JP2005098942A

JP2005098942A - 移動体検出装置

Info

Publication number: JP2005098942A
Application number: JP2003335740A
Authority: JP
Inventors: Toshinao Kido; 利尚木戸; Seiji Fukuoka; 誠二福岡
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】感磁素子として、ピン層磁化方向に順平行、反平行の磁界成分を検知する磁界ベクトル検知型のスピンバルブ型ＧＭＲ素子を用いることで、検出出力が磁性材移動体−感磁素子間のギャップ変化に依存しないようにした移動体検出装置を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの凸部又は凹部を有する磁性材移動体としての歯車１と、磁界を発生するバイアス磁石５と、前記歯車１で変化された磁界に対応して抵抗値が変化するスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４とを備える。それらのスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４はブリッジ回路を構成し、対をなすスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子のピン層磁化方向が互いに反平行に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性材移動体の移動に伴う磁界変化を検出する移動体検出装置に係り、特に工業用工作機械や、自動車のエンジン等に用いられる軟磁性体歯車の回転情報を検出する場合等に用いて好適な移動体検出装置に関するものである。

従来、軟磁性歯車等の磁性材移動体（被磁性検出体）の回転を検出するための回転センサとして、磁性材移動体に対向して感磁素子を２領域に離間配置したものが知られている。前記感磁素子の配置間隔は前記磁性材移動体の凹凸ピッチに適合した間隔となっている（歯車の凸凸ピッチ＝Ｐに対して、感磁素子配列間隔＝Ｐ／２が最適とされている）。そして、前記磁性材移動体が回転するとその凹凸に対応した信号を出力する。

特に、感磁素子として巨大磁気抵抗素子（以下、ＧＭＲ素子という）を用いた場合、前述の２領域にはＧＭＲ素子が各々２個含まれ、合計４個のＧＭＲ素子をホイートストンブリッジ回路に組んだ構成が、下記特許文献１で提案されている。

特開平９−３２９４６２号公報

この特許文献１では、一方の感磁領域に歯車の凸部があるとき、他方の感磁領域には歯車の凹部が来るためにＧＭＲ素子出力は逆極性となる。これらの差を取ることで１素子の４倍の出力をホイートストンブリッジ回路に組むことで得ている。

ところで、従来の回転センサに用いるＧＭＲ素子は磁界強度依存型（多層膜型）であり、図４（Ａ）のように、外部磁界Ｈが０のとき、抵抗値が最大となり、外部磁界Ｈが増加すると、抵抗値は減少する。

多層膜型ＧＭＲ素子を用いた回転センサでは、歯車−感磁素子（回転センサ）間のギャップが大きくなると、歯車の凹凸による磁気変化量が小さくなり、多層膜型ＧＭＲ素子の抵抗変化量は小さくなる。４個の多層膜型ＧＭＲ素子を用いてホイートストンブリッジ回路を組んで電圧出力した場合でも図５（Ａ）のように、ギャップ（歯車凸部とＧＭＲ素子感磁面とのギャップ）変化により出力電圧も変化してしまう。

また、最適な変化を得るためには歯車の凸凸ピッチ（＝Ｐ）に対して、２領域の多層膜型ＧＭＲ素子をＰ／２の間隔で並べる必要がある。２領域の多層膜型ＧＭＲ素子の間隔がＰ／２からずれた場合も、図６（Ａ）に示すようにブリッジ回路からの出力電圧の低下を招く。歯車の凸凸ピッチと多層膜型ＧＭＲ素子配列ピッチとが一致するときは、同一変化をするため出力は０となり、検出装置として機能しなくなるという問題がある。

そこで、本発明者等は、磁界ベクトル検知型のスピンバルブ型ＧＭＲ素子を移動体検知装置に用いることを検討した。磁界ベクトル検知型のスピンバルブ型ＧＭＲ素子は、外部磁界Ｈとピン層とが平行でかつピン層の磁化方向と外部磁界Ｈの向きが同じとき（以下、平行でかつベクトルとしての向きが同じ場合を順平行という）、図４（Ｂ）で外部磁界＋Ｈで表し、この順平行では抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）はマイナスとなる。また、外部磁界Ｈとピン層とが平行でかつピン層の磁化方向と外部磁界Ｈの向きが逆向きのとき（以下、平行でベクトルとしての向きが逆の場合を逆平行という）、−Ｈで示し、この逆平行では抵抗変化率はプラスとなる。また、外部磁界が一定レベルを超えれば抵抗変化率は一定となる特性を有している。

本発明は、上記の点に鑑み、感磁素子として、ピン層磁化方向に順平行、反平行の磁界成分を検知する磁界ベクトル検知型のスピンバルブ型ＧＭＲ素子を用いることで、検出出力が磁性材移動体−感磁素子間のギャップ変化に依存しないようにした移動体検出装置を提供しようとするものである。

