CN102193072A - 磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁传感器，包括自旋阀型磁阻效应元件、电压检测部、线圈以及电流控制部，上述线圈通过流通电流，对上述自旋阀型磁阻效应元件提供测定用磁场，上述电压检测部在检测出上述自旋阀型磁阻效应元件的输出电压成为规定的电压值时，将检测信号输出给上述电流控制部，上述电流控制部控制上述电流，以使上述测定用磁场的强度从初始值单方面增加或单方面减少，在输入了上述检测信号时，将上述电流控制为使上述测定用磁场的强度回到上述初始值，上述初始值是对上述自旋阀型磁阻效应元件提供饱和磁化的磁场的强度。

Description

磁传感器

技术领域

本发明涉及利用自旋阀型磁阻效应元件的磁传感器。

背景技术

近年来，使用了磁阻效应元件(MR元件)的电流传感器受到注目。电流传感器能够检测DC磁场，因此能够应用于混合动力车的电池控制等的较广的领域。

原来，MR元件的线性特性不突出，此外，具有用于检测外部磁场的有效灵敏度范围较窄的特征。因此，在将MR元件应用于磁传感器的情况下，如在日本特开平10-319103号公报以及日本特开平6-294853号公报中公开那样，需要例如通过对MR元件施加偏置磁场而使动作点向线性特性良好的区域位移。但是，根据该技术，由于MR元件的输出等受到限制，因此存在设计的自由度会下降的问题。

因此，在磁传感器领域中，作为解决该问题的方式，广泛使用磁平衡方式。所谓磁平衡方式，是在MR元件的周边设置线圈，通过反馈控制流通电流以使该线圈产生抵消外部磁场的测定用磁场，并根据该电流值获得作为测定对象的外部磁场的强度的方式(参照日本特开平11-64474号公报)。根据磁平衡方式，原理上能够确保突出的线性特性和较大的有效灵敏度范围，因此该方式适合于混合动力车的电池监视用传感器等计量高压直流电流的电流传感器。

像这样，期待将MR元件应用于磁传感器领域。并且，随着硬盘的磁头的发展，开发出高性能的自旋阀型MR元件，该期待逐渐得到提高。作为自旋阀型MR元件，有利用巨磁阻效应、在膜面内流通电流的CIP(CurrentIn-Plane，电流在平面内)型GMR元件、相对于膜面垂直流通电流的CPP(Current Perpendicular to Plane：电流垂直于平面)型GMR元件、以及通过相对于膜面垂直施加电压而产生的隧道效果来流通电流的TMR元件。

其中，TMR元件的输出特性格外突出，通过将该TMR元件应用于磁传感器领域，有望得到***的S/N比的改善及电路结构的简单化等效果。

但是，自旋阀型MR元件不仅是上述的线性特性突出，还具有顽磁力Hc大、磁滞的特性。因而，在适用了上述的磁平衡方式的情况下，若发生控制电流的过冲，则存在不能正常测定外部磁场的问题。即，如果因过冲而MR元件达到一次磁化饱和，则其后由于其履历的影响，在磁滞曲线上的与原来不同的轨迹部分进行磁场的检测处理，因此发生大致为顽磁力Hc量的磁场强度的测定误差。

发明内容

本发明的课题是提供一种不受磁滞的影响而能够正常检测外部磁场的高性能磁传感器。

为了解决上述的课题，本发明的磁传感器包括自旋阀型磁阻效应元件、电压检测部、线圈以及电流控制部。

上述线圈通过流通电流，对上述自旋阀型磁阻效应元件提供测定用磁场。上述电压检测部在检测出上述自旋阀型磁阻效应元件的输出电压成为了规定的电压值时，将检测信号输出给上述电流控制部。

上述电流控制部控制上述电流，以使上述测定用磁场的强度从初始值单方面增加或单方面减少，在输入了上述检测信号时，将上述电流控制为使上述测定用磁场的强度回到上述初始值。

首先，本发明的磁传感器使用自旋阀型MR元件测定外部的磁场，从而能够如上所述那样大幅提高测定性能，实现小型化。

其次，根据本发明的磁传感器，线圈通过流通电流而对自旋阀型磁阻效应元件提供测定用磁场，并且，电流控制部控制电流，以使该测定用磁场的强度从初始值单方面增加或单方面减少，由此能够抵消测定对象的磁场或消除一部分。

