JP4243051B2

JP4243051B2 - 磁気スケール用磁気センサ

Info

Publication number: JP4243051B2
Application number: JP2001304955A
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: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2021-10-01
Also published as: JP2003106866A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気に感応して出力信号を出力する磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】
磁気抵抗効果を発揮するＡＭＲ素子を用いた磁気センサが開発されている。この種の磁気センサは図７に示すように、定位置のＡＭＲ素子２０に対して磁気スケール２２を水平方向に相対移動させ、この磁気スケール２２による外部磁界をＡＭＲ素子２０に作用させ、その外部磁界の強さで変化するＡＭＲ素子２０の電気抵抗値に基いて出力信号を出力させていた。したがって、この磁気センサは、磁気スケールを被検出部材に装着し、その被検出部材の位置検出を行なう位置検出センサ、特に非接触式のリニアポジションセンサとして用いられることが多い。
【０００３】
図７に示す従来の位置検出センサに用いるＡＭＲ素子２０の電気抵抗値の変化は、磁気スケール２２から受ける、該磁気スケールと平行方向の磁界の強さにより引き起こされる。具体的に説明すると、図７の状態では、ＡＭＲ素子２０は、磁気スケール２２のＮ極に対峙している。Ｎ極とＳ極の真上部分では磁界の平行成分が最も少なく、Ｎ極からＳ極に移行する過程では磁界の平行成分が徐々に増加する。
【０００４】
したがって、ＡＭＲ素子２０に対して磁気スケール２２が相対移動する過程において、Ｎ極にＡＭＲ素子２０が対峙している状態では、ＡＭＲ素子２０の電気抵抗値は最も小さい。磁気スケール２２の相対移動に伴って、ＡＭＲ素子２０に対峙する磁極がＮ極からＳ極に変化する過程では、磁界の平行成分が徐々に増加するため、その磁界の増加に伴ってＡＭＲ素子２０の電気抵抗値が増加する。さらに、磁気スケール２２が相対移動して、ＡＭＲ素子２０に対峙する磁極がＳ極に変化すると、その磁界の平行成分が前記Ｎ極のものと同様に最も小さい値を示し、これによりＡＭＲ素子２０の電気抵抗値が最も小さくなる。
【０００５】
以上のように、磁気スケール２２の相対移動に伴ってＡＭＲ素子２０に作用する、磁気スケールと平行方向の磁界の強さが変化すると、図８に示すように、ＡＭＲ素子２０の電気抵抗値の変化に伴う出力信号Ｐ１が正弦波形の信号として出力される。そして、図８に示す出力信号Ｐ１の正弦波形をＡ／Ｄ変換することによりアナログ信号として位置検出用データを得ている。
【０００６】
上述したように、図７に示す磁気センサ（位置検出センサ）に用いたＡＭＲ素子２０の電気抵抗値の変化率は、外部磁界の強さの変化に対応するものであるから、図７に示す磁気センサを定位置に設置するには、外部磁界としての磁極（Ｎ極、Ｓ極）の磁力がＡＭＲ素子２０に最も有効に作用する状態に設置する必要がある。
【０００７】
図７に示す磁気センサに用いたＡＭＲ素子２０の特性を考慮して、ＡＭＲ素子２０と磁気スケール２２との間の距離は、磁極（Ｎ極、Ｓ極）の磁力がＡＭＲ素子２０に最も有効に作用する距離Ｌに設定している。
【０００８】
ＡＭＲ素子２０を磁気スケール２２に近づけて相互間の距離Ｌ１（Ｌ１＜Ｌ）を短く設定すると、磁気スケール２２からＡＭＲ素子２０に作用する外部磁界が強くなり、ＡＭＲ素子の磁気飽和領域にかかるため、図９に示すようにＡＭＲ素子２０から出力される出力信号Ｐ１に歪みＰ１′が生じてしまい、この歪みＰ１′により正確な位置検出が困難になるという問題があった。
【０００９】
さらに、前記相互間の距離Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ）を長く設定した場合、磁気スケール２２に対するＡＭＲ素子２０の距離が離れるため、ＡＭＲ素子２０に磁気スケールから作用する磁力が相対的に低下し、出力信号Ｐの大きさが小さくなり、十分な大きさの出力信号Ｐ１を得ることができないという問題があった。
