JP2006038658A

JP2006038658A - 磁気検出装置及びこの装置を用いた磁気検出方法

Info

Publication number: JP2006038658A
Application number: JP2004219572A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Koseki; 栄男小関
Original assignee: Kohden Co Ltd
Current assignee: Kohden Co Ltd
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】
小型でかつ特性の向上を可能にした磁気検出装置及びこの装置を用いた磁気検出方法を提供すること。
【解決手段】
磁石の磁極面と略平行な取付面に２つの磁気抵抗素子を設け、前記磁石とこの磁石の磁極面に対向する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記２つの磁気抵抗素子を前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置にそれぞれ１つずつ配置し、この２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら２つの磁気抵抗素子を用いてハーフブリッジの等価回路を構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗素子の特性を利用して検出対象物の回転等の運動を検出する磁気検出装置に関するものであり、詳しくは、小型化しても必要な電位差を得られるとともに特性の向上を図った磁気検出装置及び磁気検出方法に関するものである。

回転する対象物を検出する磁気検出装置としてInSbを用いた半導体磁気抵抗素子やホール素子が広く知られているが、これらに比べ温度特性に優れ且つ低磁界での感度が高い等の特徴から、Fe-Ni合金からなる異方性磁気抵抗素子（以下、磁気抵抗素子と呼ぶ）を使用した磁気検出装置が期待され多くの構造が提案されている。

一般的に磁気抵抗素子は、図１１（ａ）に示すような磁気抵抗素子に対する磁気ベクトルＭの角度θについて、電流ｉと磁界中の磁気ベクトルＭとが垂直（θ＝０°、１８０°）の時に抵抗値が最小であり、電流ｉと磁界中の磁気ベクトルＭが平行（θ＝９０°、２７０°）の時に抵抗値が最大になるという特徴を有する。θ＝０°の抵抗値をρ⊥、θ＝９０°の抵抗値ρ〃とすると、ρ（θ）＝ρ⊥sinθ＋ρ〃cosθが成立する。そこで、図１１（ｂ）に示すような水平方向と垂直方向に長い２つの磁気抵抗素子からなる回路を組むことで、電圧出力（Ｖ_out）について、Ｖ_out＝Ｖ_in／２−ｋsin２θ：ｋ＝ΔρＶ_in／２（ρ⊥＋ρ〃）が成立する。この電圧出力（Ｖ_out）は、Ｖ_in／２を中点としたサインカーブを描く出力波形となり、これを用いて磁気の検出を行う。実際には、図１１（ｃ）又は（ｄ）に示すように、特性の向上をはかるために磁気抵抗素子をストライプ状に形成する。

このような磁気抵抗素子を使用した従来の磁気検出装置としては、特許文献１に開示された磁気検出装置が知られている。この磁気検出装置は、図１２（ａ）に示すように磁石２１の着磁面が、検出対象物としての歯車２４に対向し、回転方向ｕ（最接近した歯車２４の接線方向）に対して平行に設置にされている。検出対象物としての歯車２４と磁石２１の間に、支持板２２と磁気抵抗素子が蒸着された基板２３がそれぞれ同じ方向で接着されている。図１２（ｂ）に示すように磁気抵抗素子２５ａ、２５ｂは、外周側に向かうベクトルＨに対し略４５°傾けて配置されている。このような磁気抵抗素子の配置状態において歯車２４が回転すると、磁石２１から歯車２４へ向かう磁気ベクトルの方向が図１２（ｂ）に示すようにＨ１〜Ｈ２のように変化し、この変化に伴って各磁気抵抗素子の抵抗値に変化が生じる（詳細は図１３に基づき後述する）。この構造にて磁気抵抗素子の検出装置としての機能を確保している。
特開平０７−２９４５４０号公報

ここで、回転する対象物（ここでは歯車を例にする）を検出する原理ついて説明する。表面側がＮ極である磁石から発せられる磁気ベクトルは、周囲に歯車がない場合（近くに磁性体が無い場合）には、図１３（ａ）に示すように、磁石の中央近辺の磁気的中心部分を磁極面座標軸として、それぞれ方向が違うHB＋、HB−の磁気ベクトルが放射状に発生している。ここで歯車が磁石の近くで回転すると、歯車の山と谷の位置により、図１３（ｂ）［１］〜［４］のように、図１３（ａ）とは異なる座標軸で磁気ベクトルが変化する。この図１３（ｂ）［１］〜［４］のそれぞれの磁気ベクトルの変化を磁石上面から観察したものが、図１３（ｃ）［１］〜［４］である。この図１３（ｃ）［１］〜［４］からも分かるように、この変化する磁気ベクトルの状態を、磁石の磁極面座標軸でみると、周期的に方向が変わる磁気ベクトルが、磁気的中心を通る回転方向ｕに平行な軸xで線対称に現れ、かつ、図１３（ｄ）で示すように、同一方向をなす磁気ベクトルの領域は、軸xの両側に扇状に広がっている。

