JP2017173236A

JP2017173236A - 磁気センサ装置

Info

Publication number: JP2017173236A
Application number: JP2016061840A
Authority: JP
Inventors: 直希磯部; Naoki Isobe; 小林　陽介; Yosuke Kobayashi; 陽介小林
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2017-09-28

Abstract

【課題】磁気センサとバイアス磁石の相対的な位置がずれたとしても検出と非検出の切り替わりの変化を抑制ことができる磁気センサ装置を提供する。
【解決手段】磁気センサ装置１は、第１の磁場２５を生成する第１のバイアス磁石２と、第１のバイアス磁石２と同じ形状かつ同じ着磁がなされて第２の磁場３５を生成し、第１のバイアス磁石２に対して予め定められた角度θ回転させて配置された第２のバイアス磁石３と、第１のバイアス磁石２の底面２１と第２のバイアス磁石３の上面３０の間に配置され、中心線５に沿った第１のバイアス磁石２に対する磁性体６の接近による、第１の磁場２５の第１の磁気ベクトル２５０、及び第２の磁場３５の第２の磁気ベクトル３５０の合成ベクトル７の向きの変化を検出する磁気センサ４と、を備えて概略構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサ装置に関する。

従来の技術として、リング状に形成された磁石体と、磁石体の中心軸に沿う直線上又はその付近であってかつ磁石体の両端部近傍に生ずる磁気的中性点のいずれかに、中心位置を一致させて配設されるバイアス磁石一体型磁気抵抗素子と、を備えた磁性体検出用近接スイッチが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この磁性体検出用近接スイッチは、磁性体が接近すると、磁気的中性点（磁石体の磁界が互いに反発し合う結果、磁界ベクトルがほぼゼロとなる点）に配置された磁気抵抗素子に磁界が作用し、出力電圧が変化して近接を検出することができる。

特開平６−７６７０６号公報

しかし従来の磁性体検出用近接スイッチは、磁気抵抗素子を磁気的中性点に正確に配置しなければ、検出と非検出の切り替わりの磁性体の距離が大きく変わる可能性がある。

従って本発明の目的は、磁気センサとバイアス磁石の相対的な位置がずれたとしても検出と非検出の切り替わりの変化を抑制ことができる磁気センサ装置を提供することにある。

本発明の一態様は、上面と底面が同形状となる柱体であり、一方の側面側が第１の磁極、他方の側面側が第２の磁極となるように着磁されて第１の磁場を生成する第１のバイアス磁石と、第１のバイアス磁石と同じ形状かつ同じ着磁がなされて第２の磁場を生成し、上面の中心と底面の中心を結んで延長した互いの中心線が一致すると共に、第１のバイアス磁石に対して予め定められた角度回転させて配置された第２のバイアス磁石と、第１のバイアス磁石の底面と第２のバイアス磁石の上面の間に配置され、中心線に沿った第１のバイアス磁石に対する磁性体の接近による、第１の磁場の第１の磁気ベクトル、及び第２の磁場の第２の磁気ベクトルの合成ベクトルの向きの変化を検出する磁気センサと、を備えた磁気センサ装置を提供する。

本発明によれば、磁気センサとバイアス磁石の相対的な位置がずれたとしても検出と非検出の切り替わりの変化を抑制ことができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサ装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、磁性体が離れている場合の合成ベクトルの一例を説明するための概略図であり、図１（ｃ）は、磁気センサ装置の等価回路図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサ装置の一例を示す概略図であり、図２（ｂ）は、磁性体が接近している場合の合成ベクトルの一例を説明するための概略図である。図３（ａ）は、実施例１〜実施例４における磁気センサ装置の概略図であり、図３（ｂ）は、実施例１〜実施例４における磁気センサ装置の差分出力と磁性体−第１のバイアス磁石間の距離の関係を示すグラフである。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る磁気センサ装置は、上面と底面が同形状となる柱体であり、一方の側面側が第１の磁極、他方の側面側が第２の磁極となるように着磁されて第１の磁場を生成する第１のバイアス磁石と、第１のバイアス磁石と同じ形状かつ同じ着磁がなされて第２の磁場を生成し、上面の中心と底面の中心を結んで延長した互いの中心線が一致すると共に、第１のバイアス磁石に対して予め定められた角度回転させて配置された第２のバイアス磁石と、第１のバイアス磁石の底面と第２のバイアス磁石の上面の間に配置され、中心線に沿った第１のバイアス磁石に対する磁性体の接近による、第１の磁場の第１の磁気ベクトル、及び第２の磁場の第２の磁気ベクトルの合成ベクトルの向きの変化を検出する磁気センサと、を備えて概略構成されている。

