JP2000304568A - 磁気式移動体検出センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 磁石を小型化し、外部への漏洩磁界を最小限
にすることができ、磁界の変化、出力及びＳ／Ｎ比が大
きく、出力波形の歪みが少ない磁気抵抗素子センサーを
提供する。 【解決手段】 第１の磁路部材１２と第２の磁路部材１
３の間に磁石２を挿入した磁界印加装置１４と、少なく
とも１つ以上の凹凸を持つ磁性移動体３の凸部と第２の
磁路部材の間に巨大磁気抵抗素子センサー１１を配置す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも１つ以
上の凹凸を持つ磁性移動体の移動による磁界の変化を検
出する磁気式移動体検出センサーに関し、特に回転機
械、回転電気機械の回転角度や回転速度を検出するもの
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】磁気抵抗効果とは、強磁性体（例えばＮ
ｉ−Ｆｅ）薄膜の磁化方向と電流方向のなす角度によっ
て、強磁性体の電気抵抗が変化するものである。磁界に
よって変化する電気抵抗を磁気抵抗変化率と言い、例え
ばＮｉ−Ｆｅで２〜３％である。磁気抵抗効果を利用し
た磁気センサーにおいては、磁気抵抗変化率を大きくす
る事により出力信号を大きくできたり、歪みの少ない出
力が得られることから５〜２０％の変化率を持つ素子の
開発が行われている。これらは従来より抵抗変化率が大
きいため従来品と区別する意味で、巨大磁気抵抗効果と
呼ばれている。

【０００３】巨大磁気抵抗変化が得られるものとして
は、非常に薄い強磁性層と非磁性層を交互に多数積層し
た多層型、磁気ヘッドで用いられているスピンバルブ
型、トンネル効果型等がある。

【０００４】図７は、従来の巨大磁気抵抗効果を用いた
検出装置を示す構成図である。巨大磁気抵抗効果素子１
と磁界を発生させる磁石２、磁界を変化させる磁性移動
体３からなっている。図７ｂ）には、磁性移動体３の凸
部が巨大磁気抵抗効果素子と対向した状態での磁界を模
式している。同様に図７ｃ）には、磁性移動体の凹部が
巨大磁気抵抗効果素子と対向した状態を示している。磁
性移動体の凹凸部が巨大磁気抵抗効果素子と対向するこ
とにより、巨大磁気抵抗効果素子に加わる磁界が変化
し、その抵抗変化を出力として取ることにより、巨大磁
気抵抗効果素子と対向した磁性移動体の凸部および凹部
の数を数える事により、回転角度や回転速度を検出して
いた。

【０００５】

【本発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１
で示したような構造を用いると磁石から出る磁界を有効
に利用できず磁石も大きくならざるを得なかった。ま
た、巨大磁気抵抗効果素子１と磁石２からなるセンサー
の外部に、磁石から漏洩する磁界が無視できずセンサー
自体を磁気シールドする必要があり、小型化が難しかっ
た。さらに、磁性移動体の凹部が巨大磁気抵抗効果素子
１と対向したときと、凸部に対向したときでの磁界変化
が小さいため出力を大きくすることが難しく、増幅器の
回路を付加する必要があった。さらには、出力のノイズ
を抑制し、Ｓ／Ｎ比を改善して出力を確保するために電
波障害用の各種回路を回転センサ内に内蔵させたり、同
センサを電磁シールドするなどの対策が必要である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題に対
処するため少なくとも１つ以上の凹凸を持つ磁性移動体
と磁性移動体の近傍に配置され磁束変化を検出する巨大
磁気抵抗効果素子を備えたセンサにおいて、前記センサ
は前記磁性移動体に向かって２つの対向部を形成してな
る第１の磁路部材と、第１の磁路部材の２つの対向部の
間に磁石と第２の磁路部材とを備え、第２の磁路部材と
磁性移動体との間に巨大磁気抵抗素子を備えた事を特徴
とする。

