JP2012208112A - 位置センサ、磁石部材及び磁石部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出対象物の移動位置に対するセンサ出力のリニアリティの変動を抑制して、検出対象物の移動位置をより高精度に検出すること。
【解決手段】本発明の位置センサ（１）は、主磁場（Ｆ）を発生する主磁場発生部（３１）と、主磁場発生部（３１）の両端の磁極部に隣接して主磁場（Ｆ）を補正する磁場補正部（３２）とを有する磁石部材（３）と、磁石部材（３）の表面から離間し、主磁場（Ｆ）における磁束密度の平行方向成分と垂直方向成分とに応じた信号を出力する磁気センサ素子とを備え、磁石部材（３）は、曲率半径が着磁ピッチの１／２以上１／１以下の凸面状の着磁面を有する着磁ヨークにより着磁され、磁気センサ素子の出力に基づいて、磁気センサ素子に対する磁石部材（３）の移動位置を検出する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出対象物の位置を磁気的に検出する位置センサ、これに用いられる磁石部材及び磁石部材の製造方法に関し、特に、車載用の位置センサに関する。

従来、検出対象物の位置を磁気的に検出する位置センサとして、２極磁石を利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この位置センサでは、検出対象物に２極磁石を取り付け、この磁石表面から離間して磁気センサ素子を配置し、検出対象物の直線移動によって変化する磁束密度の磁石表面に対する直交方向成分に応じて検出対象物の位置が検出される。磁気センサ素子に対向する磁石表面は、移動方向に沿う側面視においてラウンド状に膨出して形成されている。これにより、磁気センサ素子に作用する磁束密度を、検出対象物の移動位置に対してリニアに変化させている。

特開２０１０−６０３３８号公報

しかしながら、上記したような従来の位置センサは、磁束密度の直交方向成分により検出対象物の位置が検出されるため、磁石と磁気センサ素子とのギャップ変動に対して、磁束密度の直交方向成分が大きく変動する。このため、検出対象物の移動位置に対するセンサ出力のリニアリティが、磁石と磁気センサ素子とのギャップ変動に応じて大きく変動するという問題があった。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、検出対象物の移動位置に対するセンサ出力のリニアリティの変動を抑制して、検出対象物の移動位置をより高精度に検出することができる位置センサ、磁石部材及び磁石部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の位置センサは、直線状に交互に異極となるように等間隔で着磁された複数の磁極部によって主磁場を形成する主磁場発生部と、前記主磁場発生部の両端の磁極部に隣接し、前記主磁場を補正するように着磁された磁場補正部とを有する磁石部材と、前記磁石部材の表面から離間して配置され、前記主磁場の磁束密度における前記磁石部材の磁極部の並びの方向に平行な平行方向成分と前記磁石部材の表面に垂直な垂直方向成分とに応じた信号を出力する磁気センサ素子とを備え、前記平行方向成分に応じた信号の周期と前記垂直方向成分に応じた信号の周期とが略一致するとともに、前記平行方向成分に応じた信号の振幅と前記垂直方向成分に応じた信号の振幅とが略一致するように、前記磁石部材が着磁されており、前記磁気センサ素子の出力に基づいて、前記磁極部の並びの方向における前記磁石部材と前記磁気センサ素子との相対位置を検出することを特徴とする。

本発明の磁石部材は、磁気センサ素子に対向して配され、位置センサを構成するための磁石部材において、主磁場を形成するための、直線状に交互に異極となるように配された複数の磁極部を有する主磁場発生部と、前記主磁場発生部による主磁場を補正するための、前記主磁場発生部の両端の磁極部に対してそれぞれ異極となる一対の磁極部を有する磁場補正部とを備え、前記磁気センサ素子から出力される平行方向成分に応じた信号の周期と垂直方向成分に応じた信号の周期とが略一致するとともに、前記平行方向成分に応じた信号の振幅と前記垂直方向成分に応じた信号の振幅とが略一致するように、着磁されていることを特徴とする。

本発明の磁石部材の製造方法は、磁気センサ素子に対向して配され、位置センサを構成するための磁石部材の製造方法において、主磁場を形成するための、直線状に交互に異極となるように配された複数の磁極部を有する主磁場発生部と、前記主磁場を補正するための、前記主磁場発生部の両端の磁極部に対してそれぞれ異極となる一対の磁極部を有する磁場補正部とを、前記主磁場発生部における隣接する異極間距離を着磁ピッチとしたとき、曲率半径が前記着磁ピッチの１／２以上１／１以下の凸面状の着磁面を有する着磁ヨークによって、前記磁気センサ素子から出力される平行方向成分に応じた信号の周期と垂直方向成分に応じた信号の周期とが略一致するとともに、前記平行方向成分に応じた信号の振幅と前記垂直方向成分に応じた信号の振幅とが略一致するように着磁したことを特徴とする。

