JP2016186476A - 磁気センサ及び磁気式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】互いに異なる応答特性が要求される２種の磁気抵抗効果素子を有し、各磁気抵抗効果素子に要求される、異なる応答特性をともに向上させることのできる磁気センサ及び磁気式エンコーダを提供する。【解決手段】磁気センサ１は、外部磁界を検出可能な第１及び第２磁気抵抗効果素子３１，４１を備え、第１及び第２磁気抵抗効果素子３１，４１は、それぞれ、外部磁界に応じて磁化の方向が変化する磁化方向変化層３１５，４１５を少なくとも含み、第１磁気抵抗効果素子３１の磁化方向変化層３１５の初期磁化方向における磁化方向変化層３１５の幅Ｗ１と、第２磁気抵抗効果素子４１の磁化方向変化層４１５の初期磁化方向における磁化方向変化層４１５の幅Ｗ２とが、下記式（１）に示す関係を有し、外部磁界に対する第１磁気抵抗効果素子３１の感度が、第２磁気抵抗効果素子４１のそれよりも高い。Ｗ１＞Ｗ２ ・・・（１）【選択図】図２

Description

本発明は、磁気センサ及びそれを備える磁気式エンコーダに関する。

従来、工作機械等において、移動体の回転移動や直線的移動による位置を検出するための位置検出装置が用いられている。この位置検出装置としては、磁気信号が記録された媒体と磁気センサとを備えるものが知られており、磁気センサによって、媒体と磁気センサとの相対的位置関係を示す信号を出力することができる。

かかる位置検出装置において用いられる磁気センサとしては、自由層と磁化固定層とを有する積層体であって、外部磁界に応じた自由層の磁化方向の変化に伴い抵抗が変化する磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を備えるものが知られている。また、かかる位置検出装置において用いられる媒体としては、アブソリュート信号用トラックを有するもの、インクリメンタル信号用トラックを有するもの、アブソリュート信号用トラックとインクリメンタル信号用トラックとを有するもの等が知られている。

従来、アブソリュート信号用トラックとインクリメンタル信号用トラックとを有する媒体を備える位置検出装置に用いられる磁気センサとしては、アブソリュート信号用トラックに記録された磁気信号を検出するためのＭＲ素子と、インクリメンタル信号用トラックに記録された磁気信号を検出するためのＭＲ素子との２種のＭＲ素子を有するものが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００１−２６４１１２号公報

上記磁気センサにおいて、アブソリュート信号用トラックに記録された磁気信号を検出するためのＭＲ素子は、媒体の相対移動に伴う磁界の変化に応じ、急峻に出力を変化させる特性（応答特性）が要求される。一方、インクリメンタル信号用トラックに記録された磁気信号を検出するためのＭＲ素子は、媒体の相対移動に伴う磁界の変化に応じ、リニアに出力を変化させる特性（応答特性）が要求される。

このように、要求される応答特性が異なる２種のＭＲ素子につき、近年、さらなる高感度、低ノイズ等の応答特性の向上が要求されている。従来、ＭＲ素子を構成する自由層等の各層を構成する材料や、当該各層の膜厚等の最適化等により、上記応答特性を向上させる試みがなされている。しかしながら、これらの試みにより上記応答特性をさらに向上させることは、非常に困難であるという問題がある。

上記課題に鑑み、本発明は、互いに異なる応答特性が要求される２種の磁気抵抗効果素子を有し、各磁気抵抗効果素子に要求される、異なる応答特性をともに向上させることのできる磁気センサ及び磁気式エンコーダを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、外部磁界を検出可能な第１磁気抵抗効果素子及び第２磁気抵抗効果素子を少なくとも備える磁気センサであって、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子は、それぞれ、前記外部磁界に応じて磁化の方向が変化する磁化方向変化層を少なくとも含み、前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の初期磁化方向における前記磁化方向変化層の幅Ｗ１と、前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の初期磁化方向における前記磁化方向変化層の幅Ｗ２とが、下記式（１）に示す関係を有し、前記外部磁界に対する前記第１磁気抵抗効果素子の感度が、前記外部磁界に対する前記第２磁気抵抗効果素子の感度よりも高い磁気センサを提供する（発明１）。
Ｗ１＞Ｗ２ ・・・（１）

上記発明（発明１）によれば、出力の傾きが大きいこと（出力変化が急峻であること）が要求される第１磁気抵抗効果素子の磁化方向変化層の初期磁化方向における幅Ｗ１が、それよりも出力の傾きが小さいこと（出力変化がリニアであること）が要求される第２磁気抵抗効果素子の磁化方向変化層の初期磁化方向における幅Ｗ２よりも大きく、かつ第１磁気抵抗効果素子の感度が第２磁気抵抗効果素子の感度よりも高いことで、第１及び第２磁気抵抗効果素子のそれぞれに要求される異なる応答特性をともに向上させることができる。

上記発明（発明１）において、前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の前記幅Ｗ１に直交する方向の長さＬ１に対する前記幅Ｗ１の比Ｗ１／Ｌ１と、前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の前記幅Ｗ２に直交する方向の長さＬ２に対する前記幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｌ２とが、ともに１．２以下であるのが好ましい（発明２）。

