JP4663204B2 - 回転角度センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体の回転数や回転角度変化などの回転状態を検知する回転角度センサ、及びこれを用いた位置センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被検出体の回転数や回転角度などの回転状態を検出する装置として、磁気センサを用いたものが多く使われている。これらは、被検出体に着磁された磁性体を装着し、被検出体の回転に伴う周辺の回転する磁界を磁気抵抗素子やホール素子等の磁気センサを用いて検出する。これらの磁気方式の回転センサは、精度が高く、非接触型であるので耐久性や信頼性も高く、自動車の車速計測やハンドルの切り角度計測など、さらには水道流量計の羽根車の回転数計測など非常に多岐にわたり且つ大量に使用されている。
【０００３】
一方，Ｆｅ／Ｃｒ系などの金属人工格子膜，Ｍｎ酸化物などの酸化物系、Ｃｏ−Ｃｕ合金などの金属−金属系グラニュラー合金、またＣｏ−Ａｌ−Ｏ合金薄膜などの金属−非金属系グラニュラー合金薄膜など、従来のＭＲ材料の１０倍以上の大きな巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を示す材料は、上記の回転角度センサの性能を大幅に向上させる材料として注目されている。特に、金属人工格子のＧＭＲを利用したスピンバルブ素子は磁気記録用のヘッドに実用化されており、回転センサなどの磁気センサへの応用も検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの回転角度センサは、用いる磁気検出素子によってそれぞれ問題を抱えている。ホール素子は、出力特性が磁界に対して直線的であるために、回転による以外の磁界変化、例えば、回転する磁性体とホール素子の位置関係の変化、また回転する磁性体の経年変化における減磁によっても出力が変化する。これらは、大きな誤差となり、経年変化や位置のずれを予想し、電気的に補正するのも困難である。
【０００５】
これに対し、磁気抵抗効果を利用した磁気素子は，磁性体が磁気的に飽和状態となる大きさの磁界であれば、それ以上に大きな磁界の変化に対して出力は変化しない。つまり、飽和磁界以上の磁界範囲で使用すれば、回転する磁性体と磁気抵抗素子の位置関係が変化しても、また磁性体の経年変化が起こっても出力は変化しない。しかし、パーマロイなどの異方的磁気抵抗効果（ＡＭＲ）材料は、その磁気抵抗比（ＭＲ比）が小さく、大きな出力を得ることはできない。
【０００６】
一般的に、ＧＭＲ材料の磁気抵抗効果は、磁界の大きさに対して変化し、磁界の向きの変化に対しては等方的で、大きさが同じであればどの方向からの磁界に対しても同じＭＲ比を示す。したがって、ＧＭＲ材料だけでは大きさが同じで回転する磁界を検出することはできない。ＧＭＲ材料のうち実用化がなされているスピンバルブ素子は、多層膜化することによってこの問題を解決しているが、その製作工程が複雑であるために低コスト化が困難で、付加価値の大きな磁気ヘッドにしか用いられておらず、低コストが求められる回転センサには用いられていないのが現状である。
【０００７】
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたもので、ＧＭＲ薄膜と磁性薄膜とを用い、高出力で回転状態の変化を高精度で検出することが可能で、且つ低コストな回転角度センサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
ＧＭＲ薄膜と磁性薄膜とからなり、構造が単純で製作工程が簡単であり、ＧＭＲ薄膜を用いているために高出力で、該磁性薄膜の飽和磁界以上の磁界変化に対して出力変化のない、高精度の回転角度センサを得ることができる。
【０００９】
本発明の特徴とするところは次の通りである。第１発明は、空隙によって２分割された磁性薄膜、該空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜、２分割された該磁性薄膜の各々に電気的に接続された電気端子、該電気端子間の抵抗値測定部を備えた回転磁界検出部と、着磁された磁性体で構成された回転体を備えた回転磁界発生部と、前記巨大磁気抵抗薄膜に印加される外部磁界をシールドする磁気シールドとを具備し、前記回転磁界発生部で発生した磁界により、前記磁性薄膜の磁化の向きが回転し、それによって発生する磁界が前記巨大磁気抵抗薄膜に作用し、その際に発現する磁気抵抗効果を検出して前記回転体の回転状態を検知することを特徴とする回転角度センサを提供する。
