磁気センサ
【課題】 動作点の変動と抵抗値比のばらつきを抑制することができると共に、温度特性を改善した磁気センサを提供する。
【解決手段】 磁気センサ１は、センサ回路部２を備える。このセンサ回路部２は、第１および第３の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ3を直列接続した第１の直列回路６と、第２および第４の磁気抵抗素子Ｒ2，Ｒ4を直列接続した第２の直列回路７とを備え、第１の直列回路６と第２の直列回路７とを並列接続したブリッジ回路５によって構成される。第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4の表面は絶縁膜１２によって覆われる。また、第３の磁気抵抗素子Ｒ3および第４の磁気抵抗素子Ｒ4の表面には、絶縁膜１２を挟んで磁性材料からなる磁束集磁膜１３が形成される。
【解決手段】 磁気センサ１は、センサ回路部２を備える。このセンサ回路部２は、第１および第３の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ3を直列接続した第１の直列回路６と、第２および第４の磁気抵抗素子Ｒ2，Ｒ4を直列接続した第２の直列回路７とを備え、第１の直列回路６と第２の直列回路７とを並列接続したブリッジ回路５によって構成される。第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4の表面は絶縁膜１２によって覆われる。また、第３の磁気抵抗素子Ｒ3および第４の磁気抵抗素子Ｒ4の表面には、絶縁膜１２を挟んで磁性材料からなる磁束集磁膜１３が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子を用いて磁界を検出する磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、４個の第１ないし第４の磁気抵抗素子によってブリッジ回路を構成した磁気センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。第１の方向の磁界強さを大きくしていった場合、第１および第２の磁気抵抗素子の抵抗値は減少する傾向があり、第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値は不変である。一方、第１の方向と直角方向の磁界強さを大きくしていった場合、第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値は減少する傾向があり、第１および第２の磁気抵抗素子の抵抗値は不変である。第１の磁気抵抗素子と第３の磁気抵抗素子とは、第１の接続点を介して直列接続されて第１の直列回路をなし、第２の磁気抵抗素子と第４の磁気抵抗素子とは、第２の接続点を介して直列接続されて第２の直列回路をなす。さらに、第１の直列回路の第１の磁気抵抗素子側と第２の直列回路の第４の磁気抵抗素子側とは第３の接続点を介して共通接続されると共に、第１の直列回路の第３の磁気抵抗素子側と第２の直列回路の第２の磁気抵抗素子側とを第４の接続点を介して共通接続され、第３の接続点および第４の接続点を介して電源電圧が印加されると共に、第１の接続点および第２の接続点を介して磁界変化に伴う出力電圧が取り出される。なお、一般的に、４個の第１ないし第４の磁気抵抗素子は、互いに同じ温度特性となるように、同じ材料を用いてほぼ同じ形状に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２９７４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、第１の方向から第２の方向に傾斜した磁界が磁気センサに作用すると、この磁界の第１の方向の成分によって第１および第２の磁気抵抗素子の抵抗値が変化するのに加えて、この磁界の第２の方向の成分によって第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値も変化する。この結果、例えば第１の接続点の電位と第２の接続点の電位の大きさが逆転する磁界強度を磁気センサの動作点としたときに、この動作点は磁気センサに与えられる磁界の方向に応じて変化する。具体的には、磁気センサに与えられる磁界を第１の方向から第２の方向に近づく方向に傾斜角度を順次変化させると、傾斜角度が大きくなるに従って、第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化が大きくなるため、磁気センサの動作点の変動も大きくなるという問題がある。
【０００５】
このような問題点を考慮して、特許文献１の磁気センサでは、第３および第４の磁気抵抗素子のパターン線幅を狭くすることで磁気抵抗効果を小さくし、第３および第４の磁気抵抗素子の感度を低下させている。しかし、第１および第２の磁気抵抗素子と、第３および第４の磁気抵抗素子とではパターン線幅が異なるため、磁気抵抗素子を形成する際の加工ばらつきの影響の度合いが異なる。この結果、第１と第２の磁気抵抗素子との間で抵抗値比と、第３と第４の磁気抵抗素子との間で抵抗値比に大きなばらつきが発生し、磁気センサの製造ロット毎に特性ばらつきが発生しやすいという問題がある。また、第１ないし第４の磁気抵抗素子のパターン線幅や厚さが異なる結果、各磁気抵抗素子の温度係数にばらつきが生じ、温度特性が一定しないという問題がある。
【０００６】
本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、動作点の変動と抵抗値比のばらつきを抑制することができると共に、温度特性を改善した磁気センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、第１の方向の検知磁界が与えられると抵抗値が最大に変化する第１および第２の磁気抵抗素子と、第３および第４の磁気抵抗素子とを有し、前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子とを第１の接続点を介して直列接続してなる第１の直列回路と、前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とを第２の接続点を介して直列接続してなる第２の直列回路とを、前記第１の直列回路の前記第１の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第４の磁気抵抗素子側とを第３の接続点を介して共通接続すると共に、前記第１の直列回路の前記第３の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第２の磁気抵抗素子側とを第４の接続点を介して共通接続し、前記第３の接続点および前記第４の接続点を介して電源電圧を印加すると共に、前記第１の接続点および前記第２の接続点を介して磁界変化に伴う出力電圧を取り出す磁気センサにおいて、前記第３および第４の磁気抵抗素子の表面に磁束集磁手段を設け、前記第１の方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、前記第３および第４の磁気抵抗素子に印加される磁界を前記磁束集磁手段に集磁し、前記第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を低減したことを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明は、第１の方向の検知磁界が与えられると抵抗値が最大に変化する第１および第２の磁気抵抗素子と、第３および第４の磁気抵抗素子とを有し、前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子とを第１の接続点を介して直列接続してなる第１の直列回路と、前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とを第２の接続点を介して直列接続してなる第２の直列回路とを、前記第１の直列回路の前記第１の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第４の磁気抵抗素子側とを第３の接続点を介して共通接続すると共に、前記第１の直列回路の前記第３の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第２の磁気抵抗素子側とを第４の接続点を介して共通接続し、前記第３の接続点および前記第４の接続点を介して電源電圧を印加すると共に、前記第１の接続点および前記第２の接続点を介して磁界変化に伴う出力電圧を取り出す磁気センサにおいて、前記第１および第２の磁気抵抗素子の表面に第１の磁束集磁手段を設けると共に、該第１の磁束集磁手段よりも透磁率の大きい第２の磁束集磁手段を前記第３および第４の磁気抵抗素子の表面に設け、前記第１の方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、前記第１および第２の磁気抵抗素子に印加される磁界が前記第１の磁束集磁手段に集磁される量に比べて、前記第３および第４の磁気抵抗素子に印加される磁界が前記第２の磁束集磁手段に集磁される量を多くなし、前記第１および第２の磁気抵抗素子の抵抗値の変化に比べて前記第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を低減したことを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明では、前記第３および第４の接続点側には、前記第１の直列回路および前記第２の直列回路を挟むようにヨークが設けられている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明では、第３および第４の磁気抵抗素子の表面に磁束集磁手段を設けたから、第１の方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、第３および第４の磁気抵抗素子に印加される磁界を磁束集磁手段に集磁し、第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を低減することができる。このため、磁界が第１の方向から傾斜して作用したときでも、第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を小さくすることができ、磁気センサの動作点の変動を抑制することができる。
