JPH0755416A - 磁気抵抗体と相補的目標を用いた位置センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 精密に検出できる磁気センサを提供する 【構成】 位置センサは第１の面に磁気抵抗回路を備
え、回路の第１の部分は第１の軸の一方の側にあり、回
路の別の部分は第１の軸の別の側にある。２つの目標ト
ラックを有する可動部材は第１の面と全般に平行な中心
軸について回転するように構成している。２つの目標ト
ラックは第１の面と全般に垂直で第１の軸と一致する第
２の面で分離されている。第１と第２の目標トラック
は、第１のトラックの磁気部分が第２のトラックの非磁
気部分と隣接して及びその反対に配置されるように相補
的に配置された複数の第１と第２の部分からなる。セン
サを通過する第１と第２の部分の運動は回路の一部の抵
抗を変え、センサに関する回転部材の位置を示す出力信
号を出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般に位置センサに関
し、特に磁気抵抗体要素の抵抗に作用する磁界歪をモニ
タすることで互いに相補関係にある２つの目標トラック
の複数の磁気及び非磁気部分の位置を感知する位置セン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】当業者の間では多くの異なる種類の位置
センサが知られている。一部の位置センサはホール効果
要素あるいは磁気抵抗体構成要素などの磁気感応性構成
要素を利用して強磁性体の存在に対応して磁界の強度や
方向の変化を感知している。1990年11月13日にウォルフ
他に発行された米国特許 4,970,463号は、回転可能に取
り付けたゼロスピードの鉄ホイール上の歯ないしノッチ
などの高透磁性物体の存在ないし欠如を感知できる鉄性
物体センサ組立体を開示している。センサ組立体は永久
磁石と磁束密度の変化の関数として変化する電気出力信
号を生成する感知面を有する磁束感応トランスデューサ
からなる。鉄センサ組立体は一部の周知の従来のセンサ
のように磁極面磁気に依存せず、代わりに向き合う磁極
面間の磁石の面から出る磁束密度の放射成分に依存して
いる。

【０００３】1991年２月12日にローレンツェンに発行さ
れた米国特許 4,992,731号は、永久磁石と回転要素の断
続的な表面形状により生じる磁界の接線成分の変化に感
応するホールセルを使用する回転速度センサシステムを
開示している。磁界の接線成分の基線値の変化により生
じる偏差を避けるため、ホールセルにより供給される差
分増幅器の出力を単一コンデンサに出力の平均電圧を貯
蔵する電圧平均化回路に接続している。

【０００４】1991年８月20日にグリエベラに発行された
米国特許 5,041,784号は、矩形の磁界歪フラックスバー
を有する磁気センサを開示している。センサは交互の磁
気電導ゾーンを有する物体の運動の位置、速度ないし方
向を、移動物体に面した磁極面とその運動方向を横切る
軸を有する永久磁石部材で測定するのに使用する。高透
磁性の鉄磁石ストリップを磁石の表面にそれに同軸に溶
融している。それは物体の運動方向を横切る幅寸法より
も大きな運動方向の長さ寸法を有する。鉄磁石ストリッ
プは、各々のセンサの領域の磁束線が物体の運動方向に
関して横断方向に向けて付勢されるようにセンサ要素の
対の領域で永久磁石部材の磁界を歪曲する。各々のセン
サの領域の磁束場は均一である。

【０００５】1978年４月25日にリカード他に発行された
米国特許 4,086,533号は回転部分の角度位置を判定する
ホール効果装置を説明している。それは軸上に配置した
ホール効果要素で対称的な回路を形成する第１と第２の
平行に配置した磁石を含んでいる。回転部分はそれぞれ
第１と第２の磁石を交互に通過するように角度的に配置
したソフト磁気材料で造られた第１と第２の要素を有
し、ホール効果要素で第１と第２の相反する方向の横断
磁界成分を生成する。これは極性を逆転した信号を生成
して回転部分の角度位置を示す。

【０００６】「磁気抵抗センサ」という論文が「サイエ
ンティフィック・ハニィウエラー」の1987年秋季号で出
されている。この論文はバハラット・Ｂ・パントにより
書かれ、特定の応用に使用するいくつかの異なるセンサ
の適応を含め、磁気抵抗センサの多くの異なる特性を記
述している。

【０００７】1992年９月29日に出願され、本出願の譲渡
人に譲渡された米国特許出願 07/952,449 号にはホール
効果要素などの磁石と２つの磁気感応性装置を備えた歯
車センサを開示している。２つの磁気感応装置は互いに
共通の面に配置し、装置の１つは他の装置よりも磁石に
近い位置に配置している。両磁気感応装置が配置された
共通面は所定の距離だけ磁石の中心軸から離されてい
る。第１と第２の磁気感応装置に垂直に課せられる磁界
強度の割合を判定する手段を設け、割合はセンサに近接
した歯と溝の間で区別するのに使用する。

