JPH02195284A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は磁界中における電気抵抗が変化する所謂磁気抵
抗効果を利用して電気信号に変換し１位置検出、速度検
出等を行う磁気センサに関するものであり、特に検知部
材に発生する応力によっても電気信号出力が変化するこ
とのない信軌性の高い磁気センサに関するものである。

〔従来の技術〕

従来の磁気センサは１例えば第２図に要部斜視図として
示すように構成されている。すなわち第２図において１
は回転ドラムであり１回転軸２の回りに回転自在に形成
すると共に１回転ドラム１の外周表面に例えばγ鉄等の
磁性塗膜を固着して。

円周方向に等間隔にＮＳ磁極が出現するように着磁して
インクリメンタル相１ａを形成する。なお回転ドラム１
の外周表面には前記インクリメンタル相１ａとは別に例
えば１対のＮＳ磁極を設けてアブソリュート相１ｂを形
成する。なおアブソリュート相１ｂを形成するＮ５ｉｉ
ｌｉは１回転軸２と平行に設け、前記インクリメンタル
相１ａを形成する磁極の方向と直交するように配設する
０次に３は検知部材であり９例えばガラス基板４上にニ
ッケル鉄合金のような磁気抵抗効果機能を有する強磁性
材料の薄膜からなる感磁素子５ａ、５ｂを。

これらの長手方向が各々前記インクリメンタル相ｌａお
よびアブソリュート相ｌｂを形成するＮＳ磁極の方向と
直交するように設け、前記回転ドラム１の外表面と対向
させ、かつ各々前記インクリメンタル相１ａおよびアブ
ソリュート相１ｂを構成するＮＳ磁極による磁界が作用
する範囲内に所定の間隙を介して配設する。５ａ、　　
６ｂは各々リード線であり、前記感磁素子５ａ、５ｂと
電気的に接続し、感磁素子５ａ、５ｂからの電気信号を
検知回路（図示せず）に入力可能に形成する。

以上の構成により９回転ドラム１を回転させれば、イン
クリメンタル相１ａおよびアブソリュート相１ｂを構成
するＮ５ＩＩ極からの磁界が各々感磁素子５ａ、５ｂに
作用する。そして回転ドラム１の回転により前記感磁素
子５ａ、５ｂに作用する磁界が刻々変化する結果、電気
抵抗値の変化により例えば電圧変化という電気信号を得
ることができ０位置検出および回転速度を検出すること
ができるのである。

〔発明が解決しようとする！１ｌｌｆｌ）上記構成の磁
気センサにおいて、検知部材３を例えばアルミニウム合
金からなる支持部材（図示せず）上に固着して実装状態
とした場合に、感磁素子５ｂからの出力が低下するとい
う現象を惹起することがある。近年の磁気センサの仕様
に対する要求は益々厳しくなり、上記のような電気信号
出力が低下することのない、高信転性の磁気センサの出
現が望まれている。

上記出力低下現象を詳細に調査した結果、検知部材３を
支持部材から取外した場合に出力が回復することから、
接着時に発生する応力に起因するものであると認められ
る。すなわち検知部材３は前述のようにガラス基板４上
に感磁素子５ａ、５ｂを形成する例えばニッケル鉄合金
からなる薄膜を蒸着した後、配線部であるクロム膜およ
びアルミ膜と、絶縁部および保護部である５１０２膜お
よびポリイミド系有機物膜を積層して形成される。

