JP5991031B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、印加される磁界に応じた電気的信号を出力するセンシング部を備えた磁気センサに関するものである。

従来より、磁気抵抗素子（ＭＲＥ）を有する検出ユニットを複数備えた磁気センサが特許文献１で提案されている。

各検出ユニットは線状にレイアウトされた磁気抵抗素子を備えて構成されている。また、各検出ユニットは、印加磁界の回転がｓｉｎ波又はｃｏｓ波として検出されるように４個の磁気抵抗素子により構成されたブリッジ回路として構成されている。各検出ユニットは、点対称又は線対称に並べられている。

そして、一方のブリッジ回路で印加磁界の回転をｓｉｎ波の信号として検出し、他方のブリッジ回路で印加磁界の回転をｃｏｓ波の信号として検出する。そして、これらｓｉｎ波及びｃｏｓ波の各信号から印加磁界の角度演算が行われる。

特開昭５９−４１８８２号公報

しかしながら、上記従来の技術では、各検出ユニットに対する印加磁界が充分でない、すなわち印加磁界が飽和磁界に達していないと、線状にレイアウトされた磁気抵抗素子自らの形状異方性により、印加磁界が引っ張られて出力波形が歪んでしまう。この出力波形の歪みは角度精度悪化に繋がってしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、印加磁界が飽和磁界に達していない場合でも、出力に含まれる形状異方性の影響を低減することができる磁気センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、印加される磁界に応じて抵抗値が変化すると共に線状にレイアウトされた第１磁気抵抗素子（１２）を有し、第１磁気抵抗素子（１２）の抵抗値に基づいた出力を行う第１センシング部（１０）を備えている。

また、印加される磁界に応じて抵抗値が変化すると共に第１磁気抵抗素子（１２）のレイアウトに対して所定角度傾けられて線状にレイアウトされた第２磁気抵抗素子（２２）を有し、第２磁気抵抗素子（２２）の抵抗値に基づいて、第１センシング部（１０）に含まれる第１磁気抵抗素子（１２）のレイアウトに基づく誤差をキャンセルするための出力を行う第２センシング部（２０）を備え、第１センシング部（１０）は第１磁気抵抗素子（１２）を複数有し、複数の第１磁気抵抗素子（１２）は３６０°を８等分した各領域にそれぞれ配置されており、第２センシング部（２０）は第２磁気抵抗素子（２２）を複数有し、複数の第２磁気抵抗素子（２２）は３６０°を８等分した各領域にそれぞれ配置されており、第１センシング部（１０）の中心と第２センシング部（２０）の中心とが一致していることにより、第１センシング部（１０）の外側に第２センシング部（２０）が配置され、もしくは、第２センシング部（２０）の外側に第１センシング部（１０）が配置されていることを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、第１センシング部（１０）は第１磁気抵抗素子（１２）を複数有し、第２センシング部（２０）は第２磁気抵抗素子（２２）を複数有しており、複数の第１磁気抵抗素子（１２）及び複数の第２磁気抵抗素子（２２）は、３６０°を１６等分した各領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする。

これによると、第１センシング部（１０）の出力に含まれる第１磁気抵抗素子（１２）の形状異方性に基づく成分を、第２センシング部（２０）の出力に含まれる第２磁気抵抗素子（２２）の形状異方性に基づく成分によってキャンセルすることができる。したがって、印加磁界が飽和磁界に達していない場合でも、磁気センサの出力に含まれる磁気抵抗素子の形状異方性の影響を低減することができ、検出角度の精度を向上させることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る磁気センサの平面模式図である。 図１の第１検出部の回路構成を示す図である。 図１の第２検出部の回路構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る磁気センサの平面模式図である。 図４の第１磁気抵抗素子及び第２磁気抵抗素子の平面模式図である。 本発明の第３実施形態に係る磁気センサの平面模式図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る磁気センサは、例えば対象物の回転角度を検出するために用いられる。

図１に示されるように、磁気センサは、第１センシング部１０と第２センシング部２０を備えている。第１センシング部１０は対象物の回転を検出するためのメインのセンシング部分であり、第２センシング部２０は第１センシング部１０の出力に含まれる誤差成分をキャンセルするためのサブのセンシング部分である。

各センシング部１０、２０は、それぞれ外部から受けた磁界に応じた出力を行うように構成されている。なお、各センシング部１０、２０は、図示しない基板にそれぞれ形成されている。

