专利名称：位置检测器以及定位装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位置检测器以及定位装置。
技术背景在专利文献1至3中揭示了一种位置检测器，它通过磁场检测单元检测出由 附设在可动构件上的磁场产生构件产生的磁场变化。 专利文献l:特开平01 — 150812号公报 专利文献2:特开2004 — 348173号公报 专利文献3:特开2001 — 91298号公报在图11中表示记载在专利文献1中的位置检测器31。位置检测器31通过用 磁场检测单元33检测出磁场产生构件32所产生的磁场变化，从而算出磁场产生 构件32的位置。磁场产生构件32的一半是磁化为N极的N极部34，另一半是磁化 为S极的S极部35。当磁场产生构件32的形状在可动方向上是长6.5mm、宽2.5mm、厚lmm时， 得到如图12所示的磁通密度分布。存在的问题是，该位置检测器31只能在磁通 密度变化为直线的狭小范围内检测出正确的位置。另外，在专利文献l中，是由2个霍尔元件(磁场检测元件)36a、 36b构成磁 场检测单元33，通过2个霍尔元件36a、 36b的输出之差使输入电流变化，从而补 偿由于温度变化等引起的磁场变化，而在专利文献2中，通过用差分除2个霍尔 元件(磁场检测元件)36a、 36b的输出之和，从而补偿由于磁场产生构件32和磁 场检测单元33的安装误差及温度变化等引起的磁场变化。在图13中，表示用差分除2个霍尔元件36a、 36b的磁场检测中心离开1.6mm 时的输出之和后得到的输出变化。当然，利用该运算不会扩大输出为直线的线 性范围，而且依然还存在着只能在狭小的范围内检测位置的问题。另外，在专利文献3中记载着一种位置检测器，该位置检测器采用楔形的 磁铁，并根据磁场产生构件的位置而产生线性变化的磁通。但是，这样的位置
检测器存在着下面问题即如果在与磁场产生构件和磁场检测单元的可动方向 垂直的方向上的相对位置发生偏移，则磁场也会跟着变化，所以误差及个体差 异较大。鉴于上述问题，本发明目的在于提供一种能够在很大范围内得到具有线 性的输出的位置检测器，以及一种利用该位置检测器能够在很大范围内进行正 确的定位的定位装置。发明内容为了解决上述问题，利用本发明的位置检测器的第l形态具有对能够在 规定的可动方向上移动的可动构件附设的磁场产生构件；以及检测由于上述磁 场产生构件的移动而引起的磁场变化的磁场检测单元，上述磁场产生构件是由 磁化为N极的N极部、与上述N极部沿上述可动方向排列的磁化为S极的S极部、 以及在上述N极部与上述S极部之间没有磁化的非磁化部构成。如果采用该结构，则因为由于具有非磁化部而磁场产生构件形成的磁场的 线性变化的范围变大，所以利用磁场检测单元能够检测磁场产生构件位置的范 围变大。另外，在本发明的第l形态的位置检测器中，上述非磁化部在上述可动方 向上的长度也可以是上述磁场产生构件全长的1/10以上、1/3以下。如果采用该结构，则因为如果使非磁化部的长度在1/10以上、1/3以下，则 位置检测输出的斜率变化成为5倍以下，所以即使在用检测信号进行反馈控制 的情况下，系统也是稳定的。另外，在本发明的第l形态的位置检测器中，也可以是上述磁场检测单元 具有沿上述可动方向排列的2个检测磁场变化的磁场检测元件，还具有运算 单元，如果假设上述2个磁场检测元件的检测信号在线性范围内小的一方为A， 大的一方为B，则该运算单元进行(B+A)/(B — A)的运算。如果采用该结构，则由于磁场产生构件和磁场检测单元的安装误差及温度 变化等而引起的磁场变化不会使输出变化，能够进行稳定的位置检测。另外，在本发明的第l形态的位置检测器中，也可以是上述磁场检测单元 具有沿上述可动方向排列的2个检测磁场变化的磁场检测元件，还具有运算 单元，如果假设上述2个磁场检测元件的检测信号在线性范围内小的一方为A，大的一方为B，则该运算单元当AX)时，进行(A — B)/(A+B)+2的运算，当B〈0时， 进行(A — B)/(A+B) — 2的运算，当A《0且B》0时，进行(B+A)/(B —A)的运算。如果采用该结构，则当2个磁场检测单元的检测信号A、 B中的任一个为非 线性的AX)的情况以及BO的情况时，因为通过进行用两者之和除两输出的差 分的运算，而得到线性度高的输出，所以能够检测磁场产生构件位置的范围很 大。