JPS6266116A - 回転センサ - 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、半導体磁気抵抗素子を用いた回転センサに関
し、特に電気角で９０度の位相差を持った主出力信号と
副出力信号を同時に出力する２相弐の回転センサに関す
る。

〔従来技術〕

従来、この種の二相式回転センサは、磁性材料からなる
歯車と、磁気バイアスを与える永久磁石と、該永久磁石
に設けられ、歯車の回転方向に対して所定寸法離間させ
て歯形と対向配設された２個一対の磁気抵抗素子からな
る二対の検出部とを有し、各対の検出部を構成する磁気
抵抗素子はそれぞれ一方が歯先と対向しているとき、他
方が歯底と対向する関係に配置する。そして、歯車が回
転するとき、歯先と対向する磁気抵抗素子の抵抗部の磁
気抵抗素子を直列に接続して電圧を印加し、該各抵抗素
子間から凹凸をもった正弦波に近い出力電圧を導出する
ように構成される。しかも、この際各検出部からの出力
信号が９０度（π／２）の位相差をもつように配設され
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記従来技術によるものは、次のような問題点
があった。第１に、各検出部を構成する２個の磁気抵抗
素子は、歯車のモジュール等に基づいである範囲に配設
すれば出力電圧が得られ、この範囲で十分に使用可能と
考えられていた。と信号 ころが、従来技術による出力ｔ”ｔの波形は、正弦波に
近い波形とはなるものの、波形歪、波高値等の変動のた
めに、これをデジタル化した場合にスレッシュホールド
レベルの設定誤差によりパルスのデユーティの変動が大
きくなるという問題点があった。第２に、二対の検出部
を９０度の位相差を、もって配設する場合にも高精度な
位置決めが困難であり、正確な位相差を規定することが
できないという問題点があった。

本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みなされたも
ので、各対の検出部では歯車の歯に対応し、正弦波に極
めて近似した高出力信号を得ることができるようになし
、かつ各検出部の出力信号は正確に９０度（π／２）の
位相差を得ることができ、もって高精度な信号処理を可
能とした回転センサを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するため、本発明が採用する構成の特
徴は、各対の検出部を構成する２個の磁気抵抗素子は歯
車のピッチ円でのピッチの２以上で、歯先円でのピッチ
の２以下の寸法！で離間させ、かつ各検出部からの出力
信号がπ／２の位相差を持つように、該各検出部の離間
寸法Ｗが、β ｗ＝　−（２ｎ　＋　１　）の間隔（ただし、ｎは整数
）となるよう配設したことにある。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について、第１図ないし第８図に
基づき詳細に述べる。

第１図ないし第６図は第１の実施例に係り、第１図にお
いて、１はインボリュート歯車からなる平歯車で、該歯
車１は例えばフェライト、パーマロイ、純鉄等の磁性材
料から形成されている。また、歯車１は歯数２の歯形１
’Ａ、ＩＡ、・・・を有し、かつｄなるピッチ円直径を
有している。従って、この歯車１のモジュールｍは、 ｍ　＝　ｄ　／　ｚ　　　　　　　　　　　　　　・・
・（１）で表わされる。

２は本実施例によるセンサ本体で、該センサ本体２は磁
気バイアスを与える永久磁石３と、該永久磁石３のＮ極
側着磁面に歯車１の回転方向Ｒに対して後述する所定の
寸法関係Ｗをもって歯形ＩＡと対向配設された二対の検
出部４．５とから構成されている。ここで、各対の検出
部４．５はそれぞれ２個の磁気抵抗素子４Ａと４Ｂ、５
Ａと５Ｂから構成され、磁気抵抗素子４Ａと４Ｂの間、
磁気抵抗素子５Ａと５Ｂの間はそれぞれ後述する所定の
寸法関係ｌだけ離間されている。そして、前記各検出部
４，５は第２図、第３図に示す如く各磁気抵抗素子４Ａ
と４Ｂ、５Ａと５Ｂが直列接続されると共に、当該直列
接続が端子６．７間に並列に挿入されて端子６側から電
圧＋Ｖｉｎが印加され、各磁気抵抗素子４Ａ、４Ｂ間、
５Ａ、５Ｂ間の出力端子８，９から出力電圧Ｖｏｕｔ４
、Ｖｏｕｔ５が第４図に示すように９０度の位相差をも
って導出されるようになっている。

