JP2021047084A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高い検出精度の確保を可能にした磁気センサを提供する。【解決手段】磁気センサ５は、ブリッジ状に組まれた磁気抵抗素子を備えた複数のセンサエレメント１７と、検出対象との距離に応じた磁界をセンサエレメント１７に付与するバイアス磁石８とを備える。バイアス磁石８には、バイアス磁石８の磁極の並び方向に沿って延びる一対の突部２４が設けられ、一対の突部２４の間にセンサエレメント１７が配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、磁界の変化を検出し、検出磁界に応じた電気信号を出力する磁気センサに関する。

従来、磁気センサとして、磁界を検出する磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子にバイアス磁界を付与するバイアス磁石とを備えたものが周知である（特許文献１、２等参照）。この磁気センサでは、検出対象との間の位置関係にバイアス磁石の磁界が変化し、この磁界変化を磁気抵抗素子で検出することにより、検出対象の位置を検出する。

特開２０１０−１１４００２号公報 特開２０１４−１０２１８２号公報

ところで、磁界の変化が大きい場所に磁気抵抗素子を配置すれば、検出精度が高くなる。しかし、磁界変化の大きい場所に磁気抵抗素子を配置しても、逆に反発磁界に近くなってしまうと、磁束密度が低下してしまうので、磁気抵抗素子の感度が低くなってしまう。よって、磁界変化が大きく、かつ反発磁界からも離れた最適な配置位置に磁気抵抗素子を配置して、高い位置検出精度を確保したいニーズがあった。

本発明の目的は、高い検出精度の確保を可能にした磁気センサを提供することにある。

前記問題点を解決する磁気センサは、検出する磁界に応じた抵抗値に変化する複数の磁気抵抗素子を備えた複数のセンサエレメントと、検出対象との距離に応じた磁界を前記磁気抵抗素子に付与するバイアス磁石とを備え、前記バイアス磁石には、前記バイアス磁石の磁極の並び方向に沿って延びる一対の突部が設けられ、一対の前記突部の間に前記センサエレメントが配置されている。

本発明によれば、磁気センサにおいて高い検出精度を確保できる。

一実施形態のセンサ装置の概要図。 磁気センサのブリッジ回路図。 磁気センサの斜視図。 磁気センサの分解斜視図。 磁気センサの平面図。 磁気センサの正面図。 センサ装置の電気構成図。 検出対象が磁気センサに接近した際の磁界分布図。 検出対象が磁気センサから離隔した際の磁界分布図。 （ａ）〜（ｅ）は磁気センサのセンサ出力波形図。 （ａ）〜（ｅ）は磁気センサの従来品のセンサ出力波形図。

以下、磁気センサの一実施形態を図１〜図１１に従って説明する。
図１に示すように、センサ装置１は、センサ装置１による位置検出の検出対象２と、検出対象２の位置を磁界の変化から検出するユニット部品３とを備える。ユニット部品３は、ユニット部品３の本体部分を筐体４と、筐体４の内部に組み込まれた磁気センサ５とを備える。本例のユニット部品３は、磁気センサ５が樹脂モールドされることで形成される。ユニット部品３の外形は、断面偏平の円柱状に形成され、長手方向の中央付近にフランジ部４ａを有する形状に形成されている。

検出対象２は、ユニット部品３の軸Ｌ１方向（長手方向）に対して交差（直交）する方向（図１の矢印Ａ方向）に直線往復動する。本例の場合、検出対象２の側面に凹部６が形成され、この凹部６の有り無しによって変化する磁界を磁気センサ５で検出することにより、検出対象２の接近及び離隔が検出される。本例の磁気センサ５は、検出対象２の接近と検出対象の離隔との２位置（例えば、オン／オフ）を検出する。

図３及び図４に示すように、磁気センサ５は、検出対象２との位置関係に応じて変化する磁界から、検出対象２の位置検出を行うセンサである。磁気センサ５は、周囲の磁界を検出するセンサパッケージ７と、このセンサパッケージ７にバイアス磁界を付与するバイアス磁石８とを備える。磁気センサ５は、センサパッケージ７及びバイアス磁石８を組み付けることにより一体化されている。

