JP6799450B2

JP6799450B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP6799450B2
Application number: JP2016240418A
Authority: JP
Inventors: 嘉彦佐藤
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2020-12-16
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: EP3333549A1; US20180164129A1; US10408640B2; EP3333549B1; CN108226818A; JP2018096779A; CN108226818B

Description

本発明は、磁気センサに関する。

従来の技術として、基板に形成され、２つのブリッジ回路を形成する８つの感磁膜を有する磁気センサを備えたロータリエンコーダが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このロータリエンコーダは、基板に対向配置され、抵抗値が飽和する磁場強度を有する磁石を有し、ブリッジ回路により得られた第１相と第２相の２相の出力信号に基づいて、基板と磁石との相対的な角度位置を検出するように構成されている。

特開２０１５−１９０８９５号公報

従来のロータリエンコーダの磁気センサは、飽和する磁場強度が印加されたとしても出力信号が歪んで理想的な正弦波からずれ、角度精度が低下する問題がある。

従って本発明の目的は、角度精度を向上させることができる磁気センサを提供することにある。

本発明の一態様は、磁場の方向の変化に応じて抵抗値が変化し、２つの円弧によって囲まれて同じ幅となる形状を有する感磁部と、扇形の感磁領域の径方向と交差するように感磁領域に並べられた複数の感磁部を有し、感磁領域を９０°ずつ回転させ、それぞれが電気的に接続されてブリッジ回路を形成する複数の磁気センサ素子と、を備えた磁気センサを提供する。

本発明によれば、角度精度を向上させることができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサの一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、ＭＲ素子の一例を説明するための概略図である。図２（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサの一例を示す等価回路図であり、図２（ｂ）は、磁気センサと磁場ベクトルの角度の一例について説明するための概略図である。図３（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサの第１のブリッジ回路及び第２のブリッジ回路の出力電圧の一例を説明するためのグラフであり、図３（ｂ）は、算出された角度の一例を説明するためのグラフであり、図３（ｃ）は、実際の角度の差である角度精度の一例を説明するためのグラフである。図４（ａ）は、比較例１に係る感磁部が直線形状を有する場合の感磁部と磁場ベクトルの関係を示す概略図であり、図４（ｂ）は、感磁部が直線形状を有する場合の角度精度のグラフである。図５（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサの感磁部が曲線形状を有する場合の感磁部と磁場ベクトルの関係を示す概略図であり、図５（ｂ）は、感磁部が曲線形状を有する場合の角度精度のグラフである。図６（ａ）は、比較例２に係る磁気センサを示す概略図であり、図６（ｂ）は、比較例２の１つのＭＲ素子を拡大した概略図であり、図６（ｃ）は、比較例２の磁気ベクトルの角度と角度精度のグラフである。図７（ａ）は、実施例１に係る磁気センサを示す概略図であり、図７（ｂ）は、実施例１の１つのＭＲ素子を拡大した概略図であり、図７（ｃ）は、実施例１の磁気ベクトルの角度と角度精度のグラフである。図８（ａ）は、実施例２に係る磁気センサを示す概略図であり、図８（ｂ）は、実施例２の１つのＭＲ素子を拡大した概略図であり、図８（ｃ）は、実施例２の磁気ベクトルの角度と角度精度のグラフである。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る磁気センサは、磁場の方向の変化に応じて抵抗値が変化し、２つの円弧によって囲まれて同じ幅となる形状を有する感磁部と、扇形の感磁領域の径方向と交差するように感磁領域に並べられた複数の感磁部を有し、感磁領域を９０°ずつ回転させ、それぞれが電気的に接続されてブリッジ回路を形成する複数の磁気センサ素子と、を備えて概略構成されている。

この磁気センサは、感磁部が２つの直線で囲まれた直線的な形状ではなく、２つの円弧で囲まれた曲線的な形状を有しているので、感磁部が直線的な形状である場合と比べて、検出する磁場の角度の誤差の一部が打ち消し合って角度精度が向上する。

[実施の形態]
（磁気センサ１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサの一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、ＭＲ素子（Magneto Resistive Device）の一例を説明するための概略図である。図２（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサの一例を示す等価回路図であり、図２（ｂ）は、磁気センサと磁場ベクトルの角度の一例について説明するための概略図である。なお、以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。

