(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石回転子と、前記磁石回転子からの磁束の方向を検出する磁気センサと、補正回路と、角度演算回路とを具備する回転角度検出装置であって、
前記磁気センサは、4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路X及び4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路Yを有し、
前記磁気抵抗効果素子の各々は、一方向に固定された磁化方向を有する固定層と、磁化方向が外部磁界方向に揃うように可変な自由層と、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を有し、
前記補正回路は、前記ブリッジ回路Xの出力電圧Vx及び前記ブリッジ回路Yの出力電圧Vyから差（Vx−Vy）及び和（Vx＋Vy）を算出するとともに、両者の振幅を同じに揃え、
前記角度演算回路は、前記補正回路から出力された同じ振幅を有する（Vx−Vy）’信号及び（Vx＋Vy）’信号から求めた（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’を逆正接演算することにより前記磁石回転子の回転角度を求めることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
磁石回転子と、前記磁石回転子からの磁束の方向を検出する磁気センサと、オペアンプ回路と、補正回路と、角度演算回路とを具備する回転角度検出装置であって、
前記磁気センサは、4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路X及び4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路Yを有し、
前記磁気抵抗効果素子の各々は、一方向に固定された磁化方向を有する固定層と、磁化方向が外部磁界方向に揃うように可変な自由層と、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を有し、
前記オペアンプ回路は、前記ブリッジ回路Xの出力電圧Vx及び前記ブリッジ回路Yの出力電圧Vyから差（Vx−Vy）及び和（Vx＋Vy）を算出し、
前記補正回路は前記オペアンプ回路から出力された（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号の振幅を同じに揃え、
前記角度演算回路は、前記補正回路から出力された同じ振幅を有する（Vx−Vy）’信号及び（Vx＋Vy）’信号から求めた（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’を逆正接演算することにより前記磁石回転子の回転角度を求めることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項３】
請求項1又は2に記載の回転角度検出装置において、前記磁気抵抗効果素子の少なくとも一つの長手方向がその固定層磁化方向に対して36°≦θ＜45°の条件を満たす鋭角θだけ傾いていることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項４】
請求項1〜3のいずれかに記載の回転角度検出装置において、前記ブリッジ回路X及び前記ブリッジ回路Yの各々における4個の磁気抵抗効果素子のうち、2個の磁気抵抗効果素子が固定層磁化方向に対して鋭角θだけ傾き、残りの2個が鋭角−θだけ傾いていることを特徴とす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により構成された磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサを具備する回転角度検出装置であって、磁気センサの製造ばらつき等による角度誤差を低減した回転角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転角等の変化を非接触で検出できる磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは、回転磁界に対して良好な検出感度を有することが要求される。高感度な磁気抵抗効果素子に、異方性を有する磁化固定層（単に「固定層」という）と、固定層の上に形成された磁気的結合を切る非磁性中間層と、非磁性中間層の上に形成された外部磁界により磁化方向が任意の方向に回転する自由層とを有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果（SVGMR）膜が用いられる。SVGMR膜を有する素子をホイートストンブリッジ状に接続すると、外部磁界の方向により出力電圧が変化する磁気センサが得られる。【０００３】
特開2001-159542号は、磁気抵抗素子を有する基板と、前記磁気抵抗素子を接続してブリッジ回路を構成する配線基板と、前記基板及び配線基板を保持するセンサホルダとを有し、前記センサホルダ上に前記基板を4の倍数だけ有するとともに、少なくとも2つの基板が配線基板面上で80〜100°傾斜している回転角度センサを開示している。この回転角度センサでは同一ウェハから切り出した4つの素子がブリッジ接続されているが、ウェハ面内でのバラツキを吸収できない。【０００４】
特表2003-502876号は同一ウェハ上に複数の感磁方向を有する素子を作製する方法を開示している。この方法では、所望の素子パターンを形成した後、ヒータで素子を局部的に加熱しながら外部磁界を印加することにより、固定層磁化方向を所望の方向に設定する。図41及び図42はこの方法により得られた素子の配置を示す。図42に拡大して示すように、矢印方向100には反平行の固定層磁化方向を有する素子が存在するが、矢印方向100と直交する矢印方向100’には反平行の固定層磁化方向を有する素子が存在しない。そのため、このような素子配置でブリッジ回路を形成しても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。また素子間の角度が90°である素子配置では、角度誤差及び歪みが小さい出力信号が得られない。【０００５】
