JP3912779B2 - 磁気式位置検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定体に対する移動体の位置を検出する位置検出装置に関し、より詳細には、ホール素子や磁気抵抗効果素子など磁気感応素子を用いて高精度に基準位置を検出することができる磁気式位置検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動体の位置検出を行う装置として、例えば、監視カメラを任意の方向に回転させて監視対象を撮影し、その画像を記録したりモニタ装置に表示したりする監視システムにおいては、監視カメラの向きを把握するために、監視カメラを回転駆動する際の基準位置（原点位置）を定めておき、その位置からの移動量（回転角度）を検出するようにしている。
【０００３】
この種のシステムで使用される位置検出装置として、図６（ａ）に示す磁気式位置検出装置６０が知られている。この磁気式位置検出装置６０は、磁石６１のＳ極部６１ｓをバックヨーク６２に接合してなる磁石部６３と、磁石６１のＮ極部６１ｎに沿って移動するホール素子６４とを備え、ホール素子６４が磁石６１のＮ極部６１ｎに沿って移動する際に感知する磁束密度の変化に基づいて、磁石部６３とホール素子６４との相対的な変位を検出することができる。
【０００４】
図６（ｂ）はその位置検出に関する原理説明図であり、ホール素子６４が移動する軌跡上には、ホール素子６４によって検出される磁束密度がゼロになる位置Ｐａ、Ｐｂが存在する。したがって、それらの位置Ｐａ、Ｐｂを基準にして、磁石部６３とホール素子６４との相対的な移動位置を検出することができる。
【０００５】
上記監視システムにおいては、移動体である監視カメラとこれを支持する固定体の一方に磁石部６３を、他方にホール素子６４を取り付けるとともに、磁束密度がゼロになる位置ＰａまたはＰｂを基準位置たとえばモータの回転原点位置などに定めておくことにより、その位置からの移動量（モータの場合回転量）によって監視カメラの向きを把握することができる。
【０００６】
しかし、この磁気式位置検出装置６０では、図６（ｂ）の磁束密度曲線に示すように、ホール素子６４がその移動軌跡上で感知する磁束密度はゼロを下限としてスロープ状になだらかに変化する。このため、ホール素子６４の出力の立ち上がり、立ち下がりが明確でなく、磁束密度がゼロになる位置Ｐａ、Ｐｂが大きくばらついてしまうため位置検出誤差が大きくなるという問題があった。
【０００７】
この欠点を解消するために、特開平５−２６６０４号公報記載の磁気式位置検出装置では、図７（ａ）に示すように、バックヨーク６２をＵ字状に屈曲させた構造とすることにより、図７（ｂ）に示すように、バックヨーク６２の両端と磁石６１との中間位置（Ｎ極とＳ極との中立点）Ｐａ、Ｐｂを境にして磁界の極性が反転するようにしている。この磁気式位置検出装置によれば、磁束密度がゼロになる位置Ｐａ、Ｐｂのばらつきを小さくし、かつそれらを磁界の極性反転によって明確に検出できるため、位置検出誤差を大幅に減らすことができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の磁気式位置検出装置においても磁束密度がゼロになる位置を安定に検出することが難しかった。なぜならホール素子６４のオフセット電圧のばらつきや位置検出装置に使用する電子回路のオフセットおよび環境温度の変化などによって磁束密度ゼロに相当する電圧（電位差）が変化するため、このばらつきに相当する電圧分正方向に検出のしきい値をずらしておかなければ、本来検出すべき磁束密度ゼロの位置と磁石６１から遠く離れた磁束密度ゼロの位置を誤検出してしまうためである。また、このような理由で検出のしきい値をずらさざるを得ない結果、電源電圧の変化や磁石の磁力変化、環境温度の変化などによって検出位置が影響を受けるため、生産時に設定した検出位置の基準位置からずれてしまい、位置検出誤差が生じて機器の動作に支障をきたすことがあった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、従来の磁気式位置検出装置よりも位置検出誤差をさらに小さくできるとともに、ホール素子や磁気抵抗効果素子など磁束密度の検出に用いる磁気感応素子の電源電圧の変化、磁石の磁力の変化、環境温度の変化などによる位置検出誤差を極力抑えた高精度の磁気式位置検出装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固定体と移動体の一方に磁石を、他方に磁気感応素子を取り付け、前記磁石と前記磁気感応素子とが相対的に移動する際に前記磁気感応素子が感知する磁束