JP2022061879A - 磁気センサ及び磁気センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石の回転角を１周に渡って検知する。
【解決手段】磁気センサ装置１０では、磁石１６の磁場内に配置される磁気センサ１０Ａの基板１２にＡＭＲセンサ部２０及びホールセンサ部２２が形成されている。ＡＭＲセンサ部２０は、磁石１６の回転により向きの変化する磁束に応じ、磁石１６の１回転において２周期となる信号を出力し、ホールセンサ部２２が、ＡＭＲセンサ部２０の出力の１周期となる磁石１６の半回転内でＮ極又はＳ極の近接を検知できる。これにより、ＡＭＲセンサ部２０の出力とホールセンサ部２２の出力とから磁石１６の回転角θが、磁石１６の１回転内の何れかの角度であるかを検知できて、磁石１６の回転角θを磁石１６の１周に渡って検知できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサ及び磁気センサ装置に関する。

磁石等から発せられる磁気を検知する磁気センサには、ホール素子や磁気抵抗素子などが用いられている。ホール素子は、半導体薄膜等において磁束密度に応じて電圧が生じるホール効果を用いた素子であり、磁束密度に変化が生じない静磁場であっても磁場の有無を検知可能になっている。また、磁気抵抗素子は、磁気が印加されることで磁気抵抗効果が生じて抵抗値が変化する材料が用いられた素子であり、抵抗値又は抵抗値の変化から磁場の検知や磁束の向きなどを検知でき、磁石の回転角の連続的な検知に用いられる。

特許文献１の磁気センサは、第１センシング部及び第１センシング部の外側の第２センシング部の各々を３６０°を８等分し、８等分した領域の各々に第１磁気抵抗素子又は第２磁気抵抗素子を配置している。また、特許文献１では、第１センシング部及び第２センシング部の各々において、磁気抵抗素子を接続して２組ずつブリッジ回路を形成し、ブリッジ回路の各々の出力から対象物の回転角度を検出している。

特許第５９９１０３１号

ところで、異方性磁気抵抗素子などの磁気抵抗素子を用いて磁石の回転角を検知する磁気センサは、磁石による磁場（磁束の方向）が半回転されるごとに同様の信号が出力される。このため、磁石の回転角が１８０°（半回転）を越えているか否かを検知できず、磁気抵抗素子を用いて磁石の回転角を検知する磁気センサについて、回転角の検知範囲において改善の余地がある。

本発明は、上記事実を鑑みて成されたものであり、磁石の１回転に渡って回転角を検知できる磁気センサ及び磁気センサ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための第１の態様の磁気センサは、磁石を備え、該磁石が磁場内に設けられた基板に対して着磁方向の中間位置を軸に相対回転可能とされ、相対回転されることで所定方向に対する回転角が変化すると共に、前記基板に対して変化する磁場を形成する磁場形成部と、前記基板において前記磁石による磁束が該基板表面に沿う領域に設けられ、磁気抵抗効果によって電気抵抗率が変化する磁気抵抗素子が用いられ、前記磁石の回転角に応じると共に、該磁石の１相対回転に対して２周期で変化する信号を出力するための磁気抵抗部と、前記基板において前記磁石の磁極が近接することで磁束が交差する領域内の所定位置に設けられ、相対回転された前記磁石の磁極を検知するための磁極検知部と、を含む。

第２の態様の磁気センサは、第１の態様において、前記磁極検知部は、前記磁石の相対回転周方向に複数設けられている。

第３の態様の磁気センサは、第２の態様において、前記磁石の相対回転周方向に隣接する２つの前記磁極検知部の間の相対回転中心を中心とした角度が０°より大きく１８０°より小さい角度とされている。

第４の態様の磁気センサは、第１から第３の何れか１の態様において、前記磁極検知部は、ホール素子を備える。

第５の態様の磁気センサ装置は、請求項１から請求項４の何れか１の磁気センサと、前記磁気センサの前記磁気抵抗部及び前記磁極検知部の各々の出力信号に基づき、前記磁石の回転角に応じた出力信号として、前記磁石の１相対回転に対して１周期で変化する出力信号を出力する回転角変換部と、を含む。

第１の態様の磁気センサでは、磁場形成部が磁石を備えており、磁石は、磁場内に設けられた基板に対して着磁方向の中間位置を軸に相対回転可能とされ、相対回転されることで所定方向に対する回転角が変化すると共に、基板に対して変化する磁場を形成する。また、基板には、前記磁石による磁束が該基板表面に沿う領域に磁気抵抗部が設けられている。

磁気抵抗部には、磁気抵抗効果によって電気抵抗率が変化する磁気抵抗素子が用いられており、磁気抵抗部は、磁石の回転角に応じると共に、磁石の１相対回転に対して２周期で変化する信号を出力する。これにより、磁石が相対的に半回転することで、１周期となる回転角に応じた信号を磁気抵抗部が出力し、磁石の半回転ごとの回転角が得られる。

ここで、基板には、相対回転される磁石の磁極を検知するための磁極検知部が設けられており、磁極検知部は、基板において磁石の磁極（Ｎ極及びＳ極）が近接することで磁束が交差する領域内の所定位置に設けられている。磁気検知部は、磁石が相対回転した際、磁石のＮ極が近接しているか、Ｎ極とは反対側のＳ極が近接しているかを検知できる。

これにより、磁気抵抗部と磁極検知部とにより、所定方向に対する磁石の回転角が、０°から１８０°（π）（０°以上１８０°未満）の範囲か、又は１８０°（π）～３６０°（２π）（１８０°以上３６０°未満）の範囲かを判別できて、磁石の回転角を磁石の回転の１周（０°～３６０°）に渡って検知できる。

