JP6540010B2

JP6540010B2 - 磁気センサユニット

Info

Publication number: JP6540010B2
Application number: JP2014257958A
Authority: JP
Inventors: 宇史原; 加藤　学; 加藤　　学; 憲一田口
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2019-07-10
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: JP2016118456A

Description

本発明は、磁性体の回転や移動に伴う磁界の方向の変化を検出する磁気センサユニットに関する。

従来、磁界を与える磁石と、磁界の方向を検出するＧＭＲ（giant magneto resistive effect）素子と、を有し、磁性体としての回転部材の回転に伴う磁界の方向をＧＭＲ素子によって検出することにより、当該回転部材の回転角度を検出する回転角センサが、知られている（例えば、特許文献１）。

特許第５３１３１７８号公報

上記従来の回転角センサでは、所要の検出感度が得られ難い場合があった。そこで、本発明の課題の一つは、例えば、より感度の高い磁気センサユニットを得ることである。

本発明における磁気センサユニットは、磁界の方向を検出する検出素子と、上記検出素子の検出対象となる軟磁性体の対象物の移動に伴って上記検出素子での方向が変化する第一の磁界を生じさせる第一の磁石と、第一の磁石とは反対方向に磁化され、上記検出素子における上記検出対象の移動に伴う磁界の方向の変化量が上記第一の磁石による磁界の方向の変化量に比べて少なくなるように配置された第二の磁石とを備えるよう構成し、上記検出素子が上記第一の磁石よりも上記第二の磁石の近くに位置されたものである。

この磁気センサユニットにおいて、上記第二の磁石により上記検出素子に形成される第二の磁界の上記磁石の磁化方向に平行な成分の大きさが上記第一の磁界の上記磁石の磁化方向に平行な成分より小さい場合、第一の磁界と第二の磁界との合成磁界の方向変化量が、第一の磁界の方向の変化量よりも大きくなり検出感度が向上する。なお、第一と第二の磁界の合成磁界の内上記磁石の磁化方向に平行な成分の大きさが上記第一の磁界の上記磁石の磁化方向に平行な成分の大きさより十分小さく、第二の磁界の上記磁石の磁化方向に直交成分の大きさが上記第一の磁界の上記磁石の磁化方向に直交成分の大きさより十分小さければ、第二の磁界の上記磁石の磁化方向に平行な成分の大きさが上記第一の磁界の上記磁石の磁化方向に平行な成分より大きい場合でも、合成磁界の方向変化量が、第一の磁界の方向の変化量よりも大きくでき検出感度が向上する。さらに、このような磁気センサユニットによれば、第二の磁石が第一の磁石よりも検出素子の近くに位置することで、第二の磁界が対象物の影響を受け難くなる。また、上記構成により、磁気センサユニットは、第二の磁石によって外部に形成される磁束が少ないため、第二の磁界を大きくできる。したがって、磁気センサユニットは、対象物の変位に対する上記合成磁界の角度変化が大きくなることで検出感度が向上する。これにより、磁気センサユニットは、第二の磁石を小さくすることや、より保持力の小さい材料にでき、上記センサユニットの小型化や低コスト化を可能とする。

また、上記磁気センサユニットは、上記第二の磁石は、上記第一の磁石よりも上記対象物から遠くに位置するとよい。

このような磁気センサユニットによれば、第二の磁石が第一の磁石よりも遠くに位置することにより、第二の磁界が対象物の影響を受け難くなる。したがって、磁気センサユニットは、対象物の変位に対する上記合成磁界の角度変化が大きくなるため、検出感度が向上する。

また、磁気センサユニットは、上記検出素子が上記第二の磁石を一体に設けるとよい。

このような磁気センサユニットによれば、第二の磁界は上記対象物の影響を受け難くなり、対象物の変位に対する上記合成磁界の角度変化が大きくでき検出感度が向上するとともに、磁気センサユニットがより小さくできる。

図１は、第１実施形態の磁気センサユニットおよび対象物の、当該対象物の回転中心の軸方向の視線での例示的な正面図である。図２は、第１実施形態の磁気センサユニットおよび対象物の一部の例示的な斜視図である。図３は、第１実施形態の磁気センサユニットおよび対象物の、当該対象物の回転中心の周方向の視線からの視野図である。図４は、第１実施形態の検出素子の例示的な斜視図である。図５は、第１実施形態の磁気センサユニットの第二の磁石の磁界による角度拡大の効果の例示的な説明図である。図６は、第２実施形態の磁気センサユニットの例示的な斜視図である。図７は、第３実施形態の磁気センサユニットの例示的な斜視図である。図８は、第４実施形態の磁気センサユニットおよび対象物の、当該対象物の回転中心の周方向の視線からの視野図である。図９は、第１実施形態の変形例の磁気センサユニットおよび対象物の例示的な正面図である。

