JPS60127479A - ベクトル磁界の検知方法及びその装置 - 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】 本発明は、エンコーダ等に用いられるベクトル磁界の検
知方法及びその装置に関する。

近年、ＮＣ：Ｉｎ作機械、産業ロボット等の発展に伴な
って、その精度を決める上で重要な要素となるエンコー
ダーの開発が再び注目さ第１ている。例えば、ロータリ
ーエンコーター−に要求される条件には、高速応答性、
低速域安定性、小型化・特に薄型化、１１６分解能、低
価格等かあげられるが、これらｋｍ足するものは末だ開
発されていない状況にある。特に、磁気方式のエンコー
ダは分解能が悪く、その改善がまたれていた。

ところで、最近複数のコレクタベア？有するトランジス
タ２次元磁気センサか開発され、これをエンコーダ、そ
の他ベクトル磁界の検知に利用する研究か進められ、て
いる。第１図はトランジスタ２次元Ｏｈ気センサの平面
説明図及び第２図はその基本動作を示す断面説明図であ
る。磁気センサの概要をこれらの図に基づいて説明する
。同図において、ＯＬ）はエミッタ、（Ｂ）はベース、
Ｃｃｌ）〜（Ｃ４）はコレクタである。このセンサ（］
）は、４つのコレクタ（Ｃ，）〜（Ｃ４）をもつグレー
ナタイゾのＮＰＮ　トランジスタである。エミッタ（Ｅ
）から注入された電子（ｅ−）は、ベースＣＢ）ｒＲ域
ケ拡散していく。このとき、コレクタＣＣ２）、（Ｃ２
）かエミッタ（Ｅ）ＶＣ対して対称に配置されていると
、ベース（Ｂ）中の電子（ｅ−）は第２図の尖細の示す
ように移動し、コレクタ（ｃ、）と（Ｃ２）に等しく配
分され１両コレクタ（ＣＩ）、　（Ｃ２）に直流差はな
い。このことは、コレクタ（ＣＩ）、　（Ｃ４）の場合
も同様である。

ところが、４ｉ４界Ｈがｙ方間に存在すると、電子（ｅ
−）はローレンツ力によって２方向に力奮受け。

破線に示すように移動し、コレクタ（ＣＩ）の方により
多く到達する。この結東、両コンクタ（２）　、　（Ｃ
２）間に直流差か生じる。この直流差は、磁界Ｈに比例
するりで、この電流差を快出すれば磁界Ｈの値を知るこ
とができる。

次に、ベクトル磁界の検出方法について説明する。磁気
センサの感じる磁界Ｈを２方向の成分に分解して、Ｈｚ
と町に分離して考える。すると、コレクタベア（ＣＩ）
、　（Ｃ４）がＨ２に比例した出力を出し、コレクタベ
ア（ＣＩ）、　（Ｃ２）がＨ，に比例した出力を出す。

コレクタベア（ＣＩ）、　（Ｃ４）の出力ヲＣπ、コレ
クタベア（Ｃ１）、（Ｃ２）の出力Ｃ７とすると、磁場
の方位θは、 θ−＝Ａｒｃｔａｎ（す／Ｃ工）・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・（１ンとなり、磁界Ｈの大きさ
は、 Ｈ””　ｒ７刀Ｉ　・　（２〕 でめられる。

しかし、この磁気センサは通常直流駆動され、直流出力
′山、圧を信号としてＪ収り出して−・るため、次のよ
うな原因によってＳ／Ｎが低ドし、方位角θの角度分解
能の劣化を１ねいている。

（１）　磁気センサを駆動するエミッタ電流をＩＥ、直
流出力電圧をＶｏｕｔとすると、磁界Ｈか一定の場合は
、ＩＥ　ｖｏｕ財毎性は第５図の１＝１．で示されるよ
うに線形となる。し力）し、（ω路中に含まれる差動増
幅器（オペアンプ）およびセンサー自体等の出力は時間
と共に卜゛１）フトするのでｓ　Ｖｏｕｔ　も時間かｔ
＝ｔｏ力）ら２　＝＝ｊｌになるに従って、エミッタ電
流１１Ｈ＋に対応する出力はｖｏからＶ６　＋　ｖｄｒ
　ｉ　／　ｔ　へ変化してしまう。このため、Ｖｏｕｔ
　ｅ信号として取り出す場合には、このドリフト成分が
磁界６１１１定の際の誤差の要因となる。

