(57)【要約】【課題】磁性部材の移動方向を検出することができると共に、磁気の検出精度を向上させることができる磁気センサを提供する。【解決手段】第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２は、第１のピン磁性層４６の磁化方向と第２のピン磁性層４６の磁化方向とが互いに垂直に配置され、第１のピン磁性層４６と第２のピン磁性層４６とが磁極配置面３４に対して垂直な方向に配置されている。第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４も、同様の構成である。また、第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２と第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４とは、着磁ロータ３０の上方において磁極３２、３３の配置方向に並んで配置されている。そして、第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２及び第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４は、第１のピン磁性層４６の磁化方向が同じになっていると共に、第２のピン磁性層４６の磁化方向が同じになっている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の磁場の影響を受けて磁化方向が変化するフリー磁性層（４８）と、磁化方向が固定されたピン磁性層（４６）と、を有する磁気抵抗素子（４１〜４４）を複数備えており、
前記複数の磁気抵抗素子（４１〜４４）は、磁極（３２、３３）が交互に配置された磁性部材（３０）の磁極配置面（３４）の上方に配置されると共に、前記磁性部材（３０）が前記磁極（３２、３３）の配置方向に移動することに伴って前記磁極（３２、３３）の配列を検出するように構成された磁気センサであって、
前記複数の磁気抵抗素子（４１〜４４）は、第１のピン磁性層（４６）の磁化方向と第２のピン磁性層（４６）の磁化方向とが互いに垂直に配置されていると共に、前記第１のピン磁性層（４６）と前記第２のピン磁性層（４６）とが前記磁極配置面（３４）に対して垂直な方向に配置された第１の一対の磁気抵抗素子（４１、４２）及び第２の一対の磁気抵抗素子（４３、４４）によって構成され、
前記第１の一対の磁気抵抗素子（４１、４２）と前記第２の一対の磁気抵抗素子（４３、４４）とは、前記磁性部材（３０）の上方において前記磁極（３２、３３）の配置方向に並んで配置されており、
さらに、前記第１の一対の磁気抵抗素子（４１、４２）及び前記第２の一対の磁気抵抗素子（４３、４４）は、前記第１のピン磁性層（４６）の磁化方向が同じになっていると共に、前記第２のピン磁性層（４６）の磁化方向が同じになっていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記複数の磁気抵抗素子（４１〜４４）は、ＳＶ−ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記磁性部材（３０）は、車両のカムシャフト、クランクシャフト、車輪速センサの車速検出対象であるシャフトのいずれかに取り付けられた回転体であると共に、前記回転体の外周部に前記磁極（３２、３３）が設けられたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記第１の一対の磁気抵抗素子（４１、４２）の第１検出信号と、前記第２の一対の磁気抵抗素子（４３、４４）の第２検出信号と、に基づいて４逓倍の出力信号を生成して出力する処理回路（５０）を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性部材の移動方向を検出する磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、任意の磁極の配列を検出する磁気式位置検出装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、特許文献１では、磁極が配列された磁極配列面を有する磁気部材の上方において磁極配列面に垂直な方向すなわち法線方向に２対の磁気抵抗素子が配置された磁気式位置検出装置の構成が提案されている。
【０００３】
磁気抵抗素子は、磁化方向が固定されたピン層を有している。２個の磁気抵抗素子は、ピン層の磁化方向が互いに垂直になるように積層されることで１対の磁気抵抗素子を構成している。
【０００４】
そして、２対の磁気抵抗素子は、磁気部材による外部磁界に対して感磁面がそれぞれ平行になると共に、対をなす磁気抵抗素子同士のピン層の磁化方向が互いに垂直になるように、磁気部材の上方に配置される。すなわち、４個の磁気抵抗素子は、４個のピン層の磁化方向が互いに垂直になると共に磁気部材の磁極の配列方向に対して同一位置に配置されるように、磁極配列面の法線方向に積層されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２３１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術では、４個の磁気抵抗素子が磁気部材の磁極の配列方向に対して同一位置に配置されている。このため、磁気部材が磁極の配列方向に沿って移動する場合に４個の磁気抵抗素子が磁気部材の移動方向に伴って変化する磁界の強度の差異を検出することができない。したがって、従来の磁気式位置検出装置では、磁気部材が磁極の配列方向の一方の方向に移動したのか、またはこの一方の方向に対して反対側の方向に移動したのかを検出することができないという問題がある。
