JP4305140B2 - Magnetic sensor mechanism and rotational state detection apparatus using the magnetic sensor mechanism - Google Patents

Description

本発明は、磁界の有無，方向，変化などの磁界の状態を検出する磁気センサ機構及びこの磁気センサ機構を用いた回転状態検出装置に関するものである。   The present invention relates to a magnetic sensor mechanism that detects the state of a magnetic field such as the presence / absence, direction, and change of a magnetic field, and a rotational state detection device using the magnetic sensor mechanism.

近年、記録媒体，センサ，スイッチング素子などの分野において、磁界の変化を検出する磁気センサを応用した検出技術が広く実用化され、注目を集めている。従来の磁気センサを利用した検出装置の多くは、永久磁石を複数個配列した状態（隣り合う磁石の磁極を交互に配列）に置いて、検出部に対してそれらを移動させることによって電磁誘導を発生させ、電磁誘導作用により発生される電流についての電流値の変化を磁界の変化として検出したり、或いは、永久磁石を複数個配列する代わりに電磁石を配置し、電磁石での磁極の変化を永久磁石の場合と同様に電流値の変化として検出するようにしている。   In recent years, in the fields of recording media, sensors, switching elements, and the like, a detection technique using a magnetic sensor for detecting a change in a magnetic field has been widely put into practical use and attracting attention. Many detection devices using conventional magnetic sensors place electromagnetic waves in a state where a plurality of permanent magnets are arranged (the magnetic poles of adjacent magnets are alternately arranged) and moved relative to the detection unit. The change of the current value of the current generated by the electromagnetic induction action is detected as a change of the magnetic field, or an electromagnet is arranged instead of arranging a plurality of permanent magnets, and the change of the magnetic pole in the electromagnet is made permanent. Similar to the case of the magnet, it is detected as a change in the current value.

例えば特開２０００−２４９５７４号（特許文献１）で開示されている磁気センサ機構では、上記の方法を応用し、回転体のまわりに磁場方向（磁界方向）が変化するように予め磁石などを配置し、ステアリングシャフトなどの回転体が自ら回転することに伴って生じる磁場方向の変化を検出することにより、回転体自身の位置関係を検出するようにしている。
特開２０００−２４９５７４号公報 For example, in the magnetic sensor mechanism disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-249574 (Patent Document 1), a magnet or the like is arranged in advance so that the magnetic field direction (magnetic field direction) changes around the rotating body by applying the above method. In addition, the positional relationship of the rotator itself is detected by detecting a change in the magnetic field direction caused by the rotation of the rotator such as the steering shaft.
JP 2000-249574 A

しかしながら、上述の如き従来の磁気センサ機構では、円周方向に沿ってＮ極領域とＳ極領域とを交互に着磁して成る特殊な構成の着磁リングを必要とするなど、検出装置の構造が複雑となる。また、回転角度の検出精度を向上させるためには、配列する磁石の数を増やさなければならず、このような場合には構造がさらに複雑となる。   However, the conventional magnetic sensor mechanism as described above requires a magnetizing ring having a special configuration in which the N pole region and the S pole region are alternately magnetized along the circumferential direction. The structure becomes complicated. Further, in order to improve the detection accuracy of the rotation angle, it is necessary to increase the number of magnets to be arranged. In such a case, the structure is further complicated.

また、磁界の変化を検出するようにしているため、磁界が変化し続けている状態ならばその変化は検出できるが、磁界の変化がない状態、例えば回転体が止まっている状態では、どこで止まっているかその回転位置を検出できない。   In addition, since a change in the magnetic field is detected, the change can be detected if the magnetic field continues to change, but where there is no change in the magnetic field, for example, when the rotating body is stopped, where it stops. The rotation position cannot be detected.

その他、特開平５−２７３０５９号には、磁気カー効果やファラデー効果を応用して、光を検出媒体に照射した時の透磁率の変化を検出する装置が提案されている。この検出装置は、磁気カー効果やファラデー効果を有する媒体に直線偏光の光を照射すると、磁界の有無によりその反射光或いは透過光の偏光面が回転する現象を応用したものである。しかしながら、この検出装置では、照射する光を直線偏光としたり、反射光或いは透過光の回転を検出したりするために、その検出装置に偏光板（偏光子）が必要であるなど、構造が複雑となる問題がある。また、磁界の歪みによる透磁率の変化を検出してトルクを測定するようにした装置であるため、例えば磁界の方向などの変化は検出することができない。また、この磁界の方向の変化を光で検出する例として、特開平９−２３１５１６号などが挙げられるが、磁界の方向そのものの特定はできない。このように、従来の検出装置では、直接的に磁界の方向そのものの検出はできないのが実状である。   In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-273059 proposes a device that detects a change in magnetic permeability when light is applied to a detection medium by applying a magnetic Kerr effect or a Faraday effect. This detection apparatus applies a phenomenon in which when a medium having a magnetic Kerr effect or a Faraday effect is irradiated with linearly polarized light, the plane of polarization of reflected or transmitted light is rotated depending on the presence or absence of a magnetic field. However, this detector has a complicated structure, such as a polarizing plate (polarizer) required for detecting the rotation of reflected light or transmitted light in order to change the light to be irradiated into linearly polarized light. There is a problem. In addition, since the torque is measured by detecting a change in permeability due to the distortion of the magnetic field, for example, a change in the direction of the magnetic field cannot be detected. Further, as an example of detecting the change in the direction of the magnetic field with light, Japanese Patent Laid-Open No. 9-231516 can be cited, but the direction of the magnetic field itself cannot be specified. As described above, the conventional detection device cannot actually detect the direction of the magnetic field itself.