特開2005-024287号はAMR効果をキャンセルするために長手方向が90°異なるパターンを接続した素子を開示している。また特許第3587678号はHkを低減した半円形状又は螺旋状の素子パターンを提案している。しかしこれらの構成はAMR効果をキャンセルしたりHkを低減したりするだけで、角度誤差を低減するために信号処理をしている訳ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って本発明の目的は、SVGMR素子を用いた磁気センサを具備する回転角度検出装置であって、磁気センサの製造ばらつき等による角度誤差を低減した回転角度検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一の回転角度検出装置は、磁石回転子と、前記磁石回転子からの磁束の方向を検出する磁気センサと、補正回路と、角度演算回路とを具備し、
前記磁気センサは、4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路X及び4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路Yを有し、
前記磁気抵抗効果素子の各々は、一方向に固定された磁化方向を有する固定層と、磁化方向が外部磁界方向に揃うように可変な自由層と、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を有し、
前記補正回路は、前記ブリッジ回路Xの出力電圧Vx及び前記ブリッジ回路Yの出力電圧Vyから差（Vx−Vy）及び和（Vx＋Vy）を算出するとともに、両者の振幅を同じに揃え、
前記角度演算回路は、前記補正回路から出力された同じ振幅を有する（Vx−Vy）’信号及び（Vx＋Vy）’信号から求めた（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’を逆正接演算することにより前記磁石回転子の回転角度を求めることを特徴とする。【０００８】
本発明の第二の回転角度検出装置は、磁石回転子と、前記磁石回転子からの磁束の方向を検出する磁気センサと、オペアンプ回路と、補正回路と、角度演算回路とを具備し、
前記磁気センサは、4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路X及び4個の磁気抵抗効果素子を接続したブリッジ回路Yを有し、
前記磁気抵抗効果素子の各々は、一方向に固定された磁化方向を有する固定層と、磁化方向が外部磁界方向に揃うように可変な自由層と、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を有し、
前記オペアンプ回路は、前記ブリッジ回路Xの出力電圧Vx及び前記ブリッジ回路Yの出力電圧Vyから差（Vx−Vy）及び和（Vx＋Vy）を算出し、
前記補正回路は前記オペアンプ回路から出力された（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号の振幅を同じに揃え、
前記角度演算回路は、前記補正回路から出力された同じ振幅を有する（Vx−Vy）’信号及び（Vx＋Vy）’信号から求めた（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’を逆正接演算することにより前記磁石回転子の回転角度を求めることを特徴とする。【０００９】
前記磁気抵抗効果素子の少なくとも一つの長手方向はその固定層磁化方向に対して36°≦θ＜45°の条件を満たす鋭角θだけ傾いているのが好ましい。【００１０】
ブリッジ回路X及びブリッジ回路Yの各々における4個の磁気抵抗効果素子のうち、2個の磁気抵抗効果素子は固定層磁化方向に対して鋭角θだけ傾き、残りの2個は鋭角−θだけ傾いているのが好ましい。ブリッジ回路X及びブリッジ回路Yの各々のハーフブリッジを構成する2個の磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向は反平行方向であるのが好ましい。【００１１】
ブリッジ回路Xの磁気抵抗効果素子の長手方向とブリッジ回路Yの磁気抵抗効果素子の長手方向とは直交しているのが好ましい。【００１２】
固定層磁化方向が同じ磁気抵抗効果素子を非平行に配置することによりAMR効果がキャンセルされ、角度誤差が抑制される。【００１３】
スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果膜における固定層―自由層間の交換結合磁界Hintは±0.4 kA/m以内であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の回転角度検出装置は、ブリッジ回路Xの出力電圧Vx及びブリッジ回路Yの出力電圧Vyから得た（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号の振幅を同じに揃えた後、（Vx−Vy）／（Vx＋Vy）を逆正接演算することにより、磁気センサの製造ばらつき等による角度誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】回転角度検出装置を概略的に示す側面図である。
【図２】磁気抵抗効果膜の層構成の一例を示す断面図である。
【図３】磁気抵抗効果膜の層構成の別の例を示す断面図である。
【図４】磁気抵抗効果素子が受ける磁気エネルギーを示す概略図である。
【図５（ａ）】直線状の磁気抵抗効果素子を示す概略図である。
【図５（ｂ）】九十九折り状の線状磁気抵抗効果素子を示す概略図である。
【図６（ａ）】複数の円を接続した形状の磁気抵抗効果素子の一例を示す概略図である。
【図６（ｂ）】複数の円を接続した形状の磁気抵抗効果素子の別の例を示す概略図である。
【図７（ａ）】一部を切り欠いた複数の円を接続した形状の磁気抵抗効果素子の一例を示す概略図である。
【図７（ｂ）】一部を切り欠いた複数の円を接続した形状の磁気抵抗効果素子の別の例を示す概略図である。
【図８（ａ）】複数の半円を接続した形状の磁気抵抗効果素子の一例を示す概略図である。
【図８（ｂ）】複数の半円を接続した形状の磁気抵抗効果素子の別の例を示す概略図である。
【図９（ａ）】複数の半円を接続した形状の磁気抵抗効果素子のさらに別の例を示す概略図である。
