JP2022187942A - 運動検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の磁界発生源を用いて高周期の交番磁界を効率よく磁性ワイヤに印加することにより小型化が図られた検出器を提供する。
【解決手段】検出器４００は、発電センサ４２０を用いて運動体４１０の運動を検出する。発電センサは磁性ワイヤ４２１とコイル４２２とを備え、運動体は、軟磁性体部４１１と複数の磁界発生源４１２とを備える。運動体の運動により磁界発生源が描く軌道の近傍に、発電センサが配置される。発電センサに対して磁界発生源が近接したときに、磁界発生源の運動方向は磁性ワイヤの軸方向に垂直であり、磁界発生源の着磁方向は磁性ワイヤの軸方向に平行であり、磁性ワイヤの軸方向中央部から軸方向第１端部までのうち少なくとも一部が磁界発生源の中央部と対向し、磁性ワイヤの前記少なくとも一部から軸方向第２端部までのうち少なくとも一部が軟磁性体部と対向する。
【選択図】図８Ａ

Description

本発明は、発電センサを用いて運動体の運動を検出する検出器に関する。

大バルクハウゼン効果（大バルクハウゼンジャンプ）を有する磁性ワイヤは、ウィーガンドワイヤ又はパルスワイヤの名で知られている。この磁性ワイヤは、芯部とその芯部を取り囲むように設けられた表皮部とを備えている。芯部及び表皮部の一方は弱い磁界でも磁化方向の反転が起きるソフト（軟磁性）層であり、芯部及び表皮部の他方は強い磁界を与えないと磁化方向が反転しないハード（硬磁性）層である。
ハード層とソフト層がワイヤの軸方向に沿って同じ向きに磁化されているときに、その磁化方向とは反対方向の外部磁界強度が増加してソフト層の磁化方向が反転する磁界強度に達すると、ソフト層の磁化方向が反転する。このとき、大バルクハウゼン効果が発現し、当該磁性ワイヤに巻かれたコイルにパルス信号が誘発される。ソフト層の磁化方向が反転するときの磁界強度を本明細書では「動作磁界」と呼ぶ。また、磁性ワイヤとコイルとをまとめて発電センサと呼ぶ。
上述の外部磁界強度がさらに増加し、ハード層の磁化方向が反転する磁界強度に達すると、ハード層の磁化方向が反転する。ハード層の磁化方向が反転するときの磁界強度を本明細書では「安定化磁界」と呼ぶ。
大バルクハウゼン効果が発現するためには、ハード層とソフト層の磁化方向が一致していることを前提として、ソフト層のみ磁化方向が反転することが必要である。ハード層とソフト層の磁化方向が不一致の状態で、ソフト層のみ磁化方向が反転したとしても、パルス信号は生じないか、あるいは生じたとしても非常に小さい。

この磁性ワイヤによる出力電圧は、磁界の変化スピードにかかわらず一定であり、入力磁界に対するヒステリシス特性を持つためチャタリングがないなどの特徴を有する。そのため、この磁性ワイヤは、磁石及びカウンタ回路と組み合わせて、位置検出器などにも使用される。また、外部電力の供給なく、磁性ワイヤの出力エネルギーにより周辺回路も含めて動作させる事ができる。

発電センサに交番磁界が与えられた場合、１周期に対して正パルス信号１つ及び負パルス信号１つの計２つのパルス信号が発生する。磁界の発生源としての磁石を運動体とし、運動体である磁石と発電センサとの位置関係により発電センサに与えられる磁界が変化するようにすることで、運動体の運動を検出することができる。
しかし、単一の発電センサを用いるのみでは、運動体の運動方向が変化した場合に運動方向の識別がつかない。特許文献１の図１に見られるように、複数の発電センサを用いれば運動方向を識別することができるが、検出器のサイズ及びコストの増加につながる。
特許文献２には、単一の発電センサと、発電センサではない別のセンサ要素とを用いることが記載されている。同文献にはさらに、単一の磁石（2極）を用いた場合と複数の磁石(多極)を用いて分解能を向上させることが記載されている。
また、単一磁石による検出（特許文献２の図２）の構造例として、特許文献３の図１が挙げられる。2極磁石と発電センサを対向させる構造は発電センサの全長まで径を小さくできるので小型化に向く。分解能を上げる（特許文献２の図３）ための構造例として、特許文献４の図１が挙げられる。この種の運動検出器の主な用途に１回転単位の回転数の検出がある。発電センサを用いた運動検出器は本来出力されるはずのパルス信号が場合によっては、出力されないという問題があり、１回転当たり２パルスしか出力されない単一の磁石（２極）の構造では通常は精度が不足し、回転数の検出が正しくできない。
特許文献５には、発電センサ内のコイルに電流を流し磁界を発生させて、出力状態をモニタすることで発電センサ内の磁性ワイヤの磁化方向を判別することが記載されている。同文献では、このような磁化方向の判別により、単一の磁石を用いる場合でも回転数を識別することができるとされている。

特許第５５１１７４８号公報 特許第４７１２３９０号公報 米国特許第９，５２８，８５６号公報 米国特許第８，２８３，９１４号公報 特許第５７３０８０９号公報

運動の検出に際し、複数の発電センサを用いることは、検出器自体のサイズ増加につながりやすい。他方、発電センサが単一であったとしても、発電センサ内の磁性ワイヤの磁化方向を判別することは、処理が複雑となる可能性がある。

そこで、本発明は、単一の発電センサと複数の磁界発生源とを用いて高周期の交番磁界を効率よく磁性ワイヤに印加することにより小型化が図られた検出器を提供することを目的とする。

本発明に係る検出器は、発電センサを用いて運動体の運動を検出する。前記発電センサは、大バルクハウゼン効果を発現する磁性ワイヤと、前記磁性ワイヤに巻回されたコイルとを備える。前記運動体は、軟磁性体部と、前記軟磁性体部に取り付けられた複数の磁界発生源とを備え、前記複数の磁界発生源の各々は、Ｎ極及びＳ極の対を有し、着磁方向が前記軟磁性体部に対する取付方向と平行であり、隣り合う２つの前記磁界発生源において取付方向外側の磁極が異極である。前記運動体の運動により前記複数の磁界発生源が描く軌道の近傍に、前記発電センサが配置されている。前記発電センサに対して前記磁界発生源が近接したときの前記磁界発生源の運動方向は、前記磁性ワイヤの軸方向に垂直であり、前記発電センサに対して前記磁界発生源が近接したときの前記磁界発生源の着磁方向は、前記磁性ワイヤの軸方向に平行である。前記発電センサに対して前記磁界発生源が近接したときに、前記磁性ワイヤの軸方向中央部から軸方向第１端部までのうち少なくとも一部が前記磁界発生源の中央部と対向し、前記磁性ワイヤの前記少なくとも一部から軸方向第２端部までのうち少なくとも一部が前記軟磁性体部と対向する。

