JP5409088B2 - 歯車回転速度の測定方法および歯車回転速度検出器 - Google Patents

Description

本発明は回転速度測定技術分野全般に係わり、特に、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子またはＭＴＪ（磁気トンネル接合）素子を用いた磁気検出器を利用して歯車の回転を測定可能な歯車回転速度の測定方法および歯車回転速度検出器に関する。

図５に示すように、従来の歯車センサ１は、２つのホール効果センサ１２を含むＩＣ（集積回路）１１と、単一の硬磁性磁石（永久磁石）１３とにより構成される。これらの２つのホール効果センサ１２は、鉄を含有する対象物の磁気プロファイルを異なる位置で同時に検出することにより、アナログの内部差分電圧を発生させる。このアナログ差分電圧にディジタル化処理が施されることにより、高精度のデジタル出力信号への変換が行われる。２つのホールプローブ（すなわちホールセンサ）は、大きな差分信号出力を得ることができるようにするために、その一方のホール効果センサ１２が磁界の集中するギア歯１４に対向し他方のホール効果センサ１２が歯車のギャップ１５に対向するように、互いの間に一定の間隔を設けて配置されている。硬磁性磁石１３は、その一方の磁極がＩＣ１１の背面側に面するように配置され、一定のバイアス磁界を発生させるようになっている。

一方のホール効果センサ１２が一時的にギア歯１４に対向し、他方のホール効果センサ１２が一時的にギア歯１４とギア歯１４との間のギャップ１５に対向しているとき、歯車は磁束集中器として作用する。これにより、ホールプローブを通る磁束の密度が高められ、差分信号が生じる。歯車が回転するにしたがって、差分信号の極性は、ギア歯１４からギャップ１５へと変化する速さと同じ速さで変化する。ＩＣ１１にはハイパスフィルタ（図示せず）が一体に形成されており、このハイパスフィルタが、外部のコンデンサ（図示せず）により設定される時定数によって差分信号を零に調節する。これにより、最小限の速度で変化する差分のみが測定される。定常状態にある場合、出力信号は出力されない（あるいは、意味を持たない）。

また、巨大磁気抵抗効果に基づく歯車センサも提案されている。図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、このような歯車センサの検出構造は、２つのホールプローブが同数のＧＭＲセンサ２によって置き換えられている点を除いて、従来のホールＩＣに基づく歯車センサと同様である。ＧＭＲ素子は高い感度を有することから、ＧＭＲを用いた歯車センサは、定格温度および定格電圧範囲にわたって、安定した非常に大きな出力信号を供給することができる。そのため、ＧＭＲを用いた歯車センサは、エアギャップが存在する場合においても検出性能に優れており、極めて安定した動作範囲を有するとともに強固な信頼性を有するという特徴がある。

先行技術を調査したところ、以下の関連文献が見つかった。

特許文献１（Busch等）は、１つもしくは２つのホール素子、またはホイートストンブリッジを構成するように配置された４つの磁気抵抗効果素子を用いて構成した検出素子を開示している。特許文献２（Kande等）は、ホール効果センサまたは磁気抵抗効果センサを備える歯車センサを開示している。特許文献３（Bailey）には、同様に、ホール効果センサまたはＧＭＲセンサを用いた歯車センサを開示している。また、その他の技術文献として、非特許文献１〜３がある。

米国特許出願公開第２００３／０１０７３６６号明細書 米国特許第７，１９５，２１１号明細書 米国特許第７，１３８，７９３号明細書

「動的差分ホール効果センサＩＣ ＴＬＥ ４９２３（Dynamic Differential Hall Effect Sensor IC TLE 4923）」インフィニオン・テクノロジーズ社アプリケーションノート（Infineon application note）； HYPERLINK "http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/infineon/1-tle4923.pdf" http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/infineon/1-tle4923.pdf 「精密歯車センサおよび精密エンコーダセンサ（Precision Gear Tooth and Encoder Sensors）」NVE社 アプリケーションノート（NVE application note） ； HYPERLINK "http://www.nve.com/gtSensors.php" http://www.nve.com/gtSensors.php タラス・ポクヒル（Taras Pokhil）等著、「ＰｔＭｎ／ＮｉＦｅ二重層の交換異方性特性およびマイクロマグネティック特性（Exchange Anisotropy and Micromagnetic Properties of PtMn/NiFe bilayers）」J. Appl. Phys.、2001年、89、6588

