(57)【要約】【課題】歯車２そのもの又は歯車状凹凸を有する磁性体の変位を精密に測定しようとするものである。【解決手段】交流電圧を印加される複数対のインピーダンス素子のうちの各一対の素子が、歯車ピッチ状の歯列を有する磁性体の前記歯列に沿って間隔を置いて配列され、各素子のインピーダンスが前記歯列との位置関係に応じて変化するようにした位置変位センサであって、前記インピーダンス素子としてフィールド磁石１の磁極に近接した半導体磁気抵抗素子ＭＲ１〜ＭＲ４を用いるとともに、電気的に直列接続された各一対の半導体磁気抵抗素子（ＭＲ１−ＭＲ３，ＭＲ２−ＭＲ４）の配列間隔が歯車ピッチの二分の一に対応し、且つ前記半導体磁気抵抗素子における前記一対の配列と、隣接した一対の配列とが相互補間関係に置かれたものを構成した。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を印加される複数対のインピーダンス素子のうちの各一対の素子が、歯車ピッチ状の歯列を有する磁性体の前記歯列に沿って間隔を置いて配列され、各素子のインピーダンスが前記歯列との位置関係に応じて変化するようにした位置変位センサであって、前記インピーダンス素子としてフィールド磁極に近接した半導体磁気抵抗素子を用いるとともに、電気的に直列接続された各一対の半導体磁気抵抗素子の配列間隔が歯車ピッチの二分の一に対応し、且つ前記半導体磁気抵抗素子における前記一対の配列と、隣接した一対の配列とが相互補間関係に置かれたものであり、前記直列接続の節点から磁性体の変位を表す電気信号を取り出すようにしたことを特徴とする位置変位センサ。
【請求項２】
前記磁性体が前記歯列を所定の直線経路に沿って配列したラックからなることを特徴とする請求項１に記載の位置変位センサ。
【請求項３】
前記磁性体が前記歯列を所定の円周に沿って配列した歯車からなることを特徴とする請求項１に記載の位置変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体磁気抵抗素子を用いた位置変位センサ、特に歯車状磁性体の位置変位を交流振幅の正弦／余弦変位から検出するセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、位置変位を交流振幅の正弦／余弦変位として検出するセンサが開発され、それらのセンサは駆動原理から誘導型とインピーダンス型の二つに分けられる。いずれの型においても複数のインピーダンス素子又はコイルが直線状に配列された直線変位検出方式と、円周方向に配列された回転角度検出方式とがあり、誘導型においては、トランスの二次コイルによってこれらの配列が形成される（例えば、特許文献１、及び特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
実用新案登録第３０３６２８５号公報（図２参照）
【０００４】
【特許文献２】
特開平１０−１７６９２５号公報（特に図１〜図３と、関連記載部分参照）
【０００５】
一方、磁界の変動によるインピーダンス変化から歯車状磁性体（及びこれに連結された被検物体）の位置変位を検出するための、いわゆる歯車センサを構成する検出素子として、近年、半導体磁気抵抗素子を用いたもの（例えば、特許文献３参照）も存在するが、これらは磁界変動に伴う当該素子の直流抵抗の変化（直流電圧降下）をいわば二値的に測定するに過ぎないものであり，本発明のように正弦波交流を加えて三角関数処理し、ピッチ間分解能をもって精密測定を行おうとするものではない。
【０００６】
【特許文献３】
実開平５‐８１７５８号公報（要約及び図１〜図７参照）
