JP2020115105A - 磁気検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱磁界の影響を抑制することの可能な磁気検出装置を提供する。【解決手段】磁気検出装置１は、測定対象物７０により生じる磁界変化を検出する。磁気検出装置１は、交番磁界を発生するコイル５と、コイル５の発生する磁界が印加される磁気抵抗効果素子を含むセンサ部３０と、コイル５の内周側に設けられてセンサ部３０を内側に囲む磁性体７と、を有する。コイル５は、自身の周回軸と平行に延びる筒状である。センサ部３０は、コイル５の内側かつコイル５の長さ範囲内に存在する。磁性体７は、コイル５の周回軸と略平行な筒形状である。磁性体７は、コイル５の周回軸方向においてコイル５よりも長い。コイル５と磁性体７は、コイル５の周回軸方向における測定対象物７０側の一端が、前記周回軸方向において互いに同じ位置にある。センサ部３０は、コイル５の測定対象物７０に近い一端寄りに設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物により生じる磁界変化を検出する磁気検出装置に関する。

下記特許文献１は、磁気検知装置を開示する。この磁気検知装置は、交番磁界を発生する印加コイルと、測定対象物による前記交番磁界の変化を検知する磁気センサと、を備える。

特許第3896489号公報

測定対象物による交番磁界の変化は小さいため、従来の磁気検知装置では、外乱磁界の影響を受けやすいという問題があった。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、外乱磁界の影響を抑制することの可能な磁気検出装置を提供することにある。

本発明のある態様は、磁気検出装置である。この磁気検出装置は、
測定対象物により生じる磁界変化を検出する磁気検出装置であって、
コイルと、
前記コイルに交番磁界を発生させるための信号を印加する信号印加部と、
前記コイルの発生する磁界が印加される少なくとも１つの磁気感応素子を含むセンサ部と、
前記コイルの内周側に設けられ、前記センサ部を内側に囲む磁性体と、を有する。

前記コイルの周回軸は第１方向と平行であり、
前記磁性体は、前記第１方向の両側が開放であってもよい。

前記コイルは、自身の周回軸と平行に延びる筒状であり、
前記センサ部は、前記コイルの内側かつ前記コイルの長さ範囲内に存在し、
前記磁性体は、前記コイルの周回軸と略平行な筒形状であってもよい。

前記コイルの周回軸方向における前記磁性体の長さが、同方向における前記コイルの長さ以上であってもよい。

前記コイルと前記磁性体は、前記コイルの周回軸方向における測定対象物側の一端が、前記周回軸方向において互いに同じ位置にあってもよい。

前記センサ部は、前記コイルの内側かつ前記コイルの測定対象物に近い一端寄りに設けられてもよい。

前記センサ部の出力信号を同期検波する信号処理部を有してもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、外乱磁界の影響を抑制することの可能な磁気検出装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る磁気検出装置１を測定対象物７０と共に示した断面図。 磁気検出装置１の底面図。 磁気検出装置１の斜視図。 磁気検出装置１の、コイル５及び磁性体７の一部を断面とし、かつ磁性体７の内側の構成を省略した斜視図。 図４の磁性体７の内側にセンサ部３０を配置した状態の斜視図。 磁気検出装置１の概略回路図。 コイル５に交番磁界を発生させた場合に測定対象物７０に発生する渦電流のシミュレーション結果を、磁気検出装置１と、磁気検出装置１から磁性体７を無くした比較例の磁気検出装置と、の間で比較したグラフ。 磁気検出装置１のコイル５に信号を印加した場合における、測定対象物７０が存在しない場合の磁界強度の分布を示すシミュレーション図。 磁気検出装置１から磁性体７を無くした比較例の磁気検出装置のコイル５に信号を印加した場合における、測定対象物７０が存在しない場合の磁界強度の分布を示すシミュレーション図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本実施の形態は、測定対象物７０により生じる磁界変化を検出する磁気検出装置１に関する。図１及び図２により、磁気検出装置１の互いに直行するＸＹＺ軸を定義する。磁気検出装置１は、本実施の形態の例では、自身と測定対象物７０との距離を測定する近接センサである。測定対象物７０は、非導電性の軟磁性体、非磁性の導体、又は導体かつ軟磁性体である。磁気検出装置１の＋Ｚ方向側に測定対象物７０が位置する。磁気検出装置１は、回転センサや移動体検出装置等としても好適に利用できる。磁気検出装置１は、コイル（印加コイル）５と、磁性体（磁気シールド体）７と、基板１０と、磁気感応素子チップ２０と、集磁体（スプリッタ）２５と、を備える。

