JPH04268411A - 回転数検出器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気バブルを使用した
回転数検出器に関し、更に詳しくはリング磁石からの磁
界をキャンセルして磁気バブルを正確に検出する回転数
検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気バブルを用いた回転数検出器の原理
は広く知られているが、ここで概略を説明する。図７は
磁気バブルを用いた回転数検出器の動作原理図、図８は
図７の磁気バブル素子上に形成された転送素子ループの
パターン図、図９は図８の転送素子ループのストレッチ
ャー部の拡大図である。

【０００３】図７において、磁気バブル素子１は磁気バ
ブルを発生する材料で構成される。説明を加えると、磁
気バブルは、適当な強さの垂直磁界を加えることにより
、ＧＧＧ（ガドリニウム−ガリウム−ガーネット）上に
数μｍエピタキシャル成長させた垂直磁化膜の中に筒状
の形で発生する。この磁気バブル素子１には、磁気バブ
ル検出素子１２，１３及びアルミ配線パターン１４，１
５，１６が形成されている（図９参照）。磁気バブル検
出素子１２，１３は、磁気抵抗素子（例えばパーマロイ
）で構成される。更に磁気バブル素子１には、薄膜のパ
ーマロイで構成された転送素子１１がループ状に形成さ
れ、これに沿って磁気バブルが転送される（図８，図９
参照）。図８では１つの転送素子ループを示したが、実
際の磁気バブル素子１上には複数の転送素子ループが設
けられる。各転送素子ループにはメモリホイールのビッ
トパターンで磁気バブルが書き込まれている。なお、磁
気バブル素子１が配置されている平面を便宜上ｘ−ｙ平
面と呼ぶ。

【０００４】２枚一組のバイアス磁石２，２′（図７参
照）は、磁気バブル素子１に対し垂直な一定のバイアス
磁界を与え、バブル状の磁区を保持する作用を有するも
のである。読出コイル３，４は、磁気バブル素子１の周
囲に図７の如く配置される。そしてこの読出コイル３，
４はリング磁石５が固定された回転軸の累積回転数を読
み出す時に使われるもので、交番電流を流すことにより
回転磁界を発生させ、磁気バブル１７，１８，１９を転
送する。

【０００５】リング磁石５は、回転シャフト（図示せず
）に取り付けられた永久磁石である。このリング磁石５
は磁気バブル素子１に対して平行な面内磁界を与えるも
ので、この面内磁界は回転シャフトが回転することによ
り回転する。磁気バブルは、１転送素子／１回転磁界で
転送素子ループを巡回する。図７は８極に着磁されたリ
ング磁石の例であり、この場合、回転シャフトが１回転
すると、磁気バブルは転送素子１１の４個分を移動する
。

【０００６】図８に示す各転送素子ループには、『メモ
リホイールの原理』に基づいた特殊配列パターンの磁気
バブルが書き込まれている。この特殊配列パターンとは
、全ビットパターンの中のある位置から切り出した連続
するビットパターンが他の位置から切り出した同ビット
数のパターンとも同じにならないという特徴を持ったパ
ターンである。従って、ある決まった位置から連続する
数ビットのパターンを読み出すことでそのループの回転
シフト量を知ることができる。

【０００７】磁気バブルは、前記ある位置に配置された
磁気バブル検出器１０で検出される。磁気バブル検出器
１０は、図９に示す磁気バブル検出素子１２，１３で構
成される。この磁気バブル検出素子１２，１３には、ア
ルミ配線パターン１４，１５，１６を介して定電流が予
め流されている（アルミ配線パターン１６はアース電位
）。そして磁気バブル検出素子１２，１３の部分に磁気
バブル１７，１８，１９が移動してくると、この抵抗値
が変化するため、アルミ配線パターン１４，１５の電位
が変化する。この２つの配線パターン１４，１５の電位
信号を図示しない差動増幅器で差動演算することにより
磁気バブルの検出信号を得ている。

【０００８】以上のような磁気バブル素子１において、
転送素子ループ上には、『メモリホイールの原理』によ
り定まる、例えば１ループ８ビットのビットパターン（
０１１１０１００）が磁気バブルの有無により形成され
ている。図８に示す実施例ではもっと多数のビット（例
えば４９ビット前後）であるが、ここでは分り易くする
ために８ビットで説明する。この８ビットのビットパタ
ーンは、リング磁石５が回転すると、その回転に応じて
転送素子ループ上を巡回する。この巡回動作は、図７の
装置が停電状態であっても正常に行われる。

