JP5187538B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。

磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは、産業上、様々な分野で利用されており、例えば、自動車の分野では、ステアリングの回転角度検出や速度検出に用いられている。磁気センサには、特許文献１及び２に開示されているように、磁気抵抗効果素子から構成されたブリッジ回路が一般的に用いられている。ブリッジ回路において、磁気抵抗効果素子は、製造時の特性のばらつきに起因する出力誤差が生じないように磁化飽和領域で動作する。

この種の磁気センサは、測定対象である磁界の向きに対するセンサ応答の誤差が、該磁界の強度に依存して変化することが知られている。これは、とりわけ、磁界を発生させる磁気センサの取付位置に誤差がある場合に問題となる。発明者の試算によると、例えば、磁界の強度が３００（Ｏｅ）から２００（Ｏｅ）まで低下すると、角度誤差がおよそ０．６（ｄｅｇ．）から１．１（ｄｅｇ．）となり、約２倍に増加する場合があることがわかっている。

また、特許文献１には、互いの差が正確に９０度をなすべき、異なる磁気抵抗効果素子のピンド層同士の磁化方向の誤差を補償する技術が開示されており、一方、特許文献２には、波形歪みに起因する、逆正接関数から算出した角度の誤差を補償する技術が開示されている。

しかしながら、何れも、磁界の強度に応じて角度誤差を補償する技術を開示するものではない。

特許第４１９４４８４号公報 特許第４１９４４８５号公報

本発明の課題は、磁界の強度の影響を排除し、該磁界の向きを角度として正確に検出し得る磁気センサを提供することである。

１．第１の態様
上述した課題を解決するため、本発明に係る磁気センサは、第１のセンサ部と、第２のセンサ部とを含み、測定対象である磁界の向きを角度として検出する。

前記第１のセンサ部は、前記磁界により磁化飽和する１以上の磁気抵抗効果素子を含み、前記磁界の向きに応じた角度信号を出力する。

本発明に係る磁気センサによれば、第１のセンサ部は、測定対象である磁界により磁化飽和する１以上の磁気抵抗効果素子を含み、磁界の向きに応じた角度信号を出力する。

また、前記第２のセンサ部が、前記磁界により磁化飽和しない１以上の磁気抵抗効果素子を含み、前記磁界の強度に応じた強度信号を出力する。本発明に係る磁気センサの特徴は、前記角度を、高精度に求めるために、前記角度信号と前記強度信号とに基づいて得られる点にある。

この構成によれば、第２のセンサ部の磁気抵抗効果素子は、測定対象である磁界により磁化飽和しないため、第２のセンサ部は、その特性上の不飽和領域、すなわち、磁界の強度変化に対して出力電圧が線形に変化する領域において磁界の強度を検出することができる。これに対して、第１のセンサ部の磁気抵抗効果素子は、上述したように、実質的に出力電圧の変化がない飽和領域において動作するため、第２のセンサ部と違って、磁界の強度を検出することはできない。すなわち、本発明に係る磁気センサは、専ら磁界の方向を検出するための第１のセンサ部に、磁界の強度を検出するための第２のセンサ部を組み合わせた特徴的構成を備えている。

そして、本発明に係る磁気センサは、角度信号と強度信号とに基づいて角度を得るため、強度信号に従って補正された角度を得て、測定対象である磁界の強度に依存する角度誤差を低減し、正確に磁界の向きを角度として検出することができる。

２．第２の態様
本発明に係る磁気センサは、第１のセンサ部と、第２のセンサ部と、角度算出部と、取付位置解析部とを含み、測定対象である磁界の向きを検出する。

前記第１のセンサ部は、前記磁界により磁化飽和する１以上の磁気抵抗効果素子を含み、前記磁界の向きに応じた角度信号を出力する。前記角度算出部は、前記角度信号に基づいて、角度を算出する。

本発明に係る磁気センサによれば、第１のセンサ部は、測定対象である磁界により磁化飽和する１以上の磁気抵抗効果素子を含み、磁界の向きに応じた角度信号を出力し、さらに、角度算出部が角度信号に基づいて角度を算出し、磁界の向きを検出することができる。

そして、本発明に係る磁気センサの特徴は、前記第２のセンサ部が、前記磁界により磁化飽和しない１以上の磁気抵抗効果素子を含み、前記磁界の強度に応じた強度信号を出力する点にある。

この構成によれば、第２のセンサ部の磁気抵抗効果素子は、測定対象である磁界により磁化飽和しないため、上記の第１の実施態様と同様に、不飽和領域において磁界の強度を検出することができる。

本発明に係る磁気センサのさらなる特徴は、前記取付位置解析部は、前記磁界の方向、及び強度の空間分布を記録した磁力分布記録部を含み、前記空間分布に基づいて、前記角度と前記強度信号とから空間内の位置を特定する点にある。

したがって、あらかじめ、角度算出部の算出角度の誤差が最小となる空間内の位置を特定しておくことにより、磁界の方向、及び強度とを手がかりとして特定した磁気センサの現在位置との位置的誤差を検出し、これに従って該位置、または位置的誤差を修正することができる。

