磁気センサ
【課題】 磁界感度異方性、広動作磁界および出力直線性に優れた磁気センサを提供すること。
【解決手段】 絶縁基板２０と、絶縁基板２０の表面に形成されたＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄと、絶縁基板２０の裏面に配置されたバイアス磁石２４とで磁気センサ２０を構成した。そして、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを一方側と他方側との間を折り返しながら延びる線状のグラニュラ薄膜で構成し、バイアス磁石２４によるバイアス磁界をＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの線状が延びる長手方向に印加した。また、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを構成するグラニュラ薄膜を、Ａｇからなる母相中に、ＦｅＣｏからなる微粒子を分散させて構成した。
【解決手段】 絶縁基板２０と、絶縁基板２０の表面に形成されたＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄと、絶縁基板２０の裏面に配置されたバイアス磁石２４とで磁気センサ２０を構成した。そして、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを一方側と他方側との間を折り返しながら延びる線状のグラニュラ薄膜で構成し、バイアス磁石２４によるバイアス磁界をＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの線状が延びる長手方向に印加した。また、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを構成するグラニュラ薄膜を、Ａｇからなる母相中に、ＦｅＣｏからなる微粒子を分散させて構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界の大きさと正負の極性（方向）を測定するための磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電流検出装置や回転検出装置に、磁気センサを用いることはよく知られている。そして、このような磁気センサに、磁気抵抗効果素子を使用することも知られている。磁気抵抗効果素子は外部磁界の変化により抵抗値が変化する特性を備えており、抵抗値の変化を電圧変化として出力する。このような磁気センサの中には、出力を大きくするために、磁気抵抗効果素子として、ＧＭＲ素子を用いたものがある。しかしながら、通常のＧＭＲ素子の電気抵抗変化は磁界の正負の極性に依存せず、等方的な特性を有しているため、ＧＭＲ素子を用いた磁気センサでは、磁界の正負の２つの極性に対して同じ電気抵抗を示し、磁界の正負の極性を特定することができない。このため、さらに、ＧＭＲ素子にバイアス磁界を印加することにより、外部磁界の大きさと正負の極性とを検出できるようにした磁気センサもある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この磁気センサ（磁界センサ）では、基板の上面に、軟磁性薄膜と硬磁性薄膜との多層膜からなる一対の磁界発生源を間隔を保って形成し、各磁界発生源の上面にそれぞれ軟磁性薄膜を形成している。そして、基板の上面における一対の磁界発生源と一対の軟磁性膜との間に、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗薄膜）を形成している。この磁気センサによると、磁界発生源によって、ＧＭＲ素子にバイアス磁界を印加することができる。そして、ＧＭＲ素子にバイアス磁界を印加することによって、磁界の正負の極性の違いによって磁気センサの出力に違いを発生させることができる。この結果、外部磁界の大きさと正負の極性の双方を検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−７８１８７号公報
【発明の概要】
【０００５】
しかしながら、前述した磁気センサは、まだ、磁界感度異方性、広動作磁界および出力直線性の点において、十分なものでなく、ＧＭＲ素子の形状や、ＧＭＲ素子に印加するバイアス磁界の方向、ＧＭＲ素子を構成する材料等に改良の余地がある。
【０００６】
本発明は、このような問題に対処するためになされたもので、その目的は、磁界感度異方性、広動作磁界および出力直線性に優れた磁気センサを提供することにある。なお、下記本発明の各構成要件の記載において、本発明の理解を容易にするために、実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。
【０００７】
前述した目的を達成するため、本発明に係る磁気センサ（２０，４０，４０ａ）の構成上の特徴は、絶縁基板（２１，４１）と、絶縁基板の表面に形成され、一方側と他方側との間を折り返しながら延びる線状の高透磁率グラニュラ薄膜からなるＧＭＲ素子（２２ａ〜２２ｄ，４２ａ，４２ｂ，６２ａ〜６２ｄ，７２ａ〜７２ｄ）と、絶縁基板の近傍に配置され、ＧＭＲ素子の線状が延びる長手方向にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段（２４，４４）とを備えたことにある。
【０００８】
本発明に係る磁気センサでは、ＧＭＲ素子をグラニュラ薄膜で構成している。このグラニュラ薄膜は、製作が容易で、磁界に対して電気抵抗が変化する磁界感度に優れているが、磁化が飽和し難く外部磁界による反磁界が小さいため、形状による感度異方性は小さい。このため、本発明に係る磁気センサでは、ＧＭＲ素子を、一方側と他方側との間を折り返しながら延びる線状に形成している。これによって、ＧＭＲ素子は、線状が延びる長手方向と、その長手方向に直交する短手方向とに、形状異方性を有するようになる。さらに、バイアス磁界印加手段によって、ＧＭＲ素子が延びる長手方向にバイアス磁界を印加することで、ＧＭＲ素子を飽和に近い磁化状態にして反磁界効果を強め感度の形状異方性を増大させている。これによって、感度異方性に優れ磁界の正負の極性（方向）も検知可能な磁気センサが得られる。
【０００９】
また、バイアス磁界を印加してＧＭＲ素子を飽和に近い磁化状態にすることにより動作磁界範囲での磁気ヒステリシスの発生を抑えることができる。これによって、磁界が増加したときに蓄えられた磁界空間内のエネルギーが、磁界が減少するときにそのまま出てくるようになりエネルギーの損失が少なくなる。また、ＧＭＲ素子の透磁率が高くなる磁界範囲では、ＧＭＲ素子の長手方向と短手方向の抵抗変化率（感度）に優位差が生じる。このため、ＧＭＲ素子の透磁率は、例えば、１０以上になるようにすることが好ましい。すなわち、本発明に係る磁気センサでは、前述した構成を備えることにより、飽和に近い磁化状態にすることができ、これによって、ＧＭＲ素子の透磁率を高くしても、その長手方向は反磁界の影響を受けにくく、ヒステリシスの少ない動作磁界範囲を得ることができる。なお、本発明に係るバイアス磁界印加手段としては、バイアス磁石や磁気コイル等を用いることができる。
【００１０】
また、本発明に係る磁気センサの他の構成上の特徴は、ＧＭＲ素子を構成するグラニュラ薄膜が、Ａｇからなる母相中に、ＦｅＣｏからなる微粒子を分散させて構成されたものであることにある。この材料を用いることにより、磁界感度が高く、外部磁界の変化に敏感に反応するＧＭＲ素子を得ることができる。この場合、ＧＭＲ素子を構成する材料の原子組成比を、Ａｇ７０％に対して、Ｆｅ、Ｃｏをそれぞれ１５％程度に設定することが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る磁気センサのさらに他の構成上の特徴は、ＧＭＲ素子の線状が延びる長手方向に外部磁界を印加したときに、ＧＭＲ素子に発生する抵抗値に基づいて外部磁界の大きさと正負の極性とを検出することにある。
【００１２】
本発明に係る磁気センサでは、ＧＭＲ素子を長手方向と短手方向とを備えた形状に形成することにより、ＧＭＲ素子に形状異方性を持たせるとともに、ＧＭＲ素子の長手方向にバイアス磁界を印加することによって、感度の形状異方性を増大させ、さらに、外部磁界をＧＭＲ素子に印加して外部磁界の大きさと正負の極性とを検出するようにしている。
【００１３】
ＧＭＲ素子にバイアス磁界を印加して動作させる場合、外部磁界に対する実動作磁界の大きさと方向とは、バイアス磁界と外部磁界との大きさと方向との合成ベクトルとなり、それぞれのベクトル成分の和から算出される。また、感度の形状異方性に優れたＧＭＲ素子とは、外部磁界のベクトルのうち、バイアス磁界方向の成分の強度をより正確に検出できるものであるといえる。言い換えると、外部磁界のベクトルのうち、バイアス磁界方向に直交する成分が大きくなるほどバイアス磁界方向に対する磁化方向の変動が大きくなり正確な感度方向成分の検出が困難になる。本発明に係る磁気センサは、バイアス磁界をＧＭＲ素子の長手方向に印加することにより、外部磁界のベクトルのうち、バイアス磁界方向の成分の強度と正負の極性とをより正確に検出できるようにしたものである。この場合、バイアス磁界を大きくするほど、外部磁界におけるバイアス磁界方向に直交する成分の影響を小さくすることができる。
【００１４】
また、本発明に係る磁気センサのさらに他の構成上の特徴は、バイアス磁界印加手段を、磁極面の磁気中心を絶縁基板（２１）の中心に合わせた状態で絶縁基板に対向して配置されたバイアス磁石（２４）で構成して、ＧＭＲ素子（２２ａ〜２２ｄ）を、絶縁基板の中心点で直交し磁極面に平行に延びる２つの軸に沿い中心点からそれぞれ同一距離の位置にそれぞれ形成された４つのもので構成し、２つの軸の各軸に沿ってそれぞれ設けた２つのＧＭＲ素子を直列に接続して２つのブリッジ回路を構成し、２つのブリッジ回路の両端に電源電圧を印加して、２つのＧＭＲ素子の接続点からそれぞれ出力信号を取り出すようにしたことにある。
【００１５】
本発明によると、例えば、回転軸に磁石を設置して、回転軸の回転に伴って変化する磁界を検出すると、２つのブリッジ回路から得られる出力信号は、位相差を持つ余弦波と正弦波になるため、回転軸の回転方向、回転数および回転角を検出することができる。これによると、磁界感度異方性、広動作磁界および出力直線性に優れた回転センサとしての機能を備えた磁気センサを得ることができる。また、バイアス磁界印加手段として、バイアス磁石を用いることにより、磁気センサの構成が簡単になる。
【００１６】
また、本発明に係る磁気センサのさらに他の構成上の特徴は、バイアス磁界印加手段を、絶縁基板（４１）の裏面に沿って着磁されたバイアス磁石（４４）で構成して、ＧＭＲ素子（４２ａ，４２ｂ）を、絶縁基板の表面におけるバイアス磁石の両極に対応する部分にそれぞれ形成された２つのもので構成し、２つのＧＭＲ素子を直列に接続してブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路の両端に電源電圧を印加して、ＧＭＲ素子の接続点からそれぞれ出力信号を取り出すようにしたことにある。
【００１７】
本発明によると、例えば、絶縁基板の近傍に導電体を設置して、この導電体に電流を流すと、ブリッジ回路から得られる出力信号は、導電体を通過する電流の大きさに応じた電圧として出力される。これによると、磁界感度異方性、広動作磁界および出力直線性に優れた電流センサとしての機能を備えた磁気センサを得ることができる。また、バイアス磁界印加手段として、バイアス磁石を用いることにより、磁気センサの構成が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る磁気センサを備えたセンサチップパッケージの内部を示した平面図である。
【図２】図１の２−２断面図である。
【図３】磁気センサを示した平面図である。
【図４】図３に示した磁気センサのブリッジ回路であり、（ａ）はＸ方向のブリッジ回路、（ｂ）はＹ方向のブリッジ回路である。
【図５】ＧＭＲ素子に外部磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示しており、（ａ）は長手方向に印加したときのグラフ、（ｂ）は短手方向に印加したときのグラフである。
【図６】ＧＭＲ素子の印加磁界と磁化の大きさとの関係を示したグラフである。
【図７】バイアス磁界が印加されたＧＭＲ素子に外部磁界を印加したときの磁界と抵抗値との関係を示しており、（ａ）は長手方向に印加したときのグラフ、（ｂ）は短手方向に印加したときのグラフである。
【図８】大きなバイアス磁界が印加されたＧＭＲ素子に外部磁界を印加したときの磁界と抵抗値との関係を示しており、（ａ）は長手方向に印加したときのグラフ、（ｂ）は短手方向に印加したときのグラフである。
【図９】印加磁界と磁気センサの出力との関係を示したグラフであり、（ａ）はＸ方向に外部磁界を印加した場合を示し、（ｂ）はＹ方向に外部磁界を印加した場合を示している。
【図１０】渦巻き状のＧＭＲ素子が形成された磁気センサを備えたセンサチップパッケージで回転磁界を計測した結果を示したグラフであり、（ａ）は外部磁石の回転角と出力との関係を示し、（ｂ）は外部磁石の回転角と角度誤差との関係を示している。
【図１１】図１に示したセンサチップパッケージで回転磁界を計測した結果を示したグラフであり、（ａ）は外部磁石の回転角と出力との関係を示し、（ｂ）は外部磁石の回転角と角度誤差との関係を示している。
【図１２】大きなバイアス磁界が印加された磁気センサを備えたセンサチップパッケージで回転磁界を計測した結果を示したグラフであり、（ａ）は外部磁石の回転角と出力との関係を示し、（ｂ）は外部磁石の回転角と角度誤差との関係を示している。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る磁気センサを備えたセンサチップパッケージの内部を示した平面図である。
【図１４】図１３の１４−１４断面図である。
【図１５】図１３に示した磁気センサのブリッジ回路である。
【図１６】図１３に示したセンサチップパッケージの印加電流と磁気センサの出力との関係を示したグラフであり、（ａ）は大きな印加電流の場合を示し、（ｂ）は微小印加電流の場合を示している。
【図１７】第２実施形態の変形例に係るセンサチップパッケージの内部を示した平面図である。
【図１８】図１７の１８−１８断面図である。
【図１９】図１７に示したセンサチップパッケージの印加電流と磁気センサの出力との関係を示したグラフである。
【図２０】フルブリッジ回路を備えた電流センサを示した平面図である。
【図２１】他のフルブリッジ回路を備えた電流センサを示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図面を用いて説明する。図１および図２は、第１実施形態に係る磁気センサ２０を備えたセンサチップパッケージ１０を示しており、この磁気センサ２０は回転センサとして用いられている。なお、図１は、センサチップパッケージ１０の内部の主要部分を示した平面図であり、以後、本実施形態においては、前後左右の方向は、図１に基づいて説明する。
【００２０】
センサチップパッケージ１０は、エポキシ樹脂からなるパッケージ本体１１と、パッケージ本体１１の内部から外部にかけて設置されたリードフレーム１２と、リードフレーム１２に取り付けられた磁気センサ２０と、パッケージ本体１１の内部と外部とにかけて設置された８個のリードフレーム端子１３ａ〜１３ｈと、磁気センサ２０とリードフレーム端子１３ａ〜１３ｈとをそれぞれ接続する８本の配線１４ａ〜１４ｈとで構成されている。