【０００９】例えば、図７に示す回転数検出器の電源が
ストップして電子回路的にその動作を停止している時に
リング磁石５が１０回転すると、この１０回転に応じた
位置に前記８ビットパターンの磁気バブルは移動してい
る。電源が復帰すると、リング磁石が何回転したかを測
定するために読出コイル３，４を動作させて回転磁界を
発生させ、磁気バブルを例えば３個の転送素子分だけ順
にその位置を移動させる。従って、磁気バブル検出器１
０からは、３個の時系列のビットパターンが読み出され
、このパターンから『メモリホイールの原理』によりリ
ング磁石５の累積回転数を知ることができる。検出後、
読出コイル３，４は、上述と逆方向の回転磁界を磁気バ
ブル素子１に加えて磁気バブルを３個の転送素子分だけ
移動させ、元の位置に戻す。

【００１０】ここで、読出コイル３，４を動作させた場
合、読出コイル３，４により発生した磁界ＨＭ　とリン
グ磁石５による磁界ＨＲ　とが重畳して磁気バブル素子
１の磁気バブル検出素子１２，１３に加えられる。そし
て、リング磁石５の磁界ＨＲ　のベクトル方向と読出コ
イル３，４の磁界ＨＭ　のベクトル方向とが同じ方向へ
向いた領域では、パーマロイで構成された磁気バブル検
出素子１２，１３が磁気飽和して磁気バブル１７，１８
，１９が検出できなくなるという問題が発生する。

【００１１】これらを図１０と図１１を参照して説明す
る。磁気バブル１７，１８，１９を転送するためには、
面内磁界として例えば４０ガウス以上を加える必要があ
る。リング磁石５が発生する磁界ＨＲ　を４０ガウスと
すると、シャフトに取り付けたリング磁石５が回転する
ことにより図１０の小円のベクトル軌跡が得られる。ベ
クトルＯＡの角度でこのリング磁石５が停止し、読出コ
イル３，４によりリング磁石５の累積回転数を測定する
場合、この読出コイル３，４による回転磁界（例えばＨ
Ｍ　＝９０ガウス）のベクトル軌跡は点Ａを中心とする
大円となる（図１０参照）。すなわち、原点０から見る
と、ベクトル和ＯＢは、５０〜１３０ガウスの間で変化
する。

【００１２】一方、磁気バブル検出素子１２，１３の磁
界−抵抗値変化の特性は図１１のようになり、抵抗値の
変化は６０ガウス程度で飽和している。図１０でベクト
ル和がＯＣに向いた時に磁気バブルを検出するように配
置すると、磁気バブル検出素子１２，１３の飽和により
（図１０より６０ガウス以上）、磁気バブル１７，１８
，１９の磁束を検出できなくなる。

【００１３】このような点に鑑み、本出願人は、実願昭
６２−１２６９９１　号を出願してこの問題点を解決し
た。この先願は、２個のホール素子を用いてリング磁石
による磁界ＨＲ　のｘ，ｙ成分を測定し、この磁界ＨＲ
を打ち消す直流電流を読出コイル３，４に重畳するよう
にしたものである。図１２はこの先願のリング磁石５と
ホール素子２０，２１と磁気バブル素子１との位置関係
を示す斜視図である。ここで、磁気バブル素子１のＸ軸
の磁界（リング磁石５が発生する磁界）成分を測定する
Ｘ軸ホール素子２０は座標軸Ｘ方向と一致するように配
置し、Ｙ軸ホール素子２１は座標軸Ｙ方向と一致するよ
うに配置する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記構成では
磁気バブル素子上でのリング磁石からの磁界を、磁気バ
ブル素子とは別の位置でホール素子などを用いて測定し
ている。このため、リング磁石からの磁界を正確にキャ
ンセルすることができなかった。

