JP2009198215A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気特性の温度補償を容易に行うことができ、温度が変化しても出力電圧に影響を及ぼすことが無く、電気抵抗の抵抗値を制御することができ、さらには、加工性が良く、歩留まりを向上させることができる磁気センサを提供する。
【解決手段】感磁部の両端部に電極を設けてなる磁気抵抗素子を４個、電極部を介してブリッジを構成し、このブリッジのうち一方の対向する電極部間に直流電圧を印加し、他方の対向する電極部間の抵抗値の変化から磁界の変化を検出する磁気センサにおいて、これらの磁気抵抗素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗素子１１は、強磁性薄膜からなる曲率半径ｒの半円状の感磁部１２と、この半円状の感磁部１２の両端部にそれぞれ設けられた導電性薄膜からなる電極１３、１４とにより構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサに関し、更に詳しくは、小型化が可能であり、かつ良好な温度特性を有する磁気センサに関するものである。

従来の磁気センサとしては、例えば、図６に示すような磁気検出回路が知られている。
この磁気検出回路１は、帯状の強磁性金属からなる感磁部２を複数本互いに平行に配置し、これらの感磁部２の両端部を電極３により交互に接続してつづら折り状とした磁気抵抗素子４ａ〜４ｄを同一平面上の回転対称となる位置に配置してブリッジを構成している。
この磁気検出回路１では、このブリッジのうち一方の対向する電極３ａ、３ｂ間に定電圧電源等を用いて直流電圧（Ｖｃｃ）を印加し、他方の対向する電極３ｃ、３ｄ間の抵抗値の変化を電圧変化に変換し、この電圧変化から磁気抵抗素子４ａ〜４ｄに作用している磁界の変化を検出するようになっている。

図７は、この磁気検出回路１のブリッジ回路を示す回路図であり、一方の検出素子である磁気抵抗素子４ａとリファレンス素子である磁気抵抗素子４ｄとの接続点に設けられた電極３ｃにおける電圧は、比較回路５のプラス側に入力され、他方の検出素子である磁気抵抗素子４ｃとリファレンス素子である磁気抵抗素子４ｂとの接続点に設けられた電極３ｄにおける電圧は、比較回路５のマイナス側に入力される。このとき、磁気検出回路１に磁界が印加されると、磁気抵抗素子４ａ〜４ｄのバランスが崩れ、電極３ｃ、３ｄ間の電位差が一定以上の値になると、比較回路５の出力が反転されることとなる。

ところで、従来の磁気センサにおいては、温度変化により磁気特性が著しく変化するために、温度補償用の回路が別途必要になってくる。
このような磁気センサとしては、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ合金の薄膜抵抗体をつづら折りに形成して、比較回路の入力電圧（基準電圧）を調整する磁気センサが提案されている（特許文献１）。この磁気センサでは、Ｎｉ−Ｃｒ合金が低温から常温まで磁気抵抗効果を示さないために、外部磁界が変化しても基準電圧が変化しないという点で優れている。
また、例えば、温度補償回路として磁気抵抗素子と同一の薄膜材料を使用し、この磁気抵抗素子と同様のつづら折りとした磁気センサが提案されている（特許文献２）。この磁気センサでは、温度補償回路の配線幅を４μｍ以下とすることにより、外部磁界による基準電圧の変化を抑制することができ、したがって、外部磁界の変化の影響を受けることなく、温度補償することができる。
特公平７−６９４０８号公報 特許第２９８０１２５号公報

ところで、従来のＮｉ−Ｃｒ合金の薄膜抵抗体を用いた磁気センサでは、基準電圧発生器の両方の抵抗値を一致させることができるものの、磁気抵抗素子同士の特性がばらついた場合には、特性の調整が難しくなってしまうという問題点があった。
Ｎｉ−Ｃｒ合金の薄膜抵抗体は、温度が変化した場合においても基準電圧が変化することはないが、磁気抵抗素子の材質によっては、Ｎｉ−Ｃｒ合金との抵抗温度係数が大きく異なるために、検出する磁界が異なってしまうという問題点があった。

