JPWO2014208105A1 - 温度補償付磁気センサ素子とそれを用いた磁気センサおよび電力測定装置 - Google Patents

Abstract

磁気抵抗効果型磁気センサにとっては、周囲の温度が上がることによって、磁性膜自身の磁気特性が低下するために、センサとしての感度が低下するという問題があった。磁気抵抗効果を有する磁性体と前記磁性体に電流を流すための前記磁性体を介して対向した一対の電極と、前記電極の対向方向に第１のバイアス磁界を発生させる縦バイアス磁界付加手段と、前記縦バイアス磁界付加手段に直角方向に第２のバイアス磁界を発生させる横バイアス磁界付加手段を有し、前記縦バイアス磁界付加手段の温度特性が前記横バイアス磁界付加手段の温度特性より大きいことを特徴とする温度補償付磁気センサ素子。

Description

本発明は温度補償機能が付与された磁気センサ素子と、それを用いた磁気センサおよび電力測定装置に関する。

小型の磁気センサの用途はますます拡大することが予想される。特に電力測定器は、石化燃料から電気エネルギー利用を目指す上で、必須のデバイスと考えられる。特許文献１には、磁気センサとセンサ抵抗を直列に接続し、電気回路中の負荷と並列にしかも、電気回路の配線に隣接して設置することで、負荷における消費電力を計測することができる電力測定装置が開示されている。

このような電力測定装置は、ほとんど磁性薄膜の大きさで形成することができるため、素子全体が数ｍｍ四方程度の大きさで作製することができる。したがって、大規模なシステムの様々な箇所毎に設置することで、細かな消費電力の監視が可能になる。

一方、用途が広がれば、使用が予定される環境も苛酷な環境が想定される。特に温度は磁気特性を変化させることが知られており、センサ感度の精度向上のためにも、磁気センサにとって温度補償は不可欠な技術となる。

この課題に鑑みて、特許文献２には、磁気抵抗効果素子でブリッジ回路を構成し、温度が上昇してもゼロ点のドリフトの無い、温度補償された磁気抵抗素子回路が開示されている。

ＷＯ２０１２／１０５４５９ 特開平８−２４２０２７号公報

ゼロ点のドリフトがある場合、ブリッジ回路や差動増幅を用いて、温度補償を行う技術はよく知られている。上記の特許文献２も、ブリッジ回路を用いて磁気抵抗素子の温度特性をキャンセルさせ、ゼロ点のドリフトを阻止しようとするものである。

しかし、このような回路構成は、素子の線形性が高い場合には有効であるが、磁気抵抗素子のように素子の出力特性の線形性が高くない場合は、有効とは言えない。なお、ここで、「線形性が高い」とは、入力に対して出力が直線的に比例するとみなせる領域が広いことをいう。

磁気抵抗素子は、外部から印加される磁界に対する抵抗値の変化がわずかであり、また磁気抵抗効果自体が線形領域の狭い特性である。したがって、素子の温度が上昇することで、磁気抵抗効果が変化すると、入力に対する出力のダイナミックレンジが変化してしまう。

したがって、磁気抵抗素子によって、磁性体の存在の有無を検知する、所謂ＯＮ・ＯＦＦ検知を行う場合は、ブリッジ回路等による温度補償で十分可能であっても、電流検知もしくは電力検知といった定量性を問題にする場合における温度補償は十分とは言えなかった。

本発明は上記の課題に鑑みて想到されたものであり、温度の上昇もしくは下降によっても、ダイナミックレンジが大きく変化しない温度補償付磁気センサ素子を提供するものである。また、所定の入力磁界に対して、出力の温度依存性の少ない温度補償付磁気センサ素子を提供するものである。

より具体的に本発明に係る温度補償付磁気センサ素子は、
磁気抵抗効果を有する磁性体と
前記磁性体に電流を流すために前記磁性体を介して対向した一対の電極と、
前記電極の対向方向の直角方向にバイアス磁界を発生させる横バイアス磁界付加手段と、
両端に電極を有し、一端の電極が前記一対の電極の他端に直列に接続された温度補償用金属とを有し、
前記一対の電極間の基準温度時の抵抗値をＲ_Ｂ０とし、前記温度補償用金属の電極間の基準温度時の抵抗をＲ_Ａ０とする時に、（９）式の関係に対して１０％以内の範囲に含まれることを満足することを特徴とする。

ここで、α_Ａは温度補償用金属の電気抵抗に係る温度係数、α_Ｂは磁性体の電気抵抗に係る温度係数、β_０は、基準温度における磁気抵抗効果の値、β_Ｂは、磁気抵抗効果に係る温度係数、ｔは基準温度からの変化温度、ΔＶＭＲは磁気抵抗効果によって磁性体の両端から得られる出力電圧、Ｈ_０は外部からの印加磁界、Ｖ_０は磁性体に印加される電圧である。

本発明に係る温度補償付磁気センサ素子は、磁気抵抗素子と、温度補償用金属の抵抗比率を一定の関係にするので、所定の範囲において、温度変化が生じても、出力電圧のダイナミックレンジがほとんど変化しないという効果を有する。

また、この温度補償付磁気センサ素子を用いた磁気センサおよび電力測定装置は、過酷な温度変化下であっても、感度の精度を維持することができ、信頼性の高いシステム構築に寄与する。

本発明に係る温度補償の原理を説明する図である。 本発明に係る温度補償付磁気センサ素子の構成を示す図である。 本発明に係る温度補償付磁気センサ素子を用いた電力測定装置の構成を示す図である。 ＮＴＣサーミスタの抵抗と温度の関係を示す図である。 ＮＴＣサーミスタを利用した自律的な温度補償機能を有する磁気センサ素子の構成を示す図である。 実施の形態４に係る磁気センサ素子の構成を示す図である。 矢羽パターンを有するセンサ部の構成を示す図である。 ブリッジゲインの変化を表すグラフである。 実際に作製したセンサ部の抵抗値と抵抗値感度の温度特性を測定した結果を示すグラフである。 （４３）式に実際に作製したセンサ部の測定値を代入し求めた補償のための特性を示すグラフである。 ＮＴＣサーミスタを一定とし、並列接続する抵抗を変化させたときの温度特性を示すグラフである。 並列に接続する抵抗を一定値とし、ＮＴＣサーミスタの抵抗値を変化させた時の温度特性を示すグラフである。 補償のための温度特性を持たせたブリッジ抵抗と補償抵抗の合成抵抗値と理論値を比較したグラフである。 温度補償機能の効果をシミュレーションした結果を示すグラフである。 実施の形態５に係る磁気センサ素子の構成を示す図である。 縦バイアス磁界が異なる場合の磁気抵抗効果を実測した結果を示すグラフである。 縦バイアス磁界の強さと差分抵抗値感度の関係を測定したグラフである。 縦バイアス磁界を変化させた時の差分抵抗値感度を測定したグラフである。 縦バイアス磁界を変えた時の縦バイアス磁界に加わる補償のための磁界を求めたグラフである。 図１９を１つにまとめたグラフである。 縦バイアス磁界を４０Ｏｅとした時の温度補償機能がある場合とない場合の差分抵抗値感度の違いを示すグラフである。

（実施の形態１）
まず、本実施の形態に係る温度補償の原理について説明する。図１には金属Ａ（３）と金属Ｂ（４）が直列に接続され、金属Ａ（３）と金属Ｂ（４）の開放端に電源２が接続された回路１を示す。金属Ａ（３）と金属Ｂ（４）の接続点に出力端５を形成する。ここで、金属Ａ（３）は銅等の非磁性金属を、また金属Ｂ（４）は磁気抵抗効果を有する磁性金属を想定している。金属Ａ（３）および金属Ｂ（４）は、温度特性を有する。すなわち、金属Ａ（３）は温度によって電気抵抗が変化し、金属Ｂ（４）は温度によって電気抵抗および磁気抵抗効果が変化する。

電源２の電圧をＶ_０、出力端５の電圧をＶ_ｏｕｔ、金属Ａ（３）の電気抵抗をＲ_Ａ、金属Ｂ（４）の電気抵抗をＲ_Ｂとする。また、ｔを基準温度ｔ_０からの温度上昇（下降の場合はマイナス値にする）、α_Ａを金属Ａ（３）の電気抵抗Ｒ_Ａの温度係数、Ｒ_Ａ０は基準温度ｔ_０での電気抵抗とし、α_Ｂを金属Ｂ（４）の電気抵抗Ｒ_Ｂの温度係数、Ｒ_Ｂ０は基準温度ｔ_０での電気抵抗とする。温度がｔ_０＋ｔの時の金属Ａ（３）および金属Ｂ（４）の電気抵抗は（１）式および（２）式にて示される。なお、基準温度ｔ_０は、任意の温度でよく、例えば室温が選択されてよい。

