JP6663421B2 - デュアルz軸磁気抵抗角度センサ - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
=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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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1に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
- 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1に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
- 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1に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
- 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1に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
- 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1に記載のデュアルZ軸磁気抵抗角度センサ。
- 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。
- 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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