JP2013200303A - Magnetic sensor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic sensor device with improved voltage utilization rate.SOLUTION: A magnetic sensor device includes a bias magnet 10 which generates a bias magnetic field of known magnitude in a direction perpendicular to a magnetic field under measurement. A circuit unit 20 outputs a voltage signal, which is proportional to sine of an angle between a direction of a composite magnetic field of the magnetic field under measurement and the bias magnetic field and the direction of the magnetic field under measurement, and amplifies the voltage signal with gain proportional to an inverse of resistance that is proportional to cosine of the angle to output an amplified signal which is proportional to tangent of the angle between the direction of the composite magnetic field of the magnetic field under measurement and the bias magnetic field and the direction of the magnetic field under measurement.

Description

本発明は、磁場の強さを検出する磁気センサ装置に関する。   The present invention relates to a magnetic sensor device that detects the strength of a magnetic field.

巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)は、磁場の向きに対しては比較的高精度の検出を行い得るが、磁場の強さに対しては向きに比して検出精度が低い。このようなGMR素子を用いて磁場の強さを検出する回路を得るには、測定対象の磁場の方向に固定層の磁化方向を配したGMR素子と、測定対象の磁場の方向に直交する方向に固定層の磁化方向を配したGMR素子とに対し、測定対象の磁場の方向に直交する向きに、大きさが既知である磁場(バイアス磁場)を印加する。   A giant magnetoresistive element (GMR element) can perform detection with relatively high accuracy with respect to the direction of the magnetic field, but has lower detection accuracy than the direction with respect to the strength of the magnetic field. In order to obtain a circuit for detecting the strength of the magnetic field using such a GMR element, a GMR element in which the magnetization direction of the fixed layer is arranged in the direction of the magnetic field to be measured, and a direction orthogonal to the direction of the magnetic field to be measured A magnetic field having a known magnitude (bias magnetic field) is applied to the GMR element having the magnetization direction of the fixed layer arranged in a direction perpendicular to the direction of the magnetic field to be measured.

そして、このバイアス磁場と測定対象磁場との和の向きが測定対象磁場に対してなす角θの余弦の値と、正弦の値とを各GMR素子から得て所定のサンプリングタイミングごとにディジタル値に変換する。次に、ここで得たディジタル値の正弦の値を余弦の値で除する演算を演算装置により行って正接の値を求める。この正接の値は、測定対象の磁場の強さをバイアス磁場の強さで除したものにほかならないので、これにより測定対象の磁場の強さが求められる。   Then, the cosine value of the angle θ formed by the direction of the sum of the bias magnetic field and the measurement target magnetic field with respect to the measurement target magnetic field and the sine value are obtained from each GMR element and converted into a digital value at each predetermined sampling timing. Convert. Next, a calculation for dividing the sine value of the digital value obtained here by the cosine value is performed by an arithmetic unit to obtain a tangent value. This tangent value is nothing but the strength of the magnetic field to be measured divided by the strength of the bias magnetic field, so that the strength of the magnetic field to be measured is obtained.

ドイツ国特許出願公開第10113131号明細書German Patent Application Publication No. 10113131

しかしながら演算装置による除算は、所定のサンプリングタイミングごとに得られるだけであり、連続的な出力値とならない。   However, the division by the arithmetic unit is only obtained at every predetermined sampling timing, and does not become a continuous output value.

一方、特許文献1に開示の技術によると、その図5に示される回路では、上記なす角θの余弦の値に比例する電圧信号を出力するセンサブリッジ4の出力と、参照電圧Vref(12)とを得たオペアンプ回路が、センサブリッジ4の出力を参照電圧に等しくなるように、センサブリッジ4の入力電圧V(上記なす角θの余弦の値の逆数に比例する)を制御する。この制御された入力電圧Vはまた、上記なす角θの正弦の値に比例する電圧信号を出力するセンサブリッジ5(センサブリッジ4に含まれるGMR素子に対してその固定層の磁化方向が直交するGMR素子を含んだセンサブリッジ)にも供給される。   On the other hand, according to the technique disclosed in Patent Document 1, in the circuit shown in FIG. 5, the output of the sensor bridge 4 that outputs a voltage signal proportional to the cosine value of the angle θ formed above and the reference voltage Vref (12). The operational amplifier circuit obtained as described above controls the input voltage V of the sensor bridge 4 (proportional to the reciprocal of the cosine value of the angle θ formed above) so that the output of the sensor bridge 4 becomes equal to the reference voltage. This controlled input voltage V also outputs a voltage signal proportional to the sine value of the angle θ formed above (the sensor bridge 5 (the GMR element included in the sensor bridge 4 is perpendicular to the magnetization direction of the fixed layer). It is also supplied to a sensor bridge including a GMR element.

このセンサブリッジ5の出力はしたがって、上記なす角θの余弦の値の逆数に比例する入力電圧Vに、上記なす角θの正弦の値を乗じた電圧信号を出力することとなり、結局、上記なす角θの正接に比例した信号が得られることとなる。   Therefore, the output of the sensor bridge 5 outputs a voltage signal obtained by multiplying the input voltage V proportional to the reciprocal of the cosine value of the formed angle θ by the sine value of the formed angle θ. A signal proportional to the tangent of the angle θ is obtained.

ところが、この特許文献1の回路では、センサブリッジ5の出力が入力電圧Vの範囲で動作することとなるので、電圧利用率が低いという問題点があった。   However, the circuit of Patent Document 1 has a problem that the voltage utilization factor is low because the output of the sensor bridge 5 operates in the range of the input voltage V.

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、電圧利用率を向上できる磁気センサ装置を提供することを、その目的の一つとする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a magnetic sensor device capable of improving the voltage utilization rate.

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、磁気センサ装置であって、測定対象磁場に直交する方向に、既知の大きさのバイアス磁場を生じさせるバイアス磁石と、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正弦に比例した電圧信号を出力する電圧信号出力手段と、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の余弦に比例した抵抗値を呈する抵抗手段と、前記電圧信号出力手段の出力する電圧信号を、前記抵抗手段の呈する抵抗値の逆数に比例した利得で増幅して、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正接に比例した信号を出力する可変利得増幅器と、を含むこととしたものである。また、本発明の別の側面では、測定対象磁場に直交する方向に、既知の大きさのバイアス磁場を生じさせるコイルと、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正弦に比例した電圧信号を出力する電圧信号出力手段と、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の余弦に比例した抵抗値を呈する抵抗手段と、前記電圧信号出力手段の出力する電圧信号を、前記抵抗手段の呈する抵抗値の逆数に比例した利得で増幅して、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正接に比例した信号を出力する可変利得増幅器と、を含むこととしたものである。   The present invention for solving the problems of the above-described conventional example is a magnetic sensor device, which includes a bias magnet that generates a bias magnetic field of a known magnitude in a direction orthogonal to the magnetic field to be measured, and the magnetic field to be measured. A voltage signal output means for outputting a voltage signal proportional to a sine of an angle formed by a combined magnetic field with a bias magnetic field with respect to the direction of the magnetic field to be measured, and a combined magnetic field of the magnetic field to be measured and the bias magnetic field is the measurement A resistance means exhibiting a resistance value proportional to the cosine of the angle formed with respect to the direction of the target magnetic field, and a voltage signal output from the voltage signal output means is amplified with a gain proportional to the reciprocal of the resistance value exhibited by the resistance means. And a variable gain amplifier that outputs a signal that is proportional to the tangent of the angle formed with respect to the direction of the magnetic field to be measured. . In another aspect of the present invention, a coil that generates a bias magnetic field of a known magnitude in a direction orthogonal to the measurement target magnetic field, and a combined magnetic field of the measurement target magnetic field and the bias magnetic field are included in the measurement target magnetic field. A voltage signal output means for outputting a voltage signal proportional to the sine of the angle formed with respect to the direction, and a combined magnetic field of the measurement target magnetic field and the bias magnetic field is proportional to the cosine of the angle formed with respect to the direction of the measurement target magnetic field The resistance means exhibiting the resistance value and the voltage signal output from the voltage signal output means are amplified with a gain proportional to the reciprocal of the resistance value exhibited by the resistance means, and the combined magnetic field of the measurement target magnetic field and the bias magnetic field Includes a variable gain amplifier that outputs a signal proportional to the tangent of the angle formed with respect to the direction of the magnetic field to be measured.

またここで前記電圧信号出力手段が、巨大磁気抵抗効果素子またはホール素子を含んでなるものとしてもよい。   Here, the voltage signal output means may include a giant magnetoresistive element or a Hall element.

本発明によると、電圧信号出力手段は、ブリッジの出力により入力電圧を制限されていないので、電源電圧の範囲を有効に利用でき、電圧利用率を向上できる。   According to the present invention, since the voltage signal output means is not limited in input voltage by the output of the bridge, the range of the power supply voltage can be used effectively and the voltage utilization rate can be improved.

本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置を電流センサとして利用する場合の例を表す概要図である。It is a schematic diagram showing the example in the case of utilizing the magnetic sensor apparatus which concerns on embodiment of this invention as a current sensor. 本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置を磁気式エンコーダとして利用する場合の例を表す概要図である。It is a schematic diagram showing the example in the case of utilizing the magnetic sensor apparatus which concerns on embodiment of this invention as a magnetic encoder. 本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の回路部の一例を表す概略回路図である。It is a schematic circuit diagram showing an example of the circuit part of the magnetic sensor apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の回路部の別の例を表す概略回路図である。It is a schematic circuit diagram showing another example of the circuit part of the magnetic sensor apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の回路部のまた別の例を表す概略回路図である。It is a schematic circuit diagram showing another example of the circuit part of the magnetic sensor apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の回路部のさらに別の例を表す概略回路図である。It is a schematic circuit diagram showing another example of the circuit part of the magnetic sensor apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の回路部のさらにもう一つの例を表す概略回路図である。It is a schematic circuit diagram showing another example of the circuit part of the magnetic sensor apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の回路部のパターンの例を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the example of the pattern of the circuit part of the magnetic sensor apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置のバイアス磁場印加手段としての平面コイルのパターン例を表す平面図である。It is a top view showing the example of a pattern of the plane coil as a bias magnetic field application means of the magnetic sensor apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の平面コイルに重ね合わせられるGMR素子群の配置例を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the example of arrangement | positioning of the GMR element group superimposed on the planar coil of the magnetic sensor apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の平面コイルに重ね合わせられるGMR素子群の構成例を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the structural example of the GMR element group superimposed on the planar coil of the magnetic sensor apparatus which concerns on embodiment of this invention.