磁気センサ装置は、磁性体の接近が主に第１のバイアス磁石の第１の磁場に対して影響を与える。従って磁気センサ装置は、第１の磁場と第２の磁場の双方に影響を与えて合成ベクトルを変化させる場合と比べて、位置ずれによる合成ベクトルの向きの変化が小さく、磁気センサと第１のバイアス磁石及び第２のバイアス磁石の相対的な位置のずれが生じても検出と非検出の切り替わりの変化を抑制することができる。

[実施の形態]
（磁気センサ装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサ装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、磁性体が離れている場合の合成ベクトルの一例を説明するための概略図であり、図１（ｃ）は、磁気センサ装置の等価回路図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサ装置の一例を示す概略図であり、図２（ｂ）は、磁性体が接近している場合の合成ベクトルの一例を説明するための概略図である。図１（ａ）は、検出されない程度に磁性体が第１のバイアス磁石から離れている場合を示している。図２（ａ）は、検出される程度に磁性体が第１のバイアス磁石に接近している場合を示している。なお、以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また図１（ｃ）では、主な信号などの流れを矢印で示している。

磁気センサ装置１は、例えば、車両のブレーキペダルの接近の検出、シフト装置のシフト位置の検出、バックルに対するタングプレートの挿入の検出などに用いられる。

この磁気センサ装置１は、図１（ａ）に示すように、上面２０と底面２１が同形状となる柱体であり、一方の側面２２側が第１の磁極、他方の側面２３側が第２の磁極となるように着磁されて第１の磁場２５を生成する第１のバイアス磁石２と、第１のバイアス磁石２と同じ形状かつ同じ着磁がなされて第２の磁場３５を生成し、上面の中心と底面の中心を結んで延長した互いの中心線（中心線５）が一致すると共に、第１のバイアス磁石２に対して予め定められた角度θ回転させて配置された第２のバイアス磁石３と、第１のバイアス磁石２の底面２１と第２のバイアス磁石３の上面３０の間に配置され、中心線５に沿った第１のバイアス磁石２に対する磁性体６の接近による、第１の磁場２５の第１の磁気ベクトル２５０、及び第２の磁場３５の第２の磁気ベクトル３５０の合成ベクトル７の向きの変化を検出する磁気センサ４と、を備えて概略構成されている。

第１の磁極及び第２の磁極は、Ｎ極及びＳ極であるが、逆であっても良い。また上述の「上面の中心と底面の中心を結んで延長した互いの中心線が一致する」とは、第１のバイアス磁石２の上面２０の中心２００と底面２１の中心２１０を結んで延長した中心線と、第２のバイアス磁石３の上面３０の中心３００と底面３１の中心３１０を結んで延長した中心線と、が一致することを示している。この中心線は、図１（ａ）に示す中心線５である。

また磁気センサ装置１は、一例として、図１（ｃ）に示すように、磁気センサ４から出力された中点電位Ｖ_１及び中点電位Ｖ_２に基づいて磁性体６の接近を判定する判定部１０を備えている。

（第１のバイアス磁石２及び第２のバイアス磁石３の構成）
第１のバイアス磁石２及び第２のバイアス磁石３は、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、ネオジム磁石などの永久磁石、又は、フェライト系、ネオジム系、サマコバ系、サマリウム鉄窒素系などの磁性体材料と、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）などの合成樹脂材料と、を混合して所望の形状に成形したプラスチックマグネットである。本実施の形態の第１のバイアス磁石２及び第２のバイアス磁石３は、一例として、ネオジム磁石の粒子を含有したプラスチックマグネットである。

第１のバイアス磁石２及び第２のバイアス磁石３は、上面及び底面が正方形の板形状を有している。第２のバイアス磁石３は、第１のバイアス磁石２に対して予め定められた角度θ回転させて配置される。なお第２のバイアス磁石３は、第１のバイアス磁石２と第２のバイアス磁石３の磁極を一致させた状態から回転される。

