JP2017120182A - 移動検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】低速移動時における検出精度に優れた移動検出装置を提供する。
【解決手段】この移動検出装置は、第1の方向に移動する移動体と、その移動体の移動に伴う磁場の変化を検知して第1の信号を出力する第1のセンサと、第1の方向に沿って第1のセンサと異なる位置に設けられ、移動体の移動に伴う磁場の変化を検知して第2の信号を出力する第2のセンサと、第1の信号に基づき、第3の信号とこの第3の信号と異なる波形を有する第4の信号とを生成する信号生成回路を含む信号処理部とを備え、移動体の移動を検出するものである。
【選択図】図2

Description

本発明は、磁場の変化を検出する磁気検出素子を用いた移動検出装置に関する。
一般に、車軸などの回転体の回転動作を検出するものとして、例えば磁性体を含むギヤホイールと、これと非接触で配置された磁気検出素子とを備えた回転検出装置が用いられている。
特開平6−34645号公報 特開2015−111062号公報
ところで、近年、低速回転時においてもギヤホイールの回転の有無を精度よく検出することができる回転検出装置が求められるようになっている。低速回転時においては、ギヤホイールの単位時間あたりの回転角が微小であるので、そのギヤホイールの僅かな回転を検出するためにはギヤホイールにおける歯数がより多いことが望ましい。
しかしながら、ギヤホイール自体の寸法上の制約やギヤ歯の加工精度の問題などから、ギヤホイールの歯数にも上限がある。仮に多数のギヤ歯を精密に加工できたとしても、ギヤ歯の寸法が微小化するのでそのギヤ歯周辺に生じる磁場変化も微小化するうえ、隣り合うギヤ歯において形成される磁場同士が干渉しあうので、磁気検出素子の検出感度が低下するおそれがある。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、低速移動時における検出精度に優れた移動検出装置を提供することにある。
本発明の一実施の形態として移動検出装置は、第1の方向に移動する移動体と、その移動体の移動に伴う磁場の変化を検知して第1の信号を出力する第1のセンサと、第1の方向に沿って第1のセンサと異なる位置に設けられ、移動体の移動に伴う磁場の変化を検知して第2の信号を出力する第2のセンサと、第1の信号に基づき、第3の信号とこの第3の信号と異なる波形を有する第4の信号とを生成する信号生成回路を含む信号処理部とを備え、移動体の移動を検出するものである。
本発明の移動検出装置では、信号生成回路において、第1の信号に基づき、互いに異なる波形を有する第3の信号と第4の信号とが生成される。このため、第2の信号と第3の信号との比較、および第2の信号と第4の信号との比較の双方から異なるタイミングのパルスが得られる。
本発明の移動検出装置では、移動体は、凸部と凹部とが複数交互配置されたギヤ歯部分、またはN極領域とS極領域とが複数交互配置された強磁性体部分を有し、信号生成回路は、一の凸部もしくは一の凹部、または一のN極領域もしくは一のS極領域が第1のセンサと第2のセンサとを通過する期間内に複数のパルスを生成するパルス生成部をさらに有するようにするとよい。また、信号生成回路は、第3の信号と第2の信号との比較に基づき、第5の信号を出力する第1の比較部と、第4の信号と第2の信号との比較に基づき、第6の信号を出力する第2の比較部と、第5の信号と第6の信号との組み合わせを行い、複数のパルスを含む第7の信号を生成するパルス生成部とをさらに有するようにしてもよい。
本発明の移動検出装置では、信号生成回路が、さらに、第2の信号に基づき、第8の信号とこの第8の信号と異なる波形を有する第9の信号とを生成するようにしてもよい。その場合、信号生成回路は、第3の信号と第8の信号との比較に基づき、第10の信号を出力する第1の比較部と、第4の信号と第9の信号との比較に基づき、第11の信号を出力する第2の比較部と、第10の信号と第11の信号の組み合わせを行い、複数のパルスを含む第12の信号を生成するパルス生成部とをさらに有するとよい。
本発明の移動検出装置では、信号生成回路が、第1の信号に対しオフセット電圧を加算する加算器を含むようにしてもよい。
本発明の移動検出装置では、信号生成回路が、第1の信号の増幅を行う増幅器を含むようにしてもよいし、第1の信号に対し時間的なずれを生じさせる位相シフト回路を含むようにしてもよい。
本発明の移動検出装置によれば、信号生成回路を備えるようにしたので、第1信号と第2信号との関係のみから得られるパルスよりも多くのパルスを得ることができる。このため、ギヤホイールの微小な回転であっても高い精度で検出することができる。
本発明の第1の実施の形態としての回転検出装置の全体構成を表す概略図である。 図1に示した回転検出装置の要部構成を表す回路図である。 図2に示したMR素子に含まれるスタックの構成を表す分解斜視図である。 図1に示した信号処理部における信号の波形を表す波形図である。 図1に示した回転検出装置の要部構成、およびその動作を表す第1の拡大図である。 図1に示した回転検出装置の要部構成、およびその動作を表す第2の拡大図である。 図1に示した回転検出装置の要部構成、およびその動作を表す第3の拡大図である。 図1に示した回転検出装置の変形例の波形図である。 本発明の第2の実施の形態としての回転検出装置の要部構成を表す回路図である。 図7に示した信号処理部における信号の波形を表す波形図である。 本発明のその他の変形例としての信号処理部における回路図である。 図9に示した信号処理部における信号の波形を表す波形図である。 本発明の他の変形例としての信号処理部における回路図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態
