JP6074988B2 - 回転磁気検出回路および回転磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、回転磁界の変化に基づいて特定方向の磁力成分を検出する回転磁気センサに関する。特には、ホイートストンブリッジ回路と、当該ブリッジ回路の出力端子の電位差に対応する信号を出力する差分検出器とを備えた回転磁気検出回路、および、当該ブリッジ回路および差分検出器に加えて、差分検出器からの信号に基づいて回転磁界の方向を算出する演算回路を備えた回転磁気センサに関する。

従来、この種の回転磁気センサとしては、例えば、以下に示すものがある。例えば、特許文献１には、第１の位置における外部磁界の方向が第１の方向に対してなす第１の角度の検出値である第１の検出角度を算出する第１の検出部と、第２の位置における外部磁界の方向が第２の方向に対してなす第２の角度の検出値である第２の検出角度を算出する第２の検出部を備えている。第１の検出角度は第１の角度誤差を含み、第２の検出角度は第２の角度誤差を含んでいる。第１の位置と第２の位置は互いに異なる位置であり、第１の位置と第２の位置のずれは、誤差周期の１／２の奇数倍に相当する。

さらに、特許文献２には、センサからの出力信号に誤差信号が含まれている場合でも精度の高い角度出力を得ることが可能な角度検出センサの補償値算出方法及び及びこれを用いた角度検出センサが示されている。ここでの演算部は、センサ及び信号変換部から出力されるＳＩＮ信号とＣＯＳ信号とから総誤差信号を含む被測定物の補正前の回転角度を算出する。制御部はメモリ部に記憶されている第１候補信号の中から残差エネルギーを最小とする信号を位相補償値として抽出する。また同様の方法で第２候補信号の中から歪み補償値を、第３候補信号の中からゲイン補償値を抽出する。総誤差信号から前記位相補償値・歪み補償値・ゲイン補償値を除去することにより、精度の高い角度出力を検出することが可能と記載されている。

特開２０１１−１５８４８８ 特開２００６−１９４８６１

しかしながら、このようなブリッジ回路を備えた回転磁気センサにあっては、外部磁界が十分に大きい場合や、環境温度が高い場合などに、回転磁気センサからの出力信号に誤差信号が含まれることがある。当該誤差信号は、主にセンサからの出力正弦波信号の奇数次高調波である。この誤差信号が含まれる割合が大きくなると演算結果として角度誤差が増大する。よって、あらゆる環境で高精度を維持可能な角度検出センサを得るためには誤差信号の低減が必要不可欠である。

また、円板型の２極磁石などからなる回転体の径方向外方に回転磁気センサを配置した場合、磁場の回転に伴って、回転体の周方向及び径方向に生じる磁力成分の変化は周期的に変化する。しかし、これらの磁力成分は、回転体の回転角度と磁力成分との関係をみた場合、正弦波を大きく歪ました波形となる。これは計測する２方向の磁場の変化そのものが正弦波状ではなく歪んでいるためである。このため、歪んだ二つの正弦波信号に基づいて得た角度計算の結果にも誤差が含まれることとなる。

上記特許文献１の技術では、ある特定の条件下では磁力の歪み成分を分離や低減することができる。しかし、二つの回転磁気センサの取付け状態が正確でないと、誤差を低減することはできない。
また、特許文献２のセンサでは、メモリ部に保存された補償値を利用しているため、メモリ部に補償値を保存したときの誤差を低減することは可能であるが、使用環境の変化などによって外部磁界が大きく変化した場合や、環境温度が高まった場合などには、誤差を低減することはできない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、検出角度の誤差を大幅に低減した回転磁気センサおよび回転磁気検出回路を提供することにある。

（特徴構成）
本発明に係る回転磁気検出回路の特徴構成は、２以上のｎ種類の方向に磁化した少なくともｎ個の磁気抵抗効果素子を夫々有する第１素子列乃至第４素子列を備え、前記第１素子列と前記第２素子列とが直列に接続され、前記第３素子列と前記第４素子列とが直列に接続され、前記第１素子列と前記第３素子列とが電源端子に接続され、前記第２素子列と前記第４素子列とが接地端子に接続され、前記第１素子列と前記第２素子列とが一方の出力端子に接続され、前記第３素子列と前記第４素子列とが他方の出力端子に接続され、回転磁界の特定方向の成分強度に応じて双方の出力端子間に電位差を生じさせるホイートストンブリッジ回路と、前記一方の出力端子および前記他方の出力端子の電位差に対応する信号を出力する差分検出器とを備え、前記第１素子列を構成する夫々の磁気抵抗効果素子が有する磁化方向は、前記第２素子列を構成する磁気抵抗効果素子の何れか一つが有する磁化方向と９０度異なり、前記第１素子列を構成する夫々の磁気抵抗効果素子が有する磁化方向は、前記第３素子列を構成する磁気抵抗効果素子の何れか一つが有する磁化方向と１８０度異なり、前記第２素子列を構成する夫々の磁気抵抗効果素子が有する磁化方向は、前記第４素子列を構成する磁気抵抗効果素子の何れか一つが有する磁化方向と１８０度異なり、前記第１素子列乃至前記第４素子列の夫々において、前記ｎ種類の方向毎に磁化方向を有する前記磁気抵抗効果素子の磁化総量が、前記回転磁界の特定方向に近い方向の磁化総量ほど多くなるように設定した点にある。

