(57)【要約】【課題】  角度誤差を低減した磁気センサを提供する。【解決手段】  ４個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路を有する磁気センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、１方向の磁気異方性を有する固定層と、磁化方向が外部磁界の方向に回転する自由層と、前記固定層と前記自由層に挟まれた中間層とを有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜であり、前記磁気抵抗効果素子の少なくとも一つは、その素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して３６°≦θ＜４５°の鋭角θで傾いていることを特徴とする磁気センサ。【選択図】図４
2010032484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路を有する磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、１方向の磁気異方性を有する固定層と、磁化方向が外部磁界の方向に回転する自由層と、前記固定層と前記自由層に挟まれた中間層とを有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜であり、
前記磁気抵抗効果素子の少なくとも一つは、その素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して３６°≦θ＜４５°の鋭角θで傾いていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
４個の磁気抵抗効果素子の内、２個の磁気抵抗効果素子が固定層磁化方向に対して前記鋭角θで傾き、残りの２個が鋭角−θで傾いていることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項３】
前記ブリッジ回路の他にもう一つのブリッジ回路が形成され、両ブリッジ回路の磁気抵抗効果素子は素子形状の長手方向が互いに直交する方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項４】
４個の前記磁気抵抗効果素子の内、ハーフブリッジを構成する２個の磁気抵抗効果素子は、固定層磁化方向が反平行方向であり、かつその素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して一方は角度θで傾くとともに他方は角度―θで傾いていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項５】
４個の前記磁気抵抗効果素子の内、一方のハーフブリッジの電源端子側に配置される磁気抵抗効果素子はその素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して一方は角度θで傾くとともに、他方のハーフブリッジの接地端子側に配置される磁気抵抗効果素子は角度―θで傾いていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項６】
一方のハーフブリッジの電源端子側に配置される磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向と、他方のハーフブリッジの接地端子側に配置される磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が同一方向であることを特徴とする請求項５に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記磁気抵抗効果素子が、直線を折り返した形状であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記磁気抵抗効果素子が、半円を連結し素子長手方向に折り返して形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記磁気抵抗効果素子が、円の一部を切り欠いた形状を連結し素子長手方向に折り返して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記磁気抵抗効果素子が、多角形の一部を切り欠いた形状を連結し素子長手方向に折り返して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜は、固定層―自由層間の交換結合磁界Ｈｉｎｔの値が
−０．４＜Ｈｉｎｔ＜０．４  ｋＡ／ｍ
の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の磁気センサと、前記磁気センサに磁界を与える磁石とを備える回転角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜で構成する磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサ及び回転角度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは、物理量の変位を非接触で検出できる点で有用である。特に回転角度を検出する磁気センサについては、回転磁界に対して磁気抵抗効果素子の検出感度が良好であることが要求される。
【０００３】
