JP3618466B2

JP3618466B2 - ホール効果鉄物品近接センサー

Info

Publication number: JP3618466B2
Application number: JP14391396A
Authority: JP
Inventors: ラヴィ・ヴィグ; テリ・トゥ
Original assignee: Allegro Microsystems Inc
Current assignee: Allegro Microsystems Inc
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-06
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2016-06-06
Also published as: JPH0949740A; KR970004106A; DE19622561A1; DE19622561B4; FR2735222A1; US5781005A; KR100318230B1; FR2735222B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯車の歯のような強磁性の物品の存在及び／又は通過を検出するための近接センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、歯車の歯のような強磁性の物品の存在及び／又は通過を検出するための近接センサーに関し、詳細には、磁石構造体と、ホール素子を有する集積回路チップであって磁石構造体の一方の端部で且つ磁石構造物により引き起こされる磁界の中に取り付けられる集積回路チップとの組立体を備えるようなセンサーに関する。ホール素子は、その平面に対して垂直の磁界の強度に関連する電気信号を発生する。強磁性物品がホール素子に近づくにつれ、該ホール素子に対して垂直の磁界強度が変えられる。こうして、物品とホール素子との間の距離と物理的向きが、ホール素子により発生される電気信号に表される。これにより、ホール効果センサーは該センサーと強磁性対象物との間の距離を検知することが可能となる。
【０００３】
このタイプのセンサーの非常に適切な用途は、歯車あるいは歯車形状のディスクの回転速度あるいは回転位置の測定にある。このタイプのセンサーを歯車の周縁部に隣接して置くことにより、センサーの側（そば）での存在、該側への近接、該側の通過及び通過速度は電気信号に表される。従って、センサーを速度計、タコメータとして、あるいは回転又は直線の運動又は位置をモニターするため用いることができる。
【０００４】
従来技術のホール効果センサーは、各平坦な端部に一方の磁極（Ｎ又はＳ）を有する円筒形の永久磁極から成る磁石構造体を採用している。ホール・チップは、磁石の一つの端部（及び一つの磁極）に隣接し且つ磁石の端部の平面に平行なホール素子の平面を有するよう位置決めされる。
【０００５】
このような従来技術の近接センサーの集積回路チップは、ほとんど常にホール出力電圧を増幅するための本質的に線形のホール電圧増幅器を含む。また、このような多くのホール集積回路には、バイナリー出力信号を生成するシュミット・トリガー回路が含まれている。該バイナリー出力信号は、鉄の物品がチップの主要面に垂直な磁界が所定の大きさを越える臨界距離内まで近づくと１つのレベル（スタンバイ・レベル）から他のバイナリー・レベル（動作レベル）に変化する。これらの回路は通常ＤＣ接続され、そのためセンサーは、ゼロより上の速度から高速度（例えば１００ＫＨｚ）までにおける鉄の物品の通過を検知することが可能である。
【０００６】
この従来技術のセンサーの設計は、磁化されている、即ち、それ自体永久磁石である歯車の歯のような目標物の存在を検知するため開発された。理論的には、この設計は、強磁性対象物、即ち鉄や鉄合金から作られる対象物のような高透磁率を有する対象物のためのセンサーとして機能することができるにも拘わらず、その設計は全ての用途においてうまく動作するわけではない。この欠陥に対する一つの理由は、以下で説明されるように、非常に高い基準線、即ち対象物が存在しない状態での磁束及び信号にある。多くの用途での状況における対象物の存在する状態の信号は基準線信号よりそれほど大きくなく、電子ノイズの存在が従来技術の設計を信頼性の無いものにし得る。
【０００７】
２ホール素子の設計が一定の状況において改良であることが分かった。単一のホール素子を、基準線条件で互いに相殺するように電気的に接続された２つの近接して離間した素子と置換することにより、良好な信号を生成できる。あいにく、該信号は、各歯の前縁及び後縁がセンサーを通過するときの基準線からの遷移である。適切な状況において、これは、歯の通過の速度を測定するための有用なセンサーである。しかしながら、この設計は、パワーアップの際の歯又は他の対象物の存在又は不在の信頼性のある指示を提供しない。
【０００８】
多くの用途において、歯の存在又は不在を示す情報はセンサーに通信される。例えば、自動車のエンジンにおいて、特定のシリンダーが点火されるべき位置にあるとき、歯が付された歯車が、歯をセンサーに対して向け得る。エンジンの点火行程を開始させる際に、センサーは、それが歯を検知するまで、燃料をシリンダーから与えずにおくであろう。そのように、不焼成の燃料が大気中にスタートアップ中に排出されず、スタートアップ汚染が低減されるであろう。かかるシステムは、信頼性のない信号も、また縁部の通過を検知するのみの信号も採用することができないであろう。従来技術のデバイスで経験したこれらの難点が、本発明による新規な要領において回避された。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、センサー領域において強磁性の物品の存在又は不在に対して高感度のホール強磁性物品近接センサーを作る方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、パワーアップの際に、比較的遠隔の歯車に対してさえ、歯が存在する状況と歯が不在の状況とを非常に明瞭に区別する電気信号を発生する歯車の歯センサーを提供することにある。
