JPH11287669A - 磁界センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 分解能が高く、出力も大きく、しかも、セン
サそのもののコンパクト化が図れる磁界センサを提供す
る。 【解決手段】 ２ｎ（ｎ≧３；ｎは整数）個の磁気抵抗
効果素子を備える磁界センサであって、前記２ｎ個の磁
気抵抗効果素子のうち、対となるＡ_m およびＢ_mは、下
記式（１）および式（２）の位置関係を満たし、かつ、
被検出体の着磁ピッチＰに対応する幅Ｐの内に平行配置
されるとともに、直列接続されてなるように構成する。 Ａ_m ＝（Ｐ（ｍ−１）／ｎ） …式（１） （ただし、ｍ＝１，２，３ …，ｎ） Ｂ_m ＝ Ａ_m ± Ｐ／２ …式（２）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外部磁界の変化を
電気信号に変換する磁界センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】磁界センサは、外部磁界の変化を電気信
号に変換するセンサであり、強磁性体や半導体薄膜等の
磁界検出膜をパターニングし、形成した磁気抵抗効果素
子に電流を流し電圧変化として外部磁界の変化を電気信
号に変換するものである。ここでいう磁気抵抗効果素子
は、パターニングによって形成された素子部を指し、こ
こでいう磁界センサは、２個以上の磁気抵抗効果素子を
含む素子全体を指している。

【０００３】ところで、強磁性磁気抵抗効果センサは、
強磁性体金属の電気抵抗が外部磁界により変化する現象
（磁気抵抗効果、ＭＲ効果）を利用して磁界強度を測定
するセンサである。単層膜では古くから知られている強
磁性体金属膜の磁気異方性磁気抵抗効果（以下、単にＡ
ＭＲ効果と呼ぶ）を利用していたが、最近では、例えば
特開平５−２５９５３０号公報に開示されているよう
に、多層構造からなる膜による結合型巨大磁気抵抗効果
（ＧＭＲ効果）を用いたセンサも開発されている。

【０００４】ＧＭＲ効果を示す磁性膜は、従来のＭＲ効
果を示す膜に比べてＭＲ変化率が大きい。そのため、例
えば回転等に利用される場合には出力が大きくなる。そ
の結果、ギャップの振れに対する許容度を大きくとるこ
とが可能であり、機械設計の点で極めて有利である。す
なわち、ＧＭＲ効果を示す磁性膜を使用すれば、被検出
体とセンサとの間のギャップが、多少変化しても安定し
た出力を得ることが可能である。また、ＧＭＲ効果を示
す磁性膜においては、抵抗の変化が磁界と電流の相対角
度によらず等方的であるため、印加される磁界の方向が
変化しても、その磁界の大きさが変わらない限り安定し
た出力を維持することができる。

【０００５】巨大磁気抵抗効果膜は、一般に、（強磁
性体／非磁性導電体）構造のアンチフェロ（結合）型、
（高保磁力強磁性体／非磁性導電体／低保磁力強磁性
体）構造の誘導フェリ（非結合）型、（反強磁性体／
強磁性体／非磁性導電体／強磁性体）構造のスピンバル
ブ型、Ｃｏ／Ａｇ系統の非固溶系グラニュラー型に大
別される。これらの巨大磁気抵抗効果膜はその構造、組
成により検出可能な磁界強度、すなわち磁気抵抗効果の
飽和磁界強度が大きく異なる。例えば、（Ｆｅ／Ｃｒ）
系アンチフェロ型では１０ＫＯｅ以上、（ＣｏＮｉＦｅ
／Ｃｕ）系アンチフェロ型では０．１から１ＫＯｅま
で、（ＮｉＦｅ／Ｃｕ／Ｃｏ／Ｃｕ）系誘導フェリ型で
は５から２０Ｏｅ程度、（ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｃｕ／
ＮｉＦｅ）系スピンバルブ型では数Ｏｅ、そしてグラニ
ュラー型では１００から５ＫＯｅ程度までの磁界検出が
可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来より磁
界センサは、分解能を高め、検出精度を上げる等の理由
から、基板の上に複数個の磁気抵抗効果素子を順次配列
した形態のものが種々提案されている。

【０００７】例えば、特開平３−２２１８１４号公報に
は、磁界ピッチに対して磁気抵抗効果素子の具体的な配
列手法が開示されている。この提案によれば、磁電変換
装置は、磁極間ピッチＰで周期的に着磁された被検出体
を検出するための磁気抵抗効果素子を、合計２Ｎ個配置
し、Ｐ／Ｎの位相だけずれたＮ個の対（ペア）となる素
子からそれぞれ信号が得られる構成を採択しているの
で、磁電変換装置の分解能をＮ倍とすることができる。
しかしながら、この提案のものは、分解能を高くするた
めに磁気抵抗効果素子の数を増加させると、対（ペア）
となる素子の位相差が小さくなり、出力信号の振幅が小
さくなってしまう。

【０００８】また、特開昭６１−９９８１６号公報に
は、ｎ個のペア（２ｎ個の磁気抵抗効果素子）を、（Ｐ
−Ｐ／ｎ）の間隔で配列し、高分解能を実現させたセン
サが開示されている。また、特開平４−２８２４１７号
公報には、４個の磁気抵抗効果素子によりなるセンサを
ｋ組構成し、（Ｌ＋ｍ／２＋１／２ｋ）Ｐ（Ｌ，ｍは０
か整数；ｋは整数）の間隔でセンサを配置することによ
り、高分解能化を図る旨の提案がなされている。しかし
ながら、これらのものは、いずれも高分解能化を図るた
めに、センサのサイズが大きくなってしまい、センサの
小型コンパクト化が実現できない。

