JP3839697B2

JP3839697B2 - 回転角度センサ

Info

Publication number: JP3839697B2
Application number: JP2001318981A
Authority: JP
Inventors: 一郎徳永; 誠二菊池; 正男笠嶋
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2021-10-17
Also published as: JP2003121197A; US20030070497A1; EP1304550A1; US6640652B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部磁界の変化に応じて大きな抵抗変化を示す巨大磁気抵抗効果素子を用いた回転角度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の回転角度センサを、図８により説明する。従来の回転角度センサは、基板（図示せず）上に形成された巨大磁気抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢが、反強磁性層５１と、反強磁性層５１上に積層されて、反強磁性層５１により磁化の向きが固定されている固定磁性層５２と、非磁性導電層５３と、非磁性導電層５３を挟んで固定磁性層５２と対向するフリー磁性層５４とから構成された積層体Ｃ５と、この積層体Ｃ５を挟む一対の電極（図示せず）とを有し、積層体Ｃ５は、平面形状が長方形であり、長辺方向の長さが数ｍｍ程度であった。
【０００３】
このような巨大磁気抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢは、互いに固定磁性層５２の磁化の向き（図８に示すｅの向き）が互いに逆となるように対を成して設けられ、一対の巨大磁気抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢは、電極層間の電気抵抗値に関して差動が出力されるように、電気的に接続されている。
【０００４】
前記基板に対向する回転部（図示せず）には、前記基板に対向する面にＮ極とＳ極が着磁された磁石を有しており、前記着磁面が一対の巨大磁気抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢに対向して回転可能となっている。磁石の回転によって、巨大磁気抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢに印加される磁界が、巨大磁気抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢが形成された基板と平行な面内で回転すると、巨大抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢのフリー磁性層５４の磁化の向きが、回転する磁石の磁界の向きに応じて変化する。
【０００５】
巨大磁気抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢの電極層間の電気抵抗値は、フリー磁性層５４の磁化の向きが固定磁性層５２の磁化の向きと一致するときに減少して、フリー磁性層５４の磁化の向きが固定磁性層５２の磁化の向きと逆であるとき上昇する。このとき、一対の巨大磁気抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢは、固定磁性層５２の磁化の向きが互いに逆向きであるために、磁石の回転による電気抵抗値の変化が逆である。このような一対の巨大磁気抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢについて、電気抵抗値に関する差動出力は、磁界環境変化等による磁気的ノイズ成分が打ち消される。
【０００６】
そして、一対の巨大磁気抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢの電気抵抗値の変化に基づく差動出力は、磁石の巨大磁気抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢに対する回転角度をθとして表すとき、θを変数とするsinθ関数として得ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の回転角度センサでは、巨大磁気抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢの積層体Ｃ５が大きいので、両極間を結ぶ距離が数ｃｍ程度である磁石では、磁石による磁界が積層体Ｃの端部で歪み、積層体Ｃ５に均一な磁界を印加することができず、回転角度θを精度良く検出することが困難であった。さらに、このような大きさの巨大磁気抵抗効果素子Ｒでは、材料コストが高いという欠点もある。
【０００８】
