JP2015007551A - 磁気センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】磁気抵抗素子に掛かる応力を低減することにより、センサ出力の変動を抑制することができる磁気センサを提供する。
【解決手段】複数の第1抵抗部41a及び複数の第2抵抗部42aは、複数の第1抵抗部41aのうちの一部と複数の第2抵抗部42aのうちの一部が所定の配置にレイアウトされた第1レイアウト部58を構成している。また、複数の第1抵抗部41a及び複数の第2抵抗部42aのうちの他の抵抗部が第1レイアウト部58と同じ配置にレイアウトされた第2レイアウト部59を構成している。さらに、第1レイアウト部58は半導体基板31の一面30の角部30aに配置される一方、第2レイアウト部59は半導体基板31の一面30のうち第1レイアウト部58よりも角部30aから離れた位置に配置されている。
【選択図】図6
【解決手段】複数の第1抵抗部41a及び複数の第2抵抗部42aは、複数の第1抵抗部41aのうちの一部と複数の第2抵抗部42aのうちの一部が所定の配置にレイアウトされた第1レイアウト部58を構成している。また、複数の第1抵抗部41a及び複数の第2抵抗部42aのうちの他の抵抗部が第1レイアウト部58と同じ配置にレイアウトされた第2レイアウト部59を構成している。さらに、第1レイアウト部58は半導体基板31の一面30の角部30aに配置される一方、第2レイアウト部59は半導体基板31の一面30のうち第1レイアウト部58よりも角部30aから離れた位置に配置されている。
【選択図】図6
Description
本発明は、回転体の回転角度を検出する磁気センサに関する。
従来より、磁性薄膜磁気抵抗素子と磁石とを備えた磁気センサが、例えば特許文献1で提案されている。具体的に、特許文献1では、磁性薄膜に外部から印加される磁界方向と電流方向のなす角度によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子(MRE)を利用し、被検出対象の位置を検知する磁気センサの構成が提案されている。磁気抵抗素子は、半導体チップの一面に所定のパターンで形成されている。
しかしながら、上記従来の技術では、磁気抵抗素子の各パターンを覆う保護膜、半導体チップをリードフレーム等に接着するための接着剤やチップ基板本体の変形によって磁気抵抗素子の各パターンに応力が掛かり、磁気センサのセンサ出力が変動してしまう。
また、半導体チップがモールド樹脂によってモールド成形されている構造では、モールド樹脂の成形時に半導体チップの角部に応力が掛かる。特に、磁気抵抗素子のパターンが半導体チップの一面の角部に形成されている場合は、半導体チップはモールド樹脂による応力を受けやすいので、センサ出力が変動してしまう。
このように、磁気センサ毎にセンサ出力にバラツキがあり、このばらつきに対してさらに上記の応力によるセンサ出力の変動が生じるため、磁気センサにおいて所望のセンサ出力が得られない可能性がある。
本発明は上記点に鑑み、磁気抵抗素子に掛かる応力を低減することにより、センサ出力の変動を抑制することができる磁気センサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、四角形の一面(30)を有する板状の基板(31)と、一面(30)に配置され、電源とグランドとの間に直列に接続される一対の磁気抵抗素子(41、42)と、を備え、一対の磁気抵抗素子(41、42)が磁場の影響を受けたときの一対の磁気抵抗素子(41、42)の抵抗値の変化に基づいて、一対の磁気抵抗素子(41、42)の中点(47)から磁気信号を出力するように構成された磁気センサであって、以下の点を特徴としている。
まず、一対の磁気抵抗素子(41、42)のうちの一方の磁気抵抗素子(41)は複数の第1抵抗部(41a)が直列接続されて構成されていると共に、複数の第1抵抗部(41a)は基板(31)の一面(30)の面方向において一方向に沿って線状にレイアウトされている。
また、一対の磁気抵抗素子(41、42)のうちの他方の磁気抵抗素子(42)は、複数の第2抵抗部(42a)が直列接続されて構成されていると共に、複数の第2抵抗部(42a)は面方向において複数の第1抵抗部(41a)のレイアウトに対して直角に傾けられて線状にレイアウトされている。
複数の第1抵抗部(41a)及び複数の第2抵抗部(42a)は、複数の第1抵抗部(41a)のうちの一部と複数の第2抵抗部(42a)のうちの一部が所定の配置にレイアウトされた第1レイアウト部(58)と、複数の第1抵抗部(41a)及び複数の第2抵抗部(42a)のうちの他の抵抗部が第1レイアウト部(58)と同じ配置にレイアウトされた第2レイアウト部(59)と、に分割されている。
