JP6131601B2 - 磁気センサー - Google Patents

Description

本発明は、被測定磁束を電気信号に変換する磁電変換素子と、磁電変換素子の出力信号を処理する処理部と、を有する磁気センサーに関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、電流値を検出する電流センサと、電流センサが使用される環境の温度を検出する温度センサと、を具備する電気自動車用電流検出装置が提案されている。この電気自動車用電流検出装置では、電流センサの近傍に温度センサが設けられている。

特開２００１−３２７００２号公報

上記したように、特許文献１に示される電気自動車電流検出装置では、温度センサが電流センサの近傍に設けられている。そのため、温度センサにて電流センサの温度が検出される。しかしながら、電流センサの熱が、電流センサから温度センサへ伝達する際に、その一部が拡散される。このため、電流センサ（磁電変換素子）の温度を高精度に検出することが難しかった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、磁電変換素子の温度を高精度に検出することが可能とされた磁気センサーを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明は、被測定磁束を電気信号に変換する磁電変換素子と、磁電変換素子の出力信号を処理する処理部と、を有する磁気センサーであって、磁電変換素子は、被測定磁束を正弦波に変換する第１素子、及び、被測定磁束を、正弦波とは振幅が同一であるが、位相がπ／２異なる余弦波に変換する第２素子を有し、処理部は、正弦波と余弦波とに基づいて磁電変換素子の温度を算出する算出部を有し、算出部は、正弦波と余弦波それぞれを自乗した値を加算した加算信号と磁電変換素子の温度との対応関係が記憶された記憶部と、正弦波と余弦波とに基づいて加算信号を算出し、加算信号と記憶部に記憶された対応関係に基づいて、磁電変換素子の温度を導出する導出部と、を有し、磁電変換素子は、磁化方向が固定された固定層と、被測定磁束によって磁化方向が変化する自由層と、固定層と自由層との間に設けられた、非磁性の中間層と、を有し、固定層の磁化方向と、自由層の磁化方向とが成す角度によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子であることを特徴とする。

第１素子から出力される正弦波、及び、第２素子から出力される余弦波それぞれの振幅をＡ、位相をθとすると、正弦波はＡｓｉｎθと表され、余弦波はＡｃｏｓθと表される。したがって、本発明に記載の、正弦波と余弦波それぞれを自乗した値を加算した加算信号は、Ａ^２ｓｉｎ^２θ＋Ａ^２ｃｏｓ^２θ＝Ａ^２（ｓｉｎ^２θ＋ｃｏｓ^２θ）＝Ａ^２と表される。このように、加算信号は、位相θに依存せず、振幅Ａのみに依存する。振幅Ａは、磁電変換素子を透過する磁束の量と、磁電変換素子の温度とに依存する。したがって、加算信号は、磁電変換素子を透過する磁束の量と、磁電変換素子の温度とに依存する。

本発明では、上記した加算信号と磁電変換素子の温度との対応関係が記憶部に記憶され、加算信号が導出部により算出される。そして、上記した対応関係に基づいて、磁電変換素子の温度が、導出部により導出される。これによれば、磁電変換素子の近傍に設けられた温度センサによって磁電変換素子の温度が検出される構成と比べて、磁電変換素子の温度が高精度に算出（検出）される。

処理部は、算出部の他に、導出部によって導出された磁電変換素子の温度に基づいて、正弦波、及び、余弦波の少なくとも一方の温度特性を補正する補正部を有する構成が好適である。これよれば、磁電変換素子の近傍に設けられた温度センサにて検出される温度に基づいて、磁電変換素子の出力信号の温度特性を補正する構成とは異なり、高精度に検出された磁電変換素子の温度に基づいて、磁電変換素子の出力信号が補正される。したがって、磁電変換素子の出力信号の温度特性がより正確に補正される。

第１実施形態に係る磁気センサーの概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１に基づいて、本実施形態に係る磁気センサーを説明する。磁気センサー１００は、要部として、被測定磁束を電気信号に変換する磁電変換素子１０と、磁電変換素子１０の出力信号（以下、検出信号と示す）を処理する処理部２０と、を有する。処理部２０は、検出信号に基づいて磁電変換素子１０の温度を算出し、算出した温度に基づいて検出信号の温度特性を補正する。

