JP2021081293A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】外部から印加される応力による出力の変動を抑制することのできる磁気センサを提供する。【解決手段】磁気抵抗効果素子を含む磁気センサチップと、磁気センサチップを一体的に封止する封止部と、磁気抵抗効果素子は、外部磁場に応じて磁化方向が変化可能なフリー層と、磁化方向が固定されているピンド層とを含み、封止部は、第１面及び当該第１面に対向する第２面を有し、第１面側からの平面視における封止部の形状は、略四角形であり、略四角形は、互いに略平行である第１辺及び第２辺と、第１辺及び第２辺に交差し、互いに略平行である第３辺及び第４辺とを有し、封止部の第１面側からの平面視において、磁気抵抗効果素子に外部磁場が印加されていない状態におけるピンド層の磁化方向は、第１辺上に任意に設定される複数の点を用いて最小二乗法によって求められる近似直線に対して傾斜している。【選択図】図６

Description

本発明は、磁気センサに関する。

巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）、異方性磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子）等の磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）は、磁気センサの分野で応用されている。例えば、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子は、磁化方向が固定されたピンド層と、外部磁場に応じて磁化方向が変化するフリー層とを含んでいる。磁気抵抗効果素子に印加される外部磁場の強度が変化すると、フリー層の磁化方向が変化し、ピンド層の磁化方向とフリー層の磁化方向とにより形成される角度が変化する。この角度の変化により、磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化し、その抵抗値の変化によって外部磁場の強度の変化を検出することができる。

このような磁気抵抗効果素子を利用した磁気センサは、例えば、磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサチップと、この磁気センサチップを保護するために封止する封止部とを少なくとも有し、例えば、電流センサ、角度センサ等として使用される。

特開２００９−１６２４９９号公報

磁気センサチップが封止部により封止された構造を有する磁気センサにおいて、当該磁気センサの製造中や製造後、磁気センサチップに対し磁気センサの外部から応力が印加されることがある。外部磁場が磁気抵抗効果素子に印加されていないとき、フリー層の磁化は、バイアス磁石によって一定の方向に向いているが、応力を受けると、逆磁歪効果によってフリー層の磁化方向が変化してしまうことがある。外部磁場が印加されていないときにおけるフリー層の磁化方向が所定の方向から変化してしまうと、外部磁場が印加されたときにおける磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化、すなわち外部磁場が印加されたときの磁気センサの出力に影響を及ぼすおそれがある。例えば、磁気抵抗効果素子を有する磁気センサを用いた電流センサでは、磁気センサチップに応力が印加された状態で検出される電流値は誤差を含むものとなり、このような電流センサは検出対象である電流値等を高精度で安定して検出することが要求される用途に使用できないという問題がある。

また、ＴＭＲ型の磁気抵抗効果素子は、ＧＭＲ型やＡＭＲ型の磁気抵抗効果素子に比べてＭＲ比が高く、格段に優れた出力特性を有するが、磁気センサチップに印加される外部応力に対しても敏感であるため、磁気センサの出力が大きく影響されるおそれがある。

磁気センサチップに印加される外部応力は予測困難であるし、仮に予測できたとしても当該外部応力を制御することは困難である。したがって、磁気センサの検出精度を確保するために、磁気センサは、外部応力によって出力を大きく変動させ難い構造を有することが望まれる。

本発明は、上述のような実情を鑑みてなされたものであり、外部から印加される応力による出力の変動を抑制することのできる磁気センサを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明は、磁気抵抗効果素子を含む磁気センサチップと、前記磁気センサチップを一体的に封止する封止部とを有し、前記磁気抵抗効果素子は、外部磁場に応じて磁化方向が変化可能なフリー層と、磁化方向が固定されているピンド層とを含み、前記封止部は、第１面及び当該第１面に対向する第２面を有し、前記第１面側からの平面視における前記封止部の形状は、略四角形であり、前記略四角形は、互いに略平行である第１辺及び第２辺と、前記第１辺及び前記第２辺に交差し、互いに略平行である第３辺及び第４辺とを有し、前記封止部の前記第１面側からの平面視において前記磁気抵抗効果素子に前記外部磁場が印加されていない状態における前記ピンド層の前記磁化方向は、前記第１辺上に任意に設定される複数の点を用いて最小二乗法によって求められる近似直線に対して傾斜していることを特徴とする磁気センサが提供する。

前記磁気抵抗効果素子に前記外部磁場が印加されていない状態における前記ピンド層の前記磁化方向が、前記近似直線に対して１０〜８０°の角度で傾斜していてもよい。

前記磁気センサチップの平面視における形状は、互いに略平行である第１辺及び第２辺と、前記第１辺及び前記第２辺に交差し、互いに略平行である第３辺及び第４辺とを有する略四角形であり、前記磁気センサチップの前記第１辺と前記近似直線とは略平行であり、前記封止部の前記第１面側から前記磁気センサチップを見たときに、前記磁気抵抗効果素子に前記外部磁場が印加されていない状態における前記ピンド層の前記磁化方向は、前記磁気センサチップの前記第１辺に対して傾斜していてもよい。

前記磁気センサチップの平面視における形状は、互いに略平行である第１辺及び第２辺と、前記第１辺及び前記第２辺に交差し、互いに略平行である第３辺及び第４辺とを有する略四角形であり、前記封止部の前記第１面側から前記磁気センサチップを見たときに、前記磁気抵抗効果素子に前記外部磁場が印加されていない状態における前記ピンド層の前記磁化方向は、前記磁気センサチップの前記第１辺に対して略平行又は略直交しており、前記磁気センサチップの前記第１辺は、前記近似直線に対して傾斜していてもよい。

