(57)【要約】【課題】  小型磁石を用い、民生精密機器用に適した小型、安価で安定な位置検出磁気センサを提供する。【解決手段】  小型磁石１の上に磁気センサ２が配置され、磁気センサの上方、間隔を空けて下に凸の磁性材３が配置され、磁性材３は磁石1及び磁気センサ２の横方向の寸法を越える範囲で移動する。磁石１の下には磁性材３と磁気結合するヨーク４が配置されている。磁性材３の凸形状は中央付近の急峻な凸部から端部のなだらかな裾部に繋がっている。磁気センサ２に設けられた中央及び両端の磁気検知部の磁界検出出力を用いて磁性材３の移動量を算出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石と、
前記磁石の上に配置した複数の磁気検知部を有する磁気センサと、
前記磁気センサと対向して凸形状または凹形状を有する表面を有し、前記磁気センサの配置された平面と概平行に、前記磁石および前記磁気センサの横方向の寸法を越える範囲で、移動可能に配置された磁性材と、
からなる前記磁性材の移動量を検出する位置検出磁気センサ。
【請求項２】
前記磁性材の前記凸形状は、中央付近の急峻な凸部と、前記凸部と比較してなだらかな裾部とを有する請求項１記載の位置検出磁気センサ。
【請求項３】
前記磁性材の前記凹形状は、中央付近の深い凹部と、凸状の中間部と、なだらかな裾部とを有する請求項１記載の位置検出磁気センサ。
【請求項４】
前記磁性材の前記凹形状は、中央付近の深い凹部と、凸状の中間部と、磁石側面とほぼ平行な端部とを有する請求項１記載の位置検出磁気センサ。
【請求項５】
前記磁気センサは、少なくとも中央部及び端部に磁気検知部を有する請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の位置検出磁気センサ。
【請求項６】
前記磁気センサは、少なくとも両端に配置した磁気検知部と、前記両端の磁気検知部の出力を比較する移動方向判定回路と、前記磁気センサに設けられた複数の磁気検知部出力を切り換える補正回路とを有する請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の位置検出磁気センサ。
【請求項７】
前記磁気センサは、前記端部の磁気検知部の出力から前記中央部の磁気検知部の出力に係数を掛けて減算する減算回路を有する請求項５記載の位置検出磁気センサ。
【請求項８】
前記磁石を内面に配置するためのヨークをさらに備え、前記ヨークは前記磁性材と磁気結合している請求項１乃至７のいずれか1項に記載の位置検出磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体を有する移動体の移動位置を検出するための磁気センサの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばデジタルカメラの機械方式手振れ補正など民生精密機器で微少変位を検出する小型で安価な位置センサが求められている。
【０００３】
このような用途で用いられている位置検出磁気センサの構成を図１２に示す。磁石１０１は上下方向に着磁されており、磁石１０２も上下方向に着磁されているが磁石１０１とは逆方向になっている。磁石１０１と磁石１０２は別体ではなくひとつの磁石を、エリアを二分して着磁方向を変えたものである。磁石の下側には鉄材などの軟磁性材ヨーク１０３を配置している。磁石１０１、磁石１０２の上には隙間を空けて上下方向の磁界を検出するホール素子などの磁気センサ１０４が配置され、磁気センサ１０４の上には軟磁性材ヨーク１０５が設けられている。磁石１０１及び磁石１０２と磁気センサ１０４とは相対的に横方向に移動可能に構成されている。磁石１０１と磁石１０２による上下方向の磁界は中央の磁石１０１と磁石１０２との境でゼロとなり、磁石１０１上と磁石１０２上では磁界の向きは逆で、その強さは端に行くほど強くなる。このため磁気センサ１０４を上下方向に貫く磁界の強度は相対移動量に応じてリニアに変化し、相対位置を特定できる。このような構成では比較的閉じた磁界系となり、この系の外の磁性材などの影響を受けにくい。
【０００４】
また、図１３に示す構成も提案されている。磁石１０６の上に間隔を空けて磁気センサ１０７と磁気センサ１０８が配置されている。磁気センサ１０７、磁気センサ１０８の上方、間隔を空けて磁性材１０９が設けられ、磁性材１０９は磁気センサ１０７と横方向に重なる位置から磁気センサ１０８と横方向に重なる位置まで稼動する。磁石１０６からの磁界の一部が磁性材１０９に引っ張られるため磁気センサ１０７と磁気センサ１０８を通る磁束の比較を行うことにより磁性材１０９の位置を特定することができる。