このように、歯車の山と谷の位置に応じて変化する磁気ベクトルから、歯車の回転等を検出する構成となっている。図１２に示す従来技術の磁気検出装置においては、磁気抵抗素子２５ａと２５ｂの成す角度は９０°であり、これらの接続中点からとり出す電位を大きく変動させるためには、磁気抵抗素子２５ａと２５ｂの各抵抗値を逆に変化させることが必要であり、そのためには磁気抵抗素子２５ａと２５ｂに同じ方向の磁気ベクトルが印加されなければならない。

図１３（ｄ）に示すように、同じ方向の磁気ベクトルを印加するためには、磁気抵抗素子２５ａ、２５ｂをバイアス磁石の中心よりHB＋とHB−のどちらか一方のかなり偏倚した位置に配置しなければならない。よって、装置の全体構造は図１２（ｂ）で示すＨ方向に大きくなってしまうという問題がある。

また、図１３（ｄ）に示す同じ方向の磁気ベクトルが印加される領域は、歯車ピッチが小さくなれば領域の間隔ｃが狭くなることは容易に想定できる。このような状態で、図１２（ｂ）に示すように磁気抵抗素子２５ａ、２５ｂが歯車の山と谷のピッチ方向（歯車の回転方向）に構成されていると、歯車ピッチにより２５ａと２５ｂの素子内で方向が違う磁気ベクトルが混在してしまい、接続中点からとり出す電位差が小さくなる、という欠点が生じてしまう。これを解決しようと磁気抵抗素子２５ａ、２５ｂの幅（図１２（ｂ）で示すｑ）を小さくしたとしても、磁気抵抗素子の全体の感磁面面積が小さくなり、結果的には電位差は小さく、さらにノイズが影響し特性的に不安定になってしまうという欠点が生じてしまう。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、小型でかつ特性の向上を可能にし、さらに検出対象物の正転、反転を識別可能な磁気検出装置及びこの装置を用いた磁気検出方法を提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１は、磁石の磁極面と略平行な取付面に２つの磁気抵抗素子を設け、前記磁石とこの磁石の磁極面に対向する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記２つの磁気抵抗素子を前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置にそれぞれ１つずつ配置し、この２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら２つの磁気抵抗素子を用いてハーフブリッジの等価回路を構成したことを特徴とする磁気検出装置である。

本発明の請求項２は、磁石の磁極面と略平行な取付面に４つの磁気抵抗素子を設け、前記磁石とこの磁石の磁極面に対向する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記４つの磁気抵抗素子を、前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置で、この磁気的中心軸に近い位置と遠い位置とにそれぞれ１つずつ配置し、前記磁気的中心軸に近い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、前記磁気的中心軸から遠い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°（又は１３５°）の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら４つの磁気抵抗素子を用いてフルブリッジの等価回路を構成したことを特徴とする磁気検出装置である。

本発明の請求項３は、磁石の磁極面と略平行な取付面に設けた４つの磁気抵抗素子によって、所定距離λ毎に被検出部を有する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの周期的な変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記４つの磁気抵抗素子のうち２つの磁気抵抗素子を前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置にそれぞれ１つずつ配置し、この２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、この２つの磁気抵抗素子を用いてハーフブリッジの等価回路を構成し、前記４つの磁気抵抗素子のうち残りの２つの磁気抵抗素子を用いて同様にハーフブリッジの等価回路を構成し、これら２組のハーフブリッジの等価回路を磁気的中心軸上において前記検出対象物の所定距離λの略１／４だけ離間させて基板上に構成し、かつ、磁石は磁気的中心軸が検出対象物の運動方向に対して平行となるように設けたことを特徴とする磁気検出装置である。

本発明の請求項４は、磁石の磁極面と略平行な取付面に設けた８つの磁気抵抗素子によって、所定距離λ毎に被検出部を有する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの周期的な変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記８つの磁気抵抗素子のうち４つの磁気抵抗素子を、前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置で、この磁気的中心軸に近い位置と遠い位置とにそれぞれ１つずつ配置し、前記磁気的中心軸に近い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、前記磁気的中心軸から遠い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°（又は１３５°）の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら４つの磁気抵抗素子を用いてフルブリッジの等価回路を構成し、前記８つの磁気抵抗素子のうち残りの４つの磁気抵抗素子を用いて同様にフルブリッジの等価回路を構成し、これら２組のフルブリッジの等価回路を磁気的中心軸上において前記検出対象物の所定距離λの略１／４だけ離間させて基板上に構成し、かつ、磁石は磁気的中心軸が検出対象物の運動方向に対して平行となるように設けたことを特徴とする磁気検出装置である。

本発明の請求項５は、請求項１又は２に加えて、磁石は、磁極面を長辺と短辺からなる長方形に形成して長辺側と平行に磁気的中心軸を設けたことを特徴とする磁気検出装置である。

本発明の請求項６は、請求項３又は４に加えて、磁石は、磁極面を長辺と短辺からなる長方形に形成して長辺側と平行に磁気的中心軸を設けると共に、長辺の長さが検出対象物の所定距離λの長さ以上となるように構成したことを特徴とする磁気検出装置である。

