JPS5858781A - 磁電変換素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は磁電変換素子に関するものであって、特に無刷
子モータ等に適用するのに最適な鼻′り変換素子を提供
するものである。

無刷子モータにおいて、ステータコイルに流れる電流を
順次スイッチングするために、磁電変換素子を使用して
回転子の位置検出を行なう事が従来より知られている。

　　（ｉ この磁電変換素子として例えば、半導体ホール素子、半
導体磁気抵抗素子、プレーナホール孝子、磁性体磁気抵
抗素子等がある。これらのうち半導体を使用した素子は
キャリアの数及び易動度の温度変化が大きくて温度特性
が悪いので、温度補償用の外部回路を必要とする。また
出力信号の大きさが磁場の強さによって変るので、無刷
子モータ［有］く磁界の方向を検知するスイッチング素
子として使用する場合には、信号磁界形成手段の部特性
及び機械的精度を高めるか、外部回路にすｓツタ作用を
附与する必要があり、いづれにしてもコストの面で不利
である。

一方、磁性体を使用した素子では、普通、金属磁性体を
使用するので、抵抗率及び磁気抵抗係数の温度変化は小
さくて、温度特性は夷好である。

Ｉだ磁性体そのものの性質として、信号磁界がある程度
以上となると飽和するので、信号磁界の大音すの変動に
対してリミッタ作用をもっている。

したがって無祠子モータの如り、磁界の方向を検知する
スイッチング素子として利用する場合に＋を半導体を使
用した素子よりも磁性体を使用した素子の方が本質的に
有利であるといえる。しかしながら、従来の磁性体を使
用した磁電変換素子のうち、プレーナホール素子は出力
電圧が小さくて、無刷子モータの駆動の様な目的に用い
るには、高利得の増巾器等の特殊な周辺回路を必要とす
るという欠点がある。また磁気抵抗素子は出力電圧を大
きくとれるが、２端子素子であるために出力電力電圧に
較・べて無視できず、このため温度変化による零点ドリ
フトが実用上問題となる。

本発明は複数の磁気抵抗素子を組合せることによってプ
レーナホール素子の特徴と磁気抵抗素子の特徴とを保持
した才＼上述の欠点を除くと共に極めてコンパクトに構
成し得るようにした３端子磁電変換素子に係るものであ
る。

次に本発明の磁電変換素子の基本原履及び構成を第１図
及び第２図に付き述べる。

第１図において、磁電変換素子（１）は磁気抵抗効果を
有する平板状の強磁性体Ａ、Ｂからなっている。強磁性
体Ａ、Ｂは互にその長手方向が直交する如く配されかつ
電気的に直列回路を構成する如く接続されている。この
直列回路の両端にはバイアス電流供給用の電流端子１２
＋、　（３）が、また中点には出力電圧取出し用の出力
端子（４）が夫々設けられている。電流端子（２１，（
３）は電源（５）に接続され、その一方の電流端子（３
）はアースされて、全体として磁電変換回路（６）が構
成されている。

この強磁性体ＡＢを飽和磁化きせるに充分な　　：） 磁界Ｈを、強磁性体Ａ、Ｂのなす平面において強磁性体
Ａの長手方向、つまり電流方向に対して角ＷＩＬ＃で交
差する方向に加える。一般に、飽和磁化したとき、強磁
性体の抵抗は磁気械抗の異方性によって変わるので、磁
界Ｈのなす角度−に応じ１強磁性体Ａ、Ｂの抵抗ｐム及
びｈは次の式（Ｖｏｉｇｔ　−Ｔｈｏｍｓｏｎの式）で
表わされる。

１ｉｅ）　＝戸１Ｂｉｌ　＋　ｐ＃ｃｏｓ２θ−・−・
−・−・＝−（１）ρ−）＝ρ↓ｃｏｓ２＃＋ρｙ　ｓ
ｉ／　＃・・・・・・・・・・・・（２）なお上述の（
１）及び（２）弐において、β上は強磁性体を電流と垂
直方向に飽和磁化したときの抵抗、ρｌは強磁性体を電
流と平行方向に飽和磁化したときの抵抗を夫々示してい
る。

なお第１図の等価回路は第２図の如くになるので、出力
端子（４）における電圧Ｖ（θ）は、となる。この（３
）式に上記（１）　（２１式を代入して整理すると。

（但し△ρ＝ρｌ−ρ上とする〕 となる。この（４）式において右辺第１項は基準電圧Ｖ
ｓ（Ｖｓ＝Ｖｏ／２）を、第２項は変化量△Ｖ（＃）ヲ
夫＊示している。今変化量△Ｖ（ｔ）＋こ着目すると。