本発明は、以下の実施形態に開示される構成によって実現可能である。

また、以下に開示される複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれるため、同様の構成要素には共通の符号が付与されるとともに重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
本発明における第１実施形態について図１〜５を用いて説明する。図１に示す磁気センサユニット１００は、回転体２００の回転を検出する回転センサの例であり、検出対象である回転体２００と第一の磁石１０１と第二の磁石１０２と磁界の方向を検出する検出素子１０３とで構成される。

回転体２００は、軟磁性体により形成された歯車であり、図１のＡｘを回転軸として回転する。なお回転体２００は基部２０１を非磁性とし突出部２０２を軟磁性体としてもよく、更に、突出部の先端部２０２ａのみを軟磁性体としてもよい。

ここで、回転軸Ａｘ方向を軸方向Ａ，回転軸Ａｘの径方向を径方向Ｒ，回転軸Ａｘ周りの周方向を周方向Ｃとする。

検出素子１０３は、例えば図４に示すように検出層を有し、軸方向Ａに直交する検出層の面内において磁界の方向に応じた信号を出力する。検出素子１０３としてＭＲ素子，ＧＭＲ素子，ＴＭＲ素子，及び軸方向Ａに直交する面内の異なる方向に感度を有する２つ以上のホール素子の出力を信号処理したものなどが考えられる。

第一の磁石１０１は、径方向Ｒに平行な方向Ｄ１に磁化されており、検出素子１０３を通る第一の磁界を形成する。このため、検出層の面内において第一の磁界に基づく軸方向Ａに直交する磁気成分の方向は、回転体２００の回転位置によって変化する。

第二の磁石１０２は第一の磁石１０１の磁化方向Ｄ１とは反対方向Ｄ２に磁化され、検出素子１０３を通る際に第一の磁界と反対方向の第二の磁界を形成する。このため、検出層の面内において第二の磁界に基づく軸方向Ａに直交する磁気成分は、回転体２００の回転位置によって変化する。

ここで図１〜３に示すように検出素子１０３は、第一の磁石１０１に対して第二の磁石１０２の近傍に配置されるため、第二の磁界は第一の磁界に比べて回転体２００の回転位置の影響を受け難い。ただし、検出素子１０３を通る磁界の強さは、第二の磁界よりも第一の磁界のほうが強いこととする。

図１〜３に示すように、第二の磁石１０２の回転体２００からの距離Ｌ２２は第一の磁石１０１の回転体２００から距離Ｌ２１に比べて回転体より離れて配置されており、第二の磁界は、第一の磁界に比べて回転体２００の回転位置による影響を受け難い。また、第二の磁石１０２の径方向Ｒの寸法を短くすることにより、第二の磁石１０２による磁石外に形成される磁束を少なくできるため、第一の磁界に対して第二の磁界の径方向Ｒの磁気成分を小さくすることが可能である。また、第二の磁石１０２の軸方向Ａの厚みを変えることや第二の磁石１０２を第一の磁石１０１に比べて残留磁束密度の低い材料への変更や第二の磁石１０２を第一の磁石１０１に比べて磁化率を下げることによっても第二の磁界の大きさの制御は可能である。

以上の構成による効果を図５に示す。図５は回転体２００の回転位置φと第一の磁界Ｍ１ｄ，第二の磁界Ｍ２ｄ及び第一の磁界Ｍ１ｄと第二の磁界Ｍ２ｄの合成磁界Ｍｄの関係の一例である。図５に示すように検出素子１０３において、第一の磁界Ｍ１ｄの径方向Ｒの磁気成分と第二の磁界Ｍ２ｄの径方向Ｒの磁気成分は逆方向で、かつ第一の磁界Ｍ１ｄの径方向Ｒの磁気成分の大きさより第二の磁界Ｍ２ｄの径方向Ｒ成分の大きさは小さい。また、第一の磁界Ｍ１ｄは回転体２００の回転位置により磁界の方向を変えるが、第二の磁界Ｍ２ｄは磁界の方向だけでなく大きさの変化量も小さくなる。

よって、第一の磁界Ｍ１ｄと第二の磁界Ｍ２ｄとの合成磁界Ｍｄは、回転体２００の回転位置による磁界の方向の変化量が第一の磁界Ｍ１ｄのみより大きくなり回転体２００の回転変位に対する感度が向上する。なお、本実施形態において、磁気センサユニット１００は、２つの検出素子１０３をセンサ中心の径方向Ｒに対し、回転方向Ｃに沿うような直交方向に配置している。これにより、例えば、磁気センサユニット１００は、２つの検出素子１０３から算出される回転体３００の回転角度の出力差から外乱ノイズの影響を抑制し、検出感度が向上する。