（作用効果）
本構成のごとく、磁気抵抗効果素子の磁化方向を各素子列毎に関係付けて振り分けることで、回転体がどのような角度にあっても、磁気素子のうち何れかの素子が磁力に対して良好に反応し、電位を生じる。このため、ホイートストンブリッジ回路からは常に適切な出力を得ることができ、回転体の角度判定を正確に行うことができる。
また、ノイズとして存在する各種高調波を互いの磁気素子が打消し合うから、磁力方向の検出精度がさらに向上して、回転体の方向をより正確に知ることができる。
尚、本構成における特定方向とは、当該回転磁気検出回路によって特に検出したい磁力の方向であり、その方向としては、何れかの特定方向と、この特定方向に対して位相がπだけ異なる方向を含むものである。

（特徴構成）
本発明に係る回転磁気検出回路にあっては、前記第１素子列乃至前記第４素子列の夫々に於いて、磁化方向が前記ｎ種類の方向の何れかであって同じ強さに磁化された磁気抵抗効果素子を、前記特定方向に近い磁化方向を有する磁気抵抗効果素子ほど多く配置するとよい。

（作用効果）
本構成であれば、配置する磁気抵抗効果素子の数を決めるだけでよく、磁化総量の設定が極めて容易である。また、用いる磁気抵抗効果素子としては必要な磁化方向のものを必要な数だけ揃えればよく、回転磁気検出回路を合理的に製作することができる。

（特徴構成）
本発明に係る回転磁気検出回路にあっては、前記第１素子列乃至前記第４素子列の夫々に於いて、前記ｎ種類の方向の何れかの方向に磁化されると共に出力する磁気抵抗の信号を増幅する増幅器を伴なった磁気抵抗効果素子を備え、前記特定方向に近い磁化方向を有する前記磁気抵抗効果素子の磁化総量ほど多く設定することができる。

（作用効果）
本構成であれば、各素子列において磁気抵抗効果素子をｎ個だけ設置すればよいから、磁気抵抗効果素子の設置スペースを少なくすることができる。よって、コンパクトな回転磁気センサを得ることができる。また、磁気抵抗効果素子の磁化強度が一定で済むため、必要構成部品の種類・総数を低減することができ、効率的に回転磁気センサを構成することができる。

（特徴構成）
本発明に係る回転磁気検出回路にあっては、前記第１素子列乃至前記第４素子列において、前記ｎ種類の方向を(２π/４ｎ)の角度間隔に設定することができる。

（作用効果）
本構成のごとく、回転体の回転に伴って磁界が一周する２πの角度を、各素子列に設けた磁気抵抗効果素子の全ての磁化方向の数で除することで、各磁化方向を均等に振り分けることができる。その結果、回転体がいずれの角度にある場合であっても、磁気抵抗効果素子のうち何れかの素子が磁力に対して良好に反応し、電位を生じさせることができる。このため、ホイートストンブリッジ回路からは常に適切な出力を得ることができ、回転体の角度変化を正確に測定することができる。

（特徴構成）
本発明に係る回転磁気センサの特徴構成は、前記ホイートストンブリッジ回路および前記差分検出器を備えた検出回路として、前記回転磁界の特定方向の成分強度を検出する第１ホイートストンブリッジ回路と第１差分検出器とを備えて第１検出回路を構成すると共に、前記回転磁界の回転方向に沿って前記特定方向とは９０度異なる方向の成分強度を検出する第２ホイートストンブリッジ回路と第２差分検出器とを備えて第２検出回路を構成し、前記第１差分検出器および前記第２差分検出器からの信号に基づいて、前記回転磁界の方向を算出する演算回路を備えた点にある。

