JP2010112881A - 磁気エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 使用環境温度が変化しても磁気センサの中点電位がシフトしにくく、使用環境
温度に対して変位検出精度の変化が小さい磁気エンコーダを提供する。
【解決手段】 磁気エンコーダに用いる磁気センサの電気ブリッジ回路を、磁気媒体から
の漏洩磁界に対して異なる磁気抵抗変化を示して電気抵抗温度係数が等しいスピンバルブ
型巨大磁気抵抗効果素子から形成することで、使用環境温度が変化しても磁気センサの中
点電位がシフトしにくく、使用環境温度に対して変位検出精度の変化が小さい磁気エンコ
ーダとすることができる。

【選択図】 図１

Description

本願発明は、磁気媒体と磁気媒体からの漏洩磁界を検出する磁気センサとからなる磁気
エンコーダに関するものである。

工業計測の分野では、磁気媒体と非接触で位置や回転角等の物理的変位量を検出するた
めに、ホール素子のような低価格の感磁センサ素子が多く使用されている。高感度で検出
を行う必要がある場合には、磁気媒体との相対速度が再生出力に依存しない異方性磁気抵
抗効果膜（以下、ＡＭＲ膜）を有する磁気センサが使用されている。しかしＡＭＲ膜を用
いた磁気センサは、磁気抵抗変化率が３％程度と小さいため、得られる出力信号電圧が小
さい。そこで、磁気抵抗変化率が大きく、回路上では単純な２端子の抵抗として取り扱え
る巨大磁気抵抗効果膜（以下、ＧＭＲ膜）を用いた磁気センサが実用化されている。

ＧＭＲ膜は、非磁性層を介して隣り合う磁性層の磁化方向が互いに逆向きの結合型巨大
磁気抵抗効果人工格子膜（以下、結合型ＧＭＲ膜）が知られている。結合型ＧＭＲ膜は磁
界変化に対する磁気抵抗変化特性がＡＭＲ膜と同等であり、ＡＭＲ膜との置き換えが容易
である。結合型ＧＭＲ膜は磁気抵抗変化率が１０％以上と大出力を得ることができる一方
、最大抵抗変化に必要な動作磁界強度が大きいので、大型の動作磁界発生手段が必要であ
る。さらに、結合型ＧＭＲ膜の電気抵抗はＡＭＲ膜の１／２〜１／３程度と小さいので磁
気センサの低消費電力化が難しく、結合型ＧＭＲ膜を用いた磁気センサは用途に制限を受
ける場合がある。

比較的小さい動作磁界強度で結合型ＧＭＲ膜と同程度の磁気抵抗変化率を示すものとし
て、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜（以下、ＳＶＧＭＲ膜）がある。ＳＶＧＭＲ膜は
ハードディスク記憶装置（ＨＤＤ）の磁気ヘッドに用いられている膜である。特許文献１
に開示されているように、ＳＶＧＭＲ膜は外部磁界の方向により磁化方向が変化しない固
定層と、非磁性導電層、外部磁界の変化により磁化方向が変化する自由層から構成されて
いる。ＳＶＧＭＲ膜を加工した素子（以下、ＳＶＧＭＲ素子）は、結合型ＧＭＲ膜を加工
した素子（以下、結合型ＧＭＲ素子）に比べ電気抵抗が５〜６倍大きく、磁気センサの低
消費電力化が容易である。また、ＳＶＧＭＲ素子の動作磁界強度領域は比較的小さく、１
〜１６０（Ａ／ｍ）［約０．００６〜２０（Ｏｅ）］である。

特許３０４０７５０号

図７に、磁気センサと磁気媒体の例を示す。回転する磁気媒体３２に所定の間隔（ギャ
ップ）で対向するように磁気センサ３１が配されている。磁気センサ３１は複数の磁気セ
ンサ素子２１からなり、磁気センサ素子２１には、磁気媒体３２からの漏洩磁界により電
気抵抗が変化する感磁センサ素子２２と、漏洩磁界により電気抵抗が殆ど変化しない固定
抵抗素子２３が直列に接続されている。固定抵抗素子２３の他端は接地、感磁センサ素子
２２の他端は電源電圧Ｖｃｃに接続されている。感磁センサ素子２２と固定抵抗素子２３
の接続点２４から中点電位を取り、この電圧が磁気センサ３１の出力電圧となる。固定抵
抗素子２３は漏洩磁界により電気抵抗が殆ど変化しないので電気抵抗は略一定であり、感
磁センサ素子２２の比較抵抗として働く。感磁センサ素子２２が磁気媒体３２の漏洩磁界
を検知すると、電気抵抗が変化して中点電位が変化する。この中点電位の変化を磁気媒体
３２と磁気センサ３１の相対位置信号として検出される。

