JP4842659B2 - 磁気センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁界の変化を検出する磁気センサ装置に関する。

従来より、磁界の強さの変化に対して高い磁気抵抗変化率を有するという特徴からＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子と称される磁気抵抗素子が知られている。特許文献１には、車両のハンドルのような回転体の回転角度をＧＭＲ素子を用いて磁気的に検出する回転角度検出装置に関する技術が開示されている。この種の磁気センサ装置にあっては、ＧＭＲ素子を用いることで磁界の強さの変化に対する感度が高く、それにより検出精度を高められる等の利点がある。
特開２００５−１９５４７１号公報

しかしながら、ＧＭＲ素子は、それ単独で磁界の強さを検出することはできるが、磁界の方向を検出することはできない。ここに、ＧＭＲ素子以外に磁界の変化を検出するものとしてホール素子が知られている。しかし、ホール素子は、それ単独で磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるが、その一方で磁界の強さの変化に対する感度がＧＭＲ素子に比べて低いということも否定できない。

このため、ＧＭＲ素子が用いられている磁気センサ装置において、ＧＭＲ素子からホール素子への置き換えを図ろうとすると、磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるが、磁界の強さの変化に対する感度の低いものしか得られないことになる。一方、ホール素子が用いられている磁気センサ装置において、ホール素子からＧＭＲ素子への置き換えを図ろうとすると、磁界の強さの変化に対する感度は高くなるが、磁界の方向を検出できないものしか得られないことになる。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、その目的は、磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるとともに、磁界の強さの変化に対する感度の高いものを得ることが可能な磁気センサ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、磁界の変化を検出する磁気センサ装置において、磁界の強さのみを検出するとともに、磁界の強さを示す電気信号を出力するセンサエレメントと、検出対象となる磁場中の磁気との間で磁力を発生する第１の磁石と、前記第１の磁石が設けられ、前記第１の磁石と磁場中の磁気との間で発生した磁力により歪む梁部と、前記第１の磁石と磁場中の磁気との間で発生した磁力により前記梁部が歪む方向によって強さの異なる磁界を前記センサエレメントに与える第２の磁石と、前記センサエレメントから出力される電気信号を指標として、検出対象となる磁場中の磁界の強さと磁界の方向との両者を特定する特定手段とを備えていることをその要旨としている。

同構成によると、検出対象となる磁場中にあって第１の磁石と磁場中の磁気との間に磁力が発生する。すると、このように発生した磁力により梁部が歪まされる。そして、このようにして梁部が歪んだとき、第２の磁石とセンサエレメントとの距離が変化することから、梁部が歪む方向によって強さの異なる磁界がセンサエレメントに与えられる。

ここに、センサエレメントから出力される電気信号にあって特定のレベルのものを基準電気信号としたとき、梁部が歪む方向によって、センサエレメントから出力される電気信号のレベルが基準電気信号よりも高くなったり低くなったりする。このため、センサエレメントから出力される電気信号が基準電気信号よりも高いレベルにあるのか、それとも低いレベルにあるのか、を調べることで磁界の方向を区別することが可能となる。つまり、このような区別を特定手段が行うように構成することで、センサエレメントから出力される電気信号を指標として磁界の方向を特定することが可能となる。

そして、磁界の強さについてもセンサエレメントから出力される電気信号のレベルから特定することが可能である。ここに、磁界の強さの変化に対する感度はセンサエレメントの性能に依存する。このため、例えばＧＭＲ素子の如く磁界の強さの変化に対する感度の高いものをセンサエレメントとして用いれば、磁界の強さの変化に対する感度の高いものが得られる。

尚、例えばホール素子の如く、それ単独で磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるものをセンサエレメントの代わりに用いる構成は本発明に含まれない。このような構成にあっては、磁界の強さを示す電気信号を指標として磁界の方向を特定するための構成が備えられているにも拘わらず、そのような構成とは別に、ホール素子にも磁界の方向を検出するために必要な構成が含まれている。従って、このような構成の磁気センサ装置にあっては、磁界の方向を検出するために必要な構成が重複して設けられていることに起因して小型軽量化の妨げとなるから好ましくない。加えて、このような構成の磁気センサ装置にあっては、磁界の強さの変化に対する感度の低いものしか得られない点において本発明の磁気センサ装置よりも劣ることは言うまでもない。