この予め定められた角度θは、例えば、４５°＋９０°×ｎ（ｎ＝０，１，２，３）である。本実施の形態の角度θは、１３５°（ｎ＝１）である。

第１のバイアス磁石２は、図１（ｂ）の紙面において左の側面２２側がＮ極、右の側面２３側がＳ極となっている。従って磁性体６が十分離れている場合、磁気センサ４の感磁面４０における第１の磁場２５の第１の磁気ベクトル２５０は、磁気センサ４が底面２１側に位置することから左から右に向かう方向となる。なお感磁面４０とは、磁気センサ４の後述する磁気抵抗素子が形成された面である。磁気センサ４は、この感磁面４０の面内における磁気ベクトルの方向の変化を検出する。

第２のバイアス磁石３は、図１（ｂ）の紙面において第１のバイアス磁石２を時計回りに１３５°回転させた位置に配置されている。第２のバイアス磁石３は、図１（ｂ）の紙面において右上の側面３２側がＮ極、左下の側面３３側がＳ極となっている。従って磁性体６が十分離れている場合、感磁面４０における第２の磁場３５の第２の磁気ベクトル３５０は、磁気センサ４が上面３０側に位置することから左斜め下方向となる。

この第１の磁気ベクトル２５０と第２の磁気ベクトル３５０の角度は、第１のバイアス磁石２に対する第２のバイアス磁石３の角度θと同じ１３５°となる。

また磁性体６が第１のバイアス磁石２に接近した場合、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、第１の磁場２５の磁束の一部が磁性体６に吸い込まれる。従って底面２１側の第１の磁場２５の強度が、離れている場合と比べて弱くなる、つまり磁束密度が低くなる。

その結果、感磁面４０における第１の磁気ベクトル２５０の大きさ、つまり図２（ｂ）に示す矢印の長さが離れている場合よりも短くなる。一方磁性体６の接近は、間に第１のバイアス磁石２が位置するので一種のシールドとして働くこと、第２のバイアス磁石３から磁性体６までの距離が離れていることなどから第２の磁場３５に対する影響が少ない。従って感磁面４０における第２の磁気ベクトル３５０は、磁性体６の接近の前後でほぼ変化しない。

よって磁性体６が接近した場合の合成ベクトル７は、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すように、接近前の右下方向から接近後の左下方向に変化する。磁気センサ４は、この合成ベクトル７の方向の回転を検出する。言い換えるなら磁気センサ４は、磁束密度の変化を合成ベクトル７の向きの変化に換算して検出している。

（磁気センサ４の構成）
磁気センサ４は、例えば、４つのＭＲ（Magneto Resistive）素子４１〜ＭＲ素子４４によってブリッジ回路４５が形成されている。この４つのＭＲ素子４１〜ＭＲ素子４４の素子中心４６は、中心線５上に位置している。そして感磁面４０から第１のバイアス磁石２の底面２１までの距離Ｌ_１と感磁面４０から第２のバイアス磁石３の上面３０までの距離Ｌ_２が等しい。

ＭＲ素子４１〜ＭＲ素子４４は、一例として、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏなどの強磁性体金属を主成分とした膜を用いて形成される。第１の磁場２５及び第２の磁場３５が作用していない場合のＭＲ素子４１〜ＭＲ素子４４の抵抗値は、等しい。

ＭＲ素子４１の一方端部は、ＭＲ素子４２の一方端部と電気的に接続されている。またＭＲ素子４１の他方端部には、例えば、基準電圧Ｖ_ＣＣが供給されている。また、ＭＲ素子４２の他方端部は、例えば、接地回路に電気的に接続されている。このＭＲ素子４１とＭＲ素子４２は、ハーフブリッジ回路を構成している。このハーフブリッジ回路の中点電位は、図１（ｃ）に示すように、Ｖ_１である。

ＭＲ素子４３の一方端部は、ＭＲ素子４４の一方端部と電気的に接続されている。またＭＲ素子４３の他方端部には、例えば、基準電圧Ｖ_ＣＣが供給されている。また、ＭＲ素子４４の他方端部は、例えば、接地回路に電気的に接続されている。このＭＲ素子４３とＭＲ素子４４は、ハーフブリッジ回路を構成している。このハーフブリッジ回路の中点電位は、図１（ｃ）に示すように、Ｖ_２である。この中点電位Ｖ_１及び中点電位Ｖ_２は、判定部１０に出力される。

