JP2020085573A - Magnetism detector and mobile body detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、移動体の相対移動による磁界変化を検出する磁気検出装置及びそれを備える移動体検出装置に関する。 The present invention relates to a magnetic detection device that detects a magnetic field change due to relative movement of a moving body, and a moving body detection device including the same.
従来より、軟磁性体歯車等の移動体の位置検出(回転検出)に、磁気検出装置が用いられている。下記特許文献1の磁気検出装置は、移動体に交番磁界を印加し、移動体の相対移動による磁界変化を磁気センサで検出する構成である。これによれば、移動体が銅やアルミ等の非磁性体であっても移動検出が可能である。 Conventionally, a magnetic detection device has been used for position detection (rotation detection) of a moving body such as a soft magnetic gear. The magnetic detection device of Patent Document 1 below has a configuration in which an alternating magnetic field is applied to a moving body and a magnetic sensor detects a magnetic field change due to relative movement of the moving body. According to this, the movement can be detected even if the moving body is a non-magnetic body such as copper or aluminum.
特許文献1の磁気検出装置は、磁気センサの出力信号を同期検波する同期検波部を有する。同期検波では、一般に、検波用の信号と検波対象信号とを乗算器で乗算し、ローパスフィルタで高周波成分を除去する。乗算器は回路規模が大きいため、磁気検出装置の小型化や低コスト化が困難であった。 The magnetic detection device of Patent Document 1 has a synchronous detection unit that synchronously detects the output signal of the magnetic sensor. In synchronous detection, generally, a detection signal and a detection target signal are multiplied by a multiplier, and a high frequency component is removed by a low pass filter. Since the multiplier has a large circuit scale, it has been difficult to reduce the size and cost of the magnetic detection device.
本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、従来と比較して小型化、低コスト化が可能な磁気検出装置及び移動体検出装置を提供することにある。 The present invention has been made in recognition of such a situation, and an object thereof is to provide a magnetic detection device and a moving body detection device that can be downsized and reduced in cost as compared with conventional ones.
本発明のある態様は、磁気検出装置である。この磁気検出装置は、
移動体の相対移動による磁界変化を検出する磁気検出装置であって、
磁界発生導体と、
前記磁界発生導体に交番磁界を発生させるための交番電圧を印加する電圧印加部と、
前記磁界発生導体の発生する磁界が印加される少なくとも1つの磁気感応素子を含む磁気センサと、を備え、
前記電圧印加部の出力する交番電圧を前記磁気感応素子に印加する。
One aspect of the present invention is a magnetic detection device. This magnetic detection device
A magnetic detection device for detecting a magnetic field change due to relative movement of a moving body,
A magnetic field generating conductor,
A voltage applying section for applying an alternating voltage for generating an alternating magnetic field to the magnetic field generating conductor,
A magnetic sensor including at least one magnetically sensitive element to which a magnetic field generated by the magnetic field generating conductor is applied,
The alternating voltage output from the voltage applying unit is applied to the magnetic sensitive element.
前記磁気センサの出力信号を通すローパスフィルタを備えてもよい。 A low-pass filter that passes the output signal of the magnetic sensor may be provided.
前記磁気センサの出力電圧が入力される差動増幅器と、
前記差動増幅器から電流を供給され、前記磁気センサを磁気平衡状態にする負帰還磁界を発生する負帰還用磁界発生導体と、
前記差動増幅器から前記負帰還用磁界発生導体に供給される電流を電圧に変換して前記ローパスフィルタに出力する電流電圧変換手段と、を備えてもよい。
A differential amplifier to which the output voltage of the magnetic sensor is input;
A negative feedback magnetic field generating conductor that is supplied with a current from the differential amplifier and generates a negative feedback magnetic field that brings the magnetic sensor into a magnetic equilibrium state,
Current-voltage converting means for converting a current supplied from the differential amplifier to the negative feedback magnetic field generating conductor into a voltage and outputting the voltage to the low-pass filter.
本発明のもう1つの態様は、移動体検出装置である。この移動体検出装置は、
磁気検出装置と、
前記磁気検出装置に対して相対移動する移動体と、を備え、
前記磁気検出装置は、
磁界発生導体と、
前記磁界発生導体に交番磁界を発生させるための交番電圧を印加する電圧印加部と、
前記磁界発生導体の発生する磁界が印加される少なくとも1つの磁気感応素子を含む磁気センサと、を備え、
前記電圧印加部の出力する交番電圧を前記磁気感応素子に印加する。
Another aspect of the present invention is a moving object detection device. This moving object detection device
A magnetic detection device,
A moving body that moves relative to the magnetic detection device,
The magnetic detection device,
A magnetic field generating conductor,
A voltage applying section for applying an alternating voltage for generating an alternating magnetic field to the magnetic field generating conductor,
A magnetic sensor including at least one magnetically sensitive element to which a magnetic field generated by the magnetic field generating conductor is applied,
The alternating voltage output from the voltage applying unit is applied to the magnetic sensitive element.