これらの構成によれば、磁場補正部により主磁場が補正され、主磁場による磁束密度の平行方向成分及び垂直方向成分が所望の周期及び振幅の正弦波状又は余弦波状に近付けられる。よって、磁束密度の平行方向成分及び垂直方向成分に応じた信号に基づいて、磁石部材と磁気センサ素子との相対位置が精度よく検出される。この場合、磁石部材と磁気センサ素子とのギャップが変動しても、磁束密度の平行方向成分及び垂直方向成分の振幅比率が変わらないため、センサ出力のリニアリティの変動を抑制できる。

また、本発明の上記位置センサにおいて、前記磁場補正部は、前記主磁場発生部の前記両端の磁極部に対して異極となるように着磁された一対の磁極部により、前記主磁場を補正できる。この構成によれば、簡易な構成により主磁場を補正できる。

また、本発明の上記位置センサにおいて、前記磁場補正部は、前記磁極部の並びの方向において、前記主磁場発生部の着磁ピッチよりも狭く形成できる。この構成によれば、磁石部材の磁極の並びの方向の寸法を小さくして小型化できる。

また、本発明の上記位置センサにおいて、前記磁石部材は、前記磁気センサ素子に対して前記磁極部の並びの方向に移動可能である。この構成によれば、磁石部材が設けられた検出対象物の位置を精度よく検出できる。

また、本発明の上記位置センサにおいて、前記磁気センサ素子の出力に対する信号処理が可能な算出ユニットを有しており、前記磁石部材は、前記算出ユニットの信号処理によって前記平行方向成分に応じた信号の振幅と前記垂直方向成分に応じた信号の振幅とが略一致するように着磁される。この構成によれば、算出ユニットの信号処理によって補正可能な範囲で、平行方向成分に応じた信号と垂直方向成分に応じた信号を得ることができる。

また、本発明の上記位置センサにおいて、前記垂直方向成分に応じた信号の振幅の正負それぞれの最大値は、前記平行方向成分に応じた信号の振幅の正負それぞれの最大値を基準とした所定の範囲に収まっている。この構成によれば、補正のための信号処理によって垂直方向成分に応じた信号の振幅を平行方向成分に応じた信号の振幅に容易に合わせることができる。

また、本発明の上記位置センサにおいて、前記磁石部材は、前記主磁場発生部における隣接する異極間距離を着磁ピッチとしたとき、曲率半径が前記着磁ピッチの１／２以上１／１以下の凸面状の着磁面を有する着磁ヨークにより着磁される。この構成によれば、磁石部材から正弦波形状の磁場分布を得ることができる。

また、本発明の上記位置センサにおいて、前記磁石部材の前記主磁場発生部は、前記磁気センサ素子に対して相対的に移動可能な範囲に対応するように配されている。この構成によれば、主磁場から磁石部材と磁気センサ素子との相対位置を容易に算出できる。

本発明によれば、検出対象物の移動位置に対するセンサ出力のリニアリティの変動を抑制して、検出対象物の移動位置をより高精度に検出することができる。

本実施の形態に係る位置センサの全体構成図である。 本実施の形態に係る移動距離に対する磁束密度の変化を示す説明図である。 比較例に係る移動距離に対する磁束密度の変化を示す説明図である。 本実施の形態に係る着磁ヨークによる着磁構成の説明図である。 着磁ヨークの曲率半径と位置センサの検出精度との関係を示す図である。 本実施の形態に係る出力電圧と磁石部材の移動位置との関係を示す図である。 磁石部材の変形例を示す図である。 磁束密度の垂直方向成分により検出対象物の移動位置の検出方法の説明図である。 本実施の形態に係る算出ユニットによる信号処理の一例を示す図である。 本実施の形態に係る算出ユニットによる信号処理後のリニアリティ誤差の算出結果の一例を示す図である。 本実施の形態に係る余弦波信号の振幅比率に対するリニアリティ誤差の変化の一例を示す図である。

位置センサ等においては、磁気センサから垂直に離間して配置された検出対象物に磁石部材を取り付け、検出対象物が磁気センサに対して平行移動するときの移動位置を高精度に検出することが望まれている。この場合、図８Ａに示すように、磁束密度の垂直方向成分により磁石部材７３の移動位置を検出する方法では、磁気センサ７４と磁石部材７３間のギャップ変動に応じて磁束密度が大きく変化して、リニアリティが大きく変動して十分な検出精度が得られなかった。

例えば、磁石部材７３の極ピッチ（隣接するＮ極-Ｓ極間距離）を２８［ｍｍ］、磁石部材７３と磁気センサ７４との相対的なストロークを±１４［ｍｍ］としたとき、磁石部材７３と磁気センサ７４間のギャップを１．０［ｍｍ］単位で変化させて、磁束密度と磁石部材７３の位置との関係を調べたところ、図８Ｂに示すような結果が得られた。ここでは、磁気センサ７４と磁石部材７３間のギャップが４．０［ｍｍ］から±１［ｍｍ］変動すると、リニアリティの変動量が±１１％となり検出精度が大きく低下している。このため、本件発明者により磁束密度の平行方向成分と垂直方向成分とからアークタンジェントを求めることで、検出対象物の移動位置を検出する方法が考案された。