次に、検出部４．５を構成する磁気抵抗素子４Ａと４Ｂ
間、５Ａと５Ｂ間の離間寸法ｌについて検討する。

説明の煩雑さを避けるために、以下一方の検出部４につ
いて述べる。さて、磁気抵抗素子４Ａ。

４Ｂは素子感磁面に直交する磁束成分によって抵抗値が
変化するもので、歯車１の回転に伴って、第５図に示す
抵抗変化を示す。即ち、歯車１の歯先が磁気抵抗素子４
Ａ、４Ｂと対向すると、永久磁石３からの磁界は素子感
磁面にほぼ直交して歯先へと出るから、該磁気抵抗素子
４Ａ、４Ｂの抵抗値Ｒ４Ａ、Ｒ４Ｂは高くなる。次に、
磁気抵抗素子４Ａ、４Ｂが歯車１の歯溝と対向すると、
永久磁石３からの磁界は隣接する歯先の方へ分散するた
め、抵抗値Ｒ４Ａ、Ｒ４Ｂは低くなる。

いま、磁気抵抗素子４Ａの抵抗値Ｒ４Ａの抵抗変化は、
歯数２の歯車ｌの回転角θに対して、Ｒ４Ａ（θ）＃Ｒ
＋ΔＲ５１ｎ（ｚ−θ）　　　　・・・（２まただし、
Ｒ：固有抵抗 ΔＲ：抵抗変化量 として、表わすことができる。

一方、磁気抵抗素子４Ａから距離ｌだけ離間している他
の磁気抵抗素子４Ｂについてみると、この抵抗値Ｒ４Ｂ
は回転角θに対して、 ！ Ｒ４Ｂ（θ）嬌Ｒ＋ΔＲ５１ｎ（ｚθ＋−Ｘ　２　Ｗ　
）ｔ。

ｄ　π ＝Ｒ＋ΔＲ５１ｎ（ｚθ＋□×２π） ｍ　π ・・・（３） タタし、ｔｏ　：歯車１のピッチ円におけるピッチとし
て表わすことができる。

次に、出力端子８からの出力電圧Ｖｏｕｔ　４は、前記
（２１，（３）式から、 となる。

そこで、（４）式を微分すると、Ｖｏｕｔ４　（θ）の
最ｔ。

大（直Ｖｏｕｔ４　（θ）ｗａｘは、θ＝π／２ＺＳ１
＝−、のときで、次の（５）式のようになる。

また、最小値■・・ｔ４（θ）普ａよ、θ＝３・／２７
、ｔ。

ｌ＝□のときで、次の（６）式のようになる。

このように、計算上では磁気抵抗素子４　Ａ、４Ｂの離
間寸法βは、１　＝　ｔ　ｏ　／　２のときに最大出力
が得られ、ｉｔ　＃　ｔ　ｏ　／　２のときには出力が
低下する。そして、ｘ＝ｔｏ／２のときの出力Ｖ　ｏｕ
　ｔ４　（θ）は、 ・・・（７） となり、単純な正弦波５ｉｎ（Ｚθ）の関数として得ら
れ、（７）式を図示すれば第６図のような出力波形とな
る。

さて、前述の説明では歯車１のピッチ円を基準としたピ
ッチｔ。に基づき、磁気抵抗素子４Ａ。

４Ｂの離間寸法ｌは、ｆ＝ｔｏ／ｚのときに最大出力が
得られるものとして述べた。しかし、本発明者達が種々
実験の結果、歯車１のピッチｔ０を基準として磁気抵抗
素子４Ａ、４Ｂ間の離間寸法ｌを、ｚ＝ｔｏ／２として
算出した場合よりも、若干大きな寸法に設定した場合の
方が一層正弦波に近い波形を得ることができることがわ
かった。

