(57)【要約】【課題】  回転体の隣り合う山間のピッチに応じて、磁気抵抗素子を干渉なく並べて配置することができる磁気センサ装置を提供する。【解決手段】  回転軸に対して回転自在に固定された磁性を有する磁気歯車２と、磁気歯車２の円周方向Ｒで直列接続され、磁気歯車２の外周面３に対向配置された少なくとも一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂを有し、磁気歯車２の回転に基づいて周期的に変動する出力信号を出力する磁気回路５と、一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂに一定のバイアス磁界を与える磁石６とを備え、出力信号に基づいて磁性歯車２の回転角度を検出する磁気センサ装置において、磁気歯車２の外周面３には、円周方向Ｒに向かって等ピッチＰで山３ａと谷３ｂを規則的に連続形成し、一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂの間隔を、（１／２＋ｎ）Ｐ、（ただし、ｎは任意の自然数、Ｐは磁気歯車のピッチ）とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に固定された磁性を有する回転体と、
該回転体の円周方向で直列接続され、該回転体の外周面に対向配置された少なくとも一対の磁気抵抗素子を有し、前記回転体の回転に基づいて周期的に変動する出力信号を出力する磁気回路と、
前記一対の磁気抵抗素子に一定のバイアス磁界を与える磁石とを備え、前記出力信号に基づいて前記回転体の回転角度を検出する磁気センサ装置において、
前記回転体の外周面には、円周方向に等ピッチで山と谷が規則的に連続形成されており、前記一対の磁気抵抗素子の間隔が、（１／２＋ｎ）Ｐ（ただし、ｎは任意の自然数、Ｐは回転体の隣り合う山間のピッチ）であることを特徴とする磁気センサ装置。
【請求項２】
前記磁気抵抗素子が、表面積が大きくなるように折り返された形状であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸に対して回転自在に固定された磁性を有する回転体と、回転体の円周方向で直列接続され、回転体の外周面に対向配置された少なくとも一対の磁気抵抗素子を有し、回転体の回転に基づいて周期的に変動する出力信号を出力する磁気回路と、一対の磁気抵抗素子に一定のバイアス磁界を与える磁石とを備え、工作機械のスピンドルやモータ出力軸の回転速度及び回転位置を検出して、スピンドルやモータ出力軸の速度や位置の制御に用いられる磁気センサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、被検出体である回転体の回転角度や回転方向を検出する磁気センサ装置として、Ｉｎ−Ｓｂ半導体磁気抵抗素子を用いた回転角度センサ装置が知られている。図３に示すように、この磁気センサ装置３０は、工作機械のスピンドルやモータ出力軸３７などの制御に使用されるものであり、回転体としての磁気歯車３１に磁気センサ３２が対向配置されている。磁気センサ３２は、それぞれ直列接続されている２組の磁気抵抗素子３３ａ〜３３ｄを有する磁気回路３３と、磁気抵抗素子３３ａ〜３３ｄに一定のバイアス磁界を与える磁石３４とを備えている。各一対の磁気抵抗素子３３ａ〜３３ｄの両端には、駆動電圧が印加されるようになっている。
【０００３】
図４に示すように、２組の磁気抵抗素子３３ａ〜３３ｄは、一対のＡ相の磁気抵抗素子３３ａ，３３ｂと、他の一対のＢ相の磁気抵抗素子３３ｃ，３３ｄである。Ａ相とＢ相の磁気抵抗素子３３ａ〜３３ｄは、磁気歯車３１の回転角度や回転方向を検出すべく、出力信号の２つ正弦波３５，３６の位相差が９０゜（図５）になるように、一列に配置されている。また、各組の一対の磁気抵抗素子３３ａ〜３３ｄは、磁気歯車３１の隣り合う山のピッチをＰとすると、１／２Ｐの間隔（検出信号の正弦波でピーク出力が得られる間隔）で離れている。
【０００４】
この種の磁気センサ装置の例として、２組の磁気抵抗素子の間隔を定めたものや（特許文献１）、２組の磁気抵抗素子を相互補間関係に配置したものが開示されている（特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】特公平０４−４５０８９号公報
