JPS63300909A - ２点検出型回転角センサ - 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、回転角センサに係り、特に磁気抵抗効果素子
を利用した高精度出力を可能とした回転角センサに関す
る。

〔従来の技術〕

テープレコーダ、Ｖ　Ｔ　Ｒ（Ｖｉｄｅｏ　ＴａｐｅＲ
ｅｃｏｒｄｅｒ）に組込まれるキャプスタンモータなど
には、１回転当り数百パルス程度の速度検出信号を発生
するような回転角センサがモータ本体と一体的に設置さ
れている。この回転角センサによって作られる速度検出
信号は回転速度制御のフィードバック信号に使用される
もので、僅かな回転むらでも録画再生時に音質及び画質
の低下を招いてしまうため、微小な回転むらを検出して
一定速の速度制御を行なえるように、速度検出器には極
めて高い性能が要求される。

この種回転角センサとしては現在磁界の作用により抵抗
が変化する磁気抵抗効果素子とＮ及びＳ極とを交互に等
ピッチで着磁した磁気記録媒体とによって構成するのが
主流である。

第２図、第３図に従来のこの種回転角センサを搭載した
モータ構成を示す。永久磁石６を有する回転子ヨーク８
゛の外周に磁気記録媒体７を固着し、磁気記録媒体７に
対向して磁気センサ９を配する。

磁気センサ９は支持体１０を介して回転子フレーム３に
固定される。上記構成で、モータとしては、前記永久磁
石６と固定子フレーム３に設けられたコイル４との電磁
作用によってトルクを発生し、回転子ヨーク８がボス５
．シャフト１．ベアリング２を介して回転できるように
支承されている。

第４図に第２図で示した磁気記録媒体７と磁気抵抗効果
素子９を周方向に展開して示す。磁気記録媒体７はソフ
トフエラトや磁性粉を多量含有させた樹脂体もしくはプ
ラスチック磁石からなり。

磁気記録ピッチλでＮ、Ｓの磁極を図示のように全周に
着磁記録したものである。一方、磁気センサ９は、ガラ
スやセラミックのような非磁性の絶縁基板に、直線状の
磁気抵抗効果素子のパターン９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを
図示の如く接続した構成で、これらのパターンはそれぞ
れＲｚ　、　Ｒ２。

Ｒ３，Ｒ４の抵抗を持ち、センサパターンの水平方向の
外部磁界によって、内部抵抗が低下する材料、例えばパ
ーマロイ等からなるものである。又これは第５図に示す
ように付与される磁界の極性（Ｎ、Ｓ）にかかわらず抵
抗が低下する性質を持つものである。

以下、この種センサの原理について説明すると第４図に
示した磁気抵抗効果素子のパターン９ａ。

９ｄは第５図に示すように磁気記録媒体７の磁界がかか
る。これによって、パターン９ａ、９ｄの抵抗Ｒ１，Ｒ
４は第５図で示すように変化する。

この場合、第４図で示したＧ−０１間の出力は第５図中
に示すように約１／２・Ｅに近い直流分と磁気抵抗効果
素子の変化率で決まる交流分とが現われる。一方、Ｇ−
０２間にも同様に約１／２・Ｅに近い直流分とＧ　　０
１間と逆相の交流分が得られる。したがって、出力端子
Ｏｓ　−０２間には００１間の交流信号の２倍の大きさ
の交流電圧を取り出すことができる。さらにＯｆ、０２
の出力信号をコンパレータ、波形整形回路を通すことに
よって磁気記録媒体７に記録された周波数の２倍のエン
コーダのパルス数の矩形信号を取り出すことができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような原理で動作する回転角センサにおいて、第
２図、第３図で示したように従来例では磁気センサ９の
検出部が磁気記録媒体７の周方向の１点にのみ配置する
構成であるため、外部磁界（例えば永久磁石６による漏
洩磁界等）、磁気記録媒体７の偏心による影響を受けか
っ、この影響が磁気記録媒体７の位置によって変わるた
め、十分なセンサ出力精度が得られない問題があった。

本発明は、これらの諸点に着目してなされたものであり
、その目的とするところは、外部磁界や磁気記録媒体７
の偏心による影響を極力小さくした高精度の回転角セン
サを提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的は、第４図の電源もしくはＧと出力０１、Ｏ
ｚ間の磁気抵抗効果素子（以下、磁気抵抗効果素子群と
称す）を磁気抵抗効果素子ブロック（１ケもしくは複数
の磁気抵抗効果素子で構成）で構成し、かつこの磁気抵
抗効果素子ブロックをシャフト中心に対してほぼ対象位
置に配置することによって達成される。

