JP4870226B2

JP4870226B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JP4870226B2
Application number: JP2010501862A
Authority: JP
Inventors: 徳男中村
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: WO2009110359A1; JPWO2009110359A1

Description

本発明は、水平磁場の角度変化を検知できる磁気抵抗効果素子と磁石とを使用して、可動部の移動位置を知ることができる位置検出装置に関する。

下記特許文献１〜４には洗濯機に使用される位置センサ（重量変位センサ）が開示されている。センサは、洗濯機の例えば回転ドラムに接続されたサスペンションの伸縮変位量を測定するためのものである。特許文献１，２に記載された発明には、フェライトコアと、コイルとを備え、フェライトコアの変位によるコイルのインダクタンス変化に基づいて変位量を検出可能なセンサが開示されている。

しかしながら特許文献１，２に記載された位置センサでは、発振回路や周波数検出のための回路が複雑で装置が高価になるといった問題があった。

特許文献３，４に記載された発明には、ホール素子を備えた位置センサが開示されている。このようにホール素子を用いた場合、ホール素子にて磁石が相対移動したときの磁界強度の変化をとらえて位置検出を行なうわけであるが、磁石表面上における磁界強度変化の挙動は複雑であり、可動部の移動に対してリニアな出力特性を得にくいといった問題があった。磁界強度変化は特に磁石の表面の縁部付近で複雑な挙動を示すため、ホール素子が磁石表面の縁部付近に位置したときは特にリニアな出力特性を得ることができず、高精度な位置検出が出来なかった。

特許文献５に記載された発明には、ＧＭＲ素子と磁石とを備えたポインティングデバイス用磁気センサが開示されている。特許文献５の図１を見てわかるように特許文献５では、磁気センサは磁石表面の上方を磁石表面内にて平行移動している。ＧＭＲ素子はＧＭＲ素子を構成する各層の界面と平行な水平磁場成分の変化をとらえて電気抵抗値が変化する。ＧＭＲ素子が磁石表面の中心上に位置したとき、ＧＭＲ素子には垂直磁場成分のみが流入し水平磁場成分は流入しない。よってＧＭＲ素子の電気抵抗値は、無磁場状態（外部磁界がない状態）と同じ値である。一方、ＧＭＲ素子が磁石中心から磁石表面の上方を水平移動すると、徐々にＧＭＲ素子に流入する水平磁場成分の磁界強度が大きくなり、ＧＭＲ素子の電気抵抗値が変化する。

特許文献５に記載された発明のＧＭＲ素子は、磁界強度変化をとらえる構成であり、したがって、少なくとも磁石中心上から所定の移動範囲内では、ＧＭＲ素子を構成するフリー磁性層は磁気飽和せずヒステリシスを持つ。このため、特許文献５に記載された発明では、出力特性にノイズが生じやすい構成であった。また、上記した特許文献３，４に対して記載したように、磁界強度変化は特に磁石の表面の縁部付近で複雑な挙動を示すため、ＧＭＲ素子が磁石表面の縁部付近に位置したときはノイズが乗りやすくなった。

このため特許文献５に記載された発明では、特許文献３，４に記載された発明と同様に可動部の移動に対してリニアな出力特性が得られない問題があった。
特開２００６−１３６６０２号公報特開平８−９８９８８号公報特開平５−１３１０７６号公報特開平１０−１７９９７５号公報特開２００６−２７６９８３号公報

そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、特に可動部の移動に対してリニアな出力特性が得られるようにした位置検出装置を提供することを目的としている。

