JP2009276216A - 磁気回転センサ - Google Patents

Abstract

【課題】被検出体である歯車に近接して配置しなくても、高感度で大きな出力の得られる磁気回転センサを得る。
【解決手段】磁気回転センサにおいて、外周に凹凸を有する回転体の外周に配置され、その回転体の回転軸の方向と同じ方向の磁束を発生するバイアス磁石と、このバイアス磁石の発生する磁束を通すようにバイアス磁石に近接して配置された板状の磁束ガイドと、この磁束ガイドよりも回転体側の位置に近接して配置され、磁束ガイド近傍の磁束方向を検出する磁気抵抗素子とを備え、回転体の外周の凹凸の位置により回転体の径方向を含む平面上における磁束ガイド近傍の磁束方向が３６０度回転して変化するように、磁束ガイドの形状が回転体の回転軸の方向と同じ方向から見て磁気抵抗素子の回転体側以外の部分を囲むような形状に構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車エンジン回転数モニター用のクランク角センサ、あるいは工作機器や電車車両等の各種機械のモーターの回転センサなどの磁気回転センサに関する。

一般に、クランク角センサなどに使用される回転センサは、磁界強度を検知する磁気回転センサが用いられ、各種機械を高精度に制御するための非接触センサとして広く利用されている。クランク角センサは自動車のエンジンに直結したクランクの回転動作をモニターするためのセンサであり、歯車の回転角度を磁気回転センサにより検知するようにしている。従来の磁気回転センサは、軟磁性材料からなる歯車を被検出体として、磁界を歯車に向けたバイアス磁石と、歯車の回転動作にともなう磁界強度の変化を検出する磁気抵抗素子とから構成されている。この磁気抵抗素子としては、ホール素子や巨大磁気抵抗素子（以下、ＧＭＲ素子と記す。）などが用いられてきた（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照。）。

特開平１１−３３７３６９号公報 特開平９−５０１６号公報 実開平３−９５９６２号公報

従来の磁気回転センサは、磁気抵抗素子により磁界強度の変化を検出するようにしていたので感度が低く、その抵抗変化率も小さいため、大きな出力が得られないという問題点があった。磁気回転センサの感度を上げるためには、磁界強度の変化を大きくする必要がある。磁界強度の変化は、被検出体である歯車と磁気回転センサとの距離依存性が大きく、感度を上げるためには、磁気回転センサと歯車を精密に近接配置する必要があった。

一方、磁気抵抗素子には磁界方向を検出するものがあり、例えば、トンネル型磁気抵抗素子（以下、ＴＭＲ素子と記す。）は、ホール素子やＧＭＲ素子に比べて、抵抗変化率が１から２桁も大きく、高感度の磁気抵抗素子として有望である。
ただし、ＴＭＲ素子は抵抗変化の飽和磁界が小さいため、他の磁気抵抗素子のように磁界強度の変化を検出することはできないので、磁気回転センサにＴＭＲ素子を用いるためには、磁界方向の変化を検出するような構成にする必要がある。

ＴＭＲ素子は、ＴＭＲ素子自身が持つ基準方向と、ＴＭＲ素子を通る磁界の方向との角度により、抵抗値が変化して、磁界方向を検出する。このため、ＴＭＲ素子の特長を最大限に活用した高感度の磁気回転センサを実現するためには、歯車の回転動作に対して磁界が１８０度、あるいはそれに近い角度で変化する磁気回路を構成する必要がある。

ところが、従来の磁気回転センサの構成では、歯車の回転にともない、磁界強度は変化するものの、磁界方向の変化はごくわずかであった。この磁界方向の変化も歯車との距離依存性が大きく、磁界方向の変化を大きくするためには、磁気回転センサと歯車を極めて近接配置する必要があり、自動車のエンジンなどに使用するためには限界があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、被検出体である歯車に近接して配置しなくても、高感度で大きな出力の得られる磁気回転センサを提供することを目的とする。

