JP2017181403A - Magnetic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気センサに関する。 The present invention relates to a magnetic sensor.
従来、外部磁場を検出する磁気センサにおいて、外部磁場に応じて互いに逆方向に変化する2つの磁気抵抗素子を用いてばらつきを低減することが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1 特開2006−105693号公報
Conventionally, in a magnetic sensor that detects an external magnetic field, it is known to reduce variations by using two magnetoresistive elements that change in opposite directions according to the external magnetic field (see, for example, Patent Document 1).
Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-105693
しかしながら、従来の磁気センサは、2つの磁気抵抗素子の抵抗値のミスマッチによるオフセットを除去することができない。 However, the conventional magnetic sensor cannot remove the offset due to the mismatch of the resistance values of the two magnetoresistive elements.
本発明の第1の態様においては、第1磁気抵抗素子と、バイアス磁場を発生し、バイアス磁場を第1磁気抵抗素子に印加することにより、第1磁気抵抗素子の状態を、予め定められた磁気感度を有する第1状態から、第1状態と磁気感度の異なる第2状態に変更する磁場発生装置とを備える磁気センサを提供する。 In the first aspect of the present invention, the state of the first magnetoresistive element is predetermined by generating a bias magnetic field with the first magnetoresistive element and applying the bias magnetic field to the first magnetoresistive element. Provided is a magnetic sensor including a magnetic field generator that changes from a first state having magnetic sensitivity to a second state having a magnetic sensitivity different from that of the first state.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 It should be noted that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.
[実施例1]
図1は、実施例1に係る磁気センサ100の第1状態を示す。図2は、実施例1に係る磁気センサ100の第2状態を示す。
[Example 1]
FIG. 1 shows a first state of the
本例の磁気センサ100は、磁気抵抗素子10および磁場発生装置20を備える。磁気抵抗素子10は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12を有する。
The
本明細書において、第1方向〜第3方向の直交する3方向をX、Y、Z軸で示す。図1は、磁気センサ100のXY平面の平面視(Z軸方向から見た平面視)を示す。即ち、図1は、基板等の一方の面に磁気センサ100が形成された場合の上面図の一例を示す。
In this specification, three directions perpendicular to the first direction to the third direction are indicated by X, Y, and Z axes. FIG. 1 shows a plan view of the
第1磁気抵抗素子11は、入力磁場に応じて抵抗が変化する。第1磁気抵抗素子11は、Y軸方向に延伸して形成される。本例の第1磁気抵抗素子11は、平面視で、中心軸c1に対称な形状を有する。第1磁気抵抗素子11は、XY平面上に形成される。また、第1磁気抵抗素子11は、X軸方向に感磁軸を有する。
The resistance of the first
第2磁気抵抗素子12は、入力磁場に応じて抵抗が変化する。第2磁気抵抗素子12は、Y軸方向に延伸して形成される。本例の第2磁気抵抗素子12は、平面視で、中心軸c2に対称な形状を有する。第2磁気抵抗素子12は、XY平面上に形成される。また、第2磁気抵抗素子12は、X軸方向に感磁軸を有する。即ち、第2磁気抵抗素子12は、第1磁気抵抗素子11の感磁軸と平行な感磁軸を有する。
The resistance of the second
また、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12は、対称軸sに対して対称に形成される。第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12は、それぞれの中心軸c1,c2の間に間隔d1を置いて配置される。中心軸c1、c2の間隔d1は、少なくとも0より大きい値に設定される。
The first
第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12は、平板状であることが好ましい。本例の第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の形状は矩形である。但し、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の形状は、矩形に限らず、どのような形状であってもよく、例えば、四角形、正方形、平行四辺形、台形、三角形、円形、楕円形のいずれであってもよい。
It is preferable that the 1st
磁気抵抗素子10は、1軸方向の磁場を感知して抵抗値が変化する。磁気抵抗素子10は、一例において、予め定められた一方向の磁気を検出する巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magneto−Resistance)素子である。また、磁気抵抗素子10は、GMR素子に限らず、1軸方向の磁場にのみ感知して抵抗値を変化させる素子であればよい。即ち、磁気抵抗素子10は、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunnel Magneto−Resistance)素子又は異方性磁気抵抗(AMR:Anisotropic−Magneto−Resistive)素子であってもよい。
The
第1磁気抵抗素子11は、複数の磁気抵抗素子を有してよい。即ち、第1磁気抵抗素子11は、1つの磁気抵抗素子で構成される場合に限らず、2つ以上の磁気抵抗素子をメタル配線で接続して形成されてよい。例えば、第1磁気抵抗素子11は、Y軸方向に一列に並べられた複数の磁気抵抗素子からなる。また、第1磁気抵抗素子11は、複数の列を成すように、Y軸方向に並べられた複数の磁気抵抗素子で構成されてよい。但し、第1磁気抵抗素子11が有する複数の磁気抵抗素子は、感磁軸が一致していることが好ましい。第2磁気抵抗素子12も第1磁気抵抗素子11と同様に、複数の磁気抵抗素子を有してよい。
The first
磁場発生装置20は、バイアス磁場BVを発生する。磁場発生装置20は、発生させたバイアス磁場BVを第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12に印加する。磁場発生装置20は、バイアス磁場BVを発生させ、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の磁気感度を変調する。磁気感度を変調するとは、バイアス磁場BVを磁気抵抗素子10に印加することにより、磁気抵抗素子10の状態を第1状態から第2状態に設定することを指す。
第1状態および第2状態とは、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の磁気感度のそれぞれ異なる状態を示す。
The first state and the second state indicate states in which the magnetic sensitivities of the first
第1状態とは、磁場発生装置20がバイアス磁場BVを発生させていない場合の磁気抵抗素子10の磁気感度の状態を指す。本明細書において、第1状態を無バイアス状態と称する。
The first state refers to the state of the magnetic sensitivity of the
第2状態とは、磁場発生装置20がバイアス磁場BVを発生させている場合の磁気抵抗素子10の磁気感度の状態を指す。本明細書において、第2状態をバイアス磁場と称する。但し、第1状態および第2状態は、第1状態と第2状態における磁気抵抗素子10の磁気感度の大きさが異なっていれば、いずれもバイアス状態であってよい。
The second condition refers to a condition of the magnetic sensitivity of the
また、磁場発生装置20は、磁気抵抗素子10の近傍に配置される。磁気抵抗素子10の近傍とは、一例において、磁場発生装置20の発生したバイアス磁場BVが磁気抵抗素子10に印加できる程度の距離を指す。磁場発生装置20は、磁気抵抗素子10の感磁軸と平行に延伸して形成されている。本例の磁場発生装置20は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12に重なり、横切るように配置される。これにより、磁場発生装置20は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12に対してバイアス磁場BVを与える。但し、磁場発生装置20は、平面視で、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12と離間して形成されてよい。磁場発生装置20は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12に、それぞれ異なる大きさのバイアス磁場BVを与えてもよいが、本例の磁場発生装置20は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12に、同一強度のバイアス磁場BVを印加する。
The
磁場発生装置20は、第1磁気抵抗素子11の感磁軸と異なる方向の成分を少なくとも有するバイアス磁場BVを発生する。磁場発生装置20は、第1磁気抵抗素子11の感磁軸と垂直な成分を少なくとも有するバイアス磁場BVを発生させてもよい。また、一例において、磁場発生装置20は、第1磁気抵抗素子11の感磁軸と垂直なバイアス磁場BVを発生させる。
図3は、実施例1に係る磁気センサ100の断面図の一例を示す。磁気センサ100は、基板40および絶縁層42を備える。
FIG. 3 illustrates an example of a cross-sectional view of the
基板40は、シリコン基板、化合物半導体基板およびセラミック基板等のいずれであってもよい。また、基板40は、IC等の電子回路を搭載した基板であってもよい。基板40の基板平面50には、絶縁層42等が形成される。絶縁層42の上面は、XY平面に略平行な面として形成され、本例において第2平面52とする。
The