本発明は、磁石と、外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を備えた非接触式の磁気センサとを有し、前記磁石と前記磁気センサのうち一方が可動部で他方が固定部であり、前記可動部の移動位置を検知できる位置検出装置であって、
前記磁石の厚さ方向にて対向する表面と裏面とが互いに異なる磁極に着磁されており、
前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して形成され前記外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層との積層構造を有して構成されており、
前記磁石の表面内にて直交する２方向を第１の方向と第２の方向とし、前記磁石の厚さ方向を第３の方向としたとき、
前記磁気センサは、前記磁気抵抗効果素子の各層の界面が磁石の表面と同一平面を向き、且つ前記固定磁性層の固定磁化方向が第１の方向に向くように配置されるとともに、前記磁石の表面から第３の方向に離れ、しかも前記磁石の表面から第２の方向に外れた位置にて相対移動するように支持されており、
前記可動部は、第１の方向に移動可能に支持され、前記可動部が第１の方向に移動したとき、前記磁気センサに流入する前記磁石の表面と同一平面での水平磁場の角度変化に伴う前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化に基づく出力により前記可動部の移動位置を検知できることを特徴とするものである。

本発明では、上記のように、磁石に対する磁気抵抗効果素子の向きや、磁石に対する磁気センサの位置を規制することで磁気センサの相対移動範囲内では、磁気抵抗効果素子に適切に水平磁場が流入し、磁気センサの相対移動に伴う水平磁場の角度変化により磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が変化する。このように磁気抵抗効果素子が磁界強度変化でなく水平磁場の角度変化をとらえることで、磁気抵抗効果素子を備える非接触式の磁気センサと磁石を有してなる位置検出装置において、従来に比べて、可動部の移動に伴うリニアな出力特性を得ることが出来る。

本発明では、磁石の表面は円形であることが好ましい。これにより可動部の移動に対して磁気抵抗効果素子に流入する水平磁場の角度変化がリニアに変化しやすく、よって、より効果的に、リニアな出力特性を得ることができる。

また本発明では、前記磁気センサは４個の磁気抵抗効果素子を備え、２個の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向と、残り２個の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向とが逆方向であり、これら４個の磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されていることが好ましい。これにより、出力を大きくでき、高精度な位置検出を行なうことが出来る。

本発明の位置検出装置によれば、従来に比べて、可動部の移動に伴うリニアな出力特性を得ることができる。

図１は、本実施形態の位置検出装置の斜視図、図２は、磁石と磁気センサとの位置関係を示す位置検出装置の平面図、図３は図２（ａ）の基準位置での位置検出装置の側面図、図４は磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子を高さ方向から切断した部分断面図、図５は、磁気センサの回路図、である。

この実施形態では、Ｘ１−Ｘ２方向（第２の方向）、及びＺ１−Ｚ２方向（第１の方向）は磁石３の表面３ａと同一平面で直交する２方向を指す。この実施形態ではＺ１−Ｚ２方向は、位置検出装置１の高さ方向を指し、可動部２である磁石３の移動方向である。よってＸ１−Ｘ２方向は高さ方向に直交する位置検出装置１の幅方向を指す。またＹ１−Ｙ２（第３の方向）は、Ｘ１−Ｘ２方向及びＺ１−Ｚ２方向の双方に対して直交し、磁石３の厚さ方向、及び位置検出装置１の奥行き方向を指す。

図１に示すように位置検出装置１は、非接触式の磁気センサ４と磁石３を備える。図１に示す実施形態では、磁気センサ４は、設置台５に固定されたＺ１−Ｚ２方向に延びる支持板６の表面に固定支持された固定部側である。

一方、磁石３は、移動体７と連結部８を介して連結されており、移動体７がＺ１−Ｚ２方向に直線移動することで連動して直線移動する可動部側である。図１〜図３に示すように磁石３は、所定厚みｔ１で形成された円柱状である。よって磁石３の表面３ａ及び裏面３ｂは円形状であり、表面３ａと裏面３ｂとが異なる磁極に着磁されている。例えば表面３ａがＮ極で裏面３ｂがＳ極である。このとき、図２に示す磁石３の表面３ａの中心Ｏ１から四方八方に放射状に外部磁界が発生し、その外部磁界が磁石３の側方を通過し裏面３ｂ側に回り込む磁場を形成している。