となる０但し２ρローρｌ＋ρ上であり、ｐａは磁界を
加えない状態における抵抗である。

従って出力端子（４）には磁界Ｈの方向に応じた出力変
化が表われ、−が０度又は１８０′度、及び９０ＦＩＩ
Ｌ又は２７０度の時に夫々最□大値となる−０但し変化
の方向は反対となるので、＃が０度及び９０ｆとなる２
つの磁界を用いると変化量が最大となり、スイッチング
動作をさせるのに最適である事が分る。゛ 上述の（５＋式から分るように、出力電圧の変化は磁界
の強さには関係しないので、磁界Ｈの強ざがその方向に
よって変化したとしても、この変化に関係なく磁界Ｈの
方向に応じた出力を発生できも但し、磁界Ｈの強さは強
磁性体Ａ、Ｂを飽和磁化できるものでなければならない
のは勿論である。

更に、上述の（５）式から分るように、この素子（１）
の磁界方向に対する出力電圧変化を大きくするためには
、強磁性体ム、Ｂを△ρ／ρ０の大きい磁性材料で構成
する必要がある。例えば常温で△ｐ／ｐ＠が２１１以上
の強磁性金属として次の様なものが知られており、これ
等は本発明の素子の材料として使用し得る。

金属　△り／ｐ〇−金属八ル′へ０チ金属Δ〜’ｐｏｓ
Ｎｉ　　　　　２ｉｈ６　５［Ｎｉ−７■五４０６別１
−３１当匹３Ｂ［ｌＮｉ−２０Ｃｏ　　４４８　９ＯＮ
ｉ−１片４．６０　９７Ｎｉ−Ｔｈ　　２２８９（Ｎｉ
−１００ｏ　　５Ｊ］２　８ＯＮｉ−２０Ｐ１ｅ　３．
５５　　？９Ｎｉ−ＩＡＩ　　１４０７圓１−３００）
！！Ｌ５３　７砺益−２４胸五７９　　窟１−四　２１
８６Ｗｉ−４００ｏ　　５．８３　７（Ｎｉ−犯ｈ２５
０　９ＥＮｉ−２Ｍｎ　２９５５（Ｎｉ−５ＣＩＤｏ５
４１５　９ＯＮｉ−１□　２．６０　９０Ｊｉ−ａ紬２
．４８４（ＩＱｉ−６１Ｘ）ｓ　　４３０　８５Ｎｉ−
１７Ｒ１２３２？５Ｎｉ−５Ｚｎ　　２ｊＯこの中でも
８ＯＮｉ　−２０Ｃｏ合金は△ＩＩ／Ｉ）ｏが６．４８
１で一喬太き（、シかもＮｉ−Ｆｅ合金に比べて耐酸化
性に優れコストも安く、また）＼ンダの乗りが良いので
実用上は最も優れた材料である。

（５）式から分るように、出力電圧変化を大とするため
の他の要件は電源電圧Ｖｏで、これを高くすれば材料の
選定と同様に高出力電圧化が可能である。

しかし高い電源電圧で使用すると、一般に素子（１）の
消費電力が増大して発熱するので好ましくなし〜消費電
力ＷはＶｏの２乗に比例し、インピーダンスρ０に反比
例する（　Ｗ　＝％、　）ので、素子（１）のインピー
ダンスも同時に高くすれば、消費電力を増加させずに出
力電圧を大きくできる。

本発明の磁電変換素子（１）では、強磁性体Ａ％Ｂの厚
味を変えなくとも電流通路の巾を狭くできるので、上述
のインピーダンスρ０を害鳥に高くでき、このため従来
のプレーナホール素子の出力電圧よりも１〜２桁大なる
出力電圧を得る事が出来る。

また上述の（３）式に２いてρｌ及びρ」は夫々温度に
依存して変化するが、この変化の際βｌ及びρｌｉｔ同
時に変化するので、△ｐ及び／Ｑの温度変化は極めて小
となって、出力電圧変化量Δ■（θ）はほとんど影響を
受けない。

また磁電変換素子（１）は３ｙａ子の素子であるのて電
流端子（３）を出力端子の共通端子としてアースでき、
このため電源回路等の周辺回路を簡単化できる。

次に本発明による磁電変換素子（１）の具体例を第３図
に示す。

磁電変換素子（１）は１表面清浄化処理が施こされたス
ライドガラス又は写真乾板等の絶縁基板（７）　Ａこの
基板（７）の電画に８ＯＮｉ−２０Ｃｏ　合金を６００
〜１ｏｏｏＸの厚さ番こ蒸着した後に不要部分をエツチ
ング除去して形成きれた折線状若しくはジグザグ状の強
磁性体ム、Ｂと、これらの強磁性体Ａ、Ｂのはゾ中間に
形成されている出力端子（４）と１強磁性体Ａ、Ｂの他
端側に形成されている電流端子（２）。

