JPH08285509A - Linear type magnetic sensor - Google Patents
Linear type magnetic sensorInfo
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- JPH08285509A JPH08285509A JP7093602A JP9360295A JPH08285509A JP H08285509 A JPH08285509 A JP H08285509A JP 7093602 A JP7093602 A JP 7093602A JP 9360295 A JP9360295 A JP 9360295A JP H08285509 A JPH08285509 A JP H08285509A
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- Measuring Magnetic Variables (AREA)
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は強磁性薄膜による磁気抵
抗効果を利用した磁気式位置検出装置に係り、特に感度
が良好で、且つ、小型化に好適なリニア式磁気センサの
構成に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic position detecting device utilizing the magnetoresistive effect of a ferromagnetic thin film, and more particularly to a structure of a linear magnetic sensor which has good sensitivity and is suitable for miniaturization. is there.
【0002】[0002]
【従来の技術】塵埃が多く、また高湿度、高温などの厳
しい環境条件の下で使用されるセンサは、信頼性が高い
こと、耐久性に優れることが要請される。例えば、位置
検出方法としてガラスにスリットを設けたスケールを使
い、発光ダイオードの光の断続をホトトランジスタによ
って検出し、位置情報を知る光学式方法がある。この光
学式方法では、発光ダイオードおよびホトトランジスタ
は半導体であるため、ジャンクション温度により高温側
の動作域が制限され、更に、ガラスのスケールにゴミな
どの付着、高湿度時の結露などが生じ易いため、スケー
ルとセンサ素子に対し特殊なシールが必要となり、複雑
な構造となる結果、信頼性およびコストの点で問題があ
った。2. Description of the Related Art A sensor that is used under severe environmental conditions such as a large amount of dust and high humidity and high temperature is required to have high reliability and excellent durability. For example, as a position detection method, there is an optical method in which a scale having glass slits is used, and intermittent light of a light emitting diode is detected by a phototransistor to obtain position information. In this optical method, since the light-emitting diode and the phototransistor are semiconductors, the operating temperature range on the high temperature side is limited by the junction temperature, and further dust and the like are likely to adhere to the glass scale and dew condensation at high humidity may occur. However, a special seal is required for the scale and the sensor element, which results in a complicated structure, resulting in problems in reliability and cost.
【0003】このため、光学式に代わる方法として磁気
式が注目され、各種の構造構成が開発され実用化されて
いる。従来では回転角の検出が主流であったが、直線的
な動作をする物体の位置検出などに対して、検出機構が
簡単化され、バックラシュなどの影響を避けられる磁気
式リニアセンサが、OA機器のプリンタヘッドに多用さ
れ始めている。For this reason, the magnetic type has attracted attention as an alternative to the optical type, and various structural configurations have been developed and put into practical use. Conventionally, rotation angle detection has been the mainstream, but a magnetic linear sensor that can simplify the detection mechanism and can avoid the influence of backlash and the like for position detection of an object that moves linearly is an OA device. Is beginning to be used heavily in printer heads.
【0004】図4は磁気式リニアセンサの概略構成を示
すものである。棒状の磁気スケール30には周期的な位
置信号N及びS極が、長さ方向にピッチλで着磁されて
いる。これと対向してMRセンサ素子20が配置され
る。本図ではMRセンサ素子20は図には示してない保
持装置に固定され、磁気スケール30に対して、一定の
ギャップを保ちながら平行移動するメカ(図中省略)を
有している。磁気スケール30に書き込まれた磁気位置
信号はMRセンサ素子20によって電気信号に変換さ
れ、フレキシブルケーブル22などの手段を用いてMR
センサ素子外部に取り出すことができる。FIG. 4 shows a schematic structure of a magnetic linear sensor. On the rod-shaped magnetic scale 30, periodic position signals N and S poles are magnetized at a pitch λ in the length direction. The MR sensor element 20 is arranged to face this. In this figure, the MR sensor element 20 is fixed to a holding device (not shown) and has a mechanism (not shown) that moves parallel to the magnetic scale 30 while maintaining a constant gap. The magnetic position signal written on the magnetic scale 30 is converted into an electric signal by the MR sensor element 20, and the MR signal is converted using a flexible cable 22 or the like.
