JP2014029312A - 磁気媒体及び磁気センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出可能な移動量の分解能を向上できる磁気媒体及び磁気センサ装置を提供することをその目的の一つとする。
【解決手段】磁気センサ２０に対向し、磁気センサ２０との相対移動方向である長手方向に磁化の向きが交互に逆向きとなるように磁極を配した面を有する磁気媒体１０であって、磁気センサ２０に対向する面とは異なる面に、着磁ヘッドにより着磁され、長手方向に延びる着磁部１２を複数備え、着磁部１２は、磁気媒体１０の幅方向の中心に対して対称に配される。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサとともに用いられる磁気媒体に関する。

Ｎ極とＳ極とが磁化の向きを交互に逆向きとなるように配した磁気媒体を用い、この磁気媒体に対して相対移動する磁気センサにより磁気媒体からの漏洩磁場の変化を検出することで、移動量を検出する磁気式のエンコーダが知られている（特許文献１）。

特開２００７−１２１２５３号公報

しかしながら、上記従来の磁気センサ装置では、磁気センサが検知できる磁場の成分がほとんどゼロとなる領域が存在し、磁気センサがこの領域を通過するときに、磁気センサの出力にノイズを生じることがある。このようなノイズは、一種のバルクハウゼン・ノイズ（ＢＨＮ）と推定される。この一種のバルクハウゼン・ノイズは、磁気センサにより検出する移動量の分解能を高めるときに阻害要因となる。

この一種のバルクハウゼン・ノイズは、磁気抵抗効果素子において、極性（正または負の一方）を有するスパイク状のノイズとして発現する。特に、高感度であるスピンバルブ型ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子（トンネル接合型ＧＭＲ素子）は、ＡＭＲ素子よりも出力が大きいので、このスパイク状ノイズの振幅が大きくなり、分解能を高めるうえで好ましくない。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、検出可能な移動量の分解能を向上できる磁気媒体及び磁気センサ装置を提供することをその目的の一つとする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、磁気センサに対向し、磁気センサとの相対移動方向である長手方向に磁化の向きが交互に逆向きとなるように磁極を配した面を有する磁気媒体であって、前記磁気センサに対向する面とは異なる面に、前記長手方向に延びる着磁部を複数備え、前記着磁部は、磁気媒体の幅方向の中心に対して対称に配されることとしたものである。

ここで前記着磁部は、前記磁気センサに対向する面を平面とした底面側中心部と、前記長手方向に延びる両側側面の前記底面側に近い位置とにそれぞれ配されてもよい。

また前記両側側面にそれぞれ配される着磁部は、前記底面に対して傾きを持った方向に磁場を生じさせるよう着磁されてもよい。

また本発明の一態様に係る磁気センサ装置は、この磁気媒体を備えて、当該磁気媒体に対向して相対移動し、前記磁気媒体からの漏洩磁場の変化を検出して、移動量或いは回転量を検出する磁気センサをさらに含むものである。

本発明によると、複数の着磁部により磁気センサに対してその幅方向に磁場を印加し、バルクハウゼン・ノイズを抑制して検出可能な移動量或いは回転量の分解能を向上できる。

本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の構成例を表す概要図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の磁気媒体を、長手方向に直交する面で破断した面を表す断面図である。 本発明の実施の形態に係る磁気媒体の平面以外の面における直交着磁部により形成される磁場の向きの例を表す説明図である。 本発明の実施の形態に係る磁気媒体の外周に形成される磁場の例を表した説明図である。 磁気センサの配置におけるずれの例を表す説明図である。 本発明の実施の形態に係る磁気媒体の直交着磁部を着磁する着磁ヘッドの例を表す説明図である。 本発明の実施例に係る磁気媒体の外周に形成される磁場の強さに係る値の測定結果を表す説明図である。 本発明の実施例に係る磁気媒体の外周に形成される磁場の強さに係る値のもう一つの測定結果を表す説明図である。 本発明の実施例に係る磁気センサによる、実際の移動距離に対する演算結果の誤差を表す説明図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置１は、図１に例示するように、磁気媒体１０と、この磁気媒体１０の面の一つに対向して配された磁気センサ２０とを含んで構成される。

