(57)【要約】【課題】一対の磁気抵抗素子の薄膜ヨークが近接しても外部磁界の検出方向のずれの発生が抑制される磁気式角度センサを提供する。【解決手段】磁気式角度センサ１０によれば、基板１４上に配置された一対の第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８が、それらの一対の薄膜ヨークの磁化容易方向が９０°よりも所定角度２θだけ小さい角度Ａとなるように予め配置されていることから、一対の第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８の薄膜ヨーク４０、４２が相互に近接させられてそれら薄膜ヨーク４０、４２に誘導される磁束が相互に影響するときに、一方の第１磁気抵抗素子１６の一対の薄膜ヨーク４０、４２の磁化容易方向と他方の第２磁気抵抗素子１８の一対の薄膜ヨーク４０、４２の磁化容易方向とが相互に略直角を形成するようになるので、外部磁界Ｈの検出方向のずれの発生が好適に抑制される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性材料からなり且つ所定の間隙を介して配置された一対の薄膜ヨークと、該一対の薄膜ヨーク間の間隙において該一対の薄膜ヨークを電気的に接続するように形成されたＧＭＲ膜とから成る一対の磁気抵抗素子が、該磁気抵抗素子の長手方向が直角状に交差するように基板上に所定間隔を隔てて配置され、該一対の磁気抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて外部磁界の方向を検出する磁気式角度センサにおいて、
前記一対の磁気抵抗素子が、前記一対の薄膜ヨークの磁化容易方向が９０°よりも所定角度２θだけ小さい角度Ａとなるように配置されていることを特徴とする磁気式角度センサ。
【請求項２】
前記外部磁界は地磁気であることを特徴とする請求項１の磁気式角度センサ。
【請求項３】
前記所定角度２θは、０．２乃至２°以内の範囲であることを特徴とする請求項１または２の磁気式角度センサ。
【請求項４】
前記一対の磁気抵抗素子は、他の一対の抵抗素子と直列に接続されることにより一対のハーフブリッジをそれぞれ構成し、
該一対のハーフブリッジは、前記外部磁界の方向の変化に応じて位相の異なる信号をそれぞれ出力するものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの磁気式角度センサ。
【請求項５】
前記他の一対の抵抗素子は、前記一対の磁気抵抗素子よりも低いゲインを有する他は該一対の磁気抵抗素子と同様に構成された磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項４の磁気式角度センサ。
【請求項６】
前記他の一対の抵抗素子は、該一対の抵抗素子の一対の薄膜ヨークの磁化容易方向が前記一対の磁気抵抗素子の磁化容易方向と平行となるように配置されていることを特徴とする請求項５の磁気式角度センサ。
【請求項７】
前記一対の磁気抵抗素子は、相互に同じゲインを有し、互いに直列に接続されることにより１つのハーフブリッジを構成するものである請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気式角度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の磁気抵抗素子を用いて外部磁界の方向に応じた電気信号を出力する磁気式角度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
互いに直交する磁気抵抗素子を用いた磁気式角度センサでは、一般に、相互にπ／２の位相差を有する２つの正弦波のアナログ信号すなわちＡ相信号およびＢ相信号が得られる。これらのＡ相信号およびＢ相信号はπ／２の位相差を持っているので、適切な信号処理を行うことで、磁界の角度を検出することができる。たとえば、特許文献１に示す回転角度センサ素子がそれである。
【特許文献１】特開２００５−２５７６０５号公報
【特許文献２】特開２００６−１９４８６１号公報
【０００３】
上記特許文献１および２のような磁気式角度センサにおいて、それに用いられる磁気抵抗素子は、たとえば、薄膜形成およびホトリソグラフィー技術を用いて形成された、軟磁性材料からなり且つ所定の間隙を介して配置された一対の薄膜ヨークと、それら一対の薄膜ヨーク間の間隙においてそれら一対の薄膜ヨークを電気的に接続するように、巨大磁気効果を有する金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料から形成されたＧＭＲ膜とから成る一対の磁気抵抗素子が、外部磁界の角度に対してπ／２の位相差を持って電気的抵抗値を変化させるために、長手方向が直角状に交差するように基板上に配置される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来の磁気式角度センサによれば、薄膜形成およびホトリソグラフィー技術を用いて磁気抵抗素子が形成されることから、基板上に集積化が可能となるので、きわめて小型化される利点がある。