【００２１】
リードフレーム１２は、導電体、例えば銅からなっており、パッケージ本体１１内の中央に配置された四角板状のフレーム本体１２ａと、フレーム本体１２ａの前部からパッケージ本体１１の外部に延びる突出端部１２ｂと、フレーム本体１２ａの後部からパッケージ本体１１の外部に延びる突出端部１２ｃとで構成されている。突出端部１２ｂ，１２ｃは、リードフレーム１２の周囲にエポキシ樹脂を流し込んで、リードフレーム１２をパッケージ本体１１内に固定する際に、リードフレーム１２を支持するために形成されている。
【００２２】
リードフレーム端子１３ａ〜１３ｈは、接続用の端子を構成するもので、リードフレーム１２と同様、銅で構成されている。リードフレーム端子１３ａ〜１３ｈは、パッケージ本体１１の左右に４個ずつ左右対象に配置されており、それぞれがパッケージ本体１１の外部から内部に向かって左右に延びる部分とパッケージ本体１１の内部でフレーム本体１２ａの周縁部に沿った方向に延びる部分とで構成されている。四隅に位置するリードフレーム端子１３ａ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｈにおけるフレーム本体１２ａの周縁部に沿った部分は、それぞれフレーム本体１２ａの角部に沿った略Ｌ形に形成されている。また、それ以外のリードフレーム端子１３ｂ，１３ｃ，１３ｆ，１３ｇにおけるフレーム本体１２ａの周縁部に沿った部分は、それぞれ前後方向の中央部が左右に延びる部分の端部に位置するＩ形に形成されている。
【００２３】
磁気センサ２０は、フレーム本体１２ａの中央部分に設置されており、図３に示した構成をしている。磁気センサ２０は、フレーム本体１２ａの上面に設置された絶縁基板２１と、絶縁基板２１の上面における前後方向の中央の左右および左右方向の中央の前後にそれぞれ形成されたＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄと、絶縁基板２１の上面における四隅にそれぞれ２個ずつ形成された８個の電極２３ａ〜２３ｈとを備えている。そして、フレーム本体１２ａの下面における、絶縁基板２１の下方にバイアス磁石２４が設置されている。
【００２４】
すなわち、磁気センサ２０は、フレーム本体１２ａの上面に設置された絶縁基板２１側部分と、フレーム本体１２ａの下面に設置されたバイアス磁石２４とで構成されており、絶縁基板２１とバイアス磁石２４とは、それぞれ中心を中心点Ｏに合わせた状態でダイボンドによってフレーム本体１２ａに固定されている。絶縁基板２１は、シリコン、ガラス、セラミック等の絶縁体材料からなる正方形の板状体で構成されており、前後方向の長さおよび左右方向の長さがそれぞれ１．８ｍｍに設定され、厚みが０．４ｍｍに設定されている。この絶縁基板２１は、パッケージ本体１１の左右および前後の中央に位置するようにして、フレーム本体１２ａの上面に設置されている。
【００２５】
また、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄは、Ａｇ−ＦｅＣｏからなる線状のグラニュラ薄膜で構成されており、スパッタリング法を用いて成膜されることにより、絶縁基板２１の表面に形成されている。ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄのうちの、ＧＭＲ素子２２ａ，２２ｂは左右対称に配置され、ＧＭＲ素子２２ｃ，２２ｄは前後対称に配置されている。すなわち、絶縁基板２１の表面において、中心点Ｏを通り左右に延びる方向をＸ軸とし、前後に延びる方向をＹ軸としたときに、ＧＭＲ素子２２ａ，２２ｂはＸ軸上に位置し、ＧＭＲ素子２２ｃ，２２ｄはＹ軸上に位置する。また、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄは、それぞれ中心点Ｏから同一距離の位置に配置されている。
【００２６】
ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄは、それぞれ複数の折り返し部がある線状に形成されている。ＧＭＲ素子２２ａは、電極２３ｂ，２３ｃ間に配置されており、電極２３ｂ側の右後部から左側に一直線状に一定長さ延びたのちに折り返して、前述した一直線状に延びた線から前方に間隔を保って右側に延び、さらに折り返して左側に延びるといったように後方に位置する線から間隔を保ってジグザグに左右に延びたのちに電極２３ｃ側の右前部に延びる全体形状が四角形の線状薄膜で構成されている。ＧＭＲ素子２２ａの両端部は、導電部２５ｂ，２５ｃによって電極２３ｂ，２３ｃに接続されている。
【００２７】
同様にして、ＧＭＲ素子２２ｂは、線状の長手方向を左右方向に向けて配置され、その両端部は、導電部２５ｆ，２５ｇによって電極２３ｆ，２３ｇに接続されている。また、ＧＭＲ素子２２ｃ，２２ｄは、線状の長手方向を前後方向に向けて配置されており、ＧＭＲ素子２２ｃの両端部は、導電部２５ｄ，２５ｅによって電極２３ｄ，２３ｅに接続され、ＧＭＲ素子２２ｄの両端部は、導電部２５ａ，２５ｈによって電極２３ａ，２３ｈに接続されている。この磁気センサ２０では、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの全ての端部は、絶縁基板２１の内部側に位置している。
【００２８】
ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの成膜は、スパッタリング装置（図示せず）を用いて行われる。すなわち、スパッタリング装置に備わった真空チャンバー内にアルゴンガスを導入しながら絶縁基板２１とＡｇ−ＦｅＣｏからなるターゲットとの間に高電圧を印加し、イオン化したアルゴンをターゲットに衝突させて、はじき飛ばされたターゲット物質を絶縁基板２１に成膜させることによりＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄが形成される。この場合のターゲットは、Ａｇターゲット上にＦｅＣｏ合金を載置した複合ターゲットであり、これによって、Ａｇからなる母相中に、ＦｅＣｏからなる微粒子が分散したグラニュラ薄膜からなるＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄが得られる。この場合、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄに含まれるＡｇ、Ｆｅ、Ｃｏの比率は、原子組成比で、Ａｇ７０Ｆｅ１５Ｃｏ１５ atm％程度に設定しておく。
【００２９】
電極２３ａ〜２３ｈおよび導電部２５ａ〜２５ｈは、それぞれ薄い銅板からなっている。そして、各電極２３ａ〜２３ｈは、それぞれ、配線１４ａ〜１４ｈを介したワイヤボンドによって、近傍に位置するリードフレーム端子１３ａ〜１３ｈに接続されている。また、ＧＭＲ素子２２ａ，２２ｂは、導電部２５ｂ，２５ｃ，２５ｆ，２５ｇ、電極２３ｂ，２３ｃ，２３ｆ，２３ｇ、配線１４ｂ，１４ｃ，１４ｆ，１４ｇおよびリードフレーム端子１３ｂ，１３ｃ，１３ｆ，１３ｇを介して直列に接続されており、これによって、図４（ａ）に示したハーフブリッジ回路が形成されている。同様に、ＧＭＲ素子２２ｃ，２２ｄは、導電部２５ａ，２５ｄ，２５ｅ，２５ｈ、電極２３ａ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｈ、配線１４ａ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｈおよびリードフレーム端子１３ａ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｈを介して直列に接続されており、これによって、図４（ｂ）に示したハーフブリッジ回路が形成されている。
【００３０】
電極２３ａ，２３ｂには、それぞれリードフレーム端子１３ａ，１３ｂから５Ｖの電源電圧が供給されるようになっている。また、電極２３ｅ，２３ｇは、それぞれリードフレーム端子１３ｅ，１３ｇを介して接地されるようになっている。電極２３ｃ，２３ｆは、それぞれリードフレーム端子１３ｃ，１３ｆを介して出力端子となり、電極２３ｄ，２３ｈは、それぞれリードフレーム端子１３ｄ，１３ｈを介して出力端子となる。リードフレーム端子１３ｃ，１３ｆは、配線（図示せず）を介して接続されその接続点からＸ軸方向の出力信号Ｖｘが取り出される。また、リードフレーム端子１３ｄ，１３ｈは、配線（図示せず）を介して接続されその接続点からＹ軸方向の出力信号Ｖｙが取り出される。
【００３１】
バイアス磁石２４は、酸化鉄を主原料とした円板状のフェライト磁石からなっており、直径が１．４ｍｍで、厚みが０．３５ｍｍに設定されている。また、バイアス磁石２４は、厚み方向を２等分する面を境界として分極されて境界面に対して垂直方向に２極着磁されており、上側がＮ極、下側がＳ極になっている。これによって、バイアス磁石２４には、図３の矢印の方向の磁界が発生し、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄには、それぞれ長手方向に沿ったバイアス磁界が、絶縁基板２１の中心側から外部側に向かって放射状に印加される。
【００３２】
つぎに、磁気センサ２０が備える各ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄのＭＲ特性（磁気抵抗特性）について説明する。図５（ａ）は、各ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向にそれぞれ外部磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示しており、図５（ｂ）は、各ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの短手方向にそれぞれ外部磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示している。図５（ａ）および図５（ｂ）から分かるように、印加磁界の大きさが−４ｋＡ／ｍ以下または４ｋＡ／ｍ以上程度の範囲の場合には、各ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向に外部磁界を印加したときと、各ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの短手方向に外部磁界を印加したときとでは双方の抵抗値の変化に僅かな差しか認められないが、印加磁界の大きさが−４ｋＡ／ｍから４ｋＡ／ｍ程度の範囲の場合には、双方の抵抗値の変化に明らかな差が生じている。
【００３３】
これは、図６に示したＭＨ特性（磁界の強さと磁化の大きさとの関係）と下記に示した実効磁界を示す式１から説明がつくものである。図６は、各ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを構成する、厚みが１０００Åで、２６０℃の温度で熱処理されたＧＭＲ薄膜のＭＨ特性を示している。図６から分かるように、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを構成するＧＭＲ薄膜では、印加磁界が−４ｋＡ／ｍから４ｋＡ／ｍ程度の場合には、ＭＨ曲線の傾きで表される透磁率が高く、その値は１０以上になっている。このように透磁率が高い場合、外部磁界によるＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを構成するＧＭＲ薄膜の磁化は大きくなる。また、実効磁界は下記の式１で表される。
Ｈｅｆｆ（実効磁界）＝Ｈｅｘ（外部磁界）−Ｎｄ（反磁界係数）×Ｍ（磁性体の磁化）…式１
【００３４】
ここで、反磁界は、外部磁界により磁性体を磁化するときに、その磁性体内に発生する磁化の方向と反対方向の磁界であり、外部から与えられた磁界を弱める作用がある。また、反磁界係数は、無限に長い棒や板では、無限遠方に極ができることになるため、「０」であるが、逆に無限に薄い板では「１」になる。このため、反磁界係数だけを考慮すれば、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄが備える形状異方性により、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向では、短手方向よりも反磁界係数が小さくなり、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向の実効磁界は、短手方向の実効磁界よりも大きくなる。
【００３５】
また、磁化の大きさだけを考慮すれば、印加磁界の大きさが−４ｋＡ／ｍから４ｋＡ／ｍ程度のＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄが高透磁率になる範囲においては、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向の磁化および短手方向の磁化の双方が大きくなる。一方、印加磁界の大きさが−４ｋＡ／ｍ以下または４ｋＡ／ｍ以上の範囲では、透磁率が低くなり、その値は１０未満になる。このため、外部磁界に対する磁化の変化がＧＭＲ薄膜の長手方向と短手方向との双方で小さくなる。
【００３６】
しかしながら、反磁界係数と磁化の大きさとの双方が影響した場合には、印加磁界の大きさが−４ｋＡ／ｍから４ｋＡ／ｍ程度のＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄが高透磁率になる磁化の大きな範囲においては、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの短手方向の方が長手方向よりも反磁界の影響を受けやすくなり、ＧＭＲ薄膜の短手方向の実効磁界が長手方向の実効磁界よりも小さくなる。また、印加磁界の大きさが−４ｋＡ／ｍ以下または４ｋＡ／ｍ以上の範囲では、透磁率の低下の影響が大きくなり、外部磁界に対する実効磁界の変化がＧＭＲ薄膜の長手方向と短手方向とであまり差が生じなくなる。これによって、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄのＭＲ感度においても、長手方向と短手方向とで差が生じなくなる。
【００３７】
すなわち、印加磁界を示す値の絶対値が小さい場合には透磁率が大きくなって磁化が大きくなり、このときに、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向と短手方向とでＭＲ感度に明らかな差が生じるが、印加磁界を示す値の絶対値が大きい場合には透磁率が小さくなって磁化の変化が小さくなり、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向と短手方向とのＭＲ感度に明らかな差は生じなくなる。したがって、透磁率の大きなＧＭＲ薄膜を用いれば形状異方性による磁界感度異方性が得られるが、磁界感度差が得られるのは、印加磁界が−４ｋＡ／ｍから４ｋＡ／ｍ程度の限られた磁界範囲だけであり、このままでは実用的でない。
【００３８】
