(57)【要約】【課題】磁気センサの配置位置のばらつきに起因する影響を抑え、簡単な構成である回転検出システムを提供すること。【解決手段】本発明の回転検出システムは、基板１と、前記基板１の表面上に実装された磁気センサ２ａ，２ｂと、前記基板１の上方に配置され、前記基板１の表面に対して垂直な軸を中心に回転可能であり、磁性材料で構成された被回転体３と、前記被回転体３に取り付けられた単極磁石４と、を具備し、前記磁気センサ２ａ，２ｂは、磁化固定層及び磁化フリー層を有する磁気抵抗効果素子を有し、前記基板１の表面に平行な方向の磁場により前記磁化フリー層が磁化され、前記磁化固定層の磁化と前記磁化フリー層の磁化との間の角度差により回転検出することを特徴とする。【選択図】図１
2011127909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の表面上に実装された磁気センサと、前記基板の上方に配置され、前記基板の表面に対して垂直な軸を中心に回転可能であり、磁性材料で構成された被回転体と、前記被回転体に取り付けられた単極磁石と、を具備し、前記磁気センサは、磁化固定層及び磁化フリー層を有する磁気抵抗効果素子を有し、前記基板の表面に平行な方向の磁場により前記磁化フリー層が磁化され、前記磁化固定層の磁化と前記磁化フリー層の磁化との間の角度差により回転検出することを特徴とする回転検出システム。
【請求項２】
前記被回転体は、前記単極磁石を装着する磁石装着部と、前記磁石装着部に連接する複数の脚部とを有しており、前記磁気センサは、前記脚部から放出された前記単極磁石の漏洩磁場を検出することを特徴とする請求項１記載の回転検出システム。
【請求項３】
前記漏洩磁場は、前記磁化固定層の磁化方向との間の角度が９０度となる向きの磁場であることを特徴とする請求項２記載の回転検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた回転検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサを用いた回転検出器としては、例えば、特許文献１に開示されているものがある。この回転検出器は、多極磁石と磁気センサとを有し、極が変わることによる磁場成分を検出することにより、回転検出を行うものである。このような回転検出器の磁気センサには、ホール素子が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−９８７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、家電製品の被回転体（例えば、つまみ）の回転検出に磁気センサを利用することが行われている。このような回転検出システムにおいては、例えば、放射状に複数の脚部が延在する被回転体に単極磁石を取り付け、脚部が回転軸を中心に回転した際に通過する位置に磁気センサを配置し、脚部が通過した際の磁場変化を検出することにより回転検出を行う。
【０００５】
しかしながら、このような構成の回転検出システムにおいて、磁気センサにホール素子を用いることを想定した場合、ホール素子が鉛直磁場の成分を利用して磁場強さを検出する素子であるので、放射状に複数の脚部が延在する複雑な形状のものを被回転体とする場合には、磁気センサの配置位置で磁場の大きさが異なるので、センサ出力に影響を及ぼすことが考えられる。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、磁気センサの配置位置のばらつきに起因する影響を抑え、簡単な構成である回転検出システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の回転検出システムは、基板と、前記基板の表面上に実装された磁気センサと、前記基板の上方に配置され、前記基板の表面に対して垂直な軸を中心に回転可能であり、磁性材料で構成された被回転体と、前記被回転体に取り付けられた単極磁石と、を具備し、前記磁気センサは、磁化固定層及び磁化フリー層を有する磁気抵抗効果素子を有し、前記基板の表面に平行な方向の磁場により前記磁化フリー層が磁化され、前記磁化固定層の磁化と前記磁化フリー層の磁化との間の角度差により回転検出することを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、磁気センサに磁気抵抗効果素子を用いているので、単極磁石の磁力の大小に依存しない。このため、磁気センサの半径方向の配置位置がずれても（ばらついても）、強度振幅の中点（磁気センサの出力波形の中点）の位置がずれることがない。したがって、矩形波出力を得るために、磁気センサ出力の中点となる閾値を振幅に応じて設定する必要がなくなる。その結果、強度振幅の中点が０Ｖとなるので、外部コンパレータなどが不要となり、回路構成を簡略化することができる。
