JPH1114401A

JPH1114401A - 角度信号検出装置

Info

Publication number: JPH1114401A
Application number: JP9171427A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shimamura; 寛嶋村; Zen Sadai; 禪定井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1997-06-27
Publication date: 1999-01-22

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、小型化可能で、かつ高分解能の角
度信号を得ることができる角度信号検出装置を提供する
ことを目的とする。【解決手段】複数の薄膜磁気抵抗素子で構成される少
なくとも２つのハーフブリッジ２ａ，２ｂで形成され、
磁気格子に略面対向しており、第１のハーフブリッジ２
ａと第２のハーフブリッジ２ｂは電気角略π／２の位相
差を持つように配置され、第１のハーフブリッジの２つ
の素子は相互に電気角略πの位相差を持って配置された
検出部から出力された略π／２の位相差を有した矩形波
を論理処理して波形合成し、逓倍周波数の矩形波出力を
得るように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は薄膜磁気抵抗素子
（以下ＭＲ素子と省略する）を利用して、回転軸の回転
に同期して回転する磁石の漏洩磁界変化を検知し、検知
素子の出力信号波形を処理して角度信号を得る角度信号
検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転体の回転角度を検知するものとして
は、従来事例は種々あるが、代表的なものとして、図８
（ａ）に示すように、クランク軸に同期して回転する磁
性体のギヤー１０１ａ，１０１ｂに近接して置いたホー
ルＩＣ１０２，１０３に永久磁石を抱き合わせ、ギヤー
と空間とで作られる磁路中におけるギヤーの凹凸による
磁気抵抗の変化によって作られる磁束変化をホールＩＣ
１０２，１０３で検知し、検知信号を信号処理し、矩形
波出力を得る方式がある。

【０００３】この方式では、図８（ｂ）に示すように磁
極歯数の異なる２種類のギヤー１０１ａ，１０１ｂの回
転に伴いエンジン気筒判別用の１８０°信号と、クラン
ク位置検出用の３０°の信号を発生させている。これら
の信号は、１８０°信号で通電開始時期、点火時期直前
の３０°信号を割り出し、３０°信号から点火の通電開
始時間、遮断時間までをタイマカウンタで制御するのに
用いられている。

【０００４】また、よく似た方式として、図９（ａ）に
示すようにクランク軸に同期して回転するロータプレー
ト１１０の外周近傍に多数個の長方形のスリットを開
け、ホトカプラ１１１により光の導通、遮断を検知し矩
形波を得る方式がある。この方式では、図９（ｂ），
（ｃ）に示すようにそれぞれピッチ間隔の異なる２帯の
スリット１１２ａ，１１２ｂをロータプレート１１０の
外周近傍に開けてエンジン気筒判別用の１８０°信号
と、クランク位置検出用の矩形波よりなる１°信号を得
ている。これらの信号は気筒信号を基準にして、１°信
号毎にカウントダウンして点火の通電開始時間と遮断時
間を決めるのに用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】クランク軸の回転角度
の検出装置は、エンジンルーム内に装着されるので、装
置全体の大きさは極めて小型化が要求される。一方、エ
ンジン制御の精度を上げるためには分解能を上げる必要
があるが、特にギヤー方式ではギヤーの回転を磁束変化
として検知するために凹凸の山谷を深く、ピッチを広く
設定する必要があるので、高分解能検知にはギヤー歯数
を増やし、ギヤー直径を大きくする必要があり、小型化
に不向きであった。また、ホトカプラ方式では高分解能
検知にはギヤー方式に比べ有利ではあるが、ホトカプラ
の受光素子は受光部に拡がりを有しており、スリットの
ピッチを小さくするには限界があり、更に、エンジンル
ーム内では振動、オイルミスト等の使用環境があるの
で、ロータプレートの外周辺の振動による振れ、開口の
閉塞の問題があった。これらの問題点は、小型で高分解
能の回転角度検知を振動やオイル等の環境条件下で行う
場合に出てくるもので、回転部での振動、オイルを避け
るための防振、オイルシール構造は構造の複雑性、価格
の上昇を招き、いずれも使いにくいものであった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の角度信号検出装置は、回転軸と同期して回
転する磁石からの漏洩磁界の変化を薄膜磁気抵抗素子よ
りなる検出部で検出し、その検出信号を波形処理回路部
で処理し所定の矩形波を得る角度信号検出装置におい
て、上記検出部は複数の薄膜磁気抵抗素子で構成される
少なくとも２つのハーフブリッジで形成され、かつ磁気
格子に略面対向しており、第１のハーフブリッジと第２
のハーフブリッジは電気角略π／２の位相差を持つよう
に配置され、第１のハーフブリッジの２つの素子は相互
に電気角略πの位相差を持って配置され、上記波形処理
回路部は第１のハーフブリッジの中点出力を増幅し、基
準電位と比較し矩形波に整形し、同様に第２のハーフブ
リッジの中点出力も矩形波に整形し、それぞれ略π／２
の位相差を有した矩形波を論理回路で波形合成し、逓倍
周波数の矩形波出力を得るように構成したことを特徴と
するものである。

