(57)【要約】【課題】  経年変化に伴うＭＲセンサのドリフトの問題を解消する。【解決手段】  ＭＲセンサが特定の状態下にあるときのセンサ出力を基準として磁界測定時のＭＲセンサの出力を規格化する。具体的には、電気回路線に電流を流して磁界を発生させＭＲセンサ２１に印加する。ＭＲセンサ２１が高抵抗または低抵抗の抵抗値飽和状態２４に達したところで定電圧源２５からＭＲセンサ２１に電圧を印加する。この定電圧源２５を定電流源２６に替えた後も、流れる電流が定電圧源２５のときと同じくなるように保つ。定電流源２６の電流値は、抵抗値飽和状態２４の抵抗値に反比例する。次に、電気回路線２２を流れる電流をオフにし、磁界２３を取り除くことにより、ＭＲセンサ２１を測定対象磁界のみを検出可能な状態に置く。定電流源２６からＭＲセンサ２１に一定電流が供給され、ＭＲセンサ２１の電圧は飽和抵抗値に規格化されたＭＲセンサ２１の抵抗値に比例したものとなる。【選択図】  図５Ｂ
2010286492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力を有するＭＲ（磁気抵抗効果）センサの経年変化を補正する方法であって、
前記ＭＲセンサを特定の磁気環境に曝すことにより、前記ＭＲセンサを前記特定の磁気環境下に置いたときに得られる第１の出力値に関連（または随伴）するセンサ状態であって予測可能な態様での経年変化が既知である特定の状態に、前記ＭＲセンサを置く工程と、
前記ＭＲセンサを未知の磁界に曝すことにより、第２の出力値を得る工程と、
前記第１の出力値に対する前記第２の出力値の相対的調整を行うための規格化ファクター（normalizing factor）を求め、これを用いて前記第２の出力値を補正する工程と
を含むＭＲセンサの経年変化補正方法。
【請求項２】
前記ＭＲセンサが初めて前記特定の状態の下に置かれたときの前記ＭＲセンサの抵抗値を、前記第１の出力値（Ｒ1a）でもあるベースライン値として記録する工程と、
前記ＭＲセンサを用いて未知の磁界を測定する前に、前記特定の状態にあるときの前記ＭＲセンサの抵抗値（Ｒ1b）を測定する工程と、
前記規格化ファクターを、Ｒ1b／Ｒ1aとして求める工程と
をさらに含む請求項１に記載のＭＲセンサの経年変化補正方法。
【請求項３】
前記ＭＲセンサが前記特定の状態にあるときに、前記ＭＲセンサに電圧Ｖ1を印加することにより前記ＭＲセンサに電流Ｉ1を流す工程と、
前記電圧Ｖ1を前記電流Ｉ1で除することによりセンサ抵抗値Ｒ1を求め、これを保持する工程と、
前記ＭＲセンサが前記未知の磁界下にあるときに、電流源を用いて前記ＭＲセンサに電流Ｉ1を供給することにより、前記ＭＲセンサの規格化された電圧出力である電圧降下Ｖ2を前記ＭＲセンサに生じさせる工程と、
前記センサ抵抗値Ｒ1と前記電圧降下Ｖ2との積を前記電圧Ｖ1で除することにより、前記未知の磁界下にあるときの前記ＭＲセンサの規格化された抵抗値Ｒ2を求める工程と
を含む請求項１に記載のＭＲセンサの経年変化補正方法。
【請求項４】
前記特定の磁気環境が、前記ＭＲセンサを磁気的に飽和させるに足る強度の磁界である
請求項１に記載のＭＲセンサの経年変化補正方法。
【請求項５】
前記特定の磁気環境下にあるときの前記ＭＲセンサの前記出力として、前記ＭＲセンサの最大抵抗値（Ｒmax）と、前記ＭＲセンサの最小抵抗値（Ｒmin）と、前記最大抵抗値（Ｒmax）と前記最小抵抗値（Ｒmin）との任意の線形結合（平均、加算、減算、乗算および除算を含む）の値とからなる群から選択されるものを利用する
請求項４に記載のＭＲセンサの経年変化補正方法。
【請求項６】
前記ＭＲセンサに対して相対的に固定された導電線またはコイルを用いて、前記特定の磁気環境を生じさせる
請求項１に記載のＭＲセンサの経年変化補正方法。
【請求項７】
前記特定の磁気環境が、前記ＭＲセンサを飽和させるには不十分な強度の均一な磁界であり、
前記導電線または前記コイルに既知の電流を流すことにより前記特定の磁気環境を再現させる
請求項６に記載のＭＲセンサの経年変化補正方法。
【請求項８】
前記ＭＲセンサに対して相対的に固定されていない外部磁界発生源を用いて、前記特定の磁気環境を生じさせる
請求項１に記載のＭＲセンサの経年変化補正方法。
【請求項９】
前記ＭＲセンサが、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗効果）素子、ＣＩＰ−ＧＭＲ（面内電流型巨大磁気抵抗効果）素子、ＣＰＰ−ＧＭＲ（面直交電流型巨大磁気抵抗効果）素子、およびＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子からなる群から選択されたものである
請求項１に記載のＭＲセンサの経年変化補正方法。
【請求項１０】
第１の導電線に流れる第１の電流の測定方法であって、
出力を有するＭＲ（磁気抵抗効果）センサを用意する工程と、
前記ＭＲセンサを特定の磁気環境に曝すことにより、前記ＭＲセンサを前記特定の磁気環境下に置いたときに得られる前記出力に関連（または随伴）するセンサ状態であって予測可能な態様での経年変化が既知である特定の状態に、前記ＭＲセンサを置く工程と、
