(57)【要約】【課題】出力電圧の測定精度を高めることで、検出精度を向上させる磁気センサを提供する。【解決手段】外部磁界の方向を検出するための磁気センサ１は、それぞれが少なくとも１つの磁気抵抗効果素子からなる４つの抵抗素子部１１−１４によって構成され、外部磁界の方向に応じて出力が変化するようになっているブリッジ回路１０と、ブリッジ回路１０の各出力端子Ａ，Ｃにそれぞれ接続された２つの抵抗体２１，２２と、を有し、各抵抗素子部１１−１４の抵抗値が磁気抵抗変化により最小値となった時のブリッジ回路１０の抵抗値に対する、各抵抗体２１，２２の抵抗値の比が２以上である。【選択図】図１
2011027683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁界の方向を検出するための磁気センサであって、
それぞれが少なくとも１つの磁気抵抗効果素子からなる４つの抵抗素子部によって構成され、前記外部磁界の方向に応じて出力が変化するようになっているブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の各出力端子にそれぞれ接続された２つの抵抗体と、を有し、
前記各抵抗素子部の抵抗値が磁気抵抗変化により最小値となった時の前記ブリッジ回路の抵抗値に対する、前記各抵抗体の抵抗値の比が２以上である、磁気センサ。
【請求項２】
前記各抵抗素子部の抵抗値が磁気抵抗変化により最小値となった時の前記ブリッジ回路の抵抗値に対する、前記各抵抗体の抵抗値の比が１２以上である、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子が、前記外部磁界に対して磁化方向が固定されたピンド層と、前記外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層と、前記ピンド層と前記フリー層との間に挟まれたスペーサ層と、を有し、互いに隣接する前記抵抗素子部間の前記ピンド層の磁化方向が互いに反平行である、請求項１または２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記磁気抵抗効果素子が、前記スペーサ層としてトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子である、請求項３に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記抵抗素子部が、互いに直列に接続された複数の前記磁気抵抗効果素子からなる、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子によって構成されたブリッジ回路を備えた磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両のステアリングホイールなどの回転体の回転角度を検出するためのセンサとして、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）によって構成され、外部磁界の方向に応じて出力が変化するようになっているブリッジ回路を備えた磁気センサが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような磁気センサでは、磁石などを設置することで、回転体の回転に応じて外部磁界の方向が変化するようになっており、その外部磁界の方向を検出することで、回転体の回転角度の検出が行われている。このため、当然のことながら、外部磁界の方向を高精度で検出することが要求されており、そのために、ＭＲ素子によって構成されたブリッジ回路からの出力電圧をより正確に測定するための対策が行われている。
【０００４】
例えば、特許文献２には、４つのＭＲ素子によって構成されたブリッジ回路と、このブリッジ回路に接続され、このブリッジ回路と相反する温度特性を有するゲイン決定用帰還抵抗を備えた増幅回路と、を含む磁気センサが開示されている。このような磁気センサでは、ブリッジ回路と相反する温度特性を有するゲイン決定用帰還抵抗によって、温度変化による出力電圧の変化が抑制されており、それにより、温度による感度の変化を補正して、磁気センサの検出精度を高めることが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２８３０７０号公報
【特許文献２】特開２００９−１１５６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の対策は、出力電圧の測定時に、磁気センサのブリッジ回路から外部装置（増幅回路）へ流れ込む分流電流によって、ブリッジ回路のバランスが崩れ、それにより出力電圧の測定値自体に誤差が生じることに対しては考慮されていない。
【０００７】
そこで本発明は、出力電圧の測定精度を高めることで、検出精度を向上させる磁気センサ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】
