(57)【要約】【課題】外部磁場を検出するための磁気センサを提供する。【解決手段】第１磁気抵抗素子と、第１磁気抵抗素子にバイアス磁場を印加する第１磁場発生装置とを備える磁気センサの駆動を制御する制御装置であって、第１磁場発生装置にバイアス磁場を発生させることにより、第１磁気抵抗素子の状態を、予め定められた磁気感度を有する第１状態から、第１状態と異なる磁気感度を有する第２状態に変更する制御装置を提供する。また、磁気センサと、制御装置とを備える制御システムを提供する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１磁気抵抗素子と、前記第１磁気抵抗素子にバイアス磁場を印加する第１磁場発生装置とを備える磁気センサの駆動を制御する制御装置であって、
前記第１磁場発生装置に前記バイアス磁場を発生させることにより、前記第１磁気抵抗素子の状態を、予め定められた磁気感度を有する第１状態から、前記第１状態と異なる磁気感度を有する第２状態に変更する制御装置。
【請求項２】
前記第１状態における前記磁気センサの測定値と、前記第２状態における前記磁気センサの測定値との差分を算出する演算部を備える
請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記磁気センサは、前記第１磁気抵抗素子の感磁軸と平行な感磁軸を有する第２磁気抵抗素子を更に備え、
前記演算部は、前記第１磁気抵抗素子の出力信号と、前記第２磁気抵抗素子の出力信号との差分を算出する
請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記演算部は、
前記第１磁気抵抗素子の出力信号と、前記第２磁気抵抗素子の出力信号との差分を出力する第１差分回路と、
前記第１状態における前記第１差分回路の出力と、前記第２状態における前記第１差分回路の出力とに基づいて、オフセット成分の除去された磁気信号を算出する算出部と
を有する
請求項３に記載の制御装置。
【請求項５】
前記第１磁気抵抗素子の抵抗値と前記第２磁気抵抗素子の抵抗値との差が生じないように制御する負帰還の第１閉ループ回路を更に備える
請求項３又は４に記載の制御装置。
【請求項６】
前記磁気センサは、前記第１磁場発生装置が延伸する方向と異なる方向に延伸し、前記第１磁気抵抗素子に帰還磁場を印加する第２磁場発生装置を更に備え、
前記第１閉ループ回路は、前記第２磁場発生装置に前記帰還磁場を発生させるための帰還電流を生成する
請求項５に記載の制御装置。
【請求項７】
前記帰還電流に生じるオフセット成分が、前記第１状態と前記第２状態との間で、同一となるように制御する負帰還の第２閉ループ回路を更に備える
請求項６に記載の制御装置。
【請求項８】
前記第１磁場発生装置は、前記第１磁気抵抗素子の感磁軸と平行に延伸して形成され、
前記第１磁場発生装置に前記バイアス磁場を発生させるための電流を発生する電流発生回路を更に備える
請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項９】
前記磁気センサは、
前記第１磁気抵抗素子の感磁軸と平行な感磁軸を有する第２磁気抵抗素子と、
前記第１磁気抵抗素子の感磁軸と平行な感磁軸を有する第３磁気抵抗素子と
を更に備え、
前記演算部は、
前記第１磁気抵抗素子の出力信号と、前記第２磁気抵抗素子の出力信号との差分を出力する第１差分回路と、
前記第２磁気抵抗素子の出力信号と、前記第３磁気抵抗素子の出力信号との差分を出力する第２差分回路と
を更に備える
請求項２に記載の制御装置。
【請求項１０】
前記磁気センサは、
前記第１磁気抵抗素子の感磁軸と平行な感磁軸を有する第２磁気抵抗素子と、
前記第１磁気抵抗素子の感磁軸と平行な感磁軸を有する第３磁気抵抗素子と、
前記第１磁気抵抗素子の感磁軸と平行な感磁軸を有する第４磁気抵抗素子と
を更に備え、
前記演算部は、
前記第１磁気抵抗素子の出力信号と、前記第２磁気抵抗素子の出力信号との差分を出力する第１差分回路と、
前記第３磁気抵抗素子の出力信号と、前記第４磁気抵抗素子の出力信号との差分を出力する第２差分回路と
を更に備える
請求項２に記載の制御装置。
【請求項１１】
前記磁気センサは、前記第１磁気抵抗素子の感磁軸と平行な感磁軸を有する第２磁気抵抗素子を更に備え、
前記第１磁気抵抗素子は、前記第１磁気抵抗素子の感磁軸と平行な感磁軸を有する第１磁気素子および第２磁気素子を含み、
前記第２磁気抵抗素子は、前記第２磁気抵抗素子の感磁軸と平行な感磁軸を有する第３磁気素子および第４磁気素子を含み、
前記第１磁気素子および前記第４磁気素子が直列に接続され、前記第２磁気素子および前記第３磁気素子が直列に接続され、
前記第１磁気素子と前記第４磁気素子との間の接続ノードと、前記第２磁気素子と前記第３磁気素子との間の接続ノードから信号を出力する
請求項１０に記載の制御装置。
【請求項１２】
前記磁気センサと、
請求項１から１１のいずれか一項に記載の制御装置と
を備える制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御回路および制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、外部磁場を検出する磁気センサにおいて、外部磁場に応じて互いに逆方向に変化する２つの磁気抵抗素子を用いてばらつきを低減することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１  特開２００６−１０５６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の磁気センサは、２つの磁気抵抗素子の抵抗値のミスマッチによるオフセットを除去することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、第１磁気抵抗素子と、第１磁気抵抗素子にバイアス磁場を印加する第１磁場発生装置とを備える磁気センサの駆動を制御する制御装置であって、第１磁場発生装置にバイアス磁場を発生させることにより、第１磁気抵抗素子の状態を、予め定められた磁気感度を有する第１状態から、第１状態と異なる磁気感度を有する第２状態に変更する制御装置を提供する。
【０００５】
本発明の第２の態様においては、磁気センサと、制御装置とを備える制御システムを提供する。
【０００６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】磁気センサ１００の構成の一例を示す。
【図２】磁気センサ１００の断面図の一例を示す。
【図３】磁気抵抗素子１０の磁気抵抗特性の一例を示す。
【図４】実施例１に係る制御システム３００の構成の一例を示す。
【図５】実施例２に係る制御システム３００の構成の一例を示す。
【図６】実施例３に係る制御システム３００の構成の一例を示す。
【図７】実施例４に係る制御システム３００の構成の一例を示す。
【図８】実施例４に係る磁気センサ１００の断面図の一例を示す。
【図９】実施例５に係る制御システム３００の構成の一例を示す。
【図１０】実施例６に係る制御システム３００の構成の一例を示す。
【図１１】実施例７に係る制御システム３００の構成の一例を示す。
【図１２】実施例８に係る制御システム３００の構成の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
図１は、磁気センサ１００の構成の一例を示す。本例の磁気センサ１００は、磁気抵抗素子１０および第１磁場発生装置２１を備える。磁気抵抗素子１０は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２を備える。本明細書において、第１方向〜第３方向の直交する３方向をＸ、Ｙ、Ｚ軸で示し、磁気センサ１００のＸＹ平面の平面視（Ｚ軸方向から見た平面視）を示す。
【００１０】
第１磁気抵抗素子１１は、入力磁場に応じて抵抗が変化する。第１磁気抵抗素子１１は、Ｙ軸方向に延伸して形成される。本例の第１磁気抵抗素子１１は、平面視で、中心軸ｃ１に対称な形状を有する。第１磁気抵抗素子１１は、ＸＹ平面上に形成される。本例の第１磁気抵抗素子１１は、Ｘ軸方向に感磁軸を有する。
【００１１】
第２磁気抵抗素子１２は、入力磁場に応じて抵抗が変化する。第２磁気抵抗素子１２は、Ｙ軸方向に延伸して形成される。本例の第２磁気抵抗素子１２は、平面視で、中心軸ｃ２に対称な形状を有する。第２磁気抵抗素子１２は、ＸＹ平面上に形成される。本例の第２磁気抵抗素子１２は、Ｘ軸方向に感磁軸を有する。即ち、第２磁気抵抗素子１２は、第１磁気抵抗素子１１の感磁軸と平行な感磁軸を有する。
【００１２】
また、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２は、対称軸ｓに対して対称に形成される。第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２は、それぞれの中心軸ｃ１，ｃ２の間に間隔ｄ１を置いて配置される。中心軸ｃ１、ｃ２の間隔ｄ１は、少なくとも０より大きい値に設定される。
【００１３】
第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２は、平板状であることが好ましい。本例の第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の形状は矩形である。但し、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の形状は、矩形に限らず、どのような形状であってもよく、例えば、四角形、正方形、平行四辺形、台形、三角形、円形、楕円形のいずれであってもよい。
【００１４】
磁気抵抗素子１０は、１軸方向の入力磁場を感知して抵抗値が変化する。磁気抵抗素子１０は、一例において、予め定められた一方向の磁気を検出する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子である。また、磁気抵抗素子１０は、１軸方向の磁場にのみ感知して抵抗値を変化させる素子であれば、ＧＭＲ素子に限られない。よって、磁気抵抗素子１０は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子又は異方性磁気抵抗（ＡＭＲ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ−Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子であってもよい。
【００１５】
第１磁気抵抗素子１１は、複数の磁気抵抗素子を有してよい。即ち、第１磁気抵抗素子１１は、１つの磁気抵抗素子で構成される場合に限らず、２つ以上の磁気抵抗素子をメタル配線で接続して形成されてよい。例えば、第１磁気抵抗素子１１は、Ｙ軸方向に一列に並べられた複数の磁気抵抗素子からなる。また、第１磁気抵抗素子１１は、複数の列を成すように、Ｙ軸方向に並べられた複数の磁気抵抗素子で構成されてよい。但し、第１磁気抵抗素子１１が有する複数の磁気抵抗素子は、感磁軸が一致していることが好ましい。第２磁気抵抗素子１２も第１磁気抵抗素子１１と同様に、複数の磁気抵抗素子を有してよい。
【００１６】
第１磁場発生装置２１は、バイアス磁場ＢＶを発生する。第１磁場発生装置２１は、発生させたバイアス磁場ＢＶを第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に印加する。第１磁場発生装置２１は、バイアス磁場ＢＶを発生させ、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の磁気感度を変調する。磁気感度を変調するとは、バイアス磁場ＢＶを磁気抵抗素子１０に印加することにより、磁気抵抗素子１０の状態を第１状態から第２状態に変更することを指す。
【００１７】
第１状態および第２状態は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の磁気感度がそれぞれ異なる状態を示す。
【００１８】
第１状態とは、第１磁場発生装置２１がバイアス磁場ＢＶを発生させていない場合の磁気抵抗素子１０の磁気感度の状態を指す。本明細書において、第１状態を無バイアス状態と称する。
【００１９】
第２状態とは、第１磁場発生装置２１がバイアス磁場ＢＶを発生させている場合の磁気抵抗素子１０の磁気感度の状態を指す。本明細書において、第２状態をバイアス磁場と称する。但し、第１状態および第２状態は、第１状態と第２状態における磁気抵抗素子１０の磁気感度の大きさが異なっていれば、いずれもバイアス状態であってよい。
【００２０】
また、第１磁場発生装置２１は、磁気抵抗素子１０の近傍に配置される。磁気抵抗素子１０の近傍とは、一例において、第１磁場発生装置２１の発生したバイアス磁場ＢＶが磁気抵抗素子１０に印加できる程度の距離を指す。本例の第１磁場発生装置２１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に重なり、横切るように配置される。これにより、第１磁場発生装置２１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に対してバイアス磁場ＢＶを与える。但し、第１磁場発生装置２１は、平面視で、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２と離間して形成されてよい。磁場発生装置は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に、それぞれ異なる大きさのバイアス磁場ＢＶを与えてもよいが、本例の第１磁場発生装置２１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に、同一強度のバイアス磁場ＢＶを印加する。
【００２１】
第１磁場発生装置２１は、第１磁気抵抗素子１１の感磁軸と異なる方向の成分を少なくとも有するバイアス磁場ＢＶを発生する。第１磁場発生装置２１は、第１磁気抵抗素子１１の感磁軸と垂直な成分を少なくとも有するバイアス磁場ＢＶを発生させてもよい。また、一例において、第１磁場発生装置２１は、第１磁気抵抗素子１１の感磁軸と垂直なバイアス磁場ＢＶを発生させる。
【００２２】
図２は、磁気センサ１００の断面図の一例を示す。磁気センサ１００は、基板４０および絶縁体４２を備える。
【００２３】
基板４０は、シリコン基板、化合物半導体基板およびセラミック基板等のいずれであってもよい。また、基板４０は、ＩＣ等の電子回路を搭載した基板であってもよい。基板４０の基板平面５０には、絶縁層４２等が形成される。絶縁層４２の上面は、ＸＹ平面に略平行な面として形成され、本例において第２平面５２とする。
【００２４】
第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２は、第１平面５１上に形成される。第１平面５１は、絶縁層４２における仮想的な平面であってよい。第１平面５１は、ＸＹ平面に略平行な面として形成される。
【００２５】
第１磁場発生装置２１は、断面図において、Ｘ軸方向に延伸するメタル配線が、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に重なり、横切るように、第２平面５２上に形成される。第１平面５１および第２平面５２は、略平行で、互いが重ならないように配置されている。本例の第１磁場発生装置２１は、１本のメタル配線で描かれているが、第２平面５２上において、Ｙ軸方向に並んだ複数のメタル配線で構成されてもよい。
【００２６】
第１磁場発生装置２１は、複数のメタル配線で構成されることにより、バイアス磁場ＢＶを第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に均一に与えることができる。第１磁場発生装置２１は、複数のメタル配線を有する場合、それぞれが並列に接続されて同一方向に電流を流してもよい。また、複数のメタル配線は、それぞれが直列に接続されてもよい。
【００２７】
なお、第１磁場発生装置２１は、電力損失の観点から、比抵抗の低い金属で形成されることが好ましい。一例において、第１磁場発生装置２１は、銅、金、白金、アルミニウム又はこれらの材料を含む合金で形成される。
【００２８】
図３は、第１磁気抵抗素子１１の磁気抵抗特性の一例を示す。縦軸は第１磁気抵抗素子１１の抵抗値Ｒ［Ω］を示し、横軸は第１磁気抵抗素子１１に印加する磁場ＢＸ［ｍＴ］を示す。本例の磁場Ｂｘは、第１磁気抵抗素子１１に対して、Ｘ軸方向に−１．０ｍＴから＋１．０ｍＴの大きさの磁場を与えている。また、本例の磁気抵抗特性は、無バイアス状態およびバイアス状態での、第１磁気抵抗素子１１の磁気抵抗特性にそれぞれ対応する。本例の磁場発生装置２１は、第１磁気抵抗素子１１に対して、Ｙ軸方向に０ｍＴと＋１．０ｍＴの大きさの磁場を発生させる。
【００２９】
抵抗値Ｒ１Ｎは、無バイアス状態における第１磁気抵抗素子１１の抵抗値を示す。抵抗値Ｒ１Ｂは、バイアス状態における第１磁気抵抗素子１１の磁気抵抗特性を示す。
【００３０】
