JP2007093532A - 磁気センサー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁極からの磁界を高感度に検出することができるＭＲ素子では磁極の極性を検出できない点をホール素子からの検出信号により検出して回転位置を高精度に検出する。
【解決手段】少なくとも相対する一対の磁極が設けられた回転盤の回転に伴ってそれぞれの磁極からの磁界を、回転盤中心部に相対する箇所に設けられた磁気抵抗素子により検出して回転位置を検出する磁気センサー装置において、磁気抵抗素子に対して２個のホール素子を９０°の交差角を設けて配置し、回転盤の１回転当り、磁気抵抗素子から出力される電気角で７２０°の正弦波波形の信号におけるそれぞれの回転角１８０°領域を、ホール素子からの出力信号に基づいて特定可能にする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、磁気抵抗素子により磁極からの磁界を検出して位置（角度）を検出する磁気ロータリーエンコーダや磁気リニアスケール等の磁気センサー装置に関する。

例えば０°及び１８０°の各位置にＮ極及びＳ極の異なる磁極を着磁した回転盤の回転位置（回転量または回転角を含み、以下においては単に回転位置とする。）を検出する磁気センサー装置としての磁気ロータリーエンコーダにあっては、ホール素子や磁気抵抗素子（以下、ＭＲ素子と称する。）等の磁気センサーにより回転盤の磁極を検出して出力される正弦波波形（余弦波波形）の検出信号を所望の検出分解能に基づいて分割処理することにより回転盤の回転位置を検出している。

上記した磁気ロータリーエンコーダにおいて、磁気センサーをホール素子とした場合には、ホール素子からの検出信号が磁極の磁性に応じた信号を出力するが、磁界の検出感度が悪く、従って出力電圧が低く、これを所望の検出分解能に応じて分割処理すると、回転位置の検出精度が悪くなる問題を有している。

一方、磁気センサーとしてＭＲ素子とする場合には、磁界強度の変化に対応して磁気抵抗が大きく変化することにより高い電圧比の出力信号を得ることができ、これにより高い精度で位置検出することができるが、その出力信号が磁界の正負に関係なく、同じ出力であるため、どの磁極に対応する信号であるのか判別できず、位置検出を正確に行えない問題を有している。

即ち、ＭＲ素子を使用した磁気センサーにあっては、高い磁気抵抗変化率を得るため、金属磁性体をストライプ状に加工した４個のＭＲ素子を、互いのストライプが９０°で交差するように配置してブリッジ接続してＭＲセンサーチップを使用し、回転盤の１回転当り、電気角で７２０°（４π）の正弦波波形の検出信号を出力するように構成している。しかし、上記したようにＭＲ素子自体、磁極の磁性の正負に関係なく、同じ信号を出力するため、上記した電気角で７２０°の正弦波波形信号では、ある回転角の１８０°部分に対してどの磁極が位置しているのかを判別することができず、回転位置を正確に検出できなかった。

上記したＭＲ素子を使用した場合の欠点は、ＭＲ素子にバイアス用永久磁石を設けてその感度幅が１／２になるように磁気バイアスし、回転盤の１回転当り、ＭＲ素子から出力される正弦波出力を、電気角で３６０°になるように補正して１８０°部分がどの磁極に対応しているのかを判別可能する方法がある。しかし、ＭＲ素子の感度幅が１／２になるように磁気バイアスすること自体、極めて困難であり、また、感度幅が１／２になるため、高い電圧比の出力信号が得られず、ホール素子を使用した場合と同様に、回転位置を高い精度で検出できなかった。
特開平−号公報

解決しようとする問題点は、ＭＲ素子では磁極の極性と無関係に検出信号が出力されるため、検出信号のどの１８０°領域に位置しているのかを判別できず、回転量の検出精度が悪い点にある。

本発明の請求項１は、少なくとも相対する一対の磁極が設けられた回転盤の回転に伴ってそれぞれの磁極からの磁界を、回転盤中心部に相対する箇所に設けられた磁気抵抗素子により検出して回転位置を検出する磁気センサー装置において、磁気抵抗素子に対して２個のホール素子を９０°の交差角を設けて配置し、回転盤の１回転当り、磁気抵抗素子から出力される電気角で７２０°の正弦波波形の信号におけるそれぞれの回転角１８０°領域を、ホール素子からの出力信号に基づいて特定可能にしたことを特徴とする。

