JP2023051163A - 回転検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の磁界発生源を用いて高周期の交番磁界を効率よく磁性ワイヤに印加することにより小型化が図られた回転検出器を提供する。【解決手段】回転検出器１００は、回転体１１０の回転運動を、１つの発電センサ１２０を用いて検出する。発電センサは磁性ワイヤ１２１とコイル１２２とを備え、磁性ワイヤは回転体の半径方向に配置され、回転体は支持体１１１と複数の磁界発生源１１２とを備え、複数の磁界発生源の各々は、着磁方向が回転体の回転軸方向と平行で、隣り合う２つの磁界発生源の着磁方向が異なり、磁界発生源は、磁性ワイヤに近接したときに、磁性ワイヤの中央部１２１ａから第１端部１２１ｂまでのうち、少なくとも一部の領域と回転軸方向に対向し、磁性ワイヤに近接している磁界発生源の、支持体への取付け面は、磁性ワイヤの第２端部１２１ｃ側にある。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、発電センサを用いて回転体の回転運動を検出する回転検出器に関する。

大バルクハウゼン効果（大バルクハウゼンジャンプ）を有する磁性ワイヤは、ウィーガンドワイヤ又はパルスワイヤの名で知られている。この磁性ワイヤは、芯部とその芯部を取り囲むように設けられた表皮部とを備えている。芯部及び表皮部の一方は弱い磁界でも磁化方向の反転が起きるソフト（軟磁性）層であり、芯部及び表皮部の他方は強い磁界を与えないと磁化方向が反転しないハード（硬磁性）層である。
ハード層とソフト層がワイヤの軸方向に沿って同じ向きに磁化されているときに、その磁化方向とは反対方向の外部磁界強度が増加してソフト層の磁化方向が反転する磁界強度に達すると、ソフト層の磁化方向が反転する。このとき、大バルクハウゼン効果が発現し、当該磁性ワイヤに巻かれたコイルにパルス信号が誘発される。ソフト層の磁化方向が反転するときの磁界強度を本明細書では「動作磁界」と呼ぶ。また、磁性ワイヤとコイルとをまとめて発電センサと呼ぶ。
上述の外部磁界強度がさらに増加し、ハード層の磁化方向が反転する磁界強度に達すると、ハード層の磁化方向が反転する。ハード層の磁化方向が反転するときの磁界強度を本明細書では「安定化磁界」と呼ぶ。
大バルクハウゼン効果が発現するためには、ハード層とソフト層の磁化方向が一致していることを前提として、ソフト層のみ磁化方向が反転することが必要である。ハード層とソフト層の磁化方向が不一致の状態で、ソフト層のみ磁化方向が反転したとしても、パルス信号は生じないか、あるいは生じたとしても非常に小さい。

この磁性ワイヤによる出力電圧は、磁界の変化スピードにかかわらず一定であり、入力磁界に対するヒステリシス特性を持つためチャタリングがないなどの特徴を有する。そのため、この磁性ワイヤは、磁石及びカウンタ回路と組み合わせて、位置検出器などにも使用される。また、外部電力の供給なく、磁性ワイヤの出力エネルギーにより周辺回路も含めて動作させる事ができる。

発電センサに交番磁界が与えられた場合、１周期に対して正パルス信号１つ及び負パルス信号１つの計２つのパルス信号が発生する。磁界の発生源としての磁石を回転体とし、回転体である磁石と発電センサとの位置関係により発電センサに与えられる磁界が変化するようにすることで、回転体の回転を検出することができる。
しかし、１つの発電センサを用いるのみでは、回転体の回転方向が変化した場合に回転方向の識別がつかない。特許文献１の図１に見られるように、複数の発電センサを用いれば回転方向を識別することができるが、検出器のサイズ及びコストの増加につながる。
特許文献２には、１つの発電センサと、発電センサではない別のセンサ要素とを用いることが記載されている。同文献にはさらに、１つの磁石（２極）を用いた場合と複数の磁石（多極）を用いて分解能を向上させることが記載されている。
また、１つの磁石による検出（特許文献２の図２）の構造例として、特許文献３の図１が挙げられる。２極磁石と発電センサを対向させる構造は発電センサの全長まで径を小さくできるので小型化に向く。分解能を上げる（特許文献２の図３）ための構造例として、特許文献４の図１が挙げられる。この種の回転検出器の主な用途に１回転単位の回転数の検出がある。発電センサを用いた回転検出器は本来出力されるはずのパルス信号が場合によっては、出力されないという問題があり、１回転当たり２パルスしか出力されない１つの磁石（２極）の構造では通常は精度が不足し、回転数の検出が正しくできない。
特許文献５には、発電センサ内のコイルに電流を流し磁界を発生させて、出力状態をモニタすることで発電センサ内の磁性ワイヤの磁化方向を判別することが記載されている。同文献では、このような磁化方向の判別により、１つの磁石を用いる場合でも回転数を識別することができるとされている。

特許第５５１１７４８号公報 特許第４７１２３９０号公報 米国特許第９，５２８，８５６号公報 米国特許第８，２８３，９１４号公報 特許第５７３０８０９号公報

回転の検出に際し、複数の発電センサを用いることは、検出器自体のサイズ増加につながりやすい。他方、発電センサが１つであったとしても、発電センサ内の磁性ワイヤの磁化方向を判別することは、処理が複雑となる可能性がある。

そこで、本発明は、１つの発電センサと複数の磁界発生源とを用いて高周期の交番磁界を効率よく磁性ワイヤに印加することにより小型化が図られた回転検出器を提供することを目的とする。

