JP2014020888A - 磁気センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】後天的に磁気検出素子の磁性層に誘導磁気異方性が生じることによって検出値に生じる誤差を低減する。
【解決手段】磁気センサシステムは、被検出磁界を発生する磁界発生部と、被検出磁界を検出する磁気センサ１とを備え、動作状態と非動作状態とが選択される。磁気センサ１は、基準位置における被検出磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する磁性層を含む磁気検出素子を有している。動作状態では、基準位置における被検出磁界の方向が磁気センサ１から見て変化する。非動作状態では、基準位置における被検出磁界の方向が磁気センサ１から見て変化せずに、磁性層の磁化の方向が第１の方向に固定される。磁性層には、予め誘導磁気異方性が設定されている。この設定された誘導磁気異方性による磁化容易軸方向が第１の方向に対してなす角度は、０°〜１５°の範囲内である。
【選択図】図４

Description

本発明は、被検出磁界を発生する磁界発生部と、この被検出磁界を検出する磁気センサとを備えた磁気センサシステムに関する。

近年、自動車のスロットルバルブの開度の検出、自動車のステアリングの回転位置の検出、自動車のワイパーの回転位置の検出等の種々の用途で、対象物の回転位置を検出するために、磁気センサが広く利用されている。磁気センサは、対象物の回転位置を検出する場合に限らず、対象物の直線的な変位を検出する場合にも利用されている。磁気センサが用いられるシステムでは、一般的に、対象物の回転や直線的な運動に連動して方向が回転する被検出磁界を発生する手段（例えば磁石）が設けられる。磁気センサは、磁気検出素子を用いて、基準位置における被検出磁界の方向が基準方向に対してなす角度を検出する。これにより、対象物の回転位置や直線的な変位が検出される。

磁気センサとしては、特許文献１ないし４に記載されているように、磁気検出素子としてスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子とも記す。）を用いたものが知られている。スピンバルブ型のＭＲ素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、被検出磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層とを有している。

特表２００２−５２５６０９号公報 特開２００８−２６８２１９号公報 特開２００９−３６７７０号公報 特開２０１０−３２４８４号公報

磁気検出素子としてスピンバルブ型のＭＲ素子を用いた磁気センサでは、特許文献４に記載されているように、ＭＲ素子の磁気特性のばらつきによって、検出角度に誤差が生じ得る。特許文献４には、ＭＲ素子の製造ばらつきに起因する検出角度の誤差を低減する技術が記載されている。この技術は、言わば、磁気センサの製品完成時における検出角度の誤差を低減する技術である。

磁気センサにおいて生じ得る検出角度の誤差には、上述のように製品完成時に有している誤差の他に、磁気センサの設置後に発現する誤差がある。このように磁気センサの設置後に検出角度の誤差が発現する原因の一つとしては、ＭＲ素子の自由層に後天的に誘導磁気異方性が生じることが挙げられる。このような自由層の誘導磁気異方性は、例えば、ＭＲ素子に特定の方向の外部磁界が印加されたままで、ＭＲ素子の温度が高温から下降した場合に生じる。このような状況は、例えば、磁気センサが自動車内に設置され、且つ、自動車の非動作時には、被検出磁界を発生する手段と磁気センサが特定の位置関係になる場合に生じ得る。より具体的には、自動車のワイパーのように、非動作時には決まった位置で停止する対象物の位置を検出するために磁気センサが用いられる場合に、上記の状況が生じ得る。

磁気センサには、設置後に、後天的に生じた誘導磁気異方性に起因して発現する検出角度の誤差を低減することが求められる。なお、ここまでは、磁気検出素子としてスピンバルブ型のＭＲ素子を用いた磁気センサにおいて、磁気センサの設置後に、ＭＲ素子の自由層に後天的に誘導磁気異方性が生じる場合における問題点について説明してきた。しかし、この問題点は、被検出磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する磁性層を含む磁気検出素子を有する磁気センサにおいて、磁気センサの設置後に、磁気検出素子の磁性層に後天的に誘導磁気異方性が生じる場合の全般に当てはまる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、被検出磁界を発生する磁界発生部と、磁性層を含む磁気検出素子を有する磁気センサとを備えた磁気センサシステムであって、後天的に磁気検出素子の磁性層に誘導磁気異方性が生じることによって検出値に生じる誤差を低減できるようにした磁気センサシステムを提供することにある。

本発明の磁気センサシステムは、被検出磁界を発生する磁界発生部と、被検出磁界を検出する磁気センサとを備え、動作状態と非動作状態とが選択されるものである。磁気センサは、磁気検出素子を有し、基準位置における被検出磁界の方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する検出値を生成する。磁気検出素子は、基準位置における被検出磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する磁性層を含んでいる。動作状態では、基準位置における被検出磁界の方向が磁気センサから見て変化する。非動作状態では、基準位置における被検出磁界の方向が磁気センサから見て変化せずに、磁性層の磁化の方向が第１の方向に固定される。磁性層には、予め誘導磁気異方性が設定されている。磁性層に設定された誘導磁気異方性による磁化容易軸方向が第１の方向に対してなす角度は、０°〜１５°の範囲内である。

本発明の磁気センサシステムにおいて、動作状態では、磁界発生部と磁気センサの相対的位置関係が変化し、非動作状態では、磁界発生部と磁気センサの相対的位置関係が一定になってもよい。

また、本発明の磁気センサシステムにおいて、磁気センサは、磁性層に設定された誘導磁気異方性に起因して検出値に生じる誤差の補正を行ってもよい。誤差の補正は、磁性層に設定された形状磁気異方性によって実現されてもよい。この場合、形状磁気異方性による磁化容易軸方向が誘導磁気異方性による磁化容易軸方向に対してなす角度と、形状磁気異方性による磁化容易軸方向が第１の方向に対してなす角度は、いずれも７５°〜９０°の範囲内であってもよい。あるいは、磁気センサは、誤差の補正を行う演算回路を含んでいてもよい。

本発明の磁気センサシステムでは、磁性層に予め誘導磁気異方性が設定されている。そのため、本発明によれば、磁性層に予め誘導磁気異方性が設定されていない場合に比べて、磁性層において、後天的な要因による誘導磁気異方性の大きさの増加量は小さくなる。その結果、本発明によれば、後天的に磁気検出素子の磁性層に誘導磁気異方性が生じることによって検出値に生じる誤差を低減することが可能になるという効果を奏する。

本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態における方向と角度の定義を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態における方向と角度の定義を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態における磁気センサの構成を示す回路図である。 図４における１つのＭＲ素子の一部を示す斜視図である。 異方性誘起状況の累積時間と角度誤差との関係の一例を示す特性図である。 シミュレーションで求めた第１および第２の誤差ならびに残存誤差のそれぞれの２次成分の波形を示す波形図である。 シミュレーションで求めたアスペクト比と第２の誤差中の３次成分の大きさとの関係の一例を示す特性図である。 本発明の第２の実施の形態における磁気センサの構成を示す回路図である。 図９における１つのＭＲ素子の一部を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態におけるＭＲ素子の形状と配置を示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態における磁気センサの構成を示す回路図である。 本発明の第４の実施の形態の磁気センサと比較例の磁気センサの構成を示す回路図である。 本発明の第５の実施の形態の磁気センサと比較例の磁気センサの構成を示す回路図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図１ないし図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。図２および図３は、本実施の形態における方向と角度の定義を示す説明図である。

図１に示したように、本実施の形態に係る磁気センサシステムは、被検出磁界ＭＦを発生する磁界発生部２と、被検出磁界ＭＦを検出する磁気センサ１とを備えている。磁気センサ１は、被検出磁界ＭＦを検出する第１の検出回路１０および第２の検出回路２０を有している。なお、図１では、理解を容易にするために、第１および第２の検出回路１０，２０を別体として描いているが、第１および第２の検出回路１０，２０は一体化されていてもよい。また、第１および第２の検出回路１０，２０は、図１における上下方向に積層されているが、その積層順序は図１に示した例に限られない。

ここで、基準平面、基準位置および基準方向を、以下のように想定する。基準平面は、磁気センサ１と所定の位置関係を有する仮想の平面である。基準位置は、基準平面内に位置する。基準方向は、基準平面内に位置して、基準位置と交差する。基準位置における被検出磁界ＭＦの方向であって基準平面内に位置する方向は、磁気センサ１から見て変化可能である。以下の説明において、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向とは、基準平面内に位置する方向を指す。基準位置における被検出磁界ＭＦの方向は、例えば、磁気センサ１から見て、基準位置を中心として回転可能である。磁気センサ１は、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する検出値を生成する。

