JP2016170028A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、小型化を可能とし、微弱な磁界の検出精度を向上させた磁気センサに関する。【解決手段】本磁気センサは、入力される磁界の向きに応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子の周囲に、前記磁気抵抗効果素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体が配置されており、前記磁性体は前記磁気抵抗効果素子の形成されている側の面に磁界の向きを変化させる手段を有することを特徴とする。また、前記磁性体の前記面取り部は、少なくとも１つの平面を持つ形状で面取りされるとよい。【選択図】図８

Description

本発明は、磁気センサにかかり、特に磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。

計測装置として、磁界の変化を検出可能な磁気センサが開発されており、例えば、電流計、磁気エンコーダなど、種々の用途に用いられている。このような磁気センサの一例が下記特許文献１に開示されており、磁界の変化を検出する素子としてＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子（Giant Magneto Resistive effect 素子））を用いている。なお、ＧＭＲ素子は、入力される磁気に応じて出力される抵抗値が変化する素子であり、この出力される抵抗値に基づいて、検出された磁界の変化を計測することができる。

そして、ＧＭＲ素子を用いた磁気センサの具体的な構成の一例としては、特許文献１に示すように、基板上に４つのＧＭＲ素子を配置し、ブリッジ回路を構成する。そして、ブリッジ回路の差動電圧を検出することで、検出対象となる磁界が変化することに伴うＧＭＲ素子の抵抗値の変化を検出する。これにより、磁界の変化に高感度なセンサを構成することができる。

具体的に、特許文献１に開示されている磁気センサは、磁界の変化を検出する素子として、入力される磁界の向きに応じて出力される抵抗値が変化するスピンバルブ型のＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）を用いたＧＭＲチップ（磁界検出チップ）を備えている。そして、ＧＭＲ素子は、それぞれの一面に、所定の方向の磁界を検出可能なよう所定方向に磁化固定されている。このとき、ＧＭＲチップの小型化、及び、個々の抵抗値のばらつきを小さくするために、１つのＧＭＲチップ上にブリッジ回路を形成する４つのＧＭＲ素子を形成している。このため、４つ全てのＧＭＲ素子の磁化固定方向は全て同一方向である。

図１、図２はＧＭＲ素子の特性を説明する図である。まず、本発明にて用いられるＧＭＲ素子の特性について、図１、図２を参照して説明する。ＧＭＲ素子は、入力される磁界の向きに応じて出力される抵抗値が変化するスピンバルブ型のＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）である。そして、図１および図２に、ＧＭＲ素子に対する磁界Ｈの侵入角と、抵抗値との関係について示す。

図１の例におけるＧＭＲチップ１は、その上面にＧＭＲ素子が形成されている。このＧＭＲ素子は、矢印Ａ方向の磁界を検出可能なよう当該矢印Ａ方向に磁化固定されて、構成されていることとする。

そして、図１において、ＧＭＲ素子は、当該ＧＭＲ素子の形成面に対して垂直に入射する磁界Ｈ中に配置されている。この場合に、ＧＭＲ素子の抵抗値は、図２に示すように、「Ｒｏ」となる。これに対し、磁界Ｈの向きが傾くと、図１の点線にて示すように、ＧＭＲ素子面に対する磁界Ｈの入射角が、垂直方向から−△θ（△（デルタ）：変化量を表すこととして用いる）、あるいは、＋△θの角度だけ傾く。すると、ＧＭＲ素子は、上述したように一方向に磁化固定されているため、その方向において磁界の向きが変化することとなり、図２に示すように、ＧＭＲ抵抗値が変化する。このように、ＧＭＲ素子は、入射する磁界の向きが垂直な状態にて抵抗値をＲｏと設定したときに、磁界Ｈの向きが微小角度だけ傾いたときに特に抵抗値が大きく変化するという特性を有する。

図３、図４は従来の磁気センサの構成図である。前記のようなブリッジ回路を形成するＧＭＲチップを用いて一方向の磁界を検出する場合、特許文献１では当該ブリッジ回路にて相互に隣り合って接続されていない対となるＧＭＲ素子をほぼ同一箇所に形成した素子形成部の周囲に、ＧＭＲ素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体２１を配置している。

さらに前記磁性体２１は、一方向の外部磁界を、ＧＭＲ素子間で異なる方向に変化させることが出来る。これにより、ブリッジ回路以内の４つのＧＭＲ素子に対し、一方に対しては磁化固定方向に、他方に対してはその反対方向に、磁界が導出されるように配置されている。これによりブリッジ回路から大きな差動電圧を出力し、一方向の磁界の検出精度の向上を図っている。

