JP2019129254A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高い磁気抵抗変化率を得ることができる磁気センサを提供する。【解決手段】この磁気センサ１は、第１の直線パターン部２０ａと、第１の直線パターン部２０ａの一方端部２００を基準に予め定められた角度θ、回転させて一方端部２００と繋がる第２の直線パターン部２０ｂと、第１の直線パターン部２０ａの他方端部２０１を基準に予め定められた角度θ、第２の直線パターン部２０ｂと逆方向に回転させて他方端部２０１と繋がる第３の直線パターン部２０ｃと、を含んで構成されて磁場５０の方向に応じて磁気抵抗が変化する複数の感磁部２０を有する磁気抵抗素子を備えて概略構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサに関する。

従来の技術として、円弧形状を有する磁気抵抗効果素子を備えた回転角検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この回転角検出装置は、４つの磁気抵抗効果素子によってブリッジ回路が形成されている。磁気抵抗効果素子は、形状が中心を通る中心軸線に対して点対称となっている。よってこのブリッジ回路の２つの出力電圧の波形は、位相が異なるものの形状が同じとなり、オフセット電圧、２つの出力電圧の信号比などの諸特性が直線形状のものと比べて、有利となる。

特開２０１４−８１３１４号公報

しかし従来の回転角検出装置は、湾曲することによって磁気抵抗変化率が、直線形状と比べて小さくなり、その結果出力電圧が小さくなる問題がある。

従って本発明の目的は、磁気抵抗変化率の低下を抑制しつつ検出精度を高めることができる磁気センサを提供することにある。

本発明の一態様は、第１の直線パターン部と、第１の直線パターン部の一方端部を基準に予め定められた角度、回転させて一方端部と繋がる第２の直線パターン部と、第１の直線パターン部の他方端部を基準に予め定められた角度、第２の直線パターン部と逆方向に回転させて他方端部と繋がる第３の直線パターン部と、を含んで構成されて磁場の方向に応じて磁気抵抗が変化する複数の感磁部を有する磁気抵抗素子、を備えた磁気センサを提供する。

本発明によれば、磁気抵抗変化率の低下を抑制しつつ検出精度を高めることができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサの磁気抵抗素子が配置される領域の一例を説明するための概略図であり、図１（ｂ）は、磁気センサの磁気抵抗素子の一例を示す概略図であり、図１（ｃ）は、磁気センサの構成の一例を示す概略図である。 図２（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサの感磁部の一例を示す概略図であり、図２（ｂ）は、磁気センサの等価回路図の一例である。 図３（ａ）は、比較例１に係る感磁部を示す概略図であり、図３（ｂ）は、比較例２に係る感磁部を示す概略図であり、図３（ｃ）は、実施例、比較例３及び比較例４の感磁部の角度精度と角度θとの関係を示すグラフである。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る磁気センサは、第１の直線パターン部と、第１の直線パターン部の一方端部を基準に予め定められた角度、回転させて一方端部と繋がる第２の直線パターン部と、第１の直線パターン部の他方端部を基準に予め定められた角度、第２の直線パターン部と逆方向に回転させて他方端部と繋がる第３の直線パターン部と、を含んで構成されて磁場の方向に応じて磁気抵抗が変化する複数の感磁部を有する磁気抵抗素子、を備えて概略構成されている。

[実施の形態]
（磁気センサ１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサの磁気抵抗素子が配置される領域の一例を説明するための概略図であり、図１（ｂ）は、磁気センサの磁気抵抗素子の一例を示す概略図であり、図１（ｃ）は、磁気センサの構成の一例を示す概略図である。図２（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサの感磁部の一例を示す概略図であり、図２（ｂ）は、磁気センサの等価回路図の一例である。図１（ｂ）、図２（ａ）に示す点線は、第１の直線パターン部２０ａ〜第３の直線パターン部２０ｃを長方形として場合の仮想的な辺を示している。

なお、以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また図２（ｂ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。さらに数値範囲を示す「Ａ〜Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下の意味で用いるものとする。