回転検出器は、回転体の回転運動を、１つの発電センサを用いて検出する。前記発電センサは、大バルクハウゼン効果を発現する磁性ワイヤと、前記磁性ワイヤに巻回されたコイルとを備え、前記磁性ワイヤは、前記回転体の半径方向に配置され、前記回転体は、軟磁性体から成る１つの支持体と、前記支持体に対して周方向等間隔に取り付けられた複数の磁界発生源とを備え、前記複数の磁界発生源の各々は、Ｎ極及びＳ極の対を有し、着磁方向が前記回転体の回転軸方向と平行で、隣り合う２つの前記磁界発生源の着磁方向が異なり、前記複数の磁界発生源の回転軌跡の外周側直径は、前記磁性ワイヤの長さよりも大きく、前記磁界発生源は、前記磁性ワイヤに近接したときに、前記磁性ワイヤの軸方向中央部から軸方向第１端部までのうち、少なくとも一部の領域と回転軸方向に対向し、前記磁性ワイヤに近接している前記磁界発生源の、前記支持体への取付け面は、前記磁性ワイヤの軸方向第２端部側にあり、前記磁性ワイヤに近接している前記磁界発生源の前記支持体への取付け面から当該磁界発生源へと向かう方向は、前記磁性ワイヤの前記軸方向第２端部から前記軸方向第１端部へと向かう方向と同じである。

本発明によれば、複数の磁界発生源を用いて高周期の交番磁界を効率よく磁性ワイヤに印加することにより小型化が図られた回転検出器を提供することができる。

第１実施形態に基づく回転検出器の斜視図である。 第１実施形態に基づく回転検出器の断面図である。 第１実施形態の磁性ワイヤと回転体を示す断面図による説明図である。 第１実施形態の磁気シミュレ―ション図である。 第１実施形態の磁性ワイヤと回転体の位置関係を示す説明図である。 第１実施形態の変形例における磁性ワイヤと回転体の位置関係を示す説明図である。 別の磁気シミュレ―ション図である。 第２実施形態に基づく支持体の斜視図である。 第２実施形態に基づく回転検出器の斜視図である。 第２実施形態の磁性ワイヤと回転体を示す断面図による説明図である 第２実施形態の磁気シミュレ―ションの図である 第２実施形態の変形例に基づく支持体の斜視図である。 第２実施形態の変形例に基づく回転検出器の斜視図である。 第３実施形態に基づく回転検出器の斜視図である。 第３実施形態の変形例に係る多極着磁された磁石の斜視図である。 第４実施形態に基づく回転検出器の斜視図である。 第４実施形態に基づく回転検出器の上面図である。 第４実施形態に係る発電センサに印加される磁界と出力信号を示す説明図である。 第４実施形態に係る磁気センサに印加される磁界と出力信号を示す説明図である。 第４実施形態に係る発電センサの検出結果と磁気センサの検出結果との組み合わせを示す説明図である。 第４実施形態に基づく発電センサと磁気センサの同期と出力信号の回転座標を示す説明図である。 出力信号のカウント数を示す説明図である。 第４実施形態の変形例に基づく回転検出器の斜視図である。 第４実施形態の変形例に基づく回転検出器の上面図である。 第４実施形態の変形例に基づく発電センサに印加される磁界と出力信号を示す説明図である。 第４実施形態の変形例に基づく磁気センサに印加される磁界と出力信号を示す説明図である。 第４実施形態の変形例に係る発電センサ、第１磁気センサ及び第２磁気センサの検出結果の組み合わせを示す説明図である。 第５実施形態に基づく回転検出器の斜視図である。 第５実施形態に基づく回転検出器の側面図である。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

［第１実施形態］
図１Ａ及び図１Ｂに、第１実施形態に基づく回転検出器１００を示す。回転検出器１００は、回転運動する回転体１１０と１つの発電センサ１２０とを備えている。
回転体１１０は、軟磁性体から成る１つのリング状の支持体１１１と、磁界発生源である複数の磁石１１２とを備える。複数の磁石１１２は、支持体１１１の外周面に対して周方向等間隔に固定されている。固定方法の例として、埋込み、嵌合及び接着がある。磁石１１２は、回転体１１０の軸線方向１１３（図１Ｂの紙面上下方向）に着磁されており、Ｎ極及びＳ極の対を有する。磁石１１２は、回転体１１０の軸線方向上側に磁極面１１２ａを有する。なお、この磁極面１１２ａは支持体１１１の軸線方向上側面と段差がない方が好ましい。複数の磁石１１２は、隣り合う磁極面１１２ａが異極となるように配置されている。回転体１１０は、上下方向に延びる軸線１１３を回転軸として回転する。

発電センサ１２０は大バルクハウゼン現象を発現する磁性ワイヤ１２１と、磁性ワイヤ１２１に巻回されたコイル１２２とを有する。磁性ワイヤ１２１は、回転体１１０の半径方向に配置される。回転体１１０に取り付けられた磁石１１２の回転軌跡の外周側直径は、磁性ワイヤ長１２１Ｌよりも大きい。磁性ワイヤ１２１は、軸方向中央部１２１ａと、軸方向第１端部１２１ｂ及び軸方向第２端部１２１ｃとを有する。磁性ワイヤ１２１の軸方向中央部１２１ａは、軸１１３に対して、回転体１１０の径方向にオフセットしている。オフセット量を符号ＯＦ１により示す。軸方向第１端部１２１ｂ及び軸方向第２端部１２１ｃはそれぞれ、回転体１１０の半径方向外側及び内側に位置する。回転体１１０の回転運動に伴う磁石１１２の運動方向は、磁性ワイヤ１２１の軸方向に対して垂直であり、磁極面１１２ａは、磁性ワイヤ１２１の軸方向中央部１２１ａから軸方向第１端部１２１ｂまでのうち、少なくとも一部の領域（「第１領域」と呼ぶ。）の下方を通過する。同時に、支持体１１１は、磁性ワイヤ１２１のうち、上記第１領域の径方向内側に隣接する領域（「第２領域」と呼ぶ。）の下方を通過する。これによって、磁性ワイヤ１２１の軸方向中央部１２１ａから軸方向第１端部１２１ｂまでの領域に磁石１１２からの磁界が効率よく印加される一方、磁性ワイヤ１２１の軸方向第２端部１２１ｃには動作磁界以上の磁界が印加されることはない。

