JP4147455B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子、特に温度特性を改良した磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気検出センサとしては磁気抵抗素子が広く用いられているが、検出感度の点で満足できるものがないのが現状である。そこで、磁気抵抗素子に代わる高感度磁気検出センサとして、例えば特開平０６−２８１７１２号公報に開示されているアモルファスワイヤによる磁気インピーダンス素子や、特開平０８−３３０６４５号公報に開示されている薄膜形状のものが出現している。
【０００３】
図７に、磁気インピーダンス素子（以下、ＭＩ素子とも言う）を用いた例を示す。
図示のように、コイル２が巻回されているＭＩ素子１には、高周波信号源４からＭＨｚ以上の矩形波が抵抗３を介して印加される。また、コイル２にはバイアス信号源から、高周波信号源４よりも低い周波数の信号をもとにした一定電流が定電流回路６を介して印加される。これにより、ＭＩ素子１には所定の正負のバイアス磁界が、交互に繰り返し与えられる。
【０００４】
図７に示す磁気センサの特性を図８に示す。
すなわち、図７のように外部磁界とバイアス磁界とが足された磁界に対してＭＩ素子１の抵抗は増加する特性を示し、さらに或る所定の磁界強度を過ぎると低下する特性を示すのが一般的である。図８は外部磁界ΔＨｅが加えられた場合を示し、ＭＩ素子１の抵抗変化は正負のバイアス磁界±Ｈｂを基準にして、±Δｒが発生することを示している。
【０００５】
次に、上記抵抗変化分の電気的な検出方法につき、図７を参照して説明する。
アナログ記憶回路７は、ＭＩ素子１の端子の抵抗変化に相当する電圧を平滑する。この電圧値はバッファ回路８を介して、アナログ記憶回路１１，１２に記憶される。このとき、アナログ記憶回路１１，１２の記憶タイミングはバイアス信号の周期に同期しており、それぞれが交互の正負磁界での電圧値を記憶する。これにより、差動回路１３の出力は±Δｒに相当する電圧値２ΔＶ１となり、外部磁界量を検出した値となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＭＩ素子は高感度な磁気センサであるため、温度変化に対して敏感な反応をする。特に大きいのが、磁気抵抗増減屈曲点のドリフトである。図８に示すように、例えば低温になると、ＭＩ素子の磁性体特性の変化から磁気抵抗増減屈曲点±Ｈｋが±Ｈｋ１へとドリフトする（図示は省略しているが、高温の場合は低磁界側にドリフトする）。そのため、±Δｒ１の振幅からも分かるように、正負磁界で対称な振幅であるはずが、低磁界側での感度の非直線性（高温の場合、高磁界側での感度の非直線性）により、負側の振幅（高温の場合、正側の振幅）が小さくなり、検出する外部磁界量に狂いが生じると言う問題がある。
したがって、この発明の課題は、磁気センサの温度特性の問題を解決し、温度変化に対して感度変動のない、高精度で安定な磁気センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、磁気インピーダンス効果を有する磁気素子と、この磁気素子の両端に高周波電流を印加する高周波電流印加手段と、前記磁気素子に異なる２つのバイアス磁界を交互に印加するバイアス磁界印加手段と、前記２つのバイアス磁界に対する前記磁気素子のインピーダンス変化を検出する第１，第２のインピーダンス検出手段と、そのインピーダンス変化の和および差を演算する第１，第２の演算手段とを有し、この第１，第２の演算手段によるインピーダンス変化の演算結果に応じて前記磁気素子に印加するバイアス磁界を調整することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２の発明では、磁気インピーダンス効果を有する２つの磁気素子と、この２つの磁気素子に並列に高周波電流を印加する高周波電流印加手段と、前記２つの磁気素子に異なる２つのバイアス磁界を交互に印加するバイアス磁界印加手段と、前記２つのバイアス磁界に対する前記磁気素子のインピーダンス変化を検出する第１，第２のインピーダンス検出手段と、そのインピーダンス変化の和および差を演算する第１，第２の演算手段とを有し、この第１，第２の演算手段によるインピーダンス変化の演算結果に応じて前記２つの磁気素子に印加するバイアス磁界を調整することを特徴とする。
【０００９】
上記請求項１または２の発明においては、前記磁気素子に印加する２つのバイアス磁界を、正負極性対称の磁界とすることができ（請求項３の発明）、または、前記インピーダンス変化の和および差の演算値のうち、その差の値に応じてバイアス磁界を調整することができる（請求項４の発明）。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の原理構成を示す構成図である。