上記発明（発明１，２）において、前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の前記幅Ｗ１に直交する方向の長さＬ１対する前記幅Ｗ１の比Ｗ１／Ｌ１と、前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の前記幅Ｗ２に直交する方向の長さＬ２に対する前記幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｌ２とが、下記式（２）に示す関係を有するのが好ましい（発明３）。
Ｗ１／Ｌ１≧Ｗ２／Ｌ２ ・・・（２）

上記発明（発明１〜３）において、前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の前記幅Ｗ１と前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の前記幅Ｗ２との比が、１：０．２〜０．９であるのが好ましい（発明４）。

また、本発明は、外部磁界を検出可能な第１磁気抵抗効果素子及び第２磁気抵抗効果素子を少なくとも備える磁気センサであって、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子は、それぞれ、前記外部磁界に応じて磁化の方向が変化する磁化方向変化層を少なくとも含み、前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の初期磁化方向における前記磁化方向変化層の幅Ｗ１及び当該幅Ｗ１に直交する方向の長さＬ１、並びに前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の初期磁化方向における前記磁化方向変化層の幅Ｗ２及び当該幅Ｗ２に直交する方向の長さＬ２が、下記式（３）及び（４）に示す関係を有する磁気センサを提供する（発明５）。
Ｗ１＝Ｗ２ ・・・（３）
Ｗ１／Ｌ１＞Ｗ２／Ｌ２ ・・・（４）

上記発明（発明５）によれば、出力の傾きが大きいこと（出力変化が急峻であること）が要求される第１磁気抵抗効果素子の磁化方向変化層の初期磁化方向における幅Ｗ１と、それよりも出力の傾きが小さいこと（出力変化がリニアであること）が要求される第２磁気抵抗効果素子の磁化方向変化層の初期磁化方向における幅Ｗ２とが同一であっても、幅Ｗ１の直交方向の長さＬ１に対する幅Ｗ１の比（アスペクト比）が、幅Ｗ２の直交方向の長さＬ２に対する幅Ｗ２の比（アスペクト比）よりも大きいことで、第１及び第２磁気抵抗効果素子のそれぞれに要求される異なる応答特性をともに向上させることができる。

上記発明（発明１〜５）において、前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の初期磁化方向における前記磁化方向変化層の幅Ｗ１に直交する方向の長さＬ１に対する前記幅Ｗ１の比は、０．８以上であるのが好ましい（発明６）。

上記発明（発明１〜６）において、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子を積層方向上方から見たとき、前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の形状と前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の形状とが、同種形状であるのが好ましい（発明７）。

上記発明（発明１〜７）において、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子として、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子又はＡＭＲ素子を用いることができる（発明８）。

上記発明（発明１〜８）において、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子は、磁化固定層、非磁性中間層及び前記磁化方向変化層がこの順で積層されてなるのが好ましく（発明９）、かかる発明（発明９）において、前記非磁性中間層が、ＭｇＯ_X（Ｘ＝０．１〜０．９）であるのが好ましい（発明１０）。

さらに、本発明は、上記発明（発明１〜１０）に係る磁気センサと、アブソリュート磁気信号を記録したアブソリュート信号トラック及びインクリメンタル磁気信号を記録したインクリメンタル信号トラックを有し、前記磁気センサに対して相対的に移動可能なスケール部とを備え、前記第１磁気抵抗効果素子と前記アブソリュート信号トラックとが互いに対向し、かつ前記第２磁気抵抗効果素子と前記インクリメンタル信号トラックとが互いに対向するように、前記磁気センサと前記スケール部とが対向して設けられている磁気式エンコーダを提供する（発明１１）。

上記発明（発明１１）において、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子のそれぞれにおける前記磁化方向変化層の初期磁化方向は、前記スケール部が相対的に移動する方向に直交する方向であるのが好ましい（発明１２）。

本発明によれば、互いに異なる応答特性が要求される２種の磁気抵抗効果素子を有し、各磁気抵抗効果素子に要求される、異なる応答特性をともに向上させることのできる磁気センサ及び磁気式エンコーダを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る磁気センサを備える磁気式エンコーダの概略構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る磁気センサの概略構成を示す平面図である。 図３は、本発明の実施の形態における第１磁気抵抗効果素子及び第２磁気抵抗効果素子の概略構成を示す断面図である。 図４は、本発明の実施の形態における第１磁気抵抗効果素子の作用を説明するための斜視図（その１）である。 図５は、本発明の実施の形態における第２磁気抵抗効果素子の作用を説明するための斜視図（その１）である。 図６は、本発明の実施の形態における第１磁気抵抗効果素子の作用を説明するための斜視図（その２）である。 図７は、本発明の実施の形態における第２磁気抵抗効果素子の作用を説明するための斜視図（その２）である。 図８は、本発明の実施の形態における第１磁気抵抗効果素子の出力変化を示すグラフである。 図９は、本発明の実施の形態における第２磁気抵抗効果素子の出力変化を示すグラフである。 図１０は、本発明の実施の形態に係る磁気センサを備える磁気式エンコーダの他の概略構成を示す斜視図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る磁気センサを備える磁気式エンコーダの概略構成を示す斜視図であり、図２は、本発明の実施の形態に係る磁気センサの概略構成を示す平面図であり、図３は、本発明の実施の形態に係る磁気センサの他の概略構成を示す平面図であり、図４は、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果素子の概略構成を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態における磁気式エンコーダ１０は、第１の実施形態に係る磁気センサ１と、磁気センサ１に対して第１の方向（以下「Ｘ方向」という場合がある。）に相対的に移動可能なスケール部２０とを備える。

