JP3123661B2 - 回転数検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気バブルを用いた回
転数検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】本願は、実願昭62-126991 号「回転数検
出器」（以下、先願と記す）を改良したものである。

【０００３】磁気バブルを用いた回転数検出器について
は、本願出願人が特願昭61-81901号（先行例１と記す）
や特願昭62-212208 号（先行例２と記す）等で出願して
おり、その原理は広く知られている。図４は磁気バブル
を用いた回転数検出器の動作原理図、図５は図４の磁気
バブル素子上に設けられた転送素子ループのパターン例
図、図６は図５の転送素子ループのストレッチャ部を拡
大した図である。

【０００４】図４において、１は磁気バブル素子であ
り、磁気バブルを発生する材料で構成される。説明を加
えると、磁気バブルは、適当な強さの垂直磁界を加える
ことにより、ＧＧＧ（ガドリニウム−ガリウム−ガーネ
ット）上に数μｍエピタキシャル成長させた垂直磁化膜
の中に筒状の形で発生する。該磁気バブル素子１には、
磁気バブル検出素子１２，１３及びアルミ配線パターン
１４，１５，１６が形成されている（図６参照）。磁気
バブル検出素子１２，１３は、磁気抵抗素子（例えばパ
ーマロイ）で構成される。更に磁気バブル素子１には、
薄膜のパーマロイで構成された転送素子１１がループ状
に形成され、これに沿って磁気バブルが転送される（図
５，図６参照）。図５では１つの転送素子ループを示し
たが、実際の磁気バブル素子１上には複数の転送素子ル
ープが設けられる。各転送素子ループ上には先行例２で
知られているような「メモリホイールの原理」に基づい
たビットパターンで磁気バブルが書き込まれている。な
お、磁気バブル素子１が配置されている平面を便宜上ｘ
−ｙ表面と呼ぶ。

【０００５】２は２枚一組のバイアス磁石であり（図４
参照）、磁気バブル素子１に対して垂直な一定の磁界
（バイアス磁界）を与え、バブル状の磁区を保持する作
用を有するものである。

【０００６】３，４は読出コイルであり、磁気バブル素
子１の周囲に図４の如く配置される。そして該読出コイ
ル３，４はリング磁石５の回転数を読み出す時に使われ
るもので、交番電流をコイルに流すことにより回転磁界
を発生させ、磁気バブル１７，１８，１９を転送する。
該読出コイル３，４については、先行例１，２に詳しく
記載されている。

【０００７】５はリング磁石であり、回転シャフト（図
示せず）に取り付けられた永久磁石である。該リング磁
石５は磁気バブル素子１に対して平行な面内磁界を与え
るもので、該面内磁界は回転シャフトが回転することに
より回転する。磁気バブルは、１ステップ／１回転磁界
で転送素子ループを巡回する。図４は８極に着磁された
リング磁石の例であり、この場合、回転シャフトが１回
転すると、磁気バブルは転送素子１１の４個分を移動す
る。

【０００８】図５に示す各転送素子ループには、先行例
２に記載された『メモリホイールの原理』に基づいた特
殊配列パターンの磁気バブルが書き込まれている。該特
殊配列パターンとは、全ビットパターンの中のある位置
から切り出した連続するビットパターンが他のどの位置
から切り出した同ビット数のパターンとも同じにならな
いという特徴を持ったパターンである。従って、転送素
子ループのある決まった位置から連続する数ビットのパ
ターンを読み出すことでそのループにおけるビットパタ
ーンの転送シフト量を知ることができる。

【０００９】磁気バブルは、前記ある位置に配置された
磁気バブル検出器１０で検出される。磁気バブル検出器
１０は、図６に示す磁気バブル検出素子１２，１３で構
成される。該磁気バブル検出素子１２，１３には、アル
ミ配線パターン１４，１５，１６を介して定電流が予め
流されている（アルミ配線パターン１６はアース電
位）。そして、磁気バブル検出素子１２，１３の部分に
磁気バブル１７，１８，１９が移動してくると抵抗値が
変化するため、アルミ配線パターン１４，１５の電位が
変化する。この２つのアルミ配線パターン１４，１５の
電位信号を図示しない差動増幅器で差動演算することに
より、磁気バブルの検出信号を得ている。

