(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の磁気センサ素子をライン状に並べた磁気ラインセンサと、この磁気ラインセンサに対面して磁気センサ素子の並び方向に移動する磁石と、前記磁気ラインセンサの磁気センサ素子を順次選択するスキャナ回路と、選択されたセンサ素子の信号を増幅するアンプと、このアンプの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路の出力から、前記磁気ラインセンサに印加されている磁界の分布を測定して前記磁石の位置を計算する計算回路とを備え、前記磁石は磁気ラインセンサのセンサ素子の並び方向に並ぶ２つの磁極境界を持つものとし、前記計算回路は、前記ＡＤ変換回路のセンサ信号出力波形として得られる２つのゼロクロス位置を検出し、検出された２つのゼロクロス位置から中点を求めて、検出された磁石の位置を出力するものとした磁気ライン式位置センサ。
【請求項２】
請求項１において、前記計算回路は、検出した磁石の位置を絶対位置に換算して出力するものとした磁気ライン式位置センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記磁気ラインセンサを四角形に配置し、前記計算回路は、磁石の位置と角度を同時に検出するものとした磁気ライン式位置センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各種の機器における位置検出に用いられる磁気ライン式位置センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、非接触で位置を検出するために、光学式、静電容量検出式、磁気式など、様々なセンサが利用されている。
なお、各種の機器における回転検出を行うものとしては、多数の磁気センサ素子をマトリックス状に配置して磁気センサアレイを構成し、この磁気センサアレイを回転側部材に配置される磁石に対向配置して、磁石の発生する磁界分布を前記磁気センサアレイで検出し、検出される磁界分布から磁石の回転角度を検出するようにしたものが提案されている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３−１４８９９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記した光学式、静電容量検出式、磁気式などの位置センサは、高価であったり、調整が必要だったり、相対変位の検出しかできない等の課題がある。
【０００４】
このような課題を解決する位置センサの一例として、図９のように多数の磁気センサ素子２１ａをライン状に並べた磁気ラインセンサ２１を有するセンサチップ２７と、図８のように前記センサチップ２７に対し非接触に対面して磁気ラインセンサ２１のセンサ素子並び方向Ｘに移動する磁石２２とを設け、磁石２２はその移動方向に一対のＮＳ磁極２２ａ，２２ｂを有するものとすることにより磁気ライン式位置センサを構成することを考えた。この場合、前記センサチップ２７には、図９のように、前記磁気ラインセンサ２１と共に、磁気ラインセンサ２１の磁気センサ素子２１ａを順次選択するスキャナ回路２３と、選択されたセンサ素子２１ａの信号を増幅するアンプ２４と、このアンプ２４の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路２５と、このＡＤ変換回路２５の出力から、前記磁気ラインセンサ２１に印加されている磁界の分布を測定して前記磁石２２の位置を計算する計算回路２６とを集積させておく。
【０００５】
