JP2016206012A - 磁気検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造上のばらつきにより磁気抵抗素子と磁石の相対位置にずれが存在しても、被検出体である磁性移動体の検出精度に影響を与えない磁気検出装置を得る。【解決手段】二つの磁気抵抗素子と磁石との位置関係がずれた場合と、精度良く配置された場合とで出力波形のずれを生じないようにした磁気検出装置において、上記二つの磁気抵抗素子を、位置関係がずれた際の印加される磁界の大きさの変化により生じる出力波形のずれをキャンセルする方向になるよう、位置関係がずれた際の印加される磁界の方向の変化と磁気抵抗素子の異方性を考慮して磁気抵抗素子に角度を持たせたものである。【選択図】図７

Description

この発明は、磁電変換素子である巨大磁気抵抗素子（以下、ＧＭＲ素子と称する）を用いた磁気検出装置に関するものである。

ＧＭＲ素子は、数オングストロームから数十オングストロームの厚さの磁性層と非磁性層とを交互に積層させた積層体、いわゆる人工格子膜であり、（Ｆｅ／Ｃｒ）ｎ、（パーマロイ／Ｃｕ／Ｃｏ／Ｃｕ）ｎ、（Ｃｏ／Ｃｕ）ｎが知られている（ｎは積層数）。
最近、上記のようなＧＭＲ素子からなる磁気抵抗セグメントの各端に電極を形成してブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路の対向する２つの電極間に定電圧、定電流の電源を接続し、磁気抵抗セグメントの抵抗値変化を電圧変化に変換して、この磁気抵抗素子に作用している磁界の変化を検出する磁気検出方式が、車載用回転センサ等に利用されるようになっている。

特開２００４−６９５４６号公報（特許文献１参照）には、このような従来の磁気検出装置が開示されており、以下図１を参照しながら説明する。図中、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は磁気抵抗セグメントの拡大図である。

図１において、１は例えば円盤の周囲に突起を有し、磁界を変化させる形状を具備した例えば歯車等の磁性移動体、２は基板の表面に回路がプリントされた処理回路部、２ａ及び２ｂは磁気抵抗セグメント、３は磁石、４は磁性移動体１の回転軸である。この回転軸４が回転することで磁性移動体１も同期して回転する。なお、図１（ａ）、（ｂ）では磁気抵抗セグメント２ａ及び２ｂは、一つの黒のブロックで図示しているが、図１（ｃ）に磁気抵抗セグメントの形状（パターン）を拡大して示している。

図２は、上記した従来の磁気検出装置の処理回路部２の構成を示す図である。図２において、処理回路部２は、２つの磁気抵抗セグメント（ＧＭＲ素子）２ａ及び２ｂにより構成されたホイートストンブリッジ回路１１と、差動増幅回路１２と、比較回路１３と、出力回路１４とからなっている。なお、１５１はトランジスタ、１５２は出力端子、ＶＣＣは定電圧、Ｖrefは基準電圧である。

図２において、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂおよび固定抵抗２c、２dで構成されたブリッジ回路に定電圧ＶＣＣを印加し、磁界の変化による磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂの抵抗値変化を電圧変化に変換する。前記電圧変化された信号は差動増幅回路１２により増幅し、比較回路１３に入力される。比較回路１３により所定の基準電圧Ｖrefと比較された信号は、出力回路１４のトランジスタ１５１によって“０”または“１”（＝ＶＣＣ）の最終出力に変換され、出力端子１５２から出力される。

つぎに、従来の磁気検出装置の動作について図３を参照しながら説明する。図３は、従来の磁気検出装置の動作を示すタイミングチャートである。図３において、（ａ）は磁性移動体１の配置、（ｂ）は磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂの抵抗値、（ｃ）は差動増幅回路１２の出力、（ｄ）は最終出力をそれぞれ示す。

図１に示す磁性移動体１が回転軸４を中心に回転することで、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂへの印加磁界が変化し、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁性移動体１の形状に対応して磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂに印加される磁界に応じた抵抗変化を生ずる。

さらに、図３（ｃ）に示すように、上記抵抗値の変化により差動増幅回路１２の出力が得られる。そして、図３（ｄ）に示すように、この差動増幅回路１２の出力を比較回路１３により波形整形し、磁性移動体１の形状に対応した最終出力信号“１”又は“０”を得ることができる。

特開２００４−６９５４６号公報 特許第４２２９８７７号公報

しかしながら、近年、上記のような磁気検出装置において、検出精度の更なる高精度化への要求がある一方、磁性移動体１の凹凸の位置を検知するための精度は、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂ及び磁石３の相対位置の製造上のばらつきから限界がある。
図４に磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂ及び磁石３の相対位置が、精度よく配置された場合と回転方向にずれて配置された場合とを模式的に示す。図４（ａ）（ｂ）は精度よく配置された磁気検出装置の一例であり、磁性移動体１が磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂに近づいた場合を（ａ）図に、磁性移動体１が磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂと離れた場合を（ｂ）図に示している。いずれの場合も磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂに印加される磁界の方向（垂直方向成分と水平方向成分）は同等で、かつ磁界の大きさも同等である。