[第２実施形態]
本発明における第２実施形態について図６を用いて説明する。本実施形態は、上記第１実施形態の検出素子１０３と異なる検出素子１０３Ａを有する磁気センサユニット１００Ａである。なお、本実施形態の磁気センサユニット１００Ａは、回転体２００の回転を検出する回転センサである。

具体的には、図６に例示されるように、磁気センサユニット１００Ａは、第一の磁石１０１と、検出素子１０３Ａと、を備えている。また、検出素子１０３Ａは、第一の磁石１０１からピン層１０３ａ、非磁性層１０３ｂ、フリー層１０３ｃ（検出層）、非磁性層１０３ｄ、第二の磁石１０２Ａの順に積層されている。

第一の磁石１０１は、上記第１実施形態と同様に径方向Ｒに平行な方向Ｄ１に磁化されており、検出素子１０３Ａを通る第一の磁界を形成する。このため、検出層となるフリー層１０３ｃの面内において第一の磁界に基づく軸方向Ａに直交する磁気成分の方向は、回転体２００の回転位置によって変化する。

第二の磁石１０２Ａは、上記第１実施形態と同様に第一の磁石１０１の磁化方向Ｄ１とは反対方向Ｄ２に磁化され、検出素子１０３Ａを通る際に第一の磁界と反対方向の第二の磁界を形成する。このため、フリー層１０３ｃの面内において第二の磁界に基づく軸方向Ａに直交する磁気成分は、回転体２００の回転位置によって変化する。

ピン層１０３ａは、第一の磁石１０１に近接して配置されており、軸方向Ａと直交しかつ方向Ｄ１，Ｄ２と直交した方向Ｄ３に着磁されている。

したがって、検出素子１０３Ａは、第二の磁石１０２Ａが一体となった構造であるため、第二の磁界は第一の磁界に比べて回転体２００の回転位置の影響を受け難く、上記第１実施形態と同様に、フリー層１０３ｃにおける第一の磁界Ｍ１ｄと第二の磁界Ｍ２ｄとの合成磁界Ｍｄが回転体２００の回転位置による磁界の方向の変化量が第一の磁界Ｍ１ｄのみより大きくなり回転体２００の回転変位に対する感度が向上するという効果も得られる。また、磁気センサユニット１００Ａがより小さく構成できるという効果も奏する。

[第３実施形態]
本発明における第３実施形態について図７を用いて説明する。本実施形態は、上記第１実施形態又は第２実施形態の検出素子１０３又は１０３Ａを備える磁気センサユニット１００Ｂである。なお、本実施形態の磁気センサユニット１００Ｂは、回転体２００の回転を検出する回転センサである。

本実施形態における磁気センサユニット１００Ｂは、図７に例示されるように、部品として、第一の磁石１０１や、検出素子１０３Ａ、処理回路部１０４、板状の導体部１０５ａ，１０５ｂ、導線１０５ｃ、等を備えており、これら部品がケース部１０６によって被覆されることで一体化している。この検出素子１０３Ａは、上記第２実施形態と同様の構成である。ただし、検出素子１０３Ａと第二の磁石１０２とが別に設けられてもよい。また、ケース部１０６は、部品の保護性が高まるため、例えば絶縁性かつ非磁性の合成樹脂材料で構成してもよい。更に、処理回路部１０４を一体化したため、処理回路部１０４を検出素子１０３Ａ等とは別に構成した場合に比べて、部品点数を減らすことができる。また、本実施形態において、磁気センサユニット１００Ｂは、４つの検出素子が設けられている。２つの検出素子１０３Ａを径方向Ｒのセンサ中心に対し、回転方向Ｃに沿うような直交方向に配置され、更に、この２つの検出素子１０３Ａに対して当該センサ中心軸方向にそれぞれ検出素子１０３Ｂが配置されている。ここで検出素子１０３Ｂは、ピン層の磁化方向が検出素子１０３Ｂとは反対方向に磁化されている。したがって、本実施形態の磁気センサユニット１００Ｂは、位相差の検出対象が第１実施形態等よりも多くなるため、外乱ノイズをより抑制することが可能であるため、検出感度も向上する。なお、本実施形態では、四つの検出素子１０３Ａが設けられているが、検出素子１０３Ａの数は、これには限定されない。

[第４実施形態]
本発明における第４実施形態について図８を用いて説明する。図８に示す磁気センサユニット１００Ｃは、回転体２００の回転を検出する回転センサの例であり、検出対象である回転体２００と第一の磁石１０１と第二の磁石１０２と磁界の方向を検出する検出素子１０３とで構成される。

本実施形態の磁気センサユニット１００Ｃは、図８に示すように上記第１実施形態とは異なり、検出素子１０３が第一の磁石１０１と第二の磁石１０２との間に挟まれた状態で設けられている。

