JP2006145323A

JP2006145323A - 回転角度検出装置

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Publication number: JP2006145323A
Application number: JP2004334242A
Authority: JP
Inventors: Kimiko Oi; きみ子大井; Seiji Fukuoka; 誠二福岡; Toshinao Kido; 利尚木戸
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2024-11-18
Also published as: JP4737371B2

Abstract

【課題】ピン層磁化方向が略同一のベクトル検知型磁気抵抗効果素子を複数個同一素子基板上に設けることにより、素子基板を配線部材の取付面上に配置するための作業性を改善し、磁界検知精度の向上を図る。
【解決手段】磁界発生手段の磁界内に配置され磁界の方向に応じて抵抗値が変化する素子基板上のベクトル検知型の磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を接続して回路を構成する配線基板とを有し、磁気抵抗効果素子に対して前記磁界が相対的に回転する回転角度検出装置であって、ピン層磁化方向が同一の磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ２が同一の素子基板２１上に、ピン層磁化方向が同一の磁気抵抗効果素子Ｒ３，Ｒ４が同一の素子基板２２上にそれぞれ設けられており、配線基板３０の取付面上には、磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ２とＲ３，Ｒ４のピン層磁化方向が互いに略反平行となるように素子基板２１，２２が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いて外部磁界の方向を検出する検出装置に関し、例えば内燃機関のスロットルバルブの回転軸等に取り付けられ、スロットル開度を検出する場合等に用いて好適な回転角度検出装置に関するものである。

この種の従来の回転角度検出装置としては、下記特許文献１の回転角度センサーが知られており、図７のように磁気抵抗効果素子１を有する第１素子基板２Ａ〜第４素子基板２Ｄと、それらの素子基板２Ａ〜２Ｄを接続して回路を構成する配線基板３とを有し、配線基板３の面上には、第１素子基板２Ａ〜第４素子基板２Ｄが個別に配置されており、少なくとも１組の前記素子基板が８０°〜１００°傾くように配置されている。また、それらの磁気抵抗効果素子１を有する第１素子基板２Ａ〜第４素子基板２Ｄに外部磁界を印加するための磁界発生手段５は、被検出物としての回転軸１０と、この端部に一体化された円形部材１１（歯車等でもよい）と、円形部材１１の端面に１８０°間隔で固着された永久磁石１２Ａ，１２Ｂとを有し、各第１素子基板２Ａ〜第４素子基板２Ｄにほぼ一様な方向性を有する外部磁界を印加できる構成となっている。
特開２００１−１５９５４２号公報

ところで、従来の回転角度検出装置では、磁気抵抗効果素子を有する第１〜第４素子基板が、前記配線基板の面上に個別に配置され、かつ少なくとも１組の前記素子基板が８０°〜１００°傾くようにするため、前記素子基板を配置するための工数が増える。また、前記素子基板の配置による位置ばらつき等により、磁界検出精度のばらつきも大きくなる問題があった。

本発明は、上記の点に鑑み、磁気抵抗効果素子としてベクトル検知型磁気抵抗効果素子を用い、ピン層磁化方向が略同一のベクトル検知型磁気抵抗効果素子を複数個同一素子基板上に設けることにより、前記素子基板を配線部材の取付面上に配置するための作業性を改善し、磁界検知精度の向上を図り、ひいては前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子に対して相対的に回転する磁界の回転角度検知精度の向上が可能な回転角度検出装置を提供することを目的とする。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、第１の発明は、磁界発生手段の磁界内に配置され当該磁界の方向に応じて抵抗値が変化する素子基板上のベクトル検知型磁気抵抗効果素子と、該ベクトル検知型磁気抵抗効果素子を接続して回路を構成する配線部材とを有し、前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子に対して前記磁界が相対的に回転する回転角度検出装置であって、
ピン層磁化方向が略同一のベクトル検知型磁気抵抗効果素子が同一の素子基板上に複数個設けられており、前記配線部材の取付面上には、前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子のピン層磁化方向が互いに略反平行となるように複数の前記素子基板が配置されていることを特徴としている。

