JP2831728B2 - 回転検出回路 - Google Patents

回転検出回路

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JP2831728B2
JP2831728B2 JP25105689A JP25105689A JP2831728B2 JP 2831728 B2 JP2831728 B2 JP 2831728B2 JP 25105689 A JP25105689 A JP 25105689A JP 25105689 A JP25105689 A JP 25105689A JP 2831728 B2 JP2831728 B2 JP 2831728B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は磁電変換素子を用いた回転検出回路に関す
る。
〔従来技術〕
回転軸に取付けた磁石による回転磁界を、磁電変換素
子で電気信号に変換し、波形整形して矩形波のパルス信
号として出力する回転検出回路が使われている。
このような回転検出回路に用いられる磁電変換素子と
しては、例えば特公昭57−5067号公報や特開昭60−1278
3号公報のものが周知で、第11図に示すような構造とな
っている。同図において、磁電変換素子1は磁気抵抗効
果を有する強磁性体A,Bからなっている。強磁性体A,Bは
それぞれ異方性のある磁気抵抗効果を有しかつ基板2の
一面上に設けられた強磁性体膜からなり、互いに直列に
接続された第1及び第2の電流通路、前記第1及び第2
の電流通路のそれぞれの一端をつなぐ接続点に設けられ
た出力端子3、前記第1および第2の電流通路のそれぞ
れの他端側に設けられた第1及び第2の電流供給端子4,
5をそれぞれ具備し、前記第1及び第2の電流通路は、
それぞれジクザク状になるように、互いに平行に延びる
複数の細条要素6,7と、これら複数の細条要素を順次接
続しかつ互いに平行に延びる複数の接続部8,9,10,11と
から成り、前記第1の電流通路の細条要素6と前記第2
の電流通路の細条要素7とは互いに同数であると共に互
いにほヾ直交するよう配置して構成され、前記基板2の
面にほヾ平行な磁場成分の方向の変化に応じて前記強磁
性体A,Bの抵抗値のそれぞれが変化し、この変化に伴う
前記出力端子3の電圧の変化を検出するように構成され
ていた。
そして、前記基板2の面にほヾ平行な磁場成分の方向
と第1の電流通路の細条要素6の長手方向とのなす角を
θとし、強磁性体A,Bを飽和磁化するに充分な磁場成分
を加え、電流供給端子4に電圧V+を、電流供給端子5に
電圧0を印加すると、出力端子3における電圧V(θ)
となる。但し、ρ(θ),ρ(θ)は前記θの角度
の磁場成分を加えたときの強磁性体A,Bの抵抗値であ
る。ρ(θ)及びρ(θ)は次の式(Voigt−Thoms
onの式)で表わされる。
ρ(θ)=ρ1sin2θ+ρ11cos2θ …(2) ρ(θ)=ρ1cos2θ+ρ11sin2θ …(3) なお上式(2)と(3)において、ρは強磁性体を
細条要素の電流と直角方向に飽和磁化したときの抵抗
値、ρ11は強磁性体を細条要素の電流と平行方向に飽和
磁化したときの抵抗値をそれぞれ示し、接続部8,9,10,1
1の抵抗は細条要素6,7の抵抗に比較して小さいので無視
である。もっとも、出力端子3に生じる電圧の変化量を
考えるときは、接続部8,9の抵抗による影響は、接続部1
0,11の抵抗による影響により打ち消される。
出力端子3における電圧V(θ)は、前記(1)式に
(2),(3)式を代入して整理すると、 (但し△ρ=ρ11−ρとする)。
となる。この(4)式において右辺第1項は基準電圧
を、第2項は変化量△V(θ)をそれぞれ示している。
今変化量△V(θ)に着目すると となる。但し2ρ=ρ11+ρであり、ρは磁界を
加えない状態における抵抗である。
従って出力端子3には磁界の方向θに応じた出力変化
