WO2018193961A1 - 回転角度検出装置 - Google Patents

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WO2018193961A1
WO2018193961A1 PCT/JP2018/015374 JP2018015374W WO2018193961A1 WO 2018193961 A1 WO2018193961 A1 WO 2018193961A1 JP 2018015374 W JP2018015374 W JP 2018015374W WO 2018193961 A1 WO2018193961 A1 WO 2018193961A1
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WO
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magnet body
rotation angle
magnetic field
self
detection device
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Application number
PCT/JP2018/015374
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English (en)
French (fr)
Inventor
一郎 徳永
徳男 中村
拓 齊藤
隆博 馬籠
Original Assignee
アルプス電気株式会社
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Publication date
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    • 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
    • G01D5/244—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 characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—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 characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train

Definitions

  • the present invention relates to a rotation angle detecting device provided with a magnetoresistive effect element having a free magnetic layer and a self-pinned magnetic layer.
  • Detecting the angle of an automobile steering wheel or the like is performed using an angle detection device having a wheel that rotates in synchronization with a rotating member such as a steering shaft.
  • the detection unit of the angle detection device employs a detection unit including a magnetoresistive effect element that detects an output signal by sensing a magnetic field of a magnet body that rotates in synchronization with a rotating member.
  • Various rotation angle detection devices including the detection unit described above have been proposed (for example, Patent Document 1).
  • the rotation angle detection device 200 described in Patent Document 1 has a magnetic sensor 202 and a disk-shaped magnet body 203 arranged to face each other.
  • the magnetic sensor 202 includes a GMR (Giant Magneto Resistive effect) element 201, and is generated along with the rotation of the magnet body 203 magnetized on the NS2 pole, and the magnetic field direction indicated by the hollow arrow in the figure. Detect changes.
  • GMR Gate Magneto Resistive effect
  • FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the resistance change of the GMR element which is a magnetoresistive effect element.
  • the GMR element 201 (see FIGS. 8A and 8B) is magnetized by a self-pinned magnetic layer 201b whose magnetization direction is fixed, a nonmagnetic layer 201c, and an applied magnetic field.
  • a free magnetic layer 201d whose direction changes.
  • the resistance value of the GMR element 201 varies depending on the angle ⁇ formed by the magnetization direction of the self-pinned magnetic layer 201b indicated by the black arrow in the drawing and the magnetization direction of the free magnetic layer 201d indicated by the hollow arrow in the drawing. .
  • FIG. 10 is a block diagram for explaining the configuration of a conventional bridge circuit including four GMR elements connected in a bridge manner.
  • the bridge-connected GMR element 201A1, GMR element 201A2, GMR element 201B1 and GMR element 201B2 shown in the figure are changed in the direction of the magnetic field applied from the magnet body 203 (see FIGS. 8A and 8B).
  • the resistance value changes due to the change in the magnetization direction of the free magnetic layer 201d accompanying this.
  • the magnetic sensor 202 uses a midpoint potential voltage (sine wave, cosine wave) that changes according to the change in the resistance value.
  • the rotation angle of the magnet body 203 is detected.
  • FIG. 11 is a schematic view showing a process of forming self-pinned magnetic layers having different orientation directions on the same substrate.
  • the self-pinned magnetic layers (Pin 1 layer and Pin 2 layer) having different orientation directions need to be formed by separate film forming steps.
  • the self-pinned magnetic layer formed in a separate film forming process has a difference in temperature output characteristics (TcR characteristics) due to the influence of errors in the film forming process.
  • TcR characteristics temperature output characteristics
  • the Pin1 layer or the like is formed directly on the substrate surface, but in actuality, the Pin1 layer or the like is formed via the Seed layer provided on the substrate surface.
  • the conventional rotation angle detection device 200 see FIGS.
  • the rotation angle detection device 200 detects a combined magnetic field of the magnetic field of the magnet body 203 and the disturbance magnetic field. For this reason, the angle error and the output error in the magnetic field have a one-to-one relationship. Therefore, there is a problem that the influence of the disturbance magnetic field on the detection error becomes large.
  • One object of the present invention is to provide a rotation angle detection device excellent in temperature output characteristics with less detection error due to temperature change. Another object of the present invention is to provide a rotation angle detection device with good disturbance magnetic field resistance in which detection errors due to the influence of the disturbance magnetic field are suppressed.
  • each magnetoresistive effect element is formed from a magnetic body that is rotatably provided with the rotation of a detection object.
  • the rotation angle detection device of the present invention includes a magnetoresistive effect element having a free magnetic layer and a self-pinned magnetic layer, and a magnet body that applies a magnetic field to the magnetoresistive effect element. Magnetization of the self-pinned magnetic layer of the set of magnetoresistive effect elements connected in series in a rotation angle detecting device for detecting the rotation angle of the magnet body based on a change in the resistance value of the magnetoresistive effect element The directions are the same, and an antiparallel magnetic field is applied to each of the set of magnetoresistive elements by the magnet body.
  • the self-pinned magnetic layers of a set of magnetoresistive effect elements connected in series can be formed simultaneously and in the vicinity by a single film forming process, so that the films are formed by different film forming processes. Therefore, the temperature characteristic of the self-pinned magnetic layer of the set of magnetoresistive effect elements can be made uniform.
  • the magnet body is a plate-like annular body provided with an opening, and is divided into four parts having different magnetism, and the four parts are magnetized by magnetic poles opposite to the adjacent parts.
  • the magnetoresistive effect element may be arranged at a position corresponding to the inside of the opening.
  • the magnet body may be a ring-type magnet body, and an extension line of a dividing line that divides the magnet body into four portions may intersect at a rotation center axis of the magnet body. It is preferable that the set of the magnetoresistive effect elements is arranged at positions symmetrical with respect to the rotation center axis of the magnet body. According to these configurations, the direction of the magnetic field applied from the magnet body to each magnetoresistive element constituting a set of magnetoresistive elements can be made antiparallel.
  • the rotation angle detection device of the present invention may include a detection unit including a bridge circuit in which the four magnetoresistive elements are bridge-connected.
  • the magnetization direction of the self-pinned magnetic layer of the magnetoresistive effect element connected in parallel among the four magnetoresistive effect elements constituting the detection unit is different, and the magnet body is in parallel.
  • a non-parallel magnetic field is applied to the connected magnetoresistive effect element. Since the temperature characteristics of the self-pinned magnetic layer of a set of magnetoresistive effect elements connected in series are uniform, it is possible to provide a detection unit with good temperature characteristics with little temperature change of the midpoint potential. “Non-parallel magnetic field” means that the directions of two magnetic fields are other than parallel (0 °) and anti-parallel (180 °).
  • the rotation angle detection device of the present invention may have a configuration in which a plurality of the magnetoresistive elements are formed on the same substrate.
  • the present invention forms a circuit by forming two self-pinned magnetic layers in one film-forming process by making the magnetization directions of the self-pinned magnetic layers of a set of magnetoresistive effect elements connected in series the same. It becomes possible to do. As a result, a set of magnetoresistive elements having a self-pinned magnetic layer having a uniform temperature characteristic free from errors caused by the film forming conditions is obtained. Therefore, a rotation angle detecting device having a small temperature change in the midpoint potential output (midpoint potential voltage, detection output) of the magnetoresistive effect element and good temperature characteristics is obtained. In addition, since the two self-pinned magnetic layers can be formed by a single film forming process, the rotation angle detector can be efficiently manufactured with a small number of processes. With the above configuration, since the influence of the disturbance magnetic field on the detection angle error is reduced, the rotation angle detection apparatus with good disturbance magnetic field resistance is obtained.
  • Block diagram schematically showing a state in which a disturbance magnetic field is applied to a set of GMR elements having the same magnetization direction of the self-pinned magnetic layer The graph which shows the output error of the midpoint potential when the magnetization directions of the self-pinned magnetic layers of two GMR elements connected in series are the same direction and the opposite directions
  • the rotation angle detection device of the present invention will be described below with reference to the drawings.