このため、磁気センサ２０では、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄにバイアス磁石２４を組み合わせて広い磁界範囲で感度異方性が得られるようにしている。ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄにそれぞれバイアス磁石２４からのバイアス磁界を印加すると、そのＭＲ特性は、図７（ａ）および図７（ｂ）に示したようになる。この場合のバイアス磁石２４によるバイアス磁界の大きさは、略１４ｋＡ／ｍである。図７（ａ）は、ＧＭＲ素子２２ａの長手方向（左右方向）に磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示しており、図７（ｂ）は、ＧＭＲ素子２２ａの短手方向（前後方向）に磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示している。
【００３９】
図７（ａ）から分かるように、ＧＭＲ素子２２ａの長手方向に外部磁界を印加したときのＭＲ特性を表す曲線は、図５（ａ）に示したバイアス磁界を印加していないときのＭＲ特性を表す曲線と比較してバイアス磁界の値に相当する磁界強度分ずれた非対称な曲線になる。この結果、図７（ａ）に示されたＭＲ特性を表す曲線は、印加磁界の大きさが−１６ｋＡ／ｍから１４ｋＡ／ｍ程度の範囲の場合には、略直線状に延びる曲線になり、この曲線から磁界の大きさだけでなく、磁界の正負の極性の判別も可能になる。
【００４０】
なお、外部磁界を加えたときの抵抗値と、外部磁界を加えていないときの抵抗値との比であるＭＲ比は、バイアス磁界がない場合には３．８％であったのに対し、バイアス磁界を印加した場合には５．６％であった。このＭＲ比は、図５（ａ）に示した曲線と、図７（ａ）に示した曲線とのずれ量に比例するもので、バイアス磁界が大きいほど大きくなっていく。このため、バイアス磁界を大きくしていくことにより、図５（ａ）に示した曲線は、図７（ａ）に示した曲線の位置から、さらに右側の位置に移動していく。また、磁化の大きさＭが０のときの磁界に対応する保磁力Ｈｃは、バイアス磁界がない場合には０．３２ｋＡ／ｍであったのに対し、バイアス磁界を印加した場合には０ｋＡ／ｍであった。
【００４１】
なお、この保磁力Ｈｃは、図５（ａ），（ｂ）および図７（ａ），（ｂ）に示した曲線における磁界の大きさが小さい方から大きくなっていく場合と大きい方から小さくなっていく場合とのずれ量で示され、図５（ａ），（ｂ）においては２本の曲線が示されているのに対し、図７（ａ），（ｂ）では１本の曲線だけが示されている。これから、バイアス磁界を加えることにより外部磁界に対する抵抗変化のヒステリシスが、明らかに低減することがわかる。すなわち、バイアス磁界を加えることにより、磁界が増加したときに蓄えられた磁界空間内のエネルギーが、磁界が減少するときにそのまま出てくるようになりエネルギーの損失が少なくなる。
【００４２】
また、図７（ｂ）から分かるように、ＧＭＲ素子２２ａの短手方向に外部磁界を印加したときのＭＲ特性を表す曲線は、図５（ｂ）に示したバイアス磁界を印加しない場合のＭＲ特性を表す曲線と比較して外部磁界に対するＭＲ特性の低感度領域が広がった特性を示す曲線になった。この場合、磁界方向に対しては印加磁界が０ｋＡ／ｍのときを中心として対称のままの状態が維持された。このように、バイアス磁界を印加することにより、ＧＭＲ素子２２ａの長手方向と短手方向との感度異方性は明らかに大きくなった。
【００４３】
また、他の例として、前述したバイアス磁石２４に代えて、バイアス磁石２４よりもバイアス磁界の大きなＳｍＣｏ系のバイアス磁石を用いて、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄのＭＲ特性を測定した。その結果を、図８（ａ）および図８（ｂ）に示している。この場合のバイアス磁石によるバイアス磁界の大きさは、５０ｋＡ／ｍであった。図８（ａ）は、ＧＭＲ素子２２ａの長手方向に磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示しており、図８（ｂ）は、ＧＭＲ素子２２ａの短手方向に磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示している。
【００４４】
図８（ａ）から分かるように、ＧＭＲ素子２２ａの長手方向に外部磁界を印加したときには、図７（ａ）に示した場合と比較してＭＲ特性を表す曲線にピークが見られず、ＭＲ特性を表す曲線は直線に近い状態になっている。これは、バイアス磁界の値が測定磁界の範囲を超えているためであり、これによると、広い動作磁界範囲が得られる。また、図８（ｂ）から分かるように、ＧＭＲ素子２２ａの短手方向に外部磁界を印加したときには、図７（ｂ）に示した場合と比較して外部磁界に対するＭＲ特性の低感度領域がさらに広がる。このように、バイアス磁界を強めることにより、ＧＭＲ素子２２ａの長手方向と短手方向との感度異方性はさらに大きくなる。
【００４５】
ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄにバイアス磁界を印加して動作させる場合、外部磁界に対する実動作磁界の大きさと方向とは、バイアス磁界と外部磁界との大きさと方向との合成ベクトルとなり、それぞれのベクトル成分の和から算出される。このため、バイアス磁界を大きくすることにより、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向に磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示す曲線およびＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの短手方向に磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示す曲線のどちらもバイアス磁界の影響が大きくなってより直線に近づいて行くようになる。
【００４６】
この結果から、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向に、バイアス磁界を印加することにより、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向の外部磁界に対するＭＲ特性は、磁界の極性に対して非対称になり、磁界の正負の極性の検出も可能になるとともに、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの形状に起因する感度異方性を増加できることがわかる。また、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの短手方向の外部磁界に対するＭＲ特性は、高透磁率領域を超える磁界までは低感度領域が広がる。このように、バイアス磁界を印加することにより、感度異方性が大きくなり、ヒステリシスは減少する。
【００４７】
つぎに、磁気センサ２０の表面側に、回転体に設けられた外部磁石（図示せず）からの外部磁界を印加したときの磁気センサ２０の出力について説明する。図９（ａ）は、磁気センサ２０に、Ｘ軸方向（左右方向）の外部磁界を印加したときの各ハーフブリッジ回路のＸ軸方向の出力ＶｘとＹ軸方向の出力Ｖｙとを示しており、図９（ｂ）は、磁気センサ２０に、Ｙ軸方向（前後方向）の外部磁界を印加したときの各ハーフブリッジ回路のＸ軸方向の出力ＶｘとＹ軸方向の出力Ｖｙとを示している。
【００４８】
なお、図４（ａ）に示したＧＭＲ素子２２ａの抵抗値をＲｘ1、ＧＭＲ素子２２ｂの抵抗値をＲｘ2、図４（ｂ）に示したＧＭＲ素子２２ｄの抵抗値をＲｙ1、ＧＭＲ素子２２ｃの抵抗値をＲｙ2とすると、出力Ｖｘ、出力Ｖｙは、それぞれ下記の式２、式３で表わされる。
Ｖｘ＝Ｖｃｃ×Ｒｘ2／（Ｒｘ1＋Ｒｘ2）…式２
Ｖｙ＝Ｖｃｃ×Ｒｙ2／（Ｒｙ1＋Ｒｙ2）…式３
【００４９】
それぞれのハーフブリッジ回路において、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向に外部磁界が印加されたとき（図９（ａ）のＸ軸方向、図９（ｂ）のＹ軸方向）には、磁界方向に対する各ＧＭＲ素子２２ａ，２２ｂまたはＧＭＲ素子２２ｃ，２２ｄの非線形特性（磁界強度の変化による感度増と感度減の傾向）が相殺され、図９（ａ）の出力Ｖｘおよび図９（ｂ）の出力Ｖｙのように斜めに傾斜した直線に近い出力特性が得られた。
【００５０】
また、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの短手方向に外部磁界が印加されたとき（図９（ａ）のＹ軸方向、図９（ｂ）のＸ軸方向）には、外部磁界に対するＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの抵抗変化が少なく、かつ変化した分は互いに相殺されてほぼ無感度特性になる。このため、図９（ａ）の出力Ｖｙおよび図９（ｂ）の出力Ｖｘのように変化のない直線状になる出力特性が得られた。この結果から、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向に外部磁界を印加したときに、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄに発生する抵抗値に基づいて外部磁界の大きさと正負の極性とを検出することにより、より精度のよい検出ができることが分かる。
【００５１】
なお、外部磁界の方向をＸ軸方向からＹ軸方向に変化させたときには、出力Ｖｘを表す曲線は、図９（ａ）の印加磁界が小さいときに出力Ｖｘが大きく、印加磁界が大きいときに出力Ｖｘが小さくなった状態から、図９（ｂ）の印加磁界の大きさに関わらず出力Ｖｘが略一定になった状態に変化する。また、そのとき、出力Ｖｙを表す曲線は、図９（ａ）の印加磁界の大きさに関わらず出力Ｖｙが略一定になった状態から、図９（ｂ）の印加磁界が小さいときに出力Ｖｙが小さく、印加磁界が大きいときに出力Ｖｙが大きくなった状態に変化する。
【００５２】
このため、外部磁界の方向がＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向と短手方向との中間の角度（右４５度と左４５度の二つの場合がある）の方向になったときには、出力Ｖｘを表す曲線と出力Ｖｙを表す曲線の傾斜角度が同じになる。この場合には、出力Ｖｘを表す曲線と出力Ｖｙを表す曲線とのどちらでも外部磁界の大きさと正負の極性とを検出する精度は同じになる。それ以外の場合には、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄに外部磁界を印加したときに、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄに発生する抵抗値に基づいて外部磁界の大きさと方向とを検出することにより、より精度のよい検出ができる。
【００５３】
つぎに、比較例として、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄに代えて渦巻き状に形成した形状異方性のない４つのＧＭＲ素子が形成された磁気センサを備えたセンサチップパッケージを用意し、これとセンサチップパッケージ１０およびＳｍＣｏ系のバイアス磁石が取り付けられた磁気センサを備えたセンサチップパッケージとの比較テストを行った。この比較テストは、回転軸に外部磁石を設置して、その外部磁石に磁気センサ２０等を対向させた状態でセンサチップパッケージ１０等を所定位置に設置して行った。この場合、外部磁石の中心に磁気センサ２０等の中心を合わせた。また、各磁気センサ２０等に対して、約１０ｋＡ／ｍの磁界強度が得られるように各磁気センサ２０等と外部磁石との間隔を調整した。
【００５４】
また、外部磁石の回転角度の基準は、外部磁界の方向が、図３に示した状態の磁気センサ２０のＧＭＲ素子２２ａに示した矢印の方向を「０」度とし、外部磁石の回転方向を時計周り方向をプラスとした３６０度の範囲で１０度ごとの角度について、各Ｘ軸、Ｙ軸方向での各ハーフブリッジ回路の出力と角度との関係を求めた。また、各ハーフブリッジ回路の中点電位である出力Ｖｘ，Ｖｙは、本来その等価回路から印加電圧５Ｖの半分である２．５Ｖとなるが各ＧＭＲ素子２２ａ等の抵抗にばらつきがあり、各ＧＭＲ素子２２ａ等の磁界による抵抗変化も小さいため、予め、外部磁界がない場合の印加電圧に対する各センサチップパッケージの出力電位である出力Ｖｘ，Ｖｙを計測しておき、その値を基準電圧とした。
【００５５】
そして、出力Ｖｘ，Ｖｙから基準電圧を差し引いて得られた差分ΔＶｘ，ΔＶｙの関係を図１０（ａ）、図１１（ａ）、図１２（ａ）に示した。すなわち、回転体の回転によって外部磁石からの外部磁界が変化したときには、２つのハーフブリッジ回路から出力される出力Ｖｘと出力Ｖｙとが周期的に変化する。そして、この出力Ｖｘと出力Ｖｙとの変化から位相差を持つ余弦波と正弦波が得られ、これによって、回転体の回転方向、回転数および回転角が検出されるものであるが、ここでは、基準電圧を差し引くことによって、外部磁界の影響のみに着目した。
【００５６】
また、図１０（ａ）、図１１（ａ）、図１２（ａ）に示した結果に基づいて、角度誤差Δθを下記の式４から求め、その外部平行磁界回転角との関係を図１０（ｂ）、図１１（ｂ）、図１２（ｂ）に示した。
Δθ＝ＡＲＣＴＡＮ（ΔＶｙ／ΔＶｘ）−外部平行回転角…式４
すなわち、一方のハーフブリッジ回路をＣＯＳブリッジとしその出力をＶｘとし、もう一方のハーフブリッジ回路をＳＩＮブリッジとしその出力をＶｙとすると、それらの比を逆正接演算することにより回転角度信号θが得られる。式４は、差分ΔＶｘ，ΔＶｙの比を逆正接演算した値から外部平行回転角（外部磁石の回転角）の値を差し引くことにより、角度誤差Δθを求めるものである。
【００５７】
図１０（ａ），（ｂ）は、渦巻き状に形成した４つのＧＭＲ素子が形成された磁気センサを備えたセンサチップパッケージの計測結果を示し、図１１（ａ），（ｂ）は、センサチップパッケージ１０の計測結果を示し、図１２（ａ），（ｂ）は、ＳｍＣｏ系のバイアス磁石が取り付けられた磁気センサを備えたセンサチップパッケージの計測結果を示している。すなわち、渦巻き状に形成されたＧＭＲ素子は、形状異方性がなく、ＳｍＣｏ系のバイアス磁石が取り付けられた磁気センサは、バイアス磁界が大きいもので、図１０から図１２にかけて順に感度異方性が増すようになっている。
【００５８】
図１０（ａ）、図１１（ａ）、図１２（ａ）から分かるように、磁気センサの感度異方性が増すにしたがって、出力Ｖｘ，Ｖｙの差分ΔＶｘ，ΔＶｙは、三角波と正弦波との中間に近い波形から滑らかな正弦波に近い波形に変化していく。また、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）、図１２（ｂ）から分かるように、磁気センサの感度異方性が増すにしたがって、角度誤差Δθは、絶対値が±３度以上におよぶ範囲から、±２度以下、さらに±１度以下へと減少していく。この結果から、ＧＭＲ素子に形状異方性を持たせ、さらにバイアス磁界を大きくすることにより、回転体の回転角の検出の精度が向上することが分かる。
【００５９】
このように、本実施形態に係る磁気センサ２０では、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを、一方側と他方側との間を折り返しながら延びる線状のグラニュラ薄膜で構成している。これによって、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄは、線状が延びる長手方向と、その長手方向に直交する短手方向とに、形状異方性を有するようになるとともに、磁気センサ２０の出力を大きくすることができる。さらに、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄが延びる長手方向にバイアス磁石２４によるバイアス磁界を印加することによって、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを飽和に近い磁化状態にして反磁界効果を強め感度の形状異方性を増大させることができる。これによって、磁気センサ２０は、感度異方性に優れ極性も検知可能なものになる。
