JP2005049262A - 磁気センサおよび磁気センサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化が大きくても安定した出力が得られ、これにより、磁気センサまたは磁気センサを用いた機器における設計の自由度が広くなる磁気センサを提供することを目的とする。
【解決手段】Ｔ₁℃で印加磁界Ｈａのときの磁気抵抗効果素子の抵抗値変化率をΔＲａ₁、Ｔ₂℃で印加磁界Ｈａのときの磁気抵抗効果素子の抵抗値変化率をΔＲａ₂、Ｔ₂℃で印加磁界Ｈｂのときの磁気抵抗効果素子の抵抗値変化率をΔＲｂ₂とした特性の磁気抵抗効果素子と、発生する磁界がＴ₁℃のときにＨａ、Ｔ₂℃のときにＨｂとなるバイアス磁界発生手段とにより構成したものである。
【選択図】図５

Description

本発明は回転や位置検出等に用いられる磁気センサおよび磁気センサユニットに関するものである。

一般に、磁気抵抗効果素子は磁界の方向と強さの変化に応じて抵抗値が変化するため、バイアス磁石を磁気抵抗効果素子の近傍に設置するとともに、この磁気抵抗効果素子を直列に２個接続して電圧を印加し、その近傍で磁性体を回転させたり、動かしたりすると、磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化するため、直列に接続した中点の電圧が変化する。この中点電圧を取り出して外部回路により信号処理をすることによって回転体の回転数や物体の位置を検出することができる。

磁気抵抗効果素子としては、ホールＩＣやＮｉ−Ｆｅ，Ｎｉ−Ｃｏ等の強磁性体を用いたもの、ＩｎＳｂ等の半導体磁気抵抗体を用いたものがあるが、近年、より磁気抵抗効果の大きなものとして、数１０Åの磁性薄膜と金属非磁性薄膜とを交互に積層した巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）が回転検出センサや位置検出センサに用いられるようになってきた。

巨大磁気抵抗効果素子は、基板上にスパッタなどにより磁性薄膜と金属非磁性薄膜とを交互に積層した多層膜からなる金属人工格子膜をフォトリソグラフィー等により所定のパターン形状に形成し、そしてこの金属人工格子膜の一端部に電圧印加と中点電位取り出しのための電極を形成し、さらにこの金属人工格子膜を覆うように保護膜を形成してなるものである。磁性薄膜と金属非磁性薄膜が適当な厚みの場合、金属非磁性膜を介して隣り合う磁性薄膜間に反強磁性結合が働くもので、このとき磁性薄膜の磁化方向は互いに逆方向となっている。金属人工格子膜に平行に磁界が印加されると、磁性薄膜の磁化の方向は印加された磁界の方向と同じになり、金属人工格子膜の抵抗値は低くなる。

このような磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサによって回転を検出する場合の動作原理について説明する。被検出手段である歯車状の磁性回転体に近接して、ハーフブリッジまたはフルブリッジ状に接続した磁気抵抗効果素子と永久磁石を設置し、そして歯車状の磁性回転体が回転すると、永久磁石から発生する磁界の向きが変化するため、磁気抵抗効果素子に印加される磁界の向きや大きさが変化する。これにより、磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化し、ブリッジの中点の電圧が変化する。そしてこの電圧の変化を外部に接続した処理回路で処理することにより、パルス状の信号として取り出し、回転数を検知するものである。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。この特許文献１に記載された発明は、磁気抵抗効果素子の抵抗値変化率の温度依存性の低い磁界範囲で磁気センサを動作させ、ノイズ耐量を向上させるものである。すなわち、磁気抵抗効果素子の抵抗値変化率は温度に依存するもので、温度変化が大きな使用条件下では出力に支障が出るため、抵抗値変化率の温度特性の少ない磁界範囲で使用することにより、温度変化が大きくても出力に支障が出ない磁気センサを得ようとするものである。
特開平１１−３２５８１４号公報

