JP4973869B2 - 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技術に関し、例えば工業用工作機械や自動車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のに用いて好適な移動体検出装置に関する。

本出願人は既に下記特許文献１において、スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子（以下「ＳＶ−ＧＭＲ素子」とも表記）を用いた移動体検出装置を提案している。図１０に示されるように、特許文献１の移動体検出装置装置８００は、軟磁性体歯車８１と、バイアス磁石８５と、前記軟磁性体歯車８１で変化された磁界に対応して抵抗値が変化するＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９１〜Ｒ９４とを備え、それらのスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子Ｒ９１〜Ｒ９４でブリッジ回路を構成し、対をなすスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子のピン層磁化方向が反平行となっている。軟磁性体歯車８１は外周面に、回転中心Ｏからの角度で約４５°ごとに１つ合計８つの凸部８２を有する。
特開２００５−０９８９４２号公報

図１１は、ＳＶ−ＧＭＲ素子の原理的構成と磁気特性の説明図である。ＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面は感磁パターンとなる磁気抵抗効果膜を有する。磁気抵抗効果膜は、強磁性体のピン層と、非磁性体の層と、強磁性体のフリー層とを積層したものである。ピン層の磁化方向は外部磁界Ｈによらず固定される一方、フリー層の磁化方向は外部磁界Ｈによって変化する。ＳＶ−ＧＭＲ素子の磁気特性は、外部磁界の方向とピン層磁化方向とが順平行で抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）はマイナス、外部磁界の方向とピン層磁化方向とが反平行で抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）はプラスである。つまり、ＳＶ−ＧＭＲ素子は、外部磁界の方向とピン層磁化方向とが順平行のとき低抵抗、外部磁界の方向とピン層磁化方向とが反平行のとき高抵抗となる。

特許文献１の移動体検出装置では、図１０に拡大して示されるように、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９１及びＲ９３のピン層磁化方向は軟磁性体歯車８１の回転方向の略逆方向であり、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９２及びＲ９４のピン層磁化方向は軟磁性体歯車８１の回転方向の略順方向である。

軟磁性体歯車８１の凸部がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９１〜Ｒ９４の感磁面に接近してきた時、各ＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面位置における磁界の磁性体回転接線方向成分は凸部が接近してくる方向（軟磁性体歯車８１の回転方向の略逆方向）を向く。この時、上述の磁気特性よりＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９１及びＲ９３は低抵抗、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９２及びＲ９４は高抵抗となる。

他方、軟磁性体歯車８１の凸部がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９１〜Ｒ９４の感磁面から遠ざかる時、ＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面位置における磁界の磁性体回転接線方向成分は凸部が遠ざかる方向（軟磁性体歯車８１の回転方向の略順方向）を向く。この時、上述の磁気特性よりＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９１及びＲ９３は高抵抗、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９２及びＲ９４は低抵抗となる。

軟磁性体歯車８１の回転に伴って軟磁性体歯車８１の各凸部８２は順番にＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９１〜Ｒ９４の感磁面に接近し遠ざかり、それが軟磁性体歯車８１の回転に伴い繰り返される。このため各ＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面位置における磁界の磁性体回転接線方向成分は軟磁性体歯車８１が約４５°回転するごとに同じ変化を繰り返す。したがって、図１０のようにホイートストンブリッジ接続（フルブリッジ接続）されたＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９１〜Ｒ９４から、軟磁性体歯車８１の回転に伴って変化する出力信号Ｖoutが得られる。出力信号Ｖoutは例えば差動増幅器で増幅された後にシュミットトリガ回路により矩形波信号に変換され、この矩形波信号に基づいて軟磁性体歯車８１の回転情報の検出が可能である。