第２の態様の磁気センサでは、磁極検知部が磁石の相対回転周方向に複数設けられている。これにより、基板に対して相対回転される磁石の磁極を複数位置で検知できるので、磁石の回転角を磁石の１周（０°～３６０°）に渡って精度よく検知できる。

第３の態様の磁気センサでは、磁石の相対回転周方向に隣接する２つの磁極検知部の間の相対回転中心を中心とした角度が０°より大きく１８０°より小さい角度となっている。これにより、２つの磁極検知部を設けた場合に、一方の磁気検知部により磁石のＮ極が検知されている状態で、他方の磁極検知部により磁石のＳ極が検知されることがないので、複数の磁極検知部により検知される磁極の位置を補完できて、磁極の位置を効果的に検知できる。

第４の態様の磁気センサでは、磁極検知部がホール素子を備えている。これにより、磁極検知部は、簡単な構成で磁石の磁極を的確に検知できる。

第５の態様の磁気センサ装置では、回転角変換部が、磁気抵抗部及び磁極検知部の各々の出力信号に基づき、磁石の回転角に応じた出力信号として、磁石の１相対回転に対して１周期で変化する出力信号を出力する。これにより、磁石の回転角が磁石の１周（０°～３６０°）に渡って得られる。

第１実施形態に係る磁気センサ装置の主要部の概略斜視図である。 第１実施形態の磁気センサ装置の概略構成を示すブロック図である。 （Ａ）～（Ｃ）は第１実施形態に係る出力信号の一例を示す線図であり、（Ａ）はＡＭＲセンサ部のブリッジ回路の出力に基づく磁束方向判定部の出力信号を示し、（Ｂ）は回転角判定部の出力信号の一例を示し、（Ｃ）はホールセンサ部の出力に基づく磁極検知部の出力信号の一例を示す。 第２実施形態に係る磁気センサ装置の主要部の概略斜視図である。 第２実施形態の磁気センサ装置の概略構成を示すブロック図である。 （Ａ）～（Ｃ）は第２実施形態に係る出力信号の一例を示す線図であり、（Ａ）はＡＭＲセンサ部のブリッジ回路の出力に基づく磁束方向判定部の出力信号を示し、（Ｂ）は回転角判定部の出力信号の一例を示し、（Ｃ）はホールセンサ部の出力に基づく磁極検知部の出力信号の一例を示す。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１には、本発明の第１実施形態に係る磁気センサ装置１０の主要部が斜め上方視の斜視図にて示され、図２には、磁気センサ装置１０の概略構成がブロック図にて示されている。

図１に示すように、第１実施形態に係る磁気センサ装置１０は、平板状の基板１２、及び磁場形成部としての被検知体１４を備えており、基板１２には、第１実施形態に係る磁気センサ１０Ａが形成されている。基板１２には、非磁性材料や非磁性絶縁材料等が用いられており、基板１２には、磁場を変化させない材料が用いられている。被検知体１４は、基板１２の一面側に配置されており、被検知体１４は、基板１２の表面と交差（例えば直交）する軸を回転軸Ｐとし、回転軸Ｐを中心に基板１２に対して相対回転可能とされている。

被検知体１４には、磁場を形成するための磁石（永久磁石）１６が設けられている。磁石１６は、断面矩形（断面円形でもよい）の棒状（角柱条又は円柱状）とされており、長手方向の一端側がＮ極とされ、長手方向の他端がＳ極とされている。磁石１６は、着磁方向としての長手方向が回転軸Ｐと交差（直交）され、長手方向の中間位置が回転軸Ｐ上とされており、磁石１６は、被検知体１４と一体で基板１２に対して相対回転され、基準方向Ｙに対する着磁方向の角度（回転角θ）が変化される。このため、磁石１６の回転角θが検知されることで、被検知体１４の回転角が検知される。

なお、第１実施形態では、着磁方向を磁石１６の内部においてＳ極からＮ極に向かう方向とし、回転角θは、予め設定している基準方向Ｙに対する磁石１６の着磁方向の角度としている。また、図１では、一例として磁石１６が棒状とされているが、磁石１６は、回転軸Ｐを中心に一側端がＮ極とされ他側端がＳ極とされた構成であればよく、円板状（円柱状等でもよい）とされて軸を挟んだ一側端がＮ極とされ他側端がＳ極とされてもよい。

また、第１実施形態では、一例として基板１２に対して回転軸Ｐを軸に被検知体１４と共に磁石１６が回転されるものとし、磁石１６は、回転角θが０°～３６０°（０≦θ＜２π。－π≦θ＜πでもよい）の範囲で回転されるものとして説明する。

磁石１６は、基板１２に対して回転された際、回転面が基板１２の表面に対して略平行となっており、磁石１６は、基板１２において点Ｐｏを中心とした所定領域が磁石１６により形成される磁場内となるように配置される。

基板１２表面では、回転される磁石１６の投影領域（図１において二点鎖線で示す）１８が回転軸Ｐ上の点Ｐｏを中心とする略円形となっている。基板１２では、磁石１６の磁極（Ｎ極及びＳ極）が対向される投影領域１８の外周部分において、磁石１６のＮ極及びＳ極が近接することで磁束（磁力線）が交差する。また、基板１２では、投影領域１８の中心側（点Ｐｏ側）の部分において、磁束が基板１２の表面に沿い、磁石１６の回転に応じて磁束の向きが変化（磁束の向きが点Ｐｏを中心に回転）する。なお、第１実施形態において、近接とは、所定以上の磁束が交差するように磁石１６が接近した状態をいう。