この方法では、ギャップ変動によって磁束密度の平行方向成分及び垂直方向成分が同時に変化し、振幅比率が変わらないためリニアリティの変動が抑制される。しかしながら、リニアリティの変動を抑えるためには、磁束密度の平行方向成分が適切な正弦波状、垂直方向成分が適切な余弦波状に変化するように磁石部材を着磁する必要があった。そこで、本発明者らは、磁石部材の着磁極数について調べた結果、主磁場を形成する３つの磁極部の両外側に主磁場を収束させる磁極部を設けることで、ギャップ変動があっても、磁束密度の平行方向成分及び垂直方向成分を適切に変化できることを発見した。

また、本発明者らは、着磁ヨークについて調べた結果、曲率半径が着磁ピッチの１／２以上１／１以下となる凸面状の着磁面により磁石部材を着磁することで、磁石部材から正弦波形状の磁場分布が得られることを発見した。すなわち、本発明の骨子は、この着磁面を有する着磁ヨークを用いて着磁すると共に、補正用の磁極部を有する磁石部材を用いることで、センサ出力のリニアリティの変動を抑制し、検出対象物の移動位置を高精度に検出することである。

以下、実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、説明の便宜上、同一の名称には同一の符号を付して説明する。図１を参照して、位置センサの全体構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る位置センサの全体構成図である。なお、図１では、磁石部材を側方から見ており、磁石部材の長手方向をＸ方向、厚み方向をＹ方向としている。

図１に示すように、位置センサ１は、検出対象物２に取り付けられた磁石部材３と、磁石部材３の表面から垂直方向（Ｙ方向）に離間して配置された磁気センサ４とを有し、磁気センサ４に対する検出対象物２の平行移動を検出するように構成されている。磁気センサ４には、算出ユニット５が接続され、この算出ユニット５において検出対象物２の平行方向（Ｘ方向）における移動位置が算出される。

磁石部材３は、上面視長方形状に形成された５極着磁の平板磁石であり、磁気センサ４に対向する検出対象物２の表面に固定されている。また、磁石部材３は、磁気センサ４に対向する表面にＮ極とＳ極とを長手方向に等ピッチで交互に着磁して構成されている。磁石部材３の着磁ピッチは、検出対象物２の半ストローク（本実施の形態では１４［ｍｍ］）に合わせられている。磁石部材３の隣り合う異極間では、Ｎ極からＳ極に至る円弧状の磁場が発生している。

磁石部材３において、中央の３つの磁極部は主磁場Ｆを発生する主磁場発生部３１として機能し、両端の一対の磁極部は主磁場Ｆを補正する磁場補正部３２として機能する。位置センサ１では、主磁場発生部３１の両端の同極ピッチ間で検出対象物２を移動させ、主磁場Ｆの磁束密度に応じて検出対象物２の移動位置を検出する。磁場補正部３２は、主磁場発生部３１の両端の磁極部から外側に広がる磁場を収束させ、主磁場Ｆを適切な範囲で分布させている。

磁気センサ４は、磁石部材３の表面に対向するように不図示の筐体に配置されており、ホール素子や磁気抵抗効果素子などの磁気センサ素子で構成される。磁気抵抗効果素子は、基本的な構成として、反強磁性層、ピン層、中間層およびフリー層を図示しないウエハー上に積層して形成されている。ピン層は反強磁性層により磁化方向が一方向に固定され、フリー層は外部磁場に反応して磁化方向が変化される。そして、磁石部材３の形成する磁場によりフリー層の磁化方向が変化され、ピン層の磁化方向とのなす角度で抵抗変化率が可変されることにより、これを反映した出力信号が出力される。

算出ユニット５は、磁気センサ４から出力された正弦波信号および余弦波信号を増幅する増幅器５１、５２と、増幅器５１、５２に増幅された出力信号に基づいて磁石部材３の移動位置を算出する位置算出部５３とを有している。位置算出部５３は、増幅器５１、５２を介して入力された正弦波信号及び余弦波信号のアークタンジェントを求めて磁場角度を算出し、この算出した磁場角度から磁石部材３の移動位置を算出する。

なお、算出ユニット５は、位置センサ１の各種処理を実行するプロセッサや、メモリ等により構成されている。

図２及び図３を参照して、磁石部材の移動距離に対する磁束密度の変化について説明する。図２は、本実施の形態に係る移動距離に対する磁束密度の変化を示す説明図である。図３は、比較例に係る移動距離に対する磁束密度の変化を示す説明図である。なお、比較例は、磁石部材が３極磁石である点において、本実施の形態と相違する。図２Ａ及び図３Ａは、主に磁石部材の側面模式図を示し、図２Ｂ及び図３Ｂは、磁束密度の変化を示している。また、図２Ｂ及び図３Ｂでは、縦軸が磁束密度、横軸が検出位置、実線Ｗ１が磁束密度の垂直方向成分、破線Ｗ２が磁束密度の平行方向成分をそれぞれ示している。

