WO2014141767A1 - 磁気式の位置センサ及び位置検出方法 - Google Patents

磁気式の位置センサ及び位置検出方法 Download PDF

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清水　哲也
敏 花香
龍男 太田
将吾 寺田
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村田機械株式会社
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    • G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B7/023—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring distance between sensor and object

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic position sensor, and more particularly to a magnetic position sensor capable of accurately detecting a position in a short period.
  • the present invention also relates to a position detection method using a magnetic position sensor.
  • Patent Document 1, JP2008-209393A a magnetic position sensor that detects a magnetic mark such as a magnet with a coil array.
  • a magnetic position sensor that detects a magnetic mark such as a magnet with a coil array.
  • this position sensor it is assumed that when a coil array is arranged in parallel to the surface of the magnetic pole, the magnetic flux density changes in a sin wave shape along the longitudinal direction of the coil array.
  • the distance between the coil array and the magnetic pole surface there is a variation in the distance between the coil array and the magnetic pole surface. And if it deviates from the standard interval, the intensity of the magnetic flux density deviates from the sin wave and becomes close to a triangular wave or a trapezoidal wave, which causes a detection error.
  • Patent Document 2 JP2007-178158A is known as a position sensor using a magnetic detection element such as a Hall element instead of a coil.
  • a magnetic detection element such as a Hall element instead of a coil.
  • the magnetic flux density from the magnet pair is detected by an array of magnetic detection elements, and the point where the magnetic flux density becomes 0, that is, the midpoint of the pair of magnets is detected. If this point is called a 0 crossing point, the sign of the output of the magnetic detection element is reversed on both sides of the 0 crossing point, and the magnetic flux density changes almost linearly. Therefore, a straight line that approximates the output distribution of the magnetic detection element near the 0 crossing point is obtained by the method of least squares, and a point at which the value of the straight line becomes 0 is set as the 0 crossing point.
  • An object of the present invention is to be able to obtain the position of the 0 crossing point in a shorter time and to increase the number of times the position is detected per time.
  • the present invention by using an array in which a plurality of magnetic detection elements are arranged in a straight line, a magnetic field in which a zero crossing point at which the magnetic flux density from a pair of magnetic poles becomes 0 in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the array is detected.
  • the magnetic detection element is an element whose output polarity changes when the direction of magnetic flux density is reversed,
  • the array Read out the outputs of the magnetic detection elements from the array every k pieces (k is an integer of 2 or more), and use the read outputs to detect the approximate position of the 0 crossing point, And a position detector for detecting the position of the 0 crossing point using outputs of at least two magnetic detection elements on both sides of the 0 crossing point.
  • the position detection method of this invention is In a position detection method for detecting a zero crossing point at which a magnetic flux density from a pair of magnetic poles becomes zero in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the array by a position sensor having an array in which a plurality of magnetic detection elements are arranged on a straight line ,
  • the magnetic detection element is an element whose output polarity changes when the direction of magnetic flux density is reversed
  • a zero crossing point approximate detection unit of the position sensor reads out the outputs of the magnetic detection elements from the array every k pieces (k is an integer of 2 or more), and the approximate position of the zero crossing point is detected using the read output.
  • the outputs may be scanned every k. Therefore, the number of elements to be scanned can be reduced, and the approximate position of the zero crossing point can be obtained at higher speed. It is not necessary to scan every k times each time, and the estimated position may be used when the approximate position of the 0 crossing point can be estimated from the previous data.
  • the description regarding the magnetic position sensor also applies to the position detection method as it is.
  • the magnetic position sensor includes a nonvolatile memory for storing correction data for correcting an output from each magnetic detection element of the array in an environment in which no magnetic pole to be detected exists, and the nonvolatile memory A correction unit for correcting the output from each magnetic detection element based on the correction data.
  • FIG. 8 shows a detection error before correction of the offset error
  • FIG. 7 shows a detection error after correction of the offset error.
  • the zero crossing point approximate detection unit reads the outputs of the magnetic detection elements for every k pieces in one direction along the straight line, and sets a magnetic pole on the downstream side in the scanning direction among the pair of magnetic poles. By reading the output of the detected magnetic detection element, the approximate position of the zero crossing point is detected.
  • the position sensor knows which of the pair of magnetic poles is upstream and which is downstream, for example, the polarity of the output of the magnetic detection element is read every k pieces from the upstream side to the downstream side, and the magnetic pole on the downstream side is detected. . Then, there is a zero crossing point between that position and the k upstream magnetic detection elements, and the approximate position of the zero crossing point can be obtained at high speed. As described above, to obtain the approximate position of the 0 crossing point is to specify the position of the 0 crossing point in a range of k or less.
  • the magnetic detection elements are arranged such that the pitch of the magnetic detection elements is a, and k ⁇ a is equal to or less than the length of one magnetic pole.
  • the pitch of the magnetic detection elements is a
  • k ⁇ a is equal to or less than the length of one magnetic pole.
  • the zero crossing point approximate detection unit detects the magnetic detection elements having different output polarities for the first time
  • the outputs of the k ⁇ 1 magnetic detection elements on the upstream side thereof are read to thereby detect the zero crossing point.
  • the outputs of at least two magnetic detection elements on both sides are obtained. In this way, it is possible to read the outputs of the magnetic detection elements on both sides of the 0 crossing point at high speed.
  • the absolute value of the output of the magnetic detection element upstream of the reading direction among the magnetic detection elements on both sides of the zero crossing point is ⁇ 1
  • the position in the array is P1
  • the output of the magnetic detection element downstream of the reading direction is
  • P ⁇ 2 / ( ⁇ 1 + ⁇ 2) ⁇ a + P2
  • FIG. 1 The figure which shows typically arrangement
  • Block diagram of signal processing circuit in embodiment The block diagram which shows the structure of the process part of FIG.