ところが、図４（ｃ）（ｄ）に示す如く、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂと磁石３との位置関係が回転方向にずれを生じた場合には、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂにかかる面内磁界は不均一となり、磁界の方向と大きさとが異なる。
磁界の大きさについて、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂと磁石３のＡＢ平面の中心からの距離が異なるが、磁石３のＡＢ平面の中心では面内磁界は０であり、そこから離れるほど面内磁界は大きくなる。そのため、図４（ｃ）（ｄ）においては、セグメント２ａ、２ｂの面内磁界の大きさは、２ａ＞２ｂとなる。
磁界の方向については、磁気抵抗セグメント２aに印加される磁界は水平方向成分が強くなり、反対に磁気抵抗セグメント２bに印加される磁界は垂直方向成分が強くなり、磁気抵抗セグメント２a、２bに対する垂直方向磁界と水平方向磁界は不均等になる。
ここで磁気抵抗素子であるＧＭＲ素子の印加磁界と抵抗値変化についての特徴を説明する。このＧＭＲ素子は、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）と比較して、格段に大きなＭＲ効果（ＭＲ変化率）を有するとともに、隣り合った磁性層の磁化の向きの相対角度にのみ依存するので、外部磁界の向きが電流に対してどのような角度差をもっていても同じ抵抗値変化が得られる面内感磁の素子である。

図５は、ＧＭＲ素子に印加される磁界の強さとＧＭＲ素子の抵抗値の関係を示している。図５（ａ）は図４（ａ）（ｂ）のように磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂ及び磁石３の相対位置が精度よく配置されている場合を示し、図５（ｂ）はずれて配置された場合を示している。
ＧＭＲ素子は面内にかかる磁界に対して、ＧＭＲ素子の形状（パターン）に対し垂直方向（図４の矢印Ａ）と水平方向（図４の矢印Ｂ）によりＧＭＲ素子の抵抗値に差が生じる。これを異方性と呼ぶ。図５において、太線はＧＭＲパターンに掛かる水平磁界を、細線はＧＭＲパターンに掛かる垂直磁界を示している。

図５（ａ）の矢印は、図４の面内磁界が均一になっている場合のＧＭＲ素子の抵抗値と磁界の範囲を表しており、垂直磁界と水平磁界の中間地点にあること、印加磁界の大きさがどちらも同一であることを示している。また図５（ｂ）の矢印は図４（ｃ）（ｄ）の面内磁界が不均一になっている場合のＧＭＲ素子の磁界と抵抗の範囲を表しており、磁気抵抗セグメント２ａは水平磁界が大きく、磁気抵抗セグメント２ｂは垂直磁界が大きい。また、印加磁界の大きさは２ａ＞２ｂである。したがって図５（ｂ）のように内面磁界が不均一になっている場合、磁気抵抗セグメント２aと磁気セグメント２ｂとでは抵抗値変化の範囲に違いが生じる。つまり磁気抵抗セグメント２aの抵抗変化範囲は磁気抵抗セグメント２ｂの抵抗変化範囲よりも低くなる。

図６に磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂと磁石３がずれた場合についての磁気検出装置の動作について述べる。図６において、（ａ）は磁性移動体１の配置、（ｂ）は磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂの抵抗値、（ｃ）は差動増幅回路１２の出力、（ｄ）は最終出力をそれぞれ示す。
図６（ｃ）及び（ｄ）に示すように、ＧＭＲ素子の抵抗値の変化に差が生じ、差動増幅回路１２の出力波形は一方向へシフトする。比較回路１３の電位値は変わらないため、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂと磁石３にずれがない場合（点線矢印）と比較して、出力信号の位置にずれが生じ、検出精度を著しく落とすことになる。

この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、製造上のばらつきにより磁気抵抗素子と磁石の相対位置にずれが存在しても、被検出体である磁性移動体の検出精度に影響を与えない磁気検出装置を得ることを目的とする。

この発明に係る磁気検出装置は、磁界を変化させる形状を有し回転軸に同期して回転する磁性移動体と、前記磁性移動体の磁界の変化を検出する異方性をもつ磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子に磁界を印加する磁石と、少なくとも二つの磁気抵抗素子でブリッジ回路を構成し、前記磁気抵抗素子の抵抗値変化を電圧変化に変換することにより前記磁気抵抗素子に作用している磁界の変化を検出する処理回路部とを備え、前記少なくとも二つの磁気抵抗素子は、前記磁性移動体の回転方向に分離して配置されると共に、前記少なくとも二つの磁気抵抗素子と磁石との位置関係が回転方向にずれることにより上記磁気抵抗素子に印加される磁界の大きさが変化すると、それによる磁気抵抗素子の抵抗値の変化量を、印加される磁界の方向の変化によりキャンセルするように前記磁気抵抗素子のパターン形状に角度を持たせたことを特徴とする。

