JP2010286238A - 磁気検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 特に、出力波形の安定化を図ることができるともに、略三角波の出力波形を得ることが可能な磁気検出装置を提供することを目的としている。
【解決手段】 磁気抵抗効果素子24a〜24hを搭載した磁気センサ22は、磁石21の上面(着磁面)21aの上方に位置するとともに、前記上面(着磁面)21aの幅方向の中心CLから側縁部21a1方向にずらして配置されている。これにより、相対移動する各磁気抵抗効果素子に対して無磁場状態が形成されずに、回転磁場が作用するため、安定した出力を得ることが可能になる。また、出力値をさほど低下させることなく略三角波の出力波形を得ることが可能である。さらに前記磁気抵抗効果素子を構成する固定磁性層の磁化方向を全て同一方向に固定している。よって、各磁気抵抗効果素子を同じ製造工程で製造できる等、磁気センサの製造を容易化することが可能である。
【選択図】図2
【解決手段】 磁気抵抗効果素子24a〜24hを搭載した磁気センサ22は、磁石21の上面(着磁面)21aの上方に位置するとともに、前記上面(着磁面)21aの幅方向の中心CLから側縁部21a1方向にずらして配置されている。これにより、相対移動する各磁気抵抗効果素子に対して無磁場状態が形成されずに、回転磁場が作用するため、安定した出力を得ることが可能になる。また、出力値をさほど低下させることなく略三角波の出力波形を得ることが可能である。さらに前記磁気抵抗効果素子を構成する固定磁性層の磁化方向を全て同一方向に固定している。よって、各磁気抵抗効果素子を同じ製造工程で製造できる等、磁気センサの製造を容易化することが可能である。
【選択図】図2
Description
本発明は、特に、出力波形の安定化を図ることができるともに、略三角波の出力波形を得ることが可能な磁気検出装置に関する。
巨大磁気抵抗効果(GMR効果)を利用した磁気抵抗効果素子(GMR素子)は、磁気エンコーダに使用できる。
図13は、従来における磁気エンコーダの部分断面図である。図13に示す磁石1は、例えばリング状の磁石であり、前記磁石1の上面あるいは下面は、磁気センサ2の相対移動方向に向けてN極とS極とが交互に配列された着磁面となっており、このような磁石1はアキシャル磁石と呼ばれる。ちなみに、前記磁石1の側面にN極とS極とが着磁されたタイプは、ラジアル磁石と呼ばれる。
図13に示すように、前記磁気センサ2は、基板3と前記基板3の表面に形成された磁気抵抗効果素子4,5とを有して構成される。
前記磁気抵抗効果素子4,5は直列接続されている。前記磁石1のN極とS極間の中心幅(ピッチ)は、λ(図14を参照)である。また直列接続された前記磁気抵抗効果素子4,5の中心間の間隔もλとなっている。前記磁気抵抗効果素子4,5は共に同じ積層体6で構成される。前記積層体6は下から反強磁性層7、固定磁性層8、非磁性材料層9、フリー磁性層10及び保護層11の順で積層される。
図13に示すように、前記固定磁性層8は、前記反強磁性層7との間で生じる交換結合磁界(Hex)により例えば、図示X1方向に磁化固定されている。図13には前記固定磁性層8の磁化方向が「PIN」と表示されている。
一方、前記フリー磁性層10の磁化は固定されず、前記磁石1から作用する外部磁界Hの方向に向けられる。
前記磁気抵抗効果素子4,5は、下記の特許文献1にも示すように、磁石1の着磁面の幅方向(図示Y方向)の中心位置(あるいはそれよりも若干シフトした位置)に配置されている。図13に示すように、前記磁気抵抗効果素子4,5が、夫々、磁石1のN極とS極との境界部の真下に位置すると、前記磁気抵抗効果素子4には、前記磁石1から図示X2方向に向う外部磁界H1(水平磁場成分)が支配的に流入し、前記磁気抵抗効果素子5には、前記磁石1から図示X1方向に向う外部磁界H2(水平磁場成分)が支配的に流入する。
特開2003−106866号公報
特開2006−23179号公報
特開2006−208025号公報
図13及び図14に示す従来構造では、図14に示すように、磁気抵抗効果素子4,5の真上に磁石1の各磁極中心が位置したとき、前記磁気抵抗効果素子4,5にはフリー磁性層10と非磁性材料層9との間の界面(X−Y面)と平行な面に対して垂直方向(図示Z1方向、あるいは図示Z2方向)から外部磁界H3,H4(垂直磁場成分)が作用する。
前記磁気抵抗効果素子4,5のフリー磁性層10は前記外部磁界H3,H4(垂直磁場成分)に対して磁化変動しない。すなわち前記磁気抵抗効果素子4,5に外部磁界Hが作用しない無磁場状態、あるいは、極めてそれに近い状態(非常に弱い水平磁場成分が作用する状態)が存在する。
かかる場合、前記フリー磁性層10の磁化方向が一方向に定まりにくくなり、また磁石1からの外部磁界H以外の外乱磁界が作用したときに、前記フリー磁性層10の磁化方向が変動しやく、磁気抵抗効果素子4,5の電気抵抗値は不安定となり、その結果、出力波形が乱れ、検出精度が低下するといった問題があった。
また図13,図14に示す従来構成の磁気エンコーダでは、前記磁気センサ2と磁石1間の距離を縮めれば、得られる出力波形は略矩形状となり、前記磁気センサ2と磁石1間の距離を広げれば、略三角波の出力波形を得えることができた。
しかしながら上記のように略三角波の出力波形を得るべく、前記磁気センサ2と磁石1間の距離を広げると、各磁気抵抗効果素子4,5に流入する前記磁石1からの外部磁界Hは更に弱まってしまい、益々、外乱磁界等に対して出力が不安定化するといった問題があった。
上記に挙げた各特許文献には上記した従来課題の認識はなく、当然、その解決手段も示されていない。
また特許文献1や特許文献2に記載された発明では、磁気センサに搭載される複数の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向は全て同じでなく少なくとも一部が異なっている。このため、固定磁性層の磁化方向が異なる磁気抵抗効果素子を別々の製造工程で形成したり、あるいは前記磁気抵抗効果素子を基板上に搭載するときに、固定磁性層の磁化方向が異なる方向となるように磁気抵抗効果素子の向きを規制する等、磁気センサ2の製造が煩雑化した。
