CN110857847B - 位置检测*** - Google Patents
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Abstract
本发明的位置检测***具备:第一磁体、第一软质强磁性体和磁检测部。第一磁体具有在第一方向上着磁的磁化,并且形成包括第一磁力线的第一磁场。第一软质强磁性体沿着与第一方向正交的第二方向延伸,可以对第一磁体沿着第二方向直进移动,并且具有凹凸形状的第一外缘,第一外缘包括第一外缘部分和第二外缘部分,第一外缘部分在与第一方向和第二方向双方正交的第三方向上与第一磁体相距第一距离,第二外缘部分在第二方向上与第一外缘部分的位置不同且在第三方向上与第一磁体相距第二距离。磁检测部设置为相对第一磁体的位置维持一定,并且在第一软质强磁性体静止的状态下,第一磁力线在第一方向上通过磁检测部。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过检测伴随物体的移动的磁场变化来检测该物体的位置的位置检测***。
背景技术
本申请人迄今为止提出了磁式位置检测装置,其具备磁传感元件和以与该磁传感元件相向的方式排成一列的多个磁部件,并且可以唯一特定磁传感元件对多个磁部件的位置(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利5013146号
发明内容
然而,因为磁传感元件一般的角度检出范围限定于0°~360°,所以在上述专利文献1的磁式位置检测装置中,要满足检出对象的物体的移动量小于多个磁部件的配置间距这个必要条件。因此,在检出对象的物体的移动量大的情况下,不得不增大多个磁部件的配置间距。
因此,期望提供一种结构紧凑且可以更正确地进行移动物体的位置检测的位置检测***。
作为本发明的一种实施方式的位置检测***,具备:第一磁体、第一软质强磁性体和磁检测部。第一磁体具有在第一方向上着磁的磁化,并且形成包括第一磁力线的第一磁场。第一软质强磁性体沿着与第一方向正交的第二方向延伸,可以对第一磁体沿着第二方向直进移动,并且具有凹凸形状的第一外缘,第一外缘包括第一外缘部分和第二外缘部分,第一外缘部分在与第一方向和第二方向双方正交的第三方向上与第一磁体相距第一距离,第二外缘部分在第二方向上与第一外缘部分的位置不同且在第三方向上与第一磁体相距第二距离。磁检测部设置为相对第一磁体的位置维持一定,并且在第一软质强磁性体静止的状态下,第一磁力线在第一方向上通过磁检测部。
附图说明
图1是表示作为第一实施方式的位置检测***的整体结构例子的概略图。
图2是图1所示的位置检测***的一部分结构的示意性立体图。
图3是图1所示的位置检测***的一部分结构的示意性正视图。
图4是图1所示的检测模块的一部分结构的示意性立体图。
图5是图1所示的位置检测***的一部分结构的示意性侧视图。
图6是表示图4所示的磁传感器的电路结构的电路图。
图7是表示图4所示的磁传感器的主要部分结构的放大分解立体图。
图8A是用于说明图1所示的位置检测***的举动的说明图。
图8B是用于说明图1所示的位置检测***的举动的其他说明图。
图9A是作为第二实施方式的位置检测***的一部分结构例子的示意性立体图。
图9B是图9A所示的位置检测***的一部分结构例子的示意性正视图。
图10是图9所示的位置检测***的动作中的磁力线的变化的示意性第一说明图。
图11是图9所示的位置检测***的动作中的磁力线的变化的示意性第二说明图。
图12是图9所示的位置检测***的动作中的磁力线的变化的示意性第三说明图。
图13是表示图9所示的位置检测***的磁轭移动量与来自传感器部的输出的关系的特性图。
图14A是作为第三实施方式的位置检测***的一部分结构例子的示意性立体图。
图14B是图14A所示的位置检测***的一部分结构例子的示意性正视图。
图14C是图14A所示的位置检测***的一部分结构例子的其他示意性立体图。
图15是作为第一至第三实施方式的变形例的位置检测***的一部分结构例子的示意性立体图。
图16是作为第一参考例的位置检测***的一部分结构例子的示意性正视图。
图17是表示作为第四实施方式的旋转检测***的整体结构例子的概略图。
图18是图17所示的旋转检测***的一部分结构的示意性立体图。
图19是图17所示的检测模块的一部分结构的示意性立体图。
图20是图17所示的旋转检测***的一部分结构的示意性正视图。
图21是表示图19所示的磁传感器的电路结构的电路图。
图22A是用于说明图17所示的旋转检测***的举动的说明图。
图22B是用于说明图17所示的旋转检测***的举动的其他说明图。
图23A是表示作为第五实施方式的旋转检测***的一部分结构例子的概略侧视图。
图23B是表示图23A所示的旋转检测***的一部分结构例子的概略立体图。
图24A是表示作为第六实施方式的旋转检测***的一部分结构例子的概略立体图。
图24B是图24A所示的旋转检测***的一部分结构的示意性正视图。
图24C是图24A所示的旋转检测***的一部分结构的示意性侧视图。
图25是表示作为第七实施方式的旋转检测***的一部分结构例子的概略立体图。
图26A是表示作为第四至第七实施方式的第一变形例的旋转检测***的一部分结构例子的正视图。
图26B是表示作为第四至第七实施方式的第二变形例的旋转检测***的一部分结构例子的正视图。
图26C是表示作为第四至第七实施方式的第三变形例的旋转检测***的一部分结构例子的正视图。
图27A是作为第四至第七实施方式的第四变形例的旋转检测***的一部分结构的示意性立体图。
图27B是作为第四至第七实施方式的第四变形例的旋转检测***的一部分结构的示意性正视图。
图28是作为第四至第七实施方式的第五变形例的旋转检测***的一部分结构的示意性立体图。
图29是表示作为第二参考例的旋转检测***的一部分结构例子的正视图。
符号说明
1、1A~1C 位置检测***
10、20 磁轭
11、12 外缘
11T、12T 凸部
11U、12U 凹部
2 检测模块
3 传感器部
31、32 磁传感器
4 运算电路
46 角度运算部
47 位置运算部
6、6A、6B 磁体
6L 磁力线
7 基板
101、101A、101B 旋转模块
1T 凸部
1U 凹部
110 轴
111 旋转磁轭
102 检测模块
103 传感器部
131、132 磁传感器
104 运算电路
146 角度运算部
106 磁体
106L 磁力线
107 基板
108A、108B 磁轭
Bθ 旋转方向
Br 径向
Bz 旋转轴方向
H1 磁场
具体实施方式
下面参照附图对用于实施本发明的实施方式进行详细说明。以下说明的实施方式全都表示本发明所优选的一个具体例子。因此,在以下的实施方式中所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置以及连接形态等,仅仅是一个例子,并不旨在限定本发明。因此,对以下的实施方式的构成要素中的、在表示本发明的最上位概念的独立权利要求中没有记载的构成要素,作为任意的构成要素进行说明。再有,各个附图仅是示意图,图示并不一定严密。另外,在各个附图中,对实质上同一的结构附加同一的符号,并且省略或简化重复的说明。再有,说明按以下的顺序进行。
1.第一实施方式
由1个磁体形成磁场,检测1个磁轭的一个轴向的位置的位置检测***的例子。
2.第二实施方式
由1个磁体形成磁场,检测同步直进移动的2个磁轭的一个轴向的位置的位置检测***的例子。
3.第三实施方式
由2个磁体形成磁场,检测同步直进移动的2个磁轭的一个轴向的位置的位置检测***的例子。
4.第一至第三实施方式的变形例
5.第四实施方式
由1个磁体形成磁场,检测1个旋转磁轭的旋转角度的旋转检测***的例子。
6.第五实施方式
由2个磁体形成磁场,检测1个旋转磁轭的旋转角度的旋转检测***的例子。
7.第六实施方式
由1个磁体形成磁场,检测同期旋转的2个旋转磁轭的旋转角度的旋转检测***的例子。
8.第七实施方式
由2个磁体形成磁场,检测同期旋转的2个旋转磁轭的旋转角度的旋转检测***的例子。
9.第四至第七实施方式的变形例
<1.第一实施方式>
[位置检测***的结构]
最初,参照图1至图3,对作为本发明的第一实施方式的位置检测***1的结构进行说明。图1是表示位置检测***1的整体结构例子的概略方框图。另外,图2是表示位置检测***1的主要构成要素的立体图,图3是表示位置检测***1的主要构成要素的正视图。再有,在图2中,仅记载后述的磁轭10和磁体6;在图3中,仅记载后述的磁轭10、磁体6和传感器部3。
如图1所示,位置检测***1具备:固定在作为被测量物的移动体上的磁轭10,以及进行该磁轭10的X轴方向的位置的检测的检测模块2。再有,位置检测***1是对应于本发明的“位置检测***”的一个具体例子。
