JP2015087137A

JP2015087137A - 磁気検出装置、およびこれを搭載した車両用回転検出装置

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Publication number: JP2015087137A
Application number: JP2013223889A
Authority: JP
Inventors: 英樹島内; Hideki Shimauchi; 横谷　昌広; Masahiro Yokoya; 昌広横谷; 京史原; Chikafumi Hara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2033-10-29
Also published as: JP5721804B2; DE102014214677A1; US9400194B2; DE102014214677B4; US20150115941A1

Abstract

【課題】着磁ローターのＮ極とＳ極の磁極ピッチに依存せず、着磁ローターの回転を高精度に検出することを目的とする。【解決手段】回転軸を中心に回転する外周上にＮ極とＳ極が交互に配置された着磁ローターの外周面と間隔を有して、非磁性中間層を挟んで、磁化方向が固定された強磁性体で構成された固定層と、磁化方向が自由に変化可能な強磁性体で構成された自由層とが形成された磁気抵抗素子が配置された磁気検出装置において、磁気抵抗素子は固定層を形成する面が前記回転軸を含む面内となるよう配置するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は磁気検出装置に関し、回転等により、時間経過に従って変化する磁界の方向を検出する装置、例えば回転体の回転数や回転角度を検出する装置に関する。

従来技術については、例えば特許文献１に開示されている。回転体の回転を検出する装置は、外周面にＮ極とＳ極が交互に配置されるように着磁された着磁ローターを回転体と共に回転させ、その際に生じる磁界の変化の回数を検出するように構成されている。着磁ローターはローター軸により円周回りに回転可能となっている。例えば、着磁ローターの軸がエンジンのクランクシャフトや車輪軸等に組み付けられて、着磁ローターがクランクシャフトや車輪軸と一体となって回転するようになっている。

検出素子としては磁気抵抗素子が使用され、着磁ローターが回転する際に検出素子を通過する磁界の変化を検出することが記載されている。特許文献１に示されている磁気抵抗素子は、トンネル接合膜磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）である。ＴＭＲ素子は、図３１に示すように、磁化の向きが固定された強磁性体で構成された固定層６、非磁性材料で構成された非磁性中間層８、磁化の向きが外部磁界によって自由に変化可能な強磁性体で構成された自由層７を有し、素子の置かれた場の磁界に応じて、層間を流れる電流値が変化することに基づいて磁気抵抗変化を検出するようにしたものである。

図３１に磁気抵抗素子であるＴＭＲ素子の固定層６の磁化方向に対して平行な外部磁界が印加された場合の抵抗値の変化を示す。固定層６の磁化方向に対してある値以上の平行磁界が印加されると磁気抵抗素子の抵抗値は最小に変化し飽和する。また、ある値以上の反平行磁界が印加されると磁気抵抗素子の抵抗値は最大に変化し飽和する。図３１に示す磁気抵抗素子に、抵抗値が飽和する磁界を印加し、固定層６の磁化方向に対して角度変化をもたせた場合の抵抗変化を図３２に示す。図のように固定層６の磁化方向と印加磁界方向（自由層７の磁化方向となる）の相対角に応じて３６０ｄｅｇを１周期とし抵抗値が変化する。

図３３に着磁ローターと磁気抵抗素子を用いた従来の磁気検出装置の概略構成図を示す。１、２は磁気抵抗素子、３は外周面にＮ極とＳ極が交互に複数配置された着磁ローター、４は着磁ローター３の回転軸、５は磁気抵抗素子１、２が搭載される回路基板、あるいは処理回路を含めたＩＣである。磁気抵抗素子１および磁気抵抗素子２の固定層の方向をｙ軸、固定層に垂直な方向をｚ軸、ｙｚ平面に対して垂直な方向をｘ軸とする座標系を規定した場合に、磁気抵抗素子１および磁気抵抗素子２の近傍に磁気抵抗素子１および磁気抵抗素子２からみてｙ軸方向に着磁ローター３を配置している。この着磁ローター３の回転軸４はおよそｚ軸に対して平行とする。磁気抵抗素子１と磁気抵抗素子２は、ｘ軸方向に一定距離（Ｌｅ）を離して配置され、図３４の信号処理回路で波形整形を行う。

図３５に着磁ローター３を回転させた場合の、磁気抵抗素子１および磁気抵抗素子２の抵抗値の変化、図３４の信号処理回路で処理する場合の差動出力電圧Ｖｃ、及び最終出力Ｖｏを示す。磁気抵抗素子１と磁気抵抗素子２は着磁ローター３の回転方向（ｘ軸方向）に対してＬｅの間隔で設置されているため、両者の抵抗値の変化はＬｅだけ位相がずれる。着磁ローター３の磁極ピッチＰが磁気抵抗素子１と磁気抵抗素子２の間隔Ｌｅとほぼ等しい場合、上記差動出力電圧はほぼ正弦波となる。

特開平１１−１０８６８９号公報特開２００９−３００１４３号公報

しかし、図３６に示すように、着磁ローター３の磁極ピッチＰが磁気抵抗素子１と磁気抵抗素子２の間隔Ｌｅに対して大きくなった場合、磁気抵抗素子１と磁気抵抗素子２には同じ方向の磁界が印加され、差動出力電圧が一定電圧となる領域（Ａ）が発生する。このような領域では差動出力電圧とＶｒｅｆとが近接するため、外乱ノイズにより最終出力に誤パルスが発生しやすくなる。また、差動出力電圧の電圧変化が緩やかになるため、最終出力の立下り、立ち上がり信号の位置が変動しやすく、検出精度が悪化する。

