JP6460372B2 - 磁気センサ及びその製造方法、並びにそれを用いた計測機器 - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサにかかり、特に、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。

計測装置として、磁界の変化を検出可能な磁気センサが開発されており、例えば、電流計、磁気エンコーダなど、種々の用途に用いられている。このような磁気センサの一例が下記非特許文献１に開示されており、磁界の変化を検出する素子としてＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ 素子）を用いている。なお、ＧＭＲ素子は、入力される磁気に応じて出力される抵抗値が変化する素子であり、この出力される抵抗値に基づいて、検出された磁界の変化を計測することができる。

そして、ＧＭＲ素子を用いた磁気センサの具体的な構成の一例としては、特許文献１に示すように、基板上に４つのＧＭＲ素子を配置し、ブリッジ回路を構成する。そして、ブリッジ回路の差動電圧を検出することで、検出対象となる磁界が変化することに伴うＧＭＲ素子の抵抗値の変化を検出する。これにより、磁界の変化に高感度なセンサを構成することができる。

具体的に、特許文献１に開示されている磁気センサは、磁界の変化を検出する素子として、入力される磁界の向きに応じて出力される抵抗値が変化するスピンバルブ型のＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）を用いたＧＭＲチップ（磁界検出チップ）を備えている。そして、ＧＭＲ素子は、それぞれの一面に、所定の方向の磁界を検出可能なよう所定方向に磁化固定されている。このとき、ＧＭＲチップの小型化、及び、個々の抵抗値のばらつきを小さくするために、１つのＧＭＲチップ上にブリッジ回路を形成する４つのＧＭＲ素子を形成している。このため、４つ全てのＧＭＲ素子の磁化固定方向は全て同一方向である。

このようなブリッジ回路を形成するＧＭＲチップを用いて一方向の磁界を検出する場合、特許文献１では当該ブリッジ回路にて相互に隣り合って接続されていない対となる磁気抵抗効果素子をほぼ同一箇所に形成した素子形成部の周囲に、磁気抵抗効果素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体を配置している。

さらに前記磁性体は、一方向の外部磁界を、磁気抵抗効果素子間で異なる方向に変化させることが出来る。これにより、ブリッジ回路以内の２箇所の素子形成部に対し、一方に対しては磁化固定方向に、他方に対してはその反対方向に、磁界が入射されるように配置されている。これによりブリッジ回路から大きな差動電圧を出力し、一方向の磁界の検出精度の向上を図っている。

特開２００９−２７６１５９

ＮＶＥ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ（米国）、"ＮＶＥ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ ＧＭＲ Ｓｅｎｓｏｒ Ｃａｔａｌｏｇ"、［ｏｎｌｉｎｅ］、Ｐ７、［２０１４年３月１４日検索］、インターネット＜ＵＲＬ ： ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｖｅ．ｃｏｍ／Ｄｏｗｎｌｏａｄｓ／ｃａｔａｌｏｇ．ｐｄｆ＞

しかしながら、上記特許文献１に開示の技術では、前記素子形成部により構成される前記ブリッジ回路を形成する工程と、前記磁気抵抗効果素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体を配置する工程が別工程となっており、行程数が増える事による製造コストの増加という問題があった。

さらに、前記磁性体を配置する工程は前記ブリッジ回路を形成する工程とは別工程である事から、前記磁性体を精度良く配置する事が困難であり、前記磁性体が配置される位置バラツキにより磁界検出精度が低下するという問題もある。

また、前記磁性体を配置する工程は前記ブリッジ回路を形成する工程とは別工程である事から、前記磁性体を固定する為の接着工程も必要となり、さらに製造コストが増加する問題もある。

そして、前記磁性体を固定するための前記接着工程を使用する製造方法では、前記磁性体と前記磁気抵抗効果素子が形成されている面に垂直な方向（Ｚ軸方向）において、接着工程または接着剤による隙間（ギャップ）が形成され、前記磁性体と前記磁気抵抗効果素子の前記Ｚ軸方向における距離が広がってしまい、磁界検出精度が低下するという問題もある。

