JP2009121858A

JP2009121858A - 増幅回路

Info

Publication number: JP2009121858A
Application number: JP2007293829A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Suzuki; 文浩鈴木
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2009-06-04

Abstract

【課題】作製が容易で、磁気センサから出力された出力信号に基づいて線形性の高い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。差動増幅回路３は、磁気抵抗素子で作製された第５及び第６のＭＲ素子（Ｒ１）３１、３２と第７及び第８のＭＲ素子（Ｒ２）３３、３４を有しており、ＭＲセンサ２から出力される出力電圧Ｖ_１、Ｖ_２の差分Ｖ_１−Ｖ_２を増幅率Ｒ_２／Ｒ_１によって増幅する。この増幅率Ｒ_２／Ｒ_１が、磁界の角度の関数であるので差動増幅回路３は、線形性の高い出力電圧Ｖ_ｏｕｔを出力することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁界方向の変化に基づいて増幅率を変化させ、線形性の高い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、互いに離間して配置される１組のホール素子と、このホール素子に対して相対移動する磁石と、差動増幅部、加算部、減算部及び演算部等を有する処理回路と、を備えた位置検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この位置検出装置は、各ホール素子から出力された出力電圧の差分値を差動増幅部で差動増幅したのち、加算部によって加算処理する。演算部は、加算された値が一定値になるように各ホール素子に印加する電圧を調整する。

処理回路の演算部が、各ホール素子に印加する電圧を調整することで、各ホール素子の感度を一定にすることができ、各ホール素子から出力された出力電圧の差分値と磁石の位置との間の線形関係が確保される。
特開２００５−３３１４００号公報

しかし、従来の位置検出装置によると、線形関係を確保するために、処理回路には多くの電子部品が必要であるため、より簡便な方法で線形性を確保できる技術が求められていた。

従って本発明の目的は、作製が容易で、磁気センサから出力された出力信号に基づいて線形性の高い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、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た帰還抵抗と、を備え、前記第１の入力抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる磁界方向に対して第１の抵抗値が最大になる第１の磁気抵抗素子であり、前記帰還抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる前記磁界方向に対して第２の抵抗値が最小になる第２の磁気抵抗素子であり、前記第１の入力抵抗及び前記帰還抵抗の前記第１及び第２の抵抗値の比である増幅率が前記磁界方向に基づいて変化することで所定の角度範囲において増幅信号が略線形性を有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、磁気センサから出力された出力信号に基づいて線形性の高い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、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た帰還抵抗と、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、前記第１の入力抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる磁界方向に対して第１の抵抗値が最大になる第１の磁気抵抗素子であり、前記帰還抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる前記磁界方向に対して第２の抵抗値が最小になる第２の磁気抵抗素子であり、前記第２の入力抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる前記磁界方向に対して第３の抵抗値が最大になる前記第１の磁気抵抗素子であり、前記接地側抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる前記磁界方向に対して第４の抵抗値が最小になる前記第２の磁気抵抗素子であり、前記第１の入力抵抗及び前記帰還抵抗の前記第１及び第２の抵抗値の比である増幅率が前記磁界方向に基づいて変化することで所定の角度範囲において増幅信号が略線形性を有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、磁気センサから出力された出力信号に基づいて線形性の高い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、磁気センサから出力された出力信号に基づいて線形性の高い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。図１における角度θは、Ｘ−Ｙ座標系のＸ座標からの角度を表す。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、磁界方向の変化に基づいて第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θ＝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。

なお、図１に示すθが、４５°のとき、各第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３の長さ方向に対して４５°で磁界が横切るので、各第１〜第４のＭＲ素子２０〜２３の磁気抵抗値は、同じ値を取り、よって差分（Ｖ_１−Ｖ_２）はゼロとなる。

（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第１の入力抵抗としての第５のＭＲ素子（Ｒ１）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第２の入力抵抗としての第６のＭＲ素子（Ｒ１）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７のＭＲ素子（Ｒ２）３３と、第６のＭＲ素子（Ｒ１）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８のＭＲ素子（Ｒ２）３４と、を備えて構成されている。また、第５のＭＲ素子（Ｒ１）３１と第６のＭＲ素子（Ｒ１）３２は、磁界が印加されていないとき、第１及び第３の抵抗値としての同じ磁気抵抗値Ｒ_１を有し、第７のＭＲ素子（Ｒ２）３３と第８のＭＲ素子（Ｒ２）３４もまた、第２及び第４の抵抗値としての同じ磁気抵抗値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５のＭＲ素子（Ｒ１）３１と第７のＭＲ素子（Ｒ２）３３の比Ｒ_２／Ｒ_１である。

