JPH06347287A - 磁気式の変位・回転検出センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンパクトで検出感度の高い磁気式で非接触
の変位・回転検出センサの提供。 【構成】 一定のピッチＰで磁極１２を交互に反転配置
した磁束発生源としての磁極円板１１と，磁極１２に対
向配置した磁気センサ２０と，検出信号を処理する演算
部３０を有する変位・回転検出センサ１０である。磁気
センサ２０は，同一基板１５上に配置した一対の磁気抵
抗ユニット２１，２２からなり，磁気抵抗ユニット２
１，２２は，磁極１２のピッチの１／４となる間隔ｄで
互いに平行に配置されている。演算部３０は，磁気抵抗
ユニット２１，２２の検出信号を２値化して演算処理を
行う。演算部３０も同一基板１５に搭載するのが好まし
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，非接触で対象の変位や
回転量を検出するコンパクトで高精度な磁気式の変位・
回転検出センサに関する。

【０００２】

【従来技術】検出対象に磁束発生源を装着し，検出対象
の位置の変化量や回転量を磁束の変化により検出する磁
気式の変位又は回転の検出センサがある。その１つは，
センサ部に磁気ヘッドを用いるものであり，磁束発生源
に数１０〜数１００μｍと極めて近接させて変位を検出
するものである。本方式は，センサを対象に対して極め
て近接させる必要があるから，振動の多い所や，小さな
異物がギャップに入り込み易いような所には用いること
ができない。

【０００３】上記欠点を補う非接触の磁気式の変位・回
転検出センサとして，永久磁石と磁気センサを用いて，
両者のギャップを比較的大きく取ったものが用いられて
いる。このセンサ９は，例えば図６に示すように磁極９
１を交互に反転配置した磁束発生源の磁極円板９０とパ
ッケージに封入した磁気抵抗センサ９２とをギャップを
設けて配置するものである。

【０００４】上記磁気抵抗センサ９２は，図７に示すよ
うに，同一基板９３上に，空間的に９０°ずつ交互に回
転配置した４つの異方性の磁気抵抗素子９２１〜９２４
からなるものであり，該磁気抵抗素子９２１〜９２４
を，図８に示すようにブリッジ回路の各辺に挿入したも
のである。

【０００５】そして，磁極円板９０が回転すると，磁気
抵抗センサ９２に鎖交する磁束の方向は交互に変化す
る。即ち，磁極９１の中心が磁気抵抗センサ９２の直下
に最接近したとき，磁束は磁極円板９０の法線方向とな
り，磁気抵抗センサ９２がＮＳ両磁極９１の中間にある
ときは，磁束は磁極円板９０の接線方向となる。

【０００６】その結果，ブリッジ回路９３の出力電圧Ｖ
₀ は，図９（ｃ）の実線カーブ８１に示すように変化す
る。なお，磁束密度が磁気抵抗素子９２１〜９２４の飽
和領域にあれば，上記カーブ８１は台形波状に変化す
る。そして上記図９に示すように，出力電圧Ｖ₀ は，磁
極の１ピッチ（Ｎ−Ｓ極間の間隔）の変化の間に，１サ
イクル変化し，この波山と波谷とをカウントすることに
より，磁極の１／２ピッチの変位を計測することができ
る。なお，図９（ａ）は，磁気抵抗センサ９２を通過す
る磁極９１の位置を表し，（ｂ）はそれに伴う磁気抵抗
素子の抵抗値の変化（但し一方の対のみ）を示すもので
ある。

【０００７】なお，回転センサの場合は，磁極ピッチを
同一にして，磁極円板の径を大きくすれば，検出感度
（検出可能な最小変位又は回転角，以下同じ）を上昇さ
せることができる。また，リニア変位センサの場合は，
磁気センサが検知可能な範囲で磁極ピッチを狭くして，
極数を増やすことにより検出感度を上昇させることがで
きる。

【０００８】

【解決しようとする課題】しかしながら，図６に示す非
接触式の変位・回転検出センサ９には，次のような問題
がある。リニア変位センサにおいては，検出感度を上げ
るには磁極ピッチを小さくする必要があるが，磁極ピッ
チを小さくすれば，磁束発生源と磁気抵抗センサとの間
の最大ギャップを小さく取る必要がある。そして，磁束
発生源と磁気抵抗センサとの最大ギャップが小さくなれ
ば，変位・回転検出センサの寸法精度が厳しくなると共
に，振動等の影響を受け易くなり，設置条件が厳しくな
るという問題がある。従って，耐振性等を保持して，検
出感度を上げることは，極めて困難である。