【００１１】
また、第１ないし第４の磁気抵抗素子は全て同じパターン線幅や厚さで形成することができる。このため、磁気抵抗素子を形成する際の加工ばらつきが生じたときでも、第１および第２の磁気抵抗素子と第３および第４の磁気抵抗素子との間で抵抗値比は殆ど変わらないから、抵抗値比のばらつきを抑制することができる。さらに、第１ないし第４の磁気抵抗素子のパターン線幅や厚さ、および、成膜材料をそろえたことにより、第１ないし第４の磁気抵抗素子の各温度抵抗係数をほぼ一定にすることができる。また、表皮効果によって各磁気抵抗素子の表面近傍には電流が集中して流れるが、第１ないし第４の磁気抵抗素子のパターン線幅や厚さをそろえたことにより、各磁気抵抗素子に及ぼす表皮効果の影響はほぼ一定となる。これらの結果、磁気センサを構成する第１ないし第４の磁気抵抗素子に係る、温度係数のばらつきを低減することができる。
【００１２】
請求項２の発明では、第１および第２の磁気抵抗素子の表面に第１の磁束集磁手段を設けると共に、第３および第４の磁気抵抗素子の表面に第１の磁束集磁手段よりも透磁率の大きい第２の磁束集磁手段を設ける構成とした。このため、第１の方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、第１および第２の磁気抵抗素子に印加される磁界が第１の磁束集磁手段に集磁される量に比べて、第３および第４の磁気抵抗素子に印加される磁界が第２の磁束集磁手段に集磁される量を多くして、第１および第２の磁気抵抗素子の抵抗値の変化に比べて第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を低減することができる。このため、磁界が第１の方向から傾斜して作用したときでも、第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を小さくすることができ、磁気センサの動作点の変動を抑制することができる。
【００１３】
また、第１ないし第４の磁気抵抗素子は全て同じパターン線幅や厚さで形成することができるから、請求項１の発明と同様に、抵抗値比のばらつきを抑制することができ、また、磁気センサを構成する第１ないし第４の磁気抵抗素子に係る温度係数のばらつきを低減することができる。
【００１４】
請求項３の発明では、第３および第４の接続点側には、第１の直列回路および第２の直列回路を挟むようにヨークを設けたから、ヨークの間では第１の方向に沿うように磁界を形成することができる。このため、第２の方向の磁界を低減することができるから、磁気センサの動作点の変動や抵抗値比のばらつきをさらに抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態による磁気センサを示す正面図である。
【図２】磁気センサを図１中の矢示II−II方向からみた断面図である。
【図３】磁気センサを示す回路図である。
【図４】磁気センサに作用する磁界を示す説明図である。
【図５】比較例において、磁界のＹ方向成分の強度と出力電圧との関係を示す特性線図である。
【図６】第２の実施の形態による磁気センサを示す正面図である。
【図７】第３の実施の形態による磁気センサを示す正面図である。
【図８】図７中の磁気センサにＸ方向成分を含む磁界が作用した状態を示す説明図である。
【図９】図７中の磁気センサにＸ方向成分を含まない磁界が作用した状態を示す説明図である。
【図１０】磁気センサを図７中の矢示Ｘ−Ｘ方向からみた断面図である。
【図１１】変形例による磁気センサを示す図１０と同様な位置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態による磁気センサについて、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１７】
図１ないし図４を用いて、第１の実施の形態による磁気センサ１を説明する。磁気センサ１は、磁性薄膜磁気抵抗素子からなるセンサ回路部２および差動増幅器３とを備え、パッケージ内部に集積化することで小型化され、ＡＭＲ−ＩＣ（Anisotropic Magneto Resistance Integrated Circuit）として形成される。
【００１８】
センサ回路部２は、例えば互いに直交したＸ方向およびＹ方向に沿って広がる基板４の表面に形成される。センサ回路部２は、４個の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4から構成される。磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4は、長い短冊状パターンと、短い短冊状パターンとを交互に接続することで、ミアンダ状に形成される。第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2における長い短冊状パターンの伸長方向はＸ方向に沿って延び、第１の方向となるＹ方向の検知磁界が与えられると抵抗値は最も小さくなる。一方、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4における長い短冊状パターンの伸長方向はＹ方向に沿って延び、第２の方向となるＸ方向の検知磁界が与えられると抵抗値は最も小さくなる。なお、磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4は、例えば、磁気抵抗材料であるパーマロイ（NiFe）等を基板４に成膜したのち、フォトリソグラフィ技術等の微細加工技術を用いて所定形状に形成される。
【００１９】
図１に示すように、第１の磁気抵抗素子Ｒ1は、基板４の左下に配置形成されると共に、第２の磁気抵抗素子Ｒ2は基板４の右上に配置形成される。また、第３の磁気抵抗素子Ｒ3は基板４の左上に配置形成される共に、第４の磁気抵抗素子Ｒ4は基板４の右下に配置形成される。
【００２０】
これら第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4はフルブリッジで接続され、ブリッジ回路５を構成する。具体的には、第１の磁気抵抗素子Ｒ1と第３の磁気抵抗素子Ｒ3とを第１の接続点Ｐ1を介して直列接続することにより、第１の直列回路６を構成する。また、第２の磁気抵抗素子Ｒ2と第４の磁気抵抗素子Ｒ4とを第２の接続点Ｐ2を介して直列接続することにより、第２の直列回路７を構成する。
【００２１】
第１の直列回路６の第１の磁気抵抗素子Ｒ1側と第２の直列回路７の第４の磁気抵抗素子Ｒ4側とを第３の接続点Ｐ3を介して共通接続する。第１の直列回路６の第３の磁気抵抗素子Ｒ3側と第２の直列回路７の第２の磁気抵抗素子Ｒ2側とを第４の接続点Ｐ4を介して共通接続する。これにより、第１の直列回路６と第２の直列回路７が並列接続され、ブリッジ回路５が構成される。
【００２２】
そして、第３の接続点Ｐ3は、外部のグランドＧＮＤに接続するためのグランド端子８が電気的に接続される。また、第４の接続点Ｐ4は、駆動電圧Ｖddを供給するための駆動電圧端子９が電気的に接続される。これにより、ブリッジ回路５には、第３の接続点Ｐ3および第４の接続点Ｐ4を介して電源電圧となる駆動電圧Ｖddが印加される。
【００２３】
一方、第１の接続点Ｐ1および第２の接続点Ｐ2は、出力電圧Ｖ1，Ｖ2を取り出すための出力端子１０，１１がそれぞれ電気的に接続される。これにより、ブリッジ回路５は、第１の接続点Ｐ1および第２の接続点Ｐ2を介して磁界変化に伴う出力電圧Ｖ1，Ｖ2を取り出すことができる。
【００２４】
差動増幅器３の入力端子は、第１の接続点Ｐ1および第２の接続点Ｐ2にそれぞれ接続される。差動増幅器３は、２つの入力端子の間に生じる電位差、即ち出力電圧Ｖ1，Ｖ2間の電位差（Ｖ1−Ｖ2）を差動増幅し、検出信号Ｖoutを出力する。
【００２５】
第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4の表面には、絶縁材料からなる絶縁膜１２が形成される。また、第３の磁気抵抗素子Ｒ3および第４の磁気抵抗素子Ｒ4を覆うように、絶縁膜１２の表面には、磁性材料で形成されてなる磁束集磁手段としての、略四角形状の磁束集磁膜１３が設けられる。
【００２６】
磁束集磁膜１３は、例えば蒸着、スパッタ等の成膜手段を用いて形成した金属膜やセラミック膜でもよく、磁性体粉末を混入した樹脂を塗布した膜でもよい。磁束集磁膜１３の透磁率、厚さ寸法、磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4との離間寸法（絶縁膜１２の厚さ寸法）等は、磁束集磁膜１３を設けた場合においてＸ方向の磁界を与えたときの磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の抵抗値と、磁束集磁膜１３を設けない場合において同じ強度のＸ方向の磁界を与えたときの磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の抵抗値との比が、磁気センサの仕様に応じて所定の割合以下、例えば１／２以下となるように設定される。なお、磁束集磁膜１３は一般的に、透磁率が大きく、厚さが厚いことが磁束集磁効果を高めるために望ましい。これにより、Ｙ方向以外の磁界φが与えられたときには、磁界φを磁束集磁膜１３に集磁して、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4に印加される磁界φを低減することができる。