【００１０】
以上のことから、従来の磁気センサでは、磁気センサの取付け位置の精度が出力信号精度に大きく影響し、磁気センサの取付けに細心の注意を払う必要があるばかりでなく、その取付け位置の範囲が極めて限定されていた。
【００１１】
【発明の目的】
本発明の目的は、外部磁界の作用により電気抵抗値が変化するＧＭＲ素子と、このＧＭＲ素子に外部磁界を作用する磁気スケールとの相互間の距離に左右されにくく、歪みの少ない出力信号を出力可能なる磁気スケール用磁気センサを得ることにある。
【００１２】
【発明の概要】
本発明の基本的思想は、外部磁界の強さに基いて検出を行なうことに代えて、外部磁界の向きを利用して位置検出用のデータを出力することを特徴とする。
【００１３】
具体的には、本発明に係る磁気スケール用磁気センサは、磁化方向が固定された固定層と、外部磁界が作用しない状態での磁化方向がこの固定層の磁化方向と同一方向又は反対方向で、外部磁界によって磁化方向が変化する自由層とを含み、固定層の磁化方向に対する自由層の磁化方向の変化に応じた出力信号を出力する、少なくとも２個のＧＭＲ素子、及びＮ極とＳ極とが一定方向に等間隔かつ交互に着磁された磁気スケール、を有し、前記２個のＧＭＲ素子の固定層の磁化方向は、磁極配列方向と交差する方向であり、互いに反対方向に異なっていること、前記磁気スケールのＮ極とＳ極間の長さである単位基準長さをλとし、前記２個のＧＭＲ素子の間隔をＸ１としたとき、Ｘ１＝（１／４）λを満足し、該ＧＭＲ素子と磁気スケールとを磁極配列方向に相対移動させて、２個のＧＭＲ素子の出力信号からその相対移動量を検出することを特徴とする。
【００１４】
上述した例では、２個のＧＭＲ素子を用いたが、このＧＭＲ素子を４個用いる場合には、前記４個のＧＭＲ素子の固定層の磁化方向は、磁極配列方向と交差する方向であり、前記磁気スケールのＮ極とＳ極間の長さである単位基準長さをλとし、第１と第２のＧＭＲ素子の間隔及び第３と第４のＧＭＲ素子の間隔をＸ１としたとき、Ｘ１＝（１／４）λを満足し、かつ第１と第３のＧＭＲ素子の間隔及び第２と第４のＧＭＲ素子の間隔をＸ２としたとき、Ｘ２＝（１／８）λを満足し、前記第１と第２のＧＭＲ素子、及び前記第３と第４のＧＭＲ素子の固定層の磁化方向を反対方向に異ならせ、前記４個のＧＭＲ素子と磁気スケールとを磁極配列方向に相対移動させて、４個のＧＭＲ素子の出力信号からその相対移動量を検出する。
【００１５】
前記ＧＭＲ素子の固定層の磁化方向と磁極配列方向は約９０°の角度をなすことが望ましい。
【００１６】
ＧＭＲ素子から出力信号を出力させるには、２個のＧＭＲ素子を直列接続してブリッジ回路に組み込み、磁気スケールの相対移動に伴うＧＭＲ素子の固定層の磁化方向に対する自由層の磁化方向の変化に応じて、２個のＧＭＲ素子から１相の出力信号を出力する、或いは、２個のＧＭＲ素子を直列接続して分圧回路に組み込み、磁気スケールの相対移動に伴うＧＭＲ素子の固定層の磁化方向に対する自由層の磁化方向の変化に応じて、２個のＧＭＲ素子から１相の出力信号を出力することができる。この場合、前記出力信号は歪みの少ない正弦波形の信号として出力させることができる。
【００１７】
４個のＧＭＲ素子を用いる場合には、第１と第２のＧＭＲ素子、第３と第４のＧＭＲ素子をそれぞれ直列接続して、ブリッジ回路に組み込むと、第１と第３のＧＭＲ素子、及び第２と第４のＧＭＲ素子の固定層の磁化方向を反対方向に異なっているので、磁気スケールの相対移動に伴うＧＭＲ素子の固定層の磁化方向に対する自由層の磁化方向の変化に応じて、第１、第２、第３及び第４のＧＭＲ素子から２相の出力信号を出力させることができる。この場合、出力信号は正弦波形の信号であり、２相の出力信号の位相が９０°ずれて出力する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。
【００１９】
この実施形態に係る巨大磁気抵抗効果を発揮するＧＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）を用いた磁気センサは図１に示すように、磁気抵抗効果素子１を下方に向けて保持部材３に取付け、磁気抵抗効果素子１を定位置に設置し、その磁気抵抗効果素子１に対して磁気スケール５を相対移動させる。そして、この磁気スケール５による外部磁界を磁気抵抗効果素子１に作用させ、磁気抵抗効果素子１の電気抵抗値の変化を前記外部磁界の向きにより生じさせて、磁気抵抗効果素子１の出力信号から磁気抵抗効果素子１と磁気スケール５との相対移動量を検出するものである。
