JP7230470B2 - 磁気検出装置及び移動体検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体の相対移動による磁界変化を検出する磁気検出装置及びそれを備える移動体検出装置に関する。

従来より、軟磁性体歯車等の移動体の位置検出（回転検出）に、磁気検出装置が用いられている。下記特許文献１の磁気検出装置は、移動体に交番磁界を印加し、移動体の相対移動による磁界変化を磁気センサで検出する構成である。これによれば、移動体が銅やアルミ等の非磁性体であっても移動検出が可能である。

再公表特許WO2017/073280号公報

特許文献１の磁気検出装置では、移動体の存在する側から順に、軟磁性体、磁気感応素子、及び基板が配置される。この配置では、軟磁性体を高背化すると、集磁効果が高まることで検出感度（得られる信号レベル）が向上するものの、移動体と磁気感応素子との距離が長くなることで空間分解能（どれだけ狭ピッチの歯車を検出できるかの性能）が低下する。一方、移動体と磁気感応素子との距離を短くすると、空間分解能は向上するものの、軟磁性体が低背化することで検出感度が低下する。

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、移動体と磁気感応素子との距離を長くせずに軟磁性体を高背化することの可能な磁気検出装置及び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、磁気検出装置である。この磁気検出装置は、
移動体の相対移動による磁界変化を検出する磁気検出装置であって、
基板と、
前記基板の反移動体側の面に設けられた磁気感応素子と、
前記磁気感応素子の反移動体側に設けられた軟磁性体と、
前記基板の反移動体側の面に設けられ、前記磁気感応素子及び前記軟磁性体の周囲を周回する磁界発生導体と、
前記磁界発生導体に交番磁界を発生させるための信号を印加する信号印加部と、を備える。

本発明のもう１つの態様は、移動体検出装置である。この移動体検出装置は、
磁気検出装置と、前記磁気検出装置に対して相対移動する移動体と、を備え、
前記磁気検出装置は、
基板と、
前記基板の反移動体側の面に設けられた磁気感応素子と、
前記磁気感応素子の反移動体側に設けられた軟磁性体と、
前記基板の反移動体側の面に設けられ、前記磁気感応素子及び前記軟磁性体の周囲を周回する磁界発生導体と、
前記磁界発生導体に交番磁界を発生させるための信号を印加する信号印加部と、を有する。

前記基板と垂直な方向において、前記磁気感応素子から前記軟磁性体の反移動体側の端部までの距離が、前記磁気感応素子から前記移動体の前記磁気検出装置との対向面までの距離よりも長くてもよい。

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、移動体と磁気感応素子との距離を長くせずに軟磁性体を高背化することの可能な磁気検出装置及び移動体検出装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る移動体検出装置１の概略斜視図。 図１の磁気検出装置１０の正断面図。 磁気検出装置１０の平面図。 磁気検出装置１０の回路図。 移動体検出装置１における、図６～図８に示す測定結果を得たシミュレーションの説明図。 軟磁性体１６の高さを０．７ｍｍ、１．１ｍｍ、１．３ｍｍとした各場合において、磁気検出装置１０を直線移動体８０に対してＸ方向に相対移動させた場合の、磁気検出装置１０のセンサ出力のグラフ。 図６の各センサ出力を、各センサ出力の最大値を１００％として正規化したグラフ。 図６の各センサ出力の振幅を、軟磁性体１６の高さが０．７ｍｍの場合の振幅を１００％として比較したグラフ。 本発明の実施の形態２に係る移動体検出装置２の概略斜視図。 本発明の実施の形態３における磁気検出装置１０Ａの回路図。

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。

（実施の形態１）
図１～図８を参照し、本発明の実施の形態１を説明する。図２及び図３により、直交三軸であるＸＹＺ軸を定義する。図１に示すように、本実施の形態の移動体検出装置１は、磁気検出装置１０と、直線移動体８０と、を備える。図２において、直線移動体８０の磁気検出装置１０側の面を仮想線で示している。

磁気検出装置１０は、直線移動体８０の一方の面と対向する位置に設けられ、直線移動体８０の相対的な直線移動による磁界変化を検出する。直線移動体８０は、自身の移動によって磁気検出装置１０と対向し得る位置に、第２の部分としての貫通孔８２を有する。貫通孔８２は、直線移動体８０の相対移動方向（Ｘ方向）に沿って同じピッチで設けられる。隣り合う貫通孔８２の間の境界部８１が第１の部分に対応する。直線移動体８０は、軟磁性体であってもよいし、導電性を有してもよい（金属製ないし導体であってよい）。

