JP2011154007A - 磁性体検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａ相／Ｂ相又はＡ相とＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相との位相差を小さくし、磁気抵抗効果素子を小型化して回転体の原点検出精度を向上させること。
【解決手段】Ａ相／Ｂ相又はＡ相検出用の磁気抵抗効果素子２１とＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子２２とは、同一基板上に同一形状で並設され、かつ運動体に対する配置方向が前記運動体の運動方向に垂直方向である。磁気抵抗効果素子２１ａと磁気抵抗効果素子２１ｂとの中点の端子電極２１ＡからはＡ相の信号が、磁気抵抗効果素子２１ｃと磁気抵抗効果素子２１ｄとの中点の端子電極２１ＢからＢ相の信号が出力される。また、磁気抵抗効果素子２２ａと磁気抵抗効果素子２２ｂとの中点の端子電極２２ＡからＺａ相の信号が、磁気抵抗効果素子２２ｃと磁気抵抗効果素子２２ｄとの中点の端子電極２２ＢからＺｂ相の信号が出力される。
【選択図】図７

Description

本発明は、磁性体検出器に関し、より詳細には、Ａ相／Ｂ相又はＡ相とＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相との位相差を小さくし、磁気抵抗効果素子を小型化した上で、回転体の原点検出精度など運動体の検出精度を向上させるようにした磁性体検出器に関する。

一般に、磁気抵抗効果素子（ＳＭＲＥ）を用いた回転検出器は知られている。この磁気抵抗効果素子は、周囲の磁界の変化に応じて素子内を流れるキャリアの行路が変化することで、素子の抵抗値が変化する素子である。このような磁気抵抗効果素子は、磁性体からなる歯車などの回転体の回転状況を検出する回転検出素子などとして用いられている。

磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果は、以下の式によって記述することができる。

ΔＲ／Ｒ₀∝（μＢ）² ：低印加磁界時
ΔＲ／Ｒ₀∝（μＢ） ：高印加磁界時
ここで、ΔＲ＝Ｒ_B−Ｒ₀であり、Ｒ_Bは磁界中での抵抗値、Ｒ₀は磁界なしでの抵抗値、μは電子移動度、Ｂは印加磁束密度である。ΔＲ／Ｒ₀は、磁気抵抗効果素子の感度に相当し、低磁場中では電子移動度μの２乗に比例し、高磁場中では電子移動度μに比例する。したがって、磁気抵抗効果素子では、より高い感度（ΔＲ／Ｒ₀）を得るために、電子移動度μの高いＩｎＳｂのバルクや、真空蒸着法により形成した薄膜などが用いられている。

一般に、磁気抵抗効果素子では、基板上に化合物半導体薄膜がミアンダ（ｍｅａｎｄｅｒ）状に形成され、その上に短絡電極が複数形成されている。また、外部との電気的接続を行うための取り出し電極を備え、この取り出し電極に外部端子を接続することによって外部との電気的接続が行われている。

図１乃至図３は、従来の磁気抵抗素子を用いた回転検出器を説明するための構成図で、図１は、歯車と回転検出器の位置関係を示す断面図、図２は、歯車と３端子の磁気抵抗素子の等価回路を示す図、図３は、歯車と４端子の磁気抵抗素子の等価回路を示す図である。

図１に示すような構造は、例えば、特許文献１に提案されている。符号１は磁性体から成る歯車、２ａ，２ｂは歯車１の回転を検出する磁気抵抗効果素子、３はこの磁気抵抗効果素子２に垂直な磁界（バイアス磁界）を印加する永久磁石で、磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂとしては、ＩｎＳｂバルクや真空蒸着法により形成した薄膜などが用いられている（例えば、特許文献２参照）。

ところで、歯車１の回転を検出する際は、一般的には、２個の磁気抵抗効果素子を直列に接続した３端子の磁気抵抗素子（単相出力）、あるいは、４個の磁気抵抗効果素子をループ状に接続した４端子の磁気抵抗効果素子（Ａ相／Ｂ相の２相出力）が使用されている。３端子の磁気抵抗効果素子では、図２に示すように歯車１の山と谷とに、２個の磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂをそれぞれ合わせて配置されている。また、４端子の磁気抵抗効果素子では、図３に示すように、歯車１の山と谷にあわせて２個の磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂを直列に配置したもの（Ａ相）と、その１／４周期ずれた位置にさらなる２個の磁気抵抗効果素子２ｃ，２ｄを直列に配置したもの（Ｂ相）が含まれている。そして、それぞれに、直流電源４を接続し、図２においては出力端子５、図３においては出力端子５ａ，５ｂの電位をそれぞれ出力電圧として取出すようにしている。

このような方式による磁気センサ回路の出力信号ｅは、例えば、図２の場合には、磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂのそれぞれの抵抗値をＲａ，Ｒｂ、直流電源４の電圧をＶｉｎとすれば、出力端子５の電位は、ｅ＝｛（Ｒｂ／（Ｒａ＋Ｒｂ）｝×Ｖｉｎとなる（例えば、特許文献３参照）。

