JP3895556B2 - 回転角検出センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転角検出センサに関し、例えば自動車のステアリングシャフトに連結されて、ステアリングホィールの回転角度を検出する回転角検出センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の従来技術の回転角検出センサを図１７，図１８に基づいて説明する。図１７は従来技術の回転角検出センサの平面図、図１８は従来技術の回転角検出センサの正面図である。
【０００３】
従来技術の回転角検出センサ２１は、回転軸２２に固定され回転中心を通る中性点ｍ（二点鎖線で示す）を有する様、２極に着磁された円板状の磁石２３と、この円板状の磁石２３の側縁面２３ａに対向させて設けられ、回転軸２２の回転方向に対して位相のずれた位置で磁石２３の側縁面２３ａに対向するように配線板２４に固定されているホール素子２５，２６により構成されている。
【０００４】
磁石２３は、円板状で中央部に孔２３ｂを有し、この孔２３ｂに外部の回転体（図示せず）の回転を伝える回転軸２２が嵌入し固定されている。また、磁石２３の円板は中性点Ｍが円板の中心を通る様にＮ極とＳ極の２極に着磁が施されている。
【０００５】
ホール素子２５，２６は２個設けられ、２個のホール素子２５，２６は配線板２４にはんだ付け等の周知の方法で電気的に接続され、磁石２３の側縁面２３ａに対向し、配線板２４上で、回転軸２２の回転軸線ｄの回転方向に関してπ／２（ｒａｄ）位相のずれた位置で固定されている。
【０００６】
以上の構成による従来技術の回転角検出センサ２１の回転角検出方法を概略説明する。回転軸２２が反時計方向へ回転してホール素子２５に対して円板状の磁石２３のＳ極が最も接近すると、ホール素子２５の感磁面を横切って入射する磁力線Ｂが最大になるので、ホ−ル素子２５の出力は最大値を取り、更に同一方向に回転軸２２が回転して磁石２３のＮ極がホール素子２５に最も接近すると、反対方向の磁力線の密度が最大になるのでホール素子の出力は最小値を取る。このようにして、ホール素子２５の出力は、回転軸２２を同一方向に回転していくと１回転で１周期の正弦波となる。ホール素子２６の出力は、回転軸２２の回転軸線ｄに関してπ／２（ｒａｄ）ずれた位置に配置されているため、ホール素子２５の出力とπ／２（ｒａｄ）位相のずれた正弦波の出力を発生する。これら互いにπ／２（ｒａｄ）位相のずれた２つの正弦波を用いて、周知の方法を使って回転角を検出する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記した従来技術の回転角センサにおいては、磁石の周囲にホール素子を２個取り付け、そのスペースを確保しなければならず、全体として装置が大きくなってしまうと共に、素子の位置精度を正確に割り出す必要がある。また、ホール素子を使っているため出力電圧の変化は一般的に１％程度以下で小さく、センサ感度が悪く、３０〜５０倍程度の増幅率の大きな増幅器を使用する必要があるという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、波形精度が良好で、専有するスペースが小さく、センサ出力電圧の出力変化が大きくセンサ感度の良い回転角検出センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転角検出センサは、フリー磁性層とピン止め磁性層とを有するＧＭＲ素子を基板上に少なくとも２対設け、各対の前記ＧＭＲ素子同士を直列に接続し、前記ＧＭＲ素子と対向させて回転可能に磁石を配設し、この磁石によって前記ＧＭＲ素子に飽和磁界を印加させ、前記ＧＭＲ素子面と平行な磁力線の向きが回転するように磁界を発生させ、各対となる前記ＧＭＲ素子を前記磁石の回転軸に対して対称な位置に配置すると共に前記ＧＭＲ素子の前記ピン止め磁性層の磁化の向きを互いに逆向きにし、前記磁石の磁力線の向きに従う前記フリー磁性層の磁化の向きと前記ピン止め磁性層の磁化の向きのなす角度により発生する前記ＧＭＲ素子の抵抗値の変化によって回転軸の回転角度を検出する回転角検出センサであって、前記少なくとも２対の前記ＧＭＲ素子を前記回転軸に対して同一半径上に位置させると共に、それぞれの前記ＧＭＲ素子の前記ピン止め磁性層の磁化の向きを、隣接する一方の前記ＧＭＲ素子の前記ピン止め磁性層の磁化の向きとπ／２（ｒａｄ）ずらす一方、隣接する他方の前記ＧＭＲ素子の前記ピン止め磁性層の磁化の向きと−π／２（ｒａｄ）ずらすようにした。この構成により、素子を回転軸線の周りに近接して配置でき、専有するスペースが小さく、ＧＭＲ素子を使うので、センサ出力電圧の出力変化が大きくセンサ感度の良い回転角検出センサを得ることができる。また、少なくとも２対のＧＭＲ素子を回転軸に対して同一半径上に位置させるようにしたので、４個のＧＭＲ素子を、回転軸を中心にまとめることができ、回転角検出センサを更に小型化できる。さらに、それぞれのＧＭＲ素子のピン止め磁性層の磁化の向きを、隣接する一方のＧＭＲ素子のピン止め磁性層の磁化の向きとπ／２（ｒａｄ）ずらす一方、隣接する他方のＧＭＲ素子のピン止め磁性層の磁化の向きと−π／２（ｒａｄ）ずらしたことから、４本の棒磁石を互いにＮ極とＳ極が反対になるように束ねるだけの簡単な構造の棒磁石ブロックで着磁できるので、着磁のための準備がより簡単になる。
【００１２】
また、本発明の回転角検出センサは、前記少なくとも２対の前記ＧＭＲ素子の個々の前記ＧＭＲ素子を前記回転軸の回りにπ／２（ｒａｄ）の角度間隔で配置した。
この構成により、互いに正確にπ／２（ｒａｄ）位相のずれた２つの正弦波を得ることができ、より正確な回転角の検出ができる。
【００１４】
また、本発明の回転角検出センサは、前記少なくとも２対の前記ＧＭＲ素子を同一基板上に形成した。
この構成により、各ＧＭＲ素子の膜質が同じになるので、電気的、磁気的特性の揃ったＧＭＲ素子を得ることができ、各素子のばらつきによる検出誤差がなくなり、より正確な回転角検出ができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施形態の回転角検出センサを図１〜図１１を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態の回転角検出センサの平面図、図２は当該回転角検出センサの正面図、図３は当該回転角検出センサのセンサ基板を示す平面図、図４は図３のＤ部拡大図、図５は図４の５−５断面図、図６は当該回転角検出センサのセンサ基板上のＧＭＲ素子の着磁方法を示す図、図７は前記ＧＭＲ素子へ着磁する時の着磁用棒磁石から出る磁力線の方向を示す図、図８は当該回転角検出センサのセンサ基板上の回路を示す回路図、図９は前記センサ基板の電極Ａの出力を示すグラフ、図１０は前記センサ基板の電極Ａ、電極Ｂの出力を両方示すグラフ、図１１は第１の実施形態の回転角検出センサの変形例を示す図、をそれぞれ示している。
【００１６】
本発明の第１実施形態の回転角検出センサ１は、回転軸４に固定され回転中心を通る中性点Ｍ（２点鎖線で示す）を有する様、２極に着磁された円板状の磁石２と、この円板状の磁石２の回転軸４と直交する平面内に、磁石２の回転軸４の端面４ａにセンサ基板３が対向して設けられている。
【００１７】
磁石２は、円板状で中央部に孔２ａを有した強磁性体で、この孔２ａにｓウテアリング等の回転体（図示せず）の回転を伝える回転軸４が嵌入し固定され、回転軸線Ｃを中心にして回転するようになっている。また、円板状の磁石２の円板は中性点Ｍが円板の中心Ｃを通る様にＮ極とＳ極の２極に着磁が施されている。磁石２のＮ極からは磁力線が出て、Ｓ極に入り、円板状の磁石２の下面には磁界に伴う磁力線Ｈｅｘが発生している。また、磁石２によって、ＧＭＲ素子Ｒａ１Ｒａ２、Ｒｂ１、Ｒｂ２に飽和磁界が加えられている。
【００１８】
センサ基板３は、シリコン基板３ａ上に電極Ｖｃｃ、電極Ａ、電極Ｂ、電極ＧＮＤとＧＭＲ素子Ｒａ１、ＧＭＲ素子Ｒａ２、ＧＭＲ素子Ｒｂ１、ＧＭＲ素子Ｒｂ２が設けられており、これら電極とＧＭＲ素子とをリードＬ１、リードＬ２、リードＬ３、リードＬ４、リードＬ５が接続している。図３，８に示すように、電極ＶｃｃとＧＭＲ素子Ｒａ１の一端はリードＬ１によって接続され、ＧＭＲ素子Ｒａ１の他端とＧＭＲ素子Ｒａ２の一端とはリードＬ２によって接続され、リードＬ２はまた、電極Ａに接続され、ＧＭＲ素子Ｒａ２の他端はリードＬ３により電極ＧＮＤに接続されている。即ち、ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２は直列に接続され２つのＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２の間から電極Ａが引き出されている。また、電極ＶｃｃとＧＭＲ素子Ｒｂ１の一端はリードＬ４によって接続され、ＧＭＲ素子Ｒｂ１の他端とＧＭＲ素子Ｒｂ２の一端とはリードＬ５によって接続され、リードＬ５はまた、電極Ｂに接続され、ＧＭＲ素子Ｒｂ２の他端はリードＬ３により電極ＧＮＤに接続されている。即ち、ＧＭＲ素子Ｒｂ１，Ｒｂ２は直列に接続され２つのＧＭＲ素子Ｒｂ１，Ｒｂ２の間から電極Ｂが引き出されている。また、ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２が直列に接続されたものと、ＧＭＲ素子Ｒｂ１，Ｒｂ２が直列に接続されたものの両端は、それぞれ電極Ｖｃｃと電極ＧＮＤに接続されている。シリコン基板３ａ上で、電極Ａ，Ｂ，Ｖｃｃ，ＧＮＤ以外の部分は全体に絶縁コートが施されている。
【００１９】
各ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２は、それぞれ帯状の小抵抗体ｒ１，ｒ２，ｒ３と折り返し電極ｅ１，ｅ２からなり、図４に示すように、それぞれ帯状の小抵抗部ｒ１，ｒ２，ｒ３が直列に接続され、折り返し電極ｅ１，ｅ２を介して各小抵抗部ｒ１，ｒ２，ｒ３が互いに平行になるように折り返して配置されている。また、各ＧＭＲ素子の中心位置は、回転軸４の回転軸線Ｃがセンサ基板３と交差する点Ｃ’に対して略等距離の位置にあり、各ＧＭＲ素子の帯状の小抵抗部ｒ１，ｒ２，ｒ３を長手方向に延長すると、ほぼ点Ｃ’を通っている。また、各ＧＭＲ素子はそれぞれ後述するピン止め磁性層とフリー磁性層とを有し、センサ基板３上の点Ｃ’に関して点対称に設けられているＧＭＲ素子Ｒａ１とＧＭＲ素子Ｒａ２ではピン止め磁性層の磁化の向きｇ１，ｇ２が互いに逆向きとなっている。また、同様にＧＭＲ素子Ｒｂ１とＧＭＲ素子Ｒｂ２もセンサ基板３上の点Ｃ’に関して点対称に設けられ、ピン止め磁性層とフリー磁性層を有し、互いにピン止め磁性層の磁化の向きが逆向きとなっている。また、ＧＭＲ素子Ｒａ１とＧＭＲ素子Ｒａ２それぞれの中心位置を結ぶ線とＧＭＲ素子Ｒｂ１とＧＭＲ素子Ｒｂ２それぞれの中心位置を結ぶ線とは直角に交わっている。