本発明によれば、複数の磁界発生源を用いて高周期の交番磁界を効率よく磁性ワイヤに印加することにより小型化が図られた検出器を提供することができる。

第１実施形態に基づくリニアタイプの検出器の斜視図である。 第１実施形態に基づくリニアタイプの検出器の上面図である。 磁性ワイヤと運動体を示す説明図である。 磁気シミュレ―ション図である。 別の磁気シミュレ―ション図である。 （Ａ）～（Ｄ）はいずれも、磁性ワイヤと運動体の位置関係を示す説明図である。 第２実施形態に基づくロータリータイプの検出器の斜視図である。 第２実施形態の基づくロータリータイプの検出器の側面図である。 第２実施形態の第１変形例に基づくロータリータイプの検出器の斜視図である。 第２実施形態の第２変形例に基づくロータリータイプの検出器の斜視図である。 第２実施形態の変形例に係る、多極着磁された磁石の斜視図である。 第３実施形態に基づくロータリータイプの検出器の斜視図である。 第３実施形態の第１変形例に基づくロータリータイプの検出器の斜視図である。 第３実施形態の変形例に係る、多極着磁された磁石の斜視図である。 第３実施形態の第２変形例に基づくロータリータイプの検出器の斜視図である。 第３実施形態の第２変形例に基づくロータリータイプの検出器の上面図である。 第４実施形態に基づくロータリータイプの検出器の斜視図である。 第４実施形態に基づくロータリータイプの検出器の上面図である。 第４実施形態に係る発電センサに印加される磁界と出力信号を示す説明図である。 第４実施形態に係る磁気センサに印加される磁界と出力信号を示す説明図である。 （Ａ）第４実施形態に係る発電センサの検出結果と磁気センサの検出結果との組み合わせを示す説明図である。（Ｂ）第４実施形態に基づく発電センサと磁気センサの同期と出力信号の回転座標を示す説明図である。 第４実施形態に基づく出力信号のカウント数を示す説明図である。 第４実施形態の変形例に基づくロータリータイプの検出器の斜視図である。 第５実施形態に基づくロータリータイプの検出器の斜視図である。 第５実施形態に基づくロータリータイプの検出器の上面図である。 第５実施形態に基づく発電センサに印加される磁界と出力信号を示す説明図である。 第５実施形態に基づく磁気センサに印加される磁界と出力信号を示す説明図である。 第５実施形態に係る発電センサ、第１磁気センサ及び第２磁気センサの検出結果の組み合わせを示す説明図である。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

［第１実施形態］
図１Ａ及び図１Ｂに、第１実施形態に基づく検出器１００を示す。検出器１００は、直線運動する運動体１１０と１つの発電センサ１２０とを備えている。運動体１１０は、細長の直方体状の軟磁性体部１１１と複数の磁石（磁界発生源）１１２とを有する。軟磁性体部１１１の長手方向１１１ａはｘ軸に平行であり、幅方向はｙ軸に平行であり、高さ方向はｚ軸に平行である。
複数の磁石１１２は、軟磁性体部１１１の幅方向第１端面１１１ｂにおいて、長手方向１１１ａに沿って並べられ取り付けられている。取付方向は、軟磁性体部１１１の幅方向に平行である。取付方法の例として、埋込み、嵌合及び接着がある。磁石１１２は、軟磁性体部１１１の幅方向に着磁されており、Ｎ極及びＳ極の対を有する。磁石１１２は、軟磁性体部１１１の幅方向外側にある外側磁極１１２ａを有する。複数の磁石１１２は、隣り合う外側磁極１１２ａが異極となるように配置されている。
発電センサ１２０は、大バルクハウゼン現象を発現する磁性ワイヤ１２１と、磁性ワイヤ１２１に巻回されたコイル１２２とを有する。発電センサ１２０は、運動体１１０が軟磁性体部１１１の長手方向１１１ａに沿って直線運動したときに複数の磁石１１２が描く軌道の近傍に、運動体１１０と干渉しないように配置されている。磁性ワイヤ１２１の軸方向１２１ａは、軟磁性体１１１の幅方向（磁石１１２の着磁方向）と平行である。
図２Ａに示すように、運動体１１０が直線運動すると、各磁石１１２の中央部１１２ｂは、磁性ワイヤ１２１の軸方向中央部１２１ｂと軸方向第１端部１２１ｃとの間の領域の下方を通過する。軟磁性体部１１１は、磁性ワイヤ１２１の軸方向第２端部１２１ｄと磁石１１２との間を遮る位置（軸方向第２端部１２１ｄと磁石１１２との間の磁路を埋める位置）に存在する。
軸方向第１端部１２１ｃは、軟磁性体部１１１から見て磁石１１２が取り付けられている側の端部である。軸方向第２端部１２１ｄは、軟磁性体部１１１から見て磁石１１２が取り付けられている側とは反対側の端部である。
このように、運動体１１０が直線運動すると、磁石１１２は、磁性ワイヤ１２１の軸方向第１端部１２１ｃの下方を通過するが、軸方向第２端部１２１ｄの下方を通過することはない。
運動体１１０が軟磁性体部１１１の長手方向１１１ａに沿って往復運動することで、コイル１２２に出力信号が誘発される。つまり、検出器１００はリニアタイプの検出器である。

