JP6308784B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁石と磁気センサ素子とを用いて磁石の位置を検知することができる磁気センサに関し、特に、磁石の着磁方向の位置を検知可能な磁気センサに関する。

リニアアクチュエータや非接触スイッチ等において、磁石の位置を検知するための磁気センサが用いられている。下記特許文献１には、ポインティングデバイス用の磁気センサが開示されている。図１５は、特許文献１に記載されている従来例の磁気センサについて、概略の検知方法を説明するための平面図である。図１５（ａ）〜図１５（ｅ）に示すように、従来例の磁気センサ１１０は、円形の磁石１２０と、４つの巨大磁気抵抗効果素子１３１〜１３４とを有し、外部からの操作力により移動する磁石１２０の位置を、４つの巨大磁気抵抗効果素子１３１〜１３４により検出する。

図１５（ａ）は初期状態の磁気センサ１１０を示す。初期状態において、磁石１２０の中心は、４つの巨大磁気抵抗効果素子１３１〜１３４の重心と重なって設けられている。図１５（ｂ）及び図１５（ｃ）に示すように、磁石１２０がＸ２方向に移動すると、磁石１２０から第１巨大磁気抵抗効果素子１３１及び第２巨大磁気抵抗効果素子１３２に加わる水平磁界の向きが変化する。これにより、第１巨大磁気抵抗効果素子１３１及び第２巨大磁気抵抗効果素子１３２の自由磁性層の磁化方向が、磁石１２０からの水平磁界方向に沿うように変化する。第２巨大磁気抵抗効果素子１３２の自由磁性層の磁化方向は、初期状態と比較して、固定磁性層の磁化方向と自由磁性層の磁化方向とのなす角度が大きくなる方向に変化する。また第２巨大磁気抵抗効果素子１３２の自由磁性層の磁化方向は、固定磁性層の磁化方向との角度が小さくなる方向に変化する。この結果、第１巨大磁気抵抗効果素子１３１及び第２巨大磁気抵抗効果素子１３２の抵抗値が変化し、この抵抗値変化から磁石１２０の位置が検出される。

図１５（ｄ）及び図１５（ｅ）に示すように、磁石１２０がＸ１方向に移動する際には、第１巨大磁気抵抗効果素子１３１及び第２巨大磁気抵抗効果素子１３２の自由磁性層の磁化方向は、図１５（ｂ）及び図１５（ｃ）に示す方向と逆方向に変化する。これにより、第１巨大磁気抵抗効果素子１３１及び第２巨大磁気抵抗効果素子１３２の抵抗値が変化して、磁石１２０の位置が検出される。

また、下記特許文献２には、磁石からの磁界強度を検出可能なホール素子が開示されている。磁石の位置を検知する磁気センサ素子としてホール素子を用いた場合には、ホール素子の感磁面に直交する垂直磁界の強度を検出することにより、磁石の位置を検知することができる。

特開２００６−２７６９８３号公報 特開２００３−１４９３１２号公報 特開２０１２−１２７７９９号公報

しかしながら、図１５（ａ）〜図１５（ｅ）に示す従来例の磁気センサ１１０において、磁石１２０は、Ｘ１−Ｘ２方向のみならず、Ｙ方向、Ｚ方向にも変位可能に設置されている。そのため、磁石１２０がＹ方向に移動した場合には、Ｘ方向における位置検知を行う第１巨大磁気抵素子１３１及び第２巨大磁気抵抗効果素子１３２に、Ｙ方向成分の磁界が作用して自由磁性層の磁化方向が変化する。これにより、磁石１２０のＸ方向における位置の検出誤差が発生し、磁気センサ１１０による正確な位置検出が困難となる。

また、特許文献２に記載のホール素子を磁気センサ素子として用いた場合には、ホール素子は感磁面に対し垂直成分の磁界強度を検知する。磁界強度はホール素子と磁石との距離の２乗に反比例して変化するため、磁石のＸ方向の位置が変わらない場合であっても、磁石がＺ方向またはＹ方向に移動した場合、ホール素子と磁石との距離が変化し、ホール素子で検出される磁界強度が変化する。この磁界強度変化は、Ｘ方向における磁石位置の検出誤差成分となり、磁石のＸ方向における正確な位置検出が困難である。

特許文献３には、Ｚ軸方向の外部磁界をＸＹ方向に変換する軟磁性体を設けることにより、少ないチップ数で複数軸の外部磁界を検知することができる磁気センサについて記載されている。しかし、磁石の位置を検知し、且つ検出誤差を抑制する磁気センサの構成については記載されていない。

本発明は、上記課題を解決して、検知方向以外の方向へ磁石の移動による誤差の発生を抑制して、精度良く磁石の位置を検知することが可能な磁気センサを提供することを目的とする。

本発明の磁気センサは、第１の方向に着磁された磁石と、２つの磁気センサ素子とを有し、前記第１の方向における前記磁石の位置を検知する磁気センサであって、前記２つの磁気センサ素子は、前記第１の方向に交差する第２の方向において互いに間隔を設けて配置され、前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向において前記磁石と対向して配置されており、前記第３の方向において前記磁石と前記２つの磁気センサ素子との間に位置し、且つ前記第２の方向において前記２つの磁気センサ同士の間に位置して軟磁性体が設けられており、前記２つの磁気センサ素子は、磁化が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化が変化する自由磁性層とをそれぞれ有し、前記磁石から生じる磁束が前記２つの磁気センサ素子の前記自由磁性層の磁化を飽和する範囲に設けられていると共に、前記２つの磁気センサ素子の前記固定磁性層の磁化方向は互いに同じであり、前記２つの磁気センサ素子によりブリッジ回路が構成されていることを特徴とする。

