WO2009147988A1 - 位置検出装置及びそれを用いたレンズ装置 - Google Patents

位置検出装置及びそれを用いたレンズ装置 Download PDF

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WO2009147988A1
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magnet
detection device
magnetic sensor
magnetoresistance effect
position detection
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貴史 野口
努 竹谷
Original Assignee
アルプス電気株式会社
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields

Definitions

  • the present invention relates to, for example, a non-contact type position detection device mounted inside a lens device.
  • the lens unit does not return to the reference state (initial state) when not in use as in the lens device attached to a single-lens reflex camera and the state immediately before use is maintained, the lens is used next time It must be possible to accurately grasp the absolute position of the part (the position from the reference state).
  • the present invention has a magnet and a non-contact type magnetic sensor provided with a magnetoresistance effect element whose electric resistance value changes with respect to an external magnetic field, and one of the magnet and the magnetic sensor is a movable portion and the other is a movable portion. Is a fixed portion, and The movable portion is supported so as to move linearly.
  • the magnetoresistance effect element has a laminated structure of a fixed magnetic layer in which the magnetization direction is fixed, and a free magnetic layer which is formed on the fixed magnetic layer via the nonmagnetic layer and in which the magnetization direction changes with respect to the external magnetic field.
  • an absolute position of the movable portion can be detected by an output based on a change in electric resistance of the magnetoresistance effect element accompanying an angle change of a horizontal magnetic field flowing into the magnetic sensor. It is. According to the present invention, a linear output can be obtained, and the absolute position of the movable part can be detected with high accuracy.
  • the “absolute position” refers to the movement distance from the reference state (initial state), and is not the movement distance (relative movement distance) from the movement start position. That is, even if the movement start position does not have to be the reference state, and the present invention moves from the movement start position not in the reference state, the present invention can always detect the movement distance from the reference state.
  • the magnetic sensor includes four magnetoresistive elements, and the magnetization directions of the fixed magnetic layers of the two magnetoresistive elements and the magnetization directions of the fixed magnetic layers of the remaining two magnetoresistive elements. In the reverse direction, it is preferable that these four magnetoresistive elements be bridge-connected. As a result, the output value can be increased, and more accurate detection can be performed.
  • a direction orthogonal to first and second planes formed by the first direction and the second direction is a third direction.
  • the movable portion is supported so as to be linearly movable in the third direction,
  • the center of the magnet and the center of the magnetic sensor are located in the second direction in a reference state,
  • the interface of each layer of the magnetoresistive element is directed in a plane direction parallel to the second and third planes consisting of the second direction and the third direction, and the magnetization direction of the pinned magnetic layer is the third direction
  • the magnet is magnetized with different magnetic poles facing each other in the thickness direction, and the thickness direction of the magnet points in the second direction.
  • the linear movement of the movable portion changes the direction of the horizontal magnetic field acting on the free magnetic layer in the second to third planes, whereby the electric resistance value of the magnetoresistance effect element is linear. It is preferable to change.
  • the movable portion linearly moves, the horizontal magnetic field whose angle is appropriately changed can be applied to the free magnetic layer, and the magnetoresistance effect element is produced according to the linear movement of the movable portion.
  • the electric resistance value of can be appropriately changed.
  • the present invention has a lens barrel provided with a rotary ring, a lens unit supported so as to be movable back and forth inside the lens barrel, and the position detection device described in any of the above, and the rotation
  • a lens device in which a lens unit moves back and forth inside the lens barrel by rotating a ring
  • the position detection device is supported inside the lens barrel and in a portion capable of linear movement in the forward and backward direction, and when the rotary ring is rotated, the movable portion linearly moves in the forward and backward direction, and the magnetoresistance effect
  • an absolute position of the lens unit can be known by an output based on a change in electric resistance of the element. According to the present invention, it is possible to accurately know the absolute position of the lens unit by the linear output from the position detection device.
  • the present invention has a lens barrel provided with a rotary ring, a lens unit supported so as to be movable back and forth inside the lens barrel, and the position detection device described above, and rotates the rotary ring.
  • the lens unit moves back and forth inside the lens barrel by causing
  • the position detection device is supported by a portion of the lens barrel that linearly moves in the forward and backward direction while rotating when the rotary ring is rotated, and the movable portion rotates when the rotary ring is rotated.
  • the absolute position of the lens portion can be known by the linear output based on the change in electric resistance of the magnetoresistive element. According to the present invention, it is possible to accurately know the absolute position of the lens unit by the output from the position detection device.
  • a linear output can be obtained, and the absolute position of the movable portion can be detected with high accuracy.
  • FIG. 1 is a perspective view of a single-lens reflex camera
  • FIG. 2 is a schematic view of a lens apparatus attached to the single-lens reflex camera
  • FIGS. 3 (a) to 3 (c) are reference states of the position detection device of the first embodiment
  • FIG. 6 is a side view showing a state in which the movable part linearly moves from the state position
  • FIG. 4 is a perspective view of the position detection device of the second embodiment
  • FIG. 5 is a front view of the position detection device of the second embodiment
  • FIG. 7 is a side view of the position detection device in the reference state of the second embodiment
  • FIGS. 7 and 8 are side views of the position detection device of the second embodiment showing a state in which the movable part linearly moves while rotating.
  • 9 is a partial sectional view of the magnetoresistive element
  • FIG. 10 is a circuit diagram of a magnetic sensor.
  • a single-lens reflex camera 1 shown in FIG. 1 includes a camera body 2 and a lens device 3.
  • the lens device 3 is exchangeably mounted on the camera body 2.
  • a shutter button 4 is provided on the upper surface of the camera body 2, a strobe 5 on the front of the camera body 2, and a display panel and various buttons on the back of the camera body 2.
  • the lens device 3 includes a cylindrical lens barrel 6, the lens unit 8 of the front group lens 14 and the rear group lens 15 supported in the lens barrel 6, and an aperture mechanism (not shown) And so on.
  • the lens barrel 6 is provided with a rotary ring (adjustment ring) 7 shown in FIG.
  • the rotary ring 7 can be manually rotated. By rotating the rotary ring 7, it is possible to move the lens unit 8 back and forth to perform zoom adjustment and the like.
  • a plurality of rotary rings 7 may be provided on the lens barrel 6 so that various adjustments can be made manually. In addition, it may be a mechanism or the like in which focus adjustment (automatic focusing) is automatically performed when zoom adjustment is manually performed.
  • the position detection device 10 is configured to have a magnet 11 and a magnetic sensor 12.
  • the magnet 11 is on the movable portion side
  • the magnetic sensor 12 is on the fixed portion side.
  • the configuration may be reversed, since the wiring is connected to the magnetic sensor 12 side, it is preferable in view of the structure that the magnetic sensor 12 be the fixed portion side.
  • the magnet 11 and the magnetic sensor 12 are not in contact with each other.
  • the magnet 11 has a rectangular parallelepiped shape in which the length dimension L1 is longer than the thickness dimension H1 or the width dimension T1 (not shown; the length in the X1-X2 direction). As shown in FIG. 3, the magnet 11 is magnetized such that the front surface 11a and the back surface 11b opposed in the thickness direction are different in magnetic pole. In FIG. 3, the surface 11a of the magnet 11 is magnetized to the S pole, and the back surface 11b is magnetized to the N pole.
  • the thickness direction of the magnet 11 coincides with the Y1-Y2 direction, and the length direction of the magnet 11 coincides with the Z1-Z2 direction.
  • the magnet 11, which is a movable part, is supported so as to be linearly movable in the Z1-Z2 direction.
