磁気センサ
【課題】ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との成す角度に対して検出精度が異なることを簡素な構成で抑制することができると共に、応答速度を向上させることができる磁気センサを提供する。
【解決手段】磁化方向が所定方向に固定されたピン層１１および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層１３を有し、ピン層１１の磁化方向とフリー層１３の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化する第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２を有する検出部１０を備える。そして、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２をピン層１１の磁化方向が互いに直交する状態で直列接続し、検出部１０から第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の中点電圧を検出信号として出力する。
【解決手段】磁化方向が所定方向に固定されたピン層１１および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層１３を有し、ピン層１１の磁化方向とフリー層１３の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化する第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２を有する検出部１０を備える。そして、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２をピン層１１の磁化方向が互いに直交する状態で直列接続し、検出部１０から第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の中点電圧を検出信号として出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁化方向が固定されたピン層および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層を有する複数の磁気抵抗素子を用いて構成される磁気センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複数の磁気抵抗素子を用いて構成される磁気センサが提案されている。このような磁気抵抗素子は、磁化方向が所定方向に固定されたピン層および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層を有し、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が正弦波または余弦波のように変化する。したがって、磁気センサから正弦値を含む信号または余弦値を含む信号がセンサ信号として出力される。
【０００３】
しかしながら、正弦値を含む信号または余弦値を含む信号をそのままセンサ信号として出力すると、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との成す角度に対してセンサ信号がリニアに変化する（比例する）信号とならず、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との成す角度に応じて検出精度が異なるという問題がある。
【０００４】
このため、例えば、特許文献１には、抵抗値が正弦波のように変化する第１磁気抵抗素子と、抵抗値が余弦波のように変化する第２磁気抵抗素子と、第１、第２磁気抵抗素子から出力される信号をａｒｃｔａｎ演算するａｒｃｔａｎ演算手段とを備える回転センサが提案されている。
【０００５】
この回転センサでは、第１、第２磁気抵抗素子から得られる信号をａｒｃｔａｎ演算し、演算結果をセンサ信号として出力するため、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との成す角度に対してセンサ信号がリニアに変化する信号となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２５８１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記回転センサでは、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との成す角度に対してセンサ信号がリニアに変化する信号となるものの、ａｒｃｔａｎ演算をするための複雑な装置、回路、プログラム等が必要であるという問題がある。また、ａｒｃｔａｎ演算をすることにより、応答速度が遅いという問題もある。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との成す角度に対して検出精度が異なることを簡素な構成で抑制することができると共に、応答速度を向上させることができる磁気センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行い、例えば、所定角度範囲内を回転すると共に外部磁界を生成する回転体の回転角度を検出する磁気センサのような場合には、少なくとも回転体の回転可能な範囲内において、リニアに変化する信号を得られればよいことに着目した。
【００１０】
このため、請求項１に記載の発明では、磁化方向が所定方向に固定されたピン層（１１）および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層（１３）を有し、ピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化する第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）を有する検出部（１０）を備え、第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）は、ピン層（１１）の磁化方向が互いに直交する状態で直列接続されており、検出部（１０）は、第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）の中点電圧を検出信号として出力することを特徴としている。
【００１１】
このような磁気センサでは、第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）におけるピン層（１１）の磁化方向が互いに直交している。このため、検出信号は、所定角度範囲内でピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度（磁場入射角度）に対してほぼリニアに変化する信号となる（図８および図９参照）。すなわち、従来のように、ａｒｃｔａｎ演算をするための複雑な装置、回路、プログラム等を必要とせず、所定角度範囲内でピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度（磁場入射角度）に対してほぼリニアに変化する信号を簡素な構成で出力することができる。さらに、ａｒｃｔａｎ演算を行う必要もないので応答速度を向上させることもできる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明のように、検出信号に対して所定の演算を行う信号処理部（２０）を備え、検出部（１０）は、磁化方向が第２磁気抵抗素子（Ｒ２）におけるピン層（１１）の磁化方向と平行な方向に固定されたピン層（１１）および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層（１３）を有し、ピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化し、第１磁気抵抗素子（Ｒ１）と共に電源に接続される第３磁気抵抗素子（Ｒ３）と、磁化方向が第１磁気抵抗素子（Ｒ１）におけるピン層（１１）の磁化方向と平行な方向に固定されたピン層（１１）および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層（１３）を有し、ピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化し、第２磁気抵抗素子（Ｒ２）と共に接地されると共に第３磁気抵抗素子（Ｒ３）と直列接続される第４磁気抵抗素子（Ｒ４）と、を有し、第１〜第４磁気抵抗素子（Ｒ１〜Ｒ４）によってフルブリッジ回路が構成され、第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）の中点電圧を第１検出信号として出力すると共に第３、第４磁気抵抗素子（Ｒ３、Ｒ４）の中点電圧を第２検出信号として出力するものとすることができる。そして、信号処理部（２０）は、第１検出信号から第２検出信号を減算する演算を行い、演算した結果をセンサ信号として出力するものとすることができる。
【００１３】
