JP4616021B2 - 角度検出センサ - Google Patents

Description

本発明は、ＧＭＲ素子に代表される磁気抵抗効果素子を用いた角度検出センサに係わり、特に磁気抵抗効果素子から出力される信号の波形歪みを低減することを可能とした波形歪補償機能を備えた角度検出センサに関する。

自動車のステアリングホイールなど回転角度の検出は、ステアリングシャフトなどの回転部材に同期して回転するホイールなどを有する角度検出センサを用いて行われる。前記角度検出センサのセンサ部には磁気を感知して出力信号を出力する磁気抵抗効果素子が採用されており、このような磁気抵抗効果素子を用いた角度検出センサの先行技術文献としては、例えば以下の特許文献１、２、３および４などが存在している。

図１３は角度検出センサ１００の構成を示す平面図であり、角度検出センサ１００は前記回転中心Ｏに対して回転するホイール１０２とその内部にパッケージ１０１とが設けられている。

前記パッケージ１０１内には前記回転中心Ｏに対して対称の位置（回転中心Ｏの回りに互いに９０度ずれた位置）に４つのチップ基板（ウェハ）Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４がそれぞれ設けられている。一つのチップ基板には、交換バイアス層（反強磁性体層）と、固定層（ピン止め層）と、非磁性層と、自由層（フリー磁性層）とが積層された構造を基本とする磁気抵抗効果素子としてのＧＭＲ素子（個別にＧ１ないしＧ８で示す）が２ヶづつ設けられている。

すなわち、前記チップ基板Ｋ１にはＧＭＲ素子Ｇ１とＧ２が設けられ、チップ基板Ｋ２にはＧＭＲ素子Ｇ３とＧ４が設けられ、チップ基板Ｋ３にはＧＭＲ素子Ｇ５とＧ６が設けられ、チップ基板Ｋ４にはＧＭＲ素子Ｇ７とＧ８が設けられている。各チップ基板Ｋ１〜Ｋ４に搭載された各ＧＭＲ素子Ｇ１〜Ｇ８は、ＧＭＲ素子Ｇ１とＧＭＲ素子Ｇ４とが直列接続され且つＧＭＲ素子Ｇ３とＧＭＲ素子Ｇ２とが直列接続された状態で両者が並列に接続されて第１のブリッジ回路が構成されている。同様にＧＭＲ素子Ｇ５とＧＭＲ素子Ｇ８とが直列接続され且つＧＭＲ素子Ｇ７とＧＭＲ素子Ｇ６とが直列接続された状態で両者が並列に接続されて第２のブリッジ回路が構成されている（図１参照）。

前記磁石Ｍ１，Ｍ２は前記ホイール１０２の内面に固着されている。一方の磁石Ｍ１はＮ極が回転中心Ｏに向けられ且つ他方の磁石Ｍ２はＳ極が回転中心Ｏに向けられた状態で固着されており、前記磁石Ｍ１と磁石Ｍ２の間には一定の外部磁界Ｈが発生している。

被測定物である回転部材が回転して前記ホイール１０２が回転させられると、前記磁石Ｍ１，Ｍ２がパッケージ１０１の回りを周回する。このとき、前記外部磁界Ｈに応じて各ＧＭＲ素子Ｇ１〜Ｇ８の自由層の磁化の向きが変化させられる。これにより前記各ＧＭＲ素子Ｇ１〜Ｇ８の抵抗値が、前記自由層の磁化の向きと前記固定層の磁化の向きとのなす角に応じて変化するため、前記第１のブリッジ回路から＋ｓｉｎ信号と−ｓｉｎ信号が出力され、同時に前記第２のブリッジ回路からは第１のブリッジ回路の±ｓｉｎ信号から位相が９０度ずれた＋ｃｏｓ信号と−ｃｏｓ信号が出力される。

制御部は、前記＋ｓｉｎ信号と−ｓｉｎ信号とを差動増幅してＳＩＮ信号（正弦波信号）を生成し、且つ前記＋ｃｏｓ信号と−ｃｏｓ信号とを差動増幅してＣＯＳ信号（余弦波信号）を生成する。次に、前記制御部は前記ＳＩＮ信号（正弦波信号）とＣＯＳ信号（余弦波信号）とから正接値（ｔａｎ）を計算し、さらに逆正接値（ａｒｃｔａｎ）を求めることにより、前記回転部材の回転角度を検出することが可能となっている。
特開２００２−３０３５３６号公報 特開２０００−３５４７０号公報 特開２００３−１０６８６６号公報 特開２００３−６６１２７号公報

上記角度検出センサでは、角度検出センサから出力される回転角度θ_１が入力角度θに正確に比例して出力されることが理想的であるが、実際には一次関数に正弦波状の信号が重畳し回転角度θ_１が前記入力角度θに正確に比例しないことがある（図５参照）。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、回転角度の検出精度を高めることを可能とした角度検出センサを提供することを目的としている。