【０００５】
しかしながら、磁気式角度センサの集積化に関連して、一方の磁気抵抗素子の薄膜ヨークと他方の磁気抵抗素子の薄膜ヨークとが近接することから、軟磁性材料から成る磁性体であるそれら薄膜ヨークに誘導される磁束が相互に影響することにより、磁気式角度センサが感じる外部磁界の方向にずれが出るという不都合があった。このような不都合は、上記磁気式角度センサの小型化すなわち一対の磁気抵抗素子を含む電気回路の集積化が進行して一方の磁気抵抗素子の薄膜ヨークと他方の磁気抵抗素子の薄膜ヨークとが近接するほど顕著となる。
【０００６】
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、一対の磁気抵抗素子の薄膜ヨークが近接しても外部磁界の検出方向のずれの発生が抑制される磁気式角度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】
前記目的を達成するための請求項１に係る発明の要旨とするところは、軟磁性材料からなり且つ所定の間隙を介して配置された一対の薄膜ヨークと、その一対の薄膜ヨーク間の間隙においてその一対の薄膜ヨークを電気的に接続するように形成されたＧＭＲ膜とから成る一対の磁気抵抗素子が、その磁気抵抗素子の長手方向が直角状に交差するように基板上に所定間隔を隔てて配置され、その一対の磁気抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて外部磁界の方向を検出する磁気式角度センサにおいて、前記一対の磁気抵抗素子が、前記一対の薄膜ヨークの磁化容易方向が９０°よりも所定角度２θだけ小さい角度Ａとなるように配置されていることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記外部磁界は地磁気であることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記所定角度２θは、０．２乃至２°以内の範囲であることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに係る発明において、前記一対の磁気抵抗素子は、他の一対の抵抗素子と直列に接続されることにより一対のハーフブリッジをそれぞれ構成するものであり、それら一対のハーフブリッジは、前記外部磁界の方向の変化に応じて位相の異なる信号をそれぞれ出力するものであることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明において、前記他の一対の抵抗素子は、前記一対の磁気抵抗素子よりも低いゲインを有する他はその一対の磁気抵抗素子と同様に構成された磁気抵抗素子であることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項６に係る発明は、請求項５に係る発明において、前記他の一対の抵抗素子は、それら一対の抵抗素子の一対の薄膜ヨークの磁化容易方向が前記一対の磁気抵抗素子の磁化容易方向と平行となるように配置されていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項７に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに係る発明において、前記一対の磁気抵抗素子は、相互に同じゲインを有し、互いに直列に接続されることにより１つのハーフブリッジを構成するものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明の磁気式角度センサによれば、基板上に配置された一対の磁気抵抗素子が、それらの一対の薄膜ヨークの磁化容易方向が９０°よりも所定角度２θだけ小さい角度Ａとなるように予め配置されていることから、一対の磁気抵抗素子の薄膜ヨークが相互に近接させられてそれら薄膜ヨークに誘導される磁束が相互に影響するときに、一方の磁気抵抗素子の一対の薄膜ヨークの磁化容易方向と他方の磁気抵抗素子の一対の薄膜ヨークの磁化容易方向とが相互に略直角を形成するようになるので、外部磁界の検出方向のずれの発生が抑制される磁気式角度センサが得られる。
【００１５】
また、請求項２に係る発明の磁気式角度センサによれば、前記外部磁界は地磁気であることから、比較的微弱な地磁気の方向が精度良く検出される。
【００１６】
また、請求項３に係る発明の磁気式角度センサによれば、前記所定角度２θは、０．２乃至２°以内の範囲であることから、一対の磁気抵抗素子の中心線すなわち磁化容易方向が直交する従来に比較して、外部磁界の方向が精度良く検出される。
【００１７】