このように、検出部（１０）をフルブリッジ回路にて構成した場合においても所定角度範囲内においてピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度（磁場入射角度）に対してほぼリニアに変化する信号を得ることができる（図３および図５参照）。そして、検出部（１０）をフルブリッジ回路で構成することにより、検出感度を高くすることができる。
【００１４】
また、請求項３の記載の発明のように、請求項１に記載の発明において、検出信号を基準電圧に対して差動増幅する信号処理部（２０）を備え、演算した結果をセンサ信号として出力するものとすることができる。
【００１５】
この場合、請求項４に記載の発明のように、請求項３に記載の発明において、信号処理部（２０）は、基準電圧として、第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）と同じ温度特性を有する電圧を用いるものとすることができる。これによれば、信号処理部（２０）にて第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）の温度特性がキャンセルされるため、検出精度を向上させることができる。
【００１６】
そして、請求項５に記載の発明のように、請求項２ないし４のいずれか１つに記載の発明において、検出部（１０）は、センサ信号の極大点と極小点との間の角度範囲を回転する回転体（４０）が生成する外部磁界中に配置されるものとすることができる。同様に、請求項６に記載の発明のように、請求項１に記載の発明において、検出部（１０）は、検出信号の極大点と極小点との間の角度範囲を回転する回転体（４０）が生成する外部磁界中に配置されるものとすることができる。
【００１７】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態における磁気センサの回路構成を示す図である。
【図２】第１磁気抵抗素子の断面構成を示す図である。
【図３】センサ信号の電圧と磁場入射角度との関係を示すシミュレーション結果である。
【図４】検出部とスロットルバルブとの配置関係を示す模式図である。
【図５】センサ信号の電圧と磁場入射角度との関係を示す図であり、各抵抗変化率についてのシミュレーション結果である。
【図６】磁場入射角度と誤差との関係を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態における磁気センサの回路構成を示す図である。
【図８】図７に示す第１、第２磁気抵抗素子の中点電圧およびセンサ信号の電圧と磁場入射角度との関係を示すシミュレーション結果である。
【図９】本発明の他の実施形態における第１、第２磁気抵抗素子の中点電圧およびセンサ信号の電圧と磁場入射角度との関係を示すシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態における磁気センサの回路構成を示す図である。なお、本実施形態の磁気センサは、所定角度範囲内で回転する回転体の回転角度を検出するのに利用されると好適であり、例えば、エンジンの燃焼室内に吸入される吸入空気量を制御するスロットルバルブの回転角度を検出するのに用いられると好適である。
【００２０】
図１に示されるように、磁気センサは、検出部１０と信号処理部２０とを有している。検出部１０は、シリコン等の半導体基板上に第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４が形成されてなるセンサチップ等である。図２は、第１磁気抵抗素子Ｒ１の断面構成を示す図である。図２に示されるように、第１磁気抵抗素子Ｒ１は、磁化方向が所定方向に固定されたピン層１１、絶縁体で構成されるトンネル層１２、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層１３が順に積層され、図示しない下部電極および上部電極を備えた一般的なトンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）である。なお、図２中の矢印はピン層１１の磁化方向を示している。
【００２１】
また、特に図示しないが、第２〜第４磁気抵抗素子Ｒ２〜Ｒ４も第１磁気抵抗素子Ｒ１と基本的な構成は同様であり、図１中の各磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４に示す矢印はピン層１１の磁化方向を示している。そして、図１に示されるように、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４によってフルブリッジ回路が構成されている。
【００２２】
具体的には、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２は、ピン層１１の磁化方向が互いに直交する状態でハーフブリッジ回路を構成するように電気的に直列接続されている。また、第３、第４磁気抵抗素子Ｒ３、Ｒ４は、ピン層１１の磁化方向が互いに直交し、かつ第３磁気抵抗素子Ｒ３におけるピン層１１の磁化方向が第２磁気抵抗素子Ｒ２におけるピン層１１の磁化方向と平行となると共に第４磁気抵抗素子Ｒ４におけるピン層１１の磁化方向が第１磁気抵抗素子Ｒ１におけるピン層１１の磁化方向と平行となる状態でハーフブリッジ回路を構成するように電気的に直列接続されている。
【００２３】
そして、図１中では分離して示してあるが、第１、第３磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ３が接続されると共に第２、第４磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ４が接続されることにより、つまり両ハーフブリッジ回路が並列接続されることにより、フルブリッジ回路が構成されている。
【００２４】
このフルブリッジ回路には、第１、第３磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ３の中点に電源電圧Ｖｃｃを印加する電源供給端子１４が備えられ、第２、第４磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ４の中点にグランドＧ１と電気的に接続するためのグランド端子１５が備えられている。また、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の間には中点電圧ＶＡを取出すための出力端子１６が備えられ、第３、第４磁気抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の間には中点電圧ＶＢを取り出すための出力端子１７が備えられている。なお、中点電圧ＶＡが本発明の第１検出信号に相当し、中点電圧ＶＢが本発明の第２検出信号に相当している。
【００２５】
そして、検出部１０は、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４におけるピン層１１の磁化方向が上記のようにされているため、図１中に示されるような第２、第３磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ３におけるピン層１１の磁化方向との成す角度（以下では、磁場入射角度という）がθである外部磁界が印加されると、つまりピン層１１の磁化方向とフリー層１３の磁化方向との成す角度がθになると、第１、第４磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ４の抵抗値がＲ０＋αｓｉｎθに変化し、第２、第３磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の抵抗値がＲ０＋αｃｏｓθに変化する。
【００２６】
なお、Ｒ０は無磁界中における磁気抵抗素子の抵抗値（以下では、無磁界抵抗値という）、αは磁気抵抗素子を構成する材質等に依存する抵抗変化率（感度）である。したがって、出力端子１６、１７から次の信号が出力される。
【００２７】
【数１】
【００２８】
【数２】
信号処理部２０は、オペアンプ等で構成される差動増幅器２１を有しており、非反転入力端子が入力端子２２を介して出力端子１６に接続されていると共に、反転入力端子が入力端子２３を介して出力端子１７に接続されている。そして、上記数式１および数式２を差動増幅して出力端子２４からセンサ信号Ｖｏｕｔを出力する。ここで、三角関数の合成の公式に次式がある。
【００２９】
【数３】
【００３０】
【数４】
このため、上記数式１から上記数式２を減算し、上記数式３および上記数式４を用いて変形すると次式となる。
【００３１】
【数５】
ここで、η＝θ−４５°として上記数式５を変形すると次式となる。
【００３２】
【数６】
すなわち、信号処理部２０から出力されるセンサ信号Ｖｏｕｔは上記数式６となる。なお、ここでは差動増幅器２１の増幅率を１としているが、増幅率は適宜変更可能である。また、本実施形態では差動増幅が本発明の減算する演算に相当する。
【００３３】