加算器を含む信号生成回路を備えた回転検出装置。
2.第1の実施の形態の変形例(変形例1)
出力信号のデューディー比を0.5とした回転検出装置。
3.第2の実施の形態
増幅器を含む信号生成回路を備えた回転検出装置。
4.その他の変形例
<1.第1の実施の形態>
[回転検出装置の構成]
最初に、図1および図2などを参照して、本発明における第1の実施の形態としての回転検出装置の構成について説明する。図1は、回転検出装置の全体構成例を表す回路図である。この回転検出装置は、いわゆるギヤトゥースセンサや歯車センサと呼ばれるものであり、例えばギヤホイール1と本体2とを備えている。なお、この回転検出装置は、本発明の「移動検出装置」に対応する一具体例である。
(ギヤホイール1)
ギヤホイール1は、例えば円盤状部材の周縁部に、磁性体からなる凸部1Tと凹部1Uとが交互に所定の間隔(例えば2〜7mm程度のピッチ)で配置されたギヤ歯部分を含むものであり、矢印1Rの方向に回転する回転体である。ギヤホイール1の回転動作により、本体2におけるセンサ部3(後出)に対して最も近い位置に凸部1Tが存在する状態と凹部1Uが存在する状態とが交互に繰り返されることとなる。したがって、ギヤホイール1は、自らの回転動作により、本体2に対して付与される外部磁場としてのバックバイアス磁場Hbb(後出の図5A〜5C参照)の周期的な変化をもたらすことができる。なお、ギヤホイール1における凸部1Tの総数または凹部1Uの総数を、ギヤホイール1の歯数という。なお、ギヤホイール1は、本発明の「移動体」に対応する一具体例である。
(本体2)
本体2は、例えばセンサ部3、信号処理部4および磁石5を有している。図2に示したように、センサ部3はセンサ回路30を内蔵し、信号処理部4は信号生成回路40を内蔵している。なお図2は、センサ回路30および信号生成回路40の一構成例を表す回路図である。本体2には、図1に示したように、センサ回路30に対する電源電圧を供給する電源端子Vccや接地端子GND、およびセンサ回路30からの出力を取り出すための出力端子Voutがさらに設けられている。なお、図1において、凸部1Tの頭頂部とセンサ部3との間隔AGは、例えば0.5mm以上3mm以下である。
((センサ部3))
センサ回路30は、例えば4つの磁気抵抗効果(MR;Magneto-Resistive effect)素子3A〜3Dを含むホイートストンブリッジ回路を有している。MR素子3Aの一端とMR素子3Bの一端とが接続点P1において接続され、MR素子3Cの一端とMR素子3Dの一端とが接続点P2において接続され、MR素子3Aの他端とMR素子3Dの他端とが接続点P3において接続され、MR素子3Bの他端とMR素子3Cの他端とが接続点P4において接続されている。ここで、接続点P3は電源Vccと接続されており、接続点P4は接地されている。接続点P1,P2は、それぞれ、配線L1,L2を介して信号処理部4と接続されている。また、MR素子3AおよびMR素子3Bが本発明の「第1のセンサ」に対応する一具体例であり、MR素子3CおよびMR素子3Dが本発明の「第2のセンサ」に対応する一具体例である。ここで第1のセンサとしてのMR素子3AおよびMR素子3Bは、ギヤホイール1の回転方向(矢印1Rの方向)において第2のセンサとしてのMR素子3CおよびMR素子3Dと異なる位置に設けられている。
なお、図2において符号J31を付した矢印は、MR素子3A〜3Dの各々における磁化固着層31(後出)の磁化の向きを模式的に表している。すなわち、MR素子3AおよびMR素子3Cの各抵抗値は、外部磁場の変化に応じて互いに同じ向きに変化し、MR素子3BおよびMR素子3Dの各抵抗値は、いずれも、外部磁場の変化に応じてMR素子3AおよびMR素子3Cとは反対向きに変化することを表している。例えば、ギヤホイール1の回転に伴い、MR素子3AおよびMR素子3Cの各抵抗値が増大する一方、MR素子3BおよびMR素子3Dの各抵抗値が減少するという挙動を示す関係にある。
図3に、MR素子3A〜3Dの主要部を構成するセンサスタック3Sの一例を示す。MR素子3A〜3Dは、いずれも実質的に同じ構造のセンサスタック3Sを含んでいる。図3に示したように、センサスタック3Sは、磁性層を含む複数の機能膜が積層されたスピンバルブ構造をなしている。具体的には、一定方向に固着された磁化J31を有する磁化固着層31と、特定の磁化方向を発現しない中間層32と、信号磁場Hmに応じて変化する磁化J33を有する磁化自由層33とが順に積層されてなるものである。なお、図3は、外部磁場(バックバイアス磁場Hbb)が付与されていない無負荷状態を示している。この場合、磁化自由層33の磁化J33は、それぞれ、自らの磁化容易軸AE33と平行をなし、かつ、磁化固着層31の磁化J31と直交した向きとなっている。MR素子3A,3Cにおける磁化固着層31は、例えば+Y方向に固着された磁化J31を有し、MR素子3B,3Dにおける磁化固着層31は、−Y方向に固着された磁化J31を有する。なお、磁化固着層31,中間層32および磁化自由層33は、いずれも単層構造であってもよいし、複数層からなる多層構造であってもよい。
磁化固着層31は、例えばコバルト(Co)やコバルト鉄合金(CoFe)、コバルト鉄ボロン合金(CoFeB)などの強磁性材料からなる。なお、磁化固着層31と隣接するように、中間層32と反対側に反強磁性層(図示せず)を設けるようにしてもよい。そのような反強磁性層は、白金マンガン合金(PtMn)やイリジウムマンガン合金(IrMn)などの反強磁性材料により構成されるものである。反強磁性層は、例えばMR素子3Aにおいては、+Y方向のスピン磁気モーメントと−Y方向のスピン磁気モーメントとが完全に打ち消し合った状態にあり、隣接する磁化固着層31の磁化J31の向きを、+Y方向へ固定するように作用する。
