WO2009145244A1 - 磁気センサ及び磁気エンコーダ - Google Patents

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WO2009145244A1
WO2009145244A1 PCT/JP2009/059739 JP2009059739W WO2009145244A1 WO 2009145244 A1 WO2009145244 A1 WO 2009145244A1 JP 2009059739 W JP2009059739 W JP 2009059739W WO 2009145244 A1 WO2009145244 A1 WO 2009145244A1
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magnetic
layer
magnetic field
magnetic layer
sensitivity axis
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PCT/JP2009/059739
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真次 杉原
安藤　秀人
浩太 朝妻
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アルプス電気株式会社
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Publication date
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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor and a magnetic encoder having a good magnetic sensitivity to an external magnetic field from the sensitivity axis direction and improved disturbance resistance to a magnetic field from a direction different from the sensitivity axis direction.
  • a magnetic sensor provided with a giant magnetoresistive element is used, for example, in a magnetic encoder.
  • the GMR element has a stacked structure in which a fixed magnetic layer and a free magnetic layer are stacked via a nonmagnetic layer.
  • the pinned magnetic layer is pinned in a certain direction of magnetization.
  • the magnetization is not fixed and the magnetization fluctuates due to the external magnetic field from the magnet mounted on the magnetic encoder.
  • FIG. 20A is a plan view of the state where the GMR element 1 is positioned above the width center CL of the magnetized surface 2 a of the magnet 2.
  • the fixed magnetization direction (PIN direction) of the fixed magnetic layer constituting the GMR element 1 is the X direction as shown in FIG.
  • an interlayer bias magnetic field Hin generated between the pinned magnetic layer and the free magnetic layer constituting the GMR element 1 is generated, for example, in the X direction in the drawing.
  • the position of the GMR element 1 shown in FIG. 20A is taken as an initial position (0).
  • the GMR element 1 moves relative to the Y direction shown in the drawing.
  • the relative movement position from the initial position (0) of the GMR element 1 is represented by ⁇ / 2, ⁇ , 3 ⁇ / 2.
  • ⁇ is the center-to-center distance between the N pole and the S pole of the magnet 2.
  • the magnetization direction of the free magnetic layer constituting the GMR element 1 is in the X direction shown by the interlayer bias magnetic field Hin when the external magnetic field from the magnet 2 does not act (no magnetic field state), and the magnetization direction of the fixed magnetic layer In the same direction as the PIN, the resistance value of the GMR element 1 becomes the minimum value.
  • the GMR element 1 is positioned just above the magnetic pole centers of the N and S poles, no magnetic field is established, and the resistance value of the GMR element 1 becomes the minimum value.
  • horizontal magnetic field components H3 and H4 parallel to the Y direction shown in FIG. Acts on the GMR element 1.
  • the “horizontal magnetic field component” refers to an external magnetic field that acts in an in-plane direction parallel to the interface of the laminated structure of the GMR element.
  • FIG. 20B shows a change in resistance in the relative movement direction from the initial position (0) of the GMR element 1.
  • the resistance waveform of the GMR element 1 is symmetrical with respect to the peak value as a reference position, and each resistance waveform appears in the same shape.
  • a magnetic sensor mounted on a magnetic encoder is usually provided with a plurality of GMR elements.
  • Each GMR element is disposed at a predetermined interval in the Y direction with reference to ⁇ , which is the center-to-center distance between the N pole and the S pole of the magnet, and an output waveform (voltage change) is obtained based on the resistance change of each GMR element .
  • the GMR element 1 is disposed in the width direction (X direction in the drawing) from the width center CL of the magnetized surface 2 a of the magnet 2 in the width direction (X direction in the drawing).
  • FIG. 21A of the external magnetic field H generated between the N pole and the S pole of the magnetized surface 2a, representative horizontal magnetic field components (magnetic force lines) H1 and H2 affecting the interlayer bias magnetic field Hin of the GMR element 1 are shown. H2 is described.
  • FIG. 21 (b) shows the resistance change in the relative movement direction from the initial position (0) of the GMR element 1. As shown in FIG. 21B, it was found that the resistance waveform of the GMR element 1 was distorted without being symmetrical with respect to the peak value as the reference position.
  • the GMR element 1 in the horizontal magnetic field component H2 has a direction opposite to the X direction in the figure.
  • the horizontal magnetic field component H2a which is close to For this reason, the interlayer bias magnetic field Hin in the X direction shown in the drawing in the GMR element 1 becomes smaller than apparent, and the free magnetic layer is hard to face in the X direction shown in the drawing. Therefore, as shown in FIG. 21B, the resistance change portion R2 when the GMR element 1 shifts from the upper side of the boundary of the polarity to the upper side of the S pole is in the relative movement direction compared to the resistance change portion R1.
  • the present invention is intended to solve the above-mentioned conventional problems, and in particular, it has good magnetic sensitivity to an external magnetic field in the direction of the sensitivity axis and improves disturbance resistance to a magnetic field from a direction different from the direction of the sensitivity axis. It is an object of the present invention to provide an integrated magnetic sensor and a magnetic encoder.
  • the present invention relates to a magnetic sensor provided with a magnetic detection element whose electric resistance value changes with an external magnetic field from the sensitivity axis direction
  • the magnetic detection element includes an element unit having a stacked structure in which a first magnetic layer and a second magnetic layer are stacked via a nonmagnetic layer.
  • Both the first magnetic layer and the second magnetic layer can change magnetization with respect to the external magnetic field,
  • the magnetization direction of the first magnetic layer is inclined from the element width direction orthogonal to the sensitivity axis direction to the first direction among the sensitivity axis directions
  • the magnetization direction of the second magnetic layer is And inclined in a second direction opposite to the first direction in the sensitivity axis direction from the element width direction, and between the magnetization direction of the first magnetic layer and the magnetization direction of the second magnetic layer.
  • the angle between them is in the range of 90 degrees to 180 degrees
  • the element portion is formed in an elongated shape in which the sensitivity axis direction is a longitudinal direction.
  • the magnetization direction of the first magnetic layer and the magnetization direction of the second magnetic layer are substantially antiparallel to a direction parallel to the sensitivity axis direction.
  • the ratio (Ms2.t2 / Ms1.t1) of Ms2.t2 of the first magnetic layer to Ms2.t2 of the second magnetic layer is 1 from Ms1.t1 (Ms: saturation magnetization, t: film thickness) It is preferable that the size is large and smaller than two.
  • the first magnetic layer and the second magnetic layer are both formed in a laminated structure of a Co-Fe layer and a Ni-Fe layer, and the Co-Fe layer of each magnetic layer is interposed through the nonmagnetic layer. It is preferable to face each other.
  • a plurality of element portions are arranged in parallel at intervals in a direction orthogonal to the sensitivity axis direction, and a shape in which end portions of the element portions in the sensitivity axis direction are connected It is preferable to be formed of
  • a magnetic encoder comprises the magnetic sensor described in any of the above, and a magnetic field generating member having a magnetized surface in which N and S poles are alternately magnetized in the relative movement direction which is the sensitivity axis direction. , And the magnetic sensor is disposed at a position separated in the height direction from the magnetized surface.
  • the magnetic sensor of the present invention it is possible to provide good magnetic sensitivity to an external magnetic field from the sensitivity axis direction and improve disturbance resistance to a magnetic field from a direction different from the sensitivity axis direction.
  • FIG. 1 is a partial perspective view of the magnetic encoder of the present embodiment
  • FIG. 2 is an enlarged plan view of a magnetic detection element provided in the magnetic sensor
  • FIG. 3 is a magnetic detection element shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic plan view of the magnetization relationship between the first magnetic layer and the second magnetic layer
  • FIG. 5 is a sensitivity axis of the magnetic detection element according to the present embodiment.