さらに、第1レイアウト部(58)は基板(31)の一面(30)の角部(30a)に配置される一方、第2レイアウト部(59)は基板(31)の一面(30)のうち第1レイアウト部(58)よりも角部(30a)から離れた位置に配置されていることを特徴とする。
これによると、第1レイアウト部(58)が基板(31)の一面(30)の角部(30a)で受ける応力を、角部(30a)から離れた第2レイアウト部(59)に分散させることができる。すなわち、電源と中点(47)との間の各第1抵抗部(41a)と、中点(47)とグランドとの間の各第2抵抗部(42a)と、に応力の影響を分散することができる。したがって、センサ出力の変動を抑制することができる。
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
以下、本発明の一実施形態について図を参照して説明する。本発明に係る磁気センサは、例えば内燃機関のクランク角の角度を検出するものとして用いられる。図1に示されるように、内燃機関であるエンジンのクランク軸に固定された円板状のロータ10の外周部11に対向するように磁気センサ20が配置されている。ロータ10の外周部11には、複数の突起12が等間隔で設けられている。ロータ10はいわゆるギヤである。なお、図1ではロータ10の一部が示されている。
磁気センサ20は、バイアス磁石21と、このバイアス磁石21に対して所定の位置に配置されたセンサ部22と、バイアス磁石21及びセンサ部22を収納した樹脂製のケース23と、を備えて構成されている。バイアス磁石21は、磁気センサ20の磁界の検出感度を一定分だけ上昇させる役割を果たす。センサ部22は、ロータ10の回転に伴って外周部11の位置すなわちクランク角に応じたパルス状の出力信号を出力するように構成されている。
図2に示されるように、センサ部22は、ターミナルリード24と、ICチップ25と、モールド樹脂26と、コネクタリード27と、を備えて構成されている。このうちのターミナルリード24は、ICチップ25と外部とを電気的に接続するための端子部品である。
ICチップ25は、接着剤28を介してターミナルリード24に固定されていると共に、ロータ10の回転に伴って磁場の変化を検出するセンシング部が形成された半導体部品である。ICチップ25はワイヤ29を介してターミナルリード24に電気的に接続されている。
モールド樹脂26は、ターミナルリード24の一方の先端部が露出するように、ターミナルリード24、ICチップ25、及びワイヤ29を封止する封止部品である。コネクタリード27はモールド樹脂26から露出したターミナルリード24の先端部に接続されると共に図示しない外部コネクタに接続されるコネクタ部品である。
図3に示されるように、ICチップ25は、一面30を有する板状の半導体基板31を有している。半導体基板31の一面30は、平面形状が四角形になっている。なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、半導体基板31が特許請求の範囲の「基板」に対応する。
また、ICチップ25は、半導体基板31の一面30に形成された絶縁膜32と、絶縁膜32の上に形成された磁気抵抗素子膜33と、を有している。磁気抵抗素子膜33は後述する磁気抵抗素子を構成する膜であり、磁場の影響を受けたときに抵抗値が変化するように構成された膜である。さらに、ICチップ25は、磁気抵抗素子膜33の上に形成された電極34と、電極34の一部が露出するように磁気抵抗素子膜33及び電極を覆う保護膜35と、を有している。
図4に示されるように、ICチップ25の絶縁膜32の上や半導体基板31にはロータ10の回転角度を検出するための回路が形成されている。具体的には、電源(VCC)が印加される電源端子36とグランド電位(GND)に接続されるグランド37との間に外部磁場の変化を検出するセンシング部40が接続されている。
センシング部40は、第1の一対の磁気抵抗素子41、42によって構成された第1ハーフブリッジ回路43と、第2の一対の磁気抵抗素子44、45とによって構成された第2ハーフブリッジ回路46と、を有している。すなわち、センシング部40は、これら各ハーフブリッジ回路43、46によるフルブリッジ回路によって構成されている。
第1の一対の磁気抵抗素子41、42の中点47はオペアンプ48の一方の入力端子に接続され、第2の一対の磁気抵抗素子44、45の中点49はオペアンプ48の他方の入力端子に接続されている。中点47の電圧(V1)及び中点49の電圧(V2)はそれぞれ磁気信号としてオペアンプ48に出力される。
