(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体基板と、
該磁性体基板上に設けられ、電源用端子とホール電圧出力端子とを有する２つの感磁部を備えた磁電変換素子と、
所定の間隔で配置される２つの磁性体からなる前記磁電変換素子の集磁片と、
前記磁電変換素子の集磁片と対向する交番着磁された円形磁石と、
該円形磁石の回転に伴い出力される、前記２つの感磁部から出力されたホール電圧の位相差に基づいて、前記円形磁石の変位を検出する検出手段と
を備えていることを特徴とする変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、磁電変換素子を用いた変位検出装置に関し、より詳細には、高出力でかつ実装面積を大幅に縮小し得る磁電変換素子を用いた変位検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、交番着磁された磁石と磁電変換素子とを対向させて配置し、磁石の変位に伴って各磁電変換素子に発生するホール電圧の波形をコンパレータなどを使ってパルスに変換し、磁石の変位に伴って発生するパルス数をカウント・演算することにより、磁石の変位量や回転角度を計測する変位検出装置が知られている。
【０００３】
特に、磁性体基板上に感磁部を形成し、その上に磁性体からなる集磁片を配置した、いわゆる磁気収束型ホール素子は、素子構造自体が磁気回路の一部となっており、他の構造のホール素子に比較して４〜５倍程度の高出力が得られるという理由により、変位検出装置用の磁電変換素子として広く採用されてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、変位検出器に対する小型化要請に伴って、磁場形成に用いられる磁石も必然的に小型化し、形成される磁界強度が低下し、その結果、ホール電圧の出力が低下して充分なホール電圧が得られないという問題があった。
【０００５】
また、変位検出器を小型化するためには磁電変換素子の実装面積も縮小する必要があるが、磁電変換素子を複数個準備して、これらを磁石に対向させて配置させる従来の構成では実装面積の縮小に限界があるという問題もあった。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、磁場の形成に用いられる磁石が小型化し、これに伴って発生する磁界が弱くなった場合であっても、充分なホール電圧が確保可能であると共に実装面積の縮小が可能な、高出力かつ小型の磁電変換素子を用いた変位検出装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、磁性体基板と、該磁性体基板上に設けられ、電源用端子とホール電圧出力端子とを有する２つの感磁部を備えた磁電変換素子と、所定の間隔で配置される２つの磁性体からなる前記磁電変換素子の集磁片と、前記磁電変換素子の集磁片と対向する交番着磁された円形磁石と、該円形磁石の回転に伴い出力される、前記２つの感磁部から出力されたホール電圧の位相差に基づいて、前記円形磁石の変位を検出する検出手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【００１１】
〔実施例〕
図１は、本発明の磁電変換素子に用いられるホール素子の構成を説明するための図である。フェライト等の磁性体基板１１上に所定の間隔ｄで２つの感磁部１２、１３が配置され、各々の感磁部には集磁片１４、１５が備えられている。
【００１２】
図２（ａ）は、図１に示す構成のホール素子を用いて形成した磁電変換素子の構成例を説明するための図で、磁性体基板１１上には、電源用電極２１、２２、２５、２６、及び電圧出力用電極２３、２４、２７、２８が形成されており、各々の電極は、リードフレーム２９上に設けられた対応する端子２９１〜２９６へとリード線により接続されている。
【００１３】
端子２９１は電圧印加用端子で、端子２９２はグランド用端子である。また、端子２９３、２９５は、ホール電圧出力用正端子であり、端子２９４、２９６は、ホール電圧出力用負端子である。
【００１４】
すなわち、端子２９１によって電圧Ｖが印加され、入力電流Ｉが形成される。このとき、感磁部の面に垂直に作用する磁束密度があると、端子２９３と端子２９４間、端子２９５と端子２９６間の電位差がホール出力電圧ＶＨとして検出される。ホール出力電圧ＶＨは、入力電圧または入力電流に比例し、また、感磁部の面に垂直に作用する磁束密度に比例する。
【００１５】
図２（ｂ）は、図１に示す構成のホール素子を用いて形成した磁電変換素子の他の構成例を説明するための図で、磁性体基板１１１上には、電源用電極１２１、１２２、１２５、１２６、及び電圧出力用電極１２３、１２４、１２７、１２８が形成されており、各々の端子は、リードフレーム１２９上に設けられた対応する端子１２９１〜１２９８へとリード線により接続されている。
【００１６】
端子１２９１、１２９２は電圧印加用端子で、端子１２９７、１２９８はグランド用端子である。また、端子１２９３、１２９５は、ホール電圧出力用正端子であり、端子１２９４、１２９６は、ホール電圧出力用負端子である。
【００１７】