【００２０】
磁気に感応して出力信号を出力する磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）１は基本的構成として図２に示すように、交換バイアス層（反強磁性体層）１ａと、固定層（ピン止め磁性層）１ｂと、非磁性層１ｃと、自由層（フリー磁性層）１ｄとを基板２上に積層して形成し、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子の一種である磁気抵抗効果素子として構成されている。
【００２１】
磁気抵抗効果素子１が巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を発揮するためには、例えば交換バイアス層１ａがα−Ｆｅ₂Ｏ₃層、固定層１ｂがＮｉＦｅ層、非磁性層１ｃがＣｕ層、自由層１ｄがＮｉＦｅ層から形成されるが、これらのものに限定されるものではなく、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を発揮するものであれば、いずれのものであってもよい。また、磁気抵抗効果素子１は、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を発揮するものであれば、上記の積層構造のものに限定されるものではない。
【００２２】
図２に示す磁気抵抗効果素子１の固定層１ｂは、交換バイアス層１ａで磁化され、この交換バイアス層１ａによって磁化方向が特定方向に固定（ピン止め）されている。自由層１ｄは外部磁界の向きによって、固定層１ｂの磁化方向に対する磁化方向が変化する。磁気抵抗効果素子１の両端には端子層１ｅが接合形成される。そして、固定層１ｂの固定された磁化方向に対して、外部磁界の向きにより自由層１ｄの磁化方向が変化することにより、２つの端子層１ｅ間での電気抵抗値の変化が出力信号として出力される。
【００２３】
図２に示す磁気抵抗効果素子１を４個用い、この４個の磁気抵抗効果素子１を組合せることにより、図３に示すブリッジ回路を形成する。図３における磁気抵抗効果素子１には、ＧＭＲ１、ＧＭＲ２、ＧＭＲ３、ＧＭＲ４の符号をそれぞれ付し、かつ磁気抵抗効果素子１の両端に形成される一方の端子層１ｅにはＥ１、他方の端子層１ｅにはＥ２の符号をそれぞれ付して説明する。
【００２４】
４個の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２、ＧＭＲ３、ＧＭＲ４は、固定層１ｂの磁化方向の向きが１８０°異なる２個の、磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１及びＧＭＲ２と、磁気抵抗効果素子ＧＭＲ３及びＧＭＲ４がそれぞれ組として用いられる。さらに、磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１とＧＭＲ３の固定層１ｄの磁化方向が１８０°をなす反対方向に異なり、磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２とＧＭＲ４の固定層１ｄの磁化方向が１８０°をなす反対方向に異なっている。
【００２５】
図３では、磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１の固定層の磁化方向は上矢印で示す方向であり、磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２の固定層の磁化方向は、下矢印で示す１８０°をなす反対方向である。磁気抵抗効果素子ＧＭＲ３の固定層の磁化方向は下矢印で示す方向であり、磁気抵抗効果素子ＧＭＲ４の固定層の磁化方向は、上矢印で示す１８０°をなす反対方向である。
【００２６】