【００１０】以上のような磁気バブル素子１において、
転送素子ループ上には、『メモリホイールの原理』によ
り定まる、例えば１ループ８ビットのビットパターン
（０１１１０１００）が磁気バブルの有無により形成さ
れている。図５に示す実施例では、もっと多数のビット
（例えば４９ビット前後）であるが、ここでは発明を分
かり易くするため８ビットで説明する。この８桁のビッ
トパターンは、リング磁石５が回転するとその回転に応
じて転送素子ループ上を巡回する。該巡回動作は図４の
装置が停電等により電気回路的にその動作を停止してい
ても正常に行われる。例えば、図４に示す回転数検出器
の電源がストップして電子回路的にその動作を停止して
いる時にリング磁石５が例えば１０回転すると、この１
０回転に応じた位置に前記８ビットの磁気バブルは移動
している。電源が復旧すると、リング磁石５が何回転し
たかを測定するため、読出コイル３，４を動作させて回
転磁界を発生させ、磁気バブルを例えば３個の転送素子
分だけ順にその位置を移動させる（先行例２参照）。従
って、磁気バブル検出器１０からは３個の時系列のビッ
トパターンが読み出され、該パターンからメモリホイー
ルの原理によりリング磁石５の累積回転数を知ることが
できる。検出後、読出コイル３，４は上述と逆方向の回
転磁界を磁気バブル素子１へ加えて磁気バブルを３個の
転送素子分だけ移動させ、元あった位置に戻す。

【００１１】ここで、読出コイル３，４を動作させた場
合、読出コイル３，４により発生した磁界Ｈ_Ｍとリング
磁石５による磁界Ｈ_Ｒとが重畳して磁気バブル素子１へ
加えられる。そして、リング磁石５の磁界Ｈ_Ｒのベクト
ル方向と読出コイル３，４の磁界Ｈ_Ｍのベクトル方向と
が同じ方向へ向いた領域では、パーマロイで構成された
磁気バブル検出素子１２，１３が磁気飽和して、磁気バ
ブル１７，１８，１９の検出ができなくなる問題があ
る。

【００１２】これを図７と図８を参照して説明する。磁
気バブル１７，１８，１９を転送するためには、面内磁
界として例えば４０ガウス以上を加える必要がある。リ
ング磁石５が発生する磁界ＨＲを４０ガウスとすると、
シャフトに取り付けたリング磁石５が回転することによ
り図７の小円のベクトル軌跡が得られる。ベクトルＯＡ
の角度でこのリング磁石５が停止し、読出コイル３，４
によりリング磁石５の累積回転数を測定する場合、該読
出コイル３，４による回転磁界（例えばＨＭ＝９０ガウ
ス）のベクトル軌跡は、点Ａを中心とする大円になる
（図７参照）。すなわち、原点Ｏから見ると、ベクトル
和ＯＢは５０〜１３０ガウスの間で変化する。

【００１３】一方、磁気バブル検出素子１２，１３の磁
界−抵抗値変化の特性は図８のようになり、抵抗値の変
化は６０ガウス程度で飽和している。図７でベクトル和
がＯＣを向いた時に磁気バブルを検出するように配置す
ると、磁気バブル検出素子１２，１３の飽和により（図
７より６０ガウス以上）、磁気バブル１７，１８，１９
の磁束を検出できなくなる。

【００１４】このような点に鑑み、本出願人は実願昭62
-126991 号を出願してこの問題点を解決した。該先願
は、２個のホール素子を用いてリング磁石による磁界Ｈ
_Ｒのｘ，ｙ成分を測定し、該磁界Ｈ_Ｒを打ち消す直流電
流を読出コイルに重畳するようにしたものである。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】先願の考案は極めて有
効であるが、リング磁石の磁界の測定をホール素子で行
っている。

【００１６】ホール素子は加えられた磁界の強さに比例
した電圧を出力するものであるが、磁界が０でもある電
圧（不平衡電圧と呼ばれる）を出力する。一般に、ホー
ル素子における該不平衡電圧は比較的大きく、しかもホ
ール素子は感度と不平衡電圧の温度係数も大きい。従っ
て、例えば−１０〜＋７０℃の温度範囲で使用すると、
不平衡電圧分と感度の温度ドリフトのため、磁界の測定
精度が低下する。その結果、リング磁石５により発生す
る磁界Ｈ_Ｒを適切にキャンセルすることができなくな
る。

