(57)【要約】【課題】  樹脂フィルム基材上に磁気抵抗効果薄膜を安定して得ることによって、小型、軽量、高精度な磁性組立体の作製を可能とする。【解決手段】  可撓性樹脂基材の表面に磁性薄膜がパターン形成された磁性組立体において、基材として使用する樹脂材の吸水率が１％以下、より好ましくは０．４％以下のものを使用する。【選択図】      図１
2005195413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性樹脂基材の表面に磁性薄膜がパターン形成され、前記可撓性樹脂の吸水率が１％
以下であることを特徴とする磁性組立体。
【請求項２】
可撓性樹脂基材の表面に磁性薄膜がパターン形成され、前記可撓性樹脂の吸水率が０．
４％以下であることを特徴とする磁性組立体。
【請求項３】
磁性薄膜が磁性層と非磁性金属膜層を交互に積層し、非磁性金属膜層を介して上下の磁
性層が反平行に磁気的カップリングするようにした巨大磁気抵抗効果薄膜であることを特
徴とする請求項１および２に記載の磁性組立体。
【請求項４】
請求項１から３に記載の磁性組立体を用いた磁気式エンコーダー用磁気抵抗効果型磁気
センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁界検出を目的とした磁性組立体および磁気センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサーは機器装置の回転や位置の検出、方位の検出に広く用いられている。その
中で磁気抵抗効果型磁気センサーは、高い検出精度を比較的安価に実現できる上、小型化
しやすいという利点を持つ。磁気抵抗効果型磁気センサーは、外部磁界の変化を磁性体薄
膜の抵抗変化として電気信号に変換する磁気抵抗効果薄膜を利用したものである。磁気抵
抗効果薄膜には、パーマロイと言われるニッケル−鉄合金薄膜に代表される異方性磁気抵
抗効果（ＡＭＲ）薄膜が従来から用いられている。また、近年では、磁性層と非磁性金属
膜層とを数オングストロームオーダーの周期で交互に積層し、非磁性金属膜層を介して上
下の磁性層が反平行に磁気的カップリングするようにした巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）薄
膜も用いられるようになって来た。これらの磁気抵抗効果薄膜は、スパッタや蒸着などの
真空成膜技術を用い、鏡面研磨されたガラス基板やセラミクス基板等の無機絶縁性基板上
に成膜されていた。
【０００３】
磁気抵抗効果型磁気センサー（以下、磁気センサーと言う）の代表的な用途として磁気
式エンコーダーがある。図３に磁気式エンコーダーの斜視図を示す。磁気式エンコーダー
の磁気記録媒体１０２は回転体のシャフト１０１に固着されている。この磁気記録媒体１
０２の回転を磁気センサー１０３で検出する。磁気センサー１０３の表面には、磁気抵抗
効果薄膜による磁界検出パターン１０７が配置される。磁気センサー１０３は信号処理回
路１０５とそれを結線するためのフレキシブルプリント配線１０４を組み合わせて用いら
れる。磁気記録媒体１０２はシャフト１０１と同軸で円盤形状をしている。この磁気記録
媒体１０２の外周部を着磁ピッチλで着磁し磁気信号発生源とする。磁気センサーは、磁
気記録媒体から発生する磁界変化を抵抗変化として検出する。
【０００４】
磁気記録媒体１０２から出る磁界は、磁気記録媒体表面から離れるに従い急激に減少す
る。そのため、磁気センサーの磁界検出パターンが十分な感度を得るには、磁界検出パタ
ーン１０７と磁気記録媒体１０２との間隔（ＧＬ）を、極力小さくすることが好ましいも