また特許文献3には、磁気抵抗効果素子として巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)を使用してもよい旨記載されているが、固定磁性層の磁化方向や、GMR素子と磁石との位置関係等が定かでない。
そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、出力波形の安定化を図ることができるともに、略三角波の出力波形を得ることが可能な磁気検出装置を提供することを目的としている。
本発明の磁気検出装置は、上面あるいは下面に、相対移動方向に交互にN極とS極が着磁された着磁面を有する磁界発生部材と、前記着磁面から高さ方向に離れた位置に、共通の基板表面に外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した複数個の磁気抵抗効果素子を有する磁気センサと、を備えてなり、
直列接続される一対の前記磁気抵抗効果素子は、前記相対移動方向に、あるいは、相対回転するときには、前記磁気センサの中心を相対回転方向上の接点としたときの接線方向に、所定の中心間距離を空けて配置されており、
各磁気抵抗効果素子は、磁化が一方向に固定された固定磁性層と、前記外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層とが、非磁性材料層を介して積層された積層部分を有し、前記フリー磁性層と前記非磁性材料層との間の界面は、前記着磁面と平行な面方向を向いているとともに、各磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化は全て同一方向に固定されており、
前記磁気センサは、各磁気抵抗効果素子に対し相対移動に伴って回転磁場が作用するように、前記着磁面の前記相対移動方向に対して直交する幅方向の中心から前記着磁面の側縁部方向にずらして配置されていることを特徴とするものである。
直列接続される一対の前記磁気抵抗効果素子は、前記相対移動方向に、あるいは、相対回転するときには、前記磁気センサの中心を相対回転方向上の接点としたときの接線方向に、所定の中心間距離を空けて配置されており、
各磁気抵抗効果素子は、磁化が一方向に固定された固定磁性層と、前記外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層とが、非磁性材料層を介して積層された積層部分を有し、前記フリー磁性層と前記非磁性材料層との間の界面は、前記着磁面と平行な面方向を向いているとともに、各磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化は全て同一方向に固定されており、
前記磁気センサは、各磁気抵抗効果素子に対し相対移動に伴って回転磁場が作用するように、前記着磁面の前記相対移動方向に対して直交する幅方向の中心から前記着磁面の側縁部方向にずらして配置されていることを特徴とするものである。
上記のように本発明では、前記磁気センサが前記磁界発生部材の着磁面の中心から側縁部方向にずらした位置に配置されており、これにより、相対移動する各磁気抵抗効果素子に対して無磁場状態が形成されずに、回転磁場が作用するため、安定した出力を得ることが可能になる。
また本発明では、各磁気抵抗効果素子に対して相対移動に伴って回転磁場が作用することで、出力値をさほど低下させることなく略三角波の出力波形を得ることが可能である。
さらに本発明では、共通の基板表面に複数の磁気抵抗効果素子を搭載するとともに、前記磁気抵抗効果素子を構成する固定磁性層の磁化方向を全て同一方向に固定している。よって、各磁気抵抗効果素子を同じ製造工程で製造できる等、磁気センサの製造を容易化することが可能である。
本発明では、磁気抵抗効果素子にGMR素子あるいはTMR素子を使用するため、AMR素子に比べてより安定した出力を得ることが出来る。
本発明では、前記磁気センサを構成する全ての磁気抵抗効果素子が、前記着磁面の側縁部よりも外方に位置するように前記磁気センサが配置されていることが、効果的に、各磁気抵抗効果素子に対して相対移動に伴い回転磁場を作用させることができ好適である。
また本発明では、前記固定磁性層の磁化は、前記相対移動方向と平行な方向、あるいは、前記接線方向と平行な方向に固定されていることが好ましい。
また本発明では、第1の磁気抵抗効果素子、第2の磁気抵抗効果素子、第3の磁気抵抗効果素子及び第4の磁気抵抗効果素子が第1のブリッジ回路を構成し、前記第1の磁気抵抗効果素子と前記第2の磁気抵抗効果素子とが第1の出力取出し部を介して直列接続されるとともに、前記第3の磁気抵抗効果素子と前記第4の磁気抵抗効果素子とが第2の出力取出し部を介して直列接続されており、
前記第1の磁気抵抗効果素子と前記第3の磁気抵抗効果素子とが入力端子を介して接続され、前記第2の磁気抵抗効果素子と前記第4の磁気抵抗効果素子とがグランド端子を介して接続されており、
前記第1の出力取出し部と前記第2の出力取出し部とが差動増幅器を介して出力端子に接続されており、
前記第1の磁気抵抗効果素子と前記第2の磁気抵抗効果素子、及び第3の磁気抵抗効果素子及び第4の磁気抵抗効果素子が、夫々、前記相対移動方向に、あるいは、前記接線方向に、所定の中心間距離を空けて配置されているとともに、
前記第1の磁気抵抗効果素子と前記第4の磁気抵抗効果素子、及び第2の磁気抵抗効果素子と前記第3の磁気抵抗効果素子が、前記相対移動方向と直交する幅方向に並設されていることが好ましい。
前記第1の磁気抵抗効果素子と前記第3の磁気抵抗効果素子とが入力端子を介して接続され、前記第2の磁気抵抗効果素子と前記第4の磁気抵抗効果素子とがグランド端子を介して接続されており、
前記第1の出力取出し部と前記第2の出力取出し部とが差動増幅器を介して出力端子に接続されており、
前記第1の磁気抵抗効果素子と前記第2の磁気抵抗効果素子、及び第3の磁気抵抗効果素子及び第4の磁気抵抗効果素子が、夫々、前記相対移動方向に、あるいは、前記接線方向に、所定の中心間距離を空けて配置されているとともに、