本実施形態において、スケール部２０は、いわゆるリニアスケールであって、アブソリュート磁気信号を記録したアブソリュート信号トラック２１と、インクリメンタル磁気信号を記録したインクリメンタル信号トラック２２とを有する。アブソリュート磁気信号及びインクリメンタル磁気信号は、それぞれ、第１の方向（±Ｘ方向）に着磁されている。なお、図１において、アブソリュート磁気信号及びインクリメンタル磁気信号の着磁方向がそれぞれ矢印にて示されている。

〔第１の実施形態〕
図１に示すように、第１の実施形態に係る磁気センサ１は、基板２と、基板２上に設けられた１個の第１磁気センサ部３及び２個の第２磁気センサ部４とを備える。第１磁気センサ部３は、スケール部２０のアブソリュート信号トラック２１に記録されたアブソリュート磁気信号を検出するための磁気センサである。第２磁気センサ部４は、スケール部２０のインクリメンタル信号トラック２２に記録されたインクリメンタル磁気信号を検出するための磁気センサである。

図２に示すように、第１磁気センサ部３は、スピンバルブ型の第１磁気抵抗効果素子（第１ＭＲ素子）３１と、第１ＭＲ素子３１を挟むように、第１ＭＲ素子３１の第２の方向（以下、Ｙ方向という場合がある。）両側に設けられたバイアス磁界発生部３２とを備える。第２磁気センサ部４は、スピンバルブ型の第２磁気抵抗効果素子（第２ＭＲ素子）４１と、第２ＭＲ素子４１を挟むように、第２ＭＲ素子４１のＹ方向両側に設けられたバイアス磁界発生部４２とを備える。

基板２は、第１磁気センサ部３及び第２磁気センサ部４をともに支持可能な矩形状のものであり、例えば、ガラス、シリコン（Ｓｉ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、ＡｌＴｉＣ（Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ）等により構成され得る。

第１の実施形態において、アブソリュート信号トラック２１に記録されたアブソリュート磁気信号を検出する第１ＭＲ素子３１は、当該トラック２１（スケール部２０）の相対移動による外部磁界の変化に応じ、出力を急峻に変化させ得る応答特性を有する。一方、インクリメンタル信号トラック２２に記録されたインクリメンタル磁気信号を検出する第２ＭＲ素子４１は、当該トラック２２（スケール部２０）の相対移動による外部磁界の変化に応じ、出力をリニアに変化させ得る応答特性を有する。すなわち、第１ＭＲ素子３１による出力の傾きは、第２ＭＲ素子４１による出力の傾きよりも大きくなる。例えば、−５０〜５０Ｏｅの範囲で外部磁界が変化する場合、第１ＭＲ素子３１による出力の傾きは、１０ｍＶ／Ｏｅ以上程度である。一方、第２ＭＲ素子４１による出力の傾きは、２〜５ｍＶ／Ｏｅ程度である。換言すれば、第１ＭＲ素子３１の外部磁界に対する感度（ｍＶ／ｍＴ）が、第２ＭＲ素子４１の外部磁界に対する感度よりも高い。第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１は、それらの積層方向（Ｚ方向）上方から見たときの寸法（幅）の違いにより、互いに異なる応答特性を効果的に発揮することができる。

より具体的には、第１ＭＲ素子３１のＹ方向における幅Ｗ１及び第２ＭＲ素子４１のＹ方向における幅Ｗ２は、下記式（１）に示す関係を有する。
Ｗ１＞Ｗ２ ・・・（１）

第１の実施形態において、第１ＭＲ素子３１のＹ方向における幅Ｗ１及び第２ＭＲ素子４１のＹ方向における幅Ｗ２の比（Ｗ１：Ｗ２）は１：０．２〜０．９であるのが好ましく、１：０．２〜０．５であるのが特に好ましい。第１ＭＲ素子３１の幅Ｗ１が、第２ＭＲ素子４１の幅Ｗ２よりも大きいことで、第１ＭＲ素子３１の出力を急峻に変化させ得るとともに、第２ＭＲ素子４１の出力をリニアに変化させ得る。

第１の実施形態において、第１ＭＲ素子３１のＸ方向における長さＬ１に対する幅Ｗ１の比（アスペクト比，Ｗ１／Ｌ１）と、第２ＭＲ素子３２のＸ方向における長さＬ２に対する幅Ｗ２の比（アスペクト比，Ｗ２／Ｌ２）とは、下記式（２）に示す関係を有するのが好ましい。
Ｗ１／Ｌ１≧Ｗ２／Ｌ２ ・・・（２）

両者のアスペクト比（Ｗ１／Ｌ１，Ｗ２／Ｌ２）が上記式（２）に示す関係を有することで、第１ＭＲ素子３１の出力をより急峻に変化させ得るとともに、第２ＭＲ素子４１の出力をよりリニアに変化させ得る。

第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１のアスペクト比（Ｗ１／Ｌ１，Ｗ２／Ｌ２）は、１．２以下であるのが好ましく、特に第１ＭＲ素子３１のアスペクト比（Ｗ１／Ｌ１）は０．８以上であるのが好ましい。当該アスペクト比（Ｗ１／Ｌ１，Ｗ２／Ｌ２）が１．２を超えると、第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１の磁化方向変化層３１５，４１５（図３参照）の初期磁化方向が、当該磁化方向変化層３１５，４１５の短手方向になることで、磁化を安定させ難くなるおそれがある。また、第１ＭＲ素子３１のアスペクト比（Ｗ１／Ｌ１）が０．８未満であると、第１ＭＲ素子３１の出力を急峻に変化させ難くなるおそれがある。