本実施の形態の磁気媒体１０は、フェライトボンド磁石材料であり、着磁ヘッドによって磁気センサ２０に対向する面（平面）側は、当該磁気センサ２０との相対移動方向（以下単に移動方向と呼ぶ）である長手方向と磁化方向とが平行となるように着磁された検出用着磁部１１が形成されている。また、この着磁方向は予め定めたピッチλmごとに反転しており、従って、磁化の向きが交互に逆向きとなるように、すなわち、移動方向に沿って、全体として…Ｎ−Ｓ，Ｓ−Ｎ，Ｎ−Ｓ…と磁極が配された状態となるように着磁がされている。

また本実施の形態の磁気媒体１０は、磁気センサ２０に対向する面とは異なる面に、着磁ヘッドによって着磁され、長手方向に延びて、検出用着磁部１１の形成する磁場とは直交する、幅方向の磁場を形成する直交着磁部１２を複数備えている。図２は、図１に例示した磁気センサ装置１の磁気媒体１０を長手方向に直交する面で破断した面を表す断面図である。この図２に例示されるように、本実施の形態の磁気媒体１０には、磁気センサ２０に対向する面Ｕを平面側として、この平面Ｕに平行な底面Ｂ側の中心部に、第１の直交着磁部１２ａが設けられる。また磁気媒体１０の長手方向に延びる両側面Ｌ，Ｒであって底面側に比較的近い位置にそれぞれ第２，第３の直交着磁部１２ｂ，ｃが形成されている。このように本実施の形態では、直交着磁部１２ａ，ｂ，ｃは複数設けられるが、磁気媒体１０の幅方向の中心に対して対称に配される。

ここで第１の直交着磁部１２ａは、磁気媒体１０の底面Ｂの幅方向（図のＸ軸方向）に沿った磁場を形成するよう、底面Ｂの幅方向に着磁方向が平行となるように着磁ヘッドによる着磁が行われる。また、着磁の範囲は磁気媒体の幅Ｗの全体には及ばず、幅方向の中心を、着磁範囲の中心として幅ｗ（ｗ＜Ｗ）だけの範囲に着磁する。

また磁気媒体１０の両側側面にそれぞれ配される第２，第３の直交着磁部１２ｂ，ｃは、面に対して傾きを持った方向に磁場を生じさせるよう着磁される。図３は、図２に示した磁気媒体１０の、検出用着磁部１１が形成される前における断面を含む面内で、これら第１乃至第３の直交着磁部１２ａ，ｂ，ｃにより形成される磁化の向きを表す説明図である。

図３に示すように、底面Ｂ側の、第１の直交着磁部１２ａ近傍では、この第１の直交着磁部１２ａの着磁範囲の中心部をその中心点として、Ｓ極として着磁された側からＮ極として着磁された側へ円弧を描くような磁化の配列が形成されている。この第１の直交着磁部１２ａによる磁化は、底面の中心部（着磁範囲）に近いほど強く、着磁範囲から離れるほど弱くなる。なお、図３では、矢印の長さと矢じりの大きさとにより磁化の大きさを表している。

一方、側面Ｌ，Ｒの、やや底面Ｂ寄りの部分には、直交着磁部１２ｂ，ｃがそれぞれ形成されている。第２の直交着磁部１２ｂでは、底面Ｂに近い側がＮ極となっており、第３の直交着磁部１２ｃでは底面Ｂに近い側にＳ極が形成されている。そして、側面Ｌ側では、平面に近い側では鉛直下方へ磁化が向かい、直交着磁部１２ｂ近傍で磁化は側面Ｌ方向へ傾く。つまり、この直交着磁部１２ｂ近傍で、磁化は底面Ｂに対して傾きを持った方向へ向かう。一方、側面Ｒ側では、平面に近い側で鉛直上方へ磁化が向かい、直交着磁部１２ｃ近傍では磁化は底面に対して傾きを持った方向へ向かう。また図３に示したように、直交着磁部１２ａにおける磁化の大きさよりも、直交着磁部１２ｂ，ｃにおける磁化の大きさは小さくする。

