JPWO2011141969A1 - 磁界角計測装置およびこれを用いた回転角計測装置 - Google Patents

Abstract

ＴＭＲ素子を用いた磁界角検出装置および回転角検出装置において、ＴＭＲ素子のＭＲ比が高くなっても計測角度の精度が低下することのない磁界角検出装置および回転角検出装置を提供する。固定磁化層をもつＴＭＲ素子を有する磁気センサと磁界角検出回路を有する磁界角計測装置において、前記磁界角検出回路は磁気センサのＴＭＲ素子にバイアス電圧として定電圧を出力する電源部と、ＴＭＲ素子の出力電流を検出する電流検出部を有し、電流検出部の入力インピーダンスをゼロとしてＴＭＲ素子の端子電圧を一定に保ったままＴＭＲ素子電流を計測することにより、磁界角検出装置および回転角検出装置の計測角度の精度を向上する。

Description

本発明は、固定磁化層を有するトンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）を用いて構成された磁界角計測装置およびこれを用いた回転角計測装置に関する。

磁界の方向（磁界角）を計測する磁界角計測装置や、回転体に取り付けられた磁石の磁界角を計測することにより回転体の回転角度を計測する回転角計測装置においては、磁界の角度を検出するセンサ素子が計測特性を左右する。このような磁界角計測装置や回転角計測装置では、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を用いるものが従来から知られていた。

ＭＲ素子には、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ素子）や、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）や、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）などが知られている。これらはいずれも、外部磁界方向（磁界角）や強度が変わると、素子の抵抗値が変化するものである。

磁界角計測装置の計測性能としてＳ／Ｎ比（信号／ノイズ比）が重要な指標である。

ＭＲ素子のＳ／Ｎ比は、磁界角度の変化に対する素子抵抗の変化量により支配され、一定の磁界角度変化に対する素子抵抗値の変化率が大きいほどＳ／Ｎ比は向上する。磁界角度変化による抵抗値の最大変化率はＭＲ比と呼ばれ、ＡＭＲ素子では２％程度、ＧＭＲ素子は１０％程度であるのに対し、ＴＭＲ素子では５０％以上にも達する。

特に、ＴＭＲ素子は近年、素子に用いるトンネル絶縁層の改良などによりＭＲ比が１００％を越えるようになり、６００％にも達するＴＭＲ素子も報告されている。

ＴＭＲ素子を用いて回転体の回転角を検出するセンサとしては、例えば特許文献１に記載された磁気エンコーダなどが知られている。

本発明は、ＴＭＲ素子を用いた磁界角計測装置および回転角計測装置に関し、特にＭＲ比が高いＴＭＲ素子を用いた磁界角計測装置およびこれを用いた回転角計測装置に関するものである。

ＧＭＲ素子の一形態として、直径５ｎｍ程度の強磁性体の粒子を絶縁体中に分散させたグラニュラー型ＧＭＲ素子があり、強磁性体の粒子間を電子がトンネルすることで通電する。外部磁界が変化すると強磁性体粒子中の磁界の向きも変化し、膜の抵抗値が変化する。グラニュラーＧＭＲ素子の作用は粒子間のトンネル現象に起因するため、トンネル磁気抵抗素子とされることもあるが、ＭＲ比は１０％程度に留まる。また、グラニュラー型ＧＭＲ素子は、固定磁化層を持たない素子であり、本発明では対象としない。

図２１に、固定磁化層を持つＴＭＲ素子の構造を示す。ＴＭＲ素子５１は、固定磁化層（pinned layer）１３と自由磁化層（free layer）１１との間にトンネル絶縁層１２を挟み込んだ積層構造を有する。固定磁化層１３と自由磁化層１１は例えばＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどを成分とする磁性体からなる。トンネル絶縁層１２は酸化アルミ（Ａｌ_２Ｏ_３）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの絶縁体からなり、膜厚は０．５〜２ｎｍ程度である。

固定磁化層１３中の磁化方向２２は、角度θｐで所定方向に固定されており、外部磁界３０によっては変化しない。一方、自由磁化層１１中の磁化方向２０は、外部磁界方向３０の角度θｍに合わせて角度θｆで変化する。

ＴＭＲ素子では、固定磁化層１３と自由磁化層１１の間の抵抗値が、磁化方向の角度差Δθ＝θｆ−θｐにより変化する。ＴＭＲ素子の抵抗値は、自由磁化層１１と固定磁化層１３の磁化方向の角度差Δθ＝０で平行（Parallel）の場合に最小値Ｒ（Ｐ）になり、磁化方向の角度差Δθ＝１８０°で反平行（Anti-Parallel）の場合に最大値Ｒ（ＡＰ）になる。ＴＭＲ素子のＭＲ比（ＭＲ）は次式で定義される。

特許文献１に記載された従来技術では、計測しようとする回転体に磁石のＮ極とＳ極を交互に配置した回転磁気体を設け、回転体の回転に伴い反転する磁界方向をＴＭＲ素子で検出する。その際、ＴＭＲ素子をブリッジ構成にして磁気エンコーダとして用いている。

図２２に４個のＴＭＲ素子からなるブリッジ構成６０を示す。回転状態の検出対象である回転体には磁石がλピッチで配置されている。これに対応して、ＴＭＲ素子５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄはそれぞれλ／４ピッチの間隔で設置される。したがって、ＴＭＲ素子５１ａと５１ｃとはλ／２の間隔で設置されているため、ＴＭＲ素子５１ａの位置の磁界方向がθ＝θ０の場合、ＴＭＲ素子５１ｃの位置の磁界方向はθ＝θ０＋１８０°となる。したがって、上述の通り、図２２のブリッジ構成で励起電圧ｅ０側のＴＭＲ素子の抵抗が最大値の時は、０Ｖのグラウンド（ＧＮＤ）側のＴＭＲ素子は最小の抵抗値になる。このようにして、信号端子間電圧（Ｖ２−Ｖ１）には、回転体の回転状態に応じた信号変化が観測される。

特許文献１に記載の方法で回転体の回転角の計測精度を高めるには、回転体の着磁極数を増やし着磁ピッチを狭めて、微小な回転角変化でも磁界方向が反転するようにする必要があるが、製造コストが増大する。

これに対し、回転体の回転角を計測する場合に、磁石の着磁極数を増やさずに、磁界角度がθ＝０と３６０度の間で変化するのを計測する方法がある。しかし、この場合には磁界角度を精度良く計測することが困難であり、特に１００％を越える大きなＭＲ比を持つＴＭＲ素子を用いた場合に計測精度の低下が一層顕著になるという課題を発明者は見出した。

特開２０００−１２３３２８号公報

固定磁化層を有するＴＭＲ素子を用いた磁界角計測装置およびこれを用いた回転角計測装置では、磁界角または回転角の計測精度を向上することが困難であり、特に大きなＭＲ比を持つＴＭＲ素子を用いた場合に計測精度の低下が一層顕著になるという課題があった。本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明によれば、ＭＲ比が高いＴＭＲ素子を用いても、高精度な磁界角計測が可能な磁界角計測装置および、これを用いた高精度な回転角計測が可能な回転角計測装置を提供する。

本発明は、磁気センサと磁界角検出回路を有する磁界角計測装置において、前記磁気センサは固定磁化層を有するＴＭＲ素子を有し、前記磁界角検出回路は前記磁気センサのＴＭＲ素子にバイアス電圧として定電圧を出力する電源部と、前記ＴＭＲ素子の通電電流を検出する電流検出部を有し、前記電流検出部の入力インピーダンスをゼロとしたことを特徴とする。

