JP5387583B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜により構成された磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサを具備する回転角度検出装置であって、磁気センサの製造ばらつき等による角度誤差を低減した回転角度検出装置に関する。

回転角等の変化を非接触で検出できる磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは、回転磁界に対して良好な検出感度を有することが要求される。高感度な磁気抵抗効果素子に、異方性を有する磁化固定層（単に「固定層」という）と、固定層の上に形成された磁気的結合を切る非磁性中間層と、非磁性中間層の上に形成された外部磁界により磁化方向が任意の方向に回転する自由層とを有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果（SVGMR）膜が用いられる。SVGMR膜を有する素子をホイートストンブリッジ状に接続すると、外部磁界の方向により出力電圧が変化する磁気センサが得られる。

特開2001-159542号は、磁気抵抗素子を有する基板と、前記磁気抵抗素子を接続してブリッジ回路を構成する配線基板と、前記基板及び配線基板を保持するセンサホルダとを有し、前記センサホルダ上に前記基板を4の倍数だけ有するとともに、少なくとも2つの基板が配線基板面上で80〜100°傾斜している回転角度センサを開示している。この回転角度センサでは同一ウェハから切り出した4つの素子がブリッジ接続されているが、ウェハ面内でのバラツキを吸収できない。

特表2003-502876号は同一ウェハ上に複数の感磁方向を有する素子を作製する方法を開示している。この方法では、所望の素子パターンを形成した後、ヒータで素子を局部的に加熱しながら外部磁界を印加することにより、固定層磁化方向を所望の方向に設定する。図41及び図42はこの方法により得られた素子の配置を示す。図42に拡大して示すように、矢印方向100には反平行の固定層磁化方向を有する素子が存在するが、矢印方向100と直交する矢印方向100’には反平行の固定層磁化方向を有する素子が存在しない。そのため、このような素子配置でブリッジ回路を形成しても同相の出力しか得られず、フルブリッジ出力が得られない。また素子間の角度が90°である素子配置では、角度誤差及び歪みが小さい出力信号が得られない。

特開2005-024287号はAMR効果をキャンセルするために長手方向が90°異なるパターンを接続した素子を開示している。また特許第3587678号はH_kを低減した半円形状又は螺旋状の素子パターンを提案している。しかしこれらの構成はAMR効果をキャンセルしたりH_kを低減したりするだけで、角度誤差を低減するために信号処理をしている訳ではない。

従って本発明の目的は、SVGMR素子を用いた磁気センサを具備する回転角度検出装置であって、磁気センサの製造ばらつき等による角度誤差を低減した回転角度検出装置を提供することである。

本発明の第一の回転角度検出装置は、磁石回転子と、前記磁石回転子からの磁束の方向を検出する磁気センサと、補正回路と、角度演算回路とを具備し、
前記磁気センサは、4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路X及び4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路Yを有し、
前記磁気抵抗効果素子の各々は、一方向に固定された磁化方向を有する固定層と、磁化方向が外部磁界方向に揃うように可変な自由層と、前記固定層と前記自由層に挟まれた中間層とを有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜を有し、
前記補正回路は、前記ブリッジ回路Xの出力電圧Vx及び前記ブリッジ回路Yの出力電圧Vyから差（Vx−Vy）及び和（Vx＋Vy）を算出するとともに、両者の振幅を同じに揃え、
前記角度演算回路は、前記補正回路から出力された同じ振幅を有する（Vx−Vy）’信号及び（Vx＋Vy）’信号から求めた（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’を逆正接演算することにより前記磁石回転子の回転角度を求めることを特徴とする。

本発明の第二の回転角度検出装置は、磁石回転子と、前記磁石回転子からの磁束の方向を検出する磁気センサと、オペアンプ回路と、補正回路と、角度演算回路とを具備し、
前記磁気センサは、4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路X及び4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路Yを有し、
前記磁気抵抗効果素子の各々は、一方向に固定された磁化方向を有する固定層と、磁化方向が外部磁界方向に揃うように可変な自由層と、前記固定層と前記自由層に挟まれた中間層とを有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜を有し、
前記オペアンプ回路は、前記ブリッジ回路Xの出力電圧Vx及び前記ブリッジ回路Yの出力電圧Vyから差（Vx−Vy）及び和（Vx＋Vy）を算出し、
前記補正回路は前記オペアンプ回路から出力された（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号の振幅を同じに揃え、
前記角度演算回路は、前記補正回路から出力された同じ振幅を有する（Vx−Vy）’信号及び（Vx＋Vy）’信号から求めた（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’を逆正接演算することにより前記磁石回転子の回転角度を求めることを特徴とする。

前記磁気抵抗効果素子の少なくとも一つの長手方向はその固定層磁化方向に対して36°≦θ＜45°の条件を満たす鋭角θだけ傾いているのが好ましい。

ブリッジ回路X及びブリッジ回路Yの各々における4個の磁気抵抗効果素子のうち、2個の磁気抵抗効果素子は固定層磁化方向に対して鋭角θだけ傾き、残りの2個は鋭角−θだけ傾いているのが好ましい。ブリッジ回路X及びブリッジ回路Yの各々のハーフブリッジを構成する2個の磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向は反平行方向であるのが好ましい。