本発明の請求項７は、磁石の磁極面と略平行な取付面に２つの磁気抵抗素子を設け、前記磁石とこの磁石の磁極面に対向する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記２つの磁気抵抗素子を前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置にそれぞれ１つずつ配置し、この２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら２つの磁気抵抗素子を用いてハーフブリッジの等価回路を構成したことを特徴とする磁気検出装置を構成し、この磁気検出装置を、前記磁気的中心軸と、検出対象物と磁石との相対的運動方向とが０°乃至±４５°の角度となるように検出対象物に対向させて設置し、この状態で磁石と検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにしたことを特徴とする磁気検出方法である。

本発明の請求項８は、磁石の磁極面と略平行な取付面に４つの磁気抵抗素子を設け、前記磁石とこの磁石の磁極面に対向する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記４つの磁気抵抗素子を、前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置で、この磁気的中心軸に近い位置と遠い位置とにそれぞれ１つずつ配置し、前記磁気的中心軸に近い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、前記磁気的中心軸から遠い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°（又は１３５°）の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら４つの磁気抵抗素子を用いてフルブリッジの等価回路を構成したことを特徴とする磁気検出装置を、前記磁気的中心軸と、検出対象物と磁石との相対的運動方向とが０°乃至±４５°の角度となるように検出対象物に対向させて設置し、この状態で磁石と検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにしたことを特徴とする磁気検出方法である。

請求項１記載の発明によれば、磁石の磁気的中心軸に対して対称となる位置に互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となるように延伸させて２つの磁気抵抗素子を設け、これらを用いてハーフブリッジの等価回路を構成することで、磁石を小型化しても接続中点からとり出す電位差は従来技術構造より大きくすることができ、また、傾斜、スラスト移動、ギャップとモジュールがある程度の範囲内であれば、良好な電位差を得ることができ、歯車に対して磁気検出装置を設置する際の位置決めは、従来技術に比べて許容範囲が非常に広がった。

請求項２記載の発明によれば、前記４つの磁気抵抗素子を、前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置で、この磁気的中心軸に近い位置と遠い位置とにそれぞれ１つずつ配置し、前記磁気的中心軸に近い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、前記磁気的中心軸から遠い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°（又は１３５°）の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら４つの磁気抵抗素子を用いてフルブリッジの等価回路を構成したので、磁石を小型化しても接続中点からとり出す電位差は従来技術構造より大きくすることができ、また、傾斜、スラスト移動、ギャップとモジュールがある程度の範囲内であれば、良好な電位差を得ることができ、歯車に対して磁気検出装置を設置する際の位置決めは、従来技術に比べて許容範囲が非常に広がった。さらに、フルブリッジの等価回路なので、他方の出力を差動信号やリファレンス信号として利用できる。

請求項３記載の発明によれば、２組のハーフブリッジの等価回路を磁気的中心軸上において前記検出対象物の所定距離λの略１／４だけ離間させて基板上に設けることで、２つのブリッジ回路からの出力信号は約π／２の位相差を持つようになり、この位相差を利用することで歯車の正転と反転を判別することが可能となる。

請求項４記載の発明によれば、２組のフルブリッジの等価回路を磁気的中心軸上において前記検出対象物の所定距離λの略１／４だけ離間させて基板上に設けることで、２つのブリッジ回路からの出力信号は約π／２の位相差を持つようになり、この位相差を利用することで歯車の正転と反転を判別することが可能となる。

請求項５記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加えて、磁石を長方形に形成して長辺側を磁気的中心軸とすることで、ブリッジ回路で得られる電位差を大きくすることができる。

請求項６記載の発明によれば、請求項３又は４の効果に加えて、磁石の磁極面を長辺と短辺からなる長方形に形成して長辺側を磁気的中心軸とすると共に長辺の長さが検出対象物の所定距離λの長さ以上となるように構成したので、２つのブリッジ回路からの出力信号が安定して約π／２の位相差を持つようになり、歯車の正転と反転をより正確に判別することが可能となる。

請求項７記載の発明によれば、磁気的中心軸に対して対称となる位置でかつ互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させた２つの磁気抵抗素子を用いてハーフブリッジの等価回路を形成した磁気検出装置を、前記磁気的中心軸と、検出対象物と磁石との相対的運動方向とが０°乃至±４５°の角度となるように検出対象物に対向させて設置し、この状態で磁石と検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした検出方法なので、磁石を小型化しても接続中点からとり出す電位差は従来技術構造より大きくすることができ、また、検出装置を０°乃至±４５°の角度だけ傾けて検出対象物に対向させて設置しても良好な電位差を得ることができ、さらに、スラスト移動、ギャップとモジュールがある程度の範囲内であれば、良好な電位差を得ることができ、磁気検出装置を設置する際の位置決めの許容範囲は、従来技術に比べて非常に広がった磁気検出方法となっている。

