JP5146696B2

JP5146696B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP5146696B2
Application number: JP2010046718A
Authority: JP
Inventors: 尚城太田; 一太許; 宙永沼
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2030-03-03
Also published as: JP2011180080A

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。

近年、ハードディスクの磁気ヘッドの発展に伴って、高性能な磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子）が開発され、様々な形態で磁気センサの分野へ応用されている。

磁気センサの性能を決定付ける要素の一つは、実質的に磁束が存在しないときの検出性能、つまり、無磁場の検出性能である。この無磁場の検出性能が大きく影響する磁気センサの典型例としては、歯車の歯を計数するための歯車センサや、携帯電話機や携帯型ゲーム機に代表される携帯型電子機器の本体の開閉状態を検出する開閉センサがある。

歯車センサの場合、歯の形状やセンサの取付位置が多様であるため、無磁場を安定に検出することが難しく、一方、開閉センサの場合であっても、製品の性質上、外部磁界などの影響をうけることが多く、やはり、様々な環境条件のもとで使用されることから、同様である。

単に外部磁界の影響を遮断するのであれば、特許文献１〜３に開示されているように、軟磁性体でＭＲ素子を覆うことにより磁気を遮蔽すればよい。しかしながら、この技術を上記の種類の磁気センサに適用しただけでは、検出対象となる磁界までもが遮断されるから、逆に磁場の検出性能が低下してしまう。また、特許文献１に開示された技術のように、ブリッジ回路の一部のＭＲ素子だけを磁気遮蔽したとしても、結局のところ、検出性能はブリッジ回路全体で決定されるから、無磁場を安定に検出することは難しい。

一方、形状異方性の利用やバイアス磁界の印加などの手段によってＭＲ素子のフリー層の磁化方向を固定する方法も採り得るが、無磁場を安定して検出できる反面、出力電圧が低下してしまうという新たな問題が存在する。

特開２００１−３４５４９８号公報特開２００４−１９８１８６号公報特開平８−１５３２１号公報

本発明の課題は、無磁場を安定して検出しうる磁気センサを提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る磁気センサは、軟磁性材料からなる磁束吸収体により覆われた磁気抵抗効果素子を有する回路基板と、状態検出部とを含む。

本発明に係る磁気センサの特徴として、前記状態検出部は、前記磁気抵抗効果素子の出力電圧に基づいて、前記回路基板に与えられた磁界の磁束量が閾値以下である第１の状態と、前記与えられた磁界の磁束量が前記閾値より多い第２の状態とを検出する。ここで、前記磁束吸収体は、その飽和磁束量が前記閾値となるように定まった形状、または大きさを有する。

本発明に係る磁気センサは、磁気抵抗効果素子が、軟磁性材料からなる磁束吸収体により覆われているから、この磁束吸収体が、回路基板に与えられる磁界の磁束を、その飽和磁束量まで吸収して、当該磁束が磁気抵抗効果素子に与えられないようにすることができ、一方、当該磁界の磁束量が磁束吸収体の飽和磁束量を超えたときに、当該磁束が磁気抵抗効果素子に与えられるようにすることができる。

ここで、磁気抵抗効果素子は、周知のとおり、与えられた磁界の磁束に応じて抵抗値が変化する性質を有しているから、回路基板の出力端子から得られる出力電圧も当該磁界の磁束量に応じて変化する。このため、当該磁界の磁束量が磁束吸収体の飽和磁束量以下であるとき、出力電圧は一定の電圧値を示し、一方、当該磁界の磁束量が磁束吸収体の飽和磁束量を超えたときに、出力電圧の電圧値は増加を始める。

この特性によって、状態検出部は、当該出力電圧に基づいて、回路基板に与えられた磁界の磁束量が閾値以下である第１の状態と、当該磁界の磁束量が閾値より多い第２の状態とを検出する。ここで、磁束吸収体は、その飽和磁束量が当該閾値となるように定まった形状、または大きさを有する。

したがって、磁束吸収体の形状、または大きさを調整することによって、磁気センサの適用される環境条件に応じ、無磁場である第１の状態と、磁場が存在する第２の状態とのバランスを保つように当該閾値を好適に設定することができる。

