JP3988315B2

JP3988315B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP3988315B2
Application number: JP14683899A
Authority: JP
Inventors: 一朗伊澤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-05-26
Filing date: 1999-05-26
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2019-05-26
Also published as: JP2000337920A

Description

【０００１】
【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

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。