WO2010084806A1 - 移動体検知装置 - Google Patents

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大輔 土屋
賢 川畑
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アルプス電気株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a moving body detector provided with a detector that obtains an A-phase output and a B-phase output that change periodically and have different phases, and uses a circuit processing unit having a particularly simple circuit configuration.
  • the present invention relates to a moving body detection apparatus that can generate a stepped output from an A phase output and a B phase output.
  • a magnetic detection method an optical detection method, and the like as a moving body detection device that detects a moving distance and a moving speed of a moving body that rotates or moves linearly.
  • a magnet is provided on a moving body, and this magnet is alternately magnetized with N and S poles in the moving direction.
  • the detector facing the moving body is provided with a pair of magnetic detecting elements for detecting a leakage magnetic field from the magnet.
  • each magnetic detecting element is positive with respect to the midpoint.
  • a detection output in which minus changes periodically can be obtained.
  • outputs with different phases can be obtained from each of the pair of magnetic sensing elements.
  • the moving speed or moving position of the moving body can be known from the frequency and phase of the detection output detected by the magnetic detecting element, and the moving body can be obtained by comparing the phase of the detecting output obtained from the two magnetic detecting elements. You can know the direction of movement.
  • the detection output obtained from the magnetic detection element shows a change that approximates a trigonometric function.
  • a staircase is used from the detection output. It is preferable to generate an output of a shape.
  • the magnetic encoder described in the following Patent Document 1 generates an A-phase output and a B-phase output detected by a magnetic detection element into a rectangular wave using a comparator, and a rectangular wave of an A-phase output and a B-phase output. Are added to the square wave to generate a stair-like output.
  • the stepped output obtained by the magnetic encoder of Patent Document 1 includes both a region where the output increases stepwise and a region where the output decreases stepwise within one period of the A phase output or the B phase output. It is out. Therefore, the same level of output occurs twice during one period, and it is difficult to accurately detect the position of the moving body from this output.
  • the detection device described in Patent Document 2 below detects which of the A-phase output and the B-phase output is advanced when either the A-phase output or the B-phase output passes through the zero point.
  • an addition signal is given to the up / down counter
  • a subtraction signal is given to the up / down counter.
  • the up / down counter generates a stepped output that increases stepwise when an addition signal is obtained, and a stepped output that decreases stepwise when a subtraction signal is obtained.
  • the detection device described in Patent Document 2 has a detection circuit that detects that the A-phase output and the B-phase output have passed the zero point, and the A-phase output and the B-phase output each time the zero point is passed. Circuit processing to determine which phase is advanced by comparing the phases of multiple signals, circuit elements for analog processing or digital processing, such as pulse generation circuits and up / down counters. The part is complicated, and the cost of the apparatus is also increased.
  • the present invention solves the above-described conventional problems, and always uses a small number of circuit elements from the A-phase output and the B-phase output that continuously change to approximate a trigonometric function in a stepwise manner. It is an object of the present invention to provide a moving body detection apparatus capable of obtaining a stepped output that increases and a stepped output that always decreases stepwise.
  • the present invention provides a moving body detection apparatus having a detector that obtains an output according to a moving state of a moving body, and a circuit processing unit that processes the output from the detector.
  • the A phase output in which plus and minus periodically change with the midpoint as a reference, and the plus and minus also change periodically with the midpoint as a reference.
  • the circuit processing unit is provided with an intermediate processing unit for obtaining an intermediate output from the A-phase output and the B-phase output, and an inverting amplifier circuit including an operational amplifier, Either the A-phase output or the B-phase output and the intermediate output are both voltage-adjusted by a resistor and supplied to the negative-phase input unit of the operational amplifier, and the A-phase output and the B-phase output are output.
  • the other output of the amplifier is voltage-adjusted by a resistor and given to the positive phase input section of the operational amplifier, and a stepped output is obtained from the output section of the operational amplifier.
  • the intermediate processing unit obtains the intermediate output by performing a logical operation on the A-phase output and the B-phase output.
  • a resistance value of the resistor that adjusts an input voltage to the negative phase input unit a resistance value of the resistor that adjusts an input voltage to the positive phase input unit, and a negative feedback unit of the operational amplifier
  • the amount of increase or decrease of the stepped output can be set equal in each stage.
  • phase of the A-phase output and the B-phase output may be shifted by a quarter cycle, and the stepped output that changes in four stages during the period of one cycle of the A-phase output or the B-phase output may be obtained. preferable.
  • the output increases stepwise during one cycle of the A-phase output or the B-phase output, and the moving body is opposite to the one direction.
  • the output decreases stepwise.
  • the present invention uses a simple circuit mainly composed of an operational amplifier to generate a stepped output in which the output increases or decreases stepwise within a period of one cycle from the A phase output and the B phase output. Obtainable.
  • the stepped output is generated by an amplifier circuit that uses an imaginary short operational amplifier, so the resistance value of the resistor that adjusts the input voltage to the negative phase input of the operational amplifier and the input voltage to the positive phase input are adjusted.