磁電変換素子１０は、第１素子１１、及び、第２素子１２を有する。素子１１、１２それぞれは自身を透過する被測定磁束の量と方向が互いに同じになるように配置されている。第１素子１１は、自身を透過した被測定磁束を正弦波に変換するものであり、第２素子１２は、自身を透過した被測定磁束を余弦波に変換するものである。正弦波と余弦波は、振幅が同一であるが、位相がπ／２異なり、正弦波と余弦波それぞれは、アナログ信号として素子１１、１２から出力される。

素子１１、１２は、図示しないが、永久磁石と、永久磁石によって磁化方向が固定されたピン層と、非磁性の中間層と、自身を透過する磁束の方向によって磁化方向が変化する自由層とが順に積層された磁気抵抗素子である。中間層は導電性を有しており、素子１１、１２は巨大磁気抵抗素子である。

素子１１、１２は、ピン層の磁化方向と、自由層の磁化方向とがなす角度によって抵抗値が変化する。ピン層の磁化方向と自由層の磁化方向が平行のときに抵抗値が最も低くなり、ピン層の磁化方向と自由層の磁化方向が半平行のときに抵抗値が最も高くなる。第１素子１１におけるピン層の磁化方向と、第２素子１２におけるピン層の磁化方向はπ／２異なっている。また、上記したように、素子１１、１２はそれぞれを透過する被測定磁束の量と方向が互いに同じになっている。そのため、第１素子１１から正弦波が出力されると、振幅が同一であり、位相がπ／２異なる余弦波が第２素子１２から出力される。

処理部２０は、算出部３０と、補正部６０と、アンプ７０と、Ａ／Ｄ変換部８０と、を有する。素子１１、１２はアンプ７０と、Ａ／Ｄ変換部８０と、を介して算出部３０に接続されており、算出部３０は補正部６０と接続されている。詳しくいえば、アンプ７０は、第１アンプ７１と、第２アンプ７２と、を有し、Ａ／Ｄ変換部８０は、第１変換部８１と、第２変換部８２と、を有する。第１素子１１は、第１アンプ７１と、第１変換部８１と、を介して算出部３０に接続され、第２素子１２は、第２アンプ７２と、第２変換部８２と、を介して算出部３０に接続されている。このため、第１素子１１から出力された正弦波は、第１アンプ７１と、第１変換部８１と、を介して算出部３０へ入力され、第２素子１２から出力された余弦波は、第２アンプ７２と、第２変換部８２と、を介して算出部３０へ入力される。そして、算出部３０に入力された正弦波、及び、余弦波は、補正部６０に入力される。

算出部３０は、正弦波と余弦波とに基づいて、素子１１、１２の温度を算出するものである。算出部３０は、記憶部４０と、導出部５０と、を有する。記憶部４０には、後述する加算信号と素子１１、１２の温度との対応関係が記憶されており、導出部５０は、加算信号を算出し、素子１１、１２の温度を導出するものである。

上記した加算信号は、正弦波と余弦波それぞれを自乗し、加算したものである。第１素子１１から出力される正弦波、及び、第２素子１２から出力される余弦波それぞれの振幅をＡ、位相をθとすると、正弦波はＡｓｉｎθと表され、余弦波はＡｃｏｓθと表される。したがって、正弦波と余弦波それぞれを自乗した値を加算した加算信号は、Ａ^２ｓｉｎ^２θ＋Ａ^２ｃｏｓ^２θ＝Ａ^２（ｓｉｎ^２θ＋ｃｏｓ^２θ）＝Ａ^２と表される。加算信号は、Ａ^２で表されるため、位相θに依存せず、振幅Ａのみに依存する。振幅Ａは、素子１１、１２を透過する被測定磁束の量と、素子１１、１２の温度とに依存する。したがって、加算信号は、素子１１、１２を透過する被測定磁束の量と、素子１１、１２の温度とに依存する。このように、加算信号と素子１１、１２の温度には対応関係がある。