【０００７】これにより、クランク回転角度信号を高分
解能で検知し、小型化を可能にすることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の発明は、
回転軸と同期して回転する磁石からの漏洩磁界の変化を
薄膜磁気抵抗素子よりなる検出部で検出し、その検出信
号を波形処理回路部で処理し所定の矩形波を得る角度信
号検出装置において、上記検出部は複数の薄膜磁気抵抗
素子で構成される少なくとも２つのハーフブリッジで形
成され、かつ磁気格子に略面対向しており、第１のハー
フブリッジと第２のハーフブリッジは電気角略π／２の
位相差を持つように配置され、第１のハーフブリッジの
２つの素子は相互に電気角略πの位相差を持って配置さ
れ、上記波形処理回路部は第１のハーフブリッジの中点
出力を増幅し、基準電位と比較し矩形波に整形し、同様
に第２のハーフブリッジの中点出力も矩形波に整形し、
それぞれ略π／２の位相差を有した矩形波を論理回路で
波形合成し、逓倍周波数の矩形波出力を得るように構成
したことを特徴とするものであり、小型で高分解能の角
度信号を得ることができるという作用を有する。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、第１のハーフブリッジを構成する２つの抵
抗素子を電気角略（２ｎ＋１）π（ｎ＝１，２，３，
…）の距離に離して配置し、第２のハーフブリッジを構
成する２つの抵抗素子を電気角略（２ｍ＋１）π（ｍ＝
１，２，３，…）の距離に離して配置し、第１と第２の
ハーフブリッジを電気角略（２ｋ＋１／２）π（ｋ＝
１，２，３，…）の距離に離して配置し、第１と第２の
ハーフブリッジの出力を信号処理し、逓倍周波数の矩形
波出力を得ることを特徴とするものであり、同様に小型
化が可能で、かつ高分解能の角度信号を得るという作用
を有する。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項１記載の発
明において、２ⁱ⁺¹個（ｉ＝１，２，３，…）のハーフ
ブリッジの出力から得られる２ⁱ⁺¹個の矩形波出力を論
理回路で波形合成し、２ⁱ⁺¹逓倍周波数の矩形波出力を
得ることを特徴とするものであり、より小型化可能で、
高分解能の角度信号を得るという作用を有する。

【００１１】本発明の請求項４記載の発明は、回転軸と
同期して回転する磁石に周期的磁気格子を設け、この磁
気格子からの漏洩磁界を複数の磁気検出片で検知し、こ
の磁気検出片からの検出信号をデジタル化して演算する
ことで前記回転軸の回転角度を検出する角度信号検出装
置であって、周期的磁気格子の周期を整数分割し、各分
割点の位相の磁気信号を検出する位置に磁気検出片を置
き、この磁気検出片からの検出信号をデジタル信号化
し、異なる位相に対する磁気検出片からの２つの前記デ
ジタル信号を排他的ＯＲ回路または排他的ＮＯＲ回路に
て合成信号とし、この合成信号と他の位相に対する磁気
検出片からの前記デジタル信号とを排他的ＯＲ回路また
は排他的ＮＯＲ回路にて合成信号とするか、この合成信
号と他の合成信号とを排他的ＯＲ回路または排他的ＮＯ
Ｒ回路にて合成信号とするかの信号の合成処理を繰り返
し、分割されたすべての位相に対する磁気信号を一つの
最終合成された信号にする信号処理回路を含むことを特
徴とするものであり、より小型化可能で、高分解能の角
度信号を得るという作用を有する。

【００１２】請求項５記載の発明は、請求項４記載の発
明において、一つの磁気検出片が位相差π離れた一対の
検出部分からなるものであり、同様に小型化可能で、高
分解能の角度信号を得るという作用を有する。

