特開 2024-136963 ＡＭＲ角度センサの設計方法、ＡＭＲ角度センサの生産方法、及び、ＡＭＲ角度センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024136963

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】ＡＭＲ角度センサの設計方法、ＡＭＲ角度センサの生産方法、及び、ＡＭＲ角度センサ

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/245 20060101AFI20240927BHJP

   G01B 7/30 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

G01D5/245 M

G01B7/30 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023048282

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】結城 興仁

(72)【発明者】

【氏名】川▲辺▼ 諒

(72)【発明者】

【氏名】松儀 泰明

【テーマコード（参考）】

2F063

2F077

【Ｆターム（参考）】

2F063AA35

2F063CA09

2F063DA05

2F063DC08

2F063EA01

2F063EB26

2F063EB27

2F063GA52

2F077AA25

2F077JJ09

2F077NN26

2F077PP14

2F077VV11

(57)【要約】

【課題】角度検出誤差を抑えつつ、ＡＭＲ素子を厚くし及び又はＡＭＲ素子の線幅を細くする。
【解決手段】ＡＭＲ角度センサの設計方法は、ミアンダ形状のＡＭＲ（異方性磁気抵抗）素子により角度を検出するＡＭＲ角度センサの設計方法であって、前記ＡＭＲ角度センサの角度検出最大誤差が所望の値となる前記ＡＭＲ角度センサの異方性磁界強度の値を上限値とした範囲内で、前記ＡＭＲ素子の膜厚及び線幅を決定する決定ステップを有する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ミアンダ形状のＡＭＲ（異方性磁気抵抗）素子により角度を検出するＡＭＲ角度センサの設計方法であって、
前記ＡＭＲ角度センサの角度検出最大誤差が所望の値となる前記ＡＭＲ角度センサの異方性磁界強度の値を上限値とした範囲内で、前記ＡＭＲ素子の膜厚及び線幅を決定する決定ステップを有する、
ＡＭＲ角度センサの設計方法。

【請求項2】

前記角度検出最大誤差は、前記ＡＭＲ角度センサの機械的な角度検出誤差と前記ＡＭＲ角度センサの出力のヒステリシスの値とに基づく値である、
請求項１に記載のＡＭＲ角度センサの設計方法。

【請求項3】

前記所望の値は、０．１°であり、前記上限値は、３０Ｏｅである、
請求項１に記載のＡＭＲ角度センサの設計方法。

【請求項4】

前記ＡＭＲ素子は、互いに平行で円弧形状の複数の線状部を備える、
請求項１に記載のＡＭＲ角度センサの設計方法。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載の設計方法が有する前記決定ステップと、
前記決定ステップにより決定された前記膜厚及び前記線幅で前記ＡＭＲ角度センサを生産する生産ステップと、
を備えるＡＭＲ角度センサの生産方法。

【請求項6】

ミアンダ形状のＡＭＲ（異方性磁気抵抗）素子により角度を検出するＡＭＲ角度センサであって、
前記ＡＭＲ素子は、前記ＡＭＲ角度センサの角度検出最大誤差が所望の値となる前記ＡＭＲ角度センサの異方性磁界強度の値を上限値とした範囲内で設定された膜厚及び線幅を備える、
ＡＭＲ角度センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ミアンダ形状のＡＭＲ（異方性磁気抵抗）素子により角度を検出する、ＡＭＲ角度センサの設計方法、ＡＭＲ角度センサの生産方法、及び、ＡＭＲ角度センサに関する。

【背景技術】

【0002】

ミアンダ形状のＡＭＲ（異方性磁気抵抗）素子により角度を検出する角度センサ（以下、ＡＭＲ角度センサともいう）が知られている（非特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１―１４８８４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記角度センサの出力の波形歪みを低減する方法として、異方性磁界強度を小さくすることが考えられる。異方性磁界強度は、ＡＭＲ素子の膜厚に比例し、ＡＭＲ素子の線幅に反比例する。従って、異方性磁界強度を小さくする場合、膜厚を薄くし、及び又は、線幅を太くすることが望ましいが、膜厚を薄くしすぎるとＡＭＲ素子に欠陥が生じやすく、線幅を太くするとセンサのサイズが大きくなる。