図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、バイアス磁石によって生じた磁界２１は、動作中の歯車からの影響を受ける。ＧＭＲセンサは、ＧＭＲの膜面における磁界成分の変動を検出する役割を果たす。そして、二つのＧＭＲセンサまたはＧＭＲブリッジから、差分信号が出力される。ホールＩＣを用いた歯車センサの場合と同様に、永久磁石におけるいずれかの磁極がＧＭＲセンサの背面側に隣接して設けられているので、バイアス磁界はＧＭＲ膜に対してほぼ垂直となっている。したがって、組立工程の際に、永久磁石の機械的配置のばらつきやＧＭＲセンサの取り付けの傾きが生じた場合には、ＧＭＲの膜面に大きなオフセット磁界が発生し、その結果、性能劣化が生じる恐れがある。また、この従来技術の構造では、個々の歯車の寸法に応じて、２つのＧＭＲセンサを一定の間隔（０．５ｍｍないし５ｍｍ）を設けて配置する必要があるので、それらを最初から同一のウェハ上に形成することができず、ＧＭＲセンサの各々をまず個別に形成した上でＩＣの他の部品とともに組み立てる必要がある。このため、高コストであるとともに、取り付け作業のたびに、ばらつきが追加され易い。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、強磁性材料を含有する歯車の回転速度を高精度に測定することが可能な歯車回転速度の測定方法および歯車回転速度検出器を提供することにある。特に、検出対象である歯車に対する正確な配置方向が変化した場合であっても、それによる影響を受けにくい歯車回転速度検出器を提供することにある。

これらの目的は、以下の各構成により達成される。

本発明における歯車回転速度の測定方法は、強磁性材料を含む歯を有する歯車の回転速度を測定する方法であって、少なくとも２つの永久磁石を、零磁界領域が形成されるように配置し、零磁界領域に、偶数個の磁気抵抗効果素子を、互いに等しい素子数の第１および第２のグループに分けて配置し、第１のグループの磁気抵抗効果素子を、第２のグループの磁気抵抗効果素子が置かれる磁気環境とは異なる磁気環境の下に配置することにより、永久磁石および磁気抵抗効果素子と磁気環境とが一緒になって回転速度検出器を構成するようにし、この回転速度検出器を歯車の近傍に配置し、歯車が回転したときに生ずる差分信号を用いて、歯車の歯が回転速度検出器を通過する速度を求めるようにしたものである。

具体的には、第１および第２のグループがそれぞれ第１および第２の磁気抵抗効果素子を含むようにし、第１の磁気抵抗効果素子の入力端を外部に接続すると共に出力端をホイートストンブリッジの第１の出力端および他のグループの磁気抵抗効果素子に接続し、第２の磁気抵抗効果素子の入力端を他のグループの磁気抵抗効果素子に接続すると共にホイートストンブリッジの第２の出力端に接続することにより、複数の磁気抵抗効果素子を相互に接続してなるホイートストンブリッジを構成し、第１のグループの構成要素の全体を、第１の方向を有する第１の局部生成磁界の中に配置する一方、第２のグループの構成要素の全体を、第１の方向とは異なる第２の方向を有する第２の局部生成磁界の中に配置する、というものである。この場合、第２の方向を第１の方向と反平行にすることにより、大きな差分信号を生じさせることができる。第１および第２の局部生成磁界は、一回巻のコイル導体に電流を流すことによって生じさせることが可能である。この場合、コイル導体に電流パルスを流すことにより、各磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化方向を第１および第２の方向にプリセットするようにするのが好ましい。

本発明における歯車回転速度検出器は、強磁性材料を含む歯を有する歯車の回転速度を測定する検出器であって、零磁界領域が形成されるように配置された少なくとも２つの永久磁石と、零磁界領域に第１および第２のグループに分けて配置され、ホイートストンブリッジを構成するように相互に接続された偶数個の磁気抵抗効果素子とを備える。第１および第２のグループは、それぞれ、第１および第２の磁気抵抗効果素子を含む。第１の磁気抵抗効果素子の入力端は外部に接続され、出力端はホイートストンブリッジの第１の出力端および他のグループの磁気抵抗効果素子に接続される。第２の磁気抵抗効果素子の入力端は他のグループの磁気抵抗効果素子に接続されると共にホイートストンブリッジの第２の出力端に接続される。第１のグループの構成要素の全体が、第１の方向を有する第１の局部生成磁界の中に配置される一方、第２のグループの構成要素の全体が、第１の方向とは異なる第２の方向を有する第２の局部生成磁界の中に配置される。

磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ素子またはＭＴＪ素子を用いることができる。回転速度検出器は、交換ピンニング磁界を用いることにより、単一のウェハ上に形成可能である。永久磁石の断面積は、例えば、０・５ｍｍ²ないし５０ｍｍ²とし、高さを０・５ｍｍないし２０ｍｍとし、永久磁石の磁化は、０・１テスラないし１・０テスラにすることが可能である。

以上の構成により、様々な歯車寸法への応用に適した、高精度で大きな信号出力を有する完全な単一チップソリューションが実現される。

従来技術のセンサでは、オフセット磁界およびそのばらつきが不可避的に大きくなってしまい、しかも、少なくとも２つの別個のＭＲチップを用いる必要がある上、それらを歯車から特定かつ厳密な距離に配置する必要があった。これに対して、本発明では、２つの（またはそれ以上の）永久磁石の間の近接磁界領域（near field region）に、複数の磁気抵抗効果素子を含んで単一チップ化された歯車回転速度検出器（ＭＲセンサ）を配置するようにしたので、組立精度に起因して生ずるオフセット磁界による影響を最小限に抑えることができる。そして、この単一チップ化されたＭＲセンサは、歯車サイズによる制約を受けず、様々な歯車寸法にわたって適用可能である。

本発明によれば、２つ以上の永久磁石を、零磁界領域が形成されるように配置すると共に、この零磁界領域に、複数の磁気抵抗効果素子を配置するようにしたので、良好な組立マージンを有する単一化されたＭＲセンサを得ることができ、歯車の回転速度を高精度に測定することが可能である。特に、検出対象である歯車に対する正確な配置方向が変化した場合であっても、それによる影響を受けにくい構成が得られる。

また、本発明によれば、零磁界領域に、偶数個の磁気抵抗効果素子を、互いに等しい素子数の第１および第２のグループに分けて配置し、第１のグループの磁気抵抗効果素子を、第２のグループの磁気抵抗効果素子が置かれる磁気環境とは異なる磁気環境の下に配置するようにしたので、それらの磁気抵抗効果素子から得られる差分信号がより大きくなり、検出の感度や精度が高くなる。

本発明の実施の形態に係るＭＲセンサアッセンブリの基本的な構成を示す図である。 歯車が回転したときに生じるＭＲ信号の変化を示すプロット図である。 第１の実施の形態におけるホイートストンブリッジを示す図である。 第２の実施の形態におけるホイートストンブリッジを示す図である。 従来のホール効果ＩＣに基づく歯車センサを用いたデバイスを示す図である。 従来技術のデバイスにおいて、ＧＭＲに基づく歯車センサを歯車が通過する様子を順次示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
本実施の形態の重要な特徴は、ＭＲ素子を利用した歯車センサとともに複数の永久磁石を用いてＭＲセンサアッセンブリを構成することにある。図１に示したように、このＭＲセンサアッセンブリ３０は、ウェハチップ３１の中央部に形成された１つのＭＲセンサ３２と、２つの永久磁石３３Ａ，３３Ｂとを備えている。ＭＲセンサ３２は、２つのＭＲ素子（図示せず）または単一のＭＲホイートストンブリッジ（図示せず）を含んで構成されている。ウェハチップ３１は、回転するギア歯１４に対向して設けられている。２つの永久磁石３３Ａ，３３Ｂはいずれも、ＭＲセンサ３２に直接対向しないように、ＭＲセンサ３２を中心として左右対称に配置されている。これらの永久磁石３３Ａ，３３Ｂは、それぞれ、同じ磁極（ＳまたはＮ）がギア歯１４に対向するように配置されている。