【０００７】
前記特許文献３の記載からも明らかなとおり、半導体磁気抵抗素子（以下「ＭＲ」と略称する）を用いた一般的な歯車センサは、図１Ａに示すように、典型的にはフィールド磁石１（この場合、Ｓ極）の磁極面に支持された特性の等しい２個の素子ＭＲ１’、ＭＲ２’を、通常は強磁性体からなる歯車２（ここにいう「歯車」とは、歯車直径が無限大であることを意味する「ラック」を含むものとする）の歯列に対向させ、歯車ピッチＰの二分の一間隔で配列したものである。
【０００８】
図１Ｂは、これら２個のＭＲ素子を直列接続して、両端間に直流電圧Ｖｃｃを印加し、歯車２の山が近接したことに伴って通過磁束が増加した素子ＭＲ１’の抵抗値変化率と、歯車２の山が遠ざかった（谷に近接した）ことに伴って通過磁束が減少した素子ＭＲ２’の異符号の抵抗値変化率とが、絶対値において等しいものとし（この変化は、磁束変化に応じて増加する特性又は減少する特性のいずれの態様にも設定できる）、素子接続節点から、１／２Ｖｃｃを中心として歯車変位に応じた正弦波状の変位成分を含む出力電圧Ｖｏｕｔ  を取出す回路接続を示している。（この正弦波状変位は１／２Ｖｃｃに比して小さいため、実際上、Ｖｏｕｔ  の変化のみからは、歯車の山と谷のいずれに近いかを二値的に捉えることしかできない。）
【０００９】
すなわち、微視的に観察するとき、ＭＲ素子が強磁性体である歯車の山に対応する位置関係から、谷に対応する位置関係にかけて（Ｐ／  ２間）相対的に移動する範囲内においては、当該ＭＲ素子はその位置変位に応じ、ほぼ正弦波の半周期に対応して変化する歯車輪郭面レベル（歯車中心軸からの半径）に対応すること、及びその対応輪郭面レベルと近傍歯面との平均化作用により、当該ＭＲ素子を通過する磁束もまた正弦波状に変化し、当該素子の抵抗値をほぼ正弦波状に変化させる。
【００１０】
すなわち、図示の歯車２とＭＲ素子との位置関係をｐ＝０のセンサ位置とし、そのｐ＝０センサ位置において、ＭＲ素子の一方であるＭＲ１’が同歯車２の山に対応し、最大磁束を得て、この例では最小抵抗値ＲＭＩＮ  たり得る位置から、歯車の谷に対応して最小磁束しか通らないことにより最大抵抗値ＲＭＡＸ  たり得るｐ＝Ｐ／  ２センサ位置となり、さらに次の山に対応して最小抵抗値ＲＭＩＮ  たり得るまで相対的に移動する間の抵抗値Ｒ１’は、ｐ＝０で０ｒａｄ．ｐ＝Ｐで２π［ｒａｄ］の角度に換算すると、その差（ＲＭＡＸ  −ＲＭＩＮ  ）の２分の１＝ｒＡ  を振幅とし、和（ＲＭＡＸ  ＋ＲＭＩＮ  ）の２分の１、すなわち平均値をＲ０  として、
・          Ｒ１’＝Ｒ０  −ｒＡ  Ｃｏｓ  ｐ                  ・・・・・・（１）
となる。
【００１１】
逆に、ＭＲ素子の他方である図示の（ｐ＝０センサ位置での）ＭＲ２’が歯車の谷に対応して最小磁束しか通らないために最大抵抗値ＲＭＡＸ  たり得る位置から、歯車の山に対応して最大磁束を得るｐ＝Ｐ／  ２センサ位置となり、さらに次の谷に対応して最大抵抗値ＲＭＡＸ  たり得るまで相対的に移動する間の抵抗値Ｒ２’は
・          Ｒ２’＝Ｒ０  ＋ｒＡ  Ｃｏｓ  ｐ                  ・・・・・・（２）
となる。従って、図１Ｂの回路によるＶｏｕｔ  ＝｛Ｒ２’／（Ｒ１’＋Ｒ２’）｝Ｖｃｃは
・          Ｖｏｕｔ  ＝｛１／２＋（ｒＡ  ／２Ｒ０  ）Ｃｏｓ  ｐ｝Ｖｃｃ・・（３）
となり、（その右辺第２項のＣｏｓ  ｐがＳｉｎ（ｐ−π／２）であることに留意して）正弦波状の変位成分を取出せることになる。
【００１２】
