JPH0280913A - 位置センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば、ＵＳ−Ａ−４，６１２，５０２号に
開示されるような位置センサに関する。より具体的には
、本発明は磁束感応要素を通過する磁束の変化の検出に
基づくセンサに関する。

位置、速度あるいは加速度を検出することの必要性が特
に自動車産業において非常に高まっている。アンチロッ
クブレーキ（ＡＢＳ）システム、トラクション制御シス
テム、電動パワーステアリング、４輪ステアリング及び
スロットル制御はこのような検出を使用する機能の一例
である。

この用途に対しては、丈夫で信顛性が高く、小さく安価
で、（ゼロを含む）低速検出が可能で、また自動車内に
使用される他の制御システムからの電磁場の妨害に比較
的強い位置センサが要求される（速度及び加速度は位置
信号から誘導できる）。

周知の形式の位置センサは半導体磁気抵抗（ｏ＋ａｇｎ
ｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）センサである。このセンサ
は２つの基本部分を含む磁気回路から成る。これらの部
分のうち、典型的には固定される片方は、その表面を通
過する磁束密度に感応する半導体センサ要素、及び基準
磁束を生成するための永久磁石を含む。他方の部分は、
励磁機（ｅｘｃｉｔｅｒ）と呼ばれ、上記固定要素に対
して移動する一連の歯を持つ高透磁性要素を含むが、こ
れは磁気回路のりラフタンスを変化させ、センサ要素を
通過する磁束を歯の位置に対応して変動させる。

このようなセンサは磁束密度の変化の速度というよりむ
しろ磁束密度に感応するものであり、このため速度の下
限を持たない。これはまたＥ、Ｍ。

１、にも強い。さらに、この応答はセンサ要素の表面全
体を通じての磁束密度の分布から予測できる。

典型的には、固定部分はその抵抗がこれを通過する磁束
密度と伴に制御可能に変動し、これにより電気出力信号
が誘導できるような半導体要素を含む磁気抵抗体（ｍａ
ｇｎｅ　ｔｏｒｅｓ　ｉｓ　ｔｏｒ）要素を含む。

さらに、この磁気抵抗体が高い電子移動度を持つ半導体
、例えば、アンチモン化インジウムあるいはヒ化インジ
ウムなどの化合物半導体から製造された場合は、大きな
電気出力信号が得られる。この出力信号が十分に大きな
場合は、殆んど増幅を必要としない出力信号が提供でき
る可能性があり、これは大きな長所とみなすことができ
る。

大きな電気出力信号が効率的に生成でき、また、製造が
簡単で、信顛性が高く、コストの低い高感度の位置セン
サが要望されている。

励磁機の位置の所定の変化に対するセンサ要素内の磁束
の変動の大きさはセンサの感度を決定する上で重要な要
因となる。このため、今日に至るまで、励磁機の位置の
所定の変化に対するセンサを通じての磁束密度の変化を
大きくするためのさまざまな設計が試みられてきた。典
型的には、このような試みとして、磁石の磁場に対する
リターン経路を提供するための磁気回路の固定部分内に
含まれる永久磁石に対する磁束ガイドがある。これに加
えて、場合によっては、適当なサイズの磁場集中器が磁
気抵抗体要素を通じての磁束を集中させるために磁気抵
抗体要素に隣接して提供される。

ただし、例えば、これら技術は、典型的には、３ミリメ
ートルの歯のピッチ及び１ミリメートルのギャップを持
つ典型的な励磁機設計で約５％以上の磁気回路感度を与
えることは無理である。ここで、この感度は、検出され
た最大と最低の磁束密度の間の差を検出された平均磁束
密度（最大と最低の磁束密度の総和の２分の１）で割っ
たものと定義される。

本発明による位置センサは特許請求項１によって定義さ
れる特徴を持つ。

本発明は位置センサ内の新規の磁気回路に関する。これ
は単純な平坦的構成を持ち、バッチ処理を可能とし、こ
のため製造コストが安くなることを特徴とする。さらに
、先行技術によるよりかなり高い感度を達成できる可能
性を持つ。

