JP2011196965A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 被検出対象の検出精度を高めることができる磁気センサを実現する。
【解決手段】磁気抵抗素子５ａ〜５ｄを有するセンサチップ５をバイアス磁石２，３が発生するバイアス磁界内に配置し、ロータ５０の歯５１と磁気抵抗素子との相対位置の変化に伴うバイアス磁界の変化を磁気抵抗素子によって検出する磁気センサ１において、相対向して配置されており、かつ、歯５１と対向する部位の磁極がＮの一対のバイアス磁石２，３と、バイアス磁石２，３間に配置されており、各バイアス磁石と磁極の向きが同一の補助磁石４とを備えており、バイアス磁石２，３間にセンサチップ５が配置されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、磁電変換素子を有するセンサチップをバイアス磁石が発生するバイアス磁界内に配置し、被検出対象と磁電変換素子との相対位置の変化に伴うバイアス磁界の変化を磁電変換素子によって検出する磁気センサに関する。

従来、この種の磁気センサとして、永久磁石間に磁電変換素子を配置したものが知られている（特許文献１）。

特開平９−３１１００８号公報（第７落、図１）。

図１８は、ロータの回転角度を検出する従来の磁気センサの説明図であり、（ａ）はロータの歯とバイアス磁石との位置関係を示す説明図、（ｂ）は磁気抵抗素子の配置図、（ｃ）はロータの歯とバイアス磁石とのギャップの説明図である。図１９（ａ）は磁気センサの出力電圧およびロータの回転角度の関係を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）において符号Ｅで示す部分の拡大図、（ｃ）は磁気センサの２値化出力およびロータの回転角度の関係を示すグラフである。

図１８（ａ）に示すように、従来の磁気センサは、平板形状のバイアス磁石６０と、このバイアス磁石６０の上に配置されたセンサチップ６１とを備える。また、図１８（ｂ）に示すように、センサチップ６１は、ハの字状に配置された磁気抵抗素子６２を一対備える。バイアス磁石６０は、Ｎ極がロータ５０に形成された歯５１の歯面に対向するように配置される。また、図１８（ｃ）に示すように、歯５１の歯面とバイアス磁石６０とのギャップはＧに設定される。

しかし、ロータ５０の回転中心の偏心、歯面の凹凸、歯面の高さの公差などによってギャップＧが変化することがある。図Ｅ（ｃ）において、ギャップＧは最初に設定されたギャップであり、ギャップＧ１はギャップＧよりも小さいギャップであり、ギャップＧ２はギャップＧよりも大きいギャップである。例えば、ギャップが最初の設定よりも大きくなると、図１９（ａ）に示すように、磁気センサの出力電圧の立ち上がりが遅れるとともに、出力電圧が低くなる。

このため、図１９（ｂ）に示すように、出力電圧が閾値電圧Ｖｔを超えるタイミング（ｔ１，ｔ２）が、ギャップが大きい場合（Ｇ１）と小さい場合（Ｇ２）とで大きく異なり、図１９（ｃ）においてΔｔで示すように、出力電圧を２値化した２値化出力の立ち上がりタイミングが大きくずれてしまう。
つまり、前述した従来の磁気センサは、被検出対象とバイアス磁石とのギャップに誤差が存在するときに、被検出対象の検出精度が低くなるという問題がある。

そこでこの発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、被検出対象の検出精度を高めることができる磁気センサを実現することを目的とする。

上記の目的を達成するため、この発明の第１の特徴は、磁電変換素子（５ａ〜５ｄ）を有するセンサチップ（５）をバイアス磁石が発生するバイアス磁界内に配置し、被検出対象（５１）と前記磁電変換素子との相対位置の変化に伴う前記バイアス磁界の変化を前記磁電変換素子によって検出する磁気センサ（１）において、相対向して配置されており、かつ、前記被検出対象と対向する部位の磁極が同一の一対のバイアス磁石（２，３）と、前記一対のバイアス磁石間に配置されており、各バイアス磁石と磁極の向きが同一の補助磁石（４）と、を備えており、前記一対のバイアス磁石間に前記センサチップが配置されていることにある。

上述した第１の特徴によれば、一対のバイアス磁石間に補助磁石を備えるため、バイアス磁石が発生する磁場の磁気ベクトルの振幅を大きくすることができるので、被検出対象とバイアス磁石とのギャップが大きいときに磁気センサが出力する検出信号の電圧を高くすることができる。
したがって、上記ギャップが大きいときと小さいときにおいて、検出信号の電圧が閾値電圧を超えるタイミングの誤差を小さくすることができるため、被検出対象の検出精度を高めることができる。

この発明の第２の特徴は、前述した第１の特徴において、前記一対のバイアス磁石（２，３）が前記補助磁石（４）によって連結されていることにある。

上述した第２の特徴によれば、一対のバイアス磁石が補助磁石によって連結されているため、磁気センサを製造する際にバイアス磁石同士を補助磁石によって連結した状態にしておくことにより、バイアス磁石間で配置位置がずれるおそれがない。
したがって、被検出対象の検出精度をより一層高めることができる。

この発明の第３の特徴は、前述した第１または第２の特徴において、前記一対のバイアス磁石（２，３）および補助磁石（４）は、一体成形されていることにある。

上述した第３の特徴によれば、一対のバイアス磁石および補助磁石が一体成形されているため、一体成形時に一対のバイアス磁石および補助磁石の位置関係を調整しておけば、一体成形後に各バイアス磁石および補助磁石の位置関係に誤差が生じるおそれがない。