本発明の別の目的は、ホール素子により測定される磁束（即ち、ホール素子の平面に垂直の磁束密度）が強磁性対象物の不在又は遠隔においては絶対値で低くあるいはゼロであるように設計されている歯車の歯センサーを提供することにある。
当業者に明らかなように、これらの目的を視ると、本発明は、発明の詳細な説明において記述され特許請求の範囲によりカバーされる部品を備えたセンサーにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
強磁性の物品に対する近接センサーは、磁石構造体と、ホール素子を含む種類の集積回路チップと、ホール素子の出力の関数である信号を発生するための回路手段とから成る。該チップは、チップが磁石の少なくとも２つの磁極に隣接しているように、且つホール素子を通る実質的に全部の基準線磁束がホール素子の平面に平行であるように、磁石構造体に対して取り付けられている。
【００１１】
本発明は、前側部と後側部とを有するセンサー平面に平行に位置決めされ且つ当該センサー平面を画成する平面のホール素子であって、センサー軸に垂直で且つ該センサー軸に中心付けされたホール素子を含む集積回路チップと、Ｎ極及びＳ極を有する磁石構造体であって、前記センサー平面の後ろに位置され、Ｓ極及びＮ極が互いに隣接し且つその双方が前記ホール素子と隣接するように位置決めされる磁石構造体とを備える、強磁性対象物を検知するホール効果センサーである。
【００１２】
この記述の目的のため、少なくとも一つのＮ極（あるいは磁極部片と等価なもの）と少なくとも一つのＳ極（あるいは磁極部片と等価なもの）とを単一の磁石面に提供する磁石構造体は複合磁石と呼ばれるであろう。複合磁石が個別の磁化された部片の積層物から形成されるならば、該複合磁石はサンドイッチ形磁石と呼ばれる。複合磁石が磁化可能な材料の単一の部片の個別に磁化された領域から形成されるならば、複合磁石は多重磁極磁石と呼ばれる。磁石構造体が一方の磁極を磁石面上の軸に、また他方の磁極を該軸の少なくとも双方の側部（Ｎ−Ｓ−ＮあるいはＳ−Ｎ−Ｓ）上に提供するならば、該複合磁石は対称複合磁石と呼ばれる。
【００１３】
ホール効果センサーは、センサーの近傍において強磁性対象物の存在を検知するよう、またセンサーと強磁性対象物との間の距離を検知するよう、また強磁性対象物のセンサーに対する位置を検知するよう、及び／又は強磁性対象物がセンサーの側を通過する速度を検知するようなされている。
磁石構造体が、当該磁石の前に且つセンサー平面から前方へ延在するセンサー磁界を形成し、当該磁界が、成分の値が強磁性対象物の磁界における位置に関連する磁束密度成分をホール素子に且つそれに対して垂直に付与する、ホール効果センサーが提供される。
【００１４】
磁石構造体が、当該磁石の前に且つセンサー平面から前方へ延在するセンサー磁界を形成し、当該磁界が、成分の値が強磁性対象物の磁界における位置に関連する磁束密度成分をホール素子に且つそれに対して垂直に付与し、前記成分の値がまた、ゼロガウスに近い絶対値を有し且つ前記対象物がセンサーからの範囲外の距離にあるとき生じる基準線値を有する、ホール効果センサーが提供される。ゼロに近い値は、４００ガウス以下である絶対値を有する。前記範囲外の距離が１０ｍｍ以上である。ホール素子は磁石構造体から０．５乃至２．０ｍｍの距離にある。ホール素子は磁石構造体から１ｍｍの距離にある。
【００１５】
磁石構造体は、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面を有し、前記磁石構造体はまた、一方がＮ極を前面に呈し、他方がＳ極を前面に呈する少なくとも２つの部材を含む、ホール効果センサーが提供される。
磁石構造体は、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面を有し、前記磁石構造体はまた、一方がＮ極を前面に呈し、他方がＳ極を前面に呈する少なくとも２つの部材を含み、当該２つの部材の一方が前記磁石構造体により引き起こされる基準線磁界を調整するため前面から後退されている、ホール効果センサーが提供される。
磁石構造体は、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面を有し、前記磁石構造体はまた、一方がＮ極を前面に呈し、他方がＳ極を前面に呈する少なくとも２つの永久磁石を含む、ホール効果センサーが提供される。
【００１６】
磁石構造体は、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面を有し、前記磁石構造体はまた、少なくとも１つの永久棒磁石と、磁石構造体の中に存在することにより一時的に磁化される少なくとも１つの磁極部片とを含み、その一方がＮ極を前面に呈し、その他方がＳ極を前面に呈する、ホール効果センサーが提供される。
磁石構造体は、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面を有し、前記磁石構造体はまた、少なくとも２つの永久磁石と、当該２つの永久磁極の間に位置決めされ磁石構造体の中に存在することにより一時的に磁化される少なくとも１つの磁極部片とを含み、永久磁石の一つが磁極の少なくとも一つを前面に呈し、磁極部片が他方の磁極を前面に呈する、ホール効果センサーが提供される。
【００１７】
磁石構造体は、磁石の軸と、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面とを備える円筒の形状である、ホール効果センサーが提供される。
【００１８】
磁石構造体は、磁石の軸と、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面とを備える円筒の形状であり、前記磁石構造体はまた、一方がＮ極を前面に呈し、他方がＳ極を前面に呈する少なくとも２つの永久磁石を含む、ホール効果センサーが提供される。