センサパッケージ７は、センサパッケージ７の本体部分をなすセンサ本体９と、センサパッケージ７の電気接続箇所となる複数（本例は３本）の端子１０とを備える。センサ本体９は、例えば直方体状をなし、背面に端子１０が設けられている。センサパッケージ７は、バイアス磁石８の長さ方向（図３及び図４のＸ軸方向）の空いた貫通孔１１に挿入されることにより、バイアス磁石８と一体に組み付けられる。センサ本体９の各々の端子１０は、ユニット部品３にモールド形成された端子部１２（図１参照）に対して、それぞれ対応するもの同士が接続されている。

センサパッケージ７は、センサパッケージ７において磁界を検出する箇所となるセンサ部１５を備える。本例のセンサ部１５は、例えば基板１６と、基板１６に実装された複数（本例は２つ）のセンサエレメント１７とを備える。本例のセンサエレメント１７は、センサパッケージ７の幅方向（図３及び図４のＹ軸方向）に並ぶように２つ設けられている。このように、センサエレメント１７を２つ設けるのは、位置検出にあたって２つのセンサエレメント１７のセンサ出力の差から求めるようにすれば、センサエレメント１７の組み付け誤差による位置検出精度への影響を低く抑えることができるからである。本例の場合、図３及び図４の紙面左側のセンサエレメント１７を「１７ａ」とし、図３及び図４の紙面右側のセンサエレメント１７を「１７ｂ」とする。センサエレメント１７は、磁界の検知面１８がバイアス磁石８の高さ方向（図３及び図４のＺ軸方向）と交差（本例は直交）する向きとなるように配置されている。

図２に示すように、センサエレメント１７（各々のセンサエレメント１７ａ、１７ｂ）は、検出する磁界に応じた抵抗値に変化する複数の磁気抵抗素子２１を備える。本例のセンサエレメント１７は、４つの磁気抵抗素子２１をブリッジ状に組んだ回路から構成されている。具体的には、センサエレメント１７は、第１磁気抵抗素子２１ａ、第２磁気抵抗素子２１ｂ、第３磁気抵抗素子２１ｃ及び第４磁気抵抗素子２１ｄの４素子をフルブリッジ状に組み合わせた回路からなる。直列接続された第１磁気抵抗素子２１ａ及び第４磁気抵抗素子２１ｄの組と、直列接続された第２磁気抵抗素子２１ｂ及び第３磁気抵抗素子２１ｃの組とには、電源２２の電圧が各々印加される。磁気抵抗素子２１は、磁気抵抗素子２１に付与される磁界に応じて抵抗値が変化し、第１磁気抵抗素子２１ａ及び第４磁気抵抗素子２１ｄの中点（ノード）の電圧と、第２磁気抵抗素子２１ｂ及び第３磁気抵抗素子２１ｃの中点（ノード）の電圧との差分を、検出信号Ｓoutとして出力する。

図５及び図６に示す通り、検出対象２との距離に応じた磁界を磁気抵抗素子２１に付与するバイアス磁石８は、貫通孔１１が形成された略環状の磁石本体２３と、この磁石本体２３から突出するように形成された一対の突部２４とを備える。このように、バイアス磁石８には、バイアス磁石８の磁極の並び方向（図５及び図６のＸ軸方向）に沿って延びる一対の突部２４が設けられている。本例の場合、図６において紙面上側の突部２４を「２４ａ」とし、紙面下側の突部２４を「２４ｂ」とする。一対の突部２４は、バイアス磁石８の高さ方向（図５及び図６のＺ軸方向）において整列して配置されている。

バイアス磁石８には、筐体４に対しての取り付け位置を決める位置決め部２５が形成されている。位置決め部２５は、バイアス磁石８の表面及び裏面の両側（図５及び図６では一方のみ図示）に形成されている。本例の位置決め部２５は、磁石本体２３の背面に形成された係止突２６と、バイアス磁石８の外面に凹設された溝部２７とを備える。溝部２７は、磁石本体２３、突部２４及び係止突２６の一帯に亘って延びるように形成されている。バイアス磁石８は、溝部２７を筐体４に形成されたガイド片（図示略）に沿って挿し込むとともに、係止突２６を筐体４の所定部位に係止することにより、筐体４の位置決め固定される。

図５に示すように、センサエレメント１７は、検知面１８の略中央位置をセンシングポイントＰｓとして磁界を検出する。センサエレメント１７は、このセンシングポイントＰｓで検出した磁界の向きに応じた検出信号Ｓoutを出力する。

