JP6265484B2 - 磁気センサモジュール - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた高感度で感度バラツキの小さい磁気センサモジュールに関する。

磁界の変化に応じて電圧・電流・抵抗値が変化する現象を利用した磁気センサは、携帯電話やノートパソコンなどの開閉部に用いられる非接触スイッチ、カードリーダーや紙幣識別装置に使用される磁気ヘッド、電子コンパスやＧＰＳ補正機能として利用される地磁気センサ、エンジン回転数検知や車輪角度検出に用いられる回転センサや角度センサなど種々の用途に適用されている。磁気センサの種類として、ホール素子、磁気抵抗効果素子、磁気インピーダンス（ＭＩ）素子、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子素子）などがある。たとえば、磁界の強さにより電気抵抗値が変化する現象を用いた磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子とも記載）は、高感度で磁気ヘッド技術を応用できるので、磁気インクを印刷した紙幣や有価証券等のパターン検出や識別に用いられている。

特許文献１には、磁気インクなどの磁性体の存在、移動の検出を行う磁気センサの一形態が示されており、永久磁石の一方の磁極端面に２つの磁気抵抗効果素子を臨ませて配置し、各磁気抵抗効果素子には磁石によって等しく磁気バイアスされるようにしている。また、２つの磁気抵抗効果素子は直列接続とし、その直列接続された回路の両端子間にある電圧を印加し、各磁気抵抗効果素子の接続点を出力端子とすることで、磁性体がそれぞれの磁気抵抗効果素子に接近したときのそれら磁気抵抗効果素子での電気抵抗値の変化分が、出力端子における電位の変化分として現れるため、その電位変化分を監視することにより、磁性体の接近、移動を検出することを可能としている。

特許文献２には、ＭＲ素子を磁界の強度に対する電気抵抗の変化を示す特性（以下、磁気抵抗特性ともいう）における線形領域（非飽和領域ともいう）にて使用できる位置に配置した磁気センサの一形態が示されており、基板の一側面にＭＲ素子を基板の中心に対して２つずつ配置して半ブリッジ、すなわち、直列接続された回路を形成し、その基板の反対側に磁石が設けられ、さらにＭＲ素子の側方には強磁性体を配置している（特許文献２の第１図）。このような構成とすることで、磁石から出た磁束は強磁性体によって曲げられ、ＭＲ素子に作用するバイアス磁界は素子の面に沿った方向の成分を有するようになり、ＭＲ素子の磁気抵抗特性における線形領域において使用することができ、優れた検出精度が得られるようにしている。

特開昭５９−４４６７３ 実開平４−９４５８１

このように、磁気抵抗効果素子を直列接続とし、各磁気抵抗効果素子に対して適切なバイアス磁界を与えるようにした磁気センサが開示されているが、特許文献１では、直列接続されたそれぞれの磁気抵抗効果素子に、永久磁石によって等しく磁気バイアスされるようにしているとの記載があるのみで、具体的な磁気抵抗効果素子と永久磁石との位置関係が示されていない。また、特許文献２では、磁気抵抗効果素子を磁気抵抗特性における線形領域にて使用できる位置に配置するとの記載があるのみで、線形領域内のどの位置に配置するのが適切であるかなど、具体的には明記されていない。

実際、直列接続されたそれぞれの磁気抵抗効果素子に適切なバイアス磁界を与えようとする場合は、図９（ａ）に示す磁気抵抗効果素子の磁気抵抗特性での線形領域Ｎ１およびＮ２に配置するだけではなく、線形領域内であっても高感度を得るために、図９（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子の感度特性での感度が最大となるＰ１およびＰ２の位置（ｐ１、ｐ２）に、磁気抵抗効果素子を配置するようにしている。

しかし、感度が最大となる位置にそれぞれの磁気抵抗効果素子を配置したとしても、磁気抵抗効果素子と永久磁石との実装ずれや永久磁石の材質や着磁の仕方などの要因で磁気抵抗効果素子に対するバイアス磁界がずれてしまうことなどにより、感度が大きく変動してしまう。たとえば、図９（ｃ）のように、磁気抵抗効果素子と永久磁石との実装ずれによって、プラス方向にΔｘだけ位置がずれたとすると、Ｐ１はＱ１へ、Ｐ２はＱ２へそれぞれ移動するため、感度が大きく変動し、それぞれの磁気抵抗効果素子の感度が異なってしまう。また、Ｐ１からＱ１へ移動したように、線形領域の範囲内に磁気抵抗効果素子を配置したとしても、実装ずれなどにより永久磁石の中心側へ位置がずれてしまうと、感度が急激に低下し、線形領域から外れてしまうため、正確な検出信号が得られないといった問題がある。