ブリッジ回路Xの磁気抵抗効果素子の長手方向とブリッジ回路Yの磁気抵抗効果素子の長手方向とは直交しているのが好ましい。

固定層磁化方向が同じ磁気抵抗効果素子を非平行に配置することによりAMR効果がキャンセルされ、角度誤差が抑制される。

スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜における固定層―自由層間の交換結合磁界H_intは±0.4 kA/m以内であるのが好ましい。

本発明の回転角度検出装置は、ブリッジ回路Xの出力電圧Vx及びブリッジ回路Yの出力電圧Vyから得た（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号の振幅を同じに揃えた後、（Vx−Vy）／（Vx＋Vy）を逆正接演算することにより、磁気センサの製造ばらつき等による角度誤差を低減することができる。

回転角度検出装置を概略的に示す側面図である。 磁気抵抗効果膜の層構成の一例を示す断面図である。 磁気抵抗効果膜の層構成の別の例を示す断面図である。 磁気抵抗効果素子が受ける磁気エネルギーを示す概略図である。 直線状の磁気抵抗効果素子を示す概略図である。 九十九折り状の線状磁気抵抗効果素子を示す概略図である。 複数の円を接続した形状の磁気抵抗効果素子の一例を示す概略図である。 複数の円を接続した形状の磁気抵抗効果素子の別の例を示す概略図である。 一部を切り欠いた複数の円を接続した形状の磁気抵抗効果素子の一例を示す概略図である。 一部を切り欠いた複数の円を接続した形状の磁気抵抗効果素子の別の例を示す概略図である。 複数の半円を接続した形状の磁気抵抗効果素子の一例を示す概略図である。 複数の半円を接続した形状の磁気抵抗効果素子の別の例を示す概略図である。 複数の半円を接続した形状の磁気抵抗効果素子のさらに別の例を示す概略図である。 複数の半円を接続した形状の磁気抵抗効果素子のさらに別の例を示す概略図である。 複数の多角形を接続した形状の磁気抵抗効果素子の一例を示す概略図である。 複数の多角形を接続した形状の磁気抵抗効果素子の別の例を示す概略図である。 磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子のブリッジ回路を示す図である。 位相ズレが0°の場合及び1°の場合におけるθ_errとθ_appとの関係を示すグラフである。 位相ズレが1°の場合及び位相ズレを補正した場合におけるθ_errとθ_appとの関係を示すグラフである。 本発明の回転角度検出装置の一例を示す概略図である。 本発明の回転角度検出装置の別の例を示す概略図である。 各ブリッジ回路における磁気抵抗効果素子の配置の一例を示す概略図である。 磁気抵抗効果素子について、形状異方性方向θ_dipと角度誤差θ_errの変化幅Δθ_errとの関係を示すグラフである。 試料1-1及び試料1-4の磁気抵抗効果素子について、基準軸に対する外部磁界H_appの角度θ_appと角度誤差θ_errとの関係を示すグラフである。 試料1-4及び試料1-5の磁気抵抗効果素子について、θ_appとθ_errとの関係を示すグラフである。 試料1-1及び試料1-7の磁気抵抗効果素子について、θ_appとθ_errとの関係を示すグラフである。 試料1-1、試料1-4、試料1-5及び試料1-7の磁気抵抗効果素子の高調波成分を示すグラフである。 試料1-1、試料1-4、試料1-5及び試料1-7の磁気抵抗効果素子の高調波発生率を示すグラフである。 磁気抵抗効果素子の形状異方性H_kdを固定したときの各異方性磁界H_kにおける磁気抵抗効果素子のΔθ_errとθ_dipとの関係を示すグラフである。 H_kを固定したときの各H_kdにおける磁気抵抗効果素子のΔθ_errとθ_dipとの関係を示すグラフである。 AMR効果がある場合とない場合における磁気抵抗効果素子のΔθ_errとθ_dipとの関係を示すグラフである。 各ブリッジ回路における磁気抵抗効果素子の配置の別の例を示す概略図である。 磁気抵抗効果素子が平行配置及び非平行配置の場合に、AMR効果を加味したΔθ_errのθ_dip依存性を示すグラフである。 磁気抵抗効果素子が平行配置の試料2-1、試料2-5及び試料2-7の高調波成分を示すグラフである。 磁気抵抗効果素子が非平行配置の試料3-4及び試料3-5の高調波成分を示すグラフである。 試料2-5及び試料3-5の高調波成分を示すグラフである。 各H_int-R1における磁気抵抗効果素子のΔθ_errとH_int-R5との関係を示すグラフである。 ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置の一例を示す概略図である。 ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係の一例を示す概略図である。 ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係の別の例を示す概略図である。 ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係のさらに別の例を示す概略図である。 ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係のさらに別の例を示す概略図である。 ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係のさらに別の例を示す概略図である。 ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係のさらに別の例を示す概略図である。 ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係のさらに別の例を示す概略図である。 ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係のさらに別の例を示す概略図である。 特表2003-502876号に記載された磁気抵抗効果素子の配置を示す平面図である。 図41の一部の拡大図である。