コイル５は、銅等の導線（絶縁被覆線）を多数回巻いて、第１方向としてのＺ方向と平行でＺ方向の両端が開放の筒状（ここでは円筒状）に成形したものである。図示は省略したが、コイル５の内側に、巻枠となるボビンを設けてもよい。磁性体７は、例えばフェライトやパーマロイである。磁性体７は、Ｚ方向と平行でＺ方向の両端が開放の筒状（ここでは円筒状）である。Ｚ方向から見た磁性体７の外寸は、Ｚ方向から見たコイル５の内寸よりも小さい。磁性体７は、コイル５の内周側にコイル５と同軸に設けられ、後述のセンサ部３０を内側に囲む。磁性体７のＺ方向における長さは、コイル５のＺ方向における長さ以上である。コイル５と磁性体７は、＋Ｚ方向側（測定対象物７０側）の端部がＺ方向において互いに同じ位置にある。

基板１０は、Ｙ方向と垂直であって、磁性体７の内周側に設けられ又は延在する。基板１０の＋Ｙ方向側の面に、磁気感応素子チップ２０及び集磁体２５が設けられる。基板１０の電極１１と磁気感応素子チップ２０は、基板１０の配線パターン１３によって互いに電気的に接続される。基板１０及び集磁体２５の＋Ｚ方向側の端部は、Ｚ方向において磁性体７の＋Ｚ方向側の端部と同じ位置にある。磁気感応素子チップ２０は、磁気感応素子としての磁気抵抗効果素子２１〜２４を有する。集磁体２５は、磁気感応素子チップ２０の＋Ｚ方向側の面に設けられる。磁気抵抗効果素子２１〜２４及び集磁体２５は、センサ部３０を構成する。センサ部３０は、コイル５の内側かつコイル５の長さ範囲内においてコイル５の＋Ｚ方向側の端部寄りとなる位置に設けられる。磁気抵抗効果素子２１〜２４は、磁気感応素子チップ２０内の＋Ｚ方向側の端部近傍に位置する。磁気抵抗効果素子２１〜２４の感磁面は、Ｚ方向と垂直である。図２に示すように、磁気抵抗効果素子２１〜２４のピン層（固定層）磁化方向は、ここではいずれも＋Ｘ方向である。

磁気抵抗効果素子２１、２２は、集磁体２５の−Ｘ方向側に配置される。磁気抵抗効果素子２３、２４は、集磁体２５の＋Ｘ方向側に配置される。集磁体２５は、直方体の例えばフェライトである。集磁体２５は、コイル５の発生するＺ方向と平行な磁界を、磁気抵抗効果素子２１〜２４の位置においてＸ方向の成分を有するように曲げる役割を持つ。磁気抵抗効果素子２１〜２４の感磁面はいずれもＺ方向と垂直であるが、集磁体２５があることで、センサ部３０全体としてはＺ方向の磁界強度を検出可能となっている。すなわち、センサ部３０の検知方向はＺ方向である。集磁体２５のＸＹ方向における中心位置は、磁性体７の中心軸の位置と略一致する。磁気抵抗効果素子２１、２２と、磁気抵抗効果素子２３、２４は、磁性体７のＸ方向の中央を含みＸ方向と垂直な平面（図示せず）を挟んで対称となる配置である。磁気抵抗効果素子２１〜２４は、Ｙ方向において、集磁体２５の長さ範囲内に存在する。