第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12は、第1平面51上に形成される。第1平面51は、絶縁層42における仮想的な平面であってよい。第1平面51は、XY平面に略平行な面として形成される。
The
磁場発生装置20は、断面図において、X軸方向に延伸するメタル配線が、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12に重なり、横切るように、第2平面52上に形成される。第1平面51および第2平面52は、略平行で、互いが重ならないように配置されている。本例の磁場発生装置20は、1本のメタル配線で描かれているが、第2平面52上において、Y軸方向に並んだ複数のメタル配線で構成されてもよい。
The
磁場発生装置20は、複数のメタル配線で構成されることにより、バイアス磁場BVを第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12に均一に与えることができる。磁場発生装置20は、複数のメタル配線を有する場合、それぞれが並列に接続されて同一方向に電流を流してもよい。また、複数のメタル配線は、それぞれが直列に接続されてもよい。
Magnetic
磁場発生装置20は、電力損失の観点から、比抵抗の低い金属で形成されることが好ましい。一例において、磁場発生装置20は、銅、金、白金、アルミニウム又はこれらの材料を含む合金で形成される。
The
ここで、磁気センサ100のX軸負側に磁石が配置されている場合を考える。この場合、磁気抵抗素子10には、X軸方向の磁場Bが入力される。本例では、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12のそれぞれに、X軸方向の磁場B1、B2が入力される。X軸方向の磁場B1、B2は、一様でなく、例えば、B1>B2となる。
Here, consider a case where a magnet is arranged on the X-axis negative side of the
第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12のそれぞれの抵抗値R1、R2は、次式で示される。
(数式1)
R1=ΔR1・B1+R01
(数式2)
R2=ΔR2・B2+R02
Respective resistance values R 1 and R 2 of the
(Formula 1)
R 1 = ΔR 1 · B 1 + R 01
(Formula 2)
R 2 = ΔR 2 · B 2 + R 02
R01、R02は、それぞれ第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の初期抵抗値を示す。本明細書において、初期抵抗値とは、X軸方向の入力磁場がない場合における磁気抵抗素子10の抵抗値を指す。ΔR1、ΔR2は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12のX軸方向の磁気感度である。B1、B2は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12に印加されるX軸方向の磁場である。
R 01 and R 02 indicate initial resistance values of the
磁気センサ100は、後述の演算部を有し、第1磁気抵抗素子11の抵抗値と、第2磁気抵抗素子12の抵抗値との差分を検出する。
(数式3)
R1−R2=(ΔR1B1−ΔR2B2)+(R01−R02)
The
(Formula 3)
R 1 −R 2 = (ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) + (R 01 −R 02 )
(ΔR1B1−ΔR2B2)は、入力するX軸方向の磁場B1,B2に反応する抵抗値の差分である。(R01−R02)は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の初期抵抗値の差分(即ち、2つの初期抵抗値が揃っていなければ、差分値がオフセット)である。
(ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) is a difference in resistance value that reacts to the input magnetic fields B 1 and B 2 in the X-axis direction. (R 01 −R 02 ) is a difference between the initial resistance values of the
無バイアス状態において、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12のそれぞれの抵抗値R1N、R2Nは、次式で示される。
(数式4)
R1N=ΔR1・B1+R01
(数式5)
R2N=ΔR2・B2+R02
In the non-bias state, the resistance values R 1N and R 2N of the
(Formula 4)
R 1N = ΔR 1 · B 1 + R 01
(Formula 5)
R 2N = ΔR 2 · B 2 + R 02
一方、バイアス状態において、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の磁気感度は、無バイアス状態における磁気感度ΔR1、ΔR2に対してそれぞれa1倍、a2倍に変化する。また、バイアス状態における初期抵抗値は、無バイアス状態における第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の初期抵抗値R01、R02に対してそれぞれb1倍、b2倍に変化する。よって、バイアス状態において、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12のそれぞれの抵抗値R1B、R2Bは、次式で示される。
(数式6)
R1B=(a1ΔR1)B1+b1R01
(数式7)
R2B=(a2ΔR2)B2+b2R02
On the other hand, in the bias state, the magnetic sensitivity of the
(Formula 6)
R 1B = (a 1 ΔR 1 ) B 1 + b 1 R 01
(Formula 7)
R 2B = (a 2 ΔR 2 ) B 2 + b 2 R 02
b1R01、b2R02は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の初期抵抗値を示す。a1ΔR1、a2ΔR2は、バイアス状態における第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の磁気感度である。
b 1 R 01 and b 2 R 02 indicate initial resistance values of the
第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分は、次式で示される。
(数式8)
R1N−R2N=(ΔR1B1−ΔR2B2)+(R01−R02)
(数式9)
R1B−R2B=(a1ΔR1B1−a2ΔR2B2)+(b1R01−b2R02)
The difference between the resistance values of the
(Formula 8)
R 1N −R 2N = (ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) + (R 01 −R 02 )
(Formula 9)
R 1B −R 2B = (a 1 ΔR 1 B 1 −a 2 ΔR 2 B 2 ) + (b 1 R 01 −b 2 R 02 )
(ΔR1B1−ΔR2B2)は、無バイアス状態での、入力磁場に応じた抵抗値の差分である。(R01−R02)は、無バイアス状態におけるオフセットである。一方、(a1ΔR1B1−a2ΔR2B2)は、バイアス状態での、入力磁場に応じた抵抗値の差分である。(b1R01−b2R02)は、バイアス状態におけるオフセットである。 (ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) is a difference in resistance value according to the input magnetic field in a no-bias state. (R 01 -R 02 ) is an offset in a no-bias state. On the other hand, (a 1 ΔR 1 B 1 −a 2 ΔR 2 B 2 ) is a difference in resistance value according to the input magnetic field in the bias state. (B 1 R 01 -b 2 R 02 ) is an offset in the bias state.
図4は、第1磁気抵抗素子11の磁気抵抗特性の一例を示す。縦軸は第1磁気抵抗素子11の抵抗値R[Ω]を示し、横軸は第1磁気抵抗素子11に印加する磁場BX[mT]を示す。また、本例の磁場Bxは、第1磁気抵抗素子11に対して、X軸方向に−1.0mTから+1.0mTの大きさの磁場を与えている。また、本例の磁気抵抗特性は、無バイアス状態およびバイアス状態での、第1磁気抵抗素子11の磁気抵抗特性にそれぞれ対応する。本例の磁場発生装置20は、第1磁気抵抗素子11に対して、Y軸方向に0mTと+1.0mTの大きさの磁場を発生させる。
FIG. 4 shows an example of the magnetoresistive characteristic of the
抵抗値R1Nは、無バイアス状態における第1磁気抵抗素子11の抵抗値を示す。抵抗値R1Bは、バイアス状態における第1磁気抵抗素子11の磁気抵抗特性を示す。
The resistance value R 1N indicates the resistance value of the
無バイアス状態における第1磁気抵抗素子11の初期抵抗値は、バイアス状態における第1磁気抵抗素子11の初期抵抗値と等しくてよい。ここで、初期抵抗値が等しいとは、無バイアス状態とバイアス状態における第1磁気抵抗素子11の初期抵抗値の差が、無バイアス状態における第1磁気抵抗素子11の抵抗値の1%以内であることを指す。
The initial resistance value of the
一方、実施例1の磁気センサ100のように、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の2本の磁気抵抗素子を有する場合も、本例の場合と同様に考えることができる。即ち、無バイアス状態における第1磁気抵抗素子11の初期抵抗値と、バイアス状態における第1磁気抵抗素子11の初期抵抗値との差分(即ち、R01−b1R01)は、無バイアス状態における第2磁気抵抗素子12の初期抵抗値と、バイアス状態における第2磁気抵抗素子12の初期抵抗値との差分(即ち、R02−b2R02)と等しくてよい。
On the other hand, in the case of having two magnetoresistive elements of the
ここで、(R01−b1R01)と(R02−b2R02)との差分が等しいとは、(R01−b1R01)と(R02−b2R02)との差分が、無バイアス状態における第1磁気抵抗素子11の抵抗値(即ち、R01)又は無バイアス状態における第2磁気抵抗素子12の抵抗値(即ち、R02)の1%以内であることを指す。 Here, the difference between (R 01 -b 1 R 01 ) and (R 02 -b 2 R 02 ) is equal to (R 01 -b 1 R 01 ) and (R 02 -b 2 R 02 ) Is within 1% of the resistance value of the first magnetoresistive element 11 (ie, R 01 ) in the non-biased state or the resistance value of the second magnetoresistive element 12 (ie, R 02 ) in the non-biased state. Point to.