無バイアス状態における第１磁気抵抗素子１１の初期抵抗値は、バイアス状態における第１磁気抵抗素子１１の初期抵抗値と等しい。ここで、初期抵抗値が等しいとは、無バイアス状態とバイアス状態における第１磁気抵抗素子１１の初期抵抗値の差が、無バイアス状態における第１磁気抵抗素子１１の抵抗値の１％以内であることを指す。
【００３１】
また、無バイアス状態における第１磁気抵抗素子１１の磁気感度は、バイアス状態における第１磁気抵抗素子１１の磁気感度よりも大きい。即ち、本例の第１磁気抵抗素子１１は、バイアス磁場ＢＶが印加されることにより、磁気感度が小さくなる。
【００３２】
第１磁気抵抗素子１１の抵抗値Ｒ１Ｎ、Ｒ１Ｂは、（数１）式および（数２）式で示される。
（数式１）
Ｒ１Ｎ＝ΔＲ１・Ｂ１＋Ｒ０１
（数式２）
Ｒ１Ｂ＝（ａ１ΔＲ１）Ｂ１＋ｂ１Ｒ０１
【００３３】
ここで、ｂ１＝１．００１、ａ１＝０．７５であるので、第１磁気抵抗素子１１の磁気感度は、無バイアス状態よりもバイアス状態の方が小さくなる。一方、初期抵抗値Ｒ０１≒ｂ１Ｒ０１（ｂ１＝１．００１）であるので、第１磁気抵抗素子１１の初期抵抗値Ｒ０１は、無バイアス状態とバイアス状態とでほとんど変動しない。
【００３４】
［実施例１］
図４は、実施例１に係る制御システム３００の構成の一例を示す。制御システム３００は、磁気センサ１００および制御装置２００を備える。
【００３５】
磁気センサ１００のＸ軸負側には磁石が配置されている。この場合、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２には、Ｘ軸方向の磁場Ｂが入力される。本例では、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２のそれぞれに、Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２が入力される。Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２は、一様でなく、例えば、Ｂ１＞Ｂ２となる。
【００３６】
第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値Ｒ１、Ｒ２は、次式で示される。
（数式３）
Ｒ１＝ΔＲ１・Ｂ１＋Ｒ０１
（数式４）
Ｒ２＝ΔＲ２・Ｂ２＋Ｒ０２
【００３７】
Ｒ０１、Ｒ０２は、それぞれ第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の初期抵抗値を示す。本明細書において、初期抵抗値とは、Ｘ軸方向の磁場のない場合の磁気抵抗素子の抵抗値を指す。ΔＲ１、ΔＲ２は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２のＸ軸方向の磁気感度である。Ｂ１、Ｂ２は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に印加されるＸ軸方向の磁場である。
【００３８】
無バイアス状態において、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２のそれぞれの抵抗値Ｒ１Ｎ、Ｒ２Ｎは、次式で示される。
（数式５）
Ｒ１Ｎ＝Ｒ０１＋ΔＲ・Ｂ１
（数式６）
Ｒ２Ｎ＝Ｒ０２＋ΔＲ・Ｂ２
【００３９】
制御装置２００は、演算部２１０、電流発生回路２２０および電流源２４１，２４２を備える。演算部２１０は、減算増幅器２１１および演算回路２１５を備える。
【００４０】
電流源２４１は、一端が第１磁気抵抗素子１１に接続され、他端が電気的に１点に結合され第１電位２３１が与えられる。第１磁気抵抗素子１１の他端は、電気的に１点に結合され第２電位２３２が与えられる。
【００４１】
電流源２４２は、一端が第２磁気抵抗素子１２に接続され、他端が電気的に１点に結合され第１電位２３１が与えられる。第２磁気抵抗素子１２の他端は、電気的に１点に結合され第２電位２３２が与えられる。一例において、第１電位２３１は電源装置の電源電位ＶＤＤであり、第２電位２３２はグランド電位ＧＮＤである。但し、第１電位２３１および第２電位２３２は、これに限定されるものではない。
【００４２】
電流源２４１および電流源２４２は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に予め定められた大きさの定電流ＩＳをそれぞれに供給する。これにより、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の端子間には、電圧Ｖ１Ｎ、Ｖ２Ｎが生じる。電圧Ｖ１Ｎ、Ｖ２Ｎは、次式で示される。
（数式７）
Ｖ１Ｎ＝ＩＳＲ１Ｎ＝ＩＳ（Ｒ０１＋ΔＲ・Ｂ１）
（数式８）
Ｖ２Ｎ＝ＩＳＲ２Ｎ＝ＩＳ（Ｒ０２＋ΔＲ・Ｂ２）
【００４３】
減算増幅器２１１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の一方の端子に接続される。また、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の他方の端子は、第２電位２３２に設定されている。これにより、減算増幅器２１１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の２つの端子間に生じる差分電圧を増幅して出力する。減算増幅器２１１の出力ＶＯＳＮは、次式で示される。
（数式９）
ＶＯＳＮ＝Ｇ（Ｖ１Ｎ−Ｖ２Ｎ）＝ＧＩＳ｛ΔＲ（Ｂ１−Ｂ２）＋（Ｒ０１−Ｒ０２）｝
【００４４】
Ｇは、固定した増幅率であり、０でない任意の値をとり得る。（数９）式の第１項は、磁気感度に相当する部分で、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力するＸ軸に平行な磁場Ｂ１、Ｂ２に依存する。（数９）式の第２項は、オフセットに相当する部分で、Ｂ１＝Ｂ２＝０のときの第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値のミスマッチの大きさに依存する。第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値のミスマッチとは、第１磁気抵抗素子１１と第２磁気抵抗素子１２との初期抵抗値の差分である。
【００４５】
次に、磁気センサ１００がバイアス状態に設定された場合について考える。即ち、本例の第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２には、バイアス磁場ＢＶが与えられる。
【００４６】
電流発生回路２２０は、第１磁場発生装置２１の一方の端子に接続される。また、第１磁場発生装置２１の他方の端子は、第２電位２３２に設定される。本例の第１磁場発生装置２１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２が接続された、第２電位２３２の端子に接続される。但し、第１磁場発生装置２１の他方の端子は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２が接続される端子と異なる電位に設定されてよい。
【００４７】
電流発生回路２２０は、第１磁場発生装置２１に電流を供給する。これにより、電流発生回路２２０は、第１磁場発生装置２１にバイアス磁場ＢＶを発生させ、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に対してバイアス磁場ＢＶを与える。
【００４８】
第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の磁気感度は、無バイアス状態における磁気感度ΔＲに対してそれぞれａ１倍、ａ２倍に変化する。また、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の初期抵抗値は、無バイアス状態における初期抵抗値Ｒ０１、Ｒ０２に対してそれぞれｂ１倍、ｂ２倍に変化する。即ち、バイアス状態における第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２のそれぞれの抵抗値Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂは、次式で示される。
（数式１０）
Ｒ１Ｂ＝ｂ１Ｒ０１＋（ａ１ΔＲ）Ｂ１
（数式１１）
Ｒ２Ｂ＝ｂ２Ｒ０２＋（ａ２ΔＲ）Ｂ２
【００４９】
同様にして、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２は、各々に接続された電流源２４１および電流源２４２で生成される予め定められた大きさＩＳの定電流がそれぞれに供給される。これにより、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の端子間に生じる電圧Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂは、次式で示される。
（数式１２）
Ｖ１Ｂ＝ＩＳＲ１Ｂ＝ＩＳ｛ｂ１Ｒ０１＋（ａ１ΔＲ）Ｂ１｝
（数式１３）
Ｖ２Ｂ＝ＩＳＲ２Ｂ＝ＩＳ｛ｂ２Ｒ０２＋（ａ２ΔＲ）Ｂ２）
【００５０】
続いて、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の端子間に生じる電圧Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂは、減算増幅器２１１に入力される。減算増幅器２１１の出力ＶＯＳＢは、次式で示される。
（数式１４）
ＶＯＳＢ＝Ｇ（Ｖ１Ｂ−Ｖ２Ｂ）
＝ＧＩＳ｛ΔＲ（ａ１Ｂ１−ａ２Ｂ２）＋（ｂ１Ｒ０１−ｂ２Ｒ０２）｝
【００５１】
演算回路２１５は、無バイアス状態での減算増幅器２１１の出力ＶＯＳＮと、バイアス状態での減算増幅器２１１の出力ＶＯＳＢとを減算する。演算回路２１５には、減算増幅器２１１の出力信号が入力される。また、演算回路２１５には、電流発生回路２２０が第１磁場発生装置２１に電流を供給しているか否かを示す情報が入力される。演算回路２１５の出力ＶＯＵＴは、次式で示される。
（数式１５）
ＶＯＵＴ＝ＶＯＳＮ−ＶＯＳＢ＝ＧＩＳ［ΔＲ｛（１−ａ１）Ｂ１−（１−ａ２）Ｂ２｝
＋｛（１−ｂ１）Ｒ０１−（１−ｂ２）Ｒ０２｝］
【００５２】
本例の第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２は、同一チップ基板上に形成されている。この場合、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の特性がほぼ揃うので、ａ１＝ａ２＝ａ、ｂ１＝ｂ２＝ｂとなる。よって、（数１５）式の演算回路２１５の出力ＶＯＵＴは、次式で示される。
（数式１６）
ＶＯＵＴ＝ＧＩＳ｛ΔＲ（１−ａ）（Ｂ１−Ｂ２）＋（１−ｂ）（Ｒ０１−Ｒ０２）｝
【００５３】
（数１６）式の第１項は、磁気感度に相当する部分で、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力するＸ軸に平行な方向の磁場Ｂ１、Ｂ２に依存する。（数１６）式の第２項は、オフセットに相当する部分で、Ｂ１＝Ｂ２＝０のときの第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値のミスマッチの大きさに依存する。
【００５４】
無バイアス状態およびバイアス状態における、Ｘ軸に平行な方向の磁場による抵抗変化を考えると、ａ＝０．７５、ｂ＝１．００１が得られる。これらを（数１６）式に代入し、１−ａ＝０．２５と、１−ｂ＝−０．００１≒０とすれば、演算回路２１５の出力ＶＯＵＴは、次式で示される。
（数式１７）
ＶＯＵＴ＝ＧＩＳΔＲ（０．２５）（Ｂ１−Ｂ２）
【００５５】
即ち、演算回路２１５の出力ＶＯＵＴは、オフセットに相当する部分が除去され、磁気感度に相当する部分のみが抽出されている。したがって、磁気センサ１００は、誤差要素であるオフセット成分を抑制して、高い精度で不均一に生じた磁場を検出できる。
【００５６】
また、磁気センサ１００は、差分構成をとるので、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力する磁場の大きさが等しければ、誤差要素が演算回路２１５の出力ＶＯＵＴに現れることを抑制できる。例えば、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力する磁場の大きさが等しくなる場合とは、地磁気のような遠方より飛来するＸ軸に平行な方向の一様な磁場が入力される場合である。
【００５７】
なお、本例の演算手順はあくまで一例であり、本例で示した手順に限定されない。また、制御装置２００は、磁気センサ１００の出力信号を処理する処理回路の一例である。つまり、無バイアス状態とバイアス状態との間で、磁気抵抗素子の磁気感度およびオフセットが変化することを利用してオフセット成分を抑制する回路であれば本例に限られない。
【００５８】
［実施例２］
図５は、実施例２に係る制御システム３００の構成の一例を示す。本例の制御システム３００は、磁気センサ１００および制御装置２００を備える。磁気センサ１００は、磁気抵抗素子１０として、第１磁気抵抗素子１１、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３を備える。即ち、本例の磁気センサ１００は、実施例１に係る磁気センサ１００に加えて、第３磁気抵抗素子１３を更に備える。また、磁気センサ１００の両端には、第１電流導体３１および第２電流導体３２が形成されている。
【００５９】
第３磁気抵抗素子１３は、入力磁場に応じて抵抗が変化する。第３磁気抵抗素子１３は、Ｙ軸方向に延伸して形成される。本例の第３磁気抵抗素子１３は、平面視で、中心軸に対称な形状を有する。第３磁気抵抗素子１３は、ＸＹ平面上に形成される。また、第３磁気抵抗素子１３は、Ｘ軸方向に感磁軸を有する。即ち、第３磁気抵抗素子１３は、第１磁気抵抗素子１１の感磁軸と平行な感磁軸を有する。第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３は、いずれもＸ軸に平行な方向に感度軸を有し、それぞれがＸ軸に平行な方向に一定の間隔を置いて配置される。第３磁気抵抗素子１３は、第１平面５１上で、第２磁気抵抗素子１２を対称軸にして、第１磁気抵抗素子１１と対称となるように配置される。なお、本明細書において、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３とは、第１磁気抵抗素子１１、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３を指す。
【００６０】
第１電流導体３１および第２電流導体３２は、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３にＸ軸方向の磁場を印加する。第１電流導体３１および第２電流導体３２は、Ｙ軸方向に延伸して形成される。第１電流導体３１および第２電流導体３２は、磁気センサ１００のＸ軸の負側と正側にそれぞれ形成されている。第１電流導体３１および第２電流導体３２には、Ｙ軸の正側に向けて電流が流れる。これにより、第１電流導体３１および第２電流導体３２の周囲に、２つの電流の作る合成の磁場が生成される。
【００６１】
第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３のそれぞれに、Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３が入力される。Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、一様でなく、例えば、Ｂ１＞Ｂ２、Ｂ３＞Ｂ２である。第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３は、Ｘ軸に平行な方向に同じ磁気感度ΔＲを有することが好ましい。Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３のそれぞれの抵抗値であり、次式で示される。
（数式１８）
Ｒ１＝Ｒ０１＋ΔＲ・Ｂ１
（数式１９）
Ｒ２＝Ｒ０２＋ΔＲ・Ｂ２
（数式２０）
Ｒ３＝Ｒ０３＋ΔＲ・Ｂ３
【００６２】
ここで、Ｒ０１、Ｒ０２、Ｒ０３はＸ軸に平行な方向の磁場のないときの第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の抵抗値である。ΔＲは第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の磁気感度である。Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に入力するＸ軸に平行な方向の磁場である。
【００６３】
第１磁場発生装置２１は、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に重なり、横切るように配置される。第１磁場発生装置２１には、Ｘ軸に平行な方向に電流が流される。これにより、第１磁場発生装置２１は、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に対してＹ軸に平行な方向にバイアス磁場ＢＶを与える。