さらに、磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１の端子層Ｅ２に磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２の端子層Ｅ１を結合して、２個の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２を直列に接続する。磁気抵抗効果素子ＧＭＲ３の端子層Ｅ２に磁気抵抗効果素子ＧＭＲ４の端子層Ｅ１を結合して、２個の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ３、ＧＭＲ４を直列に接続する。
【００２７】
磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１の端子層Ｅ１と磁気抵抗効果素子ＧＭＲ３の端子層Ｅ１を接続し、その接続点Ｖ１に電源Ｖｃｃのプラス側を接続する。磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２の端子層Ｅ２と磁気抵抗効果素子４の端子層Ｅ２を接続し、その接続点Ｖ２に電源Ｖｃｃのマイナス側を接続している。そして、接続点Ｖ１と接続点Ｖ２とに検知信号を入力する。
【００２８】
磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１の端子層Ｅ２と磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２の端子層Ｅ１を接続し、その接続点Ａ＋を、磁気抵抗効果素子の電気抵抗値の変化信号（電圧）を出力する出力部としている。磁気抵抗効果素子ＧＭＲ３の端子層Ｅ２と磁気抵抗効果素子ＧＭＲ４の端子層Ｅ１を接続し、その接続点Ａ−を、磁気抵抗効果素子の電気抵抗値の変化信号（電圧）を出力する出力部としている。そして、２つの接続点Ａ＋と接続点Ａ−とから、磁気抵抗効果素子の電気抵抗値の変化に基く２相の正弦波形の出力信号（図６の信号Ｐ１、Ｐ２）を出力する。
【００２９】
このブリッジ回路をなす４個の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２、ＧＭＲ３、ＧＭＲ４の固定層の固定された磁化方向に対して、外部磁界による自由層の磁化方向が変化した場合に、その磁化方向の変化に伴って、４個の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２、ＧＭＲ３、ＧＭＲ４に電気抵抗値の変化が生じる。その電気抵抗値の変化は、磁気抵抗効果素子の固定層の磁化方向と自由層の磁化方向が同一方向の際に最小値を示し、反平行（１８０°をなす反対方向）の際に最大値を示す。したがって、磁気抵抗効果素子の自由層を磁化する外部磁界の向きに伴って、ブリッジ回路の出力端子となる２つの接続点Ａ＋、Ａ−から図６に示す正弦波形の出力信号（Ｐ１、Ｐ２）が出力する。
【００３０】
したがって、磁気抵抗効果素子の電気抵抗値変化の中間点を基準点とすると、その電気抵抗値変化の極性（増加する方向を＋、減少する方向を−とする。）は、磁気抵抗効果素子の固定層の磁化方向が同一方向に設定された、磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１と磁気抵抗効果素子ＧＭＲ４、磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２と磁気抵抗効果素子ＧＭＲ３では同極性に、磁気抵抗効果素子の固定層の磁化方向が１８０°をなす反対方向（反平行）に異ならせた、磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１と磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２、磁気抵抗効果素子ＧＭＲ３と磁気抵抗効果素子ＧＭＲ４では逆極性になる。
【００３１】
このため、図３に示す４個の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２、ＧＭＲ３、ＧＭＲ４の接続関係と、磁気抵抗効果素子の電気抵抗値の変化とにより、ホイートストーンブリッジ回路が形成され、磁気抵抗効果素子に外部磁界による磁気を感応させることにより、その外部磁界による磁気抵抗効果素子の自由層の磁化方向の変化に基いて所望の動作を行なう磁気センサとして機能する。
【００３２】