并且，电压检测部检测自旋阀型磁阻效应元件的输出电压成为了规定的电压值，由此与上述的磁平衡方式同样，能够根据此时的线圈的电流值来计算测定对象的磁场的强度。

但是，上述的规定的电压值需要根据对自旋阀型磁阻效应元件提供的磁场和输出电压的关系来适当决定。优选地，使规定的电压值为在由线圈产生的磁场的强度与测定对象的磁场的强度相等的情况下检测的值。换言之，使规定的电压值为在没有对自旋阀型磁阻效应元件提供的磁场的情况下检测的值。

本发明的特征性的结构在于，上述的初始值为对自旋阀型磁阻效应元件提供饱和磁化的磁场的强度；以及如果电压检测部检测出自旋阀型磁阻效应元件的输出电压成为规定的电压值，则将检测信号输出给电流控制部，如果输入检测信号，则电流控制部控制线圈的电流，以使磁场的强度回到初始值。该结构与进行基于负反馈电路的反馈控制的磁平衡方式很大不同。

根据该特征性的结构，每当完成测定时，所提供的磁场的强度回到初始值，并且自旋阀型磁阻效应元件磁化饱和。因此，电流控制的动作点总是在磁滞曲线的具有线性的轨迹部分中的一定的轨迹部分进行。因此，即使因某种原因、流过线圈的电流过冲、并且在与原来不同的轨迹部分进行了磁场的检测，其后的测定动作也在原来的轨迹部分进行。

因此，根据本发明的磁传感器，能够使磁阻效应元件的输出电压和所提供的线圈磁场的强度不受磁滞的影响，而在设为一对一的对应关系的基础上，测定外部磁场。

因此，根据本发明，能够提供不受磁滞的影响而能够正常检测外部磁场的高性能磁传感器。

下面参照附图详细说明本发明的其他目的、结构以及优点。但是，附图仅表示例子。

附图说明

图1是本发明的磁传感器的电路图。

图2是表示MR元件电路的变形例的电路图。

图3是表示MR元件电路的其他变形例的电路图。

图4是表示电流控制方法的自旋阀型磁阻效应元件的磁滞曲线。

图5是表示电流控制方法的时间-磁场强度的曲线图。

图6是表示其他实施方式的电流控制方法的自旋阀型磁阻效应元件的磁滞曲线。

图7是表示其他实施方式的电流控制方法的时间-磁场强度的曲线图。

具体实施方式

图1是本发明的磁传感器的电路图。磁传感器包括磁阻效应元件电路1(以下记为MR元件电路1)、分压用电阻21、22、电压检测部3、电流控制部4、振荡器(Oscillator)5、采样保持电路(S/H)6、运算电路(arithmeticcircuit)7以及线圈8。

该电路如上述的磁平衡方式那样，通过电流控制部4对流过线圈8的电流I进行控制，并通过由此发生的测定用的线圈磁场H，抵消MR元件电路1周围的被测定磁场Ho，根据此时的电流值Io，检测被测定磁场Ho的强度。首先说明电路的各结构及其作用，其次说明电流控制的详细情况。

MR元件电路1具备串联连接的两个MR元件11、12。一个MR元件11的端子与电源Vcc连接，另一个MR元件12的端子被接地。MR元件11、12分别为TMR元件或GMR元件等两个端子的自旋阀型MR元件，它们的固定层(pinned layer)的磁化方向彼此有180度差异。

MR元件电路1的输出电压V从MR元件11、12之间的连接点输入至电压检测部3。即，MR元件电路1具有MR元件11、12的半桥电路。但是，MR元件电路1不限于这样的电路结构，例如也可以如图2所示，代替接地侧的MR元件12而设置电阻器13。或者，也可以如图3所示，代替电源Vcc侧的MR元件11而设置电阻器14。进而，当然也可以应用半桥电路。