本発明は、上述の如き実状に鑑みてなされたものであって、その主な目的は、簡易な装置構成でありながら磁界方向（外部磁界の印加方向）を検出することが可能であり、しかも、磁界方向の変化が止まった状態の下でも直接的に磁界方向を検出することができる磁気センサ機構及びこの磁気センサ機構を用いた回動状態検出装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the actual situation as described above, and its main purpose is to detect the magnetic field direction (application direction of the external magnetic field) while having a simple device configuration, and Another object of the present invention is to provide a magnetic sensor mechanism capable of directly detecting a magnetic field direction even in a state where the change in the magnetic field direction has stopped, and a rotation state detection device using the magnetic sensor mechanism.

上述の目的を達成するために、本発明では、磁界の状態を検知する磁気センサ機構において、Ｆｅ _４ Ｎ薄膜を含む面と、前記面に光を照射する発光部と、前記発光部からの光が前記面で反射された反射光を受ける受光部とを備え、前記Ｆｅ _４ Ｎ薄膜のなす面が、検出しようとする外部磁界が変化する際に磁界方向の変化を生じる面と交差するように、前記２つの面を配置するようにし、前記反射光の強度に基づいて前記磁界の方向を検出するようにしている。
また、本発明では、前記発光部からの入射光と前記Ｆｅ _４ Ｎ薄膜を含む面とのなす角度（入射角度）を１５〜７５度に設定している。
また、本発明では、前記発光部からの入射光と前記Ｆｅ _４ Ｎ薄膜を含む面とのなす角度（入射角度）を４５〜６０度に設定している。
また、本発明では、前記発光部からの入射光と前記Ｆｅ _４ Ｎ薄膜を含む面とのなす角度（入射角度）を５５度に設定している。
また、本発明では、磁気センサ機構を用いた回動状態検出装置において、回動軸を中心に回動する回動体に、磁界方向が前記回動軸を中心に回転するように磁気発生体を設け、前記磁気発生体が発生する磁界内に請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気センサ機構を配置している。
また、本発明では、前記回動体がステアリングシャフトであるようにしている。 In order to achieve the above object, according to the present invention, in a magnetic sensor mechanism for detecting the state of a magnetic field, a surface including an Fe ₄ N thin film , a light emitting unit that irradiates light on the surface, and light from the light emitting unit And a light receiving portion that receives the reflected light reflected by the surface, so that the surface formed by the Fe ₄ N thin film intersects the surface that causes a change in the magnetic field direction when the external magnetic field to be detected changes. The two surfaces are arranged, and the direction of the magnetic field is detected based on the intensity of the reflected light.
Further, in the present invention are set angle between the plane containing the Fe 4 _N thin film with light incident from the front Symbol emitting portion (incident angle) to 15-75 degrees.
Further, in the present invention are set angle between the plane containing the Fe 4 _N thin film with light incident from the front Symbol emitting portion (incident angle) to 45 to 60 degrees.
Further, in the present invention, it is set an angle between the plane containing the Fe 4 _N thin film and the incident light from the light emitting portion (incident angle) to 55 degrees.
Also, in the present invention, in the rotation state detecting device using the magnetic sensor mechanism, a rotating body which rotates about the rotary shaft, the magnetic generator such that the magnetic field direction rotates about the pivot shaft The magnetic sensor mechanism according to any one of claims 1 to 4 is disposed in a magnetic field generated by the magnetic generator.
In the present invention, the rotating body is a steering shaft.

ここで、本発明の原理内容につき述べると、次の通りである。まず、本発明者らは、磁界内に置いた金属窒化物層（好ましくはＦｅ₄Ｎなどの窒化鉄を含む層）に光を照射すると（この場合、光の入射角度及び反射角度は固定する）、磁界の方向に応じて、金属窒化物層から反射される光の強度が変化することを見出した（Journal of Materials Chemistry，２００１，１１，３１５４−３１５７にてＦｅ₄Ｎ薄膜の例について発表）。本発明は、このような知見に基づいて新規な磁気センサ機構及び回転運動検出装置を提供するものである。 Here, the principle content of the present invention will be described as follows. First, the present inventors apply light to a metal nitride layer (preferably a layer containing iron nitride such as Fe ₄ N) placed in a magnetic field (in this case, the incident angle and reflection angle of light are fixed). ) And found that the intensity of light reflected from the metal nitride layer changes according to the direction of the magnetic field (Journal of Materials Chemistry, 2001, 11, 3154-3157, presenting an example of Fe ₄ N thin film) ). The present invention provides a novel magnetic sensor mechanism and rotational motion detection device based on such knowledge.

すなわち、本発明の磁気センサ機構は、外部磁界の方向と金属窒化物層からの反射光強度の関係を利用して、これまで困難であった磁界方向の検出を正確かつ簡易な構造で可能にするものであり、さらに本発明の回転状態検出装置は、この磁気センサ機構を用いて、回転体（機械部品など）の回動位置及び状態の検出を簡易な構造にて高精度で行うことを可能にするものである。   In other words, the magnetic sensor mechanism of the present invention enables the detection of the magnetic field direction, which has been difficult until now, with an accurate and simple structure by utilizing the relationship between the direction of the external magnetic field and the intensity of the reflected light from the metal nitride layer. Furthermore, the rotational state detection device of the present invention uses this magnetic sensor mechanism to detect the rotational position and state of a rotating body (such as a mechanical part) with a simple structure with high accuracy. It is what makes it possible.