また、これらＡ相／Ｂ相又は単相検出用の磁気抵抗効果素子の他に、歯車の回転方向に対して垂直方向に原点検出用の磁気抵抗効果素子を配置し、一部を欠歯させた歯車の回転を、この原点検出用、すなわち、Ｚａ相／Ｚｂ相又はＺ相用の磁気抵抗効果素子で、歯車の真の原点位置を検出することができる。従来においては、これらＡ相／Ｂ相又は単相検出用の磁気抵抗効果素子とＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相用の磁気抵抗効果素子とをそれぞれ別のチップで形成して組み合わせ、Ｚａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子と、Ａ相／Ｂ相又はＡ相検出用の磁気抵抗効果素子の出力の差分、あるいは除算といった演算処理で歯車の欠歯の角度検出を行っていた。

図４（ａ）乃至（ｃ）は、従来の回転検出器及び磁気抵抗効果素子の構成図で、図４（ａ）は歯車と回転検出器との配置関係を示す図、図４（ｂ）はＺａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子、図４（ｃ）はＡ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子の構成図を示している。なお、符号１０は歯車、１１は回転検出器、１１Ｓ，１１Ｚは磁気抵抗効果素子、１２Ｓ，１２Ｚは永久磁石、１３は端子ピン、１４は薄い金属板、１５は磁石ホルダ、１６は樹脂ケース、１１Ｓｉ，１１Ｓｇ，１１ＳＡ，１１ＳＢ，１２Ｚｉ，１２Ｚｇ，１２ＺＡ，１２ＺＢは取り出し電極を示している。

Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子１１Ｚは、図４（ｂ）に示すように４個の単一磁気抵抗効果素子１１Ｚａ，１１Ｚｂ，１１Ｚｃ，１１Ｚｄとから構成され、Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子１１Ｓは、図４（ｃ）に示すように４個の単一磁気抵抗効果素子１１Ｓａ，１１Ｓｂ，１１Ｓｃ，１１Ｓｄとから構成されている。単一磁気抵抗効果素子１１Ｚａと単一磁気抵抗効果素子１１Ｚｂとの間隔と、単一磁気抵抗効果素子１１Ｚｃと単一磁気抵抗効果素子１１Ｚｄとの間隔は、ともに、歯車のピッチをＰとすると、歯車の山と谷の間隔であるＰ／２に等しく、かつ、単一磁気抵抗効果素子１１Ｚａと単一磁気抵抗効果素子１１Ｚｃ、及び単一磁気抵抗効果素子１１Ｚｂと単一磁気抵抗効果素子１１Ｚｄとは、歯車の回転方向に対して、Ｐ／４だけずらして形成されている。また、Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子１１Ｓの単一磁気抵抗効果素子１１Ｓａ乃至１１Ｓｄについても同様である。

歯車として、１歯が欠歯している歯車１０を用いるとともに、１チップ上に４端子の磁気抵抗効果素子１１Ｚと同様の構成の磁気抵抗効果素子１１Ｓとを２個備え、一方の磁気抵抗効果素子１１ＳをＡ相／Ｂ相検出用とし、他方の磁気抵抗効果素子１１ＺをＺａ／Ｚｂ相検出用とした回転検出器１１を作製すれば、図５（ａ），（ｂ）に示すような、Ａ相／Ｂ相の出力信号とともに、欠歯を検出するＺａ／Ｚｂ相での出力信号を得ることができる。ここではＺａ相の出力信号のみを図示してある。

また、一対の磁気抵抗効果素子を回転体に対して２列に並設した磁気回転センサは、例えば、特許文献４に記載されている。

特開２００５−３２７８５９号公報 特開平０３−２５９５７８号公報 特開昭５２−０７３７９３号公報 特開平０４−０１２２２２号公報

しかしながら、近年産業用ロボット等の加工精度の向上に伴って、検出する歯車の微細化や、要求角度精度が非常に高くなってきた。例えば、高精度が要求される場合において、上述した特許文献１に示された方法では、Ｚａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子とＡ相／Ｂ相又はＡ相検出用の磁気抵抗効果素子とが異なった回転検出器であるので、２つの回転検出器の組み付け誤差や、磁気抵抗効果素子の加工精度ならびに化合物半導体特性ばらつきに起因する特性ばらつきと温度特性ばらつきにより、Ｚａ相／Ｚｂ相又はＺ相と、Ａ相／Ｂ相又はＡ相の角度検出精度が悪くなるという原理的な課題があった。

