JP5144803B2

JP5144803B2 - 回転検出装置

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Publication number: JP5144803B2
Application number: JP2011501543A
Authority: JP
Inventors: 広明竹谷; 努竹谷; 宏行朝比奈
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: EP2402719A1; CN102317743A; WO2010098190A1; JPWO2010098190A1

Description

本発明は、磁性体、磁気センサ及び磁石を有して回転検知を可能とした回転検出装置に関する。

下記特許文献１には磁性材回転体と、バイアス磁界発生手段と、磁気検出部と、矩形波信号生成回路とを有する移動体検出装置の発明が開示されている。

特許文献１の例えば図１に示すように、磁性材回転体の外周面に設けられた歯形は略鋸状であり、前記外周面から側方へ離れた位置に磁気検出部及びバイアス磁界発生手段の双方が配置されている。

この特許文献には、磁気検出部に作用する磁場の磁性体回転接線方向成分が、回転する磁性材回転体との対向関係により変化し、これにより磁界発生部からの出力が変化することで、磁性材回転体の回転状態を検知している。

しかしながら、特許文献１の構成では、特に、磁性材回転体が偏心したとき、前記磁気検出部に作用する磁場成分にばらつきが生じやすくなり、高精度な回転検知を行うことが出来ない。

また磁性材回転体と磁気検出部間の回転により変化する距離を高精度に規制することが必要であり、検出精度が不安定になりやすい。

特開２００９−８５１９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、安定して高精度な回転検知を行うことが出来る回転検出装置を提供することを目的としている。

本発明における回転検出装置は、
上面と、下面と、前記上面及び前記下面の外周縁部間を繋ぐ外周側面と、前記上面及び前記下面の中心を相対回転中心とし、前記外周側面の相対回転方向に間隔を空けて前記相対回転中心から離れる方向に突出する凸部と、を有するギア状磁性体と、
前記ギア状磁性体の前記凸部と前記凸部間に位置する凹部とが相対回転方向に連続する凹凸部の上方あるいは下方の一方に配置され、磁場に対して電気特性が変化する磁気検出素子を備えた磁気センサと、他方に前記磁気センサと高さ方向にて近接配置され前記磁気センサと組となって固定側あるいは可動側を構成する磁石と、を有しており、
前記磁石は、前記ギア状磁性体の相対回転中心から前記外周縁部方向への半径方向と平行な方向に着磁されており、
前記ギア状磁性体の凸部の検知時と、前記ギア状磁性体の凹部の検知時とで前記磁気センサに作用する磁場が変化することにより変動する前記磁気センサの出力に基づき、回転検知を行うことができることを特徴とするものである。

本発明では、ギア状磁性体の外周に設けられた凹凸部の上方及び下方に夫々、磁気センサと磁石を配置し、例えばギア状磁性体を回転させることで、磁気センサ及び磁石が、ギア状磁性体の凸部と凹部とに交互に対向する。このとき、前記ギア状磁性体の凸部の検知時と、前記ギア状磁性体の凹部の検知時とで、磁気センサに作用する磁場が変化するため、磁気センサの出力を変動させることができ、前記磁気センサの出力に基づいて、回転検知を行うことが出来る。

本発明では、ギア状磁性体の上方、下方にギャップを設けて、磁気センサと磁石を配置しているので、ギア状磁性体が偏心して水平方向にぶれが生じても、磁気センサに作用する磁場に対する影響を小さくでき、また、磁気センサ及び磁石のギア状磁性体に対するギャップを適切に規制することで、安定して高精度な回転検知を行うことが可能である。

本発明では、前記磁気センサは、磁場の正負方向によりオン・オフ信号を生成する磁気スイッチであり、
前記磁気センサの中心から高さ方向をＺ方向、前記磁気センサの中心を通る前記ギア状磁性体の半径方向と平行な方向をＹ方向、及び前記Ｚ方向と前記Ｙ方向の双方に直交する方向をＸ方向としたとき、前記磁気センサは、磁場検知方向が前記Ｚ方向となるように配置されていることが好ましい。

後述する実験によれば、前記ギア状磁性体の凸部の検知時と、前記ギア状磁性体の凹部の検知時とで、磁気センサに作用するＺ方向への磁場方向が反転することがわかった。このため、上記した磁気スイッチである磁気センサを用い、且つ、磁気センサの磁場検知方向をＺ方向とすることで、回転検知を適切に行うことが出来る。

