JP2013181770A - 磁気センサの信号検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない磁気抵抗素子を用いて磁場の大きさに応じた信号を検出する磁気センサの信号検出回路を提供すること。
【解決手段】特定方向の磁場を感知する感磁素子の第１の磁気抵抗素子２０１と、感磁方向の外部磁場に対して不感となる手段を用いて磁場を感知しない参照素子の第２の磁気抵抗素子２０２と、この第２の磁気抵抗素子２０２と、第１の電位を基準にした参照電圧とで参照電流を形成する参照電流生成回路２２０と、参照電流の複製電流を形成する複製電流生成回路２３０とを備え、第１及び第２の磁気抵抗素子一方の端子のそれぞれに第１の電位２４１が与えられ、複製電流２５１を第１の磁気抵抗素子２０１に流し、出力信号を取り出す手段を用いて、第１の磁気抵抗素子２０１の磁気抵抗変化率を取り出す。
【選択図】図４

Description

本発明は、磁気センサの信号検出回路に関し、より詳細には、少ない磁気抵抗素子を用いて磁場の大きさに応じた信号を検出する磁気センサの信号検出回路に関する。

一般に、磁気抵抗素子は、ある特定方向の磁場に対して反応する素子であって、特定方向から入力する磁場の大きさによってその抵抗値が変化する。磁気抵抗素子の抵抗Ｒ_ＭＲは、一般に、以下のような式（１）で表される。
Ｒ_ＭＲ＝Ｒ_Ｓ＋ΔＲ_Ｍ＝Ｒ_Ｓ（１＋（ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓ）） ・・・（１）
Ｒ_Ｓは磁場に依らない抵抗値、ΔＲ_Ｍは磁場の大きさに応じて変化する抵抗値、ΔＲ_Ｍは磁場の大きさに応じて変化する抵抗値、ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓは磁場の大きさに応じて変化する磁気抵抗変化率である。

磁気抵抗素子としては、半導体磁気抵抗素子（ＳＭＲ素子），異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ素子），巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子），トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）などがある。これらの磁気抵抗素子は、ホール素子に比べると、〜１０００倍ほど感度が高い。これらの磁気抵抗素子の内、ＡＭＲ素子とＧＭＲ素子は、基板上に平面状に形成され、平面に対して水平で、特定方向の磁場に感知する磁気抵抗素子である。

磁場に応じた信号を検出する場合において、上述した式（１）の磁場に依らない抵抗値Ｒ_Ｓは不必要であって、磁場の大きさに応じて変化する抵抗値ΔＲ_Ｍ、あるいは、磁気抵抗変化率ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓを取り出すことが重要である。
磁気抵抗素子を用いて、上述の磁気抵抗変化率ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓを取り出す方法として、最も利用される磁気抵抗素子の構成は、例えば、特許文献１に記載されており、この例の場合は、４つのＧＭＲ素子を組み合せたホイーストン・ブリッジを構成した磁気センサである。

図１は、特許文献１に示された磁気センサの回路構成図である。この磁気センサ１００は、隣接せず対向する１対のＧＭＲ素子１０６，１０８は、２枚のＮｉＦｅからなる磁気収束板１１０，１１０の空隙に設けられ、空隙には、磁気収束板１１０，１１０で増幅された紙面横方向からの外部磁場がＧＭＲ素子１０６，１０８に入力されるため、外部磁場に応答する感磁素子となっている。もう１対のＧＭＲ素子１０２，１０４は、２枚のそれぞれの磁気収束板１１０，１１０の下に配置され、紙面横方向からの外部磁場は磁気収束板１１０，１１０に収束され、ＧＭＲ素子１０２，１０４のそれぞれの位置での横方向の磁場がほとんどないため、外部磁場に影響されない参照素子となっている。

図２は、磁気センサのホイーストン・ブリッジを構成した回路構成図で、このホイーストン・ブリッジを構成する磁気センサの感磁素子であるＧＭＲ素子１０６，１０８の抵抗をＲ１，Ｒ３とし、参照素子であるＧＭＲ素子１０２，１０４の抵抗をＲ２，Ｒ４とし、ホイーストン・ブリッジの１対の対向する端子に電圧Ｖ_ＲＥＦを与えると、
Ｒ１＝Ｒ３＝Ｒ_Ｓ（１＋（ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓ））、Ｒ２＝Ｒ４＝Ｒ_Ｓとして、もう１対の対向する端子間の出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、以下の式（２）とおりとなる。