(磁轭10)
磁轭10是以X轴方向为长方向延伸且在与X轴方向正交的Y轴方向上具有厚度的板状部件。磁轭10设置为:对包括磁体6的检测模块2,可以沿着X轴向+X方向和-X方向直进移动。磁轭10具有在Z轴方向上与检测模块2的传感器部3和磁体6相向的外缘11。Z轴方向与X轴方向和Y轴方向双方正交。外缘11位于在Z轴方向上例如与磁体6相距11D(图2)的位置。在这里,外缘11并不平坦,例如具有包括凸部11T与凹部11U的凹凸形状。更具体地说,外缘11具有这样的形状,其中在Z轴方向上与磁体6的距离11D以例如正弦曲线的方式在X轴方向上周期性变动,也就是说具有连续的曲面。凸部11T是在Z轴方向上与磁体6相距第一距离D1的第一外缘部分。另外,凹部11U是在X轴方向上与凸部11T的位置不同且在Z轴方向上与磁体6相距第二距离D2的第二外缘部分。在此,第一距离D1是距离11D中的最小值,第二距离D2是距离11D中的最大值。X轴方向的从凸部11T到凹部11U的长度,相当于外缘11所呈的正弦曲线的半周期的长度0.5T。磁轭10含有例如坡莫合金等软质强磁性体作为主要成分。
在此,磁轭10的X轴方向的可能移动的长度L10(图3)可以小于等于外缘11的X轴方向的1周期的长度1T。这是因为能够容易地特定作为移动体的磁轭10的X轴方向的绝对位置。再有,可能移动的长度L10的起点和终点,可以分别与X轴方向的凸部11T的位置和凹部11U的位置一致,也可以分别与X轴方向的凸部11T的位置和凹部11U的位置不同。
磁轭10通过沿着X轴的自身的移动动作,能够使对传感器部3施加的来自磁体6的磁场的磁力线6L(后述)发生周期性变化。磁轭10对应于本发明的“第一软质强磁性体”的一个具体例子。
(检测模块2)
检测模块2具备传感器部3、运算电路4和磁体6。检测模块2中的传感器部3和运算电路4,虽然如图4所示设置在同一基板7上,但是并不限定于此,也可以设置在不同的多个基板上。再有,图4是图1所示的检测模块2的一部分结构的概略的示意性立体图。在此,传感器部3对应于本发明的“磁检测部”的一个具体例子。并且,磁体6对应于本发明的“第一磁体”的一个具体例子。
(传感器部3)
如图1所示,传感器部3具有磁传感器31和磁传感器32。磁传感器31检出伴随磁轭10向+X方向移动或-X方向移动的磁场的磁力线6L(后述)的变化,向运算电路4输出第一信号S1。同样,磁传感器32检出伴随磁轭10的移动的磁场的磁力线6L的变化,向运算电路4输出第二信号S2。在此,磁传感器31对应于本发明的“第一磁检测元件”的一个具体例子,磁传感器32对应于本发明的“第二磁检测元件”的一个具体例子。
如图4所示,磁传感器31具有沿着X轴方向的检出轴J31,磁传感器32具有沿着Z轴方向的检出轴J32,检出轴J31与检出轴J32实质上正交。因此,第一信号S1的相位与第二信号S2的相位互相不同。例如对于磁轭10的X轴方向的移动量ΔX(参照图2和图3),在第一信号S1显示电阻值按照sinθ变化时,第二信号S2显示电阻值按照cosθ变化。
图5是检测模块2的一部分结构的示意性侧视图。如图5所示,传感器部3在磁体6与磁轭10相向的Z轴方向上设置在磁体6与磁轭10之间,并且以与磁体6和磁轭10的双方分开的方式配置。另外,Y轴方向的传感器部3的中心位置CP3与Y轴方向的磁轭10的中心位置CP10,在Y轴方向上不同。特别是在本实施方式中,传感器部3设置在偏离Z轴方向上与磁轭10互相重叠的位置的位置。
图6是传感器部3的电路图。如图6所示,磁传感器31例如具有:包含4个磁电阻效应(MR:Magneto-Resistive effect)元件23(23A~23D)的惠斯登桥电路(以下称为桥接电路)24,以及差分检测器25。同样,磁传感器32具有:包含4个MR元件26(26A~26D)的桥接电路27,以及差分检测器28。
在桥接电路24中,MR元件23A和MR元件23B的一端彼此在连接点P1连接,MR元件23C和MR元件23D的一端彼此在连接点P2连接,MR元件23A的另一端与MR元件23D的另一端在连接点P3连接,MR元件23B的另一端与MR元件23C的另一端在连接点P4连接。在这里,连接点P3与电源Vcc连接,连接点P4接地。连接点P1、P2分别与差分检测器25的输入侧端子连接。在连接点P3与连接点P4之间被施加电压时,该差分检测器25检测连接点P1与连接点P2之间的电位差(MR元件23A、23D各自产生的电压下降的差),并且将其作为第一信号S1向运算电路4输出。同样,在桥接电路27中,MR元件26A和MR元件26B的一端彼此在连接点P5连接,MR元件26C和MR元件26D的一端彼此在连接点P6连接,MR元件26A的另一端与MR元件26D的另一端在连接点P7连接,MR元件26B的另一端与MR元件26C的另一端在连接点P8连接。在这里,连接点P7与电源Vcc连接,连接点P8接地。连接点P5、P6分别与差分检测器28的输入侧端子连接。在连接点P7与连接点P8之间被施加电压时,该差分检测器28检测连接点P5与连接点P6之间的电位差(MR元件26A、26D各自产生的电压下降的差),并且将其作为第二信号S2向运算电路4输出。
再有,在图6中附加符号JS1的箭头示意性地表示MR元件23A~23D、26A~26D各自的磁化固定层SS1(后述)的磁化方向。也就是说,表示:MR元件23A、23C的各个电阻值根据外部磁场的变化在彼此相同的方向上变化(增加或减少),MR元件23B、23D的各个电阻值全都根据外部磁场的变化在与MR元件23A、23C相反的方向上变化(减少或增加)。另外,MR元件26A、26C的各个电阻值的变化是:根据外部磁场的变化,相对于MR元件23A~23D的各个电阻值的变化相位偏离90°。MR元件26B、26D的各个电阻值全都根据外部磁场的变化,在与MR元件26A、26C相反的方向上变化。因此例如存在下列关系:如果位置检测***1的磁轭10移动,那么在某个角度范围内MR元件23A、23C的电阻值增大,MR元件23B、23D的电阻值减少。这时,MR元件26A、26C的电阻值以比MR元件23A、23C的电阻值的变化例如仅慢90°(或快)的方式变化,MR元件26B、26D的电阻值以比MR元件23B、23D的电阻值的变化仅慢90°(或快)的方式变化。
图7表示构成MR元件23、26的主要部分的传感器堆栈SS的一个例子。MR元件23、26全都包含实质上构造相同的传感器堆栈SS。如图7所示,传感器堆栈SS为层叠有包含磁性层的多个功能膜的自旋阀构造。具体地说,传感器堆栈SS为依次层叠:具有固定在一定方向的磁化JS1的磁化固定层SS1,没有显出特定方向的磁化的中层间SS2,和具有根据信号磁场的磁通密度变化的磁化JS3的磁化自由层SS3的构造。再有,图7表示没有施加磁体6形成的磁场等外部磁场的空载状态。再有,磁化固定层SS1、中间层SS2和磁化自由层SS3可以是单层构造,也可以是由多层构成的多层构造。
磁化固定层SS1包含例如钴(Co)、钴铁合金(CoFe)、钴铁硼合金(CoFeB)等强磁性材料。再有,也可以以与磁化固定层SS1邻接的方式,在中间层SS2的反对侧设置反强磁性层(未图示)。这样的反强磁性层由铂锰合金(PtMn)、铱锰合金(IrMn)等反强磁性材料构成。关于该反强磁性层,例如正方向的自旋磁矩与反方向的自旋磁矩完全处于相互抵消的状态,从而使邻接的磁化固定层SS1的磁化JS1的方向固定在正方向上。
例如在传感器堆栈SS的自旋阀构造为磁隧道结(MTJ:Magnetic TunnelJunction)的情况下,中间层SS2是由氧化镁(MgO)构成的非磁性的隧道阻挡层(Tunnelbarrier layer),是具有根据量子力学可以通过隧道电流的厚度的薄层。由MgO构成的隧道阻挡层例如能够通过下列处理来获得:使用由MgO构成的靶子(target)的溅射处理、镁(Mg)薄膜的氧化处理、或在氧气气氛中进行镁溅射的反应溅射处理。另外,除了MgO之外,也可以使用铝(Al)、钽(Ta)、铪(Hf)的各种氧化物或氮化物来构成中间层SS2。再有,中间层SS2也可以由例如钌(Ru)、金(Au)等铂族元素、铜(Cu)等非磁性金属构成。在这种情况下,自旋阀构造发挥作为巨磁电阻效应(GMR:Giant Magneto Resistive effect)膜的功能。
磁化自由层SS3是软质强磁性层,例如包含钴铁合金(CoFe)、镍铁合金(NiFe)或钴铁硼合金(CoFeB)等。