この発明の第４の特徴は、前述した第１ないし第３の特徴のいずれか１つにおいて、前記一対のバイアス磁石（２，３）は、それぞれ長さ方向の両端に磁極を有する棒状磁石であることにある。

上述した第４の特徴によれば、一対のバイアス磁石は、それぞれ長さ方向の両端に磁極を有する棒状磁石であるため、バイアス磁石が発生する磁場を被検出対象の方に延ばすことができる。
したがって、被検出対象とバイアス磁石とのギャップが大きいときでも磁気センサの検出信号の電圧を高くすることができるため、被検出対象の検出精度をより一層高めることができる。

この発明の第５の特徴は、前述した第１ないし第４の特徴のいずれか１つにおいて、前記一対のバイアス磁石（２，３）には、縦断面の面積が他の部分よりも小さい部分がそれぞれ形成されていることにある。

この発明の第６の特徴は、前述した第１ないし第５の特徴のいずれか１つにおいて、前記一対のバイアス磁石（２，３）には、段部（２ｄ，３ｄ）がそれぞれ形成されていることにある。

この発明の第７の特徴は、前述した第６の特徴において、前記段部（２ｄ，３ｄ）が、前記一対のバイアス磁石（２，３）の相対向する部分（２ｃ，３ｃ）にそれぞれ形成されていることにある。

この発明の第８の特徴は、前述した第６または第７の特徴において、前記段部（２ｄ，３ｄ）が、前記一対のバイアス磁石（２，３）のうち、前記被検出対象（５１）から遠い位置にそれぞれ形成されていることにある。

この発明の第９の特徴は、前述した第１ないし第８の特徴のいずれか１つにおいて、前記一対のバイアス磁石（２，３）は、それぞれ縦断面形状が略矩形であることにある。

上述した第５ないし第９の特徴のいずれかによれば、各バイアス磁石が発生する磁場の磁気ベクトルの振幅を大きくすることができるので、被検出対象の検出精度をより一層高めることができる。

この発明の第１０の特徴は、前述した第１ないし第９の特徴のいずれか１つにおいて、前記一対のバイアス磁石（２，３）および補助磁石（４）から成る部分の縦断面形状が凹形状であることにある。

上述した第１０の特徴によれば、一対のバイアス磁石および補助磁石から成る部分の縦断面形状が凹形状であるため、凹部の空間にセンサチップを収容することができる。

この発明の第１１の特徴は、前述した第１ないし第１０の特徴のいずれか１つにおいて、前記補助磁石（４）が、前記一対のバイアス磁石（２，３）のうち、前記被検出対象（５１）に近い位置に配置されていることにある。

上述した第１１の特徴によれば、補助磁石が、一対のバイアス磁石のうち、被検出対象に近い位置に配置されているため、各バイアス磁石が発生する磁場の磁気ベクトルの振幅をより一段と大きくすることができるので、被検出対象の検出精度をより一層高めることができる。

この発明の第１２の特徴は、前述した第１１の特徴において、前記一対のバイアス磁石（２，３）および補助磁石（４）のうち、前記被検出対象（５１）と対向する着磁面が面一になっていることにある。

上述した第１２の特徴によれば、一対のバイアス磁石および補助磁石のうち、被検出対象と対向する着磁面が面一になっているため、バイアス磁石から発生する磁場のばらつきをなくすことができる。

この発明の第１３の特徴は、前述した第１ないし第１２の特徴のいずれか１つにおいて、前記補助磁石（４）は、前記一対のバイアス磁石（２，３）間に形成された空間の上部に配置されており、前記センサチップ（５）は、前記補助磁石の下に形成された空間（１１）に収容されていることにある。

この発明の第１４の特徴は、前述した第１ないし第１２の特徴のいずれか１つにおいて、前記補助磁石（４）は、前記一対のバイアス磁石間（２，３）に形成された空間の下部に配置されており、前記センサチップ（５）は、前記補助磁石の上に形成された空間に収容されていることにある。

上述した第１３または第１４の特徴によれば、センサチップが補助磁石の下または上に形成された空間に収容されているため、磁気センサを小型化することができる。
また、各バイアス磁石から発生し、補助磁石に戻ってくる磁場の近傍にセンサチップが存在するため、磁気センサの感度を高めることができる。

この発明の第１５の特徴は、前述した第１４の特徴において、前記センサチップ（５）が、その裏面が前記補助磁石（４）の表面に接するように配置されていることにある。

上述した第１５の特徴によれば、センサチップの裏面が補助磁石の表面に接しているため、磁気センサの感度をより一層高めることができる。

この発明の第１６の特徴は、前述した第１４または第１５の特徴において、前記補助磁石（４）を収容するための溝（３３）が裏面に形成されており、前記センサチップ（５）を表面に取付けるための取付部材（３２）を備えており、前記補助磁石を前記溝に収容すると、前記センサチップが前記一対のバイアス磁石（２，３）間に配置されるように構成されたことにある。

補助磁石を取付部材の裏面に形成された溝に収容するだけの簡単な作業により、センサチップを一対のバイアス磁石間に配置することができるため、一対のバイアス磁石の位置決め精度および位置決め作業効率を高めることができる。

この発明の第１７の特徴は、前述した第１ないし第１６の特徴のいずれか１つにおいて、前記センサチップ（５）の後端から一対の検出信号出力端子（７〜９）が延出しており、各検出信号出力端子が、近い方のバイアス磁石にそれぞれインサート成形されていることにある。