図１Ａ及び図１Ｂのように磁石１１２がリング状の支持体１１１の外周方向に沿って等間隔に２０個設けられている場合、コイル１２２には、回転体１１０の正転一回転につき正のパルス信号が１０回、負のパルス信号が１０回誘発される。また、回転体１１０の反転一回転につき正のパルス信号が１０回、負のパルス信号が１０回誘発される。
この回転検出器１００は、回転体１１０が中空型タイプの回転検出器である。磁石１１２は回転体１１０の外周部にあり、発電センサ１２０は回転体１１０の外周部と回転軸方向に対向する。そのため、回転体１１０の外径を基準とした、発電センサ１２０の径方向外側へのはみだし量が少なく、検出器全体の外径を必要最低限に抑えられ、小型である。また、検出回路を構成する電子部品が搭載される基板（不図示）の上に発電センサを横置きすることができ、実装の安定性が高い。

磁性ワイヤ１２１と回転体１１０との位置関係をさらに詳しく説明する。
図２Ａに示すように、回転体１１０が回転運動すると、磁界を発生させる各磁石１１２の磁極面１１２ａが、磁性ワイヤ１２１の上記第１領域の下方を通過する。支持体１１１は、磁性ワイヤ１２１の上記第２領域の下方を通過する。
図２Ｂに、支持体１１１及び磁石１１２と磁性ワイヤ１２１とによる磁気シミュレーション結果を示す。支持体１１１が軟磁性であり、その集磁効果及びシールド効果により、磁石１１２に対向する磁性ワイヤ１２１の軸方向第１端部１２１ｂ側に対し集中的に磁界が印加される。軸方向第１端部１２１ｂに対して磁界が局所的に印加されると、磁性ワイヤ１２１において軸方向第１端部１２１ｂから軸方向第２端部１２１ｃへ向かって反転磁界が伝搬し、磁性ワイヤ全体に単一の磁区が形成される。

次に、図２Ｃを参照しながら、支持体１１１と軸方向第２端部１２１ｃとの間隔が磁石１１２と軸方向第２端部１２１ｃとの間隔よりも小さい場合の追加効果について説明する。支持体１１１の磁石取付け面１１１ｂは、磁性ワイヤ１２１の軸方向中央部１２１ａから軸方向第１端部１２１ｂまでの領域の下方にある。また、支持体１１１における、磁石取付け面１１１ｂと径方向に対向する支持体面１１１ｃは、磁性ワイヤ１２１の軸中央部１２１ａから軸方向第２端部１２１ｃまでの領域の下方にある。

磁界発生源１１２の支持体１１１への取付け面１１１ｂから当該磁界発生源へと向かう方向は、径方向外側方向である。また、磁性ワイヤ１２１の軸方向第２端部１２１ｃから軸方向第１端部１２１ｂへと向かう方向も径方向外側方向である。

このとき、磁性ワイヤ１２１と磁石１１２と軟磁性体による支持体１１１とにより、図２Ｃにおいて矢印で示すような磁気回路が構成される。よって、磁性ワイヤの両端部へ磁界を印加する従来の手法よりも広い範囲で、また磁性ワイヤ全体に磁界を印加するのと同じように安定化磁界が磁性ワイヤに印加される。そのため、単一の磁区が磁性ワイヤ全体に形成され、高出力のパルス信号が得られる。

これに対し、図３に、軟磁性体による支持体１１１に代えて非磁性体による支持体１９１及び磁石１１２と磁性ワイヤ１２１とによる磁気シミュレーション結果を示す。図２Ｂとは異なり、軸方向第１端部１２１ｂに加え軸方向中央部１２１ａや第２端部１２１ｃにも磁界が印加される。そのため、磁性ワイヤ全体にわたる単一の磁区が形成されにくくなる。

また、図２Ｄに示すように、支持体１１１の径方向寸法を径方向内側に向かって大きくし、支持体面１１１ｃと、磁性ワイヤ１２１の軸方向第２端部１２１ｃとの径方向位置が略同じになるようにしてもよい。この場合、磁気回路の磁気抵抗がより小さくなり、印加磁界がワイヤ全体により伝搬しやすくなって、パルス信号の出力がさらに高まる。

［第２実施形態］
図４Ａ及び図４Ｂに、第２実施形態に係る回転検出器２００を示す。図１Ａ及び図１Ｂと同じ要素には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
回転検出器２００は、回転運動する回転体２１０を有する。回転体２１０は、軟磁性体から成る１つのリング状の支持体２１１を備える。支持体２１１は、回転軸方向下端部から径方向外側に突出したつば部２１１ａを外周全体にわたり有する。複数の磁石１１２は、支持体２１１の外周面とつば部２１１ａの上面とに対し、周方向等間隔で固定されている。つば部２１１ａのバックヨーク効果（後述）により、発電センサ１２０と磁極面２１１２ａとの間の回転軸方向のギャップＨの許容範囲が第１実施形態に比べて広がる。つまり、設計上の自由度が増し、さらに好ましい状態となる。

図４Ｃに、支持体２１１及び磁石１１２と磁性ワイヤ１２１との位置関係を示す。また、図４Ｄに、支持体２１１及び磁石１１２と磁性ワイヤ１２１とによる磁気シミュレーション結果を示す。磁石１１２の磁極面１１２ａとは反対側の磁極面１１２ｂにつば部２１１ａが取り付けられている。そのため、つば部２１１ａによる集磁効果、すなわちつば部のバックヨーク機能により、磁石１１２の磁極境界線は符号１１２ｃ（点線）から符号１１２ｄ（実線）へと、つば部２１１ａ側にシフトしているのが分かる。このようなバックヨークの効果により、磁極面１１２ａからの漏洩磁界がつば部のない支持体１１１による漏洩磁界に比べて増加する。したがって、発電センサ１２０と磁極面１１２ａとのギャップＨの許容範囲が広がり、磁石の大きさ、材質等の選択の自由度が増し、さらに取付けの安定性も向上する。