  • 6 is a circuit diagram of the magnetic sensor according to the present embodiment
  • FIG. 7 (a) shows a configuration different from that in FIG. 1.
  • 7 (b) is a circuit diagram using the magnetic detection element of FIG. 7 (a)
  • FIG. 8 is a circuit diagram of a magnetic sensor according to the present embodiment different from FIGS.
  • FIG. 9 is a partial side view of the magnetic encoder of the embodiment showing a configuration different from that of FIG.
  • the directions X1-X2, Y1-Y2, and Z1-Z2 in each figure are orthogonal to the remaining two directions.
  • the Y1-Y2 directions are relative movement directions of the magnet and the magnetic sensor.
  • the Z1-Z2 direction is a height direction in which the magnet and the magnetic sensor face each other at a predetermined interval.
  • the magnetic encoder 20 is configured to include a magnet 21 and a magnetic sensor 22.
  • the magnet 21 is in the shape of a rod extending in the Y1-Y2 direction, and the upper surface 21a is a magnetized surface in which N poles and S poles are alternately magnetized with a predetermined width in the Y1-Y2 direction.
  • the north pole and the south pole are magnetized at equal intervals, and the center-to-center distance (pitch) between the north pole and the south pole is ⁇ .
  • the lower surface 21b of the magnet 21 is magnetized in the opposite pole with respect to the upper surface 21a (not shown).
  • the magnetic sensor 22 is disposed above the upper surface 21 a of the magnet 21 at a predetermined interval.
  • the magnetic sensor 22 has a substrate 23 and a plurality of magnetic detection elements A1, A2, B1 and B2 provided on the surface 23a of the common substrate 23 (facing surface with the magnet 21). Configured
  • the magnetic detection elements A1, A2, B1 and B2 are juxtaposed at an interval of ⁇ / 4 in the Y1-Y2 direction.
  • the magnetic detection elements connected in series are in the Y1-Y2 direction. Are spaced apart by ⁇ / 2.
  • each of the magnetic detection elements A1, A2, B1 and B2 includes an element portion 10 extending in a strip shape in the Y1-Y2 direction.
  • the element width of the element unit 10 in the X1-X2 direction is W1
  • the length dimension of the element unit 10 in the Y1-Y2 direction is L1.
  • the length dimension L1 is larger than the element width W1. Therefore, the element unit 10 is formed in an elongated shape in which the Y1-Y2 direction is the longitudinal direction.
  • a plurality of element units 10 are provided, and the element units 10 are arranged in parallel at a predetermined interval T1 in the X1-X2 direction.
  • connection portion 11 is formed of an electrode layer made of a nonmagnetic conductive material, or formed of a hard bias layer or the like.
  • the magnetic detection elements A1, A2, B1, and B2 are formed in a meander shape by the element portion 10 and the connection portion 11.
  • the connection portion 11 may be formed in the same layer configuration as the element portion 10 and may have a meander shape integrated with the layer configuration of the element portion 10. Even when the connection portion 11 is formed in the same layer configuration as the element portion 10, the length dimension L1 of the element portion 10 is defined excluding the portion of the connection portion 11 (matching the length dimension L1 of FIG. 2).
  • wiring portions 12 formed of a nonmagnetic conductive material are connected to end portions of the element portions 10 located on both sides in the X1-X2 direction.
  • the element unit 10 is formed in a multilayer structure shown in FIG. As shown in FIG. 3, the element unit 10 is stacked in order of the seed layer 30, the first magnetic layer 31, the nonmagnetic layer 32, the second magnetic layer 33, and the protective layer 34 from the bottom.
  • the seed layer 30 is formed of NiFeCr, Cr or the like.
  • the seed layer 30 is a layer provided to adjust the crystal orientation of each layer formed thereon.
  • the seed layer 30 may not be formed.
  • a nonmagnetic underlayer made of Ta or the like may be formed under the seed layer 30.
  • the first magnetic layer 31 is preferably formed on the substrate 23 via the underlayer.
  • the first magnetic layer 31 is stacked in the order of the Ni—Fe layer 35 and the Co—Fe layer 36 from the bottom.
  • the nonmagnetic layer 32 is preferably formed of one or more alloys of Cu, Ru, Rh, Ir, Cr, and Re.
  • the second magnetic layer 33 is stacked in the order of the Co—Fe layer 37 and the Ni—Fe layer 38 from the bottom.
  • the protective layer 34 is formed of, for example, Ta.
  • the formation of the protective layer 34 is not essential, but should be formed.
  • the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 are stacked via the nonmagnetic layer 32.
  • the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 both have a laminated structure of Co—Fe layers 36 and 37 and Ni—Fe layers 35 and 38.
  • the Co—Fe layer 36 constituting the first magnetic layer 31 and the Co—Fe layer 37 constituting the second magnetic layer 33 face each other with the nonmagnetic layer 32 interposed therebetween.
  • the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 are preferably formed of the same magnetic material. Thereby, it is easy to adjust Ms ⁇ t (Ms is saturation magnetization and t is film thickness) of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 described later.
  • the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 may be formed of a magnetic material other than Ni—Fe or Co—Fe.
  • Each of the magnetic layers 31 and 33 may have a single-layer structure or a laminated structure.
  • each magnetic layer 31, 33 is formed of a laminated structure of Ni—Fe layers 35, 38 and Co—Fe layers 36, 37, and Co—Fe layers 36, 37 are interposing the nonmagnetic layer 32. It is preferable that the form is opposite. This can suppress the diffusion of NiFe into the nonmagnetic layer 32 when heat is applied.
  • Both the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 can change magnetization with respect to an external magnetic field. That is, the magnetization is not fixed as in the fixed magnetic layer of the GMR element.
  • the Y1-Y2 direction is the sensitivity axis direction of the magnetic detection elements A1, A2, B1, and B2.
  • the magnetization direction F1 of the first magnetic layer 31 is in the element width direction orthogonal to the sensitivity axis direction (Y1-Y2 direction) It is inclined in the Y1 direction (first direction) from (X1-X2 direction), and the magnetization direction F2 of the second magnetic layer 33 is in the Y2 direction (second direction) from the element width direction (X1-X2 direction). It is inclined.
  • the angle ⁇ between the magnetization direction F1 of the first magnetic layer 31 and the magnetization direction F2 of the second magnetic layer 33 is in the range of 90 degrees to 180 degrees.
  • the magnetization direction F1 of the first magnetic layer 31 and the magnetization direction F2 of the second magnetic layer 33 are in the sensitivity axis direction (Y1-Y2 direction). Preferably, they are substantially antiparallel to each other.
  • substantially antiparallel means that the angle ⁇ (obtuse angle) between the magnetization direction F1 of the first magnetic layer 31 and the magnetization direction F2 of the second magnetic layer 33 is in the range of 150 degrees to 180 degrees.
  • a coupling magnetic field is generated between the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 due to the RKKY interaction. Therefore, after laminating the element unit 10 shown in FIG. 3, when annealing is performed while applying a magnetic field in either the Y1 direction or the Y2 direction, the magnetization directions F1 and F1 of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 are temporarily set. Although F2 points in the same direction, when the annealing in the magnetic field is stopped, the magnetization direction F1 of the first magnetic layer 31 and the magnetization direction F2 of the second magnetic layer 33 tend to be antiparallel by the coupling magnetic field due to the RKKY interaction.
  • FIG. 5 is a graph showing the rate of change in resistance ( ⁇ R / R) when an external magnetic field is caused to act on the magnetic detection element of this embodiment in the Y1-Y2 direction (sensitivity axis direction).