また、第２の発明は、磁界発生手段の磁界内に配置され該磁界の方向に応じて抵抗値が変化する素子基板上のベクトル検知型磁気抵抗効果素子と、該ベクトル検知型磁気抵抗効果素子を接続して回路を構成する配線部材とを有し、前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子に対して前記磁界が相対的に回転する回転角度検出装置であって、
ピン層磁化方向が略同一のベクトル検知型磁気抵抗効果素子が同一の素子基板上に複数個設けられており、前記配線部材の取付面上には、前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子のピン層磁化方向が互いに向き合う方向、又はその逆方向になるように複数の前記素子基板が配置されていることを特徴としている。

前記回転角度検出装置において、複数の前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子のうち、ピン層磁化方向が互いに逆向きの第１素子と第３素子は、当該素子間に第１出力部を有して直列に接続されて第１直列回路をなし、ピン層磁化方向が前記第１素子と同方向の第２素子とピン層磁化方向が前記第３素子と同方向の第４素子は、当該素子間に第２出力部を有して直列に接続されて第２直列回路をなし、前記第１及び第２直列回路は前記第１素子と第２素子側を入力部として並列に接続されている構成であるとよい。

前記回転角度検出装置において、複数の前記素子基板の表面上に、ピン層磁化方向を判別する印を付加してもよい。

前記回転角度検出装置において、前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子は、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子であるとよい。

本発明に係る回転角度検出装置によれば、磁気抵抗効果素子としてベクトル検知型磁気抵抗効果素子を用い、ピン層磁化方向が略同一方向の複数のベクトル検知型磁気抵抗効果素子を、同一素子基板上に設けたので、配線部材の取付面上に前記素子基板を配置する作業性が良くなる。また、複数のベクトル検知型磁気抵抗効果素子を同一素子基板上に設けるため、１個の磁気抵抗効果素子を有する１個の素子基板を複数個配線部材に設ける場合に比べて、配線部材の取付面上に素子基板を配置したときの前記素子間の特性ばらつきや位置のばらつきがなくなり磁界方向の検知精度の向上が可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、回転角度検出装置の実施の形態を図面に従って説明する。

図１〜図３で本発明に係る回転角度検出装置の実施の形態１を説明する。本実施の形態では、ベクトル検知型磁気抵抗効果素子としてスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＳＶ−ＧＭＲ素子）を用いている。このＳＶ−ＧＭＲ素子は、磁化方向が一方向に固定されたピン層（固定磁性層）と、電流が主として流れる非磁性層と、磁化方向が外部磁界方向（外部磁束方向）に一致するフリー層（自由層）とで構成され、ピン層磁化方向と外部磁界のベクトル方向が一致するときは低抵抗値、反対方向のときは高抵抗値となる（図８で動作の詳細は後述する）。

そして、図１（Ａ）,（Ｂ）及び図２に示すように、ピン層磁化方向が略同一のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を設けた素子基板２１と、ピン層磁化方向が略同一のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４を設けた素子基板２２とを用い、これらの素子基板２１，２２を配線部材としての配線基板３０の取付面にピン層磁化方向が互いに反平行（略反平行であってもよい）となるように配置、固定している。ここで、反平行とはベクトル同士が平行であるが、その向きが互いに反対向きであることを言う。なお、各素子基板２１，２２において、２個のＳＶ−ＧＭＲ素子はピン層磁化方向に沿って直線的に配列されており、各ＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面は素子基板の上面と考えてよい。また、前記配線基板３０は検出装置支持台３１に固定されている。

なお、前記素子基板について述べると、１枚の大きな基板上で、ピン層を同一方向に磁化させた数万個のＳＶ−ＧＭＲ素子を同時に作製し、その大きな基板から、ＳＶ−ＧＭＲ素子を複数個（本実施の形態では２個）並べて切り出したものを素子基板とする。

一方、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４に対してほぼ一様な方向性をもった外部磁界を印加する磁界発生手段５は図７の従来技術の場合と同様でよく、被検出物としての回転軸１０と、この端部に一体化された円形部材１１（歯車等でもよい）と、円形部材１１の端面に１８０°間隔で固着された永久磁石１２Ａ，１２Ｂとを有している。従って、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４に印加される外部磁界の向きは一方の永久磁石１２ＡのＮ極から他方の永久磁石１２ＢのＳ極に向かう方向となり、回転軸１０が１回転する間に外部磁界の向きも３６０°回転することになる。なお、前記回転軸１０は、例えば内燃機関のスロットル開度を検出する回転角度検出装置にあっては、スロットルバルブの回転軸である。