図２Ａに示すように、本実施の形態に係る磁石部材３においては、Ｎ極から隣接するＳ極に向って磁場が発生しており、Ｎ極からＳ極に向う間に磁場が１８０度回転する。このとき、中央の主磁場発生部３１から発生する主磁場Ｆは、両端の磁場補正部３２によって補正される。具体的には、主磁場発生部３１の両端の磁極部（Ｓ極）において、外方への磁場の膨らみが隣接する磁場補正部３２の磁極部（Ｎ極）によって抑えられる。これにより、主磁場Ｆの分布範囲が、着磁ピッチの２ピッチ分、すなわち検出対象物２の移動範囲に合わされる。

したがって、主磁場Ｆは、主磁場発生部３１の中心位置から一方向側に向う１磁極間Ｌ１で時計回りに１８０度回転し、主磁場発生部３１の中心位置から他方向側に向う１磁極間Ｌ１で反時計回りに１８０度回転する。磁気センサ４は、主磁場Ｆの回転による磁束密度の水平方向成分及び垂直方向成分の変化により、検出対象物２の移動位置に応じた信号を出力する。磁束密度の垂直方向成分は、余弦波の出力信号として出力され、磁束密度の水平方向成分は、正弦波の出力信号として出力される。

図２Ｂに示すように、実線Ｗ１の余弦波状に変化する磁束密度の垂直方向成分は、検出対象物２の移動範囲に一致した周期で振動している。検出対象物２の移動範囲においては、正方向の振幅と負方向の振幅とに振幅差が生じているが、検出結果に大きな影響を与えない程度に抑えられている。また、破線Ｗ２の正弦波で示される磁束密度の平行方向成分も同様に、検出対象物２の移動範囲に一致した周期で振動している。磁束密度の水平方向成分では、正方向の振幅と負方向の振幅とに振幅差が生じていない。

例えば、磁石部材３の着磁ピッチ（検出対象物２の移動範囲）を±１４［ｍｍ］とし、磁石部材３と磁気センサ素子とのギャップを６［ｍｍ］としたところ、実線Ｗ１において、磁束密度の垂直方向成分の正方向の振幅と負方向の振幅の振幅差が５０［ｇａｕｓｓ］程度に抑えられ、実線Ｗ１及び破線Ｗ２のそれぞれにおいて磁束密度の水平方向成分の周期が２８［ｍｍ］（±１４［ｍｍ］）となった。このように、本実施の形態に係る磁石部材３を用いた場合には、主磁場Ｆによる磁束密度の変化に基づいて、適切な周期及び振幅の正弦波信号及び余弦波信号が得られる。

一方、図３Ａに示すように、比較例に係る磁石部材３においては、３つの磁極部によって主磁場Ｆが発生する。このとき、磁石部材３には、両端の磁極部（Ｓ極）の磁場を抑制する磁極部が設けられていないため、両端の磁極部における磁場が外方に膨らむ。これにより、主磁場Ｆの分布範囲が、検出対象物２の移動範囲から外側に位置ズレする。よって、主磁場Ｆは、磁石部材３の中心位置から一方向側に向って、１磁極間Ｌ１よりも広い間隔Ｌ２で時計回りに１８０度回転し、磁石部材３の中心位置から他方向側に向って、１磁極間Ｌ１よりも広い間隔Ｌ２で反時計回りに１８０度回転する。

図３Ｂに示すように、実線Ｗ１の余弦波状に変化する磁束密度の垂直方向成分は、検出対象物２の移動範囲に一致した周期で振動している。検出対象物２の移動範囲においては、正方向及び負方向の振幅差が、上記した本実施の形態に係る振幅差よりも大きくなっている。また、破線Ｗ２の正弦波状に変化する磁束密度の平行方向成分は、検出対象物２の移動範囲よりも大きな周期で振幅している。

例えば、磁石部材３の着磁ピッチを１４［ｍｍ］、検出対象物２の移動範囲を±１４［ｍｍ］とし、磁石部材３と磁気センサ素子とのギャップを６［ｍｍ］としたところ、実線Ｗ１において、磁束密度の垂直方向成分の正方向の振幅と負方向の振幅の振幅差が１５０［ｇａｕｓｓ］程度となり、破線Ｗ２において、磁束密度の水平方向成分の周期が３０［ｍｍ］（±１５［ｍｍ］）となった。比較例に係る磁石部材３を用いた場合には、本実施の形態に係る磁石部材３を用いた場合と比較して、実線Ｗ１における磁束密度の垂直方向成分の振幅差が約３倍となり、破線Ｗ２における磁束密度の水平方向成分の周期が外側に１［ｍｍ］大きくなっている。よって、比較例に係る磁石部材３を用いた場合には、主磁場Ｆによる磁束密度の変化に基づいて、適切な周期及び振幅の正弦波信号及び余弦波信号を得ることができない。