図１～図３に示すように、磁気検出装置１０は、基板１１と、磁界発生導体としてのコイル１２と、磁気感応素子チップ１４と、軟磁性体１６と、を有する。磁気感応素子チップ１４は、基板１１の直線移動体８０とは反対側の面上に設けられる（固定される）。軟磁性体１６は、磁気感応素子チップ１４の直線移動体８０とは反対側の面上に設けられる（固定される）。コイル１２は、基板１１の直線移動体８０とは反対側の面上に設けられ（固定され）、磁気感応素子チップ１４及び軟磁性体１６の周囲を螺旋状に周回する。コイル１２の軸方向は、直線移動体８０の磁気検出装置１０との対向面と好ましくは垂直である。コイル１２は、後述の信号印加部１９からの供給信号により、直線移動体８０に対して交番磁界を発生する。

磁気感応素子チップ１４は、磁気感応素子としてのＧＭＲ素子１５（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive effect）を所定数（ここでは４つ）有する。図３に示すように、ＧＭＲ素子１５は、軟磁性体１６（コイル１２の中心軸）を挟んでＸ方向両側に分けて配置される。図３において各ＧＭＲ素子１５内に示した矢印は、ＧＭＲ素子１５のピン層（固定層）の磁化方向であり、いずれのＧＭＲ素子１５もピン層磁化方向は－Ｘ方向となっている。軟磁性体１６は、コイル１２の中心軸部に位置し、ＧＭＲ素子１５の出力（抵抗変化）に寄与する方向（ここではＧＭＲ素子１５の位置におけるＸＹ方向）の磁界成分を強める役割を持つ。ＧＭＲ素子１５には、コイル１２の発生する磁界であって直線移動体８０の相対移動に伴って変化する磁界が印加される。図２に示すように、基板１１と垂直な方向において、ＧＭＲ素子１５から軟磁性体１６の直線移動体８０とは反対側の端部までの距離Ｌ１が、ＧＭＲ素子１５から直線移動体８０の磁気検出装置１０との対向面までの距離Ｌ２よりも長いとよい。

直線移動体８０が導電性を有する場合、直線移動体８０の境界部８１が磁気検出装置１０と対向するとき（境界部８１がコイル１２の中心軸上に存在するとき）は、境界部８１に相対的な大きな渦電流が発生し、相対的な大きな反磁界が磁気検出装置１０のＧＭＲ素子１５にフィードバックされ、後述の同期検波によって得られるセンサ出力は相対的に小さくなる。一方、直線移動体８０の貫通孔８２が磁気検出装置１０と対向するとき（貫通孔８２がコイル１２の中心軸上に存在するとき）は、境界部８１に相対的な小さな渦電流が発生し、相対的な小さな反磁界が磁気検出装置１０のＧＭＲ素子１５にフィードバックされ、後述の同期検波によって得られるセンサ出力は相対的に大きくなる。

直線移動体８０が軟磁性体である場合、直線移動体８０の境界部８１が磁気検出装置１０と対向するときは、貫通孔８２が磁気検出装置１０と対向する場合と比較して、コイル１２の発生する磁界が強められ（ＧＭＲ素子１５に印加される磁界が強められ）、センサ出力が大きくなる。直線移動体８０が軟磁性体である場合と導電性を有する場合のいずれにおいても、磁気検出装置１０が直線移動体８０の境界部８１と対向しているか貫通孔８２と対向しているかによって異なるレベルのセンサ出力が得られ、直線移動体８０の相対移動速度や相対位置等の移動状態を検出することができる。なお、直線移動体８０が軟磁性体であって導電性も有する場合、軟磁性体である境界部８１がＧＭＲ素子１５への印加磁界を強めることによりセンサ出力を相対的に大きくする影響と、導電性を有する境界部８１が反磁界によりセンサ出力を相対的に小さくする影響とが併存し、より大きい方の影響がセンサ出力の相対的な大小に強く表れることになる。

図４に示すように、フルブリッジ接続された４つのＧＭＲ素子１５（ＧＭＲ素子ブリッジ回路）の出力は、オペアンプ等の差動増幅器１７によって増幅され、演算部（同期検波部）１８に入力される。一方、信号印加部１９は、コイル１２に交番磁界を発生させるための信号を印加すると共に、同信号を演算部１８にも入力する。演算部１８は、乗算器及びローパスフィルタを含み、差動増幅器１７の出力信号を信号印加部１９からの前記信号により同期検波し、センサ出力として外部に出力する。図示は省略したが、信号印加部１９と演算部１８との間に位相調整手段を設け、信号印加部１９の出力信号の位相を差動増幅器１７の出力信号の位相と合わせるようにしてもよい。差動増幅器１７の出力端子とグランドとの間に、差動増幅器１７の出力端子の電圧を確実に決めるための抵抗を接続してもよい。

