JP2015129698A - 回転検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、磁気センサ及び磁石を容易に設置することができるとともに、ギア状磁性体の回転を精度良く検出することができる回転検出装置を提供することを目的とする。【解決手段】凹凸部を有するギア状磁性体の回転を検出する回転検出装置であって、凹凸部と間隔を設けて配置された磁石と、磁石と凹凸部との間に配置された磁気センサ１２とを有し、磁気センサ１２は、２つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｂと軟磁性体３１とを備え、２つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｂを構成する自由磁性層４７の磁化は磁石によって飽和されており、軟磁性体３１は、２つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｂの間に設けられるとともに２つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｂよりも高さ方向に突出して設けられており、２つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｂによりブリッジ回路が構成されていることを特徴とする。【選択図】図１１

Description

本発明は、ギア状磁性体の回転を検出する回転検出装置に関する。

下記特許文献１には、ギア状磁性体と、磁石と、磁気センサとを有して構成される回転検出装置が開示されている。図１６は、特許文献１に記載されている従来例の回転検出装置の斜視図である。

図１６に示すように、ギア状磁性体１６１は、リング状磁性体１６７と、リング状磁性体１６７の外周に設けられた複数の凸部１６２とを有する。複数の凸部１６２同士の間に位置して凹部１６３が設けられており、凸部１６２または凹部１６３の上面側には磁石１３３が配置され、凸部１６２または凹部１６３の下面側には磁気センサ１１２が配置されている。

磁気センサ１１２は、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔｏ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果）を利用した磁気抵抗効果素子が用いられており、磁気センサ１１２の磁界検知方向がギア状磁性体１６１の半径方向または回転軸方向（図１６に示すＹ方向またはＺ方向）になるように配置されている。

ギア状磁性体１６１が回転したときに、磁気センサ１１２に凸部１６２が対向する場合と、凹部１６３が対向する場合とで、磁気センサ１１２に作用する磁界の方向及び強度が変化することにより、回転検出を行うことができる。

特許第５１４４８０３号公報

しかしながら、磁気センサ１１２に作用する磁界の強度は、磁気センサ１１２とギア状磁性体１６１とのギャップの大きさ、及び磁気センサ１１２と磁石１３３との距離に依存する。そのため、従来例の回転検出装置１０１において、ギア状磁性体１６１の上下方向のずれや磁気センサ１１２の設置ばらつきによってギャップの大きさが変化した場合、磁気センサ１１２に作用する磁界の強度が変化し、検出精度が低下するという課題が生じる。

さらに、磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果膜面内における磁界を検知するため、磁界検知方向を高さ方向（回転軸方向）に向けて磁気センサ１１２を設置することが困難である。磁界検知方向を高さ方向にするためには磁気抵抗効果膜を成膜した基板をギア状磁性体１６１が構成する面に対して垂直に立てなければならない。このように垂直に立てると装置全体の厚さが厚くなり、垂直に立てる精度も課題となる。磁気センサ１１２として、ホール素子を用いたものも知られているが、ホール素子は感磁面に対して垂直成分の磁界強度を検出する磁気センサ素子である。よって、従来例の回転検出装置１０１と同様にホール素子とギア状磁性体とのギャップのばらつきによって、ホール素子に作用する磁界強度が変化するため、精度良く回転を検出することができない。

また、図１６に示すように、従来例の回転検出装置１０１において、凸部１６２及び凹部１６３の上面側に磁石１３３が配置され、下面側に磁気センサ１１２を配置されている。さらに、検出精度の低下を防ぐために磁気センサ１１２及び磁石１３３を設置する位置精度を確保する必要がある。そのため、凸部１６２及び凹部１６３を上下方向に挟むような筐体１１０を用いて、筐体１１０の内部に磁石１３３と磁気センサ素子１１２とが収納されている。この場合高さ方向の厚みが増して、小型なセンサを作製できない。

以上のように、従来例の回転検出装置１０１において、磁気センサ１１２及び磁石１３３を設置する際の制約が大きく、磁気センサ１１２及び磁石１３３を容易に設置することが困難であるという課題が生じる。また、ギア状磁性体１６１の上下面に亘って形成された筐体１１０を用いることは回転検出装置１０１の小型化に反する。

本発明は、上記課題を解決して、磁気センサ及び磁石を容易に設置することができるとともに、ギア状磁性体の回転を精度良く検出することができる回転検出装置を提供することを目的とする。

本発明の回転検出装置は、上面と、下面と、前記上面及び前記下面の外周縁部間を繋ぐ外周側面と、前記外周側面の回転方向に連続して設けられた凹凸部とを有し、前記凹凸部は前記外周側面から外方に突出する複数の凸部と、前記複数の凸部同士の間の凹部とからなるギア状磁性体の回転を検出する回転検出装置であって、前記凹凸部の前記上面側または前記下面側のいずれか一方において、前記凹凸部と間隔を設けて配置された磁石と、前記磁石と前記凹凸部との間に配置された磁気センサとを有し、前記磁気センサは、２つの磁気センサ素子と軟磁性体とを備え、前記２つの磁気センサ素子は、磁化が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化が変化する自由磁性層とをそれぞれ有し、前記自由磁性層の磁化は前記磁石によって飽和されるとともに、前記２つの磁気センサ素子の前記固定磁性層の磁化方向は、前記上面または前記下面と略平行に互いに同じ方向に向けられており、前記下面から前記上面に向かう方向を高さ方向としたときに、前記軟磁性体は、前記２つの磁気センサ素子の間に設けられるとともに前記２つの磁気センサ素子よりも前記高さ方向に突出して設けられており、前記２つの磁気センサ素子によりブリッジ回路が構成されていることを特徴とする。

