JPS6012783A - 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磁電変換素子を提供す
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。

この磁電変換素子としては例えば、半導体ホール素子、
半導体磁気抵抗素子、プレーナボール素子、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わるので
、無刷子モータの如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磁
気特性及び機械的精度を高めるか、外部回路にリミック
作用を付与する必要があり、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、温度特性は良好である。

また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、信号磁界の大きさの変動に
対してリミソク作用をもっている。

従って、無刷子モータのように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は、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木質的に有
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ような目的に用い
るには、高利得の増幅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圧に較べ
て不平衡電圧が２桁程度大きいので、抵抗率の温度変化
が小さいとはいえ、抵抗率の温度変化から生ずる不平衡
電圧の変動は出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
したまま上述の欠点を除くと共に極めてコンパクトに構
成することが出来かつ高精度のものを容易に提供し得る
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理及び構成を第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は互いにその長平方向が直交するように配され
かつ電気的に直列回路を構成するように接続されている
。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（２）　、（３）が、また接続中点には出力電圧取出
し用の出力端子（４）がそれぞれ設けられている。電流
端子（２）、（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Ａ、１３を飽和硼化させるに充分な磁界Ｔ
−１を、強磁性体Ａ、Ｈのなす平面において強磁性体Ａ
の長平方向、つまり電流方向に対して角度θ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
抵抗は磁気抵抗の異方性によって変わるので、磁界Ｉ］
のなす角度θに応じて、強磁性体Ａ、Ｂの抵抗ρ、及び
ρ８は次の式％式％ （１） （２） なお上述の（１）及び（２）式において、ρ□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、ρ７ば
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。

一方、第１図の等価回路は第２図のようになるので、出
力端子（４）におりる電圧Ｖ（θ）は、となる。この（
３）式に上記（１）　（２）式を代入して整理すると、 （但しΔρ＝ρ７−ρ□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　（ＶＳＦＶＯ／２）を、第２項は変化量ΔＶ（θ）
をそれぞれ示している。今度化■ΔＶ（θ）に着目する
と、 となる。但し２ρ。＝ρ７＋ρよであり、ρ０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
化が表れ、θが０度又は１８０度、及び９０度又は２７
０度の時に夫々最大値となる。但し変化の方向は反対と
なるので、θが０度及び９０度となる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、出力電圧の変化ば磁界
の強さには関係しないので、磁界Ｉ］の強さがその方向
によって変化したとしても、この変化に関係なく磁界Ｈ
の方向に応した出力を発生できる。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太き（するためには
、強磁性体Ａ、ＢをΔρ／ρ。の大きい磁性材料で構成
する必要がある。例えば’Ｉｆ；　７ｊ％でΔρ／ρ。

が２％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。

（以下余白、次頁につづく。） この中でも８ＯＮｉ−２０Ｃｏ合金はΔρ／ρ。が６．
４８％で一番大きく、しかもＮｉ−Ｆｅ合金に比べて耐
酸化性に優れかつコストも安く、またハンダの乗りが良
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
の他の用件は電源電圧■。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い。消費電力ＷはＶ。０
２乗に比例し、インピーダンスρ。に反比例する＜Ｗ”
Ｖｏ”／２ρ。）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Ｆ
Ｊみを変えなくとも電流通路の幅を狭くで入るので、上
述のインピーダンスρ。を容易に高くでき、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桁人な
る出力電圧を得る事が出来る。

また上述の（３）式においてρ７及びρ□は夫々温度に
依存して変化するが、この変化の際、ρ７及びρよは同
時に変化するので、Δρ及びρ。の温度変化ば極めて小
となって、出力電圧変化量ΔＶ（θ）はほとんど影響を
受けない。

また磁電変換素子（１）は３端子の素子であるので、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、表面清浄化処理が施されたスラ
イドガラス又は写真乾板等の絶縁基板（７）と、この基
板（７）の表面に８ＯＮｉ−２０Ｇｏ合金を６００〜１
０００人の厚さに蒸着した後に不要部分をエツチング除
去して形成された折線状若しくはジグザグ状の強磁性体
Ａ、Ｂと、これらの強磁性体Ａ、Ｂのほぼ中間に形成さ
れている出力端子（４）と、強磁性体Ａ、Ｂの他端側に
形成されている電流端子（２）　、（３）とによって構
成されている。強磁性体式、Ｂば夫々１７木の主電流通
路となる直線部即ち細条要素（８）　、（９）とこれら
の直線部（８）、（９）をその一端にて互いに連結して
いる折曲部即ち接続部（１０）、（１１）とからなって
いる。即ち、強磁性体Ａ、Ｂは、それぞれジグザグ状に
なるように、互いに平行に延びる複数の直線部（８）　
、（９）と、これら複数の直線部（８）　、（９）を順
次接続しかつ互いに平行に延びる複数の折曲部（１０）
、（１１）とからなっている。なお直線部（８）　、（
９）の端部（８ａ）、（９ａ）において強磁性体Δ、Ｂ
は互いに直列に接続されていて、この接続部分から出力
端子（４）が取り出されている。

