JP3555412B2 - 磁気抵抗センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗センサに関し、例えば磁気抵抗素子を用いて、回転ドラム等の回転周波数を検出するものに利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の磁気抵抗センサについて、図面を参照しながら説明する。
【０００３】
従来、磁気抵抗センサは、特開平８−５４００号公報に記載したものが知られている。
【０００４】
図１７は従来の磁気抵抗センサの模式図である。
図１７において、１は磁気抵抗センサ全体である。２は所定の磁極幅でＮ極およびＳ極とを等間隔に複数連続して着磁した磁気スケールである。３は磁気スケール２に面対向して配置される磁気抵抗素子である。この磁気抵抗素子３の両端にはそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子４、接地端子５が設けられ、この電源電圧Ｖｃｃ端子４と接地端子５との中点に出力端子６が設けられている。また、７は信号磁界（メイン磁界）の方向を示し、Ｎ極から隣接するＮ極までの距離をλとする。
【０００５】
以上のように構成された従来の磁気抵抗センサについて、以下にその動作を説明する。
【０００６】
図１８は従来の磁気抵抗センサの使用例を説明する模式図である。
図１８において、９はＮ極およびＳ極とを等間隔で回転ドラムの側面に着磁した磁石でなる磁気スケールである。１０は磁気スケール９に面対向に配された磁気抵抗センサの要部である磁気抵抗素子である。１１は磁気スケール９と磁気センサの磁気抵抗素子１０との距離（以下、「ギャップ長ｇ」と記す。）を示す。
【０００７】
以上の構成において、磁気スケール９が回転することによって生じる磁界の変化を磁気センサの磁気抵抗素子１０で検出し、この結果得られる出力電圧（以下、ＭＲ出力ＶＭＲ」と記す。）を周波数信号として出力するようになされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように構成された従来の磁気抵抗センサは、磁気抵抗センサを組み立てる際の部品成形精度を向上させなくてはならず、磁気抵抗センサの動作中の温度の変化等が原因で磁気抵抗素子と磁気スケールとの間のギャップ長ｇが所定ギャップ長に対して狭くなった場合、図１９に示すように磁気抵抗センサの磁気抵抗素子３の電極から検出されるＭＲ出力ＶＭＲの中心付近の出力波形が湾曲してしまい、湾曲したＭＲ出力ＶＭＲと電源電圧Ｖｃｃの１／２の電圧値との交点でパルスを発生させ、これを位置信号として用いているため、出力波形の中心付近の湾曲はパルスの発生位置の精度をばらつかせてしまうため、磁気抵抗センサとして特性が劣るという課題を有していた。
【０００９】
また、従来の磁気抵抗素子ではＭＲ出力ＶＭＲの湾曲を防止するために、磁気スケールの磁極幅に対する磁気抵抗素子の検出領域幅を最適化する試みがなされているが、出力電圧の低下を伴うため回路処理上新たな解決手段を講じなければならないという課題を有していた。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、磁気抵抗素子と磁気スケールとの間のギャップ長ｇが所定ギャップ長に対して狭くなった場合でも、出力波形が湾曲せず、またギャップ長ｇの変化に対して高い出力を安定して得られる磁気抵抗センサを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、磁性層と非磁性層とを交互に複数層積層してなる人工格子膜を使用し、検出方法の最適化を行い、従来に対して良好なる出力を得るものである。
【００１２】
以下に従来の磁気抵抗素子と比較しながら人工格子膜の磁気特性について説明する。
【００１３】
まず従来の磁気抵抗素子は強磁性金属で形成され、一般の強磁性金属に於いては、電気抵抗は磁化方向と電流方向とが平行の時最大、両者が直交したとき最小となる。異方性磁気抵抗効果の大きさを表す量としては、Δρ＝ρ（ＰＡＲＡＬＥＬＬ）−ρ（ＰＥＲＰＥＮＤＩＣＵＬＡＲ）と印加磁場０のときの抵抗値ρ０との比Δρ／ρ０（磁気抵抗変化率）が用いられる。室温におけるΔρ／ρ０が大きい材料としては、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系合金が知られている。これらのΔρ／ρ０は３％程度である。
【００１４】
これに対して人工格子膜は、ＮｉＦｅＣｏ等の強磁性層とＣｕ等の非強磁性金属を交互に積層することにより成り、ＲＫＫＹ的磁気結合により隣接する磁性層が反強磁性的に結合したとき大きな磁性抵抗効果を示す。
【００１５】
人工格子膜と従来の強磁性金属膜との最大の違いは、その磁気抵抗変化率の大きさと、磁気異方性と抵抗値変化の方向にある。磁気抵抗変化率は強磁性金属膜の最大３％に対して人工格子膜では少なくとも１０％以上である。また磁気異方性と抵抗値変化をする方向に対しては、強磁性金属膜は磁化された方向と電流方向が垂直の場合抵抗値が小さくなるのに対し、人工格子膜では磁化されるとほぼ等方的に抵抗値が小さくなる。このため、磁気抵抗素子の飽和磁界を計算する際、必要な式は
Ｈｋ＝Ｈａ＋４πＩｓ・Ｔ／Ｗ
Ｈｋ：素子の異方性磁界
Ｈａ：磁性膜本来の異方性磁界
Ｉｓ：飽和磁化
Ｔ／Ｗ：反磁界定数
で表されるが、強磁性金属膜の場合、電流方向即ちパターン長手方向に対し磁界が垂直のため
Ｔ：膜厚、Ｗ：パターン幅
であり、人工格子膜の場合は、電流方向即ちパターン長手方向に対し磁界が平行でもよく、このとき
Ｔ：パターン幅、Ｗ：パターン長
で示される。
【００１６】
この為感磁パターン形状も信号磁界を最大限の効率で検出するパターン設計が必要である。人工格子膜の特性を踏まえ、磁界の方向と平行に感磁パターンを配置することにより、従来の強磁性金属膜を用いた磁性抵抗センサより大きい出力を効率よく得ることができる。
【００１７】
また中心付近の出力波形の湾曲を防止しようとするには、所定のＮ極及びＳ極を等間隔で複数連続して着磁した磁気スケールと磁気抵抗素子を面対向して配置し、磁気スケールと磁気抵抗素子との相対的な位置の移動変化による磁気の変化を磁気抵抗素子で検出し、電圧変化として出力する磁気抵抗センサにおいて、磁気抵抗素子は、磁気スケールのＮ極及びＳ極の並び方向に対して平行な方向に伸張し、かつＮ極及びＳ極の並び方向にλ／４の０．８〜１．０倍の感磁パターン幅（ｄ）を有する磁気抵抗素子の折り返し帯状パターンが形成された感磁パターンを、磁気スケールの並び方向にλ／４の間隔で並べてなる第１及び第２の感磁パターンをシリーズ接続し、当該第１および第２の感磁部の両端に直流電圧を印加すると共に、第１及び第２の感磁部の接続点を出力端子とするものにより構成するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、所定の磁極幅でＮ極およびＳ極とを等間隔に複数連続して着磁した磁気スケールと、磁気抵抗素子とを面対向して配置し、前記磁気スケールと前記磁気抵抗素子との相対的な位置の移動変化による磁界の変化を前記磁気抵抗素子で検出し、電圧の変化として出力する磁気抵抗センサにおいて、前記磁気抵抗素子はＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなる磁性層とＣｕからなる非磁性層とを複数層積層してなる人工格子膜からなり、前記磁気抵抗素子である人工格子膜は、概長方形のパターン形状に加工され、前記パターン形状の長手方向が電流の流れる方向と同一であるとともに前記磁気スケールの信号磁界に略平行に配置され、前記磁気スケールのＮ極およびＳ極の並び方向に対して前記人工格子膜の長手方向の中心線が一致するように設け、かつ前記人工格子膜のパターンは、「λ／４×０．８＜ｄ＜λ／４×１．０（ただし、λはＮ極から隣接するＮ極までの距離、ｄは人工格子膜の感磁パターンの磁気スケールのＮ極およびＳ極との並び方向の幅）」としたものであり、磁気抵抗素子と磁気スケールとの間のギャップ長ｇが所定ギャップ長に対して狭くなった場合でも出力波形が湾曲しにくいとともにさらに高いＭＲ出力ＶＭＲを得られるという作用を有するものである。
