JP6387104B2 - 磁気センサ - Google Patents
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Description
[特許文献1]特開2012−127788号公報
の逆行列が存在する位置に配置される磁気センサを提供する。
(数1)
R1=ΔR1X・BX+ΔR1Y・BY+ΔR1Z・BZ+R1i
(数2)
R2=ΔR2X・BX+ΔR2Y・BY+ΔR2Z・BZ+R2i
(数3)
R3=ΔR3X・BX+ΔR3Y・BY+ΔR3Z・BZ+R3i
(数4)
R4=ΔR4X・BX+ΔR4Y・BY+ΔR4Z・BZ+R4i
ところで、磁気検知部は一般に、外部磁場の大きさに比例した抵抗値の変化が生じる線形領域と、外部磁場に関わらず所定の抵抗値が生じる飽和領域とを有する。磁気検知部として用いる素子の種類によっては、磁気センサ100にX軸方向、且つ、単位磁束密度の外部磁場を印加したときに、第1磁気検知部210が線形領域で動作しない場合がある。そのような場合は、第1磁気検知部210に線形領域で動作する大きさの外部磁場を印加したときに得られる抵抗値の変化量からΔR1Xを算出する。即ち、磁気センサ100にX軸方向、且つ、第1磁気検知部210が線形領域で動作する大きさの外部磁場(磁束密度bX)を印加したときの第1磁気検知部210の抵抗値の変化量をΔr1Xとする。ΔR1XはΔR1X=Δr1X・1/bXにより算出される。同様に、ΔR2X〜ΔR4X、ΔR1Y〜ΔR4Y、ΔR1Z〜ΔR4Zも線形領域で動作する大きさの外部磁場を印加したときの抵抗値の変化量から算出される。
(数6)
が逆行列を有する場合である。よって、磁気センサ100は、(数6)式が逆行列を有する場合、3軸方向の外部磁場BX〜BZの各成分をそれぞれ検出できる。磁気センサ100は、(数6)式が逆行列を有するように配置された磁気収束部400及び磁気検知部200を有する。
図5は、磁気センサ100の構成の一例を示す。図5(a)は磁気センサ100の上面図、図5(b)は図5(a)のA−A断面図である。図5(c)は、磁気検知部200の感磁軸方向を示す。
R1=R1i、R2=R2i、R3=R3i、R4=R4i
となる。
R1=αR1・BX・L1・δr1+R1i
R2=αR2・BX・L2・δr2+R2i
R3=αR3・BX・L3・δr3+R3i
R4=αR4・BX・L4・δr4+R4i
R1=δR1αR1BX+R1i
R2=δR2αR2BX+R2i
R3=δR3αR3BX+R3i
R4=δR4αR4BX+R4i
磁気検知部200として同じ素子を用いる場合、磁気抵抗変化率δR1〜δR4はそれぞれ等しくなる。また、第1〜第4磁気検知部210〜240としてそれぞれ異なる材料及び形状を用いる場合であっても、磁気抵抗変化率δR1〜δR4をそれぞれ等しく調整できる。
δR1αR1=δR2αR2=a
δR3αR3=δR4αR4=−a
R1=+a・BX+R1i
R2=+a・BX+R2i
R3=−a・BX+R3i
R4=−a・BX+R4i
R1=ΔR1X・BX+R1i
R2=ΔR2X・BX+R2i
R3=ΔR3X・BX+R3i
R4=ΔR4X・BX+R4i
R1=βR1・BY・L1・δr1+R1i
R2=βR2・BY・L2・δr2+R2i
R3=βR3・BY・L3・δr3+R3i
R4=βR4・BY・L4・δr4+R4i
R1=δR1βR1BY+R1i
R2=δR2βR2BY+R2i
R3=δR3βR3BY+R3i
R4=δR4βR4BY+R4i
δR1βR1=δR3βR3=−b
δR2βR2=δR4βR4=b
R1=−b・BY+R1i
R2=+b・BY+R2i
R3=−b・BY+R3i
R4=+b・BY+R4i
R1=ΔR1Y・BY+R1i
R2=ΔR2Y・BY+R2i
R3=ΔR3Y・BY+R3i
R4=ΔR4Y・BY+R4i
R1=γR1・BZ・L1・δr1+R1i
R2=γR2・BZ・L2・δr2+R2i
