CN108226818A - 磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够使角度精度提高的磁传感器。磁传感器(1)简要构成为具备：感磁部(100)，该感磁部(100)的电阻值根据磁场方向的变化而变化，并且该感磁部(100)具有被两个圆弧(105)以及圆弧(106)包围而形成相同宽度(W)的形状；以及多个磁传感器元件，上述多个磁传感器元件具有以与扇形的感磁区域(10)的径向交叉的方式沿感磁区域(10)排列的多个感磁部(100)，使感磁区域(10)以90°为单位进行旋转，将上述多个磁传感器元件彼此电连接而形成电桥电路。

Description

磁传感器
技术领域
本发明涉及磁传感器。
背景技术
作为现有技术，公知一种旋转编码器，其具备：形成于基板并具有形成两个电桥电路的八个感磁膜的磁传感器(例如，参照专利文献1。)。
该旋转编码器以如下方式构成：具备与基板对置配置并具有电阻值饱和的磁场强度的磁铁，该旋转编码器基于利用电桥电路获得的第一相和第二相两相的输出信号，检测基板与磁铁的相对的角度位置。
专利文献1：日本特开2015-190895号公报
对于现有的旋转编码器的磁传感器而言，即使施加了饱和的磁场强度，也会存在如下问题：因输出信号失真而偏离理想的正弦波，使得角度精度下降。
发明内容
因此本发明的目的在于提供能够使角度精度提高的磁传感器。
本发明的一方式提供一种磁传感器，其具备：感磁部，该感磁部的电阻值根据磁场方向的变化而变化，并且该感磁部具有被两个圆弧包围而形成相同宽度的形状，多个磁传感器元件，上述多个磁传感器元件具有以与扇形的感磁区域的径向交叉的方式沿感磁区域排列的多个感磁部，使感磁区域以90°为单位进行旋转，将上述多个磁传感器元件彼此电连接而形成电桥电路。
根据本发明，能够使角度精度提高。
附图说明
图1(a)是示出实施方式所涉及的磁传感器的一个例子的示意图，图1(b)是用于说明MR元件的一个例子的示意图。
图2(a)是示出实施方式所涉及的磁传感器的一个例子的等效电路图，图2(b)是用于对磁传感器与磁场向量的角度的一个例子进行说明的示意图。
图3(a)是用于说明实施方式所涉及的磁传感器的第一电桥电路以及第二电桥电路的输出电压的一个例子的图表，图3(b)是用于说明计算出的角度的一个例子的图表，图3(c)是用于说明实际的角度的差亦即角度精度的一个例子的图表。
图4(a)是示出在比较例1所涉及的感磁部具有直线形状的情况下的感磁部与磁场向量的关系的示意图，图4(b)是在感磁部具有直线形状的情况下的角度精度的图表。
图5(a)是示出在实施方式所涉及的磁传感器的感磁部具有曲线形状的情况下的感磁部与磁场向量的关系的示意图，图5(b)是在感磁部具有曲线形状的情况下的角度精度的图表。
图6(a)是示出比较例2所涉及的磁传感器的示意图，图6(b)是将比较例2的一个MR元件放大的示意图，图6(c)是比较例2的磁向量的角度与角度精度的图表。
图7(a)是示出实施例1所涉及的磁传感器的示意图，图7(b)是将实施例1的一个MR元件放大的示意图，图7(c)是实施例1的磁向量的角度与角度精度的图表。
图8(a)是示出实施例2所涉及的磁传感器的示意图，图8(b)是将实施例2的一个MR元件放大的示意图，图8(c)是实施例2的磁向量的角度与角度精度的图表。
附图标记说明
1、1a、9…磁传感器；2…第一MR传感器；3…第二MR传感器；5…磁场向量；7…基板；8…控制部；10…感磁区域；11…传感器中心；12…理想直线；13…理想直线；20…电桥电路；21～24、21a～24a、21b～24b…第一MR元件～第四MR元件；25～28…节点；30…第一电桥电路；31～34、31a～34a、31b～34b…第五MR元件～第八MR元件；35～38…节点；40～45…焊垫；50…基准；90…感磁部；100、100a、100b…感磁部；101、101a、101b…连接部；105、105a…圆弧；106、106a…圆弧；400～450…配线。