【００１３】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１における角度信号検出装置の要部の構成図、図２は
同装置の断面図、図３は同装置の回路ブロック図、図４
は同装置の要部の信号波形図である。図１および図２に
おいて、１は円盤状の着磁磁石であり、クランク軸３に
同期して回転するようにクランク軸３の先端に固定され
ており、上記クランク軸３に固定したバックヨーク４を
有する。９は支持台であり、この支持台９に取付けたケ
ース５内にプリント基板８を収納してあり、そのプリン
ト基板８にセンサ７が取付けられている。このセンサ７
は上記着磁磁石１の着磁面に所定のギャップをおいて面
対向しており、非磁性材料よりなる保護カバー６により
保護されている。センサ７の信号は図３に示すように増
幅器１０にて増幅され、比較器１１で基準信号と比較さ
れて矩形波出力を得る。この矩形波出力は逓倍器１２で
波形合成されて高分解能の角度信号となる。

【００１４】いま、クランク軸３に同期して回転する被
検知体としての着磁磁石１には等間隔で連続する１８０
極の信号帯を着磁し、回転に伴う着磁信号の漏洩磁界強
度の変化をセンサ７で検知し、検出出力を増幅、矩形波
処理して１°の矩形波出力をクランク軸の回転角度信号
として得るものとすると、１８０極の着磁信号を検知す
るセンサ７は図１に示すようにフルブリッジで構成し、
ブリッジ各辺は略平行配列された複数の強磁性薄膜低抗
体（以下ＭＲと省略する）素子Ｒ１〜Ｒ４で構成し、第
１のハーフブリッジ２ａのＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２は電気角
πに相当する距離を置いて配置し、同様に第２のハーフ
ブリッジ２ｂのＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４も電気角略πに相当
する距離を置いて配置している。また、第１のハーフブ
リッジ２ａと第２のハーフブリッジ２ｂの距離は、電気
角略π／２に相当する距離を置いて配置している。ＭＲ
素子Ｒ１〜Ｒ４は、数十ミリ角のガラスまたはグレージ
ングされたセラミック基板の上にＦｅＮｉやＮｉＣｏ等
の強磁性抵抗材料を蒸着法で着膜し、ホトリソ、エッチ
ング工程によりパターニングし、所定パターンのＭＲ素
子としている。

【００１５】磁石１が回転すると、ハーフブリッジ２ａ
のＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２および第２のハーフブリッジ２ｂ
のＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４は電気角略πの距離を置いて配置
しているので、差動的に動作し、中点電位が変動し、中
点電位変動を出力として検出する。その検出出力は増幅
器１０を経て比較器１１に入力し、基準信号と比較さ
れ、図４（ａ），（ｂ）に示す矩形波出力を得る。ＭＲ
素子は抵抗体膜面に平行で、抵抗体長手方向に対して横
方向からの入力磁界に感度良く感磁し、方向性を持たな
いので、矩形波出力としては１回転で１８０パルスの矩
形波を得る。第１のハーフブリッジ２ａの矩形波出力
と、第２のハーフブリッジ２ｂの矩形波出力とは、電気
角略π／２の位相差を有しているので、排他的ＯＲ回路
や排他的ＮＯＲ回路等の論理回路で波形合成し、図４
（ｃ）に示す２倍の３６０パルスの矩形波（１°分解
能）を得る。

【００１６】固定するＭＲ素子の検知部と回転する磁石
部との間には機構的な取付けによるバラツキを考慮する
必要があり、ある程度のギャップが必要である。ＭＲ素
子で検知できるギャップδmaxは検知する磁極の幅（ピ
ッチ）をＬとすると、着磁面に垂直に異方性のあるバリ
ウム−フェライト系樹脂磁石に多極フル着磁した場合、
一般的に略δmax／Ｌ≦０．８の関係がある。従って、
δmaxを０．５mmとすると、Ｌ≧０．６２５mmとなり、
着磁ピッチは０．６２５mm以上であればギャップ０．５
mmを検知できる。例えば、図１で着磁帯の幅ｌ＝５mmと
すると、着磁帯幅のほぼ中央にＭＲ素子の抵抗体長手方
向の中央を一致するように配置すると、着磁磁石１の外
周近傍の着磁では直径４０．８mmの円盤磁石であれば１
°の分解能の検知が可能となる。これに比べ、ホトカプ
ラ方式では発光、受光素子面の拡がりがあり、スリット
とスリットのピッチを小さくする事に限界がある。現
在、実用化されているものとして、ピッチ１mmのもの
（開口部０．５×５mm）があり、３６０個の開口で１°
の分解能を検知しているが、円盤直径１２１．６mm程度
が必要になる。ＭＲ方式はホトカプラ方式に比べ、振
動、オイルミストに強い事に加えて、直径にして約３割
強の小型化が可能である。また、ＭＲの検知部を構成す
る抵抗体は、膜面に平行な磁界で長い膜に対して横方向
から印加される磁界に感度良く感磁し、印加磁界の方向
性がないので、ハーフブリッジの中点の電位変動の周期
はＳＮ極に対して２周期である。

