JP2010230548A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズ磁界の影響を受ける環境下において、磁気シールドやフィルタリング等を用いずに２つの基板の相対的な変位を検出できる変位検出装置を提案する。
【解決手段】変位検出装置１０は、基板２０，３０の相対的な変位を検出する信号処理回路４０を備える。基板２０には、第一の磁界を発生するための磁石２２と、外部環境からの第二の磁界を第一の磁気信号として検出する検出回路２１が設けられる。第二の基板３０には、基板２０，３０の相対的な変位を示す第一の磁界の交流成分と第二の磁界との合成信号を第二の磁気信号として検出する検出回路３１が設けられる。信号処理回路４０は、第二の磁気信号と第一の磁気信号とを差動演算することにより第一の磁界の交流成分を抽出する。第一の磁界の交流成分は、基板２０，３０の相対的な変位を示す磁気信号である。
【選択図】図１

Description

本発明は、対向配置された２つの基板の相対的な微小変位を検出するための変位検出装置に関する。

外部磁界を検出するための磁気センサとして、巨大磁気抵抗効果素子や磁気トンネル効果素子などの磁気抵抗効果素子が利用されている。磁気抵抗効果素子は、磁化方向が特定の方向に設定されていて、外部磁界の変位に対して磁化状態（例えば、磁化方向や磁化の強さ）が影響を受けないように構成されたピン磁性層と、外部磁界の変化によって磁化状態が変位するフリー磁性層とを備えている。磁気抵抗効果素子に外部磁界が作用すると、フリー磁性層の磁化状態が変動し、磁化状態が固定されているピン磁性層の磁化状態と、磁化状態が変動するフリー磁性層との間に磁化状態の変位差が発生する。この磁化状態の変位差は、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗の変化として現れる。この種の磁気抵抗効果素子の応用例として、例えば、特開平０８−７５４０３号公報には、磁気抵抗効果素子が取り付けられた基板に対して相対的に変位する物体に磁石を取り付け、物体の変位に伴って変化する磁気抵抗効果素子の磁気抵抗を検出することにより、物体の変位を検出する微小位置変化量検出器が開示されている。

特開平０８−７５４０３号公報

しかし、同公報に開示の微小位置変化量検出器では、ノイズ磁界の影響によって磁気抵抗効果素子の磁気抵抗が変化してしまうので、正確な変位検出が困難である。そのようなノイズ磁界が存在する環境下で微小位置変化量検出器を使用するには、例えば、磁気シールドを用いて磁気遮蔽を実施するか、或いは磁気ノイズを電気的にフィルタリングする必要がある。磁気シールドを用いる場合、装置の小型化・低コスト化が困難になる。磁気ノイズを電気的にフィルタリングする場合、フィルタ特性の影響で一部の周波数成分の検出が困難になる虞がある。

そこで、本発明は、ノイズ磁界の影響を受ける環境下において、磁気シールドやフィルタリング等を用いずに２つの基板の相対的な変位を検出できる変位検出装置を提案することを課題とする。

本発明に係わる変位検出装置は、第一の基板と第二の基板との相対的な変位を検出する変位検出装置であって、第一の基板に固定され、第一の磁界を発生するための磁界発生手段と、第一の基板に固定され、外部環境からの第二の磁界を第一の磁気信号として検出する第一の磁界検出手段と、第二の基板に固定され、第一の基板と第二の基板との相対的な変位を示す第一の磁界の交流成分と第二の磁界との合成信号を第二の磁気信号として検出する第二の磁界検出手段と、第二の磁気信号と第一の磁気信号とを差動演算することにより、第一の基板と第二の基板との相対的な変位を示す第一の磁界の交流成分を抽出する差動演算手段を備える。

第一の磁界検出手段と磁界発生手段は、それぞれ第一の基板に固定されているので、両者の相対的な位置関係は不変である。これは、磁界発生手段から第一の磁界検出手段に作用する磁界は直流磁界であることを意味し、第一の磁界検出手段が検出する交流磁界は外部環境からの第二の磁界のみである。一方、第二の磁界検出手段は、第二の基板に固定されているので、第一及び第二の基板が相対的に変位すると、第二の磁界検出手段と磁界発生手段との間の距離は変化し、磁界発生手段から第二の磁界検出手段に作用する磁界も変化する。第一及び第二の基板の相対的な位置関係が一定の場合には、磁界発生手段から第二の磁界検出手段に作用する磁界は直流磁界となるが、第一及び第二の基板が相対的に変位する場合には、磁界発生手段から第二の磁界検出手段に作用する磁界は、第一及び第二の基板の相対的な変位の情報を担う交流磁界（変位信号）となる。その結果、第二の磁界検出手段が検出する交流磁界は、外部環境からの第二の磁界に変位信号が重畳された合成磁界となる。第一の磁界検出手段が検出する第一の磁気信号と第二の磁界検出手段が検出する第二の磁気信号とを差動演算すると、変位信号を抽出することができる。