【０００８】1993年３月18日に出願され、本出願の譲渡
人に譲渡された米国特許出願08/032,883号（Ｍ10-1500
0）は、互いに全般的に平行に連関した２つの目標トラ
ックからなる磁気センサを記述している。各々のトラッ
クは交互パターンで配置した磁気及び非磁気部分からな
る。第１のトラックの各々の磁気部分は第２のトラック
の非磁気部分の辺に沿って配置され、第２のトラックの
各々の磁気部分は第１のトラックの非磁気部分の辺に沿
って配置する。第１と第２の磁気感応性構成部分をそれ
ぞれ第１と第２の目標トラックに近接して配置し、磁界
源を第１と第２の磁気感応性構成部分に近接して配置す
る。第１と第２の磁気感応性構成要素に対する垂直に課
せられる磁界の歪を用いてそれから第１と第２の出力信
号を出す。第１と第２の出力信号の関数の第３の出力信
号を用いて第１と第２の磁気感応性構成部分に関する第
１と第２の目標トラックの位置を判定する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】多くの種類の位置セン
サでは、判定を行う前に回転部材を動かす必要なしに回
転部材の歯や溝などのような２つの異なる部分間の区別
が可能であることが重要である。これは目標の運動の前
にその位置を感知するパワーアップ認識能力と呼ばれ
る。例えば歯と溝を有する歯車を位置センサでモニタす
る場合、歯車を回転する必要なしに歯ないし溝がセンサ
に隣接して配置されているかどうかをセンサが判定でき
れば非常に有用である。本発明はそれを実現することを
課題とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明により作製される
位置センサは、第１の面に配置され、それぞれ第１の軸
の第１と第２の側に位置する第１と第２の磁気抵抗構成
部分からなる。センサは更に第１と第２の目標トラック
を有する可動部材を有する。各々の第１と第２の目標ト
ラックは複数の第１の部分と複数の第２の部分からな
り、一方の目標トラックの第１の部分の各々は他の目標
トラックの第２の部分の１つに隣接して配置される。第
１の目標トラックは第２の面の第１の側に配置され、第
２の目標トラックは第２の面の第２の側に配置され、第
１の軸は第１と第２の面の交差位置に配置される。本発
明の実施例は更に、第１と第２の磁気抵抗要素の相対的
な抵抗の関数である第１の信号を提供する手段を有す
る。第１の信号は可動部材の位置を示す。

【００１１】本発明の最も好ましい実施例では、磁気抵
抗構成要素はパーマロイなどのニッケル鉄合金からでき
た磁気感応性要素からなる。第１、２、３、４の磁気感
応性要素をホィートストン・ブリッジ構成で配置して抵
抗の変化を感知することができる。本発明の最も好まし
い実施例では、第１と第３の磁気感応性要素を第１と第
２の回路地点間で電気的に直列に接続する。第２の第４
の磁気感応性要素は第１と第２の回路地点間で電気的に
直列に接続し、第１と第３の磁気感応性要素は第２と第
４の磁気感応性要素と電気的に並列に接続する。第１の
面に平行で全般的に第２の面に対して垂直な中心軸に対
して可動部材が回転すると、目標トラックの第１と第２
の部分は第１と第２の磁気抵抗構成要素に近接して順次
に移動し、永久磁石によりそれらに形成された磁界に影
響を与える。この磁界の形の変化は構成要素の抵抗を変
え、ホィートストン・ブリッジ構成での２つの選択地点
間で電圧差を感知することができる。第１と第２の目標
トラックのような相補的目標を使用することで、磁気材
料を第１と第２の磁気抵抗構成要素の一方の側の位置に
移動させ、同時に別の磁気部材を構成要素の反対側の位
置から離れさせることで装置の作動が容易になる。

【００１２】

【実施例】以下の実施例の説明で類似構成部分は類似の
参照数字で示す。図１は２つの目標トラック12、14を有
する回転部材10を示したものである。２つの目標トラッ
クは互いに対して相補的で１つのトラックの各々の歯は
他のトラックの溝に近接して配置されている。例えば第
２の目標トラック14の歯16は第１の目標トラック12の溝
17に近接しており、第１の目標トラック12の歯18は第２
の目標トラック14の溝19に近接している。この種の構成
の利点は後に詳しく述べる。

【００１３】図１には更にセラミック基板上に取り付け
たシリコン基板上に配置した４つの磁気抵抗要素に近接
して永久磁石20が配置されている。本発明の実施例では
磁気抵抗体をシリコン基板上に配置しているが、本発明
の別の実施例では磁気抵抗体を別の非伝導面上に配置で
きることに留意する。目標トラックが軸26の回りを回転
すると、歯と溝はセラミック基板22上の磁気抵抗体44を
順次に通過して移動する。目標トラックの相補的構成故
に、歯が磁気抵抗体44の一方の側に配置されていると
き、溝は反対側に配置され、またその逆の状態になる。

【００１４】図２は回転部材10の側面図である。図から
分かるように、回転軸26は図２の面に垂直になってい
る。２つの目標トラック12、14の相補的な関係から、第
２の目標トラック14の歯は第１の目標トラック12の溝と
整合している。例えば第１の目標トラック12内の歯30、
32の間には、歯30、32の間隙を通して歯34が見られる。
同様に第１の目標トラック12の歯32は第２の目標トラッ
ク14の歯34、36の間の溝に隣接して配置されている。点
線40は２つの目標トラック12、14の間に配置するスペー
サの位置を示している。本発明の実施例では移動可能な
磁気歯から事前に選択した距離に磁気抵抗体を配置する
ためにスペーサを組み込んでいるが、スペーサの使用は
オプション的なもので本発明の全ての実施例で必要では
ないことを理解すべきである。

【００１５】図３は図２の端面図で、永久磁石20、セラ
ミック基板22、磁気抵抗体44を追加している。図３で、
第１の目標トラック12と第２の目標トラック14は中心軸
26の回りを回転し、交互に溝が磁気抵抗体44の一方の側
にあるときに歯が反対側に来るように構成されている。
目標トラックの歯と溝は磁気抵抗体44の反対側に順次に
配置される。