  • the gain of the output of each stage can be individually determined by the resistance value of the resistor to be operated and the resistance value of the resistor of the negative feedback portion of the operational amplifier. Therefore, it is also possible to set the increase or decrease of the stepped output equally in each stage.
  • the moving body detection device of the present invention can obtain an output that changes stepwise, the main body is used to count the number of times the output increases or decreases, and the moving body moves linearly.
  • the moving position of the body can be detected with high accuracy.
  • FIG. 1 and 2 show a rotating body 14 and a detector 20 which are moving bodies.
  • a bearing 12 made of a nonmagnetic material is fixed to a base 11 made of a nonmagnetic material, and a rotating shaft 13 made of a nonmagnetic material rotates on the bearing 12. It is supported freely.
  • a rotating body 14 is fixed to the rotating shaft 13.
  • the rotary shaft 13 and the rotating body 14 are rotated by operating a rotation operation unit (not shown). Or the rotational force of a mechanism is transmitted to the rotating shaft 13, and the rotating shaft 13 and the rotary body 14 are rotated.
  • a central axis O of the rotation shaft 13 is perpendicular to the surface of the base 11.
  • the rotating body 14 is provided with a support disk 15 formed of a nonmagnetic material at the center, and the support disk 15 is fixed to the rotating shaft 13.
  • a rotating magnet 16 is fixed to the outer periphery of the support disk 15.
  • the upper surface of the rotating magnet 16 is a magnetized surface, and this magnetized surface is magnetized to at least two poles in the rotational direction.
  • the rotating magnet 16 is magnetized with four poles in the rotating direction.
  • the detector 20 faces the magnetized surface of the rotating magnet 16.
  • the detector 20 includes a magnetic detection element 21 shown in FIGS. 3 and 4. As shown in FIG. 3, the magnetic detection element 21 has the longitudinal direction (Y direction) oriented parallel to the central axis O of the rotating shaft 13 of the rotating body 14, and the width direction (X direction) oriented in the rotating direction of the rotating magnet 16.
  • the magnetic sensing element 21 faces the magnetized surface on the upper surface of the rotating magnet 16.
  • the width dimension in the X direction of the magnetic sensing element 21 is extremely small with respect to the circumferential length of the rotating magnet 16.
  • the detector 20 is provided with a pair of magnetic detection elements 21, and the arrangement position of one magnetic detection element 21 is shifted in the circumferential direction of the rotating magnet 16 with respect to the other magnetic detection element 21.
  • the amount of deviation corresponds to 1 ⁇ 4 period with respect to the period of change of the magnetic field detected by the magnetic detection element 21 when the rotating magnet 16 rotates in one direction.
  • the pair of magnetic detection elements 21 are arranged at an angle of 45 degrees with respect to the central axis O, so that the shift amount becomes a quarter cycle.
  • the shift amount may not be a quarter cycle.
  • the magnetic sensing element 21 shown in FIG. 3 is a giant resistance effect element, and the magnetic sensing element 21 is formed in a meander pattern having a plurality of element portions 21a whose longitudinal directions are oriented in the Y direction. As shown in the sectional view of FIG. 4, the magnetic sensing element 21 is laminated on an element substrate 22 in the order of an antiferromagnetic layer 23, a pinned magnetic layer 24, a nonmagnetic conductive layer 25, and a free magnetic layer 26. A film is formed, and the surface of the free magnetic layer 26 is covered with a protective layer 27.
  • the antiferromagnetic layer 23 is made of an antiferromagnetic material such as an Ir—Mn alloy (iridium-manganese alloy).
  • the pinned magnetic layer 24 is made of a soft magnetic material such as a Co—Fe alloy (cobalt-iron alloy).
  • the nonmagnetic conductive layer 25 is made of Cu (copper) or the like.
  • the free magnetic layer 26 is formed of a soft magnetic material such as a Ni—Fe alloy (nickel-iron alloy).
  • the protective layer 27 is a Ta (tantalum) layer.
  • the magnetization direction of the pinned magnetic layer 24 is fixed by antiferromagnetic coupling between the antiferromagnetic layer 23 and the pinned magnetic layer 24.
  • the fixed magnetization direction (P direction) of the fixed magnetic layer 24 of each magnetic sensing element 21 is parallel to the central axis O of the rotating shaft 13 of the rotating body 14, as shown in FIG. Further, the magnetic sensing element 21 is installed close to the magnetized surface of the rotating magnet 16, and the magnetization of the free magnetic layer 26 is always saturated by the leakage magnetic field from the rotating magnet 16.
  • the electric resistance of the magnetic sensing element 21 changes depending on the relationship between the direction of fixed magnetization (P direction) of the fixed magnetic layer 24 and the direction of the magnetization vector F of the free magnetic layer 26.
  • P direction direction of fixed magnetization
  • FIG. 3 when the magnetization vector F of the free magnetic layer 26 is directed parallel to the direction of the fixed magnetization (P direction) by the leakage magnetic field from the rotating magnet 16, the electric resistance becomes minimum, and FIG. As shown by a broken line in FIG. 5, when the vector F is directed antiparallel to the direction of the fixed magnetization (P direction), the electric resistance becomes maximum.