磁気センサ１は、例えば、図１（ａ）に示すように、基板７に形成されている。この磁気センサ１は、パッド４０〜パッド４５を有し、このパッド４０〜パッド４５を介して後述するオペアンプＯＰ_１及びオペアンプＯＰ_２に接続されている。

磁気センサ１は、例えば、図１（ａ）〜図２（ｂ）に示すように、磁場の方向の変化に応じて抵抗値が変化し、２つの円弧１０５及び円弧１０６によって囲まれて同じ幅Ｗとなる形状を有する感磁部１００と、扇形の感磁領域１０の径方向と交差するように感磁領域１０に並べられた複数の感磁部１００を有し、感磁領域１０を９０°ずつ回転させ、それぞれが電気的に接続されてブリッジ回路を形成する複数の磁気センサ素子と、を備えて概略構成されている。なお本実施の形態では、磁場の方向を磁場ベクトル５として表している。

本実施の形態の感磁領域１０は、１つの円を８等分した扇形の領域である。従って磁気センサ１は、第１のＭＲ素子２１〜第４のＭＲ素子２４、及び第５のＭＲ素子３１〜第８のＭＲ素子３４を有している。そして第１のＭＲ素子２１〜第４のＭＲ素子２４、及び第５のＭＲ素子３１〜第８のＭＲ素子３４は、出力信号の位相が異なる２つの第１のブリッジ回路２０及び第２のブリッジ回路３０を形成している。なお以下では、第１のＭＲ素子２１〜第４のＭＲ素子２４、及び第５のＭＲ素子３１〜第８のＭＲ素子３４の基本的な構成が変わらないことから、これらを表現する場合にＭＲ素子と記載する。

（ＭＲ素子の構成）
本実施の形態のＭＲ素子の感磁部１００は、２つの円弧１０５及び円弧１０６がセンサ中心１１を中心とする同心円の円弧として構成されている。そして本実施の形態の感磁部１００は、等間隔で並んでいる。

この感磁部１００は、例えば、Ｎｉ、Ｆｅなどの強磁性金属を主成分とする合金の薄膜として形成されている。また径方向に沿って隣り合う感磁部１００は、例えば、図１（ｂ）に示すように、接続部１０１によって端部が交互に接続されている。この接続部１０１は、例えば、磁場ベクトル５の方向の変化によって抵抗が変化しないアルミニウムなどの金属膜である。

第１のブリッジ回路２０は、第１のＭＲ素子２１〜第４のＭＲ素子２４によって形成されている。この第１のＭＲ素子２１〜第４のＭＲ素子２４は、９０°ずつ回転した形状を有している。

第１のＭＲ素子２１と第３のＭＲ素子２３の接続点であるノード２５は、図２（ａ）に示すように、電源電圧Ｖ_ＣＣに電気的に接続される。この電源電圧Ｖ_ＣＣは、パッド４０及び配線４００を介して供給される。第２のＭＲ素子２２と第４のＭＲ素子２４の接続点であるノード２６は、ＧＮＤと電気的に接続される。このＧＮＤは、パッド４１及び配線４１０と電気的に接続される。

第１のＭＲ素子２１と第２のＭＲ素子２２は、ハーフブリッジ回路を形成する。このハーフブリッジ回路は、第１のＭＲ素子２１と第２のＭＲ素子２２のノード２７における中点電位Ｖ_１を出力する。この中点電位Ｖ_１は、配線４２０及びパッド４２を介してオペアンプＯＰ_１の非反転入力端子（＋側）に入力する。

また第３のＭＲ素子２３と第４のＭＲ素子２４は、ハーフブリッジ回路を形成する。このハーフブリッジ回路は、第３のＭＲ素子２３と第４のＭＲ素子２４のノード２８における中点電位Ｖ_２を出力する。この中点電位Ｖ_２は、配線４３０及びパッド４３を介してオペアンプＯＰ_１の反転入力端子（−側）に入力する。このオペアンプＯＰ_１は、非反転入力端子に入力した中点電位Ｖ_１と、反転入力端子に入力した中点電位Ｖ_２と、を差動増幅した出力信号Ｓ_１を制御部８に出力する。

第２のブリッジ回路３０は、第５のＭＲ素子３１〜第８のＭＲ素子３４によって形成されている。この第５のＭＲ素子３１〜第８のＭＲ素子３４は、９０°ずつ回転した形状を有している。また第２のブリッジ回路３０は、例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、第１のブリッジ回路２０を４５°回転させたものとなっている。

