JP6066134B2 - 磁気センサシステム - Google Patents

Description

本発明は、被検出磁界を発生する磁界発生部と、被検出磁界を検出する磁気センサとを備えた磁気センサシステムに関する。

近年、自動車のステアリングの回転位置の検出等の種々の用途で、対象物の回転位置を検出するために、磁気センサが広く利用されている。磁気センサは、対象物の回転位置を検出する場合に限らず、対象物の直線的な変位を検出する場合にも利用されている。磁気センサが用いられるシステムでは、一般的に、対象物の回転や直線的な運動に連動して方向が回転する被検出磁界を発生する磁界発生部が設けられる。磁界発生部は、例えば磁石である。磁気センサは、磁気検出素子を用いて、基準位置における被検出磁界の方向が基準方向に対してなす角度を検出する。これにより、対象物の回転位置や直線的な変位が検出される。

磁気センサとしては、特許文献１および２に記載されているように、２つのブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）を有するものが知られている。この磁気センサにおいて、２つのブリッジ回路は、それぞれ、４つの磁気検出素子を含み、被検出磁界の方向に対応した信号を出力する。磁気検出素子は、磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子とも記す。）を含む。２つのブリッジ回路の出力信号の位相は、各ブリッジ回路の出力信号の周期の１／４だけ異なっている。被検出磁界の方向が基準方向に対してなす角度は、２つのブリッジ回路の出力信号に基づいて算出される。

特許第５１３１３３９号公報 特表２００４−５０４７１３号公報

ＭＲ素子を用いた磁気センサでは、被検出磁界の方向の回転に伴って、ＭＲ素子の抵抗値に対応するＭＲ素子の出力信号の波形は、理想的には正弦曲線（サイン（Sine）波形とコサイン（Cosine）波形を含む）となる。しかし、特許文献１に記載されているように、ＭＲ素子の出力信号波形は正弦曲線から歪む場合があることが知られている。ＭＲ素子の出力信号波形が正弦曲線から歪むということは、ＭＲ素子の出力信号が、正弦曲線の基本波以外の高調波成分を含むということである。ＭＲ素子の出力信号が高調波成分を含んでいると、磁気センサによる検出角度に誤差が生じる場合がある。

以下、ＭＲ素子が、磁化方向が固定された磁化固定層と、被検出磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層とを有するスピンバルブ型ＭＲ素子である場合を例にとって、ＭＲ素子の出力信号波形が歪む場合の例について説明する。スピンバルブ型ＭＲ素子としては、例えばＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子がある。ＭＲ素子の出力信号波形が歪む場合の例としては、磁化固定層の磁化方向が被検出磁界等の影響によって変動する場合や、自由層の磁化方向が、自由層の形状異方性等の影響によって、被検出磁界の方向と一致しない場合が挙げられる。

特許文献１には、以下のようにして検出角度の誤差を低減する技術が記載されている。この技術では、従来のブリッジ回路を構成するスピンバルブ型ＭＲ素子を、直列に接続された複数のスピンバルブ型ＭＲ素子よりなるＭＲ素子列に置き換えて、ブリッジ回路を構成する。ＭＲ素子列は、ＭＲ素子の対を１つ以上含む。対を構成する２つのＭＲ素子における磁化固定層の磁化方向は、従来のブリッジ回路を構成するＭＲ素子における磁化固定層の磁化方向を基準として、互いに反対方向に同じ角度だけ回転させた方向である。

特許文献２には、主参照磁化軸を持つ主検出素子に、それぞれ主参照磁化軸に対して傾いた参照磁化軸を有する２つの補正検出素子を電気的に接続して、検出角度を補正する技術が記載されている。

ところで、本願の発明者による研究の課程で、磁気センサでは、検出角度の誤差が被検出磁界の強度に応じて変化することが分かった。以下、検出角度の誤差を角度誤差と言い、角度誤差が被検出磁界の強度に応じて変化することを角度誤差の磁界強度依存と言う。この角度誤差の磁界強度依存は、検出角度の誤差を低減する手段を講じた磁気センサにも存在していた。しかし、従来は、実際の被検出磁界の強度において検出角度の誤差が極めて小さくなるように、角度誤差の磁界強度依存を考慮して、実際の使用状態に即して検出角度の誤差を低減する手段を講じることはなされていないという問題点があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、被検出磁界の方向が基準方向に対してなす角度を検出するための磁気センサシステムであって、検出角度の誤差の磁界強度依存を考慮して、実際の使用状態に即して検出角度の誤差を効果的に低減できるようにした磁気センサシステムを提供することにある。

本発明の磁気センサシステムは、被検出磁界を発生する磁界発生部と、基準位置における被検出磁界の方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する角度検出値を生成する磁気センサとを備えている。磁気センサは、磁界検出部と演算部とを備えている。磁界検出部は、被検出磁界を検出する複数の磁気検出素子を含み、被検出磁界の方向が第１の方向に対してなす角度と対応関係を有する第１の信号と被検出磁界の方向が第２の方向に対してなす角度と対応関係を有する第２の信号とを出力する。演算部は、第１および第２の信号に基づいて角度検出値を算出する。

本発明の磁気センサシステムにおいて、被検出磁界の方向が所定の周期で回転する場合、角度検出値は、所定の周期の１／４の周期で変化する角度誤差成分を含む。磁気センサは、磁界検出部における被検出磁界の強度を変化させると、角度誤差成分の絶対値の最大値が、磁界検出部における被検出磁界の強度が第１の強度値のときに極小値をとるように変化する特性を有している。本発明の磁気センサシステムは、磁気センサシステムの使用時において、磁界検出部における被検出磁界の実際の強度を第２の強度値としたとき、第１の強度値と第２の強度値の差が第１の強度値の２０％以下であるものである。本発明の磁気センサシステムにおいて、角度誤差成分の絶対値の最大値は、０．１°以下であってもよい。

また、本発明の磁気センサシステムにおいて、被検出磁界の方向が所定の周期で回転する場合、第１の信号は、理想的な正弦曲線を描くように周期的に変化する第１の理想成分と、第１の理想成分に対する第３高調波に相当する誤差成分である第１の第３高調波成分と、第１の理想成分に対する第５高調波に相当する誤差成分である第１の第５高調波成分とを含んでいてもよく、第２の信号は、理想的な正弦曲線を描くように周期的に変化する第２の理想成分と、第２の理想成分に対する第３高調波に相当する誤差成分である第２の第３高調波成分と、第２の理想成分に対する第５高調波に相当する誤差成分である第２の第５高調波成分とを含んでいてもよい。

また、第１の理想成分が最大値をとるときの第１の理想成分に対する第１の第３高調波成分の比率を第１の比率とし、第１の理想成分が最大値をとるときの第１の理想成分に対する第１の第５高調波成分の比率を第２の比率とし、第２の理想成分が最大値をとるときの第２の理想成分に対する第２の第３高調波成分の比率を第３の比率とし、第２の理想成分が最大値をとるときの第２の理想成分に対する第２の第５高調波成分の比率を第４の比率としたときに、第１の比率と第３の比率の平均値と第２の比率と第４の比率の平均値との差の絶対値は、０．１８％以下であってもよい。この場合、磁界検出部の温度が２０℃のときにおいて、第１の比率と第３の比率の平均値は、第２の比率と第４の比率の平均値よりも小さくてもよい。

また、本発明の磁気センサシステムにおいて、第１の強度値と第２の強度値の差は、第１の強度値の１０％以下であってもよい。また、角度誤差成分の絶対値の最大値は、０．０５°以下であってもよい。また、上記第１の比率と第３の比率の平均値と第２の比率と第４の比率の平均値との差の絶対値は、０．０９％以下であってもよい。この場合、磁界検出部の温度が２０℃のときにおいて、第１の比率と第３の比率の平均値は、第２の比率と第４の比率の平均値よりも小さくてもよい。

