JP6663421B2 - デュアルz軸磁気抵抗角度センサ - Google Patents

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Description

本発明は磁気センサに関し、特に、デュアルZ軸磁気抵抗角度センサに関する。
磁気抵抗センサと永久磁石エンコーダディスクによって構成される磁気抵抗角度センサは、磁気エンコーダおよび回転位置センサ等の分野に応用可能であり、一般には、X−Y平面型の磁気抵抗角度センサチップはTMR、GMRのような磁気抵抗センサに用いられる。永久磁石エンコーダディスク回転角度の測定は、同一チップ上のX軸方向とY軸方向の磁場成分を測定し、X方向の磁場成分とY方向の磁場成分との間を成す角度を計算することによって実現される。しかしながら、以下のような問題が存在する。
(1)X−Yタイプの磁気抵抗角度センサチップが円形永久磁石エンコーダディスクと共に角度位置を測定するとき、チップの測定平面は、円形永久磁石エンコーダディスクの回転平面領域に平行する位置の上方に配置され、チップによって測定された感度磁場は、円形永久磁石エンコーダディスクの回転面領域の上方に分布される円形永久磁石エンコーダディスクの磁場に由来するので、X−Y磁気抵抗角度センサチップの取付空間と磁場均一領域は制限を受け、空間柔軟性は良くない。
(2)X−Yタイプの磁気抵抗角度センサチップの円形永久磁石エンコーダディスクの回転平面上方での回転磁場の分布は、軟磁性材料や永久磁石といった近くの磁石の干渉を受けやすいため、結果として、角度測定領域が変化し、正確な測定角度を取得することができず、安定性が良くない。
上記の問題に対して、本発明ではX−Y磁気抵抗角度センサに代わってデュアルZ軸磁気抵抗角度センサを提供するものであり、円形永久磁石エンコーダディスクの回転面の上方に位置される回転磁場の代わりに円形永久磁石エンコーダディスクの外側エッジで発生した径方向回転磁場が測定され、シングルX−Y磁気抵抗センサチップの代わりに90度の位相差を有する2個の分離したZ軸磁気抵抗センサチップが用いられる。2個のZ軸磁気抵抗センサチップは、円形永久磁石エンコーダディスクの外側エッジに配置されるため、その取付空間の柔軟性は大幅に向上される。
本実施形態に係るデュアルZ軸磁気抵抗角度センサは、円形永久磁石エンコーダディスク、2個のZ軸磁気抵抗センサチップおよびPCBを有するデュアルZ軸磁気抵抗角度センサであって、
前記円形永久磁石エンコーダディスクは回転軸に取り付けられ、前記回転軸は前記円形永久磁石エンコーダディスクの中心軸周りを回転し、
前記2個のZ軸磁気抵抗センサチップ各々は、基板およびその基板上に配置される少なくとも1つのZ軸磁気抵抗センサを有し、
前記Z軸磁気抵抗センサの磁場感度方向は、前記基板が配置される平面に直交し、
前記2つのZ軸磁気抵抗センサチップは、前記PCB上に配置され、
前記2つのZ軸磁気抵抗センサチップの磁場感度方向は、前記円形永久磁石エンコーダディスクの中心軸に直交するとともに、互いに直交し、
前記2つのZ軸磁気抵抗センサチップは、前記円形永久磁石エンコーダディスクの中心軸から等距離r+Detを維持し、
rは前記円形永久磁石エンコーダディスクの半径であり、前記DetはDet>0であり、
前記円形永久磁石エンコーダディスクが回転するとき、前記2つのZ軸磁気抵抗センサチップはそれぞれ前記円形永久磁石エンコーダディスクによって生成された2つの直交磁場信号を2つの電圧信号に変換して出力し、それによって前記2つの電圧信号に応じて前記円形永久磁石エンコーダディスクの0度から360度までの範囲の回転角度を算出し、
前記Z軸磁気抵抗センサは、磁気抵抗センサユニットと磁束コンセントレータを有し、
前記磁束コンセントレータは細長い形状であり、その長軸はY軸方向に平行であり、短軸はX軸方向に平行であり、
前記磁気抵抗センサユニットは、X軸方向に平行な感度方向を有し、かつ少なくとも2つのブリッジアームを有する磁気抵抗ブリッジに電気接続され、
