JP4874781B2 - 磁気センサ及びそれを用いた磁気エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、特に、出力波形の安定化を図ることができる等、検出精度を向上させることが可能な磁気センサ及びそれを用いた磁気エンコーダに関する。

巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用した磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）は、磁気エンコーダに使用できる。

図１０は、従来における磁気エンコーダの部分断面図である。図１０に示す磁石１の表面は、磁気センサ２の相対移動方向に向けてＮ極とＳ極とが交互に配列された着磁面となっている。

図１０に示すように、前記磁気センサ２は、基板３と前記基板３の表面に形成された磁気抵抗効果素子４，５とを有して構成される。

前記磁気抵抗効果素子４，５は直列接続されている。前記磁石１のＮ極とＳ極間の中心幅（ピッチ）は、λ（図１１を参照）である。また直列接続された前記磁気抵抗効果素子４，５の中心間の間隔もλとなっている。前記磁気抵抗効果素子４，５は共に同じ積層体６で構成される。前記積層体６は下から反強磁性層７、固定磁性層８、非磁性材料層９、フリー磁性層１０及び保護層１１の順で積層される。

図１０に示すように、前記固定磁性層８は、前記反強磁性層７との間で生じる交換結合磁界（Ｈｅｘ）により図示Ｘ１方向に磁化固定されている。図１０には前記固定磁性層８の磁化方向が「ＰＩＮ」と表示されている。

また前記フリー磁性層１０と前記固定磁性層８との間には層間結合磁界Ｈｉｎが生じており、前記フリー磁性層１０は前記層間結合磁界Ｈｉｎの方向に磁化されている。前記層間結合磁界Ｈｉｎは前記固定磁性層８の磁化方向と平行方向あるいは反平行方向のどちらかに生じる。図１０では前記層間結合磁界Ｈｉｎは前記固定磁性層８の磁化方向と平行な方向に生じている。

図１０に示すように、前記磁気抵抗効果素子４，５が、夫々、磁石１のＮ極とＳ極との境界部の真下に位置すると、前記磁気抵抗効果素子４には、前記磁石１から図示Ｘ２方向に向う外部磁界Ｈ１が支配的に流入し、前記磁気抵抗効果素子５には、前記磁石１から図示Ｘ１方向に向う外部磁界Ｈ２が支配的に流入する。

前記磁気センサ２が前記磁石１に対し図示Ｘ１方向に向けて相対移動すると、前記磁気抵抗効果素子４，５に流入する外部磁界Ｈの方向が変化することで、各磁気抵抗効果素子４，５の電気抵抗値が変化する。前記電気抵抗値の変化に基づく電圧変化は、略矩形状の出力波形として得られ、前記出力波形により、前記磁石１の移動速度や移動距離等を知ることが可能となっている。
特開２００３−６０２５６号公報

しかしながら、前記フリー磁性層１０には、前記固定磁性層８の磁化方向（ＰＩＮ方向）と同じ方向である図示Ｘ１方向に層間結合磁界Ｈｉｎが生じているので、図示Ｘ１方向に外部磁界Ｈ２が作用しても、図１０に示す前記磁気抵抗効果素子５の電気抵抗値は変化しない。

すなわち前記磁気抵抗効果素子４，５を構成するフリー磁性層１０は、外部磁界Ｈの方向によって向きやすさ（感度）が異なっている。よって図１０に示す従来構成では、検出精度を適切に向上させることが出来なかった。

一方、図１１に示すように、磁気抵抗効果素子４，５の固定磁性層８の磁化方向（ＰＩＮ方向）を図示Ｘ１方向に固定しておき、前記固定磁性層８とフリー磁性層１０との間に生じる層間結合磁界Ｈｉｎをゼロになるように調整する構成も考えられる。前記層間結合磁界Ｈｉｎは、例えば、前記固定磁性層８と前記フリー磁性層１０との間に設けられる非磁性材料層９の膜厚によって調整できる。

図１２は、図１１に示す層間結合磁界Ｈｉｎをゼロに調整した磁気抵抗効果素子４，５のＲ−Ｈ曲線１２を示している。

図１２に示すようにＲ−Ｈ曲線１２のループ部１３は横軸方向（外部磁界Ｈ方向）に所定幅を有しており、この所定幅がヒステリシスである。

図１１に示すように、磁気抵抗効果素子４，５の真上に磁石１の各磁極中心が位置したとき、前記磁気抵抗効果素子４，５には膜面と垂直方向（図示Ｚ１方向、あるいは図示Ｚ２方向）から外部磁界Ｈ３，Ｈ４が作用する。