第２の導電線を用意し、前記第１の導電線と前記第２の導電線との間に、これらの導電線からそれぞれ既知の距離ずつ離れた位置に前記ＭＲセンサを配置する工程と、
前記第２の導電線に、既知の値を有する第２の電流を、前記第１の電流に伴う磁界と前記第２の電流に伴う磁界とが互いに反対方向を向くこととなるような方向に流す工程と、
前記ＭＲセンサの前記出力に規格化ファクターを適用して前記出力のアップデート値を求めることにより、規格化出力（normalized output）を生成する工程と、
前記規格化出力が前記特定の状態に達するまで、前記第２の電流を調整する工程と、
前記第２の電流の値から前記第１の電流の値を導く工程と
を含む電流測定方法。
【請求項１１】
前記ＭＲセンサが初めて前記特定の状態の下に置かれたときの、前記規格化出力のベースライン値を記録する工程と、
前記ＭＲセンサの前記出力に前記規格化ファクターを適用して規格化出力のアップデート値を求め、この規格化出力のアップデート値から前記ベースライン値を差し引くことにより差分を求める工程と、
前記差分がゼロに近づくまで前記第２の電流を調整し、これにより前記ＭＲセンサが前記特定の状態に達したことを示す工程と
をさらに含む請求項１０に記載の電流測定方法。
【請求項１２】
前記ＭＲセンサが前記特定の状態にあるときに、前記ＭＲセンサに電圧Ｖ1を印加することにより前記ＭＲセンサに電流Ｉ1を流す工程と、
前記ＭＲセンサが、それに抵抗値Ｒ2を生じさせるような未知の磁界下にあるときに、電流源を用いて前記ＭＲセンサに電流Ｉ1を供給することにより、前記電流Ｉ1と前記抵抗値Ｒ2との積に等しい値の電圧Ｖ2を前記ＭＲセンサに生じさせる工程と
をさらに含む請求項１０に記載の電流測定方法。
【請求項１３】
前記特定の磁気環境が、前記ＭＲセンサを磁気的に飽和させるに足る強度の磁界である
請求項１０に記載の電流測定方法。
【請求項１４】
前記ＭＲセンサが前記特定の磁気環境下にある際の前記ＭＲセンサの前記出力として、前記ＭＲセンサの最大抵抗値（Ｒmax）と、前記ＭＲセンサの最小抵抗値（Ｒmin）と、前記最大抵抗値（Ｒmax）と前記最小抵抗値（Ｒmin）との任意の線形結合（平均、加算、減算、乗算および除算を含む）の値とからなる群から選択されるものを利用する
請求項１０に記載の電流測定方法。
【請求項１５】
前記特定の磁気環境が、前記ＭＲセンサを飽和させるには不十分な強度の磁界であり、
前記ＭＲセンサに対して相対的に固定された導電線またはコイルに既知の電流を流すことにより、前記特定の磁気環境を再現性良く生じさせる
請求項１０に記載の電流測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気測定に用いられるＭＲ（magneto-resistive：磁気抵抗効果型）センサに係わり、特に、ＭＲセンサの経年変化に伴って生ずる磁界強度の測定誤差に対して補正を行うＭＲセンサの経年変化補正方法、およびそのようなＭＲセンサを用いて電流を測定する電流測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲ素子は、現在市販の商品に用いられているホールセンサの代わりとして磁界の検出に用いた場合に、そのホールセンサと比較して非常に高い感度が得られるという利点を有している。特に、最先端のＭＴＪ（磁気トンネル接合：magnetic tunnel junction）センサを用いた場合には、ホールセンサよりも桁違いに高い感度を得ることができる。
【０００３】
回路と非接触に設けたＭＲ素子を電流センサとして用いて、その回路から生ずる磁界を検出する方法が、例えばStauthらによる特許文献１およびShojiによる特許文献２に開示されている。図１Ａは、従来の閉ループ電流磁界センサの一般的な構造を示す図である。この電流センサは、基板２の上に設けられたＭＲセンサ１と、基板２の下方に設けられた電流線３と、ＭＲセンサ１に隣接して設けられた磁界キャンセル線４という３つの主要部を備えている。ＭＲセンサ１は、電流線３を流れる電流５を物理量として測定するものである。すなわち、電流線３に電流５が流れると、磁力線により示されるように、ＭＲセンサ１に対して磁界６が発生する。この磁界６は、ＭＲセンサ１のセンス層（フリー層）の磁化を回転させ、これによりＭＲセンサ１に抵抗変化が生じる。
【０００４】
閉ループ動作の場合、第２の電流７が磁界キャンセル線４に流れることにより、ＭＲセンサ１に磁界８が発生し、この磁界８が、電流線３に流れる電流５によって発生したＭＲセンサ１への磁界６を相殺する。そのため、ＭＲセンサ１の磁界キャンセル線４によって生じた磁界８を調整（calibrate）することにより、電流５によって生じた磁界６を完全に相殺するために必要であってＭＲセンサ１における全磁界を実質的にゼロにさせる（すなわち、ＭＲセンサ１の抵抗値をゼロ磁界での抵抗値に変化させる）電流７が得られ、この電流値に基づいて、電流線３に流れる電流５の電流値を計測することができる。
【０００５】
図１Ｂおよび図１Ｃは、従来の他の２つの検出手法を示す図である。
