JPH08511348A - 磁気抵抗近接センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 放射状磁界の平面内にある平面状磁気抵抗素子を有する近接センサ。磁気抵抗素子は、ブリッジ回路の形に配置され、その放射状磁界によって磁気飽和する。この近接センサは、放射状磁界の実効中心の移動を検出することによって強磁性物体の動きを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気抵抗近接センサ 発明の背景 本発明は、広義には近接センサに関し、特に検出素子の平面内にある放射状磁 界の変化を検出することに基づく近接センサに関する。 磁気センサに対する強磁性物体の相対的な位置または接近を磁気によってより 効果的に検出する必要が従来からあり、この必要は現在も続いている。この必要 は、様々な商業や工業、自動車等の応用技術分野に見られる。 より優れた位置検出の必要性は、プローブ型センサの端部の近傍を移動する歯 車の歯の運動を検出することが必要な応用分野において特に大きい。これらの必 要には、例えばエンジンカムやアンチロック・ブレーキシステムにおけるような 自動車用の検出技術が含まれる。 従来、磁気検出法に基づく多くの近接検出デバイスが用いられて来た。永久磁 石から生じる正味磁束が歯車の歯の運動によってその磁石に巻装されたコイルに 電圧を発生させるようになっている可変リラクタンス・センサ（ＶＲＳ）は、従 来から使用されている。このセンサでは、歯車の歯の速度が遅い場合、発生する 電圧が小さ過ぎて、周囲ノイズと区別して検出することができない。 単一の磁気検出軸を有する磁気抵抗センサも提案されている。この種のセンサ は、永久磁石と組み合わせて用いられ、その磁石から発生した磁界が、例えば近 傍を移動する歯車の歯のような強磁性物体の位置によって変調されるようになっ ている。 永久磁石とホール効果トランスデューサを含むホール型磁気センサも、歯車の 歯検出用に用いられている。このセンサでは、歯がトランスデューサのフェース の近傍にないとき、トランスデューサは一定レベルの磁界を検出する。歯車のい ずれかの歯がセンサの近傍域内に移動すると、その歯が磁気集束器として作用し 、検出される磁界を増大させる。この検出磁界の増加分は前記の一定レベルと比 較して小さいため、これによって得られる出力信号は非常に低いレベルとなる。 従って、従来の近接センサより大きい出力信号レベルを有し、かつ歯車の歯が センサを通過する周波数に影響されない出力信号レベルを有する近接センサが必 要になっている。 発明の概要 本発明は、前記及びその他の必要を満たすため、強磁性物体の位置を検出する ための装置を提供するものである。本発明においては、磁界発生源がその発生源 の軸に垂直な放射状磁界成分を生じさせる。磁界発生源と強磁性物体との間で放 射状磁界の平面内に磁気抵抗トランスデューサを配置する。そのトランスデュー サは、そのトランスデューサの平面内にある放射状磁界の外乱を検出する。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の従い歯車の歯の位置を検出するのに用いられる近接センサの 立面図である。 図２は、図１の近接センサの平面図である。 図３ａは、図１の近接センサの磁気抵抗検出素子の物理的レイアウトを示す平 面図であり、図３ｂはこれと等価な電気回路の回路図である。 図４は、磁気抵抗材料の概略抵抗値を１枚の磁気抵抗材料のストリップにおけ る磁化ベクトルと電流との間の角度の関数として示す説明図である。 図５ａ及び５ｂは、前記近接センサの部分立面図である。 図６ａ及び６ｂは、いくつかの異なる歯位置における放射状磁界の分布を示す 説明図である。 図７は、鉄系物体の近接検出のための本発明の実施態様を示す立面図である。 