中間層32は、例えば酸化マグネシウム(MgO)からなる非磁性のトンネルバリア層であり、量子力学に基づくトンネル電流が通過可能な程度に厚みの薄いものである。したがってその場合、センサスタック3SはMTJ(Magnetic Tunnel Junction)構造となる。MgOからなるトンネルバリア層は、例えば、MgOからなるターゲットを用いたスパッタリング処理のほか、マグネシウム(Mg)の薄膜の酸化処理、あるいは酸素雰囲気中でマグネシウムのスパッタリングを行う反応性スパッタリング処理などによって得られる。また、MgOのほか、アルミニウム(Al),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf)の各酸化物もしくは窒化物を用いて中間層32を構成することも可能である。さらに、中間層32は、トンネルバリア層に限定されるものではなく、非磁性導電層であってもよい。その場合、センサスタック3SはGMR(Giant Magneto Resistive effect)構造となる。
磁化自由層33は軟質強磁性層であり、例えばX軸方向の磁化容易軸AE33を有するものである。磁化自由層33は、例えばコバルト鉄合金(CoFe)、ニッケル鉄合金(NiFe)あるいはコバルト鉄ボロン合金(CoFeB)などによって構成される。
このような構成により、センサ部3のブリッジ回路では、例えば電源Vccから電流I10が供給されると、その電流I10は接続点P3を経由してMR素子3AおよびMR素子3Dへ流入する。MR素子3AおよびMR素子3Dにおけるセンサスタック3Sをそれぞれ通過した電流I10は、接続点P1および接続点P2へ到達する。そののち、電流I10は、接続点P1および接続点P2からそれぞれMR素子3Bの一端およびMR素子3Cの一端へ流入したのち、MR素子3BおよびMR素子3Cを通過して接続点P4を経て接地GNDへ到達する。また、接続点P1および接続点P2からの出力は、信号Aおよび信号Bとして配線L1および配線L2を介してそれぞれ信号処理部4へ向かうようになっている。
((信号処理部4))
信号処理部4に含まれる信号生成回路40は、本発明の「信号生成回路」に対応する一具体例であり、例えば加算器41A,41Bと、比較器42A〜42Cと、組み合わせ回路43とを有している。組み合わせ回路43には、ANDゲート43AおよびANDゲート43Bと、ORゲート43Cとが含まれている。さらに、信号生成回路40は、配線L1を3つの経路に分岐する接続点P5と、配線L2を3つの経路に分岐する接続点P6とを有している。さらに信号生成回路40は、接続点P5と比較器42A〜42Cとをそれぞれ繋ぐ配線L3〜L5と、接続点P6と比較器42A〜42Cとをそれぞれ繋ぐ配線L6〜L8とを有している。加算器41Aは接続点P5と比較器42Aとの間の配線L3上に設けられ、加算器41Bは接続点P5と比較器42Bとの間の配線L4上に設けられている。
加算器41Aは、配線L3を流れる信号Aに対して所定のオフセット電圧を加算することで信号A1を生成し、その信号A1を比較器42Aへ送信する論理回路である。同様に、加算器41Bは、配線L4を流れる信号Aに対して所定のオフセット電圧を加算することで信号A2を生成し、その信号A2を比較器42Bへ送信する論理回路である。ここで、加算器41Aにおいて加算するオフセット電圧と、加算器41Bにおいて加算するオフセット電圧とを異ならせることにより、信号A1と信号A2とが互いに異なる波形となるように構成されているとよい。図4に、信号A1,A,A2の波形を信号Bの波形と共にそれぞれ示す。なお、図4において信号A1,A,A2,Bに関する縦軸は電圧Vの大きさを表す。また図4には、ギヤホイール1の凸部1Tおよび凹部1Uの位置と、第1のセンサ(MR素子3AおよびMR素子3B)の位置と、第2のセンサ(MR素子3CおよびMR素子3D)の位置とを併せて示している。ここでは、加算器41Aにおいて加算するオフセット電圧は信号A1の波形と信号Bの波形とが交点を形成する範囲に留めることが望ましい。加算器41Bにおいて加算するオフセット電圧についても信号A2の波形と信号Bの波形とが交点を形成する範囲に留めることが望ましい。
比較器42A〜42Cは、入力される2つの信号の論理値(ここでは電圧)の比較を行い、それら2つの信号の電圧の大小関係に応じて新たな信号を出力する論理回路である。具体的には、比較器42Aは、オフセット電圧が加算された信号A1と信号Bとの比較を行い、その結果に応じた信号C1を出力する。同様に、比較器42Bはオフセット電圧が加算された信号A2と信号Bとの比較を行い、その結果に応じた信号C2を出力する。比較器42Cは、オフセット電圧が加算されない信号Aと信号Bとの比較を行い、その結果に応じた信号Cを出力する。図4に、信号C1,C,C2の波形をそれぞれ示す。図4では、信号A1,A,A2の各電圧が信号Bの電圧を上回る場合をハイレベル(Hi)とし、信号A1,A,A2の各電圧が信号Bの電圧を下回る場合をローレベル(Lo)としている。
信号生成回路40は、比較器42AからANDゲート43Aへ向かう配線L9と、比較器42BからANDゲート43Aへ向かう配線L10と、比較器42CからANDゲート43Aへ向かう配線L11とをさらに有している。配線L9上には接続点P7が設けられており、接続点P7とANDゲート43Bとを繋ぐように配線L12が設けられている。配線L10上には接続点P8が設けられており、接続点P8とANDゲート43Bとを繋ぐように配線L13が設けられている。配線L11上には接続点P9が設けられており、接続点P9とANDゲート43Bとを繋ぐように配線L14が設けられている。組み合わせ回路43では、信号C1,C,C2がANDゲート43AおよびANDゲート43Bにそれぞれ入力されたのち、ANDゲート43AおよびANDゲート43Bからの出力がORゲート43Cを経由することにより、最終的に信号Dが出力端子Voutから出力されるようになっている。図4に、信号Dの波形を示す。