オペアンプ48は各中点47、49から入力した磁気信号を差動増幅して出力する増幅回路である。オペアンプ48の基準電位は電源端子36とグランド37との間に直列接続された第1抵抗50及び第2抵抗51の各抵抗値によって調整されている。
オペアンプ48の出力端子はコンパレータ52に接続されている。コンパレータ52は、オペアンプ48で差動増幅された磁気信号の振幅と閾値とを比較することにより、ロータ10の動きに応じた角度信号を生成する比較回路である。閾値は、ロータ10の突起12の有無を判定するためのものであり、電源端子36とグランド37との間に接続された第3抵抗53及び第4抵抗54の各抵抗値によって設定されている。
コンパレータ52の出力端子はトランジスタ55のベースに接続されている。トランジスタ55のコレクタは第5抵抗56を介して出力端子57に接続されている。また、トランジスタ55のエミッタはグランド37に接続されている。
上記の回路は次のように動作する。まず、ロータ10が回転すると、第1の一対の磁気抵抗素子41、42及び第2の一対の磁気抵抗素子44、45が磁場の影響を受ける。このため、各磁気抵抗素子41、42、44、45の抵抗値の変化に基づいて、センシング部40の各中点47、49の電圧V1、V2が変化する。センシング部40は各電圧V1、V2を磁気信号として出力する。
続いて、オペアンプ48はセンシング部40から入力した磁気信号を差動増幅してコンパレータ52に出力する。コンパレータ52は、磁気信号の振幅と閾値とを比較し、Hi/Loの角度信号をトランジスタ55に出力する。これにより、トランジスタ55がコンパレータ52から入力した角度信号のHi/Loに応じてON/OFFすることにより、出力端子57からHi/Loの出力信号を出力する。
次に、センシング部40の具体的な回路構成及びその配置について説明する。まず、図5に示されるように、第1の一対の磁気抵抗素子41、42のうちの一方の磁気抵抗素子41は複数の第1抵抗部41a(R1、R1’、R2、R2’)が直列接続されて構成されている。また、第1の一対の磁気抵抗素子41、42のうちの他方の磁気抵抗素子42は、複数の第2抵抗部42a(R3、R3’、R4、R4’)が直列接続されて構成されている。
第2の一対の磁気抵抗素子44、45についても同様に、一方の磁気抵抗素子44は複数の第3抵抗部44a(R5、R5’、R6、R6’)が直列接続されて構成されている。また、第2の一対の磁気抵抗素子44、45のうちの他方の磁気抵抗素子45は、複数の第4抵抗部45a(R7、R7’、R8、R8’)が直列接続されて構成されている。
なお、本実施形態では、各抵抗部はそれぞれ4個の抵抗によって構成されている。もちろん抵抗の数は一例であり、各抵抗部は他の個数で構成されていても良い。
そして、図6に示されるように、複数の第1抵抗部41aは半導体基板31の一面30の面方向において一方向に沿って線状にレイアウトされている。具体的には、複数の第1抵抗部41aは当該一方向に沿って波状にレイアウトされている。一方、複数の第2抵抗部42aは面方向において複数の第1抵抗部41aのレイアウトに対して直角に傾けられて線状(波状)にレイアウトされている。
なお、図6では、複数の第1抵抗部41a及び複数の第2抵抗部42aの配置を示した図である。すなわち、各抵抗部が電気的に接続されていないように描かれているが、実際には図5に示されるように各抵抗部が電気的に接続されている。具体的には、半導体基板31の一面30に垂直な方向に積層された図示しない配線層によってそれぞれ電気的に接続されている。
また、複数の第1抵抗部41a及び複数の第2抵抗部42aは、複数の第1抵抗部41aのうちの一部(R1、R2)と複数の第2抵抗部42aのうちの一部(R3、R4)が所定の配置にレイアウトされた第1レイアウト部58を構成している。複数の第1抵抗部41a及び複数の第2抵抗部42aのうちの他の抵抗部(R1’、R2’、R3’、R4’)が第1レイアウト部58と同じ配置にレイアウトされた第2レイアウト部59を構成している。このように、複数の第1抵抗部41a及び複数の第2抵抗部42aは、第1レイアウト部58と第2レイアウト部59とに分割されている。
さらに、第1ハーフブリッジ回路43が半導体基板31の一面30の一方の角部30a側に配置されている。特に、第1レイアウト部58が半導体基板31の一面30の角部30aに配置されている。この角部30aは、図1に示されるように磁気センサ20がロータ10に対向配置されたときに、半導体基板31のうちロータ10側に向けられる部分の2つの角部のうちの一方である。一方、第2レイアウト部59は半導体基板31の一面30のうち第1レイアウト部58よりも角部30aから離れた位置に配置されている。