磁石構造体は、磁石の軸と、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面とを備える円筒の形状であり、前記磁石構造体はまた、少なくとも１つの永久棒磁石と、磁石構造体の中に存在することにより一時的に磁化される少なくとも１つの磁極部片とを含み、その一方がＮ極を前面に呈し、その他方がＳ極を前面に呈する、ホール効果センサーが提供される。
磁石構造体は、磁石の軸と、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面とを備える円筒の形状であり、前記磁石構造体はまた、少なくとも２つの永久磁石と、当該２つの永久磁極の間に位置決めされ磁石構造体の中に存在することにより一時的に磁化される少なくとも１つの磁極部片とを含み、永久磁石の一つが磁極の少なくとも一つを前面に呈し、磁極部片が他方の磁極を前面に呈する、ホール効果センサーが提供される。
しかしながら、本発明の特徴は、添付図面により図示されるようにその構造的な形態の一つを参照することにより最良に理解され得る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１を最初に言及すると、図１には、本発明が関係するセンサー・システム１００の一般的特徴が示され、該センサー・システム１００は、鋼鉄の歯車のような強磁性の目標物１１、ホール効果センサー・チップ１２及び磁石構造体１３を含む。図１において、磁石構造体１３は、ホール効果センサー・チップ１２に隣接する一方の端部にＳ極を有し他方の端部にＮ極を有する通常のタイプの棒磁石である。センサー・システム１００は、１つ又は２つのホール素子１４をホール効果センサー・チップ１２内に有し得て、双方の選択は前述のように問題点を有する。
【００２０】
図２に示されるように、本発明は、チップ１２の後ろの磁石構造体１３を、チップの後ろ側に且つ互いに隣接してＳ極とＮ極の双方を提供する複合磁石構造体１５と置換する。この幾何学的配置は、プレーナー（ｐｌａｎａｒ）ホール素子１４の周りに適切な磁界を多く創成する。図２は、２つのクラッディング棒磁石１６及び１７が心棒１８に装着されている単純なサンドイッチ構造を示す。心棒１８は、これらクラッディング棒磁石１６及び１７と反対の極性を備えるよう磁極が向けられて配置された永久磁石であり得る。代替として、心棒は、高い透磁率を有する（容易に磁束を導く）がそれ自体永久磁石ではない磁極部片であり得る。クラッディング磁石は、サンドイッチ構造が維持される限り、該磁極部片に一時的に磁気を誘導し、反対の極性の磁石のように作用させるであろう。双方の場合において、磁石構造体はＳ極とＮ極の双方をチップの後部に提供し、ホール素子を、多重磁極表面の前に存在する磁界に曝す。かかる構成はまた、上述の磁極構造を形成するよう３つの個別のゾーンにおいて磁化された永久に磁化可能な材料の単一の部片を用いて成し得る。図３は、磁石の軸に沿って見た平面図である。該軸は、複合磁石面に、またチップの前面及び後面に、更にチップ内のホール素子の平面に垂直である。
【００２１】
図４乃至図６は磁石構造体の好適な設計を示す。図６は、軸が主要複合面から紙面の上方へ且つそれからずれて延在する状態における磁石構造体の好適な設計の斜視図である。縦方向の平面が示され、主要面に取り付けられたチップからの電子的リードが、主要磁石面に平行な磁石の断面の円形設計プロフィールの外側を延在することなしに磁石の長さに沿って通ることを可能にする。図４は、主要磁石面を見た好適な設計図である。図５は好適な設計の側面図である。
【００２２】
磁石構造体は、以下に説明するように非常の多くの形態を取り得る。不可欠の特徴は、磁石構造体が磁界をホール素子の周りに形成し、該磁界がホール素子が互いに隣接する２つの異なる磁極に隣接するとき生じる効果を有しなければならないことである。通常、その２つの磁極は、ホールＩＣの後面に提供される。一つ又はより多くの磁極を後退させることにより、磁界を最適化できる。
【００２３】
本発明は、前側部と後側部とを有するセンサー平面に平行に位置決めされ且つ当該センサー平面を画成する平面のホール素子であって、センサー軸に垂直で且つ該センサー軸に中心付けされたホール素子を含む集積回路チップと、Ｎ極及びＳ極を有する磁石構造体であって、前記センサー平面の後ろに位置され、Ｓ極及びＮ極が互いに隣接し且つその双方が前記ホール素子と隣接するように位置決めされる磁石構造体とを備える、強磁性対象物を検知するホール効果センサーである。
【００２４】
ホール効果センサーは、センサーの近傍において強磁性対象物の存在を検知するよう、またセンサーと強磁性対象物との間の距離を検知するよう、また強磁性対象物のセンサーに対する位置を検知するよう、及び／又は強磁性対象物がセンサーの側を通過する速度を検知するようなされている。
磁石構造体が、当該磁石の前に且つセンサー平面から前方へ延在するセンサー磁界を形成し、当該磁界が、成分の値が強磁性対象物の磁界における位置に関連する磁束密度成分をホール素子に且つそれに対して垂直に付与する、ホール効果センサーが提供される。
【００２５】
磁石構造体が、当該磁石の前に且つセンサー平面から前方へ延在するセンサー磁界を形成し、当該磁界が、成分の値が強磁性対象物の磁界における位置に関連する磁束密度成分をホール素子に且つそれに対して垂直に付与し、前記成分の値がまた、ゼロガウスに近い絶対値を有し且つ前記対象物がセンサーからの範囲外の距離にあるとき生じる基準線値を有する、ホール効果センサーが提供される。ゼロに近い値は、４００ガウス以下である絶対値を有する。前記範囲外の距離が１０ｍｍ以上である。ホール素子は磁石構造体から０．５乃至２．０ｍｍの距離にある。ホール素子は磁石構造体から１ｍｍの距離にある。
【００２６】
磁石構造体は、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面を有し、前記磁石構造体はまた、一方がＮ極を前面に呈し、他方がＳ極を前面に呈する少なくとも２つの部材を含む、ホール効果センサーが提供される。