図５は特許文献１における、磁性体２１によってＧＭＲ素子部１１、１２へ導入される磁界Ｈの概略図のうちＧＭＲ素子１１、１２の磁化固定方向と、ＧＭＲ素子形成面と直交する面における様子を表す図である。磁性体２１により磁界Ｈが曲げられ、ＧＭＲ素子部１１、１２に於いて、ＧＭＲ素子部１１、１２の感磁方向への磁界成分（Ｘ軸方向磁界）が発生し、前述のとおりＧＭＲ抵抗値が変化する。これにより、磁界の変化に高感度なセンサを構成することができる。なお、以下の全ての説明に於いて、ＧＭＲ素子の磁化固定方向と平行な方向をＸ軸方向、ＧＭＲ素子形成面内における、ＧＭＲ素子の磁化固定方向と直交する方向をＹ軸方向、ＧＭＲ素子形成面と直交する方向をＺ軸方向と定義する。

図６は特許文献１における、磁性体２１によってＧＭＲ素子部１１、１２へ導入される磁界Ｈの概略図のうちＸ軸とＹ軸により形成される面における図である。磁界Ｈは紙面、手前から奥方向へ導入された後、磁性体２１による作用により曲げられ、ＧＭＲ素子部１１、１２に対し感磁方向へ傾き、導入される。これにより、ＧＭＲ素子部１１、１２の感磁方向への磁界成分（Ｘ軸方向磁界）が増加し、前述のとおりＧＭＲ抵抗値が変化する。

また、特許文献２においては、磁気抵抗効果素子に対し、外部からの垂直磁界を水平方向への磁界成分に変換して与える磁性体を複数配置して、垂直磁界成分を検出するセンサが開示されている。

特許第５５００７８５号公報 特許第５５９７２０６号公報

しかしながら、上記特許文献１、特許文献２に開示の技術では、微弱な磁界を検出する為には、素子部に導出される磁界の量が不十分であり、磁気検出精度を向上させる必要があるという問題があった。

このため、本発明の目的は、上述した課題である、磁気センサの磁気検出精度の向上を簡便な構成にて図ることにある。

そこで、本発明の一形態である磁気センサは、入力される磁界の向きに応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子の周囲に磁気抵抗効果素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体を配置し、その磁性体は、磁気抵抗効果素子の配置面に平行な面での断面形状に於いて、少なくとも１つの角部が面取りされていることで、検出磁界を磁気抵抗素子に効率よく導出する事により、磁気検出精度を向上させることが出来る。

磁性体は、少なくとも１つの平面を持つ形状で面取りされていることが望ましい。これにより、検出磁界を磁気抵抗素子に効率よく導出する事により、磁気検出精度を向上させることが出来る。

磁性体は、少なくとも１つの湾曲部を持つ形状で面取りされていることが望ましい。これにより、検出磁界を磁気抵抗素子に効率よく導出する事により、磁気検出精度を向上させることが出来る。

さらに、磁性体は軟磁性体である事が望ましい。

上記の発明によると、上記磁性体の上記突起部により、検出磁界を磁気抵抗素子に効率よく導出する事により、磁気センサの磁気検出精度を向上させることが出来る。

ＧＭＲチップの構成を示す図である。 ＧＭＲ素子の特性を説明する図である。 従来の磁気センサ構成（Ｘ−Ｚ軸面）を示す図である。 従来の磁気センサ構成（Ｘ−Ｙ軸面）を示す図である。 従来例におけるＧＭＲ素子部へ導入される磁束（Ｘ−Ｚ軸面）の概略図である。 従来例におけるＧＭＲ素子部へ導入される磁束（Ｘ−Ｙ軸面）の概略図である。 実施形態１における磁気センサの構成（Ｘ−Ｚ軸面）を示す図である。 実施形態１における磁気センサの構成（Ｘ−Ｙ軸面）を示す図である。 実施形態１におけるＧＭＲ素子部へ導入される磁束の概略図である。 従来例と実施形態１における磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。 実施形態２における磁気センサの構成（Ｘ−Ｚ軸面）を示す図である。 実施形態２における磁気センサの構成（Ｘ−Ｙ軸面）を示す図である。 実施形態２におけるＧＭＲ素子部へ導入される磁束の概略図である。 従来例と実施形態２における磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。 実施形態３における磁気センサの構成（Ｘ−Ｚ軸面）を示す図である。 実施形態３における磁気センサの構成（Ｘ−Ｙ軸面）を示す図である。 実施形態３におけるＧＭＲ素子部へ導入される磁束の概略図である。 従来例と実施形態３における磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。 実施形態４における磁気センサの構成（Ｘ−Ｚ軸面）を示す図である。 実施形態４における磁気センサの構成（Ｘ−Ｙ軸面）を示す図である。 実施形態４におけるＧＭＲ素子部へ導入される磁束の概略図である。 従来例と実施形態４における磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。