一方、磁気センサ装置１０では、磁気センサ１０Ａを構成する磁気抵抗部としてのＡＭＲセンサ部２０及び磁極検知部としてのホールセンサ部２２が基板１２に設けられている。磁気センサ装置１０では、ＡＭＲセンサ部２０が磁石１６の回転角θを検知するために用いられ、ホールセンサ部２２が回転される磁石１６の磁極（Ｎ極及びＳ極）の位置を検知するために用いられる。

ＡＭＲセンサ部２０及びホールセンサ部２２は、基板１２の表面に形成されており、ＡＭＲセンサ部２０及びホールセンサ部２２は、一例として基板１２の被検知体１４側の表面に配置されている。なお、ＡＭＲセンサ部２０及びホールセンサ部２２は、基板１２の被検知体１４とは反対側の面に配置されてもよく、ＡＭＲセンサ部２０及びホールセンサ部２２は、一方が基板１２の被検知体１４側の面に配置され、他方が基板１２の被検知体１４とは反対側の面に配置されてもよい。

ＡＭＲセンサ部２０は、基板１２上において投影領域１８内に配置されており、ＡＭＲセンサ部２０は、投影領域１８内において磁束が基板１２の表面に沿い、磁石１６の回転に応じて磁束の向きが変化する領域に配置されている。また、ＡＭＲセンサ部２０は、中心が回転軸Ｐ上（点Ｐｏ）となるように基板１２に形成されている。

また、ホールセンサ部２２は、磁石１６の磁極が対向される投影領域１８の外周部分において、磁石１６のＮ極及びＳ極が近接することで磁束が交差する領域に形成されている。すなわち、基板１２には、磁石１６の磁束が基板１２表面に沿う向きとなる領域にＡＭＲセンサ部２０が配置され、磁石１６の磁極部分が近接されることで磁束が基板１２と交差する向きとなる領域にホールセンサ部２２が配置されている。

これにより、ＡＭＲセンサ部２０では、磁石１６が回転することで、表面に沿う磁束密度が変化し、磁束の向きが変化する。また、ホールセンサ部２２では、回転する磁石１６の磁極が近接することで、磁束が交差（貫通）する。

ＡＭＲセンサ部２０には、回転軸Ｐを軸に回転される磁石１６の回転角θを検知するための公知の構成を適用でき、ＡＭＲセンサ部２０には、磁石１６の１回転（回転角θが０≦θ＜２π）で２周期となる信号を出力する構成が適用されている。

ＡＭＲセンサ部２０には、磁気抵抗効果によって電気抵抗率が変化する磁気抵抗素子（ＭＲ：Magneto Resistive）が用いられており、磁気抵抗素子には異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ：Anisotropic Magneto Resistive）が適用されている。

異方性磁気抵抗素子は、強磁性体膜（薄膜）により形成され、強磁性体膜の磁化の向き（磁束の向き）が電流の方向に平行な場合と、磁化の向きが電流の方向に対して垂直な場合とで、電子の散乱度合いが変化して電気抵抗率（抵抗値）が変化する。これにより、磁気抵抗素子（異方性磁気抵抗素子）では、電流の方向に対する磁化の向きに応じた抵抗値が得られる。

ＡＭＲセンサ部２０には、複数の感磁領域（図示省略）が点Ｐｏを中心とした周方向に配列されており、ＡＭＲセンサ部２０には、感磁領域が全周に渡って配列されている。ＡＭＲセンサ部２０では、各感磁領域の中心角が９０°（π／２）未満の略扇形状とされ、ＡＭＲセンサ部２０では、複数の感磁領域が点Ｐｏを対称点とする点対称、かつ点Ｐｏを中心にπ／２（９０°）回転することで他の感磁領域に重なるように形成されている。

各感磁領域内には、薄膜帯状の複数の磁気抵抗素子（図示省略）が設けられており、磁気抵抗素子には、ニッケル（Ｎｉ）や鉄（Ｆｅ）などの強磁性材料又はこれらの強磁性材料を主成分とする合金が用いられている。各感磁領域において複数の磁気抵抗素子は、各々長手方向が点Ｐｏを中心とした略円弧状又は円弧の法線に沿うように形成されて、径方向に配列されている。

また、各感磁領域において複数の磁気抵抗素子は、長手方向（円弧の法線方向、略周方向）の一端が径方向内側に隣接する磁気抵抗素子に接続され、長手方向の他端が径方向外側に隣接する磁気抵抗素子に接続されている。これにより、各感磁領域には、複数の磁気抵抗素子が直列接続されて一つの抵抗体２４（図１参照）が形成されている。なお、各感磁領域において径方向に隣接する磁気抵抗素子の接続には、磁場の変化（磁束密度の変化）によって抵抗値の変化しないアルミニウムなどの金属膜により形成された配線（配線パターン、図示省略）が用いられている。

ここで、ＡＭＲセンサ部２０では、π／２ずれた位置（例えば、点Ｐｏを中心とした周方向の中心位置がπ／２ずれた位置）の４つの感磁領域が一組とされて、一組の感磁領域の抵抗体２４がブリッジ接続されており、ＡＭＲセンサ部２０には、点Ｐｏを中心に互いに隣接する間の中心位置がπ／２ずれた４つの抵抗体２４によってブリッジ回路２６が形成されている。ブリッジ回路２６では、磁石１６が回転されて各抵抗体２４の抵抗値が変化することで、２つのハーフブリッジの各々の抵抗体２４の中点の間に生じる信号（出力信号）が変化する。

図２に示すように、第１実施形態では、一例として８つの抵抗体２４Ａ～２４Ｈが、点Ｐｏを中心とした周方向に配列されており、抵抗体２４Ａ～２４Ｈは、点Ｐｏを中心に互いに隣接する間の中心位置がπ／４ずれて設けられている（図1では図示省略）。ＡＭＲセンサ部２０では、抵抗体２４Ａ～２４Ｈにより２つのブリッジ回路２６Ａ、２６Ｂが形成されている。ブリッジ回路２６Ａは、抵抗体２４Ａ、２４Ｃ、２４Ｅ、２４Ｇがブリッジ接続されて形成され、ブリッジ回路２６Ｂは、抵抗体２４Ｂ、２４Ｄ、２４Ｆ、２４Ｈがブリッジ接続されて形成されている。