このように、本実施の形態の磁石部材３では、３つの磁極部からなる主磁場発生部３１の両外側に、一対の磁極部からなる磁場補正部３２を設けることで、主磁場Ｆの外方への膨らみを抑えている。このため、磁束密度の垂直方向成分の振幅差を小さくすると共に、磁束密度の水平方向成分の周期を検出対象物２の移動範囲に一致させることができ、適切な正弦波信号及び余弦波信号を得ることが可能となっている。

次に、図４及び図５を参照して、着磁ヨークによる磁石部材の着磁方法について説明する。図４は、本実施の形態に係る着磁ヨークによる着磁構成の説明図である。図５は、本実施の形態に係る着磁ヨークの曲率半径と位置センサの検出精度との関係を示す図である。図４Ａは、本実施の形態に係る着磁ヨークを示し、図４Ｂから図４Ｄは、磁石部材が発生する磁場分布を示す。図５Ａは、曲率半径とリニアリティの変動量及び振幅比との関係を示し、図５Ｂは、曲率半径と磁束密度との関係を示す。

図４Ａに示すように、本実施の形態に係る着磁ヨーク６は、磁石部材３に対応して上面視長方形状に形成されており、長手方向に等間隔に配置された凸状の複数の着磁部６１と、各着磁部６１に巻回された巻き線６２とを有している。着磁部６１の突出端側は、断面視円弧状の着磁面６３となっている。そして、巻き線６２が通電されると、着磁部６１がＳ極とＮ極とに交互に磁化される。着磁面６３の断面が円弧状であるため、磁石部材３の内部に比較的大回りの磁束線が通過する。

ここで、本件発明者が、磁石部材３の着磁ピッチＬに対して、着磁面６３の曲率半径ｒの大きさを変化させたところ、図４Ｂに示すように、曲率半径ｒが着磁ピッチＬの１／２以上１／１以下の範囲で磁石部材３の磁場分布が略正弦波状になることを発見した。そして、磁場分布は、曲率半径ｒが着磁ピッチＬの１／１よりも大きくなると、図４Ｃに示すように台形波状に近づき、曲率半径ｒが着磁ピッチＬの１／２よりも小さくなると、図４Ｄに示すように三角波形状に近づくことが判明した。

また、着磁ピッチＬ＝１４［ｍｍ］として、このときの曲率半径と位置センサとの関係を調べたところ、図５に示すような結果が得られた。図５Ａに示すように、曲率半径ｒが着磁ピッチＬの１／１（１４［ｍｍ］）よりも大きくなると、リニアリティの変動量が大きくなる。また、曲率半径ｒが着磁ピッチＬの１／２（７［ｍｍ］）よりも小さくなると、振幅比が下がり位置算出部５３による算出精度が低下する。さらに、図５Ｂに示すように、曲率半径ｒが着磁ピッチＬの１／２（７［ｍｍ］）よりも小さくなると、磁束密度の垂直方向成分及び水平方向成分が急激に下がり、検出感度が低下する。

このように、本実施の形態では、曲率半径ｒが着磁ピッチＬの１／２以上１／１以下の着磁面６３を有する着磁ヨーク６によって磁石部材３を着磁することで、磁石部材３に適切な磁場分布を発生させている。

以上のようにして着磁された磁石部材３を用いることにより、磁束密度の各方向成分が図２Ｂに示すように正弦波状及び余弦波状に変化し、磁気センサ４から正弦波信号及び余弦波信号が算出ユニット５に出力される。算出ユニット５では、これら出力信号からアークタンジェントが求められ、磁石部材３の移動位置に対応した出力電圧が算出される。ここで、出力電圧と磁石部材３の移動位置との関係を調べたところ、図６に示す結果が得られた。

図６は、本実施の形態に係る出力電圧と磁石部材の移動位置との関係を示す図である。なお、図６においては、左縦軸が出力電圧、右縦軸がリニアリティの変動量、横軸が磁石部材の移動位置を示している。また、図６において、実線Ｗ３が理想的な出力特性（基準直線）、破線Ｗ４が磁石部材と磁気センサ素子間のギャップを４．５［ｍｍ］とした場合の出力特性、破線Ｗ５が磁石部材と磁気センサ素子間のギャップを５．５［ｍｍ］とした場合の出力特性、破線Ｗ６が磁石部材と磁気センサ素子間のギャップを６．５［ｍｍ］とした場合の出力特性を示している。

図６に示すように、本実施の形態に係る位置センサ１では、磁石部材３と磁気センサ４の磁気センサ素子間のギャップを変動させた場合であっても、実線Ｗ３の理想的なリニア特性に略重なるようなリニア特性が得られる。このときのリニアリティの変動量は、破線Ｗ４−Ｗ６に示すようにギャップが５．５［ｍｍ］から±１［ｍｍ］変動した場合であっても±０．５％以下に抑えられている。したがって、図８Ｂに示す磁束密度の垂直方向成分により検出対象物２の移動位置を検出する方法と比較して、大幅にリニアリティの変動量が抑えられている。

