JP3855801B2 - 回転検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗素子を用いた回転検出装置に関するもので、例えば、車輪速度センサとして使用される回転検出装置に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、円盤状の着磁ロータの外周面に対向するように磁気抵抗素子が形成されたセンサチップを配置すると共に、着磁ロータの回転軸からの径方向に伸びる仮想線を中心として４５度の角度を成すようにハの字形状に磁気抵抗素子を配置し、センサチップを挟んで着磁ロータの反対側に配置されたバイアス磁石からの磁気（磁束）に基づいて着磁ロータの回転検出を行うようにした回転検出装置がある。
【０００３】
このような構成の回転検出装置においては、着磁ロータの回転に伴って、磁気抵抗素子を通過する磁気（磁束）が着磁ロータの側面と平行な面内において振れることを利用し、この磁気（磁束）の振れ角から着磁ロータの回転検出を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
回転検出装置の高感度化、多機能化を目的として、バイアス磁石に対する磁気抵抗素子の配置を上記従来のものと異ならせる場合がある。このような場合において、磁気抵抗素子の中心線（ハの字形状の中心線）を磁気の振れ角の中心（バイアス磁石の磁気的中心）からずれる方向に移動させると、そのずれ分に応じてオフセット温度特性が大きくなる。
【０００５】
このオフセット温度特性について説明する。図６は、磁気抵抗素子と磁気（入射磁束）との関係を模式的に示したものである。この図に示すように、磁気抵抗素子１０１ａと磁気抵抗素子１０１ｂからなる磁気抵抗素子ブリッジは、磁気抵抗素子１０１ａと磁気抵抗素子１０１ｂとが９０°角度をずらして配置される。
【０００６】
このような構成の磁気抵抗素子ブリッジに対して、図中矢印のような磁気（磁束）が入射されると、磁気抵抗素子１０１ａ、１０１ｂのＭＲ効果により、図７に示すように、磁気の角度（磁束角度）に応じて各磁気抵抗素子１０１ａ、１０１ｂの抵抗値が変化する。なお、図７中、中心軸とは、磁気抵抗素子の中心線（ハの字形状の中心線すなわちハの字形状の対称線）に磁束が位置した場合に相当するものである。
【０００７】
ここで、Ｒは磁気抵抗素子１０１ａ、１０１ｂの抵抗値、ΔＲは磁気抵抗素子１０１ａ、１０１ｂの感度であり、双方とも温度特性を有している。そして、供給電圧をＶｓｕｐ、磁気抵抗素子ブリッジの中点電位をＶｃとすると、Ｖｃは以下のように示される。
【０００８】
【数１】

【０００９】
この式に示されるように、Ｒ及びΔＲに依存した（ΔＲ／２Ｒ）・Ｖｓｕｐで示される項が残り、この項が原因となって磁気抵抗素子１０１ａ、１０１ｂが温度特性を持つことになるのである。
【００１０】
このような温度特性を持つため、磁気振れ角と出力信号（磁気抵抗素子の出力）波形との関係は図８のように表される。図８（ａ）は、入力信号となる磁気の波形、（ｂ）は、磁気振れ角に対する出力信号の変化すなわち磁気抵抗素子の特性、（ｃ）は、入力信号に対する出力信号波形を示している。
【００１１】
なお、図８では、実線が室温時の特性、二点鎖線が高温時の特性を表している。また、図８（ｂ）では、バイアス磁石の磁気的中心を磁気振れ角の中心とし、この磁気振れ角の中心を基準として出力信号波形の変化を表してある。
【００１２】
図８（ｂ）から分かるように、出力信号は磁気振れ角の中心を動作点、つまり温度特性が零となる点として変化し、動作点を中心として対称的に変化する。この変化量は温度に依存しており、高温になるほど小さくなる。
【００１３】
そして、バイアス磁石の磁気的中心と磁気抵抗素子の中心線とが一致している場合には、図８（ａ）に示すように、磁気振れ角の中心を基準とした所定振幅の磁気（つまり波形Ａ）が入力信号となり、出力信号波形は室温時及び高温時いずれの場合にも温度特性が零となる点を中心とした正弦波ａ１、ａ２となる。
【００１４】