前記磁気抵抗効果素子４，５のフリー磁性層１０は前記外部磁界Ｈ３，H４に対して磁化変動しない。すなわち前記磁気抵抗効果素子４，５に外部磁界Ｈが作用していない無磁場状態と同じ状態となる。

無磁場状態における磁気抵抗効果素子４，５の電気抵抗値を、図１２に示すＲ−Ｈグラフで見ると、磁気抵抗効果素子４，５の電気抵抗値はＲ１かＲ２となっている。すなわち、無磁場状態では、磁気抵抗効果素子４，５の電気抵抗値は一定にならず、不安定となっている。

そして層間結合磁界Ｈｉｎがゼロに調整された磁気抵抗効果素子４，５を有する磁気センサ２の出力波形を調べると、平滑でなく乱れが生じており（波打っており）、出力波形が不安定となることがわかった。

特許文献１に記載された発明では、磁気エンコーダの上記した問題点について何ら言及していない。加えて、特許文献１では、特許文献１の図６に示すように、フリー磁性層の磁化方向と固定磁性層の磁化方向とが平行あるいは反平行であり、図１０で指摘した磁化方向と同じである。

そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、簡単な構成で、出力波形の安定化を図ることができる等、検出精度を向上させることが可能な磁気センサ及びそれを用いた磁気エンコーダを提供することを目的としている。

本発明は、基板上に、磁界発生部材からの外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子を有する磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は複数個、前記基板上に設けられるとともに、磁化が一方向に固定された固定磁性層と、前記外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層とが、非磁性材料層を介して積層された積層部分を有し、
全ての前記磁気抵抗効果素子における前記固定磁性層の磁化方向は平行であるか、あるいは少なくとも一つの前記磁気抵抗効果素子における前記固定磁性層の磁化方向が、残りの前記磁気抵抗効果素子における前記固定磁性層の磁化方向に対して反平行であり、
前記磁気抵抗効果素子と離れた位置に永久磁石が設けられ、前記磁界発生部材からの外部磁界が作用しない無磁場状態において、全ての前記磁気抵抗効果素子の前記フリー磁性層が、前記永久磁石からの同じバイアス磁界によって、前記固定磁性層の磁化方向と直交方向で且つ前記バイアス磁界の作用方向と同一方向に、磁化されていることを特徴とするものである。

本発明では、各磁気抵抗効果素子のフリー磁性層の磁化方向を前記固定磁性層の固定磁化方向に対して直交する方向に向けている。特に、永久磁石を用いて、全ての前記磁気抵抗効果素子の前記フリー磁性層を、前記永久磁石からの同じバイアス磁界によって同一方向に向けているので、簡単な構成で、前記フリー磁性層の磁化調整を行うことが可能である。

このように全ての磁気抵抗効果素子のフリー磁性層の磁化を固定磁性層の固定磁化方向に対して直交させることで、出力波形の乱れを従来に比べて改善でき、また外部磁界の作用方向に対する磁気感度の違いを改善でき、したがって従来に比べて検出精度を向上できる。

本発明では、前記基板の表面に前記磁気抵抗効果素子が設けられ、前記基板の裏面に前記永久磁石が設けられることが好ましい。これにより磁気センサの構成を簡単に出来る。

また本発明では、前記磁気抵抗効果素子は、幅方向の寸法よりも前記幅方向と直交する長さ方向の寸法のほうが長く形成された形状であり、前記固定磁性層が、前記幅方向に磁化固定され、フリー磁性層が前記長さ方向に磁化されている構成に特に好ましく適用できる。

また本発明は、表面に、Ｎ極とＳ極が交互に着磁された着磁面を有する磁界発生部材と、上記のいずれかに記載された磁気センサとを備える磁気エンコーダであって、
前記Ｎ極及びＳ極は、前記磁気センサの相対移動方向あるいは相対回転方向に交互に配列されて、前記磁気センサには、相対移動あるいは相対回転に伴って、前記相対移動方向あるいは前記相対回転方向に向う（＋）方向への外部磁界と、前記（＋）方向とは逆方向の（−）方向への外部磁界とが交互に作用し、
直列接続される磁気抵抗効果素子どうしは、前記相対移動方向と平行な方向に、あるいは、前記基板の中心を相対回転方向上の接点としたときの接線方向と平行な方向に、ずれて配置され、
各磁気抵抗効果素子の固定磁性層が、夫々、前記相対移動方向と平行あるいは反平行な方向に、あるいは、前記接線方向と平行あるいは反平行な方向に磁化固定されていることを特徴とするものである。

本発明の磁気センサは、上記したように磁気エンコーダに好ましく適用できる。これにより出力波形の安定化を図ることができ、移動速度や移動距離を適切に検出することが出来る。