（２）回路中にＪまれる半導体中−Ｃ゛発生るノイズ及
び外部ノイズが直流出力′電圧Ｖ（＋ｕｔ　のノイズ成
分となり、磁界測定の誤差の要因となる。１　Ｋ　ｌ（
ｚ　８　ｋ　’Ｄ　ロー〕（スフイルタを出力距１１に
設けることによって高周波のノイズｂ父分は除去さハ、
るが、低周波のノイズ及びｉ配流ト゛１シフト成分に関
しては、出力信号自体か１Ｇ流′亀圧であるため、適当
な除去手段が存在しな−・。

本発明は、このような状況ＶＣ，鑑みて発明されたもの
であり、萩知素子として上述のトランジスタ２次元磁気
七ンサ全用い、エンコーターとして矛１」用できること
は勿論、磁気探傷その他に利用することができ、しかも
、少なくとも上述のロータリエンコーダに要求される条
件を瀾だしたベクトル磁界の検知方法及びその装置ｔ？
提供するものである。

本発明に係るベクトル磁界の検知方法は、上述の目的を
達１戊するために、複数のコレクタベアを有し、被検知
物の磁性を２次元にわたって検知するトランジスタ２次
元磁気センサを備え、該磁気センサのエミッタに交流′
電流會供！＠する。次に、磁気センナの各コレクタベア
の出力の差全求める。

エミッタ全交流駆動することにより、磁気センサの出力
差は被検知物からの磁束密度によって振幅変調されたも
のとなる。これらの差信号全検波し、検数後の信号を演
算することにより、被検知物の磁性のベクトル値界の方
位角又は大きさ金求める。

１だ１本発明に係るベクトル磁界の検知装置は、ｒＫ奴
のコレクタベア金有し、被検知物の磁性を２次元にわた
って検知するトランジスタ２次元磁気センサ１該磁気セ
ンサのエミッタに間流厄流全供給する′電源装置；該磁
気ベクトルセンサの各コレフタペアの出力の差をめる差
動増幅器；該差動増幅器の出力をそれぞれ検波する検波
器；該検波器の出力をそれぞれデジタル値に変換するＡ
／Ｄ変換器；及び、該Ａ　／　ｖ変換器の出力に基づい
て被検知物の磁性のベクトル磁界の方位角又は大きさを
演算する演算装置を備えている。

次に、本発明の実施例を図面Ｖこ基づいて説明する。第
４図は、本発明の一実施例に係る検知装置のブロック図
である。

同図において、（１ンは上述の磁気センサであり、エミ
ッタ（ＦＪ）、ベース（Ｂ）及びコレクタ（Ｃ＋）〜（
Ｃ４）から構成されている。エミッタ（Ｅ）には直流′
（５）流源（２）及び交流電流源（３）が１０列に接続
さ第１ている。ペース（Ｂ）は接地されている。（４Ａ
）、　（４Ｂ）はそれぞれカレントミラー回路であり、
一方の回ｈＪ（４Ａ）は、抵抗（Ｒ１）、　（Ｒ２）及
び差動増幅器（Ａ＋）から構成され、コレクタベア（Ｃ
３）、（Ｃ４）の出力′電流（Ｉｚ＋）　、（ＩＩ２）
か供給される。他方の回路（４Ｂ）は、同様に抵抗（’
Ｒ３）、　（Ｒ４）及び差動増幅器（Ａ２）から構成さ
れ、コレクタベア（ｃ、）、　（Ｃ２）の出力電流（Ｉ
　２＋　）　Ｉ　（Ｉ２２）が供給される。（５Ａ）、
　（５Ｂ）　ｈそれぞれ電流／電圧変換器であり、一方
の変換器（５Ａ）は、抵抗（Ｒ５）、直流電源（Ｅｃａ
）及び差動増幅器（Ａ３）から構成され、カレントミラ
ー回路（４Ａ）の出方電流（シ）が供給される。そして
、電流値（シ）に対応した電圧（÷、ｃ）が得られる。