磁気センサ４には図５に示すブリッジ接続された４個の磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）１０〜１３を備える。図５に示すようにブリッジ回路を構成する第１磁気抵抗効果素子１０と第３磁気抵抗効果素子１２との間に入力端子２１が接続され、第２磁気抵抗効果素子１１と第４磁気抵抗効果素子１３との間にグランド端子２２が接続される。

図５に示すように直列接続される第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子１１の間の出力部と、第３磁気抵抗効果素子１２と第４磁気抵抗効果素子１３の間の出力部が差動増幅器１４に接続され、差動増幅器１４の出力側に出力端子１５が接続されている。

図４に示すように、第１磁気抵抗効果素子１０及び第３磁気抵抗効果素子１３は、下から反強磁性層１６、固定磁性層１７、非磁性層１８、フリー磁性層１９及び保護層２０の順に積層されている。反強磁性層１６は例えばＩｒＭｎやＰｔＭｎである。固定磁性層１７にはＣｏＦｅが好ましく使用される。固定磁性層１７は磁性層の単層構造であってもよいが、特に磁性層／非磁性中間層／磁性層の積層フェリ構造であることが磁化の安定化を図ることができ好適である。固定磁性層１７と反強磁性層１６との間には磁場中熱処理にて交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じ固定磁性層１７の磁化方向ＰＩＮ１はＺ１方向に固定される。非磁性層１８は例えばＣｕで形成される。フリー磁性層１９はＮｉＦｅが好ましく使用される。フリー磁性層１９は磁性層の単層構造や積層構造で形成される。保護層２０は例えばＴａで形成される。

一方、図４に示すように第２磁気抵抗効果素子１１及び第３磁気抵抗効果素子１２も第１磁気抵抗効果素子１０及び第４磁気抵抗効果素子１３と同じ積層構造で形成されるが、第２磁気抵抗効果素子１１及び第３磁気抵抗効果素子１２の固定磁性層１７の磁化方向ＰＩＮ２は、第１磁気抵抗効果素子１０及び第４磁気抵抗効果素子１３の磁化方向ＰＩＮ１と逆方向のＺ２方向である。

上記した磁気抵抗効果素子１０〜１３はいずれもＧＭＲ素子であったが、非磁性層１８の部分がＡｌ−ＯやＴｉ−Ｏ等の絶縁障壁層で形成されたＴＭＲ素子であってもよい。

各磁気抵抗効果素子１０〜１３を構成する各層の界面はＸ−Ｚ平面であり、すなわち磁石３の表面３ａと同一平面である。

図２（ａ）は、磁石３の表面３ａの中心Ｏ１と磁気センサ４の中心Ｏ２とがＸ１−Ｘ２線上に一致した状態（磁気センサ４の基準位置）を指す。

図３に示すように、磁気センサ４は磁石３の表面３ａから所定間隔Ｌ１だけＹ２方向（第３の方向）に離れている。

しかも、図２（ａ）に示すように、平面視にて（Ｙ１−Ｙ２方向から見て）、磁気センサ４は、磁石３の表面３ａからＸ１方向（第２の方向）に外れて位置している。すなわち磁気センサ４は磁石３の表面３ａに対向配置されていない。

図２（ａ）に示す状態では、磁気センサ４にＸ１方向への水平磁場が流入する。これにより各磁気抵抗効果素子１０〜１３のフリー磁性層１９の磁化はＸ１方向を向く。このときの水平磁場はフリー磁性層１９を磁化飽和できる程度の磁界強度であるように、磁気センサ４を表面３ａから外して位置させた際の磁気センサ４と磁石３との中心Ｏ１，Ｏ２間距離Ｌ２を規制する。例えば５〜１００ｍＴ程度の磁界強度を有する水平磁場がフリー磁性層１９内に流入するように、中心Ｏ１，Ｏ２間距離Ｌ２を調整する。

図４に示したように各磁気抵抗効果素子１０〜１３を構成する固定磁性層１７の磁化方向ＰＩＮ１，ＰＩＮ２は、Ｚ１−Ｚ２方向である。よって、フリー磁性層１９の磁化方向がＸ１方向を向くことで、固定磁性層１７の磁化方向ＰＩＮ１，ＰＩＮ２とフリー磁性層１９の磁化方向は直交関係になり電気抵抗値は中間値となる。