より詳細には、本発明による磁気回路は、磁気センサ要
素の幅より数倍広く、好ましくは、少なくとも励磁機の
歯のピッチの約１．５倍の幅を持つ永久磁石から成る固
定部分を採用する。さらに、好ましい実施態様において
は、感度をさらに向上させるために、この歯の経路に隣
接する磁石の表面に高透磁性の磁気材料の薄い層、例え
ば、強磁性層が設けられ、磁気センサ要素は、好ましく
は、この磁性層の中心に置かれる。これに加えて、この
磁気センサ要素の幅が最大感度を達成するのに十分に狭
く、それでいて、検出される石ｄ束に起因する特性の変
化を検出するために使用される電気回路との良好なイン
ピーダンスマツチングを得るのに適した抵抗を持つのに
十分に広いことが望ましい。好ましくは、十分な強度の
磁石を使用することによって磁束ガイドあるいは磁場集
中器が排除される。

この磁気回路の特徴は励磁機の歯の通過が本質的に磁石
の幅に沿っての磁束密度の空間分布のみを本質的に変動
させ、これによって鋭い局所的な磁束密度の変動が生成
され、これがセンサ要素によって節単に検出されるが、
一方、この薄い強磁性の層を通過する総磁束密度は、本
質的に一定にとどまることである。これとは対照的に、
先行技術による磁気回路においては、励磁機の歯の通過
は回路のリラクタンスを変化させ、結果として、回路内
の総磁束密度を変化させる。

本発明は以下の詳細な説明を図面を参照しながら読むこ
とによって一層理解できるものである。

図面の説明に入いり、第１図は位置センサ１０の典型的
な先行技術による形式を示す。図面に示されるように、
磁気回路は、ギャップ１２Ｂの間隔を持つ一連の歯１２
Ａから成る強磁性の材料の励磁機部分１２及び片面上に
センサ要素１６を保持する永久磁石１４及び磁場に対す
るリターン経路を提供するための磁束ガイド１８から成
る固定センサ部分を含む、図示されるごとく、個々の歯
の幅は、磁石の幅及びセンサ要素の幅に概むね等しい。

オプションとして、磁場集中器（図示なし）を高透磁性
強磁性材料の薄い層の形式にてセンサ要素１６の上に位
置することもできる。

励磁機１２は典型的には１つのエツジに沿って間隔を持
った歯を持つプレートであり、この歯が検出される位置
の移動に従って永久磁石１４及びセンサ要素１６の下を
通過するように水平に移動するように設計される。別の
方法として、励磁機を円形プレートとし、この円周の回
りに間にスロ７）を持つ歯を与え、これが固定された中
心の回りを回転し、これによって検出要素に対する歯の
相対位置が変動されるようにすることもできる。

励磁機には典型的には鉄のような高透磁性強磁性材料が
使用される。

永久磁石１４は図示されるように図面の平面に垂直に分
極される。センサ要素１６は典型的には磁気抵抗体の２
端子要素であり、この抵抗はこのバルクを通じて垂直に
通過する磁束の増加とともに増加し、典型的には、磁石
と概むね同一の幅を持つ。さまざまな半導体化合物、例
えば、アンチモン化インジウム及びヒ化インジウムが強
い磁気抵抗効果を示すことが知られている。別の方法と
して、センサ要素は磁束がローレンツ力が電荷キャリヤ
を磁気ダイオード（ｍａｇｎｅｔｏｄｉｏｄｅ）の抵抗
を変調するために高キャリヤ寿命の領域から低キャリヤ
寿命の領域に反らせるのに使用されるタイプの磁気ダイ
オードであっても良い。これに加えて、幾つかのケース
においては、センサ要素は利得を提供するための磁気ト
ランジスタ（ｍａｇｎｅｔ。

ｔｒａｎｓ　ｉｓ　ｔｏｒ）であっても良い。ただし、
これは３端子デバイスであり、より複雑になる。

磁束ガイド１８にも好ましくは鉄などの高透磁性材料が
使用され、この存在はセンサを通過する磁束密度を励磁
機を通過する磁束に対する効率的なリターン経路を提供
することによって増加させる。この目的を達成するため
に、励磁機の隣接する歯の中心から中心までの間隔及び
永久磁石と磁束ガイドによって形成される磁気経路の中
心間距離が示されるように本質的に同一にされる。ただ
し、この磁束ガイドは、実際には、感度を少し向上させ
るのみであり、十分に厚い磁石によって、あるいは磁石
材料の適当な選択によって十分な磁束密度が提供される
場合は不必要である。