【００１７】これに対して、他の磁気抵抗素子例えば、
ホール素子や半導体磁気抵抗素子等は、ギヤー方式では
ギヤーの凹凸１ピッチに対して１周期の出力があり、前
述したように１ピッチの幅が広く大きくなること、磁石
を用いた場合ではＳＮ極に対して１周期であるので、強
磁性磁気抵抗素子と同じ分解能を得るためには、着磁極
数が２倍になる。

【００１８】連続的に等間隔で多極着磁された磁石の回
転に伴うＭＲ素子によるハーフブリッジからの出力は、
周期性を有しているので、第１のハーフブリッジ２ａの
ＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を電気角略（２ｎ＋１）π（ｎ＝
１，２，３，…）に相当する距離を置いて配置し、第２
のハーフブリッジ２ｂのＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４を電気角略
（２ｍ＋１）π（ｍ＝１，２，３，…）に相当する距離
を置いて配置し、第１のハーフブリッジ２ａと第２のハ
ーフブリッジ２ｂを電気角略（２ｋ＋１／２）π（ｋ＝
１，２，３，…）に相当する距離を置いて配置しても、
ＭＲの出力としての矩形波信号を上述と同様な信号処理
を行えば、２倍周波の矩形波を得ることができる。

【００１９】更に、ハーフブリッジを構成する２つのＭ
Ｒ素子を上述のように離して配置したハーフブリッジの
各々を上述の距離を置いて配置していき、ハーフブリッ
ジの個数を２ⁱ個とすれば、２ⁱ倍（ｉ＝１，２，３，
４，…）の周波数の矩形波出力を得る事ができる。例え
ば、４倍パルスを得るには４つのハーフブリッジを用
い、第１、第２のハーフブリッジを電気角π／２、第
３、第４のハーフブリッジを電気角π／２離して配置
し、第１、第２のハーフブリッジと第３、第４のハーフ
ブリッジを夫々π／４離して配置し、排他的ＯＲ回路や
排他的ＮＯＲ回路により信号処理をする。また、８倍パ
ルスを得るには８つのハーフブリッジを用い、第５〜第
８のハーフブリッジを第１〜第４のハーフブリッジと同
じ様に配置し、第１〜第４のハーフブリッジと第５〜第
８のハーフブリッジを電気角π／８離して配置し、排他
的ＯＲ回路や排他的ＮＯＲ回路により信号処理をする。
８倍パルスの論理処理を図５に示し、その信号波形を図
７に示す。

【００２０】尚、図５は矩形波出力(1)と(2)、(3)と
(4)、(5)と(6)、(7)と(8)をそれぞれＥＸ−ＯＲ処理
し、それらの出力(9)と(10)、(11)と(12)をＥＸ−ＯＲ
処理し、それらの出力(13)と(14)をＥＸ−ＯＲ処理して
８パルスの矩形波(15)を得る場合について説明したが、
他に図６に示すように矩形波出力(1)と(2)をＥＸ−ＯＲ
処理し、その出力(19)と矩形波出力(3)をＥＸ−ＯＲ処
理し、その出力(20)と矩形波出力(8)をＥＸ−ＯＲ処理
し、その出力(21)と矩形波出力(5)をＥＸ−ＯＲ処理
し、その出力(22)と矩形波出力(6)をＥＸ−ＯＲ処理
し、その出力(23)と矩形波出力(7)をEX-OR処理し、その
出力(24)と矩形波出力(8)をEX-ＯＲ処理し、８パルスの
矩形波出力(25)を得るようにしても良い。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、ＭＲセンサを使用する
ことによりＳＮ極に対して２パルスを得ることができ
て、排他的ＯＲ回路等を使用することにより１８０極着
磁に対して１°の矩形波を得ることが可能になり、被検
知体である磁石の直径が小さくなり、ユニット全体を併
せて小型化ができる。クランク角度の検知装置として
は、搭載スペースが限定され、小型化が要求されるが、
従来方式に比して、２倍パルス方式で直径にして３割強
の減少、ｉ倍パルス方式では更なる小型化が可能であ
る。