本発明を図面を参照して以下詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

[1] 回転角度検出装置
図1は回転角度検出装置の一例を示す。この装置は、SVGMR素子をブリッジ接続してなる磁気センサ31と、磁気センサ31に対向する直径方向に2極着磁した円盤状永久磁石33と、永久磁石33を固定する冶具34と、冶具34と一体的な回転シャフト34bとを具備し、永久磁石33が回転すると漏洩磁界が変化する。図1において一点鎖線は回転中心軸線を示し、永久磁石33と磁気センサ32と間の矢印32は磁力線を示す。SVGMR素子の面内方向の磁界変化を磁気センサ31で検出する。図1に示す回転角検出装置の他の例は、磁気センサが31から31’に移動したものである。磁気センサ31’の基板面は永久磁石33の外周面と対向し、前記回転中心軸線と平行な中心軸線を有する。

[2] 磁気センサ
図2はSVGMR膜の層構成の一例を概略的に示すが、各層の厚さの拡大倍率は必ずしも一定ではない。SVGMR膜は基板10上に順に形成された下地膜11、固定層12、中間層13、自由層14及び保護層15を有する。固定層12は下から順に反強磁性層121、第一の強磁性層122、反平行結合層123及び第二の強磁性層124を有し、自由層14は2層以上の強磁性層141、142を有する。固定層12は一方向に固定された磁化方向（一方向の磁気異方性）を有する。固定層磁化方向と、外部磁界により自由に回転する自由層14の磁化方向とがなす角度に応じて電気抵抗が変化する。

図3はSVGMR膜の層構成の別の例を示す。このSVGMR膜は図2に示すSVGMR膜から反強磁性層121を除いた層構成を有するので、固定層12の一方向磁気異方性は強磁性層122、124の反強磁性的結合によってのみ発現する。図3に示すSVGMR膜は、反強磁性層を規則化させて固定層を着磁する熱処理工程が不要であるだけでなく、成膜プロセス中に固定層の異方性を任意の方向に設定することができる。具体的には、固定層に用いる2層の強磁性層のうち、少なくとも中間層13と接する強磁性層の成膜時に磁界を印加することにより、固定層磁化方向を印加磁界の方向に一致させることができる。本発明では、固定層磁化方向の異なるSVGMR膜を、絶縁層を介して4回積層することにより、4方向の固定層磁化方向を有する素子を同一ウェハ上に形成する。

図4はSVGMR素子（磁気抵抗効果素子）が受ける磁気エネルギーを概略的に示す。θ_Mは素子全体の磁化方向、θ_dipは形状異方性方向、θ_freeは自由層の一軸磁気異方性方向を示す。SVGMR素子に外部磁界H_appが印加されると、素子に加わる実効磁界Mは、素子の形状に起因する形状異方性H_kdの他、H_k、H_int等のSVGMR膜に起因する磁界の影響を受けて、H_appとは異なる方向を向く。

SVGMR素子が受ける磁気エネルギーE_totalは下記式(1) により求められる。
E_total＝E_kd＋E_k＋E_ex＋E_z・・・(1)
ただし、E_kdはSVGMR素子の形状磁気異方性エネルギーであり、E_kは自由層の磁気異方性エネルギーであり、E_exはSVGMR膜の層間交換結合エネルギーであり、E_zはSVGMR膜のゼーマンエネルギーであり、それぞれ下記式(2)〜(5) により表される。
E_kd＝K_ud sin²(θ_M−θ_dip)・・・(2)
E_k＝K_u sin²(θ_M−θ_free)・・・(3)
E_ex＝−H_int・M_Scos(θ_M−θ_free)・・・(4)
E_z＝−H_app・M_Scos(θ_app−θ_M)・・・(5)

M_Sは自由層の磁化量を示し、磁気異方性定数K_ud及びK_uはそれぞれ下記式(6) 及び(7) により表される。
K_ud＝(H_kd・M_S)/2・・・(6)
K_u＝(H_k・M_S)/2・・・(7)

Mの方向θ_MはE_totalが最小となるときに得られ、このθ_Mを用いると、SVGMR素子の抵抗Rは下記式(8) で表される。

（ただし、R_minはSVGMR素子の抵抗の最小値であり、dRはGMR効果起因の抵抗変化量であり、dR’はAMR効果起因の抵抗変化量である。）
式(8) の前半の項はGMR効果による抵抗変化を表し、後半の項はAMR効果による抵抗変化を表す。

形状異方性方向θ_dipはSVGMR素子の形状により決まり、素子の長手方向と一致する。例えば、図5(a) に示すように直線状（アスペクト比の大きい矩形状）のSVGMR素子221、又は図5(b) に示すように九十九折状のSVGMR素子231の場合、θ_dipは端子223，223’間を流れる電流の向き222（素子の長手方向）とほぼ一致する。図6(a) 及び図6(b) に示すように複数の円を接続した形状のSVGMR素子241，251の場合、θ_dipは端子223，223’間を流れる電流の向き222（素子の長手方向）と一致する。図7(a) 〜図10(b) に示すように一部を切り欠いた複数の円を接続した形状、複数の半円を接続した形状、及び複数の多角形を接続した形状のSVGMR素子261，271，281，291，301，311，321，331の場合も同様に、θ_dipは電流の向き222（素子の長手方向）と一致する。

