位置检测装置的制作方法

专利名称：位置检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用磁体和霍尔传感器的位置检测装置。
技术背景近年来，正将各种传感器应用到所有领域。例如，在数字式静止画面照相机或数码摄像机等中使用的 手抖动修正装置、变焦或自动调焦所用的透镜位置检测装置中， 需要具有瞬间进行高精度位置检测功能的传感器，同时，近年 来使机械整体小型化的要求强烈，因此，要求传感器自身小型化。还对传感器等提出如下各种要求具有寿命长、难以受到 灰尘和油(润滑脂)等影响的特性。为了满足上述那样的要求，公知有一种将磁传感器用作传 感器的位置检测方法等。磁传感器可以通过变更、修正例如专利文献l等记载的方 法来进行检测。即，如专利文献1的图3所示，专利文献l是一 种在可动部中内置磁体、并使用多个磁传感器检测其移动的方 法。本申请的发明者们之前提出了 一种专利文献2等所记载的 位置检测装置，现在，该位置检测机构作为数字式静止画面照 相机的手抖动修正装置的主要部件已得到广泛应用。在此，说明使用多个磁传感器进行位置检测的原理以及其结构。图13表示将霍尔传感器ll、 12用作磁传感器的位置检测方法。在图13中，与以隔开规定间隔配置的2个霍尔传感器ll、12对置配置的永久》兹体23向侧面方向(箭头方向)移动引起磁 通量密度变化，与这种磁通量密度变化相对应地，2个霍尔传 感器ll、 12的霍尔输出电压分别发生变化。通过差动信号处理 回路处理上述霍尔输出电压的差值，可以4企测永久磁体23的位 置。在检测该位置时，永久磁体23的移动方向呈与连4妻2个霍 尔传感器ll、 12的直线平行的状态。另外，为了节省才全测(calibration)的时间， 一船j殳计该 永久磁体23的尺寸、霍尔传感器ll、 12的间隔、霍尔传感器ll、 12与永久磁体23的间隔，使得上述霍尔输出电压的差值相对于 永久磁体23朝侧面方向移动的距离呈线性变化。若磁体和霍尔传感器的相对移动范围在几亳米以内，则本 结构具有良好的特性，在单镜头数码相机的手抖动修正装置等 中用作主要部件。但是，在移动范围超过几毫米的区域，就有 机构整体变大的问题，不能实用化。另外，在大的温度范围内进行高精度位置检测的情况下， 有时也使用专利文献6所示的输出信号处理方法，来抑制由于 霍尔传感器、磁体周围温度变化而产生的特性变化地进行位置 检测。在小范围进行位置检测时，为了减少部件数量，也可以使 用在专利文献5的图6所示的配置，使用f兹体和l个霍尔传感器 进行单轴方向的位置检测。另外，要求在小范围进行高精度位置检测时，有时也如专 利文献4所示那样使用2个磁体，通过特殊配置进行位置检测。需要在大范围进行高精度位置检测时，为了增强永久磁体 的侧方移动距离相对于2个霍尔传感器的霍尔输出电压之差的 线性，有时也如专利文献3所示那样使用特殊磁体进行位置检 测。镜位置检测装置所要求的10mm左右 的大范围的位置检测时， 一般的方法是使用编码器，该透镜位 置检测装置用于数字式静止画面照相机、数码摄像机的变焦或 自动调焦。但是，在使用编码器时，存在需要含有计数器 (counter)等的复杂的处理回路这样的问题，该处理回3各对来 自传感器的信号进行处理。另外，若移动装置和编码器失调， 则不能获得期望的特性，因此，不适合速度过快的移动对象。作为在进行10 m m左右的大范围的位置检测时不使用编码 器的方法，有时如专利文献7、专利文献8所示那样使用磁阻元 件。如上所述，公知的方法有使长方体磁体(或者磁性体)相 对于移动方向倾杀牛，在与移动方向正交的方向配置石兹阻元件， 通过纵向的万兹场变4匕#r测移动体的才黄向移动。专利文献1 专利文献2 专利文献3 专利文献4 专利文献5 专利文献6 专利文献7 专利文献8曰本特开2002—287891号7〉净艮 WO 02/086694 曰本特开2005—284169号/>才艮 曰本净争开2004—245765号/>才艮 曰本斗争开2002—229090号7〉才艮 曰本4争开2004—348173号/>净艮 曰本特开昭59-159578号公报 日本特开平06-229708号公报 近年来，使用非接触式、寿命长且不受灰尘、污垢等影响 的磁传感器实现在大范围进行位置检测的需求增加。本申请发明者们使用提出的专利文献2的位置检测装置的 技术，则可以在手动修正位置检测所要求的2~3mm行程 (stroke)实现0.1%左右的高精度，该技术得到广泛使用，但 未能在相同高精度下实现用于照相机变焦或自动调焦的透镜位 置检测装置所要求的10 m m左右大范围的位置检测。6另外，作为磁传感器，使用专利文献3的方法在大范围内 进行位置检测时，由于磁体不是通用品，因此，难以制造f兹体， 磁体形状难以固定，所以，存在磁性特性的参差不齐、难以得 到的问题。另外，使用下述比较例(专利文献l所记载的方法)所记 载的方法在大范围进行位置检测时，存在下述问题若设计成 使上述霍尔输出电压差值相对于与永久磁体沿侧面方向的移动 距离以线性变化，则磁体尺寸、2个霍尔传感器的间隔、以及 霍尔传感器和磁体的间隔变大，难以使位置检测装置小型化。 由于强烈要求数字式静止画面照相机等便携设备的小型化，因 此，本构成是不实用的。另外，专利文献4、专利文献5所记载的方法存在下述问题 原理上，很难在大范围以使霍尔传感器的输出为线性的方式配 置磁体，不能在用于照相机变焦或自动调焦的透镜位置检测装 置所要求的10mm左右的大范围进行位置检测。根据上述理由，到目前为止，位置检测范围为0.1%左右的 高精度的、使用磁体的位置检测装置，只有磁体移动距离小于 几毫米的装置得到了实际应用。