(57)【要約】【課題】  ＴＭＲ素子の設置環境が高温環境下であってもＴＭＲ素子の絶縁破壊を防ぎ、さらにはノイズの影響を受け難く、高いＳ／Ｎ比を得ることができる磁気センサ装置を提供すること。【解決手段】  トンネル磁気抵抗素子２と、該トンネル磁気抵抗素子２の両端子に一端が接続された一対のリード線３と、一対のリード線３の他端に接続されトンネル磁気抵抗素子２を電圧駆動または電流駆動して抵抗変化を検出する駆動検出回路４とを備え、該駆動検出回路４が、一対のリード線３の他端に接続された一対の出力端子４ａ間に少なくとも一対のダイオード６ａを互いに逆向きにして並列または直列に接続して構成された保護回路６を有している。【選択図】図１
2013072820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル磁気抵抗素子と、
該トンネル磁気抵抗素子の両端子に一端が接続された一対のリード線と、
前記一対のリード線の他端に接続され前記トンネル磁気抵抗素子を電圧駆動または電流駆動して抵抗変化を検出する駆動検出回路とを備え、
該駆動検出回路が、前記一対のリード線の他端に接続された一対の出力端子間に、少なくとも一対のダイオードを互いに逆向きにして並列に、または少なくとも一対のツェナーダイオードを互いに逆向きにして直列に接続して構成された保護回路を有していることを特徴とする磁気センサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気センサ装置において、
前記駆動検出回路が、前記トンネル磁気抵抗素子を該トンネル磁気抵抗素子から前記駆動検出回路の出力端子までの共振周波数に設定された周波数で電流駆動することを特徴とする磁気センサ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気センサ装置において、
前記駆動検出回路が、前記トンネル磁気抵抗素子との間のインピーダンスを調整するインピーダンス調整回路を備えていることを特徴とする磁気センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐電圧の低いトンネル磁気抵抗素子の絶縁破壊を防いで、雑音によるＳ／Ｎ比の低下を抑制可能な磁気センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を用いた磁気センサや電流センサが開発されている。このＴＭＲ素子は、薄い絶縁層を挟んで対向した一対の強磁性層を備えた素子構造を有し、一方の強磁性層の磁化の向きが固定されて固定磁化層（いわゆるピン層）とされていると共に、他方の強磁性層の磁化の向きが外部磁界に応じて変化する自由磁化層（いわゆるフリー層）とされている。そして、このＴＭＲ素子では、外部磁界が加わった際に、一対の強磁性層の互いの磁化方向に応じて、一対の強磁性層間のトンネル電流が変化して素子の抵抗値が変化することで、外部磁界を高精度に検出することが可能である。
【０００３】
このＴＭＲ素子は、例えば数十％の非常に大きな抵抗変化率が得られるため、良好な磁気感度を有するが、絶縁層が極めて薄く素子の耐電圧が低いため、ＴＭＲ素子が静電気等によって絶縁破壊してしまうおそれがあった。このため、例えば特許文献１には、ＴＭＲ素子側に並列にダイオードを接続してＴＭＲ素子に印加される電圧を制限した保護回路を設けている。
【０００４】
また、ＴＭＲ素子は、絶縁層を挟んでいるために素子抵抗が非常に大きく、実際には大きなセンス電流を流すことができず、大きな出力が得られないと共に、素子抵抗が大きいために侵入ノイズが大きく、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう問題がある。他の高抵抗素子では、駆動電流を増加することで対処可能（Ｓを増加させる）であるが、ＴＭＲ素子は絶縁破壊し易いために、その方法が使用できない。このため、例えば特許文献２には、トランジスタおよびＬＣ回路からなる発振回路のトランジスタとＬＣ回路との帰還ループの一部にＴＭＲ素子を接続すると共に、スイッチング手段を設けた磁気センサが記載されている。この磁気センサでは、従来よりも高出力で磁気信号を検出することができ、高感度にすることでＳ／Ｎ比を大きくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２２２３９５号明細書