一般に、温度特性のよくないＭＲ素子においては、ほぼ同一の温度特性となるツイン型として一対の素子を近接形成するが、これを素子ＭＲ１’、ＭＲ２’に適用した場合、式（２）において、温度誤差はＲ１’及びＲ２’に均等に含まれるため、Ｒ２’／（Ｒ１’＋Ｒ２’）の分子／分母の温度誤差比は変わらず、温度による誤差を実質的に含まなくなり、式（３）においても、それを無視できることが明らかである。
【００１３】
本発明においては、このような一対のＭＲ素子直列接続による比例配分出力に対し、歯車ピッチとの関係で、前記正弦波状変化の９０°＝π／２分（Ｐ／４間）だけ位相のずれた第２の比例配分出力をも得るため、別の一対のＭＲ素子直列接続を用い、第１の比例配分出力をα相（ＭＲ１−ＭＲ３）  出力、第２の比例配分出力をβ相（ＭＲ２−ＭＲ４）  出力として、図２に示すようなＭＲ配置を採用する。
【００１４】
図２Ａにおいて、各一対のＭＲ素子に電圧Ｖを印加し且つそれらの節点から出力を取出すための電気接続は、図２Ｂにおいて単純化して示されている。ここでは図２Ａに示す位置関係（ＭＲ１が歯車２の山に対応し、ＭＲ２が歯車２の右側斜面に対応し、ＭＲ３が歯車２の谷に対応すると共に、ＭＲ４が歯車２の左側斜面に対応した位置関係）を歯車の直線又は回転変位の出発位置（ｐ＝０）とし、歯車２は磁石１等に関し、図の右方に移動する場合を考察する。
【００１５】
この場合、変位ｐが歯車ピッチＰ＝２π［ｒａｄ］  となるまでの間における、ＭＲ１−ＭＲ３直列回路のＭＲ３分担電圧（α相：  比例配分出力）の変化成分は、前記（３）式に準じてＣｏｓ  ｐに比例し、これらの対よりもｐ＝π／２［ｒａｄ］  測定位相の進んだＭＲ２−ＭＲ４直列回路のＭＲ４分担電圧（β相：  比例配分出力）の変化成分は、Ｓｉｎ  ｐに比例することが明らかである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、図３に示す通り、これらの正弦変位又は余弦変位を含む分担電圧を生ずるＭＲ直並列回路への印加電圧Ｖとして正弦波交流電圧ＡＳｉｎ  ωｔを用い、
・  α相出力（比例配分出力中の変化成分）＝ａＣｏｓ  ｐ・Ｓｉｎ  ωｔ・・（４）
・  β相出力（比例配分出力中の変化成分）＝ａＳｉｎ  ｐ・Ｓｉｎ  ωｔ・・（５）
からなる２相出力を取出し、これら２相出力に三角関数の加法定理を適用し、これによって得られる解ａＳｉｎ  （ωｔ±ｐ）のいずれかのゼロクロス点と、ＡＳｉｎ  ωｔのゼロクロス点との時間差をカウントすることにより、歯車そのもの又は歯車状凹凸を有する磁性体の変位を精密に測定しようとするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するため、交流電圧を印加される複数対のインピーダンス素子のうちの各一対の素子が、歯車ピッチ状の歯列を有する磁性体の前記歯列に沿って間隔を置いて配列され、各素子のインピーダンスが前記歯列との位置関係に応じて変化するようにした位置変位センサであって、前記インピーダンス素子としてフィールド磁極に近接した半導体磁気抵抗素子を用いるとともに、電気的に直列接続された各一対の半導体磁気抵抗素子の配列間隔が歯車ピッチの二分の一に対応し、且つ前記半導体磁気抵抗素子における前記一対の配列と、隣接した一対の配列とが相互補間関係に置かれたものであり、前記直列接続の節点から磁性体の変位を表す電気信号を取り出すように構成したものである。
【００１８】
本発明の構成における前記磁性体としては、前記歯列を所定の直線経路に沿って配列したラックからなるもの、及び前記歯列を所定の円周に沿って配列した歯車からなるもののいずれをも採用することができる。