図１Ｂは、開ループ方式の検出構造を示す図である。この場合、電流源からＭＲセンサ９に対し電力が供給され、ＭＲセンサ９における出力電圧と、外部磁界の無印加時におけるＭＲセンサ９の出力電圧と等しく設定された基準電圧Ｖrefとが比較される。したがって、出力電圧Ｖoutは、ＭＲセンサ９の抵抗値の変化と比例することになる。ＭＲセンサ９の抵抗値が、外部磁界に対して妥当な線形応答を示すと仮定すると、出力電圧Ｖoutは、ＭＲセンサ９によって測定された外部磁界の測定値として利用することができる。
【０００６】
図１Ｃは、開ループ方式の他の検出構造を示す図である。この例では、互いに等しい抵抗特性と感度特性とを有する２つのＭＲセンサ９，１０が直列に接続され、それらに対し電圧源ＶCCから電力が供給される。ここで、ＭＲセンサ９とＭＲセンサ１０とは相反する特性を示すように構成され、これらのＭＲセンサ９とＭＲセンサ１０とに対して同一の磁界が印加されると、一方のＭＲセンサの抵抗値が増加し、他方のＭＲセンサの抵抗値が減少するようになっている。
【０００７】
図１Ｃに示した構成の場合、磁界の存在下では、ＭＲセンサ９とＭＲセンサ１０との間の接続点における電圧は、ＶCC／２という値からずれる。したがって、基準電圧ＶrefがＶCC／２に設定されていると、出力電圧Ｖoutは結果的に変化することになる。図１Ｂおよび図１Ｃに示した構成は、一般的な磁界検出用途に適用可能である。一方、図１Ｃの方式は、図１Ａに示した構成と容易に組み合わすことができる。この場合、図１Ｃの出力電圧Ｖoutがゼロにオフセットされたときの、磁界キャンセル線４に流れる第２の電流７の値を用いて、その下方の電流線３に流れる電流５を正確に測定することができる。
【０００８】
関連する先行技術を検索したところ、以下の先行技術文献が見つかった。
【０００９】
Ansserlechnerらによる特許文献３には、磁界センサに対する圧電効果と、その圧電効果を軽減するために温度補償を用いることが記載されている。Liらによる特許文献４は、電流を印加することにより既知の磁界を誘起したのち、比例的手法を用いて未知の磁界を求めることについて開示している。Yuasaらによる特許文献５は、規格化した抵抗値を用いることについて開示しているが、ここでの規格化は、単にグラフを描くために行っているにすぎない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７，２５９，５４５号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０１７０５２９号明細書
【特許文献３】米国特許第７，４４０，８６１号明細書
【特許文献４】米国特許第６，５８０，２７１号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００７／０１５４７４０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来より用いられている図１Ｂおよび図１Ｃに示した回路は、ＭＲセンサの抵抗値をそのまま用いるという点で不都合がある。すなわち、図１Ｂに示す開ループ構造の場合、抵抗値変動の絶対値に対して高い感受性を示すことから、動作に際して、例えば、熱的、電気的または機械的な応力に起因した抵抗値の変位が、測定精度に直接影響することになる。
【００１２】
図１Ｃに示す構成の場合には、２つのＭＲセンサ９，１０の絶対的な抵抗値変位による影響は受けない。しかしながら、この場合、その２つのＭＲセンサ９とＭＲセンサ１０との間の、相対的な抵抗値変位による影響を受けることになる。仮に同種の応力を受けた場合であっても、ＭＲセンサ９の抵抗値とＭＲセンサ１０の抵抗値とが等しく変化するわけではないからである。
【００１３】
図２は、２つのＭＲセンサを電源オン状態とし、室温よりも著しく高い応力温度に曝した場合に、これらの２つのＭＲセンサのゼロ磁界での抵抗値Ｒ0がどのように経時変化するかを表したものである。図２に示すように、本来のゼロ磁界における抵抗値に対して、全体的に４．５％に達する抵抗値の増加が見られる上、２つのＭＲセンサ間における抵抗値の増加程度の差は１％に達することがわかる。こうした２つのＭＲセンサ間における抵抗値の変化の違いに起因して、図１Ｂおよび図１Ｃに示す構成では、いずれも測定精度に何らかの劣化が生じる可能性がある。
【００１４】
本発明の目的は、ＭＲセンサの経年変化に伴うセンサ抵抗値のドリフトが測定精度に与える影響を低減することを可能とするＭＲセンサの経年変化補正方法および電流測定方法を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、上記ＭＲセンサの抵抗値のドリフトを補正する現場法として利用可能なＭＲセンサの経年変化補正方法を提供することにある。
【００１６】
本発明のさらに他の目的は、非接触での電流測定における精度を改善することが可能な電流測定方法を提供することにある。
【００１７】
本発明のさらに他の目的は、２つのセンサを用いた磁界測定法の測定精度向上を可能とする、ＭＲセンサの経年変化補正方法および電流測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