  • the rotation angle detection device according to the present embodiment is used to detect the rotation angle of a detection object such as a steering shaft of a vehicle, for example, any device that detects the rotation angle of the detection object.
  • FIG. 1 is a (a) plan view and (b) side view schematically illustrating the configuration of a rotation angle detection device of the present invention.
  • the rotation angle detection device 100 according to the present embodiment is arranged above a substrate 102, and a GMR element (magnetoresistance effect element) 101 mounted on the substrate 102 has a magnet body (ring type). (Magnet body) 103 is provided facing.
  • a detection unit 104 is formed by the GMR element 101 provided on the substrate 102.
  • the magnet body 103 is generally composed of an annular body having a ring shape. Further, the magnet body 103 is generally formed in a plate shape, and the magnet body 103 shown in FIG. 1B is attached to the detection target in a state where the magnet body 103 can rotate about the center of the opening 103a as the rotation center axis C. . The magnet body 103 is disposed in the rotation angle detection device 100 so that the center of the opening 103 a coincides with the center of the detection unit 104 including the GMR element 101.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the GMR element.
  • the configuration of the GMR element 101 will be described with reference to FIG.
  • a GMR element 101 that outputs an output signal in response to a magnetic field basically has an antiferromagnetic layer 101a, a self-pinned magnetic layer 101b, a nonmagnetic layer 101c, and a free magnetic layer 101d.
  • the antiferromagnetic layer 101a is an ⁇ -Fe 2 O 3 layer, a PtMn alloy layer, or an IrMn alloy layer
  • the self-pinned magnetic layer 101b is a NiFe layer
  • the nonmagnetic layer 101c is formed of a Cu layer
  • the free magnetic layer 101d is formed of a NiFe layer.
  • the present invention is not limited to these, and any one that exhibits a giant magnetoresistance effect may be used.
  • the GMR element 101 is not limited to the above laminated structure as long as it exhibits a giant magnetoresistance effect.
  • the self-pinned magnetic layer 101b of the GMR element 101 shown in FIG. 2 is magnetized by the antiferromagnetic layer 101a, and the magnetization direction is fixed in a specific direction by the antiferromagnetic layer 101a.
  • the magnetization direction with respect to the magnetization direction of the self-pinned magnetic layer 101b changes depending on the direction of the external magnetic field.
  • Terminal layers 101e are formed on both ends of the GMR element 101 by bonding.
  • the magnetization direction of the free magnetic layer 101d changes depending on the direction of the external magnetic field, so that the change in the electrical resistance value between the two terminal layers 101e is an output signal. Is output as Although the GMR element 101 having the antiferromagnetic layer 101a has been described above, a GMR element having no antiferromagnetic layer 101a may be used.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a bridge circuit that constitutes the detection unit of the rotation angle detection device according to the embodiment of the present invention. As shown in the figure, a bridge circuit in which the four GMR elements 101 shown in FIG. The detection unit 104 detects the rotation angle of the detection target based on the change in the magnetic field direction due to the rotation of the magnet body 103 that rotates as the detection target rotates.
  • the four GMR elements 101 in FIG. 3 are given the symbols “GMR1”, “GMR2”, “GMR3”, and “GMR4”, respectively, and are formed at both ends of the GMR element 101.
  • the terminal (terminal layer 101e, see FIG. 2) is denoted by “E1”, and the other terminal (terminal layer 101e) is denoted by “E2”.
  • the bridge circuit includes two sets in which two GMR elements 101 having the same magnetization direction of the self-pinned magnetic layer 101b (see FIG. 2) are connected in series. More specifically, the four GMR1 to GMR4 forming the bridge circuit are connected in parallel with a set of GMR1 and GMR2 and a set of GMR3 and GMR4 connected in series.
  • the magnetization direction of the self-pinned magnetic layer 101b is indicated by a black arrow.
  • the magnetization directions of the self-pinned magnetic layers 101b of GMR1 and GMR2 are upwards toward the paper surface of FIG. 3, and the magnetization directions of the self-pinned magnetic layers 101b of GMR3 and GMR4 are upward-rightward toward the paper surface of FIG.
  • the magnetization direction of the pair of GMR1 and GMR2 self-pinned magnetic layers 101b and the magnetization direction of the adjacent pair of GMR3 and GMR4 form 45 ° and are different in directions away from each other.
  • terminal layer E1 of GMR2 is coupled to the terminal layer E2 of GMR1, and GMR1 and GMR2 are connected in series.
  • terminal layer E1 of GMR4 is coupled to the terminal layer E2 of GMR3, and GMR3 and GMR4 are connected in series.
  • the terminal layer E1 of GMR1 and the terminal layer E1 of GMR3 are connected, and the power supply Vcc is connected to the connection point V1.
  • a terminal layer E2 of GMR2 and a terminal layer E2 of GMR4 are connected, and a zero potential GND is connected to the connection point V2.
  • a detection signal is input to the connection point V1.
  • connection point A is used as an output unit for outputting a change signal (voltage, midpoint potential) of the electrical resistance value of the GMR element 101.
  • connection point B is used as an output section that outputs a change signal (voltage, midpoint potential) of the electrical resistance value of the GMR element 101. Then, an output signal based on a change in the electrical resistance value of the GMR element 101 is output from the two connection points A and B.
  • the electric resistance value shows a minimum value when the magnetization direction of the self-pinned magnetic layer 101b of each GMR element 101 and the magnetization direction of the free magnetic layer 101d are the same direction, and is antiparallel (opposite direction of 180 °). Indicates the maximum value.
  • the magnet body 103 applies a magnetic field (external magnetic field) in the opposite direction to GMR1 and GMR2. Similarly, a magnetic field in the opposite direction is applied to GMR3 and GMR4.
  • an output signal having a sine waveform is output from the connection point A serving as the output terminal of the bridge circuit in accordance with the change in the direction of the magnetic field that magnetizes the free magnetic layer 101d of the GMR element 101 due to the rotation of the magnet body 103.
  • An output signal having a cosine waveform with a phase shifted by 90 ° from the sine waveform is output from the connection point B.
  • the polarity of the electric resistance value change (the increasing direction is + and the decreasing direction is-) is
  • GMR1 and GMR2 have opposite polarities
  • GMR3 and GMR4 also have opposite polarities.
  • a Wheatstone bridge circuit is formed by the connection relationship between the four GMR1 to GMR4 shown in FIG. 3 and the change in the electric resistance value of the GMR element 101, and the GMR element 101 is made sensitive to magnetism by an external magnetic field.
  • the detection unit 104 that performs a desired operation based on the change in the magnetization direction of the free magnetic layer 101d of the GMR element 101 by the external magnetic field.
  • the four GMR1 to GMR4 included in the magnetic sensor unit are arranged in a plane parallel to the facing surface of the magnet body 103 with respect to the substrate 102. Further, these GMR1 to GMR4 are arranged at positions corresponding to the inside of the opening 103a of the magnet body 103 arranged to face each other (see FIGS. 1A and 1B).
  • a set of GMR elements 101 connected in series includes a self-pinned magnetic layer 101b having the same magnetization direction. Therefore, the self-pinned magnetic layer 101b of these two GMR elements 101 can be simultaneously formed by a single film forming process.
  • the GMR elements 101 including the self-pinned magnetic layers 101b formed under the same film forming conditions can be connected in series and used for measuring the midpoint potential.
  • the temperature characteristics of the GMR element 101 become uniform. Therefore, the rotation angle detecting device 100 having a good temperature characteristic in which the temperature change (temperature drift) of the detection output (midpoint output) of the GMR element 101 is small.
  • FIGS. 1 (a) and 1 (b) the configuration of the magnet body 103 included in the rotation angle detection device 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b).
  • the detection object to which the magnet body 103 is attached is omitted, but the magnet body 103 is configured to be rotatable with the rotation of the detection object.
  • the magnet body 103 is configured by a ring-shaped annular body (ring-type magnet body) having a substantially circular shape provided with an opening 103a.
  • a circular opening 103a is provided in the center of the magnet body 103, and the GMR element 101 is disposed at a position corresponding to the inside of the opening 103a as described above.