上述した第１７の特徴によれば、検出信号出力端子がバイアス磁石にインサート成形されているため、検出信号出力端子を固定するための部材が不要となるため、その分、磁気センサの製造コストを削減することができる。また、検出信号出力端子がバイアス磁石にインサート成形されている分、磁気センサを小型化することができる。

この発明の第１８の特徴は、前述した第１ないし第１７の特徴のいずれか１つにおいて、前記一対のバイアス磁石（２，３）間に形成された空間およびセンサチップ（５）が絶縁材料（２１）によってモールドされていることにある。

上述した第１８の特徴によれば、センサチップが塵芥、気温および湿度の影響を受け難くすることができる。

前述した第１ないし第１８の特徴は、この発明の第１９の特徴のように、回転体（５０）の周面に形成された凹凸（５１）の検出に用いると効果が大きい。つまり、回転体の周面に形成された凹凸を検出するタイミングによって回転体の回転角を測定する回転角検出装置では、回転体の凹凸の検出タイミングの精度を高めることにより、回転体の回転角の測定精度を高めることができるからである。

この発明の第２０の特徴は、前述した第１ないし第１９の特徴のいずれか１つにおいて、前記磁電変換素子（５ａ〜５ｄ）は磁気抵抗素子であることにある。

上述した第２０の特徴によれば、磁電変換素子として磁気抵抗素子を用いるため、歪が小さく高い出力電圧を得ることができるので、感度および検出精度をより一層高めることができる。

この発明の第２１の特徴は、前述した第１ないし第１９の特徴のいずれか１つにおいて、前記磁電変換素子（５ａ〜５ｄ）はホール素子であることにある。

上述した第２１の特徴によれば、磁電変換素子としてホール素子を用いるため、リニアな出力を出すことができる。また、ホール素子は磁気抵抗素子よりも感度が小さいが、前述した第１ないし第１７の特徴を用いれば、バイアス磁石が発生する磁場の磁気ベクトルの振幅を大きくすることができるため、感度が小さいことを補うことができる。

なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

この発明の第１実施形態に係る磁気センサの外観斜視図である。 図１に示す磁気センサを構成するバイアス磁石および補助磁石の外観図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すバイアス磁石３の内向き側面の説明図である。 図１に示す磁気センサがロータの歯と対向して配置された状態を示す説明図である。 樹脂によりモールドされた状態を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。 実験結果を示すグラフであり、（ａ）は磁気センサの出力電圧およびロータの回転角度の関係を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）において符号Ｆで示す部分の拡大図、（ｃ）は磁気センサの２値化出力およびロータの回転角度の関係を示すグラフである。 従来の磁気センサの検証内容を示す説明図であり、（ａ）はロータの歯とバイアス磁石との位置関係の変化を示す説明図、（ｂ）は磁気ベクトルの説明図である。 磁気センサ１の検証内容を示す説明図であり、（ａ）はロータの歯とバイアス磁石との位置関係の変化を示す説明図、（ｂ）は磁気センサがロータの歯を検出していないときの磁気ベクトルの説明図、（ｃ）は磁気センサがロータの歯を検出したときの磁気ベクトルの説明図である。 第２実施形態に係る磁気センサを構成するバイアス磁石および補助磁石の外観斜視図である。 第３実施形態に係る磁気センサを構成するバイアス磁石および補助磁石の外観斜視図である。 第４実施形態に係る磁気センサを構成するバイアス磁石および補助磁石の外観斜視図である。 第５実施形態に係る磁気センサを構成するバイアス磁石および補助磁石の外観斜視図である。 第６実施形態に係る磁気センサを構成するバイアス磁石および補助磁石の外観斜視図である。 第７実施形態に係る磁気センサの説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。 バイアス磁石および補助磁石を取付けた状態の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。 第８実施形態に係る磁気センサの説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。 （ａ），（ｂ）は、第８実施形態に係る磁気センサの変更例を示す正面図である。 第９実施形態に係る磁気センサの説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。 ロータの回転角度を検出する従来の磁気センサの説明図であり、（ａ）はロータの歯とバイアス磁石との位置関係を示す説明図、（ｂ）は磁気抵抗素子の配置図、（ｃ）はロータの歯とバイアス磁石とのギャップの説明図である。 （ａ）は磁気センサの出力電圧およびロータの回転角度の関係を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）において符号Ｅで示す部分の拡大図、（ｃ）は磁気センサの２値化出力およびロータの回転角度の関係を示すグラフである。

〈第１実施形態〉
この発明に係る第１実施形態について図を参照して説明する。この実施形態では、この発明に係る磁気センサとして、ロータの周面に形成された凹凸を検出することにより、ロータの回転角を検出する磁気センサを例に挙げて説明する。
図１は、この第１実施形態に係る磁気センサの外観斜視図であり、図２は、図１に示す磁気センサを構成するバイアス磁石および補助磁石の外観図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すバイアス磁石３の内向き側面の説明図である。図３は、図１に示す磁気センサがロータの歯と対向して配置された状態を示す説明図である。図４は、樹脂によりモールドされた状態を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。

［磁気センサの構成］
図１に示すように、この実施形態に係る磁気センサ１は、相対向して配置され一対のバイアス磁石２，３と、バイアス磁石２，３間を連結するように配置された補助磁石４と、各バイアス磁石２，３間において補助磁石４の下方に配置されたセンサチップ５とを備える。また、磁気センサ１は、センサチップ５が搭載され、かつ、センサチップ５と電気的に接続されたリードフレーム１０と、このリードフレーム１０が搭載された基板６とを備える。