上記式（２）から、２＞＞ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓであれば、近似解として、出力電圧はＶ_ＲＥＦ／２・ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓとなり、磁場の大きさに応じて変化する磁気抵抗変化率ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓに比例した出力を取り出すことができる。
なお、ホイーストン・ブリッジを構成する磁気センサについては、例えば、特許文献２に記載されている。この特許文献２に記載のものは、４つのＧＭＲ素子でホイーストン・ブリッジにして組んだ磁気センサであり、これらの内、１対のＧＭＲ素子は、外部磁場に応答する１対の感磁素子として、もう１対のＧＭＲ素子は、感磁素子から距離をとって、外部磁場に影響されない参照素子を構成している。

米国特許第７，６３９，００５号明細書 特開２０００−１７４３５８号公報

しかしながら、一般には、上述した式（２）の分母に含まれるΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓは、無視することができない。したがって、出力電圧の線形性が悪くなり、磁気センサとしての精度を損なう問題がある。
また、センサの構成から明らかなように、ある特定の一方向の磁場を検出するには、磁気抵抗素子を４つ使うため、センサチップのサイズが大きくなり、高コストになる問題がある。さらには、例えば、電子コンパスのように互いに直交する３方向の磁場を検出するような用途においては、磁気抵抗素子を１２個用いなければならず、センサチップの小型化が困難なうえに、さらなる高コストは必然であり、大きな問題である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、少ない磁気抵抗素子を用いて磁場の大きさに応じた信号を検出する磁気センサの信号検出回路を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、特定方向の磁場を感知する感磁素子の第１の磁気抵抗素子と、感磁方向の外部磁場に対して不感となる手段を用いて磁場に感知しない参照素子の第２の磁気抵抗素子と、前記第２の磁気抵抗素子と第１の電位を基準にした参照電圧とで、前記第２の磁気抵抗素子の抵抗を通る参照電流を形成する参照電流生成回路と、前記参照電流の複製電流を形成する複製電流生成回路とを備え、前記第１の磁気抵抗素子の一方の端子と、前記第２の磁気抵抗素子の一方の端子とのそれぞれに前記第１の電位を与え、前記複製電流を前記第１の磁気抵抗素子に流し、出力信号を取り出す手段を用いて前記第１の磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率を取り出すことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記出力信号を取り出す手段は、前記第１の電位を基準にした前記第１の磁気抵抗素子の他方の端子に生じる電圧と、前記第１の電位を基準にした前記第２の磁気抵抗素子の他方の端子に生じる電圧との差分を取り出すことを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記出力信号を取り出す手段は、前記第１の電位を基準にした前記第１の磁気抵抗素子の他方の端子に生じる電圧を取り出すことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記第１及び前記第２の磁気抵抗素子は、同一基板上に形成され、平面に対して水平で、かつ前記特定方向の磁場を感知する磁気抵抗素子であることを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記第１及び前記第２の磁気抵抗素子は、同一基板上に平面状に形成されることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の発明において、前記感磁方向の外部磁場に対して不感となる手段は、磁気収束板を前記第２の磁気抵抗素子を覆うように平面状にして前記第２の磁気抵抗素子に近接して配置することを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、請求項４又は５に記載の発明において、前記感磁方向の外部磁場に対して不感となる手段は、前記第２の磁気抵抗素子の感磁方向に磁石を前記第２の磁気抵抗素子に近接して配置することを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、前記参照電流生成回路は、反転入力端子と非反転入力端子と出力端子を有する演算増幅器と、該演算増幅器と接続されたＭＯＳトランジスタと、該ＭＯＳトランジスタに接続された前記第２の磁気抵抗素子とで構成され、前記参照電圧が、前記演算増幅器の非反転入力端子に入力され、前記演算増幅器の出力端子が、前記ＭＯＳトランジスタのゲートに接続され、前記演算増幅器の反転入力端子が、前記ＭＯＳトランジスタのソースと、前記第２の磁気抵抗素子の他方の端子との間に接続され、前記ＭＯＳトランジスタのドレインから前記参照電流が出力されることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記複製電流生成回路は、第１のＭＯＳトランジスタと、該第１のＭＯＳトランジスタと接続された第２のＭＯＳトランジスタとで構成され、前記参照電流生成回路の前記参照電流を出力する出力端子が、前記第１のＭＯＳトランジスタのゲートと、前記第２のＭＯＳトランジスタのドレインとゲートとに接続され、前記第１のＭＯＳトランジスタのソースと、前記第２のＭＯＳトランジスタのソースとが結合して第２の電位が与えられ、前記第１のＭＯＳトランジスタのドレインから前記複製電流が出力されることを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記複製電流生成回路は、さらに第３のＭＯＳトランジスタが設けられ、前記第３のＭＯＳトランジスタのソースが、前記第１のＭＯＳトランジスタのドレインに接続され、前記第２の電位を基準にしたバイアス電圧が、前記第３のＭＯＳトランジスタのゲートに与えられ、前記第３のＭＯＳトランジスタのドレインから前記複製電流が出力されることを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれかに記載の発明において、前記第１及び前記第２の磁気抵抗素子は、異方性磁気抵抗素子と巨大磁気抵抗素子のいずれかであることを特徴とする。

