JP4577263B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁場の検出を通じて移動体の移動量を検出する磁気センサに係り、詳しくは、略ギア形状をなす回転体の回転を検出する磁気センサに関する。

この種の磁気センサとしては、例えば特許文献１に記載の磁気センサが知られている。この磁気センサは、磁界強度や磁気振れ角を電気信号に変換する磁電変換素子と該磁電変換素子に対してバイアス磁界を印加するバイアス磁石とを備えて構成されており、略ギア形状をなすロータの外周面と対向するように配設されている。こうした構成では、上記ロータが回転すると、その回転に伴って磁気センサ周囲の磁界強度や磁気振れ角が変化することから、磁電変換素子から出力される電気信号に基づいてロータの回転角を検出することができる。

ところで、磁気センサによって検出される磁界強度や磁気触れ角の大きさ、すなわち磁電変換素子から出力される電気信号の大きさは、バイアス磁石のロータ側の端面とロータの外周面との間の距離（以下、「ギャップ長」と記載）に大きく依存している。詳しくは、磁電変換素子から出力される電気信号の振幅は、上記ギャップ長が伸長するにつれて減少し、上記ギャップ長が縮小するにつれて増大する。このうち特に、磁電変換素子から出力される電気信号の振幅が小さい場合には、回転角の検出精度の低下にも繋がることから、オペアンプ等から構成される増幅器によって同電気信号の増幅が行われている。しかしながら、この増幅器の増幅率が必要以上に高いと、ギャップ長が長いときに増幅器の出力信号が飽和状態（クランプ状態）となってしまう。解決策としては、オフセット調整の段数を増加させて、磁電変換素子から出力される電気信号の振幅をオフセット調整を通じて強制的に小さくする方法があるものの、磁気センサの製造コストの増大やオフセット調整に伴う新たな作業時間の発生等の問題を新たに招き、必ずしも有効ではない。一般に、こうした磁電変換素子から出力される電気信号とギャップ長との関係は指数関数的な曲線として示されることが知られており、上記ギャップ長は、磁気センサの特性を左右する非常に重要なファクタとして認識されている。

まず、磁電変換素子の電気信号から求められる磁気振れ角とギャップ長との関係について、図１６および図１７を参照しつつ詳細に説明する。なおここでは、磁電変換素子としてＭＲＥ（磁気抵抗素子）１およびＭＲＥ２のそれぞれをハーフブリッジ接続したものを採用し、これらＭＲＥ１およびＭＲＥ２をバイアス磁石とロータとの間にハの字状に配設している。図１６（ａ）は、ロータの回転軸の軸心方向から見たロータの平面構造を模式的に示したものであり、図１６（ｂ）〜（ｅ）は、ロータにハッチングを施し、同ロータの回転に伴うバイアス磁石からの磁力線を模式的に示したものである。また、図１６（ｆ）は、ロータの回転角と、ＭＲＥ１およびＭＲＥ２の出力信号からそれぞれ求められた磁気振れ角との関係を示したものである。

図１６（ｂ）〜（ｅ）に示すように、ロータの回転に伴ってその山部とバイアス磁石とが近接すると、バイアス磁石から出射する磁力線は、このロータの山部に引き寄せられてバイアス磁石に対する角度が変化する。すなわち、図１６（ｆ）に示されるように、ＭＲＥ１やＭＲＥ２における磁気振れ角は、ロータの回転角に応じて変化することとなる。こうした磁気振れ角の最大値と最小値との差分として示される振幅の大きさは、上述のように、ギャップ長の長短に依存している。次に、このギャップ長と磁気振れ角の振幅量との関係について説明する。図１７は、ギャップ長と磁気振れ角との関係、いわゆる振幅のギャップ特性の一例を示したものである。

図１７に示されるように、磁気振れ角の振幅量は、ギャップ長が伸長するにつれて指数関数的に減少する。例えば、「０．３ｍｍ」のギャップ長の場合には磁気振れ角の振幅量が「１９°」であるのに対して、「２．０ｍｍ」のギャップ長の場合には磁気振れ角の振幅量が「１．８°」となっており、この「０．３ｍｍ〜２．０ｍｍ」のギャップ長の範囲内では、磁気振れ角の振幅量に約１０倍もの差が生じている。なお、この磁気振れ角の振幅量は、周囲温度やロータの形状等による影響も受けて変動することが知られている。

