JP2831375B2 - Position detection device - Google Patents

Position detection device

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、磁気の状態により電気抵抗が定まる磁気抵
抗素子を利用して、被検出対象の位置を検出する位置検
出装置に関するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a position detection device that detects a position of a detection target by using a magnetoresistive element whose electric resistance is determined by a magnetic state.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、位置検出装置は、位置センサあるいは回転速度
センサ等広い分野での制御装置として用いられている
が、高い検出精度、広範囲の使用周囲温度、小型で簡単
な構造などの要求が強く、磁気検出式のものが用いられ
るようになった。これは、磁気抵抗素子が高感度であ
り、温度変化に対して比較的安定で、しかも製造方法も
容易であるというためである。更に、磁気状態を電気信
号に変換する電子回路において、磁気状態が直接抵抗値
を決定するため、検出回路の設計が容易な点も重要であ
る。そして、以上の特徴は1チップ内に磁気抵抗素子と
検出回路を造りつけるために有効である。第7図は、抵
抗値状態の検出回路として用いられる抵抗ブリッジ回路
71との出力電圧Vを検出し、増幅する電圧増幅回路72か
らなる検出回路図である。
Conventionally, position detection devices have been used as control devices in a wide range of fields, such as position sensors or rotational speed sensors.However, there are strong demands for high detection accuracy, a wide range of ambient temperature, a small and simple structure, and magnetic detection. Formulas came to be used. This is because the magnetoresistive element has high sensitivity, is relatively stable to temperature changes, and is easy to manufacture. Furthermore, in an electronic circuit that converts a magnetic state into an electric signal, the magnetic state directly determines the resistance value, so that the design of the detection circuit is easy. The above features are effective for building a magneto-resistive element and a detection circuit in one chip. FIG. 7 shows a resistance bridge circuit used as a resistance value detection circuit.
FIG. 7 is a detection circuit diagram including a voltage amplification circuit 72 for detecting and amplifying an output voltage V with an output voltage 71.

ここで、磁気抵抗素子は印加される磁界の方向および
強度でその抵抗値が変化する素子である。この特徴を利
用して位置検出装置を構成する場合には、第8図に示す
ように磁気抵抗素子に磁界を印加するバイアス磁石と磁
性材料から成る被検出対象(第8図において、ギア)と
の間に磁気抵抗素子を配置するようにしている。
Here, the magnetoresistive element is an element whose resistance value changes depending on the direction and intensity of the applied magnetic field. When a position detecting device is configured using this feature, as shown in FIG. 8, a bias magnet for applying a magnetic field to a magnetoresistive element and a detection target (a gear in FIG. 8) made of a magnetic material are used. A magnetoresistive element is arranged between the two.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら、本発明者らの確認によると、このバイ
アス磁石と磁気抵抗素子の相対位置精度はその位置検出
装置の感度、精度に大きく影響するということが判明し
た。これを第4図から第8図を用いて説明する。
However, the present inventors have confirmed that the relative positional accuracy between the bias magnet and the magnetoresistive element greatly affects the sensitivity and accuracy of the position detecting device. This will be described with reference to FIGS. 4 to 8.

第6図は、第4図、第5図にそれぞれ示すように、磁
気抵抗素子の長手方向に対して平行および垂直方向の平
面内に対して、抵抗変化が飽和する磁界強度のもとでバ
イアス磁界角度を変化させた時の抵抗変化の様子を示し
たものである。第4図に示す様に、磁気抵抗素子の長手
方向に対して平行方向の平面内でバイアス磁界角度を変
化させた時の抵抗変化は、第6図の曲線Aの様になる。
また、第5図に示す様に磁気抵抗素子の長手方向に対し
て垂直方向の平面内でバイアス磁界角度を変化させた時
の抵抗は、第6図の曲線Bの様になる。
As shown in FIGS. 4 and 5, FIG. 6 shows a bias in a plane parallel and perpendicular to the longitudinal direction of the magnetoresistive element under a magnetic field strength at which the resistance change is saturated. FIG. 6 shows how the resistance changes when the magnetic field angle is changed. As shown in FIG. 4, the resistance change when the bias magnetic field angle is changed in a plane parallel to the longitudinal direction of the magnetoresistive element is as shown by a curve A in FIG.
Also, as shown in FIG. 5, the resistance when the bias magnetic field angle is changed in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the magnetoresistive element is as shown by a curve B in FIG.