第１の実施形態において、第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子３２の積層方向上方から見たときの形状は、特に限定されるものではないが、互いに同種形状とすることができる。なお、第１の実施形態において同種形状とは、例えば、第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子３２の上記形状が多角形状である場合、角の数が同一（互いに四角形状、五角形状、六角形状等）であることを意味するものとする。

バイアス磁界発生部３２，４２は、例えば永久磁石により構成されており、磁化方向変化層３１５，４１５（図３参照）の初期磁化方向（外部磁界がゼロ（零磁界）のときの磁化方向変化層３１５，４１５全体の磁化３１５Ｍ，４１５Ｍ（図４，５参照））が所定の方向（第１の実施形態においてはＹ方向）に向くように、バイアス磁界を磁化方向変化層３１５，４１５に印加する。

第１ＭＲ素子３１とバイアス磁界発生部３２との間の長さＧ１は、第２ＭＲ素子４１とバイアス磁界発生部４２との間の長さＧ２よりも大きいのが好ましく、長さＧ１は１〜５μｍ程度であるのが好ましく、１〜２μｍ程度であるのがより好ましい。長さＧ２は、０〜５μｍ程度であるのが好ましく、０〜１μｍ程度であるのがより好ましい。長さＧ１が長さＧ２よりも大きいことにより、第１ＭＲ素子３１に印加されるバイアス磁界の強度が、第２ＭＲ素子４１に印加されるバイアス磁界の強度よりも小さくなるため、第１ＭＲ素子３１からの出力の変化をより急峻にすることができる一方、第２ＭＲ素子４１からの出力の変化をよりリニアにすることができる。なお、第１ＭＲ素子３１とバイアス磁界発生部３２との間の長さＧ１とは、磁気センサ１の平面視において（第１ＭＲ素子３１の積層方向上方からみたときに）、第１ＭＲ素子３１とバイアス磁界発生部３２とのＹ方向における最短の間隔を意味する。第２ＭＲ素子４１とバイアス磁界発生部４２との間の長さＧ２も同様に、第２ＭＲ素子４１とバイアス磁界発生部４２とのＹ方向における最短の間隔を意味する。

次に、第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１の積層構造について説明する。
図３に示すように、第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１は、下地層３１１，４１１、反強磁性層３１２，４１２、磁化固定層３１３，４１３、非磁性中間層３１４，４１４、磁化方向変化層３１５，４１５及びキャップ層３１６，４１６がこの順に積層されてなる積層体である。下地層３１１，４１１の下層（基板２側）及びキャップ層３１６，４１６の上層に、それぞれ、Ｃｕ膜等により構成される下部電極層及び上部電極層（ともに図示せず）が設けられ、第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１の積層方向に沿ってセンス電流が流れる。

下地層３１１，４１１は、基板２の結晶軸の影響を排除し、下地層３１１，４１１の上方に積層形成される各層の結晶性や配向性を向上させるために形成される。下地層３１１，４１１を構成する材料としては、例えば、Ｔａ、Ｒｕ等が挙げられる。

反強磁性層３１２，４１２は、その上層の磁化固定層３１３，４１３の磁化方向を固定する役割を果たす層である。反強磁性層３１２，４１２を構成する材料としては、例えば、Ｐｔ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ｃｒ及びＦｅのグループの中から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｍｎとを含む反強磁性材料を用いることができる。この反強磁性材料におけるＭｎの含有量は、３５〜９５原子％であるのが好ましい

反強磁性材料の中には、熱処理を要さずに反強磁性を示して強磁性材料との間で交換結合磁界を誘起する非熱処理系反強磁性材料と、熱処理により反強磁性を示すようになる熱処理系反強磁性材料とがある。第１の実施形態においては、反強磁性層３１２，４１２を構成する材料として、いずれのタイプの反強磁性材料を用いてもよい。非熱処理系反強磁性材料としては、ＲｕＲｈＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ等が挙げられ、熱処理系反強磁性材料としては、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＲｈＭｎ等が挙げられる。

磁化固定層３１３，４１３は、第１磁化固定層３１３Ａ，４１３Ａ、中間層３１３Ｂ，４１３Ｂ及び第２磁化固定層３１３Ｃ，４１３Ｃが反強磁性層３１２，４１２上にこの順に積層された構成を有する。第１磁化固定層３１３Ａ，４１３Ａ及び第２磁化固定層３１３Ｃ，４１３Ｃを構成する材料としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＴａ、センダスト、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅ等を例示することができ、中間層３１３Ｂ，４１３Ｂを構成する材料としては、Ｒｕ等を例示することができる。磁化固定層３１３，４１３の厚さは、３．５〜５．５ｎｍ程度とされ得る。

磁化固定層３１３，４１３において、第１磁化固定層３１３Ａ，４１３Ａの磁化は反強磁性層３１２，４１２によって強固に固定され、第２磁化固定層３１３Ｃ，４１３Ｃの磁化は、中間層３１３Ｂ，４１３Ｂを介して第１磁化固定層３１３Ａ，４１３Ａと交換結合され、強固に固定されている。第１の実施形態において、第２磁化固定層３１３Ｃ，４１３Ｃの磁化方向は、Ｘ方向に設定されている。

