JPH08508105A - 磁気抵抗素子を利用したセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 近接センサを、共通の平面内に配置され、永久磁石の側面から離間された２つの磁気抵抗素子で構成する。磁気抵抗素子の共通の検出平面は、永久磁石のＮ極とＳ極の間に延びるその磁石の磁軸とほぼ平行な方向に形成される。あらかじめ選択した磁極面を基準として検出ゾーンが画定され、上記磁気抵抗素子は第１及び第２の信号を発生し、これらの信号を比較することによって、検出ゾーン内の透磁性物体の有無を表す第３の信号を形成することができる。上記磁気抵抗素子は、各々、上記第１及び第２の信号を発生するためのホィーストン・ブリッジの形に配列された複数の磁気抵抗器で構成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気抵抗素子を利用したセンサ 発明の背景 発明の分野 本発明は、一般に、近接センサに関し、より詳しくは磁気抵抗素子を用いて、 永久磁石の一方の磁極の近傍における所定の画定された検出ゾーンの内の透磁性 材料の有無を決定するためのセンサに関する。 従来技術の説明 当業者には、種々異なる形態の近接センサが周知である。これらのセンサの一 部には、永久磁石を用いて、センサに対して所定の検出ゾーン内の透磁性物体の 有無を検出するものがある。また、この種のセンサの中には、永久磁石と共に、 永久磁石に対し特定の位置に配置されたホール素子を利用するものや、他のセン サが永久磁石に対して好都合な位置に配置された磁気抵抗素子を利用するものが ある。この種の近接センサは、ホール素子を用いたものでも、磁気抵抗素子を用 いたものでも、永久磁石の中心軸に垂直な方向に検出ゾーンを通過する透磁性物 体の有無を検出するよう構成することができ、あるいは、磁石の中心軸と平行な 経路に沿って永久磁石の磁極面に向かう向きまたはその磁極面から遠ざかる向き に移動する透磁性物体までの距離を検出するよう構成することができる。 １９９０年１１月１３日付でウルフ（Ｗｏｌｆ）等に交付された米国特許第４ ，９７０，４６３号には、永久磁石の側面から発する磁束を検出する温度安定性 を持つ近接センサが記載されている。この鉄系物体センサは、鉄製ホィールに回 転可能に取り付けられた歯または切欠部（ノッチ）のような高い透磁率の物体の 有無を速度ゼロ時及びパワーアップ後直ちに検出することが可能である。従って 、このデバイスは近接センサとして使用することができる。このセンサは、永久 磁石と、検出平面を有して磁束密度の変化の関数として変化する電気出力信号を 発生する磁束応動センサとからなる。この鉄系物体センサアセンブリは、一部の 従来周知のセンサのように、磁極面の磁気に基づくものではなく、磁石の対向磁 極 面の側面から発する磁束密度の放射状成分に基づいて動作する。この鉄系物体セ ンサアセンブリは磁極面の磁気に依拠しないから、比較的広い温度範囲にわたっ て比較的安定した電気出力信号が得られる。 １９８５年３月１９日付でロスレー（Ｒｏｔｈｌｅｙ）等へ交付された米国特 許第４，５０６，２１７号には、ブリッジ回路を構成するよう接続された４つの 磁気抵抗トラックを有する歯車の歯位置・速度センサが開示されている。磁界プ レート効果速度及び位置センサを簡単化するために、４つのミアンダ・パーマロ イ抵抗トラックが基板上の長方形のコーナー部に配置されている。これらのトラ ックは、周方向に歯車の歯のピッチ距離の約半分の距離だけ互いに離間されてい る。抵抗は、分圧器を構成するよう接続するか、あるいは温度変化の影響をなく すために定電流源に接続されたブリッジ回路の形に接続することができる。一実 施の形態においては、抵抗は、シリコン基板上に蒸着されたミアンダ形薄膜トラ ックとして形成される。また、バイアス磁化を行うために永久磁石が用いられる 。 上に述べたような一般的な形の近接センサにおいては、通常、感磁性コンポー ネントを用いて、特定方向における磁界の強さ（磁界強度）を表す信号を得るよ うになっている。ホール素子を永久磁石と組み合わせて使用する場合は、ホール 素子からの信号は、ホール素子の検出平面に垂直な方向の磁界強度成分を表す。 これに対して、磁気抵抗素子を永久磁石と組み合わせて使用する場合は、磁気抵 抗素子からの信号は、磁気抵抗素子の検出平面内で該素子の最も薄い次元に垂直 な方向における磁界強度を表す。センサの各特定の用途及び性能要件に応じて、 ホール素子または磁気抵抗器のいずれかを使用することができる。