このようにレイアウトを分割して第2レイアウト部59が角部30aから離れた位置に配置されているので、半導体基板31の角部30aにおける応力ムラの影響が分散される。言い換えると、半導体基板31の一面30の中央部と角部30aとの応力差の影響が低減される。このため、第1レイアウト部58が半導体基板31の一面30の角部30aで受ける応力を第2レイアウト部59に分散させることができる。すなわち、各レイアウト部58、59の配置によって、電源端子36と中点47との間の各第1抵抗部41aと、中点47とグランド37との間の各第2抵抗部42aと、に応力の影響を分散することができる。したがって、ICチップ25がモールド樹脂26から受ける応力を受けたとしても、センサ部22の出力の変動を抑制することができる。また、ロータ10の回転角度を示す出力信号の精度の低下を抑制することができる。
同様に、複数の第3抵抗部44aは半導体基板31の一面30の面方向において一方向に沿って線状(波状)にレイアウトされている。一方、複数の第4抵抗部45aは面方向において複数の第3抵抗部44aのレイアウトに対して直角に傾けられて線状(波状)にレイアウトされている。
そして、複数の第3抵抗部44a及び複数の第4抵抗部45aは、複数の第3抵抗部44aのうちの一部(R5、R6)と複数の第4抵抗部45aのうちの一部(R7、R8)が所定の配置にレイアウトされた第3レイアウト部60を構成している。また、複数の第3抵抗部44a及び複数の第4抵抗部45aのうちの他の抵抗部(R5’、R6’、R7’、R8’)が第3レイアウト部60と同じ配置にレイアウトされた第4レイアウト部61を構成している。このように、複数の第3抵抗部44a及び複数の第4抵抗部45aについても、第3レイアウト部60と第4レイアウト部61とに分割されている。
さらに、第2ハーフブリッジ回路46が半導体基板31の一面30の他方の角部30b側に配置されている。特に、第3レイアウト部60が半導体基板31の一面30の角部30bに配置されている。つまり、一方、第4レイアウト部61は半導体基板31の一面30のうち第3レイアウト部60よりも角部30bから離れた位置に配置されている。これにより、上述のように、第3レイアウト部60が半導体基板31の一面30の角部30bで受ける応力を第4レイアウト部61に分散させることができる。したがって、センサ部22の出力の変動を抑制することができる。
また、本実施形態では、図6に示されるように、各ハーフブリッジ回路43、46が半導体基板31の一面30の両端に離間して配置されている。すなわち、各ハーフブリッジ回路43、46が距離を持って配置されている。このような配置により、図7に示されるように、第1の一対の磁気抵抗素子41、42(MRE1)の磁気振れ角(つまりV1)と、第2の一対の磁気抵抗素子44、45(MRE2)の磁気振れ角(つまりV2)の位相差が大きくなる。このため、オペアンプ48による磁気信号の差動増幅によって差動振れ角の振幅も大きくなる。したがって、各ハーフブリッジ回路43、46が半導体基板31の一面30において離間して配置されることにより、オペアンプ48から出力される磁気信号の振幅を大きくすることができる。
(他の実施形態)
上記各実施形態で示された構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明の実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記の実施形態では、センシング部40がフルブリッジ回路で構成されていたが、センシング部40がハーフブリッジ回路のみで構成されていても良い。すなわち、センシング部40が第1ハーフブリッジ回路43のみまたは第2ハーフブリッジ回路46のみで構成されていても良い。
上記各実施形態で示された構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明の実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記の実施形態では、センシング部40がフルブリッジ回路で構成されていたが、センシング部40がハーフブリッジ回路のみで構成されていても良い。すなわち、センシング部40が第1ハーフブリッジ回路43のみまたは第2ハーフブリッジ回路46のみで構成されていても良い。