  • FIG. 5 shows a detection circuit unit 30 including one magnetic detection element 21. Since the detector 20 is provided with a pair of magnetic detection elements 21, a pair of detection circuit sections 30 shown in FIG. 5 are also provided, and each detection circuit section 30 includes the magnetic detection elements 21. ing.
  • the detection output from the detection circuit unit 30 including one magnetic detection element 21 is an A-phase output, and the detection output from the detection circuit unit 30 including the other magnetic detection element 21 is a B-phase output.
  • a power supply voltage Vdd of a predetermined voltage is intermittently given to each detection circuit unit 30 by a switching circuit 31.
  • the switching circuit 31 is intermittently opened and closed at a constant cycle by a timing circuit 32 including a clock. By supplying the power supply voltage Vdd intermittently, power consumption can be reduced.
  • one magnetic detection element 21 and a voltage dividing resistor 33 are connected in series, and a voltage Vdd is applied to the series voltage dividing resistor 33 and the magnetic detection element 21.
  • the electric resistance value of the magnetic sensing element 21 becomes the same as the resistance value of the voltage dividing resistor 33,
  • the voltage at the connection intermediate point 34 between the magnetic sensing element 21 and the voltage dividing resistor 33 becomes Vdd / 2.
  • a reference resistor 35 and a reference resistor 36 are connected in series, and the voltage Vdd acts on the reference resistor 35 and the reference resistor 36 connected in series. At this time, the voltage at the connection intermediate point 37 between the reference resistor 35 and the reference resistor 36 is set to Vdd / 2.
  • the voltage at the connection intermediate point 34 and the voltage at the connection intermediate point 37 are applied to the differential amplifier circuit 38, and the differential amplifier circuit 38 outputs the difference between the two voltages. That is, the differential amplifier circuit 38 outputs the increment and decrement of the voltage at the connection intermediate point 34 with respect to the voltage at the connection intermediate point 37 and supplies it to the Schmitt trigger circuit 39.
  • the Schmitt trigger circuit 39 gives a high output to the latch circuit 40 when the voltage difference detected by the differential amplifier circuit 38 exceeds the first threshold value L1. When the voltage difference falls below the second threshold value L2, a low output is applied to the latch circuit 40.
  • the output switch circuit 41 is turned ON when a high output is obtained from the Schmitt trigger circuit 39, and the output switch circuit is turned OFF when the output from the Schmitt trigger circuit 39 is switched to low.
  • FIG. 6A shows the change in voltage at the connection intermediate point 34 of the A-phase detection circuit unit 30 for one cycle.
  • the waveform is substantially a sine curve, and the voltage periodically changes between plus and minus with respect to the reference voltage Vdd / 2 /.
  • the horizontal axis in FIG. 6A is the rotation angle of the rotating body 14. Since the magnetization vector F of the free magnetic layer 26 rotates 360 degrees while the rotating body 14 rotates 180 degrees, the voltage shown in FIG. 6A changes by one period of the cosine curve.
  • FIG. 6A shows the first threshold value L1 and the second threshold value L2 set by the Schmitt trigger circuit 39.
  • the A-phase output obtained from the detection circuit unit 30 shown in FIG. 5 is a rectangular wave output shown in FIG.
  • the rectangular wave output rises when the voltage shown in FIG. 6A exceeds the first threshold value L1, and falls when the voltage becomes lower than the second threshold value L2.
  • FIG. 7A shows a change in the voltage at the connection intermediate point 34 of the B-phase detection circuit unit 30.
  • the waveform is substantially a sine curve with respect to the cosine curve of FIG. 6A, and the voltage periodically changes between plus and minus with respect to the reference voltage Vdd / 2.
  • the rectangular wave B-phase output shown in FIG. 7B is generated from the voltage change shown in FIG. 7A.
  • the B-phase output is shown in FIG. 6B. It is delayed by 1/4 cycle from the A phase output.
  • FIG. 8 shows the circuit processing unit 50 of the first embodiment
  • FIG. 9 shows the voltage waveform of the circuit processing unit 50 when the rotating body 14 rotates forward
  • FIG. The voltage waveform of the circuit processing part 50 at the time of reverse rotation is shown.
  • the A-phase output shown in FIG. 6B is given from the A-phase detection circuit unit 30 to the circuit processing unit 50 shown in FIG. 8, and the B-phase shown in FIG. Output is given.
  • the phase A output is indicated by Va as a voltage change
  • the phase B output is also indicated by Vb as a voltage change.
  • the circuit processing unit 50 shown in FIG. 8 has a very simple circuit configuration including mainly two circuit elements, an inverting amplification circuit 52 including an imaginary short operational amplifier 51 and an intermediate processing unit 53.
  • the B-phase output Vb is supplied to the positive phase input section (+) of the operational amplifier 51 by adjusting the voltage with the resistor R2, the resistor R4, and the external voltage Vr.
  • the A-phase output Va and the output voltage Vc of the intermediate processing unit 53 are added to the negative-phase input unit ( ⁇ ) of the operational amplifier 51, and the voltage is adjusted by resistors R1, R3, and R5.
