JP5602682B2 - 磁気センサ、及び磁気センサ用パターン - Google Patents

Description

本発明は、磁界を検出する磁気センサ、及び磁気センサ用パターンに関するものである。

磁気センサの一例としては、例えば四つの磁気抵抗素子を接続することでホイートストンブリッジ回路を構成した磁気抵抗素子回路が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この従来の磁気抵抗素子回路は、四つの磁気抵抗素子を正方形の対角線の交点を中心として直角方向に点対称に配置して構成されている。

四つの磁気抵抗素子のそれぞれのパターン形成領域の輪郭形状は、平面視で正方形を有している。四つの磁気抵抗素子のそれぞれは、正方形の対角線上に沿って平行に配置された複数の線状パターンの長さ方向両端部を交互に接続した折り返し状に形成されている。その線状パターンの長手方向は磁界検出方向となっており、その線状パターンを折り返して線状パターン長を長く設定することで、磁気抵抗素子の抵抗値が大きくなっている。

特開平８−２４２０２７号公報

上記特許文献１に記載された従来の磁気抵抗素子においては、線状パターンの両端がパターン形成領域となる正方形の対角線上の２つの角部に近づくに伴い、折り返しパターン長が次第に短くなるように形成されている。そのため、正方形の対角線上の２つの角部においては、磁界検出方向の抵抗変化率が次第に低くなってしまう。その結果、磁気抵抗素子回路全体の出力振幅が低下してしまうので、十分な磁界検出感度が得られない。

そこで、本発明の目的は、磁界検出感度に優れた磁気センサ、及び磁気センサ用パターンを提供することにある。

［１］本発明は、四角形の二辺に対して所定の傾斜角をもって平行に配置された複数の直線部分、及び隣接する直線部分の長さ方向両端部を交互に接続した複数の折り返し部分を有するパターンと、前記パターンの抵抗変化率が大きくなる第１領域、及び前記パターンの抵抗変化率が前記第１領域よりも小さくなる第２領域を有する四角形のパターン形成領域とを備え、前記パターンは、前記第１領域、及び前記直線部分の抵抗値に対する前記折り返し部分の抵抗値の割合が大きくなる前記四角形のパターン形成領域の角部のうち、外部接続用のパッドが形成される側の角部を除いて前記第２領域の一部に連続して設けられ、前記第２領域の前記パターンが存在しない領域には、ダミーパターンが設けられてなることを特徴とする磁気センサにある。

［２］上記［１］記載の発明にあっては、前記第２領域の一部には、前記抵抗変化率が低下しない程度に前記パターンが設けられてなることを特徴とする。

［３］上記［１］又は［２］記載の発明にあっては、前記パターン形成領域は長方形であり、前記パターンの複数の直線部分は、前記長方形の対向する長辺に対して、４５°の傾斜角をもって平行に配置されてなることを特徴とする。

［４］上記［１］又は［２］記載の発明にあっては、前記パターン形成領域は正方形であり、前記パターンの複数の直線部分は、前記正方形の対角線に沿って平行に配置されてなることを特徴とする。

［５］上記［１］〜［４］のいずれかに記載の発明にあっては、前記パターンは対角線の交点を中心として点対称に配置されてなることを特徴とする。

［６］上記［１］〜［５］のいずれかに記載の発明にあっては、複数の磁気検出素子を有し、前記複数の磁気検出素子のそれぞれは、前記パターン形成領域の形状が同一であり、前記パターンが同一の形状を有する膜からなることを特徴とする。

［７］本発明は、四角形のパターン形成領域の二辺に対して所定の傾斜角をもって平行に配置された複数の直線部分、及び隣接する直線部分の長さ方向両端部を交互に接続した複数の折り返し部分を有するパターンを備え、前記パターンは、前記直線部分の抵抗値に対する前記折り返し部分の抵抗値の割合が大きくなる前記四角形のパターン形成領域の角部のうち、外部接続用のパッド及びダミーパターンが形成される側の角部を除いて設けられてなることを特徴とする磁気センサ用パターンを提供する。

本発明によれば、出力振幅の低下を抑制することができるようになり、磁気抵抗素子回路全体の磁界検出の感度を高めることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る典型的な磁気センサの電気回路図である。 第１の実施の形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗素子の要部を示す平面図である。 第２の実施の形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗素子の要部を示す平面図である。 第３の実施の形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗素子の要部を示す平面図である。 従来の磁気センサにおける磁気抵抗素子の要部を示す平面図である。 磁気抵抗素子の直線部分の抵抗値に対する折り返し部分の抵抗値の割合と出力振幅の関係をプロットして得られたグラフである。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。