ＭＲセンサ３２を構成する複数のＭＲ素子は、それぞれ、例えばＧＭＲ素子やＭＴＪ素子により構成される。ＧＭＲ素子は、例えば、シード層／ＡＦＭ層／ＡＰ２層／中間層（Ｒｕ）／ＡＰ１層／非磁性導電スペーサ（Ｃｕ）／フリー層／キャップ層という積層構造として形成される。ＭＴＪ素子は、例えば、シード層／ＡＦＭ層／ＡＰ２層／中間層（Ｒｕ）／ＡＰ１層／トンネルバリア層／フリー層／キャップ層という積層構造として形成される。ここで、ＡＦＭ層は、反強磁性のピンニング層であり、ＡＰ２層／中間層（Ｒｕ）／ＡＰ１層は、反平行シンセティック構造のピンド層である。

図１に示したように、ＭＲセンサ３２の位置における磁界（永久磁石３３Ａ，３３Ｂによって直接生じたもの）は、その幾何学的配置および永久磁石３３Ａ，３３Ｂの強度に左右される。例えば、図１において、右側の永久磁石３３Ａは、ウェハチップ３１のウェハ面に対して垂直な磁界および水平な磁界を発生する。このうち、垂直方向の磁界は、（α−β）Ｍに比例する。ここで、αおよびβは、右側の永久磁石３３Ａにおける２つの磁極（Ｓ極およびＮ極）がそれぞれＭＲセンサ３２の中心位置を見込む角度であり、Ｍは、永久磁石３３Ａ，３３Ｂの残留磁化である。左側の永久磁石３３Ｂについても同様である。

垂直方向の磁界は、これらの２つの角度α，βが互いに等しくなるようにすることにより、零になる。また、水平磁界は、２つの永久磁石３３Ａ，３３ＢがＭＲセンサ３２の両側に対称的に設けられているので、垂直方向と同様に相殺される。このようなＭＲセンサアッセンブリ３０を歯車の回転速度検出に用いる場合には、ＭＲセンサアッセンブリ３０が歯車に近接し、かつ、対向するように配置する。強磁性材料としての鉄を含有する歯車が動作するにしたがい、永久磁石３３Ａ，３３Ｂによって発生した磁束は変化する。ＭＲセンサ３２は、磁気抵抗薄膜３１の膜面において、永久磁石３３Ａ，３３Ｂによって変化しつつある磁界を受ける。なお、永久磁石は、２個に限られることはなく、垂直方向および水平方向の磁界がいずれも零になるように構成できるのであれば、３個以上配置してもよい。

図２は、歯車を回転させた場合におけるＭＲ信号（検出磁界）のシミュレーションデータを示す。ここでは、歯車のギア歯１４のピッチを６ｍｍとし、ギア歯１４からＭＲセンサ３２までの最近接距離が１．５ｍｍとなるようにした。図中、曲線４１は、ＭＲセンサ３２が受けた水平磁界を表す。通常、ＭＲセンサ３２は永久磁石３２Ａ，３２Ｂに対して若干傾斜していることから、その傾斜に起因するオフセット磁界も同様に算出した。

本実施の形態の構成では、永久磁石３２Ａ，３２Ｂの特別な配置により垂直方向の磁界が零に（または零に近く）なっていることから、曲線４２で示したように、オフセット磁界は非常に小さく保たれている。一方、従来技術の構成では、曲線４３で示したように、傾斜がわずか（例えば、３度）であったとしても、オフセット磁界は水平磁界の６０％にまでなり得ることから、許容できないほどの大きな検出誤差を生じさせる可能性がある。

本実施の形態のさらなる特徴は、ウェハレベルのプロセスを用いて、ＭＲ（ＧＭＲまたはＭＴＪ）素子を用いたＭＲセンサ３２を、それに付随する複数の永久磁石とともに製造することを可能にした点にある。ＭＲセンサ３２内には、磁界検出用として、２つのＭＲ検出素子、または単一のＭＲホイートストンブリッジが用いられている。以下、ＭＲホイートストンブリッジを用いる場合を例示して説明する。

［第１の実施の形態］
図３は、第１の実施の形態に係るホイートストンブリッジを表すものである。このＭＲホイートストンブリッジ５６は、４つの同一のＭＲ素子（ＭＲストライプ）５１，５２，５３，５４を備えている。ここでは、後述する磁気環境の観点から、ＭＲ素子５１，５４を第１のグループとし、ＭＲ素子５３，５２を第２のグループとする。