さらに、前記磁性体を配置する為の治具または装置に加え、前記磁性体を固定する為の接着工程での治具または装置が必要となり製造コストが増加するという問題もある。

また、前記磁性体は前記磁気抵抗効果素子形成工程とは別工程で制作しなくてはならず、形状およびサイズも制限されてしまう事から、センサの小型化を図る事は出来ないという問題があった。

そして、前記磁気抵抗効果素子が形成されている面と平行の方向において、センサが検出可能である最小の寸法（面分解能）は、前記磁性体の前記磁化固定方向の寸法により制限されてしまうことから、前記磁性体が前記磁気抵抗効果素子の形成工程とは別工程で制作しなくてはならず、前記磁性体のサイズの小型化が制限されてしまうことにより、前記面分解能の向上が図れないという問題があった。

このため、本発明の目的は、上述した課題である、小型化及び低コスト化を図りつつ、磁界の検出精度の向上を図ることができる磁気センサを提供する、ことにある。

そこで、本発明の一形態である磁気センサは、入力される磁界の向きに応じて出力する抵抗値が変化する複数の磁気抵抗効果素子が接続され、所定の接続点間の差動電圧を検出可能なよう構成されたブリッジ回路を備えている。さらに、上記ブリッジ回路の周囲に、磁気抵抗効果素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体が配置されており、前記磁性体は成膜プロセスによって形成されている。

また、上記磁気抵抗効果素子と磁性体とは、磁気抵抗効果素子の磁化固定方向に沿って同一直線上（Ｘ軸方向）に配置されていると望ましい。

そして、上記磁気センサは、具体的には、上記ブリッジ回路が、４つの上記磁気抵抗効果素子を備えると共に、当該ブリッジ回路にて差動出力部とは逆側で相互に接続されている対となる２つの上記磁気抵抗効果素子で形成された第１、第２の素子形成部を、上記Ｘ軸方向に並べて形成し、上記素子形成部の間に上記磁性体を配置した第１の磁気回路形成部を有し、上記第１の磁気回路形成部と同様の構成にて形成されている第３、第４の素子形成部の間に上記磁性体を配置した第２の磁気回路形成部を有し、上記第２の磁気回路形成部は、上記第１の磁気回路形成部に対し、上記磁化固定方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）に離間して配置され、上記第１の磁気回路形成部と上記第２の磁気回路形成部の上記磁気抵抗効果素子は上記差動出力部でそれぞれ接続されていてもよい。

上記磁気抵抗効果素子は、当該磁気抵抗効果素子の磁化固定方向が全て同一方向を向いて配置されていてもよい。

さらに、上記磁性体は、上記磁気抵抗効果素子の形成されている面に垂直な方向の寸法をｈ（磁性体の高さ）とし、上記磁気抵抗効果素子の上記感磁方向の寸法をｗ（磁性体の幅）とした時、その寸法の比ｈ／ｗが１以上であることが望ましい。

上記磁気抵抗効果素子が上記磁気抵抗効果素子の感磁方向と直行する方向において、上記磁性体形成領域よりも内側に配置されていることが望ましい。

上記磁性体は、上記磁気抵抗効果素子が形成されている面上に配置されている事が望ましい。

そして、上記磁性体は、上記磁気抵抗効果素子が形成されている面上から１つ以上の絶縁膜を含む積層構造を介して配置されていてもよい。

また、上記磁性体は、例えば、軟磁性体であるとよい。

上記第１の磁気回路形成部と上記第２の磁気回路形成部に配置された上記第１の磁性体と上記第２の磁性体は、同体であってもよい。

また、本発明の他の形態である計測機器は、上述した磁気センサを備えて構成される。

上記の発明によると、上記磁性体は成膜プロセスで形成されていることから、上記磁性体の形状を自由に形成出来るため、磁界検出精度のさらなる向上を図ることができる。

このとき、特に、同一の製造プロセスで上記素子形成部と上記磁性体を形成する事から、上記素子形成部の位置に対し上記磁性体を高精度に配置出来る為、磁界検出精度のさらなる向上を図り、加えて、製造バラツキを抑えることができる。さらに、上記磁性体の形状に依存する製造コストの増加を抑えられ、センサの低コスト化を図ることもできる。