図７の磁気センサ３１は、２個の磁気センサ素子２１を用いて電気ブリッジ回路を組む
こともできる。図８に２個の磁気センサ素子２１を用いた電気ブリッジ回路を示す。本電
気ブリッジ回路は磁気センサ素子２１を逆方向に並列接続した回路であり、接続点２４ａ
と２４ｂ間の出力電圧を、図７の接続点２４の出力電圧に比較して２倍にすることができ
る。

しかし、ＳＶＧＭＲ膜などから形成した感磁センサ素子２２と、銅などの金属導体膜か
ら形成した固定抵抗素子２３を接続して磁気センサ素子２１を形成した場合、磁気センサ
の使用環境温度が変化すると、素子抵抗の温度特性の違いから電気ブリッジ回路の中点電
位がシフトして、磁気センサの変位検出精度が悪くなる可能性がある。例えば、銅抵抗の
電気抵抗温度係数が４．３×１０^−３（ｄｅｇ．^−１）であるのに対して、ＳＶＧＭＲ膜
抵抗の電気抵抗温度係数は１．０〜１．３×１０^−３（ｄｅｇ．^−１）と小さく、使用環
境温度の変化により電気ブリッジ回路の中点電位のシフトは避けられない。金属導体膜と
して一般的なアルミニウムや金、銀を固定抵抗素子に用いた場合でも、素子抵抗の電気抵
抗温度係数は４．０〜４．２×１０^−３（ｄｅｇ．^−１）であり、ＳＶＧＭＲ膜との間に
電気抵抗温度係数の差が生じるので、使用環境温度の変化による電気ブリッジ回路の中点
電位のシフトは避けられない。

ＳＶＧＭＲ膜と電気抵抗温度係数の近い金属には、アルミニウムとマンガンを含んだニ
ッケル合金のアルメル、銅と亜鉛の合金の黄銅、白金とロジウムの合金などがある。しか
し、これら金属の電気抵抗温度係数は１．２〜１．４×１０^−３（ｄｅｇ．^−１）とＳＶ
ＧＭＲ膜と非常に近くはあるが全く同じではない。またこれら金属は、ＳＶＧＭＲ膜と比
抵抗が大きく異なるため、素子の形状や膜厚を変えて抵抗値を合わせ込む作業が非常に困
難である。

本願発明者はこの問題を解決するために、特許文献２においてＳＶＧＭＲ膜の自由層と
非磁性中間層の積層順を入れ替えて、ＧＭＲ効果の発現を抑えたものを固定抵抗素子にす
る方法を発明した。しかしこの方法では、自由層と固定層が一体となることでＳＶＧＭＲ
膜トータルの磁化量が増加し、ＡＭＲ効果による抵抗変化が大きくなるという磁気センサ
の特性上好ましくない副作用があることがわかった。

特開２００７−２６３６５４

また本願発明者は、特許文献３においてＳＶＧＭＲ膜の成膜面のＲａを大きくしてＧＭ
Ｒ効果の発現を抑える方法や、ＳＶＧＭＲ膜の一部を加熱してＧＭＲ効果の発現を抑える
方法を発明した。しかしどちらの方法でもＧＭＲ効果を抑えるための追加工程が必要にな
り、製造コストが上がってしまう可能性は否定できない。

特開２００８−１５１５２８

上記問題を鑑み、本願発明の目的は、使用環境温度が変化しても磁気センサの中点電位
がシフトしにくく、使用環境温度に対して変位検出精度の変化が小さい磁気エンコーダを
提供することにある。

本願発明の磁気エンコーダは、磁気媒体と、磁気媒体に対して所定の間隔で対向して相
対的に移動する磁気センサとからなる磁気エンコーダであって、磁気センサの電気ブリッ
ジ回路は前記磁気媒体からの漏洩磁界に対して異なる磁気抵抗変化を示して電気抵抗温度
係数が等しいＳＶＧＭＲ素子から形成されていることが好ましい。

本願発明の磁気エンコーダは、磁気シートや磁気ドラムからなる磁気媒体と、磁気媒体
に対して所定の間隔で対向して相対的に移動する磁気センサとで構成される。磁気センサ
は、前記磁気媒体からの漏洩磁界を検出して電気信号として出力する電気ブリッジ回路を
備えるが、電気ブリッジ回路を形成する素子はＳＶＧＭＲ素子からなることが好ましい。
電気ブリッジ回路を形成する素子をＳＶＧＭＲ素子にすることで、結合型ＧＭＲ素子と比
較して電気抵抗を大きくすることが可能であり、低消費電力の磁気センサにすることがで
きる。また、ＳＶＧＭＲ素子の動作磁界強度領域は結合型ＧＭＲの動作磁界強度領域より
小さいので、磁気媒体からの漏洩磁界は小さくてすみ、エンコーダを小型化することもで
きる。

