JP2003315091A - 回転角度センサ - Google Patents
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Abstract
高性能で低コストな回転角度センサ,及びこれを用いた
位置センサを提供することを目的とする. 【解決手段】回転検出部が,空隙によって2分割された
磁性薄膜,該空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵
抗薄膜,2分割された該磁性薄膜の各々に電気的に接続
された電気端子,該電気端子間の抵抗値測定部から構成
されることによって,構造が単純で製作工程が簡単であ
り低コストで,GMR薄膜を用いているために高出力,
高感度で,該磁性薄膜の飽和磁界以上の磁界変化に対し
て出力変化の無い,新しい高精度の回転角度センサを得
ることが出来る.
Description
および角度変化を検知する回転角度センサ,及びこれを
用いた位置センサに関するものである.
の回転状態を検出する装置として,磁気センサを用いた
ものが多く使われている.これらは,被検出体に着磁さ
れた磁性体を装着し,被検出体の回転に伴う周辺の回転
する磁界を磁気抵抗素子やホール素子等の磁気センサを
用いて検出する.これらの磁気方式の回転センサは,精
度が高く,非接触型であるので耐久性や信頼性も高く,
自動車の車速計測やハンドルの切り角度計測など,さら
には水道流量計の羽根車の回転数計測など非常に多岐に
わたり且つ大量に使用されている.
膜,Mn酸化物などの酸化物系,Co−Cu合金などの
金属−金属系グラニュラー合金,またCo−Al−O合
金薄膜などの金属−非金属系グラニュラー合金薄膜な
ど,従来のMR材料の10倍以上の大きな巨大磁気抵抗
効果(GMR)を示す材料は,上記の回転角度センサの
性能を大幅に向上させる材料として注目されている.特
に,金属人工格子のGMRを利用したスピンバルブ素子
は磁気記録用のヘッドに実用化されており,回転センサ
などの磁気センサへの応用も検討されている.
サは,用いる磁気検出素子によってそれぞれ問題を抱え
ている.ホール素子は,出力特性が磁界に対して直線的
であるために,回転による以外の磁界変化,例えば,回
転する磁性体とホール素子の位置関係の変化,また磁性
体の経年変化における減磁によっても出力が変化する.
これらは,大きな誤差となり,経年変化や位置のずれを
予想し,電気的に補正するのも困難である.
素子は,磁性体が磁気的に飽和状態であれば,それ以上
の磁界の変化に対して出力は変化しない.つまり,飽和
磁界以上の磁界範囲で使用すれば,回転する磁性体と磁
気抵抗素子の位置関係が変化しても,また磁性体の経年
変化が起こっても出力は変化しない.しかし,パーマロ
イなどの異方的磁気抵抗効果(AMR)材料は,その磁
気抵抗比(MR比)が小さく,大きな出力を得ることは
出来ない.
磁界の大きさに対して変化し,磁界の向きの変化に対し
ては等方的で,大きさが同じであればどの方向からの磁
界に対しても同じMR比を示す.したがって,GMR材
料だけでは大きさが同じで回転する磁界を検出すること
は出来ない.GMR材料のうち実用化がなされているス
ピンバルブ素子は,多層膜化することによってこの問題
を解決しているが,その製作工程が複雑であるために低
コスト化が困難で,付加価値の大きな磁気ヘッドにしか
用いられておらず,低コストが求められる回転センサに
は用いられていないのが現状である.
ので,GMR薄膜と磁性薄膜とからなり,高出力で回転
状態の変化を高精度で検出することが可能で,且つ低コ
ストな回転角度センサを提供することを目的とする.
からなり,構造が単純で製作工程が簡単であり,GMR
薄膜を用いているために高出力で,該磁性薄膜の飽和磁
界以上の磁界変化に対して出力変化の無い,高精度の回
転角度センサを得ることが出来る.
る.第1発明は,空隙によって2分割された磁性薄膜,
該空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜,2
分割された該磁性薄膜の各々に電気的に接続された電気
端子,該電気端子間の抵抗値測定部,および着磁された
磁性体で構成された回転体からなることを特徴とする回
転角度センサに関する.
つのアームを形成してなり,電気端子間の抵抗値の計測
がブリッジ出力電圧の計測により行われることを特徴と
する第1発明に記載の回転角度センサに関する.
分をシールドする効果を持つ磁気シールドを備えたこと
を特徴とする第1発明または第2発明に記載の回転角度
センサに関する.
転体から発生する10G以上の磁界において,磁界の大
きさの変化によって出力が変化しないことを特徴とする
第1発明から第3発明までのいずれか一項に記載の回転
角度センサに関する.
れか1項に記載の回転角度センサを用いた位置センサに
関する.
性薄膜,該空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗
薄膜,2分割された該磁性薄膜の各々に電気的に接続さ
れた電気端子,該電気端子間の抵抗値測定部からなる回
転角度検出部と,着磁された磁性体で構成された回転体
からなる回転磁界発生部からなる.
磁性薄膜からなり,磁性薄膜が磁化すると,その近傍あ
るいは接して配置したGMR薄膜に磁性薄膜からの漏れ
磁束による磁界が作用して,磁気抵抗効果が発現する.