積層体Ｃ５に均一な磁界を印加できるように磁石を大型化すると、回転角度センサが大型になる。また、巨大磁気抵抗効果素子ＲＡ，ＲＢの積層体Ｃ５の大きさを１ｍｍ以下にして、磁石による磁界が積層体Ｃに均一に印加できるようにすると、電気抵抗値の差動出力がsinθの関数からズレて、角度θを正確に検出することができない問題があった。
【０００９】
本発明は、大型化することなく、出力精度を向上させて。回転角度を正確に検出することができる回転角度センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転角度センサは、磁化の向きが固定された固定磁性層と、非磁性導電層と、前記非磁性導電層を挟んで前記固定磁性層と対向するフリー磁性層とを有する積層体および前記積層体の両端に接続された電極層を備えた巨大磁気抵抗効果素子が設けられた固定部、および磁場を形成して前記固定部に対面して回転する回転部とを有し、
前記固定部の表面に、固定磁性層の磁化の向きが互いに逆である前記巨大磁気抵抗効果素子が対を成して設けられているとともに、対を成す前記巨大磁気抵抗効果素子は、その抵抗値の差が出力されるように接続されて、前記回転部から前記巨大磁気抵抗効果素子に与えられる前記固定部の表面に平行な磁場成分が検出される回転角度センサにおいて、
前記巨大磁気抵抗効果素子は、前記積層体の大きさ寸法が１ｍｍ以下であり、前記フリー磁性層の形状異方性エネルギーを、前記フリー磁性層を形成する磁性材料の飽和磁化Ｊｓと、前記フリー磁性層を形成する磁性材料の残留磁束密度Ｂｒとを用いてＡ・Ｊｓ・（Ｂｒ/π）と表したときに、−３５０＜Ａ＜０である。
【００１１】
このような回転角度センサでは、大きな磁石を用いることなく積層体に均一な磁界を印加することができるので、小型であり、且つ、回転角度を精度良く検出することができる。また、フリー磁性層の形状異方性エネルギーが緩和されていることによって、出力は、ほぼ回転角度θに対するsinθ関数で表すことができて、回転角度を正確に検出できる。また、磁歪がほぼゼロであり、巨大磁気抵抗効果素子がホイートストーンブリッジ回路を構成するとき、出力は、回転角度θに対するsinθ関数からのズレがホイートストーンブリッジ回路への入力電圧に対して１％以下となる。
【００１２】
本発明の回転角度センサは、前記フリー磁性層の膜厚が１．５乃至８ｎｍである。
【００１３】
このような回転角度センサでは、巨大磁気抵抗効果素子のＧＭＲ効果による抵抗変化率が大きく、且つ、フリー磁性層の磁化が磁石による磁界の向きに向き易いので、出力精度をさらに向上させて、出力感度も高い。
【００１４】
本発明の回転角度センサは、前記回転部は磁石を有しており、この磁石の磁場方向での最大寸法が、ＧＭＲ素子の前記積層体の長辺方向の寸法の５倍以上である。
【００１５】
このような回転角度センサでは、磁石による磁界がＧＭＲ素子の積層体に均一に印加されるので、出力精度をより向上させることができる。
【００１６】
本発明の回転角度センサは、前記回転部から前記巨大磁気抵抗効果素子に印加される磁界は、前記フリー磁性層の飽和磁化の大きさ以上である。
【００１７】
このような回転角度センサでは、フリー磁性層の磁界が磁石による磁界で揃えられるので、フリー磁性層の磁界を揃えるための層を形成する必要がない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の回転角度センサの図面を説明すると、図１は、本発明の回転角センサの断面図、図２は、本発明の回転角度センサに係る巨大磁気抵抗効果素子の配置を示す説明図、図３は、本発明の回転角度センサに係る巨大磁気抵抗効果素子の基本構造を示す説明図、図４は、本発明の回転角度センサに係る巨大磁気抵抗効果素子の接続状態を示す説明図、図５は、本発明の回転角度センサに係る巨大磁気抵抗効果素子の他の接続状態を示す説明図、図６は、本発明の回転角度センサの出力を示す説明図、図７は、本発明の回転角度センサに係る巨大磁気抵抗効果素子の形状異方性エネルギーと回転角度センサの出力誤差の関係を示すグラフである。
【００１９】
本発明の回転角度センサは、図１に示すように、ケース２０内に、ケース２０に固定された非磁性材料からなる平板状の支持部材（固定部）２１と、支持部材２１と互いに平行に対向して、フェライト等からなる円板状の磁石２２を有する回転部とを有している。回転部に設けられた磁石２２は、支持部材２１の対向面にＮ極とＳ極が分極されて着磁されており、Ｎ極とＳ極を結ぶ方向が径方向である。前記磁石２２は、厚さが数ｍｍ、径が数ｃｍ程度である。
【００２０】
非磁性材料からなる回転軸２３は、回転部に固定され、ケース２０の外側に突出し、回転軸２３は前記ケース２０に回転自在に支持されている。
【００２１】
支持部材２１の磁石２２と対向する面には、図２に示すように、４個の基板Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４が設けられており、基板Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４は、数ｍｍ角程度であり、磁石２２の中心部と対向するように、互いに近接して配置されている。それぞれの基板Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４には、巨大磁気抵抗効果素子（以後、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）素子）Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８が形成されている。