【０００９】このような実状のもとに本発明は創案され
たものであって、その目的は、従来の問題点を解決し、
分解能が高く、出力も大きく、しかも、センサそのもの
のコンパクト化が図れる磁界センサを提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本発明は、２ｎ（ｎ≧３；ｎは整数）個の磁
気抵抗効果素子を備える磁界センサであって、前記２ｎ
個の磁気抵抗効果素子のうち、対となるＡ_m およびＢ_m
は、下記式（１）および式（２）の位置関係を満たし、
かつ、被検出体の着磁ピッチＰに対応する幅Ｐの内に平
行配置されるとともに、直列接続されてなるように構成
される。

【００１１】 Ａ_m ＝（Ｐ（ｍ−１）／ｎ） …式（１） （ただし、ｍ＝１，２，３ …，ｎ） Ｂ_m ＝ Ａ_m ± Ｐ／２ …式（２） また、本発明の磁界センサの好適な態様として、上記Ａ
_m およびＢ_m の設置位置に、さらにそれぞれもう１つず
つの磁気抵抗効果素子を付加して、合計４ｎ（ｎ≧３；
ｎは整数）個の磁気抵抗効果素子を設け、上記Ａ_m およ
びＢ_m 並びにこれらの設置位置に付加された磁気抵抗効
果素子により、ブリッジ回路を構成してなるように構成
される。

【００１２】また、本発明の磁界センサの好適な態様と
して、前記磁気抵抗効果素子は、所定のパターンに形成
された磁性膜であり、当該磁性膜は、巨大磁気抵抗効果
を示す膜であるように構成される。

【００１３】また、本発明の磁界センサの好適な態様と
して、前記磁気抵抗効果素子は、６個以上設けられてお
り（ｎ≧３）、３相以上の信号を出力してなるように構
成さえる。

【００１４】また、本発明の磁界センサの好適な態様と
して、前記磁気抵抗効果素子は、６個以上３０個以下設
けられており（ｎ＝３〜１５）、３相以上１５相以下の
信号を出力してなるように構成される。

【００１５】また、本発明の磁界センサの好適な態様と
して、前記磁気抵抗効果素子は、基板の上に形成されて
おり、当該基板が、可撓性を有するように構成される。

【００１６】また、本発明の磁界センサの好適な態様と
して、前記基板が、可撓性を有する樹脂基板であるよう
に構成される。

【００１７】また、本発明の磁界センサの好適な態様と
して、前記基板が、ポリイミドであるように構成され
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面を参照しつつ説明する。

【００１９】図１は、本発明の磁界センサ１の好適な第
１の実施の形態を示す平面図であり、主に、被検出物と
の関係で、磁気抵抗効果素子の配列パターンが詳細に示
されている。

【００２０】本発明の磁界センサ１は、２ｎ（ｎ≧３；
ｎは整数）個の磁気抵抗効果素子を備え、前記２ｎ個の
磁気抵抗効果素子のうち、対となるＡ_m およびＢ_m は、
下記式（１）および式（２）の位置関係を満たし、か
つ、被検出体の着磁ピッチＰに相当する幅Ｐの内に平行
配置されるとともに、直列接続されて構成される。

【００２１】 Ａ_m ＝（Ｐ（ｍ−１）／ｎ） …式（１） （ただし、ｍ＝１，２，３ …，ｎ） Ｂ_m ＝ Ａ_m ± Ｐ／２ …式（２） 図１に示される実施の形態の場合、磁界センサ１は、基
板１０の上に、６個の磁気抵抗効果素子（Ａ₁ 〜Ａ₃ ，
Ｂ₁ 〜Ｂ₃ ）が形成されており、上記式（１）および式
（２）との関係を満たす、Ａ₁ とＢ₁ 、Ａ₂ とＢ₂ 、Ａ
₃ とＢ₃ とがそれぞれ対（ペア）となる磁気抵抗効果素
子（Ａ_m およびＢ_m ）を構成する。

【００２２】本発明における２ｎ個の磁気抵抗効果素子
は、すべて、検出対象となる被検出体の着磁ピッチＰに
対応する幅Ｐの内に（基板上、決められた幅Ｐの内に）
平行配置されている。これにより、磁界センサ１のコン
パクト化が図られる。

【００２３】配列法について詳述しておくと、まずＡ₁
の位置を図面上の左端にきめ、この位置から（Ｐ／２）
右方向へ対となるＢ₁ を設置する。次いでＡ₂ 位置を、
Ａ₁の位置より、右方向へ（Ｐ／３）のところに設置す
る。このＡ₂ を基準にして、（Ｐ／２）右方向へ対とな
るＢ₂ を設置する。次いでＡ₃ 位置を、Ａ₂ の位置よ
り、右方向へ（Ｐ／３）のところに設置する。このＡ₃
を基準にして、今度は逆に（Ｐ／２）左方向へ対となる
Ｂ₃ を設置する。あくまで、すべての素子は、着磁ピッ
チＰに相当する幅Ｐの内に納めなければならない。すな
わち、上記式（２）における±（Ｐ／２）をうまく使っ
て、設置方向を決め、幅Ｐの内に納める手法を要する。

【００２４】対（ペア）となる磁気抵抗効果素子Ａ_m お
よびＢ_m は、図示のごとくそれぞれ、（Ｐ／２）の間隔
で設置されるとともに直列接続されており、３つのペア
の磁気抵抗効果素子によりＰ／３毎の位相差での出力、
すなわち、３相の信号を出力（図１のＶ₁ ，Ｖ₂ ，Ｖ
₃ ）することができる。従って、分解能が極めて高く
（図１の場合、素子が一対しかない場合と比べて３倍と
なる）、出力も大きくとれる。