これによれば、ギア状磁性体の回転に応じて磁気センサに凸部が対向する場合と、凹部が対向する場合とで磁気センサに作用する磁界の方向が変化し、磁気センサに凸部が対向するときには、凸部に集められた磁界成分が磁気センサの高さ方向に作用する。そして、軟磁性体と磁気センサ素子とで高さ方向の磁界成分を面内方向に変換する磁路が形成されているため、高さ方向の磁界成分は２つの磁気センサ素子の面内方向にそれぞれに分岐されて磁界の方向を検出することができる。

よって、高さ方向の磁界成分を検出するために磁気センサを垂直に設ける必要が無く、固定磁性層の磁化方向が、ギア状磁性体の上面または下面と略平行になるように磁気センサを設置することができる。また、ギア状磁性体の上面側または下面側のいずれか一方に磁石及び磁気センサが設けられているため、特殊な形状の筐体を用いることなく容易に磁石及び磁気センサを配置することができる。

さらに、磁石から生じる磁束が２つの磁気センサ素子の自由磁性層の磁化を飽和するように磁石が設けられているため、自由磁性層の磁化は磁界強度に依存せず磁気センサ素子に作用する磁界の方向のみに依存する。よって、磁気センサとギア状磁性体とのギャップが変動した場合や、磁気センサと磁石との距離がずれた場合であっても、磁界強度は変化するが２つの磁気センサ素子に作用する磁界の方向の変化は小さいため、凹凸部を検出する際の誤差の発生が抑制され、精度良く回転を検出することができる。

本発明の回転検出装置によれば、磁気センサ及び磁石を容易に設置することができるとともに、ギア状磁性体の回転を精度良く検出することができる。

前記上面または前記下面と略平行な前記面内において直交する方向を第１の方向及び第２の方向としたとき、前記２つの磁気センサ素子及び前記軟磁性体は前記第１の方向に延在して設けられており、前記２つの磁気センサ素子の前記固定磁性層の磁化方向はいずれも前記第２の方向に向いており、前記第１の方向は前記外周側面の回転方向と一致することが好適である。これによれば、磁気センサ素子によりブリッジ回路が構成されており、固定磁性層の磁化方向が同じであるため、磁気センサが磁石に対して第２の方向に位置がずれた場合であっても、磁石から発生する磁界の第２の方向の成分を相殺して検出誤差の発生を抑制することができる。

前記第１の方向において、前記磁気センサは前記磁石に対してずらして配置されていることが好適である。これによれば、凹部が磁気センサに対向する場合において、磁石から発生する磁界が磁気センサの第１の方向に作用して高さ方向の磁界は作用しないため、凹凸部を確実に検出することができる。

基板の表裏面の一方の面に前記磁気センサが配置され、他方の面に前記磁石が配置されていることが好ましい。これによれば、回転検出装置の小型化が可能となり、磁石及び磁気センサを凹凸部に対向して容易に位置合わせして設置することができる。

前記軟磁性体は、前記高さ方向において対向する端部を有しており、前記２つの磁気センサ素子側に位置する前記端部は、前記２つの磁気センサ素子の一部に重なって配置されていることが好ましい。これによれば、凸部が磁気センサに対向する場合において、磁気センサに作用する高さの方向の磁界成分は、軟磁性体に収束され、磁気センサ素子の一部と軟磁性体とが重なる部分を通って磁気センサ素子の第２の方向に磁路が変換される。よって、高さの方向の磁界成分を確実に第２の方向に変換することができるため、凹凸部を確実に検出することができる。

前記磁気センサ素子の幅方向の中心が、前記軟磁性体よりも外側に位置することが好ましい。これによれば、高さ方向の磁界成分を確実に第２の方向へ磁路変換することができる。

さらに２つの磁気センサ素子を有し、４つの前記磁気センサ素子によりフルブリッジ回路を構成することが好ましい。これによれば、磁気センサ素子の抵抗変化により差動出力を得ることができ、凹凸部の検出を精度良く行うことができる。

前記ギア状磁性体に設けられた複数の前記凹凸部の一部には回転基準部が設けられており、前記回転基準部には、前記凸部及び前記凹部と異なる幅を有する回転基準凸部または回転基準凹部が設けられていることが好ましい。これによれば、回転の原点を規定しやすくなり、また回転方向を知ることができる。

本発明の回転検出装置によれば、磁気センサ及び磁石を容易に設置することができるとともに、ギア状磁性体の回転を精度良く検出することができる。

本発明の第１の実施形態における回転検出装置の部分拡大斜視図である。 ギア状磁性体の平面図である。 本実施形態の回転検出装置の（ａ）部分拡大正面図及び（ｂ）部分拡大側面図である。 本実施形態における磁気センサの平面図である。 図４のＶ−Ｖ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの断面図である。 本実施形態における磁気センサを構成する磁気センサ素子の模式部分拡大断面図である。 ギア状磁性体の凹部の検出方法を説明するための、回転検出装置の部分拡大正面図である。 ギア状磁性体の凹部の検出方法を説明するための、磁気センサの平面図である。 ４つの磁気センサ素子から構成されるフルブリッジ回路である。 ギア状磁性体の凸部の検出方法を説明するための、回転検出装置の部分拡大正面図である。 ギア状磁性体の凸部の検出方法を説明するための、（ａ）磁気センサの平面図及び（ｂ）部分拡大断面図である。 ４つの磁気センサ素子から構成されるフルブリッジ回路である。 本実施形態の回転検出装置において磁気センサの位置ずれが発生した場合の、ギア状磁性体の凹部の検出方法を説明するための、（ａ）回転検出装置の部分拡大平面図、及び（ｂ）磁気センサの平面図である。 本実施形態の回転検出装置において磁気センサの位置ずれが発生した場合の、ギア状磁性体の凸部の検出方法を説明するための、（ａ）回転検出装置の部分拡大平面図、及び（ｂ）磁気センサの平面図である。 第２の実施形態における回転検出装置の（ａ）正面図、及び（ｂ）側面図である。 従来例の回転検出装置の部分拡大斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の具体的な実施形態の回転検出装置について説明をする。なお、各図面の寸法は適宜変更して示している。