【図９（ｂ）】複数の半円を接続した形状の磁気抵抗効果素子のさらに別の例を示す概略図である。
【図１０（ａ）】複数の多角形を接続した形状の磁気抵抗効果素子の一例を示す概略図である。
【図１０（ｂ）】複数の多角形を接続した形状の磁気抵抗効果素子の別の例を示す概略図である。
【図１１】磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子のブリッジ回路を示す図である。
【図１２】位相ズレが0°の場合及び1°の場合におけるθerrとθappとの関係を示すグラフである。
【図１３】位相ズレが1°の場合及び位相ズレを補正した場合におけるθerrとθappとの関係を示すグラフである。
【図１４】本発明の回転角度検出装置の一例を示す概略図である。
【図１５】本発明の回転角度検出装置の別の例を示す概略図である。
【図１６】各ブリッジ回路における磁気抵抗効果素子の配置の一例を示す概略図である。
【図１７】磁気抵抗効果素子について、形状異方性方向θdipと角度誤差θerrの変化幅Δθerrとの関係を示すグラフである。
【図１８】試料1-1及び試料1-4の磁気抵抗効果素子について、基準軸に対する外部磁界Happの角度θappと角度誤差θerrとの関係を示すグラフである。
【図１９】試料1-4及び試料1-5の磁気抵抗効果素子について、θappとθerrとの関係を示すグラフである。
【図２０】試料1-1及び試料1-7の磁気抵抗効果素子について、θappとθerrとの関係を示すグラフである。
【図２１】試料1-1、試料1-4、試料1-5及び試料1-7の磁気抵抗効果素子の高調波成分を示すグラフである。
【図２２】試料1-1、試料1-4、試料1-5及び試料1-7の磁気抵抗効果素子の高調波発生率を示すグラフである。
【図２３】磁気抵抗効果素子の形状異方性Hkdを固定したときの各異方性磁界Hkにおける磁気抵抗効果素子のΔθerrとθdipとの関係を示すグラフである。
【図２４】Hkを固定したときの各Hkdにおける磁気抵抗効果素子のΔθerrとθdipとの関係を示すグラフである。
【図２５】AMR効果がある場合とない場合における磁気抵抗効果素子のΔθerrとθdipとの関係を示すグラフである。
【図２６】各ブリッジ回路における磁気抵抗効果素子の配置の別の例を示す概略図である。
【図２７】磁気抵抗効果素子が平行配置及び非平行配置の場合に、AMR効果を加味したΔθerrのθdip依存性を示すグラフである。
【図２８】磁気抵抗効果素子が平行配置の試料2-1、試料2-5及び試料2-7の高調波成分を示すグラフである。
【図２９】磁気抵抗効果素子が非平行配置の試料3-4及び試料3-5の高調波成分を示すグラフである。
【図３０】試料2-5及び試料3-5の高調波成分を示すグラフである。
【図３１】各Hint-R1における磁気抵抗効果素子のΔθerrとHint-R5との関係を示すグラフである。
【図３２】ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置の一例を示す概略図である。
【図３３】ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係の一例を示す概略図である。
【図３４】ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係の別の例を示す概略図である。
【図３５】ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係のさらに別の例を示す概略図である。
【図３６】ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係のさらに別の例を示す概略図である。
【図３７】ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係のさらに別の例を示す概略図である。
【図３８】ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係のさらに別の例を示す概略図である。
【図３９】ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係のさらに別の例を示す概略図である。
【図４０】ブリッジ回路を構成する磁気抵抗効果素子の配置及び固定層磁化方向の関係のさらに別の例を示す概略図である。
【図４１】特表2003-502876号に記載された磁気抵抗効果素子の配置を示す平面図である。
【図４２】図41の一部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を図面を参照して以下詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００１７】
[1] 回転角度検出装置
図1は回転角度検出装置の一例を示す。この装置は、SVGMR素子をブリッジ接続してなる磁気センサ31と、磁気センサ31に対向する直径方向に2極着磁した円盤状永久磁石33と、永久磁石33を固定する冶具34と、冶具34と一体的な回転シャフト34bとを具備し、永久磁石33が回転すると漏洩磁界が変化する。図1において一点鎖線は回転中心軸線を示し、永久磁石33と磁気センサ32と間の矢印32は磁力線を示す。SVGMR素子の面内方向の磁界変化を磁気センサ31で検出する。図1に示す回転角検出装置の他の例は、磁気センサが31から31’に移動したものである。磁気センサ31’の基板面は永久磁石33の外周面と対向し、前記回転中心軸線と平行な中心軸線を有する。
【００１８】
[2] 磁気センサ
図2はSVGMR膜の層構成の一例を概略的に示すが、各層の厚さの拡大倍率は必ずしも一定ではない。SVGMR膜は基板10上に順に形成された下地膜11、固定層12、中間層13、自由層14及び保護層15を有する。固定層12は下から順に反強磁性層121、第一の強磁性層122、反平行結合層123及び第二の強磁性層124を有し、自由層14は2層以上の強磁性層141、142を有する。固定層12は一方向に固定された磁化方向（一方向の磁気異方性）を有する。固定層磁化方向と、外部磁界により自由に回転する自由層14の磁化方向とがなす角度に応じて電気抵抗が変化する。
【００１９】
