JP7014159B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は磁気センサに関し、特に、４つの感磁素子がブリッジ接続されてなる磁気センサに関する。

感磁素子を用いた磁気センサは、電流計や磁気エンコーダなどに広く用いられている。特許文献１に記載されているように、磁気センサには、感磁素子に磁束を集めるための外部磁性体が設けられることがある。しかしながら、特許文献１に記載された磁気センサでは、検出すべき磁束が感磁素子に十分に集中しないことから、検出精度を高めることは困難である。

一方、特許文献２に記載された磁気センサは、感磁素子が形成されるセンサ基板上に磁性体層が設けられており、これにより検出すべき磁束を感磁素子に集中させている。特許文献２に記載された磁気センサでは、３つの磁性体層を用いて２つのギャップを形成し、これら２つのギャップのそれぞれに２つの感磁素子を配置することにより、合計４つの感磁素子によるブリッジ回路を構成している。

特許第５５００７８５号公報 特許第４９６４３０１号公報

しかしながら、特許文献２に記載された磁気センサでは、磁性体層によって形成されるギャップの数が２つであることから、ブリッジ回路を構成する２つの感磁素子が同じギャップ内に配置されることになる。これら２つの感磁素子に流れる電流は、一方が減少すると他方が増加する関係にあることから、一方の感磁素子に流れる電流によって生じる磁束が他方の感磁素子に無視できない影響を与え、その結果、検出精度が低下するおそれがあった。

したがって、本発明は、４つの感磁素子がブリッジ接続されてなる改良された磁気センサを提供することを目的とする。

本発明による磁気センサは、センサ基板と、センサ基板上に設けられた第１、第２及び第３の磁性体層と、ブリッジ接続される第１、第２、第３及び第４の感磁素子と、を備え、前記第１の磁性体層は、第１の主領域と、前記第１の主領域から離れるに従って幅が狭くなる第１、第２、第３及び第４の収束領域とを含み、前記第２の磁性体層は、第２の主領域と、前記第２の主領域から離れるに従って幅が狭くなる第５及び第７の収束領域とを含み、前記第３の磁性体層は、第３の主領域と、前記第３の主領域から離れるに従って幅が狭くなる第６及び第８の収束領域とを含み、前記第１、第２、第３及び第４の収束領域の端部と、前記第５、第６、第７及び第８の収束領域の端部は、それぞれ第１、第２、第３及び第４のギャップを介して対向し、前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子は、それぞれ前記第１、第２、第３及び第４のギャップによって形成される磁路上に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、４つの感磁素子が互いに異なるギャップによって形成される磁路上に配置されていることから、各感磁素子に流れる電流によって生じる磁束が他の感磁素子に影響を与えることがない。これにより、より検出精度の高い磁気センサを提供することが可能となる。

本発明による磁気センサは、前記第１の主領域を覆うよう、前記センサ基板上に設けられた第１の外部磁性体をさらに備えることが好ましい。これによれば、センサ基板に対して垂直方向の磁束の選択性を高めることができる。

この場合、前記第１乃至第４のギャップの延在方向である第１の方向における前記第１の外部磁性体の幅は、前記第１の主領域の前記第１の方向における幅よりも広く、これにより、前記第１の主領域の前記第１の方向における全幅が前記第１の外部磁性体によって覆われていることが好ましい。これによれば、第１の外部磁性体に位置ずれに起因する検出精度の低下を抑制することが可能となる。

本発明による磁気センサは、前記第２の主領域の近傍に設けられた第２の外部磁性体と、前記第３の主領域の近傍に設けられた第３の外部磁性体とをさらに備えることが好ましい。これによれば、より高い検出精度を得ることが可能となる。

本発明において、前記第１の収束領域と前記第４の収束領域は、前記第１乃至第４のギャップの延在方向である第１の方向に延在する第１の直線を対称軸として線対称であり、前記第２の収束領域と前記第３の収束領域は、前記第１の直線を対称軸として線対称であることが好ましい。これによれば、第１及び第４の感磁素子に印加される磁束のバランス、並びに、第２及び第３の感磁素子に印加される磁束のバランスが高められることから、より高い検出精度を得ることが可能となる。

本発明において、前記第１の収束領域と前記第３の収束領域は、前記第１乃至第４のギャップの延在方向と直交する第２の方向に延在する第２の直線を対称軸として線対称であり、前記第２の収束領域と前記第４の収束領域は、前記第２の直線を対称軸として線対称であり、前記第５の収束領域と前記第７の収束領域は、前記第２の直線を対称軸として線対称であり、前記第６の収束領域と前記第８の収束領域は、前記第２の直線を対称軸として線対称であることが好ましい。これによれば、第１及び第３の感磁素子に印加される磁束のバランス、並びに、第２及び第４の感磁素子に印加される磁束のバランスが高められることから、より高い検出精度を得ることが可能となる。