（作用効果）
本構成であれば、回転体の向きに拘らず回転磁界を正確に測定することができ、しかも、ノイズとして発生する高調波を打ち消すことができるため、回転体の回転方向を正確に測定する回転磁気センサを得ることができる。

回転体及び回転磁気センサの構成を示す斜視図である。 回転磁気センサの構成を示す説明図である。 回転磁気検出回路の一例を示す説明図である。 磁気抵抗効果素子の設置個数を説明するグラフである。 回転磁気検出回路の一例を示す説明図である。 磁気抵抗効果素子の設置例を説明するグラフである。 回転磁気センサの角度誤差を示すグラフである。 別実施形態に係る回転磁気検出回路の一例を示す説明図である。 別実施形態に係る回転磁気検出回路の一例を示す説明図である。 磁気素子の磁化方向と抵抗変化率との関係を示すグラフである。 別実施形態に係る回転磁気センサの角度誤差を示すグラフである。

〔第１実施形態〕
本発明の回転磁気センサおよびその回転磁気センサに用いる回転磁気検出回路（以下、「検出回路」と略称する）の実施形態を図面を参照しつつ説明する。本実施形態の回転磁気センサ１は、例えば、図１に示すように、磁界を有する回転体２の近傍に配置される。回転体２の回転に伴って磁界が回転し、その変化を検出する。回転磁気センサ１の配置位置は任意である。回転体２に対して回転軸芯Ｃの方向に離間し、回転体２と平行な状態に配置してもよく、また、回転体２の回転面と同一平面上であって、回転体２の径方向外側に配置しても良い。本実施形態では、径方向外方に配置した例を示す。

回転体２は、説明を簡単にするために、例えば、Ｎ極・Ｓ極を一対有する円盤状のものとする。この回転体２であれば、一回転で磁場が１サイクル変化する。

一方、回転磁気センサ１は、図２に示す構成を有する。
本実施形態においては、検出回路３として第１検出回路３１および第２検出回路３２の二つを備えている。第１検出回路３１は、図１に示す±Ｘ方向の磁力成分を検出する回路である。第２検出回路３２は、図１に示す±Ｙ方向の磁力成分を検出する回路である。仮に、回転体２の初期位置が、Ｎ極が＋Ｙ方向を向き、Ｓ極が−Ｙ方向を向く初期状態から反時計方向に回転するとき、第１検出回路３１で検出される＋Ｘ方向の磁力はＳＩＮカーブ状に変化する。一方、第２検出回路３２で検出される＋Ｙ方向の磁力はＣＯＳカーブ状に変化する。回転体２の回転に伴い、それぞれの検出回路３で得られた信号は差分検出器４を介して演算回路５に送られる。演算回路５では、双方の検出回路３から得た信号に基づき、回転体２の回転位相を算出する。

なお、第１検出回路３１と第２検出回路３２とは、回転体２に対する配置方向が異なるだけであって内部の構成は同じである。よって、以下においては、特に第１検出回路３１について説明する。

検出回路３は、回転磁界の特定方向の成分強度に応じて出力端子間に電位差を生じさせるホイートストンブリッジ回路６（以下、「ブリッジ回路６」と略称する）と、このブリッジ回路６の電位差に対応する信号を出力する差分検出器４とを備えている。

ブリッジ回路６は、図２に示すように、四つの抵抗部７と、それらが接続される電源端子および出力端子とを備えている。四つの抵抗部７は、ここでは特に、第１素子列７１乃至第４素子列７４と称する。第１素子列７１及び第２素子列７２は直列に接続される。第１素子列７１の一方は電源端子８に接続され、第２素子列７２の一方が接地端子９に接続される。第１素子列７１と第２素子列７２との接続部は出力端子の一方１０に接続される。これと同様に、第３素子列７３及び第４素子列７４は直列に接続され、第３素子列７３の一方が電源端子８に接続され、第４素子列７４の一方が接地端子９に接続される。第３素子列７３と第４素子列７４との接続部は出力端子の他方１１に接続される。

第１素子列７１乃至第４素子列７４には、複数個の磁気抵抗効果素子Ｒ（以下、「磁気素子Ｒ」と略称する）を備えている。この磁気素子Ｒは複数の層から構成され、磁化方向が固定されたピンド層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層と、ピンド層とフリー層との間に設けられている中間層とを備えている。