従ってこれらの膜形成時における熱応力が残留すると共
に、更に支持部材上に接着する際にも外力に起因する応
力が蓄積されるため、感磁素子５ａ。

５ｂに応力が印加され、抵抗変化率その他の特性が変化
するものと認められる。

第３図（ａ）（ｂ）は各々第２図における検知部材３を
変形させた状態を示す説明図、第４図（ａ）（ｂ）は各
々第３図（ａ）（ｂ）に対応する磁気抵抗変化曲線を示
す図である。まず第３図（ａ）（ｂ）に示すように検知
部材３の感磁素子５ｂ側を凹または凸に変形させると、
感磁素子５ｂの長手方向に各々圧縮応力または引張応力
が作用する。この結果第４図（ａ）（ｂ）に示すように
磁気抵抗変化曲線が変化する０両図において縦軸は抵抗
変化率ΔＲ／Ｒを、横軸は印加磁界Ｈを示しており０曲
線ａ、ｂ、ｃは夫々応力が０．　３０ＭＰａ、５０ＭＰ
ａの場合の磁気抵抗変化曲線を示す、まず第４図（ａ）
において、第３図（ａ）に示すように感磁素子５ｂに圧
縮応力が作用すると、磁気抵抗変化曲線は無応力の場合
における曲線ａから曲線す、　　ｃのように変化し、同
一の抵抗変化率を得るために必要な磁界の値が大となり
。

所謂感度の低下が認められるが、抵抗変化率の農大値の
低下は認められない、これに対して第４図（ｂ）におい
ては、第３図（ｂ）に示すように感磁素子５ｂに引張応
力が作用する場合であり、ｆＲ応力状態の曲線ａに対し
て３０ＭＰａの応力が作用した場合の曲ｖＡｂは、同一
の抵抗変化率を得るために必要な磁界の値が一旦は小に
なる。しかし５０ＭＰａの応力が作用すると１曲線Ｃの
ように抵抗変化率が減少し、前記感磁素子５ｂの出力低
下となって現れる。このようなことから、前記した感磁
素子５ｂの出力低下は、第２図に示す検知部材３を支持
部材（図示せず）に接着によって実装組立する際におけ
る感磁素子５ｂに対する引張応力が原因であると認めら
れるのである。

一般に磁気抵抗効果機能を有する材料には、応力によっ
て磁気異方性が誘導されることが知られているが、この
場合の応力誘起異方性定数には次式で表される。

に−□　λ１　σ 但し、λ、：飽和磁歪 σ：応力 すなわち飽和磁歪λ、と応力σの積λ、σの符号によっ
て応力誘起異方性の方向が変化し、正の場合は応力方向
と平行方向、負の場合は応力方向と直角方向を磁化容易
軸とする磁気異方性が生じる。従って前記感磁素子５ｂ
の長手方向に作用する引張応力（σ〉０）に対して磁歪
λが正の場合には＄Ｉｆｉ素子５ｂの長手方向に、一方
磁歪λが負の場合には感磁素子５ｂの幅方向に応力誘起
異方性が生じることになる。

応力誘起異方性が感磁素子５ｂの長手方向に生じた場合
には、長手方向に磁気異方性が付加されるため２幅方向
には一層磁化されにくくなる。すなわち同一の抵抗変化
率を得るために要する磁界の値が大となる結果、第４図
（ａ）における曲線す、　　ｃのように磁気抵抗変化曲
線が変化することが説明できる。一方幅方向に応力誘起
異方性が生じた場合には１発生した応力誘起異方性が感
磁素子５ｂの有する形状異方性より小であるときは。

第４図（ｂ）における曲線すに示すように、無応力の場
合の曲線ａよりも同一の抵抗変化率を得るための磁界の
値が減少する。しかし応力の値が更に大となり、前記応
力誘起異方性が形状異方性より大になると、［化容易方
向は幅方向になり１曲線Ｃで示すように抵抗変化率が急
激に低下するものと考えられる。

次に従来の感磁素子を構成するニッケル鉄合金において
は、抵抗変化率の値を大にするため、ニッケル含有率を
高い値に設定していた（例えば８３．０重量％前記）、
シかしながら、このような合金によって形成した感磁素
子の磁歪は負であるため、前記のように実装組立した場
合において感磁素子に引張応力が作用すると出力低下と
いう現象を惹起することになる。

また第２図において感磁素子５ａ、５ｂをガラス基板４
上に薄膜によって形成する場合に、ｉｆｉ界印加方向を
感磁素子５ａの長手方向に合わせであるため、感磁素子
５ａと９０１の長手方向を有する感磁素子５ｂには１幅
方向に誘導磁気異方性が付与されてしまう、従って感磁
素子５ｂにおいては、前記応力誘起異方性の付加により
１本来固有の形状異方性より容易に幅方向の異方性が大
となり、前記のように出力低下を惹起するという問題点
がある。