各センシング部１０、２０は、図１に示されるように、３６０°を８等分した正八角形の平面レイアウトをそれぞれなしている。本実施形態では、第１センシング部１０の正八角形の中心と第２センシング部２０の正八角形の中心とは一致している。また、第１センシング部１０の平面サイズが第２センシング部２０の平面サイズよりも大きくなっており、その結果、第２センシング部２０の外周に第１センシング部１０が位置するレイアウトになっている。

このように、各センシング部１０、２０の平面レイアウトの中心が一致しているため、各センシング部１０、２０がそれぞれ受ける磁界に大きな差が生じないようになっている。このため、第１センシング部１０に含まれる誤差成分を精度良く取り除くことが可能となる。

正八角形を８等分した１つの領域の平面レイアウトは二等辺三角形であって頂角が４５°とされ、各領域は各頂角の頂点が一致している。具体的には、第１センシング部１０は第１〜第８領域１１ａ〜１１ｈを有し、各領域１１ａ〜１１ｈの各頂角の頂点の位置が一致している。第２センシング部２０は第９〜第１６領域２１ａ〜２１ｈを有し、各領域２１ａ〜２１ｈの各頂角の頂点の位置が一致している。つまり、全ての領域の全ての頂角の頂点の位置が一致している。

そして、図１に示されるように、第１センシング部１０は線状にレイアウトされた第１磁気抵抗素子１２を各領域１１ａ〜１１ｈに備えている。すなわち、第１センシング部１０は第１磁気抵抗素子１２を複数有している。同様に、第２センシング部２０は線状にレイアウトされた第２磁気抵抗素子２２を各領域２１ａ〜２１ｈに備えている。つまり、第２センシング部２０も第２磁気抵抗素子２２を複数有している。

第１磁気抵抗素子１２は複数の素子部１３と複数の配線部１４とを備えて構成され、第２磁気抵抗素子２２は複数の素子部２３と複数の配線部２４とを備えて構成されている。この素子部１３、２３が、印加される磁界に応じて抵抗値が変化するように構成されている。

そして、第１センシング部１０においては、各領域１１ａ〜１１ｈのうち第１、第３、第５、第７領域１１ａ、１１ｃ、１１ｅ、１１ｇに配置された各第１磁気抵抗素子１２が電気的に接続されて第１検出部が構成されている。一方、第２、第４、第６、第８領域１１ｂ、１１ｄ、１１ｆ、１１ｈに配置された各第１磁気抵抗素子１２が電気的に接続されて第２検出部が構成されている。

第１検出部は、基板に形成された図示しない配線パターンを介して第１領域１１ａの第１磁気抵抗素子１２と第３、第７領域１１ｃ、１１ｇの各第１磁気抵抗素子１２とが接続され、第５領域１１ｅの第１磁気抵抗素子１２と第３、第７領域１１ｃ、１１ｇの各第１磁気抵抗素子１２とが接続されて図２のブリッジ回路を構成している。この第１検出部を構成するブリッジ回路は、ｓｉｎ波の信号を出力する。

一方、第２検出部は、基板に形成された図示しない配線パターンを介して第２領域１１ｂの第１磁気抵抗素子１２と第４、第８領域１１ｄ、１１ｈの各第１磁気抵抗素子１２とが接続され、第６領域１１ｆと第４、第８領域１１ｄ、１１ｈの各第１磁気抵抗素子１２とが接続されて図３のブリッジ回路を構成している。この第２検出部を構成するブリッジ回路は、ｃｏｓ波の信号を出力する。

そして、図１に示されるように、各領域１１ａ〜１１ｈにそれぞれ配置された各第１磁気抵抗素子１２の素子部１３は、８個の各領域１１ａ〜１１ｈにおいて１つの領域の平面レイアウトにおける二等辺三角形の底辺と平行な方向に延設されている。すなわち、各領域１１ａ〜１１ｈの一つに形成された第１磁気抵抗素子１２の素子部１３の延設方向は、隣接する他の領域に形成された第１磁気抵抗素子１２の素子部１３の延設方向に対して４５°傾いている。

このような各領域１１ａ〜１１ｈの配置により、図２および図３にも示されるように、第１検出部のブリッジ回路と第２検出部のブリッジ回路とは４５°ずれている。

各領域１１ａ〜１１ｈに形成されている各第１磁気抵抗素子１２は、各領域１１ａ〜１１ｈの頂角の頂点側に形成された素子部１３ほど延設方向の長さが短くなっており、各素子部１３が各配線部１４で接続されることで波形にレイアウトされている。そして、第１センシング部１０は、第１磁気抵抗素子１２の抵抗値に基づいた出力を行う。すなわち、第１検出部からｓｉｎ波の信号を出力すると共に、第２検出部からｃｏｓ波の信号を出力する。