図１は、第１の実施形態の回転検出装置の部分拡大斜視図である。図２は、ギア状磁性体の平面図である。また、図３（ａ）は、本実施形態の回転検出装置の正面図、及び（ｂ）回転検出装置の側面図である。

図１に示すように、本実施形態の回転検出装置１０は、ギア状磁性体６１と、磁石３３と、磁気センサ１２とを有して構成される。

図１及び図２に示すギア状磁性体６１は、リング状部６７と、リング状部６７から外方に突出する複数の凸部６２とを有する。図１に示すように、リング状部６７は、上面６７ａと、下面６７ｂと、上面６７ａ及び下面６７ｂの外周縁部間を繋ぐ外周側面６７ｃとを有している。凸部６２は、外周側面６７ｃに設けられており、ギア状磁性体６１の半径方向Ｄ１に突出している。

図２に示すように、ギア状磁性体６１の中心が回転中心Ｏであり、ギア状磁性体６１は回転中心Ｏを回転軸として時計方向（ＣＷ）及び反時計方向（ＣＣＷ）に回転可能に支持されている。

複数の凸部６２は回転方向ＣＷ、ＣＣＷに間隔を空けて配置されており、隣り合う凸部６２同士の間に位置して凹部６３が設けられている。複数の凸部６２と複数の凹部６３とはそれぞれ一定の幅で設けられている。このように、凸部６２と凹部６３とが回転方向ＣＷ、ＣＣＷに交互に連続して並んだ凹凸部６４が設けられている。また、凸部６２の一部である幅広凸部６２ａの幅寸法Ｔ１は、他の凸部６２に比べて幅広に形成されており、幅広凸部６２ａに隣り合う幅広凹部６３ａ、６３ｂの幅寸法Ｔ２、Ｔ３は他の凹部６３に比べて幅広に形成されている。なお、幅広凹部６３ａの幅寸法Ｔ２と幅広凹部６３ｂの幅寸法Ｔ３は異なる大きさに形成されている。

幅広凸部６２ａ及び幅広凹部６３ａ、６３ｂは、他の凸部６２、凹部６３とは異なる幅寸法で形成されているため、幅広凸部６２ａ及び幅広凹部６３ａ、６３ｂを回転基準部６５として検出することにより、ギア状磁性体６１の回転の原点を規定しやすくなり、また回転方向を知ることができる。

図１に示すようにギア状磁性体６１の下面６７ｂ側には、凹凸部６４と間隔を設けて磁石３３が配置されており、磁石３３と凹凸部６４との間に磁気センサ１２が配置されている。本実施形態において、磁石３３は上下方向に着磁されており、例えば磁石３３の下面側（Ｚ２方向の面）がＮ極に着磁され、上面側（Ｚ１方向の面）がＳ極に着磁されている。また、ギア状磁性体６１は、例えばＦｅ系の軟磁性体で形成される。

図３（ａ）は、図１のＹ２方向からＹ１方向に向かって見たときの、本実施形態の回転検出装置１０の部分拡大正面図であり、図３（ｂ）は、図１のＸ１方向からＸ２方向に向かって見たときの、部分拡大側面図である。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、磁石３３と磁気センサ１２とは同一の基板１５に設けられており、磁石３３は基板１５の下面に配置されるとともに、磁気センサ１２は基板１５の上面に配置される。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、高さ方向（Ｚ１−Ｚ２方向）において、磁気センサ１２は、凹凸部６４とギャップを設けて配置されるとともに、磁石３３に対してギャップを設けて配置される。また、図３（ａ）に示すように、Ｘ１−Ｘ２方向において、磁気センサ１２は磁石３３に対してずらして配置されている。なお、図３（ｂ）に示すように、Ｙ１−Ｙ２方向において、磁気センサ１２は磁石３３と重なる位置に配置される。

本実施形態において、磁石３３と磁気センサ１２とは同一の基板１５に設けることにより、回転検出装置１０の小型化が可能となり、磁石３３及び磁気センサ１２を凹凸部６４に対向して容易に位置合わせして設置することができる。また、従来例の回転検出装置１０１のように、ギア状磁性体６１の上下面に磁石３３と磁気センサ１２とを分けて配置する場合や、磁石３３と磁気センサ１２とを別々の基板に搭載する場合に比べて、磁石３３と磁気センサ１２との距離を制御して磁石３３及び磁気センサ１２を配置することが容易である。

磁気センサ１２は、磁界の方向によりオン・オフ信号を生成する磁気スイッチである。磁気センサ１２に対向して凸部６２が位置する場合と、凹部６３が位置する場合とで、磁気センサ１２に作用する磁界の方向が変化し、これによりギア状磁性体６１の回転及び回転方向を検知することができる。