本発明は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子等の磁気抵抗効果素子を用いた高感度で出力感度のバラツキの小さい磁気センサモジュールを提供するものである。具体的には、以下の特徴を有する。
（１）本発明は、電源間に直列接続された２個の磁気抵抗効果素子からなり、かつその共通接続点を出力端子とする少なくとも１組の直列回路と前記磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を加える永久磁石を含む磁気センサモジュールにおいて、前記直列回路を構成する各々の前記磁気抵抗効果素子は、前記永久磁石の着磁方向と直交する平面上での前記永久磁石の磁石中心を通る前記着磁方向の磁石中心線と直角である直線に平行かつその直線の互いに対称な位置に配置されるとともに、前記磁気抵抗効果素子の感度が最大となる位置から前記永久磁石の外側方向へ離した位置に配置されることを特徴とする磁気センサモジュールである。また、前記磁気抵抗効果素子の感度が最大となる位置からの位置ずらし量は、実装ずれ許容量以上であることを特徴とする。

（２）本発明の磁気センサモジュールは、（１）に加えて、磁性体等の被検出物が移動することによる磁界の変化を検出する場合において、前記被検出物の移動方向は、前記磁気抵抗効果素子の磁界を検知する方向と同じであることを特徴とする。また、前記磁気抵抗効果素子は、水平方向の磁界を検知する磁気抵抗効果素子であり、さらに、前記直列回路は、同一チップ上に形成されていることを特徴とする。

本発明の磁気センサモジュールは、２個のＭＲ素子を直列に接続し、各々のＭＲ素子を永久磁石の着磁方向と直交する平面上に、磁石中心を通る着磁方向の磁石中心線と直角である直線（以後、その直線を配置中心線とも記載）と平行にかつその直線の両側に対称な位置に配置するとともに、ＭＲ素子の感度が最大となる位置から永久磁石の外側方向へ離した位置に配置しているので、磁気抵抗効果素子と永久磁石との実装ずれが生じたり、あるいは永久磁石の材質や着磁の仕方などの要因でＭＲ素子に対するバイアス磁界が変化したりしても、感度の変動を小さくすることができる。特に、２個のＭＲ素子は、各ＭＲ素子の感度ピーク位置よりも磁石の中心側にずれないように配置されているので、従来の直列接続ＭＲ素子のような急激な感度低下が生じることはない。従って、安定した高感度の磁気センサを実現できる。

図１は、本発明の磁気センサシステムの構成を示す図である。 図２は、永久磁石位置と永久磁石によるバイアス磁界を示す図である。 図３は、バイアス磁界に対するＭＲ素子の磁気抵抗特性および感度特性を示す図である。 図４は、ＭＲ素子の感度設定に関する説明図である。 図５は、本発明の磁気センサシステムを構成した磁気センサパッケージを示す図である。 図６は、２個のＭＲ素子からなる直列回路を複数配置した場合の磁気センサシステムの構成を示す図である。 図７は、実施例に用いた磁気センサシステム、ならびに、永久磁石の水平方向における位置と磁界との関係のグラフ（実測値）を示す図である。 図８は、磁界変化に対する磁気抵抗効果素子の感度特性を示す実施例である。 図９は、磁界変化に対する磁気抵抗効果素子の感度を示す図で、従来技術の課題を説明する図である。

図１は、本発明の磁気センサシステムの構成を示す図である。図１（ａ）はその構成の側面構造を模式的に示した図、図１（ｂ）はその構成の平面構造を模式的に示した図である。永久磁石１２の上方に磁気抵抗効果（ＭＲ）素子ＭＲ１およびＭＲ２が形成された磁気センサチップ１１が配置される。永久磁石１２はＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２にバイアス磁界を与える。永久磁石１２は、平面的には磁気センサチップ１１より広い領域を覆っており、平面的には矩形（正方形または長方形）で断面が長方形の平板状であり、上面側がＮ極で、下面側がＳ極である。（この極性は逆でも良い。ただし、その場合は磁力線分布など逆の特性になる。）その磁石中心部は永久磁石の上面に対して垂直磁界Ａ０を生じる。従って垂直磁界上において、垂直磁界と直交する水平方向磁界はゼロである。

磁気センサチップ１１およびその磁気センサチップ１１内に形成されるＭＲ素子はこの垂直磁界Ａ０に垂直な平面上に配置される。すなわち、磁気センサチップ１１は垂直磁界Ａ０に対して垂直な平面（たとえば、プリント基板やパッケージフレーム台座）上に配置される。
さらに、２個のＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２は磁気センサチップ内に直列に接続されて配置されるとともに、２個のＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２およびその２個のＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２を接続する配線は一直線上に配置（形成）される。これらのＭＲ素子における電流が流れる方向は磁気インク検出方向Ｂに沿うようにする。従って、磁気インク検出方向Ｂは垂直磁界Ａ０に直交する。

