JP4319153B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗素子の特性を利用して検出対象物の回転等の運動を検出する磁気センサに関するものである。

従来より、回転運動を制御するために、回転軸に磁石を設置して、軸の回転に伴って変化する磁気ベクトルを検出することで回転方向、回転数、位置の判断を行うという手法が用いられており、この磁気ベクトルの変化を検出するものとして、磁気センサが用いられてきた。磁気センサの構造としては、シリコン、ゲルマニウム等からなるｎ型半導体で構成されたホール素子を用いた構造と、Fe−Ni合金等からなる強磁性体磁気抵抗素子（以下、磁気抵抗素子と呼ぶ）を用いた構造とが存在し、これらを比較すると、ホール素子に比べて温度特性に優れかつ低磁界での感度が高い等の特徴から、磁気抵抗素子を使用した構造が多く提案されている。

例えば、特許文献１には、一つの基板上に形成した磁気抵抗素子によって回転方向と回転数の検出を可能にした磁気センサを採用した回転方向検出器が記載されている。この特許文献１において用いている磁気センサは、２つの磁気抵抗素子の設置角度を４５°ずらして構成したものであり、図５（ａ）に示すように、この磁気センサを回転体としての磁石２４（以下、信号磁石２４）の回転軸２５の延長線上に対向配置した状態で信号磁石２４を回転させると、これら２つの磁気抵抗素子から得られる波形は、図５（ｂ）に示すように、互いに１／４周期の位相差を持つ余弦波と正弦波となるため、これらの波形から回転方向、回転数を検出することが可能となる。
特開昭５４−１４８５７８号公報

しかし、上記特許文献１に記載の磁気センサで用いている磁気抵抗素子の配置では信号磁石２４のＮＳ極の判別ができないため、得られる波形は信号磁石２４の１回転で２周期の余弦波及び正弦波となってしまい、回転角度0°〜180°と180°〜360°における波形は同じになり、位置の判別には別の手段を講じなければいけないという問題があった。この問題を解決するためには、信号磁石２４が１回転したときに１周期の波形でかつ１／４周期の位相差を持つ余弦波と正弦波を出力する磁気センサが必要であるが、このような波形を得ることができる磁気抵抗素子からなる磁気センサはまだ知られていない。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、信号磁石が１回転したときに１周期の波形でかつ１／４周期の位相差を持つ余弦波と正弦波を出力することが可能な磁気抵抗素子からなる磁気センサを提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１は、バイアス磁石の磁極面と略平行な基板の取付面に８つの磁気抵抗素子を設け、前記バイアス磁石の磁極面に対向する位置に、回転軸を通る面で２極に分かれている信号磁石からなる検出対象物を設け、前記８つの磁気抵抗素子により、前記バイアス磁石と前記検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした磁気センサにおいて、前記バイアス磁石は、磁気的中心から放射状に磁気ベクトルを発生するものからなり、前記８つの磁気抵抗素子のうち４つの磁気抵抗素子は、前記バイアス磁石の磁気的中心を通る前記基板の取付面上の点（以下、中心点）を通る互いに直交する２本の中心線のうち一方の中心線上であって、かつ、中心点に対して対称の位置に設けた第１の領域及び第２の領域にそれぞれ２つずつ配置し、他の４つの磁気抵抗素子は、他方の中心線上であって、かつ、中心点に対して対称の位置に設けた第３の領域及び第４の領域にそれぞれ２つずつ配置し、これらの第１〜第４のそれぞれの領域内における２つの磁気抵抗素子のうちの一方を中心線に対して略４５°の角度方向に延伸させ、他方の磁気抵抗素子を一方の磁気抵抗素子に対して略直角となるように延伸させて構成し、中心点に対して対称の位置にある２つの領域の４つの磁気抵抗素子を１組とする２組をそれぞれフルブリッジ回路に接続してなり、前記検出対象物の回転軸を前記中心点と略重なるように構成したことを特徴とする磁気センサである。

本発明の請求項２は、請求項１に加えて、前記第１、第２のそれぞれの領域に配置した２つの磁気抵抗素子は、一方の中心線上に一直線となるように配置し、前記第３、第４のそれぞれの領域に配置した２つの磁気抵抗素子は、他方の中心線上に一直線となるように配置したことを特徴とする磁気センサである。

