JP2005121411A - 磁気抵抗素子駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 配置的な制約を受けない構成で、小型・安価にして低消費電力駆動が可能な温度補償された磁気抵抗素子駆動回路を提供する。
【解決手段】 外部磁界の変化により抵抗値が変化するＴＭＲ素子１と、ＴＭＲ素子１が発振要素の一部として接続され外部磁界の変化を発振周波数の変化に変換して出力する発振回路１３と、発振回路１３の発振周波数の変化を検出する検出回路１５と、を備える発振制御回路２と、ＴＭＲ素子１を含めた発振回路における周波数選択素子の温度変化による発振周波数の変化補正用の温度補正用発振回路を含み発振制御回路２と同一構成の温度補正用発振制御回路４と、温度補正用発振制御回路４中の温度補正用発振回路に発振要素の一部として磁気抵抗素子代替で接続され外部磁界の変化により抵抗値が変化しない抵抗成分３と、発振制御回路２の検出出力から温度補正用発振制御回路４の補正出力分を減算する減算手段５と、からなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）のような磁気抵抗素子に対する磁気抵抗素子駆動回路に関する。

ナビゲータ機能を付加した携帯電話等を開発する上で、地磁気方位の検知や位置検出のための磁気検出回路が不可欠である。ここに、磁気センサとしては、ＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）等が知られており、これらは何れも周囲の磁気の強さに応じてその抵抗値が変化するものである。これらのセンサの中でも、ＴＭＲセンサが感度がよく、かつ、価格も安いことから、携帯電話等に用いるのに好適である（例えば、特許文献１参照）。

このようなＴＭＲセンサ等を用いて地磁気方位等を検知するための回路を構成する上で、
ＴＭＲセンサは周囲温度によって抵抗値が変化する問題がある。

このような問題に対して、例えば特許文献１では、コイルに交流バイアスを流し、その時の交流バイアス磁界を基にＴＭＲセンサの抵抗値を相対測定することにより、ＴＭＲセンサの温度変化に対応している。

また、特許文献２によれば、検出用磁気抵抗素子に対して、９０度の角度で基準用磁気抵抗素子を配置された一対の発振回路を構成し、これらの発振位相のずれに基づいて磁気検出をすることにより、温度変化に対応するようにしている。

特許文献３によれば、磁気抵抗素子に接続された差動増幅回路の後段に、温度変化による出力電圧の振幅の変動を補償する温度補償回路を設けるようにしている。即ち、４つの強磁性磁気抵抗パターンにより構成されたブリッジ回路を使用して磁界の変化を検出する場合の、出力電圧の温度変化に対して温度補償するものである。

特開２００３−１２１５２０公報 特開２００２−２８６８２５公報 特開平１１−１９４１６０号公報

微小磁界の検出用にＴＭＲ素子を利用する場合、感度を重視した膜構成及び成膜法で作製されたＴＭＲ素子を使用することになるので、ＴＭＲ素子駆動回路もＴＭＲ素子の微小な抵抗変化を検出できるように設計する必要がある。例えば、地磁気センサとしてＴＭＲ素子を使用する場合、地磁気を±０．３［Ｏｅ］とすれば、それに対するＴＭＲ素子の抵抗変化率は±０．２％位である。ＴＭＲ素子のピン層とフリー層との磁化方向が平行又は反平行となる位置が、最も抵抗変化率の小さい位置である。例えば、１００Ωの抵抗値のＴＭＲ素子を磁北の位置から１°回転させた場合の抵抗変化率は約０．３ｐｐｍである。このような微小な抵抗変化を検出するための駆動回路にとって、回路に使用している素子の温度変化は大きな問題である。

特許文献１の場合、バイアスコイルに三角波電流を流すことにより交流バイアス磁界を作成し、これを被検出磁界に加えることによる磁界のシフトと、それに伴うＴＭＲ素子の抵抗変化を利用したものである。従って、この方式による磁界の検出には、バイアスコイルが必要不可欠となる。このようなバイアスコイルを使用した場合、磁気センサとしての形状が大きくなることは避けられない。また、バイアス磁界を発生させるために、消費電力も大きくなってしまう。

