JP2004340669A

JP2004340669A - 回転磁気センサ

Info

Publication number: JP2004340669A
Application number: JP2003135726A
Authority: JP
Inventors: Kenji Tomaki; 健治戸蒔; Koji Niimura; 耕二新村; Yorihisa Nakamura; 順寿中村; Masanaga Nishikawa; 雅永西川; Masaya Ueda; 雅也植田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: JP4154524B2

Abstract

【課題】複数個の磁電変換素子を平面上に形成した場合でも、磁石の磁界が各磁電変換素子に均一に印加される回転磁気センサを提供する。
【解決手段】２相回転磁気センサは、概略、センサ本体と被検出物である歯車とで構成されている。センサ本体は、磁気抵抗素子２ａ〜３ｂを表面に形成した非磁性体基板と、非磁性体基板の裏面に配置された磁石１３と、非磁性保護ケースなどにて構成されている。磁石１３は、歯車が磁気抵抗素子２ａ〜３ｂに最も近接する位置に配置されたときを基準にして、磁石１３の表面における磁束密度分布が、磁気抵抗素子２ａ〜３ｂのそれぞれから非磁性体基板に対して垂直方向にとった歯車までの距離Ｒの２乗に比例する磁束密度分布を有するように着磁されている。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転磁気センサ、特に工作機械や自動車などの回転位置検出や速度検出に利用される回転磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の磁気センサは、通常、二つの磁電変換素子をセットにして一つの磁気センサを構成している。そして、この磁気センサを複数個備え、それぞれの磁気センサから出力される位相が異なる回転検出信号を検出する多相センサが知られている。
【０００３】
ところで、多相センサでは、複数個の磁電変換素子が歯車の回転方向に沿って並んでいる。例えば図６は、２相回転磁気センサの四つの磁電変換素子２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂと被検出物である歯車２０の一部を示した拡大図である。図６において、符号１０は磁電変換素子２ａ〜３ｂを表面に形成している基板、符号１３は磁石、符号２１は歯車２０の凸部（歯）であり、符号２２は歯車２０の凹部である。磁電変換素子２ａと２ｂで一つの磁気センサ２を構成し、磁電変換素子３ａと３ｂで一つの磁気センサ３を構成している。歯車２０は矢印Ｋの方向に回転する。そして、磁電変換素子２ａが歯車２０の歯２１に対向しているとき、磁電変換素子２ｂは歯車２０の凹部に対向するように設置されている。磁電変換素子３ａ，３ｂも同様に設置されている。
【０００４】
このとき、一つの磁気センサ２を構成している二つの磁電変換素子２ａ，２ｂにそれぞれ印加される磁界の強度が等しければ、波形歪のない理想的な波形の回転検出信号が出力される。ところが、磁電変換素子２ａ〜３ｂが複数並んでいるため、例えば磁気センサ２を構成している一方の磁電変換素子２ａと他方の磁電変換素子２ｂが離れて配置されることになる。従って、磁電変換素子の配設位置によって、歯車２０から磁電変換素子２ａまでの距離Ｒ１と、歯車２０から磁電変換素子２ｂまでの距離Ｒ２とが異なる。これにより、磁電変換素子２ａと２ｂのそれぞれに印加される磁界の強さが異なってしまい、回転検出信号の波形が理想的な正弦波からずれてしまう。
【０００５】
なお、距離Ｒ１，Ｒ２は、実際の歯車２０から磁電変換素子２ａ，２ｂまでの距離を意味するものではなく、歯車２０の歯２１が磁電変換素子２ａ，２ｂに最も近接する位置に配置されたときの距離（最短距離）を意味するものである。従って、より具体的には、距離Ｒ１，Ｒ２は歯車２０の歯２１の頂部を結ぶ仮想線Ｌと各磁電変換素子２ａ，２ｂまでの距離である。さらに、磁電変換素子２ａ，２ｂは、垂直に通過する磁束によって抵抗が変化するので、距離Ｒ１，Ｒ２は基板１０に対して、垂直方向にとった距離でなければならない。
【０００６】
歯車２０に近い方の磁電変換素子２ｂをグランドに接続し、歯車２０から遠い方の磁電変換素子２ａを電源に接続する場合、磁電変換素子２ｂに印加される磁界の方が磁電変換素子２ａに印加される磁界より強いので、図７に点線で示すように、回転検出信号は、理想的な正弦波形と比べて正弦波の山（０°から１８０°の部分）で波形が膨らみ、谷（１８０°から３６０°の部分）で波形が細る。
【０００７】
そこで、この問題を解決する一つの方法として、特許文献１に記載の回転検出装置が提案されている。この回転検出装置は、面対向モータのロータマグネットの外周側に取り付けられ、周方向に沿って同一幅で着磁された複数の磁極を有する回転検出用の磁石と、この磁石の回転によって発生する磁界の変化を検出するための複数の磁電変換素子とを備えている。そして、磁電変換素子を磁石と同一中心の円周上に配置し、各磁電変換素子と磁石とのギャップを全て同一にしている。これにより、磁石の磁界が各磁電変換素子に均一に作用するので、波形歪の小さな出力波形が得られる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−２６１５２４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、特許文献１の技術を図６に示した２相回転磁気センサに適用して、図８に示すように、湾曲した基板１０’を使用すると、確かに各磁電変換素子２ａ〜３ｂから歯車２０までの距離は全て等しくなる。しかしながら、磁電変換素子２ａ〜３ｂを湾曲した基板１０’上に形成することは、平面上に形成する場合と比較して高度の技術が要求され、また、その歩留まりが悪く、高価になるという問題がある。さらに、磁電変換素子２ａ〜３ｂから磁石１３までの距離が異なってしまい、各磁電変換素子２ａ〜３ｂの磁界強度が均一にならないから、結局は同じ問題、すなわち出力波形が大きく歪む問題が発生することになる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、複数個の磁電変換素子を平面上に形成した場合でも、磁石の磁界が各磁電変換素子に均一に印加される回転磁気センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段および作用】