另外，利用本发明的位置检测器的第2形态具有对能够在规定的可动方 向上移动的可动构件附设的磁场产生构件；以及检测由于上述磁场产生构件的 移动而引起的磁场变化的磁场检测单元，上述磁场检测单元具有沿上述可动方 向排列的检测磁场变化的2个磁场检测元件，还具有运算单元，如果假设上述2 个磁场检测元件的检测信号在线性范围内小的一方为A，大的一方为B，则该运 算单元当AX)时，进行(A — B)/(A+B)+2的运算，当B〈0日寸，进行(A — B)/(A+B) 一2的运算，当A《0且B》0时，进行(B+A)/(B—A)的运算。如果采用该结构，则即使2个磁场检测元件的检测信号中任一个为非线性， 也能够通过用两者之和除两输出的差分而得到线性度高的输出，能够在很大的 范围内检测磁场产生构件的位置。另外，在本发明的第1及第2形态的位置检测器中，上述磁场检测元件也可 以是霍尔元件。如果采用该结构，则能够利用一般的霍尔元件，以低价来实现高精度的位 置检测器。另外，利用本发明的位置检测器的第3形态具有对能够在规定的可动方向上移动的可动构件附设的、且以一定的宽度在上述可动方向上反复磁化为N极和S极的磁场产生构件；以及检测由于上述磁场产生构件的移动而引起的磁场变化的2个磁场检测元件，如果分别设定上述N极和上述S极的宽度为1/2S， 则上述2个磁场检测元件对于整数n在可动方向上以(n/2+l/4)5表示的间隔排列 配置，具有运算单元，如果设定上述2个磁场检测元件的检测信号分别为A和B， 则当A和B同时为0以上或者0以下时，进行(A+B)/(A —B)的运算，当只有A和B 的任一方不到0时，进行(A — B)/(A+B)的运算。
如果采用该结构，则2个磁场检测元件输出对于磁场产生构件位置相互偏移90°相位的信号。通过进行用差除这2个信号A、 B之和的运算，或者用和除 差的运算，能够得到以周期5的最小值一1、最大值+ l的大致接近三角波的线性 度高的输出，算出磁场产生构件的正确位置。另外，在本发明的第3形态的位置检测器中，上述磁场检测元件也可以是 磁阻效应元件。如果采用该结构，则因为能够减小磁场检测元件，所以能够减小周期5， 实现高精度的位置检测器。另外，利用本发明的定位装置具有从本发明的第1至第3形态的任一个形态 的位置检测器，上述可动构件与利用在上述可动方向上伸縮的电气机械变换元 件而能够在可动方向上进退的驱动轴摩擦卡合，形成通过改变上述电气机械变 换元件的伸长与收縮的速度、使上述可动构件在上述驱动轴上滑动的压电执行 器。如果采用该结构，则因为使能够检测正确位置的位置检测器与小型电压执 行器组合，所以能够实现小型且能够进行精密定位的定位装置。另外，在本发明的定位装置中，上述可动构件也可以保持光学元件。 如果采用该结构，则能够实现小型的照相机单元等光学设备。 如果采用本发明，则因为设置磁场产生构件，因此能够得到很大的线性范 围。另外，因为同时采用两种运算、即用差除2个磁场检测元件的输出之和的 运算以及用和除两者之差的运算，得到更大的线性范围，所以在很大的范围内 能够精密地检测磁场产生构件的位置。
本发明参照对同一构成要素附加同一标号的下述附图，更详细地进行说明。图l是表示本发明的第l实施形态的定位装置的结构的简图。图2是表示位置检测器的详细结构的简图。图3是表示图2的磁场产生构件所产生的磁场的分布的曲线图。图4是表示图2的位置检测器的检测信号和输出的曲线图。图5是表示图2的位置检测器输出的变化的曲线图。图6是表示改变图2的非磁化部的长度时的位置检测器的输出的曲线图。图7是表示图6的输出的斜率的变化的曲线图。 图8是表示图1的定位装置的实际形状的俯视图。图9是表示本发明的第2实施形态的编码器的结构的简图。图10是表示图9的编码器的输出波形的曲线图。图ll是表示过去的位置检测器的结构的简图。图12是表示图11的磁场产生构件所产生的磁场的分布的曲线图。图13是表示图10的位置检测器的输出变化的曲线图。标号说明I定位装置2电压执行器3位置检测器8电气机械变换元件9驱动构件10可动构件11磁场产生构件12磁场检测单元13 N极部14 S极部15非磁化部16a、 16b霍尔元件(磁场检测元件)18运算装置(运算单元)19透镜(光学元件)21编码器(位置检测器)22 N极部23 S极部24磁场产生构件25a、 25b磁阻效应元件(磁场检测元件) 27运算装置(运算单元) A检测信号 B检测信号
