JP5055515B2 - 磁界検出素子および信号伝達素子 - Google Patents

Description

本発明は、磁界強度を検出する磁界検出素子、および、磁気的結合により信号を伝達する信号伝達素子に関する。

例えば、特許文献１に記載されているように、入力信号に応じた磁界を発生させるコイルと、コイルが発生した磁界の強度を、磁気抵抗効果素子（磁界検出素子）を含むブリッジ回路で検出する磁気結合型の信号伝達素子が公知である。

また、特許文献２に記載されているように、巨大磁気抵抗効果（外部磁界により数％以上の電気抵抗変化を示す物質の総称）を示すグラニュラー膜の電気抵抗の変化率感度を高めるために、巨大磁気抵抗効果を示すグラニュラー膜の両側に大きな磁束を供給する軟磁性材料からなるヨーク膜の対を配置するグラニュラーインギャップ（ＧＩＧ）構造も周知である。

そのようなＧＩＧ構造においては、外部磁界が印加されると、真っ先に大きな磁束密度を有する軟磁性材料からなるヨークが磁化し、その大きな磁化により発生した磁束が巨大磁気抵抗効果を示すグラニュラー膜に流入し、小さな外部磁界で大きな電気抵抗変化を実現できる。一方、ＧＩＧ構造では、軟磁性材料ヨーク膜の磁化過程に伴う非線形的な磁束の増加特性と、グラニュラー膜の磁気抵抗効果における非線形的な抵抗値の変化特性とにより、磁界強度をリニアに検出できる線形範囲が著しく狭い範囲に限定されている。

特許文献３には、微小な磁束変化を検出するために、磁路にバイパスを設けることで、検出コイルに印加される磁束を低減する技術が開示されている。この技術では、感度を低下させることで磁束変化を検出できる範囲を拡げているが、電気抵抗の値において線形性の高い範囲を拡げることはできず、磁気抵抗効果素子の線形性を改善することはできない。

特表２０００−５１６７１４号公報 特開２００４−３５４１８１号公報 特開平８−２７９１１２号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、線形性の高い磁界検出素子、および、線形性の高い信号伝達素子を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による磁界検出素子は、磁気抵抗効果材料からなる磁気抵抗効果部と、前記磁気抵抗効果部の両側に電気的に接続して配設され、前記磁気抵抗効果部に磁束を供給する、軟磁性材料からなる一対のヨーク部と、前記ヨーク部に発生した磁束の一部を誘導して前記磁気抵抗効果部を迂回させ、前記ヨーク部よりも低い磁界強度で磁束が飽和する、軟磁性材料からなるバイパス部とを有するものとする。

この構成によれば、外部磁界強度が低くバイパス部が未飽和状態では、外部磁界によりヨーク部に発生した磁束の一部がバイパス部を通過し、磁気抵抗効果部を通る磁束が減じられる。一方、外部磁界が増加するとバイパス部がヨーク部より先に飽和し、ヨーク部に発生した磁束の増加分はすべて磁気抵抗効果部を通過する。結果として、磁気抵抗効果部の電気抵抗変化曲線の形状を変形させて線形性を向上させる。

また、本発明の磁界検出素子において、前記バイパス部は、前記磁気抵抗効果部および前記ヨーク部と電気的に絶縁されてもよい。

この構成によれば、バイパス部が電気的に切り離されているので、磁気抵抗効果部の電気抵抗を正確に検出することができ、バイパス部が検出精度に与える影響を極力抑えて、磁気抵抗効果部の磁界強度に対する電気抵抗の変化の線形性を高くできる。

また、本発明の磁界検出素子において、前記磁気抵抗効果部および前記ヨーク部は、同一平面上に膜状に形成され、前記バイパス部は、前記磁気抵抗効果部と少なくとも部分的に重なるように、前記ヨーク部との間に隙間を空けて膜状に形成されていてもよい。

この構成によれば、基板上に微細加工技術によって薄膜材料を積層する一般的な半導体製造方法で製造できる。

また、本発明の磁界検出素子は、前記バイパス部の磁束が飽和しない磁界強度において、前記ヨーク部の間の、前記バイパス部を介して前記磁気抵抗効果部を迂回する磁路のリラクタンスが、前記磁気抵抗効果部のリラクタンスより小さくてもよい。

この構成によれば、磁界強度が低いときに多くの磁束が磁気抵抗効果部を迂回するので、バイパス部による磁気抵抗効果部の抵抗変化特性に与える影響が大きく、線形性を大きく改善できる。

