JP4424481B2 - 移動体検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁性材移動体の移動に伴う磁界変化を検出する移動体検出装置に係り、特に工業用工作機械や、自動車のエンジン等に用いられる軟磁性体歯車の回転情報を検出する場合等に用いて好適な移動体検出装置に関するものである。

従来より、回転センサ等の移動体検出装置として軟磁性材からなる凹凸部の移動による磁界強度変化を検知する強度検知型の磁気抵抗素子を用いたものが知られている。基本的なセンサ構成は検知対象の軟磁性材凹凸部に対向して少なくとも１組の磁気抵抗素子を配置し、その背後にバイアス磁石を配置し、必要に応じて、バイアス磁束密度の向上、一様化のため、ヨーク（磁性体）を追加している。各磁気抵抗素子はブリッジ回路で接続され、中点電圧（最大ピーク値と最小ピーク値の平均値）を基準とした出力信号から回転数や回転角度等の情報を得る。バイアス磁石によるバイアス磁界の強度調整のためのヨークを付加した構造を示す公知例として例えば下記特許文献１が挙げられる。
特開２０００−３９４７２号公報

図５は従来の回転センサであって、同図（Ａ）のように強度検知型の磁気抵抗素子Ｒ０１，Ｒ０２を磁性材移動体としての軟磁性体歯車１に対向させて２領域に離間配置し、磁気抵抗素子Ｒ０１，Ｒ０２の背後にバイアス磁石５及び磁性体のヨーク６を配置した構成を示す。前記磁気抵抗素子Ｒ０１，Ｒ０２の配置間隔は歯車１の凹凸ピッチに適合した間隔となっている（歯車の凸凸ピッチ＝Ｐに対して、感磁素子配列間隔Ｌ＝Ｐ／２が最適とされている）。

図５（Ｂ）のように、前記磁気抵抗素子Ｒ０１，Ｒ０２の直列接続に対して供給電圧Ｖｉｎが供給され、磁気抵抗素子Ｒ０１，Ｒ０２の接続点とアース間の電圧が検出出力Ｖoutとして得られる。そして、歯車１が回転するとその凹凸に対応した信号が検出出力Ｖoutに現れる。

図６（Ａ）は強度検知型磁気抵抗素子の磁気特性であり、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は外部磁界Ｈの強さに依存する。このため、図５（Ａ）の回転センサの配置において、磁気抵抗素子Ｒ０１，Ｒ０２の動作範囲が図６（Ａ）の点線矢印のようにずれていると、検出出力Ｖoutの出力波形は図６（Ｂ）の点線波形のようになり、中点電圧が所望値から外れることがある。このため、ヨーク６の形状、厚み等を変化させて磁気抵抗素子Ｒ０１，Ｒ０２の動作範囲が図６（Ａ）の実線矢印のように正しい範囲に設定して、ヨーク調整による出力波形整合によって検出出力Ｖoutの出力波形が図６（Ｂ）の実線波形になるようにして、中点電圧を所望値に設定する。

図６で説明したように、従来の回転センサ等の移動体検出装置では強度検知型の磁気抵抗素子を用いているため、中点電圧のバラツキが大きい問題がある。バラツキの要因は、(1)磁気抵抗素子の抵抗値バラツキ、(2)磁気抵抗素子の感度（抵抗変化率）バラツキ、(3)バイアス磁石の発生磁界強度バラツキ、(4)歯車−磁気抵抗素子間ギャップ等が考えられる。バラツキを抑える為には個々に厚み等の形状の異なるヨークの付け替え作業により、中点電圧を調整する必要があるが、このような作業は、作業性が悪くコストアップに繋がる。

本発明は、上記の点に鑑み、磁界ベクトル検知型のスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子（ＳＶ−ＧＭＲ素子）を用いることで、中点電圧ばらつきが小さく、歩留りの向上、取付作業性の改善、ひいてはコスト低減を図ることのできる移動体検出装置を提供することを目的とする。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本願請求項１の発明は、少なくとも１つの凸部又は凹部を有する磁性材移動体と、磁界を発生するバイアス磁石と、少なくとも１個のスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子とを有する移動体検出装置であって、
前記磁気抵抗素子のピン層磁化方向が前記磁性材移動体の移動方向に対して略順方向又は略逆方向であり、前記バイアス磁石は前記磁性材移動体が存在しないときに前記ピン層磁化方向に略垂直となる磁束を発生する配置であり、
前記磁気抵抗素子位置での磁界が前記磁気抵抗素子の感磁面に平行な磁界成分を主に有し、前記磁気抵抗素子のピン層磁化方向に対する前記感磁面に平行な磁界成分の向きが前記磁性材移動体の移動に伴い変化することを特徴としている。