抵抗体２４の抵抗値は、磁気抵抗素子に対する磁束の角度に応じて変化し、磁束の角度は、磁石１６の回転角θに対応する。また、ブリッジ回路２６（２６Ａ、２６Ｂ）では、対となっている２つの抵抗体２４（例えば、抵抗体２４Ａ、２４Ｅ）の磁気抵抗素子が同様の方向に向けられている。このため、ブリッジ回路２６では、例えば、磁石１６の回転角θがθ＝π／２の場合と、回転角θがθ＝３π／２の場合とで、同様の信号が生じる。

したがって、ブリッジ回路２６では、回転角θが０≦θ＜πで変化する場合と、回転角θがπ≦θ＜２πで変化する場合とで同様の出力信号が得られ、ブリッジ回路２６Ａ、２６Ｂは、各々磁石１６の１回転で２周期（半回転で１周期）となって略正弦波状に変化する出力信号を出力する。また、ＡＭＲセンサ部２０は、２つのブリッジ回路２６Ａ、２６Ｂの間において隣接する抵抗体２４の間がπ／４ずれていることで、位相がπ／２ずれた２つの出力信号が得られる。なお、第１実施形態では、ブリッジ回路２６Ａの出力信号がＣｏｓ波形状に変化し、ブリッジ回路２６Ｂの出力信号がＳｉｎ波形状に変化するようにＡＭＲセンサ部２０（ブリッジ回路２６Ａ、２６Ｂ）に対する基準方向Ｙが設定されている。

なお、ＡＭＲセンサ部２０における感磁領域は、扇形状に限らず、点Ｐｏを対称点とする点対称、かつ点Ｐｏを中心にπ／２回転することで抵抗体２４を形成する磁気抵抗素子のパターンが他の感磁領域の磁気抵抗素子のパターンと重なり合う形状であればよく、矩形状などの各種の形状を適用できる。

ホールセンサ部２２には、シリコン（Ｓｉ）などが用いられた半導体薄膜のホール素子２８が設けられている。ホール素子２８は、磁石１６の磁場内においてホール効果が生じることで、貫通する磁束及び磁束の変化に応じた信号が得られる。

図１に示すように、ホールセンサ部２２は、基板１２上において点Ｐｏを中心に基準方向Ｙに対して所定の角度位置に配置されている。これにより、ホールセンサ部２２は、回転角θが０≦θ＜２πの範囲の磁石１６の回転（１回転）によりＮ極（又はＳ極）が近接されたこと判定できる信号、及びＳ極（又はＮ極）が近接されたことを判定できる信号（及びＮ極及びＳ極の何れも離間した位置かを判定できる信号）を出力できる。また、第１実施形態では、ホールセンサ部２２が基準方向Ｙ上に配置されており、ホールセンサ部２２には、磁石１６の回転角θ＝０（θ＝０及びθ＝２π）の際にＮ極が最も接近され、磁石１６の回転角θ＝πの際にＳ極が最も接近される。

図２に示すように、磁気センサ装置１０は、磁界角度検知部としての磁束方向検知部３０、磁場（磁界）方向検知部としての磁極位置検知部３２及び磁界角度判定部としての回転角判定部３４を備えている。第１実施形態において、磁束方向検知部３０、磁極位置検知部３２及び回転角判定部３４は回転角変換部として機能する。磁束方向検知部３０は、ブリッジ回路２６Ａ、２６Ｂの各々に対して設けられている。ブリッジ回路２６Ａは磁束方向検知部３０Ａに電気的に接続されており、ブリッジ回路２６Ｂは磁束方向検知部３０Ｂに電気的に接続されている。また、磁極位置検知部３２には、ホールセンサ部２２のホール素子２８が電気的に接続されている。さらに、回転角判定部３４には、磁束方向検知部３０及び磁極位置検知部３２が電気的に接続されている。

なお、磁束方向検知部３０（３０Ａ、３０Ｂ）、磁極位置検知部３２及び回転角判定部３４は、各々基板１２に形成されてもよく、基板１２とは別体に配置されて基板１２（ＡＭＲセンサ部２０及びホールセンサ部２２）に電気的に接続されてもよい。

磁束方向検知部３０（３０Ａ、３０Ｂ）は、ＡＭＲセンサ部２０のブリッジ回路２６（２つのハーフブリッジの各々）に所定電圧の電力を供給する。また、磁束方向検知部３０には、ブリッジ回路２６の２つのハーフブリッジの各々の抵抗体２４の中点が接続されており、磁束方向検知部３０には、ブリッジ回路２６におけるハーフブリッジの各々から信号が入力される。磁束方向検知部３０Ａは、ブリッジ回路２６Ａから入力される信号を回転角θに応じた信号に変換し、変換した信号を回転角判定部３４に出力し、磁束方向検知部３０Ｂは、ブリッジ回路２６Ｂから入力される信号を回転角θに応じた信号に変換し、変換した信号を回転角判定部３４に出力する。

磁極位置検知部３２は、ホールセンサ部２２のホール素子２８に所定電圧の電力を供給する。また、磁極位置検知部３２には、磁石１６が回転されて磁石１６の磁極がホール素子２８に近接し、所定以上の磁束が交差した際、近接した磁極に応じた信号がホールセンサ部２２から入力される。磁極位置検知部３２は、ホールセンサ部２２から入力される信号に基づいて磁石１６の磁極位置を判定するための信号を回転角判定部３４に出力する。