図３は、センサ信号Ｖｏｕｔの電圧と磁場入射角度θとの関係を示すシミュレーション結果である。なお、図３中の磁場入射角度θは、第２、第３磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の磁化方向と平行な方向を０°としたとき、この方向に対して図１のように反時計回りに外部磁界が印加される場合を＋θとし、時計回りに外部磁界が印加される場合を−θとしている。また、図３では、無磁界抵抗値Ｒ０を１としたときの抵抗変化率αを無磁界抵抗値の８０％とし、電源電圧Ｖｃｃを１としている。
【００３４】
図３に示されるように、センサ信号Ｖｏｕｔの電圧は、磁場入射角度θの所定角度範囲内において、磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。具体的には、センサ信号Ｖｏｕｔの極大点である約−７５°から極小点である約１７０°の範囲において、センサ信号Ｖｏｕｔは磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。なお、極大点および極小点とはセンサ信号Ｖｏｕｔの傾きが０となる点のことである。
【００３５】
このため、本実施形態の磁気センサは、約−７５°から約１７０°の範囲内で回転する回転角度の検出に利用されると好適であり、例えば、エンジンの燃焼室内に吸入される吸入空気量を制御するスロットルバルブの回転角度を検出するのに用いられると好適である。図４は、検出部１０とスロットルバルブとの配置関係を示す模式図であり、（ａ）はスロットルバルブが完全に閉じている状態を示す図、（ｂ）はスロットルバルブが完全に開いている状態を示す図である。
【００３６】
図４に示されるように、エンジンの燃焼室内に吸入される吸入空気量を制御するスロットルバルブ３０は、スロットルバルブ３０と共に回転するシャフト３１と一体化されており、このシャフト３１が吸入通路３２を形成するスロットルボディー３３に支持されることによって吸入通路３２内に備えられている。ここでは、吸入通路３２は吸入空気の流れの方向に対する断面が円形状とされ、スロットルバルブ３０は完全に閉じているときに吸入空気を遮断することができるように吸入通路３２とほぼ同じ径を有する円形板状とされている。また、シャフト３１は、一端部側が吸入通路３２外に突出するようにスロットルボディー３３に備えられ、突出している先端部に永久磁石４０を備えている。なお、永久磁石４０が本発明の回転体に相当している。
【００３７】
永久磁石４０は、ここでは円板状とされており、径方向で同じ大きさに２分割されている。そして、２分割された一方がＮ極の永久磁石４０ａとされ、他方がＳ極の永久磁石４０ｂとされており、図２（ｂ）に示されるように、シャフト３１を介してスロットルバルブ３０と共に一体化して回転する。
【００３８】
検出部１０は、永久磁石４０が生成する外部磁界中に図示しない支持部材によって支持されて配置される。具体的には、第２、第３磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ３におけるピン層１１の磁化方向がスロットルバルブ３０が完全に閉じているときに永久磁石４０が生成する外部磁界Ｂの方向と平行となるように配置される。
【００３９】
また、スロットルバルブ３０は、図２に示されるように、一般的に完全に閉じている０°の状態から完全に開く９０°の状態の間の範囲内を回転するものであり、上記磁気センサにおけるセンサ信号Ｖｏｕｔの極大点と極小点との間の角度範囲を回転する。
【００４０】
したがって、本実施形態の磁気センサをスロットルバルブ３０のような回転体の回転角度を検出するのに適用すると、ａｒｃｔａｎ演算をするための複雑な装置、回路、プログラム等を必要とせず、簡素な構成で回転角度に対してリニアな信号を得ることができる。
【００４１】
また、上記図３では、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗変化率αが８０％であるものを説明したが、抵抗変化率αは適宜変更可能である。図５は、センサ信号Ｖｏｕｔの電圧と磁場入射角度θとの関係を示す図であり、無磁界抵抗値Ｒ０を１としたときの各抵抗変化率αについてのシミュレーション結果である。なお、図５では、電源電圧Ｖｃｃを１としている。
【００４２】
図５に示されるように、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗変化率αによって若干の違いはあるが、上記のように磁気センサを構成することにより、所定角度範囲内の磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化するセンサ信号Ｖｏｕｔを得ることができる。例えば、磁気抵抗率αが６０％である場合は、センサ信号Ｖｏｕｔの極大点である−７０°から極小点である約１６５°の範囲において、センサ信号Ｖｏｕｔは磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。また、抵抗変化率が４０％である場合は、センサ信号Ｖｏｕｔの極大点である約−６５°から極小点である約１６０°の範囲において、センサ信号Ｖｏｕｔは磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。つまり、抵抗変化率αによらず、所定角度範囲内では磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化するセンサ信号Ｖｏｕｔを得ることができる。
【００４３】
また、図６は磁場入射角度θと誤差との関係を示す図である。なお、誤差は、図５でプロットした点を用いた最小二乗法によって得られた直線に対する誤差である。図６に示されるように、各抵抗変化率αにおいて、磁場入射角度θが２２．５°、６７．５°、９０°近傍のときに誤差が大きくなるが、抵抗変化率αが高いほど誤差が小さくなることが確認される。このため、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、抵抗変化率αが高くなるように構成することが好ましい。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態の磁気センサでは、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２は、ピン層１１の磁化方向が互いに直交する状態でハーフブリッジ回路を構成するように電気的に直列接続されている。また、第３、第４磁気抵抗素子Ｒ３、Ｒ４は、ピン層１１の磁化方向が互いに直交し、かつ第３磁気抵抗素子Ｒ３におけるピン層１１の磁化方向が第２磁気抵抗素子Ｒ２におけるピン層１１の磁化方向と平行となると共に第４磁気抵抗素子Ｒ４におけるピン層１１の磁化方向が第１磁気抵抗素子Ｒ１におけるピン層１１の磁化方向と平行となる状態でハーフブリッジ回路を構成するように電気的に直列接続されている。
【００４５】
そして、信号処理部２０における差動増幅器２１で第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の中点電圧ＶＡと第３、第４磁気抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の中点電圧ＶＢとを差動増幅し、差動増幅した結果をセンサ信号Ｖｏｕｔとして出力している。
【００４６】
このため、上記図３および図５に示されるように、所定角度範囲内の磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化するセンサ信号Ｖｏｕｔを出力することができる。
【００４７】
また、このような磁気センサは、従来の磁気センサに対して、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の配置方法を変更すると共に、オペアンプ等のような簡易な構成の差動増幅器２１を備えるのみでよく、ａｒｃｔａｎ演算を行うための複雑な装置、回路、プログラム等を必要としないため、構成を簡素化することができる。さらに、ａｒｃｔａｎ演算のような演算を行わないため、応答速度を向上させることができる。
【００４８】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して検出部１０を第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２および第１、第２抵抗で構成したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。図７は、本実施形態における磁気センサの回路構成を示す図である。
【００４９】
図７に示されるように、本実施形態の検出部１０は、上記第１実施形態に対して第３、第４磁気抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の代わりに第１、第２抵抗Ｒ５、Ｒ６を備えたものであり、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２および第１、第２抵抗Ｒ５、Ｒ６でフルブリッジ回路が構成されている。
【００５０】
そして、差動増幅器２１の反転入力端子には、第１、第２抵抗Ｒ５、Ｒ６の中点電圧ＶＢが入力されるようになっている。本実施形態では、第１、第２抵抗Ｒ５、Ｒ６の抵抗値は等しくされており、差動増幅器２１の反転入力端子にはＶｃｃ／２が入力される。