典型的な寸法としては、磁石１２の垂直方向の厚さ及び
水平方向の幅は両方とも約１ミリメートル、同様に、個
々の歯１２Ａの高さ及び幅は約１ミリメートル、ギャッ
プ１２Ｂの幅は約２ミリメートル、そして、図示される
位置における歯と磁石の間の間隔は約１ミリメートルと
される。磁束ガイド１８は典型的には同一の寸法とされ
、磁気経路の高さにもう１ミリメートルを加える。図面
の平面に対して垂直の磁石の横方向の寸法は、典型的に
は、センサ要素内のエツジ効果を低く保つのに十分な幅
にされる。

このタイプの磁気回路を使用した場合に得られる最大感
度は約５パーセント以下となる傾向を持つ。さらに、磁
気回路の固定部分が差分センサの別個のレッグとして使
用されるペアの磁気センサ要素を含むセンサが知られて
いる。このケースにおいては、この２つのセンサ要素が
、典型的には、センサ要素の１つが１つの歯とちょうど
対面するような位置にきたとき、他方のセンサ要素が隣
接する歯の間のギャップの中心にちょうど対面するよう
に位置され、これによって時間センサ要素からの出力の
差が最大化される。このようなセンサはより高い感度を
提供するが、反面において、より複雑となる。

第２図には、本発明による好ましい実施態様による位置
センサ２０が示される。この磁気回路は第１図に示され
る位置センサ１０内に含まれる励磁機と類似する励磁機
１２を含み、従って、同一の参照番号が使用される。磁
気回路の固定部分が第３図により詳細に示される。これ
は、図示されるように垂直に磁化された永久磁石２２を
含み、この底面には、第１図の位置センサ１０内のセン
サ要素１６と類似するセンサ要素１６が提供される。本
発明の一面によると、センサ要素１６と永久磁石２２の
中間に永久磁石２２の底面全体をカバーする高透磁性磁
気材料、例えば、鉄の層２４が含まれる。これに加えて
、この層がセンサ要素１６を電気的にショートさせない
ことを保証するために、センサ要素１６と層２４との中
間に絶縁層２６が含まれる。層２４に非導電性の材料、
例えば、高透磁性フェライトが使用される場合は、この
絶縁層２６は不要となり、従って、省くことができる。

センサ２０内において、本発明の一面によると、感度を
向上させるために、永久磁石２２の幅Ｗは第１図に示さ
れる先行技術によるセンサ１０の典型的な幅よりかなり
広くされる。好ましくは、この永久磁石の幅は、第２図
に示されるように、１つの歯と２つのギャップの幅の総
和、従って、励磁機の歯のピヅチの１．５倍とされる。

これとは対照的に、第１図に示されるセンサでは、永久
磁石１４の幅は、励磁機の歯１２Ａの幅と同一にされる
。この磁石の幅を増加することによりｔ提供される感度
の向上は、磁性層１８の提供によってさらに強化される
。

最大の磁気感度を達成するため、本発明による設計のも
う一面においては、センサ要素の幅ができるだけ狭くさ
れる。ただし、電気回路の効率のため、センサ要素は十
分に高い抵抗、例えば、少なくとも１００オームを持つ
ことが要求され、これが要素の幅の実際上の制約となる
。また、センサ要素は、十分なパワー赦免能力を持つた
めに十分に広いことが要求される。それでも、センサ要
素は、典型的には、励磁機の設計が例外的に狭い歯を持
たないかぎり歯要素よりかなり狭くなる。

図示されるごとく、センサ要素１６の両端には電極１６
Ａ及び１６Ｂが設けられ、これによってこれは適当な電
気回路内に接続される。これらは典型的には、絶縁層２
６上に堆積された金属薄膜である。強磁性層は、−例と
して、約０．１ミリメートルの厚さを持ち、低炭素鋼１
００８などの材料から作られる。結果として、製造が簡
単な一連の平坦な層から成る構成が得られる。