本発明は、磁化の向きが固定された固定磁性層と、非磁性材料層と、前記非磁性材料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角度検出センサにおいて、
前記磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が２００ｋＡ／ｍ以上であり、かつ、前記角度検出センサの検出誤差の最大値である波形歪みが７度以下であることを特徴とするものである。

本発明の発明者は角度検出センサを構成する磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化を一方向に維持する一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を大きくすると角度検出センサの波形歪みを小さくできることを見いだした。一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を大きくすると磁気抵抗変化率ΔＭＲが比例的に減少する。磁気抵抗効果素子はハードディスクなどのデジタル磁気記録装置の再生用ヘッドとしても用いられるが、デジタル磁気記録装置の再生用ヘッドは磁気抵抗変化率ΔＭＲを大きくすることが求められるので、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を８０ｋＡ／ｍ程度にしていた。

一方本発明のような角度検出センサでは、波形歪みを低減することが必要である。そのため、本発明では、前記固定磁性層の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を２００ｋＡ／ｍ以上にすることにより、波形歪みを７度以下に抑えることを可能にした。

なお、波形歪みとは、実際の入力角度と角度検出センサの検出角度の差、すなわち検出誤差の最大値である。

本発明では、前記磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を３２０ｋＡ／ｍ以上にして、波形歪みを４度以下にすることも可能である。

また、本発明では、前記フリー磁性層をＣｏＦｅ合金とＮｉＦｅ合金の積層構造を有するものとして、前記フリー磁性層の磁歪定数λの絶対値を１．３ｐｐｍ以下にすることができる。

前記フリー磁性層の磁歪定数を小さくできると、角度検出センサに曲げ応力が加わったときの位相誤差を低減することができる。

前記フリー磁性層の磁歪定数λの絶対値を１．３ｐｐｍ以下にするためには、例えば、前記フリー磁性層をＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金とＮｉ_81.5Ｆｅ_18.5合金の積層構造とし、前記Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金の膜厚を９Å以上１６Å以下、前記Ｎｉ_81.5Ｆｅ_18.5合金の膜厚を１０Å以上５０Å以下にする。
前記磁場は２４ｋＡ／ｍ以上５６ｋＡ／ｍ以下であることが好ましい。
また本発明では、前記固定磁性層は、第１固定磁性層と、第２固定磁性層と、前記第１固定磁性層と前記第２固定磁性層の間に介在する非磁性層との人工フェリ磁性構造であり、前記第２固定磁性層は前記非磁性材料層に接して形成されており、
前記第２固定磁性層の磁気的膜厚から前記第１固定磁性層の磁気的膜厚を引いた値で示される前記固定磁性層の正味の磁気的膜厚（ｎｅｔＭｓ・ｔ）は、０．０３１（ｍｅｍｕ／ｃｍ ² ）以下であることが好ましい。
上記において、前記第１固定磁性層の膜厚は、１２Å〜１８Åの範囲内であることが好ましい。
また上記において、前記第１固定磁性層及び前記第２固定磁性層はＣｏＦｅ合金で形成されることが好ましい。

本発明では、前記固定磁性層の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を２００ｋＡ／ｍ以上にすることにより、波形歪みを７度以下に抑えることを可能にした。

また、本発明では、前記磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を３２０ｋＡ／ｍ以上にして、波形歪みを４度以下にすることも可能である。

また、本発明では、前記フリー磁性層をＣｏＦｅ合金とＮｉＦｅ合金の積層構造を有するものとして、前記フリー磁性層の磁歪定数λの絶対値を１．３ｐｐｍ以下にすることができる。

前記フリー磁性層の磁歪定数を小さくできると、角度検出センサに曲げ応力が加わったときの位相誤差を低減することができる。

図１は本発明の角度検出センサの構成を示すブロック構成図である。以下に説明する角度検出センサは、自動車のステアリングシャフトなどの回転部材の回転角度を検出するものである。

図１に示す角度検出センサは、センサ部１と前記センサ部１から出力される出力信号の処理を行う信号処理部１０を有している。なお、図示一点鎖線より左側がセンサ部１を示し、右側が信号処理部１０を示している。

前記センサ部１の構成は図２に示すように前記センサ部１は回転中心Ｏに対して回転自在に設けられたホイール１０２（回転部）と、前記ホイール１０２の内部に４つのチップ基板（ウェハ）Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３およびＫ４を搭載したパッケージ１０３（固定部）とを有している。前記４つのチップ基板Ｋ１〜Ｋ４は、前記パッケージ１０３内において前記回転中心Ｏに対して対称の位置（回転中心Ｏの回りに互いに９０度ずれた位置）にそれぞれ設けられている。

一つのチップ基板には、交換バイアス層（反強磁性体層）と、固定層（ピン止め層）と、非磁性層と、自由層（フリー磁性層）とが積層された構造を基本とする磁気抵抗効果素子としてのＧＭＲ素子（個別にＧ１ないしＧ８で示す）が２ヶづつ設けられている。

