22の他端は、グランドポートG12に接続されている。電源ポートV12には、所定の大きさの電源電圧が印加される。グランドポートG12はグランドに接続される。出力ポートE12は、MR素子R21,R22の接続点の電位に対応する信号を出力する。
FIG. 6 shows an example of a specific configuration of the
第1の例では、第4の検出部22の構成は、第2の検出部12の構成と同じである。そのため、以下の説明では、第4の検出部22の構成要素について、第2の検出部12の構成要素と同じ符号を用いる。
In the first example, the configuration of the
MR素子は、例えばスピンバルブ型のMR素子である。スピンバルブ型のMR素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、検出対象磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する磁性層である自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層とを有している。スピンバルブ型のMR素子は、TMR素子でもよいし、GMR素子でもよい。TMR素子では、非磁性層はトンネルバリア層である。GMR素子では、非磁性層は非磁性導電層である。スピンバルブ型のMR素子では、自由層の磁化の方向が磁化固定層の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が0°のときに抵抗値は最小値となり、角度が180°のときに抵抗値は最大値となる。図5および図6においてMR素子R11,R12,R21,R22に描いた矢印は、それぞれ、それらに含まれる磁化固定層の磁化の方向を表している。 The MR element is, for example, a spin valve type MR element. A spin valve type MR element consists of a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, a free layer which is a magnetic layer whose direction of magnetization changes depending on the direction of the magnetic field to be detected, and a structure between the magnetization fixed layer and the free layer. and a non-magnetic layer arranged thereon. The spin valve type MR element may be a TMR element or a GMR element. In a TMR element, the nonmagnetic layer is a tunnel barrier layer. In a GMR element, the nonmagnetic layer is a nonmagnetic conductive layer. In a spin-valve type MR element, the resistance value changes depending on the angle that the direction of magnetization of the free layer makes with the direction of magnetization of the fixed magnetization layer, and when this angle is 0°, the resistance value is the minimum value. , the resistance value reaches its maximum value when the angle is 180°. The arrows drawn on the MR elements R11, R12, R21, and R22 in FIGS. 5 and 6 each represent the direction of magnetization of the magnetization fixed layer included therein.
第1の検出部11では、MR素子R11の磁化固定層の磁化の方向は第1の方向D1(X方向)であり、MR素子R12の磁化固定層の磁化の方向は第1の方向D1とは反対の方向である。この場合、第1の合成磁界MF1の第1の方向D1の成分の強度に応じて、MR素子R11,R12の接続点の電位が変化する。従って、第1の検出部11は、第1の合成磁界MF1の第1の方向D1の成分を検出して、その強度に対応する信号を第1の検出信号S1として出力する。
In the
第2の検出部12では、MR素子R21の磁化固定層の磁化の方向は第2の方向D2(Z方向)であり、MR素子R22の磁化固定層の磁化の方向は第2の方向D2とは反対の方向である。この場合、第1の合成磁界MF1の第2の方向D2の成分の強度に応じて、MR素子R21,R22の接続点の電位が変化する。従って、第2の検出部12は、第1の合成磁界MF1の第2の方向D2の成分を検出して、その強度に対応する信号を第2の検出信号S2として出力する。
In the
第3の検出部21では、MR素子R11の磁化固定層の磁化の方向は第3の方向D3(X方向)であり、MR素子R12の磁化固定層の磁化の方向は第3の方向D3とは反対の方向である。この場合、第2の合成磁界MF2の第3の方向D3の成分の強度に応じて、MR素子R11,R12の接続点の電位が変化する。従って、第3の検出部21は、第2の合成磁界MF2の第3の方向D3の成分を検出して、その強度に対応する信号を第3の検出信号S3として出力する。
In the
第4の検出部22では、MR素子R21の磁化固定層の磁化の方向は第4の方向D4(Z方向)であり、MR素子R22の磁化固定層の磁化の方向は第4の方向D4とは反対の方向である。この場合、第2の合成磁界MF2の第4の方向D4の成分の強度に応じて、MR素子R21,R22の接続点の電位が変化する。従って、第4の検出部22は、第2の合成磁界MF2の第4の方向D4の成分を検出して、その強度に対応する信号を第4の検出信号S4として出力する。
In the
検出部11,12,21,22内の複数のMR素子における磁化固定層の磁化の方向は、MR素子の作製の精度等の観点から、上述の方向からわずかにずれていてもよい。
The direction of magnetization of the magnetization fixed layer in the plurality of MR elements in the
なお、上述のように、第1ないし第4の検出信号S1~S4が検出対象磁界の一方向の成分の強度を表すようにするためには、MR素子の抵抗値が、第1および第2の合成磁界MF1,MF2の強度の範囲内では飽和しないことと、検出対象磁界の一方向の成分の強度の変化とMR素子の抵抗値の変化との関係が、線形性の関係を満足することが必要である。上記の要件を満たすために、MR素子R11,R12,R21,R22として、磁界の一方向の成分の強度を検出するタイプのMR素子を用いてもよい。このタイプのMR素子は、例えばMR素子の平面形状をほぼ矩形にすることによって、磁界の一方向の成分の強度の変化に対して、MR素子の自由層の磁化の方向が実質的に一定の速度で変化するように構成されている。 Note that, as described above, in order for the first to fourth detection signals S1 to S4 to represent the strength of the component in one direction of the magnetic field to be detected, the resistance value of the MR element is The magnetic field MF1 and MF2 must not be saturated within the strength range of the combined magnetic fields MF1 and MF2, and the relationship between the change in the strength of the component in one direction of the magnetic field to be detected and the change in the resistance value of the MR element satisfies the relationship of linearity. is necessary. In order to satisfy the above requirements, an MR element of a type that detects the intensity of a component of a magnetic field in one direction may be used as the MR elements R11, R12, R21, and R22. In this type of MR element, for example, by making the planar shape of the MR element approximately rectangular, the direction of magnetization of the free layer of the MR element remains substantially constant in response to changes in the intensity of a component in one direction of the magnetic field. It is configured to change with speed.
ここで、図7を参照して、MR素子の構成の一例について説明する。図7は、図5および図6に示した検出部11,12における1つのMR素子の一部を示す斜視図である。この例では、1つの磁気検出素子は、複数の下部電極62と、複数のMR膜50と、複数の上部電極63とを有している。複数の下部電極62は図示しない基板上に配置されている。個々の下部電極62は細長い形状を有している。下部電極62の長手方向に隣接する2つの下部電極62の間には、間隙が形成されている。図7に示したように、下部電極62の上面上において、長手方向の両端の近傍に、それぞれMR膜50が配置されている。MR膜50は、下部電極62側から順に積層された自由層51、非磁性層52、磁化固定層53および反強磁性層54を含んでいる。自由層51は、下部電極62に電気的に接続されている。反強磁性層54は、反強磁性材料よりなり、磁化固定層53との間で交換結合を生じさせて、磁化固定層53の磁化の方向を固定する。複数の上部電極63は、複数のMR膜50の上に配置されている。個々の上部電極63は細長い形状を有し、下部電極62の長手方向に隣接する2つの下部電極62上に配置されて隣接する2つのMR膜50の反強磁性層54同士を電気的に接続する。このような構成により、図7に示したMR素子は、複数の下部電極62と複数の上部電極63とによって直列に接続された複数のMR膜50を有している。なお、MR膜50における層51~54の配置は、図7に示した配置とは上下が反対でもよい。
Here, an example of the configuration of the MR element will be described with reference to FIG. 7. FIG. 7 is a perspective view showing a part of one MR element in the
次に、磁気センサ3の第2の例について説明する。第2の例では、第1ないし第4の検出部11,12,21,22の各々は、少なくとも1つのホール素子を含んでいる。
Next, a second example of the
図8は、第2の例における電子部品10の要部を示す斜視図である。第2の例では、第1の検出部11は、第1のホール素子H1と第3のホール素子H3とを含み、第2の検出部12は、第2のホール素子H2と第4のホール素子H4とを含んでいる。電子部品10は、更に、非磁性材料よりなり上面41aを有する基板41と、磁性材料よりなるヨーク42とを含んでいる。上面41aは、XZ平面に平行である。
FIG. 8 is a perspective view showing the main parts of the
第1ないし第4のホール素子H1~H4は、上面41aの近傍において、感磁面が上面41aに平行になるような姿勢で基板41に埋め込まれている。第1および第3のホール素子H1,H3は、X方向に並ぶように配置されている。第2および第4のホール素子H2,H4は、Z方向に並ぶように配置されている。
The first to fourth Hall elements H1 to H4 are embedded in the
ヨーク42は、円板状である。ヨーク42は、第1ないし第4のホール素子H1~H4のそれぞれの一部にまたがるように、基板41の上面41aの上に配置されている。第1のホール素子H1は、ヨーク42の-X方向の端の近傍に位置する。第2のホール素子H2は、ヨーク42の-Z方向の端の近傍に位置する。第3のホール素子H3は、ヨーク42のX方向の端の近傍に位置する。第4のホール素子H4は、ヨーク42のZ方向の端の近傍に位置する。
The
図9は、第2の例における第1の検出部11の具体的な構成の一例を示している。図10は、第2の例における第2の検出部12の具体的な構成の一例を示している。図9に示したように、第1の検出部11は、更に、電源ポートV21と、グランドポートG21と、2つの出力ポートE21,E22と、差分検出器13とを含んでいる。図10に示したように、第2の検出部12は、更に、電源ポートV22と、グランドポートG22と、2つの出力ポートE23,E24と、差分検出器23とを含んでいる。図9および図10に示したように、第1ないし第4のホール素子H1~H4の各々は、電源端子Haと、グランド端子Hcと、2つの出力端子Hb,Hdとを有している。