密度の変化に基づいて、前記固定体に対する前記移動体の位置を検出する磁気式位置検出装置であって、前記磁石と前記磁気感応素子とが相対的に移動する方向に沿って前記磁石のＳ極とＮ極とを並設するとともに、前記磁気感応素子が感知する磁束密度がゼロになる位置を検出するための基準信号を生成する基準信号生成回路と、前記磁気感応素子の出力に応じた検出信号と前記基準信号とを比較し、両者のレベルが互いに等しくなった時に所定レベルの基準位置検出信号を出力する比較回路と、前記磁石と前記磁気感応素子とが互いに近接した一定の期間のみ、前記所定レベルの基準位置検出信号が出力されるように、前記比較回路に入力される前記検出信号または前記基準信号を制御する比較信号制御回路とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、好ましくは、前記基準信号生成回路は、前記磁気感応素子の出力の平均レベルの信号を前記基準信号として出力することとする。
【００１２】
上記のように、前記磁石と前記磁気感応素子とが相対的に移動する方向に沿って前記磁石のＳ極とＮ極とを並設したことにより、前記磁石のＳ極とＮ極との境界位置を前記磁気感応素子が通過することになる。その通過の際、前記磁気感応素子が感知する磁束密度がゼロになるとともに、磁界の極性がＮからＳ、またはＳからＮに完全に反転するため、前記磁気感応素子が感知する磁束密度がゼロになる位置のばらつきを完全に無くすことが可能である。
【００１３】
したがって、本発明では、前記磁気感応素子が感知する磁束密度に応じた検出信号と前記基準信号生成回路が生成する基準信号とを前記比較回路が比較し、両者のレベルが互いに等しくなった時に所定レベルの基準位置検出信号を出力することにより、前記磁気感応素子が感知する磁束密度がゼロになる位置すなわち基準位置を極めて正確に検出することが可能となる。しかも、前記磁石と前記磁気感応素子とが互いに近接した一定の期間のみ前記所定レベルの基準位置検出信号が出力されるように、前記比較回路に入力される前記検出信号または前記基準信号を前記比較信号制御回路によって制御するので、前記磁石から遠く離れた磁束密度がゼロの位置を基準位置と誤検出することがない。
【００１４】
また、前記磁気感応素子の出力の平均レベルの信号を前記基準信号として用いることにより、前記磁気感応素子の電源電圧が変動したり、磁石の磁力が変化したり、環境温度が変化したりしても、このような条件変化に連動して前記基準信号を変化させることができるので、位置検出精度を高精度に保つことが可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る磁気式位置検出装置の構成を示す構成説明図である。図１において、固定体１に沿って移動体２が平行移動するようになっている。磁気式位置検出装置は、固定体１に取り付けられたホール素子４および回路基板５と、移動体２に取り付けられた磁石６とを備えて構成される。図中の矢印Ａは移動体２の移動方向を示している。
【００１６】
ホール素子４は、回路基板５に搭載されており、磁石６の移動経路に臨ませるようにして、回路基板５を介して固定体１に固定されている。回路基板５上には後述する位置検出回路が形成されている。磁石６は、移動体２の移動方向下流側にＮ極、上流側にＳ極を向けるようにして、移動体２の固定体１との対向面に固定されている。
【００１７】
図２は本発明の第１実施の形態に係る磁気式位置検出装置の位置検出回路の回路構成を示す回路図、図３は図２に示す位置検出回路の各部の信号を示す信号波形図である。
【００１８】
図２に示すように、ホール素子４は電源電圧Ｖｃｃにより駆動される。ホール素子４の出力ａは、反転増幅回路７に入力される。反転増幅回路７は、ホール素子４の出力ａを位相を反転させて増幅し検出信号ｂとして出力する。検出信号ｂは、比較回路８の反転入力端子に入力される。
【００１９】
一方、ホール素子４の出力ａは、基準信号生成回路９にも入力される。基準信号生成回路９は、ホール素子４の両出力端子間の中間電圧を入力とし、ホール素子４の出力ａの平均レベルでかつ検出信号ｂと同位相の基準信号ＶＣを出力する。基準信号ＶＣは、比較信号制御回路１０に入力される。
【００２０】
比較信号制御回路１０は、窓信号生成回路１１と、しきい値設定回路１２とを備えて構成される。窓信号生成回路１１は、検出信号ｂを所定電圧降圧した窓用検出信号ｂ1 と基準信号ＶＣとを比較し、両者のレベルが互いに等しくなった時点から一定の期間Ｔの間だけローレベルになる窓信号ｃを発生する。この一定の期間Ｔは、移動体２の移動速度および磁石６の移動方向先端からＮ極とＳ極との境界までの距離を考慮して設定される。窓信号生成回路１１は、この磁気式位置検出装置が取り付けられた機器側の図示しない制御回路から基準位置検出（原点サーチ）開始前に入力端子１３に入力されるパルス信号ｆによって初期化される。