ＭＲ素子４１は、互いに平行に並んだ複数の感磁部４００を有する。この感磁部４００は、合成ベクトル７の向きに応じて磁気抵抗値が変化する部分である。そしてＭＲ素子４１〜ＭＲ素子４４のそれぞれの感磁部４００は、図１（ｂ）、図１（ｃ）及び図２（ｂ）の紙面の上下方向に対して４５°の角度を有するように配置される。

なお磁気センサ４は、一例として、判定部１０などと共に基板に配置され、エポキシ樹脂などで封止される。第１のバイアス磁石２及び第２のバイアス磁石３は、封止された磁気センサ４に取り付けられる。

（磁性体６の構成）
磁性体６は、例えば、柱体形状を有している。磁性体６は、例えば、フェライトなどの強磁性体である。この磁性体６は、例えば、検出対象のブレーキペダルなどに取り付けられる。磁性体６は、第１のバイアス磁石２の上面２０に対して接近したり、離れたりする。

（判定部１０の構成）
判定部１０は、例えば、増幅器や比較器などを備えて構成されている。この判定部１０は、中点電位Ｖ_１と中点電位Ｖ_２の差分を算出し、算出した差分に基づいて磁性体６の接近を検出する。判定部１０は、一例として、接近を検出した場合、「１」を示す判定信号Ｓを出力し、磁性体６を検出しない場合、「０」を示す判定信号Ｓを出力する。

以下に、本実施の形態の磁気センサ装置の実施例１〜実施例４について説明する。

図３（ａ）は、実施例１〜実施例４における磁気センサ装置の概略図であり、図３（ｂ）は、実施例１〜実施例４における磁気センサ装置の差分出力と磁性体−第１のバイアス磁石間の距離の関係を示すグラフである。

この図３（ａ）に示すＸＹＺ座標系は、Ｘ軸が図３（ａ）の紙面において左から右に向かう座標軸、Ｙ軸が図３（ａ）の紙面において手前から奥に向かう座標軸、Ｚ軸が図３（ａ）の下から上に向かう座標軸となっている。

また図３（ｂ）に示す実施例１〜実施例４は、シミュレーションを行った結果をグラフにしたものである。縦軸の差分出力は、単位がｍＶであり、中点電位Ｖ_１と中点電位Ｖ_２の差分（＝Ｖ_２−Ｖ_１）を示している。横軸は、単位がｍｍであり、図３（ａ）に示す距離Ｌ_３を示している。

このシミュレーションにおける磁性体６は、鉄で形成され、Ｘ軸方向の幅とＹ軸方向の奥行が３ｍｍ×３ｍｍ、そして厚み（Ｚ軸）が１ｍｍである。また第１のバイアス磁石２及び第２のバイアス磁石３は、共に、各辺が１ｍｍの立方体としている。また磁性体６は、中心線５に沿って第１のバイアス磁石２に接近するものとする。さらに距離Ｌ_１及び距離Ｌ_２は、０．４ｍｍとしている。

この実施例１〜実施例４では、差分出力が０ｍＶ以上である場合を磁性体６が接近したとしてオンとし、０ｍＶ未満である場合を磁性体６が離れたとしてオフとしている。

（実施例１について）
実施例１は、磁気センサ４の素子中心４６がＸ軸方向に−０．０６ｍｍ、Ｙ軸方向に＋０．０６ｍｍずれたとしてシミュレーションしている。このずれは、第１のバイアス磁石２、第２のバイアス磁石３及び磁気センサ４の組み付けなどにおいて予想される累積公差の一例である。実施例１では、図３（ｂ）に示すように、磁性体６と第１のバイアス磁石２の距離Ｌ_３がおよそ０．５ｍｍとなると、オンとオフが切り替わっている。

（実施例２について）
実施例２は、磁気センサ４の素子中心４６がＸ軸方向に＋０．０６ｍｍ、Ｙ軸方向に＋０．０６ｍｍずれたとしてシミュレーションしている。実施例２では、図３（ｂ）に示すように、磁性体６と第１のバイアス磁石２の距離Ｌ_３がおよそ０．５ｍｍとなると、オンとオフが切り替わっている。