前記ブリッジアーム各々は、1個または複数個の磁気抵抗センサユニットを電気接続することによって形成される2ポート構成であり、
前記ブリッジアーム内で前記磁気抵抗センサユニットは、Y軸に平行な方向に沿って複数の磁気抵抗列をなすように配列され、
前記磁気抵抗ブリッジは、プッシュプルブリッジであり、そのプッシュアームとプルアームはそれぞれ前記磁束コンセントレータの上方または下方のY軸中心線の異なる側に配置され、かつそれぞれ対応する前記Y軸中心線からの距離が等しく、
前記磁束コンセントレータは2つであり、前記磁気抵抗列は2つであり、前記2つの磁気抵抗列は前記2つの磁束コンセントレータにそれぞれ設けられ、
前記2つの磁気抵抗列は前記2つの磁束コンセントレータの2つのY軸中心線の外側または内側であって、それぞれ対応する前記磁束コンセントレータのY軸中心線からの距離が等しい位置に配置される
好ましくは、前記円形永久磁石エンコーダディスクの磁化方向は、その直径方向に平行である。
好ましくは、前記距離Detは0〜2rである。
好ましくは、前記磁束コンセントレータは、Ni、Fe、Co元素のうちの1種類または複数種類の元素を含む軟磁性合金材料である。
好ましくは、前記磁気抵抗センサユニットは、GMRまたはTMR磁気抵抗センサユニットである。
好ましくは、前記Z軸磁気抵抗センサにおいて隣接する2個の前記磁束コンセントレータ間の距離Sは前記磁束コンセントレータの幅Lxよりも大きい。
好ましくは、前記Z軸磁気抵抗センサにおいて、隣接する2個の前記磁束コンセントレータ間の距離SはS>2Lxであり、前記Lxは前記磁束コンセントレータの幅である。
好ましくは、前記Z軸磁気抵抗センサの前記磁気抵抗ユニット列と前記磁束コンセントレータの上方エッジまたは下方エッジとの間の空間が小さいほど、または前記磁束コンセントレータの厚みLzが大きいほど、または前記磁束コンセントレータの幅Lxが小さいほど、前記Z軸磁気抵抗センサの感度は高い。
好ましくは、前記Z軸磁気抵抗センサのプッシュプルブリッジは、ハーフブリッジ、フルブリッジまたは準ブリッジ構成のうちのいずれか1種類である。
好ましくは、前記2つのZ軸磁気抵抗センサは、同じ磁場感度を有する。
本実施形態に係るデュアルZ軸磁気抵抗回転角度センサの正面図である。 本実施形態に係るデュアルZ軸磁気抵抗回転角度センサの側面図である。 本実施形態に係るZ軸磁気抵抗センサの第1の構成を示す図である。 本実施形態に係るZ軸磁気抵抗センサの第2の構成を示す図である。 本実施形態に係るZ軸磁気抵抗センサの第3の構成を示す図である。 本実施形態に係るZ軸磁気抵抗センサのZ方向磁場の測定原理を示す図である。 本実施形態に係るZ軸磁気抵抗センサの磁気抵抗センサユニットの位置での磁場分布を示す図である。 本実施形態に係るZ軸磁気抵抗センサにおける磁気抵抗センサユニットの電気接続を示す図である。 本実施形態に係るプッシュプル磁気抵抗センサのフルブリッジの回路図である。 本実施形態に係るプッシュプル磁気抵抗センサのハーフブリッジの回路図である。 本実施形態に係るデュアルZ軸磁気抵抗回転角度センサの磁場測定振幅と回転角度の関係を示す図である。 本実施形態に係るデュアルZ軸磁気抵抗回転角度センサの磁場測定角度と回転角度の関係を示す図である。 本実施形態に係るデュアルZ軸磁気抵抗回転角度センサの回転角度関係曲線の線形フィットパラメータR2とDet/R比との間の関係を示す図である。
以下、図面を参照しながら本実施形態に係るデュアルZ軸磁気抵抗角度センサについて説明する。
[実施例1]