本実施の形態では、磁界発生部２は、円柱形状の磁石５を有している。この磁石５は、円柱の中心軸を含む仮想の平面を中心として対称に配置されたＮ極とＳ極とを有している。この磁石５は、円柱の中心軸を中心として回転可能である。磁石５は、円柱の中心軸方向の両端に位置する２つの端面を有している。磁気センサ１は、磁石５の一方の端面に対向するように配置されている。本実施の形態では、基準平面は、例えば、磁石５の一方の端面に平行な平面である。また、基準位置は、例えば、磁気センサ１が被検出磁界ＭＦを検出する位置である。基準位置は、円柱の中心軸を含む回転中心Ｃと基準平面とが交差する位置であってもよい。この場合、磁石５が回転すると、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向は、磁気センサ１から見て、基準位置を中心として回転する。

第１の検出回路１０は、磁気検出素子を含み、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する第１の信号Ｓ１を生成する。第２の検出回路２０は、磁気検出素子を含み、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する第２の信号Ｓ２を生成する。第１および第２の検出回路１０，２０の磁気検出素子は、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向に応じて磁化の方向が変化する磁性層を含んでいる。

磁気センサシステムは、動作状態と非動作状態とが選択される。動作状態では、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向は、磁気センサ１から見て変化する。本実施の形態では、特に、動作状態では、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向は、磁気センサ１から見て、基準位置を中心として回転する。非動作状態では、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向は、磁気センサ１から見て変化せずに、前記磁性層の磁化の方向が後述する第１の方向に固定される。

なお、磁気センサシステムの構成は、図１に示した例に限られない。磁気センサシステムは、動作状態では、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向が磁気センサ１から見て変化し、非動作状態では、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向が磁気センサ１から見て変化せずに、磁性層の磁化の方向が第１の方向に固定されるものであればよい。このような磁気センサシステムは、例えば、動作状態では、磁界発生部２と磁気センサ１の相対的位置関係が変化し、非動作状態では、磁界発生部２と磁気センサ１の相対的位置関係が一定になるものであってもよい。図１に示した磁気センサシステムは、その一例である。

磁気センサシステムの構成は、例えば、図１に示したように配置された磁石５と磁気センサ１を備えた構成であって、動作状態では、磁石５が固定されて磁気センサ１が回転したり、磁石５と磁気センサ１が互いに反対方向に回転したり、磁石５と磁気センサ１が同じ方向に互いに異なる角速度で回転したりするものであってもよい。

また、磁気センサシステムの構成は、磁界発生部２が、磁石５の代わりに、１組以上のＮ極とＳ極が交互にリング状に配列された磁石を有し、この磁石の外周の近傍に磁気センサ１が配置されたものであってもよい。この場合には、例えば、動作状態では、磁石と磁気センサ１の少なくとも一方が回転し、非動作状態では、磁石と磁気センサ１の両方が停止してもよい。

また、磁気センサシステムの構成は、磁界発生部２が、磁石５の代わりに、複数組のＮ極とＳ極が交互に直線状に配列された磁気スケールを有し、この磁気スケールの外周の近傍に磁気センサ１が配置されたものであってもよい。この場合には、例えば、動作状態にでは、磁気スケールと磁気センサ１の少なくとも一方が、磁気スケールのＮ極とＳ極が並ぶ方向に直線的に移動し、非動作状態では、磁気スケールと磁気センサ１の両方が停止してもよい。なお、この例については、後で第３の実施の形態として詳しく説明する。

上述の種々の磁気センサシステムの構成においても、基準平面、基準位置および基準方向を想定可能である。

ここで、図２および図３を参照して、本実施の形態における方向と角度の定義について説明する。まず、図１に示した回転中心Ｃに平行で、磁石５の一方の端面から磁気センサ１に向かう方向をＺ方向と定義する。次に、Ｚ方向に垂直な２方向であって、互いに直交する２つの方向をＸ方向とＹ方向と定義する。図２では、Ｘ方向を右側に向かう方向として表し、Ｙ方向を上側に向かう方向として表している。また、Ｘ方向とは反対の方向を−Ｘ方向と定義し、Ｙ方向とは反対の方向を−Ｙ方向と定義する。

ここでは、基準位置ＰＲは、磁気センサ１が被検出磁界ＭＦを検出する位置とする。また、基準方向ＤＲはＸ方向とする。基準位置ＰＲにおける被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが基準方向ＤＲに対してなす角度を記号θで表す。被検出磁界ＭＦの方向ＤＭは、図２において反時計回り方向に回転するものとする。角度θは、基準方向ＤＲから反時計回り方向に見たときに正の値で表し、基準方向ＤＲから時計回り方向に見たときに負の値で表す。

本実施の形態では、非動作状態において、基準位置ＰＲにおける被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが第１の方向Ｄ１に固定され、その結果、磁性層の磁化の方向も第１の方向Ｄ１に固定される。本実施の形態は、第１の方向Ｄ１はＹ方向とする。

次に、図４を参照して、磁気センサ１の構成について詳しく説明する。図４は、磁気センサ１の構成を示す回路図である。第１の検出回路１０は、基準位置ＰＲにおける被検出磁界ＭＦの、Ｘ方向の成分を検出し、角度θと対応関係を有する第１の信号Ｓ１を生成する。第２の検出回路２０は、基準位置ＰＲにおける被検出磁界ＭＦの、Ｙ方向の成分を検出し、角度θと対応関係を有する第２の信号Ｓ２を生成する。第１の信号Ｓ１は、基準位置ＰＲにおける被検出磁界ＭＦの、Ｘ方向の成分の強度に対応した信号である。第２の信号Ｓ２は、基準位置ＰＲにおける被検出磁界ＭＦの、Ｙ方向の成分の強度に対応した信号である。

第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２は、互いに等しい信号周期Ｔで周期的に変化する。第２の信号Ｓ２の位相は、第１の信号Ｓ１の位相と異なっている。本実施の形態では、第２の信号Ｓ２の位相は、第１の信号Ｓ１の位相に対して、信号周期Ｔの１／４の奇数倍だけ異なっていることが好ましい。ただし、磁気検出素子の作製の精度等の観点から、第１の信号Ｓ１と第２の信号Ｓ２の位相差は、信号周期Ｔの１／４の奇数倍から、わずかにずれていてもよい。以下の説明では、第１の信号Ｓ１の位相と第２の信号Ｓ２の位相の関係が上記の好ましい関係になっているものとする。

第１の検出回路１０は、第１の信号Ｓ１を出力する出力端を有している。第２の検出回路２０は、第２の信号Ｓ２を出力する出力端を有している。図４に示したように、磁気センサ１は、更に、演算回路３０を備えている。演算回路３０は、２つの入力端と１つの出力端とを有している。演算回路３０の２つの入力端は、それぞれ、第１および第２の検出回路１０，２０の各出力端に接続されている。

演算回路３０は、角度θと対応関係を有する検出値θｓを算出する。本実施の形態では、検出値θｓは、磁気センサ１によって検出された角度θの値である。演算回路３０は、例えば、マイクロコンピュータによって実現することができる。検出値θｓの算出方法については、後で詳しく説明する。

第１の検出回路１０は、ホイートストンブリッジ回路１４と、差分検出器１５とを有している。ホイートストンブリッジ回路１４は、電源ポートＶ１と、グランドポートＧ１と、２つの出力ポートＥ１１，Ｅ１２と、直列に接続された第１の対の磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１２と、直列に接続された第２の対の磁気検出素子Ｒ１３，Ｒ１４とを含んでいる。磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１３の各一端は、電源ポートＶ１に接続されている。磁気検出素子Ｒ１１の他端は、磁気検出素子Ｒ１２の一端と出力ポートＥ１１に接続されている。磁気検出素子Ｒ１３の他端は、磁気検出素子Ｒ１４の一端と出力ポートＥ１２に接続されている。磁気検出素子Ｒ１２，Ｒ１４の各他端は、グランドポートＧ１に接続されている。電源ポートＶ１には、所定の大きさの電源電圧が印加される。グランドポートＧ１はグランドに接続される。差分検出器１５は、出力ポートＥ１１，Ｅ１２の電位差に対応する信号の値を第１の信号Ｓ１として演算回路３０に出力する。