図４は、本実施形態における磁気センサの平面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの断面図である。図４及び図５に示すように、本実施形態における磁気センサ１２は、複数の磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄから構成される磁気センサ素子群２１と、軟磁性体３１とを有する。なお、本実施形態において４つの磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄを示しているが、これに限定されず、少なくとも２つの磁気センサ素子により検出は可能であり、または、さらに多くの磁気センサ素子を設けることも可能である。

図４に示すように、複数の磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄは、それぞれＸ１−Ｘ２方向に延在し、かつ、Ｙ１−Ｙ２方向において互いに間隔を有して配置されている。また、軟磁性体３１は、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄと同様に、それぞれＸ１−Ｘ２方向に延在し、かつ、Ｙ１−Ｙ２方向において互いに間隔を有して配置されている。軟磁性体３１のＸ１−Ｘ２方向の両端には接続部３２が接続されており、接続部３２は、複数の軟磁性体３１同士をＹ１−Ｙ２方向に接続する。

図４に示すように、軟磁性体３１は、Ｙ１−Ｙ２方向において、２つの磁気センサ素子２１ａと磁気センサ素子２１ｂとの間、及び２つの磁気センサ素子２１ｃと磁気センサ素子２１ｄとの間にそれぞれ設けられている。

図５に示すように、磁気センサ素子群２１は基板３０の上に設けられている。そして、軟磁性体３１及び接続部３２は磁気センサ素子群２１の上に設けられており、軟磁性体３１は磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄのそれぞれの一部に重なって配置されている。図５に示すように、軟磁性体３１は、Ｙ１−Ｙ２方向において磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄ同士の間に設けられるとともに、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄよりも高さ方向（Ｚ１方向）に突出して設けられる。

本実施形態において、軟磁性体３１と接続部３２とは、同じ材料を用いて一体に形成されている。軟磁性体３１及び接続部３２は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＴｉ、ＣｏＺｒＮｂ等の軟磁性の磁性材料から選ばれた少なくとも１つの材料が含まれる軟磁性材料から形成される。

図６は、図４のＶ−Ｖ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサ素子の積層構成を示す模式部分拡大断面図である。本実施形態において、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄとして巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ））素子が用いられる。図６は、複数の磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄのうち１つの磁気センサ素子（例えば２１ａ）について、磁気センサ素子２１ａを構成する磁気抵抗効果膜４３の積層構造を示している。

磁気抵抗効果膜４３は、絶縁膜４２及びシード層４９を介してシリコン基板４１の上面に形成されている。図４に示すように、磁気抵抗効果膜４３は、反強磁性層４４、固定磁性層４５、非磁性層４６、及び自由磁性層４７の順に積層されており、自由磁性層４７の表面が保護層４８で覆われて構成されている。

磁気抵抗効果膜４３において、反強磁性層４４と固定磁性層４５との交換結合により、固定磁性層４５の磁化方向４５ａが固定されている。図６に示すように、磁化方向４５ａは、シリコン基板４１に平行な状態でＹ１方向に向いている。また、自由磁性層４７の磁化方向４７ａは外部から印加される磁界によって変化する。なお、以下の説明では、「固定磁性層４５の磁化方向４５ａ」を「固定磁化方向４５ａ」と表す。また、「自由磁性層４７の磁化方向４７ａ」を「自由磁化方向４７ａ」と表す。

本実施形態において、絶縁膜４２はシリコン基板４１を熱酸化したシリコン酸化膜や、スパッタ法等で成膜したアルミナ膜、酸化膜等であってもよい。反強磁性層４４は、Ｉｒ−Ｍｎ合金（イリジウム−マンガン合金）などの反強磁性材料で形成されている。固定磁性層４５は、Ｃｏ−Ｆｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料などで形成されている。非磁性層４６は、Ｃｕ（銅）などである。自由磁性層４７は、保磁力が小さく透磁率が大きいＮｉ−Ｆｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層４８は、Ｔａ（タンタル）などの層である。シード層４９は、ＮｉＦｅＣｒで構成される。この層によりその上の反強磁性層４４の結晶の配向が（１１１）に整えられる。なお、図６に示す磁気抵抗効果膜４３の積層構造及び用いられる材料は一例であって、他の積層構成であってもよい。反強磁性層４４を省いてさらに固定磁性層４５を第１強磁性層／非磁性結合層／第２強磁性層からなるいわゆるセルフピン型の構成にしても良い。この場合は第１強磁性層がシード層４９と直接接する。また、第２強磁性層が非磁性層４６と直接接する。非磁性結合層は導電性のＲｕ等を用いる。第１強磁性層と第２強磁性層の磁化は導電電子により間接的な交換相互作用（ＲＫＫＹ的相互作用）により１８０°異なる方向に向けられている。

図４に示すように、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの固定磁化方向４５ａはいずれもＹ１方向に固定され同一方向に向けられている。また、自由磁化方向４７ａは、外部から印加される磁界により変化する。例えば、磁石３３、ギア状磁性体６１等が配置されず外部磁界が印加されていない状態では、自由磁化方向４７ａは磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの形状異方性によりＸ１−Ｘ２方向に向き、固定磁化方向４５ａと自由磁化方向４７ａとは直交する。本実施形態において、固定磁化方向４５ａ及び自由磁化方向４７ａは、磁気抵抗効果膜４３の面内方向に設けられており、磁気センサ１２は膜面内の磁界成分を検知する。

図４に示すように、自由磁化方向４７ａと固定磁化方向４５ａとのなす角度をθとする。磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに磁界が印加されて自由磁化方向４７ａが固定磁化方向４５ａと平行に近づくと、角度θが小さくなり電気抵抗が低下する。一方、自由磁化方向４７ａが固定磁化方向４５ａと反平行に近づくと、角度θが大きくなり電気抵抗値が増大する。