【００２５】なお、図１に示される実施の形態の場合、
被検出体６０は、着磁ピッチＰでＳ−Ｎ極が交互に着磁
されており、しかも、矢印、（α）方向に所定の速度で
移動する被検出体が例示されている。なお、本発明で適
用される着磁ピッチＰの値は、幾何学上明確にわかるピ
ッチはもちろんのこと、磁界検出の操作条件等を加味し
て補正された着磁ピッチの値をも含んでいる。このこと
は後述する実施例を見れば容易に理解できよう。

【００２６】図２には、図１に示される回路を具体的磁
界センサ１の構成図に変えた図面が示されている。図２
において、６個の各磁気抵抗効果素子（Ａ₁ 〜Ａ₃ ，Ｂ
₁ 〜Ｂ₃ ）は、基板２０の上に、折り返し形態のパター
ンで形成されており、これらの両端部には、それぞれ、
導電体電極膜１１，１１（電極パッド）が形成されてい
る。導電体電極膜１１，１１（電極パッド）は、磁気抵
抗効果膜１０に電流を流すために形成され、さらにこの
導電体電極膜１１，１１には、ハンダ付け、ワイヤーボ
ンディング等により外部回路との接合が行われる。

【００２７】本発明で用いられる磁界検出用の磁気抵抗
効果素子（磁性膜）は、磁気抵抗効果を有する膜であ
り、単層膜構造、多層膜構造のいずれであってもよい。
磁気抵抗効果とは、磁場の変化によって電気抵抗が変化
する現象をいう。素子を構成する磁性膜は、特に検出感
度が高くて検出する磁界強度を大きく変化させることが
可能な巨大磁気抵抗効果膜（ＧＭＲ膜）を用いることが
好ましい。

【００２８】巨大磁気抵抗効果膜は、金属人工格子（藤
森啓安、アグネ技術センター、１９９５年発行）３４７
ページに紹介されているように、強磁性体膜と非磁性体
膜との多層膜であり、その多層膜の界面散乱変化により
抵抗が変化することが知られている。

【００２９】巨大磁気抵抗効果膜としては、（強磁性
体／非磁性導電体）構造のアンチフェロ（結合）型、
（高保磁力強磁性体／非磁性導電体／低保磁力強磁性
体）構造の誘導フェリ（非結合）型、（半強磁性体／
強磁性体／非磁性導電体／強磁性体）構造のスピンバル
ブ型、Ｃｏ／Ａｇ系統の非固溶系グラニュラー型に大
別される。

【００３０】これらの各巨大磁気抵抗効果膜は、その構
造や組成により、検出可能な磁界強度、すなわち、磁気
抵抗効果の飽和磁界強度が大きく異なる。例えば、（Ｆ
ｅ／Ｃｒ）系アンチフェロ型では１０ＫＯｅ以上、（Ｃ
ｏＮｉＦｅ／Ｃｕ）系アンチフェロ型では、０．１Ｏｅ
から１ＫＯｅ、（ＮｉＦｅ／Ｃｕ／Ｃｏ／Ｃｕ）系誘導
フェリ型では、５Ｏｅから２０Ｏｅ程度、（ＦｅＭｎ／
ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ）系スピンバルブ型では、数
Ｏｅ、そして、グラニュラー型では１００Ｏｅから５Ｋ
Ｏｅ程度までの磁界検出が可能である。磁界感度は、最
大磁気抵抗変化率を飽和磁界強度で割り算したものであ
り、最大磁気抵抗変化率が大きくても、飽和磁界が大き
い場合には磁界感度は悪い。反対に、最大磁気抵抗変化
率が小さくても、飽和磁界が非常に小さい場合には磁界
感度は良い。このため、検出すべき磁界強度により最高
の磁界感度が得られるように、上記の各種の巨大磁気抵
抗効果膜から、基本系を選択し、さらに組成系の変更や
細かな構造を最適化して用いる。

【００３１】このような磁気抵抗効果膜（磁性膜）は、
真空成膜法、例えば、蒸着法、スパッタ法などにより成
膜される。より具体的には、基板２０の全面に磁気抵抗
効果膜を成膜した後、所望のパターン形状にパターニン
グして磁界検出用の磁気抵抗効果素子とし、さらに、こ
の膜に接合され電流を流すための導電体電極膜１１，１
１を所定のパターンに形成する。導電体電極膜１１，１
１は、磁気抵抗効果素子である磁性膜部分に比べて小さ
な抵抗を有することが重要である。このため導電体電極
膜１１，１１は、導電性の高い金属、例えば銅、金、ア
ルミニウム等を用いて比較的厚い仕様、例えば、０．３
から５．０μｍの厚さに成膜される。導電体電極膜１
１，１１の形成には、真空成膜法に加えて湿式成膜法も
利用可能である。また、最初に、導電体電極膜１１，１
１導電層を形成してから磁気抵抗効果素子を形成しても
差し支えない。

【００３２】また、このように磁気抵抗効果素子（Ａ₁
〜Ａ₃ ，Ｂ₁ 〜Ｂ₃ ）および導電体電極膜１１，１１を
個別に異種の材料から構成するのではなくて、磁気抵抗
効果素子および導電体電極膜１１，１１をすべて同一材
質から一体的に形成（成膜）させてもよい。ただし、こ
の場合には磁気抵抗効果素子および導電体電極膜１１，
１１の各々の機能が発揮できる範囲内での同一材質とす
ることが必要である。磁性膜の部分は感磁パターン部で
あり、導電体電極膜の部分は、感磁パターン部である必
要はない。そこで、感磁パターン部と電極部の電流密度
を変化させるために、電極部の幅は感磁パターン部の幅
よりも広く設計される。すなわち、同一材質で構成され
たパターンの両端部分の幅を広くすることで導電体電極
膜としての機能を付与できる。同一材質から構成するこ
とにより、１回のパターニング工程で感磁部分である磁
気抵抗効果素子と電極部である導電体電極膜１１，１１
が同時に形成でき、極めて高い生産性を実現することが
できる。