本発明の請求項３は、請求項１に加えて、前記第１、第２のそれぞれの領域に配置した２つの磁気抵抗素子は、一方の中心線に対して線対称の位置となるように配置し、前記第３、第４のそれぞれの領域に配置した２つの磁気抵抗素子は、他方の中心線に対して線対称の位置となるように配置したことを特徴とする磁気センサである。

請求項１記載の発明によれば、検出対象物の１回転で１周期となり、かつ、互いに１／４周期ずれた余弦波と正弦波を得ることができ、この２つの波形を用いることにより、検出対象の回転方向、回転数のみならず、位置の検出も同時に行うことが可能となる。さらに、フルブリッジ回路によって得られるもう１組の出力を用いることにより、差動回路で中点電位の安定性の向上と増幅を行うことが可能になるというメリットがある。

請求項２記載の発明によれば、フルブリッジ回路を構成する８つの磁気抵抗素子のそれぞれの位置が定まるため、安定した出力波形を得ることが可能となる。

請求項３記載の発明によれば、フルブリッジ回路を構成する８つの磁気抵抗素子のそれぞれの位置が定まるため、安定した出力波形を得ることが可能となる。

本発明による磁気センサは、磁石の磁極面と略平行な取付面に４つの磁気抵抗素子を設け、前記磁石とこの磁石の磁極面に対向する検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした磁気センサにおいて、前記４つの磁気抵抗素子のうち２つの磁気抵抗素子は、前記取付面上の任意の点（以下、中心点）を通る一方の中心線上であってかつ中心点に対して対称の位置にそれぞれ配置すると共に一方の中心線に対して略４５°（又は１３５°）の角度となる同一方向に延伸させて構成し、残りの２つの磁気抵抗素子は、一方の中心線に対して垂直であると共に中心点を通る他方の中心線上であってかつ中心点に対して対称の位置にそれぞれ配置すると共に他方の中心線に対して略４５°（又は１３５°）の角度となる同一方向に延伸させて構成し、このように構成した４つの磁気抵抗素子を中心点に対して向かい合う２つの磁気抵抗素子を１組として計２組でそれぞれハーフブリッジ回路に接続すると共に、磁石の磁極面の磁気的中心と取付面上の中心点とが重なるように位置決めをしたことを特徴とするものである。以下、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の磁気センサ１０の構成を示したものである。図１（ａ）は、磁気センサ１０の基本構成を表したものであり、取付面としての基板１５上に構成された４つの磁気抵抗素子１１、１２、１３、１４と、この基板１５上の取付面と略平行となるように磁極面１７（例えばＮ極）を対向させた磁石１６（以下、バイアス磁石１６）とによって構成されている。基板１５上の４つの磁気抵抗素子のうち１１と１４は、図中の基板１５の略中心にある中心点２０を通る中心線１８上であってかつ中心点２０に対して対称の位置に設けられており、これらの磁気抵抗素子１１、１４は共に中心線１８に対して４５°の角度方向に延伸させて設けてある。また、４つの磁気抵抗素子のうち残りの１２と１３は、中心点２０を通ると共に中心線１８に対して垂直な中心線１９上であってかつ中心点２０から対称の位置に設けられており、これらの磁気抵抗素子１２、１３は共に中心線１９に対して４５°の角度方向に延伸させて設けてある。なお、図１（ａ）におけるバイアス磁石１６の形状は正方形としたが、磁極面１７が基板１５に向かい合っているものであればこれに限られるものではなく、例えば、円形形状のバイアス磁石１６としてもよい。

このようにして４つの磁気抵抗素子１１〜１４を配置した基板１５は、図１（ａ）に示すように、中心点２０とバイアス磁石１６の磁極面１７上の磁気的中心２１とが重なるように位置関係を調整する。この状態で、図１（ｃ）に示すように、リードフレーム２２の両面に接着すると共に、モールドパッケージ２３にて保持することで、磁気センサ１０を構成する。また、図１（ｂ）に示すように、中心点２０に対して向かい合う磁気抵抗素子１１と１４及び１２と１３でそれぞれハーフブリッジを構成して、これらの中点からの出力をそれぞれOutAとOutBとして取り出す。なお、本実施例ではモールドパッケージ２３によって基板１５とバイアス磁石１６を保持する構成としたが、基板１５上の中心点２０とバイアス磁石１６の位置関係さえ正しければ、保持方法を限定するものではない。

