JP2014092526A - 磁気検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検出対象の回転角度情報をより簡単な構成で正確に検出する磁気検出装置を提供する。
【解決手段】磁気検出装置は、一方向に磁化され、外部磁界に対して磁化方向が固定された磁化固定層と、外部磁界に応じて磁化方向が回転する磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層との間に挟まれた非磁性中間層とからなる磁気抵抗素子１を備え、磁気抵抗素子の両端の電位差を固定電圧とし、磁界変化に対する磁気抵抗素子の電流値Ｉの変化を検出するものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、磁気抵抗素子を用いて磁界変化により被検出対象の回転角度を検出する磁気検出装置に関するものである。

磁電変換素子である磁気抵抗素子の両端に電極を形成してホイーストン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の電源を接続し、磁気抵抗素子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方式がある（特許第３０１７０６１号公報）。

図１０は、このようなホイーストンブリッジ回路を示す回路構成図である。
図において、ブリッジ回路を構成する磁気抵抗素子１０１、１０２、１０３、１０４は、図１１に示すように、外部磁界に対して磁化方向が固定された磁化固定層１１１と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁化自由層１１３と、磁化固定層１１１と磁化自由層１１３との間に挟まれた非磁性中間層１１２とを備えた積層体を有する。この磁化自由層１１３の磁化は、外部磁界に応じて積層体の膜面内で自由に回転する。ここでは非磁性中間層１１２が絶縁体であるトンネル磁気抵抗（Tunnel Magneto Resistance：以下、ＴＭ
Ｒと称す）素子を例にして説明する。

ＴＭＲ素子の電気的性質は、コンダクタンスＧの形で表されることが知られている。（非特許文献１）磁化固定層１１１の磁化方向に対して、磁化自由層１１３の磁化方向との相対角度をθとすると、コンダクタンスＧは、次のように表される。ここで、磁化自由層１１３の磁化方向は、外部磁界の方向すなわち磁界の回転角θと一致する。
Ｇ＝Ｇ０＋Ｇ１ｃｏｓθ ………（数式１）
これを抵抗値で表現すると、数式１の逆数となる。
Ｒ＝１/（Ｇ０＋Ｇ１ｃｏｓθ） ………（数式２）

なお、ＴＭＲ素子１０１、１０２、１０３、１０４のそれぞれにおける磁化固定層１１１の磁化方向を図１０に矢印の方向１０５、１０６、１０７、１０８で示している。また、ホイーストンブリッジ回路の中央部の矢印１０９は、外部磁界の方向を示している。

ここで、ＴＭＲ素子１０１とＴＭＲ素子１０２に着目する。磁界の方向１０９が３６０°回転した場合のＴＭＲ素子１０１とＴＭＲ素子１０２のコンダクタンスＧがどのように変化するかを図１２に示している。磁界の方向と磁化固定層の磁化の向きが同じ（θ＝０°）になると、数式１で示すようにコンダクタンスＧが最大となる。また、磁界の方向と磁化固定層の磁化の向きが反対（θ＝１８０°）になると、コンダクタンスＧは最小となり、ＴＭＲ素子１０１とＴＭＲ素子１０２の磁化固定層の磁化の向きが１８０°異なるため、コンダクタンスＧの値は、互いに１８０°反転した形となる。

一方、ＴＭＲ素子１０１とＴＭＲ素子１０２の電気的中点電位であるｉｎ１は、数式２を用いて計算され、次の数式３となる。
ｉｎ１＝（Ｇ０＋Ｇ１ｃｏｓθ）／２Ｇ０ ………（数式３）
この数式３に示されるように分子側にｃｏｓθが現れ、分母側は定数となるため、いわゆる三角関数の余弦波形となる。

ここで、ＴＭＲ素子１０２が磁界方向に関わらず固定の抵抗値Ｒ０であった場合、中点電位ｉｎ１は、数式２を用いて次のようになる。
ｉｎ１＝Ｒ０（Ｇ０＋Ｇ１ｃｏｓθ）／｛Ｒ０（Ｇ０＋Ｇｃｏｓθ）＋１｝
……（数式４）
この数式４で表されるように、分子側、分母側共にｃｏｓθが現れるため、いわゆる三角関数の余弦波形または正弦波形とは相違のある波形となる。理想的な余弦または正弦波形を出力することを仮定して磁界方向の角度を算出することを前提としている場合、数式４の波形は理想的な余弦、正弦波形からずれるため、望ましくないことになる。
したがって、図１０に示すように磁気抵抗素子のブリッジ回路を構成することが望まれる。