本発明では図１に示すように、図３に示すブリッジ回路を形成する４個の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２、ＧＭＲ３、ＧＭＲ４は保持部材３に支持させて、磁気スケール５の磁界が作用する位置に設置している。一方、磁気スケール５は直線形状に形成され、長さ方向に沿って等間隔で、かつ着磁方向を交互に代えることによって、Ｎ極とＳ極が等間隔かつ交互に配列される。図１では、Ｎ−Ｓ、Ｓ−Ｎを等間隔かつ交互に着磁することにより、点線で示すようにＮ極とＳ極が交互に配列される。
【００３３】
図４に示すように、Ｎ極とＳ極間の長さである単位基準長さ（図４のＮ−Ｓ・Ｓ−Ｎ間）は、同一の長さλに統一している。なお、磁気スケール５は直線形状に代えて、円弧形状に形成し、その円弧形に沿ってＮ極とＳ極を着磁してもよい。
【００３４】
図３に示す４個の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２、ＧＭＲ３、ＧＭＲ４と磁気スケール５との配置関係を図４及び図５に基いて具体的に説明する。図３に示すブリッジ回路を形成する４個の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２、ＧＭＲ３、ＧＭＲ４は図５（ａ）に示すように、実線で示す固定層の磁化方向Ｈ１を磁気スケール５の磁極が着磁される方向（磁極配列方向）Ｍｈと直交する方向に、外部磁界が作用しない状態での点線で示す自由層の磁化方向Ｈ２の向きを固定層の磁化方向Ｈ１と同一方向にそれぞれ設定して、磁気スケール５の長さ方向（磁極配列方向Ｍｈ）に並設する。なお、外部磁界が作用しない状態での点線で示す自由層の磁化方向Ｈ２は、図５（ａ）の括弧内に点線で示す固定層の磁化方向Ｈ１と反平行（１８０°異なる反対方向）の方向に設定してもよい。
【００３５】
この場合、磁気抵抗効果素子の固定層の磁化方向Ｈ１と、磁極の着磁される方向（磁極配列方向）Ｍｈとが９０°の角度をして、複数の磁気抵抗効果素子を並設することが望ましいが、必ずしも９０°である必要はなく、磁気抵抗効果素子の固定層の磁化方向が磁極の着磁される方向Ｍｈに、９０°より若干大きい角度或いは９０°より若干小さい角度で交差する状態で複数の磁気抵抗効果素子を並設してもよい。要は、磁気抵抗効果素子の固定層の磁化方向Ｈ１と、磁極の着磁される方向Ｍｈとが９０°±αの角度を含む約９０°の角度をなして、複数の磁気抵抗効果素子が並設されればよい。
【００３６】
さらに、磁気スケール５のＮ極とＳ極間の間隔である単位基準長さをλとし、第１と第２の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２の間隔及び第３と第４の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ３、ＧＭＲ４の間隔をＸ１としたときに、Ｘ１＝（１／４）λを満足し、かつ第１と第３の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ３の間隔及び第２と第４の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ２、ＧＭＲ４の間隔をＸ２としたときに、Ｘ２＝（１／８）λを満足する配置関係に設定している。
【００３７】
次に、磁気スケール５の相対移動に伴う、磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）における自由層の磁化方向の変化、及びブリッジ回路から出力される出力信号の変化について説明する。
【００３８】
図５（ｂ）は、ＧＭＲ１が磁気スケールのＳ極中央部位の真上にある状態（図４中に実線で示す位置）における磁気抵抗効果素子の固定層及び自由層の磁化方向を示す。図５（ｃ）は、ＧＭＲ１が磁気スケールのＮ極とＳ極の境界線上にある状態（図４中にＡで示す位置）における磁気抵抗効果素子の固定層及び自由層の磁化方向を示す。図５（ｄ）は、ＧＭＲ１が磁気スケールのＮ極中央部位の真上にある状態（図４中にＢで示す位置）における磁気抵抗効果素子の固定層及び自由層の磁化方向を示す。図５（ｅ）は、ＧＭＲ１が磁気スケールのＳ極とＮ極の境界線上にある状態（図４中にＣで示す位置）における磁気抵抗効果素子の固定層及び自由層の磁化方向を示す。
【００３９】
