JP7071058B2 - 周期磁界検出するセンサ - Google Patents

Description

本発明は、固定構造物関し、可動部材の少なくとも一つの運動パラメータを決定するためのシステムと、磁場の一方向の成分の強度に応じて電気抵抗が変化する、少なくとも１つの磁気抵抗素子を集約する測定アッセンブリを有した、周期磁界を検出するためのセンサに関する。

多くの用途において、例えば、運動の位置、速度、加速度、又は、方向のような、可動部材の少なくとも１つの直線及び又は角運動パラメータを、リアルタイムでかつ好適な質で知ることが望まれている。

これを実現するために、ＷＯ２００６／０６４１６９公報は、複数の感応素子を有するセンサからの検出可能距離に、疑似正弦波状の磁界を供給することが可能なように構成され、可動部材に設けられるエンコーダの使用を提案している。

磁場の変化に応じて可動部材の運動パラメータを決定するために、センサは、検出される磁場を表す信号を供給するべく、感応素子の電気抵抗の変化を用いることができるように構成された電子回路を有している。

特には、ＷＯ２００６／０６４１６９公報は、直角位相で同じ強度の２つの信号を供給する感応素子の抵抗を表す信号を纏めるため、カレントループの測定アッセンブリに集約された感応素子を提供する。前記抵抗値は、前記パラメータを算出するために用いられる。ホイートストン・ブリッジでの感応素子の接続もまた知られている。

好ましくは、各々の感応素子は、磁気抵抗物質に基づく少なくとも１つのパターンを含んでいてもよい。特には、トンネル効果（ＴＭＲ，トンネル磁気抵抗を表す。）有していればよい。その抵抗は、例えばＷＯ２００４／０８３８８１公報に記載されているように、磁場に応じて変化する。

特には、それぞれのパターンは、測定アッセンブリにトンネル接合の連続を形成するために、更にその間に絶縁層が配置される２つの導体層を有している。導体層は、それぞれ、測定される場に対して敏感な磁気層と、参照磁化層とを形成している。そして、導体層の間の電気抵抗は、それぞれの層の磁化の相対配向に依存している。

これを実現するために高感度層と参照層とは、互いに直交する磁気異方性方向を有し、相対的回転により、検出される磁場範囲に対して線形に変化する電気抵抗の変化を引き起こす。

しかしながら、高感度層の異方性を調整することは、特に検出対象とは異なる温度及び磁場条件に対して非感応にする場合には複雑になり得る。このような異方性を実現することは、高感度層の製造をより困難で高価にする。そのため、検出される磁場の条件及び又は特定の温度下では、上述の実施形態は、検出の優れた線形性の担保する程には、磁気異方性の正しい垂直性が保証されないという点において、完全な満足は提供しない。

ＵＳ２００７／０４７１５２公報は、磁気抵抗素子によって検出される磁石の磁場を測定するための分極磁石の使用について記載しており、そこでは、分極磁石の磁場は、前記磁気抵抗素子の自由層の磁化を抑制し、磁化ベクトルの回転角を減少させるように配置されている。

