(57)【要約】【課題】感度および製造歩留まりがともに高い磁気センサを提供する。【解決手段】磁気センサ１０は、磁性体を含む物体５の移動にともなう磁界分布の変化を検知するためのものであって、磁気抵抗効果膜１２と、磁界を発生する機構８とを備えている。磁気抵抗効果膜１２は、変曲点ＩＰを有する磁気抵抗曲線ＭＪにしたがう磁気抵抗効果を有している。磁界を発生する機構８は、物体５と磁気抵抗効果膜１２とを含む領域に磁界分布を形成するためのものである。磁界を発生する機構８は、磁界分布の変化にともない変化する磁気抵抗効果膜１２中の磁界の強さが変曲点ＩＰにおける磁界の強さよりも小さくなるように磁界を発生する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体を含む物体の移動にともなう磁界分布の変化を検知するための磁気センサであって、
変曲点を有する磁気抵抗曲線にしたがう磁気抵抗効果を有する磁気抵抗効果膜と、
前記物体と前記磁気抵抗効果膜とを含む領域に前記磁界分布を形成するために磁界を発生する機構とを備え、
前記磁界を発生する機構は、前記磁界分布の変化にともない変化する前記磁気抵抗効果膜中の磁界の強さが前記変曲点における磁界の強さよりも小さくなるように磁界を発生する、磁気センサ。
【請求項２】
前記磁気抵抗効果膜は、前記物体と前記機構との間に位置する、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記機構は永久磁石である、請求項１または２に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気センサに関し、特に、磁性体を含む物体の移動にともなう磁界分布の変化を検知するための磁気センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、検出素子として磁気抵抗効果膜を使用したセンサの実用化が進んでいる。このようなセンサとしては、たとえば特許第３４４９１６０号公報（特許文献１）に開示された回転センサがある。この回転センサは、凹部および凸部を有する磁性回転体の回転移動を検出するために、回転体の近くに設置される。回転センサは、磁界を発生させるための永久磁石と、ＧＭＲ(Giant Magneto Resistive)積層膜（磁気抵抗効果膜）とを有している。回転体が回転すると、凹部および凸部が移動することで永久磁石から出た磁束の分布が変化する。この変化がＧＭＲ積層膜により検出される。
【０００３】
このＧＭＲ積層膜は、Ｎｉ、ＦｅおよびＣｏを主成分とする磁性層と、Ｃｕを主成分とする非磁性層とが交互に積層された人工格子型と呼ばれるものである。磁性層および非磁性層の各々の膜厚は１０〜２５Åとされ、１０〜４０周期の積層構造が形成されている。また基板の表面と人工格子との格子定数調整のためのバッファー層が１０〜８０Åの厚さで設けられている。
【０００４】
ＧＭＲ積層膜に外部磁界が印加されていない場合、磁性層と非磁性層との相互作用によって非磁性層をはさんで隣り合う磁性層の磁化方向が互いに反平行となる状態が安定状態となり、このときＧＭＲ積層膜の抵抗値は最大となる。印加される外部磁界が大きくなることで磁化方向が揃っていくとこの抵抗値が低下するが、磁界が一定の強さ以上になると磁界の増大にともなう抵抗値の低下はなくなる。この最小の抵抗値に達する磁界強度は飽和磁界と呼ばれる。また磁気抵抗変化率は最大抵抗値と最小抵抗値との差の最小抵抗値に対する比で定義される。
【特許文献１】特許第３４４９１６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
磁気抵抗効果膜（ＧＭＲ積層膜）が有する磁性層および非磁性層の膜厚は、ある程度の製造ばらつきを有している。この膜厚のばらつきに起因して磁気抵抗変化率にばらつきが生じる。特に、大きな磁気抵抗変化率が得られるように膜厚の設計値が定められた場合、磁気抵抗変化率の製造ばらつきがより大きくなる。この結果、感度の高い磁気センサを高い歩留まりで製造することが困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、感度および製造歩留まりがともに高い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】