【特許文献２】特開２００４−３２６８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、従来の特許文献１の技術では、常温環境ではＴＭＲ素子の絶縁破壊を防止することができるが、ＴＭＲ素子の設置環境が例えばモータ近傍等の高温環境下であると、保護回路のダイオードが高温のために動作しなくなって保護機能を失ってしまう問題があった。また、特許文献２の技術において、磁気センサの設置環境が高温環境下であると、ＬＣ回路が正常に機能しないおそれがあると共に保護回路が無いために駆動回路その他から侵入する異常電圧ノイズ（高値）による絶縁破壊を防止することができない。なお、特許文献２の技術では、磁界のＯＮ，ＯＦＦ、すなわち発振回路が発振しているか、していないかしか検知できない。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ＴＭＲ素子の設置環境が高温環境下であってもＴＭＲ素子の絶縁破壊を防ぎ、さらにはノイズの影響を受け難く、高いＳ／Ｎ比を得ることができる磁気センサ装置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】
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明の磁気センサ装置は、トンネル磁気抵抗素子と、該トンネル磁気抵抗素子の両端子に一端が接続された一対のリード線と、前記一対のリード線の他端に接続され前記トンネル磁気抵抗素子を電圧駆動または電流駆動して抵抗変化を検出する駆動検出回路とを備え、該駆動検出回路が、前記一対のリード線の他端に接続された一対の出力端子間に少なくとも一対のダイオードを互いに逆向きにして並列に、または少なくとも一対のツェナーダイオードを互いに逆向きにして直列に接続して構成された保護回路を有していることを特徴とする。
【０００９】
この磁気センサ装置では、駆動検出回路が、一対のリード線の他端に接続された一対の出力端子間に少なくとも一対のダイオードを互いに逆向きにして並列に、または少なくとも一対のツェナーダイオードを互いに逆向きにして直列に接続して構成された保護回路を有しているので、ＴＭＲ素子が高温環境下に設置されても該高温環境下から離れた位置にリード線を介して保護回路を設置することができ、駆動検出回路から侵入する異常電圧ノイズをカットして絶縁破壊を防ぐことができる。
【００１０】
また、第２の発明の磁気センサ装置は、第１の発明において、前記駆動検出回路が、前記トンネル磁気抵抗素子を該トンネル磁気抵抗素子から前記駆動検出回路の出力端子までの共振周波数に設定された周波数で電流駆動することを特徴とする。
この磁気センサ装置では、駆動検出回路が、共振周波数でＴＭＲ素子を電流駆動するので、検出したＴＭＲ素子の電流変化または抵抗変化を復調し、磁界によるＴＭＲ素子の抵抗変化を検知することで、長いリード線にノイズが混入しても該ノイズの周波数が駆動電流の周波数と異なるため、ノイズが出力に影響をほとんど与えず、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。
【００１１】
さらに、第３の発明の磁気センサ装置は、第２の発明において、前記駆動検出回路が、前記トンネル磁気抵抗素子との間のインピーダンスを調整するインピーダンス調整回路を備えていることを特徴とする。