【００２１】
しきい値設定回路１２には、窓信号ｃと基準信号ＶＣとが入力される。そして、しきい値設定回路１２は、窓信号ｃがローレベルの期間のみ、基準信号ＶＣと同レベルのしきい値信号ｄを出力し、それ以外の期間は基準信号ＶＣよりも遙かに低いレベルのしきい値信号ｄを出力する。しきい値信号ｄは、比較回路８の非反転入力端子に入力される。
【００２２】
比較回路８は、検出信号ｂとしきい値信号ｄとを比較し、両者のレベルが一致したときに所定レベルの位置検出信号ｅを出力する。この例では、位置検出信号ｅは窓信号生成回路１１がパルス信号ｆによって初期化されると同時にハイレベルになり、両者のレベルが一致した時点でローレベルに変化する。
【００２３】
上記のように構成した磁気式位置検出装置では、移動体２の移動方向にＮ極、逆方向にＳ極を向けるようにして磁石６が設けられているので、磁石６のＳ極とＮ極との境界位置をホール素子４が通過することになる。その通過の際、ホール素子４が感知する磁束密度がゼロになるとともに、磁界の極性がＮからＳに完全に反転するため、ホール素子４が感知する磁束密度がゼロになる位置のばらつきを完全に無くすことができる。
【００２４】
したがって、ホール素子４が感知する磁束密度に応じた検出信号ｂと、基準信号ＶＣと同レベルのしきい値信号ｄとを比較回路８が比較し、両者のレベルが互いに等しくなったときにローレベルの基準位置信号ｅを出力することにより、ホール素子４が感知する磁束密度がゼロになる位置、すなわち基準位置を極めて正確に検出することができる。
【００２５】
しかも、窓信号ｃがローレベルの期間Ｔ、すなわち磁石６の接近によりホール素子４の出力ａが変化し始めた直後から一定の期間Ｔのみ、しきい値信号ｄを基準信号ＶＣと同レベルとし、それ以外の期間はしきい値信号ｄを基準信号ＶＣよりも遙かに低いレベルにするようにしたので、磁石６とホール素子４とが互いに近接した一定の期間Ｔの間に到来した磁束密度ゼロの位置だけを検出することができる。したがって、磁石６から離れた磁束密度がゼロの位置を基準位置と誤検出することがない。
【００２６】
また、ホール素子４の出力ａの平均レベルの信号を基準信号ＶＣとしたことにより、ホール素子４の電源電圧Ｖｃｃが変動したり、磁石６の磁力が変化したり、環境温度が変化したりしても、このような条件変化に連動して基準信号ｅを変化させることができるので、位置検出精度を高精度に保つことができる。
【００２７】
また、磁石６をその一方の磁極が移動体２の移動方向に向き、他方の磁極が反対方向に向くように配置したことにより、磁石６を長手方向に着磁することができるため、パーミアンス係数が大きい状態で磁石６を使用することができる。したがって、磁石６の減磁が発生しにくい構造とすることができる。
【００２８】
図４は本発明の第２実施の形態に係る磁気式位置検出装置の位置検出回路の回路構成を示す回路図、図５は図４に示す位置検出回路の各部の信号を示す信号波形図である。
【００２９】
図４に示すように、ホール素子４は電源電圧Ｖｃｃにより駆動される。ホール素子４の出力ａは、反転増幅回路７に入力される。反転増幅回路７は、ホール素子４の出力ａを位相を反転させて増幅し検出信号ｂとして出力する。検出信号ｂは、比較回路８の非反転入力端子に入力される。
【００３０】
一方、ホール素子４の出力ａは、基準信号生成回路９にも入力される。基準信号生成回路９は、ホール素子４の両出力端子間の中間電圧を入力とし、ホール素子４の出力ａの平均レベルでかつ検出信号ｂと同位相の基準信号ＶＣを出力する。基準信号ＶＣは、比較信号制御回路２０に入力されるとともに、比較回路８の反転入力端子に入力される。
【００３１】
比較信号制御回路２０は、窓信号生成回路２１と、信号遮断回路２２とを備えて構成される。窓信号生成回路２１は、検出信号ｂを所定電圧降圧した窓用検出信号ｂ2 と基準信号ＶＣとを比較し、両者のレベルが互いに等しくなった時点から一定の期間Ｔの間だけローレベルになる窓信号ｊを発生する。窓信号生成回路２１は、入力端子１３に入力されるパルス信号ｈによって初期化される。
【００３２】
信号遮断回路２２は、窓信号ｊがローレベルの期間以外は、比較回路８への検出信号ｂの入力を完全に遮断する。すなわち、窓信号ｊがローレベルの期間に到来する検出信号ｋのみ比較回路８に入力される。比較回路８は、検出信号ｋと基準信号ＶＣとを比較し、両者のレベルが一致したときに所定レベルの位置検出信号ｍを出力する。
【００３３】