また、本発明の磁気センサシステムにおいて、第２の方向は、第１の方向に直交していてもよい。

また、本発明の磁気センサシステムにおいて、複数の磁気検出素子の各々は、磁化方向が固定された磁化固定層と、被検出磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層とを有する磁気抵抗効果素子を含んでいてもよい。この場合、自由層は、非磁性層に接する第１の面と、その反対側の第２の面とを有し、第２の面は、５回以上の回転対称とはならない４回対称の回転対称形状を有していてもよい。

本発明の磁気センサシステムによれば、検出角度の誤差の磁界強度依存を考慮して、実際の使用状態に即して検出角度の誤差を効果的に低減することが可能になるという効果を奏する。

本発明の一実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態における方向と角度の定義を示す説明図である。 本発明の一実施の形態における磁気センサの構成を示す回路図である。 図３に示した１つのホイートストンブリッジ回路を示す平面図である。 図４における１つの磁気検出素子の一部を示す斜視図である。 複数の誤差成分と角度誤差４次成分との関係の第１の例を示す波形図である。 複数の誤差成分と角度誤差４次成分との関係の第２の例を示す波形図である。 複数の誤差成分と角度誤差４次成分との関係の第３の例を示す波形図である。 複数の誤差成分と角度誤差４次成分との関係の第４の例を示す波形図である。 第３高調波成分比率と第５高調波成分比率の差の絶対値と、角度誤差４次成分の絶対値の最大値との関係を示す特性図である。 第３高調波成分比率、第５高調波成分比率および角度誤差４次成分の絶対値の最大値のそれぞれの磁界強度依存性を示す特性図である。 本発明の一実施の形態におけるＭＲ素子の自由層の第２の面の形状を説明するための説明図である。 本発明の一実施の形態におけるＭＲ素子の自由層の第２の面の形状を説明するための説明図である。 本発明の一実施の形態におけるＭＲ素子の自由層の第２の面の形状を説明するための説明図である。 ＭＲ素子の自由層の第２の面の形状を変えたときの第３高調波成分比率と第５高調波成分比率のそれぞれの磁界強度依存性の変化を示す特性図である。 ＭＲ素子の自由層の第２の面の形状を変えたときの角度誤差４次成分の絶対値の最大値の磁界強度依存性の変化を示す特性図である。 比較例における第３高調波成分比率、第５高調波成分比率および角度誤差４次成分の絶対値の最大値の温度依存性を示す特性図である。 実施例における第３高調波成分比率、第５高調波成分比率および角度誤差４次成分の絶対値の最大値の温度依存性を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図１および図２を参照して、本発明の一実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。図２は、本実施の形態における方向と角度の定義を示す説明図である。

図１に示したように、本実施の形態に係る磁気センサシステムは、磁気センサ１と磁界発生部２とを備えている。磁界発生部２は、被検出磁界ＭＦを発生する。図１に示した例では、磁界発生部２は円柱状の磁石である。この磁界発生部２は、円柱の中心軸を含む仮想の平面を中心として対称に配置されたＮ極とＳ極とを有している。この磁界発生部２は、円柱の中心軸を中心として回転する。これにより、磁界発生部２が発生する被検出磁界ＭＦの方向は、円柱の中心軸を含む回転中心Ｃを中心として回転する。

磁気センサ１は、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向が基準方向に対してなす角度を検出するものである。具体的には、磁気センサ１は、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する角度検出値を生成する。

基準位置は、磁界発生部２の一方の端面に平行な仮想の平面（以下、基準平面と言う。）内に位置する。この基準平面内において、磁界発生部２が発生する被検出磁界ＭＦの方向は、基準位置を中心として回転する。基準方向は、基準平面内に位置して、基準位置と交差する。以下の説明において、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向とは、基準平面内に位置する方向を指す。また、単に被検出磁界ＭＦの方向と言うときは、基準位置における被検出磁界ＭＦの方向を指すものとする。磁気センサ１は、磁界発生部２の上記一方の端面に対向するように配置される。

なお、磁気センサ１と磁界発生部２の構成は、図１に示した例に限られない。磁気センサ１と磁界発生部２は、被検出磁界ＭＦの方向が磁気センサ１から見て回転するように、磁気センサ１と磁界発生部２の相対的位置関係が変化するものであればよい。例えば、図１に示したように配置された磁気センサ１と磁界発生部２において、磁界発生部２が固定されて磁気センサ１が回転してもよいし、磁気センサ１と磁界発生部２が互いに反対方向に回転してもよいし、磁気センサ１と磁界発生部２が同じ方向に互いに異なる角速度で回転してもよい。

また、磁界発生部２として、図１に示した磁石の代わりに、１組以上のＮ極とＳ極が交互にリング状に配列された磁石を用い、この磁石の外周の近傍に磁気センサ１が配置されていてもよい。この場合には、磁石と磁気センサ１の少なくとも一方が回転すればよい。

また、磁界発生部２として、図１に示した磁石の代わりに、複数組のＮ極とＳ極が交互に直線状に配列された磁気スケールを用い、この磁気スケールの外周の近傍に磁気センサ１が配置されていてもよい。この場合には、磁気スケールと磁気センサ１の少なくとも一方が、磁気スケールのＮ極とＳ極が並ぶ方向に直線的に移動すればよい。

上述の種々の磁気センサ１と磁界発生部２の構成においても、磁気センサ１と所定の位置関係を有する基準平面が存在し、この基準平面内において、被検出磁界ＭＦの方向は、磁気センサ１から見て、基準位置を中心として回転する。

磁気センサ１は、磁界検出部３を備えている。磁界検出部３は、被検出磁界ＭＦを検出する複数の磁気検出素子を含み、被検出磁界ＭＦの方向が第１の方向に対してなす角度と対応関係を有する第１の信号Ｓ１と被検出磁界ＭＦの方向が第２の方向に対してなす角度と対応関係を有する第２の信号Ｓ２とを出力する。

磁界検出部３は、第１の検出回路１０と第２の検出回路２０を有している。図１では、理解を容易にするために、第１および第２の検出回路１０，２０を別体として描いているが、第１および第２の検出回路１０，２０は一体化されていてもよい。また、図１では、第１および第２の検出回路１０，２０が回転中心Ｃに平行な方向に積層されているが、その積層順序は図１に示した例に限られない。

ここで、図１および図２を参照して、本実施の形態における方向と角度の定義について説明する。まず、図１に示した回転中心Ｃに平行で、図１における下から上に向かう方向をＺ方向と定義する。図２では、Ｚ方向を図２における奥から手前に向かう方向として表している。次に、Ｚ方向に垂直な２方向であって、互いに直交する２つの方向をＸ方向とＹ方向と定義する。図２では、Ｘ方向を右側に向かう方向として表し、Ｙ方向を上側に向かう方向として表している。また、Ｘ方向とは反対の方向を−Ｘ方向と定義し、Ｙ方向とは反対の方向を−Ｙ方向と定義する。

基準位置ＰＲは、磁気センサ１が被検出磁界ＭＦを検出する位置である。基準方向ＤＲは、Ｘ方向とする。被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが基準方向ＤＲに対してなす角度を記号θで表す。被検出磁界ＭＦの方向ＤＭは、図２において反時計回り方向に回転するものとする。角度θは、基準方向ＤＲから反時計回り方向に見たときに正の値で表し、基準方向ＤＲから時計回り方向に見たときに負の値で表す。

次に、図３を参照して、磁気センサ１の構成について詳しく説明する。図３は、磁気センサ１の構成を示す回路図である。磁気センサ１は、前述の磁界検出部３の他に、演算部３０を備えている。前述の通り、磁界検出部３は、第１の検出回路１０と第２の検出回路２０を有している。