これにより、回転角判定部３４には、磁石１６の回転に同期した信号が磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂの各々、及び磁極位置検知部３２から入力される。また、回転角判定部３４は、磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂ及び磁極位置検知部３２から入力される信号に基づき、磁石１６の１回転が１周期となって変化する回転角θに応じた信号を出力する。

以下に、第１実施形態の作用として、磁気センサ装置１０における磁石１６（被検知体１４）の回転角θの検知を説明する。
磁気センサ装置１０には、基板１２にＡＭＲセンサ部２０及びホールセンサ部２２が形成されて磁気センサ１０Ａが構成されている。また、基板１２には、磁石１６を備える被検知体１４が対向されている。磁気センサ装置１０では、磁気センサ１０ＡにおけるＡＭＲセンサ部２０の中心の点Ｐｏを通る回転軸Ｐを軸に被検知体１４と一体で磁石１６が回転される。

磁気センサ装置１０では、磁石１６が回転されると、磁石１６により形成される磁場が変化する。磁気センサ１０Ａでは、磁石１６が回転されることで、ＡＭＲセンサ部２０の部分において基板１２表面に沿う磁束の向きが磁石１６の回転角θに応じて変化すると共に、投影領域１８の外周部分においてＮ極及びＳ極の投影位置が回転角θに応じて変化（周方向に移動）する。

ＡＭＲセンサ部２０は、磁石１６が回転されることで、磁束の向きが変化すると、変化した磁束の向きに応じて各抵抗体２４の抵抗値が変化し、ブリッジ回路２６（２６Ａ、２６Ｂの各々）から出力される信号が変化する。この際、ＡＭＲセンサ部２０では、磁石１６の回転角θが、０°以上１８０°未満（０≦θ＜π）の場合と、１８０°以上３６０°未満（π≦θ＜２π）の場合とで同様の信号を出力する。

ホールセンサ部２２では、磁石１６が回転されることで、ホール素子２８に磁石１６の磁極が近接すると、磁束がホール素子２８と交差すると共に、交差する磁束の向きが近接した磁極によって変化する。これにより、ホールセンサ部２２は、磁石１６の回転角θが、０°以上１８０°未満の場合と、１８０°以上３６０°未満の場合とを判別可能な信号を出力する。

したがって、磁気センサ装置１０では、磁気センサ１０ＡにＡＭＲセンサ部２０及びホールセンサ部２２が設けられることで、磁石１６の回転角θが、０°以上１８０°未満の場合と、１８０°以上３６０°未満の場合とで、異なる組み合わせの信号が得られる。

磁束方向検知部３０（３０Ａ、３０Ｂ）は、ＡＭＲセンサ部２０のブリッジ回路２６（２６Ａ、２６Ｂ）から入力される磁束の向きに応じた信号を、回転角θに応じた信号に変換して出力する。図３（Ｂ）には、磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂの出力信号の一例が線図にて示されている。

ＡＭＲセンサ部２０のブリッジ回路２６Ａ、２６Ｂは、各々磁束の向き（磁束密度）に応じた信号を出力し、磁束の向きが変化することで変化した磁束の向きに応じた信号を出力する。また、ＡＭＲセンサ部２０における磁束の向きは、磁石１６の回転角θに応じ、回転角θが変化することで磁束の向きが変化する。

これにより、図３（Ｂ）に示すように、磁束方向検知部３０では、πを周期として回転角θが大きくなることで増加する出力信号を出力する。すなわち、磁束方向検知部３０Ａは、ブリッジ回路２６Ａの出力信号が入力されることで、出力信号としてＣｏｓ信号（Ｃｏｓ（２θ））を出力する。また、磁束方向検知部３０Ｂは、ブリッジ回路２６Ｂの出力信号が入力されることで、出力信号としてＳｉｎ信号（Ｓｉｎ（２θ））を出力する。

磁極位置検知部３２は、ホールセンサ部２２から入力される信号を、回転角θに対する磁極位置応じた信号に変換して出力する。図３（Ｃ）には、磁極位置検知部３２の出力信号の一例が線図にて示されている。

ホールセンサ部２２は、磁極が近接することで、近接した磁極に応じた信号を出力する。これにより、図３（Ｃ）に示すように、磁極位置検知部３２では、２πを周期として、磁石１６のＮ極が最も近接した位置と、磁石１６のＳ極が最も近接した位置とで出力値がピークとなるように変化する出力信号を出力する。なお、磁極位置検知部３２は、ホールセンサ部２２の出力信号に対して所定の信号処理を行うことで、回転角θが０≦θ＜πの状態と回転角θがπ≦θ＜２πの状態（極性）とで異なる信号として出力するなど、磁石の磁極がホール素子２８に近接した際、近接した磁極に応じて極性（正又は負）の信号を出力するようにしてもよい。

一方、回転角判定部３４には、磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂの出力信号の各々と磁極位置検知部３２の出力信号とが同期されて入力され、回転角判定部３４は、入力された各出力信号を回転角θが２πの周期で変化する回転角信号に変換して出力する。図３（Ａ）には、回転角判定部３４の出力信号の一例が線図にて示されている。

ＡＭＲセンサ部２０を用いた回転角θの検知においては、磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂの出力信号を用いることで、図３（Ｂ）において破線で示す出力信号が得られ、この出力信号は、２πを１周期とする回転角θに対して、πを１周期とする出力信号となる。

ここで、回転角判定部３４では、磁極位置検知部３２の出力信号から磁石１６の回転角θが０≦θ＜πの範囲か、回転角θがπ≦θ＜２πの範囲かを判別できる。ここから、図３（Ｂ）において実線で示すように、回転角判定部３４は、磁極位置検知部３２の出力信号を用い、磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂの出力信号を、回転角θが２πの周期で変化する回転角信号に変換する。これにより、磁気センサ装置１０では、磁石１６の１回転を１周期とした回転角θを出力できる。