【００６０】
（第２実施形態）
図１３および図１４は、本発明の第２実施形態に係る磁気センサ４０を備えたセンサチップパッケージ３０を示しており、この磁気センサ４０は電流センサとして用いられている。なお、図１３は、センサチップパッケージ３０の内部の主要部分を示した平面図であり、以後、本実施形態においては、前後左右の方向は、図１３に基づいて説明する。センサチップパッケージ３０は、エポキシ樹脂からなるパッケージ本体３１と、パッケージ本体３１内を通過するリードフレーム３２と、リードフレーム３２に取り付けられた磁気センサ４０と、パッケージ本体３１の内部と外部とにかけて設置された６個のリードフレーム端子３３ａ〜３３ｆと、磁気センサ４０とリードフレーム端子３３ｂ〜３３ｅとをそれぞれ接続する４本の配線３４ａ〜３４ｄとで構成されている。
【００６１】
リードフレーム３２は、銅からなっており、外部から延びてきてパッケージ本体３１の左側手前からパッケージ本体３１内に入り、後部側が凸になるようにコ字状に延びたのちに、パッケージ本体３１の右側手前から外部に延びている。また、リードフレーム３２のコ字状になったフレーム本体３２ａは他の部分よりも幅が大きくなっており、コ字状の内側に形成される隙間の幅は小さくなっている。このリードフレーム３２には、左端部の測定電流用端子３２ｂ側から、フレーム本体３２ａを通過して右端部の測定電流用端子３２ｃ側に電流が流れ、磁気センサ４０は、この電流を検出する。
【００６２】
リードフレーム端子３３ａ〜３３ｆは、接続用の端子を構成するもので、リードフレーム３２と同様、銅からなる導電体で構成されている。６個のリードフレーム端子３３ａ〜３３ｆは、パッケージ本体３１の左右に３個ずつ左右対象に配置されており、それぞれがパッケージ本体３１の外部から内部に向かって左右に延びる部分とパッケージ本体３１の内部で前後方向に延びる部分とで構成されている。前部側の左右に配置されたリードフレーム端子３３ｃ，３３ｄは、それぞれ左右に延びる部分の端部から前後に延びる部分が後方に向かって延びるＬ形に形成されており、パッケージ本体３１の前後方向の中央よりも僅かに前部側に配置されている。
【００６３】
リードフレーム端子３３ａ〜３３ｆのうちの前後方向の中央の左右に配置されたリードフレーム端子３３ｂ，３３ｅは、それぞれ左右に延びる部分の端部に前後に延びる部分の前後方向の中央が位置するＴ形に形成されている。また、パッケージ本体３１の後部側の左右に配置されたリードフレーム端子３３ａ，３３ｆは、それぞれ左右に延びる部分の端部から前後に延びる部分が前方に向かって延びるＬ形に形成されている。左右に配置されたそれぞれ３個のリードフレーム端子３３ａ〜３３ｃおよびリードフレーム端子３３ｄ〜３３ｆは、左右に延びる部分および前後に延びる部分をそれぞれ等間隔にして配置されている。
【００６４】
磁気センサ４０は、フレーム本体３２ａの前後方向の中央部分に設置されており、フレーム本体３２ａの上面に設置された絶縁基板４１と、絶縁基板４１の上面における前後方向の中央の左右にそれぞれ形成された一対のＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂと、絶縁基板４１の上面における四隅にそれぞれ形成された電極４３ａ〜４３ｄとを備えている。そして、フレーム本体３２ａの下面における、絶縁基板４１の下方にバイアス磁石４４が設置されている。磁気センサ４０は、フレーム本体３２ａの上面に設置された絶縁基板４１側部分と、フレーム本体３２ａの下面に設置されたバイアス磁石４４とで構成されており、絶縁基板４１とバイアス磁石４４とは、それぞれダイボンドによってフレーム本体３２ａに固定されている。
【００６５】
絶縁基板４１は、前述した絶縁基板２１と同じ絶縁体材料からなる前後よりも左右が長い四角板状体で構成されており、前後方向の長さが１．０５ｍｍ、左右方向の長さが１．８ｍｍ、厚みが０．２５ｍｍに設定されている。この絶縁基板４１は、パッケージ本体３１の左右および前後の中央に位置するようにして、フレーム本体３２ａの上面に設置されている。また、ＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂは、それぞれ前述したＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄと同じ材料で構成されており、前述したスパッタリング法を用いて成膜されることにより、絶縁基板４１の表面に形成されている。また、ＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂは、それぞれ長手方向を左右に向け、線状の両端部を絶縁基板４１の左右の外部側に向けて配置されている。
【００６６】
電極４３ａ〜４３ｄはそれぞれ薄い銅板からなっており、電極４３ａ，４３ｂは、ＧＭＲ素子４２ａの端部にそれぞれ接続され、電極４３ｃ，４３ｄは、ＧＭＲ素子４２ｂの端部にそれぞれ接続されている。また、電極４３ａ〜４３ｄはそれぞれ、配線３４ａ〜３４ｄを介したワイヤボンドによって、６個のリードフレーム端子３３ａ〜３３ｆのうちの前部側に位置する４個のリードフレーム端子３３ｂ〜３３ｄに接続されている。また、ＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂは、電極４３ａ〜４３ｄ、配線３４ａ〜３４ｄおよびリードフレーム端子３３ｂ〜３３ｅを介して直列に接続されており、これによって、図１５に示したハーフブリッジ回路が形成されている。
【００６７】
電極４３ａには、リードフレーム端子３３ｂから配線３４ａを介して５Ｖの電源電圧が供給されるようになっている。また、電極４３ｄは、配線３４ｄおよびリードフレーム端子３３ｅを介して接地されるようになっている。電極４３ｂ，４３ｃは、それぞれ配線３４ｂ，３４ｃおよびリードフレーム端子３３ｃ，３３ｄを介して出力端子となる。リードフレーム端子３３ｃ，３３ｄは、配線（図示せず）を介して接続されており、その接続点から出力Ｖが信号として取り出される。この出力Ｖは、前述した式２、式３のＶｘ、Ｖｙと同様にして求められる。
【００６８】
バイアス磁石４４は、酸化鉄を主原料とした四角板状のフェライト磁石からなっており、前後方向の長さが１．１ｍｍ、左右方向の長さが２．４ｍｍ、厚みが０．２ｍｍに設定されている。また、バイアス磁石４４は、左右を２等分する面を境界として分極されて境界面に対して直角方向に着磁されており、左側がＮ極、右側がＳ極になっている。これによって、バイアス磁石４４には、図１３に示した矢印の方向の磁界が発生し、ＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂには、それぞれ長手方向に沿ったバイアス磁界が印加される。磁気センサ４０が備えるＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂのＭＲ特性については、前述した磁気センサ２０が備えるＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄのＭＲ特性と略同じであり、バイアス磁界が印加されていないときには、図５（ａ）および図５（ｂ）に示したＭＲ特性が現れ、バイアス磁界を印加したときには、図７（ａ）および図７（ｂ）に示したＭＲ特性が現れる。
【００６９】
つぎに、センサチップパッケージ３０におけるリードフレーム３２の測定電流用端子３２ｂ，３２ｃ間に、電流を印加した時の印加電流と磁気センサ４０の出力との関係を説明する。リードフレーム３２に測定電流用端子３２ｂから測定電流用端子３２ｃに向かう電流を印加した場合、フレーム本体３２ａにおけるＧＭＲ素子４２ａに対応する部分には、フレーム本体３２ａの断面を前方から見た状態での時計周り方向に外部磁界が発生し、フレーム本体３２ａにおけるＧＭＲ素子４２ｂに対応する部分には、フレーム本体３２ａの断面を前方から見た状態での反時計周り方向に外部磁界が発生する。すなわち、ＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂには、それぞれ長手方向に沿った反対方向の外部磁界が加わるようになる。
【００７０】
このとき、ＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂに加わる磁界の大きさと方向とは、バイアス磁界と外部磁界との大きさと方向との合成ベクトルとなるため、ＧＭＲ素子４２ａに加わる磁界の大きさはバイアス磁界よりも外部磁界が加わる分大きくなり、ＧＭＲ素子４２ｂに加わる磁界の大きさはバイアス磁界よりも外部磁界が引かれる分小さくなる。この場合、ＧＭＲ素子４２ａの抵抗値は、ＧＭＲ素子４２ｂの抵抗値よりも小さくなる。また、印加電流に対する磁気センサ４０の出力は、図１５に示したハーフブリッジの出力Ｖとなり、この出力Ｖは印加電流の大きさにしたがって変化する。
【００７１】
図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、リードフレーム３２への印加電流の大きさと磁気センサ４０の出力との関係を示している。この場合のバイアス磁石４４によるバイアス磁界の大きさは、１４ｋＡ／ｍである。この磁気センサ４０によると、電流値の正負の方向に関わらず、出力値は、直線状に延び、広い動作磁界に対して良好な検出値を得ることができる。また、図１６（ｂ）のように、印加電流を微小にしても、安定した出力特性が得られた。このことから、磁気センサ４０が浮遊磁界の変動の影響を受けにくいものであることもわかる。このように、磁気センサ４０によると、外部からの浮遊磁界による出力変動がなく、特に、バイアス磁界方向の磁界勾配の検知に優れた出力特性が得られる。
【００７２】
（変形例）
図１７および図１８は、前述したセンサチップパッケージ３０の変形例に係るセンサチップパッケージ５０を示している。このセンサチップパッケージ５０では、リードフレーム５２のコ字状になったフレーム本体５２ａの幅が前述したフレーム本体３２ａの幅よりも小さくなっており、その分、フレーム本体５２ａのコ字状部分の内側に形成される隙間の幅は大きくなっている。そして、フレーム本体５２ａの左右両側における磁気センサ４０ａが位置する部分には、それぞれ磁気センサ４０ａの中央側に向かって延びる引き込み部５２ｂ，５２ｃが形成されている。この引き込み部５２ｂ，５２ｃの対向する先端部間の長さは、前述したフレーム本体３２ａの内側に形成された隙間の幅と略同じになっている。このセンサチップパッケージ５０のそれ以外の部分の構成は、前述したセンサチップパッケージ３０と同一である。したがって、同一部分に同一符号を記して説明は省略する。
【００７３】
センサチップパッケージ５０は、フレーム本体５２ａの幅を小さくすることにより、センサチップパッケージ３０のフレーム本体３２ａと比べて電流密度を高めることができる。これによって、図１９に示したように、前述したセンサチップパッケージ３０と比べて、同じ電流を印加した場合の磁気センサ４０ａの出力を増加できる。例えば、印加電流が１ａｍｐの場合、磁気センサ４０ａの出力は、図１９に示されているように、１．７ｍＶ程度であるが、センサチップパッケージ３０の磁気センサ２０の出力は、図１６（ｂ）に示されているように、１．０ｍＶである。このように、フレーム本体５２ａの幅を小さくすることにより、磁気センサ４０ａを高感度なものにすることができる。
【００７４】
また、センサチップパッケージ５０において、引き込み部５２ｂ，５２ｃを設けなくても、引き込み部５２ｂ，５２ｃを設けた場合と同様の効果が得られるが、その場合、絶縁基板４１とフレーム本体５２ａとの接触面積が小さくなって、絶縁基板４１のフレーム本体５２ａへのダイボンドが難しくなる。また、リードフレーム５２に大きな電流を流した場合には、リードフレーム５２からジュール損失による発熱が生じるが、引き込み部５２ｂ，５２ｃを設けることにより、その発熱を拡散させる効果も生じる。このようなことから、センサチップパッケージ５０においては、リードフレーム５２に引き込み部５２ｂ，５２ｃを設けている。
【００７５】
本発明に係る磁気センサは、前述した各実施形態に限定するものでなく、本発明の技術的範囲内で適宜変更して実施することができる。例えば、前述した各実施形態では、バイアス磁界印加手段として、バイアス磁石２４，４４を用いているが、これに代えて磁気コイルを用い、磁気コイルに電流を流すことによりバイアス磁界を発生させてもよい。また、前述した各実施形態では、ブリッジ回路をハーフブリッジ回路としたが、フルブリッジ回路を用いることもできる。例えば、磁気センサ４０，４０ａを電流センサとして用いる実施形態では、図２０および図２１に示したフルブリッジ回路を用いることもできる。
【００７６】
図２０は、ＧＭＲ素子６２ａ〜６２ｄ、電極６３ａ〜６３ｈおよび導電部６５ａ〜６５ｅを備えたフルブリッジ回路を示している。また、図２１は、ＧＭＲ素子７２ａ〜７２ｄ、電極７３ａ〜７３ｈおよび導電部７５ａ〜７５ｄを備えたフルブリッジ回路を示しており、ＧＭＲ素子７２ａ，７２ｂおよびＧＭＲ素子７２ｃ，７２ｄは、それぞれ線状を平行して配置することにより入れ子形態に形成されている。また、本発明に係る磁気センサのそれ以外の部分についても、適宜変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００７７】
２０，４０，４０ａ…磁気センサ、２１，４１…絶縁基板、２２ａ〜２２ｄ，４２ａ，４２ｂ，６２ａ〜６２ｄ，７２ａ〜７２ｄ…ＧＭＲ素子、２４，４４…バイアス磁石。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界の大きさと正負の極性（方向）を測定するための磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電流検出装置や回転検出装置に、磁気センサを用いることはよく知られている。そして、このような磁気センサに、磁気抵抗効果素子を使用することも知られている。磁気抵抗効果素子は外部磁界の変化により抵抗値が変化する特性を備えており、抵抗値の変化を電圧変化として出力する。このような磁気センサの中には、出力を大きくするために、磁気抵抗効果素子として、ＧＭＲ素子を用いたものがある。しかしながら、通常のＧＭＲ素子の電気抵抗変化は磁界の正負の極性に依存せず、等方的な特性を有しているため、ＧＭＲ素子を用いた磁気センサでは、磁界の正負の２つの極性に対して同じ電気抵抗を示し、磁界の正負の極性を特定することができない。このため、さらに、ＧＭＲ素子にバイアス磁界を印加することにより、外部磁界の大きさと正負の極性とを検出できるようにした磁気センサもある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この磁気センサ（磁界センサ）では、基板の上面に、軟磁性薄膜と硬磁性薄膜との多層膜からなる一対の磁界発生源を間隔を保って形成し、各磁界発生源の上面にそれぞれ軟磁性薄膜を形成している。そして、基板の上面における一対の磁界発生源と一対の軟磁性膜との間に、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗薄膜）を形成している。この磁気センサによると、磁界発生源によって、ＧＭＲ素子にバイアス磁界を印加することができる。そして、ＧＭＲ素子にバイアス磁界を印加することによって、磁界の正負の極性の違いによって磁気センサの出力に違いを発生させることができる。この結果、外部磁界の大きさと正負の極性の双方を検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−７８１８７号公報