特許文献１の移動体検出装置は上述のとおりＳＶ−ＧＭＲ素子を感磁素子として用いているため、他の磁気抵抗素子を用いる場合と比較して、軟磁性体歯車と感磁素子（回転センサ）との間のギャップが大きくなっても十分な大きさの出力信号を得ることができ、また軟磁性体歯車の凹凸ピッチに依存しないセンサ設計も可能となる。しかし、特許文献１の移動体検出装置においてホイートストンブリッジ接続されたＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９１〜Ｒ９４から得られる出力信号Ｖoutは、図６（Ａ）及び図７（Ａ）に示されるように、軟磁性体歯車８１の凸部８２がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９１〜Ｒ９４に接近する時と遠ざかる時は大小に振れるものの、凸部８２の中央付近がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９１〜Ｒ９４の感磁面の上にあるときはゼロとなる。ここで、凸部８２及びそのエッジ近傍以外の部分（凸部と凸部の間）がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ９１〜Ｒ９４の感磁面の上にあるときも出力信号Ｖoutはゼロであるため、特許文献１の移動体検出装置では、軟磁性体歯車８１の回転情報は検出できても停止位置情報（特に電源投入時の停止位置情報）は検出できない。このような問題はラック等の直線移動体を検出対象する場合にも同様である。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、磁界ベクトル検知型のＳＶ−ＧＭＲ素子を用いて磁性材移動体の移動情報のみならず停止位置情報も検出することの可能な移動体検出装置を提供することにある。

本発明のある態様は、移動体検出装置である。この装置は、
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、バイアス磁界発生手段と、前記バイアス磁界発生手段に対して固定配置されたスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子とを備え、
前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子のピン層磁化方向は、前記磁性材移動体の存在する方向又はその逆方向であり、
前記バイアス磁界発生手段は、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子と前記磁性材移動体の前記凸部又は前記凹部との位置関係に応じて前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子の感磁面における磁界のピン層磁化方向成分が変化する配置であり、
前記バイアス磁界発生手段の着磁方向が前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子のピン層磁化方向と略垂直であることを特徴とする。

ある態様の移動体検出装置において、前記ピン層磁化方向が前記磁性材移動体の前記凸部又は前記凹部の形成面に略垂直であるとよい。

ある態様の移動体検出装置において、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子が前記磁性材移動体の厚み幅内もしくはその近傍に存在するとよい。

ある態様の移動体検出装置において、２つの前記バイアス磁界発生手段が同極対向配置され、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子が２つの前記バイアス磁界発生手段の対向面間に固定配置されていてもよい。

ある態様の移動体検出装置において、ピン層磁化方向が相互に反平行の近接する前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子同士がブリッジ回路を成していてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子と磁性材移動体の凸部又は凹部との位置関係に応じて異なる大きさの出力信号が得られるため、磁性材移動体の移動情報のみならず停止位置情報も検出することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る移動体検出装置１００の例示的な概略斜視図である。移動体検出装置１００は、磁性材移動体としての軟磁性体歯車１と、バイアス磁界発生手段としてのバイアス磁石５と、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４とを備える。なお、軟磁性体歯車１との相対関係においてバイアス磁石５とＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４を実際よりも大きめに記載している。

板状ないし柱状の軟磁性体歯車１は、少なくとも１つの凸部又は凹部を有し（例えば一定配列ピッチＰで凸部２を有し）、図示しない回転軸に取り付けられる。図１では一例として、軟磁性体歯車１は外周面に回転中心Ｏからの角度で約４５°ごとに１つ合計８つの凸部２を有するものとしている。

ブリッジ回路（ホイートストンブリッジ）を成すＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４は、軟磁性体歯車１の厚み幅Ｗ内もしくはその近傍に１列に近接して存在し（あるいは固定配置され）、ピン層磁化方向は軟磁性体歯車１の外周面（つまり凸部２の形成面）に略垂直となっている。ここで、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３（第１組）のピン層磁化方向は軟磁性体歯車１の存在する方向の逆方向であり、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ４（第２組）のピン層磁化方向は軟磁性体歯車１の存在する方向である。また、各ＳＶ−ＧＭＲ素子の配列間隔は軟磁性体歯車１の凸部（又は凹部）の幅に対して無視できるほど小さい。