このような着磁を行うことで、この磁気媒体１０の近傍の磁場は、図４に例示するようなものとなる。図４は、図２の構成に検出用着磁部１１が形成されるよりも前の断面を含む面内で、この磁気媒体１０の外周に形成される磁場を表した説明図である。図４に例示するように、図３に例示した着磁の態様により、磁気媒体１０の平面側に、概ね平面に平行であり、また、強さが実質的に一定であるような磁場Ｐが形成される。磁場Ｐでは複数の磁力線がほぼ平行となっている。

本実施の形態においては、磁気センサ２０は、磁気媒体１０の平面に対して隙間（ギャップ）をおいて対向する一対の磁気センサ素子２１を含む。この磁気センサ素子２１は、移動方向（磁気媒体１０の長手方向）に一定の間隔をおいて配されている。

磁気センサ２０の一対の磁気センサ素子２１は、例えばスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（すなわち、スピンバルブ型ＧＭＲ素子）であり、検出用着磁部１１によって形成される方向の磁場の強さを検出して、この検出した磁場の強さに応じた強さの電圧信号を出力信号として出力する。

磁気センサ２０に接続された演算部は、これら一対の磁気センサ素子２１ａ，ｂのそれぞれの出力信号をＡ相信号Ｖａ、Ｂ相信号Ｖｂとし、予め定めたタイミングごとにこれらの信号をディジタル化して、その比（Ｖｂ／Ｖａ）の逆正接θ＝ｔａｎ^-1（Ｖｂ／Ｖａ）を演算する。演算部は、各タイミングごとに得たこの逆正接の変化を用いて、初期の位置からの移動量を累算する。この演算部の処理は広く知られているので、ここでの詳しい説明は省略する。なお、この磁気センサ装置１は、逆正接を演算する方法ではない、従来のエンコーダとしての用途にも用いることができる。

磁気センサ２０の磁気センサ素子２１は、磁気センサ素子２１が検知できる磁場の成分がほとんどゼロになる領域を通過することがある。詳細には、検出用着磁部１１から出た磁力線が、磁気センサ素子２１の感磁軸に直交する向きで磁気センサ素子２１に印加されると、磁気センサの出力の変化はほとんど得られない。他方、検出用着磁部１１から出た磁束が、磁気センサ素子２１の感磁軸に平行な向きで磁気センサ素子２１に印加されると、磁気センサの出力の変化を得ることができる。

検知できる磁場の成分がほとんどゼロになる領域では、磁気センサ素子の磁性膜中の磁区に磁場がほぼ作用しない状態になるので、磁区の向きが必ずしも一様にならない場合がある。ついで、磁場を検知できる領域を磁気センサが通過すると、磁場とは向きの異なっていた一部の磁区が回転して、バルクハウゼン・ノイズを生じる。

本実施の形態では、検知できる磁場の成分がほとんどゼロの領域において、図４に示すように、この検出用着磁部１１による磁場に対して直交する磁場が直交着磁部１２によって形成されている。直交着磁部１２ａ，ｂ，ｃによる磁場はバイアス磁場として磁気センサ素子２１に印加される。バイアス磁場によって、磁気センサ素子２１の磁性膜を構成する自由層の磁区の磁化方向の分散が減少し、磁気センサ素子２１において、バルクハウゼン・ノイズを抑制できる。
その結果、自由層の磁化が比較的滑らかに変化するようになって、磁気センサの出力にはバルクハウゼン・ノイズの影響がなく、検出可能な移動量の分解能が向上する。

ところで、一般に、この磁気センサ２０を取り付けるにあたっては、磁気媒体１０の幅方向の中心に、磁気センサ素子２１の中心が位置するようにする。また、一対の磁気センサ素子２１が磁気媒体１０の平面に平行に配列されるように取り付ける。しかしながら現実としては、この磁気センサ２０は、図５（ａ）から（ｃ）に例示するように、磁気媒体１０の幅方向に対して傾き（ピッチ角α）を持って配されたり、幅方向の中心からずれて配されたり（オフセットｄ）、磁気媒体１０の長手方向に対して傾き（ロール角β）を持って配されるなどする。

このため、磁気媒体１０の平面側において磁場が磁気媒体１０の平面に平行でなかったり、磁場の強さが実質的に一定でなかったりすると、一対の磁気センサ素子２１にかかる直交着磁部１２による磁場の強さがそれぞれ異なることになり、測定結果に影響を及ぼす。つまり、磁気媒体１０の平面Ｕ側に非平行磁場（磁力線同士が平行ではない磁場）が展開されると、磁気センサにピッチ角等の傾きが生じたときに、相乗的に作用してバルクハウゼン・ノイズを抑えにくくなり、結果として、移動量あるいは回転量の分解能を特に劣化させる可能性がある。