前記磁気検出装置は、前記磁気センサの出力信号を通すローパスフィルタを備え、
前記移動体は、相互に導電率もしくは透磁率が異なる第1及び第2の部分、又は、少なくとも1つの凸部もしくは凹部を有し、
前記電圧印加部の出力する交番電圧の周波数は、前記移動体の前記磁気検出装置と対面する部分の導電率又は透磁率の変動周波数以上の周波数、又は、前記移動体と前記磁気検出装置との対向距離の変動周波数以上の周波数であってもよい。
The magnetic detection device includes a low-pass filter that passes an output signal of the magnetic sensor,
The moving body has first and second portions having mutually different electric conductivity or magnetic permeability, or at least one convex portion or concave portion,
The frequency of the alternating voltage output by the voltage applying unit is a frequency equal to or higher than the fluctuation frequency of the conductivity or the magnetic permeability of the portion of the moving body facing the magnetic detection device, or between the moving body and the magnetic detection device. The frequency may be equal to or higher than the fluctuation frequency of the facing distance.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above constituent elements and one obtained by converting the expression of the present invention between methods and systems are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、従来と比較して小型化、低コスト化が可能な磁気検出装置及び移動体検出装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a magnetic detection device and a moving body detection device that can be reduced in size and cost as compared with the related art.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the same or equivalent constituent elements, members, and the like shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and duplicated description will be omitted as appropriate. In addition, the embodiments do not limit the invention, but are exemplifications, and all features and combinations described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
(実施の形態1)
図1〜図7を参照し、本発明の実施の形態1を説明する。図2〜図5により、直交三軸であるXYZ軸を定義する。図1に示すように、本実施の形態の移動体検出装置1は、磁気検出装置10と、移動体としての回転体20と、を備える。磁気検出装置10は、回転体20の径方向外側において回転体20の外周面(外周部)と対向する位置に設けられ、回転体20の回転による磁界変化を検出する。回転体20は、歯車形状であって、外周面(外周部)に第1の部分としての凸部21及び第2の部分としての凹部22を有する。本実施の形態の例では、凸部21及び凹部22は、回転体20の外周面に交互に同じピッチで全周に渡って設けられる。回転体20は、軟磁性体である場合と、導電性を有する場合(好ましくは金属製ないし導体である場合)がある。各々の場合の検出原理は後述する。
(Embodiment 1)
The first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 5, the XYZ axes which are the three orthogonal axes are defined. As shown in FIG. 1, the moving body detection device 1 of the present embodiment includes a
図2及び図3に示すように、磁気検出装置10は、基板11と、磁界発生導体としてのコイル12と、磁気センサ13と、を有する。コイル12は、基板11上に設けられ(固定され)、磁気センサ13の周囲を螺旋状に周回する。コイル12の軸方向は、回転体20の軸方向と好ましくは垂直である。コイル12は、後述の信号生成部18b(図6)からの供給信号により、回転体20に向かう交番磁界を発生する。磁気センサ13には、コイル12の発生する磁界であって回転体20の回転に伴って変化する磁界が印加される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
磁気センサ13は、磁気感応素子チップ14と、軟磁性体16と、を有する。磁気感応素子チップ14は基板11上に設けられ(固定され)、軟磁性体16は磁気感応素子チップ14上に設けられる(固定される)。磁気感応素子チップ14は、磁気感応素子としてのGMR素子15a〜15d(GMR:Giant Magneto Resistive effect)を有する。図3に示すように、GMR素子15a〜15dは、軟磁性体16(コイル12の中心軸)を挟んでX方向両側に2つずつ分けて配置される。図3において各GMR素子15a〜15d内に示した矢印は、GMR素子15a〜15dのピン層(固定層)の磁化方向であり、GMR素子15a〜15dのピン層磁化方向はいずれも−X方向となっている。図6に示すように、GMR素子15a〜15dはフルブリッジ接続される。軟磁性体16は、コイル12の中心軸部に位置し、GMR素子15a〜15dの出力(抵抗変化)に寄与する方向(ここではGMR素子15a〜15dの位置におけるXY方向)の磁界成分を強める役割を持つ。
The
