JP6065635B2

JP6065635B2 - 磁気センサ装置

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Publication number: JP6065635B2
Application number: JP2013030480A
Authority: JP
Inventors: 川上　誠; 川上　　誠; 泰典阿部
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Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2017-01-25
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Description

本発明は、磁場の強さを検出する磁気センサ装置に関する。

巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）は、磁場の向きに対しては比較的高精度の検出を行い得るが、磁場の強さに対しては向きに比して検出精度が低い。このようなＧＭＲ素子を用いて磁場の強さを検出する回路を得るには、測定対象の磁場の方向に固定層の磁化方向を配したＧＭＲ素子と、測定対象の磁場の方向に直交する方向に固定層の磁化方向を配したＧＭＲ素子とに対し、測定対象の磁場の方向に直交する向きに、大きさが既知である磁場（バイアス磁場）を印加する。

そして、このバイアス磁場と測定対象磁場との和の向きが測定対象磁場に対してなす角θの余弦の値と、正弦の値とを各ＧＭＲ素子から得て所定のサンプリングタイミングごとにディジタル値に変換する。次に、ここで得たディジタル値の正弦の値を余弦の値で除する演算を演算装置により行って正接の値を求める。この正接の値は、測定対象の磁場の強さをバイアス磁場の強さで除したものにほかならないので、これにより測定対象の磁場の強さが求められる。

ドイツ国特許出願公開第１０１１３１３１号明細書

しかしながら演算装置による除算は、所定のサンプリングタイミングごとに得られるだけであり、連続的な出力値とならない。

一方、特許文献１に開示の技術によると、その図５に示される回路では、上記なす角θの余弦の値に比例する電圧信号を出力するセンサブリッジ４の出力と、参照電圧Ｖref（１２）とを得たオペアンプ回路が、センサブリッジ４の出力を参照電圧に等しくなるように、センサブリッジ４の入力電圧Ｖ（上記なす角θの余弦の値の逆数に比例する）を制御する。この制御された入力電圧Ｖはまた、上記なす角θの正弦の値に比例する電圧信号を出力するセンサブリッジ５（センサブリッジ４に含まれるＧＭＲ素子に対してその固定層の磁化方向が直交するＧＭＲ素子を含んだセンサブリッジ）にも供給される。

このセンサブリッジ５の出力はしたがって、上記なす角θの余弦の値の逆数に比例する入力電圧Ｖに、上記なす角θの正弦の値を乗じた電圧信号を出力することとなり、結局、上記なす角θの正接に比例した信号が得られることとなる。

ところが、この特許文献１の回路では、センサブリッジ５の出力が入力電圧Ｖの範囲で動作することとなるので、電圧利用率が低いという問題点があった。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、電圧利用率を向上できる磁気センサ装置を提供することを、その目的の一つとする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、磁気センサ装置であって、測定対象磁場に直交する方向に、既知の大きさのバイアス磁場を生じさせるバイアス磁石と、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正弦に比例した電圧信号を出力する電圧信号出力手段と、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の余弦に比例した抵抗値を呈する抵抗手段と、前記電圧信号出力手段の出力する電圧信号を、前記抵抗手段の呈する抵抗値の逆数に比例した利得で増幅して、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正接に比例した信号を出力する可変利得増幅器と、を含むこととしたものである。また、本発明の別の側面では、測定対象磁場に直交する方向に、既知の大きさのバイアス磁場を生じさせるコイルと、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正弦に比例した電圧信号を出力する電圧信号出力手段と、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の余弦に比例した抵抗値を呈する抵抗手段と、前記電圧信号出力手段の出力する電圧信号を、前記抵抗手段の呈する抵抗値の逆数に比例した利得で増幅して、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正接に比例した信号を出力する可変利得増幅器と、を含むこととしたものである。

またここで前記電圧信号出力手段が、巨大磁気抵抗効果素子またはホール素子を含んでなるものとしてもよい。

本発明によると、電圧信号出力手段は、ブリッジの出力により入力電圧を制限されていないので、電源電圧の範囲を有効に利用でき、電圧利用率を向上できる。

本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置を電流センサとして利用する場合の例を表す概要図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置を磁気式エンコーダとして利用する場合の例を表す概要図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の回路部の一例を表す概略回路図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の回路部の別の例を表す概略回路図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の回路部のまた別の例を表す概略回路図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の回路部のさらに別の例を表す概略回路図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の回路部のさらにもう一つの例を表す概略回路図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の回路部のパターンの例を表す説明図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置のバイアス磁場印加手段としての平面コイルのパターン例を表す平面図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の平面コイルに重ね合わせられるＧＭＲ素子群の配置例を表す説明図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の平面コイルに重ね合わせられるＧＭＲ素子群の構成例を表す説明図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置１の一例は、図１に例示するような電流センサ、または図２に例示するような磁気式エンコーダ２として利用されるものである。