また本発明では、前記磁気センサは、磁場の正負方向によりオン・オフ信号を生成する磁気スイッチであり、
前記磁気センサの中心から高さ方向をＺ方向、前記磁気センサの中心を通る前記ギア状磁性体の半径方向と平行な方向をＹ方向、及び前記Ｚ方向と前記Ｙ方向の双方に直交する方向をＸ方向としたとき、
前記磁気センサは、磁場検知方向が前記Ｘ方向となるように配置されており、前記磁気センサの中心と、前記磁石の中心との間に前記Ｘ方向へのギャップが設けられている構成に出来る。

後述する実験によれば、磁気センサを磁石に対してＸ方向にずらすことで、前記ギア状磁性体の凸部時と、前記ギア状磁性体の凹部の検知時とで、磁気センサに作用するＸ方向への磁場の方向が反転することがわかった。このため、上記した磁気スイッチである磁気センサを用い、磁気センサの磁場検知方向をＸ方向とし且つ、磁気センサを磁石に対してＸ方向にずらすことで、回転検知を適切に行うことが出来る。

また本発明では、前記磁気センサの中心が、前記磁石の中心よりも、前記ギア状磁性体の前記凹凸部の先端側に位置するように、前記磁気センサは、前記磁石に対してずらして配置されていることが好ましい。これにより、磁場の強度変化が大きくなり、より高精度に、回転検知を行うことができる。

また本発明では、前記磁気センサと前記ギア状磁性体の凸部間の高さ方向へのギャップＧ１は、前記磁石と前記ギア状磁性体の凸部間の高さ方向へのギャップＧ２より小さいことが好ましい。これにより、磁気センサに作用する磁場の強度を強めることができ、より高精度に回転検知を行うことができる。

また本発明では、前記ギア状磁性体に設けられた凹凸部には、前記凸部と隣の前記凹部との幅が、他の凸部及び凹部の幅と異なる回転基準部が設けられることが好ましい。これにより、回転の原点を規定しやすくなり、また回転方向を知ることができる。

本発明の回転検出装置によれば、従来に比べて、安定して高精度な回転検知を行うことが可能である。

第１の実施形態の回転検出装置の部分拡大斜視図、ギア状磁性体の平面図の一例、回転検出装置の部分拡大正面図、第１の実施形態において好ましい配置を示す回転検出装置の側面図、本実施形態における磁気センサの回路構成図、磁気センサに使用される磁気検出素子の層構成を示す縦断面図、磁気検出素子のＲＨ曲線、図４に示すギア状磁性体の凸部と磁気センサ間の高さ方向（Ｚ方向）におけるギャップＧ１を変化させたときの、ギア回転方向と磁気センサに作用するＺ方向磁場成分（磁束密度）との関係を示すグラフ、磁気センサをギア状磁性体の先端側に配置したほうがよいことを説明するための模式図、第２の実施形態を示す回転検出装置の側面図、図１０の回転検出装置を用いたときのギア回転角度と磁気センサに作用するＸ方向磁場成分（磁束密度）との関係を示すグラフ、比較例を示すギア回転角度と磁気センサに作用するＸ方向磁場成分（磁束密度）との関係を示すグラフ、ギア回転角度と磁気センサに作用するＹ方向磁場成分（磁束密度）との関係を示すグラフ、比較例を示すギア回転角度と磁気センサに作用するＸ方向磁場成分（磁束密度）との関係を示すグラフ、

図１は、第１の実施形態の回転検出装置の部分拡大斜視図、図２は、ギア状磁性体の平面図の一例、図３は、回転検出装置の部分拡大正面図、図４は、第１の実施形態において好ましい配置を示す回転検出装置の側面図、図５は、本実施形態における磁気センサの回路構成図、図６は、磁気センサに使用される磁気検出素子の層構成を示す縦断面図、図７は、磁気検出素子のＲＨ曲線、である。

図１に示す回転検出装置１は、ギア状磁性体２と、磁石３と、磁気センサ４とを有して構成される。

図１，図２に示すギア状磁性体２は例えばＦｅ系の軟磁性体で形成される。ギア状磁性体２は例えば、リング状部５と、リング状部５の上面５ａと下面５ｂとの外周縁部を繋ぐ外周側面５ｃに設けられた多数の凸部６とを有して構成される。

