JP4400500B2 - 位置検出器および位置決め装置 - Google Patents

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Description

本発明は位置検出器および位置決め装置に関する。
特許文献１から３には、可動部材の位置を、可動部材に付設した磁界発生部材による磁界の変化として磁界検出手段によって検出する位置検出器が記載されている。
特開平１−１５０８１２号公報 特開２００４−３４８１７３号公報 特開２００１−９１２９８号公報
図１１に、特許文献１に記載されている位置検出器３１を示す。位置検出器３１は、磁界発生部材３２が発生する磁界の変化を磁界検出手段３３で検出することで、磁界発生部材３２の位置を算出する。磁界発生部材３２は、半分がＮ極に着磁されたＮ極部３４であり、もう半分がＳ極に着磁されたＳ極部３５である。
磁界発生部材３２の形状が可動方向に長さ６．５ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚さ１ｍｍである場合、図１２に示すような磁束密度の分布が得られる。この位置検出器３１は、磁束密度の変化が直線的である狭い範囲でしか正確な位置を検出できないという問題がある。
また、特許文献１では、磁界検出手段３３を２つのホール素子（磁界検出素子）３６ａ，３６ｂで構成し、２つのホール素子３６ａ，３６ｂの出力の差によって入力電流を変化させることで、温度変化などによる磁界の変化を補償しているが、特許文献２では、２つのホール素子（磁界検出素子）３６ａ，３６ｂの出力の和を差分で除すことにより、磁界発生部材３２と磁界検出手段３３の取付け誤差や温度変化などによる磁界の変化を補償している。
図１３に、２つのホール素子３６ａ，３６ｂの磁界検出中心が１．６ｍｍ離れている場合の出力の和を差分で除した出力の変化を示す。当然ながら、この演算によって出力が直線的な線形範囲が広がることはなく、依然として、狭い範囲でしか位置を検出できない問題が残る。
また、特許文献３には、くさび形の磁石を用いて、磁界発生部材の位置よって直線的に変化する磁束を発生させる位置検出器が記載されている。しかしながら、このような位置検出器は、磁界発生部材と磁界検出手段との可動方向に直交する方向に相対位置がずれると磁界が変化してしまうので誤差や個体差が大きいという問題がある。
前記問題点に鑑みて、本発明は、広い範囲で線形性を有する出力が得られる位置検出器を提供すること、および、そのような位置検出器によって広い範囲で正確な位置決めができる位置決め装置を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明による位置検出器は、所定の可動方向に移動可能な可動部材に付設した磁界発生部材と、前記磁界発生部材の移動による磁界変化を検出する磁界検出手段とを備え、前記磁界発生部材は、Ｎ極に着磁したＮ極部と、前記Ｎ極部と前記可動方向に並んだＳ極に着磁したＳ極部と、前記Ｎ極部と前記Ｓ極部との間の着磁していない不着磁部とからなり、前記不着磁部に対向している間に前記磁界検出手段が検出する磁界が、前記磁界発生部材の位置に対して線形的に変化する位置検出器において、前記磁界検出手段は、前記可動方向に並んだ２つの磁界変化を検出する磁界検出素子を有し、前記２つの磁界検出素子の検出信号を、線形範囲において小さい方をＡ、大きい方をＢとすると、Ａ＞０の場合、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、Ｂ＜０の場合、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２、Ａ≦０且つＢ≧０の場合、（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）の演算を行う演算手段、または、前記２つの磁界検出素子の検出信号を、線形範囲において小さい方をＡ、大きい方をＢとすると、（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）の演算を行う演算手段をさらに備えるものとする。