上記したように、記憶部４０には、加算信号と素子１１、１２の温度との対応関係が記憶されている。導出部５０は、正弦波、及び、余弦波に基づいて上記の演算を実行することで、加算信号を算出した後、記憶部４０に記憶された対応関係を読み込む。そして、算出部５０は、加算信号と読み込んだ対応関係とに基づいて素子１１、１２の温度を導出し、導出した温度を補正部６０へ出力する。

補正部６０は、正弦波、及び、余弦波の温度特性を補正するものである。つまり、補正部６０は、導出部５０によって導出された素子１１、１２の温度に基づいて、正弦波、及び、余弦波から温度に依存する要素を削除することで、正弦波、及び、余弦波それぞれを温度に依存しないように補正する。

アンプ７０は、正弦波、及び、余弦波を増幅するものであり、上記したように、第１アンプ７１と、第２アンプ７２と、を有する。第１アンプ７１は、第１素子１１から出力される正弦波を増幅するものであり、第２アンプ７２は、第２素子１２から出力される余弦波を増幅するものである。このため、第１素子１１から出力された正弦波は第１アンプ７１により増幅され、Ａ／Ｄ変換部８０へと入力される。同様に、第２素子１２から出力された余弦波は第２アンプ７２により増幅され、Ａ／Ｄ変換部８０へと入力される。図示しないが、アンプ７１、７２は、非反転入力端子、反転入力端子、出力端子を有しており、非反転入力端子が素子１１、１２と接続され、出力端子がＡ／Ｄ変換部８０に接続され、反転入力端子が抵抗を介して出力端子と電気的に接続されている。反転入力端子に接続された抵抗の抵抗値により、アンプ７１、７２による出力信号の増幅率が決定される。

上記したように、第１素子１１が出力する正弦波と第２素子１２が出力する余弦波は、振幅が同一であるが、位相がπ／２異なっている。そのため、本実施形態に係るアンプ７１，７２それぞれの増幅率は、同一となっている。しかしながら、素子１１，１２それぞれの設計によって、第１素子１１から出力される正弦波と、第２素子１２から出力される余弦波それぞれの振幅が異なる場合がある。この場合、アンプ７１，７２それぞれの増幅率を調整することで、アンプ７１，７２それぞれから、振幅が同一の正弦波と余弦波とを、後段のＡ／Ｄ変換部８０に出力する。このように、アンプ７１，７２によって、第１素子１１から出力される正弦波と、第２素子１２から出力される余弦波それぞれの振幅が調整される。したがって、上記した加算信号を算出するためには、第１素子１１から出力される正弦波と、第２素子１２から出力される余弦波それぞれの振幅が同一である必要はない。

Ａ／Ｄ変換部８０は、正弦波、及び、余弦波をデジタル信号に変換するものであり、上記したように、第１変換部８１と、第２変換部８２と、を有する。第１変換部８１は、正弦波をデジタル信号に変換するものであり、第２変換部８２は、余弦波をデジタル信号に変換するものである。このため、第１アンプ７１によって増幅された正弦波は、第１変換部８１によってデジタル信号に変換され、導出部５０へと入力される。同様に、第２アンプ７２によって増幅された余弦波は、第２変換部８２によってデジタル信号に変換され、導出部５０へと入力される。ちなみに、変換部８１、８２は、正弦波、及び、余弦波を一定間隔で測定することで離散信号として収集する標本化と、収集した離散信号を最も近い整数値で近似する量子化と、を実行することで、正弦波、及び、余弦波をアナログ信号からデジタル信号に変換する。

次に、本実施形態に係る磁気センサー１００の作用効果を説明する。上記したように、
素子１１、１２の温度は、算出部３０により、正弦波と余弦波とに基づいて算出される。これによれば、素子１１、１２の近傍に設けられた温度センサによって素子１１、１２の温度が検出される構成と比較して、素子１１、１２の温度が高精度に算出（検出）される。