図８ａ及び８ｂは、図１の装置の一部分の代替構造を示す説明図である。 詳細な説明 添付図面においては、強磁性物体の接近を検出するための本発明の装置を全体 として符号１０で示す。図１は、本発明の近接センサの全体的な物理的構成を示 し、図示センサは、軸１４及び磁極面１６を有する永久磁石１２を具備する。永 久磁石１２は、所定の双極磁界を生じさせる。磁気抵抗トランスデューサ２０は 、平面状の構造を有し、磁石１２の軸１４に対して垂直で、磁極面１６と平行な 平面内に配置されている。ハネウェル（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｃ．）社に譲 渡 された１９８９年７月１１日付の米国特許第４，８４７，５８４号には、磁気抵 抗材料で形成された磁界センサの構造に関する一定の情報が記載されており、そ の米国特許は参照によって本願に組み込まれる。磁石１２とトランスデューサ２ ０を組合わせることによって、プローブ型センサ２２が構成され、そのセンサ２ ２は、歯車２３の強磁性体の歯２４に対して、永久磁石により生じる磁界がその 歯２４によって乱されるような相対的位置に配置される。この点までは、本発明 の全体的な幾何学的構成は可変磁気抵抗センサ（ＶＲＳ）の場合と類似している ことが注目される。図１に示すように、磁気抵抗トランスデューサ２０は、永久 磁石１２の端部と歯車の歯２４との間に配置されている。トランスデューサ２０ は、そのダイの平面が磁石１２の端部または磁極面１６と平行で、軸１４に垂直 となるように配置されている。この幾何学的構成によると、平面内磁界、すなわ ちトランスデューサダイの平面内の磁界は放射状になる。図２は、永久磁石１２ の端部１６の平面図であり、トランスデューサダイ２０の下方に設けた永久磁石 １２によってトランスデューサダイ２０の平面、すなわち、ｘ−ｙ平面に生じる 磁界の放射状配向を示すベクトル２６を図式的に表したものである。ベクトル２ ６によって表されるこの磁界は、実効中心または平面内磁界中心２８を有する。 永久磁石１２、トランスデューサダイ２０及び歯車の歯２４に関するこの全体的 な幾何学的構成は、多くのホール効果センサの場合に使用されているものと同じ であることが分かる。しかしながら、本発明は、トランスデューサダイ２０の平 面内にある磁界成分を利用し、トランスデューサダイ２０に垂直な磁界成分は利 用しないということに注目する必要がある。特に、本発明は、図２のベクトル２ ６によって表される公称上の放射状平面内磁界を利用する。図示例においては、 永久磁石１２によって磁界を得るが、コイルに電流を流す等、他の手段を用いる ことも可能である。 本発明の原理に基づいくトランスデューサダイ２０の構造的設計の一例の詳細 を図３ａ及び３ｂに示す。図示の磁気抵抗トランスデューサは、分岐１、分岐２ 、分岐３及び分岐４を含む４分岐ホィーストン・ブリッジ３０からなる。端子３ ８及び端子３９に電圧が印加され、端子４２と端子４４との間に出力電圧が得ら れる。各分岐１〜４は、磁気抵抗素子３５よりなり、複数の磁気抵抗材料のスト リ ップ３２で構成されている。ここで説明する実施例においては、その磁気抵抗材 料はＮｉ／Ｆｅまたはパーマロイを指すが、他の磁気抵抗材料を用いることが可 能なことは言うまでもない。相互接続部３４は、例えば分岐１の場合、その分岐 中のストリップ３２を分岐１を形成する電気的に直列なストリングの形に接続す る。導体３６は、分岐１の一端部を分岐２及び正の電圧源３８との接続に好都合 な位置へ引き出し、導体４０は、分岐１の他端部を出力端子４２及び分岐４との 電気接続に好都合な位置へ引き出す。本発明の原理に基づく分岐１〜４の配置設 計は、図３ａに示すように、物理的中心３１があって、分岐１〜４が、その物理 的中心３１から各々離間され、その物理的中心に関して対称に配置されるように なっている。