また、請求項４に係る発明の磁気式角度センサによれば、前記一対の磁気抵抗素子は、他の一対の抵抗素子と直列に接続されることにより一対のハーフブリッジをそれぞれ構成するものであり、それら一対のハーフブリッジは、前記外部磁界の方向の変化に応じて位相の異なる信号をそれぞれ出力するものであることから、一対のハーフブリッジから出力される位相の異なる信号を用いて、外部磁界の方向が精度良く検出される。
【００１８】
また、請求項５に係る発明の磁気式角度センサによれば、前記他の一対の抵抗素子は、前記一対の磁気抵抗素子と同様に構成された磁気抵抗素子であることから、一対のハーフブリッジを構成するそれぞれの磁気抵抗素子の抵抗温度特性が近似するので、一対のハーフブリッジから出力される位相の異なる信号に基づいて外部磁界の方向が精度良く検出される。
【００１９】
また、請求項６に係る発明の磁気式角度センサによれば、前記他の一対の抵抗素子は、前記一対の磁気抵抗素子よりも低いゲインを有する他は該一対の磁気抵抗素子と同様に構成された磁気抵抗素子であり、それらの一対の抵抗素子の一対の薄膜ヨークの磁化容易方向が前記一対の磁気抵抗素子の磁化容易方向と平行となるように配置されていることから、成膜されたＧＭＲ膜のうち抵抗値の異方性のない同じ方向のＧＭＲ膜をそれぞれ備えた一対の磁気抵抗素子から成るハーフブリッジが用いられるので、オフセット電圧が少なく、一層精度の高い磁気式角度センサが得られる。
【００２０】
また、請求項７に係る発明発明の磁気式角度センサによれば、前記一対の磁気抵抗素子は、相互に同じゲインを有し、互いに直列に接続されることにより１つのハーフブリッジを構成することから、一対の磁気抵抗素子の相互のゲインを比較的大きなものとすることができ、外部磁界の方向が比較的精度良く検出される。
【００２１】
ここで、好適には、前記ＧＭＲ薄膜は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を示す材料が蒸着或いはスパッタリングによって基板上の一対の薄膜ヨークの間に薄膜状に固着されたものである。そのＧＭＲ薄膜に用いられる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を示す材料としては、パーマロイ等の強磁性材料層とCu、Ag、Au等の非磁性材料層との多層膜、或いは、半強磁性材料層、強磁性材料層( 固定層) 、非磁性材料層および強磁性材料層( 自由層) の4 層構造を備えた多層膜から構成される人工格子[ 所謂スピンバルブ] 、パーマロイ等の強磁性金属からなるnmサイズの微粒子と非磁性金属から成る粒界層とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、スピン依存トンネル効果によってＭＲ（Magneto-Resistivity ）効果が生じるトンネル接合膜、nmサイズの強磁性金属合金微粒子と非磁性・絶縁材料からなる粒界層とを備えた金属−酸化物系ナノグラニュラー材料、金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料等が、知られている。
【００２２】
また、前記基板は、ガラス、磁器で代表されるセラミックス等の絶縁体基板が好適に用いられるが、Ｃｕ、Ａｌ等の金属から成る導電性基板であっても絶縁性下地層を介して薄膜ヨークおよびＧＭＲ薄膜が固着されることにより用いられる。また、上記基板には非磁性材料又は非磁性絶縁材料が好適に用いられる。前記一対の磁気抵抗素子は共通の基板上に配置されることがよいが、必ずしも共通の基板上に配置されなくてもよく、別々の基板上に配置された後に組み合わせられてもよい。
【００２３】
また、前記薄膜ヨークは、外部磁束を集めてＧＭＲ薄膜に集中させることによりＧＭＲ薄膜の磁界感度を高めるためのものであり、軟磁性材料が蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ、或いはＰＶＤ等によって基板上に薄膜状に固着され、ホトリソグラフィーを用いて所定のパターンに形成されたものである。弱磁界に対する高い感度を得るためには、好適には１００以上、さらに好適には１０００以上の透磁率μを有する材料を用いることが望ましい。また、好適には、５（kGauss）以上、さらに好適には１０（kGauss）以上飽和磁化Ｍｓを有する材料を用いることが望ましい。この前記薄膜ヨークとしては、パーマロイ（４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金）、センダスト（Ｆｅ７４Ｓｉ９Ａｌ１７）、ハードパーム（Ｆｅ１２Ｎｉ８２Ｎｂ６）、Ｃｏ８８Ｎｂ６Ｚｒ６アモルファス合金、（Ｃｏ９４Ｆｅ６）７０Ｓｉ１５Ｂ１５アモルファス合金、ファインメット（Ｆｅ７５．６Ｓｉ１３．２Ｂ８．５Ｎｂ１．９Ｃｕ０．８）、ナノマックス（Ｆｅ８３ＨＦ６Ｃ１１）、Ｆｅ８５Ｚｒ１０Ｂ５合金、Ｆｅ９３Ｓｉ３Ｎ４合金、Ｆｅ７１Ｂ１１Ｎ１８合金、Ｆｂ７１．３Ｎｄ９．６Ｏ１９．１ナノグラニュラー合金、Ｃｏ６５Ｆｅ５Ａｌ１０Ｏ２０合金等が、好適に用いられる。