請求項１に記載の本発明は、Ｆｅ _４ Ｎ薄膜を含む面と、前記面に光を照射する発光部と、前記発光部からの光が前記面で反射された反射光を受ける受光部とを備え、Ｆｅ _４ Ｎ薄膜のなす面が、検出しようとする外部磁界が変化する際に磁界方向の変化を生じる面と交差するように、前記２つの面を配置するようにし、反射光の強度に基づいて磁界の方向を検出するようにしたものであるから、簡易な装置構成でありながら磁界方向（外部磁界の印加方向）を検出することができる。すなわち、Ｆｅ _４ Ｎ薄膜を含む面から反射された光の強度に基づいて磁界方向を特定することができ、しかも、磁界方向の変化が止まった状態の下でも直接的に磁界方向を検出することができる。また、Ｆｅ _４ Ｎ薄膜のなす面が、検出しようとする外部磁界が変化する際に磁界方向の変化を生じる面と交差するように、前記２つの面を配置するようにした交差構成を採用することに伴い、検出体の面から反射された反射光についての強度変化が十分に大きく得られることとなるため、磁気センサ機構としての感度を向上させることができる。 The present invention described in claim 1 includes a surface including an Fe ₄ N thin film , a light emitting unit that irradiates light on the surface, and a light receiving unit that receives reflected light in which light from the light emitting unit is reflected by the surface. The two surfaces are arranged so that the surface formed by the Fe ₄ N thin film intersects the surface that causes a change in the magnetic field direction when the external magnetic field to be detected changes, and the intensity of the reflected light Therefore, the magnetic field direction (application direction of the external magnetic field) can be detected with a simple apparatus configuration. That is, the magnetic field direction can be specified based on the intensity of light reflected from the surface including the Fe ₄ N thin film , and the magnetic field direction can be directly detected even when the change in the magnetic field direction stops. Can do. Further, the crossing configuration is adopted in which the two surfaces are arranged so that the surface formed by the Fe ₄ N thin film intersects the surface that causes the change in the magnetic field direction when the external magnetic field to be detected changes. Along with this, a sufficiently large intensity change is obtained for the reflected light reflected from the surface of the detector, so that the sensitivity as the magnetic sensor mechanism can be improved.

請求項２に記載の本発明は、発光部からの入射光とＦｅ _４ Ｎ薄膜を含む面とのなす角度（入射角度）を１５〜７５度に設定するようにしたものであるから、このような角度設定により、検出体からの反射光の強度の変化が十分に大きく得られることとなるため、磁気センサ機構の感度の向上を図ることができる。 According to the second aspect of the present invention, the angle (incident angle) formed between the incident light from the light emitting portion and the surface including the Fe ₄ N thin film is set to 15 to 75 degrees. Since the change in the intensity of the reflected light from the detection body can be obtained with a sufficiently large angle, the sensitivity of the magnetic sensor mechanism can be improved.

請求項３に記載の本発明は、発光部からの入射光とＦｅ _４ Ｎ薄膜を含む面とのなす角度（入射角度）を４５〜６０度に設定するようにしたものであるから、このような角度設定により、検出体からの反射光の強度の変化が更に充分に大きく得られることとなるため、磁気センサ機構の感度のより一層の向上を図ることができる。 According to the third aspect of the present invention, the angle (incident angle) formed between the incident light from the light emitting portion and the surface including the Fe ₄ N thin film is set to 45 to 60 degrees. By setting the angle appropriately, the change in the intensity of the reflected light from the detection body can be obtained sufficiently larger, so that the sensitivity of the magnetic sensor mechanism can be further improved.

請求項４に記載の本発明は、発光部からの入射光とＦｅ _４ Ｎ薄膜を含む面とのなす角度（入射角度）を５５度に設定するようにしたものであるから、このような角度設定により、検出体からの反射光の強度変化が最も充分に大きく得られることとなるため、磁気センサ機構の感度の更なる向上を図ることができる。 The present invention according to claim 4 is such that the angle (incident angle) formed between the incident light from the light emitting portion and the surface including the Fe ₄ N thin film is set to 55 degrees. By setting, the change in the intensity of the reflected light from the detection body can be obtained with a sufficiently large magnitude, so that the sensitivity of the magnetic sensor mechanism can be further improved.

請求項５に記載の本発明は、回動軸を中心に回動する回動体に、磁界方向が回動軸を中心に回転するように磁気発生体を設け、磁気発生体が発生する磁界内に本発明の磁気センサ機構を配置するようにしたものであるから、回動体に磁気発生体を設けるという簡易な構成を採用するだけで、回動体の回動状態を磁気センサ機構により検出することが可能な回動状態検出装置を提供することができる。 According to the fifth aspect of the present invention, a rotating body that rotates about a rotating shaft is provided with a magnetic generator so that the magnetic field direction rotates about the rotating shaft. Since the magnetic sensor mechanism of the present invention is arranged on the rotating body, the rotating state of the rotating body can be detected by the magnetic sensor mechanism only by adopting a simple configuration in which the rotating body is provided with a magnetic generator. Therefore, it is possible to provide a rotation state detection device capable of performing the above.

請求項６に記載の本発明は、回動体がステアリングシャフトであるようにしたものであるから、ステアリングシャフトの回動角すなわち操舵角を簡易な構造で正確に検出することが可能な回動状態検出装置を提供することができる。 In the sixth aspect of the present invention, since the rotating body is a steering shaft, the rotation state of the steering shaft, that is, the rotation state in which the steering angle can be accurately detected with a simple structure. A detection device can be provided.

以下、本発明の一実施形態に係る磁気センサ機構、並びに、この磁気センサ機構を用いた回動状態検出装置について図１〜図７を参照して説明する。   Hereinafter, a magnetic sensor mechanism according to an embodiment of the present invention and a rotation state detection apparatus using the magnetic sensor mechanism will be described with reference to FIGS.

