(57)【要約】磁界検出角度範囲が大きい磁気センサ、及びこれに用いられるブリッジ回路を提供するため、ブリッジ回路の複数のＭＲ素子はそれぞれ、全体として磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されると共に、上記複数本の部分はそれぞれ、磁界検出方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されて、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のＭＲ素子及び第２のＭＲ素子の直列接続体と第３のＭＲ素子と第４のＭＲ素子の直列接続体とが電源間に並列接続されたブリッジ回路と、前記第１のＭＲ素子と前記第２のＭＲ素子との接続点と、前記第３のＭＲ素子と前記第４のＭＲ素子との接続点の電位を入力して、両接続点の電位差に応じた出力をするコンパレータとを有する磁気センサにおいて、
前記ブリッジ回路の前記第１及び前記第４のＭＲ素子はそれぞれ、磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結され、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されており、
前記ブリッジ回路の前記第２及び前記第３のＭＲ素子はそれぞれ、全体として磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されると共に、前記複数本の部分はそれぞれ、磁界検出方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されて、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記第２及び前記第３のＭＲ素子の前記複数本の部分は、前記第１及び前記第４のＭＲ素子の前記複数本の部分より短い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】
前記第２及び前記第３のＭＲ素子はそれぞれ、複数の直線のラインで構成され、かつ、直線のラインが交差する領域を除いた直線距離が１０μｍ以下のラインで構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記第２及び前記第３のＭＲ素子はそれぞれ、複数の１８０°のＲ形状で順次折り返すように連結されて構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記第１乃至第４のＭＲ素子は、その折り返して連結されている部分の形状がほぼコの字状をなしていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記第１乃至第４のＭＲ素子は、その折り返して連結されている部分の形状がほぼＵの字状をなしていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の磁気センサ。
【請求項７】
第１のＭＲ素子及び第２のＭＲ素子の直列接続体と、第３のＭＲ素子と第４のＭＲ素子の直列接続体と、が電源間に並列接続されたブリッジ回路において、
前記第１及び前記第４のＭＲ素子はそれぞれ、磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結され、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されており、
前記第２及び前記第３のＭＲ素子はそれぞれ、全体として磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されると共に、前記複数本の部分はそれぞれ、磁界検出方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されて、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されていることを特徴とするブリッジ回路。
【請求項８】
前記第２及び前記第３のＭＲ素子の前記複数本の部分は、前記第１及び前記第４のＭＲ素子の前記複数本の部分より短いことを特徴とする請求項７に記載のブリッジ回路。
【請求項９】
前記第２及び前記第３のＭＲ素子はそれぞれ、複数の直線のラインで構成され、かつ、直線のラインが交差する領域を除いた直線距離が１０μｍ以下のラインで構成されていることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のブリッジ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブリッジ回路、及びこれを有する磁気センサに関し、特に４つのＭＲ素子で形成されるブリッジ回路、及びこれを有する磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果（ＭＲ効果：magneto-resistance effect）を利用した磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いた磁気センサが知られている。図５はこのような磁気センサの等価回路図である。すなわち、４つのＭＲ素子Ｒ１乃至Ｒ４で形成されるブリッジ回路と、ブリッジ回路のＭＲ素子Ｒ１とＭＲ素子Ｒ２との接続点及びＭＲ素子Ｒ３とＭＲ素子Ｒ４の接続点の電位を入力して、電位差に応じた電圧を出力するコンパレータと、コンパレータの出力を一つの入力に帰還する帰還抵抗を備えている。このような回路要素は同一チップに形成されて、磁気センサを構成している。【０００３】