しかしながら、上記した特許文献１においては、使用できる磁界範囲が極めて限定されてしまうため、上記従来の磁気センサまたは磁気センサを用いた機器における設計の自由度が狭くなるという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、温度変化が大きくても安定した出力が得られ、これにより、磁気センサまたは磁気センサを用いた機器における設計の自由度が広くなる磁気センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、発生する磁界が温度に依存するバイアス磁界発生手段と、このバイアス磁界発生手段で発生した磁界によって抵抗値が変化するとともに温度にも依存して抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子とを備え、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値に影響を与える磁界は磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた被検出手段の状態によって変化を生じるものであり、かつ前記磁気抵抗効果素子の抵抗値は、磁界が強くなるにつれて無磁界のときに比べて抵抗値の変化が大きくなる領域を有するものであり、Ｔ₁℃で無磁界時における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲ₁Ω、Ｔ₂℃で無磁界時における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲ₂Ω、Ｔ₁℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化を寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨａ、Ｔ₁℃において磁界Ｈａを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲａ₁Ω、Ｔ₂℃において磁界Ｈａを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲａ₂Ω、Ｔ₂℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｂとしたとき、｜Ｒ₁−Ｒａ₁｜／Ｒ₁＞｜Ｒ₂−Ｒａ₂｜／Ｒ₂の関係が成立するときに前記バイアス磁界発生手段からの磁界がＨａ＜Ｈｂとなる領域が存在するような関係に設定したもので、この構成によれば、Ｔ₁℃における磁気抵抗効果素子の抵抗値と、Ｔ₂℃における磁気抵抗効果素子の抵抗値との間において、｜Ｒ₁−Ｒａ₁｜／Ｒ₁＞｜Ｒ₂−Ｒａ₂｜／Ｒ₂の関係が成立するときに前記バイアス磁界発生手段からの磁界がＨａ＜Ｈｂとなる領域が存在するような関係に設定しているため、磁気センサとしての抵抗値変化率の温度依存性を小さくすることができ、安定した出力を得ることができるという作用を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、発生する磁界が温度に依存するバイアス磁界発生手段と、このバイアス磁界発生手段で発生した磁界によって抵抗値が変化するとともに温度にも依存して抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子とを備え、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値に影響を与える磁界は磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた被検出手段の状態によって変化を生じるものであり、無磁界時と前記被検出手段が第１の状態にあるときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化が、無磁界時と前記被検出手段が第２の状態にあるときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化より大きいものにおいて、α℃で無磁界時における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲαΩ、β℃で無磁界時における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲβΩ、前記被検出手段が第１の状態にあるときにα℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｃ、前記被検出手段が第２の状態にあるときにα℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｅ、前記被検出手段が第１の状態にあるときにβ℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｄ、前記被検出手段が第２の状態にあるときにβ℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｆ、α℃において磁界Ｈｃを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｃΩ、α℃において磁界Ｈｅを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｅΩ、β℃において磁界Ｈｄを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｄΩ、β℃において磁界Ｈｆを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｆΩとしたとき、
｜０．７×（Ｒα−Ｒｃ）／Ｒα｜≦｜Ｒβ−Ｒｄ｜／Ｒβ≦｜１．３×（Ｒα−Ｒｃ）／Ｒα｜で、かつ｜０．７×（Ｒβ−Ｒｅ）／Ｒα｜≦｜Ｒβ−Ｒｆ｜／Ｒβ≦｜１．３×（Ｒβ−Ｒｅ）／Ｒα｜の関係が成立するようにしたもので、この構成によれば、｜０．７×（Ｒα−Ｒｃ）／Ｒα｜≦｜Ｒβ−Ｒｄ｜／Ｒβ≦｜１．３×（Ｒα−Ｒｃ）／Ｒα｜で、かつ｜０．７×（Ｒβ−Ｒｅ）／Ｒα｜≦｜Ｒβ−Ｒｆ｜／Ｒβ≦｜１．３×（Ｒβ−Ｒｅ）／Ｒα｜の関係が成立するため、磁気センサとしての抵抗値変化率の温度依存性を小さくすることができ、これにより、安定した出力を得ることができるという作用を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、発生する磁界が温度に依存するバイアス磁界発生手段と、このバイアス磁界発生手段で発生した磁界によって抵抗値が変化するとともに温度にも依存して抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子とを備え、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値に影響を与える磁界は磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた被検出手段の状態によって変化を生じるものであり、無磁界時と前記被検出手段が第１の状態にあるときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化が、無磁界時と前記被検出手段が第２の状態にあるときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化より大きいものにおいて、α℃で無磁界時における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲαΩ、β℃で無磁界時における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲβΩ、前記被検出手段が第１の状態にあるときにα℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｃ、前記被検出手段が第２の状態にあるときにα℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｅ、前記被検出手段が第１の状態にあるときにβ℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｄ、前記被検出手段が第２の状態にあるときにβ℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｆ、α℃において磁界Ｈｃを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｃΩ、α℃において磁界Ｈｅを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｅΩ、β℃において磁界Ｈｄを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｄΩ、β℃において磁界Ｈｆを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｆΩとしたとき、
｜０．７×（Ｒｅ−Ｒｃ）／Ｒα｜≦｜Ｒｆ−Ｒｄ｜／Ｒβ≦｜１．３×（Ｒｅ−Ｒｃ）／Ｒα｜の関係が成立するようにしたもので、この構成によれば、｜０．７×（Ｒｅ−Ｒｃ）／Ｒα｜≦｜Ｒｆ−Ｒｄ｜／Ｒβ≦｜１．３×（Ｒｅ−Ｒｃ）／Ｒα｜の関係が成立するため、磁気センサとしての抵抗値変化率の温度依存性を小さくすることができ、これにより、安定した出力を得ることができるという作用を有するものである。

