JPH01152312A - 無接点３６０度回転角センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は複数個の磁気抵抗素子を用いた無接点３６０度
回転角センサに関する。

〔従来の技術〕

磁気抵抗素子を用いた無接点センサの構成は、第６図に
示すように永久磁石１の磁極面２上に、磁気抵抗効果の
大きい材料からなる磁気抵抗素子受感部３を載置し、こ
の受感部３の表面に沿って、透磁率が大きく残留磁気の
少ない軟磁性材料からなるヨーク４が矢示５のように移
動可能に構成される。従って、ヨーク４の移動により、
発生する磁束の方向が矢示６となり、第７図にしめすよ
うに、受感部３ａと３ｂとからなる受感部３の両端から
の端子１１．１）と中間部位からの端子１２を設け、端
子１１．１）に一定電圧源２５を接続すると、端子１１
．１２間には上記一定電圧を分圧した電圧ｖ２が生じる
。

第８図は磁気抵抗素子２個を用いた無接点３６０度回転
センサの一例を示し、渦巻ヨーク７を回転軸８のまわり
に回転させ、磁気抵抗素子９は一９０度の位置に、磁気
抵抗素子１０は＋９０度の位置に、夫々の受感部の並び
の方向が回転軸８の中心に向うように配置される。

いま、磁気抵抗素子９，１０は夫々長さＬの受感部２個
からなり、かつ渦巻ヨーク７の半径方向の幅はＬに等し
く、渦巻ヨークの最大外径Ｙ７を回転軸８の中心から抵
抗素子受感部の最も遠い端迄の長さに等しく、以下回転
角に対して直線的に半径が減少するように設定すると、
渦巻ヨークの回転角Ｓと磁気抵抗素子９，１０の各出力
電圧■２との関係は第９図（Ａ）の出力電圧■２．．第
９図（Ｂ）の出力電圧ｖ！ｂとなる。この２つの出力電
圧Ｖ’ｓ・ｖｔｂは形が同一であって、位相が１８０度
異なり、一方の信号が直線から外れる区間では他方の信
号が直線関係となっている。

第９図（Ｃ）は第９図（＾）と第９図（Ｂ）とにおける
直線部分の信号を１つの直線信号に組み合わせた渦巻ヨ
ークの回転角に対する出力電圧波形を示す。

なお、直線３１．３３はＶ２Ｍの信号からＶＺｂのの信
号へ切り替わる径路、直線３２．３４はｖｔｂの信号か
らＶｉｍの信号へ切り替わる径路を示し、３５は段差信
号で、３６はスイッチングの判定を誤る危険のある区間
である。

第１０図は第９図（Ｃ）の特性を得るための回路、すな
わち磁気抵抗素子９，１０の２つの出力信号を組み合わ
せて１つの直線信号に形成する回路構成図である。

この回路図では、磁気抵抗素子９，１０の各両端子に電
源２５の一定電圧が供給される。電圧判別回路１４ａ、
１４ｂは、夫々その入力端子に磁気抵抗素子９，１０の
出力電圧Ｖ２１１＋　　ＶＺｂが加えられると共に、基
準電圧回路１５からの上限設定基準電圧ＶＩＩＬＩと下
限設定基準電圧ｖ、Ｌも加えられる。電圧判別回路１４
ａ、１４ｂは公知の電圧比較回路とシュミット回路など
の“１”、“０”の２値信号発生回路の組み合わせから
なり、入力電圧ｖ２ａがＶ　ＲＬ　≦Ｖ　２ｍ　≦Ｖ　
ＲＬｌｌ　または入力電圧Ｖ２ｂがＶＲＬ≦Ｖ２ｂ≦■
□の条件のときはゲート信号“１”を出力し、それ以外
の条件のときはゲート信号“０”を出力する回路である
。アンド回路１６ａ、１６ｂは夫々電圧判別回路１４ａ
、１４ｂのゲート信号“ｌ”と電圧判別回路１４ｂまた
は１４ａの出力に接続されたアンド回路１６ｂまたは１
６ａの出力信号の反転信号“１”が加えられたときにの
み、ゲート信号“１”を出力するゲート回路である。ア
ナログスイッチ１７ａ、１７ｂはゲート信号が“１”の
ときは出力電圧ＶｉｍまたはＶＺｂのアナログ信号を通
過させ、ゲート信号が“０′″のときは通過を阻止する
公知の回路である。