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置1の一例は、図1に例示するような電流センサ、または図2に例示するような磁気式エンコーダ2として利用されるものである。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. An example of the magnetic sensor device 1 according to the embodiment of the present invention is used as a current sensor as illustrated in FIG. 1 or a magnetic encoder 2 as illustrated in FIG.

図1に示す電流センサとしての利用では、磁気センサ装置1は、測定対象の電流が流れる導線40から、所定の距離だけ離れた位置に配される。そしてこの導線40を流れる電流Iの向き(Hx軸正の方向とする)に、その磁場の方向(バイアス磁石10自身がつくり、磁場を検出する検出部に印加する磁力線の向き)が一致するよう配されたバイアス磁石10と、回路部20とを含む。ここで回路部20は、電圧信号出力手段としての第1のGMR素子群11及び第1のオペアンプ12と、抵抗手段としての第2のGMR素子群13と、可変利得増幅器である第2のオペアンプ14と、参照電位供給部15と、を含んで構成される。なお、ノイズの影響を軽減するためのバイパスコンデンサ等は、適宜挿入するものであるので、ここでは図示を省略する(以下の図において同じ)。例えばバイパスコンデンサは、電源電位の端子と共通電位GNDの端子の少なくともいずれかの間に挿入する。この場合のコンデンサの容量は、ノイズのレベルに応じて選択すればよい。
なお、後述する図3においては、検出部は、GMR素子11a、11b、及びGMR素子13a、13bに相当する。図5に示した例では、検出部は、GMR素子11a、11b、11c、11d、及びGMR素子13a、13bに相当する。
In the use as the current sensor shown in FIG. 1, the magnetic sensor device 1 is arranged at a position away from the conducting wire 40 through which the current to be measured flows by a predetermined distance. The direction of the magnetic field (the direction of the magnetic lines applied to the detection unit that detects the magnetic field created by the bias magnet 10 itself) coincides with the direction of the current I flowing through the conductor 40 (the positive direction of the Hx axis). A bias magnet 10 and a circuit unit 20 are disposed. Here, the circuit unit 20 includes a first GMR element group 11 and a first operational amplifier 12 as voltage signal output means, a second GMR element group 13 as a resistance means, and a second operational amplifier which is a variable gain amplifier. 14 and a reference potential supply unit 15. Note that a bypass capacitor or the like for reducing the influence of noise is appropriately inserted and is not shown here (the same applies to the following drawings). For example, the bypass capacitor is inserted between at least one of the power supply potential terminal and the common potential GND terminal. The capacitance of the capacitor in this case may be selected according to the noise level.
In FIG. 3 described later, the detection unit corresponds to the GMR elements 11a and 11b and the GMR elements 13a and 13b. In the example illustrated in FIG. 5, the detection unit corresponds to the GMR elements 11a, 11b, 11c, and 11d and the GMR elements 13a and 13b.

また図2に示す磁気式エンコーダ2では、測定対象となる回転体の回転方向(周方向)に着磁され、周期的に着磁方向がπずつ交代する円環状の磁石スケール30を用いる。そしてこの磁石スケール30の外周に、この磁石スケール30からそれぞれ実質的に等距離に配された2つの磁気センサ装置1を含む。この磁気センサ装置1のバイアス磁石10は、それぞれ磁石スケール30の幅方向に、その磁力線の方向が一致するよう配される。なお、図2の磁気式エンコーダ2の例において、2つの磁気センサ装置1の、各バイアス磁石10の磁力線の方向は、同じ方向に向くように配されてよい。なお、図2において、符号に付けた引出線の矢印を除いて、他の矢印は磁石スケールの着磁方向或いはバイアス磁石10の着磁方向を表わす。   In addition, the magnetic encoder 2 shown in FIG. 2 uses an annular magnet scale 30 that is magnetized in the rotational direction (circumferential direction) of the rotating body to be measured and whose magnetization direction is periodically changed by π. And on the outer periphery of this magnet scale 30, the two magnetic sensor apparatuses 1 respectively arranged substantially equidistant from this magnet scale 30 are included. Each of the bias magnets 10 of the magnetic sensor device 1 is arranged so that the direction of the magnetic lines of force coincides with the width direction of the magnet scale 30. In the example of the magnetic encoder 2 in FIG. 2, the magnetic lines of force of the bias magnets 10 of the two magnetic sensor devices 1 may be arranged to face in the same direction. In FIG. 2, except for the lead-line arrow attached to the reference numeral, the other arrows indicate the magnet scale magnetization direction or the bias magnet 10 magnetization direction.

これらの例において、図3に示すように、第1のGMR素子群11は、測定対象の磁場の方向(Hy方向)に、その固定層が磁化されているGMR素子11a及び11bを含む。なお、GMR素子11aとGMR素子11bとの固定層の磁化方向は角度πだけ異なっている。図3は、本実施の形態に係る磁気センサ装置1の回路部20の一例(バイポーラ電源の例)を表す概略回路図である。   In these examples, as shown in FIG. 3, the first GMR element group 11 includes GMR elements 11a and 11b whose fixed layers are magnetized in the direction of the magnetic field to be measured (Hy direction). Note that the magnetization directions of the fixed layers of the GMR element 11a and the GMR element 11b differ by an angle π. FIG. 3 is a schematic circuit diagram showing an example (an example of a bipolar power supply) of the circuit unit 20 of the magnetic sensor device 1 according to the present embodiment.

ここでGMR素子11a,11bは、電源電位の正極側+Vcと電源電位の負極側−Vcとの間に直列に接続される。またこれらのGMR素子11aと11bとが互いに接続されている点(この電位を以下Vyとし、この点を点Vyと書く)には、第1のオペアンプ12の非反転入力端子が、抵抗器R7を介して接続される。   Here, the GMR elements 11a and 11b are connected in series between the positive side + Vc of the power supply potential and the negative side −Vc of the power supply potential. Further, at a point where these GMR elements 11a and 11b are connected to each other (this potential is hereinafter referred to as Vy, and this point is referred to as point Vy), the non-inverting input terminal of the first operational amplifier 12 is connected to the resistor R7. Connected through.

第2のGMR素子群13は、測定対象の磁場に直交する方向(バイアス磁石10による磁場の方向)に、その固定層が磁化されているGMR素子13a及び13bを含む。このGMR素子13aとGMR素子13bとの固定層の磁化方向も角度πだけ異なっている。ここでGMR素子13aの一端側は、第1のオペアンプ12の非反転入力端子に対して、抵抗器R8を介して接続されるとともに、この一端側は共通電位GNDに接続される。またその他端側は、GMR素子13bの一端と、第2のオペアンプ14の反転入力端子とに接続される。GMR素子13bの他端側は、第2のオペアンプ14の出力端子に接続される。またこの第2のオペアンプ14の出力端子は、抵抗器R6を介して第2のオペアンプ14の非反転入力端子に接続されており、この第2のオペアンプ14の出力端子の出力電位Voが、そのままこの回路部20の出力電位(つまり、電流センサ1ないし磁気式エンコーダ2の出力電位)Voとなる。第2のオペアンプ14の出力端子からは連続的な出力値を得ることができる。   The second GMR element group 13 includes GMR elements 13a and 13b whose fixed layer is magnetized in a direction orthogonal to the magnetic field to be measured (the direction of the magnetic field by the bias magnet 10). The magnetization directions of the fixed layers of the GMR element 13a and the GMR element 13b are also different by an angle π. Here, one end of the GMR element 13a is connected to the non-inverting input terminal of the first operational amplifier 12 via the resistor R8, and this one end is connected to the common potential GND. The other end is connected to one end of the GMR element 13 b and the inverting input terminal of the second operational amplifier 14. The other end side of the GMR element 13 b is connected to the output terminal of the second operational amplifier 14. The output terminal of the second operational amplifier 14 is connected to the non-inverting input terminal of the second operational amplifier 14 via the resistor R6, and the output potential Vo of the output terminal of the second operational amplifier 14 remains unchanged. The output potential of the circuit unit 20 (that is, the output potential of the current sensor 1 or the magnetic encoder 2) Vo is obtained. A continuous output value can be obtained from the output terminal of the second operational amplifier 14.

参照電位供給部15は、実質的に同じ抵抗値を示す2つの抵抗器R11,R12を直列に、電源電位の正極+Vcと、負極−Vcとの間に接続したものである。この抵抗器R11,R12を互いに接続した点は従って、電源電位の中点電位となる。本実施の形態の一例では、この中点電位が参照電位Vref(バイポーラ電源であるので中点電位は「0」)となる。   The reference potential supply unit 15 is formed by connecting two resistors R11 and R12 having substantially the same resistance value in series between the positive electrode + Vc and the negative electrode −Vc of the power supply potential. The point where the resistors R11 and R12 are connected to each other is therefore the midpoint potential of the power supply potential. In one example of the present embodiment, this midpoint potential is the reference potential Vref (the midpoint potential is “0” because it is a bipolar power supply).

なお、この回路部20の例では、第1のGMR素子群11を構成するGMR素子11a及び11bと、参照電位供給部15の2つの抵抗器R11,R12とは、第1のオペアンプ12からするとブリッジ回路を形成している。そこでこれらの2つの抵抗器R11,R12は、GMR素子と同じ材質の膜を用いて形成してもよい。ただし、磁気抵抗変化率が十分に低い抵抗器、或いは電気抵抗が変化しない抵抗器とすることが好ましい。これにより温度により変化するGMR素子の特性を補償する効果を得ることもできる。   In the example of the circuit unit 20, the GMR elements 11 a and 11 b constituting the first GMR element group 11 and the two resistors R 11 and R 12 of the reference potential supply unit 15 are formed from the first operational amplifier 12. A bridge circuit is formed. Therefore, these two resistors R11 and R12 may be formed using a film made of the same material as that of the GMR element. However, it is preferable to use a resistor whose magnetoresistance change rate is sufficiently low or a resistor whose electric resistance does not change. As a result, it is possible to obtain an effect of compensating for the characteristics of the GMR element that changes with temperature.