R3=γR3・BZ・L3・δr3+R3i
R4=γR4・BZ・L4・δr4+R4i
なお、外部磁場BZの変換効率γR1とは、第1磁気検知部210の近傍に配置された磁気収束部400によって、外部磁場BZが、第1磁気検知部210の中心位置上で、第1磁気検知部210の感磁軸の正方向の磁場にどれだけ変換されたかを示すパラメータである。変換効率γR2〜γR4も同様に、外部磁場BZが、第2磁気検知部220から第4磁気検知部240の中心位置上で、感磁軸の正方向の磁場にどれだけ変換されたかを示すパラメータである。
R1=δR1γR1BZ+R1i
R2=δR2γR2BZ+R2i
R3=δR3γR3BZ+R3i
R4=δR4γR4BZ+R4i
δR1γR1=δR4γR4=c
δR2γR2=δR3γR3=−c
R1=+c・BZ+R1i
R2=−c・BZ+R2i
R3=−c・BZ+R3i
R4=+c・BZ+R4i
R1=ΔR1Z・BZ+R1i
R2=ΔR2Z・BZ+R2i
R3=ΔR3Z・BZ+R3i
R4=ΔR4Z・BZ+R4i
(数7)
R1=+a・BX−b・BY+c・BZ+R1i
(数8)
R2=+a・BX+b・BY−c・BZ+R2i
(数9)
R3=−a・BX−b・BY−c・BZ+R3i
(数10)
R4=−a・BX+b・BY+c・BZ+R4i
R1i=R2i=R3i=R4iとすれば、
(数7)+(数8)−(数9)−(数10)式より、
(R1+R2−R3−R4)=4aBX
(数8)+(数10)−(数7)−(数9)式より、
(R2+R4−R1−R3)=4bBY
(数7)+(数10)−(数8)−(数9)式より、
(R1+R4−R2−R3)=4cBZ
となる。
(数11)
R1=+a・BX−b・BY+c・BZ+R1i
(数12)
R2=+a・BX+b・BY−c・BZ+R2i
(数13)
R3=−a・BX−b・BY−c・BZ+R3i
(数14)
R4=+a・BX−b・BY−c・BZ+R4i
(数14)−(数13)式より、
(R4−R3)=2aBX
(数12)−(数14)式より、
(R2−R4)=2bBY
(数11)−(数14)式より、
(R1−R4)=2cBZ
となる。
(数15)
R1=+a・BX−b・BY+c・BZ+R1i
(数16)
R2=+a・BX+b・BY−c・BZ+R2i
(数17)
R3=+a・BX+b・BY+c・BZ+R3i
(数18)
R4=−a・BX+b・BY+c・BZ+R4i
(数17)−(数18)式より、
(R3−R4)=2aBX
(数17)−(数15)式より、
(R3−R1)=2bBY
(数17)−(数16)式より、
(R3−R2)=2cBZ
となる。
図11は、実施形態2に係る磁気センサ100の構成の一例を示す。本例の磁気センサ100は、磁気収束部500及び第1〜第4磁気検知部210〜240を備える。
図15は、実施形態3に係る磁気センサ100の構成の一例を示す。図16は、実施形態3に係る磁気センサ100のA−A断面図を示す。本例の磁気センサ100は、磁気検知ユニット10a及び磁気検知ユニット10bを備える。磁気検知ユニット10a及び磁気検知ユニット10bは、互いに略鏡像となるように配置される。本明細書では、始めに、磁気検知ユニット10aについて説明するが、磁気検知ユニット10bも磁気検知ユニット10aと略鏡像に配置される以外は基本的に同一の構成となる。
(数19)
RA=ΔRAX・BX+ΔRAY・BY+ΔRAZ・BZ+RAi
(数20)
RB=ΔRBX・BX+ΔRBY・BY+ΔRBZ・BZ+RBi
(数21)
RC=ΔRCX・BX+ΔRCY・BY+ΔRCZ・BZ+RCi
(数22)
RD=ΔRDX・BX+ΔRDY・BY+ΔRDZ・BZ+RDi
(数23)
RE=ΔREX・BX+ΔREY・BY+ΔREZ・BZ+REi
(数24)
RF=ΔRFX・BX+ΔRFY・BY+ΔRFZ・BZ+RFi
(数25)
RG=ΔRGX・BX+ΔRGY・BY+ΔRGZ・BZ+RGi
(数26)
