JPS6266117A - 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１８０度（π）の位相差をもった２つ
の出力信号を差動的に用いることにより、各信号の２倍
の振幅をもった信号を導出しうるようにした回転センサ
に関する。

〔従来技術〕

従来、この種の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、該永抵抗素子からな
る検出部とからなり、２個の磁気抵抗素子は一方が歯先
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ミ歯先と対向する磁
気抵抗素子の個の磁気抵抗素子を直列接続して電圧を印
加し、該各磁気抵抗素子間から凹凸をもった正弦波に近
い出力電圧を差動的に導出しうるように構成されている
。

〔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、歯車のモジューノσ等に基づいである範囲に配設す
れば、差動的に出力電圧が得られ、この範囲で十分に使
用可能と考えられていた。ところが、従来技術による出
力信号の波形は正弦波器こ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、被検出体である歯車が小形化し、歯形の間隔が
小さくなると、磁気抵抗素子の抵抗差が小さくなるため
、出力電圧も小さくなってしまい、小さな出力振幅しか
得られないという問題点がある。

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、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ばかりでなく、二対の検出部
を所定の配置関係に配設することにより、２つの出力信
号を用いて個々の出力信号の２倍の振幅をもった信号を
出力し得ることができるように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％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の位相差を持つように、該各検出部の離間寸法
Ｔを、Ｔ＝ｌ（２ｎ−１）の間隔（ただし、ｎは整数）
となるように配設し、前記各検出部からの出力信号を差
動的に出力するようにしたことにある。

〔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
基づき詳述する。

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ＩＡ、ＬＡ、・・・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　ｘ　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Ｔ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、４Ｂ、５
Ａ。

５Ｂとから構成され、磁気抵抗素子４Ａと４Ｂの間、５
Ａと５Ｂの間はそれぞれ後述する所定の寸法βたけ離間
されている。この際、歯車１の回転方向Ｒに対し、検出
部４側では磁気抵抗素子４Ａが前側に位置し、検出部５
側では磁気抵抗素子５Ｂが前側に位置するように配設さ
れ、かつ磁気抵抗素子４Ａと５Ｂ、４Ｂと５くはそれぞ
れ前記回転方向Ｒと直交する同一の直交線Ｘ、−Ｘ、。

ＸＺ　　ＸＺ上に位置するように配置されている（第２
図参照）。

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Ｖｏｕｔ　４゜Ｖ
ｏｕｔ　５が第４図に示すように１８０度（π）の位相
差をもって導出されるようになっている。

１０は出力端子８．９の次段に設けられた差動増幅器で
、該差動増幅器１０は出力端子８，９からの出力電圧Ｖ
ｏｕｔ　４．　Ｖｏｕｔ　５とを差動的に増幅し、出力
端子１１から第４図に示すようにＶ　ｏｕ　ｔ４　。

Ｖｏｕｔ　５の２倍の振幅をもった出力電圧Ｖｏｕｔを
出力する。

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
４Ａ、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Ｒ４，Ａ、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１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）ζＲ＋ΔＲ５１ｎ（ｚθ＋−ｘ　’ｌ　ｙ
ｃ　）ｔ。

ｄ　π り ＝Ｒ＋ΔＲ５１ｎ（ｚθ＋−Ｘ　２　π）ｍ　π ・・・（３） ただし、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，（３１式から、 となる。

そこで、（４）式を微分すると、Ｖｏｕｔ４　（θ）の
最ｔ。

大値Ｖｏｕｔ４　（θ）ｍａｘは、θ＝ｒｃ／２ｚ、（
１＝−のときで、次の（５）式のようになる。

Ｒ＋ΔＲ Ｒ また、最小値Ｖ・・ｔ４（θ）３よ、θ＝３・／２・、
ｘ＝ｔｏ／ｚのときで、次の（６）式のようになる。

Ｒ このように、計算上では磁気抵抗素子４　Ａ、４Ｂの離
間寸法ａは、β＝ｔｏ／２のときに最大出力が得られ、
β≠ｔｏ／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、 Ｒ ｉｎ ＝□＋■。５ｉｎ（ｚθ）　・・・（７）ま ただし、■。　＝全振幅電圧 となり、単純な正弦波５ｉｎ（ｚθ）の関数として得ら
れ、（７）弐を図示すれば第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βは、１＝ｔ。／２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βを、β＝ｔ　ｏ　／　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ｌを、乏＝ｔ
Ｏ／２とした場合には、この歯末のタケの分だけ影をか
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１゜とすると、ｉ　＝　ｔ　Ｉ／
　２とすることが条件であることがわかった。ここで、
歯先での円ピッチも。

