KR101376243B1

KR101376243B1 - 자석 및 상기 자석을 사용한 자기 검출 장치

Info

Publication number: KR101376243B1
Application number: KR1020120043828A
Authority: KR
Inventors: 히로미 사토; 도쿠오 나카무라; 히로후미 오쿠무라
Original assignee: 알프스 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2014-03-21
Also published as: CN102810380A; JP2012251843A; KR20120135028A

Abstract

본 발명은, 특히, 검출 감도를 향상시킬 수 있음과 함께, 자기 센서와 자석 사이의 갭의 편차에 대하여 출력 오차를 작게 할 수 있는 자기 검출 장치용의 자석, 및 상기 자석을 사용한 자기 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 실시형태는, 자기 센서와 높이 방향으로 갭을 두고 배치되는 자기 검출 장치용의 자석(13)에 있어서, 상기 자기 센서를 구성하는 자기 검출 소자(16)와의 대향면[제1면(13a)]에 복수의 볼록부(17)가, 상기 자기 센서와의 상대 이동 방향으로 간격을 두고 형성되어 있고, 각 볼록부(17)가 각각, 상기 대향면에서 상기 상대 이동 방향으로 번갈아 착자된 N극과 S극으로 2분할되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

자석 및 상기 자석을 사용한 자기 검출 장치{MAGNET AND MAGNETIC DETECTION APPARATUS USING THE SAME}

본 발명은, 자기 센서와 비접촉으로 배치되고, 자기 센서와의 대향면에, N극과 S극이 상기 자기 센서의 상대 이동 방향으로 번갈아 착자(着磁)되어 이루어지는 자석의 형상에 관한 것이다.

도 6(a)는, 종래에 있어서의 자기 검출 장치용 자석의 분해 사시도, 도 6(b)는, 도 6(a)의 자석 A 및 자석 B를 조합한 자석의 사시도[도 6(a)보다 약간 크게 도시함], 도 6(c)는, 도 6(b)에 나타내는 착자면을 원주 방향을 따라 절단한 자석과 자기 센서를 구비하는 자기 검출 장치의 부분 확대 종단면도이다.

도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 예를 들어, 자석 A의 표면은 N극으로 착자되고, 자석 B의 표면은 S극으로 착자되어 있다. 따라서 도 6(b)에 나타내는 바와 같이 자석 A와 자석 B를 조립한 자석(1)의 표면[자기 센서(2)와의 대향면 ; 착자면](1a)은, 원주 방향을 따라 N극과 S극이 번갈아 배열되어 있다.

도 6(c)에 나타내는 바와 같이, 자기 센서(2)는, 자석(1)의 표면(1a)에 대하여 높이 방향(Z)으로 갭(G₀)를 두고 지지되어 있다. 예를 들어 자석(1)이 회전하고, 자기 센서(2)가 자석(1)의 표면(1a)과 비접촉으로 상대 이동한다. 자기 센서(2)는, 자석(1)의 표면(1a)으로부터 발생한 자장(M₀)을 검지하고, 자기 검출 장치에서는, 센서 출력에 기초하여 회전 정보를 알 수 있다.

도 7은, 도 6에 나타내는 자석의 회전 각도와 자기 센서(2)에 작용하는 자장(자속 밀도)의 관계를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 또한 가로축의 단위는 mm이다.

도 7에 나타내는 바와 같이 자장은, 회전 각도에 대하여 대략 SIN파를 그린다. 도 6(c)와 같이 자석 A, B를 2장 겹치면, 자기 센서에 작용하는 자장(M₀)을, 자석이 1장인 구성에 비하여 크게 할 수 있다. 또 자장의 크기는, 자석(1)과 자기 센서(2) 사이의 갭(G₀)에 의해 변화된다. 도 7에서는, 도 6(c)에 나타낸 자석(1)과 자기 센서(2) 사이의 갭(G₀)을 0.5mm, 0.8mm, 1.0mm로 변화시켜 실험을 행하고 있다. 도 7에 나타내는 바와 같이 갭(G₀)이 작아지면, 자기 센서(2)에 작용하는 자장을 크게 할 수 있음을 알 수 있다.

