JP2022138864A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗ストリップと強磁性膜を備えた磁気センサにおいて、磁気抵抗素子に印加される磁気バイアスの低下を抑制する。【解決手段】磁気センサ１は、ｙ方向に延在する磁気抵抗ストリップＳと、ｙ方向に延在する磁気ギャップＧを介してｘ方向に配列された強磁性膜Ｍ１，Ｍ２とを備える。磁気抵抗ストリップＳは、ｚ方向から見て磁気ギャップＧと重なる位置に配置される。磁気ギャップＧのｘ方向における幅は、磁気抵抗素子Ｒと重なる部分よりも硬磁性体Ｈと重なる部分の方が広い。このように、硬磁性体Ｈと重なる部分において磁気ギャップＧの幅が拡大されていることから、硬磁性体Ｈから生じる磁界が強磁性膜Ｍ１，Ｍ２に吸収されにくくなる。これにより、磁気抵抗素子Ｒに印加される磁気バイアスの低下が抑制されることから、検出信号に重畳する不規則ノイズを効果的に低減することが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は磁気センサに関し、特に、磁気抵抗素子に磁気バイアスを印加する硬磁性体を備えた磁気センサに関する。

磁気センサとしては、特許文献１に記載されているように、磁気抵抗素子の抵抗値変化に基づいて磁界の向き及び強さを検出するタイプの磁気センサが知られている。特許文献１に記載された磁気センサは、磁気抵抗素子を分断する複数の硬磁性体（磁石）を配置することによって、磁気抵抗素子に磁気バイアスを印加している。磁気抵抗素子に磁気バイアスを印加すれば、理想的には磁気抵抗素子が単磁区化されるため、検出信号に重畳する不規則ノイズを低減することが可能となる。

特許第５０６６５７９号公報

しかしながら、磁気抵抗素子に磁界を集中させるための強磁性膜を用いた場合、硬磁性体から生じる磁界が硬磁性体に吸収されてしまい、磁気抵抗素子に印加される磁気バイアスが低下するという問題があった。

したがって、本発明は、磁気抵抗ストリップと強磁性膜を備えた磁気センサにおいて、磁気抵抗素子に印加される磁気バイアスの低下を抑制することを目的とする。

本発明による磁気センサは、磁気バイアスを与える複数の硬磁性体を介して第１の方向に配列された複数の磁気抵抗素子からなる磁気抵抗ストリップと、第１の方向に延在する磁気ギャップを介して第１の方向と交差する第２の方向に配列された第１及び第２の強磁性膜とを備え、磁気抵抗ストリップは、第１及び第２の方向で定義される平面と交差する第３の方向から見て磁気ギャップと重なる位置に配置され、磁気ギャップの第２の方向における幅は、磁気抵抗素子と重なる部分よりも硬磁性体と重なる部分の方が広いことを特徴とする。

本発明によれば、硬磁性体と重なる部分において磁気ギャップの幅が拡大されていることから、硬磁性体から生じる磁界が強磁性膜に吸収されにくくなる。これにより、磁気抵抗素子に印加される磁気バイアスの低下が抑制されることから、検出信号に重畳する不規則ノイズを効果的に低減することが可能となる。

本発明において、複数の磁気抵抗素子は第１の強磁性膜と重なりを有していても構わない。これによれば、第１の強磁性膜によって集磁された磁界を効率よく磁気抵抗素子に印加することが可能となる。この場合、第１の強磁性膜のうち複数の磁気抵抗素子と重なる部分は、第３の方向から見て角部を有していても構わない。これによれば、角部に集中する磁界を効率よく磁気抵抗素子に印加することが可能となる。

本発明による磁気センサは、第１の強磁性膜と重なりを有し、第３の方向を長手方向とする外部磁性体をさらに備えていても構わない。これによれば、第３の方向の磁界を外部磁性体によって集磁し、これを磁気抵抗素子に印加することが可能となる。

本発明において、複数の磁気抵抗素子は第２の強磁性膜と重なりを有していても構わない。これによれば、磁気ギャップを通過する磁界をより効率よく磁気抵抗素子に印加することが可能となる。