【００６４】
制御装置２００は、演算部２１０、電流発生回路２２０および電流源２４１，２４２，２４３を備える。演算部２１０は、減算増幅器２１１，２１２、加算増幅器２１４および演算回路２１５を備える。
【００６５】
先ず、磁気センサ１００が無バイアス状態に設定された場合について考える。即ち、本例の第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３には、バイアス磁場ＢＶが与えられていない。
【００６６】
無バイアス状態での第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の抵抗値Ｒ１Ｎ、Ｒ２Ｎ、Ｒ３Ｎは、次式で示される。
（数式２１）
Ｒ１Ｎ＝Ｒ０１＋ΔＲ・Ｂ１
（数式２２）
Ｒ２Ｎ＝Ｒ０２＋ΔＲ・Ｂ２
（数式２３）
Ｒ３Ｎ＝Ｒ０３＋ΔＲ・Ｂ３
【００６７】
電流源２４１〜電流源２４３の一方の端子は、それぞれ第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の一方の端子に接続される。また、電流源２４１〜電流源２４３の他方の端子は、電気的に１点に結合されて、第１電位２３１が与えられる。第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の他方の端子は、電気的に１点に結合されて、第２電位２３２が与えられる。
【００６８】
第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３は、各々に接続された電流源２４１〜電流源２４３で生成される予め定められた大きさＩＳの定電流がそれぞれに供給される。これにより、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の端子間に生じる電圧Ｖ１Ｎ、Ｖ２Ｎ、Ｖ３Ｎは、次式で示される。
（数式２４）
Ｖ１Ｎ＝ＩＳＲ１Ｎ＝ＩＳ（Ｒ０１＋ΔＲ・Ｂ１）
（数式２５）
Ｖ２Ｎ＝ＩＳＲ２Ｎ＝ＩＳ（Ｒ０２＋ΔＲ・Ｂ２）
（数式２６）
Ｖ３Ｎ＝ＩＳＲ３Ｎ＝ＩＳ（Ｒ０３＋ΔＲ・Ｂ３）
【００６９】
減算増幅器２１１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の一方の端子に接続される。また、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の他方の端子は、電気的に１点に結合されている。これにより、減算増幅器２１１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の端子間に生じる差分電圧を増幅して出力する。
【００７０】
減算増幅器２１２は、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３の一方の端子に接続される。また、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３の他方の端子は、電気的に１点に結合されている。これにより、減算増幅器２１２は、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３の端子間に生じる差分電圧を増幅して出力する。
【００７１】
よって、減算増幅器２１１および減算増幅器２１２の出力電圧ＶＯＳＮ１、ＶＯＳＮ２は、次式で示される。
（数式２７）
ＶＯＳＮ１＝Ｇ（Ｖ１Ｎ−Ｖ２Ｎ）＝ＧＩＳ｛ΔＲ（Ｂ１−Ｂ２）＋（Ｒ０１−Ｒ０２）｝
（数式２８）
ＶＯＳＮ２＝Ｇ（Ｖ３Ｎ−Ｖ２Ｎ）＝ＧＩＳ｛ΔＲ（Ｂ３−Ｂ２）＋（Ｒ０３−Ｒ０２）｝
【００７２】
Ｇは、予め定められた増幅率であり、０でない任意の値をとり得る。本例の減算増幅器２１１および減算増幅器２１２の増幅率は、等しい値に設定される。但し、減算増幅器２１１および減算増幅器２１２の増幅率は、異なる値であってよい。
【００７３】
加算増幅器２１４は、減算増幅器２１１および減算増幅器２１２の出力信号が入力されて、それぞれの入力を加算して増幅する。一例において、加算増幅器２１４の増幅率は１倍である。この場合、加算増幅器２１４の出力ＶＯＡＮは、次式で示される。
（数式２９）
ＶＯＡＮ＝ＶＯＳＮ１＋ＶＯＳＮ２
＝ＧＩＳ［ΔＲ｛（Ｂ１−Ｂ２）＋（Ｂ３−Ｂ２）｝
＋｛（Ｒ０１−Ｒ０２）＋（Ｒ０３−Ｒ０２）｝］
【００７４】
（数２９）式の第１項は、磁気感度に相当する部分で、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に入力するＸ軸に平行な方向の磁場Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３に依存する。（数２９）式の第２項は、オフセットに相当する部分で、Ｂ１＝Ｂ２＝Ｂ３＝０のときの第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値のミスマッチと、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３の抵抗値のミスマッチと、の大きさに依存する。
【００７５】
次に、磁気センサ１００がバイアス状態に設定された場合について考える。即ち、本例の第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３には、バイアス磁場ＢＶが与えられる。
【００７６】
電流発生回路２２０は、第１磁場発生装置２１の一方の端子に接続される。また、第１磁場発生装置２１の他方の端子は、第２電位２３２に設定される。ここで、電流発生回路２２０が、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に対してＹ軸に平行な方向にバイアス磁場ＢＶを与えるとき、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の磁気感度は、無バイアス状態における磁気感度ΔＲに対してそれぞれａ１倍、ａ２倍、ａ３倍に変化し、初期抵抗値が、無バイアス状態における初期抵抗値Ｒ０１、Ｒ０２、Ｒ０３に対してそれぞれｂ１倍、ｂ２倍、ｂ３倍に変化する。
【００７７】
即ち、バイアス状態における第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３のそれぞれの抵抗値Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂ、Ｒ３Ｂは、次式で示される。
（数式３０）
Ｒ１Ｂ＝ｂ１Ｒ０１＋（ａ１ΔＲ）Ｂ１
（数式３１）
Ｒ２Ｂ＝ｂ２Ｒ０２＋（ａ２ΔＲ）Ｂ２
（数式３２）
Ｒ３Ｂ＝ｂ３Ｒ０３＋（ａ３ΔＲ）Ｂ３
【００７８】
同様にして、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３は、各々に接続された電流源２４１〜電流源２４３で生成される予め定められた大きさＩＳの定電流がそれぞれに供給される。これにより、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の端子間に生じる電圧Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ、Ｖ３Ｂは、次式で示される。
（数式３３）
Ｖ１Ｂ＝ＩＳＲ１Ｂ＝ＩＳ｛ｂ１Ｒ０１＋（ａ１ΔＲ）Ｂ１｝
（数式３４）
Ｖ２Ｂ＝ＩＳＲ２Ｂ＝ＩＳ｛ｂ２Ｒ０２＋（ａ２ΔＲ）Ｂ２）
（数式３５）
Ｖ３Ｂ＝ＩＳＲ３Ｂ＝ＩＳ｛ｂ３Ｒ０３＋（ａ３ΔＲ）Ｂ３）
【００７９】
続いて、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の端子間に生じる電圧Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂは、減算増幅器２１１に入力される。また、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３の端子間に生じる電圧Ｖ２Ｂ、Ｖ３Ｂは、減算増幅器２１２に入力される。減算増幅器２１１および減算増幅器２１２の出力ＶＯＳＢ１、ＶＯＳＢ２は、次式で示される。
（数式３６）
ＶＯＳＢ１＝Ｇ（Ｖ１Ｂ−Ｖ２Ｂ）
＝ＧＩＳ｛ΔＲ（ａ１Ｂ１−ａ２Ｂ２）＋（ｂ１Ｒ０１−ｂ２Ｒ０２）｝
（数式３７）
ＶＯＳＢ２＝Ｇ（Ｖ３Ｂ−Ｖ２Ｂ）
＝ＧＩＳ｛ΔＲ（ａ３Ｂ３−ａ２Ｂ２）＋（ｂ３Ｒ０３−ｂ２Ｒ０２）｝
【００８０】
続いて、減算増幅器２１１および減算増幅器２１２の出力ＶＯＳＢ１、ＶＯＳＢ２は、加算増幅器２１４に入力される。加算増幅器２１４の出力ＶＯＡＢは、次式で示される。
（数式３８）
ＶＯＡＢ＝ＶＯＳＢ１＋ＶＯＳＢ２
＝ＧＩＳ［ΔＲ｛（ａ１Ｂ１−ａ２Ｂ２）＋（ａ３Ｂ３−ａ２Ｂ２）｝
＋｛（ｂ１Ｒ０１−ｂ２Ｒ０２）＋（ｂ３Ｒ０３−ｂ２Ｒ０２）｝］
【００８１】
演算回路２１５には、加算増幅器２１４の出力信号が入力される。また、演算回路２１５には、電流発生回路２２０が第１磁場発生装置２１に電流を供給しているか否かに関する情報が入力される。これにより、演算回路２１５は、無バイアス状態における加算増幅器２１４の出力ＶＯＡＮと、バイアス状態における加算増幅器２１４の出力ＶＯＡＢとを減算して出力する。よって、演算回路２１５の出力ＶＯＵＴは、次式で示される。
（数式３９）
ＶＯＵＴ＝ＶＯＡＮ−ＶＯＡＢ
＝ＧＩＳ［ΔＲ｛（１−ａ１）Ｂ１＋（１−ａ３）Ｂ３−２（１−ａ２）Ｂ２｝
＋｛（１−ｂ１）Ｒ０１＋（１−ｂ３）Ｒ０３−２（１−ｂ２）Ｒ０２｝］
【００８２】
さらに、本例の第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３は、同一チップ基板上に形成されている。この場合、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の特性がほぼ揃うので、ａ１＝ａ２＝ａ３＝ａ、ｂ１＝ｂ２＝ｂ３＝ｂとなる。（数３９）式の演算回路２１５の出力ＶＯＵＴは、次式で示される。
（数式４０）
ＶＯＵＴ＝ＧＩＳ［ΔＲ（１−ａ）｛（Ｂ１−Ｂ２）＋（Ｂ３−Ｂ２）｝
＋（１−ｂ）｛（Ｒ０１−Ｒ０２）＋（Ｒ０３−Ｒ０２）｝］
【００８３】
（数４０）式の第１項は、磁気感度に相当する部分で、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に入力するＸ軸に平行な方向の磁場Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３に依存する。（数４０）式の第２項は、オフセットに相当する部分で、Ｂ１＝Ｂ２＝Ｂ３＝０のときの第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値のミスマッチと、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３の抵抗値のミスマッチと、の大きさに依存する。
【００８４】
ここで、無バイアス状態およびバイアス状態におけるＸ軸に平行な方向の磁場による抵抗変化を考えると、ａ＝０．７５、ｂ＝１．００１が得られる。これらを（数４０）式に代入すると、１−ａ＝０．２５と、１−ｂ＝−０．００１≒０とすれば、演算回路２１５の出力ＶＯＵＴは、次式で示される。
（数式４１）
ＶＯＵＴ＝ＧＩＳΔＲ（０．２５）｛（Ｂ１−Ｂ２）＋（Ｂ３−Ｂ２）｝
【００８５】
即ち、演算回路２１５の出力ＶＯＵＴは、オフセットに相当する部分が除去され、磁気感度に相当する部分のみが抽出されている。したがって、磁気センサ１００は、誤差要素であるオフセット成分を抑制して、Ｘ軸に平行な方向に不均一に生じた磁場を、高い精度で検出できる。
【００８６】
また、磁気センサ１００は、差分構成をとるので、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に入力する磁場の大きさが等しければ、誤差要素に相当して、これが演算回路２１５の出力ＶＯＵＴに現れることを抑制できる。例えば、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に入力する磁場の大きさが等しくなる場合とは、地磁気のような遠方より飛来するＸ軸に平行な方向の一様な磁場が入力される場合である。
【００８７】
本例の磁気センサ１００は、［（Ｂ１−Ｂ２）＋（Ｂ３−Ｂ２）］で示されるように、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３を用いて、２重の差分構成をとる。そのため、磁気センサ１００は、一様でない外乱磁場による誤差要素を抑制できる。即ち、演算回路２１５の出力ＶＯＵＴには、一様でない外乱磁場の成分が含まれない。本明細書において、一様な外乱磁場とは、Ｘ軸方向において一様に増加する磁場、又はＸ軸方向において一様に減少する磁場を指す。
【００８８】
なお、本例の演算手順はあくまで一例であり、本例に記載した手順に限定されない。また、制御装置２００は、磁気センサ１００の出力信号を処理する処理回路の一例である。つまり、無バイアス状態とバイアス状態との間で、磁気抵抗素子の磁気感度およびオフセットが変化することを利用してオフセット成分を抑制する回路であれば本例に限られない。
【００８９】
［実施例３］
図６は、実施例３に係る制御システム３００の構成の一例を示す。本例の磁気センサ１００は、第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４および第１磁場発生装置２１を備える。即ち、本例の磁気センサ１００は、実施例１に係る磁気センサ１００に加えて、第３磁気抵抗素子１３および第４磁気抵抗素子１４を更に備える。磁気センサ１００の両端には、第１電流導体３１および第２電流導体３２が形成されている。なお、本明細書において、第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４とは、第１磁気抵抗素子１１、第２磁気抵抗素子１２、第３磁気抵抗素子１３および第４磁気抵抗素子１４を示す。
【００９０】
第３磁気抵抗素子１３は、入力磁場に応じて抵抗が変化する。第３磁気抵抗素子１３は、Ｙ軸方向に延伸して形成される。第３磁気抵抗素子１３は、ＸＹ平面上に形成される。また、第３磁気抵抗素子１３は、Ｘ軸方向に感磁軸を有する。即ち、第３磁気抵抗素子１３は、第１磁気抵抗素子１１の感磁軸と平行な感磁軸を有する。
【００９１】
第４磁気抵抗素子１４は、入力磁場に応じて抵抗が変化する。第４磁気抵抗素子１４は、Ｙ軸方向に延伸して形成される。第４磁気抵抗素子１４は、ＸＹ平面上に形成される。また、第４磁気抵抗素子１４は、Ｘ軸方向に感磁軸を有する。即ち、第４磁気抵抗素子１４は、第１磁気抵抗素子１１の感磁軸と平行な感磁軸を有する。
【００９２】
第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４は、Ｘ軸方向の負側から、第１磁気抵抗素子１１、第２磁気抵抗素子１２、第４磁気抵抗素子１４および第３磁気抵抗素子１３の順に並んで配置されている。本例の第３磁気抵抗素子１３および第４磁気抵抗素子１４は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２と対称に配置されている。
【００９３】
本例の第２磁気抵抗素子１２は、第１磁気抵抗素子１１および第４磁気抵抗素子１４に挟まれて形成される。また、本例の第４磁気抵抗素子１４は、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３に挟まれて形成される。
【００９４】
第１電流導体３１および第２電流導体３２は、Ｙ軸方向に延伸して形成される。第１電流導体３１および第２電流導体３２は、磁気センサ１００のＸ軸の負側と正側にそれぞれ形成されている。第１電流導体３１および第２電流導体３２には、Ｙ軸の正側に向けて電流が流れる。これにより、第１電流導体３１および第２電流導体３２の周囲に、２つの電流の作る合成の磁場が生成される。
【００９５】
第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４のそれぞれに、Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４が入力される。Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４は、一様でなく、例えば、Ｂ１＞Ｂ２、Ｂ３＞Ｂ４である。第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４は、Ｘ軸に平行な方向に同じ磁気感度ΔＲを有することが好ましい。
【００９６】
制御装置２００は、演算部２１０、電流発生回路２２０および電流源２４１〜電流源２４４を備える。演算部２１０は、減算増幅器２１１，２１２、加算増幅器２１４および演算回路２１５を備える。
【００９７】
