JP2019216322A

JP2019216322A - 磁気センサ装置

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Publication number: JP2019216322A
Application number: JP2018111363A
Authority: JP
Inventors: 匡柴田; Tadashi Shibata
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-12-19
Also published as: DE112019002944T5; US20210080518A1; WO2019240005A1

Abstract

【課題】切り替わり精度が高い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、リング形状を有すると共に磁石９が形成する放射状の磁場９１との相互作用により磁気抵抗値が変化する第１の感磁部３０を有する第１の磁気センサ３と、第１の磁気センサ３の中心を通る磁石９の理想的な軌跡に基づいて配置されると共にリング形状の第２の感磁部４０及び第３の感磁部５０を有して第１の磁気センサ３の中に対向して重ならないように配置される第２の磁気センサ４及び第３の磁気センサ５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、ハウジングの所定位置に配置されて外部の圧力によって動作し、一端部に磁性体が形成されているボタンと、ハウジングに収納されて磁性体と向き合っており、磁性体との間隔に応じて誘導電圧を発生させる磁界センサ素子と、を備えた非接触スイッチが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この従来の非接触スイッチは、既存のスイッチが接触式構造を採用するのとは異なり、磁界センサ素子などを用いて非接触式構造を実現することにより、既存のスイッチに比べて耐久性を向上させると共に、スイッチの動作時に発生し得る騷音を除去することができる。この磁界センサ素子としては、磁気抵抗素子などが用いられる。

特表２０１５−５０７８７１号公報

このような磁界センサ素子として、円形の磁気抵抗素子を有するＭＲ（Magneto Resistive）センサが知られている。このＭＲセンサは、放射状の磁場を生成する磁石が中心に位置すると、磁場と磁気抵抗素子との角度が直角となるので、磁石が外にある場合に比べて磁気抵抗値が小さくなり、オンとオフなどの状態の切り替わりを検出することができる。しかしこのＭＲセンサは、磁石の位置がばらつくと状態の切り替わりの精度が低下する問題がある。

従って本発明の目的は、切り替わり精度が高い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、リング形状を有すると共に磁石が形成する放射状の磁場との相互作用により磁気抵抗値が変化する第１の感磁部を有する第１の磁気センサと、第１の磁気センサの中心を通る磁石の理想的な軌跡に基づいて配置されると共にリング形状の第２の感磁部及び第３の感磁部を有して第１の磁気センサの中に対向して重ならないように配置される第２の磁気センサ及び第３の磁気センサと、を備えた磁気センサ装置を提供する。

本発明によれば、切り替わり精度を高くすることができる。

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、磁気センサ装置のブロック図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態の磁気センサ装置と比較例の磁気センサ装置との磁石位置と磁気抵抗値を含む磁気センサ部の抵抗値との関係の一例を示すグラフであり、図２（ｂ）は、変形例に係る磁気センサ装置の一例を示す概略図である。図３は、実施の形態に係る磁気センサ装置の動作の一例を示すフローチャートである。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る磁気センサ装置は、リング形状を有すると共に磁石が形成する放射状の磁場との相互作用により磁気抵抗値が変化する第１の感磁部を有する第１の磁気センサと、第１の磁気センサの中心を通る磁石の理想的な軌跡に基づいて配置されると共にリング形状の第２の感磁部及び第３の感磁部を有して第１の磁気センサの中に対向して重ならないように配置される第２の磁気センサ及び第３の磁気センサと、を備えて概略構成されている。

この磁気センサ装置は、磁石の位置が理想的な軌跡からずれて第１の磁気センサの磁気抵抗値の変化量が小さくなっても、第２の磁気センサ及び第３の磁気センサの磁気抵抗値の変化量によって補うことができるので、リング形状を有する１つの磁気センサが配置される場合と比べて、切り替わり精度を高くすることができる。

[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、磁気センサ装置のブロック図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態の磁気センサ装置と比較例の磁気センサ装置との磁石位置と磁気抵抗値を含む磁気センサ部の抵抗値との関係の一例を示すグラフであり、図２（ｂ）は、変形例に係る磁気センサ装置の一例を示す概略図である。