［第１の実施の形態］
（磁気センサの構成）
図１において、全体を示す符号１０は磁気センサの一例を示している。この磁気センサ１０は、磁気検出素子である四つのＭＲ素子（磁気抵抗素子）２０，３０，４０，５０をホイートストンブリッジ状に接続した等価回路（フルブリッジ回路）を備えている。

この四つのＭＲ素子２０，３０，４０，５０は、図１に示すように、磁石により形成される磁気センサ１０に対する磁界の方向変化（磁束の方向変化）に応じて電気抵抗値Ｒ１〜Ｒ４が変化する素子である。この磁気検出素子としては、ＭＲ素子以外に、例えばホール素子や磁気インピーダンス効果素子などが挙げられる。

ＭＲ素子２０とＭＲ素子４０とは、図１に示すように、互いに直列接続されるとともに、ＭＲ素子３０とＭＲ素子５０とが互いに直列接続されている。ＭＲ素子２０，４０とＭＲ素子３０，５０とは互いに並列接続されている。このＭＲ素子２０とＭＲ素子４０との間には図示しない電源部に接続される入力端子６０が形成されている。ＭＲ素子３０とＭＲ素子５０との間にはアース端子７０が形成されている。ＭＲ素子２０とＭＲ素子３０との間には、中点電位Ｖ_１が出力される出力端子８０が形成されている。ＭＲ素子４０とＭＲ素子５０との間には、中点電位Ｖ_２が出力される出力端子９０が形成されている。

この磁気センサ１０は、図１に示すように、磁気センサ１０に対する磁界の方向変化を中点電位Ｖ_１と中点電位Ｖ_２との電位差の変化として検出する。この電位差が出力電圧（出力振幅）Ｖとして出力される。電位差が０Ｖに近いほど、高性能の磁気センサ１０が得られるので、四つのＭＲ素子２０，３０，４０，５０は、電気抵抗値Ｒ１〜Ｒ４が等しくなるように予め設定されたパターンで図示しない基板上のパターン形成領域に形成される。

この磁気センサ１０は、四つのＭＲ素子２０，３０，４０，５０を矩形の対角線の交点を中心として直角方向に点対称に配置されている。ＭＲ素子２０，５０の長手方向に磁界が印加されると、ＭＲ素子２０，５０の抵抗値が最大となり、ＭＲ素子３０，４０の抵抗値が最小となる。これとは反対に、ＭＲ素子３０，４０の長手方向に磁界が印加されると、ＭＲ素子３０，４０の抵抗値が最大となり、ＭＲ素子２０，５０の抵抗値が最小となる。

図２を参照すると、図２には磁気センサ１０におけるＭＲ素子２０の要部が示されている。このＭＲ素子２０以外の他のＭＲ素子３０，４０，５０にあっても、同一構造及び同一形状を有している。

このＭＲ素子２０，３０，４０，５０は、ニッケルコバルトなどを含む強磁性薄膜、あるいはアモルファスやパーマロイ等の高透磁率薄膜からなり、酸化物ガラスやアルミナ等からなる非磁性の基板上のパターン形成領域に磁気抵抗膜として成膜技術により形成される。基板とＭＲ素子との間には絶縁膜が形成される。ＭＲ素子の表面には窒化ケイ素や二酸化ケイ素などの保護層が設けられる。

（ＭＲ素子のパターン）
この四つのＭＲ素子２０，３０，４０，５０のいずれともに同一構造及び同一形状を有しているため、この第１の実施の形態では一つのＭＲ素子２０の構造及び形状のみを説明する。

このＭＲ素子２０における感磁部のパターン形成領域２１の輪郭形状は、図２に示すように、平面視で長方形を有している。このＭＲ素子２０は、長方形の対向する長辺２１ａ，２１ａに対して、４５°の傾斜角θをもって平行に配置された線状のパターン２２からなる。このパターン２２は、抵抗変化率が大きくなる所定の同一長さ及び所定の同一間隔をもって延びた複数の直線部分２２ａ，…，２２ａを有するとともに、隣接する直線部分２２ａの長さ方向両端部を交互に接続した複数の折り返し部分２２ｂ，…，２２ｂを有しており、折り返し構造とされている。

このパターン２２の直線部分２２ａの長手方向は、磁界検出方向となっており、その磁界検出方向の直線部分２２ａの長さを長く設定することで、ＭＲ素子２０の抵抗値を大きく設定し、磁気検出感度が高められている。このパターン２２の傾斜角θは４５°以外でも構わないが、０°と９０°とを除いた傾斜角θにすることが好適である。