のである。最適なＧＬは磁気センサーの磁気抵抗効果薄膜の特性や磁界検出パターン形状
等と磁気記録媒体の保磁力や着磁ピッチ等によって、決まるものである。一般的な磁気セ
ンサーでは、ＧＬを数十〜数百μｍとすることが多い。
【０００５】
磁気式エンコーダーの小型化や高精度化には、着磁ピッチの狭小化が要求される。着磁
ピッチが狭小化すると磁気記録媒体１０２から発生する磁気信号が弱くなり、磁気センサ
ーの信号出力が小さくなる。それを補うために、磁界検出パターン１０７の素子長を長く
するため、つづら折り形状とするのが一般的である。つづら折り形状は出力信号波形を制
御する効果もある。通常このつづら折りパターンを４つ組み合わせてブリッジ回路を構成
する。そのため、磁界検出パターンは、着磁ピッチの数倍の幅に広がったパターン形状と
なる。
【０００６】
図４は平坦な基板上に磁界検出パターン６３及び６４を配置した磁気センサー６２を、
磁気記録媒体６１に対向させた小型の磁気式エンコーダーの、磁気記録媒体と磁界検出パ
ターンの関係を示す図である。磁気記録媒体６１の径が小さくなると、中央部の磁界検出
パターン６３と磁気記録媒体６１表面との間隔ＧＬ１と、端部の磁界検出パターン６４と
の間隔ＧＬ２の差が大きくなる。磁気記録媒体の曲率により各々の磁界検出パターンが受
ける磁界強度が異なるため、各々の磁界検出パターンの磁気抵抗変化率が異なってしまう
。磁気記録媒体の外径が小さいほど、ＧＬ１とＧＬ２の差が出力信号に与える影響は大き
くなる。端部の磁界検出パターン６４では十分な出力信号が得られないため、磁気センサ
ーの精度も低下してしまう。
【０００７】
この問題を解決する方策の一つとして、特許文献１のような構造が提案されている。磁
気記録媒体の曲率と同心になるような曲率を研磨等でガラス基板上に形成し、曲面に磁界
検出パターンを形成し、磁気記録媒体に対向配置するというものである。これにより、磁
界検出パターンのどの位置でもＧＬを一定に保つことが可能となる。曲率を持った基板上
に磁界検出パターンを形成し、磁気センサーを得るものであるが、その方法等については
何ら開示されていない。曲面上に所望の磁気特性を持った膜を均一に形成したり、フォト
リソグラフィー技術を用いて曲面にレジストパターンを高精度に形成することは、現状の
汎用的な技術では非常に難しいものである。
【０００８】
【特許文献１】実開平５−７１７１７（図１）
【０００９】
特許文献２の中では次のような提案もなされている。それは、磁界検出パターンを平面
基板上に形成した後、磁気記録媒体の曲率と同心になるような曲率に曲げて、前記磁気記
録媒体に対向配置するというものである。これによれば、平面上に成膜やレジストパター
ンを形成することができ、現有の技術で磁界検出パターンを形成することが可能である。
基板材としてはガラス、セラミックス、樹脂、非磁性金属が挙げられている。
【特許文献２】特開２００２−２０２１５２（図１）
【００１０】
そこで、本発明者は前記特許文献１に着目し、最も曲率の制御が容易と考えられ、小型
化、軽量化にも有利な樹脂フィルムを基材として用いた磁気センサーの検討を行った。基
板材を従来のガラスから樹脂へ変更する以外の製造工程は従来のものをそのまま踏襲した
。樹脂材としては、磁気センサー製造工程中の熱履歴を考慮して、耐熱性の高いポリイミ
ドを中心に検討した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
検討を進めたところ、樹脂フィルム上に直接磁気抵抗効果薄膜をスパッタや蒸着などの
真空成膜法で形成すると、従来ガラス基板上で得られていた磁気特性、特に磁気抵抗変化
率を安定して得ることが難しいことが判った。具体的には、サンプル毎に抵抗変化率が大