［第２実施形態の変形例］
図５Ａ及び図５Ｂに、第２実施形態の変形例に係る回転検出器２００－１を示す。回転体２１０－１は、軟磁性体から成るリング状の１つの支持体２１１－１を有する。この支持体２１１－１は、回転軸方向下端部から径方向内側に突出したつば部２１１－１ａを内周全体にわたり有する。複数の磁石１１２は、支持体２１１－１の内周面とつば部２１１－１ａの上面とに対し、周方向等間隔に固定されている。支持体２１１－１に取り付けられた磁石１１２の回転軌跡の外周側直径は、磁性ワイヤ長１２１Ｌよりも大きい。

つば部が外周面にある実施形態とは異なり、軸方向第１端部１２１ｂ及び軸方向第２端部１２１ｃはそれぞれ、回転体２１０－１の半径方向内側及び外側に位置する。回転体２１０－１の回転運動により、磁石１１２の運動方向は、磁性ワイヤ１２１の軸方向に対して垂直であり、磁極面１１２ａは、磁性ワイヤの軸方向中央部１２１ａから第１端部１２１ｂまでのうち、少なくとも一部の領域（「第１領域」と呼ぶ。）の下方を通過する。同時に、支持体２１１－１は、磁性ワイヤ１２１のうち、上記第１領域の径方向外側に隣接する領域（「第２領域」と呼ぶ。）の下方を通過する。これによって、磁性ワイヤ１２１の軸方向中央部１２１ａから軸方向第１端部１２１ｂまでの領域に磁石１１２からの磁界が効率よく印加される一方、磁性ワイヤ１２１の軸方向第２端部１２１ｃ側には動作磁界以上の磁界が印加されることはない。
本例の回転検出器は、第４及び第５の実施形態と同様に中空型タイプであるが、磁石１１２と支持体との位置関係が異なり、中空部の径方向寸法を大きく取りたい場合に有利な構造となる。

磁界発生源１１２の支持体２１１－１の本体部への取付け面２１１－１ｂから当該磁界発生源へと向かう方向は、径方向内側方向である。また、磁性ワイヤ１２１の軸方向第２端部１２１ｃから軸方向第１端部１２１ｂへと向かう方向も径方向内側方向である。

複数のＮＳ極対の磁界発生源である複数の磁石１１２は、図２Ａ及び図４Ｃにおいては、紙面奥側及び手前側にも配置されている。支持体１１１及び２１１による集磁効果により磁性ワイヤ１２１の軸方向第１端部１２１ｂに磁界が印加されることで、隣接する磁石間で発生する磁気干渉が磁性ワイヤ１２１に与える影響も軽減される。よって、隣接する磁界発生源同士を近接させ、磁石の極数密度を高くすることが可能である。換言すれば、回転検出器の小型化が図られる。

［第３実施形態］
図６に示すように、回転検出器３００の回転体３１０は、軸方向下端部から径方向外側に突出したつば部が備わったリング状の支持体３１１と、その外周面に周方向等間隔に固定された複数の磁石１１２とを有する。そして、回転を司る装置のシャフト３１４が回転体３１０の軸線１１３上に取り付けられている。このように回転体３１０をシャフト型タイプとすることができる。シャフト３１４の材料は非磁性体であっても磁性体であってもよい。磁性ワイヤ１２１の軸方向一端部に磁界を印加する一方、磁性ワイヤの軸方向両端部又は磁性ワイヤ全体に対して、強度の等しい磁界を印加する必要がないため、このようなシャフト型タイプの構造も可能であり自由度が高い。

図７に示すような、１つのリング状の硬磁性体に多極着磁を施した磁石１１２－１を、複数の磁界発生源として用いることも可能である。所定の着磁ピッチλに相当する面積を持つ着磁ヨークにより、磁石１１２－１の素材であるリング状の硬磁性体材料の軸方向上面及び軸方向下面に同時着磁を行うと、軸線１１３の方向に着磁され、硬磁性体材料の上面及び下面に磁極が現れて、磁石１１２－１が作られる。このように多極着磁されてなる１つの磁石１１２－１を、支持体１１１、２１１、２１１－１又は円盤状の支持体３１１に固定すればよい。

［第４実施形態］
図８Ａ及び図８Ｂに、第４実施形態に基づく多回転検出機能を持つ回転検出器４００を示す。検出器４００は、回転する回転体４１０と１つの発電センサ１２０とを備えている。回転体４１０は、軟磁性体からなり、外周面につば部が設けられた略正方形板状の支持体４１１と、磁界発生源となる４つの磁石１１２とを有する。４つの磁石１１２は、支持体４１１の４つの辺部に周方向等間隔に配置されている。また、回転体４１０の軸線１１３にはシャフト４１４が取り付けられている。磁石１１２は、軸線１１３の方向に着磁されており、Ｎ極及びＳ極の対を有し、隣り合う２つの磁石１１２は着磁方向が異なる。外周面がアーク形状の磁石を図示しているが、Ｃ型形状、直方体形状等の磁石を用いることも可能である。

発電センサ１２０は、大バルクハウゼン現象を発現する磁性ワイヤ１２１と、磁性ワイヤ１２１に巻回されたコイル１２２を有する。磁性ワイヤ１２１は、回転体４１１の半径方向に位置し、さらに軸線１１３と交差している。回転体４１１に取り付けられた磁石１１２の回転軌跡の外周側直径は、磁性ワイヤ１２１の長さよりも大きい。
回転体４１０の回転運動により、磁石１１２の磁極面１１２ａは、磁性ワイヤ１２１の軸方向中央部１２１ａから軸方向第１端部１２１ｂまでのうち、少なくとも一部の領域（「第１領域」と呼ぶ。）の下方を通過する。支持体４１１とシャフト４１４は、磁性ワイヤ１２１のうち、上記第１領域の径方向内側に隣接する領域（「第２領域」と呼ぶ。）の下方を通過する。また、磁性ワイヤ１２１が軸線１１３と交差しているものの、磁性ワイヤ１２１の軸方向中央部１２１ａから軸方向第２端部１２１ｃまでの領域の下方を、磁石１１２の磁極面１１２ａが通過することはない。

