JP3078111B2

JP3078111B2 - 回転数センサ

Info

Publication number: JP3078111B2
Application number: JP04142866A
Authority: JP
Inventors: 敏郎佐藤; 徹彦溝口
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-06-03
Filing date: 1992-06-03
Publication date: 2000-08-21
Anticipated expiration: 2015-08-21
Also published as: JPH05333032A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電動機、発電機、原動機
などのあらゆる回転装置の回転数検出に用いられる回転
数センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電動機などに代表される回転装置
は、各種工作機械、ロボットなどはもちろん、あらゆる
機器に利用されている。特に、工作機械などにおいて
は、回転数の精密な制御のために高精度な回転数センサ
が求められている。また、機器の小型化に対する要求は
強く、回転装置の小型化と合わせて回転数センサそのも
のの小型軽量化も求められている。

【０００３】従来の回転数センサは、光を利用するもの
と磁気を利用するものとに大別される。一般的に、光を
利用する方式は、非接触で回転数を検出できる半面、ほ
こりやゴミなどの影響が無視できず、耐環境性は必ずし
もよくない。一方、磁気を利用する方式は、非接触検出
が可能な上、耐環境性にも優れ、各所に利用されてい
る。以下、各種の回転数センサを概略的に説明する。

【０００４】図９は光学式回転数センサの一例を示す概
略構成図である。回転軸１には、一定のピッチで穴あけ
された円板３１が取り付けられている。この円板３１を
挟んで、光源３２およびフォトセンサ３３が設けられて
いる。光源３２から照射される光ビームは、回転により
円板３１上の穴がつくる円軌跡の一点を通過する。この
回転数センサでは、回転時に光源３２から円板３１に設
けられた穴を通過してフォトセンサ３３で受光される光
ビームから回転数を検出する。

【０００５】図１０は磁気回路式回転数センサの一例を
示す概略構成図である。回転軸１には、歯車状に加工し
た継鉄（継鉄歯車）３４が取り付けられている。この継
鉄歯車３４の近傍には、コイル３５が固定されている。
この回転数センサでは、回転に伴う継鉄歯車３４とコイ
ル３５の鉄心との磁気ギャップの変動を、磁気回路の磁
気抵抗の変化として検出し、回転数を検出する。

【０００６】図１１はＭＲ式回転数センサの一例を示す
概略構成図である。回転軸１には、周面に磁気記録層３
７が形成された円板３６が取り付けられている。この磁
気記録層３７は予め一定のピッチで着磁パターンが形成
されている。この磁気記録層３７の近傍には、ＭＲヘッ
ド（磁気抵抗効果型ヘッド）３８が固定されている。こ
の回転数センサでは、着磁パターンの回転をＭＲヘッド
３８で検出し、回転数を検出する。

【０００７】図１２は回転数発電機を用いた回転数セン
サの一例を示す概略構成図である。回転軸１の端部に
は、カップリング３９を介して回転数発電機４０が設け
られている。この回転数センサでは、回転数に比例した
発電電圧を検出する。しかし、以下に述べるように、こ
れらのいずれの方式にも一長一短がある。

【０００８】光を利用するセンサおよび磁気回路式セン
サでは、回転数の検出精度が、円板の穴および継鉄歯車
のピッチの細かさに依存する。このため、検出精度は加
工精度により決定され、高精度化が困難である。また、
センサ自体の小型化も難しい。回転数発電機を用いるセ
ンサは、特に低回転時に信号が微弱になるため、回転数
の検出が困難になる。また、センサ自体の小型化も難し
い。

【０００９】ＭＲ式センサは、磁気記録層の材料を高保
磁力化することにより、着磁パターンは細かくできるた
め、高精度化に有利である。また、ＭＲヘッド自体も小
型化できる。しかし、一般に着磁パターンを形成するに
は、複雑な操作が必要となる。しかも、ＭＲヘッドを回
転軸に取り付けられた円板の周面の外側に配置しなけれ
ばならないため、回転装置全体の小型化が困難である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、容易
に小型軽量化でき、しかも信頼性に優れた、安価な非接
触磁気式の回転数センサを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の回転数センサ
は、回転軸の端部平坦面に形成された磁気異方性を有す
る軟磁性体の薄膜または薄帯と、該軟磁性体に対向して
固定された平面コイルとを具備したことを特徴とするも
のである。また、本発明の回転数センサは、回転軸の端
部平坦面に形成された磁気異方性を有する軟磁性体の薄
膜または薄帯と、該軟磁性体に対向して固定された平面
コイルと、該平面コイルに直列に接続された交流電源と
を具備したことを特徴とする。本発明の回転数センサに
おいては、固定部上に軟磁性体および前記平面コイルを
順次積層し、前記平面コイルを固定部の軟磁性体と回転
軸端部平坦面の軟磁性体とでサンドイッチすることが好
ましい。以下、本発明をさらに詳細に説明する。