【００２０】
ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２は、図５に示すように、下地層５、反強磁性層７、ピン止め磁性層８、非磁性導電層９、フリー磁性層１０、保護層１１が順次積層し、両端に電極層６を設けて構成され、反強磁性層７とピン止め磁性層８の交換結合によって、磁化された反強磁性層７の磁化の向きにピン止め磁性層８の磁化の向きが従い、紙面に垂直方向で紙面の裏へ向かう向きに固定されている。フリー磁性層１０は強磁性体材料によって形成され、磁化方向は固定されず、磁石２の磁界の磁力線Ｈｅｘの向きによって磁化の向きが決められる。この時、磁力線Ｈｅｘによって向きの変化したフリー磁性層１０の磁化の向きがピン止め層８の磁化の向きと同じになるとＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２の抵抗値は最小になり、フリー磁性層１０の磁化の向きがピン止め磁性層８の磁化の向きと反対になると、ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２の抵抗値は最大になる。
ＧＭＲ素子Ｒａ１については、センサ基板３上でピン止め磁性層８の磁化の向きは反強磁性層７の磁化の向きにより、帯状の小抵抗部ｒ１，ｒ２，ｒ３の長手方向に対して直角方向で図３におけるｇ１の向きに向いている。他のＧＭＲ素子Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２のピン止め層もそれぞれ帯状の小抵抗部ｒ１，ｒ２，ｒ３の長手方向に対して直角方向に磁化方向が固定されている。
【００２１】
上記したセンサ基板３について、その製造方法を説明する。シリコン基板３ａ上に下地層としてアルミナ（酸化アルミニウム）層５がスパッタリングにより成膜され、その上に、反強磁性層７としてＰｔＭｎ（白金マンガン）合金層、ピン止め磁性層８としてＣｏＦｅ（コバルト鉄）合金層が、非磁性導電層９としてＣｕ（銅）層が、フリー磁性層１０としてＮｉＦｅ（ニッケル鉄）合金層が、保護層１１としてＴａ（タンタル）層が、それぞれ順次スパッタリングにより積層される。この積層膜をフォトリソグラフィーによりパターン形成し、４個のＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２の帯状の小抵抗部ｒ１，ｒ２，ｒ３を形成する。最後に再度スパッタリングにより、電極６としてＣｒ（クロム）層とＡｕ（金）層を積層して成膜し、フォトリソグラフィーにより４個のＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２の電極６のパターン形成を行う。
次に、各ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２のピン止め磁性層８を固定するために着磁をする。図６に示すように、４本の角柱状棒磁石１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを互いに磁極の極性が反対になるように束ね、棒磁石ブロック１２を作成し、この棒磁石ブロック１２の下端面をセンサ基板３の表面に近接させる。このとき、棒磁石ブロック１２の下端面には、図７に示すように、下端面に表出した４個の磁極Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓにより４方向の互いに近接した磁力線Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４が発生する。ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２のそれぞれには、互いに逆向きの磁力線Ｈ１，Ｈ２が発生するよう磁界が印加され、ＧＭＲ素子Ｒｂ１，Ｒｂ２には、互いに逆向きの磁力線Ｈ１，Ｈ２が発生するよう磁界が印加される。
センサ基板３に棒磁石ブロック１２を近接させた状態で保持し、真空中で数時間、高温のアニールを行い着磁を完了する。この着磁工程により、ＧＭＲ素子Ｒａ１とＧＭＲ素子Ｒａ２のピン止め磁性層の磁化の向きは互いに逆向きのｇ１，ｇ２に固定される。また、ＧＭＲ素子Ｒｂ１とＧＭＲ素子Ｒｂ２のピン止め磁性層の磁化の向きも互いに逆向きのｇ３，ｇ４に固定される。この着磁工程では、４本の棒磁石１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを互いに磁極の極性が反対になるように束ねるだけの簡単な方法で着磁用の棒磁石ブロック１２を作成できるので、着磁の準備が簡単になる。尚、上述した各層の材質は上述した材質に限定されるものではない。
【００２２】
次に、本発明の第１実施形態の回転角検出センサの動作を説明する。ステアリング等の外部の回転体の回転が回転軸４に伝えられ、円板状の磁石２を回転させると円板状の磁石２の下面に発生している磁力線Ｈｅｘが回転する。磁力線Ｈｅｘはセンサ基板３の表面に平行で均一に存在し、あるいは平行で均一とみなすことができる程度に、基板３に比べて磁石２は十分大きく形成されている。また、磁力線Ｈｅｘは各ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２を横切り、それらが飽和するのに十分な磁界を与えている。センサ基板３の電極Ｖｃｃには５Ｖの定電圧が印加されていて、電極ＧＮＤはアースに接続されている。電極ＡはＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２の接続点での電圧出力をＡ出力として取り出す電極で、電極ＢはＧＭＲ素子Ｒｂ１，Ｒｂ２の接続点での電圧出力をＢ出力として取り出す電極である。尚、Ａ出力及びＢ出力の後段には、図示を省略するが、２．５Ｖの電圧が一方の入力端子に接続され、増幅率１２倍、基準電圧２．５Ｖの差動増幅器に接続されいる。
【００２３】
初めに、図３において、磁石２の磁力線の向きＨｅｘがセンサ基板３の表面上で下方のＧＭＲ素子Ｒａ２から上方のＧＭＲ素子Ｒａ１へ向かう基準の向きＺ（角度０ｒａｄに相当）と同じである場合を考えると、ＧＭＲ素子Ｒａ１のピン止め層８の磁化の向きｇ１と磁力線Ｈｅｘの向きは直角であるからＧＭＲ素子Ｒａ１の抵抗値は磁力線Ｈｅｘによる抵抗値変化の最大値と最小値の中間の値となり、ＧＭＲ素子Ｒａ２のピン止め磁性層８の向きｇ２も磁力線Ｈｅｘの向きと直角であるから、やはりＧＭＲ素子Ｒａ２の抵抗値は最大値と最小値の中間の値となる。ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２は同一基板上にほぼ同一条件で形成されているものなので、それらの磁気特性はほぼ同じと考えられ、ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２の磁界Ｈｅｘによる抵抗変化も同一であるため、それぞれの最大値、最小値、最大値と最小値の中間の値もほぼ同じである。従って、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きがセンサ基板３上の基準の向きＺと同じときは、上記したようにＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２の抵抗値は同じ値となり、従って約２．５Ｖの電圧が差動増幅器に入力され、よって差動増幅器の入力端側の電圧差は０となり増幅されても０であるので基準値の２．５Ｖが加わって電極ＡのＡ出力は２．５Ｖとなる。次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘが反時計方向に回転角π／２（ｒａｄ）回転すると、磁力線Ｈｅｘの向きとＧＭＲ素子Ｒａ１のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ１は同じ向きになるので、ＧＭＲ素子Ｒａ１の抵抗値は小さくなって最小値、即ち、この場合はＧＭＲ素子の抵抗値変化率５％のものを使用しているので初期の抵抗値の２．５％小さい値をとる。ＧＭＲ素子Ｒａ２の抵抗値はＧＭＲ素子Ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ２と磁力線Ｈｅｘが逆向きなので最大値、即ち、この場合にＧＭＲ素子の抵抗値変化率は５％のものを使用しているので初期の抵抗値より２．５％大きい値をとる。従って、約２．５６３Ｖの電圧が差動増幅器に入力され、よって差動増幅器の入力端側の電圧差は０．０６３Ｖとなり１２倍に増幅されて０．７６Ｖの信号が得られ、基準値の２．５Ｖが加わって電極ＡのＡ出力は最大の３．２６Ｖとなる。次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘが反時計方向に更にπ／２（ｒａｄ）回転する、即ち基準の向きＺから反時計方向に回転角π（ｒａｄ）回転すると、磁力線Ｈｅｘの向きとＧＭＲ素子Ｒａ１のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ１およびＧＭＲ素子Ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ２は直角になるので、磁石２の磁力線Ｈｅｘと基準の向きＺが一致したときと同様に、Ａ出力は約２．５Ｖになる。次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘが反時計方向に更にπ／２（ｒａｄ）回転する、即ち、基準の向きＺから反時計方向へ３π／２（ｒａｄ）回転すると、磁力線Ｈｅｘの向きとＧＭＲ素子Ｒａ１のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ１は逆向きになるので、ＧＭＲ素子Ｒａ１の抵抗値は大きくなって最大値をとる。ＧＭＲ素子Ｒａ２の抵抗値はＧＭＲ素子Ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ２と磁力線Ｈｅｘが同じ向きなので最小値をとる。従って、電極ＡのＡ出力は前述と同様に計算して最小値の約１．７４Ｖになった。次に、更に磁石２の磁力線Ｈｅｘが反時計方向にπ／２（ｒａｄ）回転する、即ち、基準の向きＺから反時計方向へ２π（ｒａｄ）回転すると、１周期が終わり、初めの状態と同じになり、Ａ出力は約２．５Ｖとなる。更に磁石２の磁力線Ｈｅｘを回転すると、電極ＡのＡ出力は１周期目の出力変化を繰り返す。