センサ要素１６は典型的には意図される特定の用途に従
って選択される。磁気抵抗体が、これが本質的にこれを
通過する磁束の方向に依存せず、またこの感度がこれを
通過する平均磁束強度にのみ依存し自体の形状にも依存
しないため、殆んどの用途において好ましい。小さい物
理サイズが最優先される場合は、磁気ダイオードあるい
は磁気トランジスタが好ましい。ただし、これらは、通
常、磁束がセンサ要素を通過する方向及び領域に敏感で
ある。

第４Ａ図及び４Ｂ図は、第２図に示される位置センサ２
０に対するセンサ要素１６を通じてのそれぞれ最大及び
最小磁束に対する条件を示す。第４Ａ図に示されるよう
に、センサ要素１６が励磁機の歯１２Ａの真向いにある
ときは、センサ要素１６を通じてのライン３０によって
表わされる磁束密度は相対的に高くなり、そして、励磁
機がセンサ要素１６が歯の間のギャップ１２Ｂの中心と
対面するように移動すると、センサ要素１６を通過する
磁束密度は相対的に低くなる。典型的には、２ミリ厚の
ＭＱ２１石の場合の最大磁束密度は、０．２テスラ、最
小磁束密度は０．１５テスラである。

ＭＱ２磁気材料とは、１３　１５ＭＧＯｅのエネルギー
積を有し、等方性かつ１００％デンスであり、Ｕ、Ｓ、
Ａ、ゼネラル　モーターズの製品であるＮｄＦｅＢ合金
である。

強磁性層２４の役割は、磁束がセンサ要素１６に向かう
方向あるいはこれから離れる方向に伝わるのを助け、セ
ンサ要素を通過する最大磁束を増加する一方でこれを通
過する最小磁束を低減させ、これによって、検出される
最大および最小磁束の間の差に依存する感度を向上させ
ることにある。

より具体的には、励＆１１機の歯の移動は総磁束密度に
殆んど影響を与えないが、磁石の幅に沿っての磁束密度
の空間分布を変動させ、鋭い局所的な磁束密度の変動を
与え、これが局在化されたセンサ要素、例えば、磁気抵
抗体によって検出される。

この強磁性層は磁束密度が磁石の幅に沿って磁気回路の
固定部分と励磁機の間の空気ギャップの輪郭を反映する
ように分布させる。このギャップが狭くなると、磁束密
度は高くなり、この空間が広くなると、磁束密度は低く
なる。この空気の“ギャップ”は励磁機の歯に沿ったと
ころで最も狭くなるため、ここの磁束密度が最高となり
、この密度のピークは磁石の幅に沿っての歯の移動に従
かう。より具体的には、さまざまなテストの結果として
、説明の方法にて薄い強磁性の層２４を加えると、既に
最適の幅の磁石を使用した場合のセンサの感度が本質的
に２倍になることが観察されている。この強磁性層の最
適の厚さは飽和することなくガイドすることが要求され
る最大磁束密度によって決定される。５ミクロンという
薄さの層でさえも約０．１２Ｔの最大磁束密度の検出に
対して有効であることが証明されている。この磁束密度
では、この向上はこの層の厚さが約２５マイクロメート
ルに達すると、平坦化する傾向を持つ。

磁性層２４は従来の接着剤を使用して永久磁石２２の表
面に接着した薄い金属ホイルとして簡単に設けることが
できる。別の方法として、６イヨ性粉末を圧縮及び／あ
るいは焼結することによって製造された磁石、例えば、
前述のＭＱ２にて、強磁性層を永久磁石と統合された一
部として形成することもできる。これを達成するために
、磁気粉末が導入される前あるいは後に、ダイの空胴内
に適当な量の鉄粉が導入され、その後、この粉末が一緒
に圧縮される。さらに、この平坦な形状は、ハツチ処理
を可能とし、これによって幾百もの磁気抵抗体を強磁性
層と絶縁層を持つ比較的薄い磁化されてない永久磁石の
ウェーハ上に同時に堆積させることが可能となる。この
ウェーハが次に個々のセンサに切断され、これらセンサ
がパッケージ化され、この永久磁石が磁化される。