この発明に係る磁気検出装置は、磁気抵抗素子のパターン形状に角度を持たせたことにより少なくとも二つの磁気抵抗素子は双方共に抵抗値変化をキャンセルすることができるので、回転移動体の検出精度に対して製造上のばらつきを小さくすることができる。

従来の磁気検出装置の構成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は磁気抵抗セグメントの拡大図である。 従来の磁気検出装置の処理回路部の構成を示す図である。 従来の磁気検出装置の動作を示すタイミングチャートである。 従来の磁気検出装置であって、磁気抵抗セグメント及び磁石の相対位置が、精度よく配置された場合（ａ）（ｂ）と、ずれて配置された場合（ｃ）（ｄ）とを模式的に示す図である。 GMR素子の磁界の強さと抵抗値の関係を示す図である。 従来の磁気検出装置であってそれぞれの構成がずれた場合の磁気検出装置の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態１に係る磁気検出装置の構成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は磁気抵抗セグメントの拡大図である。 この発明の実施の形態１に係る磁気検出装置であって、磁気抵抗セグメント及び磁石の相対位置が、精度よく配置された場合（ａ）（ｂ）と、ずれて配置された場合（ｃ）（ｄ）とを模式的に示す図である。 この発明の実施の形態１に係るＧＭＲ素子の磁界の強さと抵抗値の関係を示す図である。 特許第４２２９８７７号（特許文献２参照）のＧＭＲ素子の磁界の強さと抵抗値の関係を示す図である。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る磁気検出装置について図面を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態１に係る磁気検出装置の構成を示す図である。図７において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は磁気抵抗セグメントの拡大図である。図中、１は例えば円盤の周囲に突起等の磁界を変化させる形状を設けた磁性移動体を示し、２は基板の表面に回路がプリントされた処理回路部、２ａ及び２ｂは磁気抵抗セグメント、３は磁石、４は磁性移動体１の回転軸である。この回転軸４が回転することで磁性移動体１も同期して回転する。なお、図７（ｂ）では、磁気抵抗セグメント２ａ及び２ｂは、一つの黒のブロックで図示しているが、各セグメントが密集し一つのセグメントを独立して表せないためであり、図７（ｃ）にそれぞれの磁気抵抗セグメントの拡大図を示し、磁気抵抗セグメントの形状は印加される磁界の方向に対して真垂直から角度αをもたせたジグザグ形状としている。この角度αは磁気抵抗セグメントと磁石との位置関係の回転方向におけるずれ量などによるため、測定し最適化するものである。また、磁気抵抗セグメント２ａと２ｂに印加される磁界方向は線対称であるため、磁気抵抗セグメント２ａと２ｂの形状も線対称となる。基本的に異方性を有する磁気抵抗素子のパターンは、抵抗値をある程度大きくするために距離を稼ぐ必要があること、垂直方向に印加された方がヒステリシスが小さく安定した動作が期待できる等の理由から、通常図示のようなジグザグ形状とされる。なお、図７では磁気抵抗セグメント２a、２bと処理回路部２は同一基板上に構成した図となっているが、互いに別基板に設けてもよい。

図８に製造のばらつきを模した磁界変化を模式的に示す。図８（ａ）（ｂ）は精度よく製造された磁気検出装置の一例である。磁性移動体１が磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂに近づいた場合（図８（ａ））と離れた場合（図８（ｂ））で磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂにかかる面内磁界は均等である。つまり面内の垂直磁界と水平磁界とその大きさは均一である。ところが図８（ｃ）（ｄ）に示すように、製造上の回転方向のばらつきにより磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂ及び磁石３との位置関係にずれを生じた場合、磁気抵抗セグメント２ａ、２ｂにかかる面内磁界は大きさと方向が異なる。実施の形態１の磁気抵抗セグメント形状では、２ａは位置ずれにより印加磁界の大きさは大きくなり、方向は精度よく製造された場合と比べて垂直磁界が強くなる。２ｂはそれぞれ逆となる。