ギア状磁性体２の中心が回転中心Ｏである。この実施形態ではギア状磁性体２が回転中心Ｏを回転軸として時計方向（ＣＷ）及び反時計方向（ＣＣＷ）に回転可能に支持されている。

凸部６は、外周側面５ｃの回転方向（ＣＷ，ＣＣＷ）に間隔を空けて回転中心Ｏから離れる方向に突出している。凸部６の上面６ａ及び下面６ｂは、リング状部５の上面５ａ及び下面５ｂと一致した平坦面である。

図２に示すように、凸部６は一つの幅広凸部６ｄを除いて一定の幅寸法で形成される。図２に示すように幅広凸部６ｄの幅寸法Ｔ１は、他の凸部６の幅寸法より大きく形成される。

また、凸部６，６間に位置する凹部７は２つの幅広凹部７ａ，７ｂを除いて一定の幅寸法で形成される。なお、幅広凹部７ａの幅寸法Ｔ２と、幅広凹部７ｂの幅寸法Ｔ３は異なっている。

このようにギア状磁性体２の外周側面５ｃには凸部６と凹部７とが回転方向に交互に連続して並んだ凹凸部８が設けられている。

図１に示すように、ギア状磁性体２の凹凸部８の上方には磁石３が固定配置される。図３に示すように、磁石３とギア状磁性体２の凸部６との間にはギャップＧ２が設けられる。磁石３は、ギア状磁性体２の回転中心Ｏから外周縁部方向への半径方向と平行な方向に着磁されている。すなわち図１のように、ギア状磁性体２の外側を向く磁石３の側面（着磁面）が例えばＮ極に、ギア状磁性体２の回転中心Ｏ側を向く磁石３の側面（着磁面）が例えばＳ極に着磁されている。

磁気センサ４は、ギア状磁性体２の凹凸部８の下方に固定配置される。図３に示すように、磁気センサ４とギア状磁性体２の凸部６との間にはギャップＧ１が設けられる。ギャップＧ１は、例えば、１．０〜２．５ｍｍ、ギャップＧ２は１．０〜２．５ｍｍであることが好適である。

磁気センサ４は、磁場の正負方向によりオン・オフ信号を生成する磁気スイッチである。

磁石３と磁気センサ４は、ギア状磁性体２の凸部６との対向位置に凹み部８ａを有する筐体１０の内部に設置される（図１，図４参照）。筐体１０が図示しない支持基板に支持され固定されている。

磁気センサ４は、抵抗素子部２１と集積回路（ＩＣ）２２とを有して構成される。
抵抗素子部２１には、２つの磁気検出素子２３，２７と２つの固定抵抗素子２４，２８によるブリッジ回路が設けられる。磁気検出素子２３と固定抵抗素子２４との中点及び磁気検出素子２７と固定抵抗素子２８の中点が夫々出力部２５，２９である。

図５に示すように集積回路２２内には、差動増幅器３５やコンパレータ３８、必要に応じてラッチ回路（図示しない）、クロック回路等が設けられる。

図５に示すように、ブリッジ回路の出力部２５，２９が差動増幅器３５の入力部側に接続される。また、コンパレータ３８の入力部は、差動増幅器３５の出力部と接続され、コンパレータ３８の出力部が外部出力端子４０に接続されている。

磁気検出素子２３，２７は、磁場の変化に基づいて巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を発揮するＧＭＲ素子である。

図６に示すように、磁気検出素子２３，２７は、基板７０上に、下から下地層８１、反強磁性層８２、固定磁性層８３、非磁性層８４、フリー磁性層８５、及び保護層８６の順で積層されている。下地層８１は、例えば、Ｔａである。反強磁性層８２は、ＩｒＭｎやＰｔＭｎで形成される。固定磁性層８３及びフリー磁性層８５はＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金等の磁性材料で形成される。また非磁性層８４はＣｕ等で形成される。また保護層８６はＴａ等で形成される。固定磁性層８３やフリー磁性層８５は積層フェリ構造（磁性層／非磁性層／磁性層の積層構造であり、非磁性層を挟んだ２つの磁性層の磁化方向が反平行である構造）であってもよい。また前記固定磁性層８３やフリー磁性層８５は材質の異なる複数の磁性層の積層構造であってもよい。