  • both the magnet 11 and the magnetic sensor 12 are provided at positions away from the optical axis in the Y1 direction.
  • the magnetic sensor 12 includes four magnetoresistive elements (GMR elements) 20 to 23 connected in a bridge as shown in FIG. As shown in FIG. 10, the input terminal 24 is connected between the first magnetoresistance effect element 20 and the third magnetoresistance effect element 22 forming the bridge circuit, and the second magnetoresistance effect element 21 and the fourth magnetoresistance are provided.
  • the ground terminal 25 is connected between the effect element 23 and the ground.
  • An exchange coupling magnetic field (Hex) is generated between the pinned magnetic layer 29 and the antiferromagnetic layer 28 by heat treatment in a magnetic field, and the magnetization direction (P direction) of the pinned magnetic layer 29 is fixed in the Z2 direction.
  • the nonmagnetic layer 30 is formed of, for example, Cu.
  • NiFe is preferably used for the free magnetic layer 31.
  • the free magnetic layer 31 is formed of a single layer structure or a laminated structure of the magnetic layer.
  • the protective layer 32 is formed of, for example, Ta.
  • magnetoresistive effect elements 20 to 23 described above are GMR elements, they may be TMR elements in which the nonmagnetic layer 30 is formed of an insulating barrier layer such as Al—O or Ti—O.
  • the magnetization direction (P direction) of the pinned magnetic layer 29 shown in the portion of the magnetic sensor 12 shown in FIG. 3 is the magnetization direction of the pinned magnetic layer 29 in the first magnetoresistance effect element 20 and the fourth magnetoresistance effect element 23. (P direction).
  • the center O4 of the magnet 11 and the center O3 of the magnetic sensor 12 are both located on the Y1-Y2 direction.
  • the “center O3 of the magnetic sensor 12” and the “center O4 of the magnet 11” refer to a three-dimensional center including the X1-X2, Y1-Y2, and Z1-Z2 directions.
  • the center O3 of the magnetic sensor 12 and the center O4 of the magnet 11 are at positions separated with respect to the Y1-Y2 direction, and the same for the X1-X2 direction and the Z1-Z2 direction. In position.
  • the center O4 of the magnet 11 and the center O3 of the magnetic sensor 12 are both located on the Y1-Y2 direction” means that the center O4 of the magnet 11 and the center O3 of the magnetic sensor 12 are It is not at the same position with respect to the X1-X2 direction and the Z1-Z2 direction, and allows some misalignment (about 0.5 mm or less) such as a manufacturing error.
  • the magnetization direction (F direction) of the free magnetic layer 31 of each of the magnetoresistance effect elements 20 to 23 is the Y2 direction (see also FIG. 9).
  • the magnet 11 is linearly moved in the Z1 direction from the reference state. Then, a horizontal magnetic field acting from the magnet 11 to the magnetic sensor 12 in the YZ plane rotates from the Y2 direction toward the Z2 direction. Therefore, as shown in FIG. 3B, the magnetization direction (F direction) of the free magnetic layer 31 is inclined from the Y2 direction to the Z2 direction in FIG. 3A. As shown in FIG. 3B, between the magnetization direction (P direction) of the pinned magnetic layer 29 in the first magnetoresistance effect element 20 and the fourth magnetoresistance effect element 23 and the magnetization direction (F direction) of the free magnetic layer 31 The magnetization angle of is smaller from the orthogonal relationship of FIG. 3 (a).
  • the electric resistance values of the first magnetoresistance effect element 20 and the fourth magnetoresistance effect element 23 become smaller due to the linear movement of FIG. 3B compared to the reference state of FIG. 3A.
  • the magnetization direction (P direction) of the pinned magnetic layer 29 and the magnetization direction (F direction) of the free magnetic layer 31 in the second and third magnetoresistance effect elements 21 and 22 becomes large from the orthogonal relation of FIG. 3 (a). Therefore, the electric resistance value of the second magnetoresistance effect element 21 and the third magnetoresistance effect element 22 becomes larger due to the linear movement of FIG. 3B than the reference state of FIG. 3A.
  • the magnet 11 is linearly moved in the Z2 direction from the reference state. Then, the horizontal magnetic field acting in the YZ plane from the magnet 11 to the magnetic sensor 12 rotates from the Y2 direction toward the Z1 direction. Therefore, as shown in FIG. 3C, the magnetization direction (F direction) of the free magnetic layer 31 is inclined from the Y2 direction to the Z1 direction in FIG. 3A. As shown in FIG. 3C, between the magnetization direction (P direction) of the pinned magnetic layer 29 in the first magnetoresistance effect element 20 and the fourth magnetoresistance effect element 23 and the magnetization direction (F direction) of the free magnetic layer 31 The magnetization angle of ⁇ circle around (1) ⁇ becomes large from the orthogonal relation of FIG.
  • the electric resistance values of the first magnetoresistance effect element 20 and the fourth magnetoresistance effect element 23 become larger due to the linear movement of FIG. 3C than the reference state of FIG. 3A.
  • the magnetization direction (P direction) of the pinned magnetic layer 29 in the second and third magnetoresistance effect elements 21 and 22 and the magnetization direction (F direction) of the free magnetic layer 31 The magnetization angle between) becomes smaller from the orthogonal relation of FIG. 3 (a). Therefore, the electric resistance values of the second magnetoresistance effect element 21 and the third magnetoresistance effect element 22 become smaller due to the linear movement of FIG. 3C compared to the reference state of FIG. 3A.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the linear movement distance and the output in the position detection device 10 of the first embodiment.
  • the width dimension T1 of the magnet 11 is 5 mm
  • the length dimension L1 of the magnet 11 is 10 mm
  • the thickness dimension H1 of the magnet 11 is 4 mm.
  • neodymium was used for the magnet 11.
  • distance T2 between the magnetic sensor 12 and the magnet 11 in the reference state of Fig.3 (a) was 8 mm.
  • the drive voltage was 3V.
  • FIG. 11 is the output of the half bridge.
  • the magnet 11 was linearly moved from the reference state in the directions of FIG. 3 (b) and FIG. 3 (c) to 10 mm. As shown in FIG. 11, it was found that the linearity of the output was excellent and the linear output could be obtained.
  • a linear output is obtained for a moving distance within a predetermined range, so by detecting the output value of the position detection device 10, the absolute position of the magnet 11 which is a movable portion (reference The moving distance from the state can be accurately detected.
  • the linearity error can be set to 1% or less.
  • a magnetic field having a magnitude sufficient to magnetically saturate the free magnetic layer can always be applied within a predetermined movement range of the magnet 11, as shown in FIG.
  • the distance T2 between the magnetic sensor 12 and the magnet 11 in a) is made appropriate.
  • the magnet 41 constituting the position detection device 40 shown in FIG. 4 is a through hole 42 penetrating from the side 41a parallel to the XY plane facing the Z1 side to the side 41b parallel to the XY plane facing the Z2 side. Is a formed cylinder. As shown in FIG. 5, the shape of the XY plane of the through hole 42 is circular.
  • the magnet 41 formed of a cylindrical body is magnetized such that the inner surface 41c and the outer surface 41d are different in magnetic pole. As shown in FIG. 5, for example, the inner surface 41c is magnetized to the N pole, and the outer surface 41d is magnetized to the S pole.
  • the magnetic sensor 12 is provided in the through-hole 42 of the magnet 41 formed with the cylinder.
  • the magnetic sensor 12 is fixedly supported by the support plate 13 as in FIGS. 2 and 3.
