JP2019211330A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサチップが搭載された回路基板が筐体のスリットに挿入された構造を有する磁気センサにおいて、回路基板を筐体に正しく位置決めする。【解決手段】第１及び第２のスリット１１，１２を有する筐体１０と、筐体１０の第１のスリット１１に挿入され、磁気検出素子を有するセンサチップ２１が搭載された回路基板２０と、回路基板２０を第１のスリット１１の内壁に付勢する板バネ機能を有する磁気シールド３０とを備える。本発明によれば、板バネ機能を有する磁気シールド３０によって回路基板２０が第１のスリット１１の内壁に付勢されることから、センサチップ２１を備える回路基板２０を筐体に正しく位置決めすることが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は磁気センサに関し、特に、センサチップが搭載された回路基板が筐体のスリットに挿入された構造を有する磁気センサに関する。

センサチップが搭載された回路基板が筐体のスリットに挿入された構造を有する磁気センサとしては、特許文献１に記載された磁気センサが知られている。特許文献１に記載された磁気センサは、筐体であるセンサケース（１１）にユニット嵌着穴（１１Ａ）が設けられており、このユニット嵌着穴（１１Ａ）に検知ユニット（２）が挿入された構成を有している。

実開平２−７５８４号公報

特許文献１に記載された磁気センサにおいては、検知ユニット（２）をユニット嵌着穴（１１Ａ）に挿入可能とするためには、ユニット嵌着穴（１１Ａ）のサイズを検知ユニット（２）よりも大きくする必要があり、その結果、ユニット嵌着穴（１１Ａ）の内部における検知ユニット（２）の位置が定まらないという問題があった。特許文献１においては、モールド材（９）を用いて検知ユニット（２）を固定しているが、この場合であっても、モールド時において検知ユニット（２）が位置決めされないため、検知ユニット（２）の固定位置にばらつきが生じてしまう。

したがって、本発明は、センサチップを備える回路基板を筐体に正しく位置決め可能な磁気センサを提供することを目的とする。

本発明による磁気センサは、第１のスリットを有する筐体と、筐体の第１のスリットに挿入され、磁気検出素子を有するセンサチップが搭載された回路基板と、回路基板を第１のスリットの内壁に付勢する板バネとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、板バネによって回路基板が第１のスリットの内壁に付勢されることから、センサチップを備える回路基板を筐体に正しく位置決めすることが可能となる。

本発明において、筐体は第１のスリットと平行に設けられた第２のスリットをさらに有し、板バネは第１のスリットに挿入される第１の部分と、第２のスリットに挿入される第２の部分と、第１の部分と第２の部分を繋ぐ第３の部分を有するものであっても構わない。これによれば、板バネの第１の部分と第２の部分によって回路基板を挟み込むように、位置決めすることが可能となる。

本発明において、板バネの第３の部分には開口部が設けられていても構わない。これによれば、センサチップに接続される配線を開口部から筐体の外部に引き出したり、或いは、開口部を介して磁界を検出したりすることが可能となる。

本発明による磁気センサは、第１及び第２の永久磁石をさらに備え、筐体は、第１及び第２のスリットを挟むように設けられた第３及び第４のスリットをさらに有し、第１及び第２の永久磁石は、それぞれ第３及び第４のスリットに挿入されていても構わない。これによれば、永久磁石によってセンサチップにバイアス磁界を与えることが可能となる。

本発明において、板バネは磁性体からなるものであっても構わない。これによれば、磁気シールドが板バネの役割を果たすことから、部品点数を増加させることなく、回路基板を正しく位置決めすることが可能となる。

このように、本発明によれば、センサチップを備える回路基板を筐体に正しく位置決めすることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１の構成を示す略透視斜視図である。 図２は、磁気センサ１の分解斜視図である。 図３は、磁気センサ１の断面図である。 図４は、筐体１０を検出ヘッドとは反対側から見た略斜視図である。 図５は、第１及び第２のスリット１１，１２の近傍をｚ方向から見た略平面図である。 図６は、第１のスリット１１の内部をｘ方向から見た略平面図である。 図７は、センサチップ２１及び磁性体２２を示す略斜視図である。 図８は、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の接続関係を説明するための回路図である。 図９は、回路基板２０及び磁気シールド３０が挿入された状態における第１及び第２のスリット１１，１２の近傍をｚ方向から見た略平面図である。 図１０は、磁気シールド３０の第１の部分３１と第２の部分３２に挟まれた領域をｙ方向から見た略側面図である。 図１１は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ２の構成を示す略透視斜視図である。 図１２は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ３の構成を示す略透視斜視図である。 図１３は、第３の実施形態において用いる筐体１０の略斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１の構成を示す略透視斜視図である。また、図２は磁気センサ１の分解斜視図、図３は磁気センサ１の断面図である。