図８は、磁界（Ｈ）の変化に対する磁気抵抗素子の抵抗値（Ｒ）変化を示す図であり、図中、Ａは温度が変化する前の磁気抵抗素子の抵抗値変化を示し、Ｂは温度が変化した後の磁気抵抗素子の抵抗値変化を示す。
このように、磁気抵抗素子の温度が上昇すると磁気抵抗素子の抵抗値も上昇し、図中Ｂに示すような外部磁場依存性を有することとなる。
よって、図７のブリッジ回路においては、比較回路の一方の側の入力電圧は、図９に示すように、温度が上がると図中ＣからＤへと変化する。
一方、ある磁界の強さで比較回路の出力を反転させるように基準電圧発生器を調整し、比較回路の他方の入力電圧をＶｔｈとしたとすると、この入力電圧Ｖｔｈは温度によって変わらない。したがって、例えば、開閉スイッチのように、ある一定の磁界の強度で出力を反転させるようなアプリケーションでは、高温になった場合に、正しい磁界の強さで反転させることができなくなってしまうという問題点があった。

一方、従来の磁気抵抗素子と同一の薄膜材料からなる温度補償回路を有する磁気センサでは、例えば、温度補償回路を得るためにウエットエッチングにより所定のパターンに加工する場合、サイドエッチングの制御が難しく、特に、幅が４μｍ以下の配線の加工を行う場合、再現性及び面内均一性が悪く、歩留まりが低下してしまうという問題点があった。
また、温度補償回路を得るためにドライエッチングにより所定のパターンに加工する場合、テトラフルオロカーボン（ＣＦ４）やテトラクロロカーボン（ＣＣｌ４）等の腐食性の強いガスを使用しなければならず、装置が大掛かりなものになってしまうという問題点、及び面内均一性を確保することが難しく、歩留まりが低下してしまうという問題点があった。
さらに、配線の幅を４μｍ以下とした場合、表面抵抗が高くなるために消費電力も大きくなってしまうという問題点があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、磁気特性の温度補償を容易に行うことができ、温度が変化しても出力電圧に影響を及ぼすことが無く、電気抵抗の抵抗値を制御することができ、さらには、加工性が良く、歩留まりを向上させることができる磁気センサを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る磁気センサは、感磁部の両端部に電極を設けてなる磁気抵抗素子を４個、電極部を介してブリッジを構成し、このブリッジのうち一方の対向する電極部間に直流電圧を印加し、他方の対向する電極部間の抵抗値の変化から磁界の変化を検出する磁気センサにおいて、これらの磁気抵抗素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗素子の感磁部は、同一平面内に形成された半円状または円形状の感磁部であることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る磁気センサは、請求項１記載の磁気センサにおいて、前記半円状の感磁部を、半径が異なる複数の半円状の感磁部とし、これら複数の感磁部を中心が同一となるように配置し、これら複数の感磁部同士をその両端部にて交互に接続してつづら折り状の感磁部としたことを特徴とする。

本発明の請求項３に係る磁気センサは、請求項２記載の磁気センサにおいて、前記つづら折り状の感磁部を複数個、対向して配置したことを特徴とする。

本発明の請求項４に係る磁気センサは、請求項１記載の磁気センサにおいて、４個の前記磁気抵抗素子を、互いに独立した二対の磁気抵抗素子とし、この二対の磁気抵抗素子のうち少なくとも一対の磁気抵抗素子の感磁部を、同一平面内に形成された半円状または円形状の感磁部としたことを特徴とする。

本発明の請求項５に係る磁気センサは、感磁部の両端部に電極を設けてなる磁気抵抗素子を４個、電極部を介してブリッジを構成し、このブリッジのうち一方の対向する電極部間に直流電圧を印加し、他方の対向する電極部間の抵抗値の変化から磁界の変化を検出する磁気センサにおいて、前記ブリッジに、同一平面内に形成された半円状または円形状の感磁部を接続してなることを特徴とする。