具体实施方式
(实施方式的概要)
实施方式所涉及的磁传感器简要构成为具备：感磁部，该感磁部的电阻值根据磁场方向的变化而变化，并且该感磁部具有被两个圆弧包围而形成相同宽度的形状，多个磁传感器元件，上述多个磁传感器元件具有以与扇形的感磁区域的径向交叉的方式沿感磁区域排列的多个感磁部，使感磁区域以90°为单位进行旋转，将上述多个磁传感器元件彼此电连接而形成电桥电路。
该磁传感器的感磁部不是由两条直线包围而成的直线形状，而是具有由两个圆弧包围而成的曲线形状，因此与感磁部为直线形状的情况相比，将检测的磁场的角度误差的一部分相互抵消来提高角度精度。
[实施方式]
(磁传感器1的概要)
图1(a)是示出实施方式所涉及的磁传感器的一个例子的示意图，图1(b)是用于说明MR元件(Magneto Resistive Device，磁阻器件)的一个例子的示意图。图2(a)是示出实施方式所涉及的磁传感器的一个例子的等效电路图，图2(b)是用于对磁传感器与磁场向量的角度的一个例子进行说明的示意图。此外，在以下记载的实施方式所涉及的各图中，存在图形间的比率与实际的比率不同的情况。
如图1(a)所示，磁传感器1例如形成于基板7。该磁传感器1具有焊垫40～焊垫45，并经由该焊垫40～焊垫45与后述的运算放大器OP1以及运算放大器OP2连接。
例如，如图1(a)～图2(b)所示，磁传感器1简要构成为具备：感磁部100，其电阻值根据磁场方向的变化而变化，并具有被两个圆弧105以及圆弧106包围而形成相同宽度W的形状；以及多个磁传感器元件，上述多个磁传感器元件具有以与扇形的感磁区域10的径向交叉的方式沿感磁区域10排列的多个感磁部100，使感磁区域10以90°为单位进行旋转，将上述多个磁传感器元件彼此电连接而形成电桥电路。此外在本实施方式中，将磁场的方向用磁场向量5来表示。
本实施方式的感磁区域10为将一个圆8等分而成的扇形区域。因此磁传感器1具有第一MR元件21～第四MR元件24、以及第五MR元件31～第八MR元件34。而且第一MR元件21～第四MR元件24、以及第五MR元件31～第八MR元件34形成两个输出信号的相位不同的第一电桥电路20以及第二电桥电路30。此外在下文中，由于第一MR元件21～第四MR元件24、以及第五MR元件31～第八MR元件34的基本的结构没变，所以在表示它们时记载为MR元件。
(MR元件的结构)
本实施方式的MR元件的感磁部100的两个圆弧105以及圆弧106构成为以传感器中心11为中心的同心圆的圆弧。而且本实施方式的感磁部100以等间隔排列。
该感磁部100例如形成为以Ni、Fe等强磁性金属为主要成分的合金的薄膜。并且例如，如图1(b)所示，沿径向相邻的感磁部100通过连接部101而使其端部相互连接。该连接部101例如是电阻不会根据磁场向量5的方向的变化而变化的铝等的金属膜。
第一电桥电路20通过第一MR元件21～第四MR元件24而形成。该第一MR元件21～第四MR元件24具有以90°为单位进行旋转的形状。
如图2(a)所示，第一MR元件21与第三MR元件23的连接点亦即节点25与电源电压VCC电连接。该电源电压VCC经由焊垫40以及配线400而被供给。第二MR元件22与第四MR元件24的连接点亦即节点26与GND电连接。该GND与焊垫41以及配线410电连接。
第一MR元件21与第二MR元件22形成半桥电路。该半桥电路输出第一MR元件21与第二MR元件22的节点27的中点电位V1。该中点电位V1经由配线420以及焊垫42输入至运算放大器OP1的非倒相输入端子(+侧)。