以上述べたように、本発明によれば、磁界の強度の影響を排除し、該磁界の向きを角度として正確に検出し得る磁気センサを提供することができる。

本発明に係る磁気センサの平面図である。 本発明に係る磁気センサの側面図である。 第１のセンサ部の回路図である。 ＴＭＲ素子の断面図である。 測定対象である磁界の向きの変化に対する第１のセンサ部の出力電圧の変化を示すグラフである。 測定対象である磁界の強度変化に対する、検出した角度の誤差の変化を示すグラフである。 測定対象である磁界の向きを一定にした場合の該磁界の強度変化に対する磁気抵抗効果素子の出力電圧の変化を示すグラフである。 本発明に係る磁気センサの電気的構成図である。 他の実施形態に係る磁気センサの電気的構成図である。 さらに他の実施形態に係る磁気センサの電気的構成図である。 他の態様の本発明に係る磁気センサの電気的構成図である。 図１の例における磁束と磁力の空間分布の模式図である。 他の実施形態に係る磁気センサの平面図である。 磁気抵抗効果素子を含むＩＣパッケージの断面図である。 他の実施形態に係る、磁気抵抗効果素子を含むＩＣパッケージの断面図である。 さらに他の実施形態に係る、磁気抵抗効果素子を含むＩＣパッケージの断面図である。 図１６に示されたＩＣパッケージの平面図である。 本発明に係る磁気センサを適用した回転数検出装置の外観である。 図１８のＢ−Ｂ線に沿った部分的断面図である。 図１９の例における磁力と角度誤差の空間分布の模式図である。

図１は、本発明に係る磁気センサの平面図であり、図２は、該磁気センサの側面図である。図１と図２は、ハンドルなどに適用される回転角センサの外観を示している。

円形状の回転軸４は、例えばハンドルの回転と連動する軸であって、位置ｏを中心として方向Ｒに回転する。回転軸４の円形状の端面には、これを二分割するようにＮ極側磁石４１とＳ極側磁石４２とが形成されている。Ｎ極側磁石４１とＳ極側磁石４２は、符号ｏで示す位置を中心とする回転軸４の回転に伴って磁界Ｂが回転する。この磁界Ｂが、本発明に係る磁気センサの測定対象である。

磁気センサ基板５は、板面が磁石４１，４２の表面４３と対向するように基部５１に設置されている。磁気センサ基板５は、略矩形の基板であり、板面に９個の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４，３０が実装されている。このうち、磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４は、回転磁界Ｂの方向、すなわち、中心ｏにおける磁束のなす角度の検出に用いられる。

一方、残り１個の磁気抵抗効果素子３０は、実質的に中心ｏに位置し、磁界Ｂの強度の検出に用いられる。この磁気抵抗効果素子３０は、他の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４が受ける磁界Ｂの強度を検出するために、これらと可能な限り近接して配置されるのが望ましい。何れの磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４，３０も、図中のＸ−Ｙ平面内の磁界Ｂの成分を検出すべく、フリー層の膜面が磁石４１，４２の表面４３と実質的に平行になるように固定されている。

磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４は、ＴＭＲ素子で角度を検出するための第１のセンサ部を構成する。ＴＭＲ素子に代えて、ＧＭＲ素子を用いて第１のセンサ部を構成してもよい。この第１のセンサ部の回路図は、図３に示されている。第１のセンサ部は、それぞれ第１〜第４のＴＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４を含む第１及び第２のブリッジ回路１，２を有している。

第１のブリッジ回路１は、第１のＴＭＲ素子１１と第２のＴＭＲ素子１２、並びに第３のＴＭＲ素子１３と第４のＴＭＲ素子１４が、それぞれ直列接続され、これらの直列回路が互いに並列接続されてなる。そして、第１のＴＭＲ素子１１と第３のＴＭＲ素子１３の接続端が電源端子Ｖｃｃに接続され、第２のＴＭＲ素子１２と第４のＴＭＲ素子１４の接続端がグランド端子ＧＮＤに接続されている。

また、第１のＴＭＲ素子１１と第２のＴＭＲ素子１２の接続端は出力端子Ｔ１２に接続され、第３のＴＭＲ素子１３と第４のＴＭＲ素子１４の接続端は出力端子Ｔ１１に接続されている。出力端子Ｔ１２に対する出力端子Ｔ１１の電位は、第１の出力電圧Ｖ１として検出される。

一方、第２のブリッジ回路２は、第１〜第４のＴＭＲ素子２１〜２４が、第１のブリッジ回路１と同様に接続されてなり、出力端子Ｔ２２に対する出力端子Ｔ２１の電位が、第２の出力電圧Ｖ２として検出される。このような回路構成は、あくまでも一例であって、第１のセンサ部を１個の磁気抵抗効果素子により構成してもよい。

ＴＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４は、図４に示されるように、反強磁性層１０１、ピンド層１０２、絶縁層１０３、フリー層１０４が、この順に積層された構造を有している。周知の通り、フリー層１０４は、外部磁界に従って磁化の向きＤ２が変化するのに対して、ピンド層１０２は磁化の向きＤ１が固定されている。図３に示された第１〜第４のＴＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４に付された矢印は、このピンド層１０２の磁化方向Ｄ１を示すものである。また、絶縁層１０３は、トンネルバリアとして機能する。なお、強度検出用の磁気抵抗効果素子３０についても、ＴＭＲ素子、あるいはＧＭＲ素子であってもよいが、ＴＭＲ素子を採用した場合、図４に示される層構造を有する。