本発明の請求項４に記載の発明は、特に、バイアス磁界発生手段として、永久磁石を用いたもので、この構成によれば、バイアス磁界発生手段として、永久磁石を用いているため、バイアス磁界を発生させるために電力を必要とせず、低消費電力の磁気センサが得られるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項５に記載の発明は、特に、永久磁石として、フェライト系磁石または希土類系磁石のいずれかを用いたもので、この構成によれば、永久磁石として、フェライト系磁石または希土類系磁石のいずれかを用いているため、温度変化に対応して永久磁石が発する磁界も変化することになり、これにより、この磁界の変化を、磁気抵抗効果素子の温度変化に対する抵抗値変化率の影響を相殺する方向に設定することが可能になるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項６に記載の発明は、特に、バイアス磁界発生手段として、電磁石を用いたもので、この構成によれば、バイアス磁界発生手段として、電磁石を用いているため、電磁石に流す電流値を変化させて使用温度において最適なバイアス磁界を発生させることが可能になるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項７に記載の発明は、特に、バイアス磁界発生手段として、薄膜からなる磁性体を用いたもので、この構成によれば、バイアス磁界発生手段として、薄膜からなる磁性体を用いているため、磁界の特性は薄膜の厚みにより変化することになり、そして薄膜の厚みを任意に設定して製造することは容易であるため、所望の温度特性の磁界を有するバイアス磁界発生手段も容易に得ることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項８に記載の発明は、特に、バイアス磁界発生手段として、薄膜からなるコイルを用いたもので、この構成によれば、バイアス磁界発生手段として、薄膜からなるコイルを用いているため、このコイルに電流を流すと電磁石として用いることができ、そしてこのコイルに流す電流値を変化させることにより、使用温度において最適なバイアス磁界を発生させることが可能になるとともに、電磁石の特性は薄膜の厚みによって変化するため、所望の温度特性の磁界を有するバイアス磁界発生手段も容易に得ることかできるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項９に記載の発明は、特に、バイアス磁界発生手段に金属磁性体からなる集磁ヨークを付加したもので、この構成によれば、バイアス磁界発生手段に金属磁性体からなる集磁ヨークを付加しているため、磁気抵抗効果素子へ効果的に磁界を印加することが可能になるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項１０に記載の発明は、特に、磁気抵抗効果素子とこの磁気抵抗効果素子を上面に形成した基板とからなる磁気検出素子を備え、前記磁気抵抗効果素子を磁性薄膜と金属非磁性薄膜とを交互に積層した金属人工格子膜で構成したもので、この構成によれば、磁気抵抗効果素子を磁性薄膜と金属非磁性薄膜とを交互に積層した金属人工格子膜で構成しているため、使用温度、磁界範囲において十分な出力および抵抗値変化率を得ることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項１１に記載の発明は、特に、磁性薄膜を、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏの合金で構成し、かつ金属非磁性薄膜をＣｕまたはＡｕのいずれかで構成したもので、この構成によれば、磁性薄膜をＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏの合金で構成し、かつ金属非磁性薄膜をＣｕまたはＡｕのいずれかで構成しているため、使用温度、磁界範囲において十分な出力および抵抗値変化率を得ることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項１２に記載の発明は、特に、磁性薄膜として、原子数比でＮｉが１〜５％、Ｃｏが５０〜９５％、残りがＦｅである組成のものを用いたもので、この構成によれば、磁性薄膜として、原子数比でＮｉが１〜５％、Ｃｏが５０〜９５％、残りがＦｅである組成のものを用いているため、使用温度、磁界範囲において十分な出力および抵抗値変化率を得ることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項１３に記載の発明は、特に、磁性薄膜として、磁歪が生じないものを用いたもので、この構成によれば、磁性薄膜に磁歪が生じないため、ヒステリシスが生じ難い磁気センサを得ることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項１４に記載の発明は、特に、磁気抵抗効果素子の温度特性を、磁性薄膜または金属非磁性薄膜の膜厚によって制御するようにしたもので、この構成によれば、磁気抵抗効果素子の温度特性を、磁性薄膜または金属非磁性薄膜の膜厚によって制御するようにしているため、磁気抵抗効果素子の温度特性を任意に変化させることにより、使用温度範囲において安定な動作が得られるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項１５に記載の発明は、特に、基板としてセラミックを用いたもので、この構成によれば、基板がセラミックであるため、安価であり、かつ形状が安定しており、その結果、安定した使用ができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項１６に記載の発明は、特に、基板表面のうち、金属人工格子膜が形成されている面にガラスグレーズ層を形成したもので、この構成によれば、金属人工格子膜が形成されている面にガラスグレーズ層が形成されているため、金属人工格子膜が形成される面は平滑となり、これにより、基板表面の平滑性を気にすることなく金属人工格子膜を形成することができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項１７に記載の発明は、特に、請求項１〜１６のいずれかに記載の磁気センサに被検出手段を付加して磁気センサユニットを構成したもので、この構成によれば、温度が変化しても安定した出力が得られる磁気センサユニットを提供できるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明によれば、磁気抵抗効果素子の抵抗値変化率が温度により変化をするのに対応して、所定の関係を持ってバイアス磁界発生手段から発生する磁界も温度により変化をするようにしているため、温度変化が生じても安定した出力を得ることができる磁気センサおよび磁気センサユニットを提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における磁気センサユニットの平面図、図２は本発明の実施の形態１における磁気センサに用いられる磁気検出素子の断面図、図３は同磁気検出素子の主要部の断面図である。

図１において、１は側面に凹凸が設けられた円板状の形状を有し、かつ中心周りに回転可能に保持されている磁性回転体で、この磁性回転体１は被検出手段を構成するものである。２は前記磁性回転体１と一定の間隔をおいて設置されている磁気検出素子である。３は前記磁性回転体１と磁気検出素子２の延長線上に配置されているバイアス磁界発生手段としてのバイアスマグネットである。そして前記磁気検出素子２とバイアスマグネット３により磁気センサを構成し、かつこの磁気センサと前記磁性回転体１とにより磁気センサユニットを構成している。