折り返し状に形成されたパターン２２の両端には、図２に示すように、金属パッド２３，２３が形成されている。この金属パッド２３は、コンタクトホール２３ａを介してパターン２２の両端に接続されている。ＭＲ素子２０は、金属パッド２３に接続された図示しない配線を介して、他のＭＲ素子３０，４０，５０と接続される。

（ＭＲ素子のパターン形成領域）
この第１の実施の形態に係る磁気センサ１０の主要な構成は、ＭＲ素子２０，３０，４０，５０のパターンとパターン形成領域にある。よって、上記のように構成された磁気センサ１０については、特に限定されるものではない。

図５を参照すると、図５には従来の磁気センサにおけるＭＲ素子２００の要部が示されている。なお、同図において、図２に示すＭＲ素子２０と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付している。

ここで、例えば長方形のパターン形成領域２１に形成されたＭＲ素子２００に３Ｖの電圧が印加された際のパターン２２の直線部分２２ａの抵抗値に対する折り返し部分２２ｂの抵抗値の割合と出力振幅（出力電圧）との関係を下記の表１に示す。下記表１の符号Ａ〜Ｄに対応する測定箇所を図５に表示している。図６において、下記表１に示す折り返し部分２２ｂの抵抗値割合と出力振幅との関係をグラフ上にプロットしている。

表１、図５及び図６から明らかなように、ＭＲ素子２００のパターン２２の直線部分２２ａの抵抗値に対する折り返し部分２２ｂの抵抗値の割合は、測定箇所Ａから測定箇所Ｄに向かって次第に小さくなっている。その測定箇所Ａ〜Ｄの出力振幅は、測定箇所Ａから測定箇所Ｄに向けて次第に大きくなっており、測定箇所Ｄの出力振幅は、測定箇所Ａの出力振幅よりも４．５％程度増大している。

これらの結果から、長方形のパターン形成領域２１には、パターン２２の直線部分２２ａの抵抗値に対する折り返し部分２２ｂの抵抗値の割合が小さいため、出力振幅を大きく取れる第１領域２１ｄが存在するとともに、その第１領域２１ｄよりも折り返し部分２２ｂの抵抗値の割合が大きくなり、出力振幅の小さな第２領域２１ｅが存在するということが分かる。

この第１領域２１ｄにおいては、パターン形成領域２１となる長方形の角部に形成される第２領域よりもパターン２２の直線部分２２ａの抵抗値に対する折り返し部分２２ｂの抵抗値の割合が小さい。そのため、ＭＲ素子２０の出力振幅を大きく取り、磁界の方向変化に対して大きな抵抗変化率が得られ、十分な磁界検出感度が得られる。

この第１の実施の形態にあっては、上記結果を踏まえて、ＭＲ素子２０のパターン２２を形成する長方形のパターン形成領域２１は、図２に示すように、磁界の方向変化に対してパターン２２の抵抗変化率が大きくなる第１領域２１ｄと、パターン２２の抵抗変化率が第１領域２１ｄよりも小さくなる第２領域２１ｅの一部とに連続して設けられる。

ここで、抵抗変化率は、ＭＲ素子２０に磁界を印加していったときの抵抗の最大値をＲ_Ｍａｘとし、抵抗の最小値をＲ_Ｍｉｎとして、（Ｒ_Ｍａｘ−Ｒ_Ｍｉｎ）／Ｒ_Ｍｉｎ×１００と定義する。

このパターン形成領域２１の第１領域２１ｄは、図２に示すように、長方形の対向する２つの長辺２１ａ、２１ａと長辺２１ａに４５°の傾斜角θをもって交差する平行な２つの斜線分２１ｃ、２１ｃとにより囲まれる形の形状に形成されている。一方の第２領域２１ｅは、第１領域２１ｄの斜線分２１ｃと長方形の対角線上の対向する２つの角部分を構成する隣り合う長辺２１ａ及び短辺２１ｂとにより囲まれる台形の形状に形成されている。

このＭＲ素子２０は、図２に示すように、抵抗変化率が大きくなる第１領域２１ｄと、第１領域２１ｄの抵抗変化率の低下を支配しない第２領域２１ｅの一部とに連続してパターン２２を形成している。この第２領域２１ｅの一部には、パターン２２の抵抗変化率が低下しない程度にパターン２２が設けられている。

抵抗変化率が第１領域２１ｄよりも小さくなる第２領域２１ｅは、ＭＲ素子２０の出力振幅に寄与しないので、パターン形成領域外であるパターン非形成領域とされている。図示例にあっては、第２領域２１ｅにはダミーパターン２４が折り返して形成されている。