きくばらつき、抵抗変化率が全く得られないものから、良くてもガラス基板を用いた場合
の１／２程度であった。
【００１２】
原因調査を進めるうえで、樹脂フィルム基材の表面粗さにまず着目した。巨大磁気抵抗
効果薄膜は極めて薄い膜の積層体のため、成膜面の表面粗さが十分に小さくない場合には
積層ずれを生じるためである。そこで、種々の樹脂フィルムの表面粗さをＡＦＭによって
測定し、抵抗変化率との相関を調査した。しかしながら表面粗さと抵抗変化率との相関は
認められず、ガラス基板と同等の表面粗さを有していても、ガラス基板と同等の抵抗変化
率を得ることはできなかった。
【００１３】
以上のような実情のもとに本発明はなされたものであって、樹脂フィルム基材上にガラ
ス基板上と同等の磁気特性を有する磁気抵抗効果薄膜を安定して得ることと、小径の磁気
式エンコーダー用磁気抵抗効果型磁気センサーを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の磁性組立体は、可撓性樹脂基材の表面に磁性薄膜がパターン形成され、前記可
撓性樹脂の吸水率が１％以下であることが好ましい。より好ましくは可撓性樹脂の吸水率
が０．４％以下である。
【００１５】
可撓性樹脂基材で磁性膜の特性を阻害するのは、樹脂に取り込まれた水分であることが
種々の検討で判った。巨大磁気抵抗効果膜をガラス基板に形成したときの磁気抵抗変化率
は約１０％である。樹脂の吸水率が上がるに従い樹脂上に形成した巨大磁気抵抗効果膜の
磁気抵抗変化率は低下する。実用の目安である磁気抵抗変化率８％以上を得るには、樹脂
の吸水率を１％以下とすることが重要である。吸水率が１．３％を超えると磁気抵抗変化
率は３％以下になり、巨大磁気抵抗効果膜としては使用できないものである。吸水率０．
４％以下ではガラス基板とほぼ同じ磁気抵抗変化率が得られるものである。
【００１６】
抵抗変化率が巨大磁気抵抗効果膜より低い異方性磁気抵抗効果薄膜でも、同様に樹脂の
吸水率が１％を超えると抵抗変化率の低下やばらつきが大きくなる。異方性磁気抵抗効果
薄膜においても、樹脂の吸水率を１％以下より好ましくは０．４％以下にすることで、ガ
ラス基板に製膜した抵抗変化率と同等の値が得られる。
【００１７】
吸水率とは、ＡＳＴＭ試験法Ｄ−５７０に従って測定された、２３℃の蒸留水中での２
４時間浸漬試験による値を言う。樹脂表面の吸着水分ではなく、樹脂に取り込まれる水分
量を率で表わしたものである。
【００１８】
樹脂としてはフッ素化ポリイミドが好適である。高い耐熱性を有し、表面平滑性が良好
な平坦なフィルムが容易に得られるポリイミド系樹脂の中にあって、分子中の水素基の一
部または全部がフッ素基で置換されておりその分だけ吸水しにくい。また、一般的な非フ
ッ素化ポリイミドの中にも分子構造によっては吸水率が１％以下のものがあり、その中か
ら選択しても良い。他にノルボルネン系樹脂やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、
ポリカーボネート（ＰＣ）等が挙げられる。吸水率の他に、磁性組立体の製造工程や使用
環境に応じて耐熱性、耐薬品性等を考慮して適宜選択することができる。
【００１９】
磁性組立体を作製するにあたり、少なくとも製造工程の初期段階においては、樹脂基材
は単体のフィルムではなく、シリコンまたはガラス等の支持基板に固定して使用するのが
良い。樹脂フィルムは可撓性を有するので、樹脂フィルム単体では磁性薄膜の成膜や磁界
検知パターンを形成するフォトリソグラフィー等を行うのに、一般的な製造工程では取り
扱うことが困難なためである。そのために、樹脂の前駆体であるワニスをシリコン基板ま