参照電位Vrefは、抵抗器R9を介して第1のオペアンプ12の反転入力端子に接続される。また第1のオペアンプ12の出力端子は、抵抗器R10を介して第1のオペアンプ12の反転入力端子に接続される。この第1のオペアンプ12の出力端子の電位を以下Viとする。この第1のオペアンプ12の出力端子は、抵抗器R5を介して第2のオペアンプ14の非反転入力端子に接続されている。また第1のオペアンプ12の非反転入力端子は抵抗器R8を介して共通電位GNDにも接続される。   The reference potential Vref is connected to the inverting input terminal of the first operational amplifier 12 via the resistor R9. The output terminal of the first operational amplifier 12 is connected to the inverting input terminal of the first operational amplifier 12 via the resistor R10. The potential of the output terminal of the first operational amplifier 12 is hereinafter referred to as Vi. The output terminal of the first operational amplifier 12 is connected to the non-inverting input terminal of the second operational amplifier 14 via a resistor R5. The non-inverting input terminal of the first operational amplifier 12 is also connected to the common potential GND through the resistor R8.

本実施の形態の磁気センサ装置1の回路部20は以上の構成を備えて、次のように動作する。GMR素子11a及び11bの抵抗値R1,R2は、いずれか一方の固定層の磁化方向と外部磁場とのなす角θを用いて、
R1=Rm−r・sinθ、
R2=Rm+r・sinθ、
と書かれる。なお、RmはGMR素子の中で固定層磁化方向と自由層磁化方向が直交しているときの、GMR素子の電気抵抗値に相当する。sinθの符号がGMR素子11aと11bとで異なるのは、固定層の磁化方向が互いに角度πだけ異なっているためである。
The circuit unit 20 of the magnetic sensor device 1 according to the present embodiment has the above configuration and operates as follows. The resistance values R1 and R2 of the GMR elements 11a and 11b are obtained by using the angle θ between the magnetization direction of any one of the fixed layers and the external magnetic field,
R1 = Rm−r · sin θ,
R2 = Rm + r · sin θ,
It is written. Rm corresponds to the electric resistance value of the GMR element when the fixed layer magnetization direction and the free layer magnetization direction are orthogonal to each other in the GMR element. The sign of sin θ is different between the GMR elements 11a and 11b because the magnetization directions of the fixed layers are different from each other by an angle π.

一方、GMR素子13aの抵抗値R4、及びGMR素子13bの抵抗値R3は、いずれか一方の固定層の磁化方向と外部磁場とのなす角θを用いて、
R3=Rm−r・cosθ、
R4=Rm+r・cosθ、
と書かれる。Rmは、GMR素子の中で固定層磁化方向と自由層磁化方向が直交しているときの、GMR素子の電気抵抗値に相当する。cosθの符号がGMR素子13aと13bとで異なるのは、固定層の磁化方向が互いに角度πだけ異なっているためである。
On the other hand, the resistance value R4 of the GMR element 13a and the resistance value R3 of the GMR element 13b are obtained by using the angle θ between the magnetization direction of any one of the fixed layers and the external magnetic field,
R3 = Rm−r · cos θ,
R4 = Rm + r · cos θ,
It is written. Rm corresponds to the electrical resistance value of the GMR element when the fixed layer magnetization direction and the free layer magnetization direction are orthogonal to each other in the GMR element. The reason why the sign of cos θ differs between the GMR elements 13a and 13b is that the magnetization directions of the fixed layers differ from each other by an angle π.

GMR素子11a及び11bによる中点電位Vyは、電流をi、

Figure 2013200303
として、
Figure 2013200303
と表される。一方、参照電位Vrefは既に述べたように「0」であるから、第1のオペアンプ12の非反転入力の電位V+と、反転入力の電位V−とはそれぞれ次の(1),(2)式で表されるものとなる:
Figure 2013200303
The midpoint potential Vy generated by the GMR elements 11a and 11b is a current i
Figure 2013200303
As
Figure 2013200303
It is expressed. On the other hand, since the reference potential Vref is “0” as described above, the non-inverting input potential V + and the inverting input potential V− of the first operational amplifier 12 are the following (1) and (2), respectively. Would be represented by an expression:
Figure 2013200303

これらはバーチャルショートとなるから、V+=V−である。ここでViは、第1のオペアンプ12の出力電位であり、抵抗器R7とR9とが同じ抵抗値Rjであり、抵抗器R8とR10とが同じ抵抗値Rkである場合、

Figure 2013200303
と書ける。しかしながらここではVrefは0であるので、結局Viは、
Figure 2013200303
と書くことができる。 Since these are virtual shorts, V + = V−. Here, Vi is the output potential of the first operational amplifier 12, and when the resistors R7 and R9 have the same resistance value Rj and the resistors R8 and R10 have the same resistance value Rk,
Figure 2013200303
Can be written. However, Vref is 0 here, so Vi is
Figure 2013200303
Can be written.

このように本実施の形態では、電圧信号出力手段に供給される電源電位が、一定の電位を保ち、他の回路によって制限されることがないので、出力される電圧信号の幅が、従来に比べ大きくなっている。   As described above, in this embodiment, the power supply potential supplied to the voltage signal output means maintains a constant potential and is not limited by other circuits. Therefore, the width of the output voltage signal is conventionally limited. It is larger than that.

一方、第2のオペアンプ14の利得は、第2のGMR素子群13に含まれるGMR素子13a,13bの抵抗値によって可変制御される。すなわち第2のオペアンプ14の非反転入力の電位V+と、反転入力の電位V−とはそれぞれ、

Figure 2013200303
と書かれる。これらはバーチャルショートとなるから、V+=V−であり、従って、
Figure 2013200303
となる。 On the other hand, the gain of the second operational amplifier 14 is variably controlled by the resistance values of the GMR elements 13 a and 13 b included in the second GMR element group 13. That is, the non-inverting input potential V + and the inverting input potential V− of the second operational amplifier 14 are respectively
Figure 2013200303
It is written. Since these are virtual shorts, V + = V−, and therefore
Figure 2013200303
It becomes.

ここでVoは、第2のオペアンプ14の出力電位であって、

Figure 2013200303
であり、Viは(3)式で与えられる通りである。ここで抵抗器R5とR6とがともに抵抗値Raの抵抗であるようにすれば、
Figure 2013200303
となるので、(3)式を用いて、第2のオペアンプ14の出力電位Vo、すなわち回路部20の出力電位Voが、
Figure 2013200303
となって、角θの正接に比例する信号が出力されることとなる。 Where Vo is the output potential of the second operational amplifier 14,
Figure 2013200303
And Vi is as given by equation (3). Here, if both resistors R5 and R6 are resistors having a resistance value Ra,
Figure 2013200303
Therefore, using equation (3), the output potential Vo of the second operational amplifier 14, that is, the output potential Vo of the circuit unit 20 is
Figure 2013200303
Thus, a signal proportional to the tangent of the angle θ is output.

この角θの正接は、そのままバイアス磁場が検出部に及ぼす「磁場の強さHx」と、測定対象が検出部に及ぼす「磁場の強さHy」との比にほかならない。つまり、

Figure 2013200303
なので、この回路部20の出力はそのまま、この比に比例する値となっている。 The tangent of this angle θ is nothing but the ratio of the “magnetic field strength Hx” that the bias magnetic field exerts on the detection unit as it is and the “magnetic field strength Hy” that the measurement object exerts on the detection unit. That means
Figure 2013200303
Therefore, the output of the circuit unit 20 is a value proportional to this ratio as it is.

またここまでの例では、バイポーラ電源を利用する例について述べたが、本実施の形態はこれに限られない。   In the examples so far, the example using the bipolar power supply has been described, but the present embodiment is not limited to this.

図4は、単電源による回路部20の構成例を表す概略回路図である。この図4に例示するように、単電源による回路部20の一例は、電圧信号出力手段としての第1のGMR素子群11及び第1のオペアンプ12と、抵抗手段としての第2のGMR素子群13と、可変利得増幅器である第2のオペアンプ14と、参照電位供給部15′と、を含んで構成される。なお、先に説明したバイポーラ電源の場合と同様の構成となるものについては同じ符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 4 is a schematic circuit diagram illustrating a configuration example of the circuit unit 20 using a single power source. As illustrated in FIG. 4, an example of the circuit unit 20 with a single power supply includes a first GMR element group 11 and a first operational amplifier 12 as voltage signal output means, and a second GMR element group as resistance means. 13, a second operational amplifier 14 that is a variable gain amplifier, and a reference potential supply unit 15 ′. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about what becomes the same structure as the case of the bipolar power supply demonstrated previously, and detailed description is abbreviate | omitted.

この例において第1のGMR素子群11のGMR素子11aとGMR素子11bとは電源電位+Vcと、共通電位GNDとの間に直列に接続される。そしてこれらGMR素子11aとGMR素子11bとの接続点(中点)は、第1のオペアンプ12の非反転入力端子に接続される。またこの第1のオペアンプ12の出力端子は抵抗器R8を介して第1のオペアンプ12の反転入力端子に接続されるとともに、抵抗器R5を介して第2のオペアンプ14の非反転入力端子に接続される。   In this example, the GMR element 11a and the GMR element 11b of the first GMR element group 11 are connected in series between the power supply potential + Vc and the common potential GND. A connection point (middle point) between the GMR element 11 a and the GMR element 11 b is connected to a non-inverting input terminal of the first operational amplifier 12. The output terminal of the first operational amplifier 12 is connected to the inverting input terminal of the first operational amplifier 12 through the resistor R8, and is connected to the non-inverting input terminal of the second operational amplifier 14 through the resistor R5. Is done.

第2のGMR素子群13のGMR素子13aとGMR素子13bとの接続点(中点)には、第2のオペアンプ14の反転入力端子が接続される。またGMR素子13aの、上記接続点とは異なる側の端子は、参照電位供給部15′の出力端子に接続され、また抵抗器R7を介して第1のオペアンプ12の反転入力端子に接続されている。   An inverting input terminal of the second operational amplifier 14 is connected to a connection point (middle point) between the GMR element 13 a and the GMR element 13 b in the second GMR element group 13. Further, the terminal on the side different from the connection point of the GMR element 13a is connected to the output terminal of the reference potential supply unit 15 ', and is connected to the inverting input terminal of the first operational amplifier 12 through the resistor R7. Yes.