また、磁界角計測装置において、前記電流検出部は前記ＴＭＲ素子の通電電流を検出するＯＰアンプを有し、該ＯＰアンプの入力端子を仮想接地することにより前記電流検出部の入力インピーダンスをゼロとしたことを特徴とする。

また、磁界角計測装置において、前記電源部は前記磁気センサのＴＭＲ素子にバイアス電圧としてパルス電圧からなる定電圧を出力することを特徴とする。

また、磁界角計測装置において、前記磁気センサは、前記固定磁化層の磁化方向が互いに９０°異なる２つのＴＭＲ素子を有することを特徴とする。

また、磁界角計測装置において、前記磁気センサのＴＭＲ素子は、第１給電端子と第２給電端子と第１センス端子を有し、前記磁界角検出回路は前記磁気センサのＴＭＲ素子にバイアス電圧として定電圧を出力する電源部と前記ＴＭＲ素子の出力電流を検出する電流検出部とを有し、前記第１センス端子により前記ＴＭＲ素子の端子電圧を検出し、前記電源部は前記端子電圧が所定の電圧値と一致するようにフィードバック制御を行うことを特徴とする。

また、磁界角計測装置において、前記ＴＭＲ素子は、前記第１センス端子に加えて第２センス端子を有し、前記第１センス端子及び第２センス端子により前記ＴＭＲ素子の端子電圧を検出することを特徴とする。

また、磁界角計測装置において、前記電源部は、前記第１センス端子の出力電圧と、基準電圧発生部の出力とを差動入力した差動増幅器を有することを特徴とする。

また、磁界角計測装置において、前記電源部は、パルス電圧を発生することを特徴とする。

また、磁界角計測装置において、前記磁気センサは、前記固定磁化層の磁化方向が互いに９０°異なる２つのＴＭＲ素子を有することを特徴とする。

さらに、磁気センサと磁界角検出回路を有する磁界角計測装置において、前記磁気センサは固定磁化層を有するＴＭＲ素子を有し、前記磁界角検出回路は、電流供給部と、前記ＴＭＲ素子の出力電流を検出する電流検出部を有し、前記電流供給部は、電圧発生部に接続された電圧入力端子と、前記電流検出部からの電流を入力する電流入力端子と、前記磁気センサへ電流を出力する電流出力端子を有し、前記電流入力端子の通電電流と前記電流出力端子の通電電流が等しく、かつ前記電流出力端子の電圧が前記電圧発生部の電圧に基づき設定され、前記電流供給部の電流入力端子に前記電流検出部が接続され、電流出力端子に前記磁気センサが接続されたことを特徴とする。

さらに、磁界角計測装置において、前記電流供給部は、電界効果トランジスタと、電流供給部ＯＰアンプを有し，前記電流供給部ＯＰアンプの入力端子に，前記電界効果トランジスタの１つの端子と，前記電圧発生部とが接続されていることを特徴とする。

さらに、磁界角計測装置において、前記電流供給部は、ベースに前記電圧発生部の出力電圧を入力したトランジスタを有することを特徴とする。

さらに、磁界角計測装置において、前記電圧発生部がパルス電圧を発生することを特徴とする。

さらに、磁界角計測装置において、前記磁気センサは、前記固定磁化層の磁化方向が互いに９０°異なる２つのＴＭＲ素子を有することを特徴とする。

さらに、磁界角計測装置において、前記磁界角検出回路は前記電流供給部を２つ有し、前記２つのＴＭＲ素子のそれぞれに前記電流供給部が電気的に接続されたことを特徴とする。

さらに、上記磁界角計測装置と、回転体に取り付けられた磁石とを有する回転角計測装置を特徴とする。

以上のように、本発明によれば、磁気センサと磁界角検出回路を有する磁界角計測装置において、磁気センサに固定磁化層を有するＴＭＲ素子を有し、磁界角検出回路は磁気センサのＴＭＲ素子にバイアス電圧として定電圧を出力する電源部と、ＴＭＲ素子の通電電流を検出する電流検出部を有し、電流検出部の入力インピーダンスをゼロとしたことにより、ＴＭＲ素子を有する磁気センサの端子間電圧を常に一定に保つことができ、ＭＲ比が高いＴＭＲ素子を用いても、高精度な磁界角計測が可能な磁界角計測装置を提供できる。さらに、高精度な磁界角計測装置を用いて、高精度な回転角計測が可能な回転角計測装置を提供できる。

ブリッジ構成を備えたＴＭＲ素子の端子間電圧とＭＲ比の関係を示すグラフ 図１におけるＴＭＲ素子の端子間電圧差とＭＲ比の関係を示すグラフ ＴＭＲ素子のＭＲ比と素子バイアス電圧との関係を示すグラフ ＴＭＲ素子の通電メカニズムを説明する模式図 ＴＭＲ素子の通電メカニズムを説明する模式図 本発明の実施例１の構成を示す回路図 本発明の実施例２の構成を示す回路図 本発明の実施例３のパルス電源電圧を示すグラフ 本発明の実施例３の構成を示す回路図 本発明の実施例４の構成を示す回路図 本発明の実施例４の磁気センサの構成を示す模式図 本発明の実施例５の構成を示す回路図 本発明の実施例６の構成を示す模式図 本発明の実施例７、８の構成を示すブロック図 本発明の実施例７、８で用いる磁気センサの構成を示す模式図 本発明の実施例９の構成を示す模式図 本発明の実施例９のモータ制御方式を示すブロック図 本発明の実施例１０の構成を示すブロック図 図１７の詳細な回路構成を示す回路図 図１７の変形例を示す回路図 本発明の実施例１１の構成を示す回路図 従来例のＴＭＲ素子の構成を示す模式図 従来例のＴＭＲ素子のブリッジ構成を示す回路図

以下、本発明の実施形態について、各実施例を図面を参照して詳細に説明する。

本発明を用いた磁界角計測装置の実施例１を説明する。ここでは、従来構成の問題の原因を解明した後、本実施例の構成を説明する。
（ＴＭＲ素子構造）
実施例１においては、図２１で説明した構造を持つＴＭＲ素子を用いる。実施例１ではトンネル絶縁層としてＭｇＯを用いた。トンネル絶縁層１２としてＭｇＯを用いるとＭＲ比が１００％以上と高くなる。さらに単結晶のＭｇＯを用いるとＭＲ比は更に高くなる。トンネル絶縁層として酸化アルミ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いることもできる。

抵抗の代りにコンダクタンスＧを用いて表すと、ＴＭＲ素子のコンダクタンスは磁化方向が平行の場合（Δθ＝０）に最大値Ｇ（Ｐ）になり、反平行の場合（Δθ＝１８０°）に最小値Ｇ（ＡＰ）になる。（数１）で定義されるＭＲ比をコンダクタンスを用いて表すと次式になる。

Δθ＝０と１８０の中間では次式に従う。なお、これ以降、固定磁化層の磁化方向θｐは、θｐ＝０とおいてΔθ＝θと表すことにする。すなわち固定磁化層の磁化方向を角度の基準（原点）として用いる。

ここで、ＴはＴＭＲ係数であり、βｇは磁界変化によるコンダクタンス変化率を表す。βｇは次式で表される。

（数３）に示したようにｃｏｓθに比例するのは抵抗ではなくコンダクタンスである。コンダクタンスの磁界依存項がｃｏｓθに比例することは理論的に示されている。ＧＭＲ素子のようにＭＲ比が１０％程度と小さい場合は、抵抗の磁界依存項がｃｏｓθに比例するとしても、コンダクタンスの磁界依存項がｃｏｓθに比例するとして扱っても、大きな誤差は生じない。しかし、ＴＭＲ素子のようにＭＲ比が５０％を超えるようになると、抵抗の磁界依存項がｃｏｓθに比例するとして扱うと大きな誤差が生じる。