【発明の概要】
【０００５】
しかしながら、前述した磁気センサは、まだ、磁界感度異方性、広動作磁界および出力直線性の点において、十分なものでなく、ＧＭＲ素子の形状や、ＧＭＲ素子に印加するバイアス磁界の方向、ＧＭＲ素子を構成する材料等に改良の余地がある。
【０００６】
本発明は、このような問題に対処するためになされたもので、その目的は、磁界感度異方性、広動作磁界および出力直線性に優れた磁気センサを提供することにある。なお、下記本発明の各構成要件の記載において、本発明の理解を容易にするために、実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。
【０００７】
前述した目的を達成するため、本発明に係る磁気センサ（２０，４０，４０ａ）の構成上の特徴は、絶縁基板（２１，４１）と、絶縁基板の表面に形成され、一方側と他方側との間を折り返しながら延びる線状の高透磁率グラニュラ薄膜からなるＧＭＲ素子（２２ａ〜２２ｄ，４２ａ，４２ｂ，６２ａ〜６２ｄ，７２ａ〜７２ｄ）と、絶縁基板の近傍に配置され、ＧＭＲ素子の線状が延びる長手方向にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段（２４，４４）とを備えたことにある。
【０００８】
本発明に係る磁気センサでは、ＧＭＲ素子をグラニュラ薄膜で構成している。このグラニュラ薄膜は、製作が容易で、磁界に対して電気抵抗が変化する磁界感度に優れているが、磁化が飽和し難く外部磁界による反磁界が小さいため、形状による感度異方性は小さい。このため、本発明に係る磁気センサでは、ＧＭＲ素子を、一方側と他方側との間を折り返しながら延びる線状に形成している。これによって、ＧＭＲ素子は、線状が延びる長手方向と、その長手方向に直交する短手方向とに、形状異方性を有するようになる。さらに、バイアス磁界印加手段によって、ＧＭＲ素子が延びる長手方向にバイアス磁界を印加することで、ＧＭＲ素子を飽和に近い磁化状態にして反磁界効果を強め感度の形状異方性を増大させている。これによって、感度異方性に優れ磁界の正負の極性（方向）も検知可能な磁気センサが得られる。
【０００９】
また、バイアス磁界を印加してＧＭＲ素子を飽和に近い磁化状態にすることにより動作磁界範囲での磁気ヒステリシスの発生を抑えることができる。これによって、磁界が増加したときに蓄えられた磁界空間内のエネルギーが、磁界が減少するときにそのまま出てくるようになりエネルギーの損失が少なくなる。また、ＧＭＲ素子の透磁率が高くなる磁界範囲では、ＧＭＲ素子の長手方向と短手方向の抵抗変化率（感度）に優位差が生じる。このため、ＧＭＲ素子の透磁率は、例えば、１０以上になるようにすることが好ましい。すなわち、本発明に係る磁気センサでは、前述した構成を備えることにより、飽和に近い磁化状態にすることができ、これによって、ＧＭＲ素子の透磁率を高くしても、その長手方向は反磁界の影響を受けにくく、ヒステリシスの少ない動作磁界範囲を得ることができる。なお、本発明に係るバイアス磁界印加手段としては、バイアス磁石や磁気コイル等を用いることができる。
【００１０】
また、本発明に係る磁気センサの他の構成上の特徴は、ＧＭＲ素子を構成するグラニュラ薄膜が、Ａｇからなる母相中に、ＦｅＣｏからなる微粒子を分散させて構成されたものであることにある。この材料を用いることにより、磁界感度が高く、外部磁界の変化に敏感に反応するＧＭＲ素子を得ることができる。この場合、ＧＭＲ素子を構成する材料の原子組成比を、Ａｇ７０％に対して、Ｆｅ、Ｃｏをそれぞれ１５％程度に設定することが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る磁気センサのさらに他の構成上の特徴は、ＧＭＲ素子の線状が延びる長手方向に外部磁界を印加したときに、ＧＭＲ素子に発生する抵抗値に基づいて外部磁界の大きさと正負の極性とを検出することにある。
【００１２】
本発明に係る磁気センサでは、ＧＭＲ素子を長手方向と短手方向とを備えた形状に形成することにより、ＧＭＲ素子に形状異方性を持たせるとともに、ＧＭＲ素子の長手方向にバイアス磁界を印加することによって、感度の形状異方性を増大させ、さらに、外部磁界をＧＭＲ素子に印加して外部磁界の大きさと正負の極性とを検出するようにしている。
【００１３】
ＧＭＲ素子にバイアス磁界を印加して動作させる場合、外部磁界に対する実動作磁界の大きさと方向とは、バイアス磁界と外部磁界との大きさと方向との合成ベクトルとなり、それぞれのベクトル成分の和から算出される。また、感度の形状異方性に優れたＧＭＲ素子とは、外部磁界のベクトルのうち、バイアス磁界方向の成分の強度をより正確に検出できるものであるといえる。言い換えると、外部磁界のベクトルのうち、バイアス磁界方向に直交する成分が大きくなるほどバイアス磁界方向に対する磁化方向の変動が大きくなり正確な感度方向成分の検出が困難になる。本発明に係る磁気センサは、バイアス磁界をＧＭＲ素子の長手方向に印加することにより、外部磁界のベクトルのうち、バイアス磁界方向の成分の強度と正負の極性とをより正確に検出できるようにしたものである。この場合、バイアス磁界を大きくするほど、外部磁界におけるバイアス磁界方向に直交する成分の影響を小さくすることができる。
【００１４】
また、本発明に係る磁気センサのさらに他の構成上の特徴は、バイアス磁界印加手段を、磁極面の磁気中心を絶縁基板（２１）の中心に合わせた状態で絶縁基板に対向して配置されたバイアス磁石（２４）で構成して、ＧＭＲ素子（２２ａ〜２２ｄ）を、絶縁基板の中心点で直交し磁極面に平行に延びる２つの軸に沿い中心点からそれぞれ同一距離の位置にそれぞれ形成された４つのもので構成し、２つの軸の各軸に沿ってそれぞれ設けた２つのＧＭＲ素子を直列に接続して２つのブリッジ回路を構成し、２つのブリッジ回路の両端に電源電圧を印加して、２つのＧＭＲ素子の接続点からそれぞれ出力信号を取り出すようにしたことにある。
【００１５】
本発明によると、例えば、回転軸に磁石を設置して、回転軸の回転に伴って変化する磁界を検出すると、２つのブリッジ回路から得られる出力信号は、位相差を持つ余弦波と正弦波になるため、回転軸の回転方向、回転数および回転角を検出することができる。これによると、磁界感度異方性、広動作磁界および出力直線性に優れた回転センサとしての機能を備えた磁気センサを得ることができる。また、バイアス磁界印加手段として、バイアス磁石を用いることにより、磁気センサの構成が簡単になる。
【００１６】
また、本発明に係る磁気センサのさらに他の構成上の特徴は、バイアス磁界印加手段を、絶縁基板（４１）の裏面に沿って着磁されたバイアス磁石（４４）で構成して、ＧＭＲ素子（４２ａ，４２ｂ）を、絶縁基板の表面におけるバイアス磁石の両極に対応する部分にそれぞれ形成された２つのもので構成し、２つのＧＭＲ素子を直列に接続してブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路の両端に電源電圧を印加して、ＧＭＲ素子の接続点からそれぞれ出力信号を取り出すようにしたことにある。
【００１７】
本発明によると、例えば、絶縁基板の近傍に導電体を設置して、この導電体に電流を流すと、ブリッジ回路から得られる出力信号は、導電体を通過する電流の大きさに応じた電圧として出力される。これによると、磁界感度異方性、広動作磁界および出力直線性に優れた電流センサとしての機能を備えた磁気センサを得ることができる。また、バイアス磁界印加手段として、バイアス磁石を用いることにより、磁気センサの構成が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る磁気センサを備えたセンサチップパッケージの内部を示した平面図である。
【図２】図１の２−２断面図である。
【図３】磁気センサを示した平面図である。
【図４】図３に示した磁気センサのブリッジ回路であり、（ａ）はＸ方向のブリッジ回路、（ｂ）はＹ方向のブリッジ回路である。
【図５】ＧＭＲ素子に外部磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示しており、（ａ）は長手方向に印加したときのグラフ、（ｂ）は短手方向に印加したときのグラフである。
【図６】ＧＭＲ素子の印加磁界と磁化の大きさとの関係を示したグラフである。
【図７】バイアス磁界が印加されたＧＭＲ素子に外部磁界を印加したときの磁界と抵抗値との関係を示しており、（ａ）は長手方向に印加したときのグラフ、（ｂ）は短手方向に印加したときのグラフである。
【図８】大きなバイアス磁界が印加されたＧＭＲ素子に外部磁界を印加したときの磁界と抵抗値との関係を示しており、（ａ）は長手方向に印加したときのグラフ、（ｂ）は短手方向に印加したときのグラフである。
【図９】印加磁界と磁気センサの出力との関係を示したグラフであり、（ａ）はＸ方向に外部磁界を印加した場合を示し、（ｂ）はＹ方向に外部磁界を印加した場合を示している。
【図１０】渦巻き状のＧＭＲ素子が形成された磁気センサを備えたセンサチップパッケージで回転磁界を計測した結果を示したグラフであり、（ａ）は外部磁石の回転角と出力との関係を示し、（ｂ）は外部磁石の回転角と角度誤差との関係を示している。
【図１１】図１に示したセンサチップパッケージで回転磁界を計測した結果を示したグラフであり、（ａ）は外部磁石の回転角と出力との関係を示し、（ｂ）は外部磁石の回転角と角度誤差との関係を示している。
【図１２】大きなバイアス磁界が印加された磁気センサを備えたセンサチップパッケージで回転磁界を計測した結果を示したグラフであり、（ａ）は外部磁石の回転角と出力との関係を示し、（ｂ）は外部磁石の回転角と角度誤差との関係を示している。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る磁気センサを備えたセンサチップパッケージの内部を示した平面図である。
【図１４】図１３の１４−１４断面図である。
【図１５】図１３に示した磁気センサのブリッジ回路である。
【図１６】図１３に示したセンサチップパッケージの印加電流と磁気センサの出力との関係を示したグラフであり、（ａ）は大きな印加電流の場合を示し、（ｂ）は微小印加電流の場合を示している。
【図１７】第２実施形態の変形例に係るセンサチップパッケージの内部を示した平面図である。
【図１８】図１７の１８−１８断面図である。
【図１９】図１７に示したセンサチップパッケージの印加電流と磁気センサの出力との関係を示したグラフである。
【図２０】フルブリッジ回路を備えた電流センサを示した平面図である。
【図２１】他のフルブリッジ回路を備えた電流センサを示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図面を用いて説明する。図１および図２は、第１実施形態に係る磁気センサ２０を備えたセンサチップパッケージ１０を示しており、この磁気センサ２０は回転センサとして用いられている。なお、図１は、センサチップパッケージ１０の内部の主要部分を示した平面図であり、以後、本実施形態においては、前後左右の方向は、図１に基づいて説明する。
【００２０】
センサチップパッケージ１０は、エポキシ樹脂からなるパッケージ本体１１と、パッケージ本体１１の内部から外部にかけて設置されたリードフレーム１２と、リードフレーム１２に取り付けられた磁気センサ２０と、パッケージ本体１１の内部と外部とにかけて設置された８個のリードフレーム端子１３ａ〜１３ｈと、磁気センサ２０とリードフレーム端子１３ａ〜１３ｈとをそれぞれ接続する８本の配線１４ａ〜１４ｈとで構成されている。
【００２１】
リードフレーム１２は、導電体、例えば銅からなっており、パッケージ本体１１内の中央に配置された四角板状のフレーム本体１２ａと、フレーム本体１２ａの前部からパッケージ本体１１の外部に延びる突出端部１２ｂと、フレーム本体１２ａの後部からパッケージ本体１１の外部に延びる突出端部１２ｃとで構成されている。突出端部１２ｂ，１２ｃは、リードフレーム１２の周囲にエポキシ樹脂を流し込んで、リードフレーム１２をパッケージ本体１１内に固定する際に、リードフレーム１２を支持するために形成されている。
【００２２】
リードフレーム端子１３ａ〜１３ｈは、接続用の端子を構成するもので、リードフレーム１２と同様、銅で構成されている。リードフレーム端子１３ａ〜１３ｈは、パッケージ本体１１の左右に４個ずつ左右対象に配置されており、それぞれがパッケージ本体１１の外部から内部に向かって左右に延びる部分とパッケージ本体１１の内部でフレーム本体１２ａの周縁部に沿った方向に延びる部分とで構成されている。四隅に位置するリードフレーム端子１３ａ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｈにおけるフレーム本体１２ａの周縁部に沿った部分は、それぞれフレーム本体１２ａの角部に沿った略Ｌ形に形成されている。また、それ以外のリードフレーム端子１３ｂ，１３ｃ，１３ｆ，１３ｇにおけるフレーム本体１２ａの周縁部に沿った部分は、それぞれ前後方向の中央部が左右に延びる部分の端部に位置するＩ形に形成されている。
【００２３】
磁気センサ２０は、フレーム本体１２ａの中央部分に設置されており、図３に示した構成をしている。磁気センサ２０は、フレーム本体１２ａの上面に設置された絶縁基板２１と、絶縁基板２１の上面における前後方向の中央の左右および左右方向の中央の前後にそれぞれ形成されたＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄと、絶縁基板２１の上面における四隅にそれぞれ２個ずつ形成された８個の電極２３ａ〜２３ｈとを備えている。そして、フレーム本体１２ａの下面における、絶縁基板２１の下方にバイアス磁石２４が設置されている。
【００２４】
すなわち、磁気センサ２０は、フレーム本体１２ａの上面に設置された絶縁基板２１側部分と、フレーム本体１２ａの下面に設置されたバイアス磁石２４とで構成されており、絶縁基板２１とバイアス磁石２４とは、それぞれ中心を中心点Ｏに合わせた状態でダイボンドによってフレーム本体１２ａに固定されている。絶縁基板２１は、シリコン、ガラス、セラミック等の絶縁体材料からなる正方形の板状体で構成されており、前後方向の長さおよび左右方向の長さがそれぞれ１．８ｍｍに設定され、厚みが０．４ｍｍに設定されている。この絶縁基板２１は、パッケージ本体１１の左右および前後の中央に位置するようにして、フレーム本体１２ａの上面に設置されている。
【００２５】
また、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄは、Ａｇ−ＦｅＣｏからなる線状のグラニュラ薄膜で構成されており、スパッタリング法を用いて成膜されることにより、絶縁基板２１の表面に形成されている。ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄのうちの、ＧＭＲ素子２２ａ，２２ｂは左右対称に配置され、ＧＭＲ素子２２ｃ，２２ｄは前後対称に配置されている。すなわち、絶縁基板２１の表面において、中心点Ｏを通り左右に延びる方向をＸ軸とし、前後に延びる方向をＹ軸としたときに、ＧＭＲ素子２２ａ，２２ｂはＸ軸上に位置し、ＧＭＲ素子２２ｃ，２２ｄはＹ軸上に位置する。また、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄは、それぞれ中心点Ｏから同一距離の位置に配置されている。