磁気検出素子２３，２７は、反強磁性層８２と固定磁性層８３とが接して形成されているため磁場中熱処理を施すことにより反強磁性層８２と固定磁性層８３との界面に交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じ、固定磁性層８３の磁化方向（Ｐ方向）は一方向に固定される。また、無磁場状態（磁場が作用していないとき）でのフリー磁性層８５の磁化方向（Ｆ方向）は、例えば、固定磁性層８３の磁化方向（Ｐ方向）と同じ方向である。

図７は、磁気検出素子２３，２７のＲＨ曲線である。図７に示すように、磁場Ｈを無磁場状態（磁場ゼロ）から徐々に正方向（＋Ｈ）に増加していくと、フリー磁性層８５の磁化方向（Ｆ方向）と固定磁性層８３の磁化方向（Ｐ方向）との平行状態が崩れて反平行状態に近づくため磁気検出素子２３，２７の抵抗値Ｒは、曲線ＨＲ１上を辿って徐々に大きくなり、そこから正方向（＋Ｈ）の磁場Ｈを徐々にゼロに向けて小さくしていくと、磁気検出素子２３，２７の抵抗値Ｒは、曲線ＨＲ２上を辿って徐々に小さくなる。このように、磁気検出素子２３，２７のＲＨ曲線には、正方向（＋Ｈ）の磁場Ｈの強度変化に対して、曲線ＨＲ１と曲線ＨＲ２で囲まれたループ部Ｌ１が形成される。磁気検出素子２３，２７の最大抵抗値と最低抵抗値の中間値であって、ループ部Ｌ１の広がり幅の中心値がループ部Ｌ１の「中点」である。そしてループ部Ｌ１の中点の磁界の強さでフリー磁性層８５と固定磁性層８３間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎ１の大きさが決定される。図７に示すように、層間結合磁界Ｈｉｎは、正方向（＋Ｈ）の磁場方向へシフトしている。

よって図５に示す回路構成を備える磁気センサ４は、磁場Ｈが正方向（＋Ｈ）から作用する場合だけに感知し、負方向（−Ｈ）の磁場Ｈに感知しない。そして、所定強度の正方向（＋Ｈ）の磁場Ｈが磁気センサ４に作用すると、コンパレータ３８では、差動増幅器３５から入力された出力電圧により例えば、オン信号を生成し、外部出力端子４０から出力される。一方、負方向（−Ｈ）の磁場Ｈが作用した場合はオフ信号が出力される。なお、コンパレータ３８では、所定の大きさのスレッショルドレベル（閾値）を設定し、所定以上の大きさの磁場が作用したときにオン信号を出力できるようにすることで、微弱な磁場変化に出力が変動せず誤信号を抑制できる。

図５に示す磁気センサ４は単極一出力型の磁気スイッチである。これに対して、負方向（−Ｈ）の磁場Ｈを感知する磁気検出素子を備えたブリッジ回路を更に用意し、外部出力端子４０を２個設けた双極２出力型の磁気スイッチとしてもよい。双極２出力型の磁気スイッチでは、一方の外部出力端子４０からは、正方向（＋Ｈ）の磁場Ｈを感知する磁気検出素子を備えたブリッジ回路と接続して、正方向（＋Ｈ）の磁場Ｈが作用したときに、オン信号を出力でき、他方の外部出力端子４０からは、負方向（−Ｈ）の磁場Ｈを感知する磁気検出素子を備えたブリッジ回路と接続して、負方向（−Ｈ）の磁場Ｈが作用したときに、オン信号を出力できる。

図１に示すように、磁気センサ４の中心ＳＯから高さ方向をＺ方向、磁気センサ４の中心ＳＯを通るギア状磁性体２の半径方向と平行な方向をＹ方向、Ｚ方向及びＹ方向の双方に直交する方向をＸ方向とする。Ｘ方向は、磁気センサ４の中心ＳＯを接点とした相対回転方向上の接線である。なお、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、以下の全ての形態に共通して適用される。