本発明に係わる変位検出装置によれば、磁気シールドやフィルタリング等を用いずに２つの基板の相対的な変位を検出できる。また、部品点数を削減できるので、コスト低減や省スペース化を図れるという利点を有する。

本実施形態に係わる変位検出装置の回路構成を示す説明図である。 本実施形態に係わる変位検出装置の側面図である。 本実施形態に係わる変位検出装置の動作原理を説明するための信号波形である。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。同一の素子については、同一の符号を付すものとし、重複する説明を省略する。説明の便宜上、図１及び図２にＸＹＺ直交座標系を記す。

図１は本実施形態に係わる変位検出装置１０の回路構成を示す。同図に示すように、変位検出装置１０は、２つの基板２０，３０と、２つの基板２０，３０の相対的な変位を信号処理によって検出する信号処理回路４０を備える（図１では、説明の便宜上、２つの基板２０，３０を同一平面（ＸＹ平面）上に並置した図を示しているが、実際の使用形態では、図２に示すように、それぞれの基板２０，３０の主面がＺ軸方向を向くように対向配置される点に留意されたい。）。一方の基板２０には、磁界を発生させるための磁界発生手段として機能する磁石２２と、磁石２２が発生する磁界と外部磁界との合成磁界を検出するための磁界検出手段として機能する検出回路２１とが固定されている。ここで、外部磁界とは変位検出装置１０の外部環境にある磁界発生源からもたらされるノイズ磁界（主として交流磁界）を意味する。

検出回路２１は、４つの磁気抵抗効果素子２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄがフルブリッジ接続された回路構成を有している。フルブリッジ接続とは、直列接続された２つの磁気抵抗効果素子２１Ａ，２１Ｂと、直列接続された２つの磁気抵抗効果素子２１Ｃ，２１Ｄとを並列接続する結線方法を意味しており、磁気抵抗効果素子２１Ａのピン磁性層の磁化方向と磁気抵抗効果素子２１Ｄのピン磁性層の磁化方向とが同一であり、磁気抵抗効果素子２１Ｂのピン磁性層の磁化方向と磁気抵抗効果素子２１Ｃのピン磁性層の磁化方向とが同一であり、磁気抵抗効果素子２１Ａのピン磁性層の磁化方向と磁気抵抗効果素子２１Ｂのピン磁性層の磁化方向とが反平行であり、磁気抵抗効果素子２１Ｃのピン磁性層の磁化方向と磁気抵抗効果素子２１Ｄのピン磁性層の磁化方向とが反平行であることが好ましい。他方の基板３０には、磁石２２が発生する磁界と外部磁界との合成磁界を検出するための磁界検出手段として機能する検出回路３１が固定されている。検出回路３１は、４つの磁気抵抗効果素子３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄがフルブリッジ接続された回路構成を有しており、磁気抵抗効果素子３１Ａのピン磁性層の磁化方向と磁気抵抗効果素子３１Ｄのピン磁性層の磁化方向とが同一であり、磁気抵抗効果素子３１Ｂのピン磁性層の磁化方向と磁気抵抗効果素子３１Ｃのピン磁性層の磁化方向とが同一であり、磁気抵抗効果素子３１Ａのピン磁性層の磁化方向と磁気抵抗効果素子３１Ｂのピン磁性層の磁化方向とが反平行であり、磁気抵抗効果素子３１Ｃのピン磁性層の磁化方向と磁気抵抗効果素子３１Ｄのピン磁性層の磁化方向とが反平行であることが好ましい。尚、磁気抵抗効果素子２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄは、検出感度（単位磁場あたりの磁気抵抗変化量）が同程度のものであることが好ましい。