また、本実施形態において、磁石３３の残留磁束密度は充分に大きく設定されており、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの自由磁性層４７の磁化は磁石３３により飽和されている。すなわち、自由磁化方向４７ａは、磁石３３の磁界強度に依存せずに、磁石３３の磁界３４の方向のみに依存して変化する。そのため、本実施形態においては、磁石３３は、ネオジム磁石や、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、フェライト磁石、プラスチック磁石などの大きい残留磁束密度を有するものが好適である。磁石３３には、例えば残留磁束密度１００〜１５００ｍＴを有するものが選ばれている。

本実施形態の回転検出装置１０は、ギア状磁性体６１の回転に伴って磁気センサ１２に作用する磁界の方向が変化し、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの抵抗が変化する。この抵抗変化に基づいて、ギア状磁性体６１の回転を検出することができる。

図７は、ギア状磁性体の凹部の検出方法を説明するための、回転検出装置の部分拡大正面図である。図８は、ギア状磁性体の凹部の検出方法を説明するための、磁気センサの平面図である。また、図９は４つの磁気センサ素子から構成されるフルブリッジ回路である。

図７に示すように、磁気センサ１２と対向して上方（Ｚ１方向）に凹部６３が位置する場合において、磁気センサ１２は磁石３３に対してＸ１−Ｘ２方向にずらして配置されているため、磁石３３から発生する磁界３４は、磁気センサ１２に対してＸ１−Ｘ２方向に作用する。また、凸部６２が磁石３３から離れているため、磁石３３から発生する磁界３４がギア状磁性体６１の凸部６２に集中することが抑制され、磁気センサ１２にはＺ１−Ｚ２方向の磁界成分はほとんど作用しない。

よって、図８に示すように、磁石３３から発生する磁界３４のｘ成分３４ａが磁気センサ１２に作用する。図８に示すように、ｘ成分３４ａは、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに対して同じ方向（Ｘ１方向）に作用し、それぞれの自由磁化方向４７ａは、ｘ成分３４ａの方向に沿って、Ｘ１方向に向けられる。すなわち、自由磁化方向４７ａは、固定磁化方向４５ａに対して直交する方向に向けられる。よって、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄにおいて固定磁化方向４５ａと自由磁化方向４７ａとの角度θはいずれも同じ角度となり、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの抵抗値はほぼ等しい値となる。

図９に示すように、４つの磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄが電気的に接続されて、フルブリッジ回路５３を構成する。図９に示すように、入力端子（Ｖ_ｄｄ）とグラウンド端子（ＧＮＤ）との間に、直列接続された磁気センサ素子２１ａと磁気センサ素子２１ｂ、及び直列接続された磁気センサ素子２１ｃと磁気センサ素子２１ｄが、並列接続されてフルブリッジ回路５３を構成している。直列接続された磁気センサ素子２１ａと磁気センサ素子２１ｂとの間から中点電圧（Ｖ_１）が取り出され、また磁気センサ素子２１ｃと磁気センサ素子２１ｄとの間から中点電圧（Ｖ_２）が取り出される。中点電圧（Ｖ_１）と中点電圧（Ｖ_２）との差分（Ｖ_１−Ｖ_２）が、差動増幅器５４により増幅されて出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）として出力される。

図７に示すように、磁気センサ１２の上方に凹部６３が位置する場合において、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄのそれぞれの抵抗値がほぼ同じであるため、図９に示す中点電圧（Ｖ_１）と中点電圧（Ｖ_２）とは同じ値となり、差分（Ｖ_１−Ｖ_２）は０Ｖである。以上の様に、本実施形態の回転検出装置１０において凹部６３を検出することができる。

本実施形態の磁気センサ１２において、自由磁性層４７の磁化は磁石３３により飽和されており、磁界強度に依存せずに磁界方向によって各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの抵抗値が変化する。例えば、ギア状磁性体６１、磁気センサ１２及び磁石３３を設置する際などに、磁気センサ１２と磁石３３との高さ方向（Ｚ方向）の距離、または磁気センサ１２と凹凸部６４との高さ方向（Ｚ方向）の距離のばらつきが発生する場合がある。この場合であっても、磁気センサ１２に作用する磁界３４の強度は変化するが、磁界３４の方向の変化は小さいため、磁気センサ１２の出力の変化が抑制される。したがって、凹部６３を精度良く検出することができる。また、磁気センサ１２と磁石３３との高さ方向（Ｚ方向）の距離や磁気センサ１２と凹凸部６４との高さ方向（Ｚ方向）の距離の制約が少ないため、磁気センサ１２及び磁石３３を容易に設置可能となる。

図１０は、ギア状磁性体の凸部の検出方法を説明するための、回転検出装置の部分拡大正面図である。図１１（ａ）は、ギア状磁性体の凸部の検出方法を説明するための、磁気センサの平面図であり、図１１（ｂ）は、磁気センサの部分拡大断面図である。また、図１２は４つの磁気センサ素子から構成されるフルブリッジ回路である。

図１０に示すように、磁気センサ１２に対向して上方（Ｚ１方向）に凸部６２が位置する場合において、磁石３３から発生する磁界３４が上方（Ｚ１方向）のギア状磁性体６１の凸部６２に集中し、磁界３４の方向が曲げられる。そして、磁気センサ１２は磁石３３に対してＸ１−Ｘ２方向にずらして配置されているため、磁石３３から発生し凸部６２方向に曲げられた磁界３４は、磁気センサ１２に対して斜め方向に作用し、Ｘ１−Ｘ２方向の磁界成分及びＺ１−Ｚ２方向の磁界成分が磁気センサ１２に作用する。