図１に示す第１の実施形態では、固定磁性層８３の磁化方向（Ｐ方向）がＺ方向と平行な方向を向くように磁気センサ４が配置されている。例えば、固定磁性層８３の磁化方向（Ｐ方向）は下方向を向いている。磁気センサ４の磁場検知方向は、固定磁性層８３の磁化方向（Ｐ方向）により規制することが出来る。この実施形態では、磁気センサ４の磁場検知方向をＺ方向に設定した。

また、図４に示すように、磁気センサ４の中心ＳＯが磁石３の中心ＭＯよりも、ギア状磁性体２の凸部６の先端６ｃ側に位置するように、磁気センサ４は、磁石３に対してＹ方向へずらして配置されている。

図８は、図４に示すギア状磁性体２の凸部６と磁気センサ４間のギャップＧ１を変化させたときの、ギア回転方向と磁気センサ４に作用するＺ方向磁場成分（磁束密度）との関係を示すグラフである。

図８の実験では、磁石３とギア状磁性体２間のギャップＧ２を３．５ｍｍに固定した。用いたギア状磁性体２の凸部の全総数は、４４個で、凸部６の幅寸法（幅広凸部６ｄは除く）は４．７５ｍｍで、凹部７の幅寸法（幅広凹部７ａ，７ｃは除く）は４．７５ｍｍであった。また幅広凸部６ｄの幅寸法は、７．１２５ｍｍで、幅広凹部７ａ，７ｃの幅寸法は、１４．２５ｍｍ（Ｔ２）と２３．７５（Ｔ３）であった。またギア状磁性体２は、ＳＵＳ４００系の軟磁性体で形成されており、厚さは１ｍｍであった。用いた磁石３は、焼結サマリウムコバルト磁石であり、Ｙ方向への長さが１５ｍｍ、Ｚ方向への幅が１０ｍｍ、厚さが２．５ｍｍであった。また、磁石３の中心ＭＯと、磁気センサ４の中心ＳＯとのＹ方向へのギャップＧ３は、６ｍｍであった。

また磁石３と磁気センサ４は図３に示すようにＸ−Ｚ面にて、高さ方向（Ｚ方向）に対向した位置関係とした（磁石３の中心ＭＯと磁気センサ４の中心ＳＯがＸ方向にずれていない）。

図８（ａ）の実験では、ギャップＧ１を３ｍｍ、図８（ｂ）の実験ではギャップＧ１を２．５ｍｍ、図３（ｃ）では、ギャップＧ１を２．０ｍｍとした。

図８（ａ）から図８（ｃ）のグラフには夫々、ギア回転角度に対するギア状磁性体２の凹凸部８の形状も実線で図示した。

図８（ａ）から図８（ｃ）に示す縦軸は、磁石３及び磁気センサ４がギア状磁性体２の凸部６及び凹部７に対向したときの磁気センサ４に作用するＺ方向磁場成分（磁束密度）を示す。図８（ａ）から図８（ｃ）に示すようにＺ方向磁場成分は、ギア状磁性体２の凸部６に対する検知時と、ギア状磁性体２の凹部７に対する検知時とで磁気センサ４に作用するＺ方向磁場成分の方向が反転する。磁気センサ４に作用する磁場強度が、凸部６の検知時に総じて弱くなるのは、磁性体で形成された凸部６の磁場の遮蔽作用による。しかしながら磁性体で形成された凸部６は帯磁するため、凸部６からの漏洩磁場が磁気センサ４に作用し、よって、凸部６の検知時に、磁気センサ４に作用するＺ方向磁場強度はゼロにならず、Ｚ方向磁場成分の方向が、凹部７の検知時の場合に対して反転することがわかった。

図８に示すようにギャップＧ１を小さくすることで、磁気センサ４に作用する磁場強度を強くできる。

本実施形態では磁気センサ４として、図５に示す磁場の正負方向によりオン・オフ信号を生成・出力する磁気スイッチを用いる。このため、図８に示す磁場の正負方向の変化を磁気センサ４により検知することで、磁石３及び磁気センサ４が凸部６と対向したときには磁気センサ４からオン信号（又はオフ信号）を、凹部７と対向したときには磁気センサ４からオフ信号（又はオン信号）を出力できる。

