JP2010032484A - 磁気センサおよび回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 角度誤差を低減した磁気センサを提供する。
【解決手段】 ４個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路を有する磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、１方向の磁気異方性を有する固定層と、磁化方向が外部磁界の方向に回転する自由層と、前記固定層と前記自由層に挟まれた中間層とを有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜であり、
前記磁気抵抗効果素子の少なくとも一つは、その素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して３６°≦θ＜４５°の鋭角θで傾いていることを特徴とする磁気センサ。
【選択図】図４

Description

本発明は、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜で構成する磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサ及び回転角度検出装置に関するものである。

磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは、物理量の変位を非接触で検出できる点で有用である。特に回転角度を検出する磁気センサについては、回転磁界に対して磁気抵抗効果素子の検出感度が良好であることが要求される。

高感度な磁気抵抗効果素子として、スピンバルブ（ＳＶ）型巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜が用いられている（以後、おのおのをＳＶＧＭＲ素子、ＳＶＧＭＲ膜と表記する）。その基本構成は、一方向異方性を有する磁化固定層（以下、固定層と称する）と、この固定層の上部に形成される磁気的結合を切る非磁性中間層と、この非磁性中間層の上部に形成される外部磁界によって磁化方向が任意の方向に回転する自由層からなるものである。このようなＳＶＧＭＲ膜を用い、フォトリソグラフィーなどの薄膜加工プロセスを経て形成されたＳＶＧＭＲ素子をホイートストンブリッジ状に接続し、所定の電圧を印加することで、外部磁界の方向によって出力電圧が変化する磁気センサを得ることができる。

特開２００１−１５９５４２号公報 特表２００３−５０２８７６号公報 特開２００５−０２４２８７号公報 特許第３５８７６７８号公報

ＳＶＧＭＲ素子を複数個用いて回転角度センサを構成する場合、ＳＶＧＭＲ素子自身の磁気特性（層間結合磁界Ｈ_ｉｎｔ，異方性磁界Ｈ_ｋ）のばらつきにより、角度誤差（回転角度センサの出力から得る回転角度の誤差）が増加する問題がある。特許文献１には同一ウェハから切り出した４つの素子をブリッジ接続する手法が開示されているが、ウェハ面内でのバラつきを吸収できるものではない。以下、特にことわらない限り、ＳＶＧＭＲ素子を“素子”と表記する。

一方、特許文献２には同一ウェハ上に複数方向の感磁軸を持つ素子を作製する方法について開示されている。開示された手法に因れば、薄膜形成やフォトリソグラフィーなどにより所望の素子パターンを形成した後、ヒータ素子を用いて局部的に素子を加熱しながら外部磁界を印加することで、固定層磁化方向を所望の方向に設定することが可能である。

また、消費電力量や素子発熱を回転角度センサとしての適正範囲に抑えるためには、素子形状は線幅を細くし素子長を長くすることで高抵抗化を図ることが望ましい。このような形状では素子自身の形状異方性を無視できなくなり、ＳＶＧＭＲ膜の自由層に起因する異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）の影響が大きくなり角度誤差が増加する問題がある。特許文献３では、ＡＭＲ効果をキャンセルするために同一素子内で素子長手方向が９０°異なるパターンを接続した素子が提案されている。また特許文献４では、Ｈ_ｋを低減する素子パターンとして、半円形状をつなぎ合わせたものや螺旋状の形状が提案されている。しかしながらこれらの構成はＡＭＲ効果のキャンセルのみ、もしくはＨ_ｋの低減のみに掛かり、ＧＭＲ特性のばらつきを低減し回転角度センサ全体としての角度誤差を低減するものではない。

本発明はこのような問題を鑑みてなされたものであり、ＳＶＧＭＲ膜の製造ばらつきに起因する角度誤差を低減したＳＶＧＭＲ素子を用いた磁気センサ、ならびに回転角度検出装置を提供することを目的とする。

本発明は４個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路を有する磁気センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、１方向の磁気異方性を有する固定層と、磁化方向が外部磁界の方向に回転する自由層と、前記固定層と前記自由層に挟まれた中間層とを有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜であり、前記磁気抵抗効果素子の少なくとも一つは、その素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して３６°≦θ＜４５°の鋭角θで傾いていることを特徴とするものである。２つのブリッジ回路を組み合わせる場合、両者の磁気抵抗効果素子の長手方向が各々直交するように形成することが好ましい。
４個の磁気抵抗効果素子の２個が固定層磁化方向に対して前記鋭角θで傾き、残りの２個が鋭角−θで傾く構成が好ましい。
４個の前記磁気抵抗効果素子の内、ハーフブリッジを構成する２個の磁気抵抗効果素子は、固定層磁化方向が反平行方向であり、かつその素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して一方は角度θで傾くとともに他方は角度―θで傾いている構成を採用できる。

４個の前記磁気抵抗効果素子の内、一方のハーフブリッジの電源端子側に配置される磁気抵抗効果素子はその素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して一方は角度θで傾くとともに、他方のハーフブリッジの接地端子側に配置される磁気抵抗効果素子は角度―θで傾いていることが好ましい。
上記の磁気センサは、一方のハーフブリッジの電源端子側に配置される磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向と、他方のハーフブリッジの接地端子側に配置される磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が同一方向であることが好ましい。
固定層磁化方向が同一の磁気抵抗効果素子を非平行に配置することで、ＡＭＲ効果がキャンセルされ、角度誤差への影響を抑制できる。

また本発明の磁気センサでは、磁気抵抗効果素子の形状として、直線を折り返した形状、半円を連結し素子長手方向に折り返して形成した形状、または円もしくは多角形の一部を切り欠いた形状を連結し素子長手方向に折り返して形成した形状のいずれかとすることが望ましい。

スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜は、固定層―自由層間の交換結合磁界Ｈ_ｉｎｔの値が−０．４＜Ｈ_ｉｎｔ＜０．４（ｋＡ／ｍ）の範囲であることが好ましい。

さらに本発明の回転角度検出装置は、前記磁気センサと、前記磁気センサに磁界を与える磁石とを備えることを特徴とする。

本発明に因れば、ＳＶＧＭＲ膜の製造ばらつきに起因するブリッジ出力歪を低減できるセンサを提供でき、角度誤差を低減した磁気センサならびに回転角度検出装置を得ることができる。

以下、本発明について図面を用いて具体的な実施形態を説明する。ただし、これら実施形態により本発明が必ずしも限定されるものではない。
図１にＳＶＧＭＲ膜の模式図を示す。図の膜厚の拡大倍率は一定ではない。また本発明に用いられるＳＶＧＭＲ膜の構造はこの図面に限定されるものではない。ＳＶＧＭＲ膜は基板１０上に下地膜１１、固定層１２、中間層１３、自由層１４、保護層１５の順で薄膜を堆積して形成される。一般的には固定層１２は反強磁性層１２１／第１の強磁性層１２２／反平行結合層１２３／第２の強磁性層１２４を積層し、また自由層１４は２層以上の強磁性層１４１、１４２を積層してそれぞれ形成される。固定層全体で一方向の磁気異方性を発現し、外部磁界により自由に回転する自由層磁化方向とのなす角度で電気抵抗が変化する。このときの、固定層の磁気異方性の方向を「固定層磁化方向」と定義する。

（セルフピン型ＳＶＧＭＲ膜・素子の作製方法）
本発明においては、ＳＶＧＭＲ膜は図１に示した構成のうち反強磁性層１２１を除いた、図２７の構成としている。すなわち、固定層の一方向磁気異方性を強磁性層１２２と１２４の反強磁性的結合によってのみ発現させるものである。図２７に示される構成のＳＶＧＭＲ膜は、たとえば特許第３０３３９３４号公報や特開２００４−２９６０００号公報などに開示されている。図２７に示した構成のＳＶＧＭＲ膜は、反強磁性層を規則化させて固定層を着磁するための熱処理工程が不要となるだけでなく、成膜プロセス中に固定層の異方性を任意の方向に設定することができる。具体的には、固定層に用いる２層の強磁性層の成膜時、少なくとも中間層１３と接する強磁性層の成膜時に磁界を印加することで、印加磁界の方向に固定層磁化方向を向けることができる。本発明では固定層磁化方向の異なるＳＶＧＭＲ膜を、絶縁層を介して４回積層することによって、４方向の固定層磁化方向を持つ素子を同一ウェハ上に形成している。

図２にはＳＶＧＭＲ膜を所定の形状にパターニングしてＳＶＧＭＲ素子を形成した場合に、磁気抵抗効果素子が受ける磁気エネルギーの模式図を示す。θ_Ｍは素子全体の磁化の方向、θ_ｄｉｐは形状異方性の方向、θ_ｆｒｅｅは自由層の一軸磁気異方性の付与方向を示す。ＳＶＧＭＲ素子に外部磁界Ｈ_ａｐｐが印加されたとき、素子に加わる実効磁界Ｍは、素子の形状に起因する形状異方性Ｈ_ｋｄのほか、Ｈ_ｋ、Ｈ_ｉｎｔなどのＳＶＧＭＲ膜に起因する磁界の影響を受けて、Ｈ_ａｐｐの方向とは異なる向きに向けられる。

ここで、ＳＶＧＭＲ素子が受ける磁気的エネルギーは以下の数式を用いて計算される。
・ＳＶＧＭＲ素子の形状磁気異方性エネルギーＥ_ｋｄ：

・自由層の磁気異方性エネルギーＥ_ｋ：

・ＳＶＧＭＲ膜の層間交換結合エネルギーＥ_ｅｘ：

・ＳＶＧＭＲ膜のゼーマンエネルギーＥ_ｚ：

・ＳＶＧＭＲ素子が受けるエネルギーの総和Ｅ_{ｔｏｔａｌ}：

なおＭ_ｓは自由層の磁化量を示し、磁気異方性定数Ｋ_ｕおよびＫ_ｕｄは下記の数式より算出した。

最終的に、基準軸に対するＭの方向θ_ＭはＥ_{ｔｏｔａｌ}が最小となるように決定される。決定されたθ_Ｍを用いると、ＳＶＧＭＲ素子の抵抗Ｒは下記の数式で表される。

数７の前半の項はＧＭＲ効果による抵抗変化、後半の項はＡＭＲ効果による抵抗変化である。Ｒ_ｍｉｎはＳＶＧＭＲ素子抵抗の最小値、ｄＲはＧＭＲ効果起因の抵抗変化量、ｄＲ’はＡＭＲ効果起因の抵抗変化である。

ここで、形状異方性の方向θ_ｄｉｐは素子長手方向と同義である。形状異方性は素子の形状により規定され、図２１のように直線状（アスペクト比の大きい矩形）のＳＶＧＭＲ素子２２１もしくは直線を九十九折状に配置した形状の素子２３１の場合、形状異方性の向きは通電用端子２２３間に流れる電流の向き２２２とほぼ一致する。したがって、この場合、直線の延長方向すなわち素子長手方向がθ_ｄｉｐとなる。図２２のような円を接続した形状の素子２４１，２５１については、電流は円の接続部から上下に分かれて流れると考えられるが、素子全体で見た場合は端子２２３間の向きに流れるため、θ_ｄｉｐは巨視的に見た電流の向き２２２と同一の向きとして定義する。図２３から図２５のように一部を切り欠いた円又は半円を接続した形状についても同様に、θ_ｄｉｐは電流の向き２２２と同一の向きとして定義する。