図示のように、従来のものに対し、温度抵抗素子１０をＭＩ素子１の近傍に設置して構成される。この温度抵抗素子１０としては、サーミスタなどに代表されるように、周囲温度に対して抵抗が変化する素子が用いられる。定電流回路６は、この抵抗変化を受けて増幅度を変え、コイルへの印加電流を増減させる。
【００１１】
図１の動作を図２に示す。いま、温度が低下した場合は、ＭＩ素子１へのバイアス磁界を±Ｈｂ１から±Ｈｂ２に強めて、特に−Δｒ１の変化を室温時−Δｒと変わらぬようにする。一方、高温時にはこの動きとは逆にバイアス磁界を低下させる（図示なし）。その他の動作は従来と同様である。このように、正負のバイアス磁界を温度に応じて調整することで、外部磁界に対する検出感度の変動を防止するものである。
【００１２】
図３は図１の変形例を示す構成図である。
これは、温度抵抗素子１０の変化をＡＤ（アナログ−ディジタル）変換回路２１で読み取り、その結果に応じて信号処理回路２２がＤＡ（ディジタル−アナログ）変換回路２３の出力を所定の方向に制御して、ＭＩ素子１へのバイアス磁界を調整するものである。機能的には図１の場合と同じで、処理方法が図１ではアナログ的であったのが、ここではディジタル的になっている点が異なるだけである。
【００１３】
図４はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
差動回路１３および加算回路１４は、アナログ記憶回路１１，１２に記憶された±Ｖ１から和〔Ｖｄ＝＋Ｖ１−（−Ｖ１）＝２Ｖ１〕と差〔Ｖａ＝＋Ｖ１＋（−Ｖ１）＝Ｖ１−Ｖ１〕をそれぞれ演算する。Ｖｄは、後続のアナログ記憶回路１５とバッファ回路１７でクロック３の更新タイミングで逐次更新され、磁気計測信号としての出力（Ｖｓ）となる。一方、Ｖａはクロック２に同期して記憶値を更新し、後続の加算回路１９に入力される。バイアス信号Ｖｂは、このＶａとクロック１との和のアナログ信号振幅となる。
【００１４】
図５の点線から右側のタイミング例に示すように、Ｖ１に比べて−Ｖ１の絶対値が低い場合、Ｖａは正側の振幅となり（Ｖ１に比べ−Ｖ１の絶対値が高い場合、Ｖａは負側の振幅となる）、バイアス信号Ｖｂを大きくする。この±Ｖ１の和演算の更新はクロック回路１８からのクロック３に同期して、また、バイアス信号Ｖｂの更新は、クロック回路１８からのクロック２に同期して繰り返される。これにより、例えば温度が低下した場合図２に示すように、ＭＩ素子１へのバイアス磁界が±Ｈｂ１から±Ｈｂ２に強められ、直線性の良い領域での外部磁界変化が捉えられるため、正負磁界での抵抗変化±Δｒ１が均衡化し、この抵抗変化に対応する電圧振幅〔Ｖ１−（−Ｖ１）〕が増加する（室温と同様になる）。
【００１５】
このように、図４の実施例は温度変化に関連して、正負の磁界でＭＩ素子の抵抗変化に不均衡が生じた場合にこれを均衡化するよう、それぞれの抵抗変化に相当する正負の信号振幅の差に応じてバイアス磁界を調整し、外部磁界に対する検出感度の変動を防止するものである。つまり、図１，３では、直接温度抵抗素子を利用して、温度変化による外部磁界検出感度の変動を防止しているのに対し、図４では温度抵抗素子（温度検出素子）を用いることなく、温度変化に対する磁界検出感度の変動を防止するものと言える。
【００１６】
図６はこの発明の別の実施の形態を示す構成図である。
ここでは、２つのＭＩ素子１ａ，１ｂを用い、高周波信号源４からＭＨｚ以上の矩形波を抵抗３ａ，３ｂを介してそれぞれ印加する。また、コイル２ａ，２ｂにはバイアス信号源２０からの信号をもとに、定電流回路６を介して一定の電流が印加される。このとき、ＭＩ素子１ａ，１ｂにはそれぞれ正負のバイアス磁界を与えるよう、コイル２ａ，２ｂに与える電流の方向を変えるようにしている。このように２つのＭＩ素子１ａ，１ｂを駆動した場合も図２のように、外部磁界ΔＨｅが加えられていると、ＭＩ素子１ａの抵抗変化は正バイアス磁界Ｈｂ１を基準にΔｒが発生し、もう一方のＭＩ素子１ｂの抵抗変化は負バイアス磁界−Ｈｂ１を基準に−Δｒが発生する。
【００１７】
次に、上記抵抗変化分の検出方法につき説明する。
まず、アナログ記憶回路７ａ，７ｂで記憶された±Ｖ１から、その和（Ｖｄ）と差（Ｖａ）をそれぞれ差動回路１３，加算回路１４で演算する。Ｖｄは、後続のアナログ記憶回路１５とバッファ回路１７でクロック３の更新タイミングで逐次更新され、磁気計測信号としての出力（Ｖｓ）となる。一方、Ｖａはクロック２に同期して記憶値を更新し、後続の加算回路１９に入力される。バイアス信号ＶｂはこのＶａとバイアス信号源２０の出力との和のアナログ信号振幅となる。