第２の検出回路２０の回路構成は、第１の検出回路１０と同様である。すなわち、第２の検出回路２０は、ホイートストンブリッジ回路２４と、差分検出器２５とを有している。ホイートストンブリッジ回路２４は、電源ポートＶ２と、グランドポートＧ２と、２つの出力ポートＥ２１，Ｅ２２と、直列に接続された第１の対の磁気検出素子Ｒ２１，Ｒ２２と、直列に接続された第２の対の磁気検出素子Ｒ２３，Ｒ２４とを含んでいる。磁気検出素子Ｒ２１，Ｒ２３の各一端は、電源ポートＶ２に接続されている。磁気検出素子Ｒ２１の他端は、磁気検出素子Ｒ２２の一端と出力ポートＥ２１に接続されている。磁気検出素子Ｒ２３の他端は、磁気検出素子Ｒ２４の一端と出力ポートＥ２２に接続されている。磁気検出素子Ｒ２２，Ｒ２４の各他端は、グランドポートＧ２に接続されている。電源ポートＶ２には、所定の大きさの電源電圧が印加される。グランドポートＧ２はグランドに接続される。差分検出器２５は、出力ポートＥ２１，Ｅ２２の電位差に対応する信号の値を第２の信号Ｓ２として演算回路３０に出力する。

本実施の形態では、ホイートストンブリッジ回路（以下、ブリッジ回路と記す。）１４，２４に含まれる全ての磁気検出素子として、スピンバルブ型のＭＲ素子、特にＴＭＲ素子を用いている。なお、ＴＭＲ素子の代わりにＧＭＲ素子を用いてもよい。ＴＭＲ素子またはＧＭＲ素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、被検出磁界ＭＦの方向ＤＭに応じて磁化の方向が変化する磁性層である自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層とを有している。ＴＭＲ素子では、非磁性層はトンネルバリア層である。ＧＭＲ素子では、非磁性層は非磁性導電層である。ＴＭＲ素子またはＧＭＲ素子では、自由層の磁化の方向が磁化固定層の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が０°のときに抵抗値は最小値となり、角度が１８０°のときに抵抗値は最大値となる。以下の説明では、ブリッジ回路１４，２４に含まれる磁気検出素子をＭＲ素子と記す。図４において、塗りつぶした矢印は、ＭＲ素子における磁化固定層の磁化の方向を表し、白抜きの矢印は、ＭＲ素子における自由層の磁化の方向を表している。

第１の検出回路１０では、ＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１４における磁化固定層の磁化の方向は、Ｘ方向であり、ＭＲ素子Ｒ１２，Ｒ１３における磁化固定層の磁化の方向は、−Ｘ方向である。図２において、符号ＤＰ１を付した矢印は、ＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１４における磁化固定層の磁化の方向を表している。この場合、被検出磁界ＭＦのＸ方向の成分の強度に応じて、出力ポートＥ１１，Ｅ１２の電位差が変化する。従って、第１の検出回路１０は、被検出磁界ＭＦのＸ方向の成分の強度を検出して、その強度を表す第１の信号Ｓ１を生成する。

第２の検出回路２０では、ＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２４における磁化固定層の磁化の方向は、Ｙ方向であり、ＭＲ素子Ｒ２２，Ｒ２３における磁化固定層の磁化の方向は、−Ｙ方向である。図２において、符号ＤＰ２を付した矢印は、ＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２４における磁化固定層の磁化の方向を表している。この場合、被検出磁界ＭＦのＹ方向の成分の強度に応じて、出力ポートＥ２１，Ｅ２２の電位差が変化する。従って、第２の検出回路２０は、被検出磁界ＭＦのＹ方向の成分の強度を検出して、その強度を表す第２の信号Ｓ２を生成する。

なお、検出回路１０，２０内の複数のＭＲ素子における磁化固定層の磁化の方向は、ＭＲ素子の作製の精度等の観点から、上述の方向からわずかにずれていてもよい。

検出回路１０，２０内の複数のＭＲ素子は、それぞれ、基準位置ＰＲにおける被検出磁界ＭＦの方向に応じて磁化の方向が変化する磁性層である自由層を含んでいる。本実施の形態では、この自由層には、予め誘導磁気異方性が設定されている。以下、自由層に予め設定された誘導磁気異方性を、設定誘導磁気異方性と言う。図２および図３において、符号ＤＡ１を付した矢印は、設定誘導磁気異方性による磁化容易軸方向を表している。設定誘導磁気異方性は、例えば、磁化容易軸方向ＤＡ１に磁界を印加しながら自由層を成膜することによって設定することができる。ここで、磁化容易軸方向ＤＡ１が第１の方向Ｄ１に対してなす角度を、記号αで表す。角度αは、０°〜１５°の範囲内であることが好ましく、０°〜９°の範囲内であることがより好ましい。その理由については、後で詳しく説明する。なお、角度αに関しては、０°または正の値で表す。方向ＤＡ１が方向Ｄ１に対してなす角度がαであるという場合には、方向ＤＡ１が方向Ｄ１から時計回り方向にαだけ回転した方向である場合と、方向ＤＡ１が方向Ｄ１から反時計回り方向にαだけ回転した方向である場合とが含まれる。

第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２の波形は、理想的には、正弦曲線（サイン（Sine）波形とコサイン（Cosine）波形を含む）である。ただし、本実施の形態では、ＭＲ素子の自由層に予め設定誘導磁気異方性が設定されているため、何も対策を施さないと、第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２の波形が正弦曲線から歪み、検出値θｓに誤差が生じてしまう。

本実施の形態における磁気センサ１は、設定誘導磁気異方性に起因して検出値θｓに生じる誤差の補正を行う。本実施の形態では、この誤差の補正は、自由層に設定された形状磁気異方性によって実現されている。以下、これについて、図２および図３を参照して説明する。図２および図３において、符号１１，２１は、それぞれ、検出回路１０，２０内のＭＲ素子の自由層の平面形状（上から見た形状）を表している。図２および図３に示したように、本実施の形態では、例えば、自由層の平面形状を楕円形とすることによって、自由層に形状磁気異方性を設定している。図２および図３において、符号ＤＡ２を付した矢印は、形状磁気異方性による磁化容易軸方向、すなわち自由層の平面形状である楕円の長軸方向を表している。なお、自由層の平面形状は、楕円形に限らず、自由層に形状磁気異方性を設定できる形状であればよい。そのような自由層の平面形状としては、楕円形の他に、例えば長方形や菱形がある。

ここで、形状磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ２が設定誘導磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ１に対してなす角度を記号βで表し、磁化容易軸方向ＤＡ２が第１の方向Ｄ１に対してなす角度を記号γで表す。角度β，γは、いずれも７５°〜９０°の範囲内であることが好ましく、８１°〜９０°の範囲内であることがより好ましい。その理由については、後で詳しく説明する。なお、βが９０°以外の場合には、磁化容易軸方向ＤＡ２が磁化容易軸方向ＤＡ１に対してなす角度には、９０°よりも小さい角度と、９０°よりも大きい角度とが存在する。βが９０°以外の場合には、９０°よりも小さい角度の方をβとする。同様に、γが９０°以外の場合には、磁化容易軸方向ＤＡ２が第１の方向Ｄ１に対してなす角度には、９０°よりも小さい角度と、９０°よりも大きい角度とが存在する。γが９０°以外の場合には、９０°よりも小さい角度の方をγとする。図２には、αが０°以外、βが９０°以外で、γが９０°の場合の例を示している。また、図３には、αが０°で、β，γが９０°以外の場合の例を示している。なお、αが０°で、β，γが９０°であることが理想的である。

次に、図２、図３および図５を参照して、ＭＲ素子の構成の一例と、自由層に設定された形状磁気異方性について説明する。図５は、図４における１つのＭＲ素子の一部を示す斜視図である。この例では、１つのＭＲ素子は、複数の下部電極４２と、複数のＭＲ膜５０と、複数の上部電極４３とを有している。複数の下部電極４２は図示しない基板上に配置されている。個々の下部電極４２は細長い形状を有している。下部電極４２の長手方向に隣接する２つの下部電極４２の間には、間隙が形成されている。図５に示したように、下部電極４２の上面上において、長手方向の両端の近傍に、それぞれＭＲ膜５０が配置されている。

ＭＲ膜５０は、下部電極４２側から順に積層された自由層５１、非磁性層５２、磁化固定層５３および反強磁性層５４を含んでいる。図５に示した例では、ＭＲ膜５０は、楕円柱形状を有している。この場合、自由層５１の平面形状は楕円形になる。自由層５１は、下部電極４２に電気的に接続されている。反強磁性層５４は、反強磁性材料よりなり、磁化固定層５３との間で交換結合を生じさせて、磁化固定層５３の磁化の方向を固定する。複数の上部電極４３は、複数のＭＲ膜５０の上に配置されている。個々の上部電極４３は細長い形状を有し、下部電極４２の長手方向に隣接する２つの下部電極４２上に配置されて隣接する２つのＭＲ膜５０の反強磁性層５４同士を電気的に接続する。このような構成により、図５に示したＭＲ素子は、複数の下部電極４２と複数の上部電極４３とによって直列に接続された複数のＭＲ膜５０を有している。なお、ＭＲ膜５０における層５１〜５４の配置は、図５に示した配置とは上下が反対でもよい。