【００２２】
ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８は、薄膜からなり平面形状が長方形である積層体Ｃと、積層体Ｃの長辺方向の両端に接続された電極層５とから構成されている。ＧＭＲ素子Ｒの積層体Ｃの平面形状は、短辺方向の寸法（幅）が１０〜数１０μｍ、長辺方向の寸法（長さ）が１００〜数１００μｍ程度であり、大きさ寸法が１ｍｍ以下である。このような小型のＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８では、材料コストを抑えることができる。
【００２３】
ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８の積層体Ｃは、図３に示すように、下地層６、反強磁性層１、固定磁性層２、非磁性導電層３、フリー磁性層４、保護層７が順次積層されている。
【００２４】
積層体Ｃの反強磁性層１は、固定磁性層２との界面に生じる交換異方性磁界により、固定磁性層２の磁化の向きを固定する役割を果たしており、Ｘ−Ｍｎ合金（ただし、Ｘは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓのうち１種または２種以上の元素）からなる。反強磁性層１は、膜厚が８〜２０ｎｍ程度、元素Ｘの組成が、３７〜６３原子％、より好ましくは４４〜５７原子％である。
【００２５】
このような反強磁性層１は、耐食性に優れており、また、固定磁性層２との界面に生じる交換異方性磁界が強いので、固定磁性層Ｐの磁化の向きをより確実に固定することができる。さらに、ブロッキング温度が高く、高温まで交換異方性磁界が消失することがない。
【００２６】
Ｘ−Ｍｎ合金のなかでも、Ｐｔ−Ｍｎ合金は、特に耐食性に優れ、ブロッキング温度が３５０℃以上と特に高く、交換異方性磁界が６．４×１０⁵（Ａ／ｍ）を越える。反強磁性層１をＰｔ−Ｍｎ合金としたときには、反強磁性層１と固定磁性層２との界面に熱拡散層を形成する必要がある。
【００２７】
このような反強磁性層１と固定磁性層２との界面の熱拡散層は、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８の製造工程において、下地層６、反強磁性層１、固定磁性層２、非磁性導電層３、フリー磁性層４、保護層７をスパッタ成膜した後の、熱処理工程により形成することができる。
【００２８】
なお、反強磁性層１は、Ｘ−Ｍｎ−Ｘ’合金（ただし、Ｘ’は、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｐｄ、及び希土類元素のうち１種または２種以上の元素である）としてもよい。
【００２９】
Ｘ−Ｍｎ−Ｘ’合金は、元素Ｘ’が侵入した侵入型固溶体であり、あるいは、元素ＸとＭｎとで構成される結晶格子の格子点の一部が、元素Ｘ’に置換された置換型固溶体であることが好ましい。これによって、反強磁性層１の格子定数を大きくすることができ、反強磁性層１と固定磁性層２との界面において、反強磁性層１と固定磁性層２の原子配列が１対１に対応しない原子配列（非整合状態）を形成することができる。
【００３０】
このように、反強磁性層１を、Ｘ−Ｍｎ−Ｘ’として、反強磁性層１の大きな格子定数とする手法等により、反強磁性層１と固定磁性層２との界面における原子配列を非整合状態とすれば、反強磁性層１と固定磁性層２の交換結合磁界を、さらに強固なものとできる。
【００３１】
固定磁性層２は、Ｃｏ、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金等の強磁性材料からなり、反強磁性層１との界面に生じる交換磁気異方性磁界により、磁化の向きが積層体Ｃの幅方向に固定されている。
【００３２】
また、３層構造の固定磁性層２で、人工的なフェリ磁性状態を形成しても良い。このとき、固定磁性層２は、反強磁性層１と接触して形成されたＣｏ、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金等からなる第１の固定磁性層２ａから順に、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕ等からなる非磁性層２ｂ、第１の固定磁性層２ａと同じ強磁性材料からなる第２の固定磁性層２ｃからなる。
【００３３】
第１の固定磁性層２ａは、反強磁性層１との界面に生じる交換磁気異方性磁界により、磁化の向きが積層体Ｃの幅方向に固定されている。第２の固定磁性層２ｃは、第１の固定磁性層２ａと非磁性層２ｂを介して磁気的に結合しており、第２の固定磁性層２ｃは、磁化の向きが第１の固定磁性層２ａにおける磁化の向きと反平行に固定されている。
【００３４】