したがって、磁気センサ４の磁場検知方向をＺ方向としたことで、高精度な回転検知を行うことが可能である。

また図１に示すように、磁石３及び磁気センサ４をギア状磁性体２の凹凸部８の上方、及び下方に配置したことで、ギア状磁性体２が例えば偏心して水平方向に多少ぶれが生じても、磁気センサ４に作用するＺ方向磁場成分への影響は小さい。また、磁気センサ４及び磁石３のギア状磁性体２に対するギャップＧ１，Ｇ２を適切に規制することで、安定して高精度な回転検知を行うことが可能である。

また図９に模式図的に示すように、ギア状磁性体２の凸部６は磁石３により図９のように帯磁すると考えられる。このため帯磁したギア状磁性体２の凸部６からの漏洩磁場は垂直成分（Ｚ方向磁場成分）が強くなり、よって、磁気センサ４の磁場検知方向をＺ方向にすることが好適である。また、図９のように帯磁した凸部６は、リング状部５側である基端側に向うほど、リング状部５に吸収される磁場成分が増えることから、Ｚ方向磁場成分は弱まる。一方、凸部６の先端６ｃ側に向うほどＺ方向磁場成分が強くなる。よって、磁気センサ４を磁石３よりも凸部６の先端６ｃ側にずらすことで、磁気センサ４に作用するＺ方向磁場成分を強くでき、より高精度な回転検知を行うことが出来る。なお、上記した凸部６の先端６ｃのほうが磁気センサ４に作用する磁場成分が強くなる現象は、磁場検出方向をＺ方向とした場合に限らず、後述するＸ方向及びＹ方向とした場合でも同様のことが言える。

図１０は、第２の実施形態における回転検出装置の正面図である。図１０に示す回転検出装置も図１に示す回転検出装置１と構成部品は同じである。また図１と同様のギア状磁性体２及び磁石３を使用する。また磁気センサ４も図５に示した磁気スイッチを使用するが、磁場検知方向をＸ方向とする。すなわち磁気センサ４を構成する磁気検出素子２３，２７の固定磁性層８３の磁化方向（Ｐ方向）をＸ方向に向けて配置する。

図１０に示すように、磁気センサ４の中心ＳＯと、磁石３の中心ＭＯとの間にはＸ方向にギャップＧ４が設けられる。ギャップＧ４は、０〜５ｍｍ程度である。

図１１の実験は、図１０に示す第２の実施形態の回転検知装置を用いて行ったものである。図１３の実施形態では、磁気センサ４とギア状磁性体２の凸部６間のギャップＧ１，及び磁石３とギア状磁性体２の凸部６間のギャップＧ２を夫々３．５ｍｍに固定した。また、磁石３の中心ＭＯと磁気センサ４の中心ＳＯのＹ方向へのギャップＧ３（図４参照）は６ｍｍであった。用いたギア状磁性体２の凸部の全総数は、４４個で、凸部６の幅寸法（幅広凸部６ｄは除く）は４．７５ｍｍで、凹部７の幅寸法（幅広凹部７ａ，７ｃは除く）は４．７５ｍｍであった。また、幅広凸部６ｄの幅寸法は、７．１２５ｍｍで、幅広凹部７ａ，７ｃの幅寸法は、１４．２５ｍｍ（Ｔ２）と２３．７５ｍｍ（Ｔ３）であった。またギア状磁性体２は、ＳＵＳ４００系の軟磁性体で形成されており、厚さは１ｍｍであった。用いた磁石３は、焼結サマリウムコバルト磁石であり、Ｙ方向への長さが１５ｍｍ、Ｚ方向への幅が１０ｍｍ、厚さが２．５ｍｍであった。また、磁石３の中心ＭＯと、磁気センサ４の中心ＳＯとのＸ方向へのギャップＧ４を、５ｍｍに設定した。

図１１のグラフには、ギア回転角度に対するギア状磁性体２の凹凸部８の形状も実線で図示した。

図１１に示す縦軸は、磁石３がギア状磁性体２の凸部６及び凹部７に対向したときの磁気センサ４に作用するＸ方向磁場成分（磁束密度）を示す。図１１に示すようにＸ方向磁場成分は、ギア状磁性体２の凸部６に対する検知時と、凹部７に対する検知時とで磁気センサ４に作用するＸ方向磁場成分の方向がほぼ反転する。ただし、凸部６の幅寸法及び凹部７の幅寸法が狭い箇所では（狭ピッチ部）Ｘ方向磁場の方向が反転しない。よって、凸部６及び凹部７の幅寸法をある程度、広くすることが精度良く回転検知を行う上で必要である。具体的には、凸部６及び凹部７の幅寸法を１０ｍｍから２５ｍｍ程度に広く設定することが必要である。