また、出力端５の電圧Ｖ_ｏｕｔは、（３）式のように表される。

次に磁気抵抗効果について検討する。よく知られているように、磁気抵抗効果素子に外部から磁界Ｈ_０が印加されると、磁気抵抗効果素子の電気抵抗は変化する。この電気抵抗の変化量をΔＲ_ｍｒとする。電気抵抗の変化は、磁気抵抗効果の係数βに比例する。また、磁気抵抗効果自体が温度特性を有している。そこで、磁気抵抗効果の温度特性をβ_Ｂとし、基準温度ｔ_０の時の磁気抵抗効果係数をβ_０とする。

つまり磁気抵抗効果の係数βは、基準温度ｔ_０における磁気抵抗効果係数β_０と磁気抵抗効果の温度係数β_Ｂを用いて、β＝β_０（１＋β_Ｂｔ）と表される。以上の準備によれば、磁気抵抗効果素子の電気抵抗の変化量ΔＲ_ｍｒは、（４）式で表される。

なお、Ｒ_Ｂには、（２）式を代入した。

図１の回路に流れる電流をＩとすると、ΔＲ_ｍｒによる出力端５での電圧変化ΔＶ_ｍｒは（５）式のように表される。

ここで、ΔＶ_ｍｒが変化しない条件を求める。すなわち、ΔＶ_ｍｒ＝ΔＶＭＲ（ΔＶＭＲは一定値）とすると、（５）式は（６）式のように変形できる。ここで、ΔＶＭＲは、磁気抵抗効果によって磁性体の両端から得られる出力電圧である。

さらに、右辺のＨ_０Ｖ_０を左辺に移動させると（７）式を得る。

外部磁界Ｈ_０と電源電圧Ｖ_０は温度と関係がないので、左辺は一定値である。そこで、左辺を新たにＫと置くと、（７）式は（８）式のように変形することができる。

さらに、左辺にＲ_Ａ０とＲ_Ｂ０を集めると、最終的に（９）式を得る。

（９）式は、金属Ａ（３）（非磁性金属）と金属Ｂ（４）（磁性金属）が基準温度ｔ_０から温度ｔだけ上昇した際に、出力端５電圧Ｖ_ｏｕｔが変わらないような金属Ａ（３）および金属Ｂ（４）の電気抵抗の比率を表している。言い換えると、電気抵抗に関して温度係数α_Ａを有する非磁性金属Ａ（３）と、電気抵抗に関する温度係数がα_Ｂで磁気抵抗効果に関する温度係数がβ_Ｂであるような磁性金属Ｂ（４）を、基準温度ｔ_０での電気抵抗がＲ_Ａ０およびＲ_Ｂ０になるように設定することで、温度による出力端子電圧の変動を低減することができる。

なお、実用的な温度補償の精度は好ましくは１０％、より好ましくは７％、最も好ましくは５％以内であるのが望ましい。したがって、（９）式で求められた比から１０％以内の範囲であれば、（９）式の関係を満たしているといってよい。

（９）式による金属Ａ（３）と金属Ｂ（４）の基準温度ｔ_０における電気抵抗の比は、温度上昇によって抵抗値が上昇する電気抵抗と、温度上昇によって低下する磁気抵抗効果をそれぞれ打ち消し合うように作用させることのできる比率である。したがって、基準温度ｔ_０の時に設定されたダイナミックレンジは、温度変化によって見かけ上変化しない。

より具体的には、磁気抵抗効果による出力電圧Ｖ_ｏｕｔのダイナミックレンジが大きくなる方向に温度が動くと、回路１中の電気抵抗が増え、ダイナミックレンジが小さくなる方向に温度が動くと、電気抵抗が減る。結果、ダイナミックレンジは変化しない様に見える。つまり、金属Ａ（３）および金属Ｂ（４）の電気抵抗を基準温度ｔ_０において（９）式のような比率に設定しておけば、温度変化があったとしても、自動的に温度補償がされる。

図２（ａ）に上記の温度補償の原理を適用した磁気センサ素子の構成例を示す。温度補償付磁気センサ素子（以後、単に「磁気センサ素子」ともいう）１０は、センサ部１１と、補償用金属部２０から構成されている。センサ部１１は、短冊状の磁性膜１２で構成されている。磁性膜１２はもちろん磁性体に含まれる。両端には、電極１１ａおよび電極１１ｂが形成されている。電極１１ａから電極１１ｂが磁性膜１２に流す電流Ｉの方向である。電極１１ａから電極１１ｂの方向を軸方向と呼ぶ。

磁性膜１２は、電流が流される方向に対して直角成分（軸方向に直角な方向の成分）を有する外部磁界Ｈによって、磁性膜１２内の磁化１２Ｍの方向が傾く。この磁化１２Ｍの方向と流れる電流Ｉの方向の傾きで、磁気抵抗効果が発現されると考えられている。なお、磁化１２Ｍは自発磁化であってもよいし、誘導された磁化であってもよい。ここでは自発磁化として説明を続ける。

図２（ｂ）には、外部磁界Ｈと磁気抵抗効果の関係を示すグラフを示す。縦軸は磁性膜１２の電気抵抗値Ｒ_ｍｒであり、横軸は外部磁界Ｈを表す。外部磁界Ｈは、図２（ａ）で左側から右側に磁界が印加される場合（左側にＳ極があり、右側にＮ極がある）を、正としている。図２（ｂ）を参照して、磁気抵抗効果は、印加される外部磁界Ｈの方向に係らない。すなわち、外部からの印加磁界Ｈに関してみれば、磁気抵抗効果（電気抵抗の変化）は、偶関数になる。

また、外部磁界Ｈがゼロ付近では、線形性が高くない。そこで、磁性膜１２の軸方向に直角な方向にバイアス磁界Ｈ_ｂｉａｓをかけて、より直線性の高い部分を使うことが常法とされている。これを横バイアス磁界Ｈ_ｂｉａｓと呼ぶ。横バイアス磁界Ｈ_ｂｉａｓが印加された際の磁性膜１２の抵抗値Ｒ_ｍ０は動作点と呼ばれる。横バイアス磁界Ｈ_ｂｉａｓの印加方法は、いくつかの方法が考えられるが、ここでは、磁性膜１２表面に導体膜１３ａでバーバーポールと呼ばれる模様の導体膜１３ａを付与する例について説明する。

図２（ｃ）には、図２（ａ）の一部拡大図を示す。磁性膜１２表面に形成された傾斜した導体膜１３ａの部分では、導体膜１３ａ中の最短距離を電子が走る。すなわち、傾斜した導体膜１３ａの幅方向に電子が走る。一方、自発磁化１２Ｍは、短冊状の磁性膜１２の両端方向に発生する。つまり、外部磁界Ｈの無い時からすでに、流れる電流Ｉと磁化１２Ｍの方向は、角度θだけ傾いている。

すなわち、外部から横バイアス磁界を印加しなくても、横バイアス磁界Ｈ_ｂｉａｓがかかっているのと同じ効果を有する。本明細書では、磁石若しくは電磁石等で磁性膜１２に外部から横バイアス磁界Ｈ_ｂｉａｓをかける手段だけでなく、このようにセンサ部１１を構成する膜の構造によって、見た目横バイアス磁界Ｈ_ｂｉａｓがかかっている状態であっても、横バイアス磁界付加手段１３と呼ぶ。つまり、横バイアス磁界付加手段１３は、磁石、電磁石、センサ部１１を構成する膜の構造を含む。

補償用金属部２０は、導体膜１３ａと同じ金属であってもよいし、他の金属であってもよい。補償用金属部２０は、温度補償用金属と言ってよい。九十九折状にしているのは、小さなスペースで電気抵抗を高くできるようにするためである。センサ部１１と補償用金属部２０の接続点が出力端子３０となる。補償用金属部２０の温度係数は、磁性膜１２による磁気抵抗効果の温度特性と同じオーダーで反対の特性を有するものが望ましい。磁気抵抗効果の温度特性をキャンセルしやすくなるからである。