【００１７】本発明の目的は、ホール素子を使用するこ
となく、正確にリング磁石５による磁界をキャンセルす
ることができる回転数検出器を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、回転軸に取り付けた永久磁石の磁界を磁
気バブル素子へ加えて複数ビットパターンからなる磁気
バブルを移動させるとともに読出コイルに交流電流を流
して回転磁界を発生させ、前記磁気バブルを強制的に移
動させ、磁気バブルのビットパターンを磁気バブル検出
素子で検出することにより回転軸の累積回転数を測定す
る回転数検出器において、前記回転軸の回転角度に応じ
た信号を出力する回転角度検出器と、該回転角度検出器
から出力される角度信号に基づいて、永久磁石が磁気バ
ブル素子に加えるＸ軸成分及びＹ軸成分の磁界の強さに
応じた信号を算出し、算出した信号に基づき永久磁石が
磁気バブル素子に加える磁界を打ち消すための直流電流
を交流電流に重畳する演算器と、演算に必要な前記各永
久磁石固有の定数が書き込まれた記憶手段と、読出コイ
ルに交流電流を流す回路手段と、からなる手段を講じた
ものである。

【００１９】また、前記記憶手段として演算器から書き
込んだり読み出したりできるものを用い、組み立て後に
前記各永久磁石固有の各定数を実際に測定して書き込む
ようにもできる。

【００２０】

【作用】回転軸に取り付けられた永久磁石から磁気バブ
ル素子に加えられる磁界の強さは、回転軸の回転角度と
一定の関係がある。記憶手段には、永久磁石固有の定数
が書き込まれている。そして、回転角度検出器から出力
される角度信号に基づいて記憶手段から定数を読み出し
て格納永久磁石が磁気バブル素子に加えるＸ軸成分及び
Ｙ軸成分の磁界の強さに応じた信号を算出し、算出した
信号に基づき永久磁石が磁気バブル素子に加える磁界を
打ち消すようにしたものである。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。図１は本発明に係る回転数検出器の要部
の構成図、図２は図１回路のタイミングチャート、図３
はリング磁石と読出コイルによる磁界のベクトル軌跡の
説明図である。

【００２２】図１において、３，４は読出コイルで、図
４で説明したものと同じであり、該読出コイル３，４の
中に磁気バブル素子１が配置されている。５はリング磁
石であり、これも図４で説明したものと同じである。

【００２３】２１は回転角度検出器であり、リング磁石
５が取り付けられている回転軸（図示せず）の回転角度
θｎに応じた信号を出力するものである。該回転角度検
出器２１としては、例えば出願人が特願昭62-70078号で
出願し、既に広く知られている光学式エンコーダを用い
ることができる。

【００２４】２２はラッチであり、ＲＥＱ信号の印加タ
イミングで回転角度検出器２１の出力を取り込み、これ
をラッチするものである。２３は演算器であり、ラッチ
２２を介して取り込んだ回転軸の回転角度θ_１，θ_２，
…に基づいて、リング磁石５が磁気バブル素子１へ加え
るＸ軸成分及びＹ軸成分の磁界の強さに応じた信号
Ｉ_ｔ，Ｉ_ｒを算出するとともに、読出コイル３，４に送
る基になる９０°位相の異なる２つの交流信号Ｉ_０×ｓ
ｉｎωｔとＩ_０×ｃｏｓωｔをデジタル値として算出す
る。そして、先に求めたキャンセルするリング磁石５の
磁界に比例した値を減算することにより、Ｉ_０×ｓｉｎ
ωｔ−Ｉ _ｔとＩ_０×ｃｏｓωｔ−Ｉ_ｒを求め、デジタル
信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器（以下、単
にＤＡＣと記す）３５，３６に出力する。該演算器２３
としては、高速に演算処理できる例えばＤＳＰ（デジタ
ルシグナルプロセッサ）を用いることができる。ＤＡＣ
３５，３６は公知のものを用いることができる。

【００２５】３３は記憶手段であり、演算器２３で算出
する際の定数が書き込まれたものである。該記憶手段と
しては通常ＲＯＭを用いる。図３（１），（２）を参照
して、演算器２３の演算動作とＲＯＭ３３の内容を説明
する。

【００２６】磁気バブル素子１へ加えられるリング磁石
５の磁界ベクトルの軌跡は、例えば図３（１）のように
なる。図１では８極着磁のリング磁石５を用いているの
で、リング磁石５が１回転すると、図３（１）の磁界ベ
クトルは４回転する。Ｘ，Ｙ成分に分けて考えると、磁
界は図３（２）に示すようにリング磁石５の回転ととも
に正弦波状に変化する。これを式で表すと、ＨＸ＝Ａ×ｃｏｓ４（θｎ＋Δθ） ＨＹ＝Ｂ×ｓｉｎ４（θｎ＋Δθ）−α となる。該式の中のＡ，Ｂ，Δθ，αはリング磁石５固
有の値であり、予め測定しておいてＲＯＭ３３に書き込
んでおく。