It can be taken out of the sensor element.
【0005】次に、図5および6によってMRセンサ素
子の動作原理を説明する。図5において、ガラスなど非
磁性の基板(図中省略)上にパーマロイ等の強磁性薄膜
を成膜し、図に示すような短冊状のセンサパターンを作
成する。感磁部即ち磁界の印加により電気抵抗が変化す
る部分はストライプ状パターンの細長い部分Lで、等価
抵抗で表すとRa,Ra’,Rb及びRb’で示される部分
である。パーマロイ等による強磁性薄膜を適用したMR
センサ素子では、百エルステッド程度の磁界が加わると
数%の電気抵抗の変化が発生する。Next, the operating principle of the MR sensor element will be described with reference to FIGS. In FIG. 5, a ferromagnetic thin film such as Permalloy is formed on a non-magnetic substrate (not shown) such as glass to form a strip-shaped sensor pattern as shown in the figure. The magnetically sensitive portion, that is, the portion where the electric resistance changes due to the application of the magnetic field is the elongated portion L of the stripe pattern, which is represented by the equivalent resistances Ra , Ra ', Rb and Rb '. MR using ferromagnetic thin film made of permalloy
In the sensor element, when a magnetic field of about 100 Oersted is applied, the electric resistance changes by several percent.
【0006】RaとRa’またRbとRb’に相当するスト
ライプ状パターンの配列をみると、図に示すようにそれ
ぞれ着磁ピッチλの間隔を離しているが、Ra’とRbと
はλ/2離した配列となっている。RaとRa’は接続部
27で、またRbとRb’は接続部29により直列に接続
され、更にRa’とRbの他の一端は接続部端子28で電
気的に結合されている。次に、端子電極24及び26に
一定直流電圧をつなぐことによって、MRセンサ素子と
して動作することになる。このMRセンサ素子の等価回
路は図6のように示すことができる。[0006] Looking at the arrangement of the stripe pattern corresponding to the R a and R a 'The R b and R b', but away each interval magnetization pitch λ as shown in FIG, and R a ' The array is separated from R b by λ / 2. R a and R a ′ are connected in series by a connecting part 27, R b and R b ′ are connected in series by a connecting part 29, and the other ends of R a ′ and R b are electrically connected by a connecting part terminal 28. Has been done. Next, by connecting a constant DC voltage to the terminal electrodes 24 and 26, it operates as an MR sensor element. The equivalent circuit of this MR sensor element can be shown as in FIG.
【0007】図5に示すようにRaおよびRa’がN極の
中央に、また、RbおよびRb’がN極とS極の境界上に
移動してきたとすると、Ra及びRa’には磁気スケール
からの位置信号としての漏れ磁束が到達しない状態(磁
場強度が零)であるため、電気抵抗の変化は起こらない
が、逆に、Rb及びRb’には位置信号としての最大の磁
場が印加されることになり、その結果電気抵抗が最も小
さくなり、接続端子部28には最小の電位が得られるこ
とになる。As shown in FIG. 5, if R a and R a ′ move to the center of the N pole and R b and R b ′ move to the boundary between the N and S poles, then R a and R a Since the leakage magnetic flux as a position signal from the magnetic scale does not reach ('the magnetic field strength is zero), the electric resistance does not change, but conversely, R b and R b ' have a position signal as a position signal. The maximum magnetic field is applied, and as a result, the electric resistance is minimized, and the minimum potential is obtained at the connection terminal portion 28.