도 8은, 회전 각도에 대한 자장의 파형과 ON/OFF 문턱값을 나타내는 이미지도이다. ON/OFF 문턱값은, 자장 곡선에 있어서의 최대 자장과 최소 자장 사이로 설정된다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 자기 센서(2)에 작용하는 자장은 회전 각도에 대하여 대략 SIN파가 되기 때문에, ON/OFF 문턱값[도시하지 않지만, 스레숄드 레벨은 높은 값(ON)과 낮은 값(OFF)으로 설정되어 있다]은, 자장 곡선의 경사 영역에 설정되어, ON/OFF의 전환이 안정적이지 않다. 예를 들어 자석을 시계 방향으로 회전시켰을 때와 반시계 방향으로 회전시켰을 때에 있어서, ON/OFF의 전환이 흐트러져, 검출 감도가 저하되는 문제가 있었다.

도 7, 도 8에 나타내는 바와 같이, 갭(G₀)을 작게 하면, 자장 곡선의 경사 각도를 크게(급구배로) 할 수 있으나, 자장이 대략 SIN파인 파형에서는 그것에도 한계가 있었다. 추가로 자기 센서(2)와 자석(1) 사이의 갭(G₀)이 흐트러지면, ON/OFF 문턱값에서의 자장의 기울기가 변화되는 것에서 기인하여, 도 8에 나타내는 바와 같이, ON/OFF점(a, b)이 변화되고, 갭(G₀)의 편차에 의해 출력 오차가 발생하는 문제가 있었다.

특허문헌 1에 개시된 자석은, 도 6에 나타내는 자석(1)과 마찬가지로 복수의 자석을 조합한 구성으로서, 측면이 N극과 S극으로 번갈아 착자되어 있다. 특허문헌 1의 구성으로는 상기한 종래 과제를 해결할 수 없다.

또한, 특허문헌 2 및 특허문헌 3에서는, 표면에 복수의 요철부가 형성된 자석이 개시되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 자석은 각 볼록부가 N극과 S극으로 번갈아 착자되어 있다. 특허문헌 2는 착자 정밀도의 향상을 도모하는 발명으로서, 상기한 종래 과제를 해결하기 위한 것은 아니다.

또 특허문헌 3에 기재된 자석은, 각 볼록부가 N극으로, 볼록부 사이의 각 오목부가 S극으로 각각 착자되어 있다. 특허문헌 3에는, N극과 S극 사이에서 단차를 가지기 때문에 급준(急峻)한 자계가 얻어진다는 기재가 있다(특허문헌 3의 [0027]란 참조).

그러나 특허문헌 3에 기재된 발명에서는, 자기 센서와 자석 사이의 갭 변화에 대한 ON/OFF점의 편차를 억제하기 위한 자석 구조에 관해서는 제시되어 있지 않다.

일본 공개특허공보 평8-233507호 일본 공개특허공보 제2010-40914호 일본 공개특허공보 제2004-317453호

그래서 본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하기 위한 것으로서, 특히, 검출 감도를 향상시킬 수 있음과 함께, 자기 센서와 자석 사이의 갭의 편차에 대하여 출력 오차를 작게 할 수 있는 자기 검출 장치용의 자석, 및 상기 자석을 사용한 자기 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 자기 센서와 높이 방향으로 갭을 두고 배치되는 자기 검출 장치용의 자석에 있어서, 상기 자기 센서와의 대향면에 복수의 볼록부가, 상기 자기 센서와의 상대 이동 방향으로 간격을 두고 형성되어 있고, 각 볼록부가 각각, 상기 대향면에서 상기 상대 이동 방향으로 번갈아 착자된 N극과 S극으로 2분할되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 있어서의 자기 검출 장치는, 상기 자석과, 상기 자석의 상기 대향면에 높이 방향으로 갭을 두고 배치된 자기 센서를 가지고, 상기 자기 센서는 상기 자석에 대하여, 상기 자석의 각 볼록부를 2분할하여 번갈아 착자된 상기 N극과 상기 S극의 배열 방향으로 상대 이동 가능하게 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에서는, 각 볼록부를 상기 상대 이동 방향으로 번갈아 착자되는 N극과 S극으로 2분할하였다. 이에 의해 자석의 형상 효과로 자기 센서에 작용하는 자장 변화를 급준하게 할 수 있어, 검출 감도를 향상시킬 수 있음과 함께, 자석과 자기 센서 사이의 갭 변화에 대한 출력 오차를 작게 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 자기 센서에 작용하는 자장 변화를 급준하게 할 수 있어, 검출 감도를 향상시킬 수 있음과 함께, 자석과 자기 센서 사이의 갭 변화에 대한 출력 오차를 작게 할 수 있다.