図２において、４は板状の形状を有する基板で、セラミックにより構成されている。５は前記基板４の一方の面に２０μｍの厚みで形成されたガラスグレーズ層である。６は前記ガラスグレーズ層５の上の一部に形成されたＮｉＣｒ等からなる取り出し用電極である。７は前記ガラスグレーズ層５上の他の一部に形成された金属人工格子膜よりなる磁気抵抗効果素子で、前記取り出し用電極６と電気的に接続されている。８は金属人工格子膜よりなる磁気抵抗効果素子７を覆うようにガラスグレーズ層５上に形成された保護膜で、ＳｉＯ，ＳｉＯ₂，ＳｉＮ，ＳｉＯＮから選択された材料により形成されている。また、この保護膜８は使用条件によってはポリイミドで形成しても良く、あるいは、前記ＳｉＯ，ＳｉＯ₂，ＳｉＮ，ＳｉＯＮから選択された材料による層を下層にし、かつポリイミドからなる層を上層にした２層膜で形成しても良い。この場合、いずれの場合も保護膜８には残留応力が生じないように形成している。そしてまた、この保護膜８の形状は、外部の電気回路（図示せず）との接続方法によって、取り出し用電極６の全部を覆う、一部のみを覆う、あるいは全く覆わないといった異なった形状とすることができる。

図３において、９は磁性薄膜、１０は金属非磁性薄膜である。そしてこれらの磁性薄膜９と金属非磁性薄膜１０とを交互に複数層積層して金属人工格子膜よりなる磁気抵抗効果素子７を構成している。ここで、磁性薄膜９は、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏの合金からなり、その組成比は原子数割合でＣｏが５０％〜９５％、Ｎｉが１％〜５％、残りがＦｅである。なお、Ｎｉは好ましくは１％〜４％が良い。また、この組成比は磁歪が生じないように設定することが好ましい。そしてまた、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏの原子数組成比は、Ｎｉ：Ｆｅ：Ｃｏ＝４：６：９０の原子数組成比が良い。また、金属非磁性薄膜１０はＣｕからなるものであるが、Ａｕからなるものであっても良い。なお、図３においては、磁性薄膜９と金属非磁性薄膜１０の積層数はそれぞれ２層で表しているが、３層以上であっても良い。

図４は本発明の構成要素である金属人工格子膜よりなる磁気抵抗効果素子７を用いたブリッジ回路図である。

図４において、６ａ〜６ｄは取り出し用電極で、６ａは第１の出力電極、６ｂは印加電極、６ｃはグランド電極、６ｄは第２の出力電極である。また、７ａ〜７ｄは金属人工格子膜よりなる磁気抵抗効果素子で、７ａは第１の磁気抵抗効果素子、７ｂは第２の磁気抵抗効果素子、７ｃは第３の磁気抵抗効果素子、７ｄは第４の磁気抵抗効果素子である。

次に、上記取り出し用電極６と磁気抵抗効果素子７の接続関係について説明する。

第１の磁気抵抗効果素子７ａと第３の磁気抵抗効果素子７ｃは印加電極６ｂとグランド電極６ｃとの間に電気的に直列に接続している。同様に、第２の磁気抵抗効果素子７ｂと第４の磁気抵抗効果素子７ｄも印加電極６ｂとグランド電極６ｃとの間に電気的に直列に接続している。そして、第１の磁気抵抗効果素子７ａおよび第３の磁気抵抗効果素子７ｃと、第２の磁気抵抗効果素子７ｂおよび第４の磁気抵抗効果素子７ｄとは電気的に並列に接続されている。また、第１の磁気抵抗効果素子７ａと第３の磁気抵抗効果素子７ｃとの接続部は、第１の出力電極６ａに接続しており、かつ第２の磁気抵抗効果素子７ｂと第４の磁気抵抗効果素子７ｄとの接続部は第２の出力電極６ｄと接続している。そして、この第１の出力電極６ａと第２の出力電極６ｄは磁性回転体１の回転数等の検出を行うための電位を検出するものである。以上のように、金属人工格子膜よりなる磁気抵抗効果素子７はブリッジ回路状に接続されているものである。

次に本発明の実施の形態１における磁気センサに用いられる磁気検出素子の製造方法について、図２、図３を用いて説明する。

まず、基板４の表面に印刷によりガラスグレーズを塗布し、かつこれを焼成してガラスグレーズ層５を形成する。このガラスグレーズ層５は基板４の全面に形成してもよいが、基板４の側面に実装用の電極を形成する場合には、この実装用の電極が形成される領域を除いてガラスグレーズ層５を形成すればよい。

次に、ガラスグレーズ層５上に取り出し用電極６を所定のパターン形状にマスク蒸着により形成する。なお、取り出し用電極６のパターン形状が複雑な場合は、マスクを用いずに全面に取り出し用電極６を蒸着した後、レジスト塗布、露光、現像をし、その後、イオンミリング等によって所定パターン形状を得る方法により形成してもよい。また、取り出し用電極６はスパッタにより形成してもよい。

次に、ガラスグレーズ層５上に取り出し用電極６と重なるように磁性薄膜９および金属非磁性薄膜１０をスパッタにより交互に積層して金属人工格子膜よりなる磁気抵抗効果素子７を構成する。積層数は全部で１０層程度あれば、十分な磁気抵抗変化を得ることができる。ここで、金属人工格子膜よりなる磁気抵抗効果素子７はガラスグレーズ層５上の全面に形成されるのではなく、所定のパターン形状に形成されなければならない。この形成方法としては、磁性薄膜９および金属非磁性薄膜１０を形成する際に所定のパターン形状にこれらの薄膜が形成されるようにマスクをする方法や、一度ガラスグレーズ層５上に磁性薄膜９および金属非磁性薄膜１０の積層体を形成した後に、エッチング等で不要部分を除去して所定のパターン形状を得る方法がある。また、金属人工格子膜よりなる磁気抵抗効果素子７上にレジストを塗布し、露光し、現像した後イオンミリングによって所定のパターン形状を得る方法でもよい。