磁石構造体は、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面を有し、前記磁石構造体はまた、一方がＮ極を前面に呈し、他方がＳ極を前面に呈する少なくとも２つの部材を含み、当該２つの部材の一方が前記磁石構造体により創成される磁界を調整するため前面から後退されている、ホール効果センサーが提供される。
【００２７】
磁石構造体は、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面を有し、前記磁石構造体はまた、一方がＮ極を前面に呈し、他方がＳ極を前面に呈する少なくとも２つの永久磁石を含む、ホール効果センサーが提供される。
磁石構造体は、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面を有し、前記磁石構造体はまた、少なくとも１つの永久棒磁石と、磁石構造体の中に存在することにより一時的に磁化される少なくとも１つの磁極部片とを含み、その一方がＮ極を前面に呈し、その他方がＳ極を前面に呈する、ホール効果センサーが提供される。
【００２８】
磁石構造体は、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面を有し、前記磁石構造体はまた、少なくとも２つの永久磁石と、当該２つの永久磁極の間に位置決めされ磁石構造体の中に存在することにより一時的に磁化される少なくとも１つの磁極部片とを含み、永久磁石の一方を前面に呈し、磁極部片が他方の磁極を前面に呈する、ホール効果センサーが提供される。
磁石構造体は、磁石の軸と、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面とを備える円筒の形状である、ホール効果センサーが提供される。
【００２９】
磁石構造体は、磁石の軸と、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面とを備える円筒の形状であり、前記磁石構造体はまた、一方がＮ極を前面に呈し、他方がＳ極を前面に呈する少なくとも２つの永久磁石を含む、ホール効果センサーが提供される。
磁石構造体は、磁石の軸と、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面とを備える円筒の形状であり、前記磁石構造体はまた、少なくとも１つの永久棒磁石と、磁石構造体の中に存在することにより一時的に磁化される少なくとも１つの磁極部片とを含み、その一方がＮ極を前面に呈し、その他方がＳ極を前面に呈する、ホール効果センサーが提供される。
【００３０】
磁石構造体は、磁石の軸と、チップに隣接し且つセンサー平面に平行である平坦な前面とを備える円筒の形状であり、前記磁石構造体はまた、少なくとも２つの永久磁石と、当該２つの永久磁極の間に位置決めされ磁石構造体の中に存在することにより一時的に磁化される少なくとも１つの磁極部片とを含み、永久磁石が磁極の一方を前面に呈し、磁極部片が他方の磁極を前面に呈する、ホール効果センサーが提供される。
【００３１】
図７は、ホール素子に隣接し且つ強磁性の歯車の通過をモニターするため構成された磁石の単一の磁極を備える初期に考えられた構成に関係する。図７及び図８は、磁界の変化をホール素子と歯車との間の空隙の関数として示す磁束マップである。該グラフは負のガウスで示され、従って（歯間の）基準線は各データ線の上側曲線である。データ線の振幅は、空隙（歯とセンサーとの距離）の減少と共に増大する。基準線の磁界は極端に高く、即ち、磁力場は、このケースに用いられるＳｍＣｏ磁石に対して３０００Ｇ（ホール・チップに隣接する磁極がＳ極であり従って磁束が負であるので実際には−３０００Ｇ）である。大きな空隙にわたって作用するため、極端に小さい磁界の変化が大きな基準線磁界について測定されねばならない。例えば、約２．０３２ｍｍ（８０ミル（ｍｉｌ））が３０００Ｇの基準線磁界について１００Ｇ信号を創成する。これは極端に困難な仕事である。更に、一部のケースにおいて、基準線磁界は、隣接する歯間のクロストークのため、空隙と共に移動する。現実の状況において常に存在する背景信号ノイズを考慮すると、問題は更に一層厳しくなる。
【００３２】
図８は、より広い歯と歯間のより広いギャップとを有する目標物を用いることを除き図７と同様のものである。
図９は、本発明の複合（このケースにおいてはＳ−Ｎ−Ｓ）構成に関係し、目標物（歯車）の回転の間の種々の空隙（歯とセンサーとの距離）に対する磁束密度（単位ガウス）のパワー・オン磁束マップである。目標物は実質的に図８において用いられたものと同じである。ゼロ度は歯の中心である。複合構成が、磁界の双方の磁極をホール素子の直ぐ背後に持ってくることにより、ホール素子の面上の基準線磁界を（ほぼ−１００Ｇに）低下させる。反対の磁極同士が近くに存在することが、（谷が存在し歯が存在しないとき）開回路において磁力線を短絡させるよう作用する。これは、磁力線がチップの中のホール素子に平行で且つホール素子より下であるので、低い基準線磁界を創成する。適切な設計が、基準線磁界を、ホール素子により測定されるようなゼロガウスに近づけることを可能にする。歯が存在するとき、磁気回路は変えられ、磁力線は、歯へ且つホール素子を通ってそれに垂直に引かれる。次いで、ホール素子は高い値を測定する。こうして、歯の存在は磁力線がそれる（ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ）ことを生じさせあるいは磁力線の集中を生じさせ、歯の存在がまた、システムにおいて短絡（あるいは縁部磁界）を最小化する。歯が不在であるときのこの短絡と、歯が存在するときのそれること及び集中との結果が、大きなピッチの歯車をセンサーの前を通過させて歯の周縁部とセンサーとの間の種々の空隙で回転させることにより創作された図９の磁束マップに示されている。図示のように、谷を指示する基準線は、空隙が変化するとき、一定のままであり、低い値（ゼロに近い）である。他方、歯の存在を指示する磁束密度は、空隙の減少と共に降下する（負の密度が大きくなる）。ホール素子で、初期の構成におけるように、磁力線がＳ極に入っていて且つ目標物により集中化されているので、磁束密度は負である。