さらに、上記磁性体は成膜プロセスで形成されていることから、上記磁気センサを１チップ上に形成する事がでるだけでなく、上記磁気センサの低背化、小型化を図ることができ、これによりチップの製造効率も向上し、センサの低コスト化を図ることもできる。

そして、上記磁気抵抗効果素子が形成されている面と平行の方向において、センサが検出可能である最小の寸法（面分解能）は、上記磁性体の上記磁化固定方向の寸法により制限されてしまうことから、上記磁性体を成膜プロセスで形成することにより、上記磁性体を小型に形成したまま、上記磁性体の形状を自由に形成し、さらに上記磁性体を高精度に配置することで、上記センサの磁界検出における上記面分解能の向上を図ることもできる。

本発明は、以上のように構成され機能するので、これによると、上記磁性体は成膜プロセスで形成されているため、上記磁気抵抗効果素子が配置されている場所に対し、上記磁性体を高精度に配置することができるため、磁界検出精度向上を図ると共に、製造バラツキを抑えることもできる。

そして、上記磁気抵抗効果素子が形成されている面と平行の方向において、上記磁気センサが検出可能である最小の寸法（面分解能）は、上記磁性体の上記磁化固定方の寸法により制限されてしまうことから、上記磁性体を成膜プロセスで形成し、上記磁性体を小型にしたまま、上記磁性体を高精度に配置することで、上記センサの磁界検出における上記面分解能の向上を図ることもできる。

また、上記磁気抵抗効果素子が、上記磁気抵抗効果素子の感磁方向と直行する方向において、上記磁性体形成領域よりも内側に配置されていることで、上記磁気抵抗効果素子の上記感磁方向に対し、上記磁性体からの磁界を一様に入射させることができ、上記磁気センサの検出精度を向上することができる。

さらに、上記磁性体は、上記磁気抵抗効果素子の形成されている面に垂直な方向の寸法をｈ（磁性体の高さ）とし、上記磁気抵抗効果素子の前記感磁方向の寸法をｗ（磁性体の幅）とした時、その寸法の比ｈ／ｗが１以上で配置されていることから、上記磁気抵抗効果素子の上記感磁方向に対し、効率的に磁界を入射する事ができ、上記磁気センサの検出精度を向上することができる。

また、上記磁性体が成膜プロセスで形成されていることから、上記磁性体の形状を自由に形成する事が可能であり、上記磁性体の形状に依存する製造コストの増加を抑えることが出来る。例えば、上記磁性体が角部に面取り部や切り欠きを有する様な複雑な形状であっても、製造工数を増やすことがない。

そして、上記ブリッジ回路を形成する第一の工程と、上記素子形成部の間に上記磁性体を配置する第二の工程を、同一の製造プロセス内で行うことから、上記磁性体を高精度に配置することができるため、磁界検出精度向上を図ると共に、製造バラツキを抑えることもできるだけでなく、製造コストの増加を抑えることが出来る。

さらに、上記磁性体は成膜プロセスで形成されていることから、上記磁気センサを１チップ上に形成する事がでるだけでなく、上記磁気センサの低背化、小型化を図ることができ、これによりチップの製造効率も向上し、センサの低コスト化を図ることもできる。

ＧＭＲ素子の特性を説明する図である。 ＧＭＲチップの構成１を示す図である。 ＧＭＲチップの一部の拡大図である。 ＧＭＲチップに形成されているＧＭＲ素子にて構成されたブリッジ回路を示す図である。 実施形態１における磁気センサの構成を示す図である。 実施形態１における磁気センサに対する磁界の様子を示す図である。 ＧＭＲチップの構成２および実施形態２を示す図である。 ＧＭＲチップの構成３を示す図である。 実施形態３における電流計の構成を示す図である。 実施形態３における電流計の構成を示す図である。 実施形態４におけるエンコーダの構成を示す図である。 実施形態４におけるエンコーダの構成を示す図である。

本発明の具体的な構成を、実施形態にて説明する。以下、実施形態１乃至２では、本発明における磁気センサの構成を説明し、実施形態３乃至４では、磁気センサを利用した各種計測機器を説明する。