先行技術を記 載した多くの文献を通して、上記の一般的な形のセンサは、各センサを使用しよ うとする用途に応じて、ある場合は近接センサとして説明され、他の場合は歯車 の歯センサとして説明されている。 大方の近接センサには、それぞれ望ましい属性がある。例えば、内燃機関と共 に使用される歯センサにおいては、１つの望ましい特徴として、所定の検出ゾー ンにおける歯の有無を歯車を動かすことなく指示する信号を始動時に供給するこ とができる性能が挙げられる。これは、パワーアップ認識能力として知られてい る。歯センサまたは近接センサのその他の望ましい特徴は、サイズが小さいこと である。近接センサの大きさは、通常、永久磁石の大きさ及び感磁性コンポーネ ントと永久磁石との相対的位置関係によって左右される。 発明の概要 本発明の一実施の形態は、磁軸を挟んでＮ極とＳ極を有する永久磁石を具備す る。この永久磁石は、断面が矩形でも円形でもよく、全体として磁軸と平行に広 がる側面を有する。検出ゾーンは、永久磁石の外部に設けられ、Ｎ極及びＳ極の うちあらかじめ選択した一方の極から離してある。磁軸は、全体的に検出ゾーン を貫通して延びる。総じて磁軸と平行な検出平面内に第１の磁気抵抗素子が配置 される。また、検出平面内には、第２の磁気抵抗素子も配置され、該検出平面は 永久磁石の側面から離間されている。本発明の一実施の形態においては、第１及 び第２の磁気抵抗素子は、Ｎ極またはＳ極のうちあらかじめ選択された検出ゾー ンの方に離間されている。本発明の特に好適な実施の形態においては、第１及び 第２の磁気抵抗素子からの第１の信号と第２の信号を比較するとともに、検出ゾ ーン内の透磁性材料の量を表す第３の信号を発生する手段が設けられている。こ の第３の信号は、第１及び第２の信号の関数として与えられる。 本発明の第１及び第２の磁気抵抗素子は、パーマロイ材を用いることができる 。第１及び第２の磁気抵抗素子からの第１の信号と第２の信号を比較するための 手段は、ホィーストン・ブリッジで構成することができる。さらに、第１及び第 ２の各磁気抵抗素子は、それぞれ２つ以上の磁気抵抗器で構成することができる 。例えば、第１の磁気抵抗素子を第１及び第３の磁気抵抗器で構成し、第２の磁 気抵抗素子を第２及び第４の磁気抵抗器で構成するやり方で、これら２つの磁気 抵抗素子を４つの磁気抵抗器で構成することができる。この場合、例えば、第１ と第４の磁気抵抗器を電気的に直列に接続してホィーストン・ブリッジの第１の 分岐を形成し、第２と第３の磁気抵抗器を電気的に直列に接続してホィーストン ・ブリッジの第２の分岐を形成することができる。次に、ホィーストン・ブリッ ジの第１と第２の分岐を互いに電気的に並列に接続すれば、第１及び第２の磁気 抵抗素子からの第１と第２の信号とを比較するための手段を得ることができる。 本発明のある特定の実施の形態においては、第１と第３の磁気抵抗器は互いに層 状をなして配置され、また第２と第４の磁気抵抗器も互いに層状をなして配置さ れる。これらの磁気抵抗器が層状をなすよう互いに他方の上に直接重ねられた関 係になっていれば、磁界の作用は、第１と第３の磁気抵抗器上では実質的に同じ であり、また、第２と第４の磁気抵抗器上でも実質的に同じである。これらの対 をなす磁気抵抗器の検出平面における磁界強度がほぼ同じであることは、好都合 である。 透磁性物体がセンサの検出ゾーンに入ったり、そこから出るときは、永久磁石 によって作り出される磁界の形状が影響を受け、磁束線と磁気抵抗素子がある検 出平面との間の正確な角度が変化する。この変化は、磁気抵抗素子の抵抗の変化 として反映される。本発明の一実施の形態におけるようなホィーストン・ブリッ ジ中の磁気抵抗器の永久磁石に対する物理的位置によれば、永久磁石より生じる 磁束線の比較的小さい歪みでも、検出ゾーンにおける透磁性物体の有無を決定す るのに認職可能な信号をホィーストン・ブリッジから発生させることができる。 また、透磁性物体の永久磁石のあらかじめ選択した磁極面に対する距離もある程 度求めることができる。 図面の簡単な説明 以下、本発明を、下記の図面を参照しつつ実施の形態に基づき詳細に説明する 。 図１は、磁気抵抗素子の概略図である。 図２は、サーペンティン模様（蛇行状）に配置され、２つの磁気抵抗素子を形 成するよう対をなす４つの磁気抵抗器を示す模式図である。 図３は、４つの磁気抵抗器からなるホィーストン・ブリッジの概略模式図であ る。 図４は、本発明の一実施の形態の説明図である。 図５は、磁気抵抗素子の応答曲線を示すグラフである。 