よって、環境条件に起因する磁束量の誤差の影響を排除するように、無磁場の検出のための磁束量の範囲を好適に拡張することができるのである。

以上述べたように、本発明によれば、無磁場を安定して検出しうる磁気センサを提供することができる。

第１の状態を表した、本発明に係る磁気センサの構成図である。第２の状態を表した、本発明に係る磁気センサの構成図である。ＭＲ素子を透視状態で表した回路基板の斜視図である。磁束の変化を表した、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。回路基板の磁束密度に対する出力電圧の特性を示すグラフである。本発明に係る磁気センサを適用した開閉式電子機器の側面図である。

図１と図２は、本発明に係る磁気センサの構成図である。本実施形態は、磁気センサを歯車機構に適用した例、つまり、上述した歯車センサである。図１は、歯車４の各々の歯４１の間隔にある凹部４２が磁気センサの回路基板１と対向した第１の状態を表し、図２は、歯車４の歯４１が磁気センサの回路基板１と対向した第２の状態を表す。

磁気センサは、軟磁性材料からなる磁束吸収体１２により覆われたＭＲ素子１１を有する回路基板１と、状態検出部２と、回路基板１に磁界を与える永久磁石３とを含む。

回路基板１は、歯４１が近傍を通過したことを検出するための検出ヘッドとして機能する。回路基板１は、永久磁石３から磁束φを与えられ、その近傍を歯４１が通過するたびに、この磁束φが第１の状態と第２の状態の間で変化することを検出する。すなわち、第２の状態においては、回路基板１を挟んで歯４１と永久磁石３が対向位置にあり、磁束φが、強磁性体である歯４１に集中するから、その磁束量は第１の状態より多くなるのである。ここで、仮に歯４１自体が、それぞれ、磁化されて磁束を発生させるのであれば、同様に磁束量が変化するのだから、永久磁石３は不要であるのは言うまでもない。

そして、回路基板１にはＭＲ素子１１が実装されており、その抵抗値が磁束φの変化に応じて変化するため、第１の状態、または第２の状態を、回路基板１の出力端子から得られる出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値の変化として検出できるのである。

出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値の変化は、状態検出部２において閾値Ｖｒｅｆとの比較により検出される。状態検出部２の（＋）端子には出力電圧Ｖｏｕｔが与えられ、一方、（−）端子には、電源Ｖｃｃとグランドの間で直列接続された分圧抵抗２１，２２から閾値Ｖｒｅｆが与えられる。もっとも、状態検出部２は、このような比較器、つまりコンパレータに限定されず、例えばトランジスタ回路であってもよい。

状態検出部２は、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が閾値Ｖｒｅｆと等しくなるか、それより大きくなったとき、検出信号Ｓに出力する。検出信号Ｓは、例えば、パルス信号としてカウンタ回路に入力され、これによって、歯４１が磁気センサの近傍を通過するごとにカウンタ値を１つ増加させて、歯４１を計数することができる。

次に、本発明に係る磁気センサの特徴である回路基板１について詳述する。図３は、ＭＲ素子１１を透視状態で表した回路基板１の斜視図であり、図４は、磁束φの変化を表した、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。ここで、図４（ａ）は、第１の状態における磁束φの様子を表し、図４（ｂ）は、第２の状態における磁束φの様子を表している。

回路基板１は、磁束吸収体１２の内部に、ＭＲ素子１１とリード配線などが形成された板状の積層体１３を設けた構造を有する。磁束吸収体１２は、直方体形状を有し、軟磁性体であるパーマロイなどから形成されている。

積層体１３は、例えば直列接続された４個のＭＲ素子１１を有している。もっとも、このような接続形態によらず、ブリッジ接続の形態であってもよく、また、個数にも限定はない。なお、出力電圧Ｖｏｕｔを出力するための出力端子は、直方体の何れの面に設けてもよいが、磁束吸収体１２を透過する磁束φへの影響を低減するように、その主たる磁束透過面１２１を避けて、例えば積層体１３の下方の底面１２２に設けるのが好ましい。

図４（ａ）に示されるように、第１の状態では、磁束φの磁束量が少なく、全ての磁力線が磁束吸収体１２に吸収され、ＭＲ素子１１を通過する磁力線はない。このとき、永久磁石３の磁束φだけではなく、外部磁界の磁束も磁束吸収体１２に吸収され、その影響はＭＲ素子１１に及ばない。