このような構成を有する本発明に係る磁気センサ素子１０には、補償用金属部２０の開放端（センサ部１１と接続されていない側の端部）２０ａと、センサ部１１の開放端側電極１１ｂに電源を接続し、電流を流す。センサ部１１の軸方向に直角な磁界成分を有する外部磁界Ｈが印加された時に、この磁気センサ素子１０は、出力端子３０の出力電圧が変化する。この電圧変化を測定することで、外部磁界Ｈの大きさを検出することができる。

また、この補償用金属部２０での電気抵抗と、センサ部１１の電気抵抗をそれぞれＲ_Ａ、Ｒ_Ｂとして、（９）式の関係になるように構成しておくことで、磁気センサ素子１０は、自動的に温度補償されているように見え、外部温度によって出力端子３０のダイナミックレンジが変化することが抑制される。

（実施の形態２）
次に本発明に係る磁気センサ素子１０を用いた電力測定装置について図３を用いて説明する。磁気センサ素子１０を利用して、電源回路の負荷が消費する電力や力率を求めることができる（特許文献１参照）。簡単に磁気センサ素子１０を用いた電力測定装置の動作原理について説明する。

まず、図３を参照して、本発明に係る電力測定装置６は、電源９１に負荷９２が接続された回路に対して、負荷９２と並列に接続される。そして、電力測定装置６は、接続端子２２ａ、２２ｂと、磁気センサ素子１０と、計測抵抗２４と、検出手段２７を含む。検出手段２７は、差動アンプ２５を含み、センサ部１１の電極１１ａ、１１ｂを計測端子としている。なお、計測端子は差動アンプ２５の端子に接続される。

磁気センサ素子１０は、図２で説明したバーバーポール型のセンサ部１１と補償用金属部２０を有する磁気センサ素子１０である。つまり、導体膜１３ａによる横バイアス磁界付加手段１３が施されている。磁性センサ素子１０と計測抵抗２４を直列にし、被計測回路９０の電源９１に連結されている負荷９２と並列に連結する。

連結する点は、接続端子２２ａ、２２ｂである。そして、磁気センサ素子１０は、電源９１と負荷９２の間を接続している電線９３ａに平行に隣接配置させる。ここで平行とは、電線９３ａの周囲に形成される同軸状の磁界Ｈに、磁性膜１２の面内方向が平行になることである。

なお、面内方向とは、磁気センサ素子１０の軸方向に直角な方向である。この方向の外部磁界Ｈに対して磁化１２Ｍが傾き、磁気抵抗効果が発現されるからである。また、計測抵抗２４は、磁気センサ素子１０における磁性膜１２の抵抗値Ｒ_ｍｒに対して十分に大きいとしておく。磁気センサ素子１０に一定電流を供給するためである。また、電線９３ａの抵抗は十分に小さいとする。

まず、電源９１が直流の場合、電線９３ａ、９３ｂに流れる電流をＩ_１とすると、磁気センサ素子１０に印加される外部磁界Ｈは、比例定数をαとして、（２１）式のように表される。
Ｈ＝αＩ_１・・・・（２１）

図２（ｂ）にも示したように、磁性膜１２の電気抵抗の変化ΔＲ_ｍｒは、外部磁界Ｈに比例するので、比例定数をβとし、（２１）式を考慮すると、（２２）式のように表される。
ΔＲ_ｍｒ＝βＨ＝β（αＩ_１）・・・・（２２）

磁性膜１２に外部磁界Ｈが印加されていない時（動作点）の電気抵抗をＲ_ｍ０とすると、外部磁界Ｈが印加された時の磁性膜１２の電気抵抗Ｒ_ｍｒは、（２３）式のように表される。
Ｒ_ｍｒ＝Ｒ_ｍ０＋ΔＲ_ｍｒ＝Ｒ_ｍ０＋αβＩ_１・・・・（２３）

つまり、電流Ｉ_１が流れる電線９３ａに近接配置された磁性膜１２は、（２３）式のような電気抵抗特性を有する。この磁性膜１２の電極１１ａ、１１ｂ間に電流Ｉ_２が流れると、電極１１ａ、１１ｂ間の電圧Ｖ_ｍｒは（２４）式のように表される。
Ｖ_ｍｒ＝Ｒ_ｍｒＩ_２＝（Ｒ_ｍ０＋ΔＲ_ｍｒ）Ｉ_２＝（Ｒ_ｍ０＋αβＩ_１）Ｉ_２・・・・（２４）

次に電源９１を直流としているので電圧Ｖ_ｉｎをＶ_１とすれば、（２５）式のように表される。そして、電線９３ａ、９３ｂの抵抗は十分に小さく、また、磁性膜１２の電気抵抗Ｒ_ｍｒも計測抵抗２４（値はＲ_２）よりも十分小さいとする。負荷９２の抵抗をＲ_１とすると、電線９３ａを流れる電流Ｉ_１と、磁性膜１２を流れる電流Ｉ_２は、それぞれ（２６）式、（２７）式のようになる。

そこで、磁性膜１２の電極１１ａ、１１ｂ間の電圧Ｖ_ｍｒは（２８）式のように表される。なお（２８）式の式変形の途中でＲ_ｍ０＜＜Ｒ_２の関係を使った。またＫ_１は比例定数である。（２８）式の結果より、磁性膜１２の電極１１ａ、１１ｂ間では、負荷９２で消費される電力Ｉ_１Ｖ_１に比例した電圧と、計測抵抗２４（Ｒ_２）と磁性膜１２の動作点（図２（ｂ）参照）での電気抵抗Ｒ_ｍ０が決まると一意に決まるバイアス電圧の和を得ることができる。

このような関係は、電源９１が交流であっても成立する。電源９１が交流で、負荷９２がリアクタンスの場合について次に説明する。（２１）式から（２４）式の関係は上記の説明通りである。電源９１が交流になるので、電圧Ｖ_ｉｎは、振幅Ｖ_１、角周波数ωとすると、（２９）式のように表される。また、被計測回路９０で負荷９２がリアクタンスなので、負荷９２を流れる電流Ｉ_１は、電源９１（電圧Ｖ_ｉｎ）とは位相のズレが生じる。この位相のズレをθとする。一方、磁性膜１２は、通常の電気抵抗（位相のずれはない）なので電源９１（電圧Ｖ_ｉｎ）と同位相である。したがって、電流Ｉ_１およびＩ_２は、（３０）式、（３１）式のように表される。

そこで、（２４）式に（３０）式および（３１）式を代入すると（３２）式のように変形される。

（３２）式を見ると、最終項は、負荷９２で消費する有効電力が直流成分として表れているのがわかる。すなわち、計測端子１１ａ、１１ｂ間の出力を、ローパスフィルタを通過させて得た直流電圧は、負荷９２で消費する有効電力に比例した電圧である。以上のように磁性膜１２を使って、電線９３ａ、９３ｂに流れる電流だけでなく、接続の方法によって電源９１に接続している負荷９２での消費電力も計測することができる。

このように図３の構成においては、電源９１が直流であろうと、交流であろうと、電源９１に接続された負荷９２で消費される電力を電圧として取り出すことができる。磁性膜１２の電極（計測端子）１１ａ、１１ｂ間の電圧を検出し、直流のバイアス成分や交流成分を除き、負荷９２の消費電力に比例する電圧を検出する手段を検出手段２７と呼ぶ。検出手段２７は、差動アンプ２５と後処理手段２６で構成される。

後処理手段２６は、差動アンプ２５の出力に交流や直流バイアス電圧が重畳されている際に、それらを除去する手段である。具体的には、交流が重畳されている場合は、ローパスフィルタであり、直流バイアス電圧が重畳されている場合は、絶対値が同電圧で極性が反対の電圧を付与する手段で、定電圧電源や電池等で実現できる。

本発明に係る電力測定装置６は、実施の形態１で示した磁気センサ素子１０を搭載している。磁気センサ素子１０の設計の仕方の一例を示す。電力測定装置６が利用される環境中の想定される温度範囲を決める。次にこの温度範囲において、直線性を有する金属材料を選択する。なお、電力測定装置６では、被計測回路９０中の負荷９２ではなく、電力測定装置６自体が有する計測抵抗２４を用いる。金属材料には、この計測抵抗２４の素材も考慮する。

