JP5417325B2

JP5417325B2 - 磁気センサ及び磁気エンコーダ

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Publication number: JP5417325B2
Application number: JP2010514525A
Authority: JP
Inventors: 真次杉原; 秀人安藤; 浩太朝妻
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2029-05-28
Also published as: JPWO2009145244A1; WO2009145244A1; EP2293093B1; EP2293093A1; EP2293093A4

Description

本発明は、特に、感度軸方向からの外部磁界に対して良好な磁気感度を備えるとともに感度軸方向とは異なる方向からの磁界に対する外乱耐性を向上させた磁気センサ及び磁気エンコーダに関する。

巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を備える磁気センサは、例えば磁気エンコーダに使用される。ＧＭＲ素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された積層構造を備える。固定磁性層は磁化がある一定方向に固定される。一方、フリー磁性層は、磁化が固定されず磁気エンコーダに搭載された磁石からの外部磁界により磁化変動する。

図２０（ａ）は、ＧＭＲ素子１が磁石２の着磁面２ａにおける幅中心ＣＬの上方に位置した状態の平面図である。なおＧＭＲ素子１を構成する固定磁性層の固定磁化方向（ＰＩＮ方向）は、図２０（ａ）に示すようにＸ方向である。また、ＧＭＲ素子１を構成する固定磁性層とフリー磁性層との間に生じる層間バイアス磁界Ｈｉｎは、例えば、図示Ｘ方向に生じている。

図２０（ａ）に示すＧＭＲ素子１の位置を、初期位置（０）とする。ＧＭＲ素子１は、図示Ｙ方向に相対移動する。図２０（ａ）の図示下側にはＧＭＲ素子1の初期位置（０）からの相対移動位置をλ／２、λ、３λ／２・・で表記している。なおλは磁石２のＮ極とＳ極の中心間距離である。

ＧＭＲ素子１を構成するフリー磁性層の磁化方向は、磁石２からの外部磁界が作用しない状態（無磁場状態）のとき層間バイアス磁界Ｈｉｎにより図示Ｘ方向を向いており、固定磁性層の磁化方向ＰＩＮと同一方向となり、ＧＭＲ素子１の抵抗値は最小値となる。ＧＭＲ素子１がちょうどＮ極及びＳ極の磁極中心付近の上方に位置すると無磁場状態となり、ＧＭＲ素子１の抵抗値は最小値となる。一方、ＧＭＲ素子１が相対移動してＳ極上方からＮ極上方へ、あるいはＮ極上方からＳ極上方へ移行する間、図２０（ａ）に示すＹ方向と平行な水平磁場成分Ｈ３，Ｈ４がＧＭＲ素子１に作用する。「水平磁場成分」とは、ＧＭＲ素子の積層構造の界面と平行な面内方向に作用する外部磁界を指す。図２０（ｂ）は、ＧＭＲ素子１の初期位置（０）からの相対移動方向における抵抗変化を示している。

図２０（ｂ）に示すようにＧＭＲ素子１の抵抗波形はピーク値を基準位置として左右対称の波形であり、かつ各抵抗波形は同形状で現れる。

磁気エンコーダに搭載される磁気センサには通常、複数のＧＭＲ素子が設けられている。各ＧＭＲ素子は、磁石のＮ極とＳ極の中心間距離であるλを基準としてＹ方向に所定間隔空けて配置され、各ＧＭＲ素子の抵抗変化に基づいて出力波形（電圧変化）が得られる。

ところでＧＭＲ素子が磁石２の着磁面２ａにおける幅中心ＣＬの上方をＹ方向に相対移動する場合は、左右対称の出力波形が得られるため特に問題はない。

しかしながら、ＧＭＲ素子が磁石の着磁面の幅中心から幅方向にずれて配置されてしまった場合、出力波形に歪みが生じることがわかった。

図２１（ａ）では、ＧＭＲ素子１が磁石２の着磁面２ａの幅方向（図示Ｘ方向）の幅中心ＣＬから幅方向（図示Ｘ方向）にずれて配置されている。

図２１（ａ）には、着磁面２ａのＮ極−Ｓ極間に生じる外部磁界Ｈのうち、ＧＭＲ素子１の層間バイアス磁界Ｈｉｎに影響を及ぼす代表的な水平磁場成分（磁力線）Ｈ１，Ｈ２を記載した。