  • the configuration of the magnetic sensor 12 is as described in FIG. 9 and FIG.
  • the magnetic sensor 12 is not on the rotation axis O1 but at a position away from the rotation axis O1 in the Y1 direction. As described with reference to FIG. 3, the interface of each layer constituting the magnetic sensor 12 is directed in the plane direction parallel to the YZ plane.
  • FIG. 6 shows the reference state.
  • both the center O3 of the magnetic sensor 12 and the center O4 of the magnet 41 are located on the Y1-Y2 direction.
  • “the center O4 of the magnet 41 and the center O3 of the magnetic sensor 12 are both located on the Y1-Y2 direction” means that the center O4 of the magnet 11 and the center O3 of the magnetic sensor 12 are It is not at the same position with respect to the X1-X2 direction and the Z1-Z2 direction, and allows some misalignment (about 0.5 mm or less) such as a manufacturing error.
  • an external magnetic field (horizontal magnetic field) in the Y2 direction acts on the magnetic sensor 12 from the magnet 41. Therefore, the magnetization direction (F direction) of the free magnetic layer 31 of each of the magnetoresistance effect elements 20 to 23 is the Y2 direction.
  • the magnet 41 is linearly moved in the Z1 direction while rotating the magnet 41 from the reference state. Then, a horizontal magnetic field acting from the magnet 41 to the magnetic sensor 12 in the YZ plane is inclined from the Y2 direction toward the Z2 direction. Therefore, as shown in FIG. 7, the magnetization direction (F direction) of the free magnetic layer 31 is inclined from the Y2 direction of FIG. 6 toward the Z2 direction. As shown in FIG. 7, the magnetization angle between the magnetization direction (P direction) of the pinned magnetic layer 29 and the magnetization direction (F direction) of the free magnetic layer 31 in the first magnetoresistance effect element 20 and the fourth magnetoresistance effect element 23. Becomes smaller from the orthogonal relationship of FIG.
  • the electric resistance values of the first magnetoresistance effect element 20 and the fourth magnetoresistance effect element 23 become smaller due to the linear movement of FIG. 7 as compared to the reference state of FIG.
  • the magnetization direction (P direction) of the pinned magnetic layer 29 in the second and third magnetoresistance effect elements 21 and 22 and the magnetization direction (F direction) of the free magnetic layer 31 The magnetization angle increases from the orthogonal relationship of FIG. Therefore, the electric resistance values of the second magnetoresistance effect element 21 and the third magnetoresistance effect element 22 become larger due to the linear movement while rotating in FIG. 7 as compared with the reference state in FIG.
  • the magnet 41 is linearly moved in the Z2 direction while rotating the magnet 41 from the reference state. Then, a horizontal magnetic field acting from the magnet 11 to the magnetic sensor 12 in the YZ plane is inclined from the Y2 direction toward the Z1 direction. Therefore, as shown in FIG. 8, the magnetization direction (F direction) of the free magnetic layer 31 is inclined from the Y2 direction of FIG. 6 toward the Z1 direction. As shown in FIG. 8, the magnetization angle between the magnetization direction (P direction) of the pinned magnetic layer 29 and the magnetization direction (F direction) of the free magnetic layer 31 in the first magnetoresistance effect element 20 and the fourth magnetoresistance effect element 23. Becomes large from the orthogonal relation of FIG.
  • the output value can be increased by combining the bridge circuits shown in FIG. 10 to obtain a differential output.
  • the magnet 41 is formed as a cylinder and moved linearly while rotating the magnet 41.
  • the horizontal magnetic field acting on the magnetic sensor 12 is linearly moved without rotating the magnet 41, and the magnet It does not change in the case of linear movement while rotating 41. That is, even if the magnet 41 is moved linearly while being rotated, the magnet 41 is formed as a cylinder and the inner surface 41 c and the outer surface 41 d are magnetized surfaces, so that the magnetic sensor 12 rotates the magnet 41 while rotating.
  • the magnetic sensor 12 can be installed on the outside of the magnet 41, it is preferable to install the magnetic sensor 12 in the through hole 42 because the miniaturization of the position detection device 40 can not be promoted.
  • the absolute position of the magnet 41 as the movable portion can be detected by the linear output based on the change in electric resistance of the magnetoresistance effect elements 20-23.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the linear movement distance and the output in the position detection device 40 of the present embodiment.
  • the diameter R1 (see FIG. 5) of the inner surface 41c of the magnet 41 is 40 mm
  • the thickness of the magnet 41 is 2 mm
  • the length dimension L2 (see FIG. 6) of the magnet 41 is 20 mm.
  • ferrite was used for the magnet 11.
  • the distance R2 in the Y1-Y2 direction from the rotation axis O1 shown in FIG. 5 to the center O3 of the magnetic sensor 12 is 13 mm or 15 mm.
  • the drive voltage was 3V.
  • FIG. 13 is an output of the half bridge.
  • the magnet 41 was linearly moved from the reference state in the directions of FIGS. 6 and 7 to 10 mm. As shown in FIG. 13, it was found that the linearity of the output was excellent and the linear output could be obtained. Further, the output was somewhat varied depending on the position of the magnetic sensor 12. From the experimental results shown in FIG. 13, it is found that the linear characteristic can be improved by moving the magnetic sensor 12 further away from the rotation axis O1 (by bringing the magnetic sensor 12 closer to the inner surface 41c of the magnet 41).
  • the magnetic sensor 12 is preferably located away from the rotation axis O1.
  • the axial center (rotational axis O1) of the through hole 42 shown in FIG. 4 coincides with the optical axis, it is necessary to provide the magnetic sensor 12 at a position away from the rotational axis O1.
  • the magnetic sensor 12 can not be influenced by the magnetic field components from many directions that can not be ignored, or the magnetic field sufficient to magnetically saturate the free magnetic layer can not act.
  • the linear characteristic is degraded. Therefore, it is preferable to install the magnetic sensor 12 at a position as far as possible from the rotation axis O1.
  • the magnetic sensor 12 can always exert a magnetic field having a magnitude sufficient to magnetically saturate the free magnetic layer within a predetermined movement range of the magnet 41. And the distance between the magnet 41 and the magnet 41 (the distance from the inner surface of the magnet 41 to the magnetic sensor 12).
  • the position detection device 40 of the present embodiment shown in FIG. 4 is also installed inside the lens device 3 shown in FIG.
  • the position detection device 40 of the present embodiment is supported by a portion that can linearly move in the forward / backward direction (Z1-Z2 direction) while rotating when the rotary ring 7 is rotated.
  • the lens unit 8 linearly moves in the Z1-Z2 direction, which is the optical axis, to perform zoom adjustment and the like.
  • the magnet 11 which is a movable part, linearly moves while rotating as shown in FIGS. 7 and 8 from the reference state of FIG. As a result, a linear output (see FIG.
  • the position detection device 40 of the present embodiment can be installed at a portion that linearly moves while rotating.
  • the present embodiment can be preferably applied to the position detection of the lens unit 8 of the lens device 3 used in the single-lens reflex camera 1 in which the state immediately before use is maintained, not the sinking type.
  • the position detection device 10 in the present embodiment can be applied to other than the lens device 3 of the single-lens reflex camera 1.
  • FIG. 1 Perspective view of single-lens reflex camera, A schematic view of a lens device attached to a single-lens reflex camera, (A) to (c) are side views showing a reference state of the position detection device according to the first embodiment and a state when the movable part moves linearly from the state position.