補正部６０は、算出部３０によって算出された素子１１、１２の温度に基づいて、正弦波、及び、余弦波の温度特性を補正する。これによれば、素子１１、１２の近傍に設けられた温度センサにて検出される温度に基づいて、素子１１、１２の出力信号の温度特性を補正する構成とは異なり、算出部３０によって高精度に検出された素子１１、１２の温度に基づいて、素子１１、１２の出力信号が補正される。したがって、素子１１、１２の出力信号の温度特性がより正確に補正される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、素子１１、１２の中間層が導電性を有しており、素子１１、１２が巨大磁気抵抗素子である例を示した。しかしながら、素子１１、１２の中間層が絶縁性を有しており、素子１１、１２がトンネル磁気抵抗素子である構成を採用することができる。

さらに、素子１１、１２が異方性磁気抵抗素子である構成を採用することもできる。この場合、素子１１、１２は強磁性体からなり、自身を透過する被測定磁束と自身を流れる電流とがなす角度により抵抗値が変化する。詳しくいえば、電流方向と磁束方向が垂直のとき、抵抗値は最大となり、電流方向と磁束方向が平行のとき、抵抗値は最小となる。この構成では、第１素子１１と、第２素子１２は、それぞれを流れる電流の向きがπ／２異なるように配置される。

本実施形態では、補正部６０が正弦波、及び、余弦波の温度特性を補正する例を示した。しかしながら、補正部６０が正弦波、及び、余弦波のどちらか一方の温度特性のみを補正する構成を採用することもできる。

本実施形態では、処理部２０が、補正部６０を有する例を示した。しかしながら、処理部２０が補正部６０を有さない構成を採用することもできる。この構成において、正弦波及び、余弦波の温度特性を補正する場合、その機能は算出部３０が奏する。

本実施形態では、磁気センサー１００の具体的な用途を明示しなかった。しかしながら、磁気センサー１００を、回転体の回転角を検出する回転角検出センサーに適用することができる。この回転角検出センサーは、磁気センサー１００の他に、複数の凹凸が形成された回転体に磁束を印加する磁石を有し、素子１１、１２それぞれは、回転体の回転により変動する磁束を被測定磁束として検出する。本実施形態と同様にして、素子１１、１２それぞれのピン層の磁化方向がπ／２異なっており、素子１１、１２は、回転体の回転方向に沿って並んで配置される。このため、素子１１、１２それぞれに透過する被測定磁束の量と方向が同一となっている。回転体が回転すると、回転体に形成された凹凸も回転し、凹凸の回転に伴って、回転体に印加される被測定磁束の方向が変化する。これにより、素子１１、１２を透過する被測定磁束の方向も変化し、第１素子１１から正弦波が出力されると、第２素子１２から余弦波が出力される。正弦波と余弦波それぞれの位相は、回転体の回転角度に依存する。

また、本発明における磁気センサー１００を、交流電流を検出する電流センサーに適用することもできる。この電流センサーでは、本実施形態と同様にして、第１素子１１におけるピン層の磁化方向と、第２素子１２におけるピン層の磁化方向がπ／２異なっており、素子１１、１２が電流経路に沿って並んで配置される。電流経路に電流が流れると、右ねじの法則にしたがって、電流経路の周方向に被測定磁束が生じる。このため、素子１１、１２それぞれに透過する被測定磁束の量と方向とが同一となっている。交流電流の位相が変化すると、被測定磁束の量も変化する。そのため、素子１１、１２を透過する被測定磁束の量も変化し、第１素子１１から正弦波が出力されると、第２素子１２から余弦波が出力される。正弦波と余弦波それぞれの位相は、交流電流の位相に依存する。

ちなみに、この電流センサーでは、第１素子１１のピン層の磁化方向と、第２素子１２のピン層の磁化方向が同じである構成を採用することもできる。この場合、電流経路から第１素子１１までの距離と、電流経路から第２素子１２までの距離が等しい。そして、電流経路に垂直な断面において、電流経路と第１素子１１とを結ぶ直線と、電流経路と第２素子１２とを結ぶ直線との成す角がπ／２となるように、第１素子１１と第２素子１２が配置される。これにより、第１素子１１における自由層の磁化方向と、第２素子１２における自由層の磁化方向とがπ／２異なり、第１素子１１から正弦波が出力されると、第２素子１２から余弦波が出力される。