次に、これらの金属材料の温度特性（特に温度係数）を求める。これは市販のデータ表等を確認してもよいが、実際に用いる状態で実験で確認するのがよい。これは上記の説明の金属Ａ（３）における温度係数α_Ａと基準温度ｔ_０時の電気抵抗Ｒ_Ａ０を求めることに対応する。

次に磁気抵抗効果を有する磁性金属を選択する。これも、使用予定とされる温度範囲で、できるだけ電気抵抗および磁気抵抗効果の変動が少ないものが望ましい。選択された磁性金属の電気抵抗の温度係数α_Ｂおよび磁気抵抗効果の温度係数β_Ｂを求める。次に、これらの値を（９）式に適用し、基準温度ｔ_０における金属Ａ（３）（非磁性金属）および金属Ｂ（４）（磁性金属）の基準温度ｔ_０における電気抵抗値Ｒ_Ａ０およびＲ_Ｂ０の比を求める。

磁性膜１２の大きさは、検出する回路に流れる電流および設置できるスペースなどから決定される。磁性膜１２の大きさが決まれば、基準温度ｔ_０における磁性膜１２の電気抵抗値Ｒ_Ｂ０は決定され、（９）式の関係から導体膜１３ａの基準温度ｔ_０における電気抵抗値Ｒ_Ａ０も決定することができる。

導体膜１３ａの電気抵抗値Ｒ_Ａ０が決まれば、その電気抵抗値を有する導体膜１３ａの形状を決定することができる。このようにして、（９）式で示した基準温度における電気抵抗の比率にあった、磁気センサ素子１０を形成することができる。

（実施の形態３）
実施の形態１および２では、抵抗に関する温度特性が異なる非磁性金属と磁性金属を直列に接続することで、非磁性金属と磁性金属の接合点に現れる磁気抵抗効果の温度依存性をキャンセルすることができることを示した。

その原理は、温度が上昇し、磁性金属の磁気抵抗効果が減少した際には、非磁性金属の抵抗値が下がるというものである。したがって、温度が上昇すると、電気抵抗値が下がる素子を利用することで、実現することができる。

実施の形態１および２では、これを温度補償用金属（補償用金属部２０）として示した。しかし、温度が上昇すると電気抵抗値が下がる素子であれば、金属に限定されるものではない。例えば、ＩＣ等のような能動素子を利用したものであってもよい。その意味で本明細書においては、温度補償用金属には、能動素子およびそれを用いた回路を含めてもよい。

本実施の形態では、温度が上昇すると抵抗値が下がる素子としてＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタを用いた例を示す。ＮＴＣサーミスタは、温度補償用金属である。

ＮＴＣサーミスタは、ニッケル、マンガン、コバルト、鉄などの酸化物を混合し、焼結して作製される。図４には、ＮＴＣサーミスタの抵抗Ｒ_ＮＴＣと温度の関係を示す。図４を参照して、横軸は温度（℃）であり、縦軸は抵抗値Ｒ_ＮＴＣ（Ω）である。ＮＴＣサーミスタの抵抗値は、温度の上昇と共に指数関数的に低下する。

ＮＴＣサーミスタは抵抗と並列に接続すると、温度に対して線形に近い抵抗値の特性を得ることができる。図５には、ＮＴＣサーミスタを利用した自律的な温度補償機能を有する磁気センサ素子３２の構成を示す。磁気センサ素子は、調節用抵抗３３（抵抗値Ｒ）と、補償抵抗３４と、センサ部３６で構成される。なお、調節用抵抗３３と補償抵抗３４の接続順は逆であってもよい。ここでは、電源３８に近い方に調節用抵抗３３が配置されるとして説明を続ける。なお、電源３８は電流源であってもよい。

補償抵抗３４は、抵抗３４ｒとＮＴＣサーミスタ３４ｓが並列に接続されて構成される。調節用抵抗３３と補償抵抗３４の抵抗３４ｒ及びＮＴＣサーミスタ３４ｓの抵抗値および種類を変えることで、所望の温度特性を得ることができる。補償抵抗３４の温度特性の調節に関しては実施の形態４でさらに詳しく示す。

センサ部３６と、補償抵抗３４との接続点は磁気センサ素子３２の出力端子３０となる。センサ部３６は実施の形態１及び２のセンサ部１１と同じ構成でよい。すなわち、磁性膜１２と横バイアス磁界付加手段１３を有する磁気抵抗効果素子で構成される。

この磁気センサ素子３２は、調節用抵抗３３の端子とセンサ部３６の間に電圧を印加し、センサ部３６の横方向（短冊状の長手方向（軸方向）に対して直角方向）から外部磁界を印加すると、外部磁界に応じた電圧変化を出力端子３０で得ることができる。

磁気センサ素子３２全体の温度が上がった際には、調節用抵抗３３および補償抵抗３４による合成抵抗は、温度の上昇とともに抵抗値が低下する。すると、センサ部３６の両端にかかる電圧が上昇する。磁気抵抗効果は温度の上昇によって低下するが、センサ部３６にかかる電圧が上昇するので、センサ部３６の両端で観測される磁気抵抗効果による電圧変化は、上昇する。磁気抵抗効果の低下とセンサ部３６に印加される電圧の上昇によって出力端子３０での出力の変化をキャンセルすることができる。つまり、出力のダイナミックレンジが補償される。

この時、調節用抵抗３３と補償抵抗３４による合成抵抗値と、センサ部３６の抵抗値は、（９）式で表される比になっている。なお、（９）式で表される比になっているとは、（９）式の比に対して好ましくは１０％以下、より好ましくは７％以下、最も望ましくは５％以下の範囲に含まれることをいうのは実施の形態１の場合と同じである。また、図５の磁気センサ素子３２は、図３で示した電力測定装置６の磁気センサ素子１０に置き換わって利用することができるのはもとより、出力電圧を増幅するアンプおよび電流源を持つことで、磁気センサ。電流測定装置、力率測定装置としても利用することができる。

また、本実施の形態に係る磁気センサ素子３２においては、補償抵抗３４とセンサ部３６が直列に接続されていれば足りる。調節用抵抗３３は、補償をより精度高く行うために接続されたもので、調節用抵抗３３がなくても、磁気センサ素子３２は温度補償機能を有する。

（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態３で示した磁気センサ素子３２を２つ並列に用い、ブリッジ回路にする。ブリッジ回路にすることで、外部からの印加磁界に対して磁気センサ素子全体のゲインを２倍にすることができる。

図６（ａ）には、本実施の形態に係る磁気センサ素子４０を示す。磁気センサ素子４０は、第１センサ部４１、第２センサ部４２、第１ブリッジ抵抗４３、第２ブリッジ抵抗４４、第１補償抵抗４５、第２補償抵抗４６からなるブリッジ回路で形成される。第１ブリッジ抵抗４３、第１補償抵抗４５、第１センサ部４１は、直列に接続されている。また、第２ブリッジ抵抗４４、第２補償抵抗４６、第２センサ部４２は、直列に接続されている。

図６（ｂ）には、第１ブリッジ抵抗４３と第１補償抵抗４５を第１ブリッジ抵抗５１と置きかえ、第２ブリッジ抵抗４４と第２補償抵抗４６を第２ブリッジ抵抗５２と置き換えた磁気センサ素子５０を示す。磁気センサ素子４０は、この磁気センサ素子５０に温度補償機能を付加したものといえる。

図６（ａ）を参照して、第１ブリッジ抵抗４３と第２ブリッジ抵抗４４の端子同士は接続され、磁気センサ端子４０ａとなる。また、第１センサ部４１と第２センサ部４２の端子同士も接続され、磁気センサ端子４０ｂとなる。なお、第１ブリッジ抵抗４３と第１補償抵抗４５の接続関係は逆であってもよい。同様に第２ブリッジ抵抗４４と第２補償抵抗４６の接続関係も逆であってもよい。ここでは、第１ブリッジ抵抗４３と第２ブリッジ抵抗４４の端子同士が接続され、第１センサ部４１と第２センサ部４２には、それぞれ第１補償抵抗４５と第２補償抵抗４６が接続されるとして説明を続ける。

第１補償抵抗４５と第２補償抵抗４６は、抵抗とＮＴＣサーミスタの並列接続で構成される抵抗である。つまり、第１補償抵抗４５は抵抗４５ｒとＮＴＣサーミスタ４５ｓの並列接続で構成され、第２補償抵抗４６は、抵抗４６ｒとＮＴＣサーミスタ４６ｓの並列接続で構成されている。ＮＴＣサーミスタは実施の形態３で説明したものである。もちろん、ＮＴＣサーミスタは、温度補償用金属である。

