(57)【要約】【課題】ＭＲ素子の物性および寸法（膜厚、幅、長さ）を変更することなく様々な測定対象の変化を検出する磁気センサを提供すること。【解決手段】磁界の変動を磁気抵抗素子によって検出する磁気センサにおいて、印加電流が流れる方向と垂直な方向の感磁磁界の変化を検出するＭＲ素子と、印加電流の流れる方向および感磁磁界の方向の両方に垂直な方向に磁界を印加する磁界印加手段と、磁界印加手段が印加する磁界の大きさを調整する磁界調整手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加電流が流れる方向と垂直な方向の感磁磁界の変化を検出するＭＲ素子と、
前記印加電流の流れる方向および前記感磁磁界の方向の両方に垂直な方向に磁界を印加する磁界印加手段と、
前記磁界印加手段が印加する磁界の大きさを調整する磁界調整手段と
を備えた磁気センサ。
【請求項２】
前記磁界印加手段は磁石であり、
前記磁界調整手段は前記磁石の位置を前記印加電流の流れる方向および前記感磁磁界の方向の両方に垂直な方向に調整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】
前記磁界印加手段はコイルであり、
前記磁界調整手段は前記コイルへ流す電流の値を調整する電流源であ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】
前記磁界印加手段は磁石に磁気的に接続され、前記印加電流の流れる方向および前記感磁磁界の方向の両方に垂直な方向で前記ＭＲ素子の両面に対向して配置されるヨークであり、
前記磁界調整手段は前記ＭＲ素子の両面に対向して配置された前記ヨーク間の距離を調整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５】
前記磁界印加手段は電磁石に磁気的に接続され、前記印加電流の流れる方向および前記感磁磁界の方向の両方に垂直な方向で前記ＭＲ素子の両面に対向して配置されるヨークであり、
前記磁界調整手段は前記ＭＲ素子の両面に対向して配置された前記ヨーク間の距離を調整することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界の変動を磁気抵抗素子によって検出する磁気センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を用いた磁気センサでは、ある一定以上磁界を加えると抵抗値が飽和してそれ以上抵抗が変化しなくなるため、センサ出力が変化しなくなる。磁界を加えて飽和したときの抵抗値と磁界を加えていない時の抵抗値との比をＭＲ比といい、このＭＲ比と抵抗が飽和する磁界（飽和磁界）は、ＭＲ素子の物性および寸法（膜厚、幅、長さ）を変更することにより定量的に変更可能である。このように、センサ出力が飽和するＭＲ素子では、測定対象の磁界領域に最適になるようにＭＲ素子を設計しなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１４５３７９号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来の磁気センサでは、様々な測定対象の磁界の変化を検出するためには、測定対象毎に物性および寸法（膜厚、幅、長さ）の異なるＭＲ素子を準備しなければならないという問題があった。
【０００５】