在磁传感器31的桥接电路24的MR元件23A~23D中,分别供给电流I1或电流I2,该电流I1或电流I2是来自电源Vcc的电流I10在连接点P3分流后的电流。分别从桥接电路24的连接点P1、P2取出的信号e1、e2流入差分检测器25。在这里,信号e1表示例如在将磁化JS1与磁化JS3之间的夹角作为γ时、按照“Acos(+γ)+B”(A、B全都为定数)变化的电阻变化,信号e2表示按照“Acos(-γ)+B”变化的电阻变化。另一方面,在磁传感器32的桥接电路27的MR元件26A~26D中,分别供给电流I3或电流I4,该电流I3或电流I4是来自电源Vcc的电流I10在连接点P7分流后的电流。分别从桥接电路27的连接点P5、P6取出的信号e3、e4流入差分检测器28。在这里,信号e3表示按照“Asin(+γ)+B”变化的电阻变化,信号e4表示按照“Asin(-γ)+B”变化的电阻变化。并且,来自差分检测器25的第一信号S1和来自差分检测器28的第二信号S2流入运算电路4。在运算电路4中,算出对应于tanγ的电阻值。在这里,因为γ对应于对传感器部3的磁轭10的移动量ΔX,所以能够求得磁轭10的移动量ΔX。
(运算电路4)
运算电路4如图1所示,例如具有:低通滤波器(LPF:low-pass filter)42A、42B,A/D转换部43A、43B,滤波器44A、44B,波形整形部45,角度运算部46,以及位置运算部47。
低通滤波器42A与磁传感器31连接,从磁传感器31向低通滤波器42A输入第一信号S1。输入低通滤波器42A的第一信号S1,经由A/D转换部43A和滤波器44A输入波形整形部45。同样,低通滤波器42B与磁传感器32连接,从磁传感器32向低通滤波器42B输入第二信号S2。输入低通滤波器42B的第二信号S2,经由A/D转换部43B和滤波器44B输入波形整形部45。
波形整形部45例如对从磁传感器31发送的第一信号S1与从磁传感器32发送的第二信号S2的波形进行整形。波形整形部45例如包含:检测偏移电压的差异、振幅的差异或磁传感器31和磁传感器32与磁轭10的相对位置的差异等的检测电路,以及对这些差异进行补正的补偿电路。
角度运算部46和位置运算部47是根据第一信号S1和第二信号S2算出磁轭10的沿着X轴方向的移动量ΔX的大小的IC电路。角度运算部46根据第一信号S1和第二信号S2算出磁力线6L的角度变化。位置运算部47根据由角度运算部46算出的磁力线6L的角度变化的信息,算出磁轭10的移动量ΔX,并且将包含有关该移动量ΔX的信息的第三信号S3向外部输出。
(磁体6)
磁体6隔着传感器部3位于磁轭10的相反侧。磁体6朝着磁轭10和传感器部3施加包括磁力线6L的磁场。传感器部3通过磁传感器31和磁传感器32,检测磁力线6L的方向变化。磁体6对传感器部3施加的磁场如图5所示,在通过传感器部3的位置具有沿着Y轴的方向的磁力线6L。磁力线6L的方向由于磁轭10向X轴方向的直进移动而周期性变动。在磁轭10对磁体6和传感器部3静止的状态下,通过传感器部3的磁力线6L的方向是实质上与磁轭10的移动方向正交的沿着Y轴的方向。这里所说的沿着Y轴的方向意味着:不限定于对Y轴完全平行即0°的方向,也可以是例如对Y轴呈±30°以下的角度的方向。因此,变动的磁力线6L的方向的振幅中心,虽然例如优选与Y轴完全一致的0°,但是也可以是以该0°为中心倾斜例如±30°以下的角度。另外,虽然变动的磁力线6L的方向的振幅越大越好,但是实质上为±5°左右。在此,在磁轭10的凹部11U最接近磁体6的状态下,磁力线6L的方向在通过传感器部3的位置实质上与Y轴方向一致。再有,磁体6的着磁方向J6可以例如实质上与Y轴方向一致。
[位置检测***1的动作和作用]
在本实施方式的位置检测***1中,能够通过包括传感器部3、运算电路4和磁体6的检测模块2检测磁轭10的X轴方向的移动量ΔX。
在位置检测***1中,伴随沿着X轴方向的磁轭10的直进移动,磁轭10的凸部11T或接近磁体6或远离磁体6。伴随这样的动作,磁体6产生的磁力线6L的矢量逐次变化。具体地说,如图8A所示,在磁轭10的凸部11T接近磁体6的状态下,磁体6产生的磁力线6L1具有对Y轴方向略微倾斜的矢量V1。对此,在磁轭10的凸部11T远离磁体6的状态下,也就是说,在凹部11U接近磁体6的状态下,磁体6产生的磁力线6L0具有与Y轴方向实质上一致的矢量V0。因此,通过磁轭10沿着X轴方向直进移动,也就是说,伴随凸部11T相对磁体6的位置的连续变化,如图8B所示,磁力线6L的矢量V进行岁差运动。再有,在图8B中,表示凸部T按照凸部11T1、凸部11T2、凸部11T3的顺序移动的状态。这时,凸部11T对磁体6的接近循环,与磁力线6L的矢量V的变化循环一致。传感器部3分别输出各自包含沿着X轴方向的分量Bx和沿着Z轴方向的分量Bz的第一信号S1和第二信号S2。使用这些第一信号S1和第二信号S2,能够通过运算电路4,求得磁轭10的移动量ΔX、X轴方向的绝对位置。
[位置检测***1的效果]
像这样,根据本实施方式的位置检测***1,磁轭10可以对传感器部3和磁体6沿着X轴方向直进移动,并且具有外缘11,外缘11包括与磁体6相距第一距离D1的凸部11T和与磁体6相距第二距离D2的凹部11U。因此,能够通过传感器部3检测伴随磁轭10的移动的磁体6的磁力线6L的矢量V的略微变动。在此,磁力线6L通过传感器部3的位置的磁力线6L的矢量V,朝向与磁轭10的移动方向即X轴方向实质上正交的Y轴方向。因此,能够抑制磁轭10、传感器部3与磁体6的相对位置的精度对来自传感器部3的输出信号的波形的影响。其结果是:根据本实施方式的位置检测***1,即使在小型化的情况下,也能够正确地求得磁轭10的移动量、磁轭10的绝对位置。
然而,如图16的(A)~(C)所示的作为参考例子的位置检测***,在磁体1006产生沿着该磁体1006与磁轭1010的外缘1011相向的Z轴方向的磁力线1006L的情况下,磁轭1010、传感器部1003与磁体1006的相对位置将对传感器部1003的检测精度产生大的影响。具体地说,在磁轭1010、传感器部1003与磁体1006的相对位置适当的情况下,如图16的(B)所示,第一信号S1001的波形和第二信号S1002的波形良好。然而,在磁轭1010、传感器部1003与磁体1006的相对位置在Z轴方向上略微偏离的情况下,如图16的(A)所示,第一信号S1001的波形产生变形,或者如图16的(C)所示,第二信号S1002的波形产生变形。另外,在这样的参考例子的位置检测***中,也由于磁轭1010在Z轴方向上的相对位置的偏差,而容易导致检测精度下降。
对此,根据本实施方式的位置检测***1,与作为上述参考例子的位置检测***比较,磁轭10、传感器部3与磁体6的相对位置的容许范围宽。因此,即使在小型化的情况下,也容易避免起因于磁轭10、传感器部3与磁体6的配置位置的偏差的位置检测精度的下降。
另外,根据本实施方式的位置检测***1,因为在作为被测量物的移动体上固定磁轭10,并且移动了磁轭10;所以不易如移动磁体那样在磁体上附着铁粉等磁性粉。如果在磁体上附着磁性粉,那么将影响该磁体形成的磁力线的方向,从而可能导致传感器部的检测精度的恶化。根据本实施方式的位置检测***1,因为没有必要移动磁体6,所以能够将磁体6设置在检测模块2的内部,从而避免在磁体6上附着磁性粉。因此,能够消除伴随在磁体6上附着磁性粉而导致检测精度恶化的顾虑。
另外,根据本实施方式的位置检测***1,因为是传感器部3与磁体6的相对位置保持为一定的构造,所以可以稳定地获得传感器部3所需的最低动作磁场强度,传感器部3的动作稳定性极佳。
进一步说,根据本实施方式的位置检测***1,因为磁体6不对传感器部3移动,也就是传感器部3与磁体6的距离一定;所以没有因作为被测量物的移动体的移动范围,而导致传感器部3的检测灵敏度降低。在作为被测量物的移动体的移动范围宽的情况下,能够通过扩大磁轭10的X轴方向的可能移动的长度L10(图3)来应对。X轴方向的可能移动的长度L10,能够通过变更磁轭10的凹凸形状(X轴方向的周期)来调整。
<2.第二实施方式>
其次,参照图9A和图9B,对作为本发明的第二实施方式的位置检测***1A的结构进行说明。在上述第一实施方式的位置检测***1中,对1个磁轭10和1个传感器部3,具备1个磁体6。对此,在第二实施方式的位置检测***1A中,如图9A和图9B所示,对1个传感器部3和1个磁体6,配置有2个磁轭即磁轭10和磁轭20。也就是说,位置检测***1A通过1个磁体6形成磁场,来检测同步直进移动的2个磁轭10、20的X轴方向的位置。除了这点之外,位置检测***1A具有与第一实施方式的位置检测***1实质上相同的结构。图9A是表示位置检测***1A中的2个磁轭10、20和磁体6的立体图,图9B是表示位置检测***1A中的2个磁轭10、20以及传感器部3和磁体6的正视图。再有,位置检测***1A对应于本发明的“位置检测***”的一个具体例子,磁轭20对应于本发明的“第二软质强磁性体”的一个具体例子。
如图9A和图9B所示,在位置检测***1A中,磁轭10与磁轭20在Y轴方向上对置。磁轭20是以对磁轭10平行的方式沿着X轴方向延伸且在Y轴方向上具有厚度的板状部件。磁轭20设置为:对包括磁体6的检测模块2,可以与磁轭10同步向+X方向和-X方向直进移动。再有,磁轭20被固定在与磁轭10共同的移动体上。