另外，如专利文献7所示，使用采用半导体薄膜的磁阻元 件时， 一般使用偏置磁体(bias magnet),使使用半导体薄膜 的磁阻元件的输出相对于磁通量密度以线性变化，但存在部件 数量增加，机构变大的问题。另外，对于专利文献8所记载的使用强磁性体薄膜的磁阻 元件，由于必须避免磁饱和，因此存在失去设计的自由度的问 题。另外，存在下述问题由于强磁性体薄膜有磁滞，因此， 不能以高精度进行位置检测。在大范围以高精度进行位置检测时，如专利文献8所示，还有使用用于抑制磁滞等影响的偏置 磁体的方法，但存在部件数量增加、机构变大的问题。另外，还有下述问题位置4企测用磁体和偏置；兹体之间产生吸引力、排斥力，位置控制变得复杂。另外，存在的问题是使用强磁性体薄膜的磁阻元件为了 对传感器面检测水平方向的磁场，不能釆用最有效利用i兹体能 量的配置(与磁体的磁化面相对)，为了在位置检测中获得足够 大的f兹场，》兹体必须大。根据上述的各种理由，对于实际使用装设在线性位移传感 器等上的磁阻元件的位置检测装置，不能满足数码摄像机、数 码摄像机等中使用的位置检测的要求精度(对于位置检测范围， 精度小于或等于1.0% ),只能实现移动范围的2.0%左右的精度。发明内容因此，本发明的目的在于提供一种即使在由通用品、容易 得到的部件等构成将霍尔传感器作为磁传感器使用的构成部件 时，也可以实现回路构成简单且小型化，同时可以高精度地检 测大范围的距离的位置检测装置。本申请发明者等着眼于位置检测范围的精度差大到0.1 % 左右和2.0%左右，对于使用霍尔传感器时和使用磁阻元件时的 检测系统的本质不同进行专心研究。结果是，得出下述结论 磁阻元件和霍尔传感器存在差别，即，磁阻元件是用面进行检 测，霍尔传感器用点进行检测。对于磁阻元件工作的说明，在多数教科书等中经常看到为 了简化、将可动磁体的磁场作为均匀磁场来说明等内容，实际 上，只有假设无限长的磁体时才存在均匀磁场，该磁场的分布 必须存在于面中。在使用半导体磁阻元件时，由于输出与BA2有关，因此，必然产生平均化误差。这与假设均匀磁场的情况 相比，输出达到数％的差异。使用强磁性体磁阻元件时，输出 的非线性为产生平均化误差的原因，由于感磁部自身成为磁路， 因此，微观分布更加复杂。即，考虑到面内万兹场分布的影响为^f吏用；兹阻元件时的^r测系统的新参数，因此，检测精度降低。因此，尝试研究了是否能够使用作为不受磁场分布影响的 点的检测系统的霍尔传感器构成在大范围进行高精度检测的检测系统。为了解决上述课题，本发明的位置检测装置的特征在于，该位置一全测装置具有磁通量纟企测部件和长方体；兹体；上述磁通 量检测部件配置在基板上，将感磁方向垂直于基板方向的2个 霍尔传感器作为l组霍尔传感器组，上述磁通量检测部件具有l 组以上该霍尔传感器组；上述长方体f兹体配置成可以沿着与将 上述各组霍尔传感器组中的2个霍尔传感器的感磁部的中心间 连接起来的直线垂直的方向、在平行于上述基板的平面内移动， 该长方体》兹体在垂直于上述基才反的方向上祐J兹化出N才及和S极； 在将上述长方体磁体朝平行于上述基板的任意平面上投影时， 上述长方体》兹体的四边形具有长边和短边；上述长方体》兹体的 长边相对于将上述磁通量检测部件的各组霍尔传感器组中的2 个霍尔传感器的感磁部的中心间连接起来的直线具有规定的倾斜角。"可以沿着与将上述各组霍尔传感器组中的2个霍尔传感 器的感磁部的中心间连接起来的直线垂直的方向且在平行于上 述基板的平面内移动"是指，在投影到平行于上述基板的任意 同 一平面上时，使将霍尔传感器的感磁部的中心间连接起来的 直线、和表示磁体移动方向的直线各自的延长线垂直相交。另外，"上述长方体磁体的长边相对于将上述磁通量4企测部 件的各组霍尔传感器组中的2个霍尔传感器的感磁部的中心间 连接起来的直线具有规定的倾斜角"是指，在投影到平行于上
述基板的任意同 一平面上时，将2个霍尔传感器感磁部中心连
接起来的直线、和含有长方体磁体长边的直线各自的延长线具 有规定角度地相交。
另外，理想的是，在本发明中，将2个霍尔传感器作为1组 霍尔传感器组，磁通量检测部件具有l组以上该霍尔传感器组， 与长方体》兹体的S极或N极的表面相面对地配置。在此，"将2 个霍尔传感器作为l组霍尔传感器组，磁通量检测部件具有l组 以上该霍尔传感器组，与长方体磁体的S极或N极的表面相面对 地配置"是指，在将上述长方体磁体和构成上述》兹通量纟全测部 件的多个霍尔传感器的感磁部投影到平行于上述基板的任意相 同平面上时，上述多个霍尔传感器中至少一个霍尔传感器感磁 部的投影部包含在上述长方体磁体的投影部中。
使用磁阻元件在大范围进行位置检测时， 一般，磁阻元件 的感磁部( 一般半导体磁阻元件的感f兹部大小为2400 ju m x 2000 )a m左右)较大，检测与霍尔传感器相比更大的范围的磁 场，因此，感f兹部面内的f兹场分布(感f兹面内^兹场不均勻)影 响精度，发明者们从上述该观点进行了专心的研究，其结果是， 与磁阻元件相比，感磁部很小，通过使用可以检测(几乎不受 感磁部面内的磁场分布的影响)与无限地接近于点的范围内的 磁场的霍尔传感器(霍尔传感器感磁部的大小为100ja mx 100 Mm左右)，从而，可以提供一种与使用以往的磁阻元件的位置 检测装置相比精度明显高的位置检测装置。
本发明的位置检测装置的特征在于，对于上述长方体磁体 在含有上述长方体磁体移动方向的平面上的短边和长边的长度比而言，若设短边的长度为l，则长边的长度为大于等于3.5且 小于等于8.0。
另外，本发明的位置检测装置的特征在于，将上述磁通量
检测部件的各组霍尔传感器组中的2个霍尔传感器的感磁部的