また第2のオペアンプ14の出力端子は、そのまま回路部20の出力端子に接続されるとともに、抵抗器R6を介して第2のオペアンプ14の非反転入力端子に接続される。さらにこの第2のオペアンプ14の出力端子は第2のGMR素子群13のGMR素子13bの、上記接続点とは異なる側の端子にも接続される。   The output terminal of the second operational amplifier 14 is connected to the output terminal of the circuit unit 20 as it is, and is connected to the non-inverting input terminal of the second operational amplifier 14 via the resistor R6. Further, the output terminal of the second operational amplifier 14 is also connected to a terminal on the side different from the connection point of the GMR element 13 b of the second GMR element group 13.

参照電位供給部15′は、実質的に同じ抵抗値である2つの抵抗器R9,R10(つまりR9=R10)と、第3のオペアンプ16とを含む。この抵抗器R9,R10は、電源電位+Vcと、共通電位GNDとの間に直列に接続される。そしてこれらの抵抗器R9と、R10とを接続する点には、第3のオペアンプ16の非反転入力端子が接続される。さらに第3のオペアンプ16の出力端子は、参照電位供給部15′の出力端子となるとともに、第3のオペアンプ16の反転入力端子にも接続されている。   The reference potential supply unit 15 ′ includes two resistors R 9 and R 10 (that is, R 9 = R 10) having substantially the same resistance value, and a third operational amplifier 16. The resistors R9 and R10 are connected in series between the power supply potential + Vc and the common potential GND. A non-inverting input terminal of the third operational amplifier 16 is connected to a point connecting these resistors R9 and R10. Further, the output terminal of the third operational amplifier 16 serves as the output terminal of the reference potential supply unit 15 ′ and is also connected to the inverting input terminal of the third operational amplifier 16.

この例においても、GMR素子11a及び11bの抵抗値R1,R2は、いずれか一方の固定層の磁化方向と外部磁場とのなす角θを用いて、
R1=Rm−r・sinθ、
R2=Rm+r・sinθ、
と書かれる。なお、sinθの符号がGMR素子11aと11bとで異なるのは、固定層の磁化方向が互いに角度πだけ異なっているためである。
Also in this example, the resistance values R1 and R2 of the GMR elements 11a and 11b are obtained by using the angle θ between the magnetization direction of any one of the fixed layers and the external magnetic field,
R1 = Rm−r · sin θ,
R2 = Rm + r · sin θ,
It is written. The reason why the sign of sin θ differs between the GMR elements 11a and 11b is that the magnetization directions of the fixed layers differ from each other by an angle π.

またGMR素子13aの抵抗値R4、及びGMR素子13bの抵抗値R3は、いずれか一方の固定層の磁化方向と外部磁場とのなす角θを用いて、
R3=Rm−r・cosθ、
R4=Rm+r・cosθ、
と書かれる。cosθの符号がGMR素子13aと13bとで異なるのは、固定層の磁化方向が互いに角度πだけ異なっているためである。そしてここではR5=R6、R9=R10、R7=R9=Rj、R8=R10=Rkとする。
Further, the resistance value R4 of the GMR element 13a and the resistance value R3 of the GMR element 13b are obtained by using the angle θ formed by the magnetization direction of any one of the fixed layers and the external magnetic field,
R3 = Rm−r · cos θ,
R4 = Rm + r · cos θ,
It is written. The reason why the sign of cos θ differs between the GMR elements 13a and 13b is that the magnetization directions of the fixed layers differ from each other by an angle π. Here, R5 = R6, R9 = R10, R7 = R9 = Rj, and R8 = R10 = Rk.

そしてこの例では、計算の結果、回路部20の出力端子の電位Voは、

Figure 2013200303
となる。この(4)式によると、単電源の場合の出力電位は、Vc/2だけオフセットしているが、角θの正接に比例する項が含まれるので、その出力から、測定対象が検出部に印加する「磁場の強さ」が求められる。つまり、電流センサ1として用いるのであれば、検知の対象である電流量がここで求めた「磁場の強さ」に比例するので、適宜比例定数を定めて(例えば実験による)、電流量を得ることができる。この「磁場の強さ」は、単位をエルステッド(Oe)或いはアンペア毎メートル(A/m)とするものである。 In this example, as a result of calculation, the potential Vo of the output terminal of the circuit unit 20 is
Figure 2013200303
It becomes. According to this equation (4), the output potential in the case of a single power supply is offset by Vc / 2, but includes a term proportional to the tangent of the angle θ. “Magnetic field strength” to be applied is required. That is, if the current sensor 1 is used, the amount of current to be detected is proportional to the “magnetic field strength” obtained here, so that a proportional constant is appropriately determined (for example, by experiment) to obtain the amount of current. be able to. This "magnetic field strength" is in units of Oersted (Oe) or ampere per meter (A / m).

また磁気エンコーダ2として用いるのであれば、図2の構成から、異なる二箇所において、磁石スケール30の回転方向の磁束密度分布に比例した「磁場の強さ」が検出できるので、これらの位置での「磁場の強さ」の変化をみることで磁気スケール30の回転量を得ることができる(このための具体的方法は広く知られた方法を採用できるので、ここでの詳しい説明を省略する)。   If it is used as the magnetic encoder 2, “magnetic field strength” proportional to the magnetic flux density distribution in the rotational direction of the magnet scale 30 can be detected at two different locations from the configuration of FIG. 2. The amount of rotation of the magnetic scale 30 can be obtained by observing the change of the “magnetic field strength” (a widely known method can be adopted as a specific method for this purpose, so a detailed description thereof is omitted here). .

さらに本発明の別の例では、第1のGMR素子群をフルブリッジ構成とするとともに、この第1のGMR素子群と、インスツルメンテーションアンプとを用いて電圧信号出力手段を実現するものである。この例に係る回路部20の構成例は、図5に示すように、電圧信号出力手段としての第1のGMR素子群11′及びインスツルメンテーションアンプ17と、抵抗手段としての第2のGMR素子群13と、可変利得増幅器であるオペアンプ14′と、参照電位供給部15′と、を含んで構成される。なお、先に説明した回路部20におけるものと同様の構成となるものについては同じ符号を付して詳細な説明を省略する。   Furthermore, in another example of the present invention, the first GMR element group has a full bridge configuration, and the voltage signal output means is realized by using the first GMR element group and an instrumentation amplifier. is there. As shown in FIG. 5, the configuration example of the circuit unit 20 according to this example includes a first GMR element group 11 ′ and instrumentation amplifier 17 as voltage signal output means, and a second GMR as resistance means. It includes an element group 13, an operational amplifier 14 'that is a variable gain amplifier, and a reference potential supply unit 15'. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about what becomes the same structure as the thing in the circuit part 20 demonstrated previously, and detailed description is abbreviate | omitted.

この例での第1のGMR素子群11′は、GMR素子11aから11dの4つのGMR素子11を含む。ここでGMR素子11aと11bとが、電源電位+Vcと、共通電位GNDとの間に直列に接続される。また、GMR素子11cと11dとが、さらに電源電位+Vcと、共通電位GNDとの間に直列に接続される。電源電位Vc側に接続されるGMR素子11aと、共通電位GND側に接続されるGMR素子11dとは、測定対象が検出部に印加する磁場の方向(Hy方向)に平行な一方方向に、その固定層が磁化されている。また電源電位+Vc側に接続されるGMR素子11cと、共通電位GND側に接続されるGMR素子11bとは、GMR素子11a,dとは角度πだけ異なった方向(Hyに平行な他方方向)にその固定層が磁化されている。GMR素子11a、11dをR1とし、GMR素子11b、11cをR2とする。   The first GMR element group 11 'in this example includes four GMR elements 11 including GMR elements 11a to 11d. Here, GMR elements 11a and 11b are connected in series between power supply potential + Vc and common potential GND. The GMR elements 11c and 11d are further connected in series between the power supply potential + Vc and the common potential GND. The GMR element 11a connected to the power supply potential Vc side and the GMR element 11d connected to the common potential GND side are arranged in one direction parallel to the direction (Hy direction) of the magnetic field applied to the detection unit by the measurement object. The fixed layer is magnetized. The GMR element 11c connected to the power supply potential + Vc side and the GMR element 11b connected to the common potential GND side are different from the GMR elements 11a and 11d by an angle π (the other direction parallel to Hy). The fixed layer is magnetized. The GMR elements 11a and 11d are R1, and the GMR elements 11b and 11c are R2.

インスツルメンテーションアンプ17は、3つのオペアンプ17aから17c並びに抵抗器R7〜R13を含んでなる。このインスツルメンテーションアンプ17は広く知られたものであるので、その動作等についての説明を省略するが、基準電位端子Vx側には抵抗器R11を介して参照電位供給部15′の出力端子が接続され、またインスツルメンテーションアンプ17の出力端子outには、抵抗器R5を介しオペアンプ14′の非反転入力端子が接続される。   The instrumentation amplifier 17 includes three operational amplifiers 17a to 17c and resistors R7 to R13. Since the instrumentation amplifier 17 is widely known, explanation of its operation and the like is omitted, but the reference potential terminal Vx side is connected to the output terminal of the reference potential supply unit 15 ′ via the resistor R11. Is connected to the output terminal out of the instrumentation amplifier 17 via the resistor R5.