図１１（ａ）に示すように、磁石３３から発生する磁界３４のｘ成分３４ａは、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに対して同じ方向（Ｘ１方向）に作用する。図１１（ｂ）に示すように、２つの磁気センサ素子２１ａ及び磁気センサ素子２１ｂに関して、軟磁性体３１は、Ｚ１−Ｚ２方向において、２つの磁気センサ素子２１ａ及び磁気センサ素子２１ｂの上に設けられている。すなわち、軟磁性体３１は２つの磁気センサ素子２１ａ及び磁気センサ素子２１ｂと、凹凸部６４（図８（ｂ）には図示しない）との間に設けられている。また、軟磁性体３１はＹ１−Ｙ２方向において２つの磁気センサ素子２１ａと磁気センサ素子２１ｂとの間に設けられており、２つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ側に位置する端部３１ａは、２つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｂのそれぞれの一部に重なって配置されている。図１１（ｂ）に示すように、２つの磁気センサ素子２１ｃ及び磁気センサ素子２１ｄについても同様に軟磁性体３１が設けられている。

これにより、軟磁性体３１と磁気センサ素子２１ａとでＺ１−Ｚ２方向からＹ２方向に曲がる磁路が形成され、軟磁性体３１と磁気センサ素子２１ｂとでＺ１−Ｚ２方向からＹ１方向に曲がる磁路が形成される。したがって、磁界３４のｚ成分３４ｃの磁束は軟磁性体３１に収束されて、軟磁性体３１の磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ側の端部３１ａへ流出する。そして、磁界３４のｚ成分３４ｃの磁束は、磁気センサ素子２１ａ及び磁気センサ素子２１ｂの幅方向に沿って、Ｙ１方向とＹ２方向の磁界成分に変換される。これにより、磁石３３から発生する磁界３４のｚ成分３４ｃは、磁気センサ素子２１ａのＹ２方向に作用し、磁気センサ素子２１ｂのＹ１方向に作用する。また、磁気センサ素子２１ｃ、２１ｄについても同様に、磁界３４のｚ成分３４ｃは、磁気センサ素子２１ｃのＹ２方向に作用し、磁気センサ素子２１ｄのＹ１方向に作用する。

したがって、図１１（ａ）に示すように、磁界３４のｘ成分３４ａが磁気センサ素子２１ａのＸ１方向に作用し、磁界３４のｚ成分３４ｃが軟磁性体３１により磁路変更されて、磁気センサ素子２１ａのＹ２方向に作用する。この２つの磁界成分を重ね合わせた磁界３５の方向に沿って自由磁化方向４７ａが向けられ、固定磁化方向４５ａと自由磁化方向４７ａとのなす角度が大きくなる方向に変化する。磁気センサ素子２１ｂには、磁界３４のｚ成分３４ｃがＹ１方向に印加されるため、磁気センサ素子２１ａとは逆に、固定磁化方向４５ａと自由磁化方向４７ａとのなす角度が小さくなる方向に自由磁化方向４７ａが変化する。また、磁気センサ素子２１ｃには、磁気センサ素子２１ａと同様に磁石３３からの磁界３４が作用し、磁気センサ素子２１ｄには磁気センサ素子２１ｂと同様に磁石３３からの磁界３４が作用する。

図１２は、凸部６２を検出する際のフルブリッジ回路５３である。図９に示す凹部６３を検出する際のフルブリッジ回路５３の出力に比較して、磁気センサ素子２１ａ及び磁気センサ素子２１ｃの抵抗値は大きくなり、磁気センサ素子２１ｂ及び磁気センサ素子２１ｄの抵抗値は小さくなる。したがって、磁気センサ素子２１ａと磁気センサ素子２１ｂとの中点電圧（Ｖ_１）は小さくなり、磁気センサ素子２１ｃと磁気センサ素子２１ｄとの中点電圧（Ｖ_２）は大きくなる。そして、各中点電圧の差（Ｖ_１−Ｖ_２）が差動増幅器５４により増幅されて、出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）が出力される。この出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）により凸部６２を精度良く検出することができる。

また、本実施形態の回転検出装置１０において、図１１（ｂ）に示すように、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂのそれぞれの幅方向（Ｙ１−Ｙ２方向）の中心位置２３（図８（ｂ）において二点鎖線２３で示す）が、軟磁性体３１よりも外側に位置している。こうすれば、軟磁性体３１の側面３１ｂよりもＹ２方向に延びる２１ａ、及びＹ１方向に延びる磁気センサ素子２１ｂの長さを長くすることができるため、磁石３３から発生する磁界３４のｚ成分３４ｃが確実にＹ１−Ｙ２方向に変換される。

本実施形態において、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂの幅寸法（Ｙ１−Ｙ２方向の寸法）は５μｍ〜１５μｍ程度、軟磁性体３１の幅寸法は１０μｍ〜２０μｍ、軟磁性体３１の高さ寸法は１０μｍ〜３０μｍ程度に形成することができる。そして、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂの幅方向の中心位置２３は軟磁性体３１の側面３１ｂよりも０．５μｍ以上外側に位置する。図１１（ｂ）に示すように、軟磁性体３１の断面形状は矩形状であり、磁石３３からの磁界３４のｚ成分３４ｃを効率的に収束させるために、軟磁性体３１の幅寸法よりも高さ寸法を大きくすることが好ましい。

