JP4281913B2 - 移動体検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁性材移動体の移動に伴う磁界変化を検出する移動体検出装置に係り、特に工業用工作機械や、自動車のエンジン等に用いられる軟磁性体歯車の回転情報を検出する場合等に用いて好適な移動体検出装置に関するものである。

従来、軟磁性歯車等の磁性材移動体（被磁性検出体）の回転を検出するための回転センサとして、磁性材移動体に対向して感磁素子を２領域に離間配置したものが知られている。前記感磁素子の配置間隔は前記磁性材移動体の凹凸ピッチに適合した間隔となっている（歯車の凸凸ピッチ＝Ｐに対して、感磁素子配列間隔Ｌ＝Ｐ／２が最適とされている）。そして、前記磁性材移動体が回転するとその凹凸に対応した信号を出力する。

特に、感磁素子として磁気抵抗素子を用いた場合、前述の２領域には磁気抵抗素子が各々２個含まれ、合計４個の磁気抵抗素子をホイートストンブリッジ回路に組んだ構成が、下記特許文献１で提案されている。

特開平９−３２９４６２号公報

この特許文献１では、一方の感磁領域に歯車の凸部があるとき、他方の感磁領域には歯車の凹部が来るために磁気抵抗素子出力は逆極性となる。これらの差を取ることで１素子の４倍の出力をホイートストンブリッジ回路に組むことで得ている。

ところで、従来の回転センサに用いる磁気抵抗素子は磁界強度依存型であり、外部磁界が０のときに抵抗値が最大となり、外部磁界が増加すると抵抗値は減少する特性である。図６（Ａ）は、磁界強度依存型の感磁素子を２領域に離間配置した従来技術の場合における、感磁素子、バイアス磁石及び軟磁性体歯車の配置を模式的に示し、感磁素子領域の配置間隔をＬ、歯車の凸凸ピッチをＰとしている。各感磁素子領域には磁気抵抗素子がそれぞれ２個配置されている。

図６（Ｂ）,（Ｃ）は従来技術における最適素子配置の場合（Ｌ＝Ｐ／２）の各素子からの信号出力及び差動出力（合計４個の感磁素子でホイートストンブリッジ回路を組んだときの検出出力）であり、同図（Ｂ）のように２領域の素子の信号出力位相が１８０°ずれているため、同図（Ｃ）の差動出力は最大となる。

図６（Ｄ）,（Ｅ）は従来技術の問題点（最適素子配置から外れた場合）を説明するためのものであり、Ｌ＞Ｐ／２のときの各素子からの信号出力及び差動出力であり、同図（Ｄ）のように２領域の素子の信号出力位相のずれが少なくなるため、同図（Ｅ）の差動出力は減少してしまう。

図６で説明したように、従来の回転センサに用いる感磁素子は磁界強度依存型であるため、最適な出力変化を得るためには歯車の凸凸ピッチ（＝Ｐ）に対して、２領域をＬ＝Ｐ／２の間隔で並べる必要があり、歯車の凸凸ピッチ（＝Ｐ）と２領域間隔ＬがＬ＞Ｐ／２の関係にある時、２領域の出力信号の位相ずれが少なくなり、ホイートストンブリッジ回路からの最適な差動信号出力が得られないという問題がある（差動出力の振幅が減少）。

本発明は、上記の点に鑑み、感磁素子として、磁界ベクトル検知型のスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子を少なくとも１対用い、対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子のピン層磁化方向が互いに磁性材移動体の移動方向に対し、略順方向と略逆方向を向くように配置することで、検出出力が磁性材移動体の凹凸ピッチに依存しないようにした移動体検出装置を提供することを目的とする。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本願請求項１の発明は、
少なくとも１つの凸部又は凹部を有する磁性材移動体と、
前記磁性材移動体と磁極面が対向し、かつ前記磁性材移動体の移動に伴って前記磁極面が前記凸部又は凹部と対向する状態あるいは対向しない状態となる、磁界を発生するバイアス磁石と、
ブリッジ回路を成すように接続され、前記磁性材移動体の前記磁極面と前記バイアス磁石との間に位置する少なくとも１対のスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子とを有する移動体検出装置であって、
対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子のピン層磁化方向が互いに前記磁性材移動体の移動方向に対し、略順方向と略逆方向を向くように配置したことを特徴としている。