図1と図2は、それぞれ本実施形態に係るデュアルZ軸磁気抵抗回転角度センサの正面図と側面図である。図に示す通り、デュアルZ軸磁気抵抗回転角度センサは、PCB5上に配置される2つのZ軸磁気抵抗センサチップ1,2と、円形永久磁石エンコーダディスク3とを有し、円形永久磁石エンコーダディスク3は回転軸4に取り付けられ、回転軸4は円形永久磁石エンコーダディスク3の中心軸41周りに回転し、2個のZ軸磁気抵抗センサチップ1,2の磁場感度方向は互いに直交し、2個のZ軸磁気抵抗センサチップ1,2は、円形永久磁石エンコーダディスク3の回転面の外側に別々に分離して配置される。チップ1,2の中心法線は円形永久磁石エンコーダディスク3の中心を通過し、円形永久磁石エンコーダディスク3の磁化方向Mは、その直径方向に平行であり、2個のZ軸磁気抵抗センサチップ1,2の円形永久磁石エンコーダディスク3の中心軸41からの距離は等しく、その距離はr+Detであり、rは円形永久磁石エンコーダディスクの半径であり、Detは0より大きい。
[実施例2]
図3はZ軸磁気抵抗センサチップを示し、そのZ軸磁場の測定を示す概要図である。このZ軸磁気抵抗センサチップは、基板8と、その基板8上の少なくとも1つのZ軸磁気抵抗センサ9とを有する。Z軸磁気抵抗センサ9は、磁束コンセントレータ6と、磁束コンセントレータ6の上方または下方かつ磁束コンセントレータのY軸中心線から等距離の位置に配置される磁気抵抗ユニット列7とを有する。その原理は、Z方向外部磁場が磁束コンセントレータ6を経過する場合、磁束コンセントレータ6は高柔軟性の軟磁性合金材料(例えば、Co、Fe、Ni等の元素のうちの1種類または多種類の元素を有する軟磁性合金)であるため、磁場は磁束コンセントレータ6の上方または下方で歪みが生じる。X軸方向の磁場成分が出現すると共にZ方向磁場と正比例し、磁束コンセントレータ6の上方または下方のY軸中心線の両側に配置される磁気抵抗ユニット列7によって検出可能である。磁気抵抗センサユニットの磁場感度方向はX方向であり、磁気抵抗センサユニットはTMRまたはGMRセンサユニットである。磁束コンセントレータは細長い形状であり、その長さはY方向であり、幅はX方向であり、かつ複数の磁束コンセントレータはX方向に沿って平行に等間隔で配列される。説明の都合上、図3では複数の磁束コンセントレータを符号n1乃至n7で示し、図4では、符号n1乃至n7の複数の磁束コンセントレータ6の上方または下方で、かつ磁束コンセントレータ6のY軸中心線から等距離の両側に配置される磁気抵抗センサユニットの位置でのX成分磁場の分布を示している。図に示す通り、Y軸中心線の両側での磁気抵抗センサユニットは、互いに反対方向のX成分磁場を受け、一方は正の方向で、他方は負の方向である。しかしながら、Y軸中心線の両側での2つの磁束コンセントレータはそれぞれ反対の異なる振幅のX成分磁場に対応し、外側のX方向磁場成分は明らかに内側のX方向磁場成分よりも大きいが、両側での磁束コンセントレータ以外の中央部における磁束コンセントレータはそれぞれ2つの位置で同じ振幅のX方向磁場成分に対応する。
Z軸磁気抵抗センサにおいて隣接する2つの磁束コンセントレータの間の距離Sは、磁束コンセントレータの幅Lx以上である。他の実施形態において、Z軸磁気抵抗センサにおいて隣接する2つの磁束コンセントレータの間の距離SはS>2Lxである。
更に、Z軸磁気抵抗センサの磁気抵抗ユニット列と磁束コンセントレータの上方エッジまたは下方エッジとの間の距離を低減させ、または磁束コンセントレータの厚みLzを増加させ、あるいは磁束コンセントレータの幅Lxを低減させることによって、Z軸磁気抵抗センサの感度を向上させることができる。
[実施例3]
磁束コンセントレータの上方または下方の位置での磁気抵抗センサユニットのX方向磁場成分の分布特徴によれば、Z軸磁気抵抗センサは、以下のような構成特徴を有することがわかる。すなわち、磁気抵抗センサユニットは、プッシュプルフルブリッジ、ハーフブリッジまたは準ブリッジ構成に電気接続され、各ブリッジアームは、2ポート構成に電気接続される1個または複数個の磁気抵抗センサユニットを有し、磁気抵抗ユニットは磁気抵抗ユニット列に配置され、プッシュアームとプルアームはそれぞれ磁束コンセントレータの上方または下方のY軸中心線の異なる側に配置されると共に、対応する磁束コンセントレータのY軸中心線から等距離の位置に配置される。