たはガラス基板等の支持基板にコーティングした後、熱処理して樹脂膜として利用するの
が好ましい。最終的に支持基板が不要な場合は、支持基板をエッチングや研磨等によって
除去することができる。もしくは、物理的に支持基板から引き剥がすこともできる。コー
ティングの手法を用いれば、容易に数μｍオーダー厚の樹脂フィルム基材を得ることがで
きる。
【００２０】
樹脂材の耐熱性は１３０℃以上あることが好ましい。フォトレジストを用いた従来の製
造工程をそのまま適用して、磁界検出パターンの形成を行うことが可能になるためである
。樹脂材の耐熱性が３００℃以上あれば、鉛フリーはんだを用いて、磁気センサーをはん
だ接合することも可能となり、磁性組立体の設計および製造方法の自由度が広がるのでよ
り好ましいものである。
【００２１】
本発明は、異方性磁気抵抗効果薄膜においても有効であるが、特に磁性薄膜が磁性層と
非磁性金属膜層を交互に積層し、非磁性金属膜層を介して上下の磁性層が反平行に磁気的
カップリングするようにした、巨大磁気抵抗効果薄膜で優れた効果を奏する。
【００２２】
樹脂基材を用いた本発明の磁気センサーは可撓性を有するので、磁気記録媒体の曲率と
同心になるような曲率に曲げて、前記磁気記録媒体に対向配置することができる。これに
より、ＧＬを磁界検出パターン全面に渡って一定に保持することが可能となり、磁気セン
サーの特性を向上させることができる。特に、小径の磁気記録媒体で可撓性が効果を発揮
するものである。
【００２３】
磁界検出パターンを曲げると、磁気抵抗効果薄膜にかかる応力により抵抗変化率特性が
劣化し、出力が低下することが知られている。しかし、磁界検出パターンが一般的なつづ
ら折り形状であれば、必然的に磁界検出パターンと平行に曲げる形を取るので、特性劣化
を最小限に留めることができる。曲げることで特性劣化を起こしたとしても、ＧＬを磁界
検出パターン全面に渡って最適値で一定に保持することによる出力上昇効果の方がはるか
に大きいため、全体的に見ると磁気式エンコーダーの性能向上が図れるものでる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、可撓性樹脂基材の表面に磁性薄膜がパターン形成された磁性組立
体において、基材として使用する樹脂材の吸水率を１％以下、より好ましくは０．４％以
下にすることで、磁気特性を安定して得ることが可能になる。また、磁気センサーを磁気
記録媒体の曲率に合わすことで、小径の磁気記録媒体でも高精度、高出力なエンコーダー
用磁気センサーを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、実施例を挙げて詳細に説明する。実施例１では、樹脂の吸水率と磁気抵抗変化率
の関係に付いて詳細に述べる。また、樹脂を用いた基材の作り方、磁気抵抗効果薄膜の製
法に付いても詳細に述べる。実施例２では、樹脂基材を用いた磁気センサーの特性につい
て詳細に述べる。
【実施例１】
【００２６】
４インチ径のシリコン基板上に、ポリイミドの前駆体であるポリアミド酸ワニスをスピ
ンコートした。窒素雰囲気のクリーンオーブン中で最終温度までに一時間程度の温度保持
を数回行い、最後は３００〜３５０℃で３０〜６０分熱処理を行い、ポリアミド酸ワニス
をイミド化し、シリコン基板上にポリイミドフィルムを得た。ポリアミド酸ワニスの粘度
とスピンコートの際の回転数を制御することで、熱処理後のポリイミドフィルムの膜厚が
４μｍとなるようにした。
【００２７】
使用したポリアミド酸ワニスは、ＦＬＵＰＩ−０１用ポリアミド酸ワニス（ＮＴＴアド
バンステクノロジ（株）製）、ＦＬＵＰＩ−１０用ポリアミド酸ワニス（ＮＴＴアドバン