以上の構造により、回転体４１０が１回転すると、磁性ワイヤ１２１の軸方向中央部１２１ａと軸方向第１端部１２１ｂとの間の領域に、２周期の均等な交番磁界が印加される。
磁界発生源が４つの場合においては、この構造によって回転体の外径を最も小さくできる。磁界発生源が６つの場合、第２端部１２１ｃに近接する或る磁石の磁極と、その磁石と径方向に対向する別の磁石の、第１端部１２１ｂに近接する磁極とは、異極とすることができる。この場合にはさらに回転体の外径を小さくして磁石１１２が第２端部１２１ｃの下方を通過するようにしても、均等な交番磁界の印加が可能である。

回転検出器４００はさらに、一つの磁気センサ４４０を備えている。磁気センサ４４０は、発電センサ１２０がパルス信号を出力したときに、磁界発生源からの磁界を判定できる位置に配置されている。
４つの磁石１１２のうち、ある磁石（「第１磁石」と呼ぶ）が磁性ワイヤ１２１の近傍を通過することで、磁性ワイヤ１１２に安定化磁界が印加されることになる。続いて、第１磁石に隣接する第２磁石が近づいてきたときに、上述の安定化磁界とは逆方向の動作磁界が磁性ワイヤ１１２に印加され、発電センサ１２０がパルス信号を出力する。
磁気センサ４４０は、図８Ｂに示すように、磁性ワイヤの軸方向と所定角度をなすように配置されている。この所定角度は、凡そ４５度である。あるいは、所定角度は、約１３５度、約２２５度、又は約３１５度でもよい。

［多回転機能の説明］
次に、多回転検出機能を持った検出器について説明する。電源投入時の正確な位置検出には、１回転内アブソリュート角度検出器が使われる。発電センサは、電源遮断時の１回転単位の粗検出に利用される。発電センサは、交番磁界１周期に対して正負各１パルスの計２パルスを出力するが、このパルスだけでは正転・逆転の判別が不可能である。そこで、以下に示す方法が従来用いられている。
１）発電センサの数を増やして位相差信号を得る方法
２）別の検出手段を追加する方法
前者は、発電センサが複数必要である。後者は、特許文献２に記載されているように、発電センサ１個と追加のセンサ要素とにより達成できる。

１つの発電センサを使用する場合、十分なレベルのパルス信号を得るために、安定化磁界と動作磁界とが決められた順序で磁性ワイヤに印加される必要がある。回転体の正転時に磁性ワイヤに対し、動作磁界が印加されてパルス信号が出力された直後に回転体が逆転すると、上記順序が守られないために、回転検出に必要なパルス信号が１回分抜けてしまう。その場合、誤差が±１８０°を超え、正しい回転量検出はできない。

交番磁界の多周期化と検出器の小型化との両立がこれまでは難しかった。しかし、図８Ａ及び図８Ｂに示したように、磁界発生源の数を４つとし、１回転あたり２周期の交番磁界が磁性ワイヤに印加されるようにすることができる。つまり、多回転検出機能を備え、小型で、コストが低く、パルス信号の出力が安定した検出器が得られる。以下に、その形態を詳しく説明する。

［回転数、回転方向を判定する方法］
図８Ｂにおいて、回転体４１０の右回転を正転、左回転を反転とする。図９Ａに、回転時に発電センサ１２０に印加される磁界Ｈａを示す。また、正転時に発電センサ１２０に生じる正パルス信号を符号Ｐで示し、信号Ｐの出力の前提となる安定化磁界を符号Ｐｓで示し、負パルス信号を符号Ｎで示し、信号Ｎの出力の前提となる安定化磁界を符号Ｎｓで示す。安定化磁界は±Ｈ２、動作磁界は±Ｈ１とする。反転時の出力は正転時と同一符号で示すが、正転時は白塗り、反転時は黒塗りで示す。
永久磁石１１２から発電センサ１２０に印加される磁界は、１回転２周期の交番磁界となる。よって、発電センサ１２０は、正転１回転につき正負（Ｐ，Ｎ）の信号を２回出力し、反転１回転についても、正転時と同じように正負（Ｐ，Ｎ）の信号を２回出力する。

図９Ｂに、磁気センサ４４０に印加される磁界Ｈｂを一点鎖線で示す。磁気センサ４４０は、前述のとおり、回転軸１１３に関して軸方向第１端部１２１ｂと凡そ４５度をなすように配置されている。そのため、交番磁界Ｈｂは、図９Ａに示した交番磁界Ｈａより４５°位相がずれる。磁気センサ４４０として、例えばホール素子、磁気抵抗効果素子（ＳＶ－ＧＭＲ、ＴＭＲ）のようにＮＳ極（図におけるプラス及びマイナス）を判別できる磁気センサを使用することができる。この場合、発電センサ１２０から、正転の２つのＰ信号、反転の２つのＮ信号が出力されると、磁気センサ４４０からマイナス磁界を検出した信号が出力される。これを図中の白塗り及び黒塗りの三角形で示す。また、発電センサ１２０から、正転の２つのＮ信号、反転の２つのＰ信号が出力されると、磁気センサ４４０からはプラス磁界を検出した信号が出力される。これを図中の白塗り及び黒塗りの四角形で示す。
図９Ｃに、発電センサ１２０の出力信号と磁気センサ４４０の検出信号との組み合わせを示す。

図９Ｄに回転座標を示す。正パルス信号Ｐが出力されてから、回転体４１０が符号Ｒに示すように右回転し、次の信号Ｎ´が検出されるまでの回転角度は、＋９０度である。その一方で、正パルス信号Ｐが出力された直後に回転体４１０が符号Ｌに示すように左回転した場合、次の信号は信号Ｎであることが期待される。しかし、安定化磁界Ｎｓを経ていないことから、信号Ｎは出力されないか、あるいは出力されたとしても非常に小さく、評価することが困難である。よって、次の、評価できる信号Ｐ´の左回転信号が出力されるまでの回転角度は、約－（９０度＋α）となる。このように正転、反転の双方において安定化磁界が印加されない回転運動が起きても、同一信号で重複する範囲が発生しない。また、判定できる位置の範囲は３６０度未満となり、回転体４１０の回転数を正確に検出することができる。

