JP5333957B2 - 磁気センサ及び回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転する磁場を検知するための磁気センサ及び回転角度検出装置に関する。

磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは、非接触での検出を実現するものとして有用であり、回転角度を測定することを目的として磁気エンコーダや磁気回転角度センサが利用されている。特に、絶対角を測定するためには、回転する磁場に対して磁気抵抗効果素子の検出感度が等方的であり、どのような磁場の向きに対しても検出誤差が小さいことが重要である。このような磁気回転角度センサを実現することを目的として、例えば、特許文献１には、図１０に示すような螺旋形状の磁気抵抗効果素子（螺旋型素子）が開示されている（本発明の図面の符号と区別するために、符号の説明を１００番台で示す）。これは磁気抵抗効果素子の形状に起因した磁気的異方性、即ち形状磁気異方性を低減するために螺旋型素子を構成し、回転する磁場に対して等方性を向上させる技術である。また、特許文献１には、図１１に示すような蛇行形状の磁気抵抗効果素子（蛇行型素子）が開示されている。半円形の磁気抵抗効果素子を連結させた蛇行形状を用いることで、半円形の円弧の特徴である磁気的な等方性を実現しようとするものである。特許文献２には、図１２に示すように半円形を組み合わせた磁気抵抗効果素子が開示されている（本発明の図面の符号と区別するために、符号の説明を２００番台で示す）。

特許第３５８７６７８号公報（図３，図４） 実開昭４８−０８６７６５号公報（第５図）

図１０の螺旋型素子の場合、形状磁気異方性に起因する保磁力の大きさが螺旋の曲率半径によって変化するため、螺旋型素子の中心部と外周部で検出感度に差が生じる。その結果、磁気センサを小型化するために磁気抵抗効果素子のパターンの面積を縮小すると、検出感度の異方性が顕著になるという問題点があった。

図１１のように半円形の磁気抵抗効果素子を連結した場合、円弧部と半円接続部では外部磁場に対して磁気エネルギーが異なっており、円弧部では水平方向（紙面での横方向）の磁気異方性を示し、半円接続部では垂直方向（紙面での上下方向）の磁気異方性を示す。このとき、蛇行型素子を構成する円弧部と半円接続部の数は、必ず半円接続部の方が１つ多くなることから磁気抵抗効果素子全体の磁気異方性を十分小さくするには不十分なことがある。

図１２のように円弧の端が配線に接続されていると、円弧部と半円の端では外部磁場に対して磁気エネルギーが異なっており、円弧部では垂直方向（紙面での上下方向）の磁気異方性を示し、円弧の端では水平方向（紙面での横方向）の磁気異方性を示す。円弧の端における磁気異方性をキャンセルすることは難しい。

かかる状況において、磁気抵抗効果素子の形状磁気異方性を十分小さくする為には、円盤形状の磁気抵抗効果素子（円盤型素子）を用いることが理想的である。しかし、円盤型素子または前記円盤型素子を複数個連ねた素子では、電流を流したときに円盤内部の電位分布が一様ではないという問題点がある。また、所望の電気抵抗を得るためには円盤型素子の面積を大きくすることになり、小型化に反するという問題点もある。

本発明は、このような問題に着目してなされたものであり、検出感度の異方性を抑え、磁気的等方性を有し且つ小型の磁気センサおよびそれを用いた回転角度検出装置を提供することを目的とするものである。