図３にはＳＶＧＭＲ素子をブリッジ接続して構成される磁気センサの等価回路を示す。各ＳＶＧＭＲ素子の固定層磁化方向は図中矢印で示す。ＳＶＧＭＲ素子２１ａと２１ｃ、素子２１ｂと２１ｄ、３１ａと３１ｃ、３１ｂと３１ｄの固定層磁化方向はそれぞれ同一方向に設定する。また素子２１ａと２１ｂ、素子３１ａと３１ｂの固定層磁化方向はそれぞれ反平行（１８０°）方向に設定し、素子２１ａと３１ａの固定層磁化方向は９０°異なる向きに設定する。便宜的に、素子２１ａ〜２１ｄで構成されるブリッジをＸブリッジ、素子３１ａ〜３１ｄで構成されるブリッジをＹブリッジと呼ぶ。実際のブリッジ回路では２１ａと３１ａ、２１ｂと３１ｂ、２１ｃと３１ｃ、２１ｄと３１ｄは互いの素子の長手方向が直交するように配置される。（詳細は図１９，２０で説明する）これらのブリッジ回路から出力される電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２はそれぞれ下記の数式で算出される。

Ｖ_ｘ１−Ｖ_ｘ２より出力電圧Ｖ_ｘを、Ｖ_ｙ１−Ｖ_ｙ２より出力電圧Ｖ_ｙを得る。Ｖ_ｘ及びＶ_ｙは略正弦波もしくは略余弦波の波形となるため、Ｖ_ｘとＶ_ｙを用いて逆正接演算を行って演算角θ_ｃａｌｃを算出し、基準軸に対するＨ_ａｐｐの方向θ_ａｐｐとの差が磁気センサの角度誤差θ_ｅｒｒとなる。

［実施形態１］
各ＳＶＧＭＲ素子の配置角を表１に示した角度関係で変化させ、配置角が角度誤差に与える影響について検討を行った。なお固定層磁化方向は変化させていない。エネルギー計算時のパラメータとして、Ｍ_ｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｈ_ｋ＝０．１６ｋＡ／ｍ、Ｈ_ｋｄ＝１．６ｋＡ／ｍ、Ｈ_ａｐｐ＝２４ｋＡ／ｍを用い、各素子のθ_ｆｒｅｅは固定層磁化方向と９０°をなすよう設定した。また、ＧＭＲ比を示すｄＲ／Ｒは１０％とし、ｄＲ’は０としてＡＭＲ効果は加味していない。具体例として、表１の条件１−３で設定した素子配置ならびにブリッジ接続を図１９に示す。図１９中、上のブリッジ回路の固定層磁化方向は図面水平方向に、下のブリッジ回路の固定層磁化方向は図面上下方向に設けている。上のブリッジ回路の右方向を０°と規定した場合の各磁気抵抗効果素子（２０１ａ〜２０１ｄ）と、下のブリッジ回路の上方向を０°と規定した場合の各磁気抵抗効果素子（２０３ａ〜２０３ｄ）の素子の長手方向の各角度θ_ｄｉｐは、下のそれぞれ表１に示した関係となる。（括弧内のマイナス表記は、請求項２，請求項４の関係を満たすことがわかり易いように記載するものである。）

図４に、θ_ｅｒｒ変化幅（θ_ｅｒｒｒａｎｇｅ）のθ_ｄｉｐ依存性を示す。図４のθ_{ｄｉｐ＿Ｒ１}は、表１のθ_ｄｉｐ設定値における２０１ａ，２０１ｃの列のパラメータに相当する。また、表１に示した磁気抵抗効果素子２０１ａの素子配置角度θ _dipが３５°〜４５°の時の、θ_ｅｒｒｒａｎｇｅの値を表２に示す。変化幅θ_{ｅｒｒ＿ｒａｎｇｅ}とは、θ_ａｐｐを０から３６０°まで変化させた際のθ_ｅｒｒの最大値から最小値を引いた値である。変化幅が大きいほど、該素子配置で回転角度センサを構成した場合に角度誤差が大きいことを示す。磁気抵抗効果素子２０１ａの素子配置角度を４０°もしくは１４０°（−４０°）とした場合（条件１−４および１−９）において、θ_ｅｒｒ変化幅が０．０７６°で最も小さくなっている。磁気抵抗効果素子２０１ａの素子配置角度が１４０°（−４０°）である場合、ハーフブリッジを構成する他方の磁気抵抗効果素子201bの素子配置角度が４０°となるので、これも本発明で規定する構成に含まれる。
一方、条件１−１では変化幅は約１．８°となった。このように、θ_ｅｒｒはθ_ｄｉｐに大きく依存し、素子配置により角度誤差が大幅に変化することがわかる。表２から解るように、従来の素子配置角度θdipが４５°のブリッジ回路とするよりも、素子配置角度θdipが３６°以上４５°未満にするブリッジ回路の方が角度誤差を減らせることができる。さらに好ましい素子配置角度θdipは３７〜４３°の範囲であり、さらに好ましい素子配置角度θdipは３９°〜４２°である。