夫々の素子列７において磁気素子Ｒは、２以上のｎ種類の方向に磁化した少なくともｎ個が設けられている。つまり、回転体２の回転に伴って変化する磁界の向きを正確に検出できるよう、磁気素子Ｒの方向を多く設定するとよい。このように設定しておくことで、回転体２が特定の方向およびこの特定方向と位相がπ異なる方向を向いたとき、磁化方向が一致した全ての磁気素子Ｒが生じさせる電圧の合計が最大となり、第１検出回路３１全体の検出精度が向上する。回転体２の検出精度は磁気素子Ｒの設置方向多いほど高まる。ただし、磁気素子Ｒ毎に磁化方向を変えた磁化作業が必要となるうえ、磁気素子Ｒそのものの種類が増える結果、設置スペースが増大する。よって、磁化方向ｎを増加させるにも一定の限界がある。図２には、ｎが２である場合、即ち、一つの素子列７に２種類の磁気素子Ｒを備えた例を示す。

磁気素子Ｒどうしの相対方向は、第１素子列７１乃至第４素子列７４に設置した各磁気素子Ｒが均等に方向を変えるのが好ましい。よって、例えば、ｎの値に応じて３６０度を４ｎ種類の磁化方向で除した（２π／４ｎ）の角度間隔に設定するとよい。例えばｎが３であれば、この値は、π／６、すなわち３０度となる。図３に、ｎが３である第１検出回路３１の例を示す。つまり、磁気素子Ｒ１からＲ１２まで総数１２個の磁気素子Ｒが３０度ずつ方向を変えて設置される。尚、このｎ種類の方向はあくまでも方向の数であって、そこに配置される磁気素子Ｒの数を意味するものではない。例えば、＋Ｘ方向に向く磁気素子Ｒが２個であり、これに３０度方向が異なる磁気素子Ｒが４個ある場合、磁化方向は２種類となる。

さらに、本実施形態の検出回路３では、第１素子列７１乃至第４素子列７４に夫々設けた磁気素子Ｒどうしは以下の関係を有する。第１素子列７１を構成する夫々の磁気素子１２が有する磁化方向は、第２素子列７２を構成する磁気素子１２の何れか一つが有する磁化方向と９０度異なるものとする。第１素子列７１を構成する夫々の磁気素子１２が有する磁化方向は、第３素子列７３を構成する磁気素子１２の何れか一つが有する磁化方向と１８０度異なるものとする。さらに、第２素子列７２を構成する夫々の磁気素子１２が有する磁化方向についても、第４素子列７４を構成する磁気素子１２の何れか一つが有する磁化方向と１８０度異なるものとする。さらに、第１素子列７１乃至第４素子列７４の夫々においては、ｎ種類の方向毎に磁化方向を有する磁気素子Ｒの磁化総量が、回転磁界の特定方向（位相がπ異なる方向を含む）に近い方向の磁化総量ほど多くなるように設定する。

即ち、図３に示す如く、例えば、第１素子列７１において電源端子８から１番目に設けられた磁気素子Ｒ１と、第２素子列７２において電源端子８から１番目に設けられた磁気素子Ｒ４とは、磁化方向の差が９０度に設定してある。同様に、第１素子列７１の１番目の磁気素子Ｒ１と第３素子列７３の１番目の磁気素子Ｒ７とは、磁化方向の差を１８０度に設定してある。第２素子列７２の１番目に設けた磁気素子Ｒ４は、第４素子列７４の１番目に設けられた磁気素子Ｒ１０と磁化方向の差が１８０度である。

このように、磁化方向を均等に振り分けることで、回転体２が何れの角度にあっても、磁気素子Ｒのうち何れかの素子１２が磁力に対して良好に反応し、電位を生じる。このため、ブリッジ回路６からは常に適切な出力を得ることができる。
また、外部磁界が十分に大きい場合や、環境温度が高い場合などに、回転磁気センサからの出力信号に誤差信号として含まれる高調波を互いの磁気素子Ｒが打ち消し合うから、磁力の測定精度がさらに向上する。

さらに、第１素子列７１乃至第４素子列７４の夫々においては、３種類の方向毎に磁化方向を有する磁気素子Ｒを設けてあるが、図３において○で囲んだ数字が示すように、回転磁界の±Ｘ方向に磁化方向が近い、例えば磁気素子Ｒ３，Ｒ４，Ｒ９，Ｒ１０の磁化総量を多く設定してある。これとは反対に、磁化方向が±Ｘ方向から離れる、例えば磁気素子Ｒ１，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ１２の磁化総量は少なく設定してある。尚、各素子列７において、夫々の磁気素子Ｒの配列順序は任意である。例えば、第１素子列７１において、Ｒ１乃至Ｒ３の接続順序を入れ替えても構わない。