図９はＧＭＲ素子の磁界の強さとＧＭＲ素子の抵抗値の関係を示している。図９（ａ）は図８（ａ）（ｂ）のように磁気抵抗セグメント２ａ，２ｂ及び磁石３の相対位置が精度よく配置されている場合を示し、図９（ｂ）は図８（ｃ）（ｄ）のようにずれて配置された場合を示している。図８（ｃ）（ｄ）のようにずれて配置された場合のＧＭＲ素子の抵抗値の変化を図９（ｂ）にて説明する。実施の形態１の磁気抵抗セグメント２ａは、印加磁界の大きさは大きくなる方向に変化する。このとき仮に印加磁界の方向が変わらなければ、図５（ｂ）の通り抵抗値は小さくなる方向だが、実施の形態１の磁気抵抗セグメント２ａの形状の場合、印加磁界の方向の変化は垂直磁界が強くなるため、抵抗値の低下をキャンセルする方向（抵抗値が挙がる方向）となり、精度よく配置された場合からのずれは小さい。同時に、磁気抵抗セグメント２ｂは印加磁界の大きさと方向がそれぞれ逆に作用し、２ａと同様これも抵抗値のずれは小さい。結果として２ａと２ｂの出力波形のずれは小さくなる。

特許第４２２９８７７号（特許文献２参照）では、二つの磁気抵抗セグメントと磁石の位置関係にずれを生じた場合、印加磁界の方向についてのみ考慮したものであり、印加磁界の大きさが変化する場合についての記述がない点が、この発明と異なる。図１０は特許第４２２２９８７７号の場合のＧＭＲ素子の磁界の強さとＧＭＲ素子の抵抗値の関係を示している。図１０（ａ）は磁気抵抗セグメント２ａ，２ｂ及び磁石３の相対位置が精度よく配置されている場合を示し、図１０（ｂ）は相対位置がずれて配置された場合を示している。また図１０（ａ）、（ｂ）では、磁気抵抗セグメント２ａ，２ｂが異方性をもたない形状のためグラフの曲線は一つである。この特許では、印加磁界の大きさが変化する点について考慮されてないため、図１０（ｂ）の通り、ずれが生じてしまう。本願ではこれを解消できる。

なお、この発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜、変更、変形、省略することが可能である。

１ 磁性移動体、 ２ 処理回路部、 ２ａ、２ｂ 磁気抵抗セグメント、２c、２d 抵抗器、 ３ 磁石、４ 回転軸、 １１ ブリッジ回路、１２ 増幅回路、 １３ 比較回路、 １４ 出力回路

この発明に係る磁気検出装置は、磁界を変化させる形状を有し回転軸に同期して回転する磁性移動体と、前記磁性移動体の磁界の変化を検出する異方性をもつ磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子に磁界を印加する磁石と、少なくとも二つの磁気抵抗素子でブリッジ回路を構成し、前記磁気抵抗素子の抵抗値変化を電圧変化に変換することにより前記磁気抵抗素子に作用している磁界の変化を検出する処理回路部とを備え、前記少なくとも二つの磁気抵抗素子は、ジグザク形状のパターン形状を有するものとし前記磁性移動体の回転方向に分離して配置されると共に、前記磁気抵抗素子と磁石との位置関係のずれに伴う印加磁界の方向及び大きさの変化を打ち消すように、印加される磁界の方向に対して、上記パターン形状をその真垂直から角度αを持たせるようにしたことを特徴とするものである。

Claims (7)

1. 磁界を変化させる形状を有し回転軸に同期して回転する磁性移動体と、前記磁性移動体の磁界の変化を検出する異方性をもつ磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子に磁界を印加する磁石と、少なくとも二つの磁気抵抗素子でブリッジ回路を構成し、前記磁気抵抗素子の抵抗値変化を電圧変化に変換することにより前記磁気抵抗素子に作用している磁界の変化を検出する処理回路部とを備え、前記少なくとも二つの磁気抵抗素子は、前記磁性移動体の回転方向に分離して配置されると共に、前記少なくとも二つの磁気抵抗素子と磁石との位置関係が回転方向にずれることにより上記磁気抵抗素子に印加される磁界の大きさが変化すると、それによる磁気抵抗素子の抵抗値の変化量を、印加される磁界の方向の変化によりキャンセルするように前記磁気抵抗素子のパターン形状に角度を持たせたことを特徴とする磁気検出装置。
2. 磁気抵抗素子のパターン形状は印加される磁界の方向に対して真垂直から角度αをもたせたジグザグ形状としたことを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。
3. 前記角度αは前記磁気抵抗素子と磁石との位置関係の回転方向におけるずれ量を考慮して測定により最適化されることを特徴とする請求項２に記載の磁気検出装置。
4. 前記磁気抵抗素子は巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。
5. 前記磁性移動体は回転軸に同期して回転する歯車状磁性移動体であることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。
6. 前記磁界検出部は少なくとも二つの磁気抵抗素子と他の抵抗器によりブリッジ回路を構成したことを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。
7. 前記少なくとも二つの磁気抵抗素子は、前記処理回路部上に磁性移動体の回転方向に分離して配置して構成したことを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。

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