磁束コンセントレータにおける磁気抵抗ユニット列の異なる分布特徴と数量によれば、Z軸磁気抵抗センサは、以下のように、幾つかの種類に分類することができる。
図5は、基板8上に配置されるZ軸磁気抵抗センサの第1の構成を示す図である。Z軸磁気抵抗センサは、N+2個(Nは1より大きい整数)の磁束コンセントレータ6を有し、中間に位置するN個の磁束コンセントレータ62および両側に位置する2つの磁束コンセントレータ61が含まれ、磁気抵抗センサユニット列7の中の71と72は、中間に位置するN個の磁束コンセントレータ62に対応するY軸中心線の両側での位置に分布される。これは、中間のN個の磁束コンセントレータ62に対応するY中心線の両側の磁気抵抗センサユニット列71と72の位置でのX方向磁場成分は大きさが同じで方向が逆になるため、プッシュプルブリッジ構成を形成できる。
図6は、基板8上に配置されるZ軸磁気抵抗センサの第2の構成を示す図である。基板8上に配置されるZ軸磁気抵抗センサの第2の構成を示す図である。Z軸磁気抵抗センサは単一の磁束コンセントレータ6(1)を有し、磁気抵抗ユニット列7(1)は、磁束コンセントレータのY軸中心線の両側位置で分布される2個の磁気抵抗ユニット列73と74を有し、これは、単一の磁束コンセントレータの場合に、上記の2つの位置でのX方向磁場成分は、その強度は同じで方向は逆という明らかな特徴を有するため、プッシュプルブリッジ構成を形成できる。
図7は、基板8上に配置されるZ軸磁気抵抗センサの第3の構成を示す図である。Z軸磁気抵抗センサは2個だけの磁束コンセントレータ65と66を有し、磁気抵抗ユニット列75と76はそれぞれ2つの磁束コンセントレータに対応する2つのY軸中心線の外側または内側の位置に配置され、各磁束コンセントレータのY軸中心線から等距離である。この場合、明らかに、この2つの位置は、大きさが同じで方向が逆になるX方向磁場成分も有するため、プッシュプルブリッジ構成を形成できる。なお、説明の都合上、図7では、2つの磁気抵抗センサユニット列が両方とも外側に位置する場合だけを示したが、実際には、2つの磁気抵抗ユニット列が両方とも内側に位置する場合も含まれる。
図8は、Z軸磁気抵抗センサの電気接続を示す図である。磁気抵抗センサユニットは、プッシュプルブリッジ構成に電気接続され、少なくとも1つのプッシュアームと1つのプルアームを有し、各プッシュアームとプルアームは1個または複数個の電気接続された磁気抵抗センサユニットから成る2ポート構成を有し、磁気抵抗ユニットは平行する複数の磁気抵抗ユニット列に配置され、そのうち、81は接続導線であり、82と83はそれぞれ電源入力端とグランド端であり、85と84はそれぞれ信号出力端であり、6(3)は磁束コンセントレータであり、そのうち、67は両側に位置し、68はその中間に位置し、磁気抵抗ユニット列77と78はそれぞれ磁束コンセントレータの上方または下方のY軸中心線の両側でかつY軸中心線から等距離の位置に配置され、プッシュアームとアームの一部を構成し、磁気抵抗ユニットは磁気抵抗ユニット列に配置される。図8ではフルブリッジ構成のプッシュプル磁気抵抗ブリッジが示され、それは4つのブリッジアームを有し、即ち、それは2つのプッシュアームと2つのプルアームであり、各プッシュアームとプルアームはそれぞれ複数の磁気抵抗列を有し、かつ2ポート構成を形成する。Z軸磁気抵抗センサのプッシュプルフルブリッジ構成は、図9に示すように、フルブリッジを形成する4つのブリッジアームR1、R2、R3およびR4は2つずつ隣接し、逆向きの外部磁場応答を特徴的に示す。
図10はプッシュプルフルブリッジ構成を示しており、実際には、ハーフブリッジタイプのプッシュプル構成をさらに有し、2つのアームR1とR2を有し、一方はプッシュアームであり、他方はプルアームである。また、準ブリッジ構成がさらに形成されても良い。
[実施例4]