本発明の磁気センサは、非磁性の中間層を介して２つの強磁性膜が積層されたスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサであって、前記スピンバルブ型磁気抵抗効果素子の形状は複数のリングが連なった形状であり、前記複数のリングが電気的に接続されている状態で通電され、外部磁場に対して前記スピンバルブ型磁気抵抗効果素子の電気抵抗が変化することを特徴とする。前記リングは電気的に接続する部位の間の１箇所に切り欠きを有してもよい（即ち、Ｃ字型素子とする）。さらに、本発明の回転角度検出装置は、前記スピンバルブ型磁気抵抗効果素子が少なくとも２つ含まれるブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の抵抗が回転する磁場に対して変化することを検出する。ここで、強磁性膜は単層膜或いは少なくとも１層の強磁性層を含む多層膜のいずれでもよい。一方の強磁性膜は製膜時に磁化方向を固定した固定層として用い、他方の強磁性膜は回転磁場の向きに沿って磁化方向が自由に回転する自由層として用いる。リングが連なった形状とは、複数のリング型の磁気抵抗効果素子（以下、リング型素子と称する。）を直接連結した構造、複数のリング型素子を一括パターニングで一体に形成した構造、或いは配線を介して複数のリング型素子を電気的に接続した構造を含む。

本発明では、上述の問題を解決するために、円盤型素子の中心近傍をくり抜いてリング形状の磁気抵抗効果素子（リング型素子）を作製し、リング型素子の１端から他端に流す電流の流路の幅（電気抵抗の幅）を一定にする。前記幅を制御することによって、所望の電気抵抗（磁場を印加していないときに比較する電気抵抗）を得ることができる。

また、本発明では、リング型素子を複数個連ねて磁気センサ用の素子を構成してもよい。各々のリング型素子の配置は、例えば図３のように同心円状の回路とすることもできる。しかし、同心円に配置しつつ接続するリング型素子から電気信号を取り出すための配線又は端子は、立体的な配置を必要とすることから、図１に示すようにリング型素子同士を接続する構成の方が、磁気センサを得るための積層構造の複雑化を避け、且つ製造コストを低減するうえでも望ましい。

なお、リング型素子の一部を切り欠いた形状（Ｃ字型素子）とすることができる。ただし、前記Ｃ字型素子に電流を流す配線又は端子とは重ならない位置で切り欠くものとする。望ましくは、配線又は端子の位置からリングの周方向で約９０°ずれた位置で切り欠きを設けるのがよい。さらに、前記Ｃ字型素子を複数個連ねて磁気センサ用の素子を構成することもできる。

本発明によれば、検出感度の異方性を抑え、磁気的等方性を有し且つ小型の磁気センサ及びそれを用いた回転角度検出装置を提供することができる。

以下、本発明についてさらに具体的な実施形態を用いて説明する。ただし、これら実施形態により本発明が限定されるものではない。なお、類似の部品については同じ符号で説明する。

図１は本発明の１実施形態に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。３個のリング型素子１ａ，１ｂ，１ｃはいずれもスピンバルブ型磁気抵抗効果素子であり、直線上に並べつつ互いの端を重ねて形成することで電気的に連結したリング型素子１Ａを構成した。同様の構成であって、長手方向を時計周りに９０°，１８０°及び２７０°傾けた「連結したリング型素子１Ｂ，１Ｃ及び１Ｄ」を形成し、配線で接続するとホイートストーンブリッジを構成することができた。なお、さらに発展した構成を図２に示す。図２は本発明の実施形態に係る磁気センサ９の平面図であり、第１のブリッジ回路と第２のブリッジ回路を基板４上に形成したものである。第１のブリッジ回路は、連結したリング型素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ及び１Ｄでホイートストーンブリッジを構成すると共に、端子３ｅをＶｃｃとし、端子３ｆをＧｎｄとし、端子３ａと端子３ｊとの間で出力電圧Ｖｏ１と得る。第２のブリッジ回路は、連結したリング型素子１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ及び１Ｈでホイートストーンブリッジを構成すると共に、端子３ｃをＶｃｃとし、端子３ｈをＧｎｄとし、端子３ｂ及び３ｇと端子３ｄ及び３ｉとの間で出力電圧Ｖｏ２と得る。各々のリング型素子を構成するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向は太い矢印で示した。第１のブリッジ回路に対して第２のブリッジ回路は固定層磁化方向を９０°回転させたので、正弦波的に変化する回転磁場を基板に平行な向きに印加すると、出力電圧Ｖｏ１とＶｏ２はコサイン波とサイン波の関係になり、逆正接（ｔａｎ^−１θ）演算を行うと、回転角度θを求めることができる。