人工的なフェリ磁性状態である磁化は、反強磁性層１との強い交換異方性磁界により固定されて、外部磁界や高い環境温度によっても変動することがなく熱的により安定して、固定磁性層２の磁化の向きが変動することがない。
【００３５】
非磁性導電層３は、Ｃｕ等の良導電材料からなり、固定磁性層Ｐとフリー磁性層Ｆの間に挟まれて、固定磁性層２とフリー磁性層４を磁気的に分離する役割を果たしている。
【００３６】
フリー磁性層４は、非磁性導電層３上に拡散防止層４ａ、軟磁性層４ｂが順次積層された二層構造であり、膜厚が１．５〜８ｎｍである。
【００３７】
フリー磁性層４の膜厚が厚すぎると、フリー磁性層４の単位面積あたりの磁気モーメントが増大してフリー磁性層４の磁化が回転し難くなり、回転角度センサの検出精度が劣化する。また、フリー磁性層４の膜厚が薄すぎると、ＧＭＲ効果による電極層５間の抵抗変化率が低下して、回転角度センサの感度が劣化する。
【００３８】
軟磁性層４ｂは、ＦｅＮｉ合金、あるいはＣｏＦｅＮｉ合金からなる。拡散防止層４ａは、ＣｏやＣｏＦｅ合金からなり、軟磁性層４ｂのＮｉ原子が非磁性導電層３に相互拡散することを防いでいる。拡散防止層４ａは、軟磁性層４ｂの磁気特性を阻害しないように薄く形成されて、膜厚が０．５〜１.６ｎｍである。
【００３９】
また、フリー磁性層４は、ＮｉＦｅ合金やＣｏＮｉＦｅ合金からなる第１、第２の軟磁性層がＲｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｃｒ等からなる非磁性層を介して対向しているシンセティックフェリ構造でも良い。このようなシンセティックフェリ構造のフリー磁性層４では、磁化が回転し易くなり、回転角度センサの検出精度をより向上させることができる。
【００４０】
フリー磁性層４は、スパッタにより成膜されて、フリー磁性層４の成膜は、フリー磁性層４に誘導磁気異方性を付与しないように、無磁場中或いは回転磁場中で行われる。フリー磁性層４上には、Ｔａ、Ｃｒ等からなる保護層７が形成されている。
【００４１】
基板Ｋ１、Ｋ２に形成されたＧＭＲ素子Ｒは、積層体Ｃの長さ方向が互いに平行であり（図２に示すｘ方向）、基板Ｋ１に形成された２つのＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の固定磁性層２の磁化（以後、固定磁化）と、基板Ｋ２に形成された２つのＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の固定磁化の向きとが、互いに逆向きである。基板Ｋ１に形成された２つのＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の固定磁化の向きは、図２に示す＋ｙの向きであり、基板Ｋ２に形成された２つのＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の固定磁化の向きは、図２に示す−ｙの向きである。
【００４２】
基板Ｋ１、Ｋ２に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、図４、または図５に示すような第１のホイートストーンブリッジ回路を構成している。
【００４３】
第１のホイートストーンブリッジ回路は、固定磁化の向き（図４、図５中に向きｅとして示す）が互いに逆である一対のＧＭＲ素子Ｒ１とＲ３が、電圧電源（図示せず）の接続された入力端子８側で並列に接続されると共に、接地端子１１側にも固定磁化の向きが互いに逆である一対のＧＭＲ素子Ｒ２とＲ４が並列に接続されている。
【００４４】
ＧＭＲ素子Ｒ１とＲ４は直列に接続され、ＧＭＲ素子Ｒ３とＲ２も直列に接続されており、直列の接続部に、第１のホイートストーンブリッジ回路の出力端子９、１０は、直列接続されたＧＭＲ素子Ｒの中間点に接続されて、出力端子９、１０間で、互いに固定磁化の向きが逆であるＧＭＲ素子Ｒ１とＲ４、Ｒ２とＲ３の電極５間の電圧の差動出力が得られるようになっている。
【００４５】
一方、基板Ｋ３に形成された２つのＧＭＲ素子Ｒ５，Ｒ６と、基板Ｋ４に形成された２つのＧＭＲ素子Ｒ７，Ｒ８とでは、固定磁化の方向が互いに逆向きである。前記ＧＭＲ素子Ｒ５，Ｒ６の固定磁化の方向は＋ｘ、ＧＭＲ素子Ｒ７，Ｒ８の固定磁化の方向は−ｘであり、基板Ｋ１とＫ２に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の固定磁化の方向と、基板Ｋ３とＫ４に形成されたＧＭＲ素子Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８の固定磁化の方向は互いに直行している。
【００４６】
そして、基板Ｋ３、Ｋ４に形成された４個のＧＭＲ素子Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８により、基板Ｋ１、Ｋ２に形成された４個のＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が接続された第１のホイートストーンブリッジ回路と同様な第２のホイートストーンブリッジ回路が形成されている。
【００４７】