并且第三MR元件23与第四MR元件24形成半桥电路。该半桥电路输出第三MR元件23与第四MR元件24的节点28的中点电位V2。该中点电位V2经由配线430以及焊垫43输入至运算放大器OP1的倒相输入端子(-侧)。该运算放大器OP1将对输入至非倒相输入端子的中点电位V1和输入至倒相输入端子的中点电位V2进行差动放大而得的输出信号S1输出至控制部8。
第二电桥电路30通过第五MR元件31～第八MR元件34而形成。该第五MR元件31～第八MR元件34具有以90°为单位进行旋转的形状。并且例如，如图2(a)以及图2(b)所示，第二电桥电路30是使第一电桥电路20旋转45°而形成的。
如图2(a)所示，第五MR元件31与第七MR元件33的连接点亦即节点35与电源电压VCC电连接。第六MR元件32与第八MR元件34的连接点亦即节点36与GND电连接。
第五MR元件31与第六MR元件32形成半桥电路。该半桥电路输出第五MR元件31与第六MR元件32的节点37的中点电位V3。该中点电位V3经由配线440以及焊垫44输入至运算放大器OP2的非倒相输入端子(+侧)。
并且第七MR元件33与第八MR元件34形成半桥电路。该半桥电路输出第七MR元件33与第八MR元件34的节点38的中点电位V4。该中点电位V4经由配线450以及焊垫45输入至运算放大器OP2的倒相输入端子(-侧)。该运算放大器OP2将对输入至非倒相输入端子的中点电位V3和输入至倒相输入端子的中点电位V4进行差动放大而得的输出信号S2输出至控制部8。
该运算放大器OP1以及运算放大器OP2例如与控制部8一同配置于基板7。
(控制部8的结构)
图3(a)是用于说明实施方式所涉及的磁传感器的第一电桥电路以及第二电桥电路的输出电压的一个例子的图表，图3(b)是用于说明计算出的角度的一个例子的图表，图3(c)是用于说明实际的角度的差亦即角度精度的一个例子的图表。图3(a)的横轴为角度θ(deg)，纵轴为电压V。图3(b)的横轴为角度θ(deg)，纵轴为Atan(deg)。图3(c)的横轴为角度θ(deg)，纵轴为角度精度(deg)。图3(b)以及图3(c)的粗实线表示计算出的角度。
该控制部8例如是由对获得的数据进行运算、加工等的CPU(Central ProcessingUnit，中央处理器)、半导体存储器亦即RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)以及ROM(Read Only Memory，只读存储器)等构成的微型计算机。控制部8基于获得的输出信号S1以及输出信号S2计算磁场向量5的角度、即旋转磁场的旋转角度。
该磁场向量5的角度例如用相对于图2(b)中用点划线示出的基准50的角度θ来表示。关于该角度θ，如图2(b)所示，设顺时针为正。生成磁场向量5的磁铁以传感器中心11为中心旋转的方式与磁传感器1对置配置。并且磁铁例如具有圆柱形状，沿纵向对圆筒进行分割，使得一方被磁化成N极，另一方被磁化成S极。
基准50将第二MR元件22和第三MR元件23一分为二，并且通过传感器中心11。因此如图3(a)所示，对从第一电桥电路20输出的中点电位V1以及中点电位V2进行差动放大而得的输出信号S1成为cosθ。并且从第二电桥电路30输出的输出信号S2成为相位与输出信号S1不同的sinθ。该cosθ以及sinθ周期为180°。
控制部8基于该输出信号S1以及输出信号S2计算tanθ，进而计算出Atan(tan-1＝－S2/S1)来求解θ。图3(b)所示的理想直线12是横轴的理想角度与纵轴的计算出的角度一致的直线。图3(c)示出理想角度与计算出的角度的差(角度精度)，理想的是与理想直线13一致。并且例如，如图3(c)所示，角度精度例如用从理想直线13的偏离来表示。