（実施例３について）
実施例３は、磁気センサ４の素子中心４６がＸ軸方向に−０．０６ｍｍ、Ｙ軸方向に−０．０６ｍｍずれたとしてシミュレーションしている。実施例３では、図３（ｂ）に示すように、磁性体６と第１のバイアス磁石２の距離Ｌ_３がおよそ０．５ｍｍとなると、オンとオフが切り替わっている。

（実施例４について）
実施例４は、磁気センサ４の素子中心４６がＸ軸方向に＋０．０６ｍｍ、Ｙ軸方向に−０．０６ｍｍずれたとしてシミュレーションしている。実施例３では、図３（ｂ）に示すように、磁性体６と第１のバイアス磁石２の距離Ｌ_３がおよそ０．５ｍｍとなると、オンとオフが切り替わっている。

上述のように、実施例１〜実施例４では、磁気センサ４と第１のバイアス磁石２及び第２のバイアス磁石３の相対的な位置が搭載時にずれたとしても、ほぼオンとオフの切り替わりが等しい距離となることが分かる。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る磁気センサ装置１は、磁気センサ４と第１のバイアス磁石２及び第２のバイアス磁石３の相対的な位置のずれが生じても検出と非検出、つまりオンとオフの切り替わりの変化を抑制することができる。具体的には、磁気センサ装置１は、磁性体６の接近が主に第１のバイアス磁石２の第１の磁場２５に対して影響を与える。従って磁気センサ装置１は、第１の磁場と第２の磁場の双方に影響を与えて合成ベクトルを変化させる場合と比べて、位置ずれによる合成ベクトル７の向きの変化が小さく、磁気センサ４と第１のバイアス磁石２及び第２のバイアス磁石３の相対的な位置ずれが生じてもオンとオフの切り替わりの変化を抑制することができる。

磁気センサ装置１は、磁性体６の接近を単純な柱体形状を有する第１のバイアス磁石２及び第２のバイアス磁石３を用いることによって検出することができる。また磁気センサ装置１は、同じ材料、同じ形状、同じ着磁のバイアス磁石を用いるので、複雑な形状のバイアス磁石を用いる場合などと比べて、製造コストを削減することができる。

磁気センサ装置１は、同じ材料、同じ形状、同じ着磁の第１のバイアス磁石２及び第２のバイアス磁石３を用いて近くに配置されるので、温度特性の変化量を抑制することができる。

磁気センサ装置１は、第１のバイアス磁石２に対する第２のバイアス磁石３の角度θが４５°の倍数であるので配置し易い。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…磁気センサ装置、２…第１のバイアス磁石、３…第２のバイアス磁石、４…磁気センサ、５…中心線、６…磁性体、７…合成ベクトル、１０…判定部、２０…上面、２１…底面、２２，２３…側面、２５…第１の磁場、３０…上面、３１…底面、３２，３３…側面、３５…第２の磁場、４０…感磁面、４１〜４４…ＭＲ素子、４５…ブリッジ回路、４６…素子中心、２００，２１０…中心、２５０…第１の磁気ベクトル、３００，３１０…中心、３５０…第２の磁気ベクトル、４００…感磁部

Claims

上面と底面が同形状となる柱体であり、一方の側面側が第１の磁極、他方の側面側が第２の磁極となるように着磁されて第１の磁場を生成する第１のバイアス磁石と、
前記第１のバイアス磁石と同じ形状かつ同じ着磁がなされて第２の磁場を生成し、上面の中心と底面の中心を結んで延長した互いの中心線が一致すると共に、前記第１のバイアス磁石に対して予め定められた角度回転させて配置された第２のバイアス磁石と、
前記第１のバイアス磁石の底面と前記第２のバイアス磁石の上面の間に配置され、前記中心線に沿った前記第１のバイアス磁石に対する磁性体の接近による、前記第１の磁場の第１の磁気ベクトル、及び前記第２の磁場の第２の磁気ベクトルの合成ベクトルの向きの変化を検出する磁気センサと、
を備えた磁気センサ装置。
前記予め定められた角度は、４５°＋９０°×ｎ（ｎ＝０，１，２，３）である、
請求項１に記載の磁気センサ装置。
前記磁気センサは、４つの磁気抵抗素子によってブリッジ回路が形成され、前記４つの磁気抵抗素子の素子中心が前記中心線上に位置し、感磁面から前記第１のバイアス磁石の底面までの距離と前記感磁面から前記第２のバイアス磁石の上面までの距離が等しい、
請求項１又は２に記載の磁気センサ装置。