【０００７】
本発明の磁気センサは、磁性体を含む物体の移動にともなう磁界分布の変化を検知するための磁気センサであって、磁気抵抗効果膜と、磁界を発生する機構とを備えている。磁気抵抗効果膜は、変曲点を有する磁気抵抗曲線にしたがう磁気抵抗効果を有している。磁界を発生する機構は、物体と磁気抵抗効果膜とを含む領域に磁界分布を形成するためのものである。磁界を発生する機構は、磁界分布の変化にともない変化する磁気抵抗効果膜中の磁界の強さが変曲点における磁界の強さよりも小さくなるように磁界を発生する。
【発明の効果】
【０００８】
本実施の形態における磁気センサによれば、磁気抵抗効果膜中の磁界の強さの範囲が変曲点よりも小さいことにより、感度の高い磁気抵抗効果膜を構成する膜の膜厚ばらつきに起因する磁気抵抗変化率のばらつきが抑制される。よって、感度の高い磁気センサ装置を高い歩留まりで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
はじめに、本実施の形態の磁気センサとしての回転センサの概略的な構成について説明する。図１は、本発明の一実施の形態における磁気センサとしての回転センサの使用状態を概略的に示す斜視図である。図２は、本発明の一実施の形態における磁気センサが有するＧＭＲ素子を概略的に示す断面図である。図３は、本発明の一実施の形態における磁気センサが有する磁気抵抗効果膜としてのＧＭＲ積層膜のメジャーループを模式的に示す図である。
【００１０】
図１を参照して、本実施の形態の回転センサ１０（磁気センサ）は、ＧＭＲ素子７と、永久磁石８（磁界を発生する機構）と、センサ用基板６と、制御回路９とを有している。回転センサ１０は、回転体５（物体）の近くに設置されている。回転体５は、磁性体を含み、移動することができる物体である。永久磁石８はバルク状の磁石である。ＧＭＲ素子７は、回転体５と永久磁石８との間に位置している。これにより、永久磁石８は、回転体５とＧＭＲ素子７とを含む領域に磁界分布を形成するように、センサ用基板６に取り付けられている。
【００１１】
図２を参照して、ＧＭＲ素子７は、素子用基板３と、バッファ層４と、ＧＭＲ積層膜１２（磁気抵抗効果膜）とを有している。ＧＭＲ積層膜１２は、磁性層１と非磁性層２とを１単位とした２０周期の周期構造を有している。磁性層１および非磁性層２のそれぞれは、Ｃｏ（コバルト）およびＣｕ（銅）からなる。また磁性層１および非磁性層２のそれぞれの膜厚は、１５Åおよび２１Åである。ＧＭＲ積層膜１２は、バッファ層４を介して素子用基板３上に形成されている。素子用基板３は、熱酸化膜付きのシリコン基板である。バッファ層４は、磁性層１と同じ組成からなり、５０Åの膜厚を有している。バッファ層４と、ＧＭＲ積層膜１２とは、スパッタ法により成膜されている。
【００１２】
主に図３を参照して、ＧＭＲ積層膜１２（図２）のメジャーループＭＪとは、磁気抵抗曲線の一種であり、ＧＭＲ積層膜１２の面内の一の方向に沿って正負の飽和磁界Ｈｓを含むような十分に広い範囲に渡って磁界Ｈが走査された場合における磁界Ｈと抵抗Ｒとの関係を示すグラフである。メジャーループＭＪにおいて、磁界Ｈがゼロのとき、抵抗Ｒは最大抵抗Ｒｍａｘとなる。磁界Ｈの絶対値が飽和磁界Ｈｓを越えると、抵抗Ｒは最小抵抗Ｒｍｉｎとなる。すなわち抵抗Ｒは、磁界の印加により最大で抵抗変化ΔＲ＝Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎだけ変化する。この変化の途中部分において、メジャーループＭＪは磁界Ｈ＝Ｈｉで変曲点ＩＰを有している。
【００１３】
なおメジャーループＭＪの測定における飽和磁界Ｈｓを越えるような大きな磁界は、あくまでＧＭＲ積層膜１２の特性評価の際に印加されるものであり、回転センサ１０（図１）のセンサとしての使用時においてこのように大きな磁界Ｈが印加されるものではない。
【００１４】
回転センサ１０は、センサとしての使用時において、ＧＭＲ積層膜１２中の磁界Ｈが変曲点ＩＰにおける磁界Ｈｉよりも小さくなるように構成されている。すなわち、回転体５（図１）の移動にともなって変化する磁界Ｈの強さが磁界Ｈｉよりも小さくなるように、永久磁石８（図１）の強さと取り付け位置とが調整されている。