この磁気センサ１０は、図５（ａ）と同様に、検出対象（図中は信号磁石２４）に磁極面１７（同時に基板１５の取付面）を対向させた状態で使用するものである。具体的には、検出対象に取付けた回転体としての磁石２４（以下、信号磁石２４）の回転軸２５の延長線上にバイアス磁石１６の磁極面１７上の磁気的中心２１が重なるように設置する。この磁気センサ１０におけるバイアス磁石１６の磁極面１７からは、図１（ｄ）に示すように、磁気的中心２１から放射状に磁気ベクトルが発生しており、この磁気ベクトルが信号磁石２４の回転に伴って変化することでハーフブリッジの中点からの出力OutAとOutBが周期的に変化し、この出力OutA及びOutBの変化から検出対象の回転方向、回転数、位置の判断を行う。なお、検出対象物に磁極面を「対向させる」と記載したが、本実施例のように回転軸２５の延長線上に磁極面１７上の磁気的中心２１が重なる場合のみならず、磁極面１７が検出対象側を向いた状態で検出可能な範囲内であれば、中心点が重ならない場合も含んだものとする。

次に、信号磁石２４の回転に伴って変化する磁気ベクトルの様子を図２に基づいて説明する。図２（ａ）［１］〜［４］は、信号磁石２４の回転角度と磁気ベクトルの変化の様子を表したものであり、４つの磁気抵抗素子１１〜１４を配置する基板１５（座標面）上の領域を領域２６〜２９（これらを第１〜第４の領域と定義する）として表すと共に、信号磁石２４のＳ極側に着目して図示している。前述の通り、バイアス磁石１６のＮ極からの磁気ベクトルは図１（ｄ）のように放射状に発生しているが、この磁気ベクトルは、バイアス磁力≧信号磁力となる座標面において、検出対象に取付けた信号磁石２４のＳ極に引かれて磁気ベクトルの方向及びその強度が図２（ａ）［１］〜［４］のように変化する。図２（ａ）［１］のように、右側に信号磁石２４のＳ極が位置している場合を回転０度位置とすると、この回転０度位置においては、領域２７及び領域２８部分の磁気ベクトルは共にＳ極が位置する図中右側方向を向いており、また、領域２６、２９部分の磁気ベクトルはそれぞれＳ極側に引かれて斜め方向に変化している。同様に、信号磁石２４が９０度回転する毎に、図２（ａ）［２］〜［４］に示すような磁気ベクトルの変化がそれぞれ生じる。

このようにして変化する磁気ベクトルのうち、磁気抵抗素子１１と１４を配置するための領域２６と２９部分の磁気ベクトル変化に着目すると、信号磁石２４が９０度回転する毎に、図２（ｂ）［１］〜［４］のように磁気ベクトルが変化する。図２（ｂ）［１］に示す回転０度位置の場合には、領域２６では４５°方向の磁気ベクトルとなり、領域２９では−４５°方向の磁気ベクトルとなる。図１（ａ）に示すように、磁気抵抗素子１１と１４は共に１３５°方向に延伸させて設けてあるため、領域２６と２９部分の磁気ベクトルがそれぞれ磁気抵抗素子１１と１４に印加されると、磁気抵抗素子１１では延伸方向に垂直に磁気ベクトルが印加されることで抵抗値が最小となり、磁気抵抗素子１４では延伸方向と平行に磁気ベクトルが印加されることで抵抗値が最大となる。よって、図１（ｂ）のように構成したハーフブリッジの中点から取り出せる電圧値は最大値をとる。同様に、図２（ｂ）［２］〜［４］のそれぞれの状態においてハーフブリッジの中点から取り出せる電圧値は、それぞれ、印加電圧の略半分となる原点電圧、最小値、原点電圧となる。