磁気センサ素子４０の出力は、第１補償抵抗４５と第１センサ部４１の接続点４７と、第２補償抵抗４６と第２センサ部４２の接続点４８との間の電圧である。それぞれの接続点での電圧をＶ４７、Ｖ４８とする。

第１センサ部４１と第２センサ部４２は、実施の形態１および２で説明したセンサ部１１でよい。すなわち、横バイアス磁界付加手段１３を備えた磁性膜１２からなる短冊状の形成物である。ただし、第１センサ部４１と第２センサ部４２は、横バイアス磁界付加手段１３の方向が逆向きである。このようにすることで、接続点４７、４８での電圧変化は逆方向に発生し、これを差動増幅することで、出力のゲインを倍にすることができる。

図６では、導体膜１３ａの形成方向が第１センサ部４１と第２センサ部４２で逆になっている。つまり、短冊状の磁性膜１２の長手方向に直角な方向に印加される横バイアス磁界の方向が第１センサ部４１と第２センサ部４２で逆方向になっている状態を示す。

なお、第１センサ部４１と第２センサ部４２は、図６で示すＢＢＰパターンの代わりに、図７に示す矢羽パターンであってもよい。

図７（ａ）には、第１センサ部４１だけを示す。第２センサ部４２は、第１センサ部４１の対称形のパターンである。図７（ａ）を参照して、第１センサ部４１は、短冊状基板の長手方向に対して角度θだけ傾いた帯状磁性膜１２ｍが複数本形成されている。そして、隣接する帯状磁性膜１２ｍの端部は１本おきに接続部１２ｊで接続されている。その結果、複数の帯状磁性膜１２ｍは１本の帯状磁性膜となる。また、１本の帯状磁性膜の両端には、第１センサ部４１の電極４１ａと４１ｂが形成される。

図７（ｂ）を参照して、第２センサ部４２は、第１センサ部４１と対称形をした帯状磁性膜１２ｍのパターンをしている。そして、第１センサ部４１の一方の電極４１ｂと第２センサ部４２の一方の電極４２ｂが接続された形状をしている。図７（ｂ）の状態で、第１センサ部４１と第２センサ部４２の磁性膜１２ｍのパターンは矢羽に似ているので、これを矢羽パターンと呼ぶ。なお、矢羽パターンは、接続部１２ｊが並ぶ方向ＡＡにバイアス磁界を印加する。このバイアス磁界を縦バイアス磁界と呼ぶ。

縦バイアス磁界によって、磁性膜１２ｍの磁化はバイアス磁界の方向に揃う。磁性膜１２ｍはバイアス磁界に対して角度θだけ傾斜している。したがって、磁化と流れる電流の向きが異なるので、見かけ上横バイアス磁界が印加されているのに等しい。すなわち、矢羽パターンに縦バイアス磁界を印加すると、磁性膜の構造特性によって、横バイアス磁界が印加されているのに等しい。したがって、矢羽パターンに縦バイアス磁界を印加したものは、横バイアス磁界付加手段１３を有していると言える。

なお、第１センサ部４１と第２センサ部４２の磁性膜１２ｍの傾斜方向は縦バイアス磁界に対して逆向きになっている。したがって、図７（ｂ）の矢羽パターンの場合は、横バイアス磁界付加手段１３が逆向きに設けられていると言える。

再び図６を参照する。磁気センサ素子４０の動作原理は、実施の形態１乃至３で説明したものと同じである。すなわち、温度が上昇すると、第１センサ部４１および第２センサ部４２の磁気抵抗効果は低下する。しかし、第１ブリッジ抵抗４３と第１補償抵抗４５の合成抵抗および第２ブリッジ抵抗４４と第２補償抵抗４６の合成抵抗はそれぞれ低下する。したがって、第１センサ部４１と第２センサ部４２にかかる電圧が上昇し、第１センサ部４１と第２センサ部４２間の出力電圧は変化しない。したがって、出力も温度補償される。

以下に温度補償の詳細な説明を行う。まず、図６（ｂ）の磁気センサ素子５０を用いて説明を行う。磁気センサ素子５０の出力はＶ４８−Ｖ４９で表される。

なお、磁気センサ端子５０ａ、５０ｂ間に印加された電圧をＶ_ｉｎとした。また、第１ブリッジ抵抗５１、第２ブリッジ抵抗５２の抵抗値をＲとし、第１センサ部４１、第２センサ部４２の抵抗値をＲ_ｍｒとした。また磁気抵抗効果による抵抗値の変化分をΔＲとする。これは第１センサ部４１、第２センサ部４２とも同じであるとした。

（３３）式の第１式を見ると、ΔＲがプラスの項とマイナスの項がある。これは、第１センサ部４１と第２センサ部４２の横バイアス磁界付加手段１３が逆方向に設けられているからである。

ここでＲ＝αＲ_ｍｒ、Ｖ４８−Ｖ４９＝Ｖ（α）とおく。これは第１ブリッジ抵抗５１、および第２ブリッジ抵抗５２を変化させることで、出力Ｖ（α）の大きさを制御する意図である。

（３４）式の係数部分２α／（１＋α）^２の部分をＧａｉｎ（ブリッジゲイン）とおくと、αとＧａｉｎの関係は、図８のようになる。Ｇａｉｎは、α＝１のとき極値を有する。つまり、Ｒ＝Ｒ_ｍｒとしたときに、ブリッジ回路の出力は最大になる。本発明では、このαを温度に依存する係数と見て、補償を行う。後述するように、１≦α≦４の範囲でαが直線近似できるとして、温度補償を行う。

さて、（３４）式でＲ_ｍｒは、第１センサ部４１と第２センサ部４２の磁性膜の抵抗値である。また２ΔＲは、第１センサ部４１と第２センサ部４２の抵抗値の温度特性を夫々求め、差し引いて求めた磁気抵抗効果のグラフから求められる抵抗値感度に相当する。なお、抵抗値感度については、実施の形態５に測定値および測定方法を例示する。これらの変数は実際に測定してみると、温度に対して極めて線形に近い特性を有する。したがって、これらを線形近似する。

なお、ここで「ｔ」は温度を表す。ａ_１、ａ_２、ｂ_１、ｂ_２は、第１センサ部４１および第２センサ部４２を実際に温度環境で測定し求める係数である。

また、全ての変数が線形であるとすると、単位磁界あたりの出力Ｖ’_{（α、ｔ）}は、（３５）式、（３６）式を（３４）式に代入することで、以下のように表される。

Ｖ’_{（α、ｔ）}は、αと温度ｔが決まった時の磁気センサ素子５０の単位磁界（外部磁界）あたりの出力電圧である。出力を単位磁界あたりの出力とみなせば、ΔＲは抵抗値感度（Ω／Ｏｅ）とすることができる。ここで温度ｔを温度補償範囲の上限の温度とし、係数αを１から４の間の数に決めると、（３７）式右辺のＶ_ｉｎの係数は具体的に求めることができる。ａ_１、ａ_２、ｂ_１、ｂ_２が実測値から具体的に求めるからである。これをｋ_０とする。すなわち、（３８）式である。

また、（３７）式左辺をＶ’（α）と置くと、（３８）式を考慮して、（３９）式が成り立つ。

図８で示したように、１≦α≦４の範囲でαを線形近似すると、（３９）式は、以下の（４０）式のように表される。

ｋ_１およびｋ_２は、図８のグラフにおいて、１≦α≦４の範囲でαを線形近似した時の傾きおよび切片である。

（３９）式と（４０）式よりαを求めると（４１）式のようになる。

（４１）式のＲ_ｍｒおよび２ΔＲに（３５）式および（３６）式を再度代入すると（４２）式となる。

そもそも、Ｒ＝αＲ_ｍｒ、と置いたので、第１ブリッジ抵抗５１（第２ブリッジ抵抗５２も同じ）の抵抗値Ｒは以下のように表される。

この式は、第１ブリッジ抵抗５１および第２ブリッジ抵抗５２が（４３）式の温度特性に従えば、磁気センサ素子５０の出力は、温度によって変化しないための条件を表している。