【００１６】磁気抵抗体と目標トラックの歯と溝の間の
相互作用を更に例示するため、図４に円形パターンの代
わりに線形に展開した２つの目標トラック12、14を例示
している。矢印Ａ，Ｂは磁気抵抗体44とセラミック基板
22に対する目標トラックの走行方向を示している。図３
と図４の一貫性を保つため、磁気抵抗体44を点線で示し
てセラミック基板22の下側で第１と第２の目標トラック
12、14に面するように配置している。簡明にするため、
永久磁石20は図４で示していない。

【００１７】図４では、参照数字50を用いて目標トラッ
クの磁気歯を示し、参照数字52を用いて目標トラックの
歯50の間の溝を示している。目標トラックが図４に示す
位置にあるとき、磁気抵抗体44の左側には歯50があり、
溝52は右側に示されている。２つの目標トラック12、14
が矢印Ａ，Ｂで示す方向に縦並びに動くと、磁気抵抗体
44の右側で歯50が溝52に取って代わり、左側で溝52が歯
50に取って代わる。図４で矢印で示す方向に目標トラッ
クが継続的に動くと、磁気抵抗体44には右側では溝５２
に歯５０がとって変わり、左側では歯５０に溝５２がと
って変わる。

【００１８】本発明の原理を更に説明するため、図５
Ａ，Ｂ，Ｃに例示的な永久磁石20と歯50により生じる磁
束線の方向に対する影響を示す。図５Ｂ，Ｃでは歯50を
概略的に長方形の箱で示し、完全な目標トラックに取り
付けて示していないことに留意する。磁束線60は永久磁
石20により生じた磁界を示しているものとする。図５
Ａ、Ｂ、Ｃの目的は、参照数字50で示すような磁性体の
永久磁石20の磁界の方向に対する作用を示し、特に第１
の面70内の磁界に対する作用を示すことである。図５Ａ
は永久磁石20が外部磁性体により作用を受けない一般的
な形のその磁界60を有する永久磁石20を示したものであ
る。図５Ａは図５Ｂ、Ｃと共に示して磁界の磁束線の方
向に対する作用を比較して見ることができるようにして
いる。

【００１９】図５Ｂは永久磁石20に近接した歯50などの
磁性体により引き起こされた磁界60に対する効果を示し
ている。図から分かるように永久磁石20の左側の線62は
歯50の存在によりわずかに影響を受け、その結果、図５
Ｂでは図５Ａの同様の場所の磁束線よりもわずかにより
垂直になっている。一方、図５Ｂの永久磁石20の右側の
磁束線64は永久磁石20に近い部分で、磁気部材即ち50に
よりかなり影響を受けている。

【００２０】図５Ｃは図５Ｂに示す状況とは反対の状況
を例示している。永久磁石20の左側に磁性体即ち歯50が
あり、右側には磁性体がない状態で、磁束線62は磁性体
によりかなり変形し、永久磁石20の右側の磁束線64はわ
ずかに変形して、図５Ｃでは図５Ａの対応する磁束線よ
りもより垂直になっている。

【００２１】図５Ｂ、Ｃから磁性体が存在することで永
久磁石の磁界の方向を歪め、その結果、第１の面70内の
磁界の成分の大きさと方向を変更することが分かる。磁
界の変形と第１の面70で測定した磁界強度の対応する変
化を利用して、磁性体の存在の検出と磁気抵抗体のホィ
ートストン・ブリッジ構成の第１ないし第２の側の磁性
体の位置の識別を行うことができる。

【００２２】図６Ａ、６Ｂ、７、８は磁気抵抗体をいく
つかの異なる状態下で配置した第１の面での磁界を示し
たものである。図６Ａ、６Ｂ、７、８で、複数の矢印は
第１の面70内で永久磁石20により与えられる磁界の方向
と強度を示している。言い替えれば長い矢印は短い矢印
よりも第１の面70内で強い磁界成分を示し、全ての矢印
の方向はそれらの選択された位置での磁界の方向を示し
ている。参照数字81は第１、第２の目標トラックの走行
方向に平行な軸を示している。第１の軸81は２つの対の
磁気抵抗体の間にある。第１の軸81は更に磁気抵抗体も
配置されている第１の面内にある。それらの構成を以下
に詳細に説明する。

【００２３】図５Ａと図６Ａで、図６Ａの矢印は磁性体
ないし歯が永久磁石20に近接していない場合の第１の面
70内の磁界成分の大きさと方向を示すことに留意する。
図６Ａから分かるように、磁界強度は第１の軸81に近い
地点よりも第１の軸81からより離れた地点でわずかに大
きくなる。第１の面70内での磁界強度にこの差がある理
由は、第１の軸81近くで第１の面70を通して延長してい
る磁束線は、第１の軸81からより離れた場所で第１の面
70を通して延長しているものよりもより垂直であるから
である。磁束線の角度のこの変化により、第１の面70内
の磁界の成分は増大する。更に図６Ａで、各々の代表的
な矢印の大きさと方向は第１の軸81に付いて対称的であ
ることが分かる。

【００２４】図５Ｂ、６Ｂで、図６Ｂの矢印は図６Ａの
ものと少し異なることが分かる。この磁界の変形は永久
磁石20に近接して歯50が存在することにより生じる。図
６Ｂは永久磁石20の右側を広幅歯が走行し、左側を広幅
溝が走行した解析シミュレーションを示したものであ
る。

