JP2008134215A - Gmr素子を用いた変位センサ,gmr素子を用いた角度検出センサ及びそれらに用いる半導体装置 - Google Patents
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Abstract
GMR素子を用いた、角度のような物理量の変位を検出する変位検出センサにおける出力電圧の波形歪みを低減し、高精度のGMR素子を用いた変位検出センサを提供する。
【解決手段】
所定の磁化の向きに設定された固定磁性層を有する複数のGMR素子からなる、所定の角度オフセットを有する少なくとも2つのホーイストン・ブリッジ回路を設置し、前記ホーイストン・ブリッジ回路の電源を交流電源として、前記ホーイストン・ブリッジ回路の交流変調された出力に基づいて回転角度当の物理量の変位を検出する構成とした。
【効果】
GMR素子のフリー磁性層の異方性自己バイアス効果を低減でき、フリー磁性層の異方性自己バイアス効果に基づく出力信号の波形歪みが改善できる。
【選択図】図1
Description
(回転角度,傾斜角度あるいは磁化の強さ等)が発生する。
前記ステータ部には、所定の磁化の向きに設定された固定磁性層を有する複数のGMR素子からなる、所定の角度オフセットを有する少なくとも2つのホーイストン・ブリッジ回路を設置し、前記ホーイストン・ブリッジ回路の電源を交流電源とし、前記複数のGMR素子に交流電流を流すことにより前記フリー磁性層への自己バイアス効果(抵抗値歪み)を低減して、前記ホーイストン・ブリッジ回路の交流変調された出力に基づいて回転角度を検出する構成としたことにより、
前記GMR素子には交流電流が供給されることから、直流電流にて発生するフリー磁性層への自己バイアス効果(異方性磁気抵抗効果:AMR効果)の影響が低減できることから、出力信号の歪み誤差が本質的に改善された高精度の角度検出センサが提供できる。
自己バイアス効果(異方性磁気抵抗効果:AMR効果)の影響が低減できるとともに、信号処理回路部の規模拡大を伴わない出力電圧の波形歪みを従来に比べて小さくすることが可能な高精度の角度検出センサが提供できる。
Θ=arctan(sinΘ/cosΘ)の関係式により回転角度(Θ)を演算ずる信号処理部を設けたことにより、更に出力信号のS/Nが向上し高精度な角度検出センサが提供できる。
自己バイアス効果(異方性磁気抵抗効果:AMR効果)の影響が低減できるとともに、信号処理回路部の規模拡大を伴わない出力電圧の波形歪みを従来に比べて小さくすることが可能な高精度の角度検出センサが提供できる。
(ωt)のsin(φ−Θ) の項がゼロとなる位相変数φ(=Θ)から回転角度を検出する信号処理部を設けたことから、信号処理回路部の規模拡大を伴わない出力電圧の波形歪みを従来に比べて小さくすることが可能な高精度の角度検出センサが提供できる。
信号処理回路部の規模拡大を伴わない集積回路化(IC化)が可能となる出力電圧の波形歪みを従来に比べて小さくすることが可能な高精度の角度検出センサが提供できる。
製造プロセスによる特性・寸法公差バラツキに影響されない低コストの信号処理回路部の規模拡大を伴わない出力電圧の波形歪みを従来に比べて小さくすることが可能な高精度の角度検出センサが提供できる。
(異方性磁気抵抗効果あるいはAMR効果とも呼ぶ)が根本的に低減できる効果がある。
ΔR∝(1−cosΦ) …(2)
で表され(1−cosφ)に比例する。
2f,2gおよび2hのGMR素子)からは差動増幅器8bを介してcosΘ信号が得られる。
Θ=arctan(sinΘ/cosΘ) …(3)
として演算して求める。
2hが所定の形状に形成される。16はGMR素子の両端に設けられた電極で、13はロータ部の回転角Θがゼロの基準方向yに対して所定の方向に着磁されたGMR素子の固定磁性層(ピン磁性層)の磁化方向である。6が基準方向yに対して回転角Θ傾いた外部磁界Hで、14は外部磁界6の方向に向いたGMR素子のフリー磁性層の磁化方向である。
cosΘsin(ωt)信号が得られる。
sinΘsin(ωt)信号を、(b)に第二のホーイストン・ブリッジ回路からの交流変調された出力信号cosΘsin(ωt)信号波形を示す。
−sinΘcos(ωt)と差動増幅された第二のホーイストン・ブリッジ回路からの交流変調された出力信号cosΘsin(ωt)を加算回路11により合成すると、
cosΘsin(ωt)−sinΘcos(ωt)=sin(ωt−Θ) …(4)