【００１２】図１（ａ）は本発明に係る回転数センサの
一例を示す正面図、同図（ｂ）は側面図である。図１に
おいて、回転装置の回転軸１の端部平坦面には、磁気異
方性を有する軟磁性体２が形成されている。一方、回転
軸１の端部と対向して固定された固定部３には、軟磁性
体２と対向して平面コイル４が形成されている。この回
転数センサでは、軟磁性体２と平面コイル４とでインダ
クタンス素子が構成される。

【００１３】本発明において、軟磁性体としては磁気異
方性を有するものならば、酸化物系、金属系、結晶質、
非晶質などいかなる材料を用いてもよい。例えば、急冷
法で作製される軟磁性薄帯などを用いてもよいし、適当
な基板上に形成された軟磁性薄膜を用いてもよい。軟磁
性体を回転軸１の端部平坦面に固定する方法としては、
適当な接着剤を用いて軟磁性体を直接接着する方法、ま
たは適当な基板上に軟磁性体を形成し、この基板を接着
する方法などが挙げられる。軟磁性薄膜の場合には、回
転軸の端部平坦面に直接形成することが困難であるた
め、後者の方法を用いることが望ましい。

【００１４】軟磁性体２に導入される磁気異方性は、一
軸磁気異方性でもよいし、二軸磁気異方性でもよい。軟
磁性体に磁気異方性を付与する方法としては、磁界中で
熱処理する方法、磁界中での軟磁性体を形成する方法な
どが挙げられるが、特に限定されない。例えば、＜１０
０＞軸に磁化容易軸をもつ立方晶単結晶の（１００）面
を利用すれば、二軸性の結晶磁気異方性を利用すること
ができる。

【００１５】本発明に用いられる軟磁性体としては、磁
歪がなるべく小さいものが好ましい。これは以下のよう
な理由による。一般に、回転装置の回転軸に加えられる
応力の方向が一定しない。このため、磁歪の大きい材料
を用いると、利用しようとする磁気異方性以外に逆磁歪
効果による不要な磁気異方性が導入されるおそれがあ
る。このように不要な磁気異方性が導入されると、セン
サ機能が著しく損なわれる。

【００１６】本発明において、平面コイルは、回転軸の
回転に伴う透磁率の変化を検出できるならばいかなる形
状でも差支えなく、コイル形状は特に限定されない。具
体的には、平面コイルとして、１本の導体からなるもの
を用いてもよいし、円形以外の外形形状を有するうず巻
コイル、ジグザグコイル（つづら折れコイルを含む）、
または円形以外の外形形状を有するうず巻きコイルとジ
グザグコイル（つづら折れコイルを含む）とを複合した
ものを用いてもよい。

【００１７】本発明の回転数センサによる回転数の検出
原理を図２（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。こ
の図では、説明を簡単にするために、軟磁性体２として
一軸磁気異方性が導入されたものが、コイル４として１
本の直線導体からなるものがそれぞれ用いられている。
固定されたコイル４を基準にすると、回転軸１の回転に
よって軟磁性体２の磁化容易軸が回転する。コイル４に
電流を流すと、その長手方向と直交する方向に磁界が発
生する。コイル４側から見た軟磁性体２の透磁率は回転
軸１の回転角度によって変化する。すなわち、図３に示
すように、コイル４の長手方向と磁化容易軸とが平行の
場合に透磁率が最小、両者が直交する場合に透磁率が最
大となる。したがって、コイル４の端子間のインダクタ
ンスは回転軸の回転角度によって変化する。

【００１８】図４は回転数センサの信号処理回路の一例
を示す回路図である。１秒間当たりの回転軸１の回転数
に比べて電源１１の周波数を十分に高く設定すれば、抵
抗（Ｒ）１２の両端において、回転軸１の回転に対応す
る電圧波形が電源周波数で振幅変調された信号が発生す
る。この信号を検波回路１３で検波し、フィルタ回路１
４でフィルタリングすれば、回転軸１の回転に対応した
信号が得られる。これを周波数カウンタ１５で計測する
ことにより回転数を検出できる。また、検波信号をクラ
ンプ回路１６を通してパルス列に変換し、これをパルス
カウンタ１７で計測すれば、回転角度を得ることもでき
る。本発明の回転数センサでは、回転数の分解能δは次
式で与えられる。 δ ＝（Ｎ／ｆ_p）×３６０（度）ここで、Ｎは回転軸の回転数（ｒｐｓ）、ｆ_pは図４の
信号処理回路における電源１１の周波数である。