図５〜図７に、表１の条件１−４（実施例１）と条件１−１（比較例１）、条件１−５（比較例２）、および条件１−７（比較例３）におけるθ_ｅｒｒのθ_ａｐｐ依存性をそれぞれ示す。ここで、特許文献２及び３に示された素子配置は、条件１−５（比較例２）に相当する。θ_ｅｒｒはそれぞれ、実施例１では最大で約０．０４°、比較例１および比較例３では最大で約０．９°、比較例２では約０．１９°となった。実施例１と比較例２とでは、θ_ｄｉｐの差異は５°だけであるにもかかわらず、θ_ｅｒｒの変化傾向は大きく異なっている。また比較例１と比較例３とでは、同じような素子配置であるにもかかわらず、θ_ｄｉｐと固定層磁化方向との関係が異なることで、θ_ｅｒｒのθ_ａｐｐ依存性が異なっていることがわかる。これらの結果をふまえると、θ_ｄｉｐと固定層磁化方向との関係でθ_ｅｒｒが異なることがわかる。

これらの周期性についてさらに詳細に考察するため、図８および図９には発明例１、比較例１〜３におけるそれぞれのθ_ｅｒｒのθ_ａｐｐ依存性について、フーリエ級数展開により５次成分まで高調波解析を行った結果を示す。ここで１次及び２次高調波は高次の高調波に比べ圧倒的に小さく、またθ_ｄｉｐ依存性が小さいことから、図には３次から５次の高調波を示した。なお図９は縦軸を高調波発生率として示したものである。θ_ｅｒｒが小さかった発明例１では全ての高調波が非常に小さく、その割合は３次および５次が４割、４次成分が２割程度含まれていることがわかる。一方でθ_ｅｒｒが大きかった比較例１〜３では４次高調波が大きく出ており、発生率は４次が８割、３次および５次はそれぞれ１割程度であることがわかる。特に比較例１と比較例３のように、θ_ｄｉｐを固定層磁化方向と直交もしくは平行とした場合には非常に大きい４次高調波が存在している。したがって、４次高調波の低減がθ_ｅｒｒの低減に大きく寄与していることがわかる。

ＳＶＧＭＲ膜を用いた磁気センサにおいて、数１及び数２にｓｉｎ^２θの項が存在することから、４次高調波が発生する主要因は形状もしくはＳＶＧＭＲ膜の自由層の磁気異方性、すなわちＨ_ｋｄ及びＨ_ｋであると考えられる。図１０には自由層の磁気異方性Ｈ_ｋを変化させ、図４と同様にθ_ｅｒｒのθ_ｄｉｐ依存性を比較した結果を示す。Ｈ_ｋはそれぞれ０．１６ｋＡ／ｍから３．２ｋＡ／ｍまで変化させた。このときＨ_ｋｄ＝１．６ｋＡ／ｍとした。Ｈ_ｋの低下に伴って、θ_ｅｒｒのθ_ｄｉｐ依存性は低下する傾向が見られる。θ_ｅｒｒの極小値はＨ_ｋの値に因らずほぼ同程度（約０．０７〜０．３°）であるが、極小値をとるθ_ｄｉｐは３０〜４０°付近で変化している。またＨ_ｋがＨ_ｋｄと等しくなるＨ_ｋ＝１．６ｋＡ／ｍの条件では、θ_ｄｉｐ＝０°で極小値をとっている。これはＨ_ｋとＨ_ｋｄが互いにキャンセルしあうためである。

図１１には同様にＨ_ｋｄを変化させた結果を示す。Ｈ_ｋ＝０．１６ｋＡ／ｍとし、Ｈ_ｋｄは０．１６ｋＡ／ｍから３．２ｋＡ／ｍまで変化させた。Ｈ_ｋを変化させた場合と同様、Ｈ_ｋｄの低下に伴いθ_ｅｒｒのθ_ｄｉｐ依存性は低下する傾向が見られ、θ_ｅｒｒが極小となるθ_ｄｉｐの範囲も概ね３０〜４０°付近である。θ_ｅｒｒの極小値は約０．０４〜０．１３°であった。またＨ_ｋｄ＝Ｈ_ｋとなる条件ではθ_ｄｉｐ＝０でθ_ｅｒｒが極小となる。このように、Ｈ_ｋならびにＨ_ｋｄを低減することで角度誤差は小さくなることがわかる。

但し、Ｈ_ｋは自由層に用いる材料によって一義的に決まる。本検討では自由層に一般的に用いられるＮｉＦｅのＨ_ｋ（＝約０．１６ｋＡ／ｍ）を仮定したが、低Ｈ_ｋを示す他の材料を採用することで、例えばヒステリシスの大小にかかわる保磁力などのパラメータが変化する可能性がある。また、例えば非磁性層を介した２層の強磁性層で自由層を構成する積層フェリ自由層などの構造を用いることで、巨視的なＨ_ｋを小さくできる可能性があるが、膜厚増加による分流損増加や感度低下を招きかねないことから現実的ではない。さらにＨ_ｋｄについて、センサ内のＳＶＧＭＲ素子は有限の長さを持つことから、素子形状の観点からＨ_ｋｄを０に近づけることも容易ではない。しかしながら、本検討によれば固定層磁化方向とθ_ｄｉｐを適切な関係に保つ、具体的にはθ_ｄｉｐ＝４０°とすることで、ＳＶＧＭＲ膜特性のばらつきによるＨ_ｋの変動や、素子形状によるＨ_ｋｄの変動に対してθ_ｅｒｒの増加を抑えることが可能となる。その結果検出精度の高い回転角度検出装置を得ることが可能となる。