【００１５】
次に回転センサ１０の使用方法について説明する。図１を参照して、回転体５が回転移動すると、永久磁石８が磁界を形成する空間における磁性体の分布状態が変化するため、永久磁石８により形成される磁界分布が変化する。この結果、ＧＭＲ積層膜１２中の磁界Ｈも変化する。この変化がＧＭＲ素子７により検知されることで、回転体５の回転移動を検知することができる。
【００１６】
次に、ＧＭＲ積層膜１２の特性の詳細について説明する。なお、以下においては、一例としてＧＭＲ積層膜１２が線幅約１０μｍのラインパターンに加工された場合について説明する。この加工はフォトレジストを用いたマスキングと、エッチングとにより行なうことができる。
【００１７】
図４は、本発明の一実施の形態における磁気センサが有する磁気抵抗効果膜としてのＧＭＲ積層膜のマイナーループを概略的に示す図である。図３および図４を参照して、磁界Ｈの０〜３８．２ｋＡ／ｍ（４８０エルステッド）の範囲を、３．１８ｋＡ／ｍ（４０エルステッド）きざみで１２組の区間に分割し、各区間ごとに磁気抵抗曲線を測定することで、マイナーループＭＮ１〜ＭＮ１２が得られる。たとえばマイナーループＭＮ４は、磁界Ｈが１１．１ｋＡ／ｍ（１４０エルステッド）のバイアス磁界のもとで±１．５９ｋＡ／ｍ（２０エルステッド）の区間で走査された場合の磁気抵抗曲線である。なお、このように磁界Ｈの走査量が飽和磁界Ｈｓ以下の場合に得られる磁気抵抗曲線は、マイナーループと呼ばれる。
【００１８】
本実施の形態の回転センサ１０は、マイナーループＭＮ４の領域で動作される磁気センサである。すなわち回転センサ１０のセンサとしての利用時において、ＧＭＲ積層膜１２に印加される磁界の強度は９．５５〜１２．７ｋＡ／ｍ（１２０〜１６０エルステッド）の範囲内であり、磁界Ｈｉ（約１４．３ｋＡ／ｍ（１８０エルステッド））よりも小さい。
【００１９】
なおマイナーループＭＮ１〜ＭＮ１２は、メジャーループＭＪにおける対応部分に近い曲線形状を有している。メジャーループＭＪは磁界Ｈ＝Ｈｉ近傍で最も傾きが大きくなる。このため、磁界Ｈの強さ範囲として磁界Ｈｉを含むマイナーループＭＮ５は、マイナーループＭＮ１〜１２の中で最大の磁気抵抗変化率を有している。
【００２０】
次に、本実施の形態の回転センサ１０の特性の製造ばらつきによる変動について説明する。図５は、本発明の一実施の形態における磁気センサが有する非磁性層としてのＣｕ層の膜厚ばらつきと、ＧＭＲ積層膜の飽和磁化およびメジャーループにおける磁気抵抗変化率の各々との関係を概略的に示す図である。主に図５を参照して、非磁性層２、すなわちＣｕ膜厚が製造ばらつきにより２１Åから±１．５Åだけ変動した場合、メジャーループＭＪ（図３）の磁気抵抗変化率の変動に比して、飽和磁界Ｈｓ（図３）の変動が大きいことがわかる。すなわち飽和磁界Ｈｓは、膜厚２１Åにおいて極大値となり、このピークを外れると大きく減少することがわかる。
【００２１】
図６は、本発明の一実施の形態における磁気センサが有する磁気抵抗効果膜としてのＧＭＲ積層膜の飽和磁界の変動と、磁気抵抗曲線の変動との関係を説明するための模式的な図である。図７は、本発明の一実施の形態における磁気センサが有する非磁性層としてのＣｕ層の膜厚ばらつきと、本実施の形態およびその比較例の各々におけるマイナーループの磁気抵抗変化率との関係を概略的に示す図である。
【００２２】
主に図６を参照して、メジャーループＭＪは、上述した製造ばらつきにより飽和磁界Ｈｓ（図５）が減少すると、メジャーループＭＪｖへ変化する。
【００２３】
これにともない本実施の形態の動作範囲のマイナーループＭＮ４はマイナーループＭＮ４ｖへ変化し、対応する磁界Ｈの区間におけるマイナーループの磁気抵抗変化率が大きくなることが読み取れる。また本実施の形態の動作範囲外、すなわち比較例に対応するマイナーループＭＮ６は、マイナーループＭＮ６ｖへ変化し、対応する磁界Ｈの区間におけるマイナーループの磁気抵抗変化率が小さくなることが読み取れる。
【００２４】
図７を参照して、本実施の形態の動作範囲のマイナーループＭＮ４の磁気抵抗変化率Ｃ４は、非磁性層２すなわちＣｕ膜の膜厚が±１Åばらついても、減少することなく、おおよそ安定している。
【００２５】