本発明において、前記第１及び第３の感磁素子は、前記第１及び第２の磁性体層と重なりを有しており、前記第２及び第４の感磁素子は、前記第１及び第３の磁性体層と重なりを有していても構わない。これによれば、漏れ磁束が低減されるため、より高い検出精度を得ることが可能となる。

本発明において、前記第１の磁性体層には、ループ状の外周を有する切り欠き部が設けられていることが好ましい。これによれば、第１の磁性体層の残留磁束が切り欠き部の外周を周回することから、残留磁束による検出精度の低下を防止することが可能となる。

本発明において、前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子は、それぞれ前記第１、第２、第３及び第４のギャップによって形成される磁路上に配置された複数の感磁素子が直列接続されてなるものであっても構わない。これによれば、より高い検出精度を得ることが可能となる。

この場合、本発明による磁気センサは、平面視で、前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子をそれぞれ構成する前記複数の感磁素子間に配置された第４の磁性体層をさらに備えることが好ましい。これによれば、複数の感磁素子間における漏れ磁束を低減することが可能となる。さらにこの場合、前記第４の磁性体層は、前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子をそれぞれ構成する前記複数の感磁素子と重なりを有していても構わない。これによれば、複数の感磁素子間における漏れ磁束をよりいっそう低減することが可能となる。また、前記第４の磁性体層は、前記第１乃至第４のギャップの延在方向である第１の方向に分割されていても構わない。これによれば、第４の磁性体層が磁気的に異方性を持つことから、より高い検出精度を得ることが可能となる。

本発明において、前記第１乃至第４の感磁素子は、いずれも磁気抵抗素子であることが好ましい。この場合、前記第１乃至第４の感磁素子を構成する磁気抵抗素子の感度方向は互いに同一であることが好ましく、前記第１乃至第４の感磁素子を構成する磁気抵抗素子は、スピンバルブ型ＧＭＲ素子であることが好ましい。

本発明によれば、４つの感磁素子が互いに異なるギャップによって形成される磁路上に配置されることから、これら４つの感磁素子をブリッジ接続することにより、検出精度の高い磁気センサを構成することが可能となる。

図１は、本発明の好ましい実施形態による磁気センサ１００の外観を示す略斜視図である。 図２は、磁気センサ１００の略分解斜視図である。 図３は、図１に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。 図４は、センサ基板２０の素子形成面２１の構造を説明するための略平面図である。 図５は、図４に示すＢ－Ｂ線に沿った略断面図である。 磁束φが均等に分配される様子を説明するための図である。 図７は、感磁素子Ｒ１～Ｒ４とボンディングパッド５１～５４の接続関係を説明するための回路図である。 図８は、第１の変形例による磁気センサ１０１の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図９は、第２の変形例による磁気センサ１０２の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図１０は、第３の変形例による磁気センサ１０３の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図１１は、第４の変形例による磁気センサ１０４の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図１２は、第５の変形例による磁気センサ１０５の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図１３は、第６の変形例による磁気センサ１０６の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図１４は、第７の変形例による磁気センサ１０７の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図１５は、第８の変形例による磁気センサ１０８の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図１６は、第９の変形例による磁気センサ１０９の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図１７は、第１０の変形例による磁気センサ１１０の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図１８は、第１１の変形例による磁気センサ１１１の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図１９は、第１２の変形例による磁気センサ１１２の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図２０は、第８の変形例による磁気センサ１０８の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図２１は、第１４の変形例による磁気センサ１１４の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図２２は、第１５の変形例による磁気センサ１１５の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図２３は、第１６の変形例による磁気センサ１１６の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図２４は、第１７の変形例による磁気センサ１１７の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図２５は、第１８の変形例による磁気センサ１１８の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図２６は、第１９の変形例による磁気センサ１１９の主要部の構成を説明するための略斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による磁気センサ１００の外観を示す略斜視図である。また、図２は磁気センサ１００の略分解斜視図であり、図３は図１に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。

図１～図３に示すように、本実施形態による磁気センサ１００は、開口部１１を有する回路基板１０と、開口部１１に配置されたセンサ基板２０と、センサ基板２０に固定された第１～第４の外部磁性体３１～３４とを備えている。センサ基板２０は、回路基板１０よりも小さいチップ部品であり、後述する感磁素子を有している。また、第１～第４の外部磁性体３１～３４は、フェライトなど透磁率の高い軟磁性材料からなるブロックである。

センサ基板２０は略直方体形状を有し、ｘｙ平面を構成する素子形成面２１には第１の外部磁性体３１が配置されている。センサ基板２０の作製方法としては、集合基板に多数のセンサ基板２０を同時に形成し、これらを分離することによって多数個取りする方法が一般的であるが、本発明がこれに限定されるものではなく、個々のセンサ基板２０を別個に作製しても構わない。詳細については後述するが、素子形成面２１には４つの感磁素子Ｒ１～Ｒ４及び３つの磁性体層４１～４３が形成されている。また、素子形成面２１には４つのボンディングパッド５１～５４が設けられており、対応するボンディングワイヤＢＷを介して、回路基板１０に設けられたボンディングパッド６１～６４にそれぞれ接続されている。