また、特許文献２の場合、検知用磁気抵抗素子とは別に、検出すべき磁気に影響されないように検出用磁気抵抗素子に対して素子面同士が９０°の角度をなすように基準用磁気抵抗素子を設けているが、このような構成は外部磁界の方向が一定している場合にしか使用できない。例えば、地磁気センサとして使用する場合、１回転させると３６０°全ての方向から磁界がかかる。従って、検出すべき磁気に影響されないようにするために、検知用磁気抵抗素子に対して素子面同士が９０°の角度をなすように基準用磁気抵抗素子を設けたとしても意味はなく、基準用磁気抵抗素子にはなり得ない。さらに、地磁気センサとして使用する場合、２軸或いは３軸の検知が必要になり、各々の軸同士が９０°の角度をなすような構成にする必要がある。即ち、各々の軸の磁気抵抗素子は、全て検知用磁気抵抗素子でなければならない。

さらに、特許文献３の場合、磁界の検出感度を上げる目的で４つの強磁性磁気抵抗パターンを使用しているため、形状が大きくなってしまう。また、磁界の変化に対する磁気抵抗の変化を、直接、電圧の変化として検出しているため、被検出磁界が小さい場合、Ｓ／Ｎが小さくなってしまう。例えば、上述のように、地磁気を検出する場合、±０．３［Ｏｅ］位の磁界に対してセンサを１°回転させた場合の最小抵抗変化率は０．３ｐｐｍ程度である。従って、仮に磁気抵抗を１００Ω、これに流す電流を１ｍＡとすると、磁気抵抗に発生する変化電圧Ｖは、
Ｖ＝１００［Ω］・０．３・１０^−６・１［ｍＡ］＝０．０３［μＶ］
となる。このような微小電圧を扱う場合、特許文献３方式では難しいと思われる。また、出力を上げるために電流を多く流すことも考えられるが、このようにすると低消費電力を達成できなくなる。

本発明の目的は、配置的な制約を受けることのない構成で、小型・安価にして低消費電力駆動が可能な温度補償された磁気抵抗素子駆動回路を提供することである。

請求項１記載の発明の磁気抵抗素子駆動回路は、外部磁界の変化により抵抗値が変化する磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子が発振要素の一部として接続されて前記外部磁界の変化を発振周波数の変化に変換して出力する発振回路と、この発振回路の発振周波数の変化を検出する検出回路と、を備える発振制御回路と、周波数選択素子の温度変化による前記発振周波数の変化を補正するための温度補正用発振回路を含む補正手段と、を備える。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気抵抗素子駆動回路において、前記補正手段は、前記温度補正用発振回路を含み前記発振制御回路と同一構成の温度補正用発振制御回路と、この温度補正用発振制御回路中の前記温度補正用発振回路に発振要素の一部として前記磁気抵抗素子代替で接続されて外部磁界の変化により抵抗値が変化しない抵抗成分と、前記発振制御回路の検出出力から前記温度補正用発振制御回路の補正出力分を減算する減算手段と、からなる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の磁気抵抗素子駆動回路において、前記抵抗成分は、外部磁界が０の時の前記磁気抵抗素子の抵抗値に相当する抵抗値の基準抵抗である。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の磁気抵抗素子駆動回路において、前記抵抗成分は、外部磁界の変化により抵抗値が変化しない基準用磁気抵抗素子である。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の磁気抵抗素子駆動回路において、前記基準用磁気抵抗素子は、磁気遮蔽されて外部磁界の変化により抵抗値が変化しない素子とされている。

請求項６記載の発明は、請求項４記載の磁気抵抗素子駆動回路において、前記基準用磁気抵抗素子は、外部磁界の変化により抵抗値が変化しない材料又は構造により作製されている。