【０００９】
本発明の回転検出システムにおいては、前記被回転体は、前記単極磁石を装着する磁石装着部と、前記磁石装着部に連接する複数の脚部とを有しており、前記磁気センサは、前記脚部から放出された前記単極磁石の漏洩磁場を検出することが好ましい。
【００１０】
本発明の回転検出システムにおいては、前記漏洩磁場は、前記磁化固定層の磁化方向との間の角度が９０度となる向きの磁場であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の回転検出システムは、基板と、前記基板の表面上に実装された磁気センサと、前記基板の上方に配置され、前記基板の表面に対して垂直な軸を中心に回転可能であり、磁性材料で構成された被回転体と、前記被回転体に取り付けられた単極磁石と、を具備し、前記磁気センサは、磁化固定層及び磁化フリー層を有する磁気抵抗効果素子を有し、前記基板の表面に平行な方向の磁場により前記磁化フリー層が磁化され、前記磁化固定層の磁化と前記磁化フリー層の磁化との間の角度差により回転検出するので、磁気センサの配置位置のばらつきに起因する影響を抑え、簡単な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る回転検出システムを示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図２】ホール素子の磁気検出を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る回転検出システムにおける磁気抵抗効果素子の磁気検出を説明するための図である。
【図４】（ａ）は、磁気センサにホール素子を用いた際のツマミ回転角度に対応するセンサ検知磁束密度（水平成分）を示す図であり、（ｂ）は、磁気センサに磁気抵抗効果素子を用いた際のツマミ回転角度に対応するセンサ検知磁束密度（水平成分）を示す図である。
【図５】（ａ）は、磁気センサにホール素子を用いた際のツマミ回転角度に対応するセンサ検知磁束密度（鉛直成分）を示す図であり、（ｂ）は、磁気センサに磁気抵抗効果素子を用いた際のツマミ回転角度に対応するセンサ検知磁束密度（鉛直成分）を示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、磁気センサに磁気抵抗効果素子を用いた際のツマミ回転角度に対応するセンサ検知磁束密度のセンサ実装公差の影響を示す図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は、磁気センサにホール素子を用いた際のツマミ回転角度に対応するセンサ検知磁束密度のセンサ実装公差の影響を示す図である。
【図８】公差項目に対する磁束密度波形振幅中点を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の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。
図１は、本発明の実施の形態に係る回転検出システムを示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。
【００１４】
図１に示す回転検出システムは、被回転体であるツマミが着脱可能である構成を有する。この回転検出システムは、基板１と、基板１の表面上に実装された磁気センサ２ａ，２ｂと、基板１の上方に配置され、基板１の表面に対して垂直な軸を中心に回転可能であり、磁性材料で構成された被回転体であるツマミ３と、ツマミ３に取り付けられた単極磁石４とから主に構成されている。
【００１５】
基板１は、図１（ａ）に示すように、円形であり、その表面には、磁気センサ２ａ，２ｂを実装するための配線や電極パッド（いずれも図示せず）が設けられている。なお、基板１の形状、寸法などについては特に制限はない。基板１上には、磁気センサ２ａ，２ｂが実装されている。
【００１６】
磁気センサ２ａ，２ｂは、磁気抵抗効果素子で構成されている。磁気抵抗効果素子としては、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）などを用いることができる。ＧＭＲ素子としては、外部磁界に対して磁化変動する磁化フリー層と、磁化が固定され、外部磁界に対して磁化変動しない磁化固定層とを有する多層膜積層構造のＧＭＲ素子が用いられる。なお、このＧＭＲ素子においては、磁化フリー層と磁化固定層との間には非磁性層が介在している。また、ＧＭＲ素子は、磁化フリー層／非磁性層／磁化固定層の積層構造を少なくとも有していれば良く、他の層が設けられていても良い。ＧＭＲ素子の各層の厚さについては特に制限はない。