まず、本発明の一実施形態に係る磁気センサ機構１の構造について図１を参照して説明する。この磁気センサ機構１は、発光部２，受光部３，及び検出体４を備えており、発光部２から検出体４に向けて光を照射し、検出体４の面Ｓ₁で反射した光を受光部３にて受光するように構成されている。上述の発光部２としては、アルゴンレーザなどのレーザや発光ダイオードなどの様々な光照射器が使用可能であり、その光は単一波長であってもそうでなくても良く、波長の制限も特にない。また、受光部３としては、検出体４から反射した光を受けることができる位置に配置され、電圧の変化を検出することにより反射光の強度を検出することが可能な装置が使用される。一方、検出体４は、金属窒化物層（好ましくは窒化鉄層、より好ましくはＦｅ₄Ｎ層）を含む面Ｓ₁を備える薄膜にて構成されており、具体的には、例えば化学気相成長法によりＭＧＯ（１００）単結晶基板５（図２参照）上に作成したＦｅ₄Ｎ薄膜などが使用可能である。 First, the structure of a magnetic sensor mechanism 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The magnetic sensor mechanism 1 includes a light emitting unit 2, a light receiving unit 3, and a detection body 4, and irradiates light from the light emitting unit 2 toward the detection body 4 and reflects light on the surface S ₁ of the detection body 4. Is received by the light receiving unit 3. Various light irradiators such as a laser such as an argon laser or a light emitting diode can be used as the light emitting unit 2 described above, and the light may or may not have a single wavelength, and the wavelength may be limited. Not particularly. In addition, as the light receiving unit 3, a device that is disposed at a position where it can receive light reflected from the detection body 4 and can detect the intensity of reflected light by detecting a change in voltage is used. On the other hand, the detector 4 is formed of a thin film having a surface S ₁ including a metal nitride layer (preferably an iron nitride layer, more preferably an Fe ₄ N layer). An Fe ₄ N thin film or the like prepared on the MGO (100) single crystal substrate 5 (see FIG. 2) by the growth method can be used.

かくして、図１の磁気センサ機構１は、金属窒化物層を含む面Ｓ₁と、この面Ｓ₁に光（入射光６ａ）を照射する発光部２と、この発光部２からの入射光６ａが前記面Ｓ₁で反射された反射光６ｂを受ける受光部３とを備えている。なお、発光部２からの入射光６ａと、金属窒化物層から成る検出体４の面Ｓ₁とのなす角度すなわち入射角度θは、所定角度範囲内の所定の角度に設定（固定）されている。 Thus, the magnetic sensor mechanism 1 of FIG. 1 includes the surface S ₁ including the metal nitride layer, the light emitting unit 2 that irradiates the surface S ₁ with light (incident light 6a), and the incident light 6a from the light emitting unit 2. There has a light receiving portion 3 for receiving the reflected light 6b which is reflected by the surface S _1. Note that the incident light 6a from the light emitting portion 2, the angle i.e. the incident angle θ of the surface S ₁ of the detection member 4 made of a metal nitride layer, is set to a predetermined angle within a predetermined angular range (fixed) Yes.

図２は、上述の如き磁気センサ機構１を備えた磁界印加角度検出装置１１を示している。本装置１１にあっては、ＭｇＯ（１００）単結晶基板５上にＦｅ₄Ｎ薄膜（金属窒化層）１２を形成して成る検出体４が用いられており、この検出体４に対向する位置に磁石１３が磁気発生体として配置されている。なお、この磁石１３は、永久磁石であっても電磁石であっても良い。そして、上述の磁石１３は、Ｎ極とＳ極とを結ぶ軸線がＦｅ₄Ｎ薄膜１２（ひいては検出体４）に対して交差する方向に配置されると共に、前記軸線上の１点を中心に回転可能に配設されている。また、受光部３にはオシロスコープ１４が接続されており、受光部３に入射される反射光の強度がオシロスコープ１４によって電圧値として検出されるように構成されている。 FIG. 2 shows a magnetic field application angle detection device 11 provided with the magnetic sensor mechanism 1 as described above. In the present apparatus 11, a detection body 4 formed by forming a Fe ₄ N thin film (metal nitride layer) 12 on an MgO (100) single crystal substrate 5 is used, and a position facing this detection body 4. The magnet 13 is arranged as a magnetic generator. The magnet 13 may be a permanent magnet or an electromagnet. The magnet 13 is arranged in a direction in which an axis connecting the N pole and the S pole intersects the Fe ₄ N thin film 12 (and thus the detection body 4), and centered on one point on the axis. It is rotatably arranged. In addition, an oscilloscope 14 is connected to the light receiving unit 3, and the intensity of reflected light incident on the light receiving unit 3 is detected as a voltage value by the oscilloscope 14.

なお、Ｆｅ₄Ｎ薄膜１２の製造方法としては、例えば、本発明者らにより発明された特開２０００−３９６６７９号に開示されている窒化鉄薄膜の製造方法（エピタキシャル成長）により得ることが可能である。このＦｅ₄Ｎ薄膜１２から成る金属窒化物層は、外部磁界の印加角度に応じて、反射する光の強度が変化するという特性が本発明者らの研究により明らかとなっており、この特性を確認した結果が図３に示されている。 In addition, as a manufacturing method of the Fe ₄ N thin film 12, for example, it can be obtained by a manufacturing method (epitaxial growth) of an iron nitride thin film disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-396679 invented by the present inventors. . The metal nitride layer composed of the Fe ₄ N thin film 12 has been clarified by the inventors' study that the intensity of the reflected light changes according to the applied angle of the external magnetic field. The confirmed result is shown in FIG.