本発明によれば、１方向の磁場を検出するのに、磁気抵抗素子を２つ用いるだけなので、低コストなうえに、小型の磁気センサの信号検出回路をつくることができる。
また、磁気抵抗素子を２つ用いるだけで、磁気抵抗変化率ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓに比例した出力が取り出せるので、出力の線形性が向上し、また、第１の磁気抵抗素子の抵抗にみられる不要な係数が排除でき、さらには、出力にみられる温度特性が第１の磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓの温度特性だけとなるので、温度補正に対する設計がしやすく、高精度の磁気センサの信号処理回路をつくることができる。

特許文献１に示された磁気センサの回路構成図である。 磁気センサのホイーストン・ブリッジを構成した回路構成図である。 磁気センサにおける磁気抵抗素子の感磁素子と参照素子を示した図である。 本発明に係る磁気センサの信号検出回路の実施例１を説明するための回路構成図である。 図４における参照電圧Ｖ_ＲＥＦのつくり方の一例を示した回路図である。 本発明に係る磁気センサの信号検出回路の実施例２を説明するための回路構成図である。 基板上に形成した磁気抵抗素子の感磁素子と参照素子をｙ方向からみた図である。 基板上に形成した磁気抵抗素子の感磁素子と参照素子をｙ方向からみた別の例の図である。 スピンバルブのＧＭＲ素子の磁気抵抗変化率と磁場の関係の一例を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
まず、本発明に係る磁気センサの信号検出回路について説明する前に、磁気抵抗素子の感磁素子と参照素子との関係について説明する。
図３は、磁気センサにおける磁気抵抗素子の感磁素子と参照素子を示した図である。第１の磁気抵抗素子２０１と第２の磁気抵抗素子２０２とが並んで配置されている。第１の磁気抵抗素子２０１と第２の磁気抵抗素子２０２とは、お互いに磁気特性が揃っており、例えば、ともにｚ方向の磁場を検出することができるとする。ここで、磁気特性の揃った磁気抵抗素子とは、２つの磁気抵抗素子２０１，２０２の抵抗やその温度特性が揃ったものである。第２の磁気抵抗素子２０２がｚ方向の外部磁場に対して不感となる手段として、例えば、第２の磁気抵抗素子２０２を筒状の磁気収束板２０３の中に収納する。こうすることで、第２の磁気抵抗素子２０２は、ｚ方向からの外部磁場を遮って、外部磁場に影響されない参照素子となる。一方、第１の磁気抵抗素子２０１は、外部磁場に応答する感磁素子となっている。

図４は、本発明に係る磁気センサの信号検出回路の実施例１を説明するための回路構成図で、図中符号２２０は参照電流生成回路、２２１は演算増幅器、２２２はＭＯＳトランジスタ、２３０は複製電流生成回路、２３１は第１のＭＯＳトランジスタ、２３２は第２のＭＯＳトランジスタ、２４１は第１の電位、２４２は第２の電位、２５１は複製電流、２５２は参照電流を示している。

本発明に係る磁気センサの信号検出回路は、特定方向の磁場を感知する感磁素子の第１の磁気抵抗素子２０１と、感磁方向の外部磁場に対して不感となる手段を用いて磁場を感知しない参照素子の第２の磁気抵抗素子２０２と、第２の磁気抵抗素子２０２と、第１の電位２４１を基準にした参照電圧Ｖ_ＲＥＦとで参照電流２５２を形成する参照電流生成回路２２０と、参照電流２５２の複製電流２５１を形成する複製電流生成回路２３０とを備えている。