これによれば、磁気センサ素子及び軟磁性体によって、磁石から生じる磁界の第３の方向の成分を第２の方向に変換する磁路が形成される。したがって、磁石から生じる磁界の第３の方向の成分は、第２の方向に互いに逆方向に分岐されて２つの磁気センサ素子にそれぞれに作用する。この分岐された第２の方向の磁界成分と磁石から発生する第１の方向の磁界成分とを重ね合わせた磁界成分を２つの磁気センサ素子が検知して、磁石の第１の方向における位置を検知することができる。よって、磁石の第１の方向における位置の検知に関し、磁石から発生する磁界の第２の方向の成分は作用しない。

また、磁石が第１の方向以外の方向に移動して、磁石から発生する磁界の第２の方向の成分が２つの磁気センサ素子に作用した場合であっても、２つの磁気センサ素子の固定磁性層の磁化方向は同じであり、２つの磁気センサ素子によりブリッジ回路を構成しているため、第２の方向の磁界成分による出力が相殺される。したがって磁石から発生する磁界の第２の方向の成分による誤差を抑制することができる。

さらに、磁石から生じる磁束が２つの磁気センサ素子の自由磁性層の磁化を飽和するように磁石が設けられているため、自由磁性層の磁化は磁界強度に依存せず磁石からの磁界が磁気センサ素子に作用する方向のみに依存する。よって、磁石が第３の方向に移動した場合であっても、磁界強度は変化するが２つの磁気センサ素子に作用する磁界の方向の変化は小さいため、第３の方向に磁石が移動した場合における誤差の発生が抑制される。

したがって、本発明の磁気センサによれば、検知方向以外の方向への磁石の移動による誤差の発生を抑制して、精度良く磁石の位置を検知することが可能である。

前記２つの磁気センサ素子及び前記軟磁性体は前記第１の方向に延在して設けられており、前記２つの磁気センサ素子の前記固定磁性層の磁化方向はいずれも前記第２の方向に向いていることが好適である。これによれば、磁気センサ素子の第１の方向に作用する磁界を確実に検知して、磁石の第１の方向における位置を精度良く検知することができる。また、磁石から発生する磁界の第２の方向の成分を確実に相殺して検出誤差の発生を抑制することができる。

前記軟磁性体は、前記第３の方向において対向する端部を有しており、前記２つの磁気センサ素子側に位置する前記端部は、前記２つの磁気センサ素子の一部に重なって配置されていることが好適である。これによれば、磁石から発生する磁界の第３の方向の成分は、軟磁性体に収束され、磁気センサ素子の一部と軟磁性体とが重なる部分を通って磁気センサ素子の第２の方向に磁路が変換される。よって、磁石から発生する磁界の第３の方向の成分を確実に第２の方向に変換することができるため、第１の方向における磁石の位置を精度良く検出できる。

前記磁気センサ素子の幅方向の中心が、前記軟磁性体よりも外側に位置することが好ましい。これによれば、磁石から発生する磁界の第３の方向の成分を確実に第２の方向へ磁路変換することができる。

本発明の磁気センサは、さらに２つの磁気センサ素子を有し、４つの前記磁気センサ素子によりフルブリッジ回路を構成することが好適である。これによれば、磁気センサ素子の抵抗変化により差動出力を得ることができ、第１の方向における磁石の位置を精度良く検知することができる。また、第１の方向以外の方向へ磁石が移動した場合には、誤差成分となる磁気センサ素子の抵抗変化がフルブリッジ回路により相殺される。よって、誤差を抑制して、精度良く第１の方向における磁石の位置を検知することができる。

前記第３の方向から見たときに、前記２つの磁気センサ素子を含むセンサ素子群は前記磁石の中心と重なる位置に設けられていることが好適である。このような態様であっても、磁石から発生する磁界の第３の方向の成分を第２の方向に変換して磁石の位置を検知することが可能である。よって、磁石の位置の検知において、磁石から発生する磁界の第２の方向の成分を検知する必要がないため、第３の方向から見たときに磁気センサ素子を磁石に対してずらして配置する等の制約が少なく、設計自由度を向上させることができる。

本発明の磁気センサによれば、検知方向以外の方向への磁石の移動による誤差の発生を抑制して、精度良く磁石の位置を検知することが可能である。

本発明の実施形態における磁気センサの（ａ）側面図、及び（ｂ）平面図である。 本実施形態の磁気センサを構成する磁気センサ素子及び軟磁性体の平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線の位置で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの部分拡大断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサ素子の部分拡大断面図である。 自由磁性層の磁化方向と磁気センサ素子の電気抵抗との関係を説明するためのグラフである。 磁石から発生する磁界と磁気センサ素子の自由磁性層の磁化方向との関係を示す（ａ）側面図、及び（ｂ）磁気センサ素子及び軟磁性体の平面図である。 ４つの磁気センサ素子から構成されるフルブリッジ回路である。 磁石がＸ方向に移動したときの位置検知方法を説明するための（ａ）側面図、及び（ｂ）部分拡大断面図である。 磁石がＸ方向に移動したときの位置検知方法を説明するための、磁気センサ素子及び軟磁性体の平面図である。 磁石がＸ方向に移動したときのフルブリッジ回路である。 磁石がＹ方向に移動したときの、磁石から発生する磁界と磁気センサ素子に作用する磁界の方向との関係を示す（ａ）磁気センサの平面図、及び（ｂ）磁気センサ素子及び軟磁性体の平面図である。 磁石がＺ方向に移動したときの磁石から発生する磁界と磁気センサ素子の自由磁性層の磁化方向との関係を示す（ａ）側面図、及び（ｂ）磁気センサ素子及び軟磁性体の平面図である。 本実施形態の第１の変形例の磁気センサを構成するハーフブリッジ回路である。 本実施形態の第２の変形例における磁気センサの部分拡大断面図である。 従来例の磁気センサの検知方法の概略を説明するための平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の磁気センサの具体的な実施形態について説明をする。なお、各図面の寸法は、適宜変更して示している。