［実施形態２］
磁気センサ用ＳＶＧＭＲ素子は、消費電力を抑えるため素子抵抗を比較的大きくする必要があり、そのため素子の長手方向の寸法は数十〜１００μｍ程度にまでなる。このように膜厚に対して素子長もしくは素子幅が大きい場合、ＳＶＧＭＲ膜の自由層のＡＭＲ効果が無視できない。そこで実施形態１と同様に、ＡＭＲ効果を加味した場合のθ_ｄｉｐとθ_ｅｒｒの関係について図１２に示す。θ_ｄｉｐの条件は表３に示すとおりとし、比較のためＡＭＲ効果を加味しない結果（図４）を併記した。数７において、ＳＶＧＭＲ膜に対する自由層の膜厚比およびＮｉＦｅ膜の比抵抗から、ＡＭＲに寄与する抵抗の値を７５００Ω、ＡＭＲ比を０．３％と仮定してｄＲ’を２２．５Ωと見積もった。実施形態１と同様、比較例５が特許文献２及び３に記載の素子配置と等価である。表３中、θ _dip設定値の括弧内のマイナス表記は、請求項２，請求項４，請求項５の関係を満たすことがわかり易いように記載するものである。

θ_ｄｉｐが０°の条件（表３の条件２−１：比較例４）もしくは９０°の条件（表３の条件２−７：比較例６）で極小値（約２．６°）を示していて、ＡＭＲ効果を加味しない場合と同じ結果をしめしている。一方で、θ_ｄｉｐが４５°の条件（表３の条件２−５：比較例５）においては、ＡＭＲを加味すると角度誤差は増大し、極大値（約４７°）を示している。これらの素子配置はいずれも、同一ブリッジ内の各素子対において電流の流れる向きが逆方向となっており、角度誤差に対するＡＭＲ効果の寄与はセンス電流の流れる向き、すなわち素子形状に依存しているといえる。“素子対“は図１９でいうと、２０１ａと２０１ｃ、又は２０１ｂと２０１ｄである。

そこで、図２０に示すように、固定層磁化方向が同一の素子をブリッジ内で非平行に配置して同様の検討を行った。θ_ｄｉｐの設定値は表４のとおりとした。一方のハーフブリッジの電源端子側に配置される磁気抵抗効果素子と、他方のハーフブリッジの接地端子側に配置される磁気抵抗効果素子の素子配置を非平行にした。具体的には、素子２１１ａと２１１ｄの対、素子２１１ｂと２１１ｃをそれぞれ同じ角度に設定し、素子２１１ａと素子２１１ｃを非並行に、素子２１１ｂと素子２１１ｄを非並行に設定した。Ｙブリッジ（素子２１３ａ〜２１３ｄ）についても同様である。固定層磁化方向は実施形態１と同じく素子２１１ａと２１１ｃ、２１１ｂと２１１ｄとで同一で、素子配置角度がそれぞれ異なっていることになる。
図２０は表４の条件３−４で設定した素子配置である。図２０中、上のブリッジ回路の固定層磁化方向は図面水平方向に、下のブリッジ回路の固定層磁化方向は図面上下方向に設けている。上のブリッジ回路の右方向を０°と規定した場合の各磁気抵抗効果素子（２１１ａ〜２１１ｄ）と、下のブリッジ回路の上方向を０°と規定した場合の各磁気抵抗効果素子（２１３ａ〜２１３ｄ）の素子の長手方向の各角度θ_ｄｉｐは、下のそれぞれ表４に示した関係となる。また、磁気抵抗効果素子２１１ａの素子配置角度θ _dipが３５°〜４５°の時のθ_ｅｒｒｒａｎｇｅの値を表５に示す。

図１２と同様に、ＡＭＲ効果を加味したθ_ｅｒｒ変化幅（θ_ｅｒｒｒａｎｇｅ）のθ_ｄｉｐ依存性を図１３に示す。また、表４に示した磁気抵抗効果素子２０１ｂの素子配置角度θ _dipが３５°〜４５°の時の、θ_ｅｒｒｒａｎｇｅの値を表５に示す。変化幅θ_{ｅｒｒ＿ｒａｎｇｅ}とは、θ_ａｐｐを０から３６０°まで変化させた際のθ_ｅｒｒの最大値から最小値を引いた値である。変化幅が大きいほど、該素子配置で回転角度センサを構成した場合に角度誤差が大きいことを示す。
一方のハーフブリッジの電源端子側に配置される磁気抵抗効果素子と、他方のハーフブリッジの接地端子側に配置される磁気抵抗効果素子の素子配置を非平行にすると、θ_ｅｒｒはＡＭＲ効果を加味する前の実施例２の図４（ＡＭＲ寄与無）とほぼ同等の値を示し、θ_ｄｉｐを４０°（表４の3-４：発明例２）とした条件でθ_ｅｒｒは約０．１３°まで小さくなった。また固定層磁化方向が同一の素子が互いに素子長手方向の直交する素子配置、すなわち表４の3-5（比較例７）ではθ_ｅｒｒは約０．３４°である。このことから、素子を直交に配置してセンス電流の方向を９０°にしても、角度誤差は必ずしも最小にはならないことがわかり、素子配置角度によってさらに角度誤差を小さくできることが明らかとなった。
表５から解るように、従来の素子配置角度θdipが４５°のブリッジ回路とするよりも、素子配置角度θdipが３８°以上４５°未満にするブリッジ回路の方が角度誤差を減らせることができる。さらに好ましい素子配置角度θdipは３９°〜４４°の範囲であり、さらに好ましい素子配置角度θdipは４０°〜４３°である。

誤差低減効果について詳細に検討するため、θ_ｅｒｒのθ_ｄｉｐ依存性について５次までの高調波解析を行った。素子平行配置（表３の条件）の比較例４〜６の結果を図１４に、素子非平行配置（表４の条件）の発明例２と比較例７の結果を図１５にそれぞれ示す。素子平行配置の場合、θ_ｅｒｒが比較的小さかった比較例４及び比較例６で現れる高調波はほぼすべて４次であることがわかる．一方θ_ｅｒｒが大きい比較例５では５次までの全ての高調波が含まれており、１次および３次高調波が特に大きいことがわかる。数７からＡＭＲ効果の項は４次高調波として現れるはずだが、素子配置との兼ね合いで３次が大きくなっていると推察される。

