JP2009300143A - Magnetic position detecting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば回転移動体の移動量や位置を検出する磁気式位置検出装置に関する。 The present invention relates to a magnetic position detection device that detects, for example, the amount and position of a rotary moving body.
従来の磁気式位置検出装置は、N極及びS極が着磁ピッチλで交互に着磁された回転移動体(磁気ドラム)と、上記回転移動体の磁界強度を検知する磁気センサとを備える。磁気センサとしては、磁界の変化によって素子の抵抗値が変化する磁気抵抗素子(MR素子)や、磁界の変化によって素子の出力電圧が変化するホール素子が用いられる。又、従来、磁気式位置検出装置におけるMR素子には、異方性磁気抵抗素子(AMR素子)が用いられている。AMR素子では、流す電流方向をAMR素子の磁化容易軸方向に設定し、磁化容易軸方向に直交した方向(磁化困難軸方向)に磁界を印加した場合のみ抵抗値が変化する。このようなAMR素子では、AMR素子の磁界に対する抵抗変化の特性(以下、「MRカーブ」と記す。)は、磁界の極性によって抵抗変化が異なるヒステリシス特性を有している。 A conventional magnetic position detecting device includes a rotary moving body (magnetic drum) in which N and S poles are alternately magnetized at a magnetization pitch λ, and a magnetic sensor that detects the magnetic field strength of the rotary moving body. . As the magnetic sensor, a magnetoresistive element (MR element) in which the resistance value of the element changes due to a change in the magnetic field, or a Hall element in which the output voltage of the element changes due to the change in the magnetic field is used. Conventionally, an anisotropic magnetoresistive element (AMR element) is used as an MR element in a magnetic position detecting device. In the AMR element, the resistance value changes only when the direction of the flowing current is set to the easy axis direction of the AMR element and a magnetic field is applied in a direction orthogonal to the easy axis direction (hard axis direction). In such an AMR element, the resistance change characteristic (hereinafter referred to as “MR curve”) of the AMR element with respect to the magnetic field has a hysteresis characteristic in which the resistance change varies depending on the polarity of the magnetic field.
又、近年、AMR素子に比べ、より大きな磁界に対してより大きな抵抗変化を生じる巨大磁気抵抗素子(GMR素子)や、トンネル磁気抵抗素子(TMR素子)が開発されている。例えば、交換結合型GMR素子は、流す電流方向をGMR素子の磁化容易軸方向に設定し、素子面内に磁界が印加された場合に抵抗値が変化し、又、形状異方性を有する。GMR素子が例えば縦長のストライプ形状にてなる場合、電流方向すなわち素子長手方向に対して、磁界が平行の場合と、磁界が直交の場合とでは、それぞれのMRカーブは異なる。 In recent years, giant magnetoresistive elements (GMR elements) and tunneling magnetoresistive elements (TMR elements) that cause a larger resistance change with respect to a larger magnetic field than AMR elements have been developed. For example, in an exchange coupling type GMR element, the direction of current to flow is set to the easy axis of magnetization of the GMR element, the resistance value changes when a magnetic field is applied in the element plane, and the shape anisotropy is present. When the GMR element has, for example, a vertically long stripe shape, the MR curves differ depending on whether the magnetic field is parallel to the current direction, that is, the longitudinal direction of the element, or when the magnetic field is orthogonal.
又、例えば特許文献1の図4に示されているように、GMR素子のMRカーブは、AMR素子と同様にヒステリシス特性を有している。そのため、特許文献1の図8に示されるように、GMR素子にバイアス電流を流して発生したバイアス磁界を用いることによって、磁気ドラムの回転に伴ってGMR素子に印加される磁界変化領域がGMR素子のヒステリシス特性を有していない磁界領域となるような処置を施している。
Further, for example, as shown in FIG. 4 of
しかしながら、MR素子のヒステリシス特性が磁気式位置検出装置の出力信号波形に及ぼす影響を低減するために、上述の磁石や、バイアス電流により発生したバイアス磁界を用いる場合には、磁石等を別途設け、電力供給を必要とすることから、小型化及び低消費電力化の点が課題として挙げられる。 However, in order to reduce the influence of the hysteresis characteristics of the MR element on the output signal waveform of the magnetic position detection device, when using the above-described magnet or a bias magnetic field generated by a bias current, a magnet or the like is provided separately. Since power supply is required, the points of miniaturization and low power consumption are raised.