図２（ａ）に示す基準位置から磁気センサ４がＺ１方向に相対移動した状態が図２（ｂ）である。磁気センサ４がＺ１方向に相対移動すると、各磁気抵抗効果素子１０〜１３を構成するフリー磁性層１９に流入する磁石３からの水平磁場Ｈの角度θ１が徐々に変化する。図２（ｂ）では、角度θ１は、Ｚ１方向に対する水平磁場Ｈの傾きで示されている。図２（ａ）での角度θ１は９０度であったが、磁気センサ４がＺ１方向に相対移動すると、徐々に角度θ１は小さくなっていく。なお、磁気センサ４がＺ１方向に相対移動すると、磁気センサ４は磁石３の中心Ｏ１から徐々に離れていくので、磁気センサ４に流入する磁界強度は徐々に小さくなるものの、少なくとも磁気センサ４による位置検出範囲内（相対移動範囲内）での水平磁場Ｈの磁界強度はフリー磁性層１９を磁化飽和できる程度の大きさを保持している。

このようにフリー磁性層１９は磁化飽和した状態を保ったまま、水平磁場の方向に磁化が向けられる。よって図２（ｂ）に示すように角度θ１が小さくなると、第１磁気抵抗効果素子１０及び第４磁気抵抗効果素子１３の固定磁性層１７の磁化方向ＰＩＮ１と、フリー磁性層１９の磁化方向との間の角度はθ１と同じで徐々に小さくなっていく。このため第１磁気抵抗効果素子１０及び第４磁気抵抗効果素子１３の電気抵抗値は徐々に小さくなる。一方、角度θ１が小さくなると、第２磁気抵抗効果素子１１、第３磁気抵抗効果素子１２の磁化方向ＰＩＮ２と、フリー磁性層１９の磁化方向との間の角度（１８０度−θ１）は徐々に大きくなっていき、よって第２磁気抵抗効果素子１１及び第３磁気抵抗効果素子１２の電気抵抗値は徐々に大きくなる。

続いて、図２（ａ）に示す基準位置から磁気センサ４がＺ２方向に相対移動した状態が図２（ｃ）である。磁気センサ４がＺ２方向に相対移動すると、各磁気抵抗効果素子１０〜１３を構成するフリー磁性層１９に流入する磁石３からの水平磁場Ｈの角度θ２が徐々に変化する。図２（ｃ）では、角度θ２は、Ｚ２方向に対する水平磁場Ｈの傾きで示されている。図２（ａ）での角度θ２は９０度であったが、磁気センサ４がＺ２方向に相対移動すると、徐々に角度θ２は小さくなっていく。なお、磁気センサ４がＺ２方向に相対移動すると、磁気センサ４は磁石３の中心Ｏ１から徐々に離れていくので、磁気センサ４に流入する磁界強度は徐々に小さくなるものの、少なくとも磁気センサ４による位置検出範囲内（移動範囲内）での水平磁場Ｈの磁界強度はフリー磁性層１９を磁化飽和できる程度の大きさを保持している。

このようにフリー磁性層１９は磁化飽和した状態を保ったまま、水平磁場の方向に磁化が向けられる。よって図２（ｃ）に示すように角度θ２が小さくなると、第２磁気抵抗効果素子１１及び第３磁気抵抗効果素子１２の固定磁性層１７の磁化方向ＰＩＮ２と、フリー磁性層１９の磁化方向との間の角度はθ２と同じで徐々に小さくなっていき、よって第２磁気抵抗効果素子１１及び第３磁気抵抗効果素子１２の電気抵抗値は徐々に小さくなる。一方、角度θ２が小さくなると、第１磁気抵抗効果素子１０、第４磁気抵抗効果素子１３の磁化方向ＰＩＮ２と、フリー磁性層１９の磁化方向との間の角度（１８０度−θ２）は徐々に大きくなっていき、よって第１磁気抵抗効果素子１０及び第４磁気抵抗効果素子１３の電気抵抗値は徐々に大きくなる。