本発明は、以上のように構成されているため、次のような効果を奏する。
本発明によれば、磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるとともに、磁界の強さの変化に対する感度の高いものを得ることができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を説明する。
図１に示すように、磁気センサ装置１は、上面に凹部１１が形成されるとともに、その凹部１１の両側に接合部１２を有する台座１０と、前記凹部１１を跨ぐ長さの梁部２１が形成されるとともに、その梁部２１の両側の取付部２２が前記接合部１２に接合される薄板２０とを備えている。

梁部２１の上面には、検出対象となる磁場中の磁気との間で磁力を発生する第１の磁石３１が接着されるとともに、梁部２１の下面には第２の磁石３２が接着され、さらに凹部１１には、前記第２の磁石３２から与えられる磁界の強さを検出するＧＭＲ素子３３及びそのＧＭＲ素子３３から入力される信号を処理する処理回路３４が設けられている。尚、ＧＭＲ素子３３は、第２の磁石３２から与えられる磁界の強さの変化によって電気抵抗値が変化する。そして、図２に示すように、処理回路３４は、ＧＭＲ素子３３の電気抵抗値の変化を電圧変化として読み取るとともに、この電圧を磁界の強さを表すものとして出力する。

次に、磁気センサ装置１の作用について説明する。
まず、図４（ａ），（ｂ）を用いて、検出対象となる磁場中の磁界の強さが０である場合について説明する。この場合、検出対象となる磁場中の磁気と第１の磁石３１との間で発生する磁力の大きさは０であるから、図４（ａ）に示すように、梁部２１は、該磁力により歪まされることはなく水平状態が保持される。そして、このとき、図４（ｂ）に示すように、処理回路３４は、このような状態の梁部２１の下面に設けられている第２の磁石３２から与えられる磁界の強さＢ０を示す電気信号として電圧Ｖ０を出力する。

次いで、図３（ａ），（ｂ）を用いて、検出対象となる磁場中の磁界の方向が矢印Ａ１で示す方向である場合について説明する。この場合、検出対象となる磁場中の磁気と第１の磁石３１との間に磁力が発生する。すると、図３（ａ）に示すように、このように発生した磁力により梁部２１が上側に凸となるように歪まされる。そして、このとき、図３（ｂ）に示すように、処理回路３４は、このような状態の梁部２１の下面に設けられている第２の磁石３２から与えられる磁界の強さＢ１を示す電気信号として電圧Ｖ１を出力する。

尚、図３（ａ）に示す状態における第２の磁石３２とＧＭＲ素子３３との距離は、図４（ａ）に示す状態におけるそれよりも長いものであるから、磁界の強さＢ１は磁界の強さＢ０よりも小さくなり、その結果、電圧Ｖ０よりも小さな電圧Ｖ１が処理回路３４から出力されることになる。

次いで、図５（ａ），（ｂ）を用いて、検出対象となる磁場中の磁界の方向が矢印Ａ２で示す方向である場合について説明する。この場合、検出対象となる磁場中の磁気と第１の磁石３１との間に磁力が発生する。すると、図５（ａ）に示すように、このように発生した磁力により梁部２１が下側に凸となるように歪まされる。そして、このとき、図５（ｂ）に示すように、処理回路３４は、このような状態の梁部２１の下面に設けられている第２の磁石３２から与えられる磁界の強さＢ２を示す電気信号として電圧Ｖ２を出力する。

尚、図５（ａ）に示す状態における第２の磁石３２とＧＭＲ素子３３との距離は、図４（ａ）に示す状態におけるそれよりも短いものであるから、磁界の強さＢ２は磁界の強さＢ０よりも大きくなり、その結果、電圧Ｖ０よりも大きな電圧Ｖ２が処理回路３４から出力されることになる。