【００３３】
パワー・アップの際、即ち、システムが最初に付勢されるとき、歯の存在信号と歯の不在信号との非常に重大な且つ容易に認識される差異があるので、本発明のセンサーは、例えば、スタートアップの空気汚染を最小化するため内燃機関の配電器において、この非常に臨界的な条件の非常に信頼し得る指示を提供する。
【００３４】
ホール素子に用いられる符号の慣行は、センサーの前のＮ極からセンサーの後ろのＳ極への磁束が負であることである。図１０は図９と本発明の複合構成に関係する点で類似する。図１０は、目標物（歯車）の回転の間の種々の空隙（歯とセンサーとの距離）に対する磁束密度（単位ガウス）のパワー・オン磁束マップである。ゼロ度は歯の中心である。複合構成が、磁界の磁極の双方をホール素子の後部に持ってくることにより、ホール素子の面上のベース磁界を（ほぼ７５Ｇに）低下させる。反対の磁極が近くに存在することは、（谷が存在し歯が存在しないとき）開回路において磁力線を短絡させる作用をする。これは、磁力線がチップの中のホール素子に平行で且つそれより下にあるので、低い基準線磁界を創作する。適切な設計により、基準線磁界が、ホール素子により測定されるようなゼロガウスに近づくようにすることができる。歯が存在するとき、磁気回路が変えられ、磁力線が歯へ且つホール素子を通ってそれに垂直に引かれる。次いで、ホール素子は高い値を測定する。こうして、歯は、システムにおいて短絡（あるいはフリンジ磁界）を最小化するように磁力線をそらせる。歯が存在しないときのこの短絡及び歯が存在するときのそれることの結果が、大きなピッチの歯車をセンサーの前を通過させて歯の周辺とセンサーとの間の種々の空隙で回転させることにより創成された図１０の磁束マップに示されている。図示のように、谷を指示する基準線は、空隙が変化するとき、一定のままで低い値（ゼロに近い）である。他方、歯の存在により生じた磁束密度は、空隙の減少と共に増大する。この構成（Ｎ−Ｓ−Ｎ）はＮ極を出て目標物により集中化されるホール素子での磁力線を有するので、磁束の符号は正である。
【００３５】
図１１は、面にＮ極を有する２つの磁石が該面と同一平面であり且つＳ極を該面に提供する磁極部片により分離されているサンドイッチ型磁石（Ｎ−Ｓ−Ｎ）の該面を横切る磁束密度のマップを示す。サンドイッチ型磁石は８ｍｍ幅の面であり、磁極部片は１ｍｍ幅であり、側方磁石は各々３．５ｍｍ幅である。面及び磁極部片の中心で磁束は−５００Ｇである。その値は、その点がＳ極に隣接しているので、負である。測定点が面を横切って側方に移動するにつれ、磁束は、ゼロに向けて移動し、部片と磁石との境界の僅かに外側でゼロに到達する。次いで、測定点が更に側方に移動するとき、磁束は、測定点がＮ極を横切って移動するにつれ、正に増大し、磁極部片と磁石との境界から１ｍｍ離れた所で１０００Ｇの最大値まで増大する。測定する器具は１０００Ｇで飽和し、即ち１０００Ｇより上の値を記録することをしない。このマップが磁石の面に垂直の磁束成分のみを示していることを理解すべきである。
【００３６】
図１２は、同一平面のＴ字形状の磁極部片を有するサンドイッチ型磁石について基準線磁界強度上のホール素子の後部に対する磁石の位置の効果を示す。該グラフは、種々の空隙に対するホール素子の後ろの磁石の位置に対する磁束密度を示す。図１３は、Ｔ字型磁極部片のサンドイッチ型磁石の面を横切る基準線（谷が存在）磁束密度上でＺｍｍだけ磁石面から磁極部片を後退させる効果を示す。Ｚが１．２５ｍｍのとき中心の基準線磁束がほぼゼロになることが分かる。図１４は、磁極部片が１．５ｍｍ後退しているＴ字型磁極部片のサンドイッチ型磁石の面を横切る磁束マップを示す。
【００３７】
図１５は、この図のデータを発生するため用いられる磁石が、中央の構成要素が反転された棒磁石（Ｔ字型でなく単なる磁極部片でもない）で且つ１．５ｍｍ後退しているサンドイッチ型磁石であること除いて図１４と同様である。
本発明に予期し得ない有益な結果を達成させることを可能にする物理学が全体的に理解されていないにも拘わらず、以下のモデルは、本発明の具体例（ｖｅｒｓｉｏｎ）を設計しそれがどのように機能するかを予測するため有効な手段を提供する。このモデルは、磁気「回路」モデルに基づいている。
【００３８】
図１６は、従来技術において既知のタイプの単一磁極ホール効果の歯車の歯センサーを示す。円筒の永久磁石１３は平坦な端部をそのＮ極及びＳ極に有する。ホール効果センサー１４は、Ｓ極の端部に取り付けられている。センサーの検知平面は磁石のＮ−Ｓ軸に垂直である。ホール効果センサー１４はセンサーの検知平面に垂直な磁束密度の成分を測定するので、また、磁力線が無限大から引かれ次いで共に集まり、磁石の軸に平行に磁石のＳ極に入るので、センサーは、通常の構成において、且つ図１６に示されるように、検知磁界の中に強磁性材料がない状態では、非常に高い（大きな絶対値）負の磁束を検出する。こうして、ホール効果センサーにより発生された基準線信号は比較的高い絶対値を有する。それは、ホール信号の絶対値を示す図２６のホール信号の図上の位置Ａとして示されている。図１６に示される構成は、検知されるべき強磁性の対象物がセンサーから無限大の位置に置かれている状況として視られ得る。
【００３９】
図１７は、歯車１１がセンサーからやや離れた位置に移動され、且つセンサーが歯間の間隔を検知しているように歯車がセンサーの両側に位置する状態を示す。磁束の場の中に強磁性の歯車が存在することにより、磁束を磁石のＮ−Ｓ軸に僅かに向けて集め集中させる。その結果、センサーにより検知される磁束が増大される。図２６において位置Ｂで示されるこの位置は、増大されたホール信号として示されている。図１６において示されるように位置Ａにより創成されるであろう基準線信号は比較的高いので、図１７において示される位置Ｂにおける信号の比較的小さい増大が比較的小さい信号対雑音比を提供する。図１７において示されるように位置される歯車が、回転され、その歯を図１８に示されるように回転経路の最も近接した位置に持ってくると、磁力線は更に一層著しく集められ、ホール・センサーに垂直な磁束密度が更に一層増大される。この位置は図２６の位置Ｄに示されている。