本発明に係る磁気回転センサにおいては、外周に凹凸を有する回転体の外周に配置され、その回転体の回転軸の方向と同じ方向の磁束を発生するバイアス磁石と、このバイアス磁石の発生する磁束を通すようにバイアス磁石に近接して配置された板状の磁束ガイドと、この磁束ガイドよりも回転体側の位置に近接して配置され、磁束ガイド近傍の磁束方向を検出する磁気抵抗素子とを備え、回転体の外周の凹凸の位置により回転体の径方向を含む平面上における磁束ガイド近傍の磁束方向が３６０度回転して変化するように、磁束ガイドの形状が回転体の回転軸の方向と同じ方向から見て磁気抵抗素子の回転体側以外の部分を囲むような形状に構成されたものである。

本発明によれば、磁気回転センサの磁束ガイドと、被検出体である歯車状の回転体とのバランスがとれた磁気回路を構成することができるので、回転体の外周の凹凸の位置により、磁束ガイド近傍の磁束方向を３６０度回転して変化させることが可能となる。これにより、磁束ガイド近傍に配置した磁束方向を検出する磁気抵抗素子の特長を最大限活かした、高感度、大出力の磁気回転センサを実現することができる。

実施の形態１．
実施の形態１について図面を参照して説明する。図１は実施の形態１における磁気回転センサの部品と回転体の配置を示す側面構成図であり、図２はその下面構成図である。

図１または図２に示すように、例えば、自動車のエンジンの回転動作をモニターするために、エンジンのクランク軸（図示せず。）などに直結した外周に凹凸を有する歯車状の回転体４を被検出体として、その外周に磁気回転センサが配置される。
図１において、ＴＭＲ素子１ａ、１ｂが設置された基板５と、軟磁性材料からなる板状の磁束ガイド３が、例えばアルミのような非磁性材料からなる固定金具６によって固定されている。ＴＭＲ素子１ａは信号用の素子であり、磁束ガイド３よりも回転体４側の位置に配置されている。

図２に示すように、磁束ガイド３の形状は、回転体４の回転軸の方向と同じ方向から見て、ＴＭＲ素子１ａの回転体４側以外の部分を囲むような、くの字状に構成されている。

ＴＭＲ素子１ｂは、参照用の素子であり、磁束ガイド３の位置よりも回転体４とは離れる方向に隣接して、ＴＭＲ素子１ａと同じ平面上に配置される。

また、磁界を発生するバイアス磁石２は、回転体４の外周に配置され、回転体４および磁束ガイド３の上方で、ＴＭＲ素子１ａと回転体４との間を跨ぐような位置に固定金具６によって固定されている。バイアス磁石２は、また、磁束ガイド３の位置よりも回転体４側に配置される。バイアス磁石２の着磁方向は、回転体４に対して垂直方向、すなわち、回転体４の回転軸と平行方向の磁束を発生する。図１の図面上では紙面の上下方向となる。

磁束ガイド３は、バイアス磁石２に近接して配置され、バイアス磁石２の発生する磁束を通して、磁界を制御する。磁束ガイド３に隣接して配置されたＴＭＲ素子１ａは、磁束ガイド３近傍の磁束方向を検出する。

なお、これらの磁気回転センサの部品は最終的にモールドにて封止されるので、固定金具６を使用せずに、モールドによって固定されるようにすることも可能である。

このように構成された磁気回転センサは、バイアス磁石２と磁束ガイド３と回転体４とで構成される磁気回路における、磁束ガイド３近傍の磁束方向を、回転体４の外周の凹凸の位置により大きく変化させることができる。さらに、磁束ガイド３は、ＴＭＲ素子１ａを板状に囲むような、くの字状の形状に構成されていることにより、ＴＭＲ素子１ａの配置されている磁束ガイド３近傍の磁束方向を、回転体４の外周の凹凸の位置により、回転体４の径方向を含む平面上で、３６０度回転して変化させることが可能となる。これにより、磁束方向を検出するＴＭＲ素子１ａの抵抗を最小値から最大値まで変化させることができるようになり、ＴＭＲ素子の特長を最大限に活用した、高感度、大出力の磁気回転センサを実現することができる。