前記磁気センサチップは、複数の前記磁気抵抗効果素子を含み、前記複数の磁気抵抗効果素子に前記外部磁場が印加されていない状態における前記各磁気抵抗効果素子の前記フリー層の前記磁化方向は、互いに一致していてもよく、前記磁気抵抗効果素子は、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子であってもよく、前記封止部は、樹脂により構成されていてもよい。

本発明によれば、外部から印加される応力による出力の変動を抑制することのできる磁気センサを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの側面視における概略構成を示す端面図である。 図２は、図１に示す磁気センサの封止部の第１面側からの平面視における内部構造の概略構成を示す端面図である。 図３Ａは、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す回路図である。 図３Ｂは、図３Ａに示す磁気センサの出力の測定結果を示すグラフである。 図３Ｃは、図３Ａに示す磁気センサに４５°方向の応力が印加している状態における概略構成を示す回路図である。 図３Ｄは、図３Ｃに示す磁気センサの出力の測定結果を示すグラフである。 図４Ａは、本発明の一実施形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子の概略構成を示す斜視図である。 図４Ｂは、図４Ａに示す磁気抵抗効果素子をフリー層側から見たときの平面図である。 図５Ａは、外部磁場が印加されていない状態におけるフリー層の磁化を概念的に示す模式図である。 図５Ｂは、外部磁場が印加されていない状態におけるピンド層の磁化を概念的に示す模式図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る磁気センサのピンド層の磁化方向と封止部及び磁気センサチップとの位置関係を示す平面図である。 図７は、本発明の他の実施形態に係る磁気センサのピンド層の磁化方向と封止部及び磁気センサチップとの位置関係を示す平面図である。 図８Ａは、磁気センサのピンド層を０°、１０°、２０°、３０°、４５°にそれぞれ傾斜させたときの出力電圧Ｖ１おける外部応力の印加角度と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図８Ｂは、磁気センサのピンド層を０°、１０°、２０°、３０°、４５°にそれぞれ傾斜させたときの出力電圧Ｖ２おける外部応力の印加角度と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図８Ｃは、磁気センサのピンド層を０°、１０°、２０°、３０°、４５°にそれぞれ傾斜させたときの出力電圧（Ｖ１−Ｖ２）おける外部応力の印加角度と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図９Ａは、磁気センサのピンド層を９０°、８０°、７０°、６０°、４５°にそれぞれ傾斜させたときの出力電圧Ｖ１における外部応力の印加角度と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図９Ｂは、磁気センサのピンド層を９０°、８０°、７０°、６０°、４５°にそれぞれ傾斜させたときの出力電圧Ｖ２における外部応力の印加角度と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図９Ｃは、磁気センサのピンド層を９０°、８０°、７０°、６０°、４５°にそれぞれ傾斜させたときの出力電圧（Ｖ１−Ｖ２）における外部応力の印加角度と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図１０Ａは、本発明の磁気センサを備える電流センサの概略構成を示す端面図である。 図１０Ｂは、図１０Ａに示す電流センサのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１１は、本発明の他の実施形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子の概略構成を示す斜視図である。 図１２Ａは、磁気センサを基板に固定した側面図である。 図１２Ｂは、基板の裏面側に対しプレートを押し付けたときの側面図である。 図１２Ｃは、近似直線に対して４５°の角度でプレートを基板に押し付けたときの上視図である。 図１３Ａは、０°の角度で外部応力を印加したときの実施例１における変位と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図１３Ｂは、４５°の角度で外部応力を印加したときの実施例１における変位と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図１３Ｃは、９０°の角度で外部応力を印加したときの実施例１における変位と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図１４Ａは、０°の角度で外部応力を印加したときの実施例２における変位と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図１４Ｂは、４５°の角度で外部応力を印加したときの実施例２における変位と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図１４Ｃは、９０°の角度で外部応力を印加したときの実施例２における変位と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図１５Ａは、比較例１の磁気センサの第１面側からの平面視における端面図である。 図１５Ｂは、比較例２の磁気センサの第１面側からの平面視における端面図である。 図１６Ａは、０°の角度で外部応力を印加したときの比較例１における変位と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図１６Ｂは、４５°の角度で外部応力を印加したときの比較例１における変位と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図１６Ｃは、９０°の角度で外部応力を印加したときの比較例１における変位と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図１７Ａは、０°の角度で外部応力を印加したときの比較例２における変位と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図１７Ｂは、４５°の角度で外部応力を印加したときの比較例２における変位と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。 図１７Ｃは、９０°の角度で外部応力を印加したときの比較例３における変位と電圧オフセットとの関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の磁気センサの一実施形態について説明する。
本実施形態に係る磁気センサを説明するにあたり、必要に応じ、いくつかの図面中、「Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向」を規定している。ここで、Ｘ方向は磁気抵抗効果素子のピンド層の磁化方向に一致する。Ｙ方向はＸ方向に直交する方向であり、外部磁場が印加されていない状態におけるフリー層の磁化方向に一致する。Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向に直交する方向であり、磁気抵抗効果素子の多層膜の積層方向に一致する。なお、各図面におけるＸ、Ｙ、Ｚ方向を示す矢印の向きを＋Ｘ方向、＋Ｙ方向、＋Ｚ方向、矢印の向きと反対側の向きを−Ｘ方向、−Ｙ方向、−Ｚ方向ということがある。

図１は、本実施形態に係る磁気センサの側面視においる概略構成を示す端面図であり、図２は、図１に示す磁気センサの封止部の第１面側からの平面視における内部構造の概略構成を示す端面図である。