【００２４】
また、前記一対の磁気抵抗素子をそれぞれ構成する一対の薄膜ヨークは、好適には、その長手寸法よりも幅寸法が小さい矩形形状、台形、三角形等を備える、中心線を基準とする線対称形状であって、前記複数の磁気抵抗素子は、上記一対の薄膜ヨークが連ねられることによって全体として長手状を成し、その長手方向の感磁方向を備えるものである。磁化容易方向とは、上記中心線方向すなわち長手方向である。
【００２５】
また、前記抵抗素子は、基板の外部に接続されるものであってもよいし、他の材質から成る固定抵抗であってもよいが、前記一対の磁気抵抗素子に備えられるＧＭＲ薄膜と同様の抵抗温度特性を有することが望まれる。
【００２６】
また、前記所定角度２θは、好適には、０．６乃至２°以内の範囲、さらに好適には１．０乃至２°以内の範囲であることが望ましい。
【００２７】
また、前記ハーフブリッジは、単独で信号を出力するものであってもよいし、フルブリッッジの一部( 半分）を構成するものであってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は概念を示すために、適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。
【実施例１】
【００２９】
図１は、本発明の一実施例である磁気式角度センサ１０のセンサ部１２の内部を示す図である。センサ部１２は、たとえばガラス、磁器で代表されるセラミックス等の電気絶縁性材料から成る共通の基板１４の一面に配置された、相互の長手方向が直角状に交差するように所定間隔を隔てる第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８と、それらと平行な方向に配置され、それらと直列接続されて一対の第１ハーフブリッジ２０および第２ハーフブリッジ２２を構成するために所定の抵抗値を有する第１抵抗素子２４および第２抵抗素子２６と、一対の＋電源端子２８および接地電源端子３０と、一対の第１出力端子３２および第２出力端子３４とを備えている。
【００３０】
上記直列接続されることにより第１ハーフブリッジ２０を構成する第１磁気抵抗素子１６および第１抵抗素子２４と、同様に直列接続されることにより第２ハーフブリッジ２２を構成する第２磁気抵抗素子１８および第２抵抗素子２６とは、それぞれ＋電源端子２８と接地電源端子３０との間にそれぞれ接続されている。第１出力端子３２は、第１ハーフブリッジ２０の中点電位を出力するために第１磁気抵抗素子１６と第１抵抗素子２４との間に接続される。同様に、第２出力端子３４は、第２ハーフブリッジ２２の中点電位を出力するために第２磁気抵抗素子１８と第２抵抗素子２６との間に接続される。
【００３１】
上記第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８は、たとえば図２に示すように構成される。第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８は互いに同様の寸法および材料によって同様の磁気的性能となるように構成されているので、図２において一方のみを説明する。第１磁気抵抗素子１６は、絶縁性材料から成る基板１４上において、１直線上に１μｍ前後の所定の間隙を隔てて形成された軟磁性材料製の一対の薄膜ヨーク４０および４２と、それらの一対の薄膜ヨーク４０および４２の間隙においてそれらの一対の薄膜ヨーク４０および４２を相互に接続するように設けられた、上記軟磁性材料よりも高い電気比抵抗を有し且つ巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ薄膜４４とからそれぞれ構成されている。これらのＧＭＲ薄膜４４、一対の薄膜ヨーク４０および４２、導体配線４６は、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等により０．１乃至３μｍ程度の厚みで固着され且つホトリソグラフィーにより幅寸法が７５μｍ、一対の長さ寸法が１５０μｍ程度の所定のパターンとされた薄膜であり、このましくは、ＧＭＲ薄膜４４よりも、薄膜ヨーク４０および４２が厚く形成されている。図２において、厚膜或いは薄膜で構成された導体配線４６が上記薄膜ヨーク４０および４２に接続されている。なお、基板１４とＧＭＲ薄膜４４や一対の薄膜ヨーク４０および４２との間には、絶縁や平滑性を確保するためなどの必要に応じて下地層が形成され、上記ＧＭＲ薄膜４４や一対の薄膜ヨーク４０および４２の上には、耐久性向上等のために必要に応じて保護層が形成される。
【００３２】