位置検出装置は、磁気抵抗素子に印加される磁界角度
の変化による磁気抵抗素子の抵抗変化(第6図参照)を
利用して被検出対象の移動を検出するようにしており、
そのため、その感度及び精度は印加される磁界角度に敏
感であることが窺える。
The position detecting device detects the movement of the detection target using a change in resistance of the magnetoresistive element due to a change in the angle of the magnetic field applied to the magnetoresistive element (see FIG. 6).
Therefore, it can be seen that the sensitivity and accuracy are sensitive to the applied magnetic field angle.

一般に、磁石を空気中に置くと第8図に示す様に磁界
角度は発散する(以下、この種の磁石をストレート磁石
という)。そのため、磁気抵抗素子の位置によってバイ
アス磁界角度が大きく異なるという問題がある。第8図
において、1は磁石、2a,2b,2cは磁気抵抗素子であり、
それぞれの磁界角度をθa,θb,θcとすると、θa<θ
b<θcとなる。よって、抵抗値その他の特性が全く同
一の磁気抵抗素子2a,2b,2cでも磁石との相対位置が異な
れば抵抗値も異なり、磁気抵抗素子に接続する検出回路
(第7図参照)に問題が生じる。すなわち、第8図にお
いて、磁気抵抗素子の設置面におけるX方向のわずかな
オフセット量で磁気抵抗素子の抵抗変化が第6図におい
て飽和する領域に達するため、第8図の被検出対象のギ
アの回転による磁気抵抗素子の抵抗変化が少なく、抵抗
値を検出するためのブリッジ回路を構成した時、ブリッ
ジは平衡条件を満たさなくなり、ブリッジ回路の直交す
る2つの両端の電圧が被検出対象の回転によっても交差
しない、すなわち被検出対象の回転を検出できないこと
になる。
Generally, when a magnet is placed in the air, the magnetic field angle diverges as shown in FIG. 8 (hereinafter, this kind of magnet is called a straight magnet). Therefore, there is a problem that the bias magnetic field angle greatly differs depending on the position of the magnetoresistive element. In FIG. 8, 1 is a magnet, 2a, 2b and 2c are magnetoresistive elements,
Assuming that the respective magnetic field angles are θa, θb, θc, θa <θ
b <θc. Therefore, even if the magnetoresistive elements 2a, 2b, and 2c have exactly the same resistance value and other characteristics, their resistance values will differ if their relative positions with respect to the magnets are different, and the detection circuit (see FIG. 7) connected to the magnetoresistive element will have a problem. Occurs. That is, in FIG. 8, the resistance change of the magnetoresistive element reaches a region where the resistance change of the magnetoresistive element is saturated in FIG. 6 with a slight offset amount in the X direction on the installation surface of the magnetoresistive element. When the resistance change of the magnetoresistive element due to rotation is small and a bridge circuit for detecting the resistance value is configured, the bridge does not satisfy the equilibrium condition, and the voltage across the two orthogonal ends of the bridge circuit depends on the rotation of the detection target. Does not intersect, that is, the rotation of the detection target cannot be detected.