図６はこのようなブリッジ回路のＭＲ素子Ｒ１乃至Ｒ４のパターンを示す平面図である。すなわち、ＭＲ素子Ｒ１及びＭＲ素子Ｒ２の直列接続体とＭＲ素子Ｒ３及びＭＲ素子Ｒ４の直列接続体とが、電源電圧Ｖｃｃと接地ＧＮＤとの間に並列接続されている。そして、ブリッジ回路のＭＲ素子Ｒ１及びＭＲ素子Ｒ４はそれぞれ、磁界検出方向と直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結され、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されている。さらに、ブリッジ回路のＭＲ素子Ｒ２及びＭＲ素子Ｒ３はそれぞれ、磁界検出方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されると共に、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されている。このようなつづら折り状のＭＲ素子を用いるブリッジ回路は、特許文献１で提案されている。【０００４】
回転動作の位置を検出する場合、アプリケーションによりできる限り磁気センサの動作角度領域を大きくしたいものがある。例えば、ビデオカメラの液晶画面部は回転機構を有しており、設定した角度で液晶部の画像の向きを反転させている。検出角度が小さいと、少しの回転動作で液晶部の画像が反転してしまう。また、検出角度を少しでも大きくするためには、マグネットを大きくしたり、磁気センサの配置を工夫する必要がある。近年の端末の小型化に伴い、設計の自由度も小さくなり、検出角度範囲が大きい磁気センサが望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２２５４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した背景技術の磁気センサには以下のような課題がある。【０００７】
少なくとも１つの抵抗体が異なる４つのＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４を４つの接続点でブリッジ状に接続し、対向する接続点に電源を付加すると、他の対向する接続点にオフセット電圧が発生する。言い換えると、図６に示すように電源電圧Ｖｃｃと接地ＧＮＤとの間に、ＭＲ素子Ｒ１及びＭＲ素子Ｒ２の直列接続体とＭＲ素子Ｒ３及びＭＲ素子Ｒ４の直列接続体とを並列接続すると、ＭＲ素子Ｒ１及びＭＲ素子Ｒ２の接続点ａとＭＲ素子Ｒ３及びＭＲ素子Ｒ４の接続点ｂとの間には、オフセット電圧が発生する。磁界が与えられるとＭＲ素子が電圧を出力する。波形整形処理部の検出レベルは、ＭＲ素子からのオフセット電圧に基づくレベルより高く設定されている。ＭＲ素子からのオフセット電圧に基づくレベルが上記検出レベルを越えると、波形整形処理部が信号を出力する。【０００８】
図６のようなパターンに、∠θの磁界が印加された場合、ＭＲ素子に流れる電流と磁界のなす角θと、ＭＲ素子の抵抗値との間には、Ｒ＝Ｒ０−ΔＲ×ｓｉｎ２θの関係がある。ここで、Ｒ０：無磁界中のＭＲ素子の抵抗値であり、ΔＲ：磁界印加による抵抗変化量である。【０００９】
印加電圧Ｖのときの接続点ａ、ｂ間のオフセット電圧は、
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で表される。このとき∠θの磁界と中点電位の関係は、図７に示す曲線ｃとなり、無磁界時のオフセット電圧値を越える磁界の角度は４５〜１３５°の間に限定される。すなわち、この角度範囲の外では波形整形処理部から信号が出力されず、検出がされない。【００１０】
したがって、本発明の目的は、磁界検出角度範囲が大きい磁気センサ、及びこれに用いられるブリッジ回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明に係る磁気センサは、第１のＭＲ素子及び第２のＭＲ素子の直列接続体と第３のＭＲ素子と第４のＭＲ素子の直列接続体とが電源間に並列接続されたブリッジ回路と、前記第１のＭＲ素子と前記第２のＭＲ素子との接続点と、前記第３のＭＲ素子と前記第４のＭＲ素子との接続点の電位を入力して、両接続点の電位差に応じた出力をするコンパレータとを有する磁気センサにおいて、前記ブリッジ回路の前記第１及び前記第４のＭＲ素子はそれぞれ、磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結され、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されており、前記ブリッジ回路の前記第２及び前記第３のＭＲ素子はそれぞれ、全体として磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されると共に、前記複数本の部分はそれぞれ、磁界検出方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されて、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されていることを特徴とする。【００１２】
本発明に係るブリッジ回路は、第１のＭＲ素子及び第２のＭＲ素子の直列接続体と、第３のＭＲ素子と第４のＭＲ素子の直列接続体と、が電源間に並列接続されたブリッジ回路において、前記第１及び前記第４のＭＲ素子はそれぞれ、磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結され、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されており、前記第２及び前記第３のＭＲ素子はそれぞれ、全体として磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されると共に、前記複数本の部分はそれぞれ、磁界検出方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されて、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、磁界検出角度範囲を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態による磁気センサのブリッジ回路を説明するための平面図である。
