JP2011525631A

JP2011525631A - 歯車の回転速度検出方法および歯車の回転速度検出装置

Info

Publication number: JP2011525631A
Application number: JP2011516291A
Authority: JP
Inventors: グォイミン; ゴーマングレイス
Original assignee: MagIC Technologies Inc
Current assignee: MagIC Technologies Inc
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2029-06-23
Also published as: WO2009157991A1; JP5654455B2; US7592803B1

Abstract

【課題】高い感度もしくは高い信号出力を揺するＡＭＲ回転センサを提供する。
【解決手段】このＡＭＲ回転センサは、高い感度もしくは高い信号出力を犠牲にすることなく、デバイスの簡便な製造を可能としている。このＡＭＲ回転センサは、ホイートストンブリッジにおける４つのセンサ素子を構成するＡＭＲストライプの外側に、独立したセンサ素子を設けることで実現される。４つのセンサ素子は、バイアス磁界を形成する永久磁石の近くに設けられる。バイアス磁界は、ギアホイールが回転してギア歯およびギャップが交互に回転センサを通り過ぎるときに強度が上昇および効果を繰り返す。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転センサ、特に、ギアホイールと、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ：anisotropic magneto-resistance）に基づく磁気センサとを備えた回転センサ（歯車の回転速度検出装置）およびそれを用いた歯車の回転速度検出方法に関する。

図１に示したように、従来の歯車センサは、２つのホール効果センサ１２を含むＩＣ（集積回路）１１と、単一の永久磁石１３とにより構成される。これら２つのホール効果センサ１２は、鉄を含有する対象物の磁気プロファイルを同時に、かつ、異なる位置で検出する。これにより、アナログの内部差分電圧を発生させる。このアナログ差分電圧にデジタル化処理が施されることにより、デジタル出力信号への正確な変換が行われる。大きな差分信号出力を得るために、２つのホールプローブすなわちホールセンサは一定間隔で配置され、一方のホール効果センサ１２が磁界の集中するギア歯１４に対向し、他方のホール効果センサ１２が歯車のギャップ１５に対向するようになっている。

永久磁石１３は、その一方の磁極がＩＣ１１の背面側に面するように配置され、一定のバイアス磁界を発生している。一方のホール効果センサ１２がギア歯１４と一時的に対向し、他方のホール効果センサ１２が２つのギア歯１４の間のギャップ１５と一時的に対向するとき、歯車は磁束集中器として機能する。これにより、ホールプローブを通過する磁束密度が上昇し、差分信号が生じることとなる。歯車の回転にしたがい、ギア歯１４からギャップ１５へと変化する速度と同じ速度で差分信号の極性が変化する。ＩＣ１１にはハイパスフィルタ（図示せず）が一体に形成されており、このハイバスフィルタが外部のキャパシタ（図示せず）により設定される時定数によって差分信号をゼロとなるように調節する。
これにより、最小限の速度で変化する差分のみが測定される。
定常状態においては、この出力信号は出力されない。

また、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）に基づく歯車センサも提案されている。図２に示したように、このような歯車センサの検出機構は、従来のホール効果素子およびＩＣを備えた歯車センサと類似しており、２つのホール効果センサを２つのＡＭＲセンサに置き換えた点で相違がある。ＡＭＲ材料の高い検出感度により、ＡＭＲに基づく歯車センサではＡＭＲ素子から極めて大きな出力信号が得られる。その出力信号は定格の温度および電圧の範囲において安定している。その結果、ＡＭＲに基づく歯車センサは優れた（大きな）空隙（air-gap）特性を特徴とするものとなる。さらに、上記特徴は高い信頼性と同様に極めて安定した動作を包含する。

図２に示したように、バイアス磁石によって形成されるバイアス磁界は強磁性のギア歯の移動によって影響を受ける。ＡＭＲセンサブリッジ２１は、ＡＭＲの膜面内の磁界成分２２の変化を検出する。信号出力はＡＭＲブリッジにおける差分信号として得られる。