((磁石5))
磁石5は、センサ部3を挟んでギヤホイール1と反対側に位置する。磁石5は、ギヤホイール1およびセンサ部3に向けて+Z方向のバックバイアス磁場Hbb(後出の図5A〜5C参照)を付与する。センサ部3は、MR素子3A〜3Dによって、バックバイアス磁場Hbbの変化(X軸成分の変化)を検出する。
[回転検出装置の動作および作用]
本実施の形態の回転検出装置では、ギヤホイール1の回転の有無を、本体2に内蔵されたセンサ部3、信号処理部4および磁石5によって検出することができる。
この回転検出装置では、例えば図5Aの状態からギヤホイール1が矢印1Rの方向に回転すると、センサ部3におけるMR素子3A〜3Dに対し、ギヤホイール1における凸部1Tと凹部1Uとが交互に対向することとなる。その際、例えば図5Bに示したように磁性体からなる凸部1Tがセンサ部3に近づくと、その背後に位置する磁石5からのバックバイアス磁場Hbbの磁束が凸部1Tに集中する。すなわちX軸方向の磁束の広がりは小さいので、バックバイアス磁場HbbのX軸成分は比較的小さい。一方、例えば図5Cに示したように凸部1Tがセンサ部3から離れて凹部1Uがセンサ部3に近づくと、バックバイアス磁場Hbbの磁束の一部はその凹部1Uの両隣の凸部1Tに向かう。すなわちX軸方向の磁束の広がりは大きくなるので、バックバイアス磁場HbbのX軸成分が比較的大きくなる。このバックバイアス磁場HbbのX軸成分の変化に応じて、MR素子3A〜3Dにおける磁化自由層33の磁化J33の向きが変化する。この磁化J33の向きの変化に伴うMR素子3A〜3Dの抵抗変化を利用して、ギヤホイール1の回転の有無を検出することができる。
以下、主に図4を参照してギヤホイール1の回転検出動作を詳細に説明する。ここでギヤホイール1が回転する際、任意の凸部1Tが、第1のセンサと最も接近する位置から第2のセンサと最も接近する位置に至るまでの通過に要する期間をT1とする。一方、任意の凹部1Uが、第1のセンサと最も接近する位置から第2のセンサと最も接近する位置に至るまでの通過に要する期間をT2とする。なお、図4では、ギヤホイール1が第1のセンサおよび第2のセンサに対して矢印1Rの方向に回転するものとする。また図4では、横軸が時間の経過を示しており、右へ進むほど経過時間が大きくなることを示している。
上述したように、凸部1Tがセンサ部3に近づくほど、その背後に位置する磁石5からのバックバイアス磁場Hbbの磁束が凸部1Tに集中し、バックバイアス磁場HbbのX軸成分は小さくなる。一方、凹部1Uがセンサ部3に近づくほど、バックバイアス磁場Hbbの磁束の一部はその凹部1Uの両隣の凸部1Tに向かい、バックバイアス磁場HbbのX軸成分が大きくなる。その結果、配線L2を流れる信号Bは符号Bで示した曲線(図4)を描くこととなる。すなわち、期間T1において信号Bの電圧は徐々に低下したのち最小値を経て徐々に上昇し、期間T2において信号Bの電圧は徐々に上昇したのち最大値を経て徐々に低下する。これに対し、配線L1を流れる信号Aは符号Aで示した曲線(図4)を描くこととなる。すなわち、期間T1において信号Aの電圧は徐々に上昇したのち最大値を経て徐々に低下し、期間T2において信号Aの電圧は徐々に低下したのち最小値を経て徐々に上昇する。
信号Aおよび信号Bが配線L5および配線L8をそれぞれ経由してそのまま入力される比較器42Cでは、信号Aと信号Bとの比較が行われ、その結果に応じたパルス波形を有する信号Cが出力される。すなわち、期間T1においては信号Aの電圧が信号Bの電圧を上回ることから信号Cはハイレベル(Hi)となり、期間T2においては信号Aの電圧が信号Bの電圧を下回ることから、信号Cはローレベル(Lo)となる(図4)。
信号Aは接続点P5において分岐された配線L3を経由して加算器41Aに入力される。加算器41Aでは、信号Aに対しオフセット電圧が加算されることで新たな信号A1が生成される。信号A1は比較器42Aに入力される。一方、信号Bは接続点P6において分岐された配線L6を経由して比較器42Aに入力される。比較器42Aでは、信号A1と信号Bとの比較が行われ、その結果に応じたパルス波形を有する信号C1が出力される。信号A1にはオフセット電圧が加算されていることから、信号A1の波形と信号Bの波形との交点の位置が、信号Aの波形と信号Bの波形との交点の位置と異なる。具体的には、信号A1の電圧が信号Bの電圧を上回る期間が期間THよりも長くなり、信号A1の電圧が信号Bの電圧を下回る期間が期間TLよりも短くなる。したがって、信号C1では、ハイレベル(Hi)となる期間TH1が期間THよりも長くなり、ローレベル(Lo)となる期間TL1が期間TLよりも短くなる(図4)。
信号Aは接続点P5において分岐された配線L4を経由して加算器41Bにも入力される。加算器41Bでは、信号Aに対し加算器41Aで加算されるオフセット電圧と異なる大きさのオフセット電圧が加算されることで新たな信号A2が生成される。信号A2は比較器42Bに入力される。一方、信号Bは接続点P6において分岐された配線L7を経由して比較器42Bに入力される。比較器42Bでは、信号A2と信号Bとの比較が行われ、その結果に応じたパルス波形を有する信号C2が出力される。信号A2には所定のオフセット電圧が加算されていることから、信号A2の波形と信号Bの波形との交点の位置が、信号Aの波形と信号Bの波形との交点の位置、および信号A1の波形と信号Bの波形との交点の位置のいずれとも異なる。具体的には、信号A2の電圧が信号Bの電圧を上回る期間が期間THよりも短くなり、信号A2の電圧が信号Bの電圧を下回る期間が期間TLよりも短くなる。したがって、信号C2では、ハイレベル(Hi)となる期間TH2が期間THよりも短くなり、ローレベル(Lo)となる期間TL2が期間TLよりも長くなる(図4)。