また、第１の磁気抵抗素子２０１の一方の端子と、第２の磁気抵抗素子２０２の一方の端子とのそれぞれに第１の電位２４１を与え、複製電流２５１を第１の磁気抵抗素子２０１に流し、出力信号を取り出す手段を用いて、第１の磁気抵抗素子２０１の磁気抵抗変化率を取り出すように構成されている。
また、出力信号を取り出す手段は、第１の電位２４１を基準にした第１の磁気抵抗素子２０１の他方の端子に生じる電圧と、第１の電位２４１を基準にした第２の磁気抵抗素子２０２の他方の端子に生じる電圧との差分を取り出すように構成されている。また、出力信号を取り出す手段は、第１の電位２４１を基準にした第１の磁気抵抗素子２０１の他方の端子に生じる電圧を取り出すように構成されている。

つまり、本発明の磁気抵抗素子の信号検出回路は、ｚ方向の磁場を感知する第１の磁気抵抗素子２０１と、筒状の磁気収束板２０３とを用いて、磁場を感知しない第２の磁気抵抗素子２０２とからなる参照電流生成回路２２０と、複製電流生成回路２３０とで構成されている。

第１の磁気抵抗素子２０１の抵抗Ｒ１は、ｚ方向の外部磁場に応答するので、その磁場の大きさに応じて変化する磁気抵抗変化率をΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓとすると、
Ｒ１＝Ｒ_Ｓ（１＋（ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓ）） ・・・（３）
で表わせる。
一方、第２の磁気抵抗素子２０２の抵抗Ｒ２は、いずれの方向の磁場に感知しないので、
Ｒ２＝Ｒ_Ｓ ・・・（４）
で表わせる。
第１の磁気抵抗素子２０１の一方の端子と第２の磁気抵抗素子２０２の一方の端子とはそれぞれに、第１の電位２４１が与えられる。第１の電位２４１は、電源装置のグランド電位であってもよいし、電源電位であってもよい。

参照電流生成回路２２０は、反転入力端子（−）と非反転入力端子（＋）と出力端子とを有する演算器２２１と、ＭＯＳトランジスタ２２２と、第２の磁気抵抗素子２０２とで構成されている。第１の電位２４１を基準にした参照電圧Ｖ_ＲＥＦが、演算増幅器２２１の非反転入力端子（＋）に入力される。演算増幅器２２１の出力端子は、ＭＯＳトランジスタ２２２のゲートＧに接続され、演算増幅器２２１の反転入力端子（−）は、ＭＯＳトランジスタ２２２のソースＳと第２の磁気抵抗素子２０２の他方の端子との間に接続される。このとき、第１の電位２４１を基準にした第２の磁気抵抗素子２０２の他方の端子の電圧Ｖ２は、演算増幅器２２１の負帰還により、Ｖ_ＲＥＦが生じる。
Ｖ２＝Ｖ_ＲＥＦ ・・・（５）
上記式（５）と第２の磁気抵抗素子２０２の抵抗Ｒ_Ｓより、第２の磁気抵抗素子２０２には、Ｖ_ＲＥＦ／Ｒ_Ｓの電流が流れる。この電流が、参照電流２５２となり、ＭＯＳトランジスタ２２２のドレインＤから出力される。図示では、第１の電位２４１が、電源装置のグランド電位で、ＭＯＳトランジスタ２２２が、ｎＭＯＳトランジスタであるが、第１の電位２４１が、電源装置の電源電位の場合は、ＭＯＳトランジスタ２２２は、ｐＭＯＳトランジスタとなる。

複製電流生成回路２３０は、第１のＭＯＳトランジスタ２３１と第２のＭＯＳトランジスタ２３２とで構成されている。参照電流生成回路２２０の参照電流２５２を出力する出力端子が、第１のＭＯＳトランジスタ２３１のゲートＧと第２のＭＯＳトランジスタ２３２のゲートＧとドレインＤとに接続されている。第１のＭＯＳトランジスタ２３１のソースＳと第２のＭＯＳトランジスタ２３２のソースＳとはそれぞれに、第２の電位２４２が与えられる。第２の電位２４２は、電源装置の電源電位であってもよいし、グランド電位であってもよい。この構成は、いわゆる、カレントミラー回路であり、第２のトランジスタ２３２に流れる電流が、第１のトランジスタ２３１に流れる電流に複製される。第２のトランジスタ２３２に流れる電流は、参照電流生成回路２２０の出力の参照電流２５２であるので、第１のトランジスタ２３１には、Ｖ_ＲＥＦ／Ｒ_Ｓの電流が流れる。この電流が、複製電流２５１となり、第１のトランジスタ２３１のドレインＤから出力される。図示では、第２の電位２４２が、電源装置の電源電位で、ＭＯＳトランジスタ２３１，２３２が、ｐＭＯＳトランジスタであるが、第２の電位２４２が、電源装置のグランド電位の場合は、ＭＯＳトランジスタ２３１，２３２は、ｎＭＯＳトランジスタとなる。