  • the flowchart which shows the position detection algorithm in an Example
  • the figure which shows the error of the position sensor before offset correction of Hall element Flowchart showing a position detection algorithm in a modified example
  • 1 to 8 show the magnetic position sensor 2 and its characteristics in the embodiment.
  • 4 is a Hall element array
  • 5 and 6 are individual Hall elements.
  • the output of the Hall element is scanned every k pieces, and the approximate position of the 0 crossing point is detected.
  • the Hall elements (arranged every k pieces) for reading the output during scanning are represented by 6 and the other Hall elements are represented by 5.
  • the total length of the Hall element array 4 is, for example, about 50 mm to 500 mm, and a total of, for example, several tens to several hundreds of Hall elements 5 and 6 are arranged on one straight line.
  • a current is applied to each Hall element from a DC power supply 8 and a Hall electromotive force is taken out as an output.
  • the magnetic pole 10 is a magnet pair, and a pair of magnetic poles 11 and 12 are arranged at an interval such that the surface faces the Hall element array in parallel.
  • the magnetic pole has an N pole 11 on the left side (+ X side) in FIG. 1 and an S pole 12 on the right side ( ⁇ X side).
  • the magnetic pole is surrounded by a yoke 14 such as a steel plate and used for mounting the magnet pair 10. Block external magnetic field.
  • the magnetic poles 11 and 12 have opposite polarities and equal magnetic forces, and the magnetic flux density perpendicular to the X axis is zero in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the Hall element array 4 through the middle of the magnetic poles 11 and 12. The intersection of this surface and the Hall element array 4 is the 0 crossing point.
  • the direction parallel to the Hall element array 4 is the X axis
  • the left side of FIG. 1 is + X
  • the right side is -X.
  • a phase in which the + X side end of the magnetic pole 11 is + 180 ° and the ⁇ X side end of the magnetic pole 12 is ⁇ 180 ° is used as the phase of the magnetic field.
  • the numbers of the Hall elements 5 and 6 in the Hall element array 4 are used as addresses of the Hall elements, and are used to represent the positions in the Hall element array 4. It is assumed that the + X side is small at the top and the ⁇ X side is large at the end.
  • a magnetic position sensor 2 such as a Hall element array 4 is mounted on a moving body, and a magnetic mark for detection such as a magnet pair 10 is fixed on the ground side.
  • a large number of magnetic poles may be arranged so that the polarity is inverted every one.
  • the magnet pair 10 may be repeatedly arranged at an interval shorter than the detection range of the Hall element array 4 so that the position can always be detected. In this case, the interval between the magnet pair 10 need not be constant.
  • the magnet pair 10 may be disposed only in that range.
  • the magnetic position sensor 2 may be fixed on the ground side and the magnetic mark may be mounted on the moving body.
  • a linear motor magnet row or the like may be detected as a magnetic mark.
  • the Hall element array 4 and its drive circuit are the magnetic position sensor 2, and the magnet pair 10 and the like are outside the position sensor 2.
  • the magnetic poles 11 and 12 are fixed on the ground, the N pole 11 is on the left side of FIG. 1, and the S pole 12 is on the right side.
  • the polarity of (n, s) at the output of the Hall element may be interpreted in reverse to the description in the specification. It is assumed that the absolute position of the zero crossing point is known to the position sensor. When it is determined which position of the Hall element array 4 the 0 crossing point faces, the relative position of the position sensor 2 with respect to the 0 crossing point is determined, and the absolute position of the 0 crossing point is known. The absolute position of the position sensor 2 is also found.
  • the position of the moving body can be obtained by obtaining the position of the zero crossing point by the magnetic position sensor 2.
  • Fig. 2 shows the drive circuit of the magnetic position sensor 2.
  • the multiplexer 18 switches the Hall elements 5 and 6 connected to the amplifier 20, and the amplifier 20 amplifies the Hall electromotive force and removes high frequency components in the electromotive force by an integration filter or the like.
  • the AD converter 22 is a high-speed AD converter of 1 MHz or more, for example, and the processing unit 16 stores the output with a resolution of about 8-16 bits.
  • the processing unit 16 subtracts a unique correction value for each of the Hall elements 5 and 6 from the output of the AD converter, and detects 0 crossing point from the output after subtraction. This correction value is an output of the Hall element in a state where there is no magnetic field from the magnet pair 10, and is stored in the correction table 24 composed of a nonvolatile memory.
  • the clock generator 25 generates a timing signal from the reading of the Hall electromotive force to the storage in the memory 34.
  • the multiplexer 18 is switched in accordance with this signal, and the address control units 26 and 30 generate addresses for reading and writing data.
  • the address control unit 26 generates an address for writing the signal of the AD converter 22 to the memory 28, and the address control unit 30 generates a read address from the correction table 24 and a write address to the memory 34.
  • the difference unit 32 subtracts the data (correction electromotive force) of the correction table 24 for the same Hall element from the output of the AD converter 22.
  • the core unit 36 includes a CPU 38 and a register 39, or another cache memory, and a program memory 40.
  • the contents of the program are shown in FIG.
  • other arithmetic elements such as a digital signal processor and a gate array may be used.
  • the core unit 36 is shown as a functional block on the lower side of FIG. 3, the 0 crossing point approximate detection unit 44 obtains the addresses of the Hall elements on both sides of the 0 crossing point, and the position detection unit 45 has 1 each of the left and right of the 0 crossing point From the output of each element to 4 elements, the exact position of the 0 crossing point is detected.
  • a linearity correction unit 42 is preferably provided.
  • the linearity correction unit 42 converts a position obtained by the core unit 36 into a position where an error has been corrected, or a table of offsets of positions for each address of the Hall elements 5 and 6 and an offset. It consists of an addition / subtraction circuit.
  • the Hall elements 5 and 6 may generate an electromotive force even in the absence of an external magnetic field, and the output from the Hall element (the output of the AD converter 22) to the correction table 24 composed of a nonvolatile memory in an environment without a magnetic field that causes noise.
  • Write step 1). Moreover, there is no need to block external magnetic fields that are always present, such as geomagnetism.
