本發(fā)明涉及一種磁場檢測(cè)裝置和具備其的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置。本發(fā)明特別涉及一種磁場檢測(cè)裝置的偏置磁鐵的結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

一直以來，作為汽車等的領(lǐng)域中使用的旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置的例子，已知有由磁場檢測(cè)裝置和齒輪組成的機(jī)構(gòu)。磁場檢測(cè)裝置具備磁傳感器。磁傳感器通常具有利用磁阻效應(yīng)的磁阻效應(yīng)元件。由磁性材料構(gòu)成并且與旋轉(zhuǎn)設(shè)備連接的齒輪設(shè)置于磁傳感器的正面。對(duì)磁阻效應(yīng)元件施加偏磁場的偏置磁鐵(bias magnet)設(shè)置于磁傳感器的背面?zhèn)?。偏置磁鐵的二個(gè)磁極面中的一個(gè)(N極面)與磁傳感器相對(duì)。將偏磁場吸引至旋轉(zhuǎn)的齒輪的齒來周期性地改變偏磁場的方向。換句話說，通過齒輪旋轉(zhuǎn)，從而與磁極面平行的偏磁場的成分周期性地變化。磁傳感器通過檢測(cè)該磁場成分的變化來檢測(cè)齒輪的旋轉(zhuǎn)。

通常，偏磁場在磁極面的中心朝向與偏置磁鐵的磁極面大致垂直的方向，但是，偏磁場隨著遠(yuǎn)離中心而相對(duì)于與磁極面垂直的面朝向外側(cè)。換句話說，磁力線從磁極面向外擴(kuò)展。與磁極面平行的偏磁場的成分在遠(yuǎn)離磁極面的中心的位置增加。在附近沒有磁性體，例如齒輪的時(shí)候，優(yōu)選偏磁場或磁力線朝向盡可能接近與偏置磁鐵的磁極面垂直的方向。換句話說，優(yōu)選偏磁場在較大的區(qū)域具有較小的與磁極面平行的方向上的成分。

JP11-183498A和JP8-320327A公開了一種具有二個(gè)磁傳感器的磁場檢測(cè)裝置。凹部設(shè)置于磁極面的一部分以使在二個(gè)磁傳感器的前面?zhèn)绕艌龀蚺c偏置磁鐵的磁極面垂直的方向。美國專利No.8080993公開了一種磁場檢測(cè)裝置，其具有設(shè)置于偏置磁鐵和磁傳感器之間的磁場導(dǎo)向元件。導(dǎo)向元件具有V形凹部。偏磁場在凹部的兩側(cè)斜面向內(nèi)，然后向外。因此，偏磁場在磁場從向內(nèi)變?yōu)橄蛲獾奈恢贸蚺c偏置磁鐵的磁極面垂直的方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)這些專利文獻(xiàn)所記載的技術(shù)，與磁極面平行的偏磁場的成分僅在有限的區(qū)域變小。因此，為了在這樣有限的區(qū)域設(shè)置磁傳感器，要求有高精度的裝配工藝，從而導(dǎo)致磁場檢測(cè)裝置的成本提高。

本發(fā)明的目的在于提供一種磁場檢測(cè)裝置，其在較寬的區(qū)域減小了與磁極面平行的偏磁場的成分。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，磁場檢測(cè)裝置具有第一磁傳感器和與第一磁傳感器相對(duì)設(shè)置的偏置磁鐵。偏置磁鐵具有磁極面，該磁極面與第一磁傳感器相對(duì)并對(duì)第一磁傳感器施加偏磁場。第一磁傳感器檢測(cè)與磁極面平行的第一方向上的磁場。偏置磁鐵的磁極面具有排列于第一方向的多個(gè)槽。

設(shè)置于偏置磁鐵的磁極面上的槽限制偏磁場的第一方向上的成分的相對(duì)于第一方向的傾斜度(圖5B～11B所示的Bx的傾斜度dBx/dx)或使其反轉(zhuǎn)。通過設(shè)置多個(gè)槽，從而可以減小槽之間的偏磁場的第一方向上的成分。

因此，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種在較寬的區(qū)域減小了偏磁場的與磁極面平行的成分的磁場檢測(cè)裝置。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置的概念圖。