磁轭20具有在Z轴方向上与检测模块2的传感器部3和磁体6相向的外缘12。外缘12位于在Z轴方向上例如与磁体6相距12D(图9A)的位置。在这里,外缘12并不平坦,与磁轭10的外缘11同样,例如具有包括凸部12T与凹部12U的凹凸形状。更具体地说,外缘12具有这样的形状,其中在Z轴方向上与磁体6的距离12D以例如正弦曲线的方式在X轴方向上周期性变动,也就是说具有连续的曲面。凸部12T是在Z轴方向上与磁体6相距第三距离D3的第三外缘部分。另外,凹部12U是在X轴方向上与凸部12T的位置不同且在Z轴方向上与磁体6相距第四距离D4的第四外缘部分。在此,第三距离D3是距离12D中的最小值,第四距离D4是距离12D中的最大值。再有,在本实施方式的位置检测***1A中,第一距离D1与第三距离D3相等,第二距离D2与第四距离D4相等。另外,X轴方向的从凸部12T到凹部12U的长度,相当于外缘12所呈的正弦曲线的半周期的长度0.5T。再有,在本实施方式的位置检测***1A中,外缘11所呈的正弦曲线的1周期与外缘12所呈的正弦曲线的1周期相等(1T)。但是,如图9B所示,外缘11所呈的曲线的相位与外缘12所呈的曲线的相位仅相差0.5周期(0.5T)。
磁轭20与磁轭10同样,含有例如坡莫合金等软质强磁性体作为主要成分。
磁轭10和磁轭20通过沿着X轴的一体的移动动作,能够使对传感器部3施加的来自磁体6的磁场的磁力线6L发生周期性变化。再有,磁体6如后述的图10~图12所示,也可以在Y轴方向上配置在磁轭10与磁轭20之间。
接着,参照图10~图13,对图9A等所示的位置检测***1A的动作中的磁力线6L的变化进行说明。
图10表示在位置检测***1A中,磁轭10的凸部11T和磁轭20的凹部12U到达X轴方向的传感器部3的中心位置CP3的状态(以下称为“第一状态”。)。将图10的第一状态的磁轭10、20的位置作为基准位置0T。
图11表示在位置检测***1A中,凸部11T与凹部11U的X轴方向的中间点即凸部12T与凹部12U的X轴方向的中间点到达传感器部3的中心位置CP3的状态(以下称为“第二状态”。)。将图11的第二状态的磁轭10、20的移动量ΔX作为0.25T(1/4周期)。
图12表示在位置检测***1A中,磁轭10的凹部11U和磁轭20的凸部12T到达X轴方向的传感器部3的中心位置CP3的状态(以下称为“第三状态”。)。将图12的第三状态的磁轭10、20的移动量ΔX作为0.5T(1/2周期)。
图10的(A)、(B)和(C)分别是表示第一状态的位置检测***1A中的磁轭10、20以及传感器部3和磁体6的正视图、顶视图和侧视图。
图11的(A)、(B)和(C)分别是表示第二状态的位置检测***1A中的磁轭10、20以及传感器部3和磁体6的正视图、顶视图和侧视图。
图12的(A)、(B)和(C)分别是表示第三状态的位置检测***1A中的磁轭10、20以及传感器部3和磁体6的正视图、顶视图和侧视图。
并且,图13的(A)是表示在传感器部3中检出的磁力线6L的分量Bx与磁轭10、20的X轴方向的移动量ΔX的关系的特性图。另外,图13的(B)是表示在传感器部3中检出的磁力线6L的分量Bz与磁轭10、20的X轴方向的移动量ΔX的关系的特性图。
如图10所示,在第一状态中,通过传感器部3的磁力线6L的矢量V0不包含X轴方向的分量Bx,仅包含Y轴方向的分量By和Z轴方向的分量Bz。其中,在第一状态中,矢量V0的分量Bz为+Z方向。因此,如图13所示,在移动量ΔX=0T的基准位置,分量Bx为0。另一方面,在移动量ΔX=0T的基准位置,分量Bz为最大值HZ。
如图11所示,在磁轭10、20从第一状态向+X方向移动0.25T的第二状态中,通过传感器部3的磁力线6L的矢量V0.25不包含Z轴方向的分量Bz,仅包含X轴方向的分量Bx和Y轴方向的分量By。其中,在第二状态中,矢量V0.25的分量Bx为+X方向。因此,如图13所示,在移动量ΔX=0.25T的位置,分量Bx为最大值HX,分量Bz为0。
如图12所示,在磁轭10、20从第一状态向+X方向移动0.5T的第三状态中,与图10的第一状态同样,通过传感器部3的磁力线6L的矢量V0.5不包含X轴方向的分量Bx,仅包含Y轴方向的分量By和Z轴方向的分量Bz。其中,相对于图10的第一状态的矢量V0的分量Bz为+Z方向,图12的第三状态的矢量V0.5的分量Bz为-Z方向。因此,如图13所示,在移动量ΔX=0.5T的位置,分量Bx为0,分量Bz为最小值LZ。
像这样,在第二实施方式的位置检测***1A中,也能够利用各自包含分量Bx的变化和分量Bz的变化的第一信号S1和第二信号S2,求得磁轭10、20的沿着X轴方向的移动量ΔX。因此,能够期待获得与上述第一实施方式的位置检测***1同样的效果。
而且,在第二实施方式的位置检测***1A中,因为在与移动方向即X轴方向正交的Y轴方向上,具有相邻的2个磁轭即磁轭10和磁轭20;所以与第一实施方式比较,可以更加降低Y轴方向的传感器部3和磁体6的位置偏差(不对准)对检测精度的影响。这是因为:与1个磁轭的情况比较,由磁体6产生的磁场的沿着移动方向即X轴方向的分量Bx的振幅和由磁体6产生的磁场的沿着Z轴方向的分量Bz的振幅分别成为2倍,S/N比得到提高。
进一步说,通过在磁轭10与磁轭20之间配置传感器部3,在例如传感器部3沿着Y轴方向向远离磁轭10的方向偏离的情况下,传感器部3必然沿着Y轴方向接近磁轭20。因此,即使由于远离磁轭10而使波及传感器部3的磁场的磁通密度降低,也因为磁轭20接近传感器部3而使波及传感器部3的磁场的磁通密度得到增补。因此,根据本实施方式的位置检测***1A,能够防止由于传感器部3与磁轭10、20的Y轴方向的位置偏差的影响导致检测灵敏度降低。
<3.第三实施方式>
其次,参照图14A~图14C,对作为本发明的第三实施方式的位置检测***1B的结构进行说明。在上述第二实施方式的位置检测***1A中,对2个磁轭10、20和1个传感器部3,具备1个磁体6。对此,在第三实施方式的位置检测***1B中,如图14A和图14B所示,对1个传感器部3,配置有2个磁轭10、20和2个磁体6A、6B。也就是说,位置检测***1B通过2个磁体6A、6B形成磁场,来检测同步直进移动的2个磁轭10、20的X轴方向的位置。除了这点之外,位置检测***1B具有与第二实施方式的位置检测***1A实质上相同的结构。图14A是表示位置检测***1B中的2个磁轭10、20和2个磁体6A、6B的立体图,图14B是表示位置检测***1B中的2个磁轭10、20以及传感器部3和2个磁体6A、6B的正视图。另外,图14C是表示位置检测***1B中的传感器部3和2个磁体6A、6B的立体图。再有,位置检测***1B对应于本发明的“位置检测***”的一个具体例子,磁体6A和磁体6B分别对应于本发明的“第一磁体”和“第二磁体”的一个具体例子。
如图14A和图14B所示,在位置检测***1B中,磁体6A和磁体6B配置为:沿着磁轭10、20移动的X轴方向分开且相邻。传感器部3,在X轴方向上配置在磁体6A与磁体6B之间,并且在磁体6A和磁体6B与磁轭10、20相向的Z轴方向上配置在磁体6A和磁体6B与磁轭10、20之间。如图14C所示,磁体6A和磁体6B全都沿着Y轴方向着磁,并且产生分别包括磁力线6AL和磁力线6BL的磁场。磁力线6AL和磁力线6BL分别具有:在磁力线6AL和磁力线6BL通过传感器部3的位置,沿着Y轴的方向的实质上互相平行的矢量。
再有,磁体6A和磁体6B也可以在Y轴方向上配置在磁轭10与磁轭20之间。
像这样,在第三实施方式的位置检测***1B中,也能够期待获得与上述第一实施方式的位置检测***1和上述第二实施方式的位置检测***1A同样的效果。而且,在第三实施方式的位置检测***1B中,通过相邻配置的磁体6A和磁体6B产生磁力线6AL和磁力线6BL,并且在这些磁力线6AL和磁力线6BL通过传感器部3的位置,具有磁力线6AL和磁力线6BL沿着Y轴的方向的矢量。因此,在传感器部3的附近产生磁力线6AL与磁力线6BL互相排斥的不稳定区域,并且在例如磁轭10的凸部11T通过该不稳定区域的附近时,磁力线6AL的矢量的方向和磁力线6BL的矢量的方向敏感地变化。因此,在第三实施方式的位置检测***1B中,与第一实施方式的位置检测***1和第二实施方式的位置检测***1A比较,在传感器部3中可以获得更大的输出变化。
<4.第一至第三实施方式的变形例>
以上,虽然列举第一~第三实施方式说明了本发明,但是本发明并不限定于这些实施方式,可以做出各种变化。例如在上述各种实施方式中,虽然第一软质强磁性体和第二软质强磁性体各自的外缘为呈正弦曲线的曲面的凹凸形状,但是本发明并不限定于此。例如也可以是矩形状的外缘。