前記目的を達成するため、本発明に係る回転磁気センサは、複数個の磁電変換素子が表面に設けられた非磁性体基板と、非磁性体基板の裏面に配置された磁石と、磁電変換素子に臨んだ、被検出物である回転体とを備え、磁電変換素子から出力される回転検出信号によって、回転体の回転状態を検出する回転磁気センサであって、回転体の回転により、回転体が磁電変換素子に最も近接する位置に配置されたときに、磁石からの磁界が磁電変換素子の各々に等しい強度で印加するように、磁石が着磁されていることを特徴とする。
【００１２】
より具体的には、回転体が磁電変換素子に最も近接する位置に配置されたときを基準にして、磁石の表面における磁束密度分布が磁電変換素子の各々から非磁性体基板に対して垂直方向にとった回転体までの距離の２乗に比例する磁束密度分布を有するように、磁石が着磁されている。
【００１３】
以上の構成により、複数個の磁電変換素子を平面上に形成した場合でも、磁電変換素子の各々に均一な磁気バイアスが印加され、波形歪の小さい出力波形が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る回転磁気センサの実施の形態について添付の図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は２相回転磁気センサのセンサ本体１の外観斜視図であり、図２は２相回転磁気センサの概略構成図であり、図３は２相回転磁気センサの電気回路図である。２相回転磁気センサは、概略、センサ本体１と被検出物である歯車２０とで構成されている。センサ本体１は、磁気抵抗素子２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを表面に形成した非磁性体基板１０と、非磁性体基板１０の裏面に配置された磁石１３と、非磁性保護ケース１６などにて構成されている。
【００１６】
磁気抵抗素子２ａ〜３ｂは、所定の磁気抵抗を得るため直線形状の磁気抵抗パターンにて構成されている。これらの磁気抵抗素子２ａ〜３ｂは、歯車２０の歯２１の通過方向Ｋと長手方向が垂直関係を有するように所定のピッチで配置されている。磁気抵抗素子２ａと２ｂで一つの磁気センサ２を構成し、磁気抵抗素子３ａと３ｂで別の一つの磁気センサ３を構成している。
【００１７】
磁気抵抗素子２ａ〜３ｂは、歯車２０の歯２１の通過方向Ｋに並んで配置されており、磁気抵抗素子２ａと２ｂのピッチ間隔並びに磁気抵抗素子３ａと３ｂのピッチ間隔は、それぞれ歯車２０の歯２１のピッチ間隔の１／２に設定されている。
【００１８】
磁気抵抗素子２ａ〜３ｂは、たとえばＩｎＳｂ，ＩｎＡｓ，ＧａＡｓなどの化合物半導体を蒸着法やスパッタリング法などで非磁性体基板１０上に薄膜状に設けた後、この化合物半導体薄膜の表面にＩｎ，ＴｉＡｌ，ＮｉＣｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌなどのメタル膜を蒸着法やスパッタリング法などの方法で所定のピッチにて形成したものである。あるいは、磁気抵抗パターンは、ＩｎＳｂなどの単結晶半導体基板１０の表面にＩｎ，ＴｉＡｌ，ＮｉＣｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌなどのメタル膜を所定のピッチで形成したものであってもよい。
【００１９】
非磁性体基板１０は絶縁体基板上に蒸着などでＩｎＳｂ膜などを形成したものや、ＩｎＳｂなどの単結晶半導体基板、あるいは別に成膜した半導体薄膜や単結晶基板をガラス、アルミナなどの絶縁基板上に接着剤で貼り付けて複合基板としたもの等が用いられる。なお、従来の場合、基板には、磁石１３のバイアス磁界を集中させるために、通常、磁性体基板を用いるが、本発明の場合は、磁石１３のバイアス磁界を集中させると、回転検出信号の波形の歪が大きくなるので使用しない。
【００２０】
非磁性体基板１０の磁気抵抗素子２ａ〜３ｂ実装面とは反対側の面（裏面）は接着剤によって磁石１３に接着されている。この磁石１３は永久磁石であってもよいし、電磁石であってもよい。
【００２１】
磁石１３はホルダ１４に装着された後、非磁性保護ケース１６内に収納される。ホルダ１４にはエポキシやフェノールなどの熱硬化性樹脂、ナイロン、ＰＢＴ、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂、ＬＣＰなどの液晶ポリマ、アルミナなどが用いられる。４本のリード端子１８ａ〜１８ｄはそれぞれ、ホルダ１４に設けた貫通穴１４ａに挿通されている。各リード端子１８ａ〜１８ｄの頭部１９と磁気抵抗素子２ａ〜３ｂとは、ワイヤ１７（あるいはリードフレーム）を介して接続されている。
【００２２】
この後、非磁性保護ケース１６の開口部から溶融樹脂を注入して、注形樹脂１５を形成する。注形樹脂１５には、耐湿性に優れかつ機械的強度が比較的高いエポキシ樹脂などが使用される。非磁性保護ケース１６は、ベリリウム銅、燐青銅、黄銅、洋白、非磁性ステンレス、アルミニウム、セラミック、樹脂などの非磁性材料からなる。