そこで本実施の形態では、磁気センサ２０に対向する面とは異なる複数の面にそれぞれ、着磁ヘッドにより着磁され、磁気媒体１０の長手方向に延びる直交着磁部１２を一つでなく、複数形成しているものである。例えば図３に例示したように、磁気センサ素子２１に対する直交磁場を主に形成する直交着磁部１２ａのほかに、磁気媒体１０の幅方向の両側面にこの直交磁場の形状を制御する直交着磁部１２ｂ，ｃを形成することで、磁気媒体１０の平面側の磁場を幅方向に実質的に（少なくとも磁気センサ素子２１が配され得る範囲においては）平行で、かつ磁場の強さが実質的に（少なくとも磁気センサ素子２１が配され得る範囲においては）一定とみなすことができるようなものとしている。

なお、図３に例示したような直交着磁部１２を形成するためには、次のようにすればよい。この着磁においては、図６に示すように、実質的に矩形の筒状をなす着磁ヘッド３０を用いる。この着磁ヘッド３０は、矩形筒状の磁気ヨーク３１と、この磁気ヨーク３１に巻回された一対の着磁コイル３２とを有する。また、磁気ヨーク３１の筒状の周方向一部にはギャップＧが形成される。

またこのギャップＧの両側には、磁気媒体１０の底面と、側面のうち底面側の一部とに対向する、断面視でそれぞれ略Ｌ字状部３３が、左右にそれぞれ対称的に形成されている。

着磁の際には、磁気媒体１０を、その底面と底面側の側面の一部とが、上記Ｌ字状部３３により形成された凹部に隙間をおいて配されるようにし、また、磁気媒体１０の平面側には平面全体を覆い、また磁気媒体１０の長手方向に電流が流されている、打消し磁場発生用導体４０を配する。この打消し磁場発生用導体４０が形成する磁場は、着磁ヘッド３０が形成する磁場の一部を打ち消す。すなわち打消し磁場発生用導体４０が形成する磁場は、磁気媒体１０の平面側において、着磁ヘッド３０が形成する磁場を打ち消すので、直交着磁部１２ｂ，ｃが、磁気媒体１０の底面側に近い位置に選択的に形成される。

そして着磁ヘッド３０の着磁コイル３２と、打消し磁場発生用導体４０とにそれぞれ予め定めた強さの電流を流す。このとき着磁ヘッド３０のギャップＧの間には磁場が生じて、この磁場により磁気媒体１０の底面、幅方向の中心部に直交着磁部１２ａとなる部分の着磁が行われる。

またこのとき、Ｌ字状部３３により形成された磁気ヨーク３１の凹部の端Ｅの部分においても磁場が生じ、この磁場により磁気媒体１０の側面Ｌ，Ｒ、やや底面寄りの位置に直交着磁部１２ｂ，ｃとなる部分の着磁が行われる。この着磁ヘッド３０を、磁気媒体１０の長手方向に移動させつつ、このような着磁を行うことで、磁気媒体１０の長手方向に延びる直交着磁部１２ａ，ｂ，ｃが形成される。
なお、ここでは着磁ヘッド３０を移動させつつ直交着磁部１２ａ，ｂ，ｃの着磁を行うこととしたが、磁気ヨーク３１の厚さを磁気媒体１０の長手方向寸法の１．２倍程度とした着磁ヘッド３０を用いて、磁気媒体１０に、一度で直交着磁部１２ａ，ｂ，ｃの着磁を行ってもよい。

図６に例示した着磁の方法により、磁気媒体１０に形成された直交着磁部１２（図３に例示の通り）による磁場の例を以下に示す。

図７は、着磁ヘッド３０の着磁コイル３２に流す電流量を１Ａ、打消し磁場発生用導体４０に流す電流量を、それぞれ２００，２２０，２４０，２６０，２８０，３００Ａと変化させたときの幅方向の磁場の強さに関係する量（磁束密度）を、磁気媒体１０の平面からの距離を変化させつつ測定した結果を表すものである。