【００１８】
図５の点線から右側のタイミング例に示すように、Ｖ１に比べて−Ｖ１の絶対値が低い場合、Ｖａは正側の振幅となり（Ｖ１に比べ−Ｖ１の絶対値が高い場合、Ｖａは負側の振幅となる）、バイアス信号Ｖｂを大きくする。この±Ｖ１の和演算の更新はクロック回路１８からのクロック３に同期して、また、バイアス信号Ｖｂの更新はクロック回路１８からのクロック２に同期して繰り返される。なお、クロック回路１８の繰り返し周波数は、２つのＭＩ素子に印加する高周波信号に比べて、低く設定されている。
【００１９】
これにより、例えば温度が低下した場合、ＭＩ素子１へのバイアス磁界が±Ｈｂ１から±Ｈｂ２に強められ、直線性の良い領域での外部磁界変化が捉えられるため、正負磁界での抵抗変化±Δｒ１が均衡化し、この抵抗変化に対応する電圧振幅〔Ｖ１−（−Ｖ１）〕が増加する（室温と同様になる）。このように、図６の実施例も、温度変化に関連して正負対称の磁界がそれぞれ与えられる２つのＭＩ素子の抵抗変化に不均衡が生じた場合に、これを均衡化するようにそれぞれの抵抗変化に相当する正負の信号振幅の差に応じてバイアス磁界を調整し、外部磁界に対する検出感度の変動を、温度検出素子を特に設けることなく防止するものと言える。
【００２０】
【発明の効果】
この発明によれば、周囲温度または正負磁界による磁気インピーダンス素子のそれぞれの抵抗変化の不均衡に応じてバイアス磁界を調整することにより、磁気検出感度の変動がなくなり、温度変化に対して安定かつ高感度な磁気センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の原理構成を示す構成図である。
【図２】 この発明におけるＭＩ素子の動作特性改善原理の説明図である。
【図３】 図１の変形例を示す構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態を示す構成図である。
【図５】 図４，図６の各部動作波形図である。
【図６】 この発明の別の実施の形態を示す構成図である。
【図７】 従来例を示す構成図である。
【図８】 図７におけるＭＩ素子の動作特性説明図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ…磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）、２，２ａ，２ｂ…コイル、３，３ａ，３ｂ…抵抗、４…高周波信号源、５，２０…バイアス信号源、６…定電流回路、７，７ａ，７ｂ，１１，１２，１５，１６…アナログ記憶回路、８，１７…バッファ回路、９…インバータ回路、１０…温度抵抗素子、１３…差動回路、１４，１９…加算回路、１８…クロック回路、２１…ＡＤ変換回路、２２…信号処理回路、２３…ＤＡ変換回路。

Claims (4)

1. 磁気インピーダンス効果を有する磁気素子と、この磁気素子の両端に高周波電流を印加する高周波電流印加手段と、前記磁気素子に異なる２つのバイアス磁界を交互に印加するバイアス磁界印加手段と、前記２つのバイアス磁界に対する前記磁気素子のインピーダンス変化を検出する第１，第２のインピーダンス検出手段と、そのインピーダンス変化の和および差を演算する第１，第２の演算手段とを有し、この第１，第２の演算手段によるインピーダンス変化の演算結果に応じて前記磁気素子に印加するバイアス磁界を調整することを特徴とする磁気センサ。
2. 磁気インピーダンス効果を有する２つの磁気素子と、この２つの磁気素子に並列に高周波電流を印加する高周波電流印加手段と、前記２つの磁気素子に異なる２つのバイアス磁界を交互に印加するバイアス磁界印加手段と、前記２つのバイアス磁界に対する前記磁気素子のインピーダンス変化を検出する第１，第２のインピーダンス検出手段と、そのインピーダンス変化の和および差を演算する第１，第２の演算手段とを有し、この第１，第２の演算手段によるインピーダンス変化の演算結果に応じて前記２つの磁気素子に印加するバイアス磁界を調整することを特徴とする磁気センサ。
3. 前記磁気素子に印加する２つのバイアス磁界を、正負極性対称の磁界とすることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。
4. 前記インピーダンス変化の和および差の演算値のうち、その差の値に応じてバイアス磁界を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。

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