また、本発明は、感磁素子としてスピンバルブ型ＧＭＲ素子を複数領域に配置したときも、磁性材移動体の凸部又は凹部の配列ピッチとスピンバルブ型ＧＭＲ素子の配列ピッチとの関係に検出出力が依存しないようにした移動体検出装置を提供することをもう１つの目的とする。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本願請求項１の発明は、少なくとも１つの凸部又は凹部を有する磁性材移動体と、磁界を発生するバイアス磁石と、前記磁性材移動体で変化された磁界に対応して抵抗値が変化する巨大磁気抵抗素子からなる移動体検出装置であって、前記巨大磁気抵抗素子がスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子であることを特徴としている。

本願請求項２の発明に係る移動体検出装置は、請求項１において、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子を少なくとも一対用いてブリッジ回路を構成し、対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子のピン層磁化方向が互いに反平行に配置されていることを特徴としている。

本願請求項３の発明に係る移動体検出装置は、請求項２において、対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子が前記磁性材移動体の厚み方向に配設されていることを特徴としている。

本願請求項４の発明に係る移動体検出装置は、請求項２において、対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子が前記磁性材移動体と前記バイアス磁石間のギャップ方向に配設されていることを特徴としている。

本発明に係る移動体検出装置によれば、感磁素子としてスピンバルブ型ＧＭＲ素子を用いることで、検出出力が磁性材移動体−感磁素子間のギャップ変化に依存しないようにでき、移動体検出装置を取り付ける相手側機器での設計の自由度が高くなり、またスピンバルブ型ＧＭＲ素子やバイアス磁石の取付位置の厳密な管理が不要となり、製品毎の検出出力電圧のばらつきも低減できる。

また、感磁素子としてスピンバルブ型ＧＭＲ素子を複数領域に配置したときも、前記磁性材移動体の凸部又は凹部の配列ピッチとスピンバルブ型ＧＭＲ素子の配列ピッチとの関係に検出出力が依存しないようにでき、この点でも、設計の自由度を高め、各部品の取付位置の厳密な管理を不要とし、検出出力電圧のばらつき低減が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、実施の形態を図面に従って説明する。

図１は本発明に係る移動体検出装置の実施の形態１であって、磁性材移動体として軟磁性体歯車の回転検出を行う回転センサを構成した場合を示す。

図１（Ａ）において、１は軟磁性体歯車であり、外周面に凹凸を有する（一定配列ピッチＰで凸部２を有する）ものである。

また、軟磁性体歯車１の外周面に対向するように、４個のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が固定配置され、これらの背後にバイアス磁界印加用のバイアス磁石５が固定配置されている。

本実施の形態では、磁性材移動体である軟磁性体歯車１で変化された磁界に対応して抵抗値が変化するＧＭＲ素子として、スピンバルブ型ＧＭＲ素子を用いており、その模式的な膜構成及び磁気特性を図２に示す。スピンバルブ型ＧＭＲ素子は、強磁性体のピン層とこれに非磁性体を介して積層された強磁性体のフリー層とを有し、ピン層は外部磁界によって磁化方向は変化せず、フリー層は外部磁界の方向に磁化される。ここで、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向（つまり外部磁界の方向）とが直交しているとき（図２のθ＝０のとき）、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は０である。ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向（つまり外部磁界の方向）とが平行であるが向きが逆のとき、つまり反平行のとき、抵抗変化率はプラスとなり、図２（ａ）の高抵抗状態となる。また、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向（つまり外部磁界の方向）とが平行でかつ向きが同じとき、つまり順平行のとき、抵抗変化率はマイナスとなり、図２（ｂ）の低抵抗状態となる。

図２のような磁気特性を有する４個のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の感磁面は、前記軟磁性体歯車１の外周面に接する平面に平行な同一平面内にあり、第１組のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３はピン層の磁化方向が右向きであり、第２組のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ４はピン層の磁化方向が左向きである。つまり、第１組と第２組とではピン層磁化方向が互いに反平行に配置されている。第１組のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１は第１領域に、Ｒ３は第２領域に配置され、また、第２組のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ２は第１領域に、Ｒ４は第２領域に配置される。第１領域と第２領域とは、軟磁性体歯車１の中心よりみて角度位置が異なる位置であり、第１領域と第２領域とは前記凸部２の配列ピッチＰより小さいことが好ましい。また、第１組と第２組とは軟磁性体歯車１の厚み方向に位置が異なる配置となっている。

前記バイアス磁石５は、例えば軟磁性体歯車１の外周面に対向する面にＮ極、反対面にＳ極を有する永久磁石であり、Ｎ極面と軟磁性体歯車１間に４個のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が位置する関係である。

図１（Ｂ）のように、第１領域のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の対と、第２領域のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の対とでホイートストンブリッジ回路を構成しており、このホイートストンブリッジ回路には一定の供給電圧Ｖinが供給されるようになっている。