これらの目的は、経年の（特に、何らかの応力の影響を受けた場合の）結果として変化したセンサ出力を補正するためにＭＲセンサに適用される規格化ファクターを生成する２つの方法を開示することによって達成される。これらの方法のいずれにおいても、ＭＲセンサを特定の状態の下に置くことがポイントである。後者の方法は、特定の磁気環境（例えば、飽和状態など）の下に置かれたセンサに関する何らかのセンサ状態として規定される。
【００１９】
第１の方法の場合、ＭＲセンサが特定の状態にあるときのセンサ抵抗のベースライン値（Ｒ1a）が求められて記録される。その後においてＭＲセンサが用いられる際に、そのセンサ抵抗値のアップデート値（Ｒ1b）が求められる。このアップデート値をベースライン値で除することにより、規格化ファクターＲ1b／Ｒ1aが生成される。この規格化ファクターは、ＭＲセンサによる磁界測定の際に、そのＭＲセンサの出力電圧値を補正するために用いられる。
【００２０】
第２の方法の場合、（選択された特定の状態に置かれたときに抵抗値Ｒ１を示す）ＭＲセンサに電圧Ｖ1を印加することによりＭＲセンサに電流Ｉ1が流れるようにする。そして、ＭＲセンサが未知の磁界の測定に用いられている間、電流源を用いて、ＭＲセンサに電流Ｉ1が流れ続けるようにする。これにより、ＭＲセンサに電圧降下Ｖ2が生じる。（この未知の磁界における）ＭＲセンサの抵抗値がＲ2であるとすると、この電圧降下Ｖ2が、その選択された特定の状態に対して規格化された電圧値となる。
【００２１】
より詳細には、以下のような手段により本発明の目的が達成可能である。
【００２２】
本発明におけるＭＲセンサの経年変化補正方法は、出力を有するＭＲセンサの経年変化を補正する方法であって、ＭＲセンサを特定の磁気環境に曝すことにより、ＭＲセンサを特定の磁気環境下に置いたときに得られる第１の出力値に関連（または随伴）するセンサ状態であって予測可能な態様での経年変化が既知である特定の状態に、ＭＲセンサを置く工程と、ＭＲセンサを未知の磁界に曝すことにより、第２の出力値を得る工程と、第１の出力値に対する第２の出力値の相対的調整を行うための規格化ファクター（normalizing factor）を求め、これを用いて第２の出力値を補正する工程とを含むものである。
【００２３】
本発明におけるＭＲセンサの経年変化補正方法では、ＭＲセンサが初めて特定の状態の下に置かれたときのＭＲセンサの抵抗値を第１の出力値（Ｒ1a）でもあるベースライン値として記録する工程と、ＭＲセンサを用いて未知の磁界を測定する前に特定の状態にあるときのＭＲセンサの抵抗値（Ｒ1b）を測定する工程と、規格化ファクターをＲ1b／Ｒ1aとして求める工程とをさらに含むように構成可能である。
【００２４】
また、本発明におけるＭＲセンサの経年変化補正方法では、ＭＲセンサが特定の状態にあるときに、ＭＲセンサに電圧Ｖ1を印加することによりＭＲセンサに電流Ｉ1を流す工程と、電圧Ｖ1を電流Ｉ1で除することによりセンサ抵抗値Ｒ1を求め、これを保持する工程と、ＭＲセンサが未知の磁界下にあるときに、電流源を用いてＭＲセンサに電流Ｉ1を供給することにより、ＭＲセンサの規格化された電圧出力である電圧降下Ｖ2をＭＲセンサに生じさせる工程と、センサ抵抗値Ｒ1と電圧降下Ｖ2との積を電圧Ｖ1で除することにより、未知の磁界下にあるときのＭＲセンサの規格化された抵抗値Ｒ2を求める工程とを含むように構成可能である。
【００２５】
本発明におけるＭＲセンサの経年変化補正方法は、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗効果）素子、ＣＩＰ−ＧＭＲ（面内電流型巨大磁気抵抗効果）素子、ＣＰＰ−ＧＭＲ（面直交電流型巨大磁気抵抗効果）素子、およびＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子等の各種のＭＲセンサに適用可能である。
【００２６】
本発明の電流測定方法は、第１の導電線に流れる第１の電流の測定方法であって、出力を有するＭＲセンサを用意する工程と、ＭＲセンサを特定の磁気環境に曝すことにより、ＭＲセンサを特定の磁気環境下に置いたときに得られる出力に関連（または随伴）するセンサ状態であって予測可能な態様での経年変化が既知である特定の状態に、ＭＲセンサを置く工程と、第２の導電線を用意し、第１の導電線と第２の導電線との間に、これらの導電線からそれぞれ既知の距離ずつ離れた位置にＭＲセンサを配置する工程と、第２の導電線に、既知の値を有する第２の電流を、第１の電流に伴う磁界と第２の電流に伴う磁界とが互いに反対方向を向くこととなるような方向に流す工程と、ＭＲセンサの出力に規格化ファクターを適用して出力のアップデート値を求めることにより、規格化出力（normalized output）を生成する工程と、規格化出力が特定の状態に達するまで、第２の電流を調整する工程と、第２の電流の値から第１の電流の値を導く工程とを含むものである。
【００２７】