以下，对在感磁部100为曲线的情况下和感磁部100为直线的情况下的模拟结果进行说明。
图4(a)是示出在比较例1所涉及的感磁部具有直线形状的情况下的感磁部与磁场向量的关系的示意图，图4(b)是在感磁部具有直线形状的情况下的角度精度的图表。图5(a)是示出在实施方式所涉及的磁传感器的感磁部具有曲线形状的情况下的感磁部与磁场向量的关系的示意图，图5(b)是在感磁部具有曲线形状的情况下的角度精度的图表。图4(b)以及图5(b)的横轴为角度(deg)，纵轴为角度精度(deg)。比较例1的感磁部100b的角度精度是实际测量出的，本实施方式的感磁部100的角度精度是模拟的结果。
首先本实施方式的感磁部100与比较例1的感磁部100b的宽度相同。并且如图4(a)及图5(a)所示，本实施方式的感磁部100与比较例1的感磁部100b的长度均为L。进一步，作用于本实施方式的感磁部100的磁场向量5的强度与作用于比较例1的感磁部100b的磁场向量5的强度相同。
若将比较例1的感磁部100b的电阻值设为R(θ)，则因为磁场向量5作用在一样的方向上，所以下式(1)成立。此外r(θ)为感磁部100b的任意位置的电阻值。因此R(θ)为任意位置的r(θ)的总和。
R(θ)＝r(θ)+r(θ)+r(θ)…
R(θ)＝Σn＝1…m+1r(θ)···(1)
其中，m为任意整数，式(1)为求解m+1个r(θ)的总和的式子。
另一方面，使图5(a)所示的感磁部100与获得比较例1的电阻值r(θ)的任意的位置对应地将图案分割成多条直线，并使其旋转±nα来表现曲线。在将感磁部100与磁场向量5正交的位置的电阻值设为r(θ)的情况下，R(θ)为以该正交的位置为中心左右电阻值的总和。
R(θ)＝r(θ)+r(θ+α)+r(θ-α)+r(θ+2α)+r(θ-2α)…
R(θ)＝r(θ)+Σn＝1…m/2r(θ+nα)+Σn＝1…m/2r(θ-nα)···(2)
比较例1中，电阻R(θ)仅由r(θ)项构成，因此以大约45°的周期产生角度误差，不能够充分抵消角度误差，角度误差、即角度精度较低。
另一方面，曲线的本实施方式的式(2)与式(1)在第二项以及第三项不同。上述第二项以及第三项相对于感磁部100的中央对称，因此角度误差部分相互抵消而被抑制，所以认为角度精度与比较例1相比得到了提高。
接下来对以下实际制作出的比较例2、实施例1以及实施例2的角度精度进行说明。该角度精度的测量通过使用亥姆霍兹线圈来使统一方向的磁场向量5作用于比较例2、实施例1以及实施例2的磁传感器而进行。并且关于MR元件的配置、电桥电路的结构，比较例2、实施例1以及实施例2均相同。
(比较例2)
图6(a)示出比较例2所涉及的磁传感器的示意图，图6(b)是将比较例2的一个MR元件放大的示意图，图6(c)是比较例2的磁向量的角度与角度精度的图表。
如图6(a)及图6(b)所示，比较例2的磁传感器9的感磁部100b为直线形状。
并且磁传感器9与磁传感器1相同，通过第一MR元件21b～第四MR元件24b、第五MR元件31b～第八MR元件34b来形成两个电桥电路。
该感磁部100b的端部通过连接部101b而相互连接。该感磁部100b及连接部101b形成为材料、宽度、厚度与实施例1的感磁部100及连接部101、以及实施例2的感磁部100a及连接部101a相同。
对于比较例2的磁传感器9而言，如图6(c)所示，测量出角度精度大约为±0.22。
(实施例1)
图7(a)是示出实施例1所涉及的磁传感器的示意图，图7(b)是将实施例1的一个MR元件放大的示意图，图7(c)是实施例1的磁向量的角度与角度精度的图表。