信号印加部１９の出力信号の周波数Ｆｓは、直線移動体８０の相対移動速度と直線移動体８０の境界部８１又は貫通孔８２の配置ピッチとから決まる、直線移動体８０と磁気検出装置１０との対向状態の変動周波数Ｆｃ［Ｈｚ］以上の周波数とする（Ｆｓ≧Ｆｃ）。好ましくはＦｓ≧２×Ｆｃであり、Ｆｓは、磁気検出装置１０の各素子の特性上許容される範囲で高いほど検出精度の向上に寄与する。

以下、軟磁性体１６の高さとセンサ出力の関係についてシミュレーション結果を基に説明する。シミュレーションは、図５のモデルによって行った。具体的には、直線移動体８０の貫通孔８２のＸ方向の幅を３ｍｍ、貫通孔８２の配置ピッチを６ｍｍとし、磁気検出装置１０のＸ方向位置（以下「センサ位置」とも表記）はコイル１２の中心軸のＸ方向位置と境界部８１のＸ方向中央位置とが一致する位置を０ｍｍとした。また、軟磁性体１６の高さＨは、０．７ｍｍ、１．１ｍｍ、１．３ｍｍの三パターンとした。コイル１２の高さは、コイル１２の上端位置が、高さ１．３ｍｍの軟磁性体１６の上端位置と一致するように設定した。

図６は、軟磁性体１６の高さを０．７ｍｍ、１．１ｍｍ、１．３ｍｍとした各場合において、磁気検出装置１０を直線移動体８０に対してＸ方向に相対移動させた場合の、磁気検出装置１０のセンサ出力のグラフである。図６より、各場合において、信号レベルの違いと若干の位相の違いは見られるものの、センサ位置に応じて変化するセンサ出力が確認できた。

図７は、図６の各センサ出力を、各センサ出力の最大値を１００％として正規化したグラフである。図７より、軟磁性体１６の高さを０．７ｍｍ、１．１ｍｍ、１．３ｍｍとした各場合のセンサ出力は互いにほぼ重なっており、軟磁性体１６を高背化しても空間分解能が悪化しないことが確認できた。図８は、図６の各センサ出力の振幅を、軟磁性体１６の高さが０．７ｍｍの場合の振幅を１００％として比較したグラフである。図８より、軟磁性体１６を高背化することで、センサ出力の振幅が大きくなり、検出感度が向上したことが確認できた。

本実施の形態によれば、磁気検出装置１０は、直線移動体８０の存在する側から順に、基板１１、磁気感応素子チップ１４、及び軟磁性体１６を配置したレイアウトのため、磁気感応素子チップ１４のＧＭＲ素子１５と直線移動体８０との距離を長くせずに、軟磁性体１６を高背化することができる。これにより、ＧＭＲ素子１５と直線移動体８０との距離を短いものとして高い空間分解能を維持しながら、軟磁性体１６を高背化して検出感度を向上させることができる。

（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２に係る移動体検出装置２の概略斜視図である。移動体検出装置２は、図１に示した実施の形態１ものと比較して、検出対象の移動体が直線移動体８０から回転体２０に替わった点で相違し、その他の点で一致する。磁気検出装置１０は、回転体２０の径方向外側において回転体２０の外周面（外周部）と対向する位置に設けられ、回転体２０の回転による磁界変化を検出する。コイル１２の軸方向は、回転体２０の軸方向と好ましくは垂直である。

回転体２０は、歯車形状であって、外周面（外周部）に第１の部分としての凸部２１及び第２の部分としての凹部２２を有する。本実施の形態の例では、凸部２１及び凹部２２は、回転体２０の外周面に交互に同じピッチで全周に渡って設けられる。回転体２０の凸部２１が磁気検出装置１０と対向するときは、実施の形態１において境界部８１が磁気検出装置１０と対向するときに対応する。回転体２０の凹部２２が磁気検出装置１０と対向するときは、実施の形態１において貫通孔８２が磁気検出装置１０と対向するときに対応する。本実施の形態も、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３における磁気検出装置１０Ａの回路図である。磁気検出装置１０Ａは、図４に示した実施の形態１のものと比較して、ＧＭＲ素子ブリッジ回路への入力電圧が電源電圧Ｖccから信号印加部１９の出力信号に替わった点と、信号印加部１９から演算部１８への信号入力が無くなった点と、演算部１８がローパスフィルタ１８ａに替わった点で相違し、その他の点で一致する。図示は省略したが、信号印加部１９の出力する出力信号（交番電圧）の位相を調整してＧＭＲ素子ブリッジ回路に入力する位相調整手段を設け、信号印加部１９からの交番電圧によってコイル１２に発生する交番磁界の位相（すなわちＧＭＲ素子１５の抵抗値変化の位相）と、ＧＭＲ素子ブリッジ回路に印加される電圧の位相と、を合わせるようにしてもよい。コイル１２は、信号印加部１９の出力端子とグランドとの間に、ＧＭＲ素子ブリッジ回路と直列に設けられてもよい。この場合、前述の位相調整手段を設けなくても、コイル１２に流れる電流の位相（コイル１２の発生する交番磁界の位相）と、ＧＭＲ素子ブリッジ回路に印加される電圧及びＧＭＲ素子ブリッジ回路に流れる電流の位相と、が一致するため、回路構成を簡略化できるというメリットがある。