【００２４】
Ｂ電極からのＢ出力は、ＧＭＲ素子Ｒｂ１，Ｒｂ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ３，ｇ４がＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ１，ｇ２よりπ／２（ｒａｄ）反時計方向に進んでいるので、Ａ電極からのＡ出力より、π／２（ｒａｄ）進んでいる出力電圧となる。
磁石２の回転角は互いにπ／２（ｒａｄ）ずれたＡ出力とＢ出力から周知の方法で検出される。以上のように、本発明の第１実施形態の回転角検出センサは、素子を回転軸線の周りに近接して配置でき、専有するスペースが小さく、抵抗変化率が５％程度であるＧＭＲ素子を使うので、センサ出力電圧の出力変化が大きくセンサ感度が良く、増幅率の小さい増幅器を用いることができ、正確な回転角を検出することができる。
【００２５】
尚、上記第１実施形態では４個のＧＭＲ素子を同一基板の上に設けた場合を記載し、その場合には４つのＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２を近接して配置できるので、図５で示す各層の膜厚ををほぼ同じにして容易に特性を揃えることが可能であり、回転角検出センサの精度を高めることが容易であるが、本発明は、これに限定されることなく、図１１に示されているように、４個の基板Ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４の上にそれぞれＧＭＲ素子ｊ１，ｊ２，ｊ３，ｊ４を搭載し、それぞれのＧＭＲ素子ｊ１，ｊ２，ｊ３，ｊ４のピン止め磁性層の磁化の向きｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４がπ／２（ｒａｄ）ずつ向きがずれる位置に４個の基板ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４を固定してセンサ基板１３とし、回転角検出センサを構成してもよい。
【００２６】
次に、本発明の第２実施形態の回転角検出センサを図１２から図１６を用いて説明する。図１２は本発明の第２実施形態の回転角検出センサのセンサ基板を示す平面図、図１３，１４は前記センサ基板上のＧＭＲ素子とリード部を示す回路図、図１５は前記ＧＭＲ素子の電極Ａ−の電圧を基準とした電極Ａ＋の出力を示すグラフ、図１６は前記ＧＭＲ素子の電極Ａ−の電圧を基準にした電極Ａ＋の電圧であるα出力をおよび電極Ｂ−の電圧を基準にした電極Ｂ＋の電圧であるβ出力を両方示すグラフ、をそれぞれ示している。第２実施形態の説明中、第１実施形態と同じまたは同様な部分はその名称または番号を引用しその説明を省略し、同様な説明についてはこれを割愛する。
【００２７】
本発明の第２実施形態の回転角検出センサの構成は、第１実施形態の回転角検出センサとはセンサ基板１４が異なるだけであるので、センサ基板１４の説明とその動作のみを説明する。
【００２８】
センサ基板１４は、シリコン基板１４ａ上に電極Ｖｃｃ１、電極Ｖｃｃ２、電極Ａ＋、電極Ａ−、電極Ｂ＋、電極Ｂ−、電極ＧＮＤ１、電極ＧＮＤ２とＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２，ｒａ３，ｒａ４、ＧＭＲ素子ｒｂ１，ｒｂ２，ｒｂ３，ｒｂ４が設けられており、これら電極とＧＭＲ素子とをリード部ｌ１，ｌ２，ｌ３，ｌ４，ｌ５，ｌ６，ｌ７，ｌ７’，ｌ８が接続している。ＧＭＲ素子ｒａ１とＧＭＲ素子ｒａ２とはリード部ｌ２を介して直列に接続され、電極Ｖｃｃ１と電極ＧＮＤ１との間にリード部ｌ１，ｌ４を介して接続され、ＧＭＲ素子ｒａ３とＧＭＲ素子ｒａ４もまたリード部ｌ３を介して直列に接続され、電極Ｖｃｃ１と電極ＧＮＤ１との間にリード部ｌ１，ｌ４を介して接続されている。即ち、電極Ｖｃｃ１と電極ＧＮＤ１との間には、ＧＭＲ素子ｒａ１とＧＭＲ素子ｒａ２が直列接続されたものとＧＭＲ素子ｒａ３とＧＭＲ素子ｒａ４が直列接続されたものとが並列に接続されている。同様に、ＧＭＲ素子ｒｂ１とＧＭＲ素子ｒｂ２とはリード部ｌ６を介して直列に接続され、電極Ｖｃｃ２と電極ＧＮＤ２との間にリード部ｌ５，ｌ８を介して接続され、ＧＭＲ素子ｒｂ３とＧＭＲ素子ｒｂ４もまたリード部ｌ７，ｌ７’を介して直列に接続され、電極Ｖｃｃ２と電極ＧＮＤ２との間にリード部ｌ５，ｌ８を介して接続されている。即ち、電極Ｖｃｃ２と電極ＧＮＤ２との間には、ＧＭＲ素子ｒｂ１とＧＭＲ素子ｒｂ２が直列接続されたものとＧＭＲ素子ｒｂ３とＧＭＲ素子ｒｂ４が直列接続されたものとが並列に接続されている。シリコン基板１４ａ上で、電極Ａ＋，Ａ−，Ｂ＋，Ｂ−，Ｖｃｃ１，Ｖｃｃ２，ＧＮＤ１，ＧＮＤ２以外の部分は全体に絶縁コートが施されている。
【００２９】
各ＧＭＲ素子は帯状の小抵抗部が折り返して直列に接続され、ＧＭＲ素子ｒａ１とＧＭＲ素子ｒａ３、ＧＭＲ素子ｒａ２とＧＭＲ素子ｒａ４、ＧＭＲ素子ｒｂ１とＧＭＲ素子ｒｂ３、ＧＭＲ素子ｒｂ２とＧＭＲ素子ｒｂ４はそれぞれの帯状の小抵抗部が平行になるように隣接して配置され、互いのピン止め磁性層８の磁化の向きは逆向きになっている。各ＧＭＲ素子の中心位置は、回転軸４の回転軸線Ｃがセンサ基板１４と交差する点Ｃ’’に対して略等距離の位置にあり、各ＧＭＲ素子の帯状の小抵抗部の長手方向を延長すると、ほぼ点Ｃ’’を通っている。ＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２と、ＧＭＲ素子ｒａ３，ｒａ４と、ＧＭＲ素子ｒｂ１，ｒｂ２及び、ＧＭＲ素子ｒｂ３，ｒｂ４はそれぞれ互いにセンサ基板１４上の点Ｃ’’に関して略点対称の位置に設けられ、互いにピン止め磁性層８の磁化方向が逆向きとなっている。また、ＧＭＲ素子ｒａ１とＧＭＲ素子ｒａ２それぞれの中心位置を結ぶ線とＧＭＲ素子ｒｂ１とＧＭＲ素子ｒｂ２それぞれの中心位置を結ぶ線とは直角に交わっている。更に、ＧＭＲ素子ｒａ３とＧＭＲ素子ｒａ４それぞれの中心位置を結ぶ線とＧＭＲ素子ｒｂ３とＧＭＲ素子ｒｂ４それぞれの中心位置を結ぶ線とは直角に交わっている。
【００３０】
次に、本発明の第２実施形態の回転角検出センサの動作を説明する。外部の回転体の回転が回転軸４に伝えられ、円板状の磁石２を回転させると円板状の磁石２の下面に発生している磁力線Ｈｅｘの向きが回転する。磁力線Ｈｅｘはセンサ基板１４の表面に平行に存在し、各ＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２，ｒａ３，ｒａ４，ｒｂ１，ｒｂ２，ｒｂ３，ｒｂ４に磁力線Ｈｅｘを与えている。電極Ｖｃｃ１，Ｖｃｃ２には５Ｖの定電圧が印加されていて、電極ＧＮＤ１，ＧＮＤ２はアースに接続されている。電極Ａ＋はＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２の接続点での電圧出力を取り出す電極で、電極Ａ−はＧＭＲ素子ｒａ３，ｒａ４の接続点での電圧出力を取り出す電極であり、電極Ａ＋と電極Ａ−間の電圧をここでは図示しないが、増幅率６倍で基準電圧２．５Ｖの差動増幅器に入力してα出力として取り出し使用する。電極Ｂ＋はＧＭＲ素子ｒｂ１，ｒｂ２の接続点での電圧出力を取り出す電極で、電極Ｂ−はＧＭＲ素子ｒｂ３，ｒｂ４の接続点での電圧出力を取り出す電極であり、電極Ｂ＋と電極Ｂ−間の電圧を、ここでは図示しないが、増幅率６倍で基準電圧２．５Ｖの差動増幅器に入力してβ出力として取り出し、α出力と共に回転角検出に使用する。尚、差動増幅器を利用しているので、温度変化やノイズによって同じ傾向をもって出力値が変化した場合には、その影響をキャンセルできる。
【００３１】
図１２において、初めに、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きがセンサ基板１４の表面上で下方のＧＭＲ素子ｒａ２から上方のＧＭＲ素子ｒａ１へ向かう基準の向きＺ１（角度０ｒａｄに相当）と同じである場合を考えると、ＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２，ｒａ３，ｒａ４，ｒｂ１，ｒｂ２，ｒｂ３，ｒｂ４のフリー磁性層１０の磁化の向きは磁力線Ｈｅｘの向きに従うので、ＧＭＲ素子ｒａ１のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ１と磁力線Ｈｅｘの向きが直角である時は、ＧＭＲ素子ｒａ１の抵抗値は磁力線Ｈｅｘの向きによる抵抗値変化の最大値と最小値の中間の値となり、ＧＭＲ素子ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ２は磁力線Ｈｅｘの向きと直角であるから、やはりＧＭＲ素子ｒａ２の抵抗値は最大値と最小値の中間の値となる。ＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２は同一基板上にほぼ同一条件で形成されているものなので、それらの磁気特性はほぼ同じと考えられ、ＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２の磁力線Ｈｅｘの向きによる抵抗変化も同一であるため、それぞれの最大値、最小値、最大値と最小値の中間の値もほぼ同じである。従って、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きが基準の向きＺ１と同じときは、電極Ａ＋での出力電圧は電極Ｖｃｃに印加された電圧５Ｖの半分の２．５Ｖとなる。
電極Ａ−での出力電圧も同様に２．５Ｖとなる。従って、電極Ａ−を基準にした電極Ａ＋の電圧であるα出力は２．５Ｖとなる。即ち、差動増幅器の入力端側の電圧差は０Ｖとなり、増幅されても０Ｖであり、基準値の２．５Ｖが出力される。
【００３２】