【0008】MRセンサ素子の位置が移動して、Raお
よびRa’とRbおよびRb’の位置関係が図5に示す位
置に対して逆転すると、反対にRa及びRa’は電気抵抗
が最小であるが、RbおよびRb’は電気抵抗が変化しな
い即ち最大値となるため、接続端子28は最大の電位状
態となる。この最小と最大の間の電位はほぼ正弦波状に
変化する。この電位の変化を接続部28から取り出しア
ンプおよび波形整形回路1に導くことによって、磁気ス
ケールの位置信号をパルス列信号として検出することが
できる。When the position of the MR sensor element moves and the positional relationship between R a and R a 'and R b and R b ' is reversed with respect to the position shown in FIG. 5, on the contrary, R a and R a ' Although the electric resistance is the minimum, the electric resistances of R b and R b ′ do not change, that is, have the maximum value, so that the connection terminal 28 is in the maximum potential state. The potential between this minimum and maximum changes in a substantially sinusoidal manner. The position signal of the magnetic scale can be detected as a pulse train signal by extracting the change in the potential from the connection unit 28 and guiding it to the amplifier and the waveform shaping circuit 1.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】従来のリニア式磁気セ
ンサは、センサ効率即ちセンサ検出出力が低く、また、
小型化に対してあまり適した構成でなかった。これはM
Rセンサ素子が非磁性基板上に形成されるため平板形状
となるが、一方、磁気スケールは丸棒状であるため位置
信号を着磁した磁気スケール上のトラックは曲面となる
ため、磁気スケールに着磁された位置信号の漏れ磁束を
効果的に利用できていなかった。例えば、実開平4ー9
4514号公報に開示されているように、ストライプ状
パターン長さを磁気スケールの1〜1.5倍に選ぶこと
を提案しているが、本願発明者等の長年の経験と蓄積さ
れたデータによると、このような構成にすると徒にMR
センサ素子が大型化してしまう。更に、このような構成
を採った場合、感磁部であるストライプ状パターン全体
に亘り位置信号の漏れ磁束が到達しないため、充分大き
な検出出力をも得ることが困難であり、センサを使う範
囲、条件に制限があった。The conventional linear magnetic sensor has low sensor efficiency, that is, sensor detection output, and
The configuration was not very suitable for miniaturization. This is M
Since the R sensor element is formed on the non-magnetic substrate, it has a flat plate shape. On the other hand, since the magnetic scale has a round bar shape, the track on the magnetic scale magnetized with the position signal has a curved surface, so that it is attached to the magnetic scale. The leakage flux of the magnetized position signal could not be used effectively. For example, the actual Kaihei 4-9
As disclosed in Japanese Patent No. 4514, it is proposed that the stripe pattern length is selected to be 1 to 1.5 times the magnetic scale, but it depends on many years of experience of the inventors of the present application and accumulated data. And with such a configuration, MR
The sensor element becomes large. Furthermore, when such a configuration is adopted, it is difficult to obtain a sufficiently large detection output because the leakage flux of the position signal does not reach over the entire stripe-shaped pattern that is the magnetic sensing section, and the range in which the sensor is used, There were restrictions on the conditions.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】以上述べた従来のリニア
式磁気センサの課題を解決するため、棒状の磁気スケー
ルの外形寸法よりMRセンサのストライプ状パターン長
さを短くすることに想到した。更に付け加えるならば、
磁気スケールの位置信号トラック幅をMRセンサ面上に
投影した長さに等しいかそれ以下にすれば、センサ効率
が最適になることを見い出した。更に、磁気スケールを
鉄ークロムーコバルト系圧延磁石で構成させると、本発
明の効果をより多く引き出すことが可能である。In order to solve the problems of the conventional linear type magnetic sensor described above, it has been conceived to make the stripe pattern length of the MR sensor shorter than the outer dimension of the rod-shaped magnetic scale. To add further,
It has been found that the sensor efficiency is optimized if the position signal track width of the magnetic scale is equal to or less than the length projected on the MR sensor surface. Further, if the magnetic scale is composed of an iron-chromium-cobalt-based rolled magnet, the effect of the present invention can be brought out more.