磁気センサチップ１１の上方に磁性体通過面があり、磁性体通過面に沿って被検出物である磁性体１３が移動する。磁性体通過面は永久磁石の垂直磁界Ａ０に対して垂直であり、磁性体１３の移動方向をＣとすると、この移動方向Ｃは永久磁石の垂直磁界Ａ０と直交する。従って、磁性体の移動方向Ｃは磁気センサチップ１１と平行であり、さらに、磁性体の移動方向Ｃは磁気インク検出方向Ｂと平行になるようにする。ここで、被検出物である磁性体１３は、紙幣や有価証券などの紙葉類等に印刷または漉きこまれた磁気インク等の磁性体である。

磁気センサチップ１１内に形成されたＭＲ素子ＭＲ１にはバイアス永久磁石１２によって曲線磁界Ａ１（バイアス磁界Ｈｘ１）が印加され、磁性体１３が曲線磁界Ａ１に近づき横切ると磁界Ａ１が少し変動する。同様に、磁気センサチップ１１内に形成されたＭＲ素子ＭＲ２にはバイアス永久磁石１２によって曲線磁界Ａ２（バイアス磁界Ｈｘ２）が印加され、磁性体１３が曲線磁界Ａ２に近づき横切ると磁界Ａ２が少し変動する。これらの磁界の変動によりＭＲ素子ＭＲ１、ＭＲ２の抵抗値が変化する。

本発明の磁気センサチップ１１内に形成された２個のＭＲ素子ＭＲ１、ＭＲ２は、図１（ｂ）に示すように、磁性体の移動方向Ｃと同方向に直線上に配置され、これらのＭＲ素子は直列に接続されて、各ＭＲ素子との接続点を出力端子Ｖｏｕｔとする直列回路が構成される。この直列回路の両端には、少なくとも磁性体検出時に電圧Ｖｄｄが印加される。すなわち、直列接続された２個のＭＲ素子ＭＲ１、ＭＲ２いずれか一方のＭＲ素子の一端は接地され、もう一方の素子の一端は電圧Ｖｄｄが印加される。また、磁気センサチップ１１上の２個のＭＲ素子ＭＲ１、ＭＲ２は、配置中心線Ｍ（永久磁石１２の中心Ｏを通る着磁方向の磁石中心線と直角である直線）に対して平行な直線上でかつその配置中心線Ｍの両側に対称な位置に配置される。すなわち、配置中心線ＭとＭＲ素子ＭＲ１との距離をｘ１、配置中心線ＭとＭＲ素子ＭＲ２との距離をｘ２とすると、ＭＲ素子ＭＲ１、ＭＲ２は、ｘ１＝ｘ２になるように配置される。さらに、２個のＭＲ素子ＭＲ１、ＭＲ２から構成される直列回路の出力端子Ｖｏｕｔには、磁性体１３が移動したときの磁界の変動に対するＭＲ素子ＭＲ１、ＭＲ２それぞれの抵抗値の変化分が、電圧値に変換されて出力される。すなわち、出力端子Ｖｏｕｔから、２個のＭＲ素子ＭＲ１、ＭＲ２から構成される直列回路の出力感度として、それぞれのＭＲ素子の磁界の変動に対する感度の和が得られる。

図２は、永久磁石位置と永久磁石によるバイアス磁界との関係を示す図である。
図２（ａ）は永久磁石１２の側面からみた磁力線の分布状態を示す図である。磁気センサチップ１１上において、磁気インク検出方向Ｂでの永久磁石の中心Ｏ１からの距離ｘの位置での磁界をＨとすると、磁界Ｈは、Ｂ方向に対して垂直方向の成分（垂直方向磁界）ＨｚとＢ方向と同じ水平方向の成分（水平方向磁界）Ｈｘに分解できる。理想的には磁石中心線Ｏ１上では垂直磁界のみになり、ｘ＝０ではＨｘ＝０となる。図２（ｂ）は、磁気センサチップ１１上での、永久磁石の中心Ｏ１付近における水平方向（磁気インク検出方向）の位置ｘと水平方向磁界Ｈｘとの関係を示す図である。図２（ｂ）に示されるように、永久磁石の中心付近では、位置ｘと水平方向磁界Ｈｘとは比例関係にある。

図３は、バイアス磁界に対するＭＲ素子（ＭＲ１、ＭＲ２）の磁気抵抗特性および感度特性を示す図である。図３（ａ）は水平方向磁界Ｈｘの変化に対するＭＲ１の抵抗変化を示す図であり、図３（ｂ）は水平方向磁界Ｈｘの変化に対するＭＲ２の抵抗変化を示す図である。図３（ｃ）は水平方向磁界Ｈｘの変化に対するＭＲ１の感度を示す図であり、図３（ｄ）は水平方向磁界Ｈｘの変化に対するＭＲ２の感度を示す図である。