本発明の電流測定方法では、ＭＲセンサが初めて特定の状態の下に置かれたときの、規格化出力のベースライン値を記録する工程と、ＭＲセンサの出力に規格化ファクターを適用して規格化出力のアップデート値を求め、この規格化出力のアップデート値からベースライン値を差し引くことにより差分を求める工程と、差分がゼロに近づくまで第２の電流を調整し、これによりＭＲセンサが特定の状態に達したことを示す工程とをさらに含むように構成可能である。
【００２８】
また、本発明の電流測定方法では、ＭＲセンサが特定の状態にあるときに、ＭＲセンサに電圧Ｖ1を印加することによりＭＲセンサに電流Ｉ1を流す工程と、ＭＲセンサが、それに抵抗値Ｒ2を生じさせるような未知の磁界下にあるときに、電流源を用いてＭＲセンサに電流Ｉ1を供給することにより、電流Ｉ1と抵抗値Ｒ2との積に等しい値の電圧Ｖ2をＭＲセンサに生じさせる工程とをさらに含むように構成可能である。
【００２９】
本発明のＭＲセンサの経年変化補正方法および電流測定方法では、「特定の磁気環境」は、ＭＲセンサを磁気的に飽和させるに足る強度の磁界であってよいし、ＭＲセンサを飽和させるには不十分な強度の磁界であってもよい。
【００３０】
前者の場合には、特定の磁気環境下にあるときのＭＲセンサの出力として、ＭＲセンサの最大抵抗値（Ｒmax）、ＭＲセンサの最小抵抗値（Ｒmin）、または、最大抵抗値（Ｒmax）と最小抵抗値（Ｒmin）との任意の線形結合（平均、加算、減算、乗算および除算を含む）の値を利用し、ＭＲセンサを磁気的に飽和させるに足る強度の磁界を生成することが好ましい。
【００３１】
後者の場合には、ＭＲセンサに対して相対的に固定された導電線またはコイルを用い、これらの導電線またはコイルに既知の電流を流すことにより、ＭＲセンサを飽和させるには不十分な強度の均一磁界を「特定の磁気環境」として再現させるようにすることが好ましい。
なお、「特定の磁気環境」を生じさせるには、ＭＲセンサに対して相対的に固定されていない外部磁界発生源を用いてもよい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明のＭＲセンサの経年変化補正方法によれば、ＭＲセンサが再現可能な特定の状態に置かれているときのセンサ出力を基準として、磁界測定時のＭＲセンサの出力を規格化するようにしたので、ＭＲセンサの経年変化に伴うセンサ抵抗値のドリフトが測定精度に与える影響を低減することができる。また、このような補正方法を電流測定方法に適用することにより、非接触での電流測定精度を向上させることができる。そして、本発明の方法は、ＭＲセンサの抵抗値のドリフトを補正するための有効な現場法として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１Ａ】従来のＭＲセンサの一例を示す図である。
【図１Ｂ】従来のＭＲセンサの他の例を示す図である。
【図１Ｃ】従来のＭＲセンサの他の例を示す図である。
【図２】経年変化によりＭＲ素子の抵抗値が時間経過とともに増加していく様子を示す図である。
【図３Ａ】経年変化に伴うＭＲセンサ抵抗値の増加ドリフトと印加磁界との関係を示す図である。
【図３Ｂ】経年変化に伴うＭＲセンサ抵抗値の変化が規格化ファクターの適用によって補正される様子を示す図である。
【図４】規格化法を用いることによって経年変化に伴う測定誤差が低減する様子を示す図である。
【図５Ａ】本発明の一実施の形態に係るＭＲセンサの経年変化補正方法および電流測定方法を実施するために、ＭＲセンサを特定の磁気環境下に置くと共にＭＲセンサに電圧を印加したときの状態を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施の形態に係るＭＲセンサの経年変化補正方法および電流測定方法を説明するための模式図である。
【図５Ｃ】本発明の一実施の形態に係るＭＲセンサの経年変化補正方法および電流測定方法を実施するために、ＭＲセンサを測定対象磁界の下に置くと共にＭＲセンサに定電流を流したときの状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図３Ａは、ＭＲセンサを電源オンの状態で長期間にわたって高温の応力に曝した場合における、ＭＲセンサへの印加磁界とＭＲセンサの抵抗値との関係を表すものである。図中の実線および点線は、それぞれ、応力印加の前および後の状態を示している。図３Ａにおいて、応力印加後（点線）は、応力印加前（実線）と比較してより高い抵抗値の状態に変位している。これは、図２に示す時間０における抵抗値に対して時間ｔ３における抵抗値が増加していることと同様の抵抗値の増加を反映している。上記したように、この抵抗値の増加は磁界の検出結果に誤差を生じさせる。
【００３５】
図３Ｂにおける実線および点線は、図３Ａに示した実線および点線をそれぞれの平均抵抗値を用いて規格化した場合の印加磁界とＭＲセンサ抵抗値との関係を示している。平均抵抗値は、実線および点線の各々の、＋３Ｈの磁界および−３Ｈの磁界における最大抵抗値と最小抵抗値との平均値を求めることにより求められる（３Ｈは、素子を飽和状態すなわち再生可能状態にさせるのに十分である）。図３Ｂに示すように、平均抵抗値を用いて規格化した実線および点線は、ほぼ正確に、互いに重なり合っており、垂直方向にごくわずかな相対的な変位が生じているに過ぎない。なお、ＭＲセンサのベースライン抵抗値は変位しているものの、その対磁界感度（ｄＲ／Ｒ）は変化していない。