圖2是表示磁傳感器的磁阻效應(yīng)元件的構(gòu)造的概念圖。

圖3A～3D是表示旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置的工作原理的概念圖。

圖4A～5B是表示現(xiàn)有的偏置磁鐵的構(gòu)造和x方向上的磁通密度的圖。

圖6是表示磁傳感器與偏置磁鐵一體化后的結(jié)構(gòu)的概念圖。

圖7A～11B是表示各實(shí)施方式所涉及的偏置磁鐵的構(gòu)造和x方向上的磁通密度的圖。

圖12是表示其它實(shí)施方式所涉及的偏置磁鐵的構(gòu)造的圖。

圖13是表示其它實(shí)施方式所涉及的偏置磁鐵的構(gòu)造的圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖，對(duì)本發(fā)明的磁場檢測(cè)裝置和具備該磁場檢測(cè)裝置的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置的各實(shí)施方式進(jìn)行說明。雖然沒有在這里說明，但是本發(fā)明的磁場檢測(cè)裝置也可以適用于檢測(cè)直線運(yùn)動(dòng)的裝置，例如線性編碼器中。在以下的說明中，將與偏置磁鐵的磁極面平行并且排列有3個(gè)磁傳感器的方向稱為第一方向或x方向。將與偏置磁鐵的磁極面平行并且與x方向垂直的方向稱為第二方向或y方向。將與偏置磁鐵的磁極面垂直的方向稱為第三方向或z方向。

圖1表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置1的概念圖。旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置1具有磁場檢測(cè)裝置2和由磁性材料例如金屬構(gòu)成的可旋轉(zhuǎn)的齒輪3。齒輪3可以圍繞旋轉(zhuǎn)軸3a以順時(shí)針方向R1和逆時(shí)針方向R2旋轉(zhuǎn)。齒輪3可以是旋轉(zhuǎn)設(shè)備(沒有圖示)的一部分或者可以與旋轉(zhuǎn)設(shè)備連接。齒輪3的旋轉(zhuǎn)軸3a在與第二方向(y方向)平行的方向上延伸。齒輪3在其外周具有一排齒3b并且齒3b以一定的間隔突出。

磁場檢測(cè)裝置2具有3個(gè)磁傳感器4a、4b和4c、以及偏置磁鐵5(以下，可以將第一～第三磁傳感器4a、4b和4c中的任一個(gè)稱為磁傳感器4)。磁傳感器4a、4b和4c位于齒輪3和偏置磁鐵5之間。偏置磁鐵5具有磁極面6a即N極和磁極面6b即S極。一個(gè)磁極面、即磁極面6a(N極)與3個(gè)磁傳感器4a、4b和4c相對(duì)，并且對(duì)3個(gè)磁傳感器4a、4b和4c施加偏磁場。3個(gè)磁傳感器4a、4b和4c由第一磁傳感器4a、第二磁傳感器4b和第三磁傳感器4c構(gòu)成。第一～第三磁傳感器4a、4b和4c在第一方向(x方向)上排列，第一磁傳感器4a位于第二磁傳感器4b和第三磁傳感器4c之間。第一磁傳感器4a在磁極面6a的x方向的中央部(center)與偏置磁鐵5的磁極面6a相對(duì)。磁極面6a的中央部與磁極面6a的x方向上的中點(diǎn)同義。

第一～第三磁傳感器4a、4b和4c具有相同的構(gòu)造。第一～第三磁傳感器4a、4b和4c各自具有利用磁阻效應(yīng)的磁阻效應(yīng)元件21，例如隧道磁阻(TMR)元件。圖2是表示作為磁阻效應(yīng)元件21的一個(gè)例子的TMR元件的概念圖。磁阻效應(yīng)元件21具有磁化固定層22，其磁化方向相對(duì)于外部磁場被固定；磁化自由層24，其磁化方向相對(duì)于外部磁場在x-y面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；和位于磁化固定層22和磁化自由層24之間的隧道勢(shì)壘層23。感應(yīng)電流25在z方向上流過層22～24。磁化固定層22在x方向被磁化。在偏磁場的x方向上的成分發(fā)生變化的時(shí)候，磁化自由層24的x方向上的磁化強(qiáng)度變化，從而對(duì)于感應(yīng)電流25的電阻根據(jù)磁化自由層24的x方向上的磁化強(qiáng)度的變化而變化?；陔娮柚档淖兓?電壓的變化)，第一～第三磁傳感器4a、4b和4c可以檢測(cè)磁場(磁通密度)的x方向上的成分Bx。