FIG. 9 shows an example of a specific configuration of the
第1の検出部11では、第1および第3のホール素子H1,H3の電源端子Haは、電源ポートV21に接続されている。第1および第3のホール素子H1,H3のグランド端子Hcと、第1および第3のホール素子H1,H3の出力端子Hdは、グランドポートG21に接続されている。第1のホール素子H1の出力端子Hbは、出力ポートE21に接続されている。第3のホール素子H3の出力端子Hbは、出力ポートE22に接続されている。電源ポートV21には、所定の大きさの電源電圧が印加される。グランドポートG21は、グランドに接続される。
In the
第2の検出部12では、第2および第4のホール素子H2,H4の電源端子Haは、電源ポートV22に接続されている。第2および第4のホール素子H2,H4のグランド端子Hcと、第2および第4のホール素子H2,H4の出力端子Hdは、グランドポートG22に接続されている。第2のホール素子H2の出力端子Hbは、出力ポートE23に接続されている。第4のホール素子H4の出力端子Hbは、出力ポートE24に接続されている。電源ポートV22には、所定の大きさの電源電圧が印加される。グランドポートG22は、グランドに接続される。
In the
電子部品10では、ヨーク42は、第1の合成磁界MF1を受けて、出力磁界を発生する。出力磁界は、Y方向に平行な方向の出力磁界成分であって、第1の合成磁界MF1に応じて変化する出力磁界成分を含んでいる。具体的には、ヨーク42は、第1の合成磁界MF1のX方向の成分を受けた場合には、第1のホール素子H1の近傍において-Y方向の出力磁界成分を発生し、第3のホール素子H3の近傍においてY方向の出力磁界成分を発生する。ヨーク42が第1の合成磁界MF1の-X方向の成分を受けた場合には、出力磁界成分の方向は、ヨーク42が第1の合成磁界MF1のX方向の成分を受けた場合とは逆になる。
In the
第1の検出部11では、第1および第3のホール素子H1,H3は、第1および第3のホール素子H1,H3の近傍において発生したY方向または-Y方向の出力磁界成分を検出することによって、第1の合成磁界MF1のX方向または-X方向の成分を検出する。出力ポートE21,E22の電位差は、第1の合成磁界MF1のX方向すなわち第1の方向D1の成分の強度に応じて変化する。差分検出器13は、出力ポートE21,E22の電位差に対応する信号、すなわち第1の合成磁界MF1の第1の方向D1(X方向)の成分の強度に対応する信号を、第1の検出信号S1として出力する。
In the
また、電子部品10では、ヨーク42は、第1の合成磁界MF1のZ方向の成分を受けた場合には、第2のホール素子H2の近傍において-Y方向の出力磁界成分を発生し、第4のホール素子H4の近傍においてY方向の出力磁界成分を発生する。ヨーク42が第1の合成磁界MF1の-Z方向の成分を受けた場合には、出力磁界成分の方向は、ヨーク42が第1の合成磁界MF1のZ方向の成分を受けた場合とは逆になる。
Furthermore, in the
第2の検出部12では、第2および第4のホール素子H2,H4は、第2および第4のホール素子H2,H4の近傍において発生したY方向または-Y方向の出力磁界成分を検出することによって、第1の合成磁界MF1のZ方向または-Z方向の成分を検出する。出力ポートE23,E24の電位差は、第1の合成磁界MF1のZ方向すなわち第2の方向D2の成分の強度に応じて変化する。差分検出器23は、出力ポートE23,E24の電位差に対応する信号、すなわち第1の合成磁界MF1の第2の方向D2(Z方向)の成分の強度に対応する信号を、第2の検出信号S2として出力する。
In the
第2の例における電子部品20ならびに第3および第4の検出部21,22の構成は、図8ないし図10に示した電子部品10ならびに第1および第2の検出部11,12の構成と同じである。そのため、以下の説明では、電子部品20ならびに第3および第4の検出部21,22の構成要素について、電子部品10ならびに第1および第2の検出部11,12の構成要素と同じ符号を用いる。
The configurations of the
電子部品20では、ヨーク42は、第2の合成磁界MF2を受けて、出力磁界を発生する。出力磁界は、Y方向に平行な方向の出力磁界成分であって、第2の合成磁界MF2に応じて変化する出力磁界成分を含んでいる。具体的には、ヨーク42は、第2の合成磁界MF2のX方向の成分を受けた場合には、第1のホール素子H1の近傍において-Y方向の出力磁界成分を発生し、第3のホール素子H3の近傍においてY方向の出力磁界成分を発生する。ヨーク42が第2の合成磁界MF2の-X方向の成分を受けた場合には、出力磁界成分の方向は、ヨーク42が第2の合成磁界MF2のX方向の成分を受けた場合とは逆になる。
In the
第3の検出部21では、第1および第3のホール素子H1,H3は、第1および第3のホール素子H1,H3の近傍において発生したY方向または-Y方向の出力磁界成分を検出することによって、第2の合成磁界MF2のX方向または-X方向の成分を検出する。出力ポートE21,E22の電位差は、第2の合成磁界MF2のX方向すなわち第3の方向D3の成分の強度に応じて変化する。差分検出器13は、出力ポートE21,E22の電位差に対応する信号、すなわち第2の合成磁界MF2の第3の方向D3(X方向)の成分の強度に対応する信号を、第3の検出信号S3として出力する。
In the
また、電子部品20では、ヨーク42は、第2の合成磁界MF2のZ方向の成分を受けた場合には、第2のホール素子H2の近傍において-Y方向の出力磁界成分を発生し、第4のホール素子H4の近傍においてY方向の出力磁界成分を発生する。ヨーク42が第2の合成磁界MF2の-Z方向の成分を受けた場合には、出力磁界成分の方向は、ヨーク42が第2の合成磁界MF2のZ方向の成分を受けた場合とは逆になる。
Further, in the
第4の検出部22では、第2および第4のホール素子H2,H4は、第2および第4のホール素子H2,H4の近傍において発生したY方向または-Y方向の出力磁界成分を検出することによって、第2の合成磁界MF2のZ方向または-Z方向の成分を検出する。出力ポートE23,E24の電位差は、第2の合成磁界MF2のZ方向すなわち第4の方向D4の成分の強度に応じて変化する。差分検出器23は、出力ポートE23,E24の電位差に対応する信号、すなわち第2の合成磁界MF2の第4の方向D4(Z方向)の成分の強度に対応する信号を、第2の検出信号S2として出力する。
In the
次に、本実施の形態に係る位置検出装置1の作用および効果について説明する。本実施の形態では、第1の検出部11は、第1の合成磁界MF1の第1の方向D1すなわちX方向の成分の強度に対応する第1の検出信号S1を生成し、第2の検出部12は、第1の合成磁界MF1の第2の方向D2すなわちZ方向の成分の強度に対応する第2の検出信号S2を生成し、第3の検出部21は、第2の合成磁界MF2の第3の方向D3すなわちX方向の成分の強度に対応する第3の検出信号S3を生成し、第4の検出部22は、第2の合成磁界MF2の第4の方向D4すなわちZ方向の成分の強度に対応する第4の検出信号S4を生成する。そして、第1の検出信号S1と第3の検出信号S3との差に対応する第1の演算後信号Saを生成し、第2の検出信号S2と第4の検出信号S4との差に対応する第2の演算後信号Sbを生成し、第1および第2の演算後信号Sa,Sbに基づいて、検出値θsを生成する。
Next, the functions and effects of the
本実施の形態によれば、第1の検出信号S1と第3の検出信号S3との差に対応する第1の演算後信号Saを生成し、第2の検出信号S2と第4の検出信号S4との差に対応する第2の演算後信号Sbを生成することによって、ノイズ磁界Mexに起因した誤差を低減することができる。以下、その理由について詳しく説明する。 According to the present embodiment, the first calculated signal Sa corresponding to the difference between the first detection signal S1 and the third detection signal S3 is generated, and the second detection signal S2 and the fourth detection signal By generating the second post-calculation signal Sb corresponding to the difference from S4, it is possible to reduce errors caused by the noise magnetic field Mex. The reason for this will be explained in detail below.
第1の合成磁界MF1の強度をB1とし、第2の合成磁界MF2の強度をB2とし、第1の部分磁界MFaの強度をBaとし、第2の部分磁界MFbの強度をBbとし、ノイズ磁界Mexの強度をBexとし、第1の検出位置P1におけるノイズ磁界Mexの方向が基準方向DRに対してなす角度(第2の検出位置P2におけるノイズ磁界Mexの方向が基準方向DRに対してなす角度と同じ)を記号θexとする。理想状態において想定される、第1の合成磁界MF1の第1の方向D1の成分の強度B1と、第1の合成磁界MF1の第2の方向D2の成分の強度B2は、角度θを用いて、それぞれ下記の式(2)、(3)によって表すことができる。 The strength of the first composite magnetic field MF1 is B1, the strength of the second composite magnetic field MF2 is B2, the strength of the first partial magnetic field MFa is Ba, the strength of the second partial magnetic field MFb is Bb, and the noise magnetic field The intensity of Mex is Bex, and the angle that the direction of the noise magnetic field Mex at the first detection position P1 makes with respect to the reference direction DR (the angle that the direction of the noise magnetic field Mex at the second detection position P2 makes with respect to the reference direction DR) ) is denoted by the symbol θex. The intensity B1 of the component in the first direction D1 of the first composite magnetic field MF1 and the intensity B2 of the component in the second direction D2 of the first composite magnetic field MF1, which are assumed in an ideal state, are calculated using the angle θ. , can be expressed by the following equations (2) and (3), respectively.
B1=Ba・sinθ+Bex・sinθex …(2)
B2=Ba・cosθ+Bex・cosθex …(3)
B1=Ba・sinθ+Bex・sinθex…(2)
B2=Ba・cosθ+Bex・cosθex…(3)
式(2)において、Bex・sinθexは、ノイズ磁界MexのX方向の成分の強度を表している。また、式(3)において、Bex・cosθexは、ノイズ磁界MexのZ方向の成分の強度を表している。 In equation (2), Bex·sinθex represents the intensity of the component of the noise magnetic field Mex in the X direction. Furthermore, in equation (3), Bex·cosθex represents the strength of the Z-direction component of the noise magnetic field Mex.
同様に、理想状態において想定される、第2の合成磁界MF2の第3の方向D3の成分の強度B3と、第2の合成磁界MF2の第4の方向D4の成分の強度B4は、角度θを用いて、それぞれ下記の式(4)、(5)によって表すことができる。 Similarly, the intensity B3 of the component in the third direction D3 of the second composite magnetic field MF2 and the intensity B4 of the component in the fourth direction D4 of the second composite magnetic field MF2, which are assumed in an ideal state, are at an angle θ can be expressed by the following equations (4) and (5), respectively.