本願請求項２の発明に係る移動体検出装置は、請求項１において、前記磁気抵抗素子が１対又は複数対設けられており、対をなす前記磁気抵抗素子のピン層磁化方向が互いに前記磁性材移動体の移動方向に対し、略順方向と略逆方向を向いていることを特徴としている。

本願請求項３の発明に係る移動体検出装置は、請求項２において、対をなす前記磁気抵抗素子の感磁面の配列方向が、前記磁性材移動体の移動方向に対して略垂直方向であることを特徴としている。

本願請求項４の発明に係る移動体検出装置は、請求項１，２又は３において、前記磁気抵抗素子の抵抗変化による検出出力波形が略正弦波であることを特徴としている。

本発明に係る移動体検出装置によれば、感磁素子に磁界強度検知型の磁気抵抗素子を用いるのではなく、磁界ベクトル検知型ＳＶ−ＧＭＲ素子を用い、かつ該ＳＶ−ＧＭＲ素子位置での磁界が当該ＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面に平行な磁界成分を主に有するように設定し、前記ＳＶ−ＧＭＲ素子のピン層磁化方向に対する前記感磁面に平行な磁界成分の向きが磁性材移動体の移動に伴い変化することを利用しているため、バイアス磁石の発生磁界強度バラツキや磁性材移動体−磁気抵抗素子間ギャップバラツキ等の磁界強度に関係するバラツキに影響されない。このため、中点電圧のバラツキを小さくでき、歩留まりの向上が可能であり、取り付けに際しての調整作業も簡単で作業性改善が可能であり、ひいてはコスト低減を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、移動体検出装置の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は本発明に係る移動体検出装置の実施の形態１であって、磁性材移動体として軟磁性体歯車の回転検出を行う回転センサを構成した場合を示す。

図１（Ａ）において、１は軟磁性体歯車であり、外周面に凹凸を有する（例えば一定配列ピッチＰで凸部２を有する）ものである。

また、軟磁性体歯車１の外周面に対向するように、２個のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２が固定配置され、各ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の感磁面は歯車外周面に対向する同一平面（歯車１の移動方向に平行な面）上にあり、歯車１の移動方向に略垂直方向（歯車１の厚み方向に）に配列されている。また、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１のピン層磁化方向は歯車１の移動方向に対して略逆方向、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ２のピン層磁化方向は略順方向（ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１の反対向き）である。

バイアス磁界発生用のバイアス磁石５は、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２位置での磁界が当該ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の感磁面に平行な磁界成分を主に有するように、磁極面５ａが前記感磁面に対し略垂直である。また、磁性材移動体としての歯車１が存在しないときにバイアス磁石５は各ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２のピン層磁化方向に略垂直な磁束を発生するものである。なお、バイアス磁石５がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の感磁面と歯車１の外周面間のギャップにはみ出さないように、バイアス磁石５の側面５ｂは前記感磁面と同一平面上にあるか、やや後退した位置となっている。

図１（Ｂ）のように、前記ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の直列接続に対して供給電圧Ｖｉｎが供給され、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の接続点とアース間の電圧が検出出力Ｖoutとして得られる。そして、歯車１が回転すると、配列ピッチＰの凸部２が移動し、それに伴い前記ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２のピン層磁化方向に対してバイアス磁石５による感磁面に平行な磁界成分の向きが変化することで、その凹凸に対応した信号が検出出力Ｖoutに現れる（動作原理については以下の図２及び図３で説明する。）。

ＳＶ−ＧＭＲ素子は、磁化方向が一方向に固定されたピン層と、電流が主として流れる非磁性層と、磁化方向が外部磁界方向（外部磁束方向）に一致するフリー層とで構成されている。ピン層磁化方向と外部磁界のベクトル方向が一致するときは低抵抗値となり、ＳＶ−ＧＭＲ素子面内において外部磁界のベクトル方向を回転させると、ピン層磁化方向となす角度により抵抗値が変化し、反対方向のとき高抵抗値となる。この特性が図２（Ａ）に示すＳＶ−ＧＭＲ素子の面内磁気特性であり、ＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面に平行な外部磁界が存在する条件下で、外部磁界を感磁面に垂直な回転中心軸にて回転させ、ピン層磁化方向に対する回転角度と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示したものである。この場合、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は正弦波に近い波形でなだらかに変化し、飽和領域は生じない。