另外,在上述第三实施方式中,虽然对1个传感器部配置了2个磁轭和2个磁体,但是也可以例如对1个传感器部配置1个磁轭和2个磁体。
另外,在上述各种实施方式的各个图纸中,虽然1个磁轭的外缘具有1个凸部与1个凹部,但是本发明并不限定于此。如图15所示的作为第一至第三实施方式的变形例的位置检测***1C,磁轭10C、20C各自的外缘11、12也可以是多个凸部与多个凹部在X轴方向上交替配置的形状。
另外,磁轭的X轴方向的可能移动的长度,也可以比该磁轭的外缘的X轴方向的1周期的长度长。
另外,在上述实施方式等中,虽然磁检测部具备2个磁检测元件,但是在本发明中,磁检测元件的数量不限定于2个,可以是1个,也可以是3个以上。但是,在具备3个以上磁检测元件的情况下,这些磁检测元件优选地输出相位互相不同的信号。
另外,在上述第一实施方式中,作为磁检测元件,虽然举例说明了各自包括磁阻效应元件的磁传感器31和磁传感器32,但是本发明并不限定于此。也就是说,本发明的磁检测元件只要是能够检测磁场方向(角度)的变化的元件即可,没有特别限定,例如也可以是霍尔元件。
另外,本发明的磁检测部也可以具备1个以上的双轴磁检测元件,该双轴磁检测元件具有互相正交的第一检出轴和第二检出轴。或者,本发明的磁检测部也可以具备多个磁检测元件对,并且在该磁检测元件对中,接近配置有第一磁检测元件与第二磁检测元件,第一磁检测元件具有第一检出轴,第二磁检测元件具有与该第一检出轴正交的第二检出轴。在多处配置上述双轴磁检测元件的情况和多处配置上述磁检测元件对的情况下,它们的配置间距优选地全都在软质强磁性体的移动方向上与例如软质强磁性体的凸部的配置间距一致。
<5.第四实施方式>
[旋转检测***的结构]
最初,参照图17至图19,对作为本发明的第四实施方式的旋转检测***的结构进行说明。图17是表示该旋转检测***的整体结构例子的概略方框图。另外,图18是表示旋转检测***的主要构成要素的立体图。再有,在图18中,仅记载后述的旋转磁轭111和磁体106。
如图17所示,该旋转检测***具备:作为被测量物的旋转模块101,以及进行该旋转模块101的旋转角度的检测的检测模块102。再有,该旋转检测***是对应于本发明的“位置检测***”的一个具体例子。
(旋转模块101)
如图17和图18所示,旋转模块101例如具有:轴110,以及以包围该轴110的周围的方式设置的圆环状的旋转磁轭111。旋转磁轭111包含例如坡莫合金等软质强磁性体,并且对插通于旋转磁轭111的开口111K的轴110直接或间接地安装。对于检测模块102,旋转磁轭111设置为:可以与轴110形成一体,并且以旋转轴1J为中心向旋转方向Bθ旋转。在旋转磁轭111的周边部,沿着旋转方向Bθ周期性地以所定间隔交替配置有多个凸部1T与凹部1U。通过旋转模块101的旋转动作,在对检测模块102的传感器部103(后述)最近的位置,存在凸部1T的状态与存在凹部1U的状态交替重复。因此,旋转模块101通过自身的旋转动作,能够使对传感器部103施加的来自磁体106的磁场的磁力线106L(后述)发生周期性变化。再有,凸部1T包括与旋转轴1J相距r1的外缘OL1。凹部1U包括与旋转轴1J相距r2的外缘OL2。另外,将旋转磁轭111的凸部1T的总数或凹部1U的总数称为旋转磁轭111的齿数。旋转磁轭111是对应于本发明的“第一软质强磁性体”的一个具体例子。
(检测模块102)
检测模块102具备传感器部103、运算电路104和磁体106。检测模块102中的传感器部103和运算电路104,虽然如图19所示设置在同一基板107上,但是并不限定于此,也可以设置在不同的多个基板上。再有,图19是图17所示的检测模块102的一部分结构的概略的示意性立体图。
(传感器部103)
如图17所示,传感器部103具有磁传感器131和磁传感器132。磁传感器131检出伴随旋转磁轭111的旋转的磁场的磁力线106L的变化,向运算电路104输出第一信号S101。同样,磁传感器132检出伴随旋转磁轭111的旋转的磁场的磁力线106L的变化,向运算电路104输出第二信号S102。但是,如图19所示,因为磁传感器131具有检出轴J131,磁传感器132具有与检出轴J131实质上正交的检出轴J132,所以第一信号S101的相位与第二信号S102的相位互相不同。例如对于旋转磁轭111的旋转角度θ,在第一信号S101显示电阻值按照sinθ变化时,第二信号S102显示电阻值按照cosθ变化。
图20是检测模块102的一部分结构的示意性正视图。如图20所示,传感器部103在与旋转轴方向Bz正交的径向Br上配置在旋转磁轭111的外缘111G与磁体106之间。因此,传感器部103在旋转轴方向Bz上偏离与旋转磁轭111互相重叠的位置。再有,旋转轴方向Bz是旋转轴1J的延伸方向。
图21是传感器部103的电路图。如图21所示,磁传感器131例如具有:包含4个磁电阻效应(MR:Magneto-Resistive effect)元件23(23A~23D)的惠斯登桥电路(以下称为桥接电路)24,以及差分检测器25。同样,磁传感器132具有:包含4个MR元件26(26A~26D)的桥接电路27,以及差分检测器28。再有,传感器部103具有与图6所示的第一实施方式的传感器部3实质上相同的结构。因此,在下文中,对与传感器部3的说明重复的部分,适宜地省略传感器部103的说明。
在磁传感器131的桥接电路24的MR元件23A~23D中,分别供给电流I1或电流I2,该电流I1或电流I2是来自电源Vcc的电流I10在连接点P3分流后的电流。分别从桥接电路24的连接点P1、P2取出的信号e1、e2流入差分检测器25。在这里,信号e1表示例如在将磁化JS1与磁化JS3之间的夹角作为γ时、按照“Acos(+γ)+B”(A、B全都为定数)变化的电阻变化,信号e2表示按照“Acos(-γ)+B”变化的电阻变化。另一方面,在磁传感器132的桥接电路27的MR元件26A~26D中,分别供给电流I3或电流I4,该电流I3或电流I4是来自电源Vcc的电流I10在连接点P7分流后的电流。分别从桥接电路27的连接点P5、P6取出的信号e3、e4流入差分检测器28。在这里,信号e3表示按照“Asin(+γ)+B”变化的电阻变化,信号e4表示按照“Asin(-γ)+B”变化的电阻变化。并且,来自差分检测器25的第一信号S101和来自差分检测器28的第二信号S102流入运算电路104。在运算电路104中,算出对应于tanγ的电阻值。在此,因为γ相当于对传感器部103的旋转模块101的旋转角度θ,所以能够求得旋转角度θ。
(运算电路104)
运算电路104如图17所示,例如具有:低通滤波器42A、42B,A/D转换部43A、43B,滤波器44A、44B,波形整形部45,以及角度运算部46。运算电路104除了没有位置运算部47之外,具有与图1所示的第一实施方式的运算电路4实质上相同的结构。因此,在下文中,对与运算电路4的说明重复的部分,适宜地省略运算电路104的说明。
低通滤波器42A与磁传感器131连接,从磁传感器131向低通滤波器42A输入第一信号S101。输入低通滤波器42A的第一信号S101,经由A/D转换部43A和滤波器44A输入波形整形部45。同样,低通滤波器42B与磁传感器132连接,从磁传感器132向低通滤波器42B输入第二信号S102。输入低通滤波器42B的第二信号S102,经由A/D转换部43B和滤波器44B输入波形整形部45。
波形整形部45例如对从磁传感器131发送的第一信号S101与从磁传感器132发送的第二信号S102的波形进行整形。波形整形部45例如包含:检测偏移电压的差异、振幅的差异或磁传感器131和磁传感器132与旋转磁轭111的相对角度的差异等的检测电路,以及对这些差异进行补正的补偿电路。
角度运算部46是根据第一信号S101和第二信号S102算出旋转磁轭111的向旋转方向Bθ的旋转角度θ的大小的IC电路。角度运算部46将包含有关算出的位移量(旋转角度θ)的信息的第三信号S103向外部输出。
(磁体106)
磁体106隔着传感器部103位于旋转磁轭111的相反侧。磁体106朝着旋转磁轭111和传感器部103施加包括磁力线106L的磁场。传感器部103通过磁传感器131和磁传感器132,检测磁力线106L的方向变化。磁体106对传感器部103施加的磁场如图20所示,在通过传感器部103的位置具有沿着旋转轴1J的方向的磁力线106L。磁力线106L的方向由于旋转磁轭111的旋转而周期性变动。在旋转磁轭111对磁体106和传感器部103静止的状态下,通过传感器部103的磁力线106L的方向是沿着旋转轴1J的方向。沿着旋转轴1J的方向意味着:不限定于对旋转轴1J完全平行即0°的方向,也可以是例如对旋转轴1J呈±30°以下的角度的方向。因此,变动的磁力线106L的方向的振幅中心,虽然例如优选与旋转轴1J完全一致的0°,但是也可以是以该0°为中心倾斜例如±30°以下的角度。另外,变动的磁力线106L的方向的振幅,可以为例如±5°左右。在此,在旋转磁轭111的凹部1U最接近磁体106的状态下,磁力线106L的方向在通过传感器部103的位置实质上与旋转轴方向Bz一致。再有,磁体106的着磁方向J106可以例如实质上与旋转轴方向Bz一致。