また、配置する際の位置精度のズレや、温度変化を含めた素子間の抵抗や磁気抵抗効果のばらつきにより、Ａ相／Ｂ相又は単相とＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相の位相差が生じてしまい、結果的に原点位置検出位置が悪くなってしまうという欠点があった。また、２つの回転検出器を別々のチップで形成していたために回転検出システムが大きくなり、産業用ロボット等が小型化できないという欠点があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、Ａ相／Ｂ相又はＡ相とＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相との位相差を小さくし、磁気抵抗効果素子を小型化した上で、回転体の原点検出精度など運動体の検出精度を向上させるようにした磁性体検出器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、基板上に設けられた複数の感磁部を有する磁気抵抗効果素子と、該磁気抵抗効果素子の近傍に設けられ、被検査体である運動体に磁界を供給する磁界発生手段とを備え、該磁界発生手段により前記運動体に供給された磁界の変化を前記磁気抵抗効果素子で検出して前記運動体の運動状態を検出する磁性体検出器において、前記運動体の運動状態信号を検出する第１の磁気抵抗効果素子と、前記運動体からのインデックス信号を検出する第２の磁気抵抗効果素子とを備え、前記第１の磁気抵抗効果素子及び前記第２の磁気抵抗効果素子が、同一基板上に同一形状で並設され、かつ前記運動体に対する配置方向が前記運動体の運動方向に垂直方向であることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１及び第２の磁気抵抗効果素子が、前記基板上に、複数の短冊状に加工された化合物半導体膜と、該化合物半導体膜上でその幅方向に平行に配置された複数の短絡電極と、前記複数の化合物半導体膜を接続する接続導体を介して、外部との電気的接続を行うために、前記短絡電極の始点と終点に設けられた取り出し電極とを備えていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１の磁気抵抗効果素子の前記感磁部と、前記第２の磁気抵抗効果素子の前記感磁部との距離が、０．４ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の発明において、前記化合物半導体膜の幅の長さが、５μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記運動体の移動状態信号を検出する前記第１の磁気抵抗効果素子を前記磁性歯車のＡ相／Ｂ相又はＡ相検出用とし、前記運動体からのインデックス信号を検出する前記第２の磁気抵抗効果素子を前記磁性歯車のＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用とすることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、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の出力信号の電気角での位相差が、０°以上５°以下であることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、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の前記短冊状の化合物半導体膜が、同一抵抗値であることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、前記運動体が、磁性歯車であることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、前記運動体が、磁性走行体であることを特徴とする。

なお、上述した「運動体」は、「磁性歯車」などの「磁性回転体」や「磁性走行体」を含みものである。

このように、Ａ相／Ｂ相又はＡ相検出用の磁気抵抗効果素子と、Ｚａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子とを一体形成して１チップ化することで、小型化した上で相互の位置関係を定めて位置ずれを解消した磁性体検出器を実現した。

本発明によれば、Ａ相／Ｂ相又はＡ相とＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相の位相差を小さくし、小型化した上で歯車などの回転体の原点検出精度など運動体の検出精度を向上させるようにした磁性体検出器を提供することが可能となった。

従来の磁気抵抗効果素子を用いた回転検出器を説明するための構成図で、図１は、歯車と回転検出器の位置関係を示す断面図である。 従来の磁気抵抗効果素子を用いた回転検出器を説明するための構成図で、歯車と３端子の磁気抵抗効果素子の等価回路を示す図である。 従来の磁気抵抗効果素子を用いた回転検出器を説明するための構成図で、歯車と４端子の磁気抵抗効果素子の等価回路を示す図である。 従来の回転検出器及び磁気抵抗効果素子の構成図で、（ａ）は歯車と回転検出器との配置関係を示す図、（ｂ）はＺａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子の構成図、（ｃ）はＡ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子の構成図である。 （ａ）は図４に示した回転検出器の４端子の磁気抵抗効果素子の等価回路、（ｂ）はＡ相，Ｂ相，Ｚａ相の波形を示す図である。 本発明に係る磁性体検出器である回転検出器におけるＺａ／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子及びＡ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子を一体化した磁気センサの構成図で、（ａ）は単一磁気抵抗効果素子の集合体（２列×４）、（ｂ）は単一磁気抵抗効果素子の集合体（４列×４）を示している。 本発明に係る磁性体検出器である回転体検出器の構成図で、（ａ）は回転体と回転体検出器との配置関係を示す図、（ｂ）はＺａ／Ｚｂ相用の磁気抵抗効果素子及びＡ相／Ｂ相用の磁気抵抗効果素子を一体化した磁気センサの構成図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、３端子の磁気センサの作製方法を説明するための工程図である。 本発明に係る磁性体検出器である回転体検出器の磁気センサと回転体との配置関係を示す図である。 Ａ相用磁気抵抗効果素子とＺ相用磁気抵抗効果素子との感磁部間の距離と、Ａ相の振幅の低下率との相関をグラフに示した図である。 歯車の一部を欠歯させた磁性歯車の回転検出方法を説明するための図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、Ａ相とＺ相の位相差及びＡ相とＺ相における出力電圧の関係を示す図で、（ａ）はＡ相とＺ相の位相差、（ｂ）はＡ相とＺ相が同位相の場合の出力電圧、（ｃ）はＡ相とＺ相に位相ずれがある場合の出力電圧を示している。 図６（ａ）に示した磁気センサの斜視図で、化合物半導体膜の幅Ｗを示した図である。 図６（ｂ）に示した磁気センサの斜視図で、化合物半導体膜の幅Ｗを示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図６（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁性体検出器である回転検出器におけるＡ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子とＺａ／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子とを一体化した各々異なる磁気センサの構成図で、図６（ａ）は単一磁気抵抗効果素子の集合体（２列×４）、図６（ｂ）は単一磁気抵抗効果素子の集合体（４列×４）を示している。

図６（ａ）において、磁気センサ２０は、Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２１とＺａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２２とを一体形成して１チップ化した４端子の磁気抵抗効果素子である。Ａ相／Ｂ相又は単相検出用の磁気抵抗効果素子２１は単一磁気抵抗効果素子の集合体（２列×４）で、Ｚａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子２２も単一磁気抵抗効果素子の集合体（２列×４）である。