図11は、SVGMR素子をブリッジ接続してなる磁気センサの等価回路を示す。各素子の固定層磁化方向は図中矢印で示す。素子21aと21c、素子21bと21d、素子31aと31c、及び素子31bと31dはそれぞれ同じ固定層磁化方向を有する。また素子21aと21b、及び素子31aと31bはそれぞれ反平行（180°逆方向）の固定層磁化方向を有し、素子21aと31aは90°異なる固定層磁化方向を有する。素子21a〜21dはブリッジ回路Xを構成し、素子31a〜31dはブリッジ回路Yを構成する。実際のブリッジ回路では、素子21aと31a、素子21bと31b、素子21cと31c、及び素子21dと31dはそれぞれ互いに直交するように配置されている。特に断らなければ、素子と固定層磁化方向との角度は、素子の長手方向と固定層磁化方向との角度をいう。ブリッジ回路から出力される電圧Vx₁、Vx₂、Vy₁、Vy₂はそれぞれ下記式(9)〜(12) により表される。

（ただし、R_21a〜R_21d、及びR_31a〜R_31dはそれぞれ素子21a〜21d、31a〜31dの抵抗を示す。）

Vx₁−Vx₂から出力電圧Vxが得られ、Vy₁−Vy₂から出力電圧Vyが得られる。Vx及びVyはほぼ正弦波又は余弦波の波形を有する。Vx及びVyから逆正接演算により得られた角θ_calcと、基準軸に対するH_appの角度θ_appとの差が磁気センサの角度誤差θ_errである。

[3] 信号処理回路
本発明の回転角度検出装置に用いる信号処理回路には、(a) 補正回路と、角度演算回路とを具備する第一の信号処理回路と、(b) オペアンプ回路と、補正回路と、角度演算回路とを具備する第二の信号処理回路とがある。

(1) 原理
第一及び第二の信号処理回路のいずれも、磁気センサの製造ばらつき等による角度誤差を低減することができる。例えば、ブリッジ回路Xの出力Vxとブリッジ回路Yの出力Vyとの位相差がπ/2ではなく、製造ばらつき等によりπ/2±Δとなることがある。図12は、試料3-4のブリッジ回路Xとブリッジ回路Yとの位相差π/2±Δにおいて、Δが0°の場合と1°の場合での角度誤差θ_errとθ_app（基準軸に対するH_appの角度）との関係を示す。図12からΔにより角度誤差が増大することが分かる。

このような場合、下記の補正によりΔの影響を無くすことができる。ブリッジ回路Xの出力Vx及びブリッジ回路Yの出力Vyは式(13) 及び(14) により表される。
Vx＝cosθ_app ・・・(13)
Vy＝cos (θ_app−π/2＋Δ) ・・・(14)

（Vx−Vy）及び（Vx＋Vy）は、式(15) 及び(16) に示す通り位相差がπ/2の2つの信号である。
Vx−Vy＝2 sin (π/4−Δ/2) sin (θ_app−π/4＋Δ/2) ・・・(15)
Vx＋Vy＝2 cos (π/4−Δ/2) cos (θ_app−π/4＋Δ/2) ・・・(16)

（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号の振幅を同じに揃えて（規格化して）、（Vx−Vy）’ 信号及び（Vx＋Vy）’ 信号を生成し、それらの比（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’を演算する。（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’＝sin (θ_app−π/4＋Δ/2)／cos (θ_app−π/4＋Δ/2)であるので、角度θは次式(17) により表される。

式(17)は、初期位相は異なるが、θ_appを誤差なく検出することを示す。図13は位相ズレを補正した場合の角度誤差θ_errとθ_appとの関係を示す。補正後の角度誤差θ_errは、図12に示す試料3-4のθ_errの波形に戻っており、位相ズレを完全に打ち消すことができる。

(2) 第一の信号処理回路
図14は位相ズレを打ち消す第一の信号処理回路40を示す。回転角度検出装置は、シャフトに固定した2極磁石33を有する回転子と、2極磁石33の近傍に配置された磁気センサ31とを有する。信号処理回路40は、磁気センサ31内のブリッジ回路X，Yの出力電圧Vx，Vyを入力するオペアンプ41a、41bと、オペアンプ41a、41bの出力を入力するA-D変換補正回路42と、A-D変換補正回路42の出力を入力する角度演算回路43とを有する。オペアンプ41aは出力電圧Vx，Vy からVx−Vyを演算し、オペアンプ41bは出力電圧Vx，Vy からVx＋Vyを演算する。A-D変換補正回路42は、オペアンプ41a，41bの（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号を入力して、アナログ−デジタル変換するとともに、それらの振幅が同じとなるように補正し、振幅が同じ（Vx−Vy）’信号及び（Vx＋Vy）’信号を出力する。角度演算回路43は、補正回路42から出力された（Vx−Vy）’信号及び（Vx＋Vy）’信号を入力し、（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’の逆正接演算を行って角度θを求める。

補正回路42により（Vx−Vy）信号と（Vx＋Vy）信号の振幅を同じに揃えるには、（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号の双方の振幅を補正する場合と、一方の信号の振幅のみ補正する場合とがある。前者の場合、例えば補正回路42に入力された（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号の振幅をそれぞれC₁倍及びC₂倍し、同じ振幅を有するC₁（Vx−Vy）信号及びC₂（Vx＋Vy）信号とする。この場合、（Vx−Vy）’＝C₁（Vx−Vy）であり、（Vx＋Vy）’＝C₂（Vx＋Vy）である。後者の場合、例えば補正回路42に入力された（Vx−Vy）信号の振幅をC₃倍し、同じ振幅を有するC₃（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号とする。この場合、（Vx−Vy）’＝C₃（Vx−Vy）であり、（Vx＋Vy）’＝（Vx＋Vy）である。