前記チップ基板は、一つの大型の基板上に複数のＧＭＲ素子が成膜された状態で外部磁場を掛け、前記固定層の磁化の向き(磁化方向)が一定の方向に揃えられた後に個々のチップ基板Ｋ１〜Ｋ４に切り分けられるため、１つのチップ基板上に設けられた２つのＧＭＲ素子の固定層の磁化方向は同一である。そして、各チップ基板Ｋ１〜Ｋ４は前記磁化方向が隣り合う基板間でほぼ９０度の関係を有すように、前記パッケージ１０１内に固定されている。

前記チップ基板Ｋ１〜Ｋ４に搭載された各ＧＭＲ素子Ｇ１〜Ｇ８は、第１のブリッジ回路ＷＢ１と第２のブリッジ回路ＷＢ２とを構成している。図１に示すように、第１のブリッジ回路ＷＢ１は前記回転中心Ｏに対して軸対称に設けられたチップ基板Ｋ１とチップ基板Ｋ２に搭載されたＧＭＲ素子Ｇ１，Ｇ２およびＧ３，Ｇ４で構成されている。すなわち、第１のブリッジ回路ＷＢ１は前記ＧＭＲ素子Ｇ１とＧＭＲ素子Ｇ４とを直列に接続した回路と、前記ＧＭＲ素子Ｇ３とＧＭＲ素子Ｇ２とを直列に接続した回路とが、並列に接続されて形成されている。同様に第２のブリッジ回路ＷＢ２は前記回転中心Ｏに対して軸対称に設けられたチップ基板Ｋ３とチップ基板Ｋ４に搭載されたＧＭＲ素子Ｇ５，Ｇ６およびＧ７，Ｇ８で構成されている。第２のブリッジ回路ＷＢ２は前記ＧＭＲ素子Ｇ５とＧＭＲ素子Ｇ８とを直列に接続した回路と、前記ＧＭＲ素子Ｇ７とＧＭＲ素子Ｇ６とを直列に接続した回路とが、並列に接続されて形成されている。

そして、前記並列に接続された第１のブリッジ回路ＷＢ１と第２のブリッジ回路ＷＢ２の一方の端部が電源Ｖccに接続され、他方の端部がグランドＧＮＤに接地されている。

前記ホイール１０２と被測定物である回転部材（ステアリングシャフトなど）とは例えばギヤなどを介して連結されており、回転部材の回転に応じて前記ホイール１０２が回転されられるように構成されている。よって、前記回転部材を回転させると、前記ホイール１０２が回転させられるため、前記磁石Ｍ１，Ｍ２が前記パッケージ１０１の周囲を周回できるようになっている。

このとき前記磁石Ｍ１，Ｍ２間に発生している外部磁場Ｈが、前記パッケージ１０１内の各ＧＭＲ素子Ｇ１〜Ｇ８に対して回転磁界を与えるため、各ＧＭＲ素子Ｇ１〜Ｇ８を形成する自由層の磁化の向きが変化させられる。これにより前記各ＧＭＲ素子Ｇ１〜Ｇ８の抵抗値が、前記自由層の磁化の向きと前記固定層の磁化の向きとのなす角に応じて変化する。よって、前記第１のブリッジ回路ＷＢ１を構成するＧＭＲ素子Ｇ３とＧＭＲ素子Ｇ２との接続部と、ＧＭＲ素子Ｇ１とＧＭＲ素子Ｇ４との接続部とから互いの位相が１８０度異なる正弦波状の２つの信号が出力される。同時に前記第２のブリッジ回路を構成するＧＭＲ素子Ｇ７とＧＭＲ素子Ｇ６との接続部と、ＧＭＲ素子Ｇ５とＧＭＲ素子Ｇ８との接続部とからも互いの位相が１８０度異なる正弦波状の２つの信号が出力される。

ただし、回転中心Ｏに軸対称に配置されたチップ基板Ｋ１，Ｋ２と同じく回転中心に軸対称に配置されたチップ基板Ｋ３，Ｋ４とは、さらに前記回転中心Ｏに対しほぼ９０度異なる位置に配置されているため、前記第１のブリッジ回路ＷＢ１から出力される２つの信号を＋ｓｉｎ信号，−ｓｉｎ信号とすると、前記第２のブリッジ回路ＷＢ２から出力される２つの信号は＋ｃｏｓ信号，−ｃｏｓ信号となる。

この実施の形態に示すように、例えば前記ホイール１０２が時計回り方向に回転したときに前記第１のブリッジ回路ＷＢ１のＧＭＲ素子Ｇ３とＧＭＲ素子Ｇ２の接続部から出力される正弦波状の信号を＋ｓｉｎ信号とすると、前記ＧＭＲ素子Ｇ１とＧＭＲ素子Ｇ４の接続部からは−ｓｉｎ信号が出力されることになる。このとき前記第２のブリッジ回路ＷＢ２の前記ＧＭＲ素子Ｇ７とＧＭＲ素子Ｇ６の接続部からは＋ｃｏｓ信号が出力され、前記ＧＭＲ素子Ｇ５とＧＭＲ素子Ｇ８の接続部からは−ｃｏｓ信号が出力されることになる。