図１及び図２に示すように、磁気センサ１は、磁気センサチップ２と、この磁気センサチップ２を一体的に封止する封止部３とを有する。封止部３は、第１面３ａ及び当該第１面３ａに対向する第２面３ｂを有し、第１面３ａ側からの平面視における封止部３の形状は、互いに略平行である第１辺３１及び第２辺３２と、第１辺３１及び第２辺３２に交差し、互いに略平行である第３辺３３及び第４辺３４を有する略四角形であり、好ましくは、封止部３は、第１面３ａ及び当該第１面３ａに対向する第２面３ｂを有し、第１面３ａ側からの平面視における封止部３の形状は、互いに略平行である第１辺３１及び第２辺３２と、第１辺３１及び第２辺３２に略直交し、互いに略平行である第３辺３３及び第４辺３４を有する略方形状である。

磁気センサチップ２は、平面視において互いに略平行である第１辺２１及び第２辺２２と、第１辺２１及び第２辺２２に交差し、互いに略平行である第３辺２３及び第４辺２４を有する略四角形であり、好ましくは、磁気センサチップ２は、平面視において互いに略平行である第１辺２１及び第２辺２２と、第１辺２１及び第２辺２２に略直交し、互いに略平行である第３辺２３及び第４辺２４を有する略方形状である。また、磁気センサチップ２は、磁気抵抗効果素子を備える。磁気抵抗効果素子としては、例えば、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）型の磁気抵抗効果素子やトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）型の磁気抵抗効果素子を用いることができる。

なお、本実施形態において、略平行及び略直交、並びに略四角形及び略方形状とは、磁気センサチップ２や封止部３等の製造時における製造誤差等を含む概念である。略平行とは、封止部３の第１辺３１を伸ばした延長線と第２辺３２を伸ばした延長線とにより形成される角度が３°以下となるように２つの延長線が交差してもよいし、略直交とは、第１辺３１及び第３辺３３により形成される角度、又は第１辺３１を伸ばした延長線及び第３辺３３を伸ばした延長線により形成される角度が８９〜９１°の範囲内であってもよい。また、略四角形及び略方形状とは、第１面３ａ側からの平面視において封止部３の第１面３ａが、角の丸められた四角形、角の丸められた正方形、角の丸められた長方形、又は角部にＣ面取り加工が施されている四角形、角部にＣ面取り加工が施されている正方形、角部にＣ面取り加工が施されている長方形等であってもよい。さらに、略平行とは、磁気センサチップ２の第１辺２１を伸ばした延長線と第２辺３２を伸ばした延長線とにより形成される角度が３°以下となるように２つの延長線が交差していてもよいし、略直交とは、第１辺２１及び第３辺２３により形成される角度、又は第１辺２１を伸ばした延長線及び第３辺２３を伸ばした延長線により形成される角度が８９〜９１°の範囲内であってもよい。さらにまた、略四角形及び略方形状とは、平面視において磁気センサチップ２が、角の丸められた四角形、角の丸められた正方形、角の丸められた長方形、又は角部にＣ面取り加工が施されている四角形、角部にＣ面取り加工が施されている正方形、角部にＣ面取り加工が施されている長方形等であってもよい。

磁気センサ１が有する封止部３は、磁気センサチップ２を一体的に封止して保護することができるものであればよく、例えば樹脂により構成されていてもよい。封止部３は、磁気センサ１に外部からの応力が印加されたときに、当該応力に対する緩衝作用を示すことで、磁気センサチップ２に印加される応力による影響を低減することができる。この封止部３を構成し得る樹脂の弾性率は、例えば０．１〜５０ＧＰａ程度あればよい。封止部３を構成し得る樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、スチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂等が挙げられる。封止部３の寸法は、磁気センサチップ２を一体的に封止することができる限りにおいて特に制限されるものではなく、用途等に応じて適宜設定され得る。

本実施形態に係る磁気センサ１は、磁気センサチップ２を搭載する搭載面を有するダイパッド４と、ダイパッド４の周囲に配置されている複数のリード線５と、磁気センサチップ２の端子及びリード線５を電気的に接続する配線部６とを備えていてもよい。ダイパッド４は、銅等の導電材料により構成されていればよい。磁気センサチップ２は、導電性ペースト、絶縁性ペースト、ダイアタッチフィルム（ＤＡＦ）等の接着剤（図示省略）を介してダイパッド４の搭載面に固定されていればよい。配線部６は、金線等のボンディングワイヤ等により構成されていればよい。

図３Ａは、本実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す回路図である。磁気センサ１は、第１の磁気抵抗効果素子１１、第２の磁気抵抗効果素子１２、第３の磁気抵抗効果素子１３及び第４の磁気抵抗効果素子１４を有し、第１〜第４の磁気抵抗効果素子１１〜１４がブリッジ回路（ホイートストンブリッジ）で相互に接続されている。第１〜第４の磁気抵抗効果素子１１〜１４は、第１の磁気抵抗効果素子１１と第２の磁気抵抗効果素子１２との組、及び第３の磁気抵抗効果素子１３と第４の磁気抵抗効果素子１４との組の２つの組に分割され、それぞれの組内の磁気抵抗効果素子どうしは直列接続されている。第１の磁気抵抗効果素子１１と第４の磁気抵抗効果素子１４とは電源電圧Ｖｃｃに接続され、第２の磁気抵抗効果素子１２と第３の磁気抵抗効果素子とは接地（ＧＮＤ）されている。第１の磁気抵抗効果素子１１と第２の磁気抵抗効果素子１２との間の出力電圧が中点電圧Ｖ１として取り出され、第３の磁気抵抗効果素子１３と第４の磁気抵抗効果素子１４との間の出力電圧が中点電圧Ｖ２として取り出される。したがって、第１〜第４の磁気抵抗効果素子１１〜１４の電気抵抗をそれぞれＲ１〜Ｒ４とすると、中点電圧Ｖ１及びＶ２はそれぞれ下式（１），（２）によって求めることができる。