バイアス磁石５は、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４と軟磁性体歯車１の凸部２との位置関係に応じてＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４の感磁面における磁界のピン層磁化方向成分が変化する配置である。バイアス磁石５の着磁方向は好ましくはＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４のピン層磁化方向と略垂直である。図１の場合、バイアス磁石５は軟磁性体歯車１の回転軸方向に着磁され、バイアス磁石５のＮ極面とＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４の感磁面（ピン層磁化方向）とが略平行となっている。このような配置の場合、バイアス磁石５による磁界は軟磁性体歯車１に引き寄せられるため、図１１に示される磁気特性より、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３の抵抗変化量ΔＲは無磁界時と比較してプラス、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ４の抵抗変化量ΔＲは無磁界時と比較してマイナスとなる。

図２は、図１に示される移動体検出装置１００を上側から見た場合の磁界の説明図であり、（Ａ）は軟磁性体歯車１の凸部２以外の部分がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４の前に存在する時（以下、「凸部不対向時」）を示し、（Ｂ）は軟磁性体歯車１の凸部２がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４の前に存在する時（以下、「凸部対向時」）を示す。図３は、図１に示される移動体検出装置１００を横側から見た場合の磁界の説明図であり、（Ａ）は凸部不対向時を示し、（Ｂ）は凸部対向時を示す。これらの図に示されるように、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４の感磁ポイントにおける磁界の軟磁性体歯車１存在方向の成分（ピン層磁化方向成分又はその逆方向成分）は、凸部不対向時は小さく、凸部対向時は大きくなる。このため、凸部対向時は凸部不対向時と比較して、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３はさらに高抵抗（無磁界時からの抵抗増加量がさらに大）となり、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ４はさらに低抵抗（無磁界時からの抵抗減少量がさらに大）となる。したがって、ホイートストンブリッジ接続されたＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４からの出力信号Ｖoutは、凸部対向時と凸部不対向時とで異なる大きさとなる。以下、これについて図４ないし７を参照して説明する。

図４は、図１のホイートストンブリッジからの出力信号の波形説明図である。図中、Ｖ１はＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の接続点の電圧を示し、Ｖ２はＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の接続点の電圧を示す。そして検出信号Ｖdetは、Ｖout（＝Ｖ２−Ｖ１）を図示しない差動増幅器にて反転増幅したものである。本図に示されるように、検出信号Ｖdetは、凸部不対向時は大きく、凸部対向時は小さいものとなっている。なお、参考のためにＶ１及びＶ２の実測アナログ波形を図５に示している。

図６（Ａ）は、特許文献１の移動体検出装置（図１０）において軟磁性体歯車の任意の凸部がＳＶ−ＧＭＲ素子の前を通過した時のＶout波形図である。同図（Ｂ）は、図１に示される本実施の形態の移動体検出装置において軟磁性体歯車の任意の凸部がＳＶ−ＧＭＲ素子の前を通過した時のＶout波形図である。図７（Ａ）は、特許文献１の移動体検出装置（図１０）において軟磁性体歯車（外周面の凸部は３つ）が１周したときのＶout波形図である。同図（Ｂ）は、図１に示される本実施の形態の移動体検出装置において軟磁性体歯車（外周面の凸部は３つ）が１周したときのＶout波形図である。

これらの図から明らかなように、特許文献１の移動体検出装置では、上述のとおり凸部がＳＶ−ＧＭＲ素子に接近してくる時と遠ざかる時はＶoutが大小に振れるものの凸部の中央部がＳＶ−ＧＭＲ素子の前を通過している時はＶoutはゼロとなる。これに対し本実施の形態の移動体検出装置では、凸部がＳＶ−ＧＭＲ素子の前を通過している時（凸部対向時）はそうでない時（凸部不対向時）よりも全体的にＶoutは大きく、特に凸部の中央部がＳＶ−ＧＭＲ素子の前を通過している時はＶoutが最大となる。