【００１５】図１３（ａ）は読み出しコイル３，４に加
えられる三角波信号によって磁気バブル検出素子１２，
１３が受ける磁界を示している。しかし、上述したよう
な理由によりリング磁石からの磁界が完全にはキャンセ
ルされない。従って、磁気バブル検出素子１２，１３が
受ける磁界は、図１３（ｂ）のようになる。このように
キャンセルしきれない磁界が多少残っていても、磁気バ
ブルの転送マージンから外れなければ、磁気バブルを転
送することは可能である。

【００１６】ところが、このときの磁気バブル検出素子
１２，１３での検出信号は、ノイズが増大すると共に信
号ピークの位置がずれる（図１４（ａ））。このために
読み出しタイミングのストローブ信号が図１４（ｃ）の
タイミングの場合、読み出しミスが生じて磁気バブルの
検出が行えなくなることがあった。

【００１７】本発明はこのような点に着目してなされた
ものであり、その目的は、リング磁石からの磁界を正確
にキャンセルして磁気バブルを確実に検出することが可
能な回転数検出器を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明は、回転軸に取付けた永久磁石の磁界を磁気バブル素
子へ加えて複数ビットのパターンからなる磁気バブルを
移動させると共に、永久磁石が発生する磁界に対し磁気
的に直角の関係を保って配置した２つのホール素子の出
力に基づいて永久磁石が磁気バブル素子に加える磁界を
打ち消すための直流電流を重畳した交流電流を読み出し
コイルに供給して回転磁界を発生させることで磁気バブ
ルを強制的に移動させ、磁気バブルのビットパターンを
磁気バブル検出器で検出して回転軸の累積回転数を測定
する回転数検出器であって、ホール素子に加わっている
磁界と磁気バブル素子に加わっている磁界との差を検出
するために磁気バブル素子上に配置された２組の磁界検
出素子と、磁界検出素子が発生するノイズを用いて磁気
バブル素子上に加わっている磁界を検出し補正電流を生
成する磁界検出回路とを備えたことを特徴とするもので
ある。

【００１９】

【作用】本発明において、永久磁石が磁気バブル素子に
加える磁界のうち打ち消されず残った磁界が、２組の磁
界検出素子によりノイズとして検出される。そして、前
記ノイズにより磁界検出回路で、磁気バブル素子に加わ
っている磁界を打ち消すための補正電流が生成される。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２１】図１は本発明の一実施例の全体構成を示す
構成図であり、図２は図１に示した要部の構成を詳細に
示す構成図である。また、図３は図１に示した装置の各
部の信号タイミングを示すタイムチャートである。尚、
図１において、既に説明したものには同一番号を付して
再度の説明を省略する。

【００２２】多数極のリング磁石（永久磁石）５は、測
定対象物の回転軸（図示せず）に取付けられている。Ｘ
ホール素子２０はリング磁石５のＸ軸方向の磁界の強さ
に応じた電圧を出力するものであり、Ｙホール素子２１
はリング磁石５のＹ軸方向の磁界の強さに応じた電圧を
出力するものである。サンプルホールド回路（以下Ｓ／
Ｈ回路と記す）２３，２４は、ホール素子２０，２１の
出力信号をそれぞれサンプルホールドする回路である。 ２相発振器２５は、９０度位相の異なる二つの交流信号
（Ｉ０　・ｓｉｎ　ωｔ，Ｉ０　・ｃｏｓ　ωｔ）を出
力するものである。この二つの交流信号は、リング磁石
５の累積回転数を測定する際にオンとなるスイッチ２６
，２７を介して減算器２８，２９に加えられる。尚、リ
ング磁石５の累積回転数を測定しない期間は、スイッチ
２６，２７は図示しないコントローラによりオフ状態に
されている。 減算器２８，２９は、２相発振器２５の出力信号からＳ
／Ｈ回路２３，２４の出力Ｉｔ　，Ｉｒ　及び後述する
ＩＭＸ，ＩＭＹを減算するものである。コイルドライバ
３０，３１は、減算器２８，２９の出力を増幅し、それ
ぞれＸ軸の駆動コイル（読み出しコイル３）とＹ軸の駆
動コイル（読み出しコイル４）に駆動電流を加えるもの
である。