図２１（ｂ）は、ＧＭＲ素子１の初期位置（０）からの相対移動方向における抵抗変化を示す。図２１（ｂ）に示すようにＧＭＲ素子１の抵抗波形は、ピーク値を基準位置として左右対称の波形とならず、歪むことがわかった。

ＧＭＲ素子１が初期位置（０）から図示Ｙ方向へ相対移動すると、ＧＭＲ素子１には水平磁場成分Ｈ１のうち、図示Ｘ方向に近い水平磁場成分Ｈ１ａが進入する。このためＧＭＲ素子１に生じている図示Ｘ方向への層間バイアス磁界Ｈｉｎは見かけ以上大きくなり、フリー磁性層はより図示Ｘ方向に向きやすい状態になる。このため、図２１（ｂ）に示すように、極性の境界上方からＮ極の上方へＧＭＲ素子１が移行したときの抵抗変化部分Ｒ１は、相対移動方向に対して急峻な傾きで変化する。一方、ＧＭＲ素子１が初期位置（０）からλだけ相対移動し、その位置からさらに図示Ｙ方向に相対移動したとき、ＧＭＲ素子１には水平磁場成分Ｈ２のうち、図示Ｘ方向とは逆方向に近い水平磁場成分Ｈ２ａが進入する。このためＧＭＲ素子１に生じている図示Ｘ方向への層間バイアス磁界Ｈｉｎは見かけ以上小さくなり、フリー磁性層は図示Ｘ方向に向きにくい状態になる。このため、図２１（ｂ）に示すように、極性の境界上方からＳ極の上方へＧＭＲ素子１が移行したときの抵抗変化部分Ｒ２は、抵抗変化部分Ｒ１に比べて相対移動方向に対してなだらかな傾きで変化する。このように、Ｓ極上方から極性の境界上方へＧＭＲ素子１が移行したとき、及び、Ｎ極上方から極性の境界上方へＧＭＲ素子１が移行したときに異なる抵抗変化となる。

このようにＧＭＲ素子の抵抗変化に歪みが生じるため、抵抗変化に基づいて生成される出力波形（電圧変化）にも歪みが生じてしまい、移動速度や移動距離等を高精度に検知することができず、検知精度の低下が問題となった。

特許文献１ないし３には上記した従来課題の認識はなく、当然、その解決手段も示されていない。
特開２００２−３１９１１２号公報特開２００２−５３９５６号公報特開２００４−１４６１０号公報

そこで本発明は上記従来課題を解決するためのものであり、特に、感度軸方向からの外部磁界に対して良好な磁気感度を備えるとともに感度軸方向とは異なる方向からの磁界に対する外乱耐性を向上させた磁気センサ及び磁気エンコーダを提供することを目的としている。