図６及び７は、磁界の磁気抵抗器に対する作用を永久磁石の磁極面からの距離 の関数として示すグラフである。 図８は、本発明を回転可能な歯車と組み合わせた応用例を示す説明図である。 図９は、磁気抵抗器を層状に対をなすよう配置した本発明の一実施の形態を示 す斜視図である。 図１０は、永久磁石から発し、磁気抵抗素子を通過する２本の代表磁束線を示 す説明図である。 図１１は、円筒ハウジング内に配置された本発明の一特定の物理的形状を示す 断面図である。 図１２は、ホィーストン・ブリッジの出力信号と永久磁石の磁極面から鉄製タ ーゲットまでの距離との間の関係を示すグラフである。 図１３は、ホィーストン・ブリッジからの出力信号を本発明の検出ゾーンを通 過する複数の歯及びスロットの回転の関数として示すグラフである。 図１４は、センサを磁軸の回りに回転させるようにした以外は、図８とほぼ同 様の応用例を示す説明図である。 図１５は、ホィーストン・ブリッジからの２つの信号をセンサの検出ゾーンに おける透磁性物体の有無を表す第３の信号に変換する本発明の一実施の形態を示 す一例の電気回路である。 実施の形態の説明 以下の実施の形態の説明を通して、同じ構成部分または要素は、同じ参照符号 で示してある。 図１においては、磁気抵抗素子１０が検出平面内に配置されている状態が示さ れている。矢印Ｍによって表されるような検出平面の方向の成分を有する磁束は 、磁気抵抗素子１０の電気抵抗を変化させる。検出回路に磁気抵抗素子を適切に 接続することによって、その抵抗の変化を測定することができ、この変化を利用 して検出平面における磁界の強さを表す信号を得ることができる。 図２は、４つの磁気抵抗器を配置する物理的形状構成の一例を示す。第１の磁 気抵抗器１１は、サーペンティン状またはミアンダ形の形状に配置されている。 第１の磁気抵抗器１１の２つの端部は、導電パッド２１及び２１′を具備する。 第２の磁気抵抗器１２も、同様の形に構成され、端部に導電パッド２２及び２２ ′を有する。第３の磁気抵抗器１３は、図２に示すように、第１の磁気抵抗器１ １に並んで配置され、端部に導電パッド２３及び２３′が設けられている。同様 にして、第４の磁気抵抗器１４は、第２の磁気抵抗器１２に並べられ、端部導電 パッド２４及び２４′が設けられている。図２には、磁気抵抗器１１、１２、１ ３及び１４は線として描かれているが、これらの磁気抵抗器は、実際にはあらか じめ選択された幅と厚さで図２に示す形状に被着され、これらの幅及び厚さは、 各特定用途で要求される回路特性の関数として決定することができる。磁気抵抗 器の端部の導電パッドは、これらの磁気抵抗器を相互に接続して、図３に示すよ うなホィーストン・ブリッジを構成するために使用される。 図２に及び３に示すデバイスの基本動作原理は、永久磁石から発する磁束線の 形状と方向の変化は、磁気抵抗器１１及び１３にほぼ同様に作用を及ぼし、かつ 磁気抵抗器１２及び１４にもほぼ同様に作用を及ぼす効果を有することに基づく ものである。しかしながら、第１の磁気抵抗素子３１に対する作用は、第２の磁 気抵抗素子３２に対する作用とは著しく異なり得る。このような磁界の形状及び 方向の変化が起こるとき、磁気抵抗器１１及び１３に対する影響はほぼ同様であ るが、この影響は、磁気抵抗器１２及び１４に対する影響とは少なくとも測定可 能な程度に異なる。図３に示すように、ホィーストン・ブリッジの端子間に電源 電圧Ｖ_sが供給されていると、磁気抵抗器の相対的抵抗値の変化によって、Ｖ_OUT で示す出力電圧に変化が生じる。例えば、磁気抵抗器１１及び１３の抵抗が磁気 抵抗器１２及び１４の抵抗に対して増加すると、ポイント３４の電位がポイント ３６の電位に対して相対的に増加する。逆に、磁気抵抗器１２及び１４の抵抗が 磁気抵抗器１１及び１３の抵抗に対して増加すると、ポイント３４及び３６で逆 の効果が検出されるはずである。従って、このブリッジの出力電圧は、検出ゾー ン内の透磁性材料の量または位置を指示する量として測定することができる。以 下の説明で使用する用語において、第１の信号とは、ポイント３４の電位を、ま た、第２の信号とは、ポイント３６の電位を指すものとする。これらの２つの電 位間の差を検出ゾーン内の透磁性材料の量を指示する量として用いることができ る。 図４は、本発明の一実施の形態を示す。図中、永久磁石４０は、Ｎ極及びＳ極 を有し、これらの磁極の間には磁軸４２が延びている。第１の磁気抵抗素子３１ 及び第２の磁気抵抗素子３２は、図示のように、磁石４０の側面４６から距離Ｓ だけ離間した共通の検出平面内に配置されている。