以下に具体的な測定例を示しながら、これらの式に沿った温度補償が実現できることを示す。

図９（ａ）、（ｂ）は、実際に作製した第１センサ部４１（第２センサ部４２も同じ）の抵抗値と抵抗値感度の温度特性を示す。図９（ａ）は横軸が温度（℃）であり、縦軸は抵抗値（Ω）である。また、図９（ｂ）は横軸が温度（℃）であり、縦軸は差分の抵抗値感度（Ω／Ｏｅ）である。これらのグラフより、（３５）式、（３６）式の係数は以下のように読み取れる。ａ_１＝１８．２３［Ω／℃］、ｂ_１＝５２８６［Ω］、ａ_２＝−０．０１２９５［Ω／Ｏｅ］、ｂ_２＝９．９３３［Ω／℃］である。

これらの値を（３７）式に代入する。温度補償範囲の上限を１００℃とし、αを１とするとｋ_０＝３．０３８×１０^−４となる。また、図８より、１≦α≦４の範囲でブリッジゲインを線形近似すると、傾き（ｋ_１）＝−２．２１３であり、切片（ｋ_２）＝０．２９４８である。

これを（４３）式に代入してグラフにすると図１０を得る。図１０を参照して、横軸は温度（℃）であり、縦軸は第１ブリッジ抵抗５１（第２ブリッジ抵抗５２も同じ）の抵抗値（Ω）である。つまり、図９の特性を有する第１センサ部４１および第２センサ部４２に対して、第１ブリッジ抵抗５１および第２ブリッジ抵抗５２が図１０の特性を有すれば、温度に対する出力は一定値となる。出力は温度に対して補償される。

第１ブリッジ抵抗５１（第２ブリッジ抵抗５２）が図１０の特性を示すための具体的方法は、図６（ａ）に示すように、第１ブリッジ抵抗５１の代わりに、第１ブリッジ抵抗４３と第１補償抵抗４５を用いる。第１補償抵抗４５は抵抗４５ｒとＮＴＣサーミスタ４５ｓを並列に接続したものである。第２補償抵抗４６は抵抗４６ｒとＮＴＣサーミスタ４６ｓを並列に接続したものである。

図１１には、ＮＴＣサーミスタ４５ｓを１００ｋΩとし、抵抗４５ｒを０、５ｋ、１０ｋ、２０ｋ、３０ｋ、４０ｋ、５０ｋ、６０ｋ、７０ｋ、８０ｋ、９０、１００ｋΩとした場合の第１補償抵抗４５の温度特性のグラフを示す。図１１（ａ）は０から５０ｋΩ、図１１（ｂ）は６０ｋから１００ｋΩの場合を示す。それぞれ横軸は温度であり、縦軸は規格化された抵抗（規格化抵抗：無単位）である。規格化抵抗とは、ある値の抵抗４５ｒとＮＴＣサーミスタ４５ｓの組み合わせの場合に第１補償抵抗４５の最大の抵抗値で各温度での抵抗値を割り算して求めた値である。

図１１（ａ）を参照して、抵抗４５ｒがゼロΩの場合は、ＮＴＣサーミスタ４５ｓの温度特性がそのまま表れ、抵抗値は温度の上昇にしたがい、指数関数的に低下する。しかし、抵抗４５ｒの値が高くなると、第１補償抵抗４５の抵抗値は、温度に対して変化が滑らかになる。

図１１（ｂ）を参照すると、抵抗４５ｒの抵抗値が、ＮＴＣサーミスタ４５ｓの抵抗値（ここでは１００ｋΩ）の半分より大きくなると、第１補償抵抗４５の値は、線形に近い形状に収束するように見える。

図１２には、抵抗４５ｒを１０ｋΩに固定し、ＮＴＣサーミスタ４５ｓの抵抗値を１００ｋΩ、２２０ｋΩ、４７０ｋΩと変化させた場合の第１補償抵抗４５の温度依存性を示す。図１２を参照して、横軸は温度（℃）であり、縦軸は規格化抵抗値（無単位）である。ＮＴＣサーミスタ４５ｓの抵抗が大きくなるにつれ、温度依存性は少なくなる。

このように、第１補償抵抗４５の抵抗４５ｒとＮＴＣサーミスタ４５ｓの抵抗値を調節することで、第１補償抵抗４５の温度特性を調整することができる。さらに、この第１補償抵抗４５に直列に接続する第１ブリッジ抵抗４３の抵抗値をも調整することで、図１０に極めて近い温度特性を実現することができる。なお、第２補償抵抗４６についても同様である。

実際に図１０の特性に合わせるために、以下のようにパラメータを合わせた。図１０において−１０℃の抵抗値が２０９８２［Ω］であったので、抵抗４５ｒを２０ｋΩとＮＴＣサーミスタ４５ｓを２２０ｋΩとして並列に接続し、第１ブリッジ抵抗４３を１ｋΩとした。図１３にこのようにして作製した抵抗の温度依存性の実測値と、図１０の値を重ねて示す。図１３中で必要抵抗と記載したのは図１０の値である。図１３は横軸が温度（℃）であり、縦軸は抵抗値（Ω）である。

図１３を参照して、上記のようにして温度特性を調節した第１ブリッジ抵抗４３と第１補償抵抗４５の合成抵抗は、図１０の計算結果と極めて近い特性を示した。図１３中、必要特性とした丸印と実線は図１０で求めたラインである。補償抵抗は四角印と鎖線である。なお、上記の説明は第２ブリッジ抵抗４４と第２補償抵抗４６にも同じように適用することができる。

上記のように温度補償機能を有する磁気センサ素子４０と、温度補償機能を有しない磁気センサ素子５０とで、その温度特性がどのようになるかをシミュレーションした。磁気センサ素子５０としては、室温で第１ブリッジ抵抗５１と第１センサ部４１の抵抗値が同じになる様に設定した。第２ブリッジ抵抗５２と第２センサ部４２も室温で同じ抵抗値とした。

図１４にそのシミュレーション結果を示す。横軸は温度（℃）であり、縦軸はそれぞれの磁気センサ素子４０、５０の出力の変化（％）である。丸印は補償後、四角印は補償前、点線は理想出力を表す。理想出力とは、出力が温度に依存しない場合の出力である。−１０℃から１００℃の範囲で２５℃での出力を基準（ゼロ）として、磁気センサ素子５０（温度補償機能無）では、理想出力に対して４５．６％の出力変化が生じる。一方磁気センサ素子４０（温度補償機能有）では、理想出力に対して５．７％の変化まで出力変動を抑えることができる。

本発明では、ＮＴＣサーミスタと抵抗を並列に接続する構成を第１補償抵抗４５（第２補償抵抗４６）が含めば、温度補償を行う構成に関して特に制限はない。したがって、より詳細な調節を行うことで、図１４の出力変動はさらに小さくすることができる。磁気センサ素子として実用に耐えうる温度に対する出力変動は、好ましくは１０％以下、より好ましくは７％以下、最も好ましくは５％以下であると考えられる。したがって、図１０で求めた温度補償に必要とされる抵抗の特性から１０％以内に収まるように、第１ブリッジ抵抗４３、第１補償抵抗４５（第２ブリッジ抵抗４４、第２補償抵抗４６も同じ）を調節すれば本発明を実施したと言える。

なお、本実施の形態に係る磁気センサ素子４０も図３に示した電力測定装置６に用いることができるのはもとより、出力電圧を増幅するアンプおよび電流源を持つことで、電流測定装置、力率測定装置としても利用することができる。また、本実施の形態に係る磁気センサ素子４０においても、第１補償抵抗４５と第１センサ部４１および第２補償抵抗４６と第２センサ部４２が直列に接続されていれば足りる。第１ブリッジ抵抗４３と第２ブリッジ抵抗４４は、補償をより精度高く行うために接続されたもので、これらがなくてもがなくても、磁気センサ素子４０は温度補償機能を有する。

（実施の形態５）
本実施の形態では、温度補償を縦バイアス磁界の大きさで補償する発明について説明する。図１５には、本実施の形態に係る磁気センサ素子６０の構成を示す。磁気センサ素子６０は、センサ部６１と、縦バイアス磁界発生器６２、バッテリ６３、磁界センサ６４、温度計６５、電流調整器６６、制御器７０を含むことができる。

センサ部６１は、実施の形態１乃至４で説明したものを使用することができる。図１５では図７で示した矢羽パターンを例示した。しかし、導体膜１３ａにＢＢＰパターンを施したものであってもよい。