このように構成したのは、強磁性体Ａ、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Δ、Ｂの抵
抗を人にすることが出来て素子（Ｉ、）のインピーダン
スを高くすることが出来ると共に、素子（１）を小型化
することも可能となる。従って前述したように、消費電
力の増加を押さえかつ出力電圧を大とすることができる
。

また強磁性体Ａの直線部（８）が電流端子（２）側から
出力端子（４）側に向って順次配列される配列方向に沿
った直線部（８）の両端部のそれぞれの包絡線は直線部
（９）とほぼ平行即ち第３図における垂直方向である。

また強磁性体Ｂの直線部（９）が電流端子（３）側から
出力端子（４）側に向イて順次配列される配列方向に沿
った直線部（９）の両端部のそれぞれの包絡線は直線部
（８）とほぼ平行即ち第３図における水平方向である。

故に強磁性体Ａの電流端子（２）側に最も近い直線部分
（８）と強磁性体Ｂの電流端子（３）側に最も近い直線
部分（９）とが互いに適当間隔Ｍｌすれ且つ出力端子（
４）からも適当間隔離れた位置に配置されることになる
。従って第３図から明らかなように、出力端子（４）を
素子（１）の中間位置に、また一対の電流端子（２）、
（３）を素子（１）の両側に配置することが出来、この
ためリード線をこれらの端子（２）　、（３）　、（４
）に接続する配線処理が極めて容易である。

−また直線部（８ン　と直線部（９）とは互いに同数で
あると共に互いにほぼ直交するように配され、また折曲
部（ｌＯ）と直線部（８）とは互いにほぼ直交するとと
もに折曲部（１１）と直線部（９）とは互いにほぼ直交
するように配されている。従って強磁性体Ａの抵抗ρＡ
（θ）と強（〃外体Ｂの抵抗ρ、ｌ（θ）との和を磁界
Ｈのなす角度θに無関係に正確に一定にするのが極めて
容易である。

また強（１１性体Ａ、Ｂは全体としてそれぞれ長方形の
形状に構成されている。なお強磁性体Ａ、Ｂの全体形状
を特に夫々正方形とすると、これらの強磁性体Δ、Ｂを
互いにほぼ同形にしかつ９０゜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、Ｂの全体は、長辺
と短辺との比が２：ｌの長方形の形状となって非常にコ
ンパクトになる。

次に第３図に示す素子（１）の′１．Ｘ性を述べる。強
磁性体Ａ、Ｂの膜厚が例えば（ｌｉ００人である場合に
は、全抵抗２ρ０は２．５にΩとなり、また駆動電圧を
８Ｖにずれば１６０ｒｎＶの出力電圧を発生ずる。この
ときの飽和磁界は５０００以上でありかつ消費電力は約
２６ＩｎＷであって、素子（１）を動作させるのに要す
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２４０ｍＶとなりかつ消費電力
は約５８ｍＷとなる。また強磁性体Ａ、Ｂの膜厚が例え
ば１０００人である場合には、全抵抗２ρ。が１．４に
Ωとなり、駆動電圧を８Ｖにすれば１８０ｍＶの出力電
圧を発生ずる。このときの飽和磁界は５０００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２７’Ｏｍ
Ｖとなりかつ消費電力は約１０３ｍＷとなる。

次に膜厚１０００人の素子（１）を３ＫＯｅ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Δ■（θ）を取りかつ横軸に角度θを取っている。

なお角度原点は第２図における点からπ／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
ザインカーブとなり、上述の（５）式が正しい事が分る
。θが・−π／４で出力電圧は１０４ｍＶ、θが零即ち
角度原点において出力電圧が零、θがπ／４で出力電圧
が約−１０３ｍＶ、θがπ／２で出力電圧が零、θが３
π／４で出力電圧が１０４ｒｎＶ、θ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づいて説明したが、本発明の
技１１’ｒ的思想に基づいて更に変形が可能であること
が理解されよう。例えば、不均一な磁界を加えるときな
どには、強磁性体Ｂを基板（７）の裏側面に設＆Ｊて強
磁性体Ａと基板（７）をへだてて対向させることも勿論
可能である。また第５図に等価回路図で示すように、た
がいに等価の例えば３つの磁電変換素子（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　（θ）１　ρＢ　（θ）−ρ７＋ρ□−
２ρ０、ρ。−一定であるので、各素子がそれぞれ異な
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（１）を直列に接続することも勿論可
能である。また強磁性体Δ、ＢをＮｔ−Ｇ。

合金以外にΔρ／ρ。が大である例えば８ＯＮｉ−２０
Ｆｅ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、Ｂの直線部（８）　、（９
）の幅を更に小さくするなどのように、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、磁界方向検出等に応用
可能である。

更にまた、上述の例では、強磁性体として金属をもちい
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。

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さの変動に対しリミッ
タ作用を有しており、スイッチング特性に極めてΦれた
ものとなる。しかも強磁性体膜を一面上に形成している
ことから、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。

また強磁性体膜からなる第１及び第２の電流通路をほぼ
ジグザグ状に配しているので、強磁性体１模の厚みを変
えなくてもその幅を狭く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雷に長く
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
を抑えることができる。