上記状態を避けるためには、着磁ローター３の磁極ピッチＰに合わせて磁気抵抗素子１、２の間隔Ｌｅを設定することが有効であるが、着磁ローター３の磁極ピッチＰが大きくなると、磁気抵抗素子１と磁気抵抗素子２の間隔が大きくなるため回路基板５が大きくなり磁気検出装置が高価になる。また、着磁ローター毎に磁気抵抗素子１と磁気抵抗素子２の間隔を調整しなければならない。

また、特許文献２には、着磁ローターに対向する位置に着磁ローター外周面と平行な基板に、磁気抵抗素子を配置した磁気検出装置が開示されている。特許文献２には、直流バイアス磁界を用いて磁気抵抗素子のヒステリシス特性の影響を軽減することの記載がある。しかし、この磁気検出装置によれば、磁気抵抗素子は着磁ローターから発生する磁界のうち、着磁ローター回転軸方向と着磁ローターの径方向と回転軸に垂直な方向の成分を検出する。このため磁気抵抗素子の出力はほぼ正弦波となり、特許文献１と同様に着磁ローターのピッチに対する課題を解決できない。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、着磁ローターのＮ極とＳ極の磁極ピッチに依存せず、着磁ローターの回転を高精度に検出することを目的としている。

この発明は、回転軸を中心に回転する外周上にＮ極とＳ極が交互に配置された着磁ローターの外周面と間隔を有して、非磁性中間層を挟んで、磁化方向が固定された強磁性体で構成された固定層と、磁化方向が自由に変化可能な強磁性体で構成された自由層とが形成された磁気抵抗素子が配置された磁気検出装置において、磁気抵抗素子は固定層を形成する面が回転軸を含む面内となるよう配置されたものである。

本発明によれば、着磁ローターのＮ極とＳ極の磁極ピッチに依存せず、着磁ローターの回転を高精度に検出する磁気検出装置が得られるという効果がある。

この発明の実施の形態１による磁気検出装置の概略構成を示す斜視図である。この発明の実施の形態１による磁気検出装置において、磁気抵抗素子が着磁ローターのＮ極に近接した場合、およびＳ極に近接した場合の状態を説明するための要部拡大図である。この発明の実施の形態１による磁気検出装置において、磁気抵抗素子が着磁ローターのＮ極に近接した場合、およびＳ極に近接した場合の状態を説明するための別の要部拡大図である。この発明の実施の形態１による磁気検出装置の着磁ローター回転角により磁界が変化する様子を示す図である。この発明の実施の形態１による磁気検出装置において、印加磁界角により磁気抵抗素子の抵抗値が変化する様子を示す図である。この発明の実施の形態１による磁気検出装置の着磁ローター回転角により磁気抵抗素子の抵抗値が変化する様子を示す図である。この発明の実施の形態１による磁気検出装置の信号処理回路の一例を示す回路図である。この発明の実施の形態１による磁気検出装置の図７の信号処理回路の動作を示す図である。この発明の実施の形態２による磁気検出装置において、磁気抵抗素子が着磁ローターのＮ極に近接した場合、およびＳ極に近接した場合の状態を説明するための拡大図である。この発明の実施の形態２による磁気検出装置において、印加磁界角により磁気抵抗素子の抵抗値が変化する様子を示す図である。この発明の実施の形態３による磁気検出装置の概略構成を示す斜視図である。この発明の実施の形態３による磁気検出装置において、磁気抵抗素子が着磁ローターのＮ極に近接した場合、およびＳ極に近接した場合の状態を説明するための要部拡大図である。この発明の実施の形態３による磁気検出装置において、磁気抵抗素子が着磁ローターのＮ極に近接した場合、およびＳ極に近接した場合の状態を説明するための別の要部拡大図である。この発明の実施の形態３による磁気検出装置の着磁ローター回転角により磁界が変化する様子を示す図である。この発明の実施の形態３による磁気検出装置において、印加磁界角により磁気抵抗素子の抵抗値が変化する様子を示す図である。この発明の実施の形態３による磁気検出装置の着磁ローター回転角により磁気抵抗素子の抵抗値が変化する様子を示す図である。この発明の実施の形態３による磁気検出装置の信号処理回路の一例を示す回路図である。この発明の実施の形態３による磁気検出装置の図１７の信号処理回路の動作を示す図である。この発明の実施の形態４による磁気検出装置の概略構成を示す斜視図である。この発明の実施の形態４による磁気検出装置において、磁気抵抗素子が着磁ローターのＮ極に近接した場合、およびＳ極に近接した場合の状態を説明するための拡大図である。この発明の実施の形態４による磁気検出装置の動作を説明するための図である。この発明の実施の形態５による磁気検出装置の概略構成を示す斜視図である。この発明の実施の形態５による磁気検出装置において、一方の磁気抵抗素子が着磁ローターのＮ極に近接した場合、およびＳ極に近接した場合の状態を説明するための拡大図である。この発明の実施の形態５による磁気検出装置において、一方の磁気抵抗素子が着磁ローターのＮ極に近接した場合、およびＳ極に近接した場合の状態を説明するための別の拡大図である。この発明の実施の形態５による磁気検出装置の着磁ローター回転角により磁界が変化する様子を示す図である。この発明の実施の形態５による磁気検出装置において、印加磁界角により磁気抵抗素子の抵抗値が変化する様子を示す図である。この発明の実施の形態５による磁気検出装置の着磁ローター回転角により磁気抵抗素子の抵抗値が変化する様子を示す図である。この発明の実施の形態５による磁気検出装置の信号処理回路の動作を示す図である。この発明の実施の形態６による磁気検出装置の着磁ローターの構成を示す斜視図である。この発明の実施の形態７による車両用回転検出装置を搭載した車両の構成を示す概念図である。本発明に用いる磁気検出素子の特性を説明する図である。本発明に用いる磁気検出素子の特性を説明する別の図である。従来の磁気検出装置の模式的な構成を示す斜視図である。従来の磁気検出装置の信号処理回路の一例を示す回路図である。従来の磁気検出装置の動作を説明するための図である。従来の磁気検出装置の動作を説明するための別の図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による磁気検出装置の概略構成を示す斜視図であり、図２はｚ方向から見た場合の要部拡大図である。磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２を含む磁気素子１３が、外周部にＮ極とＳ極が交互に複数回着磁され回転軸１５を軸として回転する着磁ローター１４の外周近傍に配置されている。磁気素子１３は、磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２が搭載された回路基板であっても良く、また磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２と処理回路を含むＩＣであっても良い。磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２は、図３１に示したのと同じ、非磁性金属や絶縁体などの非磁性材料で形成された非磁性中間層８を挟んで、磁化方向が固定された固定層６である強磁性層と磁化方向が自由に変化可能な自由層７である強磁性層とが形成された磁気抵抗素子である。磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２の固定層の方向をｘ軸、ｘ軸に垂直であって固定層平面に垂直な方向をｚ軸、ｘｚ平面に対して垂直な方向をｙ軸とする座標系を規定する。着磁ローター１４の外周面に対してｙ軸方向近傍となるよう、着磁ローター１４の外周面と間隔を有して、磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２が配置されている。着磁ローター１４の回転軸１５は概ねｘ軸と平行であり、回転軸１５が回転することで、磁気素子１３の近傍では、着磁ローター１４の外周面はｚ軸とほぼ平行に移動する。