各磁気抵抗効果素子１０〜１３の電気抵抗変化に基づき図５に示す回路にて差動出力（電圧値）を得ることが出来る。出力はアナログ出力であり、この出力により磁気センサ４の基準位置からの相対移動位置や角度θ１，θ２を検出することが出来る。

本実施形態の位置検出装置１の特徴的部分は、磁気抵抗効果素子１０〜１３の磁石３の表面３ａに対する向き及び磁気センサ４の相対移動位置にある。

まず上記したように各磁気抵抗効果素子１０〜１３を構成する各層の界面は、磁石３の表面３ａと同一平面（Ｘ−Ｚ平面）を向き、且つ、固定磁性層１７の磁化方向ＰＩＮ１，ＰＩＮ２が可動部２の移動方向であるＺ１−Ｚ２方向（第１の方向）を向いている。

さらに図３に示すように、磁気センサ４と磁石３との間にはＹ１−Ｙ２方向（第３の方向）に所定間隔Ｌ１が空けられている。すなわち磁気センサ４は磁石３に対して非接触であり、しかも磁石３の側方に位置しない。磁石３の側面付近では、磁気センサ４に流入する外部磁界が垂直磁場成分となってしまい、可動部２の移動に対して磁気抵抗効果素子１０〜１３を電気抵抗変化させることが出来ない。よって磁気センサ４を磁石３の表面３ａからＹ１−Ｙ２方向に離して位置させる。

しかも図２に示すように磁気センサ４を磁石３の表面３ａからＸ１−Ｘ２方向（第２の方向）に外れた位置で相対移動させる。すなわち磁気センサ４は磁石３の表面３ａの上方に対向していない。磁気センサ４が磁石３の表面３ａの上方を相対移動する形態では、磁石３の中心Ｏ１から所定範囲内ではフリー磁性層１９は磁化飽和せずヒステリシスを持ってしまう。また、磁石３の表面３ａの上方、特に磁石３の縁部付近での磁界強度は複雑な挙動を示すため、可動部２の移動に対してリニアな出力特性を得ることが難しい。これに対して本実施形態では、磁気センサ４を磁石３の表面３ａから外した位置に配置し、磁気センサ４をＺ１−Ｚ２方向に相対移動させて磁気センサ４に作用する水平磁場の角度変化に基づいて電気抵抗値を変化させるものであり、特に本実施形態の位置検出範囲内では、磁気センサ４に対してフリー磁性層１９を磁化飽和できる大きさの磁界強度を簡単且つ適切に作用させることができるためヒステリシスが無く、リニアな出力特性を安定して得ることができる。

磁石３の表面３ａは上記した実施形態にあるように円形状であることが好適である。これにより可動部２の移動に対して磁気抵抗効果素子１０〜１３に流入する水平磁場Ｈの角度変化がリニアに変化しやすく、よって効果的に、リニアな出力特性を得ることができる。なお磁石３の表面３ａは、円形以外に楕円形や半円形であってもよいが円形であることが最も好ましい。

本実施形態の位置検出装置１は特に用途を限定するものではない。例えば移動体７は洗濯機の回転ドラムであり、連結部８は伸縮可能なバネサスペンション構成である。回転ドラム内に収納された洗濯物の重量変化による伸縮変位量を非接触式の磁気センサ４を利用して検出できる。

実験では円柱状のフェライト磁石３を用いた。磁石３の半径Ｒ１は５ｍｍであった（図２（ａ）参照）。また、磁石３の厚みｔ１は５ｍｍであった（図１参照）。また磁石３と磁気センサ４のＹ１−Ｙ２方向における間隔Ｌ１は２．５ｍｍであった（図３参照）。また、図２（ａ）に示す基準位置において、磁気センサ４の中心Ｏ２と磁石３の中心Ｏ１間の距離Ｌ２は８ｍｍであった。また図２（ａ）の基準位置で磁気センサ４に作用する水平磁場Ｈの磁界強度は１０ｍＴであった。