高感度な磁気抵抗効果素子として、スピンバルブ（ＳＶ）型巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜が用いられている（以後、おのおのをＳＶＧＭＲ素子、ＳＶＧＭＲ膜と表記する）。その基本構成は、一方向異方性を有する磁化固定層（以下、固定層と称する）と、この固定層の上部に形成される磁気的結合を切る非磁性中間層と、この非磁性中間層の上部に形成される外部磁界によって磁化方向が任意の方向に回転する自由層からなるものである。このようなＳＶＧＭＲ膜を用い、フォトリソグラフィーなどの薄膜加工プロセスを経て形成されたＳＶＧＭＲ素子をホイートストンブリッジ状に接続し、所定の電圧を印加することで、外部磁界の方向によって出力電圧が変化する磁気センサを得ることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５９５４２号公報
【特許文献２】特表２００３−５０２８７６号公報
【特許文献３】特開２００５−０２４２８７号公報
【特許文献４】特許第３５８７６７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＳＶＧＭＲ素子を複数個用いて回転角度センサを構成する場合、ＳＶＧＭＲ素子自身の磁気特性（層間結合磁界Ｈｉｎｔ，異方性磁界Ｈｋ）のばらつきにより、角度誤差（回転角度センサの出力から得る回転角度の誤差）が増加する問題がある。特許文献１には同一ウェハから切り出した４つの素子をブリッジ接続する手法が開示されているが、ウェハ面内でのバラつきを吸収できるものではない。以下、特にことわらない限り、ＳＶＧＭＲ素子を“素子”と表記する。
【０００６】
一方、特許文献２には同一ウェハ上に複数方向の感磁軸を持つ素子を作製する方法について開示されている。開示された手法に因れば、薄膜形成やフォトリソグラフィーなどにより所望の素子パターンを形成した後、ヒータ素子を用いて局部的に素子を加熱しながら外部磁界を印加することで、固定層磁化方向を所望の方向に設定することが可能である。
【０００７】
また、消費電力量や素子発熱を回転角度センサとしての適正範囲に抑えるためには、素子形状は線幅を細くし素子長を長くすることで高抵抗化を図ることが望ましい。このような形状では素子自身の形状異方性を無視できなくなり、ＳＶＧＭＲ膜の自由層に起因する異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）の影響が大きくなり角度誤差が増加する問題がある。特許文献３では、ＡＭＲ効果をキャンセルするために同一素子内で素子長手方向が９０°異なるパターンを接続した素子が提案されている。また特許文献４では、Ｈｋを低減する素子パターンとして、半円形状をつなぎ合わせたものや螺旋状の形状が提案されている。しかしながらこれらの構成はＡＭＲ効果のキャンセルのみ、もしくはＨｋの低減のみに掛かり、ＧＭＲ特性のばらつきを低減し回転角度センサ全体としての角度誤差を低減するものではない。
【０００８】
本発明はこのような問題を鑑みてなされたものであり、ＳＶＧＭＲ膜の製造ばらつきに起因する角度誤差を低減したＳＶＧＭＲ素子を用いた磁気センサ、ならびに回転角度検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は４個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路を有する磁気センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、１方向の磁気異方性を有する固定層と、磁化方向が外部磁界の方向に回転する自由層と、前記固定層と前記自由層に挟まれた中間層とを有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜であり、前記磁気抵抗効果素子の少なくとも一つは、その素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して３６°≦θ＜４５°の鋭角θで傾いていることを特徴とするものである。２つのブリッジ回路を組み合わせる場合、両者の磁気抵抗効果素子の長手方向が各々直交するように形成することが好ましい。
４個の磁気抵抗効果素子の２個が固定層磁化方向に対して前記鋭角θで傾き、残りの２個が鋭角−θで傾く構成が好ましい。
４個の前記磁気抵抗効果素子の内、ハーフブリッジを構成する２個の磁気抵抗効果素子は、固定層磁化方向が反平行方向であり、かつその素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して一方は角度θで傾くとともに他方は角度―θで傾いている構成を採用できる。
【００１０】
４個の前記磁気抵抗効果素子の内、一方のハーフブリッジの電源端子側に配置される磁気抵抗効果素子はその素子形状の長手方向が固定層磁化方向に対して一方は角度θで傾くとともに、他方のハーフブリッジの接地端子側に配置される磁気抵抗効果素子は角度―θで傾いていることが好ましい。
上記の磁気センサは、一方のハーフブリッジの電源端子側に配置される磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向と、他方のハーフブリッジの接地端子側に配置される磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が同一方向であることが好ましい。
固定層磁化方向が同一の磁気抵抗効果素子を非平行に配置することで、ＡＭＲ効果がキャンセルされ、角度誤差への影響を抑制できる。
【００１１】
また本発明の磁気センサでは、磁気抵抗効果素子の形状として、直線を折り返した形状、半円を連結し素子長手方向に折り返して形成した形状、または円もしくは多角形の一部を切り欠いた形状を連結し素子長手方向に折り返して形成した形状のいずれかとすることが望ましい。
【００１２】
スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜は、固定層―自由層間の交換結合磁界Ｈｉｎｔの値が−０．４＜Ｈｉｎｔ＜０．４（ｋＡ／ｍ）の範囲であることが好ましい。
【００１３】
