KR100964406B1

KR100964406B1 - 위치 검출 장치

Info

Publication number: KR100964406B1
Application number: KR1020087014297A
Authority: KR
Inventors: 소오스께 니시다; 도시노리 다까쯔까
Original assignee: 아사히 가세이 일렉트로닉스 가부시끼가이샤
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2010-06-15
Also published as: WO2007069680A1; EP1962062B1; CN101331385A; US7843190B2; JPWO2007069680A1; JP4589410B2; EP1962062A4; TWI318721B; CN101331385B; EP1962062A1; KR20080072051A; TW200736813A; US20090045807A1

Abstract

기판 상에 배치된 2개를 1세트로 한 홀 센서를 1세트 이상 갖는 자속 검출 수단과, 기판에 평행한 평면 내를 소정 방향으로 이동 가능하도록 배치된 직육면체 자석을 구비한다. 각 세트 내의 2개의 홀 센서는 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선과 직육면체 자석의 이동 방향이 이루는 각도가 직교하도록 기판 상에 배치된다. 직육면체 자석은 기판에 평행한 임의의 평면에 투영한 경우에, 그 사각형이 긴 변과 짧은 변을 갖고, 상기 긴 변이 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선에 소정의 경사각을 갖는다. 직육면체 자석은 홀 센서가 배치된 기판에 대해 수직으로 N극과 S극이 각각 1극씩이 되도록 착자되어, 홀 센서의 감자 방향이 기판 방향에 대해 수직이도록 한다.

위치 검출 장치, 홀 센서, 자석, 차동 증폭기, 감자부

Description

위치 검출 장치 {POSITION DETECTION APPARATUS}

본 발명은 자석과 홀 센서를 이용한 위치 검출 장치에 관한 것이다.

최근, 다양한 센서가 모든 곳에서 이용되도록 되어 있다.

예를 들어, 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라 등에 이용되는 손떨림 보정 장치나 줌이나 오토 포커스를 위한 렌즈 위치 검출 장치에서는, 순식간에 고정밀도의 위치 검출을 행하는 기능을 갖는 센서가 필요해지는 동시에, 최근 기기 전체의 소형화의 요구가 강하기 때문에, 센서 자체의 소형화가 요구되고 있다. 또한, 장기 수명화, 먼지나 오일(그리스) 등의 영향을 받기 어려운 특성을 갖는 센서 등 다양한 요구가 있다.

상기한 바와 같은 요구를 충족시키기 위해, 센서로서 자기 센서를 이용한 위치 검출 방법 등이 알려져 있다.

자기 센서로서, 예를 들어 특허문헌 1 등에 기재되어 있는 방법을 변경ㆍ수정하여 행할 수 있다. 즉, 특허문헌 1의 도3에 도시된 바와 같이, 가동부에 자석을 내포시키고, 그 이동을 복수개의 자기 센서를 이용하여 검출하는 방법이다.

본원 발명자들은, 종래부터 특허문헌 2 등에 기재되어 있는 위치 검출 장치를 제안하고 있고, 현재 본 위치 검출 기구는 디지털 스틸 카메라의 손떨림 보정 장치의 주요부로서 널리 이용되고 있다.

여기서, 복수개의 자기 센서를 이용하여 위치 검출을 행하는 원리 및 그 구성에 대해 설명한다.

도13은 자기 센서로서 홀 센서(11, 12)를 이용한 위치 검출 방법을 나타낸다.

도13에 있어서, 규정 간격을 사이에 두고 배치된 2개의 홀 센서(11, 12)에 대향하여 배치된 영구 자석(23)의 측면 방향(화살표 방향)으로의 이동에 의한 자속 밀도의 변화에 따라서 2개의 홀 센서(11, 12)의 홀 출력 전압이 각각 변화된다. 그들 홀 출력 전압의 차분치를 차동 신호 처리 회로에 의해 처리함으로써, 영구 자석(23)의 위치 검출을 행할 수 있다. 이 위치 검출시, 영구 자석(23)의 이동 방향은 2개의 홀 센서(11, 12)를 연결하는 직선에 평행한 상태로 되어 있다.

또한, 캘리브레이션의 수고를 줄이기 위해, 상기한 홀 출력 전압의 차분치가 영구 자석(23)의 측면 방향으로의 이동 거리에 대해 선형으로 변화하도록 그 영구 자석(23)의 사이즈나, 홀 센서(11, 12)의 간격이나, 홀 센서(11, 12)와 영구 자석(23)의 간격을 설계하는 것이 일반적이다.

본 구성은 자석과 홀 센서의 상대적 이동 범위가 수 ㎜ 이내이면 양호한 특성을 갖고 있어, 일안 리플렉스 디지털 카메라의 손떨림 보정 장치 등에서 주요부로서 사용되고 있다. 그러나, 이동 범위가 수 ㎜를 초과하는 영역에서는 기구 전체가 커지는 문제가 있어, 실용화되고 있지 않다.

또한, 넓은 온도 범위에서 고정밀도로 위치 검출을 행하는 경우에 있어서, 특허문헌 6에 개시된 출력 신호 처리 방법을 이용하여 홀 센서나 자석의 주위 온도 변화에 의한 특성의 변화를 억제하여 위치 검출을 행하는 경우도 있다.

좁은 범위에서의 위치 검출에 있어서는, 부품 개수를 삭감하기 위해, 특허문헌 5의 도6에서 도시된 바와 같은 배치로, 자석과 1개의 홀 센서를 이용하여 1축 방향의 위치 검출을 행하는 것도 가능하다.

또한, 좁은 범위에서 높은 정밀도가 요구되는 위치 검출에서는, 특허문헌 4와 같이 자석을 2개 사용하여 특수한 배치로 위치 검출을 행하는 경우도 있다.

넓은 범위에서 높은 정밀도가 요구되는 위치 검출에서는, 영구 자석의 측방 이동 거리에 대해 2개의 홀 센서의 홀 출력 전압의 차에 있어서의 선형성을 향상시키기 위해, 특허문헌 3과 같이 특수한 자석을 이용하여 위치 검출을 행하는 경우도 있다.

한편, 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라의 줌이나 오토 포커스를 위한 렌즈 위치 검출 장치에서 요구되는 10 ㎜ 정도의 광범위한 위치 검출을 행할 때, 인코더를 이용하는 방법이 일반적이다. 단, 인코더를 이용하는 경우에는, 센서로부터의 신호를 처리하는 카운터 등을 포함하는 복잡한 처리 회로가 필요하게 된다는 문제가 있다. 또한, 이동 장치와 인코더가 탈조(脫調)되면 원하는 특성을 얻을 수 없기 때문에, 매우 고속의 이동 대상으로는 부적합하다.

10 ㎜ 정도의 광범위한 위치 검출을 행하는 경우에 인코더를 사용하지 않는 방법으로서는, 특허문헌 7, 특허문헌 8과 같이 자기 저항 소자를 이용하는 경우가 있다. 이와 같이 직육면체 자석(또는 자성체)을 이동 방향에 대해 경사지게 하고, 이동 방향으로 직교하는 방향으로 자기 저항 소자를 배치하여, 이동체의 횡방향의 이동을 종방향의 자장 변화로 검출하는 수단은 잘 알려져 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2002-287891호 공보

특허문헌 2 : WO 02/086694

특허문헌 3 : 일본 특허 출원 공개 제2005-284169호 공보

특허문헌 4 : 일본 특허 출원 공개 제2004-245765호 공보

특허문헌 5 : 일본 특허 출원 공개 제2002-229090호 공보

특허문헌 6 : 일본 특허 출원 공개 제2004-348173호 공보

특허문헌 7 : 일본 특허 출원 공개 소59-159578호 공보

특허문헌 8 : 일본 특허 출원 공개 평06-229708호 공보

최근, 비접촉식이고 수명이 길며, 먼지 등의 영향을 받지 않는 자기 센서를 이용하여 광범위에서 위치 검출을 실현하고자 하는 요구가 증가하고 있다.