この構成によれば、不着磁部を有することで磁界発生部材がつくる磁界が線形的に変化する範囲が広くなり、２つの磁界検出素子の検出信号Ａ，Ｂのいずれかが線形でなくなるＡ＞０の場合やＢ＜０の場合に両出力の差分を両者の和で除す演算、または、（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）の演算を行うことで、線形性の高い出力が得られるため、磁界発生部材の位置を検出できる範囲が広い。
また、本発明の位置検出器において、前記不着磁部の前記可動方向の長さは、前記磁界発生部材の全長の１／１０以上１／３以下であってもよい。
この構成によれば、不着磁部の長さを１／１０以上１／３以下にすれば位置検出出力の傾き変化が５倍以下になるので、検出信号でフィードバック制御する場合にも系が安定である。
また、本発明の位置検出器において、前記磁界検出素子は、ホール素子であってもよい。
この構成によれば、一般的なホール素子を利用して安価で高精度の位置検出器が実現できる。
また、本発明による位置決め装置は、本発明の位置検出器を備え、前記可動部材は、前記可動方向に伸縮する電気機械変換素子によって前記可動方向に進退させられる駆動軸に摩擦係合しており、前記電気機械変換素子の伸長と収縮の速度を異ならせることで前記可動部材を前記駆動軸上で滑り移動させる圧電アクチュエータとする。
この構成によれば、正確な位置を検出できる位置検出器と小型の圧電アクチュエータを組み合わせることで、小型で精密な位置決めを行える位置決め装置が実現できる。
また、本発明の位置決め装置において、前記可動部材は、光学素子を保持してもよい。
この構成によれば、小型のカメラユニット等の光学機器が実現できる。
本発明によれば、磁界発生部材に不着磁部を設けるので広い線形範囲が得られる。また、２つの磁界検出素子の出力の和を差で除す演算と、両者の差を和で除す演算とを併用して、さらに広い線形範囲が得られるので、磁界発生部材の位置を広範囲に精密に検出できる。
これより、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態である位置決め装置１の構成を示す概略図である。位置決め装置１は、圧電アクチュエータ２と位置検出器３とからなり、圧電アクチュエータ２の駆動回路４と、位置検出器３の検出信号を処理する検出回路５と、位置指令によって指示された位置に対応する検出回路５の出力が得られるように駆動回路４を制御する制御回路６とを有している。
圧電アクチュエータ２は、ベース部材７に固定され、駆動回路４の駆動電圧によって矢印で示したｘ方向に伸縮する電気機械変換素子８と、電気機械変換素子８に固定され、電気機械変換素子８の伸縮によってｘ方向に進退する駆動部材９と、駆動部材９に摩擦係合し、駆動部材９上を滑り移動可能な可動部材１０とからなる。
位置検出器３は、可動部材１０に付設された磁界発生部材１１と、磁界発生部材１１に対向するようにベース部材７に固定された磁界検出手段１２とからなる。
さらに、図２に位置検出器３と検出回路５の構成を詳しく示す。磁界発生部材１１は、磁界検出手段１２に対向する面がＮ極に着磁されたＮ極部１３と、磁界検出手段１２に対向する面がＳ極に着磁されたＳ極部１４と、Ｎ極部１３とＳ極部１４の間に設けられ、Ｎ極にもＳ極にも着磁されていない不着磁部１５とからなっている。Ｎ極部１３、不着磁部１５およびＳ極部１４は、可動部材１０の可動方向であるｘ方向に並んでいる。
磁界発生部材１１は、ｘ方向の全長が例えば６．５ｍｍ、幅が例えば２．５ｍｍ、厚みが例えば１ｍｍであり、不着磁部１５のｘ方向の長さは、例えば１．２ｍｍである。また。磁界検出手段１２は、ｘ方向に並んだ２つのホール素子（磁界検出素子）１６ａ、１６ｂで構成され、磁束密度を検出する部分の中心間の距離が例えば１．６ｍｍ離れている。磁界発生部材１１とホール素子１６ａ，１６ｂとの間は例えば０．６５ｍｍ離れている。
検出回路５は、ホール素子１６ａ，１６ｂそれぞれの検出信号を増幅するアンプ１７ａ，１７ｂと、アンプ１７ａの出力（増幅したホール素子１６ａの検出信号）Ａとアンプ１７ｂの出力（増幅したホール素子１６ｂの検出信号）Ｂとから、
Ａ＞０の場合、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、
Ｂ＜０の場合、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２、
Ａ≦０且つＢ≧０の場合、（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）の演算を行う演算装置（演算手段）１８とからなっている。