電流源２４１〜電流源２４４の一方の端子は、それぞれ第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４の一方の端子に接続される。また、電流源２４１〜電流源２４４の他方の端子は、電気的に１点に結合されて、第１電位２３１が与えられる。第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４の他方の端子は、電気的に１点に結合されて、第２電位２３２が与えられる。これにより、電流源２４１〜電流源２４４は、第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４の各々に予め定められた大きさＩＳの定電流を供給する。
【００９８】
減算増幅器２１１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の一方の端子に接続される。また、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の他方の端子は、電気的に１点に結合されている。これにより、減算増幅器２１１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の端子間に生じる差分電圧を増幅して出力する。
【００９９】
減算増幅器２１２は、第３磁気抵抗素子１３および第４磁気抵抗素子１４の一方の端子に接続される。また、第３磁気抵抗素子１３および第４磁気抵抗素子１４の他方の端子は、電気的に１点に結合されている。これにより、減算増幅器２１２は、第３磁気抵抗素子１３および第４磁気抵抗素子１４の端子間に生じる差分電圧を増幅して出力する。
【０１００】
加算増幅器２１４は、減算増幅器２１１および減算増幅器２１２の出力信号が入力される。加算増幅器２１４は、入力された出力信号を加算して出力する。
【０１０１】
本例の磁気センサ１００は、実施例２の場合と同様に、第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４の出力に基づいて、オフセット成分を除去する。したがって、磁気センサ１００は、誤差要素であるオフセット成分を抑制して、Ｘ軸に平行な方向に不均一に生じた磁場を、高い精度で検出できる。
【０１０２】
［実施例４］
図７は、実施例４に係る制御システム３００の構成の一例を示す。図８は、実施例４に係る磁気センサ１００の断面図の一例を示す。本例の磁気センサ１００は、第１磁気抵抗素子１１、第２磁気抵抗素子１２、第１磁場発生装置２１および第２磁場発生装置２２を備える。即ち、本例の磁気センサ１００は、実施例１に係る磁気センサ１００の構成に加えて、第２磁場発生装置２２を更に有する。
【０１０３】
第２磁場発生装置２２は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に帰還磁場を印加する。第２磁場発生装置２２は、帰還磁場を第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に印加することにより、第１磁気抵抗素子１１と第２磁気抵抗素子１２の抵抗値が同じとなるように制御する。帰還電流とは、帰還磁場を発生させるために第２磁場発生装置２２に流される電流である。
【０１０４】
第２磁場発生装置２２は、第１磁場発生装置２１の延伸する方向と異なる方向に延伸する。本例の第２磁場発生装置２２は、Ｙ軸に平行な方向に延伸する２つの第２磁場発生装置２２ａおよび第２磁場発生装置２２ｂを備える。第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂは、導電性の材料で形成される。一例において、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂは、メタル配線で形成される。第２磁場発生装置２２は、電力損失の観点から、比抵抗の小さい金属が好ましく、銅、金、白金、アルミニウム、或いは、それらを含む合金が好ましい。
【０１０５】
第２磁場発生装置２２ａは、平面視で、第１磁気抵抗素子１１と重なるように第３平面５３上に配置される。第２磁場発生装置２２ａは、第１磁気抵抗素子１１に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。
【０１０６】
第２磁場発生装置２２ｂは、平面視で、第２磁気抵抗素子１２と重なるように第３平面５３上に配置される。第２磁場発生装置２２ｂは、第２磁気抵抗素子１２に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。
【０１０７】
第３平面５３は、ＸＹ平面に略平行な面として形成される。即ち、第３平面５３は、第１平面５１および第２平面５２と略平行で、互いが重ならないように配置される。第１平面５１〜第３平面５３は、Ｚ軸の正側に向かって、第１平面５１、第３平面５３、第２平面５２の順に形成される。磁気センサ１００の製造と特性の観点からは、本例の順で配置することが好ましい。但し、第１平面５１〜第３平面５３の形成される順序は、本例に限られない。
【０１０８】
第２磁場発生装置２２ａのＹ軸方向正側の端子は、第２電位２３２に設定される。第２磁場発生装置２２ａのＹ軸方向負側の端子は、第２磁場発生装置２２ｂのＹ軸方向負側の端子に接続される。また、第２磁場発生装置２２ｂのＹ軸方向正側の端子は、制御装置２００に接続される。このような接続により、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂは、直列に接続され、帰還電流ＩＦＢが流される。
【０１０９】
一例において、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ａをＹ軸方向の正側に向かって流れる。この場合、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ｂをＹ軸方向の負側に向かって流れる。これにより、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂは、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。この場合、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に生じる帰還磁場は、それぞれ−βＩＦＢ、βＩＦＢとなる。
【０１１０】
βは、電流磁場変換率であり、β＝ＢＦＢ／ＩＦＢとなる。ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂに流れる帰還電流である。ＢＦＢは、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に印加される、ＩＦＢに応じたＸ軸に平行な方向の帰還磁場である。
【０１１１】
また、一例において、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ａをＹ軸方向の負側に向かって流れる。この場合、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ｂをＹ軸方向の正側に向かって流れる。これにより、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂは、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。この場合、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に生じる帰還磁場は、それぞれβＩＦＢ、−βＩＦＢとなる。
【０１１２】
本例において、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂの電流磁場変換率が等しい場合について考えたが、第２磁場発生装置２２ａと第２磁場発生装置２２ｂのメタル配線の幅を変えることなどにより、それぞれの電流変換率を異ならせてもよい。
【０１１３】
また、本例の第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂは、それぞれが１本のメタル配線で形成されている。但し、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂは、第３平面５３上において、Ｘ軸に平行な方向に、メタル配線を適当な間隔で複数並べられてもよい。第２磁場発生装置２２ａおよび第２磁場発生装置２２ｂのそれぞれが複数のメタル配線で構成される場合、それぞれのメタル配線に電流をＹ軸に平行な同一方向に流すと、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に与えられるＸ軸に平行な方向の帰還磁場の強度がより強くなる。この場合、第２磁場発生装置２２が有する複数のメタル配線は、それぞれが並列に接続されて同一方向に電流を流してもよいし、それぞれが直列に接続されてもよい。また、第２磁場発生装置２２が有する複数のメタル配線は、渦巻きを描くように一筆書きに接続されて同一方向に電流を流してもよい。第２磁場発生装置２２ａ、２２ｂは、第１磁気抵抗素子１１、第２磁気抵抗素子１２に帰還磁場を与えることができれば、第１磁気抵抗素子１１、第２磁気抵抗素子１２のそれぞれに重ならないように配置されてもよい。
【０１１４】
磁気センサ１００のＸ軸負側には磁石が配置されている。この場合、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２には、Ｘ軸方向の磁場Ｂが入力される。本例では、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２のそれぞれに、Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２が入力される。Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２は、一様でなく、例えば、Ｂ１＞Ｂ２となる。
【０１１５】
ここで、帰還電流ＩＦＢが、第２磁場発生装置２２ａをＹ軸方向の正側に向かって流れ、第２磁場発生装置２２ｂをＹ軸方向の負側に向かって流れる場合について考える。この場合、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２には、帰還電流ＩＦＢにより、Ｘ軸に平行な方向の帰還磁場−βＩＦＢ、βＩＦＢがそれぞれ入力される。また、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２は、Ｘ軸に平行な方向に同じ磁気感度ΔＲを有することが好ましい。この場合、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２のそれぞれの抵抗値Ｒ１、Ｒ２は、次式で示される。
（数式４２）
Ｒ１＝Ｒ０１＋ΔＲ（Ｂ１−βＩＦＢ）
（数式４３）
Ｒ２＝Ｒ０２＋ΔＲ（Ｂ２＋βＩＦＢ）
【０１１６】
Ｒ０１、Ｒ０２はＸ軸に平行な方向の磁場のないときの第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値、ΔＲは第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の磁気感度、Ｂ１、Ｂ２は第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力するＸ軸に平行な方向の磁場、−βＩＦＢ、βＩＦＢは帰還電流ＩＦＢによる第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力するＸ軸に平行な方向の帰還磁場である。
【０１１７】
次に、本例の磁気センサ１００に対応する制御装置２００の一例を説明する。制御装置２００は、演算部２１０、電流発生回路２２０、電流源２４１，２４２、増幅器２５１，２５２および抵抗２７０を備える。演算部２１０は、減算増幅器２１１および加算増幅器２１４を備える。
【０１１８】
無バイアス状態において、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２のそれぞれの抵抗値Ｒ１Ｎ、Ｒ２Ｎは、次式で示される。
（数式４４）
Ｒ１Ｎ＝Ｒ０１＋ΔＲ（Ｂ１−βＩＦＢＮ）
（数式４５）
Ｒ２Ｎ＝Ｒ０２＋ΔＲ（Ｂ２＋βＩＦＢＮ）
ＩＦＢＮは、無バイアス状態における帰還電流を示す。
【０１１９】
電流源２４１は、一端が第１磁気抵抗素子１１に接続され、他端が電気的に１点に結合され第１電位２３１が与えられる。第１磁気抵抗素子１１の他端は、電気的に１点に結合され第２電位２３２が与えられる。
【０１２０】
電流源２４２は、一端が第２磁気抵抗素子１２に接続され、他端が電気的に１点に結合され第１電位２３１が与えられる。第２磁気抵抗素子１２の他端は、電気的に１点に結合され第２電位２３２が与えられる。一例において、第１電位２３１は電源装置の電源電位ＶＤＤであり、第２電位２３２はグランド電位ＧＮＤである。但し、第１電位２３１および第２電位２３２は、これに限定されるものではない。
【０１２１】
電流源２４１および電流源２４２は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に予め定められた大きさの定電流ＩＳをそれぞれに供給する。これにより、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の端子間には、電圧Ｖ１Ｎ、Ｖ２Ｎが生じる。電圧Ｖ１Ｎ、Ｖ２Ｎは、次式で示される。
（数式４６）
Ｖ１Ｎ＝ＩＳＲ１Ｎ＝ＩＳ｛Ｒ０１＋ΔＲ（Ｂ１−βＩＦＢＮ）｝
（数式４７）
Ｖ２Ｎ＝ＩＳＲ２Ｎ＝ＩＳ｛Ｒ０２＋ΔＲ（Ｂ２＋βＩＦＢＮ）｝
【０１２２】
減算増幅器２１１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の一方の端子に接続される。また、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の他方の端子は、第２電位２３２に設定されている。減算増幅器２１１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の２つの端子間に生じる差分電圧を増幅して出力する。減算増幅器２１１の増幅率が１倍の場合、減算増幅器２１１の出力ＶＯＳＮは、次式で示される。
（数式４８）
ＶＯＳＮ＝Ｖ１Ｎ−Ｖ２Ｎ
＝ＩＳ［ΔＲ｛（Ｂ１−Ｂ２）−２βＩＦＢＮ｝＋（Ｒ０１−Ｒ０２）］
【０１２３】
加算増幅器２１４は、減算増幅器２１１の出力ＶＯＳＮと、後述の増幅器２５２の出力ＶＣとが入力され、それぞれの入力を加算して増幅する。この場合、加算増幅器２１４の出力ＶＯＡＮは、次式で示される。
（数式４９）
ＶＯＡＮ＝Ｇ（ＶＯＳＮ＋ＶＣ）
＝Ｇ［ＩＳΔＲ｛（Ｂ１−Ｂ２）−２βＩＦＢＮ｝＋ＩＳ（Ｒ０１−Ｒ０２）＋ＶＣ］
【０１２４】
Ｇは固定した増幅率であり、０でない任意の値をとり得る。増幅率Ｇは正の値であってよい。
【０１２５】
増幅器２５１は、加算増幅器２１４の出力信号が入力される。増幅器２５１は、入力された信号をＡＭ倍に増幅して出力する。増幅器２５１の出力ＶＡＮは、次式で示される。
（数式５０）
ＶＡＮ＝ＡＭＶＯＡＮ＝ＡＭＧ［ＩＳΔＲ｛（Ｂ１−Ｂ２）−２βＩＦＢＮ｝
＋ＩＳ（Ｒ０１−Ｒ０２）＋ＶＣ］
【０１２６】
ＡＭは固定した増幅率であり、０でない任意の値をとり得る。増幅率ＡＭは正の値であってよい。
【０１２７】
増幅器２５１の出力端子は、抵抗値がＲＬである抵抗２７０の一方の端子に接続される。抵抗２７０の他方の端子は、第２磁場発生装置２２の他方の端子に接続される。また、第２磁場発生装置２２の一方の端子は、第２電位２３２に設定される。本例では第２磁場発生装置２２の抵抗値がほぼゼロであるとすれば、抵抗２７０の端子間電圧はＶＡＮとなり、ここで作られる電流が、第２磁場発生装置２２に流れる帰還電流となる。よって、帰還電流ＩＦＢＮは、次式で示される。
【０１２８】
（数式５１）
ＩＦＢＮ＝ＶＡＮ／ＲＬ＝ＡＭＧ［ＩＳΔＲ｛（Ｂ１−Ｂ２）−２βＩＦＢＮ｝
＋ＩＳ（Ｒ０１−Ｒ０２）＋ＶＣ］／ＲＬ
【０１２９】
（数５１）式は、ＩＦＢについて解くと、次式で示される。
（数式５２）
2017181409.tif 000003
【０１３０】
ここで、ＲＬ≪２ＡＭＧＩＳΔＲβとなるように、増幅率ＡＭやＧを調整すれば、（数５２）式は、次式で示される。
（数式５３）
2017181409.tif 000004
【０１３１】
（数５３）式の第１項は、磁気感度に相当する部分で、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力される磁場Ｂ１、Ｂ２に依存する。（数５３）式の第２項は、オフセットに相当する部分で、Ｂ１＝Ｂ２＝０のときの第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値のミスマッチと、増幅器２５２の出力ＶＣの大きさに依存する。
【０１３２】
帰還電流ＩＦＢＮは、第１磁気抵抗素子１１、第２磁気抵抗素子１２、減算増幅器２１１、加算増幅器２１４、増幅器２５１および抵抗２７０で構成された閉ループ回路網により生成される。本明細書において、当該閉ループ回路網を主閉ループ回路網と称する。
【０１３３】