さらに、本発明における磁気センサー１００を、直流電流を検出する電流センサーに適用することもできる。この電流センサは、磁気センサ１００の他に、バイアス磁束を発生する発生源を有する。このバイアス磁束は、直流電流の流動によって電流経路の周方向に発生する被測定磁束に直交するように、発生源から発生される。素子１１、１２は、直流電流の流れる電流経路に沿って並んでおり、素子１１、１２それぞれを透過するバイアス磁束の量と方向とが同一となっている。したがって、素子１１、１２それぞれに、上記した互いに直交の関係にある被測定磁束とバイアス磁束とが印加される。これにより、素子１１、１２それぞれの自由層の磁化方向は、被測定磁束とバイアス磁束とによって合成される磁束（以下、合成磁束と示す）の方向に変動する。

ところで、この変形例の場合、第１素子１１のピン層の磁化方向は、被測定磁束と平行になり、第２素子１２のピン層の磁化方向は、バイアス磁束と平行となるように、素子１１、１２が配置される。本実施形態で示したように、自由層の磁化方向とピン層の磁化方向とが平行の場合、最も抵抗値が低くなる。したがって、第１素子１１からは、主として、被測定磁束に依存する信号が出力され、第２素子１２からは、主として、バイアス磁束に依存する信号が出力される。

上記した合成磁束とバイアス磁束の成す角度をθとし、合成磁束をＡと示すと、被測定磁束はＡｓｉｎθ、バイアス磁束はＡｃｏｓθと表される。したがって、第１素子１１からは、主として、Ａｓｉｎθに依存する信号が出力され、第２素子１２からは、主として、Ａｃｏｓθに依存する信号が出力される。このように、第１素子１１と第２素子１２の出力信号は、正弦波と余弦波の関係となっている。したがって、素子１１、１２の出力信号に基づいて、加算信号が算出される。ちなみに、バイアス磁束の発生源としては、磁石や、コイルなどが採用される。

１０・・・磁電変換素子
１１・・・第１素子
１２・・・第２素子
２０・・・処理部
３０・・・算出部
４０・・・記憶部
５０・・・導出部
１００・・・磁気センサー

Claims (6)

1. 被測定磁束を電気信号に変換する磁電変換素子と、
   該磁電変換素子の出力信号を処理する処理部と、を有する磁気センサーであって、
   前記磁電変換素子は、前記被測定磁束を正弦波に変換する第１素子、及び、前記被測定磁束を、前記正弦波とは振幅が同一であるが、位相がπ／２異なる余弦波に変換する第２素子を有し、
   前記処理部は、前記正弦波と前記余弦波とに基づいて前記磁電変換素子の温度を算出する算出部を有し、
   前記算出部は、前記正弦波と前記余弦波それぞれを自乗した値を加算した加算信号と前記磁電変換素子の温度との対応関係が記憶された記憶部と、前記正弦波と前記余弦波とに基づいて前記加算信号を算出し、算出した加算信号と前記記憶部に記憶された前記対応関係に基づいて、前記磁電変換素子の温度を導出する導出部と、を有し、
   前記磁電変換素子は、磁化方向が固定された固定層と、前記被測定磁束によって磁化方向が変化する自由層と、前記固定層と前記自由層との間に設けられた、非磁性の中間層と、を有し、前記固定層の磁化方向と、前記自由層の磁化方向とが成す角度によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子であることを特徴とする磁気センサー。
2. 前記処理部は、前記算出部の他に、前記導出部によって導出された前記磁電変換素子の温度に基づいて、前記正弦波、及び、前記余弦波の少なくとも一方の温度特性を補正する補正部を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー。
3. 前記磁電変換素子の出力信号はアナログ信号であり、
   前記処理部は、前記磁電変換素子の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気センサー。
4. 前記処理部は、前記磁電変換素子の出力信号を増幅するアンプを有することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の磁気センサー。
5. 前記磁電変換素子は、前記中間層が導電性を有する巨大磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気センサー。
6. 前記磁電変換素子は、前記中間層が絶縁性を有するトンネル磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気センサー。

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