また、本発明の磁界検出素子において、前記バイパス部は、部分的に、異なる磁界強度で磁束が飽和してもよい。

この構成によれば、バイパス部の一部が飽和する度に、外部磁界に対する磁気抵抗効果部の抵抗変化特性を線形にするように磁束のバイパスする割合を変化させられる。

また、本発明の磁界検出素子において、前記バイパス部は、磁束を案内する方向の長さが異なる部分を含んでもよい。

この構成によれば、バイパス部の平面的形状によって、磁束の飽和する磁界強度を部分的に異ならせることができる。

また、本発明による信号伝達素子は、前記磁界検出素子のいずれかと、入力信号に応じて前記磁界検出素子に磁界を印加するコイルとを有するものとする。

この構成によれば、入力と出力の伝達効率が良く、かつ、本発明によって線形性の良い入出力伝達も可能なため、結果的に高品位の信号伝達ができる。

本発明によれば、外部磁界強度が低くバイパス部が未飽和状態では、外部磁界によりヨーク部が発生した磁束の一部がバイパス部を通過し、磁気抵抗効果部を通る磁束が減じられる。一方、外部磁界が増加するとバイパス部が先に飽和し、ヨーク部に発生した磁束はすべて磁気抵抗効果部を通過する。結果として、磁気抵抗効果部の電気抵抗変化曲線の形状を変形させ線形性を向上させる。

本発明の第１実施形態の信号伝達素子の電気回路図である。 図１の信号伝達素子の平面図である。 図２の磁界検出素子の斜視図である。 図３の磁界検出素子の平面図である。 図３の磁界検出素子の磁路リラクタンス図である。 図３の磁界検出素子の磁界強度に対する電気抵抗変化を示す図である。 本発明の第２実施形態の磁界検出素子の側面図である。 図７の磁界検出素子の斜視図である。 図７の磁界検出素子のバイパス部の幅を変更したときの磁界強度に対する電気抵抗変化を示す図である。 図７の磁界検出素子のバイパス部の厚さを変更したときの磁界強度に対する電気抵抗変化を示す図である。 本発明の第３実施形態の磁界検出素子の斜視図である。 本発明の第４実施形態の磁界検出素子の斜視図である。 本発明の第５実施形態の磁界検出素子の斜視図である。 図１１〜１３の磁界検出素子の磁界強度に対する電気抵抗変化を示す図である。 本発明の第６実施形態の磁界検出素子の斜視図である。 本発明の第７実施形態の磁界検出素子の斜視図である。 本発明の第８実施形態の磁界検出素子の斜視図である。 図１７の磁界検出素子のバイパス部を形成する材料のＢ−Ｈ線図である。 図１７の磁界検出素子のバイパス部の材料の違いによる磁界強度に対する電気抵抗変化を示す図である。 本発明の第８実施形態の磁界検出素子の側面図である。 本発明の第９実施形態の磁界検出素子の側面図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態の信号伝達素子（磁気結合型アイソレータ）１の回路構成を示す。信号伝達素子１は、入力端子２ａ，２ｂに入力された電流に応じて磁界を発生させる２つの励磁コイル３ａ，３ｂを有する１次側回路４と、１次側回路４と磁気的に結合し、出力端子５ａ，５ｂに入力電圧に応じた電圧を出力する２次側回路６とを有する。

２次側回路６は、励磁コイル３ａ，３ｂが発生した磁界の強度に応じて電気抵抗の値が変化する２つの磁界検出素子７ａ，７ｂと、電気抵抗の値が変化しない２つの固定抵抗８ａ，８ｂとで構成され、電源Ｖｃｃに接続されたブリッジ回路である。

図２（平面図）に、信号伝達素子１の実際的形状を示す。信号伝達素子１は、表面に絶縁皮膜が形成されたシリコン基板９上に、各構成要素を積層して形成してなる。励磁コイル３ａ，３ｂは、磁界検出素子７ａ，７ｂをそれぞれ囲むように形成されている。

磁界検出素子７ａ，７ｂは、さらに図３（斜視図）および図４（断面図）に詳しく示すように、巨大磁気抵抗効果材料からなる磁気抵抗効果部（以下、ＭＲ部と称する）１０ａ，１０ｂと、ＭＲ部１０ａ，１０ｂの両側にそれぞれ電気的な接触を保つよう配設されていて軟磁性材料からなるヨーク部１１ａ，１２ａおよび１１ｂ，１２ｂで構成されている。このヨーク部は前記巨大磁気抵抗効果材料よりも大幅に低い電気比抵抗を有しており、ＭＲ部へ電流を供給する電極も兼ねている（いわゆるＧＩＧ）。これに、ヨーク部１１ａ，１２ａおよび１１ｂ，１２ｂと、ＭＲ部１０ａ，１０ｂと部分的に重複し、ＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂとの間に隙間ｄを空けて電気的に絶縁されて配置された軟磁性材料からなるバイパス部１３ａ，１３ｂとを有する。この磁界検出素子７ａ、７ｂの外側を巻くように励磁コイル３ａ、３ｂが配設されている。

バイパス部１３ａ，１３ｂとＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂとの間の隙間ｄは、空気層であってもよいが、実際的には、バイパス部１３ａ，１３ｂとＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂとの間に形成した、非磁性の材料からなる絶縁膜（保護膜）である。