このデザインでは、信号出力の直線性を実現するために図３に示したようなバーバーポールＡＭＲ構造が採用されている。一方で、外部漂遊磁界に起因するＡＭＲ磁化の反転の可能性を避けるために、安定化磁界が永久磁石のＹ軸方向（ギアホイールの動作方向と直交する方向）の磁界成分によってもたらされる。このＹ軸成分は、永久磁石を当初の完全に垂直な方向から傾けることによって得られる。歯車が回転すると、ＡＭＲセンサ素子はＸ軸方向における磁界の変化を検出し、ブリッジからの差分電圧Ｖout１−Ｖout２の極性が歯車におけるギア歯からギャップへの移動と同じ割合で変化する（図２参照）。図３においては、バーバーポール構造が、パーマロイからなる斜め方向の複数のストライプ３２を含んで構成されている。複数のストライプ３２は、非磁性かつ導電性を有する金属のストライプによって相互に分離されている。

飽和磁化を利用した他のデザインがK. Van Ostrand等によって提案されている（例えば特許文献１参照）。この方法では、永久磁石はＡＭＲブリッジが配置された部分に配置される。そのため、永久磁石によって形成される大きな磁界が、ＡＭＲブリッジ回路における磁化に対し十分に影響し、その磁化を、もはや磁界のなかで変化しないような飽和モードにさせる。その代わりに、強磁性のギア歯ターゲットが永久磁石の表面を通り越すように動くとき、その磁化は磁界方向における変化のみに反応する。この方法によれば、永久磁石デザインは複雑であると共に高価なものとなる。

先行技術を調査したところ、以下の関連文献が見つかった。

米国特許出願公開第２００４／００４６５４９号明細書米国特許出願公開第２００４／０１００２５１号明細書米国特許第７１４１９６７号明細書米国特許出願公開第２００５／０００７１０５号明細書米国特許出願公開第２００７／００９６７２３号明細書米国特許第７１２６３２７号明細書米国特許出願公開第２００５／０２８０４１１号明細書米国特許出願公開第２００８／００１２５５８号明細書

「動的差分ホール効果センサＩＣＴＬＥ４９２３（Dynamic Differential Hall Effect Sensor IC TLE 4923）」インフィニオン・テクノロジーズ社アプリケーションノート（Infineon application note）； HYPERLINK "http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/infineon/1-tle4923.pdf" http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/infineon/1-tle4923.pdf 「回転速度センサKMI 15/16（Rotational Speed Sensors KMI15/16）」フィリップス社アプリケーションノート（Philips application note）； HYPERLINK "http://www.nxp.com/documents/application#note/AN98087.pdf#search='2.Philips application note "Rotational Speed Sensors KMI15/16'"http://www.nxp.com/documents/application#note/AN98087.pdf#search='2.Philips application note "Rotational Speed Sensors KMI15/16'

本発明の一実施形態の目的は、強磁性のギア歯を有する歯車の回転速度を測定する装置を提供することにある。

本発明の一実施形態の他の目的は、上記装置を製造する方法、および、その装置を用いて測定を行う方法を提供することにある。

本発明の一実施形態のさらに別の目的は、ＡＭＲ効果を利用して上記の目的を具現化することにある。

本発明の一実施形態のさらに別の他の目的は、センサの全ての部分を単一の基体上に形成することにある。

これらの目的は、最初に、ＡＭＲ材料からなる複数のストライプを相互に隣り合うように並べることでＡＭＲセンサ素子を形成することで実現される。これらのストライプは相互に極めて近接して配置され、その結果、ＡＭＲセンサ素子の形状異方性は、個々のストライプ形状によってというよりも、集合体である全体の形状によって決定される。さらに、形状異方性のさらなる低減は、ＡＭＲセンサ素子の最外部のストライプに沿って、追加のダミーストライプを設けることでなされる。

ＡＭＲストライプ（ダミーストライプを除き、ＡＭＲセンサ素子を構成するもの）は、直列に接続され、単一の抵抗体として機能する。４つのこのようなセンサ素子はループ状に接続され、磁気センサとして機能するＡＭＲホイートストンブリッジを構成する。

この磁気センサは、バイアス磁界を形成するための永久磁石の下面と近接するように設けられる。磁気センサがギア歯と対向する位置にあるときに磁気センサにおよぶバイアス磁界が最大となり、磁気センサが（ギア歯とギア歯との間の）ギャップと対向する位置にあるときに磁気センサにおよぶバイアス磁界が最小となる。この回転検出器は、ホイールのリムと重なり合う位置に設けられる。その際、バイアス磁界が確実に及ぶようにするため、磁気センサの中心位置とリムの中心位置とがずれるように配置される。