図3はSVGMR膜の層構成の別の例を示す。このSVGMR膜は図2に示すSVGMR膜から反強磁性層121を除いた層構成を有するので、固定層12の一方向磁気異方性は強磁性層122、124の反強磁性的結合によってのみ発現する。図3に示すSVGMR膜は、反強磁性層を規則化させて固定層を着磁する熱処理工程が不要であるだけでなく、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層の強磁性層のうち、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により、固定層磁化方向を印加磁界の方向に一致させることができる。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り、4方向の固定層磁化方向を有する素子を同一ウェハ上に形成する。
【００２０】
図4はSVGMR素子（磁気抵抗効果素子）が受ける磁気エネルギーを概略的に示す。θMは素子全体の磁化方向、θdipは形状異方性方向、θfreeは自由層の一軸磁気異方性方向を示す。SVGMR素子に外部磁界Happが印加されると、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の他、Hk、Hint等のSVGMR膜に起因する磁界の影響を受けて、Happとは異なる方向を向く。
【００２１】
SVGMR素子が受ける磁気エネルギーEtotalは下記式(1) により求められる。
Etotal＝Ekd＋Ek＋Eex＋Ez・・・(1)
ただし、EkdはSVGMR素子の形状磁気異方性エネルギーであり、Ekは自由層の磁気異方性エネルギーであり、EexはSVGMR膜の層間交換結合エネルギーであり、EzはSVGMR膜のゼーマンエネルギーであり、それぞれ下記式(2)〜(5) により表される。
Ekd＝Kud sin2(θM−θdip)・・・(2)
Ek＝Ku sin2(θM−θfree)・・・(3)
Eex＝−Hint・MScos(θM−θfree)・・・(4)
Ez＝−Happ・MScos(θapp−θM)・・・(5)
【００２２】
MSは自由層の磁化量を示し、磁気異方性定数Kud及びKuはそれぞれ下記式(6) 及び(7) により表される。
Kud＝(Hkd・MS)/2・・・(6) 
Ku＝(Hk・MS)/2・・・(7) 
【００２３】
Mの方向θMはEtotalが最小となるときに得られ、このθMを用いると、SVGMR素子の抵抗Rは下記式(8) で表される。
【数１】
0005387583.tif 000002
（ただし、RminはSVGMR素子の抵抗の最小値であり、dRはGMR効果起因の抵抗変化量であり、dR’はAMR効果起因の抵抗変化量である。）
式(8) の前半の項はGMR効果による抵抗変化を表し、後半の項はAMR効果による抵抗変化を表す。
【００２４】
形状異方性方向θdipはSVGMR素子の形状により決まり、素子の長手方向と一致する。例えば、図5(a) に示すように直線状（アスペクト比の大きい矩形状）のSVGMR素子221、又は図5(b) に示すように九十九折状のSVGMR素子231の場合、θdipは端子223，223’間を流れる電流の向き222（素子の長手方向）とほぼ一致する。図6(a) 及び図6(b) に示すように複数の円を接続した形状のSVGMR素子241，251の場合、θdipは端子223，223’間を流れる電流の向き222（素子の長手方向）と一致する。図7(a) 〜図10(b) に示すように一部を切り欠いた複数の円を接続した形状、複数の半円を接続した形状、及び複数の多角形を接続した形状のSVGMR素子261，271，281，291，301，311，321，331の場合も同様に、θdipは電流の向き222（素子の長手方向）と一致する。
【００２５】
図11は、SVGMR素子をブリッジ接続してなる磁気センサの等価回路を示す。各素子の固定層磁化方向は図中矢印で示す。素子21aと21c、素子21bと21d、素子31aと31c、及び素子31bと31dはそれぞれ同じ固定層磁化方向を有する。また素子21aと21b、及び素子31aと31bはそれぞれ反平行（180°逆方向）の固定層磁化方向を有し、素子21aと31aは90°異なる固定層磁化方向を有する。素子21a〜21dはブリッジ回路Xを構成し、素子31a〜31dはブリッジ回路Yを構成する。実際のブリッジ回路では、素子21aと31a、素子21bと31b、素子21cと31c、及び素子21dと31dはそれぞれ互いに直交するように配置されている。特に断らなければ、素子と固定層磁化方向との角度は、素子の長手方向と固定層磁化方向との角度をいう。ブリッジ回路から出力される電圧Vx1、Vx2、Vy1、Vy2はそれぞれ下記式(9)〜(12) により表される。
【数２】
0005387583.tif 000003
（ただし、R21a〜R21d、及びR31a〜R31dはそれぞれ素子21a〜21d、31a〜31dの抵抗を示す。）
【００２６】
Vx1−Vx2から出力電圧Vxが得られ、Vy1−Vy2から出力電圧Vyが得られる。Vx及びVyはほぼ正弦波又は余弦波の波形を有する。Vx及びVyから逆正接演算により得られた角θcalcと、基準軸に対するHappの角度θappとの差が磁気センサの角度誤差θerrである。
【００２７】
[3] 信号処理回路
本発明の回転角度検出装置に用いる信号処理回路には、(a) 補正回路と、角度演算回路とを具備する第一の信号処理回路と、(b) オペアンプ回路と、補正回路と、角度演算回路とを具備する第二の信号処理回路とがある。
【００２８】
(1) 原理
第一及び第二の信号処理回路のいずれも、磁気センサの製造ばらつき等による角度誤差を低減することができる。例えば、ブリッジ回路Xの出力Vxとブリッジ回路Yの出力Vyとの位相差がπ/2ではなく、製造ばらつき等によりπ/2±Δとなることがある。図12は、試料3-4のブリッジ回路Xとブリッジ回路Yとの位相差π/2±Δにおいて、Δが0°の場合と1°の場合での角度誤差θerrとθapp（基準軸に対するHappの角度）との関係を示す。図12からΔにより角度誤差が増大することが分かる。
【００２９】
このような場合、下記の補正によりΔの影響を無くすことができる。ブリッジ回路Xの出力Vx及びブリッジ回路Yの出力Vyは式(13) 及び(14) により表される。
Vx＝cosθapp  ・・・(13)