第１のブリッジ回路１では、ピンド層１０２の磁化方向について、回路図上の対向関係にある第１のＴＭＲ素子１１と第４のＴＭＲ素子１４、並びに第２のＴＭＲ素子１２と第３のＴＭＲ素子１３が、それぞれ、互いに同一となっている。そして、第１のＴＭＲ素子１１と第４のＴＭＲ素子１４のピンド層１０２の磁化方向と、第２のＴＭＲ素子１２と第３のＴＭＲ素子１３のピンド層１０２の磁化方向とは、互いに反平行（正反対）の関係にある。

一方、第２のブリッジ回路２では、ピンド層１０２の磁化方向について、同様に、回路図上の対向関係にある第１のＴＭＲ素子２１と第４のＴＭＲ素子２４、並びに第２のＴＭＲ素子２２と第３のＴＭＲ素子２３が、それぞれ、互いに同一となっている。そして、第１のＴＭＲ素子２１と第４のＴＭＲ素子２４のピンド層１０２の磁化方向と、第２のＴＭＲ素子２２と第３のＴＭＲ素子２３のピンド層１０２の磁化方向とは、互いに反平行の関係にある。

図３の矢印に示されるように、第１のブリッジ回路１の各ＴＭＲ素子１１〜１４と第２のブリッジ回路２の各ＴＭＲ素子２１〜２４は、ピンド層１０２の磁化方向が互いに直交する関係にある。

周知の通り、ＴＭＲ素子の特徴は、ピンド層１０２の磁化方向とフリー層１０４の磁化方向が同一であるときに抵抗値が最小となり、これらが反平行（正反対）であるときに抵抗値が最大となることである。これに基づき、図３に示す回転磁界Ｂのなす角度θに対するＴＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４の抵抗値の変化を説明する。なお、角度θは、回転磁界Ｂの方向が第１のＴＭＲ素子１１と第４のＴＭＲ素子１４のピンド層１０２の磁化方向と同一である場合に、０度を示すものと定義する。

まず、角度θが０度であるとき、第１のブリッジ回路１では、第１のＴＭＲ素子１１と第４のＴＭＲ素子１４の抵抗値が最小となり、第２のＴＭＲ素子１２と第３のＴＭＲ素子１３の抵抗値が最大となる。他方、第２のブリッジ回路２では、各ＴＭＲ素子２１〜２４の抵抗値は、上記の最大値と最小値の中間値となる。

次に、角度θが９０度であるとき、つまり、外部磁界Ｂの方向が、ＴＭＲ素子２２，２３のピンド層４２の磁化方向と同一であるとき、第１のブリッジ回路１では、各ＴＭＲ素子１１〜１４の抵抗値は、上記の最大値と最小値の中間値となる。他方、第２のブリッジ回路２では、第１のＴＭＲ素子２１と第４のＴＭＲ素子２４の抵抗値が最大となり、第２のＴＭＲ素子２２と第３のＴＭＲ素子２３の抵抗値が最小となる。

次に、角度θが１８０度であるとき、第１のブリッジ回路１では、第１のＴＭＲ素子１１と第４のＴＭＲ素子１４の抵抗値が最大となり、第２のＴＭＲ素子１２と第３のＴＭＲ素子１３の抵抗値が最小となる。他方、第２のブリッジ回路２では、各ＴＭＲ素子２１〜２４の抵抗値は、上記の最大値と最小値の中間値となる。

最後に、角度θが２７０度であるとき、第１のブリッジ回路１では、各ＴＭＲ素子１１〜１４の抵抗値は、上記の最大値と最小値の中間値となる。他方、第２のブリッジ回路２では、第１のＴＭＲ素子２１と第４のＴＭＲ素子２４の抵抗値が最小となり、第２のＴＭＲ素子２２と第３のＴＭＲ素子２３の抵抗値が最大となる。

したがって、図５に示されるように、第１のブリッジ回路１の出力電圧Ｖ１（Ｖ）は、角度θの変化に対してＣＯＳ関数状の波形をなし、一方、第２のブリッジ回路２の出力電圧Ｖ２（Ｖ）は、角度θの変化に対してＳＩＮ関数状の波形をなす。なお、ＴＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４は、全て同一の特性を有するものとする。

この事実に基づき、検出対象の角度θは、出力電圧Ｖ１（Ｖ）及びＶ２（Ｖ）から以下の式で求められる。
（式１） θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ２／Ｖ１）
このように、図１と図２に示される回転角センサは、ＴＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４により磁界Ｂを検知することによって、回転軸４の回転角を検出することができる。

しかしながら、上述したように、このようにして算出した角度θには、磁界Ｂの強度に依存する誤差が含まれている。図６は、測定対象である磁界Ｂの強度Ｈの変化に対する、検出した角度の誤差Δθの変化を示すグラフである。