図１（ａ）は本実施形態における磁気センサの側面図であり、図１（ｂ）は磁気センサ１０の平面図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、磁気センサ１０は、Ｘ１−Ｘ２方向に着磁された磁石３３と、複数の磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈからなる磁気センサ素子群２１と、磁気センサ素子群２１の上に設けられた軟磁性体３１とを有する。図１（ａ）に示すように、磁気センサ素子群２１及び軟磁性体３１は基板３０に形成されており、磁石３３と磁気センサ素子群２１とはＺ１−Ｚ２方向において間隔を有して対向している。図１（ｂ）に示すように、複数の磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈからなる磁気センサ素子群２１は、Ｚ１方向から見たときに、平面視において磁石３３の中心と重なる位置に配置されている。

図１（ａ）に示すように磁石３３から生じた磁界３４は磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈに作用し、磁石３３がＸ１−Ｘ２方向に移動したときに、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈに作用する磁界３４の方向及び強度が変化する。これにより、着磁方向（Ｘ１−Ｘ２方向）における磁石３３の位置を検知することができる。本実施形態の磁気センサ１０は、例えば、磁石３３を用いたリニアアクチュエータや非接触スイッチ等において、着磁方向に移動する磁石３３の位置を検知するために用いられる。

図２は、本実施形態の磁気センサを構成する磁気センサ素子及び軟磁性体の平面図である。また、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線の位置で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの部分拡大断面図である。

図２に示すように、複数の磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈは、それぞれＸ１−Ｘ２方向に延在し、かつ、Ｙ１−Ｙ２方向において互いに間隔を有して配置されている。軟磁性体３１は、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈと同様に、Ｘ１−Ｘ２方向に延在し、かつ、Ｙ１−Ｙ２方向において互いに間隔を有して配置されている。Ｙ１−Ｙ２方向に配置された軟磁性体３１のＸ１−Ｘ２方向の両端には接続部３２が接続されており、接続部３２は、複数の軟磁性体３１をＹ１−Ｙ２方向に接続する。本実施形態において、軟磁性体３１と接続部３２とは、同じ材料を用いて一体に形成されている。

図２に示すように、軟磁性体３１は、Ｙ１−Ｙ２方向において２つの磁気センサ素子２１ａと磁気センサ素子２１ｂとの間、２つの磁気センサ素子２１ｃと磁気センサ素子２１ｄとの間、２つの磁気センサ素子２１ｅと磁気センサ素子２１ｆとの間、及び２つの磁気センサ素子２１ｇと磁気センサ素子２１ｈとの間にそれぞれ設けられている。

図３に示すように、基板３０の上に複数の磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈが設けられており、軟磁性体３１及び接続部３２は磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈの上に設けられており、軟磁性体３１は磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈのそれぞれの一部に重なって配置されている。また、軟磁性体３１は、Ｚ１−Ｚ２方向において磁石３３と磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈとの間に配置されており、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈ及び軟磁性体３１は、磁石３３に対してＺ２方向に離間して配置されている。

本実施形態において、軟磁性体３１及び接続部３２は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＴｉ、ＣｏＺｒＮｂ等の軟磁性の磁性材料から選ばれた少なくとも１つの材料が含まれる軟磁性材料から形成される。

図４は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサ素子の部分拡大断面図である。本実施形態において、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈとして巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ））素子が用いられる。図４に示すように、複数の磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈのうち１つの磁気センサ素子（例えば２１ａ）について、磁気センサ素子２１ａを構成する磁気抵抗効果膜４３の積層構造を示している。磁気抵抗効果膜４３は、絶縁膜４２を介してシリコン基板４１の上面に形成されている。図４に示すように、磁気抵抗効果膜４３は、反強磁性層４４、固定磁性層４５、非磁性層４６、及び自由磁性層４７の順に積層されており、自由磁性層４７の表面が保護層４８で覆われて構成されている。

磁気抵抗効果膜４３において、反強磁性層４４と固定磁性層４５との交換結合により、固定磁性層４５の磁化方向４５ａが固定されている。図４に示すように、磁化方向４５ａは、シリコン基板４１に平行な状態でＹ１方向に向いている。また、自由磁性層４７の磁化方向４７ａは外部から印加される磁界によって変化する。なお、以下の説明では、「固定磁性層４５の磁化方向４５ａ」を「固定磁化方向４５ａ」と表す。また、「自由磁性層４７の磁化方向４７ａ」を「自由磁化方向４７ａ」と表す。このＧＭＲ素子は、図４のように膜により構成され、その膜面内の磁場成分を感知する。