磁性ワイヤ１２１と運動体１１０との位置関係をさらに詳しく説明する。
図２Ｂに、軟磁性体部１１１及び磁石１１２と磁性ワイヤ１２１とによる磁気シミュレーション結果を示す。軟磁性体部１１１の集磁効果及びシールド効果により、磁石１１２に対向する磁性ワイヤ１２１の軸方向第１端部１２１ｃに対し集中的に磁界が印加される。軸方向第１端部１２１ｃに対して磁界が局所的に印加されると、磁性ワイヤ１２１において軸方向第１端部１２１ｃから軸方向第２端部１２１ｄへ向かって反転磁界が伝搬し、磁性ワイヤ全体に単一磁区が形成される。
他方、図２Ｃには、軟磁性体部１１１に代えて設けられた非磁性体部１９１及び磁石１１２と磁性ワイヤ１２１とによる磁気シミュレーション結果を示す。図２Ｂとは異なり、軸方向第１端部１２１ｃに加え軸方向中央部１２１ｂにも磁界が印加される。そのため、磁性ワイヤ全体にわたる単一磁区が形成されにくくなる。
また、磁性ワイヤ１２１と磁石１１２と軟磁性体部１１１とにより、図２Ｄ（Ａ）において矢印で示すような磁気回路が構成される。よって、磁性ワイヤの一端部へ磁界を印加する従来の手法よりも広い範囲で、また磁性ワイヤ全体に磁界を印加するのと同じように安定化磁界が磁性ワイヤに印加される。そのため、単一磁区が磁性ワイヤ全体に形成され、高出力のパルス信号が得られる。
なお、図２Ｄ（Ｂ）に示すように、軟磁性体部１１１の幅を磁石１１２とは反対方向（ｙ軸負方向）へ広げ、軟磁性体部１１１の幅方向第２端面１１１ｃと軸方向第２端部１２１ｄとｙ軸位置が略同じになるようにしてもよい。この場合、磁気回路の磁気抵抗がより小さくなり、印加磁界が軸全体により伝搬しやすくなって、パルス信号の出力がさらに高まる。

図２Ｄ（Ｃ）に示すように、磁性ワイヤ１２１の軸方向第１端部１２１ｃと磁石１１２の外側磁極１１２ａの端面とのｙ軸位置が凡そ一致するようにしてもよい。あるいは、図２Ｄ（Ｄ）に示すように、磁性ワイヤ１２１の軸方向中央部１２１ｂと磁石１１２の中央部１１２ｂとのｙ軸位置が凡そ一致するようにしてもよい。図２Ｄ（Ｃ）及び図２Ｄ（Ｄ）のいずれにおいても、図２Ｄ（Ａ）及び図２Ｄ（Ｂ）と同様の磁気回路が形成される。
このように、磁石１１２が磁性ワイヤ１２１に近接したときに、磁性ワイヤ１２１の軸方向中央部１２１ｂから軸方向第１端部１２１ｃまでのうち少なくとも一部が磁石１１２の中央部１１２ｂと対向し、磁性ワイヤ１２１の上記少なくとも一部から軸方向第２端部１２１ｄまでのうち少なくとも一部が軟磁性体部１１１と対向する。
すなわち、軟磁性体１１１の幅方向に沿った磁石１１２のサイズは、磁性ワイヤ１２１の軸方向の長さの半分以下で済む。磁石１１２の材質を適宜定めることで、磁性ワイヤ１２１に安定化磁界を印加できる程度の大きさにまで磁石１１２を小さくし、ｙ軸方向に沿った磁石１１２の設置許容範囲を広くすることができる。また、磁性ワイヤ１２１には、磁石１１２の側面（磁性ワイヤ１２１と対向する面）から磁界が印加される。そのため、通過時の磁石１１２と磁性ワイヤ１２１との距離を調整することで、磁性ワイヤ１２１に印加される磁界の強度を容易に調整できる。これにより、安定性のあるパルス信号がもたらされる。

複数のＮＳ極対の磁界発生源である磁石１１２は、図２Ｂ及び図２Ｃにおいては、紙面奥側及び手前側に配置されている。隣接する磁石間で発生する磁気干渉が磁性ワイヤ１２１に与える影響も、軟磁性体部１１１による集磁効果と、磁性ワイヤ１２１の軸方向第１端部１２１ｃに磁界を印加することとにより軽減される。よって、隣接する磁界発生源同士を近接させ、磁石の極数密度を高くすることが可能である。換言すれば、検出器１００の小型化が図られる。

磁性ワイヤ１２１の軸方向一端部に磁界を印加することで、磁性ワイヤの軸方向両端部の両端又は磁性ワイヤ全体に対して、強度の等しい磁界を印加する必要がないため、配置の自由度が高い。軟磁性体部の形状をリング状又は円盤状に変えて、中空型、シャフト型のラジアルギャップ型又はアキシャルギャップ型のロータリータイプ等の検出器とすることもできる。これらの各種形態を以下に説明する。

［第２実施形態］
図３Ａ及び図３Ｂに、第２実施形態に基づく検出器２００を示す。検出器２００は、回転運動する運動体２１０と１つの発電センサ２２０とを備えている。
運動体２１０は、リング状の軟磁性体部２１１と、複数の磁石２１２とを備える。複数の磁石２１２は、軟磁性体部２１１の軸方向一端面において、周方向に並べられ固定されている。磁石２１２は、軟磁性体部２１１の軸方向（図３Ｂの紙面上下方向）に着磁されており、Ｎ極及びＳ極の対を有する。磁石２１２は、軟磁性体部２１１の軸方向上側にある外側磁極２１２ａを有する。複数の磁石２１２は、隣り合う外側磁極２１２ａが異極となるように配置されている。運動体２１０は、上下方向に延びる軟磁性体部２１１の軸２１３を回転軸として回転する。
発電センサ２２０は、運動体２１０の径方向外側に配置されており、大バルクハウゼン現象を発現する磁性ワイヤ２２１と、磁性ワイヤ２２１に巻回されたコイル２２２とを有する。磁性ワイヤ２２１は、回転軸２１３と平行に配置されている。
運動体２１０の回転運動により、複数の磁石２１２は発電センサ２２０の近傍を通過する。磁石２１２が磁性ワイヤ２２１に近接したときの、磁石２１２の運動方向は、磁性ワイヤ２２１の軸方向２２１ａに対して垂直である。磁石２１２が磁性ワイヤ２２１に近接したときに、磁性ワイヤ２２１の軸方向中央部２２１ｂから軸方向上端部２２１ｃまでのうち少なくとも一部が磁石２１２の中央部２１２ｂと対向する。また、このときに、磁性ワイヤ２２１の上記少なくとも一部から軸方向下端部２２１ｄまでのうち少なくとも一部が軟磁性体部２１１と対向する。軟磁性体部２１１は、磁性ワイヤ２２１の軸方向下端部２２１ｄと通過する磁石２１２との間を遮る位置（磁路を埋める位置）に存在することになる。
磁石２１２が軟磁性体部２１１の周方向に沿って等間隔に２０個設けられている場合、コイル２２２には、運動体２１０の正転一回転につき正のパルス信号が１０回、負のパルス信号が１０回誘発される。また、運動体２１０の反転一回転につき正のパルス信号が１０回、負のパルス信号が１０回誘発される。
このように、検出器２００は、運動体２１０が中空型であり、ラジアルギャップタイプの検出器である。検出器２００は、運動体２１０の軸方向厚みが磁性ワイヤ２２１の長さ以下に収まるため、薄型である。また、発電センサ２２０が運動体２１０の径方向外側に位置するため、中空型である検出器２００の中空部を大きく取ることができる。