これらの２つの磁気抵抗素子 ３１と３２は、総じて中心線Ｃに関して対称状に互いに離して配置されている。 この中心線は、図４に示すように、あらかじめ選択された磁極面から距離Ｒだけ 離してある。これらの磁気抵抗器には、ある種の電気回路を接続し、組み付ける ことがしばしば必要になるため、シリコンチップ５０を設け、磁気抵抗器はこの チップ５０に被着されている。また、このチップは、セラミック基板５４に取り 付けられている。そして、セラミック基板５４は、磁石の側面４６に取り付けら れている。しかしながら、永久磁石の側面４６にセラミック基板５４を直接固着 する必要のない磁気抵抗器と永久磁石との間の相対位置を固定するための他の手 段を用いることが可能なことは明らかである。 やはり図４において、透磁性物体５８は、検出ゾーンに入るとき、永久磁石４ ０から発する磁界の形状を変えることができ、従って、第１及び第２の磁気抵抗 素子３１及び３２の位置における検出平面の磁界の成分の大きさを変えることが できる。以下にさらに詳細に説明するように、本発明の一部の用途においては、 これらの磁気抵抗素子を強度が同じで反対向きの磁界が作用する位置に配置する と好都合である。この種の平衡型の構成は、一般に、本発明を、透磁性物体５８ が磁極面４９に向けて、あるいはこれから遠ざかる向きにほぼ磁軸４２と平行な 方向に移動する近接センサとして使用する場合に好適である。磁気抵抗素子の位 置を永久磁石４０に対して適切に選択するならば、磁気抵抗器の検出平面におけ る磁界成分を、ターゲットが検出ゾーン内にないとき、互いに反対向きにすこと ができる。その結果、第１の磁気抵抗素子３１を貫通して延びる磁界成分の向き を、第２の磁気抵抗素子３２を貫通して延びる磁界成分に対して反対向きにする ことができる。距離Ｓ及びＲは、磁気抵抗器１１及び１３が磁気抵抗器１２及び １４と反対の磁界方向にバイアスされるようにして、永久磁石の寸法、残留磁束 密度及びブリッジ寸法の関数として決定される。理想的には、これらの磁気抵抗 素子の反対磁界方向のバイアスの大きさは、図５に示す応答曲線の中点の大きさ に等しくする。図５に示す応答曲線６０は、特定の一磁石について例示したもの である。しかしながら、応答曲線６０の形状は、磁気抵抗素子３１及び３２の幅 及び厚さに基づいて大幅に変化し得る。さらに、第１及び第２の磁気抵抗素子３ １及び３２に平衡磁界を作用させることは、必ずしも本発明の全ての実施の形態 における必須要件ではないということも理解すべきである。実際、本発明を歯車 の歯センサとして使用する場合は、磁気抵抗素子を、歯が検出ゾーンにないとき 両方の磁気抵抗素子が同じ向きで異なる大きさにバイアスされるように、永久磁 石に対して配置することによって、一定の長所を得ることことができる。このよ うな所定のバイアスによる初期較正は、歯センサにおいては好都合なことが多い 。 図５に示す応答曲線６０は、磁気抵抗器の抵抗の変化百分率を抵抗の最大可能 変化百分率と対比して示す。図５において、横軸は、磁気抵抗器の検出平面にお ける磁界強度及び磁界方向を表す。図５の縦軸は、抵抗の変化百分率と最大可能 変化百分率との間の関係を表す。検出平面における磁界を２つの磁気抵抗素子３ １及び３２を通って反対向きに延びるようにして平衡させることができるならば 、これら２つの磁気抵抗素子に作用を及ぼす初期磁界値は、点７１及び７２によ って表すことができる。これらの２つの点は、センサの検出ゾーン内に透磁性物 体がないときの磁気抵抗器の抵抗の相対変化を示す。鉄製ターゲットのような透 磁性物体が検出ゾーンに入るときは、第２の磁気抵抗素子３２に作用を及ぼす負 方向の磁界が点７１から点７５に変化する。この変化は、磁気抵抗器の検出平面 内の負方向に延びる磁界成分の大きさが減少することによって引き起こされる。 同時に、磁気抵抗器１１及び１３に作用する正の磁界は、点７２から点７６へ増 大する。 さらに図５において、点７１及び７２は、検出ゾーンに磁性材料がない場合を 表し、点７５及び７６は、該検出ゾーン内に鉄製ターゲットのような磁性材料が ある場合を表すということに留意すべきである。矢印は、第１及び第２の磁気抵 抗素子について、それぞれ点７１から７５への変化と、点７２から７６への変化 が同時に起こることを示す。上に述べたように、この変化の結果、磁気抵抗器１ １及び１３の抵抗が減少し、これに対応して磁気抵抗器１２及び１４の抵抗が増 加する。図３に示す構成の故に、出力電圧Ｖ_OUTは、この抵抗変化を表すロバス ト信号として現れる。 