【００１９】
また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気抵抗素子である人工格子膜のパターン形状を、磁気スケールのＮ極およびＳ極の並び方向に略直交する方向に、つづら折りにして設けたものであり、磁気抵抗素子を限られたスペース内でＮ極およびＳ極の並び方向に平行に感磁パターンを描画し、描画面積を増加させることにより、抵抗値を増加させることができるという作用を有するものである。
【００２０】
また請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の磁気抵抗素子である磁気抵抗素子の人工格子膜の感磁パターンは、磁気スケールのλ／２の整数倍に隔てて配置されるとともに、すべて直列に接続することにより、一対の感磁パターンのときに対してＡＭ変調率を改善することができるという作用を有するものである。
【００２１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の磁気抵抗素子である磁気抵抗素子の人工格子膜の感磁パターンの電流の流れる方向に対して略直交する方向のパターン幅を、つづら折りの折り返し部分の電流の流れる方向に対して略直交する方向のパターン幅より狭くすることにより、漏洩磁界の影響を抑制し、ＡＭ変調率を抑制することができるという課題を有するものである。
【００２２】
（実施の形態）
以下、本発明の一実施の形態における磁気抵抗センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図１は本発明の一実施の形態における磁気抵抗センサの模式図である。
図１において、２１は磁気抵抗センサ全体である。２５はＮ極およびＳ極とを等間隔で着磁した磁気スケールである。２６は磁気スケール２５に面対向するように設けられた磁気を検出する磁気抵抗素子である人工格子膜で、この磁気抵抗素子である人工格子膜２６は、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなる磁性層とＣｕからなる非磁性層とを複数層積層してなるものである（ｄは人工格子膜の感磁パターンの幅）。この磁気抵抗素子である人工格子膜２６は２つの概長方形の短形状の感磁パターン２７，２８をシリーズ接続して形成され、感磁パターン２７，２８のパターン形状の長手方向が電流の流れる方向３１と同一であるとともに、磁気スケール２５の信号磁界（メイン磁界）方向２９に略平行に配置されるとともに、この感磁パターン２７，２８のパターン形状の概長方形の短形部分の中心が磁気スケール２５のＮ極から隣接するＳ極までの距離である磁極幅λの１／４に設けられて磁気スケール２５のＮ極およびＳ極との並び方向と磁気抵抗素子である人工格子膜２６の長手方向の中心線が一致するように設けられかつ、磁気抵抗素子である人工格子膜２６のパターンは、「λ／４×０．８＜ｄ＜λ／４×１．０（ただし、λは磁気スケールのＮ極から隣接するＮ極までの距離、ｄは人工格子膜の感磁パターン（感磁パターンとは磁気抵抗素子を概長方形のパターン形状に加工された磁界感知部分）の磁気スケールのＮ極およびＳ極との方向の幅）」に設けられている。
【００２４】
磁気抵抗素子である人工格子膜２６の両端には、それぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子２４、接地端子２２が設けられ、この電源電圧Ｖｃｃ端子２４と接地端子２２との中点に出力端子２３が設けられている。磁気抵抗センサ２１では、矢印３０で示される磁気スケール２５のＮ極とＳ極の磁極との並び方向に対して、感磁パターン２７，２８の長手方向が略平行に配置され、また所定のギャップ長ｇを保持して配される。磁気抵抗センサ２１は、この磁気抵抗素子である人工格子膜２６に電源電圧Ｖｃｃ（本実施の形態では、Ｖｃｃ＝５Ｖ印加）を印加し、磁気スケール２５を磁気抵抗素子である人工格子膜２６に対して相対的に移動させ、この磁気スケール２５の相対的な移動によって生じる磁界の変化を磁気抵抗素子２６によって検出し、出力端子２３より出力電圧（ＭＲ出力ＶＭＲ）として出力するものである。
【００２５】
図２は本発明の一実施の形態における要部である磁気抵抗素子部の断面図である。
【００２６】
図２において４１はアルミナ等からなる方形の基板である。４２は基板４１の上面と側面とを覆うように設けられたガラス等からなるグレーズ層である。４３はグレーズ層４２の上面に設けられた人工格子膜を用いた所望の感磁パターンで、図３に本発明の一実施の形態における要部である磁気抵抗素子である人工格子膜の感磁パターンの拡大した断面を模式した図に示す通り、磁気抵抗素子である人工格子膜４３は、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなる磁性層４８とＣｕからなる非磁性層４９とを交互に複数層積層して設けられるものである。
【００２７】
４６は方形の基板４１の角部に磁気抵抗素子である人工格子膜２６の感磁パターン４３と電気的に接続するように設けられた銀パラジウム等からなる電極層である。４５は磁気抵抗素子である人工格子膜２６の感磁パターン４３を覆うように設けられたフェノール形の樹脂等からなる保護膜である。４４は第１の保護膜４５の上面に設けられ第１の保護膜４５よりも面積が小さく、第１の保護膜４５より硬いフェノール系の樹脂等からなる第２の保護膜である。４７は基板４１の下面に電極層４６と電気的に接続するように設けられたリン青銅等からなるリード端子である。
【００２８】
以上のように構成された本発明の一実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子部について、以下にその製造方法を図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図４は本発明の一実施の形態における磁気抵抗センサの要部である磁気素子部の製造工程図である。
【００３０】
まず、図４（ａ）に示すように、アルミナ等からなる方形の基板４１の上面に必要に応じて印刷等の工程でガラスペースト等を塗布してグレーズ層４２を形成する。
【００３１】
次に、基板４１の角部に銀パラジウム等の金属ペーストを用いて電極層４６を形成するとともに、グレーズ層４２の上面に電極層４６と電気的に接続するようにスパッタ装置等で、フォトリソグラフィー等の工法を用いて概長方形の形状に加工した感磁パターンを有する磁気抵抗素子の人工格子膜４３を形成する。
【００３２】
次に、図４（ｂ）に示すように、少なくとも磁気抵抗素子の人工格子膜４３を覆うように前工程で得られた基板４１の上面に、フェノール系の樹脂等を印刷・乾燥させ、第１の保護膜４５を形成した後、この第１の保護膜４５の上面に第１の保護膜４５より面積が小さくなるように、第１の保護膜４５よりも硬いフェノール系の樹脂等の第２の保護膜４４を形成する。
【００３３】
次に、図４（ｃ）に示すように、素子５０の下面に電極層４６と電気的に接続するようにリン青銅等からなる金属をはんだ付けし、リード端子４７を形成し、磁気抵抗素子２６を製造する。
【００３４】
以下に、磁気抵抗素子２６の材料に従来の強磁性金属膜ではなく、人工格子膜を用いる利点の説明を磁気特性を踏まえて説明する。
【００３５】
一般に、磁気抵抗センサ２１として必要なパターニングによる磁気感度の向上は一般に異方性磁界強度（Ｈｋ）を小さくすることにより行う。
【００３６】
図５は本発明の一実施の形態における要部である人工格子膜の磁気抵抗変化率と磁気強度の関係（磁気特性）を示す。図で図５（ａ）は、信号磁界の方向と感磁パターンの長手方向が垂直の時の磁気抵抗変化率と磁界強度との関係を示したもの、図５（ｂ）は平行の時のものである。ここで図５（ｂ）の条件の方が、異方性磁界強度（Ｈｋ）が小さく磁気感度が高いのが確認できる。