図１に示す電流センサとしての利用では、磁気センサ装置１は、測定対象の電流が流れる導線４０から、所定の距離だけ離れた位置に配される。そしてこの導線４０を流れる電流Ｉの向き（Ｈｘ軸正の方向とする）に、その磁場の方向（バイアス磁石１０自身がつくり、磁場を検出する検出部に印加する磁力線の向き）が一致するよう配されたバイアス磁石１０と、回路部２０とを含む。ここで回路部２０は、電圧信号出力手段としての第１のＧＭＲ素子群１１及び第１のオペアンプ１２と、抵抗手段としての第２のＧＭＲ素子群１３と、可変利得増幅器である第２のオペアンプ１４と、参照電位供給部１５と、を含んで構成される。なお、ノイズの影響を軽減するためのバイパスコンデンサ等は、適宜挿入するものであるので、ここでは図示を省略する（以下の図において同じ）。例えばバイパスコンデンサは、電源電位の端子と共通電位ＧＮＤの端子の少なくともいずれかの間に挿入する。この場合のコンデンサの容量は、ノイズのレベルに応じて選択すればよい。
なお、後述する図３においては、検出部は、ＧＭＲ素子１１ａ、１１ｂ、及びＧＭＲ素子１３ａ、１３ｂに相当する。図５に示した例では、検出部は、ＧＭＲ素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、及びＧＭＲ素子１３ａ、１３ｂに相当する。

また図２に示す磁気式エンコーダ２では、測定対象となる回転体の回転方向（周方向）に着磁され、周期的に着磁方向がπずつ交代する円環状の磁石スケール３０を用いる。そしてこの磁石スケール３０の外周に、この磁石スケール３０からそれぞれ実質的に等距離に配された２つの磁気センサ装置１を含む。この磁気センサ装置１のバイアス磁石１０は、それぞれ磁石スケール３０の幅方向に、その磁力線の方向が一致するよう配される。なお、図２の磁気式エンコーダ２の例において、２つの磁気センサ装置１の、各バイアス磁石１０の磁力線の方向は、同じ方向に向くように配されてよい。なお、図２において、符号に付けた引出線の矢印を除いて、他の矢印は磁石スケールの着磁方向或いはバイアス磁石１０の着磁方向を表わす。

これらの例において、図３に示すように、第１のＧＭＲ素子群１１は、測定対象の磁場の方向（Ｈｙ方向）に、その固定層が磁化されているＧＭＲ素子１１ａ及び１１ｂを含む。なお、ＧＭＲ素子１１ａとＧＭＲ素子１１ｂとの固定層の磁化方向は角度πだけ異なっている。図３は、本実施の形態に係る磁気センサ装置１の回路部２０の一例（バイポーラ電源の例）を表す概略回路図である。

ここでＧＭＲ素子１１ａ，１１ｂは、電源電位の正極側＋Ｖｃと電源電位の負極側−Ｖｃとの間に直列に接続される。またこれらのＧＭＲ素子１１ａと１１ｂとが互いに接続されている点（この電位を以下Ｖｙとし、この点を点Ｖｙと書く）には、第１のオペアンプ１２の非反転入力端子が、抵抗器Ｒ７を介して接続される。

第２のＧＭＲ素子群１３は、測定対象の磁場に直交する方向（バイアス磁石１０による磁場の方向）に、その固定層が磁化されているＧＭＲ素子１３ａ及び１３ｂを含む。このＧＭＲ素子１３ａとＧＭＲ素子１３ｂとの固定層の磁化方向も角度πだけ異なっている。ここでＧＭＲ素子１３ａの一端側は、第１のオペアンプ１２の非反転入力端子に対して、抵抗器Ｒ８を介して接続されるとともに、この一端側は共通電位ＧＮＤに接続される。またその他端側は、ＧＭＲ素子１３ｂの一端と、第２のオペアンプ１４の反転入力端子とに接続される。ＧＭＲ素子１３ｂの他端側は、第２のオペアンプ１４の出力端子に接続される。またこの第２のオペアンプ１４の出力端子は、抵抗器Ｒ６を介して第２のオペアンプ１４の非反転入力端子に接続されており、この第２のオペアンプ１４の出力端子の出力電位Ｖｏが、そのままこの回路部２０の出力電位（つまり、電流センサ１ないし磁気式エンコーダ２の出力電位）Ｖｏとなる。第２のオペアンプ１４の出力端子からは連続的な出力値を得ることができる。

参照電位供給部１５は、実質的に同じ抵抗値を示す２つの抵抗器Ｒ１１，Ｒ１２を直列に、電源電位の正極＋Ｖｃと、負極−Ｖｃとの間に接続したものである。この抵抗器Ｒ１１，Ｒ１２を互いに接続した点は従って、電源電位の中点電位となる。本実施の形態の一例では、この中点電位が参照電位Ｖref（バイポーラ電源であるので中点電位は「０」）となる。

なお、この回路部２０の例では、第１のＧＭＲ素子群１１を構成するＧＭＲ素子１１ａ及び１１ｂと、参照電位供給部１５の２つの抵抗器Ｒ１１，Ｒ１２とは、第１のオペアンプ１２からするとブリッジ回路を形成している。そこでこれらの２つの抵抗器Ｒ１１，Ｒ１２は、ＧＭＲ素子と同じ材質の膜を用いて形成してもよい。ただし、磁気抵抗変化率が十分に低い抵抗器、或いは電気抵抗が変化しない抵抗器とすることが好ましい。これにより温度により変化するＧＭＲ素子の特性を補償する効果を得ることもできる。