  • step 2 and FIG. 3 execute a cycle in which the outputs of the Hall elements 5 and 6 are offset-corrected and written to the memory 34.
  • the core unit 36 executes steps S3 to S5 within the same time as the write cycle to the memory 34.
  • step 3 only the output of the Hall element 6 is scanned, in other words, the outputs are scanned every k pieces, the left element receives the magnetic flux density from the n pole (symbol n), and the right element from the s pole A pair of Hall elements that are receiving the magnetic flux density (symbol s) are detected.
  • there are an N pole 11 on the + X side and an S pole 12 on the ⁇ X side and the outputs of the magnetic detection elements 6 are read out from the + X side to the ⁇ X side every k pieces.
  • the output of the first magnetic detection element is n (N pole 11 is detected)
  • the output of the magnetic detection element (Hall element) first becomes s (S pole 12 is detected)
  • every k pieces Abort scanning.
  • the k upstream Hall elements With reference to the magnetic detection element whose output is inverted for the first time, the k upstream Hall elements always detect the N pole 11. This is true if the span of k Hall elements (k ⁇ a, where Hall element pitch is a) is less than the length of one magnetic pole. Therefore, it can be seen that the zero crossing point is between the hall element whose output is first s and the k upstream hall elements.
  • the scanning direction may be from the -X side to the + X side.
  • the scanning may be performed from one of the upstream and downstream of the estimated position to the other.
  • the polarity of the output of the magnetic detection element is scanned every k pieces, and a magnetic detection element having a polarity opposite to that of the first magnetic detection element is detected.
  • step 4 the outputs of the three elements between the pair and the output of one element outside the pair are read according to the conditions.
  • the output of the pair of elements has been read out in step 3.
  • an appropriate number of elements such as two elements whose output polarity is in the order of (n, s) or four elements whose polarity is in the order of (n, n, s, s) are extracted.
  • the output of these elements is (n-1, s + 1) or (n-2, n-1, s + 1, s + 2).
  • the two elements are the two elements closest to the 0 crossing point.
  • n-1 represents the output of the magnetic detection element on the left side of the 0 crossing point
  • s + 1 represents the output of the right magnetic detection element.
  • Steps 3 and 4 are processed by the 0 crossing point outline detector.
  • represent the absolute value of the output (the absolute value of the electromotive force).
  • P the position in the array of Hall elements whose output is n-1 is Pn-1, and the pitch of the Hall elements is a
  • the leading “ ⁇ ” is because the left side of FIG. 1 is defined as + X.
  • Ps + 1 is the position in the array of the Hall element whose output is s + 1. If two adjacent elements on both sides of the 0 crossing point are used, the position can be detected accurately and with a small amount of calculation, but the present invention is not limited to this. For example, in the above example, an element having an output of n-2 and an element having an output of s + 1 may be used.
  • Step 5 is processed by the position detection unit.
  • Figure 5 shows the output of the Hall element near the 0 crossing point.
  • the zero crossing point is located symmetrically with respect to the pair of magnetic poles in the magnet pair, and is not affected even if the distance between the Hall element array and the magnet pair varies and the intensity distribution of the magnetic flux density varies.
  • the magnetic flux density changes substantially linearly in the range where the phase on both sides of the 0 crossing point is about ⁇ 30 °.
  • the Hall elements in the range where the magnetic flux density changes linearly, in particular, the two Hall elements closest to the 0 crossing point or the 4 Hall elements closest to the 0 crossing point are extracted, and the zero crossing point is extracted. Find the position. Further, since the ratio of the magnetic flux density is used, even if the strength of the magnetic flux density fluctuates and the electromotive force of the Hall element fluctuates due to the ambient temperature or the like, the influence is small.
  • FIG. 6 shows the change of the magnetic flux density according to the distance from the magnetic pole surface, and the magnetic flux density distribution deviates from the sine wave when the distance is too large or too small.
  • the point where the magnetic flux density is n on the left side and s on the right side is only the 0 crossing point.
  • the array length of the k Hall elements that is, a is the pitch of the Hall elements, and a ⁇ k is one magnetic pole in the longitudinal direction of the Hall element array. If it is less than the length, the 0 crossing point will not be missed.
  • the output of the Hall element is extracted every k pieces. In that case, it is possible to detect not only the change of the magnetic flux density from n to s but also the change from s to n.
  • FIG. 7 shows an error when the offset of the Hall electromotive force is corrected
  • FIG. 8 shows an error when the offset is not corrected, and both show errors from a reliable sensor as a reference.
  • the linearity was corrected by data obtained at a position where the distance between the magnetic pole and the Hall element array was 5 mm.
  • the error was reduced to 1/2 to 1/3 by offset correction.
  • FIG. 9 shows a modified position detection algorithm, and the same steps as in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals.
  • Step 6 the addresses of the Hall elements on both sides of the 0 crossing point are stored in a register at an appropriate timing
  • step 7 it is confirmed whether or not there is a zero crossing point between the stored address pairs (step 7). If there is, the scan of step 3 can be omitted, and if not, the scan of step 3 is executed. To do.
  • This algorithm estimates the current zero crossing point from the previous zero crossing point, and the estimation method can be changed as appropriate. For example, the 0 crossing point may be searched in the range of two elements on the left and right of the 0 crossing point. Further, when the right magnet pair 10b enters the detection range in the situation of FIG. 1 and the original magnet pair 10 is out of the detection range, step 3 is executed after step 7.
  • the processing time can be further shortened by scanning the outputs of the Hall elements every k, and stopping the scanning when the Hall elements that detect the S or N pole are extracted for the first time.
  • the ratio of output is used, the division that requires the most time in the core unit 36 is only one time, and no time is required.
  • the offset of the electromotive force of the Hall element is corrected, accurate position detection is possible.
  • the Hall elements 5 and 6 are used, but other magnetic detection elements that can detect the direction of the magnetic flux density and the strength of the magnetic flux density and are not coils may be used.
