JP3988315B2 - 磁気センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体磁気センサ、特に、磁気抵抗素子を用いた磁気センサに係り、詳しくは、センサ出力のオフセットを調整する技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、磁気抵抗素子を利用したギヤ近接方式の回転センサが知られている(特開平3−195970号公報等)。このセンサは、図11に示すように、基板50に磁気抵抗素子51,52が蒸着され、この基板50がバイアス磁石53の着磁面53aに垂直に取り付けられている。この基板50が磁性体よりなるギヤ54に対向配置され、バイアス磁石53からギヤ54に向けてバイアス磁界を発生させる。そして、ギヤ54の回転に伴いバイアス磁界の変化(磁気ベクトルBの向きの変化)を抵抗変化として検出する。つまり、ギヤ54における1つの歯55が基板50の前方を通過する度に磁気ベクトルBの向きが変化し、それを電気信号として取り出す。
【0003】
ところが、本来、ギヤ54の歯55(山/谷)により磁気ベクトルBの向きが変化することにより素子51,52の中点αでの電圧が変化し、比較器56にて基準電圧Vref との比較にて2値化信号を得るものであるが、素子51,52とバイアス磁石53との相対的位置関係に誤差が生じたり(基板50やバイアス磁石53に組付けズレがあったり)、バイアス磁石53に着磁バラツキがあると、中点αでの電位にオフセットが発生し、本来、図12の信号波形SG1を得るべきところが図12の信号波形SG2となり、2値化ができないことが生じる。
【0004】
このために、磁石組付けズレや磁石着磁バラツキ等により発生する磁気抵抗素子出力のオフセット対策として、CMOSを用いた自動中点補正回路、およびピーク・ボトムホールド回路等、複雑な回路方式を用いてオフセットを許容していた。
【0005】
しかしながら、この方式ではバイポーラチップの他に、処理回路用CMOSチップが必要であり、小型化が困難であるという問題が生じる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明の目的は、新規な構成にて、組付けズレ等によるセンサ出力のオフセットを調整することができる磁気センサを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、基板の上の磁気抵抗素子に対しセンシング信号を得るための電極とは別に補正用電極を配置し、この補正用電極を通して磁気抵抗素子に電流を流し、これにより形成される電流成分にて前記センシング信号を得るための電極を通して磁気抵抗素子に流れる電流成分を補正するようにしたことを特徴としている。
【0008】
この構成によれば、基板の上の磁気抵抗素子に対しセンシング信号を得るための電極とは別の補正用電極を通して磁気抵抗素子に電流が流され、これにより形成される電流成分にてセンシング信号を得るための電極を通して磁気抵抗素子に流れる電流成分が補正される。
【0009】
このようにして、素子とバイアス磁石との相対的位置関係に誤差が生じたり(基板やバイアス磁石に組付けズレがあったり)、バイアス磁石に着磁バラツキがある等によって生じるセンサ出力のオフセットを調整することができる。
【0010】
ここで、請求項2に記載のように、前記磁気抵抗素子が2つ直列接続され、当該直列回路に所定電圧を印加したときの両素子間の中点電圧をモニター信号として用いると、実用上好ましいものになる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
本磁気センサは車載用回転センサとして用いられるものであって、具体的には、カム角センサ、クランク角センサ、車速センサ、自動変速機に組み込まれる回転センサ、車輪速センサ等に使用されるものである。
【0012】
図1には、本実施形態における磁気回転センサの平面図を示す。
センサハウジング1の内部には基板2が配置され、この基板2の上には磁気抵抗素子(以下、MR素子という)3,4が配置されている。MR素子3,4の材料としてはNi−Co系やNi−Fe系を挙げることができ、蒸着法にて基板2上に堆積しパターニングしたものである。このMR素子3,4は長方形をなし、MR素子3の両端における中央部には電極5,6が、また、MR素子4の両端における中央部には電極7,8が形成されている。MR素子3の電極5が接地されるとともに、MR素子3の電極6とMR素子4の電極7が電気的に接続されている。また、MR素子4の電極8が電源16と接続されている。
【0013】
このようにして、MR素子3,4は電源16とグランド(GND)間に直列にブリッジ接続されており、2つのMR素子3,4による直列回路に所定電圧Vrを印加したときの両素子間の中点αでの電圧がセンシング信号として取り出される。
【0014】
一方、基板2の後方において、基板2から離間してバイアス磁石9が配置されている。バイアス磁石9はN極に着磁されたN極面10とS極に着磁されたS極面11を有し、N極面10が基板2側を向いている。そして、このバイアス磁石9のN極面10にてMR素子3,4に向く磁界(磁気ベクトルBbias)が形成されている。このバイアス磁石9によるバイアス磁界内にMR素子3,4が位置している。
