JP7119695B2 - magnetic sensor - Google Patents
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Description
本発明は磁気センサに関し、特に、外乱磁界による検出感度の低下を防止することが可能な磁気センサに関する。 The present invention relates to a magnetic sensor, and more particularly to a magnetic sensor capable of preventing detection sensitivity from deteriorating due to a disturbance magnetic field.
磁気抵抗素子を用いた磁気センサは、電流計や磁気エンコーダなどに広く用いられている。特許文献1に記載されているように、磁気センサには、磁気抵抗素子に磁束を集めるための磁性体ブロックが設けられることがある。例えば、特許文献1に記載された磁気センサは、2つの磁気抵抗素子と別の2つの磁気抵抗素子の間に磁性体ブロックを配置し、これにより2つの磁気抵抗素子と別の2つの磁気抵抗素子に対して互いに逆相の磁界を印加する構造が記載されている。そして、これら4つの磁気抵抗素子によって差動ブリッジ回路を構成し、差動ブリッジ回路から出力される差動信号に基づいて検出対象となる垂直方向の磁界を検出している。
Magnetic sensors using magnetoresistive elements are widely used in ammeters, magnetic encoders, and the like. As described in
しかしながら、特許文献1に記載された磁気センサは、地磁気などの外乱磁界が水平方向に印加されると、水平方向の外乱磁界が4つの磁気抵抗素子に対して同相に印加されることから、外乱磁界によって動作基準点がオフセットし、これにより検出対象磁界の検出感度が低下するという問題があった。
However, in the magnetic sensor described in
この問題を解決するためには、例えば水平方向の外乱磁界を検出するための別の磁気センサを設け、その出力信号に基づいて外乱磁界を打ち消すキャンセル磁界を発生させる方法が考えられるが、この場合には、外乱磁界を検出するための別の磁気センサが必要となるため、装置全体が複雑化してしまう。 In order to solve this problem, for example, a method of providing another magnetic sensor for detecting the disturbance magnetic field in the horizontal direction and generating a cancellation magnetic field for canceling the disturbance magnetic field based on the output signal of the magnetic sensor is conceivable. requires a separate magnetic sensor for detecting the disturbance magnetic field, which complicates the entire device.
したがって、本発明は、外乱磁界を検出するための別の磁気センサを追加することなく、外乱磁界による検出感度の低減を防止することが可能な磁気センサを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a magnetic sensor capable of preventing reduction in detection sensitivity due to a disturbance magnetic field without adding another magnetic sensor for detecting the disturbance magnetic field.
本発明による磁気センサは、検出対象磁界が互いに逆相に印加される第1及び第2の磁気抵抗素子と、第1及び第2の磁気抵抗素子の抵抗値の差を検出する検出回路と、第1及び第2の磁気抵抗素子の抵抗値の和に基づいて、第1及び第2の磁気抵抗素子に同相のバイアス磁界を与える磁気バイアス回路とを備えることを特徴とする。 A magnetic sensor according to the present invention includes first and second magnetoresistive elements to which magnetic fields to be detected are applied in opposite phases, a detection circuit for detecting a difference in resistance value between the first and second magnetoresistive elements, and a magnetic bias circuit for applying an in-phase bias magnetic field to the first and second magnetoresistive elements based on the sum of the resistance values of the first and second magnetoresistive elements.
地磁気などの外乱磁界が第1及び第2の磁気抵抗素子に対して同相に印加されると、これに応じて第1及び第2の磁気抵抗素子の抵抗値の和が変化する。本発明は、この点に着目し、第1及び第2の磁気抵抗素子の抵抗値の和に基づいて、第1及び第2の磁気抵抗素子に同相のバイアス磁界を与えている。これにより、外乱磁界を検出するための別の磁気センサを追加することなく、外乱磁界による検出感度の低減を防止することが可能となる。 When a disturbance magnetic field such as geomagnetism is applied to the first and second magnetoresistive elements in the same phase, the sum of the resistance values of the first and second magnetoresistive elements changes accordingly. Focusing on this point, the present invention applies an in-phase bias magnetic field to the first and second magnetoresistive elements based on the sum of the resistance values of the first and second magnetoresistive elements. This makes it possible to prevent the detection sensitivity from being reduced due to the disturbance magnetic field without adding another magnetic sensor for detecting the disturbance magnetic field.
本発明において、磁気バイアス回路は、フィードバック電流に基づいてバイアス磁界を発生させる同相コイルと、基準抵抗と、前記抵抗値の和と基準抵抗の抵抗値との差に基づいて、フィードバック電流を生成するアンプ回路とを含むものであっても構わない。これによれば、基準抵抗の抵抗値を適切に設定することによって、外乱磁界に応じた適切なフィードバック電流を発生させることが可能となる。 In the present invention, the magnetic bias circuit includes an in-phase coil that generates a bias magnetic field based on the feedback current, a reference resistor, and a feedback current based on the difference between the sum of the resistance values and the resistance value of the reference resistor. It may include an amplifier circuit. According to this, by appropriately setting the resistance value of the reference resistor, it is possible to generate an appropriate feedback current corresponding to the disturbance magnetic field.