ＭＲ素子２０は、例えばフォトリソグラフィによるパターンニングとエッチングとより所望のパターン形状に形成される。ダミーパターン２４を第２領域２１ｅに形成することにより、ＭＲ素子２０のフォトリソグラフィ工程におけるパターンずれを防止し、正確なパターニングが実現される。

（第１の実施の形態の効果）
この第１の実施の形態に係るＭＲ素子２０によれば、出力振幅の低下を抑制することができるようになり、磁気抵抗素子回路全体の磁界検出感度を高めることができる。

ＭＲ素子２０，３０，４０，５０のそれぞれは、パターン形成領域２１の形状が同一であり、パターン２２が同一の形状を有する線状パターンからなる。このパターン形成領域２１は長方形、正方形、平行四辺形や台形などの四角形の形状又は三角形などに形成されても構わない。パターン２２の直線部分２２ａ、及び折り返し部分２２ｂの幅、長さや厚さの寸法、パターン形成領域２１の輪郭形状や面積などを適宜に調整することで、出力信号の振幅を大きく取り、磁界検出感度を高めることができる。

［第２の実施の形態］
図３を参照すると、図３には第２の実施の形態に係るＭＲ素子の要部が示されている。この第２の実施の形態の基本の構成にあっても、上記第１の実施の形態と同様に、ＭＲ素子のパターン形成領域にある。なお、同図において上記第１の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付している。従って、これらの部材に関する詳細な説明は省略する。

この第２の実施の形態において上記第１の実施の形態と異なるところは、ＭＲ素子２０のパターン形成領域２１の輪郭形状にある。このパターン形成領域２１の輪郭形状は、図３に示すように、平面視で正方形を有している。ＭＲ素子２０は、正方形の対角線上に沿って平行に配置されたパターン２２の長さ方向両端部を交互に接続した折り返し状に形成されている。そのパターン２２の長手方向は磁界検出方向となっており、そのパターン２２を折り返してパターン長が長く形成されている。

このパターン形成領域２１の第１領域２１ｄは、一方の対角線上の２つの角部を構成する隣り合う一辺（線分）２５ａ、２５ａと一辺２５ａに４５°の傾斜角θをもって交差する平行な２つの斜線分２５ｂ、２５ｂとにより囲まれる形の形状に形成されている。一方、パターン非形成領域となる第２領域２１ｅは、第１領域２１ｄの斜線分２５ｂと他方の対角線上の対向する２つの角部分を構成する隣り合う線分２５ａ、２５ａとにより囲まれる台形の形状に形成されている。

この第１領域２１ｄは、抵抗変化率が第１領域２１ｄよりも小さくなる第２領域２１ｅの一部を含んでおり、この第２領域２１ｅの一部にわたってパターン２２が形成されている。図示例では、第２領域２１ｅにはダミーパターン２４が折り返して形成されている。

（第２の実施の形態の効果）
この第２の実施の形態に係るＭＲ素子２０にあっても、出力信号の振幅を大きく取れるため、磁界検出感度を高めることができる。

［第３の実施の形態］
図４を参照すると、図４には第３の実施の形態に係るＭＲ素子の要部が示されている。この第３の実施の形態にあっても、上記第１及び第２の実施の形態と同様に、ＭＲ素子のパターン形成領域を主要な構成としている。この第３の実施の形態においては、ＭＲ素子回路の構成、及びパターン形成領域の輪郭形状が上記第１の実施の形態とは異なっている。なお、同図において上記各実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付している。従って、これらの部材に関する詳細な説明は省略する。

このＭＲセンサ１０は、図４に示すように、同一構造及び同一形状を有する八つのＭＲ素子２０ａ〜５０ａ、２０ｂ〜５０ｂにより構成されている。このＭＲ素子２０ａ〜５０ａ、２０ｂ〜５０ｂは、八角形の対角線の交点Ｏを中心とする４５°の位相差をもって、図示しない同一基板上に環状に配置されている。

四つのＭＲ素子２０ａ〜５０ａにより一方のフルブリッジ回路が構成されるとともに、四つのＭＲ素子２０ｂ〜５０ｂにより他方のフルブリッジ回路が構成される。八つのＭＲ素子２０ａ〜５０ａ、２０ｂ〜５０ｂは、同一構造及び同一形状を有するため、この第３の実施の形態では一つのＭＲ素子２０ａの構造及び形状のみを説明する。