この結果から、打消し磁場発生用導体４０に流す電流量が強いほど、幅方向の磁束密度は低くなるが、磁気媒体１０の平面Ｕからの高さに応じた変化は少なくなる（高さ方向に実質的に一定となる）ことがわかった。
なお、直交着磁部１２ｂ，ｃとなる部分の着磁を行わない場合は、磁気媒体１０の平面Ｕからの高さが高くなるほど、指数関数的に磁束密度が低下する。

また図８は、着磁ヘッド３０の着磁コイル３２に流す電流量を１Ａ、打消し磁場発生用導体４０に流す電流量を３００Ａとしたときの磁気媒体１０の幅方向に対する磁束密度の変化を測定した結果を表す説明図である。ここでは磁気媒体１０の平面からの高さを、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍとして測定した。それぞれに対応するデータのプロットはひし形、正方形、三角となっている。なお、磁気媒体１０の幅は２ｍｍとし、図８においては幅方向位置１ｍｍから３ｍｍの範囲に配してある。この図８から明らかなように、幅方向においても中心から±０．６ｍｍの範囲で実質的に一定な磁場が形成されている。

この図８に例示した磁気媒体１０を用いた、本実施の形態に係る磁気センサ装置１の磁気センサ２０に接続された演算部は、磁気センサ２０の備える磁気センサ素子２１ａ，ｂのそれぞれの出力信号（Ａ相信号Ｖａ及びＢ相信号Ｖｂ）を得て、移動距離を演算する。

そこで本実施の形態に係る磁気センサ装置１において、磁気センサ２０を磁気媒体１０に対して相対移動しつつ得られた演算結果の、実際の移動距離に対する誤差を図９（ａ）に示す。図９（ａ）に例示するように、本実施の形態の磁気センサ装置１では、ジッタノイズはあるものの、誤差は１ａ．ｕ．以内に収まっていた。

また比較例として、従来の磁気媒体を用いた場合について述べる。従来の磁気媒体に対向する磁気センサが出力する信号から演算される移動距離の、実際の移動距離に対する誤差を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）に例示するように、比較例の磁気センサ装置では、ジッタノイズにほかにスパイク状のノイズ（Ａ）が生じており、誤差が１ａ．ｕ．を超える部分がある。このジッタノイズをフィルタで除去することはできるが、スパイク状のノイズの原因と考えられるバルクハウゼン・ノイズをフィルタで除去することはできない。

また本実施の形態の例による磁気媒体１０では、その平面Ｕ側に、磁束密度分布が実質的に一定で、平面Ｕに平行な磁場が形成されているので、磁気センサ装置１の組立時に、組立誤差によって磁気センサ２０の磁気媒体１０に対する配置位置にずれが生じても、磁気センサ素子２１に印加されるバイアス磁場を一定にでき、工業的な量産に適している。

１ 磁気センサ装置、１０ 磁気媒体、１１ 検出用着磁部、１２ 直交着磁部、２０ 磁気センサ、２１ 磁気センサ素子、３０ 着磁ヘッド、３１ 磁気ヨーク、３２ 着磁コイル、３３ Ｌ字状部、４０ 打消し磁場発生用導体。

Claims (4)

1. 磁気センサに対向し、磁気センサとの相対移動方向である長手方向に磁化の向きが交互に逆向きとなるように磁極を配した面を有する磁気媒体であって、
   前記磁気センサに対向する、前記磁化の向きが交互に逆向きとなるよう磁極を配した面とは異なる面に、前記長手方向に延びる着磁部を複数備え、
   前記着磁部は、磁気媒体の幅方向の中心に対して対称に配される磁気媒体。
2. 前記着磁部は、前記磁気センサに対向する面を平面とした底面側中心部と、前記長手方向に延びる両側側面の前記底面側に近い位置とにそれぞれ配される請求項１記載の磁気媒体。
3. 前記両側側面にそれぞれ配される着磁部は、前記底面に対して傾きを持った方向に磁場を生じさせるよう着磁されてなる請求項２記載の磁気媒体。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気媒体と、
   前記磁気媒体に対向して相対移動し、前記磁気媒体からの漏洩磁場の変化を検出して、移動量或いは回転量を検出する磁気センサと、を
   含む磁気センサ装置。
   

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