本願請求項２の発明に係る移動体検出装置は、請求項１において、対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子を、前記磁性材移動体の移動方向と前記凸部又は凹部の高さ方向とに対して略垂直となる方向に並べて配置したことを特徴としている。

本願請求項３の発明に係る移動体検出装置は、請求項１において、対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子を、前記磁性材移動体と前記バイアス磁石間のギャップ方向に重ねて配置したことを特徴としている。

本願請求項４の発明に係る移動体検出装置は、請求項３において、前記ギャップ方向に重ねて配置した前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子の対が２つ存在し、２対の前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子を前記磁性材移動体の移動方向と前記凸部又は凹部の高さ方向とに対して略垂直となる方向に並べて配置したことを特徴としている。
本願請求項５の発明に係る移動体検出装置は、請求項１から４のいずれかにおいて、対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子が磁気抵抗パターンとして互いに平行な２つのミアンダ・パターンからなるダブルミアンダ・パターンを有するものであることを特徴としている。

本発明に係る移動体検出装置によれば、感磁素子としてスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子（以下、ＳＶ−ＧＭＲ素子）を用いると共に、これにバイアス磁界を印加するバイアス磁石を用い、対をなす前記ＳＶ−ＧＭＲ素子のピン層磁化方向が互いに磁性材移動体の移動方向に対し、略順方向と略逆方向を向くように配置したことで、検出出力が前記磁性材移動体の凹凸ピッチに依存しないようにすることが可能である。

また、ＳＶ−ＧＭＲ素子は磁界強度依存型感磁素子ではないため、検出出力が磁性材移動体とＳＶ−ＧＭＲ素子間のギャップ変化に依存しないようにできる。

これらのことから、移動体検出装置を取り付ける相手側機器での設計の自由度が高くなり、またＳＶ−ＧＭＲ素子やバイアス磁石の取付位置の厳密な管理が不要となり、製品毎の検出出力電圧のばらつきが低減できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、移動体検出装置の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は本発明に係る移動体検出装置の実施の形態１であって、磁性材移動体として軟磁性体歯車の回転検出を行う回転センサを構成した場合を示す。

図１（Ａ）において、１は軟磁性体歯車であり、外周面に凹凸を有する（例えば一定配列ピッチＰで凸部２を有する）ものである。

また、軟磁性体歯車１の外周面に対向するように、４個のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が固定配置され、これらの背後にバイアス磁界印加用のバイアス磁石５が固定配置されている。この場合、４個のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は軟磁性体歯車１の移動方向（回転方向）に対して略垂直方向で歯車１の厚み方向に直線的に配置されている。

本実施の形態では、磁性材移動体である軟磁性体歯車１で変化された磁界に対応して抵抗値が変化するＧＭＲ素子として、ＳＶ−ＧＭＲ素子を用いており、その模式的な膜構成及び磁気特性を図２に示す。ＳＶ−ＧＭＲ素子は、磁化方向が一方向に固定された強磁性体のピン層と、電流が主として流れる非磁性体を介して前記ピン層に積層された強磁性体のフリー層とを有し、ピン層は外部磁界（外部磁束）によって磁化方向は変化せず、フリー層は外部磁界（外部磁束）の方向に磁化される。ここで、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向（つまり外部磁界の方向）とが直交しているとき（図２（ａ）のθ＝０のとき）、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は０である。ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向（つまり外部磁界Ｈの方向）とが平行であるが向きが逆のとき、つまり反平行のとき、抵抗変化率はプラスとなり、図２（ａ）の高抵抗状態となる。また、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向（つまり外部磁界Ｈの方向）とが平行でかつ向きが同じとき、つまり順平行のとき、抵抗変化率はマイナスとなり、図２（ｂ）の低抵抗状態となる。

図２のような磁気特性を有する４個のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は感磁パターンとなる磁気抵抗パターンとしてそれぞれ１つのミアンダ・パターンを有する感磁面を持ち、それらの感磁面は前記軟磁性体歯車１の外周面に接する平面に平行な同一平面内にあることが望ましく、対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２のうちＲ１はピン層の磁化方向が歯車回転方向の略逆方向、Ｒ２は略順方向である。同様に、もう１組の対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４のうちＲ３はピン層の磁化方向が歯車回転方向の略逆方向、Ｒ４は略順方向である。