  • Vout ⁇ (R3 / R1) * Va ⁇ (R3 / R5) * Vc + ⁇ (R3 / R1) + (R3 / R5) +1 ⁇ * Vd
  • Vout ⁇ (R3 / R1) * Va ⁇ (R3 / R5) * Vc + ⁇ (R3 / R1) + (R3 / R5) +1 ⁇ * ⁇ R4 / (R4 + R2) ⁇ * Vb + ⁇ (R3 / R1) + ( R3 / R5) +1 ⁇ * ⁇ R2 / (R4 + R2) ⁇ * Vr
  • Vout A * Va + B * Vb + C * Vc + D * Vr
  • the output voltage Vc of the intermediate processing unit 53 is generated by associating the A-phase output Va and the B-phase output Vb. As shown in FIG. 9, by generating the output voltage Vc, a stepped output Vout as shown in FIG. 9 can be obtained.
  • Vout (A + ⁇ ) * Va + (B + ⁇ ) * Vb + D * Vr
  • V4-V1 V3-V2 is required, that is, from the A-phase output Va and the B-phase output Vb, V1, V2,
  • the output gains of V3 and V4 cannot be set independently of each other, and outputs V1, V2, V3, and V4 that change stepwise as shown in FIG. 9 cannot be obtained.
  • the intermediate processing unit 53 sets the output voltage Vc by a logical operation so as not to include the addition element ( ⁇ * Va + ⁇ * Vb) of the A-phase output Va and the B-phase output Vb. Is generated.
  • the output voltage Vc is obtained as an exclusive OR by a NOR circuit.
  • Vout can be output by the operational amplifier 51 from the A-phase output Va, the output voltage Vc of the intermediate processing unit 53, and the input voltage Vd to the positive phase input unit (+).
  • Vout shown in FIG. 9 can output four levels of voltages V1, V2, V3, and V4 in accordance with changes in high and low of the A-phase output Va and the B-phase output Vb.
  • FIG. 10 shows voltage waveforms of the circuit processing unit 50 when the rotating body 14 rotates in the reverse direction.
  • Vout becomes a stepped output in which the output voltage decreases stepwise during one period.
  • the output voltage Vc in FIGS. 9 and 10 can be arbitrarily generated by setting the power supply voltage of the operational amplifier provided in the intermediate processing unit 53.
  • the logical operation in the intermediate processing unit 53 may be an operation process such as OR, AND, and NAND.
  • Rotating body (moving body) 16 Rotating Magnet 20 Detector 21 Magnetic Detection Element 30 Detection Circuit Unit 50 Circuit Processing Unit 51 Operational Amplifier 52 Inversion Amplifier Circuit 53 Intermediate Processing Unit

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Abstract