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施形态。图l是表示本发明的第l实施形态的定位装置的结构的简图。定位装置l由 电压执行器2和位置检测器3构成，具有电压执行器2的驱动电路4;处理位置 检测器3的检测信号的检测电路5;以及为了得到与根据位置指令指示的位置相对应的检测电路5的输出而控制驱动电路4的控制电路6。电压执行器2固定在基座构件7上，包括利用驱动电路4的驱动电压在用 箭头表示的x方向上伸縮的电气机械变换元件8;固定在电气机械变换元件8上、 且利用电气机械变换元件8的伸縮在x方向上进退的驱动构件9;以及与驱动构 件9摩擦卡合、且能够在驱动构件9上滑动的可动构件10。位置检测器3包括附设在可动构件10上的磁场产生构件11;以及固定在基座构件7上、使得与磁场产生构件11相对的磁场检测单元12。进一步，图2详细地表示位置检测器3与检测电路5的结构。磁场产生构件 ll包括与磁场检测单元12相对的面磁化为N极的N极部13;与磁场检测单元12 相对的面磁化为S极的S极部14;以及设置在N极部13与S极部14之间、且即不磁 化为N极也不磁化为S极的非磁化部15。 N极部13、非磁化部15及S极部14沿可 动构件10的可动方向即x方向排列。磁场产生构件ll在x方向的全长为例如6.5mm,宽度例如为2.5mm,厚度例 如为lmm，非磁化部15在x方向的长度例如为1.2mm。另外，磁场产生单元12 由沿x方向排列的2个霍尔元件(磁场检测元件)16a、 16b构成，检测磁通密度的 部分的中心之间的距离例如离开1.6mm。磁场产生构件ll与霍尔元件16a、 16b 之间例如离开0.65mm。检测电路5包括分别放大霍尔元件16a、 16b的检测信号的放大器17a、 17b; 以及运算装置(运算单元)18,该运算装置(运算单元)18根据放大器17a的输出(放 大了的霍尔元件16a的检测信号)A与放大器17b的输出(放大了的霍尔元件16b的 检测信号)B，AX)时，进行(A — B)Z(A+B) + 2的运算，B〈0时，进行(A — B)/(A+B) — 2的运算，A《0且B》0时，进行(B+A)/(B — A)的运算。接着，说明定位装置l的特征及其动作。图3是表示相对于离开磁场产生构件ll的0.65mm处的x方向的位置的磁通 密度。将磁场产生构件11的中央作为0来表示位置。因为在土0.6mm的部分存在 没有进行磁化的非磁化部15，所以磁场产生构件ll在大致士lmm之间具有磁通 密度呈直线变化的线性范围。图4表示霍尔元件16a、 16b各自的检测信号A、 B、和进行(B+A)/(B —A)运 算的输出值、以及进行(B — A)/(B+A)运算的输出值。检测信号A与检测信号B 是位置偏移1.6mm的输出，在原点(位置Omm)前后的线性范围内B〉A。在图3所 示的磁场产生构件ll的磁场变化整体增减时，或者霍尔元件16a、 16b离开磁场 产生构件ll的距离偏移的情况下，检测信号A及B的线性范围的斜率与设计值不 同，只利用检测信号A或者检测信号B的一方不能算出磁场产生构件11的正确位 置。但是，通过进行用检测信号B与A之差除检测信号B与A之和的(B+A)/(B — A)的运算，能够抵消各霍尔元件16a、 16b的检测信号波形的增减，输出由磁场 产生构件ll的位置唯一决定的值。虽然(B+A)/(B —A)的运算输出在大致士lmm的范围内具有线性度，但是(B 一 A)/(B+A)的运算输出在大致± 0.5mm的外侧为线性。(B+A)/(B — A)的运算输 出与(B — A)/(B+A)的运算輸出在A二0的位置与B二0的位置相交。这是因为两个 运算输出分别为B/B4(当A二0时)，A/ — A二一A/A二一1(当B二0时)，所以不管 检测信号A、 B的波形如何，A二O时为l, B-O时为一l，是一定的。因此，当 AX)时及BO时，根据(B — A)/(B+A)的运算输出能够算出磁场产生构件Il的正确 位置。(B —A)/(B+A)的线性范围的运算输出是单调减少的，而(B+A)/(B —A)的 线性范围的运算输出是单调增加的。因此，通过翻转(B+A)/(B — A)而得到单调 减少的输出，从而能够容易地算出磁场产生构件ll的位置。