第１の検出回路１０は、被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが第１の方向に対してなす角度と対応関係を有する第１の信号Ｓ１を生成する。第２の検出回路２０は、被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが第２の方向に対してなす角度と対応関係を有する第２の信号Ｓ２を生成する。本実施の形態では、第１の方向はＸ方向であり、第２の方向はＹ方向である。従って、第２の方向は、第１の方向に直交している。図２において、符号Ｄ１を付した矢印は第１の方向を表し、符号Ｄ２を付した矢印は第２の方向を表している。第１の信号Ｓ１は、例えば、基準位置ＰＲにおける被検出磁界ＭＦの、第１の方向Ｄ１（Ｘ方向）の成分の強度に対応した信号である。第２の信号Ｓ２は、例えば、基準位置ＰＲにおける被検出磁界ＭＦの、第２の方向Ｄ２（Ｙ方向）の成分の強度に対応した信号である。

被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが所定の周期で回転する場合、第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２は、いずれも、上記所定の周期と等しい信号周期Ｔで周期的に変化する。第２の信号Ｓ２の位相は、第１の信号Ｓ１の位相と異なっている。本実施の形態では、第２の信号Ｓ２の位相は、第１の信号Ｓ１の位相に対して、信号周期Ｔの１／４の奇数倍だけ異なっていることが好ましい。ただし、磁気検出素子の作製の精度等の観点から、第１の信号Ｓ１と第２の信号Ｓ２の位相差は、信号周期Ｔの１／４の奇数倍から、わずかにずれていてもよい。以下の説明では、第１の信号Ｓ１の位相と第２の信号Ｓ２の位相の関係が上記の好ましい関係になっているものとする。

第１の検出回路１０は、第１の信号Ｓ１を出力する出力端を有している。第２の検出回路２０は、第２の信号Ｓ２を出力する出力端を有している。演算部３０は、２つの入力端と１つの出力端とを有している。演算部３０の２つの入力端は、それぞれ、第１および第２の検出回路１０，２０の各出力端に接続されている。

演算部３０は、角度θと対応関係を有する角度検出値θｓを算出する。本実施の形態では、角度検出値θｓは、磁気センサ１によって検出された角度θの値である。演算部３０は、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはマイクロコンピュータによって実現することができる。角度検出値θｓの算出方法については、後で詳しく説明する。

第１の検出回路１０は、ホイートストンブリッジ回路１４と、差分検出器１５とを有している。ホイートストンブリッジ回路１４は、電源ポートＶ１と、グランドポートＧ１と、２つの出力ポートＥ１１，Ｅ１２と、直列に接続された第１の対の磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１２と、直列に接続された第２の対の磁気検出素子Ｒ１３，Ｒ１４とを含んでいる。磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１３の各一端は、電源ポートＶ１に接続されている。磁気検出素子Ｒ１１の他端は、磁気検出素子Ｒ１２の一端と出力ポートＥ１１に接続されている。磁気検出素子Ｒ１３の他端は、磁気検出素子Ｒ１４の一端と出力ポートＥ１２に接続されている。磁気検出素子Ｒ１２，Ｒ１４の各他端は、グランドポートＧ１に接続されている。電源ポートＶ１には、所定の大きさの電源電圧が印加される。グランドポートＧ１はグランドに接続される。差分検出器１５は、出力ポートＥ１１，Ｅ１２の電位差に対応する信号の値を第１の信号Ｓ１として演算部３０に出力する。

第２の検出回路２０の回路構成は、第１の検出回路１０と同様である。すなわち、第２の検出回路２０は、ホイートストンブリッジ回路２４と、差分検出器２５とを有している。ホイートストンブリッジ回路２４は、電源ポートＶ２と、グランドポートＧ２と、２つの出力ポートＥ２１，Ｅ２２と、直列に接続された第１の対の磁気検出素子Ｒ２１，Ｒ２２と、直列に接続された第２の対の磁気検出素子Ｒ２３，Ｒ２４とを含んでいる。磁気検出素子Ｒ２１，Ｒ２３の各一端は、電源ポートＶ２に接続されている。磁気検出素子Ｒ２１の他端は、磁気検出素子Ｒ２２の一端と出力ポートＥ２１に接続されている。磁気検出素子Ｒ２３の他端は、磁気検出素子Ｒ２４の一端と出力ポートＥ２２に接続されている。磁気検出素子Ｒ２２，Ｒ２４の各他端は、グランドポートＧ２に接続されている。電源ポートＶ２には、所定の大きさの電源電圧が印加される。グランドポートＧ２はグランドに接続される。差分検出器２５は、出力ポートＥ２１，Ｅ２２の電位差に対応する信号の値を第２の信号Ｓ２として演算部３０に出力する。

本実施の形態では、ホイートストンブリッジ回路（以下、ブリッジ回路と記す。）１４，２４に含まれる複数の磁気検出素子の各々は、少なくとも１つのスピンバルブ型ＭＲ素子、特にＴＭＲ素子を含んでいる。なお、ＴＭＲ素子の代わりにＧＭＲ素子を用いてもよい。スピンバルブ型ＭＲ素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、被検出磁界ＭＦの方向ＤＭに応じて磁化の方向が変化する磁性層である自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層とを有している。ＴＭＲ素子では、非磁性層はトンネルバリア層である。ＧＭＲ素子では、非磁性層は非磁性導電層である。スピンバルブ型ＭＲ素子では、自由層の磁化の方向が磁化固定層の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が０°のときに抵抗値は最小値となり、角度が１８０°のときに抵抗値は最大値となる。図３において、塗りつぶした矢印は、ＭＲ素子における磁化固定層の磁化の方向を表し、白抜きの矢印は、ＭＲ素子における自由層の磁化の方向を表している。

第１の検出回路１０では、磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１４におけるＭＲ素子の磁化固定層の磁化の方向は、Ｘ方向（第１の方向）であり、磁気検出素子Ｒ１２，Ｒ１３におけるＭＲ素子の磁化固定層の磁化の方向は、−Ｘ方向である。この場合、被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが第１の方向Ｄ１（Ｘ方向）に対してなす角度に応じて、出力ポートＥ１１，Ｅ１２の電位差が変化する。従って、第１の検出回路１０は、被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが第１の方向Ｄ１（Ｘ方向）に対してなす角度と対応関係を有する第１の信号Ｓ１を生成する。

第２の検出回路２０では、磁気検出素子Ｒ２１，Ｒ２４におけるＭＲ素子の磁化固定層の磁化の方向は、Ｙ方向（第２の方向）であり、磁気検出素子Ｒ２２，Ｒ２３におけるＭＲ素子の磁化固定層の磁化の方向は、−Ｙ方向である。この場合、被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが第２の方向Ｄ２（Ｙ方向）に対してなす角度に応じて、出力ポートＥ２１，Ｅ２２の電位差が変化する。従って、第２の検出回路２０は、被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが第２の方向Ｄ２（Ｙ方向）に対してなす角度と対応関係を有する第２の信号Ｓ２を生成する。

なお、検出回路１０，２０内の複数のＭＲ素子における磁化固定層の磁化の方向は、ＭＲ素子の作製の精度等の観点から、上述の方向からわずかにずれていてもよい。

次に、図４および図５を参照して、ブリッジ回路と磁気検出素子の構成の一例について説明する。図４は、図３に示したブリッジ回路１４を示す平面図である。図５は、図４における１つの磁気検出素子の一部を示す斜視図である。図４に示した例では、ブリッジ回路１４の磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４の各々は、ＭＲ素子列によって構成されている。ＭＲ素子列は、直列に接続された複数のＭＲ素子５０を含んでいる。図４に示した例では、ＭＲ素子列は、８個のＭＲ素子５０と、この８個のＭＲ素子５０を直列に接続する複数の下部電極４１および複数の上部電極４２によって構成されている。ＭＲ素子５０は、下端面と上端面を有している。ブリッジ回路２４の構成は、図４に示したブリッジ回路１４と同様である。