本発明による磁気センサは、検出対象磁界が互いに逆相に印加される第3及び第4の磁気抵抗素子をさらに備え、第1及び第2の磁気抵抗素子は直列に接続され、第3及び第4の磁気抵抗素子は直列に接続され、検出回路は、第1及び第2の磁気抵抗素子の接続点の電位と、第3及び第4の磁気抵抗素子の接続点の電位との差を検出し、第1及び第4の磁気抵抗素子の接続点と基準抵抗の一端は、いずれも共通の電源に接続され、アンプ回路は、第1及び第4の磁気抵抗素子の接続点の電位と、基準抵抗の一端の電位との差に基づいて、フィードバック電流を生成するものであっても構わない。これによれば、4つの磁気抵抗素子によってフルブリッジ回路が形成されることから、より高い検出感度を得ることが可能となる。 The magnetic sensor according to the present invention further includes third and fourth magnetoresistive elements to which magnetic fields to be detected are applied in opposite phases, the first and second magnetoresistive elements are connected in series, and the third and fourth magnetoresistive elements are connected in series. The 4 magnetoresistive elements are connected in series, and the detection circuit detects the difference between the potential at the connection point of the first and second magnetoresistive elements and the potential at the connection point of the third and fourth magnetoresistive elements. The connection point of the first and fourth magnetoresistive elements and one end of the reference resistor are both connected to a common power supply, and the amplifier circuit is connected to the potential of the connection point of the first and fourth magnetoresistive elements, A feedback current may be generated based on the difference from the potential at one end of the reference resistor. According to this, since a full bridge circuit is formed by four magnetoresistive elements, it is possible to obtain higher detection sensitivity.
本発明において、磁気バイアス回路は、基準抵抗の一端にリセット電位を与えるスイッチをさらに含むものであっても構わない。これによれば、実測を行う前に第1~第4の磁気抵抗素子をヒステリシスループの所定の初期状態にリセットすることが可能となる。 In the present invention, the magnetic bias circuit may further include a switch that applies a reset potential to one end of the reference resistor. According to this, it is possible to reset the first to fourth magnetoresistive elements to a predetermined initial state of the hysteresis loop before actual measurement.
本発明において、基準抵抗の抵抗値は可変であっても構わない。これによれば、基準抵抗の抵抗値を微調整することが可能となる。この場合、基準抵抗は磁気シールドされた磁気抵抗素子を含むものであっても構わない。これによれば、環境温度による測定値の変化をキャンセルすることが可能となる。 In the present invention, the resistance value of the reference resistor may be variable. This makes it possible to finely adjust the resistance value of the reference resistor. In this case, the reference resistance may include a magnetically shielded magnetoresistive element. According to this, it becomes possible to cancel the change in the measured value due to the environmental temperature.
本発明において、磁気バイアス回路は、同相コイルに直列に接続されたダンピング抵抗をさらに含むものであっても構わない。これによれば、磁気バイアス回路の異常発振を防止することが可能となる。 In the present invention, the magnetic bias circuit may further include a damping resistor connected in series with the in-phase coil. According to this, it is possible to prevent abnormal oscillation of the magnetic bias circuit.
本発明において、磁気バイアス回路は、第1及び第2の磁気抵抗素子に対して同相に印加される外乱磁界をバイアス磁界によってキャンセルするものであっても構わない。これによれば、外乱磁界がほぼゼロである場合と同じ環境で検出対象磁界の検出を行うことが可能となる。 In the present invention, the magnetic bias circuit may cancel disturbance magnetic fields applied in the same phase to the first and second magnetoresistive elements by a bias magnetic field. According to this, it is possible to detect the magnetic field to be detected in the same environment as when the disturbance magnetic field is substantially zero.
本発明において、磁気バイアス回路は、第1及び第2の磁気抵抗素子に対して同相に印加される磁界を一定に保つものであっても構わない。これによれば、外乱磁界の向き及び強度に関わらず、ほぼ一定の磁気バイアスを印加した状態で検出対象磁界の検出を行うことが可能となる。 In the present invention, the magnetic bias circuit may keep constant the magnetic fields applied in the same phase to the first and second magnetoresistive elements. According to this, regardless of the direction and strength of the disturbance magnetic field, it is possible to detect the magnetic field to be detected with a substantially constant magnetic bias applied.