本発明は前記のような問題を解決するためになされたもので、ＭＲ素子の物性および寸法（膜厚、幅、長さ）を変更することなく様々な測定対象の変化を検出する磁気センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による磁気センサは、印加電流が流れる方向と垂直な方向の感磁磁界の変化を検出するＭＲ素子と、印加電流の流れる方向および感磁磁界の方向の両方に垂直な方向に磁界を印加する磁界印加手段と、磁界印加手段が印加する磁界の大きさを調整する磁界調整手段とを備えるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、印加電流が流れる方向と垂直な方向の感磁磁界の変化を検出するＭＲ素子と、印加電流の流れる方向および感磁磁界の方向の両方に垂直な方向に磁界を印加する磁界印加手段と、磁界印加手段が印加する磁界の大きさを調整する磁界調整手段とを備えているので、ＭＲ素子の物性および寸法（膜厚、幅、長さ）を変更することなく磁気センサの感度および飽和磁界を変更することができるとともに、低感度の磁気センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１による磁気センサを示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるＭＲ素子の磁化と印加電流を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるＭＲカーブを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるＭＲ素子の磁化と印加電流を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１におけるＭＲカーブを示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１におけるＭＲカーブの感度と垂直磁界を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２による磁気センサを示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態３による磁気センサを示す構成図である。
【図９】本発明の実施の形態４による磁気センサを示す構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態４による磁気センサを示す構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態５による磁気センサを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１による磁気センサを示す構成図である。磁気センサはＭＲチップ１０２と調整機構１０３から構成される。
【００１０】
図１では、ＭＲチップ１０２の直下に調整機構１０３が固定されている。ＭＲチップ１０２はハーフブリッジ回路を構成するようにＭＲ素子１がパターニングされており、電源端子２を定電圧源、ＧＮＤ端子４をＧＮＤに接続し、ＭＲチップ面の左右方向（図１のｘ軸方向、感磁方向）の感磁磁界Ｈ‖の変化を電圧変化として中点電位取出し端子３から出力する。図１では、ＭＲ素子１は各ブリッジで図奥行き方向（図１のｙ軸方向）に３回折り返した形状であるが、折返す向き、及び回数などは任意に変更可能である。またＭＲ素子１は、ハーフブリッジ回路ではなくフルブリッジ回路とすることやバーバーポールとしてもよい。
【００１１】
一方、調整機構１０３は磁石５とねじ６とそれらを格納する筐体８で構成され、磁石５はＭＲ素子１面垂直方向（図１のｚ軸方向）に着磁され、ねじ６によりＭＲ素子面垂直方向（図１のｚ軸方向）に移動することができる。図１では、磁石５の位置変更にねじ６を用いているが、ＭＲ素子面垂直方向（図１のｚ軸方向）に移動する機能があれば、手段は問わない。
【００１２】