【００３６】
したがって、単に、経年変化に起因してＭＲセンサに生じた抵抗値ドリフト分をオフセットさせるような規格化ファクターを定めればよいことになる。このように、ＭＲセンサの寿命期間におけるいかなる段階においていかなる磁界が印加された場合においても、ＭＲセンサにより得られた抵抗値を規格化ファクターによって規格化することができる。
【００３７】
ＭＲセンサが、考え得るいくつかの「特定の状態」のうちの１つの下に置かれているときのＭＲセンサの抵抗値が、上記のような規格化ファクターの算出に適したパラメータであることが、実験データにより確認されている。以下、「特定の状態」についてより詳細に説明する。ただし、この規格化ファクターは、ＭＲセンサのベースライン抵抗値が最後のアップデート以来変わっていないことが既知である場合を除いて、新たな一連の磁界測定がなされるごとにアップデートする必要がある。
【００３８】
図４は、抵抗値を規格化することにより、何らかの応力に起因した抵抗値の変位を最小限に抑えることができる様子を示している。ここでは、合計２０個のＭＴＪセンサに対し、電源オンの状態で長期間にわたって高温状態下に置くことによって応力を与える実験を行った。図４のＸ軸は、各センサにおける初期のゼロ磁界抵抗値（ＺＦＶ：zero field value）を基準としたゼロ磁界抵抗値の平均シフト量（以下、ＺＦＶ平均シフト量という。）をパーセント（％）により示している。Ｙ軸は、ゼロ磁界抵抗値のシフト量の標準偏差（ＳＴＤ：standard deviation，以下、ＺＦＶシフト量ＳＴＤという。）を示している。図４に示す４つの異なるマークは、「ＺＦＶシフト量ＳＴＤ」対「ＺＦＶ平均シフト量」の関係についての４つのケースを示している。具体的には、各センサのトランスファー曲線に沿って、センサ抵抗値の規格化を行わなかった場合（○）、センサ抵抗値を最大抵抗値で規格化した場合（□）、最小抵抗値で規格化した場合（△）、中央値（平均値）で規格化した場合（◇）をそれぞれ示している。
【００３９】
規格化を行わなかった場合、センサのＺＦＶ平均シフト量は、初期のＺＦＶに対して５．２％に達する増加を示し、ＺＦＶシフト量ＳＴＤは、３．２％に達する増加を示している。この場合、仮にセンサの抵抗値を対象磁界の測定にそのまま用いると、ゼロ磁界値の変位に起因して、閉ループ構造では最大で９％〜１０％の誤差が生じ、開ループ構造では同様に最大で１０％の誤差が生じることになる。しかしながら、センサ抵抗値を、トランスファー曲線に沿って、最大抵抗値、最小抵抗値、および平均値で規格化すると、規格化したゼロ磁界値の変位は、平均で０．７％から０．８％、ゼロ磁界値の標準偏差は、０．１％となる。したがって、最大誤差値は、閉ループ構造では０．３％以下、開ループ構造では１％未満となる。これらの発見を実際の測定に適用するにあたり、本発明者らは、この規格化技術を一連の外部磁界の値を測定するその都度用いることにより、長期的動作もしくは外部応力またはその両方による抵抗値変位に起因した測定誤差を低減することができた。
【００４０】
センサの動作中にその場で規格化を行うには、ＭＲセンサに隣接して磁界発生コイル（図示せず）を挿入する。ＭＲセンサを用いて外部磁界を測定する前に、付加したコイルに必要な電流を流し、これにより、選択した「特定の状態」の下にＭＲセンサを置く。この「特定の状態」としては、例えば、素子の飽和状態が用いられる。飽和状態を用いる場合、センサの抵抗値は、飽和磁界の方向に依存して最大または最小となる。
【００４１】
図３Ａおよび図３Ｂに示す点線および実線において、センサの位置における全磁界は、＋Ｈ点または−Ｈ点を超えるものである必要がある。飽和状態のセンサ抵抗値（すなわち、ＲmaxおよびＲmin）を一旦保持したあと、Ｒmeanを求めて保持する。次に、付加コイルの磁界をオフにし、測定対象磁界のみをその場に残す。そして、保持したＲmax、Ｒmin、またはＲmeanの値を用いて規格化を行う。
【００４２】
規格化ファクターは、例えば、ＲmaxとＲminとの任意の線形結合が効果的である。ただし、飽和状態は必ずしも考えられ得る唯一の「特定の状態」ではなく、他の「特定の状態」として、例えばゼロ磁界における出力（すなわち、抵抗値と印加磁界との関係を示す曲線の中間部分の抵抗値）を用いてもよい。さらに他の「特定の状態」としては、最新の規格化ファクターを求めるごとにＭＲセンサにおいて正確に再現可能な任意の磁界が挙げられる。
【００４３】
要約すると、磁界検出に際して磁界センサの抵抗値を規格化することにより、以下の効果が得られる。
１．ベースライン抵抗値の変位に起因する誤差を飛躍的に低減することができる。
２．抵抗値の変位が規格化されるとともに、センサ間のばらつきは、センサの非対称性変化および非対称性分散によって影響を受けるものの、それ以外の要因によっては影響されなくなる。
３．ＭＲセンサ、特に最先端のＴＭＲセンサは、長期間の応力を経た場合の抵抗値と比較して、その非対称性においてより優れた均一性を有し、より少ない分散を有するようになる。