圖3A～3D表示旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置1的工作原理。如圖3A所示，認(rèn)為齒輪3以逆時(shí)針方向R2旋轉(zhuǎn)并且齒輪3的齒3b相對(duì)于偏置磁鐵5向右移動(dòng)。在齒輪3的齒3b位于偏置磁鐵5的左側(cè)的時(shí)候，由偏置磁鐵5放出的偏磁場B被齒輪3的齒3b向左側(cè)吸引。如果Bx的符號(hào)在圖中向右側(cè)方向?yàn)檎?，則在偏磁場5和齒輪3的齒3b之間的Bx為負(fù)。在齒輪3旋轉(zhuǎn)至齒輪3的齒3b處于偏置磁鐵5的x方向的中央部的前面的位置的時(shí)候，Bx變?yōu)?。在齒輪3的齒3b旋轉(zhuǎn)至偏置磁鐵5的右側(cè)的時(shí)候，Bx變?yōu)檎?。因此，在齒輪3的一個(gè)齒3b通過偏置磁鐵5的前面的時(shí)候，如圖3B所示，Bx進(jìn)行一個(gè)正弦周期的變化。由于磁傳感器4的磁阻效應(yīng)元件21的輸出(以下稱為元件輸出)與Bx成比例，因此，如圖3C所示，元件輸出為與圖3B相似的波形。磁傳感器4具有例如對(duì)元件輸出進(jìn)行二值化處理的比較器(沒有圖示)，如圖3D所示，磁傳感器4輸出分別對(duì)應(yīng)于元件輸出的正值或負(fù)值的經(jīng)二值化處理的電壓。因此，電壓的變化能夠檢測(cè)齒輪3的一個(gè)齒3b通過磁傳感器4的前面。

圖4A～5B表示現(xiàn)有的偏置磁鐵的構(gòu)造和磁通密度Bx。圖4A所示的偏置磁鐵105a具有x方向?yàn)?mm、y方向?yàn)?.4mm并且z方向?yàn)?.5mm的長方體形。與磁傳感器4a、4b和4c相對(duì)的磁極面106a平坦，并且沒有凹凸。圖5A所示的偏置磁鐵105b具有與圖4A所示的偏置磁鐵105a相同的外形尺寸，但是具有形成于與磁傳感器4a、4b和4c相對(duì)的磁極面106a上的一個(gè)槽107。圖4B和圖5B將磁通密度Bx表示為x方向上的位置的函數(shù)。磁通密度Bx在y＝0mm、z＝0.5mm的位置上被定義，其中，y＝0mm相當(dāng)于磁極面106a的y方向上的中心，z＝0相當(dāng)于磁極面106a的位置。

參照?qǐng)D4B，Bx在x＝0mm(偏置磁鐵的x方向上的中央部)的位置上為0，x在正方向上越增大則Bx取得越大的正值，x在負(fù)方向上越減小則Bx取得越大的負(fù)值。如圖4A中的虛線所示，這是指隨著偏置磁鐵105a遠(yuǎn)離x方向上的中央部(x＝0mm)，偏置磁鐵B(磁力線)向外并且進(jìn)一步傾斜。如圖3C所示，磁傳感器4的元件輸出取得大致正弦的波形，理想上在正和負(fù)方向取得對(duì)稱波形。然而，如果在安裝時(shí)磁傳感器4的位置從x方向的中央部(x＝0mm)向+x或-x方向偏移，則在齒輪3的齒3b來到磁傳感器4的前面時(shí)Bx不會(huì)變?yōu)?。由于元件輸出在偏離Bx＝0的值附近波動(dòng)(即，圖3C所示的圖表整體向上或向下偏移)，因此，最壞的情況下可能沒有正確地進(jìn)行二值化。

在設(shè)置1個(gè)磁傳感器4的時(shí)候，必須將磁傳感器4精確地設(shè)置于偏置磁鐵105a的x方向的中央部，這會(huì)導(dǎo)致磁場檢測(cè)裝置2的成本上的增加。在設(shè)置多個(gè)磁傳感器的時(shí)候，由于不可能使所有的磁傳感器位于偏置磁鐵105a的x方向的中央部，因此，至少一個(gè)磁傳感器不可避免地從偏置磁鐵105a的x方向的中央部偏離。這是指至少一個(gè)磁傳感器中二值化沒有正確地進(jìn)行的可能性變高。