【００２７】
本発明の実施の形態による磁気センサ１は以上のような構成を有するものであり、次に磁界の検出動作について説明する。
【００２８】
最初に、磁束集磁膜１３を設けていない比較例としての磁気センサの、磁界の検出動作について説明する。まず、磁気センサに、Ｙ方向成分φyのみからなり、Ｘ方向成分φxは存在しない＋（プラス）向きのＹ方向の磁界φを与える。このとき、磁界φの強度が大きくなるにつれ、即ち、＋向きのＹ方向成分φyが大きくなるにつれて、第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2の抵抗値が減少する。一方、磁界φの強度が大きくなってもＸ方向成分φxは存在しないため、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の抵抗値は殆ど変化しない。このため、図５中に実線で示すように、＋向きのＹ方向成分φyの強度が大きくなるに従って、接続点Ｐ1の出力電圧Ｖ1が減少し、接続点Ｐ2の出力電圧Ｖ2が増加する。なお、＋向きと１８０度方向が異なる、−（マイナス）向きのＹ方向成分φyの場合についても、＋向きのＹ方向成分φyと同様の出力特性となる。
【００２９】
ここで、Ｙ方向成分φyの強度が０（Ａ／ｍ）（φy＝０（Ａ／ｍ））のときに、接続点Ｐ1の出力電圧Ｖ1が接続点Ｐ2の出力電圧Ｖ2よりも大きくなるように、磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ3の抵抗値を設定する。これにより、Ｙ方向成分φyの強度が０（Ａ／ｍ）付近となるときには、差動増幅器３の検出信号Ｖoutは、Ｈｉｇｈレベルとなる。Ｙ方向成分φyの強度が増加して動作点φy0に達すると、接続点Ｐ1の出力電圧Ｖ1と接続点Ｐ2の出力電圧Ｖ2がほぼ同じ値となる。そして、Ｙ方向成分φyの強度が動作点φy0を超えて増加すると、接続点Ｐ1の出力電圧Ｖ1が接続点Ｐ2の出力電圧Ｖ2よりも小さくなり、差動増幅器３の検出信号Ｖoutは、Ｌｏｗレベルに切り換わる。
【００３０】
一方、Ｙ方向からＸ方向に向けて傾斜した磁界φが与えられたときには、磁界φの向きのＹ方向成分φyに応じて第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2の抵抗値が変化し、Ｙ方向成分φyの強度が大きくなるに従って、第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2の抵抗値が減少する。このとき、±向きのＹ方向成分φyが大きくなると、±向きのＸ方向成分φxも大きくなるのに加え、磁界φの±向きのＸ方向成分φxの強度に応じて第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の抵抗値が変化する。
【００３１】
このため、図５中に破線で示すように、±向きのＸ方向成分φxを含む磁界φが作用したときには、±向きのＹ方向成分φyの強度が変化しても、接続点Ｐ1，Ｐ2の出力電圧Ｖ1，Ｖ2の変化が小さくなる。この結果、差動増幅器３の検出信号ＶoutがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り換わるときの磁界φのＹ方向成分φyの強度、即ち動作点φy1は、Ｙ方向成分φyだけの磁界φが与えられたときの動作点φy0に比べて大きくなり、磁界の検出感度が低下する傾向がある。
【００３２】
次に、本実施の形態による磁気センサ１での磁界の検出動作について説明する。本実施の形態による磁気センサ１でも、±向きのＸ方向成分φxを含まない磁界φが作用したときには、前述した比較例とほぼ同様な検出動作を行う。このため、磁界φの±向きのＹ方向成分φyの強度が大きくなるに従って、接続点Ｐ1の出力電圧Ｖ1が低下し、接続点Ｐ2の出力電圧Ｖ2が増加する。そして、±向きのＹ方向成分φyの強度が動作点φy0よりも小さいときには、差動増幅器３の検出信号ＶoutはＨｉｇｈレベルとなり、Ｙ方向成分φyの強度が動作点φy0よりも大きいときには、差動増幅器３の検出信号Ｖoutは、Ｌｏｗレベルになる。
【００３３】
一方、±向きのＸ方向成分φxを含む磁界φが作用したときには、本実施の形態による磁気センサ１は、比較例と異なり、±向きのＸ方向成分φxの影響を低減して、±向きのＹ方向成分φyだけの磁界φが与えられたときに近い検出動作を行うことができる。
【００３４】
具体的に説明すると、本実施の形態による磁気センサ１では、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の表面には磁束集磁膜１３を設けた。このため、±向きのＹ方向から傾いた磁界φが与えられたときには、第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2には磁界φがそのまま作用するのに対し、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4付近の磁界φは、磁束集磁膜１３に引き付けられ、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4には作用し難い。この結果、±向きのＸ方向成分φxを含む磁界φが与えられたときでも、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の抵抗値の変化を小さくすることができるから、±向きのＸ方向成分φxの影響を抑えて、主に±向きのＹ方向成分φyによって出力電圧Ｖ1，Ｖ2を変化させることができる。従って、Ｘ方向成分φxを含む磁界φが与えられたときでも、差動増幅器３の検出信号ＶoutがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り換わるときの動作点を、Ｙ方向成分φyだけの磁界φが与えられたときの動作点φy0に近付けることができ、動作点の変動を小さくすることができる。
【００３５】
また、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4は全て同じパターン線幅や厚さで形成することができる。このため、磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4を形成する際の加工ばらつきが生じたときでも、第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2と第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4との間で抵抗値比は殆ど変わらないから、抵抗値比のばらつきを抑制することができ、センサ毎の特性ばらつきを小さくすることができる。さらに、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4のパターン線幅や厚さ、および、成膜材料をそろえたことにより、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4の各温度抵抗係数をほぼ一定にすることができる。また、表皮効果によって各磁気抵抗素子の表面近傍には電流が集中して流れるが、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4のパターン線幅や厚さをそろえたことにより、各磁気抵抗素子に及ぼす表皮効果の影響はほぼ一定となる。これらの結果、磁気センサ１を構成する第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4に係る、温度係数のばらつきを低減することができる。
【００３６】
次に、図６に、第２の実施の形態による磁気センサを示す。第２の実施の形態の特徴は、第１および第２の磁気抵抗素子の表面に第１の磁束集磁手段を設けると共に、第１の磁束集磁手段よりも透磁率の大きい第２の磁束集磁手段を第３および第４の磁気抵抗素子の表面に設けたことにある。なお、第２の実施の形態では第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００３７】
第２の実施の形態による磁気センサ２１は、第１の実施の形態による磁気センサ１と同様に、センサ回路部２を備えると共に、このセンサ回路部２は、第１および第３の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ3を直列接続した第１の直列回路６と、第２および第４の磁気抵抗素子Ｒ2，Ｒ4を直列接続した第２の直列回路７とを並列接続したブリッジ回路５によって構成されている。そして、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4の表面は絶縁膜１２によって覆われる。
【００３８】
第１の磁気抵抗素子Ｒ1および第２の磁気抵抗素子Ｒ2の表面には、絶縁膜１２を挟んで磁性材料からなる第１の磁束集磁手段としての第１の磁束集磁膜２２が形成される。また、第３の磁気抵抗素子Ｒ3および第４の磁気抵抗素子Ｒ4の表面には、絶縁膜１２を挟んで磁性材料からなる第２の磁束集磁手段としての第２の磁束集磁膜２３が形成される。第２の磁束集磁膜２３の透磁率は、第１の磁束集磁膜２２の透磁率よりも大きい。