【００２５】図６Ａ、６Ｂで、第１の軸81の右側の磁界
強度成分は図６Ａのものよりも図６Ｂで増大しているこ
とが分かる。これは第１の面70に対する磁束線の垂直度
を減少させる図６Ｂの装置の右側に配置された幅広歯に
よる磁界の変形により生じる。図６Ａ、６Ｂの２つの側
の例示により、図６Ｂの矢印の一部はそれらの領域での
磁束線が垂直になるので長さがかなり減少していること
が分かる。第１の軸81の左側の一部の矢印は方向が逆転
し、図６Ａでは第１の軸81から外側へ向いているのに対
して図６Ｂでは第１の軸81の方向に向いている。一定の
状況では、歯50の作用は第１の軸81の左側の磁束線をわ
ずかに非垂直左向きからわずかに非垂直右向きに変えて
いる。この作用は図６Ｂに見ることができる。

【００２６】図７は狭幅溝が第１の軸81の左側にあると
きに狭幅歯が右側にあるときの作用を示すものである。
歯や溝は本発明のような装置と関連して使用できる多く
の異なる形状の１つでしかないことに留意する。歯は狭
くすることも広くすることもでき、対応する溝も狭くす
ることも広くすることもできる。広幅歯はそれを構成す
る磁性材料の量が多い故に狭幅歯よりも磁界の歪曲に対
する作用が大きいと判定される。

【００２７】図８は可動物体が、歯が線 160の一方の側
で第１の軸81近くから離れ、他の歯が第１の面70の他方
の側で第１の軸81へ近接するようにする場合の移行中の
２つの異なる歯と溝の組合せによる第１の面70の磁界に
対する作用を例示したものである。図８で２つの歯50は
矢印で示した第１の軸81に対して平行な方向に移動して
いる。第１の軸81の右側では、図の下部の矢印は図の上
部のものよりも長いことが分かる。これは磁性体即ち歯
50の引力と磁束線が第１の面70を通して延長する場合の
その角度の変化により生じる。同様の影響は図８の左の
上部でも見ることができる。図６Ａ、６Ｂ、７、８で第
１の面70の磁界の成分は歯50などの磁性体により影響さ
れ、それは第１の面70の様々な場所での磁界強度の測定
可能な歪を生じる。

【００２８】図９に永久磁石20と、セラミック基板22
と、その間に配置されたスペーサ77を示す。磁気抵抗体
44（図７では図示せず）を配置するセラミック基板22の
表面は点線70で示し、第１の面として上述した。地点81
で示す第１の軸は図９の面に対して垂直で第１の面70内
にある。第２の面82は２つの目標トラック12、14の間に
延びており、全般に第１の面70に対して垂直となってい
る。本発明の構成の説明のため、第１の軸81は第１と第
２の面70、82の間の交点と一致している。更に回転中心
軸26は一般に第１の面70と平行になっていることが分か
る。

【００２９】図９では図５Ａ、５Ｂ、５Ｃと比較して、
スペーサ77の厚さは永久磁石20の磁極面と第１の面70の
間の距離を変えるので第１の面70の磁束線の大きさに影
響を与えることが分かる。スペーサ77の厚さは第１の面
70での磁界成分の所望の強さを判定するため、本発明の
特定の応用のために特定的に選択することができる。ス
ペーサ77は本発明の特定の実施例では有用であるが、本
発明の全ての可能な構成で必ず必要なものではないこと
を明確に理解すべきである。

【００３０】図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ及び図９を引続き参照
して、磁気抵抗体44の一方ないし他方を歯50が通過する
ことで第１の面70を通過して延長し磁気抵抗体44に作用
する磁束線の方向に影響を与えることが分かる。歯が第
２の面82のどちら側で磁気抵抗体44に近接しているかに
より、磁界はその存在により歪み、磁界のその歪みは各
々の磁気抵抗体44の抵抗の変化により感知することがで
きる。上記に詳述したように、本発明で感知した作用は
第１の面70で測定した磁界強度の変化に対応する。第１
の面₇0でのこの磁界強度の変化は磁束線と第１の面の間
の角度関係の変化により生じる。磁束線と第１の面の間
の角度関係をより垂直でないようにした場合、第１の面
での磁界成分は増大し、逆に磁束線を第１の面70に関し
てより垂直になるようにした場合、第１の面70でのそれ
らの成分は減少する。

【００３１】本発明の１つの特定の実施例を説明するた
め、図１０にホイートストン・ブリッジ構成の抵抗器の
よく知られた構成を例示する。ブリッジ間に電圧Ｖｓを
与えて第１の電圧Ｖ1と第２の電圧Ｖ2の間の出力電圧差
を測定する。抵器ＲA、ＲDを磁界などの刺激で同様に作
用を受けるように連関させ、抵抗器ＲB、ＲCを磁界など
の刺激で同様に作用を受けるように連関させと、４つの
抵抗器に対する合計作用は容易に測定することができ
る。抵抗器ＲA、ＲDを第１の軸81の一方の側に配置し、
抵抗器ＲB、ＲCを第１の軸81の第２の側に配置すると、
それらは磁気抵抗体の左側と右側の位置を通した歯と溝
の順次の運動により相反的に影響を受ける。図５Ａ、５
Ｂ、５Ｃに関して上述した磁界の歪みによって、図１０
の各々の抵抗器の抵抗の変化を感知することができる。
図１０のホィートストン・ブリッジ構成で第１の電圧Ｖ
1が第２の電圧Ｖ2と等しく平衡であれば、抵抗器の抵抗
の変化は抵抗器ＲA、ＲD間の電圧を上昇し、同様に抵抗
器ＲB、ＲC間の電圧を下げ、あるいはその逆になる。各
々の抵抗器が増加するように変化すると、第１の電圧Ｖ
1と第２の電圧Ｖ2間の電圧の変化は、図８に示す４つの
抵抗器のいずれかの元の抵抗値に対する増分抵抗変化と
同一割合で供給電圧Ｖｓのパーセントとして変化する。