次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きが基準の向きＺ１から反時計方向に回転角π／２（ｒａｄ）回転すると、ＧＭＲ素子ｒａ１のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ１は磁力線Ｈｅｘの向きと逆向きになるので、ＧＭＲ素子ｒａ１の抵抗値は最大値をとり、ＧＭＲ素子ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ２は磁力線Ｈｅｘの向きと同じ向きなのでＧＭＲ素子ｒａ２の抵抗値は最小値になり、電極Ａ＋の出力は下がり最小値を取る。即ち、５％の抵抗変化率のＧＭＲ素子を使用して、５ＶＸ０．９７５／（１．０２５＋０．９７５）＝２．４３８Ｖの出力となる。また、ＧＭＲ素子ｒａ３のピン止め層の磁化の向きｈ３は磁力線Ｈｅｘと同じ向きになるのでＧＭＲ素子ｒａ３の抵抗値は最小値になり、ＧＭＲ素子ｒａ４のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ４は磁力線Ｈｅｘの向きと逆向きになるのでＧＭＲ素子ｒａ３の抵抗値は最大値になり、電極Ａ−の出力電圧は上がり最大値をとる。即ち、５ＶＸ１．０２５／（１．０２５＋０．９７５）＝２．５６３Ｖの出力になる。よって、差動増幅器の入力端側の電圧差は２．５６３−２．４３８＝０．１２５となり６倍に増幅されて０．７５Ｖの信号が得られ、基準値の２．５Ｖが加わってα出力は最大値の３．２５Ｖとなる。
【００３３】
次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きが反時計方向に更にπ／２（ｒａｄ）回転する、即ち基準の向きＺ１から反時計方向に回転角π（ｒａｄ）回転すると、磁力線Ｈｅｘの向きとＧＭＲ素子ｒａ１のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ１およびＧＭＲ素子ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ２は直角になるので、磁石２の磁力線Ｈｅｘと基準の向きＺ１が一致したときと同様に、電極Ａ＋と電極Ａ−の出力電圧は２．５Ｖになる。従って、α出力も前述と同様に２．５Ｖになる。
【００３４】
次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きが更に反時計方向にπ／２（ｒａｄ）回転する、即ち基準の向きＺ１から反時計方向へ３π／２（ｒａｄ）回転すると、ＧＭＲ素子ｒａ１のピン止め層の磁化の向きｈ１は、磁力線Ｈｅｘの向き同じ向きになるので、ＧＭＲ素子ｒａ１の抵抗値は最小値となり、ＧＭＲ素子ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ２と磁力線Ｈｅｘの向きが逆向きになるので、ＧＭＲ素子ｒａ２の抵抗値は最大値をとり、電極Ａ＋の出力電圧は上がり２．５６３Ｖになる。また、ＧＭＲ素子ｒａ３のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ３は磁力線Ｈｅｘの向きと逆向きになるのでＧＭＲ素子ｒａ３の抵抗値は最大値になり、ＧＭＲ素子ｒａ４のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ４は磁力線Ｈｅｘの向きと同じ向きになるのでＧＭＲ素子ｒａ４の抵抗値は最小値になり、電極Ａ−の出力電圧は上がり２．４３８Ｖとなる。従って、α出力は最小値をとる。即ち、差動増幅器の入力端子側の電圧差は２．４３８Ｖ−２．５６３Ｖ＝−０．１２５Ｖとなり６倍に増幅されて−０．７５Ｖの信号が得られ、基準値の２．５Ｖが加わってα出力は最小値の１．７５Ｖとなる。
【００３５】
次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きが反時計方向に更にπ／２（ｒａｄ）回転する、即ち基準の向きＺ１から反時計方向に回転角２π（ｒａｄ）回転すると、磁力線Ｈｅｘの向きと基準の向きＺ１が一致するので、磁力線Ｈｅｘの向きの回転の最初の状態と同じになり、電極Ａ＋と電極Ａ−の出力電圧は２．５Ｖになる。従って、α出力は２．５Ｖになる。これで１周期が終わり、更なる磁力線Ｈｅｘの向きの回転は、１周期目のα出力の出力変化を繰り返す。
【００３６】
電極Ｂ＋の出力電圧の変化は、ＧＭＲ素子ｒｂ１，ｒｂ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｉ１，ｉ２と磁力線Ｈｅｘの向きとの関係がＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ１，ｈ２と磁力線Ｈｅｘの向きとの関係よりπ／２（ｒａｄ）反時計方向に進んでいるので、電極Ａ＋の出力電圧の変化よりπ／２（ｒａｄ）反時計方向に進んでいる。電極Ｂ−の出力電圧の変化も、ＧＭＲ素子ｒｂ３，ｒｂ４のピン止め磁性層８の磁化の向きｉ３，ｉ４と磁力線Ｈｅｘの向きとの関係がＧＭＲ素子ｒａ３，ｒａ４のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ３，ｈ４と磁力線Ｈｅｘの向きとの関係よりπ／２（ｒａｄ）反時計方向に進んでいるので、電極Ａ−の出力電圧の変化よりπ／２（ｒａｄ）反時計方向に進んでいる。従って、電極Ｂ−を基準にした電極Ｂ＋の電圧であるβ出力は、電極Ａ−を基準にした電極Ａ＋の電圧であるα出力より、π／２（ｒａｄ）反時計方向に進んでいる。
磁石２の回転角は互いにπ／２（ｒａｄ）ずれたα出力とβ出力の正弦波の値から周知の方法により検出される。
上記したように、α出力とβ出力は、それぞれ出力変化は１．５Ｖ（最大値−最小値）であり、半分の増幅率の差動増幅器を使用しているのにもかかわらず第１実施形態のＡ出力とＢ出力の出力変化（最大値−最小値）とほぼ同等とすることができ、センサ感度が２倍になる。
また、入力オフセット電圧の小さな差動増幅器を用いなくともいいので、安価に作成できる。
【００３７】
【発明の効果】
上記したように、本発明の回転角検出センサは、フリー磁性層とピン止め磁性層とを有するＧＭＲ素子を基板上に少なくとも２対設け、各対のＧＭＲ素子同士を直列に接続し、ＧＭＲ素子と対向させて回転可能に磁石を配設し、この磁石の磁界を基板面方向に発生させ、各対となるＧＭＲ素子を磁石の回転軸の回転軸線を挟んで対向する位置となるように配置すると共にＧＭＲ素子のピン止め磁性層の磁化の向きが互いに逆向きであるようにし、磁石の磁界の向きに従うフリー磁性層の磁化の向きとピン止め磁性層の磁化の向きのなす角度により発生するＧＭＲ素子の抵抗値の変化によって回転軸の回転角度を検出するようにしたので、素子を回転軸の周りに近接して配置でき、所定の位相差を有する電圧を出力し回転角を検出する、専有するスペースが小さく、センサ出力電圧の出力変化が大きくセンサ感度の良い回転角検出センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の回転角検出センサの平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の回転角検出センサの正面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の回転角検出センサのセンサ基板を示す平面図である。
【図４】図３のＤ部拡大図である。
【図５】図４の５−５断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態の回転角検出センサのセンサ基板上のＧＭＲ素子への着磁方法を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態の回転角検出センサのセンサ基板上のＧＭＲ素子へ着磁する時の着磁用棒磁石から出る磁力線の方向を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態の回転角検出センサのセンサ基板上の回路を示す回路図である。
【図９】本発明の第１実施形態の回転角検出センサのセンサ基板の電極Ａの出力を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１実施形態の回転角検出センサのセンサ基板の電極Ａ、電極Ｂの出力を両方示すグラフである。
【図１１】本発明の第１実施形態の回転角検出センサの変形例を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施形態の回転角検出センサのセンサ基板を示す平面図である。
【図１３】本発明の第２実施形態の回転角検出センサのセンサ基板上の一組みのＧＭＲ素子と電極とリード部を示す回路図である。
【図１４】本発明の第２実施形態の回転角検出センサのセンサ基板上の他の組みのＧＭＲ素子と電極とリード部を示す回路図である。
【図１５】本発明の電極Ａ−の電圧を基準にした電極Ａ＋の電圧であるα出力を示すグラフである。
【図１６】本発明の第２実施形態の回転角検出センサのセンサ基板上の電極Ａ−の電圧を基準にした電極Ａ＋の電圧であるα出力をおよび電極Ｂ−の電圧を基準にした電極Ｂ＋の電圧であるβ出力を両方示すグラフである。
【図１７】従来技術の回転角検出センサの平面図である。
【図１８】従来技術の回転角検出センサの正面図である。
【符号の説明】
１ 回転角検出センサ
２ 磁石
３ センサ基板
３ａ シリコン基板
４ 回転軸
８ ピン止め磁性層
１０ フリー磁性層
１２ 棒磁石ブロック
Ｃ 回転軸線
Ｈｅｘ 磁力線
ｇ１，ｇ２，ｇ３，ｇ４ ピン止め磁性層の磁化の向き
Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２ ＧＭＲ素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転角検出センサに関し、例えば自動車のステアリングシャフトに連結されて、ステアリングホィールの回転角度を検出する回転角検出センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の従来技術の回転角検出センサを図１７，図１８に基づいて説明する。図１７は従来技術の回転角検出センサの平面図、図１８は従来技術の回転角検出センサの正面図である。
【０００３】
