JP2005351656A - 磁気検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造上のばらつきにより磁気抵抗素子と磁石の相対位置にずれが存在しても、被検出体である磁性移動体の検出精度に影響を与えない磁気検出装置を得る。
【解決手段】少なくとも二つの磁気抵抗素子で構成された磁界検出部と、前記磁気抵抗素子に磁界を印加する磁石と、上記磁石により発生した磁界を変化させる磁性移動体と、前記磁界の変化による前記磁気抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて信号を出力する処理回路部とを備え、前記磁気抵抗素子の形状を点対称としたことを特徴とするものである。
【選択図】図７

Description

この発明は、磁電変換素子である巨大磁気抵抗素子（以下、ＧＭＲ素子と称する）を用いた磁気検出装置に関するものである。

ＧＭＲ素子は、数オングストロームから数十オングストロームの厚さの磁性層と非磁性層とを交互に積層させた積層体、いわゆる人工格子膜であり、（Ｆｅ／Ｃｒ）ｎ、（パーマロイ／Ｃｕ／Ｃｏ／Ｃｕ）ｎ、（Ｃｏ／Ｃｕ）ｎが知られている（ｎは積層数）。
最近、上記のようなＧＭＲ素子からなる磁気抵抗セグメントの各端に電極を形成してブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路の対向する２つの電極間に定電圧、定電流の電源を接続し、磁気抵抗セグメントの抵抗値変化を電圧変化に変換して、この磁気抵抗素子に作用している磁界の変化を検出する磁気検出方式が、車載用回転センサ等に利用されるようになっている。

特開２００４−６９５４６号公報（特許文献１参照）には、このような従来の磁気検出装置が開示されており、以下図面を参照しながら説明する。図１は、特許文献１に示す従来の磁気検出装置の構成を説明する図であり、同図において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（c）は磁気抵抗セグメントの拡大図である。

図１において、１は例えば円盤の周囲に突起を有し、磁界を変化させる形状を具備した例えば歯車等の磁性移動体、２は基板の表面に回路がプリントされた処理回路部、２ａ及び２ｂは磁気抵抗セグメント、３は磁石、４は磁性移動体１の回転軸である。この回転軸４が回転することで磁性移動体１も同期して回転する。なお、（ａ）（ｂ）では磁気抵抗セグメント２ａ及び２ｂは、一つの黒のブロックで図示しているが、（ｃ）に磁気抵抗セグメントの形状（パターン）を拡大して示している。

図２は、上記した従来の磁気検出装置の処理回路部２の構成を示す図である。図２において、処理回路部２は、２つの磁気抵抗セグメント（ＧＭＲ素子）２ａ及び２ｂにより構成されたホイートストンブリッジ回路１１と、差動増幅回路１２と、比較回路１３と、出力回路１４とからなっている。なお、１５Ｔはトランジスタ、１５Ｚは出力端子、ＶＣＣは定電圧、Ｖrefは基準電圧である。

図２において、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂあるいは固定抵抗で構成されたブリッジ回路に定電圧ＶＣＣを印加し、磁界の変化による磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂの抵抗値変化を電圧変化に変換する。前記電圧変化された信号は差動増幅回路１２により増幅し、比較回路１３に入力される。比較回路１３により所定の基準電圧Ｖrefと比較された信号は、出力回路１４のトランジスタ１５Ｔによって“０”または“１”（＝ＶＣＣ）の最終出力に変換され、出力端子１５Ｚから出力される。

つぎに、従来の磁気検出装置の動作について図面を参照しながら説明する。図３は、従来の磁気検出装置の動作を示すタイミングチャートである。図３において、（ａ）は磁性移動体１の配置、（ｂ）は磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂの抵抗値、（ｃ）は差動増幅回路１２の出力、（ｄ）は最終出力をそれぞれ示す。

図１に示す磁性移動体１が回転軸４を中心に回転することで、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂへの印加磁界が変化し、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁性移動体１の形状に対応して磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂに印加される磁界に応じた抵抗変化を生ずる。

さらに、図３（ｃ）に示すように、上記抵抗値の変化により差動増幅回路１２の出力が得られる。そして、図３（ｄ）に示すように、この差動増幅回路１２の出力を比較回路１３により波形整形し、磁性移動体１の形状に対応した最終出力信号“１”又は“０”を得ることができる。