本実施形態において、絶縁膜４２はシリコン基板４１を熱酸化したシリコン酸化膜や、スパッタ法等で成膜したアルミナ膜、酸化膜等であってもよい。反強磁性層４４は、Ｉｒ−Ｍｎ合金（イリジウム−マンガン合金）などの反強磁性材料で形成されている。固定磁性層４５は、Ｃｏ−Ｆｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料などで形成されている。非磁性層４６は、Ｃｕ（銅）などである。自由磁性層４７は、保磁力が小さく透磁率が大きいＮｉ−Ｆｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。保護層４８は、Ｔａ（タンタル）などの層である。なお、図４に示す磁気抵抗効果膜４３の積層構造及び用いられる材料は一例であって、他の積層構成であってもよい。

図５は、自由磁性層の磁化方向と磁気センサ素子の電気抵抗との関係を説明するための模式的なグラフである。また、図２には、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈの固定磁化方向４５ａ及び自由磁化方向４７ａを矢印で示す。図２に示すように、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈの固定磁化方向４５ａはいずれもＹ１方向に固定され同一方向に向けられている。また、自由磁化方向４７ａは、外部から印加される磁界により変化する。例えば、磁石３３等が配置されず外部磁界が印加されていない状態では、自由磁化方向４７ａは磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈの形状異方性によりＸ１−Ｘ２方向に向き、固定磁化方向４５ａと自由磁化方向４７ａとは直交する。

図２に示すように、自由磁化方向４７ａと固定磁化方向４５ａとのなす角度をθとする。図５は、磁石３３から発生する磁界３４が印加され自由磁化方向４７ａが変化したときの角度θを横軸として、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈの電気抵抗値を縦軸とした模式的なグラフである。磁石３３から生じる磁界３４が磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈに印加されて自由磁化方向４７ａが固定磁化方向４５ａと平行に近づくと、角度θが小さくなり電気抵抗が低下する。一方、自由磁化方向４７ａが固定磁化方向４５ａと反平行に近づくと、角度θが大きくなり電気抵抗値が増大する。この抵抗変化により、磁石３３のＸ１−Ｘ２方向の位置が検知できる。

また、本実施形態において、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｈの自由磁性層４７の磁化を飽和するように、磁石３３の残留磁束密度は充分に大きく設定されている。すなわち、自由磁化方向４７ａは、磁石３３の磁界強度に依存せずに、磁石３３の磁界３４の方向のみに依存して変化する。そのため、本実施形態においては、磁石３３は、ネオジム磁石や、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、フェライト磁石、プラスチック磁石などの大きい残留磁束密度を有するものが好適である。そして、残留磁束密度が、１００〜１５００ｍＴを有するものが選ばれている。

図６は、磁石から発生する磁界と磁気センサ素子の自由磁性層の磁化方向との関係を示す（ａ）側面図、及び（ｂ）磁気センサ素子及び軟磁性体の平面図である。図１〜図３に示す磁気センサ１０は磁気センサ素子群２１（２１ａ〜２１ｈ）を有して構成されているが、少なくとも２つの磁気センサ素子（例えば２１ａ、２１ｂ）のみで磁石３３の位置検知が可能である。図６は、４つの磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄを用いて磁石３３の位置を検知する方法を示す。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄが磁石３３のＸ１−Ｘ２方向の中心に位置している場合を示す。図６（ａ）に示すように、磁石３３から発生する磁界３４は、Ｎ極からＳ極へ楕円状の軌跡で磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄを通過する。磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄが磁石３３のＸ１−Ｘ２方向の中心に位置しているため、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用する磁界３４はｘ成分３４ａのみであり、Ｙ１−Ｙ２方向の磁界成分、Ｚ１−Ｚ２方向の磁界成分は磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用しない。

図６（ｂ）に示すように、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの固定磁化方向４５ａはいずれもＹ１方向に向いており、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの自由磁化方向４７ａは、いずれも磁石３３からの磁界３４のｘ成分３４ａの方向に沿って、Ｘ２方向に向く。すなわち、自由磁化方向４７ａは固定磁化方向４５ａに対して直交する方向に向けられる。よって、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄのそれぞれの固定磁化方向４５ａと自由磁化方向４７ａとの角度は同じであり、抵抗値はほぼ等しい値となる。

図７は、磁気センサ素子により構成されたフルブリッジ回路である。図７に示すように、入力端子（Ｖ_ｄｄ）とグラウンド端子（ＧＮＤ）との間に、直列接続された磁気センサ素子２１ａと磁気センサ素子２１ｂ、及び直列接続された磁気センサ素子２１ｃと磁気センサ素子２１ｄが、並列接続されてフルブリッジ回路５３を構成している。直列接続された磁気センサ素子２１ａと磁気センサ素子２１ｂとの間から中点電圧（Ｖ_１）が取り出され、また磁気センサ素子２１ｃと磁気センサ素子２１ｄとの間から中点電圧（Ｖ_２）が取り出される。中点電圧（Ｖ_１）と中点電圧（Ｖ_２）との差分（Ｖ_１−Ｖ_２）が、差動増幅器５４により増幅されて出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）として出力される。

図６に示した、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄが磁石３３のＸ１−Ｘ２方向の中心に位置している場合を初期状態とすると、初期状態における磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの抵抗値がほぼ同じであるため、図７に示す中点電圧（Ｖ_１）と中点電圧（Ｖ_２）とは同じ値となり、差分（Ｖ_１−Ｖ_２）は０Ｖである。

