JPH0127368B2

JPH0127368B2 -

Info

Publication number: JPH0127368B2
Application number: JP4707278A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Kawai; Chikahisa Hayashi
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1978-04-19
Filing date: 1978-04-19
Publication date: 1989-05-29
Also published as: JPS54138457A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は磁気抵抗素子、またはホール素子の磁
界変化に対して出力が変化する磁気変化素子を用
いた位置検出器に関するものである。

従来の磁気変化素子として磁気抵抗素子を用い
た位置検出器の一例を第１図および第２図に示
す。第１図において、１は磁気抵抗素子（たとえ
ば、ジーメンス社製差動センサ製品番号
FP211D155）を使用した位置検出器であり、１
ａはハウジング、１ｂ，１ｃは磁気抵抗素子、１
ｄは磁気抵抗素子１ｂ，１ｃをマウントする樹脂
である。１ｅは円筒形になつた永久磁石である。
２は磁性体で出来ている円板で１つの突起２ａを
持つており、この突起２ａ部分が回転軸の基準位
置である。第２図は第１図の磁気抵抗素子１ｂ，
１ｃの配置を示すために第１図図示のＡ方向から
見た図であり、図中二点鎖線の部分は第１図の円
板２の突起２ａ部分の状態を示している。第３図
は磁気抵抗素子１ｂ，１ｃの抵抗値変化を電気的
に取り出すための電気回路図である。磁気抵抗素
子１ｂ，１ｃは同じ特性をもつた素子である。第
４図は円板２が第１図の矢印の方向に回転して円
板２の突起２ａ部分が位置検出器１の検出部分を
通過した時に発生する電圧波形である。

第３図において、磁気抵抗素子１ｂ，１ｃは直
列に接続し、磁気抵抗素子１ｃの一端には一定電
圧Vcが印加してあり、磁気抵抗素子１ｂの一端
は接地してある。一方、固定抵抗R₃，R₄も直列
に接続してあり、固定抵抗R₄の一端には前記一
定電圧Vcが印加してあり、固定抵抗R₃の一端は
接地してある。前記各磁気抵抗素子１ｂと１ｃの
接続点と該固定抵抗R₃とR₄の接続点との電位差
△Ｖが出力になつている。各磁気抵抗素子１ｂ，
１ｃを各固定抵抗R₃，R₄とはブリツジ回路を構
成しており、磁気抵抗素子１ｂ，１ｃの抵抗値を
それぞれR₁，R₂とすると、電圧△Ｖは、 △Ｖ＝Vc×（R₁・R₄−R₂・R₃）／（R₁＋R₂）×
（R₃＋R₄） ……(1)式となる。この場合、突起２ａ部分が接近していな
い状態の時、R₁×R₄＝R₂×R₃になるように設定
してある。

以上の構成でその作動を説明すると、第１図に
おいて、永久磁石１ｅにより点線で示す磁束が出
ているとすると、円板２の突起２ａ部分が接近し
ていない場合には、磁束は磁気抵抗素子１ｂ，１
ｃに均等に通つている。そして、円板２が回転し
て突起２ａ部分が第１図のように磁気抵抗素子１
ｂに接近すると磁気抵抗素子１ｂを通る磁束は増
加して磁気抵抗素子１ｂの抵抗値は大きくなり、
逆に磁気抵抗素子１ｃを通過する磁束は減少して
磁気抵抗素子１ｃの抵抗値は小さくなる。従つ
て、第３図の電圧△Ｖは第４図図示のＡの波形に
なる。反対に突起２ａ部分が磁気抵抗素子１ｃを
通過する時には第４図図示のＣの波形になる。従
つて、波形Ａと波形Ｃの切換わり点Ｂを基準位置
とすれば良いわけである。