  • FIG. 5 shows the rate of change in resistance ( ⁇ R / R) in the range of ⁇ 100 Oe to +100 Oe.
  • the positive external magnetic field shown in FIG. 5 is in the Y1 direction
  • the negative external magnetic field is in the Y2 direction.
  • the angle ⁇ (obtuse angle) between the magnetization direction F1 of the first magnetic layer 31 and the magnetization direction F2 of the second magnetic layer 33 in the absence of a magnetic field (external magnetic field is 0 Oe) is It is about 150 degrees.
  • the magnetization direction F1 of the first magnetic layer 31 and the first magnetic layer 31 are The magnetization direction F2 of the second magnetic layer 33 is antiparallel, and the rate of change in resistance ( ⁇ R / R) reaches the maximum value.
  • the antiparallel state is broken, and the magnetization direction F2 of the second magnetic layer 33 is rotated from the Y2 direction to the Y1 direction. Therefore, the magnetization direction F1 of the first magnetic layer 31 and the magnetization direction F2 of the second magnetic layer 33 approach a parallel state, and the rate of change in resistance ( ⁇ R / R) gradually decreases.
  • the magnetization direction F1 of the first magnetic layer 31 is obtained by the external magnetic field and the coupling magnetic field And the magnetization direction F2 of the second magnetic layer 33 become antiparallel, and the rate of change in resistance (.DELTA.R / R) reaches the maximum value.
  • the antiparallel state is broken, and the magnetization direction F1 of the first magnetic layer 31 is rotated from the Y1 direction to the Y2 direction. Therefore, the magnetization direction F1 of the first magnetic layer 31 and the magnetization direction F2 of the second magnetic layer 33 approach a parallel state, and the rate of change in resistance ( ⁇ R / R) gradually decreases.
  • the rate of change in resistance ( ⁇ R / R) of the magnetic detection element according to this embodiment is approximately 14% at the maximum.
  • the conventional GMR element or AMR element only a few percent change in resistance ( ⁇ R / R) can be obtained, so the output can be greatly improved by using the magnetic detection element of this embodiment.
  • Ms1 ⁇ t1 Ms is saturation magnetization, t is film thickness
  • (Ms2 ⁇ t2 / Ms1 ⁇ t1) be larger than 1 and smaller than 2.
  • the ratio of Ms ⁇ t between the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 is large, the magnetization direction of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 33 is easy when an external magnetic field acts in the Y1 direction or the Y2 direction. (Ease of rotation) makes a difference. Therefore, the waveform of the rate of change in resistance ( ⁇ R / R) shown in FIG. 5 with respect to the external magnetic field from the Y1 direction and the external magnetic field from the Y2 direction is not symmetrical, and as a result, the aspect ratio of the reproduction waveform is not constant. Accuracy is reduced. Therefore, it is preferable to reduce the ratio of Ms1 ⁇ t1 of the first magnetic layer 31 to Ms2 ⁇ t2 of the second magnetic layer 33 as much as possible in order to obtain good detection accuracy.
  • the element unit 10 constituting the magnetic detection element is formed in an elongated shape whose longitudinal direction is the Y1-Y2 direction (the sensitivity axis direction). Therefore, the Y1-Y2 direction of the element unit 10 is the easy magnetization axis direction due to the shape magnetic anisotropy. Therefore, even if the external magnetic field (disturbance magnetic field) acts in the X1-X2 direction orthogonal to the Y1-Y2 direction, the resistance of the magnetic detection element hardly changes, and the disturbance resistance can be improved.
  • the aspect ratio of the element unit 10 was changed to investigate the relationship between the external magnetic field and the electrical resistance value.
  • the element unit 10 used in the experiment is, from the bottom, the seed layer 30: [NiFeCr (4.2 nm)] / first magnetic layer 31 [Ni 81.5 at% Fe 18.5 at% ( 3.0 nm) / Co 90 at% Fe 10 at] % (1.5 nm)] / nonmagnetic layer: Cu (2.0 nm) / second magnetic layer 33 [Co 90 at% Fe 10 at% (1.5 nm) / Ni 81.5 at% Fe 18.5 at% ( 3.0 nm) ] / Protective layer: It laminated
  • the numerical values in parentheses indicate the film thickness.
  • the length dimension L1 of the element unit 10 in the Y1-Y2 direction was in the range of 200 to 300 ⁇ m.
  • the element width W1 in the X1-X2 direction (orthogonal direction) of the element unit 10 is 2 ⁇ m (2), 3 ⁇ m (2), 4 ⁇ m (3), 5 ⁇ m (3), 6 ⁇ m (4), 7 ⁇ m (5), It was changed to 8 ⁇ m (5), 10 ⁇ m (6), 15 ⁇ m (9), and 20 ⁇ m (12).
  • the numerical values in parentheses indicate the number of element parts.
  • an external magnetic field (disturbance magnetic field) is applied to each magnetic detection element having a different element width W1 from the X1-X2 direction to measure the change in electrical resistance, and the external magnetic field from the Y1-Y2 direction (sensitivity axis direction) The change in electrical resistance was measured.
  • FIG. 10 shows experimental results in which the element width W1 is 2 ⁇ m (aspect ratio (L1 / W1) is 100), and (a) represents the external magnetic field (disturbance magnetic field) and the electrical resistance value from the X1-X2 direction.
  • the relationship (b) shows the relationship between the external magnetic field from the Y1-Y2 direction (the sensitivity axis direction) and the electrical resistance value.
  • FIG. 11 is an experimental result in which the element width W1 is 3 ⁇ m (aspect ratio (L1 / W1) is 100), and (a) represents an external magnetic field (disturbance magnetic field) and an electrical resistance value from the X1-X2 direction.
  • the relationship (b) shows the relationship between the external magnetic field from the Y1-Y2 direction (the sensitivity axis direction) and the electrical resistance value.
  • FIG. 12 is an experimental result in which the element width W1 is 4 ⁇ m (aspect ratio (L1 / W1) is 66.7), and (a) shows the external magnetic field (disturbance magnetic field) and the electric resistance value from the X1-X2 direction. And (b) show the relationship between the external magnetic field from the Y1-Y2 direction (the sensitivity axis direction) and the electrical resistance value.
  • FIG. 13 is an experimental result in which the element width W1 is 5 ⁇ m (aspect ratio (L1 / W1) is 66.7), and (a) shows the external magnetic field (disturbance magnetic field) and the electric resistance value from the X1-X2 direction. And (b) show the relationship between the external magnetic field from the Y1-Y2 direction (the sensitivity axis direction) and the electrical resistance value.
  • FIG. 14 is an experimental result in which the element width W1 is 6 ⁇ m (aspect ratio (L1 / W1) is 50), and (a) represents an external magnetic field (disturbance magnetic field) and an electrical resistance value from the X1-X2 direction.
  • the relationship (b) shows the relationship between the external magnetic field from the Y1-Y2 direction (the sensitivity axis direction) and the electrical resistance value.
  • FIG. 15 is an experimental result in which the element width W1 is 7 ⁇ m (aspect ratio (L1 / W1) is 40), and (a) represents an external magnetic field (disturbance magnetic field) and an electrical resistance value from the X1-X2 direction.
  • the relationship (b) shows the relationship between the external magnetic field from the Y1-Y2 direction (the sensitivity axis direction) and the electrical resistance value.
  • FIG. 16 is an experimental result in which the element width W1 is 8 ⁇ m (aspect ratio (L1 / W1) is 40), and (a) represents an external magnetic field (disturbance magnetic field) and an electrical resistance value from the X1-X2 direction.
  • the relationship (b) shows the relationship between the external magnetic field from the Y1-Y2 direction (the sensitivity axis direction) and the electrical resistance value.
