JP2009115688A

JP2009115688A - 増幅回路

Info

Publication number: JP2009115688A
Application number: JP2007290720A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Suzuki; 文浩鈴木
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2009-05-28

Abstract

【課題】作製が容易で、温度特性を有する磁気センサから出力された出力信号に基づいて安定した増幅信号を出力する増幅回路を提供する。
【解決手段】センサ装置１は、ＭＲセンサ２と、差動増幅回路３と、を備えている。ＭＲセンサ２は、第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３を備え、第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３の磁気抵抗値は、正の温度特性を有している。一方ＭＲセンサ２は、負の温度特性を有しているので、差動増幅回路３の第３及び第４の抵抗（Ｒ_２）３３、３４を負の温度特性を有する第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３と同じ部材で作製することによって、ＭＲセンサ２の温度特性を補正することができ、センサ装置１は、安定した出力を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度特性を有する磁気センサから出力された出力信号に基づいて安定した増幅信号を出力する増幅回路に関する。

従来の技術として、回転するギアによる磁界の変化を検出する２つの磁気抵抗素子と、入力端子及び出力端子を有するオペアンプと、オペアンプの入力端子側に配置されたゲイン決定用入力抵抗（Ｒ_１）と、オペアンプの出力端子から入力端子への帰還経路に配置されたゲイン決定用帰還抵抗（Ｒ_２）と、を備えた増幅回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この増幅回路におけるゲイン決定用入力抵抗（Ｒ_１）とゲイン決定用帰還抵抗（Ｒ_２）は、不純物濃度の調整やイオン種を選択して使用することによって任意の温度特性を得ることができる不純物拡散抵抗であり、磁気抵抗素子の磁気抵抗値の温度特性を相殺するように作製されている。

よってこの増幅回路は、２つの磁気抵抗素子の温度特性をゲイン決定用入力抵抗（Ｒ_１）とゲイン決定用帰還抵抗（Ｒ_２）とで相殺できるので、温度変化に対して出力をほぼ一定に維持することができる。
特開平１１−２８７６６８号公報

しかし、従来の増幅回路によると、２つの磁気抵抗素子の温度特性を測定し、その温度特性を相殺するようにゲイン決定用入力抵抗（Ｒ_１）とゲイン決定用帰還抵抗（Ｒ_２）の不純物濃度の調整やイオン種を選択しなければならず、それらの選択に多くの労力が必要であり、また、その結果コスト高となることから容易に作製することが困難であった。

従って本発明の目的は、作製が容易で、温度特性を有する磁気センサから出力された出力信号に基づいて安定した増幅信号を出力する増幅回路を提供することにある。

（１）本発明は上記目的を達成するため、反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有するオペアンプと、前記オペアンプの前記反転入力端子側に設けられ、温度特性を有し、少なくとも２つの磁気抵抗素子から構成された磁気センサから出力される第１の出力信号の入力ゲインを調整する第１の入力抵抗と、前記オペアンプの前記出力端子から前記反転入力端子への帰還経路に設けられ、前記磁気センサと相反する前記温度特性を有する帰還抵抗と、を備え、前記帰還抵抗は、所定の抵抗値となるように前記磁気抵抗素子を形成する部材によって作製され、前記磁気センサの前記温度特性を補正することを特徴とする増幅回路を提供する。

上記した構成によれば、例えば反転増幅回路において、作製が容易で、温度特性を有する磁気センサから出力された出力信号に基づいて安定した増幅信号を出力することができる。

（２）本発明は上記目的を達成するため、反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有するオペアンプと、前記オペアンプの前記反転入力端子側に設けられ、温度特性を有し、少なくとも２つの磁気抵抗素子から構成された磁気センサから出力される第１の出力信号の入力ゲインを調整する第１の入力抵抗と、前記オペアンプの前記非反転入力端子側に設けられ、前記磁気センサから出力される第２の出力信号の前記入力ゲインを調整する第２の入力抵抗と、前記オペアンプの前記出力端子から前記反転入力端子への帰還経路に設けられ、前記磁気センサと相反する前記温度特性を有する帰還抵抗と、前記第２の入力抵抗と前記非反転入力端子の間から接地回路の間に設けられた接地側抵抗と、を備え、前記帰還抵抗及び前記接地側抵抗は、所定の抵抗値となるように前記磁気抵抗素子を形成する部材によって作製され、前記磁気センサの前記温度特性を補正することを特徴とする増幅回路を提供する。

上記した構成によれば、例えば差動増幅回路において、作製が容易で、温度特性を有する磁気センサから出力された出力信号に基づいて安定した増幅信号を出力することができる。