図６（ｂ）においても同様に、磁気センサ３０は、Ａ相／Ｂ相又は単相検出用の磁気抵抗効果素子３１とＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子３２とを一体形成して１チップ化した４端子の磁気抵抗効果素子である。Ａ相／Ｂ相又は単相検出用の磁気抵抗効果素子３１も単一磁気抵抗効果素子の集合体（２列×４）で、Ｚａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子３２も単一磁気抵抗効果素子の集合体（２列×４）である。

図７（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁性体検出器である回転体検出器の構成図で、図７（ａ）は回転体と回転体検出器との配置関係を示す図、図７（ｂ）はＡ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子とＺａ／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子とを一体化した磁気センサの構成図で、図６（ａ）に示したものと同じ構造を有している。

なお、図中符号１００は歯車、１１０は回転検出器、１１１は永久磁石、１１２は磁石ホルダ、１１３は端子ピン、１１４は樹脂ケース、２１（２１ａ乃至２１ｄ）はＡ相／Ｂ相又は単相検出用の磁気抵抗効果素子、２２（２２ａ乃至２２ｄ）はＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子、２１ｉ，２１ｇ，２１Ａ，２１Ｂ，２２ｉ，２２ｇ，２２Ａ，２２Ｂは端子電極、２０ａは絶縁基板、２３は短絡電極、２４は接続導体、２１ｉ，２１ｇ，２１Ａ，２１Ｂ，２２ｉ，２２ｇ，２２Ａ，２２Ｂは取り出し電極を示している。

本発明の回転体検出器は、Ａ相／Ｂ相又は単相検出用の磁気抵抗効果素子及びＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子は、同一基板上に同一形状で並設されて１チップ化され、かつ回転体に対する配置方向がその回転体の運動方向に垂直方向である。

磁気センサ２０は、絶縁基板２０ａ上に、複数の短冊状（ミアンダ状）に加工され、抵抗値が磁界によって変化する化合物半導体膜２１０ａ乃至２１０ｄ及び２２０ａ乃至２２０ｄ（図８参照）と、この化合物半導体膜上でその幅方向に平行に配置された複数の短絡電極２３と、複数の化合物半導体膜を接続する接続導体２４を介して、外部との電気的接続を行うために、短絡電極２３の始点と終点に設けられた取り出し電極とを備えている。化合物半導体膜は、磁気センサ２０の感磁部を構成している。

Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２１は、４個の磁気抵抗効果素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄとから構成され、Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２２は、４個の磁気抵抗効果素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとから構成されている。磁気抵抗効果素子２１ａと磁気抵抗効果素子２１ｂとの間隔と、磁気抵抗効果素子２１ｃと磁気抵抗効果素子２１ｄとの間隔は、ともに、歯車のピッチをＰとすると、歯車の山と谷の間隔であるＰ／２に等しく、かつ、磁気抵抗効果素子２１ａと磁気抵抗効果素子２１ｃ、及び磁気抵抗効果素子２１ｂと磁気抵抗効果素子２１ｄとは、歯車の回転方向に対して、Ｐ／４だけずらして形成されている。

これにより、取り出し電極（端子電極）２２ｉと取り出し電極２２ｇとの間に直流電源を接続すれば、歯車の回転に伴って、磁気抵抗効果素子２２ａと磁気抵抗効果素子２２ｂとの中点に設けられた取り出し電極２２ＡからはＺａ相の信号が、磁気抵抗効果素子２２ｃと磁気抵抗効果素子２２ｄとの中点に設けられた取り出し電極２２Ｂからは、Ｚａ相とは９０°の位相差を有するＺｂ相の信号が出力される。

また、取り出し電極２１ｉと取り出し電極２１ｇとの間に直流電源を接続すれば、歯車の回転に伴って、磁気抵抗効果素子２１ａと磁気抵抗効果素子２１ｂとの中点に設けられた取り出し電極２１ＡからはＡ相の信号が、磁気抵抗効果素子２１ｃと磁気抵抗効果素子２１ｄとの中点に設けられた取り出し電極２１Ｂからは、Ａ相とは９０°の位相差を有するＢ相の信号が出力される。

また、図６（ｂ）に示した単一磁気抵抗効果素子の集合体（４列×４）の場合においても同様に、Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子３１は、４個の磁気抵抗効果素子３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄとから構成され、Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子３２は、４個の磁気抵抗効果素子３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄとから構成されている。磁気抵抗効果素子３１ａと磁気抵抗効果素子３１ｂとの間隔と、磁気抵抗効果素子３１ｃと磁気抵抗効果素子３１ｄとの間隔は、ともに、歯車のピッチをＰとすると、歯車の山と谷の間隔であるＰ／２に等しく、かつ、磁気抵抗効果素子３１ａと磁気抵抗効果素子３１ｃ、及び磁気抵抗効果素子３１ｂと磁気抵抗効果素子３１ｄとは、歯車の回転方向に対して、Ｐ／４だけずらして形成されている。

これにより、取り出し電極（端子電極）３２ｉと取り出し電極３２ｇとの間に直流電源を接続すれば、歯車の回転に伴って、磁気抵抗効果素子３２ａと磁気抵抗効果素子３２ｂとの中点に設けられた取り出し電極３２ＡからはＺａ相の信号が、磁気抵抗効果素子３２ｃと磁気抵抗効果素子２２ｄとの中点に設けられた取り出し電極３２Ｂからは、Ｚａ相とは９０°の位相差を有するＺｂ相の信号が出力される。