この磁気ライン式位置センサでは、磁石２２による磁界が磁気ラインセンサ２１に印加され、各磁気センサ素子２１ａがこのとき印加される磁気をそれぞれ検出する。磁気ラインセンサ２１の各磁気センサ素子２１ａはスキャナ回路２３によって順次選択され、選択された磁気センサ素子２１ａの検出信号がアンプ２４で増幅され、アンプ２４の出力がＡＤ変換回路２５でデジタル信号に変換される。磁気ラインセンサ２１と磁石２２との位置関係が図１０に平面図で示す状態にあるとき、磁気ラインセンサ２１の各磁気センサ素子２１ａの検出信号を、読み出された順にプロットすると図１１のようになる。計算回路２６では、磁石２２による磁界の分布に対応して図１１のように読み出される検出信号のうち磁極の境界位置（ゼロクロス位置）Ｘ0 付近の複数の検出信号から、同図に直線Ｌで示すように直線近似を行うことによりゼロクロス位置Ｘ0 を求め、このゼロクロス位置Ｘ0 を磁石の位置として検出する。これにより直線移動する磁石２２の位置を摩耗の問題のない非接触により絶対位置で精度良く検出することができる。
【０００６】
しかし、この磁気ライン式位置センサの場合、外乱磁界が印加されたとき、図１２のように磁気ラインセンサ２１により検出される磁界信号が、例えば実線で示す状態から破線で示す状態に変化する。このため、検出されるゼロクロス位置Ｘ0 がＸ0 ’のようにずれてしまい、検出位置が不正確になるという問題を有する。
【０００７】
この発明の目的は、外乱磁界の影響を受けることなく、非接触で分解能の高い絶対位置検出が可能で、簡単かつ安価に構成できる磁気ライン式位置センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の磁気ライン式位置センサは、多数の磁気センサ素子をライン状に並べた磁気ラインセンサと、この磁気ラインセンサに対面して磁気センサ素子の並び方向に移動する磁石と、前記磁気ラインセンサの磁気センサ素子を順次選択するスキャナ回路と、選択されたセンサ素子の信号を増幅するアンプと、このアンプの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路の出力から、前記磁気ラインセンサに印加されている磁界の分布を測定して前記磁石の位置を計算する計算回路とを備え、前記磁石は磁気ラインセンサのセンサ素子の並び方向に並ぶ２つの磁極境界を持つものとしている。
前記計算回路は、前記ＡＤ変換回路のセンサ信号出力波形として得られる２つのゼロクロス位置を検出し、検出された２つのゼロクロス位置から中点を求めて、検出された磁石の位置を出力する。また、前記計算回路は、検出した磁石の位置を絶対位置に換算して出力するものとしても良い。
【０００９】
この磁気ライン式位置センサでは、磁石による磁界が磁気ラインセンサに印加され、各磁気センサ素子がこのとき印加される磁気をそれぞれ検出する。磁気ラインセンサの各磁気センサ素子はスキャナ回路によって順次選択され、選択された磁気センサ素子の検出信号がアンプで増幅され、アンプの出力がＡＤ変換回路でデジタル信号に変換される。計算回路では、磁石による磁界の分布における２つの磁極境界（ゼロクロス位置）付近の複数の検出信号から、例えば直線近似を行うことにより２つのゼロクロス位置を求め、求まった２つのゼロクロス位置の中点を演算し、その中点を磁石の位置として算出する。これにより直線移動する磁気発生体の位置を、摩耗の問題のない非接触により絶対位置で検出することができる。
上記検出信号の波形は、外乱磁界が印加されたときに振幅方向に変化して、２つのゼロクロス位置は、互いに逆方向に同量だけ変化する。このため、２つのゼロクロス位置の中点は、ゼロクロス位置の変位後でも変化しない。すなわち、前記計算回路で算出される磁石の位置は外乱磁界の影響を受けない。
このように、磁気ラインセンサによる検出信号のうちゼロ近辺の複数の信号から直線近似を行ってゼロクロス位置を求めることで、磁気ラインセンサにおける磁気センサ素子の配置ピッチよりも高い分解能で磁石の位置を検出することができ、外乱磁界や磁界強度の絶対値（強さ）に影響されることもない。また、前記直線近似はゼロ近辺の複数の検出信号を用いて計算されるため、各検出信号に含まれるノイズ成分が平均化され、ノイズの影響を受け難くする効果も得られる。
【００１０】