図4及び図5に示すように、回転体20は、磁気検出装置10との対向距離が自身の相対移動によって変化する。すなわち、図4に示すように回転体20の凸部21が磁気検出装置10と対向するときは回転体20と磁気検出装置10との対向距離が小さくなり(近くなり)、図5に示すように回転体20の凹部22が磁気検出装置10と対向するときは回転体20と磁気検出装置10との対向距離が大きくなる(遠くなる)。
As shown in FIGS. 4 and 5, the facing distance of the
図4及び図5は、回転体20が導電性を有する場合の検出原理を示している。図4に示すように回転体20の凸部21が磁気検出装置10と対向するときは、磁気検出装置10の正面に位置する凸部21に相対的な大きな渦電流が発生し、相対的な大きな反磁界が磁気検出装置10のGMR素子15a〜15dにフィードバックされ、後述の同期検波によって得られるセンサ出力は相対的に小さくなる。一方、図5に示すように回転体20の凹部22が磁気検出装置10と対向するときは、磁気検出装置10の正面に位置する凹部22に相対的な小さな渦電流が発生し、相対的な小さな反磁界が磁気検出装置10のGMR素子15a〜15dにフィードバックされ、後述の同期検波によって得られるセンサ出力は相対的に大きくなる。
4 and 5 show the detection principle when the
図示は省略したが、回転体20が軟磁性体である場合、回転体20の凸部21が磁気検出装置10と対向するときは、凹部22が磁気検出装置10と対向する場合と比較して、コイル12の発生する磁界が強められ(GMR素子15a〜15dに印加される磁界が強められ)、センサ出力が大きくなる。回転体20が軟磁性体である場合と導電性を有する場合のいずれにおいても、磁気検出装置10が回転体20の凸部21と対向しているか凹部22と対向しているかによって異なるレベルのセンサ出力が得られ、回転体20の回転数等の回転状態を検出することができる。回転体20が軟磁性体であって導電性も有する場合、軟磁性体である凸部21がGMR素子15a〜15dへの印加磁界を強めることによりセンサ出力を相対的に大きくする影響と、導電性を有する凸部21が反磁界によりセンサ出力を相対的に小さくする影響とが併存し、より大きい方の影響がセンサ出力の相対的な大小に強く表れることになる。
Although illustration is omitted, when the
図6は、磁気検出装置10の回路図である。GMR素子15a〜15dは、フルブリッジ接続されて、GMR素子ブリッジ回路を構成する。GMR素子15a、15bの相互接続点は、電圧印加部としての信号生成部18bの出力端子に接続される。GMR素子15a、15cの相互接続点は、オペアンプ等の差動増幅器17の反転入力端子に接続される。GMR素子15b、15dの相互接続点は、差動増幅器17の非反転入力端子に接続される。GMR素子15c、15dの相互接続点は、固定電圧端子としてのグランドに接続される。
FIG. 6 is a circuit diagram of the
差動増幅器17は、電源電圧Vcc、−Vccの供給を受けて動作する。差動増幅器17の出力端子は、ローパスフィルタ18aの入力端子に接続される。差動増幅器17の出力端子とグランドとの間に、抵抗19が接続される。抵抗19は、グランドに対する差動増幅器17の出力端子の電圧を確実に決めるために設けられるが、不要であれば省略してもよい。
The
信号生成部18bの出力端子とグランドとの間に、コイル12が接続される。コイル12は、GMR素子ブリッジ回路と並列に設けられる。信号生成部18bは、コイル12に交番磁界を発生させるための交番電圧を印加すると共に、当該交番電圧をGMR素子15a〜15dからなるGMR素子ブリッジ回路に入力する(動作電圧として供給する)。図示は省略したが、信号生成部18bの出力する交番電圧の位相を調整してGMR素子ブリッジ回路に入力する位相調整手段を設け、信号生成部18bからの交番電圧によってコイル12に発生する交番磁界の位相(すなわちGMR素子15a〜15dの抵抗値変化の位相)と、GMR素子ブリッジ回路に印加される電圧の位相と、を合わせるようにしてもよい。コイル12は、GMR素子ブリッジ回路と直列に設けられてもよい。この場合、前述の位相調整手段を設けなくても、コイル12に流れる電流の位相(コイル12の発生する交番磁界の位相)と、GMR素子ブリッジ回路に印加される電圧及びGMR素子ブリッジ回路に流れる電流の位相と、が一致するため、回路構成を簡略化できるというメリットがある。
The
GMR素子15a〜15dの出力電圧は、差動増幅器17によって増幅され、ローパスフィルタ18aに入力される。ローパスフィルタ18aは、差動増幅器17の出力信号の高周波成分を除去する。ローパスフィルタ18aの出力端子の電圧が、センサ出力電圧Voutとなる。センサ出力電圧Voutは、後述のように、GMR素子ブリッジ回路に印加される磁界信号を同期検波したものとなる。センサ出力電圧Voutを2値に変換する増幅器を設けてもよい。
The output voltages of the
信号生成部18bの出力する交番電圧の周波数Fsは、回転体20の回転速度と回転体20の凸部21又は凹部22の配置ピッチとから決まる、回転体20と磁気検出装置10との対向距離の変動周波数Fc[Hz]以上の周波数とする(Fs≧Fc)。好ましくはFs≧2×Fcである。Fsは、磁気検出装置10の各素子の特性上許容される範囲で高いほど検出精度の向上に寄与する。Fcは、回転体20の回転速度をFt[Hz]、回転体20の1周当たりの凸部21又は凹部22の数をK[個]としたとき、Fc≧Ft×Kと表される。
The frequency Fs of the alternating voltage output from the
図8は、比較例1に係る磁気検出装置の回路図である。図8の回路は、図6に示した実施の形態1のものと比較して、GMR素子ブリッジ回路への入力電圧が信号生成部18bの出力電圧VEXTから電源電圧Vccに替わった点と、差動増幅器17の出力端子とローパスフィルタ18aの入力端子との間に乗算器18cが追加された点と、信号生成部18bの出力電圧VEXTが乗算器18cにも入力される点で相違し、その他の点で一致する。ローパスフィルタ18a、信号生成部18b及び乗算器18cは、GMR素子ブリッジ回路に印加される磁界信号を同期検波する同期検波部を構成する。
FIG. 8 is a circuit diagram of a magnetic detection device according to Comparative Example 1. The circuit of FIG. 8 is different from the circuit of the first embodiment shown in FIG. 6 in that the input voltage to the GMR element bridge circuit is changed from the output voltage V EXT of the