図１及び図２では、解りやすくするために、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４を配線基板３０に比較して大きく図示したが、実際には微小寸法である。

図３のように、各ＳＶ−ＧＭＲ素子は配線基板３０が有する配線パターンにより相互に結線されており、４個のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４のうち、ピン層磁化方向が互いに逆向きのＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３は、当該素子間に第１出力部を有して直列に接続されて第１直列回路をなしている。また、ピン層磁化方向が前記ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１と同方向のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ２とピン層磁化方向が前記ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３と同方向のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ４は、当該素子間に第２出力部を有して直列に接続されて第２直列回路をなし、前記第１及び第２直列回路がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１とＲ２を入力部として並列に接続されている。ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３とＲ４の一端はグランド（ＧＮＤ）に接続されている。そして、第１出力部とグランド間に出力１が得られ、第２出力部とグランド間に出力２が得られる。出力１及び出力２共に略正弦波となる（動作原理については以下の図８で説明する。）。

図８（Ａ）のように、ＳＶ−ＧＭＲ素子は、磁化方向が一方向に固定されたピン層（固定磁性層）と、電流が主として流れる非磁性層と、磁化方向が外部磁界方向（外部磁束方向）に一致するフリー層（自由層）とで構成されている。ピン層磁化方向と外部磁界のベクトル方向が一致するときは低抵抗値となり、ＳＶ−ＧＭＲ素子面内において外部磁界のベクトル方向を回転させると、ピン層磁化方向となす角度により抵抗値が変化し、反対方向のとき高抵抗値となる。この特性が図８（Ｂ）に示すＳＶ−ＧＭＲ素子の面内磁気特性であり、ＳＶ−ＧＭＲ素子の感磁面に平行な外部磁界が存在する条件下で、外部磁界を感磁面に垂直な回転中心軸にて回転させ、ピン層磁化方向に対する回転角度と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示したものである。この場合、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は正弦波に近い波形でなだらかに変化し、飽和領域は生じない。

本実施の形態では、図８（Ｂ）で示したＳＶ−ＧＭＲ素子の面内磁気特性を利用するものである。すなわち、図１（Ａ）,（Ｂ）の磁界発生手段５による外部磁界は回転軸１０の回転に伴い回転し、回転軸１０が１回転すると前記外部磁界も３６０°回転する。従って、回転軸１０の１回転に伴い、１周期の略正弦波の電圧波形（実質的には正弦波と考えてよい）が図３の出力１−グランド間、及び出力２−グランド間にそれぞれ得られる。

この実施の形態１によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒｌ，ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ２は同一素子基板２１上に設けられており、配線基板３０の取付面上に同時に配置することができるため、作業性が良い。また、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ２の両素子間において、配線基板３０の取付面上に配置される際の位置ばらつき等は影響しないため、磁界検知精度が良くなる。ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ４についても、同一素子基板２２上に設けられており、同様の効果が得られる。

(2) 素子基板２１，２２は、１枚の大きな基板上で、ピン層を同一方向に磁化させた数万個のＳＶ−ＧＭＲ素子を同時に作製し、その大きな基板から、ＳＶ−ＧＭＲ素子を複数個（２個）並べて切り出したものであり、同一素子基板上のＳＶ−ＧＭＲ素子は特性が揃っているから、この点でも磁界検知精度の向上が可能である。

図４は本発明の実施の形態２であって、ピン層磁化方向が略同一のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を平行に並べて設けた素子基板２３と、ピン層磁化方向が略同一のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４を平行に並べて設けた設けた素子基板２４とを用いている。そして、配線基板３０の取付面に素子基板２３，２４はＳＶ−ＧＭＲ素子のピン層磁化方向が互いに向き合う方向となるように配置、固定されている。

その他の全体構成は図１と同様で、各ＳＶ−ＧＭＲ素子相互の結線も図３の通りであり、この場合にも磁界発生手段による外部磁界の回転角度をＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４で実施の形態１と同様に検知可能である。

図５は本発明の実施の形態３であって、ピン層磁化方向が略同一のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を平行に並べて設けた素子基板２３と、ピン層磁化方向が略同一のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４を平行に並べて設けた設けた素子基板２４とを用いている。そして、配線基板３０の取付面に素子基板２３，２４はＳＶ−ＧＭＲ素子のピン層磁化方向が互いに向き合う方向の反対向きとなるように配置、固定されている。