  • the magnet body 103 is divided into four parts having the same shape in a plan view shown in FIG. 1A, and the four parts are configured with different magnetic poles alternately.
  • the upper left, upper right, lower right, and lower left portions P1, P2, P3, and P4 are magnetized in this order into the N pole, the S pole, the N pole, and the S pole, respectively, toward the paper surface of FIG. Yes. If the magnetically neutral lines that divide these four parts are assumed to be dividing lines B 1 to B 4, the extended lines of the dividing lines B 1 to B 4 intersect at the rotation center axis C of the magnet body 103.
  • the dividing line B1 and the dividing line B3 are located on the same straight line L1, and the dividing line B2 and the dividing line B4 are also located on the same straight line L2.
  • the straight line L1 and the straight line L2 are orthogonal to each other.
  • the magnetic body 103 configured as described above forms a magnetic field in the direction indicated by the hollow arrow in FIG.
  • the direction of the magnetic field applied from the magnet body 103 is antiparallel above and below the rotation center axis C.
  • the upper side is the right direction and the lower side is the left direction from the rotation center axis C toward FIG.
  • the “position corresponding to the straight line L1 on the substrate 102” refers to the substrate 102 onto which the straight line L1 is projected when the rotation angle detection device 100 is viewed in plan (when the substrate 102 is viewed from the normal direction). This refers to the upper position (see FIG. 1 (a)).
  • the magnetic body 103 can form a magnetic field having the same strength and antiparallel to the position on the substrate 102 corresponding to the straight line L2 orthogonal to the straight line L1.
  • the direction of the magnetic field applied from the magnet body 103 is downward on the left side of the rotation center axis C toward the paper surface, and from the rotation center axis C toward the paper surface. Is on the right side.
  • the magnet body 103 On the substrate 102, magnetic fields having antiparallel and the same strength are formed by the magnet body 103 at positions corresponding to the straight lines L3 and L4, which are equal in distance from the straight lines L1 and L2.
  • the direction of the magnetic field applied from the magnet body 103 is the upper right direction along the straight line L3 on the upper right side of the rotation center axis C toward the paper surface, and is directed to the paper surface.
  • the lower left side of the rotation center axis C is the lower left direction along the straight line L3.
  • the direction of the magnetic field applied from the magnet body 103 is the lower right direction along the straight line L4 on the upper left side of the rotation center axis C toward the paper surface.
  • the upper left direction is along the straight line L4.
  • the two GMR elements 101 By arranging the two GMR elements 101 at positions corresponding to the straight line passing through the rotation center axis C on the substrate 102 so as to be symmetric with respect to the rotation center axis C, a magnet is provided for each GMR element 101. A magnetic field in the opposite direction can be applied by the body 103. As described above, the two GMR elements 101 are arranged at positions corresponding to the straight lines L1, L2, L3, and L4 that intersect the rotation center axis C and form an angle of 45 ° with the adjacent straight line. As a result, a plus / minus sine waveform and a plus / minus cosine waveform are obtained as the midpoint potential voltage of the set of GMR elements 101.
  • two GMR elements 101 arranged so as to be symmetric with respect to the rotation center axis C are connected in series at a position corresponding to the straight line L1, and rotated to a position corresponding to the straight line L3.
  • Two GMR elements 101 arranged so as to be symmetric with respect to the central axis C are connected in series, and the two GMR elements 101 connected in series are connected in parallel, whereby the four magnetoresistive elements Can be configured as a detection unit 104 (see FIG. 3) that includes a bridge circuit that is bridge-connected.
  • the magnetization direction of the self-pinned magnetic layer 101b differs by 45 ° between the GMR element 101 at the position corresponding to the straight line L1 and the GMR element 101 at the position corresponding to the straight line L3 connected in parallel.
  • a non-parallel magnetic field is applied from the magnet body 103 to the GMR elements 101 connected in parallel.
  • the magnetic field applied from the magnet body 103 differs by 45 ° in the direction in which the magnetic field direction is separated between GMR1 and GMR3, and 45 ° in the direction in which the magnetic field direction approaches between GMR2 and GMR4 (the magnetic field direction is separated). Different in direction).
  • FIG. 4 is a (a) plan view and (b) side view schematically illustrating another configuration of the rotation angle detection device of the present invention.
  • eight GMR elements 101 are provided at positions corresponding to the openings 103 a of the magnet body 103 of the substrate 102.
  • a total of four sets of GMR elements 101 are provided at two positions on the substrate 102 corresponding to the straight lines L1, L2, L3, or L4.
  • positive and negative sine waveforms are obtained as the midpoint potential voltages of the pair of GMR elements 101 on the substrate 102 provided at positions corresponding to the straight lines L1 and L2.
  • positive and negative cosine waveforms are obtained as the midpoint potential voltages of the pair of GMR elements 101 on the substrate 102 provided at positions corresponding to the straight lines L3 and L4.
  • a bridge circuit in which two sets of GMR elements 101 are connected in parallel can be used as the detection unit 104, respectively.
  • the rotation angle detection devices 100 and 110 of the present embodiment are a combination of the direction of the magnetic field applied from the magnet body 103 detected by the self-pinned magnetic layer 101b in the pair of GMR elements 101 and the magnetization direction of the self-pinned magnetic layer 101b.
  • the rotation angle detection devices 100 and 110 of the present invention are different from the conventional rotation angle detection device in each of a pair of GMR elements 101 in which the magnetization directions of the self-pinned magnetic layers 101b are the same.
  • a magnetic field in an antiparallel (reverse) direction is applied from the magnet body 103 as a magnetic field used for detecting the rotation angle.
  • the same angle detection as that of the conventional rotation angle detection device is performed while the self-pinned magnetic layers 101b of the GMR elements 101 connected in series are in the same direction. It can be performed. For this reason, it is possible to configure a bridge circuit by connecting the GMR elements 101 having the self-pinned magnetic layer 101b simultaneously formed in series. Therefore, the temperature change (temperature drift) of the midpoint potential of the GMR elements 101 connected in series is reduced, and the rotation angle of the detection target can be detected with high accuracy.
  • the detection unit 104 is configured using the GMR element 101 .
  • the present invention is not limited to this.
  • TMR Tunnel Magnetoresistance Effect
  • the detecting unit 104 may be configured using the above.
  • a substantially annular (ring-shaped) magnet body 103 was used.
  • the magnet body 103 only needs to be able to form a similar magnetic field for each GMR element 101 and is not limited to an annular shape.
  • FIG. 7 is a block diagram schematically showing a state in which a disturbance magnetic field is applied to a set of GMR elements in which the magnetization directions of the self-pinned magnetic layers are opposite.
  • the signal magnetic field to be detected applied from the magnet body is indicated by a hollow arrow
  • the magnetization direction (Pin) of the self-pinned magnetic layer of the GMR element is indicated by a black arrow
  • the disturbance magnetic field E is indicated by a hollow arrow. Show.
  • the signal magnetic field H1 to be detected by one of the GMR elements is affected by the disturbance magnetic field E
  • the angle formed by the magnetization direction Pin1 of the self-pinned magnetic layer and the signal magnetic field H1 ′ is the disturbance. It becomes larger by ⁇ E than before being affected by the magnetic field E.
  • the angle of the angle formed by the magnetization direction Pin2 of the self-pinned magnetic layer and the signal magnetic field H2 ′ is the disturbance magnetic field E. It becomes smaller by ⁇ E than before being affected by.
  • FIG. 5 is a block diagram schematically showing a state where a disturbance magnetic field is applied to a set of GMR elements having the same magnetization direction of the self-pinned magnetic layer, and each arrow in the figure means the same content as FIG. Yes.
  • the signal magnetic field H1 which is the detection target of one GMR element, rotates under the influence of the disturbance magnetic field E, and becomes a signal magnetic field H1 'indicated by a broken line.
  • the angle formed by the magnetization direction Pin1 of the self-pinned magnetic layer and the direction of the signal magnetic field H1 ' is larger by ⁇ E than before the influence of the disturbance magnetic field E.