この金属窒化物層（Ｆｅ₄Ｎ薄膜）の特性を示す図３は、以下の測定方法によって得たものである。
測定方法
図２に示すように、光を照射する手段（発光部２）として、レーザ照射器を使用し、アルゴンレーザを照射した。アルゴンレーザの入射角度θは、磁性窒化物層（Ｆｅ₄Ｎ薄膜１２）の面に対して４５度とした。また、磁性窒化物層から構成される検出体４としては、化学気相成長法によりＭｇＯ（１００）単結晶基板１１上に作製したＦｅ₄Ｎ薄膜１２を使用した。Ｆｅ₄Ｎ膜の製造方法としては、例えば、本発明者らにより発明された特開２０００-３９６６７９号に開示されている窒化鉄薄膜の製造方法を用いた。そして、検出体４から反射された光を検出する手段（受光部３）として光検出器を用い、この光検出器（受光部３）で検出された反射光の強度をオシロスコープ１４からの電圧値として出力した。検出体４のＦｅ₄Ｎ薄膜１２に外部磁界を印加する方法としては、検出体４の背面に永久磁石１３を配置し、その永久磁石１３を回転方向Ａに往復回転させることにより磁界方向を変化させた。この場合、金属窒化物層のなす面すなわちＦｅ₄Ｎ薄膜１２のなす面Ｓ₁と、検出しようとする外部磁界が変化する際に磁界方向の変化を生じる面Ｓ₂とが互いに直交する位置関係とした。印加した磁界の強さは、０.００３Ｔ（テスラ）である。 FIG. 3 showing the characteristics of this metal nitride layer (Fe ₄ N thin film) was obtained by the following measuring method.
Measurement Method As shown in FIG. 2, a laser irradiator was used as a means for irradiating light (light emitting unit 2), and an argon laser was irradiated. The incident angle θ of the argon laser was 45 degrees with respect to the surface of the magnetic nitride layer (Fe ₄ N thin film 12). Further, as the detector 4 composed of a magnetic nitride layer, an Fe ₄ N thin film 12 produced on an MgO (100) single crystal substrate 11 by a chemical vapor deposition method was used. As a method for producing the Fe ₄ N film, for example, a method for producing an iron nitride thin film disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-396679 invented by the present inventors was used. Then, a light detector is used as means for detecting the light reflected from the detection body 4 (light receiving unit 3), and the intensity of the reflected light detected by the light detector (light receiving unit 3) is a voltage value from the oscilloscope 14. As output. As a method of applying an external magnetic field to the Fe ₄ N thin film 12 of the detection body 4, a permanent magnet 13 is disposed on the back surface of the detection body 4, and the magnetic field direction is changed by reciprocating the permanent magnet 13 in the rotation direction A. I let you. In this case, the positional relationship in which the surface formed by the metal nitride layer, that is, the surface S ₁ formed by the Fe ₄ N thin film 12, and the surface S ₂ that changes the direction of the magnetic field when the external magnetic field to be detected changes is perpendicular to each other. It was. The strength of the applied magnetic field is 0.003T (Tesla).

本実施形態に係る磁界印加角度検出装置１１では、図３に示されるような特性を利用して、反射光の強度を電圧値として検出することにより磁界の印加角度（回動角度）αを検出するようにしている。更に具体的に述べると、磁石１３を図２において矢印Ａで示す方向に回転させて外部磁界Ｈの印加角度α（すなわち、外部磁界Ｈの磁界方向Ｈ’）を０〜１８０度の範囲で変化させると、この外部磁界Ｈの印加角度α（ひいては、磁界方向Ｈ’）の変化に伴い、光検出器としての受光部３で検出された光の強度に相応してオシロスコープ１４から出力される電圧値が、図３に示すように連続的に変化する。この電圧値変化は、Ｆｅ₄Ｎ薄膜１２で反射された反射光６ｂの強度変化に相当しており、従って外部磁界Ｈの印加方向αを反射光６ｂの強度に基づいて検出することができる。また、上述の特性を利用すれば、磁界方向Ｈ’の変化が止まっている状態でも、反射光６ｂの強度を測定することにより磁界方向Ｈ’の特定が可能である。 In the magnetic field application angle detection device 11 according to the present embodiment, the magnetic field application angle (rotation angle) α is detected by detecting the intensity of reflected light as a voltage value using the characteristics shown in FIG. Like to do. More specifically, the magnet 13 is rotated in the direction indicated by the arrow A in FIG. 2 to change the application angle α of the external magnetic field H (that is, the magnetic field direction H ′ of the external magnetic field H) in the range of 0 to 180 degrees. As a result, the voltage output from the oscilloscope 14 in accordance with the intensity of the light detected by the light-receiving unit 3 as a photodetector in accordance with the change in the application angle α (and hence the magnetic field direction H ′) of the external magnetic field H. The value changes continuously as shown in FIG. This change in voltage value corresponds to a change in the intensity of the reflected light 6b reflected by the Fe ₄ N thin film 12, and therefore the application direction α of the external magnetic field H can be detected based on the intensity of the reflected light 6b. Further, if the above-described characteristics are used, the magnetic field direction H ′ can be specified by measuring the intensity of the reflected light 6 b even when the change in the magnetic field direction H ′ is stopped.

一方、金属窒化物層のなす面（例えば、Ｆｅ₄Ｎ薄膜１２のなす面）Ｓ₁が、検出しようとする外部磁界Ｈが変化する際に磁界方向Ｈ’の変化を生じる面（磁界方向Ｈ’が変化する面）Ｓ₂とが交差するように配置することが必要である。これは、金属窒化物層のなす面Ｓ₁と、外部磁界が変化する際に磁界方向の変化を生じる面Ｓ₂とが一致或いは並行である場合には、検出体４を反射した光の強度はほとんど変化しないため、磁界方向を検出することはできないからである。なお、これらの２つの面Ｓ₁，Ｓ₂が互いに直交する位置関係となる場合に、磁気検出感度が最良となる。 On the other hand, the surface formed by the metal nitride layer (for example, the surface formed by the Fe ₄ N thin film 12) S ₁ causes a change in the magnetic field direction H ′ when the external magnetic field H to be detected changes (magnetic field direction H It is necessary to arrange so that S ₂ intersects the surface where 'changes. This is because when the surface S ₁ formed by the metal nitride layer and the surface S ₂ that causes a change in the magnetic field direction when the external magnetic field changes are coincident or parallel, the intensity of the light reflected from the detection body 4 This is because the magnetic field direction cannot be detected. The magnetic detection sensitivity is best when these two surfaces S ₁ and S ₂ are in a positional relationship orthogonal to each other.