第2のGMR素子群13は、測定対象が検出部に印加する磁場に直交する方向(バイアス磁石10による磁場の方向)に、その固定層が磁化されているGMR素子13a及び13bを含む。このGMR素子13aとGMR素子13bとの固定層の磁化方向も角度πだけ異なっている。ここでGMR素子13aの一端側は、参照電位供給部15′の出力端子に接続される。またGMR素子13aの他端側は、GMR素子13bの一端側に接続される。さらにGMR素子13bの他端側は、オペアンプ14′の出力端子に接続される。そしてこれらの接続点(GMR素子13aの他端側とGMR素子13bの一端側との接続点、つまり中点)には、オペアンプ14′の反転入力端子が接続される。   The second GMR element group 13 includes GMR elements 13a and 13b in which the fixed layer is magnetized in a direction orthogonal to the magnetic field applied to the detection unit by the measurement target (the direction of the magnetic field by the bias magnet 10). The magnetization directions of the fixed layers of the GMR element 13a and the GMR element 13b are also different by an angle π. Here, one end of the GMR element 13a is connected to the output terminal of the reference potential supply unit 15 '. The other end side of the GMR element 13a is connected to one end side of the GMR element 13b. Further, the other end of the GMR element 13b is connected to the output terminal of the operational amplifier 14 '. The inverting input terminal of the operational amplifier 14 'is connected to these connection points (connection point between the other end side of the GMR element 13a and one end side of the GMR element 13b, that is, a midpoint).

さらにオペアンプ14′の出力端子は、回路部20の出力端子に接続されるとともに、抵抗器R6を介してオペアンプ14′の非反転入力端子に接続される。   Furthermore, the output terminal of the operational amplifier 14 'is connected to the output terminal of the circuit unit 20, and is also connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 14' via the resistor R6.

この回路部20において、抵抗器R14とR15との抵抗値、抵抗器R5とR6との抵抗値、抵抗器R10とR12との抵抗値、抵抗器R11とR13との抵抗値は互いに、実質的に等しくしておく。以下の説明では、抵抗器R10及びR12の抵抗値をRjとし、抵抗器R11とR13との抵抗値をRkと書く。そして抵抗器R7とR9との抵抗値が互いに実質的に等しく、その値が抵抗器R8の抵抗値R8を用いて、n×R8(nは自然数)と書かれるとき、この回路部20の出力電位Voは、

Figure 2013200303
となる。
なお図5のGMR素子11c、11dを、図3記載のR11、R12のような固定の抵抗器で置き換える場合、回路部20の出力電位Voは(5)式の分子の「2n」を「n」に変更したものとなる。 In this circuit unit 20, the resistance values of the resistors R14 and R15, the resistance values of the resistors R5 and R6, the resistance values of the resistors R10 and R12, and the resistance values of the resistors R11 and R13 are substantially equal to each other. To be equal to In the following description, the resistance values of the resistors R10 and R12 are denoted as Rj, and the resistance values of the resistors R11 and R13 are denoted as Rk. When the resistance values of the resistors R7 and R9 are substantially equal to each other and the value is written as n × R8 (n is a natural number) using the resistance value R8 of the resistor R8, the output of the circuit unit 20 The potential Vo is
Figure 2013200303
It becomes.
When the GMR elements 11c and 11d in FIG. 5 are replaced with fixed resistors such as R11 and R12 shown in FIG. 3, the output potential Vo of the circuit unit 20 is “n” in the numerator of equation (5). It will be changed to.

つまり、この回路部20によっても、その出力はVc/2だけオフセットしているが、角θの正接に比例する項が含まれるので、その出力から、測定対象が検出部に印加する磁場の強さHが求められる。   That is, the output of the circuit unit 20 is also offset by Vc / 2, but a term proportional to the tangent of the angle θ is included, and therefore, the strength of the magnetic field applied to the detection unit by the measurement object is determined from the output. H is required.

なお、インスツルメンテーションアンプは、図5に例示したものに限らず、例えば図6に例示するように簡易なインスツルメンテーションアンプ17′としてもよい。図6は、簡易なインスツルメンテーションアンプを採用した回路部20の例を表す概略回路図である。この図6の例で端子Vx,outが、それぞれ図5のインスツルメンテーションアンプ17の端子Vx,outに対応する。この図6の例によるインスツルメンテーションアンプ17′を採用した回路部20では、その出力電位は

Figure 2013200303
となる。
なお図6の回路部では、R5=R6、R14=R15、R7=R10、R8=R9とする。 Note that the instrumentation amplifier is not limited to that illustrated in FIG. 5, but may be a simple instrumentation amplifier 17 ′ as illustrated in FIG. 6, for example. FIG. 6 is a schematic circuit diagram illustrating an example of the circuit unit 20 employing a simple instrumentation amplifier. In the example of FIG. 6, the terminals Vx and out correspond to the terminals Vx and out of the instrumentation amplifier 17 of FIG. In the circuit unit 20 employing the instrumentation amplifier 17 'according to the example of FIG.
Figure 2013200303
It becomes.
In the circuit portion of FIG. 6, R5 = R6, R14 = R15, R7 = R10, and R8 = R9.

さらにここまでの説明では、電圧信号出力手段として第1のGMR素子群11に加え、必ず最終段の可変利得増幅器とは異なる増幅器を含むこととしていたが、本実施の形態はこれに限られない。図7は、図4に例示した単電源の例において電圧信号出力手段をさらに簡易なものに置き換えた回路部20の例を示すものである。   Further, in the above description, the voltage signal output means includes the first GMR element group 11 and an amplifier different from the final stage variable gain amplifier, but the present embodiment is not limited to this. . FIG. 7 shows an example of the circuit unit 20 in which the voltage signal output means is replaced with a simpler one in the example of the single power source illustrated in FIG.

図7に例示する回路部20は、電圧信号出力手段としての第1のGMR素子群11、抵抗手段としての第2のGMR素子群13″と、可変利得増幅器であるオペアンプ14″と、参照電位供給部15と、を含んで構成される。ここでも既に説明したものと同様の構成となるものについては同じ符号を付して詳しい説明を省略する。   The circuit unit 20 illustrated in FIG. 7 includes a first GMR element group 11 as a voltage signal output unit, a second GMR element group 13 ″ as a resistance unit, an operational amplifier 14 ″ as a variable gain amplifier, and a reference potential. And a supply unit 15. In this case as well, the same components as those already described are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.

この図7の例では、第1のGMR素子群11は、測定対象が検出部に印加する磁場の方向(Hy方向)に、その固定層が磁化されているGMR素子11a及び11bを含む。なお、GMR素子11aとGMR素子11bとの固定層の磁化方向は角度πだけ異なっている。   In the example of FIG. 7, the first GMR element group 11 includes GMR elements 11 a and 11 b in which the fixed layer is magnetized in the direction of the magnetic field (Hy direction) applied to the detection unit by the measurement target. Note that the magnetization directions of the fixed layers of the GMR element 11a and the GMR element 11b differ by an angle π.

ここでGMR素子11a,11bは、電源電位の正極側+Vcと共通電位GNDとの間に直列に接続される。またこれらのGMR素子11aと11bとを結ぶ点(電位Vyの点)には、オペアンプ14″の非反転入力端子が、抵抗器R5を介して接続される。   Here, the GMR elements 11a and 11b are connected in series between the positive side + Vc of the power supply potential and the common potential GND. Further, a non-inverting input terminal of the operational amplifier 14 ″ is connected to a point (potential Vy) connecting these GMR elements 11a and 11b via a resistor R5.

また第2のGMR素子群13″は、測定対象が検出部に印加する磁場に直交する方向(バイアス磁石10による磁場の方向)に、その固定層が磁化されているGMR素子13″a及び13″bを含む。このGMR素子13″aとGMR素子13″bとの固定層の磁化方向も角度πだけ異なっている。ここでGMR素子13″aの一端側は、参照電位供給部15の出力端子に接続される。またその他端側は、GMR素子13″bの一端とオペアンプ14″の反転入力端子とに接続される。GMR素子13″bの他端側は、オペアンプ14″の出力端子に抵抗器R9を介して接続される。またオペアンプ14″の出力端子は、抵抗器R6を介してオペアンプ14″の非反転入力端子に接続されている。このオペアンプ14″の出力端子の出力電位Voが、回路部20の出力電位Voとなる。   Further, the second GMR element group 13 ″ includes GMR elements 13 ″ a and 13 ′ whose fixed layers are magnetized in a direction orthogonal to the magnetic field applied to the detection unit by the measurement target (the direction of the magnetic field by the bias magnet 10). ″ B is included. The magnetization directions of the fixed layers of the GMR element 13 ″ a and the GMR element 13 ″ b are also different by an angle π. Here, one end side of the GMR element 13 ″ a is connected to the reference potential supply unit 15. Connected to the output terminal. The other end is connected to one end of the GMR element 13 ″ b and the inverting input terminal of the operational amplifier 14 ″. The other end of the GMR element 13 ″ b is connected to the output terminal of the operational amplifier 14 ″ via a resistor R9. The output terminal of the operational amplifier 14 ″ is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 14 ″ via a resistor R6. The output potential Vo of the output terminal of the operational amplifier 14 ″ becomes the output potential Vo of the circuit unit 20.

参照電位供給部15は、電源電位の正極側+Vcと共通電位GNDとの間に、抵抗器R7とR8とを直列に接続したものである。この抵抗器R7とR8との接続点(中点)が、参照電位供給部15の出力端子となる。なお、抵抗器R7,R8の抵抗値は互いに、実質的に等しいものとし、この抵抗値は、抵抗器R9の抵抗値R9を用いて、2×R9に実質的に等しいものとする。なお、これらの2つの抵抗器R7,R8も、GMR素子と同じ材質の膜を用いて形成してもよい。ただし、磁気抵抗変化率が十分に低い抵抗器、或いは電気抵抗が変化しない抵抗器とすることが好ましい。これにより温度により変化するGMR素子の特性を補償する効果を得ることもできる。この抵抗器R9は、オペアンプ14″の入力側に抵抗器R7の1/2の抵抗成分がRmとともに評価されることを考慮して、この成分とのバランスをとるために加入したものである。   The reference potential supply unit 15 is formed by connecting resistors R7 and R8 in series between the positive side + Vc of the power supply potential and the common potential GND. A connection point (middle point) between the resistors R7 and R8 serves as an output terminal of the reference potential supply unit 15. It is assumed that the resistance values of the resistors R7 and R8 are substantially equal to each other, and this resistance value is substantially equal to 2 × R9 using the resistance value R9 of the resistor R9. These two resistors R7 and R8 may also be formed using a film made of the same material as the GMR element. However, it is preferable to use a resistor whose magnetoresistance change rate is sufficiently low or a resistor whose electric resistance does not change. As a result, it is possible to obtain an effect of compensating for the characteristics of the GMR element that changes with temperature. This resistor R9 is added in order to balance this component in consideration of the fact that a half of the resistance component of the resistor R7 is evaluated together with Rm on the input side of the operational amplifier 14 ″.