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、小型化及び低消費電力化に有効であり、かつ移動体の移動量及び位置を高精度に検出可能な磁気式位置検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and is effective for downsizing and low power consumption, and can detect the moving amount and position of a moving body with high accuracy. An object is to provide an apparatus.
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における磁気式位置検出装置は、N極及びS極が着磁ピッチλにて交互に着磁された着磁領域を有する着磁部材と、上記着磁ピッチλでの磁極の配置方向に沿った上記着磁部材との相対的な移動により、上記着磁領域の磁極にて作用する磁界の角度及び強度によって出力が変化する磁気センサとを備えた磁気式位置検出装置において、上記磁気センサは、磁極の上記配置方向に対する直角方向において上記着磁領域の中心位置から外れたバイアス印加位置で上記着磁部材に非接触にて配置される磁電変換素子を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
That is, a magnetic position detection device according to an aspect of the present invention includes a magnetized member having a magnetized region in which N and S poles are alternately magnetized at a magnetizing pitch λ, and the magnetizing pitch λ. A magnetic position detecting device comprising: a magnetic sensor whose output changes depending on the angle and strength of the magnetic field acting on the magnetic pole in the magnetized region by relative movement with the magnetized member along the arrangement direction of the magnetic pole The magnetic sensor includes a magnetoelectric conversion element that is disposed in a non-contact manner on the magnetized member at a bias application position deviating from a center position of the magnetized region in a direction perpendicular to the arrangement direction of the magnetic poles. And
本発明の一態様における磁気式位置検出装置によれば、磁気センサに備わる磁電変換素子は、磁極配置方向に対する直角方向において着磁領域の中心位置から外れたバイアス印加位置で、上記着磁部材に非接触にて配置される。この構成によれば、着磁部材と磁気センサとの相対的移動に伴い磁気センサに印加される磁界強度の変化は、直流バイアス磁界が重畳された正弦波となる。すなわち、従来、磁石や、バイアス電流により発生させたバイアス磁界を用いることによって直流バイアスを重畳していたのに対し、磁電変換素子の配置のみによって直流バイアス磁界を重畳することができる。直流バイアス磁界を重畳することで、磁気式位置検出装置の出力信号波形において歪みを低減することができる。さらに、磁石等を別途設けたり、電力供給の必要はないことから、高精度な磁気式位置検出装置を小型及び低消費電力にて実現することが可能である。 According to the magnetic position detection device of one aspect of the present invention, the magnetoelectric conversion element included in the magnetic sensor is applied to the magnetized member at a bias application position deviating from the center position of the magnetized region in the direction perpendicular to the magnetic pole arrangement direction. Arranged without contact. According to this configuration, the change in the magnetic field strength applied to the magnetic sensor with the relative movement between the magnetized member and the magnetic sensor becomes a sine wave on which a DC bias magnetic field is superimposed. That is, the DC bias magnetic field can be superimposed only by the arrangement of the magnetoelectric transducer, whereas the DC bias is superimposed by using a magnet or a bias magnetic field generated by a bias current. By superimposing the DC bias magnetic field, distortion in the output signal waveform of the magnetic position detection device can be reduced. Furthermore, since a magnet or the like is not separately provided and power supply is not required, a highly accurate magnetic position detection device can be realized with a small size and low power consumption.