以下、図6及び図8の各回路において、GMR素子15a、15dの抵抗値をRMR+、GMR素子15b、15cの抵抗値をRMR-、差動増幅器17の反転入力端子の電圧をVa、非反転入力端子の電圧をVb、差動増幅器17の出力端子の電圧をVdiff、信号生成部18bの出力電圧をVEXT、コイル12に流れる電流をIEXT、乗算器18cの出力電圧をVMULTI(図8のみ)、ローパスフィルタ18aの出力電圧をVoutとする。
6 and 8, the resistance values of the
図6に示す実施の形態1の回路では、図8に示す比較例1の回路における乗算器18cが存在しない。しかし、図6に示す実施の形態の回路における差動増幅器17の出力電圧Vdiffは、VEXT×IEXTに比例する演算結果、すなわち図8に示す比較例1の回路における乗算器18cの出力電圧と同等の電圧信号(同期検波の過程における乗算済みの電圧信号)となる。これは、GMR素子ブリッジ回路への入力電圧を、信号生成部18bの出力電圧VEXTとしたことによる。この点について以下に説明する。
The circuit of the first embodiment shown in FIG. 6 does not include the
GMR素子15a〜15dの無磁界時の抵抗値をR0、磁界による抵抗値の変化量をΔrとすると、
RMR+=R0+Δr 式1
RMR-=R0−Δr 式2
と表される。Δrは、GMR素子15a〜15dに印加される磁界Hによって変化し、
Δr=αH 式3
と表される。αは、GMR素子15a〜15dの抵抗変化率によって決まる定数である。また、磁界Hは、
H=βIEXT 式4
と表される。βは、コイル12の構成(巻き数、径)、コイル12とGMR素子15a〜15dとの距離や位置関係、及び磁気検出装置10に対する回転体20の相対位置によって決まる係数である。βは、磁気検出装置10に対する回転体20の相対位置が一定であれば不変の定数であるが、前記相対位置が変化すれば(すなわち回転体20が回転すれば)、変化する。回転体20が非磁性体で導電性を有する場合、βは、磁気検出装置10が回転体20の凸部21と対向するときは小さくなり、凹部22と対抗するときは大きくなる。すなわち、回転体20が回転すると、βは、回転体20と磁気検出装置10との対向距離の変動周波数Fc[Hz]で変動する。式3、式4より、
Δr=αβIEXT 式5
となる。
If the resistance value of the
R MR+ =R 0 +Δr Formula 1
R MR- =R 0 −Δr Equation 2
Is expressed as Δr changes with the magnetic field H applied to the
Δr=αH Equation 3
Is expressed as α is a constant determined by the resistance change rate of the
H=βI EXT Equation 4
Is expressed as β is a coefficient determined by the configuration (number of turns, diameter) of the
Δr=αβI EXT Equation 5
Becomes
図8に示す比較例1の回路では、差動増幅器17の反転入力端子の電圧Va、非反転入力端子の電圧Vbは、
Vdiff=Adiff(Va−Vb) 式8
と表される。Adiffは、差動増幅器17のゲイン(定数)である。式6〜式8より、
VMULTI=Vdiff×VEXT 式10
で表される。式9より、
Vdiff=Adiff(Va-Vb) Equation 8
Is expressed as Adiff is the gain (constant) of the
V MULTI =V diff ×V EXT formula 10
It is represented by. From Equation 9,
図6に示す実施の形態1の回路では、差動増幅器17の反転入力端子の電圧Va、非反転入力端子の電圧Vbは、
このように、図6に示す実施の形態1の回路における差動増幅器17の出力電圧Vdiff(式16)は、図8に示す比較例1の回路における乗算器18cの出力電圧VMULTI(式12)と比例する。よって、図6に示す実施の形態1の回路では、差動増幅器17の出力電圧Vdiffをローパスフィルタ18aに通した後の信号(センサ出力電圧Vout)は、GMR素子ブリッジ回路に印加される磁界信号を同期検波した結果の信号となる。すなわち、図6に示す実施の形態1の回路は、図8に示す比較例1と異なり乗算器18cを有さないにもかかわらず、差動増幅器17の出力電圧Vdiffとして乗算済みの信号が得られることから、乗算器18cを有さずに同期検波が可能である。
Thus, the output voltage Vdiff (Equation 16) of the
図7は、図6に示す実施の形態1の回路における、GMR素子ブリッジ回路に印加される磁界H及びセンサ出力電圧Voutのシミュレーションによる波形図である。図9は、図8に示す比較例1に回路における、GMR素子ブリッジ回路に印加される磁界H及びセンサ出力電圧Voutのシミュレーションによる波形図である。図7及び図9の対比より、シミュレーション結果においても、GMR素子ブリッジ回路に印加される磁界Hが同じであれば、図6に示す実施の形態1の回路のセンサ出力電圧Voutと、図8に示す比較例1の回路におけるセンサ出力電圧Voutと、が比例関係になることが確認できた。 FIG. 7 is a waveform diagram by simulation of the magnetic field H applied to the GMR element bridge circuit and the sensor output voltage Vout in the circuit of the first embodiment shown in FIG. FIG. 9 is a waveform diagram by simulation of the magnetic field H applied to the GMR element bridge circuit and the sensor output voltage Vout in the circuit of Comparative Example 1 shown in FIG. From the comparison between FIG. 7 and FIG. 9, even in the simulation result, if the magnetic field H applied to the GMR element bridge circuit is the same, the sensor output voltage Vout of the circuit of the first embodiment shown in FIG. It was confirmed that the sensor output voltage Vout in the circuit of Comparative Example 1 shown has a proportional relationship.