【００４０】
図１９は、センサーに一層近接して位置される歯車を示す。センサーのこの位置が、図１６及び図１７のそれぞれに示される位置Ｂと位置Ｄとの中間に磁束密度を集めさせる。これは図２６において位置Ｃとして示される。
図２０は、歯車の歯がセンサーに最も近接した位置にあるように図１９に示される歯車の回転を示す。歯と磁石の磁極とのこの向きが最大の量の磁束を直接センサーを通って集束させ、従って最高のホール信号を提供する。位置Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥにより発生される全部の信号は、位置Ａで見られる基準線信号と比較して比較的小さいので、歯車がセンサーの前で回転するとき発生する信号の信号対雑音比は比較的低い。その結果、歯車の歯とセンサーとの間の空隙は歯車の歯センサーの信頼できる動作に対して極端に重大となる。
【００４１】
図２１は、本発明が図１６に示される従来技術の構造に対応するときの本発明の図を示す。図２１において、ホール効果センサー１４が取り付けられる磁石の面が複合構造体１５として示されている。複合磁石のこの組は、強磁性対象物をそれらに接触して非常に強力に保持するので、時に「保持用」磁石と言われる。図２１乃至図２５に示される磁石構造体は、Ｔ字形状の断面を有する強磁性の磁極部片１８の上に平行に取り付けられた２つの標準のＳ−Ｎ棒磁石１６及び１７から構成されている。磁石が磁界を磁石部片に誘導するので、磁石の２つのＳ端部に隣接し且つこれら２つのＳ端部の間の磁極部片の部分が事実上のＮ極になる。従って、磁石は、あたかもＮ極が２つのＳ極の間にあるかのように作用する。図２１に示されるように、この磁石の幾何学的配置の効果は、磁力線の「短絡回路」を生じさせることであり、その結果磁石の面から無限大に磁石の軸に沿って放射する代わりに、軸に隣接する磁力線が、磁極部片のＮ極から各Ｓ極に非常に集中化した形態で走る。
【００４２】
磁石の構成要素の後ろ端部に向けて延在し且つそれを覆う中央の磁極部片の部分は背板と呼ばれる。該部分は中央の磁極部片の一部であり得る。また、該部分は分離した磁極部片であり得る。該部分はまた、中央の構成要素が永久磁石であるとき用いることができる。背板の関連する効果は、磁石構造体の前の磁界の前方への到達を増大させることであり、これによりセンサーの範囲を増大させる。
【００４３】
図２１に見られるように、磁石及びホール素子の軸近くにあり磁極部片のＮ極からＳ極の各々への磁力線は、磁石の端部表面に非常に近接して高度に集中化され、Ｎ極及び磁石の軸からホール・センサーの平面に平行にＳ極に半径方向で外方に本質的に走る。その結果、非常に高い磁束密度が磁石の表面に非常に近接してあるにも拘わらず、ホール素子での密度は非常に著しく低減され殆ど存在しない。更に、ホール・センサーが、そのホール素子の平面に垂直である磁束の成分を検知するのみなので、ホール・センサーは、図２１に示される新規な構成において何ら磁束を実効的に検知しない。これは、図２６における歯の位置Ｆ、即ち検知されるべき強磁性対象物が無限大にある状況に対応する。
【００４４】
図２２は、検知されるべき歯車１１をセンサーから比較的遠隔の位置に移動する効果を示す。本発明における磁束密度が磁石の面にそれ程に近接して存在するので、歯車の歯がセンサーを跨いだ状態で歯車が存在するのはセンサーに殆ど影響を及ぼさない。この位置は図２６において位置Ｇとして示されるが、この位置はホール信号に小さな影響を及ぼすかあるいは殆ど影響を及ぼさない。
図２３は、図２２に示される歯車が回転しその歯をセンサーの隣に持ってくるときの効果を示す。この位置は図２６において位置Ｉとして示されている。見られるように、歯車の歯の近傍位置は、Ｓ極に入る磁束を軸方向で内方に引き、磁力線を磁石及びホール素子の軸近くに集中化する。その結果、多数の数の磁力線が、実際にホール素子を通過し、ホール素子の平面に垂直の成分を著しく有する。その結果、位置Ｉにおいて発生される信号は、位置Ｇの歯間位置より絶対値において実質的に上であり、即ちＳ−Ｎ−Ｓ構成において、より多くの負の値である。
【００４５】
図２４は、歯車が、依然歯間の位置にあるが、図２２及び図２３に示される配置よりセンサーに一層近接して配置されている配置を示す。図２２に示される他の歯間の位置の場合のように、歯車が歯車の歯間の向きにおいて存在することは、有意の数の磁力線をホール素子を介して軸方向に集中化しあるいは引くのには不十分である。その結果、図２６において位置Ｈにより示されるように、この向きのため信号において著しい増加がない。
図２５は、図２４において位置された歯車の回転がその歯をセンサーに最も近くに移動させる位置を示す。図２５において見られるように、歯車の強磁性の効果が非常に大きな量の磁束及び磁力線をホール素子を通って軸方向に集中化しあるいは引く。センサーの平面を通って且つそれに垂直である磁束の十分な密度のため、位置Ｊ、即ち図２５に示す位置により発生されるように、図２６において説明された信号は、特に位置Ｈの歯間の信号に対して比較的強く（非常に負）である。更に、該信号は、位置Ｆにおける基準線位置と比較して比較的強く、従って、上記配置の信号対雑音比は比較的大きい。
【００４６】