【００１０】
第２発明は、電気端子がブリッジ回路の一つのアームを形成してなり、電気端子間の抵抗値の計測がブリッジ出力電圧の計測により行われることを特徴とする第１発明に記載の回転角度センサを提供する。
【００１２】
第３発明は、着磁された磁性体からなる回転体から発生する１０Ｇ以上の磁界において、磁界の大きさの変化によって出力が変化しないことを特徴とする第１発明または第２発明に記載の回転角度センサを提供する。
【００１３】
第４発明は、第１発明から第３発明のいずれか１項に記載の回転角度センサを用いた位置センサを提供する。
【００１４】
【作用】
本発明の回転角度センサは、空隙によって２分割された磁性薄膜、該空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜、２分割された該磁性薄膜の各々に電気的に接続された電気端子、該電気端子間の抵抗値測定部からなる回転角度検出部と、着磁された磁性体で構成された回転体からなる回転磁界発生部からなるものであり、磁性薄膜が磁化すると、その近傍あるいは接して配置したＧＭＲ薄膜に磁性薄膜からの漏れ磁束による磁界が作用して、磁気抵抗効果が発現する。回転する外部磁界が印加されると、磁性薄膜の磁化が印加磁界と共に回転し、ＧＭＲ材料に対向する面から発生する磁束が変化し、ＧＭＲ材料に作用する磁界の大きさが変化する。これによって、本来等方的なＧＭＲ材料の磁気抵抗効果に異方性を持たせることができ、回転角度センサとして用いることが可能となる。
【００１５】
薄膜デバイスは多層構造のスピンバルブ素子のように成膜プロセスにおける工程が多い場合コストが高くなる。これに対し、本発明の回転角度センサは、構造が単純であり、製作工程が簡単であるので低コスト化が可能である。また、薄膜材料を用いているため，素子の容積を小さくすることが可能であり、１ｍｍ^３以下の小型化に対応できる。
【００１６】
【実施例】
以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
〔実施形態１〕
磁性薄膜としてパーマロイ（Ｆｅ_６５Ｎｉ_３５）薄膜を用い、ＧＭＲ薄膜に（ＦｅＣｏ）−Ｍｇ−Ｆナノグラニュラー薄膜を用いて、回転検出部を作製した。また回転磁界発生部にはＳｍＣｏ磁石を用いた。作製した回転角度センサの概略を図１に示す。この回転角度センサは、回転磁界検出部６と、回転磁界発生部７とからなる。回転磁界検出部６は、基板４上に、空隙により２分されるように形成された磁性薄膜１と、その空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜２と、２分割された該磁性薄膜の各々に電気的に接続された電気端子３と、該電気端子間の電気抵抗を測定する電気抵抗値測定部とを有する。また、回転磁界発生部７は、着磁された磁性体で構成された回転体５を有する。パーマロイ薄膜およびナノグラニュラー薄膜の作製にはＲＦスパッタ装置を用いた。尚、回転磁界発生部７は、回転に伴い変化する磁界を回転磁界検出部６に印加する構成になっていれば良く、本実施形態に示す構成はその一例である。他の構成としては、例えば、回転検出部と同一平面内の回転検出部を中心とした円の円周上に着磁された磁性体を配置し、磁性体を円周にそって回転させてもよい。また、歯車状の磁性体を回転させても同様の効果がある。
【００１７】
図２には、上記の回転角度センサの回転角度に対するＭＲ比の変化を示す。ＭＲ比は角度の変化に伴って変化し、最大で約６％の高い値を示している。
【００１８】
〔実施形態２〕
実施形態１に示した回転磁界検出部６を４個用い、それぞれブリッジ回路の一つのアームを形成させ、対向するアームを平行に配置し、平行に配置した２組のアームを他方と直角を成すように配置した。この実施形態１の回転検出部４個からなるブリッジ回路において、電気端子間のブリッジ出力電圧の計測を行なった。図３には本実施形態の回転角度と出力電圧の関係を示す。図３に示すように、出力電圧は最大±８５ｍＶである。
【００１９】
〔実施形態３〕
本発明の回転角度センサにおける回転検出部では、磁性膜が磁化することによって発生する磁界をＧＭＲ膜に作用させて回転磁界を検出する。回転磁界の方向が、回転磁界検出部の磁性薄膜のＧＭＲ薄膜に対向する（接する）面と平行である場合、すなわち当該空隙に平行方向である場合は、磁性薄膜から発生する磁界はＧＭＲ薄膜に作用しない。さらに、この場合、外部磁界がＧＭＲ薄膜に作用することが考えられるが、磁性薄膜が外部磁界を集める働きをするので、ＧＭＲ膜に外部磁界に比べて小さな磁界しか作用しない。ところが外部から印加する回転磁界が１ｋＧより大きくなると、ＧＭＲ膜に作用する磁界が無視できなくなり、回転磁界検出部分の出力が小さくなり、さらに外部印加回転磁界の大きさの変化によっても出力が変化する。
