CN109001653A

CN109001653A - 磁检测装置

Info

Publication number: CN109001653A
Application number: CN201810794303.3A
Authority: CN
Inventors: 馆沼义范; 市川淳; 市川淳一
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2018-12-14
Anticipated expiration: 2034-01-23
Also published as: US20160223625A1; US9983274B2; DE112014006248T5; JPWO2015111163A1; CN105899964B; CN105899964A; CN109001653B; WO2015111163A1

Abstract

在磁检测装置中，将电阻值根据外部磁场而变化的磁阻元件即第一元件(3)和第二元件(4)串联连接来构成电桥电路，电桥电路的一端连接至电源(5)，另一端接地，第一元件(3)和第二元件(4)的连接点(6)连接至放大单元(9)，1个以上的切换单元(1)与电桥电路串联连接，放大单元(9)的输电端子(11)连接至故障检测单元(12)。

Description

磁检测装置

本发明申请是国际申请号为PCT/JP2014/051322，国际申请日为2014年1月23日，进入中国国家阶段的申请号为201480072671.7，名称为“磁检测装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种使用磁阻元件、并利用磁场变化来检测被检测对象的旋转的磁检测装置。

背景技术

存在有如下检测方法：在作为电磁转换元件的磁阻元件的两端形成电极、从而构成惠斯通电桥电路，该惠斯通电桥电路上相对的两个电极间连接有额定电压的电源，将磁阻元件的电阻值变化转换成电压变化，从而检测出作用在该磁阻元件上的磁场的变化(例如参照专利文献1)。

此处，如图7所示，磁阻元件具有层叠体，该层叠体包括：磁化方向根据外部磁场变化的磁化自由层113；磁化方向相对于外部磁场固定的磁化固定层111；以及夹在磁化固定层111与磁化自由层113之间的非磁性中间层112。磁化自由层113的磁化根据外部磁场在层叠体的膜面内自由旋转。此处，以非磁性中间层112是绝缘体的穿隧磁阻(TunnelMagnetoResistance：以下称为TMR)元件为例在下面进行阐述。

已知TMR元件的电性质由电导G的形式来表示。

(参照非专利文献1的式(2)和V.结论栏)

即，若将磁化固定层111的磁化方向与磁化自由层113的磁化方向的相对角度设为θ，则电导G如下所示。这里，磁化自由层113的磁化方向与外部磁场的方向、即磁场的旋转角θ一致。

G＝G0+G1cosθ……(数学式1)

若利用电阻值来表示该式，则对数学式1取倒数。

R＝1/(G0+G1cosθ)……(数学式2)

图8中图示了电导G相对于从外部向TMR元件施加的磁场方向如何变化。在图8中，横轴表示磁场的旋转角，纵轴表示电导G。

其中，如图9所示，对利用TMR元件的现有技术进行说明，利用将8个TMR元件相连的TMR连结体116和TMR连结体117来构成半桥(下面称为电桥)，将该电桥配置在以N极、S极交替磁化的磁性体114的前方，将电桥的中点电位连接至放大器119。

在图9中，若磁性体114向着纸面朝左方向移动，则所有TMR元件的固定层的磁化方向是箭头118的方向，如图8所示那样外部磁场的方向115如图示那样因位置而其方向发生变化，因此，TMR连结体116和TMR连结体117的电导G以余弦波形状来变动。

其中，TMR连结体116和TMR连结体117的电导G具有180°的相位差异。此时，TMR连结体116和TMR连结体117的连接点即电桥的中点电位利用上述数学式2来计算出，成为下面的数学式3。

(G0+G1cosθ)/2G0……(数学式3)

中点电位的电压变动为余弦波形状，由放大器119反转放大后的输出端子120的输出波形成为121那样的余弦波形状。由此将磁场的变化转换为电压，从而检测出作为被检测体的磁性体的移动。

在一般的感测装置中，提出了各种故障检测单元。例如，存在通过向电桥的中点电位施加恒定电流来检测出电位变化的装置。

(例如，参照专利文献2。)

此外，存在如下装置：在电桥的各点设置开关，通过开关的切换来监视电桥的电阻。(例如，参照专利文献3。)

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3017061号

专利文献2：日本专利特开2007－114132号公报

专利文献3：日本专利特开2005－156193号公报

非专利文献

非专利文献1：“基于过渡金属的结中穿隧磁阻的角度依赖性(AngularDependence of the tunnel magnetoresistance in transition-metal-basedjunctions)”：物理评论B(Physical Review B)Vol.64，064427(2001年)