【００２３】Ｘ方向キャンセル磁界検出素子３２及びＹ
方向キャンセル磁界検出素子３３は、図２に示すように
Ｘ，Ｙ方向各２本平行に配置され、それぞれの出力が作
動アンプ３４，３５で作動増幅される。そしてそれぞれ
の作動出力がコンパレータ３６，３７でパルスに変換さ
れ、時間−電流変換部３８，３９で時間−電流変換され
、前述の減算器２８，２９の減算入力に供給されるよう
になっている。

【００２４】リング磁石５がその回転を停止していると
する。そして、このリング磁石５の累積回転数を測定す
る場合、図３（ａ）に示すようなＳ／Ｈ信号がＳ／Ｈ回
路２３，２４に加えられる。まず、スイッチ２６，２７
をオフにした状態で、Ｓ／Ｈ回路２３，２４はホール素
子２０，２１をホールドする。すなわち、Ｓ／Ｈ回路２
３にはリング磁石５の磁界のＸ成分Ｈｘ　の強さに応じ
た信号がホールドされる。また、Ｓ／Ｈ回路２４にはリ
ング磁石５の磁界のＹ成分Ｈｙ　の強さに応じた信号が
ホールドされる。

【００２５】このように、リング磁石５の磁界の強さを
測定した直後に（例えば、図５（ａ）の信号の立ち下が
りエッジで）、スイッチ２６と２７はオンとなる。従っ
て、２相発振器２５の２相信号Ｉ０　・ｓｉｎ　ωｔと
Ｉ０　・ｃｏｓ　ωｔからそれぞれＳ／Ｈ回路２３，２
４の出力Ｉｔ，Ｉｒ　が減算される。その結果、図３（
ｂ），（ｃ）に示すように、（Ｉ０　・ｓｉｎ　ωｔ−
Ｉｔ　）と（Ｉ０　・ｃｏｓ　ωｔ−Ｉｒ　）とがそれ
ぞれコイルドライバ３０，３１を介して読み出しコイル
３と読み出しコイル４とに加えられる。

【００２６】このようにして、磁界のキャンセルは、Ｘ
，Ｙホール素子を用いておおよそは行われている。しか
し、磁気バブル素子上で測定されていないため、誤差が
生じている。また、ホール素子出力の温度変化にも影響
される。

【００２７】ここで、キャンセル磁界検出素子３２，３
３を用いてリング磁石５からの磁界をキャンセルする方
法について説明する。本提案では、磁性体が磁化される
際に発生するバルクハウゼンジャンプに伴うノイズ（以
下バルクハウゼンノイズという）を利用するものである
。図４，図５，図６を参照してＹ方向を例にして説明す
る。

【００２８】Ｙの正方向に加わる磁界を次第に大きくし
てゆくと、Ｙ方向キャンセル磁界検出素子３３及びその
真下の転送素子は、磁界がある一定の大きさになったと
きに、磁化の方向が反転する。このとき、磁性体内の磁
区が不連続に移動して、磁化の反転が行われる。従って
、一本の磁界キャンセル素子の出力を見ると、外部磁界
の変化（図５（ａ））に、磁化変化に伴うバルクハウゼ
ンノイズが重畳されたものとなっている（図５（ｂ））
。このため、平行して２本の磁界キャンセル素子及び転
送素子を配置し、その差動出力をとる。すると、外部磁
界はキャンセルされ、バルクハウゼンノイズのみを抽出
することができる（図５（ｃ））。このバルクハウゼン
ノイズは、外部磁界がある一定値になったときに発生す
る性質がある。

【００２９】そこで、このバルクハウゼンノイズの発生
する間隔ｐを計測すれば、キャンセルしきれていない磁
界の磁気バブル素子上での絶対値を知ることができる。 すなわち、図５（ｃ）では、キャンセルが正確に行われ
ているので、バルクハウゼンノイズは等間隔に発生する
。しかし、図６（ｂ）ではキャンセルしきれていない磁
界が存在するので、バルクハウゼンノイズの間隔ｐが不
等間隔になっている。従って、この間隔ｐのずれ量（ず
れ時間）より、残留磁界を求められる。

【００３０】以上のことから、始めの数周期はキャンセ
ル磁界を求めるために、バブル信号の読み出しは行わな
い。この間も、キャンセル磁界検出素子からは、キャン
セルしきれていない分の情報を含んだバルクハウゼンノ
イズが出力される。この出力をコンパレートし、バルク
ハウゼンノイズの検出を行う（図４（ｄ））。コンパレ
ータの出力からバルクハウゼンノイズの間隔を求め、こ
の間隔と読み出しのための正弦波電流の１／２周期との
ずれの平均値を求める。