  • FIG. 17 is an experimental result in which the element width W1 is 10 ⁇ m (aspect ratio (L1 / W1) is 33.3), and (a) shows the external magnetic field (disturbance magnetic field) and the electric resistance value from the X1-X2 direction. And (b) show the relationship between the external magnetic field from the Y1-Y2 direction (the sensitivity axis direction) and the electrical resistance value.
  • FIG. 18 is an experimental result in which the element width W1 is 15 ⁇ m (aspect ratio (L1 / W1) is 22.2), and (a) shows the external magnetic field (disturbance magnetic field) and the electric resistance value from the X1-X2 direction. And (b) show the relationship between the external magnetic field from the Y1-Y2 direction (the sensitivity axis direction) and the electrical resistance value.
  • FIG. 19 is an experimental result in which the element width W1 is 20 ⁇ m (aspect ratio (L1 / W1) is 16.7), and (a) shows the external magnetic field (disturbance magnetic field) and the electric resistance value from the X1-X2 direction. And (b) show the relationship between the external magnetic field from the Y1-Y2 direction (the sensitivity axis direction) and the electrical resistance value.
  • the magnetic detection element of the present embodiment is provided in the magnetic sensor 22 mounted on the magnetic encoder 20, and constitutes a bridge circuit shown in FIG.
  • an external magnetic field in the Y1 or Y2 direction acts on each of the magnetic detection elements A1, A2, B1 and B2 from the magnetized surface (upper surface) 21a of the magnet 21. Then, an output waveform whose phase is shifted by ⁇ / 4 is obtained respectively from the two bridge circuits shown in FIG. 6, and it is possible to know the moving speed, moving distance and moving direction of the magnetic sensor 22 or the magnet 21 based on the output waveform. Become.
  • the magnet 21 detects the magnetic detection elements A1, A2, B1 and B2. Not only the magnetic field component in the Y1-Y2 direction (sensitivity axis direction) but also the magnetic field component in the X1-X2 direction (disturbing magnetic field component) acts on the
  • the magnetic detection element according to the present embodiment has good magnetic sensitivity with respect to external magnetic field components in the Y1-Y2 direction (sensitivity axis direction), as well as magnetic field components (disturbance magnetic field components) in the X1-X2 direction. It has good disturbance resistance.
  • the output can be greatly increased as compared with the conventional case, and generation of distortion in the reproduction waveform can be suppressed, and detection accuracy can be improved.
  • the arrangement of the magnetic detection elements A1, A2, B1 and B2 shown in FIGS. 1 and 6 and the configuration of the bridge circuit are an example.
  • the magnetic detection elements may be arranged in a matrix, and each magnetic detection element may be used to form two bridge circuits shown in FIG. 7B.
  • Each of the eight magnetic detection elements shown in FIG. 7A is formed with the element configuration shown in FIGS.
  • the magnetic encoders shown in FIG. 1, FIG. 6 and FIG. 7 have a configuration in which two output waveforms can be obtained in one cycle ( ⁇ ) from each bridge circuit, and are referred to as double frequency type magnetic encoders.
  • the magnetic encoder of the present embodiment is preferably applied to a double frequency type.
  • FIG. 8 Alternatively, a bridge circuit configuration shown in FIG. 8 may be used.
  • the magnetoresistive element A1 and the magnetoresistive element B1 are separated by ⁇ .
  • one or both of the magnetic sensor 22 and the magnet 21 linearly move as shown in FIG. 1, but as shown in FIG. It has a rotating drum type magnet (magnetic field generating member) 80 and a magnetic sensor 22 in which poles and poles are alternately magnetized, and the output obtained by the rotation of the magnet 80 detects the rotational speed, rotational speed and rotational direction It may be a rotatable magnetic encoder.
  • the magnetic detection element of the present embodiment can also be applied to a magnetic sensor for applications other than magnetic encoders.
  • the Y1-Y2 direction (sensitivity axis direction) is the direction of geomagnetism.