図３（Ａ）は歯車１の凸部２が、バイアス磁石５の前方の感磁ポイント（前記第１領域と第２領域の中間点と考えてよい）に近づくときの外部磁界の方向（磁束の方向）を示し、同図（Ｂ）は歯車１の凸部２が、前記感磁ポイントから遠ざかるときの外部磁界の方向（磁束の方向）を示す。

従って、図１（Ａ）のような配置で検知対象の軟磁性体歯車１の凸部２がスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の感磁面に接近してきた時、各スピンバルブ型ＧＭＲ素子の感磁面位置における磁束ベクトルの歯車回転接線方向成分は凸部２が接近してくる方向を向く。図４（Ｂ）のように、スピンバルブ型ＧＭＲ素子の磁気特性は、外部磁界の方向とピン層磁化方向とが順平行で抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）はマイナス、外部磁界の方向とピン層磁化方向とが反平行で抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）はプラスであるから、磁束ベクトル成分が凸部接近方向に向いた時、第１組のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３では抵抗値が大となり（ピン層磁化方向と磁束ベクトル方向の歯車接線方向成分が反平行の時）、第２組のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ４では抵抗値が小となる（ピン層磁化方向と磁束ベクトル方向の歯車接線方向成分が順平行の時）。

また、凸部２がスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の感磁面から遠ざかる時、スピンバルブ型ＧＭＲ素子の感磁面位置における磁束ベクトルの歯車回転接線方向成分は凸部２が遠ざかる方向を向く。磁束ベクトル成分が凸部の遠ざかる方向に向いた時、第１組のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３では抵抗値が小となり（ピン層磁化方向と磁束ベクトル方向の歯車接線方向成分が順平行の時）、第２組のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ４では抵抗値が大となる（ピン層磁化方向と磁束ベクトル方向の歯車接線方向成分が反平行の時）。

このように、軟磁性体歯車１の凸部２が接近してくる時もしくは遠ざかる時、第１組のスピンバルブ型ＧＭＲ素子と第２組のスピンバルブ型ＧＭＲ素子では一方の抵抗値が最大、他方が最小となり、第１及び第２組で図１（Ｂ）のホイートストンブリッジ回路を組むことにより、１つのスピンバルブ型ＧＭＲ素子の４倍の検出出力Ｖoutを得ることが可能になる。検出出力Ｖoutは軟磁性体歯車１の凸部２が通過する毎にハイレベルからローレベルに変化することから軟磁性体歯車１の回転検出が可能である。

また、スピンバルブ型ＧＭＲ素子は、図４（Ｂ）の磁気特性からわかるように、外部磁界が所定値以上であれば、抵抗変化率はプラスの一定値又はマイナスの一定値となるから、外部磁界の向きには依存するが外部磁界の強さには依存しなくなる。このため、図５（Ｂ）のようにギャップ（歯車凸部とＧＭＲ素子感磁面とのギャップ）が変化しても図１（Ｂ）のホイートストンブリッジからの検出出力電圧は変化しない。

また、図６（Ｂ）のように、軟磁性体歯車１の中心よりみて角度方向の素子間ピッチ（第１領域の素子Ｒ１，Ｒ２と第２領域の素子Ｒ３，Ｒ４の配列ピッチ）を変えても、ホイートストンブリッジからの検出出力電圧は変化しない。但し、Ｐは歯車の凸凸ピッチである。

この実施の形態１によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) 従来の磁界強度依存型の多層膜型ＧＭＲ素子を用いた回転センサでは、軟磁性体歯車とＧＭＲ素子感磁面間のギャップが大きくなると、抵抗値変化量が減少し、ホイートストンブリッジからの検出出力電圧も低下するが｛図５（Ａ）｝、本実施の形態では磁界ベクトル検知型のスピンバルブ型ＧＭＲ素子を４個組み合わせてホイートストンブリッジを構成することで、検出出力電圧はギャップに依存しなくなる｛図５（Ｂ）｝。このため、回転センサを取り付ける装置側の設計の自由度が高くなり、またスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４やバイアス磁石５の組立時の細かい位置調整が必要なくなり（取付位置の厳密な管理が不要となり）、製品毎の検出出力電圧のばらつきも低減できる。

(2) 従来の磁界強度依存型の多層膜型ＧＭＲ素子を用いた回転センサでは、軟磁性体歯車の凸部ピッチに対して複数の多層膜型ＧＭＲ素子の配列ピッチが適切でないと検出出力電圧の低下を招くが｛図６（Ａ）｝、本実施の形態ではスピンバルブ型ＧＭＲ素子を用いることで、ＧＭＲ素子間の配列ピッチに検出出力電圧が影響されないようにすることが可能である｛図６（Ｂ）｝。この点でも設計の自由度を高め、各部品の取付位置の厳密な管理を不要とし、検出出力電圧のばらつき低減が可能となる。

