JP2012242390A - 磁気近接センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化に適した磁気センサ素子とバイアス磁石の配置を提供する。
【解決手段】磁気センサ素子５と、第１の極の面および第２の極の面を有する磁石アセンブリ６、７とを含む、磁気近接センサであって、磁石アセンブリ６、７の第１の極の面は、当該磁気近接センサのセンサターゲット面に近接して位置決めされ、センサ素子５は、センサターゲット面から離れて磁石アセンブリ６、７の第２の極の面から第１の距離ｔで位置決めされる。
【選択図】図２ａ

Description

本発明は、例えば、センサ付近の強磁性物の有無を検知するために使用可能な磁気近接センサに関する。さらに詳細には、本発明は、磁気センサ素子と、第１の極の面および第２の極の面を有する磁石アッセンブリとを含む、磁気近接センサに関する。

特許文献１は、ギアの歯（スチール）のような、センサに近接する強磁性物体を感知するように適合された、ホール効果強磁性物近接センサを開示する。当該センサは、ホールセンサ素子のような磁場センサのアッセンブリと、磁石構造とを含む。磁石構造は、センサのターゲット面から見て、平面のホールセンサ素子の後ろに位置決めされる。強磁性物体がセンサ面の付近（すなわち、ホールセンサ素子の付近）を通過するとき、変化する磁界が感知される。磁界の方向と位置決めするホールセンサ素子と組み合わされる磁石構造の配置により、効率的な信号処理を実行することができる。磁石構造は、少なくとも、Ｎ極とＳ極の両方がセンサ素子の真後ろの平面上にあるように選択され、特定の磁界方向および分布となる。

このセンサは、周知のバックバイアスされたホールセンサの特定の実施例であり、磁界は、磁場センサを介してセンサの感知面へ向かうことが可能にされる。センサの感知面側のターゲットは、磁場センサを通過する磁力線に影響を与える。こうした変動が感知され、関連する信号が処理されることができる。

米国特許第５，７８１，００５号公報

本発明は、改善された能力および効率性を有する磁気近接センサを提供することを目的とする。

本発明によれば、上記に定義された磁気近接センサが提供され、磁石アセンブリの第１の極の面は、当該磁気近接センサのセンサターゲット面に近接して位置決めされ、センサ素子は、磁石アセンブリの第２の極の面から第１の距離で位置決めされ、センサターゲット面から離される。この構成により、非常に効率的な方法で、高い感度および信頼性をもって、近接センサの構築および組み立てが可能となる。

本発明は、いくつかの例示的な実施例を使用して、添付の図面を参照して、以下により詳細に説明される。
図１ａは、従来のホールチップを有する磁気近接センサを表す概略図である。 図１ｂは、図１ａの磁気近接センサの特性グラフである。 図２ａは、本発明の磁気近接センサの実施例の概略図である。 図２ｂは、図２ａの磁気近接センサの特性グラフである。 図３は、本発明の磁気近接センサの他の実施例の概略図である。

従来のセンサ設計は、センサの磁石とシステムのターゲットとの間に配置されたセンサホールチップを有する。理論上、この設計は、強磁性物体（鉄もしくは鉄合金から構成される物体のような磁気透過性の物体）についてのセンサとして機能することが可能であるが、すべてのアプリケーションにおいてうまく動作するものではない。この欠陥のひとつの理由は、ベースラインが非常に高いか、つまり物体が磁束または磁性信号を提示していないためである。多くのアプリケーションの状況において物体が提示する信号は、ベースライン信号よりもそれ程大きくはなく、電子ノイズの存在は、従来技術の設計に信頼されない結果をもたらす。

特許文献１で開示された従来技術は、こうした高いバイアスの問題を克服するための解決策を提供する（図１ａに示される従来例を参照）。図１ａは、回転するディスク２の延在する歯３を検出するために実装された磁気近接センサの簡略図である（例えば、ｒｐｍ測定）。