次に、ＴＭＲ素子に対して外部より磁界を与えるために、図１３に示すような着磁ローター１２１を用いた場合を例に説明する。
ここで、着磁ローター１２１の軸中心を１２２、着磁ローター１２１の表面付近の磁界方向を１２３で簡易的に示している。この着磁ローター１２１に近接してＴＭＲ素子１０１、１０２が配置されており、ＴＭＲ素子１０２の磁化固定層の向きを矢印１２４で示している。着磁ローター１２１の表面付近の磁界方向１２３は、ＴＭＲ素子１０１、１０２付近の磁界方向と近似的に同じとする。

このような構成のもとで、着磁されている着磁ローター１２１が回転すると、ＴＭＲ素子１０１、１０２に印加される磁界の方向が変わる。ＴＭＲ素子１０１、１０２は、図１０に示すようなブリッジ回路を構成しており、磁界方向は着磁ローター１２１が１回転すると、３６０°×２＝７２０°回転する。このため、ＴＭＲ素子１０１とＴＭＲ素子１０２のブリッジ回路中点ｉｎ１の出力から着磁ローター１２１の回転角度情報を得ることができる。このとき、例えばＴＭＲ素子１０１とＴＭＲ素子１０２の配置は、互いに近接した位置に配置する必要がある。しかし、図１３（ａ）に示すようにＴＭＲ素子１０１とＴＭＲ素子１０２を全く同一点に配置することは困難であり、実際にはある程度の間隙をもって配置されるため、角度ずれが発生する。この角度ずれが回転を検出する際の精度を悪化させる要因となっていた。

また、図１３（ｂ）に示すように、ＴＭＲ素子１０１、１０２を互いに離れた位置に配置する場合は、角度ずれの影響を少なくすることができるが、配置位置は、着磁ローター１２１の大きさに依存し、着磁ローター１２１の大きさ毎にＴＭＲ素子１０１とＴＭＲ素子１０２の配置位置を決める必要があるため、汎用性に欠けるという問題があった。

特許第３０１７０６１号公報

「Angular Dependence of the tunnel magnetoresistance transition-metal-based junction」：Physical Review B Vol.６４, ０６４４２７（２００１年）（式（２）およびＶ．CONCLUSION欄）

この発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、１つの磁気抵抗素子を用い、より正確な回転角度情報を得ることが可能な磁気検出装置を提供することを目的とするものである。

この発明に係る磁気検出装置は、一方向に磁化され、外部磁界に対して磁化方向が固定
された磁化固定層と、外部磁界に応じて磁化方向が回転する磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層との間に挟まれた非磁性中間層とからなる磁気抵抗素子を備え、磁気抵抗素子の両端の電位差を固定電圧とし、磁界変化に対する磁気抵抗素子の電流値変化を検出するようにしたものである。

この発明によれば、ホイーストンブリッジ回路構成を必要とせず、より簡単な構成にて被検出対象の正確な回転角度情報を得ることができるという効果を奏する。

この発明の実施の形態１に係る磁気検出装置の回路構成図である。 図１における要部構成を示す概要図である。 この発明の実施の形態１に係る磁気検出装置の動作を説明する波形図である。 この発明の実施の形態２に係る磁気検出装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態２に係る磁気検出装置の動作を説明する波形図である。 この発明の実施の形態３に係る磁気検出装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態３に係る磁気検出装置の動作を説明する波形図である。 この発明の実施の形態４に係る磁気検出装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態４に係る磁気検出装置の動作を説明する波形図である。 従来のホイーストンブリッジ回路を示す回路構成図である。 従来の磁気抵抗素子の構造を示す斜視図である。 従来の磁気抵抗素子における動作特性を説明する波形図である。 従来の磁気検出装置の他の構成を示す概要図である。

実施の形態１．
以下、この発明を実施の形態である図面を参照して説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る磁気検出装置を示す回路構成図である。
図１において、ＴＭＲ素子１は、図１１に示すような磁化固定層１１１、非磁性中間層１１２および磁化自由層１１３を積層して構成され、このＴＭＲ素子１の入力端には所定の電圧ｖａが供給されるとともに、その出力端には、増幅手段であるオペアンプ２の一方の入力端が接続されている。オペアンプ２の他方の入力端には、基準電位である電源電圧ｖｂが供給され、出力端には出力ｖｏｕｔが発生する。オペアンプ２２の出力端および一方の入力端には、増幅の倍率を決める固定抵抗器３が接続され、これらによって磁気検出装置が構成されている。
なお、ＴＭＲ素子１に流れる電流をＩ、固定抵抗器３の抵抗値をＲとする。