本実施の形態では、自由層５１の平面形状を楕円形とすることによって、自由層５１に形状磁気異方性を設定している。自由層５１の平面形状である楕円の長軸方向が、図２および図３に示した形状磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ２となる。

なお、ＭＲ膜５０の形状は、図５に示した例に限られない。例えば、ＭＲ膜５０は、上面が長方形や菱形の角柱形状を有していてもよい。

次に、図４を参照して、検出値θｓの算出方法について説明する。図４に示した例では、理想的には、第２の検出回路２０におけるＭＲ素子の磁化固定層の磁化方向は、第１の検出回路１０におけるＭＲ素子の磁化固定層の磁化方向に直交している。この場合、理想的には、第１の信号Ｓ１の波形は、角度θに依存したコサイン（Cosine）波形になり、第２の信号Ｓ２の波形は、角度θに依存したサイン（Sine）波形になる。この場合、第２の信号Ｓ２の位相は、第１の信号Ｓ１の位相に対して、信号周期Ｔの１／４すなわちπ／２（９０°）だけ異なっている。

角度θが０°以上９０°未満のとき、および２７０°より大きく３６０°以下のときは、第１の信号Ｓ１は正の値であり、角度θが９０°よりも大きく２７０°よりも小さいときは、第１の信号Ｓ１は負の値である。また、角度θが０°よりも大きく１８０°よりも小さいときは、第２の信号Ｓ２は正の値であり、角度θが１８０°よりも大きく３６０°よりも小さいときは、第２の信号Ｓ２は負の値である。

演算回路３０は、第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２に基づいて、角度θと対応関係を有する検出値θｓを算出する。具体的には、例えば、演算回路３０は、下記の式（１）によって、θｓを算出する。なお、“ａｔａｎ”は、アークタンジェントを表す。

θｓ＝ａｔａｎ（Ｓ２／Ｓ１） …（１）

式（１）におけるａｔａｎ（Ｓ２／Ｓ１）は、θｓを求めるアークタンジェント計算を表している。なお、θｓが０°以上３６０°未満の範囲内では、式（１）におけるθｓの解には、１８０°異なる２つの値がある。しかし、Ｓ１，Ｓ２の正負の組み合わせにより、θｓの真の値が、式（１）におけるθｓの２つの解のいずれであるかを判別することができる。すなわち、Ｓ１が正の値のときは、θｓは、０°以上９０゜未満、および２７０°より大きく３６０°以下の範囲内である。Ｓ１が負の値のときは、θｓは９０°よりも大きく２７０゜よりも小さい。Ｓ２が正の値のときは、θｓは０°よりも大きく１８０゜よりも小さい。Ｓ２が負の値のときは、θｓは１８０°よりも大きく３６０゜よりも小さい。演算回路３０は、式（１）と、上記のＳ１，Ｓ２の正負の組み合わせの判定により、０°以上３６０°未満の範囲内でθｓを求める。

次に、本実施の形態に係る磁気センサシステムの作用および効果について説明する。磁気センサシステムの非動作状態では、基準位置ＰＲにおける被検出磁界ＭＦの方向ＤＭは、磁気センサ１から見て変化しない。その間、一定方向に向いた被検出磁界ＭＦが磁気センサ１に印加され続け、検出回路１０，２０内の複数のＭＲ素子の自由層５１の磁化の方向は、第１の方向Ｄ１に固定されている。

ここで、自由層５１に予め設定誘導磁気異方性が設定されていない場合について考える。この場合には、非動作状態において磁気センサ１に印加され続ける被検出磁界ＭＦに起因して、自由層５１に、後天的に、第１の方向Ｄ１に平行な方向を磁化容易軸方向とする誘導磁気異方性が発生するおそれがある。以下、この誘導磁気異方性を、後天的誘導磁気異方性と言う。この後天的誘導磁気異方性は、例えば、非動作状態においてＭＲ素子の温度から高温から下降した場合に生じる。このようにして自由層５１に、後天的誘導磁気異方性が生じると、第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２の波形は、正弦曲線から歪み、その結果、検出値θｓに誤差が生じる。以下、上述のように自由層５１に後天的誘導磁気異方性を誘起させる状況を異方性誘起状況と言う。また、検出値θｓの誤差を角度誤差と言う。上述のように自由層５１に生じた後天的誘導磁気異方性の大きさ（異方性磁界の大きさ）は、それが飽和するまで、異方性誘起状況の累積時間が長くなるほど大きくなり続ける。それに伴い、角度誤差も大きくなり続ける。

図６は、異方性誘起状況の累積時間と角度誤差との関係の一例を示す特性図である。図６において、横軸は異方性誘起状況の累積時間を示し、縦軸は角度誤差を示している。図６に示されるように、異方性誘起状況の累積時間が長くなるほど角度誤差は大きくなる。ただし、異方性誘起状況の累積時間が長くなるに従って、単位時間当たりの角度誤差の増加量は減少する。異方性誘起状況の累積時間が図６の横軸に示した時間の最大値を超えて長くなると、やがて、誘導磁気異方性の大きさが飽和して、角度誤差も飽和する。

本実施の形態では、自由層５１に予め設定誘導磁気異方性が設定されている。設定誘導磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ１は、第１の方向Ｄ１に平行か、平行に近い方向である。具体的には、前述のように、設定誘導磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ１が第１の方向Ｄ１に対してなす角度αは、０°〜１５°の範囲内であることが好ましく、０°〜９°の範囲内であることがより好ましい。

このように、自由層５１に予め設定誘導磁気異方性が設定されていることにより、設定誘導磁気異方性が設定されていない場合に比べて、磁気センサシステムの使用開始後において、後天的な要因による自由層５１の誘導磁気異方性の大きさの増加量は小さくなる。自由層５１の誘導磁気異方性の大きさが飽和した状態になるように、設定誘導磁気異方性が設定されている場合には、磁気センサシステムの使用開始後において、自由層５１の誘導磁気異方性の大きさは増加しない。角度誤差の観点から見ると、自由層５１に予め設定誘導磁気異方性が設定されていることは、磁気センサシステムの使用開始時点において、図６に示した横軸の異方性誘起状況の累積時間が既にある程度経過していることと等価である。そのため、本実施の形態によれば、自由層５１に予め設定誘導磁気異方性が設定されていない場合に比べて、磁気センサシステムの使用開始後において、角度誤差の増加の総量、ならびに、単位時間当たりの角度誤差の増加量が小さくなる。

なお、自由層５１に予め設定誘導磁気異方性を設定すると、何も対策を施さないと、磁気センサシステムの使用開始時点において、設定誘導磁気異方性に起因して角度誤差が生じてしまう。しかし、このようにして生じる使用開始時点における角度誤差は、予め把握することができる。従って、予め、この角度誤差が小さくなるように、角度誤差の補正を行うことが可能である。本実施の形態では、この角度誤差の補正は、自由層５１に設定された形状磁気異方性によって実現されている。以上のことから、本実施の形態によれば、後天的に自由層５１に誘導磁気異方性が生じることによって生じる角度誤差を低減することが可能になる。

以下、自由層５１に形状磁気異方性を設定することにより、設定誘導磁気異方性に起因する角度誤差を補正することができることについて詳しく説明する。自由層５１に形状磁気異方性を設定せずに、自由層５１に設定誘導磁気異方性を設定すると、第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２には、設定誘導磁気異方性に起因して、角度θに依存する第１の誤差が発生する。一方、自由層５１に設定誘導磁気異方性を設定せずに、自由層５１に形状磁気異方性を設定すると、第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２には、形状磁気異方性に起因して、角度θに依存する第２の誤差が発生する。第１および第２の誤差中の主要な成分は、信号周期Ｔの１／２の周期を有する成分（以下、２次成分と言う。）である。

本実施の形態では、自由層５１に、設定誘導磁気異方性の他に形状磁気異方性を設定している。形状磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ２が設定誘導磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ１に対してなす角度βは、９０°であるか、それに近い。具体的には、前述のように、角度βは、７５°〜９０°の範囲内であることが好ましく、８１°〜９０°の範囲内であることがより好ましい。これにより、第１の誤差中の２次成分の位相と第２の誤差中の２次成分の位相は、互いに逆相になるか、それに近い関係になる。その結果、第１の誤差中の２次成分と第２の誤差中の２次成分とが相殺されて、第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２に残る誤差（以下、残存誤差と言う。）中の２次成分が低減され、角度誤差も低減される。