〔作用〕

前記のように磁気抵抗効果素子群を構成する磁気抵抗効
果素子ブロックをシャフト中心に対して対象となる位置
に配置することによって、磁気抵抗効果素子群は磁気記
録媒体の偏心にかがわらずに、外部磁界や磁気記録媒体
の偏心の影響を２点で受けるために、影響が少なくなり
、高精度の回転角センサを提供しうる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第６図、第７図は本発明の回転角センサを搭載したモー
タ構成を示す。第１図に本発明の回転角センサ構成を示
す。ここで、第２図、第３図と同一記号は同一部品を示
すものである。ここでは、磁気記録媒体７と磁気センサ
９とが軸方向の空隙を介して対向する構成としている。

そして磁気記録媒体７は第１図、第７図に示すようにλ
のピッチで記録される゛構成とする。第１図に示す本発
明の実施例では、磁気センサ９は、従来と同一の配置を
持つ磁気抵抗効果素子９ａｚ、９ｂｘ、９ａｘｔ９ｄｘ
　を周方向に６組配置し、第１図の如く接続する構成と
する。

この実施例では磁気抵抗効果素子ブロックは１ケの磁気
抵抗効果素子で構成し、１つの磁気抵抗効果素子群は１
つ以上の磁気抵抗効果素子ブロックを有し、検出位置は
ほぼ１８０度対象位置の２ケ所で行なう構成とする。第
８図に係る磁気センサの全体構成を示す。

磁気センサ９は、６ケの磁気抵抗効果素子ユニット９　
Ａｌ　、　９　Ａｘ、・・・・・・９Ａｅで構成する。

このうち、９　Ａ　ｉ　ｙ　９　Ａ　２　ｔ　９　Ａ　
ａは４５度の角度を占め、９ケ番、９Ａｓ　、９Ａｅ　
と図示のようにほぼ１８０度の点に配置する。一方、磁
気抵抗効果素子ユニットはそれぞれ、第１図で示した磁
気抵抗効果素子９ａｚ　、９ｂｚ　、９ｃｚ　、９ｄｘ
で構成し、各磁気抵抗効果素子ユニット間は導体によっ
て接続する構成とする。そして磁気抵抗効果素子ユニッ
トの中の１つの９Ａａより電力を供給し、９Ａｚより出
力を取り出す。

本構成において、従来と同じ磁気センサを構成する１ケ
の磁気センサユニツ１〜９Ａｚのみで構成した磁気セン
サでは、磁気記録媒体７が偏心してシャフト１に固定さ
れている場合（一般には常に偏心が生じる）には、ｌ　
Ｐ　Ｐ　Ｒ（Ｐｕｌｓｅ　ＰｅｖＲｅｖｏｌｕｔｉｏｎ
　：　１回転当り１ケの周期）の成分の誤差成分を磁気
センサで検出してしまう。

上記の理由について、以下、第９図をもとに説明する。

第９図は等間隔にλの周期で記録された磁気記録媒体７
と磁気センサ９とを持つ。ここで０１はシャフト１の中
心者を表示し、０２は磁気記録媒体７の中心を表示し、
両者はΔＲなる偏心量を持つ。このような場合において
、磁気センサ９から見ると、磁気記録媒体７の中心０２
が、磁気センサ９とシャフト１の中心Ｏ１との間に入る
と、磁気センサ９の下の磁気記録媒体７の記録ピッチが
平均の記録ピッチλより短かくなる。逆の場合、つまり
、磁気記録媒体７の中心点０２が磁気センサ９とシ゛ヤ
フト１の中心０１の外側になった場合、磁気センサ９の
下の磁気記録媒体７の記録ピッチがλより長くなる。こ
のため、前述の如く磁気センサ９は１回転を周期にした
。つまりＩＰＰＲ成分の誤差成分を含んで検出し、セン
サ精度を悪くする。結果として、モータを一定で回すこ
とができなくなる。以上の欠点は磁気記録媒体７の周方
向の一点に磁気センサ７を配したことにより起因するも
のである。第１図、第８図で示したように、磁気記録媒
体７のほぼ１８０度対称となる位置に磁気抵抗効果素子
を配した本発明の構成によれば、磁気記録媒体７がシャ
フト１に対して偏心していても、ＩＰＰＲ成分の誤差は
、磁気抵抗効果素子ユニット９　Ａ　１９　Ａ　ｚ　ｓ
　９　Ａ　ｓと９Ａ４，９Ａ５，９Ａｅとで打ち消し合
って小さくすることができる。