前記回転部の磁石２２は、支持部材２１に対向する面が着磁され、図１において符号Ｆで示す磁場が形成されているが、前記各ＧＭＲ素子Ｒでは、磁石２２で形成される磁界のうちの、基板Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の表面に平行な成分が検出される。
【００４８】
各ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８の積層体Ｃは、大きさ寸法が１ｍｍ以下であり、径が数ｃｍ程度の磁石２２に比べて十分小さいので、磁石からの磁界が積層体Ｃの端部で歪むことなく、全体に均一な方向の磁束が磁界が各ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８に印加される。そのためには、磁石２２の磁場方向の最大寸法（図のように円形の磁石２２の場合にはその直径寸法）が積層体Ｃの長辺の長さ寸法に対して５倍以上であることが好ましい。
【００４９】
また、第１のホイートストーンブリッジ回路を構成する基板Ｋ１に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２と、基板Ｋ２に形成されたＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４とは、磁石２２の中心と対向する点Ｔに関して互いに対称に配置されているので、印加される磁石磁界の大きさ及び向きが互いに等しい。同様に、第２のホイートストーンブリッジ回路を構成する基板Ｋ３に形成されたＧＭＲ素子Ｒ５，Ｒ６と基板Ｋ４に形成されたＧＭＲ素子Ｒ７，Ｒ８とは、磁石２２の中心と対向する点Ｔに関して互いに対称に配置されているので、印加される磁石磁界の大きさ及び向きが互いに等しい。
【００５０】
磁石２２は、磁石磁界がフリー磁性層４の飽和磁界よりも十分大きくなるように、磁力やＧＭＲ素子Ｒとの距離が定められている。フェライトからなり、厚さが数ｍｍ、径が数ｃｍである一般的な磁石２２では、軟磁性層４ｂがＦｅＮｉ合金やＦｅＮｉＣｏ合金からなるフリー磁性層４に対して、基板Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４から３ｍｍ程度離れた位置に設けられている。
【００５１】
磁石２２が回転すると、磁石磁界は、基板Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４面に平行な面内で回転して、各ＧＭＲ素子Ｒは、フリー磁性層４の磁化の向きが、磁石２２からの磁界の回転向きと一致するように変化する。
【００５２】
フリー磁性層４は、磁歪をほぼゼロとするような組成に形成されて、フリー磁性層４の成膜は、フリー磁性層４に誘導磁気異方性を付与しないように、無磁場中或いは回転磁場中で行われる。よって、フリー磁性層の磁気異方性は、形状によるものと考えることができる。
【００５３】
長方形のフリー磁性層４では、形状異方性エネルギーによって、長辺方向に磁石磁界が印加されたとき、磁化が磁石磁界の向きに回転し易く、短辺方向に磁石磁界が印加されたとき、磁化が磁石磁界の向きに回転し難くなる。本発明の回転角度センサに係るＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８では、フリー磁性層４の形状異方性エネルギーの影響が緩和されているので、フリー磁性層４は、磁化の回転し易さが磁石磁界方向に大きく依存しない。
【００５４】
また、磁石磁界は、フリー磁性層４の飽和磁化よりも十分大きいので、磁石磁界によりフリー磁性層４の磁化の向きが揃えられる。よって、フリー磁性層４は、磁化の向きが回転するときに磁区が乱れることがなく、バルクハウゼンノイズを発生することがない。
【００５５】
フリー磁性層４の磁化の回転は、軟磁性層４ｂが主導的であり、拡散防止層４ａの磁化が軟磁性層４ｂの磁化に追従して回転する。なお、拡散防止層４ａは、軟磁性層４ｂに対して十分薄く形成されているので、フリー磁性層４の磁化の回転を阻害することがない。
【００５６】
また、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８の固定磁化は、反強磁性層１と固定磁性層２の界面における強い交換異方性磁界により固定されているので、磁石磁界による変動が抑制されている。
【００５７】
ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８は、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive)効果により、フリー磁性層４の磁化の向きが固定磁化の向きと一致したときに、電極層５間の電気抵抗値が低下して、フリー磁性層４の磁化の向きが固定磁化の向きと逆向きであるとき、電極層５間の電気抵抗値が上昇する。
【００５８】
磁石２２の回転角度θを、磁石２２のＮ極からＳ極への向きと、基板Ｋ１に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の固定磁化の向き（図２に示す＋ｙの向き）との成す角度として表すと、基板Ｋ１に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の電極層５間の電気抵抗値は、回転角度θが０度で最大となり、回転角度θが０度から１８０度に向かうとき低下して、回転角度θが１８０度で最小となり、回転角度θが１８０度から３６０度に向かうとき上昇して、再び最大値となる。