中心间连接起来的线段的长度小于等于1 .Omm,上述长方体磁
体的长边方向、与将上述磁通量检测部件的各组霍尔传感器组
中的2个霍尔传感器的感磁部的中心间连接起来的直线所成的
规定倾斜角为67.0°~89.3。。
还有，本发明的位置检测装置的特征在于，能够以上述长 方体磁体可移动的移动范围的l。/。以下的精度，检测上述长方体
》兹体的位置。
而且，本发明的位置检测装置的特征在于，利用上述磁通 量检测部件的各组霍尔传感器组中的2个霍尔传感器的输出电 压之差、与上述磁通量检测部件的各组霍尔传感器组中的2个 霍尔传感器的输出电压之和的比，算出上述长方体磁体的位置。
另外，本发明的位置检测装置的特征在于，上述霍尔传感 器不具有放大磁性的磁性体芯片。
另外，本发明的位置检测装置的特征在于，上述霍尔传感 器含有GaAs、 InAs、 InSb等III - V族化合物半导体。
另外，本发明的位置检测装置的特征在于，上述霍尔传感 器含有Si、 Ge等IV族半导体。
另外，本发明的位置检测装置的特征在于，上述磁通量检 测部件将配置在上述基板上的上述各组霍尔传感器组的霍尔传 感器整体封入到l个封装中。
根据本发明，可以实现这样一种位置检测装置可以抑制 感磁部内的磁场不均匀对检测精度的影响，即使在由通用品、 容易得到的部件等构成磁体、磁通量检测部件等的构成部件时，
ii也可以达到回^^构成简单且小型化，同时，能够以小于或等于
1%的高精度检测以往不能检测到的10mm左右的大范围的距离。


图1A为表示本发明第l实施方式的位置检测装置的概略结 构的截面图。
图1B为表示本发明第l实施方式的位置检测装置的概略构 成的俯一见图。
图2为表示图l的位置检测装置的检测回路构成的构成图。 图3A为表示能适于本发明的磁体形状的例子的长方体磁 体的说明图。
图3B为表示能适于本发明的磁体形状的例子的四棱柱磁 体的说明图。
图3C为表示能适于本发明的磁体形状的例子的三棱柱磁 体的说明图。
图3D为表示能适于本发明的磁体形状的例子的三棱锥磁 体的说明图。
图3E为表示能适于本发明的磁体形状的例子的四棱锥磁 体的说明图。
图3F为表示能适于本发明的磁体形状的例子的椭圆柱磁 体的说明图。
图4A为表示第l霍尔传感器32a位置处的磁通量密度相对 于磁体移动距离的变化的说明图。
图4B为表示第2霍尔传感器32b位置处的磁通量密度相对 于磁体移动距离的变化的说明图。
图4C为说明图，表示从与磁体移动距离相对应的、第2霍尔传感器32b位置处磁通量密度减去第l霍尔传感器32a位置处 磁通量密度而得的磁通量密度差的变化。
图5A为说明图，表示在使用图l的位置检测装置将参数设 为最佳值时，通过》兹才莫拟求得与长方体^ 兹体移动距离相对应的 霍尔传感器间的输出电压的差值除以输出电压之和而得的值 (输出电压之差与输出电压之和的比)得到的结果。
图5B为图5A的放大图，表示使用图l的位置检测装置将参 数设为最佳值时，通过磁模拟求得与长方体磁体移动距离相对 应的霍尔传感器间的输出电压的差值除以输出电压之和而得的 值(输出电压之差与输出电压之和的比)得到的结果。
图6为表示根据理想直线与图5 A所示磁模拟结果的偏离换 算出的与长方体磁体移动距离相对应的位置检测误差的说明 图。
图7A作为比较例，为表示使用以往的磁体和霍尔传感器的 位置检测装置的概略构成的截面图。
图7B作为比较例，为表示使用以往的磁体和霍尔传感器的 位置检测装置的概略构成的俯视图。
图8A为表示与图1A的位置检测装置构成进行比较用的位 置检测装置的概略构成的截面图。
图8B为与图1B的位置检测装置构成进行比较用的位置检 测装置的概略构成的俯视图。
图9A为截面图，作为比较用的等倍图表示图7A的以往位置 检测装置的构成。
图9B为俯视图，作为比较用的等倍图表示图7B的以往位置 检测装置的构成。
图IOA为表示本发明第2实施方式的位置检测装置的概略 构成的截面图。图IOB为表示本发明第2实施方式的位置检测装置的概略 构成的俯视图。
图ll为表示图IOA、图IOB的位置检测装置的检测回路构 成的构成图。
图12为说明图，表示本发明第3实施方式的使要进行位置 检测的范围以lmm节距变化时长方体》兹体在长边方向长度变
化的程度。
图13为表示使用了以往霍尔传感器的以往的位置检测方 法的说明图。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。 (第l例)
基于图1 图9、对本发明的第l实施方式进行说明。 可以使用各种形状的磁体和各种霍尔传感器构成本发明所 涉及的位置;f全测装置。 (构成)
图1A、图1B表示位置检测装置30的概略构成。 附图标记31被分别磁化出N极、S极的长方体磁体(磁通量 产生部件)。
附图标记32a、 32b为将2个霍尔传感器作为l组的霍尔传感 器(磁通量检测装置)。
附图标记33为安装有霍尔传感器32a (第l霍尔传感器)、 霍尔传感器32b (第2霍尔传感器)的基板。
长方体磁体31与安装有霍尔传感器32a、32b的基板33垂直 地被磁化。