請求項６は、所望の検出分解能に応じた幅からなる異なる磁極が長手方向へ交互に設けられた磁気スケールに相対して往復移動する可動体に設けられた磁気抵抗素子により各磁極からの磁界を検出して可動体の移動位置を検出する磁気センサー装置において、磁気抵抗素子は異なる磁極からの磁界により少なくとも正弦波波形の信号を出力すると共に磁気抵抗素子の近傍に２個のホール素子を、磁気角で１８０°毎に検出するように設けたことを特徴とする。

本発明は、磁極からの磁界を高感度に検出することができるＭＲ素子では磁極の極性を検出できない点をホール素子からの検出信号により検出して回転位置を高精度に検出することができる。

本発明は、磁気抵抗素子に対して２個のホール素子を９０°の交差角を設けて配置し、回転盤の１回転当り、磁気抵抗素子から出力される電気角で７２０°の正弦波信号におけるそれぞれの回転角１８０°領域を、ホール素子からの出力信号に基づいて特定可能にしたことを最良の形態とする。

以下に実施形態を示す図に従って本発明を説明する。
図１及び図２（Ａ）・（Ｂ）において、磁気センサー装置１はサーボモータ等の電動モータの回転軸２に固定される回転盤３と、該回転盤３の一面中心部に相対して固定されるセンサーチップ５とから構成される。そして回転盤３の一面には、その０°位置に、例えばＮ極の第１磁極７ａが、また１８０°位置にＳ極の第２磁極７ｂがそれぞれ着磁されている。

センサーチップ５は、例えばパーマロイ等の磁性金属材をストライプ状に配列した４個のＭＲ素子５ａ〜５ｄを、それぞれのストライプが９０度で交差するように配列してブリッジ接続してなる。ＭＲ素子５ａ及び５ｂの接続部には制御電圧Vccが印加されると共にＭＲ素子５ｃ及び５ｄの接続部は接地GNDされている。そしてＭＲ素子５ａ及び５ｄとＭＲ素子５ｂ及び５ｃの接続部から検出信号が取り出される。このセンサーチップ５は、回転盤３の１回転当り、電気角で７２０°の正弦波波形の信号を出力する。

尚、上記センサーチップ５には、回転盤３の回転に伴って余弦波波形の信号を得て正弦波波形と比較処理を行ったり、正弦波波形のピーク部分において波形曲線がなだらかになって電圧差が少なくなると、回転位置検出が不正確になるため、この場合には正弦波波形のピーク部分に対応する余弦波波形の急峻部を用いて回転位置検出を高精度に行う必要から、余弦波用の別の４個のＭＲ素子（図示せず）を、上記各ＭＲ素子５ａ〜５ｄに対して４５°の交差角（電気角で９０°）を設けて配置する。これら余弦波用の４個のＭＲ素子は正弦波用のＭＲ素子５ａ〜５ｄと同一基板上に、または別の基板上に設けてもよい。

また、センサーチップ５の周囲には、２個のホール素子９ａ・９ｂが、回転盤３の中心に対して９０°の交差角を設けて配置されている。各ホール素子９ａ・９ｂは、各磁極の極性に応じた正負の電気信号を出力する。そして各ホール素子９ａ・９ｂから磁極の極性に対応して出力される電気信号は、それぞれの磁極に相対した際に最大電圧になる。

次に、磁気センサー装置１による回転位置の検出作用を説明する。
先ず、ＭＲ素子５ａ〜５ｄによる回転盤３の回転位置検出作用の概略を説明すると、回転軸２の回転に伴って回転盤３が回転されると、回転盤３における第１及び第２磁極７ａ・７ｂ間における磁力線の向きと各ＭＲ素子５ａ〜５ｄにおけるストライプの向きの変化に伴って各ＭＲ素子５ａ〜５ｄの磁気抵抗が変化してセンサーチップ５から、回転盤３の１回転当たり、電気角で７２０°の検出信号が出力される。（図３及び図４参照）