が現われ、変化量△V(θ)はθの1回転の間に正弦波
で2周期分変化する。△ρ/ρは強磁性体A,Bの材料
で定まり、80Ni−20Co合金を装着した薄膜では、この△
ρ/ρの値は数%である。そしてこのときの出力端子
3における電圧B(θ)の変化量△V(θ)の値は、磁
電変換素子1の強磁性体A,Bの直列接続の両端すなわち
電流供給端子4,5の間に加える電圧V+が3〔V〕のとき
数拾mV(P−P)となる。
ところで、従来の回転検出回路は、上記第11図の磁電
変換素子1を用い、これを第1図の電気回路のように接
続して用いていた。同図において、13は回転軸14の一端
に取付けた磁石で、磁電変換素子1の前記基板2の面に
ほヾ平行な磁場成分を加え、この磁場成分が基板2の面
内で回転する。15はコンパレータ、R3,R4はコンパレー
タ15の非反転入力に印加する比較電圧を作るための固定
抵抗、RLは負荷抵抗、RFは回路にわずかのヒステリシス
をもたせるためのフィードバック抵抗、16は電源でそれ
ぞれ図示のように接続されている。そして、強磁性体A
とBの磁界を加えないときの抵抗値は両者が同じ値ρ
であるため、コンパレータ15の反転入力の電圧は磁界が
加わっていないときはちょうどV+の半分のV+/2となる。
固定抵抗R3とR4の各抵抗値R3とR4は R3=R4 の条件に定められていた。又、各素子の値は、ρ=2.
3kΩ、R3=R4=2kΩ、RL=10Ωの値が用いられていた
(1例)。
〔発明が解決しようとする課題〕
近時、第1図のような回転検出回路を3〔V〕のリチ
ウム電池1個で長期間作動させたいという要求が出さ
れ、コンパレータ15として、単電源電圧で動作可能な集
積回路の使用を検討することになった。かゝるコンパレ
ータとしては、日本電気株式会社製のデュアル・コンパ
レータμPC277及びこれと同等のものが好適で、その等
価回路(1/2回路)を第2図に示す。このものは、2
〔V〕から36〔V〕の広範囲な単電源電圧で動作可能な
コンパレータで、同図に示すように、出力回路は、トラ
ンジスタのオープンコレクタ回路、入力段はPNPトラン
ジスタで構成されており、動作可能な入力電圧範囲とし
ての同相入力電圧範囲が0〜V+−1.5〔V〕と定められ
ている。
このように同相入力電圧範囲が広いけれども、電源電
圧V+がリチウム電池の電圧ともなると、電池の所期値の
3〔V〕の場合を考えたとしても、同相入力電圧範囲は
0〜1.5〔V〕であるため、従来技術では同相入力、す
なわちコンパレータ15の入力電圧が、前記変化量△V
(θ)を無視して(4)式の第1項の値がちょうど電源
電圧V+の半分の1.5〔V〕となる。そして電源電圧が下
るにつれてこの入力電圧も比例して下り、第3図の直線
aのように変化する。
第3図はコンパレータμPC277の電源電圧V+と同相入
力電圧との関係を示すが、図のハッチング範囲が、コン
パレータの特性で定めされている同相入力電圧範囲で、
3〔V〕以上の電源電圧については公称3Vのリチウム電
池使用を考慮し省略してある。公称3〔V〕のリチウム
電池の終期電圧は通常2.4〔V〕であるため、従来技術
の磁電変換素子すなわち強磁性体A,Bの抵抗値が等しい
ものを用いて、公称3Vのリチウム電池を用い、しかもμ
PC277の類のコンパレータを使用した回路では、同相入
力電圧が第3図の直線aに示すように、電池電圧が公称
電圧3〔V〕から低下するにつれて、同相入力電圧範囲
から外されるという問題点が生じる。実際にコンパレー
タ15としてμPC277を、磁電変換素子1にはその強磁性
体A,Bの抵抗値ρが2.3kΩのものを、又固定抵抗R3とR
4を同じ2kΩのものをそれぞれ用いた第1図の回路で、
電源16の電圧を3〔V〕から次第に低下させて、コンパ
レータ15の出力端子に出力される矩形信号のパルスデュ
ーティを測定したところ、2.5V以上で50%であったの
が、2.3〔V〕に電源電圧が下がるとパルスデューティ
が23%に低下し、それ以下の電源電圧では矩形波の出力
