JP5206962B2 - 回転角度センサ - Google Patents

Description

この発明は回転角度センサに関し、特に、回転体の回転角度を検出する回転角度センサに関する。より特定的には、この発明は、自動車エンジンのカムシャフトの回転角度や、工作機器や電車車両などの各種機械のモーターの回転角度を磁気的に検出する回転角度センサに関する。

近年、自動車エンジンのバルブの開閉状態をモニタするため、カムシャフトの回転角度を磁気的に検出する回転角度センサが使用されている。この回転角度センサでは、カム軸に固定されたバイアス磁石の回転に伴って変化する磁界を磁気抵抗素子によって検知する。磁気抵抗素子は、磁界変化に伴って抵抗値が変化する素子である。磁気抵抗素子としては、ホール素子、ＡＭＲ（An-Isotropic Magnetro Resistance:異方性磁気抵抗）素子、ＧＭＲ（Giant Magnetro Resistance:巨大磁気抵抗）素子などがある（たとえば、特許文献１参照）。

また、磁気抵抗素子には、磁界の方向を検出する素子もあり、たとえば、先に示したスピンバルブ構造を利用したＧＭＲ素子でも磁界方向を検知することができる。また、ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance:トンネル磁気抵抗）素子やＡＭＲ（An-Isotropic Magneto Resistance:異方性磁気抵抗）素子が挙げられる。特に、ＴＭＲ素子は、その抵抗変化率がホール素子、ＡＭＲ素子、ＧＭＲ素子の抵抗変化率よりも１から２桁も大きく、電気ノイズに対する許容度が大きな高感度の磁気抵抗素子である。
特開平２００１−１５９５４２号公報

このような磁界の方向を検出する磁気抵抗素子を利用して被検出体の絶対角度位置を検出するためには、回転体にバイアス磁石を取り付ける際に取り付け誤差が発生したり、磁気抵抗素子を構成するチップのサイズが大きかったりする場合でも、磁界のゆがみによる検出誤差を抑制するために、回転体に固定されたバイアス磁石からの磁界の方位が広い範囲にわたって均一であることが必要である。したがって、磁気抵抗素子を用いた回転角度センサの開発には、方位が均一の磁界を磁気抵抗素子の周囲の空間に形成しなければならないという課題があった。

この発明の主たる目的は、高精度の回転角度センサを提供することである。

この発明に係る回転角度センサは、回転体の回転角度を検出する回転角度センサであって、１対のバイアス磁石と、磁気抵抗素子と、磁束ガイドを備えたものである。１対のバイアス磁石は、回転体の回転中心線と直交する直線に沿って回転中心線の両側に設けられ、回転体とともに回転する。磁気抵抗素子は、１対のバイアス磁石の間に設けられ、１対のバイアス磁石間の磁界の方向に応じて抵抗値が変化する。磁束ガイドは、１対のバイアス磁石間の磁界を均一化する。この磁束ガイドは、それぞれ１対のバイアス磁石に対応して設けられ、各々が対応するバイアス磁石の磁気抵抗素子側の端面に設けられた１対の磁性部材を含む。各磁性部材の磁気抵抗素子側の端面には、回転中心線と平行な方向に延在するＶ字型の溝が形成されている。各磁性部材の対応するバイアス磁石側の端面の幅は、磁気抵抗素子側の端面の幅よりも狭く、対応するバイアス磁石の幅よりも広い。

この発明に係る回転角度センサでは、１対のバイアス磁石間の磁界を均一化する磁束ガイドが設けられる。この磁束ガイドは、それぞれ１対のバイアス磁石に対応して設けられ、各々が対応するバイアス磁石の磁気抵抗素子側の端面に設けられた１対の磁性部材を含む。各磁性部材の磁気抵抗素子側の端面には、回転中心線と平行な方向に延在するＶ字型の溝が形成されている。各磁性部材の対応するバイアス磁石側の端面の幅は、磁気抵抗素子側の端面の幅よりも狭く、対応するバイアス磁石の幅よりも広い。したがって、磁気抵抗素子に均一な磁界を印加することができるので、高精度な回転角度センサを実現することができる。

以下の実施の形態では、磁界方向を検出するための磁気抵抗素子として、最も感度が高いＴＭＲ素子を用いた場合について説明するが、他の磁気抵抗素子を用いても同様の効果を得ることが可能である。