[第２実施形態の第１変形例]
図４Ａに示す検出器２００－１においては、発電センサ２２０は、運動体２１０の径方向内側に、回転軸２１３から間隔を置いて配置される。この場合、検出器の外径を小さくすることができる。

[第２実施形態の第２変形例]
図４Ｂに示すように、検出器２００－２は、図３Ａに示したリング状の軟磁性体部２１１に代えて、略円盤状の軟磁性体部２１１ａを備えている。複数の磁石２１２は、軟磁性体部２１１ａの外周縁部に配置されている。軟磁性体部２１１ａの軸方向下端面にはシャフト２１３ａが取り付けられている。このように、運動体２１０をシャフト型とすることができる。シャフト２１３ａの材料は非磁性体であっても磁性体であってもよい。

複数の磁界発生源を多極着磁された磁石とすることも可能である。図４Ｃに示すように、所定の着磁ピッチλに相当する面積を持つ着磁ヨークにより、リング状の硬磁性体部２１５の上面及び下面に同時着磁を行うと、回転軸２１３ｂの方向に着磁され、硬磁性体部２１５の上面と下面に磁極が現れる。このように多極着磁されてなる磁石を、リング状の軟磁性体部２１１又は円盤状の軟磁性体部２１１ａに固定すればよい。硬磁性体部の形状を長尺形状にすることで、第１実施形態にも適用できる。

［第３実施形態]
図５Ａに、第３実施形態に係る検出器３００を示す。第２実施形態（図３Ａ）とは異なり、複数の磁石３１２は、リング状の軟磁性体部３１１の外周面に周方向等間隔に固定されている。発電センサ３２０は回転軸３１３と直交するように配置され、磁性ワイヤ３２１の軸方向３２１ａは法線方向に平行である。磁性ワイヤ３２１の長さ方向中心位置３２１ｂは、回転軸３１３に対してオフセットしている。オフセット量を符号ＯＦ１により示す。
あるいは、図５Ｂに示すように、複数の磁石３１２を軟磁性体部３１１の内周面に固定してもよい。この場合の磁性ワイヤ３２１の長さ方向中心位置３２１ｂと回転軸３１３とのオフセット量を符号ＯＦ２により示す。
このように、発電センサ３２０の位置が異なる２種類の、中空型でアキシャルギャップタイプの検出器が得られる。いずれにしても、検出回路を構成する電子部品が搭載される基板（不図示）の上に発電センサを横置きすることができ、実装の安定性が高い。

［第３実施形態の変形例]
第２実施形態の変形例と同様に、複数の磁界発生源を多極着磁された磁石とすることも可能である。図６に示すように、所定の着磁ピッチλに相当する面積を持つ着磁ヨークにより、リング状の硬磁性体部３１５の外周面及び内周面に同時着磁を行うと、回転軸方向３１３に沿って着磁され、硬磁性体部３１５の外周面及び内周面に磁極が現れる。このように多極着磁されてなる磁石を、軟磁性体部３１１に固定すればよい。

図７Ａ及び図７Ｂに、別の変形例に係る検出器３００－２を示す。運動体３１０－２の外径は、磁性ワイヤ３２１の全長程度にまで小さい。運動体３１０－２において、円盤状の軟磁性体部３１１－２の外周面に８個の磁石３１２－２が配置されている。磁性ワイヤ３２１は、運動体３１０－２の回転軸と交差している。発電センサ３２０の磁性ワイヤ３２１の一端部３２１ａが軟磁性体部３１１－２の外周部と軸方向に対向し、他端部が軟磁性体部３１１－２の内周部と軸方向に対向している。
この構造によれば、径方向に対向する２つの磁石３１２－２において、径方向内側にある２つの磁極は同極であるが、磁性ワイヤ３２１に磁界を印加するのは一方の磁極のみである。そのため、磁性ワイヤ３２１は、大バルクハウゼン現象の発現が可能である。本形態によれば、周期が限定されない複数周期の交番磁界を磁性ワイヤに印加でき、磁性ワイヤに巻回されたコイルに、安定性のある高出力信号が誘発される。さらに、径方向寸法の小型化も図られる。

［多回転機能の説明]
次に、多回転検出機能を持った検出器について説明する。発電センサは、電源遮断時の１回転単位の粗検出に利用される。電源投入時の正確な位置検出には、１回転内アブソリュート角度検出器が使われる。発電センサは、交番磁界１周期に対して正負各１パルスの計２パルスを出力するが、このパルスだけでは正転・逆転の判別が不可能である。そこで、以下に示す方法が従来用いられている。
１）発電センサの数を増やして位相差信号を得る方法
２）別の検出手段を追加する方法
前者は、発電センサが複数必要である。後者は、特許文献２に記載されているように、発電センサ１個と追加のセンサ要素とにより達成できる。

単一の発電センサを使用する場合、十分なレベルのパルス信号を得るために、安定化磁界と動作磁界とが決められた順序で磁性ワイヤに印加される必要がある。回転体の正転時に磁性ワイヤに対し、動作磁界が印加されてパルス信号が出力された直後に回転体が逆転すると、上記順序が守られないために、回転検出に必要なパルス信号が１回分抜けてしまう。その場合、誤差が±１８０°を超え、正しい回転量検出はできない。