前記第1の磁気抵抗効果素子と前記第4の磁気抵抗効果素子、及び第2の磁気抵抗効果素子と前記第3の磁気抵抗効果素子が、前記相対移動方向と直交する幅方向に並設されていることが好ましい。
これにより出力値を大きくできるとともに、より安定して略三角波の出力波形を得ることが可能である。
また本発明では、前記第1のブリッジ回路を構成する直列接続された各磁気抵抗効果素子間の中心間距離の半分だけ前記相対移動方向に、あるいは、前記接線方向にずれた位置に、前記第1のブリッジ回路を構成する4個の磁気抵抗効果素子と同一の接続構成である第2のブリッジ回路としての4個の磁気抵抗効果素子が配置されていることが好ましい。2つのブリッジ回路から位相の異なる再生波形を得ることができ、これにより、移動速度や移動距離のみならず、移動方向を知ることが可能となる。
また本発明では、前記N極と前記S極の中心間距離をλとしたとき、直列接続される一対の前記磁気抵抗効果素子は、前記相対移動方向に、あるいは、前記接線方向に、λの中心間距離を空けて配置されていることが好ましい。これにより出力値が高い略三角波の出力波形を得ることが可能である。
本発明の磁気検出装置によれば、出力波形の安定化を図ることができるともに、略三角波の出力波形を得ることが可能である。
図1は、本実施形態の磁気エンコーダ(磁気検出装置)の部分斜視図、図2は、図1の磁気エンコーダの部分平面図、図3は図2と異なる磁気エンコーダの部分平面図、図4ないし図7は、磁気センサを構成する各磁気抵抗効果素子の固定磁性層及びフリー磁性層の磁化方向と磁石との関係を説明するための磁気エンコーダの部分拡大平面図、図8は、磁気センサの回路図、である。
各図におけるX1−X2方向、Y1−Y2方向、及びZ1−Z2方向の各方向は残り2つの方向に対して直交した関係となっている。X1−X2方向は、磁石及び磁気センサの相対移動方向である。Z1−Z2方向は前記磁石と磁気センサとが所定の間隔を空けて対向する高さ方向である。
図1に示すように磁気エンコーダ20は、磁石21と磁気センサ22を有して構成される。
前記磁石21は図示X1−X2方向に延びる棒形状であり、その上面21aが図示X1−X2方向に所定幅にてN極とS極とが交互に着磁された着磁面である。前記N極とS極との中心間距離(ピッチ)はλである。前記磁石21の下面21bは、前記上面21aに対して異極に着磁されている。
前記磁気センサ22は、前記磁石21の上面21aの上方に所定の間隔を空けて配置されている。
図1に示すように前記磁気センサ22は、基板23と、共通の前記基板23の表面(磁石21との対向面)23aに設けられた複数の磁気抵抗効果素子24a〜24hとを有して構成される。
図1及び図2に示すように、8個の磁気抵抗効果素子24a〜24hは、X1−X2方向に4個ずつ、Y1−Y2方向に2個ずつマトリクス状に配列している。図1に示すようにX1−X2方向にて隣り合う各磁気抵抗効果素子の幅方向(図示X1−X2方向)の中心間の間隔はλ/2となっている。
各磁気抵抗効果素子24a〜24hは、図12で説明した磁気抵抗効果素子4,5と同じように、下から反強磁性層7、固定磁性層8、非磁性材料層9、フリー磁性層10及び保護層11の順で積層された積層体で形成される。ただし、前記積層体は一例であって、例えば逆積層された構成であってもよい。各磁気抵抗効果素子24a〜24hは、少なくとも固定磁性層8とフリー磁性層10が非磁性材料層9を介して積層された積層部分を備える。前記反強磁性層7と前記固定磁性層8との間には交換結合磁界(Hex)が生じて前記固定磁性層8の磁化は一方向に固定されている。図4に示すように全ての磁気抵抗効果素子24a〜24hの固定磁性層の磁化方向(PIN方向)は、例えば、図示X1方向(相対移動方向)に固定されている。
一方、各磁気抵抗効果素子24a〜24hのフリー磁性層の磁化方向は固定されておらず外部磁界Hによって磁化変動する。
この実施形態では、各磁気抵抗効果素子24a〜24hを構成するフリー磁性層と非磁性材料層との間の界面は、前記磁石21の上面(着磁面)21aと平行な面方向(X−Y面方向)を向いている。
磁気抵抗効果素子が巨大磁気抵抗効果(GMR効果)を利用したGMR素子の場合、固定磁性層8は第1固定磁性層と第2固定磁性層が非磁性中間層を介して積層された積層フェリ構造を有しており、反強磁性層7はその結晶配向性を向上させるため、下地層の上に積層される構造がより好ましい。例えば前記反強磁性層7はIrMnで形成され、下地層はシード層として機能するNiFeCrで形成され、前記第1固定磁性層および第2固定磁性層はCoFeで、非磁性中間層はRuで形成され、前記非磁性層9はCuで形成され、前記フリー磁性層10はCoFeとNiFeの積層で形成され、前記保護層11はTaで形成される。また前記非磁性層9がAl2O3、MgO等の極薄の絶縁材料で形成されるとき、前記磁気抵抗効果素子はトンネル型磁気抵抗効果素子(TMR素子)として構成される。磁気抵抗効果素子がTMR素子の場合は、電流を積層膜に対して垂直方向に流すように電極を形成する必要があるが、磁気抵抗効果素子としては巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)と基本的に同じである。
図2に示す各磁気抵抗効果素子24a〜24hは、細長い長方形状であるが、磁気抵抗効果素子がGMR素子である場合はミアンダ形状で形成されるほうが望ましい。
次に以下では、磁気抵抗効果素子24aを第1の磁気抵抗効果素子24a、磁気抵抗効果素子24bを第5の磁気抵抗効果素子24b、磁気抵抗効果素子24cを第2の磁気抵抗効果素子24c、磁気抵抗効果素子24dを第6の磁気抵抗効果素子24d、磁気抵抗効果素子24eを第4の磁気抵抗効果素子24e、磁気抵抗効果素子24fを第8の磁気抵抗効果素子24f、磁気抵抗効果素子24gを第3の磁気抵抗効果素子24g、磁気抵抗効果素子24hを第7の磁気抵抗効果素子24hと称することとする。