図１〜図３に示すように、第１の実施形態による磁気センサ１は、樹脂などの非磁性材料からなる筐体１０と、筐体に固定された回路基板２０、磁気シールド３０、永久磁石４１，４２を備える。筐体１０には、ｚ方向を深さ方向とする第１〜第４のスリット１１〜１４が設けられている。第１及び第２のスリット１１，１２は、筐体１０をｚ方向に貫通する互いに平行なスリットである。一方、第３及び第４のスリット１３，１４は、筐体１０をｚ方向に貫通することなく設けられたキャビティであり、第１及び第２のスリット１１，１２をｘ方向から挟まれるように配置されている。

そして、第１のスリット１１には回路基板２０及び磁気シールド３０の第１の部分３１が挿入され、第２のスリット１２には磁気シールド３０の第２の部分３２が挿入され、第３及び第４のスリット１３，１４には永久磁石４１，４２がそれぞれ挿入される。筐体１０のｘｙ面のうち、スリット１１〜１４が開口する側の面は、図示しない被測定部材の磁気パターンを検出する検出ヘッドを構成する。

図４は、筐体１０を検出ヘッドとは反対側から見た略斜視図である。また、図５は、第１及び第２のスリット１１，１２の近傍をｚ方向から見た略平面図であり、図６は、第１のスリット１１の内部をｘ方向から見た略平面図である。

図４に示すように、筐体１０に設けられた第１及び第２のスリット１１，１２は、筐体１０の裏面側において繋がっており、この部分に磁気シールド３０の第３の部分が収容される。また、図４〜図６に示すように、第１のスリット１１には突出部１５が設けられており、この部分においてｘ方向におけるスリット幅が狭くなっている。突出部１５が設けられた部分における第１のスリット１１のスリット幅は、回路基板２０の厚みと磁気シールド３０の第１の部分３１の厚みの和よりも僅かに広く設計されている。これに対し、第２のスリット１２のスリット幅は、磁気シールド３０の第２の部分３２の厚みよりも僅かに広く設計されている。

回路基板２０には、センサチップ２１が搭載されている。図７に示すように、センサチップ２１は略直方体形状を有し、そのｘｙ面を構成する素子形成面２１ａには、４つの磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４が形成されている。磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４としては、磁界の向きに応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いることが好ましい。磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の磁化固定方向は、図７の矢印Ｐが示す方向（ｙ方向）に全て揃えられている。

センサチップ２１の素子形成面２１ａには、板状の磁性体２２が固定されている。磁性体２２は、フェライトなどの高透磁率材料からなる板状の直方体であり、検出すべき磁束をセンサチップ２１に集める役割を果たす。磁性体２２は、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３と磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４との間に配置される。ここで、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３はｘ方向における位置が等しく、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４はｘ方向における位置が等しい。また、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ４はｙ方向における位置が等しく、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ３はｙ方向における位置が等しい。磁性体２２は、垂直方向（ｚ方向）の磁束を集める役割を果たし、磁性体２２によって集磁された磁束は、ｘ方向にほぼ均等に分配される。このため、垂直方向の磁束は、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４に対してほぼ均等に与えられることになる。

図８は、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の接続関係を説明するための回路図である。

図８に示すように、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ２は、電源電位Ｖｄｄが供給される端子電極と接地電位Ｇｎｄが供給される端子電極との間に直列に接続される。同様に、磁気検出素子Ｒ３，Ｒ４も、電源電位Ｖｄｄが供給される端子電極と接地電位Ｇｎｄが供給される端子電極との間に直列に接続される。そして、磁気検出素子Ｒ１と磁気検出素子Ｒ２の接続点の電位Ｖａは所定の端子電極を介して外部に出力され、磁気検出素子Ｒ３と磁気検出素子Ｒ４の接続点の電位Ｖｂは別の端子電極を介して外部に出力される。