感度の向上は平均磁束密度の低下の代償として達成され
るように思われる。これが使用される特定の磁気抵抗体
の効果的な変調に影響を持つ場合は、この平均磁束密度
は、所望のレベルに、感度に殆んど影響を与えることな
く、磁石の厚さを増加することによって及び／あるいは
磁石のタイプによって増加することができ、これによっ
て、センサの要求される平坦構成を保ち、磁束密度を向
上させるための磁束ガイドの必要性を回避することがで
きる。ただし、これら処理のいずれもが適当でない特別
なケースにおいては、励磁機に沿って歯をさらに巻き込
み磁束密度を向上させるために磁束ガイドを導入するこ
ともできる。

説明の磁気回路の高い磁気感度を高い電気感度に最適に
変換するためには、センサ要素が磁石上に正しく位置さ
れる必要がある。第５図には達成可能な最大感度の典型
的な包絡線がセンサ要素の正規化距離ｄ／Ｗに対してプ
ロットされている。

ここで、ｄは幅Ｗの磁石の中点からの距離を表わす。達
成可能なピーク感度は磁石の中点（ｄ＝０）の所にあり
、最小感度は磁石の両端（ｄ／Ｗ　＝　０．５）の所に
あることがわかる。従って、センサ要素の最適位置は磁
石の中点ということになる。

またセンサ要素を適当な幅にすることが重要であり、特
に、センサ要素がその表面を横断する磁束密度の平均に
対応する電気出力信号を生成する磁気抵抗体である場合
にはこれが重要となる。

ただし、磁気抵抗体の長さ方向に沿っての磁束密度の分
布は一定であるとみなすことができる。

従って、磁気抵抗体の幅に沿ってのみの磁束密度あるい
は感度分布を考慮すれば良い。このため、有効電気感度
は、第６図に与えられる磁気感度分布を磁気抵抗体の幅
ＷＭＲを通じて積分することによって決定される平均磁
気感度と正比例する。

第６図は第４Ａ図及び第４ＢＩＩＪに示される配列に対
して磁石の幅に沿って感度がいかに変動するかを示す。

感度分布に注目した場合は、電気感度はＷＭＲをできる
だけ小さくすることによって最大化できる。ただし、サ
イズを小さくすると、磁気抵抗体の抵抗及びパワー赦免
が低下し、結果として、出力信号を低下することになる
。ＷＭＲの選択は複数の矛盾する要件、例えば、磁気抵
抗体の長さの現実的な限界、可能な限り良い感度、十分
に大きな抵抗及びパワー赦免、及び可能な限り低い磁気
抵抗体コスト（一般に小さな磁気抵抗体はどコストが小
さくなる）など考慮して決定する必要がある。現在の磁
気抵抗体技術を考慮した場合、先に議論した励磁機設計
に対するＷＭＲの現実的な最小値は約０．３Ｈ程度であ
ると考えられるが、これは、ｄ／Ｗ＝０．０３３の値を
与え、約２８％の有効磁気感度ＳＭを達成する。０．６
　ａｍの幅でも約２８％の感度を達成する。いずれにし
ても、この幅ＷＭＲは通常の設計における歯の幅以下に
ならないことが要求される。センサ要素の高さは小さく
て良く、典型的には、数１０マイクロメーターとされ、
このため関連する表面の平坦構成はこの存在によって少
しも妨害を受けることはない。

本設計においては、歯の幅Ｔの歯のピッチＰに対する比
も感度に影響することが発見された。また、感度はＴ／
Ｐの比が約０．２５のとき最大を示すが、０．１７と０
．３７の間のレンジを通じては比較的平坦にとどまるこ
とが発見された。

また本設計においては、歯のピッチが感度に影響を与え
、より具体的には、歯のピンチを増加すると、感度がか
なり向上することが発見された。

例えば、上に議論の設計では、ピンチを３＋ｎ＋から５
ｍｍに変更すると、諸条件が最適化された場合、最大感
度が約５８％増加することがわかった。感度は、励磁機
と磁石との間の空間のサイズが増加すると減少するため
、歯のピッチを増加することによってより大きな空間サ
イズを補償することができ、設計者に空間の幅と歯のピ
ッチの間の選択の自由を与える。