（第５及び第６のＭＲ素子（Ｒ１）３１、３２の構成）
第５及び第６のＭＲ素子（Ｒ１）３１、３２は、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５及び第６のＭＲ素子（Ｒ１）３１、３２の磁気抵抗値Ｒ_１は、増幅率によって決定される。

第５及び第６のＭＲ素子（Ｒ１）３１、３２は、図１に示すように、Ｘ軸に対して平行な方向（θ＝０°）から磁界が印加されたとき、磁気抵抗値は最大となる。また、Ｘ軸に対して垂直な方向（θ＝９０°）から磁界が印加されたとき、磁気抵抗値は最小になる。以下に、磁気抵抗値が最小のときの磁気抵抗値をＲ_１小、磁気抵抗値が最大のときの磁気抵抗値をＲ_１大、と記述するものとする。

（第７及び第８のＭＲ素子（Ｒ２）３３、３４の構成）
第７及び第８のＭＲ素子（Ｒ２）３３、３４は、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７及び第８のＭＲ素子（Ｒ２）３３、３４の磁気抵抗値Ｒ_２は、増幅率によって決定される。

第７及び第８のＭＲ素子（Ｒ２）３３、３４は、図１に示すように、Ｘ軸に対して平行な方向（θ＝０°）から磁界が印加されたとき、磁気抵抗値は最小となる。また、Ｘ軸に対して垂直な方向（θ＝９０°）から磁界が印加されたとき、磁気抵抗値は最大になる。以下に、磁気抵抗値が最小のときの磁気抵抗値をＲ_２小、磁気抵抗値が最大のときの磁気抵抗値をＲ_２大と記述するものとする。よって、増幅率Ｒ_２／Ｒ_１は、磁界の角度θの関数になる。

また第５及び第６のＭＲ素子（Ｒ１）３１、３２と第７及び第８のＭＲ素子（Ｒ２）３３、３４は、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５及び第６のＭＲ素子（Ｒ１）３１、３２、及び第７及び第８のＭＲ素子（Ｒ２）３３、３４は、近傍に配置されることによって、ＭＲセンサ２に印加される磁界と同じ向きの磁界が印加され、より磁界の角度変化による増幅率の変化の追従性が良くなり、感度、言い換えるなら線形性が改善される。

（従来の差動増幅回路について）
図２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５及び第６のＭＲ素子（Ｒ１）３１、３２が、同じ抵抗値Ｒ_１を有する第１及び第２の抵抗（Ｒ_１）６０、６１に対応しており、第７及び第８のＭＲ素子（Ｒ２）３３、３４が、同じ抵抗値Ｒ_２を有する第３及び第４の抵抗（Ｒ_２）６２、６３に対応している。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、磁界の角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及び図２、及び後述する図３を参照し、詳細に説明する。

図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る従来例における磁界の角度と出力電圧のグラフであり、図３（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る理想例、実施例及び従来例における磁界の角度と出力電圧のグラフである。従来例とは、上記した従来のセンサ装置５のことであり、理想例とは、理想的なセンサ装置の出力電圧の線形のグラフの例であり、実施例とは、本実施の形態におけるセンサ装置１のことである。

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５のＭＲ素子（Ｒ１）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７のＭＲ素子（Ｒ２）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５のＭＲ素子（Ｒ_１）３１、第７のＭＲ素子（Ｒ２）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６のＭＲ素子（Ｒ１）３２によって入力ゲインを調整されたのち、第８のＭＲ素子（Ｒ２）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。

上記の結果、出力される出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、図２に示す従来の差動増幅回路６の場合、図３（ａ）に示す正弦波となる。

一例として、ＭＲセンサ２から出力された出力電圧に基づいて磁石の位置を検出する装置の場合、ＭＲセンサ２からの出力電圧の差分を増幅し、増幅された出力電圧Ｖ_ｏｕｔが、例えば図３（ａ）に示すように、θが所定の角度範囲として−４５°〜４５°の範囲にあるとき、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは比較的線形に近く、装置の設計がし易い。しかし、より理想的な出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、図２（ｂ）に示す理想例であり、−４５°及び４５°付近においては、従来例と理想例では、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの値が大きく異なっている。