  • a perspective view of a position detection device according to a second embodiment; Front view of a position detection device according to a second embodiment; A side view of a position detection device in a reference state according to a second embodiment; A side view of a position detection device according to a second embodiment, showing a state in which the movable portion (magnet) linearly moves while rotating; A side view of a position detection device according to a second embodiment, showing a state in which the movable portion (magnet) linearly moves while rotating; A partial sectional view of the magnetoresistive element, Circuit diagram of the magnetic sensor, Graph showing the relationship between the movement distance and the output value in the first embodiment, Graph showing the relationship between the movement distance and the magnetic flux density in the first embodiment, Graph showing the relationship between the movement distance and the output value in the second embodiment, Graph showing the relationship between movement distance and magnetic flux density in the second embodiment, Graph showing the relationship between movement distance and magnetic flux density in the second embodiment,
  • Reference Signs List 1 single-lens reflex camera 2 camera body 3 lens device 6 lens barrel 7 rotary ring 8 lens unit 10, 40 position detection device 11 41 magnet 12 magnetic sensor 13 support plate 20 to 23 magnetoresistance effect element 24 output terminal 25 ground terminal 26 Differential amplifier 27 Output terminal 28 Antiferromagnetic layer 29 Fixed magnetic layer 30 Nonmagnetic layer 31 Free magnetic layer 32 Protective layer 42 Through hole

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

【課題】　特に、可動部の絶対位置を正確に検知できる位置検出装置及びそれを用いたレンズ装置を提供することを目的としている。 【解決手段】　磁石１１と、外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を備えた非接触式の磁気センサ１２とを有し、磁石１１と磁気センサ１２のうち一方が可動部で他方が固定部である。可動部は、直線移動可能に支持されている。磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して形成され前記外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層との積層構造を有して構成されている。可動部が直線移動したときに、磁気センサ１２に流入する水平磁場の角度変化に伴う前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化に基づく出力により可動部の絶対位置を検知できる。

Description

位置検出装置及びそれを用いたレンズ装置
　本発明は、例えば、レンズ装置の内部に搭載される非接触式の位置検出装置に関する。
　例えば、一眼レフカメラに取り付けられているレンズ装置（レンズユニット）には、回転環（調整用リング）がレンズ鏡筒の外周に設けられており、使用者は、この回転環を回転させながらズーム調整等を行うことが可能となっている。
　ところで、従来では、回転環の回転角度（レンズ部の位置）を検知するために接触式の抵抗センサを用いていた。しかしながら、このようなセンサでは耐久性に問題があった。そのため、非接触式センサを用いることが望ましい。
　また、一眼レフカメラに取り付けられるレンズ装置のように、非使用のときにレンズ部が基準状態（初期状態）に戻らず、使用直前の状態を維持するような場合、次に使用するときには、レンズ部の絶対位置（基準状態からの位置）を正確に把握できなければならない。
　例えば下記の特許文献１にはレンズ鏡筒に用いた非接触式の角度検出装置が開示されている。特許文献１では、ホール素子よりなる磁気検出センサと、回転体の表面に設けられた複数のマグネットとからなる角度検出装置が開示されている（特許文献１の図４等参照）。特許文献１に記載された発明では、回転体の回転方向や回転スピードを検出でき（特許文献１の［００５３］欄参照）、回転体の相対位置を検出できる。
　しかしながら特許文献１の構成を、一眼レフカメラのレンズ装置等の位置検出装置として用いても、角度検出装置からの出力だけでは、レンズ部の絶対位置を正確に知ることができないので、カメラ本体の制御部側の回路構成が複雑化する等の問題があった。
特開２００１－２０１３１１号公報
　そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、特に、可動部の絶対位置を正確に検知できる位置検出装置及びそれを用いたレンズ装置を提供することを目的としている。
　本発明は、磁石と、外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を備えた非接触式の磁気センサとを有し、前記磁石と前記磁気センサのうち一方が可動部で他方が固定部である位置検出装置であって、
　前記可動部は、直線移動可能に支持されており、
　前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して形成され前記外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層との積層構造を有して構成されており、
　前記可動部が直線移動したときに、前記磁気センサに流入する水平磁場の角度変化に伴う前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化に基づく出力により前記可動部の絶対位置を検知できることを特徴とするものである。本発明によれば、リニア出力を得ることができ、可動部の絶対位置を高精度に検知できる。ここで「絶対位置」とは、基準状態（初期状態）からの移動距離を指し、移動開始位置からの移動距離（相対的な移動距離）ではない。すなわち、移動開始位置が基準状態でなくてもよく、基準状態にない移動開始位置から移動しても、本発明では、常に、基準状態からの移動距離を検知することが出来る。
　また本発明では、前記磁気センサは４個の磁気抵抗効果素子を備え、２個の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向と、残り２個の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向とが逆方向であり、これら４個の磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されていることが好ましい。これにより、出力値を大きくでき、より高精度な検知を行うことが出来る。
　また本発明では、直交する２方向を第１方向、及び第２方向とし、前記第１方向と前記第２方向から成る第１－第２平面に直交する方向を第３方向としたとき、