发明内容

发明所要解决的技术问题

如上所述，TMR元件中非磁性中间层112由氧化膜构成。氧化膜仅具有能产生隧道效应的程度的厚度(数nm)，因此，有可能因电气性因素或异物引起的物理性因素而破坏氧化膜。氧化膜破坏是指TMR元件成为低电阻(乃至短路)的情况。

在图10中图示了所连结的16个TMR元件的1个连结122发生故障的情形。该情况下，故障意味着低电阻(乃至短路)。设连结了TMR元件而成的116、117施加有同一方向的磁场。在该情况下，输出波形123与正常的输出波形124相比，偏置于高电位侧。因此，能根据与所希望的电位的偏移来检测出故障。

然而，如图11所示，连结的16个TMR元件中2个连结125发生故障的情况下，输出波形126和希望的电位127重叠，无法通过观测输出波形来检测出故障。同样，相对于电桥的中点的高电位侧和低电位侧的连结发生故障的数量相同的情况下，存在无法检测出TMR元件的故障的问题。

此外，在专利文献2的方法中，存在无法利用TMR元件的故障连结数来检测出故障的情形。作为参考，在图12中示出无法检测的情形的结构。

在图12中，例如设TMR元件1个连结的电阻为2KΩ、正常时的电压测定值为1.8V，则夹着中点电位的高电位侧的6个连结发生故障(短路)且低电位侧的2个连结发生故障(短路)的情况下，电压测定值也为1.8V，存在无法检测出故障的情形。

在专利文献3的情况下，能检测出电桥的所有电阻值故障，但需要与电桥各边对应的切换器，例如存在多个惠斯通电桥的情况下，电路会变得复杂，制造和控制变得不易。

本发明为了解决上述问题而完成，其目的在于提供一种磁检测装置，其能以简单结构来可靠地检测出磁阻元件的低电阻(直至短路)或高电阻(直至断路)的故障。

用于解决问题的技术方案

本发明所涉及的磁检测装置中，将电阻值根据外部磁场而变化的磁阻元件即第一元件和第二元件串联连接来构成电桥电路，所述电桥电路的一端连接至电源，所述电桥电路的另一端接地，所述第一元件与所述第二元件的连接点连接至放大单元，1个以上的切换单元与所述电桥电路串联连接，所述放大单元的输出的一端连接至故障检测单元。

发明效果

根据本发明的磁检测装置，需要少量的切换器或不需要切换器从而得到能以较简单的结构可靠地判定磁阻元件的故障的磁检测装置。

关于本发明的上述及其他目的、特征、效果，可以从以下实施方式中的详细说明及附图的记载来进一步明确。

附图说明

图1是本发明的实施方式1所涉及的磁检测装置的电路结构图。

图2是本发明的实施方式2所涉及的磁检测装置的电路结构图。

图3是本发明的实施方式3所涉及的磁检测装置的电路结构图。

图4是本发明的实施方式4所涉及的磁检测装置的电路结构图。

图5是本发明的实施方式5所涉及的磁检测装置的电路结构图。

图6是说明本发明的实施方式5所涉及的磁检测装置的动作的波形图。

图7是表示现有的磁阻元件的构造的立体图。

图8是说明现有的磁阻元件的动作特性的波形图。

图9是表示现有的磁检测装置的结构及动作的示意图。

图10是表示现有的磁检测装置发生故障时的动作的示意图。

图11是表示现有的磁检测装置发生故障时的动作的示意图。

图12是表示现有的磁检测装置发生故障时的动作的示意图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的磁检测装置的实施方式进行说明。

此外，在各图中，相同标号表示相同或相当的部分。

实施方式1.

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的磁检测装置的电路结构图。

在图1中，2是TMR元件的1个连结，以8个连结为一组的TMR连结体3和4来构成电桥。TMR连结体3侧的一端经由切换器1与电源5相连接。此外，TMR连结体4的一端接地。由TMR连结体3和TMR连结体4构成的电桥的中点6连接至电阻器7。电阻器7和电阻器8是决定运算放大器(以下还称为放大器。)9的倍率的电阻器。运算放大器9的同相侧连接至基准电源10。运算放大器9的输出的一端连接至故障检测器12。

当切换器1连接至电源侧触点1a时，本磁检测装置成为与图9相同的电路结构，如现有技术所说明那样，相对于磁性体14的移动，输出端子11的波形成为与图9的输出波形相同的余弦波形状，能检测出被检测体即磁性体14的移动。