【００１９】
なお、正弦波交流の振幅自体が正弦又は余弦変位する信号から変位ｐを求める演算回路としては、前記（４）式及び（５）式にそれぞれ、０から順次増加するデジタル位相値φの正弦関数Ｓｉｎφ、及び余弦関数Ｃｏｓφを乗じていき、
・    Ｓｉｎφ・Ｃｏｓｐ−Ｃｏｓφ・Ｓｉｎｐ＝０          ・・・（６）
の時点において、ｐ＝φとしてｐを特定する公知のＲ−Ｄ変換方式があるが、この方式ではφを追従カウントするときのクロック遅れが生じ，応答性が悪いという問題がある。
【００２０】
したがって、本発明では（５）式におけるＳｉｎωｔを回路上でＣｏｓωｔに変換することによって、ａＳｉｎｐ・Ｃｏｓωｔを得、直接に三角関数の加法定理を適用する。すなわち
2004271423.tif 000003
図３はこの方式において、交流印加電圧と各比例配分電圧の正弦波状変位成分から歯車変位ｐを算出する過程の各波形及び式を示すものである。
【００２１】
図３の分図（Ａ）では印加電圧ＡＳｉｎωｔと、それを搬送波とするｐ変位成分に対応した（４）、（５）式の各右辺の電圧波形図を示し、同（Ｂ）ではＡＳｉｎωｔのグラフと特定の位相ｐを含む右辺の正弦波、この場合は、ａＳｉｎ（ωｔ−ｐ）のグラフとの時間関係を示す波形図を示し、更に同（Ｃ）ではこれらの波形図の根拠となる数式的推移を示したものである。なお、進み位相波ａＳｉｎ（ωｔ＋ｐ）の場合、そのグラフは破線で示した遅れ位相波ａＳｉｎ（ωｔ−ｐ）のグラフと対称的に、実線で示したＡＳｉｎωｔのグラフよりもｐだけ時間的に先行した正弦波として想起できるであろう。
【００２２】
図３Ｂのグラフから明らかなとおり、ｐを求めるにはＡＳｉｎωｔグラフのゼロクロス点から、ａＳｉｎ（ωｔ−ｐ）又はａＳｉｎ（ωｔ＋ｐ）グラフのゼロクロス点までの時間をカウントすればよいことが理解されるであろう。このカウントは進相、遅相いずれの位相で求めてもよいが、好ましい態様として、ここでは詳述しないが上記の進相、遅相の両正弦波グラフの双方を用いて処理することにより、ωｔ特定上において現れるような微細な誤差をも容易に消去することができる。
【００２３】
なお、本発明の歯車状歯列としては、図２Ａに示した歯車２の歯列に代えて、その歯列に対応する正弦波状の凹凸を有した可動磁性体（図示せず）を採用して磁石１及びＭＲ列との相互位置変位を検出するようにしてもよい。この場合、可動磁性体の正弦波状の凹凸は、ＭＲ列と対向する面だけでなく、表面及び裏面への対称的な凹凸形成であったり、全周にわたる軸対称な凹凸形状であっても同等以上の効果が発揮されるであろう。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の方式は、前述した通り図２に示した構造と図３に示した波形及び数式的処理による交流印加式ＭＲ直並列回路の各直列回路分枝において、比例配分電圧を取出すようにした、いわゆる位相差変換方式を装置化したものである。図４は装置の回路構成を示すものであり、この回路では図２Ａの態様でフィールド磁石１に支持され、且つ歯車ピッチに対応して配置されたＭＲ直並列回路への印加電圧ＶとしてＡＳｉｎ  ωｔなる正弦波交流電圧を用いる。ここに、３は正弦／余弦変換器、４は加算及び／又は減算器、５はゼロクロス検出回路、６は位相差検出及び変換回路である。
【００２５】
図４の回路においては、まず、ＭＲ１−ＭＲ３直列回路の節点からは、前述の通りα相出力（比例配分出力中の変化成分）としてのａＣｏｓ  ｐ・Ｓｉｎ  ωｔを抽出し、ＭＲ２−ＭＲ４直列回路の節点からは、同じくβ相出力（比例配分出力中の変化成分）としてのａＳｉｎ  ｐ・Ｓｉｎ  ωｔが抽出される。この場合、β相出力は正弦／余弦変換器３に接続され、ここでβ’相出力＝ａＳｉｎ  ｐ・Ｃｏｓ  ωｔに変換される。