【課題】 互いに位相が相違するA相出力とB相出力を用いて、簡単な回路要素で、階段状出力を得ることができる移動体検知装置を提供する。 【解決手段】 検知回路部30から得られた互いに位相が相違するA相出力VaとB相出力Vbが、イマジナリショートのオペアンプ51の逆相入力部(-)と正相入力部(+)に個別に与えられる。A相出力VaとB相出力Vbとが中間処理部53に与えられ、中間処理部53の論理演算によって中間出力Vcが得られ、この中間出力VcがA相出力Vaとともに逆相入力部(-)に与えられる。その結果、反転増幅回路52の出力Voutが、階段状に変化する出力となる。

Description

移動体検知装置
 本発明は、周期的に変化し且つ位相が互いに相違するA相出力とB相出力を得る検知器が設けられた移動体検知装置に係り、特に簡単な回路構成の回路処理部を使用して、A相出力とB相出力とから階段状出力を生成できる移動体検知装置に関する。
 回転移動する移動体または直線移動する移動体の移動距離や移動速度を検知する移動体検知装置としては、磁気検知方式や光学検知方式などがある。
 以下の特許文献1と特許文献2に記載の磁気エンコーダは、移動体にマグネットが設けられ、このマグネットはN極とS極が移動方向に向けて交互に着磁されている。移動体に対向する検知器に、前記マグネットからの漏れ磁界を検知する一対の磁気検知素子が設けられており、移動体が移動するときにそれぞれの磁気検知素子から、中点を基準としてプラスとマイナスが周期的に変化する検知出力が得られる。また、一対の磁気検知素子のそれぞれから位相が相違する出力が得られる。磁気検知素子で検知される検知出力の周波数や位相から移動体の移動速度または移動位置などを知ることができ、また前記2つ磁気検知素子から得られる検知出力の位相を比較することにより移動体の移動方向を知ることができる。
 この種の移動体検知装置は、磁気検知素子から得られる検知出力が三角関数に近似した変化を示すが、検知出力から移動体の移動位置を正確に認識するためには、前記検知出力から階段状の出力を生成することが好ましい。段階的に変化する出力を得ると、出力の段階的な変化をカウントすることなどで移動体の移動位置を正確に検知しやすくなる。
 以下の特許文献1に記載された磁気エンコーダは、磁気検知素子で検知されたA相出力とB相出力を、コンパレータを用いて矩形波に生成するとともに、A相出力の矩形波とB相出力の矩形波とを加算して階段状出力を生成している。
 しかし、特許文献1の磁気エンコーダで得られる階段状出力は、A相出力またはB相出力の1周期の期間内に、出力が段階的に増加する領域と段階的に低下する領域の双方を含んでいる。よって、1周期の期間中に同じレベルの出力となることが2回発生することになり、この出力から移動体の位置を精度良く検知することは難しい。
 以下の特許文献2に記載された検出装置は、A相出力とB相出力とのいずれかがゼロ点を通過するときに、A相出力とB相出力のどちらが進んでいるかを検出し、A相出力が進んでいるときは加算信号をアップ・ダウンカウンタに与え、A相出力が遅れているときは減算信号をアップ・ダウンカウンタに与える。前記アップ・ダウンカウンタによって、加算信号が得られているときは段階的に増加する階段状出力が生成され、減算信号が得られているときは段階的に低下する階段状出力が生成される。
 しかし、特許文献2に記載された検出装置は、A相出力とB相出力とがゼロ点を通過したことを検知する検知回路や、ゼロ点を通過する毎に、A相出力とB相出力の位相を比較してどちらの位相が進んでいるかを判断する回路や、パルス発生回路や、アップ・ダウンカウンタなど多数のアナログ処理またはディジタル処理のための回路要素を使用しているため、回路処理部が複雑であり、よって装置のコストも高くなる。
特開平4-323515号公報 特開昭58-26208号公報
 本発明は上記従来の課題を解決するものであり、三角関数に近似して連続的に変化するA相出力とB相出力とから、少ない回路要素を用いて、1周期内で常に段階的に増加する階段状出力や、常に段階状に低下する階段状出力を得ることができる移動体検知装置を提供することを目的としている。
 本発明は、移動体の移動状態に応じた出力を得る検知器と、前記検知器からの出力を処理する回路処理部とを有する移動体検知装置において、
 前記検知器から、前記移動体が移動したときに、中点を基準としてプラスとマイナスとが周期的に変化するA相出力と、同じく中点を基準としてプラスとマイナスとが周期的に変化し且つ前記A相出力に対して位相が進みまたは遅れるB相出力が得られ、
 前記回路処理部に、前記A相出力と前記B相出力とから中間出力を得る中間処理部と、オペアンプを含む反転増幅回路とが設けられ、
 前記A相出力と前記B相出力のいずれか一方の出力と前記中間出力とが、ともに抵抗器で電圧調整されて前記オペアンプの逆相入力部に与えられ、前記A相出力と前記B相出力の他方の出力が抵抗器で電圧調整されて前記オペアンプの正相入力部に与えられて、前記オペアンプの出力部から階段状出力が得られることを特徴とするものである。
 例えば、前記中間処理部では、前記A相出力と前記B相出力とが論理演算されて前記中間出力が得られる。
 本発明において、前記逆相入力部への入力電圧を調整する前記抵抗器の抵抗値と、前記正相入力部への入力電圧を調整する前記抵抗器の抵抗値、および前記オペアンプの負帰還部の抵抗器の抵抗値によって、前記階段状出力の増加量または低下量が各段において等しく設定されているものとすることが可能である。