なお、磁束ガイド３は、図３の変形例に示すように、実施の形態１の、くの字状の形状を、２枚の板状に分離された、ハの字状の形状の磁束ガイド３ａ、３ｂにして、ＴＭＲ素子１ａを囲むようにすることも可能であり、実施の形態１とまったく同様の効果を得ることができる。

また、磁束ガイド３は、ＴＭＲ素子１ａを囲むような形状であればよく、コの字状の形状、あるいは、図４の変形例に示すように、コの字状の形状を中央部で分割した、Ｌ字状の形状の組み合わせの磁束ガイド３ｃ、３ｄにすることも可能であり、実施の形態１とまったく同様の効果を得ることができる。
さらに、磁束ガイド３は、回転体４の回転軸の方向と同じ方向から見て、直線状である必要はなく、曲線状、例えば、半円環状の形状にして、ＴＭＲ素子１ａを囲むようにすることも可能である。
なお、図３および図４に示すように、磁束ガイドを分割することにより、基板５上に設置されたＴＭＲ素子１ａ、１ｂに接続する配線の配置を容易にすることができる。

実施の形態１の磁気回転センサにおいて、回転体の回転動作にともない、磁束ガイド近傍の磁束方向が回転する動作について、図面を参照して説明する。図５ないし図８は実施の形態１における磁気回転センサの磁束ガイド近傍の磁束方向が回転するようすを示す上面構成図であり、図９および図１０はその側面構成図である。なお、磁束ガイド３ａ、３ｂの形状は、図３に示すハの字状の場合に対応する。図中、図１ないし図３と同一符号は同一または相当の構成を示す。

図５ないし図８において、ＴＭＲ素子１ａ、１ｂの設置された位置における、回転体４の径方向を含む平面上での磁気ベクトルの方向を矢印で示す。ここで、バイアス磁石の磁極は上方をＮ極としている。なお、バイアス磁石の上方をＳ極とした場合は、すべての磁気ベクトルの方向を示す矢印の向きが逆になること以外の動作は同一であるため、以下では説明を省略する。

図５に示すように、回転体４の外周の凸部が、信号用のＴＭＲ素子１ａに最近接した場合には、その位置における磁気ベクトルは、回転体４からの磁束を磁束ガイド３ａ、３ｂの分割された中央部に引き込む方向となり、回転体４の外周から離れる方向へ向く。図面上では、紙面の右方向である。

図６に示すように、回転体４が上方から見て、右回りの矢印方向に少し回転して、凸部の角がＴＭＲ素子１ａに近接した場合には、その凸部からの磁束を磁束ガイド３ａ側に引き込む方向となり、図面上では紙面の上方向へ磁気ベクトルが向く。

図７に示すように、さらに少し回転して、回転体４の外周の凹部が、ＴＭＲ素子１ａに最近接した場合には、回転体４からの磁束よりも、磁束ガイド３ａ、３ｂの外側、すなわち、回転体４から離れる方向からの磁束を引き込む方向となり、磁気ベクトルは回転体４の方向へ向く。図面上では、紙面の左方向となる。

図８に示すように、さらにまた少し回転して、次の凸部の角がＴＭＲ素子１ａに近接した場合には、図６の場合とは逆に、その凸部からの磁束を磁束ガイド３ｂ側に引き込む方向となり、図面上では紙面の下方向へ磁気ベクトルが向く。

以上の結果から、信号用のＴＭＲ素子１ａの設置された位置における、回転体４の回転軸と垂直な平面上での磁気ベクトルの方向は、回転体４の外周の凹凸の繰り返し１回毎に、３６０度回転することになる。

一方、参照用のＴＭＲ素子１ｂの設置された位置における、回転体４の回転軸と垂直な平面上での磁気ベクトルは、回転体４の外周の凹凸の位置にかかわらず、常に回転体４の方向へ向き、ほとんどその方向が変化することはない。

図９および図１０においては、それぞれ、図５および図７に対応して、側面方向から見た場合の、信号用のＴＭＲ素子１ａを通る、回転体４の回転軸と平行な平面上での磁気ベクトルの方向を矢印で示す。