【０００７】第１の磁路部材は略コの字型をしており、
磁石と第２の磁路部材は略コの字型の中央部に永久磁石
と第２の磁路部材が略Ｅの字に配置されている。

【０００８】永久磁石は第１の磁路部材の略コの字の縦
棒部と第２の磁路部材方向に着磁されており、永久磁石
の材質は、フェライト系磁石もしくは希土類系磁石を用
いることができる。磁石の特性は残留磁束密度３（Ｋ
Ｇ）、保磁力２（ＫＯｅ）以上ある磁石を使用すること
ができる。磁石を小型化することが出来るエネルギー積
の高い希土類系磁石を用いる事がより好ましいものであ
る。

【０００９】第１および第２の磁路部材は、軟磁気特性
を示す材料で磁気回路を小型化するためには飽和磁束密
度が大きいことが要求される。材料としては、ソフトフ
ェライト材もしくは金属材があるが、飽和磁束密度が大
きい鉄系の合金例えばパーマロイを使用することが、磁
気回路を小型化する上で好ましいものである。

【００１０】磁性移動体と対向する第１の磁路部材の端
面より、第２の磁路部材の端面が凹となっており、第１
の磁路部材の端面と第２の磁路部材の略中間部で、略コ
の字型の第１磁路部材の平行する横棒の略中間部に磁気
抵抗効果素子が配置されている。この様に配置すること
で出力波形の対称性が良くなる効果がある。

【００１１】磁気抵抗効果素子は第１および第２の磁路
部材とは非磁性材で隔てられており、直接接触させるこ
とはノイズの発生や波形の歪みの点から避ける必要があ
る。

【００１２】磁性移動体の凹凸のピッチＰと第１の磁路
部材と第２の磁路部材の磁路中心部との間隔ｗが同一で
あることを特徴とするものである。

【００１３】磁性移動体の磁路構成部に向かって２つの
対向部を形成してなる第１の磁路部材と、第１の磁路部
材の２つの対向部の間に磁石と第２の磁路部材とを備
え、第１の磁路部材と第２の磁路部材との間に磁気セン
サを備えた事を特徴とする。

【００１４】磁性移動体と対向する第１の磁路部材の端
面と、第２の磁路部材の端面が略同一となっており、前
記第１の磁路部材と前記第２の磁路部材との間に生じる
磁束の変化を検出する２つの磁気センサを備え、磁性移
動体の凹凸のピッチｐと第１の磁路部材の磁路中心部の
間隔ｄが、ｄ＝（２ｎ＋０．５）ｐであることを特徴と
する。

【００１５】巨大磁気抵抗素子が、磁束の変化を検出す
る強磁性体と非磁性体を交互に積層させた人工格子膜、
もしくはスピンバルブ膜、トンネル効果膜であることを
特徴とする。

【００１６】本発明では、同一軌道上を移動する多数の
磁路構成部を形成してなる磁性移動体として有限半径の
例で説明しているが、無限半径を持った磁性移動体つま
り直線的なラック歯車にも適用できるものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
をもちいて詳細に説明する。図１に本発明の回転検出装
置の第１の実施例を示す。分かり易くするため符号は、
できうる限り同一構成部材は同じものを用いた。図１
ａ）に示すように、少なくとも１つ以上の凹凸を持つ磁
性移動体３と対向して、磁性移動体の移動に伴う磁界変
化を検出する巨大磁気抵抗効果センサー１１と磁界を与
える磁石２と、磁性移動体の磁路構成部に向かって２つ
の対向部を形成してなる略コの字形した第１の磁路部材
１２と、第１の磁路部材１２の２つの対向部の間に磁石
２と第２の磁路部材１３が配され磁界印加部材１４を構
成する。第２の磁路部材１３と磁性移動体３の凸部との
ほぼ中間に巨大磁気抵抗素子センサーが配置される。

【００１８】図１ｂ），ｃ）に示す様に、磁性移動体３
と対向する第１の磁路部材１２の端面より、第２の磁路
部材１３の端面が凹となっており、磁界印加部材１４と
磁性移動体３との間隔を狭くすることと、磁性移動体３
の凹凸部での出力差を大きくする働きをするものであ
る。

【００１９】磁性移動体の凹凸のピッチＰと第１の磁路
部材と第２の磁路部材の磁路中心部との間隔ｗはほぼ同
一になる様に設計されている。また、第１の磁路部材１
２の幅ｔ１および第２の磁路部材１３の幅ｔ２と磁性移
動体３の凸部の幅ｇは、ほぼ同一の値を用いることによ
り出力波形の歪みが少なくなるためである。