本発明の第１の実施形態を、図１乃至図６を参照して説明する。図１は、ＧＭＲ素子の特性を説明する図である。図２乃至図４は、ＧＭＲチップの一例を示す図である。図５乃至図６は、本実施形態における磁気センサの一例を示す図である。
まず、本発明にて用いられるＧＭＲ素子の特性について、図１を参照して説明する。ＧＭＲ素子は、入力される磁界の向きに応じて出力される抵抗値が変化するスピンバルブ型のＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）である。そして、図１に、ＧＭＲ素子に対する磁界Ｈの侵入角と、抵抗値との関係について示す。

図１（ａ）の例におけるＧＭＲチップ１００は、その上面にＧＭＲ素子が形成されている。このＧＭＲ素子は、矢印Ａ方向の磁界を検出可能なよう当該矢印Ａ方向に磁化固定されて、構成されていることとする。

そして、図１（ａ）において、ＧＭＲ素子は、当該ＧＭＲ素子の形成面に対して垂直に入射する磁界Ｈ中に配置されている。この場合に、ＧＭＲ素子の抵抗値は、図１（ｂ）に示すように、「Ｒｏ」となる。これに対し、磁界Ｈの向きが傾くと、図１（ａ）の点線にて示すように、ＧＭＲ素子面に対する磁界Ｈの入射角が、垂直方向から−△θ（△（デルタ）：変化量を表すこととして用いる）、あるいは、＋△θの角度だけ傾く。すると、ＧＭＲ素子は、上述したように一方向に磁化固定されているため、その方向において磁界の向きが変化することとなり、図１（ｂ）に示すように、ＭＲ抵抗値が変化する。このように、ＧＭＲ素子は、入射する磁界の向きが垂直な状態にて抵抗値をＲｏと設定したときに、当該磁界Ｈの向きが微小角度だけ傾いたときに特に抵抗値が大きく変化するという特性を有する。

［構成］
次に、図２乃至図４を参照して、本実施形態の磁気センサ１に用いるＧＭＲチップ１０の構成について説明する。ＧＭＲチップ１０は、図２に示すように、略直方体形状であり、その一面（上面）に、４つのＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が形成されている。これらＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、図４に示すように接続され、ブリッジ回路を構成している。つまり、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３と、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ４がそれぞれ直列に接続されており、当該直列接続されたＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３とＲ２，Ｒ４とは、電源に対して並列に接続され、閉回路を構成している。これにより、ＧＭＲ素子Ｒ１とＲ３の接続点Ｖａと、ＧＭＲ素子Ｒ２とＲ４の接続点Ｖｂとの間における差動電圧を検出することが可能である。なお、ブリッジ回路は、予めＧＭＲチップ１０に、上述したように差動電圧が検出可能なよう形成されていることとする。

そして、本実施形態では、特に、図３に示すように、４つのＧＭＲ素子のうち、図４に示すブリッジ回路において相互に接続されている対となる２つのＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２が、ほぼ同一の磁気抵抗効果素子の磁化固定方向と平行な方向（Ｘ軸方向）上の第１の素子形成部１１ａ，第２の素子形成部１２ａに並べて形成されている。また、第１の磁性体２１ａがＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２（第１、第２の素子形成部）の間で、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２とほぼ同一の上記Ｘ軸方向上の第１の磁気回路形成部３１に配置されている。さらに、ブリッジ回路において相互に接続されている対となる他の２つのＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４が、ほぼ同一の上記Ｘ軸方向上の第３の素子形成部１１ｂ，第４の素子形成部１２ｂに並べて形成されている。また、第２の磁性体２１ｂがＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４（第３、第４の素子形成部）の間で、ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４とほぼ同一の上記Ｘ軸方向上の第２の磁気回路形成部３２に配置されている。そしてＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、図３の矢印Ａ方向、またはＡの方向の１８０度反転方向に磁化固定されている。素子形成部１１、１２及び磁性体２１ａ、２１ｂの配置位置はＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が形成されている面上に配置されている。なお、磁性体２１ａ、２１ｂの配置位置は上記位置に限定されない。例えばＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が形成されている面上に１つ以上の絶縁膜を含む積層構造を介して配置されていてもよい。