電気ブリッジ回路を形成する素子は、全てＳＶＧＭＲ素子からなることが好ましい。従
来は銅などの金属導体膜で形成された固定抵抗素子を電気ブリッジ回路に用いていたが、
感磁センサ素子と固定抵抗素子との温度特性の違いから使用環境温度の変化で電気ブリッ
ジ回路の中点電位がシフトし、磁気センサの変位検出精度が悪くなる問題があった。固定
抵抗素子に相当する素子もＳＶＧＭＲ素子にすることで、素子間の温度特性差は小さくな
り、環境温度の変化があっても中点電位がシフトせず、変位検出精度の良い磁気センサに
することができる。

電気ブリッジ回路を形成するＳＶＧＭＲ素子は、電気抵抗温度係数が等しいことが好ま
しい。電気ブリッジ回路を形成するＳＶＧＭＲ素子の電気抵抗の温度係数に差があると、
環境温度の変化があったときに電気ブリッジ回路の中点電位がシフトし、磁気エンコーダ
の変位検出精度が悪くなるので好ましくない。電気ブリッジ回路を形成する全てのＳＶＧ
ＭＲ素子を全く同じ温度係数にするのが理想的で好ましいものであるが、実際はプロセス
上の要因で全てのＳＶＧＭＲ素子を全く同じ温度係数にするのは物理的に不可能である。
ただし、環境温度の変化に対して厳しい特性が要求される車載用の磁気センサの場合でも
、常温と高温における電気ブリッジ回路からの出力差が、感磁センサ素子の抵抗変化の１
％以内であれば許容されると考えられるので、電気抵抗温度係数の平均に対して１％の範
囲内に全てのＳＶＧＭＲ素子の電気抵抗温度係数が収まれば、環境温度の変化があっても
中点電位の変化が少なく、精度の良い磁気センサにすることが可能になる。したがって本
願発明では、電気ブリッジ回路を形成するＳＶＧＭＲ素子の電気抵抗温度係数が、電気抵
抗温度係数の１％の範囲に収まっていれば、ＳＶＧＭＲ素子の電気抵抗温度係数は等しい
と考えるものである。

本願発明の磁気エンコーダにおける磁気センサは、電気ブリッジ回路を形成するＳＶＧ
ＭＲ素子が、前記磁気媒体からの漏洩磁界に対して磁気抵抗変化をする感磁センサ素子と
、前記磁気媒体からの漏洩磁界に対して磁気抵抗変化をしない固定抵抗素子とからなるこ
とが好ましい。

電気ブリッジ回路を形成するＳＶＧＭＲ素子の一部は、磁気媒体からの漏洩磁界に対し
て磁気抵抗変化をしない固定抵抗素子として振舞うのが好ましい。電気ブリッジ回路を形
成するＳＶＧＭＲ素子を、磁気媒体からの漏洩磁界に対して磁気抵抗変化をする感磁セン
サ素子と、磁気抵抗変化をしない固定抵抗素子とすることで、電気ブリッジ回路からの出
力電圧を高めることができ、回路設計が容易になるので好ましいものである。固定抵抗素
子の磁気媒体からの漏洩磁界に対する磁気抵抗変化は限りなくゼロに近いことが好ましい
が、測定機器の検出限界を考えると完全にゼロであるか判断をするのは難しい。本願発明
では測定機器の検出限界を考えて、磁気媒体からの漏洩磁界に対する固定抵抗素子の磁気
抵抗変化が０．２％未満であれば固定抵抗素子の磁気抵抗変化をしないと考えるものであ
る。また、通常ＳＶＧＭＲ素子の磁気抵抗変化率は１０％以上であり、固定抵抗素子の磁
気抵抗変化が０．２％未満であれば、感磁センサ素子との磁気抵抗変化率比は５０倍以上
になるので出力電圧に与える影響も小さい。

本願発明の磁気エンコーダにおける磁気センサは、前記ＳＶＧＭＲ素子が積層薄膜から
なるＳＶＧＭＲ膜からなり、前記磁気媒体からの漏洩磁界に対する感磁センサ素子の層間
結合磁界（Ｈｉｎｔ）と異方性磁界（Ｈｋ）とを加えた磁界が、前記磁気媒体からの漏洩
磁界に対する固定抵抗素子のＨｉｎｔからＨｋを減じた磁界よりも小さいことが好ましい
。