（数２）と（数３）とからコンダクタンス変化率βｇとＭＲ比であるＭＲとの関係式が次のように求まる。

（数５）からわかるように、例えばＭＲ比＝２（２００％）の場合、コンダクタンス変化率βｇは１００％に達することがわかる。ＧＭＲ素子のコンダクタンス変化率は１０％程度なので、ＴＭＲ素子は磁界によるコンダクタンス変化が１０倍大きいことがわかる。
（磁界角計測装置の測定精度）
ここで、特にＭＲ比が大きいＴＭＲ素子を用いた磁界角計測装置で測定精度が劣化していた理由を説明する。図２２のブリッジ構成６０における、ＴＭＲ素子５１ｃの両端電圧（以下素子バイアス電圧と呼ぶ）について、外部磁界角度θが０の場合、前述の通りＴＭＲ素子５１ａの抵抗値はＲ（Ｐ）、ＴＭＲ素子５１ｃの抵抗値はＲ（ＡＰ）であるから、信号端子６１の電圧Ｖ１、すなわちＴＭＲ素子５１ｃの素子バイアス電圧Ｖ１は、次式で表される。

ｅ０はブリッジの励起電圧である。一方、外部磁界角度θが１８０°（θ＝１８０°）の場合は、次式で表される。

一例として、ＭＲ比が２００％で、ブリッジ励起電圧ｅ０が０．４Ｖの場合を考えると、Ｖ１（θ＝０）＝０．３Ｖ、Ｖ１（θ＝１８０°）＝０．１Ｖとなる。自由磁化層の磁化方向２０は外部磁界方向３０と等しいから、このことは、外部磁界方向３０によりＴＭＲ素子３のバイアス電圧が０．１〜０．３Ｖの範囲で変化することを示す。以下、Ｖ１（θ＝ｘ）をＶ１（ｘ）と記す。

図１はＶ１（０）とＶ１（１８０°）をＭＲ比の関数としてプロットしたグラフ、図２は素子バイアス電圧の変動量Ｖ１（０）−Ｖ１（１８０°）をＭＲ比の関数としてプロットしたグラフである。

図１の横軸の値は、ＭＲ比１００％を「１」、ＭＲ比２００％を「２」と表した。図２２からわかるように、Ｖ１（０）とＶ１（１８０°）はそれぞれθ＝０と１８０°の時のＴＭＲ素子５１ｃの素子バイアス電圧すなわち端子間電圧に等しい。プロットには（数６）、（数７）を用いた。図１、図２ともに、縦軸は電圧をブリッジ励起電圧ｅ０で除して正規化した値をプロットした。例えば、図中「０．５」は電圧が「０．５×ｅ０」であることを示す。

図２に示すように、ＭＲ比が１０％程度と小さい場合は、素子バイアス電圧の変動量はほとんどゼロである。しかし、ＭＲ比が１００％を越えると（図５、図６の横軸で「ＭＲ比＞１」の領域）、素子バイアス電圧の変動量Ｖ１（０）−Ｖ１（１８０°）は約０．３ｅ０を越え、ブリッジ励起電圧の１／３程度まで変動することがわかる。
（ＭＲ比のバイアス電圧依存性）
図３はＴＭＲ素子のＭＲ比とバイアス電圧Ｅ（素子両端印加電圧Ｅ）との関係の一例を示すグラフである。例えば下記文献により知られている様に、ＭＲ比はバイアス電圧Ｅで大きく変化する。
"Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 19, 2005, pp. L 587-L 589"
ＭＲ比がバイアス電圧に依存して変化するのはＴＭＲ素子の特徴であり、これは次の理由による。ＴＭＲ素子における固定磁性層と自由磁性層間の伝導現象は、それぞれの磁性層からトンネル絶縁層にしみ出した波動関数の相互作用に起因する。図４Ａ、図４Ｂは上部の電子エネルギーバンド図に、電子のスピンを含めた波動関数Φ１、Φ２を下部に書き加えた模式図である。２つの波動関数が同一方向のスピンを持つ場合（図４Ａ）は、２つの波動関数が結合し、固定磁性層と自由磁性層との間に電子の通り道が形成され電流が流れる。一方、２つの波動関数のスピンが異なる場合（図４Ｂ）は、波動関数が重なっても結合せず打ち消しあうため、電子が流れず高抵抗状態になる。

ここで、素子バイアス電圧を高めると、基底状態の波動関数以外に励起状態の波動関数の寄与が増える。励起状態の異なる波動関数間では反平行スピンであっても必ずしも打ち消し合わないため、完全な高抵抗状態にならず電流が流れるようになる。このようにして、素子バイアス電圧が増加すると、Ｒ（ＡＰ）の抵抗値が減少するためにＭＲ比が減少する。
（測定精度の劣化原因）
以上の点を踏まえ、ＴＭＲ素子を用いた磁界角計測装置での測定精度劣化の原因を説明する。ＴＭＲ素子を用いた磁界角計測装置では、（数３）の関係を基にしてコンダクタンス変化（あるいは抵抗値変化）から磁界角度θを求める。しかしながら、磁界方向によりＭＲ比が変化すると、（数５）に従ってコンダクタンス変化率βｇも変化するので、（数３）のｃｏｓθの比例係数が変化する。このため、コンダクタンス変化量から磁界角度を算出しようとすると誤差が発生する。これが、測定精度劣化の一原因である。（数６）、（数７）からわかるように、この問題はＭＲ比が高くなるほど顕著になる。

また、ブリッジ構成を用いないで、一定電流をＴＭＲ素子に流して両端電圧を測定する方法を用いても、磁界方向により両端電圧が変化するので同様にして測定精度が劣化する。

さらに、一定電圧をＴＭＲ素子に印加して検出抵抗により素子電流を測定する場合でも、電流が変化すると検出抵抗による電圧降下量が変化するため、ＴＭＲ素子の両端電圧が変化するので前記と同じ問題が生じていた。
（本発明の磁界角計測装置）
図５に本発明による実施例１の磁界角計測装置の構成を示す。磁界角計測装置はＴＭＲ素子５１を有する磁気センサ３０１と磁界角検出回路３０２で構成される。７１は磁気センサ３０１の第１給電端子、７２は第２給電端子である。

磁界角検出回路３０２はＴＭＲ素子５１に一定電圧を供給する電源部３１１と、電流検出部３２１とを有する。電流検出部３２１はＯＰアンプ（演算増幅器）３２３を用いた電流フォロワー回路（電流−電圧変換回路とも呼ばれる）で構成している。なお、本発明の図面において下向き三角形は共通電圧への接地を意味する。３２４は帰還抵抗、３２６は信号出力端子である。

実施例１の電流検出部３２１の特徴は、ＴＭＲ素子５１のグラウンド側端子がＯＰアンプ３２３の仮想接地端子に接続されていることである。このため、ＴＭＲ素子５１のグラウンド側端子は素子電流にかかわらず接地電圧になる。ここで、仮想接地端子とはＯＰアンプの回路構成において、電位が接地端子と同電位になる端子をいう。図５に示すように、ＯＰアンプ３２３の出力端子を入力端子（−）に接続し、ＯＰアンプ３２３の入力端子（＋）を接地すると、上記のように両入力端子電圧は等しく０Ｖになる。ここで仮想接地時の基準電圧は０Ｖ以外の一定電圧であっても良い。接地電圧はどのように設定してもよいが実施例１では０Ｖに設定した。

電源部３１１からは一定電圧が供給されているから、このような回路構成にすることで、素子電流の大きさによらずＴＭＲ素子５１のバイアス電圧は一定に保たれる。したがってＭＲ比が一定になるので、（数４）で定義されるコンダクタンス変化率も一定になり、精度良く磁界角を求めることができる。