制御手段（図示せず）は、入力された電気信号を、所望の位置検出分解能に応じて予め設定された分割数で分割処理して分割信号数を計数することにより回転位置を検出する。
しかし、上記した回転位置の検出作用では、上記したようにＭＲ素子５ａ〜５ｄ自体、第１及び第２磁極７ａ・７ｂの極性と無関係な電気信号を出力するため、電源投入の再起動時に回転盤３の回転位置が、電気角７２０°の内、どこの回転角１８０°領域内であるのかを判別できず、回転位置検出が不能になる。

本実施例は、ホール素子９ａ・９ｂからの信号に基づいて回転盤３の回転位置が電気角７２０°のどこの回転角１８０°領域であるかを判別し、回転位置検出を可能にしている。

即ち、上記したようにＭＲ素子５ａ〜５ｄからは、回転盤３の１回転当たり、電気角で７２０°の電気信号、従って回転盤３の回転角が９０°毎に、電気角１８０°の電気信号を出力する。今、例えばホール素子９ａがＭＲ素子５ａに相対位置している場合、該ホール素子９ａからは正（プラス）の最大電圧の検出信号が出力されると共にホール素子９ｂからの検出信号の電圧が零になっている。この状態で回転盤３が時計方向へ回転して回転盤３の回転角が０°〜９０°の領域間に位置する際には、ホール素子９ａからの検出信号の電圧が徐々に低くなって回転盤３の回転角が９０°のとき、零になると共にホール素子９ｂからの検出信号が正の電圧で徐々に高くなって回転盤３の回転角が９０°のとき、正の最大電圧になる。

回転盤３が更に回転して第１磁極７ａが回転盤３の回転角が９０°〜１８０°の範囲間に位置する場合には、ホール素子９ａが第２磁極７ｂに徐々に相対して該ホール素子９ａから負（マイナス）電圧の検出信号を出力し、回転盤３の回転角が１８０°のとき、負の最大電圧の検出信号を出力すると共にホール素子９ｂからの検出信号電圧が正の最大値から徐々に低くなり、回転盤３の回転角が１８０°のとき、その検出信号電圧が零になる。

更に、回転盤３が、その回転角で１８０°〜２７０°の領域間に位置する場合には、ホール素子９ａに相対していた第２磁極７ｂに徐々に離間することにより該ホール素子９ａから負の最大電圧値から零に戻る検出信号を出力し、回転盤３の回転角が２７０°のとき、電圧値が零の検出信号になると共にホール素子９ｂに対して第２磁極７ｂが徐々に近接することにより負の電圧値の検出信号を出力し、回転盤３の回転角が２７０°のとき、負の最大電圧値の検出信号を出力する。

また更に、回転盤３が、その回転角で２７０°〜３６０°の領域間に位置する場合には、ホール素子９ａに対して第１磁極７ａが徐々に近接することにより該ホール素子９ａから徐々に増大する正の電圧値の検出信号を出力し、回転盤３の回転角が３６０°のとき、電圧値が正の最大値になると共にホール素子９ｂに対して第２磁極７ｂが徐々に離間して負の最大電圧値から零に戻る検出信号を出力し、回転盤３の回転角が３６０°のとき、電圧値が零の検出信号になる検出信号を出力する。（図５参照）

制御手段は、ホール素子９ａ・９ｂからの検出信号の変化に基づいて回転盤３の回転位置が、ＭＲ素子５ａ〜５ｄから出力される電気角７２０°の検出信号のどの１８０°の領域であるかを判別する。即ち、ホール素子９ａからの信号が正の減少、ホール素子９ｂからの信号が正の増大の場合には、電気角で０°〜１８０°の領域（回転盤３における０°〜９０°の回転領域）、ホール素子９ａからの信号が負の増大、ホール素子９ｂからの信号が正の減少の場合には、電気角で１８０°〜３６０°の領域（回転盤３における９０°〜１８０°の回転領域）、ホール素子９ａからの信号が負の減少、ホール素子９ｂからの信号が正の減少の場合には、電気角で３６０°〜５４０°の領域（回転盤３における１８０°〜２７０°の回転領域）、ホール素子９ａからの信号が正の増大、ホール素子９ｂからの信号が負の増大の場合には、電気角で５４０°〜３６０°の領域（回転盤３における２７０°〜３６０°の回転領域）に回転盤３が回転していると判別する。