図２７乃至図４２は、少なくとも２つの異なる磁極を単一の面に提供する点で本発明の原理を採用する一連の磁石構造体を示す。図２７は、４つの磁化された磁極と１つの面とを含む磁石構造体の斜視図である。図２８は、２つの磁極、１つの面及び鋼鉄の後ろ板を含む磁石構造体の斜視図である。図２９は、４つの磁極、１つの面及び鋼鉄の背板を含む磁石構造体の斜視図である。図３０は、鋼鉄の背板を有し厚さに平行な磁極と中央の磁極とを含む磁石構造体の斜視図である。図３１は、鋼鉄のカップを有し厚さに平行な磁極を含む磁石構造体の斜視図である。図３２は、鋼鉄のカップ及び中央の磁極を有し厚さに平行な磁極を含む磁石構造体の斜視図である。図３３は、鋼鉄の背板を有する３つの交互に配置された磁石を含む磁石構造体の斜視図である。図３４は、鋼鉄のアングルを有し厚さに平行な磁極を含む磁石構造体の斜視図である。図３５は、鋼鉄の溝形部材を有し厚さに平行な磁極を含む磁石構造体の斜視図である。図３６は、２つの鋼鉄の側板を有し厚さに平行な磁極（複数）を含む磁石構造体の斜視図である。図３７は、２つの磁化された磁極と１つの面（通し）とを含む磁石構造体の斜視図である。図３８は、３つの磁化された磁極と１つの面（通し）とを含む磁石構造体の斜視図である。図３９は、鋼鉄の背板を有する２つの磁化された磁極と１つの面（通し）とを含む磁石構造体の斜視図である。図４０は、鋼鉄の背板を有する２つの磁石を含む磁石構造体の斜視図である。図４１は、鋼鉄の後ろ板を有する３つの磁化された磁極と１つの面（通し）とを含む磁石構造体の斜視図である。図４２は、多数の磁極を単一の面に提供する磁石構造体の一連の斜視図である。
【００４７】
図４３は典型的な適用状況における本発明のセンサー・パッケージ１０を示す。この場合においては、センサー・パッケージ１０は、その前部表面が歯１０２を有する歯が付された歯車１０１の外周に面して位置決めされる。歯車１０１は、車両の車軸に取り付けられた車輪と同軸であり且つそれに接続されており、そのため車両の車輪１０３の回転は歯車１０１の回転に比例する。センサー１０は、その面前で歯車の通過をモニターし、歯がセンサー１０を通過する速度と関連する電気信号を生成する。電気信号は、信号プロセッサ１０５で処理され、次いで、該信号プロセッサ１０５はその信号を使用のための適当な形式でユーザに渡す。例えば、センサーを用いて、車両の速度を決めることが、またエンジン速度を決めることが、あるいは配電器内でカムの位置をモニターすることによりスパーク・プラグの点火を制御することができる。
【００４８】
図４４は、本発明の原理を具体化する磁石構造体１５ａの周りの磁界上における矩形強磁性目標物１１ａの効果のコンピュータモデルを示す。磁石構造体１５ａは、２つの磁石１６ａ及び１７ａと、中央の部片及び後ろ板を有するＴ字形状の磁極部片１８ａとを有する。中央の部片は、磁石構造体の（目標物に向いた）前面から後退している。
図４５は、図４４に対応し、磁石構造体に向けての目標物１１ａの運動が、目標物と磁石構造体との間の磁力線を軸方向で内方に集中化させる方法を示す。軸上で且つ目標物と磁石構造体との間のホール素子は、目標物が磁石構造体に向けて移動するにつれ、より大きな磁束密度に会うであろう。このモデルは、目標物無しの磁界が磁気「中立ゾーン」を磁石軸に沿って縁部磁界の前方に磁石構造体の前面近くに有する、説明を支持する。この「中立ゾーン」の中に配置された磁界センサーは、目標物が存在しないとき少ししか磁束を検知しないかあるいは磁束を検知しないであろうが、縦の磁力線が目標物の存在により軸方向で内方にセンサーを通して引き付けられるとき磁束を検知するであろう。
以上説明したように、唯の１つのＮ極及び１つのＳ極をセンサー・チップの後ろに提供する交互の磁石構造体を選択することができる。図４６は、唯の１つのＮ極及びＳ極をセンサー・チップの後ろに提供する磁石構造体の面を横切る磁束密度を示す。
【００４９】
図４７は、図４６に示される磁石構造体により生成される歯車の通過信号を示す。これは、３つの磁極構造体より劣っているが、使用可能で、生産するのにより少ない費用でできる。この記述は磁束検出器であるホール素子の使用に焦点を合わせたが、本発明の概念を、磁気抵抗素子と呼ばれるホール素子の代替物に適用することができる。このタイプのデバイスの特徴が図４８に説明されている。本発明における磁気抵抗素子の使用は、２つのデバイス間の差異の認識、特に、ホール・デバイスがその平面に垂直な磁束を検知する電圧差デバイスであるのに対して、磁気抵抗素子がデバイスの平面に平行で且つ電流に垂直な磁束を検知する抵抗デバイスであることの認識を要するであろう。
本発明の実質的な精神を離れることなく本発明の形態と構成において少しの変更をなし得ることは明らかである。しかしながら、本発明がここに示され記述された正確な形態に制限されることは所望ではなく特許請求の範囲内に適正に入る全てのものを含むことを所望するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が関係するセンサー・システムの一般の特徴を示す図である。
【図２】本発明が、図１におけるチップの背後の磁石構造体を、双方のＳ極及びＮ極をチップの後ろ側に且つ互いに隣接して提供する複合磁石構造体と置換する要領を示す図である。
【図３】複合磁石面に対して、またチップの前面及び後面に対して、且つチップ内のホール素子の平面に対して垂直である磁石の軸に沿って見た平面図である。
【図４】主要磁石面を見た磁石構造体の好適な設計図である。
【図５】磁石構造体の好適な設計の側面図である。
【図６】軸が主要複合面から紙面の上と外へ延在した状態での磁石構造体の好適な設計の斜視図である。
【図７】ホール素子に隣接した磁石の単一の磁極を有し且つ強磁性の歯車の通過をモニターするため形成された初期に考え出された構成における磁界の変化をホール素子と歯車との間の空隙の関数として示す磁束マップである。
【図８】より広い歯と、歯間のより広いギャップとを有する目標物を用いることを除き、図７と同様の図である。
【図９】本発明の複合構成に関し、目標物（歯車）の回転にわたって色々の空隙（歯とセンサーとの距離）に対する磁束密度（単位ガウス）の磁束マップである。
【図１０】図９と本図の双方が本発明の複合構成に関する点で類似する図である。
【図１１】面にＮ極を有する２つの磁石が、該面と同一平面にあり且つＳ極を該面に提供する磁極部片により分離されているサンドイッチ形磁石（Ｎ−Ｓ−Ｎ）の該面を横切る磁束密度マップである。