【0005】

本発明は、角度検出誤差を抑えつつ、ＡＭＲ素子を厚くし及び又はＡＭＲ素子の線幅を細くすることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係るＡＭＲ角度センサの設計方法は、ミアンダ形状のＡＭＲ（異方性磁気抵抗）素子により角度を検出するＡＭＲ角度センサの設計方法であって、前記ＡＭＲ角度センサの角度検出最大誤差が所望の値となる前記ＡＭＲ角度センサの異方性磁界強度の値を上限値とした範囲内で、前記ＡＭＲ素子の膜厚及び線幅を決定する決定ステップを有する。

【0007】

一例として、前記角度検出最大誤差は、前記ＡＭＲ角度センサの機械的な角度検出誤差と前記ＡＭＲ角度センサの出力のヒステリシスの値とに基づく値であってもよい。

【0008】

一例として、前記所望の値は、０．１°であり、前記上限値は、３０Ｏｅであってもよい。

【0009】

一例として、前記ＡＭＲ素子は、互いに平行で円弧形状の複数の線状部を備えてもよい。

【0010】

本発明に係るＡＭＲ角度センサの生産方法は、前記設計方法が有する前記決定ステップと、前記決定ステップにより決定された前記膜厚及び前記線幅で前記ＡＭＲ角度センサを生産する生産ステップと、を有する。

【0011】

本発明に係るＡＭＲ角度センサは、ミアンダ形状のＡＭＲ（異方性磁気抵抗）素子により角度を検出するＡＭＲ角度センサであって、前記ＡＭＲ素子は、前記ＡＭＲ角度センサの角度検出最大誤差が所望の値となる前記ＡＭＲ角度センサの異方性磁界強度の値を上限値とした範囲内で設定された膜厚及び線幅を備える。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、角度検出誤差を抑えつつ、ＡＭＲ素子を厚くし及び又はＡＭＲ素子の線幅を細くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る設計方法により設計されるＡＭＲ角度センサのＡＭＲ素子及び端子の形成パターン、及び、回路構成を示す図である。

【図2】図２は、ＡＭＲ素子の拡大平面図である。

【図3】図３は、図２のＡ－Ａ断面図である。

【図4】図４は、総合的な角度検出最大誤差と異方性磁界強度との関係を示すグラフの図である。

【図5】図５は、ＡＭＲ角度センサの生産方法の流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態及びその変形例について、図面を参照して説明する。

【0015】

本実施形態に係る異方性磁気抵抗角度センサ（以下、ＡＭＲ角度センサともいう）の生産方法は、ＡＭＲ角度センサを設計するステップつまりＡＭＲ角度センサの設計方法と、当該設計方法で設計したＡＭＲ角度センサを生産するステップと、を含む。

【0016】

図１に、本実施形態で設計及び製造されるＡＭＲ角度センサ１０を示す。ＡＭＲ角度センサ１０は、このセンサ１０に対向配置される磁石Ｍのこのセンサ１０に対する相対的な回転角度を検出するように構成されている。磁石ＭとＡＭＲ角度センサ１０とは、相対回転する２つの部材、例えば、一方の部材がベースで、他方の部材が、ベースに対して相対回転する回転角度の検出対象にそれぞれ取り付けられる。磁石Ｍの回転角度の検出により、検出対象の回転角度が検出される。

【0017】

ＡＭＲ角度センサ１０は、基板２０と、第１異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子３１～３４と、第２異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子４１～４４と、第１接続端子５１～５８と、第２接続端子６１～６４と、を備える。

【0018】

基板２０は、例えば、シリコン基板からなる。ＡＭＲ素子３１～３４及び４１～４４と、端子５１～５８及び６１～６４と、は、同一材料により一体的かつ膜状に形成される。材料の例としては、ＮｉＦｅ合金が挙げられる。ＮｉＦｅ合金の例としては、低ヒステリシスと低磁歪特性を併せ持つＮｉ：８３％、Ｆｅ：１７％のパーマロイがある。他の例として、他の比率のパーマロイが採用されてもよい。