以上の通り、帰還電流ＩＦＢＮの磁気感度に相当する第１項は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の磁気感度ΔＲに依らず、且つ、電流磁場変換率βが温度特性をほとんど有さない。そのため、磁気センサ１００は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力するＸ軸に平行な方向の磁場の差分（Ｂ１−Ｂ２）を精度よく検出できる。
【０１３４】
次に、磁気センサ１００がバイアス状態に設定された場合について考える。即ち、本例の第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２には、バイアス磁場ＢＶが与えられる。
【０１３５】
電流発生回路２２０は、第１磁場発生装置２１の一方の端子に接続される。また、第１磁場発生装置２１の他方の端子は、第２電位２３２に設定される。ここで、電流発生回路２２０が、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に対してＹ軸に平行な方向にバイアス磁場ＢＶを与えるとき、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２は、磁気感度が、無バイアス状態における磁気感度ΔＲに対してそれぞれａ１倍、ａ２倍に変化し、初期抵抗値が、無バイアス状態における初期抵抗値Ｒ０１、Ｒ０２に対してそれぞれｂ１倍、ｂ２倍に変化する。
【０１３６】
即ち、バイアス状態における第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２のそれぞれの抵抗値Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂは、バイアス状態における帰還電流をＩＦＢＢとすると、次式で示される。
（数式５４）
Ｒ１Ｂ＝ｂ１Ｒ０１＋（ａ１ΔＲ）（Ｂ１−βＩＦＢＢ）
（数式５５）
Ｒ２Ｂ＝ｂ２Ｒ０２＋（ａ２ΔＲ）（Ｂ２＋βＩＦＢＢ）
【０１３７】
バイアス状態では、無バイアス状態の場合と同様に、主閉ループ回路網で動作する。第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２が同一チップ基板上に形成されている場合、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の特性がほぼ揃うので、ａ１＝ａ２＝ａ、ｂ１＝ｂ２＝ｂとなる。よって、帰還電流ＩＦＢＢは、次式で示される。
（数式５６）
2017181409.tif 000005
【０１３８】
（数５３）式と、（数５６）式より、無バイアス状態とバイアス状態とで磁気感度に相当する部分は変化せず、オフセットに相当する部分が変化する。
【０１３９】
電圧検出回路２６０には、抵抗２７０の端子間電圧が入力される。また、電圧検出回路２６０には、電流発生回路２２０が第１磁場発生装置２１に電流を供給しているか否かを示す情報が入力される。これにより、電圧検出回路２６０は、ここまでに得られた無バイアス状態における抵抗２７０の端子間電圧ＶＲＬＮと、バイアス状態における抵抗２７０の端子間電圧ＶＲＬＢとを減算して出力する。よって、電圧検出回路２６０の出力ＶＯＰＰは、次式で示される。
【０１４０】
（数式５７）
2017181409.tif 000006
【０１４１】
増幅器２５２は、電圧検出回路２６０の出力信号が入力される。増幅器２５２は、入力された信号を−ＡＡ倍に増幅して出力する。増幅器２５２の出力ＶＣは、次式で示される。
（数式５８）
2017181409.tif 000007
【０１４２】
ＡＡは固定した増幅率であり、０でない任意の値をとり得る。増幅率ＡＡは正の値であってよい。
【０１４３】
（数５８）式は、ＶＣについて解くと、次式で示される。
（数式５９）
2017181409.tif 000008
【０１４４】
２βＩＳΔＲ≪ＡＡＲＬ（１−１／ａ）となるように、増幅率ＡＡを調整すれば、（数５９）式は、次式で示される。
（数式６０）
2017181409.tif 000009
【０１４５】
増幅器２５２の出力ＶＣは、電圧検出回路２６０、加算増幅器２１４、増幅器２５１，２５２および抵抗２７０で構成した閉ループ回路網により生成される。本明細書において、当該閉ループ回路網を補助閉ループ回路網と称する。
【０１４６】
ここで、一例において、磁気抵抗素子の無バイアス状態とバイアス状態との間でＸ軸に平行な方向の磁場による抵抗変化を考えると、ａ＝０．７５、ｂ＝１．００１が得られる。これらを（数５６）式、（数６０）式に代入し、ｂ≒１とすれば、無バイアス状態およびバイアス状態における帰還電流ＩＦＢＮ、ＩＦＢＢは、次式で示される。
（数式６１）
ＩＦＢＮ＝ＩＦＢＢ＝（Ｂ１−Ｂ２）／（２β）
【０１４７】
即ち、帰還電流ＩＦＢＮ、ＩＦＢＢは、オフセットに相当する部分を除去し、磁気感度に相当する部分のみを抽出している。したがって、磁気センサ１００は、誤差要素であるオフセット成分を抑制して、Ｘ軸に平行な方向に不均一に生じた磁場を、高い精度で検出できる。
【０１４８】
また、磁気センサ１００は、差分構成をとるので、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力する磁場の大きさが等しければ、誤差要素が帰還電流ＩＦＢに現れることを抑制できる。例えば、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力する磁場の大きさが等しくなる場合とは、地磁気のような遠方より飛来するＸ軸に平行な方向の一様な磁場が入力される場合である。
【０１４９】
なお、本例の演算手順はあくまで一例であり、本例で示した手順に限定されない。また、制御装置２００は、磁気センサ１００の出力信号を処理する処理回路の一例である。無バイアス状態とバイアス状態との間で、磁気抵抗素子の磁気感度およびオフセットが変化することを利用してオフセット成分を抑制する回路であれば本例に限られない。
【０１５０】
主閉ループ回路網は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値が同じとなるように変化する。言い換えれば、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値の差が生じないように変化する負帰還の回路を構成すれば、いかなる回路を組んでもよい。
【０１５１】
また、補助閉ループ回路網は、無バイアス状態とバイアス状態との間で、帰還電流に生じるオフセット成分の変化が生じないように負帰還の回路を構成すれば、いかなる回路を組んでもよい。
【０１５２】
［実施例５］
図９は、実施例５に係る制御システム３００の構成の一例を示す。本例の磁気センサ１００は、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３、第１磁場発生装置２１および第２磁場発生装置２２を備える。即ち、本例の磁気センサ１００は、実施例２に係る磁気センサ１００の構成に加えて、第２磁場発生装置２２を備える。磁気センサ１００の両端には、第１電流導体３１および第２電流導体３２が形成されている。
【０１５３】
第２磁場発生装置２２は、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に帰還磁場を印加する。第２磁場発生装置２２は、Ｙ軸に平行な方向に延伸する３つの第２磁場発生装置２２ａ、第２磁場発生装置２２ｂおよび第２磁場発生装置２２ｃを備える。第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、導電性の材料で形成される。一例において、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、メタル配線で形成される。第２磁場発生装置２２は、電力損失の観点から、比抵抗の小さい金属が好ましく、銅、金、白金、アルミニウム、或いは、それらを含む合金が好ましい。
【０１５４】
第２磁場発生装置２２ａは、平面視で、第１磁気抵抗素子１１と重なるように第３平面５３上に配置される。第２磁場発生装置２２ａは、第１磁気抵抗素子１１に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。
【０１５５】
第２磁場発生装置２２ｂは、平面視で、第２磁気抵抗素子１２と重なるように第３平面５３上に配置される。第２磁場発生装置２２ｂは、第２磁気抵抗素子１２に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。
【０１５６】
第２磁場発生装置２２ｃは、平面視で、第３磁気抵抗素子１３と重なるように第３平面５３上に配置される。第２磁場発生装置２２ｃは、第３磁気抵抗素子１３に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。
【０１５７】
第２磁場発生装置２２ａのＹ軸方向正側の端子は、第２電位２３２に設定される。第２磁場発生装置２２ａのＹ軸方向負側の端子は、第２磁場発生装置２２ｂのＹ軸方向負側の端子に接続される。また、第２磁場発生装置２２ｂのＹ軸方向正側の端子は、第２磁場発生装置２２ｃのＹ軸方向正側の端子に接続される。また、第２磁場発生装置２２ｃのＹ軸方向負側の端子は、制御装置２００に接続される。このような接続により、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、直列に接続され、帰還電流ＩＦＢが流される。
【０１５８】
一例において、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ａをＹ軸方向の正側に向かって流れる。この場合、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ｂをＹ軸方向の負側に向かって流れ、第２磁場発生装置２２ｃをＹ軸方向の正側に向かって流れる。これにより、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。この場合、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に生じる帰還磁場は、それぞれ−βＩＦＢ、βＩＦＢ、−βＩＦＢとなる。
【０１５９】
βは、電流磁場変換率であり、β＝ＢＦＢ／ＩＦＢとなる。ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃに流れる帰還電流である。ＢＦＢは、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に印加される、ＩＦＢに応じたＸ軸に平行な方向の帰還磁場である。
【０１６０】
また、一例において、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ａをＹ軸方向の負側に向かって流れる。この場合、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ｂをＹ軸方向の正側に向かって流れ、第２磁場発生装置２２ｃをＹ軸方向の負側に向かって流れる。これにより、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。この場合、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に生じる帰還磁場は、それぞれβＩＦＢ、−βＩＦＢ、βＩＦＢとなる。
【０１６１】
本例において、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃの電流磁場変換率が等しい場合について考えたが、第２磁場発生装置２２ａ〜第２磁場発生装置２２ｃのメタル配線の幅を変えることなどにより、それぞれの電流変換率を異ならせてもよい。
【０１６２】
第１電流導体３１および第２電流導体３２は、Ｙ軸方向に延伸して形成される。第１電流導体３１および第２電流導体３２は、磁気センサ１００のＸ軸の負側と正側にそれぞれ形成されている。第１電流導体３１および第２電流導体３２には、Ｙ軸の正側に向けて電流が流れる。これにより、第１電流導体３１および第２電流導体３２の周囲に、２つの電流の作る合成の磁場が生成される。
【０１６３】
第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３のそれぞれに、Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３が入力される。Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、一様でなく、例えば、Ｂ１＞Ｂ２、Ｂ３＞Ｂ２である。第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３は、Ｘ軸に平行な方向に同じ磁気感度ΔＲを有することが好ましい。Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３のそれぞれの抵抗値であり、次式で示される。
（数式６２）
Ｒ１＝Ｒ０１＋ΔＲ（Ｂ１−βＩＦＢ）
（数式６３）
Ｒ２＝Ｒ０２＋ΔＲ（Ｂ２＋βＩＦＢ）
（数式６４）
Ｒ３＝Ｒ０３＋ΔＲ（Ｂ３−βＩＦＢ）
【０１６４】
Ｒ０１、Ｒ０２、Ｒ０３はＸ軸に平行な方向の磁場のないときの第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の抵抗値である。ΔＲは第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の磁気感度である。Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に入力するＸ軸に平行な方向の磁場である。−βＩＦＢ、βＩＦＢ、−βＩＦＢは帰還電流ＩＦＢによって、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に入力されるＸ軸に平行な方向の帰還磁場である。
【０１６５】
制御装置２００は、演算部２１０、電流発生回路２２０、電流源２４１〜電流源２４３、増幅器２５１，２５２、電圧検出回路２６０および抵抗２７０を備える。演算部２１０は、減算増幅器２１１，２１２および加算増幅器２１４を備える。
【０１６６】
先ず、磁気センサ１００が無バイアス状態に設定された場合について考える。即ち、本例の第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３には、バイアス磁場ＢＶが与えられていない。
【０１６７】
無バイアス状態における第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３のそれぞれの抵抗値Ｒ１Ｎ、Ｒ２Ｎ、Ｒ３Ｎは、無バイアス状態における帰還電流をＩＦＢＮとすると、次式で示される。
（数式６５）
Ｒ１Ｎ＝Ｒ０１＋ΔＲ（Ｂ１−βＩＦＢＮ）
（数式６６）
Ｒ２Ｎ＝Ｒ０２＋ΔＲ（Ｂ２＋βＩＦＢＮ）
（数式６７）
Ｒ３Ｎ＝Ｒ０３＋ΔＲ（Ｂ３−βＩＦＢＮ）
【０１６８】
電流源２４１〜電流源２４３の一方の端子は、それぞれ第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の一方の端子に接続される。また、電流源２４１〜電流源２４３の他方の端子は、電気的に１点に結合されて、第１電位２３１が与えられる。第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の他方の端子は、電気的に１点に結合されて、第２電位２３２が与えられる。
【０１６９】
第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３は、各々に接続された電流源２４１〜電流源２４３で生成される予め定められた大きさＩＳの定電流がそれぞれに供給される。これにより、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の端子間に生じる電圧Ｖ１Ｎ、Ｖ２Ｎ、Ｖ３Ｎは、次式で示される。
（数式６８）
Ｖ１Ｎ＝ＩＳＲ１Ｎ＝ＩＳ｛Ｒ０１＋ΔＲ（Ｂ１−βＩＦＢＮ）｝
（数式６９）
Ｖ２Ｎ＝ＩＳＲ２Ｎ＝ＩＳ｛Ｒ０２＋ΔＲ（Ｂ２＋βＩＦＢＮ）｝
（数式７０）
Ｖ３Ｎ＝ＩＳＲ３Ｎ＝ＩＳ｛Ｒ０３＋ΔＲ（Ｂ３−βＩＦＢＮ）｝
【０１７０】
減算増幅器２１１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の一方の端子に接続される。また、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の他方の端子は、電気的に１点に結合されている。これにより、減算増幅器２１１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の端子間に生じる差分電圧を増幅して出力する。
【０１７１】