第１素子列７１乃至第４素子列７４の夫々に於いて、ｎ種類の方向の磁化総量を設定するには、例えば、一つの磁気素子Ｒの磁化強度を同じに設定しておき、特定方向に近い磁化方向を有する磁気素子Ｒほど多く配置するとよい。

このようにすれば、配置する磁気素子Ｒの数を決めるだけでよく、磁化総量の設定が極めて容易である。また、用いる磁気素子Ｒとしては必要な磁化方向のものを必要な数だけ揃えればよく、検出回路３を合理的に製作することができる。

用いる磁気素子Ｒの磁化方向および数は、例えば以下の要領で行うとよい。図４には、検出回路３が備えるべき磁気に対する抵抗の大きさと、各磁化方向に設置すべき磁気素子Ｒの数とを示している。この検出回路３は、図１における＋Ｘ方向の磁力成分を検出するから、検出すべき磁力成分の大きさはＳＩＮカーブとなる。その際、検出回路３には磁力の変化に伴って電圧が発生する。よって、図４においても検出回路３が発生させる抵抗はＳＩＮカーブとなる。尚、図４は、ＳＩＮカーブの絶対値を採用している。

図４におけるＳＩＮカーブの左ピークは、検出すべき磁力の特定方向、即ち、＋Ｘ方向に磁界が向いた状態を示している。また、右ピークは、磁界が−Ｘ方向に向いた状態で得られるＳＩＮカーブを、絶対値を反転させて示している。よって、±Ｘ方向に近い向きを有する磁気素子Ｒの設置数を多く設定する。磁気素子Ｒの各方向における磁化強度は、図４に示す如く、その磁化方向に対応した抵抗の大きさに正確に対応するのが好ましい。ただし、上記のごとく、磁気素子Ｒの数で磁化総量を決定する場合、必ずしも抵抗の変化に一致するとは限らない。よって、抵抗の増減と同様の傾向となるように磁気素子Ｒの数を設定するとよい。

このように検出する特定方向（位相がπ異なる方向を含む）に近い磁化方向をもつ磁気素子Ｒを多く設置することで、測定される磁化成分が多くなるとき、大きな電圧を発生させ得る磁気素子Ｒを多く確保することができる。この結果、電圧の変化をより適切に検出することができ、回転体２の回転角度の検出精度を大幅に向上させることができる。

〔差分検出器〕
上記のごとく構成した検出回路３で生じた電圧は、二つの出力端子を介して差分検出器４（第１差分検出器４１）に送られる。差分検出器４では、この一方の出力端子および他方の出力端子間の電位差に対応して信号を発生し、この信号がさらに演算回路５に送られる。

以上においては、図２における第１検出回路３１について説明した。ただし、回転体２の正確な角度を得るためには、上記±Ｘ方向に直交する±Ｙ方向についても磁気の強さを測定する必要がある。そのためには、上記で示した検出回路３と同じ構成の第２検出回路３２を用意する。ただし、第２検出回路３２の設置は、検出する特定方向を±Ｙ方向に設定するだけでよい。

即ち、回転磁気センサ１を構成するには、まず、ブリッジ回路６および差分検出回路３として、回転磁界の特定方向として±Ｘ方向の成分強度を検出する第１ブリッジ回路６１と第１差分検出器４とを備えて第１検出回路３１を設置する。これに加えて、回転磁界の回転方向に沿って±Ｘ方向とは９０度異なる±Ｙ方向の成分強度を検出する第２ブリッジ回路６２と第２差分検出器４２とを有する第２検出回路３２を設置する。さらに、第１差分検出器４１および第２差分検出器４２からの信号に基づいて、回転磁界の方向を算出する演算回路５を備えておけばよい。

これにより、回転体２の向きに拘らず回転磁界を正確に測定することができ、しかも、ノイズとして発生する高調波を打ち消すことができるため、回転体２の回転方向を正確に測定することができる。

以下には、上記回転磁気センサ１を用いた場合の磁界の検出精度について説明する。
磁気素子Ｒを用いた角度検出センサでは外部磁界が十分に大きい場合や、環境温度が十分に高い場合などに、センサからの出力信号に誤差信号が含まれることがある。この誤差信号の主成分はセンサ信号の奇数高調である。このときのセンサ出力は例えば以下の（１）式で表すことができる。