以上のように、磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２は、固定層平面、すなわち固定層を形成する面がｘｙ面、すなわち回転軸を含む面内となるよう配置されている。本実施の形態１においては、磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２の固定層の磁化方向は回転軸１５に平行で、同一の方向となっている。また、磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２は回転軸１５を含む同一面上に、回転軸１５と平行な方向に所定間隔離れて配置されている。さらに、２個の磁気抵抗素子１１と磁気抵抗素子１２は着磁ローター１４のｘ軸方向の厚みを２等分するｙｚ平面Ｆ１を跨いで２か所に配置している。Ｆ１から磁気抵抗素子１１までの距離Ｌ１１と、Ｆ１から磁気抵抗素子１２までの距離Ｌ１２は、着磁ローター１４の磁界が存在する範囲であれば良い。実施の形態１では、Ｌ１１とＬ１２とが異なる値の場合を想定して説明する。

ただし、上記の回転軸を含む面内とは、厳密にその面内である必要は無く、磁気抵抗素子により、回転軸を含む面に沿った方向の磁界成分を、回転軸を含む面と垂直な方向の磁界成分の影響により誤差が大きく生じない程度に検出できる方向であれば良い。その他の方向も、いずれも誤差が大きく生じない方向であれば、厳密にその方向である必要は無い。これ以降の説明においても同様である。

図２（Ａ）には着磁ローター１４のＮ極が、図２（Ｂ）には着磁ローター１４のＳ極が磁気抵抗素子１１、磁気抵抗素子１２に近接した場合の着磁ローター１４からの磁界Ｂを破線の矢印で示している。着磁ローター１４からの磁界は、着磁ローター１４のｘ軸方向の厚みを２等分する面Ｆ１上ではｙ軸とほぼ平行となる。一方、着磁ローター１４のｘ軸方向の厚みを２等分する面Ｆ１より離れた位置での磁界は、ｘ軸方向の成分を持つ。この着磁ローター１４からの磁界のｘ軸成分は、着磁ローター１４のｘ軸方向の厚みを２等分する面Ｆ１に対して対称となる。

図３（Ａ）には着磁ローター１４のＮ極が、図３（Ｂ）には着磁ローター１４のＳ極が近接した場合の、磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２の固定層および自由層の磁化方向を示している。白抜き矢印で示す固定層の磁化方向は、印加磁界によって変化しないため図３（Ａ）、図３（Ｂ）いずれの場合においても磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２共にｘ軸、すなわち回転軸１５に対して平行となっている。ここでは、磁気抵抗素子１１の固定層の磁化方向と、磁気抵抗素子１２の固定層の磁化方向を同じ方向としている。一方、太い実線の矢印で示す自由層の磁化方向は、印加磁界によって変化し、印加磁界の方向に沿った方向となるため磁気抵抗素子１１と磁気抵抗素子１２で異なる。ここで、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向の相対角を、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向が反平行となった場合を０ｄｅｇと定義する。図３において、磁気抵抗素子に着磁ローター１４のＮ極が近接した場合、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向の相対角は、磁気抵抗素子１１はθ１１ｎ、磁気抵抗素子１２はθ１２ｎとなり、着磁ローター１４のＳ極が近接した場合には、磁気抵抗素子１１はθ１１ｓ、磁気抵抗素子１２はθ１２ｓとなる。