本発明は、感度軸方向からの外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気検出素子を備えた磁気センサにおいて、
前記磁気検出素子は、第１磁性層と、第２磁性層とが非磁性層を介して積層された積層構造を有する素子部を備え、
前記第１磁性層と前記第２磁性層は、共に前記外部磁界に対して磁化方向が変動可能で、前記第１磁性層の磁化方向と前記第２磁性層の磁化方向との間の角度変化に基づいて前記電気抵抗値が変化するものであり、
無磁場状態では、前記第１磁性層の磁化方向と、前記第２磁性層の磁化方向は、前記感度軸方向と平行な方向に向けて略反平行であり、
前記素子部は、前記感度軸方向を長手方向とした細長形状で形成され、前記長手方向が磁化容易軸方向とされ、前記感度軸方向と一致する前記長手方向の磁界変化に対して略対称な抵抗変化率曲線を有し、
前記素子部の前記長手方向と直交する方向の素子幅をＷ１、前記素子部の前記長手方向における素子長さをＬ１としたとき、アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は、１６．７〜１００の範囲内であり、
前記第１磁性層のＭｓ１・ｔ１（Ｍｓは飽和磁化、ｔは膜厚）と、前記第２磁性層のＭｓ２・ｔ２の比（Ｍｓ２・ｔ２／Ｍｓ１・ｔ１）が１より大きく２より小さいことを特徴とするものである。これにより、感度軸方向からの外部磁界に対して良好な磁気感度を備えるとともに感度軸方向とは異なる方向からの磁界に対する外乱耐性を向上させることができる。

また本発明では、第１磁性層及び第２磁性層は、共に、Ｃｏ−Ｆｅ層とＮｉ−Ｆｅ層の積層構造で形成され、各磁性層のＣｏ−Ｆｅ層が前記非磁性層を介して対向していることが好ましい。

本発明では、前記磁気検出素子は、複数の素子部が前記感度軸方向と直交する方向に間隔を空けて並設され、各素子部の前記感度軸方向への端部間が接続された形状で形成されていることが好ましい。

本発明における磁気エンコーダは、上記のいずれかに記載された磁気センサと、前記感度軸方向である相対移動方向に交互にＮ極とＳ極が着磁された着磁面を有する磁界発生部材と、を有し、前記磁気センサは、前記着磁面から高さ方向に離れた位置に配置されていることを特徴とするものである。これにより、磁気センサが、磁界発生部材の着磁面の幅中心からずれて配置されても、感度軸方向からの磁界成分に対して良好な磁気感度を備えるとともに、感度軸方向と直交する方向からの磁界成分（外乱磁場成分）に対して良好な外乱耐性を備えているため、従来に比べて、検知精度を向上させることが可能である。

本発明における磁気センサによれば、感度軸方向からの外部磁界に対して良好な磁気感度を備えるとともに感度軸方向とは異なる方向からの磁界に対する外乱耐性を向上させることができる。

図１は、本実施形態の磁気エンコーダの部分斜視図、図２は、磁気センサに設けられる磁気検出素子の拡大平面図、図３は図２に示す磁気検出素子をＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た部分拡大断面図、図４は、第１磁性層と第２磁性層の磁化関係を平面的に見た模式図、図５は本実施形態の磁気検出素子における感度軸方向からの外部磁界と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、図６は本実施形態の磁気センサの回路図、図７（ａ）は、図１とは別の構成を示す磁気検出素子の配置図、図７（ｂ）は図７（ａ）の磁気検出素子を用いた回路図、図８は、図６，図７とは別の本実施形態における磁気センサの回路図、図９は、図１とは別の構成を示す本実施形態の磁気エンコーダの部分側面図、である。

各図におけるＸ１−Ｘ２方向、Ｙ１−Ｙ２方向、及びＺ１−Ｚ２方向の各方向は残り２つの方向に対して直交した関係となっている。Ｙ１−Ｙ２方向は、磁石及び磁気センサの相対移動方向である。Ｚ１−Ｚ２方向は磁石と磁気センサとが所定の間隔を空けて対向する高さ方向である。

図１に示すように磁気エンコーダ２０は、磁石２１と磁気センサ２２を有して構成される。

磁石２１はＹ１−Ｙ２方向に延びる棒形状であり、その上面２１ａがＹ１−Ｙ２方向に所定幅にてＮ極とＳ極とが交互に着磁された着磁面である。Ｎ極とＳ極は等間隔で着磁され、Ｎ極とＳ極との中心間距離（ピッチ）はλである。磁石２１の下面２１ｂは、上面２１ａに対して異極に着磁されている（図示しない）。

