JP4461577B2 - 磁気センサおよび磁気センサ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサおよび磁気センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転角度変化を磁気センサ装置により非接触で検出する場合、図２１および図２２に示すように、非検出体にギア１を用い、磁気センサ２で擬似正弦波（図２３参照）を発生させ、そのパルス数をカウントして位置を求めたり、擬似正弦波を逓倍回路処理してパルスの分解能を上げて位置精度を上げたりするのが一般的であった。通常、磁気センサ２は、１信号当たり二つの感磁部３ａ，３ｂを有している。感磁部３ａ，３ｂは、ギア１の回転方向に並んで配置されており、そのピッチ間隔はギア１の歯ピッチの１／２に設定されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の磁気センサ装置は、検出精度がパルスの分解能に制限され、微小な回転角度変化を精度良く検出するには限界があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、回転角度の変化が微小でも精度良く検出できるとともに、構成の簡素な非接触タイプの磁気センサおよび磁気センサ装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用】
以上の目的を達成するため、本発明に係る磁気センサは、複数の感磁部を、回転方向に対して略直線的に傾斜するように配置されている磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置するとともに、前記磁性体の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置して前記磁性体に臨ませ、回転による前記磁性体の位置変化を検出し、前記磁性体の少なくとも一端部に、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に延在する凸部を設けたことを特徴とする。
【０００６】
また、本発明に係る磁気センサは、複数の感磁部を回転対称の位置に配置して、回転方向に対して略直線的に傾斜するように配置されている磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置するとともに、前記磁性体の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置して前記磁性体に臨ませ、回転による前記磁性体の位置変化を検出し、前記磁性体の少なくとも一端部に、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に延在する凸部を設けたことを特徴とする。より具体的には、磁性体の回転方向に対して平行な方向において、感磁部のずれ量が感磁部の中心間で１ｍｍ以下に設定することが好ましい。
【０００７】
また、本発明に係る磁気センサは、複数の感磁部を、回転方向に対して略直線的に傾斜するように配置されている磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置して前記磁性体に臨ませ、該磁性体の両端部が、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置されるとともに、磁性体の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置されており、回転による前記磁性体の位置変化を検出し、前記磁性体の少なくとも一端部に、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に延在する凸部を設けたことを特徴とする。磁性体の両端部の間隔は、磁性体の回転方向に対して平行な方向に１ｍｍ以下に設定することが好ましい。
【０００８】
さらに、本発明に係る磁気センサ装置は、
（ａ）回転体の表面に、該回転体の回転方向に対して略直線的に傾斜するように配置されている磁性体と、
（ｂ）前述の特徴を有して、前記回転体の回転による前記磁性体の位置変化を検出する磁気センサと、
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
磁気センサを、回転体に固定された磁性体に臨ませて配置することにより、該磁気センサは回転体に対して機械的に独立した状態で、回転体の回転による磁性体の位置変化を非接触検出する。そして、磁気センサからの出力信号は擬似のこぎり波となり、直線領域の広い波形が得られる。さらに、複数の感磁部や磁性体の両端部を、それぞれ磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置するとともに、磁性体の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置することにより、感磁部の抵抗変化のタイミングが最適化される。
【００１０】
さらに、磁性体の少なくとも一端部に、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に延在する凸部を設けることにより、磁性体が感磁部に接近したときの感磁部の抵抗変化を大きくすることができ、磁気センサからの擬似のこぎり波の直線領域が拡大する。
【００１１】
さらに、本発明に係る磁気センサ装置は、回転体に磁気センサを二つ以上設け、該磁気センサからのそれぞれの出力信号が互いに位相差を有するようにしたことを特徴とする。これにより、一方の出力信号が電圧値を検出することが困難である場合には、他方の出力信号を用いて電圧値を検出することができる。これにより、全ての角度領域にてより正確な角度検出が行われる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る磁気センサおよび磁気センサ装置の実施形態について添付図面を参照して説明する。各実施形態において、同一部品及び同一部分には同じ符号を付した。
【００１３】
［第１実施形態、図１〜図９］
本発明に係る磁気センサ装置の一つの実施形態を図１〜図３に示す。図１は磁気センサ装置１１の正面図を示し、図２は平面図を示し、図３は一部側面図を示す。磁気センサ装置１１は、概略、回転体１２と磁気センサ２０にて構成されている。
【００１４】
円筒形状の回転体１２の外周面１２ａには、被検出体としての磁性体１３が、回転体１２の回転方向に対して略直線的に傾斜しながら回転体１２の外周面１２ａを一周するように配置されている。磁性体１３の両端部１３ａ，１３ｂの位置は、回転体１２の径方向において略一致している。回転体１２は、金属やプラスチックなどで形成されている。また、磁性体１３は強磁性体が望ましく、例えば鉄やニッケルなどが含有された金属やフェライトや着磁された永久磁石などで形成されている。また、回転体１２と磁性体１３は一体で形成されていてもよい。
【００１５】
一方、磁気センサ２０は、概略、磁気抵抗素子２１，２２と、磁気抵抗素子２１，２２にバイアス磁界を印加する磁石Ｍ１とを備えている。磁気抵抗素子２１，２２は、図３に示すように、磁性体１３の回転方向に対して垂直な方向（言い換えると回転体１２の軸方向）に間隔を設けて配置されるとともに、磁性体１３の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置され、磁性体１３に対向している。これにより、磁性体１３の端部１３ａ，１３ｂが磁気抵抗素子２１，２２に接近したとき、磁気抵抗素子２１，２２が端部１３ａ，１３ｂに対向しないタイミングを発生させることができる。
【００１６】