２個のＭＲ素子（ＭＲ１、ＭＲ２）は配置中心線Ｍから少し離れた所（ｘ１、ｘ２）に配置するので、２個のＭＲ素子（ＭＲ１、ＭＲ２）に印加する磁界は、図１（ａ）において曲線磁界Ａ１またはＡ２で示すように、少し傾いている。図１において、磁性体１３がＣ方向に移動しＭＲ素子ＭＲ１に印加される磁界Ａ１（Ｃ方向の位置Ｌ１における磁界）の近傍に達して横切ったときに磁界Ａ１が変化するので、ＭＲ素子ＭＲ１の抵抗値が変化する。たとえば、図３（ａ）に示すように、Ｌ１近傍において磁界Ｈｘ１の変化に対して抵抗変化ΔＲｏｕｔ１が生じる。曲線の傾きは急であるから、少しの磁界Ｈｘ１の変化に対して抵抗値は大きく変化する。

一方、磁性体１３がＣ方向に移動しＭＲ素子ＭＲ２に印加される磁界Ａ２（Ｃ方向の位置Ｌ２における磁界）の近傍に達して横切ったときに磁界Ａ２が変化するので、ＭＲ素子ＭＲ２の抵抗値が変化する。たとえば、図３（ｂ）に示すように、Ｌ２近傍において磁界Ｈｘ２の変化に対して抵抗変化ΔＲｏｕｔ２が生じる。少しの磁界Ｈｘ２の変化に対して抵抗値は大きく変化する。感度に関しては、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示すように（または、図９に示されているように）、感度ピークを有する。また、感度ピーク位置より内側では感度が急激に低下（または増加）するが、感度ピーク位置より外側では感度がゆるやかに低下（または増加）する。

図４は、２個のＭＲ素子（ＭＲ１、ＭＲ２）の感度設定に関する説明図であり、水平方向の位置ｘにおいて、ＭＲ１がマイナス側（配置中心線より左側）に配置され、ＭＲ２がプラス側（配置中心線より右側）に配置された場合において、磁界変化や位置変化が生じたときのＭＲ１およびＭＲ２それぞれの感度変化を示している。図４では、横軸は水平方向磁界または水平方向の位置、縦軸は感度Ｓの絶対値（｜Ｓ｜）で示す。本発明の直列接続した２個のＭＲ素子（ＭＲ１、ＭＲ２）は、感度ピーク位置（Ｐ１、Ｐ２）より少し外側に外した位置に配置する。たとえば、ＭＲ素子ＭＲ１を感度ピーク位置Ｐ１より少し外側の位置Ｔ１に配置し、ＭＲ素子ＭＲ２を感度ピーク位置Ｐ２より少し外側の位置Ｔ２に配置する。

しかし、磁気センサチップ１１上に、ＭＲ素子ＭＲ１やＭＲ２をそれぞれ、Ｔ１およびＴ２の位置に精度良く配置したとしても、磁気センサチップ（ＭＲ素子）と永久磁石との実装ずれにより位置バラツキが生じる。あるいは、永久磁石の材質や着磁の仕方などの要因でＭＲ素子に対するバイアス磁界にバラツキが生じる。よって、これらのバラツキの影響により、ＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２の感度が左右に変動する。ただし、ＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２は同一の磁気センサチップ上に形成されているため、これらのバラツキの影響を受けたとしても、位置Ｔ１と位置Ｔ２との間隔を一定に保ちながら左右に変動する。たとえば、位置Ｔ１よりも左側（外側）へΔｖずれて、位置Ｔ１が位置Ｖ１へ移動したとしても、位置Ｔ２は左側（内側）へ同じΔｖずれて位置Ｖ２へ移動（■印の位置に移動）するため、左側へ移動した位置Ｖ１と位置Ｖ２との間隔Ｆと、移動前の位置Ｔ１と位置Ｔ２との間隔Ｅと同じであり、一定の間隔を保つ。また、位置Ｔ１よりも右側（内側）へΔｕずれて、位置Ｔ１が位置Ｕ１へ移動したとしても、位置Ｔ２は右側（外側）へ同じΔｕずれて位置Ｕ２へ移動（★印の位置に移動）するため、右側へ移動した位置Ｕ１と位置Ｕ２との間隔Ｇと、移動前の位置Ｔ１と位置Ｔ２との間隔Ｅと同じであり、一定の間隔を保つ。