回転する外部磁界が印可されると,磁性薄膜の磁化が印
可磁界と共に回転し,GMR材料に対向する面から発生
する磁束が変化し,GMR材料に作用する磁界の大きさ
が変化する.これによって,本来等方的なGMR材料の
磁気抵抗効果に異方性を持たせることができ,回転角度
センサとして用いることが可能となる.
子のように成膜プロセスにおける工程が多い場合コスト
が高くなる.これに対し,本発明の回転角度センサは,
構造が単純であり,製作工程が簡単であるので低コスト
化が可能である.また,薄膜材料を用いているため,素
子の容積を小さくすることが可能であり,1mm3以下
の小型化に対応できる.
に説明する. 〔実施形態1〕磁性薄膜としてパーマロイ(Fe65N
i35)薄膜を用い,GMR薄膜に(FeCo)−Mg
−Fナノグラニュラー薄膜を用いて,回転検出部を作製
した.また回転磁界発生部にはSmCo磁石を用いた.
作製した回転角度センサの概略を図1に示す.パーマロ
イ薄膜およびナノグラニュラー薄膜の作製にはRFスパ
ッタ装置を用いた.尚,回転磁界発生部は,回転に伴い
変化する磁界を回転検出部に印可する構成になっていれ
ば良く,本実施形態に示す構成はその一例である.他の
構成としては,例えば,回転検出部と同一平面内の回転
検出部を中心とした円の円周上に着磁された磁性体を配
置し,磁性体を円周にそって回転させてもよい.また,
歯車状の磁性体を回転させても同様の効果がある.
度に対するMR変化を示す.MR比は角度の変化に伴っ
て変化し,最大で約6%の高い値を示している.
出部4個を用い,それぞれブリッジ回路の一つのアーム
を形成させ,対向するアームを平行に配置し,平行に配
置した2組のアームを他方と直角を成すように配置し
た.この実施形態1の回転検出部4個からなるブリッジ
回路において,電気端子間のブリッジ出力電圧の計測を
行なった.図3には本実施形態の回転角度と出力電圧の
関係を示す.出力電圧は最大±85mVである.
おける回転検出部では,磁性膜が磁化することによって
発生する磁界をGMR膜に作用させて回転磁界を検出す
る.回転磁界の方向が,回転検出部の磁性薄膜のGMR
薄膜に対向する(接する)面と平行である場合は,磁性
薄膜から発生する磁界はGMR薄膜に作用しない.さら
に,この場合,外部磁界がGMR薄膜に作用することが
考えられるが,磁性薄膜が外部磁界を集める働きをする
ので,GMR膜に外部磁界に比べて小さな磁界しか作用
しない.ところが外部から印可する回転磁界が1kGよ
り大きくなると,GMR膜に作用する磁界が無視できな
くなり,回転検出部分の出力が小さくなり,さらに外部
印可回転磁界の大きさの変化によっても出力が変化す
る.
出部に磁気シールドを備えた場合の模式図を示す.磁気
シールド材料は,パーマロイ(Fe65Ni35)薄膜
を用いた.図5には実施形態2と実施形態3の2kGの
大きさの回転磁界を印可した場合の回転角度と出力の関
係を示す.磁気シールドを備えることによって,出力電
圧が増加している.
いた回転角度センサの,印可する回転磁界の大きさと,
最大出力電圧の関係を示したものである.印可する回転
磁界の大きさは,回転磁界発生部に磁気特性の異なるS
mCo磁石を用いるか,回転検出部と回転磁界発生部の
距離を変えて変化させた.10G以上の磁界において出
力電圧は変化しない.
なり,構造が単純で製作工程が簡単であり,GMR薄膜
を用いているために高出力,高感度で,該磁性薄膜の飽
和磁界以上の磁界変化に対して出力変化の無い,新しい
高精度の回転角度センサに関するものであり,その工業
的意義は大きい.
す特性図である.
示す特性図である.
転磁界における回転角度と出力電圧の関係を示す特性図
である.
電圧との関係を示す特性図である.
膜,該空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜
からなる部分. 9:磁気シールド.
Claims (5)
- 【請求項1】 空隙によって2分割された磁性薄膜,該
空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜,2分
割された該磁性薄膜の各々に電気的に接続された電気端
子,該電気端子間の抵抗値測定部,および着磁された磁
性体で構成された回転体からなることを特徴とする回転
角度センサ. - 【請求項2】 電気端子がブリッジ回路の一つのアーム
を形成してなり,電気端子間の抵抗値の計測がブリッジ
出力電圧の計測により行われることを特徴とする請求項
1記載の回転角度センサ. - 【請求項3】 当該空隙に平行方向の磁界成分をシール
ドする効果を持つ磁気シールドを備えたことを特徴とす
る請求項1または請求項2に記載の回転角度センサ. - 【請求項4】 着磁された磁性体からなる回転体から発
生する10G以上の磁界において,磁界の大きさの変化
によって出力が変化しないことを特徴とする請求項1か
ら請求項3のいずれか一項に記載の回転角度センサ. - 【請求項5】 請求項1から請求項4のいずれか1項に
記載の回転角度センサを用いた位置センサ.
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