図４に示すように、磁気抵抗素子２１，２２は、基板２３とこの基板２３の上面２３ａ（以下、検知面２３ａとする）に設けられた磁気抵抗パターン２７及び端子電極２４ａ，２４ｂとからなる（ただし図４は、磁気抵抗素子２１を代表例として示している）。磁気抵抗素子２１，２２は、例えばＩｎＳｂ，ＩｎＡｓ，ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＳｂ，ＩｎＳｂ−ＮｉＳｂ等のキャリア移動度の高い化合物半導体を、バルク法や真空蒸着法やスパッタリング法やＭＢＥ法やＣＶＤ法等で基板２３上に薄膜状に設けた後、この化合物半導体薄膜の表面にＡ１，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等のメタル膜を蒸着法やスパッタリング法、あるいはリフトオフ法等の方法で所定のピッチにて形成したものである。キャリア移動度の高い化合物半導体を用いることで、磁気センサ２０の出力感度を大きくすることができる。
【００１７】
磁気抵抗素子２１，２２の基板２３としては、ガラス、サファイア、アルミナ、フェライトや単結晶のシリコン、ＧａＡｓなどの基板、あるいは、ＳＯＩ、ＳＯＳなどの複合基板が用いられる。これらの基板２３上に半導体薄膜を直接形成したり、別に成膜した半導体薄膜や単結晶半導体基板を基板２３上に接着剤で貼り付けたもの等が用いられる。特に、サファイアやシリコンの基板２３上に直接、化合物半導体をヘテロエピタキシャル成長により成膜した場合、耐高温性が要求される自動車のトルクセンサに適したものが得られる。
【００１８】
磁気抵抗素子２１，２２は、磁界が強くなるにつれて抵抗値が大きくなる。磁気抵抗パターン２７は所定の磁気抵抗値を得るため蛇行形状とされ、磁気抵抗パターン２７のセグメントの幅Ｗと長さＬの比Ｗ／Ｌを大きくして高感度なものにしている。このように、磁気抵抗素子２１，２２として、半導体磁気抵抗素子を用いると、磁性体１３と磁気抵抗素子２１，２２とのギャップＧを、他の磁電変換素子と比較して広く設定することが可能となる。
【００１９】
磁気抵抗素子２１，２２は、図５に示すように、電気的に接続される。つまり、磁気抵抗素子２１と２２を直列接続した後、電源用端子Ｖ（ＩＮ）とグランド用端子ＧＮＤとの間に接続する。そして、電源用端子Ｖ（ＩＮ）に定電圧Ｖｄを印加し、磁気抵抗素子２１と２２の中間に接続された出力用端子Ｖ（ＯＵＴ）の電圧変動を出力信号Ｓ１として得る。
【００２０】
次に、以上の構成の磁気センサ装置１１の作用効果について説明する。
図２に示すように、回転体１２を矢印Ｋ１で示す方向に一回転させると、回転体１２に固定された磁性体１３も略直線的に傾斜した状態で回転体１２を中心に一回転する。このとき、磁性体１３の外周表面１３ｃの位置は磁気抵抗素子２１，２２に対して矢印Ｋ２（図１参照）で示す方向に変位する。従って、例えば、磁気抵抗素子２１に外周表面１３ｃが対向しているとき、磁石Ｍ１によるバイアス磁場は磁気抵抗素子２１へ集中するので、磁気抵抗素子２１の抵抗値は高い。逆に、磁気抵抗素子２２は、磁石Ｍ１によるバイアス磁場が緩和されるので、抵抗値は低くなり、出力信号Ｓ１の電圧値も低くなる。
【００２１】
磁性体１３が回転すると、外周表面１３ｃは磁気抵抗素子２１から離反し、磁気抵抗素子２２に接近する。外周表面１３ｃが磁気抵抗素子２２に対向すると、磁石Ｍ１によるバイアス磁場は磁気抵抗素子２２へ集中するので、磁気抵抗素子２２の抵抗値は高い。逆に、磁気抵抗素子２１は、磁石Ｍ１によるバイアス磁場が緩和されるので、抵抗値は低くなり、出力信号Ｓ１の電圧値も高くなる。
【００２２】
この間、磁性体１３の連続して略直線的に傾斜している部分が、磁気抵抗素子２１，２２に対向しているので、磁気抵抗素子２１，２２の抵抗値は緩やかに略直線的に変化する。従って、出力信号Ｓ１の電圧値も緩やかに略直線的に変化する。
【００２３】
ところが、磁性体１３が回転して、磁性体１３の端部１３ａ，１３ｂ（すなわち、磁性体１３の不連続部分）が磁気抵抗素子２１，２２に接近すると、磁気抵抗素子２１，２２に対する外周表面１３ｃは、端部１３ｂから端部１３ａに不連続的に移動する。従って、磁気抵抗素子２１の抵抗値は急激に上昇するとともに、磁気抵抗素子２２の抵抗値は急激に下降し、出力信号Ｓ１の電圧値も急激に低くなる。
【００２４】
このとき、図３に示すように、磁気抵抗素子２１，２２は、磁性体１３の回転方向に対して平行な方向に位置がずれている。従って、磁性体１３の端部１３ａ，１３ｂが磁気抵抗素子２１，２２に接近したとき、磁気抵抗素子２１，２２が端部１３ａ，１３ｂに対向しないタイミングを発生させることができる。この結果、磁性体１３の端部１３ａ，１３ｂが磁気抵抗素子２１，２２に同時期に対向せず、磁気抵抗素子２１，２２のそれぞれの抵抗値が大きくなるタイミングが重ならない。そして、一方の磁気抵抗素子の抵抗値が略最大のときに、他方の磁気抵抗素子の抵抗値が略最小になり、その差動で出力される出力信号Ｓ１のピーク値を大きく急峻なものにすることができる。
【００２５】
磁性体１３がさらに回転すると、外周表面１３ｃは磁気抵抗素子２１に接近する。磁性体１３が３６０度回転して元の位置に戻ると、外周表面１３ｃは再び磁気抵抗素子２１に対向する。従って、磁気抵抗素子２１の抵抗値は元の高い値となり、磁気抵抗素子２２の抵抗値は元の低い値となる。
【００２６】
こうして、出力用端子Ｖ（ＯＵＴ）には、回転体１２が１回転する毎に、つまり、磁性体１３が１回転する毎に、それぞれ図６に示すような１周期の擬似のこぎり波の出力信号Ｓ１が出力される。出力信号Ｓ１の波形は、立ち上がり領域が立ち下がり領域より多く、しかも、立ち上がり領域は略リニアに変化している。この結果、略リニアな立ち上がり領域の出力信号Ｓ１の電圧を測定することにより、微小な回転角度変化を精度良く検出可能な非接触タイプの磁気センサ装置１１を得ることができる。
【００２７】
ここで、磁性体１３の回転方向に対して平行な方向における、磁気抵抗素子２１と２２のずれ量Ｄを種々設定し、出力信号Ｓ１の波形を評価した。この結果、表１に示すように、ずれ量Ｄが磁気抵抗素子２１と２２の中心間で１ｍｍ以下の場合に、リニアリティ偏差が１％以下の直線領域を広い回転角度範囲で得られた（表１中において＊マークは比較例を表示している）。表１から、磁気抵抗素子２１と２２の位置がずれるにつれて直線領域の範囲が広くなり（実施例１参照）、ずれ量Ｄ＝０．５０ｍｍの付近で回転角度で約２４０度と最大となることがわかる（実施例２参照）。さらに、ずれが大きくなると、直線領域の範囲は逆に狭くなり（実施例３参照）、ずれ量Ｄ＝１．０ｍｍで直線領域は、磁気抵抗素子２１と２２の位置がずれていない場合と同様の値となる（実施例４および比較例１参照）。
【００２８】
【表１】
【００２９】
なお、本第１実施形態の場合、表１の比較例２に示すように、ずれ量Ｄ＝―０．７５ｍｍに設定する（言い換えると、図３において、磁気抵抗素子２１，２２を逆方向にずらせて、一点鎖線で表示した位置２１’，２２’に配置する）と、磁性体１３の端部１３ａ，１３ｂが磁気抵抗素子２１，２２に同時期に対向する時間が長くなる。従って、磁気抵抗素子２１，２２のそれぞれの抵抗値が大きくなるタイミングが重なり、一方の磁気抵抗素子の抵抗値が最大のときに他方の磁気抵抗素子が抵抗値変化の途中となるため、その差動で出力される出力信号Ｓ１のピーク値は小さく、波形はなまったものとなる。この結果、リニアリティ偏差が１％以下の直線領域は回転角度で約１９０度と悪化した。
【００３０】
図７および図８は、磁気抵抗素子２１と２２の位置のずれ量Ｄを変えたときの出力信号波形を示すグラフである。図７および図８において、実線３１はずれ量Ｄ＝０．５０ｍｍの場合の出力信号波形を示し、点線３２はずれ量Ｄ＝０ｍｍの場合の出力信号波形を示し、実線３３はずれ量Ｄ＝１．０ｍｍの場合の出力信号波形を示し、一点鎖線３４はずれ量Ｄ＝−０．７５ｍｍの場合の出力信号波形を示している。
【００３１】
また、回転体１２を矢印Ｋ１で示す方向とは逆の方向に一回転させると、出力信号Ｓ１の波形は立ち上がり領域が立ち下がり領域より少ない擬似のこぎり波となる。また、図９に示すように、磁性体１３の傾斜方向を逆にしても、出力信号Ｓ１の波形の立ち上がり、立ち下がりが逆になる以外は、略同等の効果が得られる（以下、各実施形態において同様である）。
【００３２】
さらに、図１に示すように、本第１実施形態は、磁性体１３の回転方向に対して垂直な方向において、磁気抵抗素子２１，２２の位置が、磁性体１３の両端部１３ａ，１３ｂの位置Ａの範囲内にある。しかしながら、磁気抵抗素子２１，２２と磁性体１３の位置関係は任意であって、例えば図９（ａ）に示すように、回転体１２の軸方向に対して平行な方向において、磁気抵抗素子２１，２２の一部分の位置が、磁性体１３の両端部１３ａ，１３ｂの位置Ａにそれぞれオーバラップしていてもよい。また、図９（ｂ）に示すように、磁性体１３の両端部１３ａ，１３ｂが繋がっていても、磁気抵抗素子２１，２２のずれ量Ｄを種々設定することで同様の効果を得ることができる。