図１（ａ）では、第１の磁気センサ３の中心Ｐ_１を原点とするＸＹ座標が図示されている。このＸＹ座標は、横軸がＸ軸であり、縦軸がＹ軸である。図２（ａ）は、位置ずれがある場合の実施の形態の抵抗値を点線で示し、位置ずれがない場合の実施の形態の抵抗値を実線で示し、位置ずれがある場合の比較例の抵抗値を二点鎖線で示し、位置ずれがない場合の比較例の抵抗値を一点鎖線で示している。図１（ｂ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。

磁気センサ装置１は、例えば、磁気センサ装置１に対する磁石９の接近と離脱を検出するものである。この磁気センサ装置１は、一例として、オンとオフを検出する非接触スイッチ、操作部の操作の有無を検出する操作装置などの２つの状態の検出する電子機器に用いられる。本実施の形態の磁気センサ装置１は、一例として、磁石９の接近をオン、離脱をオフと判定する非接触スイッチに用いられるものとする。

この磁気センサ装置１は、例えば、図１（ａ）に示すように、リング形状を有すると共に磁石９が形成する放射状の磁場９１との相互作用により磁気抵抗値が変化する第１の感磁部３０を有する第１の磁気センサ３と、第１の磁気センサ３の中心を通る磁石９の理想的な軌跡に基づいて配置されると共にリング形状の第２の感磁部４０及び第３の感磁部５０を有して第１の磁気センサ３の中に対向して重ならないように配置される第２の磁気センサ４及び第３の磁気センサ５と、を備えて概略構成されている。

第２の磁気センサ４及び第３の磁気センサ５は、磁石９の理想的な軌跡からの磁石９の位置ずれの許容量だけ離れた位置を中心として配置される。この理想的な軌跡とは、例えば、図１（ａ）に示すＸ軸である。つまり磁石９は、位置ずれなく配置された場合、Ｘ軸に沿って初期位置Ｘ_０から磁気センサ部２の中心Ｐ_１まで移動する。従って磁石９の中心９０を磁気センサ部２が設けられた平面に投射した軌跡は、Ｘ軸に沿う軌跡となる。

また第２の磁気センサ４及び第３の磁気センサ５は、第１の磁気センサ３の中心Ｐ_１から許容量だけ、磁石９の軌跡と直交する方向に離れた位置を中心Ｐ_２及び中心Ｐ_３として配置されている。

この許容量とは、一例として、設計時に想定される位置ずれの最大量である。この許容量は、例えば、図１（ａ）においてＸ軸と一点鎖線で示す２つの直線の間隔である±△Ｙである。

第２の磁気センサ４は、Ｘ軸から＋△Ｙ離れた位置に中心Ｐ_２がある。また第３の磁気センサ５は、Ｘ軸から−△Ｙ離れた位置に中心Ｐ_３がある。なお第２の磁気センサ４及び第３の磁気センサ５の中心Ｐ_２及び中心Ｐ_３は、必ずしも位置ずれの最大値である必要はない。

磁気センサ装置１は、例えば、図１（ｂ）に示すように、第１の磁気センサ３〜第３の磁気センサ５が直列に接続され、第１の磁気センサ３〜第３の磁気センサ５の磁気抵抗値に基づいて磁石を検出する検出部としての制御部６を備えている。また以下では、第１の磁気センサ３〜第３の磁気センサ５は、直列に接続されて磁気センサ部２を構成するものとする。

（磁気センサ部２の構成）
第１の磁気センサ３〜第３の磁気センサ５は、磁場９１の方向によって磁気抵抗値が変化する磁気抵抗素子である。図１（ａ）に示すように、第１の磁気センサ３〜第３の磁気センサ５は、一部が切り欠かれ、配線３１、配線４１及び配線５１が接続されている。第１の磁気センサ〜第３の磁気センサ５は、この配線３１〜配線５１を介して直列に接続されている。なお配線が接続される切り欠きの位置は、自由に設定可能である。