【００２７】演算器２３では、ＲＥＱ信号の印加タイミ
ングでラッチされた回転軸の回転角度θ_ｎとＲＯＭ３３
に書き込まれている定数から、上式に従ってＨ_Ｘ，Ｈ_Ｙ
を算出する。

【００２８】ここで、リング磁石５の着磁ムラや素材の
不均一により、回転軸の１回転中に４回転する磁界の各
回転ごとのバラツキがある規定値以上ならば、各磁界回
転ごとのＡ，Ｂ，αの値をＲＯＭ３３に書き込んでお
く。この時のデータ数は、１３（１３×１６＝２０８ビ
ット）である。磁界回転のバラツキがなければＲＯＭ３
３に書き込むＡ，Ｂ，αの値は共通でよい。この時のデ
ータ数は、４（４×１６＝６４ビット）である。

【００２９】３０，３１はコイルドライバであり、ＤＡ
Ｃ３５，３６の出力を増幅してそれぞれＸ軸コイル（読
出コイル３）とＹ軸コイル（読出コイル４）に図２
（２），（３）に示すような駆動電流を加えるものであ
る。

【００３０】以上のように構成された本願発明の動作を
説明する。リング磁石５がその回転を停止しているとす
る。そして、該リング磁石５の累積回転数を測定する場
合、図２（１）に示すようなＲＥＱ信号（動作開始信
号）がラッチ２２に加えられ、リング磁石５（回転軸）
の回転角度θ_ｎの値をラッチする。

【００３１】演算器２３は、回転角度θ_ｎとＲＯＭ３３
内のＡ，Ｂ，αを読み込んでＨ_Ｘ，Ｈ_Ｙを算出し、キャ
ンセルするリング磁石５の磁界に比例した信号Ｉ_ｔ，Ｉ
_ｒに変換する。また、読出コイル３，４に送る基になる
９０°位相の異なる２つの交流信号（Ｉ_０×ｓｉｎωｔ
とＩ_０×ｃｏｓωｔ）をデジタル値として算出し、先に
求めたキャンセルするリング磁石５の磁界に比例した値
を減算してＩ_０×ｓｉｎωｔ−Ｉ_ｒとＩ_０×ｃｏｓωｔ
−Ｉ_ｔを求め、ＤＡＣ３５，３６に出力する。ＤＡＣ３
５，３６は演算器２３から入力されたデジタル信号をア
ナログ信号に変換し、それぞれコイルドライバ３０，３
１を介して読出コイル３，４に加える。

【００３２】図３（３）は本願発明装置における磁界ベ
クトルの動きを示した図である。今、リング磁石５の磁
界ベクトルがＯＢの方向を向いて停止しているとする
と、この時の角度ａｂは回転角度検出器２１により測定
され、該測定値に基づいて演算器２３はリング磁石５に
より磁気バブル測定信号１へ加えられている磁界のＸ軸
成分Ｈ_ＸとＹ軸成分Ｈ_Ｙを算出する。

【００３３】そして、電流−Ｉｔと−Ｉｒによりリング
磁石５の磁界ＯＢは相殺され、半径５０ガウスの読出コ
イル３，４による回転磁界のみが磁気バブル測定信号１
に加わる（図３（３）実線参照）。また、読出コイル
３，４から加わる回転磁界の大きさは一定なので、磁気
バブル検出素子１２，１３が受ける磁界は５０ガウスに
なって飽和することはなく、安定に信号を検出できる。

【００３４】なお、上記実施例では８極のリング磁石を
用いているが、任意の２ｎ極のリング磁石を用いること
ができる。また、リング磁石５としてフェライト磁石の
ように温度係数の大きなものを使用すると、読出コイル
３，４による打ち消し用磁界の温度補正が必要になる。
このような温度補正は、図１のように温度検出器３７を
設けることで行うことができる。すなわち、温度検出器
３７により回転数検出器内部の温度を測定し、演算器２
３で測定した角度の測定値を補正すればよい。

【００３５】また、上記実施例では、リング磁石５の磁
界をキャンセルする値を演算するのに必要な各リング磁
石５に固有の定数を組み立て前に予め測定してＲＯＭ３
３に書き込むものとして説明したが、ＲＯＭ３３として
演算器２３から書き込んだり読み出したりできるものを
用いることにより、組み立て後に各定数を実際に測定し
て書き込むこともできる。図１の１点鎖線の部分はこの
ような構成の例を示している。すなわち、スイッチ３８
は読出コイル３をコイルドライバ３０とアンプ４０に切
り替え接続し、スイッチ３９は読出コイル４をコイルド
ライバ３１とアンプ４１に切り替え接続する。アンプ４
０，４１は演算器２３に接続されている。