(3) 第二の信号処理回路
図15は位相ズレを打ち消す第二の信号処理回路40’を示す。回転角度検出装置は図14に示すものと同じである。信号処理回路40’は、磁気センサ31内のブリッジ回路X，Yから出力電圧Vx，Vyを入力し、アナログ−デジタル変換した後、（Vx−Vy）及び（Vx＋Vy）を演算するとともにそれらの振幅補正をするA-D変換補正回路42’と、A-D変換補正回路42’の出力（Vx−Vy）’，（Vx＋Vy）’を入力して、（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’の逆正接演算により角度θを求める角度演算回路43とを有する。第二の信号処理回路40’では、第一の信号処理回路40におけるオペアンプ41a，41bとA-D変換補正回路の機能をA-D変換補正回路42’で行う。

[4] 磁気センサの好ましい例
例1
図16は、SVGMR素子のブリッジ回路X及びブリッジ回路Yを有する磁気センサの一例を示す。図示の素子配置は後述する表1の試料1-3に相当する。ブリッジ回路Xでは、基板上に4個の矩形状SVGMR素子201a〜201dが形成されており、素子201b及び201cは電源端子Vccに接続されており、素子201a及び201dはグランド端子GNDに接続されており、素子201a及び201bは一方の出力端子Vx₁に接続されており、素子201c及び201dは他方の出力端子Vx₂に接続されている。矢印で示す固定層磁化方向と平行な軸線202に対して、素子201a〜201dの長手方向は角度θ_dip-R1〜θ_dip-R4だけ傾斜している。ブリッジ回路Yでは、基板上に4個の矩形状SVGMR素子203a〜203dが形成されており、それぞれブリッジ回路Xの対応する素子201a〜201dに対して直交している。軸線202と直交する軸線204に対して各素子の固定層磁化方向は平行であるが、長手方向は角度θ_dip-R5〜θ_dip-R8だけ傾斜している。図16に示す磁気センサでは、固定層磁化方向が同じ素子の長手方向は平行である。各素子201a〜201d、203a〜203dのθ_dip-R1〜θ_dip-R4及びθ_dip-R5〜θ_dip-R8は以下の関係を満たす。
素子201aのθ_dip-R1＝素子201cのθ_dip-R3
素子201bのθ_dip-R2＝素子201dのθ_dip-R4
θ_dip-R1＝−θ_dip-R2
素子203aのθ_dip-R5＝素子203cのθ_dip-R7
素子203bのθ_dip-R6＝素子203dのθ_dip-R8
θ_dip-R5＝−θ_dip-R6

ブリッジ回路Xの右方向を0°とし、ブリッジ回路Yの上方向を0°として、各素子201a〜201d、203a〜203dのθ_dipを表1（素子の反時計方向角度を「＋」で表し、括弧内にθ_dip−180°の値を示す。）に示すように変化させ、配置角度θ_dipが角度誤差θ_errの変化幅（Δθ_err）に与える影響をシミュレーションにより求めた。Δθ_errは、θ_appを0°から360°まで変化させたときのθ_errの最大値から最小値を引いた値である。このシミュレーションでは、Ms＝800 emu/cc、H_k＝0.16 kA/m、H_kd＝1.6 kA/m、及びH_app＝24 kA/mとし、各素子のθ_freeと固定層磁化方向との角度を90°とし、GMR比を示すdR/Rを10％とし、dR’を0とし、AMR効果を加味しなかった。結果を表2及び図17に示す。図17に示すθ_dip-R1は表1に示す素子201aの配置角度θ_dipである。Δθ_errが大きいほど、磁気センサの角度誤差は大きい。

表1に示す素子201aの配置角度θ_dip-R1が35°〜45°の時のΔθ_errを表2に示す。素子201aの配置角度θ_dip-R1が＋40°及び＋140°（−40°）の場合（試料1-4及び1-9）、Δθ_errは0.0762°と最小であった。素子201aの配置角度θ_dip-R1が＋140°（−40°）の場合も、ハーフブリッジを構成する相手方の素子201bの配置角度θ_dip-R2が−140°（＋40°）である。

試料1-1ではΔθ_errは約1.8°であった。このようにθ_errはθ_dipに大きく依存し、素子配置により角度誤差が大幅に変化する。図17及び表2から、素子配置角度θ_dipを36°≦θ_dip-R1＜45°の条件を満たすように設定することにより、角度誤差が小さく、従って出力歪の小さい磁気センサが得られることが分かる。好ましいθ_dipは37〜43°であり、より好ましいθ_dipは39〜42°である。

素子配置角度θ_dipが45°のブリッジ回路を用いて磁気センサを構成すると、SVGMR素子自身の磁気特性（層間結合磁界H_int及び異方性磁界H_k）のばらつきにより、角度誤差（磁気センサの出力から得る回転角度の誤差）が増加する。これに対して、36°≦θ_dip-R1＜45°とすることにより、磁気センサの出力における角度誤差を減らすことができる。