【0015】
このセンサハウジング1が、図2に示すように、磁性体よりなるギヤ12に対向して設けられている。詳しくは、MR素子3,4がギヤ12の外周の歯13と所定の間隔をおいて配設されている。このギヤ12は回転軸(エンジンのクランクシャフト等)に固定され、エンジンの駆動に伴うクランクシャフト等の回転に同期して回転する。
【0016】
そして、被検出対象であるギヤ12の回転に伴う歯13(山と谷)の通過によってバイアス磁界(磁気ベクトル)Bbiasの向きが変化する。このバイアス磁界Bbiasの向きが変化すると、MR素子3,4の抵抗値も変化する。その結果、中点αの電圧も変化する。
【0017】
図2において、中点αの電圧がオペアンプ14にて増幅され、比較器15にて基準電圧Vref と比較され、その大小関係にて比較器15から2値化された信号が送出される。この2値化信号の周期がギヤ12の回転速度に対応する。よって、この2値化信号の周期からギヤ12の回転速度が求められる。具体的には、2値化信号(パルス信号)の周期の測定、あるいは、所定時間当たりのパルス数の計数にてギヤ12の回転速度が求められる。このように、被検出対象の運動に伴うバイアス磁界の向きの変化をMR素子3,4にて検出することができる。
【0018】
ここで、本来、ギヤ12の歯13(山と谷)の通過により磁気ベクトルBbiasの向きが変化することにより中点αの電圧が変化し回転速度を検出することができるわけであるが、バイアス磁石9の組付けズレが生じていたり、バイアス磁石9の着磁バラツキが生じていると、中点αの電圧が電源電圧Vrの1/2にならずに、Vr/2からズレてしまう。このように、中点αの電圧が所定の値Vr/2に対しオフセットがあると、後段の比較器15において2値化ができないおそれがある。
【0019】
そこで、本実施形態においては、図1に示すように、基板2の上のMR素子3に対しセンシング信号を得るための電極5,6とは別に補正用電極20,21,22,23が配置されるとともに、MR素子4に対しセンシング信号を得るための電極7,8とは別に補正用電極30,31,32,33が配置されている。詳しくは、長方形をなすMR素子3における四隅には電極20,21,22,23が、また、長方形をなすMR素子4における四隅には電極30,31,32,33が形成されている。
【0020】
この補正用電極(図1では電極20,21,30,31)を通してMR素子3,4に電流を流し、これにより形成される電流成分にてセンシング信号を得るための電極5,6,7,8を通してMR素子3,4に流れる電流成分を補正するようにしている。図1においては、MR素子3の電極21とMR素子4の電極30とが電気的に接続されるとともに、MR素子3の電極20とMR素子4の電極31とが電源35を介して電気的に接続されている状態を示す。
【0021】
詳しくは、MR素子3,4に印加される磁気ベクトルBbiasがバイアス磁石9の組付けズレ等によってズレていた場合、長方形のMR素子3,4の対角に位置する電極20,21,30,31に電流を流すことにより、図3のMR素子3,4において素子延設方向に沿って流れる電流のベクトル(主電流ベクトル)Bmeinの向きを実質的に変え、MR素子3,4の見かけ上の角度ズレを補正する。つまり、図1の電極20,21,30,31に電流を流すことにより調整用電流ベクトルBadj を生成して、主電流ベクトルBmeinに対する合成ベクトルBmein1を得ることにより、MR素子3,4の特性を見かけ上、角度δだけ傾いたパターンとする。
【0022】
このように、補正用電極20,21,30,31を通して素子3,4に流す電流量を調整することにより、MR素子3,4をバイアス磁石9の磁気ベクトルBbiasに対して理想的な配置に補正することができ、中点のオフセットを補正することができる。
【0023】
次に、オフセットの調整原理および調整手順について説明する。
MR素子3,4の基本特性として、図4に示すように、MR素子3,4に流れる電流の方向と磁界方向のなす角度θに対するMR素子3,4の抵抗値Rは、
と表される。
【0024】
ここで、図5のように、バイアス磁石9による磁気ベクトルBbiasに対し45°だけ傾いてMR素子3,4が延設されていると、図4においてポイントP1,P2に示すように両素子3,4の抵抗値が等しい。その結果、中点電圧は、直列接続されたMR素子3,4の印加電圧Vrの1/2となる。
【0025】
しかしながら、バイアス磁石9の組付け後においてバイアス磁石9の組付けズレにより、例えば、図6に示すように、MR素子4に印加される磁界は45°よりも大きく、又、MR素子3に印加される磁界も135°よりも大きくなっていると、図4においてポイントP1’,P2’に示すようにMR素子4の抵抗値がMR素子3の抵抗値よりも小さくなる。その結果、中点電圧が、Vr/2より大きくなる。
【0026】
そこで、中点電圧(正確には、図2のオペアンプ14の出力)をオフセット調整の際のモニター信号として用い、中点電圧のVr/2からのズレ(差)を算出し、図7の合成電流ベクトルBmein1を得るための調整電流量を決定する。
【0027】