一方、感度ピーク値Ｐ１、Ｐ２より外側（Ｐ１より左側およびＰ２より右側）の感度特性は、直線的に変化する線形領域を有しているため、たとえば、位置Ｔ１よりも左側（外側）へΔｖずれて、位置Ｔ１が位置Ｖ１へ移動しＭＲ素子ＭＲ１の感度がＳｖ分低下した場合、位置Ｔ２が左側（内側）へ同じΔｖずれて位置Ｖ２へ移動するため、ＭＲ素子ＭＲ２の感度はＳｖ分増大する。また、位置Ｔ１よりも右側（内側）へΔｕずれて、位置Ｔ１が位置Ｕ１へ移動しＭＲ素子ＭＲ１の感度がＳｕ分増大した場合、位置Ｔ２は右側（外側）へ同じΔｕずれて位置Ｕ２へ移動するため、ＭＲ素子ＭＲ２の感度はＳｕ分低下する。従って、本発明の磁気センサは、２個のＭＲ素子ＭＲ１、ＭＲ２から構成される直列回路の出力端子から、それぞれのＭＲ素子の感度の和を出力感度として得ており、磁気センサチップと永久磁石との位置バラツキやＭＲ素子に対するバイアス磁界のバラツキによってそれぞれのＭＲ素子での感度が変動しても、一方のＭＲ素子の感度が増大した分、他方のＭＲ素子の感度が低下するように、お互いの感度を補完し合う関係にしているため、出力感度はほぼ一定になる。

尚、ＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２は、感度ピーク位置Ｐ１およびＰ２より内側に配置しないようにする。すなわち、図９に示す磁界Ｈｐ１とＨｐ２の間、または位置ｐ１とｐ２の間にＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２を配置しないようにする。何故なら、感度ピーク位置Ｐ１およびＰ２より内側においては、図４に示すように感度が急激に低下するので、わずかな永久磁石の磁界バラツキや位置ずれによって感度の変化が大きくなるからである。従って、永久磁石の磁界バラツキや位置ずれを考慮して、感度ピーク位置Ｐ１およびＰ２より少し外側（たとえば、Ｔ１およびＴ２の位置）に２個のＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２を配置するようにし、位置ずれ等が生じてもＭＲ素子の感度が感度ピーク位置Ｐ１およびＰ２より内側に入らないようにする。たとえば、実装ずれ許容量がδ（たとえば、３σで）である場合は、感度ピーク位置Ｐ１およびＰ２より永久磁石の外側の方へδ以上離間してＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２を配置する。ここで、実装ずれ許容量とは工程（プロセス）上で許容可能な最大の実装ずれ量である。

２個のＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２を同じチップ内に形成した場合、２個のＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２の間隔は正確に決定される。しかし、単体のＭＲ素子２個をプリント基板等に各々実装した場合は、実装時のバラツキを考慮しなければならない。ただし、実装した後は、２個のＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２の間隔は一定に保たれるため、本発明と同様の効果を得ることができる。このときもプリント配線を通じて直列接続された２個のＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２の電流を流す方向は、Ｂ方向である。

図５は、本発明の磁気センサシステムを構成した磁気センサパッケージ２０を示す。この磁気センサパッケージ２０は永久磁石（バイアス用磁石）を内蔵したものである。リードフレーム台座２４の下面に永久磁石２２が接着剤等で接着され、リードフレーム台座２４の上面に磁気センサチップ２１が載置される。磁気センサチップ２１内ではＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２が配置中心線（永久磁石２２の中心Ｏ１を通る着磁方向の磁石中心線と直角である直線）の両側に対称な位置に形成され、それらのＭＲ素子は内部配線で直列に接続されている。
また、それらのＭＲ素子は感度ピーク位置から少し永久磁石の外側に離して配置されるように磁気センサチップ２１内に形成されている。

リードフレーム台座２４上には磁気センサコントロール用ＩＣ２６も載置されても良い。磁気センサコントロール用ＩＣ２６はＭＲ素子に電圧を印加したり、ＭＲ素子からの信号を演算処理したりする。磁気センサチップ２１および磁気センサコントロール用ＩＣ２６とリードフレーム２７はワイヤ２８で必要な接続が行なわれる。上記の各部品はエポキシ樹脂等の樹脂（レジン）２９で封止され磁気センサパッケージ２０が形成される。リードフレーム２７の一部（アウターリード）は磁気センサパッケージ２０の外側に出ており、外部からの電源供給や外部への出力が行なわれる。図５に示す磁気センサパッケージ２０はＤＩＰ型であるが、ＳＯＰ等の他の形態のパッケージやリードレスパッケージも採用できる。尚、リードフレーム台座２４やレジン２９等は非磁性材料であり、永久磁石から生じる磁界には影響を与えない。さらに、この磁気センサパッケージ２０を図１に示すような構成にすることによって、磁性体検出装置（磁気センサシステム）を作成できる。すなわち、磁気センサパッケージ２０の直上を磁気インク等の磁性体が移動できるようにする。このとき、２個のＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２の配列方向は磁性体の移動方向と一致するように配置されている。このように、必要部品を内蔵した磁気センサパッケージにすることにより、磁気センサシステムを小型化することができる。

本発明の磁気センサモジュールは、上述した２個のＭＲ素子からなる直列回路を複数有するＭＲ素子群においても適用することができる。図６は、２個のＭＲ素子からなる直列回路を複数配置した場合の磁気センサシステムの実施形態を示す図である。図６（ａ）はその構成の側面構造を模式的に示した図、図６（ｂ）はその構成の平面構造を模式的に示した図である。磁気センサチップ１１、永久磁石１２、および被検出物である磁性体１３の配置は図１と同様であり、垂直磁界Ａ０、磁気インク検出方向Ｂ、および磁性体１３の移動方向Ｃも図１と同様である。