図２（ａ）に示すように、バイアス磁石２，３は同一の大きさおよび形状に形成されており、点対称に配置されている。バイアス磁石２，３は、それぞれ縦断面形状が略矩形の棒状に形成されており、長さ方向の両端に磁極を有する。バイアス磁石２，３のロータ５０と対向する前面２ａ，３ａがそれぞれＮ極に着磁されており、後面２ｆ，３ｆがそれぞれＳ極に着磁されている。バイアス磁石３の内向き側面３ｃには、外向きに凹んだ段部３ｄが形成されている。段部３ｄは、側面３ｃの長手方向の中央よりも後面３ｆ寄り、つまり、被検出対象であるロータ５０の歯５１から遠い位置に形成されており、その後面３ｆに向けて傾斜している。

換言すると、バイアス磁石３の後部（長さ方向の中央よりも後面３ｆ寄り）には、縦断面積が小さい部分が形成されており、縦断面積が小さい部分と大きい部分との境界は、後面３ｆに向けて傾斜した傾斜面になっている。バイアス磁石２の内向き側面２ｃ、つまり、バイアス磁石３の内向き側面３ｃと対向する部分には、段部３ｄと同じ形状の段部２ｄが形成されている。段部２ｄは、バイアス磁石３の段部３ｄと相対向しており、点対称に形成されている。

バイアス磁石２，３の各側面２ｃ，３ｃの前端、つまり、ロータ５０の歯５１に近い位置の上端間は、補助磁石４によって連結されている。補助磁石４は、バイアス磁石２，３間を橋渡しするように配置されている。補助磁石４は、板状に形成されており、バイアス磁石２，３と一体成形されている。補助磁石４の前面４ａは、バイアス磁石２，３の各前面２ａ，３ａと同じＮ極に着磁されており、後面４ｆは、バイアス磁石２，３の各後面２ｆ，３ｆと同じＳ極に着磁されている。つまり、補助磁石４は、バイアス磁石として作用し、バイアス磁石２，３の磁場を補う役割を持っている。バイアス磁石２，３および補助磁石４から成る部分の縦断面形状は凹形状になっている。また、補助磁石４の前面４ａと、バイアス磁石２，３の各前面３ａ，４ａとは、面一になっている。

つまり、バイアス磁石２，３および補助磁石４のうち、歯５１と対向する着磁面が面一になっている。このため、バイアス磁石２，３および補助磁石４がそれぞれロータ５０の歯５１と対向したときの歯５１と着磁面とのギャップが均一になる。
補助磁石４の裏面４ｃと、バイアス磁石２，３の各側面２ｃ，３ｃとで囲まれた領域には、センサチップ５と、リードフレーム１０のアイランド８ａと、基板６とを収容する空間１１が形成されている。図１，図３に示すように、センサチップ５は、補助磁石４の直下に配置されている。

リードフレーム１０は、信号出力端子に設定された信号出力用リード端子７と、グランドに設定されたグランド用リード端子８と、センサチップに動作用電源を供給するための電源供給用リード端子９とを備える。グランド用リード端子８の前端には、平板形状のアイランド８ａが形成されている。センサチップ５は、アイランド８ａの表面に取付けられている。センサチップ５は、その表面に信号出力電極と、グランド電極と、電源電極とを配置しており、各電極と対応するリード端子とがボンディングワイヤ２０によって電気的に接続されている。つまり、センサチップ５は、リードフレーム１０にベアチップ実装されている。

リードフレーム１０は、基板６の表面に搭載されている。図３に示すように、センサチップ５には、磁気抵抗素子５ａ〜５ｄが設けられている。磁気抵抗素子５ａ，５ｂは、磁化容易軸同士が９０°を成すようにハの字状に配置されている。磁気抵抗素子５ｃ，５ｄも同様の配置である。補助磁石４の中心からロータ５０に向けて垂線を引いた場合、各磁気抵抗素子５ａ〜５ｄは、磁化容易軸が上記垂線と４５°を成すように配置されている。つまり、バイアス磁石２，３からロータ５０に向けて垂直に発生する磁場の磁気ベクトルと磁化容易軸とが４５°を成すように配置されている。

また、図４に示すように、センサチップ５およびリードフレーム１０は、樹脂２１によってモールドされる。
なお、バイアス磁石２，３および補助磁石４として、フェライト磁石、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石などを用いることができる。また、樹脂２１として、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることができる。さらに、ロータ５０の歯５１は、鉄や炭素鋼などの磁性材料により形成することができる。

そして、上述したように構成された磁気センサ１は、図３に示すように、ロータ５０の周面と対向して配置され、ロータ５０の周面に形成された凹凸、つまり歯５１がセンサチップ５の前面を通過したときの各磁気抵抗素子５ａ〜５ｄの抵抗値の変化を検出し、その検出結果に基いてロータ５０の回転角を検出する。

［実験］
次に、本願発明者らが行った実験について説明する。本願発明者らは、上述した磁気センサ１の検出精度について実験を行った。図５は、実験結果を示すグラフであり、（ａ）は磁気センサの出力電圧およびロータの回転角度の関係を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）において符号Ｆで示す部分の拡大図、（ｃ）は磁気センサの２値化出力およびロータの回転角度の関係を示すグラフである。