본원 발명자들이 제안한 특허문헌 2의 위치 검출 장치의 기술을 이용하면, 손떨림 보정의 위치 검출에서 요구되는 2 내지 3 ㎜ 스트로크를 0.1 % 정도로 하는 높은 정밀도가 실현되고 있고 널리 이용되고 있지만, 카메라의 줌이나 오토 포커스를 위한 렌즈 위치 검출 장치에서 요구되는 10 ㎜ 정도의 광범위한 위치 검출을 같은 높은 정밀도로 실현할 수 없었다.

또한, 자기 센서로서, 특허문헌 3과 같은 방법을 이용하여 광범위에서의 위치 검출을 행하는 경우, 자석이 범용품이 아니므로 자석의 제조가 어렵고, 자석의 형상이 일정해지기 어렵기 때문에 자기 특성의 변동이 커지거나 입수가 곤란하다는 것이 문제가 된다.

또한, 후술하는 비교예(특허문헌 1에 기재한 방법)에 기재한 방법을 이용하여 광범위에서 위치 검출을 행하는 경우, 상기 홀 출력 전압의 차분치가 영구 자석의 측면 방향으로의 이동 거리에 대해 선형으로 변화되도록 설계하면, 자석의 사이즈나, 2개의 홀 센서의 간격, 및 홀 센서와 자석과의 간격이 커져, 위치 검출 장치의 소형화가 곤란하다는 문제가 있었다. 디지털 스틸 카메라 등의 휴대 기기에서는 소형화 요구가 강하기 때문에 본 구성은 실용적이지 않다.

또한, 특허문헌 4, 특허문헌 5에 기재되어 있는 방법은 원리적으로 넓은 범위에 있어서 홀 센서의 출력이 선형이 되도록 자석을 배치하는 것이 어렵고, 카메라의 줌이나 오토 포커스를 위한 렌즈 위치 검출 장치에서 요구되는, 10 ㎜ 정도의 광범위한 위치 검출은 불가능하다는 문제가 있었다.

상기한 이유에 의해, 현재까지 위치 검출 범위의 0.1 % 정도라는 고정밀도의, 자석을 이용한 위치 검출 장치는 자석의 이동 거리가 수 ㎜ 이내인 것만 실용화되고 있다.

또한, 특허문헌 7에 기재되어 있는 바와 같이, 반도체 박막을 이용한 자기 저항 소자를 사용하는 경우에는, 반도체 박막을 이용한 자기 저항 소자의 출력이 자속 밀도에 대해 선형으로 변화하도록 바이어스 자석을 이용하는 것이 일반적이지만, 부품 개수가 증가하여 기구가 커지는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 8에 기재되어 있는 강자성체 박막을 이용한 자기 저항 소자에서는 자기 포화를 피해야만 하므로 설계의 자유도가 없다는 문제가 있었다.

또한, 강자성체 박막은 히스테리시스를 가지므로, 높은 정밀도로 위치 검출을 행할 수 없다는 문제가 있었다. 광범위를 고정밀도로 위치 검출하는 경우, 특허문헌 8에 기재되어 있는 바와 같이 히스테리시스 등의 영향을 억제하기 위한 바이어스 자석을 이용하는 방법도 있지만, 부품 개수가 증가하게 되어 기구가 커지는 문제가 있었다. 또한, 위치 검출용 자석과 바이어스 자석 사이에 흡인ㆍ반발의 힘이 가해져, 위치 제어가 복잡해져 버리는 문제가 있었다.

또한, 강자성체 박막을 이용한 자기 저항 소자는 센서면에 대해 수평 방향의 자장을 검출하기 위해, 가장 효율적으로 자석의 에너지를 이용할 수 있는 배치로는 (자석의 착자면에 대향하도록 배치)할 수 없고, 위치 검출에 충분한 자장을 얻기 위해서는 자석을 크게 해야만 하는 문제가 있었다.

상기에 기재한 다양한 이유에 의해, 실제로 직선 변위 센서 등에 탑재되어 있는 자기 저항 소자를 이용한 위치 검출 장치에서는, 디지털 비디오 카메라나 디지털 비디오 카메라 등에서 이용되는 위치 검출의 요구 정밀도(위치 검출 범위에 대해 1.0 % 이하)를 충족시킬 수 없어, 이동 범위의 2.0 % 정도의 정밀도만 실현할 수 있다.

그래서, 본 발명의 목적은 홀 센서를 자기 센서로서 이용하여 구성 부품을 범용품이나 입수가 용이한 부품 등에 의해 구성한 경우에 있어서도, 간이한 회로 구성으로 소형화를 실현할 수 있는 동시에 광범위한 거리를 고정밀도로 검출하는 것이 가능한 위치 검출 장치를 제공하는 것에 있다.

본원 발명자들은, 위치 검출 범위에 대해 0.1 % 정도와 2.0 % 정도의 큰 정밀도의 차에 착안하여, 홀 센서를 이용한 경우와 자기 저항 소자를 이용한 경우의 검출계의 본질적인 차이에 대해 예의 검토한 결과, 자기 저항 소자는 면으로 검출하는 데 대해, 홀 센서는 점으로 검출하는 차이라는 결론을 얻었다.

자기 저항 소자의 동작의 설명에 있어서는, 단순화하기 위해 가동 자석의 자장을 균일 자장으로 하여 설명하는 것 등을 대부분의 교과서 등에서도 자주 볼 수 있지만, 실제로는 무한 길이의 자석을 가상한 경우에만 균일 자장은 존재하며, 반드시 면에는 분포가 존재한다. 반도체 자기 저항 소자의 경우, 출력은 B^2에 관계되므로 반드시 평균화 오차가 생기게 된다. 이는 균일 자장을 가상한 경우와 비교하여, 출력으로서 수 %의 차이에 이른다. 강자성체 자기 저항 소자의 경우, 출력의 비선형성이 평균화 오차의 원인이 되지만, 감자부(感磁部) 자체가 자기 회로가 되므로 미시적인 분포는 한층 복잡하다.

즉, 면내 자장 분포의 영향은 자기 저항 소자를 이용한 경우의 검출계의 새로운 매개 변수로 되어 있고, 이로 인해 검출 정밀도를 저하시키고 있는 데 생각이 이르렀다.

그래서, 자장 분포의 영향을 받지 않는 점의 검출계인 홀 센서를 이용하여 광범위, 고정밀도의 검출계를 구성할 수 없는지의 검토를 시도하였다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 위치 검출 장치는 기판(33, 53) 상에 배치되고, 감자 방향이 기판 방향에 대해 수직인 홀 센서 2개를 1세트로 한 홀 센서 세트를 1세트 이상(32a, 32b, 52c, 52d) 갖는 자속 검출 수단과, 상기 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선(102)에 대해 수직 방향(X축)으로 이동 가능하며, 또한 상기 기판에 평행한 평면상에서 이동 가능하게 배치되는 동시에, 상기 기판에 대해 수직 방향(Z축)으로 N극과 S극이 착자된 직육면체 자석(31, 51)을 구비하고, 상기 직육면체 자석은, 상기 기판에 평행한 임의의 평면에 투영한 경우에 그 사각형이 긴 변과 짧은 변을 갖고, 직육면체 자석(31, 51)의 긴 변이 상기 자속 검출 수단의 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선에 대해 소정의 경사각을 가진 상태에서, 상기 직육면체 자석을 상기 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선에 대해 수직 방향(X축)으로 이동시킴으로써, 상기 자속 검출 수단의 각 세트 내의 2개의 홀 센서에 있어서의 한쪽의 홀 센서(32b)의 위치에서의 자속 밀도와 다른 쪽의 홀 센서(32a)의 위치에서의 자속 밀도의 차인 차자속 밀도와, 상기 직육면체 자석의 이동량의 특성을 이용하여 상기 직육면체 자석의 위치 검출을 행하는 것을 특징으로 한다.

「각 세트 내의 2개의 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선에 대해 수직 방향으로 이동 가능하며, 또한 상기 기판에 평행한 평면상에서 이동 가능」이라 함은, 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선과 자석의 이동 방향을 나타내는 직선을, 상기 기판에 평행한 임의의 동일 평면 상에 투영한 경우에 각각의 연장선이 수직으로 교차하는 것이다.