上述のとおり特許文献１の移動体検出装置では、凸部及びそのエッジ近傍以外の部分（凸部と凸部の間）がＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面の上にあるときも出力信号Ｖoutはゼロであるため、電源投入時にＳＶ−ＧＭＲ素子の前に凸部がある場合とそうでない場合との区別がつかない。これに対し本実施の形態の移動体検出装置によれば、凸部がＳＶ−ＧＭＲ素子の前を通過している時（凸部対向時）はそうでない時（凸部不対向時）よりも全体的にＶoutは大きいため、上記のような不都合は解消される。

本実施の形態によれば、下記のとおりの効果を奏することができる。

(1) 特許文献１の移動体検出装置では電源投入時にＳＶ−ＧＭＲ素子の前に凸部がある場合とそうでない場合との区別がつかないため電源投入時の軟磁性体歯車の停止位置情報が検出できないのに対し、本実施の形態の移動体検出装置によれば凸部対向時は凸部不対向時よりも全体的に大きい出力信号Ｖoutが得られるため電源投入時の軟磁性体歯車の停止位置情報が検出可能となる。

(2) 磁気抵抗素子としてＳＶ−ＧＭＲ素子を用いているため、他の磁気抵抗素子を用いる場合と比較して高感度の磁気検出が可能である。このため、ＳＶ−ＧＭＲ素子の配置の自由度が高く、設計の柔軟性が高められる。

(3) ピン層磁化方向が相互に反平行の近接するスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子同士がホイートストンブリッジを形成しているため、高感度の磁気検出が可能となる。また、ＳＶ−ＧＭＲ素子の温度特性による影響が低減される。

（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る移動体検出装置２００の例示的な概略斜視図である。本実施の形態の移動体検出装置２００は、同極対向配置された２つのバイアス磁石５Ａ，５Ｂをバイアス磁界発生手段とし、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４がバイアス磁石５Ａ，５Ｂの対向面間（図８ではＮ極面間）に固定配置されている点が図１に示される第１の実施の形態に係る移動体検出装置１００と異なり、その他の点は同様である。

この第２の実施の形態によれば、同極対向配置された２つのバイアス磁石５Ａ，５Ｂをバイアス磁界発生手段としているので、第１の実施の形態よりもさらに検出感度を高めることができる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素には請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

実施の形態ではＳＶ−ＧＭＲ素子は軟磁性体歯車の厚み幅内もしくはその近傍に固定配置されたが、変形例ではこれに替えて、ＳＶ−ＧＭＲ素子は軟磁性体歯車端面のエッジに近接するように軟磁性体歯車端面側に存在してもよい（あるいは固定配置されてもよい）。この場合、好ましくは図９に示されるようにＳＶ−ＧＭＲ素子が軟磁性体歯車の凸部の高さ範囲内もしくはその近傍に位置するとよく、ＳＶ−ＧＭＲ素子のピン層磁化方向は軟磁性体歯車端面と略垂直であるとよい。またバイアス磁石５の着磁方向は好ましくは軟磁性体歯車１の回転軸に向くとよい。本変形例によっても、実施の形態と同様の効果を奏することができる。

実施の形態ではＳＶ−ＧＭＲ素子をホイートストンブリッジ接続したが、ＳＶ−ＧＭＲ素子の接続形態はこれに限定されず、ハーフブリッジ接続であってもよい。磁気検出感度や温度特性の面ではホイートストンブリッジ接続の方が優れているものの、ハーフブリッジ接続の場合はＳＶ−ＧＭＲ素子が２つでよいため部品点数の削減が可能となる。さらに、ＳＶ−ＧＭＲ素子と固定抵抗とでハーフブリッジを形成することも可能である。この場合、ＳＶ−ＧＭＲ素子２つでハーフブリッジを形成する場合よりも磁気検出感度は落ちるもののコスト低減が可能となる。このことはホイートストンブリッジ接続についても同様で、４つのＳＶ−ＧＭＲ素子でホイートストンブリッジを形成するのに替えて２つのＳＶ−ＧＭＲ素子と２つの固定抵抗とでホイートストンブリッジを形成してもよい。