複数の下部電極４１は図示しない基板上に配置されている。個々の下部電極４１は細長い形状を有している。隣接する２つの下部電極４１の間には、間隙が形成されている。図５に示したように、下部電極４１の上面上において、長手方向の両端の近傍に、隣接する２つのＭＲ素子５０が配置されている。個々の上部電極４２は細長い形状を有し、隣接する２つの下部電極４１上に配置されて隣接する２つのＭＲ素子５０を電気的に接続している。

図５に示したように、ＭＲ素子５０は、下部電極４１側から順に積層された反強磁性層５４、磁化固定層５３、非磁性層５２および自由層５１を含んでいる。反強磁性層５４は、反強磁性材料よりなり、磁化固定層５３との間で交換結合を生じさせて、磁化固定層５３の磁化の方向を固定する。なお、ＭＲ素子５０における層５１〜５４の配置は、図５に示した配置とは上下が反対でもよい。

自由層５１は、非磁性層に接する第１の面と、その反対側の第２の面とを有している。図５に示した例では、自由層５１の第２の面が、ＭＲ素子５０の上端面を構成している。図２において、符号１１は、第１の検出回路１０内のＭＲ素子５０における自由層５１の第２の面の形状を表し、符号２１は、第２の検出回路２０内のＭＲ素子５０における自由層５１の第２の面の形状を表している。

図４に示したブリッジ回路１４は、２つの磁気検出素子を電気的に接続する４つの接続電極４３１，４３２，４３３，４３４を有している。接続電極４３１〜４３４は、図示しない基板上に配置されている。

接続電極４３１は、磁気検出素子Ｒ１１の一端に位置するＭＲ素子５０と磁気検出素子Ｒ１３の一端に位置するＭＲ素子５０とを電気的に接続していると共に、電源ポートＶ１に電気的に接続されている。接続電極４３２は、磁気検出素子Ｒ１１の他端に位置するＭＲ素子５０と磁気検出素子Ｒ１２の一端に位置するＭＲ素子５０とを電気的に接続していると共に、出力ポートＥ１１に電気的に接続されている。接続電極４３３は、磁気検出素子Ｒ１３の他端に位置するＭＲ素子５０と磁気検出素子Ｒ１４の一端に位置するＭＲ素子５０とを電気的に接続していると共に、出力ポートＥ１２に電気的に接続されている。接続電極４３４は、磁気検出素子Ｒ１２の他端に位置するＭＲ素子５０と磁気検出素子Ｒ１４の他端に位置するＭＲ素子５０とを電気的に接続していると共に、グランドポートＧ１に電気的に接続されている。

次に、図３を参照して、角度検出値θｓの算出方法について説明する。図３に示した例では、理想的には、第１の信号Ｓ１の波形は、角度θに依存したコサイン（Cosine）波形になり、第２の信号Ｓ２の波形は、角度θに依存したサイン（Sine）波形になる。この場合、第２の信号Ｓ２の位相は、第１の信号Ｓ１の位相に対して、信号周期Ｔの１／４すなわちπ／２（９０°）だけ異なっている。

角度θが０°以上９０°未満のとき、および２７０°より大きく３６０°以下のときは、第１の信号Ｓ１は正の値であり、角度θが９０°よりも大きく２７０°よりも小さいときは、第１の信号Ｓ１は負の値である。また、角度θが０°よりも大きく１８０°よりも小さいときは、第２の信号Ｓ２は正の値であり、角度θが１８０°よりも大きく３６０°よりも小さいときは、第２の信号Ｓ２は負の値である。

演算部３０は、第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２に基づいて、角度θと対応関係を有する角度検出値θｓを算出する。具体的には、例えば、演算部３０は、下記の式（１）によって、θｓを算出する。なお、“ａｔａｎ”は、アークタンジェントを表す。

θｓ＝ａｔａｎ（Ｓ２／Ｓ１） …（１）

式（１）におけるａｔａｎ（Ｓ２／Ｓ１）は、θｓを求めるアークタンジェント計算を表している。なお、θｓが０°以上３６０°未満の範囲内では、式（１）におけるθｓの解には、１８０°異なる２つの値がある。しかし、Ｓ１，Ｓ２の正負の組み合わせにより、θｓの真の値が、式（１）におけるθｓの２つの解のいずれであるかを判別することができる。すなわち、Ｓ１が正の値のときは、θｓは、０°以上９０゜未満、および２７０°より大きく３６０°以下の範囲内である。Ｓ１が負の値のときは、θｓは９０°よりも大きく２７０°よりも小さい。Ｓ２が正の値のときは、θｓは０°よりも大きく１８０°よりも小さい。Ｓ２が負の値のときは、θｓは１８０°よりも大きく３６０°よりも小さい。演算部３０は、式（１）と、上記のＳ１，Ｓ２の正負の組み合わせの判定により、０°以上３６０°未満の範囲内でθｓを求める。

前述の通り、被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが前記所定の周期で回転する場合、第１および第２の信号Ｓ１，Ｓ２は、いずれも、前記所定の周期と等しい信号周期Ｔで周期的に変化する。信号Ｓ１，Ｓ２の各々の波形は、理想的には正弦曲線（サイン（Sine）波形とコサイン（Cosine）波形を含む）となる。しかし、実際には、例えば、ＭＲ素子５０の磁化固定層５３の磁化方向が被検出磁界ＭＦ等の影響によって変動したり、ＭＲ素子５０の自由層５１の磁化方向が、自由層５１の形状異方性等の影響によって、被検出磁界ＭＦの方向ＤＭと一致しなかったりすることに起因して、信号Ｓ１，Ｓ２の各々の波形は、正弦曲線から歪む。

信号Ｓ１，Ｓ２の各々の波形が正弦曲線から歪むということは、信号Ｓ１，Ｓ２の各々は、理想的な正弦曲線を描くように周期的に変化する理想成分と、この理想成分に対する１つ以上の高調波に相当する１つ以上の誤差成分とを含むということである。信号Ｓ１，Ｓ２の各々が１つ以上の誤差成分を含むことによって、角度検出値θｓは、誤差を含むことになる。以下、角度検出値θｓの誤差を角度誤差と言う。被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが前記所定の周期で回転する場合、角度誤差は、前記所定の周期とは異なる１つ以上の周期で周期的に変化する１つ以上の角度誤差成分を含み得る。

本願の発明者による研究の課程で、本実施の形態における磁気センサ１に限らず、一般的に、磁気センサでは、角度誤差が被検出磁界の強度に応じて変化すること、すなわち角度誤差の磁界強度依存が存在することが分かった。本実施の形態における磁気センサ１は、磁界検出部３における被検出磁界ＭＦの強度（以下、印加磁界強度と言う。）を変化させると、角度誤差の絶対値の最大値が、印加磁界強度が第１の強度値のときに極小値をとるように変化する特性を有している。このような特性は、本実施の形態における磁気センサ１に限らず、磁気センサ１と同様の回路構成を有する磁気センサが有している。

また、本願の発明者による研究の課程で、角度誤差の磁界強度依存は、主に、前述の１つ以上の角度誤差成分のうちの、前記所定の周期の１／４の周期で変化する角度誤差成分（以下、角度誤差４次成分と言う。）に起因するものであることが分かった。すなわち、印加磁界強度の変化に対する角度誤差４次成分の変化の仕方は、印加磁界強度の変化に対する角度誤差全体の変化の仕方と同様であった。