长方体磁体31配置成可以在与基板33相对的1个平面100内沿着X方向移动。在该情况，将把构成l组霍尔传感器的霍尔传感器32a感磁 部中心和霍尔传感器3 2 b感磁部中心连接起来的直线的方向作 为Y方向，将与该Y方向正交的方向作为X方向。另外，在与长 方体磁体31的面相面对的位置上配置霍尔传感器32a、 32b。附图标记34a为长方体磁体31在长边方向X的长度，附图标 记34b为长方体磁体31在短边方向Y的长度，34c为长方体磁体 在厚度方向Z的长度(磁体的磁化方向的长度)。附图标记35a为从平面IOO到霍尔传感器32a、 32b感磁部 中心的距离，该平面100为长方体磁体31的与霍尔传感器32a、 32b的基板33相面对的平面。附图标记35b为将霍尔传感器32a感磁部中心和霍尔传感 器32b感磁部中心连接起来的距离。图2表示位置检测装置3 0的回路构成例。位置检测装置30具备2个霍尔传感器32a、 32b的驱动处理 回路。第l霍尔传感器32a由正极输入端子A、正极输出端子B、 负极输入端子C和负极输出端子D构成。另外，第2霍尔传感器 32b由正极输入端子E、正极输出端子F、负极输入端子G和负 极输出端子H构成。连接第l霍尔传感器32a的正极输入端子A和第2霍尔传感 器32b的正极输入端子E,连接第l霍尔传感器32a的负极输入 端子C和第2霍尔传感器32b的负极输入端子G,从而形成驱动 回路的输入端子。第l霍尔传感器32a的正极输出端子B和负极输出端子D连 接于差动信号处理回路21的第l差动放大器21a,第2霍尔传感 器32b的正极输出端子F和负极输出端子H连接于差动信号处理回路21的第2差动放大器21b。第l差动放大器21a的输出端子 和第2差动放大器21b的输出端子连接于第3差动放大器21c的 输出端子。通过上述驱动处理回路，从第3差动放大器21c的输出端子 输出输出值Vc,该输出值Vc为第l霍尔传感器32a的霍尔输出电 压Va与第2霍尔传感器32b的霍尔输出电压Vb的差值 (Va-Vb)。该第3差动放大器21c输出端子的输出值与长方体磁 体31的位置相对应。在本构成中，第l霍尔传感器32a和第2霍尔传感器32b的输 入端子并联，但不特别限制于并联。另外，差动放大器21a 21c 当然也可以使用精度更高的仪表装备放大器(amp)。 (角度6 )角度6被定义为为直线101与直线102所成的角度，小于90 度，该直线101垂直2等分长方体磁体31的短边，该直线102连 接2个霍尔传感器32a、 32b的感磁部的中心间。在本例子中，长方体f兹体31只沿着X轴方向移动。在此， 沿X轴方向移动是指，长方体磁体31的长度方向与Y轴方向保持 成角度e,沿着与X轴方向平行的方向移动。在垂直于长方体磁体31移动方向的直线上(Y轴上)配置 第l霍尔传感器32a和第2霍尔传感器32b。另外，配置为直线 101与直线102所成的角度6为直角或者除去平角之外的角度， 该直线101垂直2等分长方体磁体31的短边，该直线102连接2 个霍尔传感器32a、 32b的感磁部的中心间。这时，将长方体磁体31的长边方向X的长度34a、长方体磁 体31的短边方向Y的长度34b、长方体磁体31的厚度方向Z的长 度(磁体的磁化方向的长度)34c、从平面100到霍尔传感器32a 和32b的感磁部中心的距离35a、霍尔传感器32a的感磁部中心和霍尔传感器32b的感磁部中心的距离35b、垂直2等分长方体 磁体31短边的直线101与连接2个霍尔传感器32a和32b感磁部 中心的直线102所成的角度6设定为最佳值，从而，霍尔传感 器32a和霍尔传感器32b的霍尔输出电压差值与长方体磁体31 的移动距离相对应地具有可以获得在要进行位置4全测的范围内 需要的分辨率(日文分解能)的线性，上述平面100是长方 体磁体31的与配置有霍尔传感器32a、32b的基板33相面对的平 面。如上所述，在即使使用通用品作为构成位置检测装置30的 部件时，与以往的位置检测装置相比，也可以实现回路构成简 单且小型化，同时，可以高精度地检测大范围的距离。而且， 在下述例子中对具体的上述参数的最佳值进行说明。另外，位置检测位置3 0的构成部件也可以为除上述以外的 以下构成。图3A 图3F表示长方体磁体的变形例。作为磁体，可以适当使用长方体(立方体)60、四棱柱61、 三棱柱62这样的多棱柱，或三棱锥63、四棱锥64这样的多棱锥， 或圓柱(椭圓柱)65等各种形状的磁体。作为霍尔传感器，可以使用没有使用用于放大磁性的磁形 体芯片的霍尔传感器，由CaAs、 InAs、 InSb等III - V族化合物 半导体形成的霍尔传感器，或者由Si、 Ge等IV族半导体形成的 霍尔传感器。当然，也可以使用组合多个上述材料而成的霍尔 传感器。霍尔传感器也可以整体封入l个封装内。 (实施例)对位置检测装置3 0的实施例进行说明。 表示在大的温度范围内以30um的分辨率对8mm( ± 4mm )明图l中各个构成部件的参数最佳值 的设计例子。使长方体》兹体31的长边方向X的长度34a二9.7mm,长方体 磁体31的短边方向Y的长度34b二1.4mm,长方体^兹体31的厚度 方向Z的长度(磁体的磁化方向的长度)34c=1.0mm。另外，使从长方体磁体31的与霍尔传感器32a、 32b相面对 的平面100到霍尔传感器32a 、 32b感磁部中心的距离 35a=1.4mm,霍尔传感器32a的感磁部中心与霍尔传感器32b 的感磁部中心的距离35b=0.8mm,垂直2等分长方体磁体31短 边的直线101和连接2个霍尔传感器32a、32b感磁部中心的直线 102所成的角度6 =86°。与在安装基板上零乱地装设霍尔传感器32a、 32b相比，在 上述设计中，将霍尔传感器32a、 32b装设在l个封装内可以减 小霍尔传感器32a、 32b的配置误差，有利于位置检测装置的高 精度化。另外，例如，也可以在Si基板上设置各霍尔传感器组 全部的霍尔传感器32a、 32b。因此，理想的是，将霍尔传感器32a和霍尔传感器32b封入 l个封装内。图4A 图4C表示磁通量密度相对于长方体磁体31移动距 离的变化。图4A表示第l霍尔传感器32a位置处的磁通量密度相对于 磁体移动距离的变化70。