B3=Bb・sinθ+Bex・sinθex …(4)
B4=Bb・cosθ+Bex・cosθex …(5)
B3=Bb・sinθ+Bex・sinθex…(4)
B4=Bb・cosθ+Bex・cosθex…(5)
以下、第1の検出信号S1を強度B1と任意の定数Aとの積A・B1とし、第2の検出信号S2を強度B2と定数Aとの積A・B2とし、第3の検出信号S3を強度B3と定数Aとの積A・B3とし、第4の検出信号S4を強度B4と定数Aとの積A・B4とする。第1の演算後信号Saを、第1の検出信号S1と第3の検出信号S3との差S1-S3そのものとすると、第1の演算後信号Saは、下記の式(6)によって表される。 Hereinafter, the first detection signal S1 is defined as the product A·B1 of the intensity B1 and an arbitrary constant A, the second detection signal S2 is defined as the product A·B2 of the intensity B2 and the constant A, and the third detection signal S3 is the product A·B3 of the intensity B3 and the constant A, and the fourth detection signal S4 is the product A·B4 of the intensity B4 and the constant A. If the first calculated signal Sa is the difference S1-S3 between the first detection signal S1 and the third detection signal S3, then the first calculated signal Sa is expressed by the following equation (6). Ru.
Sa=A・B1-A・B3
=A(Ba・sinθ+Bex・sinθex)
-A(Bb・sinθ+Bex・sinθex)
=A(Ba-Bb)sinθ …(6)
Sa=A・B1−A・B3
=A(Ba・sinθ+Bex・sinθex)
-A (Bb・sinθ+Bex・sinθex)
=A(Ba-Bb)sinθ...(6)
また、第2の演算後信号Sbを、第2の検出信号S2と第4の検出信号S4との差S2-S4そのものとすると、第2の演算後信号Sbは、下記の式(7)によって表される。 Further, if the second calculated signal Sb is the difference S2-S4 between the second detection signal S2 and the fourth detection signal S4, then the second calculated signal Sb is calculated by the following equation (7). expressed.
Sb=A・B2-A・B4
=A(Ba・cosθ+Bex・cosθex)
-A(Bb・cosθ+Bex・cosθex)
=A(Ba-Bb)cosθ …(7)
Sb=A・B2−A・B4
=A(Ba・cosθ+Bex・cosθex)
-A (Bb・cosθ+Bex・cosθex)
=A(Ba-Bb)cosθ...(7)
式(6)に示したように、第1の検出信号S1と第3の検出信号S3との差を求めると、Bex・sinθexが相殺されて、ノイズ磁界Mexに依存しない信号が得られる。また、式(7)に示したように、第2の検出信号S2と第4の検出信号S4との差を求めると、Bex・cosθexが相殺されて、ノイズ磁界Mexに依存しない信号が得られる。式(6)、(7)を式(1)に代入すると、下記の式(8)が得られる。 As shown in equation (6), when the difference between the first detection signal S1 and the third detection signal S3 is calculated, Bex·sin θex is canceled out, and a signal that does not depend on the noise magnetic field Mex is obtained. Furthermore, as shown in equation (7), when the difference between the second detection signal S2 and the fourth detection signal S4 is calculated, Bex・cosθex are canceled out, and a signal that does not depend on the noise magnetic field Mex is obtained. . By substituting equations (6) and (7) into equation (1), the following equation (8) is obtained.
θs=atan(Sa/Sb)
=atan((A(Ba-Bb)sinθ)/(A(Ba-Bb)cosθ))
=atan(sinθ/cosθ)
=θ …(8)
θs=atan(Sa/Sb)
= atan ((A(Ba-Bb) sin θ)/(A(Ba-Bb) cos θ))
=atan(sinθ/cosθ)
=θ...(8)
式(8)に示したように、検出値θsは、理論上、角度θ、すなわち理想状態において想定される、基準位置における検出対象磁界の方向が基準方向DRに対してなす角度と等しくなる。式(6)~(8)から理解されるように、本実施の形態によれば、第1の検出信号S1と第3の検出信号S3との差に対応する第1の演算後信号Saを生成し、第2の検出信号S2と第4の検出信号S4との差に対応する第2の演算後信号Sbを生成することによって、検出値θsのノイズ磁界Mexに起因した誤差を低減することができる。 As shown in equation (8), the detected value θs is theoretically equal to the angle θ, that is, the angle that the direction of the detection target magnetic field at the reference position makes with respect to the reference direction DR, which is assumed in an ideal state. As understood from equations (6) to (8), according to the present embodiment, the first calculated signal Sa corresponding to the difference between the first detection signal S1 and the third detection signal S3 is and reduce the error caused by the noise magnetic field Mex of the detected value θs by generating a second calculated signal Sb corresponding to the difference between the second detection signal S2 and the fourth detection signal S4. I can do it.
なお、上述のようにノイズ磁界Mexに起因した誤差を低減するためには、その強度が第1の強度となる位置における検出対象磁界すなわち第1の部分磁界MFaを検出することができる位置に、第1および第2の検出部11,12を配置するという第1の要件と、その強度が第2の強度となる位置における検出対象磁界すなわち第2の部分磁界MFbを検出することができる位置に、第3および第4の検出部21,22を配置するという第2の要件を満たす必要がある。言い換えると、第1および第2の要件を満たす限り、第1ないし第4の検出部11,12,21,22を任意の位置に配置することができる。例えば、本実施の形態では、第3および第4の検出部21,22が含まれる電子部品20を、第1および第2の検出部11,12が含まれる電子部品10よりも磁気スケール2からより遠い位置に配置している。第1および第2の要件を満たす限り、電子部品10と電子部品20は、Y方向について同じ位置に配置されていてもよいし、Y方向について異なる位置に配置されていてもよい。
In addition, in order to reduce the error caused by the noise magnetic field Mex as described above, a magnetic field to be detected at a position where the intensity becomes the first intensity, that is, a position where the first partial magnetic field MFa can be detected, The first requirement is to arrange the first and
また、第1および第2の要件を満たす限り、電子部品10と電子部品20は、X方向について同じ位置に配置されていてもよいし、X方向について異なる位置に配置されていてもよい。後者の場合、第1の検出信号S1と第3の検出信号S3の位相差が0になるように、第1の検出信号S1と第3の検出信号S3の少なくとも一方を補正してもよく、第2の検出信号S2と第4の検出信号S4の位相差が0になるように、第2の検出信号S2と第4の検出信号S4の少なくとも一方を補正してもよい。また、後者の場合であって、特に、第1ないし第4の検出部11,12,21,22の各々が少なくとも1つのMR素子を含んでいる場合、第1の検出信号S1と第3の検出信号S3の位相差が0になるように、第1の検出部11に含まれるMR素子の磁化固定層の磁化の方向と第3の検出部21に含まれるMR素子の磁化固定層の磁化の方向の少なくとも一方を、図5に示した方向からずらしてもよく、第2の検出信号S2と第4の検出信号S4の位相差が0になるように、第2の検出部12に含まれるMR素子の磁化固定層の磁化の方向と第4の検出部22に含まれるMR素子の磁化固定層の磁化の方向の少なくとも一方を、図6に示した方向からずらしてもよい。
Further, as long as the first and second requirements are satisfied, the
また、第1の検出部11と第2の検出部12は、電子部品10の代わりに、物理的に分離された2つの異なる電子部品に含まれていてもよい。この場合、第1の検出部11が含まれる電子部品と第2の検出部12が含まれる電子部品は、X方向について同じ位置に配置されていてもよいし、X方向について異なる位置に配置されていてもよい。後者の場合、第1の検出信号S1と第2の検出信号S2の位相差が90°になるように、第1の検出信号S1と第2の検出信号S2の少なくとも一方を補正してもよい。また、後者の場合であって、特に、第1および第2の検出部11,12の各々が少なくとも1つのMR素子を含んでいる場合、第1の検出信号S1と第2の検出信号S2の位相差が90°になるように、第1の検出部11に含まれるMR素子の磁化固定層の磁化の方向と第2の検出部12に含まれるMR素子の磁化固定層の磁化の方向の少なくとも一方を、図5および図6に示した方向からずらしてもよい。
Further, the
同様に、第3の検出部21と第4の検出部22は、電子部品20の代わりに、物理的に分離された2つの異なる電子部品に含まれていてもよい。この場合、第3の検出部21が含まれる電子部品と第4の検出部22が含まれる電子部品は、X方向について同じ位置に配置されていてもよいし、X方向について異なる位置に配置されていてもよい。後者の場合、第3の検出信号S3と第4の検出信号S4の位相差が90°になるように、第3の検出信号S3と第4の検出信号S4の少なくとも一方を補正してもよい。また、後者の場合であって、特に、第3および第4の検出部21,22の各々が少なくとも1つのMR素子を含んでいる場合、第3の検出信号S3と第4の検出信号S4の位相差が90°になるように、第3の検出部21に含まれるMR素子の磁化固定層の磁化の方向と第4の検出部22に含まれるMR素子の磁化固定層の磁化の方向の少なくとも一方を、図5および図6に示した方向からずらしてもよい。
Similarly, the
以上説明したように、本実施の形態では、第1および第2の要件を満たす限り、第1ないし第4の検出部11,12,21,22を任意の位置に配置することができる。従って、本実施の形態によれば、第1ないし第4の検出部11,12,21,22の設置に大きな制約を生じさせることなく、ノイズ磁界Mexに起因した誤差を低減することができる。
As explained above, in this embodiment, the first to
なお、ここまでは、理想状態を想定して、本実施の形態に効果について説明してきた。実際には、角度θが0°、90°、180°および270°となる相対位置以外の相対位置では、磁気スケール2からの距離が変化すると、任意の位置における検出対象磁界の方向は、理想状態における方向からずれてしまう。その結果、検出値θsに、磁気スケール2に起因した誤差が生じ得る。そのため、従来は、検出対象磁界の方向にずれが生じないように、磁気センサの検出部を配置する必要があった。これに対し、本実施の形態では、検出対象磁界の方向のずれを許容している。その代わり、本実施の形態では、第1および第2の要件を満たすように、第1ないし第4の検出部11,12,21,22を配置して、ノイズ磁界Mexに起因した誤差を低減している。なお、磁気スケール2に起因した誤差は、例えば、相対位置の変化に伴う第1および第2の演算後信号Sa,Sbの変化の波形が正弦波に近づくように、例えばゲイン調整およびオフセット調整等によって、第1および第2の演算後信号Sa,Sbを補正することによって低減することができる。
Note that so far, the effects of this embodiment have been described assuming an ideal state. In reality, at relative positions other than those where the angle θ is 0°, 90°, 180°, and 270°, when the distance from the
以下、第1のシミュレーションの結果を参照して、本実施の形態の効果について説明する。第1のシミュレーションでは、方向と強度が一定のノイズ磁界Mexが存在する状況の下で、検出値θsを生成したときの、検出値θsの誤差を求めた。第1のシミュレーションでは、ノイズ磁界Mexの強度Bexの大きさを、第1および第2の検出部11,12が検出する第1の部分磁界MFaの強度Baすなわち第1の強度の大きさの30%とし、第1の検出位置P1におけるノイズ磁界Mexの方向が基準方向DRに対してなす角度θexを、60°とした。