【００３７】
また、図６は従来の磁気センサの要部である強磁性金属膜の磁気抵抗変化率と磁気強度の関係を示したもので、図６（ａ）は信号磁界３０の方向と感磁パターンの長手方向が垂直の時の磁気抵抗変化率と磁界強度との関係を示したもの、図６（ｂ）は平行の時のものである。
【００３８】
図５と図６とを比較すると、本実施の形態で用いる人工格子膜の方が従来の強磁性金属膜より、磁気抵抗変化率が約５倍以上あり、大きな出力が期待できる。また、信号磁界３０と感磁パターンの長手方向が平行な場合、強磁性金属膜では磁気抵抗変化率がほとんどないのに対して人工格子膜は信号磁界３０と感磁パターンの長手方向が垂直な場合より磁気感度が高い。
【００３９】
以上のように、本実施の形態で用いる人工格子膜と従来の強磁性金属膜とでは磁気特性が大きく異なり、人工格子膜の特徴を最大限に生かすには、独自のパターン形状が必要になるのが確認できる。
【００４０】
そこでパターニングによる磁気感度の向上は、人工格子膜の感磁パターン２７，２８において、Ｓ極およびＮ極の並び方向（信号磁界の方向）に平行に配置することにより磁気感度が向上することができる。
【００４１】
以下に、磁気抵抗センサ２１の出力波形の湾曲の防止と出力電圧について述べる。
【００４２】
まず、磁気抵抗素子である人工格子膜２６の「感磁パターン幅ｄ」を変化させ、その結果磁極幅との比「ｄ×４／λ」を変化させることによってＭＲ出力ＶＭＲを変化させ得る。以上の時の「ｄ×４／λ」とＭＲ出力ＶＭＲとの関係を図７に示す（「ギャップ長ｇ」は、２０μｍに固定）。
【００４３】
図７において、ｄ×４／λ＝０．２（Ａ）、ｄ×４／λ＝０．４（Ｂ）、ｄ×４／λ＝０．６（Ｃ）、ｄ×４／λ＝０．８（ｄ）、ｄ×４／λ＝１．０（Ｅ）、ｄ×４／λ＝１．２（Ｆ）とｄ×４／λの値を大きくするに従ってＭＲ出力ＶＭＲの中心部における出力波形の湾曲が少なくなっていき、ｄ×４／λが０．８においては、ギャップ長＝２０μｍにおいても湾曲が見られなくなるのが確認できる。またｄ×４／λをさらに大きくしても湾曲は現れなくなっているのが確認できる。
【００４４】
したがって感磁パターン幅ｄを０．８λ以上にすれば、ギャップ長ｇが狭くなった場合でも湾曲が発生せず精度の良い磁気抵抗素子である人工格子膜２６を実現することができる。
【００４５】
以下に、図８は各々の「ｄ×４／λ」の値におけるギャップ長と出力電圧の値の関係を示す。図８において、横軸は素子面から磁気スケール表面までの距離、縦軸は印加電圧５Ｖ時の出力電圧の値である。
【００４６】
図７より、「ｄ×４／λ」を０．８以上広げることにより出力の湾曲が防げることが確認できた。しかし、図８に示すように「ｄ×４／λ」の値が大きいほど同じギャップ長での出力電圧は小さくなり、「ｄ×４／λ＝１．０以上」の場合はＭＲ出力ＶＭＨの減少が著しくなる。出力電圧が小さいと処理回路上で問題点が生じてくるためｄ×４／λの値は１．０以下に規定することができる。
【００４７】
また、出力電圧は大きいほどＳ／Ｎ比の点から有利になることから、「ｄ×４／λ」の最適値は約０．８付近とすることができる。
【００４８】
以上の構成によれば、感磁パターンの材料に磁気抵抗素子である人工格子膜を用い、さらに磁気抵抗素子である人工格子膜２６と面対向する磁気スケール２５とのギャップ長ｇが狭く出力電圧の中心部分の出力波形に湾曲が発生するような場合、磁気スケール２５に面対向する磁気抵抗素子である人工格子膜２６の感磁パターン幅ｄを広げ、感磁パターン幅ｄと感磁幅λとの比「ｄ×４／λ」を約０．８にすることにより、ギャップ長ｇが狭い場合でもＭＲ出力ＶＭＲの中心付近の出力波形の湾曲が少ない精度の良い、高出力の磁気抵抗センサ２１を実現することができる。なお比較のため、図８のＡは従来の強磁性金属膜を用いた磁気抵抗素子のＭＲ出力ＶＭＲを示すが、これより明らかなように磁気抵抗素子である人工格子膜を用いた方が、従来の強磁性金属膜を用いた時より２〜６倍の出力を得ることができるのを確認できる。
【００４９】
図９は本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図である。
【００５０】
図９において、６１は磁気スケール（本図では、図示せず）に面対向に配置される磁気抵抗素子である。この磁気抵抗素子６１の両端にはそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子６２、接地端子６４が形成され、この電源電圧Ｖｃｃ端子６２と接地端子６４の中点に出力端子６３が形成されている。６５，６６は感磁パターンがつづら折りされた基礎感磁パターンを示す。所定の抵抗値を得るためには、図９のように人工格子膜のパターン形状は、磁気スケールのＮ極およびＳ極の並び方向に略直交する方向につづら折りすることにより、磁気抵抗素子６１において、限られたスペース内でＮ極およびＳ極の並び方向に平行に感磁パターンを描画し、描画面積を増加させることにより所定の抵抗値を得ることができる。
【００５１】
さらに上述の実施の形態においては、一対の感磁パターンをシリーズ接続し、その中点に１つの出力端子を形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、シリーズ接続した一対の感磁パターンを、λの所定整数倍の間隔を離した位置に複数個接続するようにしても良い。この場合、一対の感磁パターン単体のときに比して一層感度を上げる事ができる。図１０はキャプスタンモータに組み込んだ際の出力波形に及ぼすモータの駆動用マグネットの漏洩磁界の影響を調べたものである。横軸は素子面から磁気スケールまでのギャップ長、縦軸は出力電圧のＡＭ変調率（モータの回転子が一回転した時の（最大出力−最小出力）／最小出力の百分率であり値の小さい方が良い）を示す。図のＡは一対の感磁パターンの場合、Ｂは二対の感磁パターンの場合のＡＭ変調率で、両者を比較すると、二対の感磁パターンの方（Ｂ）がＡＭ変調率が小さく、漏洩磁界の影響を受け難いのが確認できる。
【００５２】
さらに、図１１、図１２は本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図である。
【００５３】
図１１において、７１は磁気スケールに面対向に配置される磁気抵抗素子である。この磁気抵抗素子７１の両端にはそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子７４、接地端子７２が形成され、この電源電圧Ｖｃｃ端子７４と接地端子７２との中点に出力端子７３が形成されている。７５，７６は感磁パターンがつづら折りされた基礎感磁パターンを示す。またａは感磁パターンの電流の流れる方向に対して略直交する方向の距離を示し、ｂはつづら折りの折り返し部分の電流の流れる方向に対して略直交する方向の距離を示す。
【００５４】
図１２において、７８は磁気スケールに面対向に配置される磁気抵抗素子である。この磁気抵抗素子７８の両端にはそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子８１、接地端子７９が形成され、この電源電圧Ｖｃｃ端子８１と接地端子７９との中点に出力端子８０が形成されている。８２，８３は感磁パターンがつづら折りされた基礎感磁パターンを示す。またａは感磁パターンの電流の流れる方向に対して略直交する方向の距離を示し、ｂはつづら折りの折り返し部分の電流の流れる方向に対して略直交する方向の距離を示す。
【００５５】
ここで図１２はａ＝ｂの感磁パターンの磁気抵抗素子７８、図１１はａ＝２ｂにした感磁パターンの磁気抵抗素子７１であり、上述の２つの形状の感磁パターンを有する磁気抵抗素子においてのＡＭ変調率とギャップ長との関係を示したのが図１３である。
【００５６】