[旋转检测***的动作和作用]
在本实施方式的旋转检测***中,能够通过包括传感器部103、运算电路104和磁体106的检测模块102检测旋转磁轭111的旋转角度。
在该旋转检测***中,伴随向旋转方向Bθ的旋转磁轭111的旋转,旋转磁轭111的凸部1T或接近磁体106或远离磁体106。伴随这样的动作,磁体106产生的磁力线106L的矢量逐次变化。具体地说,如图22A所示,在旋转磁轭111的凸部1T远离磁体106的状态下,也就是说,在凹部1U接近磁体106的状态下,磁体106产生的磁力线106L0具有与旋转轴方向Bz实质上一致的矢量V100。对此,在凸部1T接近磁体106的状态下,磁体106产生的磁力线106L1具有对旋转轴方向Bz略微倾斜的矢量V101。因此,通过旋转磁轭111以旋转轴1J为中心向旋转方向Bθ旋转,也就是说,伴随凸部1T相对磁体106的位置的连续变化,如图22B所示,磁力线106L的矢量VV进行岁差运动。这时,凸部1T对磁体106的接近循环,与磁力线106L的矢量VV的变化循环一致。传感器部103分别输出第一信号S101和第二信号S102,第一信号S101和第二信号S102各自包含相当于向平行于旋转磁轭111的旋转面(与旋转轴1J正交的面)的平面的投影的沿着径向Br的Br分量和沿着旋转方向Bθ的Bθ分量。使用这些第一信号S101和第二信号S102,能够通过运算电路104,求得旋转磁轭111的旋转角度、角速度。
[旋转检测***的效果]
像这样,根据本实施方式的旋转检测***,旋转磁轭111可以对传感器部103以旋转轴1J为中心旋转,并且包括与旋转轴1J相距r1的外缘OL1和与旋转轴1J相距r2的外缘OL2。因此,能够通过传感器部103检测伴随旋转磁轭111的旋转的磁体106的磁力线106L的矢量VV的略微变动。在此,磁力线106L通过传感器部103的位置的磁力线106L的矢量VV,是沿着旋转轴1J的方向。因此,能够抑制旋转磁轭111、传感器部103与磁体106的相对位置的精度对来自传感器部103的输出信号的波形的影响。其结果是:根据本实施方式的旋转检测***,即使在旋转检测***小型化的情况下,也能够正确地进行旋转磁轭111的旋转检测。
然而,如图29的(A)~(C)所示的作为第二参考例子的旋转检测***,在配置有产生沿着旋转体1101的径向Br的磁力线1106L的磁体1106的情况下,旋转体1101、传感器部1103与磁体1106的相对位置将对传感器部1103的检测精度产生大的影响。具体地说,在旋转体1101、传感器部1103与磁体1106的相对位置适当的情况下,如图29的(B)所示,第一信号S1001的波形和第二信号S1002的波形良好。然而,在旋转体1101、传感器部1103与磁体1106的相对位置略微偏离例如径向Br的情况下,如图29的(A)所示,第一信号S1001的波形产生变形,或者如图29的(C)所示,第二信号S1002的波形产生变形。另外,在这样的参考例子的旋转检测***中,也由于向旋转体1101的旋转轴方向Bz的位置偏差,而容易导致检测精度下降。再有,上述专利文献1的位置传感器可以认为相当于图29的(A)~(C)所示的参考例子。
对此,根据本实施方式的旋转检测***,与作为上述参考例子的旋转检测***比较,旋转磁轭111、传感器部103与磁体106的相对位置的容许范围宽。因此,容易避免起因于旋转磁轭111、传感器部103与磁体106的配置位置的偏差的旋转检测精度的下降。因此,即使在小型化的情况下,其制造性也很优异。
<6.第五实施方式>
其次,参照图23A和图23B,对作为本发明的第五实施方式的旋转检测***的结构进行说明。在上述第四实施方式的旋转检测***中,对1个旋转磁轭111和1个传感器部103,具备1个磁体106。对此,在第五实施方式的旋转检测***中,如图23A和图23B所示,对1个旋转磁轭111和1个传感器部103,具备2个磁体106A、106B。除了这点之外,第五实施方式的旋转检测***具有与第四实施方式的旋转检测***实质上相同的结构。再有,图23A是表示从旋转轴方向Bz看第五实施方式的旋转检测***的侧视图。图23B是表示第五实施方式的旋转检测***的主要的构成要素的立体图。
如图23A和图23B所示,磁体106A和磁体106B配置为:沿着旋转方向Bθ分开且相邻。传感器部103,在旋转方向Bθ上配置在磁体106A与磁体106B之间,并且在径向Br上配置在磁体106A和磁体106B与旋转磁轭111之间。磁体106A和磁体106B全都沿着旋转轴方向Bz着磁,并且产生分别包括磁力线106AL和磁力线106BL的磁场。磁力线106AL和磁力线106BL如图23B所示,分别具有:在磁力线106AL和磁力线106BL通过传感器部103的位置,沿着旋转轴1J的方向的实质上互相平行的矢量。
像这样,在第五实施方式中,也能够期待获得与上述第四实施方式同样的效果。而且,在第五实施方式中,通过相邻配置的磁体106A和磁体106B产生磁力线106AL和磁力线106BL,并且在这些磁力线106AL和磁力线106BL通过传感器部103的位置,具有磁力线106AL和磁力线106BL沿着旋转轴1J的方向的矢量。因此,在传感器部103的附近产生磁力线106AL与磁力线106BL互相排斥的不稳定区域,并且在旋转磁轭111的凸部1T通过该不稳定区域的附近时,磁力线106AL的矢量的方向和磁力线106BL的矢量的方向敏感地变化。因此,在第五实施方式中,与第四实施方式比较,在传感器部103中可以获得更大的输出变化。
<7.第六实施方式>
其次,参照图24A至图24C,对作为本发明的第六实施方式的旋转检测***的结构进行说明。图24A是表示作为第六实施方式的旋转检测***的一部分结构例子的概略立体图。图24B是图24A所示的旋转检测***的一部分结构的示意性正视图。并且图24C是图24A所示的旋转检测***的一部分结构的示意性侧视图。在上述第四实施方式的旋转检测***中,对1个传感器部103和1个磁体106,具备配置有1个旋转磁轭111的旋转模块101。对此,在第六实施方式的旋转检测***中,如图24A和图24B所示,对1个传感器部103和1个磁体106,具备配置有2个旋转磁轭111A、111B的旋转模块101A。除了这点之外,第六实施方式的旋转检测***具有与第四实施方式的旋转检测***实质上相同的结构。再有,旋转磁轭111A和旋转磁轭111B分别是对应于本发明的“第一软质强磁性体”和“第二软质强磁性体”的一个具体例子。
旋转磁轭111A与旋转磁轭111B以在旋转轴方向Bz上互相分开且相邻的方式固定配置在轴110上。因此,旋转磁轭111A与旋转磁轭111B可以以旋转轴101J为中心同步旋转。传感器部103可以在旋转轴方向Bz上配置在旋转磁轭111A与旋转磁轭111B之间(参照图24B)。
旋转磁轭111A和旋转磁轭111B全都具有与上述第四实施方式的旋转磁轭111实质上相同的结构。也就是说,旋转磁轭111A包括与旋转轴1J相距r1的外缘OL1和与旋转轴1J相距r2的外缘OL2。旋转磁轭111A沿着旋转方向Bθ交替地具有多个包括外缘OL1的凸部1AT和包括外缘OL2的凹部1AU。同样,旋转磁轭111B包括与旋转轴1J相距r3的外缘OL3和与旋转轴1J相距r4的外缘OL4。旋转磁轭111B沿着旋转方向Bθ交替地具有多个包括外缘OL3的凸部1BT和包括外缘OL4的凹部1BU。如图24C所示,在旋转方向Bθ上,旋转磁轭111A的凸部1AT与凹部1AU的配置间距和旋转磁轭111B的凸部1BT与凹部1BU的配置间距实质上一致。而且,在旋转轴方向Bz上,凹部1BU位于凸部1AT的延长部上,并且凹部1AU位于凸部1BT的延长部上。
像这样,在第六实施方式中,也能够期待获得与上述第四实施方式同样的效果。而且,在第六实施方式的旋转模块101A中,因为在旋转轴方向Bz上,具有相邻的2个旋转磁轭即旋转磁轭111A和旋转磁轭111B;所以与第四实施方式比较,可以更加降低旋转轴方向Bz的传感器部103和磁体106的位置偏差对旋转检测精度的影响。这是因为:Bθ分量和Br分量以90°的相位差与旋转磁轭111A和旋转磁轭111B的旋转同步变成正弦波状,并且该Bθ分量是由磁体106产生的磁场的沿着旋转方向Bθ的分量,该Br分量是由磁体106产生的磁场的沿着径向Br的分量。另外,因为2个旋转磁轭111A、111B以在旋转轴方向Bz上具有一定间隔的方式固定在轴110上,所以传感器部103与旋转磁轭111A和旋转磁轭111B的旋转轴方向Bz的位置偏差能够通过传感器部103与轴110的定位来加以控制。进一步说,通过在旋转磁轭111A与旋转磁轭111B之间配置传感器部103,在例如传感器部103沿着旋转轴方向Bz向远离旋转磁轭111A的方向偏离的情况下,传感器部103必然沿着旋转轴方向Bz接近旋转磁轭111B。因此,即使由于远离旋转磁轭111A而使波及传感器部103的磁场的磁通密度降低,也因为旋转磁轭111B接近传感器部103而使波及传感器部103的磁场的磁通密度得到增补。因此,在本实施方式的旋转检测模块中,能够防止由于传感器部103与旋转模块101A的旋转轴方向Bz的位置偏差的影响导致检测灵敏度降低。