本発明では、前記Ｎ極と前記Ｓ極の中心間距離をλとしたとき、直列接続される磁気抵抗効果素子どうしは、前記相対移動方向と平行な方向に、あるいは、前記接線方向と平行な方向に、λの中心間距離を空けて配置されており、
全ての磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層が、同一方向に磁化固定されている構成に特に好ましく適用できる。

本発明における磁気センサ及びそれを用いた磁気エンコーダでは、簡単な構成で、出力波形の安定化を図ることができる等、検出精度を向上させることが可能である。

図１は本実施形態の磁気エンコーダの部分斜視図、図２は、磁気センサの部分拡大平面図、図３は図２に示すＡ−Ａ線から膜厚方向に切断し矢印方向から見た前記磁気エンコーダの部分拡大断面図、図４は、図３の状態から磁気センサが、λ／２だけ相対移動したときの前記磁気エンコーダの部分拡大断面図、図５は、図２に示すＢ−Ｂ線から膜厚方向に切断し矢印方向から見た前記磁気センサの拡大断面図、図６は、図５の変形例を示す磁気センサの断面図、図７は、磁気センサの回路図、図８は磁気抵抗効果素子のＨ／／ＰＩＮ方向のＲ−Ｈ曲線を示すグラフ、である。

各図におけるＸ１−Ｘ２方向、Ｙ１−Ｙ２方向、及びＺ１−Ｚ２方向の各方向は残り２つの方向に対して直交した関係となっている。Ｘ１方向は、磁石あるいは磁気センサの移動方向である。Ｚ１−Ｚ２方向は前記磁石と磁気センサとが所定の間隔を空けて対向する方向である。

図１に示すように磁気エンコーダ２０は、第１の永久磁石２１と磁気センサ２２を有して構成される。

前記第１の永久磁石（磁界発生部材）２１は図示Ｘ１−Ｘ２方向に延びる棒形状であり、図示Ｘ１−Ｘ２方向に所定幅にてＮ極とＳ極とが交互に着磁されている。Ｎ極の着磁面と、隣接するＳ極の着磁面との間の中心幅（ピッチ）はλである。

図１に示すように前記第１の永久磁石２１と前記磁気センサ２２との間には所定の間隔Ｓ１が空けられている。

図１に示すように前記磁気センサ２２は、基板２３と、同一の前記基板２３の表面（第１の永久磁石２１との対向面）２３ａに設けられた複数の磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈと、前記基板２３の裏面２３ｂに設けられた１個の第２の永久磁石２５とを有して構成される。

図１及び図２に示すように、８個の磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈは、Ｘ１−Ｘ２方向に４個ずつ、Ｙ１−Ｙ２方向に２個ずつマトリクス状に配列している。図２に示すようにＸ１−Ｘ２方向にて隣り合う各磁気抵抗効果素子の幅方向（図示Ｘ１−Ｘ２方向）の中心間の間隔はλ／２となっている。

図３に示すように各磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈは全て同じ積層体３５で構成される。図３には、磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｃのみが図示されているが、磁気抵抗効果素子２４ｄ〜２４ｈも同じ積層体で形成される。このように全ての磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈが同じ積層体３５で形成されるので、これら磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈを全て同じ製造工程で形成でき、しかも後述するように各磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈの磁化方向も同じであるので、容易に製造できる。

図３に示すように磁気抵抗効果素子は、下から反強磁性層３０、固定磁性層３１、非磁性材料層３２、フリー磁性層３３及び保護層３４の順で積層された積層体３５で形成される。前記積層体３５は前記反強磁性層３０と前記基板２３との間に下地層が形成されたり、積層体３５の膜構成は図３に限定されない。また、前記積層体３５は下からフリー磁性層３３、非磁性材料層３２、固定磁性層３１、反強磁性層３０及び保護層３４の順に積層されてもよい。

前記反強磁性層３０は例えばＰｔＭｎやＩｒＭｎで形成される。前記固定磁性層３１及びフリー磁性層３３は例えば、ＮｉＦｅやＣｏＦｅで形成される。前記非磁性材料層３２は例えばＣｕで形成される。また前記保護層３４は例えばＴａで形成される。

前記反強磁性層３０と前記固定磁性層３１との間には交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じて前記固定磁性層３１の磁化は一方向に固定されている。図２，図３に示すように全ての磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈの固定磁性層３１の磁化方向（ＰＩＮ方向）は図示Ｘ１方向（相対移動方向）に固定されている。一方、前記フリー磁性層３３の磁化方向は固定されておらず外部磁界（センシング磁界）によって磁化変動する。なお、前記固定磁性層３１の磁化方向は図示Ｘ２方向（相対移動方向に対して反平行）でもよい。