このように磁気センサ１０Ａ（磁気センサ装置１０）では、被検知体１４に磁石１６を設けると共に、磁石１６により形成される磁場内に基板１２を配置し、基板１２に対して回転軸Ｐを軸に磁石１６を相対回転可能にしている。磁気センサ１０Ａには、磁気抵抗効果によって電気抵抗率が変化する磁気抵抗素子を用い、磁石１６の回転角θに応じると共に、該磁石１６の１相対回転に対して２周期で変化する信号を出力するためのＡＭＲセンサ部２０、及び相対回転された磁石１６の磁極を検知するためのホールセンサ部２２が配置されている。

これにより、磁気センサ１０Ａでは、ホールセンサ部２２によって磁石１６の回転角θが０からπの範囲（０≦θ＜π）か、又は回転角θがπから２πの範囲（π≦θ＜２π）かを検知でき、ＡＭＲセンサ部２０によって検知される磁石１６の回転角θを０から２π（０≦θ＜２π）の範囲の何れかを検知できる。

また、磁気センサ装置１０には、磁束方向検知部３０（３０Ａ、３０Ｂ）、磁極位置検知部３２及び回転角判定部３４が設けられている。磁束方向検知部３０がＡＭＲセンサ部２０の出力を磁石１６の１回転で２周期となる回転角θの信号に変化し、磁極位置検知部３２がホールセンサ部２２の出力を磁石１６の磁極位置を判定可能な信号に変換する。

また、回転角判定部３４は、磁極位置検知部３２の出力信号に基づいて、磁束方向検知部３０の出力信号を回転角θについて、磁石１６の１回転が１周期となり回転角信号に変換する。これにより、磁気センサ装置１０では、磁気センサ１０ＡのＡＭＲセンサ部２０を用いて、磁石１６の１回転の範囲（０≦θ＜2πの範囲）で磁石１６の回転角θを出力できる。

さらに、磁気センサ１０Ａには、ホールセンサ部２２にホール素子２８を配置している。これにより、磁気センサ１０Ａでは、簡単な構成で磁石１６の磁極の位置を検知できる。

なお、第１実施形態では、ホールセンサ部２２をＡＭＲセンサ部２０の基準方向Ｙ位置（磁石１６の回転角θ＝０の位置）に設けたが、ホールセンサ部２２の位置は、磁石１６の１回転の範囲内で磁束が交差する位置であれば何れの位置であってもよい。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態を説明する。第２実施形態の基本的構成は、第１実施形態と同様であり、第２実施形態において第１実施形態と同様の機能部品については、同様の符号を付与してその説明を省略している。

図４には、第２実施形態に係る磁気センサ装置５０の主要部が斜め上方視の斜視図にて示され、図５には、磁気センサ装置５０の概略構成がブロック図にて示されている。

図４及び図５に示すように、第２実施形態に係る磁気センサ装置５０には、複数のホールセンサ部２２が設けられた磁気センサ５０Ａを適用している。磁気センサ５０Ａには、ホールセンサ部２２として二つのホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂが設けられており、磁気センサ５０Ａを用いる磁気センサ装置５０には、磁極位置検知部３２としてホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂの各々に対応して２つの磁極位置検知部３２Ａ、３２Ｂが設けられている。また、磁気センサ装置５０には、回転角判定部３４に変えて回転角判定部５２が設けられている。これにより、磁気センサ装置５０は、基板１２にＡＭＲセンサ部２０及びホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂが設けられた磁気センサ５０Ａと、磁束方向検知部３０（３０Ａ、３０Ｂ）と、磁極位置検知部３２Ａ、３２Ｂと、回転角判定部５２とを備える。

図４に示すように、磁気センサ５０Ａには、基板１２における投影領域１８の外周部の所定位置にホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂが配置されており、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂは、投影領域１８の周方向において異なる位置（角度位置）に配置されている。これにより、磁気センサ５０Ａでは、磁石１６の異なる２つの回転角θの各々において、磁極（Ｎ極及びＳ極）の検知が可能となっている。

また、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂは、点Ｐｏを中心としたホールセンサ部２２Ａの中心とホールセンサ部２２Ｂの中心との間の角度φが０より大きくπ未満の範囲（０＜φ＜π）とされている。磁気センサ５０Ａでは、ホールセンサ部２２Ａを基準方向Ｙ上に設けると共に、ホールセンサ部２２Ｂをホールセンサ部２２Ａとの間の角度φがφ＝３π／４（φ＝１３５°）となる位置に配置している。

これにより、磁石１６のＮ極は、回転角θ＝０において、ホールセンサ部２２Ａに近接され、回転角θ＝９π／８（θ＝２２５°）において、ホールセンサ部２２Ｂに近接される。なお、角度φは、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂの中心の間の角度のうちの小さい角度としている。

一方、図５に示すように、ホールセンサ部２２Ａは、磁極位置検知部３２Ａに電気的に接続され、ホールセンサ部２２Ｂは、磁極位置検知部３２Ｂに電気的に接続されている。また、磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂ及び磁極位置検知部３２Ａ、３２Ｂの各々は、回転角判定部５２に電気的に接続されている。

磁極位置検知部３２Ａは、ホールセンサ部２２Ａから入力される信号に基づいて磁石１６の磁極位置を判定するための信号を回転角判定部５２に出力する。また、磁極位置検知部３２Ｂは、ホールセンサ部２２Ｂから入力される信号に基づいて磁石１６の磁極位置を判定するための信号を回転角判定部５２に出力する。