図４に着磁ローター１４が回転した場合の磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２に印加される磁界の固定層の磁化方向に対する角度（以後磁界角と呼ぶ）の変化を示す。磁気抵抗素子１１に印加される磁界角θ１１、および磁気抵抗素子１２に印加される磁界角θ１２は、近接する着磁ローター１４のＮ極、Ｓ極の境界で変化する。磁気抵抗素子の抵抗は固定層と自由層の相対角（磁界角に対応）に対して図５のように変化するため、磁気抵抗素子１１の抵抗値Ｒ１１、および磁気抵抗素子１１の抵抗値Ｒ１２は着磁ローター１４が回転した場合、図６に示すように変化する。図５および図６において添え字ｎは磁気抵抗素子がＮ極に近接する場合、添え字ｓは磁気抵抗素子がＳ極に近接する場合を示す。

着磁ローター１４から発生する磁界は、近接するＮ極から出る磁束とＳ極に入る磁束が一致するため、磁気抵抗素子に印加される磁界角は
θｘｘｓ≒θｘｘｎ＋１８０ｄｅｇ
となる。
ここで、ｘｘは磁気抵抗素子の符号１１または１２であり、ｎはＮ極が近接した場合、ｓはＳ極が近接した場合を示す。

磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２は固定層と自由層の磁化方向相対角１８０ｄｅｇに対して対称な変化を示すため、磁気抵抗素子１１と磁気抵抗素子１２の抵抗変化幅が大きくなる。磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２を図７に示す回路で信号処理する。すなわち、磁気抵抗素子１１（抵抗Ｒ１１）と磁気抵抗素子１２（抵抗Ｒ１２）とを回路の電源電圧Ｖｃｃと接地間に直列接続し、両者の接続点の電圧Ｖｃ（差動出力電圧と呼ぶ）を差動増幅器１０の非反転入力に、差動増幅器１０の反転入力に比較電圧Ｖｒｅｆを入力して差動増幅器１０の最終出力Ｖｏを得る。最終出力Ｖｏは差動増幅器１０の反転入力にも戻すことでヒステリシスを持たせる。

この信号処理回路により、着磁ローターが回転することにより、図８に示す差動出力電圧Ｖｃおよび最終出力Ｖｏが得られる。差動出力電圧ＶｃはＮ極とＳ極の境界で急峻に変化するため、最終出力Ｖｏ信号の立ち下り、立ち上がり位置の変動が小さくなり、着磁ローター１４の回転を高精度に検出することできる。

また、本実施の形態１によれば、磁気抵抗素子を設置する方向（ｘ軸方向）と着磁ローターの移動方向（ｚ軸方向）が異なるため、着磁ローターの磁極ピッチに依存せず、高精度な検出が可能となる。

本実施の形態１のような検出方法は、特にエンジンのカムシャフトに取り付けられた着磁ローターのように、ローター１回転あたりの磁極数が少なく、個々の磁極ピッチが比較的長い着磁ローターの検出に適している。

実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２による磁気検出装置の要部拡大図であり、実施の形態１で示した図２に相当する図である。本実施の形態２では、磁気抵抗素子１１と磁気抵抗素子１２とを着磁ローターのｘ軸方向の厚みを２等分するｙｚ平面Ｆ１に対して対称の位置に配置している。すなわち、Ｆ１から磁気抵抗素子１１の中心までの距離Ｌ１１と、Ｆ１から磁気抵抗素子１２の中心までの距離Ｌ１２とが等しくなるように磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２を配置している。磁気抵抗素子１１と磁気抵抗素子１２をｘ軸方向の厚みを２等分するｙｚ平面Ｆ１に対して対称の位置に配置することで、磁気抵抗素子１１と磁気抵抗素子１２に印加される磁界の方向はｙ軸に対して対称となる。また、実施の形態１と同様、磁気抵抗素子１１の固定層の磁化方向と、磁気抵抗素子１２の固定層の磁化方向を同じ方向としている。磁気抵抗素子の抵抗値の変化は、固定層と自由層の磁化方向の相対角に対して、相対角１８０ｄｅｇを基準として対称な変化を示す。

このため、図１０に示すように、磁気抵抗素子１１の抵抗値Ｒ１１と磁気抵抗素子１２の抵抗値Ｒ２２を、図９（Ａ）で示すようにＮ極に近接した場合をそれぞれＲ１１ｎ、Ｒ２２ｎ、図９（Ｂ）で示すようにＳ極に近接した場合をそれぞれＲ１１ｓ、Ｒ２２ｓとすると、
Ｒ１１ｎ＝Ｒ１２ｓ
Ｒ１１ｓ＝Ｒ１２ｎ
となる。温度変化等の外部因子により磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２の抵抗値が変化する場合にも、磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２の抵抗は同じように変化する。このため、図７に示した信号処理回路で処理する場合、差動信号電圧の振幅中心は変動しないので、図７に示す信号処理回路においてＶｒｅｆの電圧を
Ｖｒｅｆ＝Ｖｃｃ/２
と設定することにより着磁ローター１４の回転を高精度に検出することができる。