図６は、磁気検出装置１の概略回路図である。センサ部３０において、磁気抵抗効果素子２１〜２４はフルブリッジ接続される。図６において磁気抵抗効果素子２１〜２４にそれぞれ付された斜め方向の矢印は、コイル５が−Ｚ方向の磁界を発生しているときの、無磁界時と比較した抵抗値変化を示す。すなわち、コイル５が−Ｚ方向の磁界を発生しているとき、集磁体２５の作用により、磁気抵抗効果素子２１、２２の位置では磁界が−Ｘ方向の成分（ピン層磁化方向と逆向きの成分）を持ち、磁気抵抗効果素子２３、２４の位置では磁界が＋Ｘ方向の成分（ピン層磁化方向と同じ向きの成分）を持つため、磁気抵抗効果素子２１、２２の抵抗値は無磁界時と比較して高くなり、磁気抵抗効果素子２３、２４の抵抗値は無磁界時と比較して低くなる。コイル５が＋Ｚ方向の磁界を発生しているとき磁気抵抗効果素子２１〜２４の抵抗値変化は、コイル５が−Ｚ方向の磁界を発生しているときと逆になる。

磁気抵抗効果素子２１、２３の一端は、電源電圧Ｖ＋が供給される正側電源ラインに接続される。磁気抵抗効果素子２１の他端は、磁気抵抗効果素子２４の一端に接続される。磁気抵抗効果素子２３の他端は、磁気抵抗効果素子２２の一端に接続される。磁気抵抗効果素子２２、２４の他端は、電源電圧Ｖ−が供給される負側電源ラインに接続される。磁気抵抗効果素子２１、２４の相互接続点は、第１演算増幅器５１の非反転入力端子に接続される。磁気抵抗効果素子２２、２３の相互接続点は、第１演算増幅器５１の反転入力端子に接続される。

検出部・増幅回路５０において、第１演算増幅器５１の出力端子は、コイル等の磁界発生導体５２の一端に接続される。磁界発生導体５２は、磁気平衡用であって、第１演算増幅器５１の出力電流が流れることにより、センサ部３０を磁気平衡状態にする負帰還磁界を発生する。磁気平衡状態は、センサ部３０に印加されるトータルの磁界が、センサ部３０の出力電圧（第１演算増幅器５１への入力電圧）を所定値（例えばゼロ）にする状態である。センサ部３０に印加される測定対象磁界と、センサ部３０を磁気平衡状態にするために必要な負帰還磁界と、が比例関係にあるため、負帰還磁界を発生させるために磁界発生導体５２に流れる負帰還電流により、測定対象磁界を検出できる。

磁界発生導体５２の他端は、ボルテージフォロワ（バッファ）である第２演算増幅器５４の非反転入力端子に接続される。磁界発生導体５２の他端とグランドとの間に、抵抗５３が接続される。抵抗５３は、磁界発生導体５２に流れる負帰還電流を電圧に変換する電流電圧変換抵抗である。第２演算増幅器５４の反転入力端子は、第２演算増幅器５４の出力端子に接続される。第２演算増幅器５４の出力端子は、抵抗５５の一端に接続される。抵抗５５の他端は、第３演算増幅器５６の反転入力端子に接続される。第３演算増幅器５６の非反転入力端子は、グランドに接続される。第３演算増幅器５６の反転入力端子と出力端子との間に、抵抗５７が設けられる。抵抗５５、第３演算増幅器５６、及び抵抗５７は、抵抗５５と抵抗５７との抵抗比で増幅率が決まる反転増幅器を構成する。反転増幅器は一例であり、非反転増幅器や、ハイパスフィルタあるいはローパスフィルタと増幅器を組み合わせた構成であってもよい。第３演算増幅器５６の出力信号は、検波回路６１に入力される。