ステクノロジ（株）製）、Ｕ−ワニス−Ｓ（宇部興産（株）製）等を用いた。使用したポ
リアミド酸ワニスから得られたポリイミドを、それぞれポリイミドＡ〜ポリイミドＧと表
記する。なお、ポリイミドＡおよびポリイミドＢは、分子中の水素基の一部がフッ素基で
置換されているフッ素化ポリイミドである。ポリイミドＡ〜ポリイミドＧの吸水率を測定
したところ、ポリイミドＡ〜ポリイミドＧの順に０．１％、０．４％、１．４％、１．６
％、１．３％、２．０％、１．０％であった。
【００２８】
ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いてポリイミドＡからＧにＧＭＲ膜を成膜した。成
膜は、１．３３×１０−５Ｐａ（１×１０−７Ｔｏｒｒ）まで真空引きしてからＡｒガス
を導入し、成膜中の真空度は２．６６×１０−１Ｐａ（２×１０−３Ｔｏｒｒ）とした。
レファレンスとするため、同バッチにてコーニング社製＃１７３７ガラス基板にも成膜を
行った。
【００２９】
ＧＭＲ膜の膜構成は、基板側の層から順にＮｉＦｅＣｒ（５ｎｍ）／〔ＮｉＦｅＣｏＢ
（１．６ｎｍ）／Ｃｕ（２．４ｎｍ）〕×１４層／ＮｉＦｅＣｏＢ（１．６ｎｍ）／Ｔａ
（３ｎｍ）とした。
【００３０】
成膜したＧＭＲ膜について、抵抗変化率の評価を行った。磁気抵抗変化率は磁界検知パ
ターンに加工すると、一般にパターンのない状態に比べて小さくなるが、その減少率はパ
ターン形状が同じである限り変わらない。評価は成膜したままでパターンのない状態で行
った。磁気抵抗変化率は、室温で４端子法により測定したＧＭＲ膜の抵抗値を、磁界０の
状態と、最大で７９ｋＡ／ｍの磁界を印加して抵抗変化を飽和させた状態とで比較評価し
た。
【００３１】
図１に吸水率と磁気抵抗変化率の関係を示す。レファレンスのガラス基板上に成膜した
ＧＭＲ膜の磁気抵抗変化率が１０．６％であったのに対し、ポリイミドＡ〜Ｇ上に成膜し
たＧＭＲ膜の磁気抵抗変化率は、ポリイミドＡ〜Ｇの順に１０．０％、９．８％、０．９
％、１．１％、３．２％、０％、８．１％であった。
【００３２】
樹脂の吸水率が１％（ポリイミドＧ）でガラス基板に比べ磁気抵抗変化率が２．５ポイ
ント下がってしまった。ＧＭＲ膜の磁気抵抗変化率として、使用できる下限に近い値とな
ってしまった。さらに、吸水率の高いポリイミドＣ〜Ｆでは、７．４〜１０．６ポイント
も下がってしまい、ＧＭＲ膜としては使用できない結果となった。吸水率０．４％のポリ
イミドＢでは、磁気抵抗変化率の低下は０．８ポイントしかなく、満足できる値が得られ
た。これらのことから、樹脂の吸水率を１％以下より好ましくは０．４％以下とすること
で、可撓性を有する樹脂上に磁気特性の劣化が少ない磁性体を成膜できることが確認でき
た。
【実施例２】
【００３３】
図２は、本発明の一実施形態であるエンコーダー用磁気センサーの磁気記録媒体と磁界
検出パターンの関係を示す図である。樹脂フィルム基材１６２上にＧＭＲ膜の磁界検知パ
ターン１６３及び１６４を配置した磁気センサーを磁気記録媒体１６１に対向させている
。磁気記録媒体１６１の半径は１４．１ｍｍである。磁界検知パターン１６３及び１６４
は模式的に図示している。実際には線幅５．８μｍ、スペース２．０μｍで３回折り返し
たつづら折り部が１４１μｍ間隔で４つ並んで直列に接続されて成るパターンを一組とし
、これを４つ組み合わせてブリッジ回路を成すように構成した。また、磁気記録媒体１６
１の着磁ピッチは１４１μｍとした。
【００３４】
実施例１のポリイミドＡに成膜したＧＭＲ膜上に、フォトリソグラフィー技術を用いて
前記の磁界検出パターンに対応するレジストパターンを形成した。さらに、イオンミリン
