JP2012159309A - 磁気センサおよび磁気センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気の遮蔽材を用いず、温度特性に優れた磁気センサおよび磁気センサ装置を提供すること。
【解決手段】 磁化方向が所定方向に固定された固定磁化層と該固定磁化層に絶縁層を介して積層され外部磁界により磁化方向が変わる自由磁化層とを有する第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａおよび第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂと、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子が設置された第１の板部６Ａおよび第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂが設置された第２の板部６Ｂとを備え、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａが、検出しようとする外部磁界の向きＭに対して固定磁化層を平行にして設置され、第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂが、検出しようとする外部磁界の向きＭに対して固定磁化層を直交させて設置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度特性に優れ、高精度に磁気を検出可能な磁気センサおよびこれを備えた磁気センサ装置に関する。

近年、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を用いた磁気センサや電流センサが開発されている。このＴＭＲ素子は、薄い絶縁層を挟んで対向した一対の強磁性層を備えた素子構造を有し、一方の強磁性層の磁化の向きが固定されて固定磁化層（いわゆるピン層）とされていると共に、他方の強磁性層の磁化の向きが外部磁界に応じて変化する自由磁化層（いわゆるフリー層）とされている。そして、このＴＭＲ素子では、外部磁界が加わった際に、一対の強磁性層の互いの磁化方向に応じて、一対の強磁性層間のトンネル電流が変化して素子の抵抗値が変化することで、外部磁気を高精度に検出することが可能である。

このＴＭＲ素子は、素子抵抗に温度依存性があるため、素子抵抗が変化したときに素子温度が変化したのか、外部の磁界強度が変化したのかが判断し難いため、環境温度に影響されずに高精度な測定が可能な磁気センサが要望されている。
例えば、特許文献１には、磁気遮蔽されていないＴＭＲ素子と磁気遮蔽されているＴＭＲ素子とを直列接続し、両ＴＭＲ素子のいずれかの素子の両端電圧を出力するように構成して、温度特性を改善した磁気センサが提案されている。

特開２００１−３４５４９８号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献１に記載の磁気センサでは、一方のＴＭＲ素子において磁気を遮蔽する遮蔽材について特に具体的な記述がないが、例えば軟磁性材などでは磁気を完全に遮蔽することが難しいと共に軟磁性材の周囲の磁界に影響を与えてしまうという不都合があった。このため、環境温度の変化による影響を少なからず受けてしまう問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、磁気の遮蔽材を用いず、温度特性に優れた磁気センサおよび磁気センサ装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明の磁気センサは、磁化方向が所定方向に固定された固定磁化層と該固定磁化層に絶縁層を介して積層され外部磁界により磁化方向が変わる自由磁化層とを有する第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子および第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子と、前記第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子が設置された第１の設置部および前記第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子が設置された第２の設置部とを備え、前記第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子が、検出しようとする外部磁界の向きに対して前記固定磁化層を平行にして設置され、前記第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子が、検出しようとする外部磁界の向きに対して前記固定磁化層を直交させて設置されることを特徴とする。

この磁気センサでは、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子が、検出しようとする外部磁界の向きに対して固定磁化層を平行にして設置され、第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子が、検出しようとする外部磁界の向きに対して固定磁化層を直交させて設置されるので、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子が磁界検出用素子となると共に第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子が温度補償用素子となり、両素子の電気特性の変化を比較することで、温度変化時でも高精度に磁気測定が可能になる。
すなわち、外部磁界と共に環境温度も変化した場合、磁気検出用素子では、検出しようとする外部磁界の向きに対して固定磁化層および自由磁化層が平行であるので、外部磁界の変化に応じて抵抗値が変化すると共に温度変化に応じても抵抗値が変化するのに対し、温度補償用素子では、検出しようとする外部磁界の向きに対して固定磁化層および自由磁化層が直交しているので、外部磁界が変化しても抵抗値が変化しないが温度変化に応じては抵抗値が変化する。したがって、磁界検出用素子と温度補償用素子との抵抗値を比較することで、環境温度による影響を除いた外部磁界の変化のみを検出することが可能になる。

また、第２の発明の磁気センサは、第１の発明において、互いに直交する方向に向けて配した前記第１の設置部となる第１の板部と前記第２の設置部となる第２の板部とを有した非磁性体材料で形成された設置部材を備えていることを特徴とする。
すなわち、この磁気センサでは、互いに直交する方向に向けて配した第１の設置部となる第１の板部と第２の設置部となる第２の板部とを有した非磁性体材料で形成された設置部材を備えているので、例えば第１の板部に設置された第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子を、検出しようとする外部磁界の向きに対して固定磁化層を平行にして設置すると、第２の板部に設置された第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子が、検出しようとする外部磁界の向きに対して固定磁化層を直交させた配置で容易に設置可能となる。また、例えば１枚の板材を９０°に折り曲げ加工して第１の板部および第２の板部を有する設置部材とすることで、第１及び第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子を容易に上記配置で設置することができる。