そして、上述したように、２つのＧＭＲ素子（Ｒ１とＲ２）と１つの磁性体（２１ａ）とで形成された第１の磁気回路形成部３１と２つのＧＭＲ素子（Ｒ３，Ｒ４）と１つの磁性体（２１ｂ）で形成された第２の磁気回路形成部３２は、磁気抵抗効果素子の磁化固定方向と垂直な方向に相互に離間して形成されている。例えば、図３に示すように、ＧＭＲチップ１０の長辺方向つまり図３のＹ軸方向における両端付近に、磁気回路形成部３１，３２が形成されている。

また、第１の磁気回路形成部および第２の磁気回路形成部を構成している磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の感磁方向と直行する方向において、磁性体形成領域よりも内側に配置されていることが望ましい。この構成により、磁性体からＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３，Ｒ４に入射される上記Ｘ軸方向の磁界Ｈを、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３，Ｒ４の素子形成部において一様にすることができる。

さらに、図６に示すように、上記磁性体は、上記磁気抵抗効果素子の形成されている面に垂直な方向の寸法をｈ（磁性体の高さ）とし、上記磁気抵抗効果素子の前記感磁方向の寸法をｗ（磁性体の幅）とした時、その寸法の比ｈ／ｗが１以上で配置されていることがよく、その値は大きいほど望ましい。

本発明における磁気センサ１は、上述したＧＭＲチップ１０に形成されているブリッジ回路の周囲に、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に入力される磁界Ｈの向きを変化させる磁性体２１を配置している。具体的に、図５に示すように、本実施形態における磁気センサ１は、基板Ｂ上に上述したＧＭＲチップ１０を搭載し、さらに、ＧＭＲチップ１０上に形成されたブリッジ回路の各素子形成部１１ａ，１１ｂの間に、第１の磁性体２１ａを形成した第１の磁気回路形成部３１、さらに１２ａ，１２ｂの間に、第２の磁性体２２ｂを形成した第２の磁気回路形成部３２載置している。なお、磁性体２１ａ，２１ｂは、例えば、パーマロイ（Ｎｉ−Ｆｅ合金）やセンダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金）などの軟磁性体であるが、上記磁性体２１の機能として、上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその材料について限定されない。このように、本実施形態では、特に、第１の磁気回路３１と第２の磁気回路３２が、ほぼ同一の上記Ｙ軸上に配置された状態となっている。

［動作］
次に、上記構成の磁気センサ１の動作を、図６を参照して説明する。図６は、上述した図４の例と同様に、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の素子面に対してほぼ垂直な磁界Ｈ中に磁気センサ１が配置されている場合を示している。すると、本実施形態においては、この図に示すように、磁性体２１よりも上方から当該磁性体２１の中心付近にかけては、磁界Ｈは磁性体２１に対して引き寄せられ、また、磁性体２１の中心付近から各素子形成部１１，１２が形成された下方においては、磁界Ｈは磁性体２１から離れる方向に曲折される。すると、磁性体２１を挟んで位置する各素子形成部１１，１２（ＧＭＲ素子（Ｒ１とＲ２、Ｒ３とＲ４））に対しては、それぞれ反対方向の磁界Ｈが入射することとなる。具体的には、図６の点線矢印Ｙ１，Ｙ２に示すように、素子形成部１１のＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４に対しては、磁化固定方向Ａと同一方向の向きに変化した磁界Ｈが入射し、素子形成部１２のＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３に対しては、磁化固定方向Ａとは反対方向の向きに変化した磁界Ｈが入射することとなる。

すると、ブリッジ回路においては、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗値と、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値と、がそれぞれ反対の符号に変化する。例えば、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗値は＋ΔＲだけ変化し、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値は−ΔＲだけ変化する。これにより、差動電圧の検出点であるＶａとＶｂの差が大きくなり、大きな差動電圧値を検出することができる。なお、差動電圧を検出する回路は、例えば、基板Ｂ上に形成されており、ＧＭＲチップ１０上に形成された上記ブリッジ回路に接続されることで、差動電圧を検出することができる。