【0011】[0011]
【作用】磁気テープあるいは磁気ディスク装置などで
は、情報の記録/再生のトラック幅は検出素子である磁
気ヘッドのトラック幅より広く取られるのが一般的であ
る。これは、磁気記録媒体と磁気ヘッドとの対向部は平
面対向であるため、記録磁界が2次元的な分布になるこ
と、サーボ機構および制御回路等の誤差によるトラック
外れを防止するためであった。本発明は、棒状の磁気ス
ケールに位置信号NおよびS極を長手方向に交互に着磁
する場合、位置信号としての漏れ磁束は3次元的に分布
することを配慮して、ストライプ状パターン長さを決め
る方策を検討して見い出した結果である。本発明の提案
にあるように、MRセンサのストライプ状パターン長さ
に選ぶことにより、磁気スケールからの漏れ磁束を有効
に、且つ、効率よく受けることが可能である。In a magnetic tape or magnetic disk device, the track width for recording / reproducing information is generally set wider than the track width of the magnetic head which is the detecting element. This is because the opposing portions of the magnetic recording medium and the magnetic head are planarly opposed to each other, so that the recording magnetic field has a two-dimensional distribution and the track deviation due to the error of the servo mechanism and the control circuit is prevented. . According to the present invention, when the position signals N and S poles are alternately magnetized in the longitudinal direction on a rod-shaped magnetic scale, the leakage magnetic flux as the position signal is three-dimensionally distributed, and the stripe pattern length is considered. This is the result of studying and finding a method for determining. As proposed in the present invention, by selecting the stripe pattern length of the MR sensor, it is possible to effectively and efficiently receive the leakage magnetic flux from the magnetic scale.
【0012】また、MRセンサ素子面における磁気スケ
ールの着磁トラック幅方向について有効な磁束分布領域
を測定すると、トラック幅をセンサ素子面上に投影した
長さの範囲内にあれば、MRセンサのストライプ状パタ
ーンに位置信号としての漏れ磁場が充分加わることを見
い出した。本願発明をより一層の効果を得るには、鉄ー
クロムーコバルト系圧延磁石材を磁気スケールに適用す
ることである。フェライト系あるいは希土類系磁石に比
べると、鉄ークロムーコバルト系圧延磁石は、磁気スケ
ールに位置信号としての微少な着磁する場合に、適当な
保持力と残留磁束密度および減磁特性を有しており、こ
の事実は実験的に確認したものである。Further, when the effective magnetic flux distribution area in the magnetized track width direction of the magnetic scale on the MR sensor element surface is measured, if the track width is within the range of the length projected on the sensor element surface, the MR sensor element It was found that a stray magnetic field as a position signal was sufficiently added to the stripe pattern. In order to obtain the further effect of the present invention, the iron-chromium-cobalt-based rolled magnet material is applied to the magnetic scale. Compared to ferrite-based or rare earth-based magnets, iron-chromium-cobalt-based rolled magnets have appropriate coercive force, residual magnetic flux density, and demagnetization characteristics when magnetized as a position signal on the magnetic scale. This fact is confirmed experimentally.
【0013】[0013]
【実施例】図1は本願発明による一実施例である。本図
において、従来技術を説明した図4〜図6で使用した同
一部品には同じ番号を付した。MRセンサ素子20は従
来例で説明したセンサパターンが非磁性基板21上に形
成され、磁気スケール30の着磁トラックに対向するよ
うに配置されている。磁気スケール30は鉄ークロムー
コバルト系圧延磁石を直径4mmに加工後、適当な温度
にて熱処理を施し、長手方向に着磁ピッチλ=200μ
mでNおよびS極の位置信号を書き込んだ。フレキシブ
ルプリント基板22は端子電極24及び26、更に接続
部28端子に電気的に結合されている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows an embodiment according to the present invention. In this figure, the same numbers are used for the same parts used in FIGS. The MR sensor element 20 has the sensor pattern described in the conventional example formed on the non-magnetic substrate 21, and is arranged so as to face the magnetized track of the magnetic scale 30. The magnetic scale 30 is made by rolling an iron-chromium-cobalt-based rolled magnet into a diameter of 4 mm, and then heat-treating it at an appropriate temperature to magnetize a longitudinal pitch λ = 200 μ.
Position signals of north and south poles were written in m. The flexible printed circuit board 22 is electrically coupled to the terminal electrodes 24 and 26 and the terminals of the connecting portion 28.