【００５１】
なお、差動増幅器２１の反転入力端子に入力される電圧は、Ｖｃｃ／２に限定されるものではなく、適宜変更可能である。例えば、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の温度特性と同じ温度特性を有する電圧を入力することができる。具体的には、第１、第２抵抗Ｒ５、Ｒ６を第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の温度特性と同じ温度特性を有する抵抗とすることができる。これにより、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の温特補正を行うことができ、検出精度を向上させることができる。
【００５２】
このような磁気センサとしても、所定角度範囲内の磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化するセンサ信号Ｖｏｕｔを出力することができ、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。図８は、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の中点電圧ＶＡおよびセンサ信号Ｖｏｕｔの電圧と磁場入射角度θとの関係を示すシミュレーション結果である。なお、図８では、無磁界抵抗値Ｒ０を１としたときの抵抗変化率αを無磁界抵抗値の８０％とし、電源電圧Ｖｃｃを１としている。
【００５３】
図８に示されるように、本実施形態の磁気センサでは、センサ信号Ｖｏｕｔの極大点である約−８０°から極小点である約１７０°の範囲において、センサ信号Ｖｏｕｔは磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。
【００５４】
なお、上記図８では、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の中点電圧ＶＡも示してあるが、中点電圧ＶＡも極大点である約−８０°から極小点である約１７０°の範囲で磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。このため、磁気センサを検出部１０のみで構成し、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の中点電圧ＶＡをそのまま出力するようにしてもよい。このような磁気センサでは、信号処理部２０を備える必要がないため、さらに磁気センサの構成を簡素化することができる。
【００５５】
（他の実施形態）
上記各実施形態では、磁気センサから磁場入射角度θに応じた電圧を出力する例について説明したが、次のようにしてもよい。すなわち、信号処理部２０に変換部を備え、差動増幅器２１から出力された電圧を磁場入射角度θに変換して出力するようにしてもよい。例えば、変換部を電圧とθとが対応付けられたマップを記憶している半導体メモリ等で構成することにより、差動増幅器２１から出力される電圧を磁場入射角度θに変換して出力することができる。
【００５６】
また、上記各実施形態では、検出部１０から出力された信号をオペアンプ等の差動増幅器２１で差動増幅する、つまり、アナログ信号のまま差動増幅する例を説明した。しかしながら、検出部１０から出力された信号をデジタル信号に変換した後に差動増幅（減算）するようにしてもよい。このように、検出部１０から出力された信号をデジタル信号に変換した後に差動増幅するようにしても、従来のように、ａｒｃｔａｎ演算を行う場合と比較すれば、単純な差動増幅（減算）を行うのみでよく、構成を簡素化することができる。
【００５７】
さらに、上記第１実施形態おいて、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４としてピン層１１とフリー層１３との間に導電体を挟んでなる巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）を用い、上記第２実施形態において、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２としてピン層１１とフリー層１３との間に導電体を挟んでなる巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）を用いてもよい。
【００５８】
また、上記第２実施形態では、第１磁気抵抗素子Ｒ１の抵抗値がＲ０＋αｓｉｎθに変化し、第２磁気抵抗素子Ｒ２の抵抗値がＲ０＋αｃｏｓθに変化するものを説明したが、第１磁気抵抗素子Ｒ１の抵抗値がＲ０＋αｃｏｓθに変化し、第２磁気抵抗素子Ｒ２の抵抗値がＲ０＋αｓｉｎθに変化するものであってもよい。図９は、他の実施形態におけるセンサ信号Ｖｏｕｔの電圧と磁場入射角度θとの関係を示すシミュレーション結果である。
【００５９】
図９に示されるように、このような磁気センサとしても、センサ信号Ｖｏｕｔの極小点である約−８０°から極大点である約１７０°の範囲において、センサ信号Ｖｏｕｔは磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。また、図８と同様に、図９には第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の間の中点電圧ＶＡも示してあり、この中点電圧ＶＡもセンサ信号Ｖｏｕｔと同様に極大点である約−８０°から極小点である約１７０°の範囲で磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。したがって、磁気センサを検出部１０のみで構成し、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の間の中点電圧ＶＡをそのまま出力するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
Ｒ１〜Ｒ４ 第１〜第４磁気抵抗素子
１０ 検出部
１１ ピン層
１３ フリー層
２０ 信号処理部
２１ 差動増幅器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁化方向が固定されたピン層および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層を有する複数の磁気抵抗素子を用いて構成される磁気センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複数の磁気抵抗素子を用いて構成される磁気センサが提案されている。このような磁気抵抗素子は、磁化方向が所定方向に固定されたピン層および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層を有し、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が正弦波または余弦波のように変化する。したがって、磁気センサから正弦値を含む信号または余弦値を含む信号がセンサ信号として出力される。
【０００３】
しかしながら、正弦値を含む信号または余弦値を含む信号をそのままセンサ信号として出力すると、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との成す角度に対してセンサ信号がリニアに変化する（比例する）信号とならず、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との成す角度に応じて検出精度が異なるという問題がある。
【０００４】
このため、例えば、特許文献１には、抵抗値が正弦波のように変化する第１磁気抵抗素子と、抵抗値が余弦波のように変化する第２磁気抵抗素子と、第１、第２磁気抵抗素子から出力される信号をａｒｃｔａｎ演算するａｒｃｔａｎ演算手段とを備える回転センサが提案されている。
【０００５】
この回転センサでは、第１、第２磁気抵抗素子から得られる信号をａｒｃｔａｎ演算し、演算結果をセンサ信号として出力するため、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との成す角度に対してセンサ信号がリニアに変化する信号となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２５８１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記回転センサでは、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との成す角度に対してセンサ信号がリニアに変化する信号となるものの、ａｒｃｔａｎ演算をするための複雑な装置、回路、プログラム等が必要であるという問題がある。また、ａｒｃｔａｎ演算をすることにより、応答速度が遅いという問題もある。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との成す角度に対して検出精度が異なることを簡素な構成で抑制することができると共に、応答速度を向上させることができる磁気センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行い、例えば、所定角度範囲内を回転すると共に外部磁界を生成する回転体の回転角度を検出する磁気センサのような場合には、少なくとも回転体の回転可能な範囲内において、リニアに変化する信号を得られればよいことに着目した。