そして、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３は平面視で磁性体２２からみて一方側に配置され、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４は平面視で磁性体２２からみて他方側に配置されていることから、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４は差動ブリッジ回路を構成し、磁束密度に応じた磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の電気抵抗の変化を高感度に検出することが可能となる。つまり、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４は、全て同一の磁化固定方向を有していることから、平面視で磁性体２２からみて一方側に位置する磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３の抵抗変化量と、平面視で磁性体２２からみて他方側に位置する磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４の抵抗変化量との間には差が生じる。この差は、図８に示した差動ブリッジ回路によって増幅される。但し、本発明において４つの磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４を用いることは必須ではなく、例えば２つの磁気検出素子（Ｒ１とＲ４）を用いても構わない。

磁気シールド３０は、永久磁石４１，４２からの磁束がセンサチップ２１に直接印加されることを防止するための部材であり、その材料としては、パーマロイなど透磁率の高い磁性金属材料が用いられる。磁気シールド３０は、ｙｚ面を主面とする第１及び第２の部分３１，３２と、第１の部分３１と第２の部分３２を繋ぐ第３の部分３３を有する。そして、磁気シールド３０の第１の部分３１は筐体１０の第１のスリット１１に挿入され、磁気シールド３０の第２の部分３２は筐体１０の第２のスリット１２に挿入される。

図３に示すように、磁気シールド３０の第１の部分３１に隣接して配置される第１の永久磁石４１と、磁気シールド３０の第２の部分３２に隣接して配置される第２の永久磁石４２は、互いに極性が逆となるよう配置されている。これにより、第１の永久磁石４１と第２の永久磁石４２に挟まれた領域においては、磁束の大部分が打ち消され、弱いバイアス磁界が磁性体２２を介してセンサチップ２１に印加される。そして、磁性体２２の直下又はその近傍に磁気パターンが存在しない場合には、永久磁石４１，４２によって形成される磁気バイアスが所定の安定状態を保っているため、センサチップ２１からは、磁気バイアスに対応したセンサ出力が出力される。これに対し、磁性体２２の直下又はその近傍に磁気パターンが存在すると、永久磁石４１，４２によって形成される磁気バイアスの状態が崩れ、磁性体２２に印加される磁束φのｚ方向成分に変化が生じる。このような原理により、磁気パターンの存在を検出することが可能となる。

磁気シールド３０は、筐体１０のスリット１１，１２に挿入される前の状態において、第１の部分３１と第２の部分３２のｘ方向における間隔が先端に向かって狭くなるよう、加工されている。つまり、図２に示す間隔Ｗ１よりも間隔Ｗ２の方が狭い形状を有している。このような形状は、パーマロイなどの磁性金属材料からなる板状体を折り曲げ加工する際に、内角が９０°未満となるよう、強く折り曲げることによって形成可能である。このような形状により、回路基板２０及び磁気シールド３０を筐体１０のスリット１１，１２に挿入すると、磁気シールド３０の第１及び第２の部分３１，３２の間隔が押し広げられ、磁気シールド３０のもつバネ性により、筐体１０及び回路基板２０が内側方向に付勢される。このように、磁気シールド３０は板バネとして機能する。

図９は、回路基板２０及び磁気シールド３０が挿入された状態における第１及び第２のスリット１１，１２の近傍をｚ方向から見た略平面図であり、図面の見やすさを考慮して、磁気シールド３０の第３の部分３３は省略している。また、図１０は、磁気シールド３０の第１の部分３１と第２の部分３２に挟まれた領域をｙ方向から見た略側面図である。

図９及び図１０に示すように、筐体１０の第１及び第２のスリット１１，１２に回路基板２０及び磁気シールド３０を挿入すると、磁気シールド３０のもつバネ性により、第１の部分３１には付勢力Ｆ１が働き、第２の部分３２には付勢力Ｆ２が働く。付勢力Ｆ１，Ｆ２はｘ方向に働く力であり、その方向は互いに向かい合う。このため、回路基板２０は磁気シールド３０の第１の部分３１によって、第１のスリット１１の内壁である突出部１５の表面１５ａに付勢される。また、磁気シールド３０の第２の部分３２は、第２のスリット１２の内壁１２ａに付勢される。

これにより、回路基板２０のｘ方向における位置は、突出部１５の表面１５ａによって位置決めされることから、回路基板２０を設計通りのｘ方向位置に固定することが可能となる。また、回路基板２０の固定に接着剤などを用いないことから、接着剤の乾燥や硬化に要する時間が不要であり、製造効率を高めることも可能となる。しかも、回路基板２０を付勢する板バネは、磁気シールド３０として本来使用する部材であることから、部品点数が増加することもない。