ここで、シミュレーションの結果を参照して、上述のように残存誤差中の２次成分が低減されることについて更に説明する。図７は、シミュレーションで求めた第１および第２の誤差ならびに残存誤差のそれぞれの２次成分の波形を示す波形図である。図７において、横軸は角度θを示し、縦軸は２次成分の大きさを示している。図７において、符号６１は、第１の誤差中の２次成分の波形を示し、符号６２は、第２の誤差中の２次成分の波形を示し、符号６３は、残存誤差中の２次成分の波形を示している。図７には、第１の誤差中の２次成分と第２の誤差中の２次成分の振幅が等しく、角度βが７５°である場合の例を示している。図７における縦軸は、第１および第２の誤差中の２次成分の最大値を１とした相対値で表している。

図７に示した例では、残存誤差中の２次成分（符号６３）の振幅は、第１の誤差中の２次成分（符号６１）の振幅の５０％になっている。角度βが７５°よりも大きく９０°以下の場合には、残存誤差中の２次成分の振幅が、第１の誤差中の２次成分の振幅の５０％よりも小さくなることは明らかである。残存誤差中の２次成分の振幅を、設定誘導磁気異方性に起因する第１の誤差中の２次成分の振幅の５０％以下にすることができる点から、角度βは、７５°〜９０°の範囲内であることが好ましい。

また、図示しないが、角度βを８１°〜９０°の範囲内とすれば、残存誤差中の２次成分の振幅を、第１の誤差中の２次成分の振幅の３０％以下にすることができる。この点から、角度βは、８１°〜９０°の範囲内であることがより好ましい。

次に、設定誘導磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ１が第１の方向Ｄ１に対してなす角度α（図２参照）の好ましい範囲について説明する。角度αが０°であって、自由層５１の誘導磁気異方性の大きさが飽和した状態になるように、設定誘導磁気異方性が設定されている場合には、磁気センサシステムの使用開始後において、自由層５１の誘導磁気異方性の大きさは増加しない。しかし、角度αが０°以外の場合には、自由層５１に、第１の方向Ｄ１に平行な方向を磁化容易軸方向とする後天的誘導磁気異方性が発生するおそれがある。すると、自由層５１における誘導磁気異方性は、設定誘導磁気異方性と後天的誘導磁気異方性とが複合されたものとなり、その誘導磁気異方性による磁化容易軸方向は、設定誘導磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ１からずれてしまう。これは、磁気センサシステムの使用開始時に角度βが９０°に設定されていたとすると、磁気センサシステムの使用開始後に角度βが９０°からずれることに相当する。ただし、角度αが０°以外の場合において、後天的誘導磁気異方性に起因した上記の磁化容易軸方向のずれ量の最大値はαである。従って、角度αが０°〜１５°の範囲内であれば、角度βが７５°〜９０°の範囲内である場合と同等以上の効果が得られ、角度αが０°〜９°の範囲内であれば、角度βが８１°〜９０°の範囲内である場合と同等以上の効果が得られる。従って、角度αは、０°〜１５°の範囲内であることが好ましく、０°〜９°の範囲内であることがより好ましい。

ただし、角度αが０°〜１５°の範囲内で、角度βが７５°〜９０°の範囲内であっても、角度γが７５°未満であると、自由層５１において設定誘導磁気異方性と後天的誘導磁気異方性とが複合された誘導磁気異方性の磁化容易軸方向が磁化容易軸方向ＤＡ２に対してなす角度が７５°未満になる可能性がある。その場合には、残存誤差中の２次成分の振幅が、第１の誤差中の２次成分の振幅の５０％を超えるおそれがある。そのため、角度γも、角度βと同様に、７５°〜９０°の範囲内であることが好ましく、８１°〜９０°の範囲内であることがより好ましい。

ところで、設定誘導磁気異方性に起因する第１の誤差には、２次成分の他に、信号周期Ｔの１／３の周期を有する成分（以下、３次成分と言う。）が含まれる場合がある。同様に、形状磁気異方性に起因する第２の誤差にも、２次成分の他に３次成分が含まれる場合がある。この第２の誤差中の３次成分の大きさは、自由層５１の形状によって調整することが可能である。従って、第１の誤差に３次成分が含まれる場合には、自由層５１の形状によって調整することによって、残存誤差中の３次成分を低減することが可能である。以下、これについて詳しく説明する。

例えば自由層５１の平面形状が楕円形の場合には、楕円の短軸の長さに対する長軸の長さの比率を変化させると、第２の誤差中の３次成分の大きさが変化する。ここで、自由層５１の平面形状である楕円の短軸と長軸のうち、一方はＸ方向に平行であり、他方はＹ方向に平行であるものとする。また、自由層５１に設定された設定誘導磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ１は、Ｙ方向に平行であるものとする。また、Ｙ方向についての楕円の長さに対するＸ方向についての楕円の長さの比率を、アスペクト比と呼ぶ。アスペクト比が１よりも大きい場合には、楕円の長軸方向および形状磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ２はＸ方向に平行になる。この場合には、第２の誤差中の３次成分の位相は、第１の誤差中の３次成分の位相とは逆相になる。アスペクト比が１よりも小さい場合には、楕円の長軸方向および磁化容易軸方向ＤＡ２はＹ方向に平行になる。この場合には、第２の誤差中の３次成分の位相は、第１の誤差中の３次成分の位相と同じ位相になる。なお、アスペクト比が１の場合は、自由層５１の平面形状は円形になり、自由層５１に形状磁気異方性は生じない。

図８は、シミュレーションで求めたアスペクト比と第２の誤差中の３次成分の大きさとの関係の一例を示す特性図である。図８において、横軸はアスペクト比を示し、縦軸は第２の誤差中の３次成分の大きさを示している。なお、図８では、第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２における理想的な正弦曲線の成分である理想成分の振幅（最大値）に対する第２の誤差中の３次成分の振幅（最大値）の割合を百分率で表した値を、３次成分の大きさとして表している。また、この３次成分の大きさは、アスペクト比が１よりも小さい場合には正の値となり、アスペクト比が１よりも大きい場合には負の値となるように表している。

例えば、第１の誤差中の３次成分の振幅（最大値）が理想成分の振幅（最大値）の１％程度である場合には、第２の誤差中の３次成分の大きさを−１％程度にすることにより、第１および第２の誤差中の３次成分を相殺して、残存誤差中の３次成分を低減することができる。これは、図８に示した例では、アスペクト比を、およそ１．１〜１．３の範囲内とすることによって実現することができる。このように、本実施の形態によれば、自由層５１の楕円形状を調整させることによって、残存誤差中の３次成分を低減して、角度誤差をより低減することが可能である。

［第２の実施の形態］
次に、図９および図１０を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。図９は、本実施の形態における磁気センサ１の構成を示す回路図である。図１０は、図９における１つのＭＲ素子の一部を示す斜視図である。本実施の形態では、基準位置ＰＲにおける被検出磁界ＭＦの方向に応じて磁化の方向が変化する磁性層である自由層５１に形状磁気異方性は設定されていない。図１０に示した例では、ＭＲ膜５０は、円柱形状を有している。この場合、自由層５１の平面形状は円形になる。

本実施の形態における磁気センサ１では、自由層５１に設定された設定誘導磁気異方性に起因して検出値θｓに生じる誤差の補正を演算回路３０によって行う。演算回路３０は，以下のようにして、第１および第２の検出回路１０，２０によって生成された第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２から、補正された検出値θｓを算出する。

演算回路３０は、第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２から、第１の実施の形態で説明した式（１）によって、補正前のθｓを算出する。補正前のθｓは、設定誘導磁気異方性に起因する角度誤差を含んでいる。本実施の形態における演算回路３０は、補正前のθｓの複数の値と、設定誘導磁気異方性が設定されていないと想定して理論的に求められる補正後のθｓの複数の値との対応関係を示すテーブルを保持している。演算回路３０は、このテーブルを参照して、補正前のθｓから補正後のθｓを求め、これを検出値θｓとして出力する。