【０００８】
上述した目的を達成するために、本発明の磁気センサは、外部磁界の方向を検出するための磁気センサであって、それぞれが少なくとも１つの磁気抵抗効果素子からなる４つの抵抗素子部によって構成され、外部磁界の方向に応じて出力が変化するようになっているブリッジ回路と、ブリッジ回路の各出力端子にそれぞれ接続された２つの抵抗体と、を有し、各抵抗素子部の抵抗値が磁気抵抗変化により最小値となった時のブリッジ回路の抵抗値に対する、各抵抗体の抵抗値の比が２以上である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、出力電圧を測定するための外部装置に流れる分流電流を低減することができ、それにより、出力電圧の測定精度を高めることで、検出精度を向上させる磁気センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態における磁気センサの構成を示す回路図である。
【図２】ブリッジ回路の最小抵抗値に対する第１の抵抗体の抵抗値の比に対して、角度誤差をプロットした図である。
【図３】角度誤差の温度依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明の磁気センサの一実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態の磁気センサの構成を示す回路図である。
【００１３】
本実施形態の磁気センサ１は、それぞれが同一の磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）１１−１４からなる４つの抵抗素子部によって構成されたブリッジ回路１０を備えている。このブリッジ回路１０は、後述するように、外部磁界の方向に応じて出力を変化させるように構成されており、この出力は、外部接続端子３１，３２を通じて、外部接続端子３１，３２に接続された外部装置によって読み出される。
【００１４】
ブリッジ回路１０は、第１および第２のＭＲ素子１１，１２の直列回路と、第３および第４のＭＲ素子１３，１４の直列回路とが並列に接続された並列回路によって構成されている。２つの直列回路の接続点Ｂ，Ｄがそれぞれ、ブリッジ回路１０の入力端子である。第１の入力端子である第１のＭＲ素子１１と第４のＭＲ素子１４との接続点Ｄは、電源などに接続されて、印加電圧ＶCCが入力され、第２の入力端子である第２のＭＲ素子１２と第３のＭＲ素子１３との接続点Ｄは接地されている。
【００１５】
各ＭＲ素子１１−１４は、一般的なスピンバルブ型の膜構成、すなわち、外部磁界に対して磁化方向が固定されたピンド層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層と、ピンド層とフリー層との間に挟まれたスペーサ層と、を有している。フリー層の磁化方向は、ピンド層の磁化方向に対して、外部磁界に応じた相対角度をなし、相対角度に応じて伝導電子のスピン依存散乱が変化して磁気抵抗変化が生じることになる。また、各ＭＲ素子１１−１４は、４つのＭＲ素子１１−１４によって規定されるブリッジ回路１０の平面と各ＭＲ素子１１−１４の膜面とがほぼ平行となるように配置されている。
【００１６】
各ＭＲ素子１１−１４のピンド層の磁化方向は、図１の斜線を付した矢印で示すように、隣接する素子間では、互いに反平行となっている。そのため、第１および第４のＭＲ素子１１，１４と、第２および第３のＭＲ素子１２，１３との間では、ピンド層の磁化方向とフリー層の磁化方向との相対角度に差が生じることとなり、外部磁界の変化に対する応答（磁気抵抗変化）はそれぞれ異なってくる。このことにより、本実施形態の磁気センサ１では、後述するように、外部磁界の検出が可能となっている。
【００１７】
各ＭＲ素子１１−１４としては、スペーサ層としてトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子）であることが好ましい。これにより、ＭＲ変化率が大きいＴＭＲ素子によってブリッジ回路が構成されることで、ブリッジ回路の出力電圧を大きくすることが可能となる。そのため、このようなブリッジ回路を備えた磁気センサでは、増幅回路を用いることなく高精度の測定が可能となる。
【００１８】
さらに、磁気センサ１は、ブリッジ回路１０の他に、ブリッジ回路１０の各出力端子Ａ，Ｃにそれぞれ接続された２つの抵抗体２１，２２を有している。第１の抵抗体２１は、ブリッジ回路１０の第１の出力端子である第１のＭＲ素子１１と第２のＭＲ素子１２との接続点Ａに接続され、第２の抵抗体２２は、第２の出力端子である第３のＭＲ素子１３と第４のＭＲ素子１４との接続点Ｃに接続されている。各抵抗体２１，２２のもう一方の端部は、磁気センサ１をオペアンプや電圧計などの外部装置に接続するための外部接続端子３１，３２に接続されている。こうして、外部接続端子３１，３２間の電位差ＶOUTを測定することで、磁気センサ１の出力電圧が得られることになる。
【００１９】