信号処理部１０は、主として制御手段１１と、第１の信号変換手段１２Ａおよび第２の信号変換手段１２Ｂと、信号調整手段１３と、第１の関数演算手段１４とを有している。

前記制御手段１１はＣＰＵやメモリ手段などを備えており、前記信号調整手段１３、第１の関数演算手段１４などにおける一連の信号処理を統括する機能を有している。前記第１の信号変換手段１２Ａは、前記第１のブリッジ回路ＷＢ１から出力される前記２種類の＋ｓｉｎ信号と−ｓｉｎ信号との差をとってＳＩＮ信号を生成するとともに、増幅後の信号をＡ／Ｄ変換してデジタルデータに変換する機能を有している。同様に前記第２の信号変換手段１２Ｂは、前記第１のブリッジ回路ＷＢ１から出力される前記２種類の＋ｃｏｓ信号と−ｃｏｓ信号との差をとってＣＯＳ信号を生成するとともに、増幅後の信号をＡ／Ｄ変換してデジタルデータ信号に変換する機能を有している。

ここで、例えばＡ１，Ａ２，Ｂ１およびＢ２を振幅係数、ａ１，ａ２，ｂ１およびｂ２をオフセット係数とし、前記＋ｓｉｎ信号を＋Ａ１・ｓｉｎθ＋ａ１、前記−ｓｉｎ信号を−Ａ２・ｓｉｎθ−ａ２、前記＋ｃｏｓ信号を＋Ｂ１・ｃｏｓθ＋ｂ1、前記−ｃｏｓ信号を−Ｂ２・ｃｏｓθ−ｂ２で表わすと、前記第１の信号変換手段１２Ａで生成される前記ＳＩＮ信号は、（＋Ａ１・ｓｉｎθ＋ａ１）−（−Ａ２・ｓｉｎθ−ａ２）＝（Ａ１＋Ａ２）・ｓｉｎθ＋（ａ１＋ａ２）となる。同様に前記第２の信号変換手段１２Ｂで生成されるＣＯＳ信号は、（＋Ｂ１・ｃｏｓθ＋ｂ1）−（−Ｂ２・ｃｏｓθ−ｂ２）＝（Ｂ１＋Ｂ２）・ｃｏｓθ＋（ｂ1＋ｂ２）となる。

前記信号調整手段１３は、前記ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号のオフセット調整や利得調整を行い、両信号の振幅方向の基準（０点）と量（振幅量）とを一致させる機能を有している。すなわち、上記の例でいえば、利得調整とはＡ１＋Ａ２＝Ｂ１＋Ｂ２とすることにより、前記ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号の振幅係数を同じ値にすることを意味し、オフセット調整とはａ１＋ａ２＝ｂ1＋ｂ２＝０として原点位置（０点）からの振幅の基準のずれを無くすことを意味している。

前記第１の関数演算手段１４は、ｓｉｎ，ｃｏｓ，ｔａｎ，ｔａｎ^−１＝ａｒｃｔａｎ，ｓｉｎｈ，ｃｏｓｈ，ｅｘｐ，ｌｏｇなどの関数値の計算を行うソフトウェア、例えば周知のＣＯＲＤＩＣ（Coordinate Rotation Digital Computer）アルゴリズムを用いた数値計算ソフトウェアを搭載しており、ここでは前記ＳＩＮ信号のデジタルデータを前記ＣＯＳ信号のデジタルデータで除して正接値（ｔａｎ＝ＳＩＮ信号／ＣＯＳ信号）を計算するＴＡＮ処理と、前記ＴＡＮ処理で求めた値から逆正接値（ａｒｃｔａｎ（ＳＩＮ信号／ＣＯＳ信号））を計算して被測定物の補償前の回転角度φを求めるＡＴＡＮ処理とを有している。

図３はＧＭＲ素子Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６、Ｇ７、Ｇ８の膜構成を示すための断面図である。ＧＭＲ素子Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６、Ｇ７、Ｇ８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が順次積層されて積層体Ｃが形成されている。

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８〜３０ｎｍ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。

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。

Ｘ−Ｍｎ合金のなかでも、Ｐｔ−Ｍｎ合金やＩｒ−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６．４×１０^５（Ａ／ｍ）を越える。

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。

固定磁性層２は３層の人工フェリ磁性構造である。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。

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Ｈｅｘにより、磁化の向きが決まる。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を介したＲＫＫＹ的な相互作用によって結合しており、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。交換磁気異方性磁界Ｈｅｘと前記ＲＫＫＹ的な相互作用を合わせた固定磁性層２の磁化を固定する磁界を一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊という。一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が大きくなると第２の固定磁性層２ｃの磁化方向を一方向に固定する力が強くなり、第２の固定磁性層２ｃの磁化が変動しにくくなる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