図６（Ａ）,（Ｂ）は実施の形態１で用いることのできる複数個のＳＶ−ＧＭＲ素子を有する素子基板２１，２２であって、ピン層磁化方向を判別するための判別印４１，４２を設けた構成を示す。

また、図６（Ｃ）,（Ｄ）は実施の形態２，３で用いることのできる複数個のＳＶ−ＧＭＲ素子を有する素子基板２３，２４であって、ピン層磁化方向を判別するための判別印４３，４４を設けた構成を示す。

前記判別印４１〜４４は例えば図示のように三角形状であり、その頂点の向きがピン層磁化方向を示している。

なお、判別印の具体的な形状はピン層磁化方向を表示可能であれば、種々変更可能である。

上記各実施の形態において、配線部材として配線基板を用いた場合を示したが、リードフレーム等を配線部材として用いることも可能である。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係る回転角度検出装置の実施の形態１であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図である。実施の形態１における素子基板を取り付けた配線基板の構成を示す斜視図である。実施の形態１における配線基板による各ＳＶ−ＧＭＲ素子の結線を示す回路図である。本発明の実施の形態２であって、素子基板を取り付けた配線基板の構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態３であって、素子基板を取り付けた配線基板の構成を示す斜視図である。判別印を有する素子基板の例であって、（Ａ）及び（Ｂ）は実施の形態１で使用可能な判別印を有する素子基板をそれぞれ示す斜視図、（Ｃ）及び（Ｄ）は実施の形態２，３で使用可能な判別印を有する素子基板をそれぞれ示す斜視図である。従来の回転角度検出装置の１例を示す斜視図である。ＳＶ−ＧＭＲ素子の動作説明であって、（Ａ）はＳＶ−ＧＭＲ素子の膜構成を示す説明図、（Ｂ）はＳＶ−ＧＭＲ素子の面内磁気特性を示す説明図である。

符号の説明

１磁気抵抗効果素子
２Ａ〜２Ｄ，２１〜２４素子基板
３，３０配線基板
１０回転軸
１１円形部材
１２Ａ，１２Ｂ永久磁石
３１検出装置支持台
４１〜４４判別印
Ｒ１〜Ｒ４ＳＶ−ＧＭＲ素子

Claims

磁界発生手段の磁界内に配置され当該磁界の方向に応じて抵抗値が変化する素子基板上のベクトル検知型磁気抵抗効果素子と、該ベクトル検知型磁気抵抗効果素子を接続して回路を構成する配線部材とを有し、前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子に対して前記磁界が相対的に回転する回転角度検出装置であって、
ピン層磁化方向が略同一のベクトル検知型磁気抵抗効果素子が同一の素子基板上に複数個設けられており、前記配線部材の取付面上には、前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子のピン層磁化方向が互いに略反平行となるように複数の前記素子基板が配置されていることを特徴とする回転角度検出装置。
磁界発生手段の磁界内に配置され該磁界の方向に応じて抵抗値が変化する素子基板上のベクトル検知型磁気抵抗効果素子と、該ベクトル検知型磁気抵抗効果素子を接続して回路を構成する配線部材とを有し、前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子に対して前記磁界が相対的に回転する回転角度検出装置であって、
ピン層磁化方向が略同一のベクトル検知型磁気抵抗効果素子が同一の素子基板上に複数個設けられており、前記配線部材の取付面上には、前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子のピン層磁化方向が互いに向き合う方向、又はその逆方向になるように複数の前記素子基板が配置されていることを特徴とする回転角度検出装置。
複数の前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子のうち、ピン層磁化方向が互いに逆向きの第１素子と第３素子は、当該素子間に第１出力部を有して直列に接続されて第１直列回路をなし、ピン層磁化方向が前記第１素子と同方向の第２素子とピン層磁化方向が前記第３素子と同方向の第４素子は、当該素子間に第２出力部を有して直列に接続されて第２直列回路をなし、前記第１及び第２直列回路は前記第１素子と第２素子側を入力部として並列に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の回転角度検出装置。
複数の前記素子基板の表面上に、ピン層磁化方向を判別する印を付加したことを特徴とする請求項１，２又は３記載の回転角度検出装置。
前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子は、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の回転角度検出装置。