図１３において、横軸は素子面から磁気スケールまでのギャップ長、縦軸は出力電圧のＡＭ変調率を示し、Ａは図１２の磁気抵抗素子７８の場合のＡＭ変調率、Ｂは図１１の磁気抵抗素子７１の場合のＡＭ変調率を示す。図１３が示すようにＡ，Ｂを比較するとＢの方がＺＭ変調率が小さく、漏洩磁界の影響を受け難いのが確認できる。
【００５７】
なお、本実施の形態では、人工格子膜の磁気抵抗素子のパターン形状の基本模式図を図１，図９，図１１に示したが図１４に示すようなパターン形状にすると図１，図９，図１１の特長を生かした、狭いギャップでも波形に歪みが生じず、ヒステリシスをおさえ、所定の抵抗値を有し、ＡＭ変調率が小さいという特性がさらに得られる。図１４において、８０は磁気抵抗素子を示し、磁気抵抗素子８０にはそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子８１、接地端子８２が形成され、この電源電圧Ｖｃｃ端子８１と接地端子８２との中点に出力端子８３，８４が形成されている。また８５は感磁パターンをつづら折りして形成された基礎感磁パターンであり、８６はその基礎感磁パターンを電気的に導通させ、直列接続させるための引き回し部分である。またｌは基礎感磁パターンの磁気スケールの並び方向に対して垂直な方向の長さを示す。
【００５８】
また、比較のために従来例として強磁性金属膜のパターン形状を図１５に示す。９０は磁気抵抗素子を示し、磁気抵抗素子９０にはそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子９１、接地端子９２が形成され、この電源電圧Ｖｃｃ端子９１と接地端子９２との中点に出力端子９３，９４が形成されている。９５は感磁パターンをつづら折りして形成された基礎感磁パターンであり、９６はその基礎感磁パターンを電気的に導通させ、直列接続させるための引き回し部分である。
【００５９】
ここで上述の図１４と図１５の磁気抵抗素子の出力電圧とギャップ長との関係を図１６に示す。
【００６０】
図１６において、横軸は素子面から磁気スケール表面までの距離、縦軸は印加電圧５Ｖ時の出力電圧の値である。またＡは図１４の形状の磁気抵抗素子で材料は人工格子膜を用いた場合の出力特性で、Ｂは図１５の形状の磁気抵抗素子で材料は強磁性金属膜を用いた場合の出力特性である。
【００６１】
ＡとＢを比較するとＡの方が倍以上の出力が確認できる。
また図１４の磁気抵抗素子８０のように、ｌの長さを従来より短くし、漏洩磁界の影響の少ない方向に、基礎感磁パターン８５を配置することにより、ＡＭ変調率が小さくなる。
【００６２】
さらに上述の実施の形態においては、本発明を一相の磁気抵抗センサについて述べたが、本発明はこれに限らず、二相、三相等、多相の磁気抵抗センサに対して用いれば、出力の中心付近の直線性が改善され、検出精度を一層向上させ得る。
【００６３】
さらに上述の実施の形態においては、磁気スケールと磁気抵抗素子との相対的な位置移動を発生させるのに、回転ドラムでなる磁気スケールを回転させる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばリニアモータにおける場合のように、直線運動による相対的な位置移動から、磁界の変化を検出するようにしても良い。また磁気スケールと磁気抵抗素子との位置移動は相対的なものではないので、磁気スケール又は磁気抵抗素子のどちらかが位置移動しても良い。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１に記載の発明は、人工格子膜を用い、なおかつ磁気抵抗素子の感磁パターンを磁気スケールの一定の磁極幅（λ／４）の０．８〜１．０倍の間に設定することにより、磁気抵抗素子と磁気スケールとの対向間隔を狭めても、出力波形に湾曲が発生せず安定した高出力を得ることができる磁気抵抗センサを提供できるものである。
【００６５】
また、本発明の請求項２に記載の発明は、所定の抵抗値を得るためには、磁気抵抗素子である人工格子膜のパターン形状をつづら折りすることにより、磁気抵抗素子を限られたスペース内でＮ極およびＳ極の並び方向に平行に感磁パターンを描画し、描画面積を増加させることにより、所定の抵抗値を得ることができる磁気センサを提供できるものである。
【００６６】
また、本発明の請求項３に記載の発明は、シリーズ接続した一対の感磁パターンを、λ／４の所定整数倍の間隔を離した位置に複数個接続することにより、一対の感磁パターン単体のときに比してＡＭ変調率を改善した磁気センサを提供できるものである。
【００６７】
また、本発明の請求項４に記載の発明は、感磁パターンの電流の流れる方向に対して略直交する方向のパターン幅を、つづら折りの折り返し部分の電流の流れる方向に対して略直交する方向のパターン幅より狭くすることにより、ＡＭ変調率を改善した磁気センサを提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における磁気抵抗センサの模式図
【図２】同要部である磁気抵抗素子部の断面図
【図３】同要部である人工格子膜を拡大した断面図
【図４】同要部である磁気抵抗素子部の工程図
【図５】同要部である人工格子膜の磁気抵抗変化率と磁界強度との関係を説明する図
【図６】従来の強磁性金属膜の磁気抵抗変化率と磁界強度との関係を説明する図
【図７】本発明の一実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の感磁パターン幅とＭＲ出力ＶＭＲに発生する中心付近の湾曲との関係を示す信号波形図
【図８】本発明の一実施の形態に磁気センサおよび従来の磁気センサの要部である磁気抵抗素子のギャップ長と出力電圧との関係を説明する図
【図９】本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図
【図１０】同要部である磁気抵抗素子におけるギャップ長と出力電圧との関係を説明する図
【図１１】本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図
【図１２】本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図
【図１３】本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子のギャップ長とＡＭ変調率との関係を説明する図
【図１４】本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図
【図１５】従来の磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図
【図１６】本発明の他の実施の形態における磁気センサおよび従来の磁気センサの要部である磁気抵抗素子のギャップ長と出力電圧の関係を説明する図
【図１７】従来の磁気抵抗センサの模式図
【図１８】同使用例を説明する模式図
【図１９】同信号波形図
【符号の説明】
２５ 磁気スケール
２６ 人工格子膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗センサに関し、例えば磁気抵抗素子を用いて、回転ドラム等の回転周波数を検出するものに利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の磁気抵抗センサについて、図面を参照しながら説明する。
【０００３】
従来、磁気抵抗センサは、特開平８−５４００号公報に記載したものが知られている。
【０００４】
図１７は従来の磁気抵抗センサの模式図である。
図１７において、１は磁気抵抗センサ全体である。２は所定の磁極幅でＮ極およびＳ極とを等間隔に複数連続して着磁した磁気スケールである。３は磁気スケール２に面対向して配置される磁気抵抗素子である。この磁気抵抗素子３の両端にはそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子４、接地端子５が設けられ、この電源電圧Ｖｃｃ端子４と接地端子５との中点に出力端子６が設けられている。また、７は信号磁界（メイン磁界）の方向を示し、Ｎ極から隣接するＮ極までの距離をλとする。