【図１Ｂ】本発明の第１実施形態による磁気センサのブリッジ回路の形状の細部を説明するための部分拡大図である。
【図２】ＭＲ素子のライン長と抵抗変化率との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第２実施形態による磁気センサのブリッジ回路を説明するための平面図である。
【図４Ａ】本発明の他の実施形態による磁気センサのブリッジ回路を説明するための平面図である。
【図４Ｂ】本発明のさらに他の実施形態による磁気センサのブリッジ回路を説明するための平面図である。
【図５】磁気センサの等価回路図である。
【図６】磁気センサのブリッジ回路のＭＲパターン例を示す平面図である。
【図７】∠θの磁界と中点電位の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する前に、磁気センサのオフセット電圧について改めて説明する。図６に示されるＭＲ素子Ｒ２及びＲ３を磁界に影響されない抵抗体に置き換えた場合、接続点ａ、ｂ間のオフセット電圧は
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で表される。この場合、∠θの磁界と中点電位の関係は、図７に示す曲線ｄとなり無磁界時のオフセット電圧値を越える磁界の角度が、（式１）に比べ大きく拡大される。
【００１６】
以上から、ブリッジ回路のＭＲ素子Ｒ２及びＲ３を磁界に依存しない抵抗体へ変更すると、磁気センサの検出角度を大きくすることが可能である。よって、ＭＲ素子Ｒ２、Ｒ３を一般的な半導体の抵抗にすることも考えられる。しかしながら、実際の量産性を考えた場合、半導体で作られる抵抗の抵抗値は±１０〜２０％程度のばらつきが発生する。このため、ＭＲ素子との相対精度が悪化し、中点電位のバランスが制御できず、現実的ではない。
【００１７】
以上から、本発明ではブリッジ回路のＲ２及びＲ３をＭＲ素子のまま、磁界からの影響の少ない形状にすることで検出角度範囲を大きくするものである。
【００１８】
〔第１実施形態〕
初めに、本発明の第１実施形態によるブリッジ回路、及びこれを有する磁気センサについて、図面を参照しながら説明する。図１Ａは本発明の第１実施形態による磁気センサのブリッジ回路を説明するための平面図であり、図１Ｂはその形状の細部を説明するための部分拡大図である。
【００１９】
本実施形態による磁気センサは、図１Ａに示すように、ＭＲ素子Ｒ１及びＭＲ素子Ｒ２の直列接続体とＭＲ素子Ｒ３とＭＲ素子Ｒ４の直列接続体とが電源電圧Ｖｃｃと接地ＧＮＤ間に並列接続されたブリッジ回路と、ＭＲ素子Ｒ１とＭＲ素子Ｒ２との接続点ａと、ＭＲ素子Ｒ３とＭＲ素子Ｒ４との接続点ｂの電位を入力して、両接続点の電位差に応じた応じた出力をするコンパレータ（図示せず）と、コンパレータの出力を一つの入力に帰還する帰還抵抗（図示せず）とを有している。このような回路要素が同一チップに形成されて、磁気センサを構成している。
【００２０】
さらに、ブリッジ回路を構成するＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４のパターンに特徴を有している。すなわち、図１Ａに示すように、ブリッジ回路のＭＲ素子Ｒ１及びＭＲ素子Ｒ４はそれぞれ、磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結され、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されている。さらに、図１Ａに示すように、ブリッジ回路のＭＲ素子Ｒ２及びＭＲ素子Ｒ３はそれぞれ、全体として磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されると共に、上記複数本の部分はそれぞれ、磁界検出方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されて、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されている。また、その折り返して連結されている部分の形状がほぼコの字状をなしている。
【００２１】
より具体的には図１Ａに示すように、ＭＲ素子Ｒ２及びＲ３をできる限り短い直線で構成し、かつ図の要素ｅ、要素ｆのように同じ長さの直線がお互いに直交するよう配置して、ＭＲ素子Ｒ２及びＲ３を構成する。言い換えると、ＭＲ素子Ｒ２について、図の第１の方向及び第１の方向と直交する方向である第２の方向に関し、直線の長さを同じにする。ＭＲ素子Ｒ３についても、図の第１の方向及び第２の方向に関し、直線の長さを同じにする。
【００２２】
ＭＲ素子Ｒ２及びＲ３はそれぞれ短いラインで構成されているので、異方性磁気抵抗素子であるＭＲ素子は、磁界に対する抵抗変化がＭＲ素子Ｒ１、Ｒ４に比べて大幅に小さくなる。図２に、ＭＲ素子のライン長と抵抗変化率との関係を示す。図２はＭＲ素子の材質が、Ｎｉ０．８５Ｆｅ０．１５の場合である。例えば、図１Ｂに示す、ラインｇから直交するパターンと重なる領域を除いた長さｈが１０μｍ以下であれば、図５からＭＲ素子の抵抗変化は、８０μｍ以上のラインに比べ１／５以下に減少される、ことが分かる。
【００２３】
また、Ｒ２及びＲ３は同じ形状のＭＲ素子を直交するように配置することで、∠θの磁界が印加された時の抵抗値Ｒは、
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になる。これにより、理論上、抵抗値Ｒは印加磁界の角度に依存されなくなる。
【００２４】