磁気スケール５のＳ極、Ｎ極のそれぞれ真上では、磁気スケールからの磁界の平行成分（磁極配列方向Ｍｈと平行な方向の成分）は少ない。一方、磁気スケールのＳ極とＮ極の境界線上、或いはＮ極とＳ極の境界線上では、磁気スケールからの磁界の平行成分は多い。
【００４０】
ＧＭＲ１が磁気スケールのＳ極中央部位の真上にある状態（図４中に実線で示す位置）では、磁気スケールからの磁界の平行成分は少ないため、図５（ｂ）に示すように、ＧＭＲ１の自由層（ハッチングを付した縦長の部分）の磁化方向Ｈ２は、ＧＭＲ１の固定層の磁化方向Ｈ１と同一方向となる。このため、ＧＭＲ１における電気抵抗値は小さい。また、ＧＭＲ１が磁気スケールのＳ極中央部位の真上にある場合に、ＧＭＲ１の位置よりも１／４λ離れた位置にあるＧＭＲ２は、磁気スケールのＳ極とＮ極の境界線上にあり、磁気スケールからの磁界の平行成分によりＧＭＲ２の自由層の磁化方向Ｈ２は、固定層の磁化方向Ｈ１と直交する方向となる。このため、ＧＭＲ２における電気抵抗値は大きくなる。これらにより、図３に示すブリッジ回路の接続点Ａ＋から出力される出力信号Ｐ１の電圧値は最大となる（図６中、（ｂ）点）。
【００４１】
次に、磁気スケールが磁極配列方向Ｍｈへ移動し、ＧＭＲ１が磁気スケール５のＳ極とＮ極の境界線上に位置すると（図４中にＡで示す位置）、磁気スケールからの磁界の平行成分は多くなるため、図５（ｃ）に示すように、ＧＭＲ１の自由層の磁化方向Ｈ２は、ＧＭＲ１の固定層の磁化方向Ｈ１と直交する方向に変化する。このため、ＧＭＲ１における電気抵抗値は大きくなる。また、ＧＭＲ１が磁気スケールのＳ極とＮ極の境界線上にある場合に、ＧＭＲ１の位置よりも１／４λ離れた位置にあるＧＭＲ２は、磁気スケールのＳ極中央部位にあり磁気スケールからの磁界の平行成分が少ないため、ＧＭＲ２の自由層の磁化方向Ｈ２は、固定層の磁化方向Ｈ１と同一方向となる。このため、ＧＭＲ２における電気抵抗値は小さくなる。これらにより、図３に示すブリッジ回路の接続点Ａ＋から出力される出力信号Ｐ１の電圧値は最小となる（図６中、（ｃ）点）。
【００４２】
さらに、磁気スケールが磁極配列方向Ｍｈへ移動し、ＧＭＲ１が磁気スケール５のＮ極中央部位の真上に位置すると（図４中にＢで示す位置）、磁気スケールからの磁界の平行成分は少ないため、図５（ｄ）に示すように、ＧＭＲ１の自由層の磁化方向Ｈ２は、ＧＭＲ１の固定層の磁化方向Ｈ１と同一方向に変化する。このため、ＧＭＲ１における電気抵抗値は小さくなる。また、ＧＭＲ１が磁気スケールのＮ極中央部位の真上にある場合に、ＧＭＲ１の位置よりも１／４λ離れた位置にあるＧＭＲ２は、磁気スケールのＮ極とＳ極の境界線上にあり磁気スケールからの磁界の平行成分が多くなるため、ＧＭＲ２の自由層の磁化方向Ｈ２は、固定層の磁化方向Ｈ１と直交する方向に変化する。このため、ＧＭＲ２における電気抵抗値は大きくなる。これらにより、図３に示すブリッジ回路の接続点Ａ＋から出力される出力信号Ｐ１の電圧値は最大となる（図６中、（ｄ）点）。
【００４３】
さらに、磁気スケールが磁極配列方向Ｍｈへ移動し、ＧＭＲ１が磁気スケール５のＳ極とＮ極の境界線上に位置すると（図４中にＣで示す位置）、磁気スケールからの磁界の平行成分は多くなるため、図５（ｅ）に示すように、ＧＭＲ１の自由層の磁化方向Ｈ２は、ＧＭＲ１の固定層の磁化方向Ｈ１と直交する方向に変化する。このため、ＧＭＲ１における電気抵抗値は大きくなる。また、ＧＭＲ１が磁気スケールのＳ極とＮ極の境界線上にある場合に、ＧＭＲ１の位置よりも１／４λ離れた位置にあるＧＭＲ２は、磁気スケールのＮ極中央部位にあり磁気スケールからの磁界の平行成分が少ないため、ＧＭＲ２の自由層の磁化方向Ｈ２は、固定層の磁化方向Ｈ１と同一方向に変化する。このため、ＧＭＲ２における電気抵抗値は小さくなる。これらにより、図３に示すブリッジ回路の接続点Ａ＋から出力される出力信号Ｐ１の電圧値は最小となる（図６中、（ｅ）点）。
【００４４】
同様に、ＧＭＲ１の位置より１／８λ離れた位置にあるＧＭＲ３、及びＧＭＲ２の位置より１／８λ離れた位置にあるＧＭＲ４も、磁気スケールの移動に伴って電気抵抗値が変化し、図３に示すブリッジ回路の接続点Ａ−からは、出力信号Ｐ１に対して位相が９０°遅れた出力信号Ｐ２が出力される。
【００４５】