上記ＧＭＲ薄膜４４は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を示す材料，たとえば、パーマロイ等の強磁性金属からなるnmサイズの微粒子と非磁性金属から成る粒界層とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、スピン依存トンネル効果によってＭＲ（Magneto-Resistivity ）効果が生じるトンネル接合膜、nmサイズの強磁性金属合金微粒子と非磁性・絶縁材料からなる粒界層とを備えた金属−酸化物系ナノグラニュラー材料、金属−フッ化物系ナノグラニュラー材料等の等方性材料が用いられる。
【００３３】
また、上記薄膜ヨーク４０および４２は、外部磁束を集めてＧＭＲ薄膜４４に集中させることによりそのＧＭＲ薄膜４４の磁界感度を高めるために、中心線Ｃを基準とした線対称の長手状に形成されている。その薄膜ヨーク４０および４２は、長手寸法よりも幅寸法が小さく、それら薄膜ヨーク４０および４２を含む第１磁気抵抗素子１６は、上記一対の薄膜ヨーク４０および４２が連ねられることによって全体として長手状を成し、その長手方向が一対の薄膜ヨーク４０および４２の磁化容易方向であり、第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８の感磁方向となる。この薄膜ヨーク４０および４２は、たとえば、パーマロイ（４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金）、センダスト（Ｆｅ７４Ｓｉ９Ａｌ１７）、ハードパーム（Ｆｅ１２Ｎｉ８２Ｎｂ６）、Ｃｏ８８Ｎｂ６Ｚｒ６アモルファス合金等の透磁率μが１０００以上の軟磁性材料から構成される。上記薄膜磁気センサ素子１６は、図２に示すように、ホトリソグラフィを用いて所定の小さなパターンに形成された薄膜から構成されるので、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子等の他の磁気センサに比較して大幅に小型化されている。
【００３４】
第２磁気抵抗素子１８も上記第１磁気抵抗素子１６と同様に構成されている。第１磁気抵抗素子１６の薄膜ヨーク４０と第２磁気抵抗素子１８の薄膜ヨーク４０とは、それらの中心線Ｃが直角状となる方向であって、相互間隔がたとえば１５０乃至３００μｍとなるように配置されている。この相互間隔は、回路の集積度が高くなるほど小さく設定される。また、図１において、ｘ軸と第１磁気抵抗素子１６との間の距離すなわちｙ軸と第２磁気抵抗素子１８との間の距離ｄは、７００μｍ程度である。
【００３５】
なお、本実施例の、前記第１抵抗素子２４および第２抵抗素子２６は、第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８のゲインに比較して大幅に小さいゲインとされている他は、それらと同様に構成された磁気抵抗素子から構成されている。このゲインは、外部磁界の変化に対する抵抗値の変化の割合である。第１抵抗素子２４および第２抵抗素子２６は、そのゲインを小さくするために、薄膜ヨーク４０および４２が小さな形状とされている。
【００３６】
上記第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８は、単体では、図３に示す特性を備えている。すなわち、ＧＭＲ薄膜４４を構成する磁性材料は微細化された等方的性質を示し、無磁界ではランダムな磁化方向となって電子の通過の妨げとなって抵抗値が高くなるが、磁界が付与されると磁化方向が一定となって電子の通過が容易となり抵抗値が低くなる性質がある。このため、図３に示すように、感磁方向の外部磁界Ｈ（Ｏｅ）が零であれば最大抵抗値を示すが、外部磁界Ｈが正方向および負方向に大きくなるにしたがって抵抗値がそれぞれ低下する磁気抵抗特性を備えている。このため、たとえば、感磁方向に一定の固定磁界Ｈｂを与えておいて、さらに加えた感磁方向の外部磁界Ｈ（Ｏｅ）が正弦波状に増減すると、第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８の抵抗値は正弦波状に変化する。
【００３７】
上記のセンサ部１２は、たとえば、中央部に上記基板１４が固着され、その基板１４上の＋電源端子２８、接地電源端子３０、第１出力端子３２、および第２出力端子３４がボンディングワイヤにより接続された複数本のリードを備えたリードフレームが、そのリードフレームの外周部を除いて中央部を樹脂を用いてモールドされることにより、樹脂パッケージ状に構成されている。
【００３８】