発振回路６２は、単一周波数の正弦波信号を検波回路６１及びコイル駆動回路６３に印加する。コイル駆動回路６３は、発振回路６２の出力信号をコイル５の駆動に適した電流に変換してコイル５に供給する増幅回路である。発振回路６２とコイル駆動回路６３は、信号印加部を構成する。信号処理部を構成する検波回路６１は、第３演算増幅器５６の出力信号を発振回路６２の出力信号により同期検波する。検波回路６１は、具体的には例えば、第３演算増幅器５６の出力信号と発振回路６２の出力信号とを乗算する乗算回路と、この乗算回路の出力信号を通すローパスフィルタと、を有する。検波回路６１の出力信号が、磁気検出装置１のセンサ出力となる。

測定対象物７０が非磁性の導体（例えばアルミ）の場合、測定対象物７０と磁気検出装置１との距離Ｄ（図１）が小さいほど、コイル５の発生する交番磁界によって測定対象物７０に発生する渦電流が大きくなる。渦電流が発生する磁界は、磁気抵抗効果素子２１〜２４の位置において、コイル５の発生する交番磁界と反対向きである。このため、渦電流が大きいほど、すなわち測定対象物７０と磁気検出装置１との距離Ｄが小さいほど、磁気検出装置１のセンサ出力は小さくなる。

測定対象物７０が非導電性の軟磁性体の場合、測定対象物７０と磁気検出装置１との距離Ｄ（図１）が小さいほど、測定対象物７０の集磁作用が強くなり、磁気抵抗効果素子２１〜２４の位置における磁界が大きくなる。このため、測定対象物７０と磁気検出装置１との距離Ｄが小さいほど、磁気検出装置１のセンサ出力は大きくなる。

測定対象物７０が導体かつ軟磁性体である場合、導体である測定対象物７０に発生する渦電流が磁気抵抗効果素子２１〜２４の位置における磁界を弱める作用と、軟磁性体である測定対象物７０の存在により磁気抵抗効果素子２１〜２４の位置における磁界が強められる作用と、が併存し、相対的に強い作用の影響がセンサ出力に残ることになる。

図７は、コイル５に交番磁界を発生させた場合に測定対象物７０に発生する渦電流のシミュレーション結果を、実施の形態の磁気検出装置１と、磁気検出装置１から磁性体７を無くした比較例の磁気検出装置と、の間で比較したグラフである。測定対象物７０は、非磁性の導体とした。図７より、磁性体７を設けることで、コイル５に交番磁界を発生させた場合に測定対象物７０に発生する渦電流を大きくすることができ、測定対象物７０が存在する場合と存在しない場合との間におけるセンサ出力の差を大きくできることが明らかとなった。

図８は、磁気検出装置１のコイル５に信号を印加した場合における、測定対象物７０が存在しない場合の磁界強度の分布を示すシミュレーション図である。図９は、磁気検出装置１から磁性体７を無くした比較例の磁気検出装置のコイル５に信号を印加した場合における、測定対象物７０が存在しない場合の磁界強度の分布を示すシミュレーション図である。図８及び図９の比較より、磁性体７を設けることで、コイル５から＋Ｚ方向のより遠くに強い磁界を到達させられること、すなわち測定対象物７０の位置が同じであればより強い磁界を測定対象物７０に印加できることが明らかとなった。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) 磁性体７はセンサ部３０の検知方向（Ｚ方向）の両側を除いてセンサ部３０を囲むため、センサ部３０における外乱磁界を低減できる。特に、検知方向以外の方向から磁気検出装置１に向かう外乱磁界がセンサ部３０に及ぼす影響を低減できる。一方、磁性体７はセンサ部３０の検知方向（Ｚ方向）の両側が開放のため、センサ部３０に印加される検知方向の磁界が磁性体７により弱まって感度が低下することを抑制できる。すなわち、外乱磁界の影響低減と感度低下の抑制とをバランス良く実現できる。

(2) 磁性体７がコイル５の内周側に設けられるため、磁性体７がコイル５の外周側に設けられる場合、及び磁性体７が設けられない場合と比較して、コイル５の発生する磁界の＋Ｚ方向への到達距離を伸ばすことができる。これにより、測定対象物７０の位置が同じであればより強い磁界を測定対象物７０に印加でき、外乱磁界のシールド性能を確保しながら感度を向上させることができる。