【００２０】図１ｂ），ｃ）において、破線の矢印で磁
界の分布を示した。図１ｂ）の様に磁性移動体３の凸部
が第１の磁路部材１２および巨大磁気抵抗効果素子セン
サーと合致した状態においては、磁束（磁界）は、磁石
１から第２の磁路部材１３、巨大磁気抵抗素子センサー
１１、磁性移動体３、第１の磁路部材１２を通り磁石１
に戻る経路を取る。第２の磁路部材１３から第１の磁路
部材１２に直接行く磁束も僅かあるが、ほとんどは前述
した経路を通る。

【００２１】次に、磁性移動体３の凹凸のピッチの半分
ｐ／２だけ移動した状態を図１ｃ）に示す。巨大磁気抵
抗素子センサーと磁性移動体の距離が離れるため、大多
数の磁束は磁石２、第２の磁路部材１３、第１の磁路部
材１２を通り磁石２に戻る経路をとる。

【００２２】この様に、磁性移動体３の凹凸部と巨大磁
気抵抗素子センサー１１との位置関係により、磁石２か
ら出る主となる磁束の経路を変えることにより、図７に
示した従来例の様に、常に磁石２の磁界に曝され磁束の
方向（角度）を変えるだけのものに較べ、巨大磁気抵抗
素子センサの出力は大きく取れるという効果がある。

【００２３】次に巨大磁気抵抗効果素子について説明す
る。巨大磁気抵抗効果素子は、鏡面仕上げしたシリコン
基板４上に絶縁層としてシリコン酸化膜５を形成し、パ
ーマロイ等の磁性体を５〜１０ｎｍの厚みに製膜しバッ
ファ層６とした。バッファ層６の上にコバルトもしくは
ニッケル、鉄の単体膜もしくはそれらの合金の強磁性層
７と銅の非磁性層８を交互に積層した。強磁性層７の厚
みは１〜２ｎｍ、非磁性層８の厚みは１．５〜２．５ｎ
ｍとした。フォトリソグラフィーとイオンミリングの技
術を用い、図２に示すように略Ｉ状に巨大磁気抵抗効果
素子パターンを形成した。アルミニウム、銅等からなる
非磁性導電性の材料で端子９、アルミナもしくはシリコ
ン酸化物で巨大磁気抵抗効果素子を覆う様に保護膜１０
を作製し、巨大磁気抵抗効果素子センサ１１が得られ
る。

【００２４】この様に強磁性層と非磁性層を交互に積層
した巨大磁気抵抗効果素子は、膜面に対して垂直方向の
磁界に対してはほとんどその抵抗が変化することは無い
が、平行な磁界に対しては、その磁界の角度によらず、
その磁界の強さに応じて大きく変化する。抵抗値変化に
応じた信号を出力させるには、端子９より巨大磁気抵抗
効果素子に一定電流を供給し、端子９の電圧を検出する
ことで、磁界変化に応じた出力を得ることができる。

【００２５】膜面に平行な磁界の強さがほぼ零の時に巨
大磁気抵抗効果素子は最大の抵抗を示し、水平方向の磁
界の強さが磁界の角度によらず１００〜５００（Ｏｅ）
の強さでその抵抗は最小となる。（最大抵抗値−最小抵
抗値）／（最大抵抗値）ｘ１００（％）で定義される磁
気抵抗変化率は、１０〜２０％のもの大きな値が得られ
ている。

【００２６】図３に巨大磁気抵抗素子センサーに印加さ
れる磁界の変化と抵抗値の変化を磁性移動体３の凹凸部
と重ねて示す。巨大磁気抵抗素子センサー１１の位置
に、磁性移動体３の凸部が一致した時、磁界の変化は最
大となり抵抗値は最小となる。磁性移動体が移動するこ
とにより磁界の変化は減少し抵抗も上がってくる。さら
に磁性移動体がｐ／２移動し凹部に来たとき磁界の変化
は最小になり抵抗値は最大となる。