ここで、極片７は、（永久）磁石６の穴もしくはボア内に配され、チップ側に位置された磁気面において対向する極が形成される。磁石６は、高さｐおよび外径ｄ_１を有するシリンダ形状の磁石であり、また、中央のボア径ｄ_２を有する。Ｔ字状の極片７は、厚さｑおよび径ｄ_２のステムを有し、こうして、外径ｄ_１および高さｐを有するシリンダ形状の磁石アセンブリを提供する。磁石アセンブリ６、７の第１の極は、ターゲット（歯３）と向かい合い、かつ距離ｓで位置決めされる。ホールセンサ５は、ターゲットと磁石アセンブリ６、７の第１の面との間で、ターゲット（歯３）から距離ｔで位置決めされる。この方法では、スロットが存在するときにゼロの磁束が発生し得る。バイアスに対する感度は、次のように定義される。

Sens=(B_tooth−B_slot)／(max(|B_tooth|,｜B_slot|))*100%
ここで、Ｂ_ｔｏｏｔｈは、歯３がセンサ面（第１の極）の近傍にあるときの磁束密度であり、Ｂ_ｓｌｏｔは、スロット（二つの隣り合う歯３の間のディスク２の空間）がセンサ面の近傍にあるときの磁束密度である。

図１ｂのグラフは、従来技術のセットアップにおいて、ホールセンサ５がｔ＝２．４から２．６ｍｍの間に配置されたとき、感度は、バイアスの１００％よりも高くなり得る（＞１００％）ことを示している。これは、感度が２０％未満である従来のセンサ（他のバックバイアスされた磁気センサ素子の例）に対して劇的な改善である。しかしながら、この原理の欠点は、ホールセンサ素子が、磁石６と、ターゲット（金属の歯３）が存在する（もしくは存在しない）センサの前面との間に位置決めされる必要があるので、ホールセンサ５のチップリードが磁石６の周囲に折り曲げられる必要があることである。このことは、磁石エリアを減少させ、それ故に強度も減少させ、同時に、リードの折り曲げのための余地があるように全体の寸法を大きくさせる。さらに、ホールセンサ５には空間を残す必要があるので、磁石６は、ターゲット３に近接することを制限され、このことは、より低い信号となり、あるいは、より強力なおよび／または大きな磁石６が必要となる。特に、小型センサが必要とされる場合、これが問題となり得る。また、ホールセンサ５がターゲット３の近傍に配置されるので、ターゲット３の残留磁化は、センサ信号に大きな影響を与えかねない。

測定のめに、次の設計パラメータが用いられた。
ｄ_１＝８ｍｍ；ｄ_２＝２ｍｍ；ｐ＝６ｍｍ；ｑ＝２ｍｍ；ｓ＝４．７７５ｍｍ

本発明の実施例は、改良された機能を有する。図２ａは、本発明による磁気近接センサの実施例の簡略図を表す。再び、延在する歯３を有するディスク２を備えたターゲットが例示される。この場合、磁石６には、円筒状のタイプが提供され、中心のボア（外径ｄ_１、ボア径ｄ_２、高さ（または長さ）ｐ）を有し、また、外径ｄ_２、長さｐの軸方向の極片７を有する。磁石アセンブリはそれゆえ、軸方向の極片７とこれと同軸上に位置決めされた磁石本体もしくは磁石６を有する。磁界センサ５（例えば、ホールセンサ）は、ターゲット３から離れた磁石アッセンブリの面に、磁石アセンブリ６、７の第２の極の面から距離ｔで位置決めされる。磁石アセンブリ６、７の第１の極の面は、ターゲット（ディスク２および歯３）に直面し、歯３から距離ｓで位置決めされる。磁気近接センサ素子５、６、７は、例えば、プラスチック成型技術を使用して、センサハウジング８内に提供されることができる。センサハウジング８はまた、図示するように、磁石アセンブリ６、７の第１の極のセンサ面を覆うようにしてもよいし、センサハウジング８がセンサ面を覆わないようにしてもよい。

上述の従来例のバックバイアスの構成は変更されるが、効果的な磁界の分配（できる限りターゲット３に近接されるので）は維持され、磁石アセンブリ６、７の背面において磁界センサ５を用いた測定が使用される。