【０００９】一方，回転検出センサの場合には，検出感
度を上げるためには，磁極円板の径を大きくすればよい
が，回転検出センサが大型化するという問題がある。本
発明は，上記従来の変位・回転検出センサの問題点に鑑
みて，コンパクトにして検出感度の高い磁気式の変位・
回転検出センサを提供しようとするものである。

【００１０】

【課題の解決手段】本発明は，一定のピッチで磁極を交
互に反転配置した磁束発生源と，該磁束発生源の磁束を
検知すべく上記磁極に対向配置した磁気センサと，該磁
気センサの検出信号を演算処理する演算部とを有する磁
気式の変位・回転検出センサであって，上記磁気センサ
は，同一基板上に配置した一対の磁気抵抗ユニットから
なり，該一対の磁気抵抗ユニットは，上記磁極のピッチ
の１／４の位相差角となる間隔で互いに平行に配置され
ており，一方，演算部は，磁気抵抗ユニットの検出信号
を２値信号化して変位又は回転値の演算処理を行うこと
を特徴とする変位・回転検出センサにある。

【００１１】本発明において，最も注目すべきことの第
１は，磁気センサが一対の磁気抵抗ユニットからなり，
２個の磁気抵抗ユニットは，磁極の１ピッチの位相差を
２πとしたとき，その１／４の位相差角，即ちπ／２と
なる位置に配置したことである。そして，上記一対の磁
気抵抗ユニットは，一枚の基板上に配置したことであ
る。

【００１２】即ち，磁極を直線上に配置した場合には，
磁気抵抗素子は，磁極の間隔Ｐ（Ｎ−Ｓ極間隔）の１／
４の間隔に配置する。一方，磁極を円周上に配置した場
合には，磁極のピッチが円心に対してθの角度を有する
とき，磁気抵抗素子の間隔はθ／４の角度差となる位置
に配置するものである。なお，磁気抵抗ユニットは，磁
気抵抗素子を抵抗−電圧（電流）変換回路に組み込んで
なるものであり，磁気抵抗素子を組み込んだブリッジ回
路，ポテンショ回路（抵抗分圧回路）などがある。

【００１３】本発明において，最も注目すべきことの第
２は，磁気抵抗ユニットの検出信号を受信する演算部
は，アナログ値である上記検出信号を２値信号に変換
し，２値信号化された検出値を演算して変位又は回転値
を演算処理することである。

【００１４】即ち，例えば磁気抵抗素子をブリッジ回路
の一辺とすることにより，磁気抵抗素子の抵抗値を電圧
値に変換し，更に適当なバイアス電圧（しきい値電圧）
を付加したシュミット回路等により２値信号に変換する
ことができる。そして，上記２値信号を演算処理するこ
とにより，磁束発生源の変位や回転値に変換する。

【００１５】なお，上記磁気抵抗ユニットと演算部と
は，単一の基板上に形成することが好ましい。一対の磁
気抵抗素子と演算部とを同一の基板上に搭載することに
より，磁気センサと演算部とを一つのパッケージにまと
めることができ，変位・回転検出センサ全体を小型化す
ることができるからである。

【００１６】

【作用及び効果】本発明にかかる変位・回転検出センサ
においては，磁気センサとしての磁気抵抗ユニットは，
磁極のピッチの１／４の位相差角となる位置に配置され
ている。そして，各々の磁気抵抗ユニットの検出信号
は，２値信号，例えば（０，１）の２進値に変換され
る。そして，各磁気抵抗ユニットの出力信号は，磁極の
１ピッチの変化の間に（０，１）の信号値の変化を生ず
る。

【００１７】そして，２つの磁気抵抗ユニットの間に
は，１／４の位相差がある。従って，図５（ｅ）に示す
ように，二つの磁気抵抗ユニットの信号の組合せとして
は，（０，０），（０，１），（１，０），（１，１）
の４つの信号の組合せがあり，それらは，磁極の１／４
ピッチの変化に対応させることができる。

【００１８】図５において，（ａ）は，磁気抵抗ユニッ
トに対する磁極の位置を示し，（ｂ）は，磁気抵抗素子
が挿入されたブリッジ回路など磁気抵抗ユニットの出力
電圧Ｖ₁ ，Ｖ₂ の変化を示す。そして，図５（ｃ），
（ｄ）は，それぞれの出力電圧Ｖ₁ ，Ｖ₂ を２値化した
パルスＤ₁ ，Ｄ₂ を示す。また，図５（ｅ）は，上記２
値パルスＤ₁ ，Ｄ₂ の組合せ状態Ｓを示すものである。