磁化方向変化層３１５，４１５は、スケール部２０の相対移動に伴うアブソリュート磁気信号及びインクリメンタル磁気信号の信号磁界の変化に応じ、磁化方向が変化する軟磁性層である。磁化方向変化層３１５，４１５を構成する材料としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＮｉ、Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ、ＦｅＯ_X（Ｆｅの酸化物）等を例示することができる。磁化方向変化層３１５，４１５の厚さは、０．５〜８ｎｍ程度とされ得る。磁化方向変化層３１５，４１５における初期磁化方向は、バイアス磁界発生部３２，４２からのバイアス磁界の印加により、Ｙ方向に設定されている。

非磁性中間層３１４，４１４は、第１の実施形態における第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１に磁気抵抗効果（ＭＲ効果）を発現させるための必須の膜である。第１の実施形態における第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１が、トンネル磁気抵抗効果を発揮するＴＭＲ素子である場合、非磁性中間層３１４，４１４は絶縁層により構成される。一方、第１の実施形態における第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１が、ＧＭＲ素子である場合、非磁性中間層は金属層により構成される。非磁性中間層３１４，４１４を構成する材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｇａ、ＴｉＯ_X、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＧａＮ、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ等が挙げられる。第１の実施形態における第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１がＴＭＲ素子である場合、非磁性中間層３１４，４１４を構成する材料として、ＭｇＯ_X（Ｘ＝０．１〜０．９）を用いるのが好ましい。非磁性中間層３１４，４１４を構成する材料としてＭｇＯ_X（Ｘ＝０．１〜０．９）を用いることで、より高いＭＲ比が得られる。

非磁性中間層３１４，４１４は、好ましくは２層以上の積層膜により構成され得る。非磁性中間層３１４，４１４が２層以上の積層膜により構成されることで、ＭＲ素子（第１ＭＲ素子３１、第２ＭＲ素子４１）の抵抗調整を容易に行うことができる。例えば、非磁性中間層３１４，４１４は、ＭｇＯ／ＭｇＯの２層積層膜や、Ｃｕ／ＺｎＯ／Ｃｕ、Ｃｕ／ＺｎＯ／Ｚｎの３層積層膜により構成され得る。なお、非磁性中間層３１４，４１４の厚さは、０．５〜５ｎｍ程度とされ得る。

キャップ層３１６，４１６は、第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１を保護するための層である。キャップ層３１６，４１６としては、例えば、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｒｈ，Ｃｒ，Ｔｌ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ等のうちの１種の単層膜又は２種以上の積層膜が挙げられる。

上述したような構成を有する第１の実施形態における磁気式エンコーダ１０の作用を説明する。
第１ＭＲ素子３１において、磁化方向変化層３１５と磁化固定層３１３（第２磁化固定層３１３Ｃ）とは、それらの磁化３１５Ｍ，３１３Ｍが互いに実質的に直交している（図４参照）。この状態が、第１ＭＲ素子３１としてのイニシャル状態（初期状態）である。第２ＭＲ素子４１においても同様に、磁化方向変化層４１５と磁化固定層４１３（第２磁化固定層４１３Ｃ）とは、それらの磁化４１５Ｍ，４１３Ｍが互いに実質的に直交している（図５参照）。

第１の実施形態に係る磁気センサ１がスケール部２０に対して−Ｘ方向に相対的に移動すると、アブソリュート磁気信号トラック２１のアブソリュート磁気信号による、第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５に対する外部磁界の磁界強度が徐々に変化する。例えば、磁気センサ１及びスケール部２０が互いに相対的に移動し、第１ＭＲ素子３１とアブソリュート磁気信号トラック２１のアブソリュート磁気信号との物理的距離が小さくなるに従い、第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５に対する外部磁界の磁界強度が徐々に大きくなる。第１の実施形態における第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５の幅Ｗ１が、第２ＭＲ素子４１の磁化方向変化層４１５の幅Ｗ２よりも大きく、第１ＭＲ素子３１の外部磁界に対する感度が、第２ＭＲ素子４１の外部磁界に対する感度よりも高いことで、磁化方向変化層３１５に対する外部磁界の磁界強度が所定の閾値を超えたときに、磁化方向変化層３１５の磁化３１５Ｍが、実質的に９０°回転し、磁化方向変化層３１５の磁化３１５Ｍと磁化固定層３１３の磁化３１３Ｍとが実質的に反平行（又は平行）となる（図６参照）。すなわち、第１磁気センサ３（第１ＭＲ素子３１）における抵抗値が急峻に増大（又は減少）し、第１ＭＲ素子３１による出力が急峻に変化する（図８参照）。これにより、アブソリュート位置の高精度での検出が可能となる。

一方、第１の実施形態に係る磁気センサ１がスケール部２０に対して−Ｘ方向に相対的に移動すると、インクリメンタル磁気信号トラック２２のインクリメンタル磁気信号による、第２ＭＲ素子４１の磁化方向変化層４１５に対する外部磁界の磁界強度が徐々に変化する。第１の実施形態における第２ＭＲ素子４１の磁化方向変化層４１５の幅Ｗ２が、第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５の幅Ｗ１よりも小さく、第２ＭＲ素子４１の外部磁界に対する感度が、第１ＭＲ素子３１の外部磁界に対する感度よりも低いことで、磁化方向変化層４１５に対する外部磁界の磁界強度の変化に応じて、磁化方向変化層４１５の磁化４１５Ｍが徐々に回転する（図７参照）。すなわち、第２磁気センサ４（第２ＭＲ素子４１）における抵抗値が徐々に増大又は減少し、第２ＭＲ素子４１による出力がリニアに変化する（図９参照）。これにより、インクリメンタル位置の高精度での検出が可能となる。