【０００７】
また、磁気部材から各ピン層までのギャップの大きさがそれぞれ異なるので、磁気部材から最も遠いピン層は磁気部材から最も近いピン層よりも磁気部材から受ける磁界の強度が小さくなる。このため、磁気部材から最も遠いピン層の検出精度が低下してしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は上記点に鑑み、磁性部材の移動方向を検出することができると共に、磁気の検出精度を向上させることができる磁気センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、外部の磁場の影響を受けて磁化方向が変化するフリー磁性層（４８）と、磁化方向が固定されたピン磁性層（４６）と、を有する磁気抵抗素子（４１〜４４）を複数備えている。
【００１０】
また、複数の磁気抵抗素子（４１〜４４）は、磁極（３２、３３）が交互に配置された磁性部材（３０）の磁極配置面（３４）の上方に配置されると共に、磁性部材（３０）が磁極（３２、３３）の配置方向に移動することに伴って磁極（３２、３３）の配列を検出するように構成された磁気センサであって、以下の点を特徴としている。
【００１１】
まず、複数の磁気抵抗素子（４１〜４４）は、第１のピン磁性層（４６）の磁化方向と第２のピン磁性層（４６）の磁化方向とが互いに垂直に配置されていると共に、第１のピン磁性層（４６）と第２のピン磁性層（４６）とが磁極配置面（３４）に対して垂直な方向に積層された第１の一対の磁気抵抗素子（４１、４２）及び第２の一対の磁気抵抗素子（４３、４４）によって構成されている。
【００１２】
また、第１の一対の磁気抵抗素子（４１、４２）と第２の一対の磁気抵抗素子（４３、４４）とは、磁性部材（３０）の上方において磁極（３２、３３）の配置方向に並んで配置されている。さらに、第１の一対の磁気抵抗素子（４１、４２）及び第２の一対の磁気抵抗素子（４３、４４）は、第１のピン磁性層（４６）の磁化方向が同じになっていると共に、第２のピン磁性層（４６）の磁化方向が同じになっていることを特徴とする。
【００１３】
これによると、第１の一対の磁気抵抗素子（４１、４２）と第２の一対の磁気抵抗素子（４３、４４）とは、磁性部材（３０）の磁極（３２、３３）の配置方向において同じ構成になっている。このため、磁性部材（３０）が磁極（３２、３３）の配置方向に移動したとき、第１の一対の磁気抵抗素子（４１、４２）及び第２の一対の磁気抵抗素子（４３、４４）のいずれか一方が他方よりも先に磁極（３２、３３）の磁界を検出することができる。したがって、磁性部材（３０）の移動方向を検出することができる。
【００１４】
また、第１の一対の磁気抵抗素子（４１、４２）及び第２の一対の磁気抵抗素子（４３、４４）は、それぞれ磁極配置面（３４）から第１のピン磁性層（４６）及び第２のピン磁性層（４６）までの距離すなわちギャップが同じである。このため、第１の一対の磁気抵抗素子（４１、４２）及び第２の一対の磁気抵抗素子（４３、４４）を磁極配置面（３４）から同じ距離に配置することができる。すなわち、第１の一対の磁気抵抗素子（４１、４２）と第２の一対の磁気抵抗素子（４３、４４）とで磁界の検出精度に差が生じないようにすることができる。したがって、磁界の検出精度を向上させることができる。
【００１５】
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁気センサと着磁ロータを示した図である。
【図２】図１に示された磁気センサの構成図である。
【図３】磁気抵抗素子の断面図である。
【図４】磁気抵抗素子のピン磁性層の配置を説明するための図である。
【図５】磁気センサの動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る磁気センサは、例えば内燃機関におけるクランク角を検出するセンサとして構成されている。図１に示されるように、磁気センサ１０は、エンジンのクランクシャフト２０に固定された回転体である着磁ロータ３０の外周部３１に対向して配置されている。磁気センサ１０は、エンジンの各種制御を行う図示しないエンジンＥＣＵに電気的に接続されている。
【００１８】
着磁ロータ３０は、クランクシャフト２０に取り付けられた回転体であると共に、着磁ロータ３０の外周部３１にＮ極とＳ極の磁極３２、３３が交互に設けられたものである。着磁ロータ３０の外周部３１は平面状の磁極配置面３４になっている。
【００１９】
磁気センサ１０は、着磁ロータ３０の回転に伴って磁極３２、３３の配列を検出するように構成されたセンサである。具体的には、磁気センサ１０は、着磁ロータ３０の回転に伴って外周部３１の位置すなわちクランク角に応じたパルス状の出力信号をエンジンＥＣＵに出力するセンサである。本実施形態では、磁気センサ１０はクランク角センサとして構成されている。
【００２０】