図９においては、実線で示した回転体４の外周の凸部が、ＴＭＲ素子１ａに最近接した場合には、図５に示した場合と同様に、回転体４からの磁束を磁束ガイド３ａ、３ｂに引き込む方向となり、ＴＭＲ素子１ａを通る磁気ベクトルは、回転体４の外周から離れる方向へ向く。図面上では、紙面の右方向となる。

図１０においては、逆に、破線で示した回転体４の外周の凹部が、ＴＭＲ素子１ａに最近接した場合には、図７に示した場合と同様に、磁束ガイド３ａ、３ｂの外側の回転体４から離れる方向からの磁束を引き込む方向となり、ＴＭＲ素子１ａを通る磁気ベクトルは回転体４の方向へ向く。図面上では、紙面の左方向となる。

これにより、信号用のＴＭＲ素子１ａを通る磁気ベクトルの方向は、側面方向から見ても、回転体４の外周の凹凸の繰り返し１回毎に、１８０度反転することを２回繰り返すことがわかる。

以上のように構成された磁気回転センサにおける、回転体の回転動作を検出する動作について図面を参照して説明する。図１１は実施の形態１における磁気回転センサのＴＭＲ素子と磁束ガイドの部分を示す上面構成図である。図中、図１ないし図３と同一符号は同一または相当の構成を示す。なお、以下の説明においても、磁束ガイド３ａ、３ｂの形状は、図３に示すハの字状の場合に対応する。
また、図１２は実施の形態１における磁気回転センサの回路構成図であり、図１３はその出力電圧の一例を示す出力波形図である。

図１１において、基板５に設置された信号用のＴＭＲ素子１ａと、参照用のＴＭＲ素子１ｂは、それぞれが２つのＴＭＲ素子で構成されている。参照用のＴＭＲ素子１ｂは、例えばエンジンルーム等での温度変化にともなうＴＭＲ素子の特性変化を補正するために設けられている。
これら４つのＴＭＲ素子により、図１２に示すブリッジ回路が構成され、基板５の上に配線されている（図１１には図示せず。）。基板５にはその他に、ブリッジ回路からの電気信号を増幅するためのアンプや閾値回路（図示せず。）なども搭載され、外的環境による電気ノイズの低減をはかっている。

図１２に示すブリッジ回路により、磁束方向が変化することによるＴＭＲ素子の抵抗変化は電圧信号として出力される。
信号用のＴＭＲ素子１ａの抵抗をＲ_ｓ、参照用のＴＭＲ素子１ｂの抵抗をＲ_ｒ、ブリッジ回路に印加する電圧をＶｉｎ、アンプの増幅率をＧとすると、この回路による出力電圧は次式のように表される。

ＴＭＲ素子は、ピン層と呼ばれる電子スピンの方向が固定されている層と、トンネル層を間に介して、フリー層と呼ばれる電子スピンの方向が外部磁界方向に依存する層との積層構造により構成されている。
ＴＭＲ素子の抵抗Ｒ（θ）は、外部磁界方向によって次式のように表される。

ここで、ｃｏｓθは、ＴＭＲ素子におけるピン層の電子スピンの方向を基準方向として、外部磁界方向との成す角度の余弦である。Ｒ_αとＲ_βは外部磁界の大きさには依存しないので、Ｒ（θ）は外部磁界方向のみで決まる量である。ピン層と外部磁界方向に依存するフリー層のスピンの方向が平行のときに最小値｜Ｒ_α−Ｒ_β｜、反平行のときに最大値Ｒ_α＋Ｒ_β、となる。

（式１）と（式２）から、信号用のＴＭＲ素子１ａと、参照用のＴＭＲ素子１ｂにおける外部磁界方向と出力電圧の関係が決まる。例えば、基準方向をそろえた場合には、信号用のＴＭＲ素子１ａと、参照用のＴＭＲ素子１ｂにおける外部磁界方向が同じ方向のときには、出力電圧は、０Ｖとなり、外部磁界方向が互いに逆方向のときには、出力電圧の絶対値が最大となる。