さらに、第２及び第３の外部磁性体３２，３３は、センサ基板２０のｘ方向における両側にそれぞれ配置されている。第２及び第３の外部磁性体３２，３３は、センサ基板２０の底部に位置する第４の外部磁性体３４を介して接続されており、これにより第２～第４の外部磁性体３２～３４は単一の磁性ブロック３５を構成する。そして、この磁性ブロック３５が回路基板１０の開口部１１に挿入されるよう配置されている。磁性ブロック３５には、センサ基板２０を収容するための凹部３６が設けられており、この凹部３６にセンサ基板２０が収容されると、センサ基板２０の素子形成面２１と、第２及び第３の外部磁性体３２，３３の先端が近接し、ほぼ同一平面を構成する。

次に、センサ基板２０の素子形成面２１に形成される各構成要素について詳細に説明する。

図４は、センサ基板２０の素子形成面２１の構造を説明するための略平面図である。また、図５は、図４に示すＢ－Ｂ線に沿った略断面図である。

図４及び図５に示すように、センサ基板２０の素子形成面２１には、第１～第３の磁性体層４１～４３が形成されている。第１の磁性体層４１は、素子形成面２１の略中央に位置し、そのｘ方向における両側に第２及び第３の磁性体層４２，４３が配置される。特に限定されるものではないが、磁性体層４１～４３としては、樹脂材料に磁性フィラーが分散された複合磁性材料からなる膜であっても構わないし、ニッケル又はパーマロイなどの軟磁性材料からなる薄膜もしくは箔であっても構わないし、フェライトなどからなる薄膜又はバルクシートであっても構わない。

第１の磁性体層４１は、中央に位置する第１の主領域Ｍ１と、第１の主領域Ｍ１からｘ方向に離れるに従ってｙ方向における幅が狭くなる第１～第４の収束領域Ｓ１～Ｓ４を含む。第１の主領域Ｍ１は、第１の外部磁性体３１によって覆われる部分である。特に限定されるものではないが、第１の外部磁性体３１のｙ方向における幅は、第１の主領域Ｍ１のｙ方向における幅よりも広く、これにより、第１の主領域Ｍ１のｙ方向における全幅が第１の外部磁性体３１によって覆われていることが好ましい。これによれば、製造時において、第１の外部磁性体３１と第１の外部磁性体３１との相対的な位置関係にずれが生じたとしても、検出精度が大幅に低下することがない。位置ずれとしては、ｘｙ方向におけるずれの他、回転ずれも考えられる。

上述の通り、第１～第４の収束領域Ｓ１～Ｓ４は、第１の主領域Ｍ１からｘ方向に離れるに従ってｙ方向における幅が狭くなるテーパー形状部分であり、本実施形態では、第１及び第３の収束領域Ｓ１，Ｓ３が第１の主領域Ｍ１に対してｘ方向マイナス側（左側）に位置し、第２及び第４の収束領域Ｓ２，Ｓ４が第１の主領域Ｍ１に対してｘ方向プラス側（右側）に位置する。

ここで、第１の磁性体層４１は二回対称形状を有している。このため、ｙ方向に延在する仮想的な直線Ｌ１を対称軸として、第１の収束領域Ｓ１と第４の収束領域Ｓ４は線対称であり、且つ、第２の収束領域Ｓ２と第３の収束領域Ｓ３は線対称である。さらに、ｘ方向に延在する仮想的な直線Ｌ２を対称軸として、第１の収束領域Ｓ１と第３の収束領域Ｓ３は線対称であり、且つ、第２の収束領域Ｓ４と第４の収束領域Ｓ４は線対称である。このような対称形状のため、第１の外部磁性体３１を介して取り込まれた磁束が第１の主領域Ｍ１に入射されると、図６に示すように、この磁束φが第１～第４の収束領域Ｓ１～Ｓ４に対してほぼ均等に分配される。そして、分配された磁束φは、テーパー形状を有する第１～第４の収束領域Ｓ１～Ｓ４を通過することにより、磁束密度が高められる。

一方、第２の磁性体層４２は、第２の主領域Ｍ２と、第２の主領域Ｍ２からｘ方向（プラス側）に離れるに従ってｙ方向における幅が狭くなる第５及び第７の収束領域Ｓ５，Ｓ７を含む。同様に、第３の磁性体層４３は、第３の主領域Ｍ３と、第３の主領域Ｍ３からｘ方向（マイナス側）に離れるに従ってｙ方向における幅が狭くなる第６及び第８の収束領域Ｓ６，Ｓ８を含む。第２の主領域Ｍ２は、センサ基板２０のｘ方向マイナス側における端部近傍に位置し、これにより、第２の外部磁性体３２と近接する。一方、第３の主領域Ｍ３は、センサ基板２０のｘ方向プラス側における端部近傍に位置し、これにより、第３の外部磁性体３３と近接する。