RH=ΔRHX・BX+ΔRHY・BY+ΔRHZ・BZ+RHi
R1=−a・BX+b・BY−c・BZ+R1i
(数28)
R2=−a・BX+b・BY+c・BZ+R2i
(数29)
R3=−a・BX−b・BY−c・BZ+R3i
(数30)
R4=+a・BX+b・BY−c・BZ+R4i
R1i=R2i=R3i=R4iとなる。よって、
(数30)−(数27)式より、
(R4−R1)=2aBX
(数27)−(数29)式より、
(R1−R3)=2bBY
(数28)−(数27)式より、
(R2−R1)=2cBZ
となる。
(数31)
a=|δR1αR1|=|δR2αR2|=|δR3αR3|=|δR4αR4|
(数32)
b=|δR1βR1|=|δR2βR2|=|δR3βR3|=|δR4βR4|
(数33)
c=|δR1γR1|=|δR2γR2|=|δR3γR3|=|δR4γR4|
例えば、(数31)〜(数33)式を満たす場合とは、第1〜第4磁気検知部210〜240が、同一の素子で形成され、且つ、外部磁場Bの変換効率がそれぞれ等しくなるような位置に配置される場合である。
(数34)
R1=±a・BX±b・BY±c・BZ+R1i
=ΔR1X・BX+ΔR1Y・BY+ΔR1Z・BZ+R1i
(数35)
R2=±a・BX±b・BY±c・BZ+R2i
=ΔR2X・BX+ΔR2Y・BY+ΔR2Z・BZ+R2i
(数36)
R3=±a・BX±b・BY±c・BZ+R3i
=ΔR3X・BX+ΔR3Y・BY+ΔR3Z・BZ+R3i
(数37)
R4=±a・BX±b・BY±c・BZ+R4i
=ΔR4X・BX+ΔR4Y・BY+ΔR4Z・BZ+R4i
Claims (5)
- 基板と、
前記基板上、又は、前記基板内に配置された第1〜第4磁気検知部と、
前記第1〜第4磁気検知部の近傍に配置され、外部磁場の方向を変換する磁気収束部と、
を備える磁気センサであって、
前記第1〜第4磁気検知部は磁気抵抗効果素子であり、
基板平面と平行な予め定められた第1方向をX軸方向、
前記X軸方向と直交する方向をY軸方向とし、
前記X軸方向及び前記Y軸方向に垂直な方向をZ軸方向としたとき、
前記第1〜第4磁気検知部の各々が有する感磁軸がそれぞれ+X軸方向または−X軸方向のいずれかとなるように配置されており、
前記磁気センサにX軸方向、且つ、単位磁束密度の外部磁場を印加したときの
前記第1磁気検知部の抵抗値の変化量をΔR1X
前記第2磁気検知部の抵抗値の変化量をΔR2X
前記第3磁気検知部の抵抗値の変化量をΔR3X
前記第4磁気検知部の抵抗値の変化量をΔR4X
とし、
前記磁気センサにY軸方向、且つ、単位磁束密度の外部磁場を印加したときの
前記第1磁気検知部の抵抗値の変化量をΔR1Y
前記第2磁気検知部の抵抗値の変化量をΔR2Y
前記第3磁気検知部の抵抗値の変化量をΔR3Y
前記第4磁気検知部の抵抗値の変化量をΔR4Y
とし、
前記磁気センサにZ軸方向、且つ、単位磁束密度の外部磁場を印加したときの
前記第1磁気検知部の抵抗値の変化量をΔR1Z
前記第2磁気検知部の抵抗値の変化量をΔR2Z
前記第3磁気検知部の抵抗値の変化量をΔR3Z
前記第4磁気検知部の抵抗値の変化量をΔR4Z
とし、
前記磁気センサに外部磁場を印加していないときの
前記第1磁気検知部の抵抗値をR1i
前記第2磁気検知部の抵抗値をR2i
前記第3磁気検知部の抵抗値をR3i
前記第4磁気検知部の抵抗値をR4i
としたときに、
前記第1から第4磁気検知部は、
ΔR1X、ΔR1Y、ΔR1Zのうちの少なくとも2つ以上は0でない値であり、
ΔR2X、ΔR2Y、ΔR2Zのうちの少なくとも2つ以上は0でない値であり、
ΔR3X、ΔR3Y、ΔR3Zのうちの少なくとも2つ以上は0でない値であり、
ΔR4X、ΔR4Y、ΔR4Zのうちの少なくとも2つ以上は0でない値である
位置に配置されており、
且つ、
前記第1から第4磁気検知部は、
下記行列
の逆行列が存在する位置であって、