【００５９】
このような基板Ｋ１に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２の理想的な電気抵抗値は、回転角度がθであるとき、α・sin（θ＋β）＋Ｒ₀（α、β、Ｒ₀は、ＧＭＲ素子Ｒの特性による定数）と表すことができる。
【００６０】
一方、基板Ｋ２に形成されたＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４に印加される磁石磁界の向き及び大きさは、基板Ｋ１に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２に印加される磁石磁界と同じであり、基板Ｋ２に形成されたＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４は、固定磁化の向きが基板Ｋ１に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２の固定磁化の向きと逆である。よって、基板Ｋ２に形成されたＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４は、電極層５間の電気抵抗値の変化が基板Ｋ１に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２と逆であり、基板Ｋ２に形成されたＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の理想的な電気抵抗値は、回転角度がθであるとき、−α・sin（θ＋β）＋Ｒ₀と表すことができる。
【００６１】
このような基板Ｋ１、Ｋ２に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４から構成される第１のホイートストーンブリッジ回路は、電極層５間の電気抵抗値の変化が互いに逆であるＧＭＲ素子Ｒが直列接続されているので、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４に流れる電流は一定であり、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の電極層５間の電圧変化は、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の電極層５間の電気抵抗値変化によるものである。
【００６２】
第１のホイートストーンブリッジ回路では、基板Ｋ１に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の電極層５間電圧と、基板Ｋ２に形成されたＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の電極層５間電圧の差動が出力される。このような第１のホイートストーンブリッジ回路の出力では、磁界環境変化等による磁気的ノイズ成分がうち消されて、回転角度がθであるときの理想的な出力は、図６のグラフに示すように、Ａ・sin（θ＋Ｂ）＋Ｖ₀（Ａ、Ｂ、Ｖ₀は定数）と表すことができる。
【００６３】
このような理想的な出力Ａ・sin（θ＋Ｂ）＋Ｖ₀の定数Ａ、Ｂ、Ｖ₀を求めるためには、各回転角度θで実際の出力Ｖを測定して、実際の出力Ｖの最大値Ｖmaxと最小値ＶminからＡ＝（Ｖmax−Ｖmin）／２、Ｖ₀＝（Ｖmax＋Ｖmin）／２と求め、Ｂは、出力がＶ₀となる回転角度θ（磁石磁界の方向がＧＭＲ素子の固定磁化の方向と直交している場合に相当）から求める。
【００６４】
実際の出力Ｖは、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４のフリー磁性層４の形状異方性エネルギーＨを０＞Ｈ＞−３５０・Ｊｓ（Ｂｒ／π）（Ｊｓは、フリー磁性層の飽和磁化、Ｂｒは、フリー磁性層の残留磁束密度）とすることにより、フリー磁性層４の磁化の回転し易さが磁石磁界方向に大きく依存しないようにして、理想的な出力からのズレが抑制されている。
【００６５】
磁石２２の回転角度θが０〜３６０度の間で、実際の出力Ｖの理想的な出力からのズレδは、第１のホイートストーンブリッジ回路の印加電圧Ｖinに対する比（δ／Ｖin）の百分率（以後、出力誤差）が１％以下となっている。
【００６６】
次に、フリー磁性層４の形状異方性エネルギーについて説明する。フリー磁性層４の形状は、磁界が印加される面内で長方形であるから、フリー磁性層４の磁化は、フリー磁性層４の長辺方向に磁界が印加されたとき、磁界の向きに向き易く、短辺方向に磁界が印加されたとき、磁界の向きに向き難い。
【００６７】
このような形状異方性エネルギーＨは、長辺方向（磁化容易軸方向）の磁界が印加されたときの反磁界係数Ｎｅと、短辺方向（磁化困難軸方向）の磁界が印加されたときの反磁界係数Ｎｄの差により表される。