図８は、磁石がＸ方向に移動したときの位置検知方法を説明するための模式図であり、図８（ａ）は側面図、図８（ｂ）は部分拡大断面図である。また、図９は、磁石がＸ方向に移動したときの位置検知方法を説明するための、磁気センサ素子及び軟磁性体の平面図である。

図８（ａ）に示すように、磁石３３がＸ２方向に平行移動した場合、磁石３３から発生する磁界３４は、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄを斜め方向に通過する。よって、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄ及び軟磁性体３１には、磁界３４のｘ成分３４ａの他に磁界３４のｚ成分３４ｃが作用する。また、図８及び図９において、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄを含む磁気センサ素子群２１が、磁石３３のＹ１−Ｙ２方向の中心に位置して配置されている。そのため、磁石３３がＸ２方向に移動しても、磁石３３から発生する磁界３４のｙ成分３４ｂ（図８、図９には図示しない）は、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄには作用しない。

図８（ｂ）に示すように、２つの磁気センサ素子２１ａ及び磁気センサ素子２１ｂに関して、軟磁性体３１は、Ｚ１−Ｚ２方向において、２つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｂと磁石３３との間に設けられている。また、軟磁性体３１はＹ１−Ｙ２方向において２つの磁気センサ素子２１ａと磁気センサ素子２１ｂとの間に設けられており、２つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ側に位置する端部３１ａは、２つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｂのそれぞれの一部に重なって配置されている。２つの磁気センサ素子２１ｃ及び磁気センサ素子２１ｄについても同様に軟磁性体３１が設けられている。

これにより、軟磁性体３１と磁気センサ素子２１ａとでＺ１−Ｚ２方向からＹ２方向に曲がる磁路が形成され、軟磁性体３１と磁気センサ素子２１ｂとでＺ１−Ｚ２方向からＹ１方向に曲がる磁路が形成される。したがって、磁界３４のｚ成分３４ｃの磁束は軟磁性体３１に収束されて、軟磁性体３１の磁気センサ素子２１ａ、２１ｂ側の端部３１ａへ流出する。そして、磁界３４のｚ成分３４ｃの磁束は、磁気センサ素子２１ａ及び磁気センサ素子２１ｂの幅方向に沿って、Ｙ１方向とＹ２方向の磁界成分に変換される。これにより、磁石３３から発生する磁界３４のｚ成分３４ｃは、磁気センサ素子２１ａのＹ２方向に作用し、磁気センサ素子２１ｂのＹ１方向に作用する。

また、図８（ｂ）に示すように、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂのそれぞれの幅方向（Ｙ１−Ｙ２方向）の中心位置２３（図８（ｂ）において二点鎖線２３で示す）が、軟磁性体３１よりも外側に位置している。こうすれば、軟磁性体３１の側面３１ｂよりもＹ１方向及びＹ２方向に延びる磁気センサ素子２１ａ、２１ｂの、側面３１ｂからはみ出る長さを長くすることができるため、磁石３３から発生する磁界３４のｚ成分３４ｃが確実にＹ１−Ｙ２方向に変換される。

本実施形態において、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂの幅寸法（Ｙ１−Ｙ２方向の寸法）は５μｍ〜１５μｍ程度、軟磁性体３１の幅寸法は１０μｍ〜２０μｍ、軟磁性体３１の高さ寸法は１０μｍ〜３０μｍ程度に形成することができる。そして、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂの幅方向の中心位置２３は軟磁性体３１の側面３１ｂよりも０．５μｍ以上外側に位置する。図９に示すように、軟磁性体３１の断面形状は矩形状であり、磁石３３からの磁界３４のｚ成分３４ｃを効率的に収束させるために、軟磁性体３１の幅寸法よりも高さ寸法を大きくすることが好ましい。

図２や図９に示すように、軟磁性体３１同士を接続する接続部３２が設けられているため、製造時や使用時において衝撃や応力が加えられた場合に、接続部３２は軟磁性体３１を支持する機能を発揮して、軟磁性体３１の高さ寸法を大きくした場合であっても、軟磁性体３１の形状安定性を向上させることが可能である。軟磁性体３１の高さ寸法が高いので製造中に軟磁性体３１が倒れ易く、接続部３２を設けることによって軟磁性体３１が倒れることを防ぐことができる。

また、図９に示すように、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄ及び軟磁性体３１はＸ１−Ｘ２方向に延在して設けられており、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄ及び軟磁性体３１の形状異方性によって、磁界３４のｘ成分３４ａが、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄのＸ１−Ｘ２方向に確実に作用する。

したがって、図９に示すように、磁界３４のｘ成分３４ａが磁気センサ素子２１ａのＸ２方向に作用し、磁界３４のｚ成分３４ｃが軟磁性体３１により磁路変更されて、磁気センサ素子２１ａのＹ２方向に作用する。この２つの磁界成分を重ね合わせた方向に沿って自由磁化方向４７ａが向けられ、固定磁化方向４５ａと自由磁化方向４７ａとのなす角度が大きくなる方向に変化する。磁気センサ素子２１ｂには、磁界３４のｚ成分３４ｃがＹ１方向に印加されるため、磁気センサ素子２１ａとは逆に、固定磁化方向４５ａと自由磁化方向４７ａとのなす角度が小さくなる方向に自由磁化方向４７ａが変化する。磁気センサ素子２１ｃには、磁気センサ素子２１ａと同様に磁石３３からの磁界３４が作用し、磁気センサ素子２１ｄには磁気センサ素子２１ｂと同様に磁石３３からの磁界３４が作用する。磁界３４のＸＺ面での回転が、磁石３３のＸ軸位置と関係する。結局、磁界３４のＸＺ面での回転がＧＭＲ素子上（Ｘ−Ｙ面）での回転に変換されている。ただし、磁気センサ素子２１ａ上と磁気センサ素子２１ｂ上では、回転方向が逆方向である。