４．規格化法を用いることにより、閉ループ構造を用いた磁界検出手段において、同一または同様の抵抗値／感度を有するＭＲセンサを用いる必要性が改善される。
【００４４】
［最初にベースラインを確立する必要のない規格化］
図５Ａに示す素子は、少なくとも１つのＭＲセンサ２１を備えている。ＭＲセンサ２１は、磁界によってこのＭＲセンサ２１のセンス層における磁化が回転することにより、抵抗変化が生じるものである。また、ＭＲセンサ２１に近接して電気回路線２２が設けられ、この電気回路線２１に電流が流れたときに、ＭＲセンサ２１に対する磁界２３が発生する。この磁界２３は、ＭＲセンサ２１を磁気的に飽和させるのに十分な強度を有している。
【００４５】
ＭＲセンサ２１の抵抗値の（最大値または最小値での）規格化は、ＭＲセンサ２１における未知の磁界を測定する前に磁界２３を用いてＭＲセンサ２１を飽和させることにより、達成される。すなわち、まず、電気回路線２２に電流を流すことにより、ＭＲセンサ２１に磁界２３を発生させる。ＭＲセンサ２１が高抵抗（ＨＲ：high resistance）または低抵抗（ＬＲ：low resistance）の抵抗値飽和状態２４に達したところで（図５Ｂ）、ＭＲセンサ２１に定電圧源２５から電圧が印加される。この定電圧源２５を使用したのち、定電圧源２５を定電流源２６に替え、流れる電流が定電圧源２５のときと同じくなるように保つ。したがって、定電流源２６の電流値は、図５Ｃに示すように、抵抗値飽和状態２４（すなわち、ＭＲセンサ２１の最大抵抗値または最小抵抗値）の抵抗値に反比例するようになる。
【００４６】
次に、電気回路線２２を流れる電流をオフにし、ＭＲセンサ２１における磁界２３を取り除く。これにより、ＭＲセンサ２１は測定対象の外部磁界のみを検出することが可能となる。そして、定電流源２６からＭＲセンサ２１に一定電流が供給されることにより、ＭＲセンサ２１の電圧は、飽和抵抗値に規格化されたＭＲセンサ２１の抵抗値に比例するようになる。なお、高抵抗の飽和状態または低抵抗の飽和状態を得るために用いられる強磁界の代わりに、ＭＲセンサ２１を飽和させるのに足る強度を有してはいないが正確に再現可能な既知の磁界を用いて、この種の規格化された電圧を較正するようにしてもよく、このような性質を有する既知の磁界を、外部磁界の強度の測定に用いることもできる。いったん較正が完了すると、ＭＲセンサを最後に使用した以降にＭＲセンサにドリフトが生じたと考えられるごとに規格化ファクターを素早く測定することができるため、その完了した較正は永続的なものとなる。
【００４７】
なお、電気回路線２２は、本実施の形態を実施する際の磁界発生源の一例にすぎず、コイルや外部磁界源等の任意の磁界発生器を用いるようにしてもよい。
【００４８】
［実施例］
次に、いくつかの実施例について説明する。
［実施例１ａ］
本実施例は、上記した「電圧源を使用したのち、電圧源の代わりに電流源を用いる」方法に基くものである。この場合、規格化ファクターは、ＭＲセンサにおける高抵抗状態の抵抗値または低抵抗状態の抵抗値である、電流源２６の値は、ＭＲセンサ２１の抵抗値が高抵抗状態または低抵抗状態である場合において電圧源２５からの電圧が印加されたときにＭＲセンサ２１に流れる電流である。
【００４９】
［実施例１ｂ］
本実施例もまた、上記「電圧源を使用したのち、電圧源の代わりに電流源を用いる」場合に基づくものである。ただし、本実施例では、規格化ファクターを、ＭＲセンサの高抵抗状態および低抵抗状態の双方の抵抗値から求めるようにしている。本実施例では、電流源２６の値は、電圧源２５からの電圧が印加されたときにＭＲセンサ２１に流れる電流を反映させるべく、これらの高抵抗状態および低抵抗状態の電流から求めている。したがって、この場合のＭＲセンサ２１の抵抗値は、高抵抗状態の抵抗値および低抵抗状態の抵抗値の線形関数で表され、例えば、電圧源２５が存在するときのＭＲセンサ２１の平均抵抗値（高抵抗状態の抵抗値と低抵抗状態の抵抗値との算術平均）となる。但し、線形関数は、平均値を得るための関数に限定されるものではなく、その他の関数であってもよい。
【００５０】
［実施例２］
この実施例は、上記実施例１ｂと同様であるが、電気回路線２２に同じ電流を流したときに形成される特定の磁気的環境（磁界２３）の詳細が実質的に同一となるように事前に磁界２３を較正するようにしている点で、上記実施例１ｂとは異なっている。また、電気回路線２２に電流を流して磁界２３を発生させたときに、ＭＲセンサ２１に印加される磁界が磁界２３のみとなるようにするため、外部磁界を一時的にオフまたは遮蔽するようにしている。この実施例では、電圧源２５の適用後にこの電圧源２５に代えて電流源２６を適用するに当たり、電圧源２５および磁界２３を適用したときに同じ電流がＭＲセンサ２１に流れるようにすることにより、特定の磁気環境（磁界２３）の下におけるセンサ抵抗値によってＭＲセンサ２１の抵抗値が規格化される。この構成では、磁界２３は、ＭＲセンサ２１を飽和させる必要はなく、むしろ良好な再現性および安定性のみを必要とする。
【００５１】
［実施例３］