信号処理回路４０は、差動演算手段として機能する３つのコンパレータ（比較器）４１，４２，４３を備える。コンパレータ４１の非反転入力端子は、磁気抵抗効果素子２１Ａと磁気抵抗効果素子２１Ｂとの接続点に接続され、その反転入力端子は、磁気抵抗効果素子２１Ｃと磁気抵抗効果素子２１Ｄとの接続点に接続されている。コンパレータ４２の非反転入力端子は、磁気抵抗効果素子３１Ａと磁気抵抗効果素子３１Ｂとの接続点に接続され、その反転入力端子は、磁気抵抗効果素子３１Ｃと磁気抵抗効果素子３１Ｄとの接続点に接続されている。コンパレータ４３の非反転入力端子は、コンパレータ４１の出力端子に接続され、その反転入力端子は、コンパレータ４２の出力端子に接続されている。

尚、上述の磁気抵抗効果素子２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄは、磁気抵抗効果を示す素子であれば、特に限定されるものではなく、例えば、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）型、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）型、弾道磁気抵抗（ＢＭＲ）型、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）型などの各種の磁気抵抗効果素子を用いることができる。

図２は変位検出装置１０の側面を示す。同図に示すように、基板２０は、第一の主面２０Ａとその裏面に相当する第二の主面２０Ｂとを備える。同様に、基板３０は、第一の主面３０Ａとその裏面に相当する第二の主面３０Ｂとを備える。基板２０，３０は、それぞれの第一の主面２０Ａ，３０Ａが向き合うように対向配置される。第一の主面２０Ａには上述の検出回路２１及び磁石２２が固定され、第一の主面３０Ａには検出回路３１が固定されている。２つの基板２０，３０の間には、両者を接続するための接続手段として機能する接続部材５１，５２が設けられている。接続部材５１，５２の材質は二つの基板２０，３０が相対的に変位しやすくなるように選定されている。例えば、基板２０，３０の材質が非可撓性材質の場合には、接続部材５１，５２の材質は、弾性材質（バネ、樹脂等）が好ましい。基板２０，３０の材質が可撓性材質又は弾性材質の場合には、接続部材５１，５２の材質は、非可撓性材質が好ましい。二つの基板２０，３０は、接続部材５１，５２を介して、それぞれの主面２０Ａ，３０Ａに略垂直な向きに変位することができる。尚、変位検出装置１０を回路基板等に実装する場合を考慮すると、基板２０，３０の材質は絶縁材質が好ましい。

次に、図３を参照しながら変位検出装置１０の動作原理について説明する。検出回路２１及び磁石２２はそれぞれ基板２０上に固定されているので、両者の相対的な位置関係は不変である。これは、磁石２２から検出回路２１に作用する磁界（磁気信号）は、直流磁界（直流磁気信号）であることを意味し、検出回路２１が検出する交流磁界（交流磁気信号）は、図３（Ｂ）に示すように、外部磁界のみである。このため、コンパレータ４１の出力は、外部磁界の情報を担う電気信号となる。一方、検出回路３１は、基板３０上に固定されているので、２つの基板２０，３０が相対的に変位すると、検出回路３１と磁石２２との間の距離は変化し、磁石２２から検出回路３１に作用する磁界も変化する。２つの基板２０，３０の相対的な位置関係が一定の場合には、磁石２２から検出回路３１に作用する磁界は直流磁界となるが、２つの基板２０，３０が相対的に変位する場合には、磁石２２から検出回路３１に作用する磁界は、２つの基板２０，３０の相対的な変位の情報を担う交流磁界となる。説明の便宜上、この交流磁界を変位信号と称し、その信号波形を図３（Ａ）に示す。検出回路３１が検出する交流磁界は、図３（Ｃ）に示すように、外部磁界に変位信号が重畳された合成磁界（合成信号）となる。このため、コンパレータ４２の出力は、外部磁界に変位信号が重畳された合成磁界の情報を担う電気信号となる。２つの検出回路２１，３１に作用する外部磁界は実質的に同一と看做すことができるため、コンパレータ４３は、２つのコンパレータ４１，４２の出力を差動演算することにより、変位信号を抽出することができる。