図２は、着磁ローター１２１とＴＭＲ素子１との位置関係を示す概要図で、着磁ローター１２１の表面付近の磁界方向を簡易的に矢印１２３で示し、ＴＭＲ素子１の磁化固定層の磁化の向きを簡易的に矢印１２４で示している。ここで、着磁ローター１２１の表面付近の磁界方向１２３は、ＴＭＲ素子１付近の磁界方向と近似的に同じとする。着磁ローター１２１は、軸中心１２２を中心に回転し、その回転方向を矢印１２５で示している。

このような構成のもとで、着磁ローター１２１を回転すると、図２における位置ＡでＴＭＲ素子１が相対した場合、ＴＭＲ素子１の磁化固定層の磁化の向き１２４と磁界の方向１２３は一致しているため、数式１でのθ＝０の状態を示すことになる。このため、図３
に示すように０°の位置のコンダクタンスＧは、Ｇ０＋Ｇ１となる。
また、ＴＭＲ素子１に流れる電流Ｉは、ＴＭＲ素子１の両端が固定電圧（ｖａ−ｖｂ）であるため、（Ｇ０＋Ｇ１）（ｖａ−ｖｂ）となる。
したがって、オペアンプ２の出力電圧ｖｏｕｔは、固定抵抗器３とＴＭＲ素子１に流れる電流の積となるため、（Ｇ０＋Ｇ１）（ｖａ−ｖｂ）Ｒとなる。

次に、着磁ローター１２１が矢印１２５の向きに４５°だけ回転した場合、すなわち位置ＢとＴＭＲ素子１が相対する場合、磁界の向きは位置Ａと異なり、数式１でのθ＝９０°の状態となる。この場合、コンダクタンスＧはＧ０となり、ＴＭＲ素子１の電流Ｉは、Ｇ０（ｖａ−ｖｂ）、出力ｖｏｕｔは、Ｇ０（ｖａ−ｖｂ）Ｒとなる。
このように着磁ローター１２１の回転位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに対して出力ｖｏｕｔは、図３に示すように余弦波形を示すものとなる。
なお、図３において、ＴＭＲ素子１のコンダクタンス波形は５１、ＴＭＲ素子１の電流波形は５２、オペアンプ２の出力電圧ｖｏｕｔ波形は５３で示している。

以上のように、着磁ローター１２１が回転するに伴いオペアンプ２の出力電圧ｖｏｕｔは、余弦波形が出力されることになり、このため、その出力によって正確な着磁ローター１２１の回転角度情報を得ることができる。

ここで、所定の電圧ｖａは０[Ｖ]（グランド）とすることもでき、この場合、電源の数を削減することができる。また、着磁ローター１２１は、図２に示したＮ極とＳ極が複数対のものでも、１対のものでもよい。さらに、図２ではＴＭＲ素子１の配置位置を着磁ローター１２１の円周外側に配置したが、着磁ローター１２１の軸中心１２２上に配置してもよく、ＴＭＲ素子１に印加される磁界方向が回転するものであれば、着磁ローター１２１は、どのような形態（直方体、球体など）を採ってもよい。

このように磁気抵抗素子に流れる電流を電圧に変換して出力する回路を設けることによって、磁気抵抗素子をホイーストンブリッジ回路に接続する構成とせず、被検出対象の正確な回転角度情報をより簡単な構成にて得ることが可能となる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係る磁気検出装置を示す回路構成図である。
図において、４は、増幅手段であるオペアンプ２の入出力端に接続された倍率を決める固定抵抗器で、抵抗値ＲＡに設定されている。また、固定抵抗器４の温度係数を、ＴＭＲ素子１の抵抗の温度係数と同じに設定したものである。その他の構成は、図１における実施の形態１と同一である。

