(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（２１）上に強磁性体からなるピンド層（２４）、絶縁膜からなるトンネル膜（２５）、強磁性体からなるフリー層（２６）が形成された素子（２０）を有し、前記素子の置かれた場の磁界に応じて、前記トンネル膜を介して前記ピンド層と前記フリー層との間に流れるトンネル電流値の変化に基づいて磁気抵抗変化を検出するようにしたトンネル電流型磁気センサ（１０）を備え、
前記フリー層の中心を原点とし、前記ピンド層の磁化の方向をＸ軸、前記Ｘ軸に垂直であって前記ピンド層平面に垂直な方向をＺ軸、前記Ｘ軸および前記Ｚ軸を含む平面に垂直な方向をＹ軸とするデカルト座標系を規定した時、
前記素子の周囲には、前記Ｚ軸を中心とし前記Ｘ軸および前記Ｙ軸を含む平面に平行な面内で回転するリング状の回転体（３０）が設けられており、
前記回転体の一部には磁石（３１）が取り付けられており、前記磁石は、前記回転体の接線方向に沿ってＳＮ極が配置されていることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
前記磁石（３１）の回転範囲がＸ軸を基準として±９０°以内の範囲で検出するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル電流型磁気センサ（ＴＭＲ素子）を用いた回転角度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、車両のステアリングセンサやスロットルポジションセンサ等に用いられる回転角度検出装置としては、ＭＲ素子（磁気抵抗素子）等が用いられているが、ＭＲ素子はＭＲ比（磁気抵抗変化率）が３％程度と小さく、検出信号が小さい。
【０００３】
このため、増幅回路で信号を増幅することとなるが、素子自体の信号が小さいと大きな増幅率が必要であり、その検出結果の誤差成分も大きくなり、規模の大きな誤差補正回路等が必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、このＭＲ素子よりも大きなＭＲ比（例えば室温で１８％以上）を持つものとして、ＴＭＲ素子が知られており、例えば、特開平９−２５１６１８号公報や特開平１０−９３１５９号公報等に記載のＴＭＲ素子が提案されている。
【０００５】
このＴＭＲ素子は、一般に、基板上に強磁性体からなるピンド層、絶縁膜からなるトンネル膜、強磁性体からなるフリー層が形成された素子を有し、素子の置かれた場の磁界に応じて、トンネル膜を介してピンド層とフリー層との間に流れるトンネル電流値の変化に基づいて磁気抵抗変化を検出するようにしたものである。
【０００６】
本発明者等は、従来よりもＭＲ比の大きなＴＭＲ素子を用いれば、検出信号を大きくでき、上記したような規模の大きな誤差補正回路等が不要となると考えた。
【０００７】
そこで、本発明は、ＭＲ比の大きなＴＭＲ素子を用いて、感度良く且つ精度良く検出可能な新規な回転角度検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明者等は以下のような検討を行った。ＴＭＲ素子は、磁化方向が固定されたピンド層に対して、フリー層の磁化方向が外部磁界により変化することで、磁気抵抗変化が発生する。
【０００９】
ここで、フリー層の中心を原点とし、ピンド層の磁化の方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直であってピンド層平面に垂直な方向をＺ軸、Ｘ軸およびＺ軸を含む平面に垂直な方向をＹ軸とするデカルト座標系を規定した。
【００１０】
そして、この座標系において、Ｘ軸およびＹ軸を含むＸＹ平面、Ｘ軸およびＺ軸を含むＸＺ平面およびＹ軸およびＺ軸を含むＹＺ平面といった各面における外部磁界の回転に対する磁気抵抗値変化（ＭＲ比の変化）を調べると、図３〜図５に示すようになる。
【００１１】
図３は、ＸＹ平面にてＺ軸回りに外部磁界が回転した場合に、外部磁界のＸ軸に対する回転角度θと磁気抵抗値変化との関係を示し、図４は、ＸＺ平面にてＹ軸回りに外部磁界が回転した場合に、外部磁界のＸ軸に対する回転角度θと磁気抵抗値変化との関係を示し、図５は、ＹＺ平面にてＸ軸回りに外部磁界が回転した場合に、外部磁界のＹ軸に対する回転角度θと磁気抵抗値変化との関係を示す。
【００１２】
これら図において、変化する磁気抵抗値の最大値と最小値の比が実質的にＭＲ比に相当する。図３の場合、広い角度範囲（図３中の範囲Ａ参照）での外部磁界の変化に対して一様な磁気抵抗値変化を得ることができる、すなわちＭＲ比を一様に変化させることができる。図４の場合、磁気抵抗値変化は、図３に比べてはかなり狭い角度範囲（図４中の範囲Ｂ参照）での外部磁界の変化に対して得られるが、図３のような広い角度範囲での外部磁界の変化に対しては得られない。