すなわち、この磁気センサ装置では、駆動検出回路が、ＴＭＲ素子との間のインピーダンスを調整するインピーダンス調整回路を備えているので、インピーダンス調整回路によりＴＭＲ素子から駆動検出回路までの共振周波数に共振させてインピーダンスマッチングを図り、リード線のインダクタンス成分やコンデンサ成分等と共に共振回路を構成し、ＴＭＲ素子への駆動電流が最大となるインピーダンスに調整することで、共振状態を容易に得ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る磁気センサ装置によれば、駆動検出回路が、一対のリード線の他端に接続された一対の出力端子間に少なくとも一対のダイオードを互いに逆向きにして並列に、または少なくとも一対のツェナーダイオードを互いに逆向きにして直列に接続して構成された保護回路を有しているので、ＴＭＲ素子が高温環境下に設置されても異常電圧ノイズをカットして絶縁破壊を防ぐことができる。さらに、駆動検出回路が、共振周波数でＴＭＲ素子を電流駆動すると共に、検出したＴＭＲ素子の抵抗変化を復調し、磁界によるＴＭＲ素子の抵抗変化を検知することで、長いリード線に混入するノイズの影響を低減して、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。
したがって、高温環境下でも絶縁破壊が生じず、高い信頼性が得られると共に、高精度な磁気測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る磁気センサ装置の一実施形態を示す構成図である。
【図２】本実施形態において、磁気センサ装置の等価回路図である。
【図３】本実施形態において、トンネル磁気抵抗素子を示す概略的な斜視図である。
【図４】本発明に係る磁気センサ装置の一実施形態において、他の例を示す構成図である。
【図５】本実施形態において、インピーダンス調整回路の一例を示す回路図である。
【図６】本実施形態において、検出回路本体の変調・復調処理における電流の変調駆動波形例（ａ）、復調前の波形例（ｂ）及び復調後の波形（ｃ）を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る磁気センサ装置の一実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００１５】
本実施形態の磁気センサ装置１は、図１および図２に示すように、トンネル磁気抵抗素子（以下、ＴＭＲ素子とも称す）２と、該ＴＭＲ素子２の両端子に一端が接続された一対のリード線３と、一対のリード線３の他端に接続されＴＭＲ素子２を電流駆動して抵抗変化を検出する駆動検出回路４とを備えている。また、この磁気センサ装置１は、ＴＭＲ素子２が例えばモータ近傍等の高温環境Ｈ下（例えば８５℃を超えた温度の環境下）に設置されると共に、駆動検出回路４が、リード線３を介して高温環境Ｈから離間した常温環境Ｌ下（例えば−４０℃〜８５℃の温度環境下）に設置されて使用される。
【００１６】
上記駆動検出回路４は、ＴＭＲ素子２を電流駆動して抵抗変化を検出するＩＣ等からなる検出回路本体５と、一対のリード線３の他端に接続された一対の出力端子４ａ間に少なくとも一対のダイオード６ａを互いに逆向きにして並列に接続して構成された保護回路６と、保護回路６と検出回路本体５との間に接続されＴＭＲ素子２との間のインピーダンスを調整するインピーダンス調整回路７とを有している。なお、保護回路６において、図４に示すように、一対の出力端子４ａ間に少なくとも一対のツェナーダイオード６ｂを互いに逆向きにして直列接続しても構わない。また、保護回路６は、駆動検出回路４の出力端子４ａを有したコネクタ部に内蔵させても構わない。
【００１７】
上記検出回路本体５は、ＴＭＲ素子２を該ＴＭＲ素子２から駆動検出回路４の出力端子４ａまでの共振周波数に設定された周波数で電流駆動すると共に、検出したＴＭＲ素子２の抵抗変化を前記電流駆動の周波数に基づいて復調し、磁界によるＴＭＲ素子２の抵抗変化を検知する機能を有している。
上記検出回路本体５は、ＴＭＲ素子２を上記周波数で電流駆動して抵抗変化を検出するＩＣを搭載しており、上記周波数で電流駆動する変調回路、検出した抵抗の信号を復調する復調回路、ＴＭＲ素子２の抵抗の信号を増幅するアンプ、増幅した信号をアナログからデジタルへ変換するＡ／Ｄコンバータ等を備えている。