  • the signal magnetic field H2 that is the detection target of the other GMR element rotates under the influence of the disturbance magnetic field E, and becomes a signal magnetic field H2 'indicated by a broken line.
  • the angle formed by the magnetization direction Pin2 of the self-pinned magnetic layer and the signal magnetic field H2 ' is larger by ⁇ E than before the influence of the disturbance magnetic field E.
  • the angles formed by the magnetization directions Pin1 and Pin2 of the self-pinned magnetic layer and the signal magnetic fields H1 and H2 change in the same direction. To do. For this reason, the resistance value of the GMR element due to the influence of the disturbance magnetic field E changes in the same direction.
  • the magnetization direction Pin1 and the magnetization direction Pin2 of the self-pinned magnetic layer are in the same direction, so that the resistance change of the GMR element due to the influence of the disturbance magnetic field E is in the same direction. It can be. Therefore, the influence of the disturbance magnetic field E can be suppressed as compared with the conventional set of GMR elements in which the resistance change of the GMR element due to the influence of the disturbance magnetic field E is in the reverse direction.
  • FIG. 6 is a graph showing an output error when the magnetization directions of the self-pinned magnetic layers of two GMR elements connected in series are the same direction (see FIG. 5) and in the opposite directions (see FIG. 7). is there.
  • the graph shows the results obtained by calculating the output error (mT) in FIGS. 5 and 7 when Vcc is 5.0 V, the signal magnetic field H is 30 mT, and a disturbance magnetic field E of 2 mT is applied in the X1 direction. Is shown.
  • the vertical axis of FIG. 6 shows the midpoint potential voltage obtained from the midpoint of the GMR element and the midpoint potential voltage when there is no disturbance magnetic field at the angle (horizontal axis) of the signal magnetic field H with respect to the Y1 direction. Showing the difference.
  • the solid line shows the result when the magnetization direction of the self-pinned magnetic layer is the same direction, and the broken line shows the result when the magnetization direction of the self-pinned magnetic layer is the opposite direction. From this result, the error due to the influence of the disturbance magnetic field, which was about ⁇ 34 mV when the magnetization direction of the self-pinned magnetic layer is opposite, can be suppressed to about ⁇ 10 mV by making the magnetization direction of the self-pinned magnetic layer the same direction. I understand.
  • Rotation angle detection device 101 GMR element (magnetoresistance effect element) 101a: antiferromagnetic layer 101b: self-pinned magnetic layer 101c: nonmagnetic layer 101d: free magnetic layer 101e: terminal layer 102: substrate 103: magnet body (ring-type magnet body) 103a: opening 104: detection unit 200: rotation angle detection device 201, 201A1, 201A2, 201B1, 201B2: GMR element 201b: self-pinned magnetic layer 201c: nonmagnetic layer 201d: free magnetic layer 202: magnetic sensor 203: magnet body 204A 204B: Midpoints GMR1, GMR2, GMR3, GMR4: GMR element (magnetoresistance effect element) E1, E2: terminals A, B: connection points B1, B2, B3, B4: dividing lines L1, L2, L3, L4: straight line C: rotation center axis E: disturbance magnetic field ⁇ E: error H1 due to the influence of the disturbance magnetic field, H1 ′, H

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Abstract

【課題】温度変化による検出誤差が少ない温度出力特性に優れた回転角度検出装置を提供すること。 【解決手段】　フリー磁性層とセルフピン磁性層とを有するＧＭＲ素子１０１と、ＧＭＲ素子に磁場を印加する磁石体１０３と、を備えており、磁石体１０３の回転に伴うＧＭＲ素子１０１の抵抗値の変化に基づいて、磁石体１０３の回転角度を検出する回転角度検出装置１００において、直列に接続された二つのＧＭＲ素子１０１のセルフピン磁性層の磁化方向が同一であり、磁石体１０３によって直列に接続された二つのＧＭＲ素子１０１のそれぞれに対して反平行の磁場を印加する。