以上のように、上記構成の磁気センサを用いることで、磁界の検出精度の向上を図ることができる。その結果、磁気センサを種々の計測機器に利用することが可能となる。特に、本実施形態では、ブリッジ回路を一チップ上に形成でき、また、磁性体は成膜プロセスにて形成する。さらに、磁性体は上記ＧＭＲ素子を形成する工程と同一の製造プロセスで行うことから、個々のＧＭＲ素子のばらつきを小さくすることができ、このためブリッジ回路におけるオフセット電圧を抑制して、さらに、磁性体をＧＭＲ素子の位置に対して高精度に配置できることから、磁界検出精度のさらなる向上を図ることができる。加えて、磁性体と上記ブリッジ回路を構成しているＧＭＲ素子を、一チップ上に形成していてチップ全体の小型化を図ることができ、これによりチップの製造効率も向上し、センサの低コスト化を図ることもできる。

［製造方法］
次に、上述した磁気センサ１の製造方法について説明する。まず、上述したようにブリッジ回路を構成し、各素子形成部１１，１２に配置されるよう、４つのＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４をＧＭＲチップ１０上に形成する（第一の工程）。続いて、このＧＭＲ素子が形成されている面上で、各素子形成部１１，１２の間に、磁性体２１を形成する（第二の工程）。なお、第一の工程と第二の工程は同一プロセス内で行う。さらに、必要に応じて、任意のタイミングにて、ＧＭＲチップ１０を基板上に配置し、また、各種配線を接続する。

このようにして、磁気センサ１を製造することができ、単体で、あるいは、他の構成に組み込まれることで、各種計測機器として利用することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を、図７乃至図８を参照して説明する。
［構成］
図７に示すように、本実施形態における磁気センサ１は、上述した実施形態１における、上記第１の磁気回路部の構成要素の１つである上記第１の磁性体２１ａと、上記第２の磁気回路部内の構成要素の１つである上記第２の磁性体２１ｂが同体であることから、上記ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のそれぞれの上記Ｙ軸方向の端部近傍において、上記磁性体２１により向きが変えられたのちに上記ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に入射される上記磁界Ｈを、上記Ｘ軸方向において、上記Ｘ軸方向に一様に入射させることができ、上記ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４への上記磁界Ｈの入射方向のバラツキを抑えることが可能となる。さらに上記第１の磁性体２１ａと、上記第２の磁性体２１ｂが同体であることから、上記磁性体サイズの小型化にともなう、上記成膜工程での製造に起因する形状のバラツキを抑えることも可能となる。

さらに、図８に示すように、磁性体２１に１つ以上の切り欠き部を有していてもよい。上記のように磁性体２１に一部の切り欠き部を有することにより、例えば、センサ製造工程におけるＧＭＲチップ配置時における位置決めを容易にする等の効果を付加することもできる。また、上記切り欠き部は、必ずしも２つ装備することに限定されず、１つでもよく、あるいは、３個以上を配置してもよい。ここで「切り欠き部」は、特にその形状を限定するものでなく、図８に記載のような長方形だけでなく、正方形、一部に円弧を伴う形状、または三角形の形状、および前記記載形状を複数組み合わせた形状であってもよい。

以上のように、上記構成の磁気センサを用いることで、磁界の検出精度の向上を図ることができる。その結果、磁気センサを種々の計測機器に利用することが可能となる。特に、本実施形態では、ブリッジ回路を一チップ上に形成でき、また、磁性体は成膜プロセスにて形成する。さらに、磁性体は上記ＧＭＲ素子を形成する工程と同一の製造プロセスで行うことから、個々のＧＭＲ素子のばらつきを小さくすることができ、このためブリッジ回路におけるオフセット電圧を抑制して、さらに、上記磁性体をＧＭＲ素子の位置に対して高精度に配置できることから、磁界検出精度のさらなる向上を図ることができる。加えて、上記磁性体と上記ブリッジ回路を構成しているＧＭＲ素子を、一チップ上に形成していてチップ全体の小型化を図ることができ、これによりチップの製造効率も向上し、センサの低コスト化を図ることもできる。

次に、本発明の第３の実施形態を、図９乃至図１０を参照して説明する。本実施形態は、上述した磁気センサ１を利用した計測機器の一例として、電流計を説明する。

図９に示すように、電流計は、一部に切断されたギャップ５０（空隙部）が形成された略ロの字状（環状）の磁性体コア５を備えており、上記ギャップ５０に実施形態１にて説明した磁気センサ１が配置されている。このとき、磁気センサ１は、ギャップ５０を形成する磁性体コア５の切断面、つまり、ギャップ５０を形成する相互に対向する壁面の一方に、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の形成面を対向させて配置されている。そして、図１０に示すように、略ロの字状の磁性体コア５のほぼ中心を貫通するよう導線５１（導体）を配置し、この導線５１に流れる電流を測定する。