このように、ロータとバイアス磁石との間のギャップ長の長短によって磁気振れ角の振幅量が異なるため、上記増幅器の増幅率を決定するためにも同ギャップ長を調整する必要が生じる。一般に、ギャップ長は公差設計によって決定されている。この公差設計が不十分であったり、磁気センサを組み付ける際に組付不良が生じたりすると、検出対象物のロータと磁気センサとがロータの回転時に干渉するおそれがある。そこで従来、ギャップ長の公差を一定の範囲内に抑制すべく、ギャップ長を実測した後、バイアス磁石のロータ側の端面とロータの外周面との間にシムという薄い板を挟むことによりギャップ長の調整を行なっている。
特開平１１−２３７２５６号公報

ところで、こうしたシムの挿入工程にあっては、規定の厚さ以外の厚さのシムが混入してしまう懸念がある。規定の厚さのシムとは異なる厚さのシムがバイアス磁石のロータ側の端面とロータの外周面との間に挿入されると、ギャップ長が公差設計における値と異なってしまい、最悪の場合には結局、上述のようなロータと磁気センサとの干渉や磁気振れ角の振幅量の低下といった問題を招いてしまう。そこで、ギャップ長が公差設計値通りであるか否かの情報を取得したいという強い要求があった。しかしながら、こうしたギャップ長に関する情報の取得にあたっては、その作業の煩雑さはもとより、ギャップ長を測定するための装置の大型化も想定される。このため、ギャップ長に関する情報の取得に対する要求はあるものの、その実現は困難であった。

なお、磁気振れ角の振幅量を所望の大きさに調整する方法としてはこの他にも、例えばロータが１回転したときの同磁気振れ角の振幅量を測定しておき、この測定した振幅量と設計上の振幅量との差分をフィードバックして同振幅量を調整する方法がある。ただし、この方法は、上記振幅量の調整の完了までに時間を要することから、生産性の面からもその採用は難しい。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出対象物との間の距離に関する情報の取得が可能な磁気センサを提供することにある。

こうした目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、円筒状をなすバイアス磁石と、該バイアス磁石の中空部に配設されるとともに、該バイアス磁石により形成される磁界の向きの１８０°の変化に対してその抵抗値が直線的に変化する複数の磁気抵抗効果素子が、上記バイアス磁石の軸心方向における距離がそれぞれ異なるように実装されたセンサチップと、上記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変動範囲内における中間の抵抗値に設定された基準抵抗と、上記磁気抵抗効果素子の抵抗値と上記基準抵抗の抵抗値とを比較するとともに、その比較結果を出力する比較部と、を備えて磁気センサを構成するようにした。

円筒状のバイアス磁石の側面に磁性体を近接させたり離間させたりすると、バイアス磁石により形成される磁界の向きに変動が生じる。こうした磁界の向きの変動は、バイアス磁石の中空部においても同様に生じる。磁石から磁性体までの距離と該距離に応じたバイアス磁石近傍の磁界の分布との関係をシミュレーションすると、磁界の強度が０になるライン、すなわち磁界の向きが１８０°反転するラインが存在することが確認される。このラインは、磁石から磁性体までの距離に応じて変動する。上記構成では、円筒状をなすバイアス磁石の中空部に複数の磁気抵抗効果素子が、同バイアス磁石の軸心方向における距離がそれぞれ異なるように配設される。

そして、磁気抵抗効果素子の抵抗値が上記磁界の向きの１８０°の変化に対して直線的に変化することから、磁界の向きが１８０°反転した場合と反転しない場合とでは、その抵抗値が、同抵抗値の変動範囲内における中間の抵抗値を挟んで相違することとなる。また、比較部では、磁気抵抗効果素子の抵抗値と基準抵抗の抵抗値、すなわち同磁気抵抗効果素子の上記中間の抵抗値との比較が行われるとともに、各磁気抵抗効果素子の抵抗値が基準抵抗値よりも大きいか否かを示すデジタル信号が出力される。こうして出力されたデジタル信号は、検出対象物と磁気センサとの間の距離に応じて変化する値となる。よって、上記構成によれば、検出対象物と磁気センサとの間の距離をデジタル信号として取得することが可能となる。

また、請求項１に記載の磁気センサにおいて、請求項２に記載の発明によるように、上記比較部の出力と閾値電圧とを比較する第２の比較部をさらに備える構成とすれば、検出対象物と磁気センサとの間の距離が所望の距離のときに比較部から出力されるデジタル信号の電圧値を閾値電圧として設定することにより、検出対象物と当該磁気センサとの間の距離が所望の距離から乖離しているか否かの判定、例えば組み付けにおける異常判定を行うことができるようになる。また、ギア形状をなす回転体が検出対象物の場合には、磁気センサがギア部の山部に対向するときの比較部の出力と同磁気センサがギア部の谷部に対向するときの比較部の出力との間の電圧を閾値電圧として設定することで、第２の比較部の出力に基づいて上記回転体の回転を検出することも可能となる。