ＭＲホイートストンブリッジ５６の具体的な構成は、次の通りである。すなわち、第１のグループにおけるＭＲ素子５１（第１の磁気抵抗効果素子）の入力端は外部の定電源Ｖｄｄに接続され、出力端はＭＲホイートストンブリッジ５６の第１の出力端および第２のグループのＭＲ素子５２に接続されている。第１のグループにおけるＭＲ素子５４（第２の磁気抵抗効果素子）の入力端は、第２のグループのＭＲ素子５３に接続されると共にホイートストブリッジ５６の第２の出力端に接続されている。このように、電流径路に着目すると、ＭＲ素子５１，５２が第１のブランチを構成し、ＭＲ素子５３，５４が第２のブランチを構成していることになる。

第１のブランチ（ＭＲ素子５１，５２）および第２のブランチ（ＭＲ素子５３，５４）の両方に、一定電圧Ｖｄｄが共通に印加される。第１のブランチ（ＭＲ素子５１，５２）の中間点からは、出力電圧Ｖｏｕｔ１が取り出され、第２のブランチ（ＭＲ素子５３，５４）の中間点からは、出力電圧Ｖｏｕｔ２が取り出される。ＭＲ素子５１〜５４はそれぞれ、各長手方向に沿って同じ一軸異方性を有し、素子内部のピンド磁化ＰＭ（Pinned Magnetization）の方向が、その長手方向と直交している。なお、図中の矢印５７は歯車磁界を表している。

本実施の形態の特徴のひとつは、軟強磁性材料層を含んだ磁気シールド５５をＭＲ素子５１，５４の領域にのみ設けた点にある。磁気シールド５５は、ＭＲ素子５１，５４の下側にあってもよいし、上側にあってもよい。この磁気シールド５５を設けたことにより、ＭＲホイートストンブリッジ５６の第１のグループ（ＭＲ素子５１，５４からなるグループ）と、第２のグループ（ＭＲ素子５２，５３からなるグループ）とが、互いに異なる磁気環境下に配置されていることとなる。
本実施の形態では、図示しない歯車が回転すると、ＭＲホイートストンブリッジ５６の位置に交番磁界（歯車磁界）が発生し、この磁界に応じて、ＭＲ素子５２，５３のフリー磁化ＦＭ（Free Magnetization）が回転する。その回転方向は、フリー磁化ＦＭとピンド磁化ＰＭとのなす角度が小さくなる（平行に近づく）方向であるので、ＭＲ素子５２，５３の電気抵抗値は減少する。

他方、ＭＲ素子５１，５４のフリー磁化ＦＭは、磁気シールド５５の作用によりシールドされていて回転しないので、ＭＲ素子５２，５３の電気抵抗値は変化しない。したがって、この局部的な歯車磁界５７に応じて、差分信号（Ｖｏｕｔ１−Ｖｏｕｔ２）が発生する。この差分信号は、適切な回路で増幅・処理されて出力信号となる。そして、この出力信号の変化速度を検出することにより、歯車の回転速度が測定される。

このように、本実施の形態では、複数のＭＲ素子（ＭＲ素子５１〜５４）のうちの一方のグループ（ＭＲ素子５１，５４）を磁気的にシールドする一方、他方のグループ（ＭＲ素子５２，５３）を磁気的にシールドしないようにしたので、すべてのＭＲ素子が同一の磁気環境下に置かれていると仮定した場合に得られる差分信号よりも大きな差分信号を得ることができる。こうして得られた差分信号の変化を検出することにより、ギア歯１４の移動速度、すなわち、歯車の回転速度が検出される。

［第２の実施の形態］
図４は、第２の実施の形態に係るホイートストンブリッジの構成を表すものである。この図では、ＭＲホイートストンブリッジ６６および一回巻のコイル６７が示されている。このＭＲホイートストンブリッジ６６は、４つの同一のＭＲ素子（ＭＲストライプ）６１，６２，６３および６４を備えている。ここでは、後述する磁気環境の観点から、ＭＲ素子６１，６４を第１のグループとし、ＭＲ素子６３，６２を第２のグループとする。