図１は、ホール効果ＩＣに基づく歯車センサを用いた従来技術のデバイスを表すものである。図２は、従来技術のＡＭＲに基づく歯車センサにおける出力信号の変化を表している。図３は、従来の歯車センサにおけるバーバーポールＡＭＲ構造であって、電流の流れを矢印で表したものである。図４は、本発明のＡＭＲブリッジ構造を表すものである。図５は、ＡＭＲセンサアセンブリと、回転するギアホイールとの位置関係を表すものである。図６は、磁石における磁化の方向と、ＡＭＲセンサにおける磁界の向きと、正電荷と、負電荷とを表すものである。

本発明のセンサでは、４つのＡＭＲセンサ素子が１つのホイートストンブリッジを構成している。これらの４つのＡＭＲセンサ素子は、図４に示したように、互いに同一の形状を有し、それぞれ４５°傾くように配向されている。各ＡＭＲセンサ素子は、互いに平行をなす複数のＡＭＲストライプを有している。各ＡＭＲストライプは、いずれも同一の幅、例えば５μｍ以上５０μｍ以下の幅を有している。隣り合うストライプ同士のギャップ（離間距離）は、各ストライプの幅よりも狭く、好ましくは０．５μｍ未満であるが、必要であれば最大で約２μｍまで許容され得る。各ＡＭＲセンサ素子において、複数のＡＭＲストライプが高導電層を介して直列に繋がれており、その結果、ホイートストンブリッジの４つの抵抗体の１つが形成されている。

各抵抗体の最も外側に位置する検出ストライプと並ぶように、好ましくは０．５μｍ未満という非常に狭い離間間隔（ギャップ）で追加のＡＭＲストライプがそれぞれ配置されている。この追加ＡＭＲストライプは、ＡＭＲブリッジのいずれの部分とも電気的に接続されていないものである。追加ＡＭＲストライプは、ダミーの軟質磁性ストライプとして供されており、形状磁気異方性を低減すると共に検出ストライプにおける磁区のヒステリシスを除去するために設けられている。

図５に示したように、ＡＭＲセンサの直上に位置する永久磁石によって形成される磁界は、永久磁石の強度、形状および位置（ギアにおけるギア歯またはギャップのいずれに近いか）に依存する。永久磁石５４、もしくは複数の永久磁石は、いずれか一方の磁極がＡＭＲセンサ５３の背面と接しており、一定の磁界を形成している。この磁界のほとんどは、ＭＲ膜面に垂直であるＺ軸成分に収束される。すなわち、この磁界はＭＲ膜面外に存在しているので、磁化はその磁界に影響を受けない。

図６に示したように、永久磁石５４の中心線５２は、ホイールリム５１の中心線５５に対してδで表されるオフセット量を有している。（永久磁石５４の形成する）磁界はＹ軸成分をも有している。Ｙ軸成分は、ＡＭＲセンサの安定化を図るためのバイアス磁界として供される。ギアホイールの速度検出を行う際には、センサアセンブリ５３をギアホイールエッジの近くに移動させ、強磁性のギア歯の高い透磁率によって各ギア歯がＡＭＲセンサに近づくときに永久磁石の磁界をギアホイールのほうへ曲がるようにする。こうすることにより、ＡＭＲセンサでの永久磁石の磁界のＸ軸成分の変化がもたらされる。結果的に、ＡＭＲセンサはこのＸ軸成分の変化に対応した信号出力を生じる。

本発明のセンサにおいては、磁界測定を行うために単一のＡＭＲホイートストンブリッジが採用されている。上述したように、このＡＭＲホイートストンブリッジは、図４に示したように４つの同一のＡＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４により構成される。これらの４つの検出素子を形成するにあたっては、最初に、ＡＭＲ膜を全面的に形成する。そののち、フォトリソグラフィ法を用いてそのＡＭＲ膜をパターニングすることにより、例えば符号４１で表示したような矩形パターンを複数形成する。これらの複数の矩形パターンは同一の、大きなアスペクト比を有する一方、各々の長軸方向がバイアス磁界の方向に対してＡＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４では＋４５°、ＡＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３では−４５°傾くように設けられる。

ＡＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２はホイートストンブリッジの一方のブランチとなるように直列接続され、ＡＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４はホイートストンブリッジの他方のブランチとなるように直列接続される。バイアス磁界はギアホイールの移動方向に対して直交しているので、ＡＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４の長軸はギアホイールの移動方向に対して＋４５°もしくは−４５°の角度をなしている。

