JP2020118515A - 磁気検出装置及び移動体検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動体の相対移動に伴う出力信号の変化を大きくすることの可能な磁気検出装置及び移動体検出装置を提供する。【解決手段】移動体検出装置は、磁気検出装置１と、移動体７０と、を備える。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、移動体７０を挟んでセンサ部３０と対向する位置に設けられた磁性体７と、を有する。移動体７０は、非磁性体であって、境界部７１及び貫通孔７２を交互に同じピッチで有する。【選択図】図１

Description

本発明は、移動体の相対移動による磁界変化を検出する磁気検出装置及びそれを備える移動体検出装置に関する。

下記特許文献１は、移動体検出装置を開示する。この移動体検出装置では、磁界発生導体から移動体に交番磁界を印加し、移動体の相対移動により前記移動体に渦電流が発生し、前記渦電流の変化による磁界変化を磁気センサで検出する。

国際公開第２０１７／０７３２８０号

渦電流の変化に起因する出力信号の変化は小さいため、ノイズが多い環境では渦電流の変化を読み取るのが難しくなる。

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、移動体の相対移動に伴う出力信号の変化を大きくすることの可能な磁気検出装置及び移動体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、
移動体の相対移動による磁界変化を検出する磁気検出装置であって、
磁界発生導体と、
前記磁界発生導体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、
前記磁界発生導体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、
空間を挟んで前記センサ部と対向する位置に設けられた磁性体と、を備える。

前記磁界発生導体がコイルであってもよい。

前記センサ部の出力信号を前記信号印加部の出力信号を利用して同期検波する同期検波部を備えてもよい。

本発明のもう１つの態様は、移動体検出装置である。この移動体検出装置は、
磁気検出装置と、
前記磁気検出装置に対して相対移動する移動体と、を備え、
前記磁気検出装置は、
磁界発生導体と、
前記磁界発生導体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、
前記磁界発生導体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、
前記移動体を挟んで前記センサ部と対向する位置に設けられた磁性体と、を有する。

前記移動体は、非磁性体であって、相互に導電率が異なる第１及び第２部分を有し、前記センサ部と対面する部分の導電率が自身の相対移動によって変化してもよい。

前記移動体は、導電性を有する非磁性体であって、少なくとも１つの凸部又は凹部を有し、前記センサ部との対向距離が自身の相対移動によって変化してもよい。

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、移動体の相対移動に伴う出力信号の変化を大きくすることの可能な磁気検出装置及び移動体検出装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る移動体検出装置の断面図であって、磁気検出装置１を移動体７０と共に示した断面図。 前記移動体検出装置の斜視図。 磁気検出装置１のコイル５及びセンサ部３０をＺ方向から見た図。 磁気検出装置１の概略回路図。 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検波前の出力信号波形と、磁気検出装置１の検波前の出力信号波形と、を並べて示す比較図。 図５の各波形の振幅値を示す棒グラフ。 本発明の実施の形態２に係る移動体検出装置の断面図。 本発明の実施の形態３に係る移動体検出装置の斜視図。

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。

（実施の形態１）
図１〜図６を参照し、本発明の実施の形態１を説明する。本実施の形態は、移動体７０の相対移動による磁界変化を検出する磁気検出装置１、並びに磁気検出装置１及び移動体７０からなる移動体検出装置に関する。図１〜図３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。

移動体７０は、銅やアルミ等の非磁性の導体である。移動体７０は、Ｚ方向と垂直な板体であり、Ｘ方向と平行に移動する直線移動体である。移動体７０は、第１部分としての境界部７１と、第２部分としての貫通孔７２と、を有する。境界部７１及び貫通孔７２は、Ｘ方向に交互に同じピッチで設けられる。境界部７１は高導電率部分の例示であり、貫通孔７２は低導電率部分の例示である。移動体７０は、磁気検出装置１に対する自身の相対移動により、磁気検出装置１のセンサ部３０と対面する部分の導電率が変化する。