図8に示すように、第1の磁気抵抗効果素子24a、第2の磁気抵抗効果素子24c、第3の磁気抵抗効果素子24g及び第4の磁気抵抗効果素子24eによりA相のブリッジ回路(第1のブリッジ回路)が構成されている。第1の磁気抵抗効果素子24aと第2の磁気抵抗効果素子24cとが第1の出力取り出し部50を介して直列接続され、第3の磁気抵抗効果素子24gと第4の磁気抵抗効果素子24eとが第2の出力取り出し部51を介して直列接続されている。また、図8に示すように第1の磁気抵抗効果素子24aと第3の磁気抵抗効果素子24gとが入力端子52を介して並列接続され、前記第2の磁気抵抗効果素子24cと前記第4の磁気抵抗効果素子24eとがアース端子53を介して並列接続されている。
図8に示すように第1の出力取り出し部50と第2の出力取り出し部51は、第1の差動増幅器58の入力部側に接続され、前記第1の差動増幅器58の出力側が第1の出力端子59に接続されている。
また本実施形態ではもう一つB相のブリッジ回路が、第5の磁気抵抗効果素子24b、第6の磁気抵抗効果素子24d、第7の磁気抵抗効果素子24h及び第8の磁気抵抗効果素子24fにより構成されている。第5の磁気抵抗効果素子24bと第6の磁気抵抗効果素子24dとが第3の出力取り出し部54を介して直列接続され、第7の磁気抵抗効果素子24hと第8の磁気抵抗効果素子24fとが第4の出力取り出し部55を介して直列接続されている。また、図8に示すように第5の磁気抵抗効果素子24bと第7の磁気抵抗効果素子24hとが入力端子56を介して並列接続され、前記第6の磁気抵抗効果素子24dと前記第8の磁気抵抗効果素子24fとがアース端子57を介して並列接続されている。
図8に示すように第3の出力取り出し部54と第4の出力取り出し部55は、第2の差動増幅器60の入力部側に接続され、前記第2の差動増幅器60の出力側が第2の出力端子61に接続されている。
図1に示すように、図8に示すブリッジ回路にて直列接続される磁気抵抗効果素子どうしの中心間の間隔はλとなっている。
図1に示す実施形態では、前記磁気センサ22あるいは磁石21のうち少なくとも一方が図示X1−X2方向に直線移動する。この実施形態では、図1に示すように、例えば磁気センサ22は固定で、前記磁石21が図示X1方向に直線移動するものとする。
図2に示すように、前記磁気センサ22は、前記磁石21の直線移動方向(図示X1方向)に対して直交する上面(着磁面)21aの幅方向(Y1−Y2方向)の中心CLから前記上面(着磁面)21aの側縁部21a1方向(図示Y1方向)にずれて配置されている。
この実施形態では、図2に示すように、前記磁気センサ22を構成する全ての磁気抵抗効果素子24a〜24hが、前記上面(着磁面)21aの側縁部21a1よりも外方OSに位置する(前記磁気抵抗効果素子24a〜24hが全て、前記上面(着磁面)21aと高さ方向(Z1−Z2方向)で重なっていない)ように、前記磁石21に対する前記磁気センサ22のずれ量を調整することが好適である。ただし、あまり前記磁気センサ22のずれ量を大きくすると各磁気抵抗効果素子24a〜24hに作用する外部磁界Hが弱まってしまうので、平面視における前記磁気抵抗効果素子24a〜24hと前記上面(着磁面)21aの側縁部21a1間の距離L1を0.5〜1.5mm程度に設定することが好ましい。
磁石21と各磁気抵抗効果素子24a〜24hとが図4の状態にあるとき、前記第1の磁気抵抗効果素子24a及び第4の磁気抵抗効果素子24eには、図示X1方向の外部磁界(水平磁場成分)H5が作用し、前記第1の磁気抵抗効果素子24a及び第4の磁気抵抗効果素子24eのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示X1方向を向く。これにより、前記第1の磁気抵抗効果素子24a及び第4の磁気抵抗効果素子24eの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向が平行状態になり、電気抵抗値は最小値となる。
また、前記第5の磁気抵抗効果素子24b及び第8の磁気抵抗効果素子24fには、図示Y2方向の外部磁界(水平磁場成分)H6が作用し、前記第5の磁気抵抗効果素子24b及び第8の磁気抵抗効果素子24fのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示Y2方向を向く。これにより、前記第5の磁気抵抗効果素子24b及び第8の磁気抵抗効果素子24fの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向は直交し電気抵抗値は中間値となる。
また、前記第2の磁気抵抗効果素子24c及び第3の磁気抵抗効果素子24gには、図示X2方向の外部磁界(水平磁場成分)H7が作用し、前記第2の磁気抵抗効果素子24c及び第3の磁気抵抗効果素子24gのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示X2方向を向く。これにより、前記第2の磁気抵抗効果素子24c及び第3の磁気抵抗効果素子24gの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向は反平行になり電気抵抗値は最大値となる。
また、前記第6の磁気抵抗効果素子24d及び第7の磁気抵抗効果素子24hには、図示Y1方向の外部磁界(水平磁場成分)H8が作用し、前記第6の磁気抵抗効果素子24d及び第7の磁気抵抗効果素子24hのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示Y1方向を向く。これにより、前記第6の磁気抵抗効果素子24d及び第7の磁気抵抗効果素子24hの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向は直交し電気抵抗値は中間値となる。
図5は、図4の状態から前記磁石21がλ/2だけ図示X1方向に直線移動した状態を示している。