一方、第２センシング部２０においては、各領域２１ａ〜２１ｈのうち第９、第１１、第１３、第１５領域２１ａ、２１ｃ、２１ｅ、２１ｇに配置された各第２磁気抵抗素子２２が電気的に接続されて第３検出部が構成されている。一方、第１０、第１２、第１４、第１６領域２１ｂ、２１ｄ、２１ｆ、２１ｈに配置された各第１磁気抵抗素子１２が電気的に接続されて第４検出部が構成されている。

第２センシング部２０における各第２磁気抵抗素子２２においても、各領域２１ａ〜２１ｈの頂角の頂点側に形成された素子部２３ほど延設方向の長さが短くなっており、各素子部２３が各配線部２４で接続されることで波形にレイアウトされている。

なお、第３検出部は図２と同様のブリッジ回路として構成され、第４検出部は図３と同様のブリッジ回路として構成されている。この場合、第１領域１１ａの第１磁気抵抗素子１２が第９領域２１ａの第２磁気抵抗素子２２に対応し、第２領域１１ｂの第１磁気抵抗素子１２が第１０領域２１ｂの第２磁気抵抗素子２２に対応し、順に、第８領域１１ｈの第１磁気抵抗素子１２が第１６領域２１ｈの第２磁気抵抗素子２２に対応している。

このように、各センシング部１０、２０において、各磁気抵抗素子１２、２２を配置する領域を正八角形とすることで、各第１磁気抵抗素子１２や各第２磁気抵抗素子２２の配置の対称性が良くなる。したがって、複数の第１磁気抵抗素子１２によって均等なゲージすなわち第１検出部及び第２検出部を構成することができる。同様に、複数の第２磁気抵抗素子２２によって均等なゲージすなわち第３検出部及び第４検出部を構成することができる。

また、図１に示されるように、外径方向において、第１センシング部１０の第１磁気抵抗素子１２と第２センシング部２０の第２磁気抵抗素子２２とが隣同士に配置されている。このため、メインの第１磁気抵抗素子１２とサブの第２磁気抵抗素子２２がそれぞれ受ける磁界に大きな差が生じないようになっている。

ここで、第１磁気抵抗素子１２を構成する素子部１３の線の幅と素子部１３の線の長さの合計は、第２磁気抵抗素子２２を構成する素子部２３線の幅と素子部２３の長さの合計と同じになっている。これにより、第１センシング部１０に含まれる第１磁気抵抗素子１２の形状異方性の誤差成分と、第２センシング部２０に含まれる第２磁気抵抗素子２２の形状異方性の誤差成分と、を同じにすることができる。このため、当該誤差成分をキャンセルすることが可能となる。

そして、第２磁気抵抗素子２２の素子部２３の線状のレイアウトは、第１磁気抵抗素子１２の素子部１３の線状のレイアウトに対して所定角度すなわち２２．５°傾けられている。この「２２．５°」という角度は、第１センシング部１０の出力波形と第２センシング部２０の出力波形の位相に相当する角度である。言い換えると、第１センシング部１０の出力に含まれる誤差波形と第２センシング部２０の出力に含まれる誤差波形とを打ち消すための位相差に相当する角度である。

実際、対象物の回転角度を得るためには、第１センシング部１０の第１検出部のｓｉｎ波の信号と第２検出部のｃｏｓ波の信号を処理し、０°から３６０°の回転角度に対する線形の出力を取得する。つまり、第１センシング部１０の信号処理の結果から、回転角度を得る。

しかし、外部磁界が弱い場合、第１磁気抵抗素子１２の素子部１３の形状異方性に基づく一定周期の誤差波形が発生する。これは、第１検出部のｓｉｎ波の信号と第２検出部のｃｏｓ波の信号に、形状異方性に基づく誤差成分が含まれているためである。したがって、第２センシング部２０をサブの検出部として設けている。すなわち、第１センシング部１０の出力に含まれる誤差波形に、第２センシング部２０の出力に含まれる１８０°位相が逆転した誤差波形を足せば、誤差波形を相殺できる。１８０°の位相差を８個の領域に分けているので、１８０°÷８＝２２．５°という演算に基づき、各センシング部１０、２０のレイアウトを２２．５°傾けている。

なお、磁気センサを製造する上で設計誤差は当然に生じる。したがって、２２．５°にも設計誤差が含まれる。

次に、各センシング部１０、２０に含まれる誤差成分をキャンセルすることについて説明する。このため、第１センシング部１０の出力に基づいて算出された回転角度をｙ１とし、第２センシング部２０の出力に基づいて算出された回転角度をｙ２とする。「出力に基づいて算出された」とは、第１センシング部１０においては第１検出部のｓｉｎ波の信号と第２検出部のｃｏｓ波の信号から回転角度が算出されたことを意味する。第２センシング部２０についても同様である。また、各センシング部１０、２０の各ブリッジ回路には同一の電圧を印加する。