（３）とによって＃Ｉ成されている。強磁性体Ａ、Ｂは
夫々１６本の主電流通路となる直線部即ち細条要素（８
１、（９１と仁れらの直線部（８１、（９１をその一趨
にて互いに連結している折曲１＠ＳＱＯ，（ｌυとから
なっていて、Ｉ［線部（８）　、　（９）は互いに直交
するように構成されている。そして強磁性体Ａ、Ｂは全
体として夫夫長刀形の形状に構成されている。なお強磁
性体Ａ、Ｈの全体形状を％蚤こ夫々正方形とすると、こ
れらの強磁性体Ａ、Ｂを互にはマ同形にしかつ９０８回
転した状態で隣接させることによって、２つの強磁性体
Ａ、Ｈの全体は、長辺と短辺との比が２：１の長方形の
形状となって非常にコンパクトになる。なおｉｌｉ　１
８部（８１、（９１の１部（８ｍ）　、　（９りにおい
て強磁性体Ａ、Ｂは互い會こ直列に接続されていて、こ
の接続部分から出力端子（４）が取出されている。

このように構成したのは、強ａ性体人、Ｂの全長を非常
に長くするためである。この結果、強磁性体Ａ、Ｈの抵
抗を太番こすることが出来て累−ｊ−（１）のインピー
ダンスを高くすることが出来ると共に、＊子（１）を小
型化することも可籠となる＝従って前述した如く、消費
電力の増加を押えかつ出力電昆を大とすることができる
・ 次に第３図に示す素子（１）の特性を述べる。強磁性体
Ａ、Ｂの膜厚が例えば６００Ａである場合には、全抵抗
２ρＱは２，５にΩとなり、−ｔた駆動電圧を８ｖにす
ればＩＳＯｍＶの出力電圧を発生する。このときの飽和
磁界は５００ｅ以上でありかつ消費電力は約２６ｍＷで
あって、素子（１）を動作させるに要する磁界の強さは
低くて済み、しかも消費電力も少なくてよい事が分る。

この素子＋１）の駆動電圧を１２Ｖにした場合には、出
力電圧は２４Ｏｎ＋＋Ｖとなりかつ消費電力は約５８ｍ
　Ｗとなる。また強Ｉｌ性体人、Ｂの膜厚が例えば１０
００Ａである場合には、全抵抗２戸０が１４にΩとなり
、駆動電圧を８ｖにすればＩＳＯｍＶの出力電圧を発生
する。

このときの飽和磁界５００＠以上でありかつ消費電力は
約４７ｍＷである。この素子（２）の駆動電圧を１２Ｖ
にした場合には出力電圧は２７０ｍＶとなりかつ消費電
力は約１０３ｍＷとなる。

次に膜厚１０００Ａの素子（１）を３ＫＯ＊の磁界中に
置いた場合の出力電圧の磁界の角度に対する依存性を第
４図に示す、この図中においては、縦軸に出力電圧の変
化量△■（−）を取りかつ横軸に角度＃を堆っている。

なお角ＩＩｌ原点は第２図における点からに／４だけず
れている。この第、４図から明らかなように、出力電圧
変化はサインカーブとなり、上述の（５）式が正しい事
が分る。−が−π／４で出力電圧は１０４ｍＶ、−が零
即ち角度原点において出力電圧が零、−がπ／４で出力
電圧が約−１０３ｍＶ、−が′に／２で出力電圧が零、
−が３π／４で出力電圧が１０４ｍＶ、−がπで出力電
圧が零であった。

以上本発明を一実施例に基いて説明したが、本発明の技
術的思想に基いて更に変形が可能であることが理解され
よう。例えば、強磁性体Ａ、Ｈの配列方向を同一平面で
互いに直角となるようにしたが、素子（２）の特性が不
良とならない範囲で夫々配列方向を任意に、例えば交差
角が７０〜８０°となるようにしてもよい。Ｉた不均一
な磁界を加えるときには、例えば強磁性体Ｂを基板（７
）の裏面側に、強磁性体膜と基板（７）をへだてて対向
する如く設けることも勿論可能である。また第５図に等
価回路図で示す如く、互いに等価の例えば３つの磁、１
電変換素子（１）を並列に接続して電源（５）を共通に
使うことも出来る。この場合、抵抗ρＡ（＃）＋βｍ（
θ）＝ρｌ＋ρニー２ρ０、ρ０＝一定であるので、各
素子が夫夫具なる動作をしても各素子間の相互干渉を生
じることがない。