第１の磁気センサ３〜第３の磁気センサ５の第１の感磁部３０〜第３の感磁部５０は、リング形状を有している。そして第１の感磁部３０〜第３の感磁部５０は、例えば、Ｎｉ、Ｆｅなどの強磁性金属を主成分とする合金の薄膜として形成されている。

また配線３１〜配線５１は、例えば、磁場９１の方向の変化によって抵抗値が変化しない銅などの金属材料で形成されている。

第２の磁気センサ４及び第３の磁気センサ５は、第２の感磁部４０及び第３の感磁部５０の半径が等しく、かつ第２の感磁部４０及び第３の感磁部５０の磁気抵抗値を含めた抵抗値が等しい。また第２の感磁部４０及び第３の感磁部５０は、絶縁性が保たれる程度に第１の磁気センサ３の第１の感磁部３０の内周に近く形成される。従って第２の感磁部４０及び第３の感磁部５０の半径は、オンとオフの切り替わりの位置、感磁部の幅、±△Ｙに基づく中心Ｐ_２及び中心Ｐ_３に基づいて半径が定められる。

ここで第１の磁気センサ３の磁気抵抗値Ｒ_１は、一例として、位置ずれに起因する磁気抵抗値Ｒ_１の変化量を補正する観点から、第２の磁気センサ４の磁気抵抗値Ｒ_２と第３の磁気センサ５の磁気抵抗値Ｒ_３とを加算した値（Ｒ_１＝Ｒ_２＋Ｒ_３）であることが好ましい。これは、磁気抵抗値Ｒ_２及び磁気抵抗値Ｒ_３が磁気抵抗値Ｒ_１よりも極端に小さい磁気抵抗値であると、補正の効果が小さいからである。なお上記の式は、磁気抵抗値以外の抵抗値に対しても成り立つ。つまり第１の磁気センサ３の磁気抵抗値Ｒ_１を含む抵抗値は、第２の磁気センサ４の磁気抵抗値Ｒ_２を含む抵抗値と、第３の磁気センサ５の磁気抵抗値Ｒ_３を含む抵抗値と、を加算した値となる。

なお変形例として、磁気抵抗値Ｒ_１〜磁気抵抗値Ｒ_３は、等しくても良い。この場合、感磁部の材料、感磁部の幅などによって磁気抵抗値が調整される。

第２の磁気センサ４の中心Ｐ_２と第３の磁気センサ５の中心Ｐ_３とは、例えば、図１（ａ）に示すように、第１の磁気センサ３の中心Ｐ_１と同じようにＹ軸上に位置するがこれに限定されない。中心Ｐ_２及び中心Ｐ_３は、例えば、オンとオフの切り替わり位置が外側に向かって移動すると、Ｘ軸の正方向に移動し、内側に向かって移動すると、負方向に移動する。

磁気センサ部２は、例えば、図１（ｂ）に示すように、検出信号Ｓ_１を出力する。この検出信号Ｓ_１は、例えば、電圧の信号である。

（制御部６の構成）
制御部６は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部６が動作するためのプログラムと、しきい値Ｔｈと、が格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。

制御部６は、磁気センサ部２から取得した検出信号Ｓ_１と供給した電流とに基づいて磁気抵抗値を含む抵抗値を求め、しきい値Ｔｈと比較する。制御部６は、算出した抵抗値がしきい値Ｔｈ以下となった場合、オンからオフ、又はオフからオンに切り替わったと判定する。

本実施の形態では、一例として、磁石９の中心９０が磁気センサ部２の外側に位置する場合をオフ、磁気センサ部２の内側に位置する場合をオンとする。このオンとオフの切り替わりは、例えば、図１（ａ）に示すように、第１の磁気センサ３の第１の感磁部３０の外周とＸ軸との交点である座標Ｘ_１であるものとするがこれに限定されない。

このオンとオフの切り替わりの位置は、磁石９の位置ずれによって移動する。従ってオンとオフは、＋△Ｙと−△Ｙにおける磁場９１の対称性から、±△Ｙの際の切り替わり位置と位置ずれがない場合の切替り位置とに基づく範囲内で切り替わる。そこで以下に、図２（ａ）に示す比較例と実施の形態との切り替わり範囲のシミュレーション結果について説明する。