本発明の請求項６に係る磁気センサは、請求項５記載の磁気センサにおいて、前記半円状の感磁部を、半径が異なる複数の半円状の感磁部とし、これら複数の感磁部を中心が同一となるように配置し、これら複数の感磁部同士をその両端部にて交互に接続してつづら折り状の感磁部としたことを特徴とする。

本発明によれば、ブリッジを構成する磁気抵抗素子のうち互いに対向する少なくとも一対の磁気抵抗素子の感磁部を、同一平面内に形成された半円状または円形状の感磁部としたので、外部磁場に依存すること無く、磁気特性の温度補償を行うことができる。したがって、温度補償の容易な磁気センサを実現することができる。

また、外部磁場に依存すること無く、磁気特性の調整を行うことができる。したがって、温度が変化した場合においても出力電圧が変化しない磁気センサを実現することができる。
また、電気抵抗の抵抗値を制御することができるので、消費電力を小さくすることができる。
さらに、感磁部の加工性が向上するので、歩留まりを向上させることができる。

本発明の磁気センサを実施するための最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

「第１の実施形態」
図１は、本発明の第１の実施形態の磁気センサの磁気抵抗素子を示す平面図、図２は同磁気抵抗素子に電流を流したときの様子を示す模式図である。
この磁気センサは、感磁部の両端部に電極を設けてなる磁気抵抗素子を４個、電極部を介してブリッジを構成し、このブリッジのうち一方の対向する電極部間に直流電圧を印加し、他方の対向する電極部間の抵抗値の変化から磁界の変化を検出するもので、このブリッジを構成する磁気抵抗素子１１は、強磁性薄膜からなる曲率半径ｒの半円状の感磁部１２と、この半円状の感磁部１２の両端部にそれぞれ設けられた導電性薄膜からなる電極１３、１４とにより構成されている。

ここでは、この半円状の感磁部１２の配線幅をｗ、膜厚をｔとし、便宜上、座標軸を図２中ｘ、ｙのようにとる。また、この磁気抵抗素子１１に電流Ｉを流したときの外部磁場Ｈとｘ軸の成す角をα、ｘ軸と成す角θとなる曲率半径ｒ上の点Ａにおいて、電流Ｉと外部磁場Ｈの成す角をβとする。このとき、βは、幾何学的な関係から、

と表される。

一方、磁気抵抗材料において、電流Ｉに対して磁場Ｈの成す角をθとすると、この磁気抵抗材料の抵抗率ρ（θ）は、

と表される。
よって、式（１）と式（２）により、点Ａにおける抵抗率ρ（θ）は、

と表される。

また、磁気抵抗材料における磁気抵抗効果を考慮した抵抗Ｒは、

と表される。
よって、式（３）と式（４）により、点Ａにおける磁気抵抗効果を考慮した抵抗Ｒは、次のように表される。

すなわち、この磁気抵抗素子１１の半円状の感磁部１２における磁気抵抗効果を考慮した抵抗Ｒは、外部磁場Ｈの方向に依存しないことが分かる。

以上により、磁気抵抗素子１１によれば、この特性を利用することにより磁気検出素子と同一の磁性材料を利用することができ、したがって、同じ温度特性を有する薄膜抵抗素子を利用することができる。
また、この抵抗率ρ（θ）にはΔρの項も含まれているので、外部磁場Ｈの変化に起因する温度特性をある程度考慮することができる。つまり、磁気抵抗素子１１の半円状の感磁部１２のパターン設計により、温度特性を合わせ込むことができるようになる。

また、この半円状の感磁部１２には、配線幅ｗを４μｍ以下にしなければいけないという制限がないので、エッチング工程にて容易にパターニングを行うことができる。したがって、磁気抵抗素子１１の面内均一性及び製造時の製品歩留まりを向上させることができる。
なお、本実施形態の磁気センサでは、ブリッジを構成する磁気抵抗素子１１を、曲率半径ｒの半円状の感磁部１２と、この半円状の感磁部１２の両端部に設けられた電極１３、１４とにより構成したが、この半円状の感磁部１２を円形状に曲げて半径ｒ’の円形状の感磁部とし、この感磁部の両端部の電極を互いに平行とした構成としてもよい。