すなわち、端子１２９１、１２９２によって電圧Ｖが印加され、入力電流Ｉが形成される。このとき、感磁部の面に垂直に作用する磁束密度があると、端子１２９３と端子１２９４間、端子１２９５と端子１２９６間の電位差がホール出力電圧ＶＨとして検出される。
【００１８】
図３は、このような磁電変換素子の集磁片と、交番着磁された磁石の磁片とが対向するように配置された変位検出装置の構成を説明するための図である。この図では、磁性体基板１１上に設けられた２つの感磁部１２、１３を有する磁電変換素子３２の集磁片１４、１５は、Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓと６極に交番着磁された磁石３１の磁片と対向するように配置されている。
【００１９】
また、２つの集磁片１４、１５は所定の間隔ｄで離隔されて設けられており、磁石３１の中心Ｏから垂直に降りる垂線は、これら２つの集磁片１４、１５を結ぶ直線の中心点と交差するように配置されている。
【００２０】
磁石３１が磁石の中心Ｏの周りを回転すると、感磁部に対向する磁極は、Ｎ極からＳ極へ、そしてまたＳ極からＮ極へと順次変化する。これに伴って、感磁部１２、１３における磁束分布が時間的に変化し、いわゆるホール効果によってホール電圧が発生する。このホール電圧は、感磁部における磁場の時間変化に対応して時間的に変化するから、ホール電圧の時間変化を解析することにより磁石３１の回転状態を知ることが可能となる。これが、変位検出の原理である。
【００２１】
より具体的には、磁石３１の回転に伴い出力されるホール素子の電圧波形をコンパレータで整形してパルス化し、そのパルス数をカウント・演算することにより、磁石３１の回転数を知ることができる。また、磁石の着磁数を増やすことにより回転角を知ることもできる。さらに、感磁部１２と感磁部１３の位置がずれているため、磁石３１の回転方向により、感磁部１２の磁束密度変化が感磁部１３の磁束密度変化より先に発生したり、あるいは、その逆の現象が発生することを利用して、磁石の回転方向を判定することもできる。
【００２２】
図４は、本発明の磁電変換素子を用いた電気回路図である。２つの感磁部１２、１３に設けられたホール電圧出力用端子２３、２４、２７、２８からの出力は、２つの感磁部１２、１３のそれぞれに対応して設けられたコンパレータ４１、４２に入力され、ホール電圧出力用の正電極２３、２７からの入力電圧と負電極２４、２８からの入力電圧の電位差を「０」「１」にデジタル化して出力される。
【００２３】
図５（ａ）〜（ｄ）は、図３に示した変位検出器の磁石３１が磁石の中心Ｏの周りを回転する場合の磁力線の様相をシミュレーションした結果を示す図である。図５（ａ）の状態の磁石３１の回転角を０度とし、回転角が、２０度（図５（ｂ））、３０度（図５（ｃ））、及び４０度（図５（ｄ））の場合の磁力線を示している。
【００２４】
この図から明らかなように、磁石３１が回転すると、感磁部１２、１３近傍の磁束分布が変化し、磁石３１が機械角として６０度回転する毎にホール出力電圧は、０→負の最大値→０と変化し、次の６０度で、０→正の最大値→０と変化するので、磁石が１２０度回転する毎に、電気角としては３６０度変化し、これを繰り返すことになる。
【００２５】
図６は、図３に示した変位検出器に備える磁電変換素子３２の、２つの感磁部１２、１３から出力されるホール電圧の時間変化を説明するための図である。感磁部１２から出力されるホール電圧をＡ相とし、感磁部１３から出力されるホール電圧をＢ相として、それぞれのホール電圧の時間的変化を示している。
【００２６】
図５に示した磁力線の周期的変化に対応して、感磁部１２、１３から出力されるホール電圧も変化する。ここでは、６極に交番着磁された磁石３１を用いた例を示しているから、集磁片１２、１３に対向する磁片の極は、磁石の回転周期の機械角６０度ごとに変化することとなる。また、２つの感磁部から出力されるホール電圧の時間依存性は、磁石の回転速度で定まる時間差を生じる。
【００２７】
このホール電圧の時間変化のうち、単位時間あたりのパルス数（時間変化するホール電圧の周期）を知ることで磁石３１の回転速度を知ることができ、Ａ相、Ｂ相のいずれが先に現れるかを知ることにより磁石の回転方向を知ることが可能となる。すなわち、回転方向を含めた磁石の変位量を知ることが可能となる。
【００２８】
〔比較例〕
図７は、磁石の回転角と感磁部に発生する磁束密度との関係を説明するための図である。縦軸に感磁部の磁束密度、横軸に磁石の回転角（機械角）をとり、基板上に感磁部を２つ有する２連素子とした場合と、感磁部が１つの１連素子とした場合での磁束密度の比較をおこなったものである。なお、１連素子についての磁束密度は、比較対象である２連素子の感磁部と磁石とが有する幾何学的位置と同一の幾何学的位置に感磁部を配置して測定している。この図から、２連素子とすると感磁部の磁束密度が大幅に大きくなっており、より正確な位置検出ができることがわかる。
【００２９】
上述した、磁石の回転角と感磁部に発生する磁束密度との関係を纏めたのが表１である。２連素子における感磁部の磁束密度と１連素子における感磁部の磁束密度との比をみると、２連素子において高いホール電圧出力が得られている。特に、ホール電圧が最大となる機械角２５度の点では、３６％もの高いホール電圧出力が得られている。