パルスを生じなくなった。この原因は、同相入力電圧が
決められた範囲を外れていることにある。
上記に鑑み、リチウム電池の公称電圧3〔V〕から終
期電圧2.5〔V〕付近までデューティ50%をほヾ維持で
き、さらにそれより低い電圧まで矩形波の出力パルスを
出すことのできる、いわゆる作動電圧範囲が低電源電圧
まで広い回転検出回路を実現することを先ず考えた。
そのための手段として考えられる回路は、第12図のよ
うに、磁電変換素子1の電流供給端子4と固定抵抗R3の
接続点とコンパレータ15のV+の電源端子との間に直列抵
抗RXを挿入することでコンパレータ15への同相入力電圧
を上記従来技術の場合より低下させることである。直列
抵抗RXを大きくする程磁電変換素子1の電流供給端子4,
5間と、固定抵抗R3とR4の直列接続の両端とにかゝる電
圧が低下し、同相入力電圧も低下する。このようにする
と、磁電変換素子1の出力端子3に得られる前記変化量
△V(θ)も小さくなり、磁電変換素子の感度が低下す
る。第4図に直列抵抗RXの値を変化させて、同相入力電
圧すなわちコンパレータ15の反転入力と非反転入力の電
圧と、変化量△V(θ)の振幅(P−P)との関係を直
線aに示す。この線図は電源16の電圧が3〔V〕の条件
であるが、いずれにしても、直列抵抗RXを大きくして同
相入力電圧を低くする程、磁電変換素子1の感度が直線
的に低下するので面白くないという問題点が残る。感度
が低下すると間接的に作動可能な電源電圧範囲が狭くな
るからである。
そこで、本発明の回転検出回路は、磁電変換素子の感
度をあまり低下させないで、作動電圧範囲が低電源電圧
まで広い回転検出回路を提供することを目的とするもの
である。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明の回転検出回路に
おいては、 (a) それぞれ異方性のある磁気抵抗効果を有する強
磁性体膜からなる強磁性体(A),(B)からなり、こ
の強磁性体(A),(B)は互いに直列に接続された第
1及び第2の電流通路及びこれ等電流通路のそれぞれの
一端をつなぐ接続点に設けられた出力端子(3)、前記
各電流通路のそれぞれの他端側に設けられた第1及び第
2の電流供給端子(4),(5)をそれぞれ具備し、両
電流通路はそれぞれジグザグ状になるように、互いに平
行に延びる複数の細条要素(6),(7)をそれぞれ有
し、これ等の細条要素(6)と(7)とが互いにほヾ直
交するように構成された磁電変換素子(1)と、 (b) 前記出力端子(3)をその一方の入力に接続
し、他方の入力に比較電圧発生用の分圧抵抗(17)から
の比較電圧を入力するコンパレータ(15)を有し、 (c) 前記磁電変換素子(1)の電流供給端子(4)
と(5)をそれぞれ前記コンパレータ(15)の負電圧側
と正電圧側の各電源端子に接続すると共に前記分圧抵抗
(17)の両端を前記電流供給端子(4)と(5)に接続
した回転検出回路において、 (d) 前記コンパレータ(15)が単電源電圧V+で動作
可能で、かつ同相入力電圧範囲が零から正電源電圧V+
りいくらか低い値までと定められているものであり、 (e) 前記磁電変換素子(1)の出力電圧平均値がコ
ンパレータ(15)の正電源電圧V+のほヾ1/3に定められ
ている 又、請求項2の回転検出回路は、請求項1記載の
(a)乃至(d)の構成要素を備え、さらに、前記磁電
変換素子の一方の強磁性体(A)の抵抗値R1を他方の強
磁性体(B)の抵抗値R2のほゞ2倍に定めたことを特徴
とするものである。
請求項2記載の回転検出回路で、強磁性体(B)の電
流通路の幅を強磁性体(A)の電流通路の幅 とすることができる(請求項3)。
又、請求項2記載の回転検出回路で、強磁性体(A)
と(B)の電流通路の幅を同じにすることもできる(請
求項4)。
又、請求項5の回転検出回路では、請求項1記載の回
転検出回路において、比較電圧発生用の分圧抵抗(17)
の代わりに、互いに直列に接続された強磁性体(C),