外部磁界強度ＨｆとＳＶＧＭＲ素子の磁気抵抗変化との間には、
（１）Ｈｆ≦（Ｈｉｎｔ−Ｈｋ）の磁界範囲：
・・・ＳＶＧＭＲ素子の磁気抵抗変化は外部磁界強度によらずほぼゼロ
（２）（Ｈｉｎｔ−Ｈｋ）≦Ｈｆ≦（Ｈｉｎｔ＋Ｈｋ）の磁界範囲：
・・・ＳＶＧＭＲ素子の電気抵抗は外部磁界強度に応じて変化する
（３）（Ｈｉｎｔ＋Ｈｋ）≦Ｈｆの磁界範囲：
・・・ＳＶＧＭＲ素子の磁気抵抗変化量は外部磁界によらずほぼ一定
の関係がある。本願発明の磁気エンコーダに用いる磁気センサでは、固定抵抗素子ではＳ
ＶＧＭＲ素子と磁気媒体からの漏洩磁界との関係を（１）にし、感磁センサ素子ではＳＶ
ＧＭＲ素子と磁気媒体からの漏洩磁界強度の関係を（３）にするのが好ましい。すなわち
、感磁センサ素子の層間結合磁界に異方性磁界を加えた磁界（Ｈｉｎｔ＋Ｈｋ）より磁気
媒体からの漏洩磁界強度を小さくし、それよりさらに、固定抵抗素子の層間結合磁界から
異方性磁界を減じた磁界（Ｈｉｎｔ−Ｈｋ）を小さくするのが好ましい。以上の関係にす
ることで、感磁センサ素子および固定抵抗素子ともにＳＶＧＭＲ素子であるにもかかわら
ず、磁気媒体からの漏洩磁界に対して感磁センサ素子は磁気抵抗変化を示し、固定抵抗素
子は磁気抵抗変化を示さないようにすることができるものである。

本願発明における磁気センサは、電気ブリッジ回路を形成する感磁センサ素子と固定抵
抗素子が、同じ膜材料で同じ積層順のＳＶＧＭＲ膜からなることが好ましい。

感磁センサ素子と固定抵抗素子は、磁気媒体からの漏洩磁界に対する磁気抵抗変化は異
なるものの、電気抵抗率および電気抵抗温度特性は略等しくする必要がある。ＳＶＧＭＲ
膜から本願発明の感磁センサ素子および固定抵抗素子を形成する場合、全く膜構成の異な
るＳＶＧＭＲ膜から形成するよりも、同じ膜材料で同じ積層順であっても一部の膜厚が異
なるＳＶＧＭＲ膜から感磁センサ素子と固定抵抗素子を形成するほうが、電気抵抗率およ
び電気抵抗温度特性を略等しくしやすいので好ましいものである。

同じ膜材料で同じ積層順のＳＶＧＭＲ膜を用いて感磁センサ素子と固定抵抗素子を得る
方法としては、感磁センサ素子のＳＶＧＭＲ膜の構成膜厚を調整し、Ｈｉｎｔをシフトさ
せることで固定抵抗素子のＳＶＧＭＲ膜の膜構成とするのが好ましい。この方法を用いれ
ば、電気抵抗率および電気抵抗温度係数が略等しい感磁センサ素子と固定抵抗素子を得る
ことが可能になる。ＳＶＧＭＲ膜のＨｉｎｔを変える方法としては、固定層および自由層
の膜厚を調整することでも可能であるが、非磁性中間層の膜厚を調整するほうが膜厚の調
整量に対するＨｉｎｔのシフト量が大きく、電気抵抗率および電気抵抗温度特性が略等し
い感磁センサ素子と固定抵抗素子を得ることができるので好ましいものである。

本願発明の磁気エンコーダにおける磁気センサは、電気ブリッジ回路を形成する感磁セ
ンサ素子と比較抵抗素子が短冊状のＳＶＧＭＲ膜からなり、磁気媒体からの漏洩磁界の方
向と、短冊の長手方向と、ＳＶＧＭＲ膜の固定層の磁化方向とのなす角度の組合せを変え
ることで、感磁センサ素子と固定抵抗素子が形成されていることが好ましい。

磁気センサの消費電力を小さくするためには電気ブリッジ回路を形成するＳＶＧＭＲ素
子の抵抗は高いほうが好ましく、ＳＶＧＭＲ膜からなるＳＶＧＭＲ素子は短冊状にパター
ニングされているのが好ましい。磁気媒体からの漏洩磁界に対するＳＶＧＭＲ素子の磁気
抵抗変化量を変えるためには、漏洩磁界の方向と、短冊の長手方向と、素子を形成するＳ
ＶＧＭＲ膜の固定層の磁化方向とのなす角度の組合せを変えればよい。

ＳＶＧＭＲ膜の磁気抵抗変化量は、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向のなす角度に
より変化する。固定層の磁化方向と自由層の磁化方向が平行のとき、ＳＶＧＭＲ膜の電気
抵抗は最小値を示し、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向が反平行のとき、ＳＶＧＭＲ
膜の電気抵抗は最大値を示し、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向のなす角度が９０度
のとき、ＳＶＧＭＲ膜の電気抵抗は、平行／反平行のときの中間値を示す。