本実施形態においては、第１〜第４の磁気抵抗効果素子１１〜１４のそれぞれが単一の磁気抵抗効果素子で構成されている態様を例に挙げて説明するが、第１〜第４の磁気抵抗効果素子１１〜１４のそれぞれが複数の磁気抵抗効果素子で構成されていてもよいし、第１〜第４の磁気抵抗効果素子１１〜１４のそれぞれは、直列に接続された複数の磁気抵抗効果素子で構成されていてもよい。

第１〜第４の磁気抵抗効果素子１１〜１４は互いに同一の構造を有しているため、第１の磁気抵抗効果素子１１を例に挙げて説明する。図４Ａは、本実施形態に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子１１）の概略構成を示す斜視図である。第１の磁気抵抗効果素子１１は、平面視で略長方形状の多層膜４０と、当該多層膜４０の長手方向の両端に位置し、多層膜４０を挟む一対のバイアス磁石４７とを有している。多層膜４０は一般的なスピンバルブ型の膜構成を有している。多層膜４０は反強磁性層４１とピンド層４２とスペーサ層４５とフリー層４６とを含み、これらの層はこの順で積層されている。多層膜４０はその積層方向において一対の電極層（図示せず）に挟まれており、電極層から多層膜４０に対し積層方向のセンス電流が流れるように構成されている。本実施形態においては、多層膜４０の平面視における形状は略長方形形状であるが、略正方形状であってもよい。なお、略長方形状、略正方形状には、長方形、正方形の他、角の丸められた長方形、角の丸められた正方形等が含まれる。また、本実施形態において、第１〜第４の磁気抵抗効果素子１１〜１４は、多層膜４０を挟む一対のバイアス磁石４７を有しているが、これに限定されるものではなく、例えば多層膜４０が磁気形状異方性を利用した楕円を含む長円形状や長方形状である場合には、バイアス磁石４７有していなくてもよい。

フリー層４６は、外部磁場に応じて磁化方向が変化する磁性層であり、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＮｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、ＦｅＯ_Ｘ（Ｆｅ酸化物）等により構成され得る。ピンド層４２は反強磁性層４１との交換結合によって外部磁場に対して磁化方向が固定された強磁性層であり、フリー層４６と同様の磁性材料により構成され得る。反強磁性層４１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により構成され得る。反強磁性材料におけるＭｎの含有量は、例えば３５〜９５原子％程度であればよい。スペーサ層４５はフリー層４６とピンド層４２との間に位置し、磁気抵抗効果を奏する非磁性層である。スペーサ層４５は、Ｃｕ等の非磁性金属からなる非磁性導電層、またはＡｌ_２Ｏ_３等の非磁性絶縁体からなるトンネルバリア層である。スペーサ層４５が非磁性導電層である場合、第１の磁気抵抗効果素子１１は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子として機能し、スペーサ層４５がトンネルバリア層である場合、第１の磁気抵抗効果素子１１はトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子として機能する。磁気抵抗効果率が大きく、ブリッジ回路の出力電圧を大きくすることができるという点では、第１の磁気抵抗効果素子１１はＴＭＲ素子であることがより好ましい。

図４Ｂは、図４Ａに示す磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子１１）をフリー層４６側から見たときの概略構成を示す平面図である。図５Ａは、外部磁場が印加されていない状態におけるフリー層４６の磁化を概念的に示す模式図である。図５Ｂは、外部磁場が印加されていない状態におけるピンド層４２の磁化を概念的に示す模式図である。なお、図５Ａ及び図５Ｂの矢印は磁化方向を模式的に示している。

フリー層４６はバイアス磁石４７のバイアス磁場によって、平面視における長手方向と略平行な初期磁化方向Ｄ１に磁化されている。フリー層４６の初期磁化方向Ｄ１はバイアス磁石４７の磁化方向Ｄ２と略平行である。ピンド層４２は短手方向と略平行な磁化方向Ｄ３に磁化されている。フリー層４６の感磁方向である短手方向に外部磁場が印加されると、フリー層４６の磁化は外部磁場の強さに応じて図４Ｂにおいて時計回り又は反時計回りに回転する。これによってピンド層４２の磁化方向Ｄ３とフリー層４６の磁化方向との間の相対角度が変化し、センス電流に対する電気抵抗が変化する。

図３Ａに示すように、第１〜第４の磁気抵抗効果素子１１〜１４のフリー層４６の初期磁化方向Ｄ１はフリー層４６の長手方向である。第１の磁気抵抗効果素子１１及び第３の磁気抵抗効果素子１３のピンド層４２の磁化方向Ｄ３はピンド層４２の短手方向であり、第２の磁気抵抗効果素子１２及び第４の磁気抵抗効果素子１４のピンド層４２の磁化方向Ｄ３は、第１の磁気抵抗効果素子１１及び第３の磁気抵抗効果素子１３のピンド層４２の磁化方向Ｄ３に対して反平行である。したがって、第１の磁気抵抗効果素子１１及び第３の磁気抵抗効果素子１３のピンド層４２の磁化方向Ｄ３の外部磁場が印加されると、第１の磁気抵抗効果素子１１及び第３の磁気抵抗効果素子１３の電気抵抗が減少し、第２の磁気抵抗効果素子１２及び第４の磁気抵抗効果素子１４の電気抵抗が増加する。これによって、図３Ｂに示すように、中点電圧Ｖ１が増加し、中点電圧Ｖ２が低下する。一方で、第２の磁気抵抗効果素子１２及び第４の磁気抵抗効果素子１４のピンド層４２の磁化方向Ｄ３の外部磁場が印加された場合は、中点電圧Ｖ１が低下し、中点電圧Ｖ２が増加する。中点電圧Ｖ１と中点電圧Ｖ２との差分（Ｖ１−Ｖ２）を検出することで、中点電圧Ｖ１及び中点電圧Ｖ２を検出する場合と比べて２倍の感度が得られる。また、図３Ｂにおいて中点電圧Ｖ１及び中点電圧Ｖ２が同一方向（例えば、図３Ｂのグラフにおける上側）にシフト（オフセット）したとしても、中点電圧Ｖ１及び中点電圧Ｖ２の差分（Ｖ１−Ｖ２）を検出することでオフセットの影響を排除することができる。