ICチップ25の基板は半導体基板31に限らず、ガラス等の他の基板が用いられていても良い。また、測定対象のロータ10はギヤではなく、着磁ロータ等の他の回転体でも良い。もちろん、磁気センサ20は車両への適用に限られず、回転するものに対して広く適用できる。
さらに、磁気抵抗素子の数は上記の例に限られない。例えば、第1ハーフブリッジ回路43は一対の磁気抵抗素子41、42で構成されており、2個の磁気抵抗素子によって構成されているが、例えば4個や5個で構成されていても良い。このように、2個の磁気抵抗素子で成立する構成では、当然に4個や5個等の他の個数においても当然成立する。第2ハーフブリッジ回路46についても同様である。測定対象や磁気センサ20の構成に応じて磁気抵抗素子の数を適宜変更することができる。
30 一面
30a 角部
31 半導体基板(基板)
41、42 磁気抵抗素子
41a 第1抵抗部
42a 第2抵抗部
58 第1レイアウト部
59 第2レイアウト部
30a 角部
31 半導体基板(基板)
41、42 磁気抵抗素子
41a 第1抵抗部
42a 第2抵抗部
58 第1レイアウト部
59 第2レイアウト部
Claims (2)
- 四角形の一面(30)を有する板状の基板(31)と、
前記一面(30)に配置され、電源とグランドとの間に直列に接続される一対の磁気抵抗素子(41、42)と、を備え、
前記一対の磁気抵抗素子(41、42)が磁場の影響を受けたときの前記一対の磁気抵抗素子(41、42)の抵抗値の変化に基づいて、前記一対の磁気抵抗素子(41、42)の中点(47)から磁気信号を出力するように構成された磁気センサであって、
前記一対の磁気抵抗素子(41、42)のうちの一方の磁気抵抗素子(41)は複数の第1抵抗部(41a)が直列接続されて構成されていると共に、前記複数の第1抵抗部(41a)は前記基板(31)の一面(30)の面方向において一方向に沿って線状にレイアウトされており、
前記一対の磁気抵抗素子(41、42)のうちの他方の磁気抵抗素子(42)は、複数の第2抵抗部(42a)が直列接続されて構成されていると共に、前記複数の第2抵抗部(42a)は前記面方向において前記複数の第1抵抗部(41a)のレイアウトに対して直角に傾けられて線状にレイアウトされており、
前記複数の第1抵抗部(41a)及び前記複数の第2抵抗部(42a)は、前記複数の第1抵抗部(41a)のうちの一部と前記複数の第2抵抗部(42a)のうちの一部が所定の配置にレイアウトされた第1レイアウト部(58)と、前記複数の第1抵抗部(41a)及び前記複数の第2抵抗部(42a)のうちの他の抵抗部が前記第1レイアウト部(58)と同じ配置にレイアウトされた第2レイアウト部(59)と、に分割されており、
さらに、前記第1レイアウト部(58)は前記基板(31)の一面(30)の角部(30a)に配置される一方、前記第2レイアウト部(59)は前記基板(31)の一面(30)のうち前記第1レイアウト部(58)よりも前記角部(30a)から離れた位置に配置されていることを特徴とする磁気センサ。 - 前記一対の磁気抵抗素子(41、42)として、第1の一対の磁気抵抗素子(41、42)と第2の一対の磁気抵抗素子(44、45)とを有し、
前記第1の一対の磁気抵抗素子(41、42)によって第1ハーフブリッジ回路(43)が構成されていると共に、前記第2の一対の磁気抵抗素子(44、45)によって第2ハーフブリッジ回路(46)が構成され、前記第1ハーフブリッジ回路(43)及び前記第2ハーフブリッジ回路(46)によってフルブリッジ回路が構成されており、
前記第1ハーフブリッジ回路(43)が前記基板(31)の一面(30)の一方の角部(30a)側に配置され、前記第2ハーフブリッジ回路(46)が前記基板(31)の一面(30)の他方の角部(30b)側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。
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US11686788B2 (en) | 2021-07-08 | 2023-06-27 | Tdk Corporation | Magnetic sensor device and magnetic sensor system |
-
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- 2013-06-25 JP JP2013132274A patent/JP2015007551A/ja active Pending
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