図から理解されるように、角度誤差Δθは、磁界Ｂの強度Ｈに依存し、強度Ｈｏのときに最小値となる略二次関数状の特性を示す。

本発明に係る磁気センサの第１の態様は、角度検出用の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４によって磁界Ｂの角度θを算出するとともに、強度検出用の磁気抵抗効果素子３０によって磁界Ｂの強度Ｈを検出し、角度θの補正に利用するものである。

一方、本発明に係る磁気センサの第２の態様は、角度検出用の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４によって磁界Ｂの角度θを検出するとともに、磁気抵抗効果素子３０によって磁界Ｂの強度Ｈを検出して、磁界Ｂの磁力の空間分布に基づき、磁気センサの取付位置を、最小の角度誤差Δθとなる最適強度Ｈｏの位置へと調整するものである。なお、図１に示された回転角センサへの適用例においては、回転の中心ｏが強度Ｈｏとなるように、磁石４１，４２の取付位置、並びに強度をあらかじめ調整しておく必要がある。

このように、本発明に係る磁気センサは、角度検出用の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４と、強度検出用の磁気抵抗効果素子３０とに機能分担させた特徴を有する。角度検出用の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４と強度検出用の磁気抵抗効果素子３０の動作の相違は、図７を参照すると理解される。

図７は、測定対象である磁界Ｂの向きを一定にした場合の該磁界の強度Ｈの変化に対する磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４，３０の出力電圧の変化を示すグラフである。図から理解されるように、特性は、強度Ｈｓを境として、出力電圧Ｖｏｕｔが磁界強度Ｈに対して実質的に線形状に変化する不飽和領域Ｓ１と、出力電圧Ｖｏｕｔが実質的に一定値Ｖｓを示す飽和領域Ｓ２とに分かれる。

上述したように、製造時の特性ばらつきの影響を回避するために、角度検出用の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４は、その動作点が飽和領域Ｓ２に存在する。一方、強度検出用の磁気抵抗効果素子３０は、出力電圧から強度を検出するために、その動作点が不飽和領域Ｓ１に存在する。

このように、目的に応じて、磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４，３０の動作点を分けるためには、角度検出用の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４を磁界Ｂにより磁化飽和させ、他方、強度検出用の磁気抵抗効果素子３０を磁界Ｂにより磁化飽和させないことが必要となる。

これを実現する具体的手法としては種々の形態が考えられ、例えば、強度検出用の磁気抵抗効果素子３０を、角度検出用の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４と比較して、ピンド層、及び／またはフリー層の膜厚が厚くなるようにすればよい。あるいは、強度検出用の磁気抵抗効果素子３０を、ピンド層の磁化方向において形状異方性を有するように、該磁化方向に延びた横長の形状としてもよい。ここで、厚み、または長さは、磁界Ｂの強度に応じて適宜に決定する必要がある。なお、さらなる他の形態に関しては後述する。

まず、本発明に係る磁気センサの第１の態様について説明する。図８は、磁気センサの電気的構成図である。磁気センサは、既に述べた第１のセンサ部１２０と、第２のセンサ部１３０と、角度算出部１２１と、角度テーブル参照部１３２とを含む。

第１のセンサ部１２０は、図３に示された回路を備え、磁界Ｂの向きに応じた角度信号として、上記の第１及び第２の電圧Ｖ１，Ｖ２を角度算出部１２１に出力する。

一方、第２のセンサ部１３０は、強度検出用の磁気抵抗効果素子３０と通常の抵抗素子３１とが直列接続された回路を含む。磁気抵抗効果素子３０は電源Ｖｃｃと接続され、抵抗素子３１は接地され、この直列回路の接点からの出力電圧Ｖ３は、磁界Ｂの強度Ｈに応じた強度信号として、角度テーブル参照部１３２に出力される。ここで、第２のセンサ部１３０の構成は、このような回路に限定されるものではなく、２個以上の磁気抵抗効果素子を直列接続したものであってもよいし、あるいはブリッジ回路であってもよい。前者の場合、上記の出力電圧Ｖ３として、直列回路の両端の電圧差を出力する。

角度テーブル参照部１３２は、典型的には不揮発性メモリから構成され、電圧Ｖ１，Ｖ２（Ｖ）に対応する角度θｏ（ｄｅｇ．）がテーブルとして記録保持されている。この角度θｏ（ｄｅｇ．）は、入力された強度信号Ｖ３に応じて変化することによって、対応する補正量が反映された値として出力される。つまり、角度テーブル参照部１３２は、角度θだけでなく、その補正量を持つテーブルである。このようなテーブルは、実測に基づいてデータ化された数値から得られる。

また、図９は、他の実施形態に係る磁気センサの電気的構成を示している。ここでは、先の実施形態の回路図と共通する部分に関しては、同一の符号を付して、その説明を省略する。