図１は、この発明の一実施の形態による回転角度センサの構成を示す斜視図であり、図２は、その上面図である。図１および図２において、この回転角度センサは、１対のバイアス磁石１，２、１対の磁性部材３，４、ＴＭＲ素子基板５、および支持台６を備える。この回転角度センサは、たとえば、自動車エンジンのバルブの開閉状態をモニタするため、カムシャフトの回転角度を磁気的に検出する。

バイアス磁石１，２は、カムシャフトに固定されており、カムシャフトとともに回転する。バイアス磁石１，２は、カムシャフトの回転軸（Ｚ軸）と直交する直線に沿ってＺ軸の一方側および他方側にそれぞれ配置されている。バイアス磁石１，２のＮ極およびＳ極はＺ軸と直交する直線の長さ方向に沿って配置され、バイアス磁石１のＮ極とバイアス磁石２のＳ極は対向して配置されている。

磁性部材３，４は、それぞれバイアス磁石１，２の内側の端面に接合されている。磁性部材３，４は、バイアス磁石１，２間の磁界を均一化する磁束ガイドを構成する。磁性部材３，４の各々は、上方から見ると、魚の尾のような形状を有している。

すなわち、磁性部材３は、上方から見ると、外側（バイアス磁石１側）の幅Ｓ１よりも内側（バイアス磁石２側）の幅Ｓ２の方が大きく形成されており、その内側の端面にはＺ軸と平行な方向に延在するＶ字形の溝３ａが形成されている。外側の幅Ｓ１は、バイアス磁石１の幅よりも大きく形成されている。溝３ａの幅Ｌｙは、磁性部材３，４間の距離Ｌｘの半分程度に設定されている。

同様に、磁性部材４は、上方から見ると、外側（バイアス磁石２側）の幅Ｓ１よりも内側（バイアス磁石１側）の幅Ｓ２の方が大きく形成されており、その内側の端面にはＺ軸と平行な方向に延在するＶ字形の溝４ａが形成されている。外側の幅Ｓ１は、バイアス磁石２の幅よりも大きく形成されている。溝４ａの幅Ｌｙは、磁性部材３，４間の距離Ｌｘの半分程度に設定されている。

ＴＭＲ素子基板５は、バイアス磁石１，２の中間位置に設けられ、支持台６の表面に固定されている。ＴＭＲ素子基板５は、そのピン方向が回転軸（Ｚ軸）に対して垂直な平面（ＸＹ平面）内に位置するように支持台６上に固定されており、バイアス磁石１，２の回転に伴って変化する磁界の方向を検出する。

図３は、磁性部材３，４間の磁束の分布を示す図である。図３において、磁界は磁性部材３の溝３ａの両側の縁付近から放出され、反対側の磁性部材４の溝４ａの両側の縁付近で吸収される。ＴＭＲ素子基板５が設置された回転中心軸付近では、磁界の方向は広い領域で均一にＸ軸方向を向いており、磁束密度は広い領域で均一化されている。また、磁性部材３，４の外側の幅Ｓ１をバイアス磁石１，２の幅よりも大きくしたので、ＴＭＲ素子基板５付近の磁界強度を大きくすることができる。

図４（ａ）はＴＭＲ素子基板５の構成を示す図であり、同図（ｂ）はその構成を示す回路図である。ＴＭＲ素子基板５は、図４（ａ）に示すように、基板１０と、その表面に形成された４つのＴＭＲ素子１１〜１４とを含む。ＴＭＲ素子１１，１２は磁界の方向を検出するために使用され、ＴＭＲ素子１３，１４は、たとえば、エンジンルームでの温度変化に伴なうＴＭＲ素子１１，１２の特性変化を補正するために設けられている。

これら４つのＴＭＲ素子１１〜１４により、図４(ｂ)に示すようなブリッジ回路が構成され、基板１０の上に配線されている。また、基板１０の表面には、ＴＭＲ素子１１〜１４の他に、ブリッジ回路からの電気信号を増幅するための差動アンプ１５や信号処理回路（図示せず）なども形成され、外的環境による電気ノイズの低減を図っている。

詳しく説明すると、ＴＭＲ素子１１，１４は電源電圧Ｖｉのラインと接地電圧ＧＮＤのラインとの間に直列接続され、ＴＭＲ素子１３，１２は電源電圧Ｖｉのラインと接地電圧ＧＮＤのラインとの間に直列接続されている。ＴＭＲ素子１１，１４の間のノードは差動アンプの反転入力端子（−端子）に接続され、ＴＭＲ素子１３，１２の間のノードは差動アンプの非反転入力端子（＋端子）に接続される。これにより、磁界の方向が変化することによるＴＭＲ素子１１〜１４の抵抗値の変化は差動アンプ１５の出力電圧ＶＯに変換される。