以上のように、磁気センサ１２に凸部６２が対向する場合と、凹部６３が対向する場合とで磁気センサ１２に作用する磁界３４の方向が変化し、磁気センサ１２に凸部６２が対向するときには磁気センサ１２の面内方向の磁界成分に加えて、凸部６２に集められた磁界成分が磁気センサ１２の高さ方向に作用する。そして、軟磁性体３１と磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄとで高さ方向の磁界成分を面内方向に変換する磁路が形成されているため、高さ方向の磁界成分は２つの磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの面内方向にそれぞれに分岐されて磁界３４の方向を検出することができる。

よって、高さ方向の磁界成分を検出するために磁気センサ１２を垂直に設ける必要が無く、固定磁性層４５の磁化方向４５ａが、ギア状磁性体６１の上面６７ａまたは下面６７ｂと略平行になるように磁気センサ１２を設置することができる。また、ギア状磁性体６１の上面６７ａ側または下面６７ｂ側のいずれか一方に磁石３３及び磁気センサ１２が設けられているため、図１６に示す従来例の回転検出装置１０１において用いられる特殊な形状の筐体１１０を用いることなく、容易に磁石３３及び磁気センサ１２を配置することができる。

さらに、磁石３３から生じる磁束が２つの磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの自由磁性層４７の磁化を飽和するように磁石３３が設けられているため、自由磁性層４７の磁化は磁界強度に依存せず磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用する磁界の方向のみに依存する。よって、磁気センサ１２とギア状磁性体６１とのギャップが変動した場合や、磁気センサ１２と磁石３３との相対位置関係がずれた場合であっても、磁界強度は変化するが２つの磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用する磁界の方向の変化は小さいため、凹凸部６４を検出する際の誤差の発生が抑制され、精度良く回転を検出することができる。

したがって、本実施形態の回転検出装置１０によれば、磁気センサ１２及び磁石３３を容易に設置することができるとともに、ギア状磁性体６１の回転を精度良く検出することができる。

図７〜図１２に示す凹凸部６４の検出方法では、磁気センサ１２に磁界３４のｘ成分３４ａまたはｚ成分３４ｃが作用する場合を示しているが、本実施形態の回転検出装置１０によれば、ｙ成分３４ｂが作用する場合であっても、誤差の発生を抑制して精度良く検出することが可能である。図１３（ａ）は、本実施形態の回転検出装置において磁気センサの位置ずれが発生した場合の、ギア状磁性体の凹部の検出方法を説明するための、回転検出装置の部分拡大平面図であり、図１３（ｂ）は、磁気センサの平面図である。

図１３（ａ）に示すように、磁気センサ１２がＹ１方向にずれて配置された場合において、磁気センサ１２に凹部６３が対向すると、磁石３３からの磁界３４は磁気センサ１２に対して平面視で斜め方向に作用する。つまり磁界３４のｘ成分３４ａとｙ成分３４ｂが磁気センサ１２に作用し、磁界３４のｚ成分３４ｃは作用しない。

図１３（ｂ）に示すように、磁界３４のｙ成分３４ｂは、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに対して同じ方向（Ｙ２方向）に、かつ同じ大きさで作用する。よって、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの自由磁化方向４７ａはいずれも同じ方向に回転して、角度θが大きくなる方向に向けられる。したがって、ｙ成分３４ｂが各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用した場合であっても、いずれも同様の抵抗変化を示すため、図９に示すフルブリッジ回路５３の中点電位（Ｖ１、Ｖ２）はほとんど変化しない。よって、ｙ成分３４ｂによる誤差の発生が抑制されて精度良く凹部６３を検出することができる。

図１４（ａ）は、本実施形態の回転検出装置において磁気センサの位置ずれが発生した場合の、ギア状磁性体の凸部の検出方法を説明するための、回転検出装置の部分拡大平面図であり、図１４（ｂ）は、磁気センサの平面図である。

図１４（ａ）に示すように、磁気センサ１２がＹ１方向にずれて配置された場合において、磁気センサ１２に凸部６２が対向すると、磁界３４のｘ成分３４ａとｙ成分３４ｂが磁気センサ１２に作用するとともに、図１０と同様に磁界３４のｚ成分３４ｃが磁気センサ１２に作用する。

磁界３４のｚ成分３４ｃは、図１１（ｂ）と同様に、軟磁性体３１によってＹ１方向及びＹ２方向の磁界に変換される。よって、図１４（ｂ）に示すように、磁界３４のｚ成分３４ｃは、磁気センサ素子２１ａに対してＹ２方向に作用し、磁気センサ素子２１ｂに対して逆方向のＹ１方向に作用する。磁界の各成分３４ａ〜３４ｃを合成した磁界３５が、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂにそれぞれ作用し、自由磁化方向４７ａは合成磁界３５に沿った方向に向けられる。図１４（ｂ）に示すように、磁気センサ素子２１ａにおいて抵抗が大きくなる方向に自由磁化方向４７ａが変化し、磁気センサ素子２１ｂにおいて抵抗が小さくなる方向に自由磁化方向４７ａが変化する。磁気センサ素子２１ｃ、２１ｄにおいても同様に、磁気センサ素子２１ｃの抵抗が大きくなる方向に自由磁化方向４７ａが変化し、磁気センサ素子２１ｄの抵抗が小さくなる方向に自由磁化方向４７ａが変化する。これにより、フルブリッジ回路５３からの差動出力が得られ、精度良く凸部６２を検出することができる。

以上のように、磁気センサ１２にＹ方向の磁界３４が作用した場合であっても、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに同じ方向に磁界３４のｙ成分３４ｂが作用する。よって、ｙ成分３４ｂによる各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの抵抗値は同様に変化するため、フルブリッジ回路５３により磁界３４のｙ成分３４ｂによる誤差はキャンセルされる。したがって、本実施形態の回転検出装置１０において、磁石３３に対する磁気センサ１２の位置ずれが生じた場合であっても、誤差の発生を抑制して精度良く凹凸部６４を検出することができる。