素子電流をＩｄとすると、電流検出部３２１の出力信号電圧Ｖｓｉｇは−Ｉｄ×Ｒｄとなる。電源部３１１の出力電圧をＥ0とすると、ＴＭＲ素子５１のコンダクタンスはＩｄ／Ｅ0として求まるので、（数３）により磁界角度θを求めることが出来る。

なお、（数３）においてＧoとＴの２つの定数が未知であるが、外部磁界角度をθ＝０とθ＝１８０°の２つに設定した状態でコンダクタンスＧ（０）、Ｇ（１８０°）をそれぞれ測定することにより、両者の差から定数Ｔが求まり、両者の平均から定数Ｇ０が求まる。

このように、ＴＭＲ素子５１の一方を一定電圧Ｅoを供給する電源部３１１に接続し、他方を入力インピーダンスがゼロの電流検出部３２１に接続することで、精度の良い磁界角計測装置を実現できる。ここで「インピーダンスがゼロ」とは、実質的なインピーダンス０を意味する。すなわち厳密な意味で０である必要はなく、ある程度の幅の値を持っていても良い。

次に、本発明の実施例２を図６について説明する。図６は実施例１における磁界角検出回路３０２の他の回路構成を示す。実施例２では、磁界角検出回路３０２は電源部３１１と電流検出部３２１とで構成される。電源部３１１は基準電圧発生部３１６で構成され、電圧Ｖｂを発生する。電流検出部３２１はＯＰアンプ３２３と帰還抵抗３２４とで構成されている。ＯＰアンプ３２３の各入力端子には、磁気センサ３０１の給電端子電圧と電源部３１１の出力電圧とが入力される。

図６の構成では、ＯＰアンプ３２３の機能により磁気センサ３０１の端子電圧は電源部３１１の発生電圧Ｖｂと等しくなる。また、電流検出部３２１の信号出力端子３２６の出力信号電圧Ｖｓｉｇは（Ｒｄ×ｉ０＋Ｖｂ）になる。ここで、Ｒｄは帰還抵抗３２４の抵抗値であり、ｉ０は磁気センサ３０１のＴＭＲ素子電流である。

実施例２の構成によれば、ＴＭＲ素子を有する磁気センサ３０１の素子電流の大きさによらず、磁気センサ３０１の端子間電圧はＶｂで一定に保たれるので、高ＭＲ比のＴＭＲ素子を用いた場合でも、高精度に磁界角度を計測できる。

また、図６の構成では全ての信号が正電圧となるため、ＯＰアンプなどの電源は正電圧のもののみで低コストに実現できるという利点がある。さらに、電流検出部３２１の入力端子に流れる電流（ｉ0）の大きさにかかわらず、入力端子の電圧がＶｂで一定であるから、実施例１と同じくこの入力端子の入力インピーダンスはゼロである。

実施例２の構成では、電流検出部３２１の入力端子がＯＰアンプ３２３の入力端子に接続されることで、電位Ｖｂに仮想接地されている。これにより、ＴＭＲ素子を有する磁気センサ３０１の端子間電圧を一定にする事ができる。

実施例３はパルス電圧電源を用いた検出回路の例を示す。図７に示したようなパルス電圧を出力する電源部を用いる。

すなわち、図７に示す様に、磁界角検出回路では、０Ｖを出力している時刻ｔ０での電流計測値（ゼロ点電流）Ｉｚと、素子バイアス電圧Ｅ０を出力している時刻ｔ１での電流計測値Ｉｄｍとを計測し、両者の差分（Ｉｄｍ−Ｉｚ）を計算する。このようにすることで、磁界角検出回路部のドリフトやオフセットをリアルタイムに除去できるので高精度な計測が可能になる。

この場合の回路構成を図８に示す。図８は、図５における電源部３１１を電源部３１１ａに置き換えたものである。磁界角検出回路３０２に図７に示すパルス電圧を出力する電源部３１１ａを設け、ＴＭＲ素子５１への印加電圧をパルス化すると、ＴＭＲ素子５１への投入電力が減少して素子の発熱が抑制されるため、素子電流のドリフトが低減され高精度で再現性のよい計測結果を得ることができる。さらに、ＴＭＲ素子５１への投入電力が減るために素子劣化が起こりにくくなり、この点でも好ましい。

パルス幅は１μｓ〜１０ｍｓが好ましく、パルスデューティ比、すなわち（パルス幅／パルス周期）は０．０１〜０．５が好ましい。パルスのデューティ比は、ＴＭＲ素子への投入電力の平均値に影響するので、適切な値に設定することが重要である。実施例３では、パルス幅を１００μｓ、パルス周期を１ｍｓに設定し、デューティ比を０．１に設定した。

このようにして、検出電流にドリフトがなくなり、高精度な角度計測結果が得られるようになった。次に説明する実施例４の図９の回路構成においても、電源部３１１の出力電圧をパルス化することにより、同様の効果が得られる。

次に、本発明の実施例４の磁界角計測装置を図９を用いて説明する。ＴＭＲ素子５１は素子バイアス電圧が１Ｖ以下と小さい場合が多い。さらに、図３に示したように、バイアス電圧が小さいほど高いＭＲ比が得られるので、磁界角度計測のＳ／Ｎ比を高める目的ではバイアス電圧を小さく設定する方が好ましい。

好ましいバイアス電圧はＴＭＲ素子の設計、特にトンネル絶縁層の膜厚に依存するが、例えば図３に示した特性のＴＭＲ素子では０．１〜０．３Ｖ程度となる。

このようにバイアス電圧が低いと、寄生抵抗での電圧降下が問題になる。ここで、寄生抵抗とは、磁界角検出回路の電源部３１１→ＴＭＲ素子５１→電流検出部３２１に至る経路上におけるＴＭＲ素子５１のトンネル接合部（図２の自由磁化層１１−トンネル絶縁層１２−固定磁化層１３の部分）の抵抗以外の抵抗であり、以下のものが含まれる。
（ａ）磁界角検出回路３０２とＴＭＲ素子間の配線抵抗
（ｂ）ＴＭＲ素子パッケージ内の端子とウエハ上のパッドとのワイヤボンディング抵抗
（ｃ）ＴＭＲ素子が形成されたウエハ内のパッドとトンネル接合部の間の配線の配線抵抗
（ｄ）電源部３１１の出力インピーダンス及び電流検出部３２１の入力インピーダンス
例えば、寄生抵抗が２０Ωで素子電流が２ｍＡで、バイアス電圧が０．１Ｖの場合、寄生抵抗による電圧降下は４０ｍＶであり、バイアス電圧の４０％にも達する。すなわち、トンネル接合部に印加されるバイアス電圧は６０ｍＶに減少してしまう。したがって、図３の特性によりＭＲ比が変化してしまうため、磁界角度計測に誤差が発生する。本実施例の磁界角計測装置は、このような課題を含めて解決するものである。

磁界角計測装置はＴＭＲ素子５１と磁界角検出回路３０２で構成される。ＴＭＲ素子５１は、第１給電端子７１と第２給電端子７２に加えて、第１センス端子７５と第２センス端子７６とを備える。磁界角検出回路３０２の電源部３１１は、第１給電端子７１に電圧を出力する出力端子に加えて、第１センス端子７５と第２センス端子７６との出力を入力する入力端子を備える。

第２センス端子７６の電圧信号は基準電圧発生部３１６に接続される。基準電圧発生部３１６は所望の電圧値Ｖｒｅｆを発生して入力信号に重畳したものを出力する。

基準電圧発生部３１６の出力と、第１センス端子７５に入力された信号とをそれぞれ差動増幅器３１５に入力する。差動増幅器３１５の出力は、電力増幅器３１７に入力され、電力増幅器３１７の出力がＴＭＲ素子５１の第１給電端子７１に出力される。実施例４では電力増幅器の電圧増幅率を１とした。