Vy＝cos (θapp−π/2＋Δ)   ・・・(14)
【００３０】
（Vx−Vy）及び（Vx＋Vy）は、式(15) 及び(16) に示す通り位相差がπ/2の2つの信号である。
Vx−Vy＝2 sin (π/4−Δ/2) sin (θapp−π/4＋Δ/2)   ・・・(15)
Vx＋Vy＝2 cos (π/4−Δ/2) cos (θapp−π/4＋Δ/2)   ・・・(16)
【００３１】
（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号の振幅を同じに揃えて（規格化して）、（Vx−Vy）’ 信号及び（Vx＋Vy）’ 信号を生成し、それらの比（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’を演算する。（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’＝sin (θapp−π/4＋Δ/2)／cos (θapp−π/4＋Δ/2)であるので、角度θは次式(17) により表される。
【数３】
0005387583.tif 000004
【００３２】
式(17)は、初期位相は異なるが、θappを誤差なく検出することを示す。図13は位相ズレを補正した場合の角度誤差θerrとθappとの関係を示す。補正後の角度誤差θerrは、図12に示す試料3-4のθerrの波形に戻っており、位相ズレを完全に打ち消すことができる。
【００３３】
(2) 第一の信号処理回路
図14は位相ズレを打ち消す第一の信号処理回路40を示す。回転角度検出装置は、シャフトに固定した2極磁石33を有する回転子と、2極磁石33の近傍に配置された磁気センサ31とを有する。信号処理回路40は、磁気センサ31内のブリッジ回路X，Yの出力電圧Vx，Vyを入力するオペアンプ41a、41bと、オペアンプ41a、41bの出力を入力するA-D変換補正回路42と、A-D変換補正回路42の出力を入力する角度演算回路43とを有する。オペアンプ41aは出力電圧Vx，Vy からVx−Vyを演算し、オペアンプ41bは出力電圧Vx，Vy からVx＋Vyを演算する。A-D変換補正回路42は、オペアンプ41a，41bの（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号を入力して、アナログ−デジタル変換するとともに、それらの振幅が同じとなるように補正し、振幅が同じ（Vx−Vy）’信号及び（Vx＋Vy）’信号を出力する。角度演算回路43は、補正回路42から出力された（Vx−Vy）’信号及び（Vx＋Vy）’信号を入力し、（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’の逆正接演算を行って角度θを求める。
【００３４】
補正回路42により（Vx−Vy）信号と（Vx＋Vy）信号の振幅を同じに揃えるには、（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号の双方の振幅を補正する場合と、一方の信号の振幅のみ補正する場合とがある。前者の場合、例えば補正回路42に入力された（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号の振幅をそれぞれC1倍及びC2倍し、同じ振幅を有するC1（Vx−Vy）信号及びC2（Vx＋Vy）信号とする。この場合、（Vx−Vy）’＝C1（Vx−Vy）であり、（Vx＋Vy）’＝C2（Vx＋Vy）である。後者の場合、例えば補正回路42に入力された（Vx−Vy）信号の振幅をC3倍し、同じ振幅を有するC3（Vx−Vy）信号及び（Vx＋Vy）信号とする。この場合、（Vx−Vy）’＝C3（Vx−Vy）であり、（Vx＋Vy）’＝（Vx＋Vy）である。
【００３５】
(3) 第二の信号処理回路
図15は位相ズレを打ち消す第二の信号処理回路40’を示す。回転角度検出装置は図14に示すものと同じである。信号処理回路40’は、磁気センサ31内のブリッジ回路X，Yから出力電圧Vx，Vyを入力し、アナログ−デジタル変換した後、（Vx−Vy）及び（Vx＋Vy）を演算するとともにそれらの振幅補正をするA-D変換補正回路42’と、A-D変換補正回路42’の出力（Vx−Vy）’，（Vx＋Vy）’を入力して、（Vx−Vy）’／（Vx＋Vy）’の逆正接演算により角度θを求める角度演算回路43とを有する。第二の信号処理回路40’では、第一の信号処理回路40におけるオペアンプ41a，41bとA-D変換補正回路の機能をA-D変換補正回路42’で行う。
【００３６】
[4] 磁気センサの好ましい例
例1
図16は、SVGMR素子のブリッジ回路X及びブリッジ回路Yを有する磁気センサの一例を示す。図示の素子配置は後述する表1の試料1-3に相当する。ブリッジ回路Xでは、基板上に4個の矩形状SVGMR素子201a〜201dが形成されており、素子201b及び201cは電源端子Vccに接続されており、素子201a及び201dはグランド端子GNDに接続されており、素子201a及び201bは一方の出力端子Vx1に接続されており、素子201c及び201dは他方の出力端子Vx2に接続されている。矢印で示す固定層磁化方向と平行な軸線202に対して、素子201a〜201dの長手方向は角度θdip-R1〜θdip-R4だけ傾斜している。ブリッジ回路Yでは、基板上に4個の矩形状SVGMR素子203a〜203dが形成されており、それぞれブリッジ回路Xの対応する素子201a〜201dに対して直交している。軸線202と直交する軸線204に対して各素子の固定層磁化方向は平行であるが、長手方向は角度θdip-R5〜θdip-R8だけ傾斜している。図16に示す磁気センサでは、固定層磁化方向が同じ素子の長手方向は平行である。各素子201a〜201d、203a〜203dのθdip-R1〜θdip-R4及びθdip-R5〜θdip-R8は以下の関係を満たす。
素子201aのθdip-R1＝素子201cのθdip-R3
素子201bのθdip-R2＝素子201dのθdip-R4
θdip-R1＝−θdip-R2
素子203aのθdip-R5＝素子203cのθdip-R7
素子203bのθdip-R6＝素子203dのθdip-R8
θdip-R5＝−θdip-R6
【００３７】