さらに本発明の回転角度検出装置は、前記磁気センサと、前記磁気センサに磁界を与える磁石とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に因れば、ＳＶＧＭＲ膜の製造ばらつきに起因するブリッジ出力歪を低減できるセンサを提供でき、角度誤差を低減した磁気センサならびに回転角度検出装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明について図面を用いて具体的な実施形態を説明する。ただし、これら実施形態により本発明が必ずしも限定されるものではない。
図１にＳＶＧＭＲ膜の模式図を示す。図の膜厚の拡大倍率は一定ではない。また本発明に用いられるＳＶＧＭＲ膜の構造はこの図面に限定されるものではない。ＳＶＧＭＲ膜は基板１０上に下地膜１１、固定層１２、中間層１３、自由層１４、保護層１５の順で薄膜を堆積して形成される。一般的には固定層１２は反強磁性層１２１／第１の強磁性層１２２／反平行結合層１２３／第２の強磁性層１２４を積層し、また自由層１４は２層以上の強磁性層１４１、１４２を積層してそれぞれ形成される。固定層全体で一方向の磁気異方性を発現し、外部磁界により自由に回転する自由層磁化方向とのなす角度で電気抵抗が変化する。このときの、固定層の磁気異方性の方向を「固定層磁化方向」と定義する。
【００１６】
（セルフピン型ＳＶＧＭＲ膜・素子の作製方法）
本発明においては、ＳＶＧＭＲ膜は図１に示した構成のうち反強磁性層１２１を除いた、図２７の構成としている。すなわち、固定層の一方向磁気異方性を強磁性層１２２と１２４の反強磁性的結合によってのみ発現させるものである。図２７に示される構成のＳＶＧＭＲ膜は、たとえば特許第３０３３９３４号公報や特開２００４−２９６０００号公報などに開示されている。図２７に示した構成のＳＶＧＭＲ膜は、反強磁性層を規則化させて固定層を着磁するための熱処理工程が不要となるだけでなく、成膜プロセス中に固定層の異方性を任意の方向に設定することができる。具体的には、固定層に用いる２層の強磁性層の成膜時、少なくとも中間層１３と接する強磁性層の成膜時に磁界を印加することで、印加磁界の方向に固定層磁化方向を向けることができる。本発明では固定層磁化方向の異なるＳＶＧＭＲ膜を、絶縁層を介して４回積層することによって、４方向の固定層磁化方向を持つ素子を同一ウェハ上に形成している。
【００１７】
図２にはＳＶＧＭＲ膜を所定の形状にパターニングしてＳＶＧＭＲ素子を形成した場合に、磁気抵抗効果素子が受ける磁気エネルギーの模式図を示す。θＭは素子全体の磁化の方向、θｄｉｐは形状異方性の方向、θｆｒｅｅは自由層の一軸磁気異方性の付与方向を示す。ＳＶＧＭＲ素子に外部磁界Ｈａｐｐが印加されたとき、素子に加わる実効磁界Ｍは、素子の形状に起因する形状異方性Ｈｋｄのほか、Ｈｋ、ＨｉｎｔなどのＳＶＧＭＲ膜に起因する磁界の影響を受けて、Ｈａｐｐの方向とは異なる向きに向けられる。
【００１８】
ここで、ＳＶＧＭＲ素子が受ける磁気的エネルギーは以下の数式を用いて計算される。
・ＳＶＧＭＲ素子の形状磁気異方性エネルギーＥｋｄ：
【００１９】
【数１】
2010032484.tif 000003
【００２０】
・自由層の磁気異方性エネルギーＥｋ：
【００２１】
【数２】
2010032484.tif 000004
【００２２】
・ＳＶＧＭＲ膜の層間交換結合エネルギーＥｅｘ：
【００２３】
【数３】
2010032484.tif 000005
【００２４】
・ＳＶＧＭＲ膜のゼーマンエネルギーＥｚ：
【００２５】
【数４】
2010032484.tif 000006
【００２６】
・ＳＶＧＭＲ素子が受けるエネルギーの総和Ｅｔｏｔａｌ：
【００２７】
【数５】
2010032484.tif 000007
【００２８】
なおＭｓは自由層の磁化量を示し、磁気異方性定数ＫｕおよびＫｕｄは下記の数式より算出した。
【００２９】
【数６】
2010032484.tif 000008
【００３０】
最終的に、基準軸に対するＭの方向θＭはＥｔｏｔａｌが最小となるように決定される。決定されたθＭを用いると、ＳＶＧＭＲ素子の抵抗Ｒは下記の数式で表される。
【００３１】
【数７】
2010032484.tif 000009
【００３２】
数７の前半の項はＧＭＲ効果による抵抗変化、後半の項はＡＭＲ効果による抵抗変化である。ＲｍｉｎはＳＶＧＭＲ素子抵抗の最小値、ｄＲはＧＭＲ効果起因の抵抗変化量、ｄＲ’はＡＭＲ効果起因の抵抗変化である。
【００３３】
ここで、形状異方性の方向θｄｉｐは素子長手方向と同義である。形状異方性は素子の形状により規定され、図２１のように直線状（アスペクト比の大きい矩形）のＳＶＧＭＲ素子２２１もしくは直線を九十九折状に配置した形状の素子２３１の場合、形状異方性の向きは通電用端子２２３間に流れる電流の向き２２２とほぼ一致する。したがって、この場合、直線の延長方向すなわち素子長手方向がθｄｉｐとなる。図２２のような円を接続した形状の素子２４１，２５１については、電流は円の接続部から上下に分かれて流れると考えられるが、素子全体で見た場合は端子２２３間の向きに流れるため、θｄｉｐは巨視的に見た電流の向き２２２と同一の向きとして定義する。図２３から図２５のように一部を切り欠いた円又は半円を接続した形状についても同様に、θｄｉｐは電流の向き２２２と同一の向きとして定義する。
【００３４】
図３にはＳＶＧＭＲ素子をブリッジ接続して構成される磁気センサの等価回路を示す。各ＳＶＧＭＲ素子の固定層磁化方向は図中矢印で示す。ＳＶＧＭＲ素子２１ａと２１ｃ、素子２１ｂと２１ｄ、３１ａと３１ｃ、３１ｂと３１ｄの固定層磁化方向はそれぞれ同一方向に設定する。また素子２１ａと２１ｂ、素子３１ａと３１ｂの固定層磁化方向はそれぞれ反平行（１８０°）方向に設定し、素子２１ａと３１ａの固定層磁化方向は９０°異なる向きに設定する。便宜的に、素子２１ａ〜２１ｄで構成されるブリッジをＸブリッジ、素子３１ａ〜３１ｄで構成されるブリッジをＹブリッジと呼ぶ。実際のブリッジ回路では２１ａと３１ａ、２１ｂと３１ｂ、２１ｃと３１ｃ、２１ｄと３１ｄは互いの素子の長手方向が直交するように配置される。（詳細は図１９，２０で説明する）これらのブリッジ回路から出力される電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２はそれぞれ下記の数式で算出される。