積層体Ｃの長辺方向の両端には電極層５が設けられている。電極層５から積層体Ｃの膜面平行方向に直流電流が流される。

前記角度検出センサ１００の動作について説明する。
図４は２組のブリッジ回路から出力される信号の関係を示す波形図である。

前記ホイール２に入力角度をθとする回転を与えると、前記第１のブリッジ回路ＷＢ１から＋ｓｉｎ信号として＋ｓｉｎθと−ｓｉｎ信号として−ｓｉｎθが出力され、前記第２のブリッジ回路ＷＢ２から＋ｃｏｓ信号として＋ｃｏｓθと−ｃｏｓ信号として−ｃｏｓθが出力される。なお、ここでは説明の都合上、前記振幅係数Ａ１，Ａ２，Ｂ１およびＢ２をＡ１＝Ａ２＝Ｂ１＝Ｂ２＝１、前記オフセット係数ａ１，ａ２，ｂ１およびｂ２をａ１＝ａ２＝ｂ１＝ｂ２＝０としている。このようにしても、結局は前記信号調整手段１３やＴＡＮ処理によって同様の効果、すなわち前記各係数が消去されてしまうため、特に問題はない。

なお、図４の図中には表示されていないが、前記４つの信号（＋ｓｉｎ信号、−ｓｉｎ信号、＋ｃｏｓ信号および−ｃｏｓ信号）には、各磁気抵抗効果素子の抵抗値変化歪みに基づいて発生する波形歪みによる誤差信号が含まれている。

前記第１の信号変換手段１２Ａは前記＋ｓｉｎ信号（＋ｓｉｎθ）と−ｓｉｎ信号（−ｓｉｎθ）とからＳＩＮ信号（２ｓｉｎθ＝＋ｓｉｎθ−（−ｓｉｎθ））を生成し、前記第２の信号変換手段１２Ｂは前記＋ｃｏｓ信号と−ｃｏｓ信号からＣＯＳ信号（２ｃｏｓθ＝＋ｃｏｓθ−（−ｃｏｓθ））を生成する。

前記第１，第２の信号変換手段１２Ａ，１２Ｂから出力された前記ＳＩＮ信号とＣＯＳ信号は前記信号調整手段１３においてオフセット調整と利得調整とが行われ、０点や振幅などが合わせ込まれる。次に、前記第１の関数演算手段１４のＴＡＮ処理によって正接値（ｔａｎ）がＳＩＮ信号／ＣＯＳ信号＝２ｓｉｎθ／２ｃｏｓθ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｔａｎθとして算出される。さらにＡＴＡＮ処理によって逆正接値が算出される。このとき前記第１の関数演算手段１４から出力される検出角度をθ_１とすると、θ_１＝ａｒｃｔａｎ（ＳＩＮ信号／ＣＯＳ信号）＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎθ）である。

図５は入力角度θと検出角度θ_１との関係を示すグラフ、図６は検出角度θ_１に重畳している波形歪み（誤差信号）を示すグラフである。なお、前記検出角度θ_１、すなわちａｒｃｔａｎ（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）をグラフ化すると通常は不連続なグラフとなるが、ここでは検出角度θ_１が入力角度θ＝０〜３６０度に対して連続的に変化するように変換したもので示している。

前記４つの信号には波形歪みが誤差信号として含まれているため、図５に示すように検出角度θ_１は、理想的な回転角度を示す直線（０度と３６０度を結ぶ直線）上に誤差信号（波形歪み）が重畳した形となる。

前記検出角度θ_１の値から理想的な回転角度を減算して両者の角度ずれ（θ_１−θ）を求めると、検出角度θ_１に含まれている誤差信号（波形歪み）を表示させることができる。そして、図５に示すように横軸を入力角度θとし、縦軸を波形歪み（θ_１−θ）（度、Ｄｅｇｒｅｅ）とすると、前記誤差信号（波形歪み）をグラフ化することができる。

本発明では、固定磁性層２の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を２００ｋＡ／ｍ以上にすることにより、波形歪みを７度以下に抑えることを可能にした。さらに、固定磁性層２の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を３２０ｋＡ／ｍ以上にして、波形歪みを４度以下にすることも可能である。

また、フリー磁性層４の軟磁性層４ｂをＮｉＦｅ合金、拡散防止層４ａをＣｏＦｅ合金を用いて形成することにより、フリー磁性層４の磁歪定数λの絶対値を１．３ｐｐｍ以下にすることができる。フリー磁性層４の磁歪定数を小さくできると、角度検出センサに曲げ応力が加わったときの位相誤差を低減することができる。フリー磁性層４の磁歪定数λの絶対値を１．３ｐｐｍ以下にするためには、例えば、フリー磁性層４の拡散防止層４ａをＣｏ_９０Ｆｅ_１０合金で形成して膜厚を９Å以上１６Å以下とし、軟磁性層４ｂをＮｉ_８１．５Ｆｅ_１８．５合金で形成して膜厚を１０Å以上５０Å以下にする。