其中，为了检测出TMR元件的故障，将切换器1连接至接地侧触点1b。此时，向TMR连结体3和4施加相同方向的磁场。这是为了使TMR连结体3和4成为各自相同程度的电阻值。运算放大器9的同相极和反相极成为假想的短路，因此，成为以下状态：即，同相极的基准电源10的电位被施加于由电阻器7、与TMR连结体3和4的合成电阻构成的串联电路。流过由电阻器7、与TMR连结体3和4的合成电阻构成的串联电路的电流通过电阻器8而转换为电压，并输出至输出端子11。这是一般的电流电压转换电路。此处，若设将电阻器7和电阻器8各自的电阻值定为任意值，则输出端子11的电压因TMR连结体3或TMR连结体4的电阻值而变化，因此，能通过在故障检测器12测定该电压来进行故障检测。

利用具体数值来计算出输出端子11的电压值。

若设TMR元件的1个连结2为2kΩ、TMR连结体3和4各自的元件连结数为8个、电阻器7的电阻值为1kΩ、电阻器8的电阻值为10kΩ、基准电源10的电压为1V，则输出端子11的电压值成为2.11V。

此处，TMR连结体3和4的连结因故障分别有1个连结发生故障的情况下，输出端子11的电压值成为2.25V。这样，在发生故障的情况下，输出端子11的电压发生变化，因此，能通过检测输出端子11的电压变化来检测出TMR元件的故障。

如上所述，根据本发明实施方式1的磁检测装置，设置1个切换器，并利用放大器将流过磁阻元件的电流值转换为电压值，因此，即便TMR连结体3和4中发生故障的连结的数量相同，也能检测出故障。

实施方式2.

图2是表示本发明的实施方式2所涉及的磁检测装置的电路结构图。

图中，13a、13b是切换器。除了图1中实施方式1的切换器1，其它结构与图1相同。

当切换器13a和13b为接通状态，则本磁检测装置成为与图9相同的电路结构，如现有技术所说明那样，相对于磁性体的移动，输出端子11的波形成为与图9的输出波形相同的余弦波形状，能检测出被检测体即磁性体的移动。

此处，为了检测出TMR元件的故障，将切换器13a断开。此时，向TMR连结体3和4施加相同方向的磁场。运算放大器9的同相极和反相极成为假想的短路，因此，成为以下状态：即，同相极的基准电源10的电位被施加于由电阻器7、TMR连结体4构成的串联电路。

流过由电阻器7、TMR连结体4构成的串联电路的电流通过电阻器8转换为电压，并输出至输出端子11。

接着，将切换器13a接通，将13b断开。运算放大器9的同相极和反相极成为假想的短路，因此，成为以下状态：即，电源5的电压与基准电源10的电压之差被施加于由TMR连结体3和电阻器7构成的串联电路。流过由电阻器7、TMR连结体3构成的串联电路的电流通过电阻器8转换为电压，并输出至输出端子11。此处，若设将电阻器7和电阻器8各自的电阻值定为任意值，则输出端子11的电压因TMR连结体3或TMR连结体4的电阻值而变化，因此，能检测出故障。

利用具体数值来计算出输出端子11的电压值。若设TMR元件的1个连结2为2kΩ、TMR连结体3和4各自的连结数为8个、电阻器7的电阻值为1kΩ、电阻器8的电阻值为10kΩ、基准电源10的电压为1V，电源5的电压为2V。将切换器13a断开的情况下(切换器13b接通)，输出端子11的电压值成为1.59V。

将切换器13b断开的情况下(切换器13a接通)，输出端子11的电压值成为0.41V。此处，若TMR连结体3和4的连结因故障而分别有1个连结发生故障的情况下，切换器13a断开时，输出端子11的电压值为1.67V，切换器13b断开时，输出端子11的电压值成为0.33V。

这样，在发生故障的情况下，输出端子11的电压发生变化，因此，能通过故障检测器12来测定该电压的变化，从而检测出故障。

如上所述，根据本发明实施方式2的磁检测装置，设置2个切换器，并利用放大器将流过磁阻元件的电流值转换为电压值，因此，即便TMR连结体3和4中发生故障的连结的数量相同，也能检测出故障。

实施方式3.