【００３５】
【数８】
2010032484.tif 000010
【００３６】
Ｖｘ１−Ｖｘ２より出力電圧Ｖｘを、Ｖｙ１−Ｖｙ２より出力電圧Ｖｙを得る。Ｖｘ及びＶｙは略正弦波もしくは略余弦波の波形となるため、ＶｘとＶｙを用いて逆正接演算を行って演算角θｃａｌｃを算出し、基準軸に対するＨａｐｐの方向θａｐｐとの差が磁気センサの角度誤差θｅｒｒとなる。
【００３７】
［実施形態１］
各ＳＶＧＭＲ素子の配置角を表１に示した角度関係で変化させ、配置角が角度誤差に与える影響について検討を行った。なお固定層磁化方向は変化させていない。エネルギー計算時のパラメータとして、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃ、Ｈｋ＝０．１６ｋＡ／ｍ、Ｈｋｄ＝１．６ｋＡ／ｍ、Ｈａｐｐ＝２４ｋＡ／ｍを用い、各素子のθｆｒｅｅは固定層磁化方向と９０°をなすよう設定した。また、ＧＭＲ比を示すｄＲ／Ｒは１０％とし、ｄＲ’は０としてＡＭＲ効果は加味していない。具体例として、表１の条件１−３で設定した素子配置ならびにブリッジ接続を図１９に示す。図１９中、上のブリッジ回路の固定層磁化方向は図面水平方向に、下のブリッジ回路の固定層磁化方向は図面上下方向に設けている。上のブリッジ回路の右方向を０°と規定した場合の各磁気抵抗効果素子（２０１ａ〜２０１ｄ）と、下のブリッジ回路の上方向を０°と規定した場合の各磁気抵抗効果素子（２０３ａ〜２０３ｄ）の素子の長手方向の各角度θｄｉｐは、下のそれぞれ表１に示した関係となる。（括弧内のマイナス表記は、請求項２，請求項４の関係を満たすことがわかり易いように記載するものである。）
【００３８】
【表１】
2010032484.tif 000011
【００３９】
【表２】
2010032484.tif 000012
【００４０】
図４に、θｅｒｒ変化幅（θｅｒｒｒａｎｇｅ）のθｄｉｐ依存性を示す。図４のθｄｉｐ＿Ｒ１は、表１のθｄｉｐ設定値における２０１ａ，２０１ｃの列のパラメータに相当する。また、表１に示した磁気抵抗効果素子２０１ａの素子配置角度θ dipが３５°〜４５°の時の、θｅｒｒｒａｎｇｅの値を表２に示す。変化幅θｅｒｒ＿ｒａｎｇｅとは、θａｐｐを０から３６０°まで変化させた際のθｅｒｒの最大値から最小値を引いた値である。変化幅が大きいほど、該素子配置で回転角度センサを構成した場合に角度誤差が大きいことを示す。磁気抵抗効果素子２０１ａの素子配置角度を４０°もしくは１４０°（−４０°）とした場合（条件１−４および１−９）において、θｅｒｒ変化幅が０．０７６°で最も小さくなっている。磁気抵抗効果素子２０１ａの素子配置角度が１４０°（−４０°）である場合、ハーフブリッジを構成する他方の磁気抵抗効果素子201bの素子配置角度が４０°となるので、これも本発明で規定する構成に含まれる。
一方、条件１−１では変化幅は約１．８°となった。このように、θｅｒｒはθｄｉｐに大きく依存し、素子配置により角度誤差が大幅に変化することがわかる。表２から解るように、従来の素子配置角度θdipが４５°のブリッジ回路とするよりも、素子配置角度θdipが３６°以上４５°未満にするブリッジ回路の方が角度誤差を減らせることができる。さらに好ましい素子配置角度θdipは３７〜４３°の範囲であり、さらに好ましい素子配置角度θdipは３９°〜４２°である。
【００４１】
図５〜図７に、表１の条件１−４（実施例１）と条件１−１（比較例１）、条件１−５（比較例２）、および条件１−７（比較例３）におけるθｅｒｒのθａｐｐ依存性をそれぞれ示す。ここで、特許文献２及び３に示された素子配置は、条件１−５（比較例２）に相当する。θｅｒｒはそれぞれ、実施例１では最大で約０．０４°、比較例１および比較例３では最大で約０．９°、比較例２では約０．１９°となった。実施例１と比較例２とでは、θｄｉｐの差異は５°だけであるにもかかわらず、θｅｒｒの変化傾向は大きく異なっている。また比較例１と比較例３とでは、同じような素子配置であるにもかかわらず、θｄｉｐと固定層磁化方向との関係が異なることで、θｅｒｒのθａｐｐ依存性が異なっていることがわかる。これらの結果をふまえると、θｄｉｐと固定層磁化方向との関係でθｅｒｒが異なることがわかる。
【００４２】
これらの周期性についてさらに詳細に考察するため、図８および図９には発明例１、比較例１〜３におけるそれぞれのθｅｒｒのθａｐｐ依存性について、フーリエ級数展開により５次成分まで高調波解析を行った結果を示す。ここで１次及び２次高調波は高次の高調波に比べ圧倒的に小さく、またθｄｉｐ依存性が小さいことから、図には３次から５次の高調波を示した。なお図９は縦軸を高調波発生率として示したものである。θｅｒｒが小さかった発明例１では全ての高調波が非常に小さく、その割合は３次および５次が４割、４次成分が２割程度含まれていることがわかる。一方でθｅｒｒが大きかった比較例１〜３では４次高調波が大きく出ており、発生率は４次が８割、３次および５次はそれぞれ１割程度であることがわかる。特に比較例１と比較例３のように、θｄｉｐを固定層磁化方向と直交もしくは平行とした場合には非常に大きい４次高調波が存在している。したがって、４次高調波の低減がθｅｒｒの低減に大きく寄与していることがわかる。
【００４３】