また、無バイアス状態における第1磁気抵抗素子11の初期抵抗値と、無バイアス状態における第2磁気抵抗素子12の初期抵抗値との差分(即ち、R01−R02)は、バイアス状態における第1磁気抵抗素子11の初期抵抗値と、バイアス状態における第2磁気抵抗素子12の初期抵抗値との差分(即ち、b1R01−b2R02)と等しくてもよい。
Further, the difference between the initial resistance value of the
ここで、(R01−R02)と(b1R01−b2R02)との差分が等しいとは、(R01−R02)と(b1R01−b2R02)との差分が、無バイアス状態における第1磁気抵抗素子11の抵抗値(即ち、R01)又は無バイアス状態における第2磁気抵抗素子12の抵抗値(即ち、R02)の1%以内であることを指す。 Here, the difference between (R 01 -R 02 ) and (b 1 R 01 -b 2 R 02 ) is equal to (R 01 -R 02 ) and (b 1 R 01 -b 2 R 02 ) Is within 1% of the resistance value of the first magnetoresistive element 11 (ie, R 01 ) in the non-biased state or the resistance value of the second magnetoresistive element 12 (ie, R 02 ) in the non-biased state. Point to.
このように、無バイアス状態又はバイアス状態における第1磁気抵抗素子11の初期抵抗値、および無バイアス状態又はバイアス状態における第2磁気抵抗素子12の初期抵抗値のいずれかが大きくなったとしても、計算の途中式で初期抵抗値の差分が相殺されれば、オフセットをキャンセルできる。このような考え方は、磁気抵抗素子の個数が3つ以上に増加した場合であっても同様に成り立つ。
As described above, even if either the initial resistance value of the
また、無バイアス状態における第1磁気抵抗素子11の磁気感度は、バイアス状態における第1磁気抵抗素子11の磁気感度よりも大きい。即ち、本例の第1磁気抵抗素子11は、バイアス磁場BVが印加されることにより、磁気感度が小さくなる。
Further, the magnetic sensitivity of the
第1磁気抵抗素子11の抵抗値R1N、R1Bは、次式で示される。
(数式10)
R1N=ΔR1・B1+R01
(数式11)
R1B=(a1ΔR1)B1+b1R01
Resistance values R 1N and R 1B of the
(Formula 10)
R 1N = ΔR 1 · B 1 + R 01
(Formula 11)
R 1B = (a 1 ΔR 1 ) B 1 + b 1 R 01
ここで、b1=1.001、a1=0.75であるので、第1磁気抵抗素子11の磁気感度は、無バイアス状態よりもバイアス状態の方が小さくなる。一方、初期抵抗値R01≒b1R01(b1=1.001)であるので、第1磁気抵抗素子11の初期抵抗値R01は、無バイアス状態とバイアス状態とでほとんど変動しない。
Here, since b 1 = 1.001 and a 1 = 0.75, the magnetic sensitivity of the
第1磁気抵抗素子11の特性によると、(数8)式のオフセット(R01−R02)および(数9)式のオフセット(b1R01−b2R02)は、b1≒b2≒1であることから、(R01−R02)≒(b1R01−b2R02)となる。この特性を利用すると、磁気センサ100は、無バイアス状態とバイアス状態とで、オフセットをキャンセルできる。(数8)式と(数9)式の差分を算出することにより、次式が得られる。
(数式12)
(R1N−R2N)−(R1B−R2B)=(1−a1)ΔR1B1−(1−a2)ΔR2B2
According to the characteristics of the
(Formula 12)
(R 1N -R 2N) - ( R 1B -R 2B) = (1-a 1) ΔR 1 B 1 - (1-a 2) ΔR 2
したがって、磁気センサ100は、オフセットを除去し、X軸方向の磁場B1,B2に反応する抵抗成分のみを算出できる。このように、オフセットを除去することにより、磁気センサ100の検出精度が向上する。
Therefore, the
さらに、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12は、X軸方向に同じ磁気感度ΔRを有することが好ましい。この場合ΔR1=ΔR2=ΔRとなる。また、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の特性は、同一チップ基板上に形成されることにより略等しくなる。この場合a1=a2=aとなる。よって(数12)式は次式で示される。
(数式13)
(R1N−R2N)−(R1B−R2B)=(1−a)ΔR(B1−B2)
Furthermore, the
(Formula 13)
(R 1N -R 2N) - ( R 1B -R 2B) = (1-a) ΔR (B 1 -B 2)
[実施例2]
図5は、実施例2に係る磁気センサ100の構成の一例を示す。図6は、実施例2に係る磁気センサ100の断面図の一例を示す。本例の磁気センサ100は、磁気抵抗素子10として、第1磁気抵抗素子11、第2磁気抵抗素子12、第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14を有する。本例では、実施例1に係る磁気センサ100と異なる点について主に説明する。
[Example 2]
FIG. 5 shows an example of the configuration of the
第3磁気抵抗素子13は、入力磁場に応じて抵抗が変化する。第3磁気抵抗素子13は、Y軸方向に延伸して形成される。本例の第3磁気抵抗素子13は、平面視で、中心軸c3に対称な形状を有する。第3磁気抵抗素子13は、XY平面上に形成される。また、第3磁気抵抗素子13は、X軸方向に感磁軸を有する。即ち、第3磁気抵抗素子13は、第1磁気抵抗素子11の感磁軸と平行な感磁軸を有する。
The resistance of the third
第4磁気抵抗素子14は、入力磁場に応じて抵抗が変化する。第4磁気抵抗素子14は、Y軸方向に延伸して形成される。本例の第4磁気抵抗素子14は、平面視で、中心軸c4に対称な形状を有する。第4磁気抵抗素子14は、XY平面上に形成される。また、第4磁気抵抗素子14は、X軸方向に感磁軸を有する。即ち、第4磁気抵抗素子14は、第1磁気抵抗素子11の感磁軸と平行な感磁軸を有する。
The resistance of the
第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12は、それぞれの中心軸c1,c2の間に間隔d1を置いて配置される。中心軸c1,c2の間隔d1は、少なくとも0より大きい値に設定される。
The
第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14は、それぞれの中心軸c3,c4の間に間隔d2を置いて配置される。中心軸c3,c4の間隔d2は、少なくとも0より大きい値に設定される。
The 3rd
第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14は、第1平面51上で、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の間隔の中間軸mを除いたY軸方向の軸に対して対称となるように設けられる。本明細書において、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の中間軸mは、第1磁気抵抗素子11の中心軸c1および第2磁気抵抗素子12の中心軸c2の中間に位置するY軸と平行な軸を指す。
The third
第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14は、間隔d2が間隔d1と等しく(d1=d2)なるように配置される。即ち、差分構成を考える場合、間隔の等しい第1磁気抵抗素子11と第2磁気抵抗素子12とがペアとなり、第3磁気抵抗素子13と第4磁気抵抗素子14とがペアとなることが好ましい。
The 3rd
第1磁気抵抗素子11および第3磁気抵抗素子13は、対称軸sを挟んで対称に配置される。また、第2磁気抵抗素子12および第4磁気抵抗素子14は、対称軸sを挟んで対称に配置される。
The
第1磁気抵抗素子11は、第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14に挟まれて形成される。また、第3磁気抵抗素子13は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12に挟まれて形成される。即ち、本例において、差分構成をとる第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12のペアと、第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14のペアとが互い違いとなるように配置されている。
The
磁場発生装置20は、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14に重なり、横切るように配置される。磁場発生装置20は、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14に対してY軸方向のバイアス磁場BVを印加する。例えば、磁場発生装置20は、X軸方向に延伸するメタル配線が、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14に重なり、横切るように、XY平面上に形成される。なお、本明細書において、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14とは、第1磁気抵抗素子11、第2磁気抵抗素子12、第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14を指す。
The
[実施例3]
図7は、実施例3に係る磁気センサ100の構成の一例を示す。本例の磁気センサ100は、磁気抵抗素子10として、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14の4つの磁気抵抗素子を有する。本例の磁気センサ100は、実施例2に係る磁気センサ100と磁気抵抗素子の配列順が異なる。
[Example 3]