このような構成によれば、作製が容易で、温度特性を有する磁気センサから出力された出力信号に基づいて安定した増幅信号を出力する増幅回路を提供することができる。

以下に、本発明の増幅回路の実施の形態を図面を参考にして詳細に説明する。

[実施の形態]
（センサ装置１の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るセンサ装置の等価回路図である。本実施の形態においては、増幅回路をＭＲセンサ２の出力電圧を増幅する差動増幅回路３に適用した場合について説明する。なお、増幅回路を反転増幅回路等の抵抗値の比によって増幅率が決まる増幅回路に適用しても良く、またこれに限定されない。

センサ装置１は、磁界の方向変化に基づいて第１及び第２の出力信号としての出力電圧Ｖ_１及びＶ_２を出力する磁気センサとしてのＭＲ（ＭａｇｎｅｔｒｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）センサ２と、出力された出力電圧Ｖ_１及びＶ_２の差分（Ｖ_１−Ｖ_２）を増幅する差動増幅回路３と、を備えて概略構成されている。

（ＭＲセンサ２の構成）
ＭＲセンサ２は、ＮｉＦｅパーマロイ及びＦｅＣｏ合金等の強磁性金属を主成分とした薄膜で作製された磁気抵抗素子としての第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３を有して構成されている。

第１及び第２のＭＲ素子２０、２１は、図１に示すように、磁界に対する感磁方向が互いに９０°となるように図示しない基板上に配置され、第３及び第４のＭＲ素子２２、２３もまた、磁界に対する感磁方向が互いに９０°となるように図示しない基板上に配置される。また、第１のＭＲ素子２０と第３のＭＲ素子２３、及び第２のＭＲ素子２１と第３のＭＲ素子２２が、感磁方向が一致するように配置され、第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３の長さ方向は、図１に示すＸ―Ｙ座標のＸ軸に対して４５°の角度をなしている。第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３は、ブリッジ回路を形成している。なお、感磁方向とは、第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３の磁気抵抗値が変化する磁界方向を指しており、第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３の矩形状の折り返しパターンの長手部分に平行な線を基準としている。すなわち、感磁方向が９０°とは、第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３の折り返しパターンの長手部分に対して垂直に磁界が横切ることを指している。

第１のＭＲ素子２０と第３のＭＲ素子２２との間には、印加電圧Ｖ_ｃｃが印加され、第２のＭＲ素子２１と第３のＭＲ素子２３との間は、図示しない接地回路に接続されている。また、第１のＭＲ素子２０と第２のＭＲ素子２１との間の中点電位を取り出すことが可能で、その出力電圧をＶ_１、同様に第３のＭＲ素子２２と第３のＭＲ素子２３との間の出力電圧をＶ_２とするものとする。

（差動増幅回路３の構成）
差動増幅回路３は、図１に示すように、非反転入力端子（＋）、反転入力端子（−）、及び出力端子を備えた増幅器の電子回路モジュールであるオペアンプ３０と、オペアンプ３０の反転入力端子（−）側に配置され、ＭＲセンサ２から出力される出力電圧Ｖ_１の入力ゲインを調整する温度によって抵抗値の変化しない第１の入力抵抗としての第１の抵抗（Ｒ_１）３１と、オペアンプ３０の非反転入力端子（＋）側に配置され、ＭＲセンサ２から出力される出力電圧Ｖ_２の入力ゲインを調整する温度によって抵抗値の変化しない第２の入力抵抗としての第２の抵抗（Ｒ_１）３２と、オペアンプ３０の出力端子から反転入力端子（−）への帰還経路に配置された帰還抵抗としての第３の抵抗（Ｒ_２）３３と、第２の抵抗（Ｒ_１）３２と非反転入力端子（＋）の間に接続され、一方端は図示しない接地回路に接続されている接地側抵抗としての第４の抵抗（Ｒ_２）３４と、を備えて構成されている。また、第１の抵抗（Ｒ_１）３１と第２の抵抗（Ｒ_１）３２は、同じ抵抗値Ｒ_１を有し、第３の抵抗（Ｒ_２）３３と第４の抵抗（Ｒ_２）３４は、磁界が印加されていないとき、共に所定の抵抗値として抵抗値Ｒ_２を有するように構成されている。

この差動増幅回路３は、出力電圧Ｖ_１及びＶ_２の差分（Ｖ_１−Ｖ_２）を増幅し、増幅信号としてＶ_ｏｕｔを出力する。その増幅率は、第１の抵抗（Ｒ_１）３１と第３の抵抗（Ｒ_２）３３の比Ｒ_２／Ｒ_１である。