図５（ａ）において「ギャップ」とは、ロータ５０の歯５１の歯面とバイアス磁石２，３とのギャップである。また、ギャップの大小は、ロータ５０の回転中心の偏心、歯面の凹凸、歯面の高さの公差などにより発生するものである。
実験の結果、図５（ａ）に示すように、従来の図１９（ａ）と比較してギャップが大きいときおよび小さいときのいずれの場合も磁気センサの出力電圧が高くなることが分かった。また、バイアス磁石２，３にそれぞれ段部（２ｄ，３ｄ）を形成することにより、出力電圧がより一層高くなることも分かった。そして、図５（ｂ）に示すように、ギャップが大きいときのグラフと小さいときのグラフとの交点Ｐが存在することが分かった。

つまり、この交点Ｐに対応する出力電圧を閾値電圧Ｖ１に設定することにより、ギャップの大小に関係なく、歯５１の検出タイミングを同一にすることができることが分かった。そして、その交点Ｐに対応する電圧を閾値電圧Ｖ１に設定すると、図５（ｃ）に示すように、出力電圧を２値化した２値化出力は、ギャップの大小に関係なく、同じタイミングでパルスが立ち上がることが分かった。つまり、ギャップに誤差が存在していても、検出精度が低下しないことが分かった。

なお、閾値電圧Ｖ１を必ずしも交点Ｐに一致させる必要はなく、例えば、図中Ｖ２で示すように、交点Ｐから少し離れた点を閾値電圧に設定することもできる。この場合、ギャップが大きいときと小さいときとで出力電圧が閾値電圧Ｖ２を超えるタイミングｔ１，ｔ２は、非常に接近しており、２値化出力の立ち上がりの誤差を小さくすることができる。また、交点Ｐが形成されない場合は、タイミングｔ１，ｔ２の間隔が小さくなるように閾値電圧Ｖ２を設定すれば良い。

［検証］
次に、本願発明者らは、前述の実施形態に係る磁気センサ１を用いると検出精度を高めることができる理由について検証した。図６は、従来の磁気センサの検証内容を示す説明図であり、（ａ）はロータの歯とバイアス磁石との位置関係の変化を示す説明図、（ｂ）は磁気ベクトルの説明図である。図７は、前述の実施形態に係る磁気センサ１の検証内容を示す説明図であり、（ａ）はロータの歯とバイアス磁石との位置関係の変化を示す説明図、（ｂ）は磁気センサがロータの歯を検出していないときの磁気ベクトルの説明図、（ｃ）は磁気センサがロータの歯を検出したときの磁気ベクトルの説明図である。

図６，図７において符号Ｂ１は、バイアス磁石からロータ５０に向かって進む磁場（以下、進み磁場という）の磁気ベクトルを示し、符号Ｂ２は、バイアス磁石からロータ５０に向かって進み、戻る磁場（以下、戻り磁場という）の磁気ベクトルを示す。

図６（ａ）に示すように、従来の磁気センサでは、ロータ５０が図６（ａ）において符号Ｄで示す方向に回転し、歯５１とバイアス磁石６０とのギャップが小さくなると、進み磁場の磁気ベクトルＢ１が長くなり、戻り磁場の磁気ベクトルＢ２が短くなる。また、戻り磁場の磁気ベクトルＢ２は、ギャップの変化によって磁場のｘｙ平面内で振れる。ギャップが最大のときの戻り磁場の磁気ベクトルをＢ２ａとし、ギャップが最小のときの戻り磁場の磁気ベクトルをＢ２ｂとする。また、図６（ｂ）に示すように、磁気ベクトルＢ２ａ，Ｂ２ｂがｘｙ平面内で成す角度（以下、振れ角という）をθxy（＞０°）とする。

一方、図７（ａ）に示すように、前述の実施形態に係る磁気センサ１では、ギャップが小さくなると、進み磁場の磁気ベクトルＢ１および戻り磁場の磁気ベクトルＢ２が、大きくなるとともに大きく振れる。図７（ｂ），（ｃ）を比較すると、ギャップが小さくなると、戻り磁場の磁気ベクトルがｘｙ平面内で大きく振れることが分かる。つまり、振れ角θxyが、図６（ｂ）に示した振れ角θxyよりも大きいことが分かる。このため、例えば、磁気抵抗素子５ａを例にして説明すると、磁気センサ１が歯５１を検出したときは、磁気抵抗素子５ａに入射する戻り磁場の入射角度αが大きくなるから、磁気抵抗素子５ａの抵抗値が大きくなり、出力電圧が高くなると推定した。

また、振れ角θxyの変化が大きいため、出力電圧の立ち上がりが速くなると推定した。また、本願発明者らの実験によれば、バイアス磁石２，３にそれぞれ段部（２ｄ，３ｄ）を形成することにより、振れ角θxyをより一層大きくできることが分かった。
従って、本願発明者らは、上記の理由により、前述の実施形態に係る磁気センサ１は、ギャップが変化しても検出精度を高めることができるとの結論を得た。

［第１実施形態の効果］
（１）前述した第１実施形態に係る磁気センサ１を用いれば、ロータ５０の歯５１とバイアス磁石２，３とのギャップに誤差が発生した場合であっても、磁気センサ１の出力電圧が閾値電圧を超えるタイミングの誤差を小さくすることができるため、ロータ５０の回転角の測定精度を高めることができる。

（２）また、バイアス磁石２，３および補助磁石４が一体成形されているため、一体成形時に一対のバイアス磁石および補助磁石の位置関係を調整しておけば、一体成形後に各バイアス磁石および補助磁石の位置関係に誤差が生じるおそれがない。
したがって、検出精度をより一層高めることができる。