【００２７】この様に磁性移動体の凹凸により、巨大磁
気抵抗素子センサーの抵抗値が変化するので、移動速度
や回転角度の測定ができるものである。

【００２８】図４に第２の実施例を示す。巨大磁気抵抗
素子センサを２個使用しその差動出力を取ることにより
出力を、実質的に２倍にしたものである。構成部材は第
１の実施例より巨大磁気抵抗素子センサーが１個増えて
いる。

【００２９】図４ａ）に示すように、少なくとも１つ以
上の凹凸を持つ磁性移動体３と対向して、磁性移動体の
移動に伴う磁界変化を検出する第１と第２の巨大磁気抵
抗効果センサー１５、１６と磁界を与える磁石２と、磁
性移動体の磁路構成部に向かって２つの対向部を形成し
てなる略コの字形した第１の磁路部材１７と、第１の磁
路部材１７の２つの対向部の間に磁石２と第２の磁路部
材１８が配され磁界印加部材１９を構成する。

【００３０】磁性移動体３と対向する第１の磁路部材１
７の端面と、第２の磁路部材１８の端面は、略同一面と
なっており、第１の磁路部材１７と第２の磁路部材１８
との略中間位置に第１と第２の巨大磁気抵抗素子センサ
ー１５、１６が配置される。

【００３１】磁性移動体の凹凸のピッチｐと第１の磁路
部材の磁路中心部間隔ｄの間には、ｄ＝（２ｎ＋０．
５）ｐの関係がある。図４の第２の実施例はｎ＝１を示
している。これは第１の磁路部材の片方が磁性移動体３
の凸部、もう一方が凹部になるようにするためである。
また、第１の磁路部材１７の幅ｔ１と磁性移動体３の凸
上部の幅ｇはほぼ同一とした。ほぼ同一の値を用いるこ
とにより出力波形の歪みが少なくなるためである。

【００３２】第２の磁路部材１８の幅ｔ２と磁性移動体
３の凸上部の幅ｇの間には、ｔ２＞２ｇの関係がある。
これは、図４ｂ），ｃ）で容易に理解できるものであ
る。つまり、磁石から出た磁束を第２の磁路部材１８、
磁性移動体３、第１の磁路部材１７を通り磁石に戻る磁
気回路と、磁石から出た磁束を第２の磁路部材１８、巨
大磁気抵抗素子センサー、第１の磁路部材１７を通り磁
石に戻る磁気回路とを構成させるためである。

【００３３】図４では、第２の磁路部材１８を１つで構
成しているが、前述したふたつの磁気回路に分ける事も
可能であるが、部品点数、組立工数の面からはあまり好
ましいものではない。

【００３４】図４ｂ），ｃ）において、破線の矢印で磁
界の分布を示した。図４ｂ）では、第１の巨大磁気抵抗
素子センサー１５は、磁性移動体３の凹部と対向するた
め抵抗値は最大となり、第２の巨大磁気抵抗素子センサ
ー１６は磁性移動体３の凸部と対向するため抵抗値は最
小となる。図４ｃ）では磁性移動体３がｐ／２移動した
状態で、第１の巨大磁気抵抗素子センサー１５の抵抗値
は最小となり、第２の巨大磁気抵抗素子センサー１６は
最大の抵抗値となる。

【００３５】図５に第１と第２の巨大磁気抵抗素子セン
サーに印加される磁界の変化と抵抗値の変化を磁性移動
体３の凹凸部と重ねて示す。 第１と第２の巨大磁気抵
抗素子センサーの抵抗変化はちょうど１８０度ずれたも
のとなる。第１と第２の抵抗変化の差動を取ることによ
り、実質的に出力を２倍にすることが可能となる。

【００３６】図６に第３の実施例を示す。磁性移動体の
凹凸のピッチｐと第１の磁路部材の磁路中心部間隔ｄの
間には、ｄ＝（２ｎ＋０．５）ｐの関係がある。本第３
の実施例はｎ＝２の場合である。動作原理等は、第２の
実施例と同一であるので、詳細説明は省略する。