信号C1,C,C2を生成したのち、信号生成回路40では、組み合わせ回路43により、出力端子Voutから出力される信号Dを生成する。図4に示したように、信号Dは、期間THにおいて複数のパルス(パルスPL1〜PL3)を含むものとなっている。
[回転検出装置の効果]
このように、本実施の形態の回転検出装置によれば、1つの凸部1Tが第1のセンサと第2のセンサとの間を通過する際に複数のパルス含む信号Dを出力することができる。これは、信号処理部4により、信号Aに基づき互いに異なる波形を有する2つの信号A1,A2を生成すると共に、比較器42A,42Bにより異なる波形を有する信号C1,C2を形成するようにしたからである。
ところが、仮に信号A1,A2を生成しない場合には、1つの凸部1Tおよび1つの凹部1Uが第1のセンサと第2のセンサとの間を通過する際に1つのパルス含む信号Cのみが得られるに過ぎない。これに対し、本実施の形態では、1つの凸部1Tおよび1つの凹部1Uが第1のセンサと第2のセンサとの間を通過する際、3つのパルスPL1〜PL3含む信号Dが得られる。
本実施の形態の回転検出装置によれば、信号処理部4を備えるようにしたので、信号Aと信号Bとの関係のみから得られるパルスよりも多くのパルスを得ることができる。このため、ギヤホイール1の微小な回転であっても高い精度で検出することができる。
<2.第1の実施の形態の変形例>
上記第1の実施の形態において図4に示した信号Dでは、パルスPL1,PL2の幅とパルスPL3の幅とが異なっているうえ、パルスPL1とパルスPL2との間隔と、パルスPL2とパルスPL3との間隔とについても異なっている。しかし、ギヤホイール1の回転速度や回転角を求めるにあたり、信号Dにおける数値の処理が煩雑となる。
そこで、例えば図6に示したように、加算器41A,41Bにおいて信号Aに加算するオフセット電圧を調整することにより、信号生成回路40の組み合わせ回路43から、等幅の複数のパルスが等間隔で並ぶ信号D1を得ることが望ましい。具体的には、信号Aおよび信号Bにおける電圧の振幅を±1とした場合、加算器41Aにおいて信号A1を生成する際に信号Aに加算するオフセット電圧V1は+1.732V(=−2×sin240°=−2×sin300°)であり、加算器41Aにおいて信号A2を生成する際に信号Aに加算するオフセット電圧V1は−1.732V(=−2×sin60°=−2×sin120°)であるとよい。こうすることで、信号Aの波形が0°,180°で信号Bの波形と交差する際に、信号A1の波形が240°,300°で信号Bの波形と交差し、信号A2の波形が60°,120°で信号Bの波形と交差することとなる。その結果、1つの凸部1Tおよび1つの凹部1Uが第1のセンサと第2のセンサとの間を通過する際、60°の幅を各々有する3つのパルスが60°の間隔で発生することとなる。
このように、信号処理部4から、等幅の複数のパルスが等間隔で並ぶ、デューティー比が0.5の信号D1を出力することにより、ギヤホイール1の回転速度や回転角を容易に求めることができる。
<3.第2の実施の形態>
[回転検出装置の構成および動作]
次に、図7を参照して、本発明の第2の実施の形態としての回転検出装置について説明する。図7は、その回転検出装置における信号生成回路40Aの構成を表す回路図である。上記第1の実施の形態の信号生成回路40では加算器41A,41Bを用いて新たな信号A1,A2を生成するようにした。これに対し本実施の形態の信号生成回路40Aは、加算器41A,41Bの代わりに増幅器44A,44Bを用いて信号Aに基づく新たな信号A3,A4を生成するものである。また、この信号生成回路40Aでは、信号Aの位相と180°以外の位相差を有する信号B0がセンサ部3から入力されるようになっている。上記の点を除き、信号生成回路40Aは信号生成回路40と実質的に同一の構成を有するので、以下の説明では実質的に同一の構成要素については上記第1の実施の形態と同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。
増幅器44Aは、接続点P5と比較器42Aとを結ぶ配線L3上に設けられ、配線L3を流れる信号Aに対して所定の範囲で電圧を増幅することで信号A3を生成し、その信号A3を比較器42Aへ送信する増幅回路である。同様に、増幅器44Bは接続点P5と比較器42Bとを結ぶ配線L4上に設けられ、配線L4を流れる信号Aに対して所定の範囲で電圧を増幅することで信号A4を生成し、その信号A4を比較器42Bへ送信する増幅回路である。ここで、増幅器44Aにおいて増幅する倍率と、増幅器44Bにおいて増幅する倍率とを異ならせることにより、信号A3と信号A4とが互いに異なる波形となるように構成されているとよい。図8に、信号A3,A,A4の波形を信号B0の波形と共にそれぞれ示す。
比較器42Aは、増幅された信号A3と信号B0との比較を行い、その結果に応じた信号C3を出力する。同様に、比較器42Bは増幅された信号A4と信号B0との比較を行い、その結果に応じた信号C4を出力する。比較器42Cは、増幅されない信号Aと信号B0との比較を行い、その結果に応じた信号C0を出力する。図8に、信号C3,C0,C2の波形をそれぞれ示す。