The effects of this embodiment will be described below with reference to the results of the first simulation. In the first simulation, the error in the detected value θs was determined when the detected value θs was generated under the presence of a noise magnetic field Mex having a constant direction and intensity. In the first simulation, the magnitude of the strength Bex of the noise magnetic field Mex is determined by 30% of the strength Ba of the first partial magnetic field MFa detected by the first and
第1のシミュレーションでは、位置検出装置1に対応するモデルを用いた。ここで、磁石4,5,6の各々のX方向における位置を、以下のように定義する。まず、ヨーク7の上面7aに位置してX方向に延びる直線であって、磁石4,5,6と接する直線を、位置基準線とする。そして、位置基準線のうち、磁石4,5,6の各々と重なる線分の中点の位置を、磁石4,5,6の各々のX方向における位置とする。第1のシミュレーションで用いたモデルでは、磁石4のX方向における位置と磁石5のX方向における位置との間隔と、磁石5のX方向における位置と磁石6のX方向における位置との間隔を、いずれも12mmとした。
In the first simulation, a model corresponding to the
また、第1のシミュレーションで用いたモデルでは、磁石5と電子部品10,20がX方向について同じ位置にある状態を原点として相対位置を定義した。すなわち、実施例のモデルでは、磁石5と電子部品10,20がX方向について同じ位置にある状態の相対位置を0mmとし、磁石4と電子部品10,20がX方向について同じ位置にある状態の相対位置を-12mmとし、磁石6と電子部品10,20がX方向について同じ位置にある状態の相対位置を12mmとした。
Further, in the model used in the first simulation, the relative position was defined with the state where the
また、第1のシミュレーションで用いたモデルでは、第3および第4の検出部21,22が検出する第2の部分磁界MFbの強度Bbすなわち第2の強度の大きさが、第1および第2の検出部11,12が検出する第1の部分磁界MFaの強度Baすなわち第1の強度の大きさの20%となるように、第1ないし第4の検出部11,12,21,22を配置した。
In addition, in the model used in the first simulation, the intensity Bb of the second partial magnetic field MFb detected by the third and
第1のシミュレーションでは、第1の検出信号S1と第3の検出信号S3との差S1-S3を第1の演算後信号Saとし、第2の検出信号S2と第4の検出信号S4との差S2-S4を第2の演算後信号Sbとした。そして、第1および第2の演算後信号Sa,Sbの各々の値を式(1)に代入することによって、検出値θsを求めた。以下、この検出値θsを、実施例の検出値θsと言う。 In the first simulation, the difference S1-S3 between the first detection signal S1 and the third detection signal S3 is used as the first calculated signal Sa, and the difference between the second detection signal S2 and the fourth detection signal S4 is The difference S2-S4 was defined as the second post-computation signal Sb. Then, the detected value θs was obtained by substituting each value of the first and second post-computation signals Sa and Sb into equation (1). Hereinafter, this detected value θs will be referred to as the detected value θs of the embodiment.
また、第1のシミュレーションでは、式(1)におけるSaに第1の検出信号S1の値を代入し、式(1)におけるSbに第2の検出信号S2の値を代入することによって、比較例の検出値θsを求めた。 In addition, in the first simulation, by substituting the value of the first detection signal S1 for Sa in equation (1) and substituting the value of the second detection signal S2 for Sb in equation (1), the comparative example The detected value θs was determined.
また、第1のシミュレーションでは、実施例の検出値θsの誤差(以下、実施例の誤差E1と言う。)と、比較例の検出値θsの誤差(以下、比較例の誤差E2と言う)を求めた。なお、第1のシミュレーションでは、実施例の検出値θsと角度θとの差を実施例の誤差E1とし、比較例の検出値θsと角度θとの差を比較例の誤差E2とした。 In addition, in the first simulation, the error in the detected value θs of the example (hereinafter referred to as the error E1 of the example) and the error of the detected value θs of the comparative example (hereinafter referred to as the error E2 of the comparative example) were calculated. I asked for it. In the first simulation, the difference between the detected value θs of the example and the angle θ was defined as the error E1 of the embodiment, and the difference between the detected value θs of the comparative example and the angle θ was defined as the error E2 of the comparative example.
図11は、第1のシミュレーションにおける第1および第2の検出信号S1,S2の波形を示す波形図である。図12は、第1のシミュレーションにおける第3および第4の検出信号S3,S4の波形を示す波形図である。図13は、第1のシミュレーションにおける第1および第2の演算後信号Sa,Sbの波形を示す波形図である。図11ないし図13における横軸は、相対位置を示している。図11における縦軸は、第1および第2の検出信号S1,S2の大きさを示している。図12における縦軸は、第3および第4の検出信号S3,S4の大きさを示している。図13における縦軸は、第1および第2の演算後信号Sa,Sbの大きさを示している。図11において、符号71を付した曲線は、第1の検出信号S1の波形を示し、符号72を付した曲線は、第2の検出信号S2の波形を示している。図12において、符号73を付した曲線は、第3の検出信号S3の波形を示し、符号74を付した曲線は、第4の検出信号S4の波形を示している。図13において、符号75を付した曲線は、第1の演算後信号Saの波形を示し、符号76を付した曲線は、第2の演算後信号Sbの波形を示している。なお、第1のシミュレーションでは、ノイズ磁界Mexが存在しない状態における第1および第2の検出信号S1,S2の振幅が1になるように、第1ないし第4の検出信号S1~S4を規格化している。 FIG. 11 is a waveform diagram showing the waveforms of the first and second detection signals S1 and S2 in the first simulation. FIG. 12 is a waveform diagram showing the waveforms of the third and fourth detection signals S3 and S4 in the first simulation. FIG. 13 is a waveform diagram showing the waveforms of the first and second post-operation signals Sa and Sb in the first simulation. The horizontal axis in FIGS. 11 to 13 indicates relative position. The vertical axis in FIG. 11 indicates the magnitude of the first and second detection signals S1 and S2. The vertical axis in FIG. 12 indicates the magnitude of the third and fourth detection signals S3 and S4. The vertical axis in FIG. 13 indicates the magnitude of the first and second post-operation signals Sa and Sb. In FIG. 11, a curve labeled 71 shows the waveform of the first detection signal S1, and a curve labeled 72 shows the waveform of the second detection signal S2. In FIG. 12, the curve labeled 73 shows the waveform of the third detection signal S3, and the curve labeled 74 shows the waveform of the fourth detection signal S4. In FIG. 13, the curve labeled 75 shows the waveform of the first post-computation signal Sa, and the curve labeled 76 shows the waveform of the second post-computation signal Sb. Note that in the first simulation, the first to fourth detection signals S1 to S4 are normalized so that the amplitudes of the first and second detection signals S1 and S2 in the absence of the noise magnetic field Mex are 1. ing.
図14は、比較例の検出値θsを示す特性図である。図15は、比較例の誤差E2を示す特性図である。図16は、実施例の検出値θsを示す特性図である。図17は、実施例の誤差E1を示す特性図である。図14ないし図17における横軸は、相対位置を示している。図14における縦軸は、比較例の検出値θsの大きさを示している。図15における縦軸は、比較例の誤差E2の大きさを示している。図16における縦軸は、実施例の検出値θsの大きさを示している。図17における縦軸は、実施例の誤差E1の大きさを示している。図15および図17に示したように、実施例の誤差E1は、比較例の誤差E2よりも小さくなり、理論上、0になる。比較例の誤差E2は、第1および第2の検出信号S1,S2のみに基づいて検出値θsを生成した場合の誤差である。従って、本実施の形態によれば、第1および第2の検出信号S1,S2のみに基づいて検出値θsを生成する場合に比べて、検出値θsの誤差を小さくすることができる。 FIG. 14 is a characteristic diagram showing the detected value θs of the comparative example. FIG. 15 is a characteristic diagram showing the error E2 of the comparative example. FIG. 16 is a characteristic diagram showing the detected value θs of the example. FIG. 17 is a characteristic diagram showing the error E1 of the example. The horizontal axis in FIGS. 14 to 17 indicates relative position. The vertical axis in FIG. 14 indicates the magnitude of the detected value θs of the comparative example. The vertical axis in FIG. 15 indicates the magnitude of the error E2 in the comparative example. The vertical axis in FIG. 16 indicates the magnitude of the detected value θs in the example. The vertical axis in FIG. 17 indicates the magnitude of the error E1 in the example. As shown in FIGS. 15 and 17, the error E1 of the example is smaller than the error E2 of the comparative example, and theoretically becomes 0. The error E2 in the comparative example is an error when the detected value θs is generated based only on the first and second detection signals S1 and S2. Therefore, according to the present embodiment, the error in the detected value θs can be made smaller than when the detected value θs is generated based only on the first and second detection signals S1 and S2.