第５の収束領域Ｓ５の先端部は、第１のギャップＧ１を介して第１の収束領域Ｓ１の先端部と対向している。また、第７の収束領域Ｓ７の先端部は、第３のギャップＧ３を介して第３の収束領域Ｓ３の先端部と対向している。ここで、第５の収束領域Ｓ５と第７の収束領域Ｓ７は、ｘ方向に延在する仮想的な直線Ｌ２を対称軸として線対称である。このような対称形状のため、第２の外部磁性体３２を介して取り込まれた磁束が第２の主領域Ｍ２に入射されると、この磁束が第５及び第７の収束領域Ｓ５，Ｓ７に対してほぼ均等に分配される。

第６の収束領域Ｓ６の先端部は、第２のギャップＧ２を介して第２の収束領域Ｓ２の先端部と対向している。また、第８の収束領域Ｓ８の先端部は、第４のギャップＧ４を介して第４の収束領域Ｓ４の先端部と対向している。ここで、第６の収束領域Ｓ６と第８の収束領域Ｓ８は、ｘ方向に延在する仮想的な直線Ｌ２を対称軸として線対称である。このような対称形状のため、第３の外部磁性体３３を介して取り込まれた磁束が第３の主領域Ｍ３に入射されると、この磁束が第６及び第８の収束領域Ｓ６，Ｓ８に対してほぼ均等に分配される。

図４に示すように、第１～第４のギャップＧ１～Ｇ４には、それぞれｙ方向に延在する第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４が配置されている。第１～第４のギャップＧ１～Ｇ４のｘ方向における幅は互いに同一である。第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４は、第１～第３の磁性体層４１～４３とは接していない。

感磁素子Ｒ１～Ｒ４は、磁束密度によって物理特性の変化する素子であれば特に限定されないが、磁界の向きに応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗素子であることが好ましく、スピンバルブ型ＧＭＲ素子であることが特に好ましい。本実施形態においては、感磁素子Ｒ１～Ｒ４の感度方向（固定磁化方向）は、図４及び図５の矢印Ｃが示す方向（ｘ方向におけるプラス側）に全て揃えられている。

図５に示すように、第１の外部磁性体３１はｚ方向の磁束φを集め、これを第１の磁性体層４１の第１の主領域Ｍ１に放出する役割を果たす。第１の外部磁性体３１のｚ方向における高さについては特に限定されないが、ｚ方向における高さをより高くすることによって、ｚ方向の磁束の選択性を高めることができる。但し、第１の外部磁性体３１のｚ方向における高さが高すぎると、第１の外部磁性体３１の支持が不安定となるおそれがあることから、安定的な支持を確保できる範囲において高くすることが好ましい。

第１の外部磁性体３１を介して第１の主領域Ｍ１に集められた磁束φは、図６に示すように、第１～第４の収束領域Ｓ１～Ｓ４に対してほぼ均等に分配された後、第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４を介してそれぞれ第５～第８の収束領域Ｓ５～Ｓ８へと放出される。これにより、感磁素子Ｒ１，Ｒ３と感磁素子Ｒ２，Ｒ４には、互いに逆方向の磁束が与えられることになる。上述の通り、感磁素子Ｒ１～Ｒ４の磁化固定方向は、矢印Ｃが示すｘプラス方向に向けられていることから、磁束のｘ方向における成分に対して感度を持つことになる。

第５及び第７の収束領域Ｓ５，Ｓ７に到達した磁束は、第２の主領域Ｍ２を介して第２の外部磁性体３２に回収される。同様に、第６及び第８の収束領域Ｓ６，Ｓ８に到達した磁束は、第３の主領域Ｍ３を介して第３の外部磁性体３３に回収される。

図７は、感磁素子Ｒ１～Ｒ４とボンディングパッド５１～５４の接続関係を説明するための回路図である。

図７に示すように、ボンディングパッド５１，５４には、回路基板１０側からそれぞれグランド電位Ｇｎｄ及び電源電位Ｖｄｄが供給される。また、ボンディングパッド５１，５４間には、感磁素子Ｒ１，Ｒ２が直列に接続されるとともに、感磁素子Ｒ４，Ｒ３が直列に接続される。そして、感磁素子Ｒ３，Ｒ４の接続点はボンディングパッド５２に接続され、感磁素子Ｒ１，Ｒ２の接続点はボンディングパッド５３に接続される。このようなブリッジ接続により、ボンディングパッド５３に現れる電位Ｖａとボンディングパッド５２に現れる電位Ｖｂを参照することにより、磁束密度に応じた感磁素子Ｒ１～Ｒ４の電気抵抗の変化を高感度に検出することが可能となる。