作為解決上述問題的方法，如圖5A所示，通過在磁極面106b上設(shè)置一個(gè)槽107，可以抑制Bx相對(duì)于x的波動(dòng)。參照?qǐng)D5B，在存在槽107的x的范圍中Bx具有負(fù)的傾斜度，并且傾斜度的絕對(duì)值比圖4B所示的稍小。在圖4B和圖5B中表示Bx的值在±20mT以內(nèi)的x的范圍L。圖5B中的范圍L大于圖4A所示的不具有槽107的長方體形的范圍。應(yīng)該注意的是范圍L在±20mT以內(nèi)僅是一個(gè)例子，可以在應(yīng)用于磁場檢測(cè)裝置2時(shí)進(jìn)行改變。

本發(fā)明提供能夠擴(kuò)大較小的Bx的范圍的磁場檢測(cè)裝置2。為了該目的，與第一～第三磁傳感器4a、4b和4c相對(duì)的偏置磁鐵5的磁極面6a具有排列于x方向(第一方向)上的多個(gè)槽7。各個(gè)槽7在y方向上貫通偏置磁鐵5，并且沿著y方向具有一定的截面。槽7可以通過對(duì)長方體形的偏置磁鐵5進(jìn)行切削而形成。如圖6所示，第一～第三磁傳感器4a、4b和4c可以與偏置磁鐵5一體化。例如，第一～第三磁傳感器4a、4b和4c與由塑料制成的支架13一體化，并且支架13與偏置磁鐵5一體化。第一～第三磁傳感器4a、4b和4c被裝在支架13中。偏置磁鐵5可以通過注射成型而形成。偏置磁鐵5的多個(gè)槽7增加槽7與偏置磁鐵5之間的接觸面積，從而使支架13牢固地固定于偏置磁鐵5。其結(jié)果，支架13不可能從偏置磁鐵5上脫落。

以下，參照?qǐng)D7A～12，對(duì)偏置磁鐵5的各實(shí)施方式進(jìn)行說明。這些實(shí)施方式的偏置磁鐵5與圖4A和5A所示的偏置磁鐵的情況相同具有x方向6mm、y方向4.4mm、z方向5.5mm的外形尺寸。圖7A、8A、9A、10A、11A和12表示偏置磁鐵5的外部形狀，圖7B、8B、9B、10B和11B表示與圖4B和5B同樣地作為x的函數(shù)的在y＝0mm、z＝0.5mm的位置上的磁通密度Bx。在以下說明的各實(shí)施方式中，槽7優(yōu)選具有偏置磁鐵5的第三方向(z方向)上的尺寸的一半或以下的深度。這在一定程度上是由于隨著槽7變深，對(duì)Bx的影響降低，并且在一定程度上是由于隨著槽7變深，在偏置磁鐵5的加工成本或強(qiáng)度方面變得更不利。如圖7A所示，槽7的側(cè)面8和底面8之間的邊界可以形成為相互垂直的兩個(gè)平面的交叉部，或者可以形成為平滑地連接槽7的側(cè)面8和槽7的底面9的曲面。另一方面，槽7的側(cè)面8與磁極面6a之間的邊界優(yōu)選形成為相互垂直的兩個(gè)平面的交叉部(即，作為以直角彎曲的邊緣)。

如圖7A所示，偏置磁鐵5的磁極面6a具有位于x方向的中央部的第一槽7a、和相對(duì)于第一方向(x方向)位于第一槽7a的兩側(cè)并且具有與第一槽7a相同的深度的兩個(gè)第二槽7b。“位于x方向的中央部”是指槽7a的中心線通過偏置磁鐵5的磁極面6a的x方向的中點(diǎn)。兩個(gè)第二槽7b優(yōu)選相對(duì)于x方向的中央部設(shè)置于對(duì)稱的位置。由圖4B與圖5B間的對(duì)比可知，槽7通常具有降低Bx的傾斜度或使Bx的傾斜度反轉(zhuǎn)的效果。這是由于在槽7的兩側(cè)凸部具有與獨(dú)立的磁極相同的特性。具體地說，由第一槽7a與第二槽7b間的第一凸部10a的內(nèi)側(cè)邊緣11放出的磁通朝向中央部的方向，而由外側(cè)邊緣12放出的磁通向外。另一方面，由第一槽7a的中央部放出的磁通與槽7的底面9垂直，并且由第一槽7a的兩側(cè)放出的磁通向外。因此，由第一凸部10a的內(nèi)側(cè)邊緣11附近的槽7放出的磁通和由第一凸部10a放出的磁通互相抵消而抑制Bx。同樣地，由第一凸部10a的外側(cè)邊緣12放出的磁通和由第二凸部10b的內(nèi)側(cè)邊緣11放出的磁通互相抵消而抑制第二槽7b附近的Bx。