또한,「상기 직육면체 자석의 긴 변이 상기 자속 검출 수단의 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선에 대해 소정의 경사각을 갖는다」라 함은, 직육면체 자석의 긴 변을 포함하는 직선과 2개의 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선을, 상기 기판에 평행한 임의의 동일 평면 상에 투영한 경우에 각각의 연장선이 소정의 각도를 갖고 교차하는 것이다.

또한, 본 발명에 있어서, 홀 센서 2개를 1세트로 한 홀 센서 세트를 1세트 이상 갖는 자속 검출 수단이 직육면체 자석의 S극 또는 N극의 표면에 대향하여 배치되어 있는 것이 바람직하다. 여기에서 말하는,「홀 센서 2개를 1세트로 한 홀 센서 세트를 1세트 이상 갖는 자속 검출 수단이 직육면체 자석의 S극 또는 N극의 표면에 대향하여 배치되어 있다」라 함은, 상기 직육면체 자석과 상기 자속 검출 수단을 구성하는 복수의 홀 센서의 감자부를 상기 기판에 평행한 임의의 동일 평면 형상으로 투영한 경우에, 상기 복수의 홀 센서 중 적어도 1개의 홀 센서의 감자부의 투영부가 상기 직육면체 자석의 투영부에 포함되도록 배치되어 있는 것이다.

발명자들은, 자기 저항 소자를 이용하여 광범위에서 위치 검출을 행하는 경우, 자기 저항 소자는 일반적으로 감자부(일반적인 반도체 자기 저항 소자의 감자부의 크기 : 2400 ㎛ × 2000 ㎛ 정도)가 크고, 홀 센서와 비교하여 넓은 범위의 자장을 검출하므로, 감자부 면내에서의 자장 분포(감자 면내에서 자장이 균일하지 않음)에 의해 정밀도에 영향을 주는 관점에서 예의 검토한 결과, 감자부가 자기 저항 소자보다도 현저하게 작고, 한없이 점에 가까운 범위의 자장의 검출이 가능한 (감자부 면내의 자장 분포의 영향을 거의 받지 않는) 홀 센서(홀 센서의 감자부의 크기 : 100 ㎛ × 100 ㎛ 정도)를 사용함으로써, 종래의 자기 저항 소자를 이용한 위치 검출 장치보다도 현저하게 고정밀도의 위치 검출 장치를 제공하는 것을 가능하게 하였다.

상기 직육면체 자석의 이동 방향을 포함하는 평면에 있어서의 상기 직육면체 자석의 짧은 변과 긴 변의 길이의 비가, 짧은 변의 길이 1에 대해 긴 변의 길이가 3.5 내지 8.0인 것을 특징으로 한다.

또한, 분해능 40 um으로 8 ㎜(±4 ㎜)의 범위를 위치 검출하는 경우에 있어서, 상기 자속 검출 수단의 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 선분의 길이가 1.0 ㎜ 이하이며, 상기 직육면체 자석의 긴 변 방향이 상기 자속 검출 수단의 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선에 대해 갖는 소정의 경사각이 67.0도 내지 89.3도인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 직육면체 자석이 이동 가능한 이동 범위의 1 % 이하의 정밀도이고 상기 직육면체 자석의 위치를 검출 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 자속 검출 수단의 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 출력 전압의 차와, 상기 자속 검출 수단의 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 출력 전압의 합의 비를 이용하여 상기 직육면체 자석의 위치를 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 홀 센서는 자기 증폭을 행하기 위한 자성체 칩을 갖고 있지 않는 홀 센서인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 홀 센서가 GaAs, InAs, InSb 등의 Ⅲ-V족 화합물 반도체를 포함하는 홀 센서인 것을 특징으로 한다.

상기 홀 센서는 Si, Ge 등의 Ⅳ족 반도체를 포함하는 홀 센서인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 자속 검출 수단은 상기 기판 상에 배치된 상기 각 세트의 홀 센서가 1개의 패키지에 일체로 봉입된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 감자부 내에서의 자장의 불균일에 의한 검출 정밀도에의 영향을 억제할 수 있고, 자석이나 자속 검출 수단 등의 구성 부품을 범용품이나 입수가 용이한 부품 등에 의해 구성한 경우에 있어서도 간이한 회로 구성으로 소형화를 실현할 수 있는 동시에, 종래 불가능했던 10 ㎜ 정도의 광범위한 거리를 1 % 이하의 고정밀도로 검출하는 것이 가능한 위치 검출 장치를 실현할 수 있었다.

도1a는 본 발명의 제1 실시 형태인 위치 검출 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.

도1b는 본 발명의 제1 실시 형태인 위치 검출 장치의 개략 구성을 도시하는 상면도이다.

도2는 도1의 위치 검출 장치의 검출 회로의 구성을 도시하는 구성도이다.

도3a는 본 발명에 적응 가능한 자석 형상의 예를 나타내는 직육면체 자석의 설명도이다.

도3b는 본 발명에 적응 가능한 자석 형상의 예를 나타내는 사각기둥 자석의 설명도이다.

도3c는 본 발명에 적응 가능한 자석 형상의 예를 나타내는 삼각기둥 자석의 설명도이다.

도3d는 본 발명에 적응 가능한 자석 형상의 예를 나타내는 삼각뿔 자석의 설명도이다.

도3e는 본 발명에 적응 가능한 자석 형상의 예를 나타내는 사각뿔 자석의 설명도이다.

도3f는 본 발명에 적응 가능한 자석 형상의 예를 나타내는 타원기둥 자석의 설명도이다.

도4a는 자석의 이동 거리에 대한 제1 홀 센서(32a)의 위치에서의 자속 밀도 변화를 나타내는 설명도이다.

도4b는 자석의 이동 거리에 대한 제2 홀 센서(32b)의 위치에서의 자속 밀도 변화를 나타내는 설명도이다.

도4c는 자석의 이동 거리에 대한 제2 홀 센서(32b)의 위치에서의 자속 밀도로부터 제1 홀 센서(32a)의 위치에서의 자속 밀도를 뺀 차 자속 밀도의 변화를 나타내는 설명도이다.

도5a는 도1의 위치 검출 장치를 이용하여 매개 변수의 최적치로 한 경우에 있어서, 직육면체 자석의 이동 거리에 대한 홀 센서 사이의 출력 전압의 차분치를 출력 전압의 합으로 나눈 값(출력 전압의 차와 합의 비)을 자기 시뮬레이션으로부터 구한 결과를 나타내는 설명도이다.

도5b는 도1의 위치 검출 장치를 이용하여 매개 변수의 최적치로 한 경우에 있어서, 직육면체 자석의 이동 거리에 대한, 홀 센서 사이의 출력 전압의 차분치를 출력 전압의 합으로 나눈 값(출력 전압의 차와 합의 비)을 자기 시뮬레이션으로부터 구한 결과를 나타내는 도5a의 확대도이다.

도6은 이상 직선과, 도5a에 도시한 자기 시뮬레이션 결과의 어긋남으로부터 환산한 직육면체 자석의 이동 거리에 대한 위치 검출 오차를 나타내는 설명도이다.

도7a는 비교예로서 종래의 자석과 홀 센서를 이용한 위치 검출 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.

도7b는 비교예로서 종래의 자석과 홀 센서를 이용한 위치 검출 장치의 개략 구성을 도시하는 상면도이다.

도8a는 도1a의 위치 검출 장치의 구성의 비교용으로서의 위치 검출 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.

도8b는 도1b의 위치 검출 장치의 구성의 비교용으로서의 위치 검출 장치의 개략 구성을 도시하는 상면도이다.

도9a는 도7a의 종래의 위치 검출 장치의 구성을 비교용의 등배도로서 도시하는 단면도이다.

도9b는 도7b의 종래의 위치 검출 장치의 구성을 비교용의 등배도로서 도시하는 상면도이다.