また、磁気媒体からの漏洩磁界の方向とＳＶＧＭＲ素子の短冊長手方向、ＳＶＧＭＲ膜
の固定層の磁化方向、ＳＶＧＭＲ素子の磁気抵抗変化量の間には以下のような関係がある
。

（１）磁気媒体からの漏洩磁界の方向とＳＶＧＭＲ膜の固定層の磁化方向とが平行でＳ
ＶＧＭＲ素子の短冊長手方向とのなす角度が９０度の場合、自由層の磁化は固定層の磁化
方向に対して平行から反平行方向まで回転するので、ＳＶＧＭＲ素子は最大の磁気抵抗変
化を示すことができる。
（２）磁気媒体からの漏洩磁界の方向とＳＶＧＭＲ素子の短冊長手方向とが平行でＳＶ
ＧＭＲ膜の固定層の磁化方向とのなす角度が９０度の場合、自由層の磁化は固定層の磁化
方向に対して±９０度の範囲で回転するので、ＳＶＧＭＲ素子は（１）の半分の磁気抵抗
変化を示す。
（３）ＳＶＧＭＲ素子の短冊長手方向とＳＶＧＭＲ膜の固定層の磁化方向とが平行で一
致して磁気媒体からの漏洩磁界の方向とのなす角度が９０度の場合、自由層の磁化はＳＶ
ＧＭＲ素子の形状磁気異方性の影響を受け、固定層の磁化方向に対して±９０度の範囲で
回転するので、ＳＶＧＭＲ素子は（２）と同じく（１）の半分の磁気抵抗変化を示す。
（４）磁気媒体からの漏洩磁界の方向とＳＶＧＭＲ膜の固定層の磁化方向、ＳＶＧＭＲ
膜の短冊長手方向の全てが平行な場合、磁気媒体からの漏洩磁界がＳＶＧＭＲ素子のＨｉ
ｎｔとＨｋの和より大きくなったとき、自由層の磁化は回転して（１）と同じ最大の磁気
抵抗変化を示すはずである。しかし、実際には最大の磁気抵抗変化を示すのはほんの瞬間
で、自由層の磁化はすぐに固定層の磁化方向と平行な状態に安定してしまい、最大の磁気
抵抗変化を観察することはできない。したがって、ＳＶＧＭＲ素子は見かけ上磁気抵抗変
化を示さないことになる。

以上の関係をもとに、磁気媒体からの漏洩磁界の方向と、短冊の長手方向と、ＳＶＧＭ
Ｒ膜の固定層の磁化方向とのなす角度の組合せを変えることで、同じＳＶＧＭＲ膜から磁
気媒体からの漏洩磁界に対して磁気抵抗変化が異なる感磁センサ素子と固定抵抗素子を形
成することが可能になり、感磁センサ素子と固定抵抗素子の電気抵抗温度係数が等しい磁
気センサと磁気エンコーダとすることが可能になる。

使用環境温度が変化しても磁気センサの中点電位がシフトしにくく、使用環境温度に対
して変位検出精度の変化が小さい磁気エンコーダを提供することができた。

以下、本願発明を、図面を参照しながら実施例に基づいて詳細に説明する。説明をわか
りやすくするため、同一の部品、部位には同じ符号を用いている。

（実施例１）
図１に、本実施例の磁気エンコーダを構成する磁気センサに用いた反強磁性層下置積層
フェリ固定層タイプ（ボトム積層フェリ固定層タイプ）のＳＶＧＭＲ膜を示す。図１ａ）
は実施例に用いたＳＶＧＭＲ膜の膜構成図である。本実施例で用いたＳＶＧＭＲ膜は、ガ
ラス基板１１上に下地層１２、反強磁性層１３、固定層１４、非磁性中間層１５、自由層
１６、保護層１７の順でスパッタ成膜したボトム積層フェリ固定層タイプのＳＶＧＭＲ膜
である。磁気媒体からの漏洩磁界により自由層１６の磁化が回転し、固定層１４の磁化方
向となす相対角度によってＳＶＧＭＲ膜の電気抵抗が変化する。図１ｂ）は実施例のＳＶ
ＧＭＲ膜に用いた膜材質である。電気絶縁性を有するガラス基板１１側からＮｉＦｅＣｒ
（４ｎｍ）／ＭｎＰｔ（１２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．８ｎｍ）−Ｒｕ（０．９ｎｍ）−Ｃ
ｏＦｅ（２．０ｎｍ）／Ｃｕ（Ｘｎｍ）／ＣｏＦｅ（１ｎｍ）−ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／Ｔ
ａ（３ｎｍ）の順にスパッタ膜を堆積した。ＮｉＦｅＣｒが下地層１２、ＭｎＰｔが反強
磁性層１３、Ｒｕとこれを挟むＣｏＦｅが固定層１４、Ｃｕが非磁性中間層１５、保護層
側のＣｏＦｅとＮｉＦｅが自由層１６、Ｔａが保護層１７に対応している。本実施例では
、磁気媒体からの漏洩磁界に対して磁気抵抗変化が大きい感磁センサ素子であるＳＶＧＭ
Ｒ素子１と、磁気抵抗変化が小さい固定抵抗素子であるＳＶＧＭＲ素子２を得るために、
ＳＶＧＭＲ素子１を形成するＳＶＧＭＲ膜１のＣｕ膜厚を２．２ｎｍとし、ＳＶＧＭＲ素
子２を形成するＳＶＧＭＲ膜２のＣｕ膜厚を１．９ｎｍとした。