[変形例]
次に、図18を参照して、磁気スケール2の変形例について説明する。図18は、磁気スケール2の変形例を示す斜視図である。磁気スケール2の変形例の構成は、以下の点で図1および図2に示した磁気スケール2の構成と異なっている。変形例では、磁石6が設けられていない。すなわち、変形例では、磁気スケール2は、複数の磁石として、2つの磁石4,5を含んでいる。なお、変形例では、検出値θsの範囲は、0°~180°よりもある程度広い範囲までに限定される。
[Modified example]
Next, a modification of the
[第2の実施の形態]
次に、図19を参照して、本発明の第2の実施の形態について説明する。図19は、本実施の形態に係る位置検出装置の概略の構成を示す平面図である。本実施の形態に係る位置検出装置1は、第1の実施の形態における磁気スケール2の代わりに、強度および方向が空間的な分布を有する外部磁界を発生する磁気スケール102を備えている。磁気スケール102は、複数の磁石104を含んでいる。複数の磁石104は、互いに間隔を開けて配置されている。磁気スケール102が発生する外部磁界は、複数の磁石104の各々が発生する磁界が合成されたものである。
[Second embodiment]
Next, referring to FIG. 19, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 19 is a plan view showing a schematic configuration of a position detection device according to this embodiment. The
磁気スケール102は、更に、樹脂またはアルミニウム等の非磁性材料よりなり、複数の磁石104を支持する基板105を含んでいる。基板105は、その中心が所定の中心軸C上に位置する円板状である。また、基板105は、上面105aと下面を有している。複数の磁石104は、基板105の上面105aの上に配置されている。
The
磁気スケール102は、回転動作をする図示しない可動物体に連動し、中心軸Cを中心として回転方向Rに回転する。これにより、磁気スケール102は、回転方向Rに沿った所定の範囲内において、磁気センサ3に対する相対位置が変化する。以下、磁気センサ3に対する磁気スケール102の相対位置を、単に、相対位置と言う。なお、回転方向Rは、図19における時計回り方向と、図19における反時計回り方向とを含んでいる。回転方向Rは、本発明における移動方向に対応する。
The
複数の磁石104は、回転方向R(移動方向)に沿って配置されている。複数の磁石104の各々は、中心軸Cに最も近い第1の端面と、回転中心から最も遠い第2の端面を有している。中心軸Cから複数の磁石104の各々の第1の端面までの距離は互いに等しく、中心軸Cから複数の主磁石の各々の第2の端面までの距離は互いに等しい。
The plurality of
また、複数の磁石104の各々は、N極とS極を有している。ここで、複数の磁石104のうち、回転方向Rに隣接する任意の2つの磁石104に着目する。2つの磁石104の一方では、N極とS極は、中心軸Cから遠ざかる方向に、この順に配置されている。2つの磁石104の他方では、N極とS極は、中心軸Cに近づく方向に、この順に配置されている。
Further, each of the plurality of
図示しないが、本実施の形態では、磁気センサ3は、磁気スケール102が発生する外部磁界の一部である検出対象磁界と、検出対象磁界以外のノイズ磁界Mexとを検出する。磁気センサ3の第1ないし第4の検出部11,12,21,22は、基板105の半径方向の外側において、基板105の外周部に対向するように配置されている。任意の位置における検出対象磁界の方向は、相対位置の変化に伴って任意の位置を中心として回転する。図19に示した例では特に、磁気スケール102が1回転すると、任意の位置における検出対象磁界の方向は4回転する。
Although not shown, in this embodiment, the
ここで、図19に示したように、中心軸Cと交差する第1の仮想の直線L1と、中心軸Cと交差し、第1の仮想の直線L1とは異なる第2の仮想の直線L2を想定する。本実施の形態では特に、第1および第2の仮想の直線L1,L2は、いずれも中心軸Cと直交する。また、第1および第2の仮想の直線L1,L2は、いずれも、磁気スケール102と交差し中心軸Cに垂直な仮想の平面上にある。以下、この仮想の平面を、基準平面と言う。また、基準平面において検出対象磁界が第1の強度となる任意の1つの位置を、第1の検出位置P11とする。第1の仮想の直線L1は、第1の検出位置P11を通る。また、基準平面において検出対象磁界が第1の強度となる位置であって、第1の検出位置P11から電気角の90°に相当する角度だけ、回転方向Rにずれた位置を、第2の検出位置P12とする。第2の仮想の直線L2は、第2の検出位置P12を通る。図19に示した例では特に、第2の検出位置P12は、第1の検出位置P11から回転方向Rに22.5°ずれた位置にある。
Here, as shown in FIG. 19, a first imaginary straight line L1 intersects with the central axis C, and a second imaginary straight line L2 intersects with the central axis C and is different from the first imaginary straight line L1. Assume that Particularly in this embodiment, the first and second imaginary straight lines L1 and L2 are both perpendicular to the central axis C. Further, the first and second imaginary straight lines L1 and L2 are both on an imaginary plane that intersects the
第1の実施の形態で説明したように、第1および第2の検出部11,12は、第1の強度の検出対象磁界とノイズ磁界Mexとの合成磁界である第1の合成磁界を検出するように配置されている。本実施の形態では、第1の検出部11は、第1の検出位置P11に配置され、第1の合成磁界として、第1の検出位置P11における検出対象磁界とノイズ磁界Mexとの合成磁界を検出する。第2の検出部12は、第2の検出位置P12に配置され、第1の合成磁界として、第2の検出位置P12における検出対象磁界とノイズ磁界Mexとの合成磁界を検出する。
As described in the first embodiment, the first and
また、第1の仮想の直線L1上の第1の検出位置P11とは異なる位置であって、検出対象磁界が第2の強度となる第1の仮想の直線L1上の位置を第3の検出位置P21とする。また、第2の仮想の直線L2上の第2の検出位置P12とは異なる位置であって、検出対象磁界が第2の強度となる第2の仮想の直線L2上の位置を第4の検出位置P22とする。図19に示した例では、第3の検出位置P21は、第1の検出位置P11から中心軸Cから遠ざかる方向に所定の距離だけ離れた位置であり、第4の検出位置P22は、第2の検出位置P12から中心軸Cから遠ざかる方向に所定の距離だけ離れた位置である。 Further, a third detection position is a position on the first imaginary straight line L1, which is a position different from the first detection position P11 on the first imaginary straight line L1, and where the magnetic field to be detected has a second intensity. It is assumed that the position is P21. Further, a fourth detection position is a position on the second imaginary straight line L2, which is a position different from the second detection position P12 on the second imaginary straight line L2, and where the magnetic field to be detected has the second intensity. It is assumed that the position is P22. In the example shown in FIG. 19, the third detection position P21 is a predetermined distance away from the first detection position P11 in the direction away from the central axis C, and the fourth detection position P22 is a This is a position that is a predetermined distance away from the detection position P12 in the direction away from the central axis C.
第1の実施の形態で説明したように、第3および第4の検出部21,22は、第2の強度の検出対象磁界とノイズ磁界Mexとの合成磁界である第2の合成磁界を検出するように配置されている。本実施の形態では、第3の検出部21は、第3の検出位置P21に配置され、第2の合成磁界として、第3の検出位置P21における検出対象磁界とノイズ磁界Mexとの合成磁界を検出する。第4の検出部22は、第4の検出位置P22に配置され、第2の合成磁界として、第4の検出位置P22における検出対象磁界とノイズ磁界Mexとの合成磁界を検出する。
As described in the first embodiment, the third and
本実施の形態では、第1の検出部11が第1の検出信号S1を生成する基準となる第1の方向D1は、第1の仮想の直線L1に直交する一方向(図19では右側に向かう方向)である。また、第2の検出部12が第2の検出信号S2を生成する基準となる第2の方向D2は、第2の仮想の直線L2に直交する一方向(図19では右上側に向かう方向)である。第3の検出部21が第3の検出信号S3を生成する基準となる第3の方向D3は、第1の方向D1と同じ方向である。第4の検出部22が第4の検出信号S4を生成する基準となる第4の方向D4は、第2の方向D2と同じ方向である。
In the present embodiment, the first direction D1, which is the reference for the
理想状態において想定される、第1の検出部11が検出する検出対象磁界の方向が第1の方向D1に対してなす第1の角度θ1と、第3の検出部21が検出する検出対象磁界の方向が第3の方向D3に対してなす第3の角度θ3は、互いに等しい。また、理想状態において想定される、第2の検出部12が検出する検出対象磁界の方向が第2の方向D2に対してなす第2の角度θ2と、第4の検出部22が検出する検出対象磁界の方向が第4の方向D4に対してなす第4の角度θ4は、互いに等しい。また、第1の角度θ1と第2の角度θ2との差は90°であり、第3の角度θ3と第4の角度θ4との差は90°である。
The first angle θ1 that the direction of the detection target magnetic field detected by the
図示しないが、基準方向DRは、前述の基準平面内に位置する。基準位置は、第1ないし第4の検出位置P11,P12,P21,P22のいずれかと同じ位置であってもよいし、第1ないし第4の検出位置P11,P12,P21,P22とは異なる位置であってもよい。一例では、基準位置は第1の検出位置P11と同じ位置であり、基準方向DRは、第1の検出位置P11から中心軸Cに向かう方向である。 Although not shown, the reference direction DR is located within the aforementioned reference plane. The reference position may be the same position as any of the first to fourth detection positions P11, P12, P21, P22, or a position different from the first to fourth detection positions P11, P12, P21, P22. It may be. In one example, the reference position is the same position as the first detection position P11, and the reference direction DR is a direction from the first detection position P11 toward the central axis C.