第１〜第４の磁気抵抗効果素子１１〜１４に所定の方向の応力が印加されると、フリー層４６の初期磁化方向Ｄ１は逆磁歪効果によって回転する。図３Ｃは、第１〜第４の磁気抵抗効果素子１１〜１４のフリー層４６の長手方向に対して４５°の角度で引張応力Ｓが掛かっている状態を示す模式図である。逆磁歪効果は磁歪定数の正負及び応力が引張応力Ｓであるか圧縮応力であるかによって、異なる方向に作用する。引張応力が掛かるフリー層４６の磁歪定数が正の場合、及び圧縮応力が掛かるフリー層４６の磁歪定数が負の場合、フリー層４６の初期磁化方向Ｄ１は応力と平行となる方向に回転する。引張応力Ｓが掛かるフリー層４６の磁歪定数が負の場合、及び圧縮応力が掛かるフリー層４６の磁歪定数が正の場合、フリー層４６の初期磁化方向Ｄ１は応力と直交する方向に回転する。図３Ｃに示すように、４５°の角度で引張応力Ｓが印加されると、フリー層４６の磁歪定数が負となり、第１の磁気抵抗効果素子１１及び第３の磁気抵抗効果素子１３のフリー層４６の初期磁化方向Ｄ１は、ピンド層４２の磁化方向Ｄ３の向きに回転するため、第１の磁気抵抗効果素子１１及び第３の磁気抵抗効果素子１３の電気抵抗は減少する。第２の磁気抵抗効果素子１２及び第４の磁気抵抗効果素子１４のフリー層４４の初期磁化方向Ｄ１は、ピンド層４２の磁化方向Ｄ３と反対方向に回転するため、第２の磁気抵抗効果素子及び第４の磁気抵抗効果素子１４の電気抵抗は増加する。これによって、図３Ｄに示すように、中点電圧Ｖ１が増加するとともに中点電圧Ｖ２が低下し、中点電圧Ｖ１及び中点電圧Ｖ２の差分（Ｖ１−Ｖ２）が増加する。つまり、外部応力によって、外部磁場が印加されていないときの磁気センサ１の出力である上記差分（Ｖ１−Ｖ２）はゼロからオフセットする。出力（上記差分Ｖ１−Ｖ２）のオフセットは磁気センサ１の検出精度に影響を与えるおそれがある。

外部応力は、例えば磁気センサチップ２を樹脂で封入する際に封止用の樹脂等から受ける力によって生じ得る。封止部３に磁気センサチップ２が封止された磁気センサ１を基板等に取り付け、モジュール化する際の工程（例えばはんだ工程）においても応力が生じ得る。当該モジュールが製品に組み込まれる際の工程（例えばネジ止め工程）においても応力が生じることがあり、製品としての使用中にも、例えば温度変化による熱応力が生じることがある。これらの応力は予測及び測定が困難であり、制御することも困難である。したがって、本質的には磁気センサ１の出力（上記差分Ｖ１−Ｖ２）が外部応力によって影響を受けにくいことが望まれる。

図６は、本実施形態に係る磁気センサのピンド層４２の磁化方向と封止部３及び磁気センサチップ２との位置関係を示す平面図である。図６に示すように、本実施形態に係る磁気センサ１において、ピンド層４２の磁化方向は、封止部３の第１辺３１上に任意に設定される複数の点を用いて最小二乗法により求められる近似直線７に対して傾斜している。これにより、磁気センサ１の応力感度を低減することができ、オフセット特性を改善できるという効果が奏される。なお、本実施形態においては、近似直線７を求めるために第１辺３１上の任意の複数の点を設定したが、これに限定されるものではなく、第１辺３１、第２辺３２、第３辺３３、及び第４辺３４のうちの１つの辺上に任意に複数の点を設定して近似直線７を求めればよい。

本実施形態に係る磁気センサ１において、第１〜第４の磁気抵抗効果素子１１〜１４のピンド層４２の長手方向を磁気センサチップ２の第１辺２１に対して傾斜させ、磁気センサチップ２の第１辺２１と、封止部３の第１辺３１上に任意に設定される複数の点を用いて最小二乗法により求められる上記近似直線７とを略平行とすることで、ピンド層４２の磁化方向を上記近似直線７に対して傾斜させてもよい（図６参照）。本実施形態においては、図６に示す態様に限定されるものではなく、第１〜第４の磁気抵抗効果素子１１〜１４のピンド層４２の長手方向又は短手方向と磁気センサチップ２の第１辺２１とを略平行とし、磁気センサチップ２の第１辺２１を、封止部３の第１辺３１上に任意に設定される複数の点を用いて最小二乗法により求められる上記近似直線７に対して傾斜させることで、ピンド層４２の磁化方向を上記近似直線７に対して傾斜させてもよい（図７参照）。