さらに組み合わせ回路43では、信号C3,C0,C4がANDゲート43AおよびANDゲート43Bにそれぞれ入力されたのち、ANDゲート43AおよびANDゲート43Bからの出力がORゲート43Cを経由することにより、最終的に信号D2が出力端子Voutから出力されるようになっている。図8に、信号D2の波形を示す。
[回転検出装置の効果]
本実施の形態の回転検出装置では、信号Aに基づく互いに異なる波形を有する2つの信号A3,A4を、増幅器44A,44Bを用いて生成するようにした。そのため、上記第1の実施の形態と同様の効果が得られる。
<4.その他の変形例>
以上、いくつかの実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、信号生成回路において加算器または増幅器を用いて1つの信号から複数の新たな信号を生成するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば図9に示した信号生成回路40Bのように、位相シフト回路45A,45Bを用いて信号Aに基づく新たな信号A5,A6を生成するようにしてもよい。位相シフト回路45Aは、接続点P5と比較器42Aとを結ぶ配線L3上に設けられ、配線L3を流れる信号Aに対して所定の時間的なずれ(遅延)を生じさせることで信号A5を生成し、その信号A5を比較器42Aへ送信するコイルやコンデンサ等を用いた位相制御回路である。同様に、位相シフト回路45Bは接続点P5と比較器42Bとを結ぶ配線L4上に設けられ、配線L4を流れる信号Aに対して所定の時間的なずれ(遅延)を生じさせることで信号A6を生成し、その信号A6を比較器42Bへ送信するコイルやコンデンサ等を用いた位相制御回路である。ここで、位相シフト回路45Aにおいて遅延する時間と、位相シフト回路45Bにおいて遅延する時間とを異ならせることにより、信号A5と信号A6とが互いに異なる位相の波形となるように構成されているとよい。図10に、信号A5,A,A6の波形を信号Bの波形と共にそれぞれ示す。
比較器42Aは、位相をシフトした信号A5と信号Bとの比較を行い、その結果に応じた信号C5を出力する。同様に、比較器42Bは位相をシフトした信号A6と信号Bとの比較を行い、その結果に応じた信号C6を出力する。比較器42Cは、位相がシフトされない信号Aと信号Bとの比較を行い、その結果に応じた信号Cを出力する。図10に、信号C5,C,C6の波形をそれぞれ示す。
さらに組み合わせ回路43では、信号C5,C0,C6がANDゲート43AおよびANDゲート43Bにそれぞれ入力されたのち、ANDゲート43AおよびANDゲート43Bからの出力がORゲート43Cを経由することにより、最終的に信号D3が出力端子Voutから出力されるようになっている。図10に、信号D3の波形を示す。
この場合においても、信号A5,A,A6と信号Bとの交点の位置が時間的に異なるので、1つの凸部1Tが第1のセンサと第2のセンサとの間を通過する際に複数のパルス含む信号D3を出力することができる。よって、上記実施の形態等と同様の効果が得られる。
さらに、本発明では、信号処理部において1つの信号から周波数の異なる複数の新たな信号を生成するにあたり、加算器や増幅器あるいは位相シフト回路を用いる代わりに逓倍回路を用いるようにしてもよい。
また、上記実施の形態等では信号処理部としてアナログ回路を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。信号処理部を、比較部としてディジタルコンパレータを用い、組み合わせ回路の代わりにパルス発生器を用いるなどしたディジタル回路で構成してもよい。その場合、センサ部からのアナログ信号をA/Dコンパレータ等を利用してディジタル信号に変換してから信号処理部に入力するようにすればよい。
また、上記実施の形態等では、信号処理部において第1のセンサからの信号Aに基づいて3つの新たな信号A,A1,A2を生成するようにしたが、その数は3つに限定されない。2つであってもよいし、4つ以上であってもよい。
また、信号処理部では、第2のセンサからの信号Bのみに基づいて複数の新たな信号Bn(B1,B2,…,Bn)を生成するようにしてもよい。あるいは、信号処理部において、第1のセンサからの信号Aに基づいて複数の新たな信号Am(A1,A2,…,Am)を生成すると共に第2のセンサからの信号Bに基づいて複数の新たな信号Bn(B1,B2,…,Bn)を生成するようにしてもよい。図11に、その具体例としての信号生成回路40Cを示す。図11の信号生成回路40Cは、接続点P6と比較器42Aとの間に加算器41Cをさらに設けて信号Bに基づいて新たな信号B1を形成すると共に接続点P6と比較器42Bとの間に加算器41Dをさらに設けて信号Bに基づいて新たな信号B2を形成するようにしたものである。それらの点を除き、この信号生成回路40Cは信号生成回路40と実質的に同一の構成を有する。
また、本発明では、センサの数は2または4に限定されず、2以上であれば任意に選択可能である。
さらに、上記実施の形態等では、移動体として円盤状部材の周縁部に凸部と凹部とが交互配置されたギヤホイールを用いるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、円盤状(もしくは環状)部材の周縁部に、S極領域とN極領域とが交互に所定の間隔で配置された強磁性体部分含むものを移動体として用いることもできる。
また、上記実施の形態等では、移動検出装置として、回転体を備えた回転検出装置を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、移動体としては、上記のような回転体に限定されず、例えば一方向に延在する直線状のものであってもよい。本発明の移動検出装置は、そのような直線状の移動体の、その延在に沿った移動を検出するものであってもよい。