交番磁界の多周期化と検出器の小型化との両立がこれまでは難しかった。しかし、図７Ａ及び図７Ｂに示した形態の変形として、磁界発生源の数を４つとし、１回転あたり２周期の交番磁界が磁性ワイヤに印加されるようにすることができる。つまり、多回転検出機能を備え、小型で、コストが低く、パルス信号の出力が安定した検出器が得られる。以下に、その形態を詳しく説明する。

［第４実施形態］
図８Ａ及び図８Ｂに、第４実施形態に基づく多回転検出機能を持つ検出器４００を示す。検出器４００は、回転する運動体４１０と単一の発電センサ４２０とを備えている。
運動体４１０は、円盤状の軟磁性体部４１１と、磁界発生源となる４つの磁石４１２とを有する。４つの磁石４１２は、軟磁性体部４１１の外周面に周方向等間隔に配置されている。磁石４１２は、軟磁性体部４１１の径方向に着磁されており、Ｎ極及びＳ極の対を有する。磁石４１２は、軟磁性体部４１１の径方向外側にある外側磁極４１２ａを有する。４つの磁石４１２は、周方向に隣り合う外側磁極４１２ａが異極となるように配置されている。
発電センサ４２０は、大バルクハウゼン現象を発現する磁性ワイヤ４２１と、磁性ワイヤ４２１に巻回されたコイル４２２とを有する。磁性ワイヤ４２１は、回転軸４１３と直交し、磁性ワイヤ４２１の軸方向４２１ａは法線方向に平行である。
運動体４１０の回転運動により、４つの磁石４１２は、磁性ワイヤ４２１の軸方向第１端部の近傍を通過する。通過時の、磁石４１２の運動方向は、磁性ワイヤ４２１の軸方向４２１ａに対して垂直である。磁石４１２の中央部４１２ｂは、磁性ワイヤ４２１の軸方向中央部４２１ｂと軸方向第１端部４２１ｃとの間の領域の下方を通過する。軟磁性体部４１１は、磁性ワイヤ４２１の軸方向第１端部４２１ｃとは軸方向に対向していないが、軸方向第２端部４２１ｄと対向している。
以上の構造により、運動体４１０が１回転すると、磁性ワイヤ４２１には２周期の均等な交番磁界が印加される。
検出器４００はさらに、一つの磁気センサ４４０を備えている。磁気センサ４４０は、発電センサ４２０がパルス信号を出力したときに、磁界発生源からの磁界を判定できる位置に配置されている。
４つの磁石４１２のうち、ある磁石（「第１磁石」と呼ぶ）が磁性ワイヤ４２１の近傍を通過することで、磁性ワイヤ４１２に安定化磁界が印加されることになる。続いて、第１磁石に隣接する第２磁石が近づいてきたときに、上述の安定化磁界とは逆方向の動作磁界が磁性ワイヤ４１２に印加され、発電センサ４２０がパルス信号を出力する。
つまり、磁気センサ４４０は、図８Ｂに示すように、回転軸４１３に関して軸方向第１端部４２１ｃと所定角度をなすように配置されている。この所定角度は、図８Ｂに示すように凡そ４５度である。あるいは、所定角度は、約１３５度、約２２５度、又は約３１５度でもよい。

［回転数、回転方向を判定する方法］
図８Ｂにおいて、運動体４１０の右回転を正転、左回転を反転とする。回転時に発電センサ４２０に印加される磁界Ｈａを図９Ａに示す。また、正転時に発電センサ４２０に生じる正パルス信号を符号Ｐで示し、信号Ｐの出力の前提となる安定化磁界を符号Ｐｓで示し、負パルス信号を符号Ｎで示し、信号Ｎの出力の前提となる安定化磁界を符号Ｎｓで示す。安定化磁界は±Ｈ２、動作磁界は±Ｈ１とする。反転時の出力は正転時と同一符号で示すが、正転時は白塗り、反転時は黒塗りで示す。
永久磁石４１２から発電センサ４２０に印加される磁界は、１回転２周期の交番磁界となる。よって、発電センサ４２０は、正転１回転につき正負（Ｐ，Ｎ）の信号を２回出力し、反転１回転についても、正転時と同じように正負（Ｐ，Ｎ）の信号を２回出力する。

図９Ｂに、磁気センサ４４０に印加される磁界Ｈｂを一点鎖線で示す。磁気センサ４４０は、前述のとおり、回転軸４１３に関して軸方向第１端部４２１ｃと凡そ４５度をなすように配置されている。そのため、交番磁界Ｈｂは、図９Ａに示した交番磁界Ｈａより４５°位相がずれる。磁気センサ４４０として、例えばホール素子、磁気抵抗効果素子（ＳＶ－ＧＭＲ、ＴＭＲ）のようにＮＳ極（図におけるプラス及びマイナス）を判別できる磁気センサを使用することができる。この場合、発電センサ４２０から、正転の２つのＰ信号、反転の２つのＮ信号が出力されると、磁気センサ４４０からマイナス磁界を検出した信号が出力される。これを図中の白塗り及び黒塗りの三角形で示す。また、発電センサ４２０から、正転の２つのＮ信号、反転の２つのＰ信号が出力されると、磁気センサ４４０からはプラス磁界を検出した信号が出力される。これを図中の白塗り及び黒塗りの四角形で示す。
図９Ｃ（Ａ）に、発電センサ４２０の出力信号と磁気センサ４４０の検出信号との組み合わせを示す。

図９Ｃ（Ｂ）に回転座標を示す。正パルス信号Ｐが出力されてから、運動体４１０が符号Ｒに示すように右回転し、次の信号Ｎ´が検出されるまでの回転角度は、＋９０度である。その一方で、正パルス信号Ｐが出力された直後に運動体４１０が符号Ｌに示すように左回転した場合、次の信号は信号Ｎであることが期待される。しかし、安定化磁界Ｎｓを経ていないことから、信号Ｎは出力されないか、あるいは出力されたとしても非常に小さく、評価することが困難である。よって、次の、評価できる信号Ｐ´の左回転信号が出力されるまでの回転角度は、約－（９０度＋α）となる。このように正転、反転の双方において安定化磁界が印加されない回転運動が起きても、同一信号で重複する範囲が発生しない。また、判定できる位置の範囲は３６０度未満となり、運動体４１０の回転数を正確に検出することができる。