ＭＲ部１０ａ，１０ｂを形成する巨大磁気抵抗効果材料としては、例えば、Ｃｏ_３９Ｙ_１４Ｏ_４７をはじめＣｏ_４３Ａｌ_２４Ｏ_３３やＣｏ_３５Ｍｇ_２０Ｆ_４５等のナノグラニュラー薄膜材料があり、それぞれの典型的な電気比抵抗は、３×１０^６μΩｍ、０．４×１０^３μΩｍ、１×１０^６μΩｍである。他にも、巨大磁気抵抗効果材料として、Ｃｏ_Ｘ−（Ｙ_２Ｏ_３）_{（１００−Ｘ）}系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ_Ｘ−（Ａｌ_２Ｏ_３）_{（１００−Ｘ）}系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ_Ｘ−（Ｓｍ_２Ｏ_３）_{（１００−Ｘ）}系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ_Ｘ−（Ｄｙ_２Ｏ_３）_{（１００−Ｘ）}系ナノグラニュラー合金、（ＦｅＣｏ）_Ｘ−（Ｙ_２Ｏ_３）_{（１００−Ｘ）}系ナノグラニュラー合金、Ｆｅ）_Ｘ−（ＭｇＦ_２）_{（１００−Ｘ）}、（ＦｅＣｏ）_Ｘ−（ＭｇＦ_２）_{（１００−Ｘ）}、Ｆｅ_Ｘ−（ＣａＦ_２）_{（１００−Ｘ）}等のフッ化物系ナノグラニュラー合金等が使用できる。尚、本願の記載における組成比はａｔ％である。

また、ヨーク部１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂおよびバイパス部１３ａ，１３ｂを形成する軟磁性材料としては、例えば、Ｃｏ_７７Ｆｅ_５Ｓｉ_９Ｂ_８やＦｅ_７８．５Ｎｉ_２１．５があり、それぞれの典型的な電気比抵抗は１．１５μΩｍ、０．１６μΩｍである。他にも、軟磁性材料として、パーマロイ（４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金）、センダスト（Ｆｅ_７４Ｓｉ_９Ａｌ_１７）、ハードパーム（Ｆｅ_１２Ｎｉ_８２Ｎｂ_６）、Ｃｏ_８８Ｎｂ_６Ｚｒ_６アモルファス合金、（Ｃｏ_９４Ｆｅ_６）_７０Ｓｉ_１５Ｂ_１５アモルファス合金、ファインメット（Ｆｅ_７５．６Ｓｉ_１３．２Ｂ_８．５Ｎｂ_１．９Ｃｕ_０．８）、ナノマックス（Ｆｅ_８３ＨＦ_６Ｃ_１１）、Ｆｅ_８５Ｚｒ_１０Ｂ_５合金、Ｆｅ_９３Ｓｉ_３Ｎ_４合金、Ｆｅ_７１Ｂ_１１Ｎ_１８合金、Ｆｅ_７１．３Ｎｄ_９．６Ｏ_１９．１ナノグラニュラー合金、Ｃｏ_７０Ａｌ_１０Ｏ_２０ナノグラニュラー合金、Ｃｏ_６５Ｆｅ_５Ａｌ_１０Ｏ_２０合金等が使用できる。また、隙間ｄを形成する材料としては、例えば、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などの無機材料がある。

ヨーク部１１ａ，１１ｂおよび１２ａ，１２ｂは、例えば、コイルの長手方向（磁束の方向）の長さが２５０μｍ、幅が８０μｍ、厚さが０．５μｍの長方形に、各対の端部が１μｍのギャップＧを空けてそれぞれ対向し合うように、同一平面上に膜状に形成されている。ＭＲ部１０ａ，１０ｂは、ヨーク部１１ａ，１２ａおよび１１ｂ，１２ｂのギャップＧの間に電気的に接続されて形成されている。

バイパス部１３ａ，１３ｂは、例えば、長さが５μｍ、幅が５μｍ、厚さが０．１μｍであり、ＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂとの間に０．１μｍの隙間ｄを空けて形成されている。

図５に、磁界検出素子７ａ，７ｂの磁路リラクタンスとしての構成（磁気回路図）を示す。この磁路リラクタンスは、ヨーク部１１ａ，１１ｂのリラクタンスＲ_ＹＯＫとヨーク部１２ａ，１２ｂのリラクタンスＲ_ＹＯＫとの間に、ヨーク部１１ａ，１１ｂとバイパス部１３ａ，１３ｂとの間の空気または非磁性絶縁部のリラクタンスＲ_ＧＡＰ、バイパス部１３ａ，１３ｂのリラクタンスＲ_ＢＰＳ、および、バイパス部１３ａ，１３ｂとヨーク部１２ａ，１２ｂとの間の空気または非磁性絶縁部のリラクタンスＲ_ＧＡＰが直列に接続されたものが、ＭＲ部１０ａ，１０ｂのリラクタンスＲ_ＧＭＲと並列に接続されたものと考えることができる。

これにより、磁界検出素子７ａ，７ｂでは、励磁コイル３ａ，３ｂが発生し、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂによって発生した磁束は、当初、ＭＲ部１０ａ，１０ｂとバイパス部１３ａ，１３ｂとに分かれる。つまり、バイパス部１３ａ，１３ｂは、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂによって発生した多数の磁束の一部を誘引して、ＭＲ部１０ａ，１０ｂを迂回させることにより、ＭＲ部１０ａ，１０ｂを通る磁束の数を低減する。