しかし、このようにして位置検出器を使用する
場合には、円筒形になつた永久磁石１ｅ、磁気抵
抗素子１ｂ，１ｃ、突起２ａ部分の形状から、各
磁気抵抗素子１ｂと１ｃは第２図のように回転方
向に並べて置かれないと具合が悪い。従つて、位
置検出器１と円板２の相対的な位置関係から位置
検出器１を検出部分と円板２との距離ご保ちなが
ら第２図のような方向性を持たせるには位置検出
器の装着が難かしいという問題がある。例えば、
第５図のようにハウジング１ａにねじ１ｂを切つ
てそのねじ１ｂで検出器１を被取付部３に固定す
る場合には、円板２側が目にみえない場合は特に
距離ｌで方向性を持たせるのが困難になる。特
に、距離ｌに精度が必要な場合には、検出器１を
回わせばねじ１ｂの性質によりｌが出なく、ｌを
出せば方向が出なくなつてしまうので、検出器１
をこのようなねじ１ｂで簡単に装着することが出
来ないという欠点がある。その他の方法として被
付付部３に支持板をつけて検出器１のハウジング
１ａには穴をあけるようなものが考えられるが、
いずれの場合も密封の問題や、支持板の形状が大
きくなつたりするので簡単に取付けられないとい
う欠点がある。

また、方向性のない位置検出器としては発振型
のコイルにより磁束を発生させ、磁性体が通過す
ると磁束が遮断されるのを利用したものがある
が、この種の検出器の欠点としては、発振回路、
増幅スイツチング回路等が必要となり、回路が複
雑になり高価になることと発振周波数との関係上
応答周波数が10KHz以下になり、検出値の回転が
高速になると応答しないという問題と、検出器と
検出体との距離ｌの調整がむつかしいという欠点
がある。

本発明は以上の欠点を解消するために、内側が
中空になつている円筒形状つまりドーナツツ型の
１つの永久磁石をその端面を被検出体に対向させ
て使用し、該永久磁石のつくる磁束のうち円筒内
側を通る磁束と外側を通る磁束との接合面の中心
軸上の点の磁束強度が零の近傍に磁気抵抗素子あ
るいはホール素子等の磁気変化素子を置きかつこ
の磁気変化素子を前記端面側で前記永久磁石に固
定し、磁性体が近づくことにより前記０点が移動
するために、前記磁気変化素子の電気的出力が変
化することを利用して、方向性がなくしかも割合
検出体との距離を精度良く押える必要がなく、小
型軽量な位置検出器を提供することを目的とする
ものである。

以下本発明を図に示す実施例について説明す
る。第６図Ａは動作原理図であり、５は中空の円
筒状の永久磁石であり、軸方向の断面が示してあ
り、磁界の方向が矢印の実線にて図示してある。
なお、該永久磁石５の材質はフエライトで図示の
ごとく軸方向にＮ、Ｓ極に着磁してある。このよ
うな永久磁石５においては、Ｎ極からＳ極に行く
磁束のうち永久磁石５の内側に行くものと、外側
に行くものとの接合点P₀が永久磁石５の中心線
上に必ずあり、この接合点P₀の磁束の強さとし
ては０である。磁束の強さの様子を第６図Ｂに示
す。この第６図Ｂにおいて、横軸は軸方向の距
離、縦軸は磁束の強さを表わす。この第６図Ｂに
実線で示すように永久磁石５の内側の磁束はほと
んど平行になつている。そして、P₀点から遠く
なるに従つて磁界の強度は距離の２乗に反比例し
て小さくなつていき、P₀点附近が一番磁界の変
化が大きい。この状態で磁性材料の検出体６がそ
の回転中に最も接近した場合、P₀点は永久磁石
５側に中心軸上を下がつて点線のような磁界にな
り、磁束０点はP₀点からP₀′になる。従つていま
P₀点に磁界変化に応動する磁気変化素子を置い
ておくと、検出体６が接近した場合には磁気変化
素子にはHxの磁束が印加される。それによつて
磁気変化素子の電気量は変化する。当然磁束は回
転対称になつているので方向には無関係である。
また、零磁束の点P₀は中空円筒型の形状つまり、
内型、外径、長さにより決まり、着磁磁束の強さ
は無関係である。