ところで、図１は第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８の開き角θを従来の位置を基準として説明するためのものである。図１では、上記センサ部１２の基板１４上において両長手方向すなわち中心線Ｃ０１およびＣ１１が直交する位置に配置されている第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８が示されており、それら中心線Ｃ０１およびＣ１１に対して所定の開き角θで傾斜させられた中心線Ｃ０２およびＣ１２は示されているが、それら中心線Ｃ０２およびＣ１２を有する本実施例の第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８のパターンを示す線は省略されている。本実施例の第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８の中心線Ｃ０２およびＣ１２は、従来の中心線Ｃ０１およびＣ１１に対して所定の開き角θに対して所定の開き角度θだけ交差角Ａが直角よりも小さくなる側に傾斜させられている。第２磁気抵抗素子１８の長手方向の中央を通るｘ軸と第１磁気抵抗素子１６の長手方向の中央を通過するｙ軸とを有するｘ−ｙ直交座標を仮定すると、第１磁気抵抗素子１６の中心線Ｃ０２はｙ軸に直交する上記従来の中心線Ｃ０１の方向に対して所定の開き角θだけ傾斜しており、第２磁気抵抗素子１８の中心線Ｃ１２もｘ軸に直交する上記従来の中心線Ｃ１１の方向に対して所定の開き角θだけ傾斜している。したがって、第１磁気抵抗素子１６の中心線Ｃ０２と第２磁気抵抗素子１８の中心線Ｃ１２との成す交差角Ａは、従来の直角から所定角度２θだけ小さく設定されている。
【００３９】
以上のように構成されたセンサ部１２において、Ｘ軸（図１参照）に対して４５°方向に固定磁界を印加し、地磁気或いは角度測定対象物とともに回転する磁石から発生させられる磁界等の外部磁界Ｈのｘ軸に対する角度ωが変化すると、第１磁気抵抗素子１６の一対の薄膜ヨーク４０および４２と第２磁気抵抗素子１８の一対の薄膜ヨーク４０および４２とは、透磁率μが高いことから磁気レンズとして機能し、外部磁界Ｈの磁束が集められるとともに、一対の薄膜ヨーク４０と４２との間の内部磁界である中心磁界ＨＣ１およびＨＣ２が高められ、それぞれのＧＭＲ薄膜４４の抵抗値が変化させられる。第１出力端子３２から出力される第１ハーフブリッジ２０の中点電位ｖ１( ＝Ａ・sinω＋Ｖ１０)と、第２出力端子３４から出力される第２ハーフブリッジ２２の中点電位ｖ２( ＝Ａ・cosω＋Ｖ２０)とは、図４に示すように、９０度の位相差で正弦波状に変化させられる。それら中点電位ｖ１および中点電位ｖ２と、オフセット電位との信号差に基づいて上記外部磁界Ｈの角度ωが測定される。Ａは外部磁界Ｈやゲイン等により決まる係数。Ｖ１０、Ｖ２０は、オフセット電位と呼ばれるω＝０の時の中点電位。外部磁界Ｈの角度ωの算出式は（１）式で示される。
ω＝tan−１(Ａ・sinω／Ａ・cosω）・・・（１）
【００４０】
ここで、第１磁気抵抗素子１６の中心線Ｃ０１および第２磁気抵抗素子１８の中心線Ｃ１１が相互に直角である従来の場合において、地磁気を外部磁界Ｈとして用いてその角度ωを変化させると、第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８の一対の薄膜ヨーク４０と４２との間の内部磁界である中心磁界ＨＣ１およびＨＣ２は、図５に示すように変化させられ、このときの中点電位ｖ１と中点電位ｖ２との信号に基づいて測定された外部磁界Ｈの角度ωの角度誤差δは、図６に示すように、２倍の周期で変化する。（２）式は角度誤差δの算出式である。
【００４１】
δ＝ω−ω０    ・・・(２）
但し、ω０は外部磁界Ｈの角度の真の値、ωは外部磁界Ｈの角度の測定値
【００４２】
しかし、本実施例のセンサ部１２においては、第１磁気抵抗素子１６の中心線Ｃ０２と第２磁気抵抗素子１８の中心線Ｃ１２との成す角は、直角から所定角度２θだけ小さく設定されているので、たとえばθ＝０．８°( ２θ＝１．６°) である場合には、地磁気を外部磁界Ｈとして用いて角度誤差δを測定すると、その角度誤差δは、たとえば図７に示すように、外部磁界Ｈのｘ軸に対する角度ωの変化に拘わらず、比較的平坦でばらつきが少なく、０〜−０．２°の範囲内に収まっている。
【００４３】
図８は、本発明者等が行った実験結果を示している。この実験では、第１磁気抵抗素子１６の中心線Ｃ０２のｙ軸に直交する従来の中心線Ｃ０１に対する開き角θ、および第２磁気抵抗素子１８の中心線Ｃ１２のｘ軸に直交する従来の中心線Ｃ１１に対する開き角θが、０°である試料と、０．４°である試料と、０．８°である試料と、２．０°である試料とを、０．１（％／Ｏｅ）程度の低感度、０．２（％／Ｏｅ）程度の中感度、１．０（％／Ｏｅ）程度の高感度の３種類の第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８を用いて合計１２種類作成し、地磁気を外部磁界Ｈとして用いて、それらの各試料について角度誤差δをそれぞれ測定した。図８において、感度が異なる各試料の角度誤差δは開き角度θの増加とともに角度誤差δが零となる領域を通過して直線的に変化する性質があり、その開き角度θが０．１乃至１°の範囲すなわち所定角度２θが０．２乃至２°の範囲であれば、従来よりも角度誤差δが改善されることが示されている。また、好適には、この開き角度θは０．３乃至１°の範囲すなわち所定角度２θが０．６乃至２°以内の範囲、さらに好適には、開き角度θが０．５乃至１°の範囲すなわち所定角度２θが１．０乃至２°範囲であれば、角度誤差δがさらに小さくなる。