請求項８記載の発明によれば、４つの磁気抵抗素子を、前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置で、この磁気的中心軸に近い位置と遠い位置とにそれぞれ１つずつ配置し、前記磁気的中心軸に近い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、前記磁気的中心軸から遠い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°（又は１３５°）の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら４つの磁気抵抗素子を用いてフルブリッジの等価回路を形成した磁気検出装置を、磁気的中心軸と、検出対象物と磁石との相対的運動方向とが０°乃至±４５°の角度となるように検出対象物に対向させて設置し、この状態で磁石と検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした検出方法なので、磁石を小型化しても接続中点からとり出す電位差は従来技術構造より大きくすることができ、また、検出装置を０°乃至±４５°の角度だけ傾けて検出対象物に対向させて設置しても良好な電位差を得ることができ、さらに、スラスト移動、ギャップとモジュールがある程度の範囲内であれば、良好な電位差を得ることができ、磁気検出装置を設置する際の位置決めの許容範囲は、従来技術に比べて非常に広がった磁気検出方法となっている。

本発明による磁気検出装置は、磁石の磁極面と略平行な取付面に２つの磁気抵抗素子を設け、前記磁石とこの磁石の磁極面に対向する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記２つの磁気抵抗素子を前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置にそれぞれ１つずつ配置し、この２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら２つの磁気抵抗素子を用いてハーフブリッジの等価回路を構成したことを特徴とするものである。このような構成とすることで、アジマス、スラスト移動、ギャップ長等の変化があっても一定範囲内で良好な電位差を得られる磁気検出装置となる。
また、さらに磁気抵抗素子２つを追加してフルブリッジの等価回路を構成することで、２つ目の出力信号を差動信号又はリファレンス信号として用いることもできる。
さらに、このようなハーフブリッジの等価回路又はフルブリッジの等価回路を２組用いて、これら２組のブリッジ回路を周期ピッチλの略１／４だけ離間させて基板上に構成することで、歯車等の検出対象物の正転と反転を識別可能な磁気検出装置を得ることができる。
以下、具体的な実施例について図面を用いながら説明を行う。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の磁気検出装置の構成を示したものである。図１（ａ）において、磁石１１は保持体１２に設置され、この保持体１２の磁石１１を設置した側と反対の面には基板１３が設置されており、この基板１３の表面を取付面として磁気抵抗素子１４ａ、１４ｂが設けられている。これらの磁石１１、保持体１２及び基板１３を組合わせたものは、基板１３の表面及び磁石１１の磁極面が歯車１５の接線と平行となるように設ける。なお、図１（ａ）に示すように、磁石１１は、歯車１５に対向している側の表面がＮ極、裏側表面がＳ極となるように配置している。

この図１（ａ）に示す磁気検出装置の構成を横向きにして矢印Ａの方向から見たものが、図１（ｂ）であり、この図１（ｂ）に示すように、磁石１１及び基板１３が歯車１５の高さ方向の略中心に来るように設置し、かつ、磁石１１の磁極面における磁気的中心を通る軸ｘ（以下、磁気的中心軸ｘという）と歯車１５の回転方向ｕとが平行となるように設置する。また、基板１３の表面の磁気抵抗素子１４ａ、１４ｂは、図１（ｃ）に示すように、磁石の磁極面の磁気的中心軸ｘから対称となる位置でハーフブリッジの等価回路を構成し、２つの磁気抵抗素子１４ａ、１４ｂは磁気的中心軸ｘに対して略４５°（又は、略１３５°）の同一方向に延伸して配置する。なお、磁気的中心軸ｘとは、図１３（ａ）に示すような磁気ベクトルが放射状に発せられるその中心である磁気的中心を通る架空の軸ｘのことであり、例えば、磁極面が円形である場合には軸ｘはどの方向にも定義可能なものであるが、本実施例のように磁極面を長方形で形成した場合には、磁気的中心軸ｘは長辺と平行に形成されるものとする（後述する図３（ｂ）のイメージ）。また、本明細書中において磁気的中心軸ｘと言う場合には、磁極面上における磁気的中心を通る軸のみを表すのではなく、図１（ｃ）に示すように、磁極面に垂直な方向から観察した場合に基板１３上で磁気的中心と重なるように配置された軸も含んだものとして、以下、磁気的中心軸ｘを用いるものとする。

このように構成した理由は、図１３（ｄ）に示すように、同じ方向の磁気ベクトルが印加される領域が磁気的中心軸ｘに対して線対称に発生している現象を利用するためである。歯車の位置が山又は谷の場合には、略４５°の同一方向に延伸した２つの磁気抵抗素子１４ａ、１４ｂに対して、それぞれ４５°の角度を持って磁気ベクトルが印加されるため、２つの磁気抵抗素子１４ａ、１４ｂの抵抗値は略同じとなるが、歯車の位置が山と谷の中間の場合には、一方の磁気抵抗素子には感磁方向に水平に近い磁気ベクトルが印加され、他方の磁気抵抗素子には感磁方向に垂直に近い磁気ベクトルが印加されるため、２つの磁気抵抗素子１４ａ、１４ｂの抵抗値が最大と最小をとることとなり、この場合のハーフブリッジの等価回路から得られる電位差は最大となる。このように、図１３（ｄ）に示す領域が磁気的中心軸ｘに対して線対称に発生している部分に２つの磁気抵抗素子１４ａ、１４ｂを配置することで、従来技術と異なり、磁石の中央部分に磁気抵抗素子を配置しても大きな電位差を得られる磁気検出装置を構成することができる。