本発明の具体的な構成を、実施形態にて説明する。以下、実施形態１では、本発明における磁気センサの基本構成を説明し、実施形態２乃至４では、本発明における磁気センサの応用構成を説明する。

なお、磁気抵抗素子としてＧＭＲを例にして説明するが、ＴＭＲ、ＡＭＲ等を含めた磁気抵抗効果を持つ素子にも適用可能である。

（実施形態１）
本発明の第１の実施形態を、図７乃至図１０を参照して説明する。図７は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｚ軸方向に於ける構成図である。図８は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｙ軸方向に於ける構成図である。図９は本実施形態における、磁性体によってＧＭＲ素子部へ入射される磁界の概略図である。図１０は従来例と本実施形態における、磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。

［構成］
図７、図８を参照して、本実施形態の軟磁性体の形状について説明する。ＧＭＲチップ１１０にはＧＭＲ素子１１１，１１２が形成されている。さらにこれらＧＭＲ素子はブリッジ回路を構成しており、そのブリッジ回路の周囲に、磁気抵抗素子に入力される磁界の向き変化させる磁性体１２１が配置されている。また磁性体１２１にはＸ−Ｙ軸で形成される断面において、その角部に磁性体面取り部１３１を有している。

さらに、磁性体１２１の磁性体面取り部１３１は、１つの平面を持つ事が望ましい。

磁性体１２１は、例えば、フェライト、パーマロイ（Ｎｉ−Ｆｅ合金）やセンダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金）などの軟磁性体であるが、上記磁性体１２１の機能として、上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその材料について限定されない。

さらに磁性体１２１を構成するに当たり、１つの部品で構成されることが望ましいが、上記磁性体１２１の機能として上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその部品数は限定されない。

［動作］
次に、図９を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部１１１、１１２へ導入される磁界Ｈについて説明する。磁性体１２１に入射されるＺ軸方向に於ける紙面、手前方向からの磁界は、従来例の作用と同様に磁性体１２１により曲げられ、磁性体１２１内部に導入される。

磁性体１２１内部に導入された磁界Ｈは、磁性体１２１の磁性体面取り部１３１近辺では、その面取り形状により、ＧＭＲ素子形成側に導出される磁界Ｈが、ＧＭＲ素子の感磁方向側に曲げられる。この作用により、磁界ＨのうちＧＭＲ素子の感磁方向であるＸ軸方向と平行な方向成分の磁界が増加することで、磁気センサの検出精度を向上させることが出来る。

図１０を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部１１１、１１２へ導入される磁界Ｈの強さをシミュレーションにより、従来例と比較した結果について説明する。実施形態１では、従来例に比べＧＭＲ素子部１１１、１１２の磁界Ｈの強さが増していることが確認できる。

以上のように作用する為、結果的にＧＭＲ素子部の磁界量が増加する事で磁気センサの磁気検出精度を向上させる事が出来る。

（実施形態２）
本発明の第２の実施形態を、図１１乃至図１４を参照して説明する。図１１は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｚ軸方向に於ける構成図である。図１２は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｙ軸方向に於ける構成図である。図１３は本実施形態における、磁性体によってＧＭＲ素子部へ入射される磁界の概略図である。図１４は従来例と本実施形態における、磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。

［構成］
図１１、図１２を参照して、本実施形態の軟磁性体の形状について説明する。ＧＭＲチップ２１０にはＧＭＲ素子２１１，２１２が形成されている。さらにこれらＧＭＲ素子はブリッジ回路を構成しており、そのブリッジ回路の周囲に、磁気抵抗素子に入力される磁界の向き変化させる磁性体２２１が配置されている。また磁性体２２１にはＸ−Ｙ軸で形成される断面において、その角部に磁性体面取り部２３１を有している。

さらに、磁性体２２１の磁性体面取り部２３１は、Ｘ軸とＹ軸で形成される平面に於ける形状が、２つの平面を持つ事が望ましいが、磁性体面取り部２３１の機能として、上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においては、２つ以上の平面を持つ形状であってもよい。