FIG. 7 illustrates an example of the configuration of the
第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14の中間軸m'は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12で挟まれる領域の外側に配置される。本明細書において、第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14の中間軸m'は、第3磁気抵抗素子13の中心軸c3および第4磁気抵抗素子14の中心軸c4の中間に位置するY軸と平行な軸を指す。
The intermediate axis m ′ of the third
第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12は、第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14と対称軸sを挟んだ反対側に形成される。即ち、実施例2に係る磁気センサ100は、差分構成をとる第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12のペアと、第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14のペアとが互い違いとなるように配置している。一方、本例の磁気センサ100は、差分構成をとる第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12のペアと、第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14のペアとが、互い違いとならずに、それぞれ対称軸sの一方の側に配置されている。
The
第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14のそれぞれに、X軸方向の磁場B1、B2、B3、B4が入力される。X軸方向の磁場B1、B2、B3、B4は、一様でなく、例えば、B1>B2、B3>B4である。R1、R2、R3、R4は、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14のそれぞれの抵抗値であり、次式で示される。
(数式14)
R1=R01+ΔR1・B1
(数式15)
R2=R02+ΔR2・B2
(数式16)
R3=R03+ΔR3・B3
(数式17)
R4=R04+ΔR4・B4
Magnetic fields B 1 , B 2 , B 3 , and B 4 in the X-axis direction are input to each of the
(Formula 14)
R 1 = R 01 + ΔR 1 · B 1
(Formula 15)
R 2 = R 02 + ΔR 2 · B 2
(Formula 16)
R 3 = R 03 + ΔR 3 · B 3
(Formula 17)
R 4 = R 04 + ΔR 4 · B 4
R01、R02、R03、R04は、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14の初期抵抗値を示す。ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4は、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14の磁気感度を示す。B1、B2、B3、B4は、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14に入力するX軸方向の磁場である。ここで、第1磁気抵抗素子11と第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分および第4磁気抵抗素子14と第3磁気抵抗素子13の抵抗値の差分をそれぞれ取ると、次式で示される。
(数式18)
R1−R2=(ΔR1B1−ΔR2B2)+(R01−R02)
(数式19)
R3−R4=(ΔR3B3−ΔR4B4)+(R03−R04)
R 01 , R 02 , R 03 , and R 04 indicate initial resistance values of the
(Formula 18)
R 1 −R 2 = (ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) + (R 01 −R 02 )
(Formula 19)
R 3 −R 4 = (ΔR 3 B 3 −ΔR 4 B 4 ) + (R 03 −R 04 )
(ΔR1B1−ΔR2B2)は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の入力磁場による抵抗値の差分を示す。(R01−R02)は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12のオフセットである。また、(ΔR3B3−ΔR4B4)は、第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14の入力磁場による抵抗値の差分を示す。(R03−R04)は、第4磁気抵抗素子14および第3磁気抵抗素子13のオフセットである。
(ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) indicates a difference in resistance value due to the input magnetic field of the
本例の磁気センサ100は、演算部により、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分と、第4磁気抵抗素子14および第3磁気抵抗素子13の抵抗値の差分と、の和を算出する。
(数式20)
(R1−R2)+(R3−R4)
=[(ΔR1B1−ΔR2B2)+(ΔR3B3−ΔR4B4)]
+[(R01−R02)+(R03−R04)]
In the
(Formula 20)
(R 1 −R 2 ) + (R 3 −R 4 )
= [(ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) + (ΔR 3 B 3 −ΔR 4 B 4 )]
+ [(R 01 -R 02 ) + (R 03 -R 04 )]
上式において、[(R01−R02)+(R03−R04)]は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12のオフセットと、第4磁気抵抗素子14および第3磁気抵抗素子13のオフセットとの和である。
In the above equation, [(R 01 −R 02 ) + (R 03 −R 04 )] is the offset of the
次に、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分と、第4磁気抵抗素子14および第3磁気抵抗素子13の抵抗値の差分について考える。
Next, the difference between the resistance values of the
第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分は、無バイアス状態において、次式で示される。
(数式21)
R1N−R2N=(ΔR1B1−ΔR2B2)+(R01−R02)
(ΔR1B1−ΔR2B2)は、入力磁場による抵抗値の差分を示す。(R01−R02)は、オフセットを示す。
The difference between the resistance values of the
(Formula 21)
R 1N −R 2N = (ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) + (R 01 −R 02 )
(ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) indicates a difference in resistance value due to the input magnetic field. (R 01 -R 02 ) indicates an offset.
第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分は、バイアス状態において、次式で示される。バイアス状態において、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の磁気感度は、無バイアス状態における磁気感度ΔR1、ΔR2に対してそれぞれa1倍、a2倍に変化する。また、バイアス状態における初期抵抗値は、無バイアス状態における第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の初期抵抗値R01、R02に対してそれぞれb1倍、b2倍に変化する。
(数式22)
R1B−R2B=(a1ΔR1B1−a2ΔR2B2)+(b1R01−b2R02)
(a1ΔR1B1−a2ΔR2B2)は、入力磁場による抵抗値の差分を示す。(b1R01−b2R02)は、オフセットを示す。
The difference between the resistance values of the
(Formula 22)
R 1B −R 2B = (a 1 ΔR 1 B 1 −a 2 ΔR 2 B 2 ) + (b 1 R 01 −b 2 R 02 )
(A 1 ΔR 1 B 1 −a 2 ΔR 2 B 2 ) indicates a difference in resistance value due to an input magnetic field. (B 1 R 01 -b 2 R 02 ) indicates an offset.
また、第4磁気抵抗素子14および第3磁気抵抗素子13の抵抗値の差分は、無バイアス状態において、次式で示される。
(数式23)
R3N−R4N=(ΔR3B3−ΔR4B4)+(R03−R04)
(ΔR3B3−ΔR4B4)は、入力磁場による抵抗値の差分を示す。(R03−R04)は、オフセットを示す。
Further, the difference between the resistance values of the
(Formula 23)
R 3N −R 4N = (ΔR 3 B 3 −ΔR 4 B 4 ) + (R 03 −R 04 )
(ΔR 3 B 3 −ΔR 4 B 4 ) indicates a difference in resistance value due to the input magnetic field. (R 03 -R 04 ) indicates an offset.