【００２３】
歯車２０は、歯２１が磁気抵抗素子２ａ〜３ｂに対向するようにセンサ本体１に臨んでいる。歯車２０は強磁性体材料からなる。
【００２４】
次に、以上の構成からなる回転磁気センサの作用効果について説明する。図３は、回転磁気センサの電気回路図である。電源用リード端子１８ａとグランド用リード端子１８ｄとの間に磁気抵抗素子２ａ〜３ｂが直並列接続されている。
【００２５】
磁石１３のＮ極から出た磁束は、歯車２０を介して磁石１３のＳ極に戻る。このとき、磁石１３のＮ極から出た磁束は、歯車２０の歯のうち、磁石１３のＮ極に最も接近している歯２１に集中する。従って、歯車２０が矢印Ｋで示す方向に回転すると、磁束の集中する位置も歯車２０の回転につれて移動する。これにより、磁気抵抗素子２ａ〜３ｂを透過する磁束が、歯車２０の歯２１の移動に伴って変化する。磁気抵抗素子２ａ〜３ｂは、透過磁束が多くなるにつれて抵抗値も大きくなる。従って、この磁束の変化により、磁気抵抗素子２ａ〜３ｂのそれぞれの抵抗値が変化する。
【００２６】
歯車２０の歯２１の移動に伴って、磁気抵抗素子２ａ〜３ｂのそれぞれの抵抗値が変化すると、出力用リード端子１８ｂ，１８ｃにそれぞれ正弦波の回転検出信号Ｓ１，Ｓ２が出力される。回転検出信号Ｓ１とＳ２とは、位相差が９０°である。
【００２７】
ここに、回転検出信号Ｓ１，Ｓ２が図７の点線で示すように理想的な正弦波から外れているときには、回転検出信号Ｓ１，Ｓ２の電圧値で角度を正確に検出することが困難となる。
【００２８】
そこで、本実施形態では、歯車２０の歯２１が磁気抵抗素子２ａ〜３ｂに最も近接する位置に配置されたときを基準にして、磁石１３の表面における磁束密度分布が、磁気抵抗素子２ａ〜３ｂのそれぞれから歯車２０までの距離Ｒの２乗に比例する磁束密度分布を有するように、磁石１３を着磁している。
【００２９】
一般に、磁界の強度は距離の２乗に反比例するので、歯車２０までの距離Ｒが遠いほど磁界が弱くなる。そこで、距離による磁界強度の変化をキャンセルするように、あらかじめ磁束密度に差をつけておくのである。
【００３０】
これにより、歯車２０が回転して、歯車２０の歯２１が磁気抵抗素子２ａ〜３ｂに最も近接する位置に配置されたときに、磁石１３からの磁界が磁気抵抗素子２ａ〜３ｂの各々に等しい強度で印加するようになる。この結果、波形歪の小さい回転検出信号Ｓ１，Ｓ２を得ることができる。
【００３１】
なお、距離Ｒは、実際の歯車２０から磁電変換素子２ａ〜３ｂまでの距離を意味するものではなく、歯車２０の歯２１が磁電変換素子２ａ〜３ｂのそれぞれに最も近接する位置に配置されたときの距離（最短距離）を意味するものである。従って、より具体的には、距離Ｒは歯車２０の歯２１の頂部を結ぶ仮想線Ｌと各磁電変換素子２ａ〜３ｂまでの距離である。さらに、磁電変換素子２ａ〜３ｂは、垂直に通過する磁束によって抵抗が変化するので、距離Ｒは非磁性体基板１０に対して、垂直方向にとった距離でなければならない。
【００３２】
さらに、磁石１３の表面における磁束密度分布が、磁気抵抗素子２ａ〜３ｂのそれぞれから歯車２０までの距離Ｒの２乗に比例する磁束密度分布を有することにより、歯車２０と磁石１３の間は均一な磁界となり、出力電圧の等しい回転検出信号Ｓ１，Ｓ２を得ることができる。
【００３３】
図４は、短辺方向の長さが１０ｍｍの磁石１３の磁束密度分布を示すグラフである。このような磁束密度分布を有する磁石１３を得るためには、図５に示すように、磁石１３の原材料である矩形体状の強磁性体の一端に、着磁装置の着磁ヨーク３２の先端を面接触させた後、着磁コイル３１に電流を流して磁界を発生させることにより強磁性体を磁化させる。このとき、着磁ヨーク３２の中央部の着磁コイル３１の巻回数を最も少なくし、外側にゆくほど巻回数を多くする、いわゆる円弧状着磁法を採用する。なお、図５は磁石１３の短辺側から見た図である。
【００３４】
また、本実施形態の２相回転磁気センサの磁気抵抗素子２ａ〜３ｂは、非磁性体基板１０の平面に形成すればよいので、通常のパターン製造技術を利用することができ、歩留まりもよい。
【００３５】
なお、本発明に係る回転磁気センサは前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。例えば前記実施形態では、磁電変換素子として磁気抵抗素子を使用したが、必ずしもこれに限るものではなく、ホール素子、ホールＩＣ、ＮｉＦｅやＮｉＣｏからなる強磁性体薄膜素子などを使用してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、磁石からの磁界が磁電変換素子の各々に等しい強度で印加するように、磁石を着磁しているので、磁電変換素子を平面上に形成した場合でも、磁電変換素子の各々に均一な磁気バイアスが印加され、波形歪の小さい回転検出信号が得られる。この結果、工作機械や自動車などの回転位置や速度を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回転磁気センサのセンサ本体の一例を示す外観斜視図。
【図２】本発明に係る回転磁気センサの一実施形態を示す概略断面図。
【図３】図２に示した回転磁気センサの電気回路図。
【図４】図２に示した磁石の磁束密度分布を示すグラフ。
【図５】図２に示した磁石の着磁方法を説明するための断面図。
【図６】磁電変換素子と被検出物である歯車の一部を示した拡大図。
【図７】回転検出信号の波形を示すグラフ。
【図８】磁電変換素子と被検出物である歯車の一部を示した拡大図。
【符号の説明】
１…センサ本体
２，３…磁気センサ
２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ…磁気抵抗素子
１０…非磁性体基板
１３…磁石
２０…歯車