図１（Ａ）の前記バイアス磁石５は、例えば軟磁性体歯車１の外周面に対向する面にＮ極、反対面にＳ極を有する永久磁石であり、Ｎ極面と軟磁性体歯車１間に４個のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が位置する関係である。また、直線的に配列された各ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に略均等の磁界を印加できるように、４個のＳＶ−ＧＭＲ素子の配置幅Ｗ１より大きい十分な横幅を有することが望ましい。同様に、歯車１の厚みＷ２もＷ１以上であることが望ましい。

図１（Ｂ）のように、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の対と、もう一つのＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の対とでホイートストンブリッジ回路を構成しており、このホイートストンブリッジ回路には一定の供給電圧Ｖinが供給されるようになっている。検出出力ＶoutはＲ１，Ｒ２の接続点とＲ３，Ｒ４の接続点間の電位差として得られる。

図３（Ａ）は歯車１の凸部２が、バイアス磁石５の前方の感磁ポイント（ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４の配置領域と考えてよい）に近づくときの外部磁界の方向（磁束の方向）を示し、同図（Ｂ）は歯車１の凸部２が、前記感磁ポイントから遠ざかるときの外部磁界の方向（磁束の方向）を示す。

従って、図１（Ａ）のような配置で検知対象の軟磁性体歯車１の凸部２がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の感磁面に接近してきた時、各ＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面位置における磁束ベクトルの歯車回転接線方向成分は凸部２が接近してくる方向を向く。図２のように、ＳＶ−ＧＭＲ素子の磁気特性は、外部磁界の方向とピン層磁化方向とが順平行で抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）はマイナス、外部磁界の方向とピン層磁化方向とが反平行で抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）はプラスであるから、磁束ベクトル成分が凸部接近方向に向いた時、２対のＳＶ−ＧＭＲ素子（Ｒ１とＲ２の対、及びＲ３とＲ４の対）の一方のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３では抵抗値が小となり（ピン層磁化方向と磁束ベクトル方向の歯車接線方向成分が順平行の時）、他方のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ４では抵抗値が大となる（ピン層磁化方向と磁束ベクトル方向の歯車接線方向成分が反平行の時）。

また、凸部２がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の感磁面から遠ざかる時、ＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面位置における磁束ベクトルの歯車回転接線方向成分は凸部２が遠ざかる方向を向く。磁束ベクトル成分が凸部の遠ざかる方向に向いた時、一方のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３では抵抗値が大となり（ピン層磁化方向と磁束ベクトル方向の歯車接線方向成分が反平行の時）、他方のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ４では抵抗値が小となる（ピン層磁化方向と磁束ベクトル方向の歯車接線方向成分が順平行の時）。

このように、軟磁性体歯車１の凸部２が接近してくる時もしくは遠ざかる時、２対のＳＶ−ＧＭＲ素子の各々の対では、一方の抵抗値が最小、他方が最大となり、図１（Ｂ）のホイートストンブリッジ回路を組むことにより、１つのＳＶ−ＧＭＲ素子の４倍の検出出力Ｖoutを得ることが可能になる。検出出力Ｖoutは軟磁性体歯車１の凸部２が通過する毎にハイレベルからローレベルに変化することから軟磁性体歯車１の回転検出が可能である。

また、ＳＶ−ＧＭＲ素子は、図２の磁気特性からわかるように、外部磁界が所定値以上であれば、抵抗変化率はプラスの一定値又はマイナスの一定値となるから、外部磁界の向きには依存するが外部磁界の強さには依存しなくなる。このため、歯車凸部とＧＭＲ素子感磁面とのギャップが変化しても図１（Ｂ）のホイートストンブリッジからの検出出力電圧は変化しない。