【００１９】換言すれば、回転角度の検出分解能は、電
源周波数と回転周波数との比に比例する。したがって、
電源周波数を高くすることにより、容易に分解能を高め
られる。例えばＮ＝２５（ｒｐｓ）、ｆ_p＝９０ｋＨｚ
とすれば、δ＝０．１（度）となる。

【００２０】なお、以上ではコイルとして１本の直線導
体を用いた場合を例にしてその原理を説明している。た
だし、本発明の回転数センサは、磁気異方性を有する軟
磁性薄膜の回転にともなう透磁率の変化を利用するの
で、円形以外のコイルを除き、コイル形状に大きな制約
はない。したがって、コイルは回転軸の回転に伴う透磁
率の変化を検出できるならばいかなる形状でも差支えな
く、前述した種々の形状のものを用いることができる。
また、コイル面が軟磁性体と平行であることが好ましい
が、多少傾いていてもよい。

【００２１】また、以上の説明では、一軸磁気異方性を
有する軟磁性体を用いているが、前述したように二軸磁
気異方性を有する軟磁性体を用いてもよい。図５（ａ）
に一軸磁気異方性軟磁性体を用いた場合の信号、図５
（ｂ）に一軸磁気異方性軟磁性体を用いた場合の信号を
それぞれ示す。図５（ｂ）に示すように、二軸磁気異方
性を有する軟磁性体を用いた場合には、回転軸１の１回
転に対して４回対称となるので、その検出波形を検波お
よびフィルタリングすると、一軸磁気異方性軟磁性体を
用いた場合の２倍の周波数の信号が得られる。

【００２２】図６は本発明に係る他の回転センサの構成
を示す図である。この回転数センサでは、回転装置の回
転軸１の端部平坦面に磁気異方性を有する軟磁性体２が
形成され、これと対向する固定部３の平坦面に磁気異方
性を有する軟磁性体５、平面コイル４が順次積層されて
いる。回転面および固定面の軟磁性体２、５としては、
同一材料が用いられる。このセンサによる回転数検出の
原理は、図２の場合と全く同一である。この回転数セン
サでは、平面コイル４が回転面および固定面の軟磁性体
２、５でサンドイッチされており、インダクタンスが大
きくなるため、検出感度を高くできる。

【００２３】なお、図６の回転数センサでは、固定面に
形成されるコイル材料と軟磁性材料との比抵抗が同程度
の場合には、これらの間に無機材料あるいは有機材料か
らなる絶縁層を形成することが好ましい。ただし、両者
の比抵抗が１０倍以上異なる場合は、特に絶縁層を設け
る必要はない。

【００２４】次に、本発明に係る回転数センサにおける
固定面と回転面のギャップの影響について説明する。セ
ンサ特性の観点からは、固定面と回転面とは完全に平行
であり、かつ両者のギャップが回転に関係なく一定であ
ることが望ましい。しかし、実際には、いずれの条件も
完全に満たすことは困難である。

【００２５】前者の問題に対しては、回転軸の軸径に対
してセンサ寸法を十分小さくすれば、ほとんど問題はな
い。本発明のセンサは、構造および原理が極めて単純で
あるため、小形化に適し、特に薄膜材料で構成すればセ
ンサ寸法を１ｍｍ以下にすることもできる。

【００２６】後者の問題について検討した結果を図７に
示す。図７は、固定面と回転面とのギャップを基準ギャ
ップ長に対して±５０％変化させた場合のインダクタン
スを示すものである。図７からわかるように、ギャップ
が±５０％変化しても、インダタンスの変化は±１０％
以下である。前述したように本発明のセンサの原理は、
磁化容易軸と困難軸との透磁率の差を利用するものであ
るため、回転軸の回転に伴うインダクタンスの変化率を
容易に１０００％（１０倍）以上に高めることができ
る。したがって、この問題に対しても、ほとんど影響は
ないといえる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。実施例１

【００２８】溶湯急冷法により作製された厚さ２０μｍ
のＣｏＦｅＳｉＢ系零磁歪アモルファス軟磁性薄帯を５
ｍｍ角の薄帯片に加工した。この薄帯片を２００エルス
テッドの磁界中、３００℃で熱処理し、一軸磁気異方性
を導入した。この薄帯片を、定格回転数１５００ｒｐ
ｍ、定格出力２．２ｋＷの４極誘導電動機の回転軸の端
部平坦面に、エポキシ系接着剤で全体を被覆するように
固定した。一方、１ｍｍの間隔をおいて対向する固定面
に、４ｍｍ×２ｍｍの外形サイズを有する５０ターン長
方形うず巻きコイルを、エポキシ系接着剤で固定し、回
転数センサを作製した。