ここで、被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが前記所定の周期で回転する場合における角度誤差４次成分の絶対値の最大値を、記号Ｅ４で表す。本実施の形態における磁気センサ１は、印加磁界強度を変化させると、角度誤差４次成分の絶対値の最大値Ｅ４が、印加磁界強度が前記第１の強度値のときに極小値をとるように変化する特性を有している。

本実施の形態に係る磁気センサシステムでは、磁気センサシステムの使用時において、実際の印加磁界強度を第２の強度値としたとき、第１の強度値と第２の強度値の差が第１の強度値の２０％以下になるようにしている。これは、磁気センサシステムの使用時において、角度誤差４次成分の絶対値の最大値Ｅ４が、極小値、または極小値に近い値であることを意味する。これにより、磁気センサシステムでは、角度誤差の絶対値の最大値も、極小値、または極小値に近い値になる。第１の強度値と第２の強度値の差は、第１の強度値の１０％以下であることが好ましい。

第１の強度値は磁気センサ１の特性に依存し、第２の強度値は磁界発生部２の特性に依存する。第１の強度値と第２の強度値の差を第１の強度値の２０％以下にする方法としては、第１の強度値に合わせて第２の強度値を調整する方法と、決められた第２の強度値に合わせて第１の強度値を調整する方法がある。第１の強度値に合わせて第２の強度値を調整することは、例えば、磁界発生部２として用いられる磁石の特性の調整や、磁界発生部２と磁界検出部３の間の距離の調整によって実現することができる。

決められた第２の強度値に合わせて第１の強度値を調整するには、磁気センサ１の特性を調整する必要がある。磁気センサ１の特性は、例えば、ＭＲ素子５０の形状を変えることによって変えることが可能である。本実施の形態では、ＭＲ素子５０の形状、特に自由層５１の形状を制御することによって、第１の強度値を制御する。以下、その原理について詳しく説明する。

本願の発明者による研究により、角度誤差４次成分は、信号Ｓ１，Ｓ２の各々に含まれる２つの誤差成分に依存することが分かった。始めに、これについて説明する。被検出磁界ＭＦの方向ＤＭが前記所定の周期で回転する場合、第１の信号Ｓ１は、理想的な正弦曲線を描くように周期的に変化する第１の理想成分Ｖ１１と、第１の理想成分Ｖ１１に対する第３高調波に相当する誤差成分である第１の第３高調波成分Ｖ１３と、第１の理想成分Ｖ１１に対する第５高調波に相当する誤差成分である第１の第５高調波成分Ｖ１５とを含み、第２の信号Ｓ２は、理想的な正弦曲線を描くように周期的に変化する第２の理想成分Ｖ２１と、第２の理想成分Ｖ２１に対する第３高調波に相当する誤差成分である第２の第３高調波成分Ｖ２３と、第２の理想成分Ｖ２１に対する第５高調波に相当する誤差成分である第２の第５高調波成分Ｖ２５とを含んでいる。

ここで、第１の理想成分Ｖ１１が最大値をとるときの第１の理想成分Ｖ１１に対する第１の第３高調波成分Ｖ１３の比率を第１の比率Ｖ１３ｒと定義し、第１の理想成分Ｖ１１が最大値をとるときの第１の理想成分Ｖ１１に対する第１の第５高調波成分Ｖ１５の比率を第２の比率Ｖ１５ｒと定義し、第２の理想成分Ｖ２１が最大値をとるときの第２の理想成分Ｖ２１に対する第２の第３高調波成分Ｖ２３の比率を第３の比率Ｖ２３ｒと定義し、第２の理想成分Ｖ２１が最大値をとるときの第２の理想成分Ｖ２１に対する第２の第５高調波成分Ｖ２５の比率を第４の比率Ｖ２５ｒと定義する。また、第１の比率Ｖ１３ｒと第３の比率Ｖ２３ｒの平均値を、第３高調波成分比率と定義し、記号Ｖ３ｒで表す。また、第２の比率Ｖ１５ｒと第４の比率Ｖ２５ｒの平均値を、第５高調波成分比率と定義し、記号Ｖ５ｒで表す。

本願の発明者による研究により、角度誤差４次成分の絶対値の最大値Ｅ４は、第３高調波成分比率Ｖ３ｒと第５高調波成分比率Ｖ５ｒの差の絶対値に比例することが分かった。Ｅ４は、近似的に次の式（２）で表される。なお、式（２）において、Ｅ４の単位は度であり、Ｖ３ｒ，Ｖ５ｒの単位は％である。

Ｅ４＝｜Ｖ３ｒ−Ｖ５ｒ｜×０．５６ …（２）

式（２）から、原理的に、Ｖ３ｒとＶ５ｒが等しいときにＥ４はゼロになる。また、式（２）から、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値が０．１８％のときにＥ４は０．１°になり、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値が０．０９％のときにＥ４は０．０５°になる。

ここで、図６ないし図９を参照して、シミュレーションによって求めた複数の誤差成分と角度誤差４次成分との関係の第１ないし第４の例について説明する。

図６ないし図９において、（ａ）はＶ１１，Ｖ１３ｒ，Ｖ１５ｒの各波形を示し、（ｂ）はＶ２１，Ｖ２３ｒ，Ｖ２５ｒの各波形を示し、（ｃ）は角度誤差４次成分の波形を示している。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のいずれにおいても、横軸は角度θを示している。（ａ）における縦軸はＶ１１，Ｖ１３ｒ，Ｖ１５ｒの各値を示している。Ｖ１１は、その最大値を１００％として表している。（ｂ）における縦軸はＶ２１，Ｖ２３ｒ，Ｖ２５ｒの各値を示している。Ｖ２１は、その最大値を１００％として表している。（ｃ）における縦軸は、角度誤差４次成分の値（単位は度）を示している。

図６に示した第１の例では、Ｖ１３ｒ，Ｖ１５ｒ，Ｖ２３ｒ，Ｖ２５ｒがいずれも０．１％である。この場合、Ｖ３ｒ，Ｖ５ｒはいずれも０．１％である。この場合は、Ｖ３ｒとＶ５ｒが等しいことから、角度誤差４次成分は、角度θに関わらずにゼロであり、Ｅ４はゼロである。

図７に示した第２の例では、Ｖ１３ｒ，Ｖ２３ｒがいずれもゼロであり、Ｖ１５ｒ，Ｖ２５ｒがいずれも０．１％である。この場合、Ｖ３ｒはゼロであり、Ｖ５ｒは０．１％である。この場合は、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値は０．１％であり、Ｅ４は０．０５６°である。

図８に示した第３の例では、Ｖ１３ｒ，Ｖ２３ｒがいずれも０．１％であり、Ｖ１５ｒ，Ｖ２５ｒがいずれもゼロである。この場合、Ｖ３ｒは０．１％であり、Ｖ５ｒはゼロである。この場合は、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値は０．１％であり、Ｅ４は０．０５６°である。

図９に示した第４の例では、Ｖ１３ｒ，Ｖ２３ｒがいずれも−０．１％であり、Ｖ１５ｒ，Ｖ２５ｒがいずれも０．１％である。この場合、Ｖ３ｒは−０．１％であり、Ｖ５ｒは０．１％である。この場合は、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値は０．２％であり、Ｅ４は０．１１°である。

次に、図１０を参照して、式（２）で表されるＶ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値とＥ４との関係を求めたシミュレーションの結果について説明する。このシミュレーションでは、Ｖ３ｒとＶ５ｒの値の種々の組み合わせについて、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値とＥ４との関係を求めた。その結果を図１０に示す。図１０において、横軸はＶ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値を示し、縦軸はＥ４を示している。また、図１０において、複数の四角の点は、それぞれシミュレーションで求めたＶ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値とＥ４の値の組み合わせを示し、直線は、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値とＥ４の関係を表す近似直線である。式（２）は、この近似直線を表している。