第５のＭＲ素子３１と第７のＭＲ素子３３の接続点であるノード３５は、図２（ａ）に示すように、電源電圧Ｖ_ＣＣに電気的に接続される。第６のＭＲ素子３２と第８のＭＲ素子３４の接続点であるノード３６は、ＧＮＤと電気的に接続される。

第５のＭＲ素子３１と第６のＭＲ素子３２は、ハーフブリッジ回路を形成する。このハーフブリッジ回路は、第５のＭＲ素子３１と第６のＭＲ素子３２のノード３７における中点電位Ｖ_３を出力する。この中点電位Ｖ_３は、配線４４０及びパッド４４を介してオペアンプＯＰ_２の非反転入力端子（＋側）に入力する。

また第７のＭＲ素子３３と第８のＭＲ素子３４は、ハーフブリッジ回路を形成する。このハーフブリッジ回路は、第７のＭＲ素子３３と第８のＭＲ素子３４のノード３８における中点電位Ｖ_４を出力する。この中点電位Ｖ_４は、配線４５０及びパッド４５を介してオペアンプＯＰ_２の反転入力端子（−側）に入力する。このオペアンプＯＰ_２は、非反転入力端子に入力した中点電位Ｖ_３と、反転入力端子に入力した中点電位Ｖ_４と、を差動増幅した出力信号Ｓ_２を制御部８に出力する。

このオペアンプＯＰ_１及びオペアンプＯＰ_２は、例えば、制御部８と共に基板７に配置されている。

（制御部８の構成）
図３（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサの第１のブリッジ回路及び第２のブリッジ回路の出力電圧の一例を説明するためのグラフであり、図３（ｂ）は、算出された角度の一例を説明するためのグラフであり、図３（ｃ）は、実際の角度の差である角度精度の一例を説明するためのグラフである。図３（ａ）は、横軸が角度θ（ｄｅｇ）であり、縦軸が電圧Ｖである。図３（ｂ）は、横軸が角度θ（ｄｅｇ）であり、縦軸がＡｔａｎ（ｄｅｇ）である。図３（ｃ）は、横軸が角度θ（ｄｅｇ）であり、縦軸が角度精度（ｄｅｇ）である。図３（ｂ）及び図３（ｃ）の太い実線は、算出された角度を示している。

この制御部８は、例えば、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。制御部８は、取得した出力信号Ｓ_１及び出力信号Ｓ_２に基づいて磁場ベクトル５の角度、言い換えるなら回転磁場の回転角度を算出する。

この磁場ベクトル５の角度は、例えば、図２（ｂ）に一点鎖線で示す基準５０に対する角度θとして表される。この角度θは、図２（ｂ）に示すように、時計回りを正としている。磁場ベクトル５を生成する磁石は、センサ中心１１を中心として回転するように磁気センサ１と対向して配置される。そして磁石は、例えば、円柱形状を有し、円筒を縦に分割した一方がＮ極、他方がＳ極に着磁されている。

基準５０は、第２のＭＲ素子２２と第３のＭＲ素子２３を二分割すると共にセンサ中心１１を通るようにされている。従って第１のブリッジ回路２０から出力される中点電位Ｖ_１及び中点電位Ｖ_２を差動増幅した出力信号Ｓ_１は、図３（ａ）に示すように、ｃｏｓθとなる。また第２のブリッジ回路３０から出力される出力信号Ｓ_２は、出力信号Ｓ_１と位相が異なるｓｉｎθとなる。このｃｏｓθ及びｓｉｎθは、１８０°周期となっている。

制御部８は、この出力信号Ｓ_１及び出力信号Ｓ_２に基づいてｔａｎθを算出し、さらにＡｔａｎ（ｔａｎ^−１＝−Ｓ_２／Ｓ_１）を算出してθを求める。図３（ｂ）に示す理想直線１２は、横軸の理想の角度と縦軸の算出された角度とが一致する直線である。図３（ｃ）は、理想の角度と算出された角度の差（角度精度）を示したものであり、理想的には、理想直線１３と一致する。そして角度精度は、例えば、図３（ｃ）に示すように、理想直線１３からのずれで示される。