  • a partial perspective view of the magnetic encoder of the present embodiment An enlarged plan view of a magnetic detection element provided in the magnetic sensor; A partially enlarged cross-sectional view of the magnetic detection element shown in FIG. 2 taken along line AA and viewed in the direction of the arrow; A schematic view of the magnetization relationship between the first magnetic layer and the second magnetic layer, Graph showing the relationship between the external magnetic field from the sensitivity axis direction and the rate of change in resistance ( ⁇ R / R) in the magnetic detection element according to the present embodiment, A circuit diagram of the magnetic sensor of the present embodiment, (A) is a layout view of a magnetic detection element showing a configuration different from that of FIG. 1, (b) is a circuit diagram using the magnetic detection element of FIG. 7 (a), FIG.
  • FIG. 7 is a circuit diagram of a magnetic sensor according to an embodiment different from FIGS. 6 and 7;
  • FIG. 5 is a partial side view of the magnetic encoder of the embodiment showing another configuration than FIG. 1;
  • element width W1 2 micrometers and (a) is a relation between an external magnetic field (disturbance magnetic field) and electric resistance value from the X1-X2 direction, (b) is Y1-Y2 direction (sensitivity axis direction A graph showing the relationship between the external magnetic field from) and the electrical resistance,
  • element width W1 3 micrometers and (a) is a relation of an external magnetic field (disturbance magnetic field) and electric resistance value from the X1-X2 direction,
  • (b) is Y1-Y2 direction (sensitivity axis direction A graph showing the relationship between the external magnetic field from) and the electrical resistance
  • element width W1 4 micrometers and (a) is a relation between an external magnetic field (disturbance magnetic field) and electric resistance value from the X1-X
  • connection part 20 magnetic encoders 21 and 80 magnet 21a (of magnet) upper surface (magnetization surface) 22 magnetic sensor 23 substrate 30 seed layer 31 first magnetic layer 32 nonmagnetic layer 33 second magnetic layer 34 protective layer 35, 38 Ni-Fe layer 36, 37 Co-Fe layer 80a (of magnet) side surface (magnetized surface) A1, A2, B1, B2 Magnetic detection element F1, F2 Magnetization direction

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Abstract

【課題】　特に、感度軸方向からの外部磁界に対して良好な磁気感度を備えるとともに感度軸方向とは異なる方向からの磁界に対する外乱耐性を向上させた磁気センサ及び磁気エンコーダを提供することを目的としている。 【解決手段】　感度軸方向からの外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気検出素子を備えた磁気センサにおいて、磁気検出素子は、第１磁性層３１と、第２磁性層３３とが非磁性層３２を介して積層された積層構造を有する素子部１０を備える。第１磁性層３１と第２磁性層３３は、共に外部磁界に対して磁化変動可能であり、無磁場状態では感度軸方向と平行な方向に向けて略反平行に磁化されている。素子部１０は、感度軸方向を長手方向とした細長形状で形成されている。

Description

磁気センサ及び磁気エンコーダ
　本発明は、特に、感度軸方向からの外部磁界に対して良好な磁気感度を備えるとともに感度軸方向とは異なる方向からの磁界に対する外乱耐性を向上させた磁気センサ及び磁気エンコーダに関する。
　巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を備える磁気センサは、例えば磁気エンコーダに使用される。ＧＭＲ素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが非磁性層を介して積層された積層構造を備える。固定磁性層は磁化がある一定方向に固定される。一方、フリー磁性層は、磁化が固定されず磁気エンコーダに搭載された磁石からの外部磁界により磁化変動する。
　図２０（ａ）は、ＧＭＲ素子１が磁石２の着磁面２ａにおける幅中心ＣＬの上方に位置した状態の平面図である。なおＧＭＲ素子１を構成する固定磁性層の固定磁化方向（ＰＩＮ方向）は、図２０（ａ）に示すようにＸ方向である。また、ＧＭＲ素子１を構成する固定磁性層とフリー磁性層との間に生じる層間バイアス磁界Ｈｉｎは、例えば、図示Ｘ方向に生じている。
　図２０（ａ）に示すＧＭＲ素子１の位置を、初期位置（０）とする。ＧＭＲ素子１は、図示Ｙ方向に相対移動する。図２０（ａ）の図示下側にはＧＭＲ素子1の初期位置（０）からの相対移動位置をλ／２、λ、３λ／２・・で表記している。なおλは磁石２のＮ極とＳ極の中心間距離である。
　ＧＭＲ素子１を構成するフリー磁性層の磁化方向は、磁石２からの外部磁界が作用しない状態（無磁場状態）のとき層間バイアス磁界Ｈｉｎにより図示Ｘ方向を向いており、固定磁性層の磁化方向ＰＩＮと同一方向となり、ＧＭＲ素子１の抵抗値は最小値となる。ＧＭＲ素子１がちょうどＮ極及びＳ極の磁極中心付近の上方に位置すると無磁場状態となり、ＧＭＲ素子１の抵抗値は最小値となる。一方、ＧＭＲ素子１が相対移動してＳ極上方からＮ極上方へ、あるいはＮ極上方からＳ極上方へ移行する間、図２０（ａ）に示すＹ方向と平行な水平磁場成分Ｈ３，Ｈ４がＧＭＲ素子１に作用する。「水平磁場成分」とは、ＧＭＲ素子の積層構造の界面と平行な面内方向に作用する外部磁界を指す。図２０（ｂ）は、ＧＭＲ素子１の初期位置（０）からの相対移動方向における抵抗変化を示している。
　図２０（ｂ）に示すようにＧＭＲ素子１の抵抗波形はピーク値を基準位置として左右対称の波形であり、かつ各抵抗波形は同形状で現れる。
　磁気エンコーダに搭載される磁気センサには通常、複数のＧＭＲ素子が設けられている。各ＧＭＲ素子は、磁石のＮ極とＳ極の中心間距離であるλを基準としてＹ方向に所定間隔空けて配置され、各ＧＭＲ素子の抵抗変化に基づいて出力波形（電圧変化）が得られる。
　ところでＧＭＲ素子が磁石２の着磁面２ａにおける幅中心ＣＬの上方をＹ方向に相対移動する場合は、左右対称の出力波形が得られるため特に問題はない。
　しかしながら、ＧＭＲ素子が磁石の着磁面の幅中心から幅方向にずれて配置されてしまった場合、出力波形に歪みが生じることがわかった。
　図２１（ａ）では、ＧＭＲ素子１が磁石２の着磁面２ａの幅方向（図示Ｘ方向）の幅中心ＣＬから幅方向（図示Ｘ方向）にずれて配置されている。
　図２１（ａ）には、着磁面２ａのＮ極－Ｓ極間に生じる外部磁界Ｈのうち、ＧＭＲ素子１の層間バイアス磁界Ｈｉｎに影響を及ぼす代表的な水平磁場成分（磁力線）Ｈ１，Ｈ２を記載した。
　図２１（ｂ）は、ＧＭＲ素子１の初期位置（０）からの相対移動方向における抵抗変化を示す。図２１（ｂ）に示すようにＧＭＲ素子１の抵抗波形は、ピーク値を基準位置として左右対称の波形とならず、歪むことがわかった。
　ＧＭＲ素子１が初期位置（０）から図示Ｙ方向へ相対移動すると、ＧＭＲ素子１には水平磁場成分Ｈ１のうち、図示Ｘ方向に近い水平磁場成分Ｈ１ａが進入する。このためＧＭＲ素子１に生じている図示Ｘ方向への層間バイアス磁界Ｈｉｎは見かけ以上大きくなり、フリー磁性層はより図示Ｘ方向に向きやすい状態になる。このため、図２１（ｂ）に示すように、極性の境界上方からＮ極の上方へＧＭＲ素子１が移行したときの抵抗変化部分Ｒ１は、相対移動方向に対して急峻な傾きで変化する。一方、ＧＭＲ素子１が初期位置（０）からλだけ相対移動し、その位置からさらに図示Ｙ方向に相対移動したとき、ＧＭＲ素子１には水平磁場成分Ｈ２のうち、図示Ｘ方向とは逆方向に近い水平磁場成分Ｈ２ａが進入する。このためＧＭＲ素子１に生じている図示Ｘ方向への層間バイアス磁界Ｈｉｎは見かけ以上小さくなり、フリー磁性層は図示Ｘ方向に向きにくい状態になる。このため、図２１（ｂ）に示すように、極性の境界上方からＳ極の上方へＧＭＲ素子１が移行したときの抵抗変化部分Ｒ２は、抵抗変化部分Ｒ１に比べて相対移動方向に対してなだらかな傾きで変化する。このように、Ｓ極上方から極性の境界上方へＧＭＲ素子１が移行したとき、及び、Ｎ極上方から極性の境界上方へＧＭＲ素子１が移行したときに異なる抵抗変化となる。