本実施の形態によれば、コイル12に交番磁界を発生させるための信号である信号生成部18bの出力電圧VEXTをGMR素子ブリッジ回路に動作電圧として供給するため、GMR素子ブリッジ回路の出力電圧(Va−Vb)は乗算済みの信号(IEXT×VEXTに比例する電圧)となる。このため、乗算のための専用回路(例えば図8に示す比較例1の回路の乗算器18c)を設けずに、GMR素子ブリッジ回路に印加される磁界信号の同期検波が可能となる。よって、本実施の形態の移動体検出1及び磁気検出装置10は、乗算のための専用回路が不要な分、小型かつ低コストなものとなる。
According to the present embodiment, the output voltage V EXT of the
(実施の形態2)
図10を参照し、本発明の実施の形態2を説明する。本実施の形態の移動体検出装置2は、実施の形態1のものと比較して、回転体20が回転体30に変わった点で相違し、その他の点で一致する。回転体30は、円板形状ないし正多角板形状であって、外周面(外周部)に第1の部分としての高導電率又は高透磁率部分31及び第2の部分としての低導電率又は低透磁率部分32を有する。本実施の形態の例では、高導電率又は高透磁率部分31及び低導電率又は低透磁率部分32は、回転体30の外周面に交互に同じピッチで全周に渡って設けられる。回転体30の構成例としては、プラスチック製の歯車の凹部を銅やアルミ等の金属のメッキ等で埋めたもの(プラスチック部が低導電率部分、金属部が高導電率部分)や、プラスチックやアルミ等の非磁性体からなる歯車の凹部をパーマロイのメッキやフェライト粉のプリントによって軟磁性体で埋めたもの(非磁性体部が低透磁率部分、軟磁性体部分が高透磁率部分)が挙げられる。
(Embodiment 2)
The second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The moving body detection device 2 of the present embodiment is different from that of the first embodiment in that the rotating
本実施の形態における回転体30の回転検出の原理は実施の形態1と同様である。具体的には、回転体30の高導電率又は高透磁率部分31が磁気検出装置10と対向するときは、実施の形態1において回転体20の凸部21が磁気検出装置10と対向するときに対応する。回転体30の低導電率又は低透磁率部分32が磁気検出装置10と対向するときは、実施の形態1において回転体20の凹部22が磁気検出装置10と対向するときに対応する。本実施の形態も、実施の形態1と同様の効果を奏することができる。また、本実施の形態によれば、回転体30は、高導電率又は高透磁率部分31以外の部分(本体部)をプラスチック等の非磁性体かつ絶縁体で構成することもできる。
The principle of rotation detection of the
(実施の形態3)
図11を参照し、本発明の実施の形態3を説明する。本実施の形態の移動体検出装置3は、実施の形態2のものと異なり、磁気検出装置10が回転体40の軸方向一方側において回転体40の非中心部、好ましくは外周縁近傍部(外周部)と対向する位置に設けられている。コイル12の軸方向は、回転体40の軸方向と好ましくは平行である。また、回転体40は、軸方向一方側の面の、自身の回転によって磁気検出装置10と対向し得る位置に、第1の部分としての高導電率又は高透磁率部分41及び第2の部分としての低導電率又は低透磁率部分42を有する。高導電率又は高透磁率部分41及び低導電率又は低透磁率部分42は、回転体40の軸回りを一周するように交互に同じピッチで全周に渡って設けられる。なお、高導電率又は高透磁率部分41は、低導電率又は低透磁率部分42と比較して磁気検出装置10側に突出するように設けられているが、低導電率又は低透磁率部分42と面一であってもよい。本実施の形態のその他の点は実施の形態2と同様である。本実施の形態も、実施の形態2と同様の効果を奏することができる。
(Embodiment 3)
Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. The moving body detection device 3 of the present embodiment is different from that of the second embodiment in that the
(実施の形態4)
図12を参照し、本発明の実施の形態4を説明する。本実施の形態の移動体検出装置4は、実施の形態1のものと異なり、磁気検出装置10が回転体50の軸方向一方側において回転体50の非中心部、好ましくは外周縁近傍部(外周部)と対向する位置に設けられている。コイル12の軸方向は、回転体50の軸方向と好ましくは平行である。また、回転体50は、軸方向一方側の面の、自身の回転によって磁気検出装置10と対向し得る位置に、第1の部分としての凸部51及び第2の部分としての凹部52を有する。凸部51及び凹部52は、回転体50の軸回りを一周するように交互に同じピッチで全周に渡って設けられる。本実施の形態のその他の点は実施の形態1と同様である。本実施の形態も、実施の形態1と同様の効果を奏することができる。
(Embodiment 4)
Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. The moving body detection device 4 of the present embodiment is different from that of the first embodiment in that the
(実施の形態5)
図13を参照し、本発明の実施の形態5を説明する。本実施の形態の移動体検出装置5は、実施の形態4の凹部52が貫通孔62に替わり、凸部51が境界部61に替わった点で相違し、その他の点で一致する。すなわち、回転体60は、軸方向一方側の面の、自身の回転によって磁気検出装置10と対向し得る位置に、第2の部分としての貫通孔62を有する。貫通孔62は、回転体60の軸回りを一周するように同じピッチで全周に渡って設けられる。隣り合う貫通孔62の間の境界部61が第1の部分に対応する。本実施の形態における回転体60の回転検出の原理は実施の形態1と同様である。具体的には、回転体60の境界部61が磁気検出装置10と対向するときは、実施の形態1において回転体20の凸部21が磁気検出装置10と対向するときに対応する。回転体60の貫通孔62が磁気検出装置10と対向するときは、実施の形態1において回転体20の凹部22が磁気検出装置10と対向するときに対応する。本実施の形態も、実施の形態4と同様の効果を奏することができる。
(Embodiment 5)
The fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The moving body detection device 5 of the present embodiment is different in that the
(実施の形態6)
図14は、本発明の実施の形態6に係る移動体検出装置6の概略斜視図である。本実施の形態の移動体検出装置6は、図10に示した実施の形態2の回転体30を直線移動体70に替えたものであり、磁気検出装置10の構成は実施の形態2と同様である。直線移動体70は、平面形状であって、磁気検出装置10と対向する側の面(以下「対向面」とも表記)に第1の部分としての高導電率又は高透磁率部分71及び第2の部分としての低導電率又は低透磁率部分72を有する。本実施の形態の例では、高導電率又は高透磁率部分71及び低導電率又は低透磁率部分72は、直線移動体70の対向面に、直線移動体70の移動方向に沿って交互に同じピッチで設けられる。直線移動体70の構成例としては、プラスチック製の平板の凹部を銅やアルミ等の金属のメッキ等で埋めたもの(プラスチック部が低導電率部分、金属部が高導電率部分)や、プラスチックやアルミ等の非磁性体からなる平板の凹部をパーマロイのメッキやフェライト粉のプリントによって軟磁性体で埋めたもの(非磁性体部が低透磁率部分、軟磁性体部分が高透磁率部分)が挙げられる。なお、高導電率又は高透磁率部分71と低導電率又は低透磁率部分72が凹凸関係になっていてもよい。本実施の形態における直線移動体70の移動検出の原理は、実施の形態2における回転検出の原理と同様である。本実施の形態も、実施の形態2と同様の効果を奏することができる。