なお本実施形態では、前記非磁性材料層３２が非磁性導電材料で形成された巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用したＧＭＲ素子に代えて、前記非磁性材料層３２がＡｌ_２Ｏ_３等の絶縁材料で形成されたトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を用いてもよい。

本実施形態では、全ての磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈのフリー磁性層３３には、図３，図５に示すように、前記基板２３の裏面２３ｂに設けられた第２の磁石２５から生じたバイアス磁界ｂｉａｓが印加されている。これにより全ての磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈの前記フリー磁性層３３の磁化方向３３ａは、図２，図５に示すように、図示Ｙ１方向に向けられている。

図２に示すように、前記フリー磁性層３３の磁化方向３３ａと固定磁性層３１の磁化方向（ＰＩＮ方向）とは直交した関係にある。図８が各磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈのＲ−Ｈ曲線４０である。図１２に示す従来の磁気抵抗効果素子のように、ヒステリシスが生じておらず、直線状のＲ−Ｈ曲線４０を形成している。

次に以下では、磁気抵抗効果素子２４ａを第１の磁気抵抗効果素子２４ａ、磁気抵抗効果素子２４ｂを第２の磁気抵抗効果素子２４ｂ、磁気抵抗効果素子２４ｃを第３の磁気抵抗効果素子２４ｃ、磁気抵抗効果素子２４ｄを第４の磁気抵抗効果素子２４ｄ、磁気抵抗効果素子２４ｅを第５の磁気抵抗効果素子２４ｅ、磁気抵抗効果素子２４ｆを第６の磁気抵抗効果素子２４ｆ、磁気抵抗効果素子２４ｇを第７の磁気抵抗効果素子２４ｇ、磁気抵抗効果素子２４ｈを第８の磁気抵抗効果素子２４ｈと称することとする。

図７に示すように、第１の磁気抵抗効果素子２４ａ、第３の磁気抵抗効果素子２４ｃ、第５の磁気抵抗効果素子２４ｅ及び第７の磁気抵抗効果素子２４ｇによりＡ相のブリッジ回路が構成されている。第１の磁気抵抗効果素子２４ａと第３の磁気抵抗効果素子２４ｃとが第１の出力取り出し部５０を介して直列接続され、第５の磁気抵抗効果素子２４ｅと第７の磁気抵抗効果素子２４ｇとが第２の出力取り出し部５１を介して直列接続されている。また、図７に示すように第１の磁気抵抗効果素子２４ａと第７の磁気抵抗効果素子２４ｇとが入力端子５２を介して並列接続され、前記第３の磁気抵抗効果素子２４ｃと前記第５の磁気抵抗効果素子２４ｅとがアース端子５３を介して並列接続されている。

図７に示すように第１の出力取り出し部５０と第２の出力取り出し部５１は、第１の差動増幅器５８の入力部側に接続され、前記第１の差動増幅器５８の出力側が第１の出力端子５９に接続されている。

また本実施形態ではもう一つＢ相のブリッジ回路が、第２の磁気抵抗効果素子２４ｂ、第４の磁気抵抗効果素子２４ｄ、第６の磁気抵抗効果素子２４ｆ及び第８の磁気抵抗効果素子２４ｈにより構成されている。第２の磁気抵抗効果素子２４ｂと第４の磁気抵抗効果素子２４ｄとが第３の出力取り出し部５４を介して直列接続され、第６の磁気抵抗効果素子２４ｆと第８の磁気抵抗効果素子２４ｈとが第４の出力取り出し部５５を介して直列接続されている。また、図７に示すように第２の磁気抵抗効果素子２４ｂと第８の磁気抵抗効果素子２４ｈとが入力端子５６を介して並列接続され、前記第４の磁気抵抗効果素子２４ｄと前記第６の磁気抵抗効果素子２４ｆとがアース端子５７を介して並列接続されている。

図７に示すように第３の出力取り出し部５４と第４の出力取り出し部５５は、第２の差動増幅器６０の入力部側に接続され、前記第２の差動増幅器６０の出力側が第２の出力端子６１に接続されている。

図２に示すように、図７に示すブリッジ回路にて直列接続される磁気抵抗効果素子どうしの中心間の間隔はλとなっている。

本実施形態では、磁気センサ２２あるいは第１の永久磁石２１のどちらか一方が図示Ｘ１―図示Ｘ２方向と平行な方向に直線移動可能に支持されている。本実施形態では前記磁気センサ２２の相対移動空間内に、前記第１の永久磁石２１から生じる外部磁界領域が形成されている。ここで相対移動方向（図１では図示Ｘ１方向）を（＋）方向と、相対移動方向と逆方向（図１では図示Ｘ２方向）を（−）方向と定めると、図１に示すように、前記外部磁界領域では、前記相対移動方向に向う（＋）方向への外部磁界Ｈ５と、前記相対移動方向とは逆方向に向う（−）方向への外部磁界Ｈ６とが交互に発生している。