【００３９】
これにより、Ｙ方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2に印加される磁界が第１の磁束集磁膜２２に集磁される量に比べて、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4に印加される磁界が第２の磁束集磁膜２３に集磁される量を多くなる。この結果、第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2の抵抗値の変化に比べて第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の抵抗値の変化を低減することができる。
【００４０】
かくして、第２の実施の形態でも第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４１】
次に、図７ないし図１０に、第３の実施の形態による磁気センサを示す。第３の実施の形態の特徴は、第３および第４の接続点側に、第１の直列回路および第２の直列回路を挟むようにヨークを設けたことにある。なお、第３の実施の形態では第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００４２】
磁気センサ３１は、第１の実施の形態による磁気センサ１と同様、センサ回路部２を備えると共に、このセンサ回路部２は、第１および第３の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ3を直列接続した第１の直列回路６と、第２および第４の磁気抵抗素子Ｒ2，Ｒ4を直列接続した第２の直列回路７とを並列接続したブリッジ回路５によって構成されている。
【００４３】
そして、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4の表面は絶縁膜１２によって覆われる。また、第３の磁気抵抗素子Ｒ3および第４の磁気抵抗素子Ｒ4の表面には、絶縁膜１２を挟んで磁性材料からなる磁束集磁膜１３が形成される。
【００４４】
ヨーク３２，３３は、磁性体材料を用いて細長いブロック状に形成される。このヨーク３２，３３は、チップ状の基板４とは別個に設けられ、基板４をＹ方向両側から挟む位置に配置される。このとき、ヨーク３２は、第３の接続点Ｐ3側（図７の基板４の下側）に配置され、ヨーク３３は、第４の接続点Ｐ4側（図７の基板４の上側）に配置される。そして、ヨーク３２，３３は、第１の直列回路６および第２の直列回路７を磁界の検知方向、即ちＹ方向両側から挟んでいる。
【００４５】
ヨーク３２，３３のＸ方向の長さ寸法は、第１，第３の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ3の長さ寸法と第４，第２の磁気抵抗素子Ｒ4，Ｒ2の長さ寸法とを加えた値よりも大きく形成され、具体的には基板４よりも大きく形成される。また、ヨーク３２，３３の厚さ寸法は、例えば磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4と基板４とを含めた高さ寸法よりも大きく形成される。これにより、Ｙ方向から基板４を見たときには、ヨーク３２，３３によって磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4全体が隠れる。
【００４６】
かくして、第３の実施の形態でも第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。特に、第３の実施の形態では、第３および第４の接続点Ｐ3，Ｐ4側には、第１の直列回路６および第２の直列回路７を挟むようにヨーク３２，３３を設けたから、図８および図９に示すように、ヨーク３２，３３の間ではＹ方向に沿うように磁界を形成することができる。このため、磁界のＹ方向成分を増やし、Ｘ方向成分を減らすことができるから、磁気センサ３１の動作点の変動や抵抗値比のばらつきをさらに抑制することができる。また、第１および第２の実施の形態と同様に、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4に係る温度係数のばらつきを低減することができる。
【００４７】
なお、第３の実施の形態では、ヨーク３２，３３を基板４とは別個に設ける構成としたが、図１１に示す変形例による磁気センサ４１のように、基板４２上にヨーク４３，４４を設ける構成としてもよい。この場合、第３の実施の形態のように、ヨーク３２，３３を基板４とは別個に設けた場合に比べて、磁気センサ４１の外形寸法を小さくすることができる。
【００４８】
また、前記各実施の形態では、絶縁膜１２の表面に形成した磁束集磁膜１３，２２，２３によって磁束集磁手段を構成したが、例えば絶縁膜１２の表面に接着固定した板状の磁性体片によって磁束集磁手段を構成してもよい。
【００４９】
また、前記各実施の形態では、磁気センサ１，２１，３１は磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4を有するセンサ回路部２と、差動増幅器３とを集積化する構成としたが、差動増幅器３を省く構成としてもよい。
【００５０】
また、前記各実施の形態では、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4は近接して平行に形成された複数本の線状パターンを先端部で互い違いに接続する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば１本の線状パターンによって磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4を構成してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１，２１，３１，４１ 磁気センサ
４，４２ 基板
６ 第１の直列回路
７ 第２の直列回路
１３ 磁束集磁膜（磁束集磁手段）
２２ 第１の磁束集磁膜（第１の磁束集磁手段）
２３ 第２の磁束集磁膜（第２の磁束集磁手段）
３２，３３，４３，４４ ヨーク
Ｒ1 第１の磁気抵抗素子
Ｒ2 第２の磁気抵抗素子
Ｒ3 第３の磁気抵抗素子
Ｒ4 第４の磁気抵抗素子
Ｐ1 第１の接続点
Ｐ2 第２の接続点
Ｐ3 第３の接続点
Ｐ4 第４の接続点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子を用いて磁界を検出する磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、４個の第１ないし第４の磁気抵抗素子によってブリッジ回路を構成した磁気センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。第１の方向の磁界強さを大きくしていった場合、第１および第２の磁気抵抗素子の抵抗値は減少する傾向があり、第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値は不変である。一方、第１の方向と直角方向の磁界強さを大きくしていった場合、第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値は減少する傾向があり、第１および第２の磁気抵抗素子の抵抗値は不変である。第１の磁気抵抗素子と第３の磁気抵抗素子とは、第１の接続点を介して直列接続されて第１の直列回路をなし、第２の磁気抵抗素子と第４の磁気抵抗素子とは、第２の接続点を介して直列接続されて第２の直列回路をなす。さらに、第１の直列回路の第１の磁気抵抗素子側と第２の直列回路の第４の磁気抵抗素子側とは第３の接続点を介して共通接続されると共に、第１の直列回路の第３の磁気抵抗素子側と第２の直列回路の第２の磁気抵抗素子側とを第４の接続点を介して共通接続され、第３の接続点および第４の接続点を介して電源電圧が印加されると共に、第１の接続点および第２の接続点を介して磁界変化に伴う出力電圧が取り出される。なお、一般的に、４個の第１ないし第４の磁気抵抗素子は、互いに同じ温度特性となるように、同じ材料を用いてほぼ同じ形状に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２９７４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、第１の方向から第２の方向に傾斜した磁界が磁気センサに作用すると、この磁界の第１の方向の成分によって第１および第２の磁気抵抗素子の抵抗値が変化するのに加えて、この磁界の第２の方向の成分によって第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値も変化する。この結果、例えば第１の接続点の電位と第２の接続点の電位の大きさが逆転する磁界強度を磁気センサの動作点としたときに、この動作点は磁気センサに与えられる磁界の方向に応じて変化する。具体的には、磁気センサに与えられる磁界を第１の方向から第２の方向に近づく方向に傾斜角度を順次変化させると、傾斜角度が大きくなるに従って、第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化が大きくなるため、磁気センサの動作点の変動も大きくなるという問題がある。
【０００５】