本発明による磁気センサは、第1及び第2の磁気抵抗素子が形成され、第1及び第2の磁気抵抗素子の感度軸方向と平行な素子形成面を有するセンサチップと、素子形成面上に配置され、第1の磁気抵抗素子と第2の磁気抵抗素子の間に位置する磁性体ブロックとをさらに備えるものであっても構わない。これによれば、素子形成面に対して垂直方向の磁界が磁性体ブロックによってスプリットされることから、第1及び第2の磁気抵抗素子に対して検出対象磁界を逆相に印加することが可能となる。 A magnetic sensor according to the present invention comprises a sensor chip on which first and second magnetoresistive elements are formed and which has an element formation surface parallel to the sensitivity axis direction of the first and second magnetoresistive elements; It may further include a magnetic block disposed between the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element. According to this, since the magnetic field perpendicular to the element forming surface is split by the magnetic block, it is possible to apply the magnetic field to be detected in opposite phases to the first and second magnetoresistive elements. becomes.
このように、本発明によれば、外乱磁界を検出するための別の磁気センサを追加することなく、外乱磁界による検出感度の低減を防止することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to prevent a decrease in detection sensitivity due to a disturbance magnetic field without adding another magnetic sensor for detecting a disturbance magnetic field.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。 Preferred embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の好ましい実施形態による磁気センサ10の主要部の構成を説明するための略斜視図である。また、図2は磁気センサ10の略上面図であり、図3は図2に示すA-A線に沿った略断面図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view for explaining the configuration of main parts of a
図1~図3に示すように、本実施形態による磁気センサ10は、センサチップ20と、センサチップ20の素子形成面21上に配置された磁性体ブロック22を備えている。センサチップ20の素子形成面21はxy平面を構成し、z方向から見て磁性体ブロック22の一方側には磁気抵抗素子MR1,MR3が形成され、z方向から見て磁性体ブロック22の他方側には磁気抵抗素子MR2,MR4が形成されている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
センサチップ20は略直方体形状を有し、上述の通り、素子形成面21には4つの磁気抵抗素子MR1~MR4が形成されている。磁気抵抗素子MR1~MR4は、磁界の向き及び強度に応じて電気抵抗が変化する素子であれば特に限定されない。本実施形態においては、磁気抵抗素子MR1~MR4の感度方向(固定磁化方向)は、図2及び図3の矢印Pが示す方向(x方向におけるプラス側)に全て揃えられている。
The
磁性体ブロック22は、フェライトなど透磁率の高い軟磁性材料からなる集磁体である。磁性体ブロック22は、平面視で、つまりz方向から見て、磁気抵抗素子MR1,MR3と磁気抵抗素子MR2,MR4との間に配置されており、z方向を長手方向とする直方体形状を有している。図3に示すように、磁性体ブロック22はz方向の磁束φを集め、これをx方向における両側にスプリットさせる役割を果たす。z方向の磁束φは、本実施形態による磁気センサ10が検出すべき検出対象磁界によるものである。その結果、検出対象磁界は、磁気抵抗素子MR1,MR3と磁気抵抗素子MR2,MR4に対して互いに逆相に印加されることになる。尚、磁性体ブロック22は、接着剤などを用いてセンサチップ20に接着されていても構わないし、センサチップ20とともに図示しない他の実装基板に搭載され、センサチップ20との相対的な位置関係が固定されているものであっても構わない。
The
磁気抵抗素子MR1~MR4は、後述する検出回路及び磁気バイアス回路に接続される。磁気バイアス回路は、図1及び図2に示す同相コイルCを含んでいる。同相コイルCは、x方向から磁気抵抗素子MR1~MR4を挟み込むように配置されている。このため、同相コイルCに電流が流れると、これによって生じる磁界は、磁気抵抗素子MR1~MR4に対して同相に印加されることになる。同相コイルCは、センサチップ20の外部に設けても構わないし、センサチップ20の素子形成面21上に形成又は搭載しても構わない。図1及び図2に示す例では同相コイルCを2個用いているが、本発明において同相コイルCの数は特に限定されない。また、同相コイルCによって生じる磁界が磁気抵抗素子MR1~MR4に対して同相に印加される限り、同相コイルCの配置についても特に限定されない。例えば、同相コイルCが磁気抵抗素子MR1~MR4を挟み込む位置になくても構わない。
The magnetoresistive elements MR1 to MR4 are connected to a detection circuit and a magnetic bias circuit which will be described later. The magnetic bias circuit includes an in-phase coil C shown in FIGS. The in-phase coils C are arranged so as to sandwich the magnetoresistive elements MR1 to MR4 from the x direction. Therefore, when current flows through the in-phase coil C, the resulting magnetic field is applied to the magnetoresistive elements MR1 to MR4 in the same phase. The in-phase coil C may be provided outside the
図4は、磁気抵抗素子MR1~MR4に接続される磁気バイアス回路30の回路図である。
FIG. 4 is a circuit diagram of the
図4に示すように、磁気抵抗素子MR1~MR4はブリッジ回路Bを構成する。つまり、磁気抵抗素子MR1,MR2は、接続点N0とグランドGNDとの間に直列に接続され、磁気抵抗素子MR1と磁気抵抗素子MR2の接続点N1から信号S1が出力される。同様に、磁気抵抗素子MR3,MR4は、接続点N0とグランドGNDとの間に直列に接続され、磁気抵抗素子MR3と磁気抵抗素子MR4の接続点N2から信号S2が出力される。信号S1,S2は、検出回路を構成するアンプ回路A1に入力される。接続点N0は、抵抗R1を介して電源VDDに接続されている。 As shown in FIG. 4, magnetoresistive elements MR1 to MR4 form a bridge circuit B. As shown in FIG. That is, the magnetoresistive elements MR1 and MR2 are connected in series between the connection point N0 and the ground GND, and the signal S1 is output from the connection point N1 between the magnetoresistive elements MR1 and MR2. Similarly, the magnetoresistive elements MR3 and MR4 are connected in series between the connection point N0 and the ground GND, and the signal S2 is output from the connection point N2 between the magnetoresistive elements MR3 and MR4. The signals S1 and S2 are input to an amplifier circuit A1 forming a detection circuit. The connection point N0 is connected to the power supply VDD through the resistor R1.