このように、本実施の形態では磁石部材３に対して理想的な着磁条件を発見し、この磁石部材３を用いることでギャップ変動に対するリニアリティの変動を抑制している。この場合、磁石部材３は、主磁場Ｆを発生する複数の磁極部の外側に補正用の磁極部が着磁されればよい。例えば、４つ以上の磁極部により主磁場Ｆを発生してもよいし、２つ以上の磁極部で主磁場Ｆを補正してもよい。また、図７Ａに示すように、磁石部材３において、主磁場発生部３１と磁場補正部３２とが別体で形成されてもよい。さらに、図７Ｂに示すように、磁石部材３の長手方向において、磁場補正部３２の幅が、主磁場発生部３１の着磁ピッチよりも狭く形成されてもよく、例えば、着磁ピッチの１／２以下でもよい。

ところで、上記した磁石部材３を用いることでリニアリティの変動量を小さく抑えることができるが、位置センサ１に求められる仕様によっては磁石部材３だけでリニアリティを所望の変動量に抑えることは難しい場合がある。算出ユニット５においてリニアリティの変動量が許容範囲内に収まっていないと判定した場合には、算出ユニット５において磁気センサ４からの出力が補正されることで、リニアリティの変動量が調整される。この場合、算出ユニット５では、リニアリティの変動量が許容範囲内に収まるように、磁束密度の垂直方向成分を示す余弦波信号と磁束密度の平行方向成分を示す正弦波信号との振幅差が小さくなるように補正される。よって、磁石部材３は、算出ユニット５の補正のための信号処理によって調整可能な範囲内であれば、磁束密度の垂直方向成分と水平方向成分とで振幅差が生じてもよい。

以下、図９から図１１を参照して、算出ユニットによる補正のための信号処理について説明する。図９は、本実施の形態に係る算出ユニットによる信号処理の一例を示す図である。図９では、左縦軸が磁束密度、横軸が磁石部材の移動位置を示している。なお、図９では、正弦波信号に対して余弦波信号の振幅を補正する一例を示すが、余弦波信号に対して正弦波信号の振幅を補正してもよいし、余弦波信号及び正弦波信号の両方を補正してもよい。

図９Ａに示す磁束密度分布では、余弦波信号及び正弦波信号の振幅（磁束密度）が正負で対称となっている。この場合、正側における余弦波信号と正弦波信号の振幅差が、負側における余弦波信号と正弦波信号の振幅差に一致している。また、算出ユニット５は、信号波形の振幅を全体的に伸縮させることでゲイン調整（補正）するよう構成されている。このため、算出ユニット５で余弦波信号の振幅をゲイン調整（補正）することで、正負両側において余弦波信号と正弦波信号との振幅が揃えられる。これにより、リニアリティの変動がより小さく抑えられる。

一方、図９Ｂに示す磁束密度分布では、余弦波信号及び正弦波信号の振幅（磁束密度）が正負で非対称となっている。この場合、正側では余弦波信号よりも正弦波信号の振幅が大きく、負側では余弦波信号と正弦波信号の振幅が一致している。すなわち、正側における余弦波信号と正弦波信号の振幅差が、負側における余弦波信号と正弦波信号の振幅差に一致していない。上記したように、算出ユニット５は信号波形の振幅を全体的に伸縮させるため、算出ユニット５で余弦波信号の振幅をゲイン調整しても、正負両側において余弦波信号と正弦波信号の振幅が揃わない。

図９Ｂの例では、正側で余弦波信号の振幅が正弦波信号の振幅に近付くと、負側で余弦波信号の振幅が正弦波信号の振幅から離れるように補正される。しかしながら、このような補正でも、余弦波信号と正弦波信号の振幅差を小さくなることで、リニアリティの変動をある程度抑えることが可能である。

次に、余弦波信号と正弦波信号の振幅差とリニアリティ誤差との関係について説明する。図１０は、本実施の形態に係る算出ユニットによる信号処理後のリニアリティ誤差の算出結果の一例を示す図である。図１０の左図及び中央図では、左縦軸が磁束密度、横軸が磁石部材の移動位置を示している。また、図１０の右図では、左縦軸が磁場角度、右縦軸がリニアリティの変動量、横軸が磁石部材の移動位置を示している。なお、図１０では、正弦波信号に対して余弦波信号の振幅を補正する一例を示すが、余弦波信号に対して正弦波信号の振幅を補正してもよいし、余弦波信号及び正弦波信号の両方を補正してもよい。

また図１０では、説明の便宜上、負側において余弦波信号と正弦波信号の振幅を一致させた状態で余弦波信号の振幅を補正する一例を示すが、これに限定されない。図１０の磁束密度分布に関わらず、リニアリティ誤差は、余弦波信号と正弦波信号の振幅差に応じて算出される。