このような問題点を考慮して、特許文献１の磁気センサでは、第３および第４の磁気抵抗素子のパターン線幅を狭くすることで磁気抵抗効果を小さくし、第３および第４の磁気抵抗素子の感度を低下させている。しかし、第１および第２の磁気抵抗素子と、第３および第４の磁気抵抗素子とではパターン線幅が異なるため、磁気抵抗素子を形成する際の加工ばらつきの影響の度合いが異なる。この結果、第１と第２の磁気抵抗素子との間で抵抗値比と、第３と第４の磁気抵抗素子との間で抵抗値比に大きなばらつきが発生し、磁気センサの製造ロット毎に特性ばらつきが発生しやすいという問題がある。また、第１ないし第４の磁気抵抗素子のパターン線幅や厚さが異なる結果、各磁気抵抗素子の温度係数にばらつきが生じ、温度特性が一定しないという問題がある。
【０００６】
本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、動作点の変動と抵抗値比のばらつきを抑制することができると共に、温度特性を改善した磁気センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、第１の方向の検知磁界が与えられると抵抗値が最大に変化する第１および第２の磁気抵抗素子と、第３および第４の磁気抵抗素子とを有し、前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子とを第１の接続点を介して直列接続してなる第１の直列回路と、前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とを第２の接続点を介して直列接続してなる第２の直列回路とを、前記第１の直列回路の前記第１の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第４の磁気抵抗素子側とを第３の接続点を介して共通接続すると共に、前記第１の直列回路の前記第３の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第２の磁気抵抗素子側とを第４の接続点を介して共通接続し、前記第３の接続点および前記第４の接続点を介して電源電圧を印加すると共に、前記第１の接続点および前記第２の接続点を介して磁界変化に伴う出力電圧を取り出す磁気センサにおいて、前記第３および第４の磁気抵抗素子の表面に磁束集磁手段を設け、前記第１の方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、前記第３および第４の磁気抵抗素子に印加される磁界を前記磁束集磁手段に集磁し、前記第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を低減したことを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明は、第１の方向の検知磁界が与えられると抵抗値が最大に変化する第１および第２の磁気抵抗素子と、第３および第４の磁気抵抗素子とを有し、前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子とを第１の接続点を介して直列接続してなる第１の直列回路と、前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とを第２の接続点を介して直列接続してなる第２の直列回路とを、前記第１の直列回路の前記第１の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第４の磁気抵抗素子側とを第３の接続点を介して共通接続すると共に、前記第１の直列回路の前記第３の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第２の磁気抵抗素子側とを第４の接続点を介して共通接続し、前記第３の接続点および前記第４の接続点を介して電源電圧を印加すると共に、前記第１の接続点および前記第２の接続点を介して磁界変化に伴う出力電圧を取り出す磁気センサにおいて、前記第１および第２の磁気抵抗素子の表面に第１の磁束集磁手段を設けると共に、該第１の磁束集磁手段よりも透磁率の大きい第２の磁束集磁手段を前記第３および第４の磁気抵抗素子の表面に設け、前記第１の方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、前記第１および第２の磁気抵抗素子に印加される磁界が前記第１の磁束集磁手段に集磁される量に比べて、前記第３および第４の磁気抵抗素子に印加される磁界が前記第２の磁束集磁手段に集磁される量を多くなし、前記第１および第２の磁気抵抗素子の抵抗値の変化に比べて前記第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を低減したことを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明では、前記第３および第４の接続点側には、前記第１の直列回路および前記第２の直列回路を挟むようにヨークが設けられている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明では、第３および第４の磁気抵抗素子の表面に磁束集磁手段を設けたから、第１の方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、第３および第４の磁気抵抗素子に印加される磁界を磁束集磁手段に集磁し、第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を低減することができる。このため、磁界が第１の方向から傾斜して作用したときでも、第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を小さくすることができ、磁気センサの動作点の変動を抑制することができる。
【００１１】
また、第１ないし第４の磁気抵抗素子は全て同じパターン線幅や厚さで形成することができる。このため、磁気抵抗素子を形成する際の加工ばらつきが生じたときでも、第１および第２の磁気抵抗素子と第３および第４の磁気抵抗素子との間で抵抗値比は殆ど変わらないから、抵抗値比のばらつきを抑制することができる。さらに、第１ないし第４の磁気抵抗素子のパターン線幅や厚さ、および、成膜材料をそろえたことにより、第１ないし第４の磁気抵抗素子の各温度抵抗係数をほぼ一定にすることができる。また、表皮効果によって各磁気抵抗素子の表面近傍には電流が集中して流れるが、第１ないし第４の磁気抵抗素子のパターン線幅や厚さをそろえたことにより、各磁気抵抗素子に及ぼす表皮効果の影響はほぼ一定となる。これらの結果、磁気センサを構成する第１ないし第４の磁気抵抗素子に係る、温度係数のばらつきを低減することができる。
【００１２】
請求項２の発明では、第１および第２の磁気抵抗素子の表面に第１の磁束集磁手段を設けると共に、第３および第４の磁気抵抗素子の表面に第１の磁束集磁手段よりも透磁率の大きい第２の磁束集磁手段を設ける構成とした。このため、第１の方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、第１および第２の磁気抵抗素子に印加される磁界が第１の磁束集磁手段に集磁される量に比べて、第３および第４の磁気抵抗素子に印加される磁界が第２の磁束集磁手段に集磁される量を多くして、第１および第２の磁気抵抗素子の抵抗値の変化に比べて第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を低減することができる。このため、磁界が第１の方向から傾斜して作用したときでも、第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を小さくすることができ、磁気センサの動作点の変動を抑制することができる。
【００１３】
また、第１ないし第４の磁気抵抗素子は全て同じパターン線幅や厚さで形成することができるから、請求項１の発明と同様に、抵抗値比のばらつきを抑制することができ、また、磁気センサを構成する第１ないし第４の磁気抵抗素子に係る温度係数のばらつきを低減することができる。
【００１４】
請求項３の発明では、第３および第４の接続点側には、第１の直列回路および第２の直列回路を挟むようにヨークを設けたから、ヨークの間では第１の方向に沿うように磁界を形成することができる。このため、第２の方向の磁界を低減することができるから、磁気センサの動作点の変動や抵抗値比のばらつきをさらに抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態による磁気センサを示す正面図である。
【図２】磁気センサを図１中の矢示II−II方向からみた断面図である。
【図３】磁気センサを示す回路図である。
【図４】磁気センサに作用する磁界を示す説明図である。
【図５】比較例において、磁界のＹ方向成分の強度と出力電圧との関係を示す特性線図である。
【図６】第２の実施の形態による磁気センサを示す正面図である。
【図７】第３の実施の形態による磁気センサを示す正面図である。
【図８】図７中の磁気センサにＸ方向成分を含む磁界が作用した状態を示す説明図である。
【図９】図７中の磁気センサにＸ方向成分を含まない磁界が作用した状態を示す説明図である。
【図１０】磁気センサを図７中の矢示Ｘ−Ｘ方向からみた断面図である。
【図１１】変形例による磁気センサを示す図１０と同様な位置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態による磁気センサについて、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１７】
図１ないし図４を用いて、第１の実施の形態による磁気センサ１を説明する。磁気センサ１は、磁性薄膜磁気抵抗素子からなるセンサ回路部２および差動増幅器３とを備え、パッケージ内部に集積化することで小型化され、ＡＭＲ−ＩＣ（Anisotropic Magneto Resistance Integrated Circuit）として形成される。