すなわち、第８図、第９図において磁気抵抗効果素子ユ
ニット９Ａｉ　とシャフト１の中心０１の間に磁気記録
媒体７の中心０２が入った場合、磁気抵抗効果素子ユニ
ット９Ａｚでは記録ピッチがλより短く検出するが、反
対に位置する磁気抵抗効果素子ユニット９Ａ４では記録
ピッチをλより長く検出し、両者の誤差を打ち消す効果
を本発明の実施例では有している。

また、第２図、第７図で示したようなモータ内に組み込
まれて、磁気抵抗効果素子を利用した回転角センサでは
永久磁石６の漏洩磁界の影響を受けやすい、以下、第１
ｏ図をもとに外部磁界の影響について述べる。第９図の
如く、磁気記録媒体７の一部のみで磁気センサ９が配置
された構成では外部磁界の影響を受けると、外部磁界の
影響（第１０図中ＵＳＯ）がない場合の抵抗変化（図中
Ｒｏ）に対して、外部磁界Ｈｎの影響により、抵抗Ｒ１
＋　Ｒ４は図の如く変化し、結果として出力電圧は、第
１４図に示す波形となる。つまり、１つおきに最大値の
異なる（周期も異なる）出力波形となり、１回転当りの
パルス数ｉｏの１／２（ｆｏ／２ＰＰＲ）の誤差（図中
出力電圧の周期もλ１．λ２となる）が回転角センサに
生じる。さらに外部磁界Ｈ，の影響は、モータの極対数
の周期をもって変動す゛るために、極数Ｐの成分、つま
りＰＰＰＲの誤差成分をも含む。

本発明の構成によれば磁気センサ９が、第８図で示され
たように周方向に配置した磁気抵抗効果素子ユニット９
Ａｚ　、９Ａｚ　、９Ａａ・・・・・・９Ａａのように
分布した位置に配置しているために、極数Ｐ成分の誤差
は、それぞれの磁気抵抗効果素子で補う。

例えば、永久磁石６が８極の場合、それぞれの磁気抵抗
効果素子ユニット９Ａ工、９Ａｚ、９Ａａ・・・・・・
９Ａｅは８ＰＰＲ成分の誤差が生じる。しかし、１磁極
の領域は４５度の範囲を占めており、この中に第８図で
示すように３つの磁気抵抗効果素子ユニットが入ってい
るため、３つの磁気抵抗効果素子間の８ＰＰＲの誤差成
分は位相差を持っているために打ち消し合って小さくす
ることができる。また、ｆｏ／２ＰＰＨの誤差成分は次
の方法によって小さくすることができる。磁気抵抗効果
素子群を構成するｎ個の磁気抵抗効果素子に対して、任
意の基準となる１ケの磁気抵抗効果素子を選定し、これ
を基準に各磁気抵抗効果素子に以下の定数Ａｋ　　（ｋ
＝１．２、……ｎ）を定義する。

＋１（基準の磁気抵抗効果素子に対して同一極性の磁気
記録媒体７上に配 置） 逆極性の磁気記録媒体７上に配置） この場合、次式の配置を満足させるパターン配置をする
ことによって、ｆｏ／２ＰＰＲの誤差成分は低減するこ
とができる。

つまり、磁気抵抗効果素子群の各構成要素である磁気抵
抗効果素子に対して磁気記録媒体７のｎ横丁のパターン
数とＳ極下のパターン数とを等しくすることによって達
成できる。

第１１図に以上の原理を示す。第１図に示す磁気抵抗効
果素子９ａ１９ａ２は（２）式を満たすパターン配置で
ある。外部磁界の影響を受けた場合、磁気抵抗効果素子
９ａ１，９ａｚの抵抗変化は、それぞれ、第１゛１図（
ａ）、（ｂ）で表示されて、外部磁界の影響を受けるが
、全体としては第１１図（ｃ）に示すように、磁気抵抗
効果素子９ａｘと９ａｚとの平均になり、影響を受けに
くいものとすることができる。

また、本発明の磁気センサにおいては、磁気抵抗効果素
子数の増加によって磁気記録媒体７の磁気と磁気センサ
パターンや配線との相互作用によって、速度起電力が発
生することが考えられる。