【００３３】磁気抵抗効果素子は、一般に、２００ｎｍ
以下の薄膜として形成されるために、使用環境における
耐食性が問題となることが多い。このため、少なくとも
磁気抵抗効果素子の上層に保護膜を設け、周囲の雰囲気
から磁気抵抗効果素子を保護することが好ましい。保護
膜の材質としては、ＳｉＯ₂ やＡｌ₂ Ｏ₃ 等の無機材料
や、ポリイミド樹脂、ノボラック樹脂等の有機材料を用
いることが好ましい。

【００３４】本発明に用いられる基板２０の材質は、特
に制限されるものではなく、ガラス、シリコン、セラミ
ック等の無機系のものや、樹脂等の有機系のものいずれ
を用いてもよい。これらのなかでは特に、いわゆる可撓
性に優れ、薄くて軽いものを用いることが好ましく、例
えば、印刷配線板等として広く使用されているプラスチ
ックフィルムと同様の基板が好適に使用できる。より具
体的には、プラスチックフィルム材質として公知の各種
の材料、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレ
ート（ＰＥＴ）、ポリポロピレン（ＰＰ）、テフロン等
が利用可能である。なかでも特に、導電体電極膜の端部
でのハンダによる接合を考慮して、耐熱性の高いポリイ
ミドフィルムを用いるのが好ましい。

【００３５】基板２０の厚さは、特に限定されるもので
はないが、通常、１〜３００μｍの厚さのものが好まし
い。

【００３６】図３には、本発明の第２の実施の形態が示
される。図３に示される磁界センサ２が、前記図１に示
される磁界センサ１と特に異なるのは、８個の磁気抵抗
効果素子（Ａ₁ 〜Ａ₄ ，Ｂ₁ 〜Ｂ₄ ）が形成されている
点にある。

【００３７】図３に示される実施の形態の場合、磁界セ
ンサ２は、基板２０の上に、８個の磁気抵抗効果素子
（Ａ₁ 〜Ａ₄ ，Ｂ₁ 〜Ｂ₄ ）が形成されており、上記式
（１）および式（２）との関係を満たす、Ａ₁ とＢ₁ 、
Ａ₂ とＢ₂ 、Ａ₃ とＢ₃ 、Ａ₄とＢ₄ とがそれぞれ対
（ペア）となる磁気抵抗効果素子（Ａ_m およびＢ_m ）を
構成する。

【００３８】もちろん、この場合も、８個の磁気抵抗効
果素子は、すべて、検出対象となる被検出体の着磁ピッ
チＰに対応する幅Ｐの内に（基板上、決められた幅Ｐの
内に）平行配置されている。

【００３９】配列法について詳述しておくと、まずＡ₁
の位置を図面上の左端にきめ、この位置から（Ｐ／２）
右方向へ対となるＢ₁ を設置する。次いでＡ₂ 位置を、
Ａ₁の位置より、右方向へ（Ｐ／４）のところに設置す
る。このＡ₂ を基準にして、（Ｐ／２）右方向へ対とな
るＢ₂ を設置する。次いでＡ₃ 位置を、Ａ₂ の位置よ
り、右方向へ（Ｐ／４）のところに設置する。このＡ₃
を基準にして、今度は逆に（Ｐ／２）左方向へ対となる
Ｂ₃ を設置する。次いでＡ₄ 位置を、Ａ₃ の位置より、
右方向へ（Ｐ／４）のところに設置する。このＡ₄ を基
準にして、今度も逆に（Ｐ／２）左方向へ対となるＢ₄
を設置する。あくまで、すべての素子は、着磁ピッチＰ
に相当する幅Ｐの内に納めなければならない。すなわ
ち、上述したように上記式（２）における±（Ｐ／２）
をうまく使って、設置方向を決め、幅Ｐの内に納める手
法を要する。

【００４０】対（ペア）となる磁気抵抗効果素子Ａ_m お
よびＢ_m は、図示のごとくそれぞれ、（Ｐ／２）の間隔
で設置されるとともに直列接続されており、４個のペア
の磁気抵抗効果素子によりＰ／４毎の位相差での出力、
すなわち、４相の信号を出力（図３のＶ₁ ，Ｖ₂ ，Ｖ
₃ ，Ｖ₄ ）することができる。従って、分解能が極めて
高く（図３の場合、素子が一対しかない場合と比べて４
倍となる）、出力も大きくとれる。

【００４１】図４には、図３に示される回路を具体的磁
界センサ２の構成図に変えた図面が示されている。図４
において、８個の各磁気抵抗効果素子（Ａ₁ 〜Ａ₄ ，Ｂ
₁ 〜Ｂ₄ ）は、基板２０の上に、折り返し形態のパター
ンで形成されており、これらの両端部には、それぞれ、
導電体電極膜１１，１１（電極パッド）が形成されてい
る。磁気抵抗効果素子および導電体電極膜の説明は、す
でに上述した通りであるので、ここでの説明は省略す
る。