MR元件电路1设有被暴露在外部的被测定磁场Ho的检测头部。众所周知，MR元件11、12具有电阻值根据所提供的磁场而变化的性质，因此输出至电压检测部3的输出电压V为与周围的磁场强度、即被测定磁场Ho和线圈磁场H的合成磁场对应的电压值。

电压检测部3通过比较MR元件电路1的输出电压值V和基准电压值Vref，检测输出电压值V成为基准电压值Vref。基准电压值Vref通过在电源Vcc和接地之间串联连接的分压电阻21、22被提供到电压检测部3的(-)端子，被与提供到(+)端子的输出电压值V比较。

电压检测部3的功能是端上检测线圈磁场H抵消了被测定磁场Ho的情况，输出检测信号S。因此，基准电压值Vref预先设定为在线圈磁场H的强度与被测定磁场Ho的强度相等的情况下检测出的值、即在没有向MR元件11、12提供的磁场的情况下检测出的值即可。

但是，这仅限于采用通过线圈磁场H抵消被测定磁场Ho的方式的情况。但是，在使线圈磁场H的强度只偏置规定值来进行测定的情况下，线圈磁场H仅消除被测定磁场Ho的一部分即可，因此不限于此。在该情况下，需要根据该偏置值设定基准电压值Vref。另外，基准电压值Vref也可以代替上述分压阻抗21、22而从充电了规定量的电荷的电容器向电压检测部3提供。

此外，作为电压检测部3，不限于这种比较器即比较仪，例如也可以采用晶体管电路。

电压检测部3在输出电压值V与基准电压值Vref相等或比其大时，将输出信号S输出给电流控制部4和采样保持器6。即，电压检测部3若检测出被测定磁场Ho的强度，则输出检测信号S。

电流控制部4包括计数电路(counter)41、数字模拟变换部(D/A)42以及线圈驱动器(Coil driver)43。

计数电路41由多级连接的触发器构成，将按照从振荡器5输入的脉冲信号CLK、按每一定时间增加或减少的计数值N(＝最小值0～最大值Nmax)输出给数字模拟变换部42。若输入检测信号S，则计数电路41将计数值N复位为0或Nmax。

作为振荡器5，例如能够采用水晶振荡器。振荡器5的振荡频率影响电路的测定处理时间，因此根据作为目标的测定性能来决定。

数字模拟变换部42由晶体管或放大器等构成，将作为数字信号的计数值N变换为作为模拟信号的电压值E输出给线圈驱动器43。

线圈驱动器43根据输入的电压值E，控制流过线圈8的电流I的电流值。即，线圈驱动器43将电流I控制为对应于计数值N的电流值。作为线圈驱动器43，能够采用电流控制LSI等。

线圈8连接在线圈驱动器43和接地之间。线圈8配置在MR元件电路1的周围，流过电流I，由此对MR元件11、12提供线圈磁场H。这里，线圈8的匝数n影响线圈磁场H的强度，因此根据作为目标的测定性能来决定。

此外，若输入检测信号S，则采样保持器电路6从线圈驱动器43取得并保持控制电流值Io。控制电流值Io是在线圈磁场H抵消了被测定磁场Ho时的电流I的电流值。采样保持器电路6由包含触发器的锁存(latch)电路等构成。

运算电路7是执行运算处理的运算放大器或CPU电路，从采样保持器电路6周期性地取得控制电流值Io，并根据该电流值Io计算被测定磁场Ho的强度。磁场Ho的强度一般通过线圈8的匝数n和电流值I的乘积来计算。

下面，对电流控制部4的电流控制进行说明。图4是表示了电流控制方法的MR元件11、12的磁滞曲线。

该磁滞曲线中，将主视图中附加了朝向图中右方向的箭头的曲线部定义为第一轨迹部分R1，将主视图中附加了朝向图中左方向的箭头的曲线部定义为第二轨迹部分R2。在本实施方式中，电流控制的动作点在第一轨迹部分R1上。

电流控制部4控制线圈8的电流I，以使线圈磁场H的强度从初始值Hs起单方面增加。即，线圈驱动器43控制为随着计数值N增加或减少，电流I增加。电流I的电流值即线圈磁场H的强度相对于计数值N的增加或减少，可以一次函数性地增加，也可以二次函数性地增加。另外，像这样使电流单方面增加的方法与在以往的反馈控制方式中增减电流的方法不同。