この実施形態によれば、磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）の固定層の磁化方向に対する自由層の磁化方向の変化が磁気スケールからの磁界により引き起され、その磁化方向の変化に基いて電気抵抗値が変化するため、磁気抵抗効果素子と磁気スケール５の相互間の距離（図１の距離Ｌ）に左右されにくく、歪みの少ない出力信号を得ることができる。また図３に示すように少なくとも２個の磁気抵抗効果素子を直列接続してブリッジ回路に組み込んだため、外部の雑音磁界或いは周辺の環境磁界等によるノイズを除去して、精度よく、かつ確実に位置検出データを取得することができる。
【００４６】
図３及び図４に示す実施形態では、４個の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２、ＧＭＲ３、ＧＭＲ４を用いてブリッジ回路を形成したが、２個の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２を用いて分圧回路を形成してもよい。この分圧回路は、図３に示す直列接続の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２に相当するものである。このように直列接続された磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２から形成される分圧回路を用いることにより、回路構成を簡素化することができる。さらに、分圧回路とブリッジ回路は位置検出精度に応じて切替えて用いることができる。この分圧回路とブリッジ回路とは、位置検出の精度により使い分ければよい。
【００４７】
また、ブリッジ回路の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２、ＧＭＲ３、ＧＭＲ４の組、分圧回路の磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２の組をそれぞれ１組ずつ用いたが、これに限定されるものではなく、これらの組を複数備えるようにしてもよい。また、２つの直列接続した磁気抵抗効果素子ＧＭＲ１、ＧＭＲ２（或いはＧＭＲ３、ＧＭＲ４）をブリッジ回路に組み込むには、このブリッジ回路の残りの辺に抵抗器等を組み込めばよい。
【００４８】
また、上述した実施形態では、磁気センサを位置検出センサ、特にリニアポジションセンサに用いる場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、定位置の磁気抵抗効果素子に対して磁気スケールを相対移動させ、この磁気スケールによる磁界により、磁気抵抗効果素子の固定層の磁化方向に対する自由層の磁化方向を変化させて、磁気抵抗効果素子と磁気スケールの相対移動量を検出する構成をもつセンサであれば、何れのものにも適用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、外部磁界により磁気抵抗効果素子の固定層と自由層の相対的な磁化方向を変化させて出力信号を出力するため、磁気抵抗効果素子に外部磁界を作用する磁気スケールとの相互間の距離に左右されにくく、歪みの少ない出力信号を出力することができる。
【００５０】
さらに、隣接する磁気抵抗効果素子の相互間に磁界の強さが影響を与えないため、隣接する磁気抵抗効果素子の相互間のピッチを狭くして、位置検出用データを出力する出力信号の周期を狭くすることができ、位置検出の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明における磁気抵抗効果素子と磁気スケールとの関係を示す図、（ｂ）は同側面図である。
【図２】本発明に用いた、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を発揮する磁気抵抗効果素子を示す断面図である。
【図３】図２に示す磁気抵抗効果素子を４個用いてブリッジ回路を形成した回路図である。
【図４】図３に示すブリッジ回路の磁気抵抗効果素子と磁気スケールとの関係を示す平面図である。
【図５】（ａ）は図３に示す磁気抵抗効果素子の固定層の磁化方向の向きと、無磁化状態の自由層の磁化方向の向きと、磁気スケール上での磁極配列方向との関係を示す図、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は図３に示す磁気抵抗効果素子の固定層の固定された磁化方向に対する、外部磁界の向きによる自由層の磁化方向の向きの変化を示す図である。