　前記可動部は、前記第３方向に直線移動可能に支持されており、
　前記磁石の中心と、前記磁気センサの中心とが、基準状態では、前記第２方向上に位置しており、
　前記磁気抵抗効果素子の各層の界面は第２方向と第３方向から成る第２－第３平面と平行な面方向を向いており、前記固定磁性層の磁化方向は第３方向であり、
　前記磁石は、厚さ方向にて対向する表面及び裏面が異なる磁極に着磁され、前記磁石の厚さ方向が前記第２方向を向いており、
　前記可動部が直線移動することにより、前記フリー磁性層に対して前記第２－第３平面内で作用する水平磁場の方向が変化することで、前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗値がリニアに変化することが好ましい。上記した配置とすることで、可動部が直線移動したときに、適切にフリー磁性層に対して角度変化した水平磁場を作用させることが出来、可動部の直線移動に応じて、磁気抵抗効果素子の電気抵抗値を適切に変化させることが出来る。
　本発明は、回転環を備えるレンズ鏡筒と、前記レンズ鏡筒の内部で進退移動可能に支持されたレンズ部と、上記のいずれかに記載された位置検出装置と、を有し、前記回転環を回転させることでレンズ部が前記レンズ鏡筒の内部を進退移動するレンズ装置において、
　前記位置検出装置は前記レンズ鏡筒の内部であって進退方向に直線移動可能な部分に支持され、前記回転環を回転させたときに前記可動部が進退方向へ直線移動し、前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化に基づく出力により前記レンズ部の絶対位置を知ることができることを特徴とするものである。本発明によれば、位置検出装置からのリニア出力により、レンズ部の絶対位置を正確に知ることが可能である。
　また本発明では、前記可動部は一方の面側から対向する他方の面側に貫く貫通孔が設けられた筒体で形成された前記磁石であり、内面と外面とが異なる磁極に着磁されており、前記可動部は筒体の前記貫通孔の前記一方の面から前記他方の面に向けて貫く軸中心を、回転軸として回転しながら、前記回転軸方向に直線移動可能に支持されており、前記回転軸は、前記第３方向にあり、前記磁気センサは前記回転軸から離れた位置に設けられている構成でもよい。このとき、前記固定部である前記磁気センサは、前記筒体の内面側に位置していることが好ましい。
　本発明は、回転環を備えるレンズ鏡筒と、前記レンズ鏡筒の内部で進退移動可能に支持されたレンズ部と、上記に記載された位置検出装置と、を有し、前記回転環を回転させることでレンズ部が前記レンズ鏡筒の内部を進退移動するレンズ装置において、
　前記位置検出装置は、前記回転環を回転させたときに、回転しながら進退方向へ直線移動する前記レンズ鏡筒の部分に支持され、前記回転環を回転させたときに前記可動部が回転しながら進退方向へ直線移動し、前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化に基づくリニア出力により前記レンズ部の絶対位置を知ることができることを特徴とするものである。本発明によれば、位置検出装置からの出力により、レンズ部の絶対位置を正確に知ることが可能である。
　本発明の位置検出装置によれば、リニア出力を得ることができ、可動部の絶対位置を高精度に検知できる。
　図１は、一眼レフカメラの斜視図、図２は一眼レフカメラに取り付けられるレンズ装置の模式図、図３（ａ）～（ｃ）は、第１実施形態の位置検出装置の基準状態、及び状態位置から可動部が直線移動したときの状態を示す側面図、図４は第２実施形態の位置検出装置の斜視図、図５は、第２実施形態の位置検出装置の正面図、図６は、第２実施形態の基準状態での位置検出装置の側面図、図７，図８は、可動部が回転しながら直線移動した状態を示す第２実施形態の位置検出装置の側面図、図９は、磁気抵抗効果素子の部分断面図、図１０は磁気センサの回路図、である。
　この実施形態では、Ｚ１－Ｚ２方向（第３方向）は光軸方向（レンズ部の進退移動方向）であり、Ｚ１－Ｚ２方向に直交する平面内で直交する２方向をＸ１－Ｘ２方向（第１方向）、及びＹ１－Ｙ２方向（第２方向）とする。この明細書では、例えば図５の正面図における紙面縦方向をＹ１－Ｙ２方向、紙面横方向をＸ１－Ｘ２方向とする。
　図１に示す一眼レフカメラ１は、カメラ本体２とレンズ装置３とを備えて構成される。レンズ装置３はカメラ本体２に対して交換可能に装着されている。
　カメラ本体２の内部にはミラー、ＣＣＤ等の撮像素子、シャッター、ペンタプリズム等が搭載されている。
　カメラ本体２の上面にはシャッター釦４は、カメラ本体２の正面にはストロボ５、カメラ本体２の裏面には、表示パネルや各種釦が設けられている。
　図２に示すように、レンズ装置３は、円筒状のレンズ鏡筒６と、レンズ鏡筒６内に支持された前群レンズ１４及び後群レンズ１５のレンズ部８、絞り機構（図示しない）等を備えて構成される。
　前群レンズ１４及び後群レンズ１５は、レンズ鏡筒６の内部を光軸方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に進退移動可能に支持されている。
　レンズ鏡筒６には図１に示す回転環（調整用リング）７が設けられている。この回転環７は手動で回転操作でき、この回転環７を回転させることで、レンズ部８を進退移動させてズーム調整等を行うことが可能になっている。なお、回転環７は、レンズ鏡筒６に複数設けられて、様々な調整を手動で行える構成であってもよい。またズーム調整を手動で行ったとき、自動でフォーカス調整（オートフォーカス）が行われる機構等であってもよい。
　図２に示すようにレンズ鏡筒６の内部には図３，図４に示す本実施形態の位置検出装置１０が設置されている。
　位置検出装置１０は、磁石１１と磁気センサ１２とを有して構成される。この実施形態では磁石１１が可動部側で、磁気センサ１２が固定部側である。逆でもよいが、磁気センサ１２側には配線が接続されるため、磁気センサ１２を固定部側としたほうが構造上好ましい。磁石１１と磁気センサ１２は非接触である。
　磁石１１は、厚さ寸法Ｈ１や幅寸法Ｔ１（図示しない。Ｘ１－Ｘ２方向への長さ）に比べて長さ寸法Ｌ１が長い直方体形状である。図３に示すように磁石１１は厚さ方向に対向する表面１１ａと裏面１１ｂとが異なる磁極に着磁されている。図３では、磁石１１の表面１１ａがＳ極に、裏面１１ｂがＮ極に着磁されている。
　図３に示すように、磁石１１の厚さ方向はＹ１－Ｙ２方向に一致し、また磁石１１の長さ方向がＺ１－Ｚ２方向に一致している。
　可動部である磁石１１はＺ１－Ｚ２方向に直線移動可能に支持されている。
　図３に示すように磁気センサ１２は、支持板１３の表面１３ａに固定支持されている。支持板１３の表面１３ａはＹ－Ｚ平面と平行な面である。
　図２に示すように、磁石１１及び磁気センサ１２は共に、光軸よりＹ１方向に離れた位置に設けられる。
　磁気センサ１２は、図１０に示すブリッジ接続された４個の磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）２０～２３を備える。図１０に示すようにブリッジ回路を構成する第１磁気抵抗効果素子２０と第３磁気抵抗効果素子２２との間に入力端子２４がが接続され、第２磁気抵抗効果素子２１と第４磁気抵抗効果素子２３との間にグランド端子２５が接続される。
　図１０に示すように直列接続される第１磁気抵抗効果素子２０と第２磁気抵抗効果素子２１の間の出力部と、第３磁気抵抗効果素子２２と第４磁気抵抗効果素子２３の間の出力部が差動増幅器２６に接続され、差動増幅器２６の出力側に出力端子２７が接続されている。
　図９に示すように、第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３は、下から反強磁性層２８、固定磁性層２９、非磁性層３０、フリー磁性層３１及び保護層３２の順に積層されている。反強磁性層２８は例えばＩｒＭｎやＰｔＭｎである。固定磁性層２９にはＣｏＦｅが好ましく使用される。固定磁性層２９は磁性層の単層構造であってもよいが、特に磁性層／非磁性中間層／磁性層の積層フェリ構造であることが磁化の安定化を図ることができ好適である。固定磁性層２９と反強磁性層２８との間には磁場中熱処理にて交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じ固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）はＺ２方向に固定される。非磁性層３０は例えばＣｕで形成される。フリー磁性層３１はＮｉＦｅが好ましく使用される。フリー磁性層３１は磁性層の単層構造や積層構造で形成される。保護層３２は例えばＴａで形成される。
　一方、第２磁気抵抗効果素子２１及び第３磁気抵抗効果素子２２も第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３と同じ積層構造で形成されるが、第２磁気抵抗効果素子２１及び第３磁気抵抗効果素子２２の固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）は、第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３の磁化方向（Ｐ方向）と逆方向のＺ１方向である。図１０には、磁気抵抗効果素子２０～２３の固定磁性層の磁化方向（Ｐ方向）が示されている。