（３）さらに、バイアス磁石２，３は、それぞれ長さ方向の両端に磁極を有する棒状磁石であるため、バイアス磁石が発生する磁場をロータ５０の歯５１の方に延ばすことができる。
したがって、歯５１とバイアス磁石２，３とのギャップが大きいときでも磁気センサの出力電圧を高くすることができるため、検出精度をより一層高めることができる。

（４）バイアス磁石２には段部２ｄが形成されており、バイアス磁石３には段部３ｄが形成されているため、各バイアス磁石２，３が発生する磁場の磁気ベクトルの振幅を大きくすることができるので、検出精度をより一層高めることができる。

（５）バイアス磁石２，３および補助磁石４から成る部分の縦断面形状が凹形状であるため、凹部の空間１１にセンサチップ５を収容することができる。
したがって、磁気センサを小型化することができる。また、各バイアス磁石２，３から発生し、補助磁石４に戻ってくる磁場の近傍にセンサチップ５が存在するため、磁気センサ１の感度を高めることができる。

（６）補助磁石４が、バイアス磁石２，３のうち、ロータ５０の歯５１に近い位置に配置されているため、各バイアス磁石２，３が発生する磁場の磁気ベクトルの振幅をより一段と大きくすることができるので、検出精度をより一層高めることができる。

（７）バイアス磁石２，３および補助磁石４のうち、ロータ５０の歯５１と対向する着磁面が面一になっているため、バイアス磁石２，３および補助磁石４から発生する磁場の強度のばらつきをなくすことができる。

（８）バイアス磁石２，３間に形成された空間およびセンサチップ５が絶縁材料２１によってモールドされているため、センサチップ５が塵芥、気温および湿度の影響を受け難くすることができる。

（９）磁電変換素子として磁気抵抗素子５ａ〜５ｄを用いるため、歪が小さく高い出力電圧を得ることができるので、感度および検出精度をより一層高めることができる。

〈第２実施形態〉
次に、この発明の第２実施形態について説明する。図８は、この実施形態に係る磁気センサを構成するバイアス磁石および補助磁石の外観斜視図である。

相対向するバイアス磁石２，３間に形成された空間の上部全体が補助磁石４によって覆われており、バイアス磁石２，３および補助磁石４から成る部分を平面で見ると矩形を呈している。補助磁石４は、バイアス磁石２，３と一体成形されている。バイアス磁石２，３の形状は、第１実施形態のバイアス磁石と同じである。補助磁石４の下には、センサチップ５などを収容する空間１１が形成されている。センサチップ５は補助磁石４の下方であれば、どの位置に配置してもよい。この実施形態に係る磁気センサを用いた場合も第１実施形態の磁気センサ１と同等の効果を奏することができる。

〈第３実施形態〉
次に、この発明の第３実施形態について説明する。図９は、この実施形態に係る磁気センサを構成するバイアス磁石および補助磁石の外観斜視図である。

相対向するバイアス磁石２，３の内向き側面２ｃ，３ｃ間の下部に補助磁石４が連結されている。補助磁石４は、板状に形成されており、バイアス磁石２，３と一体成形されている。バイアス磁石２，３の形状は、第１実施形態のバイアス磁石と同じである。補助磁石４の上には、センサチップ５などを収容する空間１１が形成されている。この実施形態に係る磁気センサを用いた場合も第１実施形態の磁気センサ１と同等の効果を奏することができる。なお、センサチップ５は補助磁石４の前方または後方に配置してもよい。

〈第４実施形態〉
次に、この発明の第４実施形態について説明する。図１０は、この実施形態に係る磁気センサを構成するバイアス磁石および補助磁石の外観斜視図である。

相対向するバイアス磁石２，３の内向き側面２ｃ，３ｃ間の上部に補助磁石４が連結されている。補助磁石４は、板状に形成されており、バイアス磁石２，３と一体成形されている。バイアス磁石２，３の形状は、第１実施形態のバイアス磁石と同じである。補助磁石４の下には、センサチップ５などを収容する空間１１が形成されている。この実施形態に係る磁気センサを用いた場合も第１実施形態の磁気センサ１と同等の効果を奏することができる。なお、センサチップ５は補助磁石４の前方または後方に配置してもよい。

〈第５実施形態〉
次に、この発明の第５実施形態について説明する。図１１は、この実施形態に係る磁気センサを構成するバイアス磁石および補助磁石の外観斜視図である。

相対向するバイアス磁石２，３の内向き側面２ｃ，３ｃ間であって、その前方の下部に補助磁石４が連結されている。つまり、補助磁石４が第１実施形態の磁気センサ１とは逆に下部に配置されている。補助磁石４は、板状に形成されており、バイアス磁石２，３と一体成型されている。バイアス磁石２，３は、縦断面が矩形の棒状に形成されており、段部が形成されていない。補助磁石４の上に形成された空間１１には、センサチップ５、アイランド８ａおよび基板６が収容されている。この実施形態に係る磁気センサを用いた場合も第１実施形態の磁気センサ１と同等の効果を奏することができる。なお、センサチップ５は補助磁石４の後方に配置してもよい。