本実施例は、上記実施例１ａと同様であるが、上記実施例１ａで説明した「電圧源を使用したのち、電圧源の代わりに電流源を用いる」方法によってＭＲセンサ２１の抵抗値を規格化するものではない点で、実施例１ａと異なっている。この実施例では、測定を行う前に、磁界２３がオン状態であってＭＲセンサ２１が抵抗状態２４にあるときに、調整可能な電流源２６を用いてＭＲセンサ２１に調整電流を供給する。この調整電流は、ＭＲセンサ２１が抵抗状態２４にあるときにこのＭＲセンサ２１の電圧が特定電圧値に達し保持されるように、調整される。そして、磁界２３がオフ状態（ＭＲセンサ２１が抵抗状態２７にあり、外部磁界のみを検出可能である状態）にされると、調整可能な電流源２６からの電流は、抵抗状態２４の場合と同じとなるように維持される。なお、磁界検出機構が複数のＭＲセンサ２１を有するものである場合には、電流源２６による電流調整中における上記特定電圧値は、すべてのＭＲセンサ２１の電圧が互いに等しくなるような電圧値とすることができる。
【００５２】
［実施例４］
この実施例は、上記実施例１ｂと同様であるが、「電圧源を使用したのち、電圧源の代わりに電流源を用いる」方法において、調整可能な電流源２６をＭＲセンサ２１に対してのみ用いる点で、実施例１ｂと異なっている。この実施例では、磁界２３が印加されているときにＭＲセンサ２１の電圧が特定の値に保たれるように、調整可能な電流源２６の電流が調整される。なお、磁界検出機構が複数のＭＲセンサ２１を有するものである場合には、調整可能な電流源２６の電流調整後（規格化時）に測定される電圧は、各ＭＲセンサ２１におけるすべての電圧が互いに等しくなる場合の電圧である。
【００５３】
［実施例５］
本実施例は、上記実施例２と同様であるが、「電圧源を使用したのち、電圧源の代わりに電流源を用いる」方法を、調整可能な電流源２６をＭＲセンサ２１に対してのみ用いるように変更した点で、実施例２と異なっている。この実施例では、磁界２３が印加されているときにＭＲセンサ２１の電圧が特定の値を保つように、電流源２６の電流が調整される。なお、磁界検出機構が複数のＭＲセンサ２１を有するものである場合、電流源２６の調整中における上記特定電圧値は、すべてのＭＲセンサ２１の電圧が互いに等しくなるような電圧値とすることができる。
【００５４】
［実施例６］
この実施例は、上記実施例１ａと同様であるが、上記実施例１ａで説明した「電圧源を使用したのち、電圧源の代わりに電流源を用いる」方法によってＭＲセンサ２１の抵抗値を規格化するものではない点で、実施例１ａと異なっている。この実施例では、ＭＲセンサ２１が高抵抗状態または低抵抗状態にあるときのＭＲセンサ２１のベースライン抵抗値を、直接的（ＭＲセンサ２１の抵抗値として）または間接的に（ＭＲセンサ２１における電圧または電流として）測定し電子的に保持する。この記録され遅延され保持された抵抗値データは、後に、（除算を行うための）他のデジタル回路またはアナログ回路を用いてＭＲセンサ２１の抵抗値を規格化するときに利用される。
【００５５】
［実施例７］
この実施例は、上記実施例１ｂと同様であるが、高抵抗状態および低抵抗状態にあるときのＭＲセンサ２１の抵抗値を保持するようにしている点で、実施例１ｂと異なる。本実施例では、これらの抵抗値を線形演算により結合することにより、ＭＲセンサ２１の抵抗値の規格化に使用可能な値を生成する。この線形演算とは、例えば、ＭＲセンサ２１の高抵抗状態の抵抗値と低抵抗状態の抵抗値との平均値を求めるための演算である。
【００５６】
［実施例８］
本実施例は、上記実施例２と同様であるが、上記実施例１ｂで説明した「電圧源を使用したのち、電圧源の代わりに電流源を用いる」方法によってＭＲセンサ２１の抵抗値を規格化するものではない点で、実施例２と異なっている。本実施例では、磁界２３が印加されているときのＭＲセンサ２１の抵抗値を直接的（ＭＲセンサ２１の抵抗値として）または間接的に（ＭＲセンサ２１の電圧または電流として）記録し遅延し保持することが可能な所定のデジタル回路またはアナログ回路を用いて、ＭＲセンサ２１の抵抗値を規格化する。この記録され遅延され保持された抵抗値データは、その後、（除算を行うための）他のデジタル回路またはアナログ回路を用いてＭＲセンサ２１の抵抗値を規格化する際に利用される。
【００５７】
本発明をその好適な実施の形態を参照して詳細に説明したが、当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形式的および細部にわたる様々な変更が可能であることを理解できるであろう。
【符号の説明】
【００５８】
２１…ＭＲセンサ、２２…電気回路線、２３…磁界、２４…抵抗値飽和状態（高抵抗状態または低抵抗状態）、２５…定電圧源、２６…定電流源、２７…磁界検出状態。
【図１Ａ】
2010286492.tif 000003
【図１Ｂ】
2010286492.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
2010286492.tif 000009
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2010286492.tif 000011
【図５Ｃ】
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