参照電位Ｖrefは、抵抗器Ｒ９を介して第１のオペアンプ１２の反転入力端子に接続される。また第１のオペアンプ１２の出力端子は、抵抗器Ｒ１０を介して第１のオペアンプ１２の反転入力端子に接続される。この第１のオペアンプ１２の出力端子の電位を以下Ｖｉとする。この第１のオペアンプ１２の出力端子は、抵抗器Ｒ５を介して第２のオペアンプ１４の非反転入力端子に接続されている。また第１のオペアンプ１２の非反転入力端子は抵抗器Ｒ８を介して共通電位ＧＮＤにも接続される。

本実施の形態の磁気センサ装置１の回路部２０は以上の構成を備えて、次のように動作する。ＧＭＲ素子１１ａ及び１１ｂの抵抗値Ｒ１，Ｒ２は、いずれか一方の固定層の磁化方向と外部磁場とのなす角θを用いて、
Ｒ１＝Ｒm−ｒ・ｓｉｎθ、
Ｒ２＝Ｒm＋ｒ・ｓｉｎθ、
と書かれる。なお、ＲｍはＧＭＲ素子の中で固定層磁化方向と自由層磁化方向が直交しているときの、ＧＭＲ素子の電気抵抗値に相当する。ｓｉｎθの符号がＧＭＲ素子１１ａと１１ｂとで異なるのは、固定層の磁化方向が互いに角度πだけ異なっているためである。

一方、ＧＭＲ素子１３ａの抵抗値Ｒ４、及びＧＭＲ素子１３ｂの抵抗値Ｒ３は、いずれか一方の固定層の磁化方向と外部磁場とのなす角θを用いて、
Ｒ３＝Ｒm−ｒ・ｃｏｓθ、
Ｒ４＝Ｒm＋ｒ・ｃｏｓθ、
と書かれる。Ｒｍは、ＧＭＲ素子の中で固定層磁化方向と自由層磁化方向が直交しているときの、ＧＭＲ素子の電気抵抗値に相当する。ｃｏｓθの符号がＧＭＲ素子１３ａと１３ｂとで異なるのは、固定層の磁化方向が互いに角度πだけ異なっているためである。

ＧＭＲ素子１１ａ及び１１ｂによる中点電位Ｖｙは、電流をｉ、

として、

と表される。一方、参照電位Ｖrefは既に述べたように「０」であるから、第１のオペアンプ１２の非反転入力の電位Ｖ＋と、反転入力の電位Ｖ−とはそれぞれ次の（１），（２）式で表されるものとなる：

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

と書ける。しかしながらここではＶrefは０であるので、結局Ｖiは、

と書くことができる。

このように本実施の形態では、電圧信号出力手段に供給される電源電位が、一定の電位を保ち、他の回路によって制限されることがないので、出力される電圧信号の幅が、従来に比べ大きくなっている。

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

と書かれる。これらはバーチャルショートとなるから、Ｖ＋＝Ｖ−であり、従って、

となる。

ここでＶｏは、第２のオペアンプ１４の出力電位であって、

であり、Ｖiは（３）式で与えられる通りである。ここで抵抗器Ｒ５とＲ６とがともに抵抗値Ｒａの抵抗であるようにすれば、

となるので、（３）式を用いて、第２のオペアンプ１４の出力電位Ｖｏ、すなわち回路部２０の出力電位Ｖｏが、

となって、角θの正接に比例する信号が出力されることとなる。

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

なので、この回路部２０の出力はそのまま、この比に比例する値となっている。

またここまでの例では、バイポーラ電源を利用する例について述べたが、本実施の形態はこれに限られない。

図４は、単電源による回路部２０の構成例を表す概略回路図である。この図４に例示するように、単電源による回路部２０の一例は、電圧信号出力手段としての第１のＧＭＲ素子群１１及び第１のオペアンプ１２と、抵抗手段としての第２のＧＭＲ素子群１３と、可変利得増幅器である第２のオペアンプ１４と、参照電位供給部１５′と、を含んで構成される。なお、先に説明したバイポーラ電源の場合と同様の構成となるものについては同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

この例において第１のＧＭＲ素子群１１のＧＭＲ素子１１ａとＧＭＲ素子１１ｂとは電源電位＋Ｖｃと、共通電位ＧＮＤとの間に直列に接続される。そしてこれらＧＭＲ素子１１ａとＧＭＲ素子１１ｂとの接続点（中点）は、第１のオペアンプ１２の非反転入力端子に接続される。またこの第１のオペアンプ１２の出力端子は抵抗器Ｒ８を介して第１のオペアンプ１２の反転入力端子に接続されるとともに、抵抗器Ｒ５を介して第２のオペアンプ１４の非反転入力端子に接続される。

第２のＧＭＲ素子群１３のＧＭＲ素子１３ａとＧＭＲ素子１３ｂとの接続点（中点）には、第２のオペアンプ１４の反転入力端子が接続される。またＧＭＲ素子１３ａの、上記接続点とは異なる側の端子は、参照電位供給部１５′の出力端子に接続され、また抵抗器Ｒ７を介して第１のオペアンプ１２の反転入力端子に接続されている。

また第２のオペアンプ１４の出力端子は、そのまま回路部２０の出力端子に接続されるとともに、抵抗器Ｒ６を介して第２のオペアンプ１４の非反転入力端子に接続される。さらにこの第２のオペアンプ１４の出力端子は第２のＧＭＲ素子群１３のＧＭＲ素子１３ｂの、上記接続点とは異なる側の端子にも接続される。