 また、前記A相出力と前記B相出力の位相が1/4周期ずれて、前記A相出力または前記B相出力の1周期の期間に4段階で変化する前記階段状出力が得られることが好ましい。
 本発明は、前記移動体が一方向へ移動するときに、前記A相出力または前記B相出力の1周期の間に、出力が段階的に増加し、前記移動体が前記一方向とは逆向きの他方向に移動するときに、出力が段階的に低下するものである。
 本発明は、オペアンプを主体とした簡単な回路を用いて、A相出力とB相出力とから、1周期の期間内に出力が段階的に増加し、または段階的に低下する階段状出力を得ることができる。
 階段状出力は、イマジナリショートのオペアンプを使用した増幅回路で生成されるため、オペアンプの逆相入力部への入力電圧を調整する抵抗器の抵抗値と、正相入力部への入力電圧を調整する抵抗器の抵抗値、およびオペアンプの負帰還部の抵抗器の抵抗値によって、各段階の出力のゲインを個別に決めることができる。そのため、階段状出力の増加量または低下量を各段において等しく設定することも可能である。
 本発明の移動体検知装置は、段階的に変化する出力を得ることができるので、この主力を利用して、出力の増加回数や減少回数をカウントすることなどにより、移動体や直線移動する移動体の移動位置を高精度に検知することができる。
移動体である回転体の平面図、 回転体とこの回転体に対向する検知器を示す側面図、 検知器に設けられた磁気検知素子の正面図、 図3に示した磁気検知素子をIV線で切断した断面拡大図、 検知器の出力を得るための検知回路部の回路図、 A相出力の説明図、 B相出力の説明図、 回路処理部の第1の実施の形態を示す回路図、 回転体が正方向へ回転したときに第1の実施の形態の回路処理部から得られる波形説明図、 回転体が逆方向へ回転したときに第1の実施の形態の回路処理部から得られる波形説明図、
 図1と図2には、移動体である回転体14と検知器20とが示されている。
 図2に示すように、非磁性材料で形成された基台11に、非磁性材料で形成された軸受12が固定されており、この軸受12に非磁性材料で形成された回転軸13が回転自在に支持されている。この回転軸13に回転体14が固定されている。図示しない回転操作部を操作することによって回転軸13と回転体14とが回転させられる。または機構の回転力が回転軸13に伝達されて、回転軸13と回転体14とが回転させられる。回転軸13の中心軸Oは、基台11の表面に対して垂直である。
 図1に示すように、回転体14は、中心部に非磁性材料で形成された支持円盤15が設けられ、この支持円盤15が回転軸13に固定されている。支持円盤15の外周に回転磁石16が固定されている。回転磁石16は、その上面が着磁面とされており、この着磁面は回転方向に向けて少なくとも2極に着磁されている。図1に示す実施の形態では、回転磁石16が回転方向に4極に着磁されている。
 図2に示すように、回転磁石16の着磁面に検知器20が対向している。検知器20には、図3と図4に示す磁気検知素子21が搭載されている。図3に示すように、磁気検知素子21は縦方向(Y方向)が回転体14の回転軸13の中心軸Oと平行に向けられ、幅方向(X方向)が回転磁石16の回転方向に向けられて、磁気検知素子21が、回転磁石16の上面の着磁面に対向している。磁気検知素子21のX方向の幅寸法は、回転磁石16の円周の長さに対してきわめて小さい。
 検知器20には、磁気検知素子21が対を成して設けられ、一方の磁気検知素子21の配置位置が他方の磁気検知素子21に対して回転磁石16の円周方向にずれている。そのずれ量は、回転磁石16が一方向へ回転したときに、磁気検知素子21で検知される磁場の変化の周期に対して1/4周期に相当している。図1に示すように、回転磁石16が360度で4極着磁の場合、回転体14が180度回転すると磁場の変化が1周期となる。この場合、一対の磁気検知素子21は、中心軸Oに対して45度の角度で配置されることでずれ量が1/4周期となる。ただし、ずれ量は1/4周期でなくてもよい。
 図3に示す磁気検知素子21は巨大抵抗効果素子であり、磁気検知素子21は、Y方向に長手方向が向けられた複数の素子部21aを有するミアンダパターンで形成されている。図4の断面図に示すように、磁気検知素子21は、素子基板22の上に、反強磁性層23、固定磁性層24、非磁性導電層25、および自由磁性層26の順に積層されて成膜され、自由磁性層26の表面が保護層27で覆われている。
 反強磁性層23は、Ir-Mn合金(イリジウム-マンガン合金)などの反強磁性材料で形成されている。固定磁性層24はCo-Fe合金(コバルト-鉄合金)などの軟磁性材料で形成されている。非磁性導電層25はCu(銅)などである。自由磁性層26は、Ni-Fe合金(ニッケル-鉄合金)などの軟磁性材料で形成されている。保護層27はTa(タンタル)の層である。
 磁気検知素子21は、反強磁性層23と固定磁性層24との反強磁性結合により、固定磁性層24の磁化の方向が固定されている。それぞれの磁気検知素子21の固定磁性層24の固定磁化の方向(P方向)は、図3に示すように、回転体14の回転軸13の中心軸Oと平行な向きである。また、磁気検知素子21は回転磁石16の着磁面に接近して設置されており、自由磁性層26の磁化は、回転磁石16からの漏れ磁界によって常に飽和している。
 磁気検知素子21は、固定磁性層24の固定磁化の方向(P方向)と、自由磁性層26の磁化のベクトルFの方向との関係で電気抵抗が変化する。図3において実線で示すように、回転磁石16からの漏れ磁界によって自由磁性層26の磁化のベクトルFが固定磁化の方向(P方向)と平行に向けられると電気抵抗が極小になり、図3において破線で示すように、ベクトルFが固定磁化の方向(P方向)と反平行に向けられると電気抵抗が極大になる。