【００３２】本発明の範囲内では抵抗器の多くの別の構
成が可能であることに留意する。例えば抵抗器ＲA、ＲD
を磁気抵抗体とし、抵抗器ＲB、ＲCを一定値の抵抗器と
することができる。代わりに図１０の全ての抵抗器を上
述のように磁気抵抗体とすることができる。

【００３３】図１１は本発明の別の構成を示し、２つの
磁気抵抗体ＲA、ＲBを第１の軸81の対向する側に配置
し、図１１に示すように電気的に並列に接続する。２つ
の一定電流源Ａ1，Ａ2を図示するように設け、第１の電
圧Ｖ1と第２の電圧Ｖ2を測定して２つの磁気抵抗体の抵
抗の変化を判定することができる。

【００３４】本発明の１つの実施例を説明するため、図
１０のホィートストン・ブリッジ構成を図１２に示す特
定のチップの抵抗の物理的なレイアウトと共に説明す
る。図１２に示す抵抗器は一般に蛇行した入れ子式関係
で配置されている。図１２で、４つの磁気抵抗体はそれ
ぞれ複数のバーからなる。４つの磁気抵抗体の各々を識
別するため、それらの各々の垂直バーを共に接続する導
電パッドを関連磁気抵抗体を示す文字で示す。図１０、
１２を参照して、抵抗器ＲA は、同様に識別される抵抗
器に対するその接続を示すためにＲA として識別される
複数の導電パッドに相互接続された様々な大きさの複数
の垂直平行バーからなり、図１２の導電体 102と導電体
104間で接続された蛇行パターンを形成している。従っ
て抵抗器ＲA は図１２のセラミック基板上の接続パッド
として識別される図１０回路地点90と回路地点93の間で
接続されている。抵抗器ＲA は、一方でパッドＲD に接
続された垂直バーからなり、パッド 106とパッド 108の
間で接続された抵抗器ＲD と入れ子とされている。本発
明のこの特定の実施例では、図１２に示す回路は２つの
ジャンパ接続を用いて実施することを意図している。１
つのジャンパ接続はパッド 106とパッド 112間の点線91
で示し、他方のジャンパ接続はパッド 108とパッド 114
の間の点線92で示す。ジャンパ接続91、92は同一参照数
字で識別される図１０の回路地点に対応する。図１０と
１１の参照数字と文字を比較することで、回路地点90で
電圧が提供され、パッド 108、 114は電気的に大地に接
続されていることが分かる。更にジャンパ接続91は抵抗
器ＲB、ＲC間で接続され、回路地点93は抵抗器ＲA、ＲD
間で接続されていることが分かる。

【００３５】更に図１２で、抵抗器の蛇行入れ子式の目
的は永久磁石20から放射する磁界の形から生じるセラミ
ック基板の面での異なる磁界強度に対応するためであ
る。磁石の磁極面は図１２に示す基板の真下にあり、磁
界は抵抗器の面を通して上向きに延長しているため、第
１の軸81に最も近い領域の磁界強度は第１の軸81から離
れた地点での磁界強度よりも通常少なくなる。この作用
は図６−８に見ることができる。抵抗器の面での磁界強
度のこの予測される差違に対応するため、第１の軸81に
最も近い抵抗器部分の幅は第１の軸81から離れた同じ抵
抗器部分の幅よりも大きくなっている。抵抗器対を入れ
子式にしているのは、抵抗器の各々の対の１つに対する
磁気作用をそれらの２つの対の他方に対する磁気作用と
できるだけ同一にしようとするためである。言い替えれ
ば図１０に示すホィートストン・ブリッジ構成は抵抗器
ＲA、ＲDを入れ子にしてそれらがそれぞれ磁界により一
般に同様の磁気作用を経験するようにした場合に最も予
測可能に作動する。

【００３６】図１２で、図７に示す第１の面70は一般に
図１２の４つの磁気抵抗器ＲA、ＲD、ＲB、ＲCと同一平
面になっている。図１２には更に第１の軸81も示されて
いる。第２の面82は図１２に対して垂直であり、第１の
軸81は第１、第２の両面内にある。