(D)を設け、これら強磁性体(C),(D)を請求項
1記載の強磁性体(A),(B)と同様にそれぞれジク
ザグ状に構成すると共に強磁性体(A)と(C)との各
細状要素を互いに直交するように配設して強磁性体
(C),(D)を強磁性体(A),(B)と共に一つの
磁電変換素子として構成し、強磁性体(A),(B)の
直列接続と(C),(D)の直列接続を並列に接続し
た。
又、請求項6の回転検出回路は、請求項2記載の回転
検出回路において、磁電変換素子(1)を請求項5記載
のように四つの強磁性体(A),(B),(C),
(D)からなるように構成し、各磁性体(A),
(B),(C),(D)の抵抗値R1,R2,R3,R4をほヾR1
=2R2,R3=2R4に定めた。
又、回路を作動させる電源(16)に定格電圧3〔V〕
のリチウム電池を用いることができる(請求項7)。
更に又、コンパレータ(15)の同相入力電圧範囲が、
コンパレータの正電源電圧V+に対し、0〜V+−1.5
〔V〕であることを特徴とする(請求項8)。
〔作用〕
磁電変換素子(1)を構成する強磁性体(A)と
(B)の接続点である出力端子(3)から、コンパレー
タ(15)の一方の入力端子に、コンパレータ(15)の正
電源電圧V+のほゞ1/3の電圧が入力され、他方の入力端
子には、分圧抵抗からのほゞ同じ値の比較電圧が入力さ
れる。そして磁電変換素子が回転磁石の回転磁界を受け
て出力端子(3)の電圧が正弦波状に変化すると、この
信号電圧がコンパレータで波形整形され矩形波の出力パ
ルスとなる。
請求項5記載の回転検出回路では、強磁性体(C),
(D)の接続点の電圧も回転磁界により変化するため、
コンパレータ(15)の信号入力が実質的に2倍の大きさ
となる。
〔実施例〕
第1図において、磁電変換素子1の強磁性体A,Bの抵
抗値(磁界がかかっていないときの値)をAは2.3〔k
Ω〕、Bは1.15〔kΩ〕、R3を2〔kΩ〕、コンパレー
タ15に日本電気株式会社製のμPC277、電源16に公称電
圧3Vのリチウム電池を用いた。このときの磁電変換素子
1の形状を第5図に示す。第12図に示す従来の磁電変換
素子と比較して強磁性体Bの電流通路の長さがほゞ半分
に短くなっている点が違う。又、固定抵抗R3とR4の直列
接続からなる分圧抵抗17は電圧V+をR4/(R3+R4)の
比、すなわち1/3に分圧して非反転入力に印加する。こ
の実施例では、出力端子3からコンパレータ15の反転入
力に印加される電圧のうち、回転磁界による変化量であ
る前記(4)式の第2項に相当する分を除いた第1項の
基準電圧に相当する値が、従来技術の1/1.5に低下して
いて、電源電圧V+が3〔V〕のとき、同相入力電圧は1
〔V〕になる。このときの出力端子3に得られる変化量
△V(θ)の振幅(P−P)は第4図の曲線bで、同相
入力電圧が1.0〔V〕のときの値として52.5〔mV〕が得
られ、強磁性体A,Bの抵抗値を同じ値にしたとき、すな
わち同図で同相入力電圧1.5〔V〕のときの変化量の値5
7〔mV〕に比較すると約92に減少している。つまり磁電
変換素子としての感度が92%に低下した。しかしこの低
下は、前記第12図の直列抵抗RXを挿入する場合の、変化
量40〔mV〕(第4図の点P1)、感度が70%まで低下する
ことと比較すると、感度低下を防止して同相入力電圧を
低下させるという点で大幅に改善されていることがわか
る。なお第4図の曲線(b)は強磁性体AとBの抵抗の
比率を変えることで同相入力電圧を変更した場合の変化
量△V(θ)の大きさ(P−P)を示す。
強磁性体AとBの抵抗値の比を2/1にして、コンパレ
ータ15の同相入力電圧を電源電圧V+の1/3にすると、電
源電圧V+が変化したとき、すなわちリチウム電池16の電
圧が低下したときの同相入力電圧は第3図bの直線のよ
うに変化し、電源電圧V+が2.25〔V〕以上ではハッチン
グした同相入力電圧範囲におさまる。
この第3図より明らかなように、同相入力電圧はコン