また、第３の発明の磁気センサは、第１または第２の発明において、前記第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子および前記第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子が、トンネル磁気抵抗素子であることを特徴とする。
すなわち、この磁気センサでは、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子および第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子が、トンネル磁気抵抗素子であるので、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子などの他のスピンバルブ型磁気抵抗素子よりも大きな磁界感度が得られ、さらに高精度な磁気検出が可能になる。

第４の発明の磁気センサ装置は、第１から第３のいずれか一つの発明の磁気センサと、前記第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子の抵抗値と前記第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子の抵抗値との差分に基づいて外部磁界の有無、向きおよび磁界強度の少なくとも一つを検出する検出回路とを備えていることを特徴とする。
すなわち、この磁気センサ装置では、上記磁気センサと、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子の抵抗値と第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子の抵抗値との差分に基づいて外部磁界の有無、向きおよび磁界強度の少なくとも一つを検出する検出回路を備えているので、検出回路により環境温度の影響を除いた高い精度で外部磁界の有無、向きおよび磁界強度の少なくとも一つを検出することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る磁気センサおよび磁気センサ装置によれば、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子が、検出しようとする外部磁界の向きに対して固定磁化層を平行にして設置され、第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子が、検出しようとする外部磁界の向きに対して前記固定磁化層を直交させて設置されるので、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子が磁界検出用素子となると共に第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子が温度補償用素子となり、両素子の電気特性の変化を比較することで、温度変化時でも高精度に磁気測定が可能になる。したがって、本発明の磁気センサおよび磁気センサ装置は、例えば温度が変化し易い環境下で用いる磁気センサや、電線用のコアレス電流センサなどに好適である。

本発明に係る磁気センサおよび磁気センサ装置の第１実施形態において、磁気センサ装置を示す構成図である。 第１実施形態において、トンネル磁気抵抗素子を示す概略的な斜視図である。 第１実施形態において、第１及び第２の板部上のスピンバルブ型磁気抵抗素子を示す側面図である。 第１実施形態において、検出回路を示す等価回路図である。 第１実施形態において、固定磁化層と自由磁化層との磁化の方向を説明するための説明図である。 第１実施形態において、固定磁化層と自由磁化層との磁化の方向に応じた磁束密度と素子抵抗との関係を示すグラフである。 第１実施形態において、固定磁化層と自由磁化層との磁化の方向に応じた温度と素子抵抗との関係を示すグラフである。 第１実施形態の他の例において、第１及び第２の板部上のスピンバルブ型磁気抵抗素子を示す断面図および磁気センサを示す斜視図である。 本発明に係る磁気センサおよび磁気センサ装置の第２実施形態において、電線に設置した磁気センサを示す断面図である。 第２実施形態において、電線に設置した磁気センサを示す斜視図である。

以下、本発明に係る磁気センサおよび磁気センサ装置の第１実施形態を、図１から図８を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態の磁気センサ１は、図１および図２に示すように、磁化方向が所定方向に固定された固定磁化層２と該固定磁化層２に絶縁層３を介して積層され外部磁界により磁化方向が変わる自由磁化層４とを有する第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａおよび第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂと、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａが設置された第１の設置部および第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂが設置された第２の設置部とを備えている。

また、磁気センサ１は、互いに直交する方向に向けて配した第１の設置部となる第１の板部６Ａと第２の設置部となる第２の板部６Ｂとを有した非磁性体材料で形成された設置部材６を備えている。すなわち、第１の板部６Ａと第２の板部６Ｂとは、端部で接続され互いに直交している。
さらに、本実施形態の磁気センサ装置１０は、上記磁気センサ１と、該磁気センサ１の第１および第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａ，５Ｂに電気的に接続され第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａの抵抗値と第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂの抵抗値との差分に基づいて外部磁界の有無、向きおよび磁界強度の少なくとも一つを検出する検出回路７とを備えている。

第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａは、検出しようとする外部磁界の向きＭに対して固定磁化層２を平行にして設置され、第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂが、検出しようとする外部磁界の向きＭに対して固定磁化層２を直交させて設置されている。すなわち、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａおよび第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂは、それぞれの固定磁化層２が互いに直交する方向に向いた状態で設置部材６に設置され、第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂは、外部磁界の影響を受けない向きに配されている。なお、各図において、矢印Ａは、自由磁化層４の磁化の向きを示し、矢印Ｂは、固定磁化層２の磁化の向きを示している。