ＭＲホイートストンブリッジ６６の具体的な構成は、次の通りである。すなわち、第１のグループにおけるＭＲ素子６１（第１の磁気抵抗効果素子）の入力端は外部の定電源Ｖｄｄに接続され、出力端はＭＲホイートストンブリッジ５６の第１の出力端および第２のグループのＭＲ素子６２に接続されている。第１のグループにおけるＭＲ素子６４（第２の磁気抵抗効果素子）の入力端は、第２のグループのＭＲ素子６３に接続されると共にホイートストブリッジ６６の第２の出力端に接続されている。このように、電流径路に着目すると、ＭＲ素子６１，６２が第１のブランチを構成し、ＭＲ素子６３，６４が第２のブランチを構成していることになる。

第１のブランチ（ＭＲ素子６１，６２）および第２のブランチ（ＭＲ素子６３，６４）の両方に、一定電圧が共通に印加されるようになっている。第１のブランチ（ＭＲ素子６１，６２）の中間点からは、出力電圧Ｖｏｕｔ１が取り出され、第２のブランチ（ＭＲ素子６３，６４）の中間点からは、出力電圧Ｖｏｕｔ２が取り出される。ＭＲ素子６１〜６４は、それぞれ、各長手方向に沿って同じ一軸異方性を有し、素子内部のピンド磁化の方向もまた、その長手方向に沿っている。

コイル６７は、高導電性の材料から構成されたＵ字形状のコイルであり、すべてのＭＲ素子６１〜６４の領域に延在している。具体的には、Ｕ字形状のうちの一方の直線部分には、第１のブランチのうちの一方（ＭＲ素子６１）と，第２のブランチのうちの一方（ＭＲ素子６４）とが位置し、他方の直線部分には、第１のブランチのうちの他方（ＭＲ素子６２）と，第２のブランチのうちの他方（ＭＲ素子６３）とが位置している。なお、コイル６７は、ＭＲ素子６１〜６４の下側にあってもよいし、上側にあってもよい。

コイル６７は、それを流れる電流により、第１のグループのＭＲ素子６１，６４の位置において素子の第１の長手方向（図の上向き方向）に沿って第１の局部生成磁界を発生させるとともに、第２のグループのＭＲ素子６２，６３の位置において素子の第２の長手方向（図の下向き方向、すなわち、ＭＲ素子６１，６４の位置での発生磁界の方向とは反平行の方向）に沿って第２の局部生成磁界を発生させる。したがって、上記第１の実施の形態の場合と同様に、ＭＲ素子６１，６４は、ＭＲ素子６２，６３が置かれている磁気環境とは異なる磁気環境下に置かれていることになり、その結果、以下に述べるように、上記実施の形態の場合と同様の大きな差分信号を得ることができる。

本実施の形態では、デバイスを動作させる場合に、読み出し測定に先立って毎回大きな電流パルス６８をコイル６７に流して初期化を行う。これにより、ＭＲ素子６１，６４のフリー磁化ＦＭが第１の長手方向（第１の局部生成磁界の方向）に沿ってプリセットされるとともに、他の２つのＭＲ素子６２，６３におけるフリー磁化ＦＭが第２の長手方向（第２の局部生成磁界の方向）に沿ってプリセットされる。すなわち、ＭＲ素子６１，６４のフリー磁化ＦＭは、ピンド磁化ＰＭと平行な方向（同じ方向）を向く一方、ＭＲ素子６２，６３のフリー磁化ＦＭはピンド磁化ＰＭと反平行の方向（逆の方向）を向く。このとき、ＭＲ素子６１，６４の電気抵抗値は最小値を示し、ＭＲ素子６２，６３の電気抵抗値は最大値を示す。

歯車が回転するにしたがい、ＭＲホイートストンブリッジ６６の位置に交番磁界（歯車磁界）が発生する。この歯車磁界に反応して、ＭＲ素子６１〜６４のフリー磁化ＦＭはそれぞれ回転する。このとき、ＭＲ素子６２，６３のフリー磁化ＦＭは、ピンド磁化ＰＭとの反平行位置関係が崩れる方向に回転するので、ＭＲ素子６２，６３の電気抵抗値はいずれも減少する。一方、ＭＲ素子６１，６４のフリー磁化ＦＭは、ピンド磁化ＰＭとの平行位置関係が崩れる方向に回転するので、ＭＲ素子６１，６４の電気抵抗値はいずれも上昇する。このようにして、局部的な歯車磁界に応じて、差分信号（Ｖｏｕｔ１−Ｖｏｕｔ２）が発生する。この差分信号は、適切な回路で増幅・処理されて出力信号となる。そして、この出力信号の変化速度を検出することにより、歯車の回転速度が測定される。