但し、リラクタンスＲ_ＹＯＫ，Ｒ_ＧＭＲ，Ｒ_ＢＰＳは、それぞれ、磁界強度によってその値が変化する。一般に、リラクタンスは、磁界強度の上昇に伴って通過する磁束数が増加すると、その値が上昇する。そして、ある磁界強度において磁束が飽和するため、リラクタンスの値は、磁界強度が低いときに比べて格段に大きな割合で増加するようになり、完全に飽和することで通過する磁束数がそれ以上増加しなくなる。特に、本発明においてバイパス部１３ａ，１３ｂのリラクタンスＲ_ＢＰＳは他のリラクタンスよりも低い磁界で急増する。

尚、ＭＲ部１０ａ，１０ｂのリラクタンスＲ_ＧＭＲは、ＭＲ部１０ａ，１０ｂの磁束が印加される方向の長さ（磁路長さ）をＧ_ＧＭＲ、ＭＲ部１０ａ，１０ｂの透磁率をμ_ＧＭＲ、ＭＲ部１０ａ，１０ｂの厚さをｔ_ＧＭＲ、ＭＲ部１０ａ，１０ｂの幅（磁路幅）をＷ_ＧＭＲとして、次の式で表すことができる。
Ｒ_ＧＭＲ＝Ｇ_ＧＭＲ／（μ_ＧＭＲ×ｔ_ＧＭＲ×Ｗ_ＧＭＲ）

図６に、ＭＲ部１０ａ，１０ｂを含むヨーク部１１ａ，１１ｂとヨーク部１２ａ，１２ｂとの間の電気抵抗の、磁界検出素子７ａ，７ｂに印加される入力磁界の強さに対する変化のシミュレーション結果を、磁界強度がゼロのときの抵抗を１００％として表したＭＲ比で示す。尚、図中には、ＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂのみからなり、バイパス部１３ａ，１３ｂのない従来の構成の磁界検出素子の電気抵抗と比較して示す。尚、バイパス部１３ａ，１３ｂは、ＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂから電気的に絶縁されているので、ＭＲ部１０ａ，１０ｂを含む電路の電気抵抗に影響しない。

このシミュレーションでは、ＭＲ部１０として、１０ＫＯｅにおけるＭＲ比が１４％である（ＦｅＣｏ）_３０−（ＭｇＦ_２）_７０からなるナノグラニュラー膜を、ヨーク部１１，１２として、１０ＫＯｅにおける磁束密度が１２ＫＧであり、幅方向に２０Ｏｅ程度の一軸誘導磁気異方性を有し、透磁率がゼロ磁界から飽和磁界まで略線形的に変化するアモルファスＣｏ_７８Ｆｅ_４Ｓｉ_９Ｂ_９膜を用いた。また、バイパス部１３は、ヨーク部１１，１２と同じ材質のアモルファス膜を用いた。

ＭＲ部１０ａ，１０ｂは、通過する磁束数が増加すると、その電気抵抗が低下するが、入力磁界が小さく、バイパス部１３ａ，１３ｂが未飽和の場合、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂによって発生した磁束の一部がバイパス部１３ａ，１３ｂに誘導されるので、従来に比べてその電気抵抗の低下率が低い。図においては、ＭＲ比の変化特性（線図の形状）が従来と比べて横方向に拡がったものになる。

しかしながら、バイパス部１３ａ，１３ｂの断面積（厚さ×幅）は、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの断面積（厚さ×幅）と比べて十分に小さいため、入力磁界が強くなり、励磁コイル３ａ，３ｂが形成する磁束数が増加（励磁コイル３ａ，３ｂによって形成され、磁界検出素子７ａ，７ｂに印加される磁界強度が上昇）すると、バイパス部１３ａ，１３ｂは、磁束が飽和して、それ以上磁束を誘導できなくなる。このため、入力磁界の強度が高くなると、バイパス部１３ａ，１３ｂによる磁束のバイパス効果が低くなり、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂに発生した磁束の増加分の多くがＭＲ部１０ａ，１０ｂに誘導される。図においては、バイパス部１３ａ，１３ｂが飽和に近づくにつれ、グラフが従来に比べて横に拡がる度合いが小さくなり、結果的にＭＲ比の変化特性の線形性が改善される。

磁界検出素子７ａ，７ｂでは、入力磁界の強度がさらに高くなると、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂよりも先にバイパス部１３ａ，１３ｂが完全に飽和する。結果として、バイパス部１３ａ，１３ｂが完全に飽和してからは、ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂに発生した磁束の増加分はすべてＭＲ部１０ａ，１０ｂを通過する。以上の作用により、ＭＲ部１０ａ，１０ｂおよびヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂのリラクタンスの増加による電気抵抗の変化率の低下を補い、線形性の高い電気抵抗（ＭＲ比）の変化特性を得ることができる。つまり、バイパス部１３ａ，１３ｂを備える磁界検出素子７ａ，７ｂは、従来のものよりも、入力磁界の変化に対する電気抵抗（ＭＲ比）の変化特性において、良好な線形性が得られる範囲が広い。