図１０は、磁石がＸ方向に移動したときのフルブリッジ回路である。図６及び図７に示す初期状態と比較して、磁気センサ素子２１ａ及び磁気センサ素子２１ｃの抵抗値は大きくなり、磁気センサ素子２１ｂ及び磁気センサ素子２１ｄの抵抗値は小さくなる。したがって、磁気センサ素子２１ａと磁気センサ素子２１ｂとの中点電圧（Ｖ_１）は小さくなり、磁気センサ素子２１ｃと磁気センサ素子２１ｄとの中点電圧（Ｖ_２）は大きくなり、そして、各中点電圧の差（Ｖ_１−Ｖ_２）が差動増幅器５４により増幅されて、出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）が出力される。この出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）により磁石３３のＸ方向の位置を検知することができる。

なお、図８〜図１０では、磁石３３がＸ２方向に移動した場合について説明したが、Ｘ１方向に移動した場合には、磁界３４のｚ成分３４ｃが逆方向に作用する。したがって、図１０に示すフルブリッジ回路５３において、磁気センサ素子２１ａ及び磁気センサ素子２１ｃの抵抗値は小さくなる方向に変化し、磁気センサ素子２１ｂ及び磁気センサ素子２１ｄの抵抗値は大きくなる方向に変化する。よって、磁石３３がＸ２方向に移動した場合と同様に、磁石３３がＸ１方向に移動した場合においても出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）により磁石３３のＸ方向の位置を検知することができる。

以上のように、本実施形態の磁気センサ１０によれば、軟磁性体３１を設けることでＺ１−Ｚ２方向の磁界をＹ１−Ｙ２方向に変換する磁路が形成される。したがって、磁石３３から生じる磁界３４のｚ成分３４ｃは、Ｙ１方向に向かうｚ成分３４ｃとＹ２方向に向かうｚ成分３４ｃとに分岐されて、２つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｂのそれぞれにＹ１−Ｙ２方向に作用する。このＹ１−Ｙ２方向に分岐されたｚ成分３４ｃと磁石３３から発生する磁界３４のｘ成分３４ａとを重ね合わせた磁界成分を２つの磁気センサ素子２１ａ、２１ｂが検知して、磁石３３のＸ１−Ｘ２方向における位置を検知することができる。膜面内の磁界成分しか感知しないＧＭＲ素子はこのように磁界をＹ１−Ｙ２方向に変換することによって感知できるようになる。

すなわち、本実施形態の磁気センサ１０において、磁石３３から発生する磁界３４をＸＺ平面からＸＹ平面に変換して、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用する磁界方向によって磁石３３の着磁方向（Ｘ１−Ｘ２方向）の位置を検知することができる。よって、磁石３３から発生する磁界３４のｙ成分３４ｂは、磁石３３の位置検知に関して磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用しない、またはｙ成分３４ｂはフルブリッジ回路５３で相殺される。

したがって、本実施形態の磁気センサ１０によれば、検知方向以外の方向への磁石３３の移動による誤差の発生を抑制して、精度良く磁石３３の位置を検知することが可能である。

図１１は、磁石がＹ方向に移動したときの、磁石から発生する磁界と磁気センサ素子に作用する磁界の方向との関係を示す（ａ）磁気センサの平面図、及び（ｂ）磁気センサ素子及び軟磁性体の平面図である。なお、図１１（ａ）に示す磁界３４は、ＸＹ平面に投影した磁界３４の方向を示す。図１１（ａ）の平面視では、磁界３４は磁石３３の中心線以外の位置では中心線を挟んで対称の曲線を形成するからである。

図１（ｂ）に示す、磁石３３の中心と磁気センサ素子群２１とが重なる位置を基準として、図１１（ａ）に示すように、磁石３３がＸ２方向に移動し、且つＹ２方向に移動した場合、磁界３４は磁気センサ素子群２１と平面視で斜め方向に交差し、磁界３４のｙ成分３４ｂが発生する。図１１（ｂ）に示すように、このｙ成分３４ｂは、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに対しＹ１方向に作用する。また、磁石３３のＹ方向への移動により、磁界３４のｚ成分３４ｃが発生し、図８（ｂ）に示すｚ成分３４ｃと同様に、ｚ成分３４ｃはＹ１−Ｙ２方向に変換されて、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに対しＹ１方向またはＹ２方向に作用する。本実施形態において、複数の磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの固定磁化方向４５ａは、同一方向を向いており、いずれもＹ１方向に向けられている。したがって、磁界３４のｙ成分３４ｂが作用すると、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの自由磁化方向４７ａはいずれも、固定磁化方向４５ａとの角度θが小さくなる方向に同一方向に変化する。よって、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの抵抗値はいずれも減少する。

そして、図７及び図１０に示す、フルブリッジ回路５３を構成する磁気センサ素子２１ａ及び磁気センサ素子２１ｂの抵抗値がいずれも減少するように変化した場合には、中点電位（Ｖ_１）の変化は抑制される。また、磁気センサ素子２１ｃ及び磁気センサ素子２１ｄの抵抗値も同様に変化して、中点電位（Ｖ_２）の変化が抑制される。よって、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの抵抗変化がフルブリッジ回路５３によって、出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）の変化が抑制される。