これはまたｆｏ／２　の成分の誤差要因を生じる。

これに対しては、磁気抵抗効果素子群を構成するｎ個の
磁気抵抗効果素子に対して、任意の基準となる磁気抵抗
効果素子との距離Ｑ　弁Ｎ　ｋλ　（Ｎｈは整数）から
Ｎｋ　　（ｋ＝１．２、……ｎ）を求め、そのＮｋに対
して、Ｎｂが偶数の場合を＋１．奇数の場合−１となる
Ｂｋなる定数を定義する。そしてＢｋに対して ΣＡ　ｋ’　Ｂ　ｍ　＝　Ｏ・・・（３）ｋ＝１ なる条件のパターン配置をすることによって、速度起電
力による誤差成分を打ち消すことができる。たとえば、
磁気抵抗効果素子群が２つの磁気抵抗効果素子で構成し
ている場合、（３）の条件を満たすことは、１つの磁気
抵抗効果素子の速度起電力が他の磁気抵抗効果素子によ
って打ち消されることを示している。

第１２図に本発明の他の実施例を示す。

第１図は、磁気抵抗効果素子群を構成する磁気抵抗効果
素子ブロックが一つの磁気抵抗効果素子からなる磁気セ
ンサについて述べたが、第１２図では、磁気抵抗効果素
子ブロックを複数の磁気抵抗効果素子から構成した場合
でかつ、磁気抵抗効果素子ブロックが一つの機能を有す
る構成例を示す。以下、磁気抵抗効果素子ブロックを構
成する２つの磁気抵抗効果素子により、正弦波状出力を
出させる例を示す。

第１２図には、第６図、第７図で示した磁気記録媒体７
と磁気センサ９を周方向に展開して示す。

ここで１つの磁気抵抗効果素子ブロックは９ａ１゜９ａ
ｚの２つの磁気抵抗効果素子で構成する。ここで、第１
図で示した実施例では、磁気抵抗効果素子群を構成する
磁気抵抗効果素子９ａｚ、９ａｚ間の距離を５λだけ隔
てて配置したが、本実施例では、５λ十−だけずらした
配置とする。

２つの磁気抵抗効果素子９ａｘ、Ｑａｚ間に５λλ ＋−の距離（出力波形にとって第３調波の逆相の位置）
を設けることは、出力波形の中より第３調波成分を除く
ことが可能になり、正弦波状の正弦波に近い出力波形を
得ることができる。

正弦波状の出力波形は、第５図に示した従来の出力波形
に対して、交流分の零クロス点の傾斜が大きくなるため
に回転角センサの出力精度を向上させることができる。

第１２図は出力波形内の第３調波成分を除くことを目的
として５λ＋λ／６の間隔を持つ構成と：正の整数、ｎ
ｐ：３以上の整数）の配置をすることによって第ｎｐ次
調波成分を小さくすることができる。

以上は単一の高次調波成分について述べたが、これを組
み合せる。たとえば、４ケの磁気抵抗効果素子９ａｘ　
、９ａｚ　＊　９ａｓ　、９ａ４で磁気抵抗効果素子ブ
ロックを構成し、磁気抵抗効果素子９ａｚと９ａｚｔ９
ａｓと９ａ４をそれぞれＮλλ ±□だけ離し、かつ、磁気抵抗効果素子９ａ１゜２×３ λ てて配置することによって、センサ出力の第３次調波、
第５次調波成分を小さくすることが可能である。

前記は磁気抵抗効果素子単位で記述したが、複数の磁気
抵抗効果素子群、あるいは磁気抵抗素子λ ブロックの各々をＮλ±□だけずらして配置ｎｐ することによって上記効果が達成できることは明らかで
ある。

以上の本発明の磁気センサ７は磁気抵抗効果素子ブロッ
ク毎に独立した磁気センサ７を周方向の１８０度の位置
に配置した構成とすることもできるが、全部の磁気抵抗
効果素子を同一基板上に配置したときに最も精度の良い
回転角センサを提供しうる。