したがって、この第２実施の形態においても、第１実施の形態と同様に、窓信号ｊがローレベルの期間Ｔ、すなわち磁石６とホール素子４とが互いに近接した一定の期間Ｔの間に到来した磁束密度ゼロの位置だけを検出することができるので、磁石６から離れた磁束密度がゼロの位置を基準位置と誤検出することがない。また、この期間Ｔの間に基準位置を極めて正確に検出することができる。
【００３４】
なお、上記実施の形態では、固定体１にホール素子４を、移動体２に磁石６を取り付けた場合について説明したが、固定体１に磁石６を、移動体２にホール素子４を取り付けてもよい。また、磁石６のＳ極とＮ極の位置関係を逆にしてもよい。ただし、ホール素子４の出力ａの波形が図３および図５の場合と左右反転することになるので、検出信号ｂおよび基準信号ＶＣも反転させる必要がある。また、ホール素子の代わりに磁気抵抗効果素子を使用してもよい。
【００３５】
また、上記の例では、移動体２が固定体１に対して平行移動することとしたが、移動体２が固定体１に対して回転する場合も、上記実施の形態が適用できる。その場合、図１中の矢印Ａは回転方向を示す。また、移動位置は回転位置または角度に相当する。
【００３６】
上述した本実施の形態によれば、位置検出誤差を従来よりもさらに小さくでき、極めて精度良く基準位置を検出できるとともに、磁気感応素子の電源電圧が変動したり、磁石の磁力が変化したり、環境温度が変化したりしても、位置検出精度を高精度に保つことができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、従来の磁気式位置検出装置よりも位置検出誤差をさらに小さくできるとともに、ホール素子や磁気抵抗効果素子など磁束密度の検出に用いる磁気感応素子の電源電圧の変化、磁石の磁力の変化、環境温度の変化などによる位置検出誤差を極力抑えることができ、位置検出精度を高精度に保つことが可能な磁気式位置検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る磁気式位置検出装置の構成を示す構成説明図。
【図２】本発明の第１実施の形態に係る磁気式位置検出装置の位置検出回路の回路構成を示す回路図。
【図３】図２に示す位置検出回路の各部の信号を示す信号波形図。
【図４】本発明の第２実施の形態に係る磁気式位置検出装置の位置検出回路の回路構成を示す回路図。
【図５】図４に示す位置検出回路の各部の信号を示す信号波形図。
【図６】（ａ）は従来の磁気式位置検出装置の構成例を示す構成説明図、（ｂ）は（ａ）の磁気式位置検出装置におけるホール素子の位置とホール素子が感知する磁束密度との関係を示す図。
【図７】（ａ）は従来の磁気式位置検出装置の別の構成例を示す構成説明図、（ｂ）は（ａ）の磁気式位置検出装置におけるホール素子の位置とホール素子が感知する磁束密度との関係を示す図。
【符号の説明】
１ 固定体
２ 移動体
４ ホール素子（磁気感応素子）
５ 回路基板
６ 磁石
８ 比較回路
９ 基準信号生成回路
１０ 比較信号制御回路
１１ 窓信号生成回路
１２ しきい値設定回路
２０ 比較信号制御回路
２１ 窓信号生成回路
２２ 信号遮断回路
ＶＣ 基準信号
Ｖｃｃ 電源電圧
ａ 出力
ｂ 検出信号
ｂ1 、ｂ2 窓用検出信号
ｃ 窓信号
ｄ しきい値信号
ｅ 位置検出信号
ｊ 窓信号
ｍ 位置検出信号
Ｔ 期間

Claims (2)

1. 固定体と移動体の一方に磁石を、他方に磁気感応素子を取り付け、前記磁石と前記磁気感応素子とが相対的に移動する際に前記磁気感応素子が感知する磁束密度の変化に基づいて、前記固定体に対する前記移動体の位置を検出する磁気式位置検出装置であって、
   前記磁石と前記磁気感応素子とが相対的に移動する方向に沿って前記磁石のＳ極とＮ極とを並設するとともに、
   前記磁気感応素子が感知する磁束密度がゼロになる位置を検出するための基準信号を生成する基準信号生成回路と、
   前記磁気感応素子の出力に応じた検出信号と前記基準信号とを比較し、両者のレベルが互いに等しくなった時に所定レベルの基準位置検出信号を出力する比較回路と、
   前記磁石と前記磁気感応素子とが互いに近接した一定の期間のみ、前記所定レベルの基準位置検出信号が出力されるように、前記比較回路に入力される前記検出信号または前記基準信号を制御する比較信号制御回路と、
   を備えたことを特徴とする磁気式位置検出装置。
2. 前記基準信号生成回路は、前記磁気感応素子の出力の平均レベルの信号を前記基準信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気式位置検出装置。

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