このうち、下線部が誤差信号であり、θは外部磁束の回転角度であり、F(θ)はθに対する出力信号の関である。

このとき、F(kθ)は、第１素子列７１の抵抗値Ｒ１(kθ)、第２素子列７２の抵抗値Ｒ２(kθ)、第３素子列７３の抵抗値Ｒ３(kθ)、第４素子列７４の抵抗値Ｒ４(kθ)、電源Ｖ_ddで表わすと（２）式となる。

次に第ｍの素子列７の第i方向の１つの磁気素子Ｒの抵抗値を一般式で表わすと（３）式となる。

φ ：基準方向との初期位相差
Ｖ_MR：磁気素子Ｒの構造できまるＭＲ比

この素子１２を順番にＳＩＮ関数の絶対値に相当する個数だけ直列接続する。
このとき、第ｍの素子列７ｍの第i方向の直列接続する磁気素子Ｒの数は式（４）で表わされる。

ここでＳは、ブリッジ回路６の全体での磁気素子Ｒの総数である。

次に第ｍの素子列７の総数Ｒｍ(kθ)は（５）式となる。

これよりＦ(kθ)を計算すると
ｋ＝１ではなく、また４ｎ±1でもない場合、以下のようになる。

これを（１）式に代入すると（６）式となる。

下線は誤差信号 κ、λは定数となる。
よって（１）式の誤差成分の一部が低減できることが確認できる。

次に、図３及び図５に示したように、一つの素子列７に三方向に磁化された固定層をもつ磁気素子Ｒを備えた場合について考える。尚、図３は特定方向を±Ｘ方向とする第１検出回路３１の例であり、図５は特定方向を±Ｙ方向とする第２検出回路３２の例である。それぞれの方向の抵抗の大きさをグラフに示すと図６のようになる。
この場合、各磁気素子Ｒの抵抗の大きさを、グラフのようにＳＩＮ関数の絶対値に相当するものとした。

このとき、センサが出力する信号に含まれる誤差信号の成分が主に３次高調波であると仮定し、入力信号に含まれる誤差信号（波形歪み）と出力信号に含まれる誤差信号（波形歪み）の比較を表計算を用いて算出した。計算した結果を図７に示す。

このように、従来の回転磁気センサ１では、入力する誤差信号に比例して角度誤差も増加していたのに対して、本実施形態のセンサでは、入力する信号の誤差の大きさに拘らず角度誤差をほぼ解消出来ていることがわかる。

〔第２実施形態〕
上記実施形態では、各素子列７に設けられる磁気素子Ｒにつき、設置数を変更して検出特性を向上させた。これに対して、磁気素子Ｒの設置数は、何れの素子列７においても一定とし、その代わり、各磁気素子Ｒの磁化強度を変化させることとしても良い。例えば、夫々の磁気素子Ｒの磁化強度そのものを増減させておいても良い。また、以下に示す如く、夫々の磁気素子Ｒの磁化強度は一定としておき、夫々の磁気素子Ｒに増幅器１２を付随させて出力される磁気抵抗の信号強度を変化させることができる。

例えば、図８に示す如く、第１素子列７１乃至第４素子列７４の夫々に、ｎ種類の方向の何れかの方向に磁化された磁気素子Ｒを配置する。それと共に、出力される磁気抵抗の信号を増幅する増幅器１２を各磁気素子Ｒに付随して設ける。磁化の強さは、例えば図８の例では特定方向を±Ｘ方向に設定するものとすれば、＋Ｘ方向およびこれと位相がπ異なる−Ｘ方向に近い磁化方向を有する磁気素子Ｒほど増幅率を高く設定する。この増幅率は、例えば各磁気素子Ｒの抵抗の大きさが図６に示したような抵抗の大きさになるように適宜決定するとよい。

このような構成であれば、各素子列７において磁気素子Ｒの設置スペースを少なくすることができる。よって、コンパクトな回転磁気センサ１を得ることができる。また、磁気素子Ｒの磁化強度が一定で済むため、必要構成部品の種類・総数を低減することができ、効率的に回転磁気センサ１を構成することができる。