本発明において、複数の硬磁性体は第１及び第２の強磁性膜と重ならなくても構わない。これによれば、硬磁性体から生じる磁界が強磁性膜により吸収されにくくなる。

このように、本発明によれば、磁気抵抗ストリップと強磁性膜を備えた磁気センサにおいて、磁気抵抗素子に印加される磁気バイアスの低下を抑制することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１の構造を説明するための略平面図である。 図２（ａ）は図１に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図であり、図２（ｂ）は図１に示すＢ－Ｂ線に沿った略断面図である。 図３は、磁気センサ１の構造をより詳細に説明するための部分平面図である。 図４は、磁気センサ１の変形例の構造をより詳細に説明するための部分平面図である。 図５は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ２の構造を説明するための略平面図である。 図６は、図５に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。 図７は、磁気センサ２の主要部の第１の例を示す部分平面図である。 図８は、磁気センサ２の主要部の第２の例を示す部分平面図である。 図９は、磁気センサ２の主要部の第３の例を示す部分平面図である。 図１０は、磁気センサ２の主要部の第４の例を示す部分平面図である。 図１１は、磁気センサ２の主要部の第５の例を示す部分平面図である。

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

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１の構造を説明するための略平面図である。また、図２（ａ）は図１に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図であり、図２（ｂ）は図１に示すＢ－Ｂ線に沿った略断面図である。

図１及び図２に示すように、第１の実施形態による磁気センサ１は、ｙ方向に延在する磁気抵抗ストリップＳと、ｘ方向に配列された２つの強磁性膜Ｍ１，Ｍ２を備えている。磁気抵抗ストリップＳは、絶縁膜１２を介してセンサ基板１１上に形成されており、複数の硬磁性体（磁石）Ｈを介してｙ方向に配列された複数の磁気抵抗素子Ｒからなる。磁気抵抗素子Ｒの材料としては、磁界の向き及び強度によって抵抗値が変化するものであれば特に限定されない。磁気抵抗素子Ｒは、複数の硬磁性体Ｈによってｙ方向に分断されており、硬磁性体Ｈによって印加される磁気バイアスによって実質的に単磁区化される。これにより、磁区の乱れに起因する不規則ノイズが低減される。磁気抵抗素子Ｒを確実に単磁区化するためには、個々の磁気抵抗素子Ｒのｙ方向における長さを数μｍ程度とすることが好ましい。

磁気抵抗ストリップＳは、Ａｌ_２Ｏ_３などからなる絶縁膜１３で覆われる。パーマロイなどからなる強磁性膜Ｍ１，Ｍ２は絶縁膜１３の表面に形成され、ｙ方向に延在する磁気ギャップＧを介してｘ方向に配列されている。そして、磁気抵抗ストリップＳは、ｚ方向から見た平面視で磁気ギャップＧと重なる位置に配置されている。ここで、部分拡大図である図３に示すように、磁気抵抗ストリップＳのｘ方向における幅Ｗｓがほぼ一定であるのに対し、磁気ギャップＧのｘ方向における幅は、磁気抵抗素子Ｒと重なる部分においてはＷ１であり、硬磁性体Ｈと重なる部分においてはＷ２（＞Ｗ１）である。つまり、磁気ギャップＧのｘ方向における幅は、磁気抵抗素子Ｒと重なる部分よりも硬磁性体Ｈと重なる部分の方が広い。また、本実施形態においては、ｚ方向から見て、強磁性膜Ｍ１，Ｍ２が絶縁膜１３を介して磁気抵抗素子Ｒと部分的な重なりを有しているのに対し、強磁性膜Ｍ１，Ｍ２と硬磁性体Ｈは重なりを有していない。

図３に示すように、強磁性膜Ｍ１，Ｍ２は、磁気抵抗素子Ｒと重なる部分においてｘ方向に突出する形状を有しており、突出部のｙ方向における幅はＬｍである。幅Ｌｍは、磁気抵抗素子Ｒのｙ方向における長さＬｒよりも短く、これにより、ｚ方向から見た強磁性膜Ｍ１，Ｍ２の角部Ｃは、磁気抵抗素子Ｒと重なる。これにより、強磁性膜Ｍ１から強磁性膜Ｍ２に向かう検出磁界、或いは、強磁性膜Ｍ２から強磁性膜Ｍ１に向かう検出磁界は、ほぼ直角な角部Ｃに集中し、角部Ｃから漏洩するｘ方向の検出磁界が磁気抵抗素子Ｒに印加される。