第１３図は他の実施例を示す。第１２図で示した磁気抵
抗効果素子９ａ１，９ａｚをそれぞれ並列にした例を示
す。本発明の磁気センサでは磁気抵抗効果素子群を構成
する磁気抵抗効果素子の数が多く、電源とグランド間の
抵抗が大きくなり、外来ノイズに弱くなることが懸念さ
れるが１本実施例により抵抗を小さくでき、ノイズに強
くすることができる。一般には、磁気抵抗効果素子のみ
でなく、磁気抵抗群を構成する磁気抵抗効果素子ブロッ
クあるいは磁気抵抗効果素子の少なくとも一部を並列に
することによって、センサの抵抗値を低くすることがで
き、ノイズに対して強い構成とすることができる。

なお、本発明は実施例で示した磁気抵抗効果素子数、磁
気抵抗効果素子ブロック数、磁気抵抗効果素子ユニット
数、磁気抵抗効果素子群数によって限定されるものでは
ないことは明らかである。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、高精度な回転角センサを提供し
うる。試験によれば、ＩＰＰＲ成分が、３ｄＢ低減でき
る結果を得ている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す磁気センサの配置図、
第２図ないし第５図は従来例の説明図。 第６図ないし第１１図は本発明の他の実施例構成図およ
び動作説明図、第１２図、第１３図は本発明の更に他の
実施例、第１４図は第１０図に基づく出力電圧波形図で
ある。 １・・・シャフト、２・・・ベアリング、３・・・回転
子フレーム、４・・・コイル、５・・・ボス、６・・・
永久磁石、７系１　に 第２図 第＋０ シ〃 第５０ 第６０ 第１Ｏ口 低 入Ｉキん２ 第１，２口 第１３０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、等間隔にＮ、Ｓ極が交互に着磁された磁気記録媒体
   と、複数の磁気抵抗効果素子群とを有する磁気センサが
   適当な空隙を介して対向し、いずれか一方が回転する形
   式の回転角センサにおいて、前記磁気抵抗効果素子群が
   、シャフト中心に対してほぼ対称位置に配置した複数の
   磁気抵抗効果素子ブロックを接続して構成したことを特
   徴とする２点検出型回転角センサ。 ２、前記特許請求の範囲第１項において、磁気センサを
   構成する全ての磁気抵抗効果素子ブロックが、同一基板
   上に配置されていることを特徴とする２点検出型回転角
   センサ。 ３、前記特許請求の範囲第１項において、前記磁気抵抗
   効果素子ブロックは複数個の磁気抵抗効果素子を接続し
   て構成したことを特徴とする２点検出型回転角センサ。 ４、前記特許請求の範囲第１項において、磁気センサを
   構成する複数の磁気抵抗効果素子群、あるいは磁気抵抗
   効果素子ブロック、あるいは磁気抵抗効果の各々を、そ
   れぞれλ／２ｎｐまたはＮλ±λ／２ｎｐ（Ｎ：正の整
   数、ｎｐ：３以上の整数）だけをずらして配置したこと
   を特徴とする２点検出型の回転角センサ。 ５、前記特許請求の範囲第１項において、磁気抵抗効果
   素子群を構成するｎ個の磁気抵抗効果素子に対して、任
   意の基準となる１ケの磁気抵抗効果素子と同一極性の下
   にある場合を＋１、逆の場合を−１としてＡ＿ｋ（ｋ＝
   １、２、……ｎ）を定義したとき、各磁気抵抗効果素子
   群に対してΣ＾ｎ＿ｋ＿＝＿１Ａ＿ｋ＝０となるパター
   ン配置をなさしめたことを特徴とする２点検出型回転角
   センサ。 ６、前記特許請求の範囲第１項において、磁気抵抗効果
   素子群を構成するｎ個の磁気抵抗効果素子に対して任意
   の基準となる１ケの磁気抵抗効果素子と同一極性の下に
   ある場合を＋１、逆の場合を−１としてＡ＿ｋ（ｋ＝１
   、２、……ｎ）を定義し、かつ、前記基準の磁気抵抗効
   果素子との距離ｌ≒弁Ｎ＿ｋλに対して、Ｎ＿ｋが偶数
   の場合を＋１、奇数の場合を−１としてＢ＿ｋを定義し
   たとき、各磁気抵抗効果素子群に対して Σ＾ｎ＿ｋ＿＝＿１Ａ＿ｋ・Ｂ＿ｋ＝０となる配置をな
   さしめたことを特徴とする２点検出型回転角センサ。 ７、前記特許請求の範囲第１項において、磁気抵抗効果
   素子群を構成する磁気抵抗効果素子ブロック、あるいは
   磁気抵抗効果素子の少なくとも一部を並列に接続したこ
   とを特徴とする２点検出型回転角センサ。