【００３３】
［第２実施形態、図１０］
図１０に示すように、第２実施形態の磁気センサ装置４１は、前記第１実施形態の磁気センサ装置１１の磁気センサ２０の代わりに、磁気センサ４２を使用したものである。磁気センサ４２の磁気抵抗素子４３，４４は、回転体１２の軸方向に平行な方向に略一直線状に間隔を設けて配置され、その間隔の中点Ｐを基準にして磁気抵抗素子４３，４４または磁気センサ４２本体を角度θ（θは例えば５°〜１０°）だけ回転させた位置にある。つまり、磁気抵抗素子４３，４４は、回転対称の位置に配置され、磁性体１３の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置されるとともに、磁性体１３の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして（ずれ量Ｄは１ｍｍ以下に設定するのが好ましい）配置されて磁性体１３に臨んでいる。これにより、磁性体１３の端部１３ａ，１３ｂは、磁気抵抗素子４３，４４に同時期に対向しないようになる。
【００３４】
以上の構成からなる磁気センサ装置４１は、前記第１実施形態の磁気センサ装置１１と同様の作用効果を奏する。しかも、磁気抵抗素子４３，４４を略一直線状に配置することができるため、磁気抵抗素子チップの面積を小さくすることができる。従って、１ウェハに搭載できる磁気抵抗素子チップ数が増え、製造コストを低減できる。
【００３５】
［第３実施形態、図１１〜図１４］
本発明に係る磁気センサ装置の第３実施形態を図１１〜図１３に示す。図１１は磁気センサ装置５１の正面図を示し、図１２は平面図を示し、図１３は一部側面図を示す。磁気センサ装置５１は、概略、回転体５２と磁気センサ６０にて構成されている。
【００３６】
円筒形状の回転体５２の外周面５２ａには、被検出体としての磁性体５３が、回転体５２の回転方向に対して略直線的に傾斜しながら回転体５２の外周面５２ａを略一周するように配置されている。磁性体５３の両端部５３ａ，５３ｂは、回転体５２の外周方向に間隔Ｄ１を設けている。磁性体５３の両端部５３ａ，５３ｂが間隔Ｄ１を有しているため、磁性体５３を加工し易くなる。
【００３７】
さらに、磁性体５３の両端部５３ａ，５３ｂには、それぞれ磁性体５３の回転方向に対して垂直な方向でかつ内側に延在している凸部５４を設けている。これにより、磁性体５３の端部５３ａ，５３ｂが磁気センサ６０の磁気抵抗素子６１，６２に接近したときの、磁気抵抗素子６１，６２の抵抗値変化が更に急激になる。
【００３８】
一方、磁気センサ６０は、概略、磁気抵抗素子６１，６２と、磁気抵抗素子６１，６２にバイアス磁界を印加する磁石Ｍ１とを備えている。磁気抵抗素子６１，６２は、図１３に示すように、回転体５２の軸方向に間隔を設けて配置されるとともに、磁性体５３に対向するように配置されている。
【００３９】
これにより、磁性体５３の端部５３ａ，５３ｂが磁気抵抗素子６１，６２に接近したとき、磁気抵抗素子６１，６２が端部５３ａ，５３ｂに対向しないタイミングを発生させることができる。この結果、磁性体５３の端部５３ａ，５３ｂが磁気抵抗素子６１，６２に同時期に対向せず、磁気抵抗素子６１，６２のそれぞれの抵抗値が大きくなるタイミングが重ならない。そして、一方の磁気抵抗素子の抵抗値が略最大のときに、他方の磁気抵抗素子の抵抗値が略最小になり、その差動で出力される出力信号Ｓ１のピーク値を大きく急峻なものにすることができる。
【００４０】
こうして、回転体５２が１回転する毎に、磁気センサ６０から図６に示すような１周期の擬似のこぎり波の出力信号Ｓ１が出力される。この結果、略リニアな立ち上がり領域の出力信号Ｓ１の電圧を測定することにより、微小な回転角度変化を精度良く検出可能な非接触タイプの磁気センサ装置５１を得ることができる。
【００４１】
ここで、磁性体５３の回転方向に対して平行な方向における、磁性体５３の両端部５３ａと５３ｂの間隔Ｄ１を種々設定し、出力信号Ｓ１の波形を評価した。この結果、間隔Ｄ１が１ｍｍ以下の場合に、リニアリティ偏差が１％以下の直線領域を広い回転角度範囲で得られた。そして、間隔Ｄ１と直線領域との関係は、前記第１実施形態の磁気センサ装置１１の磁気抵抗素子２１，２２のずれ量Ｄと直線領域との関係と略同様であった。
【００４２】
なお、図１４に示すように、磁気センサ６０の磁気抵抗素子６１と６２を、前記第１実施形態のように、磁性体５３の回転方向に対して平行な方向にずれ量Ｄだけずらし、さらに、その磁気抵抗素子６１，６２の位置に合わせて、磁性体５３の両端部５３ａ，５３ｂを磁性体５３の回転方向に対して平行な方向に間隔Ｄ１だけ離すように設定してもよい。また、磁性体５３の両端部５３ａ，５３ｂに設けられている凸部５４は、回転体５２の軸方向に平行でかつ外側に延在するものであってもよい。
【００４３】
［第４実施形態、図１５および図１６］
図１５は第４実施形態の磁気センサ装置７１の正面図を示し、図１６はその平面図を示す。円筒形状の回転体７２の外周面７２ａには、複数の被検出体としての磁性体７３が、回転体７２の回転方向（図１６に矢印Ｋ１にて表示）に対して略直線的に傾斜しながら配置されている。隣り合う磁性体７３は互いに平行に配置される。磁性体７３の両端部７３ａ，７３ｂのそれぞれの位置は、回転体７２の径方向において、隣り合う磁性体７３の端部７３ｂおよび端部７３ａの位置に略一致している。
【００４４】
一方、磁気センサ８０は、概略、磁気抵抗素子８１，８２と磁石Ｍ１とを備えている。磁気抵抗素子８１，８２は、回転体７２の軸方向に平行な方向に間隔を設けて並置されるとともに、磁性体７３の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置され（ずれ量Ｄ）、磁性体７３に対向している。これにより、磁性体７３の端部７３ａ，７３ｂが磁気抵抗素子８１，８２に接近したとき、磁気抵抗素子８１，８２が端部７３ａ，７３ｂに対向しないタイミングを発生させることができる。
【００４５】
以上の構成からなる磁気センサ装置７１は、回転体７２の外周面７２ａに複数の磁性体７３を配設しているので、回転体７２が１回転する毎に、磁性体７３の個数分だけの擬似のこぎり波を出力する。つまり、本第４実施形態の場合、回転体７２が１回転すると、１２周期分の擬似のこぎり波の出力信号Ｓ１が出力される。このように、回転体７２の外周面７２ａに磁性体を複数個設けることによって、磁性体を１個設けた場合と比較して、単位角度変化に対する出力信号Ｓ１の電圧変化量を大きくすることができる。この結果、回転角度の変化を精度良くかつ安定して検出することができる磁気センサ装置７１を得ることができる。
【００４６】
［第５実施形態、図１７〜図２０］
本発明に係る磁気センサ装置のさらに別の実施形態を図１７および図１８に示す。該磁気センサ装置１０１は、前記第４実施形態で説明した磁気センサ装置７１において磁気センサを二つ設けたものと同様の構造を有している。
【００４７】
磁気センサ１２０Ａは、概略、磁気抵抗素子１２１，１２２と磁石Ｍ１を備えている。同様に、磁気センサ１２０Ｂも、磁気抵抗素子１２３，１２４と磁石Ｍ１を備えている。なお、各磁気センサは、一体的にモジュール化して配置してもよい。
【００４８】
磁気抵抗素子１２１，１２２および１２３，１２４は、それぞれ回転体７２の軸方向に間隔を設けて並置されるとともに、磁気抵抗素子１２１〜１２４は磁性体７３に対向するように配置されている。さらに、磁気抵抗素子１２１と１２２、並びに、磁気抵抗素子１２３と１２４は、磁性体７３の回転方向に対して平行な方向にずれ量Ｄだけ位置をずらして配置されている。
【００４９】
これにより、磁性体７３の端部７３ａ，７３ｂが磁気抵抗素子１２１と１２２に接近したとき、磁気抵抗素子１２１と１２２が端部７３ａ，７３ｂに対向しないタイミングを発生させることができる。磁気抵抗素子１２３と１２４が磁性体７３の端部７３ａ，７３ｂに接近したときも同様である。これらの磁気抵抗素子１２１〜１２４は、図１９に示すように電気的に接続される。