次に、スパッタによりＳｉＯ₂からなる保護膜８を形成する。この時、基板４の温度を２００℃から２５０℃にすることにより、内部の残留応力が除去されたＳｉＯ₂からなる保護膜８を得ることができる。

さらに保護膜８を２層とする場合には、ＳｉＯ₂上にポリイミド樹脂をスピンコートにより塗布し、３００℃で加熱して硬化させることにより、２層からなる保護膜８を得ることができる。

以上のように構成され、かつ製造された磁気センサについて、次にその動作を説明する。金属人工格子膜よりなる磁気抵抗効果素子７は加わった磁界の向きとその大きさによって、電気抵抗値が変わるという特性を有している。したがって、磁気検出素子２に対向する磁性回転体１が凹部か凸部かによって、バイアスマグネット３で発生し磁気検出素子２に印加される磁界の向きや大きさは変化することになり、これにより、金属人工格子膜よりなる磁気抵抗効果素子７の電気抵抗値が変わるので、得られた信号を処理することにより磁性回転体１の回転数検出が可能となる。

図５は本発明の実施の形態１の磁気センサに用いられる磁気抵抗効果素子への印加磁界と抵抗値変化率との関係を示した図である。図５において、横軸は磁気抵抗効果素子への印加磁界であり、縦軸は磁気抵抗効果素子の抵抗値変化率である。また、Ｔ１を付した曲線は温度Ｔ１℃における特性を示し、Ｔ２を付した曲線は温度Ｔ２℃における特性を示したものである。

ここで、ΔＲａ₁は、
Ｔ１℃で無磁界のときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲ₁
Ｔ１℃でＨａの磁界を受けたときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲａ₁
としたときに、
ΔＲａ₁＝｜Ｒ₁−Ｒａ₁｜／Ｒ₁
で求まるものである。

このΔＲａ₁に関する式において右辺は絶対値をとっているが、この理由は、一般に磁気抵抗効果素子は磁界が印加されると抵抗値が低下するものではあるが、磁界が印加されると抵抗値が増加する特性の磁気抵抗効果素子があった場合においても、本発明が適用可能であることを考慮したものである。これは、後述するΔＲａ₂，ΔＲｂ₂に関する式においても同様である。

まず、ΔＲａ₂は、
Ｔ２℃で無磁界のときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲ₂
Ｔ２℃でＨａの磁界を受けたときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲａ₂
としたときに
ΔＲａ₂＝｜Ｒ₂−Ｒａ₂｜／Ｒ₂
で求まるものである。

また、ΔＲｂ₂は、
Ｔ２℃で無磁界のときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲ₂
Ｔ２℃でＨｂの磁界を受けたときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｂ₂
としたときに、
ΔＲｂ₂＝｜Ｒ₂−Ｒｂ₂｜／Ｒ₂
で求まるものである。

なお、ＨａはＴ１℃において、バイアスマグネット３から発生し、かつ磁気抵抗効果素子７の抵抗値変化に寄与する磁界の大きさである。またＨｂはＴ２℃において、バイアスマグネット３から発生し、かつ磁気抵抗効果素子７の抵抗値変化に寄与する磁界の大きさである。

また、Ｔ１℃とＴ２℃のいずれの曲線においても右上がりの曲線となっているように、本発明の実施の形態１における磁気センサは、印加磁界が大きくなるに従って抵抗値変化率が大きくなるものである。

そしてまた、本発明の実施の形態１における磁気センサにおいては、ΔＲａ₁＞ΔＲａ₂の関係が成立するときにバイアスマグネット３からの磁界がＨａ＜Ｈｂとなる領域が存在するような関係に設定したものである。

このような領域が存在する構成の磁気センサにおいては、Ｔ２の符号を付した曲線は右上がりの曲線であり、横軸の印加磁界が増加すると縦軸の抵抗値変化率も増加するものであるため、Ｔ２の符号を付した曲線においてＨａ＜Ｈｂが成立するならば、ΔＲａ₂＜ΔＲｂ₂が成立するものである。

ここで、仮にバイアスマグネット３からの印加磁界が温度によって変化しないものであるとすれば、Ｔ１℃において得られた抵抗値変化率ΔＲａ₁はＴ２℃においてΔＲａ₂にまで減少することとなる。

しかしながら、本発明の実施の形態１における磁気センサは、Ｔ１℃における印加磁界ＨａがＴ２℃においてＨｂと増加するため、Ｔ２℃における抵抗値変化率がΔＲａ₂にまで減少するのではなく、これより大きなΔＲｂ₂を得ることができる。すなわち、バイアスマグネット３からの印加磁界が温度によって変化しない場合に比べ、抵抗値変化率の温度依存性が小さくなるため、安定した出力を得ることができる。

従って、このように、ΔＲａ₁＞ΔＲａ₂の関係が成立するときにバイアスマグネット３からの磁界がＨａ＜Ｈｂとなる領域が存在するような関係に設定した磁気センサをこの領域内で使用すれば、温度変化による抵抗値変化率の変化を小さくすることができるという効果を得ることができるものである。