第７図に本発明の一実施例における構成を示
す。２は回転円板、２ａは回転円板２に設けた磁
性体製の突起であり、３は位置検出器１０を装着
する被取付部、５は前述した内側が中空の永久磁
石で、第６図図示のごとく突起２ａ側をＮ極に、
その反対側をＳ極に着磁してある。１１は磁気変
化素子として用いたソニー株式会社製品番
DM101Aよりなる磁気抵抗素子であり、１２は
増幅回路としての増幅スイツチング回路である。
１３は接着剤でアラルダイト（商品名）よりな
る。そして、検出器１０のアルミニユーム、銅等
の非磁性体よりなる円筒状ハウジング１０ａの内
部に増幅スイツチング回路１２が内蔵してあり、
ハウジング１０ａ内の開口端側に永久磁石５が内
蔵され、この永久磁石５の外側端には非磁性体製
のリング状保護部材１５が設けてある。また、磁
気抵抗素子１１は、公知の通り（昭和52年電気学
会論文誌C97巻８号の論文52−C21付録参照）、非
常に小さな基板上に水平パターンと垂直パターン
とが蒸着され、基板と同一面上の磁界により抵抗
値が変化するものである。この磁気抵抗素子１１
は永久磁石５の中心線上の零磁束の付近であるリ
ング状保護部材１５の中心に、第８図に示すよう
に水平パターン１１ａと垂直パターン１１ｂとを
区別するパターンの中心線１１ｃが永久磁石５の
中心軸に一致するように、かつ水平パターン１１
ａと垂直パターン１１ｂとが蒸着された基板面と
が永久磁石５の一端面とが垂直になるように配設
され、これら磁気抵抗素子１１、永久磁石５およ
びリング状保護部材１５は、このリング状保護部
材１５およびハウジング１０ａ内に充填した接着
剤１３によりハウジング１０ａに固着保持され
る。検出器１０はそのハウジング１０ａの外周に
形成したねじ１０ｃにより被取付部に螺着され、
ねじ１０ｃに螺合したロツクナツト１４によりロ
ツクする。

前記中空同筒型永久磁石５の形状は外径8φ、
内径3.5φ、長さ４mmでこのとき零磁束の距離ｄは
該永久磁石５の端面から約0.5mm附近である。

第８図は第７図図示の増幅スイツチング回路１
２の内部回路を示すものである。この第８図にお
いて、入力端子１２０，１２１，１２２は前記磁
気抵抗素子１１の一方のバイアス電圧端子、出力
電圧端子、他方のバイアス電圧端子にこの順にそ
れぞれ接続してある。コンデンサ１２３の一端は
前記入力端子１２１に、他端は演算増幅器（以下
オペアンプという）１２８の反転入力に接続して
ある。抵抗１２４と抵抗１２５は直列に接続して
あり、抵抗１２４の他端は入力端子１２０に接続
してあり、抵抗１２５の他端は入力端子１２２に
接続してある。入力端子１２０は電源端子１３１
に接続されていて一定電圧Vcが印加してある。
入力端子１２２は接地端子１３３に接続してあ
る。抵抗１２４と抵抗１２５の接続点はオペアン
プ１２８の非反転入力に接続してある。抵抗１２
６は前記コンデンサ１２３の他端と抵抗１２４と
抵抗１２５の接続点に接続してあり、抵抗１２７
はコンデンサ１２３の他端と接地端子１３３の間
に接続してある。オペアンプ１２８はジーメンス
社製ICで製品番号TAA765Wを使用している。
該オペアンプ１２８の非反転入力と出力との間に
正帰還用抵抗１２９が挿入してある。該オペアン
プ１２８の出力と電源端子１３１との間に負荷抵
抗１３０が接続してある。該オペアンプ１２８の
プラス電源端子は電源端子１３１に、マイナス電
源端子は接地端子１３３に接続してある。オペア
ンプ１２８の出力は増幅スイツチング回路１２の
出力端子１３２となつている。