この実施形態では、先の実施形態と異なり、角度算出部１２１の前段階において角度信号Ｖ１，Ｖ２自体を補正するために、信号補正部１２３が設けられている。信号補正部１２３は、例えば演算処理回路により構成され、第２のセンサ回路１３０からの強度信号Ｖ３に対応する角度信号Ｖ１，Ｖ２の補正量を、近似式、あるいは先の実施形態と同様のテーブルに従って得て、補正済み角度信号Ｖ１０，Ｖ２０として角度算出部１２１に出力する。そして、角度算出部１２１は、次式に従って、補正された角度θｏを算出することができる。
（式２） θｏ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ２０／Ｖ１０）
図１０は、さらなる他の実施形態に係る磁気センサの電気的構成を示している。ここでは、先の実施形態の回路図と共通する部分に関しては、同一の符号を付して、その説明を省略する。

この実施形態では、先の実施形態と異なり、角度算出部１２１の後段階において、式１により算出した角度θを補正するための補正量算出部１２４が設けられている。補正量算出部１２４は、算出した角度θと、第２のセンサ回路１３０からの強度信号Ｖ３とに基づいて、補正済み角度θｏを、近似式、あるいは先の実施形態と同様のテーブルに従って得る。近似式としては、例えば次の式を用いることができる。
（式３） θｏ＝θ−β（Ｖ３）ｓｉｎ４｛θ−ｄθ｝
ここで、β（Ｖ３）は、強度信号Ｖ３に基づく振幅の補正量であり、ｄθは、予め定められた位相の補正量、あるいは強度信号Ｖ３に基づく位相の補正量である。

本発明に係る磁気センサによれば、第１のセンサ部１２０は、測定対象である磁界Ｂにより磁化飽和する１以上の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４を含み、磁界Ｂの向きに応じた角度信号Ｖ１，Ｖ２を出力し、磁気抵抗効果素子の特性上の飽和領域Ｓ２において磁界Ｂの向きを角度として検出することができる。このため、本発明に係る磁気センサは、磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４の特性のばらつきに影響されることがなく、磁界Ｂの向きを検出することができる。

また、本発明に係る磁気センサは、第２のセンサ部１３０の磁気抵抗効果素子３０が、測定対象である磁界Ｂにより磁化飽和しないため、第２のセンサ部１３０は、その特性上の不飽和領域Ｓ１、すなわち、磁界Ｂの強度Ｈの変化に対して出力電圧が変化する領域において磁界Ｂの強度を検出することができる。これに対して、第１のセンサ部１２０の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４は、上述したように、実質的に出力電圧の変化がない飽和領域Ｓ２において動作するから、第２のセンサ部１３０と違って、磁界Ｂの強度Ｈを検出することはできない。すなわち、本発明に係る磁気センサは、専ら磁界Ｂの方向を検出するための第１のセンサ部１２０に、磁界Ｂの強度Ｈを検出するための第２のセンサ部１３０を組み合わせた特徴的構成を備えている。

そして、本発明に係る磁気センサは、角度信号Ｖ１，Ｖ２と強度信号Ｖ３とに基づいて角度θｏを得ることにより、強度信号Ｖ３に従って補正された角度を得ることができ、測定対象である磁界Ｂの強度Ｈに依存する角度誤差Δθを低減し、正確に磁界Ｂの向きを角度として検出することができる。

次に、本発明に係る磁気センサの第２の態様について説明する。図１１は、本態様における磁気センサの電気的構成の例を示している。ここでは、図８乃至図９と共通する部分に関しては、同一の符号を付して、その説明を省略する。

この態様の磁気センサは、第１の態様と同様の第１及び第２のセンサ部１２０，１３０と角度検出部１２１とを含むセンシング部Ｍ１に加え、磁気センサの取付位置の修正を行うための取付位置解析部Ｍ２を有している。センシング部Ｍ１は、式１で算出した角度θと強度信号Ｖ３とを取付位置解析部Ｍ２に出力する。

取付位置解析部Ｍ２は、取付誤差検出部１４１と、磁力分布記録部１４２と、位置修正量表示部１４３とを備えている。この取付位置解析部Ｍ２は、必ずしもセンサ本体に含まれる形態で設ける必要はなく、その一部、あるいは全部を、センサ本体に取り付け自在なアタッチメント機器としての形態で構成してもよい。

磁力分布記録部１４２は、不揮発性メモリなどで構成され、測定対象である磁界Ｂの方向、及び強度の空間分布を記録している。図１２は、図１に示された回転角センサの場合における磁界Ｂの方向、及び強度の空間分布の模式図である。

磁力分布記録部１４２は、図１２に示されるような磁界Ｂの向き、及び強さ、すなわち、図中のＸ−Ｙ平面内の磁場ベクトル分布を位置ごとに記録している。磁力分布記録部１４２に記録されるデータとしては、例えば、Ｘ−Ｙ平面を一定の刻み幅でＮｘ×Ｎｙ（個）に分割したときの個々の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）における磁場ベクトルＢの方向成分（Ｈｘ，Ｈｙ）を記録したものが考えられる。あるいは、個々の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）における磁場ベクトルＢのＸ−Ｙ平面内成分の角度、及び大きさを記録したものであってもよい。このような磁力の空間分布のデータは、有限要素法などを使用したコンピュータ解析から得られる。