続いて、位置決め装置１の特徴とその動作について説明する。
図３は、磁界発生部材１１から０．６５ｍｍ離れた地点でのｘ方向の位置に対する磁束密度を示す。位置は、磁界発生部材１１の中央を０として示している。磁界発生部材１１は、±０．６ｍｍの部分に着磁がなされていない不着磁部１５が存在しているために、およそ±１ｍｍの間で磁束密度が直線的に変化する線形範囲を有している。
図４は、ホール素子１６ａ，１６ｂのそれぞれの検出信号Ａ，Ｂと、（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）演算をした出力値と、（Ｂ−Ａ）／（Ｂ＋Ａ）の演算をした出力値とを示す。検出信号Ａと検出信号Ｂとは１．６ｍｍ位置がずれた出力であり、原点（位置０ｍｍ）前後の線形範囲においてＢ＞Ａとなっている。図３に示した磁界発生部材１１の磁界変化が全体的に増減したり、ホール素子１６ａ，１６ｂの磁界発生部材１１からの距離がずれている場合には、検出信号ＡおよびＢの線形範囲の傾きが設計値と異なり、検出信号Ａまたは検出信号Ｂの一方だけでは磁界発生部材１１の正確な位置を算出できない。しかし、検出信号ＢとＡの和を検出信号ＢとＡの差で除す（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）の演算を行うことで、各ホール素子１６ａ，１６ｂの検出信号波形の増減を相殺して、磁界発生部材１１の位置によって一義的に決定される値を出力できる。
（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）の演算出力は、およそ±１ｍｍの範囲で線形性を有しているが、（Ｂ−Ａ）／（Ｂ＋Ａ）の演算出力は、およそ±０．５ｍｍの外側で線形になっている。（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）の演算出力と（Ｂ−Ａ）／（Ｂ＋Ａ）の演算出力とは、Ａ＝０の位置とＢ＝０の位置とで交差している。これは、両演算出力が、それぞれ、Ｂ／Ｂ＝１（Ａ＝０のとき），Ａ／−Ａ＝−Ａ／Ａ＝−１（Ｂ＝０のとき）になることから、検出信号Ａ，Ｂの波形に拘わらず、Ａ＝０で１、Ｂ＝０で−１と一定である。よって、Ａ＞０のときおよびＢ＜０のときは、（Ｂ−Ａ）／（Ｂ＋Ａ）の演算出力から磁界発生部材１１の正確な位置を算出可能である。（Ｂ−Ａ）／（Ｂ＋Ａ）の線形範囲の演算出力は単調減少であるのに対し、（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）の線形範囲の演算出力は単調増加している。このため、（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）を反転することで単調減少する出力を得ることにより磁界発生部材１１の位置の算出を容易にする。
図５は、演算装置１８によって、Ａ＞０の場合は（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、Ｂ＜０の場合は（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２、Ａ≦０且つＢ≧０の場合は（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）の演算を行った結果得られる出力を示す。つまり、Ａ＞０の範囲およびＢ＜０の範囲では、（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）を（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）との交点で反転した値を算出する演算を行っている。図示するように、３つの演算出力は、スムーズに接続され、全体として線形性の高い出力変化を示し、磁界発生部材１１の正確な位置を広い範囲で算出できることを示す。
続いて、図６に、Ａ≦０且つＢ≧０の範囲での演算装置１８の磁界発生部材１１の位置に対する出力の変化を、不着磁部１５の長さが０．６ｍｍ、１．２ｍｍおよび２．０ｍｍであるときについて示す。図示するように、不着磁部１５が短いときに線形性を改善できないばかりでなく、不着磁部１５が長すぎても線形性が低下することが分かる。