複製電流生成回路２３０の出力の複製電流２５１は、第１の磁気抵抗素子２０１に流れる。このとき、第１の電位２４１を基準にした第１の磁気抵抗素子２０１の他方の端子の電圧Ｖ１は、以下の式（６）ように得られる。

したがって、上述した式（５）と上記式（６）より、第１の電位２４１を基準にした第１の磁気抵抗素子２０１の他方の端子に生じる電圧Ｖ１と、第２の磁気抵抗素子２０２の他方の端子に生じる電圧Ｖ２とを比較すると、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、
Ｖ_ＯＵＴ＝Ｖ１−Ｖ２＝Ｖ_ＲＥＦ・ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓ・・・（７）
が得られる。

図５は、図４における参照電圧Ｖ_ＲＥＦのつくり方の一例を示した回路図である。第１の電位２４１と第２の電位２４２との間に２つの抵抗３０１，３０２があり、抵抗３０１の一方の端子が第１の電位２４１に接続され、抵抗３０２の一方の端子が第２の電位２４２に接続されている。抵抗３０１の他方の端子と抵抗３０２の他方の端子とが接続され、第１の電位２４１を基準にした抵抗３０１の他方の端子に生じる電圧が参照電圧Ｖ_ＲＥＦである。第１の電位２４１を基準にした第２の電位の電圧Ｖ_ＤＤとし、抵抗３０１の抵抗をＲ１１とし、抵抗３０２の抵抗をＲ２２とすると、参照電圧Ｖ_ＲＥＦは、
Ｖ_ＲＥＦ＝Ｖ_ＤＤ・Ｒ１１／（Ｒ１１＋Ｒ２２） ・・・（８）
が得られる。上記式（８）から、電圧Ｖ_ＤＤが、外部電源から供給され、温度に依らなければ、温度に依らない任意の参照電圧Ｖ_ＲＥＦをつくることができる。また、電圧Ｖ_ＤＤはバンドギャップリファレンスの温度に不感の電圧を用いて、同様に、温度に依らない任意の参照電圧Ｖ_ＲＥＦをつくることができる。

上述した式（７）をみて分かるように、ｚ方向の磁場の大きさに応じて変化する磁気抵抗変化率ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓに比例した出力が取り出せるので、従来技術に比べて、出力の線形性が向上する。また、参照電流２５２の分母Ｒ_Ｓを含むことから、上述した式（３）の第１の磁気抵抗素子２０１の抵抗Ｒ１にみられる不要な係数Ｒ_Ｓが排除できる。さらに、上述の温度に依らない参照電圧Ｖ_ＲＥＦをつくることができるので、出力にみられる温度特性は、回路を含まず、第１の磁気抵抗素子２０１の磁気抵抗変化率ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓの温度特性だけとなるので、温度補正に対する設計がしやすく、高精度の磁気センサの信号検出回路をつくることができる。

また、磁気抵抗素子は２つ用いるだけなので、低コストなうえに、小型の磁気センサの信号検出回路をつくることができる。これは、例えば、電子コンパスのように互いに直交する３方向の磁場を検出するような用途においては、磁気抵抗素子は６個で十分であり、センサ小型化のインパクトが大きく、コストも大幅に抑えることができる。
さらに、ここで挙げた参照電流生成回路２２０と複製電流生成回路２３０は、最もシンプルな回路であり、小型の磁気センサの信号検出回路をつくることができる。