図２に、本実施例の磁気センサに用いたＳＶＧＭＲ膜のＭＲカーブを示す。ＳＶＧＭＲ
膜のＣｕ膜厚を変えることで、ＳＶＧＭＲ膜２のＳＶＧＭＲ膜はＳＶＧＭＲ膜１のＭＲカ
ーブに対して外部磁界の大きい側（図の右側）にシフトした。図より、ＳＶＧＭＲ膜１の
Ｈｉｎｔ１＋Ｈｋ１（ＳＶＧＭＲ膜１のＭＲカーブの飽和磁界に相当）は、ＳＶＧＭＲ膜
２のＨｉｎｔ２−Ｈｋ２（ＳＶＧＭＲ膜２のＭＲカーブの立ち上がり磁界に相当）より小
さく、Ｈｉｎｔ２−Ｈｋ２＞Ｈｉｎｔ１＋Ｈｋ１の関係になった。図２の磁界範囲Ｈｆに
おいて、ＳＶＧＭＲ膜１は漏洩磁界に対して磁気抵抗変化が大きいＳＶＧＭＲ膜であり、
ＳＶＧＭＲ膜２は漏洩磁界に対して磁気抵抗変化が小さいＳＶＧＭＲ膜となる。

図３に、本実施例の磁気センサに用いたＳＶＧＭＲ素子１およびＳＶＧＭＲ素子２の構
成を示す。磁界範囲Ｈｆにおいて磁気抵抗変化が大きいＳＶＧＭＲ膜１から感磁センサ素
子であるＳＶＧＭＲ素子１を形成し、磁界範囲Ｈｆにおいて磁気抵抗変化が小さいＳＶＧ
ＭＲ膜２から固定抵抗素子であるＳＶＧＭＲ素子２を形成した。ＳＶＧＭＲ素子１および
ＳＶＧＭＲ素子２はＳＶＧＭＲ膜１およびＳＶＧＭＲ膜２をフォトリソグラフィーの手法
で短冊状にパターニングしたものであり、ＳＶＧＭＲ膜１およびＳＶＧＭＲ膜２の固定層
の磁化方向と短冊長手方向とのなす角度を９０度にした。また、ＳＶＧＭＲ膜のパターニ
ングでは、ＳＶＧＭＲ素子１とＳＶＧＭＲ素子２の短冊長手方向は一致するようにした。

次に、図３に示したＳＶＧＭＲ素子を用いて磁気センサを作製した。図４に、本実施例
の磁気センサの電気ブリッジ回路を示す。感磁センサ素子であるＳＶＧＭＲ１素子と固定
抵抗素子であるＳＶＧＭＲ素子２を直列接続し、ＳＶＧＭＲ素子１の他端を電源電圧（Ｖ
ｃｃ）に接続し、ＳＶＧＭＲ素子２の他端を接地（ＧＮＤ）し、ＳＶＧＭＲ素子１とＳＶ
ＧＭＲ素子２の接続点から中点電圧を取り磁気センサの出力電圧とした。ＳＶＧＭＲ素子
の結線には、フォトリソグラフィーの手法でパターニングしたアルミニウム配線を用いた
。

図４の電気ブリッジ回路に対して、図中矢印の方向に図２に示したＨｆの強度で磁界を
印加して磁気抵抗変化を調べたところ、ＳＶＧＭＲ素子１が１２．８％の磁気抵抗変化を
示したのに対し、ＳＶＧＭＲ素子２の磁気抵抗変化は測定機器の測定限界である０．２％
未満であった。この結果から、磁気センサの電気ブリッジ回路において、ＳＶＧＭＲ素子
１が感磁センサ素子として動作し、ＳＶＧＭＲ素子２が固定抵抗素子として動作している
ことが確認できた。また、ＳＶＧＭＲ素子１とＳＶＧＭＲ素子２の常温と７５℃間の電気
抵抗から温度係数を算出したところ、両素子の温度係数は略等しく、温度係数の差は０．
６８×１０^−４（ｄｅｇ．^−１）であった。