(3) 磁性体７がＺ方向においてコイル５と同等以上の長さを有するため、磁性体７がＺ方向においてコイル５よりも短い場合と比較して、外乱磁界に対するシールド性能が高められる。

(4) コイル５と磁性体７の＋Ｚ方向側（測定対象物７０側）の端部をＺ方向において互いに同じ位置としているため、コイル５と磁性体７の双方を測定対象物７０側に最大限に寄せることができる。このため、コイル５と磁性体７の一方が他方よりも−Ｚ方向側に引っ込んでいる場合と異なり、コイル５から測定対象物７０に印加される磁界強度と、磁性体７による外乱磁界のシールド性能と、の双方を高く確保できる。

(5) センサ部３０がコイル５の内側かつコイル５の長さ範囲内においてコイル５の＋Ｚ方向側（測定対象物７０側）の端部寄りに設けられるため、センサ部３０がコイル５の−Ｚ方向側の端部寄りに設けられる場合と比較して、測定対象物７０による磁界変化を高感度で検出できる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

磁気抵抗効果素子２１〜２４をフルブリッジ接続は、２つの磁気抵抗効果素子をハーフブリッジ接続に替えてもよく、また１つの磁気抵抗効果素子と固定抵抗器とのハーフブリッジ接続に替えてもよい。磁気感応素子は、ＧＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子に限定されず、ホール素子等の他の種類のものであってもよい。測定対象物７０は、凹凸あるいは貫通孔を有する回転体（移動体）や直線移動体であってもよい。磁気検出装置１は、実施の形態で例示した磁気平衡式に限定されず、磁気比例式であってもよい。この場合、磁界発生導体５２及び抵抗５３を省略し、第１演算増幅器５１の出力信号を第２演算増幅器５４の非反転入力端子に入力すればよい。

１ 磁気検出装置、５ コイル（印加コイル）、７ 磁性体（磁気シールド体）、１０ 基板、１１ 電極、１３ 配線パターン、２０ 磁気感応素子チップ、２１〜２４ 磁気抵抗効果素子、２５ 集磁体（スプリッタ）、３０ センサ部、５１ 第１演算増幅器、５２ 磁界発生導体、５３ 抵抗、５４ 第２演算増幅器、５５ 抵抗、５６ 第３演算増幅器、５７ 抵抗、６１ 検波回路、６２ 発振回路、６３ コイル駆動回路、７０ 測定対象物

Claims (7)

1. 測定対象物により生じる磁界変化を検出する磁気検出装置であって、
   コイルと、
   前記コイルに交番磁界を発生させるための信号を印加する信号印加部と、
   前記コイルの発生する磁界が印加される少なくとも１つの磁気感応素子を含むセンサ部と、
   前記コイルの内周側に設けられ、前記センサ部を内側に囲む磁性体と、を有する、磁気検出装置。
2. 前記コイルの周回軸は第１方向と平行であり、
   前記磁性体は、前記第１方向の両側が開放である、請求項１に記載の磁気検出装置。
3. 前記コイルは、自身の周回軸と平行に延びる筒状であり、
   前記センサ部は、前記コイルの内側かつ前記コイルの長さ範囲内に存在し、
   前記磁性体は、前記コイルの周回軸と略平行な筒形状である、請求項１又は２に記載の磁気検出装置。
4. 前記コイルの周回軸方向における前記磁性体の長さが、同方向における前記コイルの長さ以上である、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気検出装置。
5. 前記コイルと前記磁性体は、前記コイルの周回軸方向における測定対象物側の一端が、前記周回軸方向において互いに同じ位置にある、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気検出装置。
6. 前記センサ部は、前記コイルの内側かつ前記コイルの測定対象物に近い一端寄りに設けられる、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気検出装置。
7. 前記センサ部の出力信号を同期検波する信号処理部を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気検出装置。