磁気センサ２２は、磁石２１の上面２１ａの上方に所定の間隔を空けて配置されている。

図１に示すように磁気センサ２２は、基板２３と、共通の基板２３の表面（磁石２１との対向面）２３ａに設けられた複数の磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を有して構成される。

図１に示すように、各磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２は、Ｙ１−Ｙ２方向にλ／４の間隔を空けて並設されている。図６の回路図に示すように、磁気検出素子Ａ１と磁気検出素子Ａ２、及び磁気検出素子Ｂ１と磁気検出素子Ｂ２は直列接続されるが、直列接続される磁気検出素子同士はＹ１−Ｙ２方向にλ／２の間隔を空けて配置されている。

図２に示すように各磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２は、Ｙ１−Ｙ２方向に帯状に延びる素子部１０を備える。素子部１０のＸ１−Ｘ２方向における素子幅はＷ１で形成され、素子部１０のＹ１−Ｙ２方向における長さ寸法はＬ１で形成される。図２に示すように長さ寸法Ｌ１は素子幅Ｗ１より大きい。よって素子部１０はＹ１−Ｙ２方向を長手方向とした細長形状で形成される。

図２に示すように素子部１０は複数設けられ、各素子部１０はＸ１−Ｘ２方向に所定の間隔Ｔ１を空けて並設されている。

図２に示すように、各素子部１０のＹ１−Ｙ２方向における端部間は接続部１１により接続されている。接続部１１は非磁性導電材料による電極層で形成されたり、あるいはハードバイアス層等で形成される。磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２は、素子部１０と接続部１１によりミアンダ形状で形成される。なお接続部１１は、素子部１０と同じ層構成で形成され、素子部１０の層構成で一体化されたミアンダ形状であってもよい。接続部１１が素子部１０と同じ層構成で形成されている場合でも接続部１１の部分を除外して素子部１０の長さ寸法Ｌ１を規定する（図２の長さ寸法Ｌ１に一致）。

図２に示すようにＸ１−Ｘ２方向の両側に位置する素子部１０の端部には非磁性導電材料で形成された配線部１２が接続されている。

素子部１０は、図３に示す多層構造で形成される。図３に示すように素子部１０は下からシード層３０、第１磁性層３１、非磁性層３２、第２磁性層３３及び保護層３４の順に積層される。シード層３０はＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒ等によって形成される。シード層３０は、その上に形成される各層の結晶配向性を整えるために設けられる層である。シード層３０は形成されなくてもよい。また、シード層３０の下にＴａ等で形成される非磁性の下地層が形成されていてもよい。またシード層３０を形成しない場合、基板２３上に下地層を介して第１磁性層３１を形成することが好ましい。

第１磁性層３１は、下からＮｉ−Ｆｅ層３５、Ｃｏ−Ｆｅ層３６の順に積層されている。

非磁性層３２はＣｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅのうち１種あるいは２種以上の合金で形成されていることが好ましい。

第２磁性層３３は、下からＣｏ−Ｆｅ層３７、Ｎｉ−Ｆｅ層３８の順に積層されている。

保護層３４は、例えばＴａで形成される。保護層３４の形成は必須でないが、形成したほうがよい。

図３に示すように第１磁性層３１と第２磁性層３３は非磁性層３２を介して積層されている。第１磁性層３１と第２磁性層３３は、共にＣｏ−Ｆｅ層３６，３７とＮｉ−Ｆｅ層３５，３８との積層構造である。そして図３に示すように第１磁性層３１を構成するＣｏ−Ｆｅ層３６と、第２磁性層３３を構成するＣｏ−Ｆｅ層３７とが非磁性層３２を介して対向している。

第１磁性層３１及び第２磁性層３３は、共に同じ磁性材料で形成されることが好ましい。これにより後述する第１磁性層３１及び第２磁性層３３のＭｓ・ｔ（Ｍｓは飽和磁化、ｔは膜厚）の調整を行いやすい。