一方、素子非平行配置については、発明例２、比較例７どちらの素子配置でも４次以外の高調波は非常に小さく、その値は発明例２の方が小さくなっている。図１６ではθ_ｄｉｐを４５°に設定し、各素子が直交に配置されている比較例５と比較例７とを比較し、素子配置を平行もしくは非平行とした場合の高調波解析結果を示す。素子配置を非平行にした比較例７では、比較例５に比べ全ての次数の高調波が大幅に抑えられており、比較例７で唯一存在する４次高調波も半減していることがわかる。このことからθ_ｅｒｒの低減には１次もしくは３次高調波をほぼ０に近い値にまで小さくし、さらに４次高調波を低減する素子配置にすることが必要である。

［実施形態３］
ＳＶＧＭＲ膜において、種々の磁気特性のうちもっとも変動しやすいパラメータはＨ_ｉｎｔである。Ｈ_ｉｎｔは中間層を介した固定層と自由層との間に働く磁界であることから、中間層膜厚による変動や中間層表面のラフネスによるオレンジピール効果、さらには動作温度や環境温度といった温度パラメータによって変動しやすいためである。そこで本発明で得られた最適な素子配置、発明例２の条件でＨ_ｉｎｔ変動に対するθ_ｅｒｒの変化挙動を計算した。結果を図１７に示す。ここで各素子のＨ_ｉｎｔの値は、Ｒ１とＲ４（図２０の２１１ａと２１１ｄに相当）、Ｒ２とＲ３（同２１１ｂと２１１ｃ）、Ｒ５とＲ８（同２１３ａと２１３ｄ）、Ｒ６とＲ７（同２１３ｂと２１３ｃ）をそれぞれ等しく設定し、またＲ１とＲ２、Ｒ５とＲ６はそれぞれ符号が異なっている。例えばＲ１のＨ_ｉｎｔ、すなわち（Ｈ_{ｉｎｔ＿Ｒ１}）を＋０．８ｋＡ／ｍとした場合、Ｈ_{ｉｎｔ＿Ｒ２}＝−０．８ｋＡ／ｍ、Ｈ_{ｉｎｔ＿Ｒ３}＝−０．８ｋＡ／ｍ、Ｈ_{ｉｎｔ＿Ｒ４}＝＋０．８ｋＡ／ｍである。図中横軸はＨ_{ｉｎｔ＿Ｒ５}の値を示す。全てのＨ_ｉｎｔは−０．８から＋０．８ｋＡ／ｍまで変化させた。Ｈ_{ｉｎｔ＿Ｒ１}の値が小さくなるにつれθ_ｅｒｒは小さくなり、Ｈ_{ｉｎｔ＿Ｒ５}が概ねＨ_{ｉｎｔ＿Ｒ１}の値と符号が逆転した値をとるときにθ_ｅｒｒが最小を示している。またＨ_{ｉｎｔ＿Ｒ１}が０．１６ｋＡ／ｍ以下の条件でθ_ｅｒｒが１°以下となり、Ｈ_{ｉｎｔ＿Ｒ１}が０．４ｋＡ／ｍ以上の場合でもＨ_{ｉｎｔ＿Ｒ５}が±０．４ｋＡ／ｍ以内であればθ_ｅｒｒが１°以下となっている。このことから、本発明の素子配置をとることで素子間のＨ_ｉｎｔの変動が±０．４ｋＡ／ｍより小さい値であれば、Ｈ_ｉｎｔによる角度誤差の増加を抑制できることは明らかである。すなわち、ＳＶＧＭＲ膜成膜時の中間層膜厚変動や、高温動作時のＨ_ｉｎｔ変動に対して耐性の高い磁気センサを得ることが可能となる。

［実施形態４］
図１８には本発明に係る回転角度検出装置の構成を示す。該装置はパターニングしたＳＶＧＭＲ膜をブリッジ接続してなる磁気センサ３１と、径方向にＮＳ２極に着磁した円盤状の永久磁石３３とを対向して配置した。磁石取り付け冶具３４はシャフト３４ｂ（回転体）と機械的に接続され、永久磁石３３の回転に伴い漏洩磁界の分布が変化する。図１８中、１点鎖線は回転中心軸に相当する。永久磁石３３と磁気センサ３２間の実線の矢印３２は磁力線を表す。この構成によって、磁気抵抗効果素子面内方向の磁界変化を磁気センサで検出した。磁気センサ３１及びシャフト３４ｂを支持するフレームの図示は省略した。
このような構成の回転角度検出装置の磁気センサにおいて、本発明で得られた素子配置をとることにより、素子形状に起因するＨ_ｋｄのばらつきや、ＳＶＧＭＲ膜特性に起因するＨ_ｋならびにＨ_ｉｎｔのばらつきなど、磁気センサ作成に係る変動に対して耐性が高い磁気センサを得ることができ、これを具備した高精度の回転角度検出装置を得ることができた。

本発明に係る他の回転角度検出装置の構成は、図１８において磁気センサ３１の位置を磁気センサ３１’の位置に変更したものである。磁気センサ３１’はその基板面が永久磁石の外周面と対向しており、前記基板面が回転中心軸と平行である。この構成も出力の歪を低減することができる。