回転体４１０の回転方向を判定する方法について、理解を容易にするため、一例として連続する信号を２つとして説明する。
判定は、メモリを含む信号処理回路（不図示）により行われる。この信号処理回路は、識別機能と参照機能と演算機能とを有する。まず、信号処理回路は、識別機能により、発電センサ１２０からの信号を、Ｐ、Ｐ’、Ｎ、及びＮ’の４つのいずれかとして識別する。次に、信号処理回路は、参照機能にて、回転数及び回転方向の計数を開始する初期状態で記憶された１つ前の（前状態）履歴信号と、その後の回転に伴う信号（新状態）とを順次、メモリに書き込む。信号処理回路は、メモリに格納された過去と現在の連続する２つの信号を、予め設定した４種類のコード化したテーブルで検索し、一致したカウント値を返す。このテーブルの一例は図９Ｅに示す。信号処理回路は、信号が入力される毎に検索を行い、その結果のカウント値を演算機能にて、順次加減算する。加減算された数値は、その時点での回転数と回転方向を表すことになる。信号Ｎと信号Ｐとの間に規準位置を設定し、図９Ｅに示したようなテーブルを用いることで、回転体４１０の回転方向及び回転数を正確にカウントできる。

［１回転内の位置と回転数を同期する方法］
回転検出器をモーターの多回転用として用いる場合、モーター駆動システムの停電中は、図９Ｅを参照しながら先に述べた方法で回転数を検出する。モーター駆動システムの起動時には、信号Ｐ、Ｐ´、Ｎ、及びＮ´は、１回転にそれぞれ２箇所存在するため、２つの領域の二者択一となり、回転数を特定できない。そのため、回転数カウンタの基準位置からの変位角度を判別する必要がある。そこで、１回転アブソリュート型の位置センサを外付けすることで、どの領域に位置しているかを判別し、回転数を特定することができる。

［第４実施形態の変形例］
図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、第４実施形態の変形例として、中空タイプでも多回転機能が提供できる。回転検出器４００－１は、回転体４１０－１と１つの発電センサ１２０と２つの磁気センサ４４０及び４４１とを備える。回転体４１０－１は、軟磁性体からなり、外周面につば部を備えたリング状の支持体４１１－１と、支持体４１１－１の外周面に周方向等間隔に固定された４つの磁石１１２とを有する。発電センサ１２０は、磁性ワイヤ１２１とコイル１２２とを備える。

前述の第４実施形態では、磁性ワイヤ１２１より周方向で凡そ４５°離れた位置にある１つの磁気センサ４４０により、発電センサ１２０の正転・反転各４つ、計８つの信号をカバーできる。これは、周方向等間隔に配置された磁界発生源どうしがある程度、近接しており、正転・反転の両方において１つの磁気センサ４４０だけで検出できる十分な磁界が磁気センサ４４０に印加されるためである。しかし、第１実施形態又は第２実施形態のような中空タイプにおいて４つの磁石が設けられる場合には、磁石どうしが近接していない場合がある。そのような場合について以下に説明する。

図１０Ａにおいて発電センサ１２０がパルス信号を出力するのは、４つの磁石１１２のうち、ある磁石が磁性ワイヤ１２１の近傍を通過したのち、次の磁石が近づいて反転磁界が徐々に強まりつつ動作磁界が印加されるときである。パルス信号が出力される際の回転体４１０－１の回転位置は、正転時に発電センサ１２０が正パルス信号Ｐと負パルス信号Ｎを出力する回転位置と、反転時に発電センサ１２０が正パルス信号Ｐと負パルス信号Ｎを出力する位置の計８か所ある。
この８か所に対応して、磁界発生源の磁界を検出できるように第１磁気センサ４４０と第２磁気センサ４４１とが配置される。第１磁気センサ４４０が正転時の磁界を、第２磁気センサ４４１が反転時の磁界を検出できるように、それぞれの磁気センサを－２０度、＋２０度の位相でずらして配置する。図１０Ｂに示すように、第１磁気センサ４４０は、一つの磁石１１２（第１磁石と呼ぶ）が磁性ワイヤ１２１の真下に来たときに第１磁石の時計方向に隣接する別の磁石から反時計方向に少し離れた位置に配置され、第２磁気センサ４４１は、第１磁石から時計方向に少し離れた位置に配置される。第１磁気センサ及び第２磁気センサの配置は、磁石の材質、大きさ等に応じて適宜定めればよい。
図１０Ｂにおいて、回転体４１０の右回転を正転、左回転を反転とする。第１磁気センサ４４０は、正転時の発電センサ１２０の信号識別を担い、第２磁気センサ４４１は反転時の発電センサ１２０の信号識別を担う。図１０Ｂの３時方向を０度とすると、発電センサ１２０は０度の位置にあり、第１磁気センサ４４０は＋７０度の位置にあり、第２磁気センサ４４１は＋２０度の位置にある。磁性ワイヤが０度位置にあり、両磁気センサが０度から９０度の領域に配置されているが、その他３つの領域（９０度から１８０度の領域、１８０度から２７０度の領域、及び２７０度から３６０度の領域）のいずれかに配置されても良い。

図１１Ａに、回転体４１０－１の回転時に発電センサ１２０に印加される磁界Ｈａを点線で示す。同図において、正転時に発電センサ１２０に生じる正パルス信号を符号Ｐで示し、信号Ｐの出力の前提となる安定化磁界を符号Ｐｓで示し、負パルス信号を符号Ｎで示し、信号Ｎの出力の前提となる安定化磁界を符号Ｎｓで示す。安定化磁界は±Ｈ２、動作磁界は±Ｈ１とし、反転時の出力は正転時と同一符号で示すが、正転時は白塗り、反転は黒塗りで示す。磁石１１２から発電センサ１２０に印加される磁界は、１回転２周期の交番磁界となる。よって発電センサ１２０の信号は、正転１回転で正負（Ｐ，Ｎ）の信号が各２回出力され、反転１回転でも、正転時と同じように正負（Ｐ，Ｎ）の信号が各２回出力される。