例えば、検出回路本体５において復調回路に包絡線検波回路を採用した場合、図６の（ａ）に示すように、電流の変調駆動波形である振幅変調波が検出されると、復調前の波形が、図６の（ｂ）に示すように半波整流波形になると共に、復調後の出力波形が、図６の（ｃ）に示すように半波整流波形より高周波成分が取り除かれ、図６の（ｂ）における包絡線とほぼ同じ出力が得られる。
【００１８】
上記ダイオード６ａは、例えば降伏電圧（耐電圧）Ｖｂ：０．５Ｖ〜Ｖｂ：０．８Ｖのダイオードが採用される。また、このダイオード６ａとしては、通常のダイオード以外にツェナーダイオード６ｂ等が採用可能である。
上記一対のリード線３は、より対線（いわゆるツイストペアケーブル）である。
【００１９】
上記ＴＭＲ素子２は、図３に示すように、例えば反強磁性層１１、固定磁化層１２、絶縁層１３、自由磁化層１４の順に積層された構造を有している。例えば、反強磁性層１１は、ＩｒＭｎ層（厚さ１５ｎｍ）で構成され、固定磁化層１２は、ＣｏＦｅ層（厚さ２ｎｍ）／Ｒｕ層（厚さ０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ層（厚さ３ｎｍ）の積層で構成されている。また、絶縁層１３は、ＭｇＯ層（厚さ１．２ｎｍ）であり、自由磁化層１４は、ＣｏＦｅＢ層（厚さ３ｎｍ）である。これらの積層を挟むように自由側電極層と固定側電極層とが形成されている（図示せず）。なお、固定側電極層および自由側電極層は、直接一対の端子（図示略）に接続されるか、ワイヤーボンディング等の他の配線を介して一対の端子（図示略）に電気的に接続されている。また、本実施形態では、一つのＴＭＲ素子２を接続しているが、複数のＴＭＲ素子２を接続しても構わない。
【００２０】
この磁気センサ装置１では、図２の等価回路に示すように、ＴＭＲ素子２が、並列接続されたコンデンサ成分と可変抵抗成分とを有し、ツイストペア（分布定数線路）であるリード線３が、直列接続されたインダクタ成分および抵抗成分と、リード線３間に並列接続された抵抗成分およびコンデンサ成分とを有している。
【００２１】
上記インピーダンス調整回路７は、駆動検出回路４のＩＣから供給する電流が最大となるように、すなわち共振状態（駆動電流の周波数に応じて全インピーダンスの虚部の大きさが変化するが、この虚部がゼロとなる状態）となるようにインピーダンスマッチングするチューナーである。したがって、予め磁界検出前に、インピーダンス調整回路７によって駆動電流が最大となるようにチューニングをし、この状態で、磁界検出を行う。なお、このインピーダンス調整回路７は、インピーダンスを自動調整する回路であっても、また手動で調整する回路であっても構わない。
このインピーダンス調整回路７として、例えば図５に示すように、一対の可変容量（例えば、印加電圧により容量を調整可能なバリキャップ）Ｃ１，Ｃ２を、保護回路６を介して一対の出力端子４ａに接続された一対の配線７ａ間に並列に接続したもの等が採用される。すなわち、このインピーダンス調整回路７では、一方の配線７ａにインダクタンスＬを接続し、このインダクタンスＬの両側に一対の可変容量Ｃ１，Ｃ２の一端を接続し、他端を他方の配線７ａ側に接続して、一対の配線７ａ間に並列に一対の可変容量Ｃ１，Ｃ２を接続している。
【００２２】
このように本実施形態の磁気センサ装置１では、駆動検出回路４が、一対のリード線３の他端に接続された一対の出力端子４ａ間に少なくとも一対のダイオード６ａを互いに逆向きにして並列に接続して構成された保護回路６を有しているので、ＴＭＲ素子２が高温環境Ｈ下に設置されても該高温環境Ｈ下から離れた位置にリード線３を介して保護回路６を設置することができ、駆動検出回路４から侵入する異常電圧ノイズをカットして絶縁破壊を防ぐことができる。
【００２３】