磁性体２２１は、例えば、フェライト、パーマロイ（Ｎｉ−Ｆｅ合金）やセンダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金）などの軟磁性体であるが、上記磁性体２２１の機能として、上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその材料について限定されない。

さらに磁性体２２１を構成するに当たり、１つの部品で構成されることが望ましいが、上記磁性体２２１の機能として上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその部品数は限定されない。

［動作］
次に、図１３を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部２１１、２１２へ導入される磁界Ｈについて説明する。磁性体２２１に入射されるＺ軸方向に於ける紙面、手前方向からの磁界は、従来例の作用と同様に磁性体２２１により曲げられ、磁性体２２１内部に導入される。

磁性体２２１内部に導入された磁界Ｈは、磁性体２２１の磁性体面取り部２３１近辺ではその面取り形状により、ＧＭＲ素子形成側に導出される磁界Ｈが、ＧＭＲ素子の感磁方向側に曲げられる。この作用により、磁界ＨのうちＧＭＲ素子の感磁方向であるＸ軸方向と平行な方向成分の磁界が増加することで、磁気センサの検出精度を向上させることが出来る。

図１４を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部２１１、２１２へ導入される磁界Ｈの強さをシミュレーションにより、従来例と比較した結果について説明する。実施形態２では、従来例に比べＧＭＲ素子部２１１、２１２の磁界Ｈの強さが増していることが確認できる。

以上のように作用する為、結果的にＧＭＲ素子部の磁界量が増加する事で磁気センサの磁気検出精度を向上させる事が出来る。

（実施形態３）
本発明の第３の実施形態を、図１５乃至図１８を参照して説明する。図１５は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｚ軸方向に於ける構成図である。図１６は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｙ軸方向に於ける構成図である。図１７は本実施形態における、磁性体によってＧＭＲ素子部へ入射される磁界の概略図である。図１８は従来例と本実施形態における、磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。

［構成］
図１５、図１６を参照して、本実施形態の軟磁性体の形状について説明する。ＧＭＲチップ３１０にはＧＭＲ素子３１１，３１２が形成されている。さらにこれらＧＭＲ素子はブリッジ回路を構成しており、そのブリッジ回路の周囲に、磁気抵抗素子に入力される磁界の向き変化させる磁性体３２１が配置されている。また磁性体３２１にはＸ−Ｙ軸で形成される断面において、その角部に磁性体面取り部３３１を有している。

さらに、磁性体３２１の磁性体面取り部３３１は、Ｘ軸とＹ軸で形成される平面に於ける形状が、磁性体３２１の中心方向に膨らみをもつ円弧形状である事が望ましいが、磁性体面取り部３３１の機能として、上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においては、一部または全部に円弧形状を含む形状であってもよく、さらに円弧形状と多角形を複合した合成形状であってもよい。

磁性体３２１は、例えば、フェライト、パーマロイ（Ｎｉ−Ｆｅ合金）やセンダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金）などの軟磁性体であるが、上記磁性体３２１の機能として、上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその材料について限定されない。

さらに磁性体３２１を構成するに当たり、１つの部品で構成されることが望ましいが、上記磁性体３２１の機能として上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその部品数は限定されない。

［動作］
次に、図１７を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部３１１、３１２へ導入される磁界Ｈについて説明する。磁性体３２１に入射されるＺ軸方向に於ける紙面、手前方向からの磁界は、従来例の作用と同様に磁性体３２１により曲げられ、磁性体３２１内部に導入される。

磁性体３２１内部に導入された磁界Ｈは、磁性体３２１の磁性体面取り部３３１近辺ではその面取り形状により、ＧＭＲ素子形成側に導出される磁界Ｈが、ＧＭＲ素子の感磁方向側に曲げられる。この作用により、磁界ＨのうちＧＭＲ素子の感磁方向であるＸ軸方向と平行な方向成分の磁界が増加することで、磁気センサの検出精度を向上させることが出来る。

図１８を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部３１１、３１２へ導入される磁界Ｈの強さをシミュレーションにより、従来例と比較した結果について説明する。実施形態３では、従来例に比べＧＭＲ素子部３１１、３１２の磁界Ｈの強さが増していることが確認できる。