【００３７】図１３に当業者にはよく知られた概念を例
示する。図１３の矢印Ｂが地点 128の第１の面70を通過
する磁界の方向と大きさを示すとすれば、第１の面70の
磁界成分の有効磁界強度は矢印Ｘで示される。その磁界
を矢印Ｂ’で示すように方向を変えると、第１の面70で
の有効磁界成分は矢印Ｘ’で示すように増大する（ここ
でＸ’は第１の面70内で地点 128から地点 130に延長し
ている）。図１３から分かるように、磁束線の垂直度の
減少により第１の面70での有効成分は増大し、それに対
して磁束線の垂直度の増大により第１の面70でのその成
分を削減することになる。これが矢印Ｂ’と矢印Ｂが一
般に互いに等しいにも関わらず矢印Ｘ’が矢印Ｘよりも
長くなる理由である。歯50などの磁性体が第２の面82の
一方の側を通過すると、その面の側の磁気抵抗体は第１
の面70での、図１２に示すようにそれらの合計長さの線
分に対して一般に垂直な磁界強度の増大を経験する。図
１２、１３で、磁性体が抵抗器ＲB、ＲCを通過し、抵抗
器ＲA、ＲDを通過しない場合、図１２の第１の軸81の右
側の２つの抵抗器は図１３に示す作用を経験し、第１の
軸81の左側の２つの抵抗器はその作用をはるかに少ない
度合で経験する。抵抗器ＲB、ＲCの抵抗はある増分値で
削減される。図１０に示すようにブリッジ構成故に抵抗
器ＲB 、ＲC の抵抗の減少は第１の電圧Ｖ1 を低下さ
せ、第２の電圧Ｖ₂ を上昇させる。ブリッジの２つの感
知地点の間のこの差電圧の増大は、セラミック基板の右
側に磁性体が存在し、磁気基板の左側に磁性体がないこ
とを反映する。

【００３８】図１４は磁気抵抗体 120の抵抗のその磁化
容易軸を横切る方向の磁界強度ＨTの関数としてのグラ
フ表示である。上述のような応用では、磁気抵抗体 120
を流れる電流Ｉは磁化容易軸と一般に平行な方向に流
れ、横断磁界による抵抗に対する作用を図１４を例示す
る。磁界強度はガウスで測定し、図１４に示す曲線族は
磁気抵抗体 120の様々な異なる幅Ｗを示す。図から分か
るように、磁気抵抗体 120の抵抗は磁気抵抗体 120を横
切る磁界ＨT の強度が増大すると共に、その最大値ＲMA
Xから最大値の約98％の値まで減少する。

【００３９】図１５に磁気抵抗体 120の抵抗と外部磁界
ＨE の方向の間の関係を示す。図１５に示す曲線族は外
部磁界ＨE と磁気抵抗体 120の軸間の様々な角度を示し
ている。磁界ＨE が磁気抵抗体 120を流れる電流の方向
と一般に整合したとき、磁気抵抗体 120はその抵抗の大
きさが最大になる。角度ｑが増大すると、磁気抵抗体12
0の抵抗はその最大値ＲMAX からその最大値の約98％の
値まで減少する。大きさと磁界の有効角度の両方での変
化に対応した磁気抵抗体の抵抗のこの変化により、ホィ
ートストン・ブリッジでの磁気抵抗体の抵抗の変化を感
知することで磁界の大きさと方向をモニタすることが可
能になる。

【００４０】図１６に本発明の１実施例の経験的なテス
トを示す。図１６では２本の曲線140、144が示されてい
る。一方の曲線 140は相補的に構成した複数の歯と溝を
有する目標の回転により生じたミリボルトで測定したセ
ンサブリッジ出力に対する作用を示す。回転可能部材が
その回転軸の回りを移動すると、本発明ではその第１の
軸81の一方の側で磁気歯に晒され、次にその第１の軸の
対向する側で歯に晒された。図１６の正と負の電圧の大
きさを使用しているのは相対的なもので、歯と正の位置
と見なされる溝の構成に依存することに留意する。図１
４に示す重要な側面はゼロクロスは相対的に一貫してお
り、第１の面70と磁気歯の間の間隙に依存しないという
ことである。例えば図１６の曲線 140は 0.020インチの
間隙で得られた結果を示し、曲線 144は 0.080インチの
間隙で得られた結果を示している。間隙は図９で参照文
字Ｇで定義されている。図１４で更に分かるように、本
発明はパワーアップ認識能力として当業者に知られてい
る特性を示す装置を提供する。これは磁気抵抗体のホィ
ートストンブリッジからの出力信号の極性が、可動物体
を移動する必要なしに可動物体の位置の表示を直ちに行
うという事実で示されている。言い替えればブリッジか
らの出力信号の極性をモニタすることで、関連回路は直
ちに、歯がブリッジの左側にあり溝が右側にある、ある
いは代わりに歯がブリッジの右側にあり、溝が左側にあ
るかを判定することができる。

【００４１】更に図１６で、０度と12度の間の領域に示
す情報は、第２の目標トラック14の歯が磁気抵抗体に近
接し、第１の目標トラック12の間隙ないし溝が磁気抵抗
体に近接したときの回転部分を示す。これにより抵抗器
ＲA、ＲDは、図１３に関連して上述した作用故に抵抗の
増大を経験した。点線 150で示した約12度の回転では、
図６Ａ、６Ｂ、７、８及び１２で第１の目標トラック12
の立上がりとして示した線 160を通過する第２の目標ト
ラック14の歯の立下がりは線 160の位置に移動した。同
様に図１４で点線 155として示した約15度の回転では、
相反する状況が生じ、第２の目標トラック14の歯の立上
がりは線 160に移動し、第１の目標トラック12の歯の立
下がりは線 160を過ぎて移動した。ここで分かるように
それらのゼロクロス位置により本発明では両目標トラッ
クの全ての歯と溝の立上がり、立下がりの正確な場所を
正確に限定することができる。これにより回転部材の位
置の非常に正確な判定が可能になり、この判定を部材の
回転を必要とせずに行うことができる。

【００４２】更に図１６で、両曲線140、144は正の電圧
方向にわずかにオフセットしていることが分かる。言い
替えれば正の方向の曲線 140のピークは同曲線の負の方
向のピークよりも絶対値が大きい。当業者にはよく知ら
れているように、この状況は回路要素トリム動作で容易
に補償することができる。