このような現象についての確認は、以下の測定方法で行った。
測定方法
図４に示すように、Ｆｅ₄Ｎ薄膜１２のなす面Ｓ₁と、検出しようとする外部磁界が変化する際に磁界方向の変化を生じる面Ｓ₂との位置関係が平行となるように磁石１３を配置（具体的には、磁石１３のＮ極とＳ極とを結ぶ軸線の延長線が前記面Ｓ１上に配置されるように磁石１３を配置）し、図２の場合と同様に測定を行った。すなわち、磁石１３の位置以外の構成、測定条件などは、図２の場合と同様とした。図２の場合と同様に磁界角度β（図４参照）を０〜１８０度で変化させた結果、反射光の強度はほとんど変化がみられなかった。従って、この状態（面Ｓ₁と面Ｓ₂とが平行であり、互いに交差しない状態）では、精度の高い検出を行うことは困難であり、Ｆｅ₄Ｎ薄膜１２のなす面Ｓ₁と、検出しようとする外部磁界が変化する際に磁界方向の変化を生じる面Ｓ₂とが交差した状態にするのが望ましいことがわかった。また、高い検出感度を得るためには、それぞれの面Ｓ₁，面Ｓ₂が交差するときになす角度は、垂直に近い方が好ましいと推察される。 Such a phenomenon was confirmed by the following measurement method.
Measurement Method As shown in FIG. 4, the positional relationship between the surface S ₁ formed by the Fe ₄ N thin film 12 and the surface S ₂ that changes the direction of the magnetic field when the external magnetic field to be detected changes is parallel. 2 is arranged (specifically, the magnet 13 is arranged so that the extension line of the axis connecting the north pole and the south pole of the magnet 13 is arranged on the surface S1), and the same as in the case of FIG. Measurements were made. That is, the configuration other than the position of the magnet 13, the measurement conditions, and the like were the same as those in FIG. As in the case of FIG. 2, as a result of changing the magnetic field angle β (see FIG. 4) from 0 to 180 degrees, the intensity of the reflected light hardly changed. Therefore, in this state (the surface S ₁ and the surface S ₂ are parallel and do not intersect each other), it is difficult to perform highly accurate detection, and the surface S ₁ formed by the Fe ₄ N thin film 12 is detected. It has been found that it is desirable to cross the surface S ₂ that causes a change in the magnetic field direction when the external magnetic field to be changed changes. Further, in order to obtain high detection sensitivity, it is presumed that the angle formed when the surfaces S ₁ and S ₂ intersect each other is preferably close to vertical.

また、発光部２から検出体４のＦｅ₄Ｎ薄膜１２に入射される入射光６ａとＦｅ₄Ｎ薄膜１２の面Ｓ₁とのなす入射角度θ（図１及び図２参照）について、下記の方法で実験を行った。
入射角度θの測定方法
図２と同様の装置構成において、Ｆｅ₄Ｎ薄膜１２の面Ｓ₁に対する外部磁界Ｈの印加角度αを９０度で固定し、アルゴンレーザの入射角度θを０〜９０度の範囲で変化させながら反射光６ｂの強度変化を測定した。それら以外の測定条件は、図２の場合と同様とした。そして、外部磁界Ｈの印加がない状態での反射光６ｂの強度を基準として、外部磁界Ｈを印加した状態での反射光強度の変化率（入射光強度に対する反射光強度の減少率）を算出した結果を図５に示す。この変化率は、検出感度に相当するものであり、変化率の大きい方が、検出感度は高いことになる。図５から明らかなように、入射角度が０〜１５度、７５〜９０度の範囲では変化率が１％以下であった。よって、外部磁界の有無を検出するためには、１５〜７５度の範囲内にあることが望ましいことが判明した。中でも、より好ましくは入射角度θが５０〜６０度であり、最も好ましいのは５５度であることが判明した。 Further, the incident angle θ (see FIGS. 1 and 2) formed by the incident light 6a incident on the Fe ₄ N thin film 12 of the detector 4 from the light emitting unit 2 and the surface S ₁ of the Fe ₄ N thin film 12 is as follows. The experiment was conducted by the method.
Measuring Method of Incident Angle θ In the same apparatus configuration as in FIG. 2, the application angle α of the external magnetic field H to the surface S ₁ of the Fe ₄ N thin film 12 is fixed at 90 degrees, and the incident angle θ of the argon laser is set to 0 to 90 degrees. The intensity change of the reflected light 6b was measured while changing in the range. The other measurement conditions were the same as in FIG. Then, based on the intensity of the reflected light 6b when no external magnetic field H is applied, the rate of change of the reflected light intensity when the external magnetic field H is applied (the rate of decrease of the reflected light intensity with respect to the incident light intensity) is calculated. The results are shown in FIG. This rate of change corresponds to the detection sensitivity, and the greater the rate of change, the higher the detection sensitivity. As is clear from FIG. 5, the rate of change was 1% or less in the range of incident angles of 0 to 15 degrees and 75 to 90 degrees. Therefore, it has been found that it is desirable to be within a range of 15 to 75 degrees in order to detect the presence or absence of an external magnetic field. Among these, it has been found that the incident angle θ is more preferably 50 to 60 degrees, and most preferably 55 degrees.