試料1-1、試料1-4、試料1-5及び試料1-7におけるθ_errのθ_app依存性をシミュレーションにより求めた。結果をそれぞれ図18〜図20に示す。試料1-5は特表2003-502876号及び特開2005-024287号に記載の素子配置に相当する。θ_errは試料1-4では最大でも約0.04°であるが、試料1-1及び試料1-7では最大で約0.9°〜1.0°であり、試料1-5では約0.19°であった。試料1-4と試料1-5とでは、θ_dipの差が5°でもθ_errは大きく異なる。また試料1-1と試料1-7とでは、同じような素子配置にもかかわらず、θ_dipと固定層磁化方向との関係が異なるのでθ_errのθ_app依存性が異なっている。これらの結果から、θ_dipと固定層磁化方向との関係に応じてθ_errが大きく異なることが分かる。

この傾向をさらに詳細に検討するため、試料1-1、試料1-4、試料1-5及び試料1-7におけるθ_errのフーリエ級数展開による高調波解析を行い、5次高調波まで求めた。1次高調波及び2次高調波はより高次の高調波に比べて圧倒的に小さく、またθ_dip依存性も小さいので、3次〜5次の高調波のみ図21及び図22に示す。θ_errが小さい試料1-4では全ての高調波が非常に小さく、発生率は3次高調波及び5次高調波がそれぞれ4割程度、かつ4次高調波が2割程度であった。一方、θ_errが大きい試料1-1、試料1-5及び試料1-7では4次高調波が大きく、発生率は4次高調波が8割程度、3次高調波及び5次高調波がそれぞれ1割程度であった。特に試料1-1及び試料1-7のように、θ_dipが固定層磁化方向と直角又は平行な場合、非常に大きな4次高調波が存在した。従って、4次高調波の低減がθ_errの低減に大きく寄与することが分かる。

SVGMR膜を用いた磁気センサにおいて、式(2) 及び(3) にsin²θの項が存在するので、4次高調波が発生する主因は素子形状及び自由層の磁気異方性、すなわちH_kd及びH_kであると考えられる。H_kdを1.6 kA/mに固定し、自由層の磁気異方性H_kを0.16 kA/mから3.2 kA/mまで変化させたときのΔθ_errのθ_dip依存性をシミュレーションにより求めた。結果を図23に示す。H_kの低下に伴ってΔθ_errのθ_dip依存性は低下した。Δθ_errの極小値はH_kによらずほぼ同じ（約0.07〜0.3°）であるが、Δθ_errが極小となるθ_dipはほぼ30〜40°の範囲にあった。またH_kがH_kd（＝1.6 kA/m）と等しくなる条件ではH_kとH_kdがキャンセルしあうため、θ_dip＝0°でΔθ_errは極小となった。

H_kを0.16 kA/mに固定し、H_kdを0.16 kA/mから3.2 kA/mまで変化させたときのΔθ_errのθ_dip依存性をシミュレーションにより求めた。結果を図24に示す。H_kを変化させた場合と同様に、H_kdの低下に伴いΔθ_errのθ_dip依存性は低下し、Δθ_errが極小となるθ_dipもほぼ30〜40°の範囲にあった。Δθ_errの極小値は約0.04〜0.13°であった。またH_kd＝H_kとなる条件ではθ_dip＝0でΔθ_errが極小となる。このようにH_k及び／又はH_kdを低減することにより角度誤差を小さくできることが分かる。

H_kは自由層に用いる材料により一義的に決まる。本例ではH_kを0.16 kA/m（自由層に一般的に用いられるNiFeのH_k）としたが、より低いH_kを有する材料を用いると、ヒステリシスに影響を与える保磁力等が変化する可能性がある。また非磁性層を介した2層の強磁性層で構成する積層フェリ自由層を用いると巨視的なH_kを小さくできるが、膜厚増加による分流損増加や感度低下を招きかねない。さらにSVGMR素子は有限の長さを有するので、素子形状に依存するH_kdを0に近づけのは容易でない。しかし、固定層磁化方向に対する角度θ _dip を例えば40°にすることにより、SVGMR膜の特性のばらつきによるH_kの変動や、素子形状によるH_kdの変動に対してθ_errの増加を抑えることができ、もって検出精度の高い回転角度検出装置を得ることができる。

例2
SVGMR素子の抵抗を大きくして磁気センサの消費電力を抑えるために、素子の長手方向寸法を数十〜100μm程度にすることがある。このように素子を長くするとSVGMR膜の自由層の形状異方性が大きくなり、自由層のAMR効果が無視できない。そこで、例1と同じ素子配置の磁気センサにおいてθ_dipを表3（素子の反時計方向角度を「＋」で表し、括弧内にθ_dip−180°の値を示す。）に示す通り変化させて、AMR効果を加味した場合及び加味しない場合のΔθ_errをシミュレーションにより求めた。結果を図25に示す。式(8) において、SVGMR膜に対する自由層の膜厚比及びNiFe膜の比抵抗から、AMRに寄与する抵抗値を7500Ωと仮定し、かつAMR比を0.3％と仮定してdR’を22.5Ωと見積もった。試料2-5は特表2003-502876号及び特開2005-024287号に記載の素子配置である。