1…ギヤホイール、1T…凸部、1U…凹部、2…本体、3…センサ部、3A〜3D…MR素子、3S…センサスタック、4…信号処理部、40,40A〜40C…信号生成回路、41A,41B…加算器、42A〜42C…比較器(コンパレータ)、43…組み合わせ回路、44A,44B…増幅器、L1〜P14…配線、P1〜P9…接続点、Vout…出力端子。
本発明の一実施の形態として移動検出装置は、第1の方向に移動する移動体と、その移動体の移動に伴う第1の磁場の変化を検知して第1の信号を出力する第1のセンサと、第1の方向に沿って第1のセンサと異なる位置に設けられ、移動体の移動に伴う第2の磁場の変化を検知して第2の信号を出力する第2のセンサと、第1の信号に基づき、第3の信号とこの第3の信号と異なる波形を有する第4の信号とを生成する信号生成回路を含む信号処理部とを備えものである。
(本体2)
本体2は、例えばセンサ部3、信号処理部4および磁石5を有している。センサ部3はセンサ回路30を内蔵し、信号処理部4は信号生成回路40を内蔵している。図2は、センサ回路30および信号生成回路40の一構成例を表す回路図である。本体2には、図1に示したように、センサ回路30に対する電源電圧を供給する電源端子Vccや接地端子GND、および信号生成回路40からの出力を取り出すための出力端子Voutがさらに設けられている。なお、図1において、凸部1Tの頭頂部とセンサ部3との間隔AGは、例えば0.5mm以上3mm以下である。
((センサ部3))
センサ回路30は、例えば4つの磁気抵抗効果(MR;Magneto-Resistive effect)素子3A〜3Dを含むホイートストンブリッジ回路を有している。MR素子3Aの一端とMR素子3Bの一端とが接続点P1において接続され、MR素子3Cの一端とMR素子3Dの一端とが接続点P2において接続され、MR素子3Aの他端とMR素子3Dの他端とが接続点P3において接続され、MR素子3Bの他端とMR素子3Cの他端とが接続点P4において接続されている。ここで、接続点P3は電源端子Vccと接続されており、接続点P4は接地されている。接続点P1,P2は、それぞれ、配線L1,L2を介して信号処理部4と接続されている。また、MR素子3AおよびMR素子3Bが本発明の「第1のセンサ」に対応する一具体例であり、MR素子3CおよびMR素子3Dが本発明の「第2のセンサ」に対応する一具体例である。ここで第1のセンサとしてのMR素子3AおよびMR素子3Bは、ギヤホイール1の回転方向(矢印1Rの方向)において第2のセンサとしてのMR素子3CおよびMR素子3Dと異なる位置に設けられている。
このような構成により、センサ部3のブリッジ回路では、例えば電源端子Vccから電流I10が供給されると、その電流I10は接続点P3を経由してMR素子3AおよびMR素子3Dへ流入する。MR素子3AおよびMR素子3Dにおけるセンサスタック3Sをそれぞれ通過した電流I10は、接続点P1および接続点P2へ到達する。そののち、電流I10は、接続点P1および接続点P2からそれぞれMR素子3Bの一端およびMR素子3Cの一端へ流入したのち、MR素子3BおよびMR素子3Cを通過して接続点P4を経て接地端子GNDへ到達する。また、接続点P1および接続点P2からの出力は、信号Aおよび信号Bとして配線L1および配線L2を介してそれぞれ信号処理部4へ向かうようになっている。
以下、主に図4を参照してギヤホイール1の回転検出動作を詳細に説明する。ここでギヤホイール1が回転する際、任意の凸部1Tが、第1のセンサと最も接近する位置から第2のセンサと最も接近する位置に至るまでの通過に要する期間をTHとする。一方、任意の凹部1Uが、第1のセンサと最も接近する位置から第2のセンサと最も接近する位置に至るまでの通過に要する期間をTLとする。なお、図4では、ギヤホイール1が第1のセンサおよび第2のセンサに対して矢印1Rの方向に回転するものとする。また図4では、横軸が時間の経過を示しており、右へ進むほど経過時間が大きくなることを示している。
上述したように、凸部1Tがセンサ部3に近づくほど、その背後に位置する磁石5からのバックバイアス磁場Hbbの磁束が凸部1Tに集中し、バックバイアス磁場HbbのX軸成分は小さくなる。一方、凹部1Uがセンサ部3に近づくほど、バックバイアス磁場Hbbの磁束の一部はその凹部1Uの両隣の凸部1Tに向かい、バックバイアス磁場HbbのX軸成分が大きくなる。その結果、配線L2を流れる信号Bは符号Bで示した曲線(図4)を描くこととなる。すなわち、期間THにおいて信号Bの電圧は徐々に低下したのち最小値を経て徐々に上昇し、期間TLにおいて信号Bの電圧は徐々に上昇したのち最大値を経て徐々に低下する。これに対し、配線L1を流れる信号Aは符号Aで示した曲線(図4)を描くこととなる。すなわち、期間THにおいて信号Aの電圧は徐々に上昇したのち最大値を経て徐々に低下し、期間TLにおいて信号Aの電圧は徐々に低下したのち最小値を経て徐々に上昇する。
信号Aは接続点P5において分岐された配線L4を経由して加算器41Bにも入力される。加算器41Bでは、信号Aに対し加算器41Aで加算されるオフセット電圧と異なる大きさのオフセット電圧が加算されることで新たな信号A2が生成される。信号A2は比較器42Bに入力される。一方、信号Bは接続点P6において分岐された配線L7を経由して比較器42Bに入力される。比較器42Bでは、信号A2と信号Bとの比較が行われ、その結果に応じたパルス波形を有する信号C2が出力される。信号A2には所定のオフセット電圧が加算されていることから、信号A2の波形と信号Bの波形との交点の位置が、信号Aの波形と信号Bの波形との交点の位置、および信号A1の波形と信号Bの波形との交点の位置のいずれとも異なる。具体的には、信号A2の電圧が信号Bの電圧を上回る期間が期間THよりも短くなり、信号A2の電圧が信号Bの電圧を下回る期間が期間TLよりも長くなる。したがって、信号C2では、ハイレベル(Hi)となる期間TH2が期間THよりも短くなり、ローレベル(Lo)となる期間TL2が期間TLよりも長くなる(図4)。