実施の形態３．
図１１はこの発明の実施の形態３による磁気検出装置の概略構成を示す斜視図であり、図１２はｚ方向から見た場合の要部拡大図である。磁気抵抗素子２１および磁気抵抗素子２２の固定層の方向をｘ軸、ｘ軸に垂直であって固定層平面に垂直な方向をｚ軸、ｘｚ平面に対して垂直な方向をｙ軸とする座標系を規定する。着磁ローター１４の外周面に対してｙ軸方向近傍となるよう、着磁ローター１４の外周面と間隔を有して、磁気抵抗素子２１および磁気抵抗素子２２が配置されている。着磁ローター１４の回転軸１５は概ねｘ軸と平行であり、回転軸１５が回転することで、着磁ローター１４の外周面は磁気抵抗素子２１および磁気抵抗素子２２近傍ではｚ軸とほぼ平行に移動する。磁気抵抗素子２２の中心は着磁ローター１４のｘ軸方向の厚みを２等分するｙｚ平面Ｆ１がｘｙ平面と交わる位置に配置している。磁気抵抗素子２１は、磁気抵抗素子２２と同一平面上で、磁気抵抗素子２１の中心と磁気抵抗素子２２の中心との距離がｘ軸方向にＬ２１となるよう配置している。以上のように、本実施の形態３においても、実施の形態１や実施の形態２と同様、磁気抵抗素子２１および磁気抵抗素子２２は、固定層を形成する面がｘｙ面、すなわち回転軸１５を含む面内となるよう配置されている。また、磁気抵抗素子２１および磁気抵抗素子２２の固定層の磁化方向は回転軸１５に平行で、同一の方向となっている。また、磁気抵抗素子２１および磁気抵抗素子２２は回転軸１５を含む同一面上に、回転軸１５と平行な方向に所定間隔離れて配置されている。

図１２（Ａ）には着磁ローターのＮ極が、図１２（Ｂ）には着磁ローターのＳ極が磁気抵抗素子２１および磁気抵抗素子２２に近接した場合の着磁ローター１４からの磁界を示している。図１３（Ａ）は着磁ローター１４のＮ極が、図１３（Ｂ）は着磁ローターのＳ極が近接した場合の磁気抵抗素子２１および磁気抵抗素子２２の固定層、自由層の磁化方向を示す。

固定層の磁化方向は印加磁界によって変化しないため、Ｎ極に近接した場合も、Ｓ極に近接した場合も、磁気抵抗素子２１および磁気抵抗素子２２共にｘ軸に対して平行となっている。一方、自由層の磁化方向は、印加磁界によって変化し、印加磁界の方向と平行となるため磁気抵抗素子２１と磁気抵抗素子２２で異なる。ここで、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向の相対角を、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向の相対角が反平行となった場合を０ｄｅｇと定義する。磁気抵抗素子に対して着磁ローター１４のＮ極が近接した場合、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向の相対角は、磁気抵抗素子２１はθ２１ｎ、磁気抵抗素子２２はθ２２ｎとなり、着磁ローター１４のＳ極が近接した場合には、磁気抵抗素子２１はθ２１ｓ、磁気抵抗素子２２はθ２２ｓとなる。磁気抵抗素子２２は、着磁ローター１４のｘ軸方向の厚みを２等分するｙｚ平面Ｆ１がｘｙ平面との交わる位置に配置されているため、着磁ローター１４のＮ極が近接した場合には磁気抵抗素子２２の固定層に対してθ２２ｎ＝９０ｄｅｇ、Ｓ極が近接した場合にはθ２２ｓ＝２７０ｄｅｇの角度の磁界が印加される。

図１４に着磁ローター１４が回転した場合の磁気抵抗素子２１に印加される磁界角θ２１、および磁気抵抗素子２２に印加される磁界角θ２２の変化を示す。磁気抵抗素子２１および磁気抵抗素子２２に印加される磁界角は、近接する着磁ローター１４のＮ極、Ｓ極の境界で変化する。

磁気抵抗素子は固定層と自由層の相対角に対して図１５のように変化するため、着磁ローター１４が回転した場合、図１６に示すように、磁気抵抗素子２２の抵抗値Ｒ２２は変化せず、磁気抵抗素子２１の抵抗値Ｒ２１のみ変化する。上記磁気抵抗素子を図１７に示す回路で信号処理することにより、図１８に示す差動出力電圧Ｖｃおよび最終出力Ｖｏが得られ、本実施の形態３においても実施の形態１と同様に着磁ローター１４の回転を高精度に検出することができる。

また、本実施の形態３によれば、磁気抵抗素子の間隔Ｌ２１を小さくすることができるため、回路基板もしくはＩＣが小型化でき、磁気検出装置の低コスト化が可能となる。さらに、図１６に示すように、磁気抵抗素子２２の抵抗値は変化しない。したがって、磁気抵抗素子２２を配置せず磁気抵抗素子２１のみで、図１７の信号処理回路においてＲ２２を固定抵抗に置き換えても図１８に示す最終出力Ｖｏが得られる。ただし、温度変化などを考慮すると、磁気抵抗素子２２を有するほうが精度が高い磁気検出装置が得られる。

実施の形態４．
磁気抵抗素子は固定層と自由層の相対角に対して図５などに示す抵抗値の変化を示すため、磁気抵抗素子に印加される磁界の方向が固定層の磁化方向と平行、反平行に近いほど大きな抵抗変化を得ることができる。以下の実施の形態は、磁気抵抗素子に印加される磁界の方向を固定層の磁化方向と平行または反平行の方向に近づけるための実施の形態である。