【００１７】
磁気センサ２ａは、ツマミ３の回転検出用の磁気センサである。この磁気センサ２ａは、基板１の表面に平行な方向の磁場により磁化フリー層が磁化され、磁化固定層の磁化と磁化フリー層の磁化との間の角度差により回転検出する。磁気センサ２ｂは、ツマミ３が取り外されたことを検知する磁気センサである。磁気センサ２ｂは、ツマミ３の回転を検出するものではないので、ツマミ３が着脱されるものではない場合には不要である。
【００１８】
被回転体であるツマミ３は、図１（ａ）に示すように、平面視において中央の磁石装着部３ａから放射状に延在する脚部３ｂを有する。この回転検出システムは、隣接する脚部間が等角度である５つの脚部３ｂを有する。なお、脚部３ｂの数については特に制限はない。このツマミ３は、図１（ｂ）に示すように、磁石装着部３ａから斜め下方に延在するように脚部３ｂを有し、脚部３ｂの先端にはフランジ部３ｃが設けられている。すなわち、ツマミ３は、ツマミ３は、基板１の表面に平行な面を有する磁石装着部３ａと、その磁石装着部３ａに連接し、斜め下方に延在する脚部３ｂと、脚部３ｂに連接し、基板１の表面に平行であるフランジ部３ｃとを有する。このツマミ３は磁性材料、例えば、鉄板、ステンレス板、メッキ鋼板などで構成されている。
【００１９】
磁石装着部３ａには、単極磁石４が装着されている。この単極磁石４としては、フェライト、ネオジウムなどを用いることができる。単極磁石４の寸法としては、磁石装着部３ａに装着可能な大きさであれば特に制限はない。磁気センサ２ａは、ツマミ３の脚部３ｂから放出された単極磁石４の漏洩磁場を検出する。
【００２０】
ここで、本発明の回転検出システムにおいて、磁気センサに磁気抵抗効果素子を用いる理由について説明する。図２は、ホール素子の磁気検出を説明するための図である。図１（ｂ）及び図２を用いて、磁気センサにホール素子を用いた際の回転検出システムの磁気検出について説明する。
【００２１】
まず、単極磁石４からの漏洩磁場は、磁性材料で構成されたツマミ３の中心部（磁石装着部３ａ）に吸い寄せられ、ツマミ３の脚部３ｂから放出される。したがって、図１（ｂ）のツマミ３の脚部３ｂからフランジ部３ｃの領域及び脚部３ｂからフランジ部３ｃの下方領域（図１（ｂ）の斜線領域）において磁場強度が大きくなる。ホール素子５１は、このツマミ３の脚部３ｂから放出される磁場を検出する。そして、ホール素子５１は、外部磁場（ツマミ３から放出される磁場の強度変化）を出力に変換する。この出力は、配線５２を介して伝送される。
【００２２】
ホール素子５１の出力は、ホール素子５１に印加する磁場の強度、すなわち、図２に示す基板１の表面に対して垂直な方向（鉛直方向）の磁場Ａの強度に依存する。この回転検出システムにおけるツマミ３は、図１（ｂ）に示す形状、すなわち、脚部３ｂが基板表面に対して傾斜している形状を有しているので、基板１上のホール素子の配置位置により鉛直方向の磁場の強度が変わる。図１（ｂ）において、ホール素子の配置位置がＸの場合と、ホール素子の配置位置がＹの場合とで鉛直方向の磁場の強度が異なる（Ｘの場合の磁場強度が大きい）。
【００２３】
また、この回転検出システムにおけるツマミ３は、図１（ａ）に示す形状、すなわち、脚部３ｂが中央の磁石装着部３ａから放射状に延在する形状を有しているので、ホール素子の配置位置により鉛直方向の磁場の強度が変わる。図１（ａ）において、基板１上の脚部近傍の領域と脚部間の領域とで磁場の強度が変わる（脚部近傍の領域で磁場強度が大きい）。また、脚部３ｂにおいては先端のフランジ部３ｃの領域で磁場強度が大きい。
【００２４】
ここで、平面視において、ツマミ３の中心からホール素子までの距離（図１（ａ）における距離ｒ）を１２．０ｍｍ、１３．５ｍｍ、１５．０ｍｍ（ｒ＝１５．０ｍｍが最も鉛直方向の磁場強度が大きい）に変えて、ツマミ３の回転角度に対応するセンサ検知磁束密度を調べた。その結果を図４（ａ）、図５（ａ）に示す。なお、図４（ａ）は、ツマミ回転角度に対応する水平成分の磁束密度を示し、図５（ａ）は、ツマミ回転角度に対応する鉛直成分の磁束密度を示す。
【００２５】
図４（ａ）、図５（ａ）から分かるように、磁気センサにホール素子を用いると、磁気センサの半径方向の配置位置により強度振幅の中点（磁気センサの出力波形の中点）の位置がずれる。このように磁気センサの配置位置（のばらつき）により強度振幅の中点がずれると、矩形波出力を得るために、磁気センサ出力の中点となる閾値を振幅に応じて設定する必要がある。また、図４（ａ）、図５（ａ）から分かるように、強度振幅の中点が０Ｖでないために、外部コンパレータを用いる必要があり、回路構成を複雑にしてしまう。さらに、磁気センサの配置位置によって、強度振幅やその中点が大きくずれるので、閾値設定も困難である。