図９に示したように、実施例４の構成では、第１センス端子７５は差動増幅器３１５の入力端子に入力されており、第２センス端子７６は基準電圧発生部３１６を経由して差動増幅器３１５の入力端子に接続されている。差動増幅器３１５の入力端子には電流は流れ込まないので、いずれのセンス端子にも電流は流れない。したがって、配線などによる電圧降下は無視できるので、ＴＭＲ素子５１のトンネル接合部間電圧を正確に検出できる。ＴＭＲ素子の第２給電端子７２は電流検出部３２１に接続される。電流検出部３２１は、実施例１と同様に入力インピーダンスがゼロの回路で構成する。

本構成では、ＴＭＲ素子の第１センス端子７５と第２センス端子７６間の電圧が、基準電圧発生部３１６の設定電圧値Ｖｒｅｆと等しくなるようにフィードバックされて電圧が印加される。したがって、ＴＭＲ素子５１の接合部に印加されるバイアス電圧がＶｒｅｆに保たれる。

図１０は、ＴＭＲ素子５１を構成するウエハ２６０上の配線を示す模式図である。図示したように、ＴＭＲ素子５１を有する磁気センサ３０１において、第１給電端子７１に対応するウエハパッド２６２ａと第１センス端子７５に対応するウエハパッド２６２ｃとは各々別の配線経路でＴＭＲ素子５１のトンネル接合部２５２に接続されている。同様にして、第２給電端子７２に対応するウエハパッド２６２ｂと第２センス端子７６に対応するウエハパッド２６２ｄとは各々別の配線経路でトンネル接合部２５２に接続されている。

このため、電流が流れる第１給電端子７１〜トンネル接合部２５２間で電圧降下が発生した場合でも、第１センス端子７５と第２センス端子７６はトンネル接合部２５２の電圧を検出できる。２６５はウェハパッド２６２ａ〜２６２ｄとパッケージ端子２６１ａ〜２６１ｄを結ぶボンディング・ワイヤである。

なお、本実施例では、図１０に示すように、ＴＭＲ素子５１のウエハ上の配線を分離する構成を示したが、配線抵抗が無視できる大きさの場合には、ウエハ上の配線を分離しなくてもよいことは言うまでもない。

次に、図１１により本発明による磁界角計測装置の実施例５を説明する。図１１は図９において基準電圧発生部３１６を基準電圧発生部３１６ａに置き換えたものである。本実施例においては、基準電圧発生部３１６ａでパルス電圧を発生させる。

このようにすると、ＴＭＲ素子５１に投入される電力がパルスのデューティ比に応じて低下するため、ＴＭＲ素子５１の発熱が抑制され、素子電流のドリフトが低減され高精度で再現性のよい計測結果を得ることができる。さらに、ＴＭＲ素子５１への投入電力が減るために素子劣化が起こりにくくなり、この点でも好ましい。

次に、図１２により本発明の磁界角計測装置を用いた回転角計測装置について、実施例６を説明する。回転角計測装置はＴＭＲ素子を有する磁気センサ３０１と磁界角検出回路３０２と、被計測対象である回転体１２１に設けた磁石２０２で構成される。回転体１２１が回転軸２２６を中心に回転すると磁石２０２も回転する。磁石２０２が発生する磁界方向を計測することで、回転体２０１の回転角度を計測できる。実施例６に用いる磁気センサ３０１と磁界角検出回路３０２は図９に記載のものと同様の構成が用いられる。

磁気センサ３０１内のＴＭＲ素子は、回転体の回転軸の延長線上の位置に配置するのが特に好ましい。この配置では磁石２０２が発生する磁界角度と回転体１２１の回転角とが一致するため、回転体１２１の回転角を精度良く計測できるためである。

磁石２０２が発生する磁界強度は、ＴＭＲ素子の設置場所での磁界強度が１０ｍＴ以上になるようにすると好ましい。このような磁界強度にすると、ＴＭＲ素子が磁界に関して飽和状態で動作する。すなわち、自由磁化層１１内のスピンが全て磁界方向に沿って配列する。このため、環境温度などの影響で磁界強度が多少変化しても、磁界の方向が正しく求まる。したがって、回転体の回転角が精度良く計測できる。

磁石２０２としては、フェライト磁石でもよいし、ネオジウム磁石やサマリウム・コバルト磁石を用いても良い。本実施例ではネオジウム磁石を用いた。

次に、図１３、図１４を用いて、本発明の磁界角計測装置に関する実施例７を説明する。実施例７ではＴＭＲ素子を２個用いて、０〜３６０°の全角度範囲の磁界角を計測できる。

図１３は実施例７の磁界角計測装置を含む回転角測定装置の全体構成を示すブロック図であり、磁気センサ３０１内には、２つのＴＭＲ素子５１ａ、５１ｂが配置されている。磁界角計測装置は磁気センサ３０１と磁界角検出回路３０２とで構成される。

図１４は磁気センサ３０１であるＴＭＲ素子パッケージの配置を示す模式図である。ＴＭＲ素子ウェハ２６０ａは固定磁化層の磁化方向２２の角度が０であるのに対し、ＴＭＲ素子ウェハ２６０ｂの固定磁化層の磁化方向２２の角度θｐは９０°に設定してある。それぞれの素子には、図１０と同様に、第１給電端子、第２給電端子、第１センス端子、第２センス端子に対応したパッケージ端子２６１が設けられており、これらがＴＭＲ素子ウェハ２６０ａ、２６０ｂのウェハパッド２６２とボンディング・ワイヤ２６５で接続されている。

ＴＭＲ素子５０ｂでは固定磁化層の磁化方向２２が９０°ずれているので、そのコンダクタンスの磁界角度依存性は、（数３）に（θ−９０°）を代入したものになる。すなわち、

したがって、ＴＭＲ素子５１ａとＴＭＲ素子５１ｂの素子電流をそれぞれ測定してコンダクタンスを求め、磁界非依存項Ｇ０を取り除けば、ｃｏｓθとｓｉｎθが得られるため、ＡｒｃＴａｎ変換（逆正接変換）により磁界角θを求めることが出来る。

次に、実施例７の磁界角計測装置の構成を図１３に即して説明する。磁界角検出回路３０２は、ＴＭＲ素子５１ａに対応した電源部３１１Ａと電流検出部３２１Ａと、ＴＭＲ素子５１ｂに対応した電源部３１１Ｂと電流検出部３２１Ｂとを有し、さらに信号処理部３３１とパラメータ記憶部３３２を有する。

電源部３１１Ａと電流検出部３２１Ａの構成は図９と同じである。すなわち、電源部３１１ＡはＴＭＲ素子５１ａの各端子に接続され、ＴＭＲ素子５１ａのトンネル接合部２５２に印加されるバイアス電圧が一定値になるように印加電圧をフィードバックする。そして、電流検出部３２１ＡはＴＭＲ素子５１ａに流れる素子電流Ｉｄ（Ａ）を測定する。

電源部３１１Ｂと電流検出部３２１Ｂの構成も図９と同じである。同様にして、電流検出部３２１ＢはＴＭＲ素子５１ｂに流れる素子電流Ｉｄ（Ｂ）を測定する。

素子電流はＴＭＲ素子のコンダクタンスに比例するから、（数３）、（数８）からわかるように、それぞれの素子電流は次式で表される。

ここで、ｅ０は、電源部Ａ３１１Ａ、電源部Ｂ３１１Ｂ内の基準電圧発生部３１６に設定された基準電圧である。ＴＭＲ素子５１Ａ、５１Ｂに印加されるバイアス電圧はｅ０に等しい。なお、ＴＭＲ素子５１Ａ、ＴＭＲ素子５１Ｂに印加するバイアス電圧は等しい値ｅ０に設定することで、信号処理が簡略化される。