第1の実施の形態における磁気センサ3の第1の例と同様に、第1ないし第4の検出部11,12,21,22の各々は、少なくとも1つのMR素子を含んでいてもよい。第1の検出部11に含まれるMR素子の磁化固定層の磁化の方向と、第1の方向D1との関係は、第1の実施の形態と同じである。同様に、第2の検出部12に含まれるMR素子の磁化固定層の磁化の方向と、第2の方向D2との関係は、第1の実施の形態と同じである。同様に、第3の検出部21に含まれるMR素子の磁化固定層の磁化の方向と、第3の方向D3との関係は、第1の実施の形態と同じである。同様に、第4の検出部22に含まれるMR素子の磁化固定層の磁化の方向と、第4の方向D4との関係は、第1の実施の形態と同じである。
Similarly to the first example of the
あるいは、第1の実施の形態における磁気センサ3の第2の例と同様に、第1ないし第4の検出部11,12,21,22の各々は、少なくとも1つのホール素子を含んでいてもよい。本実施の形態では特に、第1ないし第4の検出部11,12,21,22の各々は、別個の電子部品に含まれていてもよい。この電子部品は、第1の実施の形態における磁気センサ3の第2の例の電子部品10,20と同様に、非磁性材料よりなる基板と、磁性材料よりなるヨークとを含んでいる。基板は、前述の基準平面に平行な上面を有している。少なくとも1つのホール素子は、基板に埋め込まれている。
Alternatively, similarly to the second example of the
第1の検出部11を含む電子部品は、第1の検出部11に含まれるホール素子が第1の合成磁界の第1の方向D1の成分を検出することができるように、ホール素子とヨークが構成される。第2の検出部12を含む電子部品は、第2の検出部12に含まれるホール素子が第1の合成磁界の第2の方向D2の成分を検出することができるように、ホール素子とヨークが構成される。第3の検出部21を含む電子部品は、第3の検出部21に含まれるホール素子が第2の合成磁界の第3の方向D3の成分を検出することができるように、ホール素子とヨークが構成される。第4の検出部22を含む電子部品は、第4の検出部22に含まれるホール素子が第2の合成磁界の第4の方向D4の成分を検出することができるように、ホール素子とヨークが構成される。
The electronic component including the
なお、ここまでは、第1の仮想の直線L1上に、第1の検出位置P11と第3の検出位置P21があり、第2の仮想の直線L2上に、第2の検出位置P12と第4の検出位置P22がある例について説明してきた。しかし、本実施の形態における第1ないし第4の検出位置P11,P12,P21,P22の位置は、図19に示した例に限られない。例えば、第3の検出位置P21は、図19に示した第3の検出位置P21から、電気角の360°に相当する角度すなわち90°だけ、回転方向Rにずれた位置であってもよい。同様に、第4の検出位置P22は、図19に示した第4の検出位置P22から、電気角の360°に相当する角度すなわち90°だけ、回転方向Rにずれた位置であってもよい。 Note that up to this point, there are the first detection position P11 and the third detection position P21 on the first imaginary straight line L1, and the second detection position P12 and the third detection position P21 are on the second imaginary straight line L2. An example in which there are four detection positions P22 has been described. However, the positions of the first to fourth detection positions P11, P12, P21, and P22 in this embodiment are not limited to the example shown in FIG. 19. For example, the third detection position P21 may be a position shifted in the rotational direction R from the third detection position P21 shown in FIG. 19 by an angle corresponding to 360 degrees of electrical angle, that is, 90 degrees. Similarly, the fourth detection position P22 may be a position shifted in the rotation direction R by an angle corresponding to 360 degrees of electrical angle, that is, 90 degrees, from the fourth detection position P22 shown in FIG. .
次に、磁気スケール102の複数の磁石104の形状および配置について調べた第2および第3のシミュレーションの結果について説明する。理想的には、任意の検出位置における検出対象磁界の強度は、磁気センサ3に対する磁気スケール102の相対位置の変化に関わらずに一定である。しかし、実際には、任意の検出位置における検出対象磁界の強度は、磁気センサ3に対する磁気スケール102の相対位置の変化、具体的には、任意の検出位置に対する複数の磁石104の相対位置の変化に伴って変動し得る。
Next, the results of second and third simulations in which the shape and arrangement of the plurality of
ところで、ノイズ磁界Mexの影響を小さくするために、検出位置を磁気スケール102に近づけて、検出対象磁界の強度に対するノイズ磁界Mexの強度を相対的に小さくすることが考えられる。これにより、ノイズ磁界Mexの影響を受けにくくすると共に、検出対象磁界の強度そのものを大きくして、第1ないし第4の検出信号S1~S4の質を高めることができる。しかし、検出位置を複数の磁石104に近づけすぎると、相対位置の変化に伴う検出対象磁界の強度の変動が顕著に表れる。本実施の形態では特に、第2の検出位置P12は、第1の検出位置P11から回転方向Rにずれた位置にあり、第4の検出位置P22は、第3の検出位置P21から回転方向Rにずれた位置にある。そのため、検出対象磁界の強度が変動すると、第1の検出部11と第2の検出部12が同じタイミングで同じ強度の検出対象磁界を検出することができなくなると共に、第3の検出部21と第4の検出部22が同じタイミングで同じ強度の検出対象磁界を検出することができなくなる。その結果、検出値θsを精度よく生成することができなくなる。従って、第1ないし第4の検出位置P11,P12,P21,P22は、相対位置の変化に伴う検出対象磁界の強度の変動が小さくなるような位置にあることが好ましい。
By the way, in order to reduce the influence of the noise magnetic field Mex, it is conceivable to move the detection position closer to the
第2のシミュレーションでは、相対位置の変化に伴う検出対象磁界の強度の変動が小さくなるような位置を調べた。具体的には、磁気スケール102からの距離が異なる複数の点を想定した。そして、この複数の点における検出対象磁界の強度を求めた。
In the second simulation, positions were investigated where variations in the intensity of the magnetic field to be detected due to changes in relative position would be small. Specifically, a plurality of points having different distances from the
第2のシミュレーションでは、図19に示した磁気スケール102のモデルを用いた。ただし、第2のシミュレーションでは、回転方向Rに隣接する2つの磁石104の間隔を0とした。また、中心軸Cに平行な一方向から見たときの回転方向Rにおける磁石104の最大の寸法を6mmとし、中心軸Cに平行な一方向から見たときの基板105の半径方向における磁石104の寸法を3mmとした。
In the second simulation, a model of the
ここで、複数の磁石104のうち、回転方向Rに並んだ3つの磁石104を、第1の磁石、第2の磁石、第3の磁石と言う。また、基準平面内において第1の磁石と第2の磁石の境界と中心軸Cを通る仮想の直線上の点であって、磁気スケール102から所定の間隔だけ離れた位置にあり且つ第1の磁石に最も近い点を第1点とする。また、基準平面内において第3の磁石の回転方向Rにおける中央と中心軸Cを通る仮想の直線上の点であって、磁気スケール102から上記所定の間隔だけ離れた位置にあり且つ第3の磁石に最も近い点を第10点とする。
Here, among the plurality of
また、基準平面内において第1点と第10点を通り、磁気スケール102から上記所定の間隔だけ離れた位置にある仮想の曲線と、この仮想の曲線上において第1点と第10点との間にある8つの点を想定する。この8つの点を、第1点に近い順に、第2点ないし第9点とする。第1点ないし第10点は、等間隔に配置されている。第1点ないし第10点は、第1ないし第3の磁石との位置関係が互いに異なっている。なお、第4点は、基準平面内において第2の磁石の回転方向Rにおける中央と中心軸Cを通る仮想の直線上の点であって、磁気スケール102から上記所定の間隔だけ離れた位置にあり且つ第2の磁石に最も近い点である。また、第7点は、基準平面内において第2の磁石と第3の磁石の境界と中心軸Cを通る仮想の直線上の点であって、磁気スケール102から上記所定の間隔だけ離れた位置にあり且つ第2の磁石に最も近い点である。
Also, a virtual curve that passes through the first point and the tenth point in the reference plane and is located at a position separated from the
以下、仮想の曲線と磁気スケール102との間隔を、記号WDで表す。第2のシミュレーションでは、間隔WDを1mmから3.5mmの範囲内で0.5mmずつ変化させて、間隔WDが互いに異なる複数の仮想の曲線毎に、その仮想の曲線上にある第1点ないし第10点の各々における検出対象磁界の強度と、その仮想の曲線上にある全ての点の検出対象磁界の強度の平均値を求めた。そして、各点毎に、その点の検出対象磁界の強度とその点を通る仮想の曲線上にある全ての点の検出対象磁界の強度の平均値との差を求め、この差の、平均値に対する割合を求めた。以下、この割合を変動率と言う。
Hereinafter, the distance between the virtual curve and the
任意の1つの仮想の曲線上にある第1点ないし第10点の各々における検出対象磁界の強度の変動は、磁気センサ3に対する磁気スケール102の相対位置の変化に伴う、仮想の曲線上にある任意の検出位置における検出対象磁界の強度の変動を表している。任意の1つの仮想の曲線上にある全ての点の変動率の最大値と最小値の差は、仮想の曲線上にある任意の検出位置における検出対象磁界の強度の変動幅を表している。第2のシミュレーションでは、複数の仮想の曲線毎に、変動率の最大値と最小値の差を求めた。以下、この差を変動幅と言う。
The variation in the strength of the magnetic field to be detected at each of the first to tenth points on any one virtual curve is on the virtual curve as the relative position of the
図20は、第2のシミュレーションによって求めた変動率を示す特性図である。図20において、横軸は、仮想の曲線上の位置を示している。図20では、仮想の曲線上の位置として、第1点ないし第10点を示している。なお、図20では、第1点ないし第10点を、それぞれ1から10までの数字で表している。また、図20において、縦軸は変動率を示している。また、図20において、符号81を付した曲線は、間隔WDが1mmの仮想の曲線上の各点の変動率を示している。符号82を付した曲線は、間隔WDが1.5mmの仮想の曲線上の各点の変動率を示している。符号83を付した曲線は、間隔WDが2.0mmの仮想の曲線上の各点の変動率を示している。符号84を付した曲線は、間隔WDが2.5mmの仮想の曲線上の各点の変動率を示している。符号85を付した曲線は、間隔WDが3.0mmの仮想の曲線上の各点の変動率を示している。符号86を付した曲線は、間隔WDが3.5mmの仮想の曲線上の各点の変動率を示している。図20から、仮想の曲線上の任意の点の変動率は、第1ないし第3の磁石との位置関係によって変化することが分かる。この結果から、任意の検出位置における検出対象磁界の強度は、相対位置の変化に伴って変動することが分かる。
FIG. 20 is a characteristic diagram showing the fluctuation rate determined by the second simulation. In FIG. 20, the horizontal axis indicates the position on the virtual curve. In FIG. 20, the first to tenth points are shown as positions on the virtual curve. Note that in FIG. 20, the first to tenth points are each represented by a number from 1 to 10. Furthermore, in FIG. 20, the vertical axis indicates the rate of change. Moreover, in FIG. 20, a curve with
図21は、第2のシミュレーションによって求めた変動幅を示す特性図である。図21において、横軸は間隔WDを示し、縦軸は変動幅を示している。図21から、間隔WDが2.5mmとなる仮想の曲線の変動率が最小になることが分かる。この結果から、検出位置と磁気スケール102の間隔が2.5mmの場合に、相対位置の変化に伴う検出対象磁界の強度の変動幅が最小になることが分かる。
FIG. 21 is a characteristic diagram showing the fluctuation range obtained by the second simulation. In FIG. 21, the horizontal axis shows the interval WD, and the vertical axis shows the variation width. From FIG. 21, it can be seen that the fluctuation rate of the hypothetical curve where the distance WD is 2.5 mm is the minimum. From this result, it can be seen that when the distance between the detection position and the
前述のように、第1ないし第4の検出信号S1~S4の質を高めるためには、検出位置を磁気スケール102に近づける、すなわち間隔WDを小さくすることが好ましい。図21から、間隔WDが2.5mmよりも小さい場合、間隔WDが小さくなるに従って変動幅が大きくなることが分かる。この結果から、検出位置と磁気スケール102の間隔が2.5mmよりも小さい場合、検出位置と磁気スケール102の間隔が小さくなるに従って、相対位置の変化に伴う検出対象磁界の強度の変動幅が大きくなることが分かる。
As described above, in order to improve the quality of the first to fourth detection signals S1 to S4, it is preferable to move the detection position closer to the
ところで、変動率は、回転方向Rに隣接する2つの磁石104の間隔によっても変化し得る。2つの磁石104の間隔を変化させて、1つの仮想の曲線上にある第1点ないし第10点の各々における検出対象磁界の強度を求めた。そして、第2のシミュレーションと同様に、各点毎に、変動率を求めた。
Incidentally, the rate of variation can also change depending on the interval between two