図１９はこの発明の実施の形態４による磁気検出装置の概略構成を示す斜視図であり、図２０はｚ方向から見た場合の拡大図である。磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２の固定層の方向をｘ軸、ｘ軸に垂直であって固定層平面に垂直な方向をｚ軸、ｘｚ平面に対して垂直な方向をｙ軸とする座標系を規定する。外周部にＮ極とＳ極が交互に複数回着磁された着磁ローター２４の外周面に対してｙ軸方向近傍となるよう、着磁ローター２４の外周面と間隔を有して、磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２が配置されている。着磁ローター２４の回転軸１５は概ねｘ軸と平行であり、回転軸１５が回転することで、着磁ローター２４の外周面は磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２近傍ではｚ軸とほぼ平行に移動する。磁気抵抗素子１１と磁気抵抗素子１２は着磁ローター２４のｘ軸方向の厚みを２等分するｙｚ平面Ｆ１を跨いで２か所に配置している。着磁ローター２４の外周面は、着磁ローター２４のｘ軸方向の厚みを２等分するｙｚ平面Ｆ１に対し対称に、傾斜が無い場合に対して角度αの傾斜が設けられている。着磁ローター２４の外周部に傾斜を設けることにより、着磁ローター外周面の外側の磁力線の方向が、実施の形態１から実施の形態３の着磁ローター外周面の外側の磁力線の方向から変化し、磁界のｘ方向成分が増加する。

磁界のｘ方向成分がどのように変化するかを計算した例を示す。計算例として、図２１（Ａ）に示すように、着磁ローター２４が直径Ｄ＝１００ｍｍ、厚さｔａ＝１０ｍｍであり、磁性材料がフェライト、Ｎ極とＳ極を交互に６０極配置したものを想定した。着磁ローター２４の先端から２ｍｍ、面Ｆ１から５ｍｍ離れた点Ｃにおける磁界のＸ方向成分を、着磁ローターの傾斜α＝０、２０ｄｅｇ、３０ｄｅｇについて計算した。図２１（Ｂ）に、α＝０すなわち傾斜が無い場合の磁界のＸ方向成分からの増加量を示す。図２１（Ｂ）に示すように、着磁ローター外周部にα＝３０ｄｅｇの傾斜を設けると、Ｃ点における印加磁界のＸ方向成分は傾斜を設けない場合に対して約８％増加する。

着磁ローター２４から発生する磁界を磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２にて検出し、図７と同様の信号処理回路で信号処理すると、着磁ローター外周部に傾斜を持たない場合と比較してより大きな差動信号電圧が得られる。このため、最終出力の立ち上がり信号、立下り信号の位置の変動が小さくなり、着磁ローター２４の回転を高精度に検出することが可能となる。

なお、着磁ローター２４の外周面の形状はｘ軸方向の厚みに対して２等分するｙｚ平面Ｆ１に対して対称な形状であればよく、たとえば円弧であっても同様の効果が得られる。すなわち、着磁ローター２４の外周面は、着磁ローター２４の厚みを２等分する面Ｆ１との交差する位置を頂点として、Ｆ１に対して対称な山形に形成されていれば良い。

図１９、図２０において、磁気抵抗素子１１と磁気抵抗素子１２とを、実施の形態２で説明したのと同様、着磁ローター２４のｘ軸方向の厚みを２等分するｙｚ平面Ｆ１に対して対称に配置することで、磁気抵抗素子１１と磁気抵抗素子１２に印加される磁界の方向はｙ軸に対して対称となる。実施の形態２で説明したのと同様に、磁気抵抗素子１１の抵抗値Ｒ１１、および磁気抵抗素子１２の抵抗値Ｒ１２は、
Ｒ１１ｎ＝Ｒ１２ｓ
Ｒ１１ｓ＝Ｒ１２ｎ
となり、温度変化等の外部因子により磁気抵抗素子１１および磁気抵抗素子１２の抵抗値が変化した場合にも、差動信号電圧の振幅中心は変動しないため、図７に示す信号処理回路のＶｒｅｆの電圧を
Ｖｒｅｆ＝Ｖｃｃ/２
と設定することにより着磁ローター２４の回転を高精度に検出することができるものである。

実施の形態５．
図２２はこの発明の実施の形態５による磁気検出装置の概略構成を示す斜視図であり、図２３はｚ方向から見た場合の拡大図である。図２２に示すように、磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２の固定層の磁化方向をｙ軸、ｙ軸に垂直であって固定層平面に垂直な方向をｚ軸、ｙｚ平面に対して垂直な方向をｘ軸とする座標系を規定する。着磁ローター３４の外周面に対してｙ軸方向近傍となるよう、着磁ローター３４の外周面と間隔を有して、磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２が配置されている。着磁ローター３４の回転軸１５は概ねｘ軸と平行であり、回転軸１５が回転することで、着磁ローター３４の外周面は磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２近傍ではｚ軸とほぼ平行に移動する。磁気抵抗素子３１と磁気抵抗素子３２は着磁ローター３４のｘ軸方向の厚みを２等分するｙｚ平面Ｆ１を跨いで２か所に配置している。着磁ローター３４の外周部には、円周方向に交互にＮ極とＳ極が着磁され、かつ、着磁ローター３４のｘ軸方向の厚みを２等分するｙｚ平面Ｆ１に対して異なる磁極が着磁されている。以上のように、磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２は、固定層を形成する面がｘｙ面、すなわち回転軸を含む面内となるよう配置されている。本実施の形態５においては、磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２の固定層の磁化方向は回転軸１５に垂直で、同一の方向となっている。また、磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２は回転軸１５を含む同一面上に、回転軸１５と平行な方向に所定間隔離れて配置されている。