出力信号を取り出す手段として、上述した式（６）のように、第１の電位２４１を基準にした第１の磁気抵抗素子２０１の他方の端子に生じる電圧Ｖ１のみを取り出してもよい。出力には、磁気抵抗変化率ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓに比例する項の他に、定数項のＶ_ＲＥＦが含まれるが、この定数項はこれより後段の回路で容易に差し引くことができる。この場合においても、ｚ方向の磁場の大きさに応じて変化する磁気抵抗変化率ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓに比例した出力が取り出せるので、従来技術に比べて、出力の線形性が向上し、高精度の磁気センサの信号検出回路をつくることができる。

本実施例１によれば、１方向の磁場を検出するのに、磁気抵抗素子を２つ用いるだけなので、低コストなうえに、小型の磁気センサの信号検出回路をつくることができる。
また、磁気抵抗素子を２つ用いるだけで、磁気抵抗変化率ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓに比例した出力が取り出せるので、出力の線形性が向上し、また、第１の磁気抵抗素子の抵抗にみられる不要な係数が排除でき、さらには、出力にみられる温度特性が第１の磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率ΔＲ_Ｍ／Ｒ_Ｓの温度特性だけとなるので、温度補正に対する設計がしやすく、高精度の磁気センサの信号処理回路をつくることができる。

また、第２の磁気抵抗素子に参照電圧を与えて、分母に第２の磁気抵抗素子の抵抗を含む参照電流をつくることのできる最もシンプルな参照電流生成回路であり、小型の磁気センサの信号検出回路をつくることができる。また、ＭＯＳトランジスタ２つだけで参照電流の複製電流をつくることのできる最もシンプルな複製電流生成回路であり、小型の磁気センサの信号検出回路をつくることができる。

図６は、本発明に係る磁気センサの信号検出回路の実施例２を説明するための回路構成図で、図中符号２３３は第３のＭＯＳトランジスタを示している。なお、図４と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
本実施例２は、図４に示した複製電流生成回路２３０内に第３のＭＯＳトランジスタ２３３をさらに設けたものである。第３のＭＯＳトランジスタ２３３のソースＳが、第１のＭＯＳトランジスタ２３１のドレインＤに接続されている。第２の電位２４２を基準にしたバイアス電圧Ｖ_ＢＡＩＳが、第３のＭＯＳトランジスタ２３３のゲートＧに与えられて、第３のＭＯＳトランジスタ２３３のドレインＤから複製電流が出力される。図示では、第２の電位２４２が、電源装置の電源電位で、ＭＯＳトランジスタ２３１，２３２，２３３が、ｐＭＯＳトランジスタであるが、第２の電位２４２が、電源装置のグランド電位の場合は、ＭＯＳトランジスタ２３１，２３２，２３３は、ｎＭＯＳトランジスタとなる。第３のＭＯＳトランジスタ２３３は、カスコード接続となり、参照電流２５２と複製電流２５１のミスマッチが小さくなり、より高精度の磁気センサの信号検出回路をつくることができる。

つまり、本実施例２においては、第３のＭＯＳトランジスタがカスコード接続となり、参照電流と複製電流のミスマッチが小さくなり、より高精度の磁気センサの信号検出回路をつくることができる。
ここまでに述べたＭＯＳトランジスタ２２２、２３１、２３２、２３３は、全て、或いは、一部をバイポーラトランジスタに置き換えても、同様な効果が得られるので、ＭＯＳトランジスタに限定されることなく、バイポーラトランジスタであっても良い。

図７は、基板上に形成した磁気抵抗素子の感磁素子と参照素子をｙ方向からみた図である。第１の磁気抵抗素子２０１と第２の磁気抵抗素子２０２とが同一基板２０５の上に平面状に形成される。平面に対して水平で、特定な方向を、ここで、例えば、ｘ方向とすると、第１の磁気抵抗素子２０１と第２の磁気抵抗素子２０２とはお互いに磁気特性が揃っており、ともにｘ方向の磁場を検出することができるとする。ここで、磁気特性の揃った磁気抵抗素子とは、例えば、ＧＭＲ素子の場合、２つの磁気抵抗素子２０１，２０２が基板上に同時に形成され、ピンド層のピンの向きが同じで、抵抗やその温度特性が揃ったものである。第２の磁気抵抗素子２０２がｘ方向の外部磁場に対して不感となる手段として、第２の磁気抵抗素子２０２は、平面状で、第２の磁気抵抗素子２０２に近接して配置した磁気収束板２０３に覆われている。