【００２９】図８に示すように、このセンサを用いて電
動機の制御系を構成した。すなわち、コイル端子は同軸
ケーブルを介して信号処理回路２１に接続されている。
回転数に対応したセンサ信号は、電動機２２の駆動回路
２３にフィードバックされ、定速度制御系が構成されて
いる。信号処理回路の電源周波数を１００ｋＨｚとした
動作させると、本実施例のセンサは正常に機能すること
が確認された。実施例２

【００３０】厚さ０．５ｍｍのガラス基板上に、直流磁
界中ＲＦスパッタ法により、一軸磁気異方性を有するＣ
ｏＺｒＮｂ系零磁歪アモルファス軟磁性薄膜を５μｍの
膜厚で成膜した。その上に、プラズマＣＶＤ法により、
保護膜として０．５μｍ膜厚のＳｉＯ₂膜を成膜した。
これを１ｍｍ角の正方形状に加工した。これを、出力５
Ｗの直流サーボモータの回転軸（軸径３ｍｍ）の端部平
坦面にエポキシ系接着剤で接着した。一方、厚さ０．５
ｍｍのガラス基板上に、真空蒸着により厚さ１０μｍの
Ａｌを成膜した。フォトリソグラフィ技術により、８０
０μｍ角の外形サイズを有する２０ターン正方形うず巻
きコイルを形成した。さらに、プラズマＣＶＤ法によ
り、保護膜としてＳｉＯ₂膜を被覆した。これを１ｍｍ
角の正方形状に加工してコイル部材を作製した。このコ
イル部材を、回転軸の端部平坦面に対向する固定面にエ
ポキシ樹脂で接着し、回転数センサを作製した。

【００３１】このセンサを１ＭＨｚの電源周波数を有す
る信号処理回路に接続してセンサ回路を構成した。本実
施例のセンサを用いることにより、高精度制御が可能に
なった。

【００３２】

【発明の効果】本発明の回転数センサは、磁気式の特徴
である非接触検出および耐環境性に加えて、構造および
検出原理が簡単であるため、信頼性に優れ、小型化が容
易であり、しかも安価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る回転数センサの一例を示
す正面図、同図（ｂ）は側面図。

【図２】（ａ）は本発明に係る他の回転数センサの例を
示す斜視図、同図（ｂ）は側面図。

【図３】本発明に係る回転数センサについて、回転軸の
回転角度に対する、コイルから見た透磁率の変化および
コイル端子間のインダクタンスの変化を示す図。

【図４】本発明に係る回転数センサの信号処理回路の一
例を示す回路図。

【図５】（ａ）は一軸磁気異方性軟磁性体を用いた回転
数センサによる検出信号を示す図、（ｂ）は一軸磁気異
方性軟磁性体を用いた回転数センサによる検出信号を示
す図。

【図６】本発明に係るさらに他の回転数センサの例を示
す正面図。

【図７】固定面と回転面とのギャップ長がインダクタン
スに与える影響を示す図。

【図８】本発明の実施例１における回転数センサを用い
た電動機制御系を示す回路図。

【図９】従来の光学式回転数センサの一例を示す概略構
成図。

【図１０】従来の磁気回路式回転数センサの一例を示す
概略構成図。

【図１１】従来のＭＲ式回転数センサの一例を示す概略
構成図。

【図１２】従来の回転数発電機を用いた回転数センサの
一例を示す概略構成図。

【符号の説明】

１…回転軸、２、５…軟磁性体、３…固定部、４…コイ
ル、１１…電源、１２…抵抗、１３…検波回路、１４…
フィルタ回路、１５…周波数カウンタ、１６…クランプ
回路、１７…パルスカウンタ、２１…センサ信号処理回
路、２２…電動機、２３…制御回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−305332（ＪＰ，Ａ) 特開平３−81631（ＪＰ，Ａ) 特開平２−83412（ＪＰ，Ａ) 特開平４−2914（ＪＰ，Ａ) 実開平３−25109（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 3/487 G01B 7/30 101 G01D 5/245

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸の端部平坦面に形成された磁気異
方性を有する軟磁性体の薄膜または薄帯と、該軟磁性体
に対向して固定された平面コイルとを具備したことを特
徴とする回転数センサ。
【請求項２】回転軸の端部平坦面に形成された磁気異
方性を有する軟磁性体の薄膜または薄帯と、該軟磁性体
に対向して固定された平面コイルと、該平面コイルに直
列に接続された交流電源とを具備したことを特徴とする
回転数センサ。
【請求項３】固定部上に軟磁性体および前記平面コイ
ルが順次積層されており、前記平面コイルは固定部の軟
磁性体と回転軸端部平坦面の軟磁性体とでサンドイッチ
されていることを特徴とする請求項１または２記載の回
転数センサ。