具体的には、感磁素子Ｒ１～Ｒ４が全て同一の磁化固定方向を有していることから、第１の外部磁性体３１からみて一方側に位置する感磁素子Ｒ１，Ｒ３の抵抗変化量と、第１の外部磁性体３１からみて他方側に位置する感磁素子Ｒ２，Ｒ４の抵抗変化量との間には差が生じる。この差は、図７に示した差動ブリッジ回路によって２倍に増幅され、ボンディングパッド５２，５３に現れる。回路基板１０には、図示しない電圧検出回路が設けられており、ボンディングパッド５２，５３に現れる電位Ｖａ，Ｖｂの差を検出することによって、磁束密度を測定することが可能となる。

そして、本実施形態による磁気センサ１００は、センサ基板２０の素子形成面２１に第１～第３の磁性体層４１～４３が設けられており、これら磁性体層４１～４３によって形成される４つのギャップＧ１～Ｇ４にそれぞれ感磁素子Ｒ１～Ｒ４が配置されていることから、ある感磁素子に流れる電流によって生じる磁束が他の感磁素子に影響を与えることがない。これにより、従来よりも高い検出精度を得ることが可能となる。

しかも、ギャップＧ１～Ｇ４を構成する８つの収束領域Ｓ１～Ｓ８は、いずれも対応する感磁素子Ｒ１～Ｒ４に向かって幅が狭くなるテーパー形状を有していることから、感磁素子Ｒ１～Ｒ４に与えられる磁束の密度が高められる。さらに、第１の磁性体層４１に含まれる第１の主領域Ｍ１は、４つの収束領域Ｓ１～Ｓ４の全ての根元部分に接続される広い面積を有していることから、第１の外部磁性体３１を介した磁束φの集磁効果が高く、これにより高い検出精度を得ることも可能となる。

また、本実施形態による磁気センサ１００は、第１の外部磁性体３１を備えていることから、ｚ方向の磁束を選択的に検出することができる。しかも、本実施形態による磁気センサ１００は、第２の外部磁性体３２と第３の外部磁性体３３が一体化されていることから、センサ基板２０の背後に回り込む磁束の磁気抵抗を低減することもできる。

以下、本実施形態による磁気センサ１００のいくつかの変形例について説明する。

図８は、第１の変形例による磁気センサ１０１の主要部の構成を説明するための略断面図である。図８に示す例では、センサ基板２０の表面に絶縁層２２，２３がこの順に積層されており、絶縁層２２の表面が素子形成面２１を構成している。そして、素子形成面２１である絶縁層２２の表面に感磁素子Ｒ１～Ｒ４が設けられ、上層に位置する絶縁層２３の表面に磁性体層４１～４３が設けられている。このように、第１の変形例による磁気センサ１０１では、感磁素子Ｒ１～Ｒ４と磁性体層４１～４３が異なる層に位置しており、磁性体層４１，４２によって形成されるギャップＧ１（Ｇ３）と平面視で重なる位置に感磁素子Ｒ１（Ｒ３）が配置され、磁性体層４１，４３によって形成されるギャップＧ４（Ｇ２）と平面視で重なる位置に感磁素子Ｒ４（Ｒ２）が配置される。第１の変形例による磁気センサ１０１が例示するように、本発明において、感磁素子Ｒ１～Ｒ４と磁性体層４１～４３のｚ方向における位置は互いに異なっていても構わない。この場合、感磁素子Ｒ１～Ｒ４は、厳密にはギャップＧ１～Ｇ４間には位置しないが、ギャップＧ１～Ｇ４によって形成される磁路上に配置されることから、ギャップＧ１～Ｇ４を通過する磁束を正しく検出することが可能となる。

図９は、第２の変形例による磁気センサ１０２の主要部の構成を説明するための略断面図である。図９に示す例では、感磁素子Ｒ１（Ｒ３）の一部が磁性体層４１，４２とｚ方向に重なりを有しており、感磁素子Ｒ４（Ｒ２）の一部が磁性体層４１，４３とｚ方向に重なりを有している。本例においても、感磁素子Ｒ１～Ｒ４は、厳密にはギャップＧ１～Ｇ４間には位置しないが、ギャップＧ１～Ｇ４によって形成される磁路上に配置されている。このように、感磁素子Ｒ１～Ｒ４と磁性体層４１～４３のｚ方向における位置が互いに異なっている場合、ギャップＧ１～Ｇ４の近傍において両者の一部がｚ方向に重なるよう配置すれば、漏れ磁束が低減されるため、より高い検出精度を得ることが可能となる。

図１０は、第３の変形例による磁気センサ１０３の主要部の構成を説明するための略断面図である。図１０に示す例では、センサ基板２０の表面に絶縁層２４，２５，２６がこの順に積層されており、絶縁層２５の表面が素子形成面２１を構成している。そして、素子形成面２１である絶縁層２５の表面に感磁素子Ｒ１～Ｒ４が設けられ、下層に位置する絶縁層２４の表面に磁性体層４２，４３が設けられ、上層に位置する絶縁層２６の表面に磁性体層４１が設けられている。このように、第３の変形例による磁気センサ１０３では、磁性体層４１と磁性体層４２，４３が異なる層に位置しており、これらの一部が重なることによって立体的なギャップＧ１～Ｇ４が形成されている。そして、これらギャップＧ１～Ｇ４間に感磁素子Ｒ１～Ｒ４が配置される構成を有している。第３の変形例による磁気センサ１０３が例示するように、ギャップＧ１～Ｇ４は平面的なものである必要はなく、立体的なものであっても構わない。