素子電流Ｉｄ（Ａ）とＩｄ（Ｂ）の値に対応した信号を信号処理部３３１に入力する。信号処理部３３１では、素子電流から（数９）の定数項ｅ０Ｇ０を減算した値を算出して、それぞれＩｄ’（Ａ）、Ｉｄ’（Ｂ）とする。減算すべき定数項ｅ０Ｇ０の値を求める方法は後述する。このようにすると、（数９）からわかるように、ＡｒｃＴａｎ処理（逆正接処理）により磁界角度θが次式で求まる。

ここで、θ＝ａｔａｎ２（ｙ、ｘ）は、引数ｘ、ｙが正か負かに応じて、θ＝０〜３６０°（または−１８０〜１８０°）の値を適切に出力する関数である。例えば、ｘ、ｙともに正の場合は、ａｔａｎ２（ｙ、ｘ）＝ＡｒｃＴａｎ（ｙ／ｘ）であり、ｘ、ｙともに負の場合は、ａｔａｎ２（ｙ、ｘ）＝ＡｒｃＴａｎ（ｙ／ｘ）＋１８０°である。以上のようにして、磁界角度θが求まる。

次に、（数９）の定数項ｅ０Ｇ０の算出方法を説明する。回転体を一定速度で回転させ、Ｎ回転（Ｎ≧１）した期間において、素子電流Ｉｄ（Ａ）、Ｉｄ（Ｂ）を何点かサンプリングする。サンプリング点数は１００点以上にすると精度が良くなる。サンプリングしたＩｄ（Ａ）値、Ｉｄ（Ｂ）値のそれぞれについて平均値を求めると、ｃｏｓθ、ｓｉｎθの対称性から第２項はゼロになるので、次式を得る。

ここで、ａｖｅｒａｇｅ（ｘ）は、平均値を求める処理を表す。このようにして、定数項ｅ０Ｇ０を求めることができる。求めたｅ０Ｇ０値は、パラメータ記憶部３３２に格納しておき、上述のＩｄ（Ａ）からＩｄ’（Ａ）を算出する処理に用いる。

（数９）中の係数ｅ０Ｔは、以下の理由から求める必要がない。その理由は、（数１０）のａｔａｎ２（ｙ、ｘ）処理が、例えばＡｒｃＴａｎ（ｙ／ｘ）のように比の逆正接を算出する処理であるため、係数ｅ０Ｔが互いに打ち消しあうためである。

次に、再び図１３を用いて、実施例７の磁界角計測装置を用いた回転角計測装置を実施例８について説明する。実施例８では、回転軸２２６を回転中心として回転する回転体１２１に取り付けられた磁石２０２と、磁気センサ３０１、磁界角検出回路３０２とで構成される。

磁気センサ３０１は回転体１２１の回転軸２２６の延長線上に配置するのが好ましい。この配置だと、磁石２０２が発生する磁界の角度と実際の回転角とが一致するため、回転体の回転角を精度良く計測できるためである。

磁石２０２が発生する磁界強度は、ＴＭＲ素子から構成された磁気センサ３０１の設置場所での磁界強度が１０ｍＴ以上になるようにすると好ましい。このような磁界強度にすると、ＴＭＲ素子が磁界に関して飽和状態で動作する。すなわち、自由磁化層１１内のスピンが全て磁界方向に沿って配列する。このため、環境温度などの影響で磁界強度が多少変化しても、磁界の方向が正しく求まる。したがって、回転体の回転角が精度良く計測できる。

磁石２０２としては、フェライト磁石でもよいし、ネオジウム磁石やサマリウム・コバルト磁石を用いても良い。本実施例ではネオジウム磁石を用いた。

実施例７の磁界角計測装置で述べたように、本構成の磁気センサ３０１と磁界角検出回路３０２とで、磁気センサ３０１の地点での磁界角度を０〜３６０°の全範囲にわたって高精度に計測できる。したがって、回転体１２１に設置された磁石２０２が発生する磁界方向を計測することで回転体１２１の回転角を高精度に計測することが出来る。

次に、図１５を用いて、本発明による回転角計測装置をモータに適用した実施例９を説明する。本実施例はモータ部１００と回転角検出部２００とで構成される。

モータ部１００は、複数の固定磁極と複数の回転磁極との磁気的作用により複数の回転磁極が回転することにより回転トルクを発生するものであって、複数の固定磁極を構成するステータ１１０及び複数の回転磁極を構成するロータ１２０から構成される。ステータ１１０は、ステータコア１１１と、ステータコイル１１２から構成されている。ロータ１２０は、ステータ１１０の内周側に空隙を介して対向配置され、回転可能に支持されている。本実施例では、モータ１００として、三相交流式の表面磁石型同期モータを用いている。

筐体は、円筒状のフレーム１０１の軸方向両端部に設けられた第１ブラケット１０２および第２ブラケット１０３から構成されている。第１ブラケット１０１の中空部には軸受１０６が、第２ブラケット１０３の中空部には軸受１０７がそれぞれ設けられている。これらの軸受は回転軸１２１を回転可能なように支持している。

フレーム１０１と第１ブラケット１０２との間には環状に設けられたＯリングからなるシール部材（図示せず）が設けられている。シール部材はフレーム１０１と第１ブラケット１０２によって軸方向及び径方向から挟み込まれて圧縮される。これにより、フレーム１０１と第１ブラケット１０２との間を封止しフロント側を防水する。また、フレーム１０１と第２ブラケット１０３との間もシール部材により防水されている。

次に、回転角検出部２００の構成を説明する。回転角検出部２００は、磁界角を計測する磁界センサ・モジュール２０１とセンサ磁石２０２とで構成されている。回転角検出部２００はハウジング２０３と第２ブラケット１０３とで囲まれた空間に設置されている。センサ磁石２０２は回転軸１２１と連動して回転する軸に設置されており、回転軸１２１が回転位置を変えると、それに応じて発生する磁界方向が変化する。この磁界方向を磁界センサ・モジュール２０１で検出することにより回転軸１２１の回転角（回転位置）を計測できる。

磁界センサ・モジュール２０１は、回転軸１２１の回転軸２２６上に設置すると、センサ磁石２０２が発生する磁界の空間分布に誤差が少なくなるので好ましい配置である。センサ磁石２０２は、２極着磁された２極磁石、あるいは４極以上に着磁された多極磁石である。磁界センサ・モジュール２０１は、実施例７の図１３、図１４に示す磁気センサと磁界角検出回路部で構成され、磁界角検出回路部は信号処理部を有する。

磁気センサは、磁界の方向に応じて出力信号が変化するものであり、実施例９では、固定磁化層の磁化ベクトル２２の角度θｐを互いに９０°ずらしたＴＭＲ素子を２個有するものを用いた。

磁界センサ・モジュール２０１はハウジング２０３に設置されている。ハウジング２０３は磁束方向に影響を与えないように、アルミニウムや樹脂など磁化率が０．１以下の材料で構成するのが好ましい。実施例９ではアルミニウムで構成した。

なお、磁界センサ・モジュール２０１はモータ部に対して固定されていればよく、ハウジング２０３以外の構成要素に固定してももちろん構わない。モータ部に対して固定されていれば、回転軸１２１の回転角が変化してセンサ磁石２０２の方向が変化した場合、磁界センサ・モジュール２０１での磁界方向変化を検出することで回転軸１２１の回転角を検出することが出来るからである。