【００３６】このような構成において、まずスイッチ３
８，３９をアンプ４０，４１側に切り替え、リング磁石
５を１回転させる。すると、リング磁石５の磁界は図３
（２）のように変化する。それにより、読出コイル３，
４には磁界に比例した誘起電流が発生する。該誘起電流
をアンプ４０，４１を通して演算器２３に読み込み、リ
ング磁石５固有のＡ，Ｂ，Δθ，αを演算してＲＯＭ３
３に書き込む。その後、スイッチ３８，３９をコイルド
ライバ３０，３１側に切り替えて、上述のような回転数
の測定を行う。

【００３７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次
の効果が得られる。 (1) 温度係数が大きなホール素子を使用することなく回
転角度検出器で回転角度を検出し、この回転角度及び前
記記憶手段に書き込まれた定数に基づいて永久磁石が磁
気バブル素子に加える磁界の強さを演算することによ
り、リング磁石（永久磁石）の磁界の強さを安定に知る
ことができ、リング磁石（永久磁石）による磁界を温度
係数の大きなホール素子で検出した場合と比較して広い
温度範囲にわたってキャンセルすることができる。 (2) 回転角度及び前記記憶手段に書き込まれた定数に基
づいて演算により磁界を求めて永久磁石が磁気バブル素
子に加える磁界をキャンセルすることにより、回転角度
毎のデータを保持する必要がなく大量のデータを用意す
る必要がない。 (3) 大量のデータが不要になるので大容量のＲＯＭ（記
憶手段）が必要なくなり、回路を小型化できる。 (4) 演算器が２相発振器や減算器等の機能を兼ねるので
回路構成を小型で簡単にできる。 (5) 読出コイルを使用してリング磁石（永久磁石）を回
転させて生じる誘起電流に基づき永久磁石固有の定数を
演算器で演算して、演算結果を記憶手段に書き込めるよ
うな構成することにより、組み立て前での磁界測定が不
要になり、結果として組み立て工数を削減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る回転数検出器の要部構成例図であ
る。

【図２】図１の回路のタイミングチャートである。

【図３】リング磁石と読出コイルによる磁界のベクトル
軌跡の説明図である。

【図４】磁気バブルを用いた回転数検出器の動作原理図
である。

【図５】図４の磁気バブル素子上に設けられた転送素子
ループのパターン例図である。

【図６】図５の転送素子ループのストレッチャ部を拡大
した図である。

【図７】従来例の動作を説明するための説明図である。

【図８】従来例の動作を説明するための説明図である。

【符号の説明】

１ 磁気バブル素子 ３，４ 読出コイル ５ リング磁石 ２１ 角度回転検出器 ２３ 演算器 ３３ ＲＯＭ ３８，３９ スイッチ ４０，４１ アンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−15115（ＪＰ，Ａ) 実開 昭64−33072（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−95961（ＪＰ，Ｕ) 特公 平１−41923（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/245 G01P 3/487

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸に取り付けた永久磁石の磁界を磁気
   バブル素子へ加えて複数ビットパターンからなる磁気バ
   ブルを移動させるとともに読出コイルに交流電流を流し
   て回転磁界を発生させ、前記磁気バブルを強制的に移動
   させ、磁気バブルのビットパターンを磁気バブル検出素
   子で検出することにより回転軸の累積回転数を測定する
   回転数検出器において、 前記回転軸の回転角度に応じた信号を出力する回転角度
   検出器と、演算に必要な前記永久磁石固有の定数が書き込まれた記
   憶手段と、 永久磁石が磁気バブル素子に加えるＸ軸成分及びＹ軸成
   分の磁界の強さに応じた信号を前記 回転角度検出器から
   出力される角度信号及び前記記憶手段に書き込まれた定
   数に基づいて演算する演算器と、 この演算器の出力に基づき永久磁石が磁気バブル素子に
   加える磁界を打ち消すための直流電流を交流電流に重畳
   して前記読出コイルに流す回路手段と 、 を備えた回転数検出器。
2. 【請求項２】前記記憶手段として前記演算器から書き込
   んだり読み出したりできるものを用い、組み立て後に前
   記回転軸を回転させて発生した誘起電流に基づき前記永
   久磁石固有の定数を前記演算器で演算して、演算結果を
   前記記憶手段に書き込むことを特徴とする請求項１の回
   転数検出器。