本発明は上記事実に鑑みてなされたもので、磁界発生
手段と磁気抵抗素子の位置決めが多少ずれても、その感
度、精度に影響を受けにくい位置検出装置を提供するこ
とも目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and has as its object to provide a position detecting device which is hardly affected by the sensitivity and accuracy even if the magnetic field generating means and the magnetoresistive element are slightly misaligned.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明は、上記目的を達成するために、磁性材料を有
する被検出対象の位置を検出する位置検出装置であっ
て、 前記被検出対象に向けてバイアス磁界を発生する磁界
発生手段と、前記バイアス磁界中の所定の設置面に設置
され、前記被検出対象の位置に応じた前記バイアス磁界
の状態変化により抵抗変化を生じる磁気抵抗素子と、こ
の磁気抵抗素子の抵抗値変化により前記被検出対象の位
置を検出する検出回路を備えた位置検出装置において、 前記磁界発生手段は、前記磁気抵抗素子に向けてバイ
アス磁界を発生する磁界発生面を有し、この磁界発生面
は前記磁気抵抗素子に向けて発生するバイアス磁界が前
記磁気抵抗素子の設置面において発散するのを補償し、
前記バイアス磁界を前記設置面に略直交させる凹面形状
に形成されているという技術的手段を採用する。
In order to achieve the above object, the present invention is a position detecting device that detects a position of a detection target having a magnetic material, wherein the magnetic field generation unit generates a bias magnetic field toward the detection target, A magnetoresistive element that is installed on a predetermined installation surface in a magnetic field and that changes resistance according to a change in the state of the bias magnetic field in accordance with the position of the detection target; In a position detecting device provided with a detecting circuit for detecting a position, the magnetic field generating means has a magnetic field generating surface for generating a bias magnetic field toward the magnetoresistive element, and the magnetic field generating surface faces the magnetoresistive element. Compensates for the divergent bias magnetic field generated on the installation surface of the magnetoresistive element,
Technical means is employed in which the bias magnetic field is formed in a concave shape that is substantially perpendicular to the installation surface.

〔作用〕[Action]

上記構成において、磁界発生手段の磁界発生面の凹面
形状によって、この磁界発生面から発生するバイアス磁
界は、磁気抵抗素子の設置面において発散するのを補償
され、前記バイアス磁界は前記設置面に略直交する。
In the above configuration, the bias magnetic field generated from the magnetic field generating surface is compensated for diverging on the mounting surface of the magnetoresistive element by the concave shape of the magnetic field generating surface of the magnetic field generating means, and the bias magnetic field is substantially applied to the mounting surface. Orthogonal.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明による位置検出装置の一実施例を示す
断面図である。第1図において、低熱膨張金属の内プレ
ート3(例えばコバール、ステンレス430等)により、
非磁性金属材料からなるハウジング8はロー付、溶接又
は圧入等の手段で固定されている。内プレート3には出
力ピン4が封着ガラス5で封着されている。内プレート
3の上にバリスタ6と磁気抵抗素子と第7図に示す検出
回路を形成したSiチップ7を図示しない低融点ガラス又
は接着剤で接着する。出力ピン4とSiチップ7との電気
的な接続はボンディングワイヤ9で接続する。Siチップ
7とボンディングワイヤ9の保護にはジャンクションコ
ート剤10を塗布して加熱硬化させる。非磁性材料からな
る外ケース11はハウジング8に圧入され、先端の外周部
11aをハウジング8とし、レーザ溶接等の手段で密着す
ることで、Siチップ7は完全密封される。外ケース11
は、あらかじめこの位置検出装置固定のためのブラケッ
ト12がロー付等の手段で固定されている。そして、磁気
抵抗素子を形成したSiチップ7に相対する面を凹面に形
成した磁石15が、ハウジング8の外側から図示しない接
着剤にて固定されている。13は電磁ノイズによる誤動作
防止用のフェライトビーズである。凹面磁石15とフェラ
イトビーズ13を固定した後に、モールド樹脂材料14を流
し込んで加熱硬化させて、第1図に示す位置検出装置が
形成される。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the position detecting device according to the present invention. In FIG. 1, the inner plate 3 of low thermal expansion metal (for example, Kovar, stainless steel 430, etc.)
The housing 8 made of a non-magnetic metal material is fixed by brazing, welding or press fitting. Output pins 4 are sealed to the inner plate 3 with sealing glass 5. A varistor 6, a magnetoresistive element, and a Si chip 7 on which a detection circuit shown in FIG. 7 is formed are adhered to the inner plate 3 with a low-melting glass or an adhesive (not shown). The electrical connection between the output pin 4 and the Si chip 7 is made by a bonding wire 9. To protect the Si chip 7 and the bonding wire 9, a junction coating agent 10 is applied and cured by heating. An outer case 11 made of a nonmagnetic material is press-fitted into the housing 8 and has an outer peripheral portion at the tip.
The Si chip 7 is completely sealed by using the housing 11a as a housing 8 and closely contacting each other by means such as laser welding. Outer case 11
The bracket 12 for fixing the position detecting device is fixed in advance by means such as brazing. A magnet 15 having a concave surface facing the Si chip 7 on which the magnetoresistive element is formed is fixed from outside the housing 8 with an adhesive (not shown). 13 is a ferrite bead for preventing malfunction due to electromagnetic noise. After the concave magnet 15 and the ferrite beads 13 are fixed, the mold resin material 14 is poured and heated and hardened to form the position detecting device shown in FIG.