(Embodiment 6)
FIG. 14 is a schematic perspective view of the moving body detection device 6 according to the sixth embodiment of the present invention. The moving body detection device 6 of the present embodiment is obtained by replacing the
(実施の形態7)
図15は、本発明の実施の形態7に係る移動体検出装置7の概略斜視図である。本実施の形態の移動体検出装置7は、図13に示した実施の形態5の回転体60を直線移動体80に替えたものであり、磁気検出装置10の構成は実施の形態5と同様である。直線移動体80は、自身の移動によって磁気検出装置10と対向し得る位置に、第2の部分としての貫通孔82を有する。貫通孔82は、直線移動体80の移動方向に沿って同じピッチで設けられる。隣り合う貫通孔82の間の境界部81が第1の部分に対応する。本実施の形態における直線移動体80の移動検出の原理は、実施の形態5における回転検出の原理と同様である。本実施の形態も、実施の形態5と同様の効果を奏することができる。なお、貫通孔82に替えて、磁気検出装置10側に臨む凹部(非貫通孔)を設けても、同様の効果を奏することができる。
(Embodiment 7)
FIG. 15 is a schematic perspective view of the moving body detection device 7 according to the seventh embodiment of the present invention. The moving body detection device 7 of the present embodiment is the same as that of the fifth embodiment, except that the rotating
(実施の形態8)
図16は、本発明の実施の形態8における磁気検出装置10Aの回路図である。以下、図6に示した実施の形態1の磁気検出装置10との相違点を中心に説明する。磁気検出装置10Aは、差動増幅器17の出力端子とローパスフィルタ18aの入力端子との間に、負帰還用磁界発生導体としての負帰還用コイル12aを有する。負帰還用コイル12aの一端は、差動増幅器17の出力端子に接続される。負帰還用コイル12の他端は、ローパスフィルタ18aの入力端子に接続される。
(Embodiment 8)
FIG. 16 is a circuit diagram of a magnetic detection device 10A according to the eighth embodiment of the present invention. Hereinafter, differences from the
負帰還用コイル12aは、差動増幅器17の出力電流が流れることにより、磁気センサ13を磁気平衡状態にする負帰還磁界を発生する。磁気平衡状態は、GMR素子15a〜15dの位置における磁界の感磁方向成分が所定値(例えばゼロ)の状態である。抵抗19は、本実施の形態では負帰還用コイル12aに流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換手段であって、負帰還用コイル12aの他端とグランドとの間に設けられる。磁気検出装置10Aでは、磁気センサ13を磁気平衡状態とするために負帰還用コイル12aに流れる電流(負帰還電流IFB)を利用して、GMR素子ブリッジ回路に印加される磁界信号を検出する。すなわち、実施の形態1の磁気検出装置10では磁界信号の検出方式が磁気比例式であるのに対し、本実施の形態の磁気検出装置10Aでは磁界信号の検出方式が磁気平衡式である。
The
磁気検出装置10Aにおいて、負帰還電流IFBは、コイル12に流れる電流をIEXT及びGMR素子ブリッジ回路への入力電圧VEXTの積と一対一でリニアに対応し、
IFB=γ×IEXT×VEXT 式17
の関係が成り立つ。γは、差動増幅器17のゲイン、負帰還用コイル12aとGMR素子ブリッジ回路との磁気結合度、及び前述の式4のβによって決まる係数である。ローパスフィルタ18aへの入力電圧Vdiffは、抵抗19の抵抗値Rsを用いて、
Vdiff=Rs×IFB
=Rs×γ×IEXT×VEXT 式18
となり、実施の形態1の磁気検出装置10における上記式16と比例する値となる。
In the magnetic detection device 10A, the negative feedback current I FB linearly corresponds to the product of the current flowing through the
I FB =γ×I EXT ×V EXT Equation 17
The relationship is established. γ is a coefficient determined by the gain of the
Vdiff=Rs×I FB
=Rs×γ×I EXT ×V EXT Formula 18
Thus, the value becomes proportional to the above-mentioned
図17は、比較例2に係る磁気検出装置の回路図である。図17の回路は、図16に示した実施の形態2のものと比較して、GMR素子ブリッジ回路への入力電圧が信号生成部18bの出力電圧VEXTから電源電圧Vccに替わった点と、負帰還用コイル12aの他端とローパスフィルタ18aの入力端子との間に乗算器18cが追加された点と、信号生成部18bの出力電圧VEXTが乗算器18cにも入力される点で相違し、その他の点で一致する。ローパスフィルタ18a、信号生成部18b及び乗算器18cは、GMR素子ブリッジ回路に印加される磁界信号を同期検波する同期検波部を構成する。
FIG. 17 is a circuit diagram of a magnetic detection device according to Comparative Example 2. The circuit of FIG. 17 differs from the circuit of the second embodiment shown in FIG. 16 in that the input voltage to the GMR element bridge circuit is changed from the output voltage V EXT of the
比較例2に係る磁気検出装置では、
IFB=γ×IEXT×Vcc 式19
Vdiff=Rs×IFB
=Rs×γ×IEXT×Vcc 式20
VMULTI=Vdiff×VEXT
=Rs×γ×IEXT×Vcc×VEXT 式21
である。
In the magnetic detection device according to Comparative Example 2,
I FB =γ×I EXT ×
Vdiff=Rs×I FB
=Rs×γ×I EXT ×
V MULTI =Vdiff×V EXT
=Rs×γ×I EXT ×Vcc×V EXT Formula 21
Is.