磁気検出装置１は、磁界発生導体としてのコイル（印加コイル）５と、磁性体７と、支持体８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、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。コイル５は、後述のセンサ部３０を内側に囲む。基板１０は、Ｚ方向と垂直であり、＋Ｚ方向側の面にコイル５及び磁気感応素子チップ２０を搭載する。

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。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３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。磁気感応素子チップ２０の＋Ｚ方向側の面に集磁体２５が設けられる。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。集磁体２５の＋Ｚ方向側の端部は、Ｚ方向においてコイル５の＋Ｚ方向側の端部と同じ位置にある。

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、コイル５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、コイル５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。

磁性体７は、センサ部３０の＋Ｚ方向側に設けられてセンサ部３０と対向する。磁性体７とセンサ部３０との間の空間に移動体７０の一部が挿入される。磁性体７のＸＹ方向における中心位置は、コイル５の中心軸の位置と略一致する。磁性体７は、例えばフェライトである。磁性体７及び基板１０は、支持体８に支持（固定）される。支持体８は、Ｘ方向から見てコの字状であり、相互に対向する内面の一方に基板１０を支持し、他方に磁性体７を支持する。

図４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４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。発振回路６２の出力信号の周波数Ｆｓは、移動体７０の移動による、移動体７０のうちセンサ部３０と対面する部分の導電率の変動周波数Ｆｃ以上の周波数とする（Ｆｓ≧Ｆｃ）。好ましくはＦｓ≧２×Ｆｃであり、Ｆｓは、磁気検出装置１の各素子の特性上許容される範囲で高いほど検出精度の向上に寄与する。

移動体７０の境界部７１がセンサ部３０と対面するとき、その対面する境界部７１に、コイル５の発生する交番磁界によって相対的に大きな渦電流が発生する。移動体７０の貫通孔７２がセンサ部３０と対面するとき、その対面する貫通孔７２には渦電流は発生しない。このとき、センサ部３０と対面する貫通孔７２に隣接する境界部７１に相対的に小さな渦電流が発生し得るが、その渦電流は、センサ部３０と対面する境界部７１に発生する渦電流と比較すると、センサ部３０に与える影響が遥かに小さい。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の感磁方向成分を部分的に相殺する成分を有する。このため、移動体７０の境界部７１がセンサ部３０と対面している場合のほうが、移動体７０の貫通孔７２がセンサ部３０と対面している場合と比較して、磁気検出装置１のセンサ出力が小さくなる。

ノイズが多い環境での読み取りの確実性、容易性を高めるためには、センサ部３０と対面する境界部７１に発生する渦電流を大きくする必要がある。本実施の形態では、移動体７０を挟んでセンサ部３０と対向する磁性体７を設けることで、コイル５の発生する交番磁界をより高い強度で境界部７１に到達させる。これにより、境界部７１に発生する渦電流が大きくなり、磁気検出装置１においては、移動体７０の境界部７１がセンサ部３０と対面している場合と、貫通孔７２がセンサ部３０と対面している場合と、の間におけるセンサ出力の変化が大きくなり、Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）が向上する。

図５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検波前の出力信号波形と、磁気検出装置１の検波前の出力信号波形と、を並べて示す比較図である。検波前の出力信号は、図４の第３演算増幅器５６から検波回路６１への入力信号である。図６は、図５の各波形の振幅値を示す棒グラフである。図５及び図６より、磁性体７を設けることで、移動体７０の境界部７１がセンサ部３０と対面している場合と、貫通孔７２がセンサ部３０と対面している場合と、の間における出力信号の変化を大きくできることが明らかとなった。

本実施の形態によれば、移動体７０を挟んでセンサ部３０と対向する磁性体７を設けるため、移動体７０の境界部７１がセンサ部３０と対面している場合と、貫通孔７２がセンサ部３０と対面している場合と、の間におけるセンサ出力の変化を大きくでき、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係る移動体検出装置の断面図である。この移動体検出装置において、磁気検出装置１は実施の形態１と同構成である。一方、実施の形態１の移動体７０は、本実施の形態では凹凸を有する移動体８０に替わっている。移動体８０は、銅やアルミ等の非磁性の導体である。移動体８０は、Ｚ方向と垂直な板体であり、Ｘ方向と平行に移動する直線移動体である。移動体８０は、センサ部３０と対向し得る面（−Ｚ方向側の面）に、凸部８１と凹部８２を有する。凸部８１及び凹部８２は、Ｘ方向に交互に同じピッチで設けられる。移動体８０は、磁気検出装置１に対する自身の相対移動により、磁気検出装置１のセンサ部３０との対向距離が変化する。