これらをまとめると、梁部２１が歪んでいないときに処理回路３４から出力される電圧Ｖ０を基準電圧としたとき、梁部２１が歪む方向によって、処理回路３４から出力される電圧のレベルが基準電圧よりも高くなったり低くなったりする。このため、処理回路３４から出力される電圧が基準電圧よりも高いレベルにあるのか、それとも低いレベルにあるのか、を調べることで磁界の方向を区別することが可能となる。つまり、このような区別を処理回路３４が行うように構成することで、処理回路３４から出力される電圧を指標として磁界の方向を特定することが可能となる。

即ち、処理回路３４は、ＧＭＲ素子３３の電気抵抗値に応じた電圧Ｖ０を出力するとき、それが基準電圧に等しいものであることを根拠として、検出対象となる磁場中の磁界の強さが０である旨を特定する。

一方、処理回路３４は、電圧Ｖ０よりも小さな電圧（例えば電圧Ｖ１）を出力するとき、それが基準電圧よりも低いレベルであることを根拠として、検出対象となる磁場中の磁界の方向が図３（ａ）に矢印Ａ１で示す方向である旨を特定する。そして、処理回路３４は、ＧＭＲ素子３３の電気抵抗値に応じた電圧のレベル（電圧値）を指標として磁界の強さを特定する。つまり、処理回路３４は、ＧＭＲ素子３３の電気抵抗値に応じた電圧を指標として、検出対象となる磁場中の磁界の強さと磁界の方向との両者を特定する。

他方、処理回路３４は、電圧Ｖ０よりも大きな電圧（例えば電圧Ｖ２）を出力するとき、それが基準電圧よりも高いレベルであることを根拠として、検出対象となる磁場中の磁界の方向が図５（ａ）に矢印Ａ２で示す方向である旨を特定する。そして、処理回路３４は、ＧＭＲ素子３３の電気抵抗値に応じた電圧のレベル（電圧値）を指標として磁界の強さを特定する。つまり、処理回路３４は、ＧＭＲ素子３３の電気抵抗値に応じた電圧を指標として、検出対象となる磁場中の磁界の強さと磁界の方向との両者を特定する。

以上、詳述したように本実施形態によれば、次のような作用、効果を得ることができる。
（１）ＧＭＲ素子３３の電気抵抗値に応じた電圧を指標として、検出対象となる磁場中の磁界の強さと磁界の方向との両者が処理回路３４により特定される。ここに、磁界の強さの変化に対する感度はＧＭＲ素子３３の性能に依存する。このため、磁界の強さの変化に対する感度の高いＧＭＲ素子３３により磁界の強さを検出するようにした本実施形態の構成にあっては、磁界の強さの変化に対する感度の高い磁気センサ装置１が得られる。従って、磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるとともに、磁界の強さの変化に対する感度の高いものを得ることができる。

（２）ＧＭＲ素子３３に代えてホール素子を用いた場合、磁界の方向を検出するために必要な構成が重複して設けられていることに起因して小型軽量化の妨げとなるから好ましくない。加えて、このような構成の磁気センサ装置にあっては、磁界の強さの変化に対する感度の低いものしか得られない点において本実施形態の磁気センサ装置１よりも劣ることは言うまでもない。これに対して、本実施形態の磁気センサ装置１にあっては、磁界の方向を検出するために必要な構成が重複して設けられていないため、磁気センサ装置１の小型軽量化に貢献できる。

（３）それ単独で磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるホール素子が用いられている磁気センサ装置から磁気センサ装置１への置き換えを図ることができる。しかも、このような置き換えにより、磁界の強さの変化に対する感度の高いものを得ることができる。

（４）ホール素子が用いられている磁気センサ装置にあっては、ホール素子の出力信号を増幅する際の増幅率を大きくすることで、磁界の強さの変化に対する感度が低いことをカバーしている。つまり、このような磁気センサ装置にあっては、処理回路として複雑なものが必要である。これに対して、本実施形態の磁気センサ装置１にあっては、磁界の強さの変化に対する感度が高いことから、ＧＭＲ素子３３の出力信号を増幅する必要があるにしろ、増幅率を小さなものとして差し支えない。従って、処理回路３４の構成を簡略化できるとともに、このことによっても磁気センサ装置１の小型軽量化に貢献できると言える。