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。始めに、図１１を参照して、本実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成について説明する。図１１は、本実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。本実施の形態に係る磁気センサシステムは、被検出磁界を発生する磁界発生部２と、被検出磁界を検出する磁気センサ１０１とを備えている。磁気センサ１０１は、被検出磁界を検出する第１の検出回路１０および第２の検出回路２０を有している。本実施の形態における磁界発生部２は、複数組のＮ極とＳ極が交互に直線状に配列された磁気スケール１２０を有している。図１１に示した例では、磁気スケール１２０は、磁気スケール１２０のＮ極とＳ極が並ぶ方向Ｔに平行な上面１２０ａを有している。磁気センサ１０１は、磁気スケール１２０の上面１２０ａに対向する位置に配置されている。本実施の形態では、動作状態において、方向Ｔについて磁気スケール１２０と磁気センサ１０１の相対的位置関係が変化するように、磁気スケール１２０と磁気センサ１０１の少なくとも一方が方向Ｔに直線的に移動する。非動作状態では、方向Ｔについて磁気スケール１２０と磁気センサ１０１の相対的位置関係が一定になるように、磁気スケール１２０と磁気センサ１０１の両方が停止する。

ここで、磁気スケール１２０における隣接するＮ極とＳ極の１組の、方向Ｔについて長さを１ピッチと言う。第１の検出回路１０と第２の検出回路２０は、方向Ｔについて、１／４ピッチ分だけ互いにずれた位置に配置されている。

第１および第２の検出回路１０，２０は、それぞれ磁気検出素子を含んでいる。本実施の形態における磁気検出素子は、第１の実施の形態と同様に、例えばＴＭＲ素子またはＧＭＲ素子である。以下、磁気検出素子をＭＲ素子と記す。本実施の形態では、検出回路１０，２０は、ＭＲ素子（ＭＲ膜）を構成する複数の層の面が、磁気スケール１２０の上面１２０ａに対して平行になるように配置されている。

図１２は、ＭＲ素子の形状と配置を模式的に示している。図１２において、符号１１，２１は、それぞれ、検出回路１０，２０内のＭＲ素子の自由層の平面形状を表している。第２の検出回路２０のＭＲ素子は、方向Ｔについて、第１の検出回路１０のＭＲ素子に対して１／４ピッチ分だけずれた位置に配置されている。自由層の平面形状については、後で詳しく説明する。

次に、図１１を参照して、本実施の形態における基準平面、基準位置、基準方向について説明する。まず、本実施の形態では、方向Ｔに平行な一方向（図１１では右側に向かう方向）をＸ方向と定義し、磁気スケール１２０の上面１２０ａに垂直な一方向（図１１では上側に向かう方向）をＹ方向と定義し、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な一方向（図１１では奥へ進む方向）をＺ方向と定義する。また、Ｘ方向とは反対の方向を−Ｘ方向と定義する。

本実施の形態における基準平面ＰＬは、Ｚ方向に垂直な平面である。基準位置ＰＲは、基準平面ＰＬ内に位置する。基準位置ＰＲは、第１の検出回路１０が被検出磁界を検出する位置でもよいし、第２の検出回路２０が被検出磁界を検出する位置でもよい。以下の説明では、第１の検出回路１０が被検出磁界を検出する位置を基準位置ＰＲとする。動作状態では、基準平面ＰＬ内において、基準位置ＰＲにおける被検出磁界の方向ＤＭは、磁気センサ１から見て変化する。本実施の形態では、特に、動作状態では、基準位置ＰＲにおける被検出磁界の方向ＤＭは、磁気センサ１から見て、基準位置ＰＲを中心として回転する。方向Ｔについて磁気スケール１２０と磁気センサ１の相対的位置関係が１ピッチ分変化すると、基準位置ＰＲにおける被検出磁界の方向ＤＭは３６０°だけ回転する。従って、磁気スケール１２０と磁気センサ１の相対的位置関係と、基準位置ＰＲにおける被検出磁界の方向ＤＭは、対応関係を有している。１ピッチは、被検出磁界の方向ＤＭの回転角度の３６０°に相当する。前述のように、第１の検出回路１０と第２の検出回路２０は、方向Ｔについて、１／４ピッチ分だけ互いにずれた位置に配置されていることから、第２の検出回路２０が被検出磁界を検出する位置における被検出磁界の方向は、基準位置ＰＲにおける被検出磁界の方向ＤＭに対して９０°だけずれている。

また、非動作状態では、基準平面ＰＬ内において、基準位置ＰＲにおける被検出磁界の方向ＤＭは、磁気センサ１から見て変化せずに、検出回路１０，２０内の複数のＭＲ素子の自由層の磁化の方向が、以下の例外を除いて、第１の方向Ｄ１に固定される。本実施の形態では、第１の方向Ｄ１は方向Ｔ（Ｘ方向、−Ｘ方向）である。例外は、検出回路１０，２０のうちの一方において、磁性層（自由層）に印加される被検出磁界の方向がＹ方向または−Ｙ方向に固定される場合である。この場合でも、検出回路１０，２０のうちの他方においては、自由層の磁化の方向は第１の方向Ｄ１に固定される。

また、本実施の形態では、基準方向ＤＲはＸ方向とする。また、基準位置ＰＲにおける被検出磁界の方向ＤＭが基準方向ＤＲに対してなす角度を記号θで表す。角度θは、基準方向ＤＲから時計回り方向に見たときに正の値で表し、基準方向ＤＲから反時計回り方向に見たときに負の値で表す。

次に、図１３を参照して、磁気センサ１０１の構成について詳しく説明する。図１３は、磁気センサ１０１の構成を示す回路図である。磁気センサ１０１は、前記の第１および第２の検出回路１０，２０と、演算回路３０を備えている。検出回路１０，２０の構成は、ＭＲ素子を構成するＭＲ膜の形状と、ＭＲ素子における磁化固定層の磁化の方向を除いて、第１の実施の形態と同じである。演算回路３０は、２つの入力端と１つの出力端とを有している。演算回路３０の２つの入力端は、それぞれ、検出回路１０，２０の各出力端に接続されている。

演算回路３０は、角度θと対応関係を有する検出値θｓを算出する。本実施の形態では、検出値θｓは、磁気センサ１０１によって検出された角度θの値であり、これは、方向Ｔについての磁気スケール１２０と磁気センサ１０１の相対的位置関係に対応している。このように、本実施の形態に係る磁気センサシステムは、方向Ｔについての、磁気スケール１２０に対する磁気センサ１０１の位置を検出することができる。

図１３において、塗りつぶした矢印は、ＭＲ素子における磁化固定層の磁化の方向を表し、白抜きの矢印は、ＭＲ素子における自由層の磁化の方向を表している。本実施の形態では、ＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１４，Ｒ２１，Ｒ２４における磁化固定層の磁化の方向はＸ方向である。また、ＭＲ素子Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ２２，Ｒ２３における磁化固定層の磁化の方向は−Ｘ方向である。

本実施の形態では、第１の検出回路１０は、基準位置ＰＲにおける被検出磁界の、方向Ｔ（Ｘ方向、−Ｘ方向）の成分の強度を検出して、その強度を表す第１の信号Ｓ１を、演算回路３０に出力する。第１の信号Ｓ１は、基準位置ＰＲにおける被検出磁界の方向ＤＭが基準方向ＤＲに対してなす角度θと対応関係を有する。

また、第２の検出回路２０は、第２の検出回路２０が被検出磁界を検出する位置における被検出磁界の、方向Ｔ（Ｘ方向、−Ｘ方向）の成分の強度を検出して、その強度を表す第２の信号Ｓ２を、演算回路３０に出力する。前述のように、第２の検出回路２０が被検出磁界を検出する位置における被検出磁界の方向は、基準位置ＰＲにおける被検出磁界の方向ＤＭに対して９０°だけずれた一定の関係を有している。そのため、第２の信号Ｓ２も、基準位置ＰＲにおける被検出磁界の方向ＤＭが基準方向ＤＲに対してなす角度θと対応関係を有する。

第２の信号Ｓ２の位相は、第１の信号Ｓ１の位相と異なっている。本実施の形態では、特に、第２の信号Ｓ２の位相は、第１の信号Ｓ１の位相と９０°だけ異なっている。理想的には、第１の信号Ｓ１の波形は、角度θに依存したコサイン波形になり、第２の信号Ｓ２の波形は、角度θに依存したサイン波形になる。演算回路３０における検出値θｓの算出方法は、第１の実施の形態と同じである。

本実施の形態では、検出回路１０，２０内のＭＲ素子において、被検出磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する磁性層である自由層には、予め設定誘導磁気異方性が設定されている。第１の実施の形態と同様に、設定誘導磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ１が第１の方向Ｄ１（方向Ｔ）に対してなす角度αは、０°〜１５°の範囲内であることが好ましく、０°〜９°の範囲内であることがより好ましい。これにより、本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、自由層に予め設定誘導磁気異方性が設定されていない場合に比べて、磁気センサシステムの使用開始後において、角度誤差の増加の総量、ならびに、単位時間当たりの角度誤差の増加量が小さくなる。