该磁传感器1通过第一MR元件21～第四MR元件24、第五MR元件31～第八MR元件34来形成两个电桥电路。
如图7(a)以及图7(b)所示，感磁部100与实施方式的感磁部100相同，为以传感器中心11为中心的同心圆的圆弧形状。该实施例1的磁传感器1如上式(2)所示，具有抵消角度误差的成分，因此误差被抑制。因此对于实施例1的磁传感器1而言，如图7(c)所示，测量出角度精度比比较例2优越大约为±0.15。
(实施例2)
图8(a)是示出实施例2所涉及的磁传感器的示意图，图8(b)是将实施例2的一个MR元件放大的示意图，图8(c)是实施例2的磁向量的角度与角度精度的图表。
该磁传感器1a与磁传感器1相同，通过第一MR元件21a～第四MR元件24a、第五MR元件31a～第八MR元件34a来形成两个电桥电路。
如图8(a)以及图8(b)所示，该实施例2的磁传感器1a的感磁部100a的两个圆弧(圆弧105a以及圆弧106a)为曲率比以传感器中心11为中心的同心圆的圆弧大的圆弧。
如上式(2)所示，该实施例2的磁传感器1a在具有抵消角度误差的成分和曲率变大的影响下，进一步将角度误差相互抵消，而测量出角度精度比比较例2以及实施例1优越大约为±0.11。
从上述内容可知：与呈直线形状相比，呈曲线形状的感磁部的角度精度更优异，此外，曲率越高角度精度就越高。
(实施方式的效果)
本实施方式所涉及的磁传感器1能够使角度精度提高。具体而言，该磁传感器1的感磁部100不是由两条直线包围而成的直线形状，而是具有由两个圆弧105以及圆弧106包围而成的曲线形状，因此与感磁部是直线形状的情况相比，能够将被检测的磁场向量5的角度误差的一部分相互抵消来提高角度精度。
对于实施例2的磁传感器1a而言，通过将两个圆弧105a以及圆弧106a设为曲率比以传感器中心11为中心的同心圆的圆弧105以及圆弧106大的圆弧，能够进一步使角度精度提高。
以上，对本发明的几个实施方式以及实施例进行了说明，但上述实施方式以及实施例不过是一个例子，并不是对权利要求书所涉及的发明进行限定。上述新实施方式以及实施例可以以其他各种形态被实施，而且在不脱离本发明要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更等。另外，并非上述实施方式以及实施例中所描述的所有的特征组合对用于解决发明的技术问题的手段都是必须的。而且上述实施方式以及实施例包含在发明的范围以及要旨中，并且也包含在权利要求中记载的发明以及其均等的范围内。

Claims (4)

1.一种磁传感器，其中，具备：
感磁部，该感磁部的电阻值根据磁场方向的变化而变化，并且该感磁部具有被两个圆弧包围而形成相同宽度的形状，
多个磁传感器元件，所述多个磁传感器元件具有以与扇形的感磁区域的径向交叉的方式沿所述感磁区域排列的多个所述感磁部，使所述感磁区域以90°为单位进行旋转，将所述多个磁传感器元件彼此电连接而形成电桥电路。
2.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，
所述感磁部的所述两个圆弧是以传感器中心为中心的同心圆的圆弧。
3.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，
所述感磁部的所述两个圆弧是曲率比以传感器中心为中心的同心圆的圆弧大的圆弧。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁传感器，其中，
所述感磁区域为对一个圆进行8等分而形成的扇形区域，
所述磁传感器元件形成于8个所述感磁区域并形成两个输出信号的相位不同的所述电桥电路。
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