図１１は、印加磁界強度を変化させたときのＶ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４の変化の仕方の一例を示している。以下、印加磁界強度を変化させたときのＶ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４の変化の仕方を、それぞれ、Ｖ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４の磁界強度依存性と言う。図１１おいて、横軸は印加磁界強度を示し、縦軸はＶ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４の各値を示している。一般的に、Ｖ３ｒとＶ５ｒの磁界強度依存性は、互いに異なっている。そのため、印加磁界強度を変化させると、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値が変化し、その結果、Ｅ４も変化する。図１１に示した例のように、印加磁界強度がある強度値のときにＶ３ｒとＶ５ｒが等しくなる場合、その強度値においてＥ４はゼロとなる。この場合には、Ｅ４の極小値はゼロであり、Ｅ４がゼロとなるときの強度値が第１の強度値である。

なお、印加磁界強度を変化させたときに、Ｖ３ｒとＶ５ｒが等しくなる強度値が存在するとは限らない。Ｖ３ｒとＶ５ｒが等しくなる強度値が存在しない場合には、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値が最も小さくなるときに、Ｅ４は、ゼロ以外の極小値をとる。この場合も、Ｅ４が極小値をとるときの強度値が第１の強度値である。

Ｖ３ｒの磁界強度依存性とＶ５ｒの磁界強度依存性は、磁気センサ１の特性によって変化し得る。これは、磁気センサ１の特性によって第１の強度値が変化し得ること意味する。前述のように、磁気センサ１の特性は、例えば、ＭＲ素子５０の形状を変えることによって変えることが可能である。これを利用して、本実施の形態では、ＭＲ素子５０の形状、特に自由層５１の形状を制御することによって、Ｖ３ｒの磁界強度依存性とＶ５ｒの磁界強度依存性を制御して、第１の強度値を制御する。

次に、自由層５１の形状を制御することによって、Ｖ３ｒの磁界強度依存性とＶ５ｒの磁界強度依存性を制御することができることについて説明する。

始めに、図１２ないし図１４を参照して、本実施の形態における自由層５１の形状の制御の方法について説明する。本実施の形態では、自由層５１の形状を、自由層５１の第２の面の形状によって規定する。ＭＲ素子５０は、例えば、ＭＲ素子５０を構成する複数の層となる複数の膜の積層体を形成した後、所望の形状のエッチングマスクを用いて、積層体をエッチングすることによって作製される。自由層５１の第２の面の形状は、エッチングマスクの形状によって規定される。自由層５１の第１の面、ならびにＭＲ素子５０を構成する自由層５１以外の複数の層のそれぞれの上面および下面の形状は、自由層５１の第２の面の形状と同一であるか相似形である。

図１２は、自由層５１の第２の面の形状を説明するための説明図である。図１２において、符号５１ａは、自由層５１の第２の面の外縁を示している。なお、図１２では、理解を容易にするために、第２の面の外縁５１ａの形状を、誇張して描いている。また、符号５１Ｃは、自由層５１の第２の面の形状を定義するために使用する基準円を示している。基準円５１Ｃは、真円である。

ここで、自由層５１の第２の面の面重心を、第２の面の中心と定義する。また、第２の面の外縁５１ａ上の任意の点と第２の面の中心とを結ぶ直線が、Ｘ方向（図２参照）に対してなす角度を記号θａで表す。角度θａは、Ｘ方向から反時計回り方向に見たときの値で表す。角度θａの範囲は、０°以上３６０°未満である。また、第２の面の中心から、第２の面の外縁５１ａ上の任意の点までの距離をＲ（θａ）と定義する。

本実施の形態では、第１の強度値と第２の強度値の差が第１の強度値の２０％以下になるように、決められた第２の強度値に合わせて第１の強度値を制御する場合には、ＭＲ素子５０の作製段階で、第２の面の形状を制御する。決められた第２の強度値に対して、第１の強度値と第２の強度値の差が第１の強度値の２０％以下になるならば、第２の面の外縁５１ａの形状は真円であってもよい。

第２の面の外縁５１ａの形状を真円にすると、決められた第２の強度値に対して、第１の強度値と第２の強度値の差が第１の強度値の２０％以下にならない場合には、本実施の形態では、第２の面の形状を以下のように制御する。すなわち、本実施の形態では、第２の面の形状を、５回以上の回転対称とはならない４回対称の回転対称形状にすると共に、後で説明する歪み比率と歪み方向を制御する。５回以上の回転対称とはならない４回対称の回転対称形状は、ｎを２以上の整数としたときに、４×ｎ回の回転対称となる形状を含まない。以下、５回以上の回転対称とはならない４回対称の回転対称形状を、４回対称形状と言う。

第２の面の形状が４回対称形状である場合には、角度θａを０°以上３６０°未満の範囲内で変化させると、Ｒ（θａ）は、角度θａが９０°ずつ異なる４つの値のときに最大値をとり、角度θａが９０°ずつ異なる他の４つの値のときに最小値をとるように変化する。

ここで、Ｒ（θａ）の最大値とＲ（θａ）の最小値の平均値を基準円５１Ｃの半径Ｒｃとして、基準円５１Ｃを定義する。基準円５１Ｃの中心は、第２の面の中心と一致している。また、Ｒ（θａ）の最大値から基準円５１Ｃの半径Ｒｃを引いた値を歪み長ｄと定義する。また、Ｒｃに対する歪み長ｄの比率を百分率で表したものを歪み比率ｄｒと定義し、Ｒｃに対するＲ（θａ）の比率を百分率で表したものをｒ（θａ）と定義する。また、角度θａが０°以上９０°未満の範囲内でＲ（θａ）が最大値をとるときの角度θａを、歪み方向αと定義する。本実施の形態では、ｒ（θａ）は、例えば次の式（３）で表される。

ｒ（θａ）＝１００＋ｄｒ・ｃｏｓ（４（θａ−α）） …（３）

図１３は、角度θａとｒ（θａ）の関係の一例を示している。この例では、歪み比率ｄｒは１％であり、歪み方向αは０°である。

図１４は、角度θａとｒ（θａ）が図１３に示した関係を有する場合について、角度θａが０°から９０°の範囲における基準円５１Ｃと第２の面の外縁５１ａのそれぞれの一部を示している。図１４において、横軸はＸ方向の位置を示し、縦軸はＹ方向の位置を示している。このＸ方向の位置とＹ方向の位置は、基準円５１Ｃの中心を原点として、基準円５１Ｃの半径Ｒｃを１００としたときの相対値で表されている。

本実施の形態において、第１の強度値を調整するための歪み比率ｄｒの調整範囲は、０〜１０％であることが好ましい。もし第２の面の外縁５１ａの形状を正方形にすると、歪み比率ｄｒは１０％を超える。本実施の形態では、第２の面の外縁５１ａの形状は、正方形を含まない。なお、第２の面の外縁５１ａの形状が真円である場合に比べて、第１の強度値を１０ｍＴ程度変化させるのに要する歪み比率ｄｒは、せいぜい１％程度である。歪み比率ｄｒを１％程度としたときの第２の面の外縁５１ａの形状は、図１２に示したように真円から大きく歪んだものではなく、図１４に示したように真円に近いものとなる。

次に、実験の結果を参照して、自由層５１の第２の面の形状を変えることによって、Ｖ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４のそれぞれの磁界強度依存性を変えることができることについて説明する。実験では、自由層５１の第２の面の形状を、第１ないし第３の形状の３通りに変えて、Ｖ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４のそれぞれの磁界強度依存性を調べた。図１５は、自由層５１の第２の面の形状を変えたときのＶ３ｒ，Ｖ５ｒのそれぞれの磁界強度依存性の変化を示す特性図である。図１６は、自由層５１の第２の面の形状を変えたときのＥ４の磁界強度依存性の変化を示す特性図である。