図５は実施の形態２における温度を−４０℃、２７℃、１５０℃と変化させた場合の動作波形を示したシミュレーション図で、ｖａ＝０［Ｖ］、ｖｂ＝１［Ｖ］、ＲＡ＝２０ｋ[Ω]、ＴＭＲ素子１のコンダクタンス値＝０．００００７５＋０．００００２５ｂ×ｃｏｓθ［Ｇ］、ＴＭＲ素子１および固定抵抗器４の温度係数ＴＣ１＝０．００１とし、θは時間に変換して示している。図に示すように各温度にて電流Ｉの波形に相違が現れるが、出力ｖｏｕｔは波形が重なって表されている。このようにＴＭＲ素子１と固定抵抗器４の温度係数を合わせることによって温度による振幅の相違を相殺することが可能となる。

なお、固定抵抗器４の温度係数については、例えば固定抵抗器４をＴＭＲ素子１と同じ抵抗の温度係数を持つＴＭＲ素子で構成し、磁界方向が変化しないようにすればよい。また、ＴＭＲ素子１と同等の抵抗の温度係数の固定抵抗器とすればよい。

なお、ＴＭＲ素子１と同等の抵抗の温度係数の固定抵抗器を用意することが困難な場合は、以下の方法を用いることもできる。
固定抵抗器４を２種の温度係数の違う固定抵抗ＲＡ、ＲＢを用い、これらを直列に接続する。ＴＭＲ素子１の抵抗の温度係数をＴＣｔｍｒとし、抵抗ＲＡの温度係数をＴＣＡとし、抵抗ＲＢの温度係数をＴＣＢとした場合、次式が成り立つ抵抗ＲＡと抵抗ＲＢを用意する。
ＴＣＡ＜ＴＣｔｍｒ＜ＴＣＢ ………（数式１０）
抵抗ＲＡと抵抗ＲＢを定式化すると以下となる。
ＲＡ＝ＲＡ０｛１＋ＴＣＡ（ｔ−ｔ０）｝ ………（数式１１）
ＲＢ＝ＲＢ０｛１＋ＴＣＢ（ｔ−ｔ０）｝ ………（数式１２）
ここで、ＲＡ０、ＲＢ０は基準温度の抵抗値、ｔ０は基準温度、ｔは温度を示す。
抵抗ＲＡと抵抗ＲＢは直列に接続されるため、合成抵抗は、数式１１と数式１２より
ＲＡ＋ＲＢ＝（ＲＡ０＋ＲＢ０）｛１＋（ＴＣＡ・ＲＡ０+ＴＣＢ・ＲＢ０）（ｔ−ｔ０）／（ＲＡ０+ＲＢ０）｝ ………（数式１３）
となる。
抵抗ＲＡと抵抗ＲＢの合成抵抗の温度係数は、数式１３の（ＴＣＡ・ＲＡ０+ＴＣＢ・ＲＢ０）／（ＲＡ０+ＲＢ０）の部分を指し、抵抗ＲＡと抵抗ＲＢの抵抗値を各々調整すれば、ＴＭＲ素子１と同じ抵抗の温度係数を得ることができる。

このように磁気抵抗素子に流れる電流を電圧に変換して出力する回路を備えるとともに、電流を電圧に変換するオペアンプの倍率を定める固定抵抗器を磁気抵抗素子と同じ抵抗の温度係数の固定抵抗とすることによって、温度による電圧の振幅の相違を相殺することができ、温度に依存せず精度よく被検出体の回転角度情報を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３に係る磁気検出装置を示す回路構成図で、図４における磁気検出装置に第２の増幅手段を接続したものである。
図において、第１の増幅手段であるオペアンプ２の後段に、バッファ１０と、第２の増幅手段であるオペアンプ１１と、オペアンプ１１の倍率を決める固定抵抗器１２、１３と、オペアンプ１１の他方の入力端に接続された基準電位ｖｃとを設けたものである。

このように構成することによって、オペアンプ１１の出力振幅を固定抵抗器１２及び固定抵抗器１３により調整することが可能となり、また、オペアンプ１１の出力振幅のオフセット成分は、基準電位ｖｃによって調整することが可能である。
すなわち、図７に波形５４で示すようにオペアンプ１１の出力ｖｏｕｔをバッファ１０の入力波形５３に対して大きくすることができる。
なお、図中、５１はＴＭＲ素子１のコンダクタンス、５２はＴＭＲ素子１の電流変化を示している。