図３に示すように、ちょうど、第１の磁気抵抗効果素子２４ａの頭上に、第１の永久磁石２１のＮ極の中心が対向した位置関係になると、前記第１の磁気抵抗効果素子２４ａのフリー磁性層３３には、前記（＋）方向及び（−）方向の外部磁界Ｈ５，Ｈ６のベクトル成分のうち、図示Ｚ１方向（紙面下方向）へのベクトル成分の外部磁界Ｈ７が支配的に流入する。前記外部磁界Ｈ７は、第１の磁気抵抗効果素子２４ａの膜面（Ｘ−Ｙ面と平行な面）に対して垂直方向であるため、前記フリー磁性層３３の磁化方向３３ａは変動せず、前記固定磁性層３１の磁化方向（ＰＩＮ方向）と直交した関係を維持する。よって前記第１の磁気抵抗効果素子２４ａには外部磁界Ｈが作用していない無磁場状態と同じ状態が作用し、前記第１の磁気抵抗効果素子２４ａの電気抵抗値は変動しない。

また、前記第１の磁気抵抗効果素子２４ａと直列接続され、前記第１の磁気抵抗効果素子２４ａとλの中心間距離を空けた第３の磁気抵抗効果素子２４ｃの頭上には、第１の永久磁石２１のＳ極の中心が対向した位置関係になる。このとき、前記第３の磁気抵抗効果素子２４ｃのフリー磁性層３３には、前記（＋）方向及び（−）方向の外部磁界Ｈ５，Ｈ６のベクトル成分のうち、図示Ｚ２方向（紙面上方向）へのベクトル成分の外部磁界Ｈ８が支配的に流入する。前記外部磁界Ｈ８は、第３の磁気抵抗効果素子２４ｃの膜面（Ｘ−Ｙ面と平行な面）に対して垂直方向であるため、前記フリー磁性層３３の磁化方向３３ａは変動せず、前記固定磁性層３１の磁化方向（ＰＩＮ方向）と直交した関係を維持する。よって前記第３の磁気抵抗効果素子２４ｃには外部磁界Ｈが作用していない無磁場状態と同じ状態が作用し、前記第３の磁気抵抗効果素子２４ｃの電気抵抗値は変動しない。

図３の状態では、第１の磁気抵抗効果素子２４ａ及び第３の磁気抵抗効果素子２４ｃのみならず、Ａ相のブリッジ回路を構成する他の第５の磁気抵抗効果素子２４ｅ及び第７の磁気抵抗効果素子２４ｇの電気抵抗値も変動しない。

よって図７に示す第１の出力取り出し部５０及び第２の出力取り出し部５１からは夫々中点電位が出力され、差動電位はゼロである。

本実施形態では、前記フリー磁性層３３の磁化方向３３ａを無磁場状態において、前記固定磁性層３１の磁化方向（ＰＩＮ方向）と直交する方向に規制し、図８に示すヒステリシスのないＲ−Ｈ曲線４０を得ることが出来る。図１１，図１２で説明した従来構造では、無磁場状態でのフリー磁性層の磁化の不安定化によって磁気抵抗効果素子の電気抵抗値がばらつき、その結果、出力波形に乱れが生じたが、本実施形態では、従来に比べて出力波形の乱れを改善でき波形を平滑化できる。

次に、前記磁気センサ２２が図示Ｘ１方向にλ／２だけ相対移動すると図４のようになる。

図４に示すように前記第１の磁気抵抗効果素子２４ａには、（−）方向の外部磁界Ｈ６のうち、図示Ｘ２方向へのベクトル成分の外部磁界Ｈ９が支配的に流入する。

この結果、前記フリー磁性層３３の磁化方向３３ａは、固定磁性層３１の磁化方向（ＰＩＮ方向）と直交方向である図示Ｙ１方向（図２参照）から図示Ｘ２方向に磁化変動する。前記フリー磁性層３３の磁化方向３３ａは前記固定磁性層３１の磁化方向（ＰＩＮ方向）と逆方向であるから、前記第１の磁気抵抗効果素子２４ａの電気抵抗値は大きくなる。

一方、前記第１の磁気抵抗効果素子２４ａと直列接続され、図示Ｘ１方向にλの中心間距離を空けた位置にある第３の磁気抵抗効果素子２４ｃには、（＋）方向の外部磁界Ｈ５のうち、図示Ｘ１方向へのベクトル成分の外部磁界Ｈ１０が支配的に流入する。