また、取り出し電極３１ｉと取り出し電極３１ｇとの間に直流電源を接続すれば、歯車の回転に伴って、磁気抵抗効果素子３１ａと磁気抵抗効果素子３１ｂとの中点に設けられた取り出し電極３１ＡからはＡ相の信号が、磁気抵抗効果素子３１ｃと磁気抵抗効果素子３１ｄとの中点に設けられた取り出し電極３１Ｂからは、Ａ相とは９０°の位相差を有するＢ相の信号が出力される。

次に、図６（ａ）及び図７（ｂ）に示した本発明に係る磁気センサの作製方法について説明する。

図８（ａ）乃至（ｄ）は、３端子の磁気センサの作製方法を説明するための工程図である。Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子と、Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子は、同じ作製工程で作製される。作製工程には、通常のフォトグラフィーの技術を用いることができる。

まず、図８（ａ）に示されるように、化合物半導体膜２１０（２１０ａ乃至２１０ｄ），２２０（２２０ａ乃至２２０ｄ）に感磁部のパターンを露光・現像し、その後、塩酸・過酸化水素系のエッチング液で所望の形状にメサエッチングして、絶縁基板２０ａ上に短冊状の化合物半導体膜２１０，２２０を形成する。感磁部のパターンの形成方法は、ドライ方式でも良く、塩酸・過酸化水素系以外のエッチング液を用いてもよい。

次いで、図８（ｂ）に示されるように、化合物半導体膜２１０，２２０上の幅方向に複数の短絡電極２３を形成する。

次いで、図８（ｃ）に示されるように、窒化シリコン膜からなる保護膜２５をプラズマＣＶＤ法により感磁部上に形成し、短絡電極２３を形成する部分の保護膜２５を、短絡電極２３を形成する部分よりも狭い範囲で反応性イオンエッチング装置を用いて除去した後、短絡電極２３及び取り出し電極２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１ｉ，２１ｇ）及び２２（２２Ａ，２２Ｂ，２２ｉ，２２ｇ）を形成し、さらに接続導体２４を化合物半導体膜２１０（２１０ａ乃至２１０ｄ）及び２２０（２２０ａ乃至２２０ｄ）に形成する。

最後に、図８（ｄ）に示されるように、単一磁気抵抗効果素子２０の感磁部面上に軟樹脂層２６を形成する。

磁気センサ２０の感磁部を構成する化合物半導体膜２１０，２２０は、ＩｎＳｂやＩｎＡｓのバルク、あるいは、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、またはＩｎ_aＡｌ_bＧａ_(1-a-b)Ａｓ_xＳｂ_(1-x)（０≦ａ＋ｂ≦１、０≦ｘ≦１）からなる薄膜であることが好ましいが、本発明においては、化合物半導体膜であれば良く、その構成元素を限定するものではない。化合物半導体膜の膜厚は、通常、０．１〜４μｍであるが、好ましくは０．２〜２μｍであり、さらに好ましくは０．３〜１．５μｍである。また、Ｓｉや、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇｅ、またはＣなどの不純物をドープしたものであっても良い。

化合物半導体膜が薄膜である場合、薄膜を形成する方法としては、真空蒸着法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などが好ましいが、必ずしもこれらの形成方法でなくても良い。取り出し電極や短絡電極は、蒸着法、スパッタ法、またはめっき法などを用いて形成され、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ単層、または、Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｃｕ、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ／Ｎｉ、Ｃｒ／Ａｕ／Ｎｉ、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、ＮｉＣｒ／Ａｕの積層などとしても良い。例えばＴｉ／Ａｕの場合、Ｔｉが下層であり、Ａｕが上層である。また、取り出し電極と短絡電極は、必ずしも同じ電極構造でなくても良い。

また、化合物半導体膜を保護する保護膜の材料は、一般的には絶縁性無機質材料であることが好ましい。保護膜には、例えば、窒化シリコンや酸化ケイ素等の薄膜を、プラズマＣＶＤ法等により１５０〜５００ｎｍ程度形成したものが用いられるが、本発明においては、保護膜の有無、種類、および膜厚を規定するものではない。

また、磁気センサ２０の外部に形成されるモールド樹脂による化合物半導体膜や短絡電極への圧力や面内応力を緩和する目的で、化合物半導体膜及び短絡電極上を覆うように軟樹脂層２６が形成されることが多い。この軟樹脂層２６には、一般的に、１〜３００μｍのシリコン系樹脂や、１〜１０μｍ厚のゴム系樹脂が用いられるが、本発明においては、軟樹脂層の有無、種類、および膜厚を規定するものではない。

また、化合物半導体をエッチングして得られた幅（電流に直交する方向の化合物半導体感磁部の幅）をＷとし、短絡電極間の距離（素子長）をＬとした場合、Ｌ／Ｗを形状因子という。本発明においては、形状因子Ｌ／Ｗを限定するものではないが、Ｌ／Ｗ＝０．１から０．３が用いられることが多い。また、本発明においてはＷを限定するものではないが、抵抗を考慮して化合物半導体膜の幅Ｗは、５〜１５０μｍが好ましい、さらには５〜１００μｍが好ましい。