ここでRmは、各GMR素子11a,11b,13″a及び13″bについて、GMR素子の中で固定層磁化方向と自由層磁化方向が直交しているときの、GMR素子の電気抵抗値に相当するものである。このとき、抵抗器R5,R6の抵抗値は実質的に等しく、かつ、これらの値はRmよりも十分大きいとする。つまり、R5=R6>>Rmであるとする。すると、この回路部20の出力電位Voは、

Figure 2013200303
となる。この回路部20によっても、その出力はVc/2だけオフセットしているが、角θの正接に比例する項が含まれるので、その出力から、測定対象が検出部に印加する磁場の強さが求められる。 Here, Rm is the electric resistance value of each GMR element 11a, 11b, 13 ″ a and 13 ″ b when the fixed layer magnetization direction and the free layer magnetization direction are orthogonal in the GMR element. It is equivalent. At this time, it is assumed that the resistance values of the resistors R5 and R6 are substantially equal and these values are sufficiently larger than Rm. That is, it is assumed that R5 = R6 >> Rm. Then, the output potential Vo of the circuit unit 20 is
Figure 2013200303
It becomes. Although the output of the circuit unit 20 is also offset by Vc / 2, since a term proportional to the tangent of the angle θ is included, the strength of the magnetic field applied to the detection unit by the measurement object is determined from the output. Desired.

図8(a)は、電圧信号出力手段である第1のGMR素子群がハーフブリッジを構成する場合(抵抗器とGMR素子とでフルブリッジを構成する場合を含む)におけるGMR素子を配した基板(センサ基板)のパターンの例を示した概要図である。この図8(a)では、各GMR素子の固定層の磁化方向を、GMR素子上の矢印で示している。また測定対象がセンサ基板に印加する磁場の方向Hyと、センサ基板の面内でこの磁場の方向Hyに直交するバイアス磁石10(図8では図示せず)がセンサ基板に印加する磁場の方向(Hx軸の方向)とを、併せて矢印で示している。   FIG. 8A shows a substrate on which a GMR element is arranged when the first GMR element group which is a voltage signal output means forms a half bridge (including a case where a resistor and a GMR element form a full bridge). It is the schematic which showed the example of the pattern of (sensor substrate). In FIG. 8A, the magnetization direction of the fixed layer of each GMR element is indicated by an arrow on the GMR element. In addition, the magnetic field direction Hy applied to the sensor substrate by the measurement target and the magnetic field direction (not shown in FIG. 8) applied to the sensor substrate by the bias magnet 10 (not shown in FIG. 8) orthogonal to the magnetic field direction Hy in the plane of the sensor substrate. Hx axis direction) is also indicated by arrows.

図8(a)に例示するように、第1のGMR素子群11に含まれるGMR素子11a,11bの固定層は、測定対象の磁場の方向Hyに対して平行に磁化されており、各素子の固定層の磁化方向は互いに角度πだけ異なっている。一方、第2のGMR素子群13に含まれるGMR素子13a,13bの固定層は、バイアス磁石10のつくる磁場の方向Hxに対して平行に磁化されており、各素子の固定層の磁化方向は互いに角度πだけ異なっている。各GMR素子11a,11b,13a,13bの両端側の端子は、外部に引出されて、回路部20の他の回路素子に接続される。この回路素子は別の基板上に配されてもよいし、このセンサ基板に配されてもよい。   As illustrated in FIG. 8A, the fixed layers of the GMR elements 11a and 11b included in the first GMR element group 11 are magnetized in parallel with the direction Hy of the magnetic field to be measured. The magnetization directions of the fixed layers differ from each other by an angle π. On the other hand, the fixed layers of the GMR elements 13a and 13b included in the second GMR element group 13 are magnetized in parallel to the direction Hx of the magnetic field generated by the bias magnet 10, and the magnetization direction of the fixed layer of each element is They differ from each other by an angle π. Terminals on both ends of each GMR element 11a, 11b, 13a, 13b are drawn out and connected to other circuit elements of the circuit unit 20. The circuit element may be disposed on another substrate or may be disposed on the sensor substrate.

また図8(b)は、電圧信号出力手段である第1のGMR素子群がフルブリッジを構成する場合におけるGMR素子を配した基板(センサ基板)のパターンの例を示した概要図である。   FIG. 8B is a schematic diagram showing an example of the pattern of the substrate (sensor substrate) on which the GMR elements are arranged when the first GMR element group as the voltage signal output means constitutes a full bridge.

図8(b)に例示するように、第1のGMR素子群11′に含まれるGMR素子11′a〜11′dの固定層は、測定対象がセンサ基板(の検出部)に印加する磁場の方向Hyに対して平行に磁化されており、GMR素子11′aと11′bの固定層の磁化方向は互いに角度πだけ異なり、GMR素子11′aと11′dの固定層の磁化方向は同じであり、GMR素子11′cと11′dの固定層の磁化方向は互いに角度πだけ異なる。一方、第2のGMR素子群13に含まれるGMR素子13a,13bの固定層は、バイアス磁石10のつくる磁場の方向Hxに対して平行に磁化されており、各素子の固定層の磁化方向は互いに角度πだけ異なっている。各GMR素子11′a〜11′d,13a,13bの両端側の端子は、外部に引出されて、回路部20の他の回路素子に接続される。この回路素子は別の基板上に配されてもよいし、このセンサ基板に配されてもよい。   As illustrated in FIG. 8B, the fixed layers of the GMR elements 11 ′ to 11 ′ d included in the first GMR element group 11 ′ are magnetic fields applied to the sensor substrate (detection unit thereof) by the measurement target. The magnetization directions of the pinned layers of the GMR elements 11′a and 11′b are different from each other by an angle π, and the magnetization directions of the pinned layers of the GMR elements 11′a and 11′d are magnetized in parallel. Are the same, and the magnetization directions of the fixed layers of the GMR elements 11'c and 11'd differ from each other by an angle π. On the other hand, the fixed layers of the GMR elements 13a and 13b included in the second GMR element group 13 are magnetized in parallel to the direction Hx of the magnetic field generated by the bias magnet 10, and the magnetization direction of the fixed layer of each element is They differ from each other by an angle π. Terminals on both ends of each GMR element 11′a to 11′d, 13a, 13b are drawn out to the outside and connected to other circuit elements of the circuit unit 20. The circuit element may be disposed on another substrate or may be disposed on the sensor substrate.

さらに、ここまでの例において、第1のGMR素子群11は、ホール素子に置き換えられてもよい。ホール素子に置き換える場合、入力端子In+には電源電位+Vcを接続し、In−は−Vcまたは共通電位GNDに接続する。さらに出力端子Out+,Out−は、それぞれ差動出力となるので、例えばそれぞれ第1のオペアンプ12の非反転入力端子と、反転入力端子とに接続すればよい。   Furthermore, in the examples so far, the first GMR element group 11 may be replaced with a Hall element. In the case of replacing with a Hall element, the power supply potential + Vc is connected to the input terminal In +, and In− is connected to −Vc or the common potential GND. Furthermore, since the output terminals Out + and Out− are respectively differential outputs, they may be connected to, for example, the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the first operational amplifier 12 respectively.

以上のように、本実施の形態によると、測定対象磁場に直交する方向に、既知の大きさのバイアス磁場を生じさせるバイアス磁石10を配する。そしてGMR素子群11により、このバイアス磁場と測定対象磁場との合成磁場が、測定対象磁場の方向に対してなす角θの正弦(sinθ)に比例した電圧信号を出力させる。この電圧信号は適宜増幅してもよい。   As described above, according to the present embodiment, the bias magnet 10 that generates a bias magnetic field of a known magnitude is arranged in a direction orthogonal to the measurement target magnetic field. The GMR element group 11 outputs a voltage signal proportional to the sine (sin θ) of the angle θ formed by the combined magnetic field of the bias magnetic field and the magnetic field to be measured with respect to the direction of the magnetic field to be measured. This voltage signal may be amplified as appropriate.

一方、このGMR素子群11に含まれるGMR素子11の固定層の着磁方向に対して、π/2だけ回転した方向に、その固定層が着磁されているGMR素子13を含んだ、第2のGMR素子群13を用いて、測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、測定対象磁場の方向に対してなす角θの余弦(cosθ)に比例した抵抗値の抵抗を得る。   On the other hand, the GMR element 11 includes the GMR element 13 in which the fixed layer is magnetized in a direction rotated by π / 2 with respect to the magnetization direction of the fixed layer of the GMR element 11 included in the GMR element group 11. Using the two GMR element groups 13, a resistance having a resistance value proportional to the cosine (cos θ) of the angle θ formed by the combined magnetic field of the measurement target magnetic field and the bias magnetic field with respect to the direction of the measurement target magnetic field is obtained.

そして可変利得増幅器を用いて、電圧信号出力手段としての第1のGMR素子群11による電圧信号(sinθに比例)を、この第2のGMR素子群13による抵抗値の逆数(1/cosθ)に比例した利得で増幅して、測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、測定対象磁場の方向に対してなす角θの正接(sinθ/cosθ)に比例した信号を出力させる。   Then, using a variable gain amplifier, the voltage signal (proportional to sin θ) by the first GMR element group 11 as voltage signal output means is converted into the reciprocal (1 / cos θ) of the resistance value by the second GMR element group 13. Amplification is performed with a proportional gain to output a signal proportional to the tangent (sin θ / cos θ) of the angle θ formed by the combined magnetic field of the measurement target magnetic field and the bias magnetic field with respect to the direction of the measurement target magnetic field.

なお、第1のGMR素子群(図4の11a、11bなど)に代えてホール素子を用いる場合も同様に、ホール素子の感磁方向と、第2のGMR素子群13に含まれるGMR素子13の固定層の着磁方向とをπ/2だけ異なる方向としておけばよい。   Similarly, when a Hall element is used in place of the first GMR element group (11a, 11b, etc. in FIG. 4), the magnetic sensing direction of the Hall element and the GMR elements 13 included in the second GMR element group 13 are also the same. The magnetization direction of the fixed layer may be different from the magnetization direction by π / 2.