なお、請求項１または２に記載の磁気センサにおいて、磁気抵抗効果素子の配設態様としては、例えば請求項３に記載の発明によるように、
（イ）上記磁気抵抗効果素子が、上記バイアス磁石の軸心方向に沿って上記センサチップに併設されてなる態様、
あるいは、請求項４に記載の発明によるように、
（ロ）上記磁気抵抗効果素子が、上記バイアス磁石の軸心方向に対して鋭角で交差する方向に沿って上記センサチップに配設されてなる態様、
等々、がある。

また、請求項５に記載の発明によるように、上記基準抵抗を、磁気遮蔽された上記磁気抵抗効果素子とすれば、磁気抵抗効果素子と基準抵抗とが同一の素子となることから、製造コストや実装面からも有利となる。

こうした請求項１〜５のいずれかに記載の磁気センサにおいて、磁気抵抗効果素子の具体例としては、例えば請求項６に記載の発明によるように、スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子がある。

以下、本発明にかかる磁気センサを具体化した一実施の形態について、図１〜図１２を参照しつつ説明する。なおここでも、検出対象物としては、略ギア形状をなすロータを想定する。

＜原理＞
はじめに、本実施の形態にかかる磁気センサによるギャップ長の検出原理、すなわちロータと同磁気センサとの間の距離を検出するための原理についてその概要を説明する。

前述のように、磁界強度や磁気振れ角を電気信号に変換する磁電変換素子が実装されたセンサチップと該磁電変換素子に対してバイアス磁界を印加するバイアス磁石とを備えて磁気センサを構成するとともに、この磁気センサを、ロータの外周面と対向するように配設する。そして、上記ロータを回転させると、ロータの山部がバイアス磁石に接近した場合とロータの谷部がバイアス磁石に接近した場合とでバイアス磁石から出射される磁力線のバイアス磁石に対する角度が異なることとなり、このロータの回転に伴ってセンサチップ上の磁気振れ角の大きさが変化する。すなわち、磁電変換素子が実装されているセンサチップ上では、ギャップ長の長短によって磁界強度の分布に変動が生じることとなる。本実施の形態にかかる磁気センサでは、こうした事実のもと、センサチップ上の磁界強度の分布に基づいてギャップ長を推定するようにしている。まず、ギャップ長の長短によってセンサチップ上の磁界強度の分布に変動が生じる点を検証すべく行ったシミュレーションの結果について説明する。

図１は、このシミュレーションの実行にあたって使用したモデルを模式的に示したものである。同図１に示すように、このモデルでは、円筒状のバイアス磁石１０の中空部にあってロータ側に近接する側の端部にセンサチップ１１を配設している。図２および図３は、シミュレーションの結果として求められたセンサチップ上の磁界強度分布を示したものであり、このうち図２は、ギャップ長が長い場合（広ギャップ時）におけるセンサチップ上の磁界強度分布を、図３は、ギャップ長が短い場合（狭ギャップ時）におけるセンサチップ上の磁界強度分布をそれぞれ示したものである。なお便宜上、図１〜図３において、図中左右方向をＸ方向とし、図中上下方向をＹ方向とする。

図２および図３に示されるように、センサチップ１１上には、図中に矢印にて示す磁界の向きが図中上向きから図中下向きへと１８０°反転するラインが存在する。このライン（以下、「磁界方向反転ライン」と記載）は、ギャップ長が伸長すればするほどＹ方向の距離が増加する側に移動し、ギャップ長が縮小すればするほどＹ方向の距離が減少する側に移動する。すなわち、磁界方向反転ラインは、ギャップ長の長短によって移動する。

次に、こうした基礎的なシミュレーションに加えて、さらに磁気振れ角αとＹ方向の距離との関係を求めるべく行ったシミュレーションの結果について説明する。図４は、このシミュレーションの実行にあたって使用したモデルを模式的に示したものである。

図４に示すように、このモデルでは、バイアス磁石１０およびセンサチップ１１をベース１にそれぞれ固定するとともに、このバイアス磁石１０の軸心上にロータ２０の回転軸が位置するようにベース１とロータ２０とを対向配置する。そして、このベース１のロータ２０側の端面とロータ２０の山部のベース１側の端面との間の距離をギャップ長ｇとする。また、バイアス磁石１０の軸心方向をＹ方向とするとともに、そのＹ軸が「９０°」となるように図中反時計回りに磁気振れ角αをとるようにする。図５は、Ｙ方向の距離と磁気振れ角αとの関係について、ギャップ長ｇを可変しつつシミュレーションした結果をグラフとして示したものである。