ヨーク部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂに発生した磁束の中でバイパス部１３ａ，１３ｂに誘導されてＭＲ部１０，１０ｂを迂回する磁束の割合が低いと、ＭＲ部１０ａ，１０ｂのＭＲ比の特性を変化させる余地が小さくなるので、磁界強度が低いときには、ヨーク部１１ａ−１２ａ間，１１ｂ−１２ｂ間の、１２ｂバイパス部１３ａ，１３ｂを介した磁路のリラクタンス（２Ｒ_ＹＯＫ＋２Ｒ_ＧＡＰ＋Ｒ_ＧＭＲ）が、ＭＲ部１０ａ，１０ｂを介した磁路のリラクタンス（２Ｒ_ＹＯＫ＋Ｒ_ＧＭＲ）に比べて小さいことが好ましい。

しかしながら、バイパス部１３ａ，１３ｂを介した磁路のリラクタンス（２Ｒ_ＹＯＫ＋２Ｒ_ＧＡＰ＋Ｒ_ＧＭＲ）がＭＲ部１０ａ，１０ｂを介した磁路のリラクタンス（２Ｒ_ＹＯＫ＋Ｒ_ＧＭＲ）に比べて過度に低い場合、バイパス部１３ａ，１３ｂに多くの磁束が誘導され過ぎるため、図６のグラフにおいて、バイパス部１３ａ，１３ｂを有する場合のＭＲ比変化特性の線図が横に拡がり過ぎて、ＭＲ部１０ａ，１０ｂの入力磁界に対する電気抵抗の変化率が小さくなるので、磁界強度の検出感度が低くなってしまう。また、バイパス部１３ａ，１３ｂを介した磁路のリラクタンスが高過ぎる場合、バイパス部１３ａ，１３ｂに磁束を誘導できず、ＭＲ部１０ａ，１０ｂをバイパスさせる効果がほとんどなくなるため、電気抵抗の変化特性を改善する効果が得られなくなる。このように、磁界検出素子７ａ，７ｂの好ましい特性を得るために、バイパス部１３ａ，１３ｂを介した磁路のリラクタンス（２Ｒ_ＹＯＫ＋２Ｒ_ＧＡＰ＋Ｒ_ＧＭＲ）と、ＭＲ部１０ａ，１０ｂを介した磁路のリラクタンス（２Ｒ_ＹＯＫ＋Ｒ_ＧＭＲ）とのバランスを考慮する必要がある。

図７および図８に、本発明の第２実施形態である磁界検出素子７ｃを示す。第２実施形態の磁界検出素子７ｃは、ギャップＧを形成して対向する端部の厚みがテーパ状に小さくなったヨーク部１１，１２と、ヨーク部１１，１２の片側のテーパ部分からギャップＧの半ばまでに磁気抵抗効果材料を充填して形成されたＭＲ部１０と、ＭＲ部１０と不図示の絶縁膜を介して重なるように形成されたバイパス部１３とからなる。

ヨーク部１１，１２は、磁束を案内する方向（ＭＲ部１０を挟み込む方向）の長さが２５０μｍ、幅が８０μｍ、厚さが０．５μｍで、１μｍのギャップＧを形成して対向している。また、ヨーク部１１，１２は、バイパス部１３側の面が、磁束を案内する方向にＭＲ部１０側の端面からそれぞれ２μｍ長さに渡ってテーパ状に傾斜しており、ギャップＧを形成する端部の厚みは０．３μｍである。バイパス部１３は、磁束を案内する方向の長さが５μｍ、つまり、ＭＲ部１０のヨーク部１１，１２のテーパ部を覆う部分を含む全長と等しく、。ＭＲ部１０とバイパス部１３との隙間ｄ（スパッタＳｉＯ_２薄膜で形成された絶縁膜の厚み）は、０．０５μｍである。

この磁界検出素子７ｃでは、ＭＲ部１０として、１０ＫＯｅにおけるＭＲ比が１４％である（ＦｅＣｏ）_３０−（ＭｇＦ２）_７０からなるギャップＧでの膜厚０．３μｍのナノグラニュラー膜を、ヨーク部１１，１２として、１０ＫＯｅにおける磁束密度が１２ＫＧであり、幅方向に２０Ｏｅ程度の一軸誘導磁気異方性を有し、透磁率がゼロ磁界から飽和磁界まで略線形的に変化するアモルファスＣｏ_７８Ｆｅ_４Ｓｉ_９Ｂ_９膜を用いた。また、バイパス部１３は、ヨーク部１１，１２と同じ材質アモルファス膜を用いた。

図９に、本実施形態の磁界検出素子７ｃのバイパス部１３の厚みを０．２μｍとし、バイパス部１３の幅を、それぞれ、ヨーク部１１，１２と同じ８０μｍ、半分の４０μｍ、４分の１の２０μｍ、８分の１の１０μｍとしたものにおける、ＭＲ部１０を含むヨーク部１１とヨーク部１２との間の電気抵抗（ＭＲ比）の入力磁界の強度に対する変化の実測結果を示す。

図示するように、磁界検出素子７ｃにおいても、第１実施形態と同様に、入力磁界が１０（Ｏｅ）より弱い範囲では、バイパス部１３によって、ＭＲ比の曲線が横軸方向に引き延ばされ、入力磁界が強くなってバイパス部１３が完全に飽和した後は、バイパス部のない従来の磁界検出素子の曲線を横軸方向に並行移動したものと略一致するような曲線が描かれる。さらに、本実施形態では、ヨーク部１１，１２も、約２０（Ｏｅ）の磁界強度において飽和している。このため、これ以上の磁界強度では、ＭＲ比の減少率が大きく低下している。