上述の通り、磁気抵抗素子MR1,MR3と磁気抵抗素子MR2,MR4に対しては、検出対象磁界が互いに逆相に印加されることから、例えば、磁気抵抗素子MR1,MR3の抵抗値が磁気抵抗素子MR2,MR4の抵抗値よりも低くなればS1>S2となり、逆に、磁気抵抗素子MR1,MR3の抵抗値が磁気抵抗素子MR2,MR4の抵抗値よりも高くなればS1<S2となる。信号S1,S2の電位差はアンプ回路A1によって増幅され、その結果、検出信号OUTが生成される。検出信号OUTは、検出対象磁界の強さを示す。このようにアンプ回路A1は、信号S1,S2の電位差に基づいて、磁気抵抗素子MR1,MR3の抵抗値と磁気抵抗素子MR2,MR4の抵抗値の差を検出し、その結果に基づいて検出信号OUTを生成する。 As described above, the magnetic fields to be detected are applied to the magnetoresistive elements MR1 and MR3 and the magnetoresistive elements MR2 and MR4 in opposite phases. If the resistance values are lower than those of the elements MR2 and MR4, then S1>S2. Conversely, if the resistance values of the magnetoresistive elements MR1 and MR3 are higher than those of the magnetoresistive elements MR2 and MR4, then S1<S2. The potential difference between the signals S1 and S2 is amplified by the amplifier circuit A1, and as a result the detection signal OUT is generated. A detection signal OUT indicates the strength of the magnetic field to be detected. Thus, the amplifier circuit A1 detects the difference between the resistance values of the magneto-resistive elements MR1 and MR3 and the resistance values of the magneto-resistive elements MR2 and MR4 based on the potential difference between the signals S1 and S2, and based on the detection result, the detection signal Generate OUT.
本実施形態においては、このようなブリッジ回路Bに磁気バイアス回路30が接続される。磁気バイアス回路30は、信号S0及び基準電位Vrefに基づいてフィードバック電流Iを生成するアンプ回路A2と、基準電位Vrefを生成する抵抗R2,R3と、フィードバック電流Iが供給される同相コイルCからなる。信号S0は、接続点N0の電位であり、そのレベルは、磁気抵抗素子MR1~MR4からなるブリッジ回路Bの合成抵抗値によって決まる。抵抗R2,R3は、電源VDDとグランドGNDとの間に直列に接続されており、両者の接続点N3から基準電位Vrefが取り出される。抵抗R2は、抵抗R1と同じ抵抗値を有している。また、抵抗R3の抵抗値は、ブリッジ回路Bの合成抵抗の目標値に設定されており、これにより抵抗R3は基準抵抗として機能する。
In this embodiment, a
ここで地磁気などの外乱磁界がx方向に生じると、この外乱磁界は磁気抵抗素子MR1~MR4に対して同相に印加されるため、ブリッジ回路Bの合成抵抗値が変化する。これは、外乱磁界による磁気抵抗素子MR1~MR4の抵抗値の変化方向(増減の方向)が同じだからである。このため、外乱磁界が存在すると、外乱磁界がゼロである場合と比べてブリッジ回路Bの合成抵抗値が低下または増大し、その結果、信号S0のレベルが変化する。これに対し、基準電位Vrefのレベルは一定であることから、アンプ回路A2によって生成されるフィードバック電流Iの電流量及び方向は、外乱磁界の向き及び強度に連動したものとなる。 Here, when a disturbance magnetic field such as geomagnetism is generated in the x direction, this disturbance magnetic field is applied to the magnetoresistive elements MR1 to MR4 in the same phase, so that the combined resistance value of the bridge circuit B changes. This is because the magnetoresistive elements MR1 to MR4 change (increase or decrease) in the same direction due to the disturbance magnetic field. Therefore, when a disturbance magnetic field exists, the combined resistance value of the bridge circuit B decreases or increases compared to when the disturbance magnetic field is zero, and as a result, the level of the signal S0 changes. On the other hand, since the level of the reference potential Vref is constant, the amount and direction of the feedback current I generated by the amplifier circuit A2 are linked to the direction and strength of the disturbance magnetic field.