도10a는 본 발명의 제2 실시 형태인 위치 검출 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.

도10b는 본 발명의 제2 실시 형태인 위치 검출 장치의 개략 구성을 도시하는 상면도이다.

도11은 도10a, 도10b의 위치 검출 장치의 검출 회로의 구성을 도시하는 구성도이다.

도12는 본 발명의 제3 실시 형태인 위치 검출을 행하고자 하는 범위를 1 ㎜ 피치로 변화시켰을 때의 직육면체 자석의 긴 변 방향의 길이의 변화의 정도를 나타내는 설명도이다.

도13은 종래의 홀 센서를 이용한 종래의 위치 검출 방법을 나타내는 설명도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 상세하게 설명한다.

[제1 예]

본 발명의 제1 실시 형태를 도1 내지 도9를 기초로 하여 설명한다.

본 발명에 관한 위치 검출 장치는 다양한 형상의 자석과, 다양한 홀 센서를 이용하여 구성할 수 있다.

<구성>

도1a, 도1b는 위치 검출 장치(30)의 개략 구성을 도시한다.

31은 N극 S극을 각각 1극씩 착자한 직육면체 자석(자속 발생 수단)이다.

32a, 32b는 2개를 1세트로 한 홀 센서(자속 검출 수단)이다.

33은 홀 센서(32a)(제1 홀 센서), 홀 센서(32b)(제2 홀 센서)를 실장한 기판이다.

직육면체 자석(31)은 홀 센서(32a, 32b)에 실장한 기판(33)에 대해 수직으로 착자된 구성으로 되어 있다.

직육면체 자석(31)은 기판(33)과 대향하는 한 평면(100) 내에서 x 방향을 따라 이동 가능하게 배치되어 있다.

이 경우, 1세트의 홀 센서로서 구성된, 홀 센서(32a)의 감자부의 중심과, 홀 센서(32b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선의 방향을 Y 방향이라 하고, 이 Y 방향에 직교하는 방향을 X 방향이라 한다. 또한, 홀 센서(32a, 32b)는 직육면체 자석(31)의 면과 대향된 위치에 배치되어 있다.

34a는 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이, 34b는 직육면체 자석(31)의 짧은 변 방향 Y의 길이, 34c는 직육면체 자석의 두께 방향 Z의 길이(자석의 착 자 방향의 길이)이다.

35a는 직육면체 자석(31)의 홀 센서(32a, 32b)의 기판(33)에 대향하는 평면(100)으로부터 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심까지의 거리이다.

35b는 홀 센서(32a)의 감자부의 중심과, 홀 센서(32b)의 감자부의 중심을 연결하는 거리이다.

도2는 위치 검출 장치(30)의 회로 구성예를 나타낸다.

위치 검출 장치(30)는 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 구동ㆍ처리 회로를 구비하고 있다.

제1 홀 센서(32a)는 정극 입력 단자(A)와, 정극 출력 단자(B)와, 부극 입력 단자(C)와, 부극 출력 단자(D)로 이루어진다. 또한, 제2 홀 센서(32b)는 정극 입력 단자(E)와, 정극 출력 단자(F)와, 부극 입력 단자(G)와, 부극 출력 단자(H)로 이루어진다.

제1 홀 센서(32a)의 정극 입력 단자(A)와, 제2 홀 센서(32b)의 정극 입력 단자(E)를 접속하고, 제1 홀 센서(32a)의 부극 입력 단자(C)와, 제2 홀 센서(32b)의 부극 입력 단자(G)를 접속하여 구동 회로의 입력 단자로 한다.

제1 홀 센서(32a)의 정극 출력 단자(B)와 부극 출력 단자(D)는 차동 신호 처리 회로(21)의 제1 차동 증폭기(21a)에 접속되고, 제2 홀 센서(32b)의 정극 출력 단자(F)와 부극 출력 단자(H)는 차동 신호 처리 회로(21)의 제2 차동 증폭기(21b)에 접속된다. 제1 차동 증폭기(21a)의 출력 단자와 제2 차동 증폭기(21b)의 출력 단자는 제3 차동 증폭기(21c)의 입력 단자에 접속된다.

이와 같은 구동ㆍ처리 회로에 의해 제1 홀 센서(32a)의 홀 출력 전압 Va와 제2 홀 센서(32b)의 홀 출력 전압 Vb의 차분치 (Va - Vb)인 출력치 Vc가 제3 차동 증폭기(21c)의 출력 단자로부터 출력된다. 그 제3 차동 증폭기(21c)의 출력 단자의 출력치는 직육면체 자석(31)의 위치에 대응한 것이 된다.

본 구성에서는, 제1 홀 센서(32a)와 제2 홀 센서(32b)의 입력 단자를 병렬로 접속하고 있지만, 이것은 특별히 병렬 접속에 한정되는 것은 아니다. 또한, 차동 증폭기(21a 내지 21c)에 대해서도 보다 고정밀도의 계장(計裝) 증폭기를 이용해도 되는 것은 물론이다.

<각도 θ>

각도 θ는 직육면체 자석(31)의 짧은 변을 수직으로 2등분하는 직선(101)과, 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선(102)이 이루는 각도로, 90도 미만의 각도로 정의한다.

본 예에서는, 직육면체 자석(31)은 X축 방향으로만 이동한다. 여기서, X축 방향으로의 이동이라 함은, 직육면체 자석(31)의 길이 방향이 Y축 방향에 대해 각도 θ를 가진 상태에서 X축 방향에 평행한 방향으로 이동하는 것을 의미한다.

직육면체 자석(31)의 이동 방향에 대해 수직인 직선 상(Y축 상)에 제1 홀 센서(32a)와 제2 홀 센서(32b)를 배치한다. 또한, 직육면체 자석(31)의 짧은 변을 수직으로 2등분하는 직선(101)과, 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선(102)이 이루는 각도 θ가 직각 또는 수평을 제외하는 각도가 되도록 배치한다.

이때, 위치 검출을 행하고자 하는 범위에서 필요해지는 분해능을 얻을 수 있는 선형성을 직육면체 자석(31)의 이동 거리에 대응하여 홀 센서(32a)와 홀 센서(32b)의 홀 출력 전압의 차분치를 갖도록, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a), 직육면체 자석(31)의 짧은 변 방향 Y의 길이(34b), 직육면체 자석(31)의 두께 방향 Z의 길이(자석의 착자 방향의 길이)(34c), 직육면체 자석(31)의 홀 센서(32a, 32b)가 배치된 기판(33)에 대향하는 평면(100)으로부터 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심까지의 거리(35a), 홀 센서(32a)의 감자부의 중심과 홀 센서(32b)의 감자부의 중심과의 거리(35b), 직육면체 자석(31)의 짧은 변을 수직으로 2등분하는 직선(101)과 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(102)이 이루는 각도 θ의 각 값을 최적의 값으로 설정한다.

이상으로부터, 위치 검출 장치(30)를 구성하는 부품으로서 범용품을 이용한 경우에 있어서도, 종래의 위치 검출 장치에 비해 간이한 회로 구성에서 소형화를 실현할 수 있는 동시에, 광범위한 거리를 고정밀도로 검출하는 것이 가능해진다. 또한, 구체적인 상기 매개 변수의 최적치에 대해서는 후술하는 예 중에서 설명한다.

또한, 위치 검출 장치(30)의 구성 부품으로서, 상기 이외의 이하의 구성으로 해도 좋다.

도3a 내지 도3f는 직육면체 자석의 변형예를 나타낸다.

자석으로서, 직육면체(입방체)(60), 사각기둥(61), 삼각기둥(62)과 같은 다각기둥이나, 삼각뿔(63), 사각뿔(64)과 같은 다각뿔이나, 원기둥(타원기둥)(65) 등 다양한 형상의 자석이 적응 가능하다.

홀 센서로서는, 자기 증폭을 행하기 위한 자성체 칩을 이용하고 있지 않은 홀 센서, GaAs, InAs, InSb 등의 Ⅲ-V족 화합물 반도체로 이루어지는 홀 센서, 또는 Si, Ge 등의 Ⅳ족 반도체로 이루어지는 홀 센서를 이용할 수 있다. 당연히, 상기 재료를 복수개 조합한 것이라도 상관없다.