図６に示すように、センサエレメント１７は、一対の突部２４ａ，２４ｂの間に配置されている。また、一対のセンサエレメント１７は、一対の突部２４ａ，２４ｂの並び方向（図６のＺ軸方向）に対して直交する方向（図６のＹ軸方向）に並び配置されている。一対のセンサエレメント１７は、一対の突部２４ａ，２４ｂの中央位置に配置されている。一対のセンサエレメント１７は、突部２４ａ，２４ｂを中心にセンサパッケージ７の幅方向（図６のＹ軸方向）において対称に配置されている。

図７に示すように、センサ装置１は、センサ装置１の動作を制御する制御部２８を備える。制御部２８には、各々のセンサエレメント１７ａ，１７ｂから検出信号Ｓoutが入力される。制御部２８は、これらセンサエレメント１７ａ，１７ｂから入力する検出信号Ｓoutの差から、検出対象２の位置関係を算出する。本例の場合、制御部２８は、これら検出信号Ｓoutの差から、検出対象２が磁気センサ５に接近したオン位置と、検出対象２が磁気センサ５から離隔したオフ位置とを検出する。制御部２８は、位置検出の結果である位置信号Ｓｔを他のＥＣＵに出力する。

次に、図８〜図１１を用いて、本実施形態の磁気センサ５の作用について説明する。
図８に示すように、磁気センサ５に対して検出対象２が存在する場合、すなわち磁気センサ５に対して検出対象２（凹部６以外の箇所）が対向する場合、センサエレメント１７ａ，１７ｂの検知面１８には、同図の紙面上方向の磁界（同図の矢印Ｅ１方向の磁界）が付与される。本例の場合、紙面右側のセンサエレメント１７ａと、紙面左側のセンサエレメント１７ｂとには、同じ方向の磁界が付与される。このため、センサエレメント１７ａ，１７ｂから制御部２８には、同図の矢印Ｅ１方向の磁界に応じた検出信号Ｓoutが出力される。

また、本例のセンサエレメント１７は、磁界分布環境下において発生する反発磁界からも離れていることが分かる。反発磁界は、磁界が衝突し合う領域であって、磁束密度が低い。このため、反発磁界に近くにセンサエレメント１７が配置されてしまうと、磁気センサ５の位置検出の感度が低くなってしまい、位置精度の確保という点で好ましくない。この点、本例の場合、センサエレメント１７が反発磁界から離れているので、磁束密度が高い箇所で磁気変化を検出できると言える。

制御部２８は、センサエレメント１７ａ，１７ｂから各々検出信号Ｓoutを入力すると、これら検出信号Ｓoutの差をとり、この差から検出対象２のオン／オフ位置を判断する。図８の例の場合、各センサエレメント１７ａ，１７ｂに付与される磁界が同じ方向であるので、各センサエレメント１７ａ，１７ｂのセンサ出力の差をとると、この差は位置判定の閾値未満をとることになる。このため、制御部２８は、検出信号Ｓoutの差が閾値未満の場合、センサエレメント１７に検出対象２が接近したオン位置であると判断する。

一方、図９に示すように、磁気センサ５に対して検出対象２が存在しない場合、すなわち磁気センサ５に対して検出対象２の凹部６が対向する場合、センサエレメント１７の検知面１８には、同図の紙面左右方向の磁界（同図の矢印Ｅ１方向の磁界）が付与される。本例の場合、紙面右側のセンサエレメント１７ａと、紙面左側のセンサエレメント１７ｂとには、互いに逆方向の磁界が付与される。このため、左右の各センサエレメント１７ａ，１７ｂからは、センサ出力電圧の正負の符号が逆となった検出信号Ｓoutが出力される。

制御部２８は、センサエレメント１７ａ，１７ｂから各々入力した検出信号Ｓoutの差をとり、この差から検出対象２のオン／オフ位置を判断する。図９の例の場合、センサエレメント１７ａ，１７ｂに互いに逆向きの磁界Ｅ１が付与されるので、各センサエレメント１７ａ，１７ｂからの出力は、センサ出力電圧が正負逆の符号となった信号が出力される。このため、検出信号Ｓoutの差は、位置判定の閾値以上となる。よって、制御部２８は、検出信号Ｓoutの差が閾値以上の場合、センサエレメント１７から検出対象２が離間したオフ位置であると判断する。