ＷＯ２００６／０６４１６９号公報 ＷＯ２００４／０８３８８１号公報 ＵＳ２００７／０４７１５２号公報

本発明は、特には作動温度について信頼性が向上した周期磁界のセンサを提案することで従来技術を向上させることを目的としている。

前記の目的を達成するために、第一の観点としては、本発明は、周期磁界を検出するセンサであって、磁場のＸ方向の成分の強度に応じて、その電気抵抗が変化する少なくとも１つの磁気抵抗素子を集約する測定アッセンブリ（１）を含み、前記磁気抵抗素子は、２つの導体磁気層からなる積層体を含み、その各々は、参照層と感応層であり、それらの間には、前記積層体の前記電気抵抗が前記参照層と前記感応層との磁化の相対配向によって定まるように、分離層が配置されており、前記センサは、検出される磁場を表す信号を供給するために、前記電気抵抗の変化を利用できるように構成された電子回路を含み、前記参照層はＸ方向に、前記感応層は前記Ｘ方向に直交するＹ方向に、磁気異方性を有しており、前記センサは、前記Ｘ方向と前記Ｙ方向とを含む平面に広がる表面（３）、及び、前記Ｘ方向とＺ方向とを含む対称面（４）を有する永久分極磁石（２）を含み、前記Ｚ方向は、前記Ｘ方向と前記Ｙ方向に直交すると共に前記磁石の前記磁場が、主にそれにそって広がる方向であり、前記測定アッセンブリ（１）は、前記分極磁石（２）の磁場が、前記感応層の磁化を前記Ｙ方向に方向付けるように調整された距離（△ｙ）だけ、前記Ｙ方向に前記平面からずらされながら、前記磁気抵抗素子の前記各層が前記表面（３）と平行な平面に配置されるように、前記分極磁石（２）の前記対称面（４）に配置され、検出される前記磁場の前記Ｘ方向の成分に応じて、前記磁化の方向の変化を許容しながら、前記磁化の変化が、検出される磁場範囲において、磁気抵抗素子の電気抵抗の線形変化をもたらす検出センサを提案する。

第二の観点としては、本発明は、固定構造物と連動して動くことが可能な部材の少なくとも１つの運動パラメータを決定するシステムであって、前記システムは、可動部材と共に動くことが可能なように前記可動部材に設けられた前記エンコーダを有し、前記エンコーダは、前記エンコーダの動きを表す周期磁界を供給することが可能なように構成されており、測定アッセンブリ（１）と共に、前記磁場から検出可能距離に、前記固定構造物に配置される請求項１から１０の何れか１項に記載の検出センサを有し、前記測定アッセンブリ（１）の電気抵抗の変化に基づいて前記可動部材の前記運動パラメータを決定する演算装置を有する決定システムを提案する。

本発明の他の特徴や有利性は、添付図面を参照しながらの以下の記述において明らかになる。

本発明の一実施形態についての、測定アッセンブリと、検出センサの分極磁石との相対配置を概略的に示す図である。

この図面には、固定構造物について可動部材の少なくとも１つの運動パラメータを決定するためのシステムが示されている。具体的には、このパラメータは、例えば運動の位置、速度、加速度、又は、方向のような可動部材の直線及び又は角運動パラメータから選ばれうる。

特定の例では、このシステムは、固定部材における回転ベアリングの回転部材の回転パラメータを測定するために、回転ベアリングに対して用いられる。

この測定システムは、可動部材と動きを共にするように可動部材に設けられるエンコーダを有しており、このエンコーダは、当該エンコーダの動きを表し、それにより可動部材の動きを表すことができる周期磁界を提供できるように構成されている。

この測定システムは、固定構造物に対して配置されるセンサも有している。このセンサは、エンコーダから供給された周期磁界を検出する。これを実現するためにこのセンサは、その電気抵抗がＸ方向の磁場成分の強度に応じて変化するような、少なくとも１つの磁気抵抗素子を集約する測定アッセンブリ１を有している。

この測定アッセンブリ１は、磁場からの検出可能距離に配置されており、測定システムは測定アッセンブリ１の電気抵抗の変化に応じて可動部材の運動パラメータを決定するための演算装置を有している。

図に示すように、測定アッセンブリ１は、Ｘ方向に直線状に伸長しており、詳細には複数個の磁気抵抗素子を集約している。１つの実施形態によると、磁気抵抗素子は、ホイートストン・ブリッジの測定アッセンブリ１に集約される。他の実施形態では、磁気抵抗素子は、カレントループ（カレントループ）の測定アッセンブリ１に集約される。さらに、磁気抵抗素子は、ＦＲ ２ ７９２ ４０３公報、ＥＰ ２ ６０２ ５９３公報又はＥＰ ２ ６０２ ５９４公報に記載されているような、配列された複数個の磁気抵抗パターンを含んでいてもよい。