減算増幅器２１２は、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３の一方の端子に接続される。また、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３の他方の端子は、電気的に１点に結合されている。これにより、減算増幅器２１２は、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３の端子間に生じる差分電圧を増幅して出力する。よって、減算増幅器２１１および減算増幅器２１２の出力電圧ＶＯＳＮ１、ＶＯＳＮ２は、次式で示される。
（数式７１）
ＶＯＳＮ１＝Ｖ１Ｎ−Ｖ２Ｎ
＝ＩＳ［ΔＲ｛（Ｂ１−Ｂ２）−２βＩＦＢＮ｝＋（Ｒ０１−Ｒ０２）］
（数式７２）
ＶＯＳＮ２＝Ｖ３Ｎ−Ｖ２Ｎ
＝ＩＳ［ΔＲ｛（Ｂ３−Ｂ２）−２βＩＦＢＮ｝＋（Ｒ０３−Ｒ０２）］
【０１７２】
加算増幅器２１４は、減算増幅器２１１および減算増幅器２１２の出力信号に加え、増幅器２５２の出力ＶＣが入力される。加算増幅器２１４は、入力された信号を加算して増幅する。加算増幅器２１４の出力ＶＯＡＮは、次式で示される。
（数式７３）
ＶＯＡＮ＝Ｇ（ＶＯＳＮ１＋ＶＯＳＮ２＋ＶＣ）
＝Ｇ［ＩＳΔＲ｛（Ｂ１−Ｂ２）＋（Ｂ３−Ｂ２）−４βＩＦＢＮ｝
＋ＩＳ｛（Ｒ０１−Ｒ０２）＋（Ｒ０３−Ｒ０２）｝＋ＶＣ］
【０１７３】
Ｇは固定した増幅率であり、０でない任意の値をとり得る。増幅率Ｇは正の値であってよい。
【０１７４】
増幅器２５１は、入力された加算増幅器２１４の出力をＡＭ倍に増幅して出力する。増幅器２５１の出力ＶＡＮは、次式で示される。
（数式７４）
ＶＡＮ＝ＡＭＶＯＡＮ
＝ＡＭＧ［ＩＳΔＲ｛（Ｂ１−Ｂ２）＋（Ｂ３−Ｂ２）−４βＩＦＢＮ｝
＋ＩＳ｛（Ｒ０１−Ｒ０２）＋（Ｒ０３−Ｒ０２）｝＋ＶＣ］
【０１７５】
ＡＭは固定した増幅率であり、０でない任意の値をとり得る。増幅率ＡＭは正の値であってよい。
【０１７６】
増幅器２５１の出力端子は、抵抗値がＲＬである抵抗２７０の一方の端子に接続される。また、抵抗２７０の他方の端子は、第２磁場発生装置２２の他方の端子に接続される。また、第２磁場発生装置２２の一方の端子は、第２電位２３２に設定される。本例では第２磁場発生装置２２の抵抗値がほぼゼロであるとすれば、抵抗２７０の端子間電圧はＶＡＮとなり、ここで作られる電流が、第２磁場発生装置２２に流れる帰還電流となる。よって、帰還電流ＩＦＢＮは、次式で示される。
（数式７５）
ＩＦＢＮ＝ＶＡＮ／ＲＬ
＝ＡＭＧ［ＩＳΔＲ｛（Ｂ１−Ｂ２）＋（Ｂ３−Ｂ２）−４βＩＦＢＮ｝
＋ＩＳ｛（Ｒ０１−Ｒ０２）＋（Ｒ０３−Ｒ０２）｝＋ＶＣ］／ＲＬ
【０１７７】
（数７５）式は、ＩＦＢについて解くと、次式で示される。
（数式７６）
2017181409.tif 000010
【０１７８】
ここで、ＲＬ≪４ＡＭＧＩＳΔＲβとなるように、増幅率ＡＭやＧを調整すれば、（数７６）式は、次式で示される。
（数式７７）
2017181409.tif 000011
【０１７９】
（数７７）式の第１項は、磁気感度に相当する部分で、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に入力するＸ軸に平行な方向の磁場Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３に依存する。（数７７）式の第２項は、オフセットに相当する部分で、Ｂ１＝Ｂ２＝Ｂ３＝０のときの第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値のミスマッチと、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３の抵抗値のミスマッチと、増幅器２５２の出力ＶＣの大きさに依存する。
【０１８０】
帰還電流ＩＦＢＮは、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３、減算増幅器２１１，２１２、加算増幅器２１４、増幅器２５１および抵抗２７０で構成された閉ループ回路網により生成される。本明細書において、当該閉ループ回路網を主閉ループ回路網と称する。
【０１８１】
以上の通り、帰還電流ＩＦＢＮの磁気感度に相当する第１項は、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の磁気感度ΔＲに依らず、且つ、電流磁場変換率βが温度特性をほとんど有さないことから、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力するＸ軸に平行な方向の磁場の差分（Ｂ１−Ｂ２）と、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３に入力するＸ軸に平行な方向の磁場の差分（Ｂ３−Ｂ２）と、の和を精度よく検出できる。
【０１８２】
次に、磁気センサ１００がバイアス状態に設定された場合について考える。即ち、本例の第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３には、バイアス磁場ＢＶが与えられる。
【０１８３】
電流発生回路２２０は、第１磁場発生装置２１の一方の端子に接続される。また、第１磁場発生装置２１の他方の端子は、第２電位２３２に設定される。ここで、電流発生回路２２０が、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に対してＹ軸に平行な方向にバイアス磁場ＢＶを与えるとき、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３は、磁気感度が、無バイアス状態における磁気感度ΔＲに対してそれぞれａ１倍、ａ２倍、ａ３倍に変化し、初期抵抗値が、無バイアス状態における初期抵抗値Ｒ０１、Ｒ０２、Ｒ０３に対してそれぞれｂ１倍、ｂ２倍、ｂ３倍に変化する。
【０１８４】
即ち、バイアス状態における第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３のそれぞれの抵抗値Ｒ１Ｂ、Ｒ２Ｂ、Ｒ３Ｂは、バイアス状態における帰還電流をＩＦＢＢとすると、次式で示される。
【０１８５】
（数式７８）
Ｒ１Ｂ＝ｂ１Ｒ０１＋（ａ１ΔＲ）（Ｂ１−βＩＦＢＢ）
（数式７９）
Ｒ２Ｂ＝ｂ２Ｒ０２＋（ａ２ΔＲ）（Ｂ２＋βＩＦＢＢ）
（数式８０）
Ｒ３Ｂ＝ｂ３Ｒ０３＋（ａ３ΔＲ）（Ｂ３−βＩＦＢＢ）
【０１８６】
バイアス状態においても同様に、主閉ループ回路網で動作する。第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３は、同一チップ基板上に形成されているので、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３の特性がほぼ揃い、ａ１＝ａ２＝ａ３＝ａ、ｂ１＝ｂ２＝ｂ３＝ｂとなる。帰還電流ＩＦＢＢは、次式で示される。
（数式８１）
2017181409.tif 000012
【０１８７】
（数７７）式および（数８１）式は、無バイアス状態とバイアス状態との間で磁気感度に相当する部分は変化せず、オフセットに相当する部分は変化することを示す。
【０１８８】
電圧検出回路２６０には、抵抗２７０の端子間電圧が入力される。また、電圧検出回路２６０には、電流発生回路２２０が第１磁場発生装置２１に電流を供給しているか否かを示す情報が入力される。これにより、電圧検出回路２６０は、ここまでに得られた無バイアス状態における抵抗２７０の端子間電圧ＶＲＬＮと、バイアス状態における抵抗２７０の端子間電圧ＶＲＬＢとを減算して出力する。よって、電圧検出回路２６０の出力ＶＯＰＰは、次式で示される。
（数式８２）
2017181409.tif 000013
【０１８９】
増幅器２５２は、電圧検出回路２６０の出力信号が入力される。増幅器２５２は、入力された信号を−ＡＡ倍に増幅して出力する。増幅器２５２の出力ＶＣは、次式で示される。
（数式８３）
2017181409.tif 000014
【０１９０】
ＡＡは固定した増幅率であり、０でない任意の値をとり得る。増幅率ＡＡは正の値であってよい。
【０１９１】
（数８３）式は、ＶＣについて解くと、次式で示される。
（数式８４）
2017181409.tif 000015
【０１９２】
４βＩＳΔＲ≪ＡＡＲＬ（１−１／ａ）となるように、増幅率ＡＡを調整すれば、（数８４）式は、次式で示される。
（数式８５）
2017181409.tif 000016
【０１９３】
増幅器２５２の出力ＶＣは、電圧検出回路２６０、加算増幅器２１４、増幅器２５１，２５２および抵抗２７０で構成した閉ループ回路網により生成される。本明細書において、当該閉ループ回路網を補助閉ループ回路網と称する。
【０１９４】
ここで、一例において、磁気抵抗素子の無バイアス状態とバイアス状態との間でＸ軸に平行な方向の磁場による抵抗変化を考えると、ａ＝０．７５、ｂ＝１．００１が得られる。これらを（数７７）式、（数８１）式に代入し、ｂ≒１とすれば、無バイアス状態およびバイアス状態における帰還電流ＩＦＢＮ、ＩＦＢＢは、次式で示される。
（数式８６）
ＩＦＢＮ＝ＩＦＢＢ＝｛（Ｂ１−Ｂ２）＋（Ｂ３−Ｂ２）｝／（４β）
【０１９５】
即ち、帰還電流ＩＦＢＮ、ＩＦＢＢは、オフセットに相当する部分を除去し、磁気感度に相当する部分のみを抽出している。したがって、磁気センサ１００は、誤差要素であるオフセット成分を抑制して、Ｘ軸に平行な方向に不均一に生じた磁場を、高い精度で検出できる。
【０１９６】
また、磁気センサ１００は、差分構成をとるので、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に入力する磁場の大きさが等しければ、誤差要素に相当して、これが帰還電流ＩＦＢに現れることを抑制できる。例えば、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３に入力する磁場の大きさが等しくなる場合とは、地磁気のような遠方より飛来するＸ軸に平行な方向の一様な磁場が入力される場合である。
【０１９７】
本例の磁気センサ１００は、［（Ｂ１−Ｂ２）＋（Ｂ３−Ｂ２）］で示されるように、第１磁気抵抗素子１１〜第３磁気抵抗素子１３を用いて、２重の差分構成をとる。そのため、磁気センサ１００は、一様でない外乱磁場による誤差要素が帰還電流ＩＦＢに現れるのを抑制できる。
【０１９８】
なお、本例の演算手順はあくまで一例であり、本例で示した手順に限定されない。また、制御装置２００は、磁気センサ１００の出力信号を処理する処理回路の一例である。無バイアス状態とバイアス状態との間で、磁気抵抗素子の磁気感度およびオフセットが変化することを利用してオフセット成分を抑制する回路であれば本例に限られない。
【０１９９】
主閉ループ回路網は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値が同じとなるように、且つ、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３の抵抗値が同じとなるように変化する。言い換えれば、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値の差が生じないように、且つ、第２磁気抵抗素子１２および第３磁気抵抗素子１３の抵抗値の差が生じないように変化する負帰還の回路を構成すれば、いかなる回路を組んでもよい。
【０２００】
また、補助閉ループ回路網は、無バイアス状態とバイアス状態との間で、帰還電流に生じるオフセット成分の変化が生じないように負帰還の回路を構成すれば、いかなる回路を組んでもよい。
【０２０１】
［実施例６］
図１０は、実施例６に係る制御システム３００の構成の一例を示す。本例の磁気センサ１００は、第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４、第１磁場発生装置２１および第２磁場発生装置２２を備える。即ち、本例の磁気センサ１００は、実施例３に係る磁気センサ１００の構成に加えて、第２磁場発生装置２２を更に備える。また、本例の制御装置２００は、実施例５に係る制御装置２００の構成に加えて、電流源２４４を更に備える。
【０２０２】
第２磁場発生装置２２は、第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４に帰還磁場を印加する。第２磁場発生装置２２は、Ｙ軸に平行な方向に延伸する４つの第２磁場発生装置２２ａ、第２磁場発生装置２２ｂ、第２磁場発生装置２２ｃおよび第２磁場発生装置２２ｄを備える。第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、導電性の材料で形成される。一例において、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、メタル配線で形成される。第２磁場発生装置２２は、電力損失の観点から、比抵抗の小さい金属が好ましく、銅、金、白金、アルミニウム、或いは、それらを含む合金が好ましい。
【０２０３】
第２磁場発生装置２２ａは、平面視で、第１磁気抵抗素子１１と重なるように第３平面５３上に配置される。第２磁場発生装置２２ａは、第１磁気抵抗素子１１に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。
【０２０４】
第２磁場発生装置２２ｂは、平面視で、第２磁気抵抗素子１２と重なるように第３平面５３上に配置される。第２磁場発生装置２２ｂは、第２磁気抵抗素子１２に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。
【０２０５】
第２磁場発生装置２２ｃは、平面視で、第３磁気抵抗素子１３と重なるように第３平面５３上に配置される。第２磁場発生装置２２ｃは、第３磁気抵抗素子１３に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。
【０２０６】
第２磁場発生装置２２ｄは、平面視で、第４磁気抵抗素子１４と重なるように第３平面５３上に配置される。第２磁場発生装置２２ｄは、第４磁気抵抗素子１４に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。
【０２０７】
第２磁場発生装置２２ａのＹ軸方向正側の端子は、第２電位２３２に設定される。第２磁場発生装置２２ａのＹ軸方向負側の端子は、第２磁場発生装置２２ｂのＹ軸方向負側の端子に接続される。また、第２磁場発生装置２２ｂのＹ軸方向正側の端子は、第２磁場発生装置２２ｄのＹ軸方向負側の端子に接続される。第２磁場発生装置２２ｄのＹ軸方向正側の端子は、第２磁場発生装置２２ｃのＹ軸方向正側の端子に接続される。第２磁場発生装置２２ｃのＹ軸方向負側の端子は、制御装置２００に接続される。このような接続により、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、直列に接続され、帰還電流ＩＦＢが流される。
【０２０８】
一例において、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ａをＹ軸方向の正側に向かって流れる。この場合、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ｂおよび第２磁場発生装置２２ｄをＹ軸方向の負側に向かって流れ、第２磁場発生装置２２ｃをＹ軸方向の正側に向かって流れる。これにより、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。この場合、第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４に生じる帰還磁場は、それぞれ−βＩＦＢ、βＩＦＢ、−βＩＦＢ、βＩＦＢとなる。
【０２０９】
βは、電流磁場変換率であり、β＝ＢＦＢ／ＩＦＢとなる。ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄに流れる帰還電流である。ＢＦＢは、第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４に印加される、ＩＦＢに応じたＸ軸に平行な方向の帰還磁場である。
【０２１０】
また、一例において、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ａをＹ軸方向の負側に向かって流れる。この場合、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ｂおよび第２磁場発生装置２２ｄをＹ軸方向の正側に向かって流れ、第２磁場発生装置２２ｃをＹ軸方向の負側に向かって流れる。これにより、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。この場合、第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４に生じる帰還磁場は、それぞれβＩＦＢ、−βＩＦＢ、βＩＦＢ、−βＩＦＢとなる。
【０２１１】
第１電流導体３１および第２電流導体３２は、Ｙ軸方向に延伸して形成される。第１電流導体３１および第２電流導体３２は、磁気センサ１００のＸ軸の負側と正側にそれぞれ形成されている。第１電流導体３１および第２電流導体３２には、Ｙ軸の正側に向けて電流が流れる。これにより、第１電流導体３１および第２電流導体３２の周囲に、２つの電流の作る合成の磁場が生成される。