比較例は、第１の磁気センサ３のみを備えている。また実施の形態は、第１の磁気センサ３〜第３の磁気センサ５を備えている。なお磁石９は、比較例と実施の形態とで同じものを使用している。

比較例は、図２（ａ）に示すように、しきい値Ｔｈ以下となる切り替わりの開始点が、位置ずれがない場合、座標Ｘ_ａであり、位置ずれがある場合、座標Ｘ_ｂとなる。従って切り替わりの範囲は、位置ずれに応じて座標Ｘ_ａから座標Ｘ_ｂの範囲のいずれかでオンとオフが切り替わる。

一方実施の形態は、図２（ａ）に示すように、比較例と比較して磁石９の位置ずれの影響が小さく、しきい値Ｔｈ以下となる切り替わりの開始点が、位置ずれがない場合、座標Ｘ_Ａであり、位置ずれがある場合、座標Ｘ_Ｂとなる。従って切り替わりの範囲は、位置ずれに応じて座標Ｘ_Ａから座標Ｘ_Ｂの範囲のいずれかでオンとオフが切り替わる。

また図２（ａ）に示すように、中心Ｐ_１における位置ずれがない場合の比較例の抵抗値Ｒ_ａと位置ずれがある場合の比較例の抵抗値Ｒ_ｂの差が、位置ずれがない場合の実施の形態の抵抗値Ｒ_Ａと位置ずれがある場合の実施の形態の抵抗値Ｒ_Ｂとの差よりも非常に大きい。

また比較例の座標Ｘ_ａと座標Ｘ_ｂの長さをＬ_１、実施の形態の座標Ｘ_Ａと座標Ｘ_Ｂの長さをＬ_２とすると、図２（ａ）に示すように、Ｌ_２＜Ｌ_１である。例えば、実施の形態の場合、位置ずれがないと仮定して第１の磁気センサ３の外周、つまり上述の座標Ｘ_１においてオンとオフが切り替わると設定した場合、座標Ｘ_１から長さＬ_２の範囲までの間でオンとオフが切り替わることになる。また比較例の場合は、座標Ｘ_１から長さＬ_１の範囲までの間でオンとオフが切り替わる。従って以上の比較の結果、実施の形態の方が、比較例と比べて、オンとオフの切り替わりの範囲が狭く、切り替わりの精度が高いことが分かる。

ここで外乱磁場が磁気センサ装置１に作用した場合、第１の磁気センサ３〜第３の磁気センサ５には、例えば、同じ方向から外乱磁場が作用する。この場合は、例えば、図２（ａ）に示すように、磁気センサ部２の外に磁石９が位置する場合と同様に、第１の磁気センサ３〜第３の磁気センサ５の磁気抵抗値の変化が小さいので、しきい値Ｔｈより高い抵抗値となる。

従って制御部６は、外乱磁場が作用している場合、磁石９がオンの位置にあると判定することはないので、外乱磁場が印可されてオンと判定するような誤判定を抑制することができる。

（磁石９の構成）
磁石９は、例えば、図１（ａ）に示すように、放射状の磁場９１を生成する、円柱や四角柱などの柱体形状を有している。本実施の形態の磁石９は、例えば、四角柱形状を有する。

磁石９は、例えば、下方に位置する磁気センサ部２側がＮ極、他方がＳ極となるように着磁されている。従って磁石９は、例えば、図１（ａ）に示すように、磁気センサ部２に向けて放射状の磁場９１を生成する。なお磁石９は、着磁が逆であっても良い。

磁石９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を所望の形状に成形したもの、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合成樹脂材料とを混合して所望の形状に成形したものである。本実施の形態の磁石９は、一例として、永久磁石である。なお磁石９は、電磁石であっても良い。