は、 （ｄ　＋　２　ｍ）　π ｔｌ　＃□　　　　　　　　・・・（８）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、 ｔ０／２≦ｌ≦ｔ、／２　　　　　　　　・・・（９）
に設定することが、第６図に示す如き正弦波の出力Ｖｏ
ｕｔ　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
先での直線ピンチという）をｔ２とするとく第１図参照
）　、ｌ　＝　ｔ　ｚ　／　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
、 ｄ　　　　　　　　　　１２　π π ＝　　（ｄ　＋　２　ｍ）ｓｉｎ　−・”ＱＯ）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４Ａ、４Ｂ間の離
間寸法ｌについてみたが、検出部５の磁気抵抗素子５Ａ
、５Ｂ間の離間寸法２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からの出力電圧Ｖｏｕｔ　４と検出部５
からの出力電圧Ｖｏｕｔ　５に電気角で１８０度（π）
の位相差を与えるために必要な、磁気抵抗素子４Ａと５
Ａ、４Ｂと５Ｂとの間の離間寸法Ｔについて検討する。

まず、検出部４からの出力電圧Ｖｏｕｔ　４と、検出部
５からの出力電圧Ｖｏｕｔ　５との間で位相差αをもつ
ものとすると、前述の（７）式から、２　　　　　　　
　・・・（１１） となる。そして、（７）式によるＶｏｕｔ　４（θ）と
、（１１）式によるＶｏｕｔ　５（θ）を差動増幅器１
ｏに入力し、差動演算したときに出力端子１１がらの出
力電圧Ｖｏｕｔの振幅が最大となるのは、α＝π（２ｎ
−１）のときである。また、α−π（２ｎ−１）とした
ときの出力電圧Ｖｏｕｔは、 Ｖｏｕｔ　＝Ｖｏｕｔ　４（θ）　−Ｖｏｕｔ　５（θ
）＝■。（ｓｉｎ（ｚθ）　　５ｉｎ（ｚθ−π））＝
　２　Ｖｏ　５ｉｎ（ｚθ）　　　　　　　・・・（１
２）となり、２倍の出力振幅となる。そして、これらの
関係は第４図に示す如くとなる。

さて、検出部４．５間で電気角で１８０度（π）の位相
差をもった信号を出力するには、歯車１′の歯形ＩＡ、
ＩＡ間を電気角で３６０度（２π）として、その２だけ
離間させればよい。即ち、磁気抵抗素子４Ａと５Ａ間、
４Ｂと５Ｂ間の離間寸法をＴとすると、 Ｔ＝π（２ｎ−１）　　　　　　　　　　　−（１３）
ただし、ｎ：整数 なる間隔に設定すればよい。

そこで、円ピッチｔ。、ｔ２、直線ピッチｔ２を代表し
て、ピッチｔとして表わすと、当該ピッチｔは電気角で
２πとなるから、 ・・・（１４） なる関係となり、これを（１３）式に代゛入すると、な
る関係となる。

かくして、磁気抵抗素子４Ａと５Ａ、４Ｂと５Ｂの離間
寸法Ｔは、各検出部４，５の磁気抵抗素子４Ａと４Ｂ、
５Ａと５Ｂの離間寸法ｌの奇数倍の間隔となるように配
置すれば、（１２）弐を満足することができる。

このような条件にたって、本実施例では、磁気抵抗素子
４Ａと４Ｂ、、５Ａと５Ｂを寸法βたけ離間し、直交線
Ｘ　＋　　Ｘ　＋上に磁気抵抗素子４Ａ。

５Ｂが位置し、直交線Ｘ２　　Ｘ２上に磁気抵抗素子４
Ｂ、５Ａが位置しているから、磁気抵抗素子４Ａ、５Ａ
間の離間寸法Ｔ、は、早い＝βであり、磁気抵抗素子４
Ｂ、５Ｂ間の離間寸法Ｔ、は、Ｔ　Ｂ＝−１であり、（
１５）弐を満足させることができる。なお、Ｔｓ＝〜ｌ
は位相的にπだけ遅相であることを表わしている。