　このようにＧＭＲ素子の抵抗変化に歪みが生じるため、抵抗変化に基づいて生成される出力波形（電圧変化）にも歪みが生じてしまい、移動速度や移動距離等を高精度に検知することができず、検知精度の低下が問題となった。
　特許文献１ないし３には上記した従来課題の認識はなく、当然、その解決手段も示されていない。
特開２００２－３１９１１２号公報 特開２００２－５３９５６号公報 特開２００４－１４６１０号公報
　そこで本発明は上記従来課題を解決するためのものであり、特に、感度軸方向からの外部磁界に対して良好な磁気感度を備えるとともに感度軸方向とは異なる方向からの磁界に対する外乱耐性を向上させた磁気センサ及び磁気エンコーダを提供することを目的としている。
　本発明は、感度軸方向からの外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気検出素子を備えた磁気センサにおいて、
　前記磁気検出素子は、第１磁性層と、第２磁性層とが非磁性層を介して積層された積層構造を有する素子部を備え、
　前記第１磁性層と前記第２磁性層は、共に前記外部磁界に対して磁化変動可能であり、
　無磁場状態では、前記第１磁性層の磁化方向は、前記感度軸方向に直交する素子幅方向から前記感度軸方向のうち第１の方向に傾いており、前記第２磁性層の磁化方向は、前記素子幅方向から前記感度軸方向の前記第１の方向とは逆方向の第２の方向に傾いており、前記第１磁性層の磁化方向と、前記第２磁性層の磁化方向との間の角度が９０度～１８０度の範囲内であり、
　前記素子部は、前記感度軸方向を長手方向とした細長形状で形成されていることを特徴とするものである。これにより、感度軸方向からの外部磁界に対して良好な磁気感度を備えるとともに感度軸方向とは異なる方向からの磁界に対する外乱耐性を向上させることができる。
　本発明では、前記第１磁性層の磁化方向と、前記第２磁性層の磁化方向は、前記感度軸方向と平行な方向に向けて略反平行であることが好ましい。
　また本発明では、前記第１磁性層のＭｓ１・ｔ１（Ｍｓは飽和磁化、ｔは膜厚）と、前記第２磁性層のＭｓ２・ｔ２の比（Ｍｓ２・ｔ２／Ｍｓ１・ｔ１）は１より大きく２より小さいことが好ましい。
　また本発明では、第１磁性層及び第２磁性層は、共に、Ｃｏ－Ｆｅ層とＮｉ－Ｆｅ層の積層構造で形成され、各磁性層のＣｏ－Ｆｅ層が前記非磁性層を介して対向していることが好ましい。
　本発明では、前記磁気検出素子は、複数の素子部が前記感度軸方向と直交する方向に間隔を空けて並設され、各素子部の前記感度軸方向への端部間が接続された形状で形成されていることが好ましい。
　本発明における磁気エンコーダは、上記のいずれかに記載された磁気センサと、前記感度軸方向である相対移動方向に交互にＮ極とＳ極が着磁された着磁面を有する磁界発生部材と、を有し、前記磁気センサは、前記着磁面から高さ方向に離れた位置に配置されていることを特徴とするものである。これにより、磁気センサが、磁界発生部材の着磁面の幅中心からずれて配置されても、感度軸方向からの磁界成分に対して良好な磁気感度を備えるとともに、感度軸方向と直交する方向からの磁界成分（外乱磁場成分）に対して良好な外乱耐性を備えているため、従来に比べて、検知精度を向上させることが可能である。
　本発明における磁気センサによれば、感度軸方向からの外部磁界に対して良好な磁気感度を備えるとともに感度軸方向とは異なる方向からの磁界に対する外乱耐性を向上させることができる。
　図１は、本実施形態の磁気エンコーダの部分斜視図、図２は、磁気センサに設けられる磁気検出素子の拡大平面図、図３は図２に示す磁気検出素子をＡ－Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た部分拡大断面図、図４は、第１磁性層と第２磁性層の磁化関係を平面的に見た模式図、図５は本実施形態の磁気検出素子における感度軸方向からの外部磁界と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、図６は本実施形態の磁気センサの回路図、図７（ａ）は、図１とは別の構成を示す磁気検出素子の配置図、図７（ｂ）は図７（ａ）の磁気検出素子を用いた回路図、図８は、図６，図７とは別の本実施形態における磁気センサの回路図、図９は、図１とは別の構成を示す本実施形態の磁気エンコーダの部分側面図、である。
　各図におけるＸ１－Ｘ２方向、Ｙ１－Ｙ２方向、及びＺ１－Ｚ２方向の各方向は残り２つの方向に対して直交した関係となっている。Ｙ１－Ｙ２方向は、磁石及び磁気センサの相対移動方向である。Ｚ１－Ｚ２方向は磁石と磁気センサとが所定の間隔を空けて対向する高さ方向である。
　図１に示すように磁気エンコーダ２０は、磁石２１と磁気センサ２２を有して構成される。
　磁石２１はＹ１－Ｙ２方向に延びる棒形状であり、その上面２１ａがＹ１－Ｙ２方向に所定幅にてＮ極とＳ極とが交互に着磁された着磁面である。Ｎ極とＳ極は等間隔で着磁され、Ｎ極とＳ極との中心間距離（ピッチ）はλである。磁石２１の下面２１ｂは、上面２１ａに対して異極に着磁されている（図示しない）。
　磁気センサ２２は、磁石２１の上面２１ａの上方に所定の間隔を空けて配置されている。
　図１に示すように磁気センサ２２は、基板２３と、共通の基板２３の表面（磁石２１との対向面）２３ａに設けられた複数の磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を有して構成される。
　図１に示すように、各磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２は、Ｙ１－Ｙ２方向にλ／４の間隔を空けて並設されている。図６の回路図に示すように、磁気検出素子Ａ１と磁気検出素子Ａ２、及び磁気検出素子Ｂ１と磁気検出素子Ｂ２は直列接続されるが、直列接続される磁気検出素子同士はＹ１－Ｙ２方向にλ／２の間隔を空けて配置されている。
　図２に示すように各磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２は、Ｙ１－Ｙ２方向に帯状に延びる素子部１０を備える。素子部１０のＸ１－Ｘ２方向における素子幅はＷ１で形成され、素子部１０のＹ１－Ｙ２方向における長さ寸法はＬ１で形成される。図２に示すように長さ寸法Ｌ１は素子幅Ｗ１より大きい。よって素子部１０はＹ１－Ｙ２方向を長手方向とした細長形状で形成される。
　図２に示すように素子部１０は複数設けられ、各素子部１０はＸ１－Ｘ２方向に所定の間隔Ｔ１を空けて並設されている。
　図２に示すように、各素子部１０のＹ１－Ｙ２方向における端部間は接続部１１により接続されている。接続部１１は非磁性導電材料による電極層で形成されたり、あるいはハードバイアス層等で形成される。磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２は、素子部１０と接続部１１によりミアンダ形状で形成される。なお接続部１１は、素子部１０と同じ層構成で形成され、素子部１０の層構成で一体化されたミアンダ形状であってもよい。接続部１１が素子部１０と同じ層構成で形成されている場合でも接続部１１の部分を除外して素子部１０の長さ寸法Ｌ１を規定する（図２の長さ寸法Ｌ１に一致）。
　図２に示すようにＸ１－Ｘ２方向の両側に位置する素子部１０の端部には非磁性導電材料で形成された配線部１２が接続されている。
　素子部１０は、図３に示す多層構造で形成される。図３に示すように素子部１０は下からシード層３０、第１磁性層３１、非磁性層３２、第２磁性層３３及び保護層３４の順に積層される。シード層３０はＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒ等によって形成される。シード層３０は、その上に形成される各層の結晶配向性を整えるために設けられる層である。シード層３０は形成されなくてもよい。また、シード層３０の下にＴａ等で形成される非磁性の下地層が形成されていてもよい。またシード層３０を形成しない場合、基板２３上に下地層を介して第１磁性層３１を形成することが好ましい。
　第１磁性層３１は、下からＮｉ－Ｆｅ層３５、Ｃｏ－Ｆｅ層３６の順に積層されている。
　非磁性層３２はＣｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅのうち１種あるいは２種以上の合金で形成されていることが好ましい。
　第２磁性層３３は、下からＣｏ－Ｆｅ層３７、Ｎｉ－Ｆｅ層３８の順に積層されている。
　保護層３４は、例えばＴａで形成される。保護層３４の形成は必須でないが、形成したほうがよい。
　図３に示すように第１磁性層３１と第２磁性層３３は非磁性層３２を介して積層されている。第１磁性層３１と第２磁性層３３は、共にＣｏ－Ｆｅ層３６，３７とＮｉ－Ｆｅ層３５，３８との積層構造である。そして図３に示すように第１磁性層３１を構成するＣｏ－Ｆｅ層３６と、第２磁性層３３を構成するＣｏ－Ｆｅ層３７とが非磁性層３２を介して対向している。
　第１磁性層３１及び第２磁性層３３は、共に同じ磁性材料で形成されることが好ましい。これにより後述する第１磁性層３１及び第２磁性層３３のＭｓ・ｔ（Ｍｓは飽和磁化、ｔは膜厚）の調整を行いやすい。
　第１磁性層３１と第２磁性層３３は、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ以外の磁性材料で形成されてもよい。また、各磁性層３１，３３は単層構造であっても積層構造であってもどちらでもよい。
　ただし図３のように、各磁性層３１，３３がＮｉ－Ｆｅ層３５，３８とＣｏ－Ｆｅ層３６，３７の積層構造で形成され、Ｃｏ－Ｆｅ層３６，３７が非磁性層３２を介して対向した形態であることが好ましい。これにより、熱を加えたときにＮｉＦｅが非磁性層３２へ拡散するのを抑制できる。
　第１磁性層３１と第２磁性層３３は共に外部磁界に対して磁化変動可能となっている。すなわちＧＭＲ素子の固定磁性層のように磁化固定されていない。