なお、Ｔ１℃とＴ２℃の設定によっては、ΔＲａ₁＞ΔＲａ₂が成立しない場合も生じるが、この場合にはＴ１℃とＴ２℃の設定を逆にして考えればよい。

また、金属人工格子膜よりなる磁気抵抗効果素子７を図４に示すようにブリッジ回路状に接続し、第１の出力電極６ａと第２の出力電極６ｄとの差動出力を得るようにすれば、大きな出力変動を得ることができる。そしてまた、これによれば、ノイズの影響を低減する効果も得ることができるが、上記回路は、図４における第２の磁気抵抗効果素子７ｂ、第４の磁気抵抗効果素子７ｄ、第２の出力電圧６ｄを省いた回路構成である、いわゆるハーフブリッジ回路であってもよい。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について説明する。

本発明の実施の形態２における磁気センサおよび磁気センサユニットは上記した本発明の実施の形態１における磁気センサおよび磁気センサユニットと基本的な構造は同じであり、図１〜図４はそのまま本発明の実施の形態２の構成を示す図として用いることができる。

本発明の実施の形態２における磁気センサおよび磁気センサユニットが上記した本発明の実施の形態１における磁気センサおよび磁気センサユニットと異なる点は、印加磁界と抵抗値変化率の関係である。

図６は本発明の実施の形態２の磁気センサに用いられる磁気抵抗効果素子への印加磁界と抵抗値変化率との関係を示した図である。図６において、横軸は磁気抵抗効果素子への印加磁界であり、縦軸は磁気抵抗効果素子の抵抗値変化率である。また、αを付した曲線は温度α℃における特性を示し、βを付した曲線は温度β℃における特性を示したものである。

ここで、ΔＲｃは、
α℃で無磁界のときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲα
α℃でＨｃの磁界を受けたときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｃ
としたときに、
ΔＲｃ＝｜Ｒα−Ｒｃ｜／Ｒα
で求まるものである。

このΔＲｃに関する式において右辺は絶対値をとっているが、この理由は、一般に磁気抵抗効果素子は磁界が印加されると抵抗値が低下するものではあるが、磁界が印加されると抵抗値が増加する特性の磁気抵抗効果素子があった場合においても、本発明が適用可能であることを考慮したものである。これは、後述するΔＲｄ，ΔＲｅ，ΔＲｆに関する式においても同様である。

まず、ΔＲｄは、
β℃で無磁界のときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲβ
β℃でＨｄの磁界を受けたときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｄ
としたときに、
ΔＲｄ＝｜Ｒβ−Ｒｄ｜／Ｒβ
で求まるものである。

また、ΔＲｅは、
α℃で無磁界のときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲα
α℃でＨｅの磁界を受けたときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｅ
としたときに、
ΔＲｅ＝｜Ｒα−Ｒｅ｜／Ｒα
で求まるものである。

そしてまた、ΔＲｆは、
β℃で無磁界のときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲβ
β℃でＨｆの磁界を受けたときの磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｆ
としたときに、
ΔＲｆ＝｜Ｒβ−Ｒｆ｜／Ｒβ
で求まるものである。

なお、本発明の実施の形態２における磁気センサは、被検出手段である磁性回転体１の状態によって磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化するものであり、磁性回転体１が第１の状態にあるときに磁気抵抗効果素子の抵抗値が最小となり、そして磁性回転体１が第２の状態にあるときに磁気抵抗効果素子の抵抗値が最大となるようにしている。なお、ここで言う、「最大」、「最小」とは、磁性回転体１の状態が変化する中での磁気抵抗効果素子の抵抗値の「最大」、「最小」をいうものであり、磁気抵抗効果素子に０から無限大までの磁界を印加したときの抵抗値の「最大」、「最小」をいうものではない。また、本発明の実施の形態２においては、磁界が印加されると抵抗値が低下する磁気抵抗効果素子を用いているが、磁界が印加されると抵抗値が増加する磁気抵抗効果素子を用いる場合には、磁性回転体１が第１の状態にあるときに磁気抵抗効果素子の抵抗値が最大となり、そして磁性回転体１が第２の状態にあるときに磁気抵抗効果素子の抵抗値が最小となるように設定すればよい。

ここで、Ｈｃは磁性回転体１が第１の状態にあるときにα℃におけるバイアスマグネット３から発生し、かつ磁気抵抗効果素子７の抵抗値変化に寄与する磁界の大きさである。また、Ｈｄは磁性回転体１が第１の状態にあるときにβ℃におけるバイアスマグネット３から発生し、かつ磁気抵抗効果素子７の抵抗値変化に寄与する磁界の大きさである。そしてまた、Ｈｅは磁性回転体１が第２の状態にあるときにα℃におけるバイアスマグネット３から発生し、かつ磁気抵抗効果素子７の抵抗値変化に寄与する磁界の大きさである。さらに、Ｈｆは磁性回転体１が第２の状態にあるときにβ℃におけるバイアスマグネット３から発生し、かつ磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する磁界の大きさである。

本発明の実施の形態２における磁気センサは、０．７×ΔＲｃ＜ΔＲｄ＜１．３×ΔＲｃで、かつ０．７×ΔＲｅ＜ΔＲｆ＜１．３×ΔＲｅの関係が成立するようにしたものである。