【００２６】
そこで、本発明者らは鋭意検討を重ね、本回転検出システムにおいて、磁気センサに磁気抵抗効果素子を用いることにより、上記課題が解決できることを見出して本発明を完成させた。
【００２７】
図３は、本発明の実施の形態に係る回転検出システムにおける磁気抵抗効果素子の磁気検出を説明するための図である。図１（ａ）及び図３を用いて、磁気センサに磁気抵抗効果素子を用いた際の回転検出システムの磁気検出について説明する。
【００２８】
まず、単極磁石４からの漏洩磁場は、磁性材料で構成されたツマミ３の中心部（磁石装着部３ａ）に吸い寄せられ、ツマミ３の脚部３ｂから放出される。磁気センサ２ａの磁気抵抗効果素子は、このツマミ３の脚部３ｂから放出される磁場を検出する。このとき、磁気抵抗効果素子は、磁化固定層２２の磁化の方向と、検出する外部磁場（ツマミ３から放出される磁場）の方向との間の角度差を出力に変換する。この出力は、配線２３を介して伝送される。
【００２９】
図１（ａ）において、ツマミ３の脚部３ｂから放出される磁場は、等角度間隔をおいた径方向の直線上で、磁化固定層２２の磁化方向に対して９０度の向きとなる磁場を作り出す。すなわち、ツマミ３の脚部３ｂから放出される磁場が、磁化固定層２２の磁化方向に対して９０度の向きとなる磁場となる。
【００３０】
より詳細に説明すると、図１（ａ）において、ツマミ３を回動させると、ツマミ３と基板１上の磁気センサ２ａとは円周方向に相対的に移動することとなる。磁気センサ２ａの磁化固定層２２は、その磁化方向が前記移動方向に沿うように形成されている。したがって、磁気センサ２ａの磁化固定層２２の磁化方向は、ツマミ３に対して円周方向に沿って相対的に移動することとなる。
【００３１】
一方、図１（ａ）に示すツマミ３の脚部３ｂにおいては、長手方向に沿って磁場角度が同じである。すなわち、図１（ａ）に示す平面視において、磁場角度が同じラインは、脚部３ｂに沿って磁石装着部３ａの中心から放射状に延びている。このため、脚部３ｂの長手方向が磁場方向となる。このため、ツマミ３の脚部３ｂから放出される漏洩磁場は、磁化固定層２２の磁化方向との間の角度が９０度となる向きの磁場である。
【００３２】
図３に示すように、磁気抵抗効果素子においては、磁化フリー層２１の磁化の方向Ｃは基板１の表面に対して平行な方向Ｂの磁場により磁化される。すなわち、磁化フリー層２１の磁化は、図１（ａ）に示す脚部３ｂの長手方向の磁場により磁化される。このため、磁化フリー層２１の磁化の方向Ｃは磁場方向Ｂに揃うことになる。そして、磁気抵抗効果素子は、磁化固定層２２の磁化の方向Ｄと、検出する外部磁場（ツマミ３から放出される磁場）の方向Ｂ（磁化フリー層２１の磁化の方向Ｃ）との間の角度差を出力に変換する。すなわち、磁気抵抗効果素子の出力は、磁化固定層２２の磁化方向と磁化フリー層２１の磁化方向の角度差に依存する。なお、角度間隔による磁場の影響力は、単極磁石４の磁力の大小に依存しない。このため、ホール素子の場合と異なり、磁気センサの配置位置（実装誤差）により強度振幅やその中点が大きくずれることはない。
【００３３】
また、本システムにおいて、磁石磁力や磁石温度特性のばらつきが考えられる。磁気センサがホール素子である場合には、磁力の大小がセンサ出力に影響を及ぼすので、このような磁石公差の影響でセンサ出力がばらつく。一方、磁気センサが磁気抵抗効果素子である場合には、磁力の大小がセンサ出力に影響を及ぼさないので、このような磁石公差の影響でもセンサ出力がばらつかない。
【００３４】
なお、磁気センサの出力波形の中点は、磁化固定層２２の磁化の方向に対して外部磁場方向（ツマミ３から放出される磁場の方向）となす角が９０度のときに相当する。
【００３５】
ここで、平面視において、ツマミ３の中心から磁気抵抗効果素子までの距離（図１（ａ）における距離ｒ）を１２．０ｍｍ、１３．５ｍｍ、１５．０ｍｍ（ｒ＝１５．０ｍｍが最も鉛直方向の磁場強度が大きい）に変えて、ツマミ３の回転角度に対応するセンサ検知磁束密度を調べた。その結果を図４（ｂ）、図５（ｂ）に示す。なお、図４（ｂ）は、ツマミ回転角度に対応する水平成分の磁束密度を示し、図５（ｂ）は、ツマミ回転角度に対応する鉛直成分の磁束密度を示す。
【００３６】
図４（ｂ）、図５（ｂ）から分かるように、磁気センサに磁気抵抗効果素子を用いれば、磁気センサの半径方向の配置位置がずれても（ばらついても）、強度振幅の中点（磁気センサの出力波形の中点）の位置がずれることがない。したがって、矩形波出力を得るために、磁気センサ出力の中点となる閾値を振幅に応じて設定する必要がなくなる。その結果、図４（ｂ）、図５（ｂ）から分かるように、強度振幅の中点が０Ｖとなるので、外部コンパレータなどが不要となり、回路構成を簡略化することができる。
