JP2014062751A - 磁気式位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡単な構成で特別なプロセスを経ることなく、磁気スケールと磁気抵抗素子群との絶対位置を直接的に求めることができることを目的とする。
【解決手段】本発明の磁気式位置検出装置は、磁気スケール１と、磁気スケール１に対し相対的に移動可能である磁気抵抗素子群６とを備え、磁気スケール１において着磁された方向におけるＮ極の中心とＳ極の中心間の長さをλ／２としたとき、磁気スケール１と磁気抵抗素子群６との相対的な移動距離をλ／２以下にしており、磁気抵抗素子群６の着磁された方向の長さはλ以上であり、第１の磁気抵抗素子７、第３の磁気抵抗素子９、第２の磁気抵抗素子８および第４の磁気抵抗素子１０は磁気スケール１の着磁されている方向に対してそれぞれ順番にλ／８離れて配置されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気を利用することで位置を検出する磁気式位置検出装置に関する。

位置を検出する方法として、光学的に行う方法と磁気的に行う方法が知られている。光学的に行う方法の場合、周辺の電気回路などからの電磁界の影響を受け難いという長所があるが、光学機器に用いる場合には検出装置の光が光学機器に悪影響を及ぼす可能性があるという短所を有している。一方、磁気的に行う方法の場合、電磁界の影響を受けてしまう短所があるものの、位置検出装置としては光を用いないので、光学機器に悪影響を与える可能性が少ないという長所を有している。

このため、カメラなどの光学機器には磁気式の位置検出装置が用いられることが多い。磁気式位置検出装置として、固定側の物体と移動側の物体との一方にＮ極とＳ極とを交互に着磁した磁気スケールを配置し、他方にこの磁気スケールからの磁気を検知する磁気センサを配置させる構成が知られている（特許文献１、２参照。）。

特開平８−９４３８５号公報 特開平８−２９６６０号公報

上記従来の磁気式位置検出装置は、磁気スケールに対して磁気センサがどれだけ移動したかの相対位置を検出することができる。これは、磁気スケールはＮ極とＳ極とが交互に周期的に着磁されているので、磁気センサの出力も周期的に変化するからであり、どの周期の出力であるかの区別がつかないためである。従って、磁気スケールに対する磁気センサの絶対位置を検出するためには、絶対位置の基準となる位置を予め設けておき、この基準位置を別のセンサなどで検知して、この基準位置からの相対位置を磁気センサで検出することで求めることになる。

上記のような構成は、複雑になってしまい、また、電源を投入する毎など、必要に応じて毎回基準位置を検出するためのプロセスが必要となり、早急に位置を検出したくても時間を要してしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成により、磁気スケールに対する磁気センサの絶対位置を検出することができる磁気式位置検出装置を得ることを目的とする。

上記目的を達成するための、本発明は以下の手段を有している。

請求項１に記載の発明は、Ｎ極およびＳ極が交互に着磁された磁気スケールと、前記磁気スケールの繰り返し着磁された方向に対し相対的に移動可能であり、かつ前記磁気スケールからの磁界に応じて抵抗値が変化する第１の磁気抵抗素子、第２の磁気抵抗素子、第３の磁気抵抗素子および第４の磁気抵抗素子とを備えた磁気抵抗素子群と、前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子とを電気的に直列に接続され、前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子との電気的接続部に形成された第１の出力端子と、前記第３の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とを電気的に直列に接続され、前記第３の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子との電気的接続部に形成された第２の出力端子と、前記第１の出力端子からの出力および前記第２の出力端子からの出力により前記磁気スケールに対する前記磁気抵抗素子群の位置を求めるための処理を行う処理回路とを備え、前記磁気スケールにおいて着磁された方向におけるＮ極の中心とＳ極の中心間の長さをλ／２としたとき、前記磁気スケールと前記磁気抵抗素子群との相対的な移動距離をλ／２以下にしており、前記磁気スケールの着磁された方向の長さはλ以上であり、前記第１の磁気抵抗素子、前記第２の磁気抵抗素子、前記第３の磁気抵抗素子および前記第４の磁気抵抗素子はそれぞれ前記磁気スケールに対向して配置され、前記第１の磁気抵抗素子、前記第３の磁気抵抗素子、前記第２の磁気抵抗素子および前記第４の磁気抵抗素子は前記磁気スケールの着磁されている方向に対してそれぞれ順番にλ／８離れて配置されている、磁気式位置検出装置である。