도 1은 본 실시형태의 자기 검출 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 자기 검출 장치의 분해 사시도이다.
도 3은 본 실시형태에 있어서의 자석의 사시도이다.
도 4는 도 3에 나타내는 자석과 자기 센서를 구성하는 자기 검출 소자를 나타내는 측면도이다.
도 5(a)는, 본 실시예에 있어서의 자기 검출 장치를 구성하는 자석의 회전 각도와 자기 검출 소자에 작용하는 자장(자속 밀도)의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 5(b)는, 자석의 회전 각도와 센서 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6(a)는, 종래에 있어서의 자기 검출 장치용 자석의 분해 사시도, 도 6(b)는, 도 6(a)의 자석 A 및 자석 B를 조합한 자석의 사시도[도 6(a)보다 약간 크게 도시함], 도 6(c)는, 도 6(b)에 나타내는 착자면을 원주 방향을 따라 절단한 자석과 자기 센서를 구비하는 자기 검출 장치의 부분 확대 종단면도이다.
도 7은 자석의 회전 각도와 자기 센서에 작용하는 자장(자속 밀도)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 자석의 회전 각도와 자기 센서에 작용하는 자장 및 ON/OFF 문턱값의 관계를 나타내는 이미지도이다.

도 1은, 본 실시형태의 자기 검출 장치의 사시도이고, 도 2는, 도 1에 나타내는 자기 검출 장치의 분해 사시도이고, 도 3은, 본 실시형태에 있어서의 자석의 사시도이며, 도 4는, 도 3에 나타내는 자석과 자기 센서를 구성하는 자기 검출 소자를 나타내는 측면도이다.

도 1, 도 2에 나타내는 자기 검출 장치(10)는, 커버(11), 샤프트(12), 자석(13), 자기 센서(14) 및 케이스(15) 등을 가지고 구성된다. 이 중, 자석(13)과 자기 센서(14)는 자기 검출 장치(10)로서 필수 부품이지만, 그 이외의 구성에 대해서는 특별히 한정하지 않는다. 즉 본 실시형태의 자기 검출 장치(10)는, 차량 탑재용, 전자 기기용 등, 사용 용도를 한정하는 것이 아니라, 각 사용 용도에 맞추어 구성 부품이 결정된다.

도 3에 나타내는 바와 같이 자석(13)은, 링 형상으로 형성되고, 높이 방향에서 대향하는 제1면(13a)과, 제2면(13b), 및 제1면(13a)과 제2면(13b) 사이를 연결하는 외측면(13c) 및 내측면(13d)을 구비한다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 자기 센서(14)를 구성하는 자기 검출 소자(16)는 자석(13)과 높이 방향(Z)에서 갭(G₁)을 가지고 대향한다. 여기서 말하는 갭(G1)이란, 도 4에 나타내는 바와 같이 자기 검출 소자(16)와 자석(13)을 구성하는 볼록부(17)의 정상면(17a) 사이의 간격을 가리킨다.

도 3, 도 4에 나타내는 바와 같이 제1면(13a)에는 원주 방향(소정의 방향, 배열 방향)을 따라 복수의 볼록부(17)가 간격을 두고 형성되어 있다. 각 볼록부(17)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 자석(13)의 외측면(13c)부터 내측면(13d)에까지 이르러 형성된다. 도 1에 나타내는 실시형태에서는, 볼록부(17)는, 자석(13)의 전체 둘레가 아니라 일부에만 형성되어 있으나, 사용 용도에 따라 볼록부(17)를 자석(13)의 어느 영역까지 형성할지 결정할 수 있다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 볼록부(17)는 높이 치수(H1)를 구비한다. 높이 치수(H1)는, 1.0∼1.5mm 정도이다. 도 4에 나타내는 바와 같이 볼록부(17)의 원주 방향에서 대향하는 벽면(17b, 17c)은 높이 방향(Z)과 평행한 수직면으로 형성되어 있으나 다소 기울기가 있어도 된다. 단 수직면으로 하는 편이 바람직하다.