上記第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａおよび第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂとしては、トンネル磁気抵抗素子を採用することが好ましい。このトンネル磁気抵抗素子は、図２に示すように、例えば固定側電極層８、固定磁化層２、絶縁層３、自由磁化層４および自由側電極層９の順に積層された構造を有している。例えば、固定側電極層８は、Ｔａ層（厚さ３０ｎｍ）／ＣｏＦｅ層（厚さ３ｎｍ）／ＩｒＭｎ層（厚さ１５ｎｍ）の積層で構成され、固定磁化層２は、ＣｏＦｅ層（厚さ２ｎｍ）／Ｒｕ層（厚さ０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ層（厚さ３ｎｍ）の積層で構成されている。また、絶縁層３は、ＭｇＯ層（厚さ１．２ｎｍ）であり、自由磁化層４は、ＣｏＦｅＢ層（厚さ３ｎｍ）である。さらに、自由側電極層９は、Ｔａ層（厚さ１０ｎｍ）／Ｒｕ層（厚さ１５ｎｍ）の積層で構成されている。

上記設置部材６は、例えば銅リードフレームを直角に折り曲げたものが採用される。
また、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａおよび第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂは、図３に示すように、設置部材６の第１の板部６Ａ上および第２の板部６Ｂ上に、ポッティングされた耐熱性樹脂１１でそれぞれ封止されている。なお、第１および第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａ，５Ｂと設置部材６上の配線（図示略）とは、ワイヤーボンディングによる金属細線１２等によって電気的に接続されている。

上記検出回路７は、図４に示すように、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａおよび第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂにそれぞれ抵抗Ｒが直列に接続されていると共にこれら抵抗Ｒを介して電源電圧Ｖｃｃが印加可能に接続されている。また、各抵抗Ｒと第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａおよび第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂとの間には、差動増幅回路であるオペアンプＡＭＰが接続されている。該オペアンプＡＭＰからは、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａと第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂとの抵抗値の差分が差分出力として出力可能であると共に、温度補償用素子となる第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂの抵抗値が補償出力として出力可能となっている。

本実施形態の磁気センサ１およびこれを備えた磁気センサ装置１０で外部磁界を検出するには、まず図１に示すように、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａを磁界検出用素子として、検出しようとする外部磁界の向きＭに対して固定磁化層２を平行にして設置すると共に、第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂを温度補償用素子として、検出しようとする外部磁界の向きＭに対して固定磁化層２を直交させて設置する。

第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａおよび第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂは、図５の（ａ）に示すように、固定磁化層２の磁化の方向Ｂに対して自由磁化層４の磁化の方向Ａが同方向に向いて平行な場合（以下、平行状態と称する）と、図５の（ｂ）に示すように、固定磁化層２の磁化の方向Ｂに対して自由磁化層４の磁化の方向Ａが直交している場合（以下、直交状態と称する）と、図５の（ｃ）に示すように、固定磁化層２の磁化の方向Ｂに対して自由磁化層４の磁化の方向Ａが逆方向に向いて平行な場合（以下、反平行状態と称する）とでは、図６に示すように、磁束密度に対して抵抗値が異なると共に、図７に示すように、温度に対する素子抵抗の変化がそれぞれ異なる特性を示す。

すなわち、外部磁界と共に環境温度も変化した場合、磁気検出用素子である第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａでは、検出しようとする外部磁界の向きＭに対して固定磁化層２および自由磁化層４が平行であるので、外部磁界の変化に応じて抵抗値が変化すると共に温度変化に応じても抵抗値が変化するのに対し、温度補償用素子である第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂでは、検出しようとする外部磁界の向きＭに対して固定磁化層２および自由磁化層４が直交しているので、外部磁界が変化しても抵抗値が変化しないが温度変化に応じては抵抗値が変化する。

したがって、検出回路７により磁界検出用素子と温度補償用素子との抵抗値の差分を出力することで、環境温度による影響を除いた外部磁界の変化のみを検出することが可能になる。例えば、検出回路７の差分出力の正負に基づいて外部磁界の有無および向きを判定することができると共に、検出回路７の補償出力に基づいて温度を検出することも可能である。また、検出回路７の補償出力に基づいて温度を検出すると共に、検出回路７の差分出力と検出した温度とに基づいて、磁界強度を算出することも可能である。

このように本実施形態の磁気センサ１では、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａが、検出しようとする外部磁界の向きＭに対して固定磁化層２を平行にして設置され、第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂが、検出しようとする外部磁界の向きＭに対して固定磁化層２を直交させて設置されているので、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａが磁界検出用素子となると共に第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂが温度補償用素子となり、両素子の電気特性の変化を比較することで、温度変化時でも高精度に磁気測定が可能になる。
特に、第１および第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａ，５Ｂが、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子であるので、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子などの他のスピンバルブ型磁気抵抗素子よりも大きな磁界感度が得られ、さらに高精度な磁気検出が可能になる。