また、駆動検出回路４が、共振周波数でＴＭＲ素子２を電流駆動するので、検出したＴＭＲ素子２の電流変化または抵抗変化を復調し、磁界によるＴＭＲ素子２の抵抗変化を検知することで、長いリード線３にノイズが混入しても該ノイズの周波数が駆動電流の周波数と異なるため、ノイズが出力に影響をほとんど与えず、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。例えば、スイッチング電源からの異常電圧ノイズの周波数がＭＨｚオーダーである場合、これよりも上記共振周波数である電流周波数が低いため、ノイズの影響を受け難い。なお、ホール素子などでは、出力はホール電圧と呼ばれる電圧であるが、ホール電圧が小さいためにリード線を延ばすと雑音を拾ってしまい、Ｓ／Ｎ比の低下が顕著になってしまう。
【００２４】
さらに、駆動検出回路４が、ＴＭＲ素子２との間のインピーダンスを調整するインピーダンス調整回路７を備えているので、インピーダンス調整回路７によりＴＭＲ素子２から駆動検出回路４までの共振周波数に共振させてインピーダンスマッチングを図り、リード線３のインダクタンス成分やコンデンサ成分等と共に共振回路を構成し、ＴＭＲ素子２への駆動電流が最大となるインピーダンスに調整することで、共振状態を容易に得ることができる。
【実施例】
【００２５】
次に、本発明に係る磁気センサ装置を、実際に作製して評価した結果を説明する。
＜実施例１＞
本発明の実施例１では、保護回路として、閾値電圧Ｖｂ：０．５Ｖ〜Ｖｂ：０．８Ｖの一対のダイオードを並列接続したものを採用した。また、耐電圧１Ｖかつ素子抵抗１０ｋΩのＴＭＲ素子を、駆動中のモータ近傍の高温環境（２００℃）に設置すると共に、駆動検出回路は室温（２５℃）に保たれた常温環境に設置した。なお、リード線は、１ｍのツイストペアケーブルを使用した。
【００２６】
この実施例において、ＴＭＲ素子と駆動検出回路とをリード線を介して接続したところ、保護回路により出力端子電圧が最大０．６Ｖに制限され、ＴＭＲ素子の耐電圧（１Ｖ）を超えることがないため、ＴＭＲ素子が絶縁破壊されなかった。なお、比較のため、ＴＭＲ素子を保護回路がない駆動検出回路（出力５Ｖ）に接続したところ、ＴＭＲ素子が絶縁破壊されてしまった。
【００２７】
また、実施例１において、ＴＭＲ素子を周波数ｆ＝１ｋＨｚの電流１０μＡで交流駆動したところ、リード線から周波数ｆ’＝１ＭＨｚのノイズが侵入したが、Ｓ／Ｎ比の低下はみられなかった。なお、比較のため、ＴＭＲ素子を直流電流１０μＡで駆動したところ、リード線から周波数ｆ’＝１ＭＨｚで１μＡ相当のノイズが侵入し、Ｓ／Ｎ比が低下してしまった。
【００２８】
＜実施例２＞
本発明の実施例２では、保護回路として、降伏電圧（耐電圧）Ｖｂ：３Ｖの一対のツェナーダイオードを直列接続したものを採用した。また、耐電圧５Ｖかつ素子抵抗１０ｋΩのＴＭＲ素子を駆動中のモータ近傍の高温環境（２００℃）に設置すると共に、駆動検出回路は室温（２５℃）に保たれた常温環境に設置した。なお、他の構成は実施例１と同様である。
【００２９】
この実施例において、ＴＭＲ素子と駆動検出回路とをリード線を介して接続したところ、保護回路により出力端子電圧が最大３．６Ｖに制限され、ＴＭＲ素子の耐電圧（５Ｖ）を超えることがないため、ＴＭＲ素子が絶縁破壊されなかった。
このように本発明の実施例では、ＴＭＲ素子の絶縁破壊が防止できると共に、ノイズ侵入によるＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。
【００３０】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態および上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１…磁気センサ装置、２…トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子、３…リード線、４…駆動検出回路、６ａ…ダイオード、６…保護回路、７…インピーダンス調整回路
【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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