これに対し、硬磁性体Ｈは、ｚ方向から見て強磁性膜Ｍ１，Ｍ２と重なりを有していないことから、硬磁性体Ｈから生じる磁界は、一部が強磁性膜Ｍ１，Ｍ２に吸収されるものの、大部分が磁気抵抗素子Ｒに印加される。これにより、磁気抵抗素子Ｒに十分な磁気バイアスを印加することが可能となり、検出信号に重畳する不規則ノイズを効果的に低減することが可能となる。

但し、本発明において、磁気抵抗ストリップＳのｘ方向における幅Ｗｓが一定である点は必須でなく、変形例である図４に示すように、磁気抵抗素子Ｒのｘ方向における幅Ｗｒよりも、硬磁性体Ｈのｘ方向における幅Ｗｈの方が広くても構わない。この場合、磁気ギャップＧの幅Ｗ１を磁気抵抗素子Ｒの幅Ｗｒよりも狭くするとともに、磁気ギャップＧの幅Ｗ２を硬磁性体Ｈの幅Ｗｈよりも広くすればよい。

図１に示すように、磁気抵抗ストリップＳのｙ方向における一端は端子電極Ｅ１に接続され、他端は端子電極Ｅ２に接続される。端子電極Ｅ１，Ｅ２は図示しない検出回路に接続され、端子電極Ｅ１，Ｅ２間の抵抗値に基づいて、検出磁界を測定することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態による磁気センサ１は、強磁性膜Ｍ１，Ｍ２によって構成される磁気ギャップＧのｘ方向における幅が硬磁性体Ｈと重なる位置において局所的に拡大されていることから、検出磁界を磁気抵抗素子Ｒに効果的に印加することができるとともに、硬磁性体Ｈから生じる磁界が強磁性膜Ｍ１，Ｍ２に吸収されることによる磁気バイアスの低下を抑えることが可能となる。

＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ２の構造を説明するための略平面図である。また、図６は、図５に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。

図５及び図６に示すように、第２の実施形態による磁気センサ２は、センサ基板２１上にこの順に積層された絶縁膜２２～２４と、絶縁膜２２の表面に設けられた４つの磁気抵抗ストリップＳ１～Ｓ４と、絶縁膜２４の表面に設けられた３つの強磁性膜Ｍ１１～Ｍ１３とを備える。

磁気抵抗ストリップＳ１～Ｓ４は、上述した磁気抵抗ストリップＳと同様、複数の硬磁性体Ｈを介してｙ方向に配列された複数の磁気抵抗素子Ｒによって構成される。また、強磁性膜Ｍ１１，Ｍ１２は、ｙ方向に延在する磁気ギャップＧ１，Ｇ３を介してｘ方向に配列され、強磁性膜Ｍ１１，Ｍ１３は、ｙ方向に延在する磁気ギャップＧ２，Ｇ４を介してｘ方向に配列されている。そして、ｚ方向から見て磁気ギャップＧ１～Ｇ４と重なる位置にそれぞれ磁気抵抗ストリップＳ１～Ｓ４が配置される。磁気ギャップＧ１～Ｇ４と磁気抵抗ストリップＳ１～Ｓ４の重なりについては第１の実施形態と同じであり、磁気抵抗素子Ｒについては対応する強磁性膜Ｍ１１～Ｍ１３と部分的に重なり、硬磁性体Ｈについては強磁性膜Ｍ１１～Ｍ１３と重なりを有しない。

さらに、本実施形態による磁気センサ２は、センサ基板２１の上面側に設けられた外部磁性体２５と、センサ基板２１の裏面及び側面を覆う外部磁性体２６を備える。外部磁性体２５，２６は、フェライトなどの軟磁性材料からなり、ｚ方向の検出磁界を効率よく集磁する役割を果たす。外部磁性体２５は、絶縁膜２４を介して強磁性膜Ｍ１１を覆う位置に設けられ、これにより、外部磁性体２５によって集磁されたｚ方向の検出磁界は、強磁性膜Ｍ１１に取り込まれ、磁気ギャップＧ１～Ｇ４を介して強磁性膜Ｍ１２，Ｍ１３に分配される。そして、強磁性膜Ｍ１１から強磁性膜Ｍ１２に向かう検出磁界は、磁気抵抗ストリップＳ１，Ｓ３に対して－ｘ方向に印加され、強磁性膜Ｍ１１から強磁性膜Ｍ１３に向かう検出磁界は、磁気抵抗ストリップＳ２，Ｓ４に対して＋ｘ方向に印加される。つまり、磁気抵抗ストリップＳ１，Ｓ３と磁気抵抗ストリップＳ２，Ｓ４には、検出磁界が互いに逆方向に印加されることになる。したがって、磁気抵抗ストリップＳ１～Ｓ４をブリッジ接続すれば、検出磁界をより高感度に検出することが可能となる。