Description

回転角度検出装置
　本発明はフリー磁性層とセルフピン磁性層とを有する磁気抵抗効果素子を備えた回転角度検出装置に関する。
　自動車のステアリングホイール等の角度検出は、ステアリングシャフトなどの回転部材に同期して回転するホイールなどを有する角度検出装置を用いて行われる。角度検出装置の検出部には、回転部材に同期して回転する磁石体の磁場を感知して出力信号を検出する、磁気抵抗効果素子を備えた検出部が採用されている。上述した検出部を備えた回転角度検出装置（回転角度センサ）が、種々、提案されている（例えば、特許文献１）。
国際公開ＷＯ２０１０／０２９６８４のパンフレット
　特許文献１に記載の回転角度検出装置２００は、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、磁気センサ２０２と円盤状の磁石体２０３とが対向して配置されている。磁気センサ２０２はＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ｅｆｆｅｃｔ、巨大磁気抵抗効果）素子２０１を備えており、ＮＳ２極に着磁された磁石体２０３の回転に伴って生じる、図中に中抜き矢印で示す磁場方向の変化を検出する。
　図９は、磁気抵抗効果素子であるＧＭＲ素子の抵抗変化を説明する模式図である。同図に示すように、ＧＭＲ素子２０１（図８（ａ）、図８（ｂ）参照）は、磁化方向が固定されたセルフピン磁性層２０１ｂと、非磁性層２０１ｃと、印加される磁場によって磁化方向が変化するフリー磁性層２０１ｄとを備えている。ＧＭＲ素子２０１の抵抗値は、図中に黒塗り矢印で示すセルフピン磁性層２０１ｂの磁化方向と、図中に中抜き矢印で示したフリー磁性層２０１ｄの磁化方向とが形成する角度θによって変化する。
　図１０は、ブリッジ接続された４個のＧＭＲ素子からなる従来のブリッジ回路の構成を説明するブロック図である。同図に示すブリッジ接続されたＧＭＲ素子２０１Ａ１、ＧＭＲ素子２０１Ａ２、ＧＭＲ素子２０１Ｂ１およびＧＭＲ素子２０１Ｂ２は、磁石体２０３（図８（ａ）、図８（ｂ）参照）から印加される磁場方向の変化に伴うフリー磁性層２０１ｄの磁化方向の変化によって抵抗値が変化する。磁気センサ２０２（図８（ａ）、図８（ｂ）参照）は、この抵抗値の変化によって変化する中点２０４Ａおよび中点２０４Ｂの中点電位電圧（正弦波、余弦波）を用いて、磁石体２０３の回転角度を検出する。
　図１１は配向方向が異なるセルフピン磁性層を同一基板上に形成する工程を示す模式図である。同図に示すように、配向方向が異なるセルフピン磁性層（Ｐｉｎ１層とＰｉｎ２層）は、別々の製膜工程により製膜する必要がある。別々の製膜工程で形成されたセルフピン磁性層は、製膜工程における誤差の影響によって温度出力特性（ＴｃＲ特性）に差が生じる。なお、図１１の模式図では、基板表面に直接Ｐｉｎ１層などを製膜しているが、実際は、基板表面に設けられたＳｅｅｄ層を介してＰｉｎ１層などが製膜される。
　従来の回転角度検出装置２００（図８（ａ）、図８（ｂ）参照）は、図１０に示すように、セルフピン磁性層の配向方向が１８０°異なる一組のＧＭＲ素子を直列に接続し、その中点電位出力を測定しているから、製膜工程の誤差の影響により中点電位出力の温度変化（温度ドリフト）が大きくなりやすい。このため、温度変化によって回転角度の検出誤差が生じやすいという問題がある。
　また、外乱磁場が存在する場合、回転角度検出装置２００は、磁石体２０３の磁場と外乱磁場との合成磁場を検出する。このため、その磁場における角度誤差と出力誤差とが一対一の関係となる。したがって、検出誤差における外乱磁場の影響が大きくなるという問題もある。
　本発明の一つの目的は、温度変化による検出誤差が少ない温度出力特性に優れた回転角度検出装置を提供することである。
　また、本発明の他の目的は、外乱磁場の影響による検出誤差が抑制された、外乱磁場耐性が良好な回転角度検出装置を提供することである。
　本発明は、同一方向に配向したセルフピン磁性層を備えた二つの磁気抵抗効果素子を直列に接続し、検出対象物の回転に伴って回転可能に設けられた磁性体から、各磁気抵抗効果素子に対して反平行の磁場を印加し、当該磁場の変化を検出することにより、回転角度検出装置の温度特性および外乱磁場耐性が向上するという知見に基づいており、以下の構成を備えている。
　本発明の回転角度検出装置は、フリー磁性層とセルフピン磁性層とを有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に磁場を印加する磁石体と、を備えており、前記磁石体の回転に伴う前記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化に基づいて、前記磁石体の回転角度を検出する回転角度検出装置において、直列に接続された一組の前記磁気抵抗効果素子の前記セルフピン磁性層の磁化方向が同一であり、前記磁石体によって一組の前記磁気抵抗効果素子のそれぞれに対して反平行の磁場を印加することを特徴とする。
　磁化方向を同一にすることで、直列に接続される一組の磁気抵抗効果素子のセルフピン磁性層を一回の製膜工程によって同時にかつ近傍に製膜できるから、異なる製膜工程により製膜することに起因する誤差（ＴｃＲ誤差）を無くし、一組の磁気抵抗効果素子のセルフピン磁性層の温度特性を均質にすることができる。
　前記磁石体は、開口部が設けられた板状の環状体であり、磁性の異なる四つの部分に分割されており、四つの前記部分がそれぞれ隣接する部分とは反対の磁極に着磁されており、前記磁気抵抗効果素子は、前記開口部の内側に対応する位置に配置されている構成としてもよい。
　前記磁石体がリング型磁石体であり、前記磁石体を四つの前記部分に分割する分割線の延長線が、前記磁石体の回転中心軸で交差する構成としてもよい。
　一組の前記磁気抵抗効果素子が、前記磁石体の回転中心軸に対して対称な位置に配置されている構成とすることが好ましい。
　これらの構成によれば、一組の磁気抵抗効果素子を構成する各磁気抵抗効果素子に対して磁石体から印加される磁場の方向を反平行とすることができる。
　本発明の回転角度検出装置は、４個の前記磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されたブリッジ回路からなる検出部を備えているものであってもよい。
　この場合、前記検出部を構成する４個の前記磁気抵抗効果素子のうち、並列に接続された前記磁気抵抗効果素子の前記セルフピン磁性層の磁化方向が異なっており、前記磁石体は、並列に接続された前記磁気抵抗効果素子に対して、非平行の磁場を印加する構成とすることが好ましい。
　直列に接続された一組の磁気抵抗効果素子のセルフピン磁性層の温度特性が均質であるから、中点電位の温度変化が少ない、温度特性の良好な検出部とすることができる。「非平行の磁場」とは、２つの磁場の方向が、平行（０°）および反平行（１８０°）以外であることをいう。
　本発明の回転角度検出装置は、複数の前記磁気抵抗効果素子が同一基板上に形成された構成としてもよい。
　本発明は、直列に接続された一組の磁気抵抗効果素子のセルフピン磁性層の磁化方向を同一にすることにより、一回の製膜工程によって二つのセルフピン磁性層を製膜し、回路を形成することが可能となる。これにより、製膜条件に起因する誤差のない均質な温度特性のセルフピン磁性層を備えた、一組の磁気抵抗効果素子となる。したがって、磁気抵抗効果素子の中点電位出力（中点電位電圧、検知出力）の温度変化が小さい、温度特性が良好な回転角度検出装置になる。また、一回の製膜工程によって二つのセルフピン磁性層を形成できるから、回転角度検出装置の製造を少ない工程で効率良く製造することができる。
　上記の構成によって、外乱磁場が検出角度の誤差に与える影響が小さくなるから、外乱磁場耐性の良好な回転角度検出装置となる。