ブリッジ回路Xの右方向を0°とし、ブリッジ回路Yの上方向を0°として、各素子201a〜201d、203a〜203dのθdipを表1（素子の反時計方向角度を「＋」で表し、括弧内にθdip−180°の値を示す。）に示すように変化させ、配置角度θdipが角度誤差θerrの変化幅（Δθerr）に与える影響をシミュレーションにより求めた。Δθerrは、θappを0°から360°まで変化させたときのθerrの最大値から最小値を引いた値である。このシミュレーションでは、Ms＝800 emu/cc、Hk＝0.16 kA/m、Hkd＝1.6 kA/m、及びHapp＝24 kA/mとし、各素子のθfreeと固定層磁化方向との角度を90°とし、GMR比を示すdR/Rを10％とし、dR’を0とし、AMR効果を加味しなかった。結果を表2及び図17に示す。図17に示すθdip-R1は表1に示す素子201aの配置角度θdipである。Δθerrが大きいほど、磁気センサの角度誤差は大きい。
【００３８】
【表１】
0005387583.tif 000005
【００３９】
表1に示す素子201aの配置角度θdip-R1が35°〜45°の時のΔθerrを表2に示す。素子201aの配置角度θdip-R1が＋40°及び＋140°（−40°）の場合（試料1-4及び1-9）、Δθerrは0.0762°と最小であった。素子201aの配置角度θdip-R1が＋140°（−40°）の場合も、ハーフブリッジを構成する相手方の素子201bの配置角度θdip-R2が−140°（＋40°）である。
【００４０】
【表２】
0005387583.tif 000006
【００４１】
試料1-1ではΔθerrは約1.8°であった。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。図17及び表2から、素子配置角度θdipを36°≦θdip-R1＜45°の条件を満たすように設定することにより、角度誤差が小さく、従って出力歪の小さい磁気センサが得られることが分かる。好ましいθdipは37〜43°であり、より好ましいθdipは39〜42°である。
【００４２】
素子配置角度θdipが45°のブリッジ回路を用いて磁気センサを構成すると、SVGMR素子自身の磁気特性（層間結合磁界Hint及び異方性磁界Hk）のばらつきにより、角度誤差（磁気センサの出力から得る回転角度の誤差）が増加する。これに対して、36°≦θdip-R1＜45°とすることにより、磁気センサの出力における角度誤差を減らすことができる。
【００４３】
試料1-1、試料1-4、試料1-5及び試料1-7におけるθerrのθapp依存性をシミュレーションにより求めた。結果をそれぞれ図18〜図20に示す。試料1-5は特表2003-502876号及び特開2005-024287号に記載の素子配置に相当する。θerrは試料1-4では最大でも約0.04°であるが、試料1-1及び試料1-7では最大で約0.9°〜1.0°であり、試料1-5では約0.19°であった。試料1-4と試料1-5とでは、θdipの差が5°でもθerrは大きく異なる。また試料1-1と試料1-7とでは、同じような素子配置にもかかわらず、θdipと固定層磁化方向との関係が異なるのでθerrのθapp依存性が異なっている。これらの結果から、θdipと固定層磁化方向との関係に応じてθerrが大きく異なることが分かる。
【００４４】
この傾向をさらに詳細に検討するため、試料1-1、試料1-4、試料1-5及び試料1-7におけるθerrのフーリエ級数展開による高調波解析を行い、5次高調波まで求めた。1次高調波及び2次高調波はより高次の高調波に比べて圧倒的に小さく、またθdip依存性も小さいので、3次〜5次の高調波のみ図21及び図22に示す。θerrが小さい試料1-4では全ての高調波が非常に小さく、発生率は3次高調波及び5次高調波がそれぞれ4割程度、かつ4次高調波が2割程度であった。一方、θerrが大きい試料1-1、試料1-5及び試料1-7では4次高調波が大きく、発生率は4次高調波が8割程度、3次高調波及び5次高調波がそれぞれ1割程度であった。特に試料1-1及び試料1-7のように、θdipが固定層磁化方向と直角又は平行な場合、非常に大きな4次高調波が存在した。従って、4次高調波の低減がθerrの低減に大きく寄与することが分かる。
【００４５】
SVGMR膜を用いた磁気センサにおいて、式(2) 及び(3) にsin2θの項が存在するので、4次高調波が発生する主因は素子形状及び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。Hkdを1.6 kA/mに固定し、自由層の磁気異方性Hkを0.16 kA/mから3.2 kA/mまで変化させたときのΔθerrのθdip依存性をシミュレーションにより求めた。結果を図23に示す。Hkの低下に伴ってΔθerrのθdip依存性は低下した。Δθerrの極小値はHkによらずほぼ同じ（約0.07〜0.3°）であるが、Δθerrが極小となるθdipはほぼ30〜40°の範囲にあった。またHkがHkd（＝1.6 kA/m）と等しくなる条件ではHkとHkdがキャンセルしあうため、θdip＝0°でΔθerrは極小となった。
【００４６】
Hkを0.16 kA/mに固定し、Hkdを0.16 kA/mから3.2 kA/mまで変化させたときのΔθerrのθdip依存性をシミュレーションにより求めた。結果を図24に示す。Hkを変化させた場合と同様に、Hkdの低下に伴いΔθerrのθdip依存性は低下し、Δθerrが極小となるθdipもほぼ30〜40°の範囲にあった。Δθerr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Δθerrが極小となる。このようにHk及び／又はHkdを低減することにより角度誤差を小さくできることが分かる。
【００４７】
Hkは自由層に用いる材料により一義的に決まる。本例ではHkを0.16 kA/m（自由層に一般的に用いられるNiFeのHk）としたが、より低いHkを有する材料を用いると、ヒステリシスに影響を与える保磁力等が変化する可能性がある。また非磁性層を介した2層の強磁性層で構成する積層フェリ自由層を用いると巨視的なHkを小さくできるが、膜厚増加による分流損増加や感度低下を招きかねない。さらにSVGMR素子は有限の長さを有するので、素子形状に依存するHkdを0に近づけのは容易でない。しかし、固定層磁化方向に対する角度θdipを例えば40°にすることにより、SVGMR膜の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でき、もって検出精度の高い回転角度検出装置を得ることができる。