図８Ａ〜Ｃは、図６に示す磁気センサ１の近似直線７に対してピンド層４２の磁化方向を０°、１０°、２０°、３０°、４５°方向にそれぞれ傾斜させたときの外部応力に対する出力電圧Ｖ１及びＶ２、並びに出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）の変化を示すグラフである。近似直線７に対してピンド層４２が０°方向、すなわち略平行な状態における磁気センサ１は、４５°方向の外部応力が印加すると、出力Ｖ１の電圧オフセットはマイナス方向に増加し（図８Ａ参照）、出力Ｖ２の電圧オフセットはプラス方向に増加する（図８Ｂ参照）。このため、出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）の電圧オフセットはマイナス方向に増加するため（図８Ｃ参照）、外部応力の影響を大きく受ける。近似直線７に対してピンド層４２の磁化方向を１０°、２０°、３０°とそれぞれ傾斜させた磁気センサ１では、ピンド層４２の磁化方向の角度が大きくなるにつれて出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）のマイナス方向の増加量を低減することができる（図８Ｃ参照）。さらに、近似直線７に対してピンド層４２の磁化方向を４５°の角度に傾斜させた磁気センサ１では、出力Ｖ１がプラス方向に増加し（図８Ａ参照）、Ｖ２がマイナス方向に増加するため（図８Ｂ参照）、出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）の電圧オフセットはほぼ完全に抑制されている。

図９Ａ〜Ｃは、図６に示す磁気センサ１の近似直線７に対してピンド層４２の磁化方向を９０°、８０°、７０°、６０°、４５°方向にそれぞれ傾斜させたときの外部応力に対する出力電圧Ｖ１及びＶ２、並びに出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）の変化を示すグラフである。近似直線７に対してピンド層４２が９０°方向、すなわち略直交な状態における磁気センサ１は、４５°方向の外部応力が印加すると、出力Ｖ１の電圧オフセットはプラス方向に増加し（図９Ａ参照）、出力Ｖ２の電圧オフセットはマイナス方向に増加する（図９Ｂ参照）。このため、出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）の電圧オフセットはプラス方向に増加するため（図９Ｃ参照）、外部応力の影響を大きく受ける。近似直線７に対してピンド層４２の磁化方向を８０°、７０°、６０°とそれぞれ傾斜させた磁気センサ１では、ピンド層４２の磁化方向の角度が大きくなるにつれて出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）のプラス方向の増加量を低減することができる（図９Ｃ参照）。さらに、近似直線７に対してピンド層４２の磁化方向を４５°の角度に傾斜させた磁気センサ１では、出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）の電圧オフセットはほぼ完全に抑制されている。

図８Ａ〜Ｃ及び図９Ａ〜Ｃに示すように、磁気抵抗効果素子に外部磁場が印加されていない状態において近似直線７に対してピンド層４２の磁化方向を傾斜させることで、応力感度を低減でき、電圧オフセットの変動を小さくすることができる。ピンド層４２の傾斜角度は、電圧オフセットの変動を小さくすることが可能な範囲であれば特に限定されるものではなく、近似直線７に対して、特に１０〜８０°の範囲で傾斜していることが好ましい。

以上説明した磁気センサ１は例えば電流センサに用いることができる。図１０Ａは磁気センサ１を備える電流センサの概略端面図であり、図１０Ｂは、図１０ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。磁気センサ１は電流線１０２の近傍に設置され、印加される信号磁場Ｂｓの変化に応じて磁気抵抗変化を発生させる。電流センサ１０１は。磁場強度を調整する第１の軟磁性体１０３及び第２の軟磁性体１０４と、磁気センサ１の近傍に設けられたソレノイド型のフィードバックコイル１０５とを有している。

フィードバックコイル１０５は信号磁場Ｂｓをキャンセルする磁場Ｂｃを発生させる。フィードバックコイル１０５は、磁気センサ１と第２の軟磁性体１０４の周りを螺旋状に巻き回している。図１０Ａにおいて紙面手前から奥側に、図１０Ｂにおいて左から右に、電流ｉが電流線１０２を流れている。この電流ｉによって、図１０Ａにおいて時計回りの外部磁場Ｂｏが誘起される。外部磁場Ｂｏは第１の軟磁性体１０３で減衰され、第２の軟磁性体１０４で増幅され、信号磁場Ｂｓとして磁気センサ１に左向きに印加される。磁気センサ１は信号磁場Ｂｓに相当する電圧信号を出力し、電圧信号がフィードバックコイル１０５に入力される。フィードバックコイル１０５には、フィードバック電流Ｆｉが流れ、フィードバック電流Ｆｉは信号磁場Ｂｓをキャンセルするキャンセル磁場Ｂｃを発生させる。信号磁場Ｂｓとキャンセル磁場Ｂｃとは絶対値が同じで方向が逆向きであるため、信号磁場Ｂｓはキャンセル磁場Ｂｃと相殺され、磁気センサ１に印加される磁場は実質的にゼロとなる。フィードバック電流Ｆｉは抵抗（図示せず）によって電圧に変換され電圧値として出力される。電圧値はフィードバック電流Ｆｉ及びキャンセル磁場Ｂｃ、並びに信号磁場Ｂｓに比例するため、電圧値から電流線１０２を流れる電流を得ることができる。

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。従って、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術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、磁気抵抗効果素子を構成する多層膜４０は反強磁性層４１とピンド層４２とスペーサ層４５とフリー層４６とを含むものを例に挙げて説明したが、この態様に限定されるものではなく、例えば、ピンド層４２とスペーサ層４５との間に、非磁性中間層４３とレファレンス層４４と含むものであってもよい（図１１参照）。レファレンス層４４はピンド層４２とスペーサ層４５との間に挟まれた強磁性層であり、Ｒｕ、Ｒｈ等の非磁性中間層４３を介してピンド層４２と磁気的に結合、より具体的にはピンド層４２と反強磁性結合している。したがって、レファレンス層４４とピンド層４２とはいずれも外部磁場に対して磁化方向が固定されており、その磁化方向は互いに反平行の向きとなる。これによって、レファレンス層４４の磁化方向が安定化するとともに、レファレンス層４４から放出される磁場がピンド層４２から放出される磁場によって打ち消され、外部への漏れ磁場を抑制することができる。この場合において、レファレンス層４４の磁化方向が近似直線７に対して傾斜していればよい。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、下記の実施例等により何ら限定されるものではない。