本発明の回転角度検出装置の構成を模式的に説明する（ａ）平面図、（ｂ）側面図 ＧＭＲ素子の構成を示す模式図 本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置の検出部を構成するブリッジ回路を説明するブロック図 本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置の他の構成を模式的に説明する（ａ）平面図、（ｂ）側面図 セルフピン磁性層の磁化方向が同じ一組のＧＭＲ素子に外乱磁場が加えられた状態を模式的に示すブロック図 直列に接続された二つのＧＭＲ素子のセルフピン磁性層の磁化方向が同一方向である場合および逆方向である場合における中点電位の出力誤差を示すグラフ セルフピン磁性層の磁化方向が逆である一組のＧＭＲ素子に外乱磁場が加えられた状態を模式的に示すブロック図 従来の回転角度検出装置の構成を模式的に説明する（ａ）平面図および（ｂ）側面図 ＧＭＲ素子の抵抗変化を説明する模式図 ブリッジ接続された４個のＧＭＲ素子からなる従来のブリッジ回路の構成を説明するブロック図 配向方向が異なるセルフピン磁性層を同一基板上に形成する工程を示す模式図
　本発明の回転角度検出装置について図を用いて、以下に説明する。
　本実施の形態に係る回転角度検出装置は、検出対象物の回転角度を検出する任意の機器、例えば、車両のステアリング軸等の検出対象物の回転角度の検出に用いられる。
　図１は本発明の回転角度検出装置の構成を模式的に説明する（ａ）平面図および（ｂ）側面図である。これらの図に示すように、本実施の形態に係る回転角度検出装置１００は、基板１０２の上方に配置され、基板１０２に実装されたＧＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）１０１が磁石体（リング型磁石体）１０３に対向して設けられている。基板１０２に設けられたＧＭＲ素子１０１によって検出部１０４が形成されている。
　磁石体１０３は、概してリング形状を有する環状体で構成されている。また、磁石体１０３は、概して板状に構成され、図１（ｂ）に示す磁石体１０３は、開口部１０３ａの中心を回転中心軸Ｃとして回転可能な状態で検出対象物に取り付けられている。磁石体１０３は、開口部１０３ａの中心が、ＧＭＲ素子１０１を備えた検出部１０４の中心と一致するように回転角度検出装置１００内に配置されている。
　図２は、ＧＭＲ素子の構成を示す模式図である。同図を用いて、ＧＭＲ素子１０１の構成について説明する。図２に示すように、磁場に感応して出力信号を出力するＧＭＲ素子１０１は、基本的構成として、反強磁性体層１０１ａとセルフピン磁性層１０１ｂと、非磁性層１０１ｃと、フリー磁性層１０１ｄとを基板１０２上に積層して形成される。ＧＭＲ素子１０１が巨大磁気抵抗効果を発揮するためには、例えば、反強磁性体層１０１ａがα－Ｆｅ２Ｏ３層、ＰｔＭｎ合金層、またはＩｒＭｎ合金層など、セルフピン磁性層１０１ｂがＮｉＦｅ層、非磁性層１０１ｃがＣｕ層、フリー磁性層１０１ｄがＮｉＦｅ層から形成される。ただし、これらに限定されず、巨大磁気抵抗効果を発揮するものであれば、いずれのものであってもよい。また、ＧＭＲ素子１０１は、巨大磁気抵抗効果を発揮するものであれば、上記の積層構造に限定されない。
　図２に示すＧＭＲ素子１０１のセルフピン磁性層１０１ｂは、反強磁性体層１０１ａで磁化され、この反強磁性体層１０１ａによって磁化方向が特定方向に固定されている。フリー磁性層１０１ｄは、外部磁場の向きによって、セルフピン磁性層１０１ｂの磁化方向に対する磁化方向が変化する。ＧＭＲ素子１０１の両端には、端子層１０１ｅが接合形成される。そして、セルフピン磁性層１０１ｂの固定された磁化方向に対して、外部磁場の向きによりフリー磁性層１０１ｄの磁化方向が変化することにより、二つの端子層１０１ｅ間での電気抵抗値の変化が出力信号として出力される。なお、前述においては反強磁性体層１０１ａを有する構成のＧＭＲ素子１０１について説明したが、反強磁性体層１０１ａを持たない構成のＧＭＲ素子であっても良い。
　図３は、本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置の検出部を構成するブリッジ回路を説明するブロック図である。同図に示すように、図２に示す４個のＧＭＲ素子１０１がブリッジ接続されたブリッジ回路を形成して、検出部１０４となる。検出部１０４は、検出対象物の回転に伴って回転する磁石体１０３の回転による磁場方向の変化に基づいて、検出対象物の回転角度を検出する。
　図３における４個のＧＭＲ素子１０１には、説明の便宜上、「ＧＭＲ１」、「ＧＭＲ２」、「ＧＭＲ３」および「ＧＭＲ４」の符号をそれぞれ付し、且つ、ＧＭＲ素子１０１の両端に形成される一方の端子（端子層１０１ｅ、図２参照）には「Ｅ１」、他方の端子（端子層１０１ｅ）には「Ｅ２」の符号をそれぞれ付して説明する。
　図３に示すように、ブリッジ回路は、セルフピン磁性層１０１ｂ（図２参照）の磁化方向の向きが同じ二つのＧＭＲ素子１０１が直列に接続された組を二つ備えている。より具体的には、ブリッジ回路を形成する４個のＧＭＲ１～ＧＭＲ４は、直列に接続された、ＧＭＲ１とＧＭＲ２との組、およびＧＭＲ３とＧＭＲ４との組が並列に接続されている。
　図３においては、セルフピン磁性層１０１ｂの磁化方向を黒塗りの矢印で示している。ＧＭＲ１およびＧＭＲ２のセルフピン磁性層１０１ｂの磁化方向は、図３の紙面に向かって上方向であり、ＧＭＲ３およびＧＭＲ４のセルフピン磁性層１０１ｂの磁化方向は、図３の紙面に向かって右上方向である。一組のＧＭＲ１およびＧＭＲ２のセルフピン磁性層１０１ｂの磁化方向と、隣接する一組のＧＭＲ３およびＧＭＲ４の磁化方向とは、４５°をなし、磁化の向きが離れる方向に異なっている。
　さらに、ＧＭＲ１の端子層Ｅ２にＧＭＲ２の端子層Ｅ１を結合して、ＧＭＲ１とＧＭＲ２とを直列に接続する。一方、ＧＭＲ３の端子層Ｅ２にＧＭＲ４の端子層Ｅ１を結合して、ＧＭＲ３とＧＭＲ４とを直列に接続する。
　ＧＭＲ１の端子層Ｅ１とＧＭＲ３の端子層Ｅ１を接続し、その接続点Ｖ１に電源Ｖｃｃを接続する。ＧＭＲ２の端子層Ｅ２とＧＭＲ４の端子層Ｅ２を接続し、その接続点Ｖ２に０電位ＧＮＤを接続している。接続点Ｖ１に検知信号を入力する。
　ＧＭＲ１の端子層Ｅ２とＧＭＲ２の端子層Ｅ１とを接続し、その接続点Ａを、ＧＭＲ素子１０１の電気抵抗値の変化信号（電圧、中点電位）を出力する出力部としている。一方、ＧＭＲ３の端子層Ｅ２とＧＭＲ４の端子層Ｅ１を接続し、その接続点Ｂを、ＧＭＲ素子１０１の電気抵抗値の変化信号（電圧、中点電位）を出力する出力部としている。そして、二つの接続点Ａと接続点Ｂとから、ＧＭＲ素子１０１の電気抵抗値の変化に基づく出力信号を出力する。
　このブリッジ回路をなす４個のＧＭＲ１～ＧＭＲ４のセルフピン磁性層１０１ｂの固定された磁化方向に対して、外部磁場によるフリー磁性層１０１ｄの磁化方向が変化した場合に、その磁化方向の変化に伴って、４個のＧＭＲ１～ＧＭＲ４に電気抵抗値の変化が生じる。その電気抵抗値は、各ＧＭＲ素子１０１のセルフピン磁性層１０１ｂの磁化方向とフリー磁性層１０１ｄの磁化方向が同一方向の際に最小値を示し、反平行（１８０°をなす反対方向）の際に最大値を示す。
　図３に中抜き矢印で示すように、磁石体１０３（図１（ａ）、図１（ｂ）参照）は、ＧＭＲ１とＧＭＲ２とに対して、反対方向の磁場（外部磁場）を印加しており、ＧＭＲ３とＧＭＲ４とに対しても同様に、反対方向の磁場を印加している。この構成によって、磁石体１０３の回転によるＧＭＲ素子１０１のフリー磁性層１０１ｄを磁化する磁場の向きの変化に伴って、ブリッジ回路の出力端子となる接続点Ａから正弦波形の出力信号が出力され、接続点Ｂから前記正弦波形よりも９０°位相がずれた余弦波形の出力信号が出力される。
　したがって、ＧＭＲ素子１０１の電気抵抗値が変化する範囲の中間値を基準点とすると、その電気抵抗値変化の極性（増加する方向を＋、減少する方向を－とする）は、ＧＭＲ素子１０１のセルフピン磁性層１０１ｂの磁化方向が同一方向に設定された、ＧＭＲ１とＧＭＲ２とで逆極性になり、ＧＭＲ３とＧＭＲ４とでも同様に逆極性になる。
　このため、図３に示す４個のＧＭＲ１～ＧＭＲ４の接続関係と、ＧＭＲ素子１０１の電気抵抗値の変化とにより、ホイートストーンブリッジ回路が形成され、ＧＭＲ素子１０１に外部磁場による磁気を感応させることにより、その外部磁場によるＧＭＲ素子１０１のフリー磁性層１０１ｄの磁化方向の変化に基づいて所望の動作を行なう検出部１０４として機能する。
　本実施の形態に係る回転角度検出装置１００において、磁気センサユニットが有する４個のＧＭＲ１～ＧＭＲ４は、基板１０２に対する磁石体１０３の対向面と平行な平面内に配置されている。また、これらのＧＭＲ１～ＧＭＲ４は、対向して配置される磁石体１０３の開口部１０３ａの内側に対応する位置に配置されている（図１（ａ）、図１（ｂ）参照）。