【００４４】
上述のように、本実施例の磁気式角度センサ１０によれば、基板１４上に配置された一対の第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８が、それらの一対の薄膜ヨークの磁化容易方向が９０°よりも所定角度２θだけ小さい角度Ａとなるように予め配置されていることから、一対の第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８の薄膜ヨーク４０、４２が相互に近接させられてそれら薄膜ヨーク４０、４２に誘導される磁束が相互に影響するときに、一方の第１磁気抵抗素子１６の一対の薄膜ヨーク４０、４２の磁化容易方向と他方の第２磁気抵抗素子１８の一対の薄膜ヨーク４０、４２の磁化容易方向とが相互に略直角を形成するようになるので、外部磁界Ｈの検出方向のずれの発生が好適に抑制される。。
【００４５】
また、本実施例の磁気式角度センサ１０によれば、外部磁界Ｈは地磁気であることから、比較的微弱な地磁気の方向が精度良く検出される。
【００４６】
また、本実施例の磁気式角度センサ１０によれば、所定角度２θは、０．２乃至２°以内の範囲であることから、従来に比較して、外部磁界Ｈの方向が精度良く検出される。
【００４７】
また、本実施例の磁気式角度センサ１０によれば、一対の第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８は、他の一対の第１抵抗素子２４および第２抵抗素子２６と直列に接続されることにより一対の第１ハーフブリッジ２０および第２ハーフブリッジ２２をそれぞれ構成するものであり、それら一対の第１ハーフブリッジ２０および第２ハーフブリッジ２２は、外部磁界Ｈの方向の変化に応じて位相の異なる信号ｖ１およびｖ２をそれぞれ出力するものであることから、一対の第１ハーフブリッジ２０および第２ハーフブリッジ２２から出力される位相の異なる信号ｖ１およびｖ２に基づいて、外部磁界Ｈの方向が精度良く検出される。
【００４８】
また、本実施例の磁気式角度センサ１０によれば、一対の第１抵抗素子２４および第２抵抗素子２６は、一対の第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８と同様に構成された磁気抵抗素子であることから、一対の第１ハーフブリッジ２０および第２ハーフブリッジ２２を構成するそれぞれの磁気抵抗素子の抵抗温度特性が近似するので、一対の第１ハーフブリッジ２０および第２ハーフブリッジ２２から出力される位相の異なる信号、すなわち中点電位ｖ１と中点電位ｖ２との信号に基づいて外部磁界Ｈの方向が精度良く検出される。
【００４９】
また、本実施例の磁気式角度センサ１０によれば、一対の第１抵抗素子２４および第２抵抗素子２６は、一対の第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８よりも低いゲインを有する他はそれら一対の第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８と同様に構成された磁気抵抗素子であり、それら一対の第１抵抗素子２４および第２抵抗素子２６の一対の薄膜ヨークの磁化容易方向が上記一対の第１磁気抵抗素子１６および第２磁気抵抗素子１８の磁化容易方向と平行となるように配置されていることから、成膜されたＧＭＲ膜のうち抵抗値の異方性のない同じ方向のＧＭＲ膜をそれぞれ備えた一対の第１磁気抵抗素子１６と第１抵抗素子２４および第２磁気抵抗素子１８と第２抵抗素子２６から成る第１ハーフブリッジ２０及び第２ハーフブリッジ２２が用いられるので、オフセット電圧が少なく、一層精度の高い磁気式角度センサが得られる。
【００５０】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説明において実施例相互に共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５１】
図９、図１０、図１１は、本発明の他の実施例の磁気式角度センサ１０において、ハーフブリッジ２０、２２の他の例を示すセンサ部５０、ハーフブリッジ２０または２２の他の例を示すセンサ部５２、およびセンサ部５６の構成を、基板１４上に配置された回路構成を用いてそれぞれ示している。
【実施例２】
【００５２】