〔実施例１〕
図６に示す構成を有し、近似直線７に対するピンド層４２の磁化方向が４５°である磁気センサ１を準備し、当該磁気センサ１に引張応力Ｓ（図３Ｃ参照）が印加された状態における磁気センサ１の出力Ｖ１，Ｖ２及び出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）の変化を測定した。磁気センサ１に引張応力Ｓが印加された状態は、以下に説明する模擬的な荷重負荷方法により実現された。
図１２Ａ〜１２Ｃは、磁気センサへの模擬的な荷重付加方法を説明する図である。まず、リード線５のはんだ付けにより磁気センサ１を基板５１に固定する（図１２Ａ参照）。次に、基板５１の裏面（磁気センサ１が固定された面の反対側の面）側に対しプレート５２を＋Ｚ方向に押し付ける（図１２Ｂ参照）。基板５１は表面（磁気センサ１が固定された面）側が凸になるように湾曲するため、リード線５は外側に広がるように変形する。これによってリード線５を通じて磁気センサ１に引張応力Ｓを印加することができる。図１２Ｃは、図１２Ｂの＋Ｚ方向側からの平面視における近似直線７に対して４５°の角度でプレート５２を基板５１に押し付けたときの上視図であり、これにより図３Ｃに示す引張応力Ｓ（近似直線７に対して４５°の角度の引張応力Ｓ）の印加が実現されたことになる。
実施例１においては、近似直線７に対して０°、４５°及び９０°の角度でプレート５２を基板５１に押し付け、基板５１の＋Ｚ方向変位量Ｄを変化させたときの出力Ｖ１，Ｖ２及び出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）の変化を計測した。結果を図１３Ａ〜１３Ｃに示す。図１３Ａ〜１３Ｃに示すグラフにおいて、横軸は変位量Ｄ（ｍｍ）を表し、縦軸は電圧オフセット（ｍＶ／Ｖ）を表す。電圧オフセットは、引張応力Ｓが印加されていない状態における磁気センサ１の出力Ｖ１，Ｖ２及び出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）と、引張応力Ｓが印加された状態における磁気センサ１の出力Ｖ１，Ｖ２及び出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）との差分として求められる。

〔実施例２〕
実施例１と同様の荷重付加方法（図１２Ａ〜１２Ｃ参照）を用いて、図７に示す構成を有し、近似直線７に対する磁気センサチップ２の第１辺２１の傾斜角度が４５°である磁気センサ１に対して０°、４５°及び９０°の角度で基板５１にプレート５２を押し付けることで引張応力Ｓを印加し、基板５１の＋Ｚ方向変位量Ｄを変化させたときの出力Ｖ１，Ｖ２及び出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）の変化を計測した。結果を図１４Ａ〜１４Ｃに示す。図１４Ａ〜１４Ｃに示すグラフにおいて、横軸は変位量Ｄ（ｍｍ）を表し、縦軸は電圧オフセット（ｍＶ／Ｖ）を表す。電圧オフセットは、引張応力Ｓが印加されていない状態における磁気センサ１の出力Ｖ１，Ｖ２及び出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）と、引張応力Ｓが印加された状態における磁気センサ１の出力Ｖ１，Ｖ２及び出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）との差分として求められる。

〔比較例１〕
図１５Ａに示す構成の磁気センサ１′を準備した。図１５Ａは、比較例１の磁気センサ１′の平面図である。図１５Ａに示す磁気センサ１′においては、封止部３′の第１面３ａ′側からの平面視において、封止部３′が有する第１辺３１′上に任意に設定した複数の点を用いて最小二乗法により求められる近似直線７′に対してピンド層４２′の磁化方向は略直交である。

実施例１と同様の荷重付加方法（図１２Ａ〜１２Ｃ参照）により、図１５Ａに示す構成を有する磁気センサ１′に対して０°、４５°及び９０°の角度で基板５１にプレート５２を押し付けることで引張応力Ｓを印加し、基板５１の＋Ｚ方向変位量Ｄを変化させたときの出力Ｖ１，Ｖ２及び出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）の変化を計測した。結果を図１６Ａ〜１６Ｃに示す。図１６Ａ〜１６Ｃに示すグラフにおいて、横軸は変位量Ｄ（ｍｍ）を表し、縦軸は電圧オフセット（ｍＶ／Ｖ）を表す。電圧オフセットは、引張応力Ｓが印加されていない状態における磁気センサ１′の出力Ｖ１，Ｖ２及び出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）と、引張応力Ｓが印加された状態における磁気センサ１′の出力Ｖ１，Ｖ２及び出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）との差分として求められる。

〔比較例２〕
図１５Ｂに示す構成の磁気センサ１′を準備した。図１５Ｂは、比較例２の磁気センサ１′の平面図である。図１５Ｂに示す磁気センサ１′においては、封止部３′の第１面３ａ′側から磁気センサチップ２′を見たときに、磁気抵抗効果素子に外部磁場が印加されていない状態におけるピンド層４２′の磁化方向は、磁気センサチップ２′の第１辺２１′に対して略平行である。