【０００５】
以上のように構成された従来の磁気抵抗センサについて、以下にその動作を説明する。
【０００６】
図１８は従来の磁気抵抗センサの使用例を説明する模式図である。
図１８において、９はＮ極およびＳ極とを等間隔で回転ドラムの側面に着磁した磁石でなる磁気スケールである。１０は磁気スケール９に面対向に配された磁気抵抗センサの要部である磁気抵抗素子である。１１は磁気スケール９と磁気センサの磁気抵抗素子１０との距離（以下、「ギャップ長ｇ」と記す。）を示す。
【０００７】
以上の構成において、磁気スケール９が回転することによって生じる磁界の変化を磁気センサの磁気抵抗素子１０で検出し、この結果得られる出力電圧（以下、ＭＲ出力ＶＭＲ」と記す。）を周波数信号として出力するようになされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように構成された従来の磁気抵抗センサは、磁気抵抗センサを組み立てる際の部品成形精度を向上させなくてはならず、磁気抵抗センサの動作中の温度の変化等が原因で磁気抵抗素子と磁気スケールとの間のギャップ長ｇが所定ギャップ長に対して狭くなった場合、図１９に示すように磁気抵抗センサの磁気抵抗素子３の電極から検出されるＭＲ出力ＶＭＲの中心付近の出力波形が湾曲してしまい、湾曲したＭＲ出力ＶＭＲと電源電圧Ｖｃｃの１／２の電圧値との交点でパルスを発生させ、これを位置信号として用いているため、出力波形の中心付近の湾曲はパルスの発生位置の精度をばらつかせてしまうため、磁気抵抗センサとして特性が劣るという課題を有していた。
【０００９】
また、従来の磁気抵抗素子ではＭＲ出力ＶＭＲの湾曲を防止するために、磁気スケールの磁極幅に対する磁気抵抗素子の検出領域幅を最適化する試みがなされているが、出力電圧の低下を伴うため回路処理上新たな解決手段を講じなければならないという課題を有していた。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、磁気抵抗素子と磁気スケールとの間のギャップ長ｇが所定ギャップ長に対して狭くなった場合でも、出力波形が湾曲せず、またギャップ長ｇの変化に対して高い出力を安定して得られる磁気抵抗センサを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、磁性層と非磁性層とを交互に複数層積層してなる人工格子膜を使用し、検出方法の最適化を行い、従来に対して良好なる出力を得るものである。
【００１２】
以下に従来の磁気抵抗素子と比較しながら人工格子膜の磁気特性について説明する。
【００１３】
まず従来の磁気抵抗素子は強磁性金属で形成され、一般の強磁性金属に於いては、電気抵抗は磁化方向と電流方向とが平行の時最大、両者が直交したとき最小となる。異方性磁気抵抗効果の大きさを表す量としては、Δρ＝ρ（ＰＡＲＡＬＥＬＬ）−ρ（ＰＥＲＰＥＮＤＩＣＵＬＡＲ）と印加磁場０のときの抵抗値ρ０との比Δρ／ρ０（磁気抵抗変化率）が用いられる。室温におけるΔρ／ρ０が大きい材料としては、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系合金が知られている。これらのΔρ／ρ０は３％程度である。
【００１４】
これに対して人工格子膜は、ＮｉＦｅＣｏ等の強磁性層とＣｕ等の非強磁性金属を交互に積層することにより成り、ＲＫＫＹ的磁気結合により隣接する磁性層が反強磁性的に結合したとき大きな磁性抵抗効果を示す。
【００１５】
人工格子膜と従来の強磁性金属膜との最大の違いは、その磁気抵抗変化率の大きさと、磁気異方性と抵抗値変化の方向にある。磁気抵抗変化率は強磁性金属膜の最大３％に対して人工格子膜では少なくとも１０％以上である。また磁気異方性と抵抗値変化をする方向に対しては、強磁性金属膜は磁化された方向と電流方向が垂直の場合抵抗値が小さくなるのに対し、人工格子膜では磁化されるとほぼ等方的に抵抗値が小さくなる。このため、磁気抵抗素子の飽和磁界を計算する際、必要な式は
Ｈｋ＝Ｈａ＋４πＩｓ・Ｔ／Ｗ
Ｈｋ：素子の異方性磁界
Ｈａ：磁性膜本来の異方性磁界
Ｉｓ：飽和磁化
Ｔ／Ｗ：反磁界定数
で表されるが、強磁性金属膜の場合、電流方向即ちパターン長手方向に対し磁界が垂直のため
Ｔ：膜厚、Ｗ：パターン幅
であり、人工格子膜の場合は、電流方向即ちパターン長手方向に対し磁界が平行でもよく、このとき
Ｔ：パターン幅、Ｗ：パターン長
で示される。
【００１６】
この為感磁パターン形状も信号磁界を最大限の効率で検出するパターン設計が必要である。人工格子膜の特性を踏まえ、磁界の方向と平行に感磁パターンを配置することにより、従来の強磁性金属膜を用いた磁性抵抗センサより大きい出力を効率よく得ることができる。
【００１７】
また中心付近の出力波形の湾曲を防止しようとするには、所定のＮ極及びＳ極を等間隔で複数連続して着磁した磁気スケールと磁気抵抗素子を面対向して配置し、磁気スケールと磁気抵抗素子との相対的な位置の移動変化による磁気の変化を磁気抵抗素子で検出し、電圧変化として出力する磁気抵抗センサにおいて、磁気抵抗素子は、磁気スケールのＮ極及びＳ極の並び方向に対して平行な方向に伸張し、かつＮ極及びＳ極の並び方向にλ／４の０．８〜１．０倍の感磁パターン幅（ｄ）を有する磁気抵抗素子の折り返し帯状パターンが形成された感磁パターンを、磁気スケールの並び方向にλ／４の間隔で並べてなる第１及び第２の感磁パターンをシリーズ接続し、当該第１および第２の感磁部の両端に直流電圧を印加すると共に、第１及び第２の感磁部の接続点を出力端子とするものにより構成するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、所定の磁極幅でＮ極およびＳ極とを等間隔に複数連続して着磁した磁気スケールと、磁気抵抗素子とを面対向して配置し、前記磁気スケールと前記磁気抵抗素子との相対的な位置の移動変化による磁界の変化を前記磁気抵抗素子で検出し、電圧の変化として出力する磁気抵抗センサにおいて、前記磁気抵抗素子はＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなる磁性層とＣｕからなる非磁性層とを複数層積層してなる人工格子膜からなり、前記磁気抵抗素子である人工格子膜は、概長方形のパターン形状に加工され、前記パターン形状の長手方向が電流の流れる方向と同一であるとともに前記磁気スケールの信号磁界に略平行に配置され、前記磁気スケールのＮ極およびＳ極の並び方向に対して前記人工格子膜の長手方向の中心線が一致するように設け、かつ前記人工格子膜のパターンは、「λ／４×０．８＜ｄ＜λ／４×１．０（ただし、λはＮ極から隣接するＮ極までの距離、ｄは人工格子膜の感磁パターンの磁気スケールのＮ極およびＳ極との並び方向の幅）」としたものであり、磁気抵抗素子と磁気スケールとの間のギャップ長ｇが所定ギャップ長に対して狭くなった場合でも出力波形が湾曲しにくいとともにさらに高いＭＲ出力ＶＭＲを得られるという作用を有するものである。
【００１９】
また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気抵抗素子である人工格子膜のパターン形状を、磁気スケールのＮ極およびＳ極の並び方向に略直交する方向に、つづら折りにして設けたものであり、磁気抵抗素子を限られたスペース内でＮ極およびＳ極の並び方向に平行に感磁パターンを描画し、描画面積を増加させることにより、抵抗値を増加させることができるという作用を有するものである。
【００２０】
また請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の磁気抵抗素子である磁気抵抗素子の人工格子膜の感磁パターンは、磁気スケールのλ／２の整数倍に隔てて配置されるとともに、すべて直列に接続することにより、一対の感磁パターンのときに対してＡＭ変調率を改善することができるという作用を有するものである。