そして、上述のように、角度演算によって得られたｙ１及びｙ２には実際の入力信号項（角度を示す成分）と誤差項（誤差成分）になる。具体的には、以下の数１及び数２のように表される。
（数１）
ｙ１＝θ１＋ａ・ｓｉｎ（８・θ１）
（数２）
ｙ２＝θ２＋ｂ・ｓｉｎ（８・θ２）
ここで、θ１は入力角度（印加磁界の角度）、θ２は位相を２２．５°ずらした入力角度（印加磁界の角度）である。つまり、θ２＝θ１＋２２．５°である。また、ａ・ｓｉｎ（８・θ１）はｙ１に含まれる誤差項であり、ｂ・ｓｉｎ（８・θ２）はｙ２に含まれる誤差項である。ａ及びｂは各磁気抵抗素子１２、２２の素子部１３、２３の幅や長さに起因するパラメータである。なお、８・θ１及び８・θ２の「８」は、０°から３６０°の角度範囲の中に８周期の誤差の波形が含まれることに基づいている。

上記の数１のｙ１及びｙ２を加算すると共に、位相差であるθ２＝θ１＋２２．５°を用いてθ２を消去することにより、以下の数３が得られる。
（数３）
ｙ１＋ｙ２＝２・θ１＋２２．５°＋（ａ−ｂ）・ｓｉｎ（８・θ１）
そして、上述のように、各磁気抵抗素子１２、２２の各素子部１３、２３の配線幅や配線長の合計が同じになるように設計されていればａ−ｂ＝０となり、以下の数４のように誤差項は消去される。
（数４）
ｙ１＋ｙ２＝２θ１＋２２．５°
この数４に基づいて入力角度（印加磁界の角度）であるθ１を求めることができる。このように、ｙ１及びｙ２における入力信号項はレイアウトに依存する２２．５°の位相のためにθ２を演算で除去でき、残った誤差項は見かけ上、同周期、同位相、同振幅の波形となるのでキャンセルすることができる。

以上のように、第１センシング部１０の出力に含まれる第１磁気抵抗素子１２の形状異方性の誤差成分が、第２センシング部２０の出力に含まれる第２磁気抵抗素子２２の形状異方性の誤差成分によってキャンセルされる。したがって、印加磁界が飽和磁界に達していない場合でも磁気センサの出力に含まれる形状異方性の影響を低減することができる。すなわち、印加磁界に依存する誤差を含まない角度出力を得ることができる。また、検出角度の精度を向上させることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図４に示されるように、本実施形態では、第１センシング部１０の複数の第１磁気抵抗素子１２と第２センシング部２０の複数の第２磁気抵抗素子２２とが千鳥配置されている。この場合、複数の第１磁気抵抗素子１２と複数の第２磁気抵抗素子２２とは互いが隣同士となるように配置されている。

なお、図４では、第２センシング部２０の各第２磁気抵抗素子２２が配置された領域をそれぞれハッチングで示している。また、各磁気抵抗素子１２、２２の各素子部１３、２３及び各配線部１４、２４を省略している。

図５に示されるように、第２センシング部２０の第２磁気抵抗素子２２の素子部２３及び配線部２４のレイアウトは、第１センシング部１０の第１磁気抵抗素子１２の素子部１３及び配線部１４のレイアウトに対して２２．５°傾けられている。

そして、第１実施形態と同様に、第１センシング部１０は各第１磁気抵抗素子１２によって第１検出部と第２検出部の各ブリッジ回路が構成される。同様に、第２センシング部２０も各第２磁気抵抗素子２２によって第３検出部と第４検出部の各ブリッジ回路が構成される。

以上のように、各センシング部１０、２０の各磁気抵抗素子１２、２２を千鳥状に配置することにより、基板の端部まで各磁気抵抗素子１２、２２を配置できるので、基板の無駄な面積やレイアウトを減らすことができ、磁気センサを小面積で実施することができる。さらに、各磁気抵抗素子１２、２２はそれぞれ同じ向きのレイアウトになっているので、同じレイアウトを作りやすいという製造上の利点もある。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図６に示されるように、３６０°を１６等分した各領域に各磁気抵抗素子１２、２２がそれぞれ配置されている。

なお、図６では、第２センシング部２０の各第２磁気抵抗素子２２が配置された領域をハッチングで示している。また、各磁気抵抗素子１２、２２の各素子部１３、２３及び各配線部１４、２４を省略している。