【００４８】
例2
SVGMR素子の抵抗を大きくして磁気センサの消費電力を抑えるために、素子の長手方向寸法を数十〜100μm程度にすることがある。このように素子を長くするとSVGMR膜の自由層の形状異方性が大きくなり、自由層のAMR効果が無視できない。そこで、例1と同じ素子配置の磁気センサにおいてθdipを表3（素子の反時計方向角度を「＋」で表し、括弧内にθdip−180°の値を示す。）に示す通り変化させて、AMR効果を加味した場合及び加味しない場合のΔθerrをシミュレーションにより求めた。結果を図25に示す。式(8) において、SVGMR膜に対する自由層の膜厚比及びNiFe膜の比抵抗から、AMRに寄与する抵抗値を7500Ωと仮定し、かつAMR比を0.3％と仮定してdR’を22.5Ωと見積もった。試料2-5は特表2003-502876号及び特開2005-024287号に記載の素子配置である。
【００４９】
【表３】
0005387583.tif 000007
【００５０】
AMR効果を加味する場合、Δθerrは試料2-1（θdip＝0°）及び試料2-7（θdip＝90°）で約2.6°と極小であり、試料2-5（θdip＝45°）で約47°と極大であった。いずれの素子配置でも同一ブリッジ内の各素子対（例えば201aと201c、及び201bと201d）において電流が逆方向となっているので、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及び自由層の磁化容易軸に依存する。
【００５１】
図26はAMR効果の抑制に効果的な磁気センサを示す。図26において、ブリッジ回路Xの固定層磁化方向は水平方向であり、ブリッジ回路Yの固定層磁化方向は上下方向である。ブリッジ回路Xにおいて、素子211aと211cの固定層磁化方向が同じであり、素子211bと211dの固定層磁化方向が同じである。ブリッジ回路Yについても同様である。各ブリッジ内で固定層磁化方向が同じ素子の長手方向は非平行である。各素子211a〜211d、213a〜213dは図16と同様に矩形状である。
【００５２】
ブリッジ回路X（素子211a〜211d）及びブリッジ回路Y（素子213a〜213d）における各素子のθdipは以下の通りである。
素子211aのθdip-R1＝素子211dのθdip-R4
素子211bのθdip-R2＝素子211cのθdip-R3
θdip-R1＝−θdip-R2
素子213aのθdip-R5＝素子213dのθdip-R8
素子213bのθdip-R6＝素子213cのθdip-R7
θdip-R5＝−θdip-R6
【００５３】
ブリッジ回路Xの右方向を0°とし、及びブリッジ回路Yの上方向を0°として、各素子211a〜211d、213a〜213dのθdipをそれぞれ表4（素子の時計方向角度を「＋」で表し、括弧内にθdip−180°の値を示す。）に示すように変化させ、AMR効果を加味したΔθerrのθdip依存性をシミュレーションにより求めた。結果を図27に示す。また素子211aの配置角度θdip-R1が35〜45°のときのΔθerrを表5に示す。
【００５４】
【表４】
0005387583.tif 000008
【００５５】
【表５】
0005387583.tif 000009
【００５６】
各ブリッジ回路内で固定層磁化方向が同じ素子の長手方向が非平行であると（電源端子側のハーフブリッジの2つの平行な磁気抵抗効果素子と、接地端子側のハーフブリッジの2つの平行な磁気抵抗効果素子とが非平行であると）、ΔθerrはAMR効果を加味しない場合（図17に相当）と同程度に小さく、特にθdipが40°の試料3-4ではΔθerrは0.1317°と小さかった。一方、固定層磁化方向が同じ素子が互いに直交する試料3-5の配置（θdip＝45°の試料3-5）ではΔθerrは0.3435°であった。これから、θdipが45°のブリッジ回路より、θdipが38°以上45°未満のブリッジ回路の方が角度誤差が小さいことが分かる。固定層磁化方向が同じ素子が非平行な磁気センサの場合、好ましいθdipは39〜44°であり、より好ましいθdipは40〜43°である。
【００５７】
角度誤差の低減効果についてさらに詳細に検討するため、θerrの5次までの高調波解析を行った。素子が平行配置の試料2-1，試料2-5，及び試料2-7の高調波解析結果を図28に示し、素子が非平行配置の試料3-4及び試料3-5の高調波解析結果を図29に示す。素子が平行配置の場合、θerrが比較的小さい試料2-1及び試料2-7で現れる高調波はほぼ全て4次である。一方θerrが大きい試料2-5では5次までの高調波が全て含まれており、1次と3次の高調波が特に大きいことが分かる。式(8) からAMR効果は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次が大きくなったと推測される。素子が非平行配置の試料3-4及び試料3-5はいずれも4次以外の高調波がほとんどなく、かつ4次高調波については試料3-4の方が著しく小さい。
【００５８】
図30はθdipが45°で素子が平行配置の試料2-5と、θdipが45°で素子が非平行配置の試料3-5の高調波を示す。素子が非平行配置された試料3-5では4次以外の高調波がほぼ0であり、また4次高調波も素子が平行配置された試料2-5のほぼ半分であった。これから、θerrの低減には1次又は3次の高調波をほぼ0にするとともに、4次高調波を著しく低減することが必要であることが分かる。
【００５９】
例3
SVGMR膜において最も変動しやすい磁気特性はHint（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。Hintは、中間層の膜厚変動、中間層の表面粗さによるいわゆる「オレンジピール効果」、動作温度や環境温度等の温度に応じて変動しやすい。そこで最適な素子配置の条件（試料3-4）でHintとΔθerrとの関係を求めるために、図26に示す磁気センサにおいて下記条件で素子213aのHint（Hint-R5）を−0.8 kA/mから＋0.8 kA/mまで変化させたときのΔθerrを、Hint-R1が0 kA/m，0.08 kA/m，0.16 kA/m，0.40 kA/m，及び0.80 kA/mの場合についてそれぞれシミュレーションにより計算した。結果を図31に示す。