도 3, 도 4에 나타내는 바와 같이, 각 볼록부(17, 17) 사이는, 상기 볼록부(17)보다 얇은 박육부(18)를 구성하고 있다. 즉 원주 방향을 따라 볼록부(17)와 박육부(18)가 번갈아 형성되어 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 볼록부(17)의 원주 방향에 대한 폭 치수(T1)는, 각 볼록부(17)에 있어서 대략 일정하다. 폭 치수(T1)는, 1.5mm 정도이다. 또한, 박육부(18)의 원주 방향에 대한 폭 치수(T2)는, 각 박육부(18)에 있어서 대략 일정하다. 폭 치수(T2)는, 3∼4mm 정도이다. 또한, 박육부(18)의 두께 치수(H2)는, 1.0∼1.5mm 정도이다. 또 자석(13)의 내경은, 15mm 정도, 자석(13)의 외경은 30mm 정도로 설정할 수 있다.

도 3, 도 4에 나타내는 볼록부(17)와 박육부(18)가 번갈아 형성된 원주 영역의 제1면(13a)이, 자기 검출 소자(16)와 대향하는 대향면이다. 자석(13) 혹은 자기 센서(14) 중 적어도 일방이 회전 가능하게 지지되어 있다. 도 1, 도 2에 나타내는 실시형태에서는, 자석(13)이 회전 가능하게 지지되어 있고, 자기 센서(14)가 고정되어 있다. 자석(13)이 회전하면 자기 센서(14)는, 자석(13)과 비접촉 상태를 유지하면서 자석(13)의 원주 방향을 따라 상대 이동한다.

도 3, 도 4에 나타내는 자석(13)은, 볼록부(17)와 박육부(18)가 번갈아 형성된 원주 영역이, N극과 S극으로 자기 센서(14)의 상대 이동 방향을 따라 번갈아 착자된 액시얼 착자 자석이다. 각 자극 폭(T3)은 대략 일정하다.

자기 센서(14)를 구성하는 자기 검출 소자(16)는, 상대 이동에 의해, 자석(13)의 N극에서 S극에 걸쳐 발생하는 자장을 받아 전기 특성이 변화된다. 상기 자기 검출 소자(16)의 전기 특성 변화에 기초하여 회전 상태(회전 각도나 회전 방향)를 알 수 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이 자기 센서(14)에는 복수의 자기 검출 소자(16)가 형성되어 있다. 이 중 하나의 자기 검출 소자(16)가, 도 3, 도 4에 나타내는 자석(13)의 볼록부(17)와 박육부(18)의 원주 영역과 비접촉으로 대향하고 있다. 나머지의 자기 검출 소자(16)는, 볼록부(17)와 박육부(18)의 원주 영역 이외의 착자 영역(도시하지 않음)에서 비접촉으로 대향하고 있다. 그리고 각 자기 검출 소자(16)의 검출 신호(ON/OFF 신호)에 기초하여, 회전 상태를 검지할 수 있다.

또한 자기 검출 소자(16)는 홀 소자, 자기 저항 효과 소자(GMR 소자) 등, 특별히 한정하는 것은 아니다.

도 3, 도 4에 나타내는 바와 같이 본 실시형태에서는, 각 볼록부(17)가 각각, 상대 이동 방향(원주 방향)으로 번갈아 착자된 N극과 S극으로 2분할되어 있다. 또한 도 3, 도 4에 나타내는 바와 같이 각 박육부(18)가 각각, 일방의 볼록부(17)의 N극으로부터 연속하는 N극과, 타방의 볼록부(17)의 S극으로부터 연속하는 S극으로 2분할되어 있다. 각 볼록부(17) 및 박육부(18)는, 각각, 원주 방향의 대략 중앙에서 N극과 S극으로 이분되어 있다.

도 5(a)는, 자석(13)의 회전 각도와 자기 검출 소자(16)에 작용하는 자장(자속 밀도)의 관계를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 실험은, 자기 검출 소자(16)와 자석(13) 사이의 갭(G₁)을 0.8mm, 1.0mm, 1.2mm로 변화시켜 갔다. 또한, 자석(13)의 내경을, 12.5mm, 외경을 30mm, 볼록부(17)의 높이 치수(H1)를 1.5mm, 볼록부(17)의 폭 치수(T1)를 1.5mm, 박육부(18)의 폭 치수(T2)를 3.5mm로 하였다. 도 5(a)에 나타내는 ON/OFF 문턱값(스레숄드 레벨)은, 자기 센서(14)로 설정된다. 스레숄드 레벨은 높은 값(ON)과 낮은 값(OFF)을 구비한다. 도 5(b)는, 자석(13)의 회전 각도와 센서 출력의 관계를 나타내고 있다. 자장을 받아서 자기 검출 소자(16)의 센서 출력은 도 5(b)와 같은 직사각형파가 되고, 높은 스레숄드 레벨을 넘는 자장을 받으면 ON 신호를 출력하고, 낮은 스레숄드 레벨을 하회하는 자장을 받으면 OFF 신호를 출력한다.