本発明の実施形態である磁気式位置検出装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。 A magnetic position detection apparatus according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same reference numerals.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1における磁気式位置検出装置101の構成図である。磁気式位置検出装置101は、基本構成部分として、着磁部材の一例に相当する磁気ドラム111と、磁気センサ102を備え、磁気ドラム111の回転に伴って磁気センサ102から電気信号を出力する。出力された出力信号に基づいて、検出装置121にて磁気ドラム111の移動量及び位置が検出される。
FIG. 1 is a configuration diagram of a magnetic
磁気ドラム111は、円板状であり、外周部分には、N極及びS極の磁極が1極あたり着磁ピッチλにて交互に着磁された着磁領域112を有し、回転軸113を中心に周方向yに回転する。このような磁気ドラム111は、回転移動量及び位置を検出したい測定対象物に接続されている。回転軸113の軸方向であるz方向において、着磁領域112の長さは、距離dにてなる。図示するように本実施形態1の磁気ドラム111では、上記距離dと磁気ドラム111の円板部の厚さとを同寸法にしている。又、回転体である磁気ドラム111では、N極及びS極の磁極の配置方向が周方向yに対応する。又、磁気ドラム111の径方向をx方向とする。又、図1に示す「51」は、z方向において、着磁領域112の距離dの1/2の位置を示しており、着磁領域112の中心位置に相当する。以下、中心位置51と記す。
The
尚、上述のように本実施形態では着磁部材として磁気ドラム111の回転体を例に採るが、着磁部材は、この形態に限定されるものではない。例えば、着磁部材が平板状部材であり、その長手方向に沿った直線状の磁極配置方向に磁極が交互に着磁されている形態でもよい。又、本実施形態では、磁気ドラム111が回転し磁気センサ102は固定されて配置されているが、着磁部材と磁気センサとは、上記磁極配置方向に沿って互いに相対的に移動するように構成することができる。
As described above, in this embodiment, the rotating member of the
磁気センサ102は、磁界を検出し電気信号を出力する磁電変換素子の一例としての、磁界の変化で素子の抵抗値が変化する磁気抵抗素子104を有する。又、本実施の形態では、磁気抵抗素子104として、例えばストライプ状の交換結合型巨大磁気抵抗素子(以下、「GMR素子」と記す。)を用い、かつ形状異方性を有していないものを用いる。又、GMR素子104は、素子に印加する磁界の方向に対するGMR素子のMRカーブは、等方性を示すものとする。ここで、MRカーブとは、上述のように、素子の磁界に対する抵抗変化の特性をいう。
The
又、このようなGMR素子104は、薄膜プロセスにより例えばガラス基板等に形成される。本実施の形態1では、図2に示すように、1本のGMR素子104における一端部104aが磁気センサ102の中心点52から距離d/2離れるように形成される。ここでdは、上述の、z方向における着磁領域112の距離dである。
Such a
上述のように配置されたGMR素子104を有する磁気センサ102は、磁気ドラム111に対して、図1及び図3に示すように、磁気センサ102のGMR素子形成面102aをz方向に平行にして配置され、かつz方向において、磁気センサ102の中心点52と着磁領域112の中心位置51とを一致させて対向させ、かつ非接触で配置される。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
以上のように構成される、本実施形態の磁気式位置検出装置101の動作について説明する。
磁気ドラム111の回転に伴って磁気センサ102に印加される磁界強度の変化は、磁気ドラム111と磁気センサ102との距離、磁気ドラム111の着磁ピッチλ、並びに、着磁領域112における磁性媒体の材質及び磁気特性というパラメータに依存する。本実施の形態1では、磁気ドラム111の回転に伴う、磁気ドラム111における着磁領域112の中心位置51に対向した位置、即ち磁気センサ102の中心点52における磁界強度の変化が、理想的な正弦波に近づくように、上述の各パラメータは最適化されているものとする。
The operation of the magnetic
Changes in the magnetic field strength applied to the
磁気ドラム111からの発生磁場の一部を模擬したものを図4に示す。磁気ドラム111による発生磁場の成分に着目すると、磁気ドラム111における着磁領域112の中心位置51では、上記磁場の成分は、x方向及びy方向のみに存在する。これに対し、z方向における着磁領域112の端部112a,112bでは、磁界の回りこみが作用することにより、上記磁場の成分は、x方向及びy方向だけではなくz方向にも存在する。又、GMR素子104を磁気ドラム111に非接触で近接して配置する場合、GMR素子104の抵抗変化に影響を及ぼす磁界成分は、y方向及びz方向である。即ち、GMR素子104に印加される磁界強度は、感磁方向であるy方向及びz方向の各磁界成分の合成を考慮する必要があり、また上記合成磁界がGMR素子104となす角も考慮する必要がある。