運動体４１０の回転方向を判定する方法について、理解を容易にするため、一例として連続する信号を２つとして説明する。
判定は、メモリを含む信号処理回路（不図示）により行われる。この信号処理回路は、識別機能と参照機能と演算機能とを有する。まず、信号処理回路は、識別機能により、発電センサ４２０からの信号を、Ｐ、Ｐ’、Ｎ、及びＮ’の４つのいずれかとして識別する。次に、信号処理回路は、参照機能にて、回転数及び回転方向の計数を開始する初期状態で記憶された１つ前の（前状態）履歴信号と、その後の回転に伴う信号（新状態）とを順次、メモリに書き込む。信号処理回路は、メモリに格納された過去と現在の連続する２つの信号を、予め設定した４種類のコード化したテーブルで検索し、一致したカウント値を返す。このテーブルの一例を図９Ｄに示す。信号処理回路は、信号が入力される毎に検索を行い、その結果のカウント値を演算機能にて、順次加減算する。加減算された数値は、その時点での回転数と回転方向を表すことになる。信号Ｎと信号Ｐとの間に規準位置を設定し、図９Ｄに示したようなテーブルを用いることで、運動体４１０の回転方向及び回転数を正確にカウントできる。

［１回転内の位置と回転数を同期する方法］
検出器をモーターの多回転用として用いる場合、モーター駆動システムの停電中は、図９Ｄを参照しながら先に述べた方法で回転数を検出する。モーター駆動システムの起動時には、信号Ｐ、Ｐ´、Ｎ、及びＮ´は、１回転にそれぞれ２箇所存在するため、２つの領域の二者択一となり、回転数を特定できない。そのため、回転数カウンタの基準位置からの変位角度を判別する必要がある。そこで、１回転アブソリュート型の位置センサを外付けすることで、どの領域に位置しているかを判別し、回転数を特定することができる。

［第４実施形態の変形例］
図１０に示すように、第４実施形態の変形例として、中空タイプでも多回転機能が提供できる。検出器４００－１は、運動体４１０－１と発電センサ４２０－１と磁気センサ４４０－１とを備える。運動体４１０－１は、リング状の軟磁性体部４１１－１と、この軟磁性体部の上面に固定された４つの磁石４１２－１とを備える。４つの磁石４１２－１は、リング状の硬磁性体を着磁してなる。発電センサ４２０－１は、磁性ワイヤ４２１－１とコイル４２２－１とを備える。磁性ワイヤ４２１－１は、運動体４１０－１の回転軸４１３－１と平行に配置される。

［第５実施形態］
前述の第４実施形態では、磁性ワイヤ４２１より周方向で凡そ４５°離れた位置にある１つの磁気センサ４４０により、発電センサ４２０の正転・反転各４つ、計８つの信号をカバーできる。これは、周方向等間隔に配置された磁界発生源どうしがある程度、近接しており、正転・反転の両方において磁気センサ４４０だけで検出できる十分な磁界が磁気センサ４４０に印加されるためである。しかし、第４実施形態の第１変形例のような中空タイプでは、磁界発生源どうしが近接していない場合がある。そのような場合について以下に説明する。
図１１Ａに示すように、検出器５００は、運動体５１０と発電センサ５２０と第１磁気センサ５４０と第２磁気センサ５４１とを備えている。運動体５１０は、リング状の軟磁性体部５１１と、軟磁性体部５１１の外周面に周方向等間隔に配置された４つの磁石５１２とを備える。磁石５１２どうしは、第４実施形態（図８Ａ）とは異なり、近接していない。発電センサ５２０は、磁性ワイヤ５２１とコイル５２２とを備える。発電センサ５２０は、運動体５１０の径方向と平行に、運動体５１０の回転軸５１３からオフセットされて配置されている。
発電センサ５２０がパルス信号を出力するのは、４つの磁石５１２のうち、ある磁石が磁性ワイヤ５２１の近傍を通過したのち、次の磁石が近づいて反転磁界が徐々に強まりつつ動作磁界が印加されるときである。パルス信号が出力される際の運動体５１０の回転位置は、正転時に発電センサ５２０が正パルス信号Ｐと負パルス信号Ｎを出力する回転位置と、反転時に発電センサ５２０が正パルス信号Ｐと負パルス信号Ｎを出力する位置の計８か所ある。
この８か所に対応して、磁界発生源の磁界を検出できるように第１磁気センサ５４０と第２磁気センサ５４１とが配置される。第１磁気センサ５４０が正転時の磁界を、第２磁気センサ５４１が反転時の磁界を検出できるように、それぞれの磁気センサを－２０度、＋２０度の位相でずらして配置する。図１１Ｂに示すように、第１磁気センサ５４０は、一つの磁石５１２（第１磁石と呼ぶ）が磁性ワイヤ５２１の真下に来たときに第１磁石から時計方向に少し離れた位置に配置され、第２磁気センサ５４１は、第１磁石の時計方向に隣接する別の磁石から反時計方向に少し離れた位置に配置される。第１磁気センサ及び第２磁気センサの配置は、磁石の材質、大きさ等に応じて適宜定めればよい。
図１１Ｂにおいて、運動体５１０の右回転を正転、左回転を反転とする。第１磁気センサ５４０は、正転時の発電センサ５２０の信号識別を担い、第２磁気センサ５４１は反転時の発電センサ５２０の信号識別を担う。図１１Ｂの３時方向を０度とすると、発電センサ５２０は０度の位置にあり、第１磁気センサ５４０は＋７０度の位置にあり、第２磁気センサ５４１は＋２０度の位置にある。磁性ワイヤが０度位置にあり、両磁気センサが０度から９０度の領域に配置されているが、その他３つの領域（９０度から１８０度の領域、１８０度から２７０度の領域、及び２７０度から３６０度の領域）のいずれかに配置されても良い。

図１２Ａに、運動体５１０の回転時に発電センサ５２０に印加される磁界Ｈａを点線で示す。同図において、正転時に発電センサ５２０に生じる正パルス信号を符号Ｐで示し、信号Ｐの出力の前提となる安定化磁界を符号Ｐｓで示し、負パルス信号を符号Ｎで示し、信号Ｎの出力の前提となる安定化磁界を符号Ｎｓで示す。安定化磁界は±Ｈ２、動作磁界は±Ｈ１とし、反転時の出力は正転時と同一符号で示すが、正転時は白塗り、反転は黒塗りで示す。磁石５１２から発電センサ５２０に印加される磁界は、１回転２周期の交番磁界となる。よって発電センサ５２０の信号は、正転１回転で正負（Ｐ，Ｎ）の信号が各２回出力され、反転１回転でも、正転時と同じように正負（Ｐ，Ｎ）の信号が各２回出力される。