本実施の形態によれば、信号生成部18bの出力する交番電圧VEXTをGMR素子ブリッジ回路に動作電圧として供給するため、差動増幅器17の出力電圧Vdiff(式18)が、図17に示す比較例2の磁気検出装置における乗算器18cの出力電圧VMULTI(式21)と比例する。よって、図16に示す磁気検出装置10Aでは、差動増幅器17の出力電圧Vdiffをローパスフィルタ18aに通した後の信号(センサ出力電圧Vout)は、GMR素子ブリッジ回路に印加される磁界信号を同期検波した結果の信号となる。すなわち、図16に示す検波回路1Cは、図17に示す比較例2と異なり乗算器18cを有さないにもかかわらず、差動増幅器17の出力電圧Vdiffとして乗算済みの信号が得られることから、乗算器18cを有さずに同期検波が可能である。したがって、本実施の形態の磁気検出装置10A及びそれを用いた移動体検出装置は、乗算のための専用回路が不要な分、小型かつ低コストなものとなる。実施の形態2〜7において、図6の磁気検出装置10を図16の磁気検出装置10Aに替えてもよい。
According to the present embodiment, since the alternating voltage V EXT output from the
以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。 Although the present invention has been described with the embodiment as an example, it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to each component and each process of the embodiment within the scope of the claims. By the way. Hereinafter, modified examples will be described.
実施の形態では磁気検出装置の位置が固定で移動体(回転体又は直線移動体)が移動(回転)する例を説明したが、移動体が固定で磁気検出装置が移動する構成であってもよい。すなわち、移動体の移動は、磁気検出装置に対する相対移動であり、自身の絶対位置が移動するかは問わない。実施の形態1〜5における移動体は、例えばラック等の直線移動体であってもよい。 In the embodiment, the example in which the position of the magnetic detection device is fixed and the moving body (rotating body or linear moving body) moves (rotates) has been described. However, even if the moving body is fixed and the magnetic detection device moves. Good. That is, the movement of the moving body is relative to the magnetic detection device, and it does not matter whether the absolute position of the moving body is moved. The moving body in the first to fifth embodiments may be a linear moving body such as a rack.
実施の形態では、磁気検出装置と移動体との対向距離、又は移動体のうち磁気検出装置10と対向する部分の導電率若しくは透磁率が、移動体の移動に伴い、相互に異なる2水準の値を交互に取る構成を説明したが、3水準以上の値を交互に取る構成であってもよい。また、移動体の移動に伴う各パラメータの変化は連続的であってもよい。例えば凹凸が正弦波状の移動体の場合、磁気検出装置との対向距離は、移動体の移動に伴い連続的に変化する。
In the embodiment, the facing distance between the magnetic detection device and the moving body, or the conductivity or permeability of the portion of the moving body that faces the
実施の形態では4つのGMR素子15a〜15dをフルブリッジ接続したが、2つのGMR素子をハーフブリッジ接続してもよいし、1つのGMR素子15と固定抵抗器をハーフブリッジ接続してもよい。磁気感応素子は、GMR素子等の磁気抵抗効果素子に限定されず、ホール素子等の他の種類のものであってもよい。なお、ホール素子の場合、コイル12の中心軸上に配置しても検出に必要なセンサ出力が得られる。
In the embodiment, the four
実施の形態ではセンサ出力を高めるために軟磁性体16を設けたが、必要な大きさのセンサ出力が得られるのであれば、軟磁性体16を省略してもよい。移動体の凹部、凸部、高導電率又は高透磁率部分、低導電率又は低透磁率部分は、少なくとも1つあれば足り、また複数設ける場合の配置ピッチは互いに異なってもよい。磁界発生導体は、コイルに限定されず、例えば直線状の電流路であってもよい。
In the embodiment, the soft
1〜7 移動体検出装置
10 磁気検出装置 11 基板、12 コイル(磁界発生導体)、12a 負帰還用コイル(負帰還用磁界発生導体)、13 磁気センサ、14 磁気感応素子チップ、15a〜15d GMR素子(磁気抵抗効果素子)、16 軟磁性体、17 差動増幅器、18a ローパスフィルタ、18b 信号生成部(電圧印加部)、18c 乗算器、19 抵抗、
20 回転体(移動体)、21 凸部(第1の部分)、22 凹部(第2の部分)、
30 回転体、31 高導電率又は高透磁率部分(第1の部分)、32 低導電率又は低透磁率部分(第2の部分)、
40 回転体、41 高導電率又は高透磁率部分(第1の部分)、42 低導電率又は低透磁率部分(第2の部分)
50 回転体(移動体)、51 凸部(第1の部分)、52 凹部(第2の部分)、
60 回転体(移動体)、61 境界部(第1の部分)、62 貫通孔(第2の部分)、
70 直線移動体、71 高導電率又は高透磁率部分(第1の部分)、72 低導電率又は低透磁率部分(第2の部分)、
80 直線移動体、81 境界部(第1の部分)、82 貫通孔(第2の部分)
1 to 7 Moving
20 rotating body (moving body), 21 convex portion (first portion), 22 concave portion (second portion),
30 rotating body, 31 high conductivity or high magnetic permeability part (first part), 32 low conductivity or low magnetic permeability part (second part),
40 rotator, 41 high conductivity or high permeability part (first part), 42 low conductivity or low permeability part (second part)
50 rotating body (moving body), 51 convex portion (first portion), 52 concave portion (second portion),
60 rotating body (moving body), 61 boundary portion (first portion), 62 through hole (second portion),