他方、図４（ｂ）に示されるように、第２の状態に至ると、当該磁束量が増加し、磁束吸収体１２の飽和磁束量φｍａｘを上回ることによって、磁力線が磁束吸収体１２の内部のＭＲ素子１１を透過するようになる。

したがって、ＭＲ素子１１は、第１の状態では無磁場状態にある一方、第２の状態では磁場に曝され、これらの状態は、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値により明確に判別される。したがって、状態検出部２は、回路基板１の出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、回路基板１に与えられた磁界の磁束量が閾値以下である第１の状態と、与えられた磁界の磁束量が閾値より多い第２の状態とを検出することができるのである。

そして、磁束吸収体１２は、その飽和磁束量φｍａｘが当該閾値となるように定まった形状、または大きさを有する。例えば、図３に示された磁束透過面１２１の面積、またはアスペクト比（ａ：ｂ）は、所望の特性が得られるように調整されている。

例を挙げると、本実施形態に係る磁気センサは、永久磁石３を備えるから、この永久磁石３から発生する磁力線を、図４に模式的に示す如く、コンピュータによる磁場シミュレーションを行って解析し、その結果を用いて磁束吸収体１２の磁束透過面１２１の面積、またはアスペクト比を決定するのは有効な手法である。さらに、予測しうる範囲で外部磁界の強度などのパラメータを考慮することも重要である。

次に、磁気センサの電気的特性について述べる。図５は、回路基板１の磁束密度Ｂ（Ｔ）に対する出力電圧Ｖｏｕｔ（Ｖ）の特性を示すグラフである。この特性は原点対称であるから、以下の説明では正負領域の区別はないものとする。また、図中の破線は、仮に磁束吸収体１２が存在しない場合の特性を示している。

実線で示された特性を見ると、磁束密度Ｂに関わらずに出力電圧Ｖｏｕｔが一定の約０（Ｖ）を示す第１の領域Ｓ１と、磁束密度Ｂの増加に伴って出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が飽和値まで増加する第２の領域Ｓ２とが存在することが理解される。これらの領域Ｓ１，Ｓ２は、回路基板１に与えられた磁束量が飽和磁束量φｍａｘと等しくなる飽和点Ｐにより区分けされる。つまり、第１の領域Ｓ１は上記の第１の状態に対応し、第２の領域Ｓ２は上記の第２の状態に対応するのである。ここで、上記の閾値Ｖｒｅｆ（Ｖ）は、ノイズなどを考慮したうえで、０（Ｖ）に近い値に設定されている。

したがって、状態検出部２は、第１の状態の検出範囲として、原点Ｏから飽和点Ｐに至るまでの磁束密度Ｂの範囲ΔＢ１を有することになる。これに対して、破線で示された特性は、出力電圧Ｖｏｕｔが約０（Ｖ）を示す磁束密度の範囲ΔＢ２を有している。

図から明らかなように、磁束密度の範囲ΔＢ１＞＞磁束密度の範囲ΔＢ２であり、これは、磁束吸収体１２でＭＲ素子１１を覆うことによって、飽和点Ｐに至らしめる磁束量を増加させたために他ならない。言い換えれば、磁束吸収体１２により無磁場状態の検出範囲が拡張されたのである。

したがって、状態検出部２は、歯車の歯４１の形状、センサの取付位置、または外部磁界などの環境条件に起因する磁束量の誤差に関わらず、無磁場状態を安定に検出することができる。もっとも、その前提として、既に述べたように磁束吸収体１２の形状、または大きさが、適宜に定められている必要がある。

次に、他の実施形態について説明する。図６は、本発明に係る磁気センサを適用した開閉式電子機器の側面図である。ここで、図６（ａ）は開状態を表し、図６（ｂ）は閉状態を表している。また、図示された開閉式電子機器は、典型的には携帯電話機であるが、これに限定されるわけではなく、携帯型ゲーム機、ノート型ＰＣなども含まれる。

開閉式電子機器は、略平板状の第１の本体部５１及び第２の本体部５２と、これらの本体部５１，５２を開閉自在となるように接続するヒンジ部５３とを備えている。ヒンジ部５３は、第１の本体部５１の板面が、第２の本体部５２の板面に対して約０〜１８０（度）の範囲で回動するように設けられている。