図７は、図６の出力の傾き変化を示すが、この傾きの変化が少ないほど線形性が高く好ましい。図１に示すように、検出回路５の出力を制御回路６にフィードバックして可動部材１０の位置決めを行う場合、ゲイン余裕を持たせる必要があるために位置検出器３の感度（図７の傾き）の変化は５倍程度が限度である。よって、不着磁部１５の長さは、０．６ｍｍが略下限であり、２．０ｍｍがほぼ上限である。磁界発生部材１１の長さとの比較でいうと、不着磁部１５の長さは磁界発生部材１１の全長の１／１０以上１／３以下であることが必要である。
図８は、位置決め装置１の実際的形状を示す。この位置決め装置１は、可動部材１０が光学素子であるレンズ１９を保持する玉枠になっており、ベース部材７に固定した駆動部材９と平行な吊り軸２０に沿って移動可能である。磁界発生部材１１は、可動部材１０の吊り軸２０に係合する部分に取り付けられている。ベース部材７には、固定部材７’を介して電気機械変換素子８と、磁界発生部材１１に対向するように磁界検出手段１２とが固定されている。
このように構成された位置決め装置１は、小型で軽量であるが、可動部材１０に保持されたレンズ１９の吊り軸２０方向の位置を位置検出器３で正確に検出し、圧電アクチュエータ２によってレンズ１９を求められる位置に位置決めできる。
図９は、本発明の第２実施形態のエンコーダ２１の概略図である。エンコーダ２１は、Ｎ極に着磁された幅１／２δのＮ極部２２と、Ｓ極に着磁された幅１／２δのＳ極部２３とが交互に繰り返して配置された磁界発生部材２４と、２つの磁気抵抗効果素子（磁界検出素子）２５ａ，２５ｂとを有する。磁気抵抗効果素子２５ａ，２５ｂは、（１＋１／４）δ離れて設けられている。アンプ２６ａ，２６ｂで増幅した磁気抵抗効果素子２５ａ，２５ｂの検出信号Ａ，Ｂは、演算装置（演算手段）２７で演算処理されて出力される。
図１０に、Ｎ極部２２およびＳ極部２３の幅（１／２δ）が０．３２ｍｍである場合の磁気抵抗効果素子２５ａ，２５ｂの検出信号Ａ，Ｂと演算装置２７の出力とを示し、エンコーダ２１の特徴を説明する。検出信号Ａと検出信号Ｂは、磁界発生部材２４の位置に対して、互いに位相が９０°（１／４δ）ずれた正弦波様の周期的な波形となる。
検出信号Ａ，Ｂが共に０以上または０以下、つまり、２つの磁気抵抗効果素子２５ａ，２５ｂが検出する磁界の極性が同じである場合、演算装置２７は、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算結果を出力し、検出信号Ａ，Ｂのいずれか１つが０未満、つまり、２つの磁気抵抗効果素子２５ａ，２５ｂが検出する磁界の極性が異なる場合、演算装置２７は、（Ａ＋Ｂ）／（Ａ−Ｂ）の演算結果を出力する。
（Ａ−Ｂ）と（Ａ＋Ｂ）とは、それぞれ位相１８０°（すなわち１／２δ）毎に０となる位置があり、検出信号Ａと検出信号Ｂは、位相が９０°（すなわち１／４δ）ずれているので、（Ａ−Ｂ）と（Ａ＋Ｂ）とが位相９０°（すなわち１／４δ）毎に交互に０になる。従来の演算方法のように、両検出信号Ａ，Ｂの和（Ａ＋Ｂ）を差（Ａ−Ｂ）で除すると、１／２δ毎に分母（Ａ−Ｂ）が０になり、出力が発散してしまうが、本実施形態のように、検出信号Ａと検出信号Ｂとが等しくなる位置では、両検出信号Ａ，Ｂの差（Ａ−Ｂ）を和（Ａ＋Ｂ）で除すれば、線形性のある出力が得られる。そして、検出信号Ａまたは検出信号Ｂが０のとき、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）と（Ａ＋Ｂ）／（Ａ−Ｂ）とは共に１または−１で同じ値となるので、このときに（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算と（Ａ＋Ｂ）／（Ａ−Ｂ）の演算とを切り換えることで、連続的な出力が得られる。この結果、演算装置２７の出力は、図示するように周期１／２δの三角波に近い波形を描く。
また、演算装置２７は、検出信号Ａ，Ｂの和を差で、或いは、検出信号Ａ，Ｂの差を和で除するので、エンコーダ２１の出力は、無次元化された変量であり、温度変化による磁界発生部材２４が発生する磁界強度の増減があっても変動がない。このため、線形近似して、磁界発生部２４の位置をＮ極部２２およびＳ極部２３の幅（１／４δ）より小さな単位で算出することができる。