実施の形態では軟磁性体歯車を磁性材移動体の例として示したが、これに限定されず、例えば凹凸を直線状に配列した軟磁性体ラック（直線移動体）を磁性材移動体としてもよい。

実施の形態ではバイアス磁界発生手段を永久磁石としたが、動作原理上、電磁石を用いることも可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る移動体検出装置の例示的な概略斜視図である。 図１に示される移動体検出装置１００を上側から見た場合の磁界の説明図であり、（Ａ）は軟磁性体歯車１の凸部２以外の部分がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４の前に存在する時（以下、「凸部不対向時」）を示し、（Ｂ）は軟磁性体歯車１の凸部２がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４の前に存在する時（以下、「凸部対向時」）を示す。 図１に示される移動体検出装置１００を横側から見た場合の磁界の説明図であり、（Ａ）は凸部不対向時を示し、（Ｂ）は凸部対向時を示す。 図１のホイートストンブリッジからの出力信号の波形説明図である。図中、Ｖ１はＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の接続点の電圧を示し、Ｖ２はＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の接続点の電圧を示す。 図１に示される移動体検出装置１００におけるＶ１及びＶ２の実測アナログ波形図である。 （Ａ）は、特許文献１の移動体検出装置（図１０）において軟磁性体歯車の任意の凸部がＳＶ−ＧＭＲ素子の前を通過した時のＶout波形図である。（Ｂ）は、図１に示される本実施の形態の移動体検出装置において軟磁性体歯車の任意の凸部がＳＶ−ＧＭＲ素子の前を通過した時のＶout波形図である。 （Ａ）は、特許文献１の移動体検出装置（図１０）において軟磁性体歯車（外周面の凸部は３つ）が１周したときのＶout波形図である。（Ｂ）は、図１に示される本実施の形態の移動体検出装置において軟磁性体歯車（外周面の凸部は３つ）が１周したときのＶout波形図である。 本発明の第２の実施の形態に係る移動体検出装置の例示的な概略斜視図である。 変形例に係る移動体検出装置の例示的な概略斜視図である。 特許文献１の移動体検出装置の概略斜視図である。 ＳＶ−ＧＭＲ素子の原理的構成と磁気特性の説明図である。

符号の説明

１ 軟磁性体歯車
２ 凸部
５ バイアス磁石
１００ 移動体検出装置
Ｒ１〜Ｒ４ ＳＶ−ＧＭＲ素子

Claims (5)

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、バイアス磁界発生手段と、前記バイアス磁界発生手段に対して固定配置されたスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子とを備え、
   前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子のピン層磁化方向は、前記磁性材移動体の存在する方向又はその逆方向であり、
   前記バイアス磁界発生手段は、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子と前記磁性材移動体の前記凸部又は前記凹部との位置関係に応じて前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子の感磁面における磁界のピン層磁化方向成分が変化する配置であり、
   前記バイアス磁界発生手段の着磁方向が前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子のピン層磁化方向と略垂直であることを特徴とする、移動体検出装置。
2. 請求項１に記載の移動体検出装置において、前記ピン層磁化方向が前記磁性材移動体の前記凸部又は前記凹部の形成面に略垂直であることを特徴とする、移動体検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の移動体検出装置において、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子が前記磁性材移動体の厚み幅内もしくはその近傍に存在することを特徴とする、移動体検出装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の移動体検出装置において、２つの前記バイアス磁界発生手段が同極対向配置され、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子が２つの前記バイアス磁界発生手段の対向面間に固定配置されている、移動体検出装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の移動体検出装置において、ピン層磁化方向が相互に反平行の近接する前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子同士がブリッジ回路を成している、移動体検出装置。

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