【００４２】図５には、本発明の第３の実施の形態が示
される。図５に示される磁界センサ３が、前記図１に示
される磁界センサ１と特に異なるのは、１０個の磁気抵
抗効果素子（Ａ₁ 〜Ａ₅ ，Ｂ₁ 〜Ｂ₅ ）が形成されてい
る点にある。

【００４３】図５に示される実施の形態の場合、磁界セ
ンサ３は、基板２０の上に、１０個の磁気抵抗効果素子
（Ａ₁ 〜Ａ₅ ，Ｂ₁ 〜Ｂ₅ ）が形成されており、上記式
（１）および式（２）との関係を満たす、Ａ₁ とＢ₁ 、
Ａ₂ とＢ₂ 、Ａ₃ とＢ₃ 、Ａ₄ とＢ₄ 、Ａ₅ とＢ₅ とが
それぞれ対（ペア）となる磁気抵抗効果素子（Ａ_m およ
びＢ_m ）を構成する。

【００４４】もちろん、この場合も、１０個の磁気抵抗
効果素子は、すべて、検出対象となる被検出体の着磁ピ
ッチＰに対応する幅Ｐの内に（基板上、決められた幅Ｐ
の内に）平行配置されている。

【００４５】配列法について詳述しておくと、まずＡ₁
の位置を図面上の左端にきめ、この位置から（Ｐ／２）
右方向へ対となるＢ₁ を設置する。次いでＡ₂ 位置を、
Ａ₁の位置より、右方向へ（Ｐ／５）のところに設置す
る。このＡ₂ を基準にして、（Ｐ／２）右方向へ対とな
るＢ₂ を設置する。次いでＡ₃ 位置を、Ａ₂ の位置よ
り、右方向へ（Ｐ／５）のところに設置する。このＡ₃
を基準にして、（Ｐ／２）右方向へ対となるＢ₃ を設置
する。次いでＡ₄ 位置を、Ａ₃ の位置より、右方向へ
（Ｐ／５）のところに設置する。このＡ₄ を基準にし
て、今度は逆に（Ｐ／２）左方向へ対となるＢ₄ を設置
する。次いでＡ₅ 位置を、Ａ₄ の位置より、右方向へ
（Ｐ／５）のところに設置する。このＡ₅ を基準にし
て、今度は逆に（Ｐ／２）左方向へ対となるＢ₅ を設置
する。あくまで、すべての素子は、着磁ピッチＰに相当
する幅Ｐの内に納めなければならない。

【００４６】対（ペア）となる磁気抵抗効果素子Ａ_m お
よびＢ_m は、図示のごとくそれぞれ、（Ｐ／２）の間隔
で設置されるとともに直列接続されており、５つのペア
の磁気抵抗効果素子によりＰ／５毎の位相差での出力、
すなわち、５相の信号を出力（図５のＶ₁ ，Ｖ₂ ，Ｖ
₃ ，Ｖ₄ ，Ｖ₅ ）することができる。従って、分解能が
極めて高く（図５の場合、素子が一対しかない場合と比
べて５倍となる）、出力も大きくとれる。

【００４７】図６には、図５に示される回路を具体的磁
界センサ３の構成図に変えた図面が示されている。図６
において、１０個の各磁気抵抗効果素子（Ａ₁ 〜Ａ₅ ，
Ｂ₁〜Ｂ₅ ）は、基板２０の上に、折り返し形態のパタ
ーンで形成されており、これらの両端部には、それぞ
れ、導電体電極膜１１，１１（電極パッド）が形成され
ている。磁気抵抗効果素子および導電体電極膜の説明
は、すでに上述した通りである。

【００４８】また、図７には、図５の配置における等価
回路が示されている。

【００４９】以上、実施の形態１〜３として、ｎ＝３〜
５の場合における磁気抵抗効果素子の具体的配置を説明
してきたが、これらの手法に準じて、ｎ＝６，７，８…
の場合にも本発明が適用できることは明らかである。

【００５０】図８には、本発明における上記Ａ_m および
Ｂ_m の設置位置に、さらにそれぞれもう１つずつの磁気
抵抗効果素子を付加して、合計４ｎ（ｎ≧３；ｎは整
数）個の磁気抵抗効果素子を設け、上記Ａ_m およびＢ_m
並びにこれらの設置位置に付加された磁気抵抗効果素子
Ａ_m ’およびＢ_m ’により、ブリッジ回路を構成した磁
界センサ４が示される。

【００５１】図８において、式（１）および（２）を満
たす２ｎ個相当分、すなわち、１０個の磁気抵抗効果素
子（Ａ₁ 〜Ａ₅ ，Ｂ₁ 〜Ｂ₅ ）の配置は、上記図５に示
される場合（実施の形態３）と同様である。さらに付加
される２ｎ個、すなわち、付加される１０個の磁気抵抗
効果素子（Ａ₁ ’〜Ａ₅ ’，Ｂ₁ ’〜Ｂ₅ ’）の配置位
置は、図示のごとく対応する添字と同一位置とされる
（例えば、Ａ_m とＡ_m ’；Ｂ_m とＢ_m ’）。このように
して形成配置された、２０個の磁気抵抗効果素子は、対
（ペア）となる位置に存在する４本の素子により、それ
ぞれ、ブリッジ回路が組まれる。具体的ブリッジ回路
が、図９に示される。図８〜９に示される磁界センサ４
を、図５に示される磁界センサ３（実施の形態３）と比
べた場合、分解能は互いに同じであるが、出力は、磁界
センサ４の方が大きくとれ２倍となる。