この磁気センサ１は、一例として、音楽再生装置の音量、空調装置の温度や風量などを設定する操作ノブなどの回転体の回転角を検出するセンサであるがこれに限定されない。

この磁気センサ１は、例えば、図１（ａ）〜図２（ａ）に示すように、第１の直線パターン部２０ａと、第１の直線パターン部２０ａの一方端部２００を基準に予め定められた角度θ、回転させて一方端部２００と繋がる第２の直線パターン部２０ｂと、第１の直線パターン部２０ａの他方端部２０１を基準に予め定められた角度θ、第２の直線パターン部２０ｂと逆方向に回転させて他方端部２０１と繋がる第３の直線パターン部２０ｃと、を含んで構成されて磁場５０の方向に応じて磁気抵抗が変化する複数の感磁部２０を有する磁気抵抗素子を備えて概略構成されている。

この一方端部２００の基準は、例えば、図２（ａ）に示す角部２００ａである。第２の直線パターン部２０ｂは、角部２００ａを中心に時計回りに予め定められた角度θ回転したようなパターンとなる。また他方端部２０１の基準は、例えば、図２（ａ）に示す角部２０１ａである。第３の直線パターン部２０ｃは、角部２０１ａを中心に反時計回りに角度θ回転したようなパターンとなる。

ここで磁気センサ１は、例えば、図２（ｂ）に示すように、磁気抵抗素子２１〜磁気抵抗素子２８を備えている。磁気抵抗素子２１〜磁気抵抗素子２４は、第１のブリッジ回路１１を構成している。磁気抵抗素子２５〜磁気抵抗素子２８は、第２のブリッジ回路１２を構成している。なお磁気抵抗素子の数は、これに限定されない。

また磁気センサ１は、例えば、図２（ａ）に示すように、第２の直線パターン部２０ｂ及び第３の直線パターン部２０ｃの長手方向の長さＬ_２が第１の直線パターン部２０ａの長手方向の長さＬ_１以上である。

第２の直線パターン部２０ｂ側の角度θとは、第１の直線パターン部２０ａの長手方向の辺を延長した直線と、第２の直線パターン部２０ｂの長手方向の辺と、のなす角度である。第３の直線パターン部２０ｃ側の角度θとは、第１の直線パターン部２０ａの長手方向の辺を延長した直線と、第３の直線パターン部２０ｃの長手方向の辺と、のなす角度である。

そして磁気抵抗素子２１〜磁気抵抗素子２８は、例えば、図１（ａ）に示すように、円を仮想的に等分割した扇形状の領域に配置される。本実施の形態では、円を８等分して８つの領域（第１の領域２１ａ〜第８の領域２８ａ）に磁気抵抗素子２１〜磁気抵抗素子２８が配置されているが、これに限定されない。

磁気センサ１は、例えば、図２（ｂ）に示すように、センサ部２と、オペアンプＯＰ_１と、オペアンプＯＰ_２と、制御部１５と、を備えて概略構成されている。なおセンサ部２は、基板１０に形成された磁気抵抗素子２１〜磁気抵抗素子２８を示している。

第１のブリッジ回路１１は、オペアンプＯＰ_１に接続されている。第２のブリッジ回路１２は、オペアンプＯＰ_２に接続されている。このオペアンプＯＰ_１が差動増幅して生成した出力信号Ｓ_１と、オペアンプＯＰ_２が差動増幅して生成した出力信号Ｓ_２は、制御部１５に出力される。

（センサ部２の構成）
センサ部２の磁気抵抗素子２１〜磁気抵抗素子２８は、例えば、図１（ｃ）に示すように、基板１０に形成されている。そして磁気抵抗素子２１〜磁気抵抗素子２８は、例えば、図１（ｂ）に示すように、複数の感磁部２０を備えて概略構成されている。この図１（ｂ）では、扇形状を有する第８の領域２８ａに配置される感磁部２０の一部が示されている。

従って感磁部２０は、扇形状の領域に等間隔で配置されるので、円の径が大きくなるに従って周方向の長さが長くなるように形成されている。この感磁部２０は、例えば、Ｎｉ、Ｆｅなどの強磁性金属を主成分とする合金の薄膜として形成されている。また感磁部２０は、その間がアルミニウムなどの磁場５０の方向の変化によって磁気抵抗が変化しない金属膜によって端部が交互に接続されている。