この磁気抵抗素子は、２つの導体磁気層からなる積層体を有しており、その各々は参照層と感応層であり、それらの間には、前記積層体の電気抵抗が参照層と感応層との磁化の相対配向に依存するように、分離層が配置されている。

詳細には、参照層はＸ方向に磁気異方性を有しており、感応層はＸ方向に直交するＹ方向に磁気異方性を有している。

これにより、磁気抵抗素子を、検出される磁場のＸ方向における、コンポーネントからの検出可能距離に配置することで、参照層に対する感応層の磁化の誘導回転が、前記コンポーネントについて前記磁気抵抗素子の抵抗値を異ならせる。特には、感応層は、Ｙ方向に磁化の優先方向を有していてもよい。

有利な実施形態によると、磁気抵抗素子はトンネル効果型であり、絶縁物である分離層を有している。変形としては、ＧＭＡ型の磁気抵抗素子を形成するために、分離層を導電性としてもよい。

センサは、検出される磁場を表す信号を供給するため、磁気抵抗素子の電気抵抗の変化を用いることができる電子回路を有している。詳細には、電気抵抗の変化は、検出される磁場のＸ方向成分の変化に比例してもよい。

更にセンサは、Ｘ方向とＹ方向との平面に広がると共に、Ｘ方向及びＺ方向に対称面４を有する表面３を有する、いわゆる分極永久磁石２を有している。このＺ方向は、Ｘ方向及びＹ方向と垂直であり、前記磁石の磁場が主に広がる方向である。

図に示すように、磁気抵抗素子の層が表面３と平行な面に配置されるように、測定アッセンブリ１は、分極磁石２の対称面４に対向して配置されている。これにより、感応層と参照層とがＸ方向とＹ方向との平面に広がるので、磁気抵抗素子は分極磁石２の磁界の主成分に対して非感知となる。

更には、検出される磁場のＸ方向における、前記コンポーネントについての前記磁化方向の変動を許容しながら、磁気抵抗素子の層は、分極磁石２の磁場が感応層の磁化をＹ方向に方向付けるように調整された、距離ΔｙだけＹ方向に分極磁石２の対称面４からずれている。

この様にして、感応層の固有磁化方向が何れであれ、特にはセンサの作動温度によらず、分極磁石２の磁場のＹ方向の小成分は、参照層のそれに対して、前記磁化の垂直性を生じさせる。特には、感応層の磁化には制限がなくても良く、また、それに対してＹ方向の磁化を付与するために、又は、例えば参照層に対して垂直な異方軸を有するよう事前に方向付けるために、分極磁石２は感応層を飽和させても良い。分極磁石２は、特には、検出される磁場、及び／又は、温度の変動に対しても、この相対配向を保護する。

特には、分極磁石２の磁場は、感応層と参照層との磁化の垂直性を担保すること可能とする。それゆえ、検出される電場のＸ方向成分の変化が、検出される磁場範囲にわたって、磁気抵抗素子の電気抵抗の線形変化をもたらす。

一実施形態では、検出される磁場のＸ方向での、コンポーネントに対応した回転を許容しながらも、分極磁石２は、温度に対して安定に感応層に配向を生じさせるような十分な強さの磁化を有するために、フェライトから作られる。

さらに、測定アッセンブリ１は、分極磁石２の表面３のＹ方向の寸法Ｄｙに対する５から１５％の間の距離である距離Δｙだけ、対称面４からずれていてもよい。しかし、ずれ距離Δｙは、特に測定アッセンブリ１とエンコーダとの間の名目検出可能距離、作動温度、及び、検出される磁場に応じて変えてもよい。