この結果、前記フリー磁性層３３の磁化方向３３ａは、固定磁性層３１の磁化方向（ＰＩＮ方向）と直交方向である図示Ｙ１方向（図２参照）から図示Ｘ１方向に磁化変動する。前記フリー磁性層３３の磁化方向３３ａは前記固定磁性層３１の磁化方向（ＰＩＮ方向）と同じ方向であるから、前記第３の磁気抵抗効果素子２４ａの電気抵抗値は小さくなる。

また第１の磁気抵抗効果素子２４ａ及び第３の磁気抵抗効果素子２４ｃとブリッジ回路を構成する前記第５の磁気抵抗効果素子２４ｅには、前記第１の磁気抵抗効果素子２４ｅに流入する外部磁界Ｈ９が流入し、前記第７の磁気抵抗効果素子２４ｇには、前記第３の磁気抵抗効果素子２４ｃに流入する外部磁界Ｈ１０が流入する。

よって図７に示す第１の出力取り出し部５０からは、中点電位よりも低い電圧が出力され、前記第２の出力取り出し部５１からは、中点電位よりも高い電圧が出力される。そして差動電位を取ると電圧値が倍となる。

Ａ相のブリッジ回路を構成する第１の磁気抵抗効果素子２４ａ、第３の磁気抵抗効果素子２４ｃ、第５の磁気抵抗効果素子２４ｅ及び第７の磁気抵抗効果素子２４ｇは、夫々、前記磁気センサ２２あるいは第１の永久磁石２１の移動により、電気抵抗値が変化し、第１の出力端子５９からは略矩形状の出力波形が得られる。

一方、Ｂ相のブリッジ回路を構成する第２の磁気抵抗効果素子２４ｂ、第４の磁気抵抗効果素子２４ｄ、第６の磁気抵抗効果素子２４ｆ及び第８の磁気抵抗効果素子２４ｈも、夫々、前記磁気センサ２２あるいは第１の永久磁石２１の移動により、電気抵抗値が変化し、第２の出力端子６１からは略矩形状の出力波形が得られる。

前記第１の出力端子５９から出力される出力波形と、前記第２の出力端子６１から出力される出力波形は位相がずれている。出力により、前記磁気センサ２２あるいは第１の永久磁石２１の移動速度や移動距離を検出できる。またＡ相とＢ相のブリッジ回路を設けて出力を２系統にすることで、前記第１の出力端子５９からの出力波形に対する前記第２の出力端子６１からの出力波形の位相のずれ方向がどちら方向であるかにより、移動方向を知ることが可能である。

上記のようにフリー磁性層３３の磁化方向３３ａを、前記固定磁性層３１の磁化方向（ＰＩＮ方向）と直交する方向に制御することで、図３に示すＡ相のブリッジ回路に対する無磁場状態から図４の状態に変化したとき、第１の磁気抵抗効果素子２４ａのフリー磁性層３３、及び第３の磁気抵抗効果素子２４ｃのフリー磁性層３３の双方が、同じように磁化変動する。すなわちフリー磁性層３３は、（＋）方向の外部磁界Ｈ５が作用したときと、（−）方向の外部磁界Ｈ６が作用したときとで、磁気感度が夫々同じである。また、一方の磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が大きくなれば、直列接続された他方の磁気抵抗効果素子の電気抵抗値は必ず下がる関係にある。したがって図１０に示す従来構造に比べて、（＋）方向の外部磁界Ｈ５及び（−）方向の外部磁界Ｈ６に対する磁気感度のアンバランスを改善できる。

以上のように本実施形態では、出力波形の乱れを従来に比べて改善でき、また（＋）方向の外部磁界が作用したときと（−）方向の外部磁界が作用したときとで各磁気抵抗効果素子の検出感度を同じにでき、したがって従来に比べて検出精度を向上できる。

しかも本実施形態では、基板２３の裏面２３ｂに一つの第２の永久磁石２５を設け、全ての磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈのフリー磁性層３３の磁化方向３３ａを、前記第２の永久磁石２５からの同じバイアス磁界ｂｉａｓによって制御するので、簡単な構成で、前記フリー磁性層３３の磁化方向３３ａの制御を行うことが可能となっている。

前記第２の永久磁石２５の図示Ｘ１−Ｘ２方向への幅寸法は、図示Ｘ１−Ｘ２方向に配列された磁気抵抗効果素子の両側に位置する第１の磁気抵抗効果素子２４ａと前記第４の磁気抵抗効果素子２４ｄ間の間隔、及び前記第５の磁気抵抗効果素子２４ｅと前記第８の磁気抵抗効果素子２４ｈ間の間隔よりも大きい。これによって全ての磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈに対して前記第２の永久磁石２５から同じバイアス磁界ｂｉａｓを印加でき、全ての磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈのフリー磁性層３３を適切に磁化制御できる。