定電圧Ｖｄｄ（正電圧）がＡＭＲ素子Ｒ１およびＡＭＲ素子Ｒ２からなる第１ブランチおよびＡＭＲ素子Ｒ３およびＡＭＲ素子Ｒ４からなる第２ブランチの双方へ供給される。第１ブランチの中点から出力電圧Ｖ１が取り出され、第２ブランチの中点から出力電圧Ｖ２が取り出される。センサの適切な使用では、バイアス磁界が各ＡＭＲ素子の異方性磁界よりも十分に大きく、バイアス磁界の向きに沿って磁化方向が設定される。求められる低異方性磁界は、既に述べたように、最も外側に位置するＡＭＲストライプ４１に沿って僅かな間隔を空けて設けられたダミーのＡＭＲストライプ（例えば図４において符号４２で表されたもの）の設置によって実現される。それによって、正味の異方性磁界が確実により低いものとなる。

ギアホイールが回転すると、ギア磁界がＡＭＲブリッジにおいて同方向に、しかし、強度が交互に変化するように生じる。ＡＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４におけるフリー層の磁化（ＦＭ）は、ギア磁界の影響を受けるときはバイアス磁界の方向から離れるように回転する。ギア磁界が＋Ｘ方向に沿った方向であるときには、ＡＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３におけるフリー層の磁化（ＦＭ）は抵抗を下げるように回転する一方、ＡＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４におけるフリー層の磁化（ＦＭ）は抵抗を上げるように回転する。その結果、負の差分信号（Ｖout１−Vout２）を生み出す。
ギア磁界が−Ｘ方向に沿った方向であるときには、ＡＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３におけるフリー層の磁化（ＦＭ）は抵抗を上げるように回転する一方、ＡＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４におけるフリー層の磁化（ＦＭ）は抵抗を下げるように回転する。その結果、正の差分信号（Ｖout１−Vout２）を生み出す。差分信号（Ｖout１−Vout２）はギア磁界の関数として生じる。この差分信号は回路において増幅および処理され、ギアホイールの回転速度が（それが回転しない場合も含めて）算出される。