そして、フィードバック電流Iが同相コイルCに流れると、同相コイルCからは外乱磁界を打ち消す方向にバイアス磁界が発生する。同相コイルCによって生じるバイアス磁界は、磁気抵抗素子MR1~MR4に対して同相に印加されるため、外乱磁界がキャンセルされる。これにより、磁気抵抗素子MR1~MR4は、外乱磁界がほぼゼロである場合と同じ環境で検出対象磁界の検出を行うことが可能となる。 Then, when the feedback current I flows through the in-phase coil C, a bias magnetic field is generated from the in-phase coil C in the direction of canceling the disturbance magnetic field. Since the bias magnetic field generated by the in-phase coil C is applied in-phase to the magnetoresistive elements MR1 to MR4, the disturbance magnetic field is cancelled. As a result, the magnetoresistive elements MR1 to MR4 can detect the magnetic field to be detected in the same environment as when the disturbance magnetic field is substantially zero.
図5は、検出対象磁界とブリッジ回路Bから出力される信号S1,S2の電位差ΔSとの関係を外乱磁界の強度ごとに示すグラフであり、磁気バイアス回路30を用いない場合の値を示している。図5において、特性B0は外乱磁界がゼロである場合を示し、特性B1~B3は外乱磁界が存在する場合を示している。外乱磁界の強度は、B1<B2<B3である。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the magnetic field to be detected and the potential difference ΔS between the signals S1 and S2 output from the bridge circuit B for each intensity of the disturbance magnetic field, and shows values when the
図5に示すように、磁気バイアス回路30を用いない場合、外乱磁界がゼロである場合には、検出対象磁界に応じた電位差ΔSの変化量が大きく(つまり、検出感度が高く)、且つ、電位差ΔSの変化が比較的リニアであるのに対し、外乱磁界が大きくなるほど、検出対象磁界に応じた電位差ΔSの変化量が減少するとともに、リニアリティも低下することが分かる。これは、外乱磁界が磁気抵抗素子MR1~MR4に対して同相に印加されると、動作基準点がオフセットするためである。
As shown in FIG. 5, when the
しかしながら、本実施形態による磁気センサ10は、磁気バイアス回路30を備えていることから、外乱磁界が存在する場合であっても、同相コイルCによって外乱磁界がキャンセルされる。これにより、磁気抵抗素子MR1~MR4は、外乱磁界がほぼゼロである場合と同じ環境で検出対象磁界の検出を行うことができることから、従来に比べて高い検出感度を確保することが可能となる。しかも、本実施形態による磁気センサ10は、磁気抵抗素子MR1~MR4自体が外乱磁界を検出するための磁気センサとして機能することから、外乱磁界を検出するための専用の磁気センサを別途用いる必要もない。
However, since the
一方、実際に作製された磁気抵抗素子MR1~MR4は、必ずしも理想的な特性を有しているとは限らず、場合によっては、はじめから特性がオフセットしているケースも存在する。図6は、磁気抵抗素子MR1~MR4のオフセット特性の一例を示すグラフであり、磁気抵抗素子MR1~MR4に対して同相に印加される外乱磁界と検出感度との関係を示している。横軸は、外乱磁界のx方向における強度を示しており、ゼロから+方向に離れるほど+x方向の外乱磁界の強度が強いことを意味し、ゼロから-方向に離れるほど-x方向の外乱磁界の強度が強いことを意味する。検出感度は、検出対象磁界の単位変化量に対する電位差ΔSの変化量によって定義される。図6に示す例では、外乱磁界がゼロである場合よりも、+x方向に所定の外乱磁界Hが存在する環境の方が高い検出感度が得られている。これは、磁気抵抗素子MR1~MR4のオフセットにより生じる現象である。 On the other hand, the actually manufactured magnetoresistive elements MR1 to MR4 do not always have ideal characteristics, and in some cases, the characteristics are offset from the beginning. FIG. 6 is a graph showing an example of the offset characteristics of the magnetoresistive elements MR1 to MR4, showing the relationship between the disturbance magnetic field applied in phase to the magnetoresistive elements MR1 to MR4 and the detection sensitivity. The horizontal axis indicates the strength of the disturbance magnetic field in the x direction, meaning that the strength of the disturbance magnetic field in the +x direction increases as it moves away from zero in the + direction, and the disturbance magnetic field in the −x direction increases as it moves away from zero in the − direction. It means that the intensity of is strong. The detection sensitivity is defined by the amount of change in the potential difference ΔS with respect to the unit amount of change in the magnetic field to be detected. In the example shown in FIG. 6, higher detection sensitivity is obtained in an environment where a predetermined disturbance magnetic field H exists in the +x direction than in the case where the disturbance magnetic field is zero. This phenomenon is caused by the offset of the magnetoresistive elements MR1 to MR4.