より詳細な構成としては、例えば、基板１３を絶縁膜付きSiとし、その表面に図２（ａ）に示す磁界強度−出力電圧特性を持つ磁気抵抗素子１４ａ、１４ｂを用いてハーフブリッジの等価回路を構成し、その際に、図２（ｂ）に示すように、横方向（磁気的中心軸ｘの方向）に０．８mm、縦方向に１．８mmの長さを有する感磁面を形成して構成し、この感磁面と磁石の磁極面との間隔（Si基板厚＋保持体厚）を１．０mmで固定した。また、歯車１５としてはピッチ円の直径５０．０mm、歯数５０、JIS規格モジュール１．０（JIS規格モジュール（M）＝歯車直径／歯数）、厚さ６．０mmのものを使用し、この歯車１５の歯先から磁気抵抗素子の感磁面までの距離（ギャップ）を０．５mmとした。このようにして構成した磁気検出装置の特性を検討するために、以下、実験結果を用いながら説明する。

（１）磁石の磁極面の形状の影響
上記磁気検出装置の構成について説明した際には、磁石の磁極面の形状については触れなかったが、磁石の磁極面の形状と磁気検出装置で検出される電位差との関係を検討する。磁石１１としてはフェライトを用いたものを使用し、図１（ｃ）に示す磁石１１のように、縦方向の長さをｖ、横方向（磁気的中心軸ｘの方向）の長さをｗとし、磁石の厚さを２．０mmとした状態で、これらのｖ、ｗの長さを変更しながら磁気検出装置で検出される電位差を測定する。その測定結果を図３（ａ）に示す。この図３（ａ）からも分かるように、ｖ≧ｗの場合よりもｖ＜ｗの場合のほうが測定電位差が大きくなっている。当然、磁気検出装置としては電位差を大きくとれることが望ましく、よって、磁石１１の形状としては、ｖ＜ｗとなるように構成することが望ましい。
また、ｗ方向の中心より磁気抵抗素子がずれても電位差に大きく影響しないことがわかった。言及すれば基板と磁石の取り付けに際し高度な位置精度を要求しないということである。このことは、図３（ｂ）で示すように、ｗ方向に磁気的中心が点状より線状になり広がったと理解できる。

（２）基板と磁石の傾斜の影響
図４（ａ）に示すように、保持体１２（図示省略）によって固定された磁石１１と基板１３との全体を、歯車１５の回転方向ｕに対して傾斜させた場合の磁気検出装置で検出される電位差について検討した。条件としては、磁石の磁極面の大きさをｖ＝３．０mm、ｗ＝４．０mmとし、磁気的中心軸ｘが、歯車の回転方向ｕと平行（０°）の位置から図４（ａ）に示すように基板付磁石を傾斜（アジマス）させ電位差を測定した。その結果、図４（ｂ）で示すように、歯車の回転方向ｕと平行（0°）の場合が最も高い電位差を得られ、また、±４５°の傾角の場合でも支障のない電位差を得ることができ、広いアジマス許容範囲を持つことが分かった。

（３）スラスト移動の影響
図５（ａ）に示すように、保持体１２（図示省略）によって固定された磁石１１と基板１３との全体を、歯車の回転方向ｕの接線ｚ上（スラスト）で移動させた場合の磁気検出装置で検出される電位差を測定した。その結果、図５（ｂ）に示すように、スラスト方向でも±歯車ピッチ分の距離（歯車ピッチ＝π×M、モジュール１の場合：1．０×π＝３．１４mm）であれば電位差に支障がなく、広い許容範囲を持つことがわかった。

（４）ギャップとモジュールの影響
歯車のモジュールが０．５、１．０、２．０の場合について、それぞれ歯先から磁気抵抗素子の感磁面との間隔（ギャップ）を変化させながら磁気検出装置で検出される電位差を測定した。その結果、図６に示すように、モジュール０．５以上で支障ない電位差を得られることが分かった。

（５）従来技術との比較
上記（４）で検討した歯車のモジュールが０．５及び１．０の場合のギャップとモジュールの関係について、従来技術と比較検討を行った。図２（ａ）で示す特性の磁気抵抗素子を図７（ａ）に示すように感磁方向を９０°ずらして等価回路を構成し、磁石の磁極面をΦ5．０mm、厚さを２．０mmとし、磁気抵抗素子の位置を磁石の中央から適正な位置に偏倚した従来技術品と、磁石の面積が３．０mm×４．０mm（従来技術の磁石より小さい）で厚さが２．０mmのものを用いた図７（ｂ）に示す本発明品とで、歯先から磁気抵抗素子の感磁面との間隔（ギャップ）との関係を電位差で測定した。その結果、図７（ｃ）に示すように、従来技術品よりも本発明品の方が磁石は小さいにもかかわらず、高い電位差を得ることができた。