第4磁気抵抗素子14および第3磁気抵抗素子13の抵抗値の差分は、バイアス状態において、次式で示される。バイアス状態において、第4磁気抵抗素子14および第3磁気抵抗素子13の磁気感度は、無バイアス状態における磁気感度ΔR4、ΔR3に対してそれぞれa4倍、a3倍に変化する。また、バイアス状態における初期抵抗値は、無バイアス状態における第4磁気抵抗素子14および第3磁気抵抗素子13の初期抵抗値R04、R03に対してそれぞれb4倍、b3倍に変化する。
(数式24)
R3B−R4B=(a3ΔR3B3−a4ΔR4B4)+(b3R03−b4R04)
(a3ΔR3B3−a4ΔR4B4)は、入力磁場による抵抗値の差分を示す。(b3R03−b4R04)は、オフセットを示す。
The difference between the resistance values of the
(Formula 24)
R 3B −R 4B = (a 3 ΔR 3 B 3 −a 4 ΔR 4 B 4 ) + (b 3 R 03 −b 4 R 04 )
(A 3 ΔR 3 B 3 −a 4 ΔR 4 B 4 ) indicates a difference in resistance value due to the input magnetic field. (B 3 R 03 -b 4 R 04 ) indicates an offset.
本例の磁気センサ100は、実施例1の場合と同様に、無バイアス状態とバイアス状態とで、磁気抵抗素子10の初期抵抗値がほぼ変動しないという特性を利用して、オフセットを除去できる。第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分と、第4磁気抵抗素子14および第3磁気抵抗素子13の抵抗値の差分と、の和は、次式で示される。
(数式25)
[(R1N−R2N)−(R1B−R2B)]+[(R3N−R4N)−(R3B−R4B)]
=[(1−a1)ΔR1B1−(1−a2)ΔR2B2]
+[(1−a3)ΔR3B3−(1−a4)ΔR4B4]
As in the case of the first embodiment, the
(Formula 25)
[(R 1N -R 2N) - (R 1B -R 2B)] + [(R 3N -R 4N) - (R 3B -R 4B)]
= [(1-a 1 ) ΔR 1 B 1- (1-a 2 ) ΔR 2 B 2 ]
+ [(1-a 3 ) ΔR 3 B 3- (1-a 4 ) ΔR 4 B 4 ]
これにより、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14のオフセットがキャンセルされ、X軸方向の入力磁場に反応する抵抗成分のみが残る。このように、オフセットを除去することによって、磁気センサ100の検出精度が向上する。
Thereby, the offset of the
さらに、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14は、X軸方向に同じ磁気感度ΔRを有することが好ましく、ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔRとなる。また、同一チップ基板上に形成されれば、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14の特性が略等しくなるので、a1=a2=a3=a4=aとなる。この場合(数25)式は次式で示される。
(数式26)
[(R1N−R2N)−(R1B−R2B)]+[(R3N−R4N)−(R3B−R4B)]
=(1−a)ΔR[(B1−B2)+(B3−B4)]
Furthermore, it is preferable that the
(Formula 26)
[(R 1N -R 2N) - (R 1B -R 2B)] + [(R 3N -R 4N) - (R 3B -R 4B)]
= (1-a) ΔR [(B 1 −B 2 ) + (B 3 −B 4 )]
本例の磁気センサ100は、[(B1−B2)+(B3−B4)]で示されるように、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14を用いて、2重の差分構成をとる。そのため、磁気センサ100は、一様でない外乱磁場による誤差要素を抑制できる。本明細書において、一様な外乱磁場とは、X軸方向において一様に増加する磁場、又はX軸方向において一様に減少する磁場を指す。
The
[実施例4]
図8は、実施例4に係る磁気センサ100の平面図の一例を示す。図9は、実施例4に係る磁気センサ100の断面図の一例を示す。本例の磁気センサ100の両端には、第1電流導体31および第2電流導体32が配置されている。図8および図9においては、簡略化のために磁場発生装置20を省略している。
[Example 4]
FIG. 8 illustrates an example of a plan view of the
第1電流導体31および第2電流導体32は、Y軸方向に延伸して形成される。第1電流導体31および第2電流導体32は、磁気センサ100のX軸の負側と正側にそれぞれ形成されている。第1電流導体31および第2電流導体32には、Y軸の正側に向けて電流が流れる。これにより、第1電流導体31および第2電流導体32の周囲に、2つの電流の作る合成の磁場が生成される。
The first
第1電流導体31および第2電流導体32は、それぞれがX軸方向に幅0.85mm、Z軸方向に厚さ0.4mmの長方形の断面を有する。第1電流導体31および第2電流導体32は、X軸方向に予め定められた間隔d3を有する。間隔d3は、一例において、1.7mmである。
The first
磁気センサ100は、Z軸方向からみた平面視で、間隔d3に収まるように配置されている。磁気センサ100は、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14が配置された第1平面51が、第1電流導体31および第2電流導体32の上端から予め定められた距離だけ離間して配置される。第1電流導体31および第2電流導体32の上端とは、Z軸方向の正側における、第1電流導体31および第2電流導体32の端部を指す。本例において、第1平面51と第1電流導体31および第2電流導体32の上端とは、0.1mm離れて配置される。
The
第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14は、対称軸sが間隔d3のX軸方向の中心を通るように設置される。X軸方向の負側から正側に向かって、第1磁気抵抗素子11、第2磁気抵抗素子12、第3磁気抵抗素子13および第4磁気抵抗素子14の順で、配置される。例えば、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14は、対称軸sを通る点を原点(x=0mm)として、X軸方向に、第1磁気抵抗素子11が−0.7mm、第2磁気抵抗素子12が−0.1mm、第4磁気抵抗素子14が0.1mm、第3磁気抵抗素子13が0.7mm、に配置されている。
The 1st magnetoresistive element 11-the
図10は、実施例4に係る磁気センサ100の磁気シミュレーション結果の一例を示す。グラフ左側の縦軸は、被測定磁場密度Bp[mT]を示し、グラフ右側の縦軸は、外乱磁束密度Bn[μT]を示す。横軸はX軸方向の位置を示す。原点は、対称軸sの位置に対応している。
FIG. 10 illustrates an example of a magnetic simulation result of the
磁場分布曲線(A)は、被測定磁場密度Bpを示す。被測定磁場密度Bpとは、第1電流導体31および第2電流導体32に、Y軸の正側に向けて電流を与えた場合のX軸方向の各位置でのX軸方向成分の磁場の大きさである。本例の第1電流導体31および第2電流導体32には、それぞれ30Aの大きさの電流が流れる。
The magnetic field distribution curve (A) indicates the measured magnetic field density Bp. The measured magnetic field density Bp is the magnetic field of the X-axis direction component at each position in the X-axis direction when a current is applied to the first
第1磁気抵抗素子11、第2磁気抵抗素子12、第4磁気抵抗素子14、第3磁気抵抗素子13に対する被測定磁場密度Bpは、それぞれ5.8mT、2.2mT、2.2mT、5.8mTとなる。そのため、(B1−B2)=(B3−B4)=3.6mTとなる。よって、(数26)式において、[(B1−B2)+(B3−B4)]は7.2mTとなる。第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14に入力される被測定磁場密度Bpは、第1電流導体31および第2電流導体32に流す、Y軸方向の電流の大きさに比例する。
The measured magnetic field densities Bp for the
磁場分布曲線(B)は、外乱磁束密度Bnを示す。外乱磁束密度Bnとは、X軸方向に、原点より20mm離れたところで、外乱電流として60Aの流したときに、第1平面51上におけるX軸方向の各位置でのX軸方向成分の磁場の大きさである。第1磁気抵抗素子11、第2磁気抵抗素子12、第4磁気抵抗素子14、第3磁気抵抗素子13に入力される外乱磁束密度Bnは、それぞれ31.6μT、33.8μT、34.5μT、37.0μTとなる。そのため、(B1−B2)=−2.2μTとなり、(B3−B4)=2.5μTとなる。よって、(数26)式において、[(B1−B2)+(B3−B4)]は0.3μTとなる。このように、外乱磁束密度Bnに関する[(B1−B2)+(B3−B4)]の大きさは、差分構成をとらない場合に磁気抵抗素子に入力する約30μTの外乱磁束密度の大きさに対して、約1/100となっている。即ち、外乱磁束密度Bnの影響が抑制されている。