本実施例は、回転盤３の回転位置を検出する部材として高感度のＭＲ素子５ａ〜５ｄを使用して高い電圧比の検出信号を得ることがきると共に該ＭＲ素子５ａ〜５ｄを使用した場合には、電気角で１８０°のどの領域に位置しているかを判別できない欠点をホール素子９ａ・９ｂからの信号により判別可能にすることにより回転盤３の回転位置を高い精度で位置検出することができる。

上記説明は、磁気センサー装置１をロータリーエンコーダとして回転盤３の回転位置を検出する構成としたが、実施例２は、Ｎ極及びＳ極の異なる磁極で、検出分解能に応じた所望の幅及びピッチで長手方向へ交互に着磁された磁気スケールに適用した磁気センサー装置５１に関する。

フェライト等からなる長尺状のＮ極及びＳ極の磁極に着磁して磁気スケールとした場合、Ｎ極とＳ極とでは磁気強度が異なる場合がある。このように磁気スケールの磁極をＭＲセンサーにより検出して位置検出する際、ＭＲセンサーからは、振幅が高い信号と低い信号とを交互に繰り返す電気信号を出力することになり、位置検出精度が悪くなる問題を有している。

この欠点は、磁気スケールの長手方向幅が異なる磁極１ピッチ分からなるＭＲセンサーを複数個配置してそれぞれのＭＲセンサーから出力される電気信号を加算して平均化することにより所望の位置検出精度を得るようにしている。しかし、複数個のＭＲセンサーが設けられるＭＲセンサーチップとしては、実際には、１個の基板上に複数個のＭＲセンサーを配列したものを使用しており、ＭＲセンサーチップとしては、大型化及び高コスト化することが避けられなかった。

ＭＲセンサーチップを小型化しながら高い位置検出精度を得るため、予め磁気強度が弱い磁極の極性や磁気強度差を確認しておき、磁強度差に応じた補正データテーブルをＭＲセンサーからの検出信号の補完データとして記憶しておく。そして該補完データに基づいてＭＲセンサーからの検出信号を、振幅がほぼ同じになるように補完することにより実現できる。そしてこれを実現するには、ＭＲセンサーが磁気スケールの、どの磁極側に位置していることを検出する必要がある。

本実施例は、上記した事項を実現した磁気センサー装置に関するものであり、以下にその詳細を説明する。
図６及び図７に示すように、本実施例に係る磁気センサー装置５１は、磁気スケール５３と、該磁気スケール５３に相対して長手方向へ往復移動する可動体５２に設けられるセンサーチップ５５とから構成される。上記磁気スケール５３は、長手方向が所要の長さで、所要の検出分解能に応じた幅からなるＮ極及びＳ極の異なる磁極５３ａ・５３ｂが、磁極５３ａ・５３ｂ幅の間隙をおいて長手方向へ交互に着磁されている。一方、センサーチップ５５は、隣接する異なる磁極５３ａ・５３ｂ幅のＭＲセンサー５７及び２個のホール素子５９ａ・５９ｂとから構成される。

上記ＭＲセンサー５７は、実施例１のセンサーチップ５と同様に、基板上に、例えばパーマロイ等の磁性金属材をストライプ状に配列し、直列接続された２個のＭＲ素子５７ａ・５７ｂ及び該ＭＲ素子５７ａ・５７ｂに対して磁極５３ａ・５３ｂの幅をおいて直列接続された２個のＭＲ素子５７ｃ・５７ｄをブリッジ接続し、ＭＲ素子５７ａ及び５７ｂの接続部には制御電圧Vccが印加されると共にＭＲ素子５７ｃ及び５７ｄの接続部は接地GNDされ、ＭＲ素子５７ａ及び５７ｄとＭＲ素子５７ｂ及び５７ｃの接続部から検出信号が取り出される。このＭＲセンサー５７は、磁気スケール５３に対する移動に伴って、電気角で７２０°の正弦波波形の信号を出力する。