【００１９】上記のように，本発明の変位・回転検出セ
ンサによれば，わずか２つの磁気抵抗ユニットを用いる
ことにより，磁極の１／４ピッチの変位を検出すること
ができ，検出感度が倍増する。即ち，従来の回転検出セ
ンサにおいては，センサに同一の磁束密度変化を与え
て，回転の検出感度を２倍にするためには，磁極のピッ
チを同一とし，磁極円板の半径を２倍にする必要があっ
た。しかしながら，本発明によれば，磁極円板は元のま
までよく，その大きさは変わらない。

【００２０】また，従来のリニア変位センサでは，検出
感度を２倍にするためには，磁極ピッチを１／２にする
必要があり，そのため磁気抵抗ユニットと磁極とのギャ
ップを狭める必要があった。しかし本発明は，そのよう
な変更は不要である。

【００２１】また，上記２つの磁気抵抗ユニットは，同
一基板上に搭載してある。それ故，磁気センサ部は，１
つのパッケージにまとめることが可能であり，従来の変
位・回転検出センサにおいては，２ヶ所に磁気センサを
配置する場合には，２パッケージの磁気抵抗センサ９２
を用いる必要があったのに対して，大幅にコンパクトに
なる。

【００２２】また，２つの磁気抵抗ユニットを，同一基
板上に搭載することにより，磁気抵抗ユニット相互の位
置関係を極めて正確かつ均一にすることができると共
に，相互の位置ずれなどが生じない。そして，磁束発生
源と磁気抵抗ユニットとの距離が，磁気抵抗ユニット毎
にばらつくことがない。それ故，均一で安定した精度の
高い変位・回転検出センサを得ることができる。

【００２３】また，磁気抵抗ユニット２１，２１の検出
信号は，変換部において２値信号化されて演算処理が行
われる。このようにディジタル化して磁極の変位を計測
するから，アナログ信号処理の場合のように温度変化，
電源変動，雑音等に対してもエラーが生じにくく，検出
精度が安定的である。

【００２４】更に，前記のように，変換部を含めて単一
の基板上に搭載すれば，変換部を含めて単一パッケージ
化することができ，一層のコンパクト化を実現すること
ができる。上記のように，本発明によれば，コンパクト
にして検出感度の高い磁気式の変位・回転検出センサを
提供することができる。

【００２５】

【実施例】本発明の実施例にかかる変位・回転検出セン
サについて，図１〜図４を用いて説明する。本例は，図
１，図２に示すように，一定のピッチＰで磁極１２を交
互に反転配置した磁束発生源としての磁極円板１１と，
該磁束発生源の磁束を検知すべく，磁極１２に対向配置
した磁気センサ２０と，磁気センサ２０の検出信号を演
算処理する演算部３０とを有する変位・回転検出センサ
１０である。

【００２６】磁気センサ２０は，図１に示すように，同
一基板１５上に配置した磁気抵抗ユニット２１，２２か
らなり，該一対の磁気抵抗ユニット２１，２２は，磁極
１２のピッチＰの１／４の位相差角となる間隔ｄで互い
に平行に配置されている。

【００２７】一方，演算部３０は，磁気抵抗ユニット２
１，２２の検出信号を２値信号化して変位又は回転値の
演算処理を行う。また，上記演算部３０と，一対の磁気
抵抗ユニット２１，２２とは，同一の基板１５上に形成
されている。

【００２８】以下，それぞれについて詳説する。本例
は，自動車の速度の検出など，振動のある所で用いられ
る変位・回転検出センサ１０であり，回転数を検出する
ものである。図２に示すように，磁束発生源としての，
半径Ｒの磁極円板１１上には数１０極の磁極１２が配設
されており，磁極１２のピッチＰは約４ｍｍである。

【００２９】そして，磁極１２に対して０．５〜４ｍｍ
のギャップＨを取って，磁気センサ２０が取付けられて
いる。磁気センサ２０は，図１に示すように，磁気抵抗
素子２１１，２２１を構成要素とするブリッジ回路から
なる磁気抵抗ユニット２１，２２を有する。そして，磁
気抵抗ユニット２１，２２は，磁極１２のピッチの１／
４の間隔ｄ（正確にはｄ＝０．２５Ｐ×（１＋Ｈ／
Ｒ））で，互いに平行に配置されている。