これに対し、バイアス磁石の磁気的中心から磁気抵抗素子の中心線がずらされる場合には、図８（ａ）に示すように、磁気振れ角の中心からずれた位置を基準とした所定振幅の磁気（つまり波形Ｂ）が入力信号となり、出力信号波形は室温時が正弦波ｂ１になると共に高温時が正弦波ｂ２になり、互いにずれたものとなる。
【００１５】
磁気抵抗素子の出力信号は所定のしきい値との大小比較によって２値化され、回転検出装置の検出信号として用いられることになる。例えば、バイアス磁石の磁気的中心と磁気抵抗素子の中心線とが一致している場合には、出力信号波形が室温時及び高温時ともに温度特性零となる点を中心とした正弦波ａ１、ａ２となることから、温度特性零になる点をしきい値として設定することにより、室温時及び高温時いずれの場合にも確実にしきい値でスレッシュすることができる。
【００１６】
しかしながら、バイアス磁石の磁気的中心から磁気抵抗素子の中心線がずらされる場合には、出力信号波形ｂ１、ｂ２が室温時と高温時とでずれていることから、室温時の出力信号波形中心をしきい値として設定すると、高温時には、出力信号波形ｂ２がしきい値を横切らず、適切にスレッシュされなくなるという問題が発生する。
【００１７】
このような問題は、処理回路側で学習制御等を実施することによって解決されるが、このような処理を実施できる構成が必要となるために高コストになると共に、回転検出装置の耐ノイズ性が悪くなるという問題がある。
【００１８】
本発明は上記問題に鑑みて、学習制御等を行わなくても回転検出が行える回転検出装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、回動する略円盤形状のロータ（１）に対して磁界を発生させるバイアス磁石（４）と、バイアス磁石とロータとの間に配置され、ロータの回動に伴って抵抗値を変化させる磁気抵抗素子（２）と、磁気抵抗素子が形成された一面を有するセンサチップ（３）とを有してなる回転検出装置において、磁気抵抗素子（２）は、線対称のハの字形状を成していると共に、バイアス磁石（４）の磁気的中心（Ｃ）に対して、該ハの字形状の対称線（Ｓ’）が傾斜するように配置され、かつ、バイアス磁石の磁気的中心（Ｃ）からずれた位置に配置されており、バイアス磁石から発せられる磁束方向に沿って前記磁気抵抗素子の前記対象線（Ｓ’）が傾斜していることを特徴としている。
【００２０】
このような構成とすることで、バイアス磁石の磁気的中心を磁気振れ角中心とした場合に、温度特性が零となる動作点が磁気振れ角中心からずれるようにでき、動作点を中心とした出力信号が得られるようにすることができる。
【００２１】
これにより、出力信号波形が室温時及び高温時いずれの場合にも温度特性が零となる点を中心とした波形となり、確実に所定のしきい値でスレッシュされるようにできる。従って、学習制御などを行わなくても正確に回転検出を行うことができる。
【００２３】
そして、磁気抵抗素子を線対称のハの字形状とする場合には、バイアス磁石の磁気的中心に対して、該ハの字形状の対称線が傾斜するように配置すれば、このような効果が得られる。
【００２４】
この場合、好ましくは、請求項２に示すように、ロータ（１）が回転した際の該磁気抵抗素子（２）の位置における磁気振れ角の中心（Ｃ’）とハの字形状の対称線（Ｓ’）とが一致するように磁気抵抗素子を配置すると良い。
【００２７】
このように、磁気抵抗素子（２）が線対称のハの字形状を成している場合には、好ましくは、請求項３に記載の発明のように、ハの字形状の対称線（Ｓ’）とバイアス磁石（４）から発せられる磁束の接線とが一致するように配置すると良い。
【００２８】
また、請求項４に記載の発明では、請求項１に記載の回転検出装置において、磁気抵抗素子（２、２’）は、バイアス磁石（４）の磁気的中心（Ｃ）の両側にそれぞれ少なくとも一つずつ配置されていることを特徴とする。
【００２９】
それによれば、複数個の磁気抵抗素子を設けた場合に、各磁気抵抗素子について、請求項１の発明と同様の効果を得ることができる。
【００３０】
さらに、本発明によれば、バイアス磁石の磁気的中心の両側に位置する各々の磁気抵抗素子から互いに位相がずれた出力信号が得られる。ここで、当該磁気的中心の片側から得られる信号に対して他側から得られる信号は、ロータの回転方向によって進角したり遅角したりする。