図５に示されるように、磁気振れ角αが「９０°」から「−９０°」あるいは「−９０°」から「９０°」に反転するＹ方向の距離は、ギャップ長ｇによって異なっている。例えば、Ｙ方向の距離＝「０ｍｍ」の位置における磁気振れ角αについて見てみると、ギャップ長ｇ＝「０ｍｍ」のときには「９０°」であるのに対して、ギャップ長ｇ＝「４．０ｍｍ」では「−９０°」になっており、ギャップ長ｇに応じて磁界の向きが「１８０°」反転していることが分かる。そこで、磁界の向きを検出することのできるスピンバルブ型磁気抵抗効果素子やホール素子などの磁電変換素子をセンサチップ１１上に複数配設することにより、磁界方向の反転の検出を通じてギャップ長ｇを検出することが可能となる。

ここで、このスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造および磁界検出原理について図６を参照しつつ説明する。なお、図６（ａ）の上図は、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子の平面構造を模式的に示したものであり、下図は、上図のＡ−Ａに沿ったスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の断面構造を模式的に示したものである。

図６（ａ）の下図に示すように、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が図中矢印にて示す方向に固定されたピンド層ＰＬと、外部磁界によって磁化の方向が変化するフリー層ＦＬとを備えた構造となっている。このような構造により、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子では、フリー層ＦＬの磁化の方向とピンド層ＰＬの磁化の方向とが平行になると、素子中を電流が流れ易くなるため、その抵抗値が最も低下することとなる。一方、フリー層ＦＬの磁化の方向とピンド層ＰＬの磁化の方向とが「１８０°」異なる場合には、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子の抵抗値が最も高くなる。

さて、図６（ａ）の上図に示すように、ピンド層ＰＬの磁化の方向に直交する線から破線にて示す印加磁界までの角度を印加磁界角度θとしたときの同印加磁界角度θと抵抗値変化率との関係を図６（ｂ）に示す。同図６（ｂ）に示されるように、印加磁界角度θが「９０°」のときには、フリー層ＦＬの磁化の方向とピンド層ＰＬの磁化の方向とが一致するため、抵抗値変化率が最も低くなっている。一方、印加磁界角度θが「−９０°」のときには、フリー層ＦＬの磁化の方向とピンド層ＰＬの磁化の方向とが「１８０°」異なるため、抵抗値変化率が最も高くなっている。このように、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子では、印加磁界角度θが「９０°」から「−９０°」までの「１８０°」の範囲内で変化すると、抵抗値変化率が最低値から最高値まで変化する。しかも、図６（ｂ）において矢印にて示すように、この印加磁界角度θが「９０°」から「−９０°」までの範囲内では、印加磁界角度θに対して抵抗値がほぼ直線的に変化する。このため、ピンド層ＰＬにおける磁化の方向とバイアス磁石１０の軸心方向（Ｙ方向）とが平行となるようにすれば、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子の抵抗値の増減と磁気振れ角αの増減とを対応付けることができる。

また、上述のように、磁気振れ角αが反転するＹ方向の距離は、ギャップ長ｇの長短によって異なっている。そこで、こうしたスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を複数個用意して、センサチップ１１上におけるＹ方向の距離がそれぞれ異なるようにＹ軸に沿って配設することにより、同素子のうち、基準となる抵抗値よりも抵抗値が高いもの、あるいは同基準となる抵抗値よりも抵抗値が低いものの個数からギャップ長ｇを推定することが可能となる。なお、こうしたスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、高抵抗値化を比較的容易に実現することができるという特徴を有している。このため、磁電変換素子として上記スピンバルブ型磁気抵抗効果素子を採用するようにすれば、消費電流の低減や素子の小型化を通じて、複数の素子をセンサチップ１１上に配設することも容易に実現することができるようになる。

＜構成＞
次に、本実施の形態にかかる磁気センサの具体的な構造について図７および図８を参照しながら説明する。図７（ａ）は、この磁気センサの平面構造とともに一部断面構造を模式的に示したものであり、図７（ｂ）は、図７（ａ）中のセンサチップ部を拡大して示したものである。

図７（ａ）に示すように、本実施の形態にかかる磁気センサのセンサチップ１１上には、複数のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子（以下、「スピンバルブ型ＴＭＲ」と記載）１２が、バイアス磁石１０の軸心方向の距離がそれぞれ異なるように、すなわちＹ方向の距離がそれぞれ異なるようにＹ軸に沿って併設されている。本実施の形態では、図７（ｂ）に示すように、センサチップ１１上に１０個のスピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｊが併設されている。これらスピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｊは、形状異方性という性質を利用して、磁界が印加されていないときに上記フリー層ＦＬの磁界方向がほぼ「０°」となるとともに、そのときの抵抗値が、印加磁界角度θが「−９０°」から「９０°」まで変化したときの最高値と最低値との中間の値となるように形成されている。

これらスピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｊのうち、ロータに最も近いスピンバルブ型ＴＭＲ１２ｊは、その断面構造を図８に示すように、その上方に保護膜および緩衝層を介して磁気シールド層ＭＬが形成された構造となっている。スピンバルブ型ＴＭＲ１２ｊへの磁束は、同スピンバルブ型ＴＭＲ１２ｊに鎖交しないで上記磁気シールド層ＭＬを通過する。このため、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ｊは、磁気シールドされた環境下にあり、常に一定の抵抗値、すなわち印加磁界角度θが「−９０°」から「９０°」まで変化したときの最高値と最低値との中間の値を取ることになる。

図９は、先のＹ方向の距離と磁気振れ角αとの関係を示すグラフ上に上記スピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｊの配設位置を重ねて示したものである。同図９に示すように、本実施の形態では、Ｙ方向の距離がほぼ「０ｍｍ」の位置を中心としてＹ方向の距離がマイナスとなる位置にスピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｅを、Ｙ方向の距離がプラスとなる位置にスピンバルブ型ＴＭＲ１２ｆ〜１２ｊをそれぞれ配設している。

次に、本実施の形態にかかる磁気センサの電気的構成について図１０を参照しつつ説明する。図１０は、この磁気センサの回路のうち主要な構成を模式的に示したものである。なおここでは、便宜上、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｊを単一の抵抗記号で模式的に示すことにする。

図１０に示すように、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｊの一方の端子には定電流源が接続されており、この定電流源からスピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｊのそれぞれに対して電流Ｉが供給されている。また、これらスピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｊのうち、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｉの他方の端子にはそれぞれ、比較器１３ａ〜１３ｉの一方の端子が接続されている。一方、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ｊの他方の端子には、比較器１３ａ〜１３ｉのそれぞれの他方の端子が接続されている。すなわち、比較器１３ａ〜１３ｉの一方の端子には、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｉの出力信号（電圧値）がそれぞれ入力され、比較器１３ａ〜１３ｉの他方の端子には、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ｊの出力信号（電圧値）が基準電圧値として入力されている。

比較器１３ａ〜１３ｉは、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｉの各電圧値と上記基準電圧値とをそれぞれ比較するとともに、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｉの電圧値の方が大きい場合には「Ｈ」レベルの信号を、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ｊの電圧値の方が大きい場合には「Ｌ」レベルの信号を出力する。これら比較器１３ａ〜１３ｉは、変換器１４にそれぞれ接続されている。

この変換器１４は、比較器１３ａ〜１３ｉから入力される「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルの信号をデジタル信号として認識する。そして、変換器１４は、このデジタル信号をＤ／Ａ変換して、同デジタル信号に応じた大きさのセンサ出力電圧Ｖｏｕｔ、すなわち比較器１３ａ〜１３ｉから入力される「Ｈ」レベルの信号の数に応じたセンサ出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。例えば、比較器１３ａ〜１３ｆから「Ｌ」レベルの信号が入力され、比較器１３ｇ〜１３ｉから「Ｈ」レベルの信号が入力された場合には、変換器１４は、「００００００１１１」のデジタル信号として認識する。一方、比較器１３ａ，１３ｂから「Ｌ」レベルの信号が入力され、比較器１３ｃ〜１３ｉから「Ｈ」レベルの信号が入力された場合には、変換器１４は、「００１１１１１１１」のデジタル信号として認識する。この場合、先の場合よりも「１」の数（「Ｈ」レベルの信号の数）が多いため、変換器１４からは、より大きなセンサ出力電圧Ｖｏｕｔが出力されることになる。

このセンサ出力電圧Ｖｏｕｔは、比較器１５において閾値電圧Ｖｔｈと比較される。本実施の形態では、閾値電圧Ｖｔｈとして、磁気センサがロータ２０の山部に対向するときの変換器１４のセンサ出力電圧Ｖｏｕｔと同磁気センサがロータ２０の谷部に対向するときの変換器１４のセンサ出力電圧Ｖｏｕｔとの間の電圧値、すなわちデジタル信号「００００１１１１１」に相当するセンサ出力電圧Ｖｏｕｔが設定されている。
＜作用＞
こうした構成を有する磁気センサによれば、ギャップ長ｇやロータの回転を検出することができるようになる。次に、この点について、図１１および図１２を参照しつつ説明する。