磁石９は、例えば、図１（ａ）に示すように、初期位置Ｘ_０から磁気センサ部２の中心Ｐ_１まで直線的に移動するように構成されている。

ここで変形例としての磁気センサ装置１は、例えば、図２（ｂ）に示すように、第１の磁気センサ３〜第３の磁気センサ５が第１の感磁部３０〜第３の感磁部５０が１本の感磁部として繋がっている。この磁気センサ装置１は、第１の感磁部３０〜第３の感磁部５０が繋がるように、第２の磁気センサ４及び第３の磁気センサ５が第１の磁気センサ３に内接している。従って変形例の磁気センサ装置１は、例えば、図２（ｂ）に示すように、配線３１のみとなって配線が容易になると共に配線の数が少なくなる。

以下に本実施の形態の磁気センサ装置１の動作の一例を図３のフローチャートに従って説明する。ここでは、オフからオンに切り替わる際の動作について説明する。

（動作）
磁気センサ装置１の制御部６は、電源が投入されると、検出信号Ｓ_１を監視する。制御部６は、ステップ１の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり検出信号Ｓ_１に基づいて算出された抵抗値がしきい値Ｔｈ以下となると（Ｓｔｅｐ１：Ｙｅｓ）、オフからオンに切り替わったと判定する（Ｓｔｅｐ２）。

制御部６は、判定した結果に基づいてオンと判定したことを示す検出情報Ｓ_２を生成して接続された電子機器に出力する（Ｓｔｅｐ３）。

（実施の形態の効果）
本実施の形態の磁気センサ装置１は、切り替わり精度を高くすることができる。具体的には、磁気センサ装置１は、磁石９の位置が理想的な軌跡（Ｘ軸）からずれて第１の磁気センサ３の磁気抵抗値の変化量が小さくなっても、第２の磁気センサ４及び第３の磁気センサ５の磁気抵抗値の変化量によって補うことができるので、リング形状を有する１つの磁気センサが配置される場合と比べて、切り替わりの範囲が狭くなって切り替わり精度を高くすることができる。

磁気センサ装置１は、第１の磁気センサ３の内部に第２の磁気センサ４及び第３の磁気センサ５が配置されるので、第１の磁気センサの外に配置される場合と比べて、磁気センサ部２を小型化することができる。

磁気センサ装置１は、外乱磁場が印可されても磁気センサ部２に同方向から作用するので、各磁気抵抗素子が回転対称に配置される場合と比べて、磁石９が磁気センサ部２の外部に位置する場合と同等となり、オフからオンに切り替わるような誤判定を抑制し、外乱磁場に対する耐性を備えることができる。従って磁気センサ装置１は、車両などの外乱磁場が発生し易い環境で好適に使用することができる。

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…磁気センサ部、３…第１の磁気センサ、４…第２の磁気センサ、５…第３の磁気センサ、６…制御部、９…磁石、３０…第１の感磁部、３１…配線、４０…第２の感磁部、４１…配線、５０…第３の感磁部、５１…配線、９０…中心、９１…磁場

Claims

リング形状を有すると共に磁石が形成する放射状の磁場との相互作用により磁気抵抗値が変化する第１の感磁部を有する第１の磁気センサと、
前記第１の磁気センサの中心を通る磁石の理想的な軌跡に基づいて配置されると共にリング形状の第２の感磁部及び第３の感磁部を有して前記第１の磁気センサの中に対向して重ならないように配置される第２の磁気センサ及び第３の磁気センサと、
を備えた磁気センサ装置。
前記第２の磁気センサ及び前記第３の磁気センサは、前記磁石の理想的な軌跡からの前記磁石の位置ずれの許容量だけ離れた位置を中心として配置される、
請求項１に記載の磁気センサ装置。
前記第２の磁気センサ及び前記第３の磁気センサは、前記第１の磁気センサの中心から前記許容量だけ、前記磁石の軌跡と直交する方向に離れた位置を中心として配置される、
請求項２に記載の磁気センサ装置。
前記第１の磁気センサ乃至前記第３の磁気センサは、前記第１の感磁部乃至前記第３の感磁部が１本の感磁部として繋がっている、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気センサ装置。
前記第１の磁気センサ乃至前記第３の磁気センサが直列に接続され、前記第１の磁気センサ乃至前記第３の磁気センサの磁気抵抗値に基づいて前記磁石を検出する検出部を備えた、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気センサ装置。