図３は本発明の実施形態に係る他の磁気抵抗効果素子の平面図である。図３（ａ）では、外径が異なり且つ線幅が同じである３個のリング型素子１１ａ，１１ｂ及び１１ｃを同心円となるように配置し、Ｃｕ製の電極膜を配線として接続した。電流は、配線１２ａ→リング型素子１１ａ→配線１２ｂ→リング型素子１１ｂ→配線１２ｃ→リング型素子１１ｃ→接合部１２ｄ_２→配線１２ｄ（他の部材と重なるので、分かり易くするため、点線で表示）の順に流した。各々のリング型素子は円環形状であり、回転磁場に対して磁気的に等方性を有する素子を得た。図３（ｂ）では、図３（ａ）の構成において、さらにリング型素子に１箇所づつ切り欠きを形成してＣ字型素子とした。Ｃ字型素子１３ｂを見ると、電流は配線１２ｂから流入し、Ｃ字型素子１３ｂで切り欠き１４の無い側の半円部分を流れ、配線１２ｃから流出することになる。即ち、Ｃ字型素子において、磁気的な能動部と電気的な経路は異なる。配線１２ｂ及び１２ｃとＣ字型素子の接合部の近傍には切り欠きを形成していないので（切り欠き１４と接合部が離れているので）、前記接合部近傍ではＣ字型素子は磁気的にほぼ等方性であり、切り欠き１４の形状異方性が出力電圧に歪みを与える程度を小さくすることができた（磁気的等方性を得られる（ａ）の構成は出力電圧に問題となるような歪みは発生していない。）。これに対して、図１２の従来例のように磁気抵抗効果素子の半円の端が配線に接続されていると、半円の端における磁気的異方性が出力電圧に無視できない歪みを発生させるという問題が発生した。なお、図３（ｂ）では、各々のＣ字型素子で切り欠きの無い側の半円部分に電流が流れるため（切り欠きのある側の半円部分には電流が流れない）、磁気センサの出力を大きくすることができた。図１に示す連結したリング型素子１Ａの構造についても、各々の一方の半円部分に切り欠きを形成したところ、図１２（ｂ）と同様の機能を得ることができた。

図４は本発明の実施形態に係る他の磁気抵抗効果素子の平面図である。図４（ａ）は基板２４上に、端子部２３，１体に形成したリング型素子２３及び端子部２３を連結した磁気センサ２９である。３個のリング型素子を連結した部分は、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子を製膜しておき、ついで３個のリングに対応する形状にパターニングして得た。１対の端子部２３はＣｕ膜で構成した。図４（ｂ）は基板３４上に、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子からなる３個のリング型素子３１ａ，３１ｂ及び３１ｃが連なるように形成し、１対の端子３３も形成した後に、各々の間に配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ及び３２ｄを形成することで電気的に接続した磁気センサ３９である。

図５は本発明の実施形態に係る他の磁気センサ４９の平面図である。図５に示す回路では、基板４４上において、連結したリング型素子４１ａ及び４１ｂ（３重丸で表わした接続端子を介して４１ａ及び４１ｂを接続しＶ字型に配置）と連結したリング型素子４１ｇ及び４１ｈは図中で上向きの磁場に対して電気抵抗が小さくなり、連結したリング型素子４１ｃ及び４１ｄと連結したリング型素子４１ｅ及び４１ｆは図中で下向きの磁場に対して電気抵抗が小さくなるものをホイートストーンブリッジに組み込んだ構造である。連結したリング型素子を構成する３個のリング型素子は、いずれもスピンバルブ型磁気抵抗効果素子であり、直線上に並べつつ互いの端を重ねて形成することで電気的に接続した。連結したリング型素子４１ａ及び４１ｂを構成するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向は上向きの太い矢印で示した。各々の連結したリング型素子は３個のリング型素子が直線状に接続されているが、これは図８及び図９に示される様に、曲線状配置の構成も可能である。ただし、素子配置による異方性を発生させないようにするため、リング型素子からなる磁気回路は回転対象に配置されることが必要である。なお、図９の磁気センサの配線は、図２と同様としたので説明を省略する。