さらに、バイパス部１３の幅が広い程、バイパス部を迂回する磁束数が多くなり、その挙動が磁束数の増加により非線形的に大きく変化するため、入力磁界の強度がバイパス部１３を飽和させる辺りにおける線形性を改善する効果が大きくなるので、ＭＲ比が線形となる範囲が広くなる。同時に、バイパス部１３の幅が広い程、バイパス部を迂回する磁束数が多くなるため、入力磁界の変化に対するＭＲ比の変化率は小さくなる。但し、ヨーク部１１，１２が飽和すると線形性が損なわれるので、バイパス部１３によるＭＲ比特性を改善する磁界強度の範囲は、ヨーク部１１，１２が飽和する磁界強度より低い範囲でなければならない。つまり、本実施形態において、線形範囲を最も広くした場合、その線形範囲は、バイパス部１３が飽和し始めてから、ヨーク部１１，１２が飽和し始めるまでとなる。

図１０に、本実施形態の磁界検出素子７ｃのバイパス部１３の幅を８０μｍとし、バイパス部１３の厚みを０．２μｍとしたものと０．１μｍとしたもの、さらに、バイパス部のないものにおける、ＭＲ部１０を含むヨーク部１１とヨーク部１２との間の電気抵抗（ＭＲ比）の入力磁界の強度に対する変化の実測結果を示す。

図示するように、バイパス部１３の厚みが大きい程、入力磁界の強度が低いときにＭＲ比の曲線を横方向に拡げる度合いが大きくなるため、バイパス部１３が飽和する入力磁界の強度が高くなる。さらに、図１０において、バイパス部１３の幅を８０μｍ、厚みを０．１μｍとした場合のＭＲ比の曲線は、図９における、バイパス部１３の幅を４０μｍ、厚みを０．２μｍとした場合ＭＲ比の曲線と略一致する。つまり、他の条件が一定の場合、バイパス部１３の断面積が同じであればＭＲ比の特性が略同じになる。

また、ヨーク部１１，１２およびバイパス部１３の磁束の飽和し易さも、それぞれの断面積に依存する。本実施形態では、ヨーク部１１，１２とバイパス部１３とが同じ材質で形成されているので、バイパス部１３の断面積をヨーク部１１，１２の断面積より小さくすべきである。尚、ここにいう断面積とは、それぞれを通過する磁束数を制限する実効的な断面積を指す。

したがって、磁界検出素子７ｃにおいて、バイパス部１３の断面積と、ヨーク部１１，１２の断面積との比を選択することによって、バイパス部１３を介した磁路のリラクタンス（２Ｒ_ＹＯＫ＋２Ｒ_ＧＡＰ＋Ｒ_ＧＭＲ）と、ＭＲ部１０を介した磁路のリラクタンス（２Ｒ_ＹＯＫ＋Ｒ_ＧＭＲ）とのバランスを調整できる。

本実施形態の磁界検出素子７ｃにおいて、上面から見た、バイパス部１３とヨーク部１１，１２の重なる面積を変えることによっても、バイパス部１３を介した磁路のリラクタンス（２Ｒ_ＹＯＫ＋２Ｒ_ＧＡＰ＋Ｒ_ＧＭＲ）と、ＭＲ部１０を介した磁路のリラクタンス（２Ｒ_ＹＯＫ＋Ｒ_ＧＭＲ）とのバランスを調整できる。

また、本実施形態において、バイパス部１３と、ヨーク部１１，１２との間の隙間ｄの大きさを変えることによっても、バイパス部１３とヨーク部１１，１２との間のリラクタンスＲ_ＧＡＰを変更できる。

本実施形態では、バイパス部１３を、ＭＲ部１０の片側に重なるように配設しているが、バイパス部１３は、ヨーク部１１，１２に発生した磁束を誘導して、ＭＲ部１０を迂回させられるものであればいかなる形態であってもよい。例えば、バイパス部１３を、ＭＲ部１０（ヨーク部１１，１２のギャップＧ）の両側または側方に配設してもよい。また、ＭＲ部１０がヨーク部１１，１２のギャップＧの一部分のみを占有する場合、バイパス部１３をヨーク部１１，１２のギャップＧの中に配設してもよい。

図１１に、本発明の第３実施形態である磁界検出素子７ｄを示し、図１２に、本発明の第４実施形態である磁界検出素子７ｅを示し、図１３に、本発明の第５実施形態である磁界検出素子７ｆを示す。

第３実施形態の磁界検出素子７ｄは、図１１に示すように、バイパス部１３が、ＭＲ部１０のギャップＧの部分のみと重なるように形成されている他は、第２実施形態の磁界検出素子７ｃと同じ構成である。