このように磁気抵抗素子に流れる電流を電圧に変換して出力する回路を備えるとともに、後段に第２の増幅手段であるオペアンプを接続することによって、出力のオフセット成分及び出力の振幅成分の調整が可能になるため、所望の出力を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態４．
図８は、この発明の実施の形態４に係る磁気検出装置を示す回路構成図である。
図において、電源ｖｃとトランジスタ２１とトランジスタ２２で構成されるカレントミラー回路の電流源側にＴＭＲ素子１を接続し、出力側に固定抵抗器２３を接続したものである。ここで、トランジスタ２１とトランジスタ２２は同じトランジスタ特性を有するものとし、ベース・エミッタ間の順方向電位をＶｄとする。またＴＭＲ素子１に流れる電流をＩとし、固定抵抗器２３の抵抗値をＲとする。
なお、ＴＭＲ素子１と着磁ローター１２１との位置関係は、図２と同じように設定されている。

このような構成のもとで、着磁ローター１２１を回転すると、図２における位置ＡでＴＭＲ素子１が相対した場合、ＴＭＲ素子１の磁化固定層の磁化の向き１２４と磁界の方向１２３は一致しているため、数式１でのθ＝０の状態を示すことになる。したがって、図９に示すように０°の位置のコンダクタンスＧは、Ｇ０＋Ｇ１となる。
また、ＴＭＲ素子１に流れる電流Ｉは、トランジスタ２１の順方向電位（固定電圧）ｖｄと固定電圧ｖｃがＴＭＲ素子１の両端に印加されるため、（Ｇ０＋Ｇ１）（ｖｃ−ｖｄ）となる。さらに、カレントミラー回路を構成しているため、出力側の固定抵抗器２３にも（Ｇ０＋Ｇ１）（ｖｃ−ｖｄ）の電流が流れ、出力端の出力電圧ｖｏｕｔは、
ｖｃ−Ｒ（Ｇ０＋Ｇ１）（ｖ−ｖｄ）となる。
同様に、着磁ローター１２１が矢印１２５の向きに回転すると、出力電圧ｖｏｕｔは、図９に示すように順次変化し、余弦波形を示すものとなる。

以上のように、着磁ローター１２１が回転するに伴いカレントミラー回路の出力電圧ｖｏｕｔは、余弦波形が出力されることになり、このため、その出力によって正確な着磁ローター１２１の回転角度情報を得ることができる。

なお、以上の実施の形態では、磁気抵抗素子としてトンネル磁気抵抗素子（Tunnel Magneto Resistance素子）について説明したが、巨大磁気抵抗素子（Giant Magneto Resistance素子）を用いても同様に実施することができる。
また、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

本発明は、自動車などに搭載され、ステアリングの回転角度を検出するステアリング制御装置に適用することができる。

１：磁気抵抗素子 ２：オペアンプ（第１の増幅手段）
３、４：固定抵抗器 １０:バッファ １１：オペアンプ（増幅手段）
１２、１３、２３：固定抵抗器 １０１〜１０４：磁気抵抗素子
１１１：磁化固定層 １１２：非磁性中間層 １１３：磁化自由層
１２１：着磁ローター

Claims (7)

1. 磁界変化により被検出対象の回転角度を検出する磁気検出装置であって、
   一方向に磁化され、外部磁界に対して磁化方向が固定された磁化固定層と、外部磁界に応じて磁化方向が回転する磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に挟まれた非磁性中間層とからなる磁気抵抗素子を備え、
   前記磁気抵抗素子の両端の電位差を固定電圧とし、磁界変化に対する前記磁気抵抗素子の電流値変化を検出することを特徴とする磁気検出装置。
2. 前記電流値変化を検出する手段として、増幅手段を用いたことを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。
3. 前記増幅手段の増幅する倍率を、前記磁気抵抗素子の温度変化に対して前記増幅手段の出力が変わらないよう調整可能としたことを特徴とする請求項２に記載の磁気検出装置。
4. 前記増幅手段の増幅する倍率を決める手段は固定抵抗器であって、前記磁気抵抗素子の抵抗の温度係数と前記固定抵抗器の抵抗の温度係数を同じにしたことを特徴とする請求項３に記載の磁気検出装置。
5. 前記増幅手段の後段に、所望の倍率とする第２の増幅手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の磁気検出装置。
6. 前記電流値変化を検出する手段として、カレントミラー回路を用いたことを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。
7. 前記磁気抵抗素子はトンネル磁気抵抗素子または巨大磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気検出装置。

Images