第3のシミュレーションでは、第2のシミュレーションと同様に、図19に示した磁気スケール102のモデルを用いた。ただし、第3のシミュレーションでは、中心軸Cに平行な一方向から見たときの回転方向Rにおける磁石104の最大の寸法を6mm、5mm、4.35mm、4mmと変化させることによって、回転方向Rに隣接する2つの磁石104の間隔を、0mm、1mm、1.65mm、2mmと変化させた。また、第3のシミュレーションでは、第1ないし第4の検出信号S1~S4の質を高めるために検出位置を磁気スケール102に近づけることを想定し、仮想の曲線と磁気スケール102との間隔WDを、変動幅が最小となる2.5mmよりも小さい1.5mmとした。
In the third simulation, similarly to the second simulation, the model of the
図22は、第3のシミュレーションによって求めた変動率を示す特性図である。図22において、横軸は仮想の曲線上の位置を示し、縦軸は変動率を示している。図22における仮想の曲線上の位置の表し方は、図20と同じである。また、図22において、符号91を付した曲線は、2つの磁石104の間隔が0mmのときの各点の変動率を示している。符号92を付した曲線は、2つの磁石104の間隔が1mmのときの各点の変動率を示している。符号93を付した曲線は、2つの磁石104の間隔が1.65mmのときの各点の変動率を示している。符号94を付した曲線は、2つの磁石104の間隔が2mmのときの各点の変動率を示している。図22から、2つの磁石104の間隔が0mmのとき(符号91)に、変動率の最大値と最小値の差すなわち変動幅が最大になることと、2つの磁石104の間隔が0mm以外のときに、変動幅は、2つの磁石104の間隔が0mmのときよりも小さくなることと、2つの磁石104の間隔が1.65mmのとき(符号93)に、変動幅が最小になることが分かる。第3のシミュレーションの結果から、2つの磁石104の間に磁化されていない部分を設けることによって、相対位置の変化に伴う検出対象磁界の強度の変動幅を小さくすることができることが分かる。
FIG. 22 is a characteristic diagram showing the fluctuation rate obtained by the third simulation. In FIG. 22, the horizontal axis shows the position on the virtual curve, and the vertical axis shows the fluctuation rate. The way the positions on the virtual curve are represented in FIG. 22 is the same as in FIG. 20. Furthermore, in FIG. 22, a curve labeled 91 shows the rate of variation at each point when the distance between the two
仮想の曲線と磁気スケール102との間隔WDは、第1ないし第4の検出位置P11,P12,P21,P22の位置を決定するための基準である。第3のシミュレーションの結果から、間隔WDが1.5mmの場合、中心軸Cに平行な一方向から見たときの、回転方向Rにおける磁石104の最大の寸法を4.35mmとし、回転方向Rに隣接する2つの磁石104の間隔を1.65mmとし、第1および第2の検出位置P11,P12と磁気スケール102との間隔を1.5mmよりもわずかに小さくし、第3および第4の検出位置P21,P22と磁気スケール102との間隔を1.5mmよりもわずかに大きくすることによって、第1ないし第4の検出位置P11,P12,P21,P22の全てにおいて検出対象磁界の強度の変動幅を小さくすることができる。
The distance WD between the virtual curve and the
第2および第3のシミュレーションの結果から理解されるように、第1ないし第4の検出位置P11,P12,P21,P22と磁気スケール102との間隔を調整すると共に、2つの磁石104の間隔を調整することによって、第1ないし第4の検出位置P11,P12,P21,P22の各々における検出対象磁界の強度の変動幅を小さくすることができる。従って、検出対象磁界の強度の変動幅を小さくするための検討として、これらの間隔を調整する検討を行った後に、第1ないし第4の検出位置P11,P12,P21,P22を決定することが好ましい。
As understood from the results of the second and third simulations, the distance between the first to fourth detection positions P11, P12, P21, P22 and the
第2および第3のシミュレーションの結果は、第1の実施の形態に係る位置検出装置1にも当てはまる。すなわち、第1および第2の検出位置P1,P2と磁気スケール2との間隔を調整すると共に、磁石4,5の間隔と磁石5,6の間隔を調整することによって、第1および第2の部分磁界MFa,MFbの各々の強度の変動幅を小さくすることができる。従って、検出対象磁界の強度の変動幅を小さくするための検討として、これらの間隔を調整する検討を行った後に、第1および第2の検出位置P1,P2を決定することが好ましい。
The results of the second and third simulations also apply to the
[変形例]
次に、図23を参照して、磁気スケール102の変形例について説明する。図23は、磁気スケール102の変形例を示す平面図である。変形例では、磁気スケール102は、複数の磁石104および基板105に加えて、樹脂またはアルミニウム等の非磁性材料よりなる複数の非磁性体106と、NiFe等の磁性材料よりなるヨーク107とを含んでいる。複数の非磁性体106とヨーク107は、基板105の上面105aの上に配置されている。複数の非磁性体106の各々は、隣接する2つの磁石104の間に配置されている。
[Modified example]
Next, a modification of the
ヨーク107は、複数の磁石104を磁気的に接続している。図23に示した例では、ヨーク107は、その中心が中心軸C上に位置する環状の形状を有している。ヨーク107は、複数の磁石104の各々の、中心軸Cに最も近い第1の端面を磁気的に接続している。ここで、複数の磁石104のうち、回転方向Rに隣接する任意の2つの磁石104に着目する。この2つの磁石104のうち、第1の端面がN極側の端面である磁石104を第1の磁石104と言い、第1の端面がS極側の端面である磁石104を第2の磁石104と言う。ヨーク107は、第1の磁石104の第1の端面より発生された磁束が、第2の磁石104の第1の端面に効率的に流入するように、磁束の流れを制御する機能を有している。
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第1の実施の形態と同様である。 The other configurations, operations, and effects of this embodiment are the same as those of the first embodiment.
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、請求の範囲の要件を満たす限り、第1ないし第4の検出部11,12,21,22の配置は、各実施の形態に示した例に限られず、任意である。
Note that the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible. For example, the arrangement of the first to
また、磁気スケール2または102の複数の磁石の数、形状、およびN極とS極の位置は、各実施の形態に示した例に限られず、任意である。また、第1の実施の形態では、磁気スケール2は、磁石4,5,6の代わりに、直線状の多極着磁磁石を含んでいてもよい。また、第2の実施の形態では、磁気スケール102は、複数の磁石104の代わりに、環状の多極着磁磁石を含んでいてもよい。
Further, the number and shape of the plurality of magnets of the
1…位置検出装置、2…磁気スケール、3…磁気センサ、4~6…磁石、7…ヨーク、8…保護部、10,20…電子部品、11…第1の検出部、12…第2の検出部、21…第3の検出部、22…第4の検出部、31~34…A/D変換器、35…第1の演算回路、36…第2の演算回路、37…第3の演算回路、41…基板、42…ヨーク、H1~H4…ホール素子、R11,R12,R21,R22…MR素子。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記磁気スケールは、直線的な方向または回転方向である移動方向に沿った所定の範囲内において、前記磁気センサに対する相対位置が変化可能であり、
基準平面内の任意の位置における前記検出対象磁界の方向は、前記相対位置の変化に伴って前記任意の位置を中心として回転し、
前記検出対象磁界の強度は、前記磁気スケールからの距離に応じて変化し、
前記磁気センサは、
その強度が第1の強度となる前記基準平面内の位置における前記検出対象磁界であってその方向が前記基準平面内において回転する前記検出対象磁界と前記ノイズ磁界との合成磁界である第1の合成磁界を検出するように配置された第1の検出部および第2の検出部と、
その強度が前記第1の強度とは異なる第2の強度となる前記基準平面内の位置における前記検出対象磁界であってその方向が前記基準平面内において回転する前記検出対象磁界と前記ノイズ磁界との合成磁界である第2の合成磁界を検出するように配置された第3の検出部および第4の検出部とを含み、
前記第1の検出部は、前記第1の合成磁界の第1の方向の成分の強度に対応する第1の検出信号を生成し、
前記第2の検出部は、前記第1の合成磁界の前記第1の方向とは異なる第2の方向の成分の強度に対応する第2の検出信号を生成し、
前記第3の検出部は、前記第2の合成磁界の第3の方向の成分の強度に対応する第3の検出信号を生成し、
前記第4の検出部は、前記第2の合成磁界の前記第3の方向とは異なる第4の方向の成分の強度に対応する第4の検出信号を生成し、
前記磁気センサは、更に、
前記第1の検出信号と前記第3の検出信号との差に対応する第1の演算後信号を生成する第1の演算回路と、
前記第2の検出信号と前記第4の検出信号との差に対応する第2の演算後信号を生成する第2の演算回路と、
前記第1および第2の演算後信号に基づいて、前記相対位置と対応関係を有する検出値を生成する第3の演算回路とを含むことを特徴とする位置検出装置。 A position including a magnetic scale that generates an external magnetic field whose intensity and direction have a spatial distribution, and a magnetic sensor that detects a magnetic field to be detected that is part of the external magnetic field and a noise magnetic field other than the magnetic field to be detected. A detection device,
The relative position of the magnetic scale to the magnetic sensor can be changed within a predetermined range along a moving direction that is a linear direction or a rotational direction,
The direction of the magnetic field to be detected at an arbitrary position within the reference plane rotates around the arbitrary position as the relative position changes,
The strength of the magnetic field to be detected changes depending on the distance from the magnetic scale,
The magnetic sensor is
The magnetic field to be detected is the magnetic field to be detected at a position within the reference plane whose intensity is a first intensity , and whose direction is a composite magnetic field of the magnetic field to be detected and the noise magnetic field rotating within the reference plane. a first detection section and a second detection section arranged to detect the composite magnetic field;
The magnetic field to be detected at a position within the reference plane whose intensity is a second intensity different from the first intensity, the magnetic field to be detected whose direction rotates within the reference plane, and the noise magnetic field. a third detection unit and a fourth detection unit arranged to detect a second composite magnetic field that is a composite magnetic field of
The first detection unit generates a first detection signal corresponding to the intensity of a component in a first direction of the first composite magnetic field,
The second detection unit generates a second detection signal corresponding to the intensity of a component of the first composite magnetic field in a second direction different from the first direction,
The third detection unit generates a third detection signal corresponding to the intensity of a component in a third direction of the second composite magnetic field,
The fourth detection unit generates a fourth detection signal corresponding to the intensity of a component of the second composite magnetic field in a fourth direction different from the third direction,
The magnetic sensor further includes:
a first arithmetic circuit that generates a first arithmetic signal corresponding to a difference between the first detection signal and the third detection signal;
a second calculation circuit that generates a second calculated signal corresponding to the difference between the second detection signal and the fourth detection signal;
A position detection device comprising: a third arithmetic circuit that generates a detected value having a correspondence relationship with the relative position based on the first and second post-arithmetic signals.