【００５０】
さらに、磁気センサ１２０Ａと磁気センサ１２０Ｂは、一方の磁気センサ１２０Ａの磁気抵抗素子１２１，１２２が磁性体７３の中央部に対向したときに、他方の磁気センサ１２０Ｂの磁気抵抗素子１２３，１２４が磁性体７３の不連続部分に対向するように配置される。
【００５１】
次に、以上の構成の磁気センサ装置１０１の作用効果について説明する。
回転体７２が１回転する毎に、出力用端子Ｖ１（ＯＵＴ），Ｖ２（ＯＵＴ）には、それぞれ図２０に示すような１２周期分の擬似のこぎり波の出力信号Ｓ１，Ｓ２が出力される。出力信号Ｓ１と出力信号Ｓ２とは、位相差が略１８０度である。
【００５２】
ここに、出力信号Ｓ１が擬似のこぎり波の直線領域から外れているときには、出力信号Ｓ１の電圧値で角度を正確に検出することが困難となる。これに対して、出力信号Ｓ２は擬似のこぎり波の直線領域に位置しており、高感度を得られる位置にある。そこで、このような場合には、出力信号Ｓ２で角度を検出する。こうして、全ての角度領域にて角度をより正確に検出する磁気センサ装置１０１を得ることができる。
【００５３】
さらに、本第５実施形態では、磁気センサ１２０Ａ，１２０Ｂからの出力信号Ｓ１とＳ２の位相差が、図２０に示すように、それぞれ略１８０度になるように、磁気抵抗素子１２１〜１２４が配置されている。つまり、磁気抵抗素子１２１，１２２と磁気抵抗素子１２３，１２４との間隔が、回転体７２側から見て以下の（１）式を満足する寸法Ｐになるようにする。
【００５４】
Ｐ≒（Ｓπ／２）×（Ｗ／３６０）＋（Ｓπ）×（Ｗ／３６０）×ｎ…（１）
ただし、Ｓ：磁性体７３を設けた回転体７２の直径（ｍｍ）
Ｗ：磁性体７３のピッチ間隔（度）
ｎ＝０，１，２，３，…
【００５５】
なお、磁気センサからの出力信号の位相差は１８０度に限るものではなく、任意である。例えば、６個の磁気抵抗素子と３個の磁石を備えた、三つの磁気センサを内蔵した磁気センサユニットを使うことにより、１２０度の位相差の出力信号を出力することができる。このとき、磁気抵抗素子相互の間隔は、回転体７２側から見て以下の（２）式を満足する寸法Ｐになるようにする。
Ｐ≒（Ｓπ／３）×（Ｗ／３６０）＋（Ｓπ）×（Ｗ／３６０）×ｎ…（２）
【００５６】
［他の実施形態］
なお、本発明に係る磁気センサおよび磁気センサ装置は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。前記実施形態では、磁気センサの感磁部として磁気抵抗素子を使用したが、必ずしもこれに限るものではなく、ホール素子、ホールＩＣ、ＮｉＦｅやＮｉＣｏなどからなる強磁性体薄膜素子等を使用してもよい。
【００５７】
また、被検出体としての磁性体は、必ずしも円筒形状の回転体外周面に設ける必要はなく、円板のような回転板の主面に磁性体を設けるものであってもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、回転体に固定された磁性体に臨ませて配置しているので、磁気センサは回転体に対して機械的に独立した状態で、磁性体の位置変化を非接触検出することができる。機構部も接触部分を有さないので、完全非接触での検出が可能である。また、機械加工部品も少なく、構成も簡素であるため低コストの磁気センサ装置を得ることができる。そして、磁気センサからは、直線領域の広い擬似のこぎり波の出力信号を発生させることができ、微小な回転角度変化を精度良く検出することができる。
【００５９】
また、複数の感磁部や磁性体の両端部を、それぞれ磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置するとともに、磁性体の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置することにより、感磁部の抵抗変化のタイミングを最適化することができる。これにより、磁気センサからの出力信号のピーク値をさらに大きく急峻なものにすることができ、擬似のこぎり波の直線領域をさらに広くすることができ、感磁部の感度も大きくできる。
【００６０】
さらに、磁性体を回転方向に複数個配列することにより、回転体が一回転する毎に、磁気センサから２周期以上の出力信号を出力することができる。この結果、微小角度変位に対する出力信号の感度を大きくすることができる。
【００６１】
また、磁気センサからのそれぞれの出力信号が互いに位相差を有するように、回転体に二つ以上の磁気センサを配置することにより、一方の出力信号が電圧値を検出することが困難である場合には、他方の出力信号を用いて電圧値を検出することができる。これにより、全ての角度領域にてより正確な角度検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁気センサ装置の一実施形態を示す正面図。
【図２】図１に示した磁気センサ装置の平面図。
【図３】図１に示した磁気センサ装置の一部側面図。
【図４】図１に示した磁気センサ装置に使用される磁気抵抗素子の斜視図。
【図５】図１に示した磁気センサ装置の電気回路図。
【図６】図１に示した磁気センサ装置の出力信号波形を示すグラフ。
【図７】磁気抵抗素子のずれ量を変えたときの出力信号波形を示すグラフ。
【図８】磁気抵抗素子のずれ量を変えたときの出力信号波形を示すグラフ。
【図９】図１に示した磁気センサ装置の変形例を示す一部側面図。
【図１０】本発明に係る磁気センサ装置の別の実施形態を示す一部側面図。
【図１１】本発明に係る磁気センサ装置のさらに別の実施形態を示す正面図。
【図１２】図１１に示した磁気センサ装置の平面図。
【図１３】図１１に示した磁気センサ装置の一部側面図。
【図１４】図１１に示した磁気センサ装置の変形例を示す一部側面図。
【図１５】本発明に係る磁気センサ装置のさらに別の実施形態を示す正面図。
【図１６】図１５に示した磁気センサ装置の平面図。
【図１７】本発明に係る磁気センサ装置のさらに別の実施形態を示す正面図。
【図１８】図１７に示した磁気センサ装置の平面図。
【図１９】図１７に示した磁気センサ装置の電気回路図。
【図２０】図１７に示した磁気センサ装置の出力信号波形を示すグラフ。
【図２１】従来の磁気センサ装置を示す正面図。
【図２２】図２１に示した磁気センサ装置の平面図。
【図２３】図２１に示した磁気センサ装置の出力信号波形を示すグラフ。
【符号の説明】
１１，４１，５１，７１，１０１…磁気センサ装置
１２，５２，７２…回転体
１３，５３，７３…磁性体
１３ａ，１３ｂ，５３ａ，５３ｂ，７３ａ，７３ｂ…端部
２０，４２，６０，８０，１２０Ａ，１２０Ｂ…磁気センサ
２１，２２，４３，４４，６１，６２，８１，８２，１２１〜１２４…磁気抵抗素子（感磁部）
Ｄ…ずれ量
Ｄ１…間隔
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサおよび磁気センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転角度変化を磁気センサ装置により非接触で検出する場合、図２１および図２２に示すように、非検出体にギア１を用い、磁気センサ２で擬似正弦波（図２３参照）を発生させ、そのパルス数をカウントして位置を求めたり、擬似正弦波を逓倍回路処理してパルスの分解能を上げて位置精度を上げたりするのが一般的であった。通常、磁気センサ２は、１信号当たり二つの感磁部３ａ，３ｂを有している。感磁部３ａ，３ｂは、ギア１の回転方向に並んで配置されており、そのピッチ間隔はギア１の歯ピッチの１／２に設定されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の磁気センサ装置は、検出精度がパルスの分解能に制限され、微小な回転角度変化を精度良く検出するには限界があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、回転角度の変化が微小でも精度良く検出できるとともに、構成の簡素な非接触タイプの磁気センサおよび磁気センサ装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用】