請求項１に記載の発明は、第１の出力端子および第２の出力端子からの出力変化は、ともに一周期内であるので、磁気スケールに対する磁気抵抗素子群の絶対位置を直接的に検出することができるという作用効果を有する。

本発明の磁気式位置検出装置は、簡単な構成で特別なプロセスを経ることなく、磁気スケールと磁気抵抗素子群との絶対位置を直接的に求めることができるという優れた効果を有するものである。

本発明の一実施の形態における磁気式位置検出装置の概念図 本発明の一実施の形態における磁気式位置検出装置の磁気スケールの主な磁力線を示した図 本発明の一実施の形態における磁気式検出装置の検出原理を示す図

本発明は、磁気スケールと磁気スケールからの磁界に応じて抵抗値が変化する第１の磁気抵抗素子、第２の磁気抵抗素子、第３の磁気抵抗素子および第４の磁気抵抗素子とを備えた磁気抵抗素子群とを備えている。

以下、本発明の一実施の形態における磁気式位置検出装置について、より詳細に説明をする。

図１は、本発明の一実施の形態における磁気式位置検出装置の概念図である。磁気スケール１はＮ極とＳ極とを交互に着磁したもので、Ｎ極である第１のＮ極２とＳ極である第１のＳ極３が隣接している。第１のＮ極２の第１のＳ極３とは異なる側には第２のＳ極４が隣接し、第１のＳ極３の第１のＮ極２とは異なる側には第２のＮ極５が隣接している。第１のＮ極２と第１のＳ極３の中心間をλ／２とする。

磁気抵抗素子群６は第１の磁気抵抗素子７、第２の磁気抵抗素子８、第３の磁気抵抗素子９および第４の磁気抵抗素子１０を有している。第１の磁気抵抗素子７と第２の磁気抵抗素子８とは電気的に直列に接続されている。第１の磁気抵抗素子７における第２の磁気抵抗素子８とは異なる側の端部は第１の電圧印加端子１１である。第１の磁気抵抗素子７と第２の磁気抵抗素子８間は第１の出力端子１２が設けられている。第２の磁気抵抗素子８における第１の電圧印加端子１１とは異なる側の端部は第１のグランド端子１３である。

同様に第３の磁気抵抗素子９と第４の磁気抵抗素子１０とは電気的に直列に接続され、第３の磁気抵抗素子９における第４の磁気抵抗素子１０とは異なる側の端部は第２の電圧印加端子１４であり、第３の磁気抵抗素子９と第４の磁気抵抗素子１０間は第２の出力端子１５が設けられ、第４の磁気抵抗素子１０における第３の磁気抵抗素子９とは異なる側の端部は第２のグランド端子１６である。

第１の磁気抵抗素子７、第２の磁気抵抗素子８、第３の磁気抵抗素子９および第４の磁気抵抗素子１０は、それぞれ磁気スケール１に対向して配置されている。

第１の磁気抵抗素子７、第３の磁気抵抗素子９、第２の磁気抵抗素子８および第４の磁気抵抗素子１０は、磁気スケール１の着磁方向、即ち図１における左から右方向にλ／８ずつ離して配置されている。

なお、第１の磁気抵抗素子７、第２の磁気抵抗素子８、第３の磁気抵抗素子９および第４の磁気抵抗素子１０間は、これらの間での相対位置が変化しないように、同一の物体（図示せず）上に固定されている。そして、磁気スケール１と磁気抵抗素子群６とは相対的に移動を行う。これは、固定された磁気スケール１に対して磁気抵抗素子群６が移動するものであっても、固定された磁気抵抗素子群６に対して磁気スケール１が移動するものであっても、磁気スケール１と磁気抵抗素子群６とがともに移動するものであってもよい。磁気スケール１と磁気抵抗素子群６との相対的な移動方向は、磁気スケール１の着磁方向である。