图4B表示第2霍尔传感器32b位置处 的磁通量密度相对于磁体移动距离的变化71。图4C表示从与磁 体移动距离相对应的第2霍尔传感器32b位置处的磁通量密度 减去第l霍尔传感器32a位置处的磁通量密度而得的磁通量密 度差的变化72。从而可以看出，从与磁体移动相对应的第2霍尔传感器32b18位置处的磁通量密度减去与磁体移动相对应的第l霍尔传感器32a位置处的磁通量密度而得的磁通量密度差，以接近于线形 的曲线变化。由于霍尔传感器的输出电压与磁通量密度的大小成比例， 因此，第l霍尔传感器32a的输出电压Va和第2霍尔传感器32b 的输出电压Vb的差值相对于磁体移动距离具有接近于线性的 输出特性。图5 A 、图5 B表示在上述参数的最佳值中通过磁模拟求得输 出电压Va和输出电压Vb的差值(Va-Vb)除以输出电压之和 (Va+Vb)而得的值(输出电压之差与输出电压之和的比)的 得到结果，上述输出电压Va为霍尔传感器32a相对于长方体磁 体31移动的输出电压，上述输出电压Vb为霍尔传感器32b相对 于长方体磁体31移动的输出电压。图5B为放大了图5A的区域 80的图。81为理想直线。作为磁模拟的前提，是使2个霍尔传感器32a、 32b的灵敏 度为2.4mV/mT( —般霍尔传感器的灵敏度)、使长方体磁体13 的残留磁通量密度Br为1200mT ( —般钕烧结磁体的值)而进 行的。根据图5A、图5B所示的磁体模拟结果，可以看出，通过使 用本发明的位置检测装置30，霍尔传感器32a相对于长方体磁 体31移动的输出电压Va和霍尔传感器32b相对于长方体磁体31 移动的输出电压Vb的差值除以该输出电压之和的值(输出电压 之差与输出电压之和的比)具有较高线性，与理想的直线基本 一致。在此，图5A所示的理想直线81为将长方体磁体31的移动距 离为+4mm时2个霍尔传感器32a 、 32b的输出电压的差值 (Va-Vb)除以输出电压之和(Va+Vb)而得的值(输出电压之差与输出电压之和的比)、和该长方体f兹体31的移动距离为 -4mm时2个霍尔传感器32a、 32b的输出电压的差值(Va-Vb ) 除以输出电压之和(Va+Vb)而得的值(输出电压之差与输出 电压之和的比)连接起来的直线。从图5B可以看出，第l霍尔传感器32a的输出电压Va与第2 霍尔传感器32b的输出电压Vb的差值(Va-Vb)除以输出电压 之和(Va+Vb)的而得值(输出电压之差与输出电压之和的比)， 稍稍偏离理想直线。一般情况下，为了使用该理想直线上的值进行位置检测， 第l霍尔传感器32a输出电压Va和第2霍尔传感器32b输出电压 Vb的差值(Va-Vb )除以输出电压之和(Va+Vb )而得的值(输 出电压之差与输出电压之和的比)越偏离理想直线81,位置检 测-误差就越大。图6表示根据理想直线81与图5A、图5B所示模拟结果的偏 离换算出的位置检测误差，该理想直线81为将长方体磁体31的 移动距离为+4mm时2个霍尔传感器32a、 32b输出电压之差除 以输出电压之和的值(输出电压之差与输出电压之和的比)、和 该长方体f兹体31的移动距离为-4mm时2个霍尔传感器32a、 32b的输出电压的差值除以输出电压之和的值(输出电压之差 与输出电压之和的比)连接起来的直线。从图6所示结果可以看出，位置检测误差最大为20um左 右，分辨率实现了相对于全行程8 m m为0.3 7 5 %和高精度的位 置检测。当然，也可以将用最小二乘法通过图5A、图5B所示模拟结 果求得的直线作为理想直线81。若将通过最小二乘法求得的直 线作为理想直线81,则位置检测误差进一步减小，分辨率进一 步增大。如上所述，与在以下比较例中说明的位置检测装置相比， 通过使用本发明的位置检测装置3 0 ,可以实现小型的位置检测装置。(比较例)作为比较例，沈明4吏用以往方法与上述例子相同地在大的 温度范围内以30um的分辨率对8mm ( ± 4mm )的范围进行位 置检测的情况。图7A、图7B表示使用以往的磁体和霍尔传感器的位置检测 装置的概略构成。附图标记41为垂直于平面200地被》兹化的长方体磁体，该 平面200与霍尔传感器相面对。附图标记42a、 42b为霍尔传感 器。附图标记43为安装霍尔传感器42a、 42b的基板。附图标记 44a为长方体万兹体41的长边方向X的长度，附图标记44b为长方 体磁体41的短边方向Y的长度，附图标记44c为长方体磁体41 的厚度方向Z的长度(磁体的磁化方向的长度)。附图标记45a 表示从平面200到霍尔传感器42a、 42b感^f兹部中心的距离，该 平面200是长方体磁体41的与霍尔传感器42a、 42b相面对的平 面，附图标记45b表示霍尔传感器42a的感磁部中心与霍尔传感 器42b的感磁部中心的距离。在该比较例中，长方体磁体41仅沿着图中所示的X轴方向 移动。另外，在相对长方体磁体41移动方向呈水平的平面上配 置霍尔传感器42a和霍尔传感器42b。这时，进行与上述图l例子相同的位置检测时，使长方体 磁体41的长边方向X的长度44a二15.2mm，长方体^兹体41的短 边方向Y的长度44b二15.0mm,长方体磁体41的厚度方向Z的长 度(磁体的磁化方向的长度)44c二4.3mm,从长方体磁体41 的与霍尔传感器相对的面到霍尔传感器感磁部的距离45a=6.0mm，霍尔传感器42a的感磁部中心和霍尔传感器42b 的感磁部中心的距离45b二11.3mm。在此，图8A、图8B以等倍图表示上述图l例子中位置检测 装置30的构成。图9A、图9B以等倍图表示用于比较本发明的 以往例子的构成。从而可以看出，本发明图8A、图8B中位置^r测装置30的 构成与用于比较的图9A、图9B的以往例子的构成相比，可以获 得位置检测装置整体的大小和厚度能够显著减小的效果。