この理由としては、磁気抵抗素子４Ａ’、４Ｂの素子感
磁面が歯車１の歯先と直交するように対向したとき、抵
抗値Ｒ４Ａ、Ｒ４Ｂの値が最大となるが、歯車１には歯
末のタケ（この寸法はほぼモジュールｍに相当する）が
あり、磁気抵抗素子４Ａ、４Ｂ間の離間寸法ｉを、ｉ　
−ｔ　ｏ　／　２とした場合には、この歯末のタケの分
だけ影響があるものと考えられる。

そこで、出力波形に歪がなく、正弦波に極めて近い信号
を得るために、これに必要な磁気抵抗素子４Ａ、４Ｂ間
の間隔についてその最大寸法を検討した結果、歯車１の
歯先円での円ピッチをｔ。

とすると、２＝１＋／２とすることが条件であることが
わかった。ここで、歯先での円ピッチｔ。

は、 として与えられる。

従って、磁気抵抗素子４Ａ、４Ｂ間の離間寸法！は、 ｔ　ｏ　／　２≦β≦ｔ　Ｉ／　２　　　　　　　　−
（９１に設定することが、第６図に示す如き正弦波の出
力Ｖｏｕｔ　４を得るための、必要十分条件となる。

さらに、前記（９）式の条件下で、出力波形が最も正確
な正弦波となる条件について検討した結果、歯車１の歯
先間を直線で結ぶことにより得られるピッチ（以下、歯
先での直線ピッチという）をｔ２とすると（第１図参照
）、ｎ＝ｔｚ／２とすることが最適であることがわかっ
た。ここで、歯先での直線ピッチｔ２は、 π ＝　（ｄ　＋　２　ｍ）ｓｉｎ　−−Ｑωとして与えら
れる。なお、歯先での直線ピッチｔ２は前記（９）式で
示される値の内に含まれていることは勿論である。

以上の検討は検出部４の磁気抵抗素子４　Ａ、４Ｂ間の
離間寸法ｉについてみたが、検出部５の磁気抵抗素子５
Ａ、５Ｂ間の離間寸法ｌについても、（９）式によって
与えられるものである。

次に検出部４．５間の離間寸法Ｗについて検討する。

まず、°検出部４．５間で９０度（π／２）の位相差を
もった信号を出力するには、歯車１の歯形ＩＡ、ＬＡ間
を電気角で３６０度（２π）として、このχだけ離間さ
せればよい−即ち、検出部４について、その磁気抵抗素
子４Ａ、４Ｂの歯車１の回転方向に対する中心位置をＡ
Ｉ、同じく検出部５について、その磁気抵抗素子５Ａ、
５Ｂの歯車１の回転方向に対する中心位置をＡｚ、該中
心位置Ａ＋、Ａｚ間の離間寸法をＷとし、また円ピッチ
１．．１．、直線ピッチｔ２を代表してｔとして表わす
と、基本間隔ｗ０は、 ｗ　ｏ　＝　ｔ　／　４−１　／　２　　　　　　　　
　・・・（１１）でなければならない。

ここで、離間寸法、Ｎ、ｗの一触式は次式となる。

ただし、ｎ：整数 そこで、本実施例では、上記（１２）式のうち、ｎ＝１
とすることにより、ｗ　、　＝　−１とした場合である
。即ち、第１図、第２図において、検出部４の磁気抵抗
素子４Ａと、検出部５の磁気抵抗素子５Ｂとを実質的に
隙間なく隣接させるように配設すれば、ｗ、＝３７２１
とする構成を採用することができる。