图3是表示本发明的实施方式3所涉及的磁检测装置的电路结构图。

本发明的实施方式3中磁阻元件成为所谓惠斯通电桥结构，除了对实施方式1添加了切换器14以外，结构基本上相同。在图3中，当切换器1连接至电源侧触点1a且切换器14连接至14a侧时，如现有技术所说明那样，相对于磁性体的移动，输出端子11的波形成为与图9的输出波形相同的余弦波形状，能检测出被检测体即磁性体113的移动。另外，在实施方式3中，磁阻元件成为惠斯通电桥结构，因此，3a和4a的连接点的电位变化、与TMR连结3b和4b的连接点的电位变化具有180°的相位差，因此，与实施方式1相比，输出11中得到2倍的输出。

其中，为了检测出TMR元件的故障，将切换器1连接至接地侧触点1b且将切换器14连接至14b。此时，向TMR连结体3a、3b、4a、4b施加同一方向的磁场。这是为了使TMR连结体3a、3b、4a、4b各自成为相同程度的电阻值。运算放大器9的同相极和反相极成为假想的短路，因此，成为以下状态：即，同相极的基准电源10的电位被施加于由电阻器7a、与TMR连结体3a、3b、4a、4b的合成电阻构成的串联电路。

流过由电阻器7a、与TMR连结体3a、3b、4a、4b的合成电阻构成的串联电路的电流通过电阻器8a转换为电压，并输出至输出端子11。

此处，若设将电阻器7a和电阻器8a各自的电阻值定为任意值，则输出端子11的电压因TMR连结体3a、3b、4a、4b的电阻值而变化，因此，能检测出故障。

利用具体数值来计算出输出端子11的电压值。将切换器1连接至接地侧触点1b且将切换器14连接至14b。若设TMR元件2的1个连结为2kΩ、TMR连结体3a、3b、4a、4b的连结数各自为8个、电阻器7a为1kΩ、电阻器8a为10kΩ、基准电源10为1V，则输出端子11的电压值成为3V。此处，TMR连结体3a和4a的连结因故障而各自有1个连结发生故障的情况下，输出端子11的电压值成为3.11V。

这样，在发生故障的情况下，输出端子11的电压发生变化，因此，能通过故障检测器12来测定该电压变化，从而检测出故障。

如上所述，根据本发明实施方式3的磁检测装置，设置2个切换器，并利用放大器将流过磁阻元件的电流值转换为电压值，因此，即便TMR连结体3a和4a中发生故障的连结的数量相同，也能检测出故障。

实施方式4.

图4是表示本发明的实施方式4所涉及的磁检测装置的电路结构图。

在图4中，2是TMR元件的1个连结，利用以8个连结为一组的TMR连结体3和4来构成电桥。19是缓冲器，电阻器7和8是决定运算放大器9的倍率的电阻器。电源10是运算放大器9的输出端子11的基准电位。此外，由电阻器15、运算放大器16、电源17来构成电流电压转换电路。12是故障检测器。

由电阻器15、运算放大器16、电源17构成的电流电压转换电路中，运算放大器16的同相侧和反相侧成为假想的短路，因此，电源17的电位被施加于TMR连结体3的一端。因此，如现有技术所说明那样，相对于磁性体的移动，输出端子11的波形成为与图9的输出波形相同的余弦波形状，因此能检测出被检测体即磁性体的移动。

此处，为了检测出TMR元件的故障，向TMR连结体3和4施加同一方向的磁场。这是为了使TMR连结体3和4成为相同程度的电阻值。由于存在缓冲器19，因此流过TMR连结体3和4的电流不会泄漏至缓冲器19侧。因此，流过施加有电源17的TMR连结体3和4的串联电阻电路的电流通过电阻器15转换为电压，并输出至输出端子18。

此处，若设将电阻器15的电阻值决定为任意值，则输出端子18的电压因TMR连结体3或TMR连结体4的电阻值而变化，因此，能通过在故障检测器12测定该电压变化来进行故障检测。

在实施方式1至3中使用了切换器，但例如在双极型IC上构成电路的情况下，有时切换电路结构不易形成。实施方式4的结构适用于这种切换器结构不易形成的情况。

如上所述，根据本发明实施方式4，利用放大器将流过磁阻元件的电流值转换为电压值，因此，即便TMR连结体3和4中发生故障的连结的数量相同，也能检测出故障。

实施方式5.

图5是表示本发明的实施方式5所涉及的磁检测装置的电路结构图。

在图5中，2是TMR元件的1个连结，构成以8个连结为一组的TMR连结体3和TMR连结体4。电阻器20、运算放大器21、基准电源22构成电流电压转换电路，同样地，电阻器23、运算放大器24、基准电源25构成电流电压转换电路。电阻器7a、7b、8a、8b、运算放大器9、基准电源10构成差动放大器。12是故障检测器，与运算放大器21、运算放大器24的输出即输出26和27相连接。