【００２１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の磁気抵抗素子である磁気抵抗素子の人工格子膜の感磁パターンの電流の流れる方向に対して略直交する方向のパターン幅を、つづら折りの折り返し部分の電流の流れる方向に対して略直交する方向のパターン幅より狭くすることにより、漏洩磁界の影響を抑制し、ＡＭ変調率を抑制することができるという課題を有するものである。
【００２２】
（実施の形態）
以下、本発明の一実施の形態における磁気抵抗センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図１は本発明の一実施の形態における磁気抵抗センサの模式図である。
図１において、２１は磁気抵抗センサ全体である。２５はＮ極およびＳ極とを等間隔で着磁した磁気スケールである。２６は磁気スケール２５に面対向するように設けられた磁気を検出する磁気抵抗素子である人工格子膜で、この磁気抵抗素子である人工格子膜２６は、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなる磁性層とＣｕからなる非磁性層とを複数層積層してなるものである（ｄは人工格子膜の感磁パターンの幅）。この磁気抵抗素子である人工格子膜２６は２つの概長方形の短形状の感磁パターン２７，２８をシリーズ接続して形成され、感磁パターン２７，２８のパターン形状の長手方向が電流の流れる方向３１と同一であるとともに、磁気スケール２５の信号磁界（メイン磁界）方向２９に略平行に配置されるとともに、この感磁パターン２７，２８のパターン形状の概長方形の短形部分の中心が磁気スケール２５のＮ極から隣接するＳ極までの距離である磁極幅λの１／４に設けられて磁気スケール２５のＮ極およびＳ極との並び方向と磁気抵抗素子である人工格子膜２６の長手方向の中心線が一致するように設けられかつ、磁気抵抗素子である人工格子膜２６のパターンは、「λ／４×０．８＜ｄ＜λ／４×１．０（ただし、λは磁気スケールのＮ極から隣接するＮ極までの距離、ｄは人工格子膜の感磁パターン（感磁パターンとは磁気抵抗素子を概長方形のパターン形状に加工された磁界感知部分）の磁気スケールのＮ極およびＳ極との方向の幅）」に設けられている。
【００２４】
磁気抵抗素子である人工格子膜２６の両端には、それぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子２４、接地端子２２が設けられ、この電源電圧Ｖｃｃ端子２４と接地端子２２との中点に出力端子２３が設けられている。磁気抵抗センサ２１では、矢印３０で示される磁気スケール２５のＮ極とＳ極の磁極との並び方向に対して、感磁パターン２７，２８の長手方向が略平行に配置され、また所定のギャップ長ｇを保持して配される。磁気抵抗センサ２１は、この磁気抵抗素子である人工格子膜２６に電源電圧Ｖｃｃ（本実施の形態では、Ｖｃｃ＝５Ｖ印加）を印加し、磁気スケール２５を磁気抵抗素子である人工格子膜２６に対して相対的に移動させ、この磁気スケール２５の相対的な移動によって生じる磁界の変化を磁気抵抗素子２６によって検出し、出力端子２３より出力電圧（ＭＲ出力ＶＭＲ）として出力するものである。
【００２５】
図２は本発明の一実施の形態における要部である磁気抵抗素子部の断面図である。
【００２６】
図２において４１はアルミナ等からなる方形の基板である。４２は基板４１の上面と側面とを覆うように設けられたガラス等からなるグレーズ層である。４３はグレーズ層４２の上面に設けられた人工格子膜を用いた所望の感磁パターンで、図３に本発明の一実施の形態における要部である磁気抵抗素子である人工格子膜の感磁パターンの拡大した断面を模式した図に示す通り、磁気抵抗素子である人工格子膜４３は、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなる磁性層４８とＣｕからなる非磁性層４９とを交互に複数層積層して設けられるものである。
【００２７】
４６は方形の基板４１の角部に磁気抵抗素子である人工格子膜２６の感磁パターン４３と電気的に接続するように設けられた銀パラジウム等からなる電極層である。４５は磁気抵抗素子である人工格子膜２６の感磁パターン４３を覆うように設けられたフェノール形の樹脂等からなる保護膜である。４４は第１の保護膜４５の上面に設けられ第１の保護膜４５よりも面積が小さく、第１の保護膜４５より硬いフェノール系の樹脂等からなる第２の保護膜である。４７は基板４１の下面に電極層４６と電気的に接続するように設けられたリン青銅等からなるリード端子である。
【００２８】
以上のように構成された本発明の一実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子部について、以下にその製造方法を図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図４は本発明の一実施の形態における磁気抵抗センサの要部である磁気素子部の製造工程図である。
【００３０】
まず、図４（ａ）に示すように、アルミナ等からなる方形の基板４１の上面に必要に応じて印刷等の工程でガラスペースト等を塗布してグレーズ層４２を形成する。
【００３１】
次に、基板４１の角部に銀パラジウム等の金属ペーストを用いて電極層４６を形成するとともに、グレーズ層４２の上面に電極層４６と電気的に接続するようにスパッタ装置等で、フォトリソグラフィー等の工法を用いて概長方形の形状に加工した感磁パターンを有する磁気抵抗素子の人工格子膜４３を形成する。
【００３２】
次に、図４（ｂ）に示すように、少なくとも磁気抵抗素子の人工格子膜４３を覆うように前工程で得られた基板４１の上面に、フェノール系の樹脂等を印刷・乾燥させ、第１の保護膜４５を形成した後、この第１の保護膜４５の上面に第１の保護膜４５より面積が小さくなるように、第１の保護膜４５よりも硬いフェノール系の樹脂等の第２の保護膜４４を形成する。
【００３３】
次に、図４（ｃ）に示すように、素子５０の下面に電極層４６と電気的に接続するようにリン青銅等からなる金属をはんだ付けし、リード端子４７を形成し、磁気抵抗素子２６を製造する。
【００３４】
以下に、磁気抵抗素子２６の材料に従来の強磁性金属膜ではなく、人工格子膜を用いる利点の説明を磁気特性を踏まえて説明する。
【００３５】
一般に、磁気抵抗センサ２１として必要なパターニングによる磁気感度の向上は一般に異方性磁界強度（Ｈｋ）を小さくすることにより行う。
【００３６】
図５は本発明の一実施の形態における要部である人工格子膜の磁気抵抗変化率と磁気強度の関係（磁気特性）を示す。図で図５（ａ）は、信号磁界の方向と感磁パターンの長手方向が垂直の時の磁気抵抗変化率と磁界強度との関係を示したもの、図５（ｂ）は平行の時のものである。ここで図５（ｂ）の条件の方が、異方性磁界強度（Ｈｋ）が小さく磁気感度が高いのが確認できる。
【００３７】
また、図６は従来の磁気センサの要部である強磁性金属膜の磁気抵抗変化率と磁気強度の関係を示したもので、図６（ａ）は信号磁界３０の方向と感磁パターンの長手方向が垂直の時の磁気抵抗変化率と磁界強度との関係を示したもの、図６（ｂ）は平行の時のものである。
【００３８】
図５と図６とを比較すると、本実施の形態で用いる人工格子膜の方が従来の強磁性金属膜より、磁気抵抗変化率が約５倍以上あり、大きな出力が期待できる。また、信号磁界３０と感磁パターンの長手方向が平行な場合、強磁性金属膜では磁気抵抗変化率がほとんどないのに対して人工格子膜は信号磁界３０と感磁パターンの長手方向が垂直な場合より磁気感度が高い。
【００３９】
以上のように、本実施の形態で用いる人工格子膜と従来の強磁性金属膜とでは磁気特性が大きく異なり、人工格子膜の特徴を最大限に生かすには、独自のパターン形状が必要になるのが確認できる。
【００４０】
そこでパターニングによる磁気感度の向上は、人工格子膜の感磁パターン２７，２８において、Ｓ極およびＮ極の並び方向（信号磁界の方向）に平行に配置することにより磁気感度が向上することができる。