図６は、図５の磁気センサにおけるブリッジ回路を説明する回路図である。第１のブリッジ回路と第２のブリッジ回路を基板４４上に形成したものである。第１のブリッジ回路は、連結したリング型素子４１ａ及び４１ｂ，４１ｃ及び４１ｄ，４１ｅ及び４１ｆ，４１ｇ及び４１ｈでホイートストーンブリッジを構成すると共に、端子４３ｅをＶｃｃとし、端子４３ｆをＧｎｄとし、端子４３ａと端子４３ｊとの間で出力電圧Ｖｏ１と得る。第２のブリッジ回路は、連結したリング型素子４１ｉ及び４１ｊ，４１ｋ及び４１ｌ，４１ｍ及び４１ｎ，４１ｏ及び４１ｐでホイートストーンブリッジを構成すると共に、端子４３ｃをＶｃｃとし、端子４３ｈをＧｎｄとし、端子４３ｂ及び４３ｇと端子４３ｄ及び４３ｉとの間で出力電圧Ｖｏ２と得る。各々のリング型素子を構成するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向は太い矢印で示した。第１のブリッジ回路に対して第２のブリッジ回路は固定層磁化方向を９０°回転させたので、正弦波的に変化する回転磁場を基板に平行な向きに印加すると、出力電圧Ｖｏ１とＶｏ２はコサイン波とサイン波の関係になり、逆正接（ｔａｎ^−１θ）演算を行うと、回転角度θを求めることができる。なお、他の実施形態として、図６中の上側のブリッジ回路にて、２辺における連結したリング型素子を通常の電気抵抗に置き換えたハーフブリッジとする場合、図６中の下側のブリッジ回路でも、２辺における連結したリング型素子を通常の電気抵抗に置き換えたハーフブリッジとした。

図７（ａ）は図６の磁気センサを用いたセンサデバイスの平面図であり、図７（ｂ）は前記センサデバイスを用いた回転角度検出装置の概略図である。センサデバイス５９は、磁気センサ４９をリードフレーム上に設け、磁気センサ４９の端子と電極ピン５２とをボンディングワイヤ５３で電気的に接続し、モールド樹脂５１で被覆して構成した。このセンサデバイス５９は、径方向ＮＳ２極に着磁した円盤状永久磁石５６に対向するように配置した。前記円盤状永久磁石５６は磁石支持部５５を介して回転軸５４に接続されており、回転軸が回転すると、センサデバイス５９に印加される磁力線５７のうちｘｙ平面に平行な成分も回転軸と同じように回転する。この回転磁界をセンサデバイス５９で検知した。

本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。 本発明の実施形態に係る磁気センサの平面図である。 本発明の実施形態に係る他の磁気抵抗効果素子の平面図である。 本発明の実施形態に係る他の磁気抵抗効果素子の平面図である。 本発明の実施形態に係る他の磁気センサの平面図である。 図５の磁気センサにおけるブリッジ回路を説明する回路図である。 （ａ）図６の磁気センサを用いたセンサデバイスの平面図、及び（ｂ）前記センサデバイスを用いた回転角度検出装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る他の磁気抵抗効果素子の平面図である。 本発明の実施形態に係る他の磁気センサの平面図である。 従来の磁気センサの平面図である。 従来の他の磁気センサの平面図である。 従来の他の磁気センサの平面図である。