【0014】図1に示すように、MRセンサ素子のスト
ライプ状パターン長さLは磁気スケール30の外形寸法
Dより短くしている。この場合のギャップ長に対するM
Rセンサ出力特性を図3に示す。破線の特性が従来例で
あり、実線で示した本発明の方がセンサ出力を向上でき
ることが図からわかる。従来のセンサ構成である場合、
ストライプ状パターンの長さ方向に関して位置信号磁場
が有効に到達しない部分の割合が多かった。このため、
磁気抵抗効果に寄与しないストライプ状パターン部分に
よって、MRセンサ素子の感度を落としていたが、本発
明によれば磁気抵抗効果による電気抵抗が変化しない部
分をなくすことができるため、センサ出力を増加するこ
とができる。As shown in FIG. 1, the stripe pattern length L of the MR sensor element is shorter than the outer dimension D of the magnetic scale 30. M for the gap length in this case
The R sensor output characteristic is shown in FIG. It can be seen from the figure that the characteristic of the broken line is the conventional example, and the sensor output can be improved by the present invention shown by the solid line. With the conventional sensor configuration,
The ratio of the portion where the position signal magnetic field does not effectively reach was large in the lengthwise direction of the stripe pattern. For this reason,
Although the sensitivity of the MR sensor element is reduced by the stripe-shaped pattern portion that does not contribute to the magnetoresistive effect, the present invention can eliminate the portion where the electric resistance due to the magnetoresistive effect does not change, thereby increasing the sensor output. be able to.
【0015】次に、図2には磁気スケールの着磁トラッ
ク幅TWとストライプ状パターン長さLとの関係を示し
たものである。着磁トラック幅TW をMRセンサ素子2
0の表面に射影するとTW’である。TW’>Lの関係を
満たせれば、磁気スケールからの強い磁場をストライプ
状パターン全体で受けることが出来る。逆に、Lを
TW’以上に長くすると、ストライプ状パターンの内L
−TW’の部分には磁気スケールからの磁場強度の差が
大きくなり、結果的にセンサ出力が低下してしまう。Next, FIG. 2 shows the relationship between the magnetized track width T W of the magnetic scale and the stripe pattern length L. The magnetized track width T W is set to the MR sensor element 2
When projected onto the surface of 0, it is T W '. If the relationship of T W '> L is satisfied, a strong magnetic field from the magnetic scale can be received by the entire stripe pattern. On the contrary, if L is made longer than T W ', L of the stripe pattern is
The portion of the -T W 'difference of the magnetic field intensity from the magnetic scale is increased, resulting in the sensor output is reduced.
【0016】[0016]
【発明の効果】以上の実施例の詳細な説明から明らかな
ように、本発明のよれば従来に比べてMRセンサの出力
特性が向上すると共に、MRセンサ素子を最適な構造寸
法にすることが可能になり、センサを小型化できる効果
を奏することができる。As is clear from the detailed description of the above embodiments, according to the present invention, the output characteristics of the MR sensor can be improved as compared with the prior art, and the MR sensor element can have an optimum structural size. It is possible to achieve the effect of reducing the size of the sensor.
【図1】本発明によるMRセンサ素子と磁気スケールの
構成である。FIG. 1 is a configuration of an MR sensor element and a magnetic scale according to the present invention.
【図2】本発明による他の実施例である。FIG. 2 is another embodiment according to the present invention.
【図3】MRセンサの出力特性である。FIG. 3 is an output characteristic of the MR sensor.
【図4】従来のMRセンサの構成である。FIG. 4 is a configuration of a conventional MR sensor.
【図5】MRセンサの動作原理を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the operating principle of the MR sensor.
【図6】MRセンサの等価回路を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an equivalent circuit of an MR sensor.