FIG. 4 shows a simulation of a part of the magnetic field generated from the
ここで、磁気ドラム111における着磁領域112の中心位置51に対向した位置に、非接触で、GMR素子104を配置した場合、GMR素子104に印加されるy方向及びz方向の磁界成分の変化を模擬したものを図5に示す。一方、着磁領域112の端部112a又は端部112bに対向して配置されたGMR素子104に印加されるy方向及びz方向の磁界成分の変化を模擬したものを図6に示す。ここで、着磁領域112の端部112a又は端部112bに対向したGMR素子104の配置とは、その配置の一例として図2を参照して説明したように、例えば着磁領域112の端部112aに対向してGMR素子104を配置する場合、GMR素子104の一端部104aを、着磁領域112の端部112aの端面112a−1(図4)に一致させる配置をいう。同様に、着磁領域112の端部112bに対向してGMR素子104を配置する場合には、GMR素子104の一端部104b(図2)を、着磁領域112の端部112bの端面112b−1(図4)に一致させる配置をいう。
Here, when the
さらに、y方向及びz方向の各磁界成分を合成し、磁界強度の変化として出力すると、着磁領域112の中心位置51に対向して配置したGMR素子104に印加される磁界強度の変化は、図7に示すようになり、着磁領域112の端部112a又は112bに対向して配置されたGMR素子104に印加される磁界強度の変化は、図8に示すようになる。又、磁気ドラム111の回転に伴って、図9における矢印115aに示すように、GMR素子104に印加される磁界強度の変化が生じるだけではなく、図9における矢印115bに示すように、GMR素子104に印加される磁界の方向も回転する。
Further, when the magnetic field components in the y direction and the z direction are combined and output as a change in the magnetic field strength, the change in the magnetic field strength applied to the
図7及び図8に示す磁界強度変化を鑑みると、磁気ドラム111における着磁領域112の中心位置51に対向して配置されたGMR素子104に印加される磁界強度の変化に対し、着磁領域112の中心位置51からz方向において離れた、着磁領域112の端部112a又は端部112bに対向して配置されたGMR素子104に印加される磁界強度の変化は、直流バイアス磁界が重畳されている。
In view of the change in magnetic field strength shown in FIGS. 7 and 8, the magnetization region corresponds to the change in the magnetic field strength applied to the
尚、本実施形態では、上述のように、磁気センサ102は、着磁領域112の端部112a又は112bに対向するように、一つのGMR素子104を有しているが、これに限定されず、着磁領域112の端部112a及び112bの両方に対向するように、2つのGMR素子104をz方向に沿って配置した構成を採っても良い。
In the present embodiment, as described above, the
又、本実施形態では、上述のように、GMR素子104の例えば一端部104aが着磁領域112の端部112aの端面112a−1に一致するように、磁気センサ102を配置している。しかしながら、z方向において、着磁領域112に対するGMR素子104の位置は、本実施形態の場合に限定されず、上記磁極配置方向(本実施形態ではy方向)に対する直角方向(本実施形態ではz方向)において着磁領域112の中心位置51から外れたバイアス印加位置であればよい。即ち、上述したように、GMR素子104に直流バイアスが印加されるような位置であればよく、z方向における位置は特に限定されない。
又、本実施の形態1におけるGMR素子104のMRカーブは、印加磁界角度に対して等方性を有しているため、磁界の印加方向は、考慮する必要がない。
In the present embodiment, as described above, the
In addition, since the MR curve of the
以上説明したように、本実施形態1の磁気式位置検出装置101によれば、GMR素子104を、磁気ドラム111における着磁領域112の端部112a,112b付近に対向する位置に、非接触で近接して配置することによって、磁気ドラム111の回転に伴ってGMR素子104に印加される磁界強度の変化は、直流バイアス磁界が重畳された正弦波となる。即ち、従来、磁石や、バイアス電流によって発生させたバイアス磁界を用いることにより、磁電変換素子の出力信号に直流バイアスを重畳していたのに対し、GMR素子104の配置位置を規定することのみによって、直流バイアス磁界を重畳することができる。このようにGMR素子104の出力信号に直流バイアスを重畳したことで、磁気式位置検出装置101の出力信号波形において歪みを低減させることができる。