　上記した磁気抵抗効果素子２０～２３はいずれもＧＭＲ素子であったが、非磁性層３０の部分がＡｌ－ＯやＴｉ－Ｏ等の絶縁障壁層で形成されたＴＭＲ素子であってもよい。
　各磁気抵抗効果素子２０～２３を構成する各層の界面はＹ－Ｚ平面である（図７等参照）。
　次に、図３を用いて磁石１１を基準状態からＺ１－Ｚ２方向に直線移動させたときの状態について説明する。なお図３に示す磁気センサ１２の部分に図示された固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）は、第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３における固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）である。
　図３（ａ）に示す基準状態では、磁石１１の中心Ｏ４と、磁気センサ１２の中心Ｏ３とが共に、Ｙ１－Ｙ２方向上に位置している。ここで、「磁気センサ１２の中心Ｏ３」及び「磁石１１の中心Ｏ４」とは、Ｘ１－Ｘ２方向、Ｙ１－Ｙ２方向、及びＺ１－Ｚ２方向からなる三次元の中心を指す。また、換言すれば、基準状態では、磁気センサ１２の中心Ｏ３及び磁石１１の中心Ｏ４は、Ｙ１－Ｙ２方向に対して離れた位置にあり、Ｘ１－Ｘ２方向及びＺ１－Ｚ２方向に対して同位置にある。ただし、「磁石１１の中心Ｏ４と、磁気センサ１２の中心Ｏ３とが共に、Ｙ１－Ｙ２方向上に位置している」とは、磁石１１の中心Ｏ４と、磁気センサ１２の中心Ｏ３とが、Ｘ１－Ｘ２方向及びＺ１－Ｚ２方向に対して同位置になく、製造誤差等の多少の位置ずれ（０．５ｍｍ以下程度）を許容する。
　図３（ａ）に示すように、基準状態では、磁石１１から磁気センサ１２にＹ２方向の外部磁界（水平磁場）が作用している。このため、各磁気抵抗効果素子２０～２３のフリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）は、Ｙ２方向となっている（図９も参照）。
　したがって図３（ａ）に示す基準状態では、固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）とフリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）とが直交関係にある。
　また本実施形態では、磁石１１から磁気センサ１２に作用する外部磁界はフリー磁性層３１を飽和させるに十分な大きさ（磁界強度）である。
　次に、図３（ｂ）のように基準状態から、磁石１１をＺ１方向に直線移動させる。すると、磁石１１から磁気センサ１２にＹ－Ｚ平面内で作用する水平磁場がＹ２方向からＺ２方向に向けて回転する。よって図３（ｂ）のようにフリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）は、図３（ａ）のＹ２方向からＺ２方向に向けて傾く。図３（ｂ）に示すように第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３における固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）と、フリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）間の磁化角度は、図３（ａ）の直交関係から小さくなる。よって、第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３の電気抵抗値は、図３（ａ）の基準状態に比べて図３（ｂ）の直線移動により小さくなる。一方、図３（ｂ）の状態では、第２磁気抵抗効果素子２１及び第３磁気抵抗効果素子２２における固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）と、フリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）間の磁化角度は、図３（ａ）の直交関係から大きくなる。よって、第２磁気抵抗効果素子２１及び第３磁気抵抗効果素子２２の電気抵抗値は、図３（ａ）の基準状態に比べて図３（ｂ）の直線移動により大きくなる。
　次に、図３（ｃ）のように基準状態から磁石１１をＺ２方向に直線移動させる。すると、磁石１１から磁気センサ１２にＹ－Ｚ平面内で作用する水平磁場がＹ２方向からＺ１方向に向けて回転する。よって図３（ｃ）のようにフリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）は、図３（ａ）のＹ２方向からＺ１方向に向けて傾く。図３（ｃ）に示すように第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３における固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）と、フリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）間の磁化角度は、図３（ａ）の直交関係から大きくなる。よって、第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３の電気抵抗値は、図３（ａ）の基準状態に比べて図３（ｃ）の直線移動により大きくなる。一方、図３（ｃ）の状態では、第２磁気抵抗効果素子２１及び第３磁気抵抗効果素子２２における固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）と、フリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）間の磁化角度は、図３（ａ）の直交関係から小さくなる。よって、第２磁気抵抗効果素子２１及び第３磁気抵抗効果素子２２の電気抵抗値は、図３（ａ）の基準状態に比べて図３（ｃ）の直線移動により小さくなる。
　上記したように第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３の電気抵抗変化と第２磁気抵抗効果素子２１及び第３磁気抵抗効果素子２２の電気抵抗変化の増減は逆傾向にある。よって図１０に示すブリッジ回路を組み差動出力を得ることで出力値を大きくできる。
　本実施形態では、図３に示す磁気抵抗効果素子２０～２３の電気抵抗変化に基づき、移動距離に対してリニア出力を得ることが出来る。
　よって、本実施形態の位置検出装置１０によれば、可動部としての磁石１１の絶対位置を、磁気抵抗効果素子２０～２３の電気抵抗変化に基づくリニア出力により検知することが出来る。ここで「絶対位置」とは、基準状態（初期状態）からの移動距離を指し、移動開始位置からの移動距離（相対的な移動距離）ではない。例えば、図３（ｂ）の状態が移動開始位置であるとしたとき、図３（ｂ）の状態から、さらにＺ１方向にα１だけ直線移動させると、本実施形態では、移動距離α１だけでなく、絶対位置（基準状態から図３（ｂ）までの移動距離α２＋α１）を、位置検出装置１０のリニア出力によって知ることができる。
　図１１は、第１実施形態の位置検出装置１０における直線移動距離と出力との関係を示すグラフである。実験では、磁石１１の幅寸法Ｔ１を５ｍｍ、磁石１１の長さ寸法Ｌ１を１０ｍｍ、磁石１１の厚さ寸法Ｈ１を４ｍｍとした。また、磁石１１にはネオジウムを用いた。また、図３（ａ）の基準状態での磁気センサ１２と磁石１１間の距離Ｔ２を８ｍｍとした。また駆動電圧を３Ｖとした。
　図１１は、ハーフブリッジの出力である。実験では、磁石１１を基準状態から図３（ｂ）及び図３（ｃ）の方向へ夫々１０ｍｍまで直線移動させた。図１１に示すように、出力の直線性に優れリニア出力を得ることが出来るとわかった。
　図１２は、直線移動距離と磁気センサ１２に作用する水平磁場の磁束密度との関係を示すグラフである。図１２に示すように移動距離が０ｍｍ（基準状態）のとき、最も磁束密度が大きく、直線移動距離が大きくなると徐々に磁束密度は低下したが、直線移動距離が１０ｍｍ程度であれば、フリー磁性層３１を飽和するに十分な大きさの磁束密度が得られることがわかった。
　図１１のように、本実施形態では、所定範囲の移動距離に対してリニア出力が得られるため、位置検出装置１０の出力値を検出することにより、可動部である磁石１１の絶対位置（基準状態からの移動距離）を正確に検知することが出来る。なお本実施形態ではリニアリティ誤差を１％以下に設定できる。
　なお、ヒステリシスがないリニア出力を得るには、磁石１１の所定の移動範囲内にて、常にフリー磁性層を磁気飽和できるだけの十分な大きさの磁界を作用させることができるように、図３（ａ）での磁気センサ１２と磁石１１間の距離T２を適正化する。