以上の構成でその作動を説明すると、第７図の
回転円板２が回転して突起部分２ａが接近する
と、第６図Ａ，Ｂの原理図で説明したように、中
空円筒型の永久磁石５の外側を通つてＮ極からＳ
極へ向かう磁界の０点が変化するので、磁界の大
きさと方向が大きく変化する。その磁界の変化は
磁気抵抗素子１１の抵抗値変化として表れ、入力
端子１２１の電圧は突起２ａ部分が接近しない場
合とした場合とで変化する。つまり、突起２ａ部
分が接近するにつれて、永久磁石５から突起２ａ
部分方向に向かう磁束が増加すると共に、その方
向が永久磁石５の中心線に対して平行になつてい
く。これに応じて、それぞれのパターン１１ａ，
１１ｂが磁界の方向と平行であるとき抵抗値が最
大になり、逆に垂直であるとき最小になるという
性質を有しているために、水平パターンの抵抗値
が減少して、入力端子１２１の電圧は上昇する。
そして、その変化をコンデンサ１２３で検出す
る。この場合、抵抗１２４と抵抗１２５は同じ抵
抗値になつているので接続点の電圧は1/2Vcにな
つており、この電圧はオペアンプ１２８の非反転
入力に印加してあると同時に、抵抗１２６を介し
てコンデンサ１２３のオペアンプ１２８側の電圧
が1/2Vcにしてある。しかしこの場合、オペアン
プ１２８は比較器として使用しているので、低レ
ベルが高レベルかはオペアンプ１２８のオフセツ
ト電圧により決まつてしまう。それを防ぐために
抵抗１２７により1/2Vcを抵抗１２６と抵抗１２
７により分割した電圧をオペアンプ１２８とコン
デンサ１２３とに印加することにより、オペアン
プ１２８の出力が高レベルに設定してある。この
状態で、突起２ａ部分が接近すると、磁気抵抗素
子１１の抵抗値が変化して入力端子１２１の電圧
が上がり、オペアンプ１２８の反転入力の電圧が
１／２Vcより大きくなつて、オペアンプ１２８の出
力は低レベルになる。突起２ａ部分が遠ざかると
入力端子１２１の電圧は下がり、オペアンプ１２
８の出力は低レベルから高レベルになる。このよ
うにして、増幅スイツチング回路１２は磁気抵抗
素子１１の抵抗値変化を増幅して出力端子１３２
に高レベル、低レベルのスイツチング信号を出
す。この高レベルから低レベルに変化する所を位
置検出信号として使用することにより位置検出が
できる。

なお、突起２ａ部分が最も接近した位置にある
とき、あるいは突起２ａが永久磁石５の生ずる磁
束に影響を与えないほど離れているときには、永
久磁石５の生ずる磁束は永久磁石５の中心軸を中
心として回転対象になつている。このため、磁気
抵抗素子１１のパターンの中心線１１ｃが永久磁
石５の中心軸と一致していれば、上記のような状
態においては磁気抵抗素子１１の基板の取り付け
方向にかかわらず、磁気抵抗素子１１が検出する
磁束は常に一定となる。すなわち、円板２の突起
２ａ部分がどのような方向から接近しようとも、
磁気抵抗素子が検出する磁束は零磁束から円板２
の突起２ａ部分が最も接近したときに検出する最
大磁束へと増加していく。このとき、零磁束から
最大磁束へとどのように増加していくかが基板の
取り付け方向に応じてごくわずかに変化するが、
磁気抵抗素子１１の基板は非常に小さいため、そ
の変化は非常に小さいものであり、実質的にはな
んら影響を与えるものではない。従つて、検出器
１０を被取り付け部３へねじこみ、方向性を考慮
することなく取り付けることができる。