第１磁性層３１と第２磁性層３３は、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ以外の磁性材料で形成されてもよい。また、各磁性層３１，３３は単層構造であっても積層構造であってもどちらでもよい。

ただし図３のように、各磁性層３１，３３がＮｉ−Ｆｅ層３５，３８とＣｏ−Ｆｅ層３６，３７の積層構造で形成され、Ｃｏ−Ｆｅ層３６，３７が非磁性層３２を介して対向した形態であることが好ましい。これにより、熱を加えたときにＮｉＦｅが非磁性層３２へ拡散するのを抑制できる。

第１磁性層３１と第２磁性層３３は共に外部磁界に対して磁化変動可能となっている。すなわちＧＭＲ素子の固定磁性層のように磁化固定されていない。

本実施形態では、Ｙ１−Ｙ２方向は磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の感度軸方向である。

図４に示すように、無磁場状態（外部磁界が作用していない状態）では、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１が、感度軸方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に対して直交する素子幅方向（Ｘ１−Ｘ２方向）からＹ１方向（第１の方向）に傾いており、第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２が、素子幅方向（Ｘ１−Ｘ２方向）からＹ２方向（第２の方向）に傾いている。そして、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２間の角度θは、９０度〜１８０度の範囲内となっている。

図３に示すように、本実施形態では、無磁場状態では、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と、第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２とが、感度軸方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に向けて、略反平行となっていることが好ましい。

ここで「略反平行」とは、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２間の角度θ（鈍角）が１５０度〜１８０度の範囲内を意味する。

第１磁性層３１と第２磁性層３３との間にはＲＫＫＹ相互作用による結合磁界が生じている。よって、図３に示す素子部１０を積層した後、Ｙ１方向、あるいはＹ２方向のどちらかに磁界をかけながらアニール処理すると、一旦、第１磁性層３１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ１，Ｆ２は同一方向を向くが、磁場中アニールを停止すると、ＲＫＫＹ相互作用による結合磁界により、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２が反平行となろうとする。

図５は、本実施形態の磁気検出素子に対してＹ１−Ｙ２方向（感度軸方向）に外部磁界を作用させたときの抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を示すグラフである。図５では、−１００Ｏｅから＋１００Ｏｅの範囲内での抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を示している。例えば図５に示すプラスの外部磁界はＹ１方向、マイナスの外部磁界はＹ２方向であるとする。

図５に示す磁気検出素子は、無磁場状態（外部磁界が０Ｏｅ）での第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２との間の角度θ（鈍角）が、約１５０度である。

図５に示す無磁場状態（外部磁界が０Ｏｅ）からＹ１方向に外部磁界を大きくしていくと、外部磁界と、ＲＫＫＹ相互作用により結合磁界とにより、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２とが反平行になり抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が最大値に達する。さらにＹ１方向に外部磁界を大きくしていくと、反平行状態が崩れ、第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２がＹ２方向からＹ１方向に回転する。よって第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２とが平行状態に近づき、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が徐々に低下する。

一方、図５に示す無磁場状態（外部磁界が０Ｏｅ）からＹ２方向に外部磁界を大きくしていくと、外部磁界と、ＲＫＫＹ相互作用により結合磁界とにより、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２とが反平行になり抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が最大値に達する。さらにＹ２方向に外部磁界を大きくしていくと、反平行状態が崩れ、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１がＹ１方向からＹ２方向に回転する。よって第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２とが平行状態に近づき、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が徐々に低下する。

図５に示すように本実施形態の磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は最大で１４％程度になる。従来におけるＧＭＲ素子やＡＭＲ素子では数％の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）しか得られなかったので、本実施形態の磁気検出素子を用いることで出力を大幅に向上させることができる。