【００４３】ホール効果要素構成や複数磁石手法などの
他の手法を使用することが図１６に示す有益な作用を持
つことを示していない。本発明で検出する非常に正確な
ゼロクロス位置は、目標トラックの歯と磁気抵抗体を配
置する第１の面の間の間隙Ｇの変化に対して一般に不感
度を示す。これは装置の製造や組立での変化により生じ
る振れの存在故に多くの異なる種類の応用で非常に重要
である。例えば本発明を自動車の応用に使用して自動車
エンジンの特定のシャフトの回転位置を判定する場合、
磁気抵抗体と相補的な目標トラックからなる回転物体の
間の正確な距離は第１の自動車での１つの組立から第２
の自動車での第２の組立で変化する可能性があり、更に
重要なことに、不完全な製造あるいは組立手順故に間隙
Ｇが１つの回転位置から別のものへ変化することがあ
る。両曲線140、144に対する図１４の一貫したゼロクロ
スにより示した間隙Ｇのこの種の変化に対する本発明の
相対的な不感度故に、本発明では当業者には長年よく知
られた有益な問題解決法を提供する。

【００４４】図１６で、図の上部のグラフ表示はセンサ
からのディジタルないしバイナリ出力信号を出すのに使
用することができる。言い替えれば曲線140ないし144が
正であれば、出力信号は正になり、それらの曲線が負の
場合は、信号は出されない。図１６の下部はこの概念を
例示している。12度と15度の間では、曲線140、144は正
である。この特性を示すため、図の上部の曲線が正の期
間中、方形波 157を出すことができる。図１６の下部に
示す方形波 157は図１６の上部の信号の代数符号に対応
する。バイナリ出力を出す方法は多くの異なるものがあ
るが、図１７に１つの適切な回路を示す。磁気抵抗体Ｒ
A、ＲB、ＲC、ＲDは図１０に示すものと同様な構成のホ
ィートストン・ブリッジで構成されている。回路地点9
1、93からの出力は増幅器 175に対して接続されてい
る。比較器 175からの出力はシュミット・トリガ 177に
接続されている。回路地点 179のシュミット・トリガか
らの出力は、図１６で参照数字 157で示したものと同様
の信号を示す。

【００４５】本発明の実施例を説明するため、本発明を
かなり詳細に説明し、特定の特異性を例示したが、別の
実施例もその範囲内にあることを留意する。例えば図１
２に示す磁気抵抗体の特定のネスト化パターンは特定の
利点をもたらすが、別の構成も本発明を使用する際に可
能である。更に図８にホィートストン・ブリッジ構成を
例示し、本発明の実施例の作動を説明するために使用し
たが、本発明と共に別の電気回路を使用することもでき
る。更に目標トラック12、14を図面で歯と間隙を為す溝
を有して示しているが、目標トラックの別の構成では回
転可能シリンダあるいは線形トラックを磁気材料で形成
した開口部と共に組み込むこともできる。代わりに非磁
気円筒物体をその外面の磁気インサートと共に設けるこ
ともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の１つの実施例の斜視図である。

【図２】 本発明の第１と第２の目標トラックの側面図
である。

【図３】 磁石、基板、複数の磁気抵抗体を加えた図２
の端面図である。

【図４】 磁気抵抗体と第１と第２の目標トラックの関
係を示す図である。

【図５】 磁石と磁石の１つの部分の近傍の磁気物体の
存在ないし欠如に関したその磁界の形を示した概略図で
ある。

【図６】 磁気抵抗体のすぐ近くに磁気物体がない場合
の第１の面の磁界の方向と強度を示す概略図（Ａ）と、
装置の一方近くに広幅磁気歯が配置された磁界の方向と
強度を示す概略図（Ｂ）ある。