上に図３、４及び５によって説明したように、第１及び第２の磁気抵抗素子３ １及び３２の検出平面を貫通させて、同じ強さで互いに反対向きの磁界を形成す ることが好都合な場合があり、本発明が、磁軸４２とほぼ平行な方向に永久磁石 の磁極面に向けて、あるいはこれから遠ざかる向きに移動する透磁性物体の永久 磁石に対する相対位置を検出するための近接センサとして使用される場合には、 特に好都合である。このように磁界を形成すると、検出ゾーンにターゲットがな い状態でデバイスをより容易に較正することができ、その結果、図５における点 ７１と７２がほぼ等しいことによって表されるように、２つの磁気抵抗素子の間 の抵抗変化を全体的に平衡させることができる。以下に説明するように、第１及 び第２の磁気抵抗素子３１と３２に対する磁界成分の平衡は、磁石４０を第１及 び第２の磁気抵抗素子に対して磁軸４２と平行な方向に動かすことによって達成 することができる。 図６及び７は、第１及び第２の磁気抵抗素子に作用する相対的な磁界成分を特 定目的に合わせて調節または較正する方法を示したものである。例えば、図６は 、本発明を歯車の歯センサと共に使用する場合に特に好都合な調節の仕方を示す 。歯車の歯センサとしての用途においては、磁気抵抗素子を、どちらも同じ向き にバイアスされていても、互いに異なる大きさにバイアスさせる方が好都合であ る。歯車の歯センサにおいては、検出ゾーン内にターゲットがないとき、磁気バ イアスの向きにかかわらず、磁気抵抗素子３２を絶対値で磁気抵抗素子３１より 強くバイアスする方が望ましい。このようにすると、歯車の歯センサにパワーア ップ認識能力を具備することができる。このためには、第１及び第２の磁気抵抗 素子が図６に示す位置に配置されるように距離Ｒを選択する。曲線８３によって 示されている磁気的関係、及び永久磁石と磁気抵抗素子との相対位置のために、 両磁気抵抗素子は、異なる磁界の大きさでどちらも負方向にバイアスされる。も し、磁気抵抗素子３１及び３２を磁極面４９から遠ざかる向きにＲ′で示す距離 まで移動させると、磁気抵抗器に作用する磁界成分は、曲線８３に沿って変化し て、図７に示すように、大きさがほぼ等しく、互いに反対向きの磁界となる。図 ７に表されている形は、本発明がほぼ磁軸と平行な方向に永久磁石の磁極面に向 けて、あるいはこれから遠ざかる向きに移動する磁性物体に応答して動作する近 接センサとして使用される用途に最も好適であろうと思われ、図６に表されてい る形は、透磁性物体がほぼ磁軸に垂直な方向に永久磁石の磁極面の近傍の検出ゾ ーンを通って移動する歯車の歯センサとしての形における本発明の用途に比較的 好都合であろうと考えられる。 図８は、本発明の部分図で、磁極面４９及び磁軸４２を有する永久磁石４０、 この永久磁石４０の側面４６に取り付けられたセラミック基板５４、そのセラミ ック基板５４に取り付けられたシリコンチップ５０、及びそのシリコンチップ上 の第１及び第２の磁気抵抗素子３１及び３２が示されている。さらに、複数の歯 ８１、８２及び８３を有する回転可能な部材８０が示されており、その複数の歯 は、矢印Ａで示す方向の回転に従って、検出ゾーン９０中に出入りする位置に配 置されている。図８においては、破線の円を用いて検出ゾーン９０が表してある が、センサの検出ゾーンは実際には円形の内部には閉じ込められないということ を理解すべきである。図８の破線の円は、単に、鉄の歯車のターゲットがそこを 通過し、これを歯センサによって検出することができるおおまかな領域を指示す るために使用されているに過ぎない。図４と図８とを比較することによって、本 発明によって検出される鉄製ターゲットは、磁石４０の磁極面４９に向けて、あ るいはこれから遠ざかる向きに移動する透磁性物体５８でも、総じて磁石の磁極 面４９と平行な方向に検出ゾーン９０を通って移動する歯車の歯でもよいという ことが解る。 図８に示す構成は、歯センサと回転部材８０との間のある特定の物理的関係を 示したものである。図１４には、歯センサを回転可能な部材８０に対して磁軸４ ２の回りに９０度回転させたもう一つの構成が示されている。多くの用途の場合 、図１４に示す構成の方が図８に示す構成より好適である。 また、図９は、対をなす各磁気抵抗器に対する磁気作用の差をできるだけ小さ くするために、これらの磁気抵抗器を互いに層状をなすように配置した本発明の もう一つの実施の形態を示す。例えば、磁気抵抗器１４は、磁気抵抗器１２の上 に層状に被着される。さらに、磁気抵抗器１３は、磁気抵抗器１１の上に層状に 被着される。この構成によれば、対をなす各磁気抵抗器には、磁界が変化すると き、ほぼ同じ磁気抵抗効果が生じる。