このような構成の検出回路３を用いた場合の、回転体２の角度検出精度は以下のごとくである。
図８の例であれば、磁化方向の数ｎの値は２であるから、各素子列７に設けられる磁気素子Ｒどうしの磁化方向の差は、（２π／４ｎ）より４５度となる。
より具体的には、例えば±Ｘ方向を特定方向とする第１検出回路３１では、第１素子列７１において、＋Ｘ方向に平行な磁化方向を持つ磁気素子Ｒとそこから時計回りに４５度傾いた磁化方向を持つ磁気素子Ｒとを接続する。第２素子列７２では例えば−Ｙ方向より時計回りに１８０度傾いた磁化方向を持つ磁気素子Ｒとそこから時計回りに４５度傾いた磁化方向を持つ磁気素子Ｒとを接続する。第３素子列７３では＋Ｘ方向より時計回りに１８０°傾いた磁化方向を持つ磁気素子Ｒとそこから時計回りに４５度傾いた磁化方向を持つ磁気素子Ｒとを接続する。第４素子列７４では−Ｙ方向と平行な方向に磁化方向を持つ磁気素子Ｒとそこから時計回りに４５度傾いた磁化方向を持つ磁気素子Ｒとを接続する。これら磁気素子Ｒには、各々の抵抗に増幅器１２を接続する。

一方、図９に示すように、±Ｙ方向を特定方向とする第２検出回路３２では、各素子列同士の磁気素子Ｒの相対位相は上記第１検出回路３１と同じであり、第２検出回路３２の全体を第１検出回路３１に対して９０度変更するだけである。

以下、第２実施形態に係る回転磁気センサ１を用いた場合の磁界の検出精度について説明する。
磁気素子Ｒを用いた角度検出センサでは外部磁界が十分に大きい場合や、環境温度が十分に高い場合などに、センサからの出力信号に誤差信号が含まれることがある。この誤差信号の主成分はセンサ信号の奇数高調である。このときのセンサ出力は例えば以下の（７）式で表すことができる。

このうち、下線部が誤差信号であり、θは外部磁束の回転角度であり、F(θ)はθに対する出力信号の関である。

このとき、F(kθ)は、第１素子列７１の抵抗値Ｒ１(kθ)、第２素子列７２の抵抗値Ｒ２(kθ)、第３素子列７３の抵抗値Ｒ３(kθ)、第４素子列７４の抵抗値Ｒ４(kθ)、電源Ｖ_ddで表わすと（８）式となる。

このとき、k次高調波の出力信号関数F(kθ)は、第１素子列７１の抵抗値のk次高調波分Ｒ１(kθ)、第２素子列７２の抵抗値のk次高調波分Ｒ２(kθ)、第３素子列７３の抵抗値のk次高調波分Ｒ３(kθ)、第４素子列７４の抵抗値のk次高調波分Ｒ４(kθ)、電源Ｖ_ddで表わすと（９）式となる。

このとき、一つの素子列７に電位が高い方から数えて第１方向〜第ｎ方向までのｎ個の異なった固定層の磁化方向が存在する場合、第ｍ素子列７ｍの第i方向の固定層をもつ磁気素子Ｒｍの抵抗値を一般式で表わすと（１０）式となる。

ここで、φ ：基準方向との初期位相差
Ｖ_MR：磁気素子１２の構造できまる抵抗変化率
i_dd ：電源間を流れる電流値

これにより、固定層の磁化方向と抵抗変化率の関係は次のようになる。即ち、±Ｙ方向の磁界の強さが強く、±Ｘ方向の磁界の強さが弱いため、±Ｙ方向と平行な方向の固定層にかかる抵抗変化率が最も大きく、±Ｘ方向と平行な方向の固定層にかかる抵抗変化率が最も小さい。その間の方向の固定層では正弦波状に抵抗変化率が変化する。これを図に表わすと図１０のようになる。
図１０において、A_Rmax はＹ方向と平行な方向の固定層にかかる抵抗変化率であり、A_Rmin はＸ方向と平行な方向の固定層にかかる抵抗変化率であり、ζはA_RmaxとA_Rminの比である。

このとき、第ｍの素子列７ｍの第i方向の固定層をもつ磁気素子Ｒｍの抵抗変化率は次式（１１）で表わされると推測される。

次に第１検出回路３１における第ｍ素子列７ｍの第i方向の固定層をもつ磁気素子Ｒｍの抵抗にかかる増幅率を（１２）式のように定める。

同様に第２検出回路３２における第ｍ素子列７ｍの第i方向の固定層をもつ磁気素子Ｒｍの抵抗にかかる増幅率を（１３）式のように定める。

第ｍの素子列７ｍの抵抗Ｒｍ(kθ)は以下の（１４）式となる。

これよりＦ(kθ)を計算すると
ｋ＝１でもなく、４ｎ±1でもない場合、以下の（１５）式となる。

これを（７）式に代入すると（１６）式となる。

尚、下線は誤差信号であり、κ、λは任意の定数である。
よって（７）式の誤差成分の一部が低減できることが確認できる。

本実施形態で磁気センサの出力する信号に含まれる誤差信号の成分が主に３次高調波であると仮定し、入力信号に含まれる誤差信号（波形歪み）と出力信号に含まれる誤差信号（波形歪み）の比較を表計算を用いて算出した。
その結果を図１１に示す。