図３ｂは、ブリッジ３０の等価電気回路を示す。図示のブリッジ回 路の各分岐は、例えば図示の９本のストリップのように、１本以上のパーマロイ のストリップで構成され、これらのストリップは、各ストリップの各セグメント が、トランスデューサダイ２０の中心または平面内磁界中心２８から発する平面 内放射状磁界の磁力線に対して４５度の公称角度で配向されるように配置されて いる。これらの放射状磁界成分がＮｉＦｅ／パーマロイ薄膜状ストリップ３２を 磁気飽和させるか、またはほぼ磁気飽和させるのに十分な強さであれば、これら のＮｉＦｅ／パーマロイ素子おける磁化方向は、この飽和磁界に沿った方向とな り、ストリップ沿いの各点においてそのストリップ中を流れる電流に対して４５ 度の公称角度に揃えられる。パーマロイのＲまたは他の磁気抵抗材料のストリッ プの抵抗Ｒは、次式によって与えられる。 Ｒ＝Ｒ₀＋ΔＲｃｏｓ²θ （１） 式中、θは磁気抵抗材料中の磁化ベクトルとその材料中の電流の方向との間の角 度であり、ΔＲは、磁化ベクトルがストリップと平行な状態からストリップに垂 直な状態まで回転する際の抵抗の変化量であり、Ｒ0は、θが９０度のときのが ストリップの抵抗である。この関係を図４に示す。本発明の構成により確立され る公称４５度のθの角度によって、ホィーストン・ブリッジ３０の各分岐は、ほ ぼ図４に点Ａで示すような抵抗値を示す。このように、トランスデューサダイの 平面内の放射状磁界パターンの実効中心２８が４分岐アレイの物理的中心３１の 位置あるとき、ホィーストン・ブリッジ３０は平衡状態を取る。 磁気抵抗ストリップ３２によって各分岐１〜４を形成した４分岐ホィーストン・ ブリッジ構成として装置１０を説明した。装置１０は、磁気抵抗ストリップで構 成した分岐を２つだけと、定電流源を用いてブリッジ回路を形成することによっ て構成することが可能なことは理解できよう。この２分岐ブリッジを用いる場合 は、２つのブリッジ分岐の抵抗差に関連する出力信号をが得られるようにする。 例えば、図３ａにおいては、２分岐ブリッジとして、分岐１及び分岐２を図示の 物理的位置で用い、電圧源の代わりに定電流源を設ける。 図３ａに示すように、湾曲した各磁気抵抗ストリップ３２は、実際には一連の 真っすぐなセグメントで構成されているということが分かる。本発明の原理によ れば、ストリップ３２は滑らかに湾曲した形でも、真っすぐなストリップであっ てもよい。真っすぐなストリップを使用する場合は、それらのストリップは、ほ ぼ、あるいは平均して、図３ａに示すストリップの配向方向に沿って配向すべき である。真っすぐな、すなわち非湾曲型のストリップを用いると、ストリップの 一部の部分が放射状磁界に対して４５度の角度に配向されないため、ブリッジ出 力が僅かに小さくなると考えられが、それでも、多くの検出応用分野においては 、少なくとも十分である。 次に、図１に示す本発明の物理的配向を参照する。歯車の歯２４は、永久磁石 １２の端部または磁極面１６の近傍を動く際、平面内放射状磁界２５の実効中心 ２８を乱す、すなわち公称中心位置の左右に移動させる。この外乱効果を図５ａ 及び５ｂの側面図に示す。図５ａにおいては、磁石１２の中心線または軸は、２ つの歯２４の中間点に位置している。この対称状配置のために、放射状磁界２５ の実効中心２８は磁石１２の軸１４上にあり、ブリッジ３０は平衡する。図５ｂ は、歯車の歯２４が前記と異なる位置にある場合を示す。この非対称配置のため に、歯車の歯２４を通過する磁界の磁力線の数が異なる結果、実効中心２８は軸 １４に関して左に動かされる。 図６ａ及び６ｂは、平面内放射状磁界２５の実効中心２８がトランスデューサ ダイ２０の平面内においてそれぞれ左及び右に動かされた状態を示す。