グによってＧＭＲ膜の不要な部分をエッチングした後、レジストパターンを除去して磁界
検出パターンを形成した。
【００３５】
図示していないが端子部には、無電解めっきで２μｍ厚のＮｉＰの下地膜を形成した後
、表面にＡｕの置換めっきを施した。さらに、はんだペーストをスクリーン印刷し、リフ
ローを行ってはんだ端子を形成した。形成した素子をダイシングによって個々に分断した
後、素子をフッ素化ポリイミド基材とシリコン基板の界面から引き剥がして磁気センサー
を得た。以下、本発明の磁気センサーを磁気センサーＡと言う。
【００３６】
実施例１においてレファレンスとしたガラス基板上にＧＭＲ膜を直に成膜したものを用
いて、同様の製造工程にてレファレンス用の磁気センサーＲを作製した。
【００３７】
上記磁気センサーＡ及びＲを磁気記録媒体と組合わせ、ロータリーエンコーダーを作製
した。まず、磁気センサーＡと磁気センサーＲを図４に示したように平面のまま磁気ドラ
ムに対向させた。その結果、磁気センサーＡの出力は磁気センサーＲに対して５％低かっ
た。これは、磁気センサ−Ａの磁気抵抗変化率が１０％と、磁気センサーＲの磁気抵抗変
化率１０．６％より低いためと考えられる。磁気センサーの出力５％の低下は、エンコー
ダーとして許容できる範囲であり、問題のないものである。ちなみに、吸水率１％のポリ
イミドＧで製作した磁気センサーの出力は、磁気センサーＲに比べ出力が約１７％低下し
た。エンコーダーとしては２０％程度までの出力低下は許容できるもので、従来と同様の
図４の様に使用しても吸水率１％までは使用できることが確認できた。
【００３８】
図２に示すように、磁気センサーＡを磁気記録媒体の曲率に対応するようにセンサー自
体に曲率をもたせて配置したところ、磁気センサーＲに対して２６％高い出力を得た。こ
れは、ＧＬ１からＧＬ２まで磁気検知パターン全面に渡って、ＧＬを等しく且つ最適値に
保持することが可能になったからである。この効果は磁気媒体径が小さくなるほど大きい
。一方、磁気センサーＲは、ドラム径が小さくなるほどＧＬ１とＧＬ２の差が大きくなり
、構成したブリッジ回路の中点が正確に取れなくなるため、出力信号の精度低下が生じ実
用に供さなくなる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は機器装置の回転や位置の検出を行うロータリーエンコーダー、リニアエンコー
ダー用磁気センサー、方位の検出を行う方位センサーとして、プリンター、カメラレンズ
、電子コンパス、携帯電話等への適用が可能である。特に、本発明は小型化、軽量化が容
易なため、携帯性を要する電子機器等への適用は有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】樹脂の吸水率と磁気抵抗変化率の関係を示す図である。
【図２】本発明の磁気式エンコーダーの磁気記録媒体と磁界検出パターンの関係を示す図である
【図３】磁気式エンコーダーの構造を示す斜視図である。
【図４】従来の磁気式エンコーダーの磁気記録媒体と磁界検出パターンの関係を示す図である
【符号の説明】
【００４１】
６１  磁気記録媒体、６２  磁気センサー、６３，６４  磁界検出パターン、
１０１  シャフト、１０２  磁気記録媒体、１０３  磁気センサー、
１０４  フレキシブルプリント配線、１０５  信号処理回路、
１０７  磁界検出パターン、１６１  磁気記録媒体、１６２  樹脂フィルム基材、
１６３，１６４  磁界検知パターン。
【図１】
2005195413.tif 000003
【図２】
2005195413.tif 000004
【図３】
2005195413.tif 000005
【図４】
2005195413.tif 000006