本発明の第１実施形態の位置決め装置の構成を示す概略図。 図１の位置検出器の詳細な構成を示す概略図。 図２の磁界発生部材の発生する磁界の分布を示すグラフ。 図２の位置検出器の検出信号と出力を示すグラフ。 図２の位置検出器の出力の変化を示すグラフ。 図２の不着磁部の長さを変えた場合の位置検出器の出力を示すグラフ。 図６の出力の傾きの変化を示すグラフ。 図１の位置決め装置の実際的形状を示す平面図。 本発明の第２実施形態のエンコーダの構成を示す概略図。 図９のエンコーダの出力波形を示すグラフ。 従来の位置検出器の構成を示す概略図。 図１１の磁界発生部材の発生する磁界の分布を示すグラフ。 図１０位置検出器の出力変化を示すグラフ。
符号の説明
１ 位置決め装置
２ 圧電アクチュエータ
３ 位置検出器
８ 電気機械変換素子
９ 駆動部材
１０ 可動部材
１１ 磁界発生部材
１２ 磁界検出手段
１３ Ｎ極部
１４ Ｓ極部
１５ 不着磁部
１６ａ，１６ｂ ホール素子（磁界検出素子）
１８ 演算装置（演算手段）
１９ レンズ（光学素子）
２１ エンコーダ（位置検出器）
２２ Ｎ極部
２３ Ｓ極部
２４ 磁界発生部材
２５ａ，２５ｂ 磁気抵抗効果素子（磁界検出素子）
２７ 演算装置（演算手段）
Ａ 検出信号
Ｂ 検出信号

Claims (6)

  1. 所定の可動方向に移動可能な可動部材に付設した磁界発生部材と、前記磁界発生部材の移動による磁界変化を検出する磁界検出手段とを備え、
    前記磁界発生部材は、Ｎ極に着磁したＮ極部と、前記Ｎ極部と前記可動方向に並んだＳ極に着磁したＳ極部と、前記Ｎ極部と前記Ｓ極部との間の着磁していない不着磁部とからなり、前記不着磁部に対向している間に前記磁界検出手段が検出する磁界が、前記磁界発生部材の位置に対して線形的に変化する位置検出器において、
    前記磁界検出手段は、前記可動方向に並んだ２つの磁界変化を検出する磁界検出素子を有し、
    前記２つの磁界検出素子の検出信号を、線形範囲において小さい方をＡ、大きい方をＢとすると、
    Ａ＞０の場合、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、
    Ｂ＜０の場合、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２、
    Ａ≦０且つＢ≧０の場合、（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）の演算を行う演算手段をさらに備えることを特徴とする位置検出器。
  2. 所定の可動方向に移動可能な可動部材に付設した磁界発生部材と、前記磁界発生部材の移動による磁界変化を検出する磁界検出手段とを備え、
    前記磁界発生部材は、Ｎ極に着磁したＮ極部と、前記Ｎ極部と前記可動方向に並んだＳ極に着磁したＳ極部と、前記Ｎ極部と前記Ｓ極部との間の着磁していない不着磁部とからなり、前記不着磁部に対向している間に前記磁界検出手段が検出する磁界が、前記磁界発生部材の位置に対して線形的に変化する位置検出器において、
    前記磁界検出手段は、前記可動方向に並んだ２つの磁界変化を検出する磁界検出素子を有し、
    前記２つの磁界検出素子の検出信号を、線形範囲において小さい方をＡ、大きい方をＢとすると、（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）の演算を行う演算手段をさらに備えることを特徴とする位置検出器。
  3. 前記不着磁部の前記可動方向の長さは、前記磁界発生部材の全長の１／１０以上１／３以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出器。
  4. 前記磁界検出素子は、ホール素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の位置検出器。
  5. 前記１から４のいずれかの位置検出器を備え、
    前記可動部材は、前記可動方向に伸縮する電気機械変換素子によって前記可動方向に進退させられる駆動軸に摩擦係合しており、
    前記電気機械変換素子の伸長と収縮の速度を異ならせることで前記可動部材を前記駆動軸上で滑り移動させる圧電アクチュエータであることを特徴とする位置決め装置。
  6. 前記可動部材は、光学素子を保持することを特徴とする請求項５に記載の位置決め装置。
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