【０００５】
更に、比較的小型の磁石に磁気センサ載せ、磁気センサの先に磁気センサとの距離が変化するような形状の磁性材カムを配置し、カムの回転による磁束変化から回転角度を検出する構成も公開されている。（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−９８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１２に示すような磁石を移動させる構成は外乱に比較的強く、磁束の変化が大きいため磁気センサ及び磁気センサ出力信号の処理回路として安価なものが使えるメリットがあるが、移動距離に比べて大きな磁石が必要であり、磁石の着磁精度要求が高く、手間がかかる点からコストが高くなる。
【０００７】
また、図１３に示す構成では磁気センサを通る磁束の変化が極めて小さく、高感度の磁気センサとローノイズの信号処理回路が必要とされ、更に外部の磁性材などの外乱に弱く、小型で安価な民生用位置センサとしては適していない。
【０００８】
特許文献１の構成では磁気センサと磁性材カムまでの距離とカム形状が検出特性に鋭敏に影響するため安価でバラツキの少ない位置センサを供給することが難しい。
【０００９】
そこで本願にかかる発明は、民生精密機器に搭載可能な小型・安価で安定な位置検出磁気センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、磁石と、当該磁石の上に配置した複数の磁気検知部を有する磁気センサと、当該磁気センサと対抗して凸形状または凹形状を有し、磁気センサ平面方向に移動可能な構造とした磁性材とから成り、当該磁性材の移動量を検出することを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、上述の構成で磁性材の凸形状が中央付近の急峻な凸部と、前記凸部と比較してなだらかな裾部とを有することを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、上述の構成で磁性材の凹形状が中央付近の深い凹部と、凸状の中間部と、なだらかな裾部とを有することを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、上述の構成で磁性材の凹形状が中央付近の深い凹部と、凸状の中間部と、磁石側面とほぼ平行な端部とを有することを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、上述の位置検出磁気センサにおいて、少なくとも磁気センサの中央部及び端部に磁気検知部を有することを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、前記磁気センサにおいて、少なくとも磁気センサの両端に配置した磁気検知部と、当該両端の磁気検知部の出力を比較する移動方向判定回路と、前記磁気センサに設けられた複数の磁気検知部出力を切り換える補正回路とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、端部の磁気検知部の出力から中央部の磁気検知部の出力に係数を掛けて減算する減算回路を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、移動距離に比べて小さな磁石を用いることができ、安価で加工の容易な磁性材を移動体とし用いているためコスト低減が可能である。しかも、磁気センサの中央と端部に設けた磁気検知部の信号を組み合わせて信号処理回路で補正を行うことにより簡単な構成で安定な位置検出を行う位置検出磁気センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による位置検出磁気センサを説明する。
【００１９】
図１は本発明の一実施形態を示す断面図である。小型磁石１の上に磁気センサ２が配置され、磁気センサ２の上方、間隔を空けて下に凸形状の磁性材３が配置され、磁性材３は磁石1及び磁気センサ２の横方向の寸法を越える範囲で移動する。磁石１の下には磁性材３と磁気結合するヨーク４が配置されている。磁性材３の凸形状は中央付近の急峻な凸部から端部のなだらかな裾部に繋がっている。磁性材３の凸形状の下の磁束密度はこの凸部付近に向かう磁束の積分に近いため、凸部を急峻にすることにより磁性材３の移動に伴う磁気センサ２での磁束密度変化を大きくでき、しかもこの特性の直線性を改善している。
【００２０】