この図１１から明らかなように、本実施形態の回転磁気センサ１の場合、入力する波形の歪の増大に伴って生じる角度誤差が、従来の回転磁気センサ１によるものと比べて格段に少なくなっていることがわかる。このように、本実施形態の回転磁気センサ１であれば、出力信号に歪みや誤差信号が含まれる場合でも、角度誤差を十分に低く維持できることがわかる。

本発明の回転磁気検出回路および当該検出回路を備えた回転磁気センサは、自動車や各種機械における回転部材の検出装置として用いることができる。

１ 回転磁気センサ
３ 回転磁気検出回路
４ 差分検出器
５ 演算回路
６ ホイートストンブリッジ回路
７１ 第１素子列
７２ 第２素子列
７３ 第３素子列
７４ 第４素子列
８ 電源端子
９ 接地端子
１０ 一方の出力端子
１１ 他方の出力端子
１２ 増幅器
Ｒ 磁気抵抗効果素子

Claims (5)

1. ２以上のｎ種類の方向に磁化した少なくともｎ個の磁気抵抗効果素子を夫々有する第１素子列乃至第４素子列を備え、
   前記第１素子列と前記第２素子列とが直列に接続され、
   前記第３素子列と前記第４素子列とが直列に接続され、
   前記第１素子列と前記第３素子列とが電源端子に接続され、
   前記第２素子列と前記第４素子列とが接地端子に接続され、
   前記第１素子列と前記第２素子列とが一方の出力端子に接続され、
   前記第３素子列と前記第４素子列とが他方の出力端子に接続され、
   回転磁界の特定方向の成分強度に応じて双方の出力端子間に電位差を生じさせるホイートストンブリッジ回路と、
   前記一方の出力端子および前記他方の出力端子の電位差に対応する信号を出力する差分検出器とを備え、
   前記第１素子列を構成する夫々の磁気抵抗効果素子が有する磁化方向は、前記第２素子列を構成する磁気抵抗効果素子の何れか一つが有する磁化方向と９０度異なり、
   前記第１素子列を構成する夫々の磁気抵抗効果素子が有する磁化方向は、前記第３素子列を構成する磁気抵抗効果素子の何れか一つが有する磁化方向と１８０度異なり、
   前記第２素子列を構成する夫々の磁気抵抗効果素子が有する磁化方向は、前記第４素子列を構成する磁気抵抗効果素子の何れか一つが有する磁化方向と１８０度異なり、
   前記第１素子列乃至前記第４素子列の夫々において、前記ｎ種類の方向毎に磁化方向を有する前記磁気抵抗効果素子の磁化総量が、前記回転磁界の特定方向に近い方向の磁化総量ほど多くなるように設定してある回転磁気検出回路。
2. 前記第１素子列乃至前記第４素子列の夫々に於いて、磁化方向が前記ｎ種類の方向の何れかであって同じ強さに磁化された磁気抵抗効果素子を、前記特定方向に近い磁化方向を有する磁気抵抗効果素子ほど多く配置してある請求項１に記載の回転磁気検出回路。
3. 前記第１素子列乃至前記第４素子列の夫々に於いて、前記ｎ種類の方向の何れかの方向に磁化されると共に出力する磁気抵抗の信号を増幅する増幅器を伴なった磁気抵抗効果素子を備え、前記特定方向に近い磁化方向を有する前記磁気抵抗効果素子の磁化総量ほど多く設定してある請求項１に記載の回転磁気検出回路。
4. 前記第１素子列乃至前記第４素子列において、前記ｎ種類の方向が(２π/４ｎ)の角度
   間隔に設定してある請求項１から３の何れか一項に記載の回転磁気検出回路。
5. 前記ホイートストンブリッジ回路および前記差分検出器を備えた検出回路として、
   前記回転磁界の特定方向の成分強度を検出する第１ホイートストンブリッジ回路と第１差分検出器とを備えて第１検出回路を構成すると共に、
   前記回転磁界の回転方向に沿って前記特定方向とは９０度異なる方向の成分強度を検出する第２ホイートストンブリッジ回路と第２差分検出器とを備えて第２検出回路を構成し、
   前記第１差分検出器および前記第２差分検出器からの信号に基づいて、前記回転磁界の方向を算出する演算回路を備えた請求項１から４の何れか一項に記載の回転磁気検出回路を備えた回転磁気センサ。

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