以上から、図１ＡのＭＲ素子で構成された、図５のブリッジ回路を考えた場合、ＭＲ素子Ｒ２及びＲ３は、磁界による抵抗変化が著しく小さくかつ磁界の方向に依存されなくなり、オフセット電圧が（式２）と同等となる。∠θの磁界と中点電位の関係が、図７に示す曲線ｄのようになる。よって、回転検出角度が大きいＭＲセンサが得られる。
【００２５】
本実施形態の磁界センサによれば、磁界検出角度範囲が大きくなる。例えば、θ＝４５°の磁界が印加された場合、図６のＭＲ素子で構成された磁気センサでは、ＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗が全て同等に変化するため、動作しない。これに対し、図１ＡのＭＲ素子で構成された磁気センサでは動作可能となる。
【００２６】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態によるブリッジ回路、及びこれを有する磁気センサについて、図面を参照しながら説明する。図３は本発明の第２実施形態による磁気センサのブリッジ回路を説明するための平面図である。第１実施形態と共通の内容については詳細な説明を省略することにする。
【００２７】
本実施形態の磁気センサは、第１実施形態とはブリッジ回路を構成するＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４のパターン形状が異なるものである。すなわち、図３に示すように、ブリッジ回路のＭＲ素子Ｒ１及びＭＲ素子Ｒ４はそれぞれ、磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結され、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されている。さらに、図３に示すように、ブリッジ回路のＭＲ素子Ｒ２及びＭＲ素子Ｒ３はそれぞれ、全体として磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されると共に、上記複数本の部分はそれぞれ、磁界検出方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されて、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されている。
【００２８】
ここで図３に示すように、本実施形態では、ブリッジ回路のＭＲ素子Ｒ２及びＭＲ素子Ｒ３が、複数の１８０°のＲ形状で順次折り返すように連結されて、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成されたものである。言い換えると、その折り返して連結されている部分の形状がほぼＵの字状をなしている。
【００２９】
本実施形態のような形状やパターンのＭＲ素子Ｒ２及びＭＲ素子Ｒ３を用いた場合にも、磁界の方向に依存されなくなり、第１実施形態の磁気センサと同様に、磁界検出角度範囲が大きくなる。
【００３０】
以上、好ましい実施形態について本発明を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。ブリッジ回路のＭＲ素子のパターンの配置については、図１Ａや図１Ｂに示される第１実施形態や、図３に示される第２実施形態に限られるものではない。例えば、図４Ａや図４Ｂに示されるブリッジ回路のＭＲ素子のパターンでもよい。
【００３１】
図４Ａは図１Ａや図１Ｂの変形例であり、ＭＲ素子Ｒ１、Ｒ４を、全体として磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されると共に、上記複数本の部分はそれぞれ、磁界検出方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されて、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成したものである。
【００３２】
図４Ｂは図３の変形例であり、ＭＲ素子Ｒ１、Ｒ４を、全体として磁界検出方向とは実質的に直交する方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されると共に、上記複数本の部分はそれぞれ、磁界検出方向に沿った複数本の部分が所定間隔で平行に並んで、順次折り返すように連結されて、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成したものである。そして、図３と同様に、複数の１８０°のＲ形状で順次折り返すように連結されて、電気的に直列接続されたつづら折り状に形成したものである。
【００３３】
これらの場合、ＭＲ素子Ｒ１及びＲ４が、磁界による抵抗変化が著しく小さくかつ磁界の方向に依存されなくなる。これにより、回転検出角度が大きいＭＲセンサとなる。
【００３４】
なお、第１実施形態では、コンパレータと帰還抵抗をブリッジ回路と同一チップ上に形成したが、別チップに形成してもよい。
【００３５】
以上、好ましい実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００３６】
この出願は、２０１２年５月１６日に出願された日本出願特願２０１２−１１２４９７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の活用例として、位置検出が必要とされる電子機器及び産業用機器が考えられる。
【符号の説明】
【００３８】
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４    ＭＲ素子
ａ、ｂ    接続点
ｇ    ライン
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
2013171977.tif 000012
【図６】
2013171977.tif 000013
【図７】
2013171977.tif 000014
【国際調査報告】
2013171977.tif 000015
2013171977.tif 000016