图6是说明实施方式5的动作的图。TMR连结体3的一端与构成电流电压转换电路的运算放大器21的反相侧相连接。运算放大器21的同相侧和反相侧成为假想的短路，因此，基准电源22的电位被施加于TMR连结体3。TMR连结体4也是相同结构，基准电源25的电位被施加于TMR连结体4。置于TMR连结体3和4前方的磁性体114朝纸面的左方向移动的情况下，外部磁场的方向31如图所示那样因位置而其方向改变，因此，TMR连结体3和4中电导G如现有技术所说明那样发生变动。

若设基准电源22、25分别为VA，流过TMR连结体3和TMR连结体4的电流通过上述数学式1分别成为下式。

(G0+G1cosθ)VA········(数学式3)

(G0+G1cos(θ+π))VA·····(数学式4)

其中，构成电流电压转换电路的运算放大器21、24各自的输出26、27的波形如图6的波形33和34所示那样成为余弦波形状。

运算放大器21、24各自的输出26、27被输入至构成差动放大的运算放大器9。输入波形通过差动放大器9进行放大，输出端子11的波形成为图6的35的余弦波形状，由此能检测出被检测体即磁性体的移动。

此处，为了检测出TMR元件的故障，假设向TMR连结体3和4的所有TMR元件的固定层施加同一方向的磁场32。这是为了使TMR连结体3和4成为希望的电阻值。TMR连结体3和4的一端分别连接至构成电流电压转换电路的运算放大器21和运算放大器24，因此，若将电阻器20和电阻器23的电阻值决定为任意值，则输出26或输出27的电压因TMR连结体3或TMR连结体4的电阻值而变化，因此，通过故障检测器12来测定该电压变化，能检测出故障。

如实施方式4所述，例如在双极型IC上构成电路的情况下，有时不易形成切换电路结构，但实施方式5的结构适用于这种不易形成切换器结构的情况。

如上所述，根据本发明实施方式5，利用放大器将流过磁阻元件的电流值转换为电压值，因此，即便TMR连结体3和4中发生故障的连结的数量相同，也能检测出故障。

此外，在上述实施方式中，对作为磁阻元件的穿隧磁阻元件(Tunnel MagnetoResistance元件)进行了说明，但本发明也可以利用巨磁阻元件(Giant MagnetoResistance元件)同样地实施。

另外，本发明在其发明的范围内，能对实施方式进行适当的变形、省略。

工业上的实用性

本发明涉及利用磁阻元件通过磁场变化来检测出被检测对象的旋转的磁检测装置，适用作为对汽车用发动机的曲柄轴或凸轮轴进行旋转检测的旋转传感器。

标号说明

1 切换器、

2 TMR元件的1个连结、

3、4 TMR连结体、

5 电源、

6 电桥的中点、

7、8 电阻器、

9 运算放大器(放大器)、

10 基准电源、

11 输出端子、

12 故障检测器、

13a、13b、14 切换器、

15 电阻器、

16 运算放大器、

17 电源、

18 输出端子、

19 缓冲器、

20 电阻器、

21 运算放大器、

22 基准电源、

23 电阻器、

24 运算放大器、

25 基准电源。

Claims

1.一种磁检测装置，其特征在于，

将电阻值根据外部磁场而变化的磁阻元件即第一元件和第二元件串联连接来构成电桥电路，

所述电桥电路的一端连接至电源，

所述电桥电路的另一端接地，

所述第一元件与所述第二元件的连接点连接至放大单元，

在所述电源与所述电桥电路的中间连接有电流检测单元，

所述电流检测单元的输出的一端连接至故障检测单元。

2.如权利要求1所述的磁检测装置，其特征在于，所述磁阻元件包括：

磁化方向相对于外部磁场而固定的磁化固定层；

磁化方向根据外部磁场进行旋转的磁化自由层；以及

夹在所述磁化固定层与所述磁化自由层之间的非磁性中间层。

3.一种磁检测装置，其特征在于，磁阻元件包括：

磁化方向相对于外部磁场而固定的磁化固定层；

磁化方向根据外部磁场进行旋转的磁化自由层；以及

夹在所述磁化固定层与所述磁化自由层之间的非磁性中间层，

作为所述磁阻元件的第一元件的一端连接至第一电源，

所述第一元件的另一端接地，

作为所述磁阻元件的第二元件的一端连接至第二电源，

所述第二元件的另一端接地，

在各所述电源与所述第一元件和所述第二元件的中间分别连接有电流检测单元，

各所述电流检测单元的输出连接至放大单元，

所述电流检测单元的输出的一端连接至故障检测单元。

4.如权利要求3所述的磁检测装置，其特征在于，

所述放大单元是差动放大单元。

5.如权利要求1、权利要求3以及权利要求4中任一项所述的磁检测装置，其特征在于，

所述磁阻元件是隧道效应磁阻元件(TMR)。