従来技術の回転角検出センサ２１は、回転軸２２に固定され回転中心を通る中性点ｍ（二点鎖線で示す）を有する様、２極に着磁された円板状の磁石２３と、この円板状の磁石２３の側縁面２３ａに対向させて設けられ、回転軸２２の回転方向に対して位相のずれた位置で磁石２３の側縁面２３ａに対向するように配線板２４に固定されているホール素子２５，２６により構成されている。
【０００４】
磁石２３は、円板状で中央部に孔２３ｂを有し、この孔２３ｂに外部の回転体（図示せず）の回転を伝える回転軸２２が嵌入し固定されている。また、磁石２３の円板は中性点Ｍが円板の中心を通る様にＮ極とＳ極の２極に着磁が施されている。
【０００５】
ホール素子２５，２６は２個設けられ、２個のホール素子２５，２６は配線板２４にはんだ付け等の周知の方法で電気的に接続され、磁石２３の側縁面２３ａに対向し、配線板２４上で、回転軸２２の回転軸線ｄの回転方向に関してπ／２（ｒａｄ）位相のずれた位置で固定されている。
【０００６】
以上の構成による従来技術の回転角検出センサ２１の回転角検出方法を概略説明する。回転軸２２が反時計方向へ回転してホール素子２５に対して円板状の磁石２３のＳ極が最も接近すると、ホール素子２５の感磁面を横切って入射する磁力線Ｂが最大になるので、ホ−ル素子２５の出力は最大値を取り、更に同一方向に回転軸２２が回転して磁石２３のＮ極がホール素子２５に最も接近すると、反対方向の磁力線の密度が最大になるのでホール素子の出力は最小値を取る。このようにして、ホール素子２５の出力は、回転軸２２を同一方向に回転していくと１回転で１周期の正弦波となる。ホール素子２６の出力は、回転軸２２の回転軸線ｄに関してπ／２（ｒａｄ）ずれた位置に配置されているため、ホール素子２５の出力とπ／２（ｒａｄ）位相のずれた正弦波の出力を発生する。これら互いにπ／２（ｒａｄ）位相のずれた２つの正弦波を用いて、周知の方法を使って回転角を検出する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記した従来技術の回転角センサにおいては、磁石の周囲にホール素子を２個取り付け、そのスペースを確保しなければならず、全体として装置が大きくなってしまうと共に、素子の位置精度を正確に割り出す必要がある。また、ホール素子を使っているため出力電圧の変化は一般的に１％程度以下で小さく、センサ感度が悪く、３０〜５０倍程度の増幅率の大きな増幅器を使用する必要があるという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、波形精度が良好で、専有するスペースが小さく、センサ出力電圧の出力変化が大きくセンサ感度の良い回転角検出センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転角検出センサは、フリー磁性層とピン止め磁性層とを有するＧＭＲ素子を基板上に少なくとも２対設け、各対の前記ＧＭＲ素子同士を直列に接続し、前記ＧＭＲ素子と対向させて回転可能に磁石を配設し、この磁石によって前記ＧＭＲ素子に飽和磁界を印加させ、前記ＧＭＲ素子面と平行な磁力線の向きが回転するように磁界を発生させ、各対となる前記ＧＭＲ素子を前記磁石の回転軸に対して対称な位置に配置すると共に前記ＧＭＲ素子の前記ピン止め磁性層の磁化の向きを互いに逆向きにし、前記磁石の磁力線の向きに従う前記フリー磁性層の磁化の向きと前記ピン止め磁性層の磁化の向きのなす角度により発生する前記ＧＭＲ素子の抵抗値の変化によって回転軸の回転角度を検出する回転角検出センサであって、前記少なくとも２対の前記ＧＭＲ素子を前記回転軸に対して同一半径上に位置させると共に、それぞれの前記ＧＭＲ素子の前記ピン止め磁性層の磁化の向きを、隣接する一方の前記ＧＭＲ素子の前記ピン止め磁性層の磁化の向きとπ／２（ｒａｄ）ずらす一方、隣接する他方の前記ＧＭＲ素子の前記ピン止め磁性層の磁化の向きと−π／２（ｒａｄ）ずらすようにした。この構成により、素子を回転軸線の周りに近接して配置でき、専有するスペースが小さく、ＧＭＲ素子を使うので、センサ出力電圧の出力変化が大きくセンサ感度の良い回転角検出センサを得ることができる。また、少なくとも２対のＧＭＲ素子を回転軸に対して同一半径上に位置させるようにしたので、４個のＧＭＲ素子を、回転軸を中心にまとめることができ、回転角検出センサを更に小型化できる。さらに、それぞれのＧＭＲ素子のピン止め磁性層の磁化の向きを、隣接する一方のＧＭＲ素子のピン止め磁性層の磁化の向きとπ／２（ｒａｄ）ずらす一方、隣接する他方のＧＭＲ素子のピン止め磁性層の磁化の向きと−π／２（ｒａｄ）ずらしたことから、４本の棒磁石を互いにＮ極とＳ極が反対になるように束ねるだけの簡単な構造の棒磁石ブロックで着磁できるので、着磁のための準備がより簡単になる。
【００１２】
また、本発明の回転角検出センサは、前記少なくとも２対の前記ＧＭＲ素子の個々の前記ＧＭＲ素子を前記回転軸の回りにπ／２（ｒａｄ）の角度間隔で配置した。
この構成により、互いに正確にπ／２（ｒａｄ）位相のずれた２つの正弦波を得ることができ、より正確な回転角の検出ができる。
【００１４】
また、本発明の回転角検出センサは、前記少なくとも２対の前記ＧＭＲ素子を同一基板上に形成した。
この構成により、各ＧＭＲ素子の膜質が同じになるので、電気的、磁気的特性の揃ったＧＭＲ素子を得ることができ、各素子のばらつきによる検出誤差がなくなり、より正確な回転角検出ができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施形態の回転角検出センサを図１〜図１１を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態の回転角検出センサの平面図、図２は当該回転角検出センサの正面図、図３は当該回転角検出センサのセンサ基板を示す平面図、図４は図３のＤ部拡大図、図５は図４の５−５断面図、図６は当該回転角検出センサのセンサ基板上のＧＭＲ素子の着磁方法を示す図、図７は前記ＧＭＲ素子へ着磁する時の着磁用棒磁石から出る磁力線の方向を示す図、図８は当該回転角検出センサのセンサ基板上の回路を示す回路図、図９は前記センサ基板の電極Ａの出力を示すグラフ、図１０は前記センサ基板の電極Ａ、電極Ｂの出力を両方示すグラフ、図１１は第１の実施形態の回転角検出センサの変形例を示す図、をそれぞれ示している。
【００１６】
本発明の第１実施形態の回転角検出センサ１は、回転軸４に固定され回転中心を通る中性点Ｍ（２点鎖線で示す）を有する様、２極に着磁された円板状の磁石２と、この円板状の磁石２の回転軸４と直交する平面内に、磁石２の回転軸４の端面４ａにセンサ基板３が対向して設けられている。
【００１７】
磁石２は、円板状で中央部に孔２ａを有した強磁性体で、この孔２ａにｓウテアリング等の回転体（図示せず）の回転を伝える回転軸４が嵌入し固定され、回転軸線Ｃを中心にして回転するようになっている。また、円板状の磁石２の円板は中性点Ｍが円板の中心Ｃを通る様にＮ極とＳ極の２極に着磁が施されている。磁石２のＮ極からは磁力線が出て、Ｓ極に入り、円板状の磁石２の下面には磁界に伴う磁力線Ｈｅｘが発生している。また、磁石２によって、ＧＭＲ素子Ｒａ１Ｒａ２、Ｒｂ１、Ｒｂ２に飽和磁界が加えられている。
【００１８】
センサ基板３は、シリコン基板３ａ上に電極Ｖｃｃ、電極Ａ、電極Ｂ、電極ＧＮＤとＧＭＲ素子Ｒａ１、ＧＭＲ素子Ｒａ２、ＧＭＲ素子Ｒｂ１、ＧＭＲ素子Ｒｂ２が設けられており、これら電極とＧＭＲ素子とをリードＬ１、リードＬ２、リードＬ３、リードＬ４、リードＬ５が接続している。図３，８に示すように、電極ＶｃｃとＧＭＲ素子Ｒａ１の一端はリードＬ１によって接続され、ＧＭＲ素子Ｒａ１の他端とＧＭＲ素子Ｒａ２の一端とはリードＬ２によって接続され、リードＬ２はまた、電極Ａに接続され、ＧＭＲ素子Ｒａ２の他端はリードＬ３により電極ＧＮＤに接続されている。即ち、ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２は直列に接続され２つのＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２の間から電極Ａが引き出されている。また、電極ＶｃｃとＧＭＲ素子Ｒｂ１の一端はリードＬ４によって接続され、ＧＭＲ素子Ｒｂ１の他端とＧＭＲ素子Ｒｂ２の一端とはリードＬ５によって接続され、リードＬ５はまた、電極Ｂに接続され、ＧＭＲ素子Ｒｂ２の他端はリードＬ３により電極ＧＮＤに接続されている。即ち、ＧＭＲ素子Ｒｂ１，Ｒｂ２は直列に接続され２つのＧＭＲ素子Ｒｂ１，Ｒｂ２の間から電極Ｂが引き出されている。また、ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２が直列に接続されたものと、ＧＭＲ素子Ｒｂ１，Ｒｂ２が直列に接続されたものの両端は、それぞれ電極Ｖｃｃと電極ＧＮＤに接続されている。シリコン基板３ａ上で、電極Ａ，Ｂ，Ｖｃｃ，ＧＮＤ以外の部分は全体に絶縁コートが施されている。
【００１９】
各ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２は、それぞれ帯状の小抵抗体ｒ１，ｒ２，ｒ３と折り返し電極ｅ１，ｅ２からなり、図４に示すように、それぞれ帯状の小抵抗部ｒ１，ｒ２，ｒ３が直列に接続され、折り返し電極ｅ１，ｅ２を介して各小抵抗部ｒ１，ｒ２，ｒ３が互いに平行になるように折り返して配置されている。また、各ＧＭＲ素子の中心位置は、回転軸４の回転軸線Ｃがセンサ基板３と交差する点Ｃ’に対して略等距離の位置にあり、各ＧＭＲ素子の帯状の小抵抗部ｒ１，ｒ２，ｒ３を長手方向に延長すると、ほぼ点Ｃ’を通っている。また、各ＧＭＲ素子はそれぞれ後述するピン止め磁性層とフリー磁性層とを有し、センサ基板３上の点Ｃ’に関して点対称に設けられているＧＭＲ素子Ｒａ１とＧＭＲ素子Ｒａ２ではピン止め磁性層の磁化の向きｇ１，ｇ２が互いに逆向きとなっている。また、同様にＧＭＲ素子Ｒｂ１とＧＭＲ素子Ｒｂ２もセンサ基板３上の点Ｃ’に関して点対称に設けられ、ピン止め磁性層とフリー磁性層を有し、互いにピン止め磁性層の磁化の向きが逆向きとなっている。また、ＧＭＲ素子Ｒａ１とＧＭＲ素子Ｒａ２それぞれの中心位置を結ぶ線とＧＭＲ素子Ｒｂ１とＧＭＲ素子Ｒｂ２それぞれの中心位置を結ぶ線とは直角に交わっている。
【００２０】
ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２は、図５に示すように、下地層５、反強磁性層７、ピン止め磁性層８、非磁性導電層９、フリー磁性層１０、保護層１１が順次積層し、両端に電極層６を設けて構成され、反強磁性層７とピン止め磁性層８の交換結合によって、磁化された反強磁性層７の磁化の向きにピン止め磁性層８の磁化の向きが従い、紙面に垂直方向で紙面の裏へ向かう向きに固定されている。フリー磁性層１０は強磁性体材料によって形成され、磁化方向は固定されず、磁石２の磁界の磁力線Ｈｅｘの向きによって磁化の向きが決められる。この時、磁力線Ｈｅｘによって向きの変化したフリー磁性層１０の磁化の向きがピン止め層８の磁化の向きと同じになるとＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２の抵抗値は最小になり、フリー磁性層１０の磁化の向きがピン止め磁性層８の磁化の向きと反対になると、ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２の抵抗値は最大になる。
ＧＭＲ素子Ｒａ１については、センサ基板３上でピン止め磁性層８の磁化の向きは反強磁性層７の磁化の向きにより、帯状の小抵抗部ｒ１，ｒ２，ｒ３の長手方向に対して直角方向で図３におけるｇ１の向きに向いている。他のＧＭＲ素子Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２のピン止め層もそれぞれ帯状の小抵抗部ｒ１，ｒ２，ｒ３の長手方向に対して直角方向に磁化方向が固定されている。
【００２１】
上記したセンサ基板３について、その製造方法を説明する。シリコン基板３ａ上に下地層としてアルミナ（酸化アルミニウム）層５がスパッタリングにより成膜され、その上に、反強磁性層７としてＰｔＭｎ（白金マンガン）合金層、ピン止め磁性層８としてＣｏＦｅ（コバルト鉄）合金層が、非磁性導電層９としてＣｕ（銅）層が、フリー磁性層１０としてＮｉＦｅ（ニッケル鉄）合金層が、保護層１１としてＴａ（タンタル）層が、それぞれ順次スパッタリングにより積層される。この積層膜をフォトリソグラフィーによりパターン形成し、４個のＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２の帯状の小抵抗部ｒ１，ｒ２，ｒ３を形成する。最後に再度スパッタリングにより、電極６としてＣｒ（クロム）層とＡｕ（金）層を積層して成膜し、フォトリソグラフィーにより４個のＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２の電極６のパターン形成を行う。
次に、各ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２のピン止め磁性層８を固定するために着磁をする。図６に示すように、４本の角柱状棒磁石１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを互いに磁極の極性が反対になるように束ね、棒磁石ブロック１２を作成し、この棒磁石ブロック１２の下端面をセンサ基板３の表面に近接させる。このとき、棒磁石ブロック１２の下端面には、図７に示すように、下端面に表出した４個の磁極Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓにより４方向の互いに近接した磁力線Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４が発生する。ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２のそれぞれには、互いに逆向きの磁力線Ｈ１，Ｈ２が発生するよう磁界が印加され、ＧＭＲ素子Ｒｂ１，Ｒｂ２には、互いに逆向きの磁力線Ｈ１，Ｈ２が発生するよう磁界が印加される。
センサ基板３に棒磁石ブロック１２を近接させた状態で保持し、真空中で数時間、高温のアニールを行い着磁を完了する。この着磁工程により、ＧＭＲ素子Ｒａ１とＧＭＲ素子Ｒａ２のピン止め磁性層の磁化の向きは互いに逆向きのｇ１，ｇ２に固定される。また、ＧＭＲ素子Ｒｂ１とＧＭＲ素子Ｒｂ２のピン止め磁性層の磁化の向きも互いに逆向きのｇ３，ｇ４に固定される。この着磁工程では、４本の棒磁石１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを互いに磁極の極性が反対になるように束ねるだけの簡単な方法で着磁用の棒磁石ブロック１２を作成できるので、着磁の準備が簡単になる。尚、上述した各層の材質は上述した材質に限定されるものではない。
【００２２】
次に、本発明の第１実施形態の回転角検出センサの動作を説明する。ステアリング等の外部の回転体の回転が回転軸４に伝えられ、円板状の磁石２を回転させると円板状の磁石２の下面に発生している磁力線Ｈｅｘが回転する。磁力線Ｈｅｘはセンサ基板３の表面に平行で均一に存在し、あるいは平行で均一とみなすことができる程度に、基板３に比べて磁石２は十分大きく形成されている。また、磁力線Ｈｅｘは各ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２を横切り、それらが飽和するのに十分な磁界を与えている。センサ基板３の電極Ｖｃｃには５Ｖの定電圧が印加されていて、電極ＧＮＤはアースに接続されている。電極ＡはＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２の接続点での電圧出力をＡ出力として取り出す電極で、電極ＢはＧＭＲ素子Ｒｂ１，Ｒｂ２の接続点での電圧出力をＢ出力として取り出す電極である。尚、Ａ出力及びＢ出力の後段には、図示を省略するが、２．５Ｖの電圧が一方の入力端子に接続され、増幅率１２倍、基準電圧２．５Ｖの差動増幅器に接続されいる。
【００２３】
初めに、図３において、磁石２の磁力線の向きＨｅｘがセンサ基板３の表面上で下方のＧＭＲ素子Ｒａ２から上方のＧＭＲ素子Ｒａ１へ向かう基準の向きＺ（角度０ｒａｄに相当）と同じである場合を考えると、ＧＭＲ素子Ｒａ１のピン止め層８の磁化の向きｇ１と磁力線Ｈｅｘの向きは直角であるからＧＭＲ素子Ｒａ１の抵抗値は磁力線Ｈｅｘによる抵抗値変化の最大値と最小値の中間の値となり、ＧＭＲ素子Ｒａ２のピン止め磁性層８の向きｇ２も磁力線Ｈｅｘの向きと直角であるから、やはりＧＭＲ素子Ｒａ２の抵抗値は最大値と最小値の中間の値となる。ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２は同一基板上にほぼ同一条件で形成されているものなので、それらの磁気特性はほぼ同じと考えられ、ＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２の磁界Ｈｅｘによる抵抗変化も同一であるため、それぞれの最大値、最小値、最大値と最小値の中間の値もほぼ同じである。従って、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きがセンサ基板３上の基準の向きＺと同じときは、上記したようにＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２の抵抗値は同じ値となり、従って約２．５Ｖの電圧が差動増幅器に入力され、よって差動増幅器の入力端側の電圧差は０となり増幅されても０であるので基準値の２．５Ｖが加わって電極ＡのＡ出力は２．５Ｖとなる。次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘが反時計方向に回転角π／２（ｒａｄ）回転すると、磁力線Ｈｅｘの向きとＧＭＲ素子Ｒａ１のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ１は同じ向きになるので、ＧＭＲ素子Ｒａ１の抵抗値は小さくなって最小値、即ち、この場合はＧＭＲ素子の抵抗値変化率５％のものを使用しているので初期の抵抗値の２．５％小さい値をとる。ＧＭＲ素子Ｒａ２の抵抗値はＧＭＲ素子Ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ２と磁力線Ｈｅｘが逆向きなので最大値、即ち、この場合にＧＭＲ素子の抵抗値変化率は５％のものを使用しているので初期の抵抗値より２．５％大きい値をとる。従って、約２．５６３Ｖの電圧が差動増幅器に入力され、よって差動増幅器の入力端側の電圧差は０．０６３Ｖとなり１２倍に増幅されて０．７６Ｖの信号が得られ、基準値の２．５Ｖが加わって電極ＡのＡ出力は最大の３．２６Ｖとなる。次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘが反時計方向に更にπ／２（ｒａｄ）回転する、即ち基準の向きＺから反時計方向に回転角π（ｒａｄ）回転すると、磁力線Ｈｅｘの向きとＧＭＲ素子Ｒａ１のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ１およびＧＭＲ素子Ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ２は直角になるので、磁石２の磁力線Ｈｅｘと基準の向きＺが一致したときと同様に、Ａ出力は約２．５Ｖになる。次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘが反時計方向に更にπ／２（ｒａｄ）回転する、即ち、基準の向きＺから反時計方向へ３π／２（ｒａｄ）回転すると、磁力線Ｈｅｘの向きとＧＭＲ素子Ｒａ１のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ１は逆向きになるので、ＧＭＲ素子Ｒａ１の抵抗値は大きくなって最大値をとる。ＧＭＲ素子Ｒａ２の抵抗値はＧＭＲ素子Ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ２と磁力線Ｈｅｘが同じ向きなので最小値をとる。従って、電極ＡのＡ出力は前述と同様に計算して最小値の約１．７４Ｖになった。次に、更に磁石２の磁力線Ｈｅｘが反時計方向にπ／２（ｒａｄ）回転する、即ち、基準の向きＺから反時計方向へ２π（ｒａｄ）回転すると、１周期が終わり、初めの状態と同じになり、Ａ出力は約２．５Ｖとなる。更に磁石２の磁力線Ｈｅｘを回転すると、電極ＡのＡ出力は１周期目の出力変化を繰り返す。
【００２４】
Ｂ電極からのＢ出力は、ＧＭＲ素子Ｒｂ１，Ｒｂ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ３，ｇ４がＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｇ１，ｇ２よりπ／２（ｒａｄ）反時計方向に進んでいるので、Ａ電極からのＡ出力より、π／２（ｒａｄ）進んでいる出力電圧となる。