前記第２の永久磁石２５はバルク材であることが好ましい。例えば、前記第２の永久磁石２５は前記基板２３の裏面２３ｂに接着剤を介して貼り付けられる。

図２に示すように各磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈは、図示Ｘ１−Ｘ２方向の幅寸法Ｔ１よりも、図示Ｙ１−Ｙ２方向の長さ寸法Ｌ１のほうが長く形成されている。前記固定磁性層３１の磁化方向（ＰＩＮ方向）は、図示Ｘ１−Ｘ２方向に磁化され、前記フリー磁性層３３の磁化方向３３ａは、長手方向である図示Ｙ１−Ｙ２方向に磁化される。各磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈの幅寸法Ｔ１は、２〜１００μｍ程度、長さ寸法Ｌ１は１００〜３００μｍ程度である。このように長さ寸法Ｌ１が非常に長くなっている。よって例えば、前記磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈの図示Ｙ１−Ｙ２方向の両側に、ＣｏＰｔ等のハードバイアス層をスパッタ法で形成して、前記ハードバイアス層によるバイアス磁界によって前記フリー磁性層３３を図示Ｙ１方向に磁化するには、前記バイアス磁界が弱すぎ、前記フリー磁性層３３を適切に磁化制御できない。したがって本実施形態ではバルク材の第２の永久磁石２５を用いている。そして、これにより、全ての前記フリー磁性層３３の磁化制御を一度に行うことが出来る。

前記第２の永久磁石２５から前記フリー磁性層３３に作用するバイアス磁界ｂｉａｓの大きさは、前記第１の永久磁石２１から前記フリー磁性層３３に作用する外部磁界Ｈの大きさに比べて小さい。これによって前記フリー磁性層３３は、適切に前記第１の永久磁石２１からの外部磁界Ｈによって磁化変動する。

また、図６に示すように、前記基板２３と磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈとを有する磁気センサ２２を収納した筐体７０の外側に、前記第２の永久磁石２５を設けてもよい。

本実施形態の磁気エンコーダ２０は、図１に示すように磁気センサ２２が第１の永久磁石２１に対して直線的に相対移動するものであったが、図９に示すように、例えば表面８０ａにＮ極とＳ極とが交互に着磁された回転ドラム８０と前記磁気センサ２２とを有し、前記回転ドラム８０の回転によって得られた出力により、回転速度や回転数、回転方向を検知できる回転型の磁気エンコーダであってもよい。

図９の拡大図に示すように、図１に示す直線移動の磁気エンコーダと同様に、Ｎ極とＳ極の中心間距離（ピッチ）をλとしたとき、直列接続される各磁気抵抗効果素子どうしの中心間距離はλに制御されている。

図９に示すように、各磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈの固定磁性層３１の磁化方向（ＰＩＮ方向）は、前記磁気センサ２２の基板２３の中心を、前記磁気センサ２２の相対回転方向上の接点としたときの接線方向と平行な方向に固定されている。ここで「接線方向」とは、接線に方向性を持たせたものであり、その方向は、相対回転方向に従う。換言すれば、前記接線方向は、前記接点での速度ベクトルの方向である。前記固定磁性層３１の磁化方向は、前記接線方向に反平行であってもよい。

また図７に示すように本実施形態では、Ａ相とＢ相のブリッジ回路が設けられているが、どちらか一方だけ設けられる形態でもよい。

また本実施形態の磁気エンコーダでは、直列接続される磁気抵抗効果素子の中心間の間隔はλであったが、これに限定されるものではない。かかる場合、全ての固定磁性層の磁化方向は平行でなくてもよい。少なくとも一つの磁気抵抗効果素子における固定磁性層の磁化方向が、残りの磁気抵抗効果素子における固定磁性層の磁化方向に対して反平行であってもよい。例えば図２に示す第１の磁気抵抗効果素子２４ａの固定磁性層３１の磁化方向は図示Ｘ１方向であるが、第３の磁気抵抗効果素子２４ｃの固定磁性層３１の磁化方向は図示Ｘ２方向である如くである。ただし、図２に示すように、直列接続される磁気抵抗効果素子の中心間の間隔をλとし、各磁気抵抗効果素子２４ａ〜２４ｈの固定磁性層３１の磁化方向（ＰＩＮ方向）を全て同一方向に磁化することが前提の磁気エンコーダに本実施形態は効果的に適用できる。

本実施形態の磁気センサ２２は、磁気エンコーダ以外に、例えば、ポテンショメータにも適用することが出来る。ポテンショメータでは磁気センサの基板に垂直な軸を中心として回転可能な磁石（磁界発生部材）が対向配置される。前記磁石の回転により、各磁気抵抗効果素子に回転磁場が作用し各磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が変化する。前記電気抵抗値の変化に基づく出力波形から前記磁石の回転角度を検知できる。