홀 센서는 하나의 패키지에 일체로 봉입하여 구성할 수 있다.

<실시예>

위치 검출 장치(30)의 실시예에 대해 설명한다.

넓은 온도 범위에 있어서, 분해능 30 um으로 8 ㎜(±4 ㎜)의 범위를 위치 검출하는 경우에 대해 나타낸다. 도1에 있어서의 각 구성 부품의 매개 변수의 최적치의 설계예를 설명한다.

직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 9.7 ㎜, 직육면체 자석(31)의 짧은 변 방향 Y의 길이(34b) = 1.4 ㎜, 직육면체 자석(31)의 두께 방향 Z의 길이(자석의 착자 방향의 길이)(34c) = 1.0 ㎜로 한다.

또한, 직육면체 자석(31)의 홀 센서(32a, 32b)에 대향하는 평면(100)으로부터 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심까지의 거리(35a) = 1.4 ㎜, 홀 센서(32a)의 감자부의 중심과 홀 센서(32b)의 감자부의 중심과의 거리(35b) = 0.8 ㎜, 직육면체 자석(31)의 짧은 변을 수직으로 2등분하는 직선(101)과 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(102)이 이루는 각도 θ = 86°로 한다.

상기 설계시, 홀 센서(32a, 32b)를 각각 실장 기판에 탑재하는 것보다도, 홀 센서(32a, 32b)를 1개의 패키지 내에 탑재하는 것이 홀 센서(32a, 32b)의 배치 오차가 작아져, 위치 검출 장치의 고정밀도화에 공헌할 수 있다. 또한, 예를 들어 Si 기판 상에 각 세트 전체의 홀 센서(32a, 32b)를 설치하는 것도 가능하다.

따라서, 홀 센서(32a)와 홀 센서(32b)를 1개의 패키지 내에 봉입하는 것이 바람직하다.

도4a 내지 도4c는 직육면체 자석(31)의 이동 거리에 대한 자속 밀도의 변화를 나타낸다.

도4a는 자석의 이동 거리에 대한 제1 홀 센서(32a)의 위치에서의 자속 밀도 변화(70)를 나타낸다. 도4b는 자석의 이동 거리에 대한 제2 홀 센서(32b)의 위치에서의 자속 밀도 변화(71)를 나타낸다. 도4c는 자석의 이동 거리에 대한, 제2 홀 센서(32b)의 위치에서의 자속 밀도로부터 제1 홀 센서(32a)의 위치에서의 자속 밀도를 뺀 차 자속 밀도의 변화(72)를 나타낸다.

이에 의해, 자석의 이동에 대해 제2 홀 센서(32b)의 위치에서의 자속 밀도로부터 제1 홀 센서(32a)의 위치에서의 자속 밀도를 뺀 차 자속 밀도가 선형에 가까운 곡선으로 변화하는 것을 알 수 있다.

홀 센서의 출력 전압은 자속 밀도의 크기에 비례하므로, 제1 홀 센서(32a)의 출력 전압 Va와, 제2 홀 센서(32b)의 출력 전압 Vb의 차분치는 자석의 이동 거리에 대해 선형에 가까운 출력 특성을 갖게 된다.

도5a, 도5b는 상기 매개 변수의 최적치에 있어서, 직육면체 자석(31)의 이동에 대한 홀 센서(32a)의 출력 전압 Va와, 홀 센서(32b)의 출력 전압 Vb의 차분치 (Va - Vb)를 출력 전압의 합 (Va + Vb)로 나눈 값(출력 전압의 차와 합의 비)을 자기(磁氣) 시뮬레이션으로부터 구한 결과를 나타낸다. 도5b는 도5a의 영역(80)을 확대한 도면이다. 81은 이상 직선이다.

자기 시뮬레이션의 전제로서, 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감도를 2.4 mV/mT(일반적인 홀 센서의 감도), 직육면체 자석(13)의 잔류 자속 밀도 Br을 1200 mT(일반적인 네오디뮴 소결 자석의 값)로 하여 행하였다.

도5a, 도5b에 도시한 자기 시뮬레이션 결과로부터, 본 발명의 위치 검출 장치(30)를 이용함으로써, 직육면체 자석(31)의 이동에 대한 홀 센서(32a)의 출력 전압 Va와, 홀 센서(32b)의 출력 전압 Vb의 차분치를 상기 출력 전압의 합으로 나눈 값(출력 전압의 차와 합의 비)이 높은 선형성을 갖고, 이상 직선(理想直線)과 잘 일치하는 것을 알 수 있다.

여기서, 도5a에 기재한 이상 직선(81)은 직육면체 자석(31)의 이동 거리가 +4 ㎜에 있어서의 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 출력 전압의 차분치 (Va - Vb)를 출력 전압의 합 (Va + Vb)로 나눈 값(출력 전압의 차와 합의 비)과, 상기 직육면체 자석(31)의 이동 거리가 -4 ㎜에 있어서의 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 출력 전압의 차분치 (Va - Vb)를 출력 전압의 합 (Va + Vb)로 나눈 값(출력 전압의 차와 합의 비)을 연결한 직선이다.

도5b로부터, 제1 홀 센서(32a)의 출력 전압 Va와 제2 홀 센서(32b)의 출력 전압 Vb의 차분치 (Va - Vb)를 출력 전압의 합 (Va + Vb)로 나눈 값(출력 전압의 차와 합의 비)은 조금이지만 이상 직선으로부터 어긋나 있는 것을 알 수 있다.

일반적으로는, 이 이상 직선 상의 값을 이용하여 위치 검출을 행하므로, 제1 홀 센서(32a)의 출력 전압 Va와 제2 홀 센서(32b)의 출력 전압 Vb의 차분치 (Va - Vb)를 출력 전압의 합 (Va + Vb)로 나눈 값(출력 전압의 차와 합의 비)의 이상 직선(81)으로부터의 어긋남이 크면, 위치 검출 오차가 커진다.

도6은 직육면체 자석(31)의 이동 거리가 +4 ㎜에 있어서의 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 출력 전압의 차를 합으로 나눈 값(출력 전압의 차와 합의 비)과, 상기 직육면체 자석(31)의 이동 거리가 -4 ㎜에 있어서의 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 출력 전압의 차분치를 합으로 나눈 값(출력 전압의 차와 합의 비)을 연결한 직선을 이상 직선(81)으로 하여, 상기 이상 직선(81)과 도5a, 도5b에 나타낸 시뮬레이션 결과의 어긋남으로부터 환산한 위치 검출에 있어서의 오차를 나타낸 도면이다.

도6에 나타내는 결과로부터, 위치 검출 오차는 최대라도 20 um 정도이고, 분해능은 전체 스트로크 8 ㎜에 대해 0.375 %로 고정밀도인 위치 검출을 달성하고 있는 것을 알 수 있다.

당연히, 도5a, 도5b에서 나타낸 시뮬레이션 결과로부터 최소 제곱법으로 구한 직선을 이상 직선(81)으로 해도 상관없다. 최소 제곱법으로 구한 직선을 이상 직선(81)으로 하면, 더욱 위치 검출 오차는 작아지고, 분해능은 높아진다.

이와 같이, 본 발명의 위치 검출 장치(30)를 이용함으로써, 이하의 비교예에서 설명하는 위치 검출 장치와 비교하여, 소형인 위치 검출 장치를 실현할 수 있다.

<비교예>

비교예로서, 종래의 방법을 이용하여, 상기 예와 마찬가지로, 넓은 온도 범위에 있어서 분해능 30 um으로 8 ㎜(±4 ㎜)의 범위를 위치 검출하는 경우에 대해 설명한다.

도7a, 도7b는 종래의 자석과 홀 센서를 이용한 위치 검출 장치의 개략 구성을 도시한다.