AMR効果を加味する場合、Δθ_errは試料2-1（θ_dip＝0°）及び試料2-7（θ_dip＝90°）で約2.6°と極小であり、試料2-5（θ_dip＝45°）で約47°と極大であった。いずれの素子配置でも同一ブリッジ内の各素子対（例えば201aと201c、及び201bと201d）において電流が逆方向となっているので、角度誤差に対するAMR効果の寄与はセンス電流の流れる向き及び自由層の磁化容易軸に依存する。

図26はAMR効果の抑制に効果的な磁気センサを示す。図26において、ブリッジ回路Xの固定層磁化方向は水平方向であり、ブリッジ回路Yの固定層磁化方向は上下方向である。ブリッジ回路Xにおいて、素子211aと211cの固定層磁化方向が同じであり、素子211bと211dの固定層磁化方向が同じである。ブリッジ回路Yについても同様である。各ブリッジ内で固定層磁化方向が同じ素子の長手方向は非平行である。各素子211a〜211d、213a〜213dは図16と同様に矩形状である。

ブリッジ回路X（素子211a〜211d）及びブリッジ回路Y（素子213a〜213d）における各素子のθ_dipは以下の通りである。
素子211aのθ_dip-R1＝素子211dのθ_dip-R4
素子211bのθ_dip-R2＝素子211cのθ_dip-R3
θ_dip-R1＝−θ_dip-R2
素子213aのθ_dip-R5＝素子213dのθ_dip-R8
素子213bのθ_dip-R6＝素子213cのθ_dip-R7
θ_dip-R5＝−θ_dip-R6

ブリッジ回路Xの右方向を0°とし、及びブリッジ回路Yの上方向を0°として、各素子211a〜211d、213a〜213dのθ_dipをそれぞれ表4（素子の時計方向角度を「＋」で表し、括弧内にθ_dip−180°の値を示す。）に示すように変化させ、AMR効果を加味したΔθ_errのθ_dip依存性をシミュレーションにより求めた。結果を図27に示す。また素子211aの配置角度θ_dip-R1が35〜45°のときのΔθ_errを表5に示す。

各ブリッジ回路内で固定層磁化方向が同じ素子の長手方向が非平行であると（電源端子側のハーフブリッジの2つの平行な磁気抵抗効果素子と、接地端子側のハーフブリッジの2つの平行な磁気抵抗効果素子とが非平行であると）、Δθ_errはAMR効果を加味しない場合（図17に相当）と同程度に小さく、特にθ_dipが40°の試料3-4ではΔθ_errは0.1317°と小さかった。一方、固定層磁化方向が同じ素子が互いに直交する試料3-5の配置（θ_dip＝45°の試料3-5）ではΔθ_errは0.3435°であった。これから、θ_dipが45°のブリッジ回路より、θ_dipが38°以上45°未満のブリッジ回路の方が角度誤差が小さいことが分かる。固定層磁化方向が同じ素子が非平行な磁気センサの場合、好ましいθ_dipは39〜44°であり、より好ましいθ_dipは40〜43°である。

角度誤差の低減効果についてさらに詳細に検討するため、θ_errの5次までの高調波解析を行った。素子が平行配置の試料2-1，試料2-5，及び試料2-7の高調波解析結果を図28に示し、素子が非平行配置の試料3-4及び試料3-5の高調波解析結果を図29に示す。素子が平行配置の場合、θ_errが比較的小さい試料2-1及び試料2-7で現れる高調波はほぼ全て4次である。一方θ_errが大きい試料2-5では5次までの高調波が全て含まれており、1次と3次の高調波が特に大きいことが分かる。式(8) からAMR効果は4次高調波として現れるはずだが、素子配置との兼ね合いで3次が大きくなったと推測される。素子が非平行配置の試料3-4及び試料3-5はいずれも4次以外の高調波がほとんどなく、かつ4次高調波については試料3-4の方が著しく小さい。

図30はθ_dipが45°で素子が平行配置の試料2-5と、θ_dipが45°で素子が非平行配置の試料3-5の高調波を示す。素子が非平行配置された試料3-5では4次以外の高調波がほぼ0であり、また4次高調波も素子が平行配置された試料2-5のほぼ半分であった。これから、θ_errの低減には1次又は3次の高調波をほぼ0にするとともに、4次高調波を著しく低減することが必要であることが分かる。

例3
SVGMR膜において最も変動しやすい磁気特性はH_int（中間層を介した固定層と自由層との間に働く磁界）である。H_intは、中間層の膜厚変動、中間層の表面粗さによるいわゆる「オレンジピール効果」、動作温度や環境温度等の温度に応じて変動しやすい。そこで最適な素子配置の条件（試料3-4）でH_intとΔθ_errとの関係を求めるために、図26に示す磁気センサにおいて下記条件で素子213aのH_int（H_int-R5）を−0.8 kA/mから＋0.8 kA/mまで変化させたときのΔθ_errを、H_int-R1が0 kA/m，0.08 kA/m，0.16 kA/m，0.40 kA/m，及び0.80 kA/mの場合についてそれぞれシミュレーションにより計算した。結果を図31に示す。
素子211aのH_int-R1＝素子211dのH_int-R4
素子211bのH_int-R2＝素子211cのH_int-R3
H_int-R1＝−H_int-R2
素子213aのH_int-R5＝素子213dのH_int-R8
素子213bのH_int-R6＝素子213cのH_int-R7
H_int-R5＝−H_int-R6