以上の目的を達成するため、本発明に係る磁気センサは、複数の感磁部を、回転方向に対して略直線的に傾斜するように配置されている磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置するとともに、前記磁性体の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置して前記磁性体に臨ませ、回転による前記磁性体の位置変化を検出し、前記磁性体の少なくとも一端部に、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に延在する凸部を設けたことを特徴とする。
【０００６】
また、本発明に係る磁気センサは、複数の感磁部を回転対称の位置に配置して、回転方向に対して略直線的に傾斜するように配置されている磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置するとともに、前記磁性体の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置して前記磁性体に臨ませ、回転による前記磁性体の位置変化を検出し、前記磁性体の少なくとも一端部に、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に延在する凸部を設けたことを特徴とする。より具体的には、磁性体の回転方向に対して平行な方向において、感磁部のずれ量が感磁部の中心間で１ｍｍ以下に設定することが好ましい。
【０００７】
また、本発明に係る磁気センサは、複数の感磁部を、回転方向に対して略直線的に傾斜するように配置されている磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置して前記磁性体に臨ませ、該磁性体の両端部が、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置されるとともに、磁性体の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置されており、回転による前記磁性体の位置変化を検出し、前記磁性体の少なくとも一端部に、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に延在する凸部を設けたことを特徴とする。磁性体の両端部の間隔は、磁性体の回転方向に対して平行な方向に１ｍｍ以下に設定することが好ましい。
【０００８】
さらに、本発明に係る磁気センサ装置は、
（ａ）回転体の表面に、該回転体の回転方向に対して略直線的に傾斜するように配置されている磁性体と、
（ｂ）前述の特徴を有して、前記回転体の回転による前記磁性体の位置変化を検出する磁気センサと、
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
磁気センサを、回転体に固定された磁性体に臨ませて配置することにより、該磁気センサは回転体に対して機械的に独立した状態で、回転体の回転による磁性体の位置変化を非接触検出する。そして、磁気センサからの出力信号は擬似のこぎり波となり、直線領域の広い波形が得られる。さらに、複数の感磁部や磁性体の両端部を、それぞれ磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置するとともに、磁性体の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置することにより、感磁部の抵抗変化のタイミングが最適化される。
【００１０】
さらに、磁性体の少なくとも一端部に、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に延在する凸部を設けることにより、磁性体が感磁部に接近したときの感磁部の抵抗変化を大きくすることができ、磁気センサからの擬似のこぎり波の直線領域が拡大する。
【００１１】
さらに、本発明に係る磁気センサ装置は、回転体に磁気センサを二つ以上設け、該磁気センサからのそれぞれの出力信号が互いに位相差を有するようにしたことを特徴とする。これにより、一方の出力信号が電圧値を検出することが困難である場合には、他方の出力信号を用いて電圧値を検出することができる。これにより、全ての角度領域にてより正確な角度検出が行われる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る磁気センサおよび磁気センサ装置の実施形態について添付図面を参照して説明する。各実施形態において、同一部品及び同一部分には同じ符号を付した。
【００１３】
［第１実施形態、図１〜図９］
本発明に係る磁気センサ装置の一つの実施形態を図１〜図３に示す。図１は磁気センサ装置１１の正面図を示し、図２は平面図を示し、図３は一部側面図を示す。磁気センサ装置１１は、概略、回転体１２と磁気センサ２０にて構成されている。
【００１４】
円筒形状の回転体１２の外周面１２ａには、被検出体としての磁性体１３が、回転体１２の回転方向に対して略直線的に傾斜しながら回転体１２の外周面１２ａを一周するように配置されている。磁性体１３の両端部１３ａ，１３ｂの位置は、回転体１２の径方向において略一致している。回転体１２は、金属やプラスチックなどで形成されている。また、磁性体１３は強磁性体が望ましく、例えば鉄やニッケルなどが含有された金属やフェライトや着磁された永久磁石などで形成されている。また、回転体１２と磁性体１３は一体で形成されていてもよい。
【００１５】
一方、磁気センサ２０は、概略、磁気抵抗素子２１，２２と、磁気抵抗素子２１，２２にバイアス磁界を印加する磁石Ｍ１とを備えている。磁気抵抗素子２１，２２は、図３に示すように、磁性体１３の回転方向に対して垂直な方向（言い換えると回転体１２の軸方向）に間隔を設けて配置されるとともに、磁性体１３の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置され、磁性体１３に対向している。これにより、磁性体１３の端部１３ａ，１３ｂが磁気抵抗素子２１，２２に接近したとき、磁気抵抗素子２１，２２が端部１３ａ，１３ｂに対向しないタイミングを発生させることができる。
【００１６】
図４に示すように、磁気抵抗素子２１，２２は、基板２３とこの基板２３の上面２３ａ（以下、検知面２３ａとする）に設けられた磁気抵抗パターン２７及び端子電極２４ａ，２４ｂとからなる（ただし図４は、磁気抵抗素子２１を代表例として示している）。磁気抵抗素子２１，２２は、例えばＩｎＳｂ，ＩｎＡｓ，ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＳｂ，ＩｎＳｂ−ＮｉＳｂ等のキャリア移動度の高い化合物半導体を、バルク法や真空蒸着法やスパッタリング法やＭＢＥ法やＣＶＤ法等で基板２３上に薄膜状に設けた後、この化合物半導体薄膜の表面にＡ１，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等のメタル膜を蒸着法やスパッタリング法、あるいはリフトオフ法等の方法で所定のピッチにて形成したものである。キャリア移動度の高い化合物半導体を用いることで、磁気センサ２０の出力感度を大きくすることができる。
【００１７】
磁気抵抗素子２１，２２の基板２３としては、ガラス、サファイア、アルミナ、フェライトや単結晶のシリコン、ＧａＡｓなどの基板、あるいは、ＳＯＩ、ＳＯＳなどの複合基板が用いられる。これらの基板２３上に半導体薄膜を直接形成したり、別に成膜した半導体薄膜や単結晶半導体基板を基板２３上に接着剤で貼り付けたもの等が用いられる。特に、サファイアやシリコンの基板２３上に直接、化合物半導体をヘテロエピタキシャル成長により成膜した場合、耐高温性が要求される自動車のトルクセンサに適したものが得られる。
【００１８】
磁気抵抗素子２１，２２は、磁界が強くなるにつれて抵抗値が大きくなる。磁気抵抗パターン２７は所定の磁気抵抗値を得るため蛇行形状とされ、磁気抵抗パターン２７のセグメントの幅Ｗと長さＬの比Ｗ／Ｌを大きくして高感度なものにしている。このように、磁気抵抗素子２１，２２として、半導体磁気抵抗素子を用いると、磁性体１３と磁気抵抗素子２１，２２とのギャップＧを、他の磁電変換素子と比較して広く設定することが可能となる。
【００１９】