これにより、回転角判定部５２には、磁石１６の回転に同期した信号が磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂ及び磁極位置検知部３２Ａ、３２Ｂから入力される。回転角判定部５２は、磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂから入力される磁石１６の１回転で２周期となって変化する回転角θに応じた信号（Ｃｏｓ信号及びＳｉｎ信号）を、磁極位置検知部３２Ａ、３２Ｂから入力される信号に基づき、磁石１６の１回転が１周期となって変化する回転角θに応じた回転角信号に変換して出力する。

このように構成された磁気センサ装置５０では、磁気センサ５０ＡにＡＭＲセンサ部２０（ブリッジ回路２６Ａ、２６Ｂ）及びホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂが形成されている。ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂは、基板１２上において磁石１６の回転周方向に角度φだけずれた位置に配置されている。ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂは、各々磁石１６の磁極が近接することで、近接した磁極に応じた信号を出力する。

これにより、磁気センサ装置５０では、基板１２にＡＭＲセンサ部２０及びホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂが設けられることで、磁石１６の回転角θが、０（０°）以上π（１８０°）未満の場合と、π以上２π（３６０°）未満の場合とで、異なる組み合わせの信号が得られる。また、磁気センサ装置５０では、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂにより異なる回転角θにおいて磁石１６の磁極を検知できる。

図６（Ａ）には、磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂの出力信号の一例が線図にて示され、図６（Ｂ）には、回転角判定部５２の出力信号の一例が線図にて示されている。また、図６（Ｃ）には、磁極位置検知部３２Ａ、３２Ｂの出力信号の一例が線図にて示されている。なお、図６（Ｃ）では、上段に磁極位置検知部３２Ａの出力信号が示され、下段に磁極位置検知部３２Ｂの出力信号が示されている。

図６（Ａ）に示すように、磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂは、πを周期として回転角θの変化に応じた出力信号（Ｃｏｓ信号及びＳｉｎ信号）を出力する。また、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂは、磁石１６が回転された際、磁石１６のＮ極が近接した場合と、磁石１６のＳ極が近接した場合とで、異なる極性（＋又は－）の出力信号を出力する。ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂは、互いの間が角度φだけずらされていることで、ホール素子２８が異なるタイミングで磁石１６の磁極の近接を検知した信号を出力する。磁極位置検知部３２Ａ、３２Ｂは、各々ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂから入力された信号に応じた出力信号を出力する。

図６（Ｃ）に示すように、磁極位置検知部３２Ａ、２２Ｂでは、各々２πを周期として、磁石１６のＮ極がホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂに最も近接した位置と、磁石１６のＳ極が最も近接した位置とで出力値がピークとなるように変化する出力信号を出力する。また、磁極位置検知部３２Ａ、３２Ｂは、各々磁石１６の磁極がホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂから離れるにしたがって減少する（０に近づく）出力信号を出力する。これにより、磁極位置検知部３２Ａは、回転角θがθ＝０及びθ＝πにおいてピークとなる出力信号（Ｃｏｓ信号）を出力し、磁極位置検知部３２Ｂは、回転角θがθ＝π／４及びθ＝５π／４においてピークとなる出力信号（Ｓｉｎ信号）を出力する。

一方、回転角判定部５２には、磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂの出力信号、及び磁極位置検知部３２Ａ、３２Ｂの各々の出力信号が同期されて入力される。回転角判定部５２は、磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂの出力信号を磁極位置検知部３２Ａ、３２Ｂの出力信号を用い、回転角θが２πの周期で変化する回転角信号に変換する。

ここで、回転角判定部５２では、磁極位置検知部３２Ａ、３２Ｂの出力信号を用いており、回転角判定部５２は、異なる回転角θで磁極の近接を検知するホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂの出力信号を用いている。ホールセンサ部２２Ａは、磁石１６の半回転ごとに磁極を検知しており、ホールセンサ部２２Ｂは、ホールセンサ部２２Ａが磁極を検知する間において、近接する磁極を検知している。

このため、回転角判定部５２では、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂの一方の出力を用いて、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂの他方の出力を補完できる。また、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂの間の角度φを０より大きくπより小さい範囲（０＜φ＜π）とすることで、回転角判定部５２では、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂの一方の出力を用いて、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂの他方の出力を効果的に補完でき、回転角θが０≦θ＜π又はπ≦θ＜２πの何れであるかを判別できる。これにより、図６（Ｂ）において実線で示すように、回転角判定部５２は、磁極位置検知部３２Ａ、３２Ｂの出力信号を用い、磁束方向検知部３０Ａ、３０Ｂの出力信号を、回転角θが２πの周期で変化する回転角信号に変換できる。したがって、磁気センサ装置５０は、磁石１６の回転角θを０≦θ＜２πの範囲せ精度よく検知できる。

このように磁気センサ装置５０では、磁石１６を備える被検知体１４に対し相対回転される磁気センサ５０Ａに、ＡＭＲセンサ部２０及びホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂを設けている。これにより、磁気センサ５０Ａでは、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂによって磁石１６の回転角θが０からπの範囲（０≦θ＜π）か、又は回転角θがπから２πの範囲（π≦θ＜２π）かを検知でき、磁気センサ装置５０は、ＡＭＲセンサ部２０によって検知される磁石１６の回転角θを０から２π（０≦θ＜２π）の範囲で検知できる。

また、磁気センサ５０Ａでは、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂの一方によってホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂの他方を補完可能になるので、磁石１６の回転角θが、０からπ（０≦θ＜π）、又はπから２π（π≦θ＜２π）の何れの範囲であるかを精度よく判定可能になる。これにより、磁気センサ装置５０では、磁石１６の回転角θを磁石１６の１回転の範囲で検知できると共に、ホールセンサ部２２が一つの場合に比して、回転角θの検知精度を向上できる。