参照電位供給部１５′は、実質的に同じ抵抗値である２つの抵抗器Ｒ９，Ｒ１０（つまりＲ９＝Ｒ１０）と、第３のオペアンプ１６とを含む。この抵抗器Ｒ９，Ｒ１０は、電源電位＋Ｖｃと、共通電位ＧＮＤとの間に直列に接続される。そしてこれらの抵抗器Ｒ９と、Ｒ１０とを接続する点には、第３のオペアンプ１６の非反転入力端子が接続される。さらに第３のオペアンプ１６の出力端子は、参照電位供給部１５′の出力端子となるとともに、第３のオペアンプ１６の反転入力端子にも接続されている。

この例においても、ＧＭＲ素子１１ａ及び１１ｂの抵抗値Ｒ１，Ｒ２は、いずれか一方の固定層の磁化方向と外部磁場とのなす角θを用いて、
Ｒ１＝Ｒm−ｒ・ｓｉｎθ、
Ｒ２＝Ｒm＋ｒ・ｓｉｎθ、
と書かれる。なお、ｓｉｎθの符号がＧＭＲ素子１１ａと１１ｂとで異なるのは、固定層の磁化方向が互いに角度πだけ異なっているためである。

またＧＭＲ素子１３ａの抵抗値Ｒ４、及びＧＭＲ素子１３ｂの抵抗値Ｒ３は、いずれか一方の固定層の磁化方向と外部磁場とのなす角θを用いて、
Ｒ３＝Ｒm−ｒ・ｃｏｓθ、
Ｒ４＝Ｒm＋ｒ・ｃｏｓθ、
と書かれる。ｃｏｓθの符号がＧＭＲ素子１３ａと１３ｂとで異なるのは、固定層の磁化方向が互いに角度πだけ異なっているためである。そしてここではＲ５＝Ｒ６、Ｒ９＝Ｒ１０、Ｒ７＝Ｒ９＝Ｒｊ、Ｒ８＝Ｒ１０＝Ｒｋとする。

そしてこの例では、計算の結果、回路部２０の出力端子の電位Ｖｏは、

となる。この（４）式によると、単電源の場合の出力電位は、Ｖｃ／２だけオフセットしているが、角θの正接に比例する項が含まれるので、その出力から、測定対象が検出部に印加する「磁場の強さ」が求められる。つまり、電流センサ１として用いるのであれば、検知の対象である電流量がここで求めた「磁場の強さ」に比例するので、適宜比例定数を定めて（例えば実験による）、電流量を得ることができる。この「磁場の強さ」は、単位をエルステッド(Ｏe)或いはアンペア毎メートル(Ａ／ｍ)とするものである。

また磁気エンコーダ２として用いるのであれば、図２の構成から、異なる二箇所において、磁石スケール３０の回転方向の磁束密度分布に比例した「磁場の強さ」が検出できるので、これらの位置での「磁場の強さ」の変化をみることで磁気スケール３０の回転量を得ることができる（このための具体的方法は広く知られた方法を採用できるので、ここでの詳しい説明を省略する）。

さらに本発明の別の例では、第１のＧＭＲ素子群をフルブリッジ構成とするとともに、この第１のＧＭＲ素子群と、インスツルメンテーションアンプとを用いて電圧信号出力手段を実現するものである。この例に係る回路部２０の構成例は、図５に示すように、電圧信号出力手段としての第１のＧＭＲ素子群１１′及びインスツルメンテーションアンプ１７と、抵抗手段としての第２のＧＭＲ素子群１３と、可変利得増幅器であるオペアンプ１４′と、参照電位供給部１５′と、を含んで構成される。なお、先に説明した回路部２０におけるものと同様の構成となるものについては同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

この例での第１のＧＭＲ素子群１１′は、ＧＭＲ素子１１ａから１１ｄの４つのＧＭＲ素子１１を含む。ここでＧＭＲ素子１１ａと１１ｂとが、電源電位＋Ｖｃと、共通電位ＧＮＤとの間に直列に接続される。また、ＧＭＲ素子１１ｃと１１ｄとが、さらに電源電位＋Ｖｃと、共通電位ＧＮＤとの間に直列に接続される。電源電位Ｖｃ側に接続されるＧＭＲ素子１１ａと、共通電位ＧＮＤ側に接続されるＧＭＲ素子１１ｄとは、測定対象が検出部に印加する磁場の方向（Ｈｙ方向）に平行な一方方向に、その固定層が磁化されている。また電源電位＋Ｖｃ側に接続されるＧＭＲ素子１１ｃと、共通電位ＧＮＤ側に接続されるＧＭＲ素子１１ｂとは、ＧＭＲ素子１１ａ，ｄとは角度πだけ異なった方向（Ｈｙに平行な他方方向）にその固定層が磁化されている。ＧＭＲ素子１１ａ、１１ｄをＲ１とし、ＧＭＲ素子１１ｂ、１１ｃをＲ２とする。

インスツルメンテーションアンプ１７は、３つのオペアンプ１７ａから１７ｃ並びに抵抗器Ｒ７〜Ｒ１３を含んでなる。このインスツルメンテーションアンプ１７は広く知られたものであるので、その動作等についての説明を省略するが、基準電位端子Ｖｘ側には抵抗器Ｒ１１を介して参照電位供給部１５′の出力端子が接続され、またインスツルメンテーションアンプ１７の出力端子ｏｕｔには、抵抗器Ｒ５を介しオペアンプ１４′の非反転入力端子が接続される。