図２に示されるように、磁気センサ１０は、検出素子４０及び処理回路５０を有している。検出素子４０は、着磁ロータ３０の磁極配置面３４の上方に所定のギャップ（ＧＡＰ）を持って配置される。また、検出素子４０は複数の磁気抵抗素子を有している。本実施形態では、各磁気抵抗素子はＳＶ−ＧＭＲ素子（spin-valve Giant Magneto Resistance；ＳＶ−ＧＭＲ）として構成されている。
【００２１】
図３に示されるように、磁気抵抗素子４１〜４４は、下部電極４５の上にピン磁性層４６、非磁性層４７、フリー磁性層４８、及び上部電極４９が順に形成された積層構造を有している。ピン磁性層４６は、磁化方向が固定された強磁性金属層である。非磁性層４７は、例えばフリー磁性層４８からピン磁性層４６に電流を流すための絶縁層である。フリー磁性層４８は、外部の磁場の影響を受けて磁化方向が変化する強磁性金属層である。
【００２２】
図４に示されるように、検出素子４０は４つの磁気抵抗素子４１〜４４を有して構成されている。具体的には、４つの磁気抵抗素子４１〜４４は、第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２と第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４とに分けられている。
【００２３】
第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２のうちの一方の磁気抵抗素子４１は、着磁ロータ３０の磁極配置面３４に垂直な法線方向において、磁極配置面３４側に配置されている。他方の磁気抵抗素子４２は、磁極配置面３４を基準として一方の磁気抵抗素子４１の上に配置されている。すなわち、一方の磁気抵抗素子４１の第１のピン磁性層４６と他方の磁気抵抗素子４２の第２のピン磁性層４６とが磁極配置面３４に対して垂直な方向に配置されている。図４では、ピン磁性層４６の磁化方向が示されている。
【００２４】
また、一方の磁気抵抗素子４１の第１のピン磁性層４６の磁化方向と他方の磁気抵抗素子４２の第２のピン磁性層４６の磁化方向とは互いに垂直に配置されている。本実施形態では、一方の磁気抵抗素子４１の第１のピン磁性層４６の磁化方向は法線方向であって磁極配置面３４側を向いた方向であり、他方の磁気抵抗素子４２の第２のピン磁性層４６の磁化方向は、着磁ロータ３０の周方向であって回転方向と同じ方向である。
【００２５】
そして、一方の磁気抵抗素子４１から出力される信号は、正弦値すなわちｓｉｎθを含む信号となる。この信号を例えば「ｓｉｎＡ」とする。一方、他方の磁気抵抗素子４２から出力される信号は余弦値すなわちｃｏｓθを含む信号となる。この信号を例えば「ｃｏｓＡ」とする。第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２は、ｓｉｎＡ及びｃｏｓＡの信号を第１検出信号として処理回路５０に出力する。
【００２６】
第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４についても上記の同様の配置となる。すなわち、着磁ロータ３０の磁極配置面３４の法線方向において、磁極配置面３４を基準として一方の磁気抵抗素子４３は磁極配置面３４側に配置され、他方の磁気抵抗素子４４は一方の磁気抵抗素子４３の上に配置されている。したがって、一方の磁気抵抗素子４３の第１のピン磁性層４６と他方の磁気抵抗素子４４の第２のピン磁性層４６とが磁極配置面３４に対して垂直な方向に配置される。
【００２７】
また、一方の磁気抵抗素子４３の第１のピン磁性層４６の磁化方向と他方の磁気抵抗素子４３の第２のピン磁性層４６の磁化方向とは互いに垂直に配置されている。本実施形態では、一方の磁気抵抗素子４３の第１のピン磁性層４６の磁化方向は磁気抵抗素子４１と同じ方向であり、他方の磁気抵抗素子４２の第２のピン磁性層４６の磁化方向は磁気抵抗素子４２と同じ方向である。
【００２８】
そして、一方の磁気抵抗素子４３から出力される信号は、正弦値すなわちｓｉｎθを含む信号となる。この信号を例えば「ｓｉｎＢ」とする。一方、他方の磁気抵抗素子４４から出力される信号は余弦値すなわちｃｏｓθを含む信号となる。この信号を例えば「ｃｏｓＢ」とする。第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４は、ｓｉｎＢ及びｃｏｓＢの信号を第２検出信号として処理回路５０に出力する。
【００２９】
このような配置において、第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２及び第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４のうちの磁気抵抗素子４１、４３のピン磁性層４６の磁化方向が同じ方向である。また、磁気抵抗素子４２、４４のピン磁性層４６の磁化方向が同じ方向である。
【００３０】
さらに、図４に示されるように、第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２と第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４とは、着磁ロータ３０の上方において磁極３２、３３の配置方向すなわち着磁ロータ３０の回転方向に並んで配置されている。したがって、磁気抵抗素子４１、４３と磁極配置面３４とのギャップは同じであり、磁気抵抗素子４２、４４と磁極配置面３４とのギャップは同じである。