  • the output of each left and right one element of the 0 crossing point is used, it may be two left and right elements, or left and right four elements. When the detection accuracy may be low, the correction table 24 and the linearity correction unit 42 are unnecessary. When extremely high speed is required, only the output of the Hall element near the estimated position of the 0 crossing point may be written to the memory 34.

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Abstract

　０クロッシングポイントの概略位置をより短時間で求めることができるようにする。磁気式の位置センサは、複数個の磁気検出素子を直線上に配列したアレイにより、一対の磁極からの磁束密度がアレイの長手方向に垂直な平面内で０となる０クロッシングポイントを検出する。磁気検出素子は磁束密度の方向が反転すると、出力の極性が変化する素子で、アレイから磁気検出素子の出力をｋ個毎に読み出し（ｋは２以上の整数）、０クロッシングポイントの概略位置を検出する。そして０クロッシングポイントの両側の少なくとも２個の磁気検出素子の出力を用いて、０クロッシングポイントの位置を検出する。

Description

磁気式の位置センサ及び位置検出方法
　この発明は磁気式の位置センサに関し、特に短周期でかつ正確に位置を検出できる磁気式の位置センサに関する。この発明はまた、磁気式の位置センサによる位置の検出方法に関する。
　出願人は、コイルアレイにより磁石等の磁気マークを検出する、磁気式の位置センサを開発した（例えば特許文献１　JP2008-209393A）。この位置センサでは、磁極の表面に平行にコイルアレイを配置すると、コイルアレイの長手方向に沿ってsin波状に磁束密度が変化することを前提としている。しかしながら実際には、コイルアレイと磁極表面との間隔にはバラツキがある。そして標準的な間隔から外れると、磁束密度の強度はsin波から外れて三角波あるいは台形波に近くなり、検出誤差の原因となる。　
　上記の位置センサの他の問題として、高速で、即ち短い繰り返し周期で、位置を検出することが難しい点がある。上記の位置センサでは、コイルアレイに交流を加え、コイルに加わる電圧、電流等の位相が０となる点で位置を検出する。コイル電流の周波数を大きくするのは難しいので、交流の周波数により、時間当たりの検出回数が制限される。　
　コイルの代わりにホール素子等の磁気検出素子を用いる位置センサとして、特許文献２（JP2007-178158A）のものが知られている。この位置センサでは、磁気検出素子のアレイにより磁石対からの磁束密度を検出し、磁束密度が０となる点、即ち一対の磁石の中間点を検出する。この点を０クロッシングポイントと呼ぶと、０クロッシングポイントの両側で磁気検出素子の出力は符号が反転し、かつ磁束密度はほぼ直線状に変化する。そこで０クロッシングポイント付近の磁気検出素子の出力分布を近似する直線を最小２乗法により求め、直線の値が０となる点を０クロッシングポイントとする。０クロッシングポイントを正確に求め、かつある程度の測定レンジを持つためには、多数の磁気検出素子をアレイに並べる必要がある。しかし多数の磁気検出素子の出力を走査して、０クロッシングポイントの位置を求めるには、処理時間を要する。
JP2008-209393A JP2007-178158A
　この発明の課題は、０クロッシングポイントの位置をより短時間で求めることができるようにし、時間当たりの位置の検出回数を増すことにある。
　この発明は、複数個の磁気検出素子を直線上に配列したアレイにより、一対の磁極からの磁束密度がアレイの長手方向に垂直な平面内で０となる０クロッシングポイントを検出するようにした磁気式の位置センサにおいて、
　前記磁気検出素子は、磁束密度の方向が反転すると、出力の極性が変化する素子であり、
　前記アレイと、
　前記アレイから磁気検出素子の出力をｋ個毎に読み出し（ｋは２以上の整数）、読み出した出力を用いて、０クロッシングポイントの概略位置を検出する０クロッシングポイント概略検出部と、
　０クロッシングポイントの両側の少なくとも２個の磁気検出素子の出力を用いて、０クロッシングポイントの位置を検出する位置検出部、とを備えていることを特徴とする。
　この発明の位置検出方法は、
　複数個の磁気検出素子を直線上に配列したアレイを有する位置センサにより、一対の磁極からの磁束密度がアレイの長手方向に垂直な平面内で０となる０クロッシングポイントを検出する位置検出方法において、
　前記磁気検出素子は、磁束密度の方向が反転すると、出力の極性が変化する素子であり、
　位置センサの０クロッシングポイント概略検出部により、前記アレイから磁気検出素子の出力をｋ個毎に読み出し（ｋは２以上の整数）、読み出した出力を用いて、０クロッシングポイントの概略位置を検出するステップと、
　位置センサの位置検出部により、０クロッシングポイントの両側の少なくとも２個の磁気検出素子の出力を用いて、０クロッシングポイントの位置を検出するステップ、とを実行することを特徴とする。 