これは、従来の差動増幅回路６の増幅率Ｒ_２／Ｒ_１が、磁界方向（角度θ）に依存しないため、ＭＲセンサ２から出力される出力電圧の差分（Ｖ_１−Ｖ_２）、つまり正弦波をそのまま増幅するからである。

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は、磁界の角度θの関数であり、例えばθが０°のとき、第５及び第６のＭＲ素子（Ｒ１）３１、３２は、磁気抵抗値が最大になるので磁気抵抗値はＲ_１大となり、第７及び第８のＭＲ素子（Ｒ２）３３、３４は、磁気抵抗値が最小になるので磁気抵抗値はＲ_２小となり、増幅率はＲ_２小／Ｒ_１大となる。

センサ装置１の差動増幅回路３は、θが０°から４５°に近づくにつれて、第５及び第６のＭＲ素子（Ｒ１）３１、３２の磁気抵抗値Ｒ_１がＲ_１大からＲ_１小に変化し、第７及び第８のＭＲ素子（Ｒ２）３３、３４の磁気抵抗値Ｒ_２がＲ_２小からＲ_２大に変化するので、増幅率は、Ｒ_２小／Ｒ_１大からＲ_２大／Ｒ_１小、すなわち、増幅率が小から大へと変化する。つまり、増幅率は、θが４５°に近づくにつれて大きくなり、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、図３（ｂ）に示す実施例のように、理想例（線形）に近づくことになり、センサ装置１は、線形性の高い出力電圧Ｖ_ｏｕｔを出力することができる。

（効果）
上記した実施の形態におけるセンサ装置１は、第５及び第６のＭＲ素子（Ｒ１）３１、３２と第７及び第８のＭＲ素子（Ｒ２）３３、３４が、磁気抵抗素子で作製されているので、増幅率Ｒ_２／Ｒ_１が磁界方向（角度θ）に依存し、その結果、所定の角度範囲において出力電圧Ｖ_ｏｕｔが、線形性により近くなる。また、センサ装置１は、第５及び第６のＭＲ素子（Ｒ１）３１、３２と第７及び第８のＭＲ素子（Ｒ２）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。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。（ａ）は、本発明の実施の形態に係る従来例における磁界の角度と出力電圧のグラフであり、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る理想例、実施例及び従来例における磁界の角度と出力電圧のグラフである。

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５〜第８のＭＲ素子、６０〜６３…第１〜第４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、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た帰還抵抗と、
を備え、
前記第１の入力抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる磁界方向に対して第１の抵抗値が最大になる第１の磁気抵抗素子であり、
前記帰還抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる前記磁界方向に対して第２の抵抗値が最小になる第２の磁気抵抗素子であり、前記第１の入力抵抗及び前記帰還抵抗の前記第１及び第２の抵抗値の比である増幅率が前記磁界方向に基づいて変化することで所定の角度範囲において増幅信号が略線形性を有することを特徴とする増幅回路。
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、
前記第２の入力抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる前記磁界方向に対して第３の抵抗値が最大になる前記第１の磁気抵抗素子であり、
前記接地側抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる前記磁界方向に対して第４の抵抗値が最小になる前記第２の磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１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、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た帰還抵抗と、
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、
前記第１の入力抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる磁界方向に対して第１の抵抗値が最大になる第１の磁気抵抗素子であり、
前記帰還抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる前記磁界方向に対して第２の抵抗値が最小になる第２の磁気抵抗素子であり、
前記第２の入力抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる前記磁界方向に対して第３の抵抗値が最大になる前記第１の磁気抵抗素子であり、
前記接地側抵抗は、前記磁気センサから出力される前記第１の出力信号がゼロになる前記磁界方向に対して第４の抵抗値が最小になる前記第２の磁気抵抗素子であり、前記第１の入力抵抗及び前記帰還抵抗の前記第１及び第２の抵抗値の比である増幅率が前記磁界方向に基づいて変化することで所定の角度範囲において増幅信号が略線形性を有することを特徴とする増幅回路。
前記第１及び第２の入力抵抗は、前記第１及び第２の入力抵抗を横切る前記磁界の方向が同一のとき、同一の抵抗値を有し、
前記帰還抵抗及び前記接地側抵抗は、前記帰還抵抗及び前記接地側抵抗を横切る前記磁界の方向が同一のとき、同一の抵抗値を有することを特徴とする請求項２または３に記載の増幅回路。
前記磁気センサは、ブリッジ回路を有することを特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の増幅回路。