各抵抗体２１，２２は、各ＭＲ素子１１−１４の抵抗値が磁気抵抗変化により最小値となった時の、ブリッジ回路１０の抵抗値、すなわち４つのＭＲ素子１１−１４によって構成される並列回路の抵抗値の２倍以上、好ましくは１２倍以上の抵抗値を有している。これにより、外部接続端子３１，３２を通じて磁気センサ１の出力電圧を測定する際に発生する電流の分流を抑えることができ、それに伴う角度誤差を大幅に低減することが可能となる。このことについては、後で詳述する。
【００２０】
次に、外部磁界に応じて出力を変化させるブリッジ回路１０の動作について簡単に説明する。
【００２１】
ここでは、図１の斜線を付した矢印で示すように、各ＭＲ素子１１−１４のピンド層の磁化方向がそれぞれｙ方向を向いて、外部磁界がｘｙ平面内に印加される場合について説明する。
【００２２】
初期状態では、外部磁界はｘ方向に印加されているとする。このとき、各ＭＲ素子１１−１４のフリー層の磁化方向は、外部磁界の方向、すなわちｘ方向を向いている。したがって、すべてのＭＲ素子１１−１４で、ピンド層の磁化方向とフリー層の磁化方向とは互いに直交した状態となる。したがって、各ＭＲ素子１１−１４は同じ抵抗値を有することになり、ブリッジ回路１０の出力端子Ａ，Ｃ間に現れる電位差（ブリッジ回路１０の出力電圧）は０となる。
【００２３】
ここで、外部磁界をｘ方向から傾けていくと、各素子１１−１４間でピンド層の磁化方向とフリー層の磁化方向との相対角度に差が生じることで、各素子１１−１４の抵抗値にも差が生じてくる。例えば、外部磁界を図で見て反時計回りに回転させると、第１および第３のＭＲ素子１１，１３では、フリー層の磁化方向がピンド層の磁化方向と平行となる方向に変化するため、各素子１１，１３の抵抗値は、初期状態の場合と比べて小さくなる。一方で、第２および第４のＭＲ素子１２，１４では、それぞれの磁化方向は互いに反平行に近づくため、各素子１２，１４の抵抗値は大きくなる。このようにして、ブリッジ回路１０の出力端子Ａ，Ｃ間に、有限の出力電圧が現れることになる。この出力電圧は、外部磁界の方向が−ｙ方向の場合に最大となり、−ｘ方向で再び０となる。こうして得られる出力電圧は、外部磁界の方向（回転角度）に対して正弦曲線を描くことになる。これにより、この外部磁界の方向に対する出力波形から、外部磁界の方向（回転角度）を求めることが可能となる。
【００２４】
実際の回転角度の検出では、図１の磁気センサ１に加えて、例えば余弦曲線の出力波形を出力する別の磁気センサを設けて、それらのセンサが出力する２つの出力波形から、外部磁界の方向が正確に決定される。このような構成は、例えば、図１の磁気センサ１と同様の構成であって、ピンド方向がｘ方向を向いた磁気センサを追加することで実現される。
【００２５】
ブリッジ回路１０の出力電圧は、上述したように、外部接続端子３１，３２を通じて、ブリッジ回路１０の出力端子Ａ，Ｃをオペアンプや電圧計などの外部装置に接続して測定する必要がある。そのため、微少な電流がブリッジ回路１０から外部装置へと流れることを回避することが困難となる。したがって、図１のブリッジ回路１０では、この分流電流により、第２および第３のＭＲ素子１２，１３に流れる電流が、第１および第４のＭＲ素子１１，１４に比べて小さくなってしまう。このことは、ブリッジ回路としてのバランスを崩すことにつながり、結果として、理想的な出力波形である正弦曲線に歪みをもたらすことになる。この歪みは、出力波形から求められる角度（外部磁界の方向）に誤差が生じる原因となる。
【００２６】
本願発明者は、この外部装置に流れる分流電流に起因する角度誤差を、ある条件の下で、大幅に低減できることを見出した。その条件とは、ブリッジ回路の出力端子に、ブリッジ回路の抵抗値に対して２倍以上、好ましくは１２倍以上の抵抗値を有する抵抗体をそれぞれ接続することである。このときのブリッジ回路の抵抗値は、ブリッジ回路を構成する各ＭＲ素子の抵抗値が磁気抵抗変化により最小値となった時、すなわち素子内のピンド層の磁化方向とフリー層の磁化方向とが平行状態にあるとした時の抵抗値（以下、ブリッジ回路の最小抵抗値という）である。このことが、本発明の特徴である。以下に、この本発明の特徴について、図２および図３に示す計算結果を参照しながら説明する。
【００２７】
図２は、代表的な温度における上述の角度誤差の計算結果を、ブリッジ回路の最小抵抗値に対する第１の抵抗体の抵抗値の比に対してプロットした図である。また、図３は、ブリッジ回路の最小抵抗値に対する第１の抵抗体の抵抗値の比（Ｒ２１／Ｒmin）をいくつか変化させた場合の、上述の角度誤差の温度依存性の計算結果を示す図である。ここでいう角度誤差は、前述の正弦曲線の歪みが最大となる角度における角度のずれ量（度）である。また、図２に示すそれぞれの温度は、本実施形態の磁気センサ１を車載部品として使用する場合の保証温度範囲である−４０℃から１５０℃のうち、最低（−４０℃）、最高（１５０℃）および中間（２０℃）の温度である。
【００２８】