このように、本発明の磁気検出装置は、従来技術とは違い図１３（ｃ）に示す磁気的中心に対して対称の方向となる磁気ベクトルを利用する為に、同じ方向に延伸する磁気抵抗素子を用いた構成となっており、この磁気抵抗素子を離間せずに磁石の中央近辺に配置しているため、図３（ｄ）に示す領域を有効に活用し小型化を可能にしている。また、磁気抵抗素子１４ａ、１４ｂが歯車の回転方向ｕに対して垂直に形成されているため、歯車ピッチの影響で接続中点からとり出す電位差が低下することを抑えられる。さらに、磁石を小型化しても接続中点から取出す電位差は従来技術構造より大きいことが分かった。

また、上記（２）〜（４）で述べたように、傾斜、スラスト移動、ギャップとモジュールについては、ある程度の範囲内であれば、良好な電位差を得ることができ、よって、歯車に対して磁気検出装置を設置する際の位置決めは、従来技術に比べて許容範囲が非常に広がったと言える。

この実施例１における磁気検出装置は、図８（ａ）に示すように、感磁面を同一面積の正方形で形成した磁気抵抗素子１４ａ、１４ｂを、磁気的中心軸ｘに対して対称となる位置に頂点同士が向き合うように配置し、この２つの磁気抵抗素子の感磁方向が磁気的中心軸ｘに対して略４５°（又は、略１３５°）の同一方向となるように延伸して構成した。しかし、これはほんの一例であり、例えば図８（ｂ）に示すように、感磁面を同一面積の正方形で形成した磁気抵抗素子を、磁気的中心軸ｘに対して対称となる位置に辺同士が向き合うように配置してもよいし、図８（ｃ）に示すように、感磁面を同一面積の三角形で形成した磁気抵抗素子を、磁気的中心軸ｘに対して対称となる位置に頂点同士が向き合うように配置してもよい。このように、同一面積で同一形状、かつ、感磁方向が同一方向である２つの磁気抵抗素子を磁気的中心軸ｘに対して対称となる位置に配置するものであれば、実施例に限らず、本発明の効果を得ることができる。

前記実施例１においては、２つの磁気抵抗素子を用いてハーフブリッジの等価回路を構成し、このハーフブリッジの等価回路に生じる電位差を用いて歯車の回転等を検出する磁気検出装置について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、感磁方向が同一方向（磁気的中心軸ｘに対して略４５°又は略１３５°傾斜した方向）である２つの磁気抵抗素子１６ａ、１６ｂを磁気的中心軸ｘに対して対称となる位置に配置し、さらに外側に、感磁方向が同一方向である２つの磁気抵抗素子１７ａ、１７ｂを磁気的中心軸ｘに対して対称となる位置に配置して、これら４つの磁気抵抗素子を用いてフルブリッジの等価回路を構成するようにしてもよい。この場合、外側に設けた２つの磁気抵抗素子１７ａ、１７ｂの感磁方向は、図９（ａ）に示すように、内側に設けた２つの磁気抵抗素子１６ａ、１６ｂの感磁方向と垂直な方向としてもよいし、また、図９（ｂ）に示すように、内側に設けた２つの磁気抵抗素子１６ａ、１６ｂの感磁方向と同一方向としてもよい。

これら４つの磁気抵抗素子を用いてフルブリッジの等価回路を組むことで、歯車の回転等を検出するためのメイン出力（Out２）と、メイン出力の後回路処理において制御の確かさを向上するために利用するサブ出力（Out１）の２つの出力を得ることができる。接続例としては、図９（ａ）のように配置した磁気抵抗素子を用いて、図９（ｃ）又は（ｄ）のように接続した場合には、図９（ｅ）又は（ｆ）に示すような波形が得られ、これらのOut１信号は差動信号として利用することができる。また、図９（ｂ）のように配置した磁気抵抗素子を用いて、図９（ｃ）のように接続した場合には、図９（ｇ）に示すような波形が得られ、このOut１信号はリファレンス信号として利用することができる。

前記実施例１では、２つの磁気抵抗素子を用いてハーフブリッジの等価回路を構成した磁気検出装置について説明し、前記実施例４では、４つの磁気抵抗素子を用いてフルブリッジの等価回路を構成した磁気検出装置について説明した。これらの磁気検出装置を用いることにより、歯車の回転を検出することが可能であったが、本発明の更なる応用として、歯車の正転と反転を判別するための構成を以下に述べる。

図１０（ｂ）に示すように、基板上に磁気的中心軸ｘの方向に中心を約１／４×λだけ離間させて２つのハーフブリッジの等価回路を形成する。ここでλは、図１０（ａ）に示すように、歯の高さの中点を通る円周上の同一点を結んだ隣の歯との距離を表した歯車ピッチλである。或いは、同様に、図１０（ｃ）に示すように、基板上に磁気的中心軸ｘの方向に中心を約１／４×λだけ離間させて２つのフルブリッジの等価回路を形成する。この図１０（ｂ）又は（ｃ）のように構成した２つのブリッジ回路からの出力信号は約π／２の位相差を持つようになり、この位相差を利用することで歯車の正転と反転を判別することが可能となる。