図１（ａ）では、第１のブリッジ回路１１を構成する磁気抵抗素子２１〜磁気抵抗素子２４が配置される第１の領域２１ａ〜第４の領域２４ａを幅の狭い斜線、第２のブリッジ回路１２を構成する磁気抵抗素子２５〜磁気抵抗素子２８が配置される第５の領域２５ａ〜第８の領域２８ａを幅の広い斜線で示している。また斜線は、感磁部２０の配置が分かるように、感磁部２０と平行となるように図示されている。

第１の領域２１ａは、例えば、図１（ａ）の紙面左上の領域であり、磁気抵抗素子２１が配置されている。第２の領域２２ａは、例えば、図１（ａ）の紙面左下の領域であり、磁気抵抗素子２２が配置されている。第３の領域２３ａは、例えば、図１（ａ）の紙面右上の領域であり、磁気抵抗素子２３が配置されている。第４の領域２４ａは、例えば、図１（ａ）の紙面右下の領域であり、磁気抵抗素子２４が配置されている。

磁気抵抗素子２１〜磁気抵抗素子２４は、円の中心Ｐを回転中心として９０°ずつ回転させて対称となる形状を有している。

第５の領域２５ａは、例えば、図１（ａ）の紙面上の領域であり、磁気抵抗素子２５が配置されている。第６の領域２６ａは、例えば、図１（ａ）の紙面左の領域であり、磁気抵抗素子２６が配置されている。第７の領域２７ａは、例えば、図１（ａ）の紙面右の領域であり、磁気抵抗素子２７が配置されている。第８の領域２８ａは、例えば、図１（ａ）の紙面下の領域であり、磁気抵抗素子２８が配置されている。

磁気抵抗素子２５〜磁気抵抗素子２８は、円の中心Ｐを回転中心として９０°ずつ回転させて対称となる形状を有している。つまり磁気抵抗素子２１〜磁気抵抗素子２８は、円の中心Ｐを回転中心として４５°ずつ回転させて対称となる形状を有している。

ここで第１のブリッジ回路１１は、上述のように、磁気抵抗素子２１〜磁気抵抗素子２４によって形成されている。磁気抵抗素子２１と磁気抵抗素子２３の接続点であるノード１１ａは、図２（ｂ）に示すように、電源電圧Ｖ_ＣＣに電気的に接続される。磁気抵抗素子２２と磁気抵抗素子２４の接続点であるノード１１ｃは、ＧＮＤと電気的に接続される。

磁気抵抗素子２１と磁気抵抗素子２２は、ハーフブリッジ回路を形成する。このハーフブリッジ回路は、磁気抵抗素子２１と磁気抵抗素子２２のノード１１ｂにおける中点電位Ｖ_２を出力する。この中点電位Ｖ_２は、オペアンプＯＰ_１の反転入力端子（−側）に入力する。

また磁気抵抗素子２３と磁気抵抗素子２４は、ハーフブリッジ回路を形成する。このハーフブリッジ回路は、磁気抵抗素子２３と磁気抵抗素子２４のノード１１ｄにおける中点電位Ｖ_１を出力する。この中点電位Ｖ_１は、オペアンプＯＰ_１の非反転入力端子（＋側）に入力する。このオペアンプＯＰ_１は、非反転入力端子に入力した中点電位Ｖ_１と、反転入力端子に入力した中点電位Ｖ_２と、を差動増幅した出力信号Ｓ_１を制御部１５に出力する。

第２のブリッジ回路１２は、磁気抵抗素子２５〜磁気抵抗素子２８によって形成されている。磁気抵抗素子２５と磁気抵抗素子２７の接続点であるノード１２ａは、図２（ｂ）に示すように、電源電圧Ｖ_ＣＣに電気的に接続される。磁気抵抗素子２６と磁気抵抗素子２８の接続点であるノード１２ｃは、ＧＮＤと電気的に接続される。

磁気抵抗素子２５と磁気抵抗素子２６は、ハーフブリッジ回路を形成する。このハーフブリッジ回路は、磁気抵抗素子２５と磁気抵抗素子２６のノード１２ｂにおける中点電位Ｖ_４を出力する。この中点電位Ｖ_４は、オペアンプＯＰ_２の反転入力端子（−側）に入力する。