【００１０】
このため、請求項１に記載の発明では、磁化方向が所定方向に固定されたピン層（１１）および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層（１３）を有し、ピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化する第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）を有する検出部（１０）を備え、第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）は、ピン層（１１）の磁化方向が互いに直交する状態で直列接続されており、検出部（１０）は、第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）の中点電圧を検出信号として出力することを特徴としている。
【００１１】
このような磁気センサでは、第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）におけるピン層（１１）の磁化方向が互いに直交している。このため、検出信号は、所定角度範囲内でピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度（磁場入射角度）に対してほぼリニアに変化する信号となる（図８および図９参照）。すなわち、従来のように、ａｒｃｔａｎ演算をするための複雑な装置、回路、プログラム等を必要とせず、所定角度範囲内でピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度（磁場入射角度）に対してほぼリニアに変化する信号を簡素な構成で出力することができる。さらに、ａｒｃｔａｎ演算を行う必要もないので応答速度を向上させることもできる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明のように、検出信号に対して所定の演算を行う信号処理部（２０）を備え、検出部（１０）は、磁化方向が第２磁気抵抗素子（Ｒ２）におけるピン層（１１）の磁化方向と平行な方向に固定されたピン層（１１）および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層（１３）を有し、ピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化し、第１磁気抵抗素子（Ｒ１）と共に電源に接続される第３磁気抵抗素子（Ｒ３）と、磁化方向が第１磁気抵抗素子（Ｒ１）におけるピン層（１１）の磁化方向と平行な方向に固定されたピン層（１１）および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層（１３）を有し、ピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化し、第２磁気抵抗素子（Ｒ２）と共に接地されると共に第３磁気抵抗素子（Ｒ３）と直列接続される第４磁気抵抗素子（Ｒ４）と、を有し、第１〜第４磁気抵抗素子（Ｒ１〜Ｒ４）によってフルブリッジ回路が構成され、第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）の中点電圧を第１検出信号として出力すると共に第３、第４磁気抵抗素子（Ｒ３、Ｒ４）の中点電圧を第２検出信号として出力するものとすることができる。そして、信号処理部（２０）は、第１検出信号から第２検出信号を減算する演算を行い、演算した結果をセンサ信号として出力するものとすることができる。
【００１３】
このように、検出部（１０）をフルブリッジ回路にて構成した場合においても所定角度範囲内においてピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度（磁場入射角度）に対してほぼリニアに変化する信号を得ることができる（図３および図５参照）。そして、検出部（１０）をフルブリッジ回路で構成することにより、検出感度を高くすることができる。
【００１４】
また、請求項３の記載の発明のように、請求項１に記載の発明において、検出信号を基準電圧に対して差動増幅する信号処理部（２０）を備え、演算した結果をセンサ信号として出力するものとすることができる。
【００１５】
この場合、請求項４に記載の発明のように、請求項３に記載の発明において、信号処理部（２０）は、基準電圧として、第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）と同じ温度特性を有する電圧を用いるものとすることができる。これによれば、信号処理部（２０）にて第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）の温度特性がキャンセルされるため、検出精度を向上させることができる。
【００１６】
そして、請求項５に記載の発明のように、請求項２ないし４のいずれか１つに記載の発明において、検出部（１０）は、センサ信号の極大点と極小点との間の角度範囲を回転する回転体（４０）が生成する外部磁界中に配置されるものとすることができる。同様に、請求項６に記載の発明のように、請求項１に記載の発明において、検出部（１０）は、検出信号の極大点と極小点との間の角度範囲を回転する回転体（４０）が生成する外部磁界中に配置されるものとすることができる。
【００１７】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態における磁気センサの回路構成を示す図である。
【図２】第１磁気抵抗素子の断面構成を示す図である。
【図３】センサ信号の電圧と磁場入射角度との関係を示すシミュレーション結果である。
【図４】検出部とスロットルバルブとの配置関係を示す模式図である。
【図５】センサ信号の電圧と磁場入射角度との関係を示す図であり、各抵抗変化率についてのシミュレーション結果である。
【図６】磁場入射角度と誤差との関係を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態における磁気センサの回路構成を示す図である。
【図８】図７に示す第１、第２磁気抵抗素子の中点電圧およびセンサ信号の電圧と磁場入射角度との関係を示すシミュレーション結果である。
【図９】本発明の他の実施形態における第１、第２磁気抵抗素子の中点電圧およびセンサ信号の電圧と磁場入射角度との関係を示すシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態における磁気センサの回路構成を示す図である。なお、本実施形態の磁気センサは、所定角度範囲内で回転する回転体の回転角度を検出するのに利用されると好適であり、例えば、エンジンの燃焼室内に吸入される吸入空気量を制御するスロットルバルブの回転角度を検出するのに用いられると好適である。
【００２０】
図１に示されるように、磁気センサは、検出部１０と信号処理部２０とを有している。検出部１０は、シリコン等の半導体基板上に第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４が形成されてなるセンサチップ等である。図２は、第１磁気抵抗素子Ｒ１の断面構成を示す図である。図２に示されるように、第１磁気抵抗素子Ｒ１は、磁化方向が所定方向に固定されたピン層１１、絶縁体で構成されるトンネル層１２、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層１３が順に積層され、図示しない下部電極および上部電極を備えた一般的なトンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）である。なお、図２中の矢印はピン層１１の磁化方向を示している。
【００２１】
また、特に図示しないが、第２〜第４磁気抵抗素子Ｒ２〜Ｒ４も第１磁気抵抗素子Ｒ１と基本的な構成は同様であり、図１中の各磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４に示す矢印はピン層１１の磁化方向を示している。そして、図１に示されるように、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４によってフルブリッジ回路が構成されている。
【００２２】
具体的には、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２は、ピン層１１の磁化方向が互いに直交する状態でハーフブリッジ回路を構成するように電気的に直列接続されている。また、第３、第４磁気抵抗素子Ｒ３、Ｒ４は、ピン層１１の磁化方向が互いに直交し、かつ第３磁気抵抗素子Ｒ３におけるピン層１１の磁化方向が第２磁気抵抗素子Ｒ２におけるピン層１１の磁化方向と平行となると共に第４磁気抵抗素子Ｒ４におけるピン層１１の磁化方向が第１磁気抵抗素子Ｒ１におけるピン層１１の磁化方向と平行となる状態でハーフブリッジ回路を構成するように電気的に直列接続されている。