【特許文献２】特開２００４−２７１４２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、Ｉｎ−Ｓｂなどの半導体磁気抵抗素子は、温度上昇にともなって磁気抵抗が低下する負の温度-抵抗特性を有しており、そのため高温環境下で使用された場合に磁気抵抗が低下して素子に流れる電流が増加し、その電流により自己発熱してさらに磁気抵抗が低下するという正帰還により素子が焼損するということが知られている。このため、半導体磁気抵抗素子の磁気抵抗は高いことが望ましく、表面積を増すためにＵ字状に曲げられた磁気抵抗素子３３ａ′〜３３ｄ′が用いられている（図６）。しかし、磁気歯車３１の検出信号の精度を高めるために、歯数を増やしてピッチＰを狭くした場合には、隣り合う磁気抵抗素子の間隔も狭くしなければならないため、幅寸法の大きいＵ字状に曲げられた磁気抵抗素子３３ａ′〜３３ｄ′を配置することができないという問題があった。
【０００７】
磁気抵抗素子の幅方向（磁気歯車の円周方向）の寸法を増やさずに、図７に示すように、磁気歯車３１の軸方向に磁気抵抗素子３３ａ″〜３３ｄ″を長くして磁気抵抗を大きくすることも考えられるが、磁気センサ装置が磁気歯車３１の軸方向に肥大化したり、コストが高くなったりするという問題があった。
【０００８】
また、特許文献１、２は、それぞれ磁気歯車のピッチが狭くなった場合の解決手段を提供するものではなく、上記と同様にして、磁気歯車の歯数を増やしてピッチが狭くなった場合には、隣り合う磁気抵抗素子が干渉し、表面積の大きいＵ字状に曲げられた磁気抵抗素子を配置することができないという問題があった。
【０００９】
以上の点に鑑み、本発明は、回転体の隣り合う山間のピッチに応じて、磁気抵抗素子を干渉なく並べて配置することができる磁気センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１記載の磁気センサ装置は、回転軸に対して回転自在に固定された磁性を有する回転体と、該回転体の円周方向で直列接続され、該回転体の外周面に対向配置された少なくとも一対の磁気抵抗素子を有し、前記回転体の回転に基づいて周期的に変動する出力信号を出力する磁気回路と、前記一対の磁気抵抗素子に一定のバイアス磁界を与える磁石とを備え、前記出力信号に基づいて前記回転体の回転角度を検出する磁気センサ装置において、前記回転体の外周面には、円周方向に等ピッチで山と谷が規則的に連続形成されており、前記一対の磁気抵抗素子の間隔が、（１／２＋ｎ）Ｐ（ただし、ｎは任意の自然数、Ｐは回転体の隣り合う山間のピッチ）であることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気センサ装置において、前記磁気抵抗素子が、表面積が大きくなるように折り返された形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上の如く、請求項１の発明によれば、回転体の隣り合う山間のピッチに応じて、一対の磁気抵抗素子の間隔を一定の倍率で広げることができるから、隣り合う幅広の磁気抵抗素子を干渉なく並べて配置することができる。これにより、表面積の大きい磁気抵抗素子を配置することが可能となり、磁気抵抗素子の焼損を生ずることなく、磁気抵抗素子を安定動作させることができる。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、磁気抵抗素子が折り返された形状であるから、磁気抵抗素子を回転体の軸方向に長くすることなく表面積を大きくすることができ、磁気抵抗を高めることができる。したがって、磁気センサ装置を小型化・低コスト化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図１及び図２を参照しながら詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態の磁気センサ装置１は、磁性体としての磁気歯車（回転体）２と、磁気歯車２の外周面３に対向して配置された少なくとも一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂを有する磁気回路５と、一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂに一定のバイアス磁界を与える磁石６とを備えている。磁気回路５と磁石６とから磁気センサ４が構成されている。
【００１５】