本発明は上記従来技術に存在する問題点を解決し、検知
部材に応力が発生した場合においても電気信号出力を低
下することのない信頼性の高い磁気センサを提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため９本発明においては。

表面にＮＳ磁極を設けてなる磁界印加部材と、基板上に
磁気抵抗効果機能を有する感磁素子を直接若しくはｗ１
１ｍ部材を介して固着してなる検知部材とを、前記磁界
印加部材の磁界が作用する範囲内に相対移動自在に設け
ると共に、前記感磁素子をＮｉ８１．Ｏ〜８１．８重量
％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる薄膜によっ
て形成する。という技術的手段を採用した。

本発明において、Ｎｉ含有量が８１．８重量％を超える
と磁歪が負となり、感磁素子Φ長手方向に引張応力が作
用した場合に磁化容易軸が幅方向となり、出力低下を招
来するため不都合である。一方ｇｔ、ｏ重量％未満にお
いては、磁歪は正の範囲であるため前記のような理由に
よる出力低下は発生しないが、抵抗変化率自体が減少す
るため感磁素子の出力低下となるため好ましくない。

本発明は同一検知部材にアブソリュート相およびインク
リメンタル相に対応する感磁素子を併設した場合に有効
であり、特にアブソリュート相の磁極配列方向とインク
リメンタル相の磁極配列方向とが直交するような磁気セ
ンサである場合に有効である。

〔作用〕

上記の構成により、検知部材を形成する感磁素子の磁歪
を常に正とすることができるため、仮りに感磁素子の長
手方向に引張応力が作用した場合においても、応力誘起
異方性定数にの値を正とすることができ、応力方向と平
行方向を磁化容易軸とする磁気異方性を維持するのであ
る。

〔実施例〕

まず基板として１００５ｍ　Ｘ　１００ｍｍ　ｘ　０．
１ｍ−のコーニング７０５９ガラスを使用し、このガラ
ス基板上にニッケル鉄合金からなる薄膜（膜厚３８０±
５０人）を、抵抗加熱式真空蒸着装置（東京真空製　Ｅ
ＶＭ−５８０型）により、２５板温度を２３０℃とし。

薄膜の長手方向に磁界を印加した状態で蒸着した。

磁界はアルニコ磁石（日立金属製　ＹＣＭ−ＱＣ）によ
って発生させ、基板中心部において約２０００に保持し
た。蒸着用るつぼには、アルミナコートシたコニカルバ
スケット（東京カソード研究所型　ＣＢ５−１型）を使
用した０次にこの薄膜上にＲＦスパッタによりＣｒ１ｌ
ｌおよびＡｌｇＫを各々０．１＃ｍおよび０．３μｍに
形成した。更にこれらの膜上に、ＲＦスパッタおよびス
ピンコードにより各々Ｓｉ０ｇ膜およびＰＩＱ（ポリイ
ミド系有機物）ＩＩ５Ｋを２μｍ宛積層して検知部材と
した。

次に幅３０μｍ長さ２８００ｐｍに加工した感磁素子の
１１り厚を触針弐段差計（ＳＬｏａｎ　！ｌ！Ｊ　Ｄｅ
ｋＬａｋ　ＩＩ八）を使用して測定し、その後４端子法
により抵抗値を求め、磁界を±５００ｅ印加した際の抵
抗の変化であるＭＲ特性（磁気抵抗効果特性）を測定し
。