図１９には、上述の磁気センサにおける、２個のブリッジ回路２０１，２０３を構成する素子の配置を示す。一方のブリッジ回路２０１は、基板（図示省略）上に４個のＳＶＧＭＲ素子２０１ａ〜２０１ｄをパターニングで形成すると共に、配線（太線で図示した）で素子を接続している。電源端子（Ｖｃｃ）には素子２０１ｃ及び素子２０１ｂを接続し、グランド端子（ＧＮＤ）には素子２０１ａ及び素子２０１ｄを接続し、一方の出力端子（Ｖｘ１）には素子２０１ａ及び素子２０１ｂを接続し、他方の出力端子（Ｖｘ２）には素子２０１ｄ及び素子２０１ｃを接続する。１点鎖線で示した軸２０２は固定層磁化方向と平行な向きを表わす。この軸２０２に対して、素子２０１ａの長手方向はθ＝４０°の角度で配置され、素子２０１ｂの長手方向は１４０°（ー４０°）の角度で配置されている（θは反時計方向の角度）。軸２０２に対して、素子２０１ｃの長手方向はθ＝４０°の角度で配置され、素子２０１ｄの長手方向は１４０°（ー４０°）の角度で配置されている。軸に平行にした各素子の固定層磁化方向は太い矢印で示す。固定層磁化方向が同一である組み合わせは、素子２０１ａと素子２０１ｃの組と、素子２０１ｂと素子２０１ｄの組である。
他方のブリッジ回路２０３は、素子２０３ａ〜２０３ｄを接続したものである。各素子は、ブリッジ回路２０１の各磁気抵抗効果素子の長手方向に対して直行する方向に形成されている。その軸２０４は、出力端子Ｖ_ｙ１及びＶ_ｙ２を結ぶ向きではなく、前記軸２０２と直交する向きになっている。各ブリッジ回路内で、固定層磁化方向が同じ方向である素子同士は、長手方向が平行となるように配置している（素子配置：平行）。

図２０には、２個のブリッジ回路２１１，２１３を構成する素子の配置を示す。各ブリッジ回路内で、固定層磁化方向が同じ方向である素子同士は、長手方向が非平行となるように配置している（素子配置：非平行）。図１９のブリッジにおいて、Ｖｘ１側の素子を縦方向の軸に対して反転させると、図２０の素子配置と同様になる。素子２１１ａ〜ｄ、２１３ａ〜ｄの形状は、図１９と同様、矩形である。

図２８には、図２０で示したブリッジ回路における素子配置をより具体的に示したものである。図中矢印ＸならびにＹはそれぞれ素子を形成したセンサチップの辺方向である。また図２９は図２８の素子配置を、ピン止め方向と共に模式的に示したものである。ピン止め方向を同じくする磁気抵抗効果素子３１１ａおよび３１１ｃ（図中点線で囲んである。以下同様。）の素子長手方向は、ピン止め方向に対し４０°の角度を為している。一方これらの素子とハーフブリッジを形成する磁気抵抗効果素子３１１ｂおよび３１１ｄも、同じようにピン止め方向に対し４０°の角度を為している。しかしながら、点線で括っている部分のように、３１１ａと３１１ｃならびに３１１ｂと３１１ｄの素子対はそれぞれ素子長手方向が平行ではないため、ＡＭＲ効果をキャンセルする素子配置となっている。

図２９において、素子３１１ｃと素子３１１ｂ及び素子３１３ａと素子３１３ｄは図形的に等価であることから、これらの素子配置を入れ替えたブリッジ回路を図３０に示す。この素子配置とした場合でも、素子長手方向とピン止め方向との関係は変わっていない。配線が交差する部分は、配線層間に絶縁層などを形成することでブリッジ間の絶縁を取ることができる。さらに図３１および図３２には別の素子配置の例を示す。図２９と比較して隣り合う素子と為す角度が異なっているが、素子長手方向とピン止め方向との関係は同じである。

このような素子の入れ替えはピン止め方向を成膜時に自由に設定できるＳＶＧＭＲ膜により実現可能であり、さらには成膜時の磁界印加方向を任意に設定できる成膜装置を用いることで、素子配置の自由度はさらに高まる。図３３は図２９の素子配置を素子面内方向に４５°回転させて形成したブリッジ回路である。各素子のピン止め方向を図２９からそれぞれ４５°回転させることにより、素子配置をさらに密にすることも可能である。すなわち、素子長手方向とピン止め方向との角度関係を最適に設定することにより、ＳＶＧＭＲ膜の特性変動に対して耐性が高く、自由な素子配置が可能で、出力歪が小さく角度誤差を低減できる磁気センサならびに回転角度検出装置を得ることができる。また、図３３の構成において一部の磁化の向きを変更することも可能であり、図３４に示す。さらに他の可能な例を図３５、図３６に示す。

なお、図３７には特許文献２に記載された素子配置の一例を示す。図３８には矢印１００に固定層の磁化方向が示されているが、ピン止め方向が９０°方向を向いた素子に対して反平行のピン止め方向を有する素子が存在しないため、この素子配置でブリッジ回路を形成しても出力端子からは同相の出力しか得られず、フルブリッジ出力が得られない。また、素子配置については図３８以外の構成については記載がなく、出力歪が最小となる素子配置について検討しているものではない。仮に図３８で示された方向と異なる方向にピン止め方向を設定し、本発明と同様の定義でピン止め方向を設定したとすると、素子間の相対角が９０°となるため、段落００３９で述べたように、この素子配置は本発明のθ_{ｄｉｐ＿Ｒ１}＝４５°に相当する。この条件での角度誤差は図４に実線で示した値となり、３６≦θ_{ｄｉｐ＿Ｒ１}＜４５°に設定することで従来技術より角度誤差や出力歪の小さい磁気センサが得られることは明らかである。