こうすることで、ｘ方向からの外部磁場は、磁気収束板２０３に収束され、第２の磁気抵抗素子２０２の位置でのｘ方向の磁場がほとんどないため、第２の磁気抵抗素子２０２は、外部磁場に影響されない参照素子となる。一方、第１の磁気抵抗素子２０１は、外部磁場に応答する感磁素子となっている。
このように、同一基板上に、２つの磁気抵抗素子と磁気収束板を平面的に形成することができるので、磁気抵抗素子にかかる応力が変動して磁気特性が変動しても、２つが揃って変動するため、検出誤差が小さくなり、高精度で、なおかつ、さらに小型の磁気センサの信号検出回路をつくることができる。第１の磁気抵抗素子２０１と第２の磁気抵抗素子２０２にかかる応力を略同一にするためにも、第１の磁気抵抗素子２０１と第２の磁気抵抗素子２０２との距離は５．０ｍｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは３．０ｍｍ以下、特に好ましくは１．０ｍｍ以下である。

図８は、基板上に形成した磁気抵抗素子の感磁素子と参照素子をｙ方向からみた別の例の図である。第１の磁気抵抗素子２０１と第２の磁気抵抗素子２０２とが同一基板２０５の上に平面状に形成される。平面に対して水平で、特定な方向を、ここで、例えば、ｘ方向とすると、第１の磁気抵抗素子２０１と第２の磁気抵抗素子２０２とはお互いに磁気特性が揃っており、ともにｘ方向の磁場を検出することができるとする。ここで、磁気特性の揃った磁気抵抗素子とは、例えば、ＧＭＲ素子の場合、２つの磁気抵抗素子２０１，２０２が基板上に同時に形成され、ピンド層のピンの向きが同じで、抵抗やその温度特性が揃ったものである。第２の磁気抵抗素子２０２がｘ方向の外部磁場に対して不感となる手段として、第２の磁気抵抗素子２０２は、平面状で、第２の磁気抵抗素子２０２に近接して配置した２枚の強磁性体による磁石２０６に挟まれている。

図９は、スピンバルブのＧＭＲ素子の磁気抵抗変化率と磁場の関係の一例を示した図である。この場合、±４００Ｏｅの範囲内では、磁気抵抗変化率は磁場に応じて磁気抵抗変化率が変化しているが、それ以外の範囲では、磁気抵抗変化率は磁場に影響されずほぼ一定となっている。
図８に戻って、例えば、磁石２０６で４００Ｏｅより大きい磁場を第２の磁気抵抗素子２０２に与えておけば、外部磁場が入力しても第２の磁気抵抗素子２０２の磁気抵抗変化率は変化しにくいため、第２の磁気抵抗素子２０２は、外部磁場に影響されない参照素子となる。一方、第１の磁気抵抗素子２０１は、外部磁場に応答する感磁素子となっている。このように、同一基板上に、２つの磁気抵抗素子と磁石を平面的に形成することができるので、磁気抵抗素子にかかる応力が変動して磁気特性が変動しても、２つが揃って変動するため、検出誤差が小さくなり、高精度で、なおかつ、さらに小型の磁気センサの信号検出回路をつくることができる。

また、基板上に平面状に形成され、平面に対して水平で、特定方向の磁場に感知する磁気抵抗素子は、異方性磁気抵抗素子と巨大磁気抵抗素子とであり、いずれの磁気抵抗素子とも、ホール素子に比べると高感度であるため、高精度の磁気センサの信号検出回路をつくることができる。

本発明は、磁気スイッチ，磁気ヘッド，電流センサなどの多くの磁気センサ用途に利用可能であり、特に、回転角センサや電子コンパスなどのように直交する２方向、或いは、３方向の磁場を検出する用途、または、磁気センサをアレー状に多数配置する用途においては、磁気抵抗素子による小型で高精度の磁気センサの信号検出回路を提供するものであり、大いに利用できる。

１００ 磁気センサ
１０２，１０４，１０６，１０８ ＧＭＲ素子
１１０ 磁気収束板
２０１ 第１の磁気抵抗素子
２０２ 第２の磁気抵抗素子
２０３ 磁気収束板
２０５ 基板
２０６ 磁石
２２０ 参照電流生成回路
２２１ 演算増幅器
２２２ ＭＯＳトランジスタ
２３０ 複製電流生成回路
２３１ 第１のＭＯＳトランジスタ
２３２ 第２のＭＯＳトランジスタ
２３３ 第３のＭＯＳトランジスタ
２４１ 第１の電位
２４２ 第２の電位
２５１ 複製電流
２５２ 参照電流
３０１，３０２ 抵抗