ＭＲ曲＆９１（磁気抵抗変化曲線３例えば第４図）とし
て表した。このようなＭＲ曲線を応力負荷時においても
求め、異方性磁界の変化から磁歪を求めた。

第１図は磁歪と薄Ｉｌ！１ｔＪ１成（Ｎ１重量％）との
関係を示す図である。第１図から明らかなように。

ｔ１８１．８重量％において磁歪が０となり、Ｎｌ量が
これより小であれば磁歪は正となり、Ｎｉ１ｌがこれよ
り大であれは磁歪は負となる。このようなｍ膜により５
例えば第２図に示ずような感磁素子５ａ、５ｂを形成し
た場合に、一般に５０ＭＩ’ａの応力印加時において出
力低下が起こらないこと（特にアブソリュート相１ｂに
対応する感磁素子５ｂに）が要求されている。このよう
な要求を満足する磁歪は±２Ｘ１０−”以内であるため
、Ｎｌ量がこの範囲の値を示すように薄膜組成を制御す
ればよい、この組成範囲は第１図からＮｉ８１．Ｏ〜８
２．７ｆｆｉ量２である。一方前記のように磁歪は正の
方が望ましいことが明らかであるため、Ｔ！１歪が正で
あるＮｉ８１．０〜８１．８重量％が好ましい０本実施
例においては蒸着源としてＮ　ｉａ２．３重量％の合金
を使用したが、ロフト間の変動も含めて薄膜の組成を上
記の範囲にコントロールすることは充分に可能である。

なお従来の感磁素子におけるｙＩ膜組成はＮｉ８２．６
〜８３．４重量％であり、第１図から明らかなように磁
歪が−２〜−３，８Ｘ　１０−”の範囲にあり、応力の
作用により前記のような出力低下を招来する結果となっ
ている。

本実施例においては、検知部材に設けた感磁素子を各々
長手方向が直交するように設け、アブソリュート相に対
応する感磁素子の例について記述したが１本発明はこれ
に限定されず、他の態様の磁気センサにも当然に適用可
能である。すなわち例えばインクリメンタル相とアブソ
リュート相における磁極配列方向が同一であり５各々の
相に対応する感磁素子の長手方向が非直交若しくは平行
であってもよい、また磁界印加部材として回転ドラムの
外周面にＮＳ磁極を設けた例のものを示したが２例えば
ベルト吠のものでもよく、要するに磁界印加部材と検知
部材とを相対移動自在に配設したものである限り作用は
同様である。なお検知部材を構成する感磁素子の形成手
段としては、蒸着法に限定されず、スパッタ法、イオン
ブレーティング法、気相成長法、メツキ法等の他の公知
の手段を使用できる。

〔発明の効果〕 本発明は以上記述のような構成および作用であるから、
下記の効果を期待できる。

（１）　　感磁素子の抵抗変化率が応力の作用にも拘ら
ず印加磁界５００ｅにおいて２．５％以上の値を確保し
、出力を高レベルに保持できる。

（２）出力を高レベルに確保できると共に、異方性磁界
が１５０ｅ以下であり、感度が極めて高いと共に、信鯨
性を大幅に向上することができる。

（３）磁歪定数がθ〜２Ｘ１０−以下であるため。

耐応力性が極めて高い。

発明の対象である磁気センサの例を示す要部斜視図、第
３図（ａ）（ｂ）は各々第２図における検知部材を変形
させた状態を示す説明図、第４図（ａ）（ｂ）は各々第
３図（ａ）（ｂ）に対応する磁気抵抗変化曲線を示す図
である。

１：回転ドラム、３：検知部材、５ａ、５ｂ：感磁素子
。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面にＮＳ磁極を設けてなる磁界印加部材と、基
   板上に磁気抵抗効果機能を有する感磁素子を直接若しく
   は絶縁部材を介して固着してなる検知部材とを、前記磁
   界印加部材の磁界が作用する範囲内に相対移動自在に設
   けると共に、前記感磁素子をＮｉ８１．０〜８１．８重
   量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる薄膜によ
   って形成したことを特徴とする磁気センサ。
2. （２）磁界印加部材の表面にアブソリュート相とインク
   リメンタル相とを形成した請求項（１）記載の磁気セン
   サ。
3. （３）感磁素子との相対移動方向にＮＳ磁極を交互に設
   けた請求項（１）若しくは（２）記載の磁気センサ。
4. （４）アブソリュート相の磁極配列方向とインクリ形成
   した請求項（１）若しくは（２）記載の磁気センサ。
5. （５）磁界印加部材を回転ドラムによって形成すると共
   に、この回転ドラムの外周面の円周方向にインクリメン
   タル相を構成するＮＳ磁極を交互に設けた請求項（１）
   ないし（４）何れかに記載の磁気センサ。