【００２６】
α相出力とβ相出力は加算及び／又は減算器４の二入力に供給され、ここで前述した三角関数の加法定理の式（７）により、加算値ａＳｉｎ（ωｔ＋ｐ）又は減算値ａＳｉｎ（ωｔ−ｐ）、もしくはその両方の値が出力されて、ゼロクロス検出回路５に供給される。ゼロクロス検出回路５では、入力された加算値又は減算値、あるいはその両方のゼロクロス点（ｐ点）が、ＭＲ直並列回路への印加電圧ＡＳｉｎ  ωｔのゼロクロス点を基準として検出され、位相差検出及び変換回路６に供給される。
【００２７】
位相差検出及び変換回路６では、基準ゼロクロス点から検出されたゼロクロス点（ｐ点）までのカウント値より、歯車ピッチＰを２π［ｒａｄ］  とする角度換算値が得られ、更にはその角度換算値から、対応するピッチ内分解能によるピッチ変位に変換された値が出力される。
【００２８】
以上のような実施形態において、直線又は円周上の歯車ピッチを例えば１ｍｍとすれば、位相差検出及び変換回路６の変換部で、その１ピッチ（Ｐ＝１ｍｍ）を２１６＝６５５３６分割し，ミクロンに直して１０００／６５５３６＝０．０１５［  μｍ］  という、所謂ナノレベルの分解能を、その直線又は円周上において得ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたとおり、本発明は正弦変位又は余弦変位を含む分担電圧を生ずるＭＲ直並列回路への印加電圧ＶとしてＡＳｉｎ  ωｔなる正弦波交流電圧を用い、α相出力＝ａＣｏｓ  ｐ・Ｓｉｎ  ωｔと、β相出力＝ａＳｉｎ  ｐ・Ｓｉｎ  ωｔからなる２相出力を取出し、これら２相出力に三角関数の加法定理を適用し、これによって得られる解ａＳｉｎ  （ωｔ±ｐ）のいずれかのゼロクロス点と、ＡＳｉｎ  ωｔのゼロクロス点との時間差をカウントすることにより、歯車変位（もしくは歯車に相当する凹凸歯列の変位）の極めて精密な測定を可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＭＲ素子を用いた歯車センサの構造原理を模式的に示す略図（Ａ）及び回路図（Ｂ）である。
【図２】本発明の、ＭＲ素子を用いた位置変位センサによる歯車変位検出構造を模式的に示す構成図（Ａ）及び要部回路図（Ｂ）である。
【図３】本発明の、ＭＲ素子を用いた位置変位センサによる歯車変位検出における動作波形及び解析手順を示す図であり、（Ａ）は印加電圧ＡＳｉｎωｔと、Ｓｉｎωｔを搬送波とするピッチ内変位ｐを含む電圧波形図、（Ｂ）はＡＳｉｎωｔのグラフとその特定の位相（ｐ）を含む正弦波、ａＳｉｎ（ωｔ−ｘ）のグラフとの時間関係を示す波形図、（Ｃ）はこれらの波形図の根拠となる数式的推移を示した図である。
【図４】本発明の歯車変位検出用センサにおいて、ＭＲ素子節点から取出した正弦波状比例配分信号を位相差変換処理して歯車変位を精密に検出するようにした回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１  フィールド磁石
２  歯車
３  正弦／余弦変換器
４  加算及び／又は減算器
５  ゼロクロス検出回路
６  位相差検出及び変換回路
ＭＲ１’、ＭＲ２’  ＭＲ素子  （従来型歯車センサのもの）
ＭＲ１〜ＭＲ４  ＭＲ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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