図１１は、第４の変形例による磁気センサ１０４の主要部の構成を説明するための略断面図である。図１１に示す例では、磁性体層４１と磁性体層４２，４３が異なる層に位置しており、且つ、互いに重なりを有していない。このため、磁性体層４１と磁性体層４２，４３によって斜め方向のギャップＧ１～Ｇ４が形成され、これらギャップＧ１～Ｇ４に相当する位置に感磁素子Ｒ１～Ｒ４が配置されている。この場合、感磁素子Ｒ１～Ｒ４と磁性体層４１～４３は、重なりを有していても構わないし、重なりを有していなくても構わない。

図１２は、第５の変形例による磁気センサ１０５の主要部の構成を説明するための略断面図である。図１２に示す例では、第２の外部磁性体３２と第３の外部磁性体３３が一体化されておらず、互いに分離されている。このような構成においては、センサ基板２０の背後に回り込む磁束の磁気抵抗が若干増加するものの、上述した磁気センサ１００とほぼ同様の効果を得ることができる。

図１３は、第６の変形例による磁気センサ１０６の主要部の構成を説明するための略断面図である。図１３に示す例では、第２及び第３の外部磁性体３２，３３が省略されている。このような構成においては、第２及び第３の外部磁性体３２，３３による集磁効果がなくなるものの、上述した磁気センサ１００とほぼ同様の効果を得ることができる。

図１４は、第７の変形例による磁気センサ１０７の主要部の構成を説明するための略平面図である。図１４に示す例では、磁性体層４１～４３にスリットが設けられており、スリットによって磁性体層４１～４３がそれぞれ複数個に分割されている。具体的には、磁性体層４１には十字型のスリットが設けられており、これによって第１～第４の収束領域Ｓ１～Ｓ４が互いに分離している。また、磁性体層４２，４３にはｘ方向に延在するスリットが設けられており、これによって第５及び第７の収束領域Ｓ５，Ｓ７が互いに分離し、第６及び第８の収束領域Ｓ６，Ｓ８が互いに分離している。このようなスリットは磁気ギャップとなるものの、その幅が十分に狭ければ、検出精度を十分に確保することが可能となる。第７の変形例による磁気センサ１０７が例示するように、本発明において、磁性体層４１～４３のそれぞれが完全に一体的であることは必須でない。

図１５は、第８の変形例による磁気センサ１０８の主要部の構成を説明するための略平面図である。図１５に示す例では、第１～第３の磁性体層４１～４３にいくつかの切り欠き部７１が設けられている。切り欠き部７１は、ループ状の外周を有する独立したスペースパターンであり、いずれもｙ方向を長軸方向とする楕円形である。独立したスペースパターンとは、外周が閉じていることを意味する。図１５に示す例では、第１の磁性体層４１に４つの切り欠き部７１が設けられ、第２及び第３の磁性体層４２，４３にそれぞれ２つの切り欠き部７１が設けられている。第１の磁性体層４１においては、第１の主領域Ｍ１を避けて切り欠き部７１が配置されており、これにより第１の主領域Ｍ１における集磁効果の低下を防止している。このような切り欠き部７１を設ければ、第１～第３の磁性体層４１～４３の残留磁束が切り欠き部７１の外周を周回することから、残留磁束による検出精度の低下を防止することが可能となる。

図１６は、第９の変形例による磁気センサ１０９の主要部の構成を説明するための略平面図である。図１６に示す例では、切り欠き部７１の内径領域に島状の独立パターン７２が設けられている点において、図１５に示す例と相違している。独立パターン７２は、切り欠き部７１を介して第１～第３の磁性体層４１～４３と分離されている。このような独立パターン７２を追加すれば、切り欠き部７１を形成することによる磁気抵抗の増加を最小限に抑えることが可能となる。

図１７は、第１０の変形例による磁気センサ１１０の主要部の構成を説明するための略平面図である。図１７に示す例では、第１の磁性体層４１に２つの切り欠き部７３が設けられている点において、図１５に示す例と相違している。切り欠き部７３もループ状の外周を有する独立したスペースパターンであり、いずれもｘ方向を長軸方向とする楕円形である。このような構成であっても、図１５に示す例と同様の効果を得ることができる。

図１８は、第１１の変形例による磁気センサ１１１の主要部の構成を説明するための略平面図である。図１８に示す例では、切り欠き部７３の内径領域に島状の独立パターン７４が設けられている点において、図１７に示す例と相違している。独立パターン７４は、切り欠き部７３を介して第１の磁性体層４１と分離されている。このような独立パターン７４を追加すれば、切り欠き部７３を形成することによる磁気抵抗の増加を最小限に抑えることが可能となる。