【００３１】
本実施形態では、第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２が着磁ロータ３０の回転上流側に配置され、第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４が着磁ロータ３０の回転下流側に配置されている。つまり、着磁ロータ３０の回転方向において回転上流側と回転下流側に全く同じ構成の２つの一対の磁気抵抗素子４１〜４４が配置されている。
【００３２】
言い換えると、各磁気抵抗素子４１〜４４は磁界の検出方向がペア同士で法線方向に対して線対称になるようにレイアウトされている。この場合の線対称とは、同ギャップとなるように同面積のエリアを使うことを示している。すなわち、図４に示されるように磁界の検出方向はｓｉｎＡ、ｓｉｎＢで同じ方向であり、ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢで同じ方向となる。
【００３３】
処理回路５０は、検出素子４０から入力した検出信号に基づいて、着磁ロータ３０の回転角度すなわち回転位置を示す回転信号を取得する機能と、着磁ロータ３０の回転方向を取得する機能を有している。さらに、処理回路５０は、第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２の第１検出信号と、第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４の第２検出信号と、に基づいて、４逓倍の出力信号を生成してエンジンＥＣＵに出力する機能を有している。以上が、本実施形態に係る磁気センサ１０の全体構成である。
【００３４】
次に、本実施形態に係る磁気センサ１０の作動について、図５を参照して説明する。なお、図５では円板状の着磁ロータ３０の外周部３１が直線状に描かれている。
【００３５】
図５に示されるように、着磁ロータ３０が回転すると、第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２のうちの磁気抵抗素子４１によってｓｉｎ波形（ｓｉｎＡ）が検出され、磁気抵抗素子４２によってｃｏｓ波形（ｃｏｓＡ）が検出される。また、第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４のうちの磁気抵抗素子４３によってｓｉｎ波形（ｓｉｎＢ）が検出され、磁気抵抗素子４４によってｃｏｓ波形（ｃｏｓＢ）が検出される。
【００３６】
ここで、ｓｉｎＡとｓｉｎＢの位相、及び、ｃｏｓＡとｃｏｓＢとの位相がずれている。また、ｓｉｎＡ及びｃｏｓＡがｓｉｎＢ及びｃｏｓＢよりも先に検出されている。これは、着磁ロータ３０の回転方向に対して第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２が第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４よりも回転上流側に位置しているからである。
【００３７】
また、ｓｉｎＡ及びｓｉｎＢの振幅よりもｃｏｓＡ及びｃｏｓＢの振幅が小さくなっている。これは、ｓｉｎＡを検出する磁気抵抗素子４１及びｓｉｎＢを検出する磁気抵抗素子４３と磁極配置面３４とのギャップよりも、ｃｏｓＡを検出する磁気抵抗素子４２及びｃｏｓＢを検出する磁気抵抗素子４４と磁極配置面３４とのギャップが大きいからである。
【００３８】
そして、処理回路５０は、着磁ロータ３０の回転に伴って、第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２から第１検出信号（ｓｉｎＡ、ｃｏｓＡ）を入力すると共に、第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４から第２検出信号（ｓｉｎＢ、ｃｏｓＢ）を入力する。処理回路５０は、これらの信号に基づいて信号処理を行う。
【００３９】
具体的には、処理回路５０は、第１検出信号及び第２検出信号のどちらの信号を先に検出したか否かを判定することにより着磁ロータ３０の回転方向を検出する。第１検出信号の入力が第２検出信号よりも先の場合、処理回路５０は第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２側が回転上流側であると判定する。図５では、第１検出信号が第２検出信号よりも先に検出されているので、第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２が回転上流側であると判定される。一方、第２検出信号の入力が第２検出信号よりも先の場合、処理回路５０は第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４側が回転上流側であると判定する。そして、処理回路５０は着磁ロータ３０の回転方向の情報をエンジンＥＣＵに出力する。
【００４０】