図２は磁気センサ２に配置される複数の磁気検知部の配置を示す平面図である。より具体的には、例えば、磁気センサ２は信号処理回路を含む磁気センサＩＣ５であり、その中央部に磁気センサＩＣ５の基板平面と垂直な方向の磁界を検出する磁気検知部６が設けられ、両端に磁気検知部７および磁気検知部８が配置されている。
【００２１】
図３は磁性材３の横方向の移動に伴う磁気検知部での磁気センサＩＣ５の平面と垂直な方向の磁束密度変化を示す特性図である。中央部の磁気検知部６の位置では特性aのように磁性材３が中央に位置する時に磁束密度が最大となり、中央から左右どちらに移動しても徐々に磁束密度が減少する。一方、磁気センサＩＣ５の右端に位置する磁気検知部８では特性ｂのように、磁気検知部６での特性と似た形状で右方向にシフトし、磁束密度の絶対値が低くなる。図示していないが、磁気センサＩＣ５の左端の磁気検知部７では特性ｂを中央に対して左右対称にした形状の特性となる。このため、磁気検知部７と磁気検知部８の磁界を比較すると、中央で磁界が等しくなり、中央から右に移動すると磁気検知部８の磁界の方が強くなり、逆に中央から左に移動すると磁気検知部７の磁界の方が強くなる。従って、磁気検知部７の磁界検出出力と磁気検知部８の磁界検出出力を比較することにより、磁性材３の位置が中央か、中央より右か、中央より左かを判定できる。中央からの移動量に対応する値としては磁気検知部６の磁界検出出力を用いることができる。この場合、磁束密度が比較的高いためＳＮ比を確保し易いが、中央付近で特性aの傾きが緩くなって鈍るため、補正テーブルを用いたり非線形増幅回路を用いたりするなどにより補正を行うことが望ましい。他の方法として、磁性材３が中央より右にあると判定した場合は磁気検知部７の磁界検出出力を用い、磁性材３が中央より左にあると判定した場合は磁気検知部８の磁界検出出力を切り換えて用いることもできる。
【００２２】
図４は磁気センサＩＣ５の主要部ブロック図である。磁気検知部の記号は図２と同一としている。磁気検知部７の磁界検出出力と磁気検知部８の磁界検出出力とは移動方向判定回路９に加えられ大小比較が行われ、判定結果は補正回路１０に送られる。磁気検知部６の磁界検出出力、磁気検知部７の磁界検出出力、磁気検知部８の磁界検出出力は補正回路１０に加えられ、この移動方向信号と共に中央からの移動量を表す磁気検知部６の磁界検出出力が出力される。あるいは、移動方向判定回路９の結果に基き、移動方向信号と共に中央からの移動量を表す信号として磁気検知部７の磁界検出出力と磁気検知部８の磁界検出出力とを切り換えて出力する。
【００２３】
上記構成により、小型の磁石を用いて磁石サイズ以上の移動量を検出でき、磁気センサの上方全体に磁性材の移動体が存在するため外乱に比較的強く、安価でありながら安定な検出を実現している。
【００２４】
図５は本発明の別の実施形態を示す断面図である。小型磁石１１の上に磁気センサ１２が配置され、磁気センサ１２の上方、間隔を空けて上方に窪んだ形状の磁性材１３が配置され、磁性材１３は磁石1１及び磁気センサ１２の横方向の寸法を越える範囲で移動する。磁石１１の下には磁性材１３と磁気結合するヨーク１４が配置されている。磁性材１３の上方凹形状は中央付近の深い凹部からやや凸状の中間部に繋がり、最後になだらかな裾部に繋がっている。凸状の中間部を設けることにより磁性材１３の端部が磁気センサ１２の端部に近づいた時に横方向に磁界が引っ張られる以上に縦方向に引っ張り上げることができ、縦方向の磁束が増え、感度を高めると共に磁性材１３の移動に伴う磁気センサ１２での縦方向磁束密度変化の直線性を改善している。
【００２５】
図６は磁気センサ１２の磁気検知部の配置を示す平面図である。より具体的には、信号処理回路を含む磁気センサＩＣ１５の中央部に磁気センサＩＣ１５の平面と垂直な方向の磁界を検出する磁気検知部１６が設けられ、両端に磁気検知部１７および磁気検知部１８が配置されている。
【００２６】