本実施の形態において、第１の磁気抵抗素子７、第２の磁気抵抗素子８、第３の磁気抵抗素子９および第４の磁気抵抗素子１０は磁界の検知方向、即ち感磁方向に異方性を有し、それぞれ磁気スケール１の着磁方向を感磁方向にしている。

図２は、本発明の一実施の形態における磁気式位置検出装置の磁気スケールの主な磁力線を示した図である。図中の矢印は磁力線を示している。第１のＮ極２と第１のＳ極３とに関係する磁力線を中心に記載している。第１のＮ極２の着磁方向の中央部から磁力線が第１のＳ極３および第２のＳ極４に向かって伸びている。また第１のＳ極３は着磁方向の中央部に第１のＮ極２および第２のＮ極５からの磁力線が向かっている。なお、図２においては、第２のＳ極４の左側の磁力線および第２のＮ極５の右側の磁力線を省略している。

図３は、本発明の一実施の形態における磁気式検出装置の検出原理を示す図である。図３の上段の図は、磁気スケール１と第１の磁気抵抗素子７との位置関係を示している。磁気スケール１に対向して第１の磁気抵抗素子７が設けられ、第１の磁気抵抗素子７は磁気スケール１における着磁方向に移動可能となっている。第１の磁気抵抗素子７のそれぞれの位置における磁界の第１の磁気抵抗素子７の感磁方向成分を示したのが中段のグラフで、それぞれの位置における第１の磁気抵抗素子７の抵抗値を示したのが下段のグラフである。

第１の磁気抵抗素子７が第１のＮ極２と第２のＳ極４の境界に位置するときには、第１の磁気抵抗素子７を貫く磁力線の感磁方向成分が増加し、抵抗値は低下する。一方、第１の磁気抵抗素子７が第１のＮ極２の中央部に位置するときには、第１の磁気抵抗素子７を貫く磁力線の感磁方向成分は減少し抵抗値は上昇する。第１の磁気抵抗素子７が第１のＮ極２と第１のＳ極３の境界に位置するときは、第１のＮ極２と第２のＳ極４の境界に位置するときに比べて磁界の方向は逆であるが、第１の磁気抵抗素子７は磁界の正逆の向きに対して同様の抵抗値を示すので、抵抗値としては第１のＮ極２と第２のＳ極４の境界に位置するときと同様の抵抗値を示す。

図３の下段に示すように、第１の磁気抵抗素子７の抵抗値は、略正弦波の抵抗値変化を示す。そして、第１の磁気抵抗素子７の抵抗値変化は磁気スケール１におけるλ／２間で一周期となっている。なお、ここでは抵抗値の変化を説明する為に第１の磁気抵抗素子７にλの距離を移動させているが、実際の移動距離は最大λ／２としている。

図１に示すように、第１の磁気抵抗素子７と第２の磁気抵抗素子８とはλ／４の間隔で配置されている。図３の下段のグラフから判るように、λ／４の間隔は抵抗値変化における位相差に換算すると１８０°になる。従って、第１の出力端子１２からは第１の磁気抵抗素子７と第２の磁気抵抗素子８との抵抗値変化に応じた電圧を取り出すことができ、その磁気抵抗素子群６の移動に対しては、図３の下段の正弦波と同周期の略正弦波の出力となる。

第３の磁気抵抗素子９と第４の磁気抵抗素子１０においても同様であり第２の出力端子１５からは略正弦波の出力がなされるが、第１の磁気抵抗素子７と第３の磁気抵抗素子９間はλ／８の距離が離れているので、第１の出力端子１２からの出力に対して９０°の位相差の出力となる。