このように、本実施の形態では、複数のＭＲ素子６１〜６４のうちの第１のグループ（ＭＲ素子６１，６４）に対して第１の長手方向に沿ったバイアス磁界を印加する一方、第２のグループ（ＭＲ素子６２，６３）に対して第２の長手方向（第１の長手方向とは反平行）に沿ったバイアス磁界を印加するようにしたので、すべてのＭＲ素子が同一の磁気環境下に置かれていると仮定した場合に得られる差分信号よりも大きな差分信号を得ることができる。
［実施例］

本発明者は、本出願人による米国特許出願第１１／９０４，６６８号（２００７年９月２８日出願）に開示した技術を用い、上記のセンサ構造体を単一のウェハプロセスによって作製した。この技術は、単一の基体上に設けられた複数の薄膜構造体に対し、一つ以上の方向の交換ピンニング磁界の磁化を同時に設定する技術である。

具体的には、まず、複数のサブ構造体（個々のＭＲ構造体）のすべてを所要の配向に形成したのち、交換ピンニング磁界を用いて、これらのサブ構造体を異なる方向に同時に磁化した。次に、硬磁性材料層を成膜したのち、この硬磁性材料層に磁束の方向を制御するための適切なパターニングを行い、さらに、強力な磁界に一回だけ晒すことにより、その硬磁性材料層パターンを磁化させた。そして、サブ構造体の集合体を反強磁性材料のブロッキング温度よりも高い温度で、磁界を印加せずに、熱アニールした。こうして、それらの薄膜構造体の各所望の方向への磁気的ピンド処理を完了した。

このようなプロセスを用いることにより、別途製造したサブアッセンブリ品や部品を追加するという工程を経る必要がなく、歯車センサを単一のチップまたはウェハ上に製造することができる。

二つの永久磁石（図１の永久磁石３３Ａ，３３Ｂに対応）としては、例えば０．５［ｍｍ²］〜５０［ｍｍ²］程度の磁極断面積を有すると共に、０．５［ｍｍ］〜２０［ｍｍ］程度の高さ（磁極間隔）を有するものを用いた。これらの永久磁石を１０００×１０³／４π［Ａ／ｍ］〜２００００×１０³／４π［Ａ／ｍ］の外部磁界に曝露することにより、０．１［テスラ］〜１．０［テスラ］程度の磁化を得た。好適な永久磁石として（これらに限定されるものではないが）、アルニコ磁石、サマリウム・コバルト磁石、ネオジム・鉄・ボロン磁石、および他のセラミック磁石を使用した。

このようにして作製した歯車センサでは、すべてのＭＲ素子が同一の磁気環境下に置かれていると仮定した場合に得られる差分信号よりも大きな差分信号を得ることができた。

以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記の各実施の形態において、ＭＲ素子としてＧＭＲ素子を使用してもよいし、ＭＴＪ素子を用いてもよい。この場合、ＧＭＲ素子およびＭＴＪ素子の積層構造は、上記したものには限定されず、その他の構造を採用してもよい。

１４…ギア歯、１５…ギャップ、３１…ウェハチップ、３２…ＭＲセンサ、３３Ａ，３２Ｂ…永久磁石、５１〜５４，６１〜６４…ＭＲ素子、５５…磁気シールド、５６，６６…ＭＲホイートストンブリッジ、５７…歯車磁界、６７…コイル。

Claims (14)