磁石２の回転角は互いにπ／２（ｒａｄ）ずれたＡ出力とＢ出力から周知の方法で検出される。以上のように、本発明の第１実施形態の回転角検出センサは、素子を回転軸線の周りに近接して配置でき、専有するスペースが小さく、抵抗変化率が５％程度であるＧＭＲ素子を使うので、センサ出力電圧の出力変化が大きくセンサ感度が良く、増幅率の小さい増幅器を用いることができ、正確な回転角を検出することができる。
【００２５】
尚、上記第１実施形態では４個のＧＭＲ素子を同一基板の上に設けた場合を記載し、その場合には４つのＧＭＲ素子Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２を近接して配置できるので、図５で示す各層の膜厚ををほぼ同じにして容易に特性を揃えることが可能であり、回転角検出センサの精度を高めることが容易であるが、本発明は、これに限定されることなく、図１１に示されているように、４個の基板Ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４の上にそれぞれＧＭＲ素子ｊ１，ｊ２，ｊ３，ｊ４を搭載し、それぞれのＧＭＲ素子ｊ１，ｊ２，ｊ３，ｊ４のピン止め磁性層の磁化の向きｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４がπ／２（ｒａｄ）ずつ向きがずれる位置に４個の基板ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４を固定してセンサ基板１３とし、回転角検出センサを構成してもよい。
【００２６】
次に、本発明の第２実施形態の回転角検出センサを図１２から図１６を用いて説明する。図１２は本発明の第２実施形態の回転角検出センサのセンサ基板を示す平面図、図１３，１４は前記センサ基板上のＧＭＲ素子とリード部を示す回路図、図１５は前記ＧＭＲ素子の電極Ａ−の電圧を基準とした電極Ａ＋の出力を示すグラフ、図１６は前記ＧＭＲ素子の電極Ａ−の電圧を基準にした電極Ａ＋の電圧であるα出力をおよび電極Ｂ−の電圧を基準にした電極Ｂ＋の電圧であるβ出力を両方示すグラフ、をそれぞれ示している。第２実施形態の説明中、第１実施形態と同じまたは同様な部分はその名称または番号を引用しその説明を省略し、同様な説明についてはこれを割愛する。
【００２７】
本発明の第２実施形態の回転角検出センサの構成は、第１実施形態の回転角検出センサとはセンサ基板１４が異なるだけであるので、センサ基板１４の説明とその動作のみを説明する。
【００２８】
センサ基板１４は、シリコン基板１４ａ上に電極Ｖｃｃ１、電極Ｖｃｃ２、電極Ａ＋、電極Ａ−、電極Ｂ＋、電極Ｂ−、電極ＧＮＤ１、電極ＧＮＤ２とＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２，ｒａ３，ｒａ４、ＧＭＲ素子ｒｂ１，ｒｂ２，ｒｂ３，ｒｂ４が設けられており、これら電極とＧＭＲ素子とをリード部ｌ１，ｌ２，ｌ３，ｌ４，ｌ５，ｌ６，ｌ７，ｌ７’，ｌ８が接続している。ＧＭＲ素子ｒａ１とＧＭＲ素子ｒａ２とはリード部ｌ２を介して直列に接続され、電極Ｖｃｃ１と電極ＧＮＤ１との間にリード部ｌ１，ｌ４を介して接続され、ＧＭＲ素子ｒａ３とＧＭＲ素子ｒａ４もまたリード部ｌ３を介して直列に接続され、電極Ｖｃｃ１と電極ＧＮＤ１との間にリード部ｌ１，ｌ４を介して接続されている。即ち、電極Ｖｃｃ１と電極ＧＮＤ１との間には、ＧＭＲ素子ｒａ１とＧＭＲ素子ｒａ２が直列接続されたものとＧＭＲ素子ｒａ３とＧＭＲ素子ｒａ４が直列接続されたものとが並列に接続されている。同様に、ＧＭＲ素子ｒｂ１とＧＭＲ素子ｒｂ２とはリード部ｌ６を介して直列に接続され、電極Ｖｃｃ２と電極ＧＮＤ２との間にリード部ｌ５，ｌ８を介して接続され、ＧＭＲ素子ｒｂ３とＧＭＲ素子ｒｂ４もまたリード部ｌ７，ｌ７’を介して直列に接続され、電極Ｖｃｃ２と電極ＧＮＤ２との間にリード部ｌ５，ｌ８を介して接続されている。即ち、電極Ｖｃｃ２と電極ＧＮＤ２との間には、ＧＭＲ素子ｒｂ１とＧＭＲ素子ｒｂ２が直列接続されたものとＧＭＲ素子ｒｂ３とＧＭＲ素子ｒｂ４が直列接続されたものとが並列に接続されている。シリコン基板１４ａ上で、電極Ａ＋，Ａ−，Ｂ＋，Ｂ−，Ｖｃｃ１，Ｖｃｃ２，ＧＮＤ１，ＧＮＤ２以外の部分は全体に絶縁コートが施されている。
【００２９】
各ＧＭＲ素子は帯状の小抵抗部が折り返して直列に接続され、ＧＭＲ素子ｒａ１とＧＭＲ素子ｒａ３、ＧＭＲ素子ｒａ２とＧＭＲ素子ｒａ４、ＧＭＲ素子ｒｂ１とＧＭＲ素子ｒｂ３、ＧＭＲ素子ｒｂ２とＧＭＲ素子ｒｂ４はそれぞれの帯状の小抵抗部が平行になるように隣接して配置され、互いのピン止め磁性層８の磁化の向きは逆向きになっている。各ＧＭＲ素子の中心位置は、回転軸４の回転軸線Ｃがセンサ基板１４と交差する点Ｃ’’に対して略等距離の位置にあり、各ＧＭＲ素子の帯状の小抵抗部の長手方向を延長すると、ほぼ点Ｃ’’を通っている。ＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２と、ＧＭＲ素子ｒａ３，ｒａ４と、ＧＭＲ素子ｒｂ１，ｒｂ２及び、ＧＭＲ素子ｒｂ３，ｒｂ４はそれぞれ互いにセンサ基板１４上の点Ｃ’’に関して略点対称の位置に設けられ、互いにピン止め磁性層８の磁化方向が逆向きとなっている。また、ＧＭＲ素子ｒａ１とＧＭＲ素子ｒａ２それぞれの中心位置を結ぶ線とＧＭＲ素子ｒｂ１とＧＭＲ素子ｒｂ２それぞれの中心位置を結ぶ線とは直角に交わっている。更に、ＧＭＲ素子ｒａ３とＧＭＲ素子ｒａ４それぞれの中心位置を結ぶ線とＧＭＲ素子ｒｂ３とＧＭＲ素子ｒｂ４それぞれの中心位置を結ぶ線とは直角に交わっている。
【００３０】
次に、本発明の第２実施形態の回転角検出センサの動作を説明する。外部の回転体の回転が回転軸４に伝えられ、円板状の磁石２を回転させると円板状の磁石２の下面に発生している磁力線Ｈｅｘの向きが回転する。磁力線Ｈｅｘはセンサ基板１４の表面に平行に存在し、各ＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２，ｒａ３，ｒａ４，ｒｂ１，ｒｂ２，ｒｂ３，ｒｂ４に磁力線Ｈｅｘを与えている。電極Ｖｃｃ１，Ｖｃｃ２には５Ｖの定電圧が印加されていて、電極ＧＮＤ１，ＧＮＤ２はアースに接続されている。電極Ａ＋はＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２の接続点での電圧出力を取り出す電極で、電極Ａ−はＧＭＲ素子ｒａ３，ｒａ４の接続点での電圧出力を取り出す電極であり、電極Ａ＋と電極Ａ−間の電圧をここでは図示しないが、増幅率６倍で基準電圧２．５Ｖの差動増幅器に入力してα出力として取り出し使用する。電極Ｂ＋はＧＭＲ素子ｒｂ１，ｒｂ２の接続点での電圧出力を取り出す電極で、電極Ｂ−はＧＭＲ素子ｒｂ３，ｒｂ４の接続点での電圧出力を取り出す電極であり、電極Ｂ＋と電極Ｂ−間の電圧を、ここでは図示しないが、増幅率６倍で基準電圧２．５Ｖの差動増幅器に入力してβ出力として取り出し、α出力と共に回転角検出に使用する。尚、差動増幅器を利用しているので、温度変化やノイズによって同じ傾向をもって出力値が変化した場合には、その影響をキャンセルできる。
【００３１】
図１２において、初めに、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きがセンサ基板１４の表面上で下方のＧＭＲ素子ｒａ２から上方のＧＭＲ素子ｒａ１へ向かう基準の向きＺ１（角度０ｒａｄに相当）と同じである場合を考えると、ＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２，ｒａ３，ｒａ４，ｒｂ１，ｒｂ２，ｒｂ３，ｒｂ４のフリー磁性層１０の磁化の向きは磁力線Ｈｅｘの向きに従うので、ＧＭＲ素子ｒａ１のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ１と磁力線Ｈｅｘの向きが直角である時は、ＧＭＲ素子ｒａ１の抵抗値は磁力線Ｈｅｘの向きによる抵抗値変化の最大値と最小値の中間の値となり、ＧＭＲ素子ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ２は磁力線Ｈｅｘの向きと直角であるから、やはりＧＭＲ素子ｒａ２の抵抗値は最大値と最小値の中間の値となる。ＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２は同一基板上にほぼ同一条件で形成されているものなので、それらの磁気特性はほぼ同じと考えられ、ＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２の磁力線Ｈｅｘの向きによる抵抗変化も同一であるため、それぞれの最大値、最小値、最大値と最小値の中間の値もほぼ同じである。従って、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きが基準の向きＺ１と同じときは、電極Ａ＋での出力電圧は電極Ｖｃｃに印加された電圧５Ｖの半分の２．５Ｖとなる。
電極Ａ−での出力電圧も同様に２．５Ｖとなる。従って、電極Ａ−を基準にした電極Ａ＋の電圧であるα出力は２．５Ｖとなる。即ち、差動増幅器の入力端側の電圧差は０Ｖとなり、増幅されても０Ｖであり、基準値の２．５Ｖが出力される。
【００３２】
次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きが基準の向きＺ１から反時計方向に回転角π／２（ｒａｄ）回転すると、ＧＭＲ素子ｒａ１のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ１は磁力線Ｈｅｘの向きと逆向きになるので、ＧＭＲ素子ｒａ１の抵抗値は最大値をとり、ＧＭＲ素子ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ２は磁力線Ｈｅｘの向きと同じ向きなのでＧＭＲ素子ｒａ２の抵抗値は最小値になり、電極Ａ＋の出力は下がり最小値を取る。即ち、５％の抵抗変化率のＧＭＲ素子を使用して、５ＶＸ０．９７５／（１．０２５＋０．９７５）＝２．４３８Ｖの出力となる。また、ＧＭＲ素子ｒａ３のピン止め層の磁化の向きｈ３は磁力線Ｈｅｘと同じ向きになるのでＧＭＲ素子ｒａ３の抵抗値は最小値になり、ＧＭＲ素子ｒａ４のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ４は磁力線Ｈｅｘの向きと逆向きになるのでＧＭＲ素子ｒａ３の抵抗値は最大値になり、電極Ａ−の出力電圧は上がり最大値をとる。即ち、５ＶＸ１．０２５／（１．０２５＋０．９７５）＝２．５６３Ｖの出力になる。よって、差動増幅器の入力端側の電圧差は２．５６３−２．４３８＝０．１２５となり６倍に増幅されて０．７５Ｖの信号が得られ、基準値の２．５Ｖが加わってα出力は最大値の３．２５Ｖとなる。