ここで、磁気抵抗素子群６は磁気スケール１に対して最大λ／２の移動距離であり、この移動距離においては第１の出力端子１２および第２の出力端子１５における電圧変動周期は一周期以内であり、しかも第１の出力端子１２および第２の出力端子１５間には９０°の位相差が生じていることから、磁気スケール１に対する磁気抵抗素子群６の絶対位置、あるいは磁気抵抗素子群６に対する磁気スケール１の絶対位置を検出することが可能となる。

なお、本実施の形態において、磁気スケール１の長さを３／２λとしているが、λ以上であればよい。磁気スケール１と磁気抵抗素子群６との移動距離がλ／２であり、磁気抵抗素子群６中の第１の磁気抵抗素子７から第４の磁気抵抗素子１０までの距離が３／８λであるので、磁気スケール１としての長さは、一見するとこれらの距離を加算した７／８λで良いように思える。しかし、以下の理由により本実施の形態においては、７／８λを採用することはできない。

磁気スケール１の端部は必ず磁極になることから、等間隔で着磁された長い磁気スケール（図示せず）から７／８λの長さを切り出して磁気スケール１にしようとしても、その両端が磁極になるべく分極が生じ、Ｎ極とＳ極との磁極の距離が異なってしまい、λ／２の長さが変わってしまうことになる。従って、磁気スケール１の長さはλ以上でなければならない。前述のように磁気スケール１の両端に磁極が存在することから、λ／２の倍数であることも好ましいように思えるが、磁気スケール１の長さが十分に長い場合には、その長さがλ／２の倍数でなくその両端に生じる分極の影響が磁気スケール１の中央部には及ぼさないので、そのような場合には、λ／２の倍数の長さである必要はない。

また、第１の出力端子１２および第２の出力端子１５で検出する出力は、ともに差動出力であるので、温度による特性変動を除去して温度特性に優れるものとすることができる。

本発明に係る磁気式位置検出装置は、光学機器をはじめとする相対移動を行い物体の位置を検出する装置として有用である。

１ 磁気スケール
２ 第１のＮ極
３ 第１のＳ極
４ 第２のＳ極
５ 第２のＮ極
６ 磁気抵抗素子群
７ 第１の磁気抵抗素子
８ 第２の磁気抵抗素子
９ 第３の磁気抵抗素子
１０ 第４の磁気抵抗素子
１１ 第１の電圧印加端子
１２ 第１の出力端子
１３ 第１のグランド端子
１４ 第２の電圧印加端子
１５ 第２の出力端子
１６ 第２のグランド端子

Claims (1)

1. Ｎ極およびＳ極が交互に着磁された磁気スケールと、
   前記磁気スケールの繰り返し着磁された方向に対し相対的に移動可能であり、かつ前記磁気スケールからの磁界に応じて抵抗値が変化する第１の磁気抵抗素子、第２の磁気抵抗素子、第３の磁気抵抗素子および第４の磁気抵抗素子とを備えた磁気抵抗素子群と、
   前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子とを電気的に直列に接続され、前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子との電気的接続部に形成された第１の出力端子と、
   前記第３の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とを電気的に直列に接続され、前記第３の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子との電気的接続部に形成された第２の出力端子と、
   前記第１の出力端子からの出力および前記第２の出力端子からの出力により前記磁気スケールに対する前記磁気抵抗素子群の位置を求めるための処理を行う処理回路とを備え、
   前記磁気スケールにおいて着磁された方向におけるＮ極の中心とＳ極の中心間の長さをλ／２としたとき、
   前記磁気スケールと前記磁気抵抗素子群との相対的な移動距離をλ／２以下にしており、
   前記磁気スケールの着磁された方向の長さはλ以上であり、
   前記第１の磁気抵抗素子、前記第２の磁気抵抗素子、前記第３の磁気抵抗素子および前記第４の磁気抵抗素子はそれぞれ前記磁気スケールに対向して配置され、前記第１の磁気抵抗素子、前記第３の磁気抵抗素子、前記第２の磁気抵抗素子および前記第４の磁気抵抗素子は前記磁気スケールの着磁されている方向に対してそれぞれ順番にλ／８離れて配置されている、
   磁気式位置検出装置。

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