他方の変換器（５Ｂ）は、同様に抵抗（Ｒ６）、直流電
源（Ｖｃ　ｂ　）から構成され、カレントミラー回路（
４Ｂ）の出力電流（”ｒＱ）が供給される。そして、電
（６Ｂ）はそれぞれバンドパスフィルタであり、磁束密
度の情報τ−よんでいる周波数帯域のみが取り出される
。次に、検波器（’１［］Ａ）、　（１０Ｂ）によって
、振幅検波を行なう。（７Ａ）、　（７Ｂ）はそれぞれ
Ａ　／　Ｄ変換器であり、バンドパスノイルり（６Ａン
、　（６Ｉｔ）ノｙすログ出力全ディジタル値に変換す
る。（８）は演算装置であり、マイクロコンピュータか
ら構１ＪＩＥ　サ；ｈ、Ａ／Ｄ変換器（７Ａ）、　（７
Ｂ）の出力に基づいて被検知物の磁界の方位又は大きさ
を演算する。＜９）　ｉ−、を出力表示部であり、演算
装置（８）の演算結果を表示する。

このような検知装置ヲエンコーダとして使用する場合は
、被検知物に永久磁石を取付ければよい。

今、例えば、磁気センサ（１）の磁束密度ｉＢ、磁気セ
ンサ（１）のエミッタ電流を１１．出力電圧をＶ。ｕｔ
とすると、Ｂ−Ｖｏｕｔ　特性及びＩ　Ｂ　Ｖｏｕｔ％
性Ｉ−ｉ線形であるから、第５図に示すように、 Ｂ＝１３．　のとき　■。ｕｔ＝ａＢＩＩｇ　・・・・
・・・・・・・・・・・（３）Ｂ＝Ｂ２　のとき　Ｖ。

ｕｔ””ＡＢ２１ｚ　・・・・・・・・・・・・・・・
（４）と表わされる。但し、Ｂ２〉Ｉ３１．ａは比例定
数である。この実施例では、直流′電流源（２）と交流
電流源（３）かエミッタ（Ｅ）に与えられているので、
そのエミッタ電流■、　７．Ｌ’、 １４°ＩＰ：ｏ＋△Ｉ［、ｓｉｎｗＬ、　−・・・・・
−（５）と表わすと、出力＋１７；Ｉ王Ｖ。ｕｔは、Ｂ
＝１３．のとき　”ｏｕｔ　＝　ａ　Ｂ＋　（Ｉ　ＥＯ
＋△ＩＥ　ｓｉｎｗｔ）＝（６）Ｂ＝８２のとき　ｙ。

、、ｔ＝　ａ　Ｂ２　（ｌ　ＥＯ＋△Ｊ　＞Ｈｓ　ｉ　
ｎ　ｗｔ）−（−／）七なる。このときの間流成分の飯
幅υｏｕｔはＢ＝Ｂ、のとき　υ。ｕｔ＝２ａ△ＩＥ−
Ｂ】　・・・・・・・・・・・（鞄Ｂ＝Ｂ２のとき　Ｕ
。ｕ　ｔ＝　２　ａ△工。・Ｂ２　・・・・・・・・・
・・（９）となり、磁束密度ＢＶｃ比例して変調されて
いることがわかる。

従って、磁気センサ（１）の各コレクタ（ｃｌ）〜（Ｃ
４）Ｋけ、磁束密度ＢＫ比例Ｌ−１＋、（６）、　（７
）式に示される電圧が現われる。このコレクタ（ｃｌ）
〜（Ｃ４）はカレントミラー回路（４Ａ）、（ｌｉＢ）
に接続されているので、上記の出力電圧に対応した脈動
直流が流れる。