　本実施形態では、Ｙ１－Ｙ２方向は磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の感度軸方向である。
　図４に示すように、無磁場状態（外部磁界が作用していない状態）では、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１が、感度軸方向（Ｙ１－Ｙ２方向）に対して直交する素子幅方向（Ｘ１－Ｘ２方向）からＹ１方向（第１の方向）に傾いており、第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２が、素子幅方向（Ｘ１－Ｘ２方向）からＹ２方向（第２の方向）に傾いている。そして、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２間の角度θは、９０度～１８０度の範囲内となっている。
　図３に示すように、本実施形態では、無磁場状態では、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と、第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２とが、感度軸方向（Ｙ１－Ｙ２方向）に向けて、略反平行となっていることが好ましい。
　ここで「略反平行」とは、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２間の角度θ（鈍角）が１５０度～１８０度の範囲内を意味する。
　第１磁性層３１と第２磁性層３３との間にはＲＫＫＹ相互作用による結合磁界が生じている。よって、図３に示す素子部１０を積層した後、Ｙ１方向、あるいはＹ２方向のどちらかに磁界をかけながらアニール処理すると、一旦、第１磁性層３１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ１，Ｆ２は同一方向を向くが、磁場中アニールを停止すると、ＲＫＫＹ相互作用による結合磁界により、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２が反平行となろうとする。
　図５は、本実施形態の磁気検出素子に対してＹ１－Ｙ２方向（感度軸方向）に外部磁界を作用させたときの抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を示すグラフである。図５では、－１００Ｏｅから＋１００Ｏｅの範囲内での抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を示している。例えば図５に示すプラスの外部磁界はＹ１方向、マイナスの外部磁界はＹ２方向であるとする。
　図５に示す磁気検出素子は、無磁場状態（外部磁界が０Ｏｅ）での第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２との間の角度θ（鈍角）が、約１５０度である。
　図５に示す無磁場状態（外部磁界が０Ｏｅ）からＹ１方向に外部磁界を大きくしていくと、外部磁界と、ＲＫＫＹ相互作用により結合磁界とにより、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２とが反平行になり抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が最大値に達する。さらにＹ１方向に外部磁界を大きくしていくと、反平行状態が崩れ、第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２がＹ２方向からＹ１方向に回転する。よって第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２とが平行状態に近づき、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が徐々に低下する。
　一方、図５に示す無磁場状態（外部磁界が０Ｏｅ）からＹ２方向に外部磁界を大きくしていくと、外部磁界と、ＲＫＫＹ相互作用により結合磁界とにより、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２とが反平行になり抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が最大値に達する。さらにＹ２方向に外部磁界を大きくしていくと、反平行状態が崩れ、第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１がＹ１方向からＹ２方向に回転する。よって第１磁性層３１の磁化方向Ｆ１と第２磁性層３３の磁化方向Ｆ２とが平行状態に近づき、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が徐々に低下する。
　図５に示すように本実施形態の磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は最大で１４％程度になる。従来におけるＧＭＲ素子やＡＭＲ素子では数％の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）しか得られなかったので、本実施形態の磁気検出素子を用いることで出力を大幅に向上させることができる。
　また、図５に示すように、外部磁界が０Ｏｅのラインを対称軸としてＹ１方向に外部磁界を作用させたときと、Ｙ２方向に外部磁界を作用させたときとで抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の波形が略対称関係となっている。したがって、Ｙ１方向からの外部磁界とＹ２方向からの外部磁界に対する磁気感度がほぼ同じである。このようにＹ１方向及びＹ２方向からの外部磁界に対してほぼ同じ磁気感度に調整するには、第１磁性層３１のＭｓ１・ｔ１（Ｍｓは飽和磁化、ｔは膜厚）と、第２磁性層３３のＭｓ２・ｔ２との比を小さくすることが好ましい。
　本実施形態では、（Ｍｓ２・ｔ２／Ｍｓ１・ｔ１）は１より大きく２より小さいことが好適である。第１磁性層３１と第２磁性層３３のＭｓ・ｔの比が大きいと、Ｙ１方向あるいはＹ２方向へ外部磁界が作用したときの第１磁性層３１と第２磁性層３３の磁化の向きやすさ（回転しやすさ）に差が生じる。よってＹ１方向からの外部磁界とＹ２方向からの外部磁界に対する図５に示す抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の波形が左右対称にならず、その結果、再生波形のアスペクト比が一定にならず検出精度が低下する。よって、第１磁性層３１のＭｓ１・ｔ１と、第２磁性層３３のＭｓ２・ｔ２の比をできる限り小さくすることが良好な検出精度を得る上で好適である。
　本実施形態では、磁気検出素子を構成する素子部１０がＹ１－Ｙ２方向（感度軸方向）を長手方向とした細長形状で形成される。よって、形状磁気異方性により素子部１０のＹ１－Ｙ２方向が磁化容易軸方向となっている。したがって、Ｙ１－Ｙ２方向に対して直交するＸ１－Ｘ２方向に外部磁界（外乱磁場）が作用しても磁気検出素子は抵抗変化しにくく外乱耐性を向上させることができる。
　素子部１０のアスペクト比を変化させ、外部磁界と電気抵抗値との関係を調べた。
　実験で使用した素子部１０は、下から、シード層３０：［ＮｉＦｅＣｒ（４．２ｎｍ）］／第１磁性層３１［Ｎｉ81.5at%Ｆｅ18.5at%（３．０ｎｍ）／Ｃｏ90at%Ｆｅ10at%（１．５ｎｍ）］／非磁性層：Ｃｕ（２．０ｎｍ）／第２磁性層３３［Ｃｏ90at%Ｆｅ10at%（１．５ｎｍ）／Ｎｉ81.5at%Ｆｅ18.5at%（３．０ｎｍ）］／保護層：Ｔａ（３．０ｎｍ）の順で積層した。括弧内の数値は膜厚を示している。
　また、素子部１０を２～１２本、図２に示すＸ１－Ｘ２方向に並設しミアンダ形状とした。このとき、各素子部１０間の間隔Ｔ１を５μｍとした。
　素子部１０のＹ１－Ｙ２方向（感度軸方向）の長さ寸法Ｌ１は２００～３００μｍの範囲内とした。
　一方、素子部１０のＸ１－Ｘ２方向（直交方向）の素子幅Ｗ１は、２μｍ（２）、３μｍ（２）、４μｍ（３）、５μｍ（３）、６μｍ（４）、７μｍ（５）、８μｍ（５）、１０μｍ（６）、１５μｍ（９）、及び２０μｍ（１２）と変化させた。括弧内の数値は、素子部の本数を示している。
　実験では、素子幅Ｗ１の異なる各磁気検出素子に対してＸ１－Ｘ２方向から外部磁界（外乱磁場）を作用させて電気抵抗変化を測定し、またＹ１－Ｙ２方向（感度軸方向）から外部磁界を作用させて電気抵抗変化を測定した。
　図１０は、素子幅Ｗ１を２μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は１００）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。
　図１１は、素子幅Ｗ１を３μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は１００）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。
　図１２は、素子幅Ｗ１を４μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は６６．７）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。
　図１３は、素子幅Ｗ１を５μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は６６．７）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。
　図１４は、素子幅Ｗ１を６μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は５０）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。
　図１５は、素子幅Ｗ１を７μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は４０）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。