第１の実施形態における磁気式エンコーダ１０においては、第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５の幅Ｗ１が、第２ＭＲ素子４１の磁化方向変化層４１５の幅Ｗ２よりも大きいことで、第１ＭＲ素子３１による出力を急峻に変化させることができる一方、第２ＭＲ素子４１による出力をリニアに変化させることができる。

このように、第１の実施形態に係る磁気センサ１によれば、アブソリュート磁気信号を検出するための第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５の幅Ｗ１と、インクリメンタル磁気信号を検出するための第２ＭＲ素子４１の磁化方向変化層４１５の幅Ｗ２とが、所望の関係（Ｗ１＞Ｗ２）を有することで、それぞれに要求される応答特性（出力の急峻な変化、出力のリニアな変化）を効果的に発揮することができる。これにより、当該磁気センサ１を備える磁気式エンコーダ１０によれば、アブソリュート磁気信号によるアブソリュート位置及びインクリメンタル磁気信号によるインクリメンタル位置を、従来に比してより高精度に検出することができる。

〔第２の実施形態〕
第２の実施形態に係る磁気センサについて説明する。
第２の実施形態に係る磁気センサ１は、第１ＭＲ素子３１の幅Ｗ１及びそれに直交する方向（Ｘ方向）の長さＬ１、並びに第２ＭＲ素子４１の幅Ｗ２及びそれに直交する方向（Ｘ方向）の長さＬ２が、下記式（３）及び（４）に示す関係を有する。
Ｗ１＝Ｗ２ ・・・（３）
Ｗ１／Ｌ１＞Ｗ２／Ｌ２ ・・・（４）

なお、第２の実施形態に係る磁気センサ１は、第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１の幅Ｗ１，Ｗ２及び長さＬ１，Ｌ２が上記式（３）及び（４）に示す関係を有する以外、上述した第１の実施形態に係る磁気センサ１と同様の構成を有する。そのため、各構成に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

第２の実施形態に係る磁気センサ１を備える磁気式エンコーダ１０において、磁気センサ１がスケール部２０に対して−Ｘ方向に相対的に移動すると、アブソリュート磁気信号トラック２１のアブソリュート磁気信号による、第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５に対する外部磁界の磁界強度が徐々に変化する。例えば、磁気センサ１及びスケール部２０が互いに相対的に移動し、第１ＭＲ素子３１とアブソリュート磁気信号トラック２１のアブソリュート磁気信号との物理的距離が小さくなるに従い、第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５に対する外部磁界の磁界強度が徐々に大きくなる。第２の実施形態における第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５の幅Ｗ１と、第２ＭＲ素子４１の磁化方向変化層４１５の幅Ｗ２とが同一であって、第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５のアスペクト比（Ｗ１／Ｌ１）が第２ＭＲ素子４１の磁化方向変化層４１５のアスペクト比（Ｗ２／Ｌ２）よりも大きいことで、第１ＭＲ素子３１の方が、第２ＭＲ素子４１よりも外部磁界に対する感度が高い。その結果、磁化方向変化層３１５に対する外部磁界の磁界強度が所定の閾値を超えたときに、磁化方向変化層３１５の磁化３１５Ｍが、実質的に９０°回転し、磁化方向変化層３１５の磁化３１５Ｍと磁化固定層３１３の磁化３１３Ｍとが実質的に反平行（又は平行）となる（図６参照）。すなわち、第１磁気センサ３（第１ＭＲ素子３１）における抵抗値が急峻に増大（又は減少）し、第１ＭＲ素子３１による出力が急峻に変化する（図８参照）。これにより、アブソリュート位置の高精度での検出が可能となる。

一方、第２の実施形態に係る磁気センサ１がスケール部２０に対して−Ｘ方向に相対的に移動すると、インクリメンタル磁気信号トラック２２のインクリメンタル磁気信号による、第２ＭＲ素子４１の磁化方向変化層４１５に対する外部磁界の磁界強度が徐々に変化する。第２の実施形態における第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５の幅Ｗ１と、第２ＭＲ素子４１の磁化方向変化層４１５の幅Ｗ２とが同一であって、第２ＭＲ素子４１の磁化方向変化層４１５のアスペクト比（Ｗ２／Ｌ２）が、第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５のアスペクト比（Ｗ１／Ｌ１）よりも小さいことで、第２ＭＲ素子４１の方が、第１ＭＲ素子３１よりも外部磁界に対する感度が低い。その結果、磁化方向変化層４１５に対する外部磁界の磁界強度の変化に応じて、磁化方向変化層４１５の磁化４１５Ｍが徐々に回転する（図７参照）。すなわち、第２磁気センサ４（第２ＭＲ素子４１）における抵抗値が徐々に増大又は減少し、第２ＭＲ素子４１による出力がリニアに変化する（図９参照）。これにより、インクリメンタル位置の高精度での検出が可能となる。