磁石21と各磁気抵抗効果素子24a〜24hとが図5の状態にあるとき、前記第1の磁気抵抗効果素子24a及び第4の磁気抵抗効果素子24eには、図示Y1方向の外部磁界(水平磁場成分)H9が作用し、前記第1の磁気抵抗効果素子24a及び第4の磁気抵抗効果素子24eのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示Y1方向を向く。これにより、前記第1の磁気抵抗効果素子24a及び第4の磁気抵抗効果素子24eの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向が直交関係になり、電気抵抗値は中間値となる。
また、前記第5の磁気抵抗効果素子24b及び第8の磁気抵抗効果素子24fには、図示X1方向の外部磁界(水平磁場成分)H10が作用し、前記第5の磁気抵抗効果素子24b及び第8の磁気抵抗効果素子24fのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示X1方向を向く。これにより、前記第5の磁気抵抗効果素子24b及び第8の磁気抵抗効果素子24fの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向は平行状態になり電気抵抗値は最小値となる。
また、前記第2の磁気抵抗効果素子24c及び第3の磁気抵抗効果素子24gには、図示Y2方向の外部磁界(水平磁場成分)H11が作用し、前記第2の磁気抵抗効果素子24c及び第3の磁気抵抗効果素子24gのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示Y2方向を向く。これにより、前記第2の磁気抵抗効果素子24c及び第3の磁気抵抗効果素子24gの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向は直交し電気抵抗値は中間値となる。
また、前記第6の磁気抵抗効果素子24d及び第7の磁気抵抗効果素子24hには、図示X2方向の外部磁界(水平磁場成分)H12が作用し、前記第6の磁気抵抗効果素子24d及び第7の磁気抵抗効果素子24hのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示X2方向を向く。これにより、前記第6の磁気抵抗効果素子24d及び第7の磁気抵抗効果素子24hの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向は反平行状態になり電気抵抗値は最大値となる。
図6は、図5の状態から、さらに前記磁石21がλ/2だけ図示X1方向に直線移動した状態を示している。
磁石21と各磁気抵抗効果素子24a〜24hとが図6の状態にあるとき、前記第1の磁気抵抗効果素子24a及び第4の磁気抵抗効果素子24eには、図示X2方向の外部磁界(水平磁場成分)H13が作用し、前記第1の磁気抵抗効果素子24a及び第4の磁気抵抗効果素子24eのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示X2方向を向く。これにより、前記第1の磁気抵抗効果素子24a及び第4の磁気抵抗効果素子24eの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向が反平行状態になり、電気抵抗値は最大値となる。
また、前記第5の磁気抵抗効果素子24b及び第8の磁気抵抗効果素子24fには、図示Y1方向の外部磁界(水平磁場成分)H14が作用し、前記第5の磁気抵抗効果素子24b及び第8の磁気抵抗効果素子24fのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示Y1方向を向く。これにより、前記第5の磁気抵抗効果素子24b及び第8の磁気抵抗効果素子24fの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向は直交し電気抵抗値は中間値となる。
また、前記第2の磁気抵抗効果素子24c及び第3の磁気抵抗効果素子24gには、図示X1方向の外部磁界(水平磁場成分)H15が作用し、前記第2の磁気抵抗効果素子24c及び第3の磁気抵抗効果素子24gのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示X1方向を向く。これにより、前記第2の磁気抵抗効果素子24c及び第3の磁気抵抗効果素子24gの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向は平行になり電気抵抗値は最小値となる。
また、前記第6の磁気抵抗効果素子24d及び第7の磁気抵抗効果素子24hには、図示Y2方向の外部磁界(水平磁場成分)H16が作用し、前記第6の磁気抵抗効果素子24d及び第7の磁気抵抗効果素子24hのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示Y2方向を向く。これにより、前記第6の磁気抵抗効果素子24d及び第7の磁気抵抗効果素子24hの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向は直交し電気抵抗値は中間値となる。
図7は、図6の状態から、さらに前記磁石21がλ/2だけ図示X1方向に直線移動した状態を示している。
磁石21と各磁気抵抗効果素子24a〜24hとが図7の状態にあるとき、前記第1の磁気抵抗効果素子24a及び第4の磁気抵抗効果素子24eには、図示Y2方向の外部磁界(水平磁場成分)H17が作用し、前記第1の磁気抵抗効果素子24a及び第4の磁気抵抗効果素子24eのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示Y2方向を向く。これにより、前記第1の磁気抵抗効果素子24a及び第4の磁気抵抗効果素子24eの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向が直交状態になり、電気抵抗値は中間値となる。