图5表示利用运算装置18进行运算的结果所得到的输出，是当AX)时，进行 (A—B)/(A+B) + 2的运算，当BO日寸，进行(A — B)/(A+B) — 2的运算，当A《0且 B》0时，进行(B+A)/(B — A)的运算。艮卩，在AX)的范围及BO的范围内，进行 算出在与(B+A)/(B —A)的交点翻转(B+A)/(B — A)的值的运算。如图所示，将3 个运算输出光滑地连接，整体上表现出线性度高的输出变化，表示能够在很大 的范围内算出磁场产生构件U的正确位置。接着，在图6中表示当非磁化部15的长度为0.6mm、 1.2mm及2.0mm时A《0 且B》0的范围内的运算装置18的相对于磁场产生构件11的位置的输出变化。如 图所示可知，不仅当非磁化部15较短时不能改善线性度，而且非磁化部15过长， 线性度也降低。
图7是表示图6的输出斜率变化，最好该斜率变化越少，线性度越高。如图l所示，当将检测电路5的输出反馈到控制电路6来进行可动构件10的定位时， 由于必须使其具有增益余量，所以位置检测器3的灵敏度(图7的斜率)的变化为5 倍左右是极限。因此，非磁化部15的长度为0.6mm是大致的下限，2.0mm是大 致的上限。如果与磁场产生构件ll的长度相比，则非磁化部15的长度必须在磁 场产生构件11全长的I/I0以上、1/3以下。图8表示定位装置1的实际形状。该定位装置1的可动构件10为保持光学元 件即透镜19的透镜框，能够沿着与固定在基座构件7上的驱动构件9平行的吊轴 20移动。磁场产生构件11安装在可动构件10的与吊轴20卡合的部分上。在基座 构件7上通过固定构件7'固定着电气机械变换元件8，以及固定磁场检测单元12， 从而使其与磁场产生构件ll相对。这样构成的定位装置l虽然是小型且重量轻，但是用位置检测器3能够正确 地检测出保持在可动构件10上的透镜19的吊轴20方向的位置，能够利用电压执 行器2将透镜19定位在所要求的位置上。图9是本发明的第2实施形态的编码器21的简图。编码器21具有将磁化为 N极的宽度为1/2S的N极部22和磁化为S极的宽度为1/2S的S极部23交替反复配 置的磁场产生构件24;以及2个磁阻效应元件(磁场检测元件)25a、 25b。磁阻效 应元件25a、 25b离开(l + l/4)5来设置。用放大器26a、 26b放大了的磁阻效应元件 25a、 25b的检测信号A、 B由运算装置(运算单元)27进行运算处理，并输出。在图10中，表示N极部22及S极部23的宽度(l/25)为0.32mm情况下的磁阻效 应元件25a、 25b的检测信号A、 B与运算装置27的输出，下面说明编码器21的特 征。检测信号A与检测信号B形成对于磁场产生构件24的位置、相位相互相差90 ° (1/45)的正弦波那样的周期性波形。当检测信号A、 B都在O以上或者O以下时，即当2个磁阻效应元件25a、 25b 检测出的磁场极性相同时，运算装置27输出(A — B)/(A+B)的运算结果，当检测 信号A、 B的任一个不满O时，即当2个磁阻效应元件25a、 25b检测出的磁场极性 不同时，运算装置27输出(A+B)/(A — B)的运算结果。(A — B)与(A+B)分别每隔相位180。(即l/25)具有为0的位置，因为检测信号 A与检测信号B的相位相差卯。(即1/4S)，所以(A — B)与(A+B)每隔相位90。(即 1/4S)交替为0。像过去的运算方法那样，如果用差(A — B)除两个检测信号A、 B 之和(A+B)，则每隔1/25分母(A — B)为0，输出发散，但是如本实施形态所示，
在检测信号A与检测信号B相等的位置上，如果用和(A+B)除两检测信号A、 B 之差(A — B)，则能够得到具有线性度的输出。然后，因为当检测信号A或者检 测信号B为0时，(A —B)/(A+B)与(A+B)/(A —B)都为l或者一l，为相同的值，所 以这时通过切换(A — B)/(A+B)运算与(A+B)/(A —B)运算，能够得到连续的输出。 结果，运算装置27的输出如图所示，描绘成周期为1/2S的近似三角波波形。另外，因为运算装置27用差除检测信号A、 B之和，或者用和除检测信号A、 B之差，所以编码器21的输出是无量纲的变量，即使有由于温度变化而使磁场 产生部24产生的磁场强度的增减也不会变化。因此近似线性，能够以小于N极 部22及S极部23的宽度(l/45)的单位算出磁场产生部24的位置。虽然本发明参照附图用示例的方法充分地进行了说明，但是如果是业内人 士，则能够进行各种变更和改进。因此，这样的变更和改进只要不脱离本发明 的精神和范围，也应该作为包含在本发明中的部分来解释。