縦バイアス磁界発生器６２は、ここではバッテリ６３で駆動する電磁石を示した。しかし、後述するように、温度変化に対して所定の縦バイアス磁界を変化させることができる永久磁石であってもよい。

差動アンプ２５は、センサ部６１の両端（６１ａ、６１ｂ間）電圧を増幅する。温度計６５は、センサ部６１の温度を測定する。温度計６５が測定した温度は信号Ｓｔとして出力される。磁界センサ６４は縦バイアス磁界発生器６２の発生する磁界の大きさを測定する。測定結果は信号Ｓｈｂとして出力される。

制御器７０は、温度計６５からの信号Ｓｔによって、センサ部６１の温度を知り、後述する補償用の縦バイアス磁界が発生するように、制御信号Ｃｂでバッテリ６３の出力電圧を調整する。ここでは、電流調整器６６をバッテリ６３と縦バイアス磁界発生器６２の間に配置したが、縦バイアス磁界の強度を調整できれば、この構成に限定されるものではない。

縦バイアス磁界の大きさは、磁界センサ６４からの信号Ｓｈｂによって知る。なお、実際にはセンサ部６１の両端６１ａ、６１ｂには電流供給源（図示せず）が接続される。また、負荷となる外部磁界は、縦バイアス磁界の方向に対して直角方向から印加される。

また、センサ部６１は１対で用意し（センサ部６２）、２つのセンサ部の差分で出力としてもよい。図１５（ｂ）には大まかな構成を示す。第１センサ部６１と第２センサ部６７の一方の端子は共通にされ、接地される。第１センサ部６１と第２センサ部６７の他端は、共に抵抗を介してまとめられる。まとめられた部分と接地端が差動アンプ２５の入力端となる。また第１センサ部６１と第２センサ部６７の他端はそれぞれ図示しない電流源に繋がれる。負荷となる外部磁界は、縦バイアス磁界に対して直角方向から印加される。

図１６（ａ）には、センサ部６１の縦バイアス磁界違いの磁気抵抗効果を測定した結果を示す。横軸は外部磁界（Ｏｅ）である。符号がマイナスになっている部分はセンサ部６１への印加磁界方向が逆向きになっていることを表している。また、第１センサ部６１の横バイアス磁界付加手段１３と逆方向に横バイアス磁界が印加された第２センサ部６７の磁気抵抗効果の測定値も示す。これらは特性曲線の山谷が外部磁界ゼロの軸に対して逆になっている。磁気抵抗効果の外部磁界がゼロの点における傾きが抵抗値感度である。

図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の第１センサ部６１と第２センサ部６７の抵抗値を外部磁界毎に引き算をした結果である。これは差分抵抗値である。つまり、第１センサ部６１と第２センサ部６７の抵抗値が差分されるように用いることで、図１６（ｂ）に印加電圧を乗じた出力電圧を得ることができる。

差分抵抗値の外部磁界がゼロにおける傾きは差分抵抗値感度である。図１６（ｂ）からわかるように、縦バイアス磁界が大きくなると、リニアな領域は増えるものの、抵抗値感度は減少する。言い換えると、図１６（ｂ）では特性曲線の外部磁界ゼロにおける傾きが小さくなる。

図１７には、横軸に縦バイアス磁界の大きさ（Ｏｅ）、縦軸は差分抵抗値感度（Ω／Ｏｅ）の実測値を示す。縦バイアス磁界が大きくなると、差分抵抗値感度は、指数関数的に減少する。つまり、磁気センサ素子の温度が上昇し、出力電圧が低下したら、縦バイアス磁界を減少させることで、差分抵抗値感度が上昇し、出力は増大する。磁気抵抗効果の出力低下分と、縦バイアス磁界の減少による差分抵抗値感度の上昇をキャンセルさせることで、温度補償が可能になる。以下に詳細を説明する。

図９（ｂ）でも示したように、磁気抵抗効果の抵抗値感度は温度に対してほぼ直線的に減少する。したがって、センサ部６１の抵抗値感度ｃは温度の関数として（４４）式のように表される。

ここで、センサ部６１の温度がｔ＋Δｔに変化したときに、センサ部６１の感度は（４５）式のように表される。なお、センサ部６１の感度とは、抵抗値感度と考えてもよい。

すなわち、温度がｔからｔ＋Δｔに変化したときの、センサ部６１の抵抗値感度の倍率α_１は（４６）式のように表される。

次にセンサ部６１の抵抗値感度は、縦バイアス磁界Ｈｂに対して指数関数的に変化するので、（４７）式のように表される。

ｃ_０、Ａ、βは実験値から得られる値である。

ここで、縦バイアス磁界がＨｂ＋ΔＨｂに変化したとすると、センサ部６１の抵抗値感度は、（４８）式のようになる。

したがって、縦バイアス磁界がＨからＨｂ＋ΔＨｂに変化した場合、抵抗値感度α_２は（４９）式のように表される。

以上のことから、温度が変化することによる感度の変化を縦バイアス磁界で補償しようとすると、以下の（５０）式の条件を満たす必要がある。

（５０）式に（４６）式、（４９）式を代入して変形する。

（５１）式は、温度がｔからｔ＋Δｔになった時に、縦バイアス磁界をどれくらい変化させればよいかを示している。

なお、図１７で示したように、縦バイアス磁界が変化すると、差分抵抗値感度は指数関数的に変化する。したがって、縦バイアス磁界の大きさで、温度特性の補償の程度も変わることが考えられる。事実、図１６の測定値を有する第１センサ部６１と第２センサ部６７の差分抵抗値感度の温度特性を測定すると、縦バイアス磁界の大きさで、差分抵抗値感度が異なる。

図１８にその測定結果を示す。図１８（ａ）は、縦バイアス磁界が２５Ｏｅの場合、図１８（ｂ）は、４０Ｏｅ、図１８（ｃ）は、５５Ｏｅ、図１８（ｄ）は７０Ｏｅの場合の、差分抵抗値感度である。縦バイアス磁界が大きくなるに従い、切片および傾きが小さくなっている。

図１８の（ａ）乃至（ｄ）毎に、（４４）式の傾きａ、および切片ｂを求める。なお、ｃ_０、Ａ、βについては、図１７の測定値から係数を読み取る。縦バイアス磁界と差分抵抗値感度との関係も厳密には温度が変化すると変化する。しかし、指数関数は、縦バイアス磁界がゼロの時の感度が変化するが、その変化の程度は、変わらない。したがって、１つの温度における縦バイアス磁界と差分抵抗値感度の特性を測定し、ｃ_０、Ａ、βの係数を求めておけば、実用上は十分使える。

図１９には、縦バイアス磁界が２５、４０、５５Ｏｅの場合の温度に対する縦バイアス磁界の補償のための磁界（５１式のΔＨｂ）を計算で求めた結果を示す。図１９を参照して、図１９（ａ）は縦バイアス磁界が２５Ｏｅ、図１９（ｂ）は縦バイアス磁界が４０Ｏｅ、図１９（ｃ）は縦バイアス磁界が５５Ｏｅの場合である。それぞれ横軸は温度（℃）であり、縦軸は補償のための磁界ΔＨｂ（Ｏｅ）である。それぞれの縦バイアス磁界に加え、このΔＨだけ縦バイアス磁界を変化させることで、出力の温度補償ができる。

図２０には、図１９（ａ）乃至（ｃ）をまとめたグラフを示す。横軸は温度（℃）であり、縦軸は補償のために必要な磁界ΔＨｂ（Ｏｅ）である。−４０℃から１４０℃までの温度補償を行う場合でも、補正のために調節する磁界は１４Ｏｅ程度である。また、縦バイアス磁界が大きくなると、補償のために必要なバイアス磁界の変化量は大きくなる。

図１６と図１７の特性を有するセンサ部を差動にして、縦バイアス磁界を４０Ｏｅとした場合の補償機能ありの場合とない場合の差分抵抗値感度を実測した結果を図２１に示す。補償温度の範囲は、−７℃から１１８℃である。図２１（ａ）は、横軸が温度（℃）で縦軸が差分抵抗値感度（Ω／Ｏｅ）である。補償しない場合（点線）と補償した場合（実線）では、明らかに実線の方が差分抵抗値感度が一定している。つまり、温度の影響を受けることなく、出力を安定して得ることができる。

図２１（ｂ）は、（５１）式から求められた補償のための縦バイアス磁界の変化を示すグラフである。また丸印は、実際にその温度で行った縦バイアス磁界の変化である。（５１）式から求めた補償のための直線に近い値で縦バイアス磁界を変化させたので、図２１（ａ）のような温度補償された差分抵抗値感度を得ることができたと言える。