【００６８】
反磁界係数Ｎｅ、Ｎｄは、フリー磁性層の長さ（Ｌ）、幅（Ｗ）、厚さ（ｔ）を用いて、長さ方向の磁界が印加されたとき、
【００６９】
【数１】

幅方向の磁界が印加されたとき、
【００７０】
【数２】

と表される。
【００７１】
形状異方性エネルギーは長さ方向の磁界が印加されたときの反磁界係数と、幅方向の磁界が印加されたときの反磁界係数を用いて、
【００７２】
【数３】

と表される。
【００７３】
一方、第２のホイートストーンブリッジを構成する基板Ｋ３に形成されたＧＭＲ素子Ｒ５、Ｒ６、基板Ｋ４に形成されたＧＭＲ素子Ｒ７、Ｒ８は、固定磁化の方向が第１のホイートストーンブリッジを構成する基板Ｋ１、Ｋ２に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と固定磁化の方向と直交しているので、回転角度θであるときの理想的な電気抵抗値は、それぞれ、α・sin（θ＋β−９０）＋Ｒ₀、α・sin（θ＋β−９０）＋Ｒ₀と表すことができる。
【００７４】
このような第２のホイートストーンブリッジ回路の出力は、第１のホイートストーンブリッジ回路と同様、磁界環境変化による磁気的ノイズ成分がうち消されて、理想的な出力をＡ・sin（θ＋Ｂ−９０）＋Ｖ₀と表すことができる。
【００７５】
第２のホイートストーンブリッジ回路の実際の出力Ｖは、第１のホイートストーンブリッジ回路と同様、ＧＭＲ素子Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７のフリー磁性層４の形状異方性エネルギーＨを、０＞Ｈ＞−３５０・Ｊｓ（Ｂｒ／π）とすることにより、実際の出力Ｖの理想的な出力からのズレが抑制されて、回転角度θが０〜３６０度の間において、出力誤差が１％以下となっている。
【００７６】
このように、第１、第２のホイートストーンブリッジ回路では、実際の出力Ｖが理想的な出力に近く、それぞれＡ・sin（θ＋Ｂ）＋Ｖ₀、Ａ・sin（θ＋Ｂ−９０）＋Ｖ₀と表すことができるので、第１、第２のホイートストーンブリッジ回路の出力Ｖから、回転角度θを０度から３６０度の間で一義的に検出することができる。
【００７７】
このように、積層体Ｃの大きさ寸法が１ｍｍ以下である小型のＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８において、フリー磁性層４の磁歪、及び誘導磁気異方性を抑制するだけではなく、さらに、形状異方性エネルギーＨを適切な範囲とすることにより、回転角度θをより正確に検出することができる。
【００７８】
なお、上記実施の形態では、第１、第２のホイートストーンブリッジを形成したが、ホイートストーンブリッジは一つだけでも良い。この場合、回転角度θは、１８０度の範囲で一義的に検出することができる。
【００７９】
また、上記実施の形態では、磁石２２を、円板状として説明したが、ＧＭＲ素子Ｒに基板Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の面と平行な磁界を付与できる限り、磁石２２は円板状でなくても良い。
【００８０】
また、上記実施の形態では、ＧＭＲ素子Ｒの積層体Ｃを長方形として説明したが、フリー磁性層は、形状異方性エネルギーＨが所定の範囲である限り長方形である必要はなく、たとえば、フリー磁性層４の平面形状を正方形にすれば、形状異方性エネルギーＨをより０に近づけることができる。
【００８１】
また、上記実施の形態では、固定磁化の向きが異なるＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８を異なる基板Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４に設けたが、これは、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８の固定磁化を付与する工程において、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８を同一基板上に形成すると、異なる向きの固定磁化を付与することが困難となるためであり、このような工程上の困難を除けば、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８が同一基板に設けられていても良い。
【００８２】
【実施例】
第１の実施例では、ＳｍＣｏからなる磁石２２の径が２０ｍｍ、厚さが５ｍｍであり、支持体２１上に１ｍｍ角の基板Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４を０．２ｍｍ間隔で並べた。ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８の積層体Ｃの構成は、下地層６：Ｔａ（膜厚３ｎｍ）、反強磁性層１：ＰｔＭｎ（膜厚３０ｎｍ）、固定磁性層２：ＣｏＦｅ（膜厚２.５ｎｍ）、非磁性導電層２：Ｃｕ（膜厚２．５ｎｍ）、フリー磁性層４：[Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2（膜厚７ｎｍ）／Ｃｏ（膜厚１ｎｍ）]、保護層７：Ｔａ（膜厚５ｎｍ）が順次積層されたものであり、積層体Ｃの両端にＣｕからなる電極層５が接続されている。