一方、図２（Ｂ）はＳＶ−ＧＭＲ素子の面垂直磁気特性であり、ＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面に平行でピン層磁化方向に直交する回転中心軸に垂直な外部磁界が存在する条件下で外部磁界を回転させ、ピン層磁化方向に対する回転角度と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示したものである。この場合、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は下限値及び上限値共に飽和領域がある。

本実施の形態では、図２（Ａ）で示したＳＶ−ＧＭＲ素子の面内磁気特性を利用するものである。すなわち、図３（Ａ）のようにＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面に平行なバイアス磁石によるバイアス磁界を印加する条件下で外部磁界を変化させ、同図（Ｂ）の角度９０°近傍において直線的に変化する面内磁気特性を利用して、同図（Ｃ）の略正弦波の（飽和領域の無い）出力波形を得るようにしている。

図１（Ａ）の配置において、歯車１の凸部２がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の真っ正面に対向しているときは、各ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の感磁面に平行な磁界成分の向きは凸部２の影響を受けず、ピン層磁化方向に略垂直である。それに対し、歯車１の凸部２がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の正面位置から左側にずれた位置では、前記感磁面に平行な磁界成分の向きは凸部２の影響を受けて左側に曲がる（磁極面５ａから出た磁束は左側に曲がる）。また、歯車１の凸部２がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の正面位置から右側にずれた位置では、前記感磁面に平行な磁界成分の向きは凸部２の影響を受けて右側に曲がる（磁極面５ａから出た磁束は右側に曲がる）。従って、図３（Ｂ）の実線矢印の動作範囲で歯車１の回転に伴いピン層磁化方向に対する外部磁界方向が周期的に変化し、図３（Ｃ）のような正弦波に近い検出出力Ｖoutが得られる。

この実施の形態１によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) 本実施の形態１では感磁素子に磁界強度検知型の磁気抵抗素子を用いるのではなく、磁界ベクトル検知型ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を用い、かつＳＶ−ＧＭＲ素子位置での磁界が当該ＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面に平行な磁界成分を主に有するように設定し、前記ＳＶ−ＧＭＲ素子のピン層磁化方向に対する前記感磁面に平行な磁界成分の向きが歯車凸部の移動に伴い変化することを利用している。ＳＶ−ＧＭＲ素子はピン層磁化方向と外部磁界（外部磁束密度）のベクトル方向により抵抗値が決定されるため、検出出力Ｖoutの中点電圧（検出出力Ｖoutの最大ピークと最小ピークとの平均値）を決定する要因がＳＶ−ＧＭＲ素子の抵抗値バラツキとバイアス磁石５の発生磁界ベクトルバラツキだけであり、バイアス磁石の発生磁界強弱バラツキ及び歯車とＳＶ−ＧＭＲ素子間ギャップ（組付けバラツキ）には影響されないので検出出力Ｖoutの中点電圧が安定する。

(2) 中点電圧のバラツキを小さくできるため、製品歩留まりの向上が可能であり、取り付けに際しての調整作業も簡単で作業性改善が可能であり、ひいてはコスト低減を図ることができる。

(3) 図３（Ａ）のようにＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面に平行なバイアス磁界を印加して素子面内磁気特性を利用し、かつ動作範囲を図３（Ｂ）のようにピン層磁化方向と磁界が略直交する点を中心として両者の角度が変化する部分を利用するため（ＳＶ−ＧＭＲ素子面内磁気特性変化の直線部を活用するため）、検出出力Ｖoutとして飽和の無い正弦波にきわめて近い波形が得られる。特に産業機器の場合、センサ出力が正弦波であるとみなし、その出力波形から角度情報を得ているので、できるだけ正弦波に近い出力波形とすることが必要不可欠であるが、この要求を満足させることが可能である。

(4) 対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を用い、かつＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２のピン層磁化方向が互いに歯車１の移動方向に対し、略順方向と略逆方向を向くようにしたので、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を直列接続して供給電圧Ｖｉｎを供給し、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の接続点から検出出力Ｖoutを取り出すことで、１個のＳＶ−ＧＭＲ素子を使用する場合の２倍の検出出力が得られる。

図４は本発明に係る移動体検出装置の実施の形態２を示す。図４（Ａ）において、軟磁性体歯車１の外周面に略垂直な平面（歯車１が回転する平面に略平行）上にＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２が並べて固定配置され、各ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の感磁面は前記歯車１の外周面に略垂直な平面と平行である。また、２個のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の配列方向は歯車１の移動方向に略垂直方向（歯車１の半径の延長方向）に配列されている。また、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１のピン層磁化方向は歯車１の移動方向に対して略逆方向、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ２のピン層磁化方向は略順方向（ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１の反対向き）である。