【００２６】
ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄは、それぞれ複数の折り返し部がある線状に形成されている。ＧＭＲ素子２２ａは、電極２３ｂ，２３ｃ間に配置されており、電極２３ｂ側の右後部から左側に一直線状に一定長さ延びたのちに折り返して、前述した一直線状に延びた線から前方に間隔を保って右側に延び、さらに折り返して左側に延びるといったように後方に位置する線から間隔を保ってジグザグに左右に延びたのちに電極２３ｃ側の右前部に延びる全体形状が四角形の線状薄膜で構成されている。ＧＭＲ素子２２ａの両端部は、導電部２５ｂ，２５ｃによって電極２３ｂ，２３ｃに接続されている。
【００２７】
同様にして、ＧＭＲ素子２２ｂは、線状の長手方向を左右方向に向けて配置され、その両端部は、導電部２５ｆ，２５ｇによって電極２３ｆ，２３ｇに接続されている。また、ＧＭＲ素子２２ｃ，２２ｄは、線状の長手方向を前後方向に向けて配置されており、ＧＭＲ素子２２ｃの両端部は、導電部２５ｄ，２５ｅによって電極２３ｄ，２３ｅに接続され、ＧＭＲ素子２２ｄの両端部は、導電部２５ａ，２５ｈによって電極２３ａ，２３ｈに接続されている。この磁気センサ２０では、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの全ての端部は、絶縁基板２１の内部側に位置している。
【００２８】
ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの成膜は、スパッタリング装置（図示せず）を用いて行われる。すなわち、スパッタリング装置に備わった真空チャンバー内にアルゴンガスを導入しながら絶縁基板２１とＡｇ−ＦｅＣｏからなるターゲットとの間に高電圧を印加し、イオン化したアルゴンをターゲットに衝突させて、はじき飛ばされたターゲット物質を絶縁基板２１に成膜させることによりＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄが形成される。この場合のターゲットは、Ａｇターゲット上にＦｅＣｏ合金を載置した複合ターゲットであり、これによって、Ａｇからなる母相中に、ＦｅＣｏからなる微粒子が分散したグラニュラ薄膜からなるＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄが得られる。この場合、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄに含まれるＡｇ、Ｆｅ、Ｃｏの比率は、原子組成比で、Ａｇ７０Ｆｅ１５Ｃｏ１５ atm％程度に設定しておく。
【００２９】
電極２３ａ〜２３ｈおよび導電部２５ａ〜２５ｈは、それぞれ薄い銅板からなっている。そして、各電極２３ａ〜２３ｈは、それぞれ、配線１４ａ〜１４ｈを介したワイヤボンドによって、近傍に位置するリードフレーム端子１３ａ〜１３ｈに接続されている。また、ＧＭＲ素子２２ａ，２２ｂは、導電部２５ｂ，２５ｃ，２５ｆ，２５ｇ、電極２３ｂ，２３ｃ，２３ｆ，２３ｇ、配線１４ｂ，１４ｃ，１４ｆ，１４ｇおよびリードフレーム端子１３ｂ，１３ｃ，１３ｆ，１３ｇを介して直列に接続されており、これによって、図４（ａ）に示したハーフブリッジ回路が形成されている。同様に、ＧＭＲ素子２２ｃ，２２ｄは、導電部２５ａ，２５ｄ，２５ｅ，２５ｈ、電極２３ａ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｈ、配線１４ａ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｈおよびリードフレーム端子１３ａ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｈを介して直列に接続されており、これによって、図４（ｂ）に示したハーフブリッジ回路が形成されている。
【００３０】
電極２３ａ，２３ｂには、それぞれリードフレーム端子１３ａ，１３ｂから５Ｖの電源電圧が供給されるようになっている。また、電極２３ｅ，２３ｇは、それぞれリードフレーム端子１３ｅ，１３ｇを介して接地されるようになっている。電極２３ｃ，２３ｆは、それぞれリードフレーム端子１３ｃ，１３ｆを介して出力端子となり、電極２３ｄ，２３ｈは、それぞれリードフレーム端子１３ｄ，１３ｈを介して出力端子となる。リードフレーム端子１３ｃ，１３ｆは、配線（図示せず）を介して接続されその接続点からＸ軸方向の出力信号Ｖｘが取り出される。また、リードフレーム端子１３ｄ，１３ｈは、配線（図示せず）を介して接続されその接続点からＹ軸方向の出力信号Ｖｙが取り出される。
【００３１】
バイアス磁石２４は、酸化鉄を主原料とした円板状のフェライト磁石からなっており、直径が１．４ｍｍで、厚みが０．３５ｍｍに設定されている。また、バイアス磁石２４は、厚み方向を２等分する面を境界として分極されて境界面に対して垂直方向に２極着磁されており、上側がＮ極、下側がＳ極になっている。これによって、バイアス磁石２４には、図３の矢印の方向の磁界が発生し、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄには、それぞれ長手方向に沿ったバイアス磁界が、絶縁基板２１の中心側から外部側に向かって放射状に印加される。
【００３２】
つぎに、磁気センサ２０が備える各ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄのＭＲ特性（磁気抵抗特性）について説明する。図５（ａ）は、各ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向にそれぞれ外部磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示しており、図５（ｂ）は、各ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの短手方向にそれぞれ外部磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示している。図５（ａ）および図５（ｂ）から分かるように、印加磁界の大きさが−４ｋＡ／ｍ以下または４ｋＡ／ｍ以上程度の範囲の場合には、各ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向に外部磁界を印加したときと、各ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの短手方向に外部磁界を印加したときとでは双方の抵抗値の変化に僅かな差しか認められないが、印加磁界の大きさが−４ｋＡ／ｍから４ｋＡ／ｍ程度の範囲の場合には、双方の抵抗値の変化に明らかな差が生じている。
【００３３】
これは、図６に示したＭＨ特性（磁界の強さと磁化の大きさとの関係）と下記に示した実効磁界を示す式１から説明がつくものである。図６は、各ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを構成する、厚みが１０００Åで、２６０℃の温度で熱処理されたＧＭＲ薄膜のＭＨ特性を示している。図６から分かるように、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを構成するＧＭＲ薄膜では、印加磁界が−４ｋＡ／ｍから４ｋＡ／ｍ程度の場合には、ＭＨ曲線の傾きで表される透磁率が高く、その値は１０以上になっている。このように透磁率が高い場合、外部磁界によるＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを構成するＧＭＲ薄膜の磁化は大きくなる。また、実効磁界は下記の式１で表される。
Ｈｅｆｆ（実効磁界）＝Ｈｅｘ（外部磁界）−Ｎｄ（反磁界係数）×Ｍ（磁性体の磁化）…式１
【００３４】
ここで、反磁界は、外部磁界により磁性体を磁化するときに、その磁性体内に発生する磁化の方向と反対方向の磁界であり、外部から与えられた磁界を弱める作用がある。また、反磁界係数は、無限に長い棒や板では、無限遠方に極ができることになるため、「０」であるが、逆に無限に薄い板では「１」になる。このため、反磁界係数だけを考慮すれば、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄが備える形状異方性により、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向では、短手方向よりも反磁界係数が小さくなり、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向の実効磁界は、短手方向の実効磁界よりも大きくなる。
【００３５】
また、磁化の大きさだけを考慮すれば、印加磁界の大きさが−４ｋＡ／ｍから４ｋＡ／ｍ程度のＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄが高透磁率になる範囲においては、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向の磁化および短手方向の磁化の双方が大きくなる。一方、印加磁界の大きさが−４ｋＡ／ｍ以下または４ｋＡ／ｍ以上の範囲では、透磁率が低くなり、その値は１０未満になる。このため、外部磁界に対する磁化の変化がＧＭＲ薄膜の長手方向と短手方向との双方で小さくなる。
【００３６】
しかしながら、反磁界係数と磁化の大きさとの双方が影響した場合には、印加磁界の大きさが−４ｋＡ／ｍから４ｋＡ／ｍ程度のＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄが高透磁率になる磁化の大きな範囲においては、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの短手方向の方が長手方向よりも反磁界の影響を受けやすくなり、ＧＭＲ薄膜の短手方向の実効磁界が長手方向の実効磁界よりも小さくなる。また、印加磁界の大きさが−４ｋＡ／ｍ以下または４ｋＡ／ｍ以上の範囲では、透磁率の低下の影響が大きくなり、外部磁界に対する実効磁界の変化がＧＭＲ薄膜の長手方向と短手方向とであまり差が生じなくなる。これによって、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄのＭＲ感度においても、長手方向と短手方向とで差が生じなくなる。
【００３７】
すなわち、印加磁界を示す値の絶対値が小さい場合には透磁率が大きくなって磁化が大きくなり、このときに、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向と短手方向とでＭＲ感度に明らかな差が生じるが、印加磁界を示す値の絶対値が大きい場合には透磁率が小さくなって磁化の変化が小さくなり、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向と短手方向とのＭＲ感度に明らかな差は生じなくなる。したがって、透磁率の大きなＧＭＲ薄膜を用いれば形状異方性による磁界感度異方性が得られるが、磁界感度差が得られるのは、印加磁界が−４ｋＡ／ｍから４ｋＡ／ｍ程度の限られた磁界範囲だけであり、このままでは実用的でない。
【００３８】
このため、磁気センサ２０では、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄにバイアス磁石２４を組み合わせて広い磁界範囲で感度異方性が得られるようにしている。ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄにそれぞれバイアス磁石２４からのバイアス磁界を印加すると、そのＭＲ特性は、図７（ａ）および図７（ｂ）に示したようになる。この場合のバイアス磁石２４によるバイアス磁界の大きさは、略１４ｋＡ／ｍである。図７（ａ）は、ＧＭＲ素子２２ａの長手方向（左右方向）に磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示しており、図７（ｂ）は、ＧＭＲ素子２２ａの短手方向（前後方向）に磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示している。
【００３９】
図７（ａ）から分かるように、ＧＭＲ素子２２ａの長手方向に外部磁界を印加したときのＭＲ特性を表す曲線は、図５（ａ）に示したバイアス磁界を印加していないときのＭＲ特性を表す曲線と比較してバイアス磁界の値に相当する磁界強度分ずれた非対称な曲線になる。この結果、図７（ａ）に示されたＭＲ特性を表す曲線は、印加磁界の大きさが−１６ｋＡ／ｍから１４ｋＡ／ｍ程度の範囲の場合には、略直線状に延びる曲線になり、この曲線から磁界の大きさだけでなく、磁界の正負の極性の判別も可能になる。
【００４０】
なお、外部磁界を加えたときの抵抗値と、外部磁界を加えていないときの抵抗値との比であるＭＲ比は、バイアス磁界がない場合には３．８％であったのに対し、バイアス磁界を印加した場合には５．６％であった。このＭＲ比は、図５（ａ）に示した曲線と、図７（ａ）に示した曲線とのずれ量に比例するもので、バイアス磁界が大きいほど大きくなっていく。このため、バイアス磁界を大きくしていくことにより、図５（ａ）に示した曲線は、図７（ａ）に示した曲線の位置から、さらに右側の位置に移動していく。また、磁化の大きさＭが０のときの磁界に対応する保磁力Ｈｃは、バイアス磁界がない場合には０．３２ｋＡ／ｍであったのに対し、バイアス磁界を印加した場合には０ｋＡ／ｍであった。
【００４１】
なお、この保磁力Ｈｃは、図５（ａ），（ｂ）および図７（ａ），（ｂ）に示した曲線における磁界の大きさが小さい方から大きくなっていく場合と大きい方から小さくなっていく場合とのずれ量で示され、図５（ａ），（ｂ）においては２本の曲線が示されているのに対し、図７（ａ），（ｂ）では１本の曲線だけが示されている。これから、バイアス磁界を加えることにより外部磁界に対する抵抗変化のヒステリシスが、明らかに低減することがわかる。すなわち、バイアス磁界を加えることにより、磁界が増加したときに蓄えられた磁界空間内のエネルギーが、磁界が減少するときにそのまま出てくるようになりエネルギーの損失が少なくなる。
【００４２】
また、図７（ｂ）から分かるように、ＧＭＲ素子２２ａの短手方向に外部磁界を印加したときのＭＲ特性を表す曲線は、図５（ｂ）に示したバイアス磁界を印加しない場合のＭＲ特性を表す曲線と比較して外部磁界に対するＭＲ特性の低感度領域が広がった特性を示す曲線になった。この場合、磁界方向に対しては印加磁界が０ｋＡ／ｍのときを中心として対称のままの状態が維持された。このように、バイアス磁界を印加することにより、ＧＭＲ素子２２ａの長手方向と短手方向との感度異方性は明らかに大きくなった。
【００４３】
また、他の例として、前述したバイアス磁石２４に代えて、バイアス磁石２４よりもバイアス磁界の大きなＳｍＣｏ系のバイアス磁石を用いて、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄのＭＲ特性を測定した。その結果を、図８（ａ）および図８（ｂ）に示している。この場合のバイアス磁石によるバイアス磁界の大きさは、５０ｋＡ／ｍであった。図８（ａ）は、ＧＭＲ素子２２ａの長手方向に磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示しており、図８（ｂ）は、ＧＭＲ素子２２ａの短手方向に磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示している。