 図5は、1つの磁気検知素子21を含む検知回路部30を示している。検知器20には、一対の磁気検知素子21が設けられているために、図5に示す検知回路部30も一対設けられて、それぞれの検知回路部30が磁気検知素子21を含んで構成されている。一方の磁気検知素子21を含む検知回路部30からの検知出力がA相出力であり、他方の磁気検知素子21を含む検知回路部30からの検知出力がB相出力である。
 図5に示すように、それぞれの検知回路部30には、所定電圧の電源電圧Vddがスイッチング回路31で断続して与えられる。スイッチング回路31はクロックを含むタイミング回路32によって一定周期で間欠的に開閉される。電源電圧Vddが間欠的に与えられることによって、消費電力を低減できるようにしている。
 検知回路部30では、1つの磁気検知素子21と分圧抵抗33とが直列に接続され、直列の分圧抵抗33と磁気検知素子21に電圧Vddが印加されている。自由磁性層26の磁化のベクトルFの向きが、固定磁化の方向(P方向)と直交しているときに、磁気検知素子21の電気抵抗値が分圧抵抗33の抵抗値と同じになり、磁気検知素子21と分圧抵抗33との接続中間点34の電圧がVdd/2となる。
 検知回路部30では、参照抵抗35と参照抵抗36が直列に接続され、この直列に接続された参照抵抗35と参照抵抗36に電圧Vddが作用している。このとき参照抵抗35と参照抵抗36との接続中間点37の電圧がVdd/2に設定されている。
 前記接続中間点34の電圧と前記接続中間点37の電圧は差動増幅回路38に与えられ、差動増幅回路38からは両電圧の差が出力される。すなわち、差動増幅回路38からは、接続中間点37の電圧を基準とし、これに対する接続中間点34の電圧の増加分と減少分が出力されてシュミットトリガー回路39に与えられる。図6(A)(B)に示すように、シュミットトリガー回路39では、差動増幅回路38で検出される電圧差が第1のしきい値L1を超えるとハイの出力がラッチ回路40に与えられ、前記電圧差が第2のしきい値L2よりも下がるとローの出力がラッチ回路40に与えられる。ラッチ回路40では、シュミットトリガー回路39からハイの出力を得られているときに出力スイッチ回路41をONにし、シュミットトリガー回路39からの出力がローに切り替わると出力スイッチ回路をOFFにする。
 図6(A)はA相の検知回路部30の接続中間点34の電圧の変化を1周期分だけ示している。その波形はほぼ正弦曲線であり、基準電圧Vdd/2 に対してプラスとマイナスとで電圧が周期的に変化する。図6(A)の横軸は、回転体14の回転角度である。回転体14が180度回転する間に、自由磁性層26の磁化のベクトルFが360度回転するため、図6(A)に示す電圧が余弦曲線の1周期分だけ変化する。
 図6(A)には、シュミットトリガー回路39で設定される第1のしきい値L1と第2のしきい値L2が示されている。図5に示す検知回路部30から得られるA相出力は、図6(B)に示す矩形波出力である。矩形波出力は、図6(A)に示す電圧が第1のしきい値L1を超えると立ち上がり、第2のしきい値L2よりも低くなると立ち下がる。
 図7(A)は、B相の検知回路部30の接続中間点34の電圧の変化を示している。回転体14が正方向へ回転するときに、図7(A)に示す電圧変化は、図6(A)の電圧変化よりも1/4周期遅れる。その波形は、図6(A)の余弦曲線に対してほぼ正弦曲線であり、基準電圧Vdd/2に対してプラスとマイナスとで電圧が周期的に変化する。図7(A)に示す電圧変化から図7(B)に示す矩形波のB相出力が生成されるが、回転体14が正回転するとき、B相出力は、図6(B)に示すA相出力よりも1/4周期遅れている。
 回転体14が、正回転とは逆向きの回転になると、図6(B)に示すA相出力が、図7(B)に示すB相出力に対して1/4周期遅れる。
 図8は第1の実施の形態の回路処理部50を示し、図9は、回転体14が正回転したときの回路処理部50の電圧波形を示しており、図10は、回転体14が逆回転したときの回路処理部50の電圧波形を示している。
 図8に示す回路処理部50には、A相の検知回路部30から図6(B)に示すA相出力が与えられ、B相の検知回路部30から図6(B)に示すB相出力が与えられる。図9と図10では、A相出力を電圧変化としてVaで示し、B相出力を同じく電圧変化としてVbで示している。
 図8に示す回路処理部50は、イマジナリショートのオペアンプ51を含む反転増幅回路52と中間処理部53の主に2つの回路要素を含むきわめて簡単な回路構成である。
 オペアンプ51の正相入力部(+)には、B相出力Vbが、抵抗器R2と抵抗器R4および外部電圧Vrとで電圧調整されて与えられる。正相入力部(+)の入力電圧Vdは、以下の通りである。
 Vd={R4/(R4+R2)}*Vb+{R2/(R4+R2)}*Vr
 オペアンプ51の逆相入力部(-)には、A相出力Vaと中間処理部53の出力電圧Vcとが加算され、さらに抵抗器R1,R3,R5で電圧調整されて与えられる。
 オペアンプ51からの出力Voutは以下の通りである。
 Vout=-(R3/R1)*Va-(R3/R5)*Vc+{(R3/R1)+(R3/R5)+1}*Vd
 前記Vdを代入すると、出力Voutは以下の通りである。