磁気抵抗効果膜の構成を示す断面図である。 磁気抵抗効果素子が受ける磁気エネルギーの模式図である。 磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子をブリッジ接続した回路図を示す。 磁気抵抗効果素子のθ_ｄｉｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。 磁気抵抗効果素子のθ_ａｐｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。 磁気抵抗効果素子のθ_ａｐｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。 磁気抵抗効果素子のθ_ａｐｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。 磁気抵抗効果素子のθ_ａｐｐによる角度誤差変化から高調波成分を計算より算出したグラフである。 磁気抵抗効果素子のθ_ａｐｐによる角度誤差変化から高調波成分を計算より算出したグラフである。 磁気抵抗効果素子のθ_ｄｉｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。 磁気抵抗効果素子のθ_ｄｉｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。 磁気抵抗効果素子のθ_ｄｉｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。 磁気抵抗効果素子のθ_ｄｉｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。 磁気抵抗効果素子のθ_ａｐｐによる角度誤差変化から高調波成分を計算より算出したグラフである。 磁気抵抗効果素子のθ_ａｐｐによる角度誤差変化から高調波成分を計算より算出したグラフである。 磁気抵抗効果素子のθ_ａｐｐによる角度誤差変化から高調波成分を計算より算出したグラフである。 磁気抵抗効果素子のＨ_ｉｎｔによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。 回転角度検出装置の正面図を示す。 磁気抵抗効果素子の配置形態を示す。 磁気抵抗効果素子の別の配置形態を示す。 直線で形成した磁気抵抗効果素子の形状を示す。 円形で形成した磁気抵抗効果素子の形状を示す。 円形で形成した磁気抵抗効果素子の別の形状を示す。 半円で形成した磁気抵抗効果素子の形状を示す。 半円で形成した磁気抵抗効果素子の別の形状を示す。 六角形で形成した磁気抵抗効果素子の別の形状を示す。 磁気抵抗効果膜の別の構成を示す断面図である。 磁気抵抗効果素子の具体的な配置ならびにブリッジ回路構成を示す。 磁気抵抗効果素子とピン止め方向の関係、及びブリッジ回路構成を示す。 別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。 別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。 別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。 別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。 別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。 別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。 別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。 公知例で示された素子配置の一例を示す。 公知例で示された素子配置の一例を示す。

符号の説明

１０：基板
１１：下地膜
１２：固定層
１３：中間層
１４：自由層
１５：保護層
１２１：反強磁性層
１２２：第１の強磁性層
１２３：反平行結合層
１２４：第２の強磁性層
１４１：第１の強磁性層
１４２：第２の強磁性層
２１ａ〜２１ｄ、３１ａ〜３１ｄ：ＳＶＧＭＲ素子
３１：磁気センサ
３２：磁力線
３３：永久磁石
３４：磁石取り付け冶具
３４ｂ：シャフト
２０１，２０３，２１１，２１３：ブリッジ回路
２０１ａ〜２０１ｄ，２０３ａ〜２０３ｄ：ＳＶＧＭＲ素子
２１１ａ〜２１１ｄ，２１３ａ〜２１３ｄ：ＳＶＧＭＲ素子
２０２，２０４，２１２，２１４：軸
２２１，２３１，２４１，２５１，２６１：ＳＶＧＭＲ素子
２７１，２８１，２９１，３０１，３１１：ＳＶＧＭＲ素子
２２２：電流の方向
２２３：通電用端子
３１１ａ〜３１１ｄ，３１３ａ〜３１３ｄ：ＳＶＧＭＲ素子

Claims (12)

1. ４個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路を有する磁気センサであって、
   前記磁気抵抗効果素子は、１方向の磁気異方性を有する固定層と、磁化方向が外部磁界の方向に回転する自由層と、前記固定層と前記自由層に挟まれた中間層とを有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜であり、
   前記磁気抵抗効果素子の少なくとも一つは、その素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して３６°≦θ＜４５°の鋭角θで傾いていることを特徴とする磁気センサ。
2. ４個の磁気抵抗効果素子の内、２個の磁気抵抗効果素子が固定層磁化方向に対して前記鋭角θで傾き、残りの２個が鋭角−θで傾いていることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記ブリッジ回路の他にもう一つのブリッジ回路が形成され、両ブリッジ回路の磁気抵抗効果素子は素子形状の長手方向が互いに直交する方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
4. ４個の前記磁気抵抗効果素子の内、ハーフブリッジを構成する２個の磁気抵抗効果素子は、固定層磁化方向が反平行方向であり、かつその素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して一方は角度θで傾くとともに他方は角度―θで傾いていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
5. ４個の前記磁気抵抗効果素子の内、一方のハーフブリッジの電源端子側に配置される磁気抵抗効果素子はその素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して一方は角度θで傾くとともに、他方のハーフブリッジの接地端子側に配置される磁気抵抗効果素子は角度―θで傾いていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
6. 一方のハーフブリッジの電源端子側に配置される磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向と、他方のハーフブリッジの接地端子側に配置される磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が同一方向であることを特徴とする請求項５に記載の磁気センサ。
7. 前記磁気抵抗効果素子が、直線を折り返した形状であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気センサ。
8. 前記磁気抵抗効果素子が、半円を連結し素子長手方向に折り返して形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の磁気センサ。
9. 前記磁気抵抗効果素子が、円の一部を切り欠いた形状を連結し素子長手方向に折り返して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
10. 前記磁気抵抗効果素子が、多角形の一部を切り欠いた形状を連結し素子長手方向に折り返して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
11. スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜は、固定層―自由層間の交換結合磁界Ｈ_ｉｎｔの値が
    −０．４＜Ｈ_ｉｎｔ＜０．４ ｋＡ／ｍ
    の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の磁気センサと、前記磁気センサに磁界を与える磁石とを備える回転角度検出装置。

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