図１５は、第２の実施形態における回転検出装置の（ａ）正面図、及び（ｂ）側面図である。本実施形態の回転検出装置１１は、磁気センサ１２と磁石３３との相対位置は図１及び図３に示す第１の実施形態と同様であり、ギア状磁性体６１に対する、磁気センサ１２及び磁石３３の配置が異なっている。図１５に示すように、本実施形態の回転検出装置１１において、磁気センサ１２及び磁石３３はギア状磁性体６１に対して９０°回転して配置されている。

本実施形態の回転検出装置１１は、図１５（ａ）に示すように、Ｘ１−Ｘ２方向において磁気センサ１２が磁石３３に重なる位置に配置されるとともに、図１５（ｂ）に示すように、Ｙ１−Ｙ２方向において磁気センサ１２が磁石３３に対してずらして配置されている。本実施形態において、磁気センサ１２を構成する磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄ及び軟磁性体３１も９０°回転して配置されており、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄ及び軟磁性体３１はＹ１−Ｙ２方向に延在して設けられる。

このような配置であっても、第１の実施形態と同様に、磁気センサ１２に凹部６３が対向する場合と、凸部６２が対向する場合とで、磁気センサ１２に作用する磁界３４の方向が変化し、凸部６２及び凹部６３を精度良く検出可能である。なお、本実施形態に限定されず、ギア状磁性体６１に対する磁石３３及び磁気センサ１２の位置、距離などは適宜変更することができる。

１０、１１ 回転検出装置
１２ 磁気センサ
１５ 基板
２１ 磁気センサ素子群
２１ａ〜２１ｄ 磁気センサ素子
２３ 磁気センサ素子の幅方向の中心位置
３０ 基板
３１ 軟磁性体
３１ａ 端部
３２ 接続部
３３ 磁石
３４ 磁石から発生する磁界
３４ａ 磁石から発生する磁界のｘ成分
３４ｂ 磁石から発生する磁界のｙ成分
３４ｃ 磁石から発生する磁界のｚ成分
３５ 磁気センサ素子に作用する磁界
４３ 磁気抵抗効果膜
４５ 固定磁性層
４５ａ 固定磁化方向（固定磁性層の磁化方向）
４７ 自由磁性層
４７ａ 自由磁化方向（自由磁性層の磁化方向）
５３ フルブリッジ回路
６１ ギア状磁性体
６２ 凸部
６２ａ 幅広凸部（回転基準凸部）
６３ 凹部
６３ａ、６３ｂ 幅広凹部（回転基準凹部）
６４ 凹凸部
６５ 回転基準部
ＣＷ、ＣＣＷ 回転方向

Claims (8)

1. 上面と、下面と、前記上面及び前記下面の外周縁部間を繋ぐ外周側面と、前記外周側面の回転方向に連続して設けられた凹凸部とを有し、前記凹凸部は前記外周側面から外方に突出する複数の凸部と、前記複数の凸部同士の間の凹部とからなるギア状磁性体の回転を検出する回転検出装置であって、
   前記凹凸部の前記上面側または前記下面側のいずれか一方において、前記凹凸部と間隔を設けて配置された磁石と、前記磁石と前記凹凸部との間に配置された磁気センサとを有し、
   前記磁気センサは、２つの磁気センサ素子と軟磁性体とを備え、
   前記２つの磁気センサ素子は、磁化が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化が変化する自由磁性層とをそれぞれ有し、前記自由磁性層の磁化は前記磁石によって飽和されると共に、前記２つの磁気センサ素子の前記固定磁性層の磁化方向は、前記上面または前記下面と略平行に互いに同じ方向に向けられており、
   前記下面から前記上面に向かう方向を高さ方向としたときに、前記軟磁性体は、前記２つの磁気センサ素子の間に設けられるとともに前記２つの磁気センサ素子よりも前記高さ方向に突出して設けられており、
   前記２つの磁気センサ素子によりブリッジ回路が構成されていることを特徴とする回転検出装置。
2. 前記上面または前記下面と略平行な前記面内において直交する方向を第１の方向及び第２の方向としたとき、前記２つの磁気センサ素子及び前記軟磁性体は前記第１の方向に延在して設けられており、前記２つの磁気センサ素子の前記固定磁性層の磁化方向はいずれも前記第２の方向に向いており、前記第１の方向は前記外周側面の回転方向と一致することを特徴とする請求項１に記載の回転検出装置。
3. 前記第１の方向において、前記磁気センサは前記磁石に対してずらして配置されていることを特徴とする請求項２に記載の回転検出装置。
4. 基板の表裏面の一方の面に前記磁気センサが配置され、他方の面に前記磁石が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転検出装置。
5. 前記軟磁性体は、前記高さ方向において対向する端部を有しており、
   前記２つの磁気センサ素子側に位置する前記端部は、前記２つの磁気センサ素子の一部に重なって配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転検出装置。
6. 前記磁気センサ素子の幅方向の中心が、前記軟磁性体よりも外側に位置することを特徴とする請求項４に記載の回転検出装置。
7. さらに２つの磁気センサ素子を有し、４つの前記磁気センサ素子によりフルブリッジ回路を構成することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転検出装置。
8. 前記ギア状磁性体に設けられた複数の前記凹凸部の一部には回転基準部が設けられており、前記回転基準部には、前記凸部及び前記凹部と異なる幅を有する回転基準凸部または回転基準凹部が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転検出装置。

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