この発明において、前記磁気ラインセンサを四角形に配置し、前記計算回路は、磁石の位置と角度を同時に検出するものとしても良い。この構成の場合、磁石の直線移動と回転を検出する構成を、安価に省スペースで実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の磁気ライン式位置センサは、多数の磁気センサ素子をライン状に並べた磁気ラインセンサと、この磁気ラインセンサに対面して磁気センサ素子の並び方向に移動する磁石と、前記磁気ラインセンサの磁気センサ素子を出力選択するスキャナ回路と、選択されたセンサ素子の信号を増幅するアンプと、このアンプの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路の出力から、前記磁気ラインセンサに印加されている磁界の分布を測定して前記磁石の位置を計算する計算回路とを備え、前記磁石は磁気ラインセンサのセンサ素子の並び方向に並ぶ２つの磁極境界を持つものとし、前記計算回路は、前記ＡＤ変換回路のセンサ信号出力波形として得られる２つのゼロクロス位置を検出し、検出された２つのゼロクロス位置から中点を求めて、検出された磁石の位置を出力するものとしたため、外乱磁界の影響を受けることなく、非接触で分解能の高い絶対位置検出が可能で、簡単かつ安価に構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この発明の一実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１は、この実施形態の磁気ライン式位置センサの原理構成を示す。この磁気ライン式位置センサは、磁気ラインセンサ１（図２）を有するセンサチップ７と、前記磁気ラインセンサ１に対し非接触に対面して磁気ラインセンサ１のセンサ素子並び方向Ｘに移動する磁石２とを備える。センサチップ７は固定側部材１１の上に固定され、磁石２はセンサチップ７と平行に直線移動する可動側部材１２に固定される。
【００１３】
磁気ラインセンサ１は磁石２の磁気を検出するセンサであって、図２（Ｂ）のように一つのセンサチップ７の面上に、多数のセンサ素子１ａをライン状に並べて構成される。センサチップ７には、図２（Ａ）のように前記磁気ラインセンサ１と共に、磁気ラインセンサ１の磁気センサ素子１ａを順次選択するスキャナ回路３と、選択された磁気センサ素子１ａの信号を増幅するアンプ４と、このアンプ４の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路５と、このＡＤ変換回路５の出力から、前記磁気ラインセンサ１に印加されている磁界の分布を測定して前記磁石２の位置を計算する計算回路６とが集積されている。
【００１４】
磁石２は、図１のように磁気ラインセンサ１に対面し、そのセンサ素子並び方向Ｘに並ぶ２つの磁極境界を持つように３つのＮＳＮ磁極２ａ，２ｂ，２ｃがこれらの順に並べられている。図３には、磁気ラインセンサ１と磁石２との位置関係を平面図で示す。
【００１５】
次に、上記磁気ライン式位置センサの動作を説明する。磁気ラインセンサ１に対して、磁石２が例えば図３の位置関係にある状態において、磁石２による磁界のセンサチップ７に対する垂直成分が磁気ラインセンサ１に印加され、各磁気センサ素子１ａがこのとき印加される磁気をそれぞれ検出する。磁気ラインセンサ１の各磁気センサ素子１ａはスキャナ回路３によって順次選択され、選択された磁気センサ素子１ａの検出信号がアンプ４で増幅され、アンプ４の出力がＡＤ変換回路５でデジタル信号に変換される。図４は、このような信号処理により得られた各磁気センサ素子１ａの検出信号を読み出した順に並べてプロットした図であり、磁石２による磁界の分布に対応している。同図において、＋側の波形部分は磁石２におけるＮ磁極２ａ，２ｃによる磁界に対応するものであり、−側の波形部分は磁石２におけるＳ磁極２ｃによる磁界に対応するものである。Ｎ磁極２ａとＳ磁極２ｂの境界位置（ゼロクロス位置）Ｘ01付近の検出信号、およびＳ磁極２ｂとＮ磁極２ｃのゼロクロス位置Ｘ02付近の検出信号は、印加される磁界成分がそれぞれゼロとなるため、ゼロ出力に近くなる。計算回路６では、これら２箇所のゼロ近辺の複数の検出信号から図４に直線Ｌ１，Ｌ２で示すような直線近似をそれぞれ行うことにより前記各ゼロクロス位置Ｘ01，Ｘ02を求め、求まった２つのゼロクロス位置Ｘ01，Ｘ02の中間位置Ｘ0 を演算し、その中間位置Ｘ0 を磁石２の位置として算出する。上記直線近似には最小自乗法などが用いられる。