這樣，由于在x方向上排列有多個(gè)槽7，從而在x方向上在較大范圍中Br的正的傾斜度被抑制或者被反轉(zhuǎn)為負(fù)，由此，可以使Bx平坦。由于第一槽7a具有比第二槽7b大的x方向上的尺寸，因此，可以在較大的范圍內(nèi)使Bx平坦。如圖12所示，第二槽7b也可以具有與第一槽7a大致相同的x方向上的尺寸，并且具有小于第一槽7a的深度。

如圖8A所示，偏置磁鐵5可以具有位于磁極面6a的x方向(x＝0)的中央部的兩側(cè)的兩個(gè)第一槽7a、和相對(duì)于x方向分別位于第一槽7a的外側(cè)的兩個(gè)第二槽7b。在該實(shí)施方式中，第一槽7a和第二槽7b分別設(shè)置于關(guān)于磁極面6a的x方向的中央部對(duì)稱的位置，第二槽7b具有小于第一槽7a的深度。由于第二槽7b的較小的深度，在第二槽7b的兩側(cè)的第一和第二凸部10a和10b作為獨(dú)立的磁極的特性變?nèi)?，從而容易調(diào)節(jié)Bx的傾斜度。

如圖9A所示，偏置磁鐵5可以具有相對(duì)于x方向分別位于第二槽7b的外側(cè)的第三槽7c。在該實(shí)施方式中，1個(gè)第一槽7a設(shè)置于磁極面6a的x方向的中央部。然而，如圖13所示，兩個(gè)第一槽7a可以設(shè)置于關(guān)于磁極面6a的x方向的中央部對(duì)稱的位置。在兩個(gè)實(shí)施方式中，第三槽7c都優(yōu)選設(shè)置于關(guān)于磁極面6a的x方向的中央部對(duì)稱的位置。第三槽7c優(yōu)選比第二槽7b淺。另外，雖然沒有圖示，但是一個(gè)或多個(gè)槽(第四槽、第五槽等)可以設(shè)置于第三槽7c的外側(cè)。在該情況下，任意外側(cè)的槽優(yōu)選具有比任意位于外側(cè)的槽的內(nèi)側(cè)的槽小的深度，因此，可以在較大的范圍內(nèi)使Bx平坦。

如圖10A所示，第二槽7b可以具有大于第一槽7a的深度。由于在第二槽7b的兩側(cè)凸部10a和10b作為獨(dú)立的凸部的特性變強(qiáng)，從而Bx的傾斜度更容易反轉(zhuǎn)，并且部分地由于第一槽7a具有較小的深度，由此可以使Bx平坦。在第一槽7a過于淺而使Bx不能充分地平坦的時(shí)候，如圖11A所示，可以較淺地形成第一槽7a之間的凸部10c。換句話說，在從兩個(gè)第一槽7a的底部觀察時(shí)，兩個(gè)第一槽7a之間的凸部10c可以在磁極面6a的后面終止。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明，具有多個(gè)槽的偏置磁鐵可以使Bx變得平坦。另外，具有多個(gè)槽的偏置磁鐵可以防止偏置磁鐵的z方向的磁通密度的降低。如果偏置磁鐵僅具有一個(gè)槽，則如圖5A所示，z方向上的磁通密度在槽附近降低。這是由于為了使Bx變得平坦而需要確保大的槽寬，但是，這樣大的槽寬相應(yīng)地降低槽附近的偏置磁鐵的體積。其結(jié)果，在齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)僅得到小的Bx的變化，并且不能得到充分的輸出的可能性變高。另一方面，由于在本發(fā)明中設(shè)置有多個(gè)槽，因此，對(duì)各個(gè)槽不需要設(shè)置有大的槽寬。因此，在各個(gè)槽附近可以抑制z方向上的磁通密度的減少，并且在齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)可以確保Bx的變化較大。Bx的變化的增加可以被利用于增加磁傳感器的輸出，并且可以被利用于加寬齒輪與旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置間的間隔。特別是后者的有利情況會(huì)引起旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置的配置的自由度變大。