(3) ４個のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４を用いてホイートストンブリッジを構成して回転検出出力を取り出すことにより、１個のスピンバルブ型ＧＭＲ素子の４倍の出力電圧を得ることができ、検出感度の向上を図り得る。

上記実施の形態１では、対をなすスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子（Ｒ１とＲ２の対、及びＲ３とＲ４の対）が磁性材移動体としての軟磁性体歯車の厚み方向に配設されていたが、対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子が前記軟磁性体歯車とバイアス磁石間のギャップ方向に配設されていてもよい。この場合を本発明の実施の形態２として図７に示す。

図７において、１は軟磁性体歯車であり、軟磁性体歯車１の外周面に対向するバイアス磁石５の一方の磁極面（例えばＮ極）と軟磁性体歯車１の凸部２間に４個のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が固定配置されている。スピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の対は軟磁性体歯車１とバイアス磁石５のギャップ方向（矢印Ｇ方向）に沿った配置であり、もう一つのスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の対も前記ギャップ方向（矢印Ｇ方向）に沿った配置となっている。また、４個のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の感磁面は、例えば前記軟磁性体歯車１の回転する面に平行な同一平面内にある。但し、各素子の感磁面は軟磁性体歯車１の外周面に平行にそれぞれ配置されていてもよく、磁界の向きの変化を検知可能な感磁面の配置であればよい。

なお、その他の構成は前述した実施の形態１と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。

この場合にも、図１（Ｂ）のホイートストンブリッジを４個のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で構成することにより、回転検出出力電圧を得ることができる。

なお、上記実施の形態１，２では磁性材移動体として、回転する軟磁性体歯車の凸部が周期的に配置されている場合を示したが、凸部又は凹部が回転する軟磁性体円板の外周面に１個又は複数個設けられた磁性材移動体を用いることができる。

さらに、磁性材移動体が、軟磁性体の直線移動体に１個又は複数個の凸部又は凹部を設けた構成であって、スピンバルブ型ＧＭＲ素子で前記直線移動体の直線移動を検出する構成でもよい。

また、一対のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を用い、他のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の代わりに固定抵抗を用いてホイートストンブリッジを構成してもよい。
さらに、一対のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３を用い、他のスピンバルブ型ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ４の代わりに固定抵抗を用いてホイートストンブリッジを構成してもよい。これらの場合、１個のスピンバルブ型ＧＭＲ素子を用いる場合の２倍の検出出力を得ることができる。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係る移動体検出装置の実施の形態１であって、（Ａ）は移動体検出装置の構成を示す模式的斜視図、（Ｂ）は回路図である。本発明の実施の形態で用いるスピンバルブ型ＧＭＲ素子の膜構成及び磁気特性を示す説明図である。実施の形態１において、軟磁性体歯車の凸部位置と感磁ポイントでの磁束の向きとの関係であって、（Ａ）は凸部接近時、（Ｂ）は凸部が遠ざかる時の説明図である。多層型ＧＭＲ素子とスピンバルブ型ＧＭＲ素子の磁気特性であって、（Ａ）は多層型ＧＭＲ素子、（Ｂ）はスピンバルブ型ＧＭＲ素子の磁気特性を示すグラフである。軟磁性体歯車の凸部−ＧＭＲ素子感磁面間のギャップと、ホイートストンブリッジからの検出出力電圧との関係であり、（Ａ）は多層型ＧＭＲ素子使用時、（Ｂ）はスピンバルブ型ＧＭＲ素子使用時の出力電圧特性を示すグラフである。ＧＭＲ素子間ピッチとホイートストンブリッジからの検出出力電圧との関係であり、（Ａ）は多層型ＧＭＲ素子使用時、（Ｂ）はスピンバルブ型ＧＭＲ素子使用時の出力電圧特性を示すグラフである。本発明の実施の形態２の模式的斜視図である。

符号の説明

１軟磁性体歯車
２凸部
５バイアス磁石
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４スピンバルブ型ＧＭＲ素子

Claims

少なくとも１つの凸部又は凹部を有する磁性材移動体と、磁界を発生するバイアス磁石と、前記磁性材移動体で変化された磁界に対応して抵抗値が変化する巨大磁気抵抗素子からなる移動体検出装置であって、前記巨大磁気抵抗素子がスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子であることを特徴とする移動体検出装置。
前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子を少なくとも一対用いてブリッジ回路を構成し、対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子のピン層磁化方向が互いに反平行に配置されている請求項１記載の移動体検出装置。
対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子が前記磁性材移動体の厚み方向に配設されている請求項２記載の移動体検出装置。
対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子が前記磁性材移動体と前記バイアス磁石間のギャップ方向に配設されている請求項２記載の移動体検出装置。