【００１６】
図４にプロットされる検出信号の波形は、例えば図３において磁石２が右側に移動すると、図５に示すように、実線で示す波形から破線で示す波形のように変化し、その変化に伴い前記計算回路６から磁石２の位置として算出される位置Ｘ0 が変化する。これにより直線移動する磁石２の位置、つまり可動側部材１２の移動位置が摩耗の問題のない非接触により絶対位置で検出される。
【００１７】
また、上記検出信号の波形は、外乱磁界が印加されたときには、図６に示すように、実線で示す波形から破線で示す波形のように変化して、１つのゼロクロス位置Ｘ01はＸ01’に、他の１つのゼロクロス位置Ｘ02はＸ02’にそれぞれ略同量だけ変化する。この場合、一方のゼロクロス位置Ｘ01の変位はＸ軸方向の−側であるのに対して、他方のゼロクロス位置Ｘ02の変位はＸ軸方向の＋側であるため、２つのゼロクロス位置Ｘ01，Ｘ02の中点Ｘ0 は、ゼロクロス位置の変位後でも変化しない。すなわち、前記計算回路６で算出される磁石２の位置Ｘ0 は外乱磁界の影響を受けない。
【００１８】
この磁気センサ式位置センサでは、磁気ラインセンサ１による検出信号のうち２箇所のゼロ近辺の複数の信号からそれぞれ直線近似を行って２つのゼロクロス位置Ｘ01，Ｘ02を求め、求まった２つのゼロクロス位置Ｘ01，Ｘ02の中点Ｘ0 を演算し、その中点Ｘ0 を磁石２の位置として算出するようにしているので、磁気ラインセンサ１における磁気センサ素子１ａの配置ピッチよりも高い分解能で磁気発生体２の位置を検出することができ、磁界強度の絶対値（強さ）および外乱磁界に影響されることもない。また、前記直線近似はゼロ近辺の複数の検出信号を用いて計算されるため、各検出信号に含まれるノイズ成分が平均化され、ノイズの影響を受け難くする効果も得られる。
また、この磁気センサ式位置センサの構成部品としては、磁石２、磁気ラインセンサ２、および磁気ラインセンサ２に付随する回路基板、ケース類だけで足り、部品点数も少なく、外部の補正回路も必要ないので、簡単かつ安価に構成できる。
【００１９】
なお、上記計算回路６における磁石２の位置算出においては、求めた位置Ｘ0 の座標を、磁石２の実際の位置に換算して出力するようにしても良い。たとえば、ある位置を基準位置（０）として記憶しておき、この基準位置に対して＋３００μｍの位置などとして磁石２の位置を出力する。このように計算処理を行う場合、上記計算回路６には、上記基準位置を外部から与えるための手段と、その基準位置を記憶しておく不揮発メモリを備えておく。
【００２０】
この実施形態の利点をまとめて次に示す。
（１）非接触で位置を検出できる。
（２）外乱磁界の影響を受けずに位置検出できる。
（３）微小な磁気センサ素子１ａを多数並べているので、分解能の高い位置検出が可能になる。
（４）２つの磁極境界線を持つ磁石２とセンサ１と回路だけであり、構成が単純である。（５）絶対位置が検出できる。
（６）ゼロクロス位置を検出する方式により、ギャップが変化したり、磁界の強さが変化しても影響を受けずに位置検出できる。
【００２１】
図７は、この発明の他の実施形態を示す。この磁気ラインセンサ式位置センサは、先の実施形態において、センサチップ７の上に４つの磁気ラインセンサ１Ａ〜１Ｄを、四角形に配置したものである。先の実施形態の場合とほぼ同様に、各磁気ラインセンサ１Ａ〜１Ｄの近傍には、各磁気ラインセンサに対応するスキャナ回路３、アンプ４、ＡＤ変換回路５、計算回路６（図２）が配置される。ここでは磁石２（図１）は図示しないが、その構造は先の実施形態の場合と同じである。ただし、磁石２の３つのＮＳＮ磁極２ａ，２ｂ，２ｃの並び方向は、磁気ラインセンサ１Ａ〜１Ｄのセンサ素子並び方向に対して特定の関係は持たされていない。