【００５２】図１０には、本発明の磁界センサ１（磁界
センサ２〜４）の使用例の一例が示される。図１０に示
される磁界センサ１は、被検出体６０である回転着磁体
の回転速度を非接触で検出するためにギャップＧの距離
を離して設置される。回転着磁体（６０）は、この例で
は、円盤形状をなし、その周側面には図示のごとくＮ−
Ｓ極が交互に着磁されている（Ｎ−Ｓ極の磁石の幅を着
磁ピッチＰと定義する）。この場合、磁界センサ１（基
板と磁気抵抗効果素子）は、図１０に示される回転着磁
体（６０）の周側面の曲率に合わせて（基板２０を曲げ
て）曲率を付けておくことにより、高精度な検出が可能
になる。すなわち、ギャップＧを一定に維持することが
できるため、磁界センサの出力が安定する。この点を考
慮し、基板２０は、可撓性に優れる樹脂基板を用いるこ
とが好ましい。

【００５３】また、図１１に示されるように、回転する
被検出体６１が、軟磁性体からなる円盤ギヤ形状の被検
出体である場合、本発明の磁界センサ１は、例えば、そ
の背後に設置されるバイアス磁石６６と組み合わせて用
いられる。この場合、ギヤの凹凸部を合わせた長さを着
磁ピッチＰと定義する。なお、図１１に示される場合も
上記図１０の場合と同様に、磁界センサに用いられる基
板２０は、可撓性に優れる樹脂基板を用い、所定の湾曲
形状を形成させておくことが好ましい。

【００５４】可撓性を有する基板２０の上に成膜した磁
気抵抗効果素子に圧縮または引っ張り応力を印加する
と、応力で誘起された異方性により、飽和磁界の値が変
化する。この性質を利用し、例えば、予め圧縮応力を印
加した磁気抵抗効果膜を高温で熱処理し、応力緩和させ
た後、基板を平坦にすると、引っ張り応力が磁気抵抗効
果膜に働き、飽和磁界が減少する。すなわち、平坦な状
態でありながら、素子本来の特性よりも高感度で、湾曲
可能な磁気抵抗効果素子の作製が可能となる。

【００５５】図１２には、ストライプ形状の磁気抵抗効
果素子の長手方向に応力を印加させた場合、磁気抵抗効
果曲線（ＭＲ曲線）がどのように変化するかを示すグラ
フが示される。図１２（ａ）は応力を印加していない状
態、図１２（ｂ）は圧縮応力を印加した状態、図１２
（ｃ）は引張応力を印加した状態のＭＲ曲線である。こ
こで、応力は、樹脂基板の曲率半径が５ｍｍになるま
で、圧縮方向、引っ張り方向にそれぞれ印加している。

【００５６】また、図１３には、ポリイミドフィルム基
板の上に形成された磁気抵抗効果素子としてのＧＭＲ膜
を、応力処理や熱処理等する際に、処理操作に応じて変
化するＭＲ曲線が示される。図１３（ａ）は、膜に外部
から強制的に応力がかけられてない状態でのＭＲ曲線で
ある。次いで、フィルム基板を凹状に湾曲させる（圧縮
応力印加）。この時のＭＲ曲線が図１３（ｂ）に示され
る。フィルム基板を凹状に湾曲させた状態で、１５０℃
で１時間熱処理を行うと応力緩和によりＭＲ曲線が湾曲
前の状態に戻る（図１３（ｃ））。次に、フィルムを平
坦にすると、引っ張り応力が印加され、ヒステリシスが
多少見られるようになるが、応力誘起異方性により、Ｍ
Ｒ変化率を劣化させずに飽和磁界を熱処理前の半分程度
にすることができる（図１３（ｄ））。このようにし
て、高感度で、柔軟性のある磁界センサの作製が可能と
なり、曲率がそれほど大きくない被検出体の表面に沿っ
て、ギャップを一定に保ちながら磁界センサを配置させ
ることができる。

【００５７】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。

【００５８】（実施例１）３インチ径、７５μｍ厚のポ
リイミドフィルムを基板として用いた。この基板の上
に、デュアルイオンビームスパッタ装置にて、２００Å
−Ｔｉ（１５Å−ＮｉＦｅＣｏ／２０Å−Ｃｕ）×２０
の多層ＧＭＲ膜を成膜した。ここで膜構造は最初に２０
０ÅのＴｉ、次に１５ÅのＮｉＦｅＣｏ合金と２０Åの
Ｃｕを順に各々２０層づつ積層した全厚９００Åの多層
膜である。なお、密着性を向上させるために、ＧＭＲ膜
を成膜する前に、アルゴンイオンにより基板表面のイオ
ンミリングを行った。用いたターゲットはいずれも純度
９９．９％以上のターゲット組成とし、到達圧力として
４×１０^-7Ｔｏｒｒまで真空引きした後にアルゴンガス
を導入し、成膜中の真空度は１．４×１０^-4Ｔｏｒｒと
した。成膜時のアルゴンイオンの加速電圧は３００Ｖ、
ビーム電流（アルゴンイオン量に比例）は３０ｍＡ、Ｎ
ｉＦｅＣｏおよびＣｕの平均成膜速度は０．０３ｎｍ／
ｓｅｃであった。

【００５９】成膜後、フォトリソグラフィ手法により感
磁部である磁気抵抗効果素子のパターンを形成した。パ
ターン形状は、下記に示すような種々の形状とした（実
施例サンプル１〜２；比較例サンプル１〜５）。

【００６０】（１）実施例サンプル１ 図５および図６に示されるように１０個の磁気抵抗効果
素子（ｎ＝５）を被検出体の着磁ピッチＰに対応する幅
Ｐの内に平行配置して実施例サンプル１を作製した。図
５において、（Ｐ／１０）＝２４６μｍとした。