図９に示すセンサ部５０は、図１のセンサ部１２に比較して、第１抵抗素子２４が第１磁気抵抗素子１６と直交に配置され、第２抵抗素子２６が第２磁気抵抗素子１８と直交に配置されることによりフルブリッジを構成している点で相違するが、接続関係および構成材料等の他の構成は同様である。本実施例によれば、第１ハーフブリッジ２０を構成する第１磁気抵抗素子１６と第１抵抗素子２４、および第２ハーフブリッジ２２を構成する第２磁気抵抗素子１８と第２抵抗素子２６の長手方向( 磁化容易方向）が、それぞれ相互に直交する方向に配置されているので、一対の第１ハーフブリッジ２０および第２ハーフブリッジ２２から出力される位相の異なる信号ｖ１およびｖ２の外部磁界Ｈの角度ωの変化に対するゲインやそれらの信号差が一層大きくなり、外部磁界Ｈの方向の角度検出精度が高められる。なお、図９に示す実施例では、第１抵抗素子２４、第２抵抗素子２６は、第１磁気抵抗素子１６、第２磁気抵抗素子１８に比して、ゲインの低い素子として説明したが、第１抵抗素子２４、第２抵抗素子２６を第１磁気抵抗素子１６、第２磁気抵抗素子１８と同じゲインの磁気抵抗素子で形成しても良い。
【実施例３】
【００５３】
図１０に示すセンサ部５２は、図１のセンサ部１２に比較して、第１磁気抵抗素子１６と第１抵抗素子２４とから成る１個のハーフブリッジ２０から構成され、第１抵抗素子２４が第１磁気抵抗素子１６と直交して配置されている点で相違るが、構成材料等の他の構成は同様である。本実施例によれば、第１ハーフブリッジ２０を構成する第１磁気抵抗素子１６と第１抵抗素子２４との長手方向( 磁化容易方向) が相互に直交する方向に配置されているので、第１ハーフブリッジ２０から出力される信号ｖ１の外部磁界Ｈの角度ωの変化に対するゲイン或いは振幅が大きくなり、外部磁界Ｈの方向の角度検出精度が高められる。
【実施例４】
【００５４】
図１１に示すセンサ部５６は、図１のセンサ部１２に比較して、第１磁気抵抗素子１６と第１抵抗素子２４とから成る１個のハーフブリッジから構成され、第１抵抗素子２４が第１磁気抵抗素子１６と同様のゲインの磁気抵抗素子すなわち第２磁気抵抗素子１８と同様に構成されており、図１の第１磁気抵抗素子１６と第２磁気抵抗素子１８と同様の相対位置関係を持って配置されている点で相違するが、構成材料等の他の構成は同様である。本実施例によれば、第１ハーフブリッジ２０を構成する第１磁気抵抗素子１６と第１抵抗素子２４との長手方向( 磁化容易方向) は、図１の実施例の第１磁気抵抗素子１６と第２磁気抵抗素子１８とに示されるように、直角から所定角度２θだけ小さく設定された角度で相互に交差する方向に配置されており、第１抵抗素子２４が第１磁気抵抗素子１６と同様のゲインの磁気抵抗素子で構成されているので、第１ハーフブリッジ２０から出力される信号ｖ１の外部磁界Ｈの角度ωの変化に対するゲイン或いは振幅が一層大きくなり、外部磁界Ｈの方向の角度検出精度が高められる。
【００５５】
以上、本発明を図面に基づいて詳細に説明したが、それはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施例である磁気式角度センサのセンサ部の内部構成を示す図である。
【図２】図１の基板上に配置された磁気抵抗素子の構造を拡大して説明する図である。
【図３】図１の基板上に配置された磁気抵抗素子の感磁方向の外部磁界と抵抗値との関係を示す特性図である。
【図４】図１の基板上に構成された一対のハーフブリッジの出力信号と外部磁界の角度との関係を示す図である。
【図５】図１に示す一対の磁気抵抗素子の中心線が相互に直交する従来の場合の、それら一対の磁気抵抗素子内の中心磁界と外部磁界の方向との関係を示す図である。
【図６】図５の一対の磁気抵抗素子を含む従来のセンサ部における角度誤差と外部磁界の角度との関係を示す図である。
【図７】図１に示されるセンサ部の角度誤差と外部磁界の角度との関係を示す図である。
【図８】一対の磁気抵抗素子の中心線が相互に直交する従来のセンサ部と、一対の磁気抵抗素子の中心線の交差角が直角よりも所定角度２θだけ小さい値であるセンサ部とに関し、３種類の感度を有する磁気抵抗素子で構成した場合の、角度誤差と外部磁界の角度との関係を示す図である。
【図９】本発明の他の実施例のセンサ部の構成を説明する図であって、図１の基板上の回路に相当する図である。
【図１０】本発明の他の実施例のセンサ部の構成を説明する図であって、図１の基板上の回路に相当する図である。
【図１１】本発明の他の実施例のセンサ部の構成を説明する図であって、図１の基板上の回路に相当する図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０：磁気式角度センサ
１６：第１磁気抵抗素子( 磁気抵抗素子)
１８：第２磁気抵抗素子( 磁気抵抗素子)
２４：第１抵抗素子( 磁気抵抗素子)
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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