なお複数の素子（１１を直列に接続することも勿論であ
る。また強磁性体Ａ、ＢをＮｉ−Ｃｏ合金以外Ｉｃ　△
ｉｌｌ　／　ｆｉ　６　カ大である例えば８ＯＮｉ−２
３Ｆｅ等で構成することが出来、この場合は弱い信号磁
界でも磁化され易くなる。更にインピーダンスをより大
きくするために、強磁性体Ａ、Ｈの直線部（８）。

（９）の幅を更に小ざくする等のように、その形状を様
々に変化させることが出来る。

なお本発明の磁電変換素子は無刷子モータのロータ位置
検出や、他のスイッチング動作、ｉａ界万肉検出等に応
用可能である。

更に上述の例では、強磁性体として金属を用％％たが、
一般に磁気抵抗効果及び金属的電気伝導を兼ねそなえた
ものはすべて使用できる。

菫た上述の例では、強磁性体Ａ、Ｂが同じ抵抗を持つよ
うに構成したが、使用目的に応じて互１．％に興なる抵
抗を持つように構成することも可能である。

本発明は上述の如く、異方性のある磁気抵抗効果を有す
る強磁性体膜を基板の一面上に形成しているので、磁性
体を使用した磁電変換素子の特徴を有し、このため磁気
飽和特性を示して信号磁界の大きざの変動に対しリミッ
タ作用を有しておへスイッチング特性に極めて優れたも
のとなる。しかも強磁性体膜を一面内く形成しているこ
とかへ飽和磁化したときに磁気抵抗の異方性によって抵
抗が変わり、その面内での磁界の方向を検出することが
できる。

蓚た強磁性体膜からなる第１及び第２の電流通路をはゾ
ジグザグ状に配しているので、強磁性体膜の厚みを変え
なくてもその幅を竺りすることによりインピーダンスを
容易に高くでき、しかも電流通路の全長を非常に長くし
てインピーダンスを高くすることができる。従って、出
力電圧を著しく大きくできると共に、消費電力の増加を
抑えやことができる。

また、ρ〃及びρ土は夫々＠度に依存して同時に変化す
るので、△ρ及びρ０の温度変化は極めて小となリ、出
力電圧の変化量はほとんど影響を受けない。

更にまた。第１及び第２の電流通路がジグザグ状に接続
された複数の細条要素を夫々有すると共に１これらｌｌ
１１及びｊｌＩ２の電流通路が全体として夫々はり長方
形の形状になるように構成した。従って磁電変換素子全
体を極めてコンパクトな構成とすることが可能であって
極めて実用的である。

【図面の簡単な説明】

ｌｌ１１ＷＪは本発明の磁電変換素子の概略原理図。 第２図は１ｌＩＩ図に示す素子の等価回路図、＃！３図
は磁電変換素子の具体例の平面図、第４図は出力電圧変
化量の磁界角度依存性を示す曲線図、第５図は３つ磁電
変換素子を並列に接続した場合の電源供給方式を示す等
価回路図である。 なおＷＪ面に用いられている符号において、（１）は磁
電変換素子、（２１＊（３）は電Ｒ端子４（４ｊは出力
ｍ七ム及びＢは磁気抵抗特性を有する強磁性体である。 代理人　土産　勝 〃　　常包芳男 ｌ　　杉浦俊貴 第１図　　　　　第２ＷＪ 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （工）、基板の一面上に形成された異方性のある磁気抵
   抗効果を有する強磁性体膜から夫々なる第１及び第２の
   電流通路、 （ｂ）１、これら第１及び第２の電流通路の一万の端部
   に夫々接続された第１の端子、 （Ｃ）、前記ｊ１１及び第２の電流通路の他方の端部に
   夫々接続された第２及び纂３の端子、を夫々具備し、前
   記第１及び第２の電流通路は互にジグザグ状に接続され
   た複数の細条ｇ！素を夫々有すると共に全体として夫々
   はり長方形の形状に構成され、前記第１電流通路の各細
   条要素の延びる方向と前記第２電流通路の各細条要素の
   延びる方向とは互いにはり直交するように構成され、こ
   れによって、磁場の方向の変化に応じた前記第１及び第
   ２の電流通路の夫々の抵抗値の変化を検出するようにし
   たことを特徴とする磁電変換素子。