前記検出対象磁界の方向が理想的に変化する場合に想定される、前記第2の検出部が検出する前記検出対象磁界の方向が前記第2の方向に対してなす角度を第2の角度とし、前記第4の検出部が検出する前記検出対象磁界の方向が前記第4の方向に対してなす角度を第4の角度としたときに、前記第2の検出部と前記第4の検出部は、前記第2の角度と前記第4の角度が互いに等しくなるように配置されていることを特徴とする請求項1記載の位置検出装置。 The first angle is an angle that the direction of the detection target magnetic field detected by the first detection unit makes with the first direction, which is assumed when the direction of the detection target magnetic field changes ideally. , when the angle formed by the direction of the magnetic field to be detected detected by the third detection unit with respect to the third direction is a third angle, the first detection unit and the third detection unit are arranged such that the first angle and the third angle are equal to each other,
A second angle is an angle that the direction of the detection target magnetic field detected by the second detection unit makes with the second direction, which is assumed when the direction of the detection target magnetic field changes ideally. , when the angle between the direction of the magnetic field to be detected detected by the fourth detection unit and the fourth direction is defined as a fourth angle, the second detection unit and the fourth detection unit 2. The position detection device according to claim 1, wherein the angles are arranged such that the second angle and the fourth angle are equal to each other.
前記第3の角度と前記第4の角度との差は90°であることを特徴とする請求項2記載の位置検出装置。 The difference between the first angle and the second angle is 90°,
3. The position detection device according to claim 2, wherein a difference between the third angle and the fourth angle is 90°.
前記第4の方向は、前記第2の方向と同じ方向であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の位置検出装置。 The third direction is the same direction as the first direction,
4. The position detection device according to claim 1, wherein the fourth direction is the same direction as the second direction.
前記第1の合成磁界は、前記磁気スケールと交差し且つ前記移動方向に直交する仮想の直線上の第1の検出位置における前記検出対象磁界と前記ノイズ磁界との合成磁界であり、
前記第2の合成磁界は、前記仮想の直線上の前記第1の検出位置とは異なる第2の検出位置における前記検出対象磁界と前記ノイズ磁界との合成磁界であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の位置検出装置。 The moving direction is a linear direction,
The first composite magnetic field is a composite magnetic field of the detection target magnetic field and the noise magnetic field at a first detection position on a virtual straight line that intersects the magnetic scale and is orthogonal to the movement direction,
The second composite magnetic field is a composite magnetic field of the detection target magnetic field and the noise magnetic field at a second detection position different from the first detection position on the imaginary straight line. 5. The position detection device according to any one of 1 to 4.
前記磁気スケールは、所定の中心軸を中心とする回転方向である移動方向に沿った所定の範囲内において、前記磁気センサに対する相対位置が変化可能であり、
任意の位置における前記検出対象磁界の方向は、前記相対位置の変化に伴って前記任意の位置を中心として回転し、
前記検出対象磁界の強度は、前記磁気スケールからの距離に応じて変化し、
前記磁気センサは、
第1の強度の前記検出対象磁界と前記ノイズ磁界との合成磁界である第1の合成磁界を検出するように配置された第1の検出部および第2の検出部と、
前記第1の強度とは異なる第2の強度の前記検出対象磁界と前記ノイズ磁界との合成磁界である第2の合成磁界を検出するように配置された第3の検出部および第4の検出部とを含み、
前記第1の検出部は、前記第1の合成磁界の第1の方向の成分の強度に対応する第1の検出信号を生成し、
前記第2の検出部は、前記第1の合成磁界の前記第1の方向とは異なる第2の方向の成分の強度に対応する第2の検出信号を生成し、
前記第3の検出部は、前記第2の合成磁界の第3の方向の成分の強度に対応する第3の検出信号を生成し、
前記第4の検出部は、前記第2の合成磁界の前記第3の方向とは異なる第4の方向の成分の強度に対応する第4の検出信号を生成し、
前記磁気センサは、更に、
前記第1の検出信号と前記第3の検出信号との差に対応する第1の演算後信号を生成する第1の演算回路と、
前記第2の検出信号と前記第4の検出信号との差に対応する第2の演算後信号を生成する第2の演算回路と、
前記第1および第2の演算後信号に基づいて、前記相対位置と対応関係を有する検出値を生成する第3の演算回路とを含み、
前記第1の検出部が検出する前記第1の合成磁界は、前記中心軸と交差する第1の仮想の直線上の第1の検出位置における前記検出対象磁界と前記ノイズ磁界との合成磁界であり、
前記第2の検出部が検出する前記第1の合成磁界は、前記中心軸と交差し、前記第1の仮想の直線とは異なる第2の仮想の直線上の第2の検出位置における前記検出対象磁界と前記ノイズ磁界との合成磁界であり、
前記第3の検出部が検出する前記第2の合成磁界は、前記第1の仮想の直線上の前記第1の検出位置とは異なる第3の検出位置における前記検出対象磁界と前記ノイズ磁界との合成磁界であり、
前記第4の検出部が検出する前記第2の合成磁界は、前記第2の仮想の直線上の前記第2の検出位置とは異なる第4の検出位置における前記検出対象磁界と前記ノイズ磁界との合成磁界であることを特徴とする位置検出装置。 A position including a magnetic scale that generates an external magnetic field whose intensity and direction have a spatial distribution, and a magnetic sensor that detects a magnetic field to be detected that is part of the external magnetic field and a noise magnetic field other than the magnetic field to be detected. A detection device,
The relative position of the magnetic scale with respect to the magnetic sensor can be changed within a predetermined range along a movement direction that is a rotation direction around a predetermined central axis,
The direction of the magnetic field to be detected at an arbitrary position rotates around the arbitrary position as the relative position changes,
The strength of the magnetic field to be detected changes depending on the distance from the magnetic scale,
The magnetic sensor is
a first detection unit and a second detection unit arranged to detect a first composite magnetic field that is a composite magnetic field of the detection target magnetic field and the noise magnetic field having a first intensity;
a third detection unit and a fourth detection unit arranged to detect a second composite magnetic field that is a composite magnetic field of the detection target magnetic field and the noise magnetic field having a second strength different from the first strength; including the
The first detection unit generates a first detection signal corresponding to the intensity of a component in a first direction of the first composite magnetic field,
The second detection unit generates a second detection signal corresponding to the intensity of a component of the first composite magnetic field in a second direction different from the first direction,
The third detection unit generates a third detection signal corresponding to the intensity of a component in a third direction of the second composite magnetic field,
The fourth detection unit generates a fourth detection signal corresponding to the intensity of a component of the second composite magnetic field in a fourth direction different from the third direction,
The magnetic sensor further includes:
a first arithmetic circuit that generates a first arithmetic signal corresponding to a difference between the first detection signal and the third detection signal;
a second calculation circuit that generates a second calculated signal corresponding to the difference between the second detection signal and the fourth detection signal;
a third arithmetic circuit that generates a detected value having a correspondence relationship with the relative position based on the first and second post-arithmetic signals;
The first composite magnetic field detected by the first detection unit is a composite magnetic field of the detection target magnetic field and the noise magnetic field at a first detection position on a first imaginary straight line intersecting the central axis. can be,
The first composite magnetic field detected by the second detection unit intersects the central axis and is detected at a second detection position on a second imaginary straight line that is different from the first imaginary straight line. is a composite magnetic field of the target magnetic field and the noise magnetic field,
The second composite magnetic field detected by the third detection unit is a combination of the detection target magnetic field and the noise magnetic field at a third detection position different from the first detection position on the first imaginary straight line. is the composite magnetic field of
The second composite magnetic field detected by the fourth detection unit is composed of the detection target magnetic field and the noise magnetic field at a fourth detection position different from the second detection position on the second imaginary straight line. A position detection device characterized by a composite magnetic field of.
前記外部磁界は、前記複数の磁石の各々が発生する磁界が合成されたものであることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の位置検出装置。 The magnetic scale includes a plurality of magnets arranged along the moving direction,
7. The position detection device according to claim 1, wherein the external magnetic field is a combination of magnetic fields generated by each of the plurality of magnets.
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