このようなオフセットが存在している場合には、同相コイルCによって外乱磁界を完全にキャンセルするのではなく、同相コイルCによるバイアス磁界によって、磁気抵抗素子MR1~MR4に一定の磁気バイアスを印加しても構わない。これは、基準抵抗である抵抗R3の抵抗値をオフセットさせることにより実現可能である。具体的には、図7に示すように、図6の横軸をブリッジ回路Bの合成抵抗値に置き換え、抵抗R3の抵抗値を所望の検出感度が得られる合成抵抗値と同じ抵抗値に設定すればよい。図7に示す例では、抵抗R3の抵抗値を外乱磁界がゼロである場合の抵抗値R0ではなく、外乱磁界Hが存在する場合の抵抗値RHに設定すれば、最も高い検出感度を得ることができる。 When such an offset exists, instead of completely canceling the disturbance magnetic field by the in-phase coil C, the bias magnetic field by the in-phase coil C applies a constant magnetic bias to the magnetoresistive elements MR1 to MR4. I don't mind. This can be realized by offsetting the resistance value of the resistor R3, which is the reference resistor. Specifically, as shown in FIG. 7, the horizontal axis of FIG. 6 is replaced with the combined resistance value of the bridge circuit B, and the resistance value of the resistor R3 is set to the same resistance value as the combined resistance value that provides the desired detection sensitivity. do it. In the example shown in FIG. 7, the highest detection sensitivity can be obtained by setting the resistance value of the resistor R3 not to the resistance value R0 when the disturbance magnetic field is zero but to the resistance value RH when the disturbance magnetic field H exists. Obtainable.
尚、図6の横軸から図7の横軸への換算、つまり、外乱磁界から合成抵抗値への換算は、既知の関係式またはグラフを用いて行っても構わないし、外乱磁界の強度及び向きごとに合成抵抗値を実測することによって行っても構わない。 The conversion from the horizontal axis of FIG. 6 to the horizontal axis of FIG. 7, that is, the conversion from the disturbance magnetic field to the combined resistance value may be performed using a known relational expression or graph. It may be done by actually measuring the combined resistance value for each direction.
以上説明したように、本実施形態による磁気センサ10は、磁気抵抗素子MR1~MR4に対して同相に印加される磁界を一定に保つ磁気バイアス回路30を備えていることから、外乱磁界をキャンセルすることができるばかりでなく、所望の検出感度が得られるよう、磁気抵抗素子MR1~MR4に一定の磁気バイアスを印加することも可能である。これにより、外乱磁界を検出するための別の磁気センサを追加することなく、外乱磁界による検出感度の低減を防止することが可能となる。
As described above, the
以下、磁気バイアス回路のいくつかの変形例について説明する。 Several modifications of the magnetic bias circuit are described below.
図8は、第1の変形例による磁気バイアス回路31の回路図である。
FIG. 8 is a circuit diagram of the
図8に示す磁気バイアス回路31は、電気的な極性が反転している点において、図4に示した磁気バイアス回路30と相違している。つまり、ブリッジ回路Bと抵抗R1の接続関係が図4に示した磁気バイアス回路30とは逆であり、且つ、抵抗R2と抵抗R3の接続関係が図4に示した磁気バイアス回路30とは逆である。図8に示す磁気バイアス回路31が例示するように、本発明において磁気バイアス回路の電気的な極性は特に限定されない。
The
図9は、第2の変形例による磁気バイアス回路32の回路図である。
FIG. 9 is a circuit diagram of the
図9に示す磁気バイアス回路32は、抵抗R3が固定抵抗R31と可変抵抗R32の直列接続によって構成されている点において、図4に示した磁気バイアス回路30と相違している。このような可変抵抗R32を用いれば、抵抗R3の抵抗値の調整を容易に行うことが可能となる。特に、抵抗R3の抵抗値の大部分が固定抵抗R31の抵抗成分からなるよう、固定抵抗R31と可変抵抗R32の抵抗値を配分すれば、より微調整が容易となる。例えば、ブリッジ回路Bのおおよその合成抵抗値RBが既知であれば、固定抵抗R31の抵抗値をRBよりもやや低い値に設定することにより、可変抵抗R32を用いて抵抗R3の抵抗値を精度良く調整することが可能となる。
The
尚、図9に示す例では、抵抗R3を固定抵抗R31と可変抵抗R32の直列接続によって構成しているが、抵抗R3を固定抵抗R31と可変抵抗R32の並列接続によって構成しても構わないし、抵抗R3を可変抵抗R32のみによって構成しても構わない。また、複数の可変抵抗R32を用いても構わない。 In the example shown in FIG. 9, the resistor R3 is configured by a series connection of the fixed resistor R31 and the variable resistor R32, but the resistor R3 may be configured by a parallel connection of the fixed resistor R31 and the variable resistor R32. The resistor R3 may be composed only of the variable resistor R32. Also, a plurality of variable resistors R32 may be used.