なお、ＭＲ素子１は、ＡＭＲ素子を例に説明すると、ＭＲ素子１はＮｉＦｅなどの磁性体の薄膜で構成され、素子形状による反磁界の影響、及び異方性により、ある一定方向に磁化Ｍを持つ。外部から磁界を加えていない場合での磁化Ｍの向きは、ＭＲ素子１の面内長手方向となるように設計するのが一般的である。ここで、図２に示すとおり、ＭＲ素子１面垂直方向（図２のｚ軸方向）の垂直磁界Ｈ⊥が無く、ＭＲ素子１の面内短手方向（図２のｘ軸方向）に感磁磁界Ｈ‖を加えると、磁化Ｍは角度θだけ感磁磁界Ｈ‖の方へ回転する。この時、ＭＲ素子１に長手方向（図２のｙ軸方向）に電流Ｉを印加しておくと、ＭＲ素子の抵抗ＲはΔＲ×ｃｏｓ２θだけ減少する。ΔＲは概ね２〜３％であり、抵抗値Ｒと感磁磁界Ｈ‖の関係「ＭＲカーブ」は図３に示すとおりであり、感磁磁界Ｈ‖＝Ｈ０となるところで、θ＝４５°となり、ＭＲカーブの傾きが最小となる。更にＨ‖＞Ｈ０では、抵抗値の減少率は小さくなり、飽和する傾向を示す。ＭＲカーブの傾きの絶対値がＭＲ素子１の感度に相当し、磁界Ｈ０の時に感度が最大となる。以後θ＝４５°での傾きを感度とし、また、θ＝４５°の磁界Ｈ０の２倍の値を便宜上、抵抗値が飽和する磁界、飽和磁界Ｈｓとする。
【００１３】
以上より、ＭＲ素子１の抵抗値の変動を検出することにより、印加された感磁磁界Ｈ‖の絶対値を知ることができる。なお、感磁磁界Ｈ‖の向きが上述どおりＭＲ素子１の面内短手方向（図１および図２のｘ軸方向）であると、最も磁化Ｍを回転させ易くなる（そのため、同方向を感磁方向と呼ぶ）が、感磁磁界Ｈ‖の向きが必ずＭＲ素子１の面内短手方向である必要は無い。
【００１４】
次に、調整機構１０３により、ＭＲ素子１に面垂直方向（図１および図４のｚ軸方向）の垂直磁界Ｈ⊥が印加された状態で、感磁磁界Ｈ‖が印加された場合について、図４を用いて説明する。図４は、垂直磁界Ｈ⊥、感磁磁界Ｈ‖がＭＲ素子に印加されたときの磁化Ｍの向きを示しており、垂直磁界Ｈ⊥により、磁化Ｍは角度９０−φ°だけＭＲ素子１面垂直方向（図４のｚ軸方向）に上向いている。そのため、ＭＲ素子１の長手方向（図４のｙ軸方向）に電流Ｉが印加されている場合の抵抗値の減少量は、ΔＲ×ｓｉｎ２φ×ｃｏｓ２θとなる。
【００１５】
垂直磁界Ｈ⊥を一定とし、感磁磁界Ｈ‖変動時のＭＲ素子１のＭＲカーブを図５に示す。実線は垂直磁界Ｈ⊥が十分小さい場合のＭＲカーブで、点線は垂直磁界Ｈ⊥が十分大きい場合のＭＲカーブである。磁界Ｈ１、Ｈ２は各ＭＲカーブでのθ＝４５°（傾きが最小）となる磁界であり、垂直磁界Ｈ⊥を大きくすることにより、感度が低く、且つ、飽和磁界Ｈｓが大きくなることがわかる。温度一定での垂直磁界Ｈ⊥と感度の関係は図６に示すとおり、反比例のような関係であり、これより、垂直磁界Ｈ⊥の値により、感度と飽和磁界が変更可能であることがわかる。
【００１６】
以上より、図１に示すとおり、ＭＲチップ１０２に対し、ＭＲ素子面垂直（図１のｚ軸方向）に垂直磁界Ｈ⊥が印加されるように磁石５を配置し、磁石５の位置を調整機構１０３で変更可能とすることにより、感度、飽和磁界を任意に変更可能な磁気センサとすることができる。すなわち、磁気センサの製品出荷後に、ユーザがねじ６を回して磁石５位置を変更することにより、自由に測定対象の磁界領域に合わせて磁気センサの感度、飽和磁界を設定することができる。これにより、従来のように、測定磁界領域毎にＭＲチップのＭＲ素子の設計、製造をする必要が無くなり、開発費、製品在庫の低減を行うことができる。
【００１７】
また、従来の磁気センサでは、ＭＲ素子の低感度化のためには、ＭＲ素子の膜厚を厚くする、または、素子の短手方向（図１のｘ軸方向：印加電流Ｉと垂直方向）の幅を狭くする必要がある。しかし、膜厚を厚くすると、抵抗値が減少し、消費電力が増大してしまう課題がある。また、ＭＲ素子の幅を狭くすることは、製造プロセスの関係により、限界があるため、ＭＲ素子の低感度化には限度がある。それに対し、本磁気センサでは、垂直磁界Ｈ⊥を大きくすれば、ＭＲ素子の低感度化を容易に実現可能である。
【００１８】
なお、フェライト磁石を除いて、磁石は一般に高温になると磁力が小さくなる傾向を示す。また、ＭＲ素子の感度も高温になると低下する傾向を示すが、図６の温度一定での垂直磁界Ｈ⊥と感度の関係より、温度増加（Ｔ１→Ｔ２）による磁石５の磁力減少による垂直磁界Ｈ⊥の変化（Ｈ⊥１→Ｈ⊥２）を感度の変化分と打ち消すように垂直磁界Ｈ⊥と感度を決定することにより、温度変化の影響を受けないロバストな磁気センサを構成することができる。
【００１９】
実施の形態２