「第２の実施形態」
図３は、本発明の第２の実施形態の磁気センサを示す平面図であり、図６に示す従来の磁気検出回路１の下段側の電極３ｄに、本実施形態の半円素子である磁気検出素子２１を接続した例である。

この磁気検出素子２１は、強磁性薄膜からなる半径が異なる複数の半円状の感磁部２２ａ〜２２ｈ（図３では８個）が中心が同一となるように同一平面上に配置され、これら感磁部２２ａ〜２２ｈ同士は、その両端部にて導電性薄膜からなる電極２３、２４により交互に接続され、つづら折り状の感磁部２２とされている。
この磁気検出素子２１には、さらに、これら感磁部２２ａ〜２２ｈの一端部側に出力特性調整用パッド２５が設けられ、これら感磁部２２ａ〜２２ｈの一端部の電極２４により接続されていない部分にはヒューズ回路２６が接続されている。

この磁気センサによれば、複数のヒューズ回路２６のうち所定の場所のヒューズ回路２６を、出力特性調整用パッド２５を介して大電流を流して焼き切ることにより、出力の調整を行うことができる。したがって、特性調整を行いながらも、優れた温度特性を有することができる。

「第３の実施形態」
図４は、本発明の第３の実施形態の磁気センサを示す平面図であり、一対の磁気検出素子２１ａ、２１ｂが同一平面上にて互いに対向するように配置され、これら磁気検出素子２１ａ、２１ｂ間に磁気抵抗素子４ａ、４ｃが互いに対向するように配置され、これら磁気検出素子２１ａ、２１ｂ及び磁気抵抗素子４ａ、４ｃは導電性薄膜からなる電極３１ａ〜３１ｄにより接続され、フルブリッジ回路が構成されている。

磁気検出素子２１ａ、２１ｂは、強磁性薄膜からなる半径が異なる複数の半円状の感磁部２２ａ〜２２ｇ（図４では７個）が中心が同一となるように同一平面上に配置され、これら感磁部２２ａ〜２２ｇ同士は、その両端部にて導電性薄膜からなる電極２３、２４により交互に接続され、つづら折り状の感磁部２２とされている。

この磁気センサでは、電極３１ａ、３１ｃ間に定電圧電源等を用いて直流電圧（Ｖｃｃ）を印加し、他方の対向する電極３１ｂ、３１ｄ間の抵抗値の変化を、電極３１ｂにおける電圧（Ｖ_ｏｕｔ１）と電極３１ｄにおける電圧（Ｖ_ｏｕｔ２）との電圧変化（Ｖ_ｏｕｔ１−Ｖ_ｏｕｔ２）に変換し、この電圧変化から磁気検出素子２１ａ、２１ｂに作用している磁界の変化を検出するようになっている。

この磁気センサによれば、半円素子である磁気検出素子２１ａ、２１ｂを用いてフルブリッジ回路を構成したので、温度補償に優れているばかりでなく、センサ全体の占有面積を狭くすることができ、さらなる小型化を図ることができる。

「第４の実施形態」
図５は、本発明の第４の実施形態の磁気センサを示す平面図であり、ハーフブリッジ回路である磁気検出回路４１と、磁気検出素子４２とが、同一平面上に互いに独立に設けられている。

磁気検出回路４１は、磁気抵抗素子４ａ、４ｄ同士が電極３ｃにより接続され、磁気抵抗素子４ａには電極３ａが、磁気抵抗素子４ｄには電極３ｂが、それぞれ接続されている。磁気抵抗素子４ａ、４ｄの構成は、図６の磁気抵抗素子４ａ、４ｄの構成と全く同様である。
磁気検出素子４２は、一対の素子４３ａ、４３ｂが互いに対向するように配置され、素子４３ａ、４３ｂの一端部同士は電極４４により接続され、素子４３ａの他端部は電極４５を介して比較回路（図示略）に、素子４３ｂの他端部は電極４６に、それぞれ接続されている。