また、図５に示すように、外部磁界が０Ｏｅのラインを対称軸としてＹ１方向に外部磁界を作用させたときと、Ｙ２方向に外部磁界を作用させたときとで抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の波形が略対称関係となっている。したがって、Ｙ１方向からの外部磁界とＹ２方向からの外部磁界に対する磁気感度がほぼ同じである。このようにＹ１方向及びＹ２方向からの外部磁界に対してほぼ同じ磁気感度に調整するには、第１磁性層３１のＭｓ１・ｔ１（Ｍｓは飽和磁化、ｔは膜厚）と、第２磁性層３３のＭｓ２・ｔ２との比を小さくすることが好ましい。

本実施形態では、（Ｍｓ２・ｔ２／Ｍｓ１・ｔ１）は１より大きく２より小さいことが好適である。第１磁性層３１と第２磁性層３３のＭｓ・ｔの比が大きいと、Ｙ１方向あるいはＹ２方向へ外部磁界が作用したときの第１磁性層３１と第２磁性層３３の磁化の向きやすさ（回転しやすさ）に差が生じる。よってＹ１方向からの外部磁界とＹ２方向からの外部磁界に対する図５に示す抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の波形が左右対称にならず、その結果、再生波形のアスペクト比が一定にならず検出精度が低下する。よって、第１磁性層３１のＭｓ１・ｔ１と、第２磁性層３３のＭｓ２・ｔ２の比をできる限り小さくすることが良好な検出精度を得る上で好適である。

本実施形態では、磁気検出素子を構成する素子部１０がＹ１−Ｙ２方向（感度軸方向）を長手方向とした細長形状で形成される。よって、形状磁気異方性により素子部１０のＹ１−Ｙ２方向が磁化容易軸方向となっている。したがって、Ｙ１−Ｙ２方向に対して直交するＸ１−Ｘ２方向に外部磁界（外乱磁場）が作用しても磁気検出素子は抵抗変化しにくく外乱耐性を向上させることができる。

素子部１０のアスペクト比を変化させ、外部磁界と電気抵抗値との関係を調べた。
実験で使用した素子部１０は、下から、シード層３０：［ＮｉＦｅＣｒ（４．２ｎｍ）］／第１磁性層３１［Ｎｉ_81.5at%Ｆｅ_18.5at%（３．０ｎｍ）／Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（１．５ｎｍ）］／非磁性層：Ｃｕ（２．０ｎｍ）／第２磁性層３３［Ｃｏ_90at%Ｆｅ_10at%（１．５ｎｍ）／Ｎｉ_81.5at%Ｆｅ_18.5at%（３．０ｎｍ）］／保護層：Ｔａ（３．０ｎｍ）の順で積層した。括弧内の数値は膜厚を示している。

また、素子部１０を２〜１２本、図２に示すＸ１−Ｘ２方向に並設しミアンダ形状とした。このとき、各素子部１０間の間隔Ｔ１を５μｍとした。

素子部１０のＹ１−Ｙ２方向（感度軸方向）の長さ寸法Ｌ１は２００〜３００μｍの範囲内とした。

一方、素子部１０のＸ１−Ｘ２方向（直交方向）の素子幅Ｗ１は、２μｍ（２）、３μｍ（２）、４μｍ（３）、５μｍ（３）、６μｍ（４）、７μｍ（５）、８μｍ（５）、１０μｍ（６）、１５μｍ（９）、及び２０μｍ（１２）と変化させた。括弧内の数値は、素子部の本数を示している。

実験では、素子幅Ｗ１の異なる各磁気検出素子に対してＸ１−Ｘ２方向から外部磁界（外乱磁場）を作用させて電気抵抗変化を測定し、またＹ１−Ｙ２方向（感度軸方向）から外部磁界を作用させて電気抵抗変化を測定した。

図１０は、素子幅Ｗ１を２μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は１００）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。

図１１は、素子幅Ｗ１を３μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は１００）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。

図１２は、素子幅Ｗ１を４μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は６６．７）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。

図１３は、素子幅Ｗ１を５μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は６６．７）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。

図１４は、素子幅Ｗ１を６μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は５０）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。

図１５は、素子幅Ｗ１を７μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は４０）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。