このようにして、８つの取り出し電極（端子電極）を有し、各端子電極間に複数の短絡電極を有するＡ／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子とＺａ／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子を、フォトリソグラフィーを応用して作成することができる。

なお、上述した実施形態では、８端子の磁気抵抗効果素子を用いて説明を行ったが、本発明においては、端子数を規定するものではなく、例えば、６端子であっても良い。また、Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子はＡ相検出用の磁気抵抗効果素子であっても良く、Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子であっても良い。また、電極を形成した後に保護膜を形成しても良く、保護膜の種類は窒化シリコンでなくても良い。保護膜を除去する方法は、反応性イオンエッチングではなく、他のドライエッチングやウエットエッチング方式であっても良い。また、端子電極と短絡電極は２度に分けて形成しても良い。

次に、本発明における磁気抵抗効果素子による磁性体検出について説明する。磁性体の代表として、磁性歯車である場合の例について説明する。なお、磁性歯車を例として記載しているが、曲率無限大のラック構造である磁性走行体でも同様である。

Ａ相／Ｂ相信号を検出するための磁性歯車の他に、磁性歯車の進行方向に対して直行する方向に並列にインデックス検出用の磁性体構造を配置した。この磁性歯車は、１体であっても位相が合う様に貼り合わせるなどして別体であっても良い。インデックス検出用の磁性体構造は、歯車の一部を欠歯させたものでもよく、歯車の一部以外を欠歯させたものでもよい。

図１１は、歯車の一部を欠歯させた磁性歯車の回転検出方法を説明するための図で、図中符号３００は歯車、３１０は永久磁石、３１１はＡ相／Ｂ相又はＡ相検出用の磁気抵抗効果素子、３１２はＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子を示している。

パッケージは缶パッケージでも樹脂モールドパッケージであっても良い。このインデックス検出となる歯車の欠歯をＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子３１２で、歯車の真の原点位置を検出する。本発明においては、Ａ相／Ｂ相又はＡ相検出用の磁気抵抗効果素子３１１とＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子３１２が同一チップ上に形成されている。

Ｚａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子３１２と、Ａ相／Ｂ相又はＡ相検出用の磁気抵抗効果素子３１１の出力の差分あるいは除算といった演算処理で歯車の欠歯あるいは残歯の角度検出を行う際に位相差が生じないように、Ａ相／Ｂ相又はＡ相検出用の磁気抵抗効果素子３１１とＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相用の磁気抵抗効果素子３１２の半導体短冊が歯車回転方向に対して同じ位相になるように配置されていることが好ましい。

Ａ相とＺ相の位相差を、図１２（ａ）中の符号Ｂで示してある。また、Ａ相／Ｂ相又はＡ相検出用の磁気抵抗効果素子３１１とＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子３１２は、同電圧源を使用した際に発熱の偏りが生じないように同一の抵抗であることが望ましい。なお、図１２（ｂ）はＡ相とＺ相が同位相の場合の出力電圧、図１２（ｃ）はＡ相とＺ相に位相ずれがある場合の出力電圧を示している。

図９は、本発明に係る磁性体検出器である回転体検出器の磁気センサと回転体との配置関係を示す図である。なお、図中符号Ａは、Ａ相用磁気抵抗効果素子とＺ相用磁気抵抗効果素子との感磁部間の距離を示している。

図９に示すように、歯車のＺ相とＡ相の中央に配置し、歯車の材料をＳ２５Ｃ（機械構造用炭素鋼）、歯車の歯数を２５６歯、歯車の厚み３ｍｍ（Ａ／Ｂ相側＝２ｍｍ、Ｚ相（欠歯）側＝１ｍｍ ）、永久磁石のサイズ４．４×４．４×ｔ５．０ｍｍ（着磁方向：ｔ５．０ｍｍ）、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒ＝１１００mＴ（一般的なサマリウムコバルト系磁石の残留磁束密度）、歯車と磁気抵抗効果素子の感磁部との距離を０．４５ｍｍ、永久磁石と磁気抵抗効果素子の感磁部の距離を０．４５ｍｍとし、磁気抵抗効果素子の化合物半導体膜の短冊間の距離を変えた場合のＡ相振幅への影響をシミュレーションしたところ、Ａ相検出用の磁気抵抗効果素子２１とＺ相検出用の磁気抵抗効果素子２２との感磁部間の距離ＡがＡ＝０．２ｍｍ以下では、Ｚ相用の欠歯にＡ／Ｂ相用の磁気抵抗効果素子が近づくため、Ｚ相用の欠歯がＡ／Ｂ相の出力電圧に影響を及ぼし、出力電圧振幅が１％以上低下する。一方、Ａ相検出用の磁気抵抗効果素子２１とＺ相検出用の磁気抵抗効果素子２２との感磁部間の距離ＡをＡ＝０．４ｍｍ以上とすると、Ｚ相用の欠歯によるＡ／Ｂ相の出力電圧振幅の低下率が０．５％以下となる。振幅がずれると、角度検出誤差に繋がるので、実使用上、Ａ／Ｂ相の振幅の低下率は０．５％以下であることが望ましいことは良く知られている。よって、Ａ相検出用の磁気抵抗効果素子２１とＺ相検出用の磁気抵抗効果素子２２との感磁部間の距離ＡはＡ＝０．４ｍｍ以上であることが好ましい。