図２（ｂ）［１］〜［４］は９０度単位で回転角度をずらした場合のみを表したものであるが、これらを連続的に変化させた場合においてハーフブリッジの中点から取り出せる電圧値は、図２（ｃ）に示すように、略余弦波状の波形となり、この波形は信号磁石２４の１回転で１周期となるものである。

図２（ｂ）［１］〜［４］は、図２（ａ）［１］〜［４］における領域２６と２９部分の磁気ベクトル変化に着目したものであるが、図２（ｄ）のように、図２（ａ）［１］〜［４］における領域２７と２８部分の磁気ベクトル変化に着目すると、磁気抵抗素子１２と１３で構成したハーフブリッジの中点から取り出せる電圧値は、それぞれ、印加電圧の略半分となる原点電圧、最大値、原点電圧、最小値となる。これらを連続的に変化させると、同様の波形を得られるが、この磁気抵抗素子１２と１３で構成したハーフブリッジから得られる波形は、磁気抵抗素子１１と１４で構成したハーフブリッジから得られる波形と１／４周期ずれた正弦波状の波形となる。これら２つのハーフブリッジ回路からそれぞれ得られる余弦波と正弦波を同時に表すと、図２（ｅ）に示すものとなる。

このような構成により、信号磁石２４の１回転で１周期となり、かつ、互いに１／４周期ずれた余弦波と正弦波の波形を得ることができる。この２つの波形を用いることにより、検出対象の回転方向、回転数のみならず、位置の検出も同時に行うことが可能となる。

前記実施例１では、図１（ａ）のように４つの磁気抵抗素子１１〜１４を基板１５上に配置し、その磁気抵抗素子１１と１４、１２と１３でそれぞれハーフブリッジを構成することで、信号磁石２４の１回転で１周期となり、かつ、互いに１／４周期ずれた余弦波と正弦波を得ていたが、本発明はこれに限られるものではなく、８つの磁気抵抗素子を用いて２つのフルブリッジを構成するようにしてもよい。

図３（ａ）は、８つの磁気抵抗素子を用いて磁気センサを構成する場合の基板１５上の配置例を表したものである。先ず、基板１５の中心点２０を通る中心線１８上であって、かつ、中心点２０に対して対称の位置に領域２６と領域２９を設ける。この領域２６内の中心線１８上の中心点に近い側と遠い側には、それぞれ磁気抵抗素子１１ａ、１１ｂを配置し、同様に、領域２９内の中心線１８上の中心点に近い側と遠い側には、それぞれ磁気抵抗素子１４ａ、１４ｂを配置する。ここで、磁気抵抗素子１１ａと１４ａ、１１ｂと１４ｂは、それぞれ中心点に対して対称の位置となるように設けてあり、また、１１ａと１４ａは中心線１８に対して４５°（又は１３５°）の角度方向に延伸させて構成してあり、１１ｂと１４ｂは１１ａと１４ａの延伸方向に対して略垂直となる方向に延伸させて構成してある。次に、中心点２０を通ると共に中心線１８に対して垂直な中心線１９上であって、かつ、中心点２０から対称の位置に領域２７と領域２８を設ける。この領域２７内の中心線１９上の中心点に近い側と遠い側には、それぞれ磁気抵抗素子１２ａ、１２ｂを配置し、同様に、領域２８内の中心線１９上の中心点に近い側と遠い側には、それぞれ磁気抵抗素子１３ａ、１３ｂを配置する。ここで、磁気抵抗素子１２ａと１３ａ、１２ｂと１３ｂは、それぞれ中心点に対して対称の位置となるように設けてあり、また、１２ａと１３ａは中心線１８に対して４５°（又は１３５°）の角度方向に延伸させて構成してあり、１２ｂと１３ｂは１１ａと１４ａの延伸方向に対して略垂直となる方向に延伸させて構成してある。