【００８３】
フリー磁性層４の平面形状は、長さが３２５μｍ、幅が３０μｍの長方形である。このような第１の実施例では、形状異方性エネルギーが、−３１６・Ｊｓ（Ｂｒ／π）であり、出力誤差が１％であった。
【００８４】
第２の実施例では、磁石２２、及び基板Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８の構成が第１の実施例と同じであり、フリー磁性層４の平面形状は、長さが１８０μｍ、幅が２２μｍの長方形ある。このような第２の実施例では、形状異方性エネルギーが−２００・Ｊｓ（Ｂｒ／π）であり、出力誤差が０．６％であった。
【００８５】
比較例では、磁石２２、及び基板Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８の構成は、第１、第２の実施例と同じであり、フリー磁性層４の平面形状は、長さが１５０μｍ、幅が１０μｍの長方形である。このような第２の実施例では、形状異方性エネルギーが−４４３・Ｊｓ（Ｂｒ／π）であり、出力誤差が２％であった。
【００８６】
図７のグラフには、形状異方性エネルギーと出力誤差の関係を示す。図７のグラフからもわかるように、形状異方性エネルギーが小さくなる（マイナス側に大きい）と、出力誤差が増大する。
【００８７】
また、形状異方性エネルギーが−３１５・Ｊｓ（Ｂｒ／π）以上であれば、出力誤差が１％以下になることがわかる。
【００８８】
上記実施例のように、フリー磁性層４の膜が２．８ｎｍであるとき、フリー磁性層４の幅の長さに対する比（アスペクト比）が０．０９以上であれば、形状異方性エネルギーは、−３１５・Ｊｓ（Ｂｒ／π）以上となる。フリー磁性層４は、等しいアスペクト比で膜厚が増大すると、形状異方性エネルギーが減少する。
【００８９】
【発明の効果】
本発明の回転角度センサでは、大きな磁石を用いることなく積層体に均一な磁界を印加することができるので、小型であり、且つ、回転角度を精度良く検出することができる。また、フリー磁性層の形状異方性エネルギーが緩和されているので、巨大磁気抵抗効果素子に対する磁石の回転角度をθとするとき、出力が回転角度θに対するsinθ関数と表されて、磁石の回転角度θを正確に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転角度検出センサの断面図、
【図２】本発明の回転角度センサに係る巨大磁気抵抗効果素子の配置を示す説明図、
【図３】本発明の回転角度センサに係る巨大磁気抵抗効果素子の基本構造を示す説明図、
【図４】本発明の回転角度センサに係る巨大磁気抵抗効果素子の接続状態を示す説明図、
【図５】本発明の回転角度センサに係る巨大磁気抵抗効果素子の他の接続状態を示す説明図、
【図６】本発明の回転角度センサの出力を示す説明図、
【図７】本発明の回転角度センサに係る巨大磁気抵抗効果素子の形状異方性エネルギーと回転角度センサの出力誤差の関係を示すグラフである。
【図８】従来の回転角度センサに係る巨大磁気抵抗効果素子の接続状態を説明する説明図、
【符号の説明】
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）
Ｃ積層体
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４基板
１反強磁性層
２固定磁性層
３非磁性導電層
４フリー磁性層
４ａ拡散防止層
４ｂ軟磁性層
５電極層
２２磁石

Claims

磁化の向きが固定された固定磁性層と、非磁性導電層と、前記非磁性導電層を挟んで前記固定磁性層と対向するフリー磁性層とを有する積層体および前記積層体の両端に接続された電極層を備えた巨大磁気抵抗効果素子が設けられた固定部、および磁場を形成して前記固定部に対面して回転する回転部とを有し、
前記固定部の表面に、固定磁性層の磁化の向きが互いに逆である前記巨大磁気抵抗効果素子が対を成して設けられているとともに、対を成す前記巨大磁気抵抗効果素子は、その抵抗値の差が出力されるように接続されて、前記回転部から前記巨大磁気抵抗効果素子に与えられる前記固定部の表面に平行な磁場成分が検出される回転角度センサにおいて、
前記巨大磁気抵抗効果素子は、前記積層体の大きさ寸法が１ｍｍ以下であり、前記フリー磁性層の形状異方性エネルギーを、前記フリー磁性層を形成する磁性材料の飽和磁化Ｊｓと、前記フリー磁性層を形成する磁性材料の残留磁束密度Ｂｒとを用いてＡ・Ｊｓ・（Ｂｒ/π）と表したときに、−３５０＜Ａ＜０であることを特徴とする回転角度センサ。
前記フリー磁性層の膜厚が１．５乃至８ｎｍである請求項１記載の回転角度センサ。
前記回転部は磁石を有しており、この磁石の磁場方向での最大寸法が、ＧＭＲ素子の前記積層体の長辺方向寸法の５倍以上である請求項１または２記載の回転角度センサ。
前記回転部から前記巨大磁気抵抗効果素子に印加される磁界は、前記フリー磁性層を形成する磁性材料の飽和磁化の大きさ以上である請求項１ないし３のいずれかに記載の回転角度センサ。