【0019】

素子３１～３４及び４１～４４のそれぞれは、同形状で向きが異なる。当該形状を、素子３１を例にして図２を参照して説明する。素子３１は、ミアンダ形状に形成されている。ミアンダ形状の素子３１は、互いに平行な複数の線状部３１Ａと、複数の線状部３１Ａを直列に接続する複数の折り返し部３１Ｂと、を備える。各線状部３１Ａは、中心角６０°の円弧形状に形成されている。

【0020】

図３に示すように、素子３１などが形成される基板２０は、基板本体２１と、基板本体２１上に形成された絶縁膜２２（例えば、シリコン酸化膜）と、を備える。素子３１などは、絶縁膜２２の表面に形成される。

【0021】

図１に示すように、素子３２の向きは、素子３１を９０°回転させた向きであり、素子３３の向きは、素子３１を１８０°回転させた向きであり、素子３４の向きは、素子３１を２７０°回転させた向きである。同様に、素子４２～４４も、素子４１を順次９０°回転させた向きに形成されている。素子３１～３４は、磁石Ｍの回転中心Ｃを中心とした第１円周上に配置され、素子４１～４４は、回転中心Ｃを中心とした第１円周よりも内側の第２円周上に配置されている。素子４１～４４全体の向きは、素子３１～３４全体の向きを、回転中心Ｃを中心に４５°回転させた向きとなっている。

【0022】

素子３１～３４の各両端は、端子５１～５８にそれぞれ接続されている。素子３１～３４は、端子５１～５８を介してフルブリッジ接続される。端子５１及び５８は、電源ライン＋Ｖに接続され、端子５４、５５は、グランドに接続される。端子５２及び５３は、出力端子ＯＵＴ１に接続され、端子５６及び５７は出力端子ＯＵＴ２に接続される。出力端子ＯＵＴ１の電位とＯＵＴ２の電位との差を示す電気信号が、第１ブリッジ出力として制御回路９０に入力される。

【0023】

素子４１～４４の各両端は、端子６１～６４のいずれかに接続され、素子４１～４４は、端子６１～６４を介してフルブリッジ接続される。端子６１は、電源ライン＋Ｖに接続され、端子６３は、グランドに接続される。端子６２は、出力端子ＯＵＴ３に接続され、端子６４は出力端子ＯＵＴ４に接続される。出力端子ＯＵＴ３の電位とＯＵＴ４の電位との差を示す電気信号が、第２ブリッジ出力として制御回路９０に入力される。

【0024】

第１ブリッジ出力及び第２ブリッジ出力が示す各電位差つまり電圧値は、磁石ＭのＡＭＲ角度センサ１０に対する相対回転角度に応じて変化する。磁石Ｍを一回転させた場合、第１ブリッジ出力は正弦波の電気信号となり、第２ブリッジ出力は余弦波の電気信号となる。制御回路９０は、入力された第１及び第２ブリッジ出力がそれぞれ示す電圧値Ｖｓｉｎ、Ｖｃｏｓに基づいて、下記の式（１）により、磁石ＭのＡＭＲ角度センサ１０に対する相対回転角度α、つまり、検出対象の相対回転角度αを算出する。

【数1】

【0025】

このようなＡＭＲ角度センサ１０では、第１及び第２ブリッジ出力の各波形つまり正弦波及び余弦波が歪んで理想的な波計からずれることがある。この場合、電圧値Ｖｓｉｎ及びＶｃｏｓが、理想的な正弦波又は余弦波上の値からズレ、算出される回転角度α、つまり、センサ１０での検出角度αが真の回転角度からズレる。つまり、検出誤差が生じる。これは、形状磁気異方性による素子３１～３４及び４１～４４の磁化方向が磁石Ｍによる磁場の方向に対して完全には追従せずにズレが生じる事に起因する。このズレによって、第１及び第２ブリッジ出力の波形に高調波成分が含まれ、回転角度αに誤差が乗る。

【0026】

誤差低減の方法としては、ＡＭＲ角度センサ１０の異方性磁界強度Ｈｋを低下させることが考えられる。異方性磁界強度Ｈｋは、困難軸方向の磁化が飽和に達する磁界強度である。異方性磁界強度Ｈｋが小さくなるということは、外部磁場に対する不飽和領域が狭くなり、素子３１～３４及び４１～４４の磁気モーメントが磁石Ｍによる磁化方向に追従しやすくなることを意味する。このため、異方性磁界強度Ｈｋを小さくすれば、第１及び第２ブリッジ出力の波形歪みを抑制する事ができる。