自由層５１の第２の面の形状は、歪み比率ｄｒと歪み方向αで規定される。第２の面の第１の形状は、ｄｒがゼロである形状である。第２の面の第２の形状は、ｄｒがゼロより大きいある値ｄｘ％であり、αが０°である形状である。第２の面の第３の形状は、ｄｒがｄｘ％であり、αが４５°である形状である。図１５では、第１の形状に対応するＶ３ｒ，Ｖ５ｒをＶ３ｒ（ｄｒ＝０），Ｖ５ｒ（ｄｒ＝０）と表記し、第２の形状に対応するＶ３ｒ，Ｖ５ｒをＶ３ｒ（ｄｒ＝ｄｘ％，α＝０°），Ｖ５ｒ（ｄｒ＝ｄｘ％，α＝０°）と表記し、第３の形状に対応するＶ３ｒ，Ｖ５ｒをＶ３ｒ（ｄｒ＝ｄｘ％，α＝４５°），Ｖ５ｒ（ｄｒ＝ｄｘ％，α＝４５°）と表記している。また、図１６では、第１の形状に対応するＥ４をＥ４（ｄｒ＝０）と表記し、第２の形状に対応するＥ４をＥ４（ｄｒ＝ｄｘ％，α＝０°）と表記し、第３の形状に対応するＥ４をＥ４（ｄｒ＝ｄｘ％，α＝４５°）と表記している。

なお、図１５および図１６は、歪み比率ｄｒと歪み方向αの少なくとも一方を変えたときのＶ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４の磁界強度依存性の変化の仕方の傾向を説明するために示した一例である。図１５および図１６は、ｄｘが０．５の場合の例を示している。図１５および図１６には示していないが、αを一定にしてｄｘを変化させると、ｄｘが大きくなるほど、以下で説明する傾向のＶ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４の磁界強度依存性の変化が顕著に現れ、ｄｘが小さくなるほど、Ｖ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４の磁界強度依存性は、それぞれｄｒがゼロである場合におけるＶ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４の磁界強度依存性に近づく。

図１５から、Ｖ３ｒ，Ｖ５ｒの磁界強度依存性の変化の仕方の傾向として、以下のようなことが分かる。まず、歪み比率ｄｒをゼロより大きい値にすると、歪み比率ｄｒがゼロである場合に比べて、Ｖ３ｒの磁界強度依存性とＶ５ｒの磁界強度依存性が変化する。また、Ｖ３ｒの磁界強度依存性とＶ５ｒの磁界強度依存性は、歪み方向αによっても変化する。また、歪み比率ｄｒと歪み方向αの少なくとも一方を変えたときのＶ３ｒの磁界強度依存性の変化の仕方とＶ５ｒの磁界強度依存性の変化の仕方は、互いに異なる。図１５に示した例では、ｄｒがゼロである場合に比べて、ｄｒをｄｘ％、αを０°にすると、Ｖ３ｒの磁界強度依存性は、Ｖ３ｒが増加するように変化するのに対し、Ｖ５ｒの磁界強度依存性は、Ｖ５ｒが減少するように変化する。また、ｄｒがゼロである場合に比べて、ｄｒをｄｘ％、αを４５°にすると、Ｖ３ｒの磁界強度依存性は、Ｖ３ｒが減少するように変化するのに対し、Ｖ５ｒの磁界強度依存性は、Ｖ５ｒが増加するように変化する。

上述のように、歪み比率ｄｒと歪み方向αの少なくとも一方を変えたときのＶ３ｒの磁界強度依存性の変化の仕方とＶ５ｒの磁界強度依存性の変化の仕方が互いに異なることにより、歪み比率ｄｒと歪み方向αの少なくとも一方を変えることによって、Ｅ４の磁界強度依存性を変えることができる。図１６に示した例では、ｄｒがゼロである場合に比べて、ｄｒをｄｘ％、αを０°にすると、Ｅ４の磁界強度依存性は、第１の強度値が小さくなるように変化する。また、ｄｒがゼロである場合に比べて、ｄｒをｄｘ％、αを４５°にすると、Ｅ４の磁界強度依存性は、第１の強度値が大きくなるように変化する。

このように、歪み比率ｄｒと歪み方向αの少なくとも一方を変えることによって、第１の強度値を変えることができる。これを利用して、本実施の形態によれば、第２の強度値が決められている場合に、第１の強度値を調整して、第１の強度値と第２の強度値の差が第１の強度値の２０％以下になるようにすることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、磁気センサシステムの使用時において、第１の強度値と第２の強度値の差が第１の強度値の２０％以下になるようにしたことにより、角度誤差の磁界強度依存を考慮して、実際の使用状態に即して検出角度の誤差を効果的に低減することが可能になる。

角度誤差４次成分の絶対値の最大値Ｅ４は、小さいほどよく、具体的には、０．１°以下であることが好ましく、０．０５°以下であることがより好ましい。図１６から分かるように、第１の強度値と第２の強度値の差を第１の強度値の２０％以下にすることにより、Ｅ４を０．１°以下にすることができる。前出の式（２）から、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値を０．１８％以下にすることにより、Ｅ４は０．１°以下になる。そのため、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値は０．１８％以下であることが好ましい。

また、図１６からわかるように、第１の強度値と第２の強度値の差を第１の強度値の１０％以下にすることにより、Ｅ４を０．０５°以下にすることができる。式（２）から、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値を０．０９％以下にすることにより、Ｅ４は０．０５°以下になる。そのため、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値は０．０９％以下であることがより好ましい。

ところで、磁気センサは、自動車等、磁気センサの周囲の温度が大きく変化する環境で使用される場合がある。このように場合において、従来の磁気センサでは、磁気センサの温度の上昇に伴って角度誤差が大きくなり、磁気センサの温度変化に伴う角度誤差の変動幅が大きいという問題が発生することがあった。本願の発明者は、自由層５１の形状を制御することによって、磁気センサ１の温度変化に伴う角度誤差の変動幅を抑制する方法を見出した。以下、その方法について、実験の結果を参照して説明する。

実験では、比較例の磁気センサシステムと実施例の磁気センサシステムについて、磁気センサ１の磁界検出部３の温度を変化させたときのＶ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４のそれぞれの変化の仕方（以下、温度依存性と言う。）を調べた。実験では、磁気センサシステムの使用時における磁界検出部３の温度変化範囲を２０℃〜１２０℃と想定して、磁界検出部３の温度を２０℃から１２０℃まで変化させた。また、印加磁界強度は４０ｍＴとした。

図１７は、比較例の磁気センサシステムにおけるＶ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４のそれぞれの温度依存性を示す特性図である。図１８は、実施例の磁気センサシステムにおけるＶ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４のそれぞれの温度依存性を示す特性図である。図１７および図１８において、横軸は磁気センサ１の磁界検出部３の温度を示し、縦軸はＶ３ｒ，Ｖ５ｒ，Ｅ４の各値を示している。

比較例の磁気センサシステムでは、自由層５１の第２の面の形状は、歪み比率ｄｒがゼロである形状である。図１７に示したように、一般的に、Ｖ５ｒは、磁界検出部３の温度が変化しても変化しないが、Ｖ３ｒは、磁界検出部３の温度の上昇に伴って大きくなる。比較例では、磁界検出部３の温度が２０℃のときに、Ｖ３ｒがＶ５ｒよりも大きい。この場合、磁界検出部３の温度が２０℃から１２０℃まで上昇する過程で、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値およびＥ４は、大きくなり続ける。これにより、磁気センサの温度変化に伴う角度誤差の変動幅が大きくなる。