磁気抵抗素子２１，２２は、図５に示すように、電気的に接続される。つまり、磁気抵抗素子２１と２２を直列接続した後、電源用端子Ｖ（ＩＮ）とグランド用端子ＧＮＤとの間に接続する。そして、電源用端子Ｖ（ＩＮ）に定電圧Ｖｄを印加し、磁気抵抗素子２１と２２の中間に接続された出力用端子Ｖ（ＯＵＴ）の電圧変動を出力信号Ｓ１として得る。
【００２０】
次に、以上の構成の磁気センサ装置１１の作用効果について説明する。
図２に示すように、回転体１２を矢印Ｋ１で示す方向に一回転させると、回転体１２に固定された磁性体１３も略直線的に傾斜した状態で回転体１２を中心に一回転する。このとき、磁性体１３の外周表面１３ｃの位置は磁気抵抗素子２１，２２に対して矢印Ｋ２（図１参照）で示す方向に変位する。従って、例えば、磁気抵抗素子２１に外周表面１３ｃが対向しているとき、磁石Ｍ１によるバイアス磁場は磁気抵抗素子２１へ集中するので、磁気抵抗素子２１の抵抗値は高い。逆に、磁気抵抗素子２２は、磁石Ｍ１によるバイアス磁場が緩和されるので、抵抗値は低くなり、出力信号Ｓ１の電圧値も低くなる。
【００２１】
磁性体１３が回転すると、外周表面１３ｃは磁気抵抗素子２１から離反し、磁気抵抗素子２２に接近する。外周表面１３ｃが磁気抵抗素子２２に対向すると、磁石Ｍ１によるバイアス磁場は磁気抵抗素子２２へ集中するので、磁気抵抗素子２２の抵抗値は高い。逆に、磁気抵抗素子２１は、磁石Ｍ１によるバイアス磁場が緩和されるので、抵抗値は低くなり、出力信号Ｓ１の電圧値も高くなる。
【００２２】
この間、磁性体１３の連続して略直線的に傾斜している部分が、磁気抵抗素子２１，２２に対向しているので、磁気抵抗素子２１，２２の抵抗値は緩やかに略直線的に変化する。従って、出力信号Ｓ１の電圧値も緩やかに略直線的に変化する。
【００２３】
ところが、磁性体１３が回転して、磁性体１３の端部１３ａ，１３ｂ（すなわち、磁性体１３の不連続部分）が磁気抵抗素子２１，２２に接近すると、磁気抵抗素子２１，２２に対する外周表面１３ｃは、端部１３ｂから端部１３ａに不連続的に移動する。従って、磁気抵抗素子２１の抵抗値は急激に上昇するとともに、磁気抵抗素子２２の抵抗値は急激に下降し、出力信号Ｓ１の電圧値も急激に低くなる。
【００２４】
このとき、図３に示すように、磁気抵抗素子２１，２２は、磁性体１３の回転方向に対して平行な方向に位置がずれている。従って、磁性体１３の端部１３ａ，１３ｂが磁気抵抗素子２１，２２に接近したとき、磁気抵抗素子２１，２２が端部１３ａ，１３ｂに対向しないタイミングを発生させることができる。この結果、磁性体１３の端部１３ａ，１３ｂが磁気抵抗素子２１，２２に同時期に対向せず、磁気抵抗素子２１，２２のそれぞれの抵抗値が大きくなるタイミングが重ならない。そして、一方の磁気抵抗素子の抵抗値が略最大のときに、他方の磁気抵抗素子の抵抗値が略最小になり、その差動で出力される出力信号Ｓ１のピーク値を大きく急峻なものにすることができる。
【００２５】
磁性体１３がさらに回転すると、外周表面１３ｃは磁気抵抗素子２１に接近する。磁性体１３が３６０度回転して元の位置に戻ると、外周表面１３ｃは再び磁気抵抗素子２１に対向する。従って、磁気抵抗素子２１の抵抗値は元の高い値となり、磁気抵抗素子２２の抵抗値は元の低い値となる。
【００２６】
こうして、出力用端子Ｖ（ＯＵＴ）には、回転体１２が１回転する毎に、つまり、磁性体１３が１回転する毎に、それぞれ図６に示すような１周期の擬似のこぎり波の出力信号Ｓ１が出力される。出力信号Ｓ１の波形は、立ち上がり領域が立ち下がり領域より多く、しかも、立ち上がり領域は略リニアに変化している。この結果、略リニアな立ち上がり領域の出力信号Ｓ１の電圧を測定することにより、微小な回転角度変化を精度良く検出可能な非接触タイプの磁気センサ装置１１を得ることができる。
【００２７】
ここで、磁性体１３の回転方向に対して平行な方向における、磁気抵抗素子２１と２２のずれ量Ｄを種々設定し、出力信号Ｓ１の波形を評価した。この結果、表１に示すように、ずれ量Ｄが磁気抵抗素子２１と２２の中心間で１ｍｍ以下の場合に、リニアリティ偏差が１％以下の直線領域を広い回転角度範囲で得られた（表１中において＊マークは比較例を表示している）。表１から、磁気抵抗素子２１と２２の位置がずれるにつれて直線領域の範囲が広くなり（実施例１参照）、ずれ量Ｄ＝０．５０ｍｍの付近で回転角度で約２４０度と最大となることがわかる（実施例２参照）。さらに、ずれが大きくなると、直線領域の範囲は逆に狭くなり（実施例３参照）、ずれ量Ｄ＝１．０ｍｍで直線領域は、磁気抵抗素子２１と２２の位置がずれていない場合と同様の値となる（実施例４および比較例１参照）。
【００２８】
【表１】
なお、本第１実施形態の場合、表１の比較例２に示すように、ずれ量Ｄ＝―０．７５ｍｍに設定する（言い換えると、図３において、磁気抵抗素子２１，２２を逆方向にずらせて、一点鎖線で表示した位置２１’，２２’に配置する）と、磁性体１３の端部１３ａ，１３ｂが磁気抵抗素子２１，２２に同時期に対向する時間が長くなる。従って、磁気抵抗素子２１，２２のそれぞれの抵抗値が大きくなるタイミングが重なり、一方の磁気抵抗素子の抵抗値が最大のときに他方の磁気抵抗素子が抵抗値変化の途中となるため、その差動で出力される出力信号Ｓ１のピーク値は小さく、波形はなまったものとなる。この結果、リニアリティ偏差が１％以下の直線領域は回転角度で約１９０度と悪化した。
【００３０】
図７および図８は、磁気抵抗素子２１と２２の位置のずれ量Ｄを変えたときの出力信号波形を示すグラフである。図７および図８において、実線３１はずれ量Ｄ＝０．５０ｍｍの場合の出力信号波形を示し、点線３２はずれ量Ｄ＝０ｍｍの場合の出力信号波形を示し、実線３３はずれ量Ｄ＝１．０ｍｍの場合の出力信号波形を示し、一点鎖線３４はずれ量Ｄ＝−０．７５ｍｍの場合の出力信号波形を示している。
【００３１】
また、回転体１２を矢印Ｋ１で示す方向とは逆の方向に一回転させると、出力信号Ｓ１の波形は立ち上がり領域が立ち下がり領域より少ない擬似のこぎり波となる。また、図９に示すように、磁性体１３の傾斜方向を逆にしても、出力信号Ｓ１の波形の立ち上がり、立ち下がりが逆になる以外は、略同等の効果が得られる（以下、各実施形態において同様である）。
【００３２】
さらに、図１に示すように、本第１実施形態は、磁性体１３の回転方向に対して垂直な方向において、磁気抵抗素子２１，２２の位置が、磁性体１３の両端部１３ａ，１３ｂの位置Ａの範囲内にある。しかしながら、磁気抵抗素子２１，２２と磁性体１３の位置関係は任意であって、例えば図９（ａ）に示すように、回転体１２の軸方向に対して平行な方向において、磁気抵抗素子２１，２２の一部分の位置が、磁性体１３の両端部１３ａ，１３ｂの位置Ａにそれぞれオーバラップしていてもよい。また、図９（ｂ）に示すように、磁性体１３の両端部１３ａ，１３ｂが繋がっていても、磁気抵抗素子２１，２２のずれ量Ｄを種々設定することで同様の効果を得ることができる。
【００３３】
［第２実施形態、図１０］
図１０に示すように、第２実施形態の磁気センサ装置４１は、前記第１実施形態の磁気センサ装置１１の磁気センサ２０の代わりに、磁気センサ４２を使用したものである。磁気センサ４２の磁気抵抗素子４３，４４は、回転体１２の軸方向に平行な方向に略一直線状に間隔を設けて配置され、その間隔の中点Ｐを基準にして磁気抵抗素子４３，４４または磁気センサ４２本体を角度θ（θは例えば５°〜１０°）だけ回転させた位置にある。つまり、磁気抵抗素子４３，４４は、回転対称の位置に配置され、磁性体１３の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置されるとともに、磁性体１３の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして（ずれ量Ｄは１ｍｍ以下に設定するのが好ましい）配置されて磁性体１３に臨んでいる。これにより、磁性体１３の端部１３ａ，１３ｂは、磁気抵抗素子４３，４４に同時期に対向しないようになる。
【００３４】
以上の構成からなる磁気センサ装置４１は、前記第１実施形態の磁気センサ装置１１と同様の作用効果を奏する。しかも、磁気抵抗素子４３，４４を略一直線状に配置することができるため、磁気抵抗素子チップの面積を小さくすることができる。従って、１ウェハに搭載できる磁気抵抗素子チップ数が増え、製造コストを低減できる。