41은 홀 센서에 대향하는 평면(200)에 수직으로 착자된 직육면체 자석이다. 42a, 42b는 홀 센서이다. 43은 홀 센서(42a, 42b)를 실장하고 있는 기판이다. 44a는 직육면체 자석(41)의 긴 변 방향 X의 길이, 44b는 직육면체 자석(41)의 짧은 변 방향 Y의 길이, 44c는 직육면체 자석(41)의 두께 방향 Z의 길이(자석의 착자 방향의 길이)이다. 45a는 직육면체 자석(41)의 홀 센서(42a, 42b)에 대향하는 평면(200)으로부터 홀 센서(42a, 42b)의 감자부의 중심까지의 거리, 45b는 홀 센서(42a)의 감자부의 중심과 홀 센서(42b)의 감자부의 중심과의 거리를 나타낸다.

이 비교예에서는, 직육면체 자석(41)은 도면에서 나타내는 X축 방향으로만 이동한다. 또한, 직육면체 자석(41)의 이동 방향에 대해 수평인 평면 상에 홀 센서(42a)와 홀 센서(42b)를 배치한다.

이때, 전술한 도1의 예와 동등한 위치 검출을 행하기 위해서는, 직육면체 자석(41)의 긴 변 방향 X의 길이(44a) = 15.2 ㎜, 직육면체 자석(41)의 짧은 변 방향 Y의 길이(44b) = 15.0 ㎜, 직육면체 자석(41)의 두께 방향 Z의 길이(자석의 착자 방향의 길이)(44c) = 4.3 ㎜, 직육면체 자석(41)의 홀 센서에 대향하는 면으로부터 홀 센서의 감자부까지의 거리(45a) = 6.0 ㎜, 홀 센서(42a)의 감자부의 중심과 홀 센서(42b)의 감자부의 중심과의 거리(45b) = 11.3 ㎜가 된다.

여기서, 전술한 도1의 예의 위치 검출 장치(30)의 구성을 도8a, 도8b에 등배도로서 나타낸다. 본 발명의 비교용으로서의 종래예의 구성을 도9a, 도9b에 등배도로서 나타낸다.

이에 의해, 본 발명에 관한 도8a, 도8b의 위치 검출 장치(30)의 구성은 비교용의 도9a, 도9b의 종래예의 구성에 비해, 위치 검출 장치 전체의 크기와 두께를 현저하게 작게 할 수 있는 효과를 얻는 것을 알 수 있다.

[제2 예]

본 발명의 제2 실시 형태를 도10 및 도11을 기초로 하여 설명한다. 또한, 전술한 제1 예와 동일부분에 대해서는 그 설명을 생략하고, 동일 부호를 부여한다.

전술한 도1의 예의 위치 검출 장치(30)에 있어서의 2개를 1세트로 한 홀 센서를 복수 세트 더 조합하여 구성할 수 있다.

<구성>

본 예에서는, 복수 세트의 홀 센서를 이용하여 구성하는 동시에, 또한 자석 사이즈를 축소한 위치 검출 장치의 구체적인 구성예에 대해 설명한다.

이하, 전술한 제1 예와 마찬가지로, 넓은 온도 범위에 있어서 분해능 30 um으로 8 ㎜(±4 ㎜)의 범위를 위치 검출하는 경우에 대해 나타낸다.

도10a, 도10b는 본 발명에 관한 자석과 홀 센서를 이용한 위치 검출 장치(50)의 구성예를 나타낸다.

51은 홀 센서(52a, 52b, 52c, 52d)에 대향하는 평면(100)에 수직으로 착자된 직육면체 자석이다. 여기서, 52a는 제1 홀 센서, 52b는 제2 홀 센서, 52c는 제3 홀 센서, 52d는 제4 홀 센서로 한다.

53은 한쪽의 1세트의 홀 센서(52a, 52b)와, 다른 쪽의 1세트의 홀 센서(52c, 52d)를 실장하고 있는 기판이다.

54a는 직육면체 자석(51)의 긴 변 방향 X의 길이, 54b는 직육면체 자석(51)의 짧은 변 방향 Y의 길이, 54c는 직육면체 자석(51)의 두께 방향 Z의 길이(자석의 착자 방향의 길이)이다.

55a는 직육면체 자석(51)의 홀 센서(52a, 52b, 52c, 52d)에 대향하는 평면(100)으로부터 홀 센서(52a, 52b, 52c, 52d)의 감자부의 중심까지의 거리이다.

55b는 한쪽의 1세트에 있어서의 홀 센서(52a)의 감자부의 중심과 홀 센서(52b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(111)의 거리, 및 다른 쪽의 1세트에 있어서의 홀 센서(52c)의 감자부의 중심과 홀 센서(52d)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(112)의 거리를 나타낸다.

도11은 위치 검출 장치(50)의 회로 구성예를 나타낸다.

제1 홀 센서(52a)의 정극 출력 단자(B)와 부극 출력 단자(D)는 차동 신호 처리 회로(21)의 제1 차동 증폭기(21a)에 접속되고, 제2 홀 센서(52b)의 정극 출력 단자(F)와 부극 출력 단자(H)는 차동 신호 처리 회로(21)의 제2 차동 증폭기(21b)에 접속된다. 제1 차동 증폭기(21a)와 제2 차동 증폭기(21b)의 출력 신호는 제3 차동 증폭기(21c)에 접속된다.

제3 홀 센서(52c)의 정극 출력 단자(B)와 부극 출력 단자(D)는 차동 신호 처리 회로(22)의 제1 차동 증폭기(22a)에 접속되고, 제4 홀 센서(52d)의 정극 출력 단자(F)와 부극 출력 단자(H)는 차동 신호 처리 회로(22)의 제2 차동 증폭기(22b)에 접속된다. 제1 차동 증폭기(22a)와 제2 차동 증폭기(22b)의 출력 신호는 제3 차동 증폭기(22c)에 접속된다.

<동작>

도11에 도시한 바와 같이, 8 ㎜ 중 4 ㎜를 제1 홀 센서(52a)와 제2 홀 센서(52b)에 접속된 차동 신호 처리 회로(21)로부터 얻어지는 신호를 이용하여 위치 검출을 행하고, 나머지 4 ㎜를 제3 홀 센서(52c)와 제4 홀 센서(52d)에 접속된 차동 신호 처리 회로(22)로부터 얻어지는 신호를 이용하여 위치 검출을 행한다.

이와 같은 구동ㆍ처리 회로에 의해, 제1 홀 센서(52a)와 제2 홀 센서(52b)의 홀 출력 전압의 차분치 (Va - Vb)인 출력치 Vc1이 제3 차동 증폭기(21c)의 출력 단자로부터 얻어진다. 제3 홀 센서(52c)와 제4 홀 센서(52d)의 홀 출력 전압의 차분치 (Va - Vb)인 출력치 Vc2가 제3 차동 증폭기(22c)의 출력 단자로부터 얻어진다. 이들 출력 단자의 출력치는 직육면체 자석(51)의 위치에 대응한 것이 된다.

본 예에서는 직육면체 자석(51)은 X축 방향으로만 이동한다. 여기서, X축 방향으로만의 이동이라 함은, 전술한 제1 예와 마찬가지로, 직육면체 자석(31)이 Y축 방향에 각도 θ를 가진 상태에서, X축 방향으로 평행한 방향으로 이동하는 것을 의미한다.

또한, 직육면체 자석(51)의 이동 방향에 대해 수직인 직선 상에 홀 센 서(52a)와 홀 센서(52b)를 배치한다. 또한, 홀 센서(52a)의 감자부의 중심과 홀 센서(52b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(111)에 대해, 평행하고 또한 그 직선(111)으로부터의 거리가 4 ㎜인 직선(112) 상에 홀 센서(52c)와 홀 센서(52d)를 배치한다.

이와 같이 배치함으로써, 위치 검출 범위 8 ㎜ 중 4 ㎜를 홀 센서(52a)와 홀 센서(52b)로 검출하고, 나머지 4 ㎜를 홀 센서(52c)와 홀 센서(52d)로 검출하는 것이 가능해진다.