尚、上記センサーチップ５７には、可動体５２の移動に伴って余弦波波形の信号を得て正弦波波形と比較処理したり、正弦波波形のピーク部分において波形曲線がなだらかになって電圧差が少なくなると、移動位置の検出精度が悪くなるため、この場合には上記ピーク部分に対応する余弦波波形の急峻部分を用いて移動位置の置検出を高精度に行う必要から、別の余弦波用の４個のＭＲ素子（図示せず）を、上記した正弦波波形用の各ＭＲ素子５７ａ〜５７ｄに対して４５°の交差角を設けて配置する。余弦波用の４個のＭＲ素子は正弦波用のＭＲ素子５７ａ〜５７ｄと同一基板上に、または別の基板上に設けてもよい。

また、ＭＲセンサー５７の基板上には２個のホール素子５９ａ・５９ｂが、１つの磁極５３ａ／５３ｂ及び両者間の空隙に相対する間隔をおき、かつＭＲセンサー５７に所要の距離で近接した位置に取付けられている。図７に示す例にあっては、直列接続された一方のＭＲ素子５７ａ・５７ｂに一致して一方のホール素子５９ａを、また他方のＭＲ素子５７ｃ・５７ｄに一致して他方のホール素子５９ｂを配列してなる。各ホール素子５９ａ・５９ｂは、各磁極５３ａ・５３ｂの極性に応じた正負の電気信号を出力する。そして各磁極５３ａ・５３ｂの極性に応じて各ホール素子５９ａ・５９ｂからそれぞれ出力される正負の電気信号は、それぞれの磁極５３ａ・５３ｂに相対した際に最大の振幅電圧になる特性を有している。

次に、上記のように構成された磁気センサー装置５１の作用を説明する。
先ず、ＭＲセンサー５７による可動体５２の位置検出作用の概略を説明すると、電動モータの駆動に伴って可動体５２が移動されると、磁気スケール５３における磁極５３ａ・５３ｂ間における磁界の磁気強度変化により各ＭＲ素子５７ａ〜５７ｄの磁気抵抗が変化してセンサーチップ５５から、電気角で７２０°の正弦波波形の位置検出信号が出力される。制御手段は、入力された検出信号を、所望の検出分解能に応じた数で分割して分割信号数を計数して可動体５２の移動位置を検出する。

上記したように磁気スケール５３における各磁極５３ａ・５３ｂの磁気強度が異なる場合がある。その場合にあっては、センサーチップ５５からは異なる振幅（電圧が異なる。）の電気信号が交互に出力されることになり、振幅が狭い部分の検出信号では、これを所要の数で分割した際に、分割信号数を正確に計測できず、位置検出精度が悪くなっている。しかし、上記したようにセンサーチップ５５からの信号では、センサーチップ５５が相対する磁極５３ａ・５３ｂの極性（Ｎ極、Ｓ極）及び各磁極５３ａ・５３ｂに対するセンサーチップ５５の位置ずれ量を判別できない。

本実施例は、上記の問題を解決するため、磁気スケール５３の近傍にホール素子５９ａ・５９ｂを設け、ホール素子５９ａ・５９ｂからの信号に基づいてＭＲセンサー５７が、どの磁極５３ａ・５３ｂに相対しているかを判別している。即ち、可動体５２の移動に伴ってそれぞれのホール素子５９ａ・５９ｂからは、相対する磁極５３ａ・５３ｂの極性及び磁気強度に応じた信号を出力する。（図８参照、図８はＮ極に比べてＳ極の磁気強度が弱い例を示す。）

制御手段は、ホール素子５９ａ・５９ｂからの信号に基づいてセンサーチップ５５が相対する磁極５３ａ・５３ｂがＮ極であるのか、Ｓ極であるのか、即ち磁気角の１８０°毎を判別すると共に信号の電圧差に基づいて各磁極５３ａ・５３ｂに対するセンサーチップ５５の位置ずれ量を判別する。今、磁気スケール５３における磁極５３ａ・５３ｂの、例えばＮ極に対してＳ極の磁気強度が弱い場合には、制御手段は、ホール素子５９ａ・５９ｂからの信号に基づいてセンサーチップ５５がＳ極側に位置し、かつＳ極側に対するセンサーチップ５５の位置ずれ量に応じて、予め記憶手段に記憶された補完データをアクセスしてセンサーチップ５５から出力される位置検出信号を、電圧がほぼ等しくなるように補正する。