ここで、ｚ方向を長手方向とする外部磁性体２５のｚ方向における先端２５Ａを検出ヘッドとして用いる場合、検出磁界は、強磁性膜Ｍ１１から強磁性膜Ｍ１２，Ｍ１３側へ流れることになる。この場合、強磁性膜Ｍ１１から強磁性膜Ｍ１２，Ｍ１３側へ流れる検出磁界が磁気抵抗素子Ｒに効果的に印加されるよう、強磁性膜Ｍ１１～Ｍ１３の形状を工夫しても構わない。

例えば、図７に示す第１の例のように、強磁性膜Ｍ１１の突出幅Ｌｍ１を強磁性膜Ｍ１２（Ｍ１３）の突出幅Ｌｍ２よりも小さくしても構わない。これによれば、磁界が集中する強磁性膜Ｍ１１の角部Ｃが磁気抵抗素子Ｒのｙ方向におけるより中央に位置するため、検出感度が高められる。

また、図８に示す第２の例のように、ｚ方向から見て強磁性膜Ｍ１２（Ｍ１３）が磁気抵抗素子Ｒと重ならない構造であっても構わない。この場合であっても、磁界が集中する強磁性膜Ｍ１１の角部Ｃが磁気抵抗素子Ｒと重なるため、検出磁界を正しく検出することが可能である。

また、図９に示す第３の例のように強磁性膜Ｍ１１のエッジを台形に切り欠く、或いは、図１０に示す第４の例のように強磁性膜Ｍ１１のエッジを半円形に切り欠くことによって、磁気抵抗素子Ｒと重なる突出部を形成しても構わない。このように、強磁性膜Ｍ１１の突出部の形状については特に限定されない。

さらに、図１１に示す第５の例のように、ｚ方向から見て強磁性膜Ｍ１１が磁気抵抗素子Ｒと重ならない構造であっても構わない。この場合であっても、磁気ギャップＧ１～Ｇ４のｘ方向における幅を、磁気抵抗素子Ｒと重なる部分においてはＷ１とし、硬磁性体Ｈと重なる部分においてはＷ２（＞Ｗ１）とすることにより、硬磁性体Ｈから生じる磁界が強磁性膜Ｍ１１～Ｍ１３に吸収されることによる磁気バイアスの低下を抑えることが可能である。

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

１，２ 磁気センサ
１１，２１ センサ基板
１２，１３，２２～２４ 絶縁膜
２５，２６ 外部磁性体
２５Ａ 外部磁性体の先端
Ｃ 角部
Ｅ１，Ｅ２ 端子電極
Ｇ，Ｇ１～Ｇ４ 磁気ギャップ
Ｈ 硬磁性体
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ１１～Ｍ１３ 強磁性膜
Ｒ 磁気抵抗素子
Ｓ，Ｓ１～Ｓ４ 磁気抵抗ストリップ

Claims (6)

1. 磁気バイアスを与える複数の硬磁性体を介して第１の方向に配列された複数の磁気抵抗素子からなる磁気抵抗ストリップと、
   前記第１の方向に延在する磁気ギャップを介して、前記第１の方向と交差する第２の方向に配列された第１及び第２の強磁性膜と、を備え、
   前記磁気抵抗ストリップは、前記第１及び第２の方向で定義される平面と交差する第３の方向から見て、前記磁気ギャップと重なる位置に配置され、
   前記磁気ギャップの前記第２の方向における幅は、前記磁気抵抗素子と重なる部分よりも前記硬磁性体と重なる部分の方が広いことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記複数の磁気抵抗素子は、前記第１の強磁性膜と重なりを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１の強磁性膜のうち前記複数の磁気抵抗素子と重なる部分は、前記第３の方向から見て角部を有することを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記第１の強磁性膜と重なりを有し、前記第３の方向を長手方向とする外部磁性体をさらに備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の磁気センサ。
5. 前記複数の磁気抵抗素子は、前記第２の強磁性膜と重なりを有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 前記複数の硬磁性体は、前記第１及び第２の強磁性膜と重ならないことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気センサ。

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