取付誤差検出部１４１は、磁力分布記録部１４２に記録された空間分布に基づいて、算出角度θと強度信号Ｖ３とから空間内の位置Ｐを特定する。具体例としては、まず、強度信号Ｖ３から磁界Ｂの強度Ｈを算出し、この強度Ｈと算出角度θとから磁場ベクトルＢの方向成分（Ｈｉｘ，Ｈｉｙ）を算出する。そして、取付誤差検出部１４１は、この方向成分（Ｈｉｘ，Ｈｉｙ）を、磁力分布記録部１４２に記録された個々の方向成分（Ｈｘ，Ｈｙ）と比較して、これらが一致する、あるいは近い値を示す位置（Ｘｉ，Ｙｉ）を検出するのである。あるいは、強度Ｈと算出角度θを、記録された磁場ベクトルＢの角度、及び大きさと比較してもよい。

なお、算出角度θには角度誤差Δθが含まれているため、磁力分布記録部１４２の空間分布のデータを、誤差が含まれた値に設定しておくか、あるいは、上記の比較処理の前段階において、既に述べたような方法によって算出角度θを補正する必要がある。

また、磁力分布記録部１４２に記録された空間分布上の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）と、実際のＸ−Ｙ平面の位置との整合をはかるため、位置の特定にあたって、例えば回転角θ＝０（ｄｅｇ．）となるように、磁石４１，４２を所定位置に固定しておく必要がある。

取付誤差検出部１４１は、位置の特定後、算出角度θの誤差Δθが最小となる基準位置に対する、該特定した位置の誤差を検出する。図１に示された回転センサの場合、既に述べたように、中心ｏにおいて角度誤差Δθが最小となるように磁石４１，４２の位置、並びに磁力が設定されているので、設置誤差検出部１４１は、この中心ｏに対する現在のセンサの位置Ｐの誤差ΔＸ，ΔＹを算出して、位置修正量表示部１４３に出力する。すなわち、該特定した位置を（Ｘｐ，Ｙｐ）磁力分布記録部１４２に記録された空間分布上の中心ｏの位置を（Ｘｏ，Ｙｏ）とすると、Ｘ軸上の誤差ΔＸ＝Ｘｐ−Ｘｏとなり、Ｙ軸上の誤差ΔＹ＝Ｙｐ−Ｙｏとなる。

位置修正量表示部１４３は、例えば液晶表示デバイスであって、誤差ΔＸ，ΔＹをデジタル的、あるいはアナログ的に表示する。そして、磁気センサの取付時、この表示にしたがってセンサ基板５の取付位置を修正することができる。

これまで述べたように、本発明に係る磁気センサの第２の態様の特徴は、取付位置解析部Ｍ２は、磁界Ｂの方向、及び強度Ｈの空間分布を記録した磁力分布記録部１４２を含み、空間分布に基づいて、角度θと強度信号Ｖ３とから空間内の位置を特定する点にある。

したがって、あらかじめ、角度算出部の算出角度θの誤差Δθが最小となる空間内の位置ｏ（Ｘｏ，Ｙｏ）を特定しておくことにより、磁界の方向θ、及び強度Ｈとを手がかりとして特定した磁気センサ５の現在位置Ｐとの位置的誤差ΔＸ，ΔＹを検出し、これに従って該位置を修正することができる。

上述した実施形態では、センサ基板５に、強度検出用の磁気抵抗効果素子３０を１個だけ設けているが、これに限定されるものではない。例えば、図１３に示されるように、４個の強度検出用の磁気抵抗効果素子３２〜３５を設けても良い。

この実施形態において、強度検出用の磁気抵抗効果素子３２〜３５の各々は、ピンド層の磁化方向が同一である２個の角度検出用の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４に挟まれるように設けられている。そして、これらは、図中の点線の枠に示されるように単一のＩＣパッケージとして構成されている。図１４は、代表的に磁気抵抗効果素子１２，１３，３５を含むＩＣパッケージを、その長手方向の側面から見た概略断面図である。なお、その他のＩＣパッケージについても同様の構成である。

図から理解されるように、角度検出用の磁気抵抗効果素子１２，１３は、それぞれ、磁界Ｂにより磁化飽和するように、その両側に配置された一対の磁性膜３６により挟まれている。この磁性膜３６は、例えばＮｉＦｅ、もしくはＸＦｅ_２Ｏ_４（Ｘ＝Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ）等のような軟磁性材料から構成されている。

磁性膜３６の各対は、磁気抵抗効果素子１２，１３を挟み込み、ヨークとして機能する。したがって、磁気抵抗効果素子１２，１３の各々が受ける磁界Ｂの強度Ｈは増加し、磁気抵抗効果素子１２，１３の飽和領域Ｓ２における動作を可能とする。この場合、磁性膜３６の形状、大きさ、及び磁気抵抗効果素子１２，１３との間の距離などを適宜に設定する必要がある。

また、この実施形態とは反対に、図１５に示されるように、強度検出用の磁気抵抗効果素子３５を、磁界Ｂにより磁化飽和しないように、上述した軟磁性材料からなる磁性膜３９によりシールドしてもよい。