言い換えると、磁界の形状が変化するとき 、磁気抵抗器１１によって検出される作用は、磁気抵抗器１３によって検出され る作用とほぼ同じになる。同様に、磁気抵抗器１２に及ぼされる磁気作用は、磁 気抵抗器１４に及ぼされる磁気作用とほぼ同じである。このような対をなす各磁 気抵抗器における磁界強度が実質的に同じであるという特徴は、図９に示す層状 関係により磁気抵抗器間が非常に密接になることによって達成される。これらの 対 をなす磁気抵抗器の間には、窒化ケイ素のような絶縁体の薄層を設けて、これら の抵抗器を互いに電気的に絶縁する。この窒化ケイ素の絶縁層は、図９に符号１ ０４で示されている。導電パッド２１、２２、２３、２４、２１′、２２′、２ ３′及び２４′は、図９では省略されている。 図１０は、磁気抵抗素子３１及び３２の永久磁石４０との関係の結果として、 これらの素子により検出される作用を模式的に示したものである。図１０には、 説明のために、磁束線が２本だけ符号１７０及び１７２で示してある。しかしな がら、これらの２本の磁束線は、第１及び第２の磁気抵抗素子の領域における磁 界全体のおおまかな形状を表すためのものである。図に見られるように、磁束線 １７０は、合ベクトル（ベクトル和）Ｖ₃₁を有する方向に磁気抵抗素子３１を通 過し、磁束線１７２は、合ベクトルＶ₃₂を有する方向に磁気抵抗素子３２を通過 する。これら２つの合ベクトルは、磁気抵抗素子の検出平面内において互いに反 対向きに延びる成分を有する。ベクトルＶ₃₁の当該成分は、磁気抵抗素子３１の 検出平面内において総じて永久磁石４０から遠ざかる向きに延びる。また、合ベ クトルＶ₃₂の当該成分は、磁気抵抗素子３２の検出平面内で総じて永久磁石４０ に向かう向きに延びる。磁気抵抗素子を永久磁石４０に対して磁軸４２と平行な 方向に動かすことによって、これらの磁気抵抗素子の検出平面内における磁界強 度間の関係を変えることができる。この現象については、図６及び７を参照して 上に説明した通りである。 図１１は、本発明の一特定の実施の形態における物理的形状を示す断面図であ る。永久磁石は、磁気抵抗素子３１及び３２からホルダー１２０によって隔てら れており、該ホルダー１２０は、プラスチックまたは他の適切な非磁性材料で形 成することができる。ホルダー１２０の各寸法は、永久磁石４０を適切な位置に 保持し、磁気抵抗素子３１及び３２を永久磁石４０の側面４６からあらかじめ選 択された距離ｓだけ離間するように選択される。組立てプロセスにおいて磁気抵 抗素子とその付随回路及びワイヤボンドを保護するために、これらの構成部分上 にエラストマー材１２４を配置することも可能である。ホルダー１２０、永久磁 石４０及び関連の磁気抵抗素子を図１１に示すような形に配置する場合は、これ らのアセンブリは、プラスチックチューブのような適切なハウジング１３０に挿 入することができる。図１１に示す構成では、磁気抵抗素子３１及び３２から受 け取る信号を較正するため、また各々の磁気抵抗素子に作用する磁界強度間に所 望の関係を達成するために、永久磁石とセラミック基板５４を磁軸４２と平行な 方向に互いに動かすことができる。この所望の関係が達成されたならば、図１１ に示す構成部分を相互にしっかり固定して取り付ることができる。磁石４０と磁 気抵抗素子３１及び３２を相互に固定して取り付け、そのアセンブリをハウジン グ１３０内に入れたならば、ハウジング１３０内面とセンサの構成部分との間の 残りのスペースに適切な注封材料を充填して、全ての構成部分を相互に動かない よう永久固定することができる。例えば、図１１に符号１３４で示す磁石及び磁 気抵抗性構成部分の周囲のスペースに該注封材料を充填する。 図１２は、ハウジングの磁極面と透磁性物体５８との間の距離Ｄの関数として 、図３に示すホィーストン・ブリッジの出力Ｖ_OUTを示す。図１２は、本発明を 検出ゾーンにおける透磁性物体５８の有無を検出するために使用する場合、及び ある種の用途において、透磁性物体５８と永久磁石４０の磁極面４９との間の実 距離を測定するために使用する場合の安定性を示している。図１２に示す関係は 、本発明をある程度透磁性物体とセンサハウジングの磁極面との間の距離を指示 することが可能な近接センサとして使用することができるということを例証する ものである。 図１３は、図８に示すものと同様の本発明のもう一つの応用例についての結果 を示す。有歯ターゲットをしてセンサのそばを移動させ、歯車の歯を検出ゾーン を通って回転させると、本発明では、図１３に示すような結果を得ることができ る。