【００３１】
そこで、この両方の信号の位相のずれを比べることにより、ロータの回転方向を求めることができる。つまり、本発明によれば、回転数の検出に加えて、回転方向の検出までも行うことのできる回転検出装置を提供することができる。
【００３２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の一実施形態が適用された回転検出装置の上面模式図を示す。以下、この図に基づいて回転検出装置の構成についての説明を行う。
【００３４】
図１に示される回転検出装置は、例えば、車両の各車輪毎に備えられ、車輪速度センサとして使用される。各車輪には、車軸と共に回動する略円盤形状の着磁ロータ１が備えられ、この着磁ロータ１の近傍に回転検出装置が配置されている。
【００３５】
具体的には、着磁ロータ１は、回転方向に対して一定周期でＮ極及びＳ極が交互に着磁されており、回転検出装置は、着磁ロータ１の側面（端面）側において、着磁ロータ１の磁極の入れ替わりを検出するようになっている。
【００３６】
回転検出装置は、通過する磁界の方向（磁束の方向）に基づいて抵抗値を変化させる磁気抵抗素子２と、磁気抵抗素子２が形成されたセンサチップ３と、着磁ロータ１に対して磁界を発生させるバイアス磁石４とを有して構成されている。
【００３７】
磁気抵抗素子２は、線対称のハの字形状を成し、バイアス磁石４の磁気的中心（着磁ロータ１の回動軸から径方向に伸びる仮想線Ｃ）に対してハの字形状の対称線が傾斜した構成となるように、かつ、着磁ロータ１の側面に対向するように配置されている。
【００３８】
具体的には、磁気抵抗素子２は、ハの字形状の対称線がバイアス磁石４にて発せられる磁束の方向に沿って傾斜するように配置されている。好ましくは、着磁ロータ１が回転した際の磁気抵抗素子２の位置における磁気振れ角が図２のように示されたとすると、その磁気振れ角の中心Ｃ’とハの字形状の対称線Ｓ’とが一致するように配置されている。
【００３９】
図２では、バイアス磁石４の磁気的中心Ｃに対して、該ハの字形状の対称線Ｓ’が角度θＣ’をもって傾斜するように配置されている。そして、磁気抵抗素子２におけるハの字形状の対称線Ｓ’はバイアス磁石４から発せられる磁束の接線でもある。
【００４０】
つまり、バイアス磁石４から発せられる磁束の接線に沿って磁気抵抗素子２が傾斜して配置されており、図２では、線対称のハの字形状を成す磁気抵抗素子２において、ハの字形状の対称線Ｓ’とバイアス磁石４から発せられる磁束の接線とが一致するように磁気抵抗素子２が配置されている。
【００４１】
このような配置においては、着磁ロータ１の磁極が回転によって入れ換わると、磁気抵抗素子２の表面に対して垂直方向に入力信号磁界、すなわち着磁ロータ１から発せられる磁界が変化するようになっている。なお、この磁気抵抗素子２は、ハの字形状に並べられた各素子が直列接続され、その中点電位を検出出力として出力できるように構成されている。
【００４２】
センサチップ３は、略直方体で構成され、その一面側に磁気抵抗素子２が形成された構成となっている。このセンサチップ３は、磁気抵抗素子２が形成された一面が着磁ロータ１の側面と略平行を成すように配置されている。
【００４３】
バイアス磁石４は、例えば直方体や円筒形等で構成され、一端側がＮ極、他端側がＳ極となるように着磁されている。そして、バイアス磁石４は、その磁気的中心が仮想線Ｃ上に配置され、その仮想線Ｃ上においてバイアス磁石４よりも着磁ロータ１側に配置された磁気抵抗素子２を通過するように、放物線状に着磁ロータ１の側面側にバイアス磁界を発生させられるようになっている。
【００４４】
このように構成される回転検出装置においては、磁気振れ角と出力信号（磁気抵抗素子の出力）波形との関係は図３のように表される。図３（ａ）は、入力信号となる磁気の波形、（ｂ）は、磁気振れ角に対する出力信号の変化、（ｃ）は、入力信号に対する出力信号波形を示している。
【００４５】