また、図６（Ａ）の従来技術の構成の場合、図７（Ａ）のように感磁素子領域の配置間隔Ｌと歯車の凸凸ピッチＰとの関係が不適当であると（２Ｌ＞Ｐの範囲であると）、差動出力は低下するが、本実施の形態の場合には図７（Ｂ）のように、歯車の凸凸ピッチＰを変えても図１（Ｂ）のホイートストンブリッジからの検出出力電圧（ピーク値）は変化しない。

この実施の形態１によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) 従来の磁界強度依存型の感磁素子を２領域に配置した回転センサでは、軟磁性体歯車の凸部ピッチに対して複数の感磁素子の配列ピッチが適切でないと検出出力電圧の低下を招くが｛図７（Ａ）｝、本実施の形態では２対のＳＶ−ＧＭＲ素子（Ｒ１，Ｒ２の対、及びＲ３，Ｒ４の対）を歯車１の回転方向からみて１つの領域に配置し（歯車回転方向に略垂直な厚み方向に配置し）、かつ対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子のピン層磁化方向が互いに歯車の回転方向に対し、略順方向と略逆方向を向くように設定しているから、それら２対のＳＶ−ＧＭＲ素子を組み合わせたホイートストンブリッジの検出出力電圧（ピーク値）は歯車凸凸ピッチＰによる影響を受けることがない｛図７（Ｂ）｝。

(2) 従来の磁界強度依存型の感磁素子を用いた回転センサでは、軟磁性体歯車と感磁素子感磁面間のギャップが大きくなると、抵抗値変化量が減少し、ホイートストンブリッジからの検出出力電圧も低下するが、本実施の形態では磁界ベクトル検知型のＳＶ−ＧＭＲ素子を２対組み合わせてホイートストンブリッジを構成することで、検出出力電圧はギャップに依存しなくなる。

(3) 前記(1)，(2)の効果により、回転センサを取り付ける装置側の設計の自由度が高くなり、またＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４やバイアス磁石５の組立時の細かい位置調整が必要なくなり（取付位置の厳密な管理が不要となり）、製品毎の検出出力電圧のばらつきも低減できる。

(4) ４個（２対）のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４を用いてホイートストンブリッジを構成して回転検出出力を取り出すことにより、１個のＳＶ−ＧＭＲ素子の４倍の出力電圧を得ることができ、検出感度の向上を図り得る。

図４は本発明の実施の形態２であって、４個（２対）のＳＶ−ＧＭＲ素子を用いる代わりに、感磁パターンとなる磁気抵抗パターンとしてダブルミアンダ・パターン（２つのミアンダ・パターン）を感磁面に有する２個のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１３とＲ２４とを用いている。ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１３はピン層磁化方向が同じ向きのＲ１，Ｒ３を１素子化したものであり、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ２４はピン層磁化方向が同じ向きのＲ２，Ｒ４を１素子化したものである。軟磁性体歯車に対するＳＶ−ＧＭＲ素子の配置やバイアス磁石５の配置等の構成は実施の形態１と同様である。

この実施の形態２の場合、ダブルミアンダ・パターンを感磁面に有する２個のＳＶ−ＧＭＲ素子を組み合わせてホイートストンブリッジを構成でき、いっそうの小型化を図ることができる。また、２個のＳＶ−ＧＭＲ素子の直線配置長さＷ３を短縮できるから、歯車の厚みも小さくてすむことになる。

上記実施の形態１では、２対のＳＶ−ＧＭＲ素子（Ｒ１とＲ２の対、及びＲ３とＲ４の対）が磁性材移動体としての軟磁性体歯車の回転方向に垂直で厚み方向に直線的に配置されていたが、図５の実施の形態３のように、対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１とＲ２とが前記軟磁性体歯車とバイアス磁石５間のギャップ方向に重ねて配置され、同様に対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３とＲ４とが前記軟磁性体歯車とバイアス磁石５間のギャップ方向に重ねて配置されていてもよい。なお、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の積層体とＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の積層体は軟磁性体歯車の回転方向に垂直で厚み方向に直線的に配置されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

この実施の形態３の場合、対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子同士が重ねられた配置であるため、軟磁性体歯車の厚み方向のＳＶ−ＧＭＲ素子の直線的配置の長さを短縮でき、歯車の厚みを小さくできる。