図７は磁性材１３の横方向の移動に伴う磁気検知部での磁気センサＩＣ１５平面と垂直な方向の磁束密度変化を示す特性図である。中央部の磁気検知部１６の位置では特性ｃのように磁性材１３が中央に位置する時に磁束密度が最小となり、中央から左右どちらかに移動すると徐々に磁束密度が増加する。一方、磁気検知部１８では特性ｄのように、全体に右下がりの特性でやや下に凸な形状となる。図示していないが、磁気検知部１７では特性ｄを中央に対して左右対称にした形状の特性となる。このため、磁気検知部１７と磁気検知部１８の磁界を比較すると、中央で磁界が等しくなり、中央から右に移動すると磁気検知部１７の磁界の方が強くなり、逆に中央から左に移動すると磁気検知部１８の磁界の方が強くなる。従って、磁気検知部１７の磁界検出出力と磁気検知部１８の磁界検出出力を比較することにより、磁性材１３に位置が中央か、中央より右か、中央より左かを判定できる。中央からの移動量は磁気検知部１６の磁界検出出力を用いることができる。この場合、中央付近で特性ｃの傾きが緩くなって鈍るため、補正テーブルを用いたり非線形増幅回路を用いたりするなどにより補正を行うことが望ましい。他の方法として、磁気検知部１８の磁界検出出力または磁気検知部１７の磁界検出出力から磁気検知部１６の磁界検出出力に適切な係数を掛けた値を引き算して用いることもできる。適切な引き算補正を行うと、磁気検知部１８の磁界検出出力を用いた場合、特性eのような直線的な特性が得られる。
【００２７】
図８は磁気検知部１８の磁界検出出力から磁気検知部１６の磁界検出出力に適切な係数を掛けた値を引き算する場合の磁気センサＩＣ１５の主要部ブロック図である。磁気検知部の記号は図６と同一としている。磁気検知部１７の磁界検出出力と磁気検知部１８の磁界検出出力とは原点検出回路１９に加えられ磁気検知部１７の磁界検出出力と磁気検知部１８の磁界検出出力とがほぼ等しくなる原点位置を検出し、更に原点位置に対して磁性体１３が右側にあるのか左側にあるのかを判定し、結果が出力される。磁気検知部１６の磁界検出出力と磁気検知部１８の磁界検出出力とは減算回路２０に加えられ、磁気検知部１６の磁界検出出力に対して適切な係数を掛けた後に磁気検知部１８の磁界検出出力から減算し、結果を出力する。なお、本実施形態ではコスト優先の製品として磁気検知部１７及び原点検出回路を省略することも可能である。
【００２８】
上記構成により、小型の磁石を用いて磁石サイズ以上の移動量を検出でき、磁気センサの上方全体に磁性材の移動体が存在するため外乱に比較的強く、構成要素も少なく、更に、中央の磁気検知部の出力をリファレンスとすることにより磁石の磁力変化をモニターすることができ、安価でありながらより安定な検出を実現可能である。
【００２９】
図９は本発明の横方向の磁界を用いた実施形態を示す断面図である。小型磁石２１の上に磁気センサ２２が配置され、磁気センサの上方、間隔を空けて上方に窪んだ形状の磁性材２３が配置され、磁性材２３は磁石２１及び磁気センサ２２の横方向の寸法を越える範囲で移動する。磁石２１の下には磁性材２３と磁気結合するヨーク２４が配置されている。磁性材２３の上方凹形状は中央付近の深い凹部からやや凸状の中間部に繋がり、端部は上下方向の直線に近い形状で終わっている。磁性材２３の下端は磁石２１の上面より下まで伸びており、磁石２１に磁性材２３の端部が近づくことにより磁石２１からの磁界を横方向に引っ張る効果があり、横方向磁束密度の増加による感度アップと磁性材２３の移動に伴う磁気センサ２２での横方向磁束密度変化の直線性を改善している。
【００３０】
図１０は磁気センサ２２の磁気検知部の配置を示す平面図である。より具体的には、信号処理回路を含む磁気センサＩＣ２５の中央部に磁気センサＩＣ１２５の平面方向の磁界を検出する磁性材磁気抵抗素子などにより作られ、図１０の横方向の磁界を検知する磁気検知部２６と磁気検知部２６の近くで図１０の縦方向の磁界を検知する磁気検知部２９が設けられ、両端に図１０の横方向の磁界を検知する磁気検知部２７及び磁気検知部２８が配置されている。
【００３１】
図１１は磁性材２３の横方向の移動に伴う磁気検知部での磁気センサＩＣ２５平面方向の磁束密度変化を示す特性図である。中央部の磁気検知部２６の位置では特性ｇのように磁性材２３が中央に位置する時に磁束密度がゼロとなり、左右で磁界の向きが反転し、中央から離れるに従い磁界が強くなる。磁気検知部２７では特性ｆのように一方向の磁界が流れ、磁性材２３の移動に伴い右上がりでほぼリニアな特性となる。図示していないが、磁気検知部２８では特性ｆを中央に対して左右対称にした形状の特性となる。
【００３２】
磁性体膜である磁気抵抗素子は磁性体膜の長手方向と直角な方向で磁性体膜面内の磁界を検出する。磁気検知部２６、磁気検知部２７、磁気検知部２８は図９では横方向の磁界を検出している。また、磁性体膜による磁気抵抗素子は印加される磁界の二乗に比例した抵抗値減少があり、磁気検知部２６での抵抗値変化は中央でゼロとなり中央からずれるに従い抵抗値が減少する。一方、磁気検知部２７では磁界の向きが一方向で、磁性体２３の移動に伴い磁束密度が増減するので、磁性材２３に移動範囲全体で単調な特性が得られる。
【００３３】