また、前記第5の磁気抵抗効果素子24b及び第8の磁気抵抗効果素子24fには、図示X2方向の外部磁界(水平磁場成分)H18が作用し、前記第5の磁気抵抗効果素子24b及び第8の磁気抵抗効果素子24fのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示X2方向を向く。これにより、前記第5の磁気抵抗効果素子24b及び第8の磁気抵抗効果素子24fの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向は反平行状態になり電気抵抗値は最大値となる。
また、前記第2の磁気抵抗効果素子24c及び第3の磁気抵抗効果素子24gには、図示Y1方向の外部磁界(水平磁場成分)H19が作用し、前記第2の磁気抵抗効果素子24c及び第3の磁気抵抗効果素子24gのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示Y1方向を向く。これにより、前記第2の磁気抵抗効果素子24c及び第3の磁気抵抗効果素子24gの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向は直交状態になり電気抵抗値は中間値となる。
また、前記第6の磁気抵抗効果素子24d及び第7の磁気抵抗効果素子24hには、図示X1方向の外部磁界(水平磁場成分)H20が作用し、前記第6の磁気抵抗効果素子24d及び第7の磁気抵抗効果素子24hのフリー磁性層の磁化方向Fは、図示X1方向を向く。これにより、前記第6の磁気抵抗効果素子24d及び第7の磁気抵抗効果素子24hの固定磁性層とフリー磁性層の磁化方向は平行状態になり電気抵抗値は最小値となる。
図7の状態から、さらに前記磁石21がλ/2だけ図示X1方向に直線移動すると図4の状態に戻る。
本実施形態は、上面(着磁面)21aにN極、S極を直線移動方向に交互に配列した磁石21の上方に磁気センサ22を、磁気抵抗効果素子24a〜24hを構成するフリー磁性層と非磁性材料層との界面が前記上面21aと平行な面方向を向くように配置した構成であり、このような構成において、図2で説明したように、磁気センサ22を、前記磁石21の中心CLから前記磁石21の側縁部21a1方向へずらして配置したことで、図4ないし図7に示すように、前記磁気センサ22を構成する各磁気抵抗効果素子24a〜24hに、前記磁石21の図示X1方向への直線移動に伴って、前記フリー磁性層と非磁性材料層との界面と平行な面内(図示X−Y面内)にて360度回転する水平磁場成分(回転磁場)を作用させることが可能になる。
すなわち従来のように、各磁気抵抗効果素子24a〜24hに対して垂直磁場成分が作用する無磁場状態が作られず、常に、各磁気抵抗効果素子24a〜24hに回転する所定以上の強度の水平磁場成分が作用するため、外乱磁界にも強く、安定した出力を得ることが可能になる。
また、各磁気抵抗効果素子24a〜24hには、360度回転する水平磁場成分(回転磁場)が作用するため、相対移動に伴う各磁気抵抗効果素子24a〜24hの電気抵抗変化は略正弦波となり、図8のブリッジ回路の構成により差動出力を増幅した場合、出力波形を周期が2λとなる略三角波にすることができる。
また図4ないし図7に示すように、基板23上に搭載された各磁気抵抗効果素子24a〜24hの固定磁性層は、全て同じ磁化方向(X1方向)に制御されている。よって全ての磁気抵抗効果素子24a〜24hを共通の基板23上に同じ製造工程にて形成でき、前記磁気センサ22の製造を容易化できる。
また、図1に示すように、前記磁気抵抗効果素子24a〜24hを支持する基板23は、前記磁石21の上面(着磁面)21aと同じ平面方向(X−Y面方向)に向けられているため、磁気エンコーダ20の高さ方向(図示Z1−Z2方向)への厚みを薄くできる。特に、本実施形態では、前記磁石21と磁気センサ22間の距離を離さなくても三角波の出力波形を得ることができ、より効果的に、前記磁気エンコーダ20の薄型化を図ることが可能である。
また図8に示す前記第1の出力端子59から出力される出力波形と、前記第2の出力端子61から出力される出力波形は位相がλ/2分ずれている。周期2λである略三角波の出力により、前記磁気センサ22あるいは磁石21の移動速度や移動距離を検出できるが、A相とB相の2系統にすることで、前記第1の出力端子59からの出力波形に対する前記第2の出力端子61からの出力波形の位相のずれ方向がどちら方向であるかを検知することで、移動方向を知ることが可能となる。
図2に示すように、上記した実施形態では、全ての磁気抵抗効果素子24a〜24hが、前記磁石21の側縁部21a1よりも外方OSに位置するように前記磁気センサ22を配置していたが、特に磁石21の上面(着磁面)21aに近い側にある磁気抵抗効果素子24a,24f,24g,24hに適切に図4ないし図7で説明した回転磁場が作用すれば、例えば図3に示すように、前記磁気センサ22を前記磁石21の幅方向(図示Y1−Y2方向)の中心CLから一方の側縁部21a1方向にずらして配置することに変わりないが、このとき、前記磁気抵抗効果素子24a〜24hの少なくとも一部が前記磁石21の上面(着磁面)21aと高さ方向で一部重なっていてもよい。前記磁気抵抗効果素子24a〜24hの少なくとも一部を、前記磁石21の上面(着磁面)21aと高さ方向で一部重ねることができるか否かは、前記磁石21の幅方向(Y1−Y2方向)の寸法等に左右される。前記磁気抵抗効果素子24a〜24hの少なくとも一部を、前記磁石21の上面(着磁面)21aと高さ方向で一部重ねることができると、磁気エンコーダ20の幅方向(図示Y1−Y2方向)への寸法の広がりを抑えることができ、前記磁気エンコーダ20の小型化を促進できる。
図1ないし図8に示した本実施形態の磁気エンコーダ20では、各磁気抵抗効果素子24a〜24hの固定磁性層の磁化方向(PIN方向)が、全て図示X1方向に固定されていたが、X1−X2方向と直交する図示Y1方向やY2方向に固定されていてもよい。
また、直列接続される磁気抵抗効果素子どうしの中心間距離はλであったが、例えばn倍した周期であるnλ(nは自然数)であってもよい。磁気抵抗効果素子の距離をnλと設定場合として、例えば磁石の間隔を磁気抵抗素子どうしの中心距離に対し1/n倍した磁石により周期を短くした場合に相当する。したがって、磁気抵抗素子の間隔はそのままで、出力波形の周期を1/n倍に縮めることができる。