（第３及び第４の抵抗（Ｒ_２）３３、３４の構成）
図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る第３及び第４の抵抗の一例を示す概略図である。第３及び第４の抵抗（Ｒ_２）３３、３４は、ＭＲセンサ２の第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３と同じ部材によって作製された磁気抵抗素子であり、その部材の線幅及び膜厚もまた同じである。第３及び第４の抵抗（Ｒ_２）３３、３４の磁気抵抗値Ｒ_２は、増幅率によって決定される。

第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３の磁気抵抗値は、正の温度特性を有している。しかし、第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３からなるＭＲセンサ２は、負の温度特性を有している。そこで差動増幅回路３の第３及び第４の抵抗（Ｒ_２）３３、３４を、第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３と同じ部材で作製することによって、差動増幅回路３は、容易にＭＲセンサ２の温度特性に対応する温度特性を持ち、ＭＲセンサ２の温度特性を補正することができる。

また第３及び第４の抵抗（Ｒ_２）３３、３４は、ＭＲセンサ２の温度特性を補正するため、ＭＲセンサ２の近傍に配置されるのが望ましい。なぜなら第３及び第４の抵抗（Ｒ_２）３３、３４は、近傍に配置されることによって、ＭＲセンサ２の温度に近い温度になる。しかし、同時に、第３及び第４の抵抗（Ｒ_２）３３、３４は、ＭＲセンサ２に印加される磁界の影響を受け、磁気抵抗値が、温度だけでなく磁界の変化に基づいて変化する可能性がある。そこで、一例として図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、温度が一定のとき、磁界の方向の変化によって磁気抵抗値が殆ど変化しないように、異方性が無い形状で作製される。

（従来の差動増幅回路について）
図３は、本発明の実施の形態に係る従来のセンサ装置の一例を示す等価回路図である。従来のセンサ装置５は、一例として、本実施の形態におけるセンサ装置１に対して差動増幅回路６の構成が異なっている。従来の差動増幅回路６は、第３の抵抗（Ｒ_２）３３が第５の抵抗（Ｒ_２）６０に、第４の抵抗（Ｒ_２）３４が第６の抵抗（Ｒ_２）６１に、なっており、第５及び第６の抵抗（Ｒ_２）６０、６１は、同じ抵抗値Ｒ_２を有する。この従来の差動増幅回路６は、出力電圧Ｖ_１及びＶ_２の差分（Ｖ_１−Ｖ_２）の増幅率がＲ_２／Ｒ_１であり、温度によらず一定の値を有している。

（動作）
以下に、本実施の形態におけるセンサ装置１の動作を図１〜３、及び後述する図４を参照し、詳細に説明する。

図４は、本発明の実施の形態に係る感度と温度の関係を示した概略図である。図中の実施例とは、本実施の形態におけるセンサ装置１の出力を表しており、従来例とは、従来のセンサ装置５の出力を表している。

一例として、図１におけるＭＲセンサ２に対して、図示しない磁石を近づけ移動させると、磁石から発生した磁界によってＭＲセンサ２から出力電圧Ｖ_１及びＶ_２が出力される。

出力電圧Ｖ_１に基づく電流は、第１の抵抗（Ｒ_１）３１によって入力ゲインを調整されたのち、オペアンプ３０の反転入力端子（−）、出力端子、第３の抵抗（Ｒ_２）３３を介して反転入力端子（−）に戻される。その結果、差動増幅回路３は、点ｎ及びｐの電圧が等しくなるように働くので、やがてオペアンプ３０に電流が流れ込まなくなり、図１に示すように、第１の抵抗（Ｒ_１）３１、第３の抵抗（Ｒ_２）３３を介して出力される。

同様に、出力電圧Ｖ_２に基づく電流は、第２の抵抗（Ｒ_１）３２によって入力ゲインを調整されたのち、第４の抵抗（Ｒ_２）３４を介して図示しない接地回路に出力される。こうして出力電圧の差分（Ｖ_１−Ｖ_２）が、増幅率Ｒ_２／Ｒ_１に基づいて増幅され、増幅信号として出力電圧Ｖ_ｏｕｔが出力される。

このとき、ＭＲセンサ２は、負の温度特性を有する（例えば、温度が上昇すると感度が低くなる）ため、図３に示す従来の差動増幅回路６では、増幅率Ｒ_２／Ｒ_１で増幅された電圧は高温時に振幅が減少し、結果として従来の差動増幅回路６から出力される出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、図４に示す従来例のように、磁界のみならず温度によってその値が変化し、感度が落ちてしまう。