本実施例の凹面磁石を使った位置検出装置において、
磁気抵抗素子の位置での磁界角度をホールプローブを使
用して測定した結果を第3図に示す。また、従来技術に
よるストレート磁石を使った場合の磁界角度を第9図に
示す。なお、実験に使用した凹面磁石、ストレート磁石
は、前記磁気抵抗素子位置において両者とも磁束密度12
00ガウスとなるものである。また、前記磁気抵抗素子位
置と被検出対象のギアとの距離は、両者とも等しいもの
である。
In the position detecting device using the concave magnet of the present embodiment,
FIG. 3 shows the result of measuring the magnetic field angle at the position of the magnetoresistive element using a Hall probe. FIG. 9 shows the magnetic field angle when a straight magnet according to the prior art is used. The concave magnet and the straight magnet used in the experiment both had a magnetic flux density of 12 at the position of the magnetoresistive element.
00 Gauss. The distance between the position of the magnetoresistive element and the gear to be detected is the same for both.

第3図、第9図において、横軸は被検出対象のギアの
回転角を表し、ギアのピッチは7度である。第3図と第
9図を比較した場合、凹面磁石とストレート磁石の磁界
角度の振幅に差はないが、第8図または第2図における
X方向のオフセット量Δxの変化に対して磁界角度の中
心値に大きな差が生じる。なお、ここでオフセット量Δ
x=0の位置は、ギアの中心と磁石の中心とを結ぶ線と
オフセット方向が直交する位置であることを示してい
る。ストレース磁石では、オフセット量Δxが増大する
と磁界が発散するため、磁界角度の中心値の変化は大き
く、わずかΔxが1mm変化すると、磁界角度は8度も変
化してしまう。このことは、第6図において磁界角度の
中心値が90度より大きくずれると磁界角度の振幅があっ
ても抵抗変化が飽和している領域となるため、第7図に
示す抵抗値検出用ブリッジ71を構成した場合の両端の電
圧は小さくなってしまうことによっている。
3 and 9, the horizontal axis represents the rotation angle of the gear to be detected, and the gear pitch is 7 degrees. When comparing FIG. 3 and FIG. 9, there is no difference in the amplitude of the magnetic field angle between the concave magnet and the straight magnet, but the change in the offset amount Δx in the X direction in FIG. 8 or FIG. A large difference occurs in the center values. Here, the offset amount Δ
The position of x = 0 indicates that the line connecting the center of the gear and the center of the magnet is orthogonal to the offset direction. In the case of the straight magnet, the magnetic field diverges when the offset amount Δx increases. Therefore, the change in the center value of the magnetic field angle is large, and when the Δx changes by 1 mm, the magnetic field angle changes by 8 degrees. This means that if the center value of the magnetic field angle deviates by more than 90 degrees in FIG. 6, the resistance change is saturated even if the amplitude of the magnetic field angle is present. Therefore, the resistance detecting bridge shown in FIG. This is because the voltage at both ends in the case of configuring 71 is reduced.