これにより、温度変化に対する抵抗値変化率の変化が少なくなるため、温度変化に対し安定した特性を有する磁気センサおよび磁気センサユニットを得ることができる。

なお、本発明の実施の形態２は、図４に示すような４つの金属人工格子膜よりなる磁気抵抗効果素子７を用いるのでなく、図４中の符号７ａと７ｄを固定抵抗に置き換えたものであってもよい。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について説明する。

本発明の実施の形態３における磁気センサおよび磁気センサユニットは上記した本発明の実施の形態２における磁気センサおよび磁気センサユニットと基本的な構造は同じであり、図１〜図４はそのまま本発明の実施の形態３の構成を示す図として用いることができる。

本発明の実施の形態３における磁気センサおよび磁気センサユニットが上記した本発明の実施の形態２における磁気センサおよび磁気センサユニットと異なる点は、印加磁界と抵抗値変化率の関係である。

図７は本発明の実施の形態３の磁気センサに用いられる磁気抵抗効果素子への印加磁界と抵抗値変化率との関係を示した図である。図７において、横軸、縦軸は図６と同じ変数をとっており、α，β，ΔＲｃ，ΔＲｄ，ΔＲｅ，ΔＲｆ，Ｈｃ，Ｈｄ，Ｈｅ，Ｈｆの各符号も本発明の実施の形態２と同じ定義である。さらに、こちらを定義するための第１の状態、第２の状態の定義も本発明の実施の形態２の定義と同じである。

本発明の実施の形態３における磁気センサは、０．７×｜ΔＲｅ−ΔＲｃ｜≦｜ΔＲｆ−ΔＲｄ｜≦１．３×｜ΔＲｅ−ΔＲｃ｜の関係が成立するようにしたものである。

これにより、磁性回転体１が第１の状態と第２の状態にあるときの抵抗値変化率の変化の絶対値の温度依存性が小さくなるため、温度変化に対し安定した特性を有する磁気センサおよび磁気センサユニットを得ることができる。

なお、上記本発明の実施の形態１〜３においては、磁気センサを回転数を検知するセンサ（速度センサ）として用いたが、磁性回転体１の側面の凹凸に応じた信号波形を信号処理することにより位置センサや変位センサとして用いることが可能であり、また、回転速度を時間で微分する信号処理を行うことにより加速度センサとして用いることも可能である。

また、上記本発明の実施の形態１〜３においては、バイアス磁界発生手段として、永久磁石からなるバイアスマグネット３を用いたが、これの代わりに電磁石を用いてもよい。この場合には、あらかじめ、温度と磁気抵抗効果素子との関係を求めておき、そして本発明の実施の形態１〜３の温度による磁気抵抗効果素子の抵抗値と磁力との関係を満たすように、使用時の温度に応じた電流を上記電磁石に流すようにすることで実現が可能となる。この電磁石を用いたバイアスマグネット３は、薄膜からなるコイルであってもよい。また、バイアスマグネット３に永久磁石を用いた場合には、フェライト系磁石または希土類系磁石を用いることが好ましいが、薄膜からなる磁性体で構成してもよい。

そしてまた、バイアスマグネット３からのバイアス磁界を効果的に磁気抵抗効果素子に印加するために、金属磁性体からなる集磁ヨークを磁気検出素子２とバイアスマグネット３との間に設けてもよい。

本発明の磁気センサおよび磁気センサユニットは、温度変化に対する安定した出力を得ることができ、回転検出器や位置検出器等に有用なものである。

本発明の実施の形態１における磁気センサユニットの平面図 本発明の実施の形態１における磁気センサに用いられる磁気検出素子の断面図 同磁気検出素子の主要部の断面図 本発明の実施の形態１の磁気センサにおける磁気抵抗効果素子を用いたブリッジ回路図 本発明の実施の形態１の磁気センサに用いられる磁気抵抗効果素子への印加磁界と抵抗値変化率との関係を示す図 本発明の実施の形態２の磁気センサに用いられる磁気抵抗効果素子への印加磁界と抵抗値変化率との関係を示す図 本発明の実施の形態３の磁気センサに用いられる磁気抵抗効果素子への印加磁界と抵抗値変化率との関係を示す図

符号の説明

１ 磁性回転体（被検出手段）
２ 磁気検出素子
３ バイアスマグネット（バイアス磁界発生手段）
４ 基板
５ ガラスグレーズ層
６ 取り出し用電極
７ 磁気抵抗効果素子
８ 保護膜
９ 磁性薄膜
１０ 金属非磁性薄膜

Claims (17)