図１２Ｂに、第１磁気センサ５４０に印加される磁界Ｈｂを二点鎖線で示し、第２磁気センサ５４１に印加される磁界Ｈｃを一点鎖線で示す。前述のとおり、第１磁気センサ５４０と第２磁気センサ５４１は、発電センサ５２０より周方向に距離を置いて配置されている。そのため、交番磁界Ｈｂ及びＨｃは、図１２Ａに示した交番磁界Ｈａとは位相がずれる。
磁気センサ５４０及び５４１として、例えばホール素子、磁気抵抗効果素子（ＳＶ－ＧＭＲ、ＴＭＲ）のように、ＮＳ極（図におけるプラス及びマイナス）を判別できる磁気センサを使用することができる。
発電センサ５２０から正転の２つのＰ信号が出力されたとき、第１磁気センサ５４０からマイナス磁界の検出信号が出力される（図中の白抜きの三角形）。発電センサ５２０から正転の２つのＮ信号が出力されたときには、第１磁気センサ５４０からプラス磁界の検出信号が出力される（図中の白抜きの四角形）。
発電センサ５２０から反転の２つのＰ信号が出力されたとき、第２磁気センサ５４１からプラス磁界の検出信号が出力される（図中の黒塗りの四角形）。発電センサ５２０から反転の２つのＮ信号が出力されたときには、第２磁気センサ５４１からマイナス磁界の検出信号が出力される（図中の黒塗りの三角形）。
第１磁気センサ５４０及び第２磁気センサ５４１の検出信号を発電センサ５２０の出力信号と組み合わせることで、図１２Ｃに示すように、識別されたＰ、Ｐ´、Ｎ及びＮ´の４種類の信号となる。この４種類の信号にて、上述した［回転数、回転方向を判定する方法］及び［１回転内の位置と回転数を同期する方法］に従って操作すれば、この検出器５００をモーターの多回転用として用いることができる。

［回路の他の実施例］
各実施形態の検出器は、磁性ワイヤを備えた発電センサを使用している。そのため、その大バルクハウゼン効果による出力信号は、既に知られているように起電力であり、電源として活用できる。すなわち、発電センサの出力を整流器とコンデンサーにて処理する機能を追加することで、第１実施形態の検出器を例えばスイッチ（ドアの開閉、シャッターの位置）に、第２、第３実施形態の検出器を例えばメーター（流量、水道、風量、ガス）に用いることができる。このような１回転以内の回転角度の同期が必要ない用途において、電源あるいはバッテリーを使用しなくて済む。さらに発電センサによる電力を利用してデータを無線で送ることも可能である。第４、第５実施形態の検出器では、発電センサから回路と磁気センサに電力を供給することで、モーターの多回転位置検出器のバッテリーレス化に応用可能である。

［作用及び効果］
これまでに述べた実施形態の作用及び効果について改めて説明する。
磁界発生源が発電センサに近接したときに、発電センサ内の磁性ワイヤの軸方向第１端部側には磁界が印加されるが、軸方向第２端部側は磁界発生源に対向していないために磁界が印加されない。これにより、軸方向第１端部から軸方向第２端部へ向かって磁区の一斉反転を引き起こせるため磁気誘導ヨークを必要とせず、磁性ワイヤの両端に磁界を印加する方法と同じように単一磁区が磁性ワイヤ全体に形成される。これにより発電センサからの高出力のパルス信号が得られる。

磁性ワイヤの一方の軸端片側に磁界が印加されることにより、磁性ワイヤにおいて磁界発生源と対向する部分の軸方向寸法を、磁性ワイヤの長さの半分以下とすることができる。よって、磁性ワイヤの線長全体に磁界を印加する方法において必要となる比較的大きな磁石が不要である。また、磁石の材質を適宜定めることで、安定化磁界が印加できる薄さまで磁石を小さくすることができる。さらに磁性ワイヤの磁界発生源の側面の磁界を検知するため、ギャップ（磁界発生源のＮＳ境界と磁性ワイヤの第１端部との距離）の調整範囲が広い。耐久性があることから出力に安定性が生まれる。

印加される磁界が磁性ワイヤの軸端片側であり、磁界が印加されない側の軸端では軟磁性体部が磁力を集磁することと相まって、隣接した異極の磁界発生源どうしの磁気干渉が磁性ワイヤに与える影響が軽減される。そのため、複数の磁界発生源を接近させて配置することができる。磁界発生源の極数密度（運動体の外周長あたりの極数）を高めることが可能である。運動体が回転運動体の場合には、その回転運動体の外周を短くすることができる。換言すれば検出器の全体構造が小型になる。

磁性ワイヤの両端部又は全体に強度の等しい磁界を印加する必要がないため、配置の自由度が高い。磁性ワイヤを回転運動体の回転軸と平行な直線上に配置すれば、軟磁性体部の形状はリング状、円盤状のいずれでも可能である。中空型、シャフト型のいずれでも、ラジアルギャップロータリータイプの検出器として適応できる。この構造では、回転運動体の回転軸方向の寸法が磁性ワイヤ長以下に収まり、薄型の検出器となる。中空型においては、検出器の内径を大きく取りたい場合は、発電センサを外周側に配置し、外径を小さくしたい場合は、発電センサを内周側に配置することができる。つまり、設計の自由度がある。

配置の自由度という点では、磁性ワイヤを回転軸と直交する直線上に設置すれば、軟磁性体部の形状をリング又は円盤状とすることができる。つまり、中空型又はシャフト型のアキシャルギャップロータリータイプの検出器として適応できる。回転軸が上下方向であれば、水平に配置された基板上に、発電センサなどの、回路を構成する電子部品を安定的に搭載することができる。

磁性ワイヤを回転運動体の回転軸と直交するように配置することができる。この場合、シャフト型かつアキシャルギャップロータリータイプの検出器となる。２周期以上の交番磁界が印加される。一層の小型化（特に径方向寸法の小型化）を図ることができる。また、磁性ワイヤに巻回されたコイルに誘発される信号の安定性を高めることができる。