【００３５】
［第３実施形態、図１１〜図１４］
本発明に係る磁気センサ装置の第３実施形態を図１１〜図１３に示す。図１１は磁気センサ装置５１の正面図を示し、図１２は平面図を示し、図１３は一部側面図を示す。磁気センサ装置５１は、概略、回転体５２と磁気センサ６０にて構成されている。
【００３６】
円筒形状の回転体５２の外周面５２ａには、被検出体としての磁性体５３が、回転体５２の回転方向に対して略直線的に傾斜しながら回転体５２の外周面５２ａを略一周するように配置されている。磁性体５３の両端部５３ａ，５３ｂは、回転体５２の外周方向に間隔Ｄ１を設けている。磁性体５３の両端部５３ａ，５３ｂが間隔Ｄ１を有しているため、磁性体５３を加工し易くなる。
【００３７】
さらに、磁性体５３の両端部５３ａ，５３ｂには、それぞれ磁性体５３の回転方向に対して垂直な方向でかつ内側に延在している凸部５４を設けている。これにより、磁性体５３の端部５３ａ，５３ｂが磁気センサ６０の磁気抵抗素子６１，６２に接近したときの、磁気抵抗素子６１，６２の抵抗値変化が更に急激になる。
【００３８】
一方、磁気センサ６０は、概略、磁気抵抗素子６１，６２と、磁気抵抗素子６１，６２にバイアス磁界を印加する磁石Ｍ１とを備えている。磁気抵抗素子６１，６２は、図１３に示すように、回転体５２の軸方向に間隔を設けて配置されるとともに、磁性体５３に対向するように配置されている。
【００３９】
これにより、磁性体５３の端部５３ａ，５３ｂが磁気抵抗素子６１，６２に接近したとき、磁気抵抗素子６１，６２が端部５３ａ，５３ｂに対向しないタイミングを発生させることができる。この結果、磁性体５３の端部５３ａ，５３ｂが磁気抵抗素子６１，６２に同時期に対向せず、磁気抵抗素子６１，６２のそれぞれの抵抗値が大きくなるタイミングが重ならない。そして、一方の磁気抵抗素子の抵抗値が略最大のときに、他方の磁気抵抗素子の抵抗値が略最小になり、その差動で出力される出力信号Ｓ１のピーク値を大きく急峻なものにすることができる。
【００４０】
こうして、回転体５２が１回転する毎に、磁気センサ６０から図６に示すような１周期の擬似のこぎり波の出力信号Ｓ１が出力される。この結果、略リニアな立ち上がり領域の出力信号Ｓ１の電圧を測定することにより、微小な回転角度変化を精度良く検出可能な非接触タイプの磁気センサ装置５１を得ることができる。
【００４１】
ここで、磁性体５３の回転方向に対して平行な方向における、磁性体５３の両端部５３ａと５３ｂの間隔Ｄ１を種々設定し、出力信号Ｓ１の波形を評価した。この結果、間隔Ｄ１が１ｍｍ以下の場合に、リニアリティ偏差が１％以下の直線領域を広い回転角度範囲で得られた。そして、間隔Ｄ１と直線領域との関係は、前記第１実施形態の磁気センサ装置１１の磁気抵抗素子２１，２２のずれ量Ｄと直線領域との関係と略同様であった。
【００４２】
なお、図１４に示すように、磁気センサ６０の磁気抵抗素子６１と６２を、前記第１実施形態のように、磁性体５３の回転方向に対して平行な方向にずれ量Ｄだけずらし、さらに、その磁気抵抗素子６１，６２の位置に合わせて、磁性体５３の両端部５３ａ，５３ｂを磁性体５３の回転方向に対して平行な方向に間隔Ｄ１だけ離すように設定してもよい。また、磁性体５３の両端部５３ａ，５３ｂに設けられている凸部５４は、回転体５２の軸方向に平行でかつ外側に延在するものであってもよい。
【００４３】
［第４実施形態、図１５および図１６］
図１５は第４実施形態の磁気センサ装置７１の正面図を示し、図１６はその平面図を示す。円筒形状の回転体７２の外周面７２ａには、複数の被検出体としての磁性体７３が、回転体７２の回転方向（図１６に矢印Ｋ１にて表示）に対して略直線的に傾斜しながら配置されている。隣り合う磁性体７３は互いに平行に配置される。磁性体７３の両端部７３ａ，７３ｂのそれぞれの位置は、回転体７２の径方向において、隣り合う磁性体７３の端部７３ｂおよび端部７３ａの位置に略一致している。
【００４４】
一方、磁気センサ８０は、概略、磁気抵抗素子８１，８２と磁石Ｍ１とを備えている。磁気抵抗素子８１，８２は、回転体７２の軸方向に平行な方向に間隔を設けて並置されるとともに、磁性体７３の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置され（ずれ量Ｄ）、磁性体７３に対向している。これにより、磁性体７３の端部７３ａ，７３ｂが磁気抵抗素子８１，８２に接近したとき、磁気抵抗素子８１，８２が端部７３ａ，７３ｂに対向しないタイミングを発生させることができる。
【００４５】
以上の構成からなる磁気センサ装置７１は、回転体７２の外周面７２ａに複数の磁性体７３を配設しているので、回転体７２が１回転する毎に、磁性体７３の個数分だけの擬似のこぎり波を出力する。つまり、本第４実施形態の場合、回転体７２が１回転すると、１２周期分の擬似のこぎり波の出力信号Ｓ１が出力される。このように、回転体７２の外周面７２ａに磁性体を複数個設けることによって、磁性体を１個設けた場合と比較して、単位角度変化に対する出力信号Ｓ１の電圧変化量を大きくすることができる。この結果、回転角度の変化を精度良くかつ安定して検出することができる磁気センサ装置７１を得ることができる。
【００４６】
［第５実施形態、図１７〜図２０］
本発明に係る磁気センサ装置のさらに別の実施形態を図１７および図１８に示す。該磁気センサ装置１０１は、前記第４実施形態で説明した磁気センサ装置７１において磁気センサを二つ設けたものと同様の構造を有している。
【００４７】
磁気センサ１２０Ａは、概略、磁気抵抗素子１２１，１２２と磁石Ｍ１を備えている。同様に、磁気センサ１２０Ｂも、磁気抵抗素子１２３，１２４と磁石Ｍ１を備えている。なお、各磁気センサは、一体的にモジュール化して配置してもよい。
【００４８】
磁気抵抗素子１２１，１２２および１２３，１２４は、それぞれ回転体７２の軸方向に間隔を設けて並置されるとともに、磁気抵抗素子１２１〜１２４は磁性体７３に対向するように配置されている。さらに、磁気抵抗素子１２１と１２２、並びに、磁気抵抗素子１２３と１２４は、磁性体７３の回転方向に対して平行な方向にずれ量Ｄだけ位置をずらして配置されている。
【００４９】
これにより、磁性体７３の端部７３ａ，７３ｂが磁気抵抗素子１２１と１２２に接近したとき、磁気抵抗素子１２１と１２２が端部７３ａ，７３ｂに対向しないタイミングを発生させることができる。磁気抵抗素子１２３と１２４が磁性体７３の端部７３ａ，７３ｂに接近したときも同様である。これらの磁気抵抗素子１２１〜１２４は、図１９に示すように電気的に接続される。
【００５０】
さらに、磁気センサ１２０Ａと磁気センサ１２０Ｂは、一方の磁気センサ１２０Ａの磁気抵抗素子１２１，１２２が磁性体７３の中央部に対向したときに、他方の磁気センサ１２０Ｂの磁気抵抗素子１２３，１２４が磁性体７３の不連続部分に対向するように配置される。
【００５１】
次に、以上の構成の磁気センサ装置１０１の作用効果について説明する。
回転体７２が１回転する毎に、出力用端子Ｖ１（ＯＵＴ），Ｖ２（ＯＵＴ）には、それぞれ図２０に示すような１２周期分の擬似のこぎり波の出力信号Ｓ１，Ｓ２が出力される。出力信号Ｓ１と出力信号Ｓ２とは、位相差が略１８０度である。
【００５２】
ここに、出力信号Ｓ１が擬似のこぎり波の直線領域から外れているときには、出力信号Ｓ１の電圧値で角度を正確に検出することが困難となる。これに対して、出力信号Ｓ２は擬似のこぎり波の直線領域に位置しており、高感度を得られる位置にある。そこで、このような場合には、出力信号Ｓ２で角度を検出する。こうして、全ての角度領域にて角度をより正確に検出する磁気センサ装置１０１を得ることができる。
【００５３】
さらに、本第５実施形態では、磁気センサ１２０Ａ，１２０Ｂからの出力信号Ｓ１とＳ２の位相差が、図２０に示すように、それぞれ略１８０度になるように、磁気抵抗素子１２１〜１２４が配置されている。つまり、磁気抵抗素子１２１，１２２と磁気抵抗素子１２３，１２４との間隔が、回転体７２側から見て以下の（１）式を満足する寸法Ｐになるようにする。
【００５４】
Ｐ≒（Ｓπ／２）×（Ｗ／３６０）＋（Ｓπ）×（Ｗ／３６０）×ｎ…（１）
ただし、Ｓ：磁性体７３を設けた回転体７２の直径（ｍｍ）