レベルシフト回路１８は磁気抵抗素子１０の出力電圧Ｖ
２ｋをシフト電圧Ｖ、だけシフトする公知の電圧加算回
路で、電圧ｖｓは磁気抵抗素子９．　１０の出力が相互
に切り替えられるときに信号電圧の値が連続するような
値に設定される。

上記説明によって、この回路は、例えば渦巻ヨーク７の
回転角が磁気抵抗素子９の出力電圧が直線範囲内にある
ときは、電圧判別回路１４がゲート信号″１″を出力す
るので、アナログスイッチ１７ａが磁気抵抗素子９の出
力電圧Ｖ。を通過させ、アナログスイッチ１７ｂは磁気
抵抗素子１０の出力電圧を遮断し、合成信号電圧Ｖ、＝
Ｖ、、となる。渦巻ヨーク７の回転角が増加して１８０
度付近に達し、出力電圧Ｖｉｍが上限設定基準電圧■。

を超えると、電圧判別回路１４ａ、１４ｂからの出力ゲ
ート信号が逆転するので、アナログスイッチ１７ｂが通
過、アナログスイッチ１７ａが遮断となって合成信号電
圧■、はＶ、＝Ｖ２ｂ＋Ｖ、となる。渦巻ヨーク７の回
転角が更に増加して、磁気抵抗素子ｌＯの出力電圧が上
限設定基準電圧ＶＩＬＩを超えると、再び出力ゲート信
号が逆転して合成信号転圧ｖ３はＶ３＝Ｖｔ、となる。

渦巻ヨーク７の回転角が減少する場合についても、増加
する場合と同様に作動する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

渦巻ヨークの回転角に対する磁気抵抗素子の出力電圧の
関係を示す第９図（Ｂ）において、渦巻ヨーク７の回転
角９０度付近では、磁気抵抗素子ＩＯには渦巻ヨークの
段差部２０が対向しているので、その出力電圧ｖｔｂが
下限設定基準電圧ＶＩＩＬないし上限設定基準電圧■□
の範囲にあったとしても、出力電圧が直線的な増加の関
係が成り立たないので、位置の信号として用いることは
できない。

この範囲の信号を段差信号３５と呼ぶと、段差信号３５
は軸の１回転につき磁気抵抗素子９．１０に夫々１回発
生する。この段差信号３５の発生位置でセンサの動作を
開始する場合は、磁気抵抗素子９．１０はともに出力電
圧が上記■１〜ｖ０の範囲内にあるものと電圧判別回路
１４ａ、１４ｂが判断し、そのときの回路の偶然の状態
に支配されて、アナログスイッチ１７ａ、１７ｂの何れ
かが信号を通過させる。このため、第９図（Ｃ）に示す
合成された信号電圧ｖ３には、偽りの信号１９が出力さ
れ、使用上甚だ不都合である。

本発明は渦巻ヨークの段差部が対向している磁気抵抗素
子の出力信号電圧に発生する偽の出力信号を除去した無
接点３６０度回転角センサを提供することを解決すべき
技術的課題とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、入力電圧の両端に接続された２個の入力端子
とその中間に出力端子を備えた複数個の磁気抵抗素子と
、上記磁気抵抗素子に対して相対的に移動して一定の強
さの磁界を加えると共に移動の一部の範囲内で上記磁界
の強さを変化可能に両端の段差部が重なりを有するか間
隙を有する平面渦巻状または円筒渦巻状に作製された移
動用ヨークまたは永久磁石と固定用永久磁石またはヨー
クから成る磁界発生手段と、上記複数個の磁気抵抗素子
の各出力の電圧の組み合わせ手段とからなる回転角セン
サにおいて、上記入力電圧の両端と上記各磁気抵抗素子
の入力端子との間に入力電流が導通可能に挿設されると
共に、これら磁気抵抗素子の抵抗値の変化に対して“１
”、“０”の２値信号をも出力する抵抗判別回路と、こ
の抵抗判別回路の出力２値信号が上記複数個の磁気抵抗
素子の各出力電圧の組み合わせ回路に対するスイッチ信
号として接続して構成される。