また、増幅スイツチング回路を位置検出器１０
に内蔵することにより、Ｓ／Ｎ比を大きくするこ
とが出来るので、外部雑音による影響を少なくす
ることが出来る。

この場合第７図において突起２ａ部分の形状を
縦４mm、横５mm、奥行９mmのS15Cの鉄にした場
合に、磁気抵抗素子１１の方向に無関係に、突起
２ａ部分と位置検出器１０の先端までの距離ｌは
０〜2.5mmまで検出出来た。

なお、磁気変化素子１１としては小さい程良い
が実施例における感磁部の大きさは1.18×2.36
〔mm²〕であり、厚さは１mm以下の形状であるが本
発明による磁気変化素子としては十分使用出来
る。

また、本実施例においては磁気変化素子として
ソニー社製製品番号DM101Aを使用したが、ジ
ーメンス社製の磁気抵抗素子を使用しても良いこ
とは当然であり、また磁気変化素子として磁気抵
抗素子の代りにホール素子を用いても良いことは
原理から云つても明らかである。また、増幅スイ
ツチング回路１２として交流増幅スイツチング回
路を用いたが、第３図のようにしてブリツジ回路
の出力△Ｖを比較器の反転入力、非反転入力に印
加する直流増幅スイツチング回路で可能なことは
当業者においては当然わかるのでここでは説明は
省略する。

また、実施例においては永久磁石５のＮ極側の
零磁束点に磁気抵抗素子を置いたが、永久磁石５
の方向を逆にしてＳ極の零磁束点に磁気抵抗素子
を置いても位置検出出来ることは明白である。

また、上述した実施例においては、増幅スイツ
チング回路１２をハウジング１０内に挿入した
が、別の場所に設けるようにしてもよい。

以上のように本発明においては、中空円筒型の
１つの永久磁石をその端面を被検出体に対向さ
せ、該永久磁石により発生する磁束のうち、永久
磁石の円筒内側を通る磁束と外側を通る磁束との
接合点である中心軸上の零磁束点の附近に磁気変
化素子を置き、前記端面側で前記永久磁石に固定
したから、従来、この種の位置検出器にはあつた
方向性をなくすことが出来しかも検出体と位置検
出器の検出部分との距離の設定に大幅な余裕が出
来ることに加えて、小型軽量であるという優れた
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来検出器の要部を示す縦断面図、第
２図は第１図の右側面図、第３図は第１図図示検
出器における電気回路図、第４図は第１図図示検
出器における磁気抵抗素子の出力波形図、第５図
は従来検出器の取付状態を示す部分断面正面図、
第６図Ａ，Ｂは本発明検出器の原理構成図および
その磁束波形図、第７図は本発明検出器の一実施
例を示す部分断面正面図、第８図は第７図図示検
出器における電気回路図である。５……永久磁石、１０ａ……ハウジング、１１
……磁気変化素子としての磁気抵抗素子、１２…
…増幅回路としての増幅スイツチング回路。

Claims

【特許請求の範囲】１一端面が突起を有する回転体円周部に近接対
向し軸方向に着磁されて被取付部材に固定された
中空円筒状の単一の永久磁石と、この永久磁石より発生する磁束のうち内側を通
る磁束と外側を通る磁束との接合点である中心軸
上の零磁束点付近での前記外側を通つて前記永久
磁石のＮ極からＳ極に向かう磁束の磁界強度を検
出すべくこの零磁束点付近に配設され、かつ前記
一端面側で前記永久磁石に固定され、磁界変化に
応じた出力変化を生ずる磁気変化素子と、前記突起の通過時における前記零磁束点付近の
電気的出力変化量を増幅して前記回転体の回転位
置を示す信号を生ずる増幅回路とを備えることを
特徴とする位置検出器。