第２のＧＭＲ素子群１３は、測定対象が検出部に印加する磁場に直交する方向（バイアス磁石１０による磁場の方向）に、その固定層が磁化されているＧＭＲ素子１３ａ及び１３ｂを含む。このＧＭＲ素子１３ａとＧＭＲ素子１３ｂとの固定層の磁化方向も角度πだけ異なっている。ここでＧＭＲ素子１３ａの一端側は、参照電位供給部１５′の出力端子に接続される。またＧＭＲ素子１３ａの他端側は、ＧＭＲ素子１３ｂの一端側に接続される。さらにＧＭＲ素子１３ｂの他端側は、オペアンプ１４′の出力端子に接続される。そしてこれらの接続点（ＧＭＲ素子１３ａの他端側とＧＭＲ素子１３ｂの一端側との接続点、つまり中点）には、オペアンプ１４′の反転入力端子が接続される。

さらにオペアンプ１４′の出力端子は、回路部２０の出力端子に接続されるとともに、抵抗器Ｒ６を介してオペアンプ１４′の非反転入力端子に接続される。

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

となる。
なお図５のＧＭＲ素子１１ｃ、１１ｄを、図３記載のＲ１１、Ｒ１２のような固定の抵抗器で置き換える場合、回路部２０の出力電位Ｖｏは（５）式の分子の「２ｎ」を「ｎ」に変更したものとなる。

つまり、この回路部２０によっても、その出力はＶｃ／２だけオフセットしているが、角θの正接に比例する項が含まれるので、その出力から、測定対象が検出部に印加する磁場の強さＨが求められる。

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

となる。
なお図６の回路部では、Ｒ５＝Ｒ６、Ｒ１４＝Ｒ１５、Ｒ７＝Ｒ１０、Ｒ８＝Ｒ９とする。

さらにここまでの説明では、電圧信号出力手段として第１のＧＭＲ素子群１１に加え、必ず最終段の可変利得増幅器とは異なる増幅器を含むこととしていたが、本実施の形態はこれに限られない。図７は、図４に例示した単電源の例において電圧信号出力手段をさらに簡易なものに置き換えた回路部２０の例を示すものである。

図７に例示する回路部２０は、電圧信号出力手段としての第１のＧＭＲ素子群１１、抵抗手段としての第２のＧＭＲ素子群１３″と、可変利得増幅器であるオペアンプ１４″と、参照電位供給部１５と、を含んで構成される。ここでも既に説明したものと同様の構成となるものについては同じ符号を付して詳しい説明を省略する。

この図７の例では、第１のＧＭＲ素子群１１は、測定対象が検出部に印加する磁場の方向（Ｈｙ方向）に、その固定層が磁化されているＧＭＲ素子１１ａ及び１１ｂを含む。なお、ＧＭＲ素子１１ａとＧＭＲ素子１１ｂとの固定層の磁化方向は角度πだけ異なっている。

ここでＧＭＲ素子１１ａ，１１ｂは、電源電位の正極側＋Ｖｃと共通電位ＧＮＤとの間に直列に接続される。またこれらのＧＭＲ素子１１ａと１１ｂとを結ぶ点（電位Ｖｙの点）には、オペアンプ１４″の非反転入力端子が、抵抗器Ｒ５を介して接続される。

また第２のＧＭＲ素子群１３″は、測定対象が検出部に印加する磁場に直交する方向（バイアス磁石１０による磁場の方向）に、その固定層が磁化されているＧＭＲ素子１３″ａ及び１３″ｂを含む。このＧＭＲ素子１３″ａとＧＭＲ素子１３″ｂとの固定層の磁化方向も角度πだけ異なっている。ここでＧＭＲ素子１３″ａの一端側は、参照電位供給部１５の出力端子に接続される。またその他端側は、ＧＭＲ素子１３″ｂの一端とオペアンプ１４″の反転入力端子とに接続される。ＧＭＲ素子１３″ｂの他端側は、オペアンプ１４″の出力端子に抵抗器Ｒ９を介して接続される。またオペアンプ１４″の出力端子は、抵抗器Ｒ６を介してオペアンプ１４″の非反転入力端子に接続されている。このオペアンプ１４″の出力端子の出力電位Ｖｏが、回路部２０の出力電位Ｖｏとなる。

参照電位供給部１５は、電源電位の正極側＋Ｖｃと共通電位ＧＮＤとの間に、抵抗器Ｒ７とＲ８とを直列に接続したものである。この抵抗器Ｒ７とＲ８との接続点（中点）が、参照電位供給部１５の出力端子となる。なお、抵抗器Ｒ７，Ｒ８の抵抗値は互いに、実質的に等しいものとし、この抵抗値は、抵抗器Ｒ９の抵抗値Ｒ９を用いて、２×Ｒ９に実質的に等しいものとする。なお、これらの２つの抵抗器Ｒ７，Ｒ８も、ＧＭＲ素子と同じ材質の膜を用いて形成してもよい。ただし、磁気抵抗変化率が十分に低い抵抗器、或いは電気抵抗が変化しない抵抗器とすることが好ましい。これにより温度により変化するＧＭＲ素子の特性を補償する効果を得ることもできる。この抵抗器Ｒ９は、オペアンプ１４″の入力側に抵抗器Ｒ７の１／２の抵抗成分がＲｍとともに評価されることを考慮して、この成分とのバランスをとるために加入したものである。