　この発明では、アレイの全ての磁気検出素子の出力を走査するのではなく、ｋ個毎に出力を走査すればよい。従って走査する素子の数を減らし、より高速で０クロッシングポイントの概略位置を求めることができる。なお毎回ｋ個毎に走査する必要はなく、前回のデータから０クロッシングポイントの概略位置を推定できる場合、推定位置を用いればよい。この明細書において、磁気式の位置センサに関する記載はそのまま位置検出方法にも当てはまる。
　好ましくは磁気式の位置センサは、検出対象の磁極が存在しない環境での前記アレイの各磁気検出素子からの出力を補正するための補正データを記憶する不揮発性のメモリと、前記不揮発性メモリ中の補正データにより、各磁気検出素子からの出力を補正するための補正部、とをさらに備える。
　磁気検出素子には、外部からの磁界がなくても出力が０にならないものがある。そこでこのような出力のオフセット誤差を求めて、補正データを不揮発性メモリに記憶すると、オフセット誤差の影響を小さくできる。例えば図８はオフセット誤差の補正前の検出誤差、図７はオフセット誤差の補正後の検出誤差を示す。
　また好ましくは、前記０クロッシングポイント概略検出部は、前記直線に沿って一方向に、ｋ個毎に磁気検出素子の出力を読み出し、前記一対の磁極の内で走査方向での下流側の磁極を検出している磁気検出素子の出力を読み出すことにより、０クロッシングポイントの概略位置を検出するように構成されている。
　一対の磁極の内でどちらが上流でどちらが下流にあるかが位置センサにとって既知とすると、例えば上流側から下流側へｋ個毎に磁気検出素子の出力の極性を読み出し、下流側の磁極を検出する。するとその位置からｋ個上流側の磁気検出素子までの間に、０クロッシングポイントが有り、高速で０クロッシングポイントの概略位置を求めることができる。以上のように、０クロッシングポイントの概略位置を求めるとは、ｋ個以下の範囲に０クロッシングポイントの位置を特定することである。
　好ましくは、前記アレイは、磁気検出素子のピッチをaとして、ｋ×aが１個の磁極の長さ以下となるように、磁気検出素子が配列され、前記０クロッシングポイント概略検出部は、最初の磁気検出素子に対して始めて出力の極性が異なる磁気検出素子を検出すると、ｋ個毎の磁気検出素子の出力の読み出しを終了するように構成されている。このようにすると、出力の極性が異なる最初の磁気検出素子とそのｋ個上流側の磁気検出素子との間に、０クロッシングポイントが存在するので、速やかに出力の読み出しを停止できる。
　また好ましくは、前記０クロッシングポイント概略検出部は、前記始めて出力の極性が異なる磁気検出素子を検出すると、その上流側のｋ－１個の磁気検出素子の出力を読み出すことにより、０クロッシングポイントの両側の少なくとも２個の磁気検出素子の出力を求めるように構成されている。このようにすると、高速で０クロッシングポイントの両側の磁気検出素子の出力を読み出すことができる。
　特に好ましくは、０クロッシングポイントの両側の磁気検出素子中の、読み出し方向上流側の磁気検出素子の出力の絶対値をα１、そのアレイ内位置をＰ１、読み出し方向下流側の磁気検出素子の出力の絶対値をα２、そのアレイ内位置をＰ２とし、読み出し方向上流側で座標が大きくなり、読み出し方向下流側で座標が小さくなるとする際に、
　前記位置検出部は、
　Ｐ＝－α１／（α１＋α２）×a＋Ｐ１
もしくは
　Ｐ＝α２／（α１＋α２）×a＋Ｐ２
により、０クロッシングポイントの位置を求めるように、構成されている。
　このようにすると、演算で最も時間を要する除算は１回で足り、時間を要しない。また磁極から受ける磁束密度の強弱、磁気検出素子の温度係数等の影響を小さくできる。
実施例でのホール素子アレイの配置を模式的に示す図 実施例での信号処理回路のブロック図 図２の処理部の構成を示すブロック図 実施例での位置検出アルゴリズムを示すフローチャート 実施例での位置の算出原理を示す図 磁極表面からの距離と磁束密度とを示す図 ホール素子のオフセット補正後の位置センサの誤差を示す図 ホール素子のオフセット補正前の位置センサの誤差を示す図 変形例での位置検出アルゴリズムを示すフローチャート
　以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。この発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき、明細書の記載とこの分野での周知技術とを参酌し、当業者の理解に従って定められるべきである。
　図１～図８に、実施例での磁気式の位置センサ２とその特性を示す。各図において、４はホール素子アレイで、５，６は個々のホール素子である。この発明ではｋ個毎にホール素子の出力を走査し、０クロッシングポイントの概略位置を検出する。ｋの値は例えば２，４，６，８，１２等で、実施例ではｋ＝４として説明する。そして走査時に出力を読み出すホール素子（ｋ個毎に配置）を６で表し、他のホール素子を５で表す。ホール素子アレイ４の全長は例えば50mm～500mm程度で、合計で例えば数十個～数百個のホール素子５，６を１直線上に配列する。各ホール素子には直流電源８から電流を加え、ホール起電力を出力として取り出す。
　１０は磁石対で、一対の磁極１１，１２が、表面がホール素子アレイと平行に向き合うように間隔を置いて配置されている。磁極は、図１の左側（＋Ｘ側）にＮ極１１、右側（－Ｘ側）にＳ極１２が配置され、周囲を鋼板等のヨーク１４で囲って、磁石対１０の取り付けに用いると共に、外部磁界を遮断する。磁極１１，１２は極性が逆で、磁力が等しく、磁極１１，１２の中間を通って、ホール素子アレイ４の長手方向に垂直な面内では、Ｘ軸に垂直な磁束密度は０となる。そしてこの面とホール素子アレイ４との交点が０クロッシングポイントである。この明細書では、ホール素子アレイ４に平行な方向をＸ軸とし、図１の左側を＋Ｘ、右側を－Ｘとする。０クロッシングポイントの周囲での位置を表すため、磁界の位相として、磁極１１の＋Ｘ側の端部を+180°、磁極１２の－Ｘ側の端部を-180°とする位相を用いる。またホール素子アレイ４内でのホール素子５，６の番号をホール素子のアドレスとし、ホール素子アレイ４内での位置を表すために用いる。アドレスは＋Ｘ側が先頭で小さく、－Ｘ側が末尾で大きいものとする。