図１１Ｂに、第１磁気センサ４４０に印加される磁界Ｈｂを二点鎖線で示し、第２磁気センサ４４１に印加される磁界Ｈｃを一点鎖線で示す。前述のとおり、第１磁気センサ４４０と第２磁気センサ４４１は、発電センサ１２０より周方向に距離を置いて配置されている。そのため、交番磁界Ｈｂ及びＨｃは、図１１Ａに示した交番磁界Ｈａとは位相がずれる。
磁気センサ４４０及び４４１として、例えばホール素子、磁気抵抗効果素子（ＳＶ－ＧＭＲ、ＴＭＲ）のように、ＮＳ極（図におけるプラス及びマイナス）を判別できる磁気センサを使用することができる。
発電センサ１２０から正転の２つのＰ信号が出力されたとき、第１磁気センサ４４０からマイナス磁界の検出信号が出力される（図中の白抜きの三角形）。発電センサ１２０から正転の２つのＮ信号が出力されたときには、第１磁気センサ４４０からプラス磁界の検出信号が出力される（図中の白抜きの四角形）。
発電センサ１２０から反転の２つのＰ信号が出力されたとき、第２磁気センサ４４１からプラス磁界の検出信号が出力される（図中の黒塗りの四角形）。発電センサ１２０から反転の２つのＮ信号が出力されたときには、第２磁気センサ４４１からマイナス磁界の検出信号が出力される（図中の黒塗りの三角形）。
第１磁気センサ４４０及び第２磁気センサ４４１の検出信号を発電センサ１２０の出力信号と組み合わせることで、図１１Ｃに示すように、識別されたＰ、Ｐ´、Ｎ及びＮ´の４種類の信号となる。この４種類の信号にて、上述した［回転数、回転方向を判定する方法］及び［１回転内の位置と回転数を同期する方法］に従って操作すれば、この検出器４００－１をモーターの多回転用として用いることができる。

［回路の他の実施例］
各実施形態の回転検出器は、磁性ワイヤを備えた発電センサを使用している。そのため、その大バルクハウゼン効果による出力信号は、既に知られているように起電力であり、電源として活用できる。すなわち、発電センサの出力を整流器とコンデンサーにて処理する機能を追加することで、第１から第４の実施形態の回転検出器を例えばメーター（流量、水道、風量、ガス）に用いることができる。このような１回転以内の回転角度の同期が必要ない用途において、電源あるいはバッテリーを使用しなくて済む。さらに発電センサによる電力を利用してデータを無線で送ることも可能である。第４実施形態の回転検出器では、発電センサから回路と磁気センサに電力を供給することで、モーターの多回転位置検出器のバッテリーレス化に応用可能である。

［第５実施形態］
第４実施形態及び第４実施形態の変形例において、発電センサと磁気センサ及び上記の回路を同一基板に搭載できる。図１２Ａ及び図１２Ｂに、第５実施形態に係る回転検出器４００－２を示す。発電センサ１２０は、パッケージ１２３に収納され樹脂等で固定され、そのパッケージ両端にはコイル１２２と結線された２つの端子１２４ａ及び１２４ｂが設けられ、両端子が基板５００の面５００ａに搭載されている。磁性ワイヤ１２１の軸方向第１端部１２１ｂと時計方向で４５°離れた磁気センサ４４０は、同じ基板面５００ａに搭載されている。さらにメモリを含む信号処理回路６００が同じ基板面５００ａに搭載されている。また基板より信号を取り出すためコネクター７００も搭載されている。さらに基板５００を両面基板とすれば、これらの回路を反対側の基板面５００ｂへ実装することもできる。また、基板面５００ｂと対向する回転体４１０の面に他の検出媒体（不図示）を設け、その媒体を検出する１回転アブソリュート型の位置センサ（不図示）を基板面５００ｂに搭載することが出来る。このように本発明の構造は、回転検出器に必要な電子部品を同一基板に搭載できる利点がある。

［作用及び効果］
これまでに述べた実施形態の作用及び効果について改めて説明する。
磁界発生源が発電センサに近接したときに、発電センサ内の磁性ワイヤの軸方向第１端部側には磁界が印加されるが、軸方向第２端部側は磁界発生源に対向していないために磁界が印加されない。これにより、軸方向第１端部から軸方向第２端部へ向かって磁区の一斉反転を引き起こせるため磁気誘導ヨークを必要とせず、磁性ワイヤの両端に磁界を印加する方法と同じように単一の磁区が磁性ワイヤ全体に形成される。これにより発電センサからの高出力のパルス信号が得られる。

磁性ワイヤにおいて磁界発生源と対向する部分の軸方向寸法は磁性ワイヤの長さの半分以下であり、磁性ワイヤの線長全体に磁界を印加する方法において必要となる比較的大きな磁石が本発明の実施形態においては不要である。また、磁石の材質を適宜定めることで、安定化磁界が印加できる薄さまで磁石を小さくすることができる。支持体につば部を備えることで磁界発生源をつば部の表面と、つば部に接する支持体の外周面との２面に取り付けることができる。そのため、磁界発生源と磁性ワイヤとの軸方向ギャップの調整範囲が広くなり、取付けの安定度が向上し耐久性があることから出力に安定性が生まれる。

印加される磁界が磁性ワイヤの軸端片側であり、磁界が印加されない側の軸端では軟磁性体部が磁力を集磁することと相まって、隣接した異極の磁界発生源どうしの磁気干渉が磁性ワイヤに与える影響が軽減される。そのため、複数の磁界発生源を接近させて配置することができる。磁界発生源の極数密度（回転体の外周長あたりの極数）を高めることが可能で、回転体の外周を短くすることができる。換言すれば検出器の全体構造が小型になる。