【００３０】
【表１】
0004948719.tif 000002
【００３１】
図８（ａ）、（ｂ）は、機械角が４５度のときの、磁石とホール素子近傍の磁力線の様相を、シミュレーションにより求めた図で、図８（ａ）は、本発明の２つの感磁部を有する磁電変換素子（２連素子）についてのシミュレーション結果で、図８（ｂ）は、１の感磁部のみで構成した磁電変換素子（１連素子）についてのシミュレーション結果である。
【００３２】
図８（ａ）において、６極に交番着磁された磁石３１から発生する磁束は２連素子の一方の感磁部７３から基板に入り、基板７１を通って、他の一方の感磁部７２から出てゆく。図８（ａ）に示した２連素子の感磁部７２内での磁束分布と、図８（ｂ）に示した１連素子の感磁部７５内での磁束分布とを比較すると、２連素子の感磁部７２内での磁束密度が高いことが読み取れる。すなわち、図７及び表１において説明した磁束密度の測定結果の妥当性が、このシミュレーション結果によって理論的に確認できる。
【００３３】
なお、上述した実施例においては、交番着磁された磁石として６極の円形磁石を仮定し、その磁石が中心軸の周りを回転する場合を仮定して説明したが、本発明の変位検出装置に、ベルト状に交番着磁された磁石等を用い、この磁石が磁電変換素子の感磁部上を水平に移動等する構成としても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、磁性体基板と、該磁性体基板上に設けられ、電源用端子とホール電圧出力端子とを有する２つの感磁部を備えた磁電変換素子と、所定の間隔で配置される２つの磁性体からなる前記磁電変換素子の集磁片と、前記磁電変換素子の集磁片と対向する交番着磁された円形磁石と、該円形磁石の回転に伴い出力される、前記２つの感磁部から出力されたホール電圧の位相差に基づいて、前記円形磁石の変位を検出する検出手段とを備えているので、磁電変換素子の感磁部を貫く磁束の密度を高めることが容易となり、磁場の形成に用いられる磁石が小型化し、これに伴って発生する磁界が弱くなった場合であっても、変位検出に充分な強度のホール電圧出力を有する磁電変換素子を用いた変位検出装置を提供することが可能となる。
【００３５】
また、基板上に複数の感磁部を備えることとしたので、実装面積を大幅に縮小することが可能となる。
【００３６】
更に、そのような磁電変換素子の集磁片と交番着磁された磁石の磁片とを対向して配置することとしたので、高感度で小型の変位検出装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁電変換素子に用いられるホール素子の構成を説明するための図である。
【図２】（ａ）は、図１に示すホール素子を用いて形成した磁電変換素子の構成例を説明するための図で、（ｂ）は、図１に示すホール素子を用いて形成した磁電変換素子の他の構成例を説明するための図である。
【図３】磁電変換素子の集磁片と交番着磁された磁石とが対向するように配置した変位検出装置の構成を説明するための図である。
【図４】図３に示した磁電変換素子の電気回路図である。
【図５】磁石の回転角に応じて変化する磁束分布の様子をシミュレーションした結果を示す図で、（ａ）は回転角０度、（ｂ）は回転角２０度、（ｃ）は回転角３０度、（ｄ）は回転角４０度の場合の磁束分布である。
【図６】図３に示した変位検出器に備える磁電変換素子の、２つの感磁部から出力されるホール電圧の時間変化を説明するための図である。
【図７】磁石の回転角と感磁部に発生する磁束密度との関係を説明するための図である。
【図８】感磁部を貫く磁束密度を、機械角４５度として、シミュレーションにより求めた図で、（ａ）は、本発明の２つの感磁部を有する磁電変換素子（２連素子）についてのシミュレーション結果で、（ｂ）は、１の感磁部のみで構成した磁電変換素子（１連素子）についてのシミュレーション結果である。
【符号の説明】
１１、１１１  磁性体基板
１２、１３  感磁部
１４、１５  集磁片
２１、２２、２５、２６、１２１、１２２、１２５、１２６  電源用電極
２３、２４、２７、２８、１２３、１２４、１２７、１２８  電圧出力用電極
２９、１２９  リードフレーム
２９１、１２９１、１２９２  電圧印加用端子
２９２、１２９７、１２９８  グランド用端子
２９３、２９５、１２９３、１２９５  ホール電圧出力用正端子
２９４、２９６、１２９４、１２９６  ホール電圧出力用負端子
３１  磁石
３２  磁電変換素子
４１、４２  コンパレータ
７１、７４  磁性体基板
７２、７３、７５  感磁部
【図１】
0004948719.tif 000003
【図２】
0004948719.tif 000004
【図３】
0004948719.tif 000005
【図４】
0004948719.tif 000006
【図５】
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【図６】
0004948719.tif 000008
【図７】
0004948719.tif 000009
【図８】
0004948719.tif 000010