ＳＶＧＭＲ膜を用いた磁気センサにおいて、数１及び数２にｓｉｎ２θの項が存在することから、４次高調波が発生する主要因は形状もしくはＳＶＧＭＲ膜の自由層の磁気異方性、すなわちＨｋｄ及びＨｋであると考えられる。図１０には自由層の磁気異方性Ｈｋを変化させ、図４と同様にθｅｒｒのθｄｉｐ依存性を比較した結果を示す。Ｈｋはそれぞれ０．１６ｋＡ／ｍから３．２ｋＡ／ｍまで変化させた。このときＨｋｄ＝１．６ｋＡ／ｍとした。Ｈｋの低下に伴って、θｅｒｒのθｄｉｐ依存性は低下する傾向が見られる。θｅｒｒの極小値はＨｋの値に因らずほぼ同程度（約０．０７〜０．３°）であるが、極小値をとるθｄｉｐは３０〜４０°付近で変化している。またＨｋがＨｋｄと等しくなるＨｋ＝１．６ｋＡ／ｍの条件では、θｄｉｐ＝０°で極小値をとっている。これはＨｋとＨｋｄが互いにキャンセルしあうためである。
【００４４】
図１１には同様にＨｋｄを変化させた結果を示す。Ｈｋ＝０．１６ｋＡ／ｍとし、Ｈｋｄは０．１６ｋＡ／ｍから３．２ｋＡ／ｍまで変化させた。Ｈｋを変化させた場合と同様、Ｈｋｄの低下に伴いθｅｒｒのθｄｉｐ依存性は低下する傾向が見られ、θｅｒｒが極小となるθｄｉｐの範囲も概ね３０〜４０°付近である。θｅｒｒの極小値は約０．０４〜０．１３°であった。またＨｋｄ＝Ｈｋとなる条件ではθｄｉｐ＝０でθｅｒｒが極小となる。このように、ＨｋならびにＨｋｄを低減することで角度誤差は小さくなることがわかる。
【００４５】
但し、Ｈｋは自由層に用いる材料によって一義的に決まる。本検討では自由層に一般的に用いられるＮｉＦｅのＨｋ（＝約０．１６ｋＡ／ｍ）を仮定したが、低Ｈｋを示す他の材料を採用することで、例えばヒステリシスの大小にかかわる保磁力などのパラメータが変化する可能性がある。また、例えば非磁性層を介した２層の強磁性層で自由層を構成する積層フェリ自由層などの構造を用いることで、巨視的なＨｋを小さくできる可能性があるが、膜厚増加による分流損増加や感度低下を招きかねないことから現実的ではない。さらにＨｋｄについて、センサ内のＳＶＧＭＲ素子は有限の長さを持つことから、素子形状の観点からＨｋｄを０に近づけることも容易ではない。しかしながら、本検討によれば固定層磁化方向とθｄｉｐを適切な関係に保つ、具体的にはθｄｉｐ＝４０°とすることで、ＳＶＧＭＲ膜特性のばらつきによるＨｋの変動や、素子形状によるＨｋｄの変動に対してθｅｒｒの増加を抑えることが可能となる。その結果検出精度の高い回転角度検出装置を得ることが可能となる。
【００４６】
［実施形態２］
磁気センサ用ＳＶＧＭＲ素子は、消費電力を抑えるため素子抵抗を比較的大きくする必要があり、そのため素子の長手方向の寸法は数十〜１００μｍ程度にまでなる。このように膜厚に対して素子長もしくは素子幅が大きい場合、ＳＶＧＭＲ膜の自由層のＡＭＲ効果が無視できない。そこで実施形態１と同様に、ＡＭＲ効果を加味した場合のθｄｉｐとθｅｒｒの関係について図１２に示す。θｄｉｐの条件は表３に示すとおりとし、比較のためＡＭＲ効果を加味しない結果（図４）を併記した。数７において、ＳＶＧＭＲ膜に対する自由層の膜厚比およびＮｉＦｅ膜の比抵抗から、ＡＭＲに寄与する抵抗の値を７５００Ω、ＡＭＲ比を０．３％と仮定してｄＲ’を２２．５Ωと見積もった。実施形態１と同様、比較例５が特許文献２及び３に記載の素子配置と等価である。表３中、θ dip設定値の括弧内のマイナス表記は、請求項２，請求項４，請求項５の関係を満たすことがわかり易いように記載するものである。
【００４７】
【表３】
2010032484.tif 000013
【００４８】
θｄｉｐが０°の条件（表３の条件２−１：比較例４）もしくは９０°の条件（表３の条件２−７：比較例６）で極小値（約２．６°）を示していて、ＡＭＲ効果を加味しない場合と同じ結果をしめしている。一方で、θｄｉｐが４５°の条件（表３の条件２−５：比較例５）においては、ＡＭＲを加味すると角度誤差は増大し、極大値（約４７°）を示している。これらの素子配置はいずれも、同一ブリッジ内の各素子対において電流の流れる向きが逆方向となっており、角度誤差に対するＡＭＲ効果の寄与はセンス電流の流れる向き、すなわち素子形状に依存しているといえる。“素子対“は図１９でいうと、２０１ａと２０１ｃ、又は２０１ｂと２０１ｄである。
【００４９】
そこで、図２０に示すように、固定層磁化方向が同一の素子をブリッジ内で非平行に配置して同様の検討を行った。θｄｉｐの設定値は表４のとおりとした。一方のハーフブリッジの電源端子側に配置される磁気抵抗効果素子と、他方のハーフブリッジの接地端子側に配置される磁気抵抗効果素子の素子配置を非平行にした。具体的には、素子２１１ａと２１１ｄの対、素子２１１ｂと２１１ｃをそれぞれ同じ角度に設定し、素子２１１ａと素子２１１ｃを非並行に、素子２１１ｂと素子２１１ｄを非並行に設定した。Ｙブリッジ（素子２１３ａ〜２１３ｄ）についても同様である。固定層磁化方向は実施形態１と同じく素子２１１ａと２１１ｃ、２１１ｂと２１１ｄとで同一で、素子配置角度がそれぞれ異なっていることになる。
図２０は表４の条件３−４で設定した素子配置である。図２０中、上のブリッジ回路の固定層磁化方向は図面水平方向に、下のブリッジ回路の固定層磁化方向は図面上下方向に設けている。上のブリッジ回路の右方向を０°と規定した場合の各磁気抵抗効果素子（２１１ａ〜２１１ｄ）と、下のブリッジ回路の上方向を０°と規定した場合の各磁気抵抗効果素子（２１３ａ〜２１３ｄ）の素子の長手方向の各角度θｄｉｐは、下のそれぞれ表４に示した関係となる。また、磁気抵抗効果素子２１１ａの素子配置角度θ dipが３５°〜４５°の時のθｅｒｒｒａｎｇｅの値を表５に示す。
【００５０】
【表４】
2010032484.tif 000014
【００５１】
【表５】
2010032484.tif 000015
【００５２】
図１２と同様に、ＡＭＲ効果を加味したθｅｒｒ変化幅（θｅｒｒｒａｎｇｅ）のθｄｉｐ依存性を図１３に示す。また、表４に示した磁気抵抗効果素子２０１ｂの素子配置角度θ dipが３５°〜４５°の時の、θｅｒｒｒａｎｇｅの値を表５に示す。変化幅θｅｒｒ＿ｒａｎｇｅとは、θａｐｐを０から３６０°まで変化させた際のθｅｒｒの最大値から最小値を引いた値である。変化幅が大きいほど、該素子配置で回転角度センサを構成した場合に角度誤差が大きいことを示す。