磁性膜３９は、図１と図２とに示された磁石４１，４２と磁気抵抗効果素子３５の間に配置され、磁界Ｂに対するシールドとして機能する。したがって、磁気抵抗効果素子３５が受ける磁界Ｂの強度Ｈは低下し、磁気抵抗効果素子３５の不飽和領域Ｓ１における動作を可能とする。この場合、磁性膜３９の形状、大きさ、及び磁気抵抗効果素子３５との間の距離などを適宜に設定する必要がある。

磁気抵抗効果素子の動作点を異ならせる手段は、磁性膜３６，３９に限られない。図１６と図１７とに示されるように、磁気抵抗効果素子３５が受ける磁界Ｂの強度Ｈを低下させるように、その上方に磁石３７を設けてもよい。このとき、磁石３７は、金具などの固定手段により所定の位置に固定される。

磁石３７の固定にあたっては、磁石３７を正確に磁気抵抗効果素子３５の直上に配置するために、図中の点線で示される位置調整板３８を治具として使用すると望ましい。位置調整板３８は、ＩＣパッケージ５０と実質的に同一寸法の矩形状の板であって、板面の四隅に検出素子３８１が備えられている。

検出素子３８１は、強度検出用の磁気抵抗効果素子３２〜３５と同様の機能を備える磁気抵抗効果素子である。つまり、検出素子３８１は、磁石３７から発する磁界により磁化飽和せず、特性上、不飽和領域において動作し、該強度を検出するものである。

４個の検出素子３８１は、板面の中心について対称に配置され、かつ、磁気抵抗効果素子３５は板面の中心に配置されている。このとき、磁石３５が傾斜したり、あるいは磁石３５の位置が中心からずれていた場合、４個の検出素子３８１が検出する強度に差分が生ずるため、これを検知することができる。

図１４乃至図１７の何れの場合においても、磁性膜３６，３９、あるいは磁石３７によって、強度検出用の磁気抵抗効果素子３２〜３５と角度検出用の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４との間において磁界の強度Ｈに差分が生ずる。したがって、強度検出用の磁気抵抗効果素子３２〜３５と角度検出用の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４は、互いに同一の構成、及び特性を備えることが望ましく、さらに、上述した補正値の算出や位置の特定にあたって、磁性膜３６，３９の透磁率、あるいは磁石３７の磁力に基づいて強度Ｈの差分を補填する必要があることに留意すべきである。

センサ基板５として図１３に示された構成を採用することの利点は、強度検出用の磁気抵抗効果素子３２〜３５と角度検出用の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４を、同一のＩＣパッケージに収めることによって、実装面積とコストを低減するとともに、両者をより近接して配置することができるため、結果的に、上述した補正値の算出や位置の特定を高精度に行うことができる点にある。また、強度検出用の磁気抵抗効果素子３２〜３５が、センサ基板５の板面の中心に関して対称な４つの位置に配置されるので、センサ基板５が傾斜して取り付けられた場合、磁気抵抗効果素子３２〜３５が検出した各強度Ｈに差異が生じ、これを検出することができるという副次的効果も得られる。なお、これは、上述した位置調整板３８の効果に類似する。

さらに、図１３に示された構成において、強度検出用の磁気抵抗効果素子３２〜３５のピンド層の磁化方向を、角度検出用の磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４と同様に、互いに直交する２方向に設定するとよい。これにより、磁界Ｂの強度Ｈを、そのＳＩＮ成分、及びＣＯＳ成分の二乗平均を計算することによって、直ちに算出し、検出角度の補正を行うことができる。これに対し、強度検出用の磁気抵抗効果素子３２〜３５のピンド層の磁化方向が全て所定の一方向である場合、回転角センサの起動時、強度ＨのＳＩＮ成分、及びＣＯＳ成分を検出するために、図１と図２とに示された磁石４１，４２を少なくとも９０度だけ回転させる余分な処理が必要となってしまう。

本発明に係る磁気センサの適用範囲は、図１及び図２に示される回転角センサに限定されるものではない。図１８及び図１９には、本発明に係る磁気センサを、回転数センサに適用した例を示している。この構成は、機械的な制約のために、図１及び図２に示された、軸端部にセンサ基板５を配置する構成を採用できない場合によく用いられる。

回転数センサは、位置ｏを中心としてＲ方向に回転する円柱状のシャフト６の周囲に、金具などを介して、円環状の多極磁石７が固定されている。多極磁石７は、その円周沿いにＮ極磁石７１とＳ極磁石７２とが交互に、例えば計１０個設けられている。

センサ基板５は、取付台５２に取り付けられ、その板面が多極磁石７の回転面に対して実質的に垂直となるように配置されている。すなわち、磁気抵抗効果素子１１〜１４，２１〜２４，３０のフリー層１０４の膜面は、図中のＸ−Ｚ平面と実質的に平行となっている。これにより、磁気センサは、多極磁石７の回転に伴って変化する磁界の向きを、角度として検出することができる。

そして、磁気センサは、先の例における図８乃至１０のような電気的構成を備えることによって、算出角度を補正することができる。ただし、本例の場合、先の例とは異なり、多極磁石７のために磁場の三次元的な歪みが大きいので、算出角度の補正と同時に、多極磁石７から発生する磁界の空間的な歪みをベクトル演算により補正することも必要となる。