このようにして配置した８つの磁気抵抗素子を用いて、図３（ｂ）の［１］及び［２］に示すように、２つのフルブリッジ回路を構成する。図３（ｂ）［１］は、中心線１８上に配置した磁気抵抗素子１１ａ、１１ｂ、１４ａ及び１４ｂによって構成したフルブリッジ回路であり、このフルブリッジ回路の磁気抵抗素子１１ａと１１ｂの中点から出力OutA1を得て、磁気抵抗素子１４ａと１４ｂの中点から出力OutA2を得る。図３（ｂ）［２］は、中心線１９上に配置した磁気抵抗素子１２ａ、１２ｂ、１３ａ及び１３ｂによって構成したフルブリッジ回路であり、このフルブリッジ回路の磁気抵抗素子１２ａと１２ｂの中点から出力OutB1を得て、磁気抵抗素子１３ａと１３ｂの中点から出力OutB2を得る。

図３（ｂ）の２つのフルブリッジ回路によって得られた出力OutA1とOutB1は、前記実施例１における出力波形である図２（ｅ）の２つの波形と同様に、信号磁石２４の１回転で１周期となり、かつ、互いに１／４周期ずれた２つの正弦波状の波形となり、この２つの波形を用いることにより、検出対象の回転方向、回転数のみならず、位置の検出も同時に行うことが可能となる。さらに、図３（ｂ）の２つのフルブリッジ回路によって得られるもう１組の出力OutA2とOutB2を用いることにより、差動回路で中点電位の安定性の向上と増幅を行うことが可能になるというメリットがある。なお、フルブリッジ回路の構成は図３（ｂ）の［１］及び［２］に示す場合に限らず、例えば、図３（ｂ）の［３］及び［４］に示すような構成であってもよい。

また、図３（ａ）に示した例では、基板１５上の領域２６〜２９のそれぞれにおいて、各磁気抵抗素子が中心線１８又は１９上で一直線となるように配置して構成したが、図３（ｄ）に示すように、基板１５上の領域２６〜２９のそれぞれにおいて、中心線１８又は１９に対して線対称となる位置に２つの磁気抵抗素子を配置してフルブリッジ回路を構成しても、図３（ａ）に示した例と略同様の波形を得ることができる。

前記実施例において用いた各磁気抵抗素子は、正方形状のスペースに４５°又は１３５°の角度方向に延伸させて構成していたが、本発明はこれに限られるものではなく、４５°又は１３５°の角度方向に延伸させて構成したものであれば、図４（ａ）に示すように菱形状のスペースに形成してもよいし、図４（ｂ）に示すように三角形状のスペースに形成してもよい。

また、前記実施例において用いた各磁気抵抗素子は、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗）効果によって抵抗値が変化するものを想定して記載しているが、本発明はこれに限られるものではなく、磁気ベクトルの変化によって抵抗値が変化するものであれば利用することが可能であり、例えば、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果を用いて構成した磁気抵抗素子であってもよい。

前記実施例では、図５（ａ）に示すように、中央で２極に分かれている信号磁石２４を検出対象の回転軸２５に接続して、回転軸２５の延長線上に磁気センサ１０の基板１５上の中心点２０が重なるように構成したが、本発明はこれに限られるものではない。図６（ａ）に示すように、回転軸２５に磁性体材料３０を接続して構成することも可能であり、例えば、磁気センサ１０（リード線を省略した簡略図）の基板面に対して磁性体材料３０の断面を斜め方向に設けることにより、回転による磁気ベクトルの変化が生じる。また、図６（ｂ）に示すように、回転軸２５に円盤３１を取付け、この円盤３１の表面上における中心から離れた位置に信号磁石３２を磁極面が円盤表面と平行となるようにして設けて構成してもよく、信号磁石３２の位置にともなって磁気ベクトルの変化が生じる。さらに、図６（ｃ）に示すように、円盤３３の円周部分にＮ極とＳ極を交互に複数設けて構成した多極磁ロータ３４を回転軸２５に取付けるとともに、磁気センサ１０をこの多極磁ロータ３４の円周付近に配置することにより、検出対象の現在の正確な回転位置を検出可能な構成となる。