図１９は、第１２の変形例による磁気センサ１１２の主要部の構成を説明するための略平面図である。図１９に示す例では、第１～第８の収束領域Ｓ１～Ｓ８のエッジが曲線的である。このような構成とすれば、第１～第８の収束領域Ｓ１～Ｓ８における磁束の流れがよりスムーズとなり、磁気抵抗が低下する。

図２０は、第１３の変形例による磁気センサ１１３の主要部の構成を説明するための略平面図である。図２０に示す例では、第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４がそれぞれ第１～第４のギャップＧ１～Ｇ４に配置された２つの感磁素子によって構成されている。具体的には、直列接続された２つの感磁素子Ｒ１１，Ｒ１２によって第１の感磁素子Ｒ１が構成され、直列接続された２つの感磁素子Ｒ２１，Ｒ２２によって第２の感磁素子Ｒ２が構成され、直列接続された２つの感磁素子Ｒ３１，Ｒ３２によって第３の感磁素子Ｒ３が構成され、直列接続された２つの感磁素子Ｒ４１，Ｒ４２によって第４の感磁素子Ｒ４が構成されている。これによれば、より大きな磁気抵抗効果を得ることができるため、センサ基板２０のサイズをほとんど大型化することなく、高い検出精度を得ることが可能となる。尚、直列接続される２つの感磁素子（例えばＲ１１とＲ１２）の間には、第４の磁性体層４４を追加しても構わない。また、各感磁素子Ｒ１～Ｒ４を直列接続された３以上の感磁素子によって構成しても構わない。

図２１は、第１４の変形例による磁気センサ１１４の主要部の構成を説明するための略断面図である。図２１に示す例では、感磁素子Ｒ１が２つの感磁素子Ｒ１１，Ｒ１２によっているとともに、感磁素子Ｒ１１の一部が磁性体層４１，４４と重なりを有し、感磁素子Ｒ１２の一部が磁性体層４２，４４と重なりを有している。図示しない他の感磁素子Ｒ２～Ｒ４についても同様の構成を有している。このように、第４の磁性体層４４を設けるとともに、各感磁素子Ｒ１～Ｒ４と磁性体層４１～４４が重なるよう配置すれば、漏れ磁束が低減されるため、より高い検出精度を得ることが可能となる。

図２２は、第１５の変形例による磁気センサ１１５の主要部の構成を説明するための略平面図である。図２２に示す例では、第４の磁性体層４４がギャップＧ１の延在方向であるｙ方向に多数分割されている。図示しない他のギャップＧ２～Ｇ４上においても同様の構成を有している。このように、第４の磁性体層４４をｙ方向に分割すれば、ギャップＧ１～Ｇ４を介した磁束の流れが感磁方向であるｘ方向に制限され、ｙ方向にはほとんど流れなくなる。つまり、第４の磁性体層４４をｙ方向に分割することによって磁気的な異方性が生じることから、より高い検出精度を得ることが可能となる。

図２３は、第１６の変形例による磁気センサ１１６の主要部の構成を説明するための略断面図である。図２３に示す例では、第１～第３の磁性体層４１～４３の膜厚がギャップＧ１～Ｇ４に向かって連続的に薄くなる構造を有している。このような構成によれば、第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４に磁束がより集中することから、検出精度を高めることが可能となる。

図２４は、第１７の変形例による磁気センサ１１７の主要部の構成を説明するための略断面図である。図２４に示す例では、第１～第３の磁性体層４１～４３の膜厚がギャップＧ１～Ｇ４の近傍において薄くなる段差構造を有している。このような構成であっても、第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４に磁束がより集中することから、検出精度を高めることが可能となる。

図２５は、第１８の変形例による磁気センサ１１８の主要部の構成を説明するための略断面図である。図２５に示す例では、第１～第３の磁性体層４１～４３の膜厚がギャップＧ１～Ｇ４に向かって段階的に薄くなる階段状構造を有している。このような構成であっても、第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４に磁束がより集中することから、検出精度を高めることが可能となる。

図２６は、第１９の変形例による磁気センサ１１９の構成を説明するための略斜視図である。図２６に示す例では、ｘｙ平面を有する回路基板１０の表面にセンサ基板２０が横倒しで搭載されている。つまり、センサ基板２０の素子形成面２１がｘｚ面を構成しており、第１の外部磁性体３１がｙ方向に延在している。このような構成によれば、回路基板１０に開口部１１を設ける必要がなくなるとともに、回路基板１０の主面と平行な方向の磁束を選択的に検出することが可能となる。また、第１の外部磁性体３１の高さ（ｙ方向における長さ）を長くしても、第１の外部磁性体３１の支持が不安定となることがない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１０ 回路基板
１１ 開口部
２０ センサ基板
２１ 素子形成面
２２～２６ 絶縁層
３１～３４ 外部磁性体
３５ 磁性ブロック
３６ 凹部
４１～４４ 磁性体層
５１～５４，６１～６４ ボンディングパッド
７１，７３ 切り欠き部
７２，７４ 独立パターン
１００～１１９ 磁気センサ
ＢＷ ボンディングワイヤ
Ｇ１～Ｇ４ ギャップ
Ｌ１，Ｌ２ 直線
Ｍ１～Ｍ３ 主領域
Ｒ１～Ｒ４ 感磁素子
Ｓ１～Ｓ８ 収束領域
φ 磁束