磁界センサ・モジュール２０１にはセンサ配線２０８が接続されている。センサ配線２０８により磁界センサ２０１の出力信号を伝送する。

図１６は、本実施例である回転角計測装置のモータ部の制御システムを示す。磁界センサ・モジュール２０１からの信号は電子コントロール・ユニット（ＥＣＵ）４１１に入力され、ＥＣＵ４１１は駆動部４１２に制御コマンドを送信する。駆動部４１２はモータ部１００のステータ１１０に適切な電圧波形を出力することで、ロータ１２１の回転速度や回転軸位置などを制御する。

実施例９によれば、図１３の構成により磁界方向を精度良く計測することができるので、図１５、図１６の構成において、ロータ１２１の回転角を精度良く計測できる。そのため、駆動部４１２で高精度の制御が可能になる。これにより、エネルギー効率の良いモータを実現できる。あるいは、命令角度（指示角度）に正確に応答する高精度なモータを実現できる。

なお、磁界センサ・モジュール２０１を磁気センサ３０１のみで構成し、磁界角検出回路３０２をＥＣＵ４１１内に構成してもよい。

次に、本発明による磁界角計測装置の実施例１０を図１７〜図１９を用いて説明する。図１７に示したように、実施例１０の磁界角計測装置は、磁気センサ３０１と磁界角検出回路３０２とで構成される。磁気センサ３０１はＴＭＲ素子パッケージを用いる。

実施例１０の磁界角検出回路３０２は、電流供給部３４１と電圧発生部３４６と電流検出部３２１とで構成される。電流供給部３４１は、電流入力端子３４３、電流出力端子３４４、電圧入力端子３４５を有する。

電流供給部３４１は以下のように構成される。すなわち、電流出力端子３４４から出力される電流ｉ２は電流入力端子３４３に入力される電流ｉ１に等しく、かつ、電流出力端子３４４の出力電圧Ｖｂは電圧入力端子３４５に入力される電圧Ｖｂｉｎにより設定される。

ここで、電圧入力端子の入力電圧Ｖｂｉｎにより出力電圧Ｖｂが「設定される」とは、入力値Ｖｂｉｎと出力値Ｖｂとが一義的な対応関係にあることを意味する。具体的には、入力電圧Ｖｂｉｎと出力電圧Ｖｂとが等しい場合や、入力電圧Ｖｂｉｎに比例した値が出力電圧Ｖｂとして出力される場合などがある。

図１７において、電流供給部３４１の電流出力端子３４４に磁気センサ３０１の端子を接続する。電流入力端子３４３に電流検出部３２１を接続する。電圧入力端子３４５には電圧発生部３４６を接続する。

このように構成すると、磁気センサ３０１、すなわちＴＭＲ素子パッケージの端子に印加される電圧は一定値Ｖｂに保つことができ、磁気センサ３０１に流れる電流ｉ２は電流供給部３４１の電流入力端子電流ｉ１に等しいので、電流検出部３２１で計測できる。したがって、ＴＭＲ素子の端子電圧を一定に保ったままＴＭＲ素子電流を計測できるので、高ＭＲ比のＴＭＲ素子を用いても高精度に磁界角度を計測することができる。

図１７に記載の電流ｉ１，ｉ２の矢印の方向は，電流出力端子３４４の電圧が正極性で，電流供給部３４１から磁気センサ３０１に向かって正の電流が流れる場合を想定して記載した。電流出力端子３４４の電圧が負極性の場合には，磁気センサ３０１から電流供給部３４１に向かって電流が流れるが，この場合は，電流出力端子３４４から負の電流が流れ出すと考え，さらに電流入力端子３４３に負の電流が流れ込むと考えればよい。すなわち，本実施例の構成は，電流出力端子３４４から出力される電流の向き（すなわち電流値の正・負）によらず，成立し，所望の効果が得られるものである。

次に、図１８を用いて電流供給部３４１の詳細な構成を説明する。図１８は、電流供給部３４１をＯＰアンプ３５１と電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）３５２とで構成した例である。ＯＰアンプ３５１の一方の入力端子は電流出力端子３４４の電圧がフィードバックされる構成になっている。

電圧入力端子３４５には電圧発生部３４６が接続されている。電流入力端子３４３には電流検出部３２１が接続されており、電流出力端子３４４には磁気センサ３０１が接続されている。

電圧入力端子３４５の電圧Ｖｂを入力するとＯＰアンプ３５１の機能により、電流出力端子３４４の電圧がＶｂに等しくなる。また、ＯＰアンプ３５１の信号入力端子は入力インピーダンスが無限大と見なせるので、電流入力端子電流ｉ１と電流出力端子電流ｉ２とは等しくなる。すなわち、電流供給部の機能が満たされていることがわかる。

電流検出部３２１は実施例１０では、電流フォロア回路で構成されている。信号出力端子３２６の出力電圧は、Ｒｄ×ｉ１＝Ｒｄ×ｉ２となる。このようにして、磁気センサ３０１に流れる電流ｉ２を計測できる。

図１９は電流供給部３４１の別の回路を示す。図１９ではトランジスタ３４８を用いて電流供給部３４１ａを実現している。トランジスタ３４８のベースを電圧入力端子３４５に接続し、エミッタを電流出力端子３４４に接続し、コレクタを電流入力端子３４３に接続する。このようにすると、電圧入力端子３４５の入力電圧Ｖｂ０と電流出力端子３４４の端子電圧Ｖｂ２との間には、Ｖｂ２＝Ｖｂ０−Ｖｂｅの関係が成り立つ。Ｖｂｅはトランジスタの接合特性で支配されるベース−エミッタ間電圧であり、約０．７Ｖの一定電圧である。したがって、電流出力端子３４４の端子電圧はＶｂ２に一定に保たれ、かつ電流ｉ２は電流入力端子３４３の通電電流ｉ１に等しい。

なお、Ｖｂｅは、大きな温度変化などで多少変化するため、図１９の構成の方が高性能であるが、トランジスタ１個で構成され低コストにできるという利点がある。

本発明の磁界角計測装置の実施例１１を図２０を用いて説明する。実施例１１は、実施例１０の図１７に示した磁界角検出回路３０２の構成において、電流検出部３２１として電流ミラー回路を用いたものである。電流ミラー回路とは２つの端子の通電電流ｉ１とｉ３が等しくなるような回路であり、いくつかの構成が知られている。

図２０に示したように、電流検出部３２１を電流ミラー回路３２６で構成すると、電流ｉ１とｉ３とが等しくなる。電流ｉ３の大きさは、検出抵抗Ｒｄにより電圧に変換され、信号出力端子３２６の出力電圧Ｖｓｉｇは（Ｒｄ×ｉ３）となる。

図１８で説明したように、電流供給部３４１はｉ１と磁気センサ３０１の通電電流ｉ２とが等しくなるように動作する。したがって、電流ｉ３を測定することで磁気センサ３０１の通電電流ｉ２を計測できる。

前述の通り、電流供給部３４１の働きにより磁気センサ３０１への印加電圧は一定値Ｖｂに保たれるので、高ＭＲ比のＴＭＲ素子を用いた磁気センサ３０１を用いても、高精度に磁界角度を計測することができる。

図１７、図１８、図２０において、電圧発生部３４６でパルス電圧を発生させると、ＴＭＲ素子で構成される磁気センサ３０１にパルス電圧が印加される。このようにすると、ＴＭＲ素子に投入される電力が、パルスのデューティ比に応じて低下するため、素子の発熱が抑制され、素子電流のドリフトが低減され高精度で再現性のよい計測結果を得ることができる。さらに、ＴＭＲ素子への投入電力が減るために素子劣化が起こりにくくなり、この点でも好ましい。