また、処理回路５０は、２値化閾値を用いて第１検出信号及び第２検出信号のうち回転上流側に対応した検出信号を２値化する。例えば、図５に示されるように、処理回路５０は第１検出信号の振幅と２値化閾値とを比較し、ｓｉｎＡ及びｃｏｓＡの各信号を２値化する。なお、処理回路５０は、第１検出信号及び第２検出信号の両方を２値化しても良い。これにより、処理回路５０は、ｓｉｎＡがＨｉのときｃｏｓＡがＨｉとＬｏの場合、ｓｉｎＡがＬｏのときにｃｏｓＡがＨｉとＬｏの場合の４つの信号を扱えるようになる。したがって、処理回路５０は、２値化した信号から４逓倍の出力信号を生成し、エンジンＥＣＵに出力する。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態では、検出素子４０は同じ構成の一対の磁気抵抗素子が着磁ロータ３０の回転方向に並べられていることが特徴となっている。すなわち、第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２と第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４とが、着磁ロータ３０の各磁極３２、３３の配置方向において同じ構成になっている。したがって、着磁ロータ３０が磁極３２、３３の配置方向に移動したとき、処理回路５０によって第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２及び第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４のいずれか一方が他方よりも先に磁極３２、３３の磁界を検出したことを判定することができる。
【００４２】
ｓｉｎＡとｓｉｎＢ同士やｃｏｓＡとｃｏｓＢ同士で検出信号の振幅が異なってしまうと着磁ロータ３０の回転方向が検出できなくなってしまうが、本発明のようにｓｉｎＡとｓｉｎＢ同士、ｃｏｓＡとｃｏｓＢ同士で振幅が一致して変化する場合には、着磁ロータ３０の回転方向を正しく検出することができる。
【００４３】
また、第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２及び第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４において、磁気抵抗素子４１、４３の第１のピン磁性層４６と磁極配置面３４とのギャップが同じである。一方、磁気抵抗素子４２、４４の第２のピン磁性層４６と磁極配置面３４とのギャップが同じである。このため、第１の一対の磁気抵抗素子４１、４２と第２の一対の磁気抵抗素子４３、４４とで磁界の検出精度に差が生じないようにすることができる。したがって、磁界の検出精度を向上させることができる。
【００４４】
さらに、図４に示されるように各磁気抵抗素子４１〜４４をレイアウトすることで検出素子４０を構成するチップの形状を正方形に近い形にすることができる。このため、チップの形状が長方形の場合に比べてチップの反りを少なくすることができる。これにより、磁歪の影響も抑えることができる。
【００４５】
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、着磁ロータ３０が特許請求の範囲の「磁性部材」に対応する。
【００４６】
（他の実施形態）
上記各実施形態で示された磁気センサ１０の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、各磁気抵抗素子４１〜４４の磁化方向は一例である。したがって、磁極配置面３４の法線方向において磁化方向が互いに垂直になっている関係であれば良い。上記の実施形態における磁化方向の組み合わせパターンも合わせて８パターンの組み合わせを実現することができる。
【００４７】
上記の実施形態では、測定対象として着磁ロータ３０の場合について説明したが、測定対象は回転体ではなく、磁気テープ等のような平面体でも良い。この場合、磁気センサ１０は平面体の移動方向を検出することができる。なお、平面体が特許請求の範囲の「磁性部材」に対応する。
【００４８】
上記の実施形態では、磁気抵抗素子４１〜４４としてＳＶ−ＧＭＲ素子を用いる例について説明したが、ＴＭＲ素子（Tunneling Magneto Resistance；ＴＭＲ）を用いても良い。
【００４９】
さらに、上記の実施形態では、磁気センサ１０はクランク角を検出するものとして適用される例を説明したが、車両のカムシャフトや車輪速センサの車速検出対象であるシャフト等に取り付けられた回転体の回転角度を検出する場合に適用しても良い。また、車両に限らず、磁性部材の移動方向や移動速度等を検出するものに磁気センサ１０を適用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
３０        着磁ロータ（磁性部材）
３２、３３  磁極
３４        磁極配置面
４１〜４４  磁気抵抗素子
４６        ピン磁性層
４８        フリー磁性層
【図１】
2014206432.tif 000003
【図２】
2014206432.tif 000004
【図３】
2014206432.tif 000005
【図４】
2014206432.tif 000006
【図５】
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