例えば、ギャップ長ｇ＝「１．０ｍｍ」の場合、先の図９に示されるように、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｆでは磁気振れ角αがマイナスとなるため、これらスピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｆの抵抗値は、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ｊの抵抗値よりも低くなる。このため、図１１中にかっこ付けにて示すように、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｆに接続されている比較器１３ａ〜１３ｆからは「Ｌ」レベルの信号が出力される。一方、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ｇ〜１２ｉでは磁気振れ角αがプラスとなるため、これらスピンバルブ型ＴＭＲ１２ｇ〜１２ｉの抵抗値は、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ｊの抵抗値よりも高くなる。このため、同じく図１１中にかっこ付けにて示すように、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ｇ〜１２ｉに接続されている比較器１３ｇ〜１３ｉからは「Ｈ」レベルの信号が出力される。上述のように、変換器１４からは、比較器１３ａ〜１３ｉから入力される「Ｈ」レベルの信号の数に応じたセンサ出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。このため、このセンサ出力電圧Ｖｏｕｔの大きさからギャップ長ｇを求めることができる。また、このギャップ長ｇの情報を用いることにより、ギャップ長ｇが公差設計値通りであるか否かの判断を磁気センサの組み付け後に行うことができるようになり、ひいてはギャップ長ｇが公差設計値と異なる場合に製造不良（組付異常）が発生した旨を報知することも可能となる。

さらに、上記センサ出力電圧Ｖｏｕｔは、比較器１５において閾値電圧Ｖｔｈと比較される。次に、この比較器１５から出力される信号からロータの回転を検出することができる点について説明する。図１２（ａ）は、ロータの回転軸方向からみた平面構造を直線上に展開して模式的に示したものであり、図１２（ｂ）は、このロータの回転に対応させてスピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｊを模式的に示したものである。なお、図１２（ｂ）では、比較器から出力される信号が「Ｈ」レベルとなるスピンバルブ型ＴＭＲについては、ハッチングを付すことにより、他のスピンバルブ型ＴＭＲと区別するようにしている。図１２（ｃ）は、比較器１５から出力される信号の推移を示したものである。

例えば、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、ロータ２０の谷部とセンサチップ１１とが対向している場合には、ギャップ長ｇが長くなるため、センサ出力電圧Ｖｏｕｔの値が閾値電圧Ｖｔｈよりも小さくなり、図１２（ｃ）に示されるように、比較器１５からは「Ｌ」レベルの信号が出力される。一方、ロータ２０の山部とセンサチップ１１とが対向している場合には、ギャップ長ｇが短くなるため、センサ出力電圧Ｖｏｕｔの値が閾値電圧Ｖｔｈよりも大きくなり、同図１２（ｃ）に示されるように、比較器１５からは「Ｈ」レベルの信号が出力される。このため、ロータ２０の回転に伴って、磁気センサの比較器１５からは、ロータ２０の略ギア形状（凹凸形状）に対応した方形波が出力される。よって、この方形波に基づいてロータ２０の回転角や回転速度等の回転情報を取得することが可能となる。

また、上記閾値電圧Ｖｔｈの設定を通じて、ロータ２０と当該磁気センサとの間の距離が所望の距離から乖離しているか否かの判定、例えば組み付けにおける異常判定を行うこともできる。

なお、本実施の形態では、比較器１３ａ〜１３ｉが「比較部」に、比較器１５が「第２の比較部」に、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ｊが「基準抵抗」にそれぞれ相当する構成となっている。