図４の電気ブリッジ回路が形成されたウェファーをダイアモンド砥石で個片化した後、
フレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）を取付けて磁気センサとし、磁気媒体である磁気ド
ラムを組み合せて、図８のような磁気エンコーダを作製した。図８ではＦＰＣは省略され
ている。磁気ドラムはＳＵＳからなるドラム軸体表面にフェライト材料を塗布したもので
あり、磁気ドラム表面は予め周方向にＮＳの多極着時が施されている。磁気センサは磁気
ドラム面に所定のギャップ間隔をもって対向させ、磁気センサのブリッジ回路が磁気ドラ
ム表面からの漏洩磁界を検出して電気信号を出力するようにした。なお磁気センサと磁気
ドラムの組立てでは、ＳＶＧＭＲ素子１およびＳＶＧＭＲ素子２の短冊長手方向と磁気ド
ラム表面からの漏洩磁界の方向を９０度の位置関係とし、磁気センサのＳＶＧＭＲ素子が
感磁する磁気ドラム表面からの漏洩磁界が図２のＨｆの磁界強度範囲になるよう磁気セン
サ表面と磁気ドラム表面とのギャップ間隔を調整した。

作製した磁気エンコーダの磁気センサに、電源電圧として５Ｖを印加した状態で磁気ド
ラムを回転させたところ、磁気センサからは正弦波状の出力が得られ、磁気エンコーダと
して正常に駆動していることが確認できた。また、磁気エンコーダを恒温槽に入れて温度
変化させ、−４０℃〜７５℃の温度範囲で出力電圧の変化を測定したところ、出力電圧の
変化量、すなわち中点電位のシフト量は１ｍＶ〜５ｍＶであり、変位測定精度は常温の値
と殆ど変わらなかった。比較例として、固定抵抗素子であるＳＶＧＭＲ素子２を黄銅の固
定抵抗素子にした磁気エンコーダを作成して評価したところ、出力電圧の変化は２０ｍＶ
〜１００ｍＶと本実施例の約２０倍の大きさとなり、高温および低温条件の変位測定精度
は本実施例の磁気エンコーダより劣る結果となった。この結果から、本実施例の磁気エン
コーダの構成にすることで、使用環境温度が変化しても磁気センサの中点電位がシフトし
にくく、使用環境温度に対して変位検出精度の変化が小さい磁気エンコーダを得られるこ
とが確認できた。

（実施例２）
本願発明の他の実施例として、図５に示すＳＶＧＭＲ素子１とＳＶＧＭＲ素子２の構成
である磁気エンコーダの例を示す。ＳＶＧＭＲ素子１とＳＶＧＭＲ素子２は、実施例１の
ＳＶＧＭＲ膜１と同じ構成のＳＶＧＭＲ膜をフォトリソグラフィーの手法で短冊状にパタ
ーニングしたものであり、ＳＶＧＭＲ素子１は固定層の磁化方向と短冊長手方向とのなす
角度を９０度にし、ＳＶＧＭＲ素子２は固定層の磁化方向と短冊長手方向とを一致させた
。また、ＳＶＧＭＲ膜のパターニングでは、ＳＶＧＭＲ素子１とＳＶＧＭＲ素子２の短冊
長手方向を一致させた。

次に、図５に示したＳＶＧＭＲ素子を用いて磁気センサを作製した。図６に、本実施例
の磁気センサの電気ブリッジ回路を示す。本実施例では、感磁センサ素子であるＳＶＧＭ
Ｒ１素子と固定抵抗素子であるＳＶＧＭＲ素子２の直列接続を逆方向に並列接続した電気
ブリッジ回路を形成した。ＳＶＧＭＲ素子の結線には、フォトリソグラフィーの手法でパ
ターニングしたアルミニウム配線を用いた。

図５の電気ブリッジ回路に対して、図中矢印の方向に実施例１と同じＨｆの強度で磁界
を印加して磁気抵抗変化を調べたところ、ＳＶＧＭＲ素子１が１２．８％の磁気抵抗変化
を示したのに対し、ＳＶＧＭＲ素子２の磁気抵抗変化は測定機器の測定限界である０．２
％未満であった。この結果から、磁気センサの電気ブリッジ回路において、ＳＶＧＭＲ素
子１が感磁センサ素子として動作し、ＳＶＧＭＲ素子２が固定抵抗素子として動作してい
ることが確認できた。また、ＳＶＧＭＲ素子１とＳＶＧＭＲ素子２の常温と７５℃間の電
気抵抗から温度係数を算出したところ、両素子の温度係数差は０．２５×１０^−４（ｄｅ
ｇ．^−１）であった。