ＧＭＲ素子（図３参照）の固定磁性層２の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊と、このＧＭＲ素子を用いて形成した角度検出センサ（図１参照）の波形歪みとの関係を調べた。

ＧＭＲ素子の膜構成は下から
シード層（ＮｉＦｅＣｒ（６０Å））／反強磁性層（ＰｔＭｎ（２００Å））／第１の固定磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）／非磁性中間層（Ｒｕ（８．７Å））／第２の固定磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）／非磁性材料層（Ｃｕ（２１Å））／フリー磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０Å）／Ｎｉ_８１．５Ｆｅ_１８．５（２０Å）／保護層（Ｔａ（５０Å））である。なお括弧の中の数値は膜厚を表している。

図７に結果を示す。ＧＭＲ素子の固定磁性層２の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が大きくなると、角度検出センサの波形歪みは小さくなる。なお、波形歪みとは、実際の入力角度と検出角度の差、すなわち検出誤差の最大値であり図６に示される誤差の振幅である。

一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が２００ｋＡ／ｍ（２５００Ｏｅ）を超えると、波形歪みが急激に小さくなる。図１に示された角度検出センサの磁石Ｍ１，Ｍ２間に発生している外部磁場Ｈが小さくければ、波形歪みも小さくなる。

外部磁場Ｈが５６ｋＡ／ｍのとき、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が２００ｋＡ／ｍ以上であると波形歪みは６．７度以下になる。一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が２８０ｋＡ／ｍ以上であると波形歪みは４．０度以下、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が３２０ｋＡ／ｍ以上であると波形歪みは３．７度以下、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が４００ｋＡ／ｍ以上であると波形歪みは３．２度以下になる。

外部磁場Ｈが４０ｋＡ／ｍのとき、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が２００ｋＡ／ｍ以上であると波形歪みは４度以下になる。一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が２８０ｋＡ／ｍ以上であると波形歪みは２．５度以下、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が３２０ｋＡ／ｍ以上であると波形歪みは２．３度以下、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が４００ｋＡ／ｍ以上であると波形歪みは１．８度以下になる。

外部磁場Ｈが２４ｋＡ／ｍのとき、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が２００ｋＡ／ｍ以上であると波形歪みは２．５度以下になる。一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が２８０ｋＡ／ｍ以上であると波形歪みは１．７度以下、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が３２０ｋＡ／ｍ以上であると波形歪みは１．６度以下、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が４００ｋＡ／ｍ以上であると波形歪みは１．２度以下になる。

ＧＭＲ素子の固定磁性層の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊の調整は、図３に示されたＧＭＲ素子の固定磁性層２の磁気的膜厚（飽和磁束密度Ｍｓと膜厚ｔの積）を変化させることによって行うことが出来る。この固定磁性層２の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔの調節は、第２の固定磁性層２ｃの磁気的膜厚Ｍｓ・ｔ（飽和磁束密度Ｍｓと膜厚ｔの積）と第１の固定磁性層２ａの磁気的膜厚Ｍｓ・ｔの差を変化させることによって行うことができる。

図８は、固定磁性層２の磁気的膜厚Ｍｓ・ｔと固定磁性層の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊の関係を示すグラフである。固定磁性層２の正味の磁気的膜厚は、第２の固定磁性層（Ｐｉｎ２）２ｃの磁気的膜厚Ｍｓ・ｔ（飽和磁束密度Ｍｓと膜厚ｔの積）から第１の固定磁性層（Ｐｉｎ１）２ａの磁気的膜厚Ｍｓ・ｔを引いた値である。ここでは、第１の固定磁性層２ａの膜厚を１２Åに固定して、第２の固定磁性層２ｃの膜厚を変化させることにより、固定磁性層２の正味の磁気的膜厚を変化させたときの一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊、第１の固定磁性層２ａの膜厚を１４Åに固定して、第２の固定磁性層２ｃの膜厚を変化させることにより、固定磁性層２の正味の磁気的膜厚を変化させたときの一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊、第１の固定磁性層２ａの膜厚を１８Åに固定して、第２の固定磁性層２ｃの膜厚を変化させることにより、固定磁性層２の正味の磁気的膜厚を変化させたときの一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を示している。

図８に示されるように、第２の固定磁性層２ｃの磁気的膜厚Ｍｓ・ｔを第１の固定磁性層２ａの磁気的膜厚Ｍｓ・ｔに対して小さくして固定磁性層２の正味の磁気的膜厚（ｎｅｔＭｓ・ｔ）を小さくしていくと、固定磁性層２の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が大きくなる。