Δθ_errはH_int-R1が小さい方が小さく、かつH_int-R5の符号が反転するときにほぼ最小であった。H_int-R1が0.16 kA/m以下ではΔθ_errは1°以下であり、またH_int-R1が0.4 kA/m以上でもH_int-R5が±0.4 kA/m以内であればΔθ_errは1°以下であった。これから、本発明の磁気センサでH_intの変動が±0.4 kA/m以内であれば角度誤差を抑制でき、もって中間層の膜厚変動や高温時のH_int変動があっても角度誤差が小さい磁気センサが得られることが分かる。

例4
図32は、図26に示すブリッジ回路における素子配置の具体的な一例を示す。図中矢印X及びYは素子を形成したセンサチップの辺方向を示す。図33は図32の素子配置を固定層磁化方向（矢印で示す）とともに概略的に示す。固定層磁化方向が同じ素子311aと311c、素子311bと311d（例として点線で囲まれている）、・・・等は固定層磁化方向に対して所望の角度（例えば±40°）にある。しかし、素子311aと311c、及び素子311bと311dはそれぞれ平行でないので、AMR効果をキャンセルする。

図33において素子311cと311b、及び素子313aと313dは等価であるので、素子313aと素子313dを入れ替えても、図34に示すように素子の長手方向と固定層磁化方向との関係は変わっていない。配線が交差する部分には絶縁層を介在させて、ブリッジ間の絶縁を取る。図35及び図36は別の素子配置例を示す。図35及び図36の例は図33に示す例と隣り合う素子の角度が異なるが、素子の長手方向と固定層磁化方向との関係は同じである。

このような素子の交換は固定層磁化方向を成膜時に自由に設定できるSVGMR膜により実現可能であり、さらに成膜時の磁界印加方向を任意に設定できる成膜装置を用いると素子配置の自由度はさらに高まる。図37は図33の素子を面内に45°回転させたブリッジ回路を示す。各素子を図33から45°回転させることにより、素子の配置をさらに密にすることができる。すなわち、素子長手方向と固定層磁化方向との関係を最適化することにより、SVGMR膜の特性変動に対して耐性が高く、自由な素子配置が可能で、出力歪が小さく、角度誤差を低減できる磁気センサ及び回転角検出装置を得ることができる。また図37の構成において一部の磁化の向きを図38に示すように変更することもできる。図39及び図40はさらに別の例を示す。

Claims (4)

1. 磁石回転子と、前記磁石回転子からの磁束の方向を検出する磁気センサと、補正回路と、角度演算回路とを具備する回転角度検出装置であって、
   前記磁気センサは、4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路X及び4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路Yを有し、
   前記磁気抵抗効果素子の各々は、一方向に固定された磁化方向を有する固定層と、磁化方向が外部磁界方向に揃うように可変な自由層と、前記固定層と前記自由層に挟まれた中間層とを有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜を有し、
   前記補正回路は、前記ブリッジ回路Xの出力電圧Vx及び前記ブリッジ回路Yの出力電圧Vyから差（Vx−Vy）及び和（Vx＋Vy）を算出するとともに、両者の振幅を同じに揃え、
   前記角度演算回路は、前記補正回路から出力された同じ振幅を有する（Vx−Vy）’信号及び（Vx＋Vy）’信号から求めた（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’を逆正接演算することにより前記磁石回転子の回転角度を求めることを特徴とする回転角度検出装置。
2. 磁石回転子と、前記磁石回転子からの磁束の方向を検出する磁気センサと、オペアンプ回路と、補正回路と、角度演算回路とを具備する回転角度検出装置であって、
   前記磁気センサは、4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路X及び4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路Yを有し、
   前記磁気抵抗効果素子の各々は、一方向に固定された磁化方向を有する固定層と、磁化方向が外部磁界方向に揃うように可変な自由層と、前記固定層と前記自由層に挟まれた中間層とを有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜を有し、
   前記オペアンプ回路は、前記ブリッジ回路Xの出力電圧Vx及び前記ブリッジ回路Yの出力電圧Vyから差（Vx−Vy）及び和（Vx＋Vy）を算出し、
   前記補正回路は前記オペアンプ回路から出力された（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号の振幅を同じに揃え、
   前記角度演算回路は、前記補正回路から出力された同じ振幅を有する（Vx−Vy）’信号及び（Vx＋Vy）’信号から求めた（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’を逆正接演算することにより前記磁石回転子の回転角度を求めることを特徴とする回転角度検出装置。
3. 請求項1又は2に記載の回転角度検出装置において、前記磁気抵抗効果素子の少なくとも一つの長手方向がその固定層磁化方向に対して36°≦θ＜45°の条件を満たす鋭角θだけ傾いていることを特徴とする回転角度検出装置。
4. 請求項1〜3のいずれかに記載の回転角度検出装置において、前記ブリッジ回路X及び前記ブリッジ回路Yの各々における4個の磁気抵抗効果素子のうち、2個の磁気抵抗効果素子が固定層磁化方向に対して鋭角θだけ傾き、残りの2個が鋭角−θだけ傾いていることを特徴とする回転角度検出装置。

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