〔作用〕

本発明は上記構成によって、ヨーク移動の一部範囲内で
のみ、磁気抵抗素子に対する磁界の強さが変化する。こ
の磁界の強さの変化は磁気抵抗素子の抵抗値を急変させ
るので、抵抗判別回路はこの抵抗値の急変を検出して、
複数個の磁気抵抗素子の出力電圧の組み合わせ回路をス
イッチングし、上記急変に伴って発生する出力電圧の偽
信号を阻止する。

〔実施例〕

以下、本発明の第１実施例を第１図、第２図を参照して
説明する。第１図は磁気抵抗素子２個を用いた本発明実
施例の回転センサの構成を示し、第２図は２個の磁気抵
抗素子の各出力電圧の直線部分を組み合わせる回路図で
ある。なお、従来と同一部材には同一符号を用いて説明
する。本発明の第１実施例と従来方式との相違点は２つ
ある。

■回転センサの構成について。本発明第１実施例では、
第１図に示すように、渦巻ヨーク７はその段差部２０に
重なり２０ａを設けている。しかも、この重なり２０ａ
の円周方向の寸法は、磁気抵抗素子９．１０の受感部の
円周方向の幅とほぼ等しく、段差部２０が上記各素子９
．１０と対向したとき磁束が素子の受感部全面を通るよ
うに設定する。■直線部分を組み合わせる回路について
。本発明の第１実施例は第２図に示すように、従来方式
を示す第９図と比べて一定電圧の電源２５と磁気抵抗素
子９．ｌＯとの間に夫々磁気抵抗判別回路２１．２２が
設けられている。この磁気抵抗判別回路は磁気抵抗素子
９．１０が夫々抵抗値Ｒ。

とＲ２とを有する２個の受感素子の直列接続から成ると
仮定した場合に、受感素子の全抵抗Ｒ，十Ｒ２を検出し
、この検出抵抗値が設定基準抵抗値以内であればゲート
信号“１”をアンド回路１６ａまたは１６ｂに夫々出力
し、設定基準抵抗値より大であればゲート信号“０”を
出力する回路である。抵抗判別回路２１．２２の具体的
構成としては、磁気抵抗素子９．ｌＯに夫々印加する電
源２５の電圧が一定であることから、例えば上記素子９
．ｌＯの入力電流を検出する公知の回路を用いればよい
。しかも、抵抗の値を知る必要がなく、基準値よりの変
化がある限度以上になったことを判別できればよいので
、アナログ信号の演算などの複雑な操作は不要である。

次に、第１実施例の動作を述べる。

磁気抵抗素子９．ｌＯの夫々の全抵抗Ｒ１＋Ｒ。

は、渦巻ヨーク７の段差部２０が上記素子９．１Ｏの受
感部に対向する位置にある以外には変らない。しかし、
上記対向する位置になると、渦巻ヨーク７の段差部２０
が重なり２０ａを有することから、磁気抵抗素子９，１
０の全抵抗は急増する。

実験結果によると、インジュウム・アンチモンの磁気抵
抗素子と軟鉄渦巻ヨークを用いた典型的な回転位置セン
サにおいては、素子抵抗の増加は約１５％である。

磁気抵抗素子９がまた、蔭差部２０による信号を出力す
る状態のときには、第２図に示す抵抗判別回路２１は２
値信号“０”を出力し、アナログスイッチ１７ａが信号
の通過を阻止するから、偽の信号を出力することなく確
実に正しい信号になる。また、磁気抵抗素子１０が段差
信号を出力する状態では、第２図に示す抵抗判別回路２
２が２値信号“０”を出力して、アナログスイッチ１７
ｂが信号を通過させることを阻止するから、偽の信号が
出力されることはない。従って、渦巻ヨーク７の全周に
わたって、正しい直線信号ｖ３が得られる。