図６に示すレイアウトとすることにより、各センシング部１０、２０の中心が一致すると共に各領域の形状及びサイズが同じになるので、各磁気抵抗素子１２、２２の対称性を向上させることができる。また、各磁気抵抗素子１２、２２が隣同士に配置されているので、各磁気抵抗素子１２、２２が受ける印加磁界の大きさに差が生じないようにすることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された磁気センサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、第１実施形態では、第２センシング部２０の外側に第１センシング部１０が位置しているが、第１センシング部１０の外側に第２センシング部２０が配置されていても良い。これは、数４の式からも言えることであり、各センシング部１０、２０のどちらが内側・外側であっても、回転角度θ１は数４によって演算できる。

また、第１実施形態では、各センシング部１０、２０の中心を一致させていたが、この配置は一例であり、第１センシング部１０の正八角形が第２センシング部２０の正八角形の隣に位置していても良い。

さらに、各実施形態では、各磁気抵抗素子１２、２２が隣同士に配置されていたが、これは配置の一例である。したがって、全ての各磁気抵抗素子１２、２２が互いに隣同士に配置されずに、いくつかの磁気抵抗素子１２、２２が互いに配置されないレイアウトを実現しても良い。

１０ 第１センシング部
１２ 第１磁気抵抗素子
１３ 素子部
１４ 配線部
２０ 第２センシング部
２２ 第２磁気抵抗素子
２３ 素子部
２４ 配線部

Claims (5)

1. 印加される磁界に応じて抵抗値が変化すると共に線状にレイアウトされた第１磁気抵抗素子（１２）を有し、前記第１磁気抵抗素子（１２）の抵抗値に基づいた出力を行う第１センシング部（１０）と、
   印加される磁界に応じて抵抗値が変化すると共に前記第１磁気抵抗素子（１２）のレイアウトに対して所定角度傾けられて線状にレイアウトされた第２磁気抵抗素子（２２）を有し、前記第２磁気抵抗素子（２２）の抵抗値に基づいて、前記第１センシング部（１０）に含まれる前記第１磁気抵抗素子（１２）のレイアウトに基づく誤差をキャンセルするための出力を行う第２センシング部（２０）と、
   を備え、
   前記第１センシング部（１０）は前記第１磁気抵抗素子（１２）を複数有し、前記複数の第１磁気抵抗素子（１２）は３６０°を８等分した各領域にそれぞれ配置されており、
   前記第２センシング部（２０）は前記第２磁気抵抗素子（２２）を複数有し、前記複数の第２磁気抵抗素子（２２）は３６０°を８等分した各領域にそれぞれ配置されており、
   前記第１センシング部（１０）の中心と前記第２センシング部（２０）の中心とが一致していることにより、前記第１センシング部（１０）の外側に前記第２センシング部（２０）が配置され、もしくは、前記第２センシング部（２０）の外側に前記第１センシング部（１０）が配置されていることを特徴とする磁気センサ。
2. 印加される磁界に応じて抵抗値が変化すると共に線状にレイアウトされた第１磁気抵抗素子（１２）を有し、前記第１磁気抵抗素子（１２）の抵抗値に基づいた出力を行う第１センシング部（１０）と、
   印加される磁界に応じて抵抗値が変化すると共に前記第１磁気抵抗素子（１２）のレイアウトに対して所定角度傾けられて線状にレイアウトされた第２磁気抵抗素子（２２）を有し、前記第２磁気抵抗素子（２２）の抵抗値に基づいて、前記第１センシング部（１０）に含まれる前記第１磁気抵抗素子（１２）のレイアウトに基づく誤差をキャンセルするための出力を行う第２センシング部（２０）と、
   を備え、
   前記第１センシング部（１０）は前記第１磁気抵抗素子（１２）を複数有し、前記第２センシング部（２０）は前記第２磁気抵抗素子（２２）を複数有しており、
   前記複数の第１磁気抵抗素子（１２）及び前記複数の第２磁気抵抗素子（２２）は、３６０°を１６等分した各領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする磁気センサ。
3. 前記第１磁気抵抗素子（１２）の線の幅と線の長さの合計は、前記第２磁気抵抗素子（２２）の線の幅と長さの合計と同じになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。
4. 前記第１磁気抵抗素子（１２）と前記第２磁気抵抗素子（２２）とが隣同士に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の磁気センサ。
5. 前記第２磁気抵抗素子（２２）の線状のレイアウトは、前記第１磁気抵抗素子（１２）の線状のレイアウトに対して２２．５°傾けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の磁気センサ。

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