図１０Ａは、正弦波信号に対する余弦波信号の正側の振幅比率が７０％の波形を示している。余弦波信号の振幅は、正側において正弦波信号の振幅よりも３０％小さく、負側において正弦波信号の振幅に一致している。算出ユニット５においては、余弦波信号の振幅が±１５％大きくなるようにゲイン調整される。このとき、正側では余弦波信号の振幅が正弦波信号の振幅に１５％近付けられ、負側では余弦波信号の振幅が正弦波信号の振幅から１５％離される。そして、ゲイン調整後の余弦波信号と正弦波信号のアークタンジェントが求められることで、磁石部材３の移動位置に対応した出力特性が算出される。このときのリニアリティ誤差は、理想直線に対して±１．２５％程度になっている。

図１０Ｂは、正弦波信号に対する余弦波信号の正側の振幅比率が８５％の波形を示している。余弦波信号の振幅は、正側において正弦波信号の振幅よりも１５％小さく、負側において正弦波信号の振幅に一致している。算出ユニット５においては、余弦波信号の振幅が±７．５％大きくなるようにゲイン調整される。このとき、正側では余弦波信号の振幅が正弦波信号の振幅に７．５％近付けられ、負側では余弦波信号の振幅が正弦波信号の振幅から７．５％離される。そして、ゲイン調整後の余弦波信号と正弦波信号のアークタンジェントが求められることで、磁石部材３の移動位置に対応した出力特性が算出される。このときのリニアリティ誤差は、理想直線に対して±０．６５％程度になっている。

この正弦波信号に対する余弦波信号の振幅比率とリニアリティ誤差を調べた結果、図１１に示すような関係が得られた。図１１は、本実施の形態に係る余弦波信号の振幅比率に対するリニアリティ誤差の変化の一例を示す図である。図１１では、左縦軸がリニアリティ誤差、横軸が余弦波信号の振幅比率を示している。

図１１に示すように、余弦波信号の振幅比率とリニアリティ誤差とが比例関係を有している。上記したように、余弦波信号の振幅比率７０％の場合にはリニアリティ誤差が±１．２５％であり、余弦波信号の振幅比率８５％の場合にはリニアリティ誤差が±０．６５％になっている。このような比例関係から、位置センサ１に求められる仕様に応じて適切な余弦波信号の振幅比率が求められる。例えば、位置センサ１に求められる仕様がリニアリティ誤差±０．５％の場合には、余弦波信号の振幅比率が８９％以上に設定される必要がある。すなわち、余弦波信号と正弦波信号との振幅差が±５．５％（１１％）以内に補正可能なように磁石部材３が着磁されていれば、算出ユニット５の信号処理によって位置センサ１の仕様が満たされる。

このように、磁石部材３は、算出ユニット５の補正のための信号処理によって位置センサ１の仕様を満たす範囲内に、磁束密度の垂直方向成分と平行方向成分との振幅差が収まるように着磁されていればよい。なお、図１１では、余弦波信号の振幅比率に対するリニアリティ誤差を例示したが、正弦波信号の振幅比率に対するリニアリティ誤差も同様な比例関係を有している。なお、算出ユニット５による補正のための信号処理は、位置算出部５３で行われてもよいし、増幅器５１、５２で行われてもよい。また、算出ユニット５に信号処理部を設けて、信号処理部で補正のための信号処理が行われてもよい。

以上のように、本実施の形態に係る位置センサ１によれば、着磁ピッチの１／２以上１／１以下の曲率半径ｒを有する着磁面６３により着磁され、両端の磁極部により主磁場Ｆが抑制されることで、主磁場Ｆによる磁束密度の平行方向成分及び垂直方向成分が所望の周期及び振幅の正弦波状又余弦波状に変化する。よって、磁束密度の平行方向成分及び垂直方向成分に応じた信号に基づいて、磁石部材３の位置が精度よく検出される。

なお、上記した実施の形態においては、磁気センサ素子をホール素子やＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）などの磁気抵抗効果素子とする構成としたが、この構成に限定されるものではない。磁石部材の発生する磁場において、磁束密度の水平方向成分及び垂直方向成分に応じた信号を出力可能なものであれが、どのようなものでもよい。

また、上記した実施の形態においては、算出ユニット５によって磁束密度の垂直方向成分と平行方向成分とをアークタンジェント演算して、検出対象物２の移動位置を検出する構成としたが、これに限定されない。算出ユニット５は、磁束密度の垂直方向成分と平行方向成分とから検出対象物２の移動位置を算出可能であれば、どのような演算をしてもよい。

また、上記した実施の形態においては、位置センサ１が磁気センサ素子に対して平行移動する磁石部材３の移動位置を検出する構成としたが、これに限定されない。位置センサ１は、磁気センサ素子と磁石部材との相対位置を検出するものであり、例えば、磁石部材３に対して平行移動する磁気センサ素子の移動位置を検出してもよいし、磁石部材３と磁気センサ素子とが平行移動する場合の相対的な移動位置を検出してもよい。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