今、コレクタベア（Ｃ３）、　’　（Ｃ４）　の出方電
流を（エエ、）。

（１２２）と１力レントミラー回路（４Ａ）の抵抗（Ｒ
，）。

（Ｒ２）Ｉｃ　ｒ’ｊ＆　ｈ、　ルミ１Ａｔ　ｋ　ｒＩ
ｌ）、　（Ｉ２）　（！：　Ｌ、コノ回路（２Ａ）の出
力゛電流金（△ｉｃ）とすれば、差動増幅器（Ａ＋）の
入力端子に流れ込む電流は無視できるので、Ｉｚ＋　”
”　１１　・・団・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・（１１１工２　＝　Ｉ２＋△１
．　・・曲・・・・・・　・・・・・・・・・　・・・
・・・・０υとなる。１だ、差動増幅器（ｐ、ｌ）の非
反転人力端子の電位を（■＋）とし、反転入力端子の電
位を＜Ｖ　＞とじ、セして出力端子の市位葡（÷Ｏｏ　
ｔ　）とすれば、となる。ここで、ξ−÷−であるから
、Ｒ１”　Ｉ＋　＝Ｒ２・工２ となる。（５）式ヲ（２）式に代入すると、ＲＩ＝Ｒ２
とすると、 △Ｉｃ”’ｌ！ｔ２Ｉｚｌ　・・・・・・・・・・・・
０Ｑとなる。このようにして、コレクタベア（Ｃ３）　
、　（Ｃ４）の差電流（△Ｉｃ）、すなわち（Ｉ工）が
得られる。この（ｉよ）は、電流／電圧変換器（５Ａ）
で′電圧（Ｖ、、）に変換され、磁界の２方向成分に相
当する′電圧値（ｖよ）が得られる。コレクタベア（Ｃ
＋）　、　（Ｃ２）の出力電流（′Ｘ＋）、（”Ｉ　２
）も、同様にカレントミラー回路（４Ｂ）ｙ 及び電流／電圧変換器（５Ｂ）により％磁界の７方向成
分に相当する電圧値（Ｖ、）に変換される。ここで。

電流／を圧変撓器（５Ａ）、　（５Ｂ）の直流電源（Ｆ
、ｃａ）−（Ｅｃｂ）　ｌ′ｉ同−電位（ＥＣ＞となっ
ており、差動増幅器の非反転入力端子の電位と反転入力
端子の電位は等電位であるから、各コレクタ（Ｃ＋　）
、　（Ｃ２）、　（Ｃｓ）。

（Ｃ＜＞Ｋは同−電圧（ＺＣ＞が印加され、安定した動
作が可能になっている。

電流／電圧変換器（５Ａ）、　（５Ｂ）の出力は、バン
ドパスフィルタ（６Ａ）；　（、！ＳＲ）に与えられ、
（８Ｌ　（９１式で示される交流成分１ｅａ１１ｔが取
り出される。これによって、差動増幅器の直流ドリフト
５２分や低周波のノイズ成分が除去される。次に、この
交流成分＃ｏｕｔの振幅検波’ｋ　（１０Ａ）　、　（
１０Ｂ＞で行なう。バンドパスフィルタ（６Ａ）　、　
（（ＳＢ）の出力の振幅ケそれぞれ−よ、・、とすると
、ＺｒＬらはＡ／Ｄ変換器（７Ａ）。

（７Ｂ）でディジタル値に変換され、演算装置（８）で
次式の演算か行なわれる。

θ＝＝：Ａｒｃｔａｎ（ｙ、／’ｚ）”’−−”・−−
Ｈこのよってして、磁界の方位θ、すなわち角度がめら
れ、出力表示部（９）に表示される。θの大きさが小さ
くなると、上記演算の誤差が大きくなるので、このよう
な場合には θ＝　Ａｒｃ　ｃｏｔ　（’ｚ　／　’ρ・・・・・・
・・・・・・・・・・・・α樽でめる。

この実施例では、本装置をエンコーダとして利用するこ
とを前提に説明したが、磁気探鶴に利用する場合には、 Ｈ＝Ｋ　９　＋　、、２　・・・・・・・・・・・僧に
より、磁界の大きさをめればよい。但し、Ｋは比例定数
である。