Claims

複数個の磁電変換素子が表面に設けられた非磁性体基板と、
前記非磁性体基板の裏面に配置された磁石と、
前記磁電変換素子に臨んだ、被検出物である回転体とを備え、
前記磁電変換素子から出力される回転検出信号によって、前記回転体の回転状態を検出する回転磁気センサにおいて、
前記回転体の回転により、前記回転体が前記磁電変換素子に最も近接する位置に配置されたときに、前記磁石からの磁界が前記磁電変換素子の各々に等しい強度で印加するように、前記磁石が着磁されていること、
を特徴とする回転磁気センサ。
複数個の磁電変換素子が表面に設けられた非磁性体基板と、
前記非磁性体基板の裏面に配置された磁石と、
前記磁電変換素子に臨んだ、被検出物である回転体とを備え、
前記磁電変換素子から出力される回転検出信号によって、前記回転体の回転状態を検出する回転磁気センサにおいて、
前記回転体の回転により、前記回転体が前記磁電変換素子に最も近接する位置に配置されたときを基準にして、前記磁石の表面における磁束密度分布が、前記磁電変換素子の各々から前記非磁性体基板に対して垂直方向にとった前記回転体までの距離の２乗に比例する磁束密度分布を有するように、前記磁石が着磁されていること、
を特徴とする回転磁気センサ。
前記回転検出信号は位相の異なる少なくとも二つの信号であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転磁気センサ。