従って、（９）式の範囲内で離間寸法ｌが特定されれば
、検出部４，５間の離間寸法Ｗ、も３／２βとして特定
することができるから、永久磁石３に各磁気抵抗素子４
Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂを図示のように配置することがで
き、各検出部４．５からは正確な正弦波で、かつ９０度
の位相差をもった出力信号を得ることができる。

さらに、第７図、第８図は本発明の第２の実施例を示し
、センサ本体に関しては第１の実施例と同一構成要素に
ダッシュ（′）を付し、その説明を省略する。

然るに、本実施例の特徴は、（１２）式において、ｎ＝
ｏとすることにより、ＷＱ”β／２にした場合である。

即ち、センサ本体２′は、歯車１の回転方向Ｒに対し、
永久磁石３′上に検出部４′の磁気抵抗素子４Ａ’、４
Ｂ’と、検出部５′の磁気抵抗素子５Ａ’、５Ｂ’を、
５Ａ’、４Ａ’、５Ｂ’。

４Ｂ’の順序で配設することにより構成し、かつ磁気抵
抗素子４Ａ’、４Ｂ’の間、５Ａ’、５Ｂ’の間を寸法
ｌだけ離間させると共に、磁気抵抗素子４Ａ’、５Ｂ’
間を寸法Ｗ０だけ離間させたことにある。

本実施例はこのように構成されるから、離間寸法ＷＯは
最小値に設定でき、第１の実施例に比較してセンサ本体
１の形状を約７０％に小型化でき、しかも各磁気抵抗素
子の特性を均一化することができる。

なお、本発明の各実施例では歯車１として平歯車を例示
したが、これに限ることなく、ランク、内歯車等種々の
歯車を用いることができる。

〔発明の効果〕

本発明による回転センサは以上詳細に述べた如くであっ
て、各検出部を構成する２個の磁気抵抗素子は歯車の円
ピッチの％以上で歯先での円ピソチの２以下の寸法！で
離間させ、各検出部の離間Ｉ ように配設したから、正弦波に極めて近似した出力波形
を得ることができると共に、二対の検出部間距離を正確
に設定することができ、高精度な信号処理が可能である
等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明の第１の実施例に係り、第
１図は本実施例による回転センサの構成図、第２図は永
久磁石のＮ極着磁面からみた磁気抵抗素子の配置図、第
３図は磁気抵抗素子の結線図、第４図は各検出部からの
出力特性線図、第５図は一方の検出部について各磁気抵
抗素子の抵抗特性線図、第６図は一方の検出部について
の出力特性線図、第７図、第８図は本発明の第２の実施
例に係り、第７図は本実施例による回転センサの構成図
、第８図は永久磁石のＮ極着磁面からみた磁気抵抗素子
の配置図である。 １・・・歯車、ＩＡ・・・歯形、２．２′・・・センサ
本体、３．３′・・・永久磁石、４．５．４’、５’・
・・検出２＠、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂ、４人’、４Ｂ
’。 ５Ａ’、５Ｂ’・・・磁気抵抗素子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁性材料からなる歯車と、磁気バイアスを与える
   永久磁石と、該永久磁石に設けられ、歯車の回転方向に
   対して所定寸法離間させて歯形と対向配設された２個一
   対の磁気抵抗素子からなる二対の検出部とを備えた回転
   センサにおいて、前記各対の検出部を構成する２個の磁
   気抵抗素子は歯車のピッチ円でのピッチの１／２以上で
   、歯先円でのピッチの１／２以下の寸法ｌで離間させ、
   かつ前記各検出部からの出力信号がπ／２の位相差を持
   つように、該各検出部の離間寸法ｗを、 ｗ＝ｌ／２（２ｎ＋１）の間隔（ただし、ｎは整数）と
   なるように配設したことを特徴とする回転センサ。
2. （２）前記各対の検出部を構成する２個の磁気抵抗素子
   は、歯車の歯先での直線ピッチの１／２の間隔で離間さ
   せてなる特許請求の範囲（１）項記載の回転センサ。