【００４４】
図８（ａ）から分かるように、ＧＭＲ素子２２ａの長手方向に外部磁界を印加したときには、図７（ａ）に示した場合と比較してＭＲ特性を表す曲線にピークが見られず、ＭＲ特性を表す曲線は直線に近い状態になっている。これは、バイアス磁界の値が測定磁界の範囲を超えているためであり、これによると、広い動作磁界範囲が得られる。また、図８（ｂ）から分かるように、ＧＭＲ素子２２ａの短手方向に外部磁界を印加したときには、図７（ｂ）に示した場合と比較して外部磁界に対するＭＲ特性の低感度領域がさらに広がる。このように、バイアス磁界を強めることにより、ＧＭＲ素子２２ａの長手方向と短手方向との感度異方性はさらに大きくなる。
【００４５】
ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄにバイアス磁界を印加して動作させる場合、外部磁界に対する実動作磁界の大きさと方向とは、バイアス磁界と外部磁界との大きさと方向との合成ベクトルとなり、それぞれのベクトル成分の和から算出される。このため、バイアス磁界を大きくすることにより、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向に磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示す曲線およびＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの短手方向に磁界を印加したときの磁界の大きさと抵抗値との関係を示す曲線のどちらもバイアス磁界の影響が大きくなってより直線に近づいて行くようになる。
【００４６】
この結果から、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向に、バイアス磁界を印加することにより、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向の外部磁界に対するＭＲ特性は、磁界の極性に対して非対称になり、磁界の正負の極性の検出も可能になるとともに、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの形状に起因する感度異方性を増加できることがわかる。また、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの短手方向の外部磁界に対するＭＲ特性は、高透磁率領域を超える磁界までは低感度領域が広がる。このように、バイアス磁界を印加することにより、感度異方性が大きくなり、ヒステリシスは減少する。
【００４７】
つぎに、磁気センサ２０の表面側に、回転体に設けられた外部磁石（図示せず）からの外部磁界を印加したときの磁気センサ２０の出力について説明する。図９（ａ）は、磁気センサ２０に、Ｘ軸方向（左右方向）の外部磁界を印加したときの各ハーフブリッジ回路のＸ軸方向の出力ＶｘとＹ軸方向の出力Ｖｙとを示しており、図９（ｂ）は、磁気センサ２０に、Ｙ軸方向（前後方向）の外部磁界を印加したときの各ハーフブリッジ回路のＸ軸方向の出力ＶｘとＹ軸方向の出力Ｖｙとを示している。
【００４８】
なお、図４（ａ）に示したＧＭＲ素子２２ａの抵抗値をＲｘ1、ＧＭＲ素子２２ｂの抵抗値をＲｘ2、図４（ｂ）に示したＧＭＲ素子２２ｄの抵抗値をＲｙ1、ＧＭＲ素子２２ｃの抵抗値をＲｙ2とすると、出力Ｖｘ、出力Ｖｙは、それぞれ下記の式２、式３で表わされる。
Ｖｘ＝Ｖｃｃ×Ｒｘ2／（Ｒｘ1＋Ｒｘ2）…式２
Ｖｙ＝Ｖｃｃ×Ｒｙ2／（Ｒｙ1＋Ｒｙ2）…式３
【００４９】
それぞれのハーフブリッジ回路において、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向に外部磁界が印加されたとき（図９（ａ）のＸ軸方向、図９（ｂ）のＹ軸方向）には、磁界方向に対する各ＧＭＲ素子２２ａ，２２ｂまたはＧＭＲ素子２２ｃ，２２ｄの非線形特性（磁界強度の変化による感度増と感度減の傾向）が相殺され、図９（ａ）の出力Ｖｘおよび図９（ｂ）の出力Ｖｙのように斜めに傾斜した直線に近い出力特性が得られた。
【００５０】
また、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの短手方向に外部磁界が印加されたとき（図９（ａ）のＹ軸方向、図９（ｂ）のＸ軸方向）には、外部磁界に対するＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの抵抗変化が少なく、かつ変化した分は互いに相殺されてほぼ無感度特性になる。このため、図９（ａ）の出力Ｖｙおよび図９（ｂ）の出力Ｖｘのように変化のない直線状になる出力特性が得られた。この結果から、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向に外部磁界を印加したときに、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄに発生する抵抗値に基づいて外部磁界の大きさと正負の極性とを検出することにより、より精度のよい検出ができることが分かる。
【００５１】
なお、外部磁界の方向をＸ軸方向からＹ軸方向に変化させたときには、出力Ｖｘを表す曲線は、図９（ａ）の印加磁界が小さいときに出力Ｖｘが大きく、印加磁界が大きいときに出力Ｖｘが小さくなった状態から、図９（ｂ）の印加磁界の大きさに関わらず出力Ｖｘが略一定になった状態に変化する。また、そのとき、出力Ｖｙを表す曲線は、図９（ａ）の印加磁界の大きさに関わらず出力Ｖｙが略一定になった状態から、図９（ｂ）の印加磁界が小さいときに出力Ｖｙが小さく、印加磁界が大きいときに出力Ｖｙが大きくなった状態に変化する。
【００５２】
このため、外部磁界の方向がＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄの長手方向と短手方向との中間の角度（右４５度と左４５度の二つの場合がある）の方向になったときには、出力Ｖｘを表す曲線と出力Ｖｙを表す曲線の傾斜角度が同じになる。この場合には、出力Ｖｘを表す曲線と出力Ｖｙを表す曲線とのどちらでも外部磁界の大きさと正負の極性とを検出する精度は同じになる。それ以外の場合には、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄに外部磁界を印加したときに、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄに発生する抵抗値に基づいて外部磁界の大きさと方向とを検出することにより、より精度のよい検出ができる。
【００５３】
つぎに、比較例として、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄに代えて渦巻き状に形成した形状異方性のない４つのＧＭＲ素子が形成された磁気センサを備えたセンサチップパッケージを用意し、これとセンサチップパッケージ１０およびＳｍＣｏ系のバイアス磁石が取り付けられた磁気センサを備えたセンサチップパッケージとの比較テストを行った。この比較テストは、回転軸に外部磁石を設置して、その外部磁石に磁気センサ２０等を対向させた状態でセンサチップパッケージ１０等を所定位置に設置して行った。この場合、外部磁石の中心に磁気センサ２０等の中心を合わせた。また、各磁気センサ２０等に対して、約１０ｋＡ／ｍの磁界強度が得られるように各磁気センサ２０等と外部磁石との間隔を調整した。
【００５４】
また、外部磁石の回転角度の基準は、外部磁界の方向が、図３に示した状態の磁気センサ２０のＧＭＲ素子２２ａに示した矢印の方向を「０」度とし、外部磁石の回転方向を時計周り方向をプラスとした３６０度の範囲で１０度ごとの角度について、各Ｘ軸、Ｙ軸方向での各ハーフブリッジ回路の出力と角度との関係を求めた。また、各ハーフブリッジ回路の中点電位である出力Ｖｘ，Ｖｙは、本来その等価回路から印加電圧５Ｖの半分である２．５Ｖとなるが各ＧＭＲ素子２２ａ等の抵抗にばらつきがあり、各ＧＭＲ素子２２ａ等の磁界による抵抗変化も小さいため、予め、外部磁界がない場合の印加電圧に対する各センサチップパッケージの出力電位である出力Ｖｘ，Ｖｙを計測しておき、その値を基準電圧とした。
【００５５】
そして、出力Ｖｘ，Ｖｙから基準電圧を差し引いて得られた差分ΔＶｘ，ΔＶｙの関係を図１０（ａ）、図１１（ａ）、図１２（ａ）に示した。すなわち、回転体の回転によって外部磁石からの外部磁界が変化したときには、２つのハーフブリッジ回路から出力される出力Ｖｘと出力Ｖｙとが周期的に変化する。そして、この出力Ｖｘと出力Ｖｙとの変化から位相差を持つ余弦波と正弦波が得られ、これによって、回転体の回転方向、回転数および回転角が検出されるものであるが、ここでは、基準電圧を差し引くことによって、外部磁界の影響のみに着目した。
【００５６】
また、図１０（ａ）、図１１（ａ）、図１２（ａ）に示した結果に基づいて、角度誤差Δθを下記の式４から求め、その外部平行磁界回転角との関係を図１０（ｂ）、図１１（ｂ）、図１２（ｂ）に示した。
Δθ＝ＡＲＣＴＡＮ（ΔＶｙ／ΔＶｘ）−外部平行回転角…式４
すなわち、一方のハーフブリッジ回路をＣＯＳブリッジとしその出力をＶｘとし、もう一方のハーフブリッジ回路をＳＩＮブリッジとしその出力をＶｙとすると、それらの比を逆正接演算することにより回転角度信号θが得られる。式４は、差分ΔＶｘ，ΔＶｙの比を逆正接演算した値から外部平行回転角（外部磁石の回転角）の値を差し引くことにより、角度誤差Δθを求めるものである。
【００５７】
図１０（ａ），（ｂ）は、渦巻き状に形成した４つのＧＭＲ素子が形成された磁気センサを備えたセンサチップパッケージの計測結果を示し、図１１（ａ），（ｂ）は、センサチップパッケージ１０の計測結果を示し、図１２（ａ），（ｂ）は、ＳｍＣｏ系のバイアス磁石が取り付けられた磁気センサを備えたセンサチップパッケージの計測結果を示している。すなわち、渦巻き状に形成されたＧＭＲ素子は、形状異方性がなく、ＳｍＣｏ系のバイアス磁石が取り付けられた磁気センサは、バイアス磁界が大きいもので、図１０から図１２にかけて順に感度異方性が増すようになっている。
【００５８】
図１０（ａ）、図１１（ａ）、図１２（ａ）から分かるように、磁気センサの感度異方性が増すにしたがって、出力Ｖｘ，Ｖｙの差分ΔＶｘ，ΔＶｙは、三角波と正弦波との中間に近い波形から滑らかな正弦波に近い波形に変化していく。また、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）、図１２（ｂ）から分かるように、磁気センサの感度異方性が増すにしたがって、角度誤差Δθは、絶対値が±３度以上におよぶ範囲から、±２度以下、さらに±１度以下へと減少していく。この結果から、ＧＭＲ素子に形状異方性を持たせ、さらにバイアス磁界を大きくすることにより、回転体の回転角の検出の精度が向上することが分かる。
【００５９】
このように、本実施形態に係る磁気センサ２０では、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを、一方側と他方側との間を折り返しながら延びる線状のグラニュラ薄膜で構成している。これによって、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄは、線状が延びる長手方向と、その長手方向に直交する短手方向とに、形状異方性を有するようになるとともに、磁気センサ２０の出力を大きくすることができる。さらに、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄが延びる長手方向にバイアス磁石２４によるバイアス磁界を印加することによって、ＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを飽和に近い磁化状態にして反磁界効果を強め感度の形状異方性を増大させることができる。これによって、磁気センサ２０は、感度異方性に優れ極性も検知可能なものになる。
【００６０】
（第２実施形態）
図１３および図１４は、本発明の第２実施形態に係る磁気センサ４０を備えたセンサチップパッケージ３０を示しており、この磁気センサ４０は電流センサとして用いられている。なお、図１３は、センサチップパッケージ３０の内部の主要部分を示した平面図であり、以後、本実施形態においては、前後左右の方向は、図１３に基づいて説明する。センサチップパッケージ３０は、エポキシ樹脂からなるパッケージ本体３１と、パッケージ本体３１内を通過するリードフレーム３２と、リードフレーム３２に取り付けられた磁気センサ４０と、パッケージ本体３１の内部と外部とにかけて設置された６個のリードフレーム端子３３ａ〜３３ｆと、磁気センサ４０とリードフレーム端子３３ｂ〜３３ｅとをそれぞれ接続する４本の配線３４ａ〜３４ｄとで構成されている。
【００６１】
リードフレーム３２は、銅からなっており、外部から延びてきてパッケージ本体３１の左側手前からパッケージ本体３１内に入り、後部側が凸になるようにコ字状に延びたのちに、パッケージ本体３１の右側手前から外部に延びている。また、リードフレーム３２のコ字状になったフレーム本体３２ａは他の部分よりも幅が大きくなっており、コ字状の内側に形成される隙間の幅は小さくなっている。このリードフレーム３２には、左端部の測定電流用端子３２ｂ側から、フレーム本体３２ａを通過して右端部の測定電流用端子３２ｃ側に電流が流れ、磁気センサ４０は、この電流を検出する。
【００６２】
リードフレーム端子３３ａ〜３３ｆは、接続用の端子を構成するもので、リードフレーム３２と同様、銅からなる導電体で構成されている。６個のリードフレーム端子３３ａ〜３３ｆは、パッケージ本体３１の左右に３個ずつ左右対象に配置されており、それぞれがパッケージ本体３１の外部から内部に向かって左右に延びる部分とパッケージ本体３１の内部で前後方向に延びる部分とで構成されている。前部側の左右に配置されたリードフレーム端子３３ｃ，３３ｄは、それぞれ左右に延びる部分の端部から前後に延びる部分が後方に向かって延びるＬ形に形成されており、パッケージ本体３１の前後方向の中央よりも僅かに前部側に配置されている。
【００６３】
リードフレーム端子３３ａ〜３３ｆのうちの前後方向の中央の左右に配置されたリードフレーム端子３３ｂ，３３ｅは、それぞれ左右に延びる部分の端部に前後に延びる部分の前後方向の中央が位置するＴ形に形成されている。また、パッケージ本体３１の後部側の左右に配置されたリードフレーム端子３３ａ，３３ｆは、それぞれ左右に延びる部分の端部から前後に延びる部分が前方に向かって延びるＬ形に形成されている。左右に配置されたそれぞれ３個のリードフレーム端子３３ａ〜３３ｃおよびリードフレーム端子３３ｄ〜３３ｆは、左右に延びる部分および前後に延びる部分をそれぞれ等間隔にして配置されている。
【００６４】
磁気センサ４０は、フレーム本体３２ａの前後方向の中央部分に設置されており、フレーム本体３２ａの上面に設置された絶縁基板４１と、絶縁基板４１の上面における前後方向の中央の左右にそれぞれ形成された一対のＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂと、絶縁基板４１の上面における四隅にそれぞれ形成された電極４３ａ〜４３ｄとを備えている。そして、フレーム本体３２ａの下面における、絶縁基板４１の下方にバイアス磁石４４が設置されている。磁気センサ４０は、フレーム本体３２ａの上面に設置された絶縁基板４１側部分と、フレーム本体３２ａの下面に設置されたバイアス磁石４４とで構成されており、絶縁基板４１とバイアス磁石４４とは、それぞれダイボンドによってフレーム本体３２ａに固定されている。