【００３７】ｎを２以上の大きな値にすると、磁性移動
体３が円形の場合その半径の影響で、磁性移動体３の凸
部と第１の磁路部材の距離と、磁性移動体３の凸部と第
２の磁路部材の距離が変わってくるため、出力波形の歪
みを起こすことになる。半径の影響を無視できる大口径
か、もしくは無限大の半径を持つつまり直線形状を持つ
磁性移動体には応用ができるだけでなく、凹凸のピッチ
の誤差が平均化されると言う利点がある。本実施例の出
力は図５に示したものと同一である。

【００３８】

【発明の効果】本発明のように、第１、第２の磁路部材
と磁石を組み合わせて磁界印加部材を構成することによ
り磁石を小型化でき、磁路部材を用いることで外部への
漏洩磁界を最小限にすることが出来る。また巨大磁気抵
抗素子センサーへの磁界の変化を大きくし、出力および
Ｓ／Ｎ比が大きく、出力波形の歪みが少ない磁気センサ
ーが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である磁気センサーの斜
視図と動作を説明する図

【図２】本発明の巨大磁気抵抗素子センサーの斜視図。

【図３】本発明の第１の実施例の磁性移動体と磁界変化
および抵抗値変化を説明する図

【図４】本発明の第２の実施例である磁気センサーの斜
視図と動作を説明する図

【図５】本発明の第２の実施例の磁性移動体と磁界変化
および抵抗値変化を説明する図

【図６】本発明の第３の実施例である磁気センサーの斜
視図と動作を説明する図

【図７】従来例を説明する図

【符号の説明】

１ 巨大磁気抵抗素子、２ 磁石、３ 磁性移動体、４
シリコン基板、５ シリコン酸化膜、６ バッファー
層、７ 強磁性体層、８ 非磁性層、９ 端子、１０
保護膜、１１ 巨大磁気抵抗素子センサー、１２ 第１
の磁路部材、１３ 第２の磁路部材、１４磁界印加部材 １５ 第１の巨大磁気抵抗素子センサー、１６ 第２の
巨大磁気抵抗素子センサー、１７ 第１の磁路部材、１
８ 第２の磁路部材、１９ 磁界印加部材

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つ以上の凹凸を持つ磁性移
   動体と磁性移動体の移動に伴う磁界変化を検出する検出
   器とを備えた回転検出センサーにおいて、検出器は、磁
   性移動体の磁路構成部に向かって２つの対向部を形成し
   てなる第１の磁路部材と、第１の磁路部材の２つの対向
   部の間に磁石と第２の磁路部材が配され、第２の磁路部
   材と磁性移動体との間に巨大磁気抵抗素子を備えた事を
   特徴とする磁気式移動体検出センサー。
2. 【請求項２】 磁性移動体と対向する第１の磁路部材の
   端面より、第２の磁路部材の端面が凹となっている事を
   特徴とする請求項１の磁気式移動体検出センサー。
3. 【請求項３】 磁性移動体の凹凸のピッチＰと第１の磁
   路部材と第２の磁路部材の磁路中心部との間隔ｗが同一
   であることを特徴とする請求項１および２の磁気式移動
   体検出センサー。
4. 【請求項４】 磁性移動体に向かって２つの対向部を形
   成してなる第１の磁路部材と、第１の磁路部材の２つの
   対向部の間に磁石と第２の磁路部材とを備え、第１の磁
   路部材と第２の磁路部材との間に巨大磁気抵抗素子を備
   えた事を特徴とする磁気式移動体検出センサー。
5. 【請求項５】 磁性移動体と対向する第１の磁路部材の
   端面と、第２の磁路部材の端面が略同一となっている事
   を特徴とする請求項４の磁気式移動体検出センサー。
6. 【請求項６】 磁性移動体の凹凸のピッチｐと第１の磁
   路部材の磁路中心部の間隔ｄが、ｄ＝（２ｎ＋０．５）
   ｐであることを特徴とする請求項４および５の磁気式移
   動体検出センサー。
7. 【請求項７】 巨大磁気抵抗素子が、磁束の変化を検出
   する強磁性体と非磁性体を交互に積層させた人工格子
   膜、もしくはスピンバルブ膜、トンネル効果膜であるこ
   とを特徴とする請求項１および４の磁気式移動体検出セ
   ンサー。