図１０に、本例の磁気センサ５のセンサ出力波形を図示する。本例の場合、磁気センサ５の諸元（センシングポイントＰｓのＸ，Ｙ座標位置）を変えて５パターンの例を挙げる。図１０（ａ）〜図１０（ｅ）は、センシングポイントＰｓの座標（Ｘ，Ｙ）を、それぞれ（１．５，１）、（１．５，１．３）、（１．７，１．１）、（１．７，１．３）、（１．６，１．２）とした例である。これら図に示されるように、どのパターンも同じようなセンサ出力波形をとることが分かる。このため、磁気センサ５の搭載位置が多少ずれても、同じようなセンサ出力の変化が確保されるので、位置検出の精度を確保できることが分かる。

一方、図１１（ａ）〜図１１（ｅ）に、磁気センサ５の従来品のセンサ出力波形を図示する。従来品は、例えば特開２０１０−１１４００２号公報に開示されるセンサ等がある。この従来品の場合も、本例の磁気センサ５と同様の諸元の５パターンの例を挙げる。同図に示されるように、磁気センサ５のセンシングポイントＰｓがずれると、センサエレメント１７の出力波形もずれてしまうことが分かる。よって、位置の検出精度が高くない従来品に対し、本例の磁気センサ５の場合、高い位置検出精度を確保できることが分かる。

ここで、不安定な「０ｍＶ」付近のセンサ出力では位置検出を実施しないようにするために、センサエレメント１７のセンサ出力の「０ｍＶ」付近にスレッシュ（図１０（ａ）、図１１（ａ）に破線で図示）をかけることもある。従来品（図１１の例）の場合、スレッシュをかけると、広い範囲である「Ｒ２」の区間で位置検出ができないので、この点、位置検出精度が悪化する。一方、本例の磁気センサ５（図１０の例）の場合、センサ出力の波形傾きが大きい（急である）ので、センサ出力を使用しない範囲を、従来品よりも狭い「Ｒ１」とすることが可能となる。よって、この点からも高い位置検出精度を確保できることが分かる。

上記実施形態の磁気センサ５によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）磁気センサ５は、検出する磁界に応じた抵抗値に変化する複数の磁気抵抗素子２１を備えた複数のセンサエレメント１７と、検出対象２との距離に応じた磁界を磁気抵抗素子２１に付与するバイアス磁石８とを備える。バイアス磁石８には、バイアス磁石８の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の並び方向に沿って延びる一対の突部２４が設けられ、一対の突部２４の間にセンサエレメント１７が配置されている。

ところで、バイアス磁石８に設けた一対の突部２４の間は、検出対象２が動いた際の磁界変化が大きく、また反発磁界も離れた箇所となることが知見として得られた。そこで、本例の場合、その一対の突部２４の間にセンサエレメント１７を配置するようにしたので、検出対象２が動いた際の磁界変化が大きく、かつ反発磁界からも離れた箇所に、センサエレメント１７が配置されることになる。よって、高い検出精度を確保した磁気センサ５とすることができる。

（２）バイアス磁石８は、筒型形状に形成されている。本例の場合、バイアス磁石８には、貫通孔１１が形成され、この貫通孔１１にセンサエレメント１７に係る部品（センサパッケージ７）が挿し込むように取り付けられる。このため、バイアス磁石８の内部をセンサエレメント１７の係る部品の収納箇所とすることが可能となるので、センサエレメント１７に係る部品の配置自由度の確保に寄与する。

（３）センサエレメント１７は、一対設けられるとともに、一対の突部２４の並び方向に対して直交する方向に配列されている。よって、バイアス磁石８の突部２４から出力される磁界を好適な位置で受けるセンサエレメント１７の配置することができる。

（４）複数のセンサエレメント１７は、一対の突部２４の間の中央位置に配置されている。この場合、高い磁束密度が分布する箇所にセンサエレメント１７を配置することが可能となるので、検出精度の確保に一層寄与する。

（５）複数のセンサエレメント１７は、突部２４を中心にセンサエレメント１７の並び方向において対称に配置されている。よって、複数のセンサエレメント１７を規則的な配置とすることが可能となるので、検出精度の確保に一層寄与する。

（６）磁気センサ５は、センサパッケージ７及びバイアス磁石８を備える。このセンサパッケージ７は、センサエレメント１７が設けられるとともに、バイアス磁石８の磁石本体２３に組み付けられている。よって、バイアス磁石８及びセンサパッケージ７が一体に組み付けられた磁気センサ５とすることができる。