入射角度θについて実験をしてみたところ、入射角度θが１５〜７５度の範囲の場合に、検出体４の面Ｓ₁から反射された反射光６ｂの強度変化が十分に得られ、磁気検出デバイスとしての感度が向上することが確認された。また、入射角度θが５０〜６０度の場合に、より一層の感度向上が図られると共に、入射角度θが５５度の場合に、最も良好な検出感度を得ることがで切ることが確認された。この実験では、磁界の有無についてのみ入射光の角度依存性の測定を行ったが、磁界の方向及びその変化を検出する場合においても同様であることは言う迄もない。また、磁界の有無を光の強度変化で検出するシステムにおいても同様に有効であり、磁気の有無を検出するデバイスとしての感度も向上する。 For the incident angle θ was to experiment, the angle of incidence θ is the case in the range of 15 to 75 degrees, the intensity change of the reflected light 6b which is reflected from the surface S ₁ of the detection member 4 is sufficiently obtained, the magnetic detection It was confirmed that the sensitivity as a device was improved. Further, it was confirmed that when the incident angle θ is 50 to 60 degrees, the sensitivity can be further improved, and when the incident angle θ is 55 degrees, the best detection sensitivity can be obtained. . In this experiment, the angle dependence of incident light was measured only for the presence or absence of a magnetic field, but it goes without saying that the same is true when detecting the direction of the magnetic field and its change. In addition, the present invention is similarly effective in a system that detects the presence or absence of a magnetic field by changing the intensity of light, and the sensitivity as a device that detects the presence or absence of magnetism is also improved.

上述の磁気センサ機構１は、機械部品などの回動体の回動状態を検出する回動状態検出装置に適用可能である。図６及び図７は、磁気センサ機構１を自動車のステアリング系に配設してステアリングシャフトの回動状態を検出するように構成した回動状態検出装置２０を示すものである。この回動状態検出装置２０においては、ステアリングホイール２１に連結されているステアリングシャフト２２に、磁界方向Ｈ’がステアリングシャフト２２の回動軸に対して直交するように磁気発生体２３が設けられている。この磁気発生体２３は、ステアリングシャフト２２の回動軸を中心にステアリングシャフト２２と一緒に回動するように一体に固定されている。かくして、ステアリングホイール２１の回転動作に連動してステアリングシャフト２２がその回動軸を中心に回動されるのに応じて、磁気発生体２３から発生される磁界の方向すなわち磁界方向Ｈ’が回転されるように構成されている。なお、磁気発生体２３は、永久磁石や電磁石などのように磁界を発生するものであれば、どのようなものであっても良い。   The magnetic sensor mechanism 1 described above can be applied to a rotation state detection device that detects a rotation state of a rotating body such as a mechanical part. 6 and 7 show a turning state detecting device 20 configured to detect the turning state of the steering shaft by arranging the magnetic sensor mechanism 1 in the steering system of the automobile. In this rotational state detection device 20, a magnetic generator 23 is provided on a steering shaft 22 connected to the steering wheel 21 so that the magnetic field direction H ′ is orthogonal to the rotational axis of the steering shaft 22. Yes. The magnetism generator 23 is integrally fixed so as to rotate together with the steering shaft 22 around the rotation axis of the steering shaft 22. Thus, the direction of the magnetic field generated from the magnetic generator 23, that is, the magnetic field direction H ′ is rotated in accordance with the rotation of the steering shaft 21 about the rotation axis in conjunction with the rotation operation of the steering wheel 21. It is configured to be. The magnetic generator 23 may be anything as long as it generates a magnetic field such as a permanent magnet or an electromagnet.

また、上述の磁気発生体２３の磁界内には、磁気検出ユニット２４が配置されている。この磁気検出ユニット２４は、既述の磁気センサ機構１の基本構造を有しており、発光部２と受光部３と検出体４とを備えている。そして、磁気検出ユニット２４の出力はＥＣＵ（電子制御ユニット）２５に供給されるようになっている。なお、図７において、２７は磁気検出ユニット２４からの出力に応じて駆動される電動モータを含む車輪操舵機構部である。   A magnetic detection unit 24 is arranged in the magnetic field of the magnetic generator 23 described above. The magnetic detection unit 24 has the basic structure of the magnetic sensor mechanism 1 described above, and includes a light emitting unit 2, a light receiving unit 3, and a detection body 4. The output of the magnetic detection unit 24 is supplied to an ECU (electronic control unit) 25. In FIG. 7, reference numeral 27 denotes a wheel steering mechanism including an electric motor driven in accordance with the output from the magnetic detection unit 24.

このような構成の回動状態検出装置２０によれば、既述の検出体４の特性により、外部磁界の印加方向を検出することができるため、ステアリングホイール２１を回転させると、磁界方向Ｈ’も回転しながら変化し、この磁界方向Ｈ’の変化を磁気検出ユニット２４にて検出することができる。そして、この磁気検出ユニット２４から検出した値をＥＣＵ２５によりステアリングの操舵角として処理することにより、ステアリングの回動状態を検出することができる。   According to the rotation state detection device 20 having such a configuration, the application direction of the external magnetic field can be detected based on the characteristics of the detection body 4 described above. Therefore, when the steering wheel 21 is rotated, the magnetic field direction H ′. The magnetic detection unit 24 can detect the change in the magnetic field direction H ′. Then, the value detected from the magnetic detection unit 24 is processed by the ECU 25 as the steering angle of the steering, whereby the turning state of the steering can be detected.

なお、上記はステアリングシャフト２２の回転を例にとって説明を行ったが、ステアリングシャフト２２に限らず、回動，回転を行う機械部品であれば、それらの機械部品に対して本発明の適用が可能である。   The above description has been made taking the rotation of the steering shaft 22 as an example. However, the present invention is not limited to the steering shaft 22 and can be applied to any mechanical part that rotates and rotates. It is.

以上に述べた検出装置によれば、簡易な構造でありながら、機械部品の回動状態を検出体４から反射した反射光６ｂの強度に基づいて検出することができる。また、ステアリグシャフト２２などの機械部品の回動が停止している状態でも、反射光６ｂの強度に基づいて、機械部品の回動位置を検出することが可能である。   According to the detection device described above, it is possible to detect the rotation state of the mechanical component based on the intensity of the reflected light 6b reflected from the detection body 4 with a simple structure. Even when the rotation of the mechanical parts such as the steering shaft 22 is stopped, it is possible to detect the rotational position of the mechanical parts based on the intensity of the reflected light 6b.