ＴＭＲ素子１１，１２の各々の抵抗値をＲｓとし、ＴＭＲ素子１３，１４の各々の抵抗値をＲｒとし、差動アンプ１５の増幅率をＧとすると、差動アンプ１５の出力電圧ＶＯは次式（１）で表わされる。
ＶＯ＝ＧＶｉ（Ｒｓ−Ｒｒ）／（Ｒｓ＋Ｒｒ） …（１）
ＴＭＲ素子１１〜１４の各々は、電子スピンの方向が固定されているピン層と、トンネル層と、電子スピンの方向が外部磁界方向に依存するフリー層との積層構造を有する。ＴＭＲ素子１１〜１４の各々の抵抗値Ｒ（θ）は、外部磁界の方向によって次式（２）のように表わされる。
Ｒ（θ）≒Ｒα−Ｒβｃｏｓθ …（２）
ここで、ｃｏｓθは、ＴＭＲ素子１１〜１４の各々におけるピン層の電子スピンの方向（基準方向）と、外部磁界方向との成す角度の余弦である。ＲαとＲβは外部磁界の大きさには依存しないので、Ｒ（θ）は外部磁界方向のみで決まる値である。ピン層の電子スピンの方向と外部磁界方向に依存するフリー層の電子スピンの方向が平行である場合はＲ（θ）は最小値｜Ｒα−Ｒβ｜となり、反平行である場合は（θ）は最大値（Ｒα＋Ｒβ）となる。

数式（１）（２）から、ＴＭＲ素子１１〜１４における外部磁界方向と出力電圧ＶＯの関係が決まる。この実施の形態においては、ＴＭＲ素子１１，１２のピン層の電子スピンの方向と、ＴＭＲ素子１３，１４のピン層の電子スピンの方向が１８０°反転した方向を向いている。このとき、一方向を向いた外部磁界においては、ＴＭＲ素子１１，１２とＴＭＲ素子１３，１４では、数式（２）の第２項の符号が異なることになり、数式（１）の分母が外部磁界の方向ｃｏｓθに依らない定数となるので、出力電圧はｃｏｓθに比例した波形を示す。

この結果、たとえば、図５に示すような正弦波状の出力波形が得られた。ただし、磁気抵抗比が２０％のＴＭＲ素子１１〜１４を使用し、バイアス電圧Ｖｉを２Ｖとし、ゲインＧが５の差動アンプ１５を使用した。図５から分かるように、波形歪が極めて小さな出力波形を得ることができた。また、出力振幅に関しても、ＴＭＲ素子は磁気抵抗比が大きいので、ＡＭＲ素子を使用した場合と比べて、１桁以上大きな出力を得ることができた。回転の絶対角度は、このような正弦波の出力電圧ＶＯをデジタル信号に変換することにより得られる。

次に、バイアス磁石１，２に対するＴＭＲ素子基板５の取り付け位置の誤差の影響について説明する。図６は、バイアス磁石１，２の回転の中心軸とＴＭＲ素子基板５との距離を変えた場合の出力波形の歪から見積もった角度誤差の一例を示す図である。これらのデータは、磁気抵抗比が２０％のＴＭＲ素子１１〜１４を使用し、対向する２つの磁性部材３，４間の距離Ｌｘを７ｍｍとし、溝３ａ，４ａの幅Ｌｙを変えた場合のセンサの出力電圧ＶＯの波形から見積もったものである。

図６のデータから、ＴＭＲ素子基板５がバイアス磁石１，２の回転の中心軸から離れるに従って、角度誤差が一様に増加することが分かる。また、特定の比（Ｌｙ／Ｌｘ＝０．６３）において角度誤差が小さくなることが分かる。

ＴＭＲ素子基板５がバイアス磁石１，２の回転の中心軸から１ｍｍだけ離れたとき、ＬｘとＬｙの比を変えた場合の角度誤差をプロットしたデータを図７に示す。図７から、特定の比（Ｌｙ／Ｌｘ＝０．６３）において角度誤差が最小値を有し、検出角度の精度が向上することが分かる。このデータは、Ｌｘ＝７ｍｍの場合の結果であるが、Ｌｘが他の値の場合でも、本実施の形態の形状の磁性部材３，４を用いた場合は、Ｌｙ／Ｌｘ＝０．６３で角度検出精度が最適となる．
以上のように、本実施の形態によれば、磁束方向の変化を検出する磁気抵抗素子としてＴＭＲ素子の特長を最大限に活かし、高感度で、かつ大出力であり、その取り付け精度の許容度を大幅に向上した回転角度センサを実現することが可能となる。