【００２０】
そこで、本実施形態では、図４の模式図に示すように、実施形態１に示した回転磁界検出部６におけるＧＭＲ薄膜への外部磁界をシールドする磁気シールド９を設けた。図中符号８は、空隙によって２分割された磁性薄膜と該空隙を埋めるように形成されたＧＭＲ薄膜とからなる部分を示す。ここでは、磁気シールド９として、パーマロイ（Ｆｅ_６５Ｎｉ_３５）薄膜を用いた。図５には実施形態２と実施形態３の２ｋＧの大きさの回転磁界を印加した場合の回転角度と出力の関係を示す。図５から、磁気シールドを備えることによって、出力電圧が増加していることがわかる。すなわち、ＧＭＲ薄膜への外部磁界を磁気シールド９によりシールドすることにより、回転磁界の方向が磁性薄膜のＧＭＲ薄膜に対向する（接する）面と平行であり、磁性薄膜から発生する磁界がＧＭＲ薄膜に作用しない場合に、外部磁界によって回転検出部の出力が低下することが防止される。
【００２１】
図６には実施形態３の回転磁界検出部を用いた回転角度センサの、印加する回転磁界の大きさと、最大出力電圧の関係を示したものである。印加する回転磁界の大きさは、回転磁界発生部に磁気特性の異なるＳｍＣｏ磁石を用いるか、回転磁界検出部と回転磁界発生部の距離を変えて変化させた。図６から、１０Ｇ以上の磁界において出力電圧は変化しないことがわかる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は、ＧＭＲ薄膜と磁性薄膜とにより回転角度検出部を構成するので、構造が単純で製作工程が簡単であり、ＧＭＲ薄膜を用いているために高出力、高感度で、該磁性薄膜の飽和磁界以上の磁界変化に対して出力変化のない、新しい高精度の回転角度センサが実現され、その工業的意義は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る回転角度センサを示す図である。
【図２】第１の実施形態の回転角度とＭＲ比の関係を示す特性図である。
【図３】第２の実施形態の回転角度と出力電圧の関係を示す特性図である。
【図４】第３の実施形態に係る回転磁界検出部の構成を示す図である。
【図５】第２の実施形態と第３の実施形態の２ｋＧの回転磁界における回転角度と出力電圧の関係を示す特性図である。
【図６】第３の実施形態の印加磁界の大きさと最大出力電圧との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１：磁性薄膜
２：巨大磁気抵抗薄膜
３：電気端子
４：基板
５：回転体
６：回転磁界検出部
７：回転磁界発生部
８：空隙によって２分割された磁性薄膜と該空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜とからなる部分
９：磁気シールド

Claims (4)

1. 空隙によって２分割された磁性薄膜、該空隙を埋めるように形成された巨大磁気抵抗薄膜、２分割された該磁性薄膜の各々に電気的に接続された電気端子、該電気端子間の抵抗値測定部を備えた回転磁界検出部と、
   着磁された磁性体で構成された回転体を備えた回転磁界発生部と、
   前記巨大磁気抵抗薄膜に印加される外部磁界をシールドする磁気シールドとを具備し、
   前記回転磁界発生部で発生した磁界により、前記磁性薄膜の磁化の向きが回転し、それによって発生する磁界が前記巨大磁気抵抗薄膜に作用し、その際に発現する磁気抵抗効果を検出して前記回転体の回転状態を検知することを特徴とする回転角度センサ。
2. 電気端子がブリッジ回路の一つのアームを形成してなり、電気端子間の抵抗値の計測がブリッジ出力電圧の計測により行われることを特徴とする請求項１記載の回転角度センサ。
3. 着磁された磁性体からなる回転体から発生する１０Ｇ以上の磁界において、磁界の大きさの変化によって出力が変化しないことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転角度センサ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転角度センサを用いた位置センサ。

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