請求項７記載の発明は、請求項２ないし６の何れか一記載の磁気抵抗素子駆動回路において、基準時における前記周波数選択素子のＣＲ値と温度変化後のＣＲ値との違いに基づき発生するオフセット成分を除去するオフセット除去手段を備える。

請求項８記載の発明は、請求項７記載の磁気抵抗素子駆動回路において、前記オフセット除去手段は、前記周波数選択素子の温度変化に伴って変化する計数値をラッチしておくラッチ手段と、磁界測定時には前記減算手段から得られる出力から前記ラッチ手段にラッチされた前記オフセット成分を減算するオフセット成分減算手段と、を備える。

請求項９記載の発明は、請求項１ないし８の何れか一記載の磁気抵抗素子駆動回路において、前記磁気抵抗素子は、トンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）である。

本発明によれば、発振回路における周波数選択素子の温度変化による出力のドリフトを削減することができ、特に、地磁気のような微小磁界を検出するためのＴＭＲ素子駆動回路としては、ＴＭＲ素子を含めた発振回路における周波数選択素子の温度変化の影響を受けないので、極めて効果的なものとすることができる。

即ち、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型であるＴＭＲ素子の使用を前提としているので、バイアスコイル方式等に比べて形状を小さくすることができ（例えば、１ｍｍ角）、さらに、磁界検出のためのＴＭＲ素子の必要個数は、温度補正用素子を含めて２個で済ませることができ、かつ、低消費電力駆動（例えば、１ｍＷ）を可能にすることができる。また、外部磁界に対してどのような角度で配置されても、外部磁界からの影響を受けることのない基準用磁気抵抗素子を使用することによって、温度変化に影響されずに磁気検出を可能にすることができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態の磁気抵抗素子駆動回路は、磁気抵抗素子としてトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を用いた場合のＴＭＲ素子駆動回路への適用例を示す。

図１はこのＴＭＲ素子駆動回路の構成例を示すブロック図的な回路図である。このＴＭＲ素子駆動回路は、概略的には、外部磁界の変化により抵抗値が変化するＴＭＲ素子１と、ＣＲ発振制御回路（発振制御回路）２と、抵抗成分３と、温度補正用ＣＲ発振制御回路（温度補正用発振制御回路）４と、減算回路（減算手段）５と、Ｄ／Ａコンバータ６と、基準クロック発振器７に接続されたタイミング信号発生器８と、により構成されている。

ＣＲ発振制御回路２における発振回路は、正弦波ＣＲ発振回路１３として一般的なウィーンブリッジ発振回路により構成されている。Ｃ１，Ｃ２はコンデンサ（容量）、Ｒ１は抵抗である。このＣＲ発振回路１３の発振周波数の変化分を検出回路１５により検出することにより外部磁界の変化を検出することができる。

ここに、発振周波数の変化分を抽出するためには、外部磁界が０の時のＣＲ発振回路１３の発振周波数を基準周波数として、ＣＲ発振回路１３の発振周波数から差し引けばよい。実際の回路構成として、検出回路１５は、ＣＲ発振回路１３の出力をカウンタ１６に入力し、タイミング信号発生器８から発生されるタイミング信号Ｇ０，Ｇ１で設定されるゲート時間の間、カウントした結果をラッチ回路１７でラッチし、セレクタ１８において選択信号Ｓ０，Ｓ１で設定される外来ノイズ除去のためのアベレージング後の値が使用される。