【００４１】
以下に、磁気抵抗センサ２１の出力波形の湾曲の防止と出力電圧について述べる。
【００４２】
まず、磁気抵抗素子である人工格子膜２６の「感磁パターン幅ｄ」を変化させ、その結果磁極幅との比「ｄ×４／λ」を変化させることによってＭＲ出力ＶＭＲを変化させ得る。以上の時の「ｄ×４／λ」とＭＲ出力ＶＭＲとの関係を図７に示す（「ギャップ長ｇ」は、２０μｍに固定）。
【００４３】
図７において、ｄ×４／λ＝０．２（Ａ）、ｄ×４／λ＝０．４（Ｂ）、ｄ×４／λ＝０．６（Ｃ）、ｄ×４／λ＝０．８（ｄ）、ｄ×４／λ＝１．０（Ｅ）、ｄ×４／λ＝１．２（Ｆ）とｄ×４／λの値を大きくするに従ってＭＲ出力ＶＭＲの中心部における出力波形の湾曲が少なくなっていき、ｄ×４／λが０．８においては、ギャップ長＝２０μｍにおいても湾曲が見られなくなるのが確認できる。またｄ×４／λをさらに大きくしても湾曲は現れなくなっているのが確認できる。
【００４４】
したがって感磁パターン幅ｄを０．８λ以上にすれば、ギャップ長ｇが狭くなった場合でも湾曲が発生せず精度の良い磁気抵抗素子である人工格子膜２６を実現することができる。
【００４５】
以下に、図８は各々の「ｄ×４／λ」の値におけるギャップ長と出力電圧の値の関係を示す。図８において、横軸は素子面から磁気スケール表面までの距離、縦軸は印加電圧５Ｖ時の出力電圧の値である。
【００４６】
図７より、「ｄ×４／λ」を０．８以上広げることにより出力の湾曲が防げることが確認できた。しかし、図８に示すように「ｄ×４／λ」の値が大きいほど同じギャップ長での出力電圧は小さくなり、「ｄ×４／λ＝１．０以上」の場合はＭＲ出力ＶＭＨの減少が著しくなる。出力電圧が小さいと処理回路上で問題点が生じてくるためｄ×４／λの値は１．０以下に規定することができる。
【００４７】
また、出力電圧は大きいほどＳ／Ｎ比の点から有利になることから、「ｄ×４／λ」の最適値は約０．８付近とすることができる。
【００４８】
以上の構成によれば、感磁パターンの材料に磁気抵抗素子である人工格子膜を用い、さらに磁気抵抗素子である人工格子膜２６と面対向する磁気スケール２５とのギャップ長ｇが狭く出力電圧の中心部分の出力波形に湾曲が発生するような場合、磁気スケール２５に面対向する磁気抵抗素子である人工格子膜２６の感磁パターン幅ｄを広げ、感磁パターン幅ｄと感磁幅λとの比「ｄ×４／λ」を約０．８にすることにより、ギャップ長ｇが狭い場合でもＭＲ出力ＶＭＲの中心付近の出力波形の湾曲が少ない精度の良い、高出力の磁気抵抗センサ２１を実現することができる。なお比較のため、図８のＡは従来の強磁性金属膜を用いた磁気抵抗素子のＭＲ出力ＶＭＲを示すが、これより明らかなように磁気抵抗素子である人工格子膜を用いた方が、従来の強磁性金属膜を用いた時より２〜６倍の出力を得ることができるのを確認できる。
【００４９】
図９は本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図である。
【００５０】
図９において、６１は磁気スケール（本図では、図示せず）に面対向に配置される磁気抵抗素子である。この磁気抵抗素子６１の両端にはそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子６２、接地端子６４が形成され、この電源電圧Ｖｃｃ端子６２と接地端子６４の中点に出力端子６３が形成されている。６５，６６は感磁パターンがつづら折りされた基礎感磁パターンを示す。所定の抵抗値を得るためには、図９のように人工格子膜のパターン形状は、磁気スケールのＮ極およびＳ極の並び方向に略直交する方向につづら折りすることにより、磁気抵抗素子６１において、限られたスペース内でＮ極およびＳ極の並び方向に平行に感磁パターンを描画し、描画面積を増加させることにより所定の抵抗値を得ることができる。
【００５１】
さらに上述の実施の形態においては、一対の感磁パターンをシリーズ接続し、その中点に１つの出力端子を形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、シリーズ接続した一対の感磁パターンを、λの所定整数倍の間隔を離した位置に複数個接続するようにしても良い。この場合、一対の感磁パターン単体のときに比して一層感度を上げる事ができる。図１０はキャプスタンモータに組み込んだ際の出力波形に及ぼすモータの駆動用マグネットの漏洩磁界の影響を調べたものである。横軸は素子面から磁気スケールまでのギャップ長、縦軸は出力電圧のＡＭ変調率（モータの回転子が一回転した時の（最大出力−最小出力）／最小出力の百分率であり値の小さい方が良い）を示す。図のＡは一対の感磁パターンの場合、Ｂは二対の感磁パターンの場合のＡＭ変調率で、両者を比較すると、二対の感磁パターンの方（Ｂ）がＡＭ変調率が小さく、漏洩磁界の影響を受け難いのが確認できる。
【００５２】
さらに、図１１、図１２は本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図である。
【００５３】
図１１において、７１は磁気スケールに面対向に配置される磁気抵抗素子である。この磁気抵抗素子７１の両端にはそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子７４、接地端子７２が形成され、この電源電圧Ｖｃｃ端子７４と接地端子７２との中点に出力端子７３が形成されている。７５，７６は感磁パターンがつづら折りされた基礎感磁パターンを示す。またａは感磁パターンの電流の流れる方向に対して略直交する方向の距離を示し、ｂはつづら折りの折り返し部分の電流の流れる方向に対して略直交する方向の距離を示す。
【００５４】
図１２において、７８は磁気スケールに面対向に配置される磁気抵抗素子である。この磁気抵抗素子７８の両端にはそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子８１、接地端子７９が形成され、この電源電圧Ｖｃｃ端子８１と接地端子７９との中点に出力端子８０が形成されている。８２，８３は感磁パターンがつづら折りされた基礎感磁パターンを示す。またａは感磁パターンの電流の流れる方向に対して略直交する方向の距離を示し、ｂはつづら折りの折り返し部分の電流の流れる方向に対して略直交する方向の距離を示す。
【００５５】
ここで図１２はａ＝ｂの感磁パターンの磁気抵抗素子７８、図１１はａ＝２ｂにした感磁パターンの磁気抵抗素子７１であり、上述の２つの形状の感磁パターンを有する磁気抵抗素子においてのＡＭ変調率とギャップ長との関係を示したのが図１３である。
【００５６】
図１３において、横軸は素子面から磁気スケールまでのギャップ長、縦軸は出力電圧のＡＭ変調率を示し、Ａは図１２の磁気抵抗素子７８の場合のＡＭ変調率、Ｂは図１１の磁気抵抗素子７１の場合のＡＭ変調率を示す。図１３が示すようにＡ，Ｂを比較するとＢの方がＺＭ変調率が小さく、漏洩磁界の影響を受け難いのが確認できる。
【００５７】
なお、本実施の形態では、人工格子膜の磁気抵抗素子のパターン形状の基本模式図を図１，図９，図１１に示したが図１４に示すようなパターン形状にすると図１，図９，図１１の特長を生かした、狭いギャップでも波形に歪みが生じず、ヒステリシスをおさえ、所定の抵抗値を有し、ＡＭ変調率が小さいという特性がさらに得られる。図１４において、８０は磁気抵抗素子を示し、磁気抵抗素子８０にはそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子８１、接地端子８２が形成され、この電源電圧Ｖｃｃ端子８１と接地端子８２との中点に出力端子８３，８４が形成されている。また８５は感磁パターンをつづら折りして形成された基礎感磁パターンであり、８６はその基礎感磁パターンを電気的に導通させ、直列接続させるための引き回し部分である。またｌは基礎感磁パターンの磁気スケールの並び方向に対して垂直な方向の長さを示す。
【００５８】