詳細には、ズレ距離Δｙがより大きくなると、感応層の磁化のＹ方向への配向がより維持されるが、センサの感度は低下する。

一方、ズレ距離Δｙがより小さくなると、センサの感度は向上するが、線形での検出範囲が減少する。感応層の不完全飽和のためである。

図面において、測定アッセンブリ１は、測定アッセンブリ１の磁石２の端部効果を抑制するために、分極磁石２の表面３の中心部の反対側に配置されている。更に、分極磁石２の表面３の大きさは、測定アッセンブリ１の大きさよりも十分に大きい。特には、Ｘ方向において、測定アッセンブリ１の寸法ｄｘは、分極磁石２の寸法Ｄｘよりも格段に小さい。

有利な実施形態によると、測定アッセンブリ１は電子カード５の一の面に形成されており、前記電子カードの他の面は分極磁石２の表面３に固定されている。電子カード５は、特には、検出される磁場のＸ成分を表す少なくとも１つの信号を供給することが可能なように構成されている磁気抵抗素子の抵抗値を表す信号を処理するための装置を有している。

詳細には、前記処理装置は、磁場のＸ成分を表す少なくとも１つの信号を供給するために前記信号を纏める手段と共に、磁気抵抗素子の抵抗値を表す各々の信号を測定する手段を含んでいてもよい。

ホイートストン・ブリッジにおける測定アッセンブリ１に関して、処理装置は、そのアームの少なくとも１つに、磁気抵抗素子を含むブリッジの出力のための比較器を含んでいてもよい。カレントループにおける測定アッセンブリ１に関して、処理装置は、各磁気抵抗素子の抵抗信号を纏めるための、前記素子の端子に接続された少なくとも１段の比較器を含んでいてもよい。

特には、ＷＯ２００６／０６４１６９公報には、同じ振幅で直角位相のＳＩＮとＣＯＳと２つの信号を供給するように構成されている処理装置について記載があり、それぞれの信号は、検出される磁場を表している。前記信号は、回転部材の回転パラメータを決定するため、システムの演算装置で使用される。

特定の実施形態によると、エンコーダは、磁場を放つことができる少なくとも１つの多極磁気帯を含んでおり、そのＸ方向の成分は、測定アッセンブリ１に対する前記磁気帯の動きに応じて疑似正弦波状に変化する。

具体的には、エンコーダは、例えば、マトリクス状のプラスチックやエラストマー材料から製造され得る円環状マグネットに形成され、その中には、特にはＮｄＦｅＢのような希土類元素やフェライトの磁性粒子が分散された、北磁極と南磁極との交互連続を含む。

他の実施形態では、測定アッセンブリ１に対する強磁性体構造の動きに応じて疑似正弦波状に変化するＸ方向の磁場成分を供給するために、エンコーダは、分極磁石２から放たれた磁場を変更できるように構成された強磁性体構造を有している。

特には、エンコーダは、特定の環状に広がる鋸歯状の金属構造を含んでおり、前記歯が分極磁石２の前を通過することは、それが主にＺ方向に供給する磁場の変化をもたらす。

１ 測定アッセンブリ
２ 分極磁石
３ 表面
４ 対称面
５ 電子カード

Claims (12)