70 linear moving body, 71 high conductivity or high magnetic permeability part (first part), 72 low conductivity or low magnetic permeability part (second part),
80 linear moving body, 81 boundary part (first part), 82 through hole (second part)
Claims (5)
磁界発生導体と、
前記磁界発生導体に交番磁界を発生させるための交番電圧を印加する電圧印加部と、
前記磁界発生導体の発生する磁界が印加される少なくとも1つの磁気感応素子を含む磁気センサと、を備え、
前記電圧印加部の出力する交番電圧を前記磁気感応素子に印加する、磁気検出装置。 A magnetic detection device for detecting a magnetic field change due to relative movement of a moving body,
A magnetic field generating conductor,
A voltage applying section for applying an alternating voltage for generating an alternating magnetic field to the magnetic field generating conductor,
A magnetic sensor including at least one magnetically sensitive element to which a magnetic field generated by the magnetic field generating conductor is applied,
A magnetic detection device for applying an alternating voltage output from the voltage application unit to the magnetic sensitive element.
前記差動増幅器から電流を供給され、前記磁気センサを磁気平衡状態にする負帰還磁界を発生する負帰還用磁界発生導体と、
前記差動増幅器から前記負帰還用磁界発生導体に供給される電流を電圧に変換して前記ローパスフィルタに出力する電流電圧変換手段と、を備える、請求項2に記載の磁気検出装置。 A differential amplifier to which the output voltage of the magnetic sensor is input;
A negative feedback magnetic field generating conductor that is supplied with a current from the differential amplifier and generates a negative feedback magnetic field that brings the magnetic sensor into a magnetic equilibrium state,
3. The magnetic detection device according to claim 2, further comprising a current-voltage conversion unit that converts a current supplied from the differential amplifier to the negative feedback magnetic field generation conductor into a voltage and outputs the voltage to the low-pass filter.
前記磁気検出装置に対して相対移動する移動体と、を備え、
前記磁気検出装置は、
磁界発生導体と、
前記磁界発生導体に交番磁界を発生させるための交番電圧を印加する電圧印加部と、
前記磁界発生導体の発生する磁界が印加される少なくとも1つの磁気感応素子を含む磁気センサと、を備え、
前記電圧印加部の出力する交番電圧を前記磁気感応素子に印加する、移動体検出装置。 A magnetic detection device,
A moving body that moves relative to the magnetic detection device,
The magnetic detection device,
A magnetic field generating conductor,
A voltage applying section for applying an alternating voltage for generating an alternating magnetic field to the magnetic field generating conductor,
A magnetic sensor including at least one magnetically sensitive element to which a magnetic field generated by the magnetic field generating conductor is applied,
A moving body detection device that applies the alternating voltage output from the voltage application unit to the magnetically sensitive element.
前記移動体は、相互に導電率もしくは透磁率が異なる第1及び第2の部分、又は、少なくとも1つの凸部もしくは凹部を有し、
前記電圧印加部の出力する交番電圧の周波数は、前記移動体の前記磁気検出装置と対面する部分の導電率又は透磁率の変動周波数以上の周波数、又は、前記移動体と前記磁気検出装置との対向距離の変動周波数以上の周波数である、請求項4に記載の移動体検出装置。 The magnetic detection device includes a low-pass filter that passes an output signal of the magnetic sensor,
The moving body has first and second portions having mutually different electric conductivity or magnetic permeability, or at least one convex portion or concave portion,
The frequency of the alternating voltage output by the voltage applying unit is a frequency equal to or higher than the fluctuation frequency of the conductivity or the magnetic permeability of the portion of the moving body facing the magnetic detection device, or between the moving body and the magnetic detection device. The moving body detection device according to claim 4, wherein the frequency is equal to or higher than the variation frequency of the facing distance.
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