以下では、感磁部１００が曲線である場合と直線である場合のシミュレーション結果について説明する。

図４（ａ）は、比較例１に係る感磁部が直線形状を有する場合の感磁部と磁場ベクトルの関係を示す概略図であり、図４（ｂ）は、感磁部が直線形状を有する場合の角度精度のグラフである。図５（ａ）は、実施の形態に係る磁気センサの感磁部が曲線形状を有する場合の感磁部と磁場ベクトルの関係を示す概略図であり、図５（ｂ）は、感磁部が曲線形状を有する場合の角度精度のグラフである。図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、横軸が角度（ｄｅｇ）であり、縦軸が角度精度（ｄｅｇ）である。比較例１の感磁部１００ｂの角度精度は、実測されたものであり、本実施の形態の感磁部１００の角度精度は、シミュレーションの結果である。

まず本実施の形態の感磁部１００と比較例１の感磁部１００ｂの幅は、同じである。また本実施の形態の感磁部１００と比較例１の感磁部１００ｂの長さは、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、Ｌである。さらに本実施の形態の感磁部１００と比較例１の感磁部１００ｂに作用する磁場ベクトル５の強度は、同じである。

比較例１の感磁部１００ｂの抵抗値をＲ（θ）とすると、一律の方向で磁場ベクトル５が作用することから以下の式（１）が成り立つ。なおｒ（θ）は、感磁部１００ｂの任意の位置における抵抗値である。従ってＲ（θ）は、任意の位置におけるｒ（θ）の総和である。
Ｒ（θ）＝ｒ（θ）＋ｒ（θ）＋ｒ（θ）…
Ｒ（θ）＝Σ_{ｎ＝１…ｍ＋１}ｒ（θ）・・・（１）
ただしｍは任意の整数であり、式（１）は、ｍ＋１個のｒ（θ）の総和を求める式となる。

一方図５（ａ）に示す感磁部１００は、比較例１の抵抗値ｒ（θ）が得られた任意の位置に対応させてパターンを複数の直線に分割し、±ｎα回転させて曲線が表現されている。Ｒ（θ）は、感磁部１００と磁場ベクトル５が直交する位置の抵抗値をｒ（θ）、その直交する位置を中心として左右の抵抗値の総和としている。
Ｒ（θ）＝ｒ（θ）＋ｒ（θ＋α）＋ｒ（θ−α）＋ｒ（θ＋２α）＋ｒ（θ−２α）…
Ｒ（θ）＝ｒ（θ）＋Σ_{ｎ＝１…ｍ／２}ｒ（θ＋ｎα）＋Σ_{ｎ＝１…ｍ／２}ｒ（θ−ｎα）・・・（２）

比較例１は、抵抗Ｒ（θ）がｒ（θ）の項のみで構成されるため、およそ４５°周期で角度の誤差が生じ、角度の誤差を十分に打ち消すことができず、角度の誤差、つまり角度精度が低かった。

一方曲線的な本実施の形態の式（２）は、式（１）とは第二項及び第三項が異なっている。この第二項及び第三項は、感磁部１００の中央に対して対称であることから、角度の誤差が一部で打ち消し合って抑制され、角度精度が比較例１と比べて向上したものと考えられる。

続いて以下に実際に作成した比較例２、実施例１及び実施例２の角度精度について説明する。この角度精度の計測は、比較例２、実施例１及び実施例２の磁気センサにヘルムホルツコイルを使用して均一方向の磁場ベクトル５を作用させて行われた。またＭＲ素子の配置やブリッジ回路の構成は、比較例２、実施例１及び実施例２とも同じである。

（比較例２）
図６（ａ）は、比較例２に係る磁気センサを示す概略図であり、図６（ｂ）は、比較例２の１つのＭＲ素子を拡大した概略図であり、図６（ｃ）は、比較例２の磁気ベクトルの角度と角度精度のグラフである。

比較例２の磁気センサ９は、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、感磁部１００ｂが直線形状となっている。

そして磁気センサ９は、磁気センサ１と同様に、第１のＭＲ素子２１ｂ〜第４のＭＲ素子２４ｂ、第５のＭＲ素子３１ｂ〜第８のＭＲ素子３４ｂによって２つのブリッジ回路が形成されている。

この感磁部１００ｂは、接続部１０１ｂによって端部が交互に接続されている。この感磁部１００ｂと接続部１０１ｂは、実施例１の感磁部１００と接続部１０１、及び実施例２の感磁部１００ａと接続部１０１ａと材料、幅、厚みが同じとなるように形成されている。

比較例２の磁気センサ９は、図６（ｃ）に示すように、角度精度がおよそ±０．２２と計測された。

（実施例１）
図７（ａ）は、実施例１に係る磁気センサを示す概略図であり、図７（ｂ）は、実施例１の１つのＭＲ素子を拡大した概略図であり、図７（ｃ）は、実施例１の磁気ベクトルの角度と角度精度のグラフである。