1. 周期磁界を検出するセンサであって、
   磁場のＸ方向の成分の強度に応じてその電気抵抗が変化する少なくとも１つの磁気抵抗素子を集約する測定アッセンブリ（１）を含み、
   前記磁気抵抗素子は、２つの導体磁気層からなる積層体を含み、
   その各々の層は、参照層と感応層であり、
   それらの間には、前記積層体の前記電気抵抗が前記参照層と前記感応層との磁化の相対配向によって定まるように、分離層が配置されており、
   前記センサは、検出された磁場を表す信号を供給するために、前記電気抵抗の変化を利用できるように構成された電子回路を含み、
   前記参照層はＸ方向に、前記感応層は前記Ｘ方向に直交するＹ方向に、磁気異方性を有しており、
   前記センサは、前記Ｘ方向と前記Ｙ方向とを含む平面に広がる表面（３）、及び、前記Ｘ方向とＺ方向とを含む対称面（４）を有する永久分極磁石（２）を含み、
   前記Ｚ方向は、前記Ｘ方向と前記Ｙ方向とに直交すると共に、前記分極磁石（２）の前記磁場が主にそれにそって広がる方向であり、
   前記測定アッセンブリ（１）は、前記分極磁石（２）の磁場が、前記感応層の磁化を前記Ｙ方向に方向付けるように調整された距離（△ｙ）だけ、前記Ｙ方向に前記対称面からずらされながら、前記磁気抵抗素子の前記層の各々が前記表面（３）と平行な平面に配置されるように、前記分極磁石（２）の前記対称面（４）に対向して配置され、
   検出された前記磁場の前記Ｘ方向の成分に応じて、前記磁化の方向の変化を許容しながら、検出される磁場範囲において、前記磁化の変化が磁気抵抗素子の電気抵抗の線形変化をもたらし、
   前記分極磁石（２）の前記表面（３）の前記Ｙ方向の寸法（Ｄｙ）の５から１５％の間である寸法（△ｙ）だけ、前記測定アッセンブリ（１）が前記対称面（４）からずらされている検出センサ。
2. 前記感応層が、前記Ｙ方向に磁化の優先方向を有している請求項１に記載の検出センサ。
3. 測定アッセンブリ（１）が、前記Ｘ方向に延伸するように直線状に構成された複数の磁気抵抗素子を含む請求項１又は２に記載の検出センサ。
4. 前記磁気抵抗素子が、ホイートストン・ブリッジ内の測定アッセンブリ（１）に含まれている請求項３に記載の検出センサ。
5. 前記磁気抵抗素子が、カレントループ内の測定アッセンブリ（１）に含まれている請求項３に記載の検出センサ。
6. 前記測定アッセンブリ（１）が、前記分極磁石（２）の前記表面（３）の中央部分に対向して設けられている請求項１から５の何れか１項に記載の検出センサ。
7. 前記測定アッセンブリ（１）が、電子カード（５）の１つの表面に設けられており、
   前記電子カード（５）の他の表面が、前記分極磁石（２）の前記表面（３）に固定されている請求項１から６の何れか１項に記載の検出センサ。
8. 前記分極磁石（２）がフェライトから形成されている請求項１から７の何れか１項に記載の検出センサ。
9. 前記磁気抵抗素子が、トンネル効果型である請求項１から８の何れか１項に記載の検出センサ。
10. 固定構造物と連動して動くことが可能な部材の少なくとも１つの運動パラメータを決定するシステムであって、
    前記システムは、可動部材と共に動くことが可能なように前記可動部材に設けられたエンコーダを有し、
    前記エンコーダは、前記エンコーダの動きを表す周期磁界を供給することが可能なように構成されており、
    測定アッセンブリ（１）と共に、前記磁場からの検出可能距離に前記固定構造物に配置される請求項１から９の何れか１項に記載の検出センサを有し、
    前記測定アッセンブリ（１）の電気抵抗の変化に基づいて前記可動部材の前記運動パラメータを決定する演算装置を有する決定システム。
11. 前記エンコーダは、磁場を放つことができる少なくとも１つの多極磁気トラックを有し、
    その前記Ｘ方向の成分は、前記測定アッセンブリ（１）に対する前記トラックの前記動きに応じて疑似正弦波状に変化する請求項１０に記載の決定システム。
12. 前記エンコーダは、前記測定アッセンブリ（１）に対する前記構造物の移動に応じて疑似正弦波状に変化する前記磁場の前記Ｘ方向の成分を供給することができるように、前記分極磁石（２）から放たれた磁場を変更可能に構成された強磁性体構造を有している請求項１０に記載の決定システム。

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