角度誤差の計算は、次の条件の下で行った。ブリッジ回路を構成する抵抗素子部としてはＴＭＲ素子を用いた。各ＴＭＲ素子は、ブリッジ回路の出力波形が理想的な正弦曲線を描くように、すなわちピンド層の磁化方向が隣接する素子間で互いに反平行となるように構成されている。各ＴＭＲ素子の抵抗値は、ピンド層の磁化方向とフリー層の磁化方向とが全て平行状態であると仮定した時の抵抗値（最小の抵抗値）が互いに同一（Ｒ１１min＝Ｒ１２min＝Ｒ１３min＝Ｒ１４min）である。このときの４つのＴＭＲ素子によって構成される並列回路の抵抗値、すなわちブリッジ回路の最小抵抗値Ｒminは、各ＴＭＲ素子の抵抗値と同じ値（例えばＲmin＝Ｒ１１min）である。また、ブリッジ回路１０に接続する第１および第２の抵抗体２１，２２の抵抗値も互いに同一（Ｒ２１＝Ｒ２２）であり、外部装置への電流の分流がない場合、すなわち、各抵抗体の抵抗値Ｒ２１，Ｒ２２が無限大の場合に、角度誤差を０とした。また、印加電圧ＶCCは５Ｖ、ＴＭＲ素子の抵抗値および出力（ＭＲ変化率）の温度係数はそれぞれ−０．０９８％および−０．９９％、各抵抗体の抵抗値の温度係数は０．４２％、ＴＭＲ素子の室温時でのＭＲ変化率は８０％である。
【００２９】
図２および図３からわかるように、角度誤差は、温度が下がるにつれて大きくなっている。このことは、ＴＭＲ素子の抵抗値が負の温度係数を有し、各抵抗体の抵抗値が正の温度係数を有しているため、各抵抗体の抵抗値が、温度が下がるにつれてＴＭＲ素子の抵抗値（ブリッジ回路の抵抗値）に対して相対的に小さくなることを示している。すなわち、温度が下がるにつれて、外部装置への分流電流が大きくなることで、角度誤差が大きくなることを示している。一方で、ブリッジ回路１０に接続する第１の抵抗体２１（各抵抗体）の抵抗値が大きくなるにつれて、角度誤差は、すべての温度範囲で小さくなる。これは、第１の抵抗体２１（各抵抗体）の抵抗値が大きくなることで、外部装置へ流れる分流電流が抑えられるためである。
【００３０】
例えば車両のステアリングホイールの回転角度を測定する場合など、一般的な使用環境下では、磁気センサの角度誤差は０．５度以下であることが望ましい。角度誤差に寄与する要因はいくつか考えられるが、出力測定時の外部装置への分流電流による要因だけを考慮すると、図２に示すように、ブリッジ回路１０の最小抵抗値に対する第１の抵抗体２１（各抵抗体）の抵抗値の比は、２以上であることが好ましい。
【００３１】
また、この分流電流以外の要因、例えば、用いるＭＲ素子間の磁気特性のばらつきなどによって角度誤差が生じる場合も考慮すると、この分流電流による角度誤差は、０．１度以下であることが望ましい。そのため、図２に示すように、ブリッジ回路１０の最小抵抗値に対する第１の抵抗体２１（各抵抗体）の抵抗値の比は、１２以上であることが好ましい。
【００３２】
なお、各抵抗体２１，２２の抵抗値の上限に関しては、十分に高い値でも実用上問題はなく、外部接続端子３１，３２に接続したオペアンプや電圧計などの外部装置で、磁気センサ１の出力電圧を読み出す上で支障をきたさない程度であればよい。
【００３３】
このように、ブリッジ回路の各出力端子にそれぞれ接続させる２つの抵抗体の各抵抗値を、各ＭＲ素子の抵抗値が磁気抵抗変化により最小値となった時のブリッジ回路の抵抗値に対して２倍以上、好ましくは１２倍以上にすることで、外部装置への分流電流を大幅に低減することができる。それにより、この分流電流に起因する角度誤差を大幅に低減することができ、十分に高精度な磁気センサを実現することが可能となる。
【００３４】
本実施形態では、４つのＭＲ素子によって構成されたブリッジ回路を備えた磁気センサについて説明したが、ブリッジ回路を構成する各抵抗素子部として、１つのＭＲ素子の代わりに、互いに直列に接続された複数のＭＲ素子を用いることもできる。このとき、各抵抗素子部のＭＲ素子の個数やピンド層の磁化方向は、ブリッジ回路全体のバランスが良好となるように適宜選択される。
【００３５】
抵抗素子部として複数のＭＲ素子を用いることで、それぞれのＭＲ素子に印加される電圧を小さくすることができ、過電流による素子の破壊の危険性を少なくすることができる。また、ＭＲ素子間の磁気的な特性に多少のばらつきがあったとしても、ばらつきを平均化することができ、外部装置への分流電流以外の要因による角度誤差を抑える効果もある。
【符号の説明】
【００３６】
１  磁気センサ
１０  ブリッジ回路
１１  第１のＭＲ素子
１２  第２のＭＲ素子
１３  第３のＭＲ素子
１４  第４のＭＲ素子
２１  第１の抵抗体
２２  第２の抵抗体
Ａ  第１の出力端子
Ｃ  第２の出力端子
【図１】
2011027683.tif 000003
【図２】
2011027683.tif 000004
【図３】
2011027683.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月16日(2010.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２２６９６０号公報
【特許文献２】特開２００９−１１５６８８号公報