実施例の磁気センサシステムでは、自由層５１の第２の面の形状を４回対称形状とすることにより、磁界検出部３の温度が２０℃のときにおけるＶ３ｒをＶ５ｒよりも小さくしている。また、磁界検出部３の温度が２０℃〜１２０℃の範囲内であるときにおいて、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値は、０．１８％以下、特に０．０９％以下である。図１８に示したように、実施例では、磁界検出部３の温度が２０℃から１２０℃まで上昇する過程で、Ｖ３ｒが増加することによって、Ｖ３ｒとＶ５ｒの大小関係が逆転する。これにより、実施例では、磁界検出部３の温度が２０℃から１２０℃まで上昇する過程で、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値およびＥ４は、始めに減少して、一旦ゼロになった後に増加する。そのため、実施例では、比較例に比べて、２０℃から１２０℃の磁界検出部３の温度範囲において、Ｅ４が全体的に小さくなっていると共に、Ｅ４の変動幅が小さくなっている。

図１７および図１８に示した結果から理解されるように、自由層５１の形状を制御することによって、磁界検出部３の温度が、想定される磁界検出部３の温度変化範囲の下限の温度である２０℃のときにおいて、Ｖ３ｒがＶ５ｒよりも小さくなるようにし、且つ想定される磁界検出部３の温度変化範囲の全域において、Ｖ３ｒとＶ５ｒの差の絶対値が本実施の形態における要件を満たすようにすることにより、磁気センサ１の温度変化に伴う角度誤差の変動幅を抑制することが可能になる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、自由層５１の第２の面の形状を４回対称形状とする場合、第２の面の外縁５１ａの形状は、ｒ（θａ）が式（３）で表される形状に限らない。例えば、第２の面の外縁５１ａの形状は、ｒ（θａ）が三角波形状に変化する形状であってもよい。

１…磁気センサ、２…磁界発生部、３…磁界検出部、１０，２０…検出回路、１４，２４…ブリッジ回路、３０…演算部、５０…ＭＲ素子、５１…自由層、５２…非磁性層、５３…固定層。

Claims (11)

1. 被検出磁界を発生する磁界発生部と、
   基準位置における前記被検出磁界の方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する角度検出値を生成する磁気センサとを備えた磁気センサシステムであって、
   前記磁気センサは、磁界検出部と演算部とを備え、
   前記磁界検出部は、前記被検出磁界を検出する複数の磁気検出素子を含み、前記被検出磁界の方向が第１の方向に対してなす角度と対応関係を有する第１の信号と前記被検出磁界の方向が第２の方向に対してなす角度と対応関係を有する第２の信号とを出力し、
   前記演算部は、前記第１および第２の信号に基づいて前記角度検出値を算出し、
   前記被検出磁界の方向が所定の周期で回転する場合、前記角度検出値は、前記所定の周期の１／４の周期で変化する角度誤差成分を含み、
   前記磁気センサは、前記磁界検出部における前記被検出磁界の強度を変化させると、前記角度誤差成分の絶対値の最大値が、前記磁界検出部における前記被検出磁界の強度が第１の強度値のときに極小値をとるように変化する特性を有し、
   前記磁気センサシステムの使用時において、前記磁界検出部における前記被検出磁界の実際の強度を第２の強度値としたとき、前記第１の強度値と前記第２の強度値の差が前記第１の強度値の２０％以下であることを特徴とする磁気センサシステム。
2. 前記角度誤差成分の絶対値の最大値は、０．１°以下であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサシステム。
3. 前記被検出磁界の方向が前記所定の周期で回転する場合、前記第１の信号は、理想的な正弦曲線を描くように周期的に変化する第１の理想成分と、前記第１の理想成分に対する第３高調波に相当する誤差成分である第１の第３高調波成分と、前記第１の理想成分に対する第５高調波に相当する誤差成分である第１の第５高調波成分とを含み、前記第２の信号は、理想的な正弦曲線を描くように周期的に変化する第２の理想成分と、前記第２の理想成分に対する第３高調波に相当する誤差成分である第２の第３高調波成分と、前記第２の理想成分に対する第５高調波に相当する誤差成分である第２の第５高調波成分とを含み、
   前記第１の理想成分が最大値をとるときの前記第１の理想成分に対する前記第１の第３高調波成分の比率を第１の比率とし、前記第１の理想成分が最大値をとるときの前記第１の理想成分に対する前記第１の第５高調波成分の比率を第２の比率とし、前記第２の理想成分が最大値をとるときの前記第２の理想成分に対する前記第２の第３高調波成分の比率を第３の比率とし、前記第２の理想成分が最大値をとるときの前記第２の理想成分に対する前記第２の第５高調波成分の比率を第４の比率としたときに、前記第１の比率と前記第３の比率の平均値と前記第２の比率と前記第４の比率の平均値との差の絶対値が０．１８％以下であることを特徴とする請求項２記載の磁気センサシステム。
4. 前記磁界検出部の温度が２０℃のときにおいて、前記第１の比率と前記第３の比率の平均値は、前記第２の比率と前記第４の比率の平均値よりも小さいことを特徴とする請求項３記載の磁気センサシステム。
5. 前記第１の強度値と前記第２の強度値の差は、前記第１の強度値の１０％以下であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサシステム。
6. 前記角度誤差成分の絶対値の最大値は、０．０５°以下であることを特徴とする請求項５記載の磁気センサシステム。
7. 前記被検出磁界の方向が前記所定の周期で回転する場合、前記第１の信号は、理想的な正弦曲線を描くように周期的に変化する第１の理想成分と、前記第１の理想成分に対する第３高調波に相当する誤差成分である第１の第３高調波成分と、前記第１の理想成分に対する第５高調波に相当する誤差成分である第１の第５高調波成分とを含み、前記第２の信号は、理想的な正弦曲線を描くように周期的に変化する第２の理想成分と、前記第２の理想成分に対する第３高調波に相当する誤差成分である第２の第３高調波成分と、前記第２の理想成分に対する第５高調波に相当する誤差成分である第２の第５高調波成分とを含み、
   前記第１の理想成分が最大値をとるときの前記第１の理想成分に対する前記第１の第３高調波成分の比率を第１の比率とし、前記第１の理想成分が最大値をとるときの前記第１の理想成分に対する前記第１の第５高調波成分の比率を第２の比率とし、前記第２の理想成分が最大値をとるときの前記第２の理想成分に対する前記第２の第３高調波成分の比率を第３の比率とし、前記第２の理想成分が最大値をとるときの前記第２の理想成分に対する前記第２の第５高調波成分の比率を第４の比率としたときに、前記第１の比率と前記第３の比率の平均値と前記第２の比率と前記第４の比率の平均値との差の絶対値が０．０９％以下であることを特徴とする請求項６記載の磁気センサシステム。
8. 前記磁界検出部の温度が２０℃のときにおいて、前記第１の比率と前記第３の比率の平均値は、前記第２の比率と前記第４の比率の平均値よりも小さいことを特徴とする請求項７記載の磁気センサシステム。
9. 前記第２の方向は、前記第１の方向に直交していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の磁気センサシステム。
10. 前記複数の磁気検出素子の各々は、磁化方向が固定された磁化固定層と、前記被検出磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する自由層と、前記磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層とを有する磁気抵抗効果素子を含むことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の磁気センサシステム。
11. 前記自由層は、前記非磁性層に接する第１の面と、その反対側の第２の面とを有し、前記第２の面は、５回以上の回転対称とはならない４回対称の回転対称形状を有していることを特徴とする請求項１０記載の磁気センサシステム。

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