本実施形態の磁気エンコーダの部分斜視図、 磁気センサの部分拡大平面図、 図２に示すＡ−Ａ線から膜厚方向に切断し矢印方向から見た前記磁気エンコーダの部分拡大断面図、 図３の状態から磁気センサが、λ／２だけ相対移動したときの前記磁気エンコーダの部分拡大断面図、 図２に示すＢ−Ｂ線から膜厚方向に切断し矢印方向から見た前記磁気センサの拡大断面図、 図５の変形例を示す磁気センサの断面図、 磁気センサの回路図、 磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ曲線を示すグラフ、 本実施の別の形態の磁気エンコーダの模式図、 従来における第１の磁気エンコーダの構造と問題点を説明するための部分断面図、 従来における第２の磁気エンコーダの構造と問題点を説明するための部分断面図、 図１１の磁気エンコーダに搭載される磁気抵抗効果素子のＨ／／ＰＩＮ方向のＲ−Ｈ曲線を示すグラフ、

符号の説明

２０ 磁気エンコーダ
２１ 第１の永久磁石
２２ 磁気センサ
２３ 基板
２４ａ〜２４ｈ 磁気抵抗効果素子
２５ 第２の永久磁石
３０ 反強磁性層
３１ 固定磁性層
３２ 非磁性材料層
３３ フリー磁性層
３４ 保護層
４０ Ｒ−Ｈ曲線
７０ 筐体
５０、５１、５４、５５ 出力取り出し部
５２、５６ 入力端子
５３、５７ アース端子
５８、６０ 差動増幅器
５９、６１ 出力端子
８０ 回転ドラム
３３ａ （フリー磁性層の）磁化方向
ＰＩＮ （固定磁性層の）磁化方向

Claims (5)

1. 基板上に、磁界発生部材からの外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子を有する磁気センサであって、
   前記磁気抵抗効果素子は複数個、前記基板上に設けられるとともに、磁化が一方向に固定された固定磁性層と、前記外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層とが、非磁性材料層を介して積層された積層部分を有し、
   全ての前記磁気抵抗効果素子における前記固定磁性層の磁化方向は平行であるか、あるいは少なくとも一つの前記磁気抵抗効果素子における前記固定磁性層の磁化方向が、残りの前記磁気抵抗効果素子における前記固定磁性層の磁化方向に対して反平行であり、
   前記磁気抵抗効果素子と離れた位置に永久磁石が設けられ、前記磁界発生部材からの外部磁界が作用しない無磁場状態において、全ての前記磁気抵抗効果素子の前記フリー磁性層が、前記永久磁石からの同じバイアス磁界によって、前記固定磁性層の磁化方向と直交方向で且つ前記バイアス磁界の作用方向と同一方向に、磁化されていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記基板の表面に前記磁気抵抗効果素子が設けられ、前記基板の裏面に前記永久磁石が設けられる請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記磁気抵抗効果素子は、幅方向の寸法よりも前記幅方向と直交する長さ方向の寸法のほうが長く形成された形状であり、前記固定磁性層が、前記幅方向に磁化固定され、フリー磁性層が前記長さ方向に磁化されている請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 表面に、Ｎ極とＳ極が交互に着磁された着磁面を有する磁界発生部材と、請求項１ないし３のいずれかに記載された磁気センサとを備える磁気エンコーダであって、
   前記Ｎ極及びＳ極は、前記磁気センサの相対移動方向あるいは相対回転方向に交互に配列されて、前記磁気センサには、相対移動あるいは相対回転に伴って、前記相対移動方向あるいは前記相対回転方向に向う（＋）方向への外部磁界と、前記（＋）方向とは逆方向の（−）方向への外部磁界とが交互に作用し、
   直列接続される磁気抵抗効果素子どうしは、前記相対移動方向と平行な方向に、あるいは、前記基板の中心を相対回転方向上の接点としたときの接線方向と平行な方向に、ずれて配置され、
   各磁気抵抗効果素子の固定磁性層が、夫々、前記相対移動方向と平行あるいは反平行な方向に、あるいは、前記接線方向と平行あるいは反平行な方向に磁化固定されていることを特徴とする磁気エンコーダ。
5. 前記Ｎ極と前記Ｓ極の中心間距離をλとしたとき、直列接続される磁気抵抗効果素子どうしは、前記相対移動方向と平行な方向に、あるいは、前記接線方向と平行な方向に、λの中心間距離を空けて配置されており、
   全ての磁気抵抗効果素子の前記固定磁性層が、同一方向に磁化固定されている請求項４記載の磁気エンコーダ。

Images