一方のハーフブリッジの電源端子側に配置される磁気抵抗効果素子と、他方のハーフブリッジの接地端子側に配置される磁気抵抗効果素子の素子配置を非平行にすると、θｅｒｒはＡＭＲ効果を加味する前の実施例２の図４（ＡＭＲ寄与無）とほぼ同等の値を示し、θｄｉｐを４０°（表４の3-４：発明例２）とした条件でθｅｒｒは約０．１３°まで小さくなった。また固定層磁化方向が同一の素子が互いに素子長手方向の直交する素子配置、すなわち表４の3-5（比較例７）ではθｅｒｒは約０．３４°である。このことから、素子を直交に配置してセンス電流の方向を９０°にしても、角度誤差は必ずしも最小にはならないことがわかり、素子配置角度によってさらに角度誤差を小さくできることが明らかとなった。
表５から解るように、従来の素子配置角度θdipが４５°のブリッジ回路とするよりも、素子配置角度θdipが３８°以上４５°未満にするブリッジ回路の方が角度誤差を減らせることができる。さらに好ましい素子配置角度θdipは３９°〜４４°の範囲であり、さらに好ましい素子配置角度θdipは４０°〜４３°である。
【００５３】
誤差低減効果について詳細に検討するため、θｅｒｒのθｄｉｐ依存性について５次までの高調波解析を行った。素子平行配置（表３の条件）の比較例４〜６の結果を図１４に、素子非平行配置（表４の条件）の発明例２と比較例７の結果を図１５にそれぞれ示す。素子平行配置の場合、θｅｒｒが比較的小さかった比較例４及び比較例６で現れる高調波はほぼすべて４次であることがわかる．一方θｅｒｒが大きい比較例５では５次までの全ての高調波が含まれており、１次および３次高調波が特に大きいことがわかる。数７からＡＭＲ効果の項は４次高調波として現れるはずだが、素子配置との兼ね合いで３次が大きくなっていると推察される。
【００５４】
一方、素子非平行配置については、発明例２、比較例７どちらの素子配置でも４次以外の高調波は非常に小さく、その値は発明例２の方が小さくなっている。図１６ではθｄｉｐを４５°に設定し、各素子が直交に配置されている比較例５と比較例７とを比較し、素子配置を平行もしくは非平行とした場合の高調波解析結果を示す。素子配置を非平行にした比較例７では、比較例５に比べ全ての次数の高調波が大幅に抑えられており、比較例７で唯一存在する４次高調波も半減していることがわかる。このことからθｅｒｒの低減には１次もしくは３次高調波をほぼ０に近い値にまで小さくし、さらに４次高調波を低減する素子配置にすることが必要である。
【００５５】
［実施形態３］
ＳＶＧＭＲ膜において、種々の磁気特性のうちもっとも変動しやすいパラメータはＨｉｎｔである。Ｈｉｎｔは中間層を介した固定層と自由層との間に働く磁界であることから、中間層膜厚による変動や中間層表面のラフネスによるオレンジピール効果、さらには動作温度や環境温度といった温度パラメータによって変動しやすいためである。そこで本発明で得られた最適な素子配置、発明例２の条件でＨｉｎｔ変動に対するθｅｒｒの変化挙動を計算した。結果を図１７に示す。ここで各素子のＨｉｎｔの値は、Ｒ１とＲ４（図２０の２１１ａと２１１ｄに相当）、Ｒ２とＲ３（同２１１ｂと２１１ｃ）、Ｒ５とＲ８（同２１３ａと２１３ｄ）、Ｒ６とＲ７（同２１３ｂと２１３ｃ）をそれぞれ等しく設定し、またＲ１とＲ２、Ｒ５とＲ６はそれぞれ符号が異なっている。例えばＲ１のＨｉｎｔ、すなわち（Ｈｉｎｔ＿Ｒ１）を＋０．８ｋＡ／ｍとした場合、Ｈｉｎｔ＿Ｒ２＝−０．８ｋＡ／ｍ、Ｈｉｎｔ＿Ｒ３＝−０．８ｋＡ／ｍ、Ｈｉｎｔ＿Ｒ４＝＋０．８ｋＡ／ｍである。図中横軸はＨｉｎｔ＿Ｒ５の値を示す。全てのＨｉｎｔは−０．８から＋０．８ｋＡ／ｍまで変化させた。Ｈｉｎｔ＿Ｒ１の値が小さくなるにつれθｅｒｒは小さくなり、Ｈｉｎｔ＿Ｒ５が概ねＨｉｎｔ＿Ｒ１の値と符号が逆転した値をとるときにθｅｒｒが最小を示している。またＨｉｎｔ＿Ｒ１が０．１６ｋＡ／ｍ以下の条件でθｅｒｒが１°以下となり、Ｈｉｎｔ＿Ｒ１が０．４ｋＡ／ｍ以上の場合でもＨｉｎｔ＿Ｒ５が±０．４ｋＡ／ｍ以内であればθｅｒｒが１°以下となっている。このことから、本発明の素子配置をとることで素子間のＨｉｎｔの変動が±０．４ｋＡ／ｍより小さい値であれば、Ｈｉｎｔによる角度誤差の増加を抑制できることは明らかである。すなわち、ＳＶＧＭＲ膜成膜時の中間層膜厚変動や、高温動作時のＨｉｎｔ変動に対して耐性の高い磁気センサを得ることが可能となる。
【００５６】
［実施形態４］
図１８には本発明に係る回転角度検出装置の構成を示す。該装置はパターニングしたＳＶＧＭＲ膜をブリッジ接続してなる磁気センサ３１と、径方向にＮＳ２極に着磁した円盤状の永久磁石３３とを対向して配置した。磁石取り付け冶具３４はシャフト３４ｂ（回転体）と機械的に接続され、永久磁石３３の回転に伴い漏洩磁界の分布が変化する。図１８中、１点鎖線は回転中心軸に相当する。永久磁石３３と磁気センサ３２間の実線の矢印３２は磁力線を表す。この構成によって、磁気抵抗効果素子面内方向の磁界変化を磁気センサで検出した。磁気センサ３１及びシャフト３４ｂを支持するフレームの図示は省略した。
このような構成の回転角度検出装置の磁気センサにおいて、本発明で得られた素子配置をとることにより、素子形状に起因するＨｋｄのばらつきや、ＳＶＧＭＲ膜特性に起因するＨｋならびにＨｉｎｔのばらつきなど、磁気センサ作成に係る変動に対して耐性が高い磁気センサを得ることができ、これを具備した高精度の回転角度検出装置を得ることができた。
【００５７】
本発明に係る他の回転角度検出装置の構成は、図１８において磁気センサ３１の位置を磁気センサ３１’の位置に変更したものである。磁気センサ３１’はその基板面が永久磁石の外周面と対向しており、前記基板面が回転中心軸と平行である。この構成も出力の歪を低減することができる。
【００５８】