したがって、磁石３３がＹ方向に移動して、磁界３４のｙ成分３４ｂが磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用した場合であっても、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの抵抗変化が相殺されて出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）の変化が抑制される。よって、磁石３３のＹ方向への移動による誤差が抑制され、精度良く磁石３３の位置を検知することができる。

図１２は、磁石がＺ方向に移動したときの磁石から発生する磁界と磁気センサ素子の自由磁性層の磁化方向との関係を示す（ａ）側面図、及び（ｂ）平面図である。図１２（ａ）には、Ｚ１方向へ移動する前の磁石３３の位置を二点鎖線で示し、Ｚ１方向に移動したときの磁石３３の位置を実線で示す。また、図１２（ｂ）では、磁石３３から発生する磁界３４が各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用する磁界強度の変化を、ｘ成分３４ａ、ｚ成分３４ｃを示す矢印の長さにより模式的に示している。

図１２（ａ）に示すように、磁石３３から発生する磁界３４は、軟磁性体３１及び磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに対して斜め方向に入射し、磁界３４のｘ成分３４ａとｚ成分３４ｃとが発生する。磁界３４のｚ成分３４ｃは、図８（ｂ）に示す磁界３４のｚ成分３４ｃと同様にＹ１方向及びＹ２方向に変換されて、図１２（ｂ）に示すように磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄのＹ１方向及びＹ２方向に作用する。図１２（ｂ）に示すように、磁石３３がＺ１方向に移動したとき、磁界３４のｚ成分３４ｃの方向は変化しないが、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄと磁石３３との距離が大きくなるため、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用するｚ成分３４ｃの磁界強度が小さくなる。そして、図１２（ｂ）に示すように、磁石３３がＺ１方向に移動したとき、磁界３４のｘ成分３４ａについても磁界強度が同じように小さくなる。

図１２（ｂ）に示すように、磁石３３がＺ１方向に移動した場合には、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用する磁界３４のｘ成分３４ａ、及びｚ成分３４ｃが共に小さくなる。そのため、磁界３４のｘ成分３４ａとｚ成分３４ｃとを重ね合わせた磁界強度は小さくなるが方向の変化は抑制される。よって、図１２（ｂ）に示すように、磁石３３がＺ１方向に移動した場合であっても、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの自由磁化方向４７ａはほとんど変化しない。

本実施形態において、磁石３３から生じる磁束が磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄの自由磁性層４７の磁化を飽和するように磁石３３が設けられているため、自由磁性層４７の磁化は磁界強度に依存せず、磁石３３からの磁界３４が磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用する方向のみに依存する。よって、磁石３３がＺ１方向に移動した場合であっても、磁界強度は変化するが磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用する磁界３４の方向の変化は小さいため、Ｚ１方向に磁石３３が移動した場合における誤差の発生が抑制される。

なお、図１２では、磁石３３がＺ１方向に移動した場合を示したが、Ｚ２方向に移動した場合であっても同様に、磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用する磁界強度は大きくなるがＺ１方向に移動した場合と同様に方向は変化しないため、誤差の発生が抑制される。また、図１１に示すように磁石３３がＹ１−Ｙ２方向に移動した場合、磁石３３と磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄとの距離が変化する。この場合においても、磁界３４のｘ成分３４ａ、ｚ成分３４ｃが共に磁界強度が小さくなり、ｘ成分３４ａとｚ成分３４ｃとを重ね合わせた磁界の方向は変化しないため、誤差の発生が抑制される。

以上のように、本実施形態の磁気センサ１０によれば、磁石３３から発生する磁界３４をＸＺ平面からＸＹ平面に変換して、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用する磁界方向によって磁石３３の着磁方向（Ｘ１−Ｘ２方向）の位置を検知することができる。すなわち、磁界３４のｙ成分３４ｂを位置検知に用いないため、ｙ成分３４ｂをフルブリッジ回路５３で相殺して誤差の発生を抑制することができる。また、各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄに作用する磁界方向により位置を検知するため、磁石３３がＺ１−Ｚ２方向に移動して各磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄとの距離が変化した場合であっても、磁界強度の変化による誤差が抑制される。したがって、着磁方向（Ｘ１−Ｘ２方向）以外の方向であるＹ１−Ｙ２方向及びＺ１−Ｚ２方向への磁石３３の移動による誤差の発生を抑制して、精度良く着磁方向における磁石３３の位置を検知することが可能である

また、本実施形態の磁気センサ１０によれば、磁石３３から発生する磁界３４のｚ成分３４ｃをＹ１−Ｙ２方向に変換して磁石３３のＸ１−Ｘ２方向の位置を検知するため、磁石３３から発生する磁界３４のｙ成分３４ｂの検知は抑制される。そのため、Ｚ１−Ｚ２方向から見たときに、複数の磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄを有する磁気センサ素子群２１を磁石３３に対してずらして配置する等の制約が少なく、設計自由度を向上させることができる。よって、図１（ｂ）に示すように、磁気センサ素子群２１が磁石３３の中心と重なる位置に設けられていても、精度良く磁石３３の位置を検知することが可能であり、磁気センサ１０の小型化を図ることができる。