磁気歯車２は、例えば鉄粉等の磁性を有する金属粉材料を成形かつ焼結して、一体成形品として製造されたものや、歯車加工機によって機械加工されたものが一般的に用いられている。図１では、磁気センサ装置１の構成を容易に理解できるようにするため、通常は円形状である磁気歯車２がラック状に示されている。外周面３には、円周方向に等ピッチＰで歯の山３ａと谷３ｂが連続して形成され、外周面３は凹凸面となっている。このように、外周面３が凹凸面に形成されることで、磁気歯車２の回転に基づいて一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂの磁気抵抗が周期的に変化するようになっている。
【００１６】
磁気歯車２の歯数は任意であるが、歯数を多くするほど磁気センサ４により検出される回転当たりのパルス数が多くなり、磁気歯車２の回転角度をより正確に検出することができるようになる。歯数を多くするには磁気歯車２の直径を大きくするか、ピッチＰを狭くするかが必要であるが、歯車の直径は通常磁気センサが用いられる機械の寸法により規定されることが多く、高精度が要求される場合にはピッチＰを小さくすることが多い。
【００１７】
磁気センサ４は、一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂを有し、一定のギャップを介して磁気歯車２の外周面３に対向配置されている。なお、従来例の図４又は図６のように、相互直列に接続された他の一対の磁気抵抗素子をさらに設けることも可能である。磁気抵抗素子５ａ，５ｂは、温度が上昇するにつれて磁気抵抗が減少するという性質を有する温度に非常に敏感な半導体素子であり、例えばＩｎ−Ｓｂ半導体磁気抵抗素子などが用いられる。
【００１８】
一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂは、図６の磁気抵抗素子と同様にして幅広で表面積の大きいＵ字状をなしており、相互に直列に接続され、駆動電源８に接続された一端と、アース９に接続された他端との間に電圧が印加されることで、一定の電流が流れるように制御されている。一端と他端との間には出力端子１０が導出され、一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂの磁束の変化に応じた電圧変化が正弦波形として出力端子１０から出力されるようになっている。一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂ、駆動電源８、アース９、出力端子１０、図示しない信号増幅用のアンプやコンパレータなどから磁気回路が構成されている。
【００１９】
本実施形態の一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂは、磁気歯車２の回転方向（円周方向）Ｒで隣り合う山３ａ（隣り合う谷３ｂ）間のピッチＰの２分の３倍の間隔で配置されている。すなわち、一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂの間隔は、ピッチＰよりも大きく、さらに２分の１ピッチだけ間隔を開けている。このため、一方の磁気抵抗素子５ａが山３ａに対向して位置するときに、他方の磁気抵抗素子５ｂは谷３ｂに対向して位置する。一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂが、それぞれ山３ａと谷３ｂにそれぞれ対向して配置されることで、磁気歯車２の回転に基づく正弦波形で最大のピーク出力が得られるようになっている。
【００２０】
本発明は、一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂの間隔を、磁気歯車２のピッチＰの２分の１倍に設定した場合と同じ出力波形を得ることができることを前提に、ピッチＰの２分の３倍の間隔で配置されているから、一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂは、干渉を生じなくなり、磁気抵抗を高めるために磁気抵抗素子５ａ，５ｂをＵ字形状（磁気抵抗素子の幅が増すことを意味する）にして表面積を大きくすることができる。
【００２１】
本発明は、本実施形態に制約されるものではなく、一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂの間隔を、磁気歯車２の外周面３と対向する範囲内で、次式のように一般化する。
一対の磁気抵抗素子の間隔δ＝（１／２＋ｎ）Ｐ
ただし、ｎは任意の自然数、Ｐは磁気歯車のピッチである。