したがって、測定対象物の位置検出を高精度にて行うことができる磁気式位置検出装置を提供することができ、さらに、このような磁気式位置検出装置において、磁石等の他の構成部分を設けたり電力供給の必要がない、小型で低消費電力にてなる磁気式位置検出装置101を実現することができる。
As described above, according to the magnetic
Therefore, it is possible to provide a magnetic position detection device capable of detecting the position of the measurement object with high accuracy, and in this magnetic position detection device, other components such as magnets are provided. In addition, it is possible to realize a magnetic
ここで重畳するバイアス磁界強度は、磁気ドラム111と磁気センサ102との距離、磁気ドラム111における着磁ピッチλ、着磁領域112の磁性媒体の材質及び磁気特性を最適化することによって実現可能である。
The bias magnetic field strength superimposed here can be realized by optimizing the distance between the
実施の形態2.
上述の実施の形態1では、磁気センサ102は、一つのGMR素子104を有する構成であった。これに対し、以下に説明する実施の形態2では、図10から図13に示すように、磁気センサが複数のGMR素子を有する構成を示している。尚、磁気センサが複数のGMR素子を有する構成を除いて、実施の形態2におけるその他の構成は、上述の実施の形態1における構成に同じである。よって以下では、相違する構成部分についてのみ説明を行う。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment described above, the
図10に示す構成では、上述の実施の形態1における磁気センサ102に相当する磁気センサ103は、2つのGMR素子104−1、104−2を有する。尚、GMR素子104−1、104−2は、上述の実施の形態1におけるGMR素子104に相当する。
GMR素子104−1、104−2は、図10に示すように、磁気センサ103の中心点52に対して、上記磁極配置方向において左右対称になるように距離λにて離れて配置される。ここで、λは、上述の着磁ピッチλに等しい寸法である。又、上述の実施の形態1における構成と同様に、一つの配置例として、GMR素子104−1,104−2は、GMR素子104−1,104−2における各一端部104aが、z方向において、中心点52から上に向かって距離d/2離れるように配置される。このような構成にてなる磁気センサ103は、磁気センサ102と同様にz方向に平行に配置され、かつ図11に示すように、磁気センサ103の中心点52と、磁気ドラム111における着磁領域112の中心位置51とをz方向において一致させ、かつ着磁領域112に対して正面で対向させて、かつ非接触で配置される。
In the configuration shown in FIG. 10, the
As shown in FIG. 10, the GMR elements 104-1 and 104-2 are arranged at a distance λ so as to be symmetrical with respect to the
尚、磁気センサ103において、左右対称に配置するGMR素子104−1,104−2の間隔は、上記λに限定されず、(2n+1)λ(n:整数)の距離であっても良い。この場合、着磁領域112における磁極の着磁ピッチも対応して変化させる。
In the
上述した磁気センサ103を備えた実施の形態2における磁気式位置検出装置では、磁気ドラム111の回転に伴って、各GMR素子104−1,104−2に印加される磁界の変化は、y方向において各GMR素子104−1,104−2の配置間隔と着磁ピッチとが距離λで等しいことから、GMR素子104−1,104−2において互いに逆相となる。一方、GMR素子104−1,104−2のMRカーブがほぼ偶関数であるため、磁界の極性に限らず、GMR素子104−1,104−2の出力信号波形は、それぞれ同相となる。つまり、GMR素子104−1,104−2の各出力信号波形を加算することにより、GMR素子104−1,104−2における、磁界の極性によって抵抗変化が異なるといったヒステリシス現象の影響を低減することができる。したがって、実施の形態2における磁気式位置検出装置では、実施の形態1における磁気式位置検出装置101に比べて、より高精度な位置検出を行うことが可能となる。尚、実施の形態2では、磁気センサ103に接続される検出装置121は、各GMR素子104−1,104−2の出力信号波形を加算する加算部が設けられる。