　本実施形態では図４に示す位置検出装置４０を用いることも可能である。図４に示す位置検出装置４０を構成する磁石４１は、Ｚ１側に向くＸ－Ｙ平面と平行な面側４１ａから、Ｚ２側に向くＸ－Ｙ平面と平行な面側４１ｂにかけて貫く貫通孔４２が形成された筒体である。図５に示すように、貫通孔４２のＸ－Ｙ平面の形状は円形状である。
　筒体で形成された磁石４１は、その内面４１ｃと外面４１ｄとが異なる磁極に着磁されている。図５に示すように、例えば内面４１ｃがＮ極に、外面４１ｄがＳ極に着磁されている。
　図４，図５に示すように、磁石４１は、貫通孔４２をＺ１－Ｚ２方向に貫く軸中心を回転軸Ｏ１として回転しながら、回転軸Ｏ１方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に直線移動可能に支持されている。図４には矢印で、磁石４１の回転と直線移動の様子が示されている。
　また図４，図５に示すように、筒体で形成されたの磁石４１の貫通孔４２内に磁気センサ１２が設けられる。図２，図３と同様に磁気センサ１２は支持板１３に固定支持されている。磁気センサ１２の構成は、図９，図１０で説明した通りである。
　図５に示すように、磁気センサ１２は回転軸Ｏ１上になく、回転軸Ｏ１からＹ１方向に離れた位置にある。図３で説明したのと同様に、磁気センサ１２を構成する各層の界面はＹ－Ｚ平面と平行な面方向を向いている。
　図６が基準状態である。図６に示す基準状態では、磁気センサ１２の中心Ｏ３と、磁石４１の中心Ｏ４とが共にＹ１－Ｙ２方向上に位置している。ただし、「磁石４１の中心Ｏ４と、磁気センサ１２の中心Ｏ３とが共に、Ｙ１－Ｙ２方向上に位置している」とは、磁石１１の中心Ｏ４と、磁気センサ１２の中心Ｏ３とが、Ｘ１－Ｘ２方向及びＺ１－Ｚ２方向に対して同位置になく、製造誤差等の多少の位置ずれ（０．５ｍｍ以下程度）を許容する。
　したがって、磁石４１から磁気センサ１２にＹ２方向の外部磁界（水平磁場）が作用している。このため、各磁気抵抗効果素子２０～２３のフリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）は、Ｙ２方向となっている。
　したがって図６に示す基準状態では、固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）とフリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）とが直交関係にある。
　また本実施形態では、磁石１１から磁気センサ１２に作用する外部磁界はフリー磁性層３１を飽和させるに十分な大きさ（磁界強度）である。
　次に、図７のように基準状態から、磁石４１を回転させながらＺ１方向に直線移動させる。すると、磁石４１から磁気センサ１２にＹ－Ｚ平面内で作用する水平磁場がＹ２方向からＺ２方向に向けて傾く。よって図７のようにフリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）は、図６のＹ２方向からＺ２方向に向けて傾く。図７に示すように第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３における固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）と、フリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）間の磁化角度は、図６の直交関係から小さくなる。よって、第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３の電気抵抗値は、図６の基準状態に比べて図７の直線移動により小さくなる。一方、図７の状態では、第２磁気抵抗効果素子２１及び第３磁気抵抗効果素子２２における固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）と、フリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）間の磁化角度は、図６の直交関係から大きくなる。よって、第２磁気抵抗効果素子２１及び第３磁気抵抗効果素子２２の電気抵抗値は、図６の基準状態に比べて図７の回転しながらの直線移動により大きくなる。
　次に、図８のように基準状態から磁石４１を回転させながらＺ２方向に直線移動させる。すると、磁石１１から磁気センサ１２にＹ－Ｚ平面内で作用する水平磁場がＹ２方向からＺ１方向に向けて傾く。よって図８のようにフリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）は、図６のＹ２方向からＺ１方向に向けて傾く。図８に示すように第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３における固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）と、フリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）間の磁化角度は、図６の直交関係から大きくなる。よって、第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３の電気抵抗値は、図６の基準状態に比べて図８の回転しながらの直線移動により大きくなる。一方、図８の状態では、第２磁気抵抗効果素子２１及び第３磁気抵抗効果素子２２における固定磁性層２９の磁化方向（Ｐ方向）と、フリー磁性層３１の磁化方向（Ｆ方向）間の磁化角度は、図６の直交関係から小さくなる。よって、第２磁気抵抗効果素子２１及び第３磁気抵抗効果素子２２の電気抵抗値は、図６の基準状態に比べて図８の回転しながらの直線移動により小さくなる。
　上記したように第１磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子２３の電気抵抗変化と第２磁気抵抗効果素子２１及び第３磁気抵抗効果素子２２の電気抵抗変化の増減は逆傾向にある。よって図１０に示すブリッジ回路を組み差動出力を得ることで出力値を大きくできる。
　第２実施形態では、磁石４１を筒体で形成し、磁石４１を回転させながら直線移動させるが、磁気センサ１２に作用する水平磁場は、磁石４１を回転させず直線移動させた場合と、磁石４１を回転させながら直線移動させた場合とで変わらない。すなわち、磁石４１を回転させながら直線移動させても、磁石４１を筒体で形成し、内面４１ｃ及び外面４１ｄを着磁面としたことで、磁気センサ１２には、磁石４１の回転しながらの直線移動に応じて、適切に角度変化する水平磁場を作用させることが可能である。本実施形態によれば、磁石４１が３６０°回転しても直線移動距離に応じたリニア出力を得ることが可能である。
　磁気センサ１２を、磁石４１の外側に設置することも出来るが、位置検出装置４０の小型化を促進できないので、貫通孔４２内に磁気センサ１２を設置することが好ましい。
　本実施形態では、上記した図６～図８に示す磁気抵抗効果素子２０～２３の電気抵抗変化に基づき、移動距離に対してリニア出力を得ることが出来る。
　以上により本実施形態の位置検出装置４０によれば、可動部としての磁石４１の絶対位置を、磁気抵抗効果素子２０～２３の電気抵抗変化に基づくリニア出力により検知することが出来る。
　図１３は、本実施形態の位置検出装置４０における直線移動距離と出力との関係を示すグラフである。実験では、磁石４１の内面４１ｃの直径Ｒ１（図５参照）を４０ｍｍ、磁石４１の厚さを２ｍｍ、磁石４１の長さ寸法Ｌ２（図６参照）を２０ｍｍとした。また、磁石１１にはフェライトを用いた。また、図５に示す回転軸Ｏ１から磁気センサ１２の中心Ｏ３までのＹ１－Ｙ２方向への距離Ｒ２を１３ｍｍ、あるいは１５ｍｍとした。また駆動電圧を３Ｖとした。
　図１３は、ハーフブリッジの出力である。実験では、磁石４１を基準状態から図６及び図７の方向へ夫々１０ｍｍまで直線移動させた。図１３に示すように、出力の直線性に優れリニア出力を得ることが出来るとわかった。また磁気センサ１２の位置によって多少、出力にばらつきが見られた。なお図１３に示す実験結果から、磁気センサ１２を回転軸Ｏ１からより離したほうが（磁気センサ１２を磁石４１の内面４１ｃにより近づけたほうが）リニア特性を向上できることがわかった。
　図１４は、直線移動距離と磁気センサ１２に作用する水平磁場の磁束密度との関係を示すグラフである。図１４に示すように基準状態（移動距離が０）のとき、最も磁束密度が小さく、直線移動距離が大きくなると徐々に磁束密度が増大することがわかった。
　上記の実験でも示されたように、磁気センサ１２は、回転軸Ｏ１から離れた位置にあることが好ましい。この実施形態では、図４に示す貫通孔４２の軸中心（回転軸Ｏ１）は、光軸に一致するので、磁気センサ１２を、回転軸Ｏ１から離した位置に設ける必要があるが、上記した理由が無くても、磁気センサ１２を回転軸Ｏ１上に置くと、無視しきれない多方向からの磁場成分の影響を受けたり、フリー磁性層を磁気飽和できるに十分な磁界を作用できず、リニア特性が低下してしまう。よって、磁気センサ１２を回転軸Ｏ１からできるだけ離した位置に設置することが好ましい。磁気センサ１２の中心Ｏ３は、磁石４１の内面４１ｃの半径１／２の位置Ａより、内面４１ｃ側に位置することが好適である。さらに磁気センサ１２の中心Ｏ３は、内面４１ｃ側から見た内面４１ｃの半径１／４の位置Ｂより、内面４１ｃ側に位置することがより好適である。