なお、図３（ａ）〜（ｃ）では、実線が室温時の特性、二点鎖線が高温時の特性を表している。また、図３（ｂ）では、バイアス磁石４の磁気的中心Ｃを図中の座標系における中心Ｃとし、この座標系の中心Ｃを基準として出力波形の変化を示している。なお、この図３（ｂ）でいう座標系の中心Ｃは上述した磁気抵抗素子２の位置における磁気振れ角の中心Ｃ’とは異なる。
【００４６】
この図から分かるように、出力信号はバイアス磁石４の磁気的中心Ｃから角度θＣ’（図２参照）分ずれた位置に温度特性が０となる動作点が移動しており、このずれた位置の動作点を中心として出力信号が対称的に変化している。この変化量は温度に依存しており、高温になるほど小さくなる。
【００４７】
そして、磁気抵抗素子２がバイアス磁石４の磁気的中心Ｃからずらされた位置に配置されていることから、図３（ａ）に示すように、上記座標系の中心Ｃからずれた位置を基準とした所定振幅の磁気（つまり波形Ｈ）が入力信号となり、出力信号波形は室温時及び高温時いずれの場合にも温度特性が零となる点を中心とした正弦波ｈ１、ｈ２となる。
【００４８】
従って、磁気抵抗素子２の出力信号を所定のしきい値との比較によって２値化する場合にも、出力信号波形が室温時及び高温時ともに温度特性零となる点を中心とした正弦波ｈ１、ｈ２となることから、温度特性零になる点をしきい値として設定することにより、室温時及び高温時いずれの場合にも確実にしきい値でスレッシュすることができる。
【００４９】
従って、学習制御等を行わなくても正確に回転検出を行うことが可能となり、高コスト化を防止できると共に、回転検出装置の耐ノイズ性の悪化を防止できる。
【００５０】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、バイアス磁石４の磁気的中心Ｃの右側に磁気抵抗素子２を１つ設けたものについて示したが、本第２実施形態では、複数個の磁気抵抗素子を設ける場合について示す。
【００５１】
本実施形態では、図１中の太い破線にて示すように、バイアス磁石４の磁気的中心Ｃの右側だけでなく左側にも、磁気抵抗素子２’をバイアス磁石４の磁気的中心Ｃに対して傾斜させるように配置している。この左側のものについても、上記同様にセンサチップを介して配置することができる。
【００５２】
また、このバイアス磁石４の磁気的中心Ｃの左側の磁気抵抗素子２’についても、上記図２に示したような好ましい配置関係を適用することができる。そして、本実施形態によれば、この左側の磁気抵抗素子２’についても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００５３】
さらに、本実施形態によれば、バイアス磁石４の磁気的中心Ｃの左右両側に位置する各々の磁気抵抗素子２、２’から互いに位相がずれた出力信号が得られる。ここで、当該磁気的中心Ｃの片側から得られる信号に対して他側から得られる信号は、着磁ロータ１の回転方向によって進角したり遅角したりする。
【００５４】
そこで、この両方の磁気抵抗素子２、２’からの信号の位相のずれを比べることにより、ロータ１の回転方向を求めることができる。具体的な回転方向の検出原理を図４、図５を参照して述べる。
【００５５】
図４に示すように、バイアス磁石４の磁気的中心Ｃの右側に位置する磁気抵抗素子２の出力信号を信号１、左側に位置する磁気抵抗素子２’の出力信号を信号２とする。ここでは、信号１と信号２とで９０°位相がずれるように、各磁気抵抗素子２、２’を配置している。
【００５６】
この場合、着磁ロータ１が、図４中に示す正回転方向へ回転したときは、図５に示すように、信号１は信号２よりも９０°進角する。一方、着磁ロータ１が、図４中に示す逆回転方向へ回転したときは、図５に示すように、信号１は信号２よりも９０°遅角する。
【００５７】
そして、図５に示すように、各場合について、信号１および信号２をしきい値との比較によって２値化し、この２値化信号となった信号１と信号２とを比較する。それにより、両信号１および２の位相のずれ方向が明確になり、着磁ロータ１の回転方向を判定することができる。また、信号１および２のうちどちらか一方の信号から着磁ロータ１の回転数を検出することができる。
【００５８】
なお、本実施形態においても、各信号１および２を所定のしきい値との比較によって２値化する場合、室温時及び高温時いずれの場合にも確実にしきい値でスレッシュすることができる。