図１０は、Ａ相検出用の磁気抵抗効果素子２１とＺ相検出用の磁気抵抗効果素子２２との感磁部間の距離Ａと、Ａ相の振幅の低下率との相関をグラフに示した図である。また、Ａ相検出用の磁気抵抗効果素子２１とＺ相検出用の磁気抵抗効果素子２２との感磁部間の距離Ａは、歯車幅以下であることが好ましく、通常の歯車幅を考慮してＡ＝１０ｍｍ以下が好ましく、より好ましくはＡ＝３．５ｍｍ以下である。

以下に、本発明の磁気抵抗効果素子の具体的な実施例について説明する。しかしながら、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

図１３は、図６（ａ）に示した磁気センサの実施例１を説明するための斜視図で、化合物半導体膜Ｗを示した図である。

まず、厚さ０．６３ｍｍの半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板上に、分子線エピタキシー法を用いてＳｎドープＩｎＳｂ薄膜をエピタキシャル成長させた。成膜したＩｎＳｂの厚さは０．７μｍであり、電気特性を公知のファンデルポー法で測定したところ、電子濃度は７×１０¹⁶／ｃｍ³、電子移動度は、３７０００ｃｍ²／Ｖｓであった。

次に、ＧａＡｓ基板上に成膜したＩｎＳｂの表面にフォトレジストを均一に塗布し、露光・現像した後に、塩酸・過酸化水素系のエッチング液でメサエッチングした。その上に、保護膜として、窒化シリコン薄膜をプラズマＣＶＤ法で１５０ｎｍ形成した。その後、再度フォトレジストを塗布した後に、短絡電極及び取り出し電極を形成する部分の保護膜を、反応性イオンエッチング装置を用いて除去した。続いて、フォトレジストを塗布して、短絡電極及び取り出し電極を形成するための露光・現像を行い、真空蒸着法で電極を蒸着し、リフトオフ法で短絡電極及び取り出し電極を形成した。１層目のＴｉを形成後、真空中で引き続き２層目のＡｕを形成した。次に、モールド樹脂による圧力や面内応力を緩和するために、感磁部面上にゴム系樹脂を形成した。

このようにして、化合物半導体膜を感磁部とし、この感磁部の列が１つの磁気抵抗効果素子あたり８列であり、端子電極間に複数の短絡電極を有する４端子の磁気抵抗効果素子を複数製作した。このときの短冊状に加工した化合物半導体膜の幅Ｗは、９０μｍであった。

続いて、裏面研削によって、ＧａＡｓ基板を所定の厚さに研磨し、１チップに個片化した。この時、Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２１と、Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２２が同一チップとなる様に個片化した。また、Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２１の取り出し電極の接続部で接続された長尺状の化合物半導体膜の取り出し電極との接合部と、Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２２の取り出し電極との接合部との距離は、０．６ｍｍであった。このとき、Ａ／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２１とＺａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子の抵抗は各々３００Ωであった。リードフレーム上に接着剤で個片化したチップを接着した後に、プラスチックパッケージでモールドした。このときのＡ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２１と、Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２２の位相差は、リードフレーム上に接着する際のθズレのみと考えて良い。θズレが±０．２°として計算すると、位相差は２．５°と小さい値となった。

［比較例１］
Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子と、Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子の間をダイシングして個片化し、Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子と、Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子を各々リードフレーム上に接着剤で接着したこと以外は、実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子を作成した。Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子の位相差は、リードフレーム上に接着する際のθズレに加え、２素子をリードフレーム上に接着する際の位置ズレが考えられる。θズレが±０．２°、２素子の位置ズレを５０μｍとすると、位相差は２９°と大きい値となった。

このように、本発明によると、特性劣化が小さい磁性体検出器を提供することが可能となる。すなわち、歯車原点検出精度を向上させることができる。

Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２１の取り出し電極の接続部で接続された短冊状の化合物半導体膜の取り出し電極との接合部と、Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２２の取り出し電極との接合部との距離が１．０ｍｍであること以外は、実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子を作成した。このときのＡ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２１と、Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子２２の位相差は、リードフレーム上に接着する際のθズレのみと考えて良い。θズレが±０．２°として計算すると、位相差は３．３°と小さい値となった。

図１４は、図６（ｂ）に示した磁気センサの実施例３を説明するための斜視図で、化合物半導体膜の幅Ｗを示した図である。

短冊状に加工した化合物半導体膜の幅Ｗが６０μｍであり、感磁部の列が１つの磁気抵抗効果素子あたり１６列であること以外は、実施例１と同様に磁気抵抗効果素子を作成した。このときのＡ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子３１と、Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子３２の位相差は、リードフレーム上に接着する際のθズレのみと考えて良い。θズレが±０．２°として計算すると、位相差は１．６°と小さい値となった。

短冊状に加工した化合物半導体膜の幅Ｗが６０μｍであり、感磁部の列が１つの磁気抵抗効果素子あたり１６列であること以外は、実施例２と同様に磁気抵抗効果素子を作成した。このときのＡ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子３１と、Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子３２の位相差は、リードフレーム上に接着する際のθズレのみと考えて良い。θズレが±０．２°として計算すると、位相差は２．４°と小さい値となった。