以上説明したように、本発明は、検出対象物の移動位置に対するセンサ出力のリニアリティの変動を抑制して、検出対象物の移動位置をより高精度に検出することができるという効果を有し、特に、検出対象物の位置を磁気的に検出する車載用の位置センサに有用である。

１ 位置センサ
２ 検出対象物
３ 磁石部材
３１ 主磁場発生部
３２ 磁場補正部
４ 磁気センサ
５ 算出ユニット
５１、５２ 増幅器
５３ 位置算出部
６ 着磁ヨーク
６１ 着磁部
６２ 巻き線
６３ 着磁面

Claims (10)

1. 直線状に交互に異極となるように等間隔で着磁された複数の磁極部によって主磁場を形成する主磁場発生部と、前記主磁場発生部の両端の磁極部に隣接し、前記主磁場を補正するように着磁された磁場補正部とを有する磁石部材と、
   前記磁石部材の表面から離間して配置され、前記主磁場の磁束密度における前記磁石部材の磁極部の並びの方向に平行な平行方向成分と前記磁石部材の表面に垂直な垂直方向成分とに応じた信号を出力する磁気センサ素子とを備え、
   前記平行方向成分に応じた信号の周期と前記垂直方向成分に応じた信号の周期とが略一致するとともに、前記平行方向成分に応じた信号の振幅と前記垂直方向成分に応じた信号の振幅とが略一致するように、前記磁石部材が着磁されており、
   前記磁気センサ素子の出力に基づいて、前記磁極部の並びの方向における前記磁石部材と前記磁気センサ素子との相対位置を検出することを特徴とする位置センサ。
2. 前記磁場補正部は、前記主磁場発生部の前記両端の磁極部に対して異極となるように着磁された一対の磁極部により、前記主磁場を補正することを特徴とする請求項１に記載の位置センサ。
3. 前記磁場補正部は、前記磁極部の並びの方向において、前記主磁場発生部の着磁ピッチよりも狭く形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置センサ。
4. 前記磁石部材は、前記磁気センサ素子に対して前記磁極部の並びの方向に移動可能であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の位置センサ。
5. 前記磁気センサ素子の出力に対する信号処理が可能な算出ユニットを有しており、
   前記磁石部材は、前記算出ユニットの信号処理によって前記平行方向成分に応じた信号の振幅と前記垂直方向成分に応じた信号の振幅とが略一致するように着磁されることを特徴とする請求項１に記載の位置センサ。
6. 前記垂直方向成分に応じた信号の振幅の正負それぞれの最大値は、前記平行方向成分に応じた信号の振幅の正負それぞれの最大値を基準とした所定の範囲に収まっていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の位置センサ。
7. 前記磁石部材は、前記主磁場発生部における隣接する異極間距離を着磁ピッチとしたとき、曲率半径が前記着磁ピッチの１／２以上１／１以下の凸面状の着磁面を有する着磁ヨークにより着磁されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の位置センサ。
8. 前記磁石部材の前記主磁場発生部は、前記磁気センサ素子に対して相対的に移動可能な範囲に対応するように配されていることを特徴とする請求項４に記載の位置センサ。
9. 磁気センサ素子に対向して配され、位置センサを構成するための磁石部材において、
   主磁場を形成するための、直線状に交互に異極となるように配された複数の磁極部を有する主磁場発生部と、
   前記主磁場発生部による主磁場を補正するための、前記主磁場発生部の両端の磁極部に対してそれぞれ異極となる一対の磁極部を有する磁場補正部とを備え、
   前記磁気センサ素子から出力される平行方向成分に応じた信号の周期と垂直方向成分に応じた信号の周期とが略一致するとともに、前記平行方向成分に応じた信号の振幅と前記垂直方向成分に応じた信号の振幅とが略一致するように、着磁されていることを特徴とする磁石部材。
10. 磁気センサ素子に対向して配され、位置センサを構成するための磁石部材の製造方法において、
    主磁場を形成するための、直線状に交互に異極となるように配された複数の磁極部を有する主磁場発生部と、前記主磁場を補正するための、前記主磁場発生部の両端の磁極部に対してそれぞれ異極となる一対の磁極部を有する磁場補正部とを、
    前記主磁場発生部における隣接する異極間距離を着磁ピッチとしたとき、曲率半径が前記着磁ピッチの１／２以上１／１以下の凸面状の着磁面を有する着磁ヨークによって、
    前記磁気センサ素子から出力される平行方向成分に応じた信号の周期と垂直方向成分に応じた信号の周期とが略一致するとともに、前記平行方向成分に応じた信号の振幅と前記垂直方向成分に応じた信号の振幅とが略一致するように着磁したことを特徴とする磁石部材の製造方法。

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