さらに、固定抵抗R31として磁気シールドされた磁気抵抗素子を用いても構わない。これによれば、環境温度に応じた磁気抵抗素子MR1~MR4の抵抗値の変化が固定抵抗R31にも反映されるため、温度特性をほぼ一定に保つことが可能となる。但し、固定抵抗R31として用いる磁気抵抗素子は、磁界による抵抗値の変化を防止すべく、磁気シールドされている必要がある。また。可変抵抗R32が磁気シールドされた磁気抵抗素子であっても構わない。 Furthermore, a magnetically shielded magnetoresistive element may be used as the fixed resistor R31. According to this, changes in the resistance values of the magnetoresistive elements MR1 to MR4 according to the ambient temperature are also reflected in the fixed resistor R31, so that the temperature characteristics can be kept substantially constant. However, the magnetoresistive element used as the fixed resistor R31 must be magnetically shielded in order to prevent the resistance value from changing due to the magnetic field. Also. The variable resistor R32 may be a magnetically shielded magnetoresistive element.
図10は、第3の変形例による磁気バイアス回路33の回路図である。
FIG. 10 is a circuit diagram of the
図10に示す磁気バイアス回路33は、同相コイルCに対してダンピング抵抗R4が直列に接続されている点において、図4に示した磁気バイアス回路30と相違している。このようなダンピング抵抗R4を同相コイルCに対して直列に接続すれば、同相コイルCに流れるフィードバック電流Iの異常発振を防止することが可能となる。
The
図11は、第4の変形例による磁気バイアス回路34の回路図である。
FIG. 11 is a circuit diagram of the
図11に示す第4の変形例による磁気バイアス回路34は、抵抗R3に対してスイッチSWが並列に接続されている点において、図4に示した磁気バイアス回路30と相違している。このようなスイッチSWを設ければ、スイッチSWを一時的にオンさせることにより、基準電位Vrefを一時的にリセット電位であるグランドGNDに固定することができる。基準電位VrefがグランドGNDに固定されると、ブリッジ回路Bの合成抵抗値が最小となるよう、同相コイルCに大きなフィードバック電流Iが流れることから、このような操作を実測前に行うことにより、第1~第4の磁気抵抗素子MR1~MR4をヒステリシスループの所定の初期状態にリセットすることが可能となる。
A
図12は、第5の変形例による磁気バイアス回路35の回路図である。
FIG. 12 is a circuit diagram of the
図12に示す第5の変形例による磁気バイアス回路35は、抵抗R2に対してスイッチSWが並列に接続されている点において、図4に示した磁気バイアス回路30と相違している。このようなスイッチSWを設ければ、スイッチSWを一時的にオンさせることにより、基準電位Vrefを一時的にリセット電位である電源VDDに固定することができる。基準電位Vrefが電源VDDに固定されると、ブリッジ回路Bの合成抵抗値が最大となるよう、同相コイルCに大きなフィードバック電流Iが流れることから、このような操作を実測前に行うことにより、第1~第4の磁気抵抗素子MR1~MR4をヒステリシスループの所定の初期状態にリセットすることが可能となる。
A
図13は、第6の変形例による磁気バイアス回路36の回路図である。
FIG. 13 is a circuit diagram of the
図13に示す第6の変形例による磁気バイアス回路36は、可変抵抗R32に対してスイッチSWが並列に接続されている点において、図9に示した磁気バイアス回路32と相違している。このようなスイッチSWを設ければ、スイッチSWを一時的にオンさせることにより、基準電位Vrefを通常動作時よりも大幅に低いリセット電位に固定することができる。基準電位Vrefが通常動作時よりも大幅に低いリセット電位に固定されると、ブリッジ回路Bの合成抵抗値が十分に小さくなるよう、同相コイルCに大きなフィードバック電流Iが流れることから、このような操作を実測前に行うことにより、第1~第4の磁気抵抗素子MR1~MR4をヒステリシスループの所定の初期状態にリセットすることが可能となる。
A
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Needless to say, it is included within the scope.
例えば、上記実施形態では、4つの磁気抵抗素子MR1~MR4を用いてブリッジ回路Bを構成しているが、本発明において使用する磁気抵抗素子の数がこれに限定されるものではない。したがって、2個の磁気抵抗素子(例えば、磁気抵抗素子MR1とMR2)を用い、これらをハーフブリッジ接続することによってブリッジ回路Bを構成しても構わない。 For example, in the above embodiment, the bridge circuit B is configured using four magnetoresistive elements MR1 to MR4, but the number of magnetoresistive elements used in the present invention is not limited to this. Therefore, the bridge circuit B may be constructed by using two magnetoresistive elements (for example, the magnetoresistive elements MR1 and MR2) and connecting them in a half bridge.