実施例１０および実施例１１においては、磁界角計測装置について説明したが、図１２や図１３に示したものと同様に、実施例１０および実施例１１の磁界角計測装置を回転体１２１に設置された磁石２０２と組み合わせることにより、回転体１２１の回転角を高精度に計測する回転角計測装置が実現できる。

１１・・・自由磁化層
１２・・・トンネル絶縁層
１３・・・固定磁化層
５１・・・ＴＭＲ素子
７１・・・第１給電端子
７２・・・第２給電端子
７５・・・第１センス端子
７６・・・第２センス端子
１２１・・・回転体
２００・・・回転角検出部
２０１・・・磁界角計測装置
２０２・・・磁石
２２６・・・回転軸
２５２・・・トンネル接合部
３０１・・・磁気センサ
３０２・・・磁界角検出回路
３１１・・・電源部
３１５・・・差動増幅器
３１６・・・基準電圧発生部
３２１・・・電流検出部
３２３・・・ＯＰアンプ
３２６・・・信号出力端子
３２８・・・電流ミラー回路
３４１・・・電流供給部
３４３・・・電流入力端子
３４４・・・電流出力端子
３４５・・・電圧入力端子
３４６・・・電圧発生部

筐体は、円筒状のフレーム１０１の軸方向両端部に設けられた第１ブラケット１０２および第２ブラケット１０３から構成されている。第１ブラケット１０１の中空部には軸受１０６が、第２ブラケット１０３の中空部には軸受１０７がそれぞれ設けられている。これらの軸受は回転体１２１を回転可能なように支持している。

次に、回転角検出部２００の構成を説明する。回転角検出部２００は、磁界角を計測する磁界センサ・モジュール２０１とセンサ磁石２０２とで構成されている。回転角検出部２００はハウジング２０３と第２ブラケット１０３とで囲まれた空間に設置されている。センサ磁石２０２は回転体１２１と連動して回転する軸に設置されており、回転体１２１が回転位置を変えると、それに応じて発生する磁界方向が変化する。この磁界方向を磁界センサ・モジュール２０１で検出することにより回転体１２１の回転角（回転位置）を計測できる。

磁界センサ・モジュール２０１は、回転体１２１の回転軸２２６上に設置すると、センサ磁石２０２が発生する磁界の空間分布に誤差が少なくなるので好ましい配置である。センサ磁石２０２は、２極着磁された２極磁石、あるいは４極以上に着磁された多極磁石である。磁界センサ・モジュール２０１は、実施例７の図１３、図１４に示す磁気センサと磁界角検出回路部で構成され、磁界角検出回路部は信号処理部を有する。

なお、磁界センサ・モジュール２０１はモータ部に対して固定されていればよく、ハウジング２０３以外の構成要素に固定してももちろん構わない。モータ部に対して固定されていれば、回転体１２１の回転角が変化してセンサ磁石２０２の方向が変化した場合、磁界センサ・モジュール２０１での磁界方向変化を検出することで回転体１２１の回転角を検出することが出来るからである。

Claims (16)

1. 磁気センサと磁界角検出回路を有する磁界角計測装置において、前記磁気センサは固定磁化層を有するＴＭＲ素子を有し、前記磁界角検出回路は前記磁気センサのＴＭＲ素子にバイアス電圧として定電圧を出力する電源部と、前記ＴＭＲ素子の通電電流を検出する電流検出部を有し、前記電流検出部の入力インピーダンスをゼロとしたことを特徴とする磁界角計測装置。
2. 請求項１に記載された磁界角計測装置において、前記電流検出部は前記ＴＭＲ素子の通電電流を検出するＯＰアンプを有し、該ＯＰアンプの入力端子を仮想接地することにより前記電流検出部の入力インピーダンスをゼロとしたことを特徴とする磁界角計測装置。
3. 請求項１または２に記載された磁界角計測装置において、前記電源部は前記磁気センサのＴＭＲ素子にバイアス電圧としてパルス電圧からなる定電圧を出力することを特徴とする磁界角計測装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載された磁界角計測装置において、前記磁気センサは、前記固定磁化層の磁化方向が互いに９０°異なる２つのＴＭＲ素子を有することを特徴とする磁界角計測装置。
5. 請求項１に記載された磁界角計測装置において、前記磁気センサのＴＭＲ素子は、第１給電端子と第２給電端子と第１センス端子を有し、前記磁界角検出回路は前記磁気センサのＴＭＲ素子にバイアス電圧として定電圧を出力する電源部と前記ＴＭＲ素子の出力電流を検出する電流検出部とを有し、前記第１センス端子により前記ＴＭＲ素子の端子電圧を検出し、前記電源部は前記端子電圧が所定の電圧値と一致するようにフィードバック制御を行うことを特徴とする磁界角計測装置。
6. 請求項５に記載された磁界角計測装置において、前記ＴＭＲ素子は、前記第１センス端子に加えて第２センス端子を有し、前記第１センス端子及び第２センス端子により前記ＴＭＲ素子の端子電圧を検出することを特徴とする磁界角計測装置。
7. 請求項５に記載された磁界角計測装置において、前記電源部は、前記第１センス端子の出力電圧と、基準電圧発生部の出力とを差動入力した差動増幅器を有することを特徴とする磁界角計測装置。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載された磁界角計測装置において、前記電源部は、パルス電圧を発生することを特徴とする磁界角計測装置。
9. 請求項５乃至８のいずれか１項に記載された磁界角計測装置において、前記磁気センサは、前記固定磁化層の磁化方向が互いに９０°異なる２つのＴＭＲ素子を有することを特徴とする磁界角計測装置。
10. 磁気センサと磁界角検出回路を有する磁界角計測装置において、前記磁気センサは固定磁化層を有するＴＭＲ素子を有し、前記磁界角検出回路は、電流供給部と、前記ＴＭＲ素子の出力電流を検出する電流検出部を有し、前記電流供給部は、電圧発生部に接続された電圧入力端子と、前記電流検出部からの電流を入力する電流入力端子と、前記磁気センサへ電流を出力する電流出力端子を有し、前記電流入力端子の通電電流と前記電流出力端子の通電電流が等しく、かつ前記電流出力端子の電圧が前記電圧発生部の電圧に基づき設定され、前記電流供給部の電流入力端子に前記電流検出部が接続され、電流出力端子に前記磁気センサが接続されたことを特徴とする磁界角計測装置。
11. 請求項１０に記載された磁界角計測装置において、前記電流供給部は、電界効果トランジスタと、電流供給部ＯＰアンプを有し，前記電流供給部ＯＰアンプの入力端子に，前記電界効果トランジスタの１つの端子と，前記電圧発生部とが接続されていることを特徴とする磁界角計測装置。
12. 請求項１０に記載された磁界角計測装置において、前記電流供給部は、ベースに前記電圧発生部の出力電圧を入力したトランジスタを有することを特徴とする磁界角計測装置。
13. 請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載された磁界角計測装置において、前記電圧発生部がパルス電圧を発生することを特徴とする磁界角計測装置。
14. 請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載された磁界角計測装置において、前記磁気センサは、前記固定磁化層の磁化方向が互いに９０°異なる２つのＴＭＲ素子を有することを特徴とする磁界角計測装置。
15. 請求項１４に記載された磁界角計測装置において、前記磁界角検出回路は前記電流供給部を２つ有し、前記２つのＴＭＲ素子のそれぞれに前記電流供給部が電気的に接続されたことを特徴とする磁界角計測装置。
16. 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載された磁界角計測装置と、回転体に取り付けられた磁石とを有することを特徴とする回転角計測装置。

Images