【００１８】
センサ回路部２は、例えば互いに直交したＸ方向およびＹ方向に沿って広がる基板４の表面に形成される。センサ回路部２は、４個の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4から構成される。磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4は、長い短冊状パターンと、短い短冊状パターンとを交互に接続することで、ミアンダ状に形成される。第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2における長い短冊状パターンの伸長方向はＸ方向に沿って延び、第１の方向となるＹ方向の検知磁界が与えられると抵抗値は最も小さくなる。一方、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4における長い短冊状パターンの伸長方向はＹ方向に沿って延び、第２の方向となるＸ方向の検知磁界が与えられると抵抗値は最も小さくなる。なお、磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4は、例えば、磁気抵抗材料であるパーマロイ（NiFe）等を基板４に成膜したのち、フォトリソグラフィ技術等の微細加工技術を用いて所定形状に形成される。
【００１９】
図１に示すように、第１の磁気抵抗素子Ｒ1は、基板４の左下に配置形成されると共に、第２の磁気抵抗素子Ｒ2は基板４の右上に配置形成される。また、第３の磁気抵抗素子Ｒ3は基板４の左上に配置形成される共に、第４の磁気抵抗素子Ｒ4は基板４の右下に配置形成される。
【００２０】
これら第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4はフルブリッジで接続され、ブリッジ回路５を構成する。具体的には、第１の磁気抵抗素子Ｒ1と第３の磁気抵抗素子Ｒ3とを第１の接続点Ｐ1を介して直列接続することにより、第１の直列回路６を構成する。また、第２の磁気抵抗素子Ｒ2と第４の磁気抵抗素子Ｒ4とを第２の接続点Ｐ2を介して直列接続することにより、第２の直列回路７を構成する。
【００２１】
第１の直列回路６の第１の磁気抵抗素子Ｒ1側と第２の直列回路７の第４の磁気抵抗素子Ｒ4側とを第３の接続点Ｐ3を介して共通接続する。第１の直列回路６の第３の磁気抵抗素子Ｒ3側と第２の直列回路７の第２の磁気抵抗素子Ｒ2側とを第４の接続点Ｐ4を介して共通接続する。これにより、第１の直列回路６と第２の直列回路７が並列接続され、ブリッジ回路５が構成される。
【００２２】
そして、第３の接続点Ｐ3は、外部のグランドＧＮＤに接続するためのグランド端子８が電気的に接続される。また、第４の接続点Ｐ4は、駆動電圧Ｖddを供給するための駆動電圧端子９が電気的に接続される。これにより、ブリッジ回路５には、第３の接続点Ｐ3および第４の接続点Ｐ4を介して電源電圧となる駆動電圧Ｖddが印加される。
【００２３】
一方、第１の接続点Ｐ1および第２の接続点Ｐ2は、出力電圧Ｖ1，Ｖ2を取り出すための出力端子１０，１１がそれぞれ電気的に接続される。これにより、ブリッジ回路５は、第１の接続点Ｐ1および第２の接続点Ｐ2を介して磁界変化に伴う出力電圧Ｖ1，Ｖ2を取り出すことができる。
【００２４】
差動増幅器３の入力端子は、第１の接続点Ｐ1および第２の接続点Ｐ2にそれぞれ接続される。差動増幅器３は、２つの入力端子の間に生じる電位差、即ち出力電圧Ｖ1，Ｖ2間の電位差（Ｖ1−Ｖ2）を差動増幅し、検出信号Ｖoutを出力する。
【００２５】
第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4の表面には、絶縁材料からなる絶縁膜１２が形成される。また、第３の磁気抵抗素子Ｒ3および第４の磁気抵抗素子Ｒ4を覆うように、絶縁膜１２の表面には、磁性材料で形成されてなる磁束集磁手段としての、略四角形状の磁束集磁膜１３が設けられる。
【００２６】
磁束集磁膜１３は、例えば蒸着、スパッタ等の成膜手段を用いて形成した金属膜やセラミック膜でもよく、磁性体粉末を混入した樹脂を塗布した膜でもよい。磁束集磁膜１３の透磁率、厚さ寸法、磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4との離間寸法（絶縁膜１２の厚さ寸法）等は、磁束集磁膜１３を設けた場合においてＸ方向の磁界を与えたときの磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の抵抗値と、磁束集磁膜１３を設けない場合において同じ強度のＸ方向の磁界を与えたときの磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の抵抗値との比が、磁気センサの仕様に応じて所定の割合以下、例えば１／２以下となるように設定される。なお、磁束集磁膜１３は一般的に、透磁率が大きく、厚さが厚いことが磁束集磁効果を高めるために望ましい。これにより、Ｙ方向以外の磁界φが与えられたときには、磁界φを磁束集磁膜１３に集磁して、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4に印加される磁界φを低減することができる。
【００２７】
本発明の実施の形態による磁気センサ１は以上のような構成を有するものであり、次に磁界の検出動作について説明する。
【００２８】
最初に、磁束集磁膜１３を設けていない比較例としての磁気センサの、磁界の検出動作について説明する。まず、磁気センサに、Ｙ方向成分φyのみからなり、Ｘ方向成分φxは存在しない＋（プラス）向きのＹ方向の磁界φを与える。このとき、磁界φの強度が大きくなるにつれ、即ち、＋向きのＹ方向成分φyが大きくなるにつれて、第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2の抵抗値が減少する。一方、磁界φの強度が大きくなってもＸ方向成分φxは存在しないため、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の抵抗値は殆ど変化しない。このため、図５中に実線で示すように、＋向きのＹ方向成分φyの強度が大きくなるに従って、接続点Ｐ1の出力電圧Ｖ1が減少し、接続点Ｐ2の出力電圧Ｖ2が増加する。なお、＋向きと１８０度方向が異なる、−（マイナス）向きのＹ方向成分φyの場合についても、＋向きのＹ方向成分φyと同様の出力特性となる。
【００２９】
ここで、Ｙ方向成分φyの強度が０（Ａ／ｍ）（φy＝０（Ａ／ｍ））のときに、接続点Ｐ1の出力電圧Ｖ1が接続点Ｐ2の出力電圧Ｖ2よりも大きくなるように、磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ3の抵抗値を設定する。これにより、Ｙ方向成分φyの強度が０（Ａ／ｍ）付近となるときには、差動増幅器３の検出信号Ｖoutは、Ｈｉｇｈレベルとなる。Ｙ方向成分φyの強度が増加して動作点φy0に達すると、接続点Ｐ1の出力電圧Ｖ1と接続点Ｐ2の出力電圧Ｖ2がほぼ同じ値となる。そして、Ｙ方向成分φyの強度が動作点φy0を超えて増加すると、接続点Ｐ1の出力電圧Ｖ1が接続点Ｐ2の出力電圧Ｖ2よりも小さくなり、差動増幅器３の検出信号Ｖoutは、Ｌｏｗレベルに切り換わる。
【００３０】
一方、Ｙ方向からＸ方向に向けて傾斜した磁界φが与えられたときには、磁界φの向きのＹ方向成分φyに応じて第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2の抵抗値が変化し、Ｙ方向成分φyの強度が大きくなるに従って、第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2の抵抗値が減少する。このとき、±向きのＹ方向成分φyが大きくなると、±向きのＸ方向成分φxも大きくなるのに加え、磁界φの±向きのＸ方向成分φxの強度に応じて第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の抵抗値が変化する。
【００３１】
このため、図５中に破線で示すように、±向きのＸ方向成分φxを含む磁界φが作用したときには、±向きのＹ方向成分φyの強度が変化しても、接続点Ｐ1，Ｐ2の出力電圧Ｖ1，Ｖ2の変化が小さくなる。この結果、差動増幅器３の検出信号ＶoutがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り換わるときの磁界φのＹ方向成分φyの強度、即ち動作点φy1は、Ｙ方向成分φyだけの磁界φが与えられたときの動作点φy0に比べて大きくなり、磁界の検出感度が低下する傾向がある。
【００３２】
次に、本実施の形態による磁気センサ１での磁界の検出動作について説明する。本実施の形態による磁気センサ１でも、±向きのＸ方向成分φxを含まない磁界φが作用したときには、前述した比較例とほぼ同様な検出動作を行う。このため、磁界φの±向きのＹ方向成分φyの強度が大きくなるに従って、接続点Ｐ1の出力電圧Ｖ1が低下し、接続点Ｐ2の出力電圧Ｖ2が増加する。そして、±向きのＹ方向成分φyの強度が動作点φy0よりも小さいときには、差動増幅器３の検出信号ＶoutはＨｉｇｈレベルとなり、Ｙ方向成分φyの強度が動作点φy0よりも大きいときには、差動増幅器３の検出信号Ｖoutは、Ｌｏｗレベルになる。
【００３３】
一方、±向きのＸ方向成分φxを含む磁界φが作用したときには、本実施の形態による磁気センサ１は、比較例と異なり、±向きのＸ方向成分φxの影響を低減して、±向きのＹ方向成分φyだけの磁界φが与えられたときに近い検出動作を行うことができる。