図１６は、素子幅Ｗ１を８μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は４０）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。

図１７は、素子幅Ｗ１を１０μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は３３．３）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。

図１８は、素子幅Ｗ１を１５μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は２２．２）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。

図１９は、素子幅Ｗ１を２０μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は１６．７）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。

図１０〜図１９の各（ｂ）図に示すように、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係については、素子部１０の幅寸法Ｗ１に関わらずほぼ同じ波形を示した。

図１０〜図１９の各（ａ）図に示すように、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係については、素子部１０の素子幅Ｗ１が大きくなるほど、外部磁界に対する電気抵抗値の変動が大きくなった。すなわち外乱耐性が低下した。

本実施形態の磁気検出素子は、磁気エンコーダ２０に搭載される磁気センサ２２に設けられ、図６に示すブリッジ回路を構成している。

磁気センサ２２のＹ１−Ｙ２方向への相対移動により、各磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２には磁石２１の着磁面（上面）２１ａからＹ１方向あるいはＹ２方向の外部磁界が作用する。そして図６に示す２つのブリッジ回路から夫々位相がλ／４ずれた出力波形が得られ、出力波形に基づき、磁気センサ２２あるいは磁石２１の移動速度、移動距離、移動方向を知ることが可能となる。

磁気センサ２２が、磁石２１の着磁面２１ａのＸ１−Ｘ２方向の幅方向の中心からＸ１方向、あるいはＸ２方向にずれて配置されると、磁石２１から磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２には、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）の磁界成分だけでなく、Ｘ１−Ｘ２方向の磁界成分（外乱磁場成分）も作用する。

上記したように本実施形態の磁気検出素子は、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）の外部磁界成分に対して良好な磁気感度を備えるとともに、Ｘ１−Ｘ２方向の磁界成分（外乱磁場成分）に対しては良好な外乱耐性を備える。

よって従来に比べて出力を大幅に増加させることが出来るとともに、再生波形に歪みが生じるのを抑制でき、検知精度を向上させることが可能である。

図１，図６に示す磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の配置及びブリッジ回路の構成は一例である。

例えば図７（ａ）のように各磁気検出素子をマトリクス状に配置し、各磁気検出素子を用いて図７（ｂ）に示す２つのブリッジ回路を構成してもよい。図７（ａ）に示す８個の磁気検出素子は、いずれも図２，図３に示す素子構成で形成されたものである。

上記した図１、図６及び図７の磁気エンコーダは、各ブリッジ回路から１周期（λ）に２つの出力波形が得られる構成であり、倍周波タイプの磁気エンコーダと称される。本実施形態の磁気エンコーダは倍周波タイプに好ましく適用される。

また、図８に示すブリッジ回路構成としてもよい。磁気抵抗効果素子Ａ１と、磁気抵抗効果素子Ｂ１はλ離れている。

上記に挙げた磁気エンコーダ２０は、図１に示すように磁気センサ２２あるいは磁石２１の一方、又は双方が直線移動するものであったが、図９に示すように、側面８０ａにＮ極とＳ極とが交互に着磁された回転ドラム型の磁石（磁界発生部材）８０と磁気センサ２２とを有し、磁石８０の回転によって得られた出力により、回転速度や回転数、回転方向を検知できる回転型の磁気エンコーダであってもよい。

また本実施形態の磁気検出素子は、磁気エンコーダ以外の用途の磁気センサに適用することも可能である。

例えば、地磁気センサに適用できる。Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）が地磁気の方向である。