図11は、円形永久磁石エンコーダディスクが中心軸周りを回転するとき、2つのZ軸センサチップによって測定される感度磁場H1とH2を示すものであり、円形永久磁石エンコーダディスクの磁化方向Mと方向H1との間を成す角はφであり、永久磁石エンコーダディスクの回転角度はφを用いて定義でき、それぞれ2つのZ軸センサによって測定することができる磁場成分H1とH2の間の磁場測定角度αは、以下のように定義される。
α=atan(Hy/Hx),Hx>0,Hy>0
=atan(Hy/Hx)+pi,Hx>0,Hy<0
=atan(Hy/Hx)−pi,Hx<0,Hy<0
図11において、91と92はそれぞれZ軸磁気抵抗センサチップ1とZ軸磁気抵抗センサ2の感度磁場H1とH2が円形永久磁石エンコーダディスクの回転角度φに伴って変化する関係を示している。図からわかるように、回転角度に伴う磁場H1とH2の変化は、サイン/コサインの変化関係であり、位相差は90度である。
図12において、典型的な関係曲線93は、磁場測定角度αと円形永久磁石エンコーダディスク回転角度φとの間の関係を表す曲線であり、図からわかるように、曲線93は直線状の特徴を有し、磁場測定角度と回転角度との間には線形関係が存在することを示しており、円形永久磁石エンコーダディスクの回転角度は2つのZ軸磁気抵抗センサチップの出力信号を用いることによって測定できる。
図13は、Z軸磁気抵抗センサチップ1,2が円形永久磁石エンコーダディスク3から異なる距離Detでのものである場合に得られた磁場測定角度αと円形永久磁石回転角度φとの間の関係曲線の線形近似の間におけるフィットパラメータR2とDet/R比との間の関係曲線94である。図からわかるように、Det/Rが増加し始めると、R2は1.0付近で安定した状態から始まる。そしてDet/Rが2.0のときにR2は次第に低下していく。つまり、R2は高い線形性を有し、0.997以上に維持される。角度の測定精度を向上させるため、円形永久磁石エンコーダディスクは0〜2rで回転させられ、rは円形永久磁石エンコーダディスクの半径である。図からわかるように、デュアルZ軸磁気抵抗角度センサは、r領域よりも小さいX−Y軸の空間よりもはるかに大きな動作空間を有するので、さらに大きな柔軟性を確保できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1 Z軸磁気抵抗センサチップ
2 Z軸磁気抵抗センサチップ
3 円形永久磁石エンコーダディスク
4 回転軸
5 PCB

Claims (10)

  1. 円形永久磁石エンコーダディスク、2個のZ軸磁気抵抗センサチップおよびPCBを有するデュアルZ軸磁気抵抗角度センサであって、
    前記円形永久磁石エンコーダディスクは回転軸に取り付けられ、前記回転軸は前記円形永久磁石エンコーダディスクの中心軸周りを回転し、
    前記2個のZ軸磁気抵抗センサチップ各々は、基板およびその基板上に配置される少なくとも1つのZ軸磁気抵抗センサを有し、
    前記Z軸磁気抵抗センサの磁場感度方向は、前記基板が配置される平面に直交し、
    前記2つのZ軸磁気抵抗センサチップは、前記PCB上に配置され、
    前記2つのZ軸磁気抵抗センサチップの磁場感度方向は、前記円形永久磁石エンコーダディスクの中心軸に直交するとともに、互いに直交し、
    前記2つのZ軸磁気抵抗センサチップは、前記円形永久磁石エンコーダディスクの中心軸から等距離r+Detを維持し、
    rは前記円形永久磁石エンコーダディスクの半径であり、前記DetはDet>0であり、
    前記円形永久磁石エンコーダディスクが回転するとき、前記2つのZ軸磁気抵抗センサチップはそれぞれ前記円形永久磁石エンコーダディスクによって生成された2つの直交磁場信号を2つの電圧信号に変換して出力し、それによって前記2つの電圧信号に応じて前記円形永久磁石エンコーダディスクの0度から360度までの範囲の回転角度を算出し、
    前記Z軸磁気抵抗センサは、磁気抵抗センサユニットと磁束コンセントレータを有し、
    前記磁束コンセントレータは細長い形状であり、その長軸はY軸方向に平行であり、短軸はX軸方向に平行であり、