ここで、位相差と電位差を揃えるためには、磁気的中心軸ｘが歯車の回転方向に対して略平行であることが条件の一つとなる。また、二つ目の条件としては、図１３（ａ）で示すような磁気ベクトルが、離間させた２つのブリッジ回路に同等に掛かることが必要である。これを満たすための構成としては、磁石の幅ｗを約λ≦ｗとすることで支障のない特性を得て実現性の確認ができた。

前記実施例では、検出対象物として歯車１５を例に挙げて説明を行ったが、本発明はこれに限られるものではなく、歯車以外であっても、短冊状や櫛歯状の対象物等であってもよく、また、回転運動をするもののみならず、スライド移動などの水平方向に移動する場合などであってもよい。このような場合には、運動によって磁性体材料と非磁性体材料とが交互に繰り返すことで磁気ベクトルが変化するようにしてもよいし、何らかの方法で運動と共に磁気ベクトルが変化する構成であれば、本発明の磁気検出装置を適用可能である。この場合に、前記実施例で歯車としていたものを検出対象物とし、回転方向と表現していたものは運動方向と表現し、歯車ピッチと表現していたものは周期ピッチと表現することで一般性を得る。

前記実施例では、図１（ａ）に示すように、検出対象物である歯車１５と磁石１１との間に保持体１２を介して基板１３を設け、この基板１３の表面に磁気抵抗素子を配置して構成しており、歯車１５に対向した側の磁石１１の磁極面（Ｎ極）から発せられる磁気ベクトルの変化によって歯車の回転を検出していた。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、磁石１１の２つの磁極面のうち歯車１５に対向した側に基板１３を設けるのではなく、歯車１５に対向した側とは反対側（Ｓ極側）に保持体１２を介して基板１３を設け、この基板１３の表面に磁気抵抗素子を配置して構成してもよい。このように構成しても、歯車１５が回転することによって磁気ベクトルに変化が生じ、この磁気ベクトルの変化を磁石１１の裏面側に配置した磁気抵抗素子でも検出することができ、十分に磁気検出装置として機能する。

（ａ）は、本発明による磁気検出装置の構成を示した模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の磁気検出装置をＡ線側から見た模式図で、（ｃ）は、（ａ）の磁気検出装置の基板１３の表面を拡大した模式図である。（ａ）は、図１の磁気検出装置において使用している磁気抵抗素子の磁界強度−出力電圧特性を表したグラフであり、（ｂ）は、磁気抵抗素子を配置する場合の寸法を表した模式図である。（ａ）は、図１の磁気検出装置における磁石１１の寸法と測定した電位差との関係を表したグラフであり、（ｂ）は、磁石の寸法をｖ＜ｗとすることで磁気的中心が点状から線状に変化するイメージを表した模式図である。（ａ）は、固定された磁石１１と基板１３との全体を歯車１５の回転方向ｕに対して傾斜させる様子を表した模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の場合における傾斜角θと測定した電位差との関係を表したグラフである。（ａ）は、固定された磁石１１と基板１３との全体を歯車の回転方向ｕの接線ｚ上（スラスト）で移動させる様子を表した模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の場合における移動距離と測定した電位差との関係を表したグラフである。歯車のモジュールが０．５、１．０、２．０のそれぞれについて、歯先から磁気抵抗素子の感磁面との間隔（ギャップ）と磁気検出装置で検出される電位差との関係を表したグラフである。（ａ）は、従来技術による磁気検出装置の構成を表した模式図で、（ｂ）は、本発明による磁の気検出装置の構成を表した模式図で、（ｃ）は、従来技術の磁気検出装置と本発明の磁気検出装置のそれぞれで、歯車のモジュールが０．５、１．０の場合について、歯先から磁気抵抗素子の感磁面との間隔（ギャップ）と磁気検出装置で検出される電位差との関係を表したグラフである。（ａ）〜（ｃ）は、磁気抵抗素子を用いてハーフブリッジの等価回路を構成する場合において、各磁気抵抗素子の感磁面の形成例を表した模式図である。（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２実施例としてフルブリッジの等価回路を構成する場合の４つの磁気抵抗素子の配置例を表した模式図であり、（ｃ）及び（ｄ）は、４つの磁気抵抗素子の異なる２つの接続例を表した回路図であり、（ｅ）、（ｆ）及び（ｇ）は、出力波形の例を表した模式図である。（ａ）は、歯車ピッチλの表す距離を表した模式図であり、（ｂ）は、ハーフブリッジ回路を２組用いて構成した歯車の正転と反転を判別可能な磁気検出装置を表した模式図であり、（ｃ）は、フルブリッジ回路を２組用いて構成した歯車の正転と反転を判別可能な磁気検出装置を表した模式図である。（ａ）及び（ｂ）は、磁気抵抗素子の原理説明に用いた模式図であり、（ｃ）及び（ｄ）は、磁気抵抗素子を用いて磁気検出装置の感磁面を形成する場合の従来の構成例を表した模式図である。（ａ）は、従来技術による磁気検出装置の構成を示した模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の磁気検出装置の基板１３の表面側を観察した模式図である。（ａ）は、歯車のない状態での磁石から出る磁気ベクトルの様子を表した模式図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、歯車の歯の位置に応じて変化する磁気ベクトルの様子を表した模式図であり、（ｄ）は、磁気ベクトルが同一方向となる領域を表した模式図である。