【００３０】そして，図３，図４に示すように，磁気抵
抗素子２１１，２２１は磁束密度Ｂ₁ ，Ｂ₂ の変化によ
り，その抵抗値Ｒ₁ ，Ｒ₂ を変化させ，ブリッジ回路の
一辺に挿入されている。そしてブリッジ回路の出力
Ｖ₁ ，Ｖ₂ は，Ａ／Ｄ変換回路３３，３４で，２値信号
Ｄ₁ ，Ｄ₂ に変換される。Ａ／Ｄ変換回路３３，３４の
出力Ｄ₁ ，Ｄ₂ は，排他的論理和（ＥＸ・ＯＲ）回路３
５においてパルス逓倍化される。ＥＸ・ＯＲ回路３５の
出力Ｄ₃ は，図１には図示しないカウンタ回路３６に入
力され，そのパルス数ｎの計数が行われる。

【００３１】そして，図１に示すように，上記ブリッジ
回路，Ａ／Ｄ変換回路３３，３４，排他的論理和回路３
５は，すべて同一基板１５上に形成されている。また，
上記基板１５はプラスチックケース１６にモールドされ
ている。図１において，符号４１，４２は電源端子，符
号４３，４４はパルス出力端子である。

【００３２】本例の変位・回転検出センサ１０は，図４
に示すように，磁極１２の１ピッチの変化図４（ａ）に
対して，４パルスの出力を発生させる。即ち，１パルス
は，１／４ピッチに相当し，磁極１２のピッチＰの１／
４の変位を検出することができる。従来の変位・回転検
出センサ（図９）は，１／２ピッチを検出するものであ
るから，検出感度は倍増する。

【００３３】上記のように，本例の変位・回転検出セン
サ１０によれば，磁束発生源の磁極１２のピッチＰ及び
磁極円板１１の大きさを同一のまま，磁気抵抗ユニット
２１，２２を２個用いることにより，検出感度を倍増
（１／４ピッチ検出）することができる。

【００３４】また，磁気抵抗ユニット２１，２２及び変
換部３０の回路を同一の基板１５上に形成して１パッケ
ージ化してあるから，磁気センサ部と演算部とは一体化
され極めてコンパクトにすることができる。また，２つ
の磁気抵抗ユニット２１，２２を，同一基板１５上に搭
載することにより，相互の位置関係を極めて正確かつ均
一にすることができると共に，相互の位置ずれなどが生
じない。

【００３５】そして，磁束発生源と磁気抵抗ユニット２
１，２２との距離が，磁気抵抗ユニット２１，２２毎に
ばらつくことがない。それ故，均一で安定した精度の高
い変位・回転検出センサ１０を得ることができる。ま
た，基板１５はプラスチックケース１６の中にモールド
してあるため，外部環境の変化に対して極めて安定であ
る。

【００３６】また，図４から知られるように，本例の演
算部３０は，検出信号をディジタル化して，パルス数を
計測をすることにより，変位を検知している。そして，
発生するパルス数ｎが変化しなければエラーが生じない
から，電源電圧変動，温度変化等に対してもエラーが生
じにくい。上記のように，本例によれば，コンパクトに
して検出感度の高い安定した磁気式の変位・回転検出セ
ンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の変位・回転検出センサの説明図。

【図２】実施例の変位・回転検出センサの全体説明図。

【図３】実施例の変位・回転検出センサの回路構成図。

【図４】実施例の変位・回転検出センサの信号説明図。

【図５】本発明にかかる変位・回転検出センサの信号説
明図。

【図６】従来の変位・回転検出センサの全体説明図。

【図７】従来の変位・回転検出センサの磁気抵抗素子の
配置図。

【図８】従来の変位・回転検出センサの磁気抵抗素子の
接続図。

【図９】従来の変位・回転検出センサの信号説明図。

【符号の説明】

１０．．．変位・回転検出センサ， １１．．．磁極円板， １２．．．磁極， １５．．．基板， ２０．．．磁気センサ， ２１，２２．．．磁気抵抗ユニット， ３０．．．演算部， Ｐ．．．ピッチ，

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定のピッチで磁極を交互に反転配置し
   た磁束発生源と，該磁束発生源の磁束を検知すべく上記
   磁極に対向配置した磁気センサと，該磁気センサの検出
   信号を演算処理する演算部とを有する磁気式の変位・回
   転検出センサであって，上記磁気センサは，同一基板上
   に配置した一対の磁気抵抗ユニットからなり，該一対の
   磁気抵抗ユニットは，上記磁極のピッチの１／４の位相
   差角となる間隔で互いに平行に配置されており，一方，
   演算部は，磁気抵抗ユニットの検出信号を２値信号化し
   て変位又は回転値の演算処理を行うことを特徴とする変
   位・回転検出センサ。
2. 【請求項２】 請求項１において，上記一対の磁気抵抗
   ユニットと演算部とは，同一の基板上に形成してあるこ
   とを特徴とする変位・回転検出センサ。