1 アンプ及び波形成形回路、20 MRセンサ素子、
21 非磁性基板、22 フレキシブルケーブル、24
端子電極、26 端子電極、27 接続部、28 接
続端子部、29 接続部、30 磁気スケール1 amplifier and waveform shaping circuit, 20 MR sensor element,
21 non-magnetic substrate, 22 flexible cable, 24
Terminal electrode, 26 terminal electrode, 27 connecting part, 28 connecting terminal part, 29 connecting part, 30 magnetic scale
Claims (5)
状の磁気スケールと、非磁性基板上に強磁性薄膜のスト
ライプ状パターンを形成した磁気抵抗効果センサ素子
(以下、MRセンサ素子と略す。)とからなり、前記M
Rセンサ素子が前記磁気スケールに対向して非接触で配
置されて、前記磁気スケールの位置信号を検出するリニ
ア式磁気センサにおいて、前記MRセンサ素子のストラ
イプ状パターン長さは前記磁気スケールの外形寸法より
実質的に短いことを特徴とするリニア式磁気センサ。1. A magnetoresistive effect sensor element (hereinafter abbreviated as MR sensor element) having a round bar-shaped magnetic scale in which a position signal is written in the longitudinal direction and a stripe pattern of a ferromagnetic thin film formed on a non-magnetic substrate. ) And the above M
In a linear magnetic sensor in which an R sensor element is arranged in contact with the magnetic scale in a non-contact manner to detect a position signal of the magnetic scale, the stripe pattern length of the MR sensor element is the outer dimension of the magnetic scale. A linear magnetic sensor characterized by being substantially shorter.
において、前記MRセンサ素子のストライプ状パターン
長さは前記磁気スケールの外形寸法の0.5〜0.9倍
の範囲にあることを特徴とするリニア式磁気センサ。2. The linear magnetic scale according to claim 1, wherein the stripe-shaped pattern length of the MR sensor element is in the range of 0.5 to 0.9 times the outer dimension of the magnetic scale. And linear magnetic sensor.
において、前記MRセンサ素子のストライプ状パターン
長さは前記磁気スケールの対向面側の曲率半径以上で2
倍以下の範囲にあることを特徴とするリニア式磁気セン
サ。3. The linear magnetic scale according to claim 1, wherein the stripe-shaped pattern length of the MR sensor element is equal to or larger than the radius of curvature on the facing surface side of the magnetic scale and is 2 or more.
A linear magnetic sensor characterized by being in a range of less than double.
において、前記MRセンサ素子のストライプ状パターン
長さは前記磁気スケールに着磁される位置信号のトラッ
ク幅の前記MRセンサ素子面上への正射影長さと同程度
以下であることを特徴とするリニア式磁気センサ。4. The linear magnetic scale according to claim 1, wherein a stripe pattern length of the MR sensor element is a track width of a position signal magnetized on the magnetic scale on the MR sensor element surface. A linear magnetic sensor having a length equal to or less than the orthogonal projection length.
式磁気スケールにおいて、前記磁気スケールは鉄ークロ
ムーコバルト系圧延磁石であることを特徴とするリニア
式磁気センサ。5. The linear magnetic sensor according to claim 1, wherein the magnetic scale is an iron-chromium-cobalt rolling magnet.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7093602A JPH08285509A (en) | 1995-04-19 | 1995-04-19 | Linear type magnetic sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7093602A JPH08285509A (en) | 1995-04-19 | 1995-04-19 | Linear type magnetic sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08285509A true JPH08285509A (en) | 1996-11-01 |
Family
ID=14086881
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7093602A Pending JPH08285509A (en) | 1995-04-19 | 1995-04-19 | Linear type magnetic sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH08285509A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104220889A (en) * | 2011-11-29 | 2014-12-17 | 德累斯顿协会莱布尼茨固体材料研究所 | Use of flexible magnetic thin layer sensor elements |
DE102016100423A1 (en) | 2015-01-14 | 2016-07-14 | Tdk Corporation | A magnetic sensor comprising a resistor assembly comprising a plurality of resistive element sections each having magnetoresistive elements |
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-
1995
- 1995-04-19 JP JP7093602A patent/JPH08285509A/en active Pending
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US10312286B2 (en) | 2015-01-14 | 2019-06-04 | Tdk Corporation | Magnetic sensor including resistor array including a plurality of resistive element sections each having magnetoresistance element |
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