また磁気抵抗素子２７と磁気抵抗素子２８は、ハーフブリッジ回路を形成する。このハーフブリッジ回路は、磁気抵抗素子２７と磁気抵抗素子２８のノード１２ｄにおける中点電位Ｖ_３を出力する。この中点電位Ｖ_３は、オペアンプＯＰ_２の非反転入力端子（＋側）に入力する。このオペアンプＯＰ_２は、非反転入力端子に入力した中点電位Ｖ_３と、反転入力端子に入力した中点電位Ｖ_４と、を差動増幅した出力信号Ｓ_２を制御部１５に出力する。

（磁石５の構成）
磁石５は、例えば、操作ノブなどの回転体に取り付けられている。また磁石５は、例えば、取付先の回転体の回転操作に基づいて回転軸５１の周りを時計回り、及び反時計回りに回転する。磁石５は、例えば、円柱形状を有し、円柱を回転軸５１に沿って分割した一方がＮ極、他方がＳ極となるように着磁されている。

磁石５は、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、ネオジム磁石などの永久磁石を所望の形状に成形したもの、又はフェライト系、ネオジム系、サマコバ系、サマリウム鉄窒素系などの磁性体材料と合成樹脂材料とを混合して所望の形状に成形したものである。本実施の形態の磁石５は、一例として、永久磁石である。なお磁石５は、電磁石であっても良い。

磁石５の磁場５０は、Ｎ極から湧き出してＳ極に吸い込まれ、磁気センサ１の感磁部２０に作用する。磁気センサ１は、作用する磁場５０の方向に応じた検出情報Ｓ_３を出力するように構成されている。

（制御部１５の構成）
制御部１５は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。

制御部１５は、例えば、第１のブリッジ回路１１から出力された出力信号Ｓ_１と第２のブリッジ回路１２から出力された出力信号Ｓ_２に基づいてtanαを算出し、さらにAtan（tan-¹＝−Ｓ_２／Ｓ_１）を算出して磁石５の回転角αを求める。そして制御部１５は、算出した回転角αの情報を含む検出情報Ｓ_３を生成して接続された電子機器に出力する。

（実施例、比較例１〜比較例４について）
図３（ａ）は、比較例１に係る感磁部を示す概略図であり、図３（ｂ）は、比較例２に係る感磁部を示す概略図であり、図３（ｃ）は、実施例、比較例３及び比較例４の感磁部の角度精度と角度θとの関係を示すグラフである。図３（ｃ）は、縦軸が角度精度（deg）、横軸が予め定められた角度θ（deg）である。なお図３（ｃ）において一点鎖線のグラフは、比較例３を示している。二点鎖線のグラフは、比較例４を示している。実線のグラフは、実施例を示している。

この角度精度は、実際の磁石５の回転角と検出された角度との差を示すもので、値が小さい方が検出精度が高い。なお実施例、比較例１〜比較例４の材料や全体の長さは、同じとしてMicrosoft社のExcel（登録商標）を用いてシミュレーションを行った。

実施例の感磁部２０は、例えば、図２（ｂ）に示すように、第１の直線パターン部２０ａ〜第３の直線パターン部２０ｃによって構成され、角度θが２°、Ｌ_１：Ｌ_２＝３：７としてシミュレーションを行った。この感磁部２０の磁気抵抗変化率は、約２．７％であった。

・比較例１について
比較例１の感磁部６は、例えば、図３（ａ）に示すように、直線パターン部のみで構成されている。そして比較例１では、この感磁部６における磁気抵抗変化率を求めた。この比較例１の磁気抵抗変化率は、約２．７％であった。

・比較例２について
比較例２の感磁部７は、例えば、図３（ｂ）に示すように、円の周に沿って一定の曲率で湾曲した形状を有している。この比較例２の磁気抵抗変化率は、約２．４％であった。なお比較例２の磁気抵抗変化率は、比較例１（直線）と比較して約−０．３％であった。

続いて以下に示す実施例、比較例３及び比較例４では、第１の直線パターン部２０ａ〜第３の直線パターン部２０ｃの全体の長さを同一とし、長さＬ_１及び長さＬ_２の比と、角度θと、を変えて角度精度を求めた。

・比較例３について
比較例３は、第１の直線パターン部２０ａの長さＬ_１と第２の直線パターン部２０ｂ及び第３の直線パターン部２０ｃの長さＬ_２との比をＬ_１：Ｌ_２＝９：１として角度θを０〜５°まで変化させている。なお角度θが０°である場合は、感磁部２０が直線となる。