また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、設定誘導磁気異方性に起因して生じる角度誤差の補正を、自由層に設定された形状磁気異方性によって実現している。すなわち、本実施の形態では、検出回路１０，２０内のＭＲ素子におけるＭＲ膜の形状をいずれも楕円柱形状とすることによって、検出回路１０内の複数のＭＲ素子の自由層の平面形状（符号１１）と検出回路２０内の複数のＭＲ素子の自由層の平面形状（符号２１）を、いずれも楕円形としている。自由層の平面形状である楕円の長軸方向が、形状磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ２となる。第１の実施の形態と同様に、磁化容易軸方向ＤＡ２が設定誘導磁気異方性による磁化容易軸方向ＤＡ１に対してなす角度βと、磁化容易軸方向ＤＡ２が第１の方向Ｄ１に対してなす角度γは、いずれも７５°〜９０°の範囲内であることが好ましく、８１°〜９０°の範囲内であることがより好ましい。

以上のことから、本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、後天的に自由層に誘導磁気異方性が生じることによって生じる角度誤差を低減することが可能になる。

なお、本実施の形態において、第２の実施の形態と同様に、自由層に設定された設定誘導磁気異方性に起因して検出値θｓに生じる誤差の補正を演算回路３０によって行ってもよい。

また、本実施の形態において、ＭＲ素子（ＭＲ膜）を構成する複数の層の面に対して垂直な方向がＸＹ平面と交差するように、検出回路１０，２０を配置してもよい。この場合には、動作状態において、方向Ｔについて磁気スケール１２０と磁気センサ１０１の相対的位置関係が変化すると、自由層の磁化の方向は回転する。従って、この場合には、非動作状態に固定される自由層の磁化の方向Ｄ１は、自由層の面に平行な平面内における任意の方向となり得る。また、この場合、基準平面ＰＬは、ＭＲ素子を構成する複数の層の面に平行な平面としてもよい。また、磁気センサ１０１の代わりに、第１の実施の形態における磁気センサ１を用いて、ＭＲ素子を構成する複数の層の面に対して垂直な方向がＸＹ平面と交差するように検出回路１０，２０を配置してもよい。この場合には、第１の実施の形態と同様に、検出回路１０，２０を同じ位置に配置しながら、第２の信号Ｓ２の位相を、第１の信号Ｓ１の位相に対して、信号周期Ｔの１／４すなわちπ／２（９０°）だけ異ならせることができる。

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１または第２の実施の形態と同様である。

［第４の実施の形態］
次に、図１４を参照して、本発明の第４の実施の形態について説明する。図１４は、本実施の形態の磁気センサと比較例の磁気センサの構成を示す回路図である。図１４において、（ａ）は比較例の磁気センサを示し、（ｂ）は本実施の形態の磁気センサを示している。比較例の磁気センサと本実施の形態の磁気センサは、いずれも、第１および第２の検出回路１０，２０を備えている。第１および第２の検出回路１０，２０は、それぞれ磁気検出素子を含んでいる。本実施の形態では、第１および第２の検出回路１０，２０内の全ての磁気検出素子として、ＴＭＲ素子またはＧＭＲ素子を用いている。以下、磁気検出素子をＭＲ素子と記す。

また、第１および第２の検出回路１０，２０は、いずれも、第１の実施の形態で説明したホイートストンブリッジ回路の代わりにハーフブリッジ回路を有し、差分検出器を有していない。第１の検出回路１０は、直列に接続されて、電源ポートＶ１とグランドポートＧ１の間に設けられた一対のＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２と、ＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２の接続点に接続された出力ポートＥ１とを有している。第１の検出回路１０が生成する第１の信号Ｓ１は、出力ポートＥ１から得られる。第２の検出回路２０は、直列に接続されて、電源ポートＶ１とグランドポートＧ２の間に設けられた一対のＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２と、ＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２の接続点に接続された出力ポートＥ２とを有している。第２の検出回路２０が生成する第２の信号Ｓ２は、出力ポートＥ２から得られる。

図示しないが、比較例の磁気センサと本実施の形態の磁気センサは、いずれも、その入力端が出力ポートＥ１，Ｅ２に接続された演算回路を備えている。この演算回路は、角度θと対応関係を有する検出値θｓを算出する。この演算回路における検出値θｓの算出方法は、第１の実施の形態と同じである。

図１４において、塗りつぶした矢印は、ＭＲ素子における磁化固定層の磁化の方向を表し、白抜きの矢印は、ＭＲ素子における自由層の磁化の方向を表している。本実施の形態では、ＭＲ素子Ｒ１１における磁化固定層の磁化の方向はＸ方向であり、ＭＲ素子Ｒ１２における磁化固定層の磁化の方向は−Ｘ方向である。また、ＭＲ素子Ｒ２１における磁化固定層の磁化の方向は−Ｙ方向であり、ＭＲ素子Ｒ２２における磁化固定層の磁化の方向はＹ方向である。

図１４では、検出回路１０，２０内のＭＲ素子の自由層の平面形状を模式的に示している。ＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２の自由層の平面形状は、長辺がＹ方向に向いた長方形であり、ＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２の自由層の平面形状は、長辺がＸ方向に向いた長方形である。比較例の磁気センサでは、ＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２の自由層の平面形状である長方形の大きさは同じである。本実施の形態の磁気センサでは、ＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２の自由層の平面形状である長方形の大きさと、ＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２の自由層の平面形状である長方形の大きさは異なっている。

本実施の形態では、非動作状態において自由層の磁化の方向が固定される第１の方向Ｄ１は、Ｘ方向とする。本実施の形態の磁気センサでは、ＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２の自由層には、予め設定誘導磁気異方性が設定されている。設定誘導磁気異方性による磁化容易軸方向が第１の方向Ｄ１（Ｘ方向）に対してなす角度は、第１の実施の形態と同様に、０°〜１５°の範囲内であることが好ましく、０°〜９°の範囲内であることがより好ましい。これにより、本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、自由層に予め設定誘導磁気異方性が設定されていない場合に比べて、磁気センサシステムの使用開始後において、角度誤差の増加の総量、ならびに、単位時間当たりの角度誤差の増加量が小さくなる。

本実施の形態の磁気センサと同様に、比較例の磁気センサにおいても、ＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２の自由層に予め設定誘導磁気異方性が設定されているものとする。ただし、比較例の磁気センサでは、設定誘導磁気異方性に起因して生じる角度誤差が生じるものとする。本実施の形態では、設定誘導磁気異方性に起因して生じる角度誤差の補正を、自由層の形状磁気異方性の大きさを調整することによって実現している。以下、これについて詳しく説明する。

まず、図１４（ｂ）のＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２の自由層の平面形状は、図１４（ａ）のＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２の自由層の平面形状に比べて、Ｘ方向についての長さが小さくなっている。これにより、図１４（ｂ）のＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２の自由層では、図１４（ａ）のＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２の自由層に比べて、Ｙ方向に平行な方向についての形状磁気異方性による異方性磁界が大きくなっている。その結果、図１４（ｂ）の検出回路１０では、図１４（ａ）の検出回路１０に比べて、設定誘導磁気異方性に起因して第１の信号Ｓ１に生じる誤差を低減することができる。

また、図１４（ｂ）のＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２の自由層の平面形状は、図１４（ａ）のＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２の自由層の平面形状に比べて、Ｙ方向についての長さが大きくなっている。これにより、図１４（ｂ）のＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２の自由層では、図１４（ａ）のＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２の自由層に比べて、Ｘ方向に平行な方向についての形状磁気異方性による異方性磁界が小さくなっている。その結果、図１４（ｂ）の検出回路２０では、図１４（ａ）の検出回路２０に比べて、設定誘導磁気異方性に起因して第２の信号Ｓ２に生じる誤差を低減することができる。

これらのことから、本実施の形態の磁気センサでは、比較例の磁気センサに比べて、設定誘導磁気異方性に起因して生じる角度誤差を低減することができる。

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。

［第５の実施の形態］
次に、図１５を参照して、本発明の第５の実施の形態について説明する。図１５は、本実施の形態の磁気センサと比較例の磁気センサの構成を示す回路図である。図１５において、（ａ）は比較例の磁気センサを示し、（ｂ）は本実施の形態の磁気センサを示している。本実施の形態における比較例の磁気センサと本実施の形態の磁気センサの回路構成は、第４の実施の形態における比較例の磁気センサと第４の実施の形態の磁気センサの回路構成と同じである。ただし、本実施の形態では、第１および第２の検出回路１０，２０内の全ての磁気検出素子として、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗効果）素子を用いている。以下、磁気検出素子をＡＭＲ素子と記す。ＡＭＲ素子は、基準位置における被検出磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する磁性層を含んでいる。また、ＡＭＲ素子では、この磁性層の磁化の方向が、磁性層を流れる電流の方向に対してなす角度に応じて、磁性層の抵抗値が変化する。