The magnetic field distribution curve (B) shows the disturbance magnetic flux density Bn. The disturbance magnetic flux density Bn is the X-axis direction component magnetic field at each position in the X-axis direction on the
磁場分布曲線(C)は、一様外乱磁場を示す。一様外乱磁場とは、地磁気のような遠方より飛来するX軸方向の一様な外乱磁場である。即ち、一様外乱磁場に関し、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14は、一様なX軸方向の磁場を検出する。よって、B1=B2=B3=B4となる。即ち、(数26)式において、[(B1−B2)+(B3−B4)]は0となる。
The magnetic field distribution curve (C) shows a uniform disturbance magnetic field. The uniform disturbance magnetic field is a uniform disturbance magnetic field in the X-axis direction that comes from a distance such as geomagnetism. That is, regarding the uniform disturbance magnetic field, the
本例の磁気センサ100は、X軸方向に不均一に生じた磁場を検出する磁気センサであって、誤差要素のオフセット成分を抑制して、高い精度で不均一に生じた磁場を検出できる。また、本例の磁気センサ100は、差分構成をとるため、第1磁気抵抗素子11〜第4磁気抵抗素子14に入力する磁場の大きさが等しければ、X軸方向の一様な外乱磁場を抑制できる。さらに、磁気センサ100は、2重の差分構成をとるため、一様でない外乱磁場を検出する場合に、一様でない外乱磁場による誤差要素を抑制できる。
The
[実施例5]
図11は、実施例5に係る磁気センサ100の構成の一例を示す。本例の磁気センサ100は、磁気抵抗素子10として、第1磁気抵抗素子11、第2磁気抵抗素子12および第3磁気抵抗素子13を備える。
[Example 5]
FIG. 11 illustrates an example of a configuration of the
第3磁気抵抗素子13は、入力磁場に応じて抵抗が変化する。第3磁気抵抗素子13は、Y軸方向に延伸して形成される。本例の第3磁気抵抗素子13は、平面視で、中心軸c3に対称な形状を有する。第3磁気抵抗素子13は、XY平面上に形成される。また、第3磁気抵抗素子13は、X軸方向に感磁軸を有する。即ち、第3磁気抵抗素子13は、第1磁気抵抗素子11の感磁軸と平行な感磁軸を有する。
The resistance of the third
第1磁気抵抗素子11の中心軸c1と第2磁気抵抗素子12の中心軸c2との間隔d1は、第2磁気抵抗素子12の中心軸c2と第3磁気抵抗素子13の中心軸c3との間隔d2と等しい。即ち、対称軸sは、中心軸c2と等しくなる。言い換えると、第1磁気抵抗素子11および第3磁気抵抗素子13は、第1平面51上で、対称軸sに対して、対称(即ち、d1=d2)となるように配置される。
The distance d1 between the central axis c1 of the
磁場発生装置20は、第1磁気抵抗素子11〜第3磁気抵抗素子13に重なり、横切るように配置される。これにより、磁場発生装置20は、第1磁気抵抗素子11〜第3磁気抵抗素子13に対してY軸方向にバイアス磁場BVを与える。例えば、磁場発生装置20は、X軸方向に延伸するメタル配線が、第1磁気抵抗素子11〜第3磁気抵抗素子13に重なり、横切るように、第2平面52上に形成される。
The
次に、本例の磁気センサ100に実施例4に係る第1電流導体31および第2電流導体32が設けられている場合について考える。第1電流導体31および第2電流導体32においてY軸の正側方向に電流が流れた場合、第1磁気抵抗素子11〜第3磁気抵抗素子13のそれぞれに、X軸方向の磁場B1、B2、B3が入力される。X軸方向の磁場B1、B2、B3は、一様でなく、例えば、B1>B2、B3>B2である。第1磁気抵抗素子11〜第3磁気抵抗素子13のそれぞれの抵抗値R1、R2、R3は、次式で示される。
(数式27)
R1=R01+ΔR1・B1
(数式28)
R2=R02+ΔR2・B2
(数式29)
R3=R03+ΔR3・B3
Next, a case where the first
(Formula 27)
R 1 = R 01 + ΔR 1 · B 1
(Formula 28)
R 2 = R 02 + ΔR 2 · B 2
(Formula 29)
R 3 = R 03 + ΔR 3 · B 3
R01、R02、R03は、第1磁気抵抗素子11〜第3磁気抵抗素子13の初期抵抗値を示す。ΔR1、ΔR2、ΔR3は、第1磁気抵抗素子11〜第3磁気抵抗素子13の磁気感度を示す。B1、B2、B3は、第1磁気抵抗素子11〜第3磁気抵抗素子13に入力するX軸方向の磁場である。
R 01 , R 02 , and R 03 indicate initial resistance values of the
(数式30)
R1−R2=(ΔR1B1−ΔR2B2)+(R01−R02)
(数式31)
R3−R2=(ΔR3B3−ΔR2B2)+(R03−R02)
(Formula 30)
R 1 −R 2 = (ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) + (R 01 −R 02 )
(Formula 31)
R 3 −R 2 = (ΔR 3 B 3 −ΔR 2 B 2 ) + (R 03 −R 02 )
(ΔR1B1−ΔR2B2)は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の入力磁場による抵抗値の差分である。(R01−R02)は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12のオフセットである。また、(ΔR3B3−ΔR2B2)は、第3磁気抵抗素子13および第2磁気抵抗素子12の入力磁場による抵抗値の差分である。(R03−R02)は、第3磁気抵抗素子13および第2磁気抵抗素子12のオフセットである。
(ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) is a difference in resistance value due to the input magnetic field of the
本例の磁気センサ100は、後述の演算部を有し、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分と、第3磁気抵抗素子13および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分と、の和を検出する。
(数式32)
(R1−R2)+(R3−R2)
=[(ΔR1B1−ΔR2B2)+(ΔR3B3−ΔR2B2)]
+[(R01−R02)+(R03−R02)]
The
(Formula 32)
(R 1 −R 2 ) + (R 3 −R 2 )
= [(ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) + (ΔR 3 B 3 −ΔR 2 B 2 )]
+ [(R 01 -R 02 ) + (R 03 -R 02 )]
[(R01−R02)+(R03−R02)]は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12のオフセットと、第3磁気抵抗素子13および第2磁気抵抗素子12のオフセットと、の和のオフセットである。
[(R 01 −R 02 ) + (R 03 −R 02 )] is the offset of the
次に、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分と、第3磁気抵抗素子13および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分の差分について考える。
Next, a difference in resistance value between the
第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分は、無バイアス状態において、次式で示される。
(数式33)
R1N−R2N=(ΔR1B1−ΔR2B2)+(R01−R02)
(ΔR1B1−ΔR2B2)は、入力磁場による抵抗値の差分を示す。(R01−R02)は、オフセットを示す。
The difference between the resistance values of the
(Formula 33)
R 1N −R 2N = (ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) + (R 01 −R 02 )
(ΔR 1 B 1 −ΔR 2 B 2 ) indicates a difference in resistance value due to the input magnetic field. (R 01 -R 02 ) indicates an offset.