この比較例３では、図３（ｃ）に示すように、直線（角度θ＝０°）よりも角度精度が低下している。

・比較例４について
比較例４は、第１の直線パターン部２０ａの長さＬ_１と第２の直線パターン部２０ｂ及び第３の直線パターン部２０ｃの長さＬ_２との比をＬ_１：Ｌ_２＝５：５として角度θを０〜５°まで変化させている。

この比較例４では、図３（ｃ）に示すように、直線（角度θ＝０°）よりも角度精度が向上している。特に角度θが２°と４°において角度精度が向上している。

・実施例について
一方実施例の感磁部２０は、上述のように、第１の直線パターン部２０ａの長さＬ_１と第２の直線パターン部２０ｂ及び第３の直線パターン部２０ｃの長さＬ_２との比をＬ_１：Ｌ_２＝３：７として角度θを０〜５°まで変化させている。

この感磁部２０は、図３（ｃ）に示すように、比較例３及び比較例４と比べて、角度精度が大きく向上している。特に、角度θが２°と４°において角度精度が向上している。

以上より、実施例の感磁部２０は、形状が直線である場合とほぼ同等の磁気抵抗変化率を有している。そして実施例の感磁部２０は、形状が直線である場合と比べて、大きく角度精度が向上する。従って実施例の磁気センサ１は、角度精度が向上すると共に、磁気抵抗変化率が直線とほぼ同等なので、出力信号Ｓ_１及び出力信号Ｓ_２の振幅を大きく、つまり出力を大きくすることができる。

なお上述の結果より、第２の直線パターン部２０ｂ及び第３の直線パターン部２０ｃの長さＬ_２は、少なくとも第１の直線パターン部２０ａの長さＬ_１以上である方が良い。また角度θは、少なくとも０°＜θ≦５°である方が良い。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る磁気センサ１は、磁気抵抗変化率の低下を抑制しつつ検出精度を高めることができる。具体的には、磁気センサ１は、感磁部２０が第１の直線パターン部２０ａと、第１の直線パターン部２０ａと角度θ回転したようなパターンである第２の直線パターン部２０ｂ及び第３の直線パターン部２０ｃによって構成されるので、湾曲した形状を有する場合と比べて、磁気抵抗変化率が直線パターンと同等となって低下が抑制されると共に直線パターンと比べて角度精度が高くなり、磁石５の回転角の検出精度が高い。従って磁気センサ１は、高い角度精度と高い磁気抵抗変化率が両立され、磁気抵抗変化率の低下を抑制しつつ検出精度を高めることができる。

磁気センサ１は、感磁部２０が湾曲した形状を有する場合と比べて、直線パターンに近いのでレイアウトの自由度が高く、レイアウト時の無駄になるスペース（デッドスペース）が小さい。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、この実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。また、この実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、この実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…磁気センサ、２…センサ部、５…磁石、６，７…感磁部、１０…基板、１１…第１のブリッジ回路、１１ａ〜１１ｄ…ノード、１２…第２のブリッジ回路、１２ａ〜１２ｄ…ノード、１５…制御部、２０…感磁部、２０ａ〜２０ｃ…第１の直線パターン部〜第３の直線パターン部、２１〜２８…磁気抵抗素子、２１ａ〜２８ａ…第１の領域〜第８の領域、５０…磁場、５１…回転軸、２００…一方端部、２００ａ…角部、２０１…他方端部、２０１ａ…角部

Claims (3)

1. 第１の直線パターン部と、
   前記第１の直線パターン部の一方端部を基準に予め定められた角度、回転させて前記一方端部と繋がる第２の直線パターン部と、
   前記第１の直線パターン部の他方端部を基準に前記予め定められた角度、前記第２の直線パターン部と逆方向に回転させて前記他方端部と繋がる第３の直線パターン部と、
   を含んで構成されて磁場の方向に応じて磁気抵抗が変化する複数の感磁部を有する磁気抵抗素子、
   を備えた磁気センサ。
2. 前記第２の直線パターン部及び前記第３の直線パターン部の長手方向の長さは、前記第１の直線パターン部の長手方向の長さ以上である、
   請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記磁気抵抗素子は、円を仮想的に等分割した扇形状の領域に配置される、
   請求項１又は２に記載の磁気センサ。

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