本実施形態では、図７、図１０などに示すように４つの磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄによりフルブリッジ回路５３を構成しているが、これに限定されない。図１３は、本実施形態の第１の変形例の磁気センサにおけるハーフブリッジ回路である。図１３に示すように、入力端子（Ｖ_ｄｄ）とグラウンド端子（ＧＮＤ）との間に、２つ磁気センサ素子２１ａ、２１ｂが電気的に直列接続されたハーフブリッジ回路５１を構成して、中点電位（Ｖ_１）を磁気センサ１０の出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）とすることも可能である。このように、少なくとも２つ磁気センサ素子２１ａ、２１ｂによりハーフブリッジ回路５１を構成することで、簡単な回路構成で、図６〜図１２に示す方法と同様に、誤差の発生を抑制して磁石３３のＸ方向の位置を精度良く検出することができる。また、４つ以上のより多くの磁気センサ素子を用いてブリッジ回路を構成することも可能である。

図１４は、本実施形態の第２の変形例における磁気センサの部分拡大断面図である。第２の変形例の磁気センサ１２は、軟磁性体３１の配置が異なっており、磁気センサ素子２１ａ、２１ｂの一部と重なって配置されていない。図１４に示すように、第２の変形例の磁気センサ１２において、軟磁性体３１は、基材３０の磁気センサ素子２１ａ、２１ｂが設けられた面と同一面に形成され、Ｙ１−Ｙ２方向において磁気センサ素子２１ａ、２１ｂの間に配置されている。また、軟磁性体３１の高さは磁気センサ素子２１ａ、２１ｂの高さよりも高く形成されている。

このような態様であっても、軟磁性体３１と磁気センサ素子２１ａ、及び軟磁性体３１と磁気センサ素子２１ｂとで磁路を形成する。本変形例において、磁石３３から発生する磁界３４のｚ成分３４ｃは、軟磁性体３１に収束されて、側面３１ｂ下部から各磁気センサ素子２１ａ、２１ｂに向かってＹ１方向及びＹ２方向へ磁路変換される。これにより、磁石３３から発生する磁界３４のｚ成分３４ｃをＹ１方向及びＹ２方向へ変換することにより、誤差の発生を抑制して精度良く磁石３３のＸ１−Ｘ２方向における位置を検知することができる。

本実施形態では、上記のように磁気センサ素子２１ａ〜２１ｄを巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ）素子としたが、トンネル効果（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ）素子を用いることも可能である。また、磁石３３の形状は特に限定されず、棒状、平板状、円形状、異形状など種々の形状であっても同様の効果を奏する。

１０、１１、１２ 磁気センサ
２１ 磁気センサ素子群
２１ａ〜２１ｈ 磁気センサ素子
２３ 磁気センサ素子の幅方向の中心位置
３０ 基板
３１ 軟磁性体
３１ａ 端部
３１ｂ 側面
３２ 接続部
３３ 磁石
３４ 磁石から発生する磁界
３４ａ 磁石から発生する磁界のｘ成分
３４ｂ 磁石から発生する磁界のｙ成分
３４ｃ 磁石から発生する磁界のｚ成分
４１ シリコン基板
４３ 磁気抵抗効果膜
４４ 反強磁性層
４５ 固定磁性層
４５ａ 固定磁化方向（固定磁性層の磁化方向）
４７ 自由磁性層
４７ａ 自由磁化方向（自由磁性層の磁化方向）
４８ 保護層
５１ ハーフブリッジ回路
５３ フルブリッジ回路

Claims (5)

1. 第１の方向に着磁された磁石と、２つの磁気センサ素子とを有し、前記第１の方向における前記磁石の位置を検知する磁気センサであって、
   前記２つの磁気センサ素子は、前記第１の方向に直交する第２の方向において互いに間隔を設けて配置され、前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向において前記磁石と対向して配置されており、
   前記第３の方向において前記磁石と前記２つの磁気センサ素子との間に位置し、且つ前記第２の方向において前記２つの磁気センサ同士の間に位置して軟磁性体が設けられており、
   前記２つの磁気センサ素子は、磁化が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化が変化する自由磁性層とをそれぞれ有し、前記磁石から生じる磁束が前記２つの磁気センサ素子の前記自由磁性層の磁化を飽和する範囲に設けられていると共に、前記２つの磁気センサ素子の前記固定磁性層の磁化方向は互いに同じであり、
   前記２つの磁気センサ素子によりブリッジ回路が構成されており、
   前記２つの磁気センサ素子及び前記軟磁性体は前記第１の方向に延在して設けられており、前記２つの磁気センサ素子の前記固定磁性層の磁化方向はいずれも前記第２の方向に向いていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記軟磁性体は、前記第３の方向において対向する端部を有しており、
   前記２つの磁気センサ素子側に位置する前記端部は、前記２つの磁気センサ素子の一部に重なって配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記磁気センサ素子の幅方向の中心が、前記軟磁性体よりも外側に位置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２つの磁気センサ素子および前記軟磁性体と、前記２つの磁気センサ素子および前記軟磁性体と前記第２の方向に並んで位置する別の２つの磁気センサ素子および別の軟磁性体とを有し、
   入力端子とグラウンド端子との間に、直列接続された前記２つの磁気センサと直列接続された前記前記別の２つの磁気センサ素子とが、並列接続されてフルブリッジ回路を構成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
5. 前記第３の方向から見たときに、前記２つの磁気センサ素子を含むセンサ素子群は前記磁石の中心と重なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁気センサ。

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