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

となる。この回路部２０によっても、その出力はＶｃ／２だけオフセットしているが、角θの正接に比例する項が含まれるので、その出力から、測定対象が検出部に印加する磁場の強さが求められる。

図８（ａ）は、電圧信号出力手段である第１のＧＭＲ素子群がハーフブリッジを構成する場合（抵抗器とＧＭＲ素子とでフルブリッジを構成する場合を含む）におけるＧＭＲ素子を配した基板（センサ基板）のパターンの例を示した概要図である。この図８（ａ）では、各ＧＭＲ素子の固定層の磁化方向を、ＧＭＲ素子上の矢印で示している。また測定対象がセンサ基板に印加する磁場の方向Ｈｙと、センサ基板の面内でこの磁場の方向Ｈｙに直交するバイアス磁石１０（図８では図示せず）がセンサ基板に印加する磁場の方向（Ｈｘ軸の方向）とを、併せて矢印で示している。

図８（ａ）に例示するように、第１のＧＭＲ素子群１１に含まれるＧＭＲ素子１１ａ，１１ｂの固定層は、測定対象の磁場の方向Ｈｙに対して平行に磁化されており、各素子の固定層の磁化方向は互いに角度πだけ異なっている。一方、第２のＧＭＲ素子群１３に含まれるＧＭＲ素子１３ａ，１３ｂの固定層は、バイアス磁石１０のつくる磁場の方向Ｈｘに対して平行に磁化されており、各素子の固定層の磁化方向は互いに角度πだけ異なっている。各ＧＭＲ素子１１ａ，１１ｂ，１３ａ，１３ｂの両端側の端子は、外部に引出されて、回路部２０の他の回路素子に接続される。この回路素子は別の基板上に配されてもよいし、このセンサ基板に配されてもよい。

また図８（ｂ）は、電圧信号出力手段である第１のＧＭＲ素子群がフルブリッジを構成する場合におけるＧＭＲ素子を配した基板（センサ基板）のパターンの例を示した概要図である。

図８（ｂ）に例示するように、第１のＧＭＲ素子群１１′に含まれるＧＭＲ素子１１′ａ〜１１′ｄの固定層は、測定対象がセンサ基板（の検出部）に印加する磁場の方向Ｈｙに対して平行に磁化されており、ＧＭＲ素子１１′ａと１１′ｂの固定層の磁化方向は互いに角度πだけ異なり、ＧＭＲ素子１１′ａと１１′ｄの固定層の磁化方向は同じであり、ＧＭＲ素子１１′ｃと１１′ｄの固定層の磁化方向は互いに角度πだけ異なる。一方、第２のＧＭＲ素子群１３に含まれるＧＭＲ素子１３ａ，１３ｂの固定層は、バイアス磁石１０のつくる磁場の方向Ｈｘに対して平行に磁化されており、各素子の固定層の磁化方向は互いに角度πだけ異なっている。各ＧＭＲ素子１１′ａ〜１１′ｄ，１３ａ，１３ｂの両端側の端子は、外部に引出されて、回路部２０の他の回路素子に接続される。この回路素子は別の基板上に配されてもよいし、このセンサ基板に配されてもよい。

さらに、ここまでの例において、第１のＧＭＲ素子群１１は、ホール素子に置き換えられてもよい。ホール素子に置き換える場合、入力端子Ｉｎ＋には電源電位＋Ｖｃを接続し、Ｉｎ−は−Ｖｃまたは共通電位ＧＮＤに接続する。さらに出力端子Ｏｕｔ＋，Ｏｕｔ−は、それぞれ差動出力となるので、例えばそれぞれ第１のオペアンプ１２の非反転入力端子と、反転入力端子とに接続すればよい。

以上のように、本実施の形態によると、測定対象磁場に直交する方向に、既知の大きさのバイアス磁場を生じさせるバイアス磁石１０を配する。そしてＧＭＲ素子群１１により、このバイアス磁場と測定対象磁場との合成磁場が、測定対象磁場の方向に対してなす角θの正弦（ｓｉｎθ）に比例した電圧信号を出力させる。この電圧信号は適宜増幅してもよい。

一方、このＧＭＲ素子群１１に含まれるＧＭＲ素子１１の固定層の着磁方向に対して、π／２だけ回転した方向に、その固定層が着磁されているＧＭＲ素子１３を含んだ、第２のＧＭＲ素子群１３を用いて、測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、測定対象磁場の方向に対してなす角θの余弦（ｃｏｓθ）に比例した抵抗値の抵抗を得る。

そして可変利得増幅器を用いて、電圧信号出力手段としての第１のＧＭＲ素子群１１による電圧信号（ｓｉｎθに比例）を、この第２のＧＭＲ素子群１３による抵抗値の逆数（１／ｃｏｓθ）に比例した利得で増幅して、測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、測定対象磁場の方向に対してなす角θの正接（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）に比例した信号を出力させる。