权利要求
1.一种位置检测器，其特征在于，具有对能够在规定的可动方向上移动的可动构件附设的磁场产生构件；以及检测由于所述磁场产生构件的移动而引起的磁场变化的磁场检测单元，所述磁场产生构件具有磁化为N极的N极部；与所述N极部沿所述可动方向排列的磁化为S极的S极部；以及在所述N极部与所述S极部之间的没有磁化的非磁化部。
2. 如权利要求l中所述的位置检测器，其特征在于，所述非磁化部的所述可动方向的长度为所述磁场产生构件的全长的1/10以上、 1/3以下。
3. 如权利要求1或2中所述的位置检测器，其特征在于，所述磁场检测单元具有沿所述可动方向排列的2个检测磁场变化的磁场检测 元件，还具有运算单元，若设定所述2个磁场检测元件的检测信号在线性范围内的较 小的为A，较大的为B，则所述运算单元进行(B+A)/(B — A)的运算。
4. 如权利要求1或2中所述的位置检测器，其特征在于，所述磁场检测单元具有沿所述可动方向排列的2个检测磁场变化的磁场检测 元件，还具有运算单元，若设定所述2个磁场检测元件的检测信号在线性范围内的较 小的为A，较大的为B,则所述运算单元进行下述运算， 当AX)时，进行(A—B)/(A+B) + 2的运算， 当BO时，进行(A—B)/(A+B) —2的运算， 当A《0且B》0时，进行(B+A)/(B—A)的运算。
5. —种位置检测器，其特征在于，具有对能够在规定的可动方向上移动的可动构件附设的磁场产生构件；以及检测由于所述磁场产生构件的移动而引起的磁场变化的磁场检测单元，所述磁场检测单元具有沿所述可动方向排列的检测磁场变化的2个磁场检测 元件，还具有运算单元，若设定所述2个磁场检测元件的检测信号在线性范围内的较 小的为A，较大的为B，则所述运算单元进行下述运算，当AX)时，进行(A—B)/(A+B) + 2的运算， 当BO日寸，进行(A—B)/(A+B) — 2的运算， 当A《0且B》0时，进行(B+A)/(B—A)的运算。
6. 如权项1至5中任一项所述的位置检测器，其特征在于， 所述磁场检测元件是霍尔元件。
7. —种位置检测器，其特征在于， 具有-对能够在规定的可动方向上移动的可动构件附设的、并且在所述可动方向上 以一定的宽度反复磁化为N极和S极的磁场产生构件；以及检测由于所述磁场产生构件的移动而引起的磁场变化的2个磁场检测元件，若分别设定所述N极和所述S极的宽度为1/25，则上述2个磁场检测元件对于 整数n在可动方向上以(n/2+l/4)5表示的间隔并列配置，具有运算单元，若分别设定所述2个磁场检测元件的检测信号为A及B，则 所述运算单元进行下述运算，当A及B都为0以上或者0以下时，进行(A — B)/(A+B)的运算，当只有A或者B的任一方不满O时，进行(A+B)/(A — B)的运算。
8. 如权利要求7中所述的位置检测器，其特征在于， 所述磁场检测元件是磁阻效应元件。
9. 一种定位装置，其特征在于， 具有所述1至8中任一种的位置检测器，所述可动构件与利用在所述可动方向上伸縮的电气机械变换元件而能够在所 述可动方向上进退的驱动轴摩擦卡合，形成通过改变所述电气机械变换元件的伸长于收缩的速度、使所述可动构件 在所述驱动轴上滑动的电压执行器。
10. 如权利要求9中所述的定位装置，其特征在于， 所述可动构件保持光学元件。
全文摘要
能得到在很大的范围内具有线性的输出的位置检测器(3)具有附设在能够在规定的可动方向上移动的可动构件(10)上的磁场产生构件(11)；以及检测出由于磁场产生构件(11)的移动而引起的磁场变化的磁场检测单元(12)，磁场产生构件(12)具有磁化为N极的N极部(13)；沿可动方向与N极部(13)排列的磁化为S极的S极部(14)；以及在N极部(13)与S极部(14)之间的没有磁化的非磁化部(15)。
文档编号G01D5/14GK101156047SQ20068001147
公开日2008年4月2日 申请日期2006年3月14日 优先权日2005年4月6日
发明者干野隆之 申请人:柯尼卡美能达精密光学株式会社