第６Ａ図及び第６Ｂ図は、従来の直流駆動の場合の出力
電圧のドリフト変動分及び前記実施例の場合のそれ全そ
れぞれ示しており、前者ｆｄ　３．５　ｍＶ／２分であ
ったものが、後者は０．５　ｍＶ　／　２分となってお
り、前記実施例によればＳ／Ｎが約１７ａＢ（７倍）向
上している。

なお、上述の実施例では、磁気センサのコレクタベアが
２組である場合について説明したが、ろ組以上のコレク
タベアを有するものであっても同様に本発明を構成する
ことができる。１だ、磁気センサはＮＰＮ型のものだけ
でｆｉ＜、ＰＮＰ型のものであっても良い。

以上のように、本発明によれば、磁気センサの駆動電流
に交流成分をきませるようにし、その出力信号の振幅値
を抽出して信号処理するようにしたので、慶動増幅器等
のドリフト成分、低周波ノイズ等か除去され、高速応答
性、低域安定性、小型化、筒分解能、低画格等の諸条件
を満足した検知方法及びその装置の実現かロエ能となっ
ている。。

【図面の簡単な説明】

第１図は２次元磁気センサの平面説明図、第２図は２次
元磁気センサの基本動作を示す断面説明図、第５図は直
流駆動によるＩＥ　Ｖｏｕｔ　％性図、第４図は本発明
の一実施例に係る検知装置のブロック図、第５図は前記
実施例のＩＩ、−Ｖｏｕｔ％性図、第６Ａ図及び第６Ｂ
図は直流駆動による変動分を示す出力特性図及び前記実
施例の出力特性図である。 （１）・・・２次元磁気センナ、（２）・・・直流“電
流源、（３）・・・交流電流源、（４Ａ）　、　（４Ｂ
）・・・カレントミラー回路、（５Ａ）　、　（５Ｂ）
　・・・電流／電圧変換器、　（６Ａ）−、（６Ｂ）・
・・バンドパスフィルタ、　（７Ａ）　、　（７Ｂ）　
・・・Ａ／Ｄ変換器、（８）・・・演算装置、（９）・
・・出力表示部、（ＩＯＡ）。 （１０Ｂ）・・・振幅検波器。 代理人　弁理士　木　村　三　朗 １　、小　色　の　！ぐ　ノｊく 特願昭５８−２３３５５７号 ２、発明の名称 ベクトル磁界の検知方法及びその装置 名　（ろ、 （Ｉｔ　’？、）　（４１２）日本鋼管株式会社４、代
理人 ６、抽１１の月象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄及び図面７　補市の
内ヤ、 （１）明細書第６頁第１６行［コレクタ（Ｃ，＋）Ｊを
、［コレクタ（Ｃ２）Ｊと補正する。 （２）明細書第８頁第７行「直流電源（Ｖｃｂ）」を、
「直流電源（Ｅｃｂ）Ｊと補正する・ （３）図面の第１図を別紙補正図面のとおり補正する。 （４）図面の第４図を別紙補正図面のとおり補正する。 以上 第１

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数のコレクタベアを有し、被検知物の磁性を２
   次元にわたって検知するトランジスタ２次元磁気センサ
   ケ備え、該磁気センサのエミッタに交流電流ケ供給し、
   該磁気センサの各コレクタベアの出力の差をめ、これら
   の差１ｇ号を検波し、検波後の信号を演算することによ
   り、被検知物の磁性のベクトル磁界の方位角又は大きさ
   をめることを％償とするベクトル磁界の検知方１Ｊｉ。
2. （２）成畝のコレクタベアを有し、被検知物の磁性を２
   次元にわたって検知するトランジスタ２次元磁気センサ
   ；該磁気センサのエミッタに間流電流を１共給する市諒
   装置ｄ、；該磁気ベクトルセンサの各コレクタベアの出
   力の差をめる差動増幅器；該差動増幅器の出力をそれぞ
   れ検波する検Ｖ器；該倹？皮器の出力を・それぞれデジ
   タルｌ１ｌｊ−に変侯するＡ／Ｄ変換器；及び、該Ａ　
   ／　Ｄ変換器の出力に基づいて被検知物の磁性のベクト
   ル磁界の方位角又は大きさを演算する演算装＃全備えた
   ことを特徴とするベクトル磁界の検知装置。