なお、第１のＧＭＲ素子群（図４の１１ａ、１１ｂなど）に代えてホール素子を用いる場合も同様に、ホール素子の感磁方向と、第２のＧＭＲ素子群１３に含まれるＧＭＲ素子１３の固定層の着磁方向とをπ／２だけ異なる方向としておけばよい。

またここまでの説明において、磁気センサ装置１のバイアス磁石１０は永久磁石であるものとしてきたが、本実施の形態はこれに限られるものではない。本実施の形態の一例に係る磁気センサ装置１では、少なくとも電圧信号出力手段としての第１のＧＭＲ素子群１１（またはＧＭＲ素子群１１′）、及び、抵抗手段としての第２のＧＭＲ素子群１３が、例えば図８（ａ），（ｂ）に例示したように、センサ基板上に形成される。

そしてこの例においては、図８に例示したセンサ基板の面に平行な平面内に薄膜の平面コイル５０を配し、この平面コイル５０に電流を供給することにより、平面コイル５０を、既知の大きさのバイアス磁場を生じさせるバイアス磁場印加手段として機能させる。

図９は、平面コイル５０の一例に係る平面図である。図９に例示するようにバイアス磁場印加手段として機能する平面コイル５０は、導線４０を流れる電流Ｉの向き（Ｈｘ方向）に平行な導線と、センサ基板の面に平行な面内で、この向きＨｘに直交する方向（Ｈｙ方向）に平行な導線とを交互に接続して、スパイラル状に形成したものである。本実施の形態では、平面コイル５０のうちＨｙ方向に平行な導線の部分が、センサ基板の上方に所定の距離（例えば１乃至５μｍ）を置いて配される。このような配置は薄膜プロセスによって実現できる。

本実施の形態のある例では、この平面コイル５０に対して内周側の端部には電源＋Ｖｃが接続され、外周側端部は、共通電位（ＧＮＤ）に接続される。つまりこの平面コイル５０には、内周側から外周側へと電流Ｉbが流れる。これにより、平面コイル５０のうちＨｙ方向に平行な導線の部分では、Ｈｘ方向（測定対象の電流Ｉの向き）または測定対象の電流Ｉとは反対向き（Ｈｘ軸の負の方向）の磁場が形成される。図９の例で、破線で表す部分Ｐがセンサ基板に重ね合わせられる部分であるとすると、この部分の下部では測定対象の電流Ｉに対して逆向き（Ｈｘ軸の負の方向）の磁場が形成されている。

そこで本実施の形態のこの例では、例えば図３に示したものと同様の回路を用いる。すなわち、ここでＧＭＲ素子１１ａ，１１ｂは、電源電位の正極側＋Ｖｃと電源電位の負極側−Ｖｃとの間に直列に接続される。またこれらのＧＭＲ素子１１ａと１１ｂとが互いに接続されている点（この電位を以下Ｖｙとし、この点を点Ｖｙと書く）には、第１のオペアンプ１２の非反転入力端子が、抵抗器Ｒ７を介して接続される。

第２のＧＭＲ素子群１３は、測定対象の磁場に直交する方向（平面コイル５０が回路部２０のある場所に形成する磁場の方向）に、平行又は反平行となるように、その固定層が磁化されているＧＭＲ素子１３ａ及び１３ｂを含む。このＧＭＲ素子１３ａとＧＭＲ素子１３ｂとの固定層の磁化方向も角度πだけ異なっている。ここでＧＭＲ素子１３ｂの一端側は、共通電位ＧＮＤに接続される。またその他端側は、ＧＭＲ素子１３ａの一端と、第２のオペアンプ１４の反転入力端子とに接続される。ＧＭＲ素子１３ａの他端側は、第２のオペアンプ１４の出力端子に接続される。またこの第２のオペアンプ１４の出力端子は、抵抗器Ｒ６を介して第２のオペアンプ１４の非反転入力端子に接続されており、この第２のオペアンプ１４の出力端子の出力電位Ｖｏが、そのままこの回路部２０の出力電位（つまり、電流センサ１ないし磁気式エンコーダ２の出力電位）Ｖｏとなる。

参照電位Ｖrefは、抵抗器Ｒ９を介して第１のオペアンプ１２の反転入力端子に接続される。また第１のオペアンプ１２の出力端子は、抵抗器Ｒ１０を介して第１のオペアンプ１２の反転入力端子に接続される。この第１のオペアンプ１２の出力端子の電位を以下Ｖｉとする。この第１のオペアンプ１２の出力端子は、抵抗器Ｒ５を介して第２のオペアンプ１４の反転入力端子に接続されている。また第１のオペアンプ１２の非反転入力端子は抵抗器Ｒ８を介して共通電位ＧＮＤにも接続される。
本実施の形態のこの例においても、平面コイル５０がバイアス磁場印加手段として機能し、永久磁石を利用した例と同様に動作する。またこの例では、平面コイルが薄膜プロセスにより形成可能となる。

さらに、ＧＭＲ素子群１１（またはＧＭＲ素子群１１′）に含まれる各ＧＭＲ素子が、いずれもＨｘ軸方向に実質的に一定のバイアス磁場内に配され、また、ＧＭＲ素子群１３に含まれる各ＧＭＲ素子が、いずれもＨｘ軸方向に実質的に一定のバイアス磁場内に配されていればよく、ＧＭＲ素子群１１と、ＧＭＲ素子群１３とのそれぞれが配される場所でのバイアス磁場の方向は互いに反対向き（一方がＨｘ軸正の方向であり、他方がＨｘ軸負の方向）であってもよい。