また、磁界が「同相」であるか「逆相」であるかは、磁気抵抗素子の感度方向(固定磁化方向)との関係において定義され、単に磁界の向きだけによって決まるものではない。例えば、図14に示すように、磁気抵抗素子MR1,MR2の固定磁化方向(矢印Pが示す方向)が互いに同じであれば、(a)又は(b)に示すように、磁気抵抗素子MR1,MR2に対して磁界が互いに同じ向きであれば「同相」であり、磁気抵抗素子MR1,MR2に対して磁界が互いに逆向きであれば「逆相」となる。これに対し、図15に示すように、磁気抵抗素子MR1,MR2の固定磁化方向(矢印Pが示す方向)が互いに逆であれば、(a)又は(b)に示すように、磁気抵抗素子MR1,MR2に対して磁界が互いに逆向きであれば「同相」であり、磁気抵抗素子MR1,MR2に対して磁界が互いに同じ向きであれば「逆相」となる。 Whether the magnetic field is "in-phase" or "anti-phase" is defined in relation to the sensitivity direction (fixed magnetization direction) of the magnetoresistive element, and is not determined solely by the direction of the magnetic field. For example, as shown in FIG. 14, if the magnetoresistive elements MR1 and MR2 have the same fixed magnetization direction (the direction indicated by the arrow P), the magnetoresistive elements MR1 and If the magnetic fields are in the same direction with respect to MR2, they are in "in-phase". On the other hand, as shown in FIG. 15, if the fixed magnetization directions of the magnetoresistive elements MR1 and MR2 (the direction indicated by the arrow P) are opposite to each other, the magnetoresistive element If the magnetic fields for MR1 and MR2 are directed in opposite directions, they are in "in-phase", and if the magnetic fields are in the same direction for the magnetoresistive elements MR1 and MR2, they are in "opposite phase".
10 磁気センサ
20 センサチップ
21 素子形成面
22 磁性体ブロック
30~36 磁気バイアス回路
A1,A2 アンプ回路
B ブリッジ回路
C 同相コイル
I フィードバック電流
MR1~MR4 磁気抵抗素子
N0~N3 接続点
R1~R3 抵抗
R31 固定抵抗
R32 可変抵抗
R4 ダンピング抵抗
SW スイッチ
φ 磁束
10
Claims (10)
前記第1及び第2の磁気抵抗素子の抵抗値の差を検出する検出回路と、
前記第1及び第2の磁気抵抗素子の抵抗値の和に基づいて、前記第1及び第2の磁気抵抗素子に同相のバイアス磁界を与える磁気バイアス回路と、を備えることを特徴とする磁気センサ。 first and second magnetoresistive elements to which magnetic fields to be detected are applied in opposite phases;
a detection circuit for detecting a difference in resistance between the first and second magnetoresistive elements;
a magnetic bias circuit that applies an in-phase bias magnetic field to the first and second magnetoresistive elements based on the sum of the resistance values of the first and second magnetoresistive elements. .
前記第1及び第2の磁気抵抗素子は直列に接続され、
前記第3及び第4の磁気抵抗素子は直列に接続され、
前記検出回路は、前記第1及び第2の磁気抵抗素子の接続点の電位と、前記第3及び第4の磁気抵抗素子の接続点の電位との差を検出し、
前記第1及び第4の磁気抵抗素子の接続点と前記基準抵抗の一端は、いずれも共通の電源に接続され、
前記アンプ回路は、前記第1及び第4の磁気抵抗素子の接続点の電位と、前記基準抵抗の前記一端の電位との差に基づいて、前記フィードバック電流を生成することを特徴とする請求項2に記載の磁気センサ。 Further comprising third and fourth magnetoresistive elements to which the magnetic fields to be detected are applied in opposite phases to each other,
the first and second magnetoresistive elements are connected in series;
the third and fourth magnetoresistive elements are connected in series;
The detection circuit detects a difference between a potential at a connection point of the first and second magnetoresistive elements and a potential at a connection point of the third and fourth magnetoresistive elements,
A connection point between the first and fourth magnetoresistive elements and one end of the reference resistor are both connected to a common power supply,
3. The amplifier circuit generates the feedback current based on a difference between a potential at a connection point of the first and fourth magnetoresistive elements and a potential at the one end of the reference resistor. 3. The magnetic sensor according to 2.
前記素子形成面上に配置され、前記第1の磁気抵抗素子と前記第2の磁気抵抗素子の間に位置する磁性体ブロックと、をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の磁気センサ。 a sensor chip on which the first and second magnetoresistive elements are formed and which has an element formation surface parallel to the sensitivity axis direction of the first and second magnetoresistive elements;
10. The device according to any one of claims 1 to 9, further comprising a magnetic block arranged on the element forming surface and positioned between the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element. 1. The magnetic sensor according to item 1.
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