特開２００４−６９５４６号公報

しかしながら、近年、上記のような磁気検出装置において、検出精度の更なる高精度化への要求がある一方、磁性移動体１の凹凸の位置を検知するための精度は、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂ及び磁石３の相対位置の製造上のばらつきから限界がある。
図４に磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂ及び磁石３の相対位置が、精度よく配置された場合とずれて配置された場合とを模式的に示す。図４（a）(b)は精度よく配置された磁気検出装置の一例であり、磁性移動体１が磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂに近づいた場合を（a）図に、磁性移動体１が磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂと離れた場合を(b)図に示している。いずれの場合も磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂにかかる面内磁界は均等となる。つまり磁気抵抗セグメントに対する垂直方向磁界と水平方向磁界は同等である。

ところが、図４(c)(d)に示す如く、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂと磁石３との位置関係にずれを生じた場合には、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂにかかる面内磁界は不均一になる。すなわち磁気抵抗セグメント２aは長辺に対して水平方向磁界成分が強くなり、反対に磁気抵抗セグメント２bは長辺に対して垂直方向磁界成分が強くなり、磁気抵抗セグメント２a、２bに対する垂直方向磁界と水平方向磁界は不均等になる。
ここで磁気抵抗素子であるＧＭＲ素子の印加磁界と抵抗値変化についての特徴を説明する。このＧＭＲ素子は、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）と比較して、格段に大きなＭＲ効果（ＭＲ変化率）を有するとともに、隣り合った磁性層の磁化の向きの相対角度にのみ依存するので、外部磁界の向きが電流に対してどのような角度差をもっていても同じ抵抗値変化が得られる面内感磁の素子である。

図５は、GMR素子の磁界の強さとGMR素子の抵抗値の関係を示している。図５（a）は図４(a)(b)のように磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂ及び磁石３の相対位置が精度よく配置されている場合を示し、図５(b)はずれて配置された場合を示している。ＧＭＲ素子は面内にかかる磁界に対して、ＧＭＲ素子の形状（パターン）に対し垂直方向（図４の矢印Ａ）と水平方向（図４の矢印Ｂ）によりＧＭＲ素子の抵抗値に差が生じる。図５において、太線はＧＭＲパターンに掛かる平行磁界を、細線はＧＭＲパターンに掛かる垂直磁界を示している。

図５(a)の矢印は、図４の面内磁界が均一になっている場合のＧＭＲ素子の抵抗値と磁界の範囲を表しており、垂直磁界と水平磁界の中間地点にあることを示している。また図５(b)の矢印は図４(c)(d)の面内磁界が不均一になっている場合のＧＭＲ素子の磁界と抵抗の範囲を表しており、磁気抵抗セグメント2aは水平磁界が大きく、磁気抵抗セグメント2ｂは垂直磁界が大きい。したがって図５(b)のように内面磁界が不均一になっている場合、磁気抵抗セグメント２aと磁気セグメント２ｂとでは抵抗値変化の範囲に違いが生じる。つまり磁気抵抗セグメント２aの抵抗変化範囲は磁気抵抗セグメント２ｂの抵抗変化範囲よりも低くなる。

図６に磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂと磁石３がずれた場合についての磁気検出装置の動作について述べる。図６において、（ａ）は磁性移動体１の配置、（ｂ）は磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂの抵抗値、（ｃ）は差動増幅回路１２の出力、（ｄ）は最終出力をそれぞれ示す。
図６（ｃ）及び（ｄ）に示すように、ＧＭＲ素子の抵抗値の変化に差が生じ、差動増幅回路１２の出力波形は一方向へシフトする。比較回路１３の電位値は変わらないため、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂと磁石３にずれがない場合と比較して、出力信号の位置にずれが生じ、検出精度を著しく落とすことになる。

この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、製造上のばらつきにより磁気抵抗素子と磁石の相対位置にずれが存在しても、被検出体である磁性移動体の検出精度に影響を与えない磁気検出装置を得ることを目的とする。

この発明に係る磁気検出装置は、少なくとも二つの磁気抵抗素子で構成された磁界検出部と、前記磁気抵抗素子に磁界を印加する磁石と、上記磁石により発生した磁界を変化させる磁性移動体と、前記磁界の変化による前記磁気抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて信号を出力する処理回路部とを備え、前記磁気抵抗素子の形状を点対称としたことを特徴とするものである。