以上のように本実施の形態の磁気センサ素子は、温度の変化に伴って縦バイアス磁界の強度を変化させることで、出力の温度依存性を補償することができる。また、図１５の磁気センサ素子６０は、図３で示した電力測定装置６の磁気センサ素子１０に置き換わって利用することができるのはもとより、出力電圧を増幅するアンプおよび電流源を持つことで、磁気センサ、電流測定装置、力率測定装置としても利用することができる。

なお、本実施の形態では、縦バイアス磁界発生器６２を電磁石と磁界センサ６４と制御器７０で構成した。しかし、温度に対して（５１）式に従う特性を有する永久磁石であってもよい。

本発明に係る磁気センサ素子は、小型で薄型に形成できるため、上記の電力測定装置だけでなく、力率計や電流計および電圧系にも応用することができ、モータ、電池等を含む電気を利用する機器のほぼすべてに利用が可能である。

１ 回路
２ 電源
３ 金属Ａ
４ 金属Ｂ
５ 出力端
６ 電力測定装置
１０ 磁気センサ素子
１１ センサ部
１１ａ、１１ｂ 電極（計測端子）
１２ 磁性膜
１２ｍ 磁性膜
１２ｊ 接続部
１２Ｍ 磁化
１３ 横バイアス磁界付加手段
１３ａ 導体膜
２０ 補償用金属部
２０ａ 開放端
２２ａ、２２ｂ 接続端子
２４ 計測抵抗
２５ 差動アンプ
２６ 後処理手段
２７ 検出手段
３０ 出力端子
３２ 磁気センサ素子
３３ 調節用抵抗
３４ 補償抵抗
３４ｒ 抵抗
３４ｓ ＮＴＣサーミスタ
３６ センサ部
３８ 電源
４０ 磁気センサ素子
４０ａ 磁気センサ端子
４０ｂ 磁気センサ端子
４１ 第１センサ部
４２ 第２センサ部
４３ 第１ブリッジ抵抗
４４ 第２ブリッジ抵抗
４５ 第１補償抵抗
４５ｒ 抵抗
４５ｓ ＮＴＣサーミスタ
４６ 第２補償抵抗
４６ｒ 抵抗
４６ｓ ＮＴＣサーミスタ
４７ 接続点
４８ 接続点
５０ 磁気センサ素子
５０ａ、５０ｂ 磁気センサ端子
５１ 第１ブリッジ抵抗
５２ 第２ブリッジ抵抗
６０ 磁気センサ素子
６１ センサ部
６１ 第１センサ部
６７ 第２センサ部
６２ 縦バイアス磁界発生器
６３ バッテリ
６４ 磁界センサ
６５ 温度計
６６ 電流調整器
７０ 制御器
９１ 電源
９２ 負荷
９３ａ 電線

Claims (12)

1. 磁気抵抗効果を有する磁性体と、
   温度補償用金属および抵抗が並列接続された部分を含む補償抵抗が、
   直列に接続されたことを特徴とする磁気センサ素子。
2. 前記補償抵抗に直列にさらに抵抗が接続されたことを特徴とする請求項１に記載された磁気センサ素子。
3. 抵抗と温度補償用金属が並列接続される部分を有する第１補償抵抗と
   磁気抵抗効果を有する磁性体を有する第１センサ部とが直列に接続され、
   抵抗と温度補償用金属が並列接続される部分を有する第２補償抵抗と
   磁気抵抗効果を有する磁性体を有する第２センサ部とが直列に接続され、
   前記第１補償抵抗と前記第２補償抵抗の端子同士が接続され、
   前記第１センサ部と前記第２センサ部の端子同士が接続され、
   前記再１センサ部と前記第２センサ部の横バイアス付加手段の方向が逆であることを特徴とする磁気センサ素子。
4. 前記第１補償抵抗と直列に接続された第１ブリッジ抵抗と、
   前記第２補償抵抗と直列に接続された第２ブリッジ抵抗をさらに有することを特徴とする請求項３に記載された磁気センサ。
5. 前記第１センサ部と前記第２センサ部の抵抗値−温度特性を直線近似した場合の傾きと切片をそれぞれａ_１、ｂ_１とし、
   前記第１センサ部と前記第２センサ部の差分抵抗値感度を直線近似した場合の傾きと切片をそれぞれａ_２、ｂ_２とし、
   最大補償温度をｔとし、αを１として（３８）式でｋ_０を求め、
   ２α／（１＋α）^２の１≦α≦４の範囲でαを直線に近似した時の傾きと切片をそれぞれｋ_１およびｋ_２とした時に、（４２）式で表されるα（ｔ）に前記第１センサ部の抵抗値を乗じた温度依存性の曲線の１０％の範囲に、前記第１補償抵抗と前記ブリッジ抵抗の合成抵抗が含まれるように調節したことを特徴とする請求項３または４の何れかの請求項に記載された磁気センサ素子。
   

   

   
6. 前記温度補償用金属はＮＴＣサーミスタであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１の請求項に記載された磁気センサ素子。
7. 磁気抵抗効果を有する磁性体と
   前記磁性体に電流を流すために前記磁性体を介して対向した一対の電極と、
   前記電極の対向方向の
   直角方向にバイアス磁界を発生させる横バイアス磁界付加手段と、
   両端に電極を有し、一端の電極が前記一対の電極の他端に直列に接続された温度補償用金属とを有し、
   前記一対の電極間の基準温度時の抵抗値をＲ_Ｂ０とし、前記温度補償用金属の電極間の基準温度時の抵抗をＲ_Ａ０とする時に、（９）式の関係に対して１０％以内の範囲に含まれることを特徴とする温度補償付磁気センサ素子。
   

   

   ここで、α_Ａは温度補償用金属の電気抵抗に係る温度係数、α_Ｂは磁性体の電気抵抗に係る温度係数、β_０は、基準温度における磁気抵抗効果の値、β_Ｂは、磁気抵抗効果に係る温度係数、ｔは基準温度からの変化温度、ΔＶＭＲは磁気抵抗効果によって磁性体の両端から得られる出力電圧、Ｈ_０は外部からの印加磁界、Ｖ_０は磁性体に印加される電圧
8. 前記横バイアス磁界付加手段は前記磁性体の表面に設けられた導電体により構成させることを特徴とする請求項７に記載された温度補償付磁気センサ素子。
9. 磁界を検出する磁気センサであって、
   請求項１または２のいずれかの温度補償付磁気センサ素子と、
   前記温度補償付磁気センサ素子の両端電極間に電流を流す電流源と、
   前記温度補償付磁気センサ素子の前記両端電極間の電圧を計測する電圧計を有することを特徴とする磁気センサ。
10. 電源と負荷が接続線によって接続された回路において前記負荷で消費される電力を計測する電力系であって、
    前記接続線に隣接配置される請求項７または８のいずれかの温度補償付磁気センサ素子と、
    前記温度補償付磁気センサ素子の両端電圧を計測する電圧計と、
    前記温度補償付磁気センサ素子の一端に一端が接続されたセンサ抵抗と、
    前記電源に対して前記負荷と並列に接続するために、前記温度補償付磁気センサ素子の他端に設けられた第１の接続端子と、前記センサ抵抗の他端に設けられた第２の接続端子を有することを特徴とする電力測定装置。
11. 磁気抵抗効果を有する磁性体と、
    前記磁性体に縦バイアス磁界を印加する縦バイアス磁界発生器とを有し、
    前記磁性体の温度が上昇した際に前記縦バイアス磁界の強度が下がり、
    前記磁性体の温度が下降した際に前記縦バイアス磁界の強度が上がることを特徴とする磁気センサ素子。
12. 前記磁性体に対して縦バイアス磁界の強度と抵抗値感度の関係を（４７）式の指数関数で近似した場合の定数をｃ_０、Ａ、βとし、
    特定の縦バイアス磁界の時の温度と抵抗値感度の関係を直線で近似したときの傾きと切片をそれぞれａおよびｂとし、
    基準となる温度ｔからΔｔ℃温度が変化した際に、（５１）式で表される縦バイアス磁界の変化（ΔＨｂ）に対して１０％以内の縦バイアス磁界を印加することを特徴とする請求項１１に記載された磁気センサ素子。
    

    

    

Images