一方、凹面磁石では磁界が中心部にわずかながら収束
を受けて発散分を補正するため、オフセット量Δxが増
大しても磁界角度の中心値の変化は小さい。このこと
は、オフセットが生じても磁界角度の中心値の変化は小
さいため、第6図において磁気抵抗素子の抵抗変化が急
峻な領域で使用できることを示している。
On the other hand, in the concave magnet, since the magnetic field receives a slight convergence at the center and corrects the divergence, the change in the center value of the magnetic field angle is small even if the offset amount Δx increases. This indicates that the change in the center value of the magnetic field angle is small even if an offset occurs, and thus the magnetoresistive element can be used in a region where the resistance change of the magnetoresistive element is steep in FIG.

なお、上記一実施例では、過電圧印加によるSiチップ
上の検出回路が破壊されないようにバリスタ6を使用し
たが、Siチップ上に磁気抵抗素子のみを形成する場合
は、前記バリスタ6は省略してもよい。
In the above embodiment, the varistor 6 is used so that the detection circuit on the Si chip is not destroyed by the application of the overvoltage. However, when only the magnetoresistive element is formed on the Si chip, the varistor 6 is omitted. Is also good.

また、上記一実施例においては、磁石15の磁界発生面
を凹面に形成したが、第10図に示すように磁石を従来の
バイアス磁石のように磁極端面がストレートな形状のも
のを使用し、凹状の磁性材料からなるヨーク15aを接続
するようにしても良い。さらに、複数の小さな磁石を第
11図に示すように配列することで、凹面の磁界発生面を
形成するようにしてもよい。なお、第10図、第11図に示
すいずれのものも、磁気抵抗素子2は図において上側、
すなわち凹面側に設けられている。
Further, in the above embodiment, the magnetic field generating surface of the magnet 15 is formed as a concave surface, but as shown in FIG. 10, a magnet having a straight pole end surface such as a conventional bias magnet is used. A yoke 15a made of a concave magnetic material may be connected. In addition, multiple small magnets
By arranging as shown in FIG. 11, a concave magnetic field generating surface may be formed. 10 and 11, the magnetoresistive element 2 has an upper side in FIG.
That is, it is provided on the concave side.