図１９には、上述の磁気センサにおける、２個のブリッジ回路２０１，２０３を構成する素子の配置を示す。一方のブリッジ回路２０１は、基板（図示省略）上に４個のＳＶＧＭＲ素子２０１ａ〜２０１ｄをパターニングで形成すると共に、配線（太線で図示した）で素子を接続している。電源端子（Ｖｃｃ）には素子２０１ｃ及び素子２０１ｂを接続し、グランド端子（ＧＮＤ）には素子２０１ａ及び素子２０１ｄを接続し、一方の出力端子（Ｖｘ１）には素子２０１ａ及び素子２０１ｂを接続し、他方の出力端子（Ｖｘ２）には素子２０１ｄ及び素子２０１ｃを接続する。１点鎖線で示した軸２０２は固定層磁化方向と平行な向きを表わす。この軸２０２に対して、素子２０１ａの長手方向はθ＝４０°の角度で配置され、素子２０１ｂの長手方向は１４０°（ー４０°）の角度で配置されている（θは反時計方向の角度）。軸２０２に対して、素子２０１ｃの長手方向はθ＝４０°の角度で配置され、素子２０１ｄの長手方向は１４０°（ー４０°）の角度で配置されている。軸に平行にした各素子の固定層磁化方向は太い矢印で示す。固定層磁化方向が同一である組み合わせは、素子２０１ａと素子２０１ｃの組と、素子２０１ｂと素子２０１ｄの組である。
他方のブリッジ回路２０３は、素子２０３ａ〜２０３ｄを接続したものである。各素子は、ブリッジ回路２０１の各磁気抵抗効果素子の長手方向に対して直行する方向に形成されている。その軸２０４は、出力端子Ｖｙ１及びＶｙ２を結ぶ向きではなく、前記軸２０２と直交する向きになっている。各ブリッジ回路内で、固定層磁化方向が同じ方向である素子同士は、長手方向が平行となるように配置している（素子配置：平行）。
【００５９】
図２０には、２個のブリッジ回路２１１，２１３を構成する素子の配置を示す。各ブリッジ回路内で、固定層磁化方向が同じ方向である素子同士は、長手方向が非平行となるように配置している（素子配置：非平行）。図１９のブリッジにおいて、Ｖｘ１側の素子を縦方向の軸に対して反転させると、図２０の素子配置と同様になる。素子２１１ａ〜ｄ、２１３ａ〜ｄの形状は、図１９と同様、矩形である。
【００６０】
図２８には、図２０で示したブリッジ回路における素子配置をより具体的に示したものである。図中矢印ＸならびにＹはそれぞれ素子を形成したセンサチップの辺方向である。また図２９は図２８の素子配置を、ピン止め方向と共に模式的に示したものである。ピン止め方向を同じくする磁気抵抗効果素子３１１ａおよび３１１ｃ（図中点線で囲んである。以下同様。）の素子長手方向は、ピン止め方向に対し４０°の角度を為している。一方これらの素子とハーフブリッジを形成する磁気抵抗効果素子３１１ｂおよび３１１ｄも、同じようにピン止め方向に対し４０°の角度を為している。しかしながら、点線で括っている部分のように、３１１ａと３１１ｃならびに３１１ｂと３１１ｄの素子対はそれぞれ素子長手方向が平行ではないため、ＡＭＲ効果をキャンセルする素子配置となっている。
【００６１】
図２９において、素子３１１ｃと素子３１１ｂ及び素子３１３ａと素子３１３ｄは図形的に等価であることから、これらの素子配置を入れ替えたブリッジ回路を図３０に示す。この素子配置とした場合でも、素子長手方向とピン止め方向との関係は変わっていない。配線が交差する部分は、配線層間に絶縁層などを形成することでブリッジ間の絶縁を取ることができる。さらに図３１および図３２には別の素子配置の例を示す。図２９と比較して隣り合う素子と為す角度が異なっているが、素子長手方向とピン止め方向との関係は同じである。
【００６２】
このような素子の入れ替えはピン止め方向を成膜時に自由に設定できるＳＶＧＭＲ膜により実現可能であり、さらには成膜時の磁界印加方向を任意に設定できる成膜装置を用いることで、素子配置の自由度はさらに高まる。図３３は図２９の素子配置を素子面内方向に４５°回転させて形成したブリッジ回路である。各素子のピン止め方向を図２９からそれぞれ４５°回転させることにより、素子配置をさらに密にすることも可能である。すなわち、素子長手方向とピン止め方向との角度関係を最適に設定することにより、ＳＶＧＭＲ膜の特性変動に対して耐性が高く、自由な素子配置が可能で、出力歪が小さく角度誤差を低減できる磁気センサならびに回転角度検出装置を得ることができる。また、図３３の構成において一部の磁化の向きを変更することも可能であり、図３４に示す。さらに他の可能な例を図３５、図３６に示す。
【００６３】
なお、図３７には特許文献２に記載された素子配置の一例を示す。図３８には矢印１００に固定層の磁化方向が示されているが、ピン止め方向が９０°方向を向いた素子に対して反平行のピン止め方向を有する素子が存在しないため、この素子配置でブリッジ回路を形成しても出力端子からは同相の出力しか得られず、フルブリッジ出力が得られない。また、素子配置については図３８以外の構成については記載がなく、出力歪が最小となる素子配置について検討しているものではない。仮に図３８で示された方向と異なる方向にピン止め方向を設定し、本発明と同様の定義でピン止め方向を設定したとすると、素子間の相対角が９０°となるため、段落００３９で述べたように、この素子配置は本発明のθｄｉｐ＿Ｒ１＝４５°に相当する。この条件での角度誤差は図４に実線で示した値となり、３６≦θｄｉｐ＿Ｒ１＜４５°に設定することで従来技術より角度誤差や出力歪の小さい磁気センサが得られることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】磁気抵抗効果膜の構成を示す断面図である。
【図２】磁気抵抗効果素子が受ける磁気エネルギーの模式図である。
【図３】磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子をブリッジ接続した回路図を示す。
【図４】磁気抵抗効果素子のθｄｉｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。
【図５】磁気抵抗効果素子のθａｐｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。