また、ρ７．．及びρよは夫々温度に依存して同時に変
化するので、Δρ及びρ。の；Ｘ？を度変化は極めて小
となり、出力電圧変化量はほとんど影響を受けない。

また、第１及び第２の電流通路の抵抗値の和を一定とし
ながら、磁場成分の方向の変化に応じてそれぞれの抵抗
値を変化さ−ｌているから、この変化に伴う出力電圧の
変化に基づいて磁場の角度をｍ的に決めることができる
。

更にまた、第１及び第２の電流通路の接続点に出力端子
を、他端側に電流供給端子を設けたので、３端子の素子
となり、一方の電流供給端子を共通にアースでき、周辺
回路を簡単化できる。

また第１の電流通路の複数の細条要素が第１の電流供給
端子側から出力一端子側に向かって順次配列される配列
方向に沿った第１の電流通路の複数の細条要素の両端部
のそれぞれの包絡３５）は第２の電流通路の細条要素と
ほぼ平行に構成され、また第２の電流通路の複数の細条
要素が第２の電流供給端子側から出力端子側に向かって
順次配列される配列方向に沿った第２の電流ｉｉｌ路の
複数の細条要素の両端部のそれぞれの包絡線は第１の電
流通路の細条要素とほぼ平行に構成されている。故に一
対の電流供給端子を互いに適当間隔離して配置しかつこ
れらの電流供給端子と出力端子とを適当間隔離して配置
するのが極めて容易であり、従ってこれらの端子にリー
ド線などを接続するような配線処理を極めて容易に行う
ことが可能である。

また第１及び第２の電流通路は、それぞれジグザグ状に
なるように、互いに平行に延びる複数の細条要素と、こ
れら複数の細条要素を順次接続しかつ互いに平行に延び
る複数の接続部とから成り、第１の電流通路の細条要素
と第２の電流通路の細条要素とは互いに同数であると共
に互いにほぼ直交するように配され、第１の電流通路の
接続部と第１の電流通路の細条要素とは互いにほぼ直交
すると共に第２の電流通路の接続部と第２の電流通路の
細条要素とは互いにほぼ直交するように配され、第１及
び第２の電流通路の複数の細条要素が第１及び第２の電
流供給端子側から前記出力端子側に向かって順次配列さ
れる配列方向に沿った第１及び第２の電流通路の複数の
細条要素の両端部のそれぞれの包絡線は第２及び第１の
電流通路の細条要素とほぼ平行に構成されている。故に
第１の電？Ｊｉ通路の抵抗と第２の電流通路の抵抗との
和を＆’を場成分の角度にｊＪＨ％関係に正確に一定に
するのが極めて容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の磁電変換素子の概略原理図、第２図は
第１図に示す素子の等価回路図、第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
。 なお図面に用いられた符号において、（１）は磁電変換
素子、（２）　、（３）は電流端子、（４）は出力端子
、Ａ、Ｂば磁気抵抗特性を有する強磁性体である。 代理人　土圧　勝 〃　常包芳男

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ａ）、それぞれ異方性のある磁気抵抗効果を有しかつ
   基板の一面上に設けられた強磁性体膜がらなり、互いに
   直列に接続された第１及び第２の電流通路、 （１））　、前記第１及び第２の電流通路のそれぞれの
   一端をつなぐ接続点に設けられた出力端子、（Ｃ）、前
   記第１及び第２の電流通路のそれぞれの他端側に設けら
   れた第１及び第２の電流供給端子、 をそれぞれ具備し、前記第１及び第２の電流通路は、そ
   れぞれジグザグ状になるように、互いに平行に延びる複
   数の細条要素と、これら複数の細条要素を順次接続しか
   つ互いに平行に延びる複数の接続部とから成り、前記第
   １の電流通路の細条要素と前記第２の電流通路の細条要
   素とは互いに同数であると共に互いにほぼ直交するよう
   に配され、前記第１の電流通路の接続部と前記第１の電
   流通路の細条要素とは互いにほぼ直交すると共に前記第
   ２の電流通路の接続部と前記第２の電流通路の細条要素
   とは互いにほぼ直交するように配され、前記第１の電流
   通路の複数の細条要素が前記第１の電流供給端子側から
   前記出力端子側に向かって順次配列される配列方向に沿
   った前記第１の電流通路の複数の細条要素の両端部のそ
   れぞれの包絡線は前記第２の電流通路の細条要素とほぼ
   平行に構成され、前記第２の電流通路の複数の細条要素
   が前記第２の電流供給端子側から前記出力端子側に向か
   って順次配列される配列方向に沿った前記第２の電流通
   路の複数の細条要素の両端部のそれぞれの包絡″に石）
   は前記第１の電流通路の細条要素とほぼ平行に（１：￥
   成され、前記基板の面にほぼ平行な′磁場成分の方向の
   変化に応じて、前記第１及び第２の電流、ｉＩ回路の抵
   抗値の和を一定にしながら、これらの抵抗値のそれぞれ
   が変化し、この変化に伴う前記出力端子の電圧の変化を
   検出するように構成したことを特徴とする磁電変換素子
   。