第一の磁石１０１は、上記第１実施形態と同様に径方向Ｒに平行な方向Ｄ１に磁化されており、検出素子１０３Ａを通る第一の磁界を形成する。また、第二の磁石１０２は、上記第１実施形態と同様に第一の磁石１０１の磁化方向Ｄ１とは反対方向Ｄ２に磁化され、検出素子１０３Ａを通る際に第一の磁界と反対方向の第二の磁界を形成する。ただし、図８に示すように検出素子１０３と第ニの磁石１０２が接する場合は、第二の磁界が第二の磁石１０２と検出素子１０３と接地部分において形成されていることが第１実施形態と異なる。

したがって、上記第１実施形態と同様に本実施形態は、図５に示されるような検出素子１０３において第一の磁界Ｍ１ｄと第二の磁界Ｍ２ｄとの合成磁界Ｍｄが、回転体２００の回転位置による磁界の方向の変化量が第一の磁界Ｍ１ｄのみより大きくなり回転体２００の回転変位に対する感度が向上するという効果も得られる。

また、本実施形態によれば、検出素子１０３が第一の磁石１０１と第二の磁石１０２との間に設けられているため、検出素子１０３の保護性が高まりやすい。なお、検出素子１０３は、例えば、非磁性の材料の層内に埋められているとよい。

[第１実施形態の移動する対象物への適用例]
第１実施形態の磁気センサユニット１００は、図９に例示されるように、移動する対象物３００、例えば平行移動する対象物３００に対しても、同様に適用することができる。

対象物３００は、基部３０１と基部３０１から所定間隔で突出する突出部３０２とで構成されており、移動方向Ｌに移動するものである。また、磁気センサユニット１００は、移動方向Ｌと直交する方向であり、突出部３０２が形成される側に配置される。なお、対象物３００は、基部３０１と非磁性とし、突出部３０２を軟磁性体としてもよく、更に、対象物３００は、少なくとも突出部の先端部２０２ａを軟磁性体としてもよい。

したがって、本実施形態は、検出素子１０３における第一の磁界Ｍ１ｄと第二の磁界Ｍ２ｄとの合成磁界Ｍｄに対して上記第１実施形態と同様な効果をえることができる。なお、対象物３００は、例えば、ベルト等である。

また、本実施形態において、対象物３００は突出部３０２を有していたが、対象物に軟磁性体が等間隔に配置されていればこれに限定されない。例えば、突出部３０２に代えて軟磁性体が等間隔に埋め込まれているような対象物でもよい。

以上、本発明の実施形態を例示したが、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各例の構成や形状は、部分的に入れ替えて実施することも可能である。また、各構成や形状等のスペック（構造や、種類、方向、形状、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等）は、適宜に変更して実施することができる。例えば、着磁方向や対象物の移動方向は、上記実施形態には限定されない。

例えば、第１実施形態等において、回転体２００は、周方向に突出部を有していたが、軸方向に突出部を有していてもよい。その際は、第一の磁石及び第二の磁石は、検出素子に及ぼす第一の磁石と第二の磁石が形成する磁界は、回転体の軸方向にとなるように配置されていればよい。

また、本実施形態は、検出素子に関しＧＭＲ素子の構造に基づいて説明したが、ＭＲ素子等の検出素子が積層構造でなくてもよく、検出素子に対して第一の磁石が形成する磁界に対して反対方向の磁界を形成する第二の磁石を配置する構成となればよい。したがって、検出素子が積層構造に限定されない。

１００，１００Ａ〜１００Ｃ…磁気センサユニット、１０１…第一の磁石、１０２，１０２Ａ…第二の磁石、１０３，１０３Ａ，１０３Ｌ，１０３Ｒ…検出素子、１０３ａ…ピン層、１０３ｂ…非磁性層、１０３ｃ…フリー層（検出層）、２００…対象物、Ｍ１，Ｍ１ｄ…第一の磁界、Ｍ２，Ｍ２ｄ…第二の磁界、Ｍｄ…合成磁界。

Claims

磁界の方向を検出する検出素子と、
前記検出素子の検出対象となる軟磁性体の対象物の移動に伴って前記検出素子での方向が変化する第一の磁界を生じさせる第一の磁石と、
第一の磁石とは反対方向に磁化され、上記検出素子における上記検出対象の移動に伴う磁界の方向の変化量が上記第一の磁石による磁界の方向の変化量に比べて少なくなるように配置された第二の磁石と、
を備え、
前記検出素子は、前記第一の磁石よりも前記第二の磁石の近くに位置された、磁気センサユニット。
前記第二の磁石は、前記第一の磁石よりも前記対象物から遠くに位置する、請求項１に記載の磁気センサユニット。
前記検出素子は、前記第二の磁石を一体に設ける、請求項１または２に記載の磁気センサユニット。