以上のように作用する為、結果的にＧＭＲ素子部の磁界量が増加する事で磁気センサの磁気検出精度を向上させる事が出来る。

（実施形態４）
本発明の第４の実施形態を、図１９乃至図２２を参照して説明する。図１９は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｚ軸方向に於ける構成図である。図２０は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｙ軸方向に於ける構成図である。図２１は本実施形態における、磁性体によってＧＭＲ素子部へ入射される磁界の概略図である。図２２は従来例と本実施形態における、磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。

［構成］
図１９、図２０を参照して、本実施形態の軟磁性体の形状について説明する。ＧＭＲチップ４１０にはＧＭＲ素子４１１，４１２が形成されている。さらにこれらＧＭＲ素子はブリッジ回路を構成しており、そのブリッジ回路の周囲に、磁気抵抗素子に入力される磁界の向き変化させる磁性体４２１が配置されている。また磁性体４２１にはＸ−Ｙ軸で形成される断面において、その角部に磁性体面取り部４３１を有している。

さらに、磁性体４２１の磁性体面取り部４３１は、Ｘ軸とＹ軸で形成される平面に於ける形状が、磁性体４２１の外側方向に膨らみをもつ円弧形状である事が望ましいが、磁性体面取り部４３１の機能として、上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においては、一部または全部に円弧形状を含む形状であってもよく、さらに円弧形状と多角形を複合した合成形状であってもよい。

磁性体４２１は、例えば、フェライト、パーマロイ（Ｎｉ−Ｆｅ合金）やセンダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金）などの軟磁性体であるが、上記磁性体４２１の機能として、上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその材料について限定されない。

さらに磁性体４２１を構成するに当たり、１つの部品で構成されることが望ましいが、上記磁性体４２１の機能として上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその部品数は限定されない。

［動作］
次に、図２１を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部４１１、４１２へ導入される磁界Ｈについて説明する。磁性体４２１に入射されるＺ軸方向に於ける紙面、手前方向からの磁界は、従来例の作用と同様に磁性体４２１により曲げられ、磁性体４２１内部に導入される。

磁性体４２１内部に導入された磁界Ｈは、磁性体４２１の磁性体面取り部４３１近辺ではその面取り形状により、ＧＭＲ素子形成側に導出される磁界Ｈが、ＧＭＲ素子の感磁方向側に曲げられる。この作用により、磁界ＨのうちＧＭＲ素子の感磁方向であるＸ軸方向と平行な方向成分の磁界が増加することで、磁気センサの検出精度を向上させることが出来る。

図２２を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部４１１、４１２へ導入される磁界Ｈの強さをシミュレーションにより、従来例と比較した結果について説明する。実施形態４では、従来例に比べＧＭＲ素子部４１１、４１２の磁界Ｈの強さが増していることが確認できる。

以上のように作用する為、結果的にＧＭＲ素子部の磁界量が増加する事で磁気センサの磁気検出精度を向上させる事が出来る。

本発明は、磁気センサ、電流計、エンコーダなど、様々な計測機器に利用することができ、産業上の利用可能性を有する。

１ ＧＭＲチップ
１０ 従来例におけるＧＭＲチップ
１１，１２ 従来例における素子形成部
２１ 従来例における磁性体
１１０ 実施形態１におけるＧＭＲチップ
１１１，１１２ 実施形態１における素子形成部
１２１ 実施形態１における磁性体
１３１ 実施形態１における磁性体面取り部
２１０ 実施形態２におけるＧＭＲチップ
２１１，２１２ 実施形態２における素子形成部
２２１ 実施形態２における磁性体
２３１ 実施形態２における磁性体面取り部
３１０ 実施形態３におけるＧＭＲチップ
３１１，３１２ 実施形態３における素子形成部
３２１ 実施形態３における磁性体
３３１ 実施形態３における磁性体面取り部
４１０ 実施形態４におけるＧＭＲチップ
４１１，４１２ 実施形態４における素子形成部
４２１ 実施形態４における磁性体
４３１ 実施形態４における磁性体面取り部
Ａ 磁化固定方向
Ｈ 磁界

Claims (4)

1. 入力される磁界の向きに応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子の周囲に、前記磁気抵抗効果素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体が配置されており、前記磁性体は、前記磁気抵抗効果素子の配置面に平行な面での断面形状に於いて、少なくとも1つの角部が面取りされた面取り部を有することを特徴とする磁気センサ。
2. 前記磁性体の前記面取り部は、少なくとも１つの平面を持つ形状で面取りされたことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記磁性体の前記面取り部は、少なくとも１つの湾曲部を持つ形状で面取りされたことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
4. 前記磁性体は、軟磁性体であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の磁気センサ。

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