図６ａ及 び６ｂでは、電気的接続は図示省略してある。図６ａにおいては、放射状磁界の 実効中心が左に移動した場合、分岐１及び３のＮｉＦｅ／パーマロイ・ストリッ プにおける磁化ベクトルと電流との間の角度θが増大する一方、分岐２及び４の ＮｉＦｅ／パーマロイ・ストリップにおける磁化ベクトルと電流との間の角度θ は減少するということが分かる。その結果、ブリッジ３０が不平衡になって、ブ リッジ３０から電気出力が発生する。放射状磁界の実効中心が右に異動すると、 ブリッジの４つ分岐に前記と逆のθの変化が生じて、前記と逆極性の出力信号が 発生する。このように、歯車の歯が次々にセンサを通過するのに伴って、二極性 の出力信号が得られる。歯の運動の関数としてのこの出力電圧の波形は、センサ 及び歯車の歯の両方の詳細な幾何学的・磁気的設計パラメータによって決まる。 実際、必要ならば、これらのセンサ及び歯車の歯の形状及び材料物性は、各応用 分野に必要な特定の出力波形が得られるように選択することができる。 装置１０の磁気抵抗ストリップ３２は、磁気抵抗材料製とし、かつ永久磁石１ ２によって生じる放射状磁界に曝したとき、磁気飽和するような薄さに形成する 。飽和時の放射状磁界の大きさは、ストリップ３２中における磁化を放射状磁界 の方向、すなわちベクトル２６に沿った方向に指向させるようになっている。磁 化曲線すなわちはＢ-Ｈ曲線に関して、磁気抵抗ストリップ３２の材料は、Ｂ-Ｈ 曲線の飽和領域で動作する。これらの飽和状態下において、鉄系物体が放射状磁 界を乱すと、実効中心２８が移動させられる結果、角度θの変化が起こる。この 磁気抵抗ストリップ３２の抵抗Ｒの変化は、実質的に方程式１のΔＲｃｏｓ²θ 項によって生じ、出力信号を生じさせるのは、ブリッジ３０の分岐の抵抗の変化 である。従って、ブリッジ３０からの出力信号は、磁界中心２８の移動による各 分岐１４の角度θの変化を表し、放射状磁界成分２６の大きさの変化にはほとん ど影響されない。図に示すようなブリッジ３０の構造では、平面内磁界中心２８ がブリッジ３０の物理的中心３１にあるとき、平衡ブリッジ条件が得られる。 平面内磁界２６の実効中心２８の移動は、磁気抵抗素子がない領域で行われる ことが望ましい。その理由は、実効中心２８における平面内磁界２６はゼロであ り、これによってこれらの素子の磁化が飽和させられることはないからである。 こうすると、磁気飽和しない磁気抵抗素子からの実測ノイズレベルが増大する結 果につながる。このようなノイズレベルの増大は、ある種の応用においては歓迎 される場合がある。 永久磁石１２の形状は、図１に示す形状から変えることも可能である。例えば 、図８ａに示すように、磁石１２ａに、放射状の平面内磁界の大きさを強めるた めに、ポイント１３に終端するテーパ部分１１を設ける。軟質の鉄系材料製の磁 気集束器１５を永久磁石１２ｂの端部に適切に取り付けた永久磁石のもう一つの 形態を図８ｂに示す。 本発明を実施するに際しては、角度θが４５°と異なる場合に、最適検出が達 成されることもある。このように予測による検出動作と実際の検出動作との間に 差が生じる理由は、減磁界の存在や、実際の磁界が強磁性物体またはターゲット による外乱のために非放射状である等、幾何学的効果によって一部説明すること ができる。 図７は、本発明の原理による歯車の歯用以外の近接センサの実施例を示し、図 示の近接センサは端部または磁極面１６ａを有する永久磁石１２ａを具備する。 図７の装置は、図示のように、３軸方向の運動が可能な鉄系物体またはターゲッ ト５０と共に使用するためのものである。トランスデューサダイ２０ａは、磁石 １２ａによって形成される放射状磁界中に置かれている。 以上、装置１０の基本的構成及び動作について説明したので、次にそのいくつ かの長所について説明する。