【００３１】このずれ量（時間）を時間−電流変換によ
り電流に変換し、ＩＭＸ，ＩＭＹとする（図４（ｅ））
。このＩＭＸ，ＩＭＹをキャンセル磁界の補正として、
減算器２８，２９に供給する。これ以後、読み出し要求
（図４（ｂ））と共に磁気バブルの検出を開始する。

【００３２】以上詳細に説明したように、ホール素子２
０，２１でキャンセルしきれない磁界を、キャンセル磁
界検出素子によりバルクハウゼンノイズとして検出し、
補正電流を生成するように構成した。これにより、リン
グ磁石からの磁界を完全にキャンセルすることが可能に
なる。従って、磁気バブルの有無を正確に検出すること
ができる。

【００３３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、従来方法でキャンセルしきれない磁界を、キャン
セル磁界検出素子によりバルクハウゼンノイズとして検
出し、補正電流を生成するように構成した。これにより
、リング磁石からの磁界を正確にキャンセルすることが
可能になり、磁気バブルの有無を正確に検出することが
可能な回転数検出器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】本発明の一実施例の要部の構成を示す構成図で
ある。

【図３】本発明の一実施例の動作状態を示す説明図であ
る。

【図４】本発明の一実施例の動作状態を示す説明図であ
る。

【図５】本発明の一実施例の動作状態を示す説明図であ
る。

【図６】本発明の一実施例の動作状態を示す説明図であ
る。

【図７】磁気バブル素子周辺を示す斜視図である。

【図８】磁気バブル素子の詳細を示す構成図である。

【図９】磁気バブル検出素子周辺を示す構成図である。

【図１０】磁気バブルの検出の様子を示す特性図である
。

【図１１】磁気バブルの検出の様子を示す特性図である
。

【図１２】磁気バブル素子周辺を示す斜視図である。

【図１３】磁気バブル素子周辺の磁界キャンセルの様子
を示す説明図である。

【図１４】磁気バブルの読み出しの状態を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１　　磁気バブル素子 ２　　バイアス磁石 ３　　読み出しコイル ４　　読み出しコイル ５　　リング磁石 ２０　　Ｘ軸ホール素子 ２１　　Ｙ軸ホール素子 ２３　　サンプルホールド回路 ２４　　サンプルホールド回路 ２５　　２相発振器 ２６　　スイッチ ２７　　スイッチ ２８　　減算器 ２９　　減算器 ３０　　コイルドライバ ３１　　コイルドライバ ３２　　Ｘ方向キャンセル磁界検出素子３３　　Ｙ方向
キャンセル磁界検出素子３４　　差動アンプ ３５　　差動アンプ ３６　　コンパレータ ３７　　コンパレータ ３８　　時間−電流変換部 ３９　　時間−電流変換部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　回転軸に取付けた永久磁石（５）の磁
   界を磁気バブル素子（１）へ加えて複数ビットのパター
   ンからなる磁気バブルを移動させると共に、永久磁石（
   ５）が発生する磁界に対し磁気的に直角の関係を保って
   配置した２つのホール素子（２０，２１）の出力に基づ
   いて永久磁石（５）が磁気バブル素子（１）に加える磁
   界を打ち消すための直流電流を重畳した交流電流を読み
   出しコイル（３，４）に供給して回転磁界を発生させる
   ことで磁気バブルを強制的に移動させ、磁気バブルのビ
   ットパターンを磁気バブル検出器（１２，１３）で検出
   して回転軸（５）の累積回転数を測定する回転数検出器
   であって、ホール素子（２０，２１）に加わっている磁
   界と磁気バブル素子（１）に加わっている磁界との差を
   検出するために磁気バブル素子（１）上に配置された２
   組の磁界検出素子（３２，３３）と、磁界検出素子（３
   ２，３３）が発生するノイズを用いて磁気バブル素子（
   １）上に加わっている磁界を検出し補正電流を生成する
   磁界検出回路（３４，３５，３６，３７，３８，３９）
   とを備えたことを特徴とする回転数検出器。