このようにして、ＣＲ発振制御回路２は、ＣＲ発振回路１３と検出回路１５とにより構成されている。

一方、温度補正用ＣＲ発振制御回路４は、ＣＲ発振制御回路２と同じ回路構成とされている（よって、特に図示しないが、ＣＲ発振回路１３に相当する温度補正用発振回路と、検出回路１５に相当する検出回路を備えている）。また、抵抗成分３は、ＣＲ発振回路１３におけるＴＭＲ素子１に相当する当該ＴＭＲ素子代替でその抵抗値が外部磁界によって変化しない基準抵抗であり、温度補正用発振回路の発振要素の一部として接続されている。この抵抗成分３の抵抗値は、外部磁界が０の時のＴＭＲ素子１の抵抗値に相当する抵抗値の素子が用いられている。従って、外部磁界の変化により温度補正用発振回路の発振周波数が変化することはない。また、温度補正用ＣＲ発振制御回路４はＣＲ発振制御回路２と同じ回路構成（同じ性能の回路素子が使用されている）であるので、周囲の温度変化による発振周波数の変化については、両発振制御回路２，４の温度係数は同じと考えてよいといえる。

従って、ＣＲ発振制御回路２の検出出力から温度補正用ＣＲ発振制御回路４の補正出力分を減算回路５で減算することにより、ＣＲ発振制御回路２の検出出力に含まれる温度変化成分を削除することができる。これらの抵抗成分３と温度補正用ＣＲ発振制御回路４と減算回路５とにより補正手段１９が構成されている。これにより、このようなＴＭＲ素子駆動回路における温度変化による出力の温度ドリフトを削減することができる。よって、地磁気のような微小磁界を検出するためのＴＭＲ素子駆動回路としては、周波数選択素子の温度変化の影響を受けないので、極めて効果的である。

抵抗成分３に関する別の実施の形態について説明する。この抵抗成分３としては、通常の固定抵抗（基準抵抗）に限らず、基準用ＴＭＲ素子（基準用磁気抵抗素子）を用いてもよい。即ち、ＴＭＲ素子１相当の素子であるが、ＴＭＲ素子１が外部磁界の変化により抵抗値が変化するのに対して、この基準用ＴＭＲ素子は外部磁界の変化により抵抗値が変化しないことが条件である。この他の構成は、前述した通りでよい。

このように、抵抗成分３として基準抵抗に代えて、外部磁界の変化により抵抗値が変化しない基準用ＴＭＲ素子を用いることにより、ＴＭＲ素子の温度係数もＣＲ発振回路１３側と温度補正用ＣＲ発振回路とで同じになるので、ＣＲ発振制御回路２の温度変化を殆どなくすことができる。

なお、基準用ＴＭＲ素子に関して、外部磁界の変化によって抵抗値が変化しないようにするためには、例えば、透磁率の高い材料（例えば、Ｐｙ等）を用いて基準用ＴＭＲ素子を磁気遮蔽すればよい。或いは、基準用ＴＭＲ素子自体を材料的に又は構造的に外部磁界に反応しにくくなるように作製してもよい。例えば、フリー層に使用している材料の厚さを薄くして保磁力を大きくしてもよく、或いは、フリー層自体をなくして絶縁層の両面共ピン層とすることにより磁界に全く反応しなくなるようにしてもよい。

本発明の別の実施の形態について図２に基づいて説明する。図１で説明した部分と同一部分は同一符号を用いて示し説明も省略する。本実施の形態は、ＴＭＲ素子１の抵抗値と抵抗成分３（特に、基準用ＴＭＲ素子の場合）の抵抗値とが異なる場合に生ずるオフセットを除去するようにしたものである。

本実施の形態は、基本的な構成は図１の場合と同様であるが、減算回路５とＤ／Ａコンバータ６との間にオフセット除去手段２０を付加したものである。このオフセット除去手段２０は、減算回路５からキャリブレーション時（基準時）に得られるオフセット成分をラッチしておくラッチ回路（ラッチ手段）２１と、磁界測定時には減算回路５から得られる出力からラッチ回路２１にラッチされたオフセット成分を減算するオフセット成分減算回路（オフセット成分減算手段）２２とにより構成されている。