またここまでの説明において、磁気センサ装置1のバイアス磁石10は永久磁石であるものとしてきたが、本実施の形態はこれに限られるものではない。本実施の形態の一例に係る磁気センサ装置1では、少なくとも電圧信号出力手段としての第1のGMR素子群11(またはGMR素子群11′)、及び、抵抗手段としての第2のGMR素子群13が、例えば図8(a),(b)に例示したように、センサ基板上に形成される。   In the above description, the bias magnet 10 of the magnetic sensor device 1 is a permanent magnet. However, the present embodiment is not limited to this. In the magnetic sensor device 1 according to the example of the present embodiment, at least the first GMR element group 11 (or GMR element group 11 ′) as the voltage signal output means and the second GMR element group 13 as the resistance means. Is formed on the sensor substrate as illustrated in FIGS. 8A and 8B, for example.

そしてこの例においては、図8に例示したセンサ基板の面に平行な平面内に薄膜の平面コイル50を配し、この平面コイル50に電流を供給することにより、平面コイル50を、既知の大きさのバイアス磁場を生じさせるバイアス磁場印加手段として機能させる。   In this example, a thin planar coil 50 is arranged in a plane parallel to the surface of the sensor substrate illustrated in FIG. 8, and current is supplied to the planar coil 50 so that the planar coil 50 has a known size. It functions as a bias magnetic field applying means for generating a bias magnetic field.

図9は、平面コイル50の一例に係る平面図である。図9に例示するようにバイアス磁場印加手段として機能する平面コイル50は、導線40を流れる電流Iの向き(Hx方向)に平行な導線と、センサ基板の面に平行な面内で、この向きHxに直交する方向(Hy方向)に平行な導線とを交互に接続して、スパイラル状に形成したものである。本実施の形態では、平面コイル50のうちHy方向に平行な導線の部分が、センサ基板の上方に所定の距離(例えば1乃至5μm)を置いて配される。このような配置は薄膜プロセスによって実現できる。   FIG. 9 is a plan view according to an example of the planar coil 50. As illustrated in FIG. 9, the planar coil 50 functioning as a bias magnetic field applying unit has a conductive wire parallel to the direction of the current I (Hx direction) flowing through the conductive wire 40 and a direction parallel to the surface of the sensor substrate. Conductive wires parallel to a direction (Hy direction) orthogonal to Hx are alternately connected to form a spiral shape. In the present embodiment, the portion of the conductive wire parallel to the Hy direction in the planar coil 50 is disposed above the sensor substrate with a predetermined distance (for example, 1 to 5 μm). Such an arrangement can be realized by a thin film process.

本実施の形態のある例では、この平面コイル50に対して内周側の端部には電源+Vcが接続され、外周側端部は、共通電位(GND)に接続される。つまりこの平面コイル50には、内周側から外周側へと電流Ibが流れる。これにより、平面コイル50のうちHy方向に平行な導線の部分では、Hx方向(測定対象の電流Iの向き)または測定対象の電流Iとは反対向き(Hx軸の負の方向)の磁場が形成される。図9の例で、破線で表す部分Pがセンサ基板に重ね合わせられる部分であるとすると、この部分の下部では測定対象の電流Iに対して逆向き(Hx軸の負の方向)の磁場が形成されている。   In an example of this embodiment, a power source + Vc is connected to the inner peripheral end of the planar coil 50, and the outer peripheral end is connected to a common potential (GND). That is, the current Ib flows through the planar coil 50 from the inner circumference side to the outer circumference side. Thereby, in the part of the conducting wire parallel to the Hy direction in the planar coil 50, the magnetic field in the Hx direction (direction of the current I to be measured) or the direction opposite to the current I to be measured (the negative direction of the Hx axis) is generated. It is formed. In the example of FIG. 9, if a portion P represented by a broken line is a portion to be superimposed on the sensor substrate, a magnetic field in a direction opposite to the current I to be measured (negative direction of the Hx axis) is present at the lower portion of this portion. Is formed.

そこで本実施の形態のこの例では、例えば図3に示したものと同様の回路を用いる。すなわち、ここでGMR素子11a,11bは、電源電位の正極側+Vcと電源電位の負極側−Vcとの間に直列に接続される。またこれらのGMR素子11aと11bとが互いに接続されている点(この電位を以下Vyとし、この点を点Vyと書く)には、第1のオペアンプ12の非反転入力端子が、抵抗器R7を介して接続される。   Therefore, in this example of the present embodiment, for example, a circuit similar to that shown in FIG. 3 is used. That is, the GMR elements 11a and 11b are connected in series between the positive side + Vc of the power supply potential and the negative side −Vc of the power supply potential. Further, at a point where these GMR elements 11a and 11b are connected to each other (this potential is hereinafter referred to as Vy, and this point is referred to as point Vy), the non-inverting input terminal of the first operational amplifier 12 is connected to the resistor R7. Connected through.

第2のGMR素子群13は、測定対象の磁場に直交する方向(平面コイル50が回路部20のある場所に形成する磁場の方向)に、平行又は反平行となるように、その固定層が磁化されているGMR素子13a及び13bを含む。このGMR素子13aとGMR素子13bとの固定層の磁化方向も角度πだけ異なっている。ここでGMR素子13bの一端側は、共通電位GNDに接続される。またその他端側は、GMR素子13aの一端と、第2のオペアンプ14の反転入力端子とに接続される。GMR素子13aの他端側は、第2のオペアンプ14の出力端子に接続される。またこの第2のオペアンプ14の出力端子は、抵抗器R6を介して第2のオペアンプ14の非反転入力端子に接続されており、この第2のオペアンプ14の出力端子の出力電位Voが、そのままこの回路部20の出力電位(つまり、電流センサ1ないし磁気式エンコーダ2の出力電位)Voとなる。   The second GMR element group 13 has a fixed layer that is parallel or antiparallel to a direction orthogonal to the magnetic field to be measured (the direction of the magnetic field formed by the planar coil 50 at a location where the circuit unit 20 is located). It includes magnetized GMR elements 13a and 13b. The magnetization directions of the fixed layers of the GMR element 13a and the GMR element 13b are also different by an angle π. Here, one end side of the GMR element 13b is connected to the common potential GND. The other end is connected to one end of the GMR element 13 a and the inverting input terminal of the second operational amplifier 14. The other end side of the GMR element 13 a is connected to the output terminal of the second operational amplifier 14. The output terminal of the second operational amplifier 14 is connected to the non-inverting input terminal of the second operational amplifier 14 via the resistor R6, and the output potential Vo of the output terminal of the second operational amplifier 14 remains unchanged. The output potential of the circuit unit 20 (that is, the output potential of the current sensor 1 or the magnetic encoder 2) Vo is obtained.

参照電位供給部15は、実質的に同じ抵抗値を示す2つの抵抗器R11,R12を直列に、電源電位の正極+Vcと、負極−Vcとの間に接続したものである。この抵抗器R11,R12を互いに接続した点は従って、電源電位の中点電位となる。本実施の形態の一例では、この中点電位が参照電位Vref(バイポーラ電源であるので中点電位は「0」)となる。   The reference potential supply unit 15 is formed by connecting two resistors R11 and R12 having substantially the same resistance value in series between the positive electrode + Vc and the negative electrode −Vc of the power supply potential. The point where the resistors R11 and R12 are connected to each other is therefore the midpoint potential of the power supply potential. In one example of the present embodiment, this midpoint potential is the reference potential Vref (the midpoint potential is “0” because it is a bipolar power supply).

なお、この回路部20の例では、第1のGMR素子群11を構成するGMR素子11a及び11bと、参照電位供給部15の2つの抵抗器R11,R12とは、第1のオペアンプ12からするとブリッジ回路を形成している。そこでこれらの2つの抵抗器R11,R12は、GMR素子と同じ材質の膜を用いて形成してもよい。ただし、磁気抵抗変化率が十分に低い抵抗器、或いは電気抵抗が変化しない抵抗器とすることが好ましい。これにより温度により変化するGMR素子の特性を補償する効果を得ることもできる。   In the example of the circuit unit 20, the GMR elements 11 a and 11 b constituting the first GMR element group 11 and the two resistors R 11 and R 12 of the reference potential supply unit 15 are formed from the first operational amplifier 12. A bridge circuit is formed. Therefore, these two resistors R11 and R12 may be formed using a film made of the same material as that of the GMR element. However, it is preferable to use a resistor whose magnetoresistance change rate is sufficiently low or a resistor whose electric resistance does not change. As a result, it is possible to obtain an effect of compensating for the characteristics of the GMR element that changes with temperature.

参照電位Vrefは、抵抗器R9を介して第1のオペアンプ12の反転入力端子に接続される。また第1のオペアンプ12の出力端子は、抵抗器R10を介して第1のオペアンプ12の反転入力端子に接続される。この第1のオペアンプ12の出力端子の電位を以下Viとする。この第1のオペアンプ12の出力端子は、抵抗器R5を介して第2のオペアンプ14の反転入力端子に接続されている。また第1のオペアンプ12の非反転入力端子は抵抗器R8を介して共通電位GNDにも接続される。
本実施の形態のこの例においても、平面コイル50がバイアス磁場印加手段として機能し、永久磁石を利用した例と同様に動作する。またこの例では、平面コイルが薄膜プロセスにより形成可能となる。
The reference potential Vref is connected to the inverting input terminal of the first operational amplifier 12 via the resistor R9. The output terminal of the first operational amplifier 12 is connected to the inverting input terminal of the first operational amplifier 12 via the resistor R10. The potential of the output terminal of the first operational amplifier 12 is hereinafter referred to as Vi. The output terminal of the first operational amplifier 12 is connected to the inverting input terminal of the second operational amplifier 14 via a resistor R5. The non-inverting input terminal of the first operational amplifier 12 is also connected to the common potential GND through the resistor R8.
Also in this example of the present embodiment, the planar coil 50 functions as a bias magnetic field applying unit and operates in the same manner as the example using a permanent magnet. In this example, the planar coil can be formed by a thin film process.