以上は運動体として回転体について説明したが、インデックス信号の得られる走行体についても適用可能である。また、上述した実施形態では、歯車の回転を検出する回転検出器について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、円柱棒の表面に凹部又は凸部を付けた回転体など、他の回転体の回転を検出する一般の回転検出器にも適用可能である。更には、凹凸のある磁性体から成る運動体の凹凸の検出にも適用可能である。

本発明は、Ａ相／Ｂ相又は単相とＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相との位相差を小さくし、磁気抵抗効果素子を小型化した上で、回転体の原点検出精度を向上させるようにした磁性体検出器に関するもので、その磁気抵抗効果素子は、高温や湿度環境下での特性劣化が小さく、磁気抵抗効果素子として有用である。

１ 磁性体から成る歯車
２ａ，２ｂ 磁気抵抗効果素子
３ 永久磁石
４ 直流電源
５ａ，５ｂ 出力端子
１０ 歯車
１１ 回転検出器
１１Ｓ Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子
１１Ｚ Ｚａ／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子
１１Ｚａ，１１ｚｂ，１１Ｚｃ，１１Ｚｄ，１１Ｓａ，１１Ｓｂ，１１Ｓｃ，１１Ｓｄ 単一磁気抵抗効果素子
１３ 端子ピン
１４ 薄い金属板
１５ 磁石ホルダ
１６ 樹脂ケース
２０ 磁気センサ
２１（２１ａ乃至２１ｄ） Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子
２２（２２ａ乃至２２ｄ） Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子
２１ｉ，２１ｇ，２１Ａ，２１Ｂ，２２ｉ，２２ｇ，２２Ａ，２２Ｂ 取り出し電極
２０ａ 絶縁基板
２１０ａ乃至２１０ｄ及び２２０ａ乃至２２０ｄ 化合物半導体膜
２３ 短絡電極
２４ 接続導体
２５ 保護膜
２６ 軟樹脂層
３０ 磁気センサ
３１（３１ａ乃至３１ｄ） Ａ相／Ｂ相検出用の磁気抵抗効果素子
３２（３２ａ乃至３２ｄ） Ｚａ相／Ｚｂ相検出用の磁気抵抗効果素子
３１ｉ，３１ｇ，３１Ａ，３１Ｂ，３２ｉ，３２ｇ，３２Ａ，３２Ｂ 取り出し電極
１００ 歯車
１１０ 回転検出器
１１０ 回転検出器
１１１ 永久磁石
１１２ 磁石ホルダ
１１３ 端子ピン
１１４ 樹脂ケース、
２１０（２１０ａ乃至２１０ｄ），２２０（２２０ａ乃至２２０ｄ） 化合物半導体膜
３００ 歯車
３１０ 永久磁石
３１１ Ａ相／Ｂ相又はＡ相検出用の磁気抵抗効果素子
３１２ Ｚａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用の磁気抵抗効果素子

Claims (9)

1. 基板上に設けられた複数の感磁部を有する磁気抵抗効果素子と、該磁気抵抗効果素子の近傍に設けられ、被検査体である運動体に磁界を供給する磁界発生手段とを備え、該磁界発生手段により前記運動体に供給された磁界の変化を前記磁気抵抗効果素子で検出して前記運動体の運動状態を検出する磁性体検出器において、
   前記運動体の運動状態信号を検出する第１の磁気抵抗効果素子と、前記運動体からのインデックス信号を検出する第２の磁気抵抗効果素子とを備え、
   前記第１の磁気抵抗効果素子及び前記第２の磁気抵抗効果素子が、同一基板上に同一形状で並設され、かつ前記運動体に対する配置方向が前記運動体の運動方向に垂直方向であることを特徴とする磁性体検出器。
2. 前記第１及び第２の磁気抵抗効果素子が、前記基板上に、複数の短冊状に加工された化合物半導体膜と、該化合物半導体膜上でその幅方向に平行に配置された複数の短絡電極と、前記複数の化合物半導体膜を接続する接続導体を介して、外部との電気的接続を行うために、前記短絡電極の始点と終点に設けられた取り出し電極とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の磁性体検出器。
3. 前記第１の磁気抵抗効果素子の前記感磁部と、前記第２の磁気抵抗効果素子の前記感磁部との距離が、０．４ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性体検出器。
4. 前記化合物半導体膜の幅の長さが、５μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載の磁性体検出器。
5. 前記運動体の移動状態信号を検出する前記第１の磁気抵抗効果素子を前記磁性歯車のＡ相／Ｂ相又はＡ相検出用とし、前記運動体からのインデックス信号を検出する前記第２の磁気抵抗効果素子を前記磁性歯車のＺａ相／Ｚｂ相又はＺ相検出用とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁性体検出器。
6. 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の出力信号の電気角での位相差が、０°以上５°以下であることを特徴とする請求項５に記載の磁性体検出器。
7. 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の前記短冊状の化合物半導体膜が、同一抵抗値であることを特徴とする請求項５又は６に記載の磁性体検出器。
8. 前記運動体が、磁性歯車であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁性体検出器。
9. 前記運動体が、磁性走行体であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁性体検出器。

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