このように、第２の実施形態に係る磁気センサ１によれば、アブソリュート磁気信号を検出するための第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５の幅Ｗ１及び長さＬ１、並びにインクリメンタル磁気信号を検出するための第２ＭＲ素子４１の磁化方向変化層４１５の幅Ｗ２及び長さＬ２が、所望の関係（Ｗ１＝Ｗ２，Ｗ１／Ｌ１＞Ｗ２／Ｌ２）を有することで、それぞれに要求される応答特性（出力の急峻な変化、出力のリニアな変化）を効果的に発揮することができる。これにより、当該磁気センサ１を備える磁気式エンコーダ１０によれば、アブソリュート磁気信号によるアブソリュート位置及びインクリメンタル磁気信号によるインクリメンタル位置を、従来に比してより高精度に検出することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

上記実施形態においては、第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１として、積層膜構造を有するＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子を例に挙げて説明したが、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、例えば、強磁性材料の単層膜構造を有するＡＭＲ素子であってもよい。

上記実施形態においては、第１ＭＲ素子３１及び第２ＭＲ素子４１の形状（積層方向上方から見たときの形状）が、互いに同種形状である例を挙げて説明したが、本発明はこのような態様に限定されるものではない。例えば、少なくとも磁化方向変化層３１５，４１５を当該同種形状とすることができ、その他の各層（磁化固定層３１３，４１３等）の形状に制限はない。この態様において、幅Ｗ１，Ｗ２及び長さＬ１，Ｌ２とは、磁化方向変化層３１５，４１５の幅Ｗ１，Ｗ２及び長さＬ１，Ｌ２を意味するものとし、その他の各層（磁化固定層３１３，４１３等）の幅や長さに特に制限はなく、適宜設定され得る。

上記実施形態において、磁気式エンコーダ１０として、磁気センサ１と対向する磁気信号トラック（アブソリュート磁気信号トラック２１及びインクリメンタル磁気信号トラック２２）を有するリニアセンサを例に挙げて説明したが、本発明はこのような態様に限定されるものではない。本発明の磁気式エンコーダは、回転角度センサであってもよい。この場合、図１０に示すように、ドラム状の回転体５０の外周面５１にアブソリュート磁気信号トラック２１’及びインクリメンタル磁気信号トラック２２’が設けられてなるスケール部２０’と、上記実施形態に係る磁気センサ１とを備える構成であればよい。

上記実施形態において、磁気センサ１は、１個の第１ＭＲ素子３１及び２個の第２ＭＲ素子４１を備えているが、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、例えば、第１磁気センサ部３は、複数個の第１ＭＲ素子３１を含むものであってもよく、第２磁気センサ部４は、３個以上の第２ＭＲ素子４１を含むものであってもよい。

以下、実施例等を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例等に何ら限定されるものではない。

〔実施例１〕
図３及び表１に示す層構成を有する第１ＭＲ素子３１及びバイアス磁界発生部３２としての永久磁石をＳｉ基板２上に形成した。第１ＭＲ素子３１の磁化方向変化層３１５の幅Ｗ１を２．０μｍ、長さＬ１を２．０μｍとした（試料１，アスペクト比（Ｗ１／Ｌ１）＝１）。磁化方向変化層３１５の幅Ｗ１及び長さＬ１を、表２に示すように変更した第１ＭＲ素子３１を同様にして作製した（試料２〜７）。

そして、試料１〜４の第１ＭＲ素子３１に電圧１Ｖの定電流を印加しながら、外部磁界強度を−１０〜１０Ｏｅの範囲で変化させて当該外部磁界を第１ＭＲ素子３１に作用させ、第１ＭＲ素子３１の感度（ｍＶ／ｍＴ）を求めた。結果を表２に示す。

続いて、試料１〜７の第１ＭＲ素子を用い、外部磁界強度を−５０〜５０Ｏｅの範囲で変化させ、第１ＭＲ素子のそれぞれの出力変化量（最大出力と最小出力との差分，ｍＶ）を求めた。そして、外部磁界強度を−１０〜１０Ｏｅの範囲で変化させたときの第１ＭＲ素子の出力変化量ＭＰ１（ｍＶ）と、−５０〜５０Ｏｅの範囲で外部磁界を変化させたときの第１ＭＲ素子の出力変化量ＭＰ２（ｍＶ）とから、下記式により直線性に関する指標ＩＬを算出した。結果を表２に示す。
ＩＬ＝ＭＰ２／ＭＰ１

表２に示すように、Ｙ方向における幅Ｗ１が大きくなるほど、高感度になる、すなわち、出力を急峻に変化させ得ることが確認された。また、Ｙ方向における幅Ｗ１が同一である場合でも、アスペクト比（Ｗ１／Ｌ１）の大きいものほど、高感度になり、出力を急峻に変化させ得ることが確認された。

上記結果から、第１ＭＲ素子３１の幅Ｗ１と第２ＭＲ素子４１の幅Ｗ２とが、下記式（１）に示す関係を有することにより、第１ＭＲ素子３１の出力を急峻に変化させ得るとともに、第２ＭＲ素子４１の出力をリニアに変化させ得ることが確認された。この場合において、第１ＭＲ素子３１のアスペクト比（Ｗ１／Ｌ１）と第２ＭＲ素子４１のアスペクト比（Ｗ２／Ｌ２）とが、下記式（２）に示す関係を有することにより、第１ＭＲ素子３１の出力をより急峻に変化させ得るとともに、第２ＭＲ素子４１の出力をよりリニアに変化させ得ることが確認された。
Ｗ１＞Ｗ２ ・・・（１）
Ｗ１／Ｌ１≧Ｗ２／Ｌ２ ・・・（２）