第１実施例は従来方式と上記相違点■、■においてのみ
相違するので、従来方式と同様に、無接点３６０度回転
角センサとして実用できる。

なお、本実施例は磁気抵抗素子９．１０が夫々長さＬの
受感部２個からなり、渦巻ヨークの半径を回転角に対し
て直線的に減少するようにしたことにより、最終出力信
号が渦巻ヨークの移動に対して直線的に変化する場合に
該当する。

次に、本発明の第２実施例を第３図を参照して説明する
。この実施例は第３図に示すように、渦巻ヨーク７が段
差部２０に間隙２３が設けられている。間隙２３の円周
方向の寸法は磁気抵抗素子９．１０の受感部の円周方向
の寸法とほぼ等しく選ぶ。これ以外の構成はすべて第１
実施例と同じである。第２実施例は上記構成によって、
渦巻ヨーク７の段差部２０が磁気抵抗素子９．ｌＯと対
向する位置では受感部に殆んど磁束が通らないので、磁
気抵抗素子の全抵抗は減少する。このため、第２図に示
した抵抗判別回路２１．２２では素子抵抗が減少したこ
とを検出し、アナログスイッチ１７ａ、１７ｂが段差信
号中に発生する可能性がある偽信号を阻止する。

次に、第３実施例を説明する。この実施例は第１図に示
した第１実施例における渦巻コーク７の段差部２０にお
いて、磁気抵抗素子９，１０の受感部の円周方向の寸法
とほぼ等しい円周方向寸法に亘って、ヨークの厚さを薄
くするか、または軸方向に渦巻ヨーク７を曲げるなどし
て、段差部２０において磁気抵抗素子を通る磁束を減少
させる構成としたものである。この構成以外は、第１実
施例と同一である。

次に、第４実施例を第４図を参照して説明する。

この実施例は第４図に示すように渦巻ヨーク７が円筒形
状であって、軸８の回転に伴って渦巻ヨーク７と対向し
ている受感部の部分が軸方向に移動する形式の回転セン
サであり、渦巻ヨーク７の段差部２０で重なり２０ａを
設けている構造である。

第５実施例は第５図に示す如く、円筒形状渦巻ヨーク７
が段差部において間隙２０ｂを有する構造である。

第６実施例は、図示されていないが、移動ヨークの形状
が第１図、第３図、第４図、第５図に限定されることは
なく、移動の範囲内に段差部があって、この段差部によ
って生じる段差部信号が偽の信号を生じるような構造を
有する場合であって、それ以外の構成は第１実施例と同
一の場合が該当する。

第７実施例は、図示されていないが、渦巻ヨークの形状
が、軸の回転に伴って渦巻ヨークと対向している受感部
の部分が角度に対して直線的に移動するように設定され
ていなく、従って、回転センサとしての最終の出力電圧
信号が、ヨークの移動角度に対して直線関係でない場合
が該当する実施例である。

第８実施例は、磁気抵抗素子が２個に限定される場合で
はなく、ヨークの段差部によって生じる不要信号を識別
して最終の出力電圧信号が偽の信号を生じないように処
理する構造を有する場合に該当する実施例である。