図７は、本発明の実施の形態２による磁気センサを示す構成図である。本構成例では、調整機構１０３が敷居により、３部屋に分割されている。ここで、図７（ａ）のように磁石５を調整機構１０３の最上段の部屋に格納する、または、図７（ｂ）のように、磁石５を調整機構１０３の真ん中の部屋に格納するなどにより、垂直磁界Ｈ⊥の大きさを段階的に変更することができる。図１の構成との違いは以上であり、他は同じである。
【００２０】
図７の構成では、図１の構成に比べ、選択できる感度、飽和磁界の範囲は狭くなるが、磁石５寸法と調整機構１０３の各部屋の寸法を合わせることにより、感度、飽和磁界の再現性を高めることができ、各ユーザが簡単に、測定対象の磁界領域に合わせた測定を行うことができる。なお、図７では調整機構は敷居により３部屋に分割されているが、この数は幾つでもかまわない。
【００２１】
実施の形態３
図８は、本発明の実施の形態３による磁気センサを示す構成図である。図１および図７に示した実施の形態１および実施の形態２による磁気センサでは、磁石５をＭＲチップ１０２の片側にのみ配置しているが、図８に示すように、磁石５をＭＲチップ１０２面に対向するように２つ配置することも可能である。これにより、片側磁石の場合より垂直磁界Ｈ⊥の平行度が上がり、ＭＲ素子１に安定して垂直磁界Ｈ⊥を与えることができる。なお、この時の対向する磁石５の磁極の向きはＭＲ素子１面に対し垂直方向であり、また、図８では調整機構１０３は省略しているが、磁石５は調整機能１０３によってＭＲ素子面垂直方向（図８のｚ軸方向）に移動することができる。
【００２２】
実施の形態４
図９は、本発明の実施の形態４による磁気センサを示す構成図である。図９を実施の形態１による磁気センサを示した図１と比べると、磁石５の代わりにコイル９がＭＲチップ１０２上にあり、調整機構１０３の代わりにコイル９の電流源１０４がある。電流源１０４からコイル９に流す電流の大きさを変更することにより、ＭＲ素子１面垂直方向（図９のｚ軸方向）の垂直磁界Ｈ⊥大きさを変更でき、磁気センサの感度、飽和磁界を変更することができる。また、磁石５の物理的に移動させる機構が必要なく、且つ個々の磁石バラツキの影響も受けないため、実施の形態１に示した磁気センサと同じ効果が得られるとともに、高い信頼性を保つことができる。
【００２３】
また、図１０に示すように、コイル９を巻き線コイル１０としてもよく、この場合巻き数を増やすことができるため、電流源１０４が流す電流を小さくすることができる。更に、電流源１０４から流す電流は、直流、交流どちらでもよく、交流の場合は、磁気センサからの直流電圧ノイズ、電圧オフセットを容易に取り除くことができる。
【００２４】
なお、実施の形態４のコイル９または巻き線コイル１０による垂直磁界Ｈ⊥の印加方法は、実施の形態１および実施の形態２に示した垂直磁界Ｈ⊥の印加方法と組み合わせて使用してもよい。
【００２５】
実施の形態５
図１１は、本発明の実施の形態５による磁気センサを示す構成図である。図１０を実施の形態１による磁気センサを示した図１と比べると、調整機構１０３の代わりにヨーク１１が設置されている。各ヨーク１１は、一端が磁石５に接続され、残り一端がＭＲチップ１０２に対向するように配置され、ねじ７によりＭＲチップ１０２をはさむヨーク１１間の距離を変更することができる。ねじ７を調整することにより、ＭＲ素子１面に対して垂直方向（図１１のｚ軸方向）の垂直磁界Ｈ⊥を変更できるため、磁気センサの感度、飽和磁界を変更することができる。これにより、磁石の使用量を最小限に抑えて効率良くＭＲ素子１に垂直磁界Ｈ⊥を与えられるため、磁気センサのコストを抑えることができる。なお、磁石５を電磁石としてもかまわない。
【符号の説明】
【００２６】
１  ＭＲ素子
５  磁石
６  ねじ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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