第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分は、バイアス状態において、次式で示される。バイアス状態において、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の磁気感度は、無バイアス状態における磁気感度ΔR1、ΔR2に対してそれぞれa1倍、a2倍に変化する。また、バイアス状態における初期抵抗値は、無バイアス状態における第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の初期抵抗値R01、R02に対してそれぞれb1倍、b2倍に変化する。
(数式34)
R1B−R2B=(a1ΔR1B1−a2ΔR2B2)+(b1R01−b2R02)
(a1ΔR1B1−a2ΔR2B2)は、入力磁場による抵抗値の差分を示す。(b1R01−b2R02)は、オフセットを示す。
The difference between the resistance values of the
(Formula 34)
R 1B −R 2B = (a 1 ΔR 1 B 1 −a 2 ΔR 2 B 2 ) + (b 1 R 01 −b 2 R 02 )
(A 1 ΔR 1 B 1 −a 2 ΔR 2 B 2 ) indicates a difference in resistance value due to an input magnetic field. (B 1 R 01 -b 2 R 02 ) indicates an offset.
また、第3磁気抵抗素子13および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分は、無バイアス状態において、次式で示される。
(数式35)
R3N−R2N=(ΔR3B3−ΔR2B2)+(R03−R02)
(ΔR3B3−ΔR2B2)は、入力磁場による抵抗値の差分を示す。(R03−R02)は、オフセットを示す。
Further, the difference between the resistance values of the third
(Formula 35)
R 3N −R 2N = (ΔR 3 B 3 −ΔR 2 B 2 ) + (R 03 −R 02 )
(ΔR 3 B 3 −ΔR 2 B 2 ) indicates a difference in resistance value due to the input magnetic field. (R 03 -R 02 ) indicates an offset.
第3磁気抵抗素子13および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分は、バイアス状態において、次式で示される。バイアス状態において、第3磁気抵抗素子13および第2磁気抵抗素子12の磁気感度は、無バイアス状態における磁気感度ΔR3、ΔR2に対してそれぞれa3倍、a2倍に変化する。また、バイアス状態における初期抵抗値は、無バイアス状態における第3磁気抵抗素子13および第2磁気抵抗素子12の初期抵抗値R03、R02に対してそれぞれb3倍、b2倍に変化する。
(数式36)
R3B−R2B=(a3ΔR3B3−a2ΔR2B2)+(b3R03−b2R02)
(a3ΔR3B3−a2ΔR2B2)は、入力磁場による抵抗値の差分を示す。(b3R03−b2R02)は、オフセットを示す。
The difference between the resistance values of the third
(Formula 36)
R 3B −R 2B = (a 3 ΔR 3 B 3 −a 2 ΔR 2 B 2 ) + (b 3 R 03 −b 2 R 02 )
(A 3 ΔR 3 B 3 −a 2 ΔR 2 B 2 ) indicates a difference in resistance value due to the input magnetic field. (B 3 R 03 -b 2 R 02 ) indicates an offset.
本例の磁気センサ100は、実施例1と同様に、無バイアス状態とバイアス状態とで、磁気抵抗素子の初期抵抗値がほぼ変動しないという特性を利用して、オフセットを除去できる。第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分と、第3磁気抵抗素子13および第2磁気抵抗素子12の抵抗値の差分と、の和は、次式で示される。
(数式37)
[(R1N−R2N)−(R1B−R2B)]+[(R3N−R2N)−(R3B−R2B)]
=[(1−a1)ΔR1B1−(1−a2)ΔR2B2]
+[(1−a3)ΔR3B3−(1−a2)ΔR2B2]
したがって、磁気センサ100は、3つの磁気抵抗素子のオフセットをキャンセルすることができ、入力するX軸方向の磁場に反応する抵抗成分のみが残る。このように、オフセットを除去することにより、磁気センサ100の検出精度が向上する。
As in the first embodiment, the
(Formula 37)
[(R 1N -R 2N) - (R 1B -R 2B)] + [(R 3N -R 2N) - (R 3B -R 2B)]
= [(1-a 1 ) ΔR 1 B 1- (1-a 2 ) ΔR 2 B 2 ]
+ [(1-a 3 ) ΔR 3 B 3- (1-a 2 ) ΔR 2 B 2 ]
Therefore, the
さらに、第1磁気抵抗素子11〜第3磁気抵抗素子13は、X軸方向に同じ磁気感度ΔRを有することが好ましく、ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔRとなる。また、同一チップ基板上に形成されれば、第1磁気抵抗素子11〜第3磁気抵抗素子13の特性がほぼ揃うことになるので、a1=a2=a3=aとなって、(数37)式は次式で示される。
(数式38)
[(R1N−R2N)−(R1B−R2B)]+[(R3N−R2N)−(R3B−R2B)]
=(1−a)ΔR[(B1−B2)+(B3−B2)]
Furthermore, the
(Formula 38)
[(R 1N -R 2N) - (R 1B -R 2B)] + [(R 3N -R 2N) - (R 3B -R 2B)]
= (1-a) ΔR [(B 1 −B 2 ) + (B 3 −B 2 )]
本例の磁気センサ100は、X軸方向に不均一に生じた磁場を検出する磁気センサであって、誤差要素のオフセット成分を抑制して、高い精度で不均一に生じた磁場を検出できる。また、本例の磁気センサ100は、差分構成をとるため、第1磁気抵抗素子11〜第3磁気抵抗素子13に入力する磁場の大きさが等しければ、X軸方向の一様な外乱磁場を抑制できる。さらに、磁気センサ100は、2重の差分構成をとるため、一様でない外乱磁場を検出する場合に、一様でない外乱磁場による誤差要素を抑制できる。
The
また、本例の磁気センサ100は、3つの磁気抵抗素子を備える。そのため、本例の磁気センサ100は、4つの磁気抵抗素子を用いる場合よりも、磁気抵抗素子間のミスマッチを低減できる。
The
図12は、制御システム300の構成の一例を示す。本例の制御システム300は、磁気センサ100および制御装置200を備える。制御装置200は、演算部210、電流発生回路220、電流源241および電流源242を有する。
FIG. 12 shows an exemplary configuration of the
電流源241は、一端が第1磁気抵抗素子11に接続され、他端が電気的に1点に結合され第1電位231が与えられる。第1磁気抵抗素子11の他端は、電気的に1点に結合され第2電位232が与えられる。
One end of the
電流源242は、一端が第2磁気抵抗素子12に接続され、他端が電気的に1点に結合され第1電位231が与えられる。第2磁気抵抗素子12の他端は、電気的に1点に結合され第2電位232が与えられる。一例において、第1電位231は電源装置の電源電位VDDであり、第2電位232はグランド電位GNDである。但し、第1電位231および第2電位232は、これに限定されるものではない。
One end of the
演算部210は、磁気センサ100の出力信号に基づいて、磁気信号を算出する。一例において、演算部210は、無バイアス状態における磁気センサ100の測定値と、バイアス状態における磁気センサ100の測定値との差分を算出する。また、演算部210は、第1磁気抵抗素子11の出力信号と、第2磁気抵抗素子12の出力信号との差分を算出する。例えば、演算部210は、第1磁気抵抗素子11および第2磁気抵抗素子12の出力信号に基づく演算として、本明細書の実施例で示された演算を実行する。
The
電流発生回路220は、任意のタイミングにおいて、磁場発生装置20を駆動するための電流を発生する。一例において、電流発生回路220は、磁場発生装置20に電流を供給しているか否かを示す情報を演算部210に出力する。これにより、演算部210は、磁気センサ100の出力信号が、無バイアス状態での出力信号であるのか、バイアス状態での出力信号であるのかを判断できる。
The
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The execution order of each process such as operation, procedure, step, and stage in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the specification, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for the sake of convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.