〈第６実施形態〉
次に、この発明の第６実施形態について説明する。図１２は、この実施形態に係る磁気センサを構成するバイアス磁石および補助磁石の外観斜視図である。

相対向するバイアス磁石２，３間に形成された空間の上部全体が補助磁石４によって覆われている。補助磁石４は、バイアス磁石２，３と一体成型されている。バイアス磁石２，３は、縦断面が矩形の棒状に形成されており、段部が形成されていない。補助磁石４の下には、センサチップ５などを収容する空間１１が形成されている。センサチップ５は補助磁石４の下方であれば、どの位置に配置してもよい。この実施形態に係る磁気センサを用いた場合も第１実施形態の磁気センサ１と同等の効果を奏することができる。

〈第７実施形態〉
次に、この発明の第７実施形態について説明する。図１３は、この実施形態に係る磁気センサの説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は正面図である。図１４は、バイアス磁石および補助磁石を取付けた状態の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は正面図である。

磁気センサ１は、ロータ５０の近傍に取り付けるためのソケット３０を備える。ソケット３０は、樹脂などの非磁性材料によって形成されており、基部３１と、この基部３１の前面から舌形状に突出形成された舌片部３２とを備える。舌片部３２の裏面には、溝３３が形成されている。溝３３は、図９に示した補助磁石４を嵌め込むためのものである。舌片部３２は、板状に形成されており、その表面には、センサチップ５およびリードフレーム１０が配置されている。センサチップ５は、ボンディングワイヤ２０によってリード端子７〜９と電気的に接続されている。

リード端子７〜９は、基部３１の後面から突出している。舌片部３２は、図９に示したバイアス磁石２，３の間隔と一致する幅に形成されている。図９に示した補助磁石４の上面を溝３３に嵌め込むと、図１４に示すように、補助磁石４の左右両端に一体成型されたバイアス磁石２，３の内向き側面２ｃ，３ｃ間に舌片部３２が配置され、バイアス磁石２，３間にセンサチップ５が配置される。つまり、補助磁石４を溝３３に嵌め込むと、バイアス磁石２，３が目標とする位置に位置決めされる。

また、バイアス磁石２，３間の空間および舌片部３２の周囲は、樹脂材料によってモールドされる。
この実施形態に係る磁気センサを用いれば、補助磁石４を溝３３に嵌め込むだけの簡単な作業により、バイアス磁石２，３および補助磁石４を容易に位置決めすることができる。また、第１実施形態の磁気センサ１と同等の効果を奏することができる。

なお、溝３３の位置は、補助磁石４の位置によって変更することができる。例えば、図１１に示したバイアス磁石２，３および補助磁石４を用いる場合は、溝３３を舌片部３２の裏面前方に形成すれば良い。また、舌片部３２の裏面前端に表面方向に切欠き形成した段部を形成し、その段部に補助磁石を嵌め込むようにしても良い。

〈第８実施形態〉
次に、この発明の第８実施形態について説明する。図１５は、この実施形態に係る磁気センサの説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。図１６（ａ），（ｂ）は、この実施形態に係る磁気センサの変更例を示す正面図である。

舌片部３２の表面には、センサチップ５の位置決めをするための位置決め部材３４，３４が突出形成されている。図１５（ａ）に示すように、左側の位置決め部材３４は、平面視Ｌ字形状に形成されており、右側の位置決め部材３４は、点対称の逆Ｌ字形状に形成されている。各位置決め部材３４は、センサチップ５の幅と同じ間隔で相対向して設けられている。センサチップ５の前端角部を各位置決め部材３４の内側角部に当接させると、センサチップ５が目標の取付け位置に位置決めされる。

各位置決め部材３４は、センサチップ５を各位置決め部材３４の間に配置したときに磁気検出感度が最大になる位置に設けられている。この実施形態に係る磁気センサを用いれば、センサチップ５を位置決め部材３４間に載置するだけの簡単な作業により、センサチップ５を位置決めすることができる。また、第１実施形態の磁気センサ１と同等の効果を奏することができる。なお、各位置決め部材３４は、Ｌ字形状に屈曲していない直線状でも良い。また、図１６（ａ）に示すように、舌片部３２の表面から突出した棒状の位置決め部材３５を用いても良い。さらに、図１６（ｂ）に示すように、舌片部３２の前端を縦断面凹形状に形成した位置決め部３６を用いても良い。

〈第９実施形態〉
次に、この発明の第９実施形態について説明する。図１７は、この実施形態に係る磁気センサの説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。

図１７に示すバイアス磁石２，３および補助磁石４は、第１実施形態にて説明したものと同じものである。リードフレーム１０を構成する信号出力用リード端子７の前部の左側の一部がバイアス磁石２の内向き側面２ｃにインサート成形されており、電源供給用リード端子９の前部の右側の一部がバイアス磁石３の内向き側面３ｃにインサート成形されている。つまり、信号出力用リード端子７および電源供給用リード端子９が、近い方のバイアス磁石にそれぞれインサート成形されている。また、グランド用リード端子８の前端に形成されたアイランド８ａの両端がバイアス磁石２，３の各内向き側面２ｃ，３ｃにインサート成形されている。

バイアス磁石２，３は、磁石の粉末を熱硬化性樹脂やゴムなどの原材料に混合した材料を用いて成型することができる。そして、その成型の際にリードフレーム１０を成形型内に配置し、インサート成形する。磁石の粉末の原料としては、フェライト磁石、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石などを用いることができる。

この実施形態の磁気センサを用いれば、リードフレーム１０を固定するための基板が不要となるため、その分、磁気センサの製造コストを削減することができる。また、リードフレーム１０がバイアス磁石にインサート成形されている分、磁気センサを小型化することができる。