図１０に示すように、磁気センサ４を磁石３に対してＸ方向にずらして配置することで、図１１に示すように、磁気センサ４に作用するＸ方向磁場成分の方向の反転が見られる。このため、図５に示すＸ方向磁場成分の正負方向によりオン・オフ信号を出力する磁気センサ４（磁気スイッチ）を用い、磁気センサ４の磁界検出方向をＸ方向に向けることで、回転検知を行うことが出来る。

図１２は、磁場検出方向をＸ方向とし、ギャップＧ４をゼロとした場合の比較例の実験結果である。

図１２に示すように、必ずしも、凸部６の検知時と凹部７の検知時とで磁気センサ４に作用するＸ方向磁場成分の反転が見られないことがわかった。よって、磁場検出方向をＸ方向とする場合は、図１０に示すように、磁気センサ４の中心ＳＯと磁石３の中心ＭＯとの間にＸ方向へのギャップＧ４を設けることが好ましいとわかった。

図１３は、ギア回転角度と、磁気センサに作用するＹ方向磁場成分との関係を示すグラフである。実験ではギャップＧ１を２．５ｍｍとし、ギャップＧ２を３．５ｍｍとした。またギャップＧ３（図４参照）を６ｍｍとし、ギャップＧ４（図１０参照）を０ｍｍとした。そのほかの条件は図８と同様とした。

図１３に示すように磁気センサに作用するＹ方向磁場成分は、ギア状磁性体２の凸部８の検知時に強度が弱まり、凹部７の検知時に強度が強くなるが、正負方向への反転が見られない。このため磁場検知方向をＺ方向、Ｘ方向とし磁場の方向の反転によりオン・オフ信号を生成・出力する上記した磁気スイッチを使用することができない（例えば常にオン信号が出てしまう）。よって別の磁気センサ（例えばホール素子を用いた磁気センサ等）の使用により、回転検知を行う。

図１４は、比較例の実験結果である。図１４では、磁石の着磁をＸ方向としている。また磁気センサの磁界検出方向をＸ方向とした。図１４に示すように凸部の検知時と、凹部の検知時とで磁気センサに作用するＸ方向磁場成分の反転。あるいは顕著な相違が見られず（磁場がランダムに変化している）、回転検知が出来ないことがわかった。よって本実施形態では、磁石の着磁をＹ方向に規定した。

図３に示すギャップＧ１，Ｇ２は適切に回転検知すべく共に小さいことが望ましいが、ギャップＧ１とギャップＧ２とを対比したとき、磁気センサ４側のギャップＧ１を磁石３側のギャップＧ２よりも小さくすることが磁気センサ４に作用する磁場強度を効果的に強めることができ好適である（図８参照）。

図２に示すように、幅広凸部６ｄ及び幅広凹部７ａ，７ｂを設けることで、係る箇所を回転基準部９にできる。すなわち、幅広凸部６ｄ及び幅広凹部７ａ，７ｂの検知ではオン信号及びオフ信号が他の箇所より時間的に長く出力するため、信号の時間的長さが他の箇所と異なる回転基準部に基づいて回転の原点を定めることができる。例えば幅広凸部６ｄの中心位置を原点に定めることが出来る。また、図２のように幅広凹部７ａ，７ｂの幅寸法Ｔ２，Ｔ２が異なるため、得られる信号のパルス波形から回転方向が時計方向（ＣＷ）か反時計方向（ＣＣＷ）を検知することが出来る。なお、回転基準部９は、一つの幅広凸部６ｄと隣に位置する一つの幅広凹部があれば足りるが、図２のように、幅広凸部６ｄの両側に幅広凹部７ａ，７ｂを設けることで回転の原点を規定しやすく出来る。