本実施の形態では、被検出磁界が１回転する間に、第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２は２周期分変化する。従って、本実施の形態における第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２の信号周期は、被検出磁界の１／２回転に相当し、第４の実施の形態（第１の実施の形態）における信号周期Ｔの１／２となる。

図１５では、検出回路１０，２０内のＡＭＲ素子の平面形状を模式的に示している。比較例の磁気センサと本実施の形態の磁気センサのいずれにおいても、ＡＭＲ素子Ｒ１１の磁性層の平面形状は、長辺がＹ方向に向いた長方形である。また、ＡＭＲ素子Ｒ１２の磁性層の平面形状は、長辺がＸ方向に向いた長方形である。

図１５（ａ）に示した比較例の磁気センサでは、ＡＭＲ素子Ｒ２１の磁性層の平面形状は、長辺がＹ方向から反時計回り方向に４５°回転した長方形である。また、ＡＭＲ素子Ｒ２２の磁性層の平面形状は、長辺がＹ方向から時計回り方向に４５°回転した長方形である。

図１５（ｂ）に示した本実施の形態の磁気センサでは、ＡＭＲ素子Ｒ２１の磁性層の平面形状は、長辺がＹ方向から反時計回り方向に、４５°よりも小さい角度だけ回転した長方形である。また、ＡＭＲ素子Ｒ２２の磁性層の平面形状は、長辺がＹ方向から時計回り方向に、４５°よりも小さい角度だけ回転した長方形である。

また、比較例の磁気センサにおけるＡＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２の磁性層の平面形状である長方形の大きさは同じである。本実施の形態の磁気センサにおけるＡＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２の磁性層の平面形状である長方形の大きさは、比較例におけるそれらとは異なっている。また、比較例の磁気センサと本実施の形態の磁気センサのいずれにおいても、ＡＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２に対しては、それらの磁性層の長手方向（長辺の方向）に電流が流される。

本実施の形態では、非動作状態において磁性層の磁化の方向が固定される第１の方向Ｄ１は、Ｘ方向とする。本実施の形態の磁気センサでは、ＡＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２の磁性層の磁性層には、予め設定誘導磁気異方性が設定されている。これにより、本実施の形態によれば、磁性層に予め設定誘導磁気異方性が設定されていない場合に比べて、磁気センサシステムの使用開始後において、角度誤差の増加の総量、ならびに、単位時間当たりの角度誤差の増加量が小さくなる。

本実施の形態の磁気センサと同様に、比較例の磁気センサにおいても、ＡＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２の磁性層に予め設定誘導磁気異方性が設定されているものとする。ただし、比較例の磁気センサでは、設定誘導磁気異方性に起因して生じる角度誤差が生じるものとする。本実施の形態では、設定誘導磁気異方性に起因して生じる角度誤差の補正を、磁性層の形状磁気異方性の大きさや配置を調整することによって実現している。以下、これについて詳しく説明する。

まず、図１５（ｂ）のＡＭＲ素子Ｒ１１の磁性層の平面形状は、図１５（ａ）のＡＭＲ素子Ｒ１１の磁性層の平面形状と相似形であるが、それよりも小さくなっている。このように、磁性層の平面形状を相似形のままで小さくすることにより、磁性層における静磁界の影響が大きくなり、磁性層の長手方向（Ｙ方向に平行な方向）についての形状磁気異方性による異方性磁界が大きくなる。そのため、図１５（ｂ）のＡＭＲ素子Ｒ１１の磁性層では、図１５（ａ）のＡＭＲ素子Ｒ１１の磁性層に比べて、Ｙ方向に平行な方向についての形状磁気異方性による異方性磁界が大きくなっている。

また、図１５（ｂ）のＡＭＲ素子Ｒ１２の磁性層の平面形状は、図１５（ａ）のＡＭＲ素子Ｒ１２の磁性層の平面形状と相似形であるが、それよりも大きくなっている。このように、磁性層の平面形状を相似形のままで大きくすることにより、磁性層における静磁界の影響が小さくなり、磁性層の長手方向（Ｘ方向に平行な方向）についての形状磁気異方性による異方性磁界は小さくなる。そのため、図１５（ｂ）のＡＭＲ素子Ｒ１２の磁性層では、図１５（ａ）のＡＭＲ素子Ｒ１２の磁性層に比べて、Ｘ方向に平行な方向についての形状磁気異方性による異方性磁界が小さくなっている。

これらのことから、図１５（ｂ）の検出回路１０では、図１５（ａ）の検出回路１０に比べて、ＡＭＲ素子Ｒ１１，Ｒ１２の磁性層のＹ方向に平行な方向についての形状磁気異方性の大きさが大きくなり、その結果、設定誘導磁気異方性に起因して第１の信号Ｓ１に生じる誤差を低減することができる。

また、図１５（ｂ）のＡＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２の磁性層の平面形状は、図１５（ａ）のＡＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２の磁性層の平面形状と相似形であるが、それらよりも小さくなっている。また、図１５（ｂ）のＡＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２の磁性層の長手方向がＹ方向に対してなす角度は、図１５（ｂ）のＡＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２の磁性層の長手方向がＹ方向に対してなす角度よりも小さくなっている。これにより、図１５（ｂ）のＡＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２の磁性層では、図１５（ａ）のＡＭＲ素子Ｒ２１，Ｒ２２の磁性層に比べて、Ｙ方向に平行な方向についての形状磁気異方性による異方性磁界が大きくなっている。その結果、図１５（ｂ）の検出回路２０では、図１５（ａ）の検出回路２０に比べて、設定誘導磁気異方性に起因して第２の信号Ｓ２に生じる誤差を低減することができる。

これらのことから、本実施の形態の磁気センサでは、比較例の磁気センサに比べて、設定誘導磁気異方性に起因して生じる角度誤差を低減することができる。

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明における磁気検出素子としては、スピンバルブ型のＭＲ素子（ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子）やＡＭＲ素子に限らず、被検出磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する磁性層を有するものであればよい。例えば、磁気検出素子としては、強磁性層を含み、強磁性ホール効果を用いたホール素子を用いてもよい。

１…磁気センサ、２…磁界発生部、５…磁石、１０…第１の検出回路、２０…第２の検出回路、１４，２４…ホイートストンブリッジ回路、３０…演算回路。

Claims (6)

1. 被検出磁界を発生する磁界発生部と、前記被検出磁界を検出する磁気センサとを備え、動作状態と非動作状態とが選択される磁気センサシステムであって、
   前記磁気センサは、磁気検出素子を有し、基準位置における前記被検出磁界の方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する検出値を生成し、
   前記磁気検出素子は、前記基準位置における前記被検出磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する磁性層を含み、
   前記動作状態では、前記基準位置における前記被検出磁界の方向が前記磁気センサから見て変化し、
   前記非動作状態では、前記基準位置における前記被検出磁界の方向が前記磁気センサから見て変化せずに、前記磁性層の磁化の方向が第１の方向に固定され、
   前記磁性層には、予め誘導磁気異方性が設定され、
   前記磁性層に設定された前記誘導磁気異方性による磁化容易軸方向が前記第１の方向に対してなす角度は、０°〜１５°の範囲内であることを特徴とする磁気センサシステム。
2. 前記動作状態では、前記磁界発生部と前記磁気センサの相対的位置関係が変化し、
   前記非動作状態では、前記磁界発生部と前記磁気センサの相対的位置関係が一定になることを特徴とする請求項１記載の磁気センサシステム。
3. 前記磁気センサは、前記磁性層に設定された前記誘導磁気異方性に起因して前記検出値に生じる誤差の補正を行うことを特徴とする請求項１または２記載の磁気センサシステム。
4. 前記誤差の補正は、前記磁性層に設定された形状磁気異方性によって実現されることを特徴とする請求項３記載の磁気センサシステム。
5. 前記形状磁気異方性による磁化容易軸方向が前記誘導磁気異方性による磁化容易軸方向に対してなす角度と、前記形状磁気異方性による磁化容易軸方向が前記第１の方向に対してなす角度は、いずれも７５°〜９０°の範囲内であることを特徴とする請求項４記載の磁気センサシステム。
6. 前記磁気センサは、前記誤差の補正を行う演算回路を含むことを特徴とする請求項３記載の磁気センサシステム。

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