1. 発生する磁界が温度に依存するバイアス磁界発生手段と、このバイアス磁界発生手段で発生した磁界によって抵抗値が変化するとともに温度にも依存して抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子とを備え、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値に影響を与える磁界は磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた被検出手段の状態によって変化を生じるものであり、かつ前記磁気抵抗効果素子の抵抗値は、磁界が強くなるにつれて無磁界のときに比べて抵抗値の変化が大きくなる領域を有するものであり、
   Ｔ₁℃で無磁界時における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲ₁Ω、
   Ｔ₂℃で無磁界時における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲ₂Ω、
   Ｔ₁℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨａ、
   Ｔ₁℃において磁界Ｈａを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲａ₁Ω、
   Ｔ₂℃において磁界Ｈａを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲａ₂Ω、
   Ｔ₂℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｂとしたとき、｜Ｒ₁−Ｒａ₁｜／Ｒ₁＞｜Ｒ₂−Ｒａ₂｜／Ｒ₂の関係が成立するときに前記バイアス磁界発生手段からの磁界がＨａ＜Ｈｂとなる領域が存在するような関係に設定した磁気センサ。
2. 発生する磁界が温度に依存するバイアス磁界発生手段と、このバイアス磁界発生手段で発生した磁界によって抵抗値が変化するとともに温度にも依存して抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子とを備え、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値に影響を与える磁界は磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた被検出手段の状態によって変化を生じるものであり、
   無磁界時と前記被検出手段が第１の状態にあるときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化が、無磁界時と前記被検出手段が第２の状態にあるときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化より大きいものにおいて、
   α℃で無磁界時における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲαΩ、
   β℃で無磁界時における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲβΩ、
   前記被検出手段が第１の状態にあるときにα℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｃ、
   前記被検出手段が第２の状態にあるときにα℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｅ、
   前記被検出手段が第１の状態にあるときにβ℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｄ、
   前記被検出手段が第２の状態にあるときにβ℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｆ、
   α℃において磁界Ｈｃを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｃΩ、
   α℃において磁界Ｈｅを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｅΩ、
   β℃において磁界Ｈｄを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｄΩ、
   β℃において磁界Ｈｆを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｆΩとしたとき、
   ｜０．７×（Ｒα−Ｒｃ）／Ｒα｜≦｜Ｒβ−Ｒｄ｜／Ｒβ≦｜１．３×（Ｒα−Ｒｃ）／Ｒα｜で、かつ｜０．７×（Ｒβ−Ｒｅ）／Ｒα｜≦｜Ｒβ−Ｒｆ｜／Ｒβ≦｜１．３×（Ｒβ−Ｒｅ）／Ｒα｜の関係が成立するようにした磁気センサ。
3. 発生する磁界が温度に依存するバイアス磁界発生手段と、このバイアス磁界発生手段で発生した磁界によって抵抗値が変化するとともに温度にも依存して抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子とを備え、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値に影響を与える磁界は磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた被検出手段の状態によって変化を生じるものであり、
   無磁界時と前記被検出手段が第１の状態にあるときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化が、無磁界時と前記被検出手段が第２の状態にあるときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化より大きいものにおいて、
   α℃で無磁界時における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲαΩ、
   β℃で無磁界時における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲβΩ、
   前記被検出手段が第１の状態にあるときにα℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｃ、
   前記被検出手段が第２の状態にあるときにα℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｅ、
   前記被検出手段が第１の状態にあるときにβ℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｄ、
   前記被検出手段が第２の状態にあるときにβ℃における前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化に寄与する前記バイアス磁界発生手段からの磁界をＨｆ、
   α℃において磁界Ｈｃを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｃΩ、
   α℃において磁界Ｈｅを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｅΩ、
   β℃において磁界Ｈｄを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｄΩ、
   β℃において磁界Ｈｆを受けたときの前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をＲｆΩとしたとき、
   ｜０．７×（Ｒｅ−Ｒｃ）／Ｒα｜≦｜Ｒｆ−Ｒｄ｜／Ｒβ≦｜１．３×（Ｒｅ−Ｒｃ）／Ｒα｜の関係が成立するようにした磁気センサ。
4. バイアス磁界発生手段として、永久磁石を用いた請求項１〜３のいずれかに記載の磁気センサ。
5. 永久磁石として、フェライト系磁石または希土類系磁石のいずれかを用いた請求項４記載の磁気センサ。
6. バイアス磁界発生手段として、電磁石を用いた請求項１〜３のいずれかに記載の磁気センサ。
7. バイアス磁界発生手段として、薄膜からなる磁性体を用いた請求項１〜３のいずれかに記載の磁気センサ。
8. バイアス磁界発生手段として、薄膜からなるコイルを用いた請求項１〜３のいずれかに記載の磁気センサ。
9. バイアス磁界発生手段に金属磁性体からなる集磁ヨークを付加した請求項１〜３のいずれかに記載の磁気センサ。
10. 磁気抵抗効果素子とこの磁気抵抗効果素子を上面に形成した基板とからなる磁気検出素子を備え、前記磁気抵抗効果素子を磁性薄膜と金属非磁性薄膜とを交互に積層した金属人工格子膜で構成した請求項１〜３のいずれかに記載の磁気センサ。
11. 磁性薄膜をＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏの合金で構成し、かつ金属非磁性薄膜をＣｕまたはＡｕのいずれかで構成した請求項１０記載の磁気センサ。
12. 磁性薄膜として、原子数比でＮｉが１〜５％、Ｃｏが５０〜９５％、残りがＦｅである組成のものを用いた請求項１０記載の磁気センサ。
13. 磁性薄膜として、磁歪が生じないものを用いた請求項１０記載の磁気センサ。
14. 磁気抵抗効果素子の温度特性を、磁性薄膜または金属非磁性薄膜の膜厚によって制御するようにした請求項１０記載の磁気センサ。
15. 基板としてセラミックを用いた請求項１０記載の磁気センサ。
16. 基板表面のうち、金属人工格子膜が形成されている面にガラスグレーズ層を形成した請求項１０記載の磁気センサ。
17. 請求項１〜１６のいずれかの磁気センサに被検出手段を付加した磁気センサユニット。

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