素子４３ａ、４３ｂは、半径が異なる複数の半円状の感磁部２２ａ〜２２ｄ（図５では４個）が中心が同一となるように同一平面上に配置され、これら感磁部２２ａ〜２２ｄ同士がその両端部にて電極２３、２４により交互に接続され、つづら折り状の感磁部２２とされている。

この磁気センサでは、素子４３ａを電極４５を介して比較回路に接続することにより、この比較回路には直流電圧（Ｖｃｃ）の１／２の電圧が入力することとなる。この電圧値は、外部磁場によらず、また、温度変化による抵抗値変化も磁気検出回路４１と同一となるので、温度補償に優れている。

本発明の第１の実施形態の磁気センサの磁気抵抗素子を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態の磁気センサの磁気抵抗素子に電流を流したときの様子を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態の磁気センサを示す平面図である。 本発明の第３の実施形態の磁気センサを示す平面図である。 本発明の第４の実施形態の磁気センサを示す平面図である。 従来の磁気センサの一例である磁気検出回路を示す平面図である。 従来の磁気センサのブリッジ回路を示す回路図である。 磁界（Ｈ）の変化に対する磁気抵抗素子の抵抗値（Ｒ）変化を示す図である。 比較回路の入力電圧の温度依存性を示す図である。

符号の説明

１…磁気検出回路、２…感磁部、３…電極、４ａ〜４ｄ…磁気抵抗素子、５…比較回路、１１…磁気抵抗素子、１２…感磁部、１３、１４…電極、２１、２１ａ、２１ｂ…磁気検出素子、２２…つづら折り状の感磁部、２２ａ〜２２ｈ…感磁部、２３、２４…電極、２５…出力特性調整用パッド、２６…ヒューズ回路、３１ａ〜３１ｄ…電極、４１…磁気検出回路、４２…磁気検出素子、４３ａ、４３ｂ…素子、４４〜４６…電極。

Claims (6)

1. 感磁部の両端部に電極を設けてなる磁気抵抗素子を４個、電極部を介してブリッジを構成し、このブリッジのうち一方の対向する電極部間に直流電圧を印加し、他方の対向する電極部間の抵抗値の変化から磁界の変化を検出する磁気センサにおいて、
   これらの磁気抵抗素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗素子の感磁部は、同一平面内に形成された半円状または円形状の感磁部であることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記半円状の感磁部を、半径が異なる複数の半円状の感磁部とし、これら複数の感磁部を中心が同一となるように配置し、これら複数の感磁部同士をその両端部にて交互に接続してつづら折り状の感磁部としたことを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記つづら折り状の感磁部を複数個、対向して配置したことを特徴とする請求項２記載の磁気センサ。
4. ４個の前記磁気抵抗素子を、互いに独立した二対の磁気抵抗素子とし、この二対の磁気抵抗素子のうち少なくとも一対の磁気抵抗素子の感磁部を、同一平面内に形成された半円状または円形状の感磁部としたことを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
5. 感磁部の両端部に電極を設けてなる磁気抵抗素子を４個、電極部を介してブリッジを構成し、このブリッジのうち一方の対向する電極部間に直流電圧を印加し、他方の対向する電極部間の抵抗値の変化から磁界の変化を検出する磁気センサにおいて、
   前記ブリッジに、同一平面内に形成された半円状または円形状の感磁部を接続してなることを特徴とする磁気センサ。
6. 前記半円状の感磁部を、半径が異なる複数の半円状の感磁部とし、これら複数の感磁部を中心が同一となるように配置し、これら複数の感磁部同士をその両端部にて交互に接続してつづら折り状の感磁部としたことを特徴とする請求項５記載の磁気センサ。

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