【００６５】
絶縁基板４１は、前述した絶縁基板２１と同じ絶縁体材料からなる前後よりも左右が長い四角板状体で構成されており、前後方向の長さが１．０５ｍｍ、左右方向の長さが１．８ｍｍ、厚みが０．２５ｍｍに設定されている。この絶縁基板４１は、パッケージ本体３１の左右および前後の中央に位置するようにして、フレーム本体３２ａの上面に設置されている。また、ＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂは、それぞれ前述したＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄと同じ材料で構成されており、前述したスパッタリング法を用いて成膜されることにより、絶縁基板４１の表面に形成されている。また、ＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂは、それぞれ長手方向を左右に向け、線状の両端部を絶縁基板４１の左右の外部側に向けて配置されている。
【００６６】
電極４３ａ〜４３ｄはそれぞれ薄い銅板からなっており、電極４３ａ，４３ｂは、ＧＭＲ素子４２ａの端部にそれぞれ接続され、電極４３ｃ，４３ｄは、ＧＭＲ素子４２ｂの端部にそれぞれ接続されている。また、電極４３ａ〜４３ｄはそれぞれ、配線３４ａ〜３４ｄを介したワイヤボンドによって、６個のリードフレーム端子３３ａ〜３３ｆのうちの前部側に位置する４個のリードフレーム端子３３ｂ〜３３ｄに接続されている。また、ＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂは、電極４３ａ〜４３ｄ、配線３４ａ〜３４ｄおよびリードフレーム端子３３ｂ〜３３ｅを介して直列に接続されており、これによって、図１５に示したハーフブリッジ回路が形成されている。
【００６７】
電極４３ａには、リードフレーム端子３３ｂから配線３４ａを介して５Ｖの電源電圧が供給されるようになっている。また、電極４３ｄは、配線３４ｄおよびリードフレーム端子３３ｅを介して接地されるようになっている。電極４３ｂ，４３ｃは、それぞれ配線３４ｂ，３４ｃおよびリードフレーム端子３３ｃ，３３ｄを介して出力端子となる。リードフレーム端子３３ｃ，３３ｄは、配線（図示せず）を介して接続されており、その接続点から出力Ｖが信号として取り出される。この出力Ｖは、前述した式２、式３のＶｘ、Ｖｙと同様にして求められる。
【００６８】
バイアス磁石４４は、酸化鉄を主原料とした四角板状のフェライト磁石からなっており、前後方向の長さが１．１ｍｍ、左右方向の長さが２．４ｍｍ、厚みが０．２ｍｍに設定されている。また、バイアス磁石４４は、左右を２等分する面を境界として分極されて境界面に対して直角方向に着磁されており、左側がＮ極、右側がＳ極になっている。これによって、バイアス磁石４４には、図１３に示した矢印の方向の磁界が発生し、ＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂには、それぞれ長手方向に沿ったバイアス磁界が印加される。磁気センサ４０が備えるＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂのＭＲ特性については、前述した磁気センサ２０が備えるＧＭＲ素子２２ａ〜２２ｄのＭＲ特性と略同じであり、バイアス磁界が印加されていないときには、図５（ａ）および図５（ｂ）に示したＭＲ特性が現れ、バイアス磁界を印加したときには、図７（ａ）および図７（ｂ）に示したＭＲ特性が現れる。
【００６９】
つぎに、センサチップパッケージ３０におけるリードフレーム３２の測定電流用端子３２ｂ，３２ｃ間に、電流を印加した時の印加電流と磁気センサ４０の出力との関係を説明する。リードフレーム３２に測定電流用端子３２ｂから測定電流用端子３２ｃに向かう電流を印加した場合、フレーム本体３２ａにおけるＧＭＲ素子４２ａに対応する部分には、フレーム本体３２ａの断面を前方から見た状態での時計周り方向に外部磁界が発生し、フレーム本体３２ａにおけるＧＭＲ素子４２ｂに対応する部分には、フレーム本体３２ａの断面を前方から見た状態での反時計周り方向に外部磁界が発生する。すなわち、ＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂには、それぞれ長手方向に沿った反対方向の外部磁界が加わるようになる。
【００７０】
このとき、ＧＭＲ素子４２ａ，４２ｂに加わる磁界の大きさと方向とは、バイアス磁界と外部磁界との大きさと方向との合成ベクトルとなるため、ＧＭＲ素子４２ａに加わる磁界の大きさはバイアス磁界よりも外部磁界が加わる分大きくなり、ＧＭＲ素子４２ｂに加わる磁界の大きさはバイアス磁界よりも外部磁界が引かれる分小さくなる。この場合、ＧＭＲ素子４２ａの抵抗値は、ＧＭＲ素子４２ｂの抵抗値よりも小さくなる。また、印加電流に対する磁気センサ４０の出力は、図１５に示したハーフブリッジの出力Ｖとなり、この出力Ｖは印加電流の大きさにしたがって変化する。
【００７１】
図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、リードフレーム３２への印加電流の大きさと磁気センサ４０の出力との関係を示している。この場合のバイアス磁石４４によるバイアス磁界の大きさは、１４ｋＡ／ｍである。この磁気センサ４０によると、電流値の正負の方向に関わらず、出力値は、直線状に延び、広い動作磁界に対して良好な検出値を得ることができる。また、図１６（ｂ）のように、印加電流を微小にしても、安定した出力特性が得られた。このことから、磁気センサ４０が浮遊磁界の変動の影響を受けにくいものであることもわかる。このように、磁気センサ４０によると、外部からの浮遊磁界による出力変動がなく、特に、バイアス磁界方向の磁界勾配の検知に優れた出力特性が得られる。
【００７２】
（変形例）
図１７および図１８は、前述したセンサチップパッケージ３０の変形例に係るセンサチップパッケージ５０を示している。このセンサチップパッケージ５０では、リードフレーム５２のコ字状になったフレーム本体５２ａの幅が前述したフレーム本体３２ａの幅よりも小さくなっており、その分、フレーム本体５２ａのコ字状部分の内側に形成される隙間の幅は大きくなっている。そして、フレーム本体５２ａの左右両側における磁気センサ４０ａが位置する部分には、それぞれ磁気センサ４０ａの中央側に向かって延びる引き込み部５２ｂ，５２ｃが形成されている。この引き込み部５２ｂ，５２ｃの対向する先端部間の長さは、前述したフレーム本体３２ａの内側に形成された隙間の幅と略同じになっている。このセンサチップパッケージ５０のそれ以外の部分の構成は、前述したセンサチップパッケージ３０と同一である。したがって、同一部分に同一符号を記して説明は省略する。
【００７３】
センサチップパッケージ５０は、フレーム本体５２ａの幅を小さくすることにより、センサチップパッケージ３０のフレーム本体３２ａと比べて電流密度を高めることができる。これによって、図１９に示したように、前述したセンサチップパッケージ３０と比べて、同じ電流を印加した場合の磁気センサ４０ａの出力を増加できる。例えば、印加電流が１ａｍｐの場合、磁気センサ４０ａの出力は、図１９に示されているように、１．７ｍＶ程度であるが、センサチップパッケージ３０の磁気センサ２０の出力は、図１６（ｂ）に示されているように、１．０ｍＶである。このように、フレーム本体５２ａの幅を小さくすることにより、磁気センサ４０ａを高感度なものにすることができる。
【００７４】
また、センサチップパッケージ５０において、引き込み部５２ｂ，５２ｃを設けなくても、引き込み部５２ｂ，５２ｃを設けた場合と同様の効果が得られるが、その場合、絶縁基板４１とフレーム本体５２ａとの接触面積が小さくなって、絶縁基板４１のフレーム本体５２ａへのダイボンドが難しくなる。また、リードフレーム５２に大きな電流を流した場合には、リードフレーム５２からジュール損失による発熱が生じるが、引き込み部５２ｂ，５２ｃを設けることにより、その発熱を拡散させる効果も生じる。このようなことから、センサチップパッケージ５０においては、リードフレーム５２に引き込み部５２ｂ，５２ｃを設けている。
【００７５】
本発明に係る磁気センサは、前述した各実施形態に限定するものでなく、本発明の技術的範囲内で適宜変更して実施することができる。例えば、前述した各実施形態では、バイアス磁界印加手段として、バイアス磁石２４，４４を用いているが、これに代えて磁気コイルを用い、磁気コイルに電流を流すことによりバイアス磁界を発生させてもよい。また、前述した各実施形態では、ブリッジ回路をハーフブリッジ回路としたが、フルブリッジ回路を用いることもできる。例えば、磁気センサ４０，４０ａを電流センサとして用いる実施形態では、図２０および図２１に示したフルブリッジ回路を用いることもできる。
【００７６】
図２０は、ＧＭＲ素子６２ａ〜６２ｄ、電極６３ａ〜６３ｈおよび導電部６５ａ〜６５ｅを備えたフルブリッジ回路を示している。また、図２１は、ＧＭＲ素子７２ａ〜７２ｄ、電極７３ａ〜７３ｈおよび導電部７５ａ〜７５ｄを備えたフルブリッジ回路を示しており、ＧＭＲ素子７２ａ，７２ｂおよびＧＭＲ素子７２ｃ，７２ｄは、それぞれ線状を平行して配置することにより入れ子形態に形成されている。また、本発明に係る磁気センサのそれ以外の部分についても、適宜変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００７７】
２０，４０，４０ａ…磁気センサ、２１，４１…絶縁基板、２２ａ〜２２ｄ，４２ａ，４２ｂ，６２ａ〜６２ｄ，７２ａ〜７２ｄ…ＧＭＲ素子、２４，４４…バイアス磁石。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板の表面に形成され、一方側と他方側との間を折り返しながら延びる線状の高透磁率グラニュラ薄膜からなるＧＭＲ素子と、
前記絶縁基板の近傍に配置され、前記ＧＭＲ素子の線状が延びる長手方向にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段と
を備えたことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記ＧＭＲ素子を構成するグラニュラ薄膜が、Ａｇからなる母相中に、ＦｅＣｏからなる微粒子を分散させて構成されたものである請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記ＧＭＲ素子の線状が延びる長手方向に外部磁界を印加したときに、前記ＧＭＲ素子に発生する抵抗値に基づいて前記外部磁界の大きさと正負の極性とを検出する請求項１または２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記バイアス磁界印加手段を、磁極面の磁気中心を前記絶縁基板の中心に合わせた状態で前記絶縁基板に対向して配置されたバイアス磁石で構成して、前記ＧＭＲ素子を、前記絶縁基板の中心点で直交し前記磁極面に平行に延びる２つの軸に沿い前記中心点からそれぞれ同一距離の位置にそれぞれ形成された４つのもので構成し、前記２つの軸の各軸に沿ってそれぞれ設けた２つのＧＭＲ素子を直列に接続して２つのブリッジ回路を構成し、前記２つのブリッジ回路の両端に電源電圧を印加して、前記２つのＧＭＲ素子の接続点からそれぞれ出力信号を取り出すようにした請求項１ないし３のうちのいずれか一つに記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記バイアス磁界印加手段を、前記絶縁基板の裏面に沿って２極着磁されたバイアス磁石で構成して、前記ＧＭＲ素子を、前記絶縁基板の表面における前記バイアス磁石の両極に対応する部分にそれぞれ形成された２つのもので構成し、前記２つのＧＭＲ素子を直列に接続してブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の両端に電源電圧を印加して、前記ＧＭＲ素子の接続点からそれぞれ出力信号を取り出すようにした請求項１ないし３のうちのいずれか一つに記載の磁気センサ。
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板の表面に形成され、一方側と他方側との間を折り返しながら延びる線状の高透磁率グラニュラ薄膜からなるＧＭＲ素子と、
前記絶縁基板の近傍に配置され、前記ＧＭＲ素子の線状が延びる長手方向にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段と
を備えたことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記ＧＭＲ素子を構成するグラニュラ薄膜が、Ａｇからなる母相中に、ＦｅＣｏからなる微粒子を分散させて構成されたものである請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記ＧＭＲ素子の線状が延びる長手方向に外部磁界を印加したときに、前記ＧＭＲ素子に発生する抵抗値に基づいて前記外部磁界の大きさと正負の極性とを検出する請求項１または２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記バイアス磁界印加手段を、磁極面の磁気中心を前記絶縁基板の中心に合わせた状態で前記絶縁基板に対向して配置されたバイアス磁石で構成して、前記ＧＭＲ素子を、前記絶縁基板の中心点で直交し前記磁極面に平行に延びる２つの軸に沿い前記中心点からそれぞれ同一距離の位置にそれぞれ形成された４つのもので構成し、前記２つの軸の各軸に沿ってそれぞれ設けた２つのＧＭＲ素子を直列に接続して２つのブリッジ回路を構成し、前記２つのブリッジ回路の両端に電源電圧を印加して、前記２つのＧＭＲ素子の接続点からそれぞれ出力信号を取り出すようにした請求項１ないし３のうちのいずれか一つに記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記バイアス磁界印加手段を、前記絶縁基板の裏面に沿って２極着磁されたバイアス磁石で構成して、前記ＧＭＲ素子を、前記絶縁基板の表面における前記バイアス磁石の両極に対応する部分にそれぞれ形成された２つのもので構成し、前記２つのＧＭＲ素子を直列に接続してブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の両端に電源電圧を印加して、前記ＧＭＲ素子の接続点からそれぞれ出力信号を取り出すようにした請求項１ないし３のうちのいずれか一つに記載の磁気センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１２−６３２０３（Ｐ２０１２−６３２０３Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０６６６３（Ｐ２０１０−２０６６６３）
【出願日】平成２２年９月１５日（２０１０．９．１５）
【出願人】（０００２３６４４７）浜松光電株式会社 (20)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１５日（２０１０．９．１５）
【出願人】（０００２３６４４７）浜松光電株式会社 (20)
【Ｆターム（参考）】
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