1. 強磁性材料を含む歯を有する歯車の回転速度を測定する方法であって、
   少なくとも２つの永久磁石を、零磁界領域が形成されるように配置し、
   前記零磁界領域に、偶数個の磁気抵抗効果素子を、互いに等しい素子数の第１および第２のグループに分けて配置し、
   前記第１および第２のグループがそれぞれ第１および第２の磁気抵抗効果素子を含むようにし、前記第１の磁気抵抗効果素子の入力端を外部に接続すると共に出力端をホイートストンブリッジの第１の出力端および他のグループの磁気抵抗効果素子に接続し、前記第２の磁気抵抗効果素子の入力端を他のグループの磁気抵抗効果素子に接続すると共にホイートストンブリッジの第２の出力端に接続することにより、複数の磁気抵抗効果素子を相互に接続してなるホイートストンブリッジを構成し、
   前記第１のグループの構成要素の全体を、第１の方向を有する第１の局部生成磁界の中に配置する一方、前記第２のグループの構成要素の全体を、前記第１の方向とは異なる第２の方向を有する第２の局部生成磁界の中に配置することにより、前記第１のグループの磁気抵抗効果素子を、前記第２のグループの磁気抵抗効果素子が置かれる磁気環境とは異なる磁気環境の下に配置して、前記永久磁石および前記磁気抵抗効果素子と前記磁気環境とが一緒になって回転速度検出器を構成するようにし、
   前記回転速度検出器を前記歯車の近傍に配置し、前記歯車が回転したときに、前記ホイートストンブリッジに生ずる差分信号を用いて、前記歯車の歯が前記回転速度検出器を通過する速度を求める
   歯車回転速度の測定方法。
2. 前記磁気抵抗効果素子を、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子およびＭＴＪ（磁気トンネル接合）素子からなる群から選択する
   請求項１に記載の歯車回転速度の測定方法。
3. 前記第２の方向を前記第１の方向と反平行にし、前記ホイートストンブリッジに大きな差分信号を生じさせる
   請求項１に記載の歯車回転速度の測定方法。
4. 一回巻のコイル導体に電流を流すことにより、前記第１および第２の局部生成磁界を生じさせる
   請求項１に記載の歯車回転速度の測定方法。
5. 前記コイル導体に電流パルスを流すことにより、各磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化方向を前記第１および第２の方向にプリセットする
   請求項４に記載の歯車回転速度の測定方法。
6. 交換ピンニング磁界を用いることにより、前記回転速度検出器を単一のウェハ上に形成する
   請求項１に記載の歯車回転速度の測定方法。
7. 前記永久磁石の断面積を０・５ｍｍ²ないし５０ｍｍ²とし、高さを０・５ｍｍないし２０ｍｍとする
   請求項１に記載の歯車回転速度の測定方法。
8. 前記永久磁石の磁化を、それぞれ０・１テスラないし１・０テスラにする
   請求項１に記載の歯車回転速度の測定方法。
9. 強磁性材料を含む歯を有する歯車の回転速度を測定する検出器であって、
   零磁界領域が形成されるように配置された少なくとも２つの永久磁石と、
   前記零磁界領域に第１および第２のグループに分けて配置され、ホイートストンブリッジを構成するように相互に接続された偶数個の磁気抵抗効果素子と
   を備え、
   前記第１および第２のグループが、それぞれ、第１および第２の磁気抵抗効果素子を含み、
   前記第１の磁気抵抗効果素子の入力端が外部に接続されると共に出力端がホイートストンブリッジの第１の出力端および他のグループの磁気抵抗効果素子に接続され、前記第２の磁気抵抗効果素子の入力端が他のグループの磁気抵抗効果素子に接続されると共にホイートストンブリッジの第２の出力端に接続され、
   前記第１のグループの構成要素の全体が、第１の方向を有する第１の局部生成磁界の中に配置される一方、前記第２のグループの構成要素の全体が、前記第１の方向とは異なる第２の方向を有する第２の局部生成磁界の中に配置されている
   歯車回転速度検出器。
10. 前記磁気抵抗効果素子が、ＧＭＲ素子およびＭＴＪ素子からなる群から選択されたものである
    請求項９に記載の歯車回転速度検出器。
11. 前記第２の方向が前記第１の方向と反平行である
    請求項９に記載の歯車回転速度検出器。
12. 電流が流れることにより前記第１および第２の局部生成磁界を生じさせる一回巻のコイル導体をさらに備えた
    請求項１１に記載の歯車回転速度検出器。
13. 前記永久磁石の断面積が０・５ｍｍ²ないし５０ｍｍ²であり、高さが０・５ｍｍないし２０ｍｍである
    請求項９に記載の歯車回転速度検出器。
14. 前記永久磁石の磁化が、それぞれ０・１テスラないし１・０テスラである
    請求項９に記載の歯車回転速度検出器。

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