Claims (12)

1. センサ基板と、
   第１乃至第４の外部磁性体と、
   前記センサ基板上に設けられた第１、第２及び第３の磁性体層と、
   前記センサ基板上に設けられ、ブリッジ接続される第１、第２、第３及び第４の感磁素子と、を備え、
   前記第１の磁性体層は、第１の主領域と、前記第１の主領域から離れるに従って幅が狭くなる第１、第２、第３及び第４の収束領域とを含み、
   前記第２の磁性体層は、第２の主領域と、前記第２の主領域から離れるに従って幅が狭くなる第５及び第７の収束領域とを含み、
   前記第３の磁性体層は、第３の主領域と、前記第３の主領域から離れるに従って幅が狭くなる第６及び第８の収束領域とを含み、
   前記第１、第２、第３及び第４の収束領域の端部と、前記第５、第６、第７及び第８の収束領域の端部は、それぞれ第１、第２、第３及び第４のギャップを介して対向し、
   前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子は、それぞれ前記第１、第２、第３及び第４のギャップによって形成される磁路上に配置され、
   前記第１の外部磁性体は、前記第１の主領域を覆うように設けられ、
   前記第１乃至第４のギャップの延在方向である第１の方向における前記第１の外部磁性体の幅は、前記第１の主領域の前記第１の方向における幅よりも広く、これにより、前記第１の主領域の前記第１の方向における全幅が前記第１の外部磁性体によって覆われ、
   前記第２の外部磁性体は、前記第１の方向と直交する第２の方向における一方側に位置する前記センサ基板の第１の側面を覆うことにより第２の主領域の近傍に設けられ、
   前記第３の外部磁性体は、前記第２の方向における他方側に位置する前記センサ基板の第２の側面を覆うことにより第３の主領域の近傍に設けられ、
   前記第２及び第３の外部磁性体は、前記センサ基板の底部に位置する前記第４の外部磁性体を介して接続されており、
   前記第１の磁性体層は、前記第２及び第３の磁性体層によって前記第２の方向から挟まれており、
   前記第１の磁性体層の前記第１及び第３の収束領域は、前記第１の主領域から前記第２の磁性体層に向かって前記第２の方向の前記一方側に延在し、
   前記第１の磁性体層の前記第２及び第４の収束領域は、前記第１の主領域から前記第３の磁性体層に向かって前記第２の方向の前記他方側に延在することを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１の収束領域と前記第４の収束領域は、前記第１乃至第４のギャップの延在方向である第１の方向に延在する第１の直線を対称軸として線対称であり、
   前記第２の収束領域と前記第３の収束領域は、前記第１の直線を対称軸として線対称であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１の収束領域と前記第３の収束領域は、前記第１乃至第４のギャップの延在方向と直交する第２の方向に延在する第２の直線を対称軸として線対称であり、
   前記第２の収束領域と前記第４の収束領域は、前記第２の直線を対称軸として線対称であり、
   前記第５の収束領域と前記第７の収束領域は、前記第２の直線を対称軸として線対称であり、
   前記第６の収束領域と前記第８の収束領域は、前記第２の直線を対称軸として線対称であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記第１及び第３の感磁素子は、前記第１及び第２の磁性体層と重なりを有しており、
   前記第２及び第４の感磁素子は、前記第１及び第３の磁性体層と重なりを有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
5. 前記第１の磁性体層には、ループ状の外周を有する外周が閉じた独立したスペースパターンである切り欠き部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子は、それぞれ前記第１、第２、第３及び第４のギャップによって形成される磁路上に配置された複数の感磁素子が直列接続されてなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
7. 平面視で、前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子をそれぞれ構成する前記複数の感磁素子間に配置された第４の磁性体層をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の磁気センサ。
8. 前記第４の磁性体層は、前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子をそれぞれ構成する前記複数の感磁素子と重なりを有していることを特徴とする請求項７に記載の磁気センサ。
9. 前記第４の磁性体層は、前記第１乃至第４のギャップの延在方向である第１の方向に分割されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の磁気センサ。
10. 前記第１乃至第４の感磁素子は、いずれも磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の磁気センサ。
11. 前記第１乃至第４の感磁素子を構成する磁気抵抗素子の感度方向は互いに同一であることを特徴とする請求項１０に記載の磁気センサ。
12. 前記第１乃至第４の感磁素子を構成する磁気抵抗素子は、スピンバルブ型ＧＭＲ素子であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の磁気センサ。

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