このような構成において、ＴＭＲ素子１の抵抗値と抵抗成分３の抵抗値とが異なる場合、外部磁界が０の状態においても減算回路５での減算結果が０とならず、それがオフセット電圧として出力されてしまう。ここに、本実施の形態にあっては、キャリブレーション実施時（基準時）に、減算回路５で減算した結果をラッチ回路２１でラッチしておき、その後、実際の磁界測定時には、減算回路５の減算結果について、さらにオフセット成分減算回路２２においてラッチ回路２１にラッチされているオフセット成分を減算することにより、ＴＭＲ素子１の抵抗値と抵抗成分３の抵抗値との違いに起因するオフセット及び温度変化から生ずるドリフトが削除され、外部磁界の変化のみに起因する出力の変化（発振周波数の変化）のみを抽出することができる。

なお、本実施の形態において、キャリブレーションを実施した時の磁界に対する出力を０とし、その後の外部磁界の変化に対する出力をするため、キャリブレーション実施は外部磁界が０に近い環境で行う必要がある。

本発明の実施の形態を示すブロック図的な回路構成図である。 本発明の別の実施の形態を示すブロック図的な回路構成図である。

符号の説明

１ 磁気抵抗素子、ＴＭＲ素子
２ 発振制御回路
３ 抵抗成分、基準抵抗又は基準用磁気抵抗素子
４ 温度補正用発振制御回路
５ 減算手段
１３ 発振回路
１５ 検出回路
１９ 補正手段
２０ オフセット除去手段
２１ ラッチ手段
２２ オフセット成分減算手段

Claims (9)

1. 外部磁界の変化により抵抗値が変化する磁気抵抗素子と、
   この磁気抵抗素子が発振要素の一部として接続されて前記外部磁界の変化を発振周波数の変化に変換して出力する発振回路と、この発振回路の発振周波数の変化を検出する検出回路と、を備える発振制御回路と、
   周波数選択素子の温度変化による前記発振周波数の変化を補正するための温度補正用発振回路を含む補正手段と、
   を備えることを特徴とする磁気抵抗素子駆動回路。
2. 前記補正手段は、前記温度補正用発振回路を含み前記発振制御回路と同一構成の温度補正用発振制御回路と、この温度補正用発振制御回路中の前記温度補正用発振回路に発振要素の一部として前記磁気抵抗素子代替で接続されて外部磁界の変化により抵抗値が変化しない抵抗成分と、前記発振制御回路の検出出力から前記温度補正用発振制御回路の補正出力分を減算する減算手段と、からなることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子駆動回路。
3. 前記抵抗成分は、外部磁界が０の時の前記磁気抵抗素子の抵抗値に相当する抵抗値の基準抵抗である、ことを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗素子駆動回路。
4. 前記抵抗成分は、外部磁界の変化により抵抗値が変化しない基準用磁気抵抗素子である、ことを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗素子駆動回路。
5. 前記基準用磁気抵抗素子は、磁気遮蔽されて外部磁界の変化により抵抗値が変化しない素子とされている、ことを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗素子駆動回路。
6. 前記基準用磁気抵抗素子は、外部磁界の変化により抵抗値が変化しない材料又は構造により作製されている、ことを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗素子駆動回路。
7. 基準時における前記周波数選択素子のＣＲ値と温度変化後のＣＲ値との違いに基づき発生するオフセット成分を除去するオフセット除去手段を備える、ことを特徴とする請求項２ないし６の何れか一記載の磁気抵抗素子駆動回路。
8. 前記オフセット除去手段は、前記周波数選択素子の温度変化に伴って変化する計数値をラッチしておくラッチ手段と、磁界測定時には前記減算手段から得られる出力から前記ラッチ手段にラッチされた前記オフセット成分を減算するオフセット成分減算手段と、を備えることを特徴とする請求項７記載の磁気抵抗素子駆動回路。
9. 前記磁気抵抗素子は、トンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）である、ことを特徴とする請求項１ないし８の何れか一記載の磁気抵抗素子駆動回路。
   

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