【０２１２】
第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４のそれぞれに、Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４が入力される。Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４は、一様でなく、例えば、Ｂ１＞Ｂ２、Ｂ３＞Ｂ４である。第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４は、Ｘ軸に平行な方向に同じ磁気感度ΔＲを有することが好ましい。
【０２１３】
電流源２４１〜電流源２４４の一方の端子は、それぞれ第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４の一方の端子に接続される。また、電流源２４１〜電流源２４４の他方の端子は、電気的に１点に結合されて、第１電位２３１が与えられる。第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４の他方の端子は、電気的に１点に結合されて、第２電位２３２が与えられる。第１磁気抵抗素子１１〜第４磁気抵抗素子１４は、各々に接続された電流源２４１〜電流源２４４で生成される予め定められた大きさＩＳの定電流がそれぞれに供給される。
【０２１４】
減算増幅器２１１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の一方の端子に接続される。また、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の他方の端子は、電気的に１点に結合されている。これにより、減算増幅器２１１は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の端子間に生じる差分電圧を増幅して出力する。
【０２１５】
減算増幅器２１２は、第３磁気抵抗素子１３および第４磁気抵抗素子１４の一方の端子に接続される。また、第３磁気抵抗素子１３および第４磁気抵抗素子１４の他方の端子は、電気的に１点に結合されている。これにより、減算増幅器２１２は、第３磁気抵抗素子１３および第４磁気抵抗素子１４の端子間に生じる差分電圧を増幅して出力する。
【０２１６】
加算増幅器２１４は、減算増幅器２１１および減算増幅器２１２の出力信号に加え、増幅器２５２の出力ＶＣが入力される。加算増幅器２１４は、入力された信号を加算して増幅する。
【０２１７】
本例の制御装置２００は、このような構成により、無バイアス状態とバイアス状態との間で、磁気抵抗素子の磁気感度およびオフセットが変化することを利用してオフセット成分を抑制する。本例の制御システム３００は、実施例５に係る制御システム３００と同様に、誤差要素であるオフセット成分を抑制して、Ｘ軸に平行な方向に不均一に生じた磁場を、高い精度で検出できる。
【０２１８】
［実施例７］
図１１は、実施例７に係る制御システム３００の構成の一例を示す。制御システム３００は、磁気センサ１００および制御装置２００を備える。制御装置２００は、演算部２１０および電流発生回路２２０を備える。演算部２１０は、減算増幅器２１１および演算回路２１５を備える。
【０２１９】
本例の磁気センサ１００は、第１磁気抵抗素子１１、第２磁気抵抗素子１２および第１磁場発生装置２１を備える。即ち、本例の磁気センサ１００は、実施例１に係る磁気センサ１００の構成の一例である。但し、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２は、フルブリッジ回路を構成する。
【０２２０】
第１磁気抵抗素子１１は、磁気素子６１ａおよび磁気素子６１ｂを備える。磁気素子６１ａおよび磁気素子６１ｂは、第１磁気抵抗素子１１の一部を構成する磁気抵抗素子の一例である。磁気素子６１ａ，６１ｂは、Ｙ軸に平行な方向に延伸して、Ｘ軸とＹ軸とでなす第１平面５１上に形成される。磁気素子６１ａ，６１ｂは、Ｘ軸に平行な方向に感度軸を有する。また、本例の磁気素子６１ａ，６１ｂは、Ｙ軸に平行な方向に一定の間隔を置いて並んで配置されるが、Ｘ軸に平行な方向に近接して並んで配置されてもよい。
【０２２１】
第２磁気抵抗素子１２は、磁気素子６２ａおよび磁気素子６２ｂを備える。磁気素子６２ａおよび磁気素子６２ｂは、第２磁気抵抗素子１２の一部を構成する磁気抵抗素子の一例である。磁気素子６２ａ，６２ｂは、Ｙ軸に平行な方向に延伸して、第１磁気抵抗素子１１を構成する２つの磁気素子６１ａ，６１ｂと同様に、Ｘ軸とＹ軸とでなす第１平面５１上に形成される。磁気素子６２ａ，６２ｂは、Ｘ軸に平行な方向に感度軸を有する。また、磁気素子６２ａ，６２ｂは、図示では、Ｙ軸に平行な方向に一定の間隔を置いて並んで配置されるが、Ｘ軸に平行な方向に近接して並んで配置されてもよい。第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２は、それぞれがＸ軸に平行な方向に一定の間隔を置いて配置される。
【０２２２】
磁気素子６１ａは、第１電位２３１に設定された端子と第２電位２３２に設定された端子との間において、磁気素子６２ｂと直列に接続される。磁気素子６１ｂは、第１電位２３１に設定された端子と第２電位２３２に設定された端子との間において、磁気素子６２ａと直列に接続される。
【０２２３】
磁気素子６１ａのＹ軸方向正側の端子と、磁気素子６２ａのＹ軸方向正側の端子とは、電気的に１点に結合されて、第１電位２３１が与えられる。磁気素子６１ｂの一方の端子と、磁気素子６２ｂの一方の端子とは、電気的に１点に結合されて、第２電位２３２が与えられる。磁気素子６１ａと磁気素子６２ｂとの間の接続ノードは、減算増幅器２１１に接続される。また、磁気素子６２ａと磁気素子６１ｂとの間の接続ノードは、減算増幅器２１１に接続される。
【０２２４】
磁気センサ１００のＸ軸負側には磁石が配置されている。この場合、磁気素子６１ａ，６１ｂおよび磁気素子６２ａ，６２ｂには、Ｘ軸方向の磁場Ｂが入力される。本例では、磁気素子６１ａ，６１ｂのそれぞれにＸ軸方向の磁場Ｂ１が入力される。また、磁気素子６２ａ，６２ｂのそれぞれにＸ軸方向の磁場Ｂ２が入力される。Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２は、一様でなく、例えば、Ｂ１＞Ｂ２となる。
【０２２５】
磁気素子６１ａ，６１ｂおよび磁気素子６２ａ，６２ｂは、Ｘ軸に平行な方向に同じ磁気感度ΔＲを有することが好ましい。この場合、磁気素子６１ａ，６１ｂおよび磁気素子６２ａ，６２ｂのそれぞれの抵抗値Ｒ１ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ａ、Ｒ２ｂは、次式で示される。
（数式８７）
Ｒ１ａ＝Ｒ１ｂ＝Ｒ０１＋ΔＲ・Ｂ１
（数式８８）
Ｒ２ａ＝Ｒ２ｂ＝Ｒ０２＋ΔＲ・Ｂ２
【０２２６】
Ｒ０１はＸ軸に平行な方向の磁場のないときの磁気素子６１ａ，６１ｂの抵抗値である。Ｒ０２はＸ軸に平行な方向の磁場のないときの磁気素子６２ａ，６２ｂの抵抗値である。ΔＲは磁気素子６１ａ，６１ｂおよび磁気素子６２ａ，６２ｂのそれぞれの磁気感度である。Ｂ１は磁気素子６１ａ，６１ｂに入力するＸ軸に平行な方向の磁場である。Ｂ２は磁気素子６２ａ，６２ｂに入力するＸ軸に平行な方向の磁場である。
【０２２７】
第１磁場発生装置２１は、第１磁場発生装置２１ａおよび第１磁場発生装置２１ｂを有する。第１磁場発生装置２１は、Ｘ軸に平行な方向に延伸し、Ｘ軸とＹ軸とでなす第２平面５２上に形成される。
【０２２８】
第１磁場発生装置２１ａは、磁気素子６１ａおよび磁気素子６２ａに重なり、横切るように配置される。これにより、第１磁場発生装置２１ａは、磁気素子６１ａおよび磁気素子６２ａに対してＹ軸に平行な方向にバイアス磁場ＢＶを与える。
【０２２９】
第１磁場発生装置２１ｂは、磁気素子６１ｂおよび磁気素子６２ｂに重なり、横切るように配置される。これにより、第１磁場発生装置２１ｂは、磁気素子６１ｂおよび磁気素子６２ｂに対してＹ軸に平行な方向にバイアス磁場ＢＶを与える。
【０２３０】
先ず、磁気センサ１００が無バイアス状態に設定された場合について考える。即ち、本例の第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２には、バイアス磁場ＢＶが与えられない。
【０２３１】
無バイアス状態における磁気素子６１ａ，６１ｂおよび磁気素子６２ａ，６２ｂのそれぞれの抵抗値Ｒ１ａＮ、Ｒ１ｂＮ、Ｒ２ａＮ、Ｒ２ｂＮは、次式で示される。
（数式８９）
Ｒ１ａＮ＝Ｒ１ｂＮ＝Ｒ０１＋ΔＲ・Ｂ１
（数式９０）
Ｒ２ａＮ＝Ｒ２ｂＮ＝Ｒ０２＋ΔＲ・Ｂ２
【０２３２】
第１電位２３１および第２電位２３２の間に電圧ＶＳを与えると、磁気素子６１ａのＹ軸方向負側の端子と、磁気素子６２ａのＹ軸方向負側の端子との間に生じる電圧ＶＭＮは、次式で示される。
（数式９１）
2017181409.tif 000017
【０２３３】
ここで、ΔＲ（Ｂ１＋Ｂ２）≪（Ｒ０１＋Ｒ０２）であるので、（数９１）式は、次式で示される。
（数式９２）
2017181409.tif 000018
【０２３４】
減算増幅器２１１は、磁気素子６１ａのＹ軸方向負側の端子と、磁気素子６２ａのＹ軸方向負側の端子に接続される。減算増幅器２１１は、当該２つの端子間に生じる差分電圧を増幅して出力する。よって、減算増幅器２１１の出力ＶＯＳＮは、次式で示される。
（数式９３）
2017181409.tif 000019
【０２３５】
Ｇは固定した増幅率であり、０でない任意の値をとり得る。
【０２３６】
（数９３）式は、実施例１の（数９）式に対応する。（数９３）式の第１項は、磁気感度に相当する部分で、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力するＸ軸に平行な方向の磁場Ｂ１、Ｂ２に依存する。（数９３）式の第２項は、オフセットに相当する部分で、Ｂ１＝Ｂ２＝０のときの第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値のミスマッチの大きさに依存する。
【０２３７】
次に、磁気センサ１００がバイアス状態に設定された場合について考える。即ち、本例の第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２には、バイアス磁場ＢＶが与えられる。
【０２３８】
電流発生回路２２０は、第１磁場発生装置２１の一方の端子に接続される。また、第１磁場発生装置２１の他方の端子は、第２電位２３２に設定される。ここで、電流発生回路２２０が、磁気素子６１ａ，６１ｂおよび磁気素子６２ａ，６２ｂに対してＹ軸に平行な方向にバイアス磁場ＢＶを与える場合、磁気素子６１ａ，６１ｂの磁気感度は無バイアス状態における磁気感度ΔＲに対してａ１倍に変化し、磁気素子６２ａ，６２ｂの磁気感度は無バイアス状態における磁気感度ΔＲに対してａ２倍に変化する。
【０２３９】
また、磁気素子６１ａ，６１ｂの初期抵抗値は、無バイアス状態における初期抵抗値Ｒ０１に対してｂ１倍に変化し、磁気素子６２ａ，６２ｂの初期抵抗値は、無バイアス状態における初期抵抗値Ｒ０２に対してｂ２倍に変化する。即ち、バイアス状態における磁気素子６１ａ，６１ｂおよび磁気素子６２ａ，６２ｂのそれぞれの抵抗値Ｒ１ａＢ、Ｒ１ｂＢ、Ｒ２ａＢ、Ｒ２ｂＢは、次式で示される。
（数式９４）
Ｒ１ａＢ＝Ｒ１ｂＢ＝ｂ１Ｒ０１＋（ａ１ΔＲ）Ｂ１
（数式９５）
Ｒ２ａＢ＝Ｒ２ｂＢ＝ｂ２Ｒ０２＋（ａ２ΔＲ）Ｂ２
【０２４０】
同様にして、磁気素子６１ａのＹ軸方向負側の端子と、磁気素子６２ａのＹ軸方向負側の端子との間に生じる電圧ＶＭＢは、次式で示される。
（数式９６）
2017181409.tif 000020
【０２４１】
続いて、減算増幅器２１１の出力ＶＯＳＢは、次式で示される。
（数式９７）
2017181409.tif 000021
【０２４２】
演算回路２１５には、減算増幅器２１１の出力信号が入力される。また、演算回路２１５には、電流発生回路２２０が第１磁場発生装置２１に電流を供給しているか否かを示す情報が入力される。これにより、演算回路２１５は、ここまでに得られた無バイアス状態における減算増幅器２１１の出力ＶＯＳＮと、バイアス状態における減算増幅器２１１の出力ＶＯＳＢとを減算して出力できる。よって、演算回路２１５の出力ＶＯＵＴは、次式で示される。
（数式９８）
2017181409.tif 000022
【０２４３】
更に、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２は、同一チップ基板上に形成されている。この場合、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の特性がほぼ揃うので、ａ１＝ａ２＝ａ、ｂ１＝ｂ２＝ｂとなる。
【０２４４】
ここで、一例において、磁気抵抗素子の無バイアス状態とバイアス状態との間でＸ軸に平行な方向の磁場による抵抗変化を考えると、ａ＝０．７５、ｂ＝１．００１が得られる。１−ａ＝０．２５と、ｂ≒１と、１−ｂ＝−０．００１≒０として、（数９８）式に代入すれば、演算回路２１５の出力ＶＯＵＴは、次式で示される。
（数式９９）
2017181409.tif 000023
【０２４５】
演算回路２１５の出力ＶＯＵＴは、オフセットに相当する部分が除去され、磁気感度に相当する部分のみが抽出されている。したがって、磁気センサ１００は、誤差要素であるオフセット成分を抑制して、Ｘ軸に平行な方向に不均一に生じた磁場を、高い精度で検出できる。
【０２４６】
また、磁気センサ１００は、差分構成をとるので、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力する磁場の大きさが等しければ、誤差要素が演算回路２１５の出力ＶＯＵＴに現れることを抑制できる。例えば、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力する磁場の大きさが等しくなる場合とは、地磁気のような遠方より飛来するＸ軸に平行な方向の一様な磁場が入力される場合である。
【０２４７】
なお、本例の演算手順はあくまで一例であり、本例に記載した手順に限定されない。また、制御装置２００は、磁気センサ１００の出力信号を処理する処理回路の一例である。つまり、無バイアス状態とバイアス状態との間で、磁気抵抗素子の磁気感度およびオフセットが変化することを利用してオフセット成分を抑制する回路であれば本例に限られない。磁気センサ１００は、本例のようにフルブリッジ回路を構成する場合であっても、オフセット成分を抑制して、高い精度で不均一に生じた磁場を検出できる。
【０２４８】
［実施例８］
図１２は、実施例８に係る制御システム３００の構成の一例を示す。制御システム３００は、磁気センサ１００および制御装置２００を備える。本例の磁気センサ１００は、実施例７に係る磁気センサ１００の構成に加えて第２磁場発生装置２２を更に有する。本例の第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２は、フルブリッジ回路を構成する。
【０２４９】
第２磁場発生装置２２は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に帰還磁場を印加する。第２磁場発生装置２２は、Ｙ軸に平行な方向に延伸する２つの第２磁場発生装置２２ａおよび第２磁場発生装置２２ｂを備える。第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂは、導電性の材料で形成される。一例において、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂは、メタル配線で形成される。第２磁場発生装置２２は、電力損失の観点から、比抵抗の小さい金属が好ましく、銅、金、白金、アルミニウム、或いは、それらを含む合金が好ましい。
【０２５０】
第２磁場発生装置２２ａは、平面視で、第１磁気抵抗素子１１と重なるように第３平面５３上に配置される。即ち、第２磁場発生装置２２ａは、磁気素子６１ａおよび磁気素子６１ｂと重なるように第３平面５３上に配置される。これにより、第２磁場発生装置２２ａは、磁気素子６１ａおよび磁気素子６１ｂに対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。
【０２５１】
第２磁場発生装置２２ｂは、平面視で、第２磁気抵抗素子１２と重なるように第３平面５３上に配置される。即ち、第２磁場発生装置２２ｂは、磁気素子６２ａおよび磁気素子６２ｂと重なるように第３平面５３上に配置される。これにより、第２磁場発生装置２２ｂは、磁気素子６２ａおよび磁気素子６２ｂに対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。
【０２５２】
第３平面５３は、ＸＹ平面に略平行な面として形成される。即ち、第３平面５３は、第１平面５１および第２平面５２と略平行で、互いが重ならないように配置される。第１平面５１〜第３平面５３は、Ｚ軸の正側に向かって、第１平面５１、第３平面５３、第２平面５２の順に形成される。磁気センサ１００の製造と特性の観点からは、本例の順で配置することが好ましい。但し、第１平面５１〜第３平面５３の形成される順序は、本例に限られない。