被検出体である歯車状の回転体の回転動作にともない、信号用のＴＭＲ素子１ａにおける外部磁界方向は、回転体の外周の凹凸の繰り返し１回毎に、３６０度回転するが、参照用のＴＭＲ素子１ｂにおける外部磁界方向はほとんど変化しない。これにより、磁気回転センサの出力電圧も回転体の外周の凹凸の繰り返し１回毎に、０Ｖと絶対値が最大となる動作を繰り返すことになり、大きな出力電圧を得ることが可能となる。

この結果、例えば、図１３に示すような出力波形が得られた。この出力波形は、磁気抵抗比が２５％のＴＭＲ素子を用いて、バイアス電圧を２Ｖ、ゲインが２０のアンプを用いた場合のブリッジ回路からの出力を回転体の外周の凹凸１周期分について示している。回転体の外周の凸部が磁気回転センサの信号用のＴＭＲ素子１ａに最近接した場合に、信号が最大、または、最小となる出力波形が得られる。

これは、波形歪の極めて小さな出力であり、ホール素子と比べても、１桁以上大きく安定した出力が得ることができる。より大きな磁気抵抗比のＴＭＲ素子を利用すれば、さらに１桁以上の出力を向上させることも可能である。

実施の形態１における磁気回転センサの部品と回転体の配置を示す側面構成図である。 実施の形態１における磁気回転センサの部品と回転体の配置を示す下面構成図である。 実施の形態１における磁気回転センサの磁束ガイドの変形例を示す上面構成図である。 実施の形態１における磁気回転センサの磁束ガイドの変形例を示す上面構成図である。 実施の形態１における磁気回転センサの磁束ガイド近傍の磁束方向を示す上面構成図である。 実施の形態１における磁気回転センサの磁束ガイド近傍の磁束方向を示す上面構成図である。 実施の形態１における磁気回転センサの磁束ガイド近傍の磁束方向を示す上面構成図である。 実施の形態１における磁気回転センサの磁束ガイド近傍の磁束方向を示す上面構成図である。 実施の形態１における磁気回転センサの磁束ガイド近傍の磁束方向を示す側面構成図である。 実施の形態１における磁気回転センサの磁束ガイド近傍の磁束方向を示す側面構成図である。 実施の形態１における磁気回転センサのＴＭＲ素子と磁束ガイドの部分を示す上面構成図である。 実施の形態１における磁気回転センサの回路構成図である。 実施の形態１における磁気回転センサの出力電圧の一例を示す出力波形図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ ＴＭＲ素子、
２ バイアス磁石、
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 磁束ガイド、
４ 回転体、

Claims (6)

1. 外周に凹凸を有する回転体の外周に配置され、前記回転体の回転軸の方向と同じ方向の磁束を発生するバイアス磁石と、
   このバイアス磁石の発生する磁束を通すように前記バイアス磁石に近接して配置された板状の磁束ガイドと、
   この磁束ガイドよりも前記回転体側の位置に近接して配置され、前記磁束ガイド近傍の磁束方向を検出する磁気抵抗素子とを備え、
   前記回転体の外周の凹凸の位置により前記回転体の径方向を含む平面上における前記磁束ガイド近傍の磁束方向が３６０度回転して変化するように、
   前記磁束ガイドの形状が前記回転体の回転軸の方向と同じ方向から見て前記磁気抵抗素子の前記回転体側以外の部分を囲むような形状に構成されている磁気回転センサ。
2. 前記バイアス磁石は、前記回転体および前記磁束ガイドの上方の、前記磁束ガイドの位置よりも前記回転体側に配置され、
   前記磁気抵抗素子と前記回転体との間を跨ぐように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気回転センサ。
3. 前記磁束ガイドの形状が前記回転体の回転軸の方向と同じ方向から見て、くの字状に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気回転センサ。
4. 前記磁束ガイドの形状が前記回転体の回転軸の方向と同じ方向から見て、コの字状に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気回転センサ。
5. 前記磁束ガイドの形状が前記回転体の回転軸の方向と同じ方向から見て、半円環状に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気回転センサ。
6. 前記磁気抵抗素子はトンネル型磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の磁気回転センサ。

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