また、上記結果から、第１ＭＲ素子３１の幅Ｗ１及び第２ＭＲ素子４１の幅Ｗ２、並びに第１ＭＲ素子３１のアスペクト比（Ｗ１／Ｌ１）と第２ＭＲ素子４１のアスペクト比（Ｗ２／Ｌ２）とが、下記式（３）及び（４）に示す関係を有することで、第１ＭＲ素子３１の出力を急峻に変化させ得るとともに、第２ＭＲ素子４１の出力をリニアに変化させ得ることが確認された。
Ｗ１＝Ｗ２ ・・・（３）
Ｗ１／Ｌ１＞Ｗ２／Ｌ２ ・・・（４）

１…磁気センサ
２…基板
３…第１磁気センサ
３１…第１ＭＲ素子
３１５，４１５…磁化方向変化層
３２，４２…バイアス磁界発生部
４…第２磁気センサ
４１…第２ＭＲ素子
１０…磁気式エンコーダ
２０…スケール部

Claims (12)

1. 外部磁界を検出可能な第１磁気抵抗効果素子及び第２磁気抵抗効果素子を少なくとも備える磁気センサであって、
   前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子は、それぞれ、前記外部磁界に応じて磁化の方向が変化する磁化方向変化層を少なくとも含み、
   前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の初期磁化方向における前記磁化方向変化層の幅Ｗ１と、前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の初期磁化方向における前記磁化方向変化層の幅Ｗ２とが、下記式（１）に示す関係を有し、
   前記外部磁界に対する前記第１磁気抵抗効果素子の感度が、前記外部磁界に対する前記第２磁気抵抗効果素子の感度よりも高い
   磁気センサ。
   Ｗ１＞Ｗ２ ・・・（１）
2. 前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の前記幅Ｗ１に直交する方向の長さＬ１に対する前記幅Ｗ１の比Ｗ１／Ｌ１と、前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の前記幅Ｗ２に直交する方向の長さＬ２に対する前記幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｌ２とが、ともに１．２以下である
   請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の前記幅Ｗ１に直交する方向の長さＬ１対する前記幅Ｗ１の比Ｗ１／Ｌ１と、前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の前記幅Ｗ２に直交する方向の長さＬ２に対する前記幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｌ２とが、下記式（２）に示す関係を有する
   請求項１又は２に記載の磁気センサ。
   Ｗ１／Ｌ１≧Ｗ２／Ｌ２ ・・・（２）
4. 前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の前記幅Ｗ１と前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の前記幅Ｗ２との比が、１：０．２〜０．９である
   請求項１〜３のいずれかに記載の磁気センサ。
5. 外部磁界を検出可能な第１磁気抵抗効果素子及び第２磁気抵抗効果素子を少なくとも備える磁気センサであって、
   前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子は、それぞれ、前記外部磁界に応じて磁化の方向が変化する磁化方向変化層を少なくとも含み、
   前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の初期磁化方向における前記磁化方向変化層の幅Ｗ１及び当該幅Ｗ１に直交する方向の長さＬ１、並びに前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の初期磁化方向における前記磁化方向変化層の幅Ｗ２及び当該幅Ｗ２に直交する方向の長さＬ２が、下記式（３）及び（４）に示す関係を有する
   磁気センサ。
   Ｗ１＝Ｗ２ ・・・（３）
   Ｗ１／Ｌ１＞Ｗ２／Ｌ２ ・・・（４）
6. 前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の初期磁化方向における前記磁化方向変化層の幅Ｗ１に直交する方向の長さＬ１に対する前記幅Ｗ１の比は、０．８以上である
   請求項１〜５のいずれかに記載の磁気センサ。
7. 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子を積層方向上方から見たとき、前記第１磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の形状と前記第２磁気抵抗効果素子の前記磁化方向変化層の形状とが、同種形状である
   請求項１〜６のいずれかに記載の磁気センサ。
8. 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子は、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子又はＡＭＲ素子である
   請求項１〜７のいずれかに記載の磁気センサ。
9. 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子は、磁化固定層、非磁性中間層及び前記磁化方向変化層がこの順で積層されてなる
   請求項１〜８のいずれかに記載の磁気センサ。
10. 前記非磁性中間層が、ＭｇＯ_X（Ｘ＝０．１〜０．９）である
    請求項９に記載の磁気センサ。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の磁気センサと、
    アブソリュート磁気信号を記録したアブソリュート信号トラック及びインクリメンタル磁気信号を記録したインクリメンタル信号トラックを有し、前記磁気センサに対して相対的に移動可能なスケール部と
    を備え、
    前記第１磁気抵抗効果素子と前記アブソリュート信号トラックとが互いに対向し、かつ前記第２磁気抵抗効果素子と前記インクリメンタル信号トラックとが互いに対向するように、前記磁気センサと前記スケール部とが対向して設けられている
    磁気式エンコーダ。
12. 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子のそれぞれにおける前記磁化方向変化層の初期磁化方向は、前記スケール部が相対的に移動する方向に直交する方向である
    請求項１１に記載の磁気式エンコーダ。

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