【図７】 狭幅磁気歯が磁気抵抗体ブリッジの一方近く
にあり、狭幅溝が反対が近くにあることを除き図６Ａと
一般に類似の概略図である。

【図８】 磁気歯が図の右下部近くにあり、別の磁気歯
が図の左上部近くにあることを除き図６Ａと一般に類似
の概略図である。

【図９】 ２つの目標トラックと物理的な関係で配置し
た本発明の磁石、スペーサ、セラミック基板、第１の面
を示す。

【図１０】 本発明と関連して使用できる別の回路を示
す。

【図１１】 本発明と関連して使用できるさらに別の回
路を示す。

【図１２】 セラミック基板の４つの磁気抵抗体の物理
的レイアウトの実施例である。

【図１３】 面を通して広がっている磁界の方向の変化
により生じるその面での磁界強度の幾何学的影響を示す
図である。

【図１４】 横断磁界の強度に対応した磁気抵抗体の抵
抗を示すグラフである。

【図１５】 外部磁界と磁気抵抗体の軸の間の角度関係
に対応した磁気抵抗体の抵抗を示すグラフである。

【図１６】 本発明を歯と溝の運動の感知に適用した場
合の経験的な結果を示すグラフである。

【図１７】 図１６の底部に示すようなバイナリ信号を
提供するため使用できる例示的な回路を示す図である。

【符号の説明】 １０…回転部材、１２、１４…目標トラック、１６、１
８…歯、１７、１９…溝、２０…永久磁石、２２…セラ
ミック基板、４４…磁気抵抗体。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の面内の第１の軸の第１の側に配置
   した第１の磁気抵抗構成部分と、 前記第１の面内の第１の軸の第２の側に配置した第２の
   磁気抵抗構成部分と、 第１と第２の目標トラックを有し、その第１と第２の目
   標トラックの各々は複数の第１の部分と複数の第２の部
   分からなり、前記第１の目標トラックの前記第１の部分
   の各々は前記第２の目標トラックの前記第２の部分の１
   つと隣接して配置され、前記第１の目標トラックの前記
   第２の部分の各々は前記第２の目標トラックの前記第１
   の部分の１つと隣接して配置され、前記第１の目標トラ
   ックは第２の面の第１の側に配置され、前記第２の目標
   トラックは前記第２の面の第２の側に配置され、上記中
   前記第１の軸が前記第１の面と第２の面との交差位置と
   なっている可動物体と、 第１と第２の磁気抵抗要素の相対的抵抗の関数であり、
   前記可動部材の位置を示す第１の信号を供給する手段
   と、を有する位置センサ。
2. 【請求項２】 更に前記第１の面に近接して配置した磁
   石を設け、前記第１の面がその磁石と前記可動部材の間
   にくるようにした請求項１のセンサ。
3. 【請求項３】 第１の面に第１、２、３、４の磁気抵抗
   体とを配置し、前記第１と第３の磁気抵抗体とを第１と
   第２の回路地点間で直列に接続し、前記第２と第４の磁
   気抵抗体とを前記第１と第２の回路地点間で電気的に直
   列に接続し、前記第１と第３の磁気抵抗体は前記第２と
   第４の磁気抵抗体と電気的に並列関係で接続され、前記
   第１と第２の磁気抵抗体は前記第１の回路地点で接続
   し、前記第１と第４の磁気抵抗体は前記第１の面内の第
   １の軸の第１の側に配置し、前記第２と第３の磁気抵抗
   体は前記第１の面内の前記第１の軸の第２の側に配置
   し、 可動部材は第１と第２の目標トラックを有し、その第１
   と第２の目標トラックの各々は複数の第１の部分と複数
   の第２の部分からなり、前記第１の目標トラックの前記
   第１の部分の各々は前記第２の目標トラックの前記第２
   の部分の１つと隣接して配置され、前記第１の目標トラ
   ックの前記第２の部分の各々は前記第２の目標トラック
   の前記第１の部分の１つと隣接して配置され、前記第１
   の目標トラックは第２の面の第１の側に配置され、前記
   第２の目標トラックは前記第２の面の第２の側に配置さ
   れ、前記第１の軸が前記第１と第２の交差位置に形成さ
   れていて、 第１と第３の磁気抵抗体間の第１の電圧ポテンシャルと
   第２と第４の磁気抵抗体間の第２の電圧ポテンシャルの
   関数であり、前記可動部材の位置を示す第１の信号を供
   給する手段を備えた位置センサ。
4. 【請求項４】 更に前記第１の面に近接して配置した磁
   石を有し、そのだい１の面が前記磁石と前記可動部材の
   間にくる請求項３のセンサ。
5. 【請求項５】 第１、２、３、４の磁気感応性要素を第
   １の面に配置し、その第１と第４の磁気感応性要素をそ
   の第１の面の第１の軸の第１の側に、第２と第３の磁気
   感応性要素を第１の面の前記第１の軸の第２の側に配置
   し、 第１と第２の目標トラックを有し、前記第１と第２の目
   標トラックの各々は複数の第１の部分と複数の第２の部
   分からなり、前記第１の目標トラックの前記第１の部分
   の各々は前記第２の目標トラックの前記第２の部分の１
   つと隣接して配置され、前記第１の目標トラックの前記
   第２の部分の各々は前記第２の目標トラックの前記第１
   の部分の１つと隣接して配置され、前記第１の目標トラ
   ックは第２の面の第１の側に配置され、前記第２の目標
   トラックは前記第２の面の第２の側に配置される可動部
   材を、前記第１の軸が前記第１と第２の面内に配置され
   るように配置し、 第１と第３の磁気感応性要素と関連し第１の電圧ポテン
   シャルと第２と第４の磁気感応性要素と関連した第２の
   電圧ポテンシャルの関数であり、前記可動部材の位置を
   示す第１の信号を供給する手段を備えた位置センサ。
6. 【請求項６】 更に前記第１の面に近接して配置した磁
   石を設け、その第１の面を前記磁石と前記可動部材の間
   に来るようにした請求項５のセンサ。
7. 【請求項７】 第１と第４の磁気感応性要素が第１の軸
   の第１の側に、第２と第３の磁気感応性要素が前記第１
   の軸の第２の側にくるように第１の面に配置した第１、
   ２、３、４の磁気感応性要素と、 第１と第２の目標トラックを有し、前記第１と第２の目
   標トラックの各々は複数の第１の部分と複数の第２の部
   分からなり、前記第１の目標トラックの前記第１の部分
   の各々は前記第２の目標トラックの前記第２の部分の１
   つと隣接して配置され、前記第１の目標トラックの前記
   第２の部分の各々は前記第２の目標トラックの前記第１
   の部分の１つと隣接して配置され、前記第１の目標トラ
   ックは第２の面の第１の側に配置され、前記第２の目標
   トラックは前記第２の面の第２の側に配置され、前記第
   １の軸が前記第１と第２の面内に配置されている可動部
   材と、 前記可動部材の位置を示す第１の信号を提供する手段と
   を有するセンサ。
8. 【請求項８】 更に前記第１、２、３、４の磁気感応性
   要素に近接して配置した永久磁石を設け、その永久磁石
   が前記第１の面を通過して延長する磁界を形成する請求
   項７のセンサ。