【００３３】
次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きが反時計方向に更にπ／２（ｒａｄ）回転する、即ち基準の向きＺ１から反時計方向に回転角π（ｒａｄ）回転すると、磁力線Ｈｅｘの向きとＧＭＲ素子ｒａ１のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ１およびＧＭＲ素子ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ２は直角になるので、磁石２の磁力線Ｈｅｘと基準の向きＺ１が一致したときと同様に、電極Ａ＋と電極Ａ−の出力電圧は２．５Ｖになる。従って、α出力も前述と同様に２．５Ｖになる。
【００３４】
次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きが更に反時計方向にπ／２（ｒａｄ）回転する、即ち基準の向きＺ１から反時計方向へ３π／２（ｒａｄ）回転すると、ＧＭＲ素子ｒａ１のピン止め層の磁化の向きｈ１は、磁力線Ｈｅｘの向き同じ向きになるので、ＧＭＲ素子ｒａ１の抵抗値は最小値となり、ＧＭＲ素子ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ２と磁力線Ｈｅｘの向きが逆向きになるので、ＧＭＲ素子ｒａ２の抵抗値は最大値をとり、電極Ａ＋の出力電圧は上がり２．５６３Ｖになる。また、ＧＭＲ素子ｒａ３のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ３は磁力線Ｈｅｘの向きと逆向きになるのでＧＭＲ素子ｒａ３の抵抗値は最大値になり、ＧＭＲ素子ｒａ４のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ４は磁力線Ｈｅｘの向きと同じ向きになるのでＧＭＲ素子ｒａ４の抵抗値は最小値になり、電極Ａ−の出力電圧は上がり２．４３８Ｖとなる。従って、α出力は最小値をとる。即ち、差動増幅器の入力端子側の電圧差は２．４３８Ｖ−２．５６３Ｖ＝−０．１２５Ｖとなり６倍に増幅されて−０．７５Ｖの信号が得られ、基準値の２．５Ｖが加わってα出力は最小値の１．７５Ｖとなる。
【００３５】
次に、磁石２の磁力線Ｈｅｘの向きが反時計方向に更にπ／２（ｒａｄ）回転する、即ち基準の向きＺ１から反時計方向に回転角２π（ｒａｄ）回転すると、磁力線Ｈｅｘの向きと基準の向きＺ１が一致するので、磁力線Ｈｅｘの向きの回転の最初の状態と同じになり、電極Ａ＋と電極Ａ−の出力電圧は２．５Ｖになる。従って、α出力は２．５Ｖになる。これで１周期が終わり、更なる磁力線Ｈｅｘの向きの回転は、１周期目のα出力の出力変化を繰り返す。
【００３６】
電極Ｂ＋の出力電圧の変化は、ＧＭＲ素子ｒｂ１，ｒｂ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｉ１，ｉ２と磁力線Ｈｅｘの向きとの関係がＧＭＲ素子ｒａ１，ｒａ２のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ１，ｈ２と磁力線Ｈｅｘの向きとの関係よりπ／２（ｒａｄ）反時計方向に進んでいるので、電極Ａ＋の出力電圧の変化よりπ／２（ｒａｄ）反時計方向に進んでいる。電極Ｂ−の出力電圧の変化も、ＧＭＲ素子ｒｂ３，ｒｂ４のピン止め磁性層８の磁化の向きｉ３，ｉ４と磁力線Ｈｅｘの向きとの関係がＧＭＲ素子ｒａ３，ｒａ４のピン止め磁性層８の磁化の向きｈ３，ｈ４と磁力線Ｈｅｘの向きとの関係よりπ／２（ｒａｄ）反時計方向に進んでいるので、電極Ａ−の出力電圧の変化よりπ／２（ｒａｄ）反時計方向に進んでいる。従って、電極Ｂ−を基準にした電極Ｂ＋の電圧であるβ出力は、電極Ａ−を基準にした電極Ａ＋の電圧であるα出力より、π／２（ｒａｄ）反時計方向に進んでいる。
磁石２の回転角は互いにπ／２（ｒａｄ）ずれたα出力とβ出力の正弦波の値から周知の方法により検出される。
上記したように、α出力とβ出力は、それぞれ出力変化は１．５Ｖ（最大値−最小値）であり、半分の増幅率の差動増幅器を使用しているのにもかかわらず第１実施形態のＡ出力とＢ出力の出力変化（最大値−最小値）とほぼ同等とすることができ、センサ感度が２倍になる。
また、入力オフセット電圧の小さな差動増幅器を用いなくともいいので、安価に作成できる。
【００３７】
【発明の効果】
上記したように、本発明の回転角検出センサは、フリー磁性層とピン止め磁性層とを有するＧＭＲ素子を基板上に少なくとも２対設け、各対のＧＭＲ素子同士を直列に接続し、ＧＭＲ素子と対向させて回転可能に磁石を配設し、この磁石の磁界を基板面方向に発生させ、各対となるＧＭＲ素子を磁石の回転軸の回転軸線を挟んで対向する位置となるように配置すると共にＧＭＲ素子のピン止め磁性層の磁化の向きが互いに逆向きであるようにし、磁石の磁界の向きに従うフリー磁性層の磁化の向きとピン止め磁性層の磁化の向きのなす角度により発生するＧＭＲ素子の抵抗値の変化によって回転軸の回転角度を検出するようにしたので、素子を回転軸の周りに近接して配置でき、所定の位相差を有する電圧を出力し回転角を検出する、専有するスペースが小さく、センサ出力電圧の出力変化が大きくセンサ感度の良い回転角検出センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の回転角検出センサの平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の回転角検出センサの正面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の回転角検出センサのセンサ基板を示す平面図である。
【図４】図３のＤ部拡大図である。
【図５】図４の５−５断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態の回転角検出センサのセンサ基板上のＧＭＲ素子への着磁方法を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態の回転角検出センサのセンサ基板上のＧＭＲ素子へ着磁する時の着磁用棒磁石から出る磁力線の方向を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態の回転角検出センサのセンサ基板上の回路を示す回路図である。
【図９】本発明の第１実施形態の回転角検出センサのセンサ基板の電極Ａの出力を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１実施形態の回転角検出センサのセンサ基板の電極Ａ、電極Ｂの出力を両方示すグラフである。
【図１１】本発明の第１実施形態の回転角検出センサの変形例を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施形態の回転角検出センサのセンサ基板を示す平面図である。
【図１３】本発明の第２実施形態の回転角検出センサのセンサ基板上の一組みのＧＭＲ素子と電極とリード部を示す回路図である。
【図１４】本発明の第２実施形態の回転角検出センサのセンサ基板上の他の組みのＧＭＲ素子と電極とリード部を示す回路図である。
【図１５】本発明の電極Ａ−の電圧を基準にした電極Ａ＋の電圧であるα出力を示すグラフである。
【図１６】本発明の第２実施形態の回転角検出センサのセンサ基板上の電極Ａ−の電圧を基準にした電極Ａ＋の電圧であるα出力をおよび電極Ｂ−の電圧を基準にした電極Ｂ＋の電圧であるβ出力を両方示すグラフである。
【図１７】従来技術の回転角検出センサの平面図である。
【図１８】従来技術の回転角検出センサの正面図である。
【符号の説明】
１ 回転角検出センサ
２ 磁石
３ センサ基板
３ａ シリコン基板
４ 回転軸
８ ピン止め磁性層
１０ フリー磁性層
１２ 棒磁石ブロック
Ｃ 回転軸線
Ｈｅｘ 磁力線
ｇ１，ｇ２，ｇ３，ｇ４ ピン止め磁性層の磁化の向き
Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒｂ１，Ｒｂ２ ＧＭＲ素子
Claims (3)
- フリー磁性層とピン止め磁性層とを有するＧＭＲ素子を基板上に少なくとも２対設け、各対の前記ＧＭＲ素子同士を直列に接続し、前記ＧＭＲ素子と対向させて回転可能に磁石を配設し、この磁石によって前記ＧＭＲ素子に飽和磁界を印加させ、前記ＧＭＲ素子面と平行な磁力線の向きが回転するように磁界を発生させ、各対となる前記ＧＭＲ素子を前記磁石の回転軸に対して対称な位置に配置すると共に前記ＧＭＲ素子の前記ピン止め磁性層の磁化の向きを互いに逆向きにし、前記磁石の磁力線の向きに従う前記フリー磁性層の磁化の向きと前記ピン止め磁性層の磁化の向きのなす角度により発生する前記ＧＭＲ素子の抵抗値の変化によって回転軸の回転角度を検出する回転角検出センサであって、
前記少なくとも２対の前記ＧＭＲ素子を前記回転軸に対して同一半径上に位置させると共に、それぞれの前記ＧＭＲ素子の前記ピン止め磁性層の磁化の向きを、隣接する一方の前記ＧＭＲ素子の前記ピン止め磁性層の磁化の向きとπ／２（ｒａｄ）ずらす一方、隣接する他方の前記ＧＭＲ素子の前記ピン止め磁性層の磁化の向きと−π／２（ｒａｄ）ずらしたことを特徴とする回転角検出センサ。 - 前記少なくとも２対の前記ＧＭＲ素子の個々の前記ＧＭＲ素子を前記回転軸の回りにπ／２（ｒａｄ）の角度間隔で配置したことを特徴とする請求項１記載の回転角検出センサ。
- 前記２対の前記ＧＭＲ素子を同一基板上に形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の回転角検出センサ。
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