　実施例では、ホール素子アレイ４等の磁気式位置センサ２が移動体に搭載され、磁石対１０等の被検出用の磁気マークが地上側に固定されているものとする。そして１対の磁極１１，１２の代わりに、多数個の磁極を、１個毎に極性が反転するように、配列しても良い。また常時位置を検出できるように、ホール素子アレイ４の検出レンジよりも短い間隔で磁石対１０を繰り返し配置しても良い。この場合に、磁石対１０の間隔が一定である必要はない。また特定のレンジが重要な場合、例えば工作機械で工具等を精密送りするレンジ、あるいは何らかの位置決めを行うレンジ等を検出する場合、磁石対１０をそのレンジにのみ配置しても良い。また実施例とは逆に、磁気式位置センサ２を地上側に固定し、磁気マークを移動体に搭載しても良い。さらに磁石対１０の代わりに、リニアモータ用の磁石の列等を磁気マークとして検出しても良い。この明細書では、ホール素子アレイ４とその駆動回路とを磁気式の位置センサ２とし、磁石対１０等は位置センサ２の外部にあるものとする。
　実施例では、磁極１１，１２が地上に固定で、図１の左側にＮ極１１が、右側にＳ極１２があるものとして説明する。しかし、左側にＳ極１２が、右側にＮ極１１がある場合、ホール素子の出力での（n,s）の極性を、明細書の記載とは逆に解釈すればよい。また０クロッシングポイントの絶対的な位置は位置センサにとって既知であるものとする。そして０クロッシングポイントがホール素子アレイ４のどの位置に面しているかが判明すると、０クロッシングポイントを基準とする位置センサ２の相対位置が判明し、０クロッシングポイントの絶対的な位置が既知なので、位置センサ２の絶対位置も判明する。なお０クロッシングポイントを基準とする相対位置のみが要求され、絶対位置が要求されない場合もある。また磁極１１，１２が移動体内の既知の位置に配置されている場合、０クロッシングポイントの位置を磁気式位置センサ２により求めることにより、移動体の位置を求めることができる。
　図２に磁気式の位置センサ２の駆動回路を示す。マルチプレクサ１８はアンプ２０へ接続するホール素子５，６を切り換え、アンプ２０はホール起電力を増幅すると共に積分フィルタ等により起電力中の高周波成分を除去する。ADコンバータ２２は例えば1MHz以上の高速ADコンバータで、8-16ビット程度の分解能で、その出力を処理部１６が記憶する。また処理部１６は、ADコンバータの出力からホール素子５，６毎に固有の補正値を引き算し、引き算後の出力から０クロッシングポイントを検出する。この補正値は、磁石対１０からの磁界がない状態でのホール素子の出力で、不揮発性のメモリから成る補正テーブル２４に記憶する。
　処理部１６の詳細を図３に示す。クロック発生部２５はホール起電力の読み出しからメモリ３４への記憶までのタイミング信号を発生し、この信号に従ってマルチプレクサ１８を切り換え、アドレス制御部２６，３０がデータの読み出しと書き込みのアドレスを発生する。アドレス制御部２６はADコンバータ２２の信号をメモリ２８へ書き込む際のアドレスを発生し、アドレス制御部３０は補正テーブル２４からの読み出しアドレスと、メモリ３４への書き込みアドレスとを発生する。差分部３２はADコンバータ２２の出力から、同じホール素子に対する補正テーブル２４のデータ（補正用起電力）を引き算する。以上の処理により、ホール素子５，６毎のオフセット（外部磁界がない環境でのホール起電力）を補正した起電力を、ホール素子５，６の起電力が例えば100KHz以上の周期で更新されるように、メモリ３４へ書き込む。
　コア部３６はCPU３８とレジスタ３９、あるいは他のキャッシュメモリと、プログラムメモリ４０とを備え、プログラムの内容は図４に示す。プログラム駆動のCPU３８の代わりに、デジタルシグナルプロセッサ、ゲートアレイ等の他の演算素子を用いても良い。コア部３６を機能ブロックとして図３の下側に示すと、０クロッシングポイント概略検出部４４は０クロッシングポイントの両側のホール素子のアドレスを求め、位置検出部４５は０クロッシングポイントの左右の各１素子～各４素子の出力から、０クロッシングポイントの正確な位置を検出する。
　ホール素子５，６のアドレスと実際の位置との間の誤差等を除くため、好ましくはリニアリティ補正部４２を設ける。リニアリティ補正部４２は、コア部３６が求めた位置を、誤差を補正済みの位置へ変換するための変換表、あるいはホール素子５，６のアドレス毎の位置のオフセットのテーブルとオフセットを除くための加減算回路、等で構成する。
　図４，図５に位置検出のアルゴリズムを示す。ホール素子５，６は外部磁界が無い場合でも起電力を生じることがあり、ノイズとなる磁界がない環境でホール素子からの出力（ADコンバータ２２の出力）を不揮発性メモリから成る補正テーブル２４へ書き込む（ステップ１）。また地磁気等の常時存在する外部磁界は遮断する必要がない。
　図２，図３のマルチプレクサ１８～差分部３２は、各ホール素子５，６の出力をオフセット補正し、メモリ３４へ書き込むサイクルを実行する。コア部３６はステップＳ３～Ｓ５を、メモリ３４への書き込みサイクルと同じ時間内に実行する。ステップ３では、ホール素子６の出力のみを走査し、言い換えるとk個毎に出力を走査し、左側の素子がn極からの磁束密度を受け（記号n）、右側の素子がs極からの磁束密度を受けている（記号s）、ホール素子の対を検出する。例えば＋Ｘ側にＮ極１１が－Ｘ側にＳ極１２が有り、＋Ｘ側から－Ｘ側へｋ個毎に磁気検出素子６の出力を読み出す。