【００２２】
この磁気ライン式位置センサは、４つの磁気ラインセンサ１Ａ〜１Ｄからなる四角形において、対向し合う２辺の磁気ラインセンサを利用することで、磁石２の移動位置と角度を求めるものである。具体的には、磁石２の３つのＮＳＮ磁極２ａ，２ｂ，２ｃによる２つの磁界境界（ゼロクロス位置）の中点として求められる磁石位置が、例えば対向し合う２辺の磁気ラインセンサ１Ｂ，１ＤにおけるＺ１，Ｚ２の位置にあることを、磁気ラインセンサ１Ｂ，１Ｄの検出信号に基づきこれら磁気ラインセンサに対応する各計算回路６で演算すると共に、これら２点の磁石位置Ｚ１，Ｚ２の座標を使用することで、磁石位置Ｚ１，Ｚ２を結ぶラインＬ３の角度とセンサチップ７上でのラインＬ３の位置とを同時に求める。この場合のラインＬ３は、磁石２の磁界の分布における２つのＮ磁極領域で挟まれるＳ磁極領域の中間線となる。２点の磁石位置Ｚ１，Ｚ２からラインＬ３の角度と位置を求める計算は、４つの磁気ラインセンサ１Ａ〜１Ｄに対応する各計算回路６のいずれか１つが担うものとするか、センサチップ７の上に別に配置する専用の計算回路で行う。
【００２３】
この磁気ライン式位置センサでは、磁石２が例えば図７に矢印Ｐで示す方向に移動すると、検出される２点の磁石位置はＺ１’，Ｚ２’の位置となるので、これら磁石位置Ｚ１，Ｚ２の座標から移動したラインＬ３（同図に破線で示す）の位置を検出することができる。
また、前記ラインＬ３の位置検出と角度検出を１つのセンサでできるため、磁石２の直線移動と回転を検出する構成が、安価に省スペースで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の一実施形態にかかる磁気ライン式位置センサの原理構成を示す正面図である。
【図２】（Ａ）は同磁気ライン式位置センサにおけるセンサチップの平面図、（Ｂ）は同センサチップの斜視図である。
【図３】同磁気ライン式位置センサにおける磁気ラインセンサと磁石の位置関係を示す平面図である。
【図４】同磁気ライン式位置センサにおける磁気ラインセンサからの検出信号を読み出した順に並べてプロットした波形図である。
【図５】同磁気ライン式位置センサによる検出信号波形の磁石移動に伴う変化を示した波形図である。
【図６】同磁気ライン式位置センサによる検出信号波形の外乱磁界による変化を示した波形図である。
【図７】この発明の他の実施形態にかかる磁気ライン式位置センサの磁気ラインセンサを配置したセンサチップを示す斜視図である。
【図８】従来の磁石とセンサとの配置図である。
【図９】磁気ラインセンサの構成図である。
【図１０】従来構成での磁石とセンサの平面図である。
【図１１】従来構成での磁界信号の例を示す図である。
【図１２】従来構成での外乱磁界の影響を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１，１Ａ〜１Ｄ…磁気ラインセンサ
１ａ…磁気センサ素子
２…磁石
２ａ，２ｂ，２ｃ…磁極
３…スキャナ回路
４…アンプ
５…ＡＤ変換回路
６…計算回路
【図１】
0004745051.tif 000002
【図２】
0004745051.tif 000003
【図３】
0004745051.tif 000004
【図４】
0004745051.tif 000005
【図５】
0004745051.tif 000006
【図６】
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【図７】
0004745051.tif 000008
【図８】
0004745051.tif 000009
【図９】
0004745051.tif 000010
【図１０】
0004745051.tif 000011
【図１１】
0004745051.tif 000012
【図１２】
0004745051.tif 000013