【００２３】
そして、図１中では分離して示してあるが、第１、第３磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ３が接続されると共に第２、第４磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ４が接続されることにより、つまり両ハーフブリッジ回路が並列接続されることにより、フルブリッジ回路が構成されている。
【００２４】
このフルブリッジ回路には、第１、第３磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ３の中点に電源電圧Ｖｃｃを印加する電源供給端子１４が備えられ、第２、第４磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ４の中点にグランドＧ１と電気的に接続するためのグランド端子１５が備えられている。また、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の間には中点電圧ＶＡを取出すための出力端子１６が備えられ、第３、第４磁気抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の間には中点電圧ＶＢを取り出すための出力端子１７が備えられている。なお、中点電圧ＶＡが本発明の第１検出信号に相当し、中点電圧ＶＢが本発明の第２検出信号に相当している。
【００２５】
そして、検出部１０は、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４におけるピン層１１の磁化方向が上記のようにされているため、図１中に示されるような第２、第３磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ３におけるピン層１１の磁化方向との成す角度（以下では、磁場入射角度という）がθである外部磁界が印加されると、つまりピン層１１の磁化方向とフリー層１３の磁化方向との成す角度がθになると、第１、第４磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ４の抵抗値がＲ０＋αｓｉｎθに変化し、第２、第３磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の抵抗値がＲ０＋αｃｏｓθに変化する。
【００２６】
なお、Ｒ０は無磁界中における磁気抵抗素子の抵抗値（以下では、無磁界抵抗値という）、αは磁気抵抗素子を構成する材質等に依存する抵抗変化率（感度）である。したがって、出力端子１６、１７から次の信号が出力される。
【００２７】
【数１】
【００２８】
【数２】
信号処理部２０は、オペアンプ等で構成される差動増幅器２１を有しており、非反転入力端子が入力端子２２を介して出力端子１６に接続されていると共に、反転入力端子が入力端子２３を介して出力端子１７に接続されている。そして、上記数式１および数式２を差動増幅して出力端子２４からセンサ信号Ｖｏｕｔを出力する。ここで、三角関数の合成の公式に次式がある。
【００２９】
【数３】
【００３０】
【数４】
このため、上記数式１から上記数式２を減算し、上記数式３および上記数式４を用いて変形すると次式となる。
【００３１】
【数５】
ここで、η＝θ−４５°として上記数式５を変形すると次式となる。
【００３２】
【数６】
すなわち、信号処理部２０から出力されるセンサ信号Ｖｏｕｔは上記数式６となる。なお、ここでは差動増幅器２１の増幅率を１としているが、増幅率は適宜変更可能である。また、本実施形態では差動増幅が本発明の減算する演算に相当する。
【００３３】
図３は、センサ信号Ｖｏｕｔの電圧と磁場入射角度θとの関係を示すシミュレーション結果である。なお、図３中の磁場入射角度θは、第２、第３磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の磁化方向と平行な方向を０°としたとき、この方向に対して図１のように反時計回りに外部磁界が印加される場合を＋θとし、時計回りに外部磁界が印加される場合を−θとしている。また、図３では、無磁界抵抗値Ｒ０を１としたときの抵抗変化率αを無磁界抵抗値の８０％とし、電源電圧Ｖｃｃを１としている。
【００３４】
図３に示されるように、センサ信号Ｖｏｕｔの電圧は、磁場入射角度θの所定角度範囲内において、磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。具体的には、センサ信号Ｖｏｕｔの極大点である約−７５°から極小点である約１７０°の範囲において、センサ信号Ｖｏｕｔは磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。なお、極大点および極小点とはセンサ信号Ｖｏｕｔの傾きが０となる点のことである。
【００３５】
このため、本実施形態の磁気センサは、約−７５°から約１７０°の範囲内で回転する回転角度の検出に利用されると好適であり、例えば、エンジンの燃焼室内に吸入される吸入空気量を制御するスロットルバルブの回転角度を検出するのに用いられると好適である。図４は、検出部１０とスロットルバルブとの配置関係を示す模式図であり、（ａ）はスロットルバルブが完全に閉じている状態を示す図、（ｂ）はスロットルバルブが完全に開いている状態を示す図である。
【００３６】
図４に示されるように、エンジンの燃焼室内に吸入される吸入空気量を制御するスロットルバルブ３０は、スロットルバルブ３０と共に回転するシャフト３１と一体化されており、このシャフト３１が吸入通路３２を形成するスロットルボディー３３に支持されることによって吸入通路３２内に備えられている。ここでは、吸入通路３２は吸入空気の流れの方向に対する断面が円形状とされ、スロットルバルブ３０は完全に閉じているときに吸入空気を遮断することができるように吸入通路３２とほぼ同じ径を有する円形板状とされている。また、シャフト３１は、一端部側が吸入通路３２外に突出するようにスロットルボディー３３に備えられ、突出している先端部に永久磁石４０を備えている。なお、永久磁石４０が本発明の回転体に相当している。
【００３７】
永久磁石４０は、ここでは円板状とされており、径方向で同じ大きさに２分割されている。そして、２分割された一方がＮ極の永久磁石４０ａとされ、他方がＳ極の永久磁石４０ｂとされており、図２（ｂ）に示されるように、シャフト３１を介してスロットルバルブ３０と共に一体化して回転する。
【００３８】
検出部１０は、永久磁石４０が生成する外部磁界中に図示しない支持部材によって支持されて配置される。具体的には、第２、第３磁気抵抗素子Ｒ２、Ｒ３におけるピン層１１の磁化方向がスロットルバルブ３０が完全に閉じているときに永久磁石４０が生成する外部磁界Ｂの方向と平行となるように配置される。
【００３９】
また、スロットルバルブ３０は、図２に示されるように、一般的に完全に閉じている０°の状態から完全に開く９０°の状態の間の範囲内を回転するものであり、上記磁気センサにおけるセンサ信号Ｖｏｕｔの極大点と極小点との間の角度範囲を回転する。
【００４０】
したがって、本実施形態の磁気センサをスロットルバルブ３０のような回転体の回転角度を検出するのに適用すると、ａｒｃｔａｎ演算をするための複雑な装置、回路、プログラム等を必要とせず、簡素な構成で回転角度に対してリニアな信号を得ることができる。
【００４１】
また、上記図３では、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗変化率αが８０％であるものを説明したが、抵抗変化率αは適宜変更可能である。図５は、センサ信号Ｖｏｕｔの電圧と磁場入射角度θとの関係を示す図であり、無磁界抵抗値Ｒ０を１としたときの各抵抗変化率αについてのシミュレーション結果である。なお、図５では、電源電圧Ｖｃｃを１としている。
【００４２】
図５に示されるように、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗変化率αによって若干の違いはあるが、上記のように磁気センサを構成することにより、所定角度範囲内の磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化するセンサ信号Ｖｏｕｔを得ることができる。例えば、磁気抵抗率αが６０％である場合は、センサ信号Ｖｏｕｔの極大点である−７０°から極小点である約１６５°の範囲において、センサ信号Ｖｏｕｔは磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。また、抵抗変化率が４０％である場合は、センサ信号Ｖｏｕｔの極大点である約−６５°から極小点である約１６０°の範囲において、センサ信号Ｖｏｕｔは磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。つまり、抵抗変化率αによらず、所定角度範囲内では磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化するセンサ信号Ｖｏｕｔを得ることができる。
【００４３】