本実施の形態では、ＧＭＲ素子ブリッジ回路への入力電圧を信号印加部１９の出力信号としたことで、差動増幅器１７の出力電圧は、ＧＭＲ素子ブリッジ回路への印加磁界と信号印加部１９の出力電圧との積に比例する。一方、実施の形態１では、演算部１８における乗算器の出力信号が、ＧＭＲ素子ブリッジ回路への印加磁界と信号印加部１９の出力電圧との積に比例する。すなわち、本実施の形態では、実施の形態１の演算部１８における乗算器の出力信号と比例する信号を差動増幅器１７の出力端子に得ることができるため、乗算のための専用回路を設けずに、ＧＭＲ素子ブリッジ回路に印加される磁界信号の同期検波が可能となる。よって、本実施の形態の磁気検出装置１０Ａ及びそれを用いた移動体検出装置は、乗算のための専用回路が不要な分、小型かつ低コストなものとなる。

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や各処理プロセス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、磁気検出装置における磁界検出の方式が磁気比例式である場合を説明したが、磁界検出の方式は磁気平衡式であってもよい。この場合、差動増幅器１７の出力端子とグランドとの間に負帰還用コイル（負帰還用磁界発生導体）及び電流電圧変換用の抵抗を設け、この抵抗の電圧を演算部１８あるいはローパスフィルタ１８ａに入力する構成とすればよい。負帰還用コイルは、ＧＭＲ素子ブリッジ回路を磁気平衡状態にする負帰還磁界を発生する。磁気平衡状態は、ＧＭＲ素子ブリッジ回路における磁界の感磁方向成分が所定値（例えばゼロ）の状態である。磁気平衡式では、ＧＭＲ素子ブリッジ回路を磁気平衡状態にするために負帰還用コイルに流れる電流を利用して、ＧＭＲ素子ブリッジ回路に印加される磁界信号を検出する。

直線移動体８０の貫通孔８２、あるいは回転体２０の凸部２１もしくは凹部２２は、少なくとも１つあれば足り、また複数設ける場合の配置ピッチは互いに異なってもよい。移動体は、実施の形態で例示した回転体２０や直線移動体８０に限定されず、相対移動によりＧＭＲ素子１５の位置での磁界を変化させられるものであればよい。特許文献１に例示された移動体は全て検出対象となり得る。磁気感応素子は、ＧＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子に限定されず、ホール素子等の他の種類のものであってもよい。ホール素子の場合、コイル１２の中心軸上に配置しても検出に必要なセンサ出力が得られる。

１、２ 移動体検出装置、
１０、１０Ａ 磁気検出装置、
１１ 基板、１２ コイル（磁界発生導体）、１４ 磁気感応素子チップ、１５ ＧＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）、１６ 軟磁性体、１７ 差動増幅器、１８ 演算部（同期検波部）、１８ａ ローパスフィルタ、１９ 信号印加部、
２０ 回転体（移動体）、２１ 凸部（第１の部分）、２２ 凹部（第２の部分）、
８０ 直線移動体、８１ 境界部（第１の部分）、８２ 貫通孔（第２の部分）

Claims (3)

1. 移動体の相対移動による磁界変化を検出する磁気検出装置であって、
   基板と、
   前記基板の反移動体側の面に設けられた磁気感応素子と、
   前記磁気感応素子の反移動体側に設けられた軟磁性体と、
   前記基板の反移動体側の面に設けられ、前記磁気感応素子及び前記軟磁性体の周囲を周回する磁界発生導体と、
   前記磁界発生導体に交番磁界を発生させるための信号を印加する信号印加部と、を備える、磁気検出装置。
2. 磁気検出装置と、前記磁気検出装置に対して相対移動する移動体と、を備え、
   前記磁気検出装置は、
   基板と、
   前記基板の反移動体側の面に設けられた磁気感応素子と、
   前記磁気感応素子の反移動体側に設けられた軟磁性体と、
   前記基板の反移動体側の面に設けられ、前記磁気感応素子及び前記軟磁性体の周囲を周回する磁界発生導体と、
   前記磁界発生導体に交番磁界を発生させるための信号を印加する信号印加部と、を有する、移動体検出装置。
3. 前記基板と垂直な方向において、前記磁気感応素子から前記軟磁性体の反移動体側の端部までの距離が、前記磁気感応素子から前記移動体の前記磁気検出装置との対向面までの距離よりも長い、請求項２に記載の移動体検出装置。

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