上式から合成出力信号がsin(ωt−Θ) となり、ゼロクロス位相検出回路12にて位相情報に基づいて回転角度Θを検出する。
sin(ωt)のゼロクロス位相と出力信号sin(ωt−Θ)のゼロクロス位相の差から回転角度Θを検出する。
(異方性磁気抵抗効果:AMR効果)の影響を受ける。
−ΔΘ方向に作用してフリー磁性層の磁化方向14が時計方向に回転する。
2b,2c,2dに流れる直流電流は基準方向yに対して垂直方向であり、また、第二のホーイストン・ブリッジ回路を構成するGMR素子2e,2f,2g,2hに流れる直流電流は基準方向yに対して平行方向であり、第一および第二のホーイストン・ブリッジ回路を構成するGMR素子に流れる直流電流には夫々90度異なる方向となる。
14が外部磁界6の方向と一致する。この為、従来例における直流電流による自己バイアス磁界(異方性磁気抵抗効果:AMR効果)の影響を低減することができる。
21の磁化が回転し難くなり、また、フリー磁性層21の膜厚が薄すぎると、GMR効果による抵抗変化率が低下して、角度検出センサの感度が劣化する。また、フリー磁性層
21は、成膜時に誘導磁気異方性を付与しないように、無磁場中或いは回転磁場中で形成される。
cosΘsin(ωt)信号が得られる。
sinΘsin(ωt)とcosφ を、差動増幅された第二のホーイストン・ブリッジ回路からの交流変調された出力信号cosΘsin(ωt)とsinφ を乗算し、両出力信号を減算回路24により合成する。合成信号は
sinφcosΘsin(ωt)−cosφsinΘsin(ωt)=sin(φ−Θ)sin(ωt) …(5)
上式から、sin(φ−Θ)sin(ωt)となるので、sin(φ−Θ) の項がゼロとなる位相変数φ(=Θ)を位相検出回路26にて検出して出力する。
26および第三および第四の実施例におけるゼロクロス位相検出回路12に対しても同様の効果が得られることは明白である。
cosΘsin(ωt)信号が得られる。これらの合成出力信号が(4)式からsin(ωt−Θ)となるので、第五の実施例と同様により耐ノイズに強い位相検出回路500により、簡略な回路構成にて出力信号のS/Nが向上し高精度な角度検出センサが提供できる。
arctan(sinΘ/cosΘ)の関係式により回転角度(Θ)を演算する関数演算回路610により回転角度(Θ)が検出される。
(回路)520の出力を比較回路550で予め定められたしきい値と比較し、所定の範囲内である場合には正常とし、所定の範囲を逸脱している場合には異常と判断して、異常検出信号110をONにする実施例である。
T1以上逸脱した場合に異常として検出し、イベント2では範囲2を時間T2以上逸脱した場合に異常として検出している。広い範囲ほど対応する異常と判断する逸脱継続時間を短く設定するのが望ましい。
2 GMR素子
3,15 非磁性基板
4 ロータ部
5 磁石
6 外部磁界
7 信号処理部
8a,8b 差動増幅器
9 発信回路
10 位相シフト回路
11,40 加算回路
12 ゼロクロス位相検出回路
13 固定磁性層の磁化方向
14 フリー磁性層の磁化方向
16 端子電極
17 下地層
18 反強磁性層
19 固定磁性層
20 非磁性導電層
21 フリー磁性層
22 保護層
23a,23b 乗算回路
24,41 減算回路
25 sin・cos発生回路
26 位相検出回路
27 順次位相発生回路
29 補正回路
30 メモリ回路
31 定電圧源
32 コンデンサ
33 従来例の出力
34 出力
35 第一の関数演算手段
36 第二の関数演算手段
37 第三の関数演算手段
38 制御手段
39 メモリ手段
500 位相検出回路
510,511,512 乗算器
520,521,522 積分器(回路)
530 位相推定回路
540 参照信号生成回路
550 比較回路
600 同期検波回路
610 関数演算回路
Claims (20)
- 磁化方向が外部磁界に影響されず所定の方向に設定された第1の磁性層と前記外部磁界に対し磁化方向が変化する第2の磁性層とを有する検出素子、
前記外部磁界を供給する磁界発生手段、
前記検出素子に駆動電圧を供給する電源供給手段とを有し、
前記磁界発生手段と前記検出素子との相対的位置関係に応じて生じる前記第2の磁性層の磁化状態と前記第1の磁性層の前記設定された磁化状態との間の磁化状態の差に応じた前記検出素子の抵抗値の変化を検出し、もって前記磁界発生手段と前記検出素子との相対的位置関係を検出するものにおいて、