이와 같이 배치하였을 때, 전술한 도1의 제1 예와 동등한 위치 검출을 행하기 위해서는, 자기 시뮬레이션의 결과, 직육면체 자석(51)의 긴 변 방향 X의 길이(54a) = 5.0 ㎜, 직육면체 자석(51)의 짧은 변 방향 Y의 길이(54b) = 1.4 ㎜, 직육면체 자석(51)의 두께 방향 Z의 길이(자석의 착자 방향의 길이)(54c) = 1.0 ㎜, 직육면체 자석(51)의 홀 센서(52a, 52b, 52c, 52d)에 대향하는 평면(100)으로부터 홀 센서(52a, 52b, 52c, 52d)의 감자부의 중심까지의 거리(55a) = 0.5 ㎜, 홀 센서(52a)의 감자부의 중심과 홀 센서(52b)의 감자부의 중심과의 거리(55b) = 0.8 ㎜가 된다.

직육면체 자석(51)의 긴 변 방향 X의 길이가 전술한 도1의 제1 예에서는 9.7 ㎜였지만, 본 예에서는 5.0 ㎜로 대략 반감시킬 수 있는 것을 알 수 있다.

즉, 자기 센서[홀 센서(52a, 52b, 52c, 52d)]의 수는 증가하지만, 위치 검출 장치의 소형화를 진행시킬 수 있는 경우에는, 본 예와 같이 자기 센서[홀 센서(52a, 52b, 52c, 52d)]의 수를 늘리는 쪽이 유효한 것을 확인할 수 있다.

또한, 본 예에서는, 홀 센서[홀 센서(52a, 52b, 52c, 52d)]를 2세트, 즉 합계 4개 이용하는 예에 대해 설명하였지만, 그 수 즉 2n개(n은 세트수이며, 1 이상의 정수)를 늘리면, 더욱 위치 검출 장치의 소형화를 진행시키는 것이 가능해진다.

[제3 예]

본 발명의 제3 실시 형태를 도12를 기초로 하여 설명한다. 또한, 전술한 각 예와 동일 부분에 대해서는 그 설명을 생략하고, 동일 부호를 부여한다.

본 예는 전술한 도1의 제1 예의 위치 검출 장치(30)의 변형예이다.

도1의 위치 검출 장치(30)에 있어서, 직육면체 자석(31)의 짧은 변 방향 Y의 길이(34b) = 1.4 ㎜, 직육면체 자석(31)의 두께 방향 Z의 길이(자석의 착자 방향의 길이)(34c) = 1.0 ㎜로 한다. 또한, 직육면체 자석(31)의 홀 센서(32a, 32b)에 대향하는 평면(100)으로부터 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심까지의 거리(35a) = 1.4 ㎜, 홀 센서(32a)의 감자부의 중심과 제2 홀 센서(32b)의 감자부 중심과의 거리(35b) = 0.8 ㎜로 한다. 또한, 직육면체 자석(31)의 짧은 변을 수직으로 2등분하는 직선(101)과 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(102)이 이루는 각도 θ = 86°로 값을 고정한다.

본 예에서는, 분해능이 위치 검출을 행하고자 하는 전체 스트로크의 0.5 % 정도가 되도록, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a)를 자기 시뮬레이션으로 검토하였다.

위치 검출을 행하고자 하는 범위가 10 ㎜인 경우, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 10.8 ㎜가 된다.

또한, 위치 검출을 행하고자 하는 범위가 9 ㎜인 경우, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 10.1 ㎜가 된다.

또한, 위치 검출을 행하고자 하는 범위가 8 ㎜인 경우, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 9.3 ㎜가 된다.

또한, 위치 검출을 행하고자 하는 범위가 7 ㎜인 경우, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 8.6 ㎜가 된다.

또한, 위치 검출을 행하고자 하는 범위가 6 ㎜인 경우, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 7.9 ㎜가 된다.

또한, 위치 검출을 행하고자 하는 범위가 5 ㎜인 경우, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 7.1 ㎜가 된다.

또한, 위치 검출을 행하고자 하는 범위가 4 ㎜인 경우, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 6.5 ㎜가 된다.

또한, 위치 검출을 행하고자 하는 범위가 3 ㎜인 경우, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 5.8 ㎜가 된다.

또한, 위치 검출을 행하고자 하는 범위가 2 ㎜인 경우, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 5.2 ㎜가 된다.

도12는 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) 이외의 매개 변수를 상기의 값으로 고정한 경우에 있어서의, 위치 검출을 행하고자 하는 범위가 10 ㎜ 내지 2 ㎜의 범위를 1 ㎜ 피치로 변화시켰을 때의, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a)의 변화의 정도를 나타내는 표이다.

본 예로부터, 위치 검출을 행하고자 하는 범위를 크게 하고자 하는 경우에는, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이를 한층 더 길게 설정하는 것이 유효한 것을 알 수 있다.

또한, 본 예로부터 알 수 있는 바와 같이, 직육면체 자석(31)의 짧은 변 방향 Y와 긴 변 방향 X의 비를 1 : 3.5 정도 이상, 바람직하게는 3.5 이상 8.0 이하로 설정함으로써, 다양한 구성 부품을 이용한 구성에 적합하게 대응 가능하게 된다. 이 경우, 직육면체 자석(31)의 짧은 변 방향 Y와 긴 변 방향 X와의 비의 값은 도12의 수치로부터 계산하여 구한 값이다. 당연히, 위치 검출을 행하고자 하는 범위가 10 ㎜를 넘는 경우에는, 직육면체 자석(31)의 짧은 변 방향 Y와 긴 변 방향 X의 비를 1 : 8보다 크게 하는 것이 대응 가능하다.

[제4 예]

본 발명의 제4 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 전술한 각 예와 동일 부분에 대해서는, 그 설명을 생략하고, 동일 부호를 부여한다.

넓은 온도 범위에 있어서, 분해능 40 um으로 8 ㎜(±4 ㎜)의 범위를 위치 검출하는 경우에 대해 나타낸다(위치 검출 범위에 대해 0.5 %의 정밀도). 도1a, 도1b에 있어서의 각 구성 부품의 매개 변수의 1개의 설계예를 설명한다.

상기한 위치 검출을 행하기 위해서는, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 10.9 ㎜, 직육면체 자석(31)의 짧은 변 방향 Y의 길이(34b) = 1.7 ㎜, 직육면체 자석(31)의 두께 방향 Z의 길이(자석의 착자 방향의 길이)(34c) = 2.0 ㎜, 직육면체 자석(31)의 홀 센서(32a, 32b)에 대향하는 평면(100)으로부터 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심까지의 거리(35a) = 1.0 ㎜, 홀 센서(32a)의 감자부의 중심과 홀 센서(32b)의 감자부의 중심과의 거리(35b) = 0.8 ㎜, 직육면체 자석(31)의 짧은 변을 수직으로 2등분하는 직선(101)과 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(102)이 이루는 각도 θ = 67°가 된다.

[제5 예]

본 발명의 제5 실시 형태에 대해 설명한다. 또, 전술한 각 예와 동일 부분에 대해서는 그 설명을 생략하고, 동일 부호를 부여한다.

제4 예와 마찬가지로 분해능 40 um로 8 ㎜(±4 ㎜)의 범위를 위치 검출하는 경우에서의 도1a, 도1b에 있어서의 각 구성 부품의 매개 변수의 다른 설계예를 설명한다.

상기한 위치 검출을 행하기 위해, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 9.5 ㎜, 직육면체 자석(31)의 짧은 변 방향 Y의 길이(34b) = 1.0 ㎜, 직육면체 자석(31)의 두께 방향 Z의 길이(자석의 착자 방향의 길이)(34c) = 2.0 ㎜, 직육면체 자석(31)의 홀 센서(32a, 32b)에 대향하는 평면(100)으로부터 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심까지의 거리(35a) = 0.5 ㎜, 홀 센서(32a)의 감자부의 중심과 홀 센서(32b)의 감자부의 중심과의 거리(35b) = 0.8 ㎜, 직육면체 자석(31)의 짧은 변을 수직으로 2등분하는 직선(101)과 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(102)이 이루는 각도 θ = 89.3°로 해도 좋다.