　回転角度検出装置１００は、直列に接続された一組のＧＭＲ素子１０１が、磁化方向が同一のセルフピン磁性層１０１ｂを備えている。このため、これら二つＧＭＲ素子１０１のセルフピン磁性層１０１ｂを一回の製膜工程によって同時に製膜することができる。同時に製膜することで、同じ製膜条件の下で製膜されたセルフピン磁性層１０１ｂを備えたＧＭＲ素子１０１を直列に接続して、中点電位の測定に用いることが可能となる。セルフピン磁性層１０１ｂを同時に製膜することにより、ＧＭＲ素子１０１の温度特性が均質になる。したがって、ＧＭＲ素子１０１の検知出力（中点出力）の温度変化（温度ドリフト）が小さい、温度特性の良好な回転角度検出装置１００となる。
　次に、本実施の形態に係る回転角度検出装置１００が有する磁石体１０３の構成について、図１（ａ）および図１（ｂ）を用いて説明する。同図においては、説明の便宜上、磁石体１０３が取り付けられる検出対象物を省略しているが、磁石体１０３は、検出対象物の回転に伴って回転可能に構成されている。
　図１（ａ）に示すように、磁石体１０３は、開口部１０３ａが設けられた略円形を有するリング形状の環状体（リング型磁石体）で構成される。また、磁石体１０３の中央には、円形状を有する開口部１０３ａが設けられており、上述したように、開口部１０３ａの内側に対応する位置にＧＭＲ素子１０１が配置されている。
　磁石体１０３は、図１（ａ）に示す平面視において同一形状である４つの部分に分割されており、４つの部分が交互に異なる磁極で構成されている。図１（ａ）の紙面に向かって、左上、右上、右下および左下の部分Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４は、この順に、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極およびＳ極にそれぞれ着磁されている。これら４つの部分を分割する磁気的に中性な線を仮想して分割線Ｂ１～Ｂ４とすると、各分割線Ｂ１～Ｂ４の延長線は、磁石体１０３の回転中心軸Ｃで交差する。分割線Ｂ１と分割線Ｂ３とは同一の直線Ｌ１上に位置しており、分割線Ｂ２と分割線Ｂ４も同様に同一の直線Ｌ２上に位置している。直線Ｌ１と直線Ｌ２とは、直交している。
　上述した構成の磁石体１０３によって、図１（ａ）において中抜き矢印で示した方向の磁場が形成される。基板１０２上の直線Ｌ１に対応する位置では、磁石体１０３から印加される磁場の方向が、回転中心軸Ｃの上下で反平行となる。具体的には、図１（ａ）に向かって回転中心軸Ｃよりも、上側では右方向であり、下側では左方向である。直線Ｌ１に対応する位置の二つのＧＭＲ素子１０１を回転中心軸Ｃに対して対称に配置することにより、二つのＧＭＲ素子１０１のそれぞれに対して磁石体１０３から印加される磁場の強さが同じになる。なお、「基板１０２上の直線Ｌ１に対応する位置」とは、回転角度検出装置１００を平面視した場合（基板１０２をその法線方向から見た場合）に、直線Ｌ１が投影される基板１０２上の位置をいう（図１（ａ）参照）。直線Ｌ２～Ｌ４などについても同様である。
　二つのＧＭＲ素子１０１を上述した配置とすることによって、磁石体１０３によって反平行かつ同じ強さの磁場が、直線Ｌ１に対応する基板１０２上の各ＧＭＲ素子１０１に印加される。
　また、直線Ｌ１と直交する直線Ｌ２に対応する基板１０２上の位置にも、磁石体１０３によって反平行かつ同じ強さの磁場を形成することができる。基板１０２上の直線Ｌ２に対応する位置では、磁石体１０３から印加される磁場の方向が、紙面に向かって回転中心軸Ｃよりも左側では下方向であり、紙面に向かって回転中心軸Ｃよりも右側では上方向である。
　基板１０２上において、直線Ｌ１および直線Ｌ２から距離が等しい、直線Ｌ３および直線Ｌ４に対応する位置にも、磁石体１０３によって反平行かつ同じ強さの磁場が形成される。
　基板１０２上の直線Ｌ３に対応する位置では、磁石体１０３から印加される磁場の方向が、紙面に向かって回転中心軸Ｃよりも右上側では直線Ｌ３に沿った右上方向であり、紙面に向かって回転中心軸Ｃよりも左下側では直線Ｌ３に沿った左下方向である。
　基板１０２上の直線Ｌ４に対応する位置では、磁石体１０３から印加される磁場の方向が、紙面に向かって回転中心軸Ｃよりも左上側では直線Ｌ４に沿った右下方向であり、紙面に向かって回転中心軸Ｃよりも右下側では直線Ｌ４に沿った左上方向である。
　基板１０２上における回転中心軸Ｃを通る直線に対応した位置に、回転中心軸Ｃに対して対称となるように、二つのＧＭＲ素子１０１を配置することにより、各ＧＭＲ素子１０１に対して、磁石体１０３により反対方向の磁場を印加することができる。隣接する直線と４５°の角度を形成する、回転中心軸Ｃにおいて交わる直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４に対応した位置にそれぞれ、上述したように二つのＧＭＲ素子１０１を配置している。これにより、一組のＧＭＲ素子１０１の中点電位電圧として、プラス・マイナスの正弦波形と、プラス・マイナスの余弦波形とが得られる。
　図１（ａ）に示すように、直線Ｌ１に対応した位置に回転中心軸Ｃに対して対称となるように配した二つのＧＭＲ素子１０１を直列に接続し、直線Ｌ３に対応した位置に回転中心軸Ｃに対して対称となるように配した二つのＧＭＲ素子１０１を直列に接続し、直列に接続された二つのＧＭＲ素子１０１を並列に接続することにより、４個の前記磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されたブリッジ回路からなる検出部１０４（図３参照）を構成することができる。
　この場合、並列に接続された、直線Ｌ１に対応した位置のＧＭＲ素子１０１と、直線Ｌ３に対応した位置のＧＭＲ素子１０１とでは、セルフピン磁性層１０１ｂの着磁方向が４５°異なる。また、上記並列に接続されたＧＭＲ素子１０１に対して、磁石体１０３から非平行な磁場が印加される。図３に示すように、磁石体１０３から印加される磁場は、ＧＭＲ１とＧＭＲ３とでは磁場方向が離れる方向に４５°異なり、ＧＭＲ２とＧＭＲ４とでは磁場方向が近づく方向に４５°（磁場方向が離れる方向に１３５°）異なる。
　図４は、本発明の回転角度検出装置の他の構成を模式的に説明する（ａ）平面図および（ｂ）側面図である。図４（ａ）に示す回転角度検出装置１１０は、基板１０２の磁石体１０３の開口部１０３ａ内に対応する位置に、８個のＧＭＲ素子１０１が設けられている。具体的には、基板１０２上における直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３またはＬ４に対応した位置にそれぞれ、二つずつ合計４組のＧＭＲ素子１０１が設けられている。この構成により、直線Ｌ１および直線Ｌ２に対応した位置に設けられた、基板１０２上の一組のＧＭＲ素子１０１の中点電位電圧として、プラスおよびマイナスの正弦波形が得られる。また、直線Ｌ３および直線Ｌ４に対応した位置に設けられた、基板１０２上の一組のＧＭＲ素子１０１の中点電位電圧として、プラスおよびマイナスの余弦波形が得られる。
　中点電位電圧としてプラスの正弦波形とプラスの余弦波形とが得られる二組のＧＭＲ素子１０１を並列に接続したブリッジ回路、および中点電位電圧としてマイナスの正弦波形とマイナスの余弦波形とが得られる二組のＧＭＲ素子１０１を並列に接続したブリッジ回路を、それぞれ検出部１０４として用いることができる。
　本実施の形態の回転角度検出装置１００、１１０は、一組のＧＭＲ素子１０１におけるセルフピン磁性層１０１ｂが検出する磁石体１０３から印加される磁場の方向と、セルフピン磁性層１０１ｂの磁化方向との組合せに特徴がある。下記の表に示すように、本発明の回転角度検出装置１００、１１０は、従来の回転角度検出装置とは異なり、セルフピン磁性層１０１ｂの磁化方向が同一である一組のＧＭＲ素子１０１のそれぞれに対して、回転角度の検出に用いる磁場として、磁石体１０３から反平行（逆）方向の磁場を印加する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上述した構成により、本実施の形態に係る回転角度検出装置１００、１１０においては、直列に接続されたＧＭＲ素子１０１のセルフピン磁性層１０１ｂを同じ方向としながら従来の回転角度検出装置と同様の角度検出を行うことができる。このため、同時に製膜されたセルフピン磁性層１０１ｂを有するＧＭＲ素子１０１を直列に接続してブリッジ回路を構成することができる。したがって、直列に接続されたＧＭＲ素子１０１の中点電位の温度変化（温度ドリフト）が小さくなり、高精度に検出対象物の回転角度を検出することが可能となる。