以上説明したように、本実施の形態にかかる磁気センサによれば、以下のような効果を得ることができるようになる。
（１）スピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｊをバイアス磁石１０の軸心方向における距離がそれぞれ異なるようにセンサチップ１１上に配設するとともに、このセンサチップ１１をバイアス磁石１０の中空部に配設するようにした。また、これらスピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｊをセンサチップ１１上に形成するにあたっては、磁界が印加されていないときにフリー層ＦＬの磁界方向がほぼ「０°」となり、そのときの抵抗値が、印加磁界角度θが「−９０°」から「９０°」まで変化したときの最高値と最低値との中間の値となるようにした。また、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ｊについては、磁気シールドするようにした。そして、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｉの出力信号（電圧値）をそれぞれ比較器１３ａ〜１３ｉの一方の端子に入力するとともに、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ｊの出力信号（電圧値）を基準電圧値として比較器１３ａ〜１３ｉの他方の端子に入力するようにした。また、比較器１３ａ〜１３ｉからの信号をデジタル信号として認識するとともに、このデジタル信号をＤ／Ａ変換して、同デジタル信号に応じた大きさのセンサ出力電圧Ｖｏｕｔを出力する変換器１４を設けるようにした。これにより、変換器１４からは、比較器１３ａ〜１３ｉから入力される「Ｈ」レベルの信号の数に応じたセンサ出力電圧Ｖｏｕｔが出力されるようになる。比較器１３ａ〜１３ｉから入力される「Ｈ」レベルの信号の数は、スピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｉのうち、基準電圧値よりも大きな電圧値を有するものの数、すなわちセンサチップ１１上において磁界の方向が反転するラインの位置を示している。上述のように、磁界の方向が反転するラインは、ギャップ長ｇの大きさによって異なる。このため、上記変換器１４から出力されるセンサ出力電圧Ｖｏｕｔの大きさに基づいてギャップ長ｇを求めることができるようになる。このギャップ長ｇの情報を用いることにより、ギャップ長ｇが公差設計値通りであるか否かの判断を磁気センサの組み付け後に行うことができるようになり、ひいてはギャップ長ｇが公差設計値と異なる場合に製造不良（組付異常）が発生した旨を報知することも可能となる。

（２）比較器１５において、変換器１４から出力されるセンサ出力電圧Ｖｏｕｔと閾値電圧Ｖｔｈとを比較するようにした。また、この閾値電圧Ｖｔｈとして、磁気センサがロータ２０の山部に対向するときの変換器１４のセンサ出力電圧Ｖｏｕｔと同磁気センサがロータ２０の谷部に対向するときの変換器１４のセンサ出力電圧Ｖｏｕｔとの間の電圧値を設定した。これにより、ロータ２０の回転に伴って、磁気センサの比較器１５からは、ロータ２０の略ギア形状（凹凸形状）に対応した方形波が出力されるようになる。このため、この方形波に基づいてロータ２０の回転角や回転速度等の回転情報を取得することができる。また、上記閾値電圧Ｖｔｈの設定を通じて、ロータ２０と当該磁気センサとの間の距離が所望の距離から乖離しているか否かの判定、例えば組み付けにおける異常判定を行うこともできる。

なお、この発明にかかる磁気センサは上記実施の形態に限定されるものではなく、同実施の形態を適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。
・上記実施の形態において、変換器１４の入力側の回路構成としては種々の構成を採用することができる。例えば、図１３に示すように、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２からなる直列回路の中点電位が上記基準電圧値と等しくなるように、抵抗Ｒ１，Ｒ２の各抵抗値および上記直列回路への印加電圧を設定する。また、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子１１２ａ〜１１２ｅをＹ方向の距離がそれぞれ異なるようにバイアス磁石１０の軸心方向に対して鋭角で交差する方向に沿ってセンサチップ１１上に配設するとともに、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子１１２ｅ〜１１２ｈを、Ｙ軸方向の距離がそれぞれ同一となるように同センサチップ１１上に配設する。そして、スピンバルブ型磁気抵抗素子１１２ａ，１１２ｅ、スピンバルブ型磁気抵抗素子１１２ｂ，１１２ｆ、スピンバルブ型磁気抵抗素子１１２ｃ，１１２ｇ、スピンバルブ型ＴＭＲ１１２ｄ，１１２ｈのそれぞれの組でハーフブリッジを構成するとともに、それらハーフブリッジの出力電圧をそれぞれ比較器１１３ａ〜１１３ｄに入力する。このような構成とすれば、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子の磁気シールド工程を割愛することができる。

・また、図１３では、説明の便宜上、スピンバルブ型ＴＭＲの数を８個としたが、スピンバルブ型ＴＭＲの数は、こうした数に限定されるものでない。例えば、図１４に示すように、１８個のスピンバルブ型ＴＭＲ２１２ａ〜２１２ｒを用意し、スピンバルブ型ＴＭＲ２１２ａ〜２１２ｊをＹ方向の距離がそれぞれ異なるようにセンサチップ１１上に配設するとともに、スピンバルブ型ＴＭＲ２１２ｊ〜２１２ｒを、Ｙ軸方向の距離がそれぞれ同一となるように同センサチップ１１上に配設するようにしてもよい。このように、スピンバルブ型ＴＭＲの数を増加させることにより、ギャップ長ｇの検出精度の向上を図ることができる。また、上記実施の形態では、１０個のスピンバルブ型ＴＭＲ１２ａ〜１２ｊをセンサチップ１１上に配設するようにしたが、このセンサチップ１１上に配設されるスピンバルブ型ＴＭＲの数は任意であり、上記１０個に限定されない。要するに、磁電変換素子は、バイアス磁石の軸心方向の距離がそれぞれ異なるようにセンサチップ上に配設されていればよく、その数や配設方向は限定されない。