信号C1,C,C2を生成したのち、信号生成回路40では、組み合わせ回路43により、出力端子Voutから出力される信号Dを生成する。図4に示したように、信号Dは、期間THにおいて複数のパルス(パルスPL1,PL2)を含むものとなっている。
そこで、例えば図6に示したように、加算器41A,41Bにおいて信号Aに加算するオフセット電圧を調整することにより、信号生成回路40の組み合わせ回路43から、等幅の複数のパルスが等間隔で並ぶ信号D1を得ることが望ましい。具体的には、信号Aおよび信号Bにおける電圧の振幅を±1とした場合、加算器41Aにおいて信号A1を生成する際に信号Aに加算するオフセット電圧V1は+1.732V(=−2×sin240°=−2×sin300°)であり、加算器41Bにおいて信号A2を生成する際に信号Aに加算するオフセット電圧V2は−1.732V(=−2×sin60°=−2×sin120°)であるとよい。こうすることで、信号Aの波形が0°,180°で信号Bの波形と交差する際に、信号A1の波形が240°,300°で信号Bの波形と交差し、信号A2の波形が60°,120°で信号Bの波形と交差することとなる。その結果、1つの凸部1Tおよび1つの凹部1Uが第1のセンサと第2のセンサとの間を通過する際、60°の幅を各々有する3つのパルスが60°の間隔で発生することとなる。
比較器42Aは、増幅された信号A3と信号B0との比較を行い、その結果に応じた信号C3を出力する。同様に、比較器42Bは増幅された信号A4と信号B0との比較を行い、その結果に応じた信号C4を出力する。比較器42Cは、増幅されない信号Aと信号B0との比較を行い、その結果に応じた信号C0を出力する。図8に、信号C3,C0,C4の波形をそれぞれ示す。

Claims (9)

  1. 第1の方向に移動する移動体と、
    前記移動体の移動に伴う磁場の変化を検知して第1の信号を出力する第1のセンサと、
    前記第1の方向に沿って前記第1のセンサと異なる位置に設けられ、前記移動体の移動に伴う磁場の変化を検知して第2の信号を出力する第2のセンサと、
    前記第1の信号に基づき、第3の信号と前記第3の信号と異なる波形を有する第4の信号とを生成する信号生成回路を含む信号処理部と
    を備え、前記移動体の移動を検出する
    移動検出装置。
  2. 前記移動体は、凸部と凹部とが複数交互配置されたギヤ歯部分、またはN極領域とS極領域とが複数交互配置された強磁性体部分を有し、
    前記信号生成回路は、一の前記凸部もしくは一の前記凹部、または一の前記N極領域もしくは一の前記S極領域が前記第1のセンサと前記第2のセンサとを通過する期間内に複数のパルスを生成するパルス生成部をさらに有する
    請求項1記載の移動検出装置。
  3. 前記信号生成回路は、
    前記第3の信号と前記第2の信号との比較に基づき、第5の信号を出力する第1の比較部と、
    前記第4の信号と前記第2の信号との比較に基づき、第6の信号を出力する第2の比較部と、
    前記第5の信号と前記第6の信号との組み合わせを行い、複数のパルスを含む第7の信号を生成するパルス生成部と
    をさらに有する
    請求項1記載の移動検出装置。
  4. 前記移動体は、凸部と凹部とが複数交互配置されたギヤ歯部分、またはN極領域とS極領域とが複数交互配置された強磁性体部分を有し、
    前記パルス生成部は、一の前記凸部もしくは一の前記凹部、または一の前記N極領域もしくは一の前記S極領域が前記第1のセンサと前記第2のセンサとを通過する期間内に前記複数のパルスを生成する
    請求項3記載の移動検出装置。
  5. 前記信号生成回路は、さらに、前記第2の信号に基づき、第8の信号と前記第8の信号と異なる波形を有する第9の信号とを生成する
    請求項1に記載の移動検出装置。
  6. 前記信号生成回路は、
    前記第3の信号と前記第8の信号との比較に基づき、第10の信号を出力する第3の比較部と、
    前記第4の信号と前記第9の信号との比較に基づき、第11の信号を出力する第4の比較部と、
    前記第10の信号と前記第11の信号の組み合わせを行い、複数のパルスを含む第12の信号を生成するパルス生成部と
    をさらに有する
    請求項5記載の移動検出装置。
  7. 前記信号生成回路は、前記第1の信号に対しオフセット電圧を加算する加算器を含む
    請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の移動検出装置。
  8. 前記信号生成回路は、前記第1の信号の増幅を行う増幅器を含む
    請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の移動検出装置。
  9. 前記信号生成回路は、前記第1の信号に対し時間的なずれを生じさせる位相シフト回路を含む
    請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の移動検出装置。
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