(第2例)基于图IO以及图ll对本发明的第2实施方式进行说明。而 且，与上述第l例子相同的部分采用相同附图标记，省略其说 明。还可以组合多组将上述图1例子的位置检测装置3 0中2个 霍尔传感器作为l组的霍尔传感器。 (构成)在本例中，对使用多组霍尔传感器，同时进一步缩小磁体 尺寸的位置检测装置的具体构成例进行说明。下面，表示与上述第l例相同地，在大的温度范围内，以 30um的分辨率对8mm ( ± 4mm )的范围进行位置才企测。图10A、图IOB表示本发明的使用了磁体和霍尔传感器的 位置检测装置50的构成例。附图标记51为垂直于平面IOO地被磁化的长方体磁体，该 平面100与霍尔传感器52a、 52b、 52c、 52d相面对。在此，附 图标记52a为第l霍尔传感器、附图标记52b为第2霍尔传感器、 附图标记52c为第3霍尔传感器、附图标记52d为第4霍尔传感 器。附图标记53为安装有一组霍尔传感器52a、 52b和另 一组霍尔传感器52c、 52d的基板。附图标记54a为长方体磁体51的长边方向X的长度，附图标 记54b为长方体磁体51的短边方向Y的长度，附图标记54c为长 方体磁体51的厚度方向Z的长度(磁体的磁化方向的长度)。附图标记55a为从平面100到霍尔传感器52a、 52b、 52c、 52d感磁部中心的距离，该平面100是长方体磁体51的与霍尔传 感器52a、 52b、 52c、 52d相面对的平面。附图标记55b表示将一组中霍尔传感器52a感磁部中心和 霍尔传感器52b感磁部中心连接起来的直线lll的距离，以及将 另 一组中霍尔传感器52c感^f兹部中心和霍尔传感器52d感f兹部 中心连接起来的直线112的距离。图11表示位置检测装置50的回路构成例。第l霍尔传感器52a的正极输出端子B和负极输出端子D连 接于差动信号处理回路21的第l差动放大器21a,第2霍尔传感 器52b的正极输出端子F和负极输出端子H连接于差动信号处 理回路21的第2差动放大器21b。第l差动放大器21a和第2差动 放大器21b的输出信号连接于第3差动放大器21c。第3霍尔传感器52c的正极输出端子B和负极输出端子D连 接于差动信号处理回路22的第l差动放大器22a连接，第2霍尔 传感器52d的正极输出端子F和负极输出端子H连接于差动信 号处理回路22的第2差动放大器22b。第l差动放大器22a和第2 差动放大器22b的输出信号连接于第3差动放大器22c。(工作)如图ll所示，使用从与第l霍尔传感器52a和第2霍尔传感 器52b连接的差动信号处理回路21获得的信号，对8mm中的 4mm进行位置检测，使用从与第3霍尔传感器52c和第4霍尔传 感器52d连接的差动信号处理回路22获得的信号，对剩余的4mm进^M立置4企测。通过上述驱动处理回路，从第3差动放大器21c的输出端子 获得输出值Vcl,该输出值Vcl是第l霍尔传感器52a与第2霍尔 传感器52b的霍尔输出电压的差值(Va-Vb)。从第3差动放大 器22c的输出端子获得输出值Vc2，该输出值Vc2是第3霍尔传感 器52c与第4霍尔传感器52d的霍尔输出电压的差值(Va-Vb)。 上述输出端子的输出值与长方体磁体51的位置相对应。在本例中，长方体》兹体51仅沿着X轴方向移动。在此，只 沿着X轴方向移动是指，与上述第l例相同地，长方体磁体31 在保持与Y轴方向成角度6的状态下沿着平行于X轴方向的方 向移动。另外，在垂直于长方体磁体51移动方向的直线上配置霍尔 传感器52a和霍尔传感器52b。而且，在与连接霍尔传感器52a 感磁部中心和霍尔传感器52b感磁部中心的直线lll平行、且与 该直线11 l距离4mm的直线112上，配置霍尔传感器52c和霍尔 传感器52d。采用上述配置，可以通过霍尔传感器52a和霍尔传感器52b 检测8mm的位置^r测范围中的4mm，通过霍尔传感器52c和霍 尔传感器52d检测剩余的4mm。在采用上述配置时，进行与上述图l的第l例相同的位置检 测，磁模拟的结果是，长方体磁体51的长边方向X的长度 54a=5.0mm,长方体磁体51的短边方向Y的长度54b二1.4mm， 长方体磁体51的厚度方向Z的长度(磁体的磁化方向的长度) 54c二1.0mm,从平面IOO到霍尔传感器52a、 52b、 52c、 52d 感磁部中心的距离55a=0.5mm,该平面100是长方体磁体51的 与霍尔传感器52a、 52b、 52c、 52d相面对的平面，霍尔传感器 52a的感磁部中心与霍尔传感器52b的感磁部中心的距离55b=0.8mm。可以看出，长方体磁体51的长边方向X的长度在上述图1 的第l例中为9.7mm,在本例中为5.0mm,减少了大约一半。即，虽然磁传感器(霍尔传感器52a、 52b、 52c、 52d )的 数量增加，但促进了位置检测装置的小型化，另外，在本例中， 可以确认增加磁传感器(霍尔传感器52a、 52b、 52c、 52d )的数量是有效的。另外，在本例中，对于使用2组、即4个霍尔传感器(霍尔 传感器52a、 52b、 52c、 52d )的例子进行了说明，而且，若增 加该数量、即2n(n为组数，为大于或等于l的整数)，则可以 进一步促进位置检测装置的小型化。(第3例)基于图12对本发明的第3实施方式进行说明。而且，与上 述各例相同的部分采用相同附图标记，省略其说明。本例子为上述图1的第l例中位置检测装置30的变形例。 在图l的位置检测装置30中，使长方体^兹体31在短边方向Y 的长度34b二1.4mm，长方体磁体31在厚度方向Z的长度(磁体 在磁化方向的长度)34c二1.0mm。