前記駆動電圧に基づいて前記検出素子に流れる電流に起因して前記第2の磁性層に発生する異方性磁気抵抗効果を抑制する抑制手段を設けたことを特徴とする変位検出センサ。 - 請求項1に記載したものにおいて、前記抑制手段が前記電流の流れる方向を特定のタイミングで反転させる電流制御手段であることを特徴とする変位検出センサ。
- 請求項1若しくは2のいずれかに記載したものにおいて、前記抑制手段が前記駆動電源として交流電圧を前記素子に印加する交流電源供給手段であることを特徴とする変位検出センサ。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載したものにおいて、検出対象の前記磁界発生手段と前記検出素子との相対的位置関係が両者の回転角度変位であることを特徴とする変位検出センサ。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載したものにおいて、検出対象の前記磁界発生手段と前記検出素子との相対的位置関係が両者の傾斜変位であることを特徴とする変位検出センサ。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載したものにおいて、検出対象の前記磁界発生手段と前記検出素子との相対的位置関係が両者の軸線方向の変位であることを特徴とする変位検出センサ。
- 少なくとも磁化の向きが固定された固定磁性層と、非磁性導電層と、フリー磁性層を有する多層構造の複数の巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)が設けられたステータ部と、磁場を形成して前記ステータ部に対面して回転するロータ部とを有し、前記ロータ部から前記GMR素子に与えられる磁場による抵抗値の変化から、ロータ部の回転角度を検出する角度検出センサにおいて、
前記ステータ部には、所定の磁化の向きに設定された固定磁性層を有する複数のGMR素子からなる、所定の角度オフセットを有する少なくとも2つのホーイストン・ブリッジ回路を設置し、前記ホーイストン・ブリッジ回路の電源を交流電源とし、前記複数のGMR素子に交流電流を流して、前記ホーイストン・ブリッジ回路の交流変調された出力に基づいて回転角度を検出することを特徴とする角度検出センサ。 - 請求項7に記載の角度検出センサにおいて、前記ステータ部には、ロータ部回転角Θがゼロの基準方向に対して平行・反平行方向に所定の磁化の向きに設定された固定磁性層を有する4個のGMR素子からなる第一のホーイストン・ブリッジ回路と、
ロータ部回転角ゼロの基準方向に対して±90度方向に所定の磁化の向きに設定された固定磁性層を有する4個のGMR素子からなる第二のホーイストン・ブリッジ回路と設置し、
前記交流電源の交流電圧をsin(ωt) (ω:角周波数,t:時間)として、差動増幅された第一のホーイストン・ブリッジ回路からの交流変調された出力信号sinΘsin(ωt)と差動増幅された第二のホーイストン・ブリッジ回路からの交流変調された出力信号
cosΘsin(ωt)の出力に基づいて回転角度を検出する信号処理部を設けたことを特徴とする角度検出センサ。 - 請求項7若しくは8のいずれかに記載の角度検出センサにおいて、前記差動増幅された第一のホーイストン・ブリッジ回路からの交流変調された出力信号sinΘsin(ωt)と差動増幅された第二のホーイストン・ブリッジ回路からの交流変調された出力信号
cosΘsin(ωt)を前記交流電源の交流電圧をsin(ωt) にて同期検波する同期検波回路を介して得られた出力信号sinΘおよびcosΘから、
Θ=arctan(sinΘ/cosΘ)の関係式により回転角度(Θ)を演算ずる信号処理部を設けたことを特徴とする角度検出センサ。 - 請求項9に記載の角度検出センサにおいて、前記同期検波回路は少なくとも乗算器と積分器(回路)を有することを特徴とする角度検出センサ。
- 請求項7若しくは8のいずれかに記載の角度検出センサにおいて、前記差動増幅された第一のホーイストン・ブリッジ回路からの交流変調された出力信号sinΘsin(ωt)を
90度位相シフトした出力信号sinΘcos(ωt)と差動増幅された第二のホーイストン・ブリッジ回路からの交流変調された出力信号cosΘsin(ωt)を合成した出力信号sin(ωt−Θ) の出力の位相情報に基づいて回転角度を検出する信号処理部を設けたことを特徴とする角度検出センサ。 - 請求項7に記載の角度検出センサにおいて、前記ステータ部には、ロータ部回転角Θがゼロの基準方向に対して平行・反平行方向に所定の磁化の向きに設定された固定磁性層を有する4個のGMR素子からなる第一のホーイストン・ブリッジ回路と、