詳しくは、図7の主電流ベクトルBmeinにおけるバイアス磁界(基準線Lbase)に対する角度θ1が45°よりも大きな値であった場合には、調整用電流ベクトルBadj を作ることにより合成電流ベクトルBmein1を得るわけであるが、この合成電流ベクトルBmein1が、バイアス磁界(基準線Lbase)に対する角度θ3=45°のベクトルとなるように調整用電流ベクトルBadj を生成する。
【0028】
例えば、中点電圧がVr/2に対して電位差Xだけズレている場合には、MR素子3,4が45°に対して角度θx°だけズレていることを定量化しておき、これを補正するために合成電流ベクトルBmein1を45°にするように調整用電流値を決定し、図8の破線で示す補正前のMR素子3,4に対し、図8に実線で示すごとく角度δだけMR素子角度補正を行い、MR素子3,4に同一方向の磁界を印加する。このようにして、見かけ上のMR素子3,4のパターンを調整する。
【0029】
このように調整用電流値は、磁石組付け後の中点電圧をモニターすることにより決定するが、具体的には、図9のセンサにおいて、露出する部位に、図10のように、トリミング可能な外部トリム端子41,42を設けておく。そして、MR素子3,4を製作し、バイアス磁石9を組付けた後において、中点電圧を測定(ズレ量を把握)して調整電流を決定(外部端子のトリム位置を決定)し、その後、図10に示すように、外部トリム端子41,42のカットラインLcut での切断により、切断した箇所に対応する量の電流を補正用電極を通してMR素子3,4に流す。図10の場合、端子41のカットラインLcut での切断により電流値がaミリアンペアとなり、端子42のカットラインLcut での切断により電流値がbミリアンペアとなり、両方の端子41,42のカットラインLcut での切断により電流値が(a+b)ミリアンペアとなる。また、図9の反対側の部位(調整端子)X’は中点電圧がVr/2より小さくなる時に同様な考え方で使用する。つまり、図1の電極23,22,32,33に電流を流すとともにその電流値を調整する。
【0030】
なお、図9において符号40にて中点モニター端子、即ち、図2のオペアンプ14の出力端子につながる端子を示す。
このように、本実施の形態は下記の特徴を有する。
(イ)図1に示すように、基板2の上のMR素子3,4に対しセンシング信号を得るための電極5,6,7,8とは別に補正用電極20〜23,30〜33を配置し、この補正用電極20〜23,30〜33を通してMR素子3,4に電流を流し、これにより形成される電流成分にてセンシング信号を得るための電極5,6,7,8を通してMR素子3,4に流れる電流成分を補正するようにした。このように、MR素子3,4の延設方向に対して角度を持った一対の電極(20と21、30と31、23と22、32と33)に電流を流し、これによりMR素子3,4に流れる電流成分に角度を持たせることにより、見かけ上のMR素子3,4の角度を調整し、素子3,4とバイアス磁石9との相対的位置関係に誤差が生じたり(基板2やバイアス磁石9に組付けズレがあったり)、バイアス磁石9に着磁バラツキがある等によって生じるセンサ出力のオフセットを調整することができる。
(ロ)図2に示すように、MR素子3,4が2つ直列接続され、この直列回路に所定電圧を印加したときの両素子3,4間の中点電圧(詳しくは、オペアンプ14の出力)を、オフセットを調整する際のモニター信号として用いたので、実用上好ましいものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施形態における磁気回転センサの平面図。
【図2】 センサの電気的構成を示す図。
【図3】 各種ベクトルを説明するための図。
【図4】 電流方向と磁界方向のなす角度θに対する抵抗値Rの関係を示す図。
【図5】 各種ベクトルを説明するための図。
【図6】 各種ベクトルを説明するための図。
【図7】 各種ベクトルを説明するための図。
【図8】 各種ベクトルを説明するための図。
【図9】 センサの平面図。
【図10】 図9のX部の拡大図。
【図11】 従来技術を説明するための磁気回転センサを示す図。
【図12】 センサ信号波形を示す図。
【符号の説明】
2…基板、3…MR素子、4…MR素子、5〜8…電極、9…バイアス磁石、20〜23…補正用電極、30〜33…補正用電極。
Claims (2)
- 基板の上に磁気抵抗素子を配置するとともに当該基板の後方にバイアス磁石を配置し、バイアス磁石によるバイアス磁界内に磁気抵抗素子を位置させ、被検出対象の運動に伴うバイアス磁界の向きの変化を磁気抵抗素子にて検出するようにした磁気センサにおいて、
前記基板の上の磁気抵抗素子に対しセンシング信号を得るための電極とは別に補正用電極を配置し、この補正用電極を通して磁気抵抗素子に電流を流し、これにより形成される電流成分にて前記センシング信号を得るための電極を通して磁気抵抗素子に流れる電流成分を補正するようにしたことを特徴とする磁気センサ。 - 前記磁気抵抗素子が2つ直列接続され、当該直列回路に所定電圧を印加したときの両素子間の中点電圧をモニター信号として用いた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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