10・・・磁気抵抗素子、11・・・第1磁気抵抗素子、12・・・第2磁気抵抗素子、13・・・第3磁気抵抗素子、14・・・第4磁気抵抗素子、20・・・磁場発生装置、31・・・第1電流導体、32・・・第2電流導体、40・・・基板、42・・・絶縁層、50・・・基板平面、51・・・第1平面、52・・・第2平面、100・・・磁気センサ、200・・・制御装置、210・・・演算部、220・・・電流発生回路、231・・・第1電位、232・・・第2電位、241・・・電流源、242・・・電流源、300・・・制御システム
DESCRIPTION OF
Claims (21)
バイアス磁場を発生し、前記バイアス磁場を前記第1磁気抵抗素子に印加することにより、前記第1磁気抵抗素子の状態を、予め定められた磁気感度を有する第1状態から、前記第1状態と磁気感度の異なる第2状態に変更する磁場発生装置と
を備える磁気センサ。 A first magnetoresistive element;
By generating a bias magnetic field and applying the bias magnetic field to the first magnetoresistive element, the state of the first magnetoresistive element is changed from a first state having a predetermined magnetic sensitivity to the first state. A magnetic sensor comprising: a magnetic field generator that changes to a second state having different magnetic sensitivities.
請求項1に記載の磁気センサ。 The magnetic sensor according to claim 1, wherein magnetic sensitivity of the first magnetoresistive element in the first state is greater than magnetic sensitivity of the first magnetoresistive element in the second state.
請求項2に記載の磁気センサ。 The magnetic sensor according to claim 2, wherein an initial resistance value of the first magnetoresistance element in the first state is equal to an initial resistance value of the first magnetoresistance element in the second state.
請求項1から3のいずれか一項に記載の磁気センサ。 The magnetic sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the magnetic field generation device generates the bias magnetic field including at least a component in a direction different from a magnetosensitive axis of the first magnetoresistive element.
請求項1から3のいずれか一項に記載の磁気センサ。 The magnetic sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the magnetic field generation device generates the bias magnetic field including at least a component perpendicular to a magnetosensitive axis of the first magnetoresistive element.
請求項1から3のいずれか一項に記載の磁気センサ。 The magnetic sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the magnetic field generation device generates the bias magnetic field perpendicular to a magnetosensitive axis of the first magnetoresistive element.
請求項1から6のいずれか一項に記載の磁気センサ。 The magnetic sensor according to claim 1, wherein the magnetic field generation device does not generate the bias magnetic field in the first state and generates the bias magnetic field in the second state.
請求項1から7のいずれか一項に記載の磁気センサ。 The magnetic sensor according to claim 1, further comprising an arithmetic unit that calculates a difference between output signals of the first magnetoresistive element in the first state and the second state.
前記磁場発生装置は、前記第1磁気抵抗素子および前記第2磁気抵抗素子のそれぞれに前記バイアス磁場を印加する
請求項1から7のいずれか一項に記載の磁気センサ。 A second magnetoresistive element having a magnetosensitive axis parallel to the magnetosensitive axis of the first magnetoresistive element;
The magnetic sensor according to claim 1, wherein the magnetic field generator applies the bias magnetic field to each of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element.
請求項9に記載の磁気センサ。 The magnetic sensor according to claim 9, wherein the magnetic field generator applies the bias magnetic field having the same intensity to the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element.
請求項1から10のいずれか一項に記載の磁気センサ。 The magnetic sensor according to any one of claims 1 to 10, wherein the magnetic field generator is formed to extend in parallel with a magnetosensitive axis of the first magnetoresistive element.
請求項9又は10に記載の磁気センサ。 A difference between output signals of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element in the first state; a difference between output signals of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element in the second state; The magnetic sensor according to claim 9, further comprising a calculation unit that calculates a difference between the two.
請求項9又は10に記載の磁気センサ。 The difference between the initial resistance value of the first magnetoresistive element in the first state and the initial resistance value of the first magnetoresistive element in the second state is the initial value of the second magnetoresistive element in the first state. The magnetic sensor according to claim 9 or 10, wherein a difference between a resistance value and an initial resistance value of the second magnetoresistance element in the second state is equal.
請求項9又は10に記載の磁気センサ。 The difference between the initial resistance value of the first magnetoresistive element in the first state and the initial resistance value of the second magnetoresistive element in the first state is the initial value of the first magnetoresistive element in the second state. The magnetic sensor according to claim 9 or 10, wherein a difference between a resistance value and an initial resistance value of the second magnetoresistance element in the second state is equal.
前記第1磁気抵抗素子の感磁軸と平行な感磁軸を有する第3磁気抵抗素子と
を更に備え、
前記第1磁気抵抗素子の中心軸と前記第2磁気抵抗素子の中心軸との間隔は、前記第2磁気抵抗素子の中心軸と前記第3磁気抵抗素子の中心軸との間隔と等しい
請求項1から7のいずれか一項に記載の磁気センサ。 A second magnetoresistive element having a magnetosensitive axis parallel to the magnetosensitive axis of the first magnetoresistive element;
A third magnetoresistive element having a magnetosensitive axis parallel to the magnetosensitive axis of the first magnetoresistive element;
The distance between the central axis of the first magnetoresistive element and the central axis of the second magnetoresistive element is equal to the distance between the central axis of the second magnetoresistive element and the central axis of the third magnetoresistive element. The magnetic sensor according to any one of 1 to 7.
請求項15に記載の磁気センサ。 An arithmetic unit is further provided for calculating a difference between a difference between output signals of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element and a difference between output signals of the second magnetoresistive element and the third magnetoresistive element. The magnetic sensor according to claim 15.
前記第1磁気抵抗素子の感磁軸と平行な感磁軸を有する第3磁気抵抗素子と、
前記第1磁気抵抗素子の感磁軸と平行な感磁軸を有する第4磁気抵抗素子と
を更に備え、
前記第1磁気抵抗素子の中心軸と前記第2磁気抵抗素子の中心軸との間隔は、前記第3磁気抵抗素子の中心軸と前記第4磁気抵抗素子の中心軸との間隔と等しい
請求項1から7のいずれか一項に記載の磁気センサ。 A second magnetoresistive element having a magnetosensitive axis parallel to the magnetosensitive axis of the first magnetoresistive element;
A third magnetoresistive element having a magnetosensitive axis parallel to the magnetosensitive axis of the first magnetoresistive element;
A fourth magnetoresistive element having a magnetosensitive axis parallel to the magnetosensitive axis of the first magnetoresistive element,
The distance between the central axis of the first magnetoresistive element and the central axis of the second magnetoresistive element is equal to the distance between the central axis of the third magnetoresistive element and the central axis of the fourth magnetoresistive element. The magnetic sensor according to any one of 1 to 7.
前記第2磁気抵抗素子および前記第4磁気抵抗素子は、前記対称軸を挟んで対称に配置される
請求項17に記載の磁気センサ。 The first magnetoresistive element and the third magnetoresistive element are arranged symmetrically across a predetermined axis of symmetry,
The magnetic sensor according to claim 17, wherein the second magnetoresistive element and the fourth magnetoresistive element are arranged symmetrically with respect to the symmetry axis.
前記第3磁気抵抗素子は、前記第1磁気抵抗素子および前記第2磁気抵抗素子に挟まれて形成される
請求項18に記載の磁気センサ。 The first magnetoresistive element is formed between the third magnetoresistive element and the fourth magnetoresistive element,
The magnetic sensor according to claim 18, wherein the third magnetoresistive element is formed between the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element.
請求項18に記載の磁気センサ。 The magnetic sensor according to claim 18, wherein the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element are formed on opposite sides of the third magnetoresistive element and the fourth magnetoresistive element with the axis of symmetry interposed therebetween.
請求項17から20のいずれか一項に記載の磁気センサ。 An arithmetic unit is further provided for calculating a difference between a difference between output signals of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element and a difference between output signals of the third magnetoresistive element and the fourth magnetoresistive element. The magnetic sensor as described in any one of Claims 17-20.
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