そして、第２の本体部５２の内部には磁気センサが設けられ、他方、第１の本体部５１の内部には、閉状態において磁気センサに検出用磁束φｓを与えるための永久磁石６が設けられている。磁気センサの回路基板１と永久磁石６は、より確実に開閉状態が検知されるように、第１の本体部５１と第２の本体部５２の端部の対応位置にそれぞれ設けられている。なお、便宜上、状態検出部２は図面から省略されている。

本実施形態の磁気センサは、検出対象である第１の本体部５１が永久磁石６を備えているから、先に説明した実施形態とは異なり、回路基板１に常に磁界を与える永久磁石３を必要としない。このため、先の実施形態と比較すると、磁束吸収体１２の飽和磁束量φｍａｘを小さく設定する必要があるが、本体部５１，５２に内蔵された他の電子部品から発生する磁界や外部磁界などの影響を受けないように十分なマージンが必要となるのは言うまでもない。

もっとも、本発明に係る磁気センサを開閉式電子機器に適用するにあたり、このような実施形態に限定されず、永久磁石６に代えて鉄などの強磁性体を設けておき、先の実施形態のように、回路基板１に磁界を与える永久磁石３を設けても良い。さらに、永久磁石３に代えて、電磁石やコイルなどを用いることもできる。

本発明に係る磁気センサは、磁気抵抗効果素子１１が、軟磁性材料からなる磁束吸収体１２により覆われているから、この磁束吸収体１２が、回路基板１に与えられる磁界の磁束を、その飽和磁束量φｍａｘまで吸収して、当該磁束が磁気抵抗効果素子１１に与えられないようにすることができ、一方、当該磁界の磁束量が磁束吸収体１２の飽和磁束量φｍａｘを超えたときに、当該磁束が磁気抵抗効果素子１１に与えられるようにすることができる。

ここで、磁気抵抗効果素子１１は、周知のとおり、与えられた磁界の磁束に応じて抵抗値が変化する性質を有しているから、回路基板１の出力端子から得られる出力電圧Ｖｏｕｔも当該磁界の磁束量に応じて変化する。このため、当該磁界の磁束量が磁束吸収体１２の飽和磁束量φｍａｘ以下であるとき、出力電圧Ｖｏｕｔは一定の電圧値を示し、一方、当該磁界の磁束量が磁束吸収体１２の飽和磁束量φｍａｘを超えたときに、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値は増加を始める。

この特性によって、状態検出部２は、出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、回路基板１に与えられた磁界の磁束量が閾値以下である第１の状態と、当該磁界の磁束量が閾値より多い第２の状態とを検出する。ここで、磁束吸収体１２は、その飽和磁束量φｍａｘが当該閾値となるように定まった形状、または大きさを有する。

したがって、磁束吸収体１２の形状、または大きさを調整することによって、磁気センサの適用される環境条件に応じ、無磁場である第１の状態と、磁場が存在する第２の状態とのバランスを保つように当該閾値を好適に設定することができる。

よって、環境条件に起因する磁束量の誤差の影響を排除するように、無磁場の検出のための磁束量の範囲ΔＢ１を好適に拡張することができるのである。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

１回路基板
１１磁気抵抗効果素子
１２磁束吸収体
１２１磁束透過面
２状態検出部
３，６永久磁石
Ｖｏｕｔ出力電圧
φ 磁束
φｍａｘ飽和磁束量

Claims

軟磁性材料からなる磁束吸収体により覆われた磁気抵抗効果素子を有する回路基板と、状態検出部とを含む磁気センサであって、
前記状態検出部は、前記磁気抵抗効果素子の出力電圧に基づいて、前記回路基板に与えられた磁界の磁束量が閾値以下である第１の状態と、前記与えられた磁界の磁束量が前記閾値より多い第２の状態とを検出し、
前記磁束吸収体は、その飽和磁束量が前記閾値となるように定まった形状、または大きさを有しており、
更に、前記磁束吸収体は、直方体形状を有し、前記飽和磁束量が前記閾値となるように前記与えられた磁界の磁束透過面の面積、またはアスペクト比が定まっている、
磁気センサ。
請求項１に記載された磁気センサであって、
前記回路基板に磁界を与える磁石、またはコイルを含む、
磁気センサ。