ＭＲ素子２０ａのパターン形成領域２１の輪郭形状は、図４に示すように、平面からみて台形を有している。ＭＲ素子２０ａは、台形の上底及び下底の両端を結ぶ一対の線分２６ａ、２６ａに対して、所定の同一角度をもって平行に配置されたパターン２７からなる。このパターン２７は、台形の上底に向かうに従い短く形成された複数の直線部分２７ａが折り返し部分２７ｂにより交互に接続された折り返し形状に形成されている。

このＭＲセンサ１０においては、図４に示すように、パターン形成領域２１の第１領域２１ｄが外側（台形の下底側）に配置されている。一方、パターン非形成領域となる第２領域２１ｅは内側（台形の上底側）に配置されている。この第１領域２１ｄは、抵抗変化率が第１領域２１ｄよりも小さくなる第２領域２１ｅの一部を含んでおり、この第２領域２１ｅの一部にわたってパターン２７が形成されている。図示例にあっては、第２領域２１ｅにはダミーパターン２８が折り返して形成されている。この構成により、第１領域２１ｄのパターン２２の抵抗変化率が消失することなく、磁気抵抗素子回路全体の磁界検出感度を高めることができる。

（第３の実施の形態の効果）
この第３の実施の形態に係るＭＲ素子２０ａにあっても、出力信号の振幅を大きく取り、磁界検出感度を高めることができる。それに加えて、同一構造及び同一形状を有する八つのＭＲ素子２０ａ〜５０ａ、２０ｂ〜５０ｂからなるＭＲセンサ１０は、ダブルフルブリッジ型となっており、一方のフルブリッジ回路に故障が生じても、他方のフルブリッジ回路を用いて検出を継続することができる。これにより、検出の信頼性を向上させることが可能となる。

以上の説明からも明らかなように、本発明に係る実施の形態を例示したが、上記実施の形態及び図示例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。従って、上記実施の形態及び図示例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１０，２００…磁気センサ、２０，２０ａ，２０ｂ，３０，３０ａ，３０ｂ，４０，４０ａ，４０ｂ，５０，５０ａ，５０ｂ…ＭＲ素子、２１…パターン形成領域、２１ａ…長辺、２１ｂ…短辺、２１ｃ，２５ｂ…斜線分、２１ｄ…第１領域、２１ｅ…第２領域、２２，２７…パターン、２２ａ，２７ａ…直線部分、２２ｂ，２７ｂ…折り返し部分、２３…金属パッド、２３ａ…コンタクトホール、２４，２８…ダミーパターン、２５ａ，２６ａ…線分、６０…入力端子、７０…アース端子、８０…出力端子、９０…出力端子、Ｏ…交点、Ｒ１〜Ｒ４…電気抵抗値

Claims (7)

1. 四角形の二辺に対して所定の傾斜角をもって平行に配置された複数の直線部分、及び隣接する直線部分の長さ方向両端部を交互に接続した複数の折り返し部分を有するパターンと、
   前記パターンの抵抗変化率が大きくなる第１領域、及び前記パターンの抵抗変化率が前記第１領域よりも小さくなる第２領域を有する四角形のパターン形成領域とを備え、
   前記パターンは、前記第１領域、及び前記直線部分の抵抗値に対する前記折り返し部分の抵抗値の割合が大きくなる前記四角形のパターン形成領域の角部のうち、外部接続用のパッドが形成される側の角部を除いて前記第２領域の一部に連続して設けられ、
   前記第２領域の前記パターンが存在しない領域には、ダミーパターンが設けられてなることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第２領域の一部には、前記抵抗変化率が低下しない程度に前記パターンが設けられてなることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記パターン形成領域は長方形であり、
   前記パターンの複数の直線部分は、前記長方形の対向する長辺に対して、４５°の傾斜角をもって平行に配置されてなることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気センサ。
4. 前記パターン形成領域は正方形であり、
   前記パターンの複数の直線部分は、前記正方形の対角線に沿って平行に配置されてなることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気センサ。
5. 前記パターンは対角線の交点を中心として点対称に配置されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の磁気センサ。
6. 複数の磁気検出素子を有し、
   前記複数の磁気検出素子のそれぞれは、前記パターン形成領域の形状が同一であり、前記パターンが同一の形状を有する膜からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の磁気センサ。
7. 四角形のパターン形成領域の二辺に対して所定の傾斜角をもって平行に配置された複数の直線部分、及び隣接する直線部分の長さ方向両端部を交互に接続した複数の折り返し部分を有するパターンを備え、
   前記パターンは、前記直線部分の抵抗値に対する前記折り返し部分の抵抗値の割合が大きくなる前記四角形のパターン形成領域の角部のうち、外部接続用のパッド及びダミーパターンが形成される側の角部を除いて設けられてなることを特徴とする磁気センサ用パターン。

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