・磁電変換素子は、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子に限定されない。例えば、磁電変換素子として、図１５に示されるような特性を有するホール素子を採用するようにしてもよい。要するに、図１５中に矢印にて示すように、「１８０°」の範囲内において磁気抵抗が直線的に変化する素子であれば、任意の磁電変換素子を採用することができる。

シミュレーションに用いたモデルを概略的に示す図。 シミュレーションの結果として求められたセンサチップ上の磁界強度分布を示すグラフ。 シミュレーションの結果として求められたセンサチップ上の磁界強度分布を示すグラフ。 シミュレーションに用いたモデルを概略的に示す図。 Ｙ方向の距離と磁気振れ角との関係について、ギャップ長を可変しつつシミュレーションした結果を示すグラフ。 （ａ）は、スピンバルブ型ＴＭＲの平面構造および断面構造を模式的に示す平面図および断面図、（ｂ）は、印加磁界角度と抵抗値変化率との関係を示すグラフ。 （ａ）は、本発明にかかる磁気センサの一実施の形態についてその概略構造を示す平面図、（ｂ）は、（ａ）中のセンサチップの拡大図。 同実施の形態において、磁気シールドされたスピンバルブ型ＴＭＲの断面構造を示す断面図。 Ｙ方向の距離と磁気振れ角との関係を示すグラフ上にスピンバルブ型ＴＭＲの配設位置を併せ示す図。 同実施の形態にかかる磁気センサの回路のうち主要な構成を模式的に示す回路図。 ギャップ長が１．０ｍｍにおけるスピンバルブ型ＴＭＲの抵抗値の態様を模式的に示す図。 （ａ）は、ロータの回転軸方向からみた平面構造を直線上に展開して模式的に示す平面図、（ｂ）は、ロータの回転に対応させてスピンバルブ型ＴＭＲを模式的に示す図、（ｃ）は、比較器から出力される信号の推移を示すグラフ。 他の実施の形態にかかる磁気センサの回路のうち主要な構成を模式的に示す回路図。 他の実施の形態にかかる磁気センサにおいて、スピンバルブ型ＴＭＲの配設態様を示す平面図。 ホール素子について印加磁界角度とＭＲ比との関係を示すグラフ。 （ａ）は、ロータの回転軸の軸心方向から見たロータの平面構造を模式的に示す平面図、（ｂ）〜（ｅ）は、ロータの回転に伴うバイアス磁石からの磁力線を模式的に示す図、（ｆ）は、ロータの回転角と（ｂ）〜（ｅ）中のＭＲＥ１およびＭＲＥ２の出力信号からそれぞれ求められた磁気振れ角との関係を示すグラフ。 ギャップ長と磁気振れ角との関係についてその一例を示すグラフ。

符号の説明

１…ベース、１０…バイアス磁石、１１…センサチップ、１２，１２ａ〜１２ｊ，１１２ａ〜１１２ｈ，２１２ａ〜２１２ｒ…スピンバルブ型ＴＭＲ、１３ａ〜１３ｉ，１５，１１３ａ〜１１３ｄ…比較器、１４…変換器、２０…ロータ、ＭＬ…磁気シールド層。

Claims (6)

1. 円筒状をなすバイアス磁石と、
   該バイアス磁石の中空部に配設されるとともに、該バイアス磁石により形成される磁界の向きの１８０°の変化に対してその抵抗値が直線的に変化する複数の磁気抵抗効果素子が、前記バイアス磁石の軸心方向における距離がそれぞれ異なるように実装されたセンサチップと、
   前記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変動範囲内における中間の抵抗値に設定された基準抵抗と、
   前記磁気抵抗効果素子の抵抗値と前記基準抵抗の抵抗値とを比較するとともに、その比較結果を出力する比較部と、
   を備えた磁気センサ。
2. 前記比較部の出力と閾値電圧とを比較する第２の比較部をさらに備える
   請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記磁気抵抗効果素子が、前記バイアス磁石の軸心方向に沿って前記センサチップに併設されてなる
   請求項１または２に記載の磁気センサ。
4. 前記磁気抵抗効果素子が、前記バイアス磁石の軸心方向に対して鋭角で交差する方向に沿って前記センサチップに配設されてなる
   請求項１または２に記載の磁気センサ。
5. 前記基準抵抗は、磁気遮蔽された前記磁気抵抗効果素子である
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 前記磁気抵抗効果素子は、スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子である
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気センサ。

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