 Vout=-(R3/R1)*Va-(R3/R5)*Vc+{(R3/R1)+(R3/R5)+1}*{R4/(R4+R2)}*Vb+{(R3/R1)+(R3/R5)+1}*{R2/(R4+R2)}*Vr
 抵抗値で計算される各係数をA,B,C,Dに置き換えると、Voutは以下の通りである。
 Vout=A*Va+B*Vb+C*Vc+D*Vr
 ここで、中間処理部53の出力電圧Vcは、A相出力VaとB相出力Vbを関連付けることで生成される。図9に示すように、前記出力電圧Vcを生成することで、図9に示すような階段状の出力Voutを得ることができる。
 ここで、仮に中間処理部の出力電圧がVc=α*Va+β*Vbとすると、Voutは以下のようになる。
 Vout=(A+α)*Va+(B+β)*Vb+D*Vr
 A相出力VaとB相出力Vbの変化から、図9に示す階段状の出力V1、V2、V3、V4を作るためには、D*Vrを消去できるように、各係数を決めることが必要である。
 V1=(A+α)*Va+(B+β)*Vb+D*Vr
 V2=(A+α)*Va+(B+β)*Vb+D*Vr
 V3=(A+α)*Va+(B+β)*Vb+D*Vr
 V4=(A+α)*Va+(B+β)*Vb+D*Vr
 上記V1、V2、V3、V4からD*Vrを消去しようとすると、V4-V1=V3-V2という条件が必要になり、すなわち、A相出力VaとB相出力Vbとから、V1、V2、V3、V4の出力ゲインを互いに独立して設定することはできず、図9に示すような階段状に変化する出力V1、V2、V3、V4を得ることができない。
 そこで、図8に示す回路処理部50では、中間処理部53において、A相出力VaとB相出力Vbとの加算要素(α*Va+β*Vb)を含まないように論理演算によって出力電圧Vcを生成している。この実施の形態では、出力電圧VcをNOR回路による排他的論理和として求めている。
 この場合、図9の線図に示すように、A相出力Vaと中間処理部53の出力電圧Vcと、正相入力部(+)への入力電圧Vdとから、オペアンプ51によってVoutを出力できる。図9に示すVoutは、A相出力VaとB相出力Vbのハイとローの変化に応じて、4段階の電圧V1、V2、V3、V4を出力できる。
 このときの出力電圧Voutは、A相出力VaまたはB相出力Vbの1周期の間に、4段階で出力が増加し続ける階段状出力である。A相出力VaとB相出力Vbは、位相が1/4周期だけずれているため、電圧V1、V2、V3、V4も1/4周期ごとに変化する。また、前記抵抗器R1,R2,R3,R4,R5の抵抗値を選択することによって、V4-V3=V3-V2=V2-V1となるように、すなわち、各段の増加量が均一になるように設定することができる。
 次に、回転体14が逆向きに回転したときの回路処理部50の電圧波形を図10に示している。
 この場合、A相出力Vaの位相がB相出力Vbに対して1/4周期だけ遅れるために、Voutは、1周期の間に出力電圧が段階的に低下する階段状出力となる。
 また、図9と図10の出力電圧Vcは、中間処理部53に設けられるオペアンプの電源電圧を設定することで任意に生成できる。
 なお、前記中間処理部53での論理演算は、OR、AND、NANDなどの演算処理であってもよい。
14 回転体(移動体)
16 回転磁石
20 検知器
21 磁気検知素子
30 検知回路部
50 回路処理部
51 オペアンプ
52 反転増幅回路
53 中間処理部

Claims (5)

  1.  移動体の移動状態に応じた出力を得る検知器と、前記検知器からの出力を処理する回路処理部とを有する移動体検知装置において、
     前記検知器から、前記移動体が移動したときに、中点を基準としてプラスとマイナスとが周期的に変化するA相出力と、同じく中点を基準としてプラスとマイナスとが周期的に変化し且つ前記A相出力に対して位相が進みまたは遅れるB相出力が得られ、
     前記回路処理部に、前記A相出力と前記B相出力とから中間出力を得る中間処理部と、オペアンプを含む反転増幅回路とが設けられ、
     前記A相出力と前記B相出力のいずれか一方の出力と前記中間出力とが、ともに抵抗器で電圧調整されて前記オペアンプの逆相入力部に与えられ、前記A相出力と前記B相出力の他方の出力が抵抗器で電圧調整されて前記オペアンプの正相入力部に与えられて、前記オペアンプの出力部から階段状出力が得られることを特徴とする移動体検知装置。
  2.  前記中間処理部では、前記A相出力と前記B相出力とが論理演算されて前記中間出力が得られる請求項1記載の移動体検知装置。
  3.  前記逆相入力部への入力電圧を調整する前記抵抗器の抵抗値と、前記正相入力部への入力電圧を調整する前記抵抗器の抵抗値、および前記オペアンプの負帰還部の抵抗器の抵抗値によって、前記階段状出力の増加量または低下量が各段において等しく設定されている請求項1または2記載の移動体検知装置。
  4.  前記A相出力と前記B相出力の位相が1/4周期ずれて、前記A相出力または前記B相出力の1周期の期間に4段階で変化する前記階段状出力が得られる請求項1ないし3のいずれかに記載の移動体検知装置。
  5.  前記移動体が一方向へ移動するときに、前記A相出力または前記B相出力の1周期の間に、出力が段階的に増加し、前記移動体が前記一方向とは逆向きの他方向に移動するときに、出力が段階的に低下する請求項1ないし4のいずれかに記載の移動体検知装置。
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