有歯物体８０は、図を簡単化し、かつ歯の位置をセンサ出力の変化に明確に 関連付けるため、回転可能な歯車の形ではなく、直線的な構成を用いて示してあ る。図１２及び１３は、本発明は、近接センサとしても、歯センサとしても使用 することが可能であるということを示している。上に述べたように、本発明を近 接センサとして使用しようとする場合は、第１及び第２の磁気抵抗素子は、永久 磁石の位置に対して、図７で表されるような磁界成分の全体的な平衡が達成され る位置に配置することが望ましい。これに対して、本発明を歯センサとしての使 用したい場合は、永久磁石に対する磁気抵抗素子の相対位置を、図６に示すよう な関係が得られるように選択する。 本発明は、歯車の歯センサとして使用する場合、２つの磁気抵抗素子に異なる 大きさの磁気バイアスをかけることが長所となる。言い換えると、２つの磁気抵 抗素子は、向きにかかわらず異なる大きさの磁界の作用を受ける。２つの各磁気 抵抗素子にそれぞれ異なる強度の磁界を作用させることによって、歯車の歯セン サにパワーアップ認識能力を与えることができる。これは、歯センサが検出ゾー ン内の歯の有無を歯車を動かす必要なく確認することができることを意味する。 検出ゾーンに鉄系物体がないとき、異なる磁界をそれぞれ２つの磁気抵抗素子に かけると、パワーアップ認識能力を歯センサに与えるバイアスが作り出される。 さらに図１３を参照すると、検出ゾーンにおける歯の有無の関数としてセンサ 出力を表す一群の曲線が示されている。これらの曲線は、それぞれ歯とセンサの 磁極面との間の異なるエアギャップに対応している。例えば、曲線１４１は、セ ンサの磁極面と歯の間に０．１００インチのギャップがある場合を表し、曲線１ ４２は、このギャップが０．０８０インチの場合を、曲線１４３は０．０６０イ ンチの場合を表す。図１３の曲線は、ギャップの変化によって信号強度に対する 作用に変化が生じることを示すためのものである。当然ながら、実際の出力信号 Ｖ_0UTの正確な大きさは、磁石の強さ、距離Ｓ、磁石の寸法、ターゲットの透磁 率及びその他多くの変数のような種々のパラメータの関数として有意に変化する ことが考えられる。しかしながら、図１３に示す曲線は、本発明を用いることに よって、歯とスロットを識別することができ、かつさらに、この識別情報を歯を 動かす必要なく得ることができるということを表している。 図１５は、本発明と共に使用することができ、第１及び第２の信号に応答して 、検出ゾーンにおける磁性物体の有無を表すか、または透磁性物体と本発明を組 み込んだセンサの磁極面との間の相対距離を表すことができる第３の信号を発生 する回路の一例を示す。図１５に示すホィーストン・ブリッジ回路は、ライン３ ４上の第１の信号と、ライン３６上の第２の信号を差動増幅器１７６に供給する 。差動増幅器は、ライン１８０上に信号を出力し、この信号は図示回路の温度補 償部１８２の入力として使用される。回路の温度補償部１８２の出力は、ライン １８４を介して比較器１９０に供給される。また、比較器は、ライン１９２によ っ て表されるような基準手段に接続されたもう１つの入力を有する。本発明の一実 施の形態においては、比較器１９０は、センサの検出ゾーン内の歯の有無を検出 するために使用できる出力信号をライン１９４上に生じさせるのに適したヒステ リシス特性を有する。ホィーストン・ブリッジとの関連で図１５に示す構成要素 は、当業者には極めて周知のものであり、図示構成は、検出ゾーン内の感磁性コ ンポーネントの有無を表すか、または、透磁性物体とセンサの磁極面との間の相 対距離を表す第３の信号を第１及び第２の信号の関数として得るために使用する ことができる多くの構成要素の組合わせの１つを表しているに過ぎない。 以上、本発明を詳細に説明し、一部の実施の形態について細部を明確に説明し たが、本発明の他の実施の形態も本発明の範囲に包括される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．Ｎ極とＳ極及びこれらの両極間に延びる磁軸を有する永久磁石と； 上記永久磁石の外部で、そのＮ極及びＳ極のうちあらかじめ選択した一方の磁 極から離されており、上記磁軸が貫通している検出ゾーンと； ほぼ上記磁軸に平行な検出平面内に配置された第１の磁気抵抗素子と； 上記検出平面が上記永久磁石から上記磁軸に垂直な方向に離されていて、その 検出平面に配置された第２の磁気抵抗素子と； 上記第１及び第２の磁気抵抗素子からの第１と第２の信号とを比較して、上記 検出ゾーンにおける透磁性材料の量を表す第３の信号を発生するための比較手段 と； を具備したセンサ。 ２．上記第１及び第２磁気抵抗素子が、上記Ｎ極及びＳ極のうちあらかじめ選択 した上記一方の磁極から上記検出ゾーンに向けて離されている請求項１記載のセ ンサ。 ３．上記比較手段が、上記の第１及び第２の磁気抵抗素子よりなるホィーストン ・ブリッジである請求項１記載のセンサ。 ４．上記第１の磁気抵抗素子が、第１及び第３の磁気抵抗器よりなる請求項１記 載のセンサ。 ５．上記第２の磁気抵抗素子が、第２及び第４の磁気抵抗器よりなる請求項４記 載のセンサ。 ６．上記第１と第４の磁気抵抗器が、電気的に直列に接続されてホィーストン・ ブリッジの第１の分岐を形成する請求項５記載のセンサ。 ７．上記第２と第３の磁気抵抗器が電気的に直列に接続されて上記ホィーストン ・ブリッジの第２の分岐を形成し、上記ホィーストン・ブリッジの上記第１と第 ２の分岐が互いに電気的に並列に接続された請求項６記載のセンサ。 ８．上記第１及び第３の磁気抵抗器が互いに層状をなして配置され、かつ上記第 ２及び第４の磁気抵抗器が互いに層状をなして配置された請求項６記載のセンサ 。 ９．Ｎ極とＳ極及びこれらの両極間に延びる磁軸を有し、かつほぼ上記磁軸に平 行な側面を有する永久磁石する永久磁石と； 上記永久磁石の外部で、上記Ｎ極及びＳ極のうちあらかじめ選択した一方の磁 極から離して配置され、上記磁軸が貫通している検出ゾーンと； ほぼ上記磁軸に平行な検出平面内に配置された第１の磁気抵抗素子と； 上記検出平面が上記永久磁石から上記磁軸に垂直な方向に離間されていて、そ の上記検出平面に配置された第２の磁気抵抗素子であって、上記第１の磁気抵抗 素子と共にパーマロイ材料よりなり、かつ上記第１の磁気抵抗素子と共に上記Ｎ 極及びＳ極のうちあらかじめ選択した上記一方の磁極から上記検出ゾーンに向け て離されている第２の磁気抵抗素子と； 上記第１と第２の磁気抵抗素子に作用する有効磁界を比較して、上記検出ゾー ンにおける透磁性材料の量を表す出力信号を発生するための比較手段と； を具備したセンサ。 １０．上記比較手段が、上記第１及び第２の磁気抵抗素子をその分岐として有す るホィーストン・ブリッジである請求項９記載のセンサ。 １１．上記第１の磁気抵抗素子が、第１及び第３の磁気抵抗器よりなり； 上記第２の磁気抵抗素子が、第２及び第４の磁気抵抗器よりなる； 請求項９記載のセンサ。 １２．上記第１及と第４の磁気抵抗器が、電気的に直列に接続されてホィースト ン・ブリッジの第１の分岐を形成し； 上記第２と第３の磁気抵抗器が、電気的に直列に接続されて上記ホィーストン ・ブリッジの第２の分岐を形成し、上記ホィーストン・ブリッジの上記第１と第 ２の分岐が互いに電気的に並列に接続されている； 請求項１記載のセンサ。 １３．上記第１及び第３の磁気抵抗器が互いに層状をなして配置され； 上記第２及び第４の磁気抵抗器が互いに層状をなして配置されている； 請求項１１記載のセンサ。 １４．Ｎ極とＳ極及びこれらの両極間に延びる磁軸を有し、かつほぼ上記磁軸に 平行な側面を有する永久磁石する永久磁石と； 上記永久磁石の外部で、上記Ｎ極及びＳ極のうちあらかじめ選択した一方の磁 極から離して配置され、上記磁軸が貫通している検出ゾーンと； ほぼ上記磁軸に平行な検出平面内に配置され、第１及び第３の磁気抵抗器より なる第１の磁気抵抗素子と； 上記検出平面が上記永久磁石から上記磁軸に垂直な方向に離されていて、その 検出平面に配置された第２及び第４の磁気抵抗器よりなる第２の磁気抵抗素子で あって、上記第１の磁気抵抗素子と共にパーマロイ材料よりなり、かつ上記第１ の磁気抵抗素子と共に上記Ｎ極及びＳ極のうちあらかじめ選択した上記一方の磁 極から上記検出ゾーンに向けて離され、上記第１と第４の磁気抵抗器が電気的に 直列に接続されてホィーストン・ブリッジの第１の分岐を形成し、上記第３と第 ４の磁気抵抗器が電気的に直列に接続されて上記ホィーストン・ブリッジの第２ の分岐を形成し、かつ上記ホィーストン・ブリッジの上記第と第２の分岐が互い に電気的に並列に接続されている第２の磁気抵抗素子と； 上記第１と第２の磁気抵抗素子に作用する有効磁界を比較して、上記検出ゾー ンにおける透磁性材料の量を表す出力信号を発生するための比較手段と； を具備したセンサ。 １５．上記第１及び第３の磁気抵抗器が互いに層状をなして配置され； 上記第２及び第４の磁気抵抗器が互いに層状をなして配置されている； 請求項１４記載のセンサ。 １６．複数の透磁性の歯を有する回転可能な歯車； をさらに具備した請求項１４記載のセンサ。