磁気センサ４に使用した磁気抵抗効果素子１０〜１３はＧＭＲ素子であり、図５に示す回路内に組み込んだ。ＧＭＲ素子の層構成は、下から反強磁性層：Ｉｒ_20at%Ｍｎ_80at%（８ｎｍ）／第１固定磁性層：Ｆｅ_30at%Ｃｏ_70at%（１．３ｎｍ）／非磁性中間層：Ｒｕ（０．９ｎｍ）／第２固定磁性層：Ｆｅ_30at%Ｃｏ_70at%（１．２ｎｍ）／非磁性層：Ｃｕ（２．０ｎｍ）／フリー磁性層：Ｆｅ_30at%Ｃｏ_70at%（４．０ｎｍ）／保護層：Ｔａ（５ｎｍ）であった。括弧内の数値は膜厚を示している。

図２（ａ）の基準位置から磁気センサ４をＺ１方向及びＺ２方向に夫々３ｍｍ移動させた。磁気センサ４をＺ１方向及びＺ２方向に３ｍｍ移動させたとき、磁気センサ４に作用する水平磁場の磁界強度はほぼ１０ｍＴであった。磁気センサ４の移動範囲内では、磁気抵抗効果素子１０〜１３を構成するフリー磁性層１９は磁気飽和した。磁気飽和しているか否かは磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ曲線から判断できる。

そして磁気センサ４の基準位置からの移動量とアナログ出力との関係を求めた。その実験結果が図６に示されている。図６に示すように本実施例によれば可動部の移動に対してリニアな出力特性を得ることが出来るとわかった。

本実施形態の位置検出装置の斜視図、磁石と磁気センサとの位置関係を示す位置検出装置の平面図、図２（ａ）の基準位置での位置検出装置の側面図、磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子を高さ方向から切断した部分断面図、磁気センサの回路図、本実施例における可動部の移動に対する出力特性を示すグラフ、

符号の説明

１位置検出装置
２可動部
３磁石
３ａ（磁石の）表面
３ｂ（磁石の）裏面
４磁気センサ
７被検知部
１０〜１３磁気抵抗効果素子
１４差動増幅器
１５出力端子
１６反強磁性層
１７固定磁性層
１８非磁性層
１９フリー磁性層
２０保護層

Claims

磁石と、外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を備えた非接触式の磁気センサとを有し、前記磁石と前記磁気センサのうち一方が可動部で他方が固定部であり、前記可動部の移動位置を検知できる位置検出装置であって、
前記磁石の厚さ方向にて対向する表面と裏面とが互いに異なる磁極に着磁されており、
前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される固定磁性層と、前記固定磁性層に非磁性層を介して形成され前記外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層との積層構造を有して構成されており、
前記磁石の表面内にて直交する２方向を第１の方向と第２の方向とし、前記磁石の厚さ方向を第３の方向としたとき、
前記磁気センサは、前記磁気抵抗効果素子の各層の界面が磁石の表面と同一平面を向き、且つ前記固定磁性層の固定磁化方向が第１の方向に向くように配置されるとともに、前記磁石の表面から第３の方向に離れ、しかも前記磁石の表面から第２の方向に外れた位置にて相対移動するように支持されており、
前記可動部は、第１の方向に移動可能に支持され、前記可動部が第１の方向に移動したとき、前記磁気センサに流入する前記磁石の表面と同一平面での水平磁場の角度変化に伴う前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化に基づく出力により前記可動部の移動位置を検知できることを特徴とする位置検出装置。
磁石の表面は円形である請求項１記載の位置検出装置。
前記磁気センサは４個の磁気抵抗効果素子を備え、２個の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向と、残り２個の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向とが逆方向であり、これら４個の磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されている請求項１又は２に記載の位置検出装置。