    前記磁気抵抗センサユニットは、X軸方向に平行な感度方向を有し、かつ少なくとも2つのブリッジアームを有する磁気抵抗ブリッジに電気接続され、
    前記ブリッジアーム各々は、1個または複数個の磁気抵抗センサユニットを電気接続することによって形成される2ポート構成であり、
    前記ブリッジアーム内で前記磁気抵抗センサユニットは、Y軸に平行な方向に沿って複数の磁気抵抗列をなすように配列され、
    前記磁気抵抗ブリッジは、プッシュプルブリッジであり、そのプッシュアームとプルアームはそれぞれ前記磁束コンセントレータの上方または下方のY軸中心線の異なる側に配置され、かつそれぞれ対応する前記Y軸中心線からの距離が等しく、
    前記磁束コンセントレータは2つであり、前記磁気抵抗列は2つであり、前記2つの磁気抵抗列は前記2つの磁束コンセントレータにそれぞれ設けられ、
    前記2つの磁気抵抗列は前記2つの磁束コンセントレータの2つのY軸中心線の外側または内側であって、それぞれ対応する前記磁束コンセントレータのY軸中心線からの距離が等しい位置に配置される、ことを特徴とするデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
  2. 前記円形永久磁石エンコーダディスクの磁化方向は、その直径方向に平行である、ことを特徴とする請求項1に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
  3. 前記距離Detは0〜2rである、ことを特徴とする請求項1に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
  4. 前記磁束コンセントレータは、Ni、Fe、Co元素のうちの1種類または複数種類の元素を含む軟磁性合金材料である、ことを特徴とする請求項に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
  5. 前記磁気抵抗センサユニットは、GMRまたはTMR磁気抵抗センサユニットである、ことを特徴とする請求項に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
  6. 前記Z軸磁気抵抗センサにおいて隣接する2個の前記磁束コンセントレータ間の距離Sは前記磁束コンセントレータの幅Lxよりも大きい、ことを特徴とする請求項に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
  7. 前記Z軸磁気抵抗センサにおいて、隣接する2個の前記磁束コンセントレータ間の距離SはS>2Lxであり、前記Lxは前記磁束コンセントレータの幅である、ことを特徴とする請求項に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
  8. 前記Z軸磁気抵抗センサの前記磁気抵抗ユニット列と前記磁束コンセントレータの上方エッジまたは下方エッジとの間の空間が小さいほど、または前記磁束コンセントレータの厚みLzが大きいほど、または前記磁束コンセントレータの幅Lxが小さいほど、前記Z軸磁気抵抗センサの感度は高い、ことを特徴とする請求項に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
  9. 前記Z軸磁気抵抗センサのプッシュプルブリッジは、ハーフブリッジ、フルブリッジまたは準ブリッジ構成のうちのいずれか1種類である、ことを特徴とする請求項1に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
  10. 前記2つのZ軸磁気抵抗センサは、同じ磁場感度を有する、ことを特徴とする請求項1に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
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