磁気センサチップ１１内には、図６（ｂ）に示すように、２個のＭＲ素子ＭＲ１ｎ、ＭＲ２ｎ（ｎ＝１、２、…、ｉ）を磁性体の移動方向Ｃと同方向に直線上になるように配置し、各ＭＲ素子との接続点を出力端子Ｖｏｕｔｎ（ｎ＝１，２，…，ｉ）とする直列回路を、配置中心線上に複数並べて配置している。（図６（ｂ）では、直列回路を５つ並べて配置した場合（ｉ＝５の場合）の実施形態の一例を示している。）
これらの直列回路の両端には、少なくとも磁性体検出時に電圧Ｖｄｄが印加される。すなわち、直列接続された２個のＭＲ素子いずれか一方のＭＲ素子の一端は接地され、もう一方の素子の一端は電圧Ｖｄｄが印加される。また、直列回路を構成する２個のＭＲ素子ＭＲ１ｎ、ＭＲ２ｎ（ｎ＝１、２、…、ｉ）は、配置中心線Ｍに対して平行な直線上でかつその配置中心線Ｍの両側に対称な位置に配置される。
すなわち、配置中心線ＭとＭＲ素子ＭＲ１ｎとの距離をｘ１、配置中心線ＭとＭＲ素子ＭＲ２ｎとの距離をｘ２とすると、ＭＲ素子ＭＲ１ｎ、ＭＲ２ｎは、ｘ１＝ｘ２になるように配置される。さらに、直列回路を構成する２個のＭＲ素子ＭＲ１ｎ、ＭＲ２ｎ（ｎ＝１、２、…、ｉ）から構成される直列回路の出力端子Ｖｏｕｔｎ（ｎ＝１，２，…，ｉ）には、磁性体１３が移動したときの磁界の変動に対するＭＲ素子ＭＲ１ｎ、ＭＲ２ｎそれぞれの抵抗値の変化分が、電圧値に変換されて出力される。すなわち、出力端子Ｖｏｕｔｎから、２個のＭＲ素子ＭＲ１ｎ、ＭＲ２ｎから構成される直列回路の出力感度として、それぞれのＭＲ素子の磁界の変動に対する感度の和が得られる。

このように磁気センサチップ１１内に、２個のＭＲ素子からなる直列回路を複数配置した場合においても、バイアス永久磁石１２の中心近傍ではほぼ同じ磁束密度分布とみなすことができるため、磁石中心付近の配置中心線上では水平方向磁界はゼロ（垂直方向磁界のみ）となり、直列回路を構成するＭＲ素子ＭＲ１ｎ、ＭＲ２ｎ（ｎ＝１、２、…、ｉ）のうち、ＭＲ素子ＭＲ１ｎにはバイアス磁界Ｈｘ１が印加され、ＭＲ素子ＭＲ２ｎにはバイアス磁界Ｈｘ２が印加される。従って、図１に示した場合と同様、それぞれの直列回路において、各ＭＲ素子を感度ピーク値から永久磁石の外側方向に離して配置することで、本発明の効果を得ることができ、永久磁石によるＭＲ素子に対するバイアス磁界、あるいは、磁気センサチップと永久磁石の位置関係が多少ずれたとしても、一定の出力感度が得られる。

以上のように、２個のＭＲ素子からなる直列回路を複数配置した場合は、磁性体の移動方向Ｃと直角方向（図６（ｂ）に示したＹ方向）に磁気インクの検出範囲を持たせることができるため、その検出範囲において２次元的（Ｘ−Ｙ方向）に描かれた磁性体の状態（たとえば、文字や画像）を同時に認識することができる。

図７は、実施例に用いた磁気センサシステム、ならびに、永久磁石の水平方向における位置と磁界との関係のグラフ（実測値）を示す。図７（ａ）は、実施例に用いた磁気センサシステムの構造およびサイズを示す図である。平面サイズａが６ｍｍ（奥行きが５ｍｍ）、厚さｂが１ｍｍの永久磁石（上面側がＮ極、下面側がＳ極）の直上に２個のＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２を形成した磁気センサチップ１１を配置した。永久磁石とＭＲ素子の離間距離ｃ（永久磁石１２の表面から２個のＭＲ素子までの距離）は、１．１ｍｍである。図７（ｂ）は、実測により求めた永久磁石の水平方向（磁気インク検出方向）の位置と磁界との関係を示すグラフである。図７（ｂ）のグラフから、永久磁石の中心Ｏ１から±０．３ｍｍ程度の範囲では、水平方向の位置ｘと水平方向磁界Ｈｘは比例関係にあることが分かる。