図２３（Ａ）は、磁気抵抗素子３１に対して着磁ローター３４のＮ極が近接している場合、図２３（Ｂ）は、磁気抵抗素子３１に対して着磁ローター３４のＳ極が近接している場合の着磁ローター３４からの磁界Ｂを示している。図２３（Ａ）において、磁気抵抗素子３１に近接している着磁ローター３４のＮ極からの磁力線は、磁気抵抗素子３２に近接するＳ極に向かう。このため磁気抵抗素子３１に対しては固定層の磁化方向に対して平行に近い磁界が印加され、磁気抵抗素子３２に対しては固定層の磁化方向に対して反平行に近い磁界が印加される。

一方、図２３（Ｂ）においては、磁界が磁気抵抗素子３２に近接している着磁ローターのＮ極から磁気抵抗素子３１に近接するＳ極に向かうため、磁気抵抗素子３１に対しては固定層の磁化方向に対して反平行に近い磁界が、磁気抵抗素子３２に対しては平行に近い磁界が印加される。

図２４（Ａ）は図２３（Ａ）の状態における、また図２４（Ｂ）は図２３（Ｂ）の状態における、磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２の固定層、自由層の磁化方向を示している。固定層の磁化方向は印加磁界によって変化しないため、図２４（Ａ）、図２４（Ｂ）いずれの場合においても磁気抵抗素子３１、磁気抵抗素子３２共にｙ軸に対して平行となっている。一方、自由層の磁化方向は、印加磁界によって変化し印加磁界の方向と平行となるため、磁気抵抗素子３１と磁気抵抗素子３２で異なる。固定層の磁化方向と自由層の磁化方向の相対角を固定層の磁化方向と自由層の磁化方向が反平行となった場合を０ｄｅｇと定義した場合、磁気抵抗素子３１に着磁ローター３４のＮ極が近接した場合、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向の相対角は、磁気抵抗素子３１はθ３１ｎｓ、磁気抵抗素子３２はθ３２ｎｓとなり、磁気抵抗素子３１に着磁ローター３４のＳ極が近接した場合には、磁気抵抗素子３１はθ３１ｓｎ、磁気抵抗素子３２はθ３２ｓｎとなる。

図２５に着磁ローター３４が回転した場合の磁気抵抗素子３１に印加される磁界角θ３１および磁気抵抗素子３２に印加される磁界角θ３２の変化を示す。図に記載した着磁ローター３４は磁気抵抗素子３１に近接している磁極を示している。磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２に印加される磁界角は、近接する着磁ローター３４のＮ極、Ｓ極の境界で変化する。

磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２には、固定層と自由層の相対角が１８０ｄｅｇまたは３６０ｄｅｇ（０ｄｅｇ）に近い角度となる磁界が印加されており、図２６に示す磁気抵抗素子の特性により、磁気抵抗素子３１の抵抗値Ｒ３１および磁気抵抗素子３２の抵抗値Ｒ３２は着磁ローター３４が回転すると図２７に示すように大きな抵抗値の変化が得られる。なお、図２６および図２７において、磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２の抵抗値として、磁気抵抗素子３１がＮ極に近接した場合をそれぞれＲ３１ｎｓ、Ｒ３２ｎｓ、磁気抵抗素子３１がＳ極に近接した場合をそれぞれＲ３１ｓｎ、Ｒ３２ｓｎと表わしている。

上記磁気抵抗素子を図７に示したのと同様の回路で信号処理することにより、図２８に示す差動出力電圧Ｖｃおよび最終出力Ｖｏが得られる。差動出力電圧Ｖｃは磁気抵抗素子に近接する磁極のＮ極とＳ極の境界で急峻に変化するため、最終出力Ｖｏの立ち下り、立ち上がり信号の変動が小さくなり、着磁ローター３４の回転を高精度に検出することができる。

実施の形態６．
実施の形態６は実施の形態５において、磁気抵抗素子を着磁ローターのｘ軸方向の厚みを２等分するｙｚ平面に対して対称に配置することを特徴とする。すなわち、図２４において、Ｌ３１＝Ｌ３２として磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２を配置する。

磁気抵抗素子３１と磁気抵抗素子３２をｘ軸方向の厚みを２等分するｙｚ平面Ｆ１に対して対称に配置することで、磁気抵抗素子３１と磁気抵抗素子３２に印加される磁界の方向はｙ軸に対して対称となる。したがって、磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２の抵抗値は、
Ｒ３１ｎｓ＝Ｒ３２ｓｎ
Ｒ３１ｓｎ＝Ｒ３２ｎｓ
となる。

温度変化等の外部因子により磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２の抵抗値が変化する場合にも、磁気抵抗素子３１および磁気抵抗素子３２の抵抗値は同じように変化する。このため、図７に示した信号処理回路で処理する場合、差動信号電圧の振幅中心は変動しないので、図７に示す信号処理回路のＶｒｅｆの電圧を
Ｖｒｅｆ＝Ｖｃｃ/２
と設定することにより着磁ローター３４の回転を高精度に検出することができるものである。