本発明は、ホールセンサ５が、磁石６の他方の側に配置される設計を示し、ここで磁石６は、ホールセンサ５とターゲット３の間にあり、その一方で、感度＞１００％がなお保証される（図２ａおよび図３の実施例を参照）。歯３、またはスロット（ふたつの隣り合う歯３の間のディスク２の空間）の存在は、極片（磁石アセンブリ６、７）を介して運ばれる磁束の変化することに留意すべきである。磁石６の左側の位置ｔにおける変更は、ホールセンサ５により感知される。図２ｂのグラフは、ホールセンサ５がｔ＝２．１５から２．４ｍｍの間に配されたとき、感度は、バイアスの１００％よりも大きくなり得ることを表す。この原理による利点は、ホールセンサ５のリードが磁石６の周囲に折り曲げられる必要がないことである。さらに、ホールセンサ５は、ターゲット２、３から離れて移動されるので、ターゲット２、３の残留磁化がセンサ信号に与える影響はほとんどない。

図２ａの実施例では、次のことが適用される：
−磁石アセンブリ６、７は、適切な材料を選択することによって、保磁力（Ｈｃ）がおよそ９００ｋＡ／ｍであり、かつ磁界強度（Ｂｒ）がおよそ１．１４Ｔである特性を有して使用される。極片７は、相対透透率（relative permeability）（Ｕｒ）が１０００である軟磁性の素材である。
−ｔは、磁石アセンブリ６、７の（第２の極）の後方のホールセンサ５の位置である。
−他の実施例において、センサ前面（第１の極）との隙間は、磁石アセンブリ６、７の第１の極をカバーしかつ保護するプラスティックハウジング８の厚さ０．５ｍｍを含めて、１ｍｍにされる：従って、距離ｓ＝１．５ｍｍである（磁石アセンブリの前面からターゲット３までの距離）。
−バイアスのパーセンテージとしての感度は、次のように定義される。
Sens=(B_tooth-B_slot)/(max(|B_tooth|,|B_slot|))*100%
−ホールセンサ５の後方の２．２ないし２．７ｍｍの範囲で、バイアスのパーセンテージとしての感度が成される。磁石６の後方にｔ＝２．１５から２．４ｍｍの間でホールセンサ５を配置したとき、バイアスのパーセンテージとしての感度は、１００％よりも大きくなり得る。
−これらの結果（図２ｂを参照）は、図１ｂで示された結果と互換性がある。すなわち、磁石の後方の距離の範囲は、感度が非常に高いところに規定される。

測定には、次の設計パラメータが使用された。
ｄ_１＝８ｍｍ；ｄ_２＝３ｍｍ；ｐ＝６ｍｍ；ｓ＝１．５ｍｍ

別の実施例では、次のパラメータが選択され得る。
ｄ_１＝６ｍｍ．．．１２ｍｍ
ｄ_２＝３ｍｍ．．．５ｍｍ
ｓ＝０．７ｍｍ．．．２．５ｍｍ
ｐ＝４ｍｍ．．．１２ｍｍ

パラメータの選択された値によって、磁気近接センサの感度が最も高くなる地点ｔを計算することができ、同様に、高い感度が実現されることのできる地点周辺の範囲を計算することができる。

より一般的な表現では、本発明は、磁気近接センサに関し、磁気近接センサは、磁気センサ素子５（例えば、ホールセンサ素子）と、第１の極の面と第２の極の面とを有する磁石アセンブリ６、７とを含み、磁石アセンブリの第１の極の面は、磁気近接センサのセンサターゲット面に近接して位置決めされ、センサ素子５は、センサターゲット面から離れて、磁石アセンブリ６、７の第２の極の面から第１の距離ｔで位置決めされる。

磁石アセンブリは、同軸上に位置決めされた磁石本体６を有する軸方向の極片７（磁束を集中させるもの、例えば、円筒状の軟磁性の材料）を含む。従来技術におけるようなＴ字型の極片は必要とされない。

ある実施例では、磁気近接センサはさらに、センサターゲット面を規定するセンサハウジング８（図２ａおよび図３を参照）を含み、センサ素子５および磁石アセンブリ６、７はセンサハウジング８の中に埋め込まれる。また、例えば、センサ自身の測定信号を処理するためのセンサ素子回路は、センサハウジング８内に、例えば、センサ基板またはプリント配線基板上に提供されることができる。