この発明に係る磁気検出装置は、磁気抵抗素子の形状を点対称に構成したので、回転移動体の検出精度に対して製造上のばらつきをなくすことができる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る磁気検出装置について図面を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態１に係る磁気検出装置の構成を示す図である。図７において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（c）は磁気抵抗セグメントの拡大図である。図中、１は例えば円盤の周囲に突起等の磁界を変化させる形状を設けた磁性移動体を示し、２は基板の表面に回路がプリントされた処理回路部、２ａ及び２ｂは磁気抵抗セグメント、３は磁石、４は磁性移動体１の回転軸である。この回転軸４が回転することで磁性移動体１も同期して回転する。なお、図７(b)では、磁気抵抗セグメント２ａ及び２ｂは、一つの黒のブロックで図示しているが、各セグメントが密集し一つのセグメントを独立して表せないためであり、図７（ｃ）にそれぞれの磁気抵抗セグメントの拡大図を示している。

磁気抵抗セグメントの形状は点対称でn角形である。なおｎ値は、形状の異方性を持たない程度であればどのような値でも良い。ｎ＝∞であれば円形となる。磁気抵抗セグメントが面内に対して点対称な形状であると、磁気抵抗セグメントは磁気抵抗セグメントの始端より終端にかけて、面内においては全方位より磁界を受けることになる。すなわち任意のある一方向の磁界に対して磁気抵抗セグメントの受ける面内磁界は、方向性を持たず、異方性がない。

図８に製造のばらつきを模した磁界変化を模式的に示す。図８(a)(b)は精度よく製造された磁気検出装置の一例である。磁性移動体１が磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂに近づいた場合と離れた場合で磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂにかかる面内磁界は均等である。つまり面内の垂直磁界と水平磁界は均一である。ところが図８(c)(d)に示すように、製造上のばらつきにより磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂ及び磁石３との位置関係にずれを生じた場合、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂにかかる面内磁界は、磁気抵抗セグメント２ａは水平磁界成分が大きく、磁気抵抗セグメント２ｂは垂直磁界成分が大きい。

ところが実施の形態１の磁気抵抗セグメントの形状では形状に異方性を持たないため、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂは、始端より終端にかけて全方位より磁界を受ける事になるため、磁気抵抗セグメント２ａの抵抗値変化範囲と磁気抵抗セグメント２ｂの抵抗値変化範囲に差が生じなくなり、出力信号の位置にずれを生じない。したがって磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂ及び磁石３との位置関係がずれた場合と精度よく配置された場合で出力波形のずれを生じない。

図８にこの発明の磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂを用いた場合の磁石３との相対位置が変化した状態を模式的に示す。図８（a）(b)は精度よく配置された磁気検出装置の一例であり、磁性移動体１が磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂに近づいた場合を（a）図に、磁性移動体１が磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂと離れた場合を(b)図に示し、いずれの場合も磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂにかかる面内磁界は均等となる。

従来の磁気検出装置の構成を示す図であり、（a)は斜視図、（b）は上面図、（c）は磁気抵抗セグメントの拡大図である。 従来の磁気検出装置の処理回路部の構成を示す図である。 従来の磁気検出装置の動作を示すタイミングチャートである。 従来の磁気検出装置であって、磁気抵抗セグメント及び磁石の相対位置が、精度よく配置された場合（a）(b)と、ずれて配置された場合(c)(d)とを模式的に示す図である。 GMR素子の磁界の強さと抵抗値の関係を示す図である。 従来の磁気検出装置であってそれぞれの構成がずれた場合の磁気検出装置の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態１に係る磁気検出装置の構成を示す図であり、(a)は斜視図、(b)は上面図、（c）は磁気抵抗セグメントの拡大図である。である。 この発明の実施の形態１に係る磁気検出装置であって、磁気抵抗セグメント及び磁石の相対位置が、精度よく配置された場合（a）(b)と、ずれて配置された場合(c)(d)とを模式的に示す図である。

符号の説明

１ 磁性移動体 ２ 処理回路部、２ａ 磁気抵抗セグメント、２ｂ 磁気抵抗セグメント 、３ 磁石、４ 回転軸。

Claims (5)

1. 少なくとも二つの磁気抵抗素子で構成された磁界検出部と、前記磁気抵抗素子に磁界を印加する磁石と、上記磁石により発生した磁界を変化させる磁性移動体と、前記磁界の変化による前記磁気抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて信号を出力する処理回路部とを備え、前記磁気抵抗素子の形状を点対称としたことを特徴とする磁気検出装置。
2. 前記磁気抵抗素子は巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。
3. 前記磁気抵抗素子の形状を多角形の渦巻状パターンとしたことを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。
4. 前記磁性移動体は回転軸に同期して回転する歯車状磁性移動体であることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。
5. 前記磁界検出部は少なくとも二つの磁気抵抗素子と他の抵抗器によりブリッジ回路を構成したことを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。

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