また、磁気センサ装置５０では、磁束方向検知部３０がＡＭＲセンサ部２０の出力を磁石１６の１回転で２周期となる回転角θの信号に変化し、磁極位置検知部３２、３２Ｂが各々ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂの出力を磁石１６の磁極位置を判定可能な信号に変換する。

これにより、回転角判定部５２は、ＡＭＲセンサ部２０を用いて、磁石１６の１回転の範囲で磁石１６の回転角θを精度よく出力できて、磁気センサ装置５０では、磁石１６の１回転の範囲で高精度の回転角θを出力できる。この際、磁気センサ５０Ａは、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂにホール素子２８を設ける簡単な構成で磁石１６の磁極の位置を検知できる。

なお、第２実施形態では、ホールセンサ部２２ＡをＡＭＲセンサ部２０の基準方向Ｙ位置（磁石１６の回転角θ＝０の位置）に配置し、ホールセンサ部２２Ｂをホールセンサ部２２Ａに対して角度φ＝３π／４となる位置に配置した。しかしながら、２つの磁極検知部の間の角度φは、０（０°）より大きくπ（１８０°）より小さい範囲（０＜φ＜π）の範囲であれば、いずれの位置であってもよい。すなわち、２つの磁極検知部は、磁石の回転軸を中心とした点対称となる位置でなければ何れの位置であってもよい。

また、第２実施形態では、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂを設けたが、磁極検知部は、３以上であってもよい。３以上の磁極検知部を設ける場合、複数の磁極検知部のうちの一つについて、磁石の回転軸を中心とした点対称となる位置に他の磁極検知部が配置されない構成であればよい。

なお、以上説明した第１及び第２実施形態では、ホール素子２８を用いたホールセンサ部２２（２２Ａ、２２Ｂ）を設けた。しかしながら、磁極検知部には、ホール素子に限らず、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ：Tunnel Magneto Resistive）が適用されてもよく、磁極検知部は、交差する磁束の向きを検知可能な構成であればよい。

また、第１実施形態では、基板１２にホールセンサ部２２を設け、第２実施形態では、基板１２にホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂを設けた。しかしながら、磁極検知部は、磁気抵抗部とは異なる基板に配置されてもよい。

また、第１及び第２実施形態では、ＡＭＲセンサ部２０の抵抗体２４（２４Ａ～２４Ｈ）の磁気抵抗素子として、異方性磁気抵抗素子を用いた。しかしながら、磁気抵抗部に設ける磁気抵抗素子は、異方性磁気抵抗素子に限らず、半導体薄膜を用いる半導体磁気抵抗素子（ＳＭＲ：Semiconductor Magneto Resistive）、又は強磁性体－非磁性体金属－強磁性体の積層膜を用いる巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive）などが適用されてもよい。

さらに、第１実施形態では、基板１２上にＡＭＲセンサ部２０、ホールセンサ部２２を配置すると共に、磁束方向検知部３０（３０Ａ、３０Ｂ）、磁極位置検知部３２及び回転角判定部３４を配置するように説明した。また、第２実施形態では、基板１２上にＡＭＲセンサ部２０、ホールセンサ部２２Ａ、２２Ｂを配置すると共に、磁束方向検知部３０（３０Ａ、３０Ｂ）、磁極位置検知部３２Ａ、３２Ｂ及び回転角判定部５２を配置するように説明した。この場合、半導体基板上に磁気抵抗部及び磁極検知部と共に、回転角変換部を構成する集積回路を配置した半導体チップとし形成されてもよい。

１０、５０・・・磁気センサ装置、１０Ａ、５０Ａ・・・磁気センサ、１２・・・基板、１４・・・被検知体（磁場形成部）、１６・・・磁石、２０・・・ＡＭＲセンサ部（磁気抵抗部）、２２（２２Ａ、２２Ｂ）・・・ホールセンサ部（磁極検知部）、２４・・・抵抗体（磁気抵抗素子）、２８・・・ホール素子（磁極検知部）、３０・・・磁束方向検知部（回転角変換部）、３２（３２Ａ、３２Ｂ）・・・磁極位置検知部（回転角変換部）、３４、５２・・・回転角判定部（回転角変換部）。

Claims (5)

1. 磁石を備え、該磁石が磁場内に設けられた基板に対して着磁方向の中間位置を軸に相対回転可能とされ、相対回転されることで所定方向に対する回転角が変化すると共に、前記基板に対して変化する磁場を形成する磁場形成部と、
   前記基板において前記磁石による磁束が該基板表面に沿う領域に設けられ、磁気抵抗効果によって電気抵抗率が変化する磁気抵抗素子が用いられ、前記磁石の回転角に応じると共に、該磁石の１相対回転に対して２周期で変化する信号を出力するための磁気抵抗部と、
   前記基板において前記磁石の磁極が近接することで磁束が交差する領域内の所定位置に設けられ、相対回転された前記磁石の磁極を検知するための磁極検知部と、
   を含む磁気センサ。
2. 前記磁極検知部は、前記磁石の相対回転周方向に複数設けられている請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記磁石の相対回転周方向に隣接する２つの前記磁極検知部の間の相対回転中心を中心とした角度が０°より大きく１８０°より小さい角度とされている請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記磁極検知部は、ホール素子を備える請求項１から請求項３の何れか１項に記載の磁気センサ。
5. 請求項１から請求項４の何れか１項の磁気センサと、
   前記磁気センサの前記磁気抵抗部及び前記磁極検知部の各々の出力信号に基づき、前記磁石の回転角に応じた出力信号として、前記磁石の１相対回転に対して１周期で変化する出力信号を出力する回転角変換部と、
   を含む磁気センサ装置。
   
   

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