１ａ，１ｂ，１ｃ：リング型素子、１Ａ：連結したリング型素子、
１ｄ，１ｅ，１ｆ：リング型素子、１Ｂ：連結したリング型素子、
１ｇ，１ｈ，１ｉ：リング型素子、１Ｃ：連結したリング型素子、
１ｊ，１ｋ，１ｌ：リング型素子、１Ｄ：連結したリング型素子、
１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ：連結したリング型素子、
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ：端子、
３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｉ，３ｊ：端子、
４：基板、９：磁気センサ、
１１ａ：内側のリング型素子、１１ｂ：中間のリング型素子、
１１ｃ：外側のリング型素子、
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ：配線（電極膜）、１２ｄ_２：接合部、
１３ａ：内側のＣ字型素子、１３ｂ：中間のＣ字型素子、
１３ｃ：外側のＣ字型素子、１４：切り欠き、
２１：一体形成したリング型素子、２３：端子部、２４：基板、２９：磁気センサ、
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ：リング型素子、
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ：配線、
３３：端子、３４：基板、３９：磁気センサ、
４１ａ，４１ｂ：連結したリング型素子、４１ｃ，４１ｄ：連結したリング型素子、
４１ｅ，４１ｆ：連結したリング型素子、４１ｇ，４１ｈ：連結したリング型素子、
４１ｉ，４１ｊ：連結したリング型素子、４１ｋ，４１ｌ：連結したリング型素子、
４１ｍ，４１ｎ：連結したリング型素子、４１ｏ，４１ｐ：連結したリング型素子、
４２ｅ_１，４２ｅ_２，４２ｆ_１，４２ｆ_２：配線、
４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ：端子、
４３ｆ，４３ｇ，４３ｈ，４３ｉ，４３ｊ：端子、
４４：基板、４９：磁気センサ、
５１：モールド樹脂、５２：電極ピン、５３：ボンディングワイヤ、５４：回転軸、
５５：磁石支持部、５６：円盤状永久磁石、５７：磁力線、５９：センサデバイス、
６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ，６１Ｄ：連結したリング型素子、
６１Ｅ，６１Ｆ，６１Ｇ，６１Ｈ：連結したリング型素子、
６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄ，６３ｅ：端子、
６３ｆ，６３ｇ，６３ｈ，６３ｉ，６３ｊ：端子、６９：基板、
１０３：磁界センサ、１０８：基板、１３０：磁気抵抗効果膜、
１３０ａ，１３０ｂ：螺旋状の形状パターンの両端部、
１３１：磁気抵抗効果膜のパターン形状、１３７：絶縁膜、
１９１，１９５，１９１ａ，１９５ａ：導電体電極膜、
１０４：磁界センサ、１４０：磁気抵抗効果膜、
１４１：磁気抵抗効果膜のパターン形状、１４１ａ：略半円状、
２０１：磁気抵抗効果素子、２０１Ａ：素子本体部、２０１Ｂ：補助素子部、
２０２：メタルバー、２０３：回転ヨーク、
２１３，２２１，２２２，２２３，２２４，２２５：端子、

Claims (3)

1. 非磁性の中間層を介して２つの強磁性膜が積層されたスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いてホイートストーンブリッジ回路を構成した磁気センサであって、
   前記スピンバルブ型磁気抵抗効果素子の形状は、切り欠きの有るＣ字型素子を複数個連結した形状であり、
   前記Ｃ字型素子は、隣接のＣ字型素子または端子の位置からリングの周方向で９０°ずれた位置に切り欠きを１つ有し、
   前記切り欠きが、隣接のＣ字型素子または端子の接合部から離れていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記Ｃ字型素子を複数個連結した形状は、Ｃ字型素子を同心円状に配置し、
   前記Ｃ字型素子は、隣接のＣ字型素子の切り欠きの位置からリングの周方向に１８０°ずれた位置に１つ切り欠きを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 請求項１または２に記載の磁気センサを備えることを特徴とする回転角度検出装置。

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