【００３４】
具体的に説明すると、本実施の形態による磁気センサ１では、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の表面には磁束集磁膜１３を設けた。このため、±向きのＹ方向から傾いた磁界φが与えられたときには、第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2には磁界φがそのまま作用するのに対し、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4付近の磁界φは、磁束集磁膜１３に引き付けられ、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4には作用し難い。この結果、±向きのＸ方向成分φxを含む磁界φが与えられたときでも、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の抵抗値の変化を小さくすることができるから、±向きのＸ方向成分φxの影響を抑えて、主に±向きのＹ方向成分φyによって出力電圧Ｖ1，Ｖ2を変化させることができる。従って、Ｘ方向成分φxを含む磁界φが与えられたときでも、差動増幅器３の検出信号ＶoutがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り換わるときの動作点を、Ｙ方向成分φyだけの磁界φが与えられたときの動作点φy0に近付けることができ、動作点の変動を小さくすることができる。
【００３５】
また、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4は全て同じパターン線幅や厚さで形成することができる。このため、磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4を形成する際の加工ばらつきが生じたときでも、第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2と第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4との間で抵抗値比は殆ど変わらないから、抵抗値比のばらつきを抑制することができ、センサ毎の特性ばらつきを小さくすることができる。さらに、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4のパターン線幅や厚さ、および、成膜材料をそろえたことにより、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4の各温度抵抗係数をほぼ一定にすることができる。また、表皮効果によって各磁気抵抗素子の表面近傍には電流が集中して流れるが、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4のパターン線幅や厚さをそろえたことにより、各磁気抵抗素子に及ぼす表皮効果の影響はほぼ一定となる。これらの結果、磁気センサ１を構成する第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4に係る、温度係数のばらつきを低減することができる。
【００３６】
次に、図６に、第２の実施の形態による磁気センサを示す。第２の実施の形態の特徴は、第１および第２の磁気抵抗素子の表面に第１の磁束集磁手段を設けると共に、第１の磁束集磁手段よりも透磁率の大きい第２の磁束集磁手段を第３および第４の磁気抵抗素子の表面に設けたことにある。なお、第２の実施の形態では第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００３７】
第２の実施の形態による磁気センサ２１は、第１の実施の形態による磁気センサ１と同様に、センサ回路部２を備えると共に、このセンサ回路部２は、第１および第３の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ3を直列接続した第１の直列回路６と、第２および第４の磁気抵抗素子Ｒ2，Ｒ4を直列接続した第２の直列回路７とを並列接続したブリッジ回路５によって構成されている。そして、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4の表面は絶縁膜１２によって覆われる。
【００３８】
第１の磁気抵抗素子Ｒ1および第２の磁気抵抗素子Ｒ2の表面には、絶縁膜１２を挟んで磁性材料からなる第１の磁束集磁手段としての第１の磁束集磁膜２２が形成される。また、第３の磁気抵抗素子Ｒ3および第４の磁気抵抗素子Ｒ4の表面には、絶縁膜１２を挟んで磁性材料からなる第２の磁束集磁手段としての第２の磁束集磁膜２３が形成される。第２の磁束集磁膜２３の透磁率は、第１の磁束集磁膜２２の透磁率よりも大きい。
【００３９】
これにより、Ｙ方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2に印加される磁界が第１の磁束集磁膜２２に集磁される量に比べて、第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4に印加される磁界が第２の磁束集磁膜２３に集磁される量を多くなる。この結果、第１および第２の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ2の抵抗値の変化に比べて第３および第４の磁気抵抗素子Ｒ3，Ｒ4の抵抗値の変化を低減することができる。
【００４０】
かくして、第２の実施の形態でも第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４１】
次に、図７ないし図１０に、第３の実施の形態による磁気センサを示す。第３の実施の形態の特徴は、第３および第４の接続点側に、第１の直列回路および第２の直列回路を挟むようにヨークを設けたことにある。なお、第３の実施の形態では第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００４２】
磁気センサ３１は、第１の実施の形態による磁気センサ１と同様、センサ回路部２を備えると共に、このセンサ回路部２は、第１および第３の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ3を直列接続した第１の直列回路６と、第２および第４の磁気抵抗素子Ｒ2，Ｒ4を直列接続した第２の直列回路７とを並列接続したブリッジ回路５によって構成されている。
【００４３】
そして、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4の表面は絶縁膜１２によって覆われる。また、第３の磁気抵抗素子Ｒ3および第４の磁気抵抗素子Ｒ4の表面には、絶縁膜１２を挟んで磁性材料からなる磁束集磁膜１３が形成される。
【００４４】
ヨーク３２，３３は、磁性体材料を用いて細長いブロック状に形成される。このヨーク３２，３３は、チップ状の基板４とは別個に設けられ、基板４をＹ方向両側から挟む位置に配置される。このとき、ヨーク３２は、第３の接続点Ｐ3側（図７の基板４の下側）に配置され、ヨーク３３は、第４の接続点Ｐ4側（図７の基板４の上側）に配置される。そして、ヨーク３２，３３は、第１の直列回路６および第２の直列回路７を磁界の検知方向、即ちＹ方向両側から挟んでいる。
【００４５】
ヨーク３２，３３のＸ方向の長さ寸法は、第１，第３の磁気抵抗素子Ｒ1，Ｒ3の長さ寸法と第４，第２の磁気抵抗素子Ｒ4，Ｒ2の長さ寸法とを加えた値よりも大きく形成され、具体的には基板４よりも大きく形成される。また、ヨーク３２，３３の厚さ寸法は、例えば磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4と基板４とを含めた高さ寸法よりも大きく形成される。これにより、Ｙ方向から基板４を見たときには、ヨーク３２，３３によって磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4全体が隠れる。
【００４６】
かくして、第３の実施の形態でも第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。特に、第３の実施の形態では、第３および第４の接続点Ｐ3，Ｐ4側には、第１の直列回路６および第２の直列回路７を挟むようにヨーク３２，３３を設けたから、図８および図９に示すように、ヨーク３２，３３の間ではＹ方向に沿うように磁界を形成することができる。このため、磁界のＹ方向成分を増やし、Ｘ方向成分を減らすことができるから、磁気センサ３１の動作点の変動や抵抗値比のばらつきをさらに抑制することができる。また、第１および第２の実施の形態と同様に、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4に係る温度係数のばらつきを低減することができる。
【００４７】
なお、第３の実施の形態では、ヨーク３２，３３を基板４とは別個に設ける構成としたが、図１１に示す変形例による磁気センサ４１のように、基板４２上にヨーク４３，４４を設ける構成としてもよい。この場合、第３の実施の形態のように、ヨーク３２，３３を基板４とは別個に設けた場合に比べて、磁気センサ４１の外形寸法を小さくすることができる。
【００４８】
また、前記各実施の形態では、絶縁膜１２の表面に形成した磁束集磁膜１３，２２，２３によって磁束集磁手段を構成したが、例えば絶縁膜１２の表面に接着固定した板状の磁性体片によって磁束集磁手段を構成してもよい。
【００４９】