素子211aのHint-R1＝素子211dのHint-R4
素子211bのHint-R2＝素子211cのHint-R3
Hint-R1＝−Hint-R2
素子213aのHint-R5＝素子213dのHint-R8
素子213bのHint-R6＝素子213cのHint-R7
Hint-R5＝−Hint-R6
【００６０】
ΔθerrはHint-R1が小さい方が小さく、かつHint-R5の符号が反転するときにほぼ最小であった。Hint-R1が0.16 kA/m以下ではΔθerrは1°以下であり、またHint-R1が0.4 kA/m以上でもHint-R5が±0.4 kA/m以内であればΔθerrは1°以下であった。これから、本発明の磁気センサでHintの変動が±0.4 kA/m以内であれば角度誤差を抑制でき、もって中間層の膜厚変動や高温時のHint変動があっても角度誤差が小さい磁気センサが得られることが分かる。
【００６１】
例4
図32は、図26に示すブリッジ回路における素子配置の具体的な一例を示す。図中矢印X及びYは素子を形成したセンサチップの辺方向を示す。図33は図32の素子配置を固定層磁化方向（矢印で示す）とともに概略的に示す。固定層磁化方向が同じ素子311aと311c、素子311bと311d（例として点線で囲まれている）、・・・等は固定層磁化方向に対して所望の角度（例えば±40°）にある。しかし、素子311aと311c、及び素子311bと311dはそれぞれ平行でないので、AMR効果をキャンセルする。
【００６２】
図33において素子311cと311b、及び素子313aと313dは等価であるので、素子313aと素子313dを入れ替えても、図34に示すように素子の長手方向と固定層磁化方向との関係は変わっていない。配線が交差する部分には絶縁層を介在させて、ブリッジ間の絶縁を取る。図35及び図36は別の素子配置例を示す。図35及び図36の例は図33に示す例と隣り合う素子の角度が異なるが、素子の長手方向と固定層磁化方向との関係は同じである。
【００６３】
このような素子の交換は固定層磁化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と素子配置の自由度はさらに高まる。図37は図33の素子を面内に45°回転させたブリッジ回路を示す。各素子を図33から45°回転させることにより、素子の配置をさらに密にすることができる。すなわち、素子長手方向と固定層磁化方向との関係を最適化することにより、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及び回転角検出装置を得ることができる。また図37の構成において一部の磁化の向きを図38に示すように変更することもできる。図39及び図40はさらに別の例を示す。
【図１】
0005387583.tif 000010
【図２】
0005387583.tif 000011
【図３】
0005387583.tif 000012
【図４】
0005387583.tif 000013
【図５（ａ）】
0005387583.tif 000014
【図５（ｂ）】
0005387583.tif 000015
【図６（ａ）】
0005387583.tif 000016
【図６（ｂ）】
0005387583.tif 000017
【図７（ａ）】
0005387583.tif 000018
【図７（ｂ）】
0005387583.tif 000019
【図８（ａ）】
0005387583.tif 000020
【図８（ｂ）】
0005387583.tif 000021
【図９（ａ）】
0005387583.tif 000022
【図９（ｂ）】
0005387583.tif 000023
【図１０（ａ）】
0005387583.tif 000024
【図１０（ｂ）】
0005387583.tif 000025
【図１１】
0005387583.tif 000026
【図１２】
0005387583.tif 000027
【図１３】
0005387583.tif 000028
【図１４】
0005387583.tif 000029
【図１５】
0005387583.tif 000030
【図１６】
0005387583.tif 000031
【図１７】
0005387583.tif 000032
【図１８】
0005387583.tif 000033
【図１９】
0005387583.tif 000034
【図２０】
0005387583.tif 000035
【図２１】
0005387583.tif 000036
【図２２】
0005387583.tif 000037
【図２３】
0005387583.tif 000038
【図２４】
0005387583.tif 000039
【図２５】
0005387583.tif 000040
【図２６】
0005387583.tif 000041
【図２７】
0005387583.tif 000042
【図２８】
0005387583.tif 000043
【図２９】
0005387583.tif 000044
【図３０】
0005387583.tif 000045
【図３１】
0005387583.tif 000046
【図３２】
0005387583.tif 000047
【図３３】
0005387583.tif 000048
【図３４】
0005387583.tif 000049
【図３５】
0005387583.tif 000050
【図３６】
0005387583.tif 000051
【図３７】
0005387583.tif 000052
【図３８】
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【図３９】
0005387583.tif 000054
【図４０】
0005387583.tif 000055
【図４１】
0005387583.tif 000056
【図４２】
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