Ｗ：磁性体７３のピッチ間隔（度）
ｎ＝０，１，２，３，…
【００５５】
なお、磁気センサからの出力信号の位相差は１８０度に限るものではなく、任意である。例えば、６個の磁気抵抗素子と３個の磁石を備えた、三つの磁気センサを内蔵した磁気センサユニットを使うことにより、１２０度の位相差の出力信号を出力することができる。このとき、磁気抵抗素子相互の間隔は、回転体７２側から見て以下の（２）式を満足する寸法Ｐになるようにする。
Ｐ≒（Ｓπ／３）×（Ｗ／３６０）＋（Ｓπ）×（Ｗ／３６０）×ｎ…（２）
【００５６】
［他の実施形態］
なお、本発明に係る磁気センサおよび磁気センサ装置は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。前記実施形態では、磁気センサの感磁部として磁気抵抗素子を使用したが、必ずしもこれに限るものではなく、ホール素子、ホールＩＣ、ＮｉＦｅやＮｉＣｏなどからなる強磁性体薄膜素子等を使用してもよい。
【００５７】
また、被検出体としての磁性体は、必ずしも円筒形状の回転体外周面に設ける必要はなく、円板のような回転板の主面に磁性体を設けるものであってもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、回転体に固定された磁性体に臨ませて配置しているので、磁気センサは回転体に対して機械的に独立した状態で、磁性体の位置変化を非接触検出することができる。機構部も接触部分を有さないので、完全非接触での検出が可能である。また、機械加工部品も少なく、構成も簡素であるため低コストの磁気センサ装置を得ることができる。そして、磁気センサからは、直線領域の広い擬似のこぎり波の出力信号を発生させることができ、微小な回転角度変化を精度良く検出することができる。
【００５９】
また、複数の感磁部や磁性体の両端部を、それぞれ磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置するとともに、磁性体の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置することにより、感磁部の抵抗変化のタイミングを最適化することができる。これにより、磁気センサからの出力信号のピーク値をさらに大きく急峻なものにすることができ、擬似のこぎり波の直線領域をさらに広くすることができ、感磁部の感度も大きくできる。
【００６０】
さらに、磁性体を回転方向に複数個配列することにより、回転体が一回転する毎に、磁気センサから２周期以上の出力信号を出力することができる。この結果、微小角度変位に対する出力信号の感度を大きくすることができる。
【００６１】
また、磁気センサからのそれぞれの出力信号が互いに位相差を有するように、回転体に二つ以上の磁気センサを配置することにより、一方の出力信号が電圧値を検出することが困難である場合には、他方の出力信号を用いて電圧値を検出することができる。これにより、全ての角度領域にてより正確な角度検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁気センサ装置の一実施形態を示す正面図。
【図２】図１に示した磁気センサ装置の平面図。
【図３】図１に示した磁気センサ装置の一部側面図。
【図４】図１に示した磁気センサ装置に使用される磁気抵抗素子の斜視図。
【図５】図１に示した磁気センサ装置の電気回路図。
【図６】図１に示した磁気センサ装置の出力信号波形を示すグラフ。
【図７】磁気抵抗素子のずれ量を変えたときの出力信号波形を示すグラフ。
【図８】磁気抵抗素子のずれ量を変えたときの出力信号波形を示すグラフ。
【図９】図１に示した磁気センサ装置の変形例を示す一部側面図。
【図１０】本発明に係る磁気センサ装置の別の実施形態を示す一部側面図。
【図１１】本発明に係る磁気センサ装置のさらに別の実施形態を示す正面図。
【図１２】図１１に示した磁気センサ装置の平面図。
【図１３】図１１に示した磁気センサ装置の一部側面図。
【図１４】図１１に示した磁気センサ装置の変形例を示す一部側面図。
【図１５】本発明に係る磁気センサ装置のさらに別の実施形態を示す正面図。
【図１６】図１５に示した磁気センサ装置の平面図。
【図１７】本発明に係る磁気センサ装置のさらに別の実施形態を示す正面図。
【図１８】図１７に示した磁気センサ装置の平面図。
【図１９】図１７に示した磁気センサ装置の電気回路図。
【図２０】図１７に示した磁気センサ装置の出力信号波形を示すグラフ。
【図２１】従来の磁気センサ装置を示す正面図。
【図２２】図２１に示した磁気センサ装置の平面図。
【図２３】図２１に示した磁気センサ装置の出力信号波形を示すグラフ。
【符号の説明】
１１，４１，５１，７１，１０１…磁気センサ装置
１２，５２，７２…回転体
１３，５３，７３…磁性体
１３ａ，１３ｂ，５３ａ，５３ｂ，７３ａ，７３ｂ…端部
２０，４２，６０，８０，１２０Ａ，１２０Ｂ…磁気センサ
２１，２２，４３，４４，６１，６２，８１，８２，１２１〜１２４…磁気抵抗素子（感磁部）
Ｄ…ずれ量
Ｄ１…間隔
Claims (7)
- 複数の感磁部を、回転方向に対して略直線的に傾斜するように配置されている磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置するとともに、前記磁性体の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置して前記磁性体に臨ませ、回転による前記磁性体の位置変化を検出し、
前記磁性体の少なくとも一端部に、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に延在する凸部を設けたこと、
を特徴とする磁気センサ。 - 複数の感磁部を回転対称の位置に配置して、回転方向に対して略直線的に傾斜するように配置されている磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置するとともに、前記磁性体の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置して前記磁性体に臨ませ、回転による前記磁性体の位置変化を検出し、
前記磁性体の少なくとも一端部に、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に延在する凸部を設けたこと、
を特徴とする磁気センサ。 - 前記磁性体の回転方向に対して平行な方向において、前記感磁部のずれ量が感磁部の中心間で１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の磁気センサ。
- 複数の感磁部を、回転方向に対して略直線的に傾斜するように配置されている磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置して前記磁性体に臨ませ、該磁性体の両端部が、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に間隔を設けて配置されるとともに、磁性体の回転方向に対して平行な方向に位置をずらして配置されており、回転による前記磁性体の位置変化を検出し、
前記磁性体の少なくとも一端部に、磁性体の回転方向に対して垂直な方向に延在する凸部を設けたこと、
を特徴とする磁気センサ。 - 前記磁性体の両端部の間隔が、磁性体の回転方向に対して平行な方向に１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４記載の磁気センサ。
- 回転体の表面に、該回転体の回転方向に対して略直線的に傾斜するように配置されている磁性体と、
前記回転体の回転による前記磁性体の位置変化を検出する請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の磁気センサと、
を備えたことを特徴とする磁気センサ装置。 - 前記回転体に磁気センサを二つ以上設け、該磁気センサからのそれぞれの出力信号が互いに位相差を有していることを特徴とする請求項６記載の磁気センサ装置。
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