ロータ部回転角ゼロの基準方向に対して±90度方向に所定の磁化の向きに設定された固定磁性層を有する4個のGMR素子からなる第二のホーイストン・ブリッジ回路と設置し、
前記第一のホーイストン・ブリッジ回路と第二のホーイストン・ブリッジ回路に交流電源の交流電圧をsin(ωt)(ω:角周波数,t:時間)とcos(ωt)夫々供給して、
差動増幅された第一のホーイストン・ブリッジ回路および第二のホーイストン・ブリッジ回路からの交流変調された出力信号sinΘcos(ωt)とcosΘsin(ωt)を合成した出力信号sin(ωt−Θ) の出力の位相情報に基づいて回転角度を検出する信号処理部を設けたことを特徴とする角度検出センサ。 - 請求項7若しくは8のいずれかに記載の角度検出センサにおいて、順次位相発生回路から位相変数φを発生させ、位相変数φに基づきsin・cos発生回路からcosφ,sinφを発生させ、乗算回路により前記差動増幅された第一のホーイストン・ブリッジ回路からの交流変調された出力信号sinΘsin(ωt)とcosφ を、差動増幅された第二のホーイストン・ブリッジ回路からの交流変調された出力信号cosΘsin(ωt)とsinφ を乗算し、両出力信号を減算回路により合成した合成信号sin(φ−Θ)sin(ωt)のsin(φ−Θ) の項がゼロとなる位相変数φ(=Θ)から回転角度を検出する信号処理部を設けたことを特徴とする角度検出センサ。
- 請求項7,8および11,12,13のいずれかに記載の角度検出センサにおいて、前記回転角度を検出する信号処理部の位相検出回路は、少なくも参照信号生成回路と、乗算器と、積分器(回路)を有し、該乗算器は入力信号と参照信号とを乗算し、乗算器の出力は該積分器(回路)に入力され、該積分器(回路)は該乗算器の出力を積分し、該参照信号生成回路は参照信号を生成するように構成したことを特徴とする角度検出センサ。
- 請求項7,8および11,12,13,14のいずれかに記載の角度検出センサにおいて、前記位相検出回路は、比較回路を備え、前記積分器(回路)の出力を該比較回路に入力し、該比較回路は前記積分器(回路)の出力の値が所定の範囲にあるかどうかを比較し、該比較回路の入力の値が所定の範囲を逸脱した場合に誤りとして検出することを特徴とする角度検出センサ。
- 請求項7,8および11,12,13,14,15のいずれかに記載の角度検出センサにおいて、前記位相検出回路は、前記比較回路の入力の値が予め定められた継続時間以上の間、所定の範囲を逸脱した場合に誤りとして検出することを特徴とする角度検出センサ。
- 請求項15若しくは16のいずれかに記載の角度検出センサにおいて、前記位相検出回路は、前記所定の範囲が複数あり、該複数の所定の範囲ごとに、前記予め定められた継続時間が定められ、所定の範囲を逸脱した場合に誤りとして検出することを特徴とする角度検出センサ。
- 請求項7乃至17のいずれかに記載の角度検出センサにおいて、前記ホーイストン・ブリッジ回路の交流電源側端子と接地側端子を所定の直流基準電位にバイアスする手段を設け、交流電源側端子には前記直流基準電位と交流電圧を加算した電圧を加えることを特徴とする角度検出センサ。
- 請求項7乃至17のいずれかに記載の角度検出センサにおいて、ロータ部回転角Θがゼロの基準方向と前記ホーイストン・ブリッジ回路を構成するGMR素子の固定磁性層の磁化方向のズレ角度αをメモリ手段に記憶しておき、前記ホーイストン・ブリッジ回路の交流変調された出力に基づいて得られた回転角度(Θ+α)からズレ角度αを補正して出力する信号処理部を設けたことを特徴とする角度検出センサ。
- 半導体基板上に形成された反強磁性層,固定磁性層(ピン磁性層),非磁性導電層、及びフリー磁性層の4層の積層体から構成される少なくとも4個のGMR素子を導体で結線してホイートストンブリッジを構成し、当該ホイートストンブリッジを構成するGMR素子の内の2個のGMR素子の電源端子は交流電源に電気的に接続されており、残る2つのGMR素子の電源端子はアース電位部に電気的に接続され、結果的に4つのGMR素子にバイアス電流として交流電流が供給されるよう構成されていることを特徴とするGMR素子を用いた変位検出センサ用半導体装置。
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