도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는 도 7의 종래예에 비하여 자장이 급준하게 변화되어 있어, 종래의 SIN파와는 다른 파형이 되는 것을 알 수 있었다. 또 갭(G₁)이 변하면, 자장의 크기는 변화되지만, 최소 자장(최대 자장)에서 최대 자장(최소 자장)에 이르기까지의 자장 곡선의 기울기는 갭(G₁)에 상관없이 대략 동일해지는 것을 알 수 있었다. 도 5(a)에 나타내는 자장의 파형은, 자석(13)의 형상 효과에서 기인한다. 즉, N극과 S극 사이에 형성되는 자장은, 높이 방향(Z)으로 길게 형성된 볼록부(17)를 N극과 S극으로 이분함으로써 높이 방향(Z)과 대략 평행하게 발생하기 쉽게 되어 있다. 또 볼록부(17)와 마찬가지로 박육부(18)도 N극과 S극으로 이분하여 착자함으로써, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이 자장이 떨어지는 바닥부를 대략 평탄하게 할 수 있어, 도 5(a)에 나타내는 파형을 얻을 수 있게 되어 있다.

도 5(a)에 나타내는 바와 같이 갭(G₁)이 1.2mm 정도까지 커져 자장의 크기가 작아져도, 자장 곡선 내에 적절히 ON/OFF 문턱값의 설정이 가능한 정도의 자장을 확보할 수 있어, 도 6의 종래와 같이 복수장의 자석을 조합하여 자장을 크게 하지 않아도 검출 불능이 되는 일은 없다. 실험에서는 갭(G₁)을 0.8mm∼1.2mm로 설정하였으나, 조금 더 갭(G₁)이 커져도 자기 검출은 가능하다. 또 자장 곡선의 기울기는 갭(G₁)이 변해도 대략 동일하기 때문에, 도 5(b)와 같이, 센서 출력은 각 갭(G₁)에 대하여 대략 동일해진다. 도 5(b)에 나타내는 폭(T4)이 갭(G₁)의 상이에 기초하는 온/오프점의 편차가 되는데, 이 폭(T4)을 본 실시형태에서는 종래에 비하여 충분히 작게 할 수 있다.

이상과 같이 본 실시형태에서는 자석(13)의 형상 효과로 자장 변화를 급준하게 할 수 있어, 검출 감도를 향상시킬 수 있음과 함께, 갭(G₁) 변화에 대한 출력 오차를 작게 할 수 있다. 따라서 본 실시형태에서는, 자석(13)과 자기 센서(14)의 장착 오차가 비교적 커져도, 출력 오차를 작게 할 수 있다.

또 자기 센서가 자석에 대하여 상대 직선 이동하는 형태에도 본 실시형태를 적용할 수 있다.

10 자기 검출 장치
13 자석
14 자기 센서
16 자기 검출 소자
17 볼록부
18 박육부

Claims

자기 센서와 높이 방향으로 갭을 두고 배치되는 자기 검출 장치용의 자석에 있어서,
상기 자기 센서와 대향하는 제1면에 복수의 볼록부가, 소정의 방향으로 간격을 두고 형성되어 있고,
상기 복수의 볼록부가 각각, 상기 제1면에서 상기 소정의 방향으로 번갈아 착자(着磁)된 N극과 S극으로 2분할되어 있고,
상기 복수의 볼록부 사이에는 박육부가 형성되어 있고, 상기 박육부가 각각, 상기 제1면에서 상기 소정의 방향으로 번갈아 착자된 N극과 S극으로 2분할되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 검출 장치용의 자석.
삭제
제1항에 있어서,
상기 소정의 방향은, 원주 방향 또는 직선 방향인 것을 특징으로 하는 자기 검출 장치용의 자석.
삭제
제1항 또는 제3항에 기재된 자석과, 상기 자석의 제1면에 높이 방향으로 갭을 두고 배치된 자기 센서를 가지고, 상기 자기 센서는 상기 자석에 대하여, 상기 복수의 볼록부의 배열 방향으로 상대 이동 가능하게 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 검출 장치.