以上説明したように、本実施形態による磁気センサ１によれば、部品点数を増加させることなく、回路基板２０のｘ方向における位置を正しく位置決めすることが可能となる。

＜第２の実施形態＞
図１１は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ２の構成を示す略透視斜視図である。

図１１に示すように、第２の実施形態による磁気センサ２は、磁気シールド３０の第３の部分３３に開口部３３ａが設けられており、センサチップ２１に接続される配線２３が開口部３３ａを介して筐体１０の外部に引き出されている点において、第１の実施形態による磁気センサ１と相違している。その他の構成は、第１の実施形態による磁気センサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態による磁気センサ２は、磁気シールド３０の第３の部分３３に開口部３３ａが設けられていることから、センサチップ２１に接続される配線２３を開口部３３ａから引き出すことができる。これにより、配線２３の引き回しが容易となる。

＜第３の実施形態＞
図１２は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ３の構成を示す略透視斜視図である。また、図１３は、本実施形態において用いる筐体１０の略斜視図である。

図１２に示すように、第３の実施形態による磁気センサ３は、筐体１０に対する磁気シールド３０の挿入方向が逆であるとともに、磁気シールド３０の第３の部分３３に開口部３３ａが設けられている点において、第１の実施形態による磁気センサ１と相違している。その他の構成は、第１の実施形態による磁気センサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、第３の部分３３に開口部３３ａに磁性体２２が配置されている。これにより、センサチップ２１は開口部３３ａを介して磁界を検出する。磁性体２２のｚ方向における先端位置は、磁気シールド３０の第３の部分３３のｚ方向位置とほぼ同じであることが好ましい。このように、本実施形態においては、検出ヘッド側に磁気シールド３０の第３の部分３３が配置されていることから、センサチップ２１及び磁性体２２をより効果的にシールドすることができる。また、検出ヘッドの反対側に磁気シールド３０の第３の部分３３が存在しないことから、センサチップ２１に接続される配線２３の引き出しも容易である。

本実施形態では、磁気シールド３０を検出ヘッド側から筐体１０に挿入する。図１３に示す例では、筐体１０の第１のスリット１１に設けられた突出部１５がｚ方向に延在する形状を有している。このように、突出部１５の形状及び位置については、センサチップ２１や磁性体２２と干渉することなく、回路基板２０を第１のスリット１１の内壁に付勢可能である限り、特に限定されるものではない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記各実施形態においては、磁気シールド３０を板バネとして用いているが、本発明において板バネが磁性材料からなる点は必須でなく、シールド機能が不要である場合には、非磁性材料からなる板バネを用いても構わない。

１〜３ 磁気センサ
１０ 筐体
１１ 第１のスリット
１２ 第２のスリット
１２ａ 第２のスリットの内壁
１３ 第３のスリット
１４ 第４のスリット
１５ 突出部
１５ａ 突出部の表面（第１のスリットの内壁）
２０ 回路基板
２１ センサチップ
２１ａ 素子形成面
２２ 磁性体
２３ 配線
３０ 磁気シールド
３１ 第１の部分
３２ 第２の部分
３３ 第３の部分
３３ａ 開口部
４１ 第１の永久磁石
４２ 第２の永久磁石
Ｆ１，Ｆ２ 付勢力
Ｒ１〜Ｒ４ 磁気検出素子
φ 磁束

Claims (7)

1. 第１のスリットを有する筐体と、
   前記筐体の前記第１のスリットに挿入され、磁気検出素子を有するセンサチップが搭載された回路基板と、
   前記回路基板を前記第１のスリットの内壁に付勢する板バネと、を備えることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記筐体は、前記第１のスリットと平行に設けられた第２のスリットをさらに有し、
   前記板バネは、前記第１のスリットに挿入される第１の部分と、前記第２のスリットに挿入される第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分を繋ぐ第３の部分を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記板バネの前記第３の部分には開口部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記センサチップに接続される配線が前記開口部を介して前記筐体の外部に引き出されることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
5. 前記センサチップは、前記開口部を介して磁界を検出することを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
6. 第１及び第２の永久磁石をさらに備え、
   前記筐体は、前記第１及び第２のスリットを挟むように設けられた第３及び第４のスリットをさらに有し、
   前記第１及び第２の永久磁石は、それぞれ前記第３及び第４のスリットに挿入されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
7. 前記板バネは、磁性体からなることを特徴とする請求項６に記載の磁気センサ。

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