【００２２】また、円盤磁石の円面上の着磁を検出する
方式は、回転軸に負荷が掛かって軸のたわみが発生した
時、円周上の着磁の漏洩磁界を検知する場合に比べて、
磁石表面とセンサとの距離はセンサ部のたわみ量がその
ままエアーギャップの変動とはならないので、エアーギ
ャップの変動が小さく、回転軸負荷による軸のたわみの
影響が少ない。従って、センサ取付時の構造上の制約が
大幅に緩和できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における角度信号検出装
置を示す要部構成図

【図２】同装置の断面図

【図３】同装置の電気ブロック図

【図４】同装置の要部の信号波形図

【図５】本発明の他の実施の形態における角度信号検出
装置を示す回路ブロック図

【図６】同装置の他の例を示す回路ブロック図

【図７】同装置の要部の信号波形図

【図８】従来の角度信号検出装置を示す概念図

【図９】従来の角度信号検出装置を示す概念図

【符号の説明】

１着磁磁石２ａ，２ｂハーフブリッジ３クランク軸４バックヨーク５ケース６保護カバー７センサ８プリント基板９支持台

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸と同期して回転する磁石からの漏
洩磁界の変化を薄膜磁気抵抗素子よりなる検出部で検出
し、その検出信号を波形処理回路部で処理し所定の矩形
波を得る角度信号検出装置において、上記検出部は複数
の薄膜磁気抵抗素子で構成される少なくとも２つのハー
フブリッジで形成され、かつ磁気格子に略面対向してお
り、第１のハーフブリッジと第２のハーフブリッジは電
気角略π／２の位相差を持つように配置され、第１のハ
ーフブリッジの２つの素子は相互に電気角略πの位相差
を持って配置され、上記波形処理回路部は第１のハーフ
ブリッジの中点出力を増幅し、基準電位と比較し矩形波
に整形し、同様に第２のハーフブリッジの中点出力も矩
形波に整形し、それぞれ略π／２の位相差を有した矩形
波を論理回路で波形合成し、逓倍周波数の矩形波出力を
得るように構成したことを特徴とする角度信号検出装
置。
【請求項２】第１のハーフブリッジを構成する２つの
抵抗素子を電気角略（２ｎ＋１）π（ｎ＝１，２，３，
…）の距離に離して配置し、第２のハーフブリッジを構
成する２つの抵抗素子を電気角略（２ｍ＋１）π（ｍ＝
１，２，３，…）の距離に離して配置し、第１と第２の
ハーフブリッジを電気角略（２ｋ＋１／２）π（ｋ＝
１，２，３，…）の距離に離して配置し、第１と第２の
ハーフブリッジの出力を信号処理し、逓倍周波数の矩形
波出力を得ることを特徴とする請求項１記載の角度信号
検出装置。
【請求項３】２ⁱ⁺¹個（ｉ＝１，２，３，…）のハー
フブリッジの出力から得られる２ⁱ⁺¹個の矩形波出力を
論理回路で波形合成し、２ⁱ⁺¹逓倍周波数の矩形波出力
を得ることを特徴とする請求項１記載の角度信号検出装
置。
【請求項４】回転軸と同期して回転する磁石に周期的
磁気格子を設け、この磁気格子からの漏洩磁界を複数の
磁気検出片で検知し、この磁気検出片からの検出信号を
デジタル化して演算することで前記回転軸の回転角度を
検出する角度信号検出装置であって、周期的磁気格子の
周期を整数分割し、各分割点の位相の磁気信号を検出す
る位置に磁気検出片を置き、この磁気検出片からの検出
信号をデジタル信号化し、異なる位相に対する磁気検出
片からの２つの前記デジタル信号を排他的ＯＲ回路また
は排他的ＮＯＲ回路にて合成信号とし、この合成信号と
他の位相に対する磁気検出片からの前記デジタル信号と
を排他的ＯＲ回路または排他的ＮＯＲ回路にて合成信号
とするか、この合成信号と他の合成信号とを排他的ＯＲ
回路または排他的ＮＯＲ回路にて合成信号とするかの信
号の合成処理を繰り返し、分割されたすべての位相に対
する磁気信号を一つの最終合成された信号にする信号処
理回路を含む角度信号検出装置。
【請求項５】一つの磁気検出片が位相差π離れた一対
の検出部分からなる請求項４記載の角度信号検出装置。