第１の固定磁性層（Ｐｉｎ１）の膜厚が１２Åのとき、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を２８０ｋＡ／ｍ以上にするためには、固定磁性層２の正味の磁気的膜厚（ｎｅｔＭｓ・ｔ）を０．０２７（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）以下、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を３２０ｋＡ／ｍ以上にするためには、固定磁性層２の正味の磁気的膜厚（ｎｅｔＭｓ・ｔ）を０．０１１（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）以下、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を４００ｋＡ／ｍ以上にするためには、固定磁性層２の正味の磁気的膜厚（ｎｅｔＭｓ・ｔ）を−０．０１３（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）以下にすればよい。

第１の固定磁性層（Ｐｉｎ１）の膜厚が１４Åのとき、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を２８０ｋＡ／ｍ以上にするためには、固定磁性層２の正味の磁気的膜厚（ｎｅｔＭｓ・ｔ）を０．０１０（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）以下、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を３２０ｋＡ／ｍ以上にするためには、固定磁性層２の正味の磁気的膜厚（ｎｅｔＭｓ・ｔ）を−０．００８（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）以下、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を４００ｋＡ／ｍ以上にするためには、固定磁性層２の正味の磁気的膜厚（ｎｅｔＭｓ・ｔ）を−０．０３３（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）以下にすればよい。

第１の固定磁性層（Ｐｉｎ１）の膜厚が１８Åのとき、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を２００ｋＡ／ｍ以上にするためには、固定磁性層２の正味の磁気的膜厚（ｎｅｔＭｓ・ｔ）を０．０３１（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）以下、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を２８０ｋＡ／ｍ以上にするためには、固定磁性層２の正味の磁気的膜厚（ｎｅｔＭｓ・ｔ）を−０．０２８（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）以下、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を３２０ｋＡ／ｍ以上にするためには、固定磁性層２の正味の磁気的膜厚（ｎｅｔＭｓ・ｔ）を−０．０４６（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）以下、一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を４００ｋＡ／ｍ以上にするためには、固定磁性層２の正味の磁気的膜厚（ｎｅｔＭｓ・ｔ）を−０．０７４（ｍｅｍｕ／ｃｍ^２）以下にすればよい。

なお、図８には反強磁性層と第１の固定磁性層の間に働く交換結合磁界Ｈｅｘの値も示している。第１の固定磁性層（Ｐｉｎ１）２ａの膜厚が薄い方が交換結合磁界Ｈｅｘは大きくなる。

本発明では、角度検出センサを構成するＧＭＲ素子の固定磁性層の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊を３２０ｋＡ／ｍ以上、第１の固定磁性層と反強磁性層の間に働く交換結合磁界Ｈｅｘを３２０ｋＡ／ｍ以上にすることができる。このとき、ＧＭＲ素子の磁気抵抗変化率ΔＭＲを８％以上にすることができる。

このようなＧＭＲ素子を用いて形成した角度検出センサを、１２５℃の温度雰囲気、２４ｋＡ／ｍの直交磁場中に１０００時間放置した後、角度検出センサの波形歪みを測定すると０．１度以下にすることが出来た。

図１に示された角度検出センサを基板上に設置し、この基板の両端部に荷重を加えて角度検出センサを撓ませたときの、角度検出センサの位相誤差を調べた。

たわみ量と位相誤差は、図９に示される装置を用いて測定した。角度検出センサ２０を基板２１上に設置し、この基板２１の両端部に荷重を加えたときの基板の下部に設置されたスペーサ部材２２の厚さｔの変化をたわみ量と定義する。

ＧＭＲ素子の膜構成は下から
シード層（ＮｉＦｅＣｒ（６０Å））／反強磁性層（ＰｔＭｎ（２００Å））／第１の固定磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１４Å））／非磁性中間層（Ｒｕ（８．７Å））／第２の固定磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１２Å））／非磁性材料層（Ｃｕ（２１Å））／フリー磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０／Ｎｉ_８１．５Ｆｅ_１８．５）／保護層（Ｔａ（５０Å））である。なお括弧の中の数値は膜厚を表している。

結果を図１０に示す。たわみ量が小さくなれば角度検出センサの位相誤差も小さくなる。また、角度検出センサを構成するＧＭＲ素子のフリー磁性層の磁歪定数λｓと位相誤差との関係も調べた。フリー磁性層の磁歪定数λｓが小さくなるほど、位相誤差が小さくなることがわかる。

図１１は角度検出センサを構成するＧＭＲ素子のフリー磁性層の磁歪定数λｓと位相誤差との関係を示すグラフである。

図１１のグラフにおいて「歪」とは図１０のグラフのたわみ量と同じ物理量であり、図９の基板２１の両端部に荷重を加えたときの基板の下部に設置されたスペーサ部材の厚さの変化量である。「歪」が小さいほど、位相誤差も小さくなる。

また、フリー磁性層の磁歪定数λｓが４ｐｐｍ以下になると急激に位相誤差が低減している。

フリー磁性層の磁歪定数λｓは、フリー磁性層の膜構成によって調節できる。
例えば、図３に示したようなＧＭＲ素子において、フリー磁性層４の拡散防止層４ａをＣｏ_９０Ｆｅ_１０合金で形成し、軟磁性層４ｂをＮｉ_８１．５Ｆｅ_１８．５合金で形成する。