なお上記した本実施形態では、A相とB相のブリッジ回路が設けられているが、どちらか一方だけ設けられる形態でもよい。
また前記磁石21の下面21bも着磁面であるので、前記磁気センサ22を前記下面21bの下方に配置してもよい。
本発明のように、磁気抵抗効果素子24a〜24hのフリー磁性層10には、磁石21の移動に伴い、フリー磁性層に平行な面内(図示X−Y面内)に360度回転する水平磁場成分H(回転磁場)が作用している。このような回転磁場は、磁石による磁場の強さおよび磁気センサ22との距離により、フリー磁性層に対して飽和磁化状態あるいはそれに近い状態が保たれている。このように、フリー磁性層の磁化が水平磁場成分Hによる回転磁場によって角度方向に連続的に変化することに相当し、さらに磁気抵抗効果素子24a〜24hの差動出力を検知する図8のブリッジ回路の構造を有することにより、X1からX2方向に磁石が移動する場合とX2からX1方向に移動する場合の位置と出力のヒステリシスを抑える作用もある。ヒステリシスを小さくする上で、フリー磁性層と固定磁性層の層間の交換バイアス磁界(Hin)を小さくし、水平磁場成分Hに対しての影響を少なくすることがより好ましい。また本実施形態のように積層フェリ構造とすることで、固定磁性層の磁化とフリー層の磁化の静磁界的な影響も低減することがより好ましい。
上記に挙げた磁気エンコーダ20は、図1に示すように磁気センサ22あるいは磁石21が直線移動するものであったが、図9に示すように、上面80aにN極とS極とが交互に着磁された回転ドラム(磁界発生部材)80と前記磁気センサ22とを有し、前記回転ドラム80の回転によって得られた出力により、回転速度や回転数、回転方向を検知できる回転型の磁気エンコーダであってもよい。前記回転ドラムは磁石であり、図示しないが、前記回転ドラム80の下面80bは、前記上面80aに対して異極に着磁されている。
図10は図9の平面図である。図10に示すように、前記回転ドラムの中心には、貫通孔80cが設けられている。また、図1に示す直線移動の磁気エンコーダと同様に、N極とS極の中心間距離(ピッチ)はλである。前記N極とS極の中心間距離は、例えば、前記回転ドラム80の上面(着磁面)80aにおける外側の側縁部80a1にて測定される。なお、ここで、「上面(着磁面)80a」とは、前記貫通孔80cの部分を除いた領域を指し、また「上面(着磁面)80aにおける幅方向の中心」とは、リング状の着磁領域に沿った幅寸法の中心を指す。
前記磁気センサ22に設けられた直列接続される磁気抵抗効果素子は、前記磁気センサ22の中心を、前記磁気センサ22の相対回転方向上の接点としたときの接線方向に、λの中心間距離を空けて配置されている。
図10に示すように、各磁気抵抗効果素子24a〜24hの固定磁性層の磁化方向(PIN方向)は、前記磁気センサ22の中心を、前記磁気センサ22の相対回転方向上の接点としたときの接線方向と平行な方向に固定されている。前記磁気抵抗効果素子24a〜24hの固定磁性層の磁化方向(PIN方向)は全て同じ方向となっている。
図9、図10に示すように、前記磁気センサ22は、各磁気抵抗効果素子24a〜24hのフリー磁性層と非磁性材料層との間の界面が、前記上面(着磁面)80aと平行な面方向(X−Y面方向)を向くように、前記回転ドラム80の上面(着磁面)80aの上方に位置するとともに、前記上面(着磁面)80aの幅方向の中心CLから前記上面(着磁面)80aの外側の側縁部80a1方向にずれて配置されている。これにより、各磁気抵抗効果素子24a〜24hに相対回転移動に伴って回転磁場を作用させることが可能になる。図10には、各磁気抵抗効果素子24a〜24hのフリー磁性層の磁化方向Fが示されている。なお図10の関係にある場合、例えば磁気抵抗効果素子24a,24eのフリー磁性層の磁化方向Fは正確にはY2方向ではなく、やや傾いた方向になるかもしれないが、この実施形態においても各磁気抵抗効果素子24a〜24hに対して360度の回転磁場を作用させることが可能であることに変わりない。また実際には、N極及びS極の総着磁数は、図10よりも多く(例えば下記の実験では総着磁数が48極)、図4ないし図7に示す実施形態と同様に、接線方向(図示Y1−Y2方向)に並設された各磁気抵抗効果素子には、並び順に、ほぼλ/2ずつずれる回転磁場が作用すると考えられる。
なお可能であれば、前記磁気センサ22を前記回転ドラム80の内側の側縁部80a2側にずらして配置してもよい。
図9及び図10に示す磁気エンコーダを用いて出力波形を測定した。ここで磁気センサ22の磁気抵抗効果素子24a〜24hはGMR素子を用い、下地層NiFeCr4nm;反強磁性層IrMn8nm;固定磁性層がCoFe1.5nm、Ru0.9nm、CoFe1.5nmの積層フェリ構造;非磁性層がCu2.0nm;フリー磁性層がCoFe1nm、NiFe3nm;保護層がTa5nmの構成のものを用いた。ここでフリー磁性層と固定磁性層の層間の交換バイアス磁界(Hin)は−0.5〜0.5mTの範囲で制御したものを用いた。
回転ドラム80には、上面80aに総着磁数が48極、N極とS極間の中心間距離(ピッチ)が1.35mm、外径が31mmのアキシャル型磁石を用いた。また着磁面の幅寸法L6は、10mmであった。ここで外側の側縁部80a1での磁石ピッチλは2mmとなり、アキシャル型磁石はN極が24個、S極が24個が交互に配置されている。
磁気センサ22には、図8に示すA相及びB相のブリッジ回路を構成し、図10に示す8個の磁気抵抗効果素子24a〜24hを搭載した。図示X1−X2方向に並ぶ磁気抵抗効果素子間の間隔L4は、0.2mmであった。また各磁気抵抗効果素子24a〜24hのX1−X2方向への長さL5は500μmであった。
そして実施例として、図9,図10のように磁気センサ22を前記回転ドラムの上面(着磁面)80aの幅方向の中心CLから外側の側縁部80a1方向にずらして配置した。このとき、前記磁気センサ22の中心と前記上面(着磁面)80aの幅方向の中心CL間の距離L2は6mm、最も前記回転ドラム80に近い位置にある磁気抵抗効果素子と前記回転ドラム80の側縁部80a1間の距離L3は、0.4mmであった。