【0027】

異方性磁界強度Ｈｋは、ｔを、素子３１～３４、４１～４４の膜厚（図３参照）、ｗを、同線幅（図２参照。特に、線状部３１Ａなどの各線状部の線幅）、Ｍｓを、同飽和磁化（Ａ／ｍ）、Ｈｋ０を同材料異方性、とすると、下記の式（２）で表される。
Ｈｋ＝（ｔ／ｗ）・Ｍｓ＋Ｈｋ０・・・（２）

【0028】

上記（２）式より、異方性磁界強度Ｈｋを低下させるためには素子３１等の膜厚ｔを薄くし、線幅ｗを広げる必要があるが、膜厚ｔが薄くなるにつれて素子３１等に欠陥が生じやすくなり素子間の抵抗値のバラつきが生じやすくなる。また、線幅ｗを太くしていくとセンササイズが大きくなる。ＡＭＲ角度センサ１０は、異方性磁界強度Ｈｋを上記（２）式以外の式で算出する構造であってもよい。ただし、異方性磁界強度Ｈｋは、ＡＭＲ素子の膜厚に比例し、ＡＭＲ素子の線幅に反比例する。

【0029】

本願発明者は、同じ材料で、素子３１等の膜厚ｔ及び線幅ｗのみを異ならせ、素子３１等の他の形状は互いに同じとした複数のＡＭＲ角度センサ１０をサンプルとして作成した。そして、本願発明者は、各サンプルの機械的な角度検出誤差と、各サンプルの出力のヒステリシスと、これらに基づく総合的な角度検出最大誤差と、を評価した。各サンプルの素子３１等は、同材料であるので、飽和磁化Ｍｓ、材料異方性Ｈｋ０は、各サンプルで同じである。従って、上記式（２）により、膜厚ｔ及び線幅ｗを変化させることで、異方性磁界強度Ｈｋを変化させることができる。

【0030】

機械的な角度検出誤差は、磁石Ｍの機械的な角度を光学式エンコーダなどの検出器で検出したときの検出値と、制御回路９０で算出された角度αと、の差の絶対値である。ここでは、磁石Ｍの複数の回転位置のそれぞれでの差の絶対値を求めている。

【0031】

ヒステリシスは、磁石Ｍを第１回転方向に回転させて所定の回転位置にしたときの制御回路９０で算出された角度αと、磁石Ｍを第１回転方向とは逆の第２回転方向に回転させて前記所定の回転位置にしたときの制御回路９０で算出された角度αと、の差である。ここでは、磁石Ｍの複数の回転位置のそれぞれでの差を求めている。

【0032】

総合的な角度検出最大誤差は、上記で求めた機械的な角度検出誤差の最大値とヒステリシスの最大値との二乗和の平方根である。

【0033】

表１に、各サンプルについての、膜厚ｔ、線幅ｗ、異方性磁界強度Ｈｋ、機械的な角度検出誤差の最大値、ヒステリシスの最大値、総合的な角度検出最大誤差の関係を示す。

【表1】

【0034】

表１から分かるように、異方性磁界強度Ｈｋと、機械的な角度検出誤差、ヒステリシス、及び、これらに基づく総合的な角度検出最大誤差と、には相関が見られる。表１をグラフ化したものを図４に示す。図４から、角度の検出精度が良いといわれる総合的な角度検出誤差０．１°以下を得るためにはＨｋを３０Ｏｅ以下にするとよいことが分かる（図４の点線直線参照）。これをふまえ、ＡＭＲ角度センサ１０の生産方法について図５を参照して説明する。

【0035】

図５に示すように、本実施形態に係るＡＭＲ角度センサ１０の生産方法では、まず、ＡＭＲ角度センサ１０を設計する設計方法が行われる。

【0036】

ＡＭＲ角度センサ１０の設計方法では、まず、基板２０の材料を決定するとともに、素子３１～３４及び４１～４４、端子５１～５８及び６１～６４の材料を決定する（ステップＳ１１）。素子３１等および端子５１等の材料の決定により、上記式（２）の飽和磁化Ｍｓ、材料異方性Ｈｋ０が決定される。従って、膜厚ｔ及び線幅ｗにより、異方性磁界強度Ｈｋを調整できる。