（７）複数のセンサエレメント１７から、制御部２８に検出信号Ｓoutが各々出力される。そして、これら検出信号Ｓoutの差を基に、検出対象２との位置関係が算出される。このため、周辺環境に影響を受けてセンサエレメント１７の検出信号Ｓoutが変化しても、検出信号Ｓoutの差をとって位置演算を行うので、この変化分を相殺することが可能となる。よって、磁気センサ５の高い検出精度の確保に一層寄与する。

なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
［バイアス磁石８の突部２４について］
・突部２４の形状は直方体に限定されず、例えば円柱状、円錐状、三角状等、種々の形状に変更してもよい。

・一対の突部２４は、同一形状に限定されず、各々異なる形状としてもよい。
・突部２４は、磁石本体２３のどの位置に設けられてもよい。
・突部２４の個数は、２つに限定されず、３つ以上としてもよい。

［センサエレメント１７について］
・センサエレメント１７の個数は、２つに限定されず、３つ以上としてもよい。
・センサエレメント１７において磁気抵抗素子２１のブリッジ回路は、フルブリッジ回路に限定されず、ハーフブリッジ回路としてもよい。

・一対のセンサエレメント１７ａ，１７ｂは、例えばバイアス磁石８の磁極向きに沿って並び配置されてもよい。
・一対のセンサエレメント１７ａ，１７ｂは、一直線上に並び配置されることに限定されず、例えば異なる平面上に配置されてもよい。

・センサエレメント１７は、検知面１８を突部２４に対向させる向きに配置されることに限定されず、検知面１８を他の向きとした配置に変更することもできる。
・センサエレメント１７は、センサパッケージ７に設けられることに限定されず、例えば独立した部材としてもよい。

・複数のセンサエレメント１７は、突部２４を中心として対称配置されることに限定されず、非対称としてもよい。
［バイアス磁石８について］
・バイアス磁石８は、Ｎ極とＳ極とが逆でもよい。

・バイアス磁石８は、位置決め部２５が省略されてもよい。
・バイアス磁石８（磁石本体２３）の形状は、実施例以外の他の形状に変更してもよい。

［センサパッケージ７について］
・センサパッケージ７は、バイアス磁石８に取り付く構造に限定されず、例えばバイアス磁石８とは独立した取り付け状態をとってもよい。

・センサパッケージ７の端子数は、適宜変更してもよい。
［制御部２８による位置演算について］
・位置演算は、２つのセンサエレメント１７の検出信号Ｓoutの差を取ることで求めることに限定されない。例えばセンサエレメント１７の各検出信号Ｓoutの組み合わせや、これら検出信号Ｓoutの和を取って求めてもよい。

・位置演算は、センサ装置１に電源が投入されていれば、いつ実施されてもよい。
［検出対象２について］
・検出対象２は、スライド移動するものに限定されず、例えば回転する部材としてもよい。

・検出対象２は、種々の機器や装置としてもよい。
［磁気センサ５について］
・磁気センサ５は、検出対象２の接近及び離間の２位置を検出するセンサに限定されず、検出対象２の位置をリニアに検出するセンサでもよい。

・磁気センサ５は、種々の装置や機器に使用することができる。

２…検出対象、５…磁気センサ、７…センサパッケージ、８…バイアス磁石、１１…貫通孔、１７，１７ａ，１７ｂ…センサエレメント、２１…磁気抵抗素子、２４，２４ａ，２４ｂ…突部、Ｓout…検出信号。

Claims (6)

1. 検出する磁界に応じた抵抗値に変化する複数の磁気抵抗素子を備えた複数のセンサエレメントと、
   検出対象との距離に応じた磁界を前記磁気抵抗素子に付与するバイアス磁石とを備え、
   前記バイアス磁石には、前記バイアス磁石の磁極の並び方向に沿って延びる一対の突部が設けられ、一対の前記突部の間に前記センサエレメントが配置されている磁気センサ。
2. 前記バイアス磁石は、筒型形状に形成されている
   請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記センサエレメントは、一対設けられるとともに、一対の前記突部の並び方向に対して直交する方向に配列されている
   請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 複数の前記センサエレメントは、一対の前記突部の間の中央位置に配置されている
   請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の磁気センサ。
5. 複数の前記センサエレメントは、前記突部を中心に前記センサエレメントの並び方向において対称に配置されている
   請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 前記センサエレメントが設けられるとともに、前記バイアス磁石に組み付けられるセンサパッケージを備えた
   請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の磁気センサ。

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