磁性体膜による磁気抵抗素子は一般的に抵抗値の温度変化が大きく、磁界による抵抗値変化を分離して検出する目的で磁界の検知方向が異なり形状が同一で磁界ゼロでの抵抗値が等しい素子を組み合わせて使用する。図１０の磁気センサＩＣ２５では、横方向に感度を持つ磁気検知部２６と縦方向に感度を持つ磁気検知部２９を組み合わせて磁気センサＩＣ２５の中央での横方向磁界を検出する。磁気センサＩＣ２５の中央の磁界がほぼゼロであることは磁性材２３がほぼ中央の原点に位置することを意味する。磁気センサＩＣ２５の端部の磁界は磁気検知部２７と磁気検知部２８を組み合わせて検出する。磁気検知部２７と磁気検知部２８とでは磁性材２３の移動に対して逆方向の磁界変化があるため磁気検知部２７と磁気検知部２８を差動的に用いることにより抵抗の温度特性をキャンセルし、位置感度を２倍とし、特性のリニアリティを改善している。この端部磁束密度の検出量を磁性体２３の位置情報として用いる。また、磁気検知部２７または磁気検知部２８と磁気検知部２９を組み合わせることにより片方の端部の磁界のみを検出することも可能であり、この場合、端部の磁気検知部はひとつだけでも良い。
【００３４】
なお、移動する磁性材３、磁性材１３、磁性材２３の原点を検出することにより磁性体が原点に来たときの磁束密度を監視することができ、磁石１、磁石１１、磁石２１の磁力変化などによる磁束密度の全体的変化を検出し、補正することも可能となる。
【００３５】
また、要求される位置検出仕様により、ヨーク４、ヨーク１４、ヨーク２４を加工が容易な単純平板としたり、省略したりすることもあり、逆に性能を上げるために磁石１、磁石１１、磁石２１と磁気センサ２、磁気センサ１２、磁気センサ２２との間に磁石１、磁石１１、磁石２１とほぼ等しい平面寸法の軟磁性材ヨークを追加することも効果的である。
【００３６】
これまで図４の補正回路１０や図８の減算回路２０などはハードウェアによる演算回路を意識して説明したが、ソフトウェアによる処理も可能であり、その場合も本発明に含まれる。
【００３７】
これまでの説明では１方向の移動量検出に限定してきたが、ドーム状の磁性移動体と中央及び周辺４点に設けた磁気検知部を有する磁気センサとの組合せなどにより直交する２方向の移動を容易に検出できる。この場合、２方向の磁界が独立ではないため、得られた２方向の磁界検出値をあらかじめ用意したテーブルなどを用いて正しい移動量に変換する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態による磁気検知部の配置を示す平面図である。
【図３】本発明の実施形態での磁束密度変化を示す特性図である。
【図４】本発明の実施形態を示す磁気センサＩＣの主要部ブロック図である。
【図５】本発明の別の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明の別の実施形態を示す磁気検知部の配置を示す平面図である。
【図７】本発明の別の実施形態での磁束密度変化を示す特性図である。
【図８】本発明の別の実施形態を示す磁気センサＩＣの主要部ブロック図である。
【図９】本発明の更に別の実施形態を示す断面図である。
【図１０】本発明の更に別の実施形態による磁気検知部の配置を示す平面図である。
【図１１】本発明の更に別の実施形態での磁束密度変化を示す特性図である。
【図１２】従来例を示す断面図である。
【図１３】別の従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１、１１、２１・・・磁石
２、１２、２２・・・磁気センサ
３、１３、２３・・・磁性材
４、１４、２４・・・ヨーク
５、１５、２５・・・磁気センサＩＣ
６、７、８、１６、１７、１８、２６、２７、２８・・・磁気検出部
９・・・移動方向判定回路
１０・・補正回路
１９・・原点検出回路
２０・・減算回路
【図１】
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【図２】
2009204331.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009204331.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009204331.tif 000011
【図１０】
2009204331.tif 000012
【図１１】
2009204331.tif 000013
【図１２】
2009204331.tif 000014
【図１３】
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