実施例１と同様の荷重付加方法（図１２Ａ〜１２Ｃ参照）により、図１５Ｂに示す構成を有する磁気センサ１′に対して０°、４５°及び９０°の角度で基板５１にプレート５２を押し付けることで引張応力Ｓを印加し、基板５１の＋Ｚ方向変位量Ｄを変化させたときの出力Ｖ１，Ｖ２及び出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）の変化を計測した。結果を図１７Ａ〜１７Ｃに示す。図１７Ａ〜１７Ｃに示すグラフにおいて、横軸は変位量Ｄ（ｍｍ）を表し、縦軸は電圧オフセット（ｍＶ／Ｖ）を表す。電圧オフセットは、引張応力Ｓが印加されていない状態における磁気センサ１′の出力Ｖ１，Ｖ２及び出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）と、引張応力Ｓが印加された状態における磁気センサ１′の出力Ｖ１，Ｖ２及び出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）との差分として求められる。

比較例１及び比較例２の磁気センサにおいて、０°及び９０°の角度で引張応力Ｓを印加したときにおける電圧オフセットの変動が小さいが（図１６Ａ、図１６Ｃ、図１７Ａ、図１７Ｃ参照）、４５°の角度で引張応力Ｓを印加したときには、変位量Ｄが増加するにしたがって、電圧オフセットが大きくなることが確認できた（図１６Ｂ及び図１７Ｂ参照）。一方、実施例１の磁気センサにおいては、０°及び９０°の角度で引張応力Ｓを印加したときにおける電圧オフセットの変動は、比較例１及び比較例２と同様に小さいが（図１３Ａ、図１３Ｃ参照）、４５°の角度で引張応力Ｓを印加したときには、比較例１及び比較例２よりも電圧オフセットの変動が抑制されていることが確認できた（図１３Ｂ参照）。

また、実施例２の磁気センサにおいて、０°及び４５°の角度で引張応力Ｓを印加したときに、比較例１及び比較例２よりも電圧オフセットの変動が抑制されていることが確認できた（図１４Ａ、１４Ｂ参照）。一方、９０°の角度で引張応力Ｓを印加したときには、変位量Ｄが増加するに従い、電圧オフセットが大きくなることが確認できる（図１４Ｃ参照）。このことから、磁気センサの用途等に応じて外部応力の印加される方向（角度）が既知である場合には、それに応じて磁気センサチップ２の磁気センサ１内における配置を最適化することができるということができる。なお、９０°の角度で引張応力Ｓを印加したときに電圧オフセットが大きくなるのは、印加される引張応力Ｓに対して磁気センサチップ２が有する第１辺２１、第２辺２２、第３辺２３、及び第４辺２４が４５°の角度に傾斜していることで、磁気センサチップ２に印加される引張応力Ｓによる影響が大きくなり、電圧オフセットが大きくなるものと推察される。

１…磁気センサ
２…磁気センサチップ
２１…第１辺
３…封止部
３１…第１辺
７…近似直線
１１〜１４…第１〜第４の磁気抵抗効果素子
４１…反強磁性層
４２…ピンド層
４３…スペーサ層
４６…フリー層
４７…バイアス磁石

Claims (7)

1. 磁気抵抗効果素子を含む磁気センサチップと、
   前記磁気センサチップを一体的に封止する封止部とを有し、
   前記磁気抵抗効果素子は、外部磁場に応じて磁化方向が変化可能なフリー層と、磁化方向が固定されているピンド層とを含み、
   前記封止部は、第１面及び当該第１面に対向する第２面を有し、
   前記第１面側からの平面視における前記封止部の形状は、略四角形であり、
   前記略四角形は、互いに略平行である第１辺及び第２辺と、前記第１辺及び前記第２辺に交差し、互いに略平行である第３辺及び第４辺とを有し、
   前記封止部の前記第１面側からの平面視において、前記磁気抵抗効果素子に前記外部磁場が印加されていない状態における前記ピンド層の前記磁化方向は、前記第１辺上に任意に設定される複数の点を用いて最小二乗法によって求められる近似直線に対して傾斜していることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記磁気抵抗効果素子に前記外部磁場が印加されていない状態における前記ピンド層の前記磁化方向が、前記近似直線に対して１０〜８０°の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記磁気センサチップの平面視における形状は、互いに略平行である第１辺及び第２辺と、前記第１辺及び前記第２辺に交差し、互いに略平行である第３辺及び第４辺とを有する略四角形であり、
   前記磁気センサチップの前記第１辺と前記近似直線とは略平行であり、
   前記封止部の前記第１面側から前記磁気センサチップを見たときに、前記磁気抵抗効果素子に前記外部磁場が印加されていない状態における前記ピンド層の前記磁化方向は、前記磁気センサチップの前記第１辺に対して傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記磁気センサチップの平面視における形状は、互いに略平行である第１辺及び第２辺と、前記第１辺及び前記第２辺に交差し、互いに略平行である第３辺及び第４辺とを有する略四角形であり、
   前記封止部の前記第１面側から前記磁気センサチップを見たときに、前記磁気抵抗効果素子に前記外部磁場が印加されていない状態における前記ピンド層の前記磁化方向は、前記磁気センサチップの前記第１辺に対して略平行又は略直交しており、前記磁気センサチップの前記第１辺は、前記近似直線に対して傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
5. 前記磁気センサチップは、複数の前記磁気抵抗効果素子を含み、
   前記複数の磁気抵抗効果素子に前記外部磁場が印加されていない状態における前記各磁気抵抗効果素子の前記フリー層の前記磁化方向は、互いに一致していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の磁気センサ。
6. 前記磁気抵抗効果素子は、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の磁気センサ。
7. 前記封止部は、樹脂により構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の磁気センサ。
   

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