また、比較のために従来例として強磁性金属膜のパターン形状を図１５に示す。９０は磁気抵抗素子を示し、磁気抵抗素子９０にはそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ端子９１、接地端子９２が形成され、この電源電圧Ｖｃｃ端子９１と接地端子９２との中点に出力端子９３，９４が形成されている。９５は感磁パターンをつづら折りして形成された基礎感磁パターンであり、９６はその基礎感磁パターンを電気的に導通させ、直列接続させるための引き回し部分である。
【００５９】
ここで上述の図１４と図１５の磁気抵抗素子の出力電圧とギャップ長との関係を図１６に示す。
【００６０】
図１６において、横軸は素子面から磁気スケール表面までの距離、縦軸は印加電圧５Ｖ時の出力電圧の値である。またＡは図１４の形状の磁気抵抗素子で材料は人工格子膜を用いた場合の出力特性で、Ｂは図１５の形状の磁気抵抗素子で材料は強磁性金属膜を用いた場合の出力特性である。
【００６１】
ＡとＢを比較するとＡの方が倍以上の出力が確認できる。
また図１４の磁気抵抗素子８０のように、ｌの長さを従来より短くし、漏洩磁界の影響の少ない方向に、基礎感磁パターン８５を配置することにより、ＡＭ変調率が小さくなる。
【００６２】
さらに上述の実施の形態においては、本発明を一相の磁気抵抗センサについて述べたが、本発明はこれに限らず、二相、三相等、多相の磁気抵抗センサに対して用いれば、出力の中心付近の直線性が改善され、検出精度を一層向上させ得る。
【００６３】
さらに上述の実施の形態においては、磁気スケールと磁気抵抗素子との相対的な位置移動を発生させるのに、回転ドラムでなる磁気スケールを回転させる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばリニアモータにおける場合のように、直線運動による相対的な位置移動から、磁界の変化を検出するようにしても良い。また磁気スケールと磁気抵抗素子との位置移動は相対的なものではないので、磁気スケール又は磁気抵抗素子のどちらかが位置移動しても良い。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１に記載の発明は、人工格子膜を用い、なおかつ磁気抵抗素子の感磁パターンを磁気スケールの一定の磁極幅（λ／４）の０．８〜１．０倍の間に設定することにより、磁気抵抗素子と磁気スケールとの対向間隔を狭めても、出力波形に湾曲が発生せず安定した高出力を得ることができる磁気抵抗センサを提供できるものである。
【００６５】
また、本発明の請求項２に記載の発明は、所定の抵抗値を得るためには、磁気抵抗素子である人工格子膜のパターン形状をつづら折りすることにより、磁気抵抗素子を限られたスペース内でＮ極およびＳ極の並び方向に平行に感磁パターンを描画し、描画面積を増加させることにより、所定の抵抗値を得ることができる磁気センサを提供できるものである。
【００６６】
また、本発明の請求項３に記載の発明は、シリーズ接続した一対の感磁パターンを、λ／４の所定整数倍の間隔を離した位置に複数個接続することにより、一対の感磁パターン単体のときに比してＡＭ変調率を改善した磁気センサを提供できるものである。
【００６７】
また、本発明の請求項４に記載の発明は、感磁パターンの電流の流れる方向に対して略直交する方向のパターン幅を、つづら折りの折り返し部分の電流の流れる方向に対して略直交する方向のパターン幅より狭くすることにより、ＡＭ変調率を改善した磁気センサを提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における磁気抵抗センサの模式図
【図２】同要部である磁気抵抗素子部の断面図
【図３】同要部である人工格子膜を拡大した断面図
【図４】同要部である磁気抵抗素子部の工程図
【図５】同要部である人工格子膜の磁気抵抗変化率と磁界強度との関係を説明する図
【図６】従来の強磁性金属膜の磁気抵抗変化率と磁界強度との関係を説明する図
【図７】本発明の一実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の感磁パターン幅とＭＲ出力ＶＭＲに発生する中心付近の湾曲との関係を示す信号波形図
【図８】本発明の一実施の形態に磁気センサおよび従来の磁気センサの要部である磁気抵抗素子のギャップ長と出力電圧との関係を説明する図
【図９】本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図
【図１０】同要部である磁気抵抗素子におけるギャップ長と出力電圧との関係を説明する図
【図１１】本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図
【図１２】本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図
【図１３】本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子のギャップ長とＡＭ変調率との関係を説明する図
【図１４】本発明の他の実施の形態における磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図
【図１５】従来の磁気センサの要部である磁気抵抗素子の模式図
【図１６】本発明の他の実施の形態における磁気センサおよび従来の磁気センサの要部である磁気抵抗素子のギャップ長と出力電圧の関係を説明する図
【図１７】従来の磁気抵抗センサの模式図
【図１８】同使用例を説明する模式図
【図１９】同信号波形図
【符号の説明】
２５ 磁気スケール
２６ 人工格子膜
Claims (4)
- 所定の磁極幅でＮ極およびＳ極とを等間隔に複数連続して着磁した磁気スケールと、磁気抵抗素子とを面対向して配置し、前記磁気スケールと磁気抵抗素子との相対的な位置の移動変化による磁界の変化を前記磁気抵抗素子で検出し、電圧の変化として出力する磁気抵抗センサにおいて、前記磁気抵抗素子はＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなる磁性層とＣｕからなる非磁性層とを複数層積層してなる人工格子膜からなり、前記磁気抵抗素子である人工格子膜は、概長方形のパターン形状に加工され、前記パターン形状の長手方向が電流の流れる方向と同一であるとともに前記磁気スケールの信号磁界方向に略平行に配置され、前記磁気スケールのＮ極およびＳ極との並び方向に対して前記人工格子膜の長手方向の中心線が一致するように設け、かつ前記人工格子膜のパターンは、「λ／４×０．８＜ｄ＜λ／４×１．０（ただし、λは磁気スケールのＮ極から隣接するＮ極までの距離、ｄは人工格子膜の感磁パターン（感磁パターンとは磁気抵抗素子である人工格子膜を概長方形のパターン形状に加工された磁界感知部分）の磁気スケールのＮ極およびＳ極との並び方向の幅）」である磁気抵抗センサ。
- 磁気抵抗素子である人工格子膜のパターン形状は、磁気スケールのＮ極およびＳ極の並び方向に略直交する方向に、つづら折りにして設けた請求項１記載の磁気抵抗センサ。
- 磁気抵抗素子である人工格子膜の感磁パターンは、磁気スケールのλ／２の整数倍に隔てて配置されるとともに、すべて直列に接続される請求項１記載の磁気抵抗センサ。
- 磁気抵抗素子である人工格子膜の感磁パターンの電流の流れる方向に対して略直交する方向のパターン幅を、つづら折りの折り返し部分の電流の流れる方向に対して略直交する方向のパターン幅より狭くした請求項１または２記載の磁気抵抗センサ。
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- 1997-11-14 JP JP31299697A patent/JP3555412B2/ja not_active Expired - Fee Related
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