【０２５３】
第２磁場発生装置２２ａのＹ軸方向正側の端子は、第２電位２３２に設定される。第２磁場発生装置２２ａのＹ軸方向負側の端子は、第２磁場発生装置２２ｂのＹ軸方向負側の端子に接続される。また、第２磁場発生装置２２ｂのＹ軸方向正側の端子は、制御装置２００に接続される。このように、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂは、直列に接続され、帰還電流ＩＦＢが流される。
【０２５４】
一例において、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ａをＹ軸方向の正側に向かって流れる。この場合、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ｂをＹ軸方向の負側に向かって流れる。これにより、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂは、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。この場合、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に生じる帰還磁場は、それぞれ−βＩＦＢ、βＩＦＢとなる。
【０２５５】
βは、電流磁場変換率であり、β＝ＢＦＢ／ＩＦＢとなる。ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂに流れる帰還電流である。ＢＦＢは、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に印加される、ＩＦＢに応じたＸ軸に平行な方向の帰還磁場である。
【０２５６】
また、一例において、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ａをＹ軸方向の負側に向かって流れる。この場合、帰還電流ＩＦＢは、第２磁場発生装置２２ｂをＹ軸方向の正側に向かって流れる。これにより、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂは、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に対してＸ軸に平行な方向に帰還磁場を与える。この場合、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に生じる帰還磁場は、それぞれβＩＦＢ、−βＩＦＢとなる。
【０２５７】
本例において、第２磁場発生装置２２ａ，２２ｂの電流磁場変換率が等しい場合について考えたが、第２磁場発生装置２２ａと第２磁場発生装置２２ｂのメタル配線の幅を変えることなどにより、それぞれの電流変換率を異ならせてもよい。
【０２５８】
磁気センサ１００のＸ軸負側には磁石が配置されている。この場合、磁気素子６１ａ，６１ｂには、Ｘ軸方向の磁場Ｂ１が入力される。また、磁気素子６２ａ，６２ｂには、Ｘ軸方向の磁場Ｂ２が入力される。Ｘ軸方向の磁場Ｂ１、Ｂ２は、一様でなく、例えば、Ｂ１＞Ｂ２となる。
【０２５９】
次に、帰還電流ＩＦＢにより、磁気素子６１ａ，６１ｂにＸ軸に平行な方向の帰還磁場−βＩＦＢが入力され、磁気素子６２ａ，６２ｂにＸ軸に平行な方向の帰還磁場βＩＦＢが入力される場合について考える。一例において、磁気素子６１ａ，６１ｂおよび磁気素子６２ａ，６２ｂは、Ｘ軸に平行な方向に同じ磁気感度ΔＲを有する。磁気素子６１ａ，６１ｂおよび磁気素子６２ａ，６２ｂのそれぞれの抵抗値Ｒ１ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ａ、Ｒ２ｂは、次式で示される。
【０２６０】
（数式１００）
Ｒ１ａ＝Ｒ１ｂ＝Ｒ０１＋ΔＲ（Ｂ１−βＩＦＢ）
（数式１０１）
Ｒ２ａ＝Ｒ２ｂ＝Ｒ０２＋ΔＲ（Ｂ２＋βＩＦＢ）
【０２６１】
Ｒ０１はＸ軸に平行な方向の磁場のないときの磁気素子６１ａ，６１ｂの抵抗値である。Ｒ０２はＸ軸に平行な方向の磁場のないときの磁気素子６２ａ，６２ｂの抵抗値である。ΔＲは磁気素子６１ａ，６１ｂおよび磁気素子６２ａ，６２ｂの磁気感度である。Ｂ１は磁気素子６１ａ，６１ｂに入力するＸ軸に平行な方向の磁場である。Ｂ２は磁気素子６２ａ，６２ｂに入力するＸ軸に平行な方向の磁場である。−βＩＦＢは帰還電流ＩＦＢによる磁気素子６１ａ，６１ｂに入力するＸ軸に平行な方向の帰還磁場である。βＩＦＢは帰還電流ＩＦＢによる磁気素子６２ａ，６２ｂに入力するＸ軸に平行な方向の帰還磁場である。
【０２６２】
制御装置２００は、演算部２１０、電流発生回路２２０、増幅器２５１，２５２、電圧検出回路２６０および抵抗２７０を備える。演算部２１０は、減算増幅器２１１および加算増幅器２１４を備える。即ち、本例の制御装置２００は、実施例４に係る制御装置２００と同様の構成を有する。
【０２６３】
先ず、磁気センサ１００が無バイアス状態に設定された場合について考える。即ち、本例の第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２には、バイアス磁場ＢＶが与えられていない。
【０２６４】
無バイアス状態における磁気素子６１ａ，６１ｂおよび磁気素子６２ａ，６２ｂのそれぞれの抵抗値Ｒ１ａＮ、Ｒ１ｂＮ、Ｒ２ａＮ、Ｒ２ｂＮは、無バイアス状態における帰還電流をＩＦＢＮとすると、次式で示される。
【０２６５】
（数式１０２）
Ｒ１ａＮ＝Ｒ１ｂＮ＝Ｒ０１＋ΔＲ（Ｂ１−βＩＦＢＮ）
（数式１０３）
Ｒ２ａＮ＝Ｒ２ｂＮ＝Ｒ０２＋ΔＲ（Ｂ２＋βＩＦＢＮ）
【０２６６】
第１電位２３１と第２電位２３２との間に電圧ＶＳを与えると、磁気素子６１ａのＹ軸方向負側の端子と、磁気素子６２ａのＹ軸方向負側の端子との間に生じる電圧ＶＭＮは、次式で示される。
（数式１０４）
2017181409.tif 000024
【０２６７】
減算増幅器２１１は、磁気素子６１ａのＹ軸方向負側の端子と、磁気素子６２ａのＹ軸方向負側の端子との間の接続ノードに接続される。減算増幅器２１１は、当該２つの端子間に生じる差分電圧を増幅して出力する。一例において、加算増幅器２１４の増幅率は１倍である。この場合、減算増幅器２１１の出力電圧ＶＯＳＮは、次式で示される。
（数式１０５）
2017181409.tif 000025
【０２６８】
加算増幅器２１４は、減算増幅器２１１の出力に加え、増幅器２５２の出力ＶＣが入力されて、それぞれの入力を加算して増幅する。加算増幅器２１４の出力ＶＯＡＮは、次式で示される。
（数式１０６）
2017181409.tif 000026
【０２６９】
Ｇは固定した増幅率であり、０でない任意の値をとり得る。増幅率Ｇは正の値であってよい。
【０２７０】
増幅器２５１は、入力された加算増幅器２１４の出力をＡＭ倍に増幅して出力する。増幅器２５１の出力ＶＡＮは、次式で示される。
（数式１０７）
2017181409.tif 000027
【０２７１】
ＡＭは固定した増幅率であり、０でない任意の値をとり得る。増幅率ＡＭは正の値であってよい。
【０２７２】
増幅器２５１の出力端子は、抵抗値がＲＬである抵抗２７０の一方の端子に接続される。また、抵抗２７０の他方の端子は、第２磁場発生装置２２の他方の端子に接続される。また、第２磁場発生装置２２の一方の端子は、第２電位２３２に設定される。本例では第２磁場発生装置２２の抵抗値がほぼゼロであるとすれば、抵抗２７０の端子間電圧はＶＡＮとなり、ここで作られる電流が、第２磁場発生装置２２に流れる帰還電流となる。よって、帰還電流ＩＦＢＮは、次式で示される。
【０２７３】
（数式１０８）
2017181409.tif 000028
【０２７４】
（数１０８）式は、ＩＦＢＮについて解くと、次式で示される。
（数式１０９）
2017181409.tif 000029
【０２７５】
ＲＬ≪２ＡＭＧΔＲβＶＳ／（Ｒ０１＋Ｒ０２）となるように、増幅率ＡＭやＧを調整すれば、（数１０９）式は、次式で示される。
（数式１１０）
2017181409.tif 000030
【０２７６】
（数１１０）式の第１項は、磁気感度に相当する部分で、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力するＸ軸に平行な方向の磁場Ｂ１、Ｂ２に依存する。（数１１０）式の第２項は、オフセットに相当する部分で、Ｂ１＝Ｂ２＝０のときの第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値のミスマッチと、増幅器２５２の出力ＶＣの大きさに依存する。
【０２７７】
帰還電流ＩＦＢＮは、第１磁気抵抗素子１１、第２磁気抵抗素子１２、減算増幅器２１１、加算増幅器２１４、増幅器２５１および抵抗２７０で構成された閉ループ回路網により生成される。本明細書において、当該閉ループ回路網を主閉ループ回路網と称する。
【０２７８】
以上の通り、帰還電流ＩＦＢＮの磁気感度に相当する第１項は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の磁気感度ΔＲに依らず、且つ、電流磁場変換率βが温度特性をほとんど有さないことから、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力するＸ軸に平行な方向の磁場の差分（Ｂ１−Ｂ２）を精度よく検出できる。
【０２７９】
次に、磁気センサ１００がバイアス状態に設定された場合について考える。即ち、本例の第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２には、バイアス磁場ＢＶが与えられる。
【０２８０】
電流発生回路２２０は、第１磁場発生装置２１の一方の端子に接続される。また、第１磁場発生装置２１の他方の端子は、第２電位２３２に設定される。ここで、電流発生回路２２０が、バイアス状態において、磁気素子６１ａ，６１ｂの磁気感度が、無バイアス状態における磁気感度ΔＲに対してａ１倍に変化し、磁気素子６２ａ，６２ｂの磁気感度が、無バイアス状態における磁気感度ΔＲに対してａ２倍に変化する。また、磁気素子６１ａ，６１ｂの初期抵抗値は、無バイアス状態における初期抵抗値Ｒ０１に対してｂ１倍に変化し、磁気素子６２ａ，６２ｂの初期抵抗値は、無バイアス状態における初期抵抗値Ｒ０２に対してｂ２倍に変化する。
【０２８１】
即ち、バイアス状態における磁気素子６１ａ，６１ｂおよび磁気素子６２ａ，６２ｂのそれぞれの抵抗値Ｒ１ａＢ、Ｒ１ｂＢ、Ｒ２ａＢ、Ｒ２ｂＢは、バイアス状態における帰還電流をＩＦＢＢとすると、次式で示される。
（数式１１１）
Ｒ１ａＢ＝Ｒ１ｂＢ＝ｂ１Ｒ０１＋（ａ１ΔＲ）（Ｂ１−βＩＦＢＢ）
（数式１１２）
Ｒ２ａＢ＝Ｒ２ｂＢ＝ｂ２Ｒ０２＋（ａ２ΔＲ）（Ｂ２＋βＩＦＢＢ）
【０２８２】
バイアス状態においても同様に、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２は、同一チップ基板上に形成されているので、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の特性がほぼ揃う。即ち、ａ１＝ａ２＝ａ、ｂ１＝ｂ２＝ｂとなる。よって、帰還電流ＩＦＢＢは、次式で示される。
（数式１１３）
2017181409.tif 000031
【０２８３】
（数１１０）式および（数１１３）式は、無バイアス状態とバイアス状態との間で磁気感度に相当する部分は変化せず、オフセットに相当する部分が変化することを示す。
【０２８４】
電圧検出回路２６０には、抵抗２７０の端子間電圧が入力される。また、電圧検出回路２６０には、電流発生回路２２０が第１磁場発生装置２１に電流を供給しているか否かを示す情報が入力される。これにより、電圧検出回路２６０は、ここまでに得られた無バイアス状態における抵抗２７０の端子間電圧ＶＲＬＮと、バイアス状態における抵抗２７０の端子間電圧ＶＲＬＢとを減算して出力する。よって、電圧検出回路２６０の出力ＶＯＰＰは、次式で示される。
（数式１１４）
2017181409.tif 000032
【０２８５】
増幅器２５２は、電圧検出回路２６０の出力信号が入力される。増幅器２５２は、入力された信号を−ＡＡ倍に増幅して出力する。増幅器２５２の出力ＶＣは、次式で示される。
（数式１１５）
2017181409.tif 000033
【０２８６】
ＡＡは固定した増幅率であり、０でない任意の値をとり得る。増幅率ＡＡは正の値であってよい。
【０２８７】
（数５８）式は、ＶＣについて解くと、次式で示される。
（数式１１６）
2017181409.tif 000034
【０２８８】
２βΔＲＶＳ／（Ｒ０１＋Ｒ０２）≪ＡＡＲＬ（１−１／ａ）となるように、増幅率ＡＡを調整すれば、（数１１６）式は、次式で示される。
（数式１１７）
2017181409.tif 000035
【０２８９】
増幅器２５２の出力ＶＣは、電圧検出回路２６０、加算増幅器２１４、増幅器２５１，２５２および抵抗２７０で構成した閉ループ回路網により生成される。本明細書において、当該閉ループ回路網を補助閉ループ回路網と称する。
【０２９０】
ここで、一例において、磁気抵抗素子の無バイアス状態とバイアス状態との間でＸ軸に平行な方向の磁場による抵抗変化を考えると、ａ＝０．７５、ｂ＝１．００１が得られる。これらを（数１１０）式、（数１１３）式に代入し、ｂ≒１とすれば、無バイアス状態およびバイアス状態での帰還電流ＩＦＢＮ、ＩＦＢＢは、次式で示される。
（数式１１８）
ＩＦＢＮ＝ＩＦＢＢ＝（Ｂ１−Ｂ２）／（２β）    
【０２９１】
即ち、帰還電流ＩＦＢＮ、ＩＦＢＢは、オフセットに相当する部分を除去し、磁気感度に相当する部分のみを抽出している。したがって、磁気センサ１００は、誤差要素であるオフセット成分を抑制して、高い精度で不均一に生じた磁場を検出できる。
【０２９２】
また、磁気センサ１００は、差分構成をとるので、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力する磁場の大きさが等しければ、誤差要素が帰還電流ＩＦＢに現れることを抑制できる。例えば、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２に入力する磁場の大きさが等しくなる場合とは、地磁気のような遠方より飛来するＸ軸に平行な方向の一様な磁場が入力される場合である。
【０２９３】
なお、本例の演算手順はあくまで一例であり、本例で示した手順に限定されない。また、制御装置２００は、磁気センサ１００の出力信号を処理する処理回路の一例である。つまり、無バイアス状態とバイアス状態との間で、磁気抵抗素子の磁気感度およびオフセットが変化することを利用してオフセット成分を抑制する回路であれば本例に限られない。磁気センサ１００は、本例のようにフルブリッジ回路を構成する場合であっても、オフセット成分を抑制して、高い精度で不均一に生じた磁場を検出できる。
【０２９４】
主閉ループ回路網は、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値が同じとなるように制御する。言い換えれば、第１磁気抵抗素子１１および第２磁気抵抗素子１２の抵抗値の差が生じないように変化する負帰還の回路を構成すれば、いかなる回路を組んでもよい。
【０２９５】
また、補助閉ループ回路網は、無バイアス状態とバイアス状態との間で、帰還電流に生じるオフセット成分の変化が生じないように負帰還の回路を構成すれば、いかなる回路を組んでもよい。
【０２９６】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【０２９７】
特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【０２９８】
１０・・・磁気抵抗素子、１１・・・第１磁気抵抗素子、１２・・・第２磁気抵抗素子、１３・・・第３磁気抵抗素子、１４・・・第４磁気抵抗素子、２１・・・第１磁場発生装置、２２・・・第２磁場発生装置、３１・・・第１電流導体、３２・・・第２電流導体、４０・・・基板、４２・・・絶縁層、５０・・・基板平面、５１・・・第１平面、５２・・・第２平面、５３・・・第３平面、６１・・・磁気素子、６２・・・磁気素子、１００・・・磁気センサ、２００・・・制御装置、２１０・・・演算部、２１１・・・減算増幅器、２１２・・・減算増幅器、２１４・・・加算増幅器、２１５・・・演算回路、２２０・・・電流発生回路、２３１・・・第１電位、２３２・・・第２電位、２４１・・・電流源、２４２・・・電流源、２４３・・・電流源、２４４・・・電流源、２５１・・・増幅器、２５２・・・増幅器、２６０・・・電圧検出回路、２７０・・・抵抗、３００・・・制御システム
【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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【図１２】
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