Claims

中心線を含むリムおよび強磁性のギア歯を有する歯車の回転速度を検出する方法であって、
基体上に、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）材料からなると共に幅と長さとのアスペクト比が５以上であるＡＭＲストライプを複数形成すること、
複数の前記ＡＭＲストライプを各々の幅の５分の１以下の間隔で互いの長辺が隣り合うように並べることで、長軸を有するＡＭＲセンサ素子を複数形成すること、
前記複数のＡＭＲストライプを直列接続することにより、複数の前記ＡＭＲセンサ素子がそれぞれ単一の抵抗体としての機能を発揮できるようにすることと、
追加ＡＭＲストライプを、前記ＡＭＲセンサ素子の最も外側に位置する前記ＡＭＲストライプの隣に２μｍ以上の間隔を空けて、前記ＡＭＲセンサ素子から絶縁するように配置すること、
閉ループを形成するように前記ＡＭＲセンサ素子を４つ接続することにより、２つの前記ＡＭＲセンサ素子を繋ぐ第１の接続点と残り２つの前記ＡＭＲセンサ素子を繋ぐ第２の接続点とを有する磁気センサとしてのＡＭＲホイートストンブリッジを形成すること、
前記ＡＭＲセンサ素子の近くに１以上の永久磁石を設けることで回転検出器を形成すること、
前記回転検出器を、前記リムから前記歯車の回転面に沿って第１の距離を隔てるように配置すること、
前記歯車の回転面と直交する方向において、前記リムの中心線に対して対称となるように前記ＡＭＲセンサ素子が重なると共に前記永久磁石の中心位置が前記中心線に対して第２の距離となる位置に配置され、前記永久磁石がバイアス磁界としてのＹ軸成分を含む磁界を供給可能となるように前記回転検出器の位置を調整すること、
前記ＡＭＲホイートストンブリッジにおける前記第１の接続点と前記第２の接続点との間に定電圧を供給し、第１および第２の出力電圧を前記第１の接続点と前記第２の接続点との間の接続点から取り出すことと、
前記第１および第２の出力電圧の差分を決定し、その差分から静止状態をも含めて前記歯車の回転速度を算出することと
を含む歯車の回転速度検出方法。
前記ＡＭＲ材料として、パーマロイと、Ｎｉ，Ｆｅ，ＣｏおよびＢのうちの２種を含む二元系合金と、Ｎｉ，Ｆｅ，ＣｏおよびＢのうちの３種を含む三元系合金との群から選択されるものを用いる
請求項１記載の歯車の回転速度検出方法。
前記ＡＭＲストライプの幅を１０μｍ以上３０μｍ以下とする
請求項１記載の歯車の回転速度検出方法。
前記ＡＭＲストライプの幅を５μｍ以上５００μｍ以下とする
請求項１記載の歯車の回転速度検出方法。
前記ＡＭＲストライプの幅を５０μｍ以上２５０μｍ以下とする
請求項１記載の歯車の回転速度検出方法。
前記ＡＭＲストライプの幅を２５μｍ以上５００μｍ以下とする
請求項１記載の歯車の回転速度検出方法。
前記ＡＭＲセンサ素子を、５以上２０以下の数のＡＭＲセンサ素子によって構成する
請求項１記載の歯車の回転速度検出方法。
前記ＡＭＲセンサ素子を、１以上１００以下の数のＡＭＲセンサ素子によって構成する
請求項１記載の歯車の回転速度検出方法。
前記リムから前記回転検出器までの前記第１の距離を、０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下とする
請求項１記載の歯車の回転速度検出方法。
前記第２の距離を、０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下とする
請求項１記載の歯車の回転速度検出方法。
中心線を含むリムおよび強磁性のギア歯を有する歯車の回転速度を検出する装置であって、
基体上に設けられ、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）材料からなると共に幅と長さとのアスペクト比が５以上である複数のＡＭＲストライプを各々含む４つのＡＭＲセンサ素子が閉ループを形成するように接続されてなるＡＭＲホイートストンブリッジ、および前記ＡＭＲセンサ素子の近くに設けられた１以上の永久磁石を有する回転検出器と、
前記ＡＭＲセンサ素子の最も外側に位置する前記ＡＭＲストライプの隣に２μｍ以上の間隔を空けて、前記ＡＭＲセンサ素子から絶縁されるように配置された追加ＡＭＲストライプと
を備え、
前記４つのＡＭＲセンサ素子がそれぞれ単一の抵抗体としての機能を発揮できるように、前記複数のＡＭＲストライプは、各々の幅の５分の１以下の間隔で互いの長辺が隣り合うように配列され、かつ互いに直列接続されており、
前記ＡＭＲホイートストンブリッジは、２つの前記ＡＭＲセンサ素子を繋ぐ第１の接続点と残り２つの前記ＡＭＲセンサ素子を繋ぐ第２の接続点とを有する磁気センサであり、
前記回転検出器は、前記リムから前記歯車の回転面に沿って第１の距離を隔てるように配置され、かつ、前記歯車の回転面と直交する方向において、前記リムの中心線に対して対称となるように前記ＡＭＲセンサ素子が重なると共に前記永久磁石の中心位置が前記中心線に対して第２の距離となる位置に配置され、前記永久磁石がバイアス磁界としてのＹ軸成分を含む磁界を供給可能となるように位置調整されている
歯車の回転速度検出装置。
前記ＡＭＲ材料は、パーマロイと、Ｎｉ，Ｆｅ，ＣｏおよびＢのうちの２種を含む二元系合金と、Ｎｉ，Ｆｅ，ＣｏおよびＢのうちの３種を含む三元系合金との群から選択されるものである
請求項１１記載の歯車の回転速度検出装置。
前記ＡＭＲストライプの幅は１０μｍ以上３０μｍ以下である
請求項１１記載の歯車の回転速度検出装置。
前記ＡＭＲストライプの幅は５μｍ以上５００μｍ以下である
請求項１１記載の歯車の回転速度検出装置。
前記ＡＭＲストライプの幅は５０μｍ以上２５０μｍ以下である
請求項１１記載の歯車の回転速度検出装置。
前記ＡＭＲストライプの幅は２５μｍ以上５００μｍ以下である
請求項１１記載の歯車の回転速度検出装置。
前記ＡＭＲセンサ素子は、５以上２０以下の数のＡＭＲセンサ素子によって構成されている
請求項１１記載の歯車の回転速度検出装置。
前記ＡＭＲセンサ素子は、１以上１００以下の数のＡＭＲセンサ素子によって構成されている
請求項１１記載の歯車の回転速度検出装置。
前記リムから前記回転検出器までの前記第１の距離は、０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下である
請求項１１記載の歯車の回転速度検出装置。
前記第２の距離は、０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下である
請求項１１記載の歯車の回転速度検出装置。