【図１２】同一平面のＴ字形状の磁極部片を有するサンドイッチ形磁石に対する基準線磁界強度上のホール素子の後面に対する磁石の位置の効果を示す図である。
【図１３】Ｔ字型磁極部片のサンドイッチ形磁石の面を横切る基準線（谷が存在）磁束密度上で磁極部片を磁石面からＺｍｍだけ後退させる効果を示す図である。
【図１４】磁極部片を１．５ｍｍ後退させたＴ字型磁極部片のサンドイッチ形磁石の面を横切る磁束マップである。
【図１５】本図のデータを生成するため用いられる磁石が、中央の素子が反転された棒磁石（Ｔ字型でなく単なる磁極部片でもない）で且つ１．５ｍｍ後退しているサンドイッチ形磁石である点を除き図１４と同様の図である。
【図１６】従来技術における既知のタイプの単一磁極ホール効果の歯車の歯センサー１０を示す図である。
【図１７】図１６に示されるセンサーからやや離れた位置に移動する歯車の図であって、歯車の歯がセンサーの両側に位置し、そのためセンサーが歯との間の空間を検知している状態を示す。
【図１８】歯車が、その歯を回転経路の最も接近した位置に持ってくるよう回転している状態にある図１７のセンサーと歯車とを示す図である。
【図１９】図１７における場合よりセンサーに一層接近した位置にある歯車を示す図である。
【図２０】歯車の歯がセンサーに最も接近した位置にあるよう図１９に示される歯車の回転を示す図である。
【図２１】図１６に示される従来技術の構造に対応する本発明の構造を示す図であり、ホール素子が取り付けられる磁石の面が複合構造として示されている。
【図２２】検知されるべき歯車を、センサーから比較的離れた位置に移動する効果を示す図である。
【図２３】図２２に示される歯車を回転しその歯をセンサーに隣接するよう持ってきたときの効果を示す図である。
【図２４】歯車が依然歯間の位置にあるが、該歯車が、図２２及び図２３に示される配置よりセンサーに一層接近して位置される配置を示す図である。
【図２５】図２４において位置される歯車の回転によりその歯がセンサーに最も接近するよう移動する位置を示す図である。
【図２６】図１６乃至図２５に示される種々の形態において検知されるホール効果磁束密度のグラフである。
【図２７】４つの磁化された磁極と１つの面とを含む磁極構造体の斜視図である。
【図２８】２つの磁極、１つの面及び鋼鉄の背板を含む磁石構造体の斜視図である。
【図２９】４つの磁極、１つの面及び鋼鉄の背板を含む磁石構造体の斜視図である。
【図３０】鋼鉄の後ろ板及び中央磁極を有し厚さに平行な磁極を含む磁石構造体の斜視図である。
【図３１】鋼鉄のカップを有し厚さに平行な磁極を含む磁石構造体の斜視図である。
【図３２】鋼鉄のカップ及び中央磁極を有し厚さに平行な磁極を含む磁石構造体の斜視図である。
【図３３】鋼鉄の背板を有し３つの交互に配置された磁石を含む磁石構造体の斜視図である。
【図３４】鋼鉄のアングルを有し厚さに平行な磁極を含む磁石構造体の斜視図である。
【図３５】鋼鉄の溝型部材を有し厚さに平行な磁極を含む磁石構造体の斜視図である。
【図３６】２つの鋼鉄の側板を有し厚さに平行な磁極を含む磁石構造体の斜視図である。
【図３７】２つの磁化された磁極と１つの面（通し）とを含む磁石構造体の斜視図である。
【図３８】３つに磁化された磁極と１つの面（通し）とを含む磁石構造体の斜視図である。
【図３９】鋼鉄の背板を有し２つの磁化された磁極と１つの面（通し）とを含む磁石構造体の斜視図である。
【図４０】鋼鉄の背板を有し２つの磁化された磁石を含む磁石構造体の斜視図である。
【図４１】鋼鉄の背板を有し３つの磁化された磁極と１つの面（通し）とを含む磁石構造体の斜視図である。
【図４２】多数の磁極を単一の面に提供する磁石構造体の斜視図である。
【図４３】本発明のセンサー・パッケージを採用し得る適用環境の断面図であり、詳細には自動車の車軸の端部を示す図である。
【図４４】本発明の原理を採用する、磁石構造体１５ａの周りの磁界上における矩形強磁性体目標物１１ａの効果のコンピュータモデルを示す図である。
【図４５】図４４に対応する図であって、目標物１１ａの磁界構造体に向かう運動が目標物と磁石構造体との間の磁束を軸に沿って内方に集中化させる要領を示す図である。
【図４６】唯の１つのＮ極及び１つのＳ極をセンサー・チップの後面に提供する磁石構造体の面を横切る磁束密度を示す図である。
【図４７】図４６に示される磁石構造体により生成される歯車通過信号を示す図である。
【図４８】ホール素子と、磁気抵抗素子と呼ばれる代替センサーとの特徴の比較を示す図である。
【符号の説明】
１０：センサー・パッケージ
１１、１０１：歯車
１１ａ：矩形強磁性目標物
１２：ホール効果センサー・チップ
１４：ホール効果センサー
１５：複合磁石構造体
１５ａ：磁石構造体
１６、１７：棒磁石
１６ａ、１７ａ：磁石
１８：心棒、磁極部片
１８ａ：Ｔ字形状の磁極部片
１０２：歯

Claims

（ａ）周囲磁界に比例する出力電圧を発生する磁界センサ素子（１４）を含む集積回路チップ（１２）と、
（ｂ）中央磁極部片（１８）、該中央磁極部片の一側に隣接する第１の高透磁率の磁極部片（１６）と、該中央磁極部片の反対側に隣接する第２の高透磁率の磁極部片（１７）とから構成され、少なくとも前記第１と第２の磁極部片の端部は磁石構造体（１５）の前面に位置して該前面を画定し、前記中央磁極部片は前記前面において１つの極性の磁界を生じ、前記第１と第２の磁極部片はそれぞれ前記前面において反対極性の磁界を生じ、前記センサ素子は前記前面において前記磁石構造体に対して中央に設けられている、該磁石構造体と、を備え、
前記磁界センサ素子により感知される磁束の絶対値は、前記センサ素子の付近に強磁性物品を通過していない時に低く、強磁性物品が前記磁界センサ素子の近くにある瞬間に磁束の高い振幅が前記磁界センサ素子により検出され、２つの通過する強磁性物品間の谷が前記センサ素子の近くにある瞬間に、前記センサ素子と前記通過物品との間の空隙寸法からほぼ無関係であるように低い値の磁束が検知される、ことを特徴とする強磁性対象物を検知するセンサー。