以上説明の第４実施例ないし第８実施例では第１実施例
と同様な作用をする。

なお、第１ないし第８の各実施例において、移動ヨーク
を同じ形状で、受感部に対向している面に垂直に一様に
磁化した永久磁石に変え、固定用磁石をｉｍｆｆｆ率が
大きく残留磁気の少ない軟磁性材料に変えた構成が可能
であり、いずれも第１実施例と同一の作用効果を生じる
。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明のように、ヨーク移動の一部の範囲
において磁気抵抗素子を通る磁束の大きさが増加または
減少するように構成された磁界発生手段と、この磁界発
生手段によって生じる磁気抵抗素子における素子抵抗の
変化を検出する手段とを従来方式の構成要件と組み合わ
せて構成したので、ヨークの移動範囲の全部に亘ってす
なわち、センサの３６０度の回転に亘って、確実に偽の
信号を除去して正しい信号を得ることができる。このた
め、たとえば、産業ロボットの関節の位置制御、レーダ
の追尾装置の角度制御、太陽電池の角度制御、風向計の
角度発信など全周運動が必要な産業上の利用分野に位置
センサとして使用できる。

さらに、従来方式において発生していた無用な偽の段差
信号を弁別するのに、別個の位置検出用素子を追加する
必要がなく、簡単な回路を附加するだけでよいので、セ
ンサの製作が容易であり、安価に製品を供給できる実用
上重要な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の実施例に係る図面で第１
図は第１実施例の３６０度回転センサの構成図、第２図
は第１実施例の電気回路図、第３図は第２実施例の３６
０度回転センサの構成図、第４図、第５図は夫々第４実
施例、第５実施例の３６０度回転センザの構成図、第６
図ないし第１０図は従来方式の回転角センサの説明用図
であって、第６図、第７図は磁気抵抗素子を用いた無接
点センサの構成図とその説明用図、第８図は２個の磁気
抵抗素子を用いた回転角センサの構成図、第９図（Ａ）
　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）は２個の磁気抵抗素子を用い
た場合の回転角センサの出力電圧合成の説明用図、第１
０図は第９図に示した実施例の電気回路図である。 ｌ・・・永久磁石 ３・・・磁気抵抗素子受感部 ４・・・ヨーク　　　　　　　７・・・渦巻ヨーク８・
・・ヨークの回転軸 １４ａ、１４ｂ・・・電圧判別回路 １５ａ、１５ｂ・・・基準電圧回路 １６ａ、１６ｂ・・・アンド回路 １７ａ、１７ｂ・・・アナログスイッチ１８・・・レベ
ルシフト回路 １９・・・偽の信号　　　　２０・・・段差部２１．２
２・・・抵抗判別回路 ２３・・・間隙 特許出願人　　株式会社　緑測器 ９〇− 第３図 ４４端 第６図 第７図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力電圧の両端に接続された２個の入力端子とそ
   の中間に出力端子を備えた複数個の磁気抵抗素子と、上
   記磁気抵抗素子に対し相対的に移動して一定強さの磁界
   を加えると共に移動の一部の範囲内で上記磁界の強さを
   変化させる形状に作製された移動用ヨークまたは永久磁
   石と固定用永久磁石またはヨークから成る磁界発生手段
   と、上記複数個の磁気抵抗素子の各出力電圧の組み合せ
   手段とから成る回転角センサにおいて、上記入力電圧の
   両端と上記各磁気抵抗素子の入力端子との間に入力電流
   が導通可能に挿設されると共にこれら磁気抵抗素子の抵
   抗値の変化に対して“１”、“０”の２値信号をも出力
   する抵抗判別回路と、この抵抗判別回路の出力２値信号
   が上記複数個の磁気抵抗素子の各出力電圧の組み合わせ
   回路にスイッチング信号として接続されて構成すること
   を特徴とする無接点３６０度回転角センサ。
2. （２）移動用ヨークまたは永久磁石はその形状が平面渦
   巻状であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の無接点３６０度回転角センサ。
3. （３）移動用ヨークまたは永久磁石はその形状が円筒渦
   巻状であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の無接点３６０度回転角センサ。
4. （４）磁界の強さを変化させる形状は、両端の段差部が
   重なりを有している形状であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の無接点３６０度回転角センサ。
5. （５）磁界の強さを変化させる形状は、両端の段差部が
   間隙を有している形状であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の無接点３６０度回転角センサ。