パレータがμPC277の場合、電源電圧V+の1/3である直線
bの関係に限られることなく、V+の1/4であるCの直線
であっても作動することが理解できる。もっともこの場
合、第4図で塩化量△V(θ)は点P2の45.5〔mV〕とな
り、感度は80%に低下する。しかし直列抵抗RXを用いる
直線aと比較すれば低下の度合ははるかに小さい。この
ように、本発明でいう、磁電変換素子1の出力端子3か
らコンパレータ15に入力される基準電圧は必ずしも電源
電圧の1/3と厳密に限定されることはなく、或程度のず
れが許されるものである。
なお、コンパレータ15は、μPC277とコンパチブルな
日本電気株式会社製μPC393とか、ナショナルセミコン
ダクター社製のLM393等を用いても良い。
本発明に用いる磁電変換素子1は、上述の第5図と一
部を変更し、強磁性体Bの電流通路の幅を強磁性体Aの
電流通路の幅Wの とすることで基板2の大きさとか、端子3,4,5の基板2
上の配置を第11図の従来例と同じとし、従来の製作治具
を共用することができる。この第6図の磁電変換素子1
は請求項3の発明に対応するものである。
第5図の磁電変換素子は二つの強磁性体A,Bの各電流
通路は同じ幅で構成されている。
第7図は他の実施例で、上記実施例と比較して、電源
電圧16から80Ωの保護抵抗R5を介して磁電変換素子1,分
圧抵抗17及びコンパレータ15に電流を供給している。コ
ンパレータの消費電流は0.6mAなので、磁電変換素子1
と分圧抵抗17に流れる電流約1.3mAと合わせ、保護抵抗R
5で約0.2〔V〕の電圧降下が生じるが、前記実施例と比
較してそれ程違いは生じない。
第7図の実施例で、電源16の電圧を最大3.0〔V〕か
ら0.1〔V〕おきに低下させてコンパレータ15の出力パ
ルスのデューティを測定したところ、第8図に示すよう
に、1.9〔V〕までほゞ50%を維持し、1.8〔V〕で35%
となり、それより低い電源電圧では作動しなかった。こ
の結果は上記従来のものに比し大幅に改善されている。
第9図と第10図の他の実施例で、上記実施例の分圧器
17の抵抗R3とR4の代わりに、強磁性体CとDを用いてお
り、この強磁性体Cとの抵抗値は強磁性体AとBの抵抗
値とそれぞれ同じ値、すなわち3.2kΩと3.2/2kΩであ
る。そして、強磁性体C,DはA,Dと同様の方法で一つの基
板2上に形成されているが、主電流通路を形成する細条
要素の向きが、強磁性体Cのそれは、Aのそれと直角
に、又、DのそれはBのそれと直角に交差している(第
10図)。そしてCとDとの接続点に設けた出力端子3′
が第9図のようにコンパレータ15の非反転入力に接続さ
れ、強磁性体C,Dの直列接続はA,Bの直列接続とは基板2
上で並列に接続されている(第10図)。
この実施例は第7図の実施例に比較して、磁電変換素
子1の感度が実質的に2倍に向上する。
〔発明の効果〕
本発明は以上説明したような構成にされているので、
磁電変換素子自体の感度をほとんど低下させないで、コ
ンパレータへの同相入力電圧を下げることができるた
め、作動電圧範囲を拡大でき、特にリチウム電池1個で
作動させるような低圧電源を用いる場合に効果的であ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は回転検出回路、第2図はコンパレータの等価回
路、第3図はコンパレータの電源電圧は同相入力電圧の
関係を説明する線図、第4図は同相入力電圧と出力端子
電圧の変化量の関係を示す線図、第5図と第6図は磁電
変換素子の異なる実施態様を示す平面図、第7図と第9
図は更に異なる実施例の回転検出回路、第8図は第7図
の回路の特性線図、第10図は第9図の回路に用いる磁電
変換素子の平面図、第11図は従来技術に用いる磁電変換
素子の平面図、第12図は従来技術を一部変更した回転検
出回路である。 1……磁電変換素子、3、3′……出力端子、4,5……
電流供給端子、6,7……細条要素、15……コンパレー