なお、磁石を凹面状に形成するには、プラスチック磁
石を使用し、型にて成形するようにしてもよく、そうす
れば容易に形成することができる。
In addition, in order to form the magnet in a concave shape, a plastic magnet may be used, and the magnet may be formed by a mold, so that the magnet can be easily formed.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上述べたように、本発明によれば、磁界発生手段の
磁界発生面の凹面形状によって、前記磁界発生面から発
生するバイアス磁界が磁気抵抗素子設置面において発散
するのを補償して、前記バイアス磁界が前記磁気抵抗素
子設置面に略直交するようにしているから、磁界発生手
段と磁気抵抗素子の位置決めによる感度、精度への影響
の少ない位置検出装置が提供できるという優れた効果が
ある。
As described above, according to the present invention, the concave shape of the magnetic field generating surface of the magnetic field generating means compensates for the bias magnetic field generated from the magnetic field generating surface to diverge on the magnetoresistive element mounting surface, and Since the magnetic field is made to be substantially perpendicular to the surface on which the magnetoresistive element is provided, there is an excellent effect that a position detecting device having little influence on sensitivity and accuracy by positioning the magnetic field generating means and the magnetoresistive element can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明一実施例の位置検出装置の断面構成図、
第2図は凹面磁石の磁界の収束を示す説明図、第3図は
一実施例の凹面磁石による被検出対象のギアの回転角に
対する磁界角度の変化を示す実験結果図、第4図は磁気
抵抗素子においてその長手方向の平行方向にかかる磁界
角度を示す図、第5図は磁気抵抗素子においてその長手
方向の垂直方向にかかる磁界角度を示す図、第6図は磁
気抵抗素子の磁界変化に対する抵抗変化を示す特性図、
第7図は検出回路図、第8図はストレート磁石の磁界の
発散を示す説明図、第9図は従来の位置検出装置のスト
レート磁石による被検出対象のギアの回転角に対する磁
界角度の変化を示す実験結果図、第10図、第11図は他の
実施例を示す磁界発生手段の概略構成図である。 1……バイアス磁石,2……磁気抵抗素子,7……磁気抵抗
素子と検出回路を形成したSiチップ,15……バイアス磁
石,15a……凹状ヨーク,16……被検出対象。
FIG. 1 is a sectional configuration view of a position detecting device according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is an explanatory view showing the convergence of the magnetic field of the concave magnet, FIG. 3 is an experimental result showing the change of the magnetic field angle with respect to the rotation angle of the gear to be detected by the concave magnet of one embodiment, and FIG. FIG. 5 is a diagram showing a magnetic field angle applied in a direction parallel to the longitudinal direction of the resistance element, FIG. 5 is a diagram showing a magnetic field angle applied in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the magnetoresistive element, and FIG. Characteristic diagram showing resistance change,
FIG. 7 is a detection circuit diagram, FIG. 8 is an explanatory diagram showing the divergence of the magnetic field of the straight magnet, and FIG. FIG. 10 and FIG. 11 are schematic configuration diagrams of magnetic field generating means showing another embodiment. 1 ... Bias magnet, 2 ... Magneto-resistive element, 7 ... Si chip formed with magneto-resistive element and detection circuit, 15 ... Bias magnet, 15a ... Recessed yoke, 16 ... Target object.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部 正 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−51579(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01P 3/00 - 3/80 G01D 5/00 - 5/249──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Tadashi Hattori 14 Iwatani, Shimowasumi-cho, Nishio-shi, Aichi Pref. Japan Automobile Parts Research Institute Co., Ltd. Surveyed field (Int.Cl. 6 , DB name) G01P 3/00-3/80 G01D 5/00-5/249

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】磁性材料を有する被検出対象の位置を検出
する位置検出装置であって、 前記被検出対象に向けてバイアス磁界を発生する磁界発
生手段と、前記バイアス磁界中の所定の設置面に設置さ
れて前記被検出対象の位置に応じた前記バイアス磁界の
状態変化により抵抗変化を生じる磁気抵抗素子と、この
磁気抵抗素子の抵抗値変化により前記被検出対象の位置
を検出する検出回路を備えた位置検出装置において、 前記磁界発生手段は、前記磁気抵抗素子に向けてバイア
ス磁界を発生する磁界発生面を有し、この磁界発生面は
前記磁気抵抗素子に向けて発生するバイアス磁界が前記
磁気抵抗素子の設定面において発散するのを補償し、前
記バイアス磁界を前記設置面に略直交させる凹面形状に
形成されていることを特徴とする位置検出装置。
1. A position detecting device for detecting a position of a detection target having a magnetic material, wherein: a magnetic field generating means for generating a bias magnetic field toward the detection target; and a predetermined installation surface in the bias magnetic field. A magnetoresistive element that is installed in the device and generates a resistance change due to a change in the state of the bias magnetic field according to the position of the detection target; and a detection circuit that detects the position of the detection target based on a change in the resistance value of the magnetoresistance element. In the position detecting device provided, the magnetic field generating means has a magnetic field generating surface for generating a bias magnetic field toward the magnetoresistive element, and the magnetic field generating surface has a bias magnetic field generated toward the magnetoresistive element. A position detecting device which compensates for divergence on a setting surface of the magnetoresistive element and is formed in a concave shape which makes the bias magnetic field substantially perpendicular to the installation surface. .
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