従来技術においては、歯車の歯の検出に使用される 多くの近接センサの電圧出力は、歯車の歯がセンサを通過する周波数に従属する 。そのために、低い歯車速度においては、出力電圧レベルが低くなるという欠点 があった。本願で開示するブリッジ３０の電圧出力は、変調周波数、例えば歯車 の歯がセンサを通過する周波数に従属しない。本願発明は、どのような変調周波 数に対しても一様な出力信号を発生する。この特徴があるため、装置１０は、ゼ ロに近い非常に低い速度で使用することが可能である。自動車用としては、この ようないわゆるゼロ速センサが必要である。 本発明によれば、放射状磁界２６が磁気抵抗素子３５を磁気飽和させる。飽和 状態で動作させることの長所は、素子３５が飽和していないときにおけるような 温度従属性がないということである。 本発明の磁気抵抗トランスデューサは、様々なエレクトロニクス技術と組み合 わせることが可能である。これらの組合わせとしては、完全集積ダイの形、また はハイブリッドチップの形における磁気抵抗トランスデューサとサポート電子回 路との組合わせ、あるいは互いに別個のコンポーネントとしてのトランスデュー サと電子回路との組合わせがある。バイポーラまたはＭＯＳ技術や、バルクまた はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ベースの電子回路を用いることも できる。ＳＯＩ電子回路と組み合わせた場合、本発明は、摂氏２５０°以上の温 度でも十分に機能するものと予測される。 本発明のセンサは、歯車の歯がトランスデューサ２０を次々に通過するのに伴 って、バイポーラ出力電圧を発生する。この出力電圧の波形は、センサ及び歯車 の歯の両方の詳細な磁気的設計パラメータによって決まる。このように、本発明 のセンサは、各特定用途に必要な特定の出力波形が得られるように設計すること が可能である。 さらに、従来の様々なシステムにおいては、ホール型または磁気抵抗型近接セ ンサから得られる出力電圧レベルが低いことから、いくつかの問題が生じた。本 発明においては、従来のホール型または磁気抵抗型センサにおけるよりも、歯車 の歯の検出用に用いた場合、はるかに大きい電圧出力が得られるものと予測され る。 説明したように、本願出願人は、歯車の歯位置検出用またはその他の用途用と して容易に組み込むことができる近接センサを開発したものである。本願では、 例示説明のため本願発明の特定実施例に基づいて説明したが、当業者には多くの 変形態様及び修正態様が自明であろう。本願発明が及ぶ範囲は、本願で開示した 実施例に限定されるものではなく、請求の範囲の記載によってのみ限定される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 強磁性物体の位置を検出する装置において、 端部及び軸を有してその軸に垂直な方向の放射状磁界成分を発生させ、その放 射状磁界成分が実効中心をある位置に有してその磁界成分がその実効中心から発 出する磁界発生源と、 前記軸に垂直な平面にあり、かつ前記磁界発生源の端部と前記強磁性物体との 間に、前記放射状磁界成分の前記実効中心の位置が前記強磁性物体の位置によっ て決定されるように介挿され、その実効中心の位置に応答して動作する磁気抵抗 トランスデューサであって、第１のブリッジ分岐、第２のブリッジ分岐及び付加 的ブリッジ構成部品を有し、その第１及び第２のブリッジ分岐はブリッジ回路を 形成するようその付加的ブリッジ構成部品に電気的に接続された少なくとも１本 の磁気抵抗ストリップを各々有し、前記放射状磁界がその少なくとも１本の磁気 抵抗ストリップとの交角を有し、その少なくとも１本の磁気抵抗ストリップが、 平衡ブリッジ条件が得られるように、その少なくとも１本の磁気抵抗ストリップ との交角が所定の値になるよう湾曲しており、その第１及び第２のブリッジ分岐 が、その実効中心に関して対称状に配置されているときその平衡ブリッジ条件が 達成されるようにして内部に配置されており、そのブリッジ回路が、その放射状 磁界成分のその実効中心のその位置を表す出力を発生する磁気抵抗トランスデュ ーサと、 を具備した装置。 ２． 前記第１のブリッジ分岐及び前記第２のブリッジ分岐は、各々複数の磁気 抵抗ストリップよりなり、その各ストリップが、互いに隣接ストリップとほぼ平 行に配置され、かつその各ストリップが、互いに隣接ストリップと電気的に接続 されて、その複数のストリップからなる直列ストリングを形成している請求項１ 記載の装置。 ３． 前記交角が約４５度の角度値を有する請求項１記載の装置。 ４． 前記交角が約４５度の角度値を有する請求項２記載の装置。 ５． 前記強磁性物体が歯車の歯であり、前記出力が、その歯車の歯が前記磁界 発生源の軸に向けて移動する際には第１の極性を有し、その歯車の歯がその磁界 発生源の軸から遠ざかる向きに移動する際にはその第１の極性と逆の極性を有す る請求項２記載の装置。 ６． 前記磁界発生源が、前記端部にテーパ状部分を有する永久磁石であり、そ のテーパ状部分が、断面が大きい部分からその端部に向けて断面が小さくなる請 求項５記載の装置。 ７． 強磁性物体の位置を検出する装置において、 端部及び軸を有してその軸に垂直な方向の放射状磁界成分を発生させるととも に、その放射状磁界成分が実効中心をある位置に有していて、その磁界成分がそ の実効中心から発出する磁界発生源と、 前記放射状磁界成分内にあって、第１の抵抗を有して第１の方向に第１の電流 を流す第１の素子及び第２の抵抗を有して第２の方向に第２の電流を流す第２の 素子を含む磁気抵抗トランスデューサであって、その各素子がその放射状磁界に よって実質的に飽和し、その各素子がその放射状磁界の方向に揃った磁化方向を 有し、その磁化方向とその第１の電流のその方向とが第１の角を形成し、その磁 化方向とその第２の電流のその方向とが第２の角を形成し、前記強磁性物体の前 記位置がその第１の角及びその第２の角を変化させ、前記第１及び第２の素子が 、各々、これらのいずれか一方の素子の抵抗Ｒが値Ｒ₀を取り得る場合において 、 Ｒ＝Ｒ₀＋Δｃｏｓ²θ で求まる抵抗Ｒを有する磁気抵抗トランスデューサと、 を具備し、 式中、θは、前記放射状磁界によって生じる前記磁気抵抗素子における磁化ベ クトルとその磁気抵抗素子中の電流の方向との間の角度であり、 ΔＲは、前記磁化ベクトルが前記素子と平行な位置からその素子に対して垂直 な位置まで回転する際における抵抗の変化量であり、 Ｒ₀は、θが９０度のときの前記磁気抵抗素子の抵抗値であり、 前記第１及び第２の磁気抵抗素子が、ブリッジ回路を形成するよう付加的ブリ ッジ構成部品に電気的に接続されており、そのブリッジ回路が、前記実効中心の 前記位置、及びその第１の素子における前記角度θの変化並びにその第２の素子 におけるその角度θの変化に関連する出力を有する装置。 ８． 前記第１のブリッジ分岐及び前記第２のブリッジ分岐が、各々複数の磁気 抵抗ストリップよりなり、その各ストリップが、互いに隣接ストリップとほぼ平 行に配置され、かつその各ストリップが、互いに隣接ストリップと電気的に接続 されて、その複数のストリップからなる直列ストリングを形成する請求項７記載 の装置。 ９． 前記放射状磁界が、前記磁気抵抗ストリップに対してある値の交角を有し 、その磁気抵抗ストリップが、平衡ブリッジ条件が得られるように、その交角が 所定の値となるよう湾曲している請求項８記載の装置。 １０． 前記強磁性物体が歯車の歯であり、前記出力が、その歯車の歯が前記磁 界発生源の軸に向けて移動する際には第１の極性を有し、その歯車の歯がその磁 界発生源の軸から遠ざかる向きに移動する際にはその第１の極性と逆の極性を有 する請求項９記載の装置。