第４実施形態の磁界検出素子７ｅは、図１２に示すように、第３実施形態の磁界検出素子７ｄのバイパス部１３を、ヨーク部１１，１２の長さ方向、つまり、バイパス部１３が磁束を案内する方向に、不均一に拡張した形状を有する。具体的には、バイパス部１３は、幅方向（磁束を案内する方向に直交する方向）の両端がギャップＧの部分のみと重なるが、幅方向内側ほど磁束を案内する方向に長く、特に、幅方向中心部は、三角形状に突出し、先端がヨーク部１１，１２のテーパ開始部分に対向する位置まで延伸した、概略十字星形をなしている。

第５実施形態の磁界検出素子７ｆは、図１３に示すように、第４実施形態の磁界検出素子７ｅのバイパス部１３の星形をより極端な形状にしたものであり、本実施形態のバイパス部１３は、幅方向両端部が磁束を案内する方向の長さがゼロになるように尖っており、幅方向中心部の三角形の突出部も頂角が小さい尖鋭な形状になっている。つまり、バイパス部１３が磁束を案内する方向の長さが極端に変化している。

図１４に、磁界検出素子７ｄ，７ｅ，７ｆ、並びに、バイパス部１３を設けないＭＲ部１０とヨーク部１１，１２のみからなる従来の磁界検出素子について、ＭＲ部１０を含むヨーク部１１とヨーク部１２との間の電気抵抗（ＭＲ比）の入力磁界の強度に対する変化特性のシミュレーション結果を示す。

第３実施形態の磁界検出素子７ｄは、第２実施形態の磁界検出素子７ｃと同様に、バイパス部１３が飽和し始める（捕捉する磁束数が磁界強度に比例して上昇しなくなる）約１０（Ｏｅ）までは、ＭＲ比の減少率が小さく、線形性が低い。しかしながら、第４実施形態の磁界検出素子７ｅおよび第５実施形態の磁界検出素子７ｆでは、磁界強度が低いときからヨーク部１１，１２が飽和し始める約２０（Ｏｅ）までの広い範囲でＭＲ比が直線的に減少しており、第３実施形態の磁界検出素子７ｄと比較して、線形性が大幅に改善されている。

磁界検出素子７ｅ，７ｆのバイパス部１３は、幅方向の中央部が突出しているので、入力磁界が弱いときは、この部分に磁束が誘引され、幅方向中央部に磁束が集中する。このため、バイパス部１３の幅方向中央部は、低い磁界強度で他の部分よりも先に飽和する。さらに、磁界強度が上昇すると、バイパス部１３の飽和する範囲が中央部から幅方向両側および長さ方向に漸次拡がってゆく。これにより、バイパス部１３の飽和によりＭＲ比の線形性を改善する作用が、幅方向にタイミングをずらして部分的に発揮され、磁界強度が低いときから高いときまで、広い範囲でＭＲ比を直線的に変化させられる。

同様に、バイパス部１３を部分的に異なる磁界強度において飽和させ、ＭＲ比の線形性を改善する効果を得るために、図１５に示す本発明の第６実施形態の磁界検出素子７ｇのように、バイパス部１３を、磁束を案内する方向に長さの異なる複数の分離された部分に分割して形成してもよい。また、図１５に示す本発明の第７実施形態の磁界検出素子７ｈのように、バイパス部１３の厚みを、幅方向に変化させてもよい。

さらに、本発明では、バイパス部１３の材質を異ならせることによっても、ＭＲ部１０の磁界強度に対する電気抵抗変化の曲線の形状を変えることができる。ここでは、図１７に示す本発明の第８実施形態である磁界検出素子７ｉのバイパス部１３を、異なる軟磁性材料で形成して、ＭＲ比の変化特性の違いを検証する。

磁界検出素子７ｉにおいて、ＭＲ部１０およびヨーク部１１，１２の材質および形状は、上述の第２実施形態と同じである。また、磁界検出素子７ｉのバイパス部１３は、長さがＭＲ部１０の全長と等しい５μｍ、厚みが０．２μｍ、幅がＭＲ部１０およびヨーク部１１，１２と等しい８０μｍであり、ＭＲ部１０との間の隙間が０．０５μｍである。

図１８は、バイパス部１３を形成する３種類の軟磁性材料のＢ−Ｈ曲線（磁界強度に対する磁束数の変化）を示す。通常材料は、上述の第２実施形態と同様に、ヨーク部１１，１２と同じく、金属材料を配向磁界下で形成した通常の軟磁性材料薄膜、例えばアモルファスＣｏ_７８Ｆｅ_４Ｓｉ_９Ｂ₉膜であり、磁界強度の増加に正比例して磁束数が線形的に増加し、入力磁界がある強度に達すると、飽和して、入力磁界が強くなっても磁束数が増加しなくなる特性を有する。第１の代替材料は、ヨーク部１１，１２と同じ組成であるが、通常の磁性材料の製法と異なり、ランダムな配向磁界を与えつつ形成し、一軸誘導磁気異方性を除去したものである。これにより、第１の代替材料は、入力磁界の増加に対する磁束密度の増加率が徐々に低下するような非線形のＢ−Ｈ特性を有する。また、第２の代替材料は、例えばＣｏ_６５Ｆｅ_３Ｓｉ_１５Ｂ_１７のように、ヨーク部１１，１２で使用した材料に、ＳｉやＢ等の非磁性元素をより多く添加した材料を、ランダムな配向磁界中で形成したものである。これにより、第２の代替材料は、第１の代替材料のＢ−Ｈ特性を、入力磁界強度に対する磁束密度が半分になるように、縦軸方向に約２分の１に圧縮したたような特性となっている。