実施の形態７．
図２９はこの発明の実施の形態７の磁気検出装置の着磁ローター４４を示す模式図である。着磁ローター４４は、外周部に、半径方向の厚さがｔであり、円周方向にＮ極、Ｓ極がピッチＰの間隔で交互に着磁された磁石部を有する。着磁ローター４４のＮ極からの磁力線は近接するＳ極に向かう。

この時、磁石部内部を通る磁束をＢｉｎ、磁石外部を通る磁束をＢｏｕｔとした場合において、磁極ピッチＰと磁石部の半径方向の厚さｔの関係を
Ｐ／ｔ＞１
と設定した場合、Ｎ極からＳ極に向かう磁束が通過する面は、磁石部のＮ極とＳ極の接触する面積よりも、着磁ローター４４外周部の面積が大きくなり、
Ｂｏｕｔ＞Ｂｉｎ
となる。

この着磁ローター４４を、実施の形態１から実施の形態６の磁気検出装置の着磁ローターとして用いることにより、磁気抵抗素子に印加される磁界が大きくなるため、着磁ローターの回転の検出性を向上させることができる。

以上のように、本発明によれば、着磁ローターの磁極ピッチによらず着磁ローターの回転を高精度に検出することが可能であり、かつ、回路基板もしくはＩＣを小型化することができる。

実施の形態８．
図３０は本発明の実施の形態８による車両用回転検出装置の概念を示す模式図である。実施の形態１から７で説明した本発明による磁気検出装置を、図３０で示す磁気検出装置５０として、着磁ローターの回転軸を車両１００の例えば車輪軸やエンジンのクランクシャフトなど、車両の回転機器の回転軸と共に回転するように搭載して、車両用回転検出装置６０として応用することができる。車両用回転検出装置６０において、本発明の磁気検出装置の小型で高精度回転検出の効果を発揮することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、あるいはその構成要件を省略したりすることが可能である。

６固定層、７自由層、８非磁性中間層、１１、１２、２１、２２、３１、３２磁気抵抗素子、１４、２４、３４、４４着磁ローター、１５回転軸、５０磁気検出装置、６０車両用回転検出装置、１００車両

この発明は、回転軸を中心に回転する外周上にＮ極とＳ極が交互に配置された着磁ローターの外周面と間隔を有して、非磁性中間層を挟んで、磁化方向が固定された強磁性体で構成された固定層と、磁化方向が自由に変化可能な強磁性体で構成された自由層とが形成された磁気抵抗素子が２個配置され、この２個の磁気抵抗素子の抵抗変化により着磁ローターの回転を検出する磁気検出装置において、２個の磁気抵抗素子は固定層を形成する面が回転軸を含む面内となるとともに、固定層の磁化方向が、回転軸に平行で、かつ同一の方向であり、回転軸と平行な方向に所定間隔離れて配置されたものである。
また、回転軸を中心に回転する外周上にＮ極とＳ極が交互に配置された着磁ローターの外周面と間隔を有して、非磁性中間層を挟んで、磁化方向が固定された強磁性体で構成された固定層と、磁化方向が自由に変化可能な強磁性体で構成された自由層とが形成された磁気抵抗素子が２個配置された磁気検出装置において、２個の磁気抵抗素子は、固定層を形成する面が回転軸を含む面内となり、着磁ローターの厚みを２等分する面を挟み、回転軸と平行な方向に所定間隔離れて配置されたものである。

Claims

回転軸を中心に回転する外周上にＮ極とＳ極が交互に配置された着磁ローターの外周面と間隔を有して、非磁性中間層を挟んで、磁化方向が固定された強磁性体で構成された固定層と、磁化方向が自由に変化可能な強磁性体で構成された自由層とが形成された磁気抵抗素子が配置された磁気検出装置において、
前記磁気抵抗素子は、前記固定層を形成する面が前記回転軸を含む面内となるよう配置されたことを特徴とする磁気検出装置。
前記磁気抵抗素子が２個、前記回転軸と平行な方向に所定間隔離れて配置されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。
２個の前記磁気抵抗素子は、前記着磁ローターの厚みを２等分する面を挟むように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の磁気検出装置。
２個の前記磁気抵抗素子は、前記着磁ローターの厚みを２等分する面から等距離に配置されたことを特徴とする請求項３に記載の磁気検出装置。
２個の前記磁気抵抗素子の前記固定層の磁化方向は、前記回転軸に平行で、かつ同一の方向であることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の磁気検出装置。
前記着磁ローターの外周面は、前記着磁ローターの厚みを２等分する面と交差する位置を頂点として、前記着磁ローターの厚みを２等分する面に対して対称な山形に形成されたことを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の磁気検出装置。
前記着磁ローターの外周には、前記着磁ローターの厚みを２等分する面の両側で、異なる磁極が配置され、２個の前記磁気抵抗素子の前記固定層の磁化方向は、前記回転軸に垂直で、かつ同一の方向であることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の磁気検出装置。
前記着磁ローターの外周面上に交互に配置されたＮ極とＳ極のピッチＰが、前記着磁ローターの着磁された磁石部の半径方向の厚さｔよりも大きいことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気検出装置。
前記着磁ローターの前記回転軸が車両の回転機器の回転軸と共に回転するよう請求項１から８のいずれか１項に記載の磁気検出装置を当該車両に搭載したことを特徴とする車載用回転検出装置。