【図６】磁気抵抗効果素子のθａｐｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。
【図７】磁気抵抗効果素子のθａｐｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。
【図８】磁気抵抗効果素子のθａｐｐによる角度誤差変化から高調波成分を計算より算出したグラフである。
【図９】磁気抵抗効果素子のθａｐｐによる角度誤差変化から高調波成分を計算より算出したグラフである。
【図１０】磁気抵抗効果素子のθｄｉｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。
【図１１】磁気抵抗効果素子のθｄｉｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。
【図１２】磁気抵抗効果素子のθｄｉｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。
【図１３】磁気抵抗効果素子のθｄｉｐによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。
【図１４】磁気抵抗効果素子のθａｐｐによる角度誤差変化から高調波成分を計算より算出したグラフである。
【図１５】磁気抵抗効果素子のθａｐｐによる角度誤差変化から高調波成分を計算より算出したグラフである。
【図１６】磁気抵抗効果素子のθａｐｐによる角度誤差変化から高調波成分を計算より算出したグラフである。
【図１７】磁気抵抗効果素子のＨｉｎｔによる角度誤差変化をシミュレーションにより算出したグラフである。
【図１８】回転角度検出装置の正面図を示す。
【図１９】磁気抵抗効果素子の配置形態を示す。
【図２０】磁気抵抗効果素子の別の配置形態を示す。
【図２１】直線で形成した磁気抵抗効果素子の形状を示す。
【図２２】円形で形成した磁気抵抗効果素子の形状を示す。
【図２３】円形で形成した磁気抵抗効果素子の別の形状を示す。
【図２４】半円で形成した磁気抵抗効果素子の形状を示す。
【図２５】半円で形成した磁気抵抗効果素子の別の形状を示す。
【図２６】六角形で形成した磁気抵抗効果素子の別の形状を示す。
【図２７】磁気抵抗効果膜の別の構成を示す断面図である。
【図２８】磁気抵抗効果素子の具体的な配置ならびにブリッジ回路構成を示す。
【図２９】磁気抵抗効果素子とピン止め方向の関係、及びブリッジ回路構成を示す。
【図３０】別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。
【図３１】別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。
【図３２】別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。
【図３３】別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。
【図３４】別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。
【図３５】別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。
【図３６】別の磁気抵抗効果素子の配置例を示す。
【図３７】公知例で示された素子配置の一例を示す。
【図３８】公知例で示された素子配置の一例を示す。
【符号の説明】
【００６５】
１０：基板
１１：下地膜
１２：固定層
１３：中間層
１４：自由層
１５：保護層
１２１：反強磁性層
１２２：第１の強磁性層
１２３：反平行結合層
１２４：第２の強磁性層
１４１：第１の強磁性層
１４２：第２の強磁性層
２１ａ〜２１ｄ、３１ａ〜３１ｄ：ＳＶＧＭＲ素子
３１：磁気センサ
３２：磁力線
３３：永久磁石
３４：磁石取り付け冶具
３４ｂ：シャフト
２０１，２０３，２１１，２１３：ブリッジ回路
２０１ａ〜２０１ｄ，２０３ａ〜２０３ｄ：ＳＶＧＭＲ素子
２１１ａ〜２１１ｄ，２１３ａ〜２１３ｄ：ＳＶＧＭＲ素子
２０２，２０４，２１２，２１４：軸
２２１，２３１，２４１，２５１，２６１：ＳＶＧＭＲ素子
２７１，２８１，２９１，３０１，３１１：ＳＶＧＭＲ素子
２２２：電流の方向
２２３：通電用端子
３１１ａ〜３１１ｄ，３１３ａ〜３１３ｄ：ＳＶＧＭＲ素子
【図１】
2010032484.tif 000016
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010032484.tif 000022
【図８】
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【図９】
2010032484.tif 000024
【図１０】
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【図１１】
2010032484.tif 000026
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2010032484.tif 000029
【図１５】
2010032484.tif 000030
【図１６】
2010032484.tif 000031
【図１７】
2010032484.tif 000032
【図１８】
2010032484.tif 000033
【図１９】
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【図２０】
2010032484.tif 000035
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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