移動体８０の凸部８１がセンサ部３０と対面するとき、その対面する凸部８１に、コイル５の発生する交番磁界によって相対的に大きな渦電流が発生する。移動体８０の凹部８２がセンサ部３０と対面するとき、その対面する凹部８２に、コイル５の発生する交番磁界によって相対的に小さな渦電流が発生する。このため、移動体８０の凸部８１がセンサ部３０と対面している場合のほうが、移動体８０の凹部８２がセンサ部３０と対面している場合と比較して、磁気検出装置１のセンサ出力が小さくなる。本実施の形態も、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３に係る移動体検出装置の斜視図である。この移動体検出装置において、磁気検出装置１は実施の形態１と同構成である。一方、実施の形態１の移動体７０は、本実施の形態では移動体９０に替わっている。移動体９０は、銅やアルミ等の非磁性の導体である。移動体９０は、Ｚ方向と垂直な板体であり、Ｚ方向と平行な回転軸を中心に回転する回転体である。移動体９０は、図示の例では円環状であるが、円板状であってもよい。移動体９０は、第１部分としての境界部９１と、第２部分としての貫通孔９２と、を有する。境界部９１及び貫通孔９２は、移動体９０の回転軸周りに交互に同じピッチで設けられる。境界部９１は高導電率部分の例示であり、貫通孔９２は低導電率部分の例示である。本実施の形態も、実施の形態１と同じ原理で、移動体９０の移動（回転）を検出できる。本実施の形態も、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

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。

磁気検出装置１の検出対象となる移動体は、非磁性の絶縁体（樹脂等）と非磁性の導体とを組み合わせたものであってもよい。例えば、移動体８０の材質を樹脂とし、凹部８２を銅やアルミ等の非磁性の導体で埋めたものも、磁気検出装置１の検出対象となり得る。また、移動体は、非磁性の導体からなる歯車であってもよい。この場合、歯車の凹凸の内周側に磁性体のリングを一体に設ければよい。

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。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、１０ 基板、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 移動体、７１ 境界部、７２ 貫通孔、８０ 移動体、８１ 凸部、８２ 凹部、９０ 移動体（回転体）、９１ 境界部、９２ 貫通孔

Claims (6)

1. 移動体の相対移動による磁界変化を検出する磁気検出装置であって、
   磁界発生導体と、
   前記磁界発生導体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、
   前記磁界発生導体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、
   空間を挟んで前記センサ部と対向する位置に設けられた磁性体と、を備える、磁気検出装置。
2. 前記磁界発生導体がコイルである、請求項１に記載の磁気検出装置。
3. 前記センサ部の出力信号を前記信号印加部の出力信号を利用して同期検波する同期検波部を備える、請求項１又は２に記載の磁気検出装置。
4. 磁気検出装置と、
   前記磁気検出装置に対して相対移動する移動体と、を備え、
   前記磁気検出装置は、
   磁界発生導体と、
   前記磁界発生導体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、
   前記磁界発生導体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、
   前記移動体を挟んで前記センサ部と対向する位置に設けられた磁性体と、を有する、移動体検出装置。
5. 前記移動体は、非磁性体であって、相互に導電率が異なる第１及び第２部分を有し、前記センサ部と対面する部分の導電率が自身の相対移動によって変化する、請求項４に記載の移動体検出装置。
6. 前記移動体は、導電性を有する非磁性体であって、少なくとも１つの凸部又は凹部を有し、前記センサ部との対向距離が自身の相対移動によって変化する、請求項４に記載の移動体検出装置。

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