また上記の実施形態ではギア状磁性体２を回転側に、磁石３及び磁気センサ４を固定側にしたが逆であってもよい。

Ｇ１〜Ｇ４ギャップ
ＭＯ磁石の中心
ＳＯ磁気センサの中心
１回転検出装置
２ギア状磁性体
３磁石
４磁気センサ
６凸部
７凹部
８凹凸部
９回転基準部
２３，２７磁気検出素子
３５差動増幅器
３８コンパレータ
４０外部出力端子
８２反強磁性層
８３固定磁性層
８４非磁性層
８５フリー磁性層

Claims

上面と、下面と、前記上面及び前記下面の外周縁部間を繋ぐ外周側面と、前記上面及び前記下面の中心を相対回転中心とし、前記外周側面の相対回転方向に間隔を空けて前記相対回転中心から離れる方向に突出する凸部と、を有するギア状磁性体と、
前記ギア状磁性体の前記凸部と前記凸部間に位置する凹部とが相対回転方向に連続する凹凸部の上方あるいは下方の一方に配置され、磁場に対して電気特性が変化する磁気検出素子を備えた磁気センサと、他方に前記磁気センサと高さ方向にて近接配置され前記磁気センサと組となって固定側あるいは可動側を構成する磁石と、を有しており、
前記磁石は、前記ギア状磁性体の相対回転中心から前記外周縁部方向への半径方向と平行な方向に着磁されており、
前記磁気センサは、磁場の正負方向によりオン・オフ信号を生成する磁気スイッチであり、
前記磁気センサの中心から高さ方向をＺ方向、前記磁気センサの中心を通る前記ギア状磁性体の半径方向と平行な方向をＹ方向、及び前記Ｚ方向と前記Ｙ方向の双方に直交する方向をＸ方向としたとき、前記磁気センサは、磁場検知方向が前記Ｚ方向となるように配置されており、
前記ギア状磁性体の凸部の検知時と、前記ギア状磁性体の凹部の検知時とで前記磁気センサに作用する磁場が変化することにより変動する前記磁気センサの出力に基づき、回転検知を行うことができることを特徴とする回転検出装置。
上面と、下面と、前記上面及び前記下面の外周縁部間を繋ぐ外周側面と、前記上面及び前記下面の中心を相対回転中心とし、前記外周側面の相対回転方向に間隔を空けて前記相対回転中心から離れる方向に突出する凸部と、を有するギア状磁性体と、
前記ギア状磁性体の前記凸部と前記凸部間に位置する凹部とが相対回転方向に連続する凹凸部の上方あるいは下方の一方に配置され、磁場に対して電気特性が変化する磁気検出素子を備えた磁気センサと、他方に前記磁気センサと高さ方向にて近接配置され前記磁気センサと組となって固定側あるいは可動側を構成する磁石と、を有しており、
前記磁石は、前記ギア状磁性体の相対回転中心から前記外周縁部方向への半径方向と平行な方向に着磁されており、
前記磁気センサは、磁場の正負方向によりオン・オフ信号を生成する磁気スイッチであり、
前記磁気センサの中心から高さ方向をＺ方向、前記磁気センサの中心を通る前記ギア状磁性体の半径方向と平行な方向をＹ方向、及び前記Ｚ方向と前記Ｙ方向の双方に直交する方向をＸ方向としたとき、
前記磁気センサは、磁場検知方向が前記Ｘ方向となるように配置されており、前記磁気センサの中心と、前記磁石の中心との間に前記Ｘ方向へのギャップが設けられており、
前記ギア状磁性体の凸部の検知時と、前記ギア状磁性体の凹部の検知時とで前記磁気センサに作用する磁場が変化することにより変動する前記磁気センサの出力に基づき、回転検知を行うことができることを特徴とする回転検出装置。
前記磁気センサの中心が、前記磁石の中心よりも、前記ギア状磁性体の前記凹凸部の先端側に位置するように、前記磁気センサは、前記磁石に対してずらして配置されている請求項１又は２に記載の回転検出装置。
前記磁気センサと前記ギア状磁性体の凸部間の高さ方向へのギャップＧ１は、前記磁石と前記ギア状磁性体の凸部間の高さ方向へのギャップＧ２より小さい請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転検出装置。
前記ギア状磁性体に設けられた凹凸部には、前記凸部と隣の前記凹部との幅が、他の凸部及び凹部の幅と異なる回転基準部が設けられる請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転検出装置。