　上述した実施の形態においては、ＧＭＲ素子１０１を用いて検出部１０４を構成する場合について説明したが、これに限られるものではなく、例えば、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ｅｆｆｅｃｔ）素子）を用いて検出部１０４を構成してもよい。
　また、磁石体１０３の回転中心軸Ｃに対して対称に配置されたＧＭＲ素子１０１に対して、逆方向の磁場を印加するために、略円環形状（リング形状）の磁石体１０３を用いた。しかし、磁石体１０３は、各ＧＭＲ素子１０１に対して同様の磁場を形成できるものであればよく、円環形状のものに限られない。例えば、略正方形の開口が設けられた略正方形の環状体や、複数の磁石が組み合わせられてなる磁石体を用いてもよい。この場合にも、円環形状の磁石体１０３と同様の磁場を形成することが可能である。
　図７は、セルフピン磁性層の磁化方向が反対である一組のＧＭＲ素子に外乱磁場が加えられた状態を模式的に示すブロック図である。同図では、磁石体から印加される検出対象である信号磁場を中抜き矢印で示し、ＧＭＲ素子のセルフピン磁性層の磁化方向（Ｐｉｎ）を黒塗り矢印で示し、外乱磁場Ｅを中抜き矢印で示している。
　同図に示すように、一方のＧＭＲ素子の検出対象の信号磁場Ｈ１は、外乱磁場Ｅの影響を受けた場合、セルフピン磁性層の磁化方向Ｐｉｎ１と信号磁場Ｈ１’とが形成する角度は、外乱磁場Ｅの影響を受ける前よりも△Ｅほど大きくなる。
　対して、他方のＧＭＲ素子の検出対象の信号磁場Ｈ２は、外乱磁場Ｅの影響を受けた場合、セルフピン磁性層の磁化方向Ｐｉｎ２と信号磁場Ｈ２’とが形成する角の角度は、外乱磁場Ｅの影響を受ける前よりも△Ｅほど小さくなる。
　したがって、従来の一組のＧＭＲ素子では、外乱磁場Ｅの影響を受けた場合、セルフピン磁性層の磁化方向Ｐｉｎ１、Ｐｉｎ２と信号磁場Ｈ１、Ｈ２とが形成する角度は、反対方向に変化する。このため、外乱磁場Ｅの影響によってＧＭＲ素子の抵抗値は逆方向に変化する。
　図５は、セルフピン磁性層の磁化方向が同じ一組のＧＭＲ素子に外乱磁場が加えられた状態を模式的に示すブロック図であり、図中の各矢印は図７と同じ内容を意味している。
　図５に示すように、一方のＧＭＲ素子の検出対象である信号磁場Ｈ１は、外乱磁場Ｅの影響を受けて回転し、破線で示した信号磁場Ｈ１’となる。外乱磁場Ｅの影響を受けた場合、セルフピン磁性層の磁化方向Ｐｉｎ１と信号磁場Ｈ１’の方向とが形成する角の角度は、外乱磁場Ｅの影響を受ける前よりも△Ｅだけ大きくなる。
　他方のＧＭＲ素子の検出対象である信号磁場Ｈ２は、外乱磁場Ｅの影響を受けて回転し、破線で示した信号磁場Ｈ２’となる。外乱磁場Ｅの影響を受けた場合、セルフピン磁性層の磁化方向Ｐｉｎ２と信号磁場Ｈ２’とが形成する角の角度は、外乱磁場Ｅの影響を受ける前よりも△Ｅだけ大きくなる。
　したがって、本実施の形態の一組のＧＭＲ素子では、外乱磁場Ｅの影響を受けた場合、セルフピン磁性層の磁化方向Ｐｉｎ１、Ｐｉｎ２と信号磁場Ｈ１、Ｈ２とが形成する角度は、同じ方向に変化する。このため、外乱磁場Ｅの影響によるＧＭＲ素子の抵抗値は同じ方向に変化する。
　以上のように、本実施の形態の一組のＧＭＲ素子は、セルフピン磁性層の磁化方向Ｐｉｎ１と磁化方向Ｐｉｎ２とが同方向であるから、外乱磁場Ｅの影響によるＧＭＲ素子の抵抗変化を同方向とすることができる。したがって、外乱磁場Ｅの影響によるＧＭＲ素子の抵抗変化が逆方向である従来の一組のＧＭＲ素子よりも、外乱磁場Ｅの影響を抑制することができる。
　図６は、直列に接続された二つのＧＭＲ素子のセルフピン磁性層の磁化方向が同一方向である場合（図５参照）および逆方向である場合（図７参照）における、出力誤差を示すグラフである。同グラフは、図５および図７において、Ｖｃｃを５．０Ｖ、信号磁場Ｈを３０ｍＴとし、Ｘ１方向に２ｍＴの外乱磁場Ｅが印加された場合の出力誤差（ｍＴ）を計算して求めた結果を示している。
　図６の縦軸は、Ｙ１方向を基準とする信号磁場Ｈの角度（横軸）において、ＧＭＲ素子の中点から得られる中点電位電圧と、外乱磁場が無い場合の中点電位電圧との差を示している。実線がセルフピン磁性層の磁化方向が同一方向である場合の結果、破線がセルフピン磁性層の磁化方向が反対方向である場合の結果を示している。この結果から、セルフピン磁性層の磁化方向が反対方向である場合に約±３４ｍＶであった外乱磁場の影響による誤差が、セルフピン磁性層の磁化方向を同一方向にすることによって約±１０ｍＶに抑制できることが分かる。
　なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
１００、１１０：回転角度検出装置
１０１　　　：ＧＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）
１０１ａ　　：反強磁性体層
１０１ｂ　　：セルフピン磁性層
１０１ｃ　　：非磁性層
１０１ｄ　　：フリー磁性層
１０１ｅ　　：端子層
１０２　　　：基板
１０３　　　：磁石体（リング型磁石体）
１０３ａ　　：開口部
１０４　　　：検出部
２００　　　：回転角度検出装置
２０１、２０１Ａ１、２０１Ａ２、２０１Ｂ１、２０１Ｂ２：ＧＭＲ素子
２０１ｂ　　：セルフピン磁性層
２０１ｃ　　：非磁性層
２０１ｄ　　：フリー磁性層
２０２　　　：磁気センサ
２０３　　　：磁石体
２０４Ａ、２０４Ｂ：中点
ＧＭＲ１、ＧＭＲ２、ＧＭＲ３、ＧＭＲ４：ＧＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）
Ｅ１、Ｅ２　：端子
Ａ、Ｂ　　　　：接続点
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４：分割線
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３，Ｌ４：直線
Ｃ　　　　　：回転中心軸
Ｅ　　　　　：外乱磁場
△Ｅ　　　　：外乱磁場の影響による誤差
Ｈ１、Ｈ１'、Ｈ２、Ｈ２'：信号磁場
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４：部分
Ｐｉｎ１、Ｐｉｎ２：磁化方向
Ｖ１、Ｖ２　：接続点
Ｖｃｃ　　　：電源
ＧＮＤ　　　：０電位
θ　　　　　：角度

Claims (7)

  1. 　フリー磁性層とセルフピン磁性層とを有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に磁場を印加する磁石体と、を備えており、前記磁石体の回転に伴う前記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化に基づいて、前記磁石体の回転角度を検出する回転角度検出装置において、
    　直列に接続された一組の前記磁気抵抗効果素子の前記セルフピン磁性層の磁化方向が同一であり、
    　前記磁石体によって一組の前記磁気抵抗効果素子のそれぞれに対して反平行の磁場を印加することを特徴とする回転角度検出装置。
  2. 　前記磁石体は、開口部が設けられた板状の環状体であり、磁性の異なる四つの部分に分割されており、四つの前記部分がそれぞれ隣接する部分とは反対の磁極に着磁されており、
    　前記磁気抵抗効果素子は、前記開口部の内側に対応する位置に配置されている請求項１に記載の回転角度検出装置。
  3. 　前記磁石体がリング型磁石体であり、
    　前記磁石体を四つの前記部分に分割する分割線の延長線が、前記磁石体の回転中心軸で交差する請求項２に記載の回転角度検出装置。
  4. 　一組の前記磁気抵抗効果素子が、前記磁石体の回転中心軸に対して対称な位置に配置されている請求項１、２または３に記載の回転角度検出装置。
  5. 　４個の前記磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されたブリッジ回路からなる検出部を備えている請求項１～４のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
  6. 　前記検出部を構成する４個の前記磁気抵抗効果素子のうち、
    　並列に接続された前記磁気抵抗効果素子の前記セルフピン磁性層の磁化方向が異なっており、
    　前記磁石体は、並列に接続された前記磁気抵抗効果素子に対して、非平行の磁場を印加する請求項５に記載の回転角度検出装置。
  7. 　複数の前記磁気抵抗効果素子が同一基板上に形成されている請求項１～６のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
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