另夕卜，使从长方体磁体31 的与霍尔传感器32a、 32b相面对的平面IOO到霍尔传感器32a、 32b感磁部中心的距离35a=1.4mm，霍尔传感器32a感磁部中 心与第2霍尔传感器32b感磁部中心的距离35b=0.8mm。而且， 将值固定为使垂直2等分长方体磁体31短边的直线101与连接2 个霍尔传感器32a、 32b感磁部中心的直线102所成角度6 =86°。在本例中，通过》兹模拟研究长方体磁体31在长边方向X的 长度3 4 a,使分辨率为要进行位置检测的全行程的0.5 %左右。 要进行位置检测的范围为10 m m时，长方体磁体31在长边方向X的长度34a:10.8mm。另外，要进行位置检测的范围为9mm时，长方体磁体31 在长边方向X的长度34a二10.1mm。另外，要进行位置4全测的范围为8mm时，长方体磁体31 在长边方向X的长度34a二9.3mm。另外，要进行位置4全测的范围为7mm时，长方体石兹体31 在长边方向X的长度34a二8.6mm。另外，要进行位置4全测的范围为6mm时，长方体磁体31 在长边方向X的长度34a二7.9mm。另外，要进行位置检测的范围为5mm时，长方体磁体31 在长边方向X的长度34a二7.1mm。另外，要进行位置4全测的范围为4mm时，长方体磁体31 在长边方向X的长度34a二6.5mm。另外，要进行位置检测的范围为3mm时，长方体磁体31 在长边方向X的长度34a二5.8mm。另外，要进行位置才全测的范围为2mm时，长方体》兹体31 在长边方向X的长度34a二5.2mm。图12为表，表示以上述值固定除了长方体磁体31在长边方 向X的长度34a以外的参数时，使要进行位置检测的10mm ~ 2mm范围以lmm节距变化时的长方体磁体31在长边方向X的 长度34a的变化程度。通过本例看出，需要增大欲进行位置检测的范围时，将长 方体磁体31在长边方向X的长度设定为更加长是有效的。另外，通过本例可以看出，长方体》兹体31在短边方向Y和 长边方向X的长度比大于或等于1: 3.5左右，理想的是，通过 设定为大于等于3.5且小于等于8.0,可以很好地应对使用各种 构成部件的构成。在该情况下，长方体磁体31在短边方向Y和长边方向X的长度比的值是根据图12中的数值计算求得的值。当然，需要进行位置检测的范围超过10mm时，长方体磁体31 在短边方向Y和长边方向X的长度比可以大于l: 8。 (第4例)对本发明的第4实施方式进行说明。而且，与上述各例相 同的部分采用相同附图标记，省略其说明。表示在大的温度范围内，以40um的分辨率对8mm(土 4mm) 的范围进行位置检测(对于位置检测范围，精度为0.5%)。说 明图1A、图1B中各构成部件的参数的一个设计例。为了进行上述位置检测，使长方体》兹体31在长边方向X的 长度34a=10.9mm , 长方体磁体31在短边方向Y的长度 34b=1.7mm,长方体磁体31在厚度方向Z的长度(磁体在；兹化 方向的长度)34c=2.0mm,从长方体磁体31的与霍尔传感器 32a、 32b相面对的平面IOO到霍尔传感器32a、 32b感磁部中心 的距离35a=1.0mm,霍尔传感器32a感磁部中心和霍尔传感器 32b感磁部中心的距离35b=0.8mm，垂直2等分长方体磁体31 短边的直线IOI和连接2个霍尔传感器32a、 32b感磁部中心的直 线102所成角度6 =67°。 (第5例)对本发明的第5实施方式进行说明。而且，与上述各例相 同的部分采用相同附图标记，省略其说明。说明与第4例相同地以40um的分辨率对8mm( ± 4mm)范 围进行位置检测时，图1A、图1B中各构成部件的参数的其他设计例。为了进行上述位置检测，也可以使长方体磁体31在长边方 向X的长度34a二9.5mm，长方体磁体31在短边方向Y的长度 34b=1.0mm,长方体磁体31在厚度方向Z的长度(磁体在磁化方向的长度)34c=2.0mm,从长方体；兹体31的与霍尔传感器 32a、 32b相面对的平面IOO到霍尔传感器32a、 32b感磁部中心 的距离35a=0.5mm,霍尔传感器32a感磁部中心与霍尔传感器 32b感磁部中心的距离35b=0.8mm,垂直2等分长方体磁体31 短边的直线101和连接2个霍尔传感器3 2 a 、 3 2 b感磁部中心的直 线102所成角度6 =89.3°。从第4和第5例看出，即使垂直2等分长方体磁体31短边的 直线101和连接2个霍尔传感器32a、 32b感^兹部中心的直线102 所成的角度6改变，也可以通过改变长方体磁体31的大小、配 置来对8mm左右的大范围高精度(对于位置检测范围，精度为 0.5%)地进行位置^r测。 (第6例)对本发明的第6实施方式进行说明。而且，与上述各例相 同的部分采用相同附图标记，省略其说明。说明与第4、第5例相同地以40um的分辨率对8mm( ± 4mm) 的范围进行位置检测时，图1A、图1B中各构成部件的参数的其 他设计例。为了进行上述位置检测，也可以使长方体f兹体31在长边方 向X的长度34a二11.0mm,长方体磁体31在短边方向Y的长度 34b=4.0mm,长方体磁体31在厚度方向Z的长度(磁体在磁化 方向的长度)34c=2.8mm,从长方体磁体31的与霍尔传感器 32a、 32b相面对的平面100到霍尔传感器32a、 32b感磁部中心 的距离35a=3.0mm,霍尔传感器32a感磁部中心与霍尔传感器 32b感磁部中心的距离35b=3.7mm,垂直2等分长方体磁体31 短边的直线101和连接2个霍尔传感器32a、32b感磁部中心的直 线102所成角度6 =20.0。。