【００６１】（２）実施例サンプル２ 図８に示されるように合計４ｎ個（２０個；ｎ＝５）の
磁気抵抗効果素子を設け、Ａ_m およびＢ_m 並びにこれら
の設置位置に付加された磁気抵抗効果素子Ａ_m’および
Ｂ_m ’により、ブリッジ回路を構成してなる２０個の磁
気抵抗効果素子を被検出体の着磁ピッチＰに対応する幅
Ｐの内に平行配置して実施例サンプル２を作製した。図
８において、（Ｐ／１０）＝２４６μｍとした。

【００６２】（３）比較例サンプル１ 図１５に示されるように１０個の磁気抵抗効果素子（ｎ
＝５）を備える比較例サンプル１を作製した。このサン
プルは、Ａ_m とＢ_m のピッチを（Ｐ／２）に維持させな
がら、これらの対となる素子をＰ／５ずつ右方向にずら
して配置したものである。従って、すべての素子は着磁
ピッチＰに対応する幅Ｐの内に入っておらず、２つの素
子Ｂ₄ ，Ｂ₅ は、Ｐの範囲からはみ出している。図１５
において、（Ｐ／５）＝４９２μｍ、（Ｐ／１０）＝２
４６μｍとした。

【００６３】（４）比較例サンプル２ 特開平３−２２１８１４号公報に従来技術として開示さ
れている技術と同一思想のものである。図１６に示され
るように、１０個の磁気抵抗効果素子を着磁ピッチＰに
対応する幅Ｐの中に配列したものである。Ａ_m とＢ_m の
ピッチは（Ｐ／２）であるが、最初にＡ_m を順次配置し
た後、次いでＢ_m を順次配置しているために本発明の式
（１）を満足させていない。

【００６４】（５）比較例サンプル３ 特開平３−２２１８１４号公報に発明として開示されて
いる技術と同一思想のものである。図１７に示されるよ
うに、１０個の磁気抵抗効果素子を着磁ピッチＰに対応
する幅Ｐの中に配列したものである。Ａ_m とＢ_m のピッ
チは（Ｐ／２）となっておらず本発明の式（２）を満足
させていない。

【００６５】（６）比較例サンプル４ 特開平４−２８２４１７号公報中の図４として開示され
ている技術と同一思想のものである。配列形式が理解し
やすいように、図１８（ａ）〜（ｆ）にそれぞれ異なる
組ごとにずらして記載してある。このものは本発明の式
（１）および（２）を満足させていない。

【００６６】（７）比較例サンプル５ 特開昭６１−９９８１６号公報中の図１として開示され
ている技術と同一思想のものである。すなわち当該検出
装置は、図１９に示されるように隣り合う２つのパター
ンＡ₁ とＢ₁ 、Ａ₂ とＢ₂ 、Ａ₃ とＢ₃ 、Ａ₄ とＢ₄ 、
Ａ₅ とＢ₅ がそれぞれ対をなし（ｎ＝５）、各対をなす
パターンを（ＰーＰ／ｎ）ピッチで配列したものであ
る。Ａ_m とＢ_m のピッチは（Ｐ／２）であるが、本発明
の式（１）の関係は満足させていない。また、素子全体
もピッチＰ内に入っていない。

【００６７】上記すべてのサンプルについて、導電体電
極膜（電極パッド）は、別途、１μｍの金膜をスパッタ
法により形成した。この導電体電極膜（電極パッド）に
ハンダ付けにて錫メッキ銅線を接合し、さらに磁気抵抗
効果素子（素子）の自己発熱を防止するために、磁気抵
抗効果素子の上にシリコン樹脂を主成分とする熱伝導性
の良い材料を形成した。

【００６８】また、上記すべてのサンプルについて、磁
気抵抗効果素子のそれぞれのパターン幅は３０μｍ、素
子長は３．０ｍｍ、全長は９．０ｍｍとした。作製した
素子の抵抗は、いずれも１．０４〜１．０５ｋΩ、ＭＲ
変化率（MR Ratio) は、いずれも１４〜１５％であっ
た。

【００６９】上記の要領で作製した各磁界センササンプ
ル（符号：ＭＳ）を、図１４に示すごとく回転するロー
タ８０の外周面に取りつけ、このロータ８０を筒状の着
磁体９０に内側に配置し、回転位置センサとして評価し
た。筒状の着磁体９０はフェライトゴム磁石からなり、
ゴム磁石の着磁ピッチＰ’は、２．５８ｍｍで、厚さは
１．５ｍｍとした。筒状のゴム磁石（着磁体９０）の内
径は７４ｍｍ、磁界センササンプル（符号：ＭＳ）と着
磁体９０とのギャップＧは１．７ｍｍとした。このギャ
ップＧを考慮に入れて、ロータ上の周期を計算すると式
（１）および（２）の計算対象となるピッチＰ＝２．４
６ｍｍが得られる。各サンプルを評価する際には、５Ｖ
（＝Ｖ_cc）の電圧を印加し、出力を測定した。

【００７０】結果を下記表１に示す。

【００７１】

【表１】 表１に結果より、本発明の磁界センサは、コンパクト化
が図れるために３インチウエーハから多くのセンサを得
ることができる。また、分解能が高いことはもとより、
出力も大きくなることから、大幅なコストダウンと高感
度、高出力が実現できる。

【００７２】

【発明の効果】上記の結果より本発明の効果は明らかで
ある。すなわち、本発明の磁界センサは、２ｎ（ｎ≧
３；ｎは整数）個の磁気抵抗効果素子を備える磁界セン
サであって、前記２ｎ個の磁気抵抗効果素子のうち、対
となるＡ_m およびＢ_m は、下記式（１）および式（２）
の位置関係を満たし、かつ、被検出体の着磁ピッチＰに
対応する幅Ｐの内に平行配置されるとともに、直列接続
されてなるように構成される。