　実施例では、最初の磁気検出素子の出力がn（Ｎ極１１を検出）なので、磁気検出素子（ホール素子）の出力が始めてｓ（Ｓ極１２を検出）となった際に、ｋ個毎の走査を打ち切る。始めて出力が反転した磁気検出素子を基準として、ｋ個上流側のホール素子は必ずＮ極１１を検出している。このことは、ｋ個のホール素子のスパン（ホール素子のピッチをaとして、ｋ×ａ）が１個の磁極の長さ以下であれば、成り立つ。そこで０クロッシングポイントは、出力が始めてｓとなったホール素子とそのｋ個上流のホール素子との間にあることが分かる。走査の方向は－Ｘ側から＋Ｘ側向きでも良く、また０クロッシングポイントの概略位置を推定できる場合、推定位置の上流あるいは下流の一方から他方へと走査すればよい。一般的に説明すると、ｋ個毎に磁気検出素子の出力の極性を走査し、最初の磁気検出素子と始めて極性が逆になる磁気検出素子を検出する。
　ステップ４で、このペアの間の３個の素子の出力、及び条件によってペアの外側の１個の素子の出力とを読み出す。なおここではｋ＝４とし、ペアの間には３個の素子が有るので、３個の素子の出力を読み出す。またペアとなる一対の素子の出力は、ステップ３で読み出し済みである。このようにして出力の極性が（n,s）の順となる２素子、あるいは極性が（n,n,s,s）の順となる４素子等、適宜の個数の素子を抽出する。これらの素子の出力を（n-1,s+1）、あるいは（n-2,n-1,s+1,s+2）とする。また前記の２素子は、０クロッシングポイントに最近接した２素子である。ここにn-1は０クロッシングポイントの左側の磁気検出素子の出力を、s+1は右側の磁気検出素子の出力を表す。なおステップ３，４は、０クロッシングポイント概略検出部が処理する。
　ステップ５で、０クロッシングポイントの左側の素子の出力（n-1）と、右側の素子の出力（s+1）と、２素子の出力の和Ｔ＝｜n-1｜+｜s+1｜とを求める。なお｜n-1｜，｜s+1｜は出力の絶対値（起電力の絶対値）を表す。０クロッシングポイントの位置をＰとし、例えば出力がn-1のホール素子のアレイ内での位置をＰn-1、ホール素子のピッチをaとすると、０クロッシングポイントの位置Ｐは　
　Ｐ＝－｜n-1｜／（｜n-1｜＋｜s+1｜）×ａ＋Ｐn-1　で与えられる。ここで先頭の－は、図１の左側を＋Ｘと定めたためである。なおホール素子の位置はそのアドレスから判明し、Ｐ＝＋｜s+1｜／（｜n-1｜＋｜s+1｜）×ａ＋Ｐs+1 等としても良い。ここにＰs+1は、出力がs+1のホール素子のアレイ内位置である。０クロッシングポイントの両側の隣接した２素子を用いると、位置を正確にかつ少ない演算量で検出できるが、それには限らない。例えば前記の例では、出力がn-2の素子と出力がs+1の素子等を用いても良い。また例えば４個の素子の出力を求める場合、４個の素子の出力に合致する直線を求め、この直線で出力が０となる点を０クロッシングポイントとしても良い。この場合、０クロッシングポイントの位置Ｐは　
　Ｐ＝－(｜n-2｜＋｜n-1｜)／(｜n-2｜＋｜n-1｜＋｜s+1｜＋｜s+2｜)×ａ＋Ｐn-1
で与えられる。なおステップ５は位置検出部が処理する。
　図５に０クロッシングポイントの付近での、ホール素子の出力を示す。０クロッシングポイントは磁石対での一対の磁極から対称な位置にあり、ホール素子アレイと磁石対との距離が変動し、磁束密度の強度分布が変動しても影響を受けない。また磁束密度は０クロッシングポイントの両側の位相が±３０°程度の範囲でほぼ直線状に変化する。そして磁束密度が直線状に変化する範囲のホール素子、特に０クロッシングポイントに最近接した２個のホール素子、あるいは０クロッシングポイントに最近接の４個のホール素子等を抽出し、０クロッシングポイントの位置を求める。さらに、磁束密度の比を用いるので、磁束密度の強弱が変動し、またホール素子の起電力が周囲温度等により変動しても、影響は小さい。
　図６～図８にデータを示す。図６は磁極表面からの距離による磁束密度の変化を示し、距離が大きすぎても小さすぎても、磁束密度の分布はsin波から外れてくる。ここで磁束密度が左側でｎ，右側でｓとなる点は０クロッシングポイントのみである。そしてｋ個毎にホール素子の出力を抽出する場合、ｋ個のホール素子の配列長さ、即ちａをホール素子のピッチとして、ａ×ｋがホール素子アレイの長手方向での１個の磁極の長さ以下であれば、０クロッシングポイントを見逃すことがない。なお磁石をほぼ隙間なく交互に繰り返して配置する場合も同様にk個毎にホール素子の出力を抽出する。その場合は、磁束密度がｎからｓへ変化することのみでなく、ｓからｎへ変化することも検出できる。
　図７はホール起電力のオフセットを補正した際の誤差を、図８はオフセットを補正しなかった際の誤差を示し、いずれも基準となる信頼性の高いセンサからの誤差を示す。なおいずれも、磁極とホール素子アレイとの間隔が5mmの位置で求めたデータにより、リニアリティを補正データした。オフセット補正により誤差は1/2～1/3に減少した。
　図９に変形例の位置検出アルゴリズムを示し、図４と同じステップは同じ符号で表す。図４のステップ２～５を実行する際に、適宜のタイミングで０クロッシングポイントの両側のホール素子のアドレスをレジスタに記憶する（ステップ６）。次の位置の検出では、記憶したアドレスの対の間に０クロッシングポイントがあるか否かを確認し（ステップ７）、有ればステップ３の走査を省略でき、無ければステップ３の走査を実行する。このアルゴリズムは、前回の０クロッシングポイントから今回の０クロッシングポイントを推定するもので、推定の手法は適宜に変更できる。例えば０クロッシングポイントの左右各２素子等の範囲で０クロッシングポイントを探索しても良い。また図１の状況で右側の磁石対１０ｂが検出レンジに入り、元の磁石対１０が検出レンジから外れると、ステップ７の次にステップ３を実行する。
　実施例では以下の効果が得られる。