【００１３】
また、図５の場合、外部磁界の回転によっては、フリー層の磁化方向の変化が起こらないため、外部磁界の変化に対しては磁気抵抗値すなわちＭＲ比は一定になる。このように、ＴＭＲ素子を用いる場合、図３の場合が最も好ましい。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
【００１４】
すなわち、請求項１に記載の発明では、基板（２１）上に強磁性体からなるピンド層（２４）、絶縁膜からなるトンネル膜（２５）、強磁性体からなるフリー層（２６）が形成された素子（２０）を有し、素子の置かれた場の磁界に応じて、トンネル膜を介してピンド層とフリー層との間に流れるトンネル電流値の変化に基づいて磁気抵抗変化を検出するようにしたトンネル電流型磁気センサ（１０）を備え、フリー層の中心を原点とし、ピンド層の磁化の方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直であってピンド層平面に垂直な方向をＺ軸、Ｘ軸およびＺ軸を含む平面に垂直な方向をＹ軸とするデカルト座標系を規定した時、素子の周囲には、Ｚ軸を中心としＸ軸およびＹ軸を含む平面に平行な面内で回転するリング状の回転体（３０）が設けられており、回転体の一部には磁石（３１）が取り付けられており、磁石は、回転体の接線方向に沿ってＳＮ極が配置されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、回転体がトンネル電流型磁気センサの素子の回りを回転すると、回転体の磁石による磁界が回転し、この磁界の回転角度の変化をトンネル電流型磁気センサにより検出するようになっている。
【００１６】
そして、本発明のように、トンネル電流型磁気センサの素子すなわちＴＭＲ素子と、磁石を持つ回転体との位置関係を規定することにより、上記図３に示すような関係を実現でき、広い角度範囲での外部磁界の変化に対してＭＲ比を一様に変化させることができる。そのため、ＴＭＲ素子を用いて、感度良く且つ精度良く検出可能な新規な回転角度検出装置を提供することができる。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明では、磁石（３１）の回転範囲がＸ軸を基準として±９０°以内の範囲で検出するようになっていることを特徴とする。
【００１８】
それによれば、磁石のＳＮ極によって生じる外部磁界は、Ｘ軸を基準として０〜１８０°または０〜−１８０°の角度範囲で回転する。上記図３に示すように、この外部磁界の回転角度の範囲は、ＭＲ比を一様に変化させるために好ましい範囲である。
【００１９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る回転角度検出装置Ｓ１の構成を示す図である。回転角度検出装置Ｓ１は、トンネル電流型磁気センサ１０と、このセンサ１０を取り囲むように配置されたリング状の回転体３０とを備えている。
【００２１】
図２は、トンネル電流型磁気センサ１０におけるＴＭＲ素子としての素子２０の概略断面構成を示す図である。この素子２０は、シリコン基板等からなる基板２１を有し、基板２１の上には、下部電極２２、反強磁性膜からなるピニング層２３、強磁性膜からなるピンド層２４、絶縁膜からなるトンネル膜２５、強磁性膜からなるフリー層２６、上部電極２７といった各膜が積層されている。
【００２２】
下部および上部電極２２、２７は例えばＰｔ等の電極材料からなる。ピニング層２３は例えばＦｅ−Ｍｎ等の反強磁性材料からなり、ピンド層２４およびフリー層２６は例えばＮｉ−Ｆｅ等の強磁性材料からなる。また、トンネル膜２５は例えばアルミナ等の絶縁性かつ非磁性材料からなる。このような素子２０はスパッタや蒸着などの一般的な成膜方法により製造することができる。
【００２３】
ピニング層２３は、ピンド層２４の磁化反転をピン止めするものであり、フリー層２６は外部磁界により磁化方向が自在に反転するものである。そして、素子２０においては、トンネル膜２５を介してピンド層２４とフリー層２６との間にトンネル電流が流れるが、外部磁界が変化した場合、磁化反転をピン止めされたピンド層２４の磁化方向は一定であるのに対し、フリー層２６の磁化方向が変化することで、上下電極２２と２７との間の抵抗値（磁気抵抗値）が変化し、トンネル電流値が変化するようになっている。
【００２４】
なお、素子２０の構成は、上記図２に示す構成に限定するものではない。つまり、素子２０は、基板上に強磁性体からなるピンド層、絶縁膜からなるトンネル膜、強磁性体からなるフリー層が形成されたものであって、素子２０の置かれた場の磁界に応じて、トンネル膜を介してピンド層とフリー層との間に流れるトンネル電流値の変化に基づいて磁気抵抗変化を検出するようにしたものであれば良い。例えば、上記した従来公報等に記載されているようなＴＭＲ素子構成であっても良い。