図５に示した電気ブリッジ回路が形成されたウェファーをダイアモンド砥石で個片化し
た後、フレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）を取付けて磁気センサとし、実施例１と同じ
磁気ドラムとを組み合せることで磁気エンコーダを作製した。なお磁気センサと磁気ドラ
ムの組立てでは、ＳＶＧＭＲ素子１の短冊長手方向と磁気ドラム表面からの漏洩磁界の方
向のなす角度を９０度とした。

作製した磁気エンコーダの磁気センサに、電源電圧として５Ｖを印加した状態で磁気ド
ラムを回転させたところ、磁気センサからは正弦波状の出力が得られ、磁気エンコーダと
して正常に駆動していることが確認できた。また、磁気エンコーダを恒温槽に入れて温度
を上げ、−４０℃〜７５℃の温度範囲で出力電圧の変化を測定したところ、出力電圧の変
化量、すなわち中点電位のシフト量は２ｍＶ〜１０ｍＶであり、変位測定精度は常温の値
と殆ど変わらなかった。比較例として、固定抵抗素子であるＳＶＧＭＲ素子２を黄銅の固
定抵抗素子にした磁気エンコーダを作成して評価したところ、出力電圧の変化は４０ｍＶ
〜２００ｍＶと本実施例の約２０倍の大きさとなり、高温および低温条件の変位測定精度
は本実施例の磁気エンコーダより劣る結果となった。この結果から、本実施例の磁気エン
コーダの構成にすることで、使用環境温度が変化しても磁気センサの中点電位がシフトし
にくく、使用環境温度に対して変位検出精度の変化が小さい磁気エンコーダを得られるこ
とが確認できた。

本願発明の実施例１におけるＳＶＧＭＲ膜の膜構成と膜材質を説明する図である。 本願発明の実施例１におけるＳＶＧＭＲ膜の磁気特性を説明する図である。 本願発明の実施例１におけるＳＶＧＭＲ素子の構成を説明する図である。 本願発明の実施例１における電気ブリッジ回路を説明する図である。 本願発明の実施例２におけるＳＶＧＭＲ素子の構成を説明する図である。 本願発明の実施例２における電気ブリッジ回路を説明する図である。 磁気センサと磁気媒体、磁気エンコーダを説明する図である。 ブリッジを組んだ磁気センサ素子を説明する図である。

符号の説明

１１ 基板、
１２ 下地層、
１３ 反強磁性層、
１４ 固定層、
１５ 非磁性中間層、
１６ 自由層、
１７ 保護層、
２１ 磁気センサ素子、
２２ 感磁センサ素子、
２３ 固定抵抗素子、
２４，２４ａ，２４ｂ 接続点、
３１ 磁気センサ、
３２ 磁気媒体。

Claims (5)

1. 磁気媒体と、磁気媒体に対して所定の間隔で対向して相対的に移動する磁気センサとか
   らなる磁気エンコーダであって、磁気センサの電気ブリッジ回路は前記磁気媒体からの漏
   洩磁界に対して異なる磁気抵抗変化を示して電気抵抗温度係数が等しいスピンバルブ型巨
   大磁気抵抗効果素子から形成されていることを特徴とする磁気エンコーダ。
2. 請求項１の磁気センサにおいて、電気ブリッジ回路を形成するスピンバルブ型巨大磁気
   抵抗効果素子が、前記磁気媒体からの漏洩磁界に対して磁気抵抗変化をする感磁センサ素
   子と、前記磁気媒体からの漏洩磁界に対して磁気抵抗変化をしない固定抵抗素子とからな
   ることを特徴とする磁気エンコーダ。
3. 請求項２の磁気センサにおいて、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子は積層薄膜
   からなるスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜からなり、前記磁気媒体からの漏洩磁界に対
   する感磁センサ素子の層間結合磁界（Ｈｉｎｔ）と異方性磁界（Ｈｋ）とを加えた磁界が
   、前記磁気媒体からの漏洩磁界に対する固定抵抗素子のＨｉｎｔからＨｋを減じた磁界よ
   りも小さいことを特徴とする磁気エンコーダ。
4. 請求項３の磁気センサにおいて、電気ブリッジ回路を形成する感磁センサ素子と固定抵
   抗素子が、同じ膜材料で同じ積層順のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜からなることを
   特徴とする磁気エンコーダ。
5. 請求項３の磁気センサにおいて、電気ブリッジ回路を形成する感磁センサ素子と固定抵
   抗素子は短冊状にパターニングされたスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜からなり、磁気
   媒体からの漏洩磁界の方向と、短冊の長手方向と、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜の
   固定層の磁化方向とのなす角度の組合せを変えることで、感磁センサ素子と比較抵抗素子
   が形成されていることを特徴とする磁気エンコーダ。

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