ΔR 1X 、ΔR 2X 、ΔR 3X 、ΔR 4X の各々の絶対値が互いに等しく、
ΔR 1Y 、ΔR 2Y 、ΔR 3Y 、ΔR 4Y の各々の絶対値が互いに等しく、
ΔR 1Z 、ΔR 2Z 、ΔR 3Z 、ΔR 4Z の各々の絶対値が互いに等しく
なるような位置に配置され、
外部磁場Bxが、前記第1から第4磁気検知部を通過する磁束の向きと、前記第1から第4磁気検知部の感磁軸の向きとが、全て同一又は全て反転したものではなく、
外部磁場Byが、前記第1から第4磁気検知部を通過する磁束の向きと、前記第1から第4磁気検知部の感磁軸の向きとが、全て同一又は全て反転したものではなく、
外部磁場Bzが、前記第1から第4磁気検知部を通過する磁束の向きと、前記第1から第4磁気検知部の感磁軸の向きとが、全て同一又は全て反転したものではない磁気センサ。 - 前記第1から第4磁気検知部の出力から外部磁場Bx、By及びBzを演算する演算部を備える請求項1に記載の磁気センサ。
- 前記基板の表面に平行な方向の軸をX軸、前記基板の表面に平行且つX軸と直交する軸をY軸、前記基板の表面に垂直な方向の軸をZ軸とし、
X軸に沿った方向のうち、一方の方向を+X軸方向、他方の方向を−X軸方向、
Y軸に沿った方向のうち、一方の方向を+Y軸方向、他方の方向を−Y軸方向、
Z軸に沿った方向のうち、一方の方向を+Z軸方向、他方の方向を−Z軸方向
としたときに、
前記第1から第4磁気検知部は、+X軸方向の外部磁場が+X軸又は−X軸方向の磁束に変換される位置に配置され、
前記第1と第4磁気検知部は、+Y軸方向の外部磁場が−X軸又は+X軸方向の磁束に変換される位置に配置され、
前記第2と第3磁気検知部は、+Y軸方向の外部磁場が+X軸又は−X軸方向の磁束に変換される位置に配置され、
前記第1と第3磁気検知部は、+Z軸方向の外部磁場が+X軸又は−X軸方向の磁束に変換される位置に配置され、
前記第2と第4磁気検知部は、+Z軸方向の外部磁場が−X軸又は+X軸方向の磁束に変換される位置に配置され、
前記第1から第4磁気検知部のうちのいずれか1つの磁気検知部の感磁軸方向がその他の磁気検知部の感磁軸方向と180度異なる、又は、
前記第1と第2磁気検知部の感磁軸方向が同じであり、前記第3と第4磁気検知部の感磁軸方向が同じであり、且つ、前記第1と第2磁気検知部の感磁軸方向と前記第3と第4磁気検知部の感磁軸方向は180度異なる
請求項1又は2に記載の磁気センサ。 - 基板と、
前記基板上、又は、前記基板内に配置された第1〜第4磁気検知部と、
互いに略平行に配置され、外部磁場の方向を変換する第1〜第4磁気収束部材と、
を備える磁気センサであって、
前記第1〜第4磁気収束部材は、平面視で長手方向を有する矩形であり、
前記第1磁気検知部は、平面視で、前記第1磁気収束部材と前記第2磁気収束部材との間に配置され、
前記第2磁気検知部は、平面視で、前記第2磁気収束部材と前記第3磁気収束部材との間であり、前記第2磁気収束部材に寄って配置され、
前記第3磁気検知部は、平面視で、前記第2磁気収束部材と前記第3磁気収束部材との間であり、前記第3磁気収束部材に寄って配置され、
前記第4磁気検知部は、平面視で、前記第3磁気収束部材と前記第4磁気収束部材との間に配置され、
前記第1磁気収束部材及び前記第3磁気収束部材は、前記第2磁気収束部材及び前記第4磁気収束部材に対して、同じ長手方向にずれて配置され、
前記第1磁気検知部と前記第2磁気検知部の感磁軸は、前記長手方向に直交する第1方向であり、
前記第3磁気検知部と前記第4磁気検知部の感磁軸の少なくとも一方は、前記第1方向とは逆の第2方向であり、
前記第1〜第4磁気検知部のそれぞれの出力信号から3軸方向の磁場を検知する磁気センサ。 - 前記第1から第4磁気検知部の出力信号から前記3軸方向の外部磁場を演算する演算部を備える請求項4に記載の磁気センサ。
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