一方、上記と同じ回転ドラム80及び磁気センサ22を用い、前記磁気センサ22の中心を前記回転ドラム80の上面(着磁面)80aの幅方向の中心CLに対向させた比較例を作製した。
そして上記した実施例及び比較例の再生波形を調べた。ここで回転ドラム80は角測度9.4rad./secで回転させ、外側の側縁部80a1での磁石ピッチλ(=2mm)は約0.2rad.に相当する。図11および図12にA相の再生出力波形を示す。図11は、本実施例および比較例の磁気エンコーダー出力と磁石80aの回転時間との関係を示し、図12では磁気エンコーダー出力と磁石80aの回転位置との関係を示している。ここで回転位置とは、外周側縁部80a1での磁気センサ22に対してのドラムの相対移動距離を基準としている。
図11、図12ではA相の出力を代表させたが、A相、B相のどちらの再生波形も、位相がずれることを除いて同じである。比較例ではほぼ矩形状の再生波形となったが、本実施例では三角波の再生波形を得ることが出来た。本発明により、安定した略三角波の出力波形が得られ、且つA相B相の位相を検知できる磁気エンコーダーが可能となった。
7 反強磁性層
8 固定磁性層
9 非磁性材料層
10 フリー磁性層
11 保護層
20 磁気エンコーダ
21 磁石
21a、80a (磁石の)上面(着磁面)
21a1、80a1 (着磁面の)側縁部
22 磁気センサ
23 基板
24a〜24h 磁気抵抗効果素子
CL 着磁面の幅方向の中心
F フリー磁性層の磁化方向
H5〜H20 回転磁場(水平磁場成分)
PIN 固定磁性層の磁化方向
50、51、54、55 出力取り出し部
52、56 入力端子
53、57 アース端子
58、60 差動増幅器
59、61 出力端子
80 回転ドラム(磁石)
8 固定磁性層
9 非磁性材料層
10 フリー磁性層
11 保護層
20 磁気エンコーダ
21 磁石
21a、80a (磁石の)上面(着磁面)
21a1、80a1 (着磁面の)側縁部
22 磁気センサ
23 基板
24a〜24h 磁気抵抗効果素子
CL 着磁面の幅方向の中心
F フリー磁性層の磁化方向
H5〜H20 回転磁場(水平磁場成分)
PIN 固定磁性層の磁化方向
50、51、54、55 出力取り出し部
52、56 入力端子
53、57 アース端子
58、60 差動増幅器
59、61 出力端子
80 回転ドラム(磁石)
Claims (6)
- 上面あるいは下面に、相対移動方向に交互にN極とS極が着磁された着磁面を有する磁界発生部材と、前記着磁面から高さ方向に離れた位置に、共通の基板表面に外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した複数個の磁気抵抗効果素子を有する磁気センサと、を備えてなり、
直列接続される一対の前記磁気抵抗効果素子は、前記相対移動方向に、あるいは、相対回転するときには、前記磁気センサの中心を相対回転方向上の接点としたときの接線方向に、所定の中心間距離を空けて配置されており、
各磁気抵抗効果素子は、磁化が一方向に固定された固定磁性層と、前記外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層とが、非磁性材料層を介して積層された積層部分を有し、前記フリー磁性層と前記非磁性材料層との間の界面は、前記着磁面と平行な面方向を向いているとともに、各磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化は全て同一方向に固定されており、
前記磁気センサは、各磁気抵抗効果素子に対し相対移動に伴って回転磁場が作用するように、前記着磁面の前記相対移動方向に対して直交する幅方向の中心から前記着磁面の側縁部方向にずらして配置されていることを特徴とする磁気検出装置。 - 前記磁気センサを構成する全ての磁気抵抗効果素子が、前記着磁面の側縁部よりも外方に位置するように前記磁気センサが配置されている請求項1記載の磁気検出装置。
- 前記固定磁性層の磁化は、前記相対移動方向と平行な方向、あるいは、前記接線方向と平行な方向に固定されている請求項1又は2に記載の磁気検出装置。
- 第1の磁気抵抗効果素子、第2の磁気抵抗効果素子、第3の磁気抵抗効果素子及び第4の磁気抵抗効果素子が第1のブリッジ回路を構成し、前記第1の磁気抵抗効果素子と前記第2の磁気抵抗効果素子とが第1の出力取出し部を介して直列接続されるとともに、前記第3の磁気抵抗効果素子と前記第4の磁気抵抗効果素子とが第2の出力取出し部を介して直列接続されており、
前記第1の磁気抵抗効果素子と前記第3の磁気抵抗効果素子とが入力端子を介して接続され、前記第2の磁気抵抗効果素子と前記第4の磁気抵抗効果素子とがグランド端子を介して接続されており、
前記第1の出力取出し部と前記第2の出力取出し部とが差動増幅器を介して出力端子に接続されており、
前記第1の磁気抵抗効果素子と前記第2の磁気抵抗効果素子、及び第3の磁気抵抗効果素子及び第4の磁気抵抗効果素子が、夫々、前記相対移動方向に、あるいは、前記接線方向に、所定の中心間距離を空けて配置されているとともに、
前記第1の磁気抵抗効果素子と前記第4の磁気抵抗効果素子、及び第2の磁気抵抗効果素子と前記第3の磁気抵抗効果素子が、前記相対移動方向と直交する幅方向に並設されている請求項1ないし3のいずれかに記載の磁気検出装置。 - 前記第1のブリッジ回路を構成する直列接続された各磁気抵抗効果素子間の中心間距離の半分だけ前記相対移動方向に、あるいは、前記接線方向にずれた位置に、前記第1のブリッジ回路を構成する4個の磁気抵抗効果素子と同一の接続構成である第2のブリッジ回路としての4個の磁気抵抗効果素子が配置されている請求項4記載の磁気検出装置。
- 前記N極と前記S極の中心間距離をλとしたとき、直列接続される一対の前記磁気抵抗効果素子は、前記相対移動方向に、あるいは、前記接線方向に、λの中心間距離を空けて配置されている請求項1ないし5のいずれかに記載の磁気検出装置。
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