この磁気センサ１は、第１のＭＲ素子２１〜第４のＭＲ素子２４、第５のＭＲ素子３１〜第８のＭＲ素子３４によって２つのブリッジ回路が形成されている。

感磁部１００は、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、実施の形態の感磁部１００と同様にセンサ中心１１を中心とする同心円の円弧形状となっている。この実施例１の磁気センサ１は、上記の式（２）に示すように、角度の誤差を打ち消す成分があるので誤差が抑制される。従って実施例１の磁気センサ１は、図７（ｃ）に示すように、角度精度が比較例２より優れたおよそ±０．１５と計測された。

（実施例２）
図８（ａ）は、実施例２に係る磁気センサを示す概略図であり、図８（ｂ）は、実施例２の１つのＭＲ素子を拡大した概略図であり、図８（ｃ）は、実施例２の磁気ベクトルの角度と角度精度のグラフである。

この磁気センサ１ａは、磁気センサ１と同様に、第１のＭＲ素子２１ａ〜第４のＭＲ素子２４ａ、第５のＭＲ素子３１ａ〜第８のＭＲ素子３４ａによって２つのブリッジ回路が形成されている。

この実施例２の磁気センサ１ａの感磁部１００ａは、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、２つの円弧（円弧１０５ａ及び円弧１０６ａ）がセンサ中心１１を中心とする同心円の円弧よりも曲率が大きい円弧となっている。

この実施例２の磁気センサ１ａは、上記の式（２）に示すように、角度の誤差を打ち消す成分があることと曲率が大きくなっている影響でさらに角度の誤差が打ち消し合い、角度精度が比較例２及び実施例１より優れたおよそ±０．１１と計測された。

以上のことより、感磁部が直線形状であるよりも曲線形状である方が角度精度に優れ、さらに曲率が高いほど角度精度がより向上することが分かった。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る磁気センサ１は、角度精度を向上させることができる。具体的には、この磁気センサ１は、感磁部１００が２つの直線で囲まれた直線的な形状ではなく、２つの円弧１０５及び円弧１０６で囲まれた曲線的な形状を有しているので、感磁部が直線的な形状である場合と比べて、検出される磁場ベクトル５の角度の誤差の一部が打ち消し合って角度精度が向上する。

実施例２の磁気センサ１ａは、２つの円弧１０５ａ及び円弧１０６ａがセンサ中心１１を中心とする同心円の円弧１０５及び円弧１０６よりも曲率が大きい円弧とすることで、さらに角度精度を向上させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び実施例を説明したが、これらの実施の形態及び実施例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び実施例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、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。

１，１ａ，９…磁気センサ、５…磁場ベクトル、７…基板、８…制御部、１０…感磁領域、１１…センサ中心、１２…理想直線、１３…理想直線、２０…ブリッジ回路、２１〜２４，２１ａ〜２４ａ，２１ｂ〜２４ｂ…第１のＭＲ素子〜第４のＭＲ素子、２５〜２８…ノード、３０…第１のブリッジ回路、３１〜３４，３１ａ〜３４ａ，３１ｂ〜３４ｂ…第５のＭＲ素子〜第８のＭＲ素子、３５〜３８…ノード、４０〜４５…パッド、５０…基準、１００，１００ａ，１００ｂ…感磁部、１０１，１０１ａ，１０１ｂ…接続部、１０５，１０５ａ…円弧、１０６，１０６ａ…円弧、４００〜４５０…配線

Claims

磁場の方向の変化に応じて抵抗値が変化し、２つの円弧によって囲まれて同じ幅となる形状を有する感磁部と、
扇形の感磁領域の径方向と交差するように前記感磁領域に並べられた複数の前記感磁部を有し、前記感磁領域を９０°ずつ回転させ、それぞれが電気的に接続されてブリッジ回路を形成する複数の磁気センサ素子と、
を備え、
前記感磁部は、前記２つの円弧がセンサ中心を中心とする同心円の円弧よりも曲率が大きい円弧である、
磁気センサ。
前記感磁領域は、１つの円を８等分した扇形の領域であり、
前記磁気センサ素子は、８つの前記感磁領域に形成されて出力信号の位相が異なる２つの前記ブリッジ回路を形成する、
請求項１に記載の磁気センサ。