これに加えて、説明のタイプのセンサの固定部分は広い
レンジの励磁機ホイールの歯のピンチサイズとともに効
果的に使用できることが発見された。これは大きなコス
ト削減の可能性を与え、例えば、大きく異なるピッチサ
イズを採用するＡＢＳ設計のような用途において特に有
効である。特定の固定設計のセンサが異なる歯のピッチ
サイズを持つホイールとともに動作されるような場合、
磁石の幅をそのセンサが最も小さなピッチサイズに対し
て最適化されるように選択し、この最も小さな歯ピツチ
サイズの励磁機ホイールを使用したとき遭遇される最低
感度ができるだけ高くなるようにすべきである。前述の
ごとく、磁石の最適幅は歯のピッチサイズの約１．５倍
である。

上に説明の特定の実施態様は単に本発明の一般原理を解
説するためのものであり、本発明の精神及び範囲から逸
脱することなくさまざまな変更が可能である。例えば、
位置センサの固定部分と移動部分の役割を逆転すること
も可能である。これに加え、上に述べたさまざまな寸法
及び材料は単に典型的な設計を解説するためのものであ
り、別の設計では別の寸法及び材料が要求されることも
考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁束ガイドリターン経路を使用するタイプの先
行技術による位置センサの典型的な磁気回路を示し； 第２図は本発明の好ましい実施態様による位置センサの
磁気回路を示し； 第３図は第２図に示される磁気回路の固定センサ部分を
より詳細に示し； 第４Ａ図及び第４Ｂ図は第２図の磁気回路の励磁機に対
する永久磁石の２つの異なった位置を示し；そして 第５図及び第６図は本発明の詳細な説明するのに有効な
プロントを示す。 〔主要な符号の説明〕 １０・・・位置センサ　　　１２・・・励磁機部分１２
Ａ・・・歯　　　　　　１２Ｂ・・・ギャップ１４・・
・永久磁石　　　　１６・・・センサ要素１８・・・磁
束ガイド　　　２０・・・位置センサ２２・・・永久磁
石 ２４・・・高透磁性磁気材料層 ２６・・・絶縁層 ＦＩＧ、４Ａ ＦＩＧ、４Ｂ ＦＩＧ、３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、歯のピッチを定義するギャップ（１２Ｂ）の間隔を
   持つ一連の歯（１２Ａ）を含む励磁機部分（１２）を含
   む磁気回路、及びこの間の相対的移動を検出するための
   センサ部分を含む位置センサ（２０）において、該セン
   サ部分が磁石の分極に対して垂直の平坦な主面を持つ永
   久磁石（２２）を含み、該永久磁石（２２）の幅が励磁
   機の歯（１２Ａ）の幅より少なくとも数倍広く、該磁石
   が励磁機の歯（１２Ａ）のより狭い幅を持つセンサ要素
   （１６）を支持することを特徴とする位置センサ。 ２、該磁石の幅が該歯のピッチの約１．５倍であること
   を特徴とする請求項１記載の位置センサ。 ３、該永久磁石（２２）が励磁機部分（１２）に接近し
   て励磁機の歯（１２Ａ）の幅より広い１つの面を持ち、
   該面の上に高透磁性磁気材料の層（２４）が存在し、該
   センサ要素が該永久磁石（２２）の両端間の制限された
   部分に沿って位置された該層（２４）上の磁気センサ要
   素（１６）であることを特徴とする請求項１または２記
   載の位置センサ。 ４、該高透磁性磁気材料の層（２４）が強磁性の層であ
   ることを特徴とする請求項３記載の位置センサ。 ５、該磁性層（２４）が該永久磁石（２２）の該１つの
   面と同一の広がりを持つことを特徴とする請求項３ない
   し４に記載の位置センサ。 ６、該センサ要素が該永久磁石（２２）の二端の実質的
   に中心に位置されることを特徴とする請求項３、４、あ
   るいは５記載の位置センサ。 ７、該歯の幅（Ｔ）が該励磁機部分（１２）の歯のピッ
   チ（Ｐ）の０．１７倍から０．３７倍の間にあることを
   特徴とする上記記載の任意の位置センサ。 ８、該歯の幅（Ｔ）が励磁機部分（１２）の歯のピッチ
   （Ｐ）の約０．２５倍であることを特徴とする請求項７
   記載の位置センサ。 ９、該センサ部分が複数の重ねられた平坦層（２２、２
   ４、２６）から成ることを特徴とする上記記載の任意の
   位置センサ。