该控制的状况在图中表示为从磁滞曲线上附加的起点P0到检测点Po的路径a1。在检测点Po上，线圈磁场H抵消被测定磁场Ho，由此输出电压V成为基准电压Vref以上，因此从电压检测部3输出检测信号S。

并且，在输入了检测信号S时，电流控制部4对电流进行控制，以使线圈磁场H的强度回到初始值Hs。即，如果计数值N通过检测信号S复位到0或Nmax，则线圈驱动器43使线圈8的电流I的电流值回到初始值。该控制的状况例如在图中表示为从磁滞曲线上附加的检测点Po到起点P0的路径a2。

另一方面，假如在线圈8的电路I因噪声等原因而过冲、磁滞曲线上的电流控制的动作点一旦到达了饱和点P1的情况下，由于周知的磁滞的特性，转移到动作点与原来不同的第二轨迹部分R2。在该情况下，如上所述，在成为与检测点Po相同的磁通密度Bo的误检测点Px上输出检测信号S，有根据错误的磁场的强度Hx检测出被测定磁场Ho的可能性。该情况表示为图中的从磁滞曲线上附加的饱和点P1到误检测点Px的路径b1。

并且，在该情况下输入了检测信号S时，电流控制部4也将电流控制为使线圈磁场H的强度回到初始值Hs。该情况表示为图中的从磁滞曲线上附加的误检测点Px到起点P0的路径b2。

在本发明的磁传感器中，上述的初始值Hs设定为对MR元件11、12提供饱和磁化的磁场的强度。因此，一旦输出检测信号S，则不管磁滞曲线上的动作点追寻正常的路径a1，还是追寻异常的路径b1，MR元件11、12总是被磁化饱和。因此，在其后的测定中，动作点必定在原来的第一轨迹部分R1上。

这在不存在被测定磁场Ho的情况下，线圈8的电流I也被控制为大致0(A)，以使线圈磁场H成为约0(Oe)，从而输出检测信号S，因此相同。但是，假设因某种原因而未输出检测信号S的情况下，如果在规定的时间内未输出检测信号S，则电流控制部4也可以将计数值N自己复位，以使线圈磁场H回到初始值Hs。

图5是将上述的电流控制的状况表示在时间-磁场强度的曲线图上的图。这里，实线表示线圈磁场H的强度，虚线表示被测定磁场Ho的强度，黑圈表示磁场的检测点。如图所示，线圈磁场H在各个时间t1～t10中被复位为初始值Hs，整体上呈锯齿形波。

以上叙述的电流控制在将磁滞曲线上的动作点置于另一个第二轨迹部分R2的情况下也相同。图6是表示了该情况下的电流控制方法的MR元件的磁滞曲线。

电流控制部4控制线圈8的电流I，以使线圈磁场H的强度从初始值Hs单方面减少。即，线圈驱动器43控制为随着计数值N的增加或减少，电流I减少。该控制的状况在图中表示为从磁滞曲线上附加的起点P0到检测点Po的路径c1。

并且，在输入了检测信号S时，电流控制部4控制电流以使线圈磁场H的强度回到初始值Hs。即，如果通过检测信号S而计数值N复位为0或Nmax，则线圈驱动器43使线圈8的电流I的电流值回到初始值。该控制的状况在图中表示为例如从磁滞曲线上附加的检测点Po到起点P0的路径c2。

另一方面，动作点一旦在磁滞曲线上到达饱和点P1的情况下，转移到与原来不同的第一轨迹部分R1。但是，如上所述，最终由于被输入检测信号S，线圈磁场H的强度成为初始值Hs。该情况表示为图中的从磁滞曲线上附加的饱和点P1到误检测点Px的路径d1、以及从误检测点Px到起点P0的路径d2。