磁性ワイヤの両端部又は全体に強度の等しい磁界を印加する必要がないため、配置の自由度が高い。中空型、シャフト型のいずれでも、回転検出器として適応できる。中空型においては、回転検出器の内径を大きく取りたい場合は、発電センサを外周側に配置し、外径を小さくしたい場合は、発電センサを内周側に配置することができる。つまり、設計の自由度がある。

配置の自由度という点では、磁性ワイヤを回転体の回転軸と直交するように配置することができる。この場合、シャフト型タイプの回転検出器となる。１回転につき２周期以上の交番磁界が印加される一層の小型化（特に径方向寸法の小型化）を図ることができる。また、磁性ワイヤに巻回されたコイルに誘発される信号の安定性を高めることができる。

さらに、回転検出器に必要な電子部品を同一基板に搭載できる利点がある。

これまでに説明した実施形態に関し、以下の付記を開示する。
［付記１］
回転体の回転運動を、１つの発電センサを用いて検出する回転検出器であって、
前記発電センサは、大バルクハウゼン効果を発現する磁性ワイヤと、前記磁性ワイヤに巻回されたコイルとを備え、
前記磁性ワイヤは、前記回転体の半径方向に配置され、
前記回転体は、軟磁性体から成る１つの支持体と、前記支持体に対して周方向等間隔に取り付けられた複数の磁界発生源とを備え、
前記複数の磁界発生源の各々は、Ｎ極及びＳ極の対を有し、着磁方向が前記回転体の回転軸方向と平行で、隣り合う２つの前記磁界発生源の着磁方向が異なり、
前記複数の磁界発生源の回転軌跡の外周側直径は、前記磁性ワイヤの長さよりも大きく、前記磁界発生源は、前記磁性ワイヤに近接したときに、前記磁性ワイヤの軸方向中央部から軸方向第１端部までのうち、少なくとも一部の領域と回転軸方向に対向し、
前記磁性ワイヤに近接している前記磁界発生源の、前記支持体への取付け面は、前記磁性ワイヤの軸方向第２端部側にある、
前記磁性ワイヤに近接している前記磁界発生源の前記支持体への取付け面から当該磁界発生源へと向かう方向は、前記磁性ワイヤの前記軸方向第２端部から前記軸方向第１端部へと向かう方向と同じである、
回転検出器。
［付記２］
前記支持体が径方向に突出したつば部を備える、付記１に記載の回転検出器。
［付記３］
前記磁性ワイヤが、前記回転体の回転軸と交差するように配置されている、付記１に記載の回転検出器。
［付記４］
前記複数の磁界発生源が、同じ形状の複数の磁石である、付記１に記載の回転検出器。
［付記５］
前記複数の磁界発生源が、リング状の硬磁性体が多極着磁されてなる１つの磁石である、付記１に記載の回転検出器。
［付記６］
前記発電センサから信号が出力されたときの前記磁界発生源からの磁界を検出する磁気センサと、
前記発電センサ及び前記磁気センサが出力する信号に基づき、前記回転体の回転数及び回転方向を求める回路と
をさらに備える付記１に記載の回転検出器。
［付記７］
前記発電センサと前記磁気センサと前記回路とが同一基板に搭載されている、付記６に記載の回転検出器。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

１００、２００、２００－１、３００、４００、４００－１、４００－２ 回転検出器
１１０、２１０、２１０－１、３１０、４１０、４１０－１ 回転体
１１１、２１１、２１１－１、３１１、４１１、４１１－１ 支持体
１１２ 磁界発生源
１２０ 発電センサ
１２１ 磁性ワイヤ
１２２ コイル
２１１ａ、２１１－１ａ つば部
４４０、４４１ 磁気センサ
５００ 基板
６００ 信号処理回路
７００ コネクター

Claims (7)

1. 回転体の回転運動を、１つの発電センサを用いて検出する回転検出器であって、
   前記発電センサは、大バルクハウゼン効果を発現する磁性ワイヤと、前記磁性ワイヤに巻回されたコイルとを備え、
   前記磁性ワイヤは、前記回転体の半径方向に配置され、
   前記回転体は、軟磁性体から成る１つの支持体と、前記支持体に対して周方向等間隔に取り付けられた複数の磁界発生源とを備え、
   前記複数の磁界発生源の各々は、Ｎ極及びＳ極の対を有し、着磁方向が前記回転体の回転軸方向と平行で、隣り合う２つの前記磁界発生源の着磁方向が異なり、
   前記複数の磁界発生源の回転軌跡の外周側直径は、前記磁性ワイヤの長さよりも大きく、前記磁界発生源は、前記磁性ワイヤに近接したときに、前記磁性ワイヤの軸方向中央部から軸方向第１端部までのうち、少なくとも一部の領域と回転軸方向に対向し、
   前記磁性ワイヤに近接している前記磁界発生源の、前記支持体への取付け面は、前記磁性ワイヤの軸方向第２端部側にあり、
   前記磁性ワイヤに近接している前記磁界発生源の前記支持体への取付け面から当該磁界発生源へと向かう方向は、前記磁性ワイヤの前記軸方向第２端部から前記軸方向第１端部へと向かう方向と同じである、
   回転検出器。
2. 前記支持体が径方向に突出したつば部を備える、請求項１に記載の回転検出器。
3. 前記磁性ワイヤが、前記回転体の回転軸と交差するように配置されている、請求項１に記載の回転検出器。
4. 前記複数の磁界発生源が、同じ形状の複数の磁石である、請求項１に記載の回転検出器。
5. 前記複数の磁界発生源が、リング状の硬磁性体が多極着磁されてなる１つの磁石である、請求項１に記載の回転検出器。
6. 前記発電センサから信号が出力されたときの前記磁界発生源からの磁界を検出する磁気センサと、
   前記発電センサ及び前記磁気センサが出力する信号に基づき、前記回転体の回転数及び回転方向を求める回路と
   をさらに備える請求項１に記載の回転検出器。
7. 前記発電センサと前記磁気センサと前記回路とが同一基板に搭載されている、請求項６に記載の回転検出器。

Images