さらに、GMR素子群11(またはGMR素子群11′)に含まれる各GMR素子が、いずれもHx軸方向に実質的に一定のバイアス磁場内に配され、また、GMR素子群13に含まれる各GMR素子が、いずれもHx軸方向に実質的に一定のバイアス磁場内に配されていればよく、GMR素子群11と、GMR素子群13とのそれぞれが配される場所でのバイアス磁場の方向は互いに反対向き(一方がHx軸正の方向であり、他方がHx軸負の方向)であってもよい。   Further, each GMR element included in the GMR element group 11 (or GMR element group 11 ′) is disposed in a substantially constant bias magnetic field in the Hx-axis direction, and each GMR element included in the GMR element group 13 is also included in the GMR element group 13. The GMR elements need only be arranged in a substantially constant bias magnetic field in the Hx-axis direction, and the direction of the bias magnetic field at the place where each of the GMR element group 11 and the GMR element group 13 is arranged. May be in opposite directions (one is the positive direction of the Hx axis and the other is the negative direction of the Hx axis).

従って、図10に例示する平面コイル50の導線パターンにおいてHy軸方向に平行に導線が配されている範囲(P,Q)のうち、電流がHy軸負の方向(Hy軸の矢印とは逆の方向)に向かう側(範囲P)に重なり合う位置に、GMR素子群11(またはGMR素子群11′)を配し、また、電流がHy軸正の方向(Hy軸の矢印の方向)に向かう側(範囲Q)に重なり合う位置にGMR素子群13を配してもよい。なお図10では説明のため、平面コイル50の導線パターンを透過して、この導線パターンの下部に位置するGMR素子群を併せて図示している。この図10に例示した場合であっても、回路部20は既に述べたものと同じものを用いることができるが、GMR素子13aは、Hx軸負の方向に固定層が磁化されたものとなり、GMR素子13bは、Hx軸正の方向に固定層が磁化されたものとなる。このように配したことにより、平面コイル50の大きさを、回路部20のパターンの大きさと同等にすることができるようになる。   Therefore, in the conductor pattern of the planar coil 50 illustrated in FIG. 10, the current is negative in the Hy axis direction (opposite to the Hy axis arrow) in the range (P, Q) in which the conductors are arranged in parallel to the Hy axis direction. The GMR element group 11 (or GMR element group 11 ') is arranged at a position overlapping the side (range P) toward the direction of (), and the current is directed in the positive direction of the Hy axis (the direction of the arrow on the Hy axis). The GMR element group 13 may be arranged at a position overlapping the side (range Q). For the sake of explanation, FIG. 10 also shows a GMR element group that passes through the conductive wire pattern of the planar coil 50 and is positioned below the conductive wire pattern. Even in the case illustrated in FIG. 10, the circuit unit 20 can use the same one as already described, but the GMR element 13 a has a pinned layer magnetized in the negative direction of the Hx axis, In the GMR element 13b, the fixed layer is magnetized in the positive direction of the Hx axis. With this arrangement, the size of the planar coil 50 can be made equal to the size of the pattern of the circuit unit 20.

この場合、GMR素子群11,11′,13は、図11(a),(b)に例示するように、固定層の磁化方向が互いに角度πだけ異なっている一対の直線状のGMR素子を平行に配し、一方端同士を導線にて接続してパッドを引き出したものとなる。また各GMR素子の他方端側にはそれぞれパッドを接続しており、GMR素子群11,11′,13は、実質的にΠ字状に形成される。なお、固定層の磁化方向は、GMR素子を流れる電流の向きであってもよいし、当該電流の向きに直交する方向であってもよい。さらに、別の例に係るGMR素子群11,11′,13は、GMR素子を流れる電流の向きに固定層を磁化したGMR素子と、当該電流の向きに直交する方向に固定層を磁化したGMR素子とを用い、図11(c)に例示するように、実質的にL字状に形成してもよい。これらの図において、GMR素子に重ね合わせて示した矢印が固定層の磁化方向を表す。   In this case, as illustrated in FIGS. 11A and 11B, the GMR element groups 11, 11 ′, and 13 include a pair of linear GMR elements in which the magnetization directions of the fixed layers are different from each other by an angle π. They are arranged in parallel, and one end is connected to each other with a conducting wire, and the pad is drawn out. Further, a pad is connected to the other end side of each GMR element, and the GMR element groups 11, 11 'and 13 are formed in a substantially square shape. The magnetization direction of the fixed layer may be the direction of the current flowing through the GMR element, or may be the direction orthogonal to the direction of the current. Further, the GMR element groups 11, 11 ′, 13 according to another example include a GMR element in which the fixed layer is magnetized in the direction of the current flowing through the GMR element, and a GMR in which the fixed layer is magnetized in the direction orthogonal to the direction of the current. An element may be used to form a substantially L shape as illustrated in FIG. In these drawings, the arrow superimposed on the GMR element represents the magnetization direction of the fixed layer.

図3に示した回路部20を備えた、本実施の形態の磁気センサ装置1による測定結果の例として、外部から測定対象としての印加磁場を約−4000A/m(−50Oe)から+4000A/m(50Oe)まで変化させながら、回路部20の出力電位Voを測定した。   As an example of the measurement result by the magnetic sensor device 1 of the present embodiment including the circuit unit 20 shown in FIG. 3, the applied magnetic field as a measurement target from the outside is about −4000 A / m (−50 Oe) to +4000 A / m. The output potential Vo of the circuit unit 20 was measured while changing it to (50 Oe).

この結果、出力電位Voは、約−2500A/m(−30Oe)から+2500A/m(30Oe)までの範囲で測定対象の磁場の強さに比例して変化した。このように出力電位Voにより、オペアンプの出力が飽和しない範囲で、測定対象の磁場の強さに比例した信号を出力できることがわかった。   As a result, the output potential Vo changed in proportion to the strength of the magnetic field to be measured in a range from about −2500 A / m (−30 Oe) to +2500 A / m (30 Oe). Thus, it has been found that the output potential Vo can output a signal proportional to the strength of the magnetic field to be measured within a range where the output of the operational amplifier is not saturated.

1 磁気センサ装置、2 磁気式エンコーダ、10 バイアス磁石、11,11′ 第1のGMR素子群、12 第1のオペアンプ、13,13″ 第2のGMR素子群、14 第2のオペアンプ、14′,14″ オペアンプ、15,15′ 参照電位供給部、16 第3のオペアンプ、17,17′ インスツルメンテーションアンプ、20 回路部、30 磁石スケール、40 導線、50 平面コイル。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic sensor apparatus, 2 Magnetic encoder, 10 Bias magnet, 11, 11 '1st GMR element group, 12 1st operational amplifier, 13, 13 "2nd GMR element group, 14 2nd operational amplifier, 14' , 14 "operational amplifier, 15, 15 'reference potential supply section, 16 third operational amplifier, 17, 17' instrumentation amplifier, 20 circuit section, 30 magnet scale, 40 conductor, 50 planar coil.

Claims (4)

測定対象磁場に直交する方向に、既知の大きさのバイアス磁場を生じさせるバイアス磁石と、
前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正弦に比例した電圧信号を出力する電圧信号出力手段と、
前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の余弦に比例した抵抗値を呈する抵抗手段と、
前記電圧信号出力手段の出力する電圧信号を、前記抵抗手段の呈する抵抗値の逆数に比例した利得で増幅して、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正接に比例した信号を出力する可変利得増幅器と、
を含む磁気センサ装置。
A bias magnet that generates a bias magnetic field of a known magnitude in a direction perpendicular to the magnetic field to be measured;
A voltage signal output means for outputting a voltage signal proportional to the sine of an angle formed by the combined magnetic field of the measurement target magnetic field and the bias magnetic field with respect to the direction of the measurement target magnetic field;
A resistance means that exhibits a resistance value proportional to a cosine of an angle formed by the combined magnetic field of the measurement target magnetic field and the bias magnetic field with respect to the direction of the measurement target magnetic field;
The voltage signal output from the voltage signal output means is amplified with a gain proportional to the reciprocal of the resistance value exhibited by the resistance means, and the combined magnetic field of the measurement target magnetic field and the bias magnetic field is in the direction of the measurement target magnetic field. A variable gain amplifier that outputs a signal proportional to the tangent of the angle to the
A magnetic sensor device.
請求項1記載の磁気センサ装置であって、
前記電圧信号出力手段が、巨大磁気抵抗効果素子またはホール素子を含んでなる磁気センサ装置。
The magnetic sensor device according to claim 1,
A magnetic sensor device in which the voltage signal output means includes a giant magnetoresistive element or a Hall element.
測定対象磁場に直交する方向に、既知の大きさのバイアス磁場を生じさせるコイルと、
前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正弦に比例した電圧信号を出力する電圧信号出力手段と、
前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の余弦に比例した抵抗値を呈する抵抗手段と、
前記電圧信号出力手段の出力する電圧信号を、前記抵抗手段の呈する抵抗値の逆数に比例した利得で増幅して、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正接に比例した信号を出力する可変利得増幅器と、
を含む磁気センサ装置。
A coil that generates a bias magnetic field of a known magnitude in a direction orthogonal to the magnetic field to be measured;
A voltage signal output means for outputting a voltage signal proportional to the sine of an angle formed by the combined magnetic field of the measurement target magnetic field and the bias magnetic field with respect to the direction of the measurement target magnetic field;
A resistance means that exhibits a resistance value proportional to a cosine of an angle formed by the combined magnetic field of the measurement target magnetic field and the bias magnetic field with respect to the direction of the measurement target magnetic field;
The voltage signal output from the voltage signal output means is amplified with a gain proportional to the reciprocal of the resistance value exhibited by the resistance means, and the combined magnetic field of the measurement target magnetic field and the bias magnetic field is in the direction of the measurement target magnetic field. A variable gain amplifier that outputs a signal proportional to the tangent of the angle to the
A magnetic sensor device.
請求項3記載の磁気センサ装置であって、
少なくとも前記電圧信号出力手段及び抵抗手段が、センサ基板上に形成され、
前記コイルは、前記センサ基板の面に平行な平面内に配されており、当該コイルに電流を供給することにより、前記既知の大きさのバイアス磁場を生じさせる磁気センサ装置。
The magnetic sensor device according to claim 3,
At least the voltage signal output means and the resistance means are formed on the sensor substrate,
The coil is arranged in a plane parallel to the surface of the sensor substrate, and supplies a current to the coil to generate a bias magnetic field of the known magnitude.
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