また、図６は磁場入射角度θと誤差との関係を示す図である。なお、誤差は、図５でプロットした点を用いた最小二乗法によって得られた直線に対する誤差である。図６に示されるように、各抵抗変化率αにおいて、磁場入射角度θが２２．５°、６７．５°、９０°近傍のときに誤差が大きくなるが、抵抗変化率αが高いほど誤差が小さくなることが確認される。このため、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、抵抗変化率αが高くなるように構成することが好ましい。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態の磁気センサでは、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２は、ピン層１１の磁化方向が互いに直交する状態でハーフブリッジ回路を構成するように電気的に直列接続されている。また、第３、第４磁気抵抗素子Ｒ３、Ｒ４は、ピン層１１の磁化方向が互いに直交し、かつ第３磁気抵抗素子Ｒ３におけるピン層１１の磁化方向が第２磁気抵抗素子Ｒ２におけるピン層１１の磁化方向と平行となると共に第４磁気抵抗素子Ｒ４におけるピン層１１の磁化方向が第１磁気抵抗素子Ｒ１におけるピン層１１の磁化方向と平行となる状態でハーフブリッジ回路を構成するように電気的に直列接続されている。
【００４５】
そして、信号処理部２０における差動増幅器２１で第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の中点電圧ＶＡと第３、第４磁気抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の中点電圧ＶＢとを差動増幅し、差動増幅した結果をセンサ信号Ｖｏｕｔとして出力している。
【００４６】
このため、上記図３および図５に示されるように、所定角度範囲内の磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化するセンサ信号Ｖｏｕｔを出力することができる。
【００４７】
また、このような磁気センサは、従来の磁気センサに対して、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の配置方法を変更すると共に、オペアンプ等のような簡易な構成の差動増幅器２１を備えるのみでよく、ａｒｃｔａｎ演算を行うための複雑な装置、回路、プログラム等を必要としないため、構成を簡素化することができる。さらに、ａｒｃｔａｎ演算のような演算を行わないため、応答速度を向上させることができる。
【００４８】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して検出部１０を第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２および第１、第２抵抗で構成したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。図７は、本実施形態における磁気センサの回路構成を示す図である。
【００４９】
図７に示されるように、本実施形態の検出部１０は、上記第１実施形態に対して第３、第４磁気抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の代わりに第１、第２抵抗Ｒ５、Ｒ６を備えたものであり、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２および第１、第２抵抗Ｒ５、Ｒ６でフルブリッジ回路が構成されている。
【００５０】
そして、差動増幅器２１の反転入力端子には、第１、第２抵抗Ｒ５、Ｒ６の中点電圧ＶＢが入力されるようになっている。本実施形態では、第１、第２抵抗Ｒ５、Ｒ６の抵抗値は等しくされており、差動増幅器２１の反転入力端子にはＶｃｃ／２が入力される。
【００５１】
なお、差動増幅器２１の反転入力端子に入力される電圧は、Ｖｃｃ／２に限定されるものではなく、適宜変更可能である。例えば、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の温度特性と同じ温度特性を有する電圧を入力することができる。具体的には、第１、第２抵抗Ｒ５、Ｒ６を第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の温度特性と同じ温度特性を有する抵抗とすることができる。これにより、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の温特補正を行うことができ、検出精度を向上させることができる。
【００５２】
このような磁気センサとしても、所定角度範囲内の磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化するセンサ信号Ｖｏｕｔを出力することができ、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。図８は、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の中点電圧ＶＡおよびセンサ信号Ｖｏｕｔの電圧と磁場入射角度θとの関係を示すシミュレーション結果である。なお、図８では、無磁界抵抗値Ｒ０を１としたときの抵抗変化率αを無磁界抵抗値の８０％とし、電源電圧Ｖｃｃを１としている。
【００５３】
図８に示されるように、本実施形態の磁気センサでは、センサ信号Ｖｏｕｔの極大点である約−８０°から極小点である約１７０°の範囲において、センサ信号Ｖｏｕｔは磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。
【００５４】
なお、上記図８では、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の中点電圧ＶＡも示してあるが、中点電圧ＶＡも極大点である約−８０°から極小点である約１７０°の範囲で磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。このため、磁気センサを検出部１０のみで構成し、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の中点電圧ＶＡをそのまま出力するようにしてもよい。このような磁気センサでは、信号処理部２０を備える必要がないため、さらに磁気センサの構成を簡素化することができる。
【００５５】
（他の実施形態）
上記各実施形態では、磁気センサから磁場入射角度θに応じた電圧を出力する例について説明したが、次のようにしてもよい。すなわち、信号処理部２０に変換部を備え、差動増幅器２１から出力された電圧を磁場入射角度θに変換して出力するようにしてもよい。例えば、変換部を電圧とθとが対応付けられたマップを記憶している半導体メモリ等で構成することにより、差動増幅器２１から出力される電圧を磁場入射角度θに変換して出力することができる。
【００５６】
また、上記各実施形態では、検出部１０から出力された信号をオペアンプ等の差動増幅器２１で差動増幅する、つまり、アナログ信号のまま差動増幅する例を説明した。しかしながら、検出部１０から出力された信号をデジタル信号に変換した後に差動増幅（減算）するようにしてもよい。このように、検出部１０から出力された信号をデジタル信号に変換した後に差動増幅するようにしても、従来のように、ａｒｃｔａｎ演算を行う場合と比較すれば、単純な差動増幅（減算）を行うのみでよく、構成を簡素化することができる。
【００５７】
さらに、上記第１実施形態おいて、第１〜第４磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４としてピン層１１とフリー層１３との間に導電体を挟んでなる巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）を用い、上記第２実施形態において、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２としてピン層１１とフリー層１３との間に導電体を挟んでなる巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）を用いてもよい。
【００５８】
また、上記第２実施形態では、第１磁気抵抗素子Ｒ１の抵抗値がＲ０＋αｓｉｎθに変化し、第２磁気抵抗素子Ｒ２の抵抗値がＲ０＋αｃｏｓθに変化するものを説明したが、第１磁気抵抗素子Ｒ１の抵抗値がＲ０＋αｃｏｓθに変化し、第２磁気抵抗素子Ｒ２の抵抗値がＲ０＋αｓｉｎθに変化するものであってもよい。図９は、他の実施形態におけるセンサ信号Ｖｏｕｔの電圧と磁場入射角度θとの関係を示すシミュレーション結果である。
【００５９】