また、図８は、この実施の形態の変更例を示す図であって、図２と対比される図である。ただし、ＴＭＲ素子基板５および支持台６の図示は省略されている。図８において、この変更例では、磁性部材３，４がそれぞれ磁性部材２１，２２で置換される。磁性部材２１，２２の各々は、コの字形の断面を有する。磁性部材２１，２２の内側の端面には、Ｚ軸と平行な方向に延在する角型の溝２１ａ，２２ａがそれぞれ形成されている。この変更例でも、実施の形態と同じ効果が得られる。

なお、この変更例では、ＬｘとＬｙの比Ｌｙ／Ｌｘが実施の形態に比べてやや小さな値（０．５程度）のときに角度精度が向上する。また、図９に示すように、磁性部材２１，２２の各々の外側のＺ軸と平行な角を斜めに削ってもよい。

また、図１０は、この実施の形態の他の変更例を示す図であって、図２と対比される図である。ただし、ＴＭＲ素子基板５および支持台６の図示は省略されている。図１０において、この変更例では、磁性部材３，４がそれぞれ磁性部材２３，２４で置換される。磁性部材２３，２４の各々は、楕円を２分割した形状を有し、Ｕ字形の断面を有する。磁性部材２３，２４の内側の端面には、Ｚ軸と平行な方向に延在するＵ字形の溝２３ａ，２４ａがそれぞれ形成されている。この変更例でも、実施の形態と同じ効果が得られる。

なお、この変更例でも、ＬｘとＬｙの比Ｌｙ／Ｌｘが実施の形態に比べてやや小さな値（０．５程度）のときに角度精度が向上する。また、図１１に示すように、磁性部材２３，２４の各々が円を２分割した形状を有していてもよい。

また、この実施の形態では、磁界を検出する素子としてＴＭＲ素子を用いたが、磁気抵抗素子としてＡＭＲ素子やＧＭＲ素子を用いても、同じ効果を得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の一実施の形態による回転角度センサの構成を示す斜視図である。 図１に示した回転角度センサの構成を示す上面図である。 図１に示した１対の磁性部材間の磁束の分布を示す図である。 図１に示したＴＭＲ素子基板の構成を示す図である。 図１に示した回転角度センサの角度と出力電圧の関係を示す図である。 図１に示した１対のバイアス磁石の回転軸とＴＭＲ素子基板との位置ずれと角度精度との関係を示す図である。 図２に示したＬｙ／Ｌｘと角度精度との関係を示す図である。 実施の形態の変更例を示す図である。 実施の形態の他の変更例を示す図である。 実施の形態のさらに他の変更例を示す図である。 実施の形態のさらに他の変更例を示す図である。

符号の説明

１，２ バイアス磁石、３，４，２１〜２４ 磁性部材、３ａ，４ａ，２１ａ〜２４ａ 溝、５ ＴＭＲ素子基板、６ 支持台、１０ 基板、１１〜１４ ＴＭＲ素子、１５ 差動アンプ。

Claims (2)

1. 回転体の回転角度を検出する回転角度センサであって、
   前記回転体の回転中心線と直交する直線に沿って前記回転中心線の両側に設けられ、前記回転体とともに回転する１対のバイアス磁石と、
   前記一対のバイアス磁石の間に設けられ、前記１対のバイアス磁石間の磁界の方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子と、
   前記１対のバイアス磁石間の磁界を均一化する磁束ガイドとを備え、
   前記磁束ガイドは、それぞれ前記１対のバイアス磁石に対応して設けられ、各々が対応するバイアス磁石の前記磁気抵抗素子側の端面に設けられた１対の磁性部材を含み、
   各磁性部材の前記磁気抵抗素子側の端面には、前記回転中心線と平行な方向に延在するＶ字型の溝が形成され、
   各磁性部材の対応するバイアス磁石側の端面の幅は、前記磁気抵抗素子側の端面の幅よりも狭く、対応するバイアス磁石の幅よりも広い、回転角度センサ。
2. 前記溝の幅は、前記１対の磁性部材間の距離の０．４〜０．８倍に設定されている、請求項１に記載の回転角度センサ。

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