しかし、本実施の形態における差動増幅回路３では、増幅率Ｒ_２／Ｒ_１の分子であるＲ_２が、磁気抵抗素子である第３の抵抗（Ｒ_２）３３の抵抗値Ｒ_２であり、第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３の磁気抵抗値と同じ正の温度特性を有しているので、例えば温度が上昇したとき、上記のＲ_２も同時に変化し、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの温度による変化を抑制することができる。よって図４に示す実施例のように、本実施の形態におけるセンサ装置１は、感度が温度に依存せず、ほぼ一定の感度となるように補正することができる。

（効果）
上記した実施の形態におけるセンサ装置１は、第３及び第４の抵抗（Ｒ_２）３３、３４が、第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３と同じ温度特性を有しているので、温度変化による出力電圧Ｖ_ｏｕｔの変化を抑制することができ、温度による感度の変化を補正することができる。また、センサ装置１は第３及び第４の抵抗（Ｒ_２）３３、３４が、第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３と同じように作製することができるので、コストが掛からず、さらに、作製が容易である。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の実施の形態に係るセンサ装置の等価回路図である。（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る第３及び第４の抵抗の一例を示す概略図である。本発明の実施の形態に係る従来のセンサ装置の一例を示す等価回路図である。、本発明の実施の形態に係る感度と温度の関係を示した概略図である。

符号の説明

１…センサ装置、２…ＭＲセンサ、３…差動増幅回路、５…センサ装置、６…差動増幅回路、２０〜２３…第１〜第４のＭＲ素子、３０…オペアンプ、３１〜３４…第１〜第４の抵抗、６０、６１…第５、第６の抵抗、Ｖ_１…出力電圧、Ｖ_２…出力電圧、Ｖ_ｃｃ…印加電圧、Ｖ_ｏｕｔ…出力電圧

Claims

反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有するオペアンプと、
前記オペアンプの前記反転入力端子側に設けられ、温度特性を有し、少なくとも２つの磁気抵抗素子から構成された磁気センサから出力される第１の出力信号の入力ゲインを調整する第１の入力抵抗と、
前記オペアンプの前記出力端子から前記反転入力端子への帰還経路に設けられ、前記磁気センサと相反する前記温度特性を有する帰還抵抗と、
を備え、
前記帰還抵抗は、所定の抵抗値となるように前記磁気抵抗素子を形成する部材によって作製され、前記磁気センサの前記温度特性を補正することを特徴とする増幅回路。
前記帰還抵抗は、前記磁気センサに対して印加された磁界に対して、前記磁界の方向変化に基づいて磁気抵抗値が変化しないことを特徴とする請求項１に記載の増幅回路。
前記オペアンプは、前記磁気センサから出力される第２の出力信号の前記入力ゲインを調整する第２の入力抵抗を前記非反転入力端子側に設け、さらに前記第２の入力抵抗と前記非反転入力端子の間から接地回路の間に接地側抵抗を設け、
前記接地側抵抗は、前記所定の抵抗値となるように前記磁気抵抗素子を形成する部材によって作製され、前記磁気センサの前記温度特性を補正することを特徴とする請求項２に記載の増幅回路。
前記抵抗は、前記磁気センサに対して印加された磁界に対して、前記磁界の方向変化に基づいて磁気抵抗が変化しないことを特徴とする請求項３に記載の増幅回路。
反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有するオペアンプと、
前記オペアンプの前記反転入力端子側に設けられ、温度特性を有し、少なくとも２つの磁気抵抗素子から構成された磁気センサから出力される第１の出力信号の入力ゲインを調整する第１の入力抵抗と、
前記オペアンプの前記非反転入力端子側に設けられ、前記磁気センサから出力される第２の出力信号の前記入力ゲインを調整する第２の入力抵抗と、
前記オペアンプの前記出力端子から前記反転入力端子への帰還経路に設けられ、前記磁気センサと相反する前記温度特性を有する帰還抵抗と、
前記第２の入力抵抗と前記非反転入力端子の間から接地回路の間に設けられた接地側抵抗と、
を備え、
前記帰還抵抗及び前記接地側抵抗は、所定の抵抗値となるように前記磁気抵抗素子を形成する部材によって作製され、前記磁気センサの前記温度特性を補正することを特徴とする増幅回路。
前記磁気センサは、前記磁気抵抗素子にて形成されたブリッジ回路を有することを特徴とする請求項１から５いずれか１項に記載の増幅回路。