In the magnetic position detection apparatus according to the second embodiment provided with the
さらに又、図10では着磁領域112の図示上側にGMR素子104−1,104−2を配置した構成を示すが、該構成の変形例として、GMR素子104−1,104−2の各一端部104bを、着磁領域112の端面112b−1に一致させて、着磁領域112の図示下側にGMR素子104−1,104−2を配置することもできる。
Further, FIG. 10 shows a configuration in which the GMR elements 104-1 and 104-2 are arranged on the upper side of the
さらに又、図10及び図11に示す構成の変形例として、図12に示すように、GMR素子104−1,104−2を、磁気センサ103−1の中心点52を中心として対角位置に配置してもよいし、図13に示す磁気センサ103−2のように、さらにGMR素子104−3,104−4を加えて計4つのGMR素子104を配置してもよい。
Furthermore, as a modification of the configuration shown in FIGS. 10 and 11, as shown in FIG. 12, the GMR elements 104-1 and 104-2 are placed diagonally about the
図12及び図13に示すように各GMR素子104を配置した構成においても、各GMR素子104の出力信号波形をそれぞれ加算することによって、ヒステリシス現象を低減することができ、同様に高精度化を実現することができる。
Also in the configuration in which each
又、図10から図13に示す構成において、GMR素子104を4以上の偶数個とすることもできる。
Further, in the configuration shown in FIGS. 10 to 13, the number of
又、上述した、GMR素子104の間隔が上記λに限定されず(2n+1)λ(n:整数)の距離であっても良い点、及び各GMR素子104の配置位置が上記バイアス印加位置であればよい点は、図10から図13に示す構成にも適用可能である。
Further, the interval between the
51 中心位置、52 中心点、
101 磁気式位置検出装置、102,103,103−1,103−2 磁気センサ、
104,104−1,104−2 GMR素子、
111 磁気ドラム、112 着磁領域、112a,112b 端部。
51 center position, 52 center point,
101 magnetic position detecting device, 102, 103, 103-1, 103-2 magnetic sensor,
104, 104-1, 104-2 GMR element,
111 magnetic drum, 112 magnetized region, 112a, 112b end.
Claims (4)
上記磁気センサは、磁極の上記配置方向に対する直角方向において上記着磁領域の中心位置から外れたバイアス印加位置で上記着磁部材に非接触にて配置される磁電変換素子を有することを特徴とする磁気式位置検出装置。 Relative between a magnetized member having a magnetized region in which N poles and S poles are alternately magnetized at a magnetized pitch λ, and the magnetized member along the arrangement direction of the magnetic poles at the magnetized pitch λ In a magnetic position detection device comprising a magnetic sensor whose output changes depending on the angle and strength of the magnetic field acting on the magnetic poles of the magnetized region by a simple movement,
The magnetic sensor includes a magnetoelectric conversion element that is disposed in a non-contact manner on the magnetized member at a bias application position deviating from a center position of the magnetized region in a direction perpendicular to the arrangement direction of the magnetic poles. Magnetic position detector.
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