それに比して、本実施の形態の動作範囲外、すなわち比較例のマイナーループＭＮ６の磁気抵抗変化率Ｃ６は、膜厚ばらつきにより急減してしまうことがわかる。
【００２６】
なお、磁気抵抗変化率Ｃ４は、膜厚２０Åおよび２２Åのそれぞれから１９．５Åおよび２２．５Åへの変動において、やや大きく減少しているが、これは飽和磁界が小さくなり過ぎることによりメジャーループＭＪｖの変曲点が低磁界側にシフトし、もともと変曲点ＩＰ以下の領域であった９．５〜１２．７ｋＡ／ｍ（１２０〜１６０エルステッド）の磁界範囲が変曲点以上の領域になってしまうためである。
【００２７】
本実施の形態によれば、磁界Ｈの動作範囲が磁界Ｈｉ（図３）よりも小さくされることにより、図７に示すように、ある程度の膜厚ばらつきが非磁性層２に生じても、動作領域に対応する磁界範囲内での磁気抵抗変化率は、低下せずにおおよそ安定している。つまり、回転センサ１０の動作範囲を磁界Ｈｉよりも小さい磁界範囲に設定することにより、歩留まりよく回転センサ１０を製造することが可能になる。
【００２８】
またＧＭＲ積層膜１２は、回転体５と永久磁石８との間に設けられている。これにより、回転体５の移動により生じる回転体５と永久磁石８との間の磁界の変化を検知することができる。
【００２９】
また永久磁石８はバルク状の永久磁石である。これにより回転体５に達する程度の強い磁界を容易に発生させることができる。
【００３０】
なおＣｕ膜厚ばらつきの許容範囲を大きくするためには、できるだけ小さい磁界Ｈで回転センサ１０が動作されればよい。たとえば、図４を参照して、回転センサ１０がマイナーループＭＮ４に対応する磁界範囲で動作されるよりも、マイナーループＭＮ３に対応する磁界範囲で動作される方が、膜厚ばらつきの許容範囲は大きくなる。ただしこの場合、マイナーループの磁気抵抗変化率はより小さくなる。そこで磁界Ｈの動作範囲の設定は、磁界Ｈｉより小さい範囲内において、要求される磁気抵抗変化率と製造歩留まりとのトレードオフにより決定されるべきものである。
【００３１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、磁性体を含む物体の移動にともなう磁界分布の変化を検知するための磁気センサに特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施の形態における磁気センサとしての回転センサの使用状態を概略的に示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態における磁気センサが有するＧＭＲ素子を概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態における磁気センサが有する磁気抵抗効果膜としてのＧＭＲ積層膜のメジャーループを模式的に示す図である。
【図４】本発明の一実施の形態における磁気センサが有する磁気抵抗効果膜としてのＧＭＲ積層膜のマイナーループを概略的に示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態における磁気センサが有する非磁性層としてのＣｕ層の膜厚ばらつきと、ＧＭＲ積層膜の飽和磁化およびメジャーループにおける磁気抵抗変化率の各々との関係を概略的に示す図である。
【図６】本発明の一実施の形態における磁気センサが有する磁気抵抗効果膜としてのＧＭＲ積層膜の飽和磁界の変動と、磁気抵抗曲線の変動との関係を説明するための模式的な図である。
【図７】本発明の一実施の形態における磁気センサが有する非磁性層としてのＣｕ層の膜厚ばらつきと、本実施の形態およびその比較例の各々におけるマイナーループの磁気抵抗変化率との関係を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  磁性層、２  非磁性層、３  素子用基板、４  バッファ層、５  回転体、６  センサ用基板、７  ＧＭＲ素子、８  永久磁石、９  制御回路、１０  回転センサ、１２  ＧＭＲ積層膜。
【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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