以上のように構成することにより、導線５１に電流Ｉが流れると、その周囲を取り囲む磁性体コア５に沿って環状に磁界Ｈが生じる。すると、ギャップ５０に配置された磁気センサ１に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の形成面には、垂直に磁界Ｈが入射することとなる。つまり、導線５１と磁性体コア５とは、磁気センサ１にて計測される磁界を発生させる磁界発生手段として機能する。

そして、導線５１に電流Ｉが流れることによって磁性体コア５に生じた磁界Ｈは、上記各実施形態にて説明したように、当該磁気センサ１に装備された磁性体２１等の影響で曲げられる。これにより、磁界は、磁気センサ１のＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に所定の角度で入射することとなる。具体的には、各素子形成部１１，１２（ＧＭＲ素子（Ｒ１とＲ２、Ｒ３とＲ４））に対しては、それぞれ反対方向に角度を有して磁界Ｈが入射することとなる。すると、ブリッジ回路においては、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗値と、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値と、がそれぞれ反対の符号に変化する。例えば、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗値は＋ΔＲだけ変化し、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値は−ΔＲだけ変化する。これにより、差動電圧の検出点であるＶａとＶｂの差が大きくなり、大きな差動電圧値を検出することができる。

以上のように、上記構成の磁気センサ１を用いることで、導線５１を流れる電流を高精度に検出することが可能となる。特に、本実施形態では、ブリッジ回路を一チップ上に形成でき、さらに磁性体は成膜プロセスにて形成されている。さらに、上記ＧＭＲ素子を形成する工程と同一の製造プロセスで行うことから、個々の抵抗値のばらつきを小さくすることができる。このためオフセット電圧を抑制して、さらに、磁性体をＧＭＲ素子の位置に対して高精度に配置できることから、磁界検出精度のさらなる向上を図ることができる。加えて、磁性体と上記ブリッジ回路を構成しているＧＭＲ素子を、一チップ上に形成しているため、チップ全体の小型化を図ることができる。すると、上述したような磁性体コア５の微小なギャップ５０にも配置することが可能であり、様々な計測機器にも適用可能である。

次に、本発明の第４の実施形態を、図１１乃至図１２を参照して説明する。本実施形態は、上述した磁気センサ１を利用した計測機器の一例として、エンコーダ（角度センサ）を説明する。

図１１に示すように、エンコーダは、半円柱のＮ極とＳ極とが合わさって略円柱状に形成された磁石６（磁界発生手段）を備えている。そして、この磁石６は、円柱の中心軸Ｃにて回転可能なよう基板や基台に設置されており、その回転周囲に上述した磁気センサ１を備えている。

特に、本実施形態では、上記磁石６の半径方向と、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の磁化固定方向とが一致するよう、磁気センサ１を２つ配置している。このとき、２つの磁気センサ１は、磁石６の中心軸から相互に９０度の角度を有して配置されている。

これにより、磁石６が回転すると、当該磁石６からの磁界Ｈの向きが回転角に応じて変化するため、各磁気センサ１からは正弦波形の差動電圧値が計測される。例えば、磁気センサ１にＮ極が近づくほど大きな値の正の電圧が得られ、Ｎ極とＳ極の中間が磁気センサ１に向いているときには０電圧に、そして、Ｓ極が近づくほど小さな値の負の電圧が得られる。そして、２つの磁気センサ１は、それぞれ９０度ずれて配置されているため、それぞれにおいて計測される電圧値は、位相が９０度ずれることとなる。

また、エンコーダは、２つの磁気センサ１に接続され、当該各磁気センサ１にて計測される差動電圧が入力される計測部７を備えている。この計測部７は、各磁気センサ１にて計測された位相の異なる正弦波形の電圧値から、ｓｉｎ、ｃｏｓを用いて、ｔａｎを計算することで、磁石６の回転角を求めることができる。なお、磁石６が静止している場合であっても、同様に２つの磁気センサ１の出力からｔａｎを計算することで、磁石６の回転角を算出でき、アブソリュートエンコーダとしても機能しうる。