センサハウジング８は、少なくとも０．１ｍｍの厚さで、他の実施例では少なくとも０．５ｍｍの厚さで、磁石アセンブリ６、７の第１の極の面を覆う（図２ａ参照）。これにより、しっかりと規定されたセンサターゲット面を持つことが可能となり、また、磁石アセンブリ６、７により発生された磁界に対し、感知されるべきターゲット２、３を近接させることができる。他の実施例では、ハウジング８は、図３の実施例で表されるように、磁石アセンブリ６、７の第１の極の面と同一面である。

ある実施例では、第１の距離ｔは、２．２から２．７ｍｍの間である。これは、図２ａの実施例で表されたように、３ｍｍの極片の直径ｄ_２、８ｍｍの磁石本体の直径ｄ_１、６ｍｍの長さｐ、および１ｍｍ（１．５ｍｍ）のターゲット距離と組み合わされ、これは、ｔ＝２．３４ｍｍで最大の感度となる。

図３は、第２の極の面が異なる形状を有する他の実施例を示し、軸方向の極片７は、同軸上に位置決めされた磁石本体６を超えて延在する。磁石６の長さはｐで表され、軸方向の極片は、磁石６の長さを距離ａだけ越えて延在する。磁石アセンブリ６、７の第１の極は、図２ａの実施例と類似しており、第１の極を形成する平坦な磁石アッセンブリ面を提供する。

本実施例は、より高い感度とともに、磁束密度のより小さな傾斜の絶対レベルを得ることができるという効果を有する。比較テストが行われ、そこでは、ｄ_１＝５．５ｍｍ、ｄ_２＝２ｍｍ、ｐ＝４．４ｍｍ、ｓ＝１．８ｍｍであり、パラメータは変化された（‐０．５，−０．１，０．１，０．５，１ｍｍ）。より長い極片７（正の値１）は、急でない傾斜を与え、これによりホール素子５（値ｔ）の位置公差が重要でなくなるということが判った。ａ＝０．５ｍｍに対しては、ｔ＝０．６ｍｍが推奨される：もしくは、ａが大きくなれば、ｔは小さくなり得る。より長い極片は、同じ値ｔに対する感度をわずかに落とすが、より高い値１に対してｔを減少させることは、結果的にはより感度が高くなる。

本発明の実施例は、図に表されたいくつかの例示的な実施例を参照して説明された。いつくかの部分や要素の修正や代替の実施は可能であり、それらは、添付の請求項で定義されたものとして保護される範囲内に含まれる。

Claims (6)

1. 磁気センサ素子（５）と、第１の極の面および第２の極の面を有する磁石アセンブリ（６、７）とを含む磁気近接センサであって、
   磁石アセンブリ（６、７）の第１の極面（５）は、当該磁気近接センサのセンサターゲット面と隣接して位置決めされ、
   センサ素子（５）は、センサターゲット面から離れた磁石アセンブリ（６、７）の第２の極面から第１位の距離（ｔ）で位置決めされる、磁気近接センサ。
2. 磁石アセンブリ（６、７）は、同軸で位置決めされた磁石本体（６）を有する軸方向の極片（７）を含む、請求項１に記載の磁気近接センサ。
3. 軸方向の極片（７）は、同軸上に位置決めされた磁石本体（６）を越えて延在する、請求項２に記載の磁気近接センサ。
4. 磁気近接センサはさらに、センサターゲット面を規定するセンサハウジング（８）を含み、センサ素子（５）および磁石アセンブリ（６、７）は当該センサハウジング（８）内に組み込まれる、請求項１ないし３いずれか１つに記載の磁気近接センサ。
5. センサハウジング（８）は、少なくとも０．１ｍｍの厚さで磁石アセンブリ（６、７）の第１の極の面を覆う、請求項４に記載の磁気近接センサ。
6. 第１の距離（ｔ）は、２．２から２．７ｍｍの間である、請求項１ないし５いずれか１つに記載の磁気近接センサ。

Images