【００３７】
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
磁気センサに磁気抵抗効果素子を用いた、図１に示す回転検出システムにおいて、以下に示すそれぞれの実装公差でのツマミ回転角度に対応するセンサ検知磁束密度の影響について調べた。その結果を図６（ａ）に示す。
公差項目１：実装公差なし
公差項目２：Ｘ軸方向＋０．５ｍｍ
公差項目３：Ｘ軸方向−０．５ｍｍ
公差項目４：Ｙ軸方向＋０．５ｍｍ
公差項目５：Ｙ軸方向−０．５ｍｍ
公差項目６：Ｚ軸方向＋０．５ｍｍ
公差項目７：Ｚ軸方向−０．５ｍｍ
【００３８】
図６（ａ）から分かるように、±０．５ｍｍの実装公差があっても、センサ検知磁束密度には影響が少ない。これは、本システムにおける磁気抵抗効果素子の出力が単極磁石の磁力の大小に依存しないからであると考えられる。また、強度振幅の中点（磁気センサの出力波形の中点）の位置が０Ｖであった。
【００３９】
また、磁気センサに磁気抵抗効果素子を用いた、図１に示す回転検出システムにおいて、以下に示すそれぞれの公差でのツマミ回転角度に対応するセンサ検知磁束密度の影響について調べた。その結果を図６（ｂ）に示す。
公差項目８：磁石磁力温度特性／高温
公差項目９：磁石磁力温度特性／低温
公差項目１０：磁石磁力公差／高磁力
公差項目１１：磁石磁力公差／低磁力
【００４０】
図６（ｂ）から分かるように、磁石磁力、磁石温度特性の実装公差があっても、センサ検知磁束密度には影響が少ない。これは、本システムにおける磁気抵抗効果素子の出力が単極磁石の磁力の大小に依存しないからであると考えられる。また、強度振幅の中点（磁気センサの出力波形の中点）の位置が０Ｖであった。
【００４１】
比較例として、磁気センサにホール素子を用いた、図１に示す回転検出システムにおいて、公差項目１〜７の実装公差でのツマミ回転角度に対応するセンサ検知磁束密度の影響について調べた。その結果を図７（ａ）に示す。
【００４２】
図７（ａ）から分かるように、±０．５ｍｍの実装公差があると、センサ検知磁束密度に影響が及ぶ。これは、本システムにおける磁気抵抗効果素子の出力が単極磁石の磁力の大小に依存するからであると考えられる。
【００４３】
また、磁気センサにホール素子を用いた、図１に示す回転検出システムにおいて、公差項目８〜１１の公差でのツマミ回転角度に対応するセンサ検知磁束密度の影響について調べた。その結果を図７（ｂ）に示す。
【００４４】
図７（ｂ）から分かるように、磁石磁力、磁石温度特性の実装公差があると、センサ検知磁束密度に影響が及ぶ。これは、本システムにおける磁気抵抗効果素子の出力が単極磁石の磁力の大小に依存するからであると考えられる。また、強度振幅の中点（磁気センサの出力波形の中点）の位置が０Ｖでなかった。
【００４５】
図８は上記公差項目に対する磁束密度の波形振幅中点の関係を示す図である。図８から分かるように、磁気センサに磁気抵抗効果素子を用いた回転検出システムにおいては、上記公差項目すべてについて強度振幅の中点が０Ｖであった。一方、磁気センサにホール素子を用いた回転検出システムにおいては、上記公差項目すべてについて強度振幅の中点が０Ｖでなく、矩形波出力を得るために外部コンパレータなどが必要となり、回路構成が複雑化する。
【００４６】
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できる。例えば、上記実施の形態における材料、各素子の接続関係、個数、寸法、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、家電製品のツマミの回転検出システムに適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１  基板
２ａ，２ｂ  磁気センサ
３  ツマミ
３ａ  磁石装着部
３ｂ  脚部
３ｃ  フランジ部
４  単極磁石
２１  磁化フリー層
２２  磁化固定層
２３，５２  配線
５１  ホール素子
【図１】
2011127909.tif 000003
【図２】
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【図３】
2011127909.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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