なお、磁気センサ１をエンコーダに用いるときの構成は、上述した構成に限定されない。例えば、磁石６は、必ずしも半円柱毎にＮ極とＳ極が分かれている構成されている必要は無く、磁石６の外周面の半分のみがＮ極に形成されていたり、あるいは、外周面の一部のみがＮ極に形成されていてもよい。また、磁気センサ１は必ずしも２つ装備することに限定されず、１つでもよく、あるいは、３個以上を配置してもよい。

また、上記では、磁気センサ１を用いた計測機器の一例として、電流計とエンコーダを説明したが、本発明における磁気センサ１は、他の様々な計測機器にも適用可能である。

本発明は、磁気センサ、電流計、エンコーダなど、様々な計測機器に利用することができ、産業上の利用可能性を有する。

１ 磁気センサ
１０ ＧＭＲチップ
１１，１２ 素子形成部
２１ 磁性体
３１，３２ 磁気回路形成部
４１ 切り欠き部
５ 磁性体コア
５０ ギャップ
５１ 導線
６ 磁石
７ 計測部
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ ＧＭＲ素子
Ａ 磁化固定方向
Ｈ 磁界
Ｂ 基板
ｈ 磁性体の高さ
ｗ 磁性体の幅
Ｉ 導線に流れる電流
Ｃ 円柱の中心軸

Claims (8)

1. 複数の磁気抵抗効果素子が接続され、所定の接続点間の差動電圧を検出可能なよう構成されたブリッジ回路を備え、前記ブリッジ回路の周囲に、前記磁気抵抗効果素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体が配置されており、前記磁性体は成膜プロセスによって形成されており、前記ブリッジ回路は、４つの前記磁気抵抗効果素子を備えると共に、当該ブリッジ回路にて差動出力部とは逆側で相互に接続されている対となる２つの前記磁気抵抗効果素子で形成された第１、第２の素子形成部を、前記磁気抵抗効果素子の、Ｘ軸方向と平行な磁化固定方向に並べて形成し、前記第１、第２の素子形成部の間に前記磁性体を配置した第１の磁気回路形成部を有し、さらに前記第１の磁気回路形成部と同様に相互に接続されている対となる２つの前記磁気抵抗効果素子の前記磁化固定方向に並べて形成された第３、第４の素子形成部の間に前記磁性体を配置した第２の磁気回路形成部を有しており、前記第２の磁気回路形成部は、前記第１の磁気回路形成部に対し、前記磁化固定方向と垂直な方向であるＹ軸方向に離間して配置され、前記第１の磁気回路形成部と前記第２の磁気回路形成部の前記磁気抵抗効果素子は前記差動出力部でそれぞれ接続されており、前記磁性体は、前記ブリッジ回路を形成する工程と同一の製造プロセスで形成されており、前記第１の磁気回路形成部と前記第２の磁気回路形成部に配置された前記磁性体は、同体であり、かつ切り欠き部を有し、前記切り欠き部は、前記磁性体の前記Ｙ軸方向における端部の中央に形成されていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記磁気抵抗効果素子と前記磁性体とは、前記磁気抵抗効果素子の磁化固定方向に沿って同一直線上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記磁気抵抗効果素子は、当該磁気抵抗効果素子の磁化固定方向が全て同一方向を向いて配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
4. 前記磁性体は、前記磁気抵抗効果素子の形成されている面に垂直な方向の寸法をｈとし、前記磁気抵抗効果素子の前記Ｘ軸方向の寸法をｗとした時、その寸法の比ｈ／ｗが１以上であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の磁気センサ。
5. 前記磁気抵抗効果素子が、前記Ｙ軸方向において、前記磁性体形成領域よりも内側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気センサ。
6. 前記磁性体を、前記磁気抵抗効果素子が形成されている面上または１つ以上の絶縁膜を含む積層構造を介して載置して設けたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の磁気センサ。
7. 前記磁性体は、軟磁性体であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の磁気センサ。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の前記磁気センサを備えたことを特徴とする計測機器。

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