従って、（９）式の範囲内で離間寸法ｌが特定されれば
、磁気抵抗素子４Ａ、５Ａ間、４Ｂ、５Ｂ間の離間寸法
ＴＡ、Ｔ、も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４Ａ、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πの位相差をもった出力電圧Ｖｏｕｔ　４．
　　Ｖｏｕｔ　５を出力でき、これを差動増幅器１０に
入力することにより、２倍の振幅をもった出力電圧Ｖｏ
ｕｔを導出することができる 次に、第７図、第８図は本発明の第２．第３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
素にはダッシュ（′）、ツーダンシュ（″）を付し、そ
の説明を省略する。

まず、第７図に示す第２の実施例では、磁気抵抗素子４
Ａ’、４Ｂ’、５Ａ’、５Ｂ’を、歯車１の回転方向に
対し、４Ａ’、４Ｂ’、５Ｂ’。

５Ａ’の順序で、かつ離間寸法ｌをもって、永久磁石３
′のＮ極着磁面上に固着する構成としたことにある。従
って、磁気抵抗素子４Ａ’、５Ａ’の離間寸法ＴＡ　　
’は、ＴＡ　′＝３１となり、磁気抵抗素子４Ｂ’、５
Ｂ’の離間寸法Ｔ、′は、ＴＢ　’−１！となり、（９
）式、　（１５）式を満足させるセンサ本体２′とする
ことができる。

次に、第８図は本発明の第３の実施例を示し、本実施例
では磁気抵抗素子４Ａ″、４Ｂ“、５Ａ”。

と４Ｂ″間、４〜″と５Ａ″間、５Ａ″と５Ｂ″間をそ
れぞれＮ、２Ｎ、ｌの寸法に設定し、永久磁石３″のＮ
極着磁面上に固着する構成としたことにある。従って、
磁気抵抗素子４Ａ″と５Ａ″の離間寸法ＴＡ″、磁気抵
抗素子４Ｂ″と５Ｂ″の離間寸法Ｔ８　＃は共に、ＴＡ
　’　＝Ｔ、　　＝３　Ａとなり、（９）式、　（１５
）式を満足させることができる。

なお、本発明の実施例では歯車として平歯車を例示した
が、これに限ることなく、ラック、内歯車等を用いるこ
とができる。また、各磁気抵抗素子の配置は実施例に限
らず、種々の変形例を採用しうる。また、出力信号Ｖｏ
ｕｔを得る手段は差動増幅器に限らず、他の回路装置を
用いてもよい。

さらに、センサ本体２は永久磁石３に４個一対の磁気抵
抗素子を設けるものとして述べたが、同様にして４個の
磁気抵抗素子を一組として、複数組の磁気抵抗素子を永
久磁石３に設けることにより、位相差をもった多相出力
を得るようにしてもよい。

〔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、各検出部からは正弦波に極めて近似した出力信号を
得ることができると共に、πの位相差を持つ波形を得る
ことができる配置に構成したから、二対の検出部間距離
を正確に設定でき、また各出力信号を差動的に出力させ
ることにより２倍の振幅をもった信号とすることができ
、被検出体である歯車の形状を小形化できる等の効果を
発揮する。

【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図は出力電圧の特性
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図は本発明の第２の実施例にして第２図と
同様の磁気抵抗素子の配置図、第８図は本発明の第３の
実施例にして第２図と同様の磁気抵抗素子の配置図であ
る。 １・・・歯車、ＩＡ・・・歯形、２．２’、２’・・・
センサ本体、３．３’、３″・・・永久磁石、４．４’
。 ４″、５．５’、５’・・・検出部、４Ａ、４Ｂ。 ４Ａ’、４Ｂ’、４Ａ“、４Ｂ“、５Ａ、５Ｂ。 ５Ａ”、５Ｂ”、５Ａ”、５Ｂ″・・・磁気抵抗素子。 出力電圧（Ｖｏｕｔ） 第５図 角度（θ） 第６図 角度（／ｌ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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の位相差を持つように
   、該各検出部の離間寸法Ｔを、Ｔ＝ｌ（２ｎ−１）の間
   隔（ただし、ｎは整数）となるように配設し、前記各検
   出部からの出力信号を差動的に出力するように構成した
   ことを特徴とする回転センサ。