図８は、実施例での感度特性を示す図である。感度測定に用いた磁気センサシステムは図７（ａ）と同じである。図８（ａ）は、感度を求めるために用いた測定回路図である。感度測定においては、２個のＭＲ素子ＭＲ１、ＭＲ２の接続点から取り出される電圧は数ｍＶ程度であるため、その電圧を６０ｄＢ（１０００倍）に増幅した電圧を出力電圧とし、その出力電圧から感度を求めている。

図８（ｂ）は、各ＭＲ素子ＭＲ１、ＭＲ２の感度を測定したグラフであり、図８（ａ）と同様の回路を用いて、各ＭＲ素子の感度を求めた。たとえば、ＭＲ１の感度は、図８（ａ）において、ＭＲ２を磁界によって抵抗値変化のない固定抵抗に置き換えて測定した。ＭＲ素子に外部から印加磁界をかけて図８（ａ）と同様の回路における出力電圧を測定し、その感度を求めた。図８（ｂ）において、ＭＲ素子に印加される水平方向磁界Ｈｘ（単位：Ｏｅ）を横軸に、感度（単位：Ｖ／Ｏｅ）を縦軸に示す。また、図７（ｂ）に示すように、水平方向磁界Ｈｘ（単位：Ｏｅ）と水平方向の位置ｘ（単位：ｍｍ）は比例関係にあるので、この関係から求めた水平方向の位置ｘ（単位：ｍｍ）も横軸に記載している。

水平方向磁界Ｈｘ（水平方向の位置ｘ）のマイナス側がＭＲ１単体の出力感度（絶対値｜Ｓ１｜で示す）であり、水平方向磁界Ｈｘ（水平方向の位置ｘ）のプラス側がＭＲ２単体の出力感度である（絶対値｜Ｓ２｜で示す）。図８（ｂ）の測定結果から、これらのＭＲ素子ＭＲ１およびＭＲ２は、図４で示すような感度ピーク値を持つこと、およびＭＲ１とＭＲ２の感度は水平方向磁界Ｈｘ（水平方向の位置ｘ）の原点に対してほぼ対称形となることが分かる。また、感度ピーク位置より内側（永久磁石の中心側）では感度が急激に低下することも分かる。これから、ＭＲ素子を感度ピーク位置より内側（永久磁石の中心側）に配置しないようにすることが重要である。
本実施例での感度ピーク位置はＭＲ１およびＭＲ２とも感度特性の原点から約０．０３ｍｍ離れた位置であるため、本実施例では、感度ピーク位置より外側になるように、各ＭＲ素子を感度特性の原点から０．１ｍｍ離して、配置中心線の両側に対称な位置に配置する。（２つのＭＲ素子の素子間距離ｄを０．２ｍｍとする。）このように配置したとき、ＭＲ１の感度は約２．２２Ｖ／Ｏｅ、ＭＲ２の感度は約２．２７Ｖ／Ｏｅになる。

図８（ｃ）は、図８（ａ）に示す回路を用いて測定した出力感度を示すグラフである。
図８（ｃ）の横軸の印加磁界は、それぞれのＭＲ素子に、磁気インク検出方向に対して印加する磁界（磁気インク検知方向Ｂとは逆方向とする磁界）であり、実際の磁気センサシステムでは、それぞれのＭＲ素子に設定された永久磁石によるバイアス磁界からの磁界変化分に相当する。この磁界変化分は、外部磁界、永久磁石の磁界分布のバラツキ等から生じる。
また、図８（ｃ）の横軸の相対位置は、上述のようにＭＲ素子を配置した位置（理想的な状態）からの相対的な位置であり、実際の磁気センサシステムでは、それぞれのＭＲ素子を理想的に配置される位置からの位置ずれ量に相当する。この位置ずれ量は、ＭＲ素子と磁気センサチップや永久磁石との実装ずれによって生ずる。

たとえば、印加磁界がゼロ（相対位置がゼロ）の場合は、実装ずれ等がなく、ＭＲ１が配置中心線から−０．１ｍｍの所に、ＭＲ２が配置中心線から＋０．１ｍｍの所に理想的に配置されている状態であり、この場合の出力感度は、約４．５Ｖ/Ｏｅであり、図８（ｂ）のグラフから得られるＭＲ１の感度|Ｓｘ１|＝２．２２Ｖ/ＯｅとＭＲ２の感度|Ｓｘ２|＝２．２７Ｖ/Ｏｅの和とほぼ同じである。また、たとえば、印加磁界が−１０Ｏｅ変化した場合（約０．０７ｍｍの左（−）側への位置ずれに相当）は、出力感度は約５．０Ｖ/Ｏｅであり、印加磁界が＋１０Ｏｅ変化した場合（約０．０７ｍｍの右（＋）側への位置ずれに相当）は、出力感度は約４．８Ｖ/Ｏｅである。