<8.第七实施方式>
其次,参照图25,对作为本发明的第七实施方式的旋转检测***的结构进行说明。图25是表示作为第七实施方式的旋转检测***的一部分结构例子的概略立体图。该第七实施方式的旋转检测***如图25所示,对1个传感器部103,具备2个磁体106A、106B和2个旋转磁轭111A、111B。也就是说,第七实施方式的旋转检测***具有上述第五实施方式的旋转检测***与上述第六实施方式的旋转检测***组合的结构。
在第七实施方式中,也能够期待与上述第四实施方式同样的效果。进一步说,在第七实施方式中,与第四实施方式比较,在传感器部103中可以获得更大的输出变化;并且与第四实施方式比较,可以更加降低旋转轴方向Bz的传感器部103和磁体106的位置偏差对旋转检测精度的影响。
<9.第四至第七实施方式的变形例>
以上,虽然列举几个实施方式说明了本发明,但是本发明并不限定于这些实施方式,可以做出各种变化。例如在上述第五实施方式中,虽然沿着旋转磁轭111的旋转方向Bθ排列了2个磁体106A、106B,但是本发明并不限定于此。
(第一变形例)
在本发明中,如图26A所示的作为第四至第七实施方式的第一变形例的旋转检测***,磁体106A与磁体106B也可以以在旋转轴方向Bz上分开且相邻的方式配置。在图26A所示的第一变形例中,磁体106A产生的磁力线106AL和磁体106B产生的磁力线106BL在通过传感器部103的位置是沿着旋转轴1J的方向。另外,传感器部103可以在旋转轴方向Bz上配置在磁体106A与磁体106B之间。像这样,通过在旋转轴方向Bz上排列2个磁体106A、106B,能够使磁力线106AL、106BL中的在旋转轴方向Bz上延伸的部分比仅配置有1个磁体106的情况下的磁力线106L中的在旋转轴方向Bz上延伸的部分长。因此,可以更加降低伴随旋转轴方向Bz的传感器部103与旋转磁轭111的相对位置偏离对旋转检测精度的影响。再有,图26A是表示作为本发明的第四至第七实施方式的第一变形例的旋转检测***的主要部分的放大正视图。
(第二变形例)
在本发明中,如图26B所示的作为第四至第七实施方式的第二变形例的旋转检测***,磁体106A与磁体106B也可以在旋转轴方向Bz上夹着旋转磁轭111对置。在第二变形例中,磁体106A产生的磁力线106AL和磁体106B产生的磁力线106BL在通过传感器部103的位置也是沿着旋转轴1J的方向。另外,传感器部103可以在旋转轴方向Bz上配置在磁体106A与磁体106B之间。在不能充分确保径向Br的空间的情况下,第二变形例有利于第一变形例。再有,图26B是表示作为本发明的第四至第七实施方式的第二变形例的旋转检测***的主要部分的放大正视图。
(第三变形例)
在上述几个实施方式等中,虽然磁体的着磁方向沿着旋转轴方向Bz,但是本发明并不限定于此。在本发明中,如图26C所示的作为第四至第七实施方式的第三变形例的旋转检测***,也可以将磁体6A的着磁方向J6A和磁体6B的着磁方向J6B设定为与旋转轴方向Bz正交的径向Br。但是,在该第三变形例中,磁体6A、6B产生的磁力线6AL、6BL在通过传感器部3的位置也是沿着旋转轴1J的方向。另外,传感器部3可以在旋转轴方向Bz上配置在磁体6A与磁体6B之间。再有,图26C是表示作为本发明的第四至第七实施方式的第三变形例的旋转检测***的主要部分的放大正视图。
(第四变形例)
另外,在本发明中,如图27A和图27B所示的作为第四至第七实施方式的第四变形例的旋转检测***,也可以在磁体106上设置磁轭108A、108B。在该第四变形例中,以沿着磁体106的着磁方向J106夹着磁体106配置有一对磁轭108A、108B。由于这样的磁轭108A、108B的存在,能够控制磁力线106L的方向,并且对传感器部103,能够更加提高沿着磁力线106L的磁通密度。特别是,磁轭108A、108B分别包括从磁体106向传感器部103弯曲的弯曲部(bent)108AT、108BT。因此,能够进一步提高沿着通过传感器部103的磁力线106L的磁通密度。为此,在本变形例中,能够期待更高的检测灵敏度。再有,图27A和图27B分别是表示作为本发明的第四至第七实施方式的第四变形例的旋转检测***的主要部分的放大立体图和正视图。其中,在图27A中,省略了传感器部103的图示。
(第五的变形例)
另外,在上述实施方式等中,虽然将旋转磁轭111的旋转面内(Br-Bθ面内)的平面形状作为由多个凸部1T与多个凹部1U交替配置成的花瓣状,但是本发明并不限定于此。如图28所示的旋转模块101B,也可以具备:仅具有1个凸部1AT的凸轮形状的旋转磁轭151A,和仅具有1个凸部1BT的凸轮形状的旋转磁轭151B。凸部1AT的外缘OL3A比其他部分的外缘OL4A在径向Br上突出。同样,凸部1BT的外缘OL3B比其他部分的外缘OL4B在径向Br上突出。另外,在旋转方向Bθ上,凸部1AT的位置与凸部1BT的位置互相不同。通过具备这样的凸轮形状的旋转磁轭151A、151B,因为旋转磁轭151A、151B旋转一周就可得到0°~360°的角度信息,所以能够辨别轴110的旋转角的绝对值。然而,在图18等所示的花瓣形状的旋转磁轭111的情况下,凸部1T和凹部1U各自为多个。因此,旋转磁轭111旋转一周就会多次得到0°~360°的角度信息,不易辨别轴110的旋转角的绝对值。
另一方面,在图18等所示的花瓣形状的旋转磁轭111的情况下,通过包括多个凸部1T和凹部1U,具有下列优点。例如在以往的解析器等中进行电动机的旋转角度检测的情况下,虽然鉴于控制,优选具有电动机的极数的偶数倍的凹凸的磁轭,但是本发明的花瓣形状的旋转磁轭111比较适宜。另外,在花瓣形状的旋转磁轭111中,对应电动机的极数可以自由变更凸部(凹部)的数量。并且,只要是具有如旋转磁轭111的连续的轮廓线的凹凸形状的磁轭,那么就没有最小分辨率的限制,而可以得到对旋转角线性变化的角度输出。然而在编码器的情况下,因为得到的角度的数值的最小分辨率由为基准的时钟信号的宽度决定,所以导致获得对旋转角梯式变化的角度输出。
另外,在上述实施方式等中,虽然具备了2个磁检测元件,但是在本发明中,磁检测元件的数量不限于2个,可以仅为1个,也可以是3个以上。但是,在具备3个以上的磁检测元件的情况下,这些磁检测元件优选地输出相位互相不同的信号。
另外,在上述第四实施方式中,虽然作为磁检测元件,举例说明了各自包括磁阻效应元件的磁传感器131和磁传感器132,但是本发明并不限定于此。也就是说,本发明的磁检测元件只要是能够检测磁场方向(角度)的变化的元件即可,没有特别限定,例如也可以是霍尔元件。
另外,本发明的磁检测部也可以具备1个以上的双轴磁检测元件,该双轴磁检测元件具有互相正交的第一检出轴和第二检出轴。或者,本发明的磁检测部也可以具备多个磁检测元件对,并且在该磁检测元件对中,接近配置有第一磁检测元件与第二磁检测元件,第一磁检测元件具有第一检出轴,第二磁检测元件具有与该第一检出轴正交的第二检出轴。在多处配置上述双轴磁检测元件的情况和多处配置上述磁检测元件对的情况下,它们的配置间距优选地全都在软质强磁性旋转体的移动方向上与例如软质强磁性旋转体的凸部的配置间距一致。另外,在软质强磁性旋转体的轴向上,对磁体的中心面,多个双轴磁检测元件或多个磁检测元件对优选地实质上互相等距离。
在作为本发明的一种实施方式的位置检测***中,第一磁体对磁检测部施加的第一磁场的第一磁力线的方向,与第一软质强磁性体直线移动的第二方向实质上正交。因此,磁检测部的第一软质强磁性体的位置检测精度,不易受磁检测部与第一软质强磁性体的相对位置的影响。另外,不需第一磁体对磁检测部移动,也可以检测出第一软质强磁性体对磁检测部的位置。
根据本发明的位置检测***,磁检测部的第一软质强磁性体的位置检测精度不易受磁检测部、第一软质强磁性体与第一磁体的相对位置的变化的影响。因此,即使在小型化的情况下,也能够正确地进行第一软质强磁性体的位置检测。因为第一磁体没有对磁检测部移动,所以不增大第一磁体的尺寸,也能够扩大第一软质强磁性体的第二方向的移动量。因此,根据本发明的位置检测***,不仅结构紧凑,而且能够更正确地进行移动物体的位置检测。进一步说,根据本发明的位置检测***,第一磁体不对磁检测部移动,而是通过第一软质强磁性体的移动,由磁检测部检测第一磁体生成的磁场的方向的变动。因此,在磁检测部中,可以稳定地获得检测所需的磁场强度。因此,不增大第一磁体的尺寸,也能够扩大第一软质强磁性体的第二方向的移动量。因此,根据本发明的位置检测***,不仅结构紧凑,而且能够更正确地进行移动物体的位置检测。