【0037】

その後、素子３１～３４及び４１～４４、端子５１～５８及び６１～６４のパターンを決定する（ステップＳ１２）。ここでは、図１のパターンが採用されるものとする。これにより、素子３１～３４及び４１～４４、端子５１～５８及び６１～６４の基本的形状が決定される。その後、素子３１～３４及び４１～４４の膜厚ｔ及び線幅ｗを調整することで、異方性磁界強度Ｈｋを調整する。具体的に、異方性磁界強度Ｈｋが３０Ｏｅを上限値とした範囲内で、膜厚ｔ及び線幅ｗを決定する（ステップＳ１３）。特に、膜厚ｔに起因する欠陥、及び、線幅ｗに起因するセンササイズを考慮して、膜厚ｔ及び線幅ｗを決定する。

【0038】

上記ステップＳ１１～Ｓ１３により、ＡＭＲ角度センサ１０が設計されたことになる。その後、設計したＡＭＲ角度センサ１０を、公知の生産方法により、生産、例えば量産する（ステップＳ１４）。例えば、シリコン製の基板２０の表面に絶縁膜を形成し、素子３１等及び端子５１等をスパッタなどで形成する。その後、保護膜により、素子３１等を覆ってもよい。

【0039】

本実施形態によれば、上記のように、総合的な角度検出最大誤差が０．１°となる異方性磁界強度Ｈｋ＝３０Ｏｅを上限値とした範囲内で、膜厚ｔ及び線幅ｗを決定すればよいので、角度検出誤差を０．１°以下に抑えつつ、ＡＭＲ素子３１等を厚くし及び又はＡＭＲ素子３１等の線幅を細くすることができる。

【0040】

（変形例）
上記実施形態については種々の変形が施されてもよい。以下、変形例を列挙する。

【0041】

（変形例１）
素子３１等の形状は任意である。例えば、線状部３１Ａは、円弧形状ではなく、直線状であってもよい。ただし、円弧形状の方が、総合的な角度検出誤差をより小さくできる。また、素子３１～３４と、素子４１～４４とのうちのいずれかを省略してもよい。素子の数は複数であれば任意である。

【0042】

（変形例２）
総合的な角度検出最大誤差、及び、異方性磁界強度Ｈｋの上限値は、任意に設定可能である。例えば、総合的な角度検出最大誤差が上記のように０．１°以下であると、そのＡＭＲ角度センサの検出精度が高いといわれるため、当該最大誤差は、０．１°以下であるとよいが、当該最大誤差は、他の値であってもよい。また、総合的な角度検出誤差に応じて、異方性磁界強度Ｈｋの上限値も決定されるとよい。従来、異方性磁界強度Ｈｋとヒステリシスないし総合的な角度検出誤差との相関は知られていなかった。本願発明者は、この相関を見出し、ＡＭＲ角度センサの設計では、機械的な角度検出誤差とヒステリシスの値とに基づくＡＭＲ角度センサの総合的な角度検出最大誤差が所望の値となる異方性磁界強度の値を上限値とした範囲内で、ＡＭＲ素子の膜厚及び線幅を決定するとよいこと見出した。これにより、総合的な角度検出誤差を抑えつつ、ＡＭＲ素子３１等を厚くし及び又はＡＭＲ素子３１等の線幅を細くすることができる。なお、総合的な角度検出最大誤差を上記機械的な角度検出誤差などに置き換えてもよい。

【0043】

（本発明の範囲）
以上、実施形態及び変形例を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、本発明には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る、上記実施形態及び変形例に対する様々な変更が含まれる。上記実施形態及び変形例に挙げた各構成は、矛盾の無い範囲で適宜組み合わせることができる。

【符号の説明】

【0044】

１０…ＡＭＲ角度センサ、２０…基板、３１～３４…第１異方性磁気抵抗素子、４１～４４…第２異方性磁気抵抗素子、３１Ａ…線状部、３１Ｂ…折り返し部、５１～５８…第１接続端子、６１～６４…第２接続端子、９０…制御回路、Ｃ…回転中心、Ｍ…磁石。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】