【図６】本発明の磁気センサにおける２相の正弦波形の出力信号を示す図である。
【図７】従来例に係る磁気センサの一例を示す図である。
【図８】１相の正弦波形の出力信号を示す図である。
【図９】従来例の磁気センサにおける技術的な問題を説明する図である。
【符号の説明】
１磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ１ＧＭＲ２ＧＭＲ３ＧＭＲ４）
２基板
３保持部材
５磁気スケール

Claims

磁化方向が固定された固定層と、外部磁界が作用しない状態での磁化方向がこの固定層の磁化方向と同一方向又は反対方向で、外部磁界によって磁化方向が変化する自由層とを含み、固定層の磁化方向に対する自由層の磁化方向の変化に応じた出力信号を出力する、少なくとも２個のＧＭＲ素子、及び
Ｎ極とＳ極とが一定方向に等間隔かつ交互に着磁された磁気スケール、を有し、
前記２個のＧＭＲ素子の固定層の磁化方向は、磁極配列方向と交差する方向であり、互いに反対方向に異なっていること、
前記磁気スケールのＮ極とＳ極間の長さである単位基準長さをλとし、前記２個のＧＭＲ素子の間隔をＸ１としたとき、Ｘ１＝（１／４）λを満足し、
該ＧＭＲ素子と磁気スケールとを磁極配列方向に相対移動させて、２個のＧＭＲ素子の出力信号からその相対移動量を検出することを特徴とする磁気スケール用磁気センサ。
磁化方向が固定された固定層と、外部磁界が作用しない状態での磁化方向がこの固定層の磁化方向と同一方向又は反対方向で、外部磁界によって磁化方向が変化する自由層とを含み、固定層の磁化方向に対する自由層の磁化方向の変化に応じた出力信号を出力する、少なくとも４個のＧＭＲ素子、及び
Ｎ極とＳ極とが一定方向に等間隔かつ交互に着磁された磁気スケール、を有し、
前記４個のＧＭＲ素子の固定層の磁化方向は、磁極配列方向と交差する方向であり、
前記磁気スケールのＮ極とＳ極間の長さである単位基準長さをλとし、第１と第２のＧＭＲ素子の間隔及び第３と第４のＧＭＲ素子の間隔をＸ１としたとき、Ｘ１＝（１／４）λを満足し、かつ第１と第３のＧＭＲ素子の間隔及び第２と第４のＧＭＲ素子の間隔をＸ２としたとき、Ｘ２＝（１／８）λを満足し、
前記第１と第２のＧＭＲ素子、及び前記第３と第４のＧＭＲ素子の固定層の磁化方向が反対方向に異なっていること、及び、
該４個のＧＭＲ素子と磁気スケールとを磁極配列方向に相対移動させて、４個のＧＭＲ素子の出力信号からその相対移動量を検出することを特徴とする磁気スケール用磁気センサ。
請求項１又は２記載の磁気スケール用磁気センサにおいて、
前記ＧＭＲ素子の固定層の磁化方向と磁極配列方向が、約９０°をなすことを特徴とする磁気スケール用磁気センサ。
請求項１記載の磁気スケール用磁気センサにおいて、
前記２個のＧＭＲ素子が、直列接続されてブリッジ回路に組み込まれ、前記磁気スケールの相対移動に伴うＧＭＲ素子の固定層の磁化方向に対する自由層の磁化方向の向きに応じて、２個のＧＭＲ素子から１相の出力信号を出力することを特徴とする磁気スケール用磁気センサ。
請求項１記載の磁気スケール用磁気センサにおいて、
前記２個のＧＭＲ素子が、直列接続されて分圧回路に組み込まれ、前記磁気スケールの相対移動に伴うＧＭＲ素子の固定層の磁化方向に対する自由層の磁化方向の向きに応じて、２個のＧＭＲ素子から１相の出力信号を出力することを特徴とする磁気スケール用磁気センサ。
請求項１、４又は５記載の磁気スケール用磁気センサにおいて、
前記出力信号は、正弦波形の信号であることを特徴とする磁気スケール用磁気センサ。
請求項２記載の磁気スケール用磁気センサにおいて、
前記第１と第２のＧＭＲ素子と、前記第３と第４のＧＭＲ素子とがそれぞれ直列接続されて、ブリッジ回路に組み込まれ、前記磁気スケールの相対移動に伴うＧＭＲ素子の固定層の磁化方向に対する自由層の磁化方向の向きに応じて、第１、第２、第３及び第４のＧＭＲ素子から２相の出力信号を出力することを特徴とする磁気スケール用磁気センサ。
請求項２又は７記載の磁気スケール用磁気センサにおいて、
前記出力信号は、位相が９０°ずれた２相の正弦波形の信号であることを特徴とする磁気スケール用磁気センサ。