図１９に、バイパス部１３を図１８に示した磁気特性の異なる材料で形成した磁界検出素子７ｉ、および、バイパス部のない従来の磁界検出素子について、ＭＲ部１０を含むヨーク部１１とヨーク部１２との間の電気抵抗（ＭＲ比）の磁界強度に対する変化のシミュレーション結果を示す。図示するように、第１代替材料からなるバイパス部１３は、通常材料からなるバイパス部１３に比べて、ＭＲ比の線形性を高めることができる。第２の代替材料からなるバイパス部１３は、第１の代替材料からなるバイパス部１３の断面積を２分の１にしたものと略同様のＭＲ比特性を与えていると考えられる。

このように、Ｂ−Ｈ特性が非線形な軟磁性材料によってバイパス部１３を形成することにより、ＭＲ部１０およびヨーク部１１，１２の非線形性をより適切に相殺して、ＭＲ部１０を含むヨーク部１１とヨーク部１２との間の電気抵抗（ＭＲ比）を、磁界強度に対して線形に変化させるようにできる。バイパス部１３に非線形のＢ−Ｈ特性を付与する方法として、ランダムな配向磁界中で形成する他、熱処理による方法や、薄膜成形の速度、温度、雰囲気ガス等の条件によって結晶の大きさや配向性を調整する方法がある。また、材料組成についても、コバルト・鉄系のアモルファス、および、ニッケル・鉄系、鉄・シリコン系や鉄・シリコン・アルミ系等の材料が適用できる。

さらに、図２０に示す本発明の第９実施形態の磁界検出素子７ｊのように、バイパス部１３を、磁束を案内する方向に、異なる磁気特性を有する複数の材料を並べて形成してもよい。これによって、バイパス部１３全体として、より好ましいＢ−Ｈ特性、つまり、磁界強度変化に対して非線形にバイパス量を変化させて、ＭＲ部１０およびヨーク部１１，１２の磁界強度に対する非線形性を補償できる特性を有し得る。

さらに、図２１に示す本発明の第１０実施形態の磁界検出素子７ｋのように、ＭＲ部１０およびヨーク部１１，１２と、バイパス部１３とを絶縁する絶縁膜（絶縁層）１４を、導電率が非常に小さく、小さな透磁率を有し、且つ、磁気特性（Ｂ−Ｈ曲線）が非線形な半導体的磁性材料で形成することによっても、バイパス部１３にバイパスされる磁束数を非線形に変化させて、ＭＲ部１０およびヨーク部１１，１２の非線形性を補償することができる。この絶縁膜１４の材料としては、例えば、ＭｎＺｎフェライト膜、ＮｉＺｎフェライト膜、ＣｕＺｎフェライト膜、ＣｕＺｎＭｇフェライト膜、等が挙げられる。

１…信号伝達素子
３ａ，３ｂ…励磁コイル
７ａ〜７ｋ…磁界検出素子
１０，１０ａ，１０ｂ…磁気抵抗効果部（ＭＲ部）
１１，１１ａ，１１ｂ，１２，１２ａ，１２ｂ…ヨーク部
１３，１３ａ，１３ｂ…バイパス部
１４…絶縁膜

Claims (7)

1. 磁気抵抗効果材料からなる磁気抵抗効果部と、
   前記磁気抵抗効果部の両側に電気的に接続して配設され、前記磁気抵抗効果部に磁束を供給する、軟磁性材料からなる一対のヨーク部と、
   前記ヨーク部に発生した磁束の一部を誘導して前記磁気抵抗効果部を迂回させ、前記ヨーク部よりも低い磁界強度で磁束が飽和する、軟磁性材料からなるバイパス部とを有する磁界検出素子。
2. 前記バイパス部は、前記磁気抵抗効果部および前記ヨーク部と電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の磁界検出素子。
3. 前記磁気抵抗効果部および前記ヨーク部は、同一平面上に膜状に形成され、
   前記バイパス部は、前記磁気抵抗効果部と少なくとも部分的に重なるように、且つ、前記ヨーク部との間に隙間を空けて膜状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁界検出素子。
4. 前記バイパス部の磁束が飽和しない磁界強度において、前記ヨーク部の間の、前記バイパス部を介して前記磁気抵抗効果部を迂回する磁路のリラクタンスが、前記磁気抵抗効果部のリラクタンスより小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の磁界検出素子。
5. 前記バイパス部は、部分的に、異なる磁界強度で磁束が飽和することを特徴とすることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の磁界検出素子。
6. 前記バイパス部は、磁束を案内する方向の長さが異なる部分を含むことを特徴とする請求項５に記載の磁界検出素子。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の磁界検出素子と、入力信号に応じて前記磁界検出素子に磁界を印加するコイルとを有することを特徴とする信号伝達素子。

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