【００２２】
上式は、磁気歯車２の回転によって同一の正弦波形が出力されることを前提にして、一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂのいずれか一方が磁気歯車２の山３ａに位置するときに、いずれか他方が磁気歯車２の谷３ｂに位置することを意味するものである。本願における実施例は、Ａ相とＢ相の２組の磁気抵抗素子についても適用可能であり（図６の磁気抵抗素子３３ａ〜３３ｄ参照）、Ａ相とＢ相のいずれの磁気抵抗素子においても、上式に基づく素子の配列をとることが可能である。
【００２３】
次に、磁気歯車２の回転に基づく、正弦波形について説明する。一方の磁気抵抗素子５ａの抵抗をＲ１、他方の磁気抵抗素子５ｂの抵抗をＲ２としたとき、端子１０に出力される電圧Ｖは、駆動電源８に印加される供給電圧Ｖｃｃに対しＶ＝Ｖｃｃ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）と表現される。Ｒ１の値は、磁気抵抗素子５ａと磁気歯車２の山３ａが対向するときに最大となり、磁気抵抗素子５ａと磁気歯車２の谷３ｂが対向するときに最小となる。またＲ２の値は、磁気抵抗素子５ｂと磁気歯車２の山３ａが対向するときに最大となり、磁気抵抗素子５ｂと磁気歯車２の谷３ｂが対向するときに最小となる。従って磁気抵抗素子５ａと５ｂの特性に有為差がないとすると（Ｒ１＋Ｒ２）はほぼ一定の値となるため、磁気歯車２の回転に基づくＲ２の抵抗値の増減により、周期的な正弦波形の出力信号が得られるようになっている。
【００２４】
出力信号は、磁気回路の図示しないアンプにより増幅された後、コンパレータにより基準信号と比較して波形成形され、パルス信号に変換され、このパルス信号が信号処理されることで、磁気歯車２の回転角度が得られるようになっている。
【００２５】
以上のように本実施形態によれば、一対の磁気抵抗素子５ａ，５ｂの間隔を、磁気歯車２のピッチＰの半分より大きな値に広げることができるから、磁気歯車２の歯数が多く、ピッチＰが狭い場合にも、表面積の大きいＵ字状に折り返された磁気抵抗素子５ａ，５ｂを配置することができる。このため、磁気歯車２の回転角度を正確に検出することができると共に、磁気抵抗素子５ａ，５ｂの焼損を生ずることなく、磁気抵抗素子５ａ，５ｂを安定動作させることができる。
【００２６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。例えば、磁気歯車の歯型形状は、本実施形態の形状に限定されるものではなく、出力信号の滑らかな正弦波形が得られるものであれば、種々の形状に形成することができる。
【００２７】
また、磁気抵抗素子の形状は、本実施形態のようにＵ字形状でなくてもよく、折り返された形状であるならば如何なる形状であってもよい。
【００２８】
また、磁気歯車は磁性材料から一体的に焼結されたものでなくても、磁気抵抗素子５ａ，５ｂとの間で磁界を生ずるものであればよく、例えば歯面に磁性インクなどの磁性体が形成されたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る磁気センサ装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】同じく磁気センサ装置の磁気歯車が移動した状態を示す断面図である。
【図３】従来の磁気センサ装置の一例を示す斜視図である。
【図４】同じく磁気センサ装置を示す断面図である。
【図５】同じく磁気センサ装置で測定されたＡ相とＢ相の出力信号を示す正弦波形線図である。
【図６】広いピッチの磁気歯車の外周面に対向して配置された磁気抵抗素子の位置関係と素子形状を示す説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図である。
【図７】狭いピッチの磁気歯車の外周面に対向して配置された磁気抵抗素子の位置関係と素子形状を示す説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    磁気センサ装置
２    磁気歯車（回転体）
３    外周面
４    磁気センサ
５    磁気回路
５ａ，５ｂ    磁気抵抗素子
６    磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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