バイアス磁石５は、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２位置での磁界が当該ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の感磁面に平行な磁界成分を主に有するように、磁極面５ａが前記感磁面に対し略垂直である。また、磁性材移動体としての歯車１が存在しないときにバイアス磁石５は各ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２のピン層磁化方向に略垂直な磁束を発生するものである。つまり、バイアス磁石５による磁界とＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の関係は実施の形態１と同様である。

図４（Ｂ）のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の電気的な接続関係は実施の形態１と同じである。

この実施の形態２の場合も、歯車１の凸部２がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の真っ正面に位置しているときは、各ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の感磁面に平行な磁界成分の向きは凸部２の影響を受けず、ピン層磁化方向に略垂直である。それに対し、歯車１の凸部２がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の正面位置から左側にずれた位置では、前記感磁面に平行な磁界成分の向きは凸部２の影響を受けて左側に曲がり（磁極面５ａから出た磁束は左側に曲がり）、右側にずれた位置では、前記感磁面に平行な磁界成分の向きは凸部２の影響を受けて右側に曲がる（磁極面５ａから出た磁束は右側に曲がる）。従って、図３（Ｂ）の実線矢印の動作範囲で歯車１の回転に伴いピン層磁化方向に対する外部磁界方向が周期的に変化し、図３（Ｃ）のような正弦波に近い検出出力Ｖoutが得られる。

なお、上記実施の形態１，２では磁性材移動体として、回転する軟磁性体歯車の凸部が周期的に配置されている場合を示したが、凸部又は凹部が回転する軟磁性体円板の外周面に１個又は複数個設けられた磁性材移動体を用いることができる。さらに、磁性材移動体が、軟磁性体の直線移動体に１個又は複数個の凸部又は凹部を設けた構成であってもよい。

また、一対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を用いたが、複数対のＳＶ−ＧＭＲ素子を用いてホイートストンブリッジ等を構成して検出出力を取り出してもよい。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係る移動体検出装置の実施の形態１であって、（Ａ）は移動体検出装置の構成を示す模式的斜視図、（Ｂ）は回路図である。 本発明の実施の形態で用いるＳＶ−ＧＭＲ素子の２つの磁気特性であって、（Ａ）は面内磁気特性、（Ｂ）は面垂直磁気特性をそれぞれ示す説明図である。 実施の形態１の動作説明であり、（Ａ）はバイアス磁界とＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面及びピン層磁化方向との関係を示す斜視図、（Ｂ）はＳＶ−ＧＭＲ素子の素子面内磁気特性及び動作範囲を示す説明図、（Ｃ）は出力波形例を示す説明図である。 本発明に係る移動体検出装置の実施の形態２であって、（Ａ）は移動体検出装置の構成を示す模式的斜視図、（Ｂ）は回路図である。 従来の移動体検出装置としての回転センサであって、（Ａ）は装置構成を示す模式的斜視図、（Ｂ）は回路図である。 従来装置の場合の動作説明であって、（Ａ）は強度検知型磁気抵抗素子の磁気特性及び動作範囲を示す説明図、（Ｃ）はヨーク調整による出力波形整合の説明図である。

符号の説明

１ 軟磁性体歯車
２ 凸部
５ バイアス磁石
Ｒ１，Ｒ２ ＳＶ−ＧＭＲ素子

Claims (4)

1. 少なくとも１つの凸部又は凹部を有する磁性材移動体と、磁界を発生するバイアス磁石と、少なくとも１個のスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子とを有する移動体検出装置であって、
   前記磁気抵抗素子のピン層磁化方向が前記磁性材移動体の移動方向に対して略順方向又は略逆方向であり、前記バイアス磁石は前記磁性材移動体が存在しないときに前記ピン層磁化方向に略垂直となる磁束を発生する配置であり、
   前記磁気抵抗素子位置での磁界が前記磁気抵抗素子の感磁面に平行な磁界成分を主に有し、前記磁気抵抗素子のピン層磁化方向に対する前記感磁面に平行な磁界成分の向きが前記磁性材移動体の移動に伴い変化することを特徴とする移動体検出装置。
2. 前記磁気抵抗素子が１対又は複数対設けられており、対をなす前記磁気抵抗素子のピン層磁化方向が互いに前記磁性材移動体の移動方向に対し、略順方向と略逆方向を向いている請求項１記載の移動体検出装置。
3. 対をなす前記磁気抵抗素子の感磁面の配列方向が、前記磁性材移動体の移動方向に対して略垂直方向である請求項２記載の移動体検出装置。
4. 前記磁気抵抗素子の抵抗変化による検出出力波形が略正弦波である請求項１，２又は３記載の移動体検出装置。

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