本実施形態の磁気エンコーダの部分斜視図、磁気センサに設けられる磁気検出素子の拡大平面図、図２に示す磁気検出素子をＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た部分拡大断面図、第１磁性層と第２磁性層の磁化関係を平面的に見た模式図、本実施形態の磁気検出素子における感度軸方向からの外部磁界と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、本実施形態の磁気センサの回路図、（ａ）は、図１とは別の構成を示す磁気検出素子の配置図、（ｂ）は図７（ａ）の磁気検出素子を用いた回路図、図６，図７とは別の本実施形態における磁気センサの回路図、図１とは別の構成を示す本実施形態の磁気エンコーダの部分側面図、素子幅Ｗ１を２μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、素子幅Ｗ１を３μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、素子幅Ｗ１を４μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、素子幅Ｗ１を５μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、素子幅Ｗ１を６μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、素子幅Ｗ１を７μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、素子幅Ｗ１を８μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、素子幅Ｗ１を１０μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、素子幅Ｗ１を１５μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、素子幅Ｗ１を２０μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１−Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１−Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、（ａ）は、ＧＭＲ素子が磁石の着磁面における幅中心ＣＬの上方に位置した状態の平面図、（ｂ）は、ＧＭＲ素子の初期位置（０）からの相対移動方向における抵抗変化を示すグラフ、（ａ）は、ＧＭＲ素子が磁石の着磁面における幅中心ＣＬの上方から幅方向ずれて配置された平面図、（ｂ）は、ＧＭＲ素子の初期位置（０）からの相対移動方向における抵抗変化を示すグラフ、

１０素子部
１１接続部
２０磁気エンコーダ
２１、８０磁石
２１ａ（磁石の）上面（着磁面）
２２磁気センサ
２３基板
３０シード層
３１第１磁性層
３２非磁性層
３３第２磁性層
３４保護層
３５、３８Ｎｉ−Ｆｅ層
３６、３７Ｃｏ−Ｆｅ層
８０ａ（磁石の）側面（着磁面）
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２磁気検出素子
Ｆ１、Ｆ２磁化方向

Claims

感度軸方向からの外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気検出素子を備えた磁気センサにおいて、
前記磁気検出素子は、第１磁性層と、第２磁性層とが非磁性層を介して積層された積層構造を有する素子部を備え、
前記第１磁性層と前記第２磁性層は、共に前記外部磁界に対して磁化方向が変動可能で、前記第１磁性層の磁化方向と前記第２磁性層の磁化方向との間の角度変化に基づいて前記電気抵抗値が変化するものであり、
無磁場状態では、前記第１磁性層の磁化方向と、前記第２磁性層の磁化方向は、前記感度軸方向と平行な方向に向けて略反平行であり、
前記素子部は、前記感度軸方向を長手方向とした細長形状で形成され、前記長手方向が磁化容易軸方向とされ、前記感度軸方向と一致する前記長手方向の磁界変化に対して略対称な抵抗変化率曲線を有し、
前記素子部の前記長手方向と直交する方向の素子幅をＷ１、前記素子部の前記長手方向における素子長さをＬ１としたとき、アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は、１６．７〜１００の範囲内であり、
前記第１磁性層のＭｓ１・ｔ１（Ｍｓは飽和磁化、ｔは膜厚）と、前記第２磁性層のＭｓ２・ｔ２の比（Ｍｓ２・ｔ２／Ｍｓ１・ｔ１）が１より大きく２より小さいことを特徴とする磁気センサ。
第１磁性層及び第２磁性層は、共に、Ｃｏ−Ｆｅ層とＮｉ−Ｆｅ層の積層構造で形成され、各磁性層のＣｏ−Ｆｅ層が前記非磁性層を介して対向している請求項１に記載の磁気センサ。
前記磁気検出素子は、複数の前記素子部が前記感度軸方向と直交する方向に間隔を空けて並設され、各素子部の前記感度軸方向への端部間が接続された形状で形成されている請求項１又は２に記載の磁気センサ。
請求項１ないし３のいずれかに記載された磁気センサと、前記感度軸方向である相対移動方向に交互にＮ極とＳ極が着磁された着磁面を有する磁界発生部材と、を有し、前記磁気センサは、前記着磁面から高さ方向に離れた位置に配置されていることを特徴とする磁気エンコーダ。