タ、16……電源、17……分圧抵抗、A,B,C,D……強磁性

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(a) それぞれ異方性のある磁気抵抗効
    果を有する強磁性体膜からなる強磁性体(A),(B)
    からなり、この強磁性体(A),(B)は互いに直列に
    接続された第1及び第2の電流通路及びこれ等電流通路
    のそれぞれの一端をつなぐ接続点に設けられた出力端子
    (3)、前記各電流通路のそれぞれの他端側に設けられ
    た第1及び第2の電流供給端子(4),(5)をそれぞ
    れ具備し、両電流通路はそれぞれジグザグ状になるよう
    に、互いに平行に延びる複数の細条要素(6),(7)
    をそれぞれ有し、これ等の細条要素(6)と(7)とが
    互いにほヾ直交するように構成された磁電変換素子
    (1)と、 (b) 前記出力端子(3)をその一方の入力に接続
    し、他方の入力に比較電圧発生用の分圧抵抗(17)から
    の比較電圧を入力するコンパレータ(15)を有し、 (c) 前記磁電変換素子(1)の電流供給端子(4)
    と(5)をそれぞれ前記コンパレータ(15)の負電圧側
    と正電圧側の各電源端子に接続すると共に前記分圧抵抗
    (17)の両端を前記電流供給端子(4)と(5)に接続
    した回転検出回路において、 (d) 前記コンパレータ(15)が単電源電圧V+で動作
    可能で、かつ同相入力電圧範囲が零から正電源電圧V+
    りいくらか低い値までと定められているものであり、 (e) 前記磁電変換素子(1)の出力電圧平均値がコ
    ンパレータ(15)の正電源電圧V+のほヾ1/3に定められ
    ている ことを特徴とする回転検出回路。
  2. 【請求項2】請求項1記載の(a)乃至(d)の構成要
    素を備え、さらに、前記磁電変換素子の一方の強磁性体
    (A)の抵抗値R1を他方の強磁性体(B)の抵抗値R2の
    ほヾ2倍に定めたことを特徴とする回転検出回路。
  3. 【請求項3】強磁性体(B)の電流通路の幅を強磁性体
    (A)の電流通路の幅の とした請求項2記載の回転検出回路。
  4. 【請求項4】強磁性体(A)と(B)のぞれぞれの電流
    通路の幅を同じにした請求項2記載の回転検出回路。
  5. 【請求項5】請求項1記載の回転検出回路において、比
    較電圧発生用の分圧抵抗(17)の代わりに、互いに直列
    に接続された強磁性体(C),(D)を設け、これら強
    磁性体(C),(D)を請求項1記載の強磁性体
    (A),(B)と同様にそれぞれジクザグ状に構成する
    と共に強磁性体(A)と(C)との各細状要素を互いに
    直交するように配設して強磁性体(C),(D)を強磁
    性体(A),(B)と共に一つの磁電変換素子として構
    成し、強磁性体(A),(B)の直列接続と(C),
    (D)の直列接続を並列に接続した回転検出回路。
  6. 【請求項6】請求項2記載の回転検出回路において、磁
    電変換素子(1)を請求項5記載のように四つの強磁性
    体(A),(B),(C),(D)からなるように構成
    し、各磁性体(A),(B),(C),(D)の抵抗値
    R1,R2,R3,R4をほヾR1=2R2,R3=2R4に定めた回転検出回
    路。
  7. 【請求項7】回路を作動させる電源(16)に定格電圧3
    〔V〕のリチウム電池を用いた請求項1,2,3,4,5又は6
    記載の回転検出回路。
  8. 【請求項8】コンパレータ(15)の同相電圧範囲が、コ
    ンパレータの正電源電圧V+に対し、0〜V+−1.5〔V〕
    であることを特徴とする請求項7記載の回転検出回路。
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