シャフト型かつアキシャルギャップロータリータイプの検出器では、磁界発生源の数が４個又は８個の場合、磁性ワイヤの中央を回転軸の中心に配置するとワイヤの両端に同極の磁界が印加され大バルクハウゼン現象を発現できない。しかし、回転軸の中心から磁性ワイヤをずらす（オフセットを設ける）ことで、磁性ワイヤに対して均等な多周期の交番磁界が印加される。特に磁界発生源の数を４にすることで、最小周期である２周期の交番磁界が印加でき、最小半径の回転運動体となる。

発電センサに加えて磁気センサを設けてもよい。２周期の交番磁界が印加されることから、発電センサを複数設ける必要がない。

これまでに説明した実施形態に関し、以下の付記を開示する。
［付記１］
発電センサを用いて運動体の運動を検出する検出器であって、
前記発電センサは、大バルクハウゼン効果を発現する磁性ワイヤと、前記磁性ワイヤに巻回されたコイルとを備え、
前記運動体は、軟磁性体部と、前記軟磁性体部に取り付けられた複数の磁界発生源とを備え、前記複数の磁界発生源の各々は、Ｎ極及びＳ極の対を有し、着磁方向が前記軟磁性体部に対する取付方向と平行であり、隣り合う２つの前記磁界発生源において取付方向外側の磁極が異極であり、
前記運動体の運動により前記複数の磁界発生源が描く軌道の近傍に、前記発電センサが配置されており、
前記発電センサに対して前記磁界発生源が近接したときの前記磁界発生源の運動方向は、前記磁性ワイヤの軸方向に垂直であり、
前記発電センサに対して前記磁界発生源が近接したときの前記磁界発生源の着磁方向は、前記磁性ワイヤの軸方向に平行であり、
前記発電センサに対して前記磁界発生源が近接したときに、前記磁性ワイヤの軸方向中央部から軸方向第１端部までのうち少なくとも一部が前記磁界発生源の中央部と対向し、前記磁性ワイヤの前記少なくとも一部から軸方向第２端部までのうち少なくとも一部が前記軟磁性体部と対向する、
検出器。
［付記２］
前記発電センサに対して前記磁界発生源が近接したときに、前記軟磁性体部は前記磁性ワイヤの前記軸方向第２端部と対向する、付記１に記載の検出器。
［付記３］
前記運動体が回転運動し、
前記磁性ワイヤは、前記回転運動の回転軸と平行に配置されている、付記１又は２に記載の検出器。
［付記４］
前記運動体が回転運動し、
前記磁性ワイヤは、前記回転運動の回転軸と直交する直線上にあり、前記磁性ワイヤの前記軸方向中央部は前記回転軸に対してオフセットしている、付記１又は２に記載の検出器。
［付記５］
前記磁性ワイヤが、前記回転運動の回転軸と交差するように配置されている、付記４に記載の検出器。
［付記６］
前記磁界発生源の数が４である、付記１～５のいずれか一項に記載の検出器。
［付記７］
前記発電センサが信号を出力したときの前記磁界発生源からの磁界を検出する磁気センサと、
前記運動体の回転運動に応じて前記発電センサ及び前記磁気センサが出力する信号に基づき、前記運動体の回転数及び回転方向を求める回路と
をさらに備える付記１～６のいずれか一項に記載の検出器。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

１００、２００、３００、４００、５００ 運動検出器

１１０、２１０、３１０、４１０、５１０ 運動体
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１ 軟磁性体部
１１２、２１２、３１２、４１２、５１２ 磁石

１２０、２２０、３２０、４２０、５２０ 発電センサ
１２１、２２１、３２１、４２１、５２１ 磁性ワイヤ
１２２、２２２、３２２、４２２、５２２ コイル
４４０、５４０、５４１ 磁気センサ

Claims (7)

1. 発電センサを用いて運動体の運動を検出する検出器であって、
   前記発電センサは、大バルクハウゼン効果を発現する磁性ワイヤと、前記磁性ワイヤに巻回されたコイルとを備え、
   前記運動体は、軟磁性体部と、前記軟磁性体部に取り付けられた複数の磁界発生源とを備え、前記複数の磁界発生源の各々は、Ｎ極及びＳ極の対を有し、着磁方向が前記軟磁性体部に対する取付方向と平行であり、隣り合う２つの前記磁界発生源において取付方向外側の磁極が異極であり、
   前記運動体の運動により前記複数の磁界発生源が描く軌道の近傍に、前記発電センサが配置されており、
   前記発電センサに対して前記磁界発生源が近接したときの前記磁界発生源の運動方向は、前記磁性ワイヤの軸方向に垂直であり、
   前記発電センサに対して前記磁界発生源が近接したときの前記磁界発生源の着磁方向は、前記磁性ワイヤの軸方向に平行であり、
   前記発電センサに対して前記磁界発生源が近接したときに、前記磁性ワイヤの軸方向中央部から軸方向第１端部までのうち少なくとも一部が前記磁界発生源の中央部と対向し、前記磁性ワイヤの前記少なくとも一部から軸方向第２端部までのうち少なくとも一部が前記軟磁性体部と対向する、
   検出器。
2. 前記発電センサに対して前記磁界発生源が近接したときに、前記軟磁性体部は前記磁性ワイヤの前記軸方向第２端部と対向する、請求項１に記載の検出器。
3. 前記運動体が回転運動し、
   前記磁性ワイヤは、前記回転運動の回転軸と平行に配置されている、請求項１又は２に記載の検出器。
4. 前記運動体が回転運動し、
   前記磁性ワイヤは、前記回転運動の回転軸と直交する直線上にあり、前記磁性ワイヤの前記軸方向中央部は前記回転軸に対してオフセットしている、請求項１又は２に記載の検出器。
5. 前記磁性ワイヤが、前記回転運動の回転軸と交差するように配置されている、請求項４に記載の検出器。
6. 前記磁界発生源の数が４である、請求項１～５のいずれか一項に記載の検出器。
7. 前記発電センサが信号を出力したときの前記磁界発生源からの磁界を検出する磁気センサと、
   前記運動体の回転運動に応じて前記発電センサ及び前記磁気センサが出力する信号に基づき、前記運動体の回転数及び回転方向を求める回路と
   をさらに備える請求項１～６のいずれか一項に記載の検出器。

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