符号の説明

１１…磁石、１２…保持体、１３…基板、１４…磁気抵抗素子、１５…歯車、１６…磁気抵抗素子、１７…磁気抵抗素子、２１…磁石、２２…保持体、２３…基板、２４…歯車、２５…磁気抵抗素子。

Claims

磁石の磁極面と略平行な取付面に２つの磁気抵抗素子を設け、前記磁石とこの磁石の磁極面に対向する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記２つの磁気抵抗素子を前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置にそれぞれ１つずつ配置し、この２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら２つの磁気抵抗素子を用いてハーフブリッジの等価回路を構成したことを特徴とする磁気検出装置。
磁石の磁極面と略平行な取付面に４つの磁気抵抗素子を設け、前記磁石とこの磁石の磁極面に対向する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記４つの磁気抵抗素子を、前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置で、この磁気的中心軸に近い位置と遠い位置とにそれぞれ１つずつ配置し、前記磁気的中心軸に近い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、前記磁気的中心軸から遠い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°（又は１３５°）の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら４つの磁気抵抗素子を用いてフルブリッジの等価回路を構成したことを特徴とする磁気検出装置。
磁石の磁極面と略平行な取付面に設けた４つの磁気抵抗素子によって、所定距離λ毎に被検出部を有する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの周期的な変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記４つの磁気抵抗素子のうち２つの磁気抵抗素子を前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置にそれぞれ１つずつ配置し、この２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、この２つの磁気抵抗素子を用いてハーフブリッジの等価回路を構成し、前記４つの磁気抵抗素子のうち残りの２つの磁気抵抗素子を用いて同様にハーフブリッジの等価回路を構成し、これら２組のハーフブリッジの等価回路を磁気的中心軸上において前記検出対象物の所定距離λの略１／４だけ離間させて基板上に構成し、かつ、磁石は磁気的中心軸が検出対象物の運動方向に対して平行となるように設けたことを特徴とする磁気検出装置。
磁石の磁極面と略平行な取付面に設けた８つの磁気抵抗素子によって、所定距離λ毎に被検出部を有する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの周期的な変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記８つの磁気抵抗素子のうち４つの磁気抵抗素子を、前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置で、この磁気的中心軸に近い位置と遠い位置とにそれぞれ１つずつ配置し、前記磁気的中心軸に近い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、前記磁気的中心軸から遠い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°（又は１３５°）の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら４つの磁気抵抗素子を用いてフルブリッジの等価回路を構成し、前記８つの磁気抵抗素子のうち残りの４つの磁気抵抗素子を用いて同様にフルブリッジの等価回路を構成し、これら２組のフルブリッジの等価回路を磁気的中心軸上において前記検出対象物の所定距離λの略１／４だけ離間させて基板上に構成し、かつ、磁石は磁気的中心軸が検出対象物の運動方向に対して平行となるように設けたことを特徴とする磁気検出装置。
磁石は、磁極面を長辺と短辺からなる長方形に形成して長辺側と平行に磁気的中心軸を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気検出装置。
磁石は、磁極面を長辺と短辺からなる長方形に形成して長辺側と平行に磁気的中心軸を設けると共に、長辺の長さが検出対象物の所定距離λの長さ以上となるように構成したことを特徴とする請求項３又は４記載の磁気検出装置。
磁石の磁極面と略平行な取付面に２つの磁気抵抗素子を設け、前記磁石とこの磁石の磁極面に対向する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記２つの磁気抵抗素子を前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置にそれぞれ１つずつ配置し、この２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら２つの磁気抵抗素子を用いてハーフブリッジの等価回路を構成したことを特徴とする磁気検出装置を構成し、この磁気検出装置を、前記磁気的中心軸と、検出対象物と磁石との相対的運動方向とが０°乃至±４５°の角度となるように検出対象物に対向させて設置し、この状態で磁石と検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにしたことを特徴とする磁気検出方法。
磁石の磁極面と略平行な取付面に４つの磁気抵抗素子を設け、前記磁石とこの磁石の磁極面に対向する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした磁気検出装置において、前記取付面上に、磁気的中心を通る任意の磁気的中心軸を設定し、前記４つの磁気抵抗素子を、前記磁気的中心軸の両側の対称となる位置で、この磁気的中心軸に近い位置と遠い位置とにそれぞれ１つずつ配置し、前記磁気的中心軸に近い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°の角度となる同一方向に延伸させて設け、前記磁気的中心軸から遠い側の２つの磁気抵抗素子は、互いの感磁方向が磁気的中心軸に対して略４５°（又は１３５°）の角度となる同一方向に延伸させて設け、これら４つの磁気抵抗素子を用いてフルブリッジの等価回路を構成したことを特徴とする磁気検出装置を、前記磁気的中心軸と、検出対象物と磁石との相対的運動方向とが０°乃至±４５°の角度となるように検出対象物に対向させて設置し、この状態で磁石と検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにしたことを特徴とする磁気検出方法。