また、前記各実施の形態では、磁気センサ１，２１，３１は磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4を有するセンサ回路部２と、差動増幅器３とを集積化する構成としたが、差動増幅器３を省く構成としてもよい。
【００５０】
また、前記各実施の形態では、第１ないし第４の磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4は近接して平行に形成された複数本の線状パターンを先端部で互い違いに接続する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば１本の線状パターンによって磁気抵抗素子Ｒ1〜Ｒ4を構成してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１，２１，３１，４１ 磁気センサ
４，４２ 基板
６ 第１の直列回路
７ 第２の直列回路
１３ 磁束集磁膜（磁束集磁手段）
２２ 第１の磁束集磁膜（第１の磁束集磁手段）
２３ 第２の磁束集磁膜（第２の磁束集磁手段）
３２，３３，４３，４４ ヨーク
Ｒ1 第１の磁気抵抗素子
Ｒ2 第２の磁気抵抗素子
Ｒ3 第３の磁気抵抗素子
Ｒ4 第４の磁気抵抗素子
Ｐ1 第１の接続点
Ｐ2 第２の接続点
Ｐ3 第３の接続点
Ｐ4 第４の接続点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向の検知磁界が与えられると抵抗値が最大に変化する第１および第２の磁気抵抗素子と、第３および第４の磁気抵抗素子とを有し、
前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子とを第１の接続点を介して直列接続してなる第１の直列回路と、前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とを第２の接続点を介して直列接続してなる第２の直列回路とを、前記第１の直列回路の前記第１の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第４の磁気抵抗素子側とを第３の接続点を介して共通接続すると共に、前記第１の直列回路の前記第３の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第２の磁気抵抗素子側とを第４の接続点を介して共通接続し、
前記第３の接続点および前記第４の接続点を介して電源電圧を印加すると共に、前記第１の接続点および前記第２の接続点を介して磁界変化に伴う出力電圧を取り出す磁気センサにおいて、
前記第３および第４の磁気抵抗素子の表面に磁束集磁手段を設け、
前記第１の方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、前記第３および第４の磁気抵抗素子に印加される磁界を前記磁束集磁手段に集磁し、前記第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を低減したことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
第１の方向の検知磁界が与えられると抵抗値が最大に変化する第１および第２の磁気抵抗素子と、第３および第４の磁気抵抗素子とを有し、
前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子とを第１の接続点を介して直列接続してなる第１の直列回路と、前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とを第２の接続点を介して直列接続してなる第２の直列回路とを、前記第１の直列回路の前記第１の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第４の磁気抵抗素子側とを第３の接続点を介して共通接続すると共に、前記第１の直列回路の前記第３の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第２の磁気抵抗素子側とを第４の接続点を介して共通接続し、
前記第３の接続点および前記第４の接続点を介して電源電圧を印加すると共に、前記第１の接続点および前記第２の接続点を介して磁界変化に伴う出力電圧を取り出す磁気センサにおいて、
前記第１および第２の磁気抵抗素子の表面に第１の磁束集磁手段を設けると共に、
該第１の磁束集磁手段よりも透磁率の大きい第２の磁束集磁手段を前記第３および第４の磁気抵抗素子の表面に設け、
前記第１の方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、前記第１および第２の磁気抵抗素子に印加される磁界が前記第１の磁束集磁手段に集磁される量に比べて、前記第３および第４の磁気抵抗素子に印加される磁界が前記第２の磁束集磁手段に集磁される量を多くなし、
前記第１および第２の磁気抵抗素子の抵抗値の変化に比べて前記第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を低減したことを特徴とする磁気センサ。
【請求項３】
前記第３および第４の接続点側には、前記第１の直列回路および前記第２の直列回路を挟むようにヨークが設けられてなる請求項１または２に記載の磁気センサ。
【請求項１】
第１の方向の検知磁界が与えられると抵抗値が最大に変化する第１および第２の磁気抵抗素子と、第３および第４の磁気抵抗素子とを有し、
前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子とを第１の接続点を介して直列接続してなる第１の直列回路と、前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とを第２の接続点を介して直列接続してなる第２の直列回路とを、前記第１の直列回路の前記第１の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第４の磁気抵抗素子側とを第３の接続点を介して共通接続すると共に、前記第１の直列回路の前記第３の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第２の磁気抵抗素子側とを第４の接続点を介して共通接続し、
前記第３の接続点および前記第４の接続点を介して電源電圧を印加すると共に、前記第１の接続点および前記第２の接続点を介して磁界変化に伴う出力電圧を取り出す磁気センサにおいて、
前記第３および第４の磁気抵抗素子の表面に磁束集磁手段を設け、
前記第１の方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、前記第３および第４の磁気抵抗素子に印加される磁界を前記磁束集磁手段に集磁し、前記第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を低減したことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
第１の方向の検知磁界が与えられると抵抗値が最大に変化する第１および第２の磁気抵抗素子と、第３および第４の磁気抵抗素子とを有し、
前記第１の磁気抵抗素子と前記第３の磁気抵抗素子とを第１の接続点を介して直列接続してなる第１の直列回路と、前記第２の磁気抵抗素子と前記第４の磁気抵抗素子とを第２の接続点を介して直列接続してなる第２の直列回路とを、前記第１の直列回路の前記第１の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第４の磁気抵抗素子側とを第３の接続点を介して共通接続すると共に、前記第１の直列回路の前記第３の磁気抵抗素子側と前記第２の直列回路の前記第２の磁気抵抗素子側とを第４の接続点を介して共通接続し、
前記第３の接続点および前記第４の接続点を介して電源電圧を印加すると共に、前記第１の接続点および前記第２の接続点を介して磁界変化に伴う出力電圧を取り出す磁気センサにおいて、
前記第１および第２の磁気抵抗素子の表面に第１の磁束集磁手段を設けると共に、
該第１の磁束集磁手段よりも透磁率の大きい第２の磁束集磁手段を前記第３および第４の磁気抵抗素子の表面に設け、
前記第１の方向の検知磁界と異なる方向の磁界が与えられたときに、前記第１および第２の磁気抵抗素子に印加される磁界が前記第１の磁束集磁手段に集磁される量に比べて、前記第３および第４の磁気抵抗素子に印加される磁界が前記第２の磁束集磁手段に集磁される量を多くなし、
前記第１および第２の磁気抵抗素子の抵抗値の変化に比べて前記第３および第４の磁気抵抗素子の抵抗値の変化を低減したことを特徴とする磁気センサ。
【請求項３】
前記第３および第４の接続点側には、前記第１の直列回路および前記第２の直列回路を挟むようにヨークが設けられてなる請求項１または２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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−４４６４１（Ｐ２０１３−４４６４１Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８２５２９（Ｐ２０１１−１８２５２９）
【出願日】平成２３年８月２４日（２０１１．８．２４）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２４日（２０１１．８．２４）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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