従って、図１０に例示する平面コイル５０の導線パターンにおいてＨｙ軸方向に平行に導線が配されている範囲（Ｐ，Ｑ）のうち、電流がＨｙ軸負の方向（Ｈｙ軸の矢印とは逆の方向）に向かう側（範囲Ｐ）に重なり合う位置に、ＧＭＲ素子群１１（またはＧＭＲ素子群１１′）を配し、また、電流がＨｙ軸正の方向（Ｈｙ軸の矢印の方向）に向かう側（範囲Ｑ）に重なり合う位置にＧＭＲ素子群１３を配してもよい。なお図１０では説明のため、平面コイル５０の導線パターンを透過して、この導線パターンの下部に位置するＧＭＲ素子群を併せて図示している。この図１０に例示した場合であっても、回路部２０は既に述べたものと同じものを用いることができるが、ＧＭＲ素子１３ａは、Ｈｘ軸負の方向に固定層が磁化されたものとなり、ＧＭＲ素子１３ｂは、Ｈｘ軸正の方向に固定層が磁化されたものとなる。このように配したことにより、平面コイル５０の大きさを、回路部２０のパターンの大きさと同等にすることができるようになる。

この場合、ＧＭＲ素子群１１，１１′，１３は、図１１（ａ），（ｂ）に例示するように、固定層の磁化方向が互いに角度πだけ異なっている一対の直線状のＧＭＲ素子を平行に配し、一方端同士を導線にて接続してパッドを引き出したものとなる。また各ＧＭＲ素子の他方端側にはそれぞれパッドを接続しており、ＧＭＲ素子群１１，１１′，１３は、実質的にΠ字状に形成される。なお、固定層の磁化方向は、ＧＭＲ素子を流れる電流の向きであってもよいし、当該電流の向きに直交する方向であってもよい。さらに、別の例に係るＧＭＲ素子群１１，１１′，１３は、ＧＭＲ素子を流れる電流の向きに固定層を磁化したＧＭＲ素子と、当該電流の向きに直交する方向に固定層を磁化したＧＭＲ素子とを用い、図１１（ｃ）に例示するように、実質的にＬ字状に形成してもよい。これらの図において、ＧＭＲ素子に重ね合わせて示した矢印が固定層の磁化方向を表す。

図３に示した回路部２０を備えた、本実施の形態の磁気センサ装置１による測定結果の例として、外部から測定対象としての印加磁場を約−４０００Ａ／ｍ（−５０Ｏｅ）から＋４０００Ａ／ｍ（５０Ｏｅ）まで変化させながら、回路部２０の出力電位Ｖｏを測定した。

この結果、出力電位Ｖｏは、約−２５００Ａ／ｍ（−３０Ｏｅ）から＋２５００Ａ／ｍ（３０Ｏｅ）までの範囲で測定対象の磁場の強さに比例して変化した。このように出力電位Ｖｏにより、オペアンプの出力が飽和しない範囲で、測定対象の磁場の強さに比例した信号を出力できることがわかった。

１磁気センサ装置、２磁気式エンコーダ、１０バイアス磁石、１１，１１′ 第１のＧＭＲ素子群、１２第１のオペアンプ、１３，１３″ 第２のＧＭＲ素子群、１４第２のオペアンプ、１４′，１４″ オペアンプ、１５，１５′ 参照電位供給部、１６第３のオペアンプ、１７，１７′ インスツルメンテーションアンプ、２０回路部、３０磁石スケール、４０導線、５０平面コイル。

Claims

測定対象磁場に直交する方向に、既知の大きさのバイアス磁場を生じさせるバイアス磁石と、
前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正弦に比例した電圧信号を出力する電圧信号出力手段と、
前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の余弦に比例した抵抗値を呈する抵抗手段と、
前記電圧信号出力手段の出力する電圧信号を、前記抵抗手段の呈する抵抗値の逆数に比例した利得で増幅して、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正接に比例した信号を出力する可変利得増幅器と、
を含む磁気センサ装置。
請求項１記載の磁気センサ装置であって、
前記電圧信号出力手段が、巨大磁気抵抗効果素子またはホール素子を含んでなる磁気センサ装置。
測定対象磁場に直交する方向に、既知の大きさのバイアス磁場を生じさせるコイルと、
前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正弦に比例した電圧信号を出力する電圧信号出力手段と、
前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の余弦に比例した抵抗値を呈する抵抗手段と、
前記電圧信号出力手段の出力する電圧信号を、前記抵抗手段の呈する抵抗値の逆数に比例した利得で増幅して、前記測定対象磁場とバイアス磁場との合成磁場が、前記測定対象磁場の方向に対してなす角の正接に比例した信号を出力する可変利得増幅器と、
を含む磁気センサ装置。
請求項３記載の磁気センサ装置であって、
少なくとも前記電圧信号出力手段及び抵抗手段が、センサ基板上に形成され、
前記コイルは、前記センサ基板の面に平行な平面内に配されており、当該コイルに電流を供給することにより、前記既知の大きさのバイアス磁場を生じさせる磁気センサ装置。