【００７３】 Ａ_m ＝（Ｐ（ｍ−１）／ｎ） …式（１） （ただし、ｍ＝１，２，３ …，ｎ） Ｂ_m ＝ Ａ_m ± Ｐ／２ …式（２） 従って、このような構成からなる本発明の磁界センサ
は、センサそのものコンパクト化が図れ、分解能も高
く、出力も大きくなることから、大幅なコストダウンと
高感度化、高出力化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁界センサの好適な第１の実施の形態
を示す平面図である。

【図２】図１に示される回路を具体的磁界センサの構成
に変えた平面図である。

【図３】本発明の磁界センサの好適な第２の実施の形態
を示す平面図である。

【図４】図３に示される回路を具体的磁界センサの構成
に変えた平面図である。

【図５】本発明の磁界センサの好適な第３の実施の形態
を示す平面図である。

【図６】図５に示される回路を具体的磁界センサの構成
に変えた平面図である。

【図７】第３の実施の形態の等価回路を示す図面であ
る。

【図８】本発明の磁界センサの好適な第４の実施の形態
を示す平面図である。

【図９】第４の実施の形態の等価回路を示す図面であ
る。

【図１０】本発明の磁界センサの使用例を示す概略斜視
図である。

【図１１】本発明の磁界センサの他の使用例を示す概略
側面図である。

【図１２】ストライプ形状の磁気抵抗効果素子の長手方
向に応力を印加させた場合、磁気抵抗効果曲線（ＭＲ曲
線）がどのように変化するかを示すグラフである。図１
２（ａ）は応力を印加していない状態、図１２（ｂ）は
圧縮応力を印加した状態、図１２（ｃ）は引張応力を印
加した状態のＭＲ曲線である。

【図１３】（ａ）〜（ｄ）は、ポリイミドフィルム基板
の上に形成された磁気抵抗効果素子としてのＧＭＲ膜を
応力処理や熱処理等する際に、処理操作に応じて変化す
るＭＲ曲線を示したグラフである。

【図１４】磁界センサを回転するロータの外周面に取り
つけ、このロータを筒状の着磁体に内側に配置し、回転
位置センサとして評価する状態を示す概略平面図であ
る。

【図１５】従来の磁界センサにおける素子の配置形態を
示す平面図である。

【図１６】従来の磁界センサにおける素子の配置形態を
示す平面図である。

【図１７】従来の磁界センサにおける素子の配置形態を
示す平面図である。

【図１８】従来の磁界センサにおける素子の配置形態を
示す平面図である。

【図１９】従来の磁界センサにおける素子の配置形態を
示す平面図である。

【符号の説明】

１，２，３，４…磁界センサ ２０…基板 Ａ₁ 〜Ａ₅ ，Ｂ₁ 〜Ｂ₅ …磁気抵抗効果素子 Ａ₁ ’〜Ａ₅ ’，Ｂ₁ ’〜Ｂ₅ ’…磁気抵抗効果素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大山 貴俊 東京都中央区日本橋一丁目13番１号 ティ ーディーケイ株式会社内 (72)発明者 小林 光一 東京都中央区日本橋一丁目13番１号 ティ ーディーケイ株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２ｎ（ｎ≧３；ｎは整数）個の磁気抵抗
   効果素子を備える磁界センサであって、 前記２ｎ個の磁気抵抗効果素子のうち、対となるＡ_m お
   よびＢ_m は、下記式（１）および式（２）の位置関係を
   満たし、かつ、被検出体の着磁ピッチＰに対応する幅Ｐ
   の内に平行配置されるとともに、直列接続されてなるこ
   とを特徴とする磁界センサ。 Ａ_m ＝（Ｐ（ｍ−１）／ｎ） …式（１） （ただし、ｍ＝１，２，３ …，ｎ） Ｂ_m ＝ Ａ_m ± Ｐ／２ …式（２）
2. 【請求項２】 上記Ａ_m およびＢ_m の設置位置に、さら
   にそれぞれもう１つずつの磁気抵抗効果素子を付加し
   て、合計４ｎ（ｎ≧３；ｎは整数）個の磁気抵抗効果素
   子を設け、上記Ａ_m およびＢ_m 並びにこれらの設置位置
   に付加された磁気抵抗効果素子により、ブリッジ回路を
   構成してなる請求項１に記載の磁界センサ。
3. 【請求項３】 前記磁気抵抗効果素子は、所定のパター
   ンに形成された磁性膜であり、当該磁性膜は、巨大磁気
   抵抗効果を示す膜である請求項１または請求項２に記載
   の磁界センサ。
4. 【請求項４】 前記磁気抵抗効果素子は、６個以上設け
   られており（ｎ≧３）、３相以上の信号を出力してなる
   請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の磁界セン
   サ。
5. 【請求項５】 前記磁気抵抗効果素子は、６個以上３０
   個以下設けられており（ｎ＝３〜１５）、３相以上１５
   相以下の信号を出力してなる請求項１ないし請求項３の
   いずれかに記載の磁界センサ。
6. 【請求項６】 前記磁気抵抗効果素子は、基板の上に形
   成されており、当該基板が、可撓性を有する請求項１な
   いし請求項５のいずれかに記載の磁界センサ。
7. 【請求項７】 前記基板が、可撓性を有する樹脂基板で
   ある請求項６に記載の磁界センサ。
8. 【請求項８】 前記基板が、ポリイミドである請求項７
   に記載の磁界センサ。