本実施例は、各磁極５３ａ・５３ｂの磁気強度が異なる場合に、ＭＲ素子５７ａ〜５７ｄの磁気抵抗変化に基づいて位置検出するセンサーチップ５５が相対する磁極５３ａ・５３ｂを、磁気角の１８０°毎及び各磁極５３ａ・５３ｂに対するＭＲセンサー５７の極性及び位置ずれ量をホール素子５９ａ・５９ｂからの信号に基づいて判別してセンサーチップ５５からの位置検出信号を、出力電圧がほぼ一定になるように補正して位置検出精度を高めることができる。磁気スケール５３自体を小型化して製造コストを低コスト化することができる。

磁気センサー装置の概略を示す説明図である センサーチップの概略を示す説明図である。 回転盤における磁極位置とセンサーチップの位置関係を示す説明図である。 ＭＲ素子から出力される回転位置検出信号を示す波形図である。 各ホール素子から出力される信号の波形図である。 磁気スケール構造の磁気センサー装置を示す斜視図である。 磁気スケールとセンサーチップの位置関係を示す説明図である。 センサーチップ及び各ホール素子からの信号を示す波形図である。

符号の説明

１ 磁気センサー装置
３ 回転盤
５ センサーチップ
５ａ〜５ｄ ＭＲ素子
７ａ・７ｂ 磁極
９ａ・９ｂ ホール素子

Claims (10)

1. 少なくとも相対する一対の磁極が設けられた回転盤の回転に伴ってそれぞれの磁極からの磁界を、回転盤中心部に相対する箇所に設けられた磁気抵抗素子により検出して回転位置を検出する磁気センサー装置において、磁気抵抗素子に対して２個のホール素子を９０°の交差角を設けて配置し、回転盤の１回転当り、磁気抵抗素子から出力される電気角で７２０°の正弦波波形の信号におけるそれぞれの回転角１８０°領域を、ホール素子からの出力信号に基づいて特定可能にした磁気センサー装置。
2. 請求項１において、４個の磁気抵抗素子を交差角９０°でブリッジ接続した磁気センサー装置。
3. 請求項２において、正弦波波形の信号を出力するブリッジ接続された４個の磁気抵抗素子のそれぞれに対し、４個の磁気抵抗素子を交差角４５°でブリッジ接続し、余弦波波形の信号を出力する磁気センサー装置。
4. 請求項３において、正弦波波形の信号を出力する４個の磁気抵抗素子と余弦波波形の信号を出力する４個の磁気抵抗素子を同一の基板又は別々の基板に設けた磁気センサー装置。
5. 請求項１において、磁気抵抗素子から出力される電気信号を、所望の検出分解能に応じた数で分割処理して回転位置を検出する磁気センサー装置。
6. 所望の検出分解能に応じた幅からなる異なる磁極が長手方向へ交互に設けられた磁気スケールに相対して往復移動する可動体に設けられた磁気抵抗素子により各磁極からの磁界を検出して可動体の移動位置を検出する磁気センサー装置において、磁気抵抗素子は異なる磁極からの磁界により少なくとも正弦波波形の信号を出力すると共に磁気抵抗素子の近傍に２個のホール素子を、磁気角で１８０°毎に検出するように設けた磁気センサー装置。
7. 請求項６において、４個の磁気抵抗素子を交差角９０°でブリッジ接続した磁気センサー装置。
8. 請求項７において、正弦波波形の信号を出力するブリッジ接続された４個の磁気抵抗素子のそれぞれに対し、４個の磁気抵抗素子を交差角４５°でブリッジ接続し、余弦波波形の信号を出力する磁気センサー装置。
9. 請求項８において、正弦波波形の信号を出力する４個の磁気抵抗素子と余弦波波形の信号を出力する４個の磁気抵抗素子を同一の基板又は別々の基板に設けた磁気センサー装置。
10. 請求項６において、磁気抵抗素子から出力される電気信号を、所望の検出分解能に応じた数で分割処理して移動位置を検出する磁気センサー装置。

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