一方、磁気センサが、先の例における図１１のような電気的構成を備えれば、既に述べたような取付位置の調整も可能である。この場合、例えば、図中の符号８の点線で示されるＸ−Ｚ平面に関して、磁力の空間分布を磁力分布記録部１４２に記録することが考えられれる。図２０は、該空間分布の一例である。

図２０に示されたＸ−Ｚ平面には、磁力の空間分布に加えて、コンピュータ解析により得られた磁石７２周辺の角度誤差の分布も記載されている。なお、図中に点線で示された磁界の強度は、磁場ベクトルＢのＸ−Ｚ平面内の成分であるため、図面上は、角度誤差の分布との相関性が見られない点に留意されたい。

この誤差分布に基づき、設置誤差検出部１４１は、例えば、最小誤差となる符号Ｐｏの位置を目標位置として、基板５の現在位置Ｐの位置的誤差を検出することができる。なお、設置上の機械的な制限などが存在するため、目標位置を、必ずしも最小誤差となる位置とする必要はない。

なお、本例と先の例の何れにおいても、二次元空間における磁気センサの取付位置の修正を例示しているが、三次元空間についても同様の手法により位置の修正が可能である。この場合、磁場ベクトルの３方向の成分（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を検出するために、磁気抵抗効果素子の膜面が互いに直交する少なくとも２組の第１及び第２のセンサ部が必要となる。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

５ センサ基板
１１〜１４，２１〜２４，３０，３２〜３５ 磁気抵抗効果素子
１５，３６ 磁性膜
１２０ 第１のセンサ部
１３０ 第２のセンサ部
１２１ 角度算出部
１３２ 補正テーブル記録部
１４２ 磁力分布記録部
Ｂ 磁界
Ｖ１，Ｖ２ 角度信号
Ｖ３ 強度信号
Ｍ２ 取付位置解析部

Claims (9)

1. 第１のセンサ部と、第２のセンサ部とを含み、測定対象である磁界の向きを角度として検出する磁気センサであって、
   前記第１のセンサ部は、前記磁界により磁化飽和する１以上の磁気抵抗効果素子を含み、前記磁界の向きに応じた角度信号を出力し、
   前記第２のセンサ部は、前記磁界により磁化飽和しない１以上の磁気抵抗効果素子を含み、前記磁界の強度に応じた強度信号を出力し、
   前記角度は、前記角度信号を前記強度信号によって補正して得られたものである、
   磁気センサ。
2. 請求項１に記載された磁気センサであって、
   前記角度信号に基づいて角度を算出する角度算出部をさらに含む、
   磁気センサ。
3. 請求項１または２に記載された磁気センサであって、
   前記磁界の強度に対応する前記角度の補正量、あるいは前記磁界の強度に対応する前記角度信号の補正量が記録されたテーブル記録部をさらに含み、
   前記角度は、前記強度信号に基づいて前記テーブル記録部から得た前記補正量により補正された値である、
   磁気センサ。
4. 第１のセンサ部と、第２のセンサ部と、角度算出部と、取付位置解析部とを含み、測定対象である磁界の向きを検出する磁気センサであって、
   前記第１のセンサ部は、前記磁界により磁化飽和する１以上の磁気抵抗効果素子を含み、前記磁界の向きに応じた角度信号を出力し、
   前記角度算出部は、前記角度信号に基づいて角度を算出し、
   前記第２のセンサ部は、前記磁界により磁化飽和しない１以上の磁気抵抗効果素子を含み、前記磁界の強度に応じた強度信号を出力し、
   前記取付位置解析部は、前記磁界の方向、及び、強度の空間分布を記録した磁力分布記録部を含み、前記空間分布に基づいて、前記第１のセンサ部から供給される前記角度信号
   と前記第２のセンサ部から供給される前記強度信号とから、空間内のセンサ位置を特定する、
   磁気センサ。
5. 請求項４に記載された磁気センサであって、
   前記位置解析部は、前記角度検出部が算出した角度の誤差が最小となる基準位置に対する、前記特定した位置の誤差を検出する、
   磁気センサ。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載された磁気センサであって、
   前記第２のセンサ部の前記１以上の磁気抵抗効果素子は、ピンド層の磁化方向において形状異方性を有する、
   磁気センサ。
7. 請求項１乃至５の何れかに記載された磁気センサであって、
   前記第２のセンサ部の前記１以上の磁気抵抗効果素子は、前記第１のセンサ部の前記１以上の磁気抵抗効果素子と比較して、フリー層の膜厚が厚い、
   磁気センサ。
8. 請求項１乃至５の何れかに記載された磁気センサであって、
   前記第１のセンサ部の前記１以上の磁気抵抗効果素子は、前記磁界により磁化飽和するように、ヨーク機能を有する軟磁性体により挟まれている、
   磁気センサ。
9. 請求項１乃至５の何れかに記載された磁気センサであって、
   前記第２のセンサ部の前記１以上の磁気抵抗効果素子は、前記磁界により磁化飽和しないように軟磁性膜によりシールドされている、
   磁気センサ。
   

Images