尚、２つの検出回路２１，３１のそれぞれが検出する交流磁気信号の差分を変位信号として抽出するためには、２つの検出回路２１，３１の検出感度（単位磁場あたりの磁気抵抗変化量）は、同程度であることが好ましい。そのため、磁気抵抗効果素子２１Ａのピン磁性層の磁化方向と磁気抵抗効果素子３１Ａのピン磁性層の磁化方向とが同一であり、磁気抵抗効果素子２１Ｂのピン磁性層の磁化方向と磁気抵抗効果素子３１Ｂのピン磁性層の磁化方向とが同一であり、磁気抵抗効果素子２１Ｃのピン磁性層の磁化方向と磁気抵抗効果素子３１Ｃのピン磁性層の磁化方向とが同一であり、磁気抵抗効果素子２１Ｄのピン磁性層の磁化方向と磁気抵抗効果素子３１Ｄのピン層の磁化方向とが同一であり、磁気抵抗効果素子２１Ａと磁気抵抗効果素子３１Ａとが２つの基板２０，３０のそれぞれの主面（ＸＹ平面）に対して垂直に配置され、磁気抵抗効果素子２１Ｂと磁気抵抗効果素子３１Ｂとが２つの基板２０，３０のそれぞれの主面（ＸＹ平面）に対して垂直に配置され、磁気抵抗効果素子２１Ｃと磁気抵抗効果素子３１Ｃとが２つの基板２０，３０のそれぞれの主面（ＸＹ平面）に対して垂直に配置され、磁気抵抗効果素子２１Ｄと磁気抵抗効果素子３１Ｄとが２つの基板２０，３０のそれぞれの主面（ＸＹ平面）に対して垂直に配置されることが好ましい。

また、２つの検出回路２１，３１の回路構成は、上述のフルブリッジ接続に限定されるものではないが、フルブリッジ接続にすると、電源変動に対する耐ノイズ性能が向上するという利点がある。また、検出回路２１，３１と磁石２２との間の距離は、磁界検出に適した距離範囲に設定するのが好ましい。２つの基板２０，３０の相対的な変位量が微小である場合には、磁石２２から２つの検出回路２１，３１に作用する磁界の直流成分は、２つの基板２０，３０の相対的な変位の有無に関らずに同程度であると考えられる。また、磁石２２は、２つの検出回路２１，３１の出力を飽和させない程度の磁力を有するものが好ましい。また、磁界発生手段は、磁石２２に限られるものではなく、例えば、電磁コイル等でもよい。また、検出回路２１と磁石２２との配置箇所は、必ずしも第一の主面２０Ａ上に限られるものではなく、両者の相対的な位置関係が不変であればよい。

本発明は、物体の位置変化を検出するあらゆる用途に利用できる。例えば、被測定物（紙、シート、印刷インク等）の微小な厚み変化を測定する用途や、微小振動する振動体の変位を検出する用途（心臓の鼓動検知等）に利用できる。

１０…変位検出装置 ２０，３０…基板 ２１，３１…検出回路 ２２…磁石 ４０…信号処理回路 ４１，４２，４３…コンパレータ ５１，５２…接続部材

Claims (8)

1. 第一の基板と第二の基板との相対的な変位を検出する変位検出装置であって、
   前記第一の基板に固定され、第一の磁界を発生するための磁界発生手段と、
   前記第一の基板に固定され、外部環境からの第二の磁界を第一の磁気信号として検出する第一の磁界検出手段と、
   前記第二の基板に固定され、前記第一の基板と前記第二の基板との相対的な変位を示す前記第一の磁界の交流成分と、前記第二の磁界との合成信号を第二の磁気信号として検出する第二の磁界検出手段と、
   前記第二の磁気信号と前記第一の磁気信号とを差動演算することにより、前記第一の基板と前記第二の基板との相対的な変位を示す前記第一の磁界の交流成分を抽出する差動演算手段と、
   を備える変位検出装置。
2. 請求項１に記載の変位検出装置であって、前記第一の基板と前記第二の基板とを接続する接続手段を更に備える、変位検出装置。
3. 請求項２に記載の変位検出装置であって、前記接続手段は弾性材質から成る、変位検出装置。
4. 請求項２に記載の変位検出装置であって、前記第一の基板及び前記第二の基板は弾性材質から成る、変位検出装置。
5. 請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の変位検出装置であって、前記第一の基板及び前記第二の基板は、それぞれの主面が向き合うように対向配置され、前記第一の基板又は前記第二の基板は、その主面に略垂直な向きに変位する、変位検出装置。
6. 請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載の変位検出装置であって、前記第一の磁界検出手段は、複数の第一の磁気抵抗効果素子がフルブリッジ接続された回路構成を有し、前記第二の磁界検出手段は、複数の第二の磁気抵抗効果素子がフルブリッジ接続された回路構成を有する、変位検出装置。
7. 請求項６に記載の変位検出装置であって、前記複数の第一の磁気抵抗効果素子の検出感度と、前記複数の第二の磁気抵抗効果素子の検出感度は同じである、変位検出装置。
   位の有無に関らず同程度である、変位検出装置。
8. 請求項１乃至請求項７のうち何れか１項に記載の変位検出装置であって、前記第一の基板及び前記第二の基板は絶縁材質から成る、変位検出装置。

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