再有,本技术也能够采用以下结构。
(1)
一种位置检测***,具备:
第一磁体,具有在第一方向上着磁的磁化,并且形成包括第一磁力线的第一磁场;
第一软质强磁性体,沿着与所述第一方向正交的第二方向延伸,可以对所述第一磁体沿着所述第二方向直进移动,并且具有凹凸形状的第一外缘,所述第一外缘包括第一外缘部分和第二外缘部分,所述第一外缘部分在与所述第一方向和所述第二方向双方正交的第三方向上与第一磁体相距第一距离,所述第二外缘部分在所述第二方向上与所述第一外缘部分的位置不同且在所述第三方向上与第一磁体相距第二距离;以及
磁检测部,设置为相对所述第一磁体的位置维持一定,并且在所述第一软质强磁性体静止的状态下,所述第一磁力线在所述第一方向上通过所述磁检测部。
(2)
所述(1)所述的位置检测***,其中,
所述第一软质强磁性体的所述第一外缘,具有其在所述第三方向上与所述第一磁体的距离在所述第二方向上周期性变动的形状。
(3)
所述(2)所述的位置检测***,其中,
所述第一软质强磁性体的所述第二方向的可能移动的长度,小于等于所述第一外缘的所述第二方向的1周期的长度。
(4)
所述(2)或所述(3)所述的位置检测***,其中,
所述第一外缘包括连续的第一曲面。
(5)
所述(1)至所述(4)中的任一项所述的位置检测***,其中,
所述磁检测部在所述第三方向上设置在所述第一磁体与所述第一软质强磁性体之间。
(6)
所述(1)至所述(5)中的任一项所述的位置检测***,其中,
所述第一方向的所述磁检测部的第一中心位置与所述第一方向的所述第一软质强磁性体的第二中心位置,在所述第一方向上不同。
(7)
所述(1)所述的位置检测***,其中,
进一步具备第二软质强磁性体,
所述第二软质强磁性体,与所述第一软质强磁性体在所述第一方向上对置,沿着所述第二方向延伸,可以对所述第一磁体沿着所述第二方向以与所述第一软质强磁性体同步的方式直进移动,并且具有凹凸形状的第二外缘,
所述第二外缘包括第三外缘部分和第四外缘部分,所述第三外缘部分在所述第三方向上与所述第一磁体相距第三距离,所述第四外缘部分在所述第二方向上与所述第三外缘部分的位置不同且在所述第三方向上与所述第一磁体相距第四距离。
(8)
所述(7)所述的位置检测***,其中,
所述第一软质强磁性体的所述第一外缘,具有与所述第三方向的所述第一磁体的距离在所述第二方向上以第一长度为1周期而周期性变动的形状,
所述第二软质强磁性体的所述第二外缘,具有与所述第三方向的所述第一磁体的距离在所述第二方向上以所述第一长度为1周期而周期性变动的形状,
所述第一外缘的相位与所述第二外缘的相位仅相差0.5周期。
(9)
所述(7)或所述(8)所述的位置检测***,其中,
所述第一外缘包括连续的第一曲面,所述第二外缘包括连续的第二曲面。
(10)
所述(1)至所述(9)中的任一项所述的位置检测***,其中,
伴随所述第一软质强磁性体向所述第二方向移动,所述第一磁力线的方向周期性变动,
所述磁检测部检测周期性变动的所述第一磁力线的方向。
(11)
所述(1)至所述(10)中的任一项所述的位置检测***,其中,
进一步具备第二磁体,
所述第二磁体形成包括第二磁力线的第二磁场,
所述第二磁力线在所述第一方向上通过所述磁检测部。
(12)
所述(11)所述的位置检测***,其中,
所述磁检测部配置在所述第一软质强磁性体与所述第一磁体之间,或者所述第一软质强磁性体与所述第二磁体之间。
(13)
所述(11)或所述(12)所述的位置检测***,其中,
所述第一磁体与所述第二磁体在所述第二方向上相邻。
(14)
所述(13)所述的位置检测***,其中,
所述磁检测部在所述第二方向上配置在所述第一磁体与所述第二磁体之间。
(15)
所述(1)至所述(14)中的任一项所述的位置检测***,其中,
所述磁检测部包括第一磁检测元件和第二磁检测元件,所述第一磁检测元件具有第一检出轴,所述第二磁检测元件具有与所述第一检出轴交叉的第二检出轴。
(16)
所述(15)所述的位置检测***,其中,
所述第一检出轴与所述第二方向实质上一致,所述第二检出轴与所述第三方向实质上一致。
本公开含有涉及分别在2018年8月22日、2019年3月20日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP2018-155642、JP2019-052941中公开的主旨,其全部内容包括在此,以供参考。
本领域的技术人员应该理解,虽然根据设计要求和其他因素可能出现各种修改,组合,子组合和可替换项,但是它们均包含在附加的权利要求或它的等同物的范围内。
Claims (10)
1.一种位置检测***,具备:
第一磁体,具有在第一方向上着磁的磁化,并且形成包括第一磁力线的第一磁场;
第一软质强磁性体,沿着与所述第一方向正交的第二方向延伸,可以对所述第一磁体沿着所述第二方向直进移动,并且具有凹凸形状的第一外缘,所述第一外缘包括第一外缘部分和第二外缘部分,所述第一外缘部分在与所述第一方向和所述第二方向双方正交的第三方向上与第一磁体相距第一距离,所述第二外缘部分在所述第二方向上与所述第一外缘部分的位置不同且在所述第三方向上与第一磁体相距第二距离;
磁检测部,设置为相对所述第一磁体的位置维持一定,并且在所述第一软质强磁性体静止的状态下,所述第一磁力线在所述第一方向上通过所述磁检测部;
第二软质强磁性体,与所述第一软质强磁性体在所述第一方向上对置,沿着所述第二方向延伸,可以对所述第一磁体沿着所述第二方向以与所述第一软质强磁性体同步的方式直进移动,并且具有凹凸形状的第二外缘,所述第二外缘包括第三外缘部分和第四外缘部分,所述第三外缘部分在所述第三方向上与所述第一磁体相距第三距离,所述第四外缘部分在所述第二方向上与所述第三外缘部分的位置不同且在所述第三方向上与所述第一磁体相距第四距离;以及
第二磁体,形成包括第二磁力线的第二磁场,所述第二磁力线在所述第一方向上通过所述磁检测部,
所述磁检测部在所述第三方向上设置在所述第一磁体和所述第二磁体与所述第一软质强磁性体和所述第二软质强磁性体之间,
所述第一磁体与所述第二磁体在所述第二方向上相邻,
所述磁检测部在所述第二方向上配置在所述第一磁体与所述第二磁体之间。
2.根据权利要求1所述的位置检测***,其中,
所述第一软质强磁性体的所述第一外缘,具有其在所述第三方向上与所述第一磁体的距离在所述第二方向上周期性变动的形状。
3.根据权利要求2所述的位置检测***,其中,
所述第一软质强磁性体的所述第二方向的可能移动的长度,小于等于所述第一外缘的所述第二方向的1周期的长度。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的位置检测***,其中,
所述第一外缘包括连续的第一曲面。
5.根据权利要求1至权利要求4中的任一项所述的位置检测***,其中,
所述第一方向的所述磁检测部的第一中心位置与所述第一方向的所述第一软质强磁性体的第二中心位置,在所述第一方向上不同。
6.根据权利要求1所述的位置检测***,其中,
所述第一软质强磁性体的所述第一外缘,具有与所述第三方向的所述第一磁体的距离在所述第二方向上以第一长度为1周期而周期性变动的形状,
所述第二软质强磁性体的所述第二外缘,具有与所述第三方向的所述第一磁体的距离在所述第二方向上以所述第一长度为1周期而周期性变动的形状,
所述第一外缘的相位与所述第二外缘的相位仅相差0.5周期。
7.根据权利要求1或权利要求6所述的位置检测***,其中,
所述第一外缘包括连续的第一曲面,所述第二外缘包括连续的第二曲面。
8.根据权利要求1至权利要求7中的任一项所述的位置检测***,其中,
伴随所述第一软质强磁性体向所述第二方向移动,所述第一磁力线的方向周期性变动,
所述磁检测部检测周期性变动的所述第一磁力线的方向。
9.根据权利要求1至权利要求8中的任一项所述的位置检测***,其中,
所述磁检测部包括第一磁检测元件和第二磁检测元件,所述第一磁检测元件具有第一检出轴,所述第二磁检测元件具有与所述第一检出轴交叉的第二检出轴。
10.根据权利要求9所述的位置检测***,其中,
所述第一检出轴与所述第二方向实质上一致,所述第二检出轴与所述第三方向实质上一致。
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PB01 | Publication | ||
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