这里，上述的初始值Hs依然被设定为对MR元件11、12提供饱和磁化的磁场的强度，因此能够得到与上述同样的效果。

图7与图5同样，是将该电流控制的状况表示在时间-磁场强度的曲线图上的图。如图所示，在该情况下，线圈磁场H在整体上也呈锯齿波形。

最后对根据本发明获得的效果进行说明。首先，本发明的磁传感器使用自旋阀型MR元件11、12来测定被测定磁场Ho，因此能够如上所述大幅提高测定性能，实现小型化。

接着，根据本发明的磁传感器，线圈8通过流通电流I，对自旋阀型磁阻效应元件1提供线圈磁场H，并且，电流控制部4控制电流I，以使该线圈磁场H的强度从初始值单方面增加或单方面减少，因此能够抵消被测定磁场或消除其一部分。

并且，电压检测部3检测自旋阀型磁阻效应元件11、12的输出电压V成为了规定的电压值Vref的情况，因此能够与上述的磁平衡方式同样，根据此时的线圈的电流值Io，计算被测定磁场Ho的强度。

但是，上述的规定的电压值Vref需要根据对自旋阀型磁阻效应元件11、12提供的磁场和输出电压的关系来适当决定。优选地，使规定的电压值为在由线圈产生的线圈磁场H的强度与被测定磁场Ho的强度相等的情况下检测的值。换言之，规定的电压值Vref优选设为没有对自旋阀型磁阻效应元件11、12提供的磁场的情况下检测的值。

本发明的特征性的结构在于，上述的初始值Hs为对自旋阀型磁阻效应元件11、12提供饱和磁化的磁场的强度；以及如果电压检测部3检测自旋阀型磁阻效应元件11、12的输出电压成为规定的电压值Vref，则将检测信号S输出给电流控制部4，如果输入检测信号S，则电流控制部4控制线圈的电流I，以使线圈磁场H的强度回到初始值Hs。该结构与进行基于负反馈电路的反馈控制的磁平衡方式很大不同。

根据该特征性的结构，每当完成测定时，所提供的线圈磁场H的强度回到初始值Hs，并且自旋阀型磁阻效应元件11、12磁化饱和。因此，电流控制的动作点总是在磁滞曲线的具有线性的轨迹部分R1、R2中的一定的部分进行。因此，即使因某种原因、流过线圈的电流I过冲、并且在与原来不同的轨迹部分R1、R2中进行被测定磁场Ho的检查，其后的测定动作也在原来的轨迹部分R1、R2中进行。

因此，根据本发明的磁传感器，能够使磁阻效应元件11、12的输出电压V和所提供的线圈磁场H的强度不受磁滞的影响，而在设为一对一的对应关系的基础上测定被测定磁场Ho。

以上通过优选的具体实施方式详细描述了本发明。但是，本领域技术人员根据本发明的技术概念能够进行各种变更是显而易见的。

Claims (6)

1.一种磁传感器，包括自旋阀型磁阻效应元件、电压检测部、线圈以及电流控制部，

上述线圈通过流通电流，对上述自旋阀型磁阻效应元件提供测定用磁场，

上述电压检测部在检测出上述自旋阀型磁阻效应元件的输出电压成为规定的电压值时，将检测信号输出给上述电流控制部，

上述电流控制部控制上述电流，以使上述测定用磁场的强度从初始值单方面增加或单方面减少，在输入了上述检测信号时，将上述电流控制为使上述测定用磁场的强度回到上述初始值，

上述初始值是对上述自旋阀型磁阻效应元件提供饱和磁化的磁场的强度。

2.如权利要求1所述的磁传感器，其中，

上述规定的电压值是在上述测定用磁场的强度与测定对象的磁场的强度相等时检测的值。

3.如权利要求1所述的磁传感器，其中，

上述规定的电压值是在没有对上述自旋阀型磁阻效应元件提供的磁场的情况下检测的值。

4.如权利要求1所述的磁传感器，其中，

上述电流控制部，

包含计数电路，该计数电路输出随着脉冲信号的输入而增加或减少的计数值；

将上述电流控制为对应于上述计数值的电流值，

在输入了上述检测信号时，将上述计数值复位。

5.如权利要求1所述的磁传感器，其中，

上述电压检测部通过比较上述输出电压和上述规定的电压值，检测出上述输出电压成为了上述规定的电压值。

6.如权利要求1所述的磁传感器，其中，

包含运算电路，该运算电路根据上述检测信号被输入到上述电流控制部时的上述电流的电流值，计算测定对象的磁场的强度。

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