図９に示されるように、このような磁気センサとしても、センサ信号Ｖｏｕｔの極小点である約−８０°から極大点である約１７０°の範囲において、センサ信号Ｖｏｕｔは磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。また、図８と同様に、図９には第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の間の中点電圧ＶＡも示してあり、この中点電圧ＶＡもセンサ信号Ｖｏｕｔと同様に極大点である約−８０°から極小点である約１７０°の範囲で磁場入射角度θに対してほぼリニアに変化する信号となる。したがって、磁気センサを検出部１０のみで構成し、第１、第２磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の間の中点電圧ＶＡをそのまま出力するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
Ｒ１〜Ｒ４ 第１〜第４磁気抵抗素子
１０ 検出部
１１ ピン層
１３ フリー層
２０ 信号処理部
２１ 差動増幅器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が所定方向に固定されたピン層（１１）および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層（１３）を有し、ピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化する第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）を有する検出部（１０）を備え、
前記第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）は、前記ピン層（１１）の磁化方向が互いに直交する状態で直列接続されており、
前記検出部（１０）は、前記第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）の中点電圧を検出信号として出力することを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記検出信号を用いて所定の演算を行う信号処理部（２０）を備え、
前記検出部（１０）は、
磁化方向が前記第２磁気抵抗素子（Ｒ２）における前記ピン層（１１）の磁化方向と平行な方向に固定されたピン層（１１）および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層（１３）を有し、前記ピン層（１１）の磁化方向と前記フリー層（１３）の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化し、前記第１磁気抵抗素子（Ｒ１）と共に電源に接続される第３磁気抵抗素子（Ｒ３）と、
磁化方向が前記第１磁気抵抗素子（Ｒ１）における前記ピン層（１１）の磁化方向と平行な方向に固定されたピン層（１１）および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層（１３）を有し、前記ピン層（１１）の磁化方向と前記フリー層（１３）の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化し、前記第２磁気抵抗素子（Ｒ２）と共に接地されると共に前記第３磁気抵抗素子（Ｒ３）と直列接続される第４磁気抵抗素子（Ｒ４）と、を有し、
前記第１〜第４磁気抵抗素子（Ｒ１〜Ｒ４）によってフルブリッジ回路が構成されており、
前記第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）の中点電圧を第１検出信号として出力すると共に前記第３、第４磁気抵抗素子（Ｒ３、Ｒ４）の中点電圧を第２検出信号として出力し、
前記信号処理部（２０）は、前記第１検出信号から前記第２検出信号を減算する演算を行い、演算した結果をセンサ信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記検出信号を基準電圧に対して差動増幅する信号処理部（２０）を備え、演算した結果を前記センサ信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記信号処理部（２０）は、前記基準電圧として、前記第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）と同じ温度特性を有する電圧を用いることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記検出部（１０）は、前記センサ信号の極大点と極小点との間の角度範囲を回転する回転体（４０）が生成する外部磁界中に配置されることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記検出部（１０）は、前記検出信号の極大点と極小点との間の角度範囲を回転する回転体（４０）が生成する外部磁界中に配置されることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項１】
磁化方向が所定方向に固定されたピン層（１１）および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層（１３）を有し、ピン層（１１）の磁化方向とフリー層（１３）の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化する第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）を有する検出部（１０）を備え、
前記第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）は、前記ピン層（１１）の磁化方向が互いに直交する状態で直列接続されており、
前記検出部（１０）は、前記第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）の中点電圧を検出信号として出力することを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記検出信号を用いて所定の演算を行う信号処理部（２０）を備え、
前記検出部（１０）は、
磁化方向が前記第２磁気抵抗素子（Ｒ２）における前記ピン層（１１）の磁化方向と平行な方向に固定されたピン層（１１）および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層（１３）を有し、前記ピン層（１１）の磁化方向と前記フリー層（１３）の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化し、前記第１磁気抵抗素子（Ｒ１）と共に電源に接続される第３磁気抵抗素子（Ｒ３）と、
磁化方向が前記第１磁気抵抗素子（Ｒ１）における前記ピン層（１１）の磁化方向と平行な方向に固定されたピン層（１１）および外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層（１３）を有し、前記ピン層（１１）の磁化方向と前記フリー層（１３）の磁化方向との成す角度に応じて抵抗値が変化し、前記第２磁気抵抗素子（Ｒ２）と共に接地されると共に前記第３磁気抵抗素子（Ｒ３）と直列接続される第４磁気抵抗素子（Ｒ４）と、を有し、
前記第１〜第４磁気抵抗素子（Ｒ１〜Ｒ４）によってフルブリッジ回路が構成されており、
前記第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）の中点電圧を第１検出信号として出力すると共に前記第３、第４磁気抵抗素子（Ｒ３、Ｒ４）の中点電圧を第２検出信号として出力し、
前記信号処理部（２０）は、前記第１検出信号から前記第２検出信号を減算する演算を行い、演算した結果をセンサ信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記検出信号を基準電圧に対して差動増幅する信号処理部（２０）を備え、演算した結果を前記センサ信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記信号処理部（２０）は、前記基準電圧として、前記第１、第２磁気抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２）と同じ温度特性を有する電圧を用いることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記検出部（１０）は、前記センサ信号の極大点と極小点との間の角度範囲を回転する回転体（４０）が生成する外部磁界中に配置されることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記検出部（１０）は、前記検出信号の極大点と極小点との間の角度範囲を回転する回転体（４０）が生成する外部磁界中に配置されることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−８８２３２（Ｐ２０１３−８８２３２Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２７８５４（Ｐ２０１１−２２７８５４）
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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