【００２５】
ここで、図１および図２中に示すＸ、Ｙ、Ｚ軸は、フリー層２６の中心を原点とし、ピンド層２４の磁化の方向をＸ軸、このＸ軸に垂直であってピンド層２４平面に垂直な方向をＺ軸、Ｘ軸およびＺ軸を含むＸＺ平面に垂直な方向をＹ軸とするデカルト座標系を示すものである。
【００２６】
このようなデカルト座標系において、素子２０の磁気抵抗変化特性は、「解決手段」の欄にて述べた図３〜図５に示したものと同じ特性を示す。つまり、ＸＹ平面にてＺ軸回りに外部磁界が回転した場合に、素子２０は、広い角度範囲での外部磁界の変化に対して一様な磁気抵抗値変化を得ることができる、すなわちＭＲ比を一様に変化させることができる。
【００２７】
そして、図１に示すように、リング状の回転体３０は、素子２０の周囲にて、Ｚ軸を中心としＸ軸およびＹ軸を含むＸＹ平面に平行な面内で回転するようになっている。この回転体３０は、例えば、車両のステアリングの回転軸やスロットルの回転軸などと連動して回転するようになっている。
【００２８】
この回転体３０は、非磁性体から構成されているが、図１に示すように、その一部には磁石３１が取り付けられており、この磁石３１は、回転体３０の接線方向に沿ってＳＮ極が配置されている。
【００２９】
ここで、回転体３０は、例えば、磁石３１の回転範囲がＸ軸を基準として±９０°以内の範囲で回転するようになっている。この磁石３０の回転範囲は、例えば図１中に示される範囲Ａ１または範囲Ａ２に相当する。
【００３０】
次に、上記構成に基づき回転角度検出装置Ｓ１の作動について、図６を参照して述べる。図６（ａ）では、素子２０に加わっている磁石３１による磁界Ｋすなわち素子２０の置かれた場の磁界Ｋの方向は、Ｘ軸に対して−９０°の状態にある。この状態から、回転体３０が、素子２０の周囲にてＺ軸回りにＸＹ平面に平行な面内で回転し、例えば図６（ｂ）の状態となったとする。
【００３１】
図６（ｂ）では、上記磁界Ｋの方向は、Ｘ軸と平行すなわちＸ軸に対して０°の状態にある。このような図６（ａ）から図６（ｂ）への磁界Ｋの変化は、上記図３に示したような、ＸＹ平面にてＺ軸回りに外部磁界が回転した場合に相当する。
【００３２】
そのため、トンネル電流型磁気センサ１０においては、上記したような磁界Ｋの変化によって、図３に示したような外部磁界の回転角度に伴う一様な磁気抵抗値変化を生じる。そして、この磁気抵抗値変化によって、トンネル膜２５を介してピンド層２４とフリー層２６との間に流れるトンネル電流値が変化するため、磁界Ｋの回転角度θが求まり、結果、回転体３０の回転角度を求めることができる。
【００３３】
このように、本実施形態の回転角度検出装置Ｓ１によれば、トンネル電流型磁気センサ１０の素子２０と、磁石３１を持つ回転体３０との位置関係を規定することにより、上記図３に示すような関係を実現でき、広い角度範囲での外部磁界の変化に対してＭＲ比を一様に変化させることができる。そのため、ＴＭＲ素子を用いて、感度良く且つ精度良く検出可能な新規な回転角度検出装置を提供することができる。
【００３４】
また、本実施形態においては、磁石３１の回転範囲がＸ軸を基準として±９０°以内の範囲Ａ１、Ａ２で検出するようになっていることが好ましい。それによれば、磁石３１のＳＮ極によって生じる外部磁界は、Ｘ軸を基準として０〜１８０°または０〜−１８０°の角度範囲で回転する。上記図３に示すように、この外部磁界の回転角度の範囲は、ＭＲ比を一様に変化させるために好ましい範囲である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る回転角度検出装置の構成図である。
【図２】トンネル電流型磁気センサにおける素子の概略断面図である。
【図３】ＸＹ平面にてＺ軸回りに外部磁界が回転した場合に、外部磁界のＸ軸に対する回転角度θと磁気抵抗値変化との関係を示す図である。
【図４】ＸＺ平面にてＹ軸回りに外部磁界が回転した場合に、外部磁界のＸ軸に対する回転角度θと磁気抵抗値変化との関係を示す図である。
【図５】ＹＺ平面にてＸ軸回りに外部磁界が回転した場合に、外部磁界のＹ軸に対する回転角度θと磁気抵抗値変化との関係を示す図である。
【図６】図１に示す回転角度検出装置の作動説明図である。
【符号の説明】
１０…トンネル電流型磁気センサ、２０…素子、２１…基板、
２４…ピンド層、２５…トンネル膜、２６…フリー層、３０…回転体、
３１…磁石。
【図１】
0003873752.tif 000002
【図２】
0003873752.tif 000003
【図３】
0003873752.tif 000004
【図４】
0003873752.tif 000005
【図５】
0003873752.tif 000006
【図６】
0003873752.tif 000007