また、互いに直交する方向に向けて配した第１の設置部となる第１の板部６Ａと第２の設置部となる第２の板部６Ｂとを有した非磁性体材料で形成された設置部材６を備えているので、第１の板部６Ａに設置された第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａを、検出しようとする外部磁界の向きＭに対して固定磁化層２を平行にして設置すると、第２の板部６Ｂに設置された第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂが、検出しようとする外部磁界の向きＭに対して固定磁化層２を直交させた配置で容易に設置可能となる。また、例えば１枚の板材を９０°に折り曲げ加工して第１の板部６Ａおよび第２の板部６Ｂを有する設置部材６とすることで、第１および第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａ，５Ｂを容易に上記配置で設置することができる。

そして、本実施形態の磁気センサ装置１０では、上記磁気センサ１と、第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａの抵抗値と第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂの抵抗値との差分に基づいて外部磁界の有無、向きおよび磁界強度の少なくとも一つを検出する検出回路７を備えているので、検出回路７により環境温度の影響を除いた高い精度で外部磁界の有無、向きおよび磁界強度の少なくとも一つを検出することができる。

なお、上記実施形態の他の例として、例えば図８の（ａ）（ｂ）に示すように、ハーメチックシール１３内に第１および第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａ，５Ｂを実装しても構わない。すなわち、上記実施形態では、耐熱性樹脂１１により第１および第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａ，５Ｂを封止しているが、耐熱性樹脂１１が溶融または劣化してしまう高温まで環境温度が変化する場合には、ハーメチックシール１３内に実装された第１および第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａ，５Ｂを、セラミックス基板や非磁性金属板で形成された設置部材６に焼き付け等で接着して磁気センサとしても良い。

次に、本発明に係る磁気センサおよび磁気センサ装置の第２実施形態について、図９および図１０を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、１枚の銅リードフレームを９０°に折り曲げた設置部材６に第１および第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａ，５Ｂを設置しているのに対し、第２実施形態の磁気センサ２１では、図９および図１０に示すように、矩形状の第１の板部２６Ａおよび第２の板部２６Ｂが互いに端部で固定され直列的に接続されて設置部材２６を構成していると共に、第１の板部２６Ａの対向方向と第２の板部２６Ｂの対向方向とがねじれの関係に配されている点である。

また、第２実施形態の磁気センサ２１は、電線Ｅの電流センサとして適用され、電線Ｅに沿って第１の板部２６Ａおよび第２の板部２６Ｂを配して電線Ｅに設置されている。
すなわち、第１の板部２６Ａに設置された第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ａは、電線Ｅに流れた電流により発生する外部磁界の向きＭに対して平行に固定磁化層２が配されているので、磁界検出用素子となると共に、第２の板部２６Ｂに設置された第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子５Ｂは、電線Ｅに流れた電流により発生する外部磁界の向きＭに対して垂直に固定磁化層２が配されているので、温度補償用素子となる。
したがって、第２実施形態の磁気センサ２１では、電線Ｅに流れる電流によって生じた磁界を検出することにより、電流の有無や大きさを高精度に測定することが可能である。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態および上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述したように第１および第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子としてＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）素子を採用することが好ましいが、ＧＭＲ素子などの他のスピンバルブ型磁気抵抗素子を採用しても構わない。

１，２１…磁気センサ、２…固定磁化層、３…絶縁層、４…自由磁化層、５Ａ…第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子、５Ｂ…第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子、６，２６…設置部材、６Ａ，２６Ａ…第１の板部（第１の設置部）、６Ｂ，２６Ｂ…第２の板部（第２の設置部）、７…検出回路、１０…磁気センサ装置

Claims (4)

1. 磁化方向が所定方向に固定された固定磁化層と該固定磁化層に絶縁層を介して積層され外部磁界により磁化方向が変わる自由磁化層とを有する第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子および第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子と、
   前記第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子が設置された第１の設置部および前記第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子が設置された第２の設置部とを備え、
   前記第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子が、検出しようとする外部磁界の向きに対して前記固定磁化層を平行にして設置され、前記第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子が、検出しようとする外部磁界の向きに対して前記固定磁化層を直交させて設置されることを特徴とする磁気センサ。
2. 請求項１に記載の磁気センサにおいて、
   互いに直交する方向に向けて配した前記第１の設置部となる第１の板部と前記第２の設置部となる第２の板部とを有した非磁性体材料で形成された設置部材を備えていることを特徴とする磁気センサ。
3. 請求項１または２に記載の磁気センサにおいて、
   前記第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子および前記第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子が、トンネル磁気抵抗素子であることを特徴とする磁気センサ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサと、
   前記第１のスピンバルブ型磁気抵抗素子の抵抗値と前記第２のスピンバルブ型磁気抵抗素子の抵抗値との差分に基づいて外部磁界の有無、向きおよび磁界強度の少なくとも一つを検出する検出回路とを備えていることを特徴とする磁気センサ装置。

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