　図１６は、素子幅Ｗ１を８μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は４０）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。
　図１７は、素子幅Ｗ１を１０μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は３３．３）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。
　図１８は、素子幅Ｗ１を１５μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は２２．２）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。
　図１９は、素子幅Ｗ１を２０μｍ（アスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）は１６．７）とした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示している。
　図１０～図１９の各（ｂ）図に示すように、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係については、素子部１０の幅寸法Ｗ１に関わらずほぼ同じ波形を示した。
　図１０～図１９の各（ａ）図に示すように、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係については、素子部１０の素子幅Ｗ１が大きくなるほど、外部磁界に対する電気抵抗値の変動が大きくなった。すなわち外乱耐性が低下した。
　本実施形態の磁気検出素子は、磁気エンコーダ２０に搭載される磁気センサ２２に設けられ、図６に示すブリッジ回路を構成している。
　磁気センサ２２のＹ１－Ｙ２方向への相対移動により、各磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２には磁石２１の着磁面（上面）２１ａからＹ１方向あるいはＹ２方向の外部磁界が作用する。そして図６に示す２つのブリッジ回路から夫々位相がλ／４ずれた出力波形が得られ、出力波形に基づき、磁気センサ２２あるいは磁石２１の移動速度、移動距離、移動方向を知ることが可能となる。
　磁気センサ２２が、磁石２１の着磁面２１ａのＸ１－Ｘ２方向の幅方向の中心からＸ１方向、あるいはＸ２方向にずれて配置されると、磁石２１から磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２には、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）の磁界成分だけでなく、Ｘ１－Ｘ２方向の磁界成分（外乱磁場成分）も作用する。
　上記したように本実施形態の磁気検出素子は、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）の外部磁界成分に対して良好な磁気感度を備えるとともに、Ｘ１－Ｘ２方向の磁界成分（外乱磁場成分）に対しては良好な外乱耐性を備える。
　よって従来に比べて出力を大幅に増加させることが出来るとともに、再生波形に歪みが生じるのを抑制でき、検知精度を向上させることが可能である。
　図１，図６に示す磁気検出素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の配置及びブリッジ回路の構成は一例である。
　例えば図７（ａ）のように各磁気検出素子をマトリクス状に配置し、各磁気検出素子を用いて図７（ｂ）に示す２つのブリッジ回路を構成してもよい。図７（ａ）に示す８個の磁気検出素子は、いずれも図２，図３に示す素子構成で形成されたものである。
　上記した図１、図６及び図７の磁気エンコーダは、各ブリッジ回路から１周期（λ）に２つの出力波形が得られる構成であり、倍周波タイプの磁気エンコーダと称される。本実施形態の磁気エンコーダは倍周波タイプに好ましく適用される。
　また、図８に示すブリッジ回路構成としてもよい。磁気抵抗効果素子Ａ１と、磁気抵抗効果素子Ｂ１はλ離れている。
　上記に挙げた磁気エンコーダ２０は、図１に示すように磁気センサ２２あるいは磁石２１の一方、又は双方が直線移動するものであったが、図９に示すように、側面８０ａにＮ極とＳ極とが交互に着磁された回転ドラム型の磁石（磁界発生部材）８０と磁気センサ２２とを有し、磁石８０の回転によって得られた出力により、回転速度や回転数、回転方向を検知できる回転型の磁気エンコーダであってもよい。
　また本実施形態の磁気検出素子は、磁気エンコーダ以外の用途の磁気センサに適用することも可能である。
　例えば、地磁気センサに適用できる。Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）が地磁気の方向である。
本実施形態の磁気エンコーダの部分斜視図、 磁気センサに設けられる磁気検出素子の拡大平面図、 図２に示す磁気検出素子をＡ－Ａ線に沿って切断し矢印方向から見た部分拡大断面図、 第１磁性層と第２磁性層の磁化関係を平面的に見た模式図、 本実施形態の磁気検出素子における感度軸方向からの外部磁界と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、 本実施形態の磁気センサの回路図、 （ａ）は、図１とは別の構成を示す磁気検出素子の配置図、（ｂ）は図７（ａ）の磁気検出素子を用いた回路図、 図６，図７とは別の本実施形態における磁気センサの回路図、 図１とは別の構成を示す本実施形態の磁気エンコーダの部分側面図、 素子幅Ｗ１を２μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、 素子幅Ｗ１を３μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、 素子幅Ｗ１を４μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、 素子幅Ｗ１を５μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、 素子幅Ｗ１を６μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、 素子幅Ｗ１を７μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、 素子幅Ｗ１を８μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、 素子幅Ｗ１を１０μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、 素子幅Ｗ１を１５μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、 素子幅Ｗ１を２０μｍとした実験結果であり、（ａ）が、Ｘ１－Ｘ２方向からの外部磁界（外乱磁場）と電気抵抗値との関係、（ｂ）が、Ｙ１－Ｙ２方向（感度軸方向）からの外部磁界と電気抵抗値との関係を示すグラフ、 （ａ）は、ＧＭＲ素子が磁石の着磁面における幅中心ＣＬの上方に位置した状態の平面図、（ｂ）は、ＧＭＲ素子の初期位置（０）からの相対移動方向における抵抗変化を示すグラフ、 （ａ）は、ＧＭＲ素子が磁石の着磁面における幅中心ＣＬの上方から幅方向ずれて配置された平面図、（ｂ）は、ＧＭＲ素子の初期位置（０）からの相対移動方向における抵抗変化を示すグラフ、
１０　素子部
１１　接続部
２０　磁気エンコーダ
２１、８０　磁石
２１ａ　（磁石の）上面（着磁面）
２２　磁気センサ
２３　基板
３０　シード層
３１　第１磁性層
３２　非磁性層
３３　第２磁性層
３４　保護層
３５、３８　Ｎｉ－Ｆｅ層
３６、３７　Ｃｏ－Ｆｅ層
８０ａ　（磁石の）側面（着磁面）
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２　磁気検出素子
Ｆ１、Ｆ２　磁化方向

Claims (6)

  1. 　感度軸方向からの外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気検出素子を備えた磁気センサにおいて、
    　前記磁気検出素子は、第１磁性層と、第２磁性層とが非磁性層を介して積層された積層構造を有する素子部を備え、
    　前記第１磁性層と前記第２磁性層は、共に前記外部磁界に対して磁化変動可能であり、
    　無磁場状態では、前記第１磁性層の磁化方向は、前記感度軸方向に直交する素子幅方向から前記感度軸方向のうち第１の方向に傾いており、前記第２磁性層の磁化方向は、前記素子幅方向から前記感度軸方向の前記第１の方向とは逆方向の第２の方向に傾いており、前記第１磁性層の磁化方向と、前記第２磁性層の磁化方向との間の角度が９０度～１８０度の範囲内であり、
    　前記素子部は、前記感度軸方向を長手方向とした細長形状で形成されていることを特徴とする磁気センサ。
  2. 　前記第１磁性層の磁化方向と、前記第２磁性層の磁化方向は、前記感度軸方向と平行な方向に向けて略反平行である請求項１記載の磁気センサ。
  3. 　前記第１磁性層のＭｓ１・ｔ１（Ｍｓは飽和磁化、ｔは膜厚）と、前記第２磁性層のＭｓ２・ｔ２の比（Ｍｓ２・ｔ２／Ｍｓ１・ｔ１）は１より大きく２より小さい請求項１又は２に記載の磁気センサ。
  4. 　第１磁性層及び第２磁性層は、共に、Ｃｏ－Ｆｅ層とＮｉ－Ｆｅ層の積層構造で形成され、各磁性層のＣｏ－Ｆｅ層が前記非磁性層を介して対向している請求項１又は２に記載の磁気センサ。
  5. 　前記磁気検出素子は、複数の素子部が前記感度軸方向と直交する方向に間隔を空けて並設され、各素子部の前記感度軸方向への端部間が接続された形状で形成されている請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気センサ。
  6. 　請求項１ないし５のいずれかに記載された磁気センサと、前記感度軸方向である相対移動方向に交互にＮ極とＳ極が着磁された着磁面を有する磁界発生部材と、を有し、前記磁気センサは、前記着磁面から高さ方向に離れた位置に配置されていることを特徴とする磁気エンコーダ。
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