제4 예와 제5 예로부터 알 수 있는 바와 같이, 직육면체 자석(31)의 짧은 변을 수직으로 2등분하는 직선(101)과 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(102)이 이루는 각도 θ가 바뀌어도 직육면체 자석(31)의 크기나, 배치를 변경함으로써, 8 ㎜ 정도의 광범위를 고정밀도(위치 검출 범위에 대해 0.5 %의 정밀도)로 위치 검출 가능하다.

[제6 예]

본 발명의 제6 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 전술한 각 예와 동일 부분에 대해서는, 그 설명을 생략하고, 동일 부호를 부여한다.

제4 예, 제5 예와 마찬가지로 분해능 40 um로 8 ㎜(± 4 ㎜)의 범위를 위치 검출하는 경우에서의 도1a, 도1b에 있어서의 각 구성 부품의 매개 변수의 다른 설계예를 설명한다.

상기한 위치 검출을 행하기 위해, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 11.0 ㎜, 직육면체 자석(31)의 짧은 변 방향 Y의 길이(34b) = 4.0 ㎜, 직육면체 자석(31)의 두께 방향 Z의 길이(자석의 착자 방향의 길이)(34c) = 2.8 ㎜, 직육면체 자석(31)의 홀 센서(32a, 32b)에 대향하는 평면(100)으로부터 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심까지의 거리(35a) = 3.0 ㎜, 홀 센서(32a)의 감자부의 중심과 홀 센서(32b)의 감자부의 중심과의 거리(35b) = 3.7 ㎜, 직육면체 자석(31)의 짧은 변을 수직으로 2등분하는 직선(101)과 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(102)이 이루는 각도 θ = 20.0°로 해도 좋다.

제6 예로부터 알 수 있는 바와 같이, 직육면체 자석(31)의 짧은 변을 수직으로 2등분하는 직선(101)과 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(102)이 이루는 각도 θ = 20.0°로 해도 직육면체 자석(31)의 크기나, 배치를 변경함으로써 광범위를 고정밀도(위치 검출 범위에 대해 0.5 %의 정밀도)로 위치 검출 가능하다.

그러나, 제6 예에서는 직육면체 자석(31)의 크기나, 직육면체 자석(31)의 홀 센서(32a, 32b)에 대향하는 평면(100)으로부터 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심까지의 거리(35a), 홀 센서(32a)의 감자부의 중심과 홀 센서(32b)의 감자부의 중심과의 거리(35b) 등이 조금 크게 되어 있다.

이것으로부터, 소형이고 광범위를 고정밀도로 위치 검출하기 위해서는, 직육면체 자석(31)의 짧은 변을 수직으로 2등분하는 직선(101)과 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(102)이 이루는 각도 θ가 67.0 내지 89.3인 것이 보다 바람직하다고 할 수 있다.

그러나, 사이즈가 상관없는 용도이면, 직육면체 자석(31)의 짧은 변을 수직으로 2등분하는 직선(101)과 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(102)이 이루는 각도 θ에 특별히 제한이 없는 것도 사실이다.

[제7 예]

본 발명의 제7 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 전술한 각 예와 동일 부분에 대해서는 그 설명을 생략하고, 동일 부호를 부여한다.

넓은 온도 범위에 있어서, 분해능 10 um로 10 ㎜(±5 ㎜)의 범위를 위치 검출하는 경우에 대해 나타낸다. (위치 검출 범위에 대해 0.1 %의 정밀도) 도1a, 도1b에 있어서의 각 구성 부품의 매개 변수의 하나의 설계예를 설명한다.

상기한 위치 검출을 행하기 위해서는, 직육면체 자석(31)의 긴 변 방향 X의 길이(34a) = 11.9 ㎜, 직육면체 자석(31)의 짧은 변 방향 Y의 길이(34b) = 1.6 ㎜, 직육면체 자석(31)의 두께 방향 Z의 길이(자석의 착자 방향의 길이)(34c) = 2.2 ㎜, 직육면체 자석(31)의 홀 센서(32a, 32b)에 대향하는 평면(100)으로부터 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심까지의 거리(35a) = 0.8 ㎜, 홀 센서(32a)의 감자부의 중심과 홀 센서(32b)의 감자부의 중심과의 거리(35b) = 0.8 ㎜, 직육면체 자석(31)의 짧은 변을 수직으로 2등분하는 직선(101)과 2개의 홀 센서(32a, 32b)의 감자부의 중심을 연결하는 직선(102)이 이루는 각도 θ = 86°가 된다.

이상과 같이, 본 발명의 구성을 이용하면, 10 ㎜ 정도의 광범위를, 위치 검출 범위에 대해 0.1 %의 정밀도로 위치 검출이 가능한 위치 검출 장치를 실현할 수 있다.

Claims

기판(33, 53) 상에 배치되고, 감자 방향이 기판 방향에 대해 수직인 홀 센서 2개를 1세트로 한 홀 센서 세트를 1세트 이상(32a, 32b, 52c, 52d) 갖는 자속 검출 수단과,

상기 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선(102)에 대해 수직 방향(X축)으로 이동 가능하며, 또한 상기 기판에 평행한 평면상에서 이동 가능하게 배치되는 동시에, 상기 기판에 대해 수직 방향(Z축)으로 N극과 S극이 착자된 직육면체 자석(31, 51)을 구비하고,

상기 직육면체 자석은, 상기 기판에 평행한 임의의 평면에 투영한 경우에 그 사각형이 긴 변과 짧은 변을 갖고,

직육면체 자석(31, 51)의 긴 변이 상기 자속 검출 수단의 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선에 대해 소정의 경사각을 가진 상태에서, 상기 직육면체 자석을 상기 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선에 대해 수직 방향(X축)으로 이동시킴으로써, 상기 자속 검출 수단의 각 세트 내의 2개의 홀 센서에 있어서의 한쪽의 홀 센서(32b)의 위치에서의 자속 밀도와 다른 쪽의 홀 센서(32a)의 위치에서의 자속 밀도의 차인 차자속 밀도와, 상기 직육면체 자석의 이동량의 특성을 이용하여 상기 직육면체 자석의 위치 검출을 행하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 직육면체 자석의 이동 방향을 포함하는 평면에 있어서의 상기 직육면체 자석의 짧은 변과 긴 변의 길이의 비가, 짧은 변의 길이 1에 대해, 긴 변의 길이가 3.5 이상 8.0 이하인 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.
제1항에 있어서, 분해능 40 um으로 8 ㎜(±4 ㎜)의 범위를 위치 검출하는 경우에 있어서, 상기 자속 검출 수단의 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 선분의 길이가 1.0 ㎜ 이하이며, 상기 직육면체 자석의 긴 변 방향이 상기 자속 검출 수단의 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 감자부의 중심 사이를 연결하는 직선에 대해 갖는 소정의 경사각이 67.0도 내지 89.3도인 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 직육면체 자석이 이동 가능한 이동 범위의 1 % 이하의 정밀도로 상기 직육면체 자석의 위치를 검출 가능한 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 자속 검출 수단의 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 출력 전압의 차와, 상기 자속 검출 수단의 각 세트 내의 2개의 홀 센서의 출력 전압의 합의 비를 이용하여 상기 직육면체 자석의 위치를 산출하는 것을 특징으로 한 위치 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 홀 센서는 자기 증폭을 행하기 위한 자성체 칩을 갖고 있지 않은 홀 센서인 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 홀 센서가 GaAs, InAs, InSb 등의 Ⅲ-V족 화합물 반도체를 포함하는 홀 센서인 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 홀 센서는 Si, Ge 등의 Ⅳ족 반도체를 포함하는 홀 센서인 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 자속 검출 수단은 상기 기판 상에 배치된 상기 각 세트의 홀 센서가 1개의 패키지에 일체로 봉입된 것을 특징으로 하는 위치 검출 장치.