Claims (11)

1. 特定方向の磁場を感知する感磁素子の第１の磁気抵抗素子と、
   感磁方向の外部磁場に対して不感となる手段を用いて磁場に感知しない参照素子の第２の磁気抵抗素子と、
   前記第２の磁気抵抗素子と第１の電位を基準にした参照電圧とで、前記第２の磁気抵抗素子の抵抗を通る参照電流を形成する参照電流生成回路と、
   前記参照電流の複製電流を形成する複製電流生成回路とを備え、
   前記第１の磁気抵抗素子の一方の端子と、前記第２の磁気抵抗素子の一方の端子とのそれぞれに前記第１の電位を与え、前記複製電流を前記第１の磁気抵抗素子に流し、出力信号を取り出す手段を用いて前記第１の磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率を取り出すことを特徴とする磁気センサの信号検出回路。
2. 前記出力信号を取り出す手段は、前記第１の電位を基準にした前記第１の磁気抵抗素子の他方の端子に生じる電圧と、前記第１の電位を基準にした前記第２の磁気抵抗素子の他方の端子に生じる電圧との差分を取り出すことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサの信号検出回路。
3. 前記出力信号を取り出す手段は、前記第１の電位を基準にした前記第１の磁気抵抗素子の他方の端子に生じる電圧を取り出すことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサの信号検出回路。
4. 前記第１及び前記第２の磁気抵抗素子は、同一基板上に形成され、平面に対して水平で、かつ前記特定方向の磁場を感知する磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の磁気センサの信号処理回路。
5. 前記第１及び前記第２の磁気抵抗素子は、同一基板上に平面状に形成されることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサの信号処理回路。
6. 前記感磁方向の外部磁場に対して不感となる手段は、磁気収束板を前記第２の磁気抵抗素子を覆うように前記第２の磁気抵抗素子に近接して配置することを特徴とする請求項４又は５に記載の磁気センサの信号検出回路。
7. 前記感磁方向の外部磁場に対して不感となる手段は、前記第２の磁気抵抗素子の感磁方向に磁石を前記第２の磁気抵抗素子に近接して配置することを特徴とする請求項４又は５に記載に記載の磁気センサの信号検出回路。
8. 前記参照電流生成回路は、反転入力端子と非反転入力端子と出力端子を有する演算増幅器と、該演算増幅器と接続されたＭＯＳトランジスタと、該ＭＯＳトランジスタに接続された前記第２の磁気抵抗素子とで構成され、
   前記参照電圧が、前記演算増幅器の非反転入力端子に入力され、
   前記演算増幅器の出力端子が、前記ＭＯＳトランジスタのゲートに接続され、
   前記演算増幅器の反転入力端子が、前記ＭＯＳトランジスタのソースと、前記第２の磁気抵抗素子の他方の端子との間に接続され、
   前記ＭＯＳトランジスタのドレインから前記参照電流が出力されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気センサの信号検出回路。
9. 前記複製電流生成回路は、第１のＭＯＳトランジスタと、該第１のＭＯＳトランジスタと接続された第２のＭＯＳトランジスタとで構成され、
   前記参照電流生成回路の前記参照電流を出力する出力端子が、前記第１のＭＯＳトランジスタのゲートと、前記第２のＭＯＳトランジスタのドレインとゲートとに接続され、
   前記第１のＭＯＳトランジスタのソースと、前記第２のＭＯＳトランジスタのソースとがそれぞれに第２の電位が与えられ、
   前記第１のＭＯＳトランジスタのドレインから前記複製電流が出力されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気センサの信号検出回路。
10. 前記複製電流生成回路は、さらに第３のＭＯＳトランジスタが設けられ、
    前記第３のＭＯＳトランジスタのソースが、前記第１のＭＯＳトランジスタのドレインに接続され、
    前記第２の電位を基準にしたバイアス電圧が、前記第３のＭＯＳトランジスタのゲートに与えられ、
    前記第３のＭＯＳトランジスタのドレインから前記複製電流が出力されることを特徴とする請求項９に記載の磁気センサの信号検出回路。
11. 前記第１及び前記第２の磁気抵抗素子は、異方性磁気抵抗素子と巨大磁気抵抗素子のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気センサの信号検出回路。

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