　なお、ヒステリシスがないリニア出力を得るには、磁石４１の所定の移動範囲内にて、常にフリー磁性層を磁気飽和できるだけの十分な大きさの磁界を作用させることができるように、磁気センサ１２と磁石４１間の距離（磁石４１の内面から磁気センサ１２までの距離）を適正化する。
　図３に示す第１実施形態の位置検出装置１０は、図２に示すようにレンズ装置３の内部に設置される。第１実施形態の位置検出装置１０は、回転環７を回転させたときに進退方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に直線移動可能な部分（回転はしない）に支持される。
　図１，図２に示す回転環７を回転させると、レンズ部８が光軸であるＺ１－Ｚ２方向に直線移動してズーム調整等が行われる。回転環７を回転させたときに、可動部である磁石１１は、図３（ａ）の基準状態から図３（ｂ）（ｃ）のように直線移動する。これにより、直線移動距離に対応したリニア出力（図１１参照）を位置検出装置１０より得ることが出来る。このリニア出力に基づいて、レンズ部８の絶対位置を検知することが出来る。よって、図３（ａ）の基準状態にない途中位置から回転環７を回転させても、位置検出装置１０のリニア出力から、レンズ部８の絶対位置（基準状態からの位置）を正確に知ることが出来る。
　また、図４に示す本実施形態の位置検出装置４０も、図２に示すレンズ装置３の内部に設置される。本実施形態の位置検出装置４０は、回転環７を回転させたときに回転しながら進退方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に直線移動可能な部分に支持される。図１，図２に示す回転環７を回転させると、レンズ部８が光軸であるＺ１－Ｚ２方向に直線移動してズーム調整等が行われる。回転環７を回転させたときに、可動部である磁石１１は、図６の基準状態から図７、図８のように回転しながら直線移動する。これにより、直線移動距離に対応したリニア出力（図１３参照）を位置検出装置１０より得ることが出来る。このリニア出力に基づいて、レンズ部８の絶対位置を検知することが出来る。よって、図６の基準状態にない途中位置から回転環７を回転させても、位置検出装置１０のリニア出力から、レンズ部８の絶対位置を正確に知ることが出来る。本実施形態では、回転しながら直線移動する部分に本実施形態の位置検出装置４０を設置できる。
　また図１１，図１３に示すリニア出力を得ることが出来るため、レンズ部８の絶対位置を高精度に検知することが出来る。よって本実施形態は、沈動式でなく使用直前の状態が維持される、一眼レフカメラ１に使用されるレンズ装置３のレンズ部８の位置検出に好ましく適用できる。
　なお本実施形態における位置検出装置１０は、一眼レフカメラ１のレンズ装置３以外にも適用できる。
一眼レフカメラの斜視図、 一眼レフカメラに取り付けられるレンズ装置の模式図、 （ａ）～（ｃ）は、第１実施形態の位置検出装置の基準状態、及び状態位置から可動部が直線移動したときの状態を示す側面図、 第２実施形態の位置検出装置の斜視図、 第２実施形態の位置検出装置の正面図、 第２実施形態の基準状態での位置検出装置の側面図、 可動部（磁石）が回転しながら直線移動した状態を示す第２実施形態の位置検出装置の側面図、 可動部（磁石）が回転しながら直線移動した状態を示す第２実施形態の位置検出装置の側面図、 磁気抵抗効果素子の部分断面図、 磁気センサの回路図、 第１実施形態における移動距離と出力値との関係を示すグラフ、 第１実施形態における移動距離と磁束密度との関係を示すグラフ、 第２実施形態における移動距離と出力値との関係を示すグラフ、 第２実施形態における移動距離と磁束密度との関係を示すグラフ、
１　一眼レフカメラ
２　カメラ本体
３　レンズ装置
６　レンズ鏡筒
７　回転環
８　レンズ部
１０、４０　位置検出装置
１１、４１　磁石
１２　磁気センサ
１３　支持板
２０～２３　磁気抵抗効果素子
２４　出力端子
２５　グランド端子
２６　差動増幅器
２７　出力端子
２８　反強磁性層
２９　固定磁性層
３０　非磁性層
３１　フリー磁性層
３２　保護層
４２　貫通孔

Claims (7)

  1. 　磁石と、外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を備えた非接触式の磁気センサとを有し、前記磁石と前記磁気センサのうち一方が可動部で他方が固定部である位置検出装置であって、
    　前記可動部は、直線移動可能に支持されており、
    　前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して形成され前記外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層との積層構造を有して構成されており、
    　前記可動部が直線移動したときに、前記磁気センサに流入する水平磁場の角度変化に伴う前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化に基づくリニア出力により前記可動部の絶対位置を検知できることを特徴とする位置検出装置。
  2. 　前記磁気センサは４個の磁気抵抗効果素子を備え、２個の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向と、残り２個の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向とが逆方向であり、これら４個の磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されている請求項１記載の位置検出装置。
  3. 　直交する２方向を第１方向、及び第２方向とし、前記第１方向と前記第２方向から成る第１－第２平面に直交する方向を第３方向としたとき、
    　前記可動部は、前記第３方向に直線移動可能に支持されており、
    　前記磁石の中心と、前記磁気センサの中心とが、基準状態では、前記第２方向上に位置しており、
    　前記磁気抵抗効果素子の各層の界面は第２方向と第３方向から成る第２－第３平面と平行な面方向を向いており、前記固定磁性層の磁化方向は第３方向であり、
    　前記磁石は、厚さ方向にて対向する表面及び裏面が異なる磁極に着磁され、前記磁石の厚さ方向が前記第２方向を向いており、
    　前記可動部が直線移動することにより、前記フリー磁性層に対して前記第２－第３平面内で作用する水平磁場の方向が変化することで、前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗値がリニアに変化する請求項１又は２に記載の位置検出装置。
  4. 　前記可動部は一方の面側から対向する他方の面側に貫く貫通孔が設けられた筒体で形成された前記磁石であり、内面と外面とが異なる磁極に着磁されており、前記可動部は筒体の前記貫通孔の前記一方の面から前記他方の面に向けて貫く軸中心を、回転軸として回転しながら、前記回転軸方向に直線移動可能に支持されており、前記回転軸は、前記第３方向にあり、前記磁気センサは前記回転軸から離れた位置に設けられている請求項３記載の位置検出装置。
  5. 　前記固定部である前記磁気センサは、前記筒体の内面側に位置している請求項４記載の位置検出装置。
  6. 　回転環を備えるレンズ鏡筒と、前記レンズ鏡筒の内部で進退移動可能に支持されたレンズ部と、請求項１ないし３のいずれかに記載された位置検出装置と、を有し、前記回転環を回転させることでレンズ部が前記レンズ鏡筒の内部を進退移動するレンズ装置において、
    　前記位置検出装置は前記レンズ鏡筒の内部であって進退方向に直線移動可能な部分に支持され、前記回転環を回転させたときに前記可動部が進退方向へ直線移動し、前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化に基づくリニア出力により前記レンズ部の絶対位置を知ることができることを特徴とするレンズ装置。
  7. 　回転環を備えるレンズ鏡筒と、前記レンズ鏡筒の内部で進退移動可能に支持されたレンズ部と、請求項４又は５に記載された位置検出装置と、を有し、前記回転環を回転させることでレンズ部が前記レンズ鏡筒の内部を進退移動するレンズ装置において、
    　前記位置検出装置は、前記回転環を回転させたときに、回転しながら進退方向へ直線移動する前記レンズ鏡筒の部分に支持され、前記回転環を回転させたときに前記可動部が回転しながら進退方向へ直線移動し、前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化に基づくリニア出力により前記レンズ部の絶対位置を知ることができることを特徴とするレンズ装置。
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