〈他の実施形態〉
（１）補助磁石４をバイアス磁石２，３間の下部に配置する構成において、センサチップ５の裏面が補助磁石４の表面と接するように、補助磁石４の直上にセンサチップ５を配置することもできる。また、補助磁石４をバイアス磁石２，３間の上部に配置する構成において、センサチップ５の表面が補助磁石４の裏面と接するように、補助磁石４の直下にセンサチップ５を配置することもできる。これらの構成を用いれば、磁気センサの感度をより一層高めることができる。

（２）バイアス磁石２，３および補助磁石４ならびに段部２ｄ，３ｄの形状は、前述した形状に限定されるものではなく、変更することができる。
（３）磁気センサ１の被検出対象は、ロータ５０などの回転体の他、ラックアンドピニオン機構を構成するラックに形成された歯でも良い。また、被検出対象は歯のように凸状に形成されている必要はなく、着磁された平面でも良い。

（４）磁気抵抗素子に代えてホール素子を用いることもできる。また、ホール素子として、横型ホール素子または縦型ホール素子を用いることができる。ホール素子は磁気抵抗素子よりも感度が小さいが、前述した各実施形態に記載したバイアス磁石２，３および補助磁石４を用いれば、磁場の磁気ベクトルの振幅を大きくすることができるため、感度が小さいことを補うことができる。

この発明に係る磁気センサは、エンジンのカムシャフトのカム角を検出するカム角センサ、クランクシャフトのクランク角を検出するクランク角センサ、車輪速を検出する車輪速センサ、自動変速機のギヤの回転角を検出する回転センサ、操舵力補助装置におけるステアリングホイールの回転角を検出するセンサ、さらには、ロボットの関節の回転角度を検出するセンサなどに適用可能である。

１・・磁気センサ、２，３・・バイアス磁石、２ｄ，３ｄ・・段部、４・・補助磁石、
５・・センサチップ、５ａ〜５ｄ・・磁気抵抗素子（磁電変換素子）、６・・基板、
７・・信号出力用リード端子、８・・グランド用リード端子、８ａ・・アイランド、
９・・電源供給用リード端子、１０・・リードフレーム、１１・・空間、
５０・・ロータ（回転体）、５１・・歯（被検出対象）。

Claims (21)

1. 磁電変換素子を有するセンサチップをバイアス磁石が発生するバイアス磁界内に配置し、被検出対象と前記磁電変換素子との相対位置の変化に伴う前記バイアス磁界の変化を前記磁電変換素子によって検出する磁気センサにおいて、
   相対向して配置されており、かつ、前記被検出対象と対向する部位の磁極が同一の一対のバイアス磁石と、
   前記一対のバイアス磁石間に配置されており、各バイアス磁石と磁極の向きが同一の補助磁石と、を備えており、
   前記一対のバイアス磁石間に前記センサチップが配置されていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記一対のバイアス磁石が前記補助磁石によって連結されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記一対のバイアス磁石および補助磁石は、一体成形されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記一対のバイアス磁石は、それぞれ長さ方向の両端に磁極を有する棒状磁石であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の磁気センサ。
5. 前記一対のバイアス磁石には、縦断面の面積が他の部分よりも小さい部分がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の磁気センサ。
6. 前記一対のバイアス磁石には、段部がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の磁気センサ。
7. 前記段部が、前記一対のバイアス磁石の相対向する部分にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項６に記載の磁気センサ。
8. 前記段部が、前記一対のバイアス磁石のうち、前記被検出対象から遠い位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の磁気センサ。
9. 前記一対のバイアス磁石は、それぞれ縦断面形状が略矩形であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載の磁気センサ。
10. 前記一対のバイアス磁石および補助磁石から成る部分の縦断面形状が凹形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載の磁気センサ。
11. 前記補助磁石が、前記一対のバイアス磁石のうち、前記被検出対象に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１つに記載の磁気センサ。
12. 前記一対のバイアス磁石および補助磁石のうち、前記被検出対象と対向する着磁面が面一になっていることを特徴とする請求項１１に記載の磁気センサ。
13. 前記補助磁石は、前記一対のバイアス磁石間に形成された空間の上部に配置されており、前記センサチップは、前記補助磁石の下に形成された空間に収容されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１つに記載の磁気センサ。
14. 前記補助磁石は、前記一対のバイアス磁石間に形成された空間の下部に配置されており、前記センサチップは、前記補助磁石の上に形成された空間に収容されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１つに記載の磁気センサ。
15. 前記センサチップは、その裏面が前記補助磁石の表面と接するように配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の磁気センサ。
16. 前記補助磁石を収容するための溝が裏面に形成されており、前記センサチップを表面に取付けるための取付部材を備えており、
    前記補助磁石を前記溝に収容すると、前記センサチップが前記一対のバイアス磁石間に配置されるように構成されたことを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の磁気センサ。
17. 前記センサチップの後端から一対の検出信号出力端子が延出しており、各検出信号出力端子が、近い方のバイアス磁石にそれぞれインサート成形されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれか１つに記載の磁気センサ。
18. 前記一対のバイアス磁石間に形成された空間およびセンサチップが絶縁材料によってモールドされていることを特徴とする請求項１ないし請求項１７のいずれか１つに記載の磁気センサ。
19. 前記被検出対象は、回転体の周面に形成された凹凸であることを特徴とする請求項１ないし請求項１８のいずれか１つに記載の磁気センサ。
20. 前記磁電変換素子は磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか１つに記載の磁気センサ。
21. 前記磁電変換素子はホール素子であることを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか１つに記載の磁気センサ。

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