从第6例看出，即使垂直2等分长方体磁体31短边的直线101和连接2个霍尔传感器32a、 32b感磁部中心的直线102所成 的角度6=20.0°,也可以通过改变长方体磁体31的大小、配置 来对大范围高精度(对于位置检测范围，精度为0.5%)地进行 位置检测。但是，在第6例中，长方体磁体31的大小、/人长方体f兹体 31的与霍尔传感器32a、 32b相面对的平面IOO到霍尔传感器 32a、 32b感磁部中心的距离35a,霍尔传感器32a感磁部中心 和霍尔传感器32b感磁部中心的距离35b等，稍稍增大。从而，为了以小型对大范围进行高精度位置检测，可以说 更加理想的是，垂直2等分长方体磁体31短边的直线101与连接 2个霍尔传感器32a、32b感磁部中心的直线102所成的角度6为 67.Oc ~ 89.3Q。但是，事实是，若是不在意尺寸的用途，对于垂直2等分 长方体磁体31短边的直线101和连接2个霍尔传感器32a、 32b 感磁部中心的直线102所成的角度6没有特别限制。 (第7例)对本发明的第7实施方式进行说明。而且，与上述各例相 同的部分采用相同附图标记，省略其说明。表示在大的温度范围内以 10um的分辨率对10mm ( ± 5mm)的范围进行位置检测的情况。(对于位置检测范围，精 度为0.1%)说明图1A、图1B中各构成部件的参数的一个设计 例。为了进行上述位置检测，使长方体磁体31在长边方向X的 长度34a=11.9mm , 长方体磁体31在短边方向Y的长度 34b=1.6mm,长方体磁体31在厚度方向Z的长度(磁体在磁化 方向的长度)34c=2.2mm,从长方体磁体31的与霍尔传感器 32a、 32b相对的平面100到霍尔传感器32a、 32b感磁部中心的距离35a=0.8mm,霍尔传感器32a感磁部中心与霍尔传感器 32b感磁部中心的距离35b=0.8mm,垂直2等分长方体磁体31 短边的直线101和连接2个霍尔传感器32a、32b感磁部中心的直 线102所成的角度6 =86°。如上所述，使用本发明的构成，能够获得以相对于位置检 测范围为0.1 %精度对10mm左右的大范围进行位置检测的位置 检测装置。
权利要求
1.一种位置检测装置，其特征在于，该位置检测装置具有磁通量检测部件和长方体磁体；上述磁通量检测部件配置在基板上，将感磁方向垂直于基板方向的2个霍尔传感器作为1组霍尔传感器组，上述磁通量检测部件具有1组以上该霍尔传感器组；上述长方体磁体配置成可以沿着与将上述各组霍尔传感器组中的2个霍尔传感器的感磁部的中心间连接起来的直线垂直的方向、在平行于上述基板的平面内移动，该长方体磁体在垂直于上述基板的方向上被磁化出N极和S极；在将上述长方体磁体朝平行于上述基板的任意平面上投影时，上述长方体磁体的四边形具有长边和短边；上述长方体磁体的长边相对于将上述磁通量检测部件的各组霍尔传感器组中的2个霍尔传感器的感磁部的中心间连接起来的直线具有规定的倾斜角。
2. 根据权利要求l所述的位置检测装置，其特征在于， 对于上述长方体磁体在含有上述长方体磁体移动方向的平面上的短边和长边的长度比而言，若设短边的长度为l,则长 边的长度为大于等于3.5且小于等于8.0。
3. 根据权利要求l所述的位置检测装置，其特征在于，将上述磁通量检测部件的各组霍尔传感器组中的2个霍尔 传感器的感磁部的中心间连接起来的线段的长度小于等于 l.Omm,上述长方体^兹体的长边方向、与将上述^兹通量4全测部 件的各组霍尔传感器组中的2个霍尔传感器的感磁部的中心间 连接起来的直线所成的规定倾斜角为67.0° 89.3°。
4. 根据权利要求l所述的位置检测装置，其特征在于，能够以上述长方体磁体可移动的移动范围的1%以下的精 度，检测上述长方体磁体的位置。
5. 根据权利要求l所述的位置检测装置，其特征在于， 利用上述磁通量检测部件的各组霍尔传感器组中的2个霍尔传感器的输出电压之差、与上述磁通量检测部件的各组霍尔 传感器组中的2个霍尔传感器的输出电压之和的比，算出上述 长方体》兹体的位置。
6. 根据权利要求l所述的位置检测装置，其特征在于，上述霍尔传感器不具有放大磁性的磁性体芯片。
7. 根据权利要求l所述的位置检测装置，其特征在于， 上述霍尔传感器含有GaAs、 InAs、 InSb等III - V族化合物半导体。
8. 根据权利要求l所述的位置检测装置，其特征在于， 上述霍尔传感器含有Si、 Ge等IV族半导体。
9. 根据权利要求l所述的位置检测装置，其特征在于， 上述磁通量检测部件将配置在上述基板上的上述各组霍尔传感器组的霍尔传感器整体封入到1个封装中。
全文摘要
本发明提供一种位置检测装置，其具有磁通量检测部件和长方体磁体；上述磁通量检测部件配置在基板上，将2个霍尔传感器作为1组霍尔传感器组，上述磁通量检测部件具有1组以上该霍尔传感器组；上述长方体磁体配置成可以在平行于上述基板的平面内移动。各霍尔传感器组中的2个霍尔传感器配置在基板上，并且，使长方体磁体的移动方向与将各霍尔传感器组中的2个霍尔传感器的感磁部中心间连接起来的直线垂直。在将长方体磁体朝平行于基板的任意平面上投影时，上述长方体磁体的四边形具有长边和短边，该长边相对于将各霍尔传感器组的2个霍尔传感器的感磁部的中心间连接起来的直线具有规定的倾斜角。长方体磁体与配置有霍尔传感器的基板垂直地被分别磁化出N极和S极，霍尔传感器的感磁方向与基板方向垂直。
文档编号G01D5/14GK101331385SQ20068004740
公开日2008年12月24日 申请日期2006年12月14日 优先权日2005年12月16日
发明者西田聪佑, 高俊德 申请人:旭化成电子材料元件株式会社