（ａ）は、基板１５上に配置する４つの磁気抵抗素子の構成を示した模式図であり、（ｂ）は、４つの磁気抵抗素子をハーフブリッジ回路で接続する場合の回路図であり、（ｃ）は、磁気センサ１０のパッケージングの一例を表した模式図であり、（ｄ）は、バイアス磁石１６の磁極面１７（Ｎ極）から発せられる磁気ベクトルの様子を表した模式図である。 （ａ）は、基板１５上の各領域２６〜２９に印加される磁気ベクトルが信号磁石の回転位置によって変化する様子を表した模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の回転位置に対応した領域２６と２９における磁気ベクトル変化を示した模式図であり、（ｃ）は、（ｂ）の場合に得られる出力波形を表した波形図であり、（ｄ）は、領域２７と２８を示した模式図であり、（ｅ）は、２つのハーフブリッジ回路から得られる２つの出力波形を表した波形図である。 （ａ）は、基板１５上に配置する８つの磁気抵抗素子の構成を示した模式図であり、（ｂ）［１］〜［４］は、８つの磁気抵抗素子を用いてフルブリッジ回路を構成する場合の構成例を示した回路図であり、（ｃ）は、基板１５上に配置する８つの磁気抵抗素子の構成の他の実施例を示した模式図である。 （ａ）及び（ｂ）は、磁気抵抗素子の形状の他の実施例を表した模式図である。 （ａ）は、磁気センサの設置方法を示した模式図であり、（ｂ）は、磁気抵抗素子を用いた従来の磁気センサによって得られる出力波形を示した波形図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ磁気センサ１０（リード線を省略した簡略図）の他の使用方法を示した模式図である。

符号の説明

１０…磁気センサ、１１、１１ａ、１１ｂ…磁気抵抗素子、１２、１２ａ、１２ｂ…磁気抵抗素子、１３、１３ａ、１３ｂ…磁気抵抗素子、１４、１４ａ、１４ｂ…磁気抵抗素子、１５…基板、１６…バイアス磁石、１７…磁極面、１８…中心線、１９…中心線、２０…中心点、２１…磁気的中心、２２…リードフレーム、２３…モールドパッケージ、２４…信号磁石、２５…回転軸、２６〜２９…基板上の各領域、３０…磁性体材料、３１…円盤、３２…信号磁石、３３…円盤、３４…多極磁ロータ。

Claims (3)

1. バイアス磁石の磁極面と略平行な基板の取付面に８つの磁気抵抗素子を設け、前記バイアス磁石の磁極面に対向する位置に、回転軸を通る面で２極に分かれている信号磁石からなる検出対象物を設け、前記８つの磁気抵抗素子により、前記バイアス磁石と前記検出対象物との相対的運動により生じる磁気ベクトルの変化を検出するようにした磁気センサにおいて、
   前記バイアス磁石は、磁気的中心から放射状に磁気ベクトルを発生するものからなり、前記８つの磁気抵抗素子のうち４つの磁気抵抗素子は、前記バイアス磁石の磁気的中心を通る前記基板の取付面上の点（以下、中心点）を通る互いに直交する２本の中心線のうち一方の中心線上であって、かつ、中心点に対して対称の位置に設けた第１の領域及び第２の領域にそれぞれ２つずつ配置し、他の４つの磁気抵抗素子は、他方の中心線上であって、かつ、中心点に対して対称の位置に設けた第３の領域及び第４の領域にそれぞれ２つずつ配置し、これらの第１〜第４のそれぞれの領域内における２つの磁気抵抗素子のうちの一方を中心線に対して略４５°の角度方向に延伸させ、他方の磁気抵抗素子を一方の磁気抵抗素子に対して略直角となるように延伸させて構成し、中心点に対して対称の位置にある２つの領域の４つの磁気抵抗素子を１組とする２組をそれぞれフルブリッジ回路に接続してなり、前記検出対象物の回転軸を前記中心点と略重なるように構成したことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１、第２のそれぞれの領域に配置した２つの磁気抵抗素子は、一方の中心線上に一直線となるように配置し、前記第３、第４のそれぞれの領域に配置した２つの磁気抵抗素子は、他方の中心線上に一直線となるように配置したことを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記第１、第２のそれぞれの領域に配置した２つの磁気抵抗素子は、一方の中心線に対して線対称の位置となるように配置し、前記第３、第４のそれぞれの領域に配置した２つの磁気抵抗素子は、他方の中心線に対して線対称の位置となるように配置したことを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。

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