なお、図５の実施の形態３では、４個のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４のうち、対をなすＳＶ−ＧＭＲ素子同士を重ねた構成としたが、４個のＳＶ−ＧＭＲ素子全部を軟磁性体歯車とバイアス磁石間のギャップ方向に重ねて配置してもよい。この場合も、歯車の回転方向に略垂直方向に４個のＳＶ−ＧＭＲ素子が配置されることになる。

また、上記実施の形態１，２，３では磁性材移動体として、回転する軟磁性体歯車の凸部が周期的に配置されている場合を示したが、凸部又は凹部が回転する軟磁性体円板の外周面に１個又は複数個設けられた磁性材移動体を用いることができる。

さらに、磁性材移動体が、軟磁性体の直線移動体に１個又は複数個の凸部又は凹部を設けた構成であって、前記磁性材移動体の移動方向に略垂直方向に配列された少なくとも１対のＳＶ−ＧＭＲ素子で前記直線移動体の直線移動を検出する構成でもよい。

また、一対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を用い、他のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の代わりに固定抵抗を用いてホイートストンブリッジを構成してもよい。この場合、１個のＳＶ−ＧＭＲ素子を用いる場合の２倍の検出出力を得ることができる。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係る移動体検出装置の実施の形態１であって、（Ａ）は移動体検出装置の構成を示す模式的斜視図、（Ｂ）は回路図である。 本発明の実施の形態で用いるＳＶ−ＧＭＲ素子の膜構成及び磁気特性を示す説明図である。 実施の形態１において、軟磁性体歯車の凸部位置と感磁ポイントでの磁束の向きとの関係であって、（Ａ）は凸部接近時、（Ｂ）は凸部が遠ざかる時の説明図である。 本発明の実施の形態２の模式的斜視図である。 本発明の実施の形態３の模式的斜視図である。 従来技術の素子配置及び各素子の信号出力及び差動出力であって、（Ａ）は従来技術の素子配置の説明図、（Ｂ）は従来技術の最適素子配置の場合の各素子からの信号出力波形図、（Ｃ）は従来技術の最適素子配置の場合の各素子の差動出力波形図、（Ｄ）は従来技術の問題点を説明する場合の各素子からの信号出力波形図、（Ｅ）は従来技術の問題点を説明する場合の各素子の差動出力波形図である。 軟磁性体歯車の凸凸ピッチＰと差動出力（ホイートストンブリッジからの検出出力電圧）との関係であり、（Ａ）は従来技術の素子配置の場合の差動出力、（Ｂ）はＳＶ−ＧＭＲ素子使用時の差動出力をそれぞれ示すグラフである。

符号の説明

１ 軟磁性体歯車
２ 凸部
５ バイアス磁石
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ ＳＶ−ＧＭＲ素子

Claims (5)

1. 少なくとも１つの凸部又は凹部を有する磁性材移動体と、
   前記磁性材移動体と磁極面が対向し、かつ前記磁性材移動体の移動に伴って前記磁極面が前記凸部又は凹部と対向する状態あるいは対向しない状態となる、磁界を発生するバイアス磁石と、
   ブリッジ回路を成すように接続され、前記磁性材移動体の前記磁極面と前記バイアス磁石との間に位置する少なくとも１対のスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子とを有する移動体検出装置であって、
   対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子のピン層磁化方向が互いに前記磁性材移動体の移動方向に対し、略順方向と略逆方向を向くように配置したことを特徴とする移動体検出装置。
2. 対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子を、前記磁性材移動体の移動方向と前記凸部又は凹部の高さ方向とに対して略垂直となる方向に並べて配置した請求項１記載の移動体検出装置。
3. 対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子を、前記磁性材移動体と前記バイアス磁石間のギャップ方向に重ねて配置した請求項１記載の移動体検出装置。
4. 前記ギャップ方向に重ねて配置した前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子の対が２つ存在し、２対の前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子を前記磁性材移動体の移動方向と前記凸部又は凹部の高さ方向とに対して略垂直となる方向に並べて配置した請求項３記載の移動体検出装置。
5. 対をなす前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗素子が磁気抵抗パターンとして互いに平行な２つのミアンダ・パターンからなるダブルミアンダ・パターンを有するものである請求項１から４のいずれか記載の移動体検出装置。

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