【００５９】
このように、本実施形態によれば、着磁ロータ１の回転数の検出に加えて、着磁ロータ１の回転方向の検出までも行うことのできる回転検出装置を提供することができる。
【００６０】
なお、信号１と信号２との位相のずれは９０°でなくても良いが、９０°が最も位相のずれを顕著にすることができ、好ましい。また、本実施形態においては、バイアス磁石４の磁気的中心Ｃの右側および左側のそれぞれに、２個以上の磁気抵抗素子を設けても良い。
【００６１】
（他の実施形態）
上述した実施形態では、磁気抵抗素子２、２’をハの字の角度が９０°をなすハの字形状に配置する場合について説明したが、ハの字形状をなす磁気抵抗素子においては、ハの字の角度が９０°より大でも小でも良い。このようなものでも、上記実施形態を適用することができる。
【００６２】
さらには、磁気抵抗素子をハの字形状としない場合においても本発明を適用することができる。すなわち、磁気抵抗素子をバイアス磁石の磁気的中心に対して傾斜させることで、バイアス磁石の磁気的中心を磁気振れ角中心とした場合に、温度特性が零となる動作点が磁気振れ角中心からずれるようにし、動作点を中心とした出力信号が得られるようにすれば良い。
【００６３】
なお、上記実施形態ではロータとして着磁ロータ１を用いる場合について説明したが、歯車ロータを用いる場合であっても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における回転検出装置の概略構成を示す図である。
【図２】着磁ロータが回転した際の磁気抵抗素子の位置における磁気振れ角を示した図である。
【図３】磁気振れ角と出力信号（磁気抵抗素子の出力）波形との関係を示した図である。
【図４】本発明の第２実施形態における回転検出装置の回転方向検出原理を説明するための図である。
【図５】上記図４に示した回転方向検出原理に基づく出力信号（磁気抵抗素子の出力）波形を示した図である。
【図６】磁気抵抗素子と磁気（入射磁束）との関係を模式的に示した図である。
【図７】磁気の角度に応じた磁気抵抗素子の抵抗値変化を示した図である。
【図８】磁気振れ角と出力信号（磁気抵抗素子の出力）波形との関係を示した図である。
【符号の説明】
１…着磁ロータ、２、２’…磁気抵抗素子、２…センサチップ、
４…バイアス磁石。

Claims (4)

1. 回動する略円盤形状のロータ（１）に対して磁界を発生させるバイアス磁石（４）と、
   前記バイアス磁石と前記ロータとの間に配置され、前記ロータの回動に伴って抵抗値を変化させる磁気抵抗素子（２、２’）と、
   前記磁気抵抗素子が形成された一面を有するセンサチップ（３）とを有してなる回転検出装置において、
   前記磁気抵抗素子（２）は、線対称のハの字形状を成していると共に、前記バイアス磁石（４）の磁気的中心（Ｃ）に対して、該ハの字形状の対称線（Ｓ’）が傾斜するように配置され、かつ、前記バイアス磁石の磁気的中心（Ｃ）からずれた位置に配置されており、
   前記バイアス磁石から発せられる磁束方向に沿って前記磁気抵抗素子の前記対象線（Ｓ’）が傾斜していることを特徴とする回転検出装置。
2. 前記磁気抵抗素子（２）は、前記ロータ（１）が回転した際の該磁気抵抗素子の位置における磁気振れ角の中心（Ｃ’）と前記ハの字形状の対称線（Ｓ’）とが一致するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転検出装置。
3. 前記磁気抵抗素子（２）は、前記対称線（Ｓ’）と前記バイアス磁石（４）から発せられる磁束の接線とが一致するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転検出装置。
4. 前記磁気抵抗素子（２、２’）は、前記バイアス磁石（４）の磁気的中心（Ｃ）の両側にそれぞれ少なくとも一つずつ配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の回転検出装置。

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