本発明の一実施形態に係る磁気センサ機構を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the magnetic sensor mechanism which concerns on one Embodiment of this invention. 磁気センサ機構を備えた磁界印加角度検出装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the magnetic field application angle detection apparatus provided with the magnetic sensor mechanism. Ｆｅ₄Ｎ薄膜（金属窒化物層）の面に対する外部磁界の印加角度と検出電圧との間の関係を示す特性図である。Fe ₄ is a characteristic diagram showing the relationship between the application angle of the external magnetic field and the detection voltage to the surface of the N film (a metal nitride layer). 外部磁界の変化面をＦｅ₄Ｎ薄膜の面に一致又は平行にした場合を説明するための斜視図である。The change surface of the external magnetic field is a perspective view for explaining a case of matching or parallel to the plane of the Fe ₄ N thin film. Ｆｅ₄Ｎ薄膜の面への入射光の角度と、Ｆｅ₄Ｎ薄膜の面からの反射光の強度の変化率との関係を示す特性図である。And the angle of the incident light to the surface of Fe ₄ N thin film is a characteristic diagram showing the relationship between the rate of change in intensity of the reflected light from the surface of Fe ₄ N thin film. 本発明の一実施形態に係る磁気センサ機構を備えた回動状態検出装置の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the rotation state detection apparatus provided with the magnetic sensor mechanism which concerns on one Embodiment of this invention. 図６の回動状態検出装置を備えた自動車のステアリング系を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the steering system of the motor vehicle provided with the rotation state detection apparatus of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１ 磁気センサ機構
２ 発光部
３ 受光部
４ 検出器
５ ＭＧＯ（１００）単結晶基板
６ａ 入射光
６ｂ 反射光
１１ 磁界印加角度検出装置
１２ Ｆｅ₄Ｎ薄膜（金属窒化層）
１３ 磁石
１４ オシロスコープ
２０ 回動状態検出装置
２１ ステアリングホイール
２２ ステアリングシャフト
２３ 磁気発生体
２４ 磁気検出ユニット
２５ ＥＣＵ（電子制御装置）
Ｈ 外部磁界
Ｈ’磁界方向
Ｓ₁，Ｓ₂ 面
α，β 外部磁界の印加角度
θ 光の入射角度 1 magnetic sensor mechanism 2 emitting unit 3 receiving unit 4 detector 5 MGO (100) single crystal substrate 6a incident light 6b reflected light 11 magnetic field application angle detector 12 Fe ₄ N thin film (metal nitride layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 Magnet 14 Oscilloscope 20 Rotation state detection apparatus 21 Steering wheel 22 Steering shaft 23 Magnetic generator 24 Magnetic detection unit 25 ECU (electronic control apparatus)
H External magnetic field H 'Magnetic field direction S ₁ , S ₂ surface α, β External magnetic field application angle θ Light incident angle

Claims (6)

磁界の状態を検知する磁気センサ機構において、Ｆｅ _４ Ｎ薄膜を含む面と、前記面に光を照射する発光部と、前記発光部からの光が前記面で反射された反射光を受ける受光部とを備え、前記Ｆｅ _４ Ｎ薄膜のなす面が、検出しようとする外部磁界が変化する際に磁界方向の変化を生じる面と交差するように、前記２つの面を配置するようにし、前記反射光の強度に基づいて前記磁界の方向を検出することを特徴とする磁気センサ機構。 In a magnetic sensor mechanism for detecting a state of a magnetic field, a surface including an Fe ₄ N thin film , a light emitting unit that irradiates light to the surface, and a light receiving unit that receives reflected light in which light from the light emitting unit is reflected by the surface The two surfaces are arranged so that a surface formed by the Fe ₄ N thin film intersects a surface that causes a change in magnetic field direction when an external magnetic field to be detected changes, and the reflection A magnetic sensor mechanism that detects the direction of the magnetic field based on the intensity of light. 前記発光部からの入射光と前記Ｆｅ _４ Ｎ薄膜を含む面とのなす角度を１５〜７５度に設定したことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ機構。 The magnetic sensor system of claim 1, characterized in that setting the angle between the plane containing the Fe 4 _N thin film with light incident from the front Symbol emitting portion 15-75 degrees. 前記発光部からの入射光と前記Ｆｅ _４ Ｎ薄膜を含む面とのなす角度を４５〜６０度に設定したことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ機構。 The magnetic sensor system of claim 1, characterized in that setting the angle between the plane containing the Fe 4 _N thin film with light incident from the front Symbol emitting portion 45-60 degrees. 前記発光部からの入射光と前記Ｆｅ _４ Ｎ薄膜を含む面とのなす角度を５５度に設定したことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ機構。 The magnetic sensor system of claim 1, characterized in that setting the angle between the plane containing the Fe 4 _N thin film with light incident from the front Symbol emitting portion 55 degrees. 磁気センサ機構を用いた回動状態検出装置において、回動軸を中心に回動する回動体に、磁界方向が前記回動軸を中心に回転するように磁気発生体を設け、前記磁気発生体が発生する磁界内に請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気センサ機構を配置したことを特徴とする回動状態検出装置。 In the rotation state detection apparatus using a magnetic sensor mechanism, a magnetic generator is provided on a rotating body that rotates about a rotation axis so that a magnetic field direction rotates about the rotation axis, and the magnetic generator A rotating state detection device, wherein the magnetic sensor mechanism according to any one of claims 1 to 4 is disposed in a magnetic field in which a magnetic field is generated. 前記回動体がステアリングシャフトであることを特徴とする請求項５に記載の回動状態検出装置。 The rotation state detection device according to claim 5 , wherein the rotation body is a steering shaft.

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