1)　k個毎のホール素子６のホール起電力を走査して、０クロッシングポイントの概略位置を求めるので、全てのホール素子５，６を走査するよりも時間を要しない。特にｋ個毎にホール素子の出力を走査し、始めてＳ極あるいはＮ極を検出するホール素子を抽出した時に走査を打ち切ると、処理時間をさらに短縮できる。
2)　出力の比を用いるため、コア部３６で最も時間を要する除算は１回で足り、時間を要しない。
3)　ホール素子の起電力のオフセットを補正するので、正確な位置検出ができる。
4)　０クロッシングポイントを検出するので、磁石列からの磁束密度がsin波状か三角波状か台形状か等の影響を受けない。
5)　出力の比を用いるので、磁石列から受ける磁束密度の強弱、ホール素子５，６の温度係数等の影響を小さくできる。
　実施例では、ホール素子５，６を用いたが、磁束密度の方向と磁束密度の強弱を検出でき、かつコイルではない、他の磁気検出素子を用いても良い。実施例ではｋ＝４の例を説明したが、ｋ＝２，６，８，１２等でも良く、k個分のホール素子の配列長さが、磁石１個の長さ（ホール素子アレイの長手方向に沿った長さ）以下であることが好ましい。また０クロッシングポイントの左右各１素子の出力を用いたが、左右各２素子、あるいは左右各４素子等でも良い。検出の精度が低くても良い場合、補正テーブル２４とリニアリティ補正部４２は不要である。極端な高速性が要求される場合、０クロッシングポイントの推定位置付近のホール素子の出力のみをメモリ３４へ書き込んでも良い。
２　磁気式の位置センサ　　４　ホール素子アレイ
５，６　ホール素子　　８　直流電源　　１０　磁石対　　
１１　Ｎ極　　１２　Ｓ極　　１４　ヨーク　　１６　処理部
１８　マルチプレクサ　　２０　アンプ　　２２　ADコンバータ
２４　補正テーブル　　２５　クロック発生部
２６，３０　アドレス制御部　　２８　メモリ　　３２　差分部
３４　メモリ　　３６　コア部　　３８　CPU　　３９　レジスタ
４０　プログラムメモリ　　４２　リニアリティ補正部
４４　０クロッシングポイント概略検出部　　４５　位置検出部

Claims (7)

  1. 　複数個の磁気検出素子を直線上に配列したアレイにより、一対の磁極からの磁束密度がアレイの長手方向に垂直な平面内で０となる０クロッシングポイントを検出するようにした磁気式の位置センサにおいて、
    　前記磁気検出素子は、磁束密度の方向が反転すると、出力の極性が変化する素子であり、
    　前記アレイと、
    　前記アレイから磁気検出素子の出力をｋ個毎に読み出し（ｋは２以上の整数）、読み出した出力を用いて、０クロッシングポイントの概略位置を検出する０クロッシングポイント概略検出部と、
    　０クロッシングポイントの両側の少なくとも２個の磁気検出素子の出力を用いて、０クロッシングポイントの位置を検出する位置検出部、とを備えていることを特徴とする磁気式の位置センサ。
  2. 　検出対象の磁極が存在しない環境での前記アレイの各磁気検出素子からの出力を補正するための補正データを記憶する不揮発性のメモリと、
    　前記不揮発性メモリ中の補正データにより、各磁気検出素子からの出力を補正するための補正部、とをさらに備えることを特徴とする、請求項１の磁気式の位置センサ。
  3. 　前記０クロッシングポイント概略検出部は、前記直線に沿って一方向に、ｋ個毎に磁気検出素子の出力を読み出し、前記一対の磁極の内で下流側の磁極を検出している磁気検出素子の出力を読み出すことにより、０クロッシングポイントの概略位置を検出するように構成されていることを特徴とする、請求項１または２の磁気式の位置センサ。
  4. 　前記アレイは、磁気検出素子のピッチをaとして、ｋ×aが１個の磁極の長さ以下となるように、磁気検出素子が配列され、
    　前記０クロッシングポイント概略検出部は、最初の磁気検出素子に対して始めて出力の極性が異なる磁気検出素子を検出すると、ｋ個毎の磁気検出素子の出力の読み出しを終了するように構成されていることを特徴とする、請求項３の磁気式の位置センサ。
  5. 　前記０クロッシングポイント概略検出部は、前記始めて出力の極性が異なる磁気検出素子を検出すると、その上流側のｋ－１個の磁気検出素子の出力を読み出すことにより、０クロッシングポイントの両側の少なくとも２個の磁気検出素子の出力を求めるように構成されていることを特徴とする、請求項４の磁気式の位置センサ。
  6. 　０クロッシングポイントの両側の磁気検出素子中の、読み出し方向上流側の磁気検出素子の出力の絶対値をα１、そのアレイ内位置をＰ１、読み出し方向下流側の磁気検出素子の出力の絶対値をα２、そのアレイ内位置をＰ２とし、読み出し方向上流側で座標が大きくなり、読み出し方向下流側で座標が小さくなるとする際に、
    　前記位置検出部は、
    　Ｐ＝－α１／（α１＋α２）×a＋Ｐ１
    もしくは
    　Ｐ＝α２／（α１＋α２）×a＋Ｐ２
    により、０クロッシングポイントの位置を求めるように、構成されていることを特徴とする、請求項５の磁気式の位置センサ。
  7. 　複数個の磁気検出素子を直線上に配列したアレイを有する位置センサにより、一対の磁極からの磁束密度がアレイの長手方向に垂直な平面内で０となる０クロッシングポイントを検出する位置検出方法において、
    　前記磁気検出素子は、磁束密度の方向が反転すると、出力の極性が変化する素子であり、
    　位置センサの０クロッシングポイント概略検出部により、前記アレイから磁気検出素子の出力をｋ個毎に読み出し（ｋは２以上の整数）、読み出した出力を用いて、０クロッシングポイントの概略位置を検出するステップと、
    　位置センサの位置検出部により、０クロッシングポイントの両側の少なくとも２個の磁気検出素子の出力を用いて、０クロッシングポイントの位置を検出するステップ、とを実行することを特徴とする、位置検出方法。
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