すなわち、本実施例では、感度ピーク値は感度特性の原点から約０．０３ｍｍであり、ＭＲ素子の位置を感度特性の原点（配置中心線）から０．１ｍｍとし、感度ピーク位置からの位置ずらし量を０．０７ｍｍ程度に設定しているため、図７（ｃ）の測定結果からも分かるように、±０．０７ｍｍ程度（±１０Ｏｅ程度）までは、外部磁界や実装ずれがあったとしても、出力感度はほぼ一定になる。尚、感度ピーク位置からの位置ずらし量は、実装装置等の性能含む工場やプロセスの実力値で決まる実装ずれ許容量δよりも大きな値に設定する必要がある。しかし、位置ずらし量を実装ずれ許容量δよりも必要以上に大きくし、感度ピーク位置から余り離しすぎてしまうと、図７（ａ）の各ＭＲ素子の感度特性から分かるようにそれぞれのＭＲ素子の感度が低くなり、出力感度も低くなる。実装ずれ許容量δは通常、約０．０３ｍｍ〜０．０７ｍｍであり、できるだけこの値を小さくすることで、ＭＲ素子を感度ピーク値に近づけて配置することができ、さらに出力感度を高めることができる。

このことから、本発明のように、直列接続された２個のＭＲ素子を感度ピーク位置から永久磁石の外側方向に離して配置することによって、永久磁石によるＭＲ素子に対するバイアス磁界、あるいは、磁気センサチップと永久磁石の位置関係が多少ずれても、磁気センサシステムの感度は殆ど変わらないので、安定した磁気センサ特性を得ることができる。

これまで、磁気抵抗効果素子は、電流が流れる方向と直角方向の磁界に対して抵抗が変化する素子、特に磁界がゼロの場合には抵抗が大きく、磁界が大きくなるに従い抵抗が小さくなるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子である場合について説明してきた。ＴＭＲ素子は磁界による磁気抵抗変化が１００％以上と非常に大きくなること、抵抗が大きい（たとえば、１０ｋΩ〜２ＭΩ）ため消費電流が小さいこと、単体の素子が小型で多数のＭＲ素子を配列したアレイを１チップ化できること、さらに２端子で回路が簡単なこと、シリコン基板上にもＴＭＲ素子を形成できるためコントロール用ＩＣと一体化できることなどの特徴があり、本発明の直列接続型ＭＲ素子には最適である。しかし、本発明は、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子、あるいは異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）素子など他の磁気抵抗効果素子にも適用できる。

以上説明した様に、本発明は直列に接続した２個のＭＲ素子を永久磁石の中心を通る着磁方向の磁石中心線と直角である直線（配置中心線）の両側に対称な位置に、各ＭＲ素子の感度ピーク位置から永久磁石の外側方向へ離して配置する。また、磁性体を検出する場合は、この２個のＭＲ素子が配置された直線上に沿って移動させるようにする。この結果、高感度の磁気センサモジュールを実現でき、磁性体等の検出精度を高めることができる。

尚、明細書の各部分に記載し説明した内容を記載しなかった他の部分においても矛盾なく適用できることに関しては、当該他の部分に当該内容を適用できることは言うまでもない。さらに、上記実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施でき、本発明の権利範囲が上記実施形態に限定されないことも言うまでもない。

本発明は、磁気特性の感度バラッツキを小さくできるので、高性能の、非接触スイッチ、磁気ヘッド、地磁気センサ、回転センサや角度センサ等にも適用できる。

１１、２１・・・磁気センサチップ、１２、２２・・・永久磁石、１３・・・磁性体、２０・・・磁気センサパッケージ

Claims (5)

1. 電源間に直列接続された２個の磁気抵抗効果素子からなりかつその共通接続点を出力端子とする少なくとも１組の直列回路と前記磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を加える永久磁石を含む磁気センサモジュールにおいて、
   前記直列回路を構成する各々の前記磁気抵抗効果素子は、前記永久磁石の着磁方向と直交する平面上での前記永久磁石の磁石中心を通る前記着磁方向の磁石中心線と直角である直線に平行かつその直線の両側に対称な位置に配置されるとともに、前記磁気抵抗効果素子の感度が最大となる位置から前記永久磁石の外側方向へ離した位置に配置されることを特徴とする磁気センサモジュール。
2. 前記磁気抵抗効果素子の感度が最大となる位置からの位置ずらし量は、実装ずれ許容量以上であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気センサモジュール。
3. 磁性体等の被検出物が移動することによる磁界の変化を検出する場合において、前記被検出物の移動方向は、前記磁気抵抗効果素子の磁界を検知する方向と同じであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の磁気センサモジュール。
4. 前記磁気抵抗効果素子は、水平方向の磁界を検知する磁気抵抗効果素子であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気センサモジュール。
5. 前記直列回路は、同一チップ上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気センサモジュール。