図１２はＮｉＦｅ合金からなる軟磁性層４ｂとその下層のＣｏＦｅ合金からなる拡散防止層４ａの合計膜厚を３０Å又は４０Åにし、拡散防止層４ａの膜厚を変化させた時の、フリー磁性層４全体の磁歪定数λｓの変化を示すグラフである。図１２から拡散防止層の膜厚を適切に設定することにより、フリー磁性層４全体の磁歪定数λｓの絶対値を０に近づけることができることがわかる。

本発明では、角度検出センサが配置される場所の温度が−４０度から１２５度の範囲で変動しても、このような温度変化に起因する基板の歪みの影響をＧＭＲ素子が受けにくく、特性が安定する。また、基板の歪みの影響をＧＭＲ素子が受けにくいので、薄い厚さの基板を用いることが可能になり角度検出センサのコストを低下させることができる。

本発明の角度検出センサの構成を示すブロック構成図、 角度検出センサのセンサ部を示す平面図、 センサ部のＧＭＲ素子の断面図、 ２組のブリッジ回路から出力される信号の関係を示す信号波形図、 入力角度θと検出角度θ_１との関係を示すグラフ、 検出角度θ_１に重畳している誤差信号（波形歪み）を示すグラフ、 ＧＭＲ素子の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊と角度検出センサの波形歪みとの関係を示すグラフ、 固定磁性層の正味の磁気的膜厚と一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊の関係を示すグラフ、 たわみ試験の概念図、 角度検出センサのたわみ試験におけるたわみ量と角度検出センサの位相誤差との関係を示すグラフ、 ＧＭＲ素子のフリー磁性層の磁歪定数と角度検出センサの位相誤差との関係を示すグラフ、 ＮｉＦｅ合金とＣｏＦｅ合金が積層されたフリー磁性層のＣｏＦｅ合金からなる層の膜厚と、フリー磁性層の磁歪定数を示すグラフ、 角度検出センサのセンサ部を示す平面図、

符号の説明

１ センサ部
２ ホイール
３ パッケージ
１０ 信号処理部
１１ 制御手段
１２Ａ 第１信号変換手段
１２Ｂ 第２信号変換手段
１３ 信号調整手段
１４ 第１の関数演算手段
ｅ 固定層の磁化方向（磁化の向き）
Ｇ１〜Ｇ８ ＧＭＲ素子
Ｈ 外部磁界
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４ チップ基板
Ｍ１，Ｍ２ 磁石
ＷＢ１ 第１のブリッジ回路
ＷＢ２ 第２のブリッジ回路

Claims (8)

1. 磁化の向きが固定された固定磁性層と、非磁性材料層と、前記非磁性材料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角度検出センサにおいて、
   前記磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が２００ｋＡ／ｍ以上であり、かつ、前記角度検出センサの検出誤差の最大値である波形歪みが７度以下であることを特徴とする角度検出センサ。
2. 前記磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層の一方向性交換バイアス磁界Ｈｅｘ＊が３２０ｋＡ／ｍ以上であり、かつ前記波形歪みが４度以下である請求項１に記載の角度検出センサ。
3. 前記フリー磁性層はＣｏＦｅ合金とＮｉＦｅ合金の積層構造を有しており、磁歪定数λｓの絶対値が１．３ｐｐｍ以下である請求項１または２に記載の角度検出センサ。
4. 前記フリー磁性層はＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金とＮｉ_81.5Ｆｅ_18.5合金の積層構造を有しており、前記Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金の膜厚は９Å以上１６Å以下、前記Ｎｉ_81.5Ｆｅ_18.5合金の膜厚は１０Å以上５０Å以下である請求項３に記載の角度検出センサ。
5. 前記磁場が２４ｋＡ／ｍ以上５６ｋＡ／ｍ以下である請求項１ないし４のいずれかに記載の角度検出センサ。
6. 前記固定磁性層は、第１固定磁性層と、第２固定磁性層と、前記第１固定磁性層と前記第２固定磁性層の間に介在する非磁性層との人工フェリ磁性構造であり、前記第２固定磁性層は前記非磁性材料層に接して形成されており、
   前記第２固定磁性層の磁気的膜厚から前記第１固定磁性層の磁気的膜厚を引いた値で示される前記固定磁性層の正味の磁気的膜厚（ｎｅｔＭｓ・ｔ）は、０．０３１（ｍｅｍｕ／ｃｍ²）以下である請求項１ないし５のいずれかに記載の角度検出センサ。
7. 前記第１固定磁性層の膜厚は、１２Å〜１８Åの範囲内である請求項６記載の角度検出センサ。
8. 前記第１固定磁性層及び前記第２固定磁性層はＣｏＦｅ合金で形成される請求項６又は７に記載の角度検出センサ。

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