（５）ホール素子が用いられている磁気センサ装置にあっては、磁界の強さの変化に対する感度が低いことから、磁気回路に工夫を凝らす必要がある。これに対して、本実施形態の磁気センサ装置１にあっては、磁界の強さの変化に対する感度が高いことから、磁気回路にさほど工夫を凝らさなくてもよく簡便である。

尚、前記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・検出対象となる磁場中の磁気と第２の磁石３２との間で磁力が発生しないように磁気シールドが施されている構成を採用することが好ましい。このように構成すると、ＧＭＲ素子３３は、検出対象となる磁場中の磁気と第２の磁石３２との間で発生する磁力による影響を受けない。従って、第２の磁石３２による磁界の強さを示す電圧を指標として、検出対象となる磁場中の磁界の強さと磁界の方向との両者を処理回路３４により正確に特定することができる。要するに、検出精度を向上できる。

・第１の磁石３１による磁界と第２の磁石３２による磁界とが互いに干渉しないようにするための磁気シールドが施された構成を採用することが好ましい。このように構成すると、検出対象となる磁場中にあって第１の磁石３１と磁場中の磁気との間に磁力が発生しようとも、その磁力と第２の磁石３２との間で発生する磁力による影響をＧＭＲ素子３３は受けない。従って、第２の磁石３２による磁界の強さを示す電圧を指標として、検出対象となる磁場中の磁界の強さと磁界の方向との両者を処理回路３４により正確に特定することができる。要するに、検出精度を向上できる。

・検出対象となる磁場中の磁気とＧＭＲ素子３３とを磁気的に遮断するような磁気シールドが施されている構成を採用することが好ましい。
・前記実施形態では、ＧＭＲ素子３３が固定されるとともに、第２の磁石３２が可動されていたが、それとは逆に、第２の磁石３２が凹部１１に固定されるとともに、ＧＭＲ素子３３が梁部２１の下面に設けられて可動されるようにしてもよい。

磁気センサ装置の構成を示す斜視図。 磁界の強さに対する出力電圧を示す特性図。 （ａ）磁気センサ装置の作用を説明するための説明図であって、梁部が上側に凸となるように歪まされている様子を示す磁気センサ装置の断面図。 （ｂ）梁部が上側に凸となるように歪まされているときに基準電圧よりも小さな電圧が処理回路から出力されることを示す特性図。 （ａ）磁気センサ装置の作用を説明するための説明図であって、梁部が歪まされていない様子を示す磁気センサ装置の断面図。

（ｂ）梁部が歪まされていないときに基準電圧が処理回路から出力されることを示す特性図。
（ａ）磁気センサ装置の作用を説明するための説明図であって、梁部が下側に凸となるように歪まされている様子を示す磁気センサ装置の断面図。

（ｂ）梁部が下側に凸となるように歪まされているときに基準電圧よりも大きな電圧が処理回路から出力されることを示す特性図。

符号の説明

１…磁気センサ装置、２１…梁部、３１…第１の磁石、３２…第２の磁石、３３…ＧＭＲ素子（センサエレメント）、３４…処理回路（特定手段）。

Claims (1)

1. 磁界の変化を検出する磁気センサ装置において、
   磁界の強さのみを検出するとともに、磁界の強さを示す電気信号を出力するセンサエレメントと、
   検出対象となる磁場中の磁気との間で磁力を発生する第１の磁石と、
   前記第１の磁石が設けられ、前記第１の磁石と磁場中の磁気との間で発生した磁力により歪む梁部と、
   前記第１の磁石と磁場中の磁気との間で発生した磁力により前記梁部が歪む方向によって強さの異なる磁界を前記センサエレメントに与える第２の磁石と、
   前記センサエレメントから出力される電気信号を指標として、検出対象となる磁場中の磁界の強さと磁界の方向との両者を特定する特定手段とを備えていることを特徴とする磁気センサ装置。

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