JP2011047930A - 磁気抵抗効果素子およびセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ用の磁気抵抗効果素子のピンド層の磁化方向をより変化しにくくすることによって、検知精度を高める。
【解決手段】外部から加わる磁気の変化を検知するセンサ用の磁気抵抗効果素子が、磁化方向が固定されたピンド層１２と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層１４と、ピンド層１２とフリー層１４との間に設けられている中間層と、を含んでいる。ピンド層１２は、固定された磁化方向に沿って長く延び、固定された磁化方向に直交する方向に短い平面形状を有している。さらに、ピンド層１２は複数に分割された平面形状を有していることが好ましい。
【選択図】図１１

Description

本発明は磁気抵抗効果素子およびセンサに関する。

従来、車両のハンドル（ステアリングホイール）の回転角度などを検知するために、磁気抵抗効果素子（ＭＲ（Magneto-resistance effect）素子）を用いたセンサが用いられることがある（特許文献１〜３および非特許文献１参照）。具体的には、例えばハンドルの軸に磁石が取り付けられ、その磁石に対向する位置に、複数のＭＲ素子が互いに接続されて構成されたホイートストンブリッジを含む検知回路が固定されることによりセンサが構成されている。運転者がハンドルを切ると、ハンドルの軸に取り付けられた磁石が移動して、ホイートストンブリッジを構成するＭＲ素子の各々に対する相対位置が変化する。そうすると、磁石が各ＭＲ素子に及ぼす磁力が変化するため、その磁力の変化に伴って各ＭＲ素子の抵抗値が変化する。そこで、各ＭＲ素子の抵抗値の変化を検知することによって磁石の移動方向や移動量を検知し、それに基づいて、ハンドルがどの方向に何度回転させられたかを知ることができる。このようなセンサによって検知されたハンドルの回転量に基づいて、操舵車軸の移動を補助するモータを駆動させるように制御することによって、小さな力で操舵を行えるいわゆるパワーステアリングが可能になる。

ＭＲ素子の一例としては、強磁性層と強磁性層の間に位置する中間層として非磁性層を有し、各層に対して平行にセンス電流を流す巨大磁気抵抗効果素子であるＣＩＰ−ＧＭＲ（Current in Plane - Giant Magneto-resistance effect）素子や、ＧＭＲ素子において各層に垂直にセンス電流を流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ素子や、中間層として非磁性層ではなく絶縁層を有し、各層に垂直にセンス電流を流すＴＭＲ（Tunnel Magneto-resistance effect）素子や、異方性磁気抵抗効果を利用するＡＭＲ（Anisotropic Magneto-resistance effect）素子が挙げられる。

一般的なＧＭＲ素子は、所望のサイズの柱状の形状であり、磁化方向が固定された強磁性層であるピンド層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する強磁性層であるフリー層で、非磁性の中間層を挟んだ構造を有している。また、一般的なＴＭＲ素子は、ピンド層とフリー層で、絶縁性の中間層（バリア層）を挟んだ構造を有している。これらのＭＲ素子はスピンバルブ膜（ＳＶ膜）とも呼ばれる。ＭＲ素子の上下端部にはキャップ層と下地層がそれぞれ設けられており、このＭＲ素子が上部電極層と下部電極層に挟まれている。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子の場合、各層に対して直交する方向にセンス電流が流される。ＧＭＲ素子の一例が特許文献４に、ＴＭＲ素子の一例が特許文献５にそれぞれ開示されている。

特開２００６−２９７９２号公報 特公平７−１１９６１９号公報 特許３０１７０６１号公報 特開平１１−１２６９３３号公報 特開２００１−１０２６５９号公報

「ＴＭＲ素子を用いた高感度地磁気センサーの開発」高太好 他 Journal of the Magnetics Society of Japan Vol.32, No.3, 2008 日本磁気学会発行

前記したように複数のＭＲ素子を互いに接続することによってホイートストンブリッジを構成し、そのホイートストンブリッジを含む検知回路を、被検知部材（例えばハンドルの軸）に取り付けられた磁石と対向する位置に固定し、ホイートストンブリッジからの複数の出力電圧を測定するセンサにおいては、できるだけ高い検知精度が求められている。

このように高い検知精度を求める上で障害となるのは、ピンド層の磁化方向が外部磁界に応じて僅かに変化してしまうことや、フリー層の磁化方向が外部磁界に応じて敏感に変化しないことである。すなわち、ピンド層は、その本来の目的通りに、外部磁界の影響を受けず磁化方向が変化しないことが望まれ、フリー層は、その本来の目的通りに、微小な外部磁界を敏感に検知して磁化方向が変化することが望まれる。

そこで本発明の目的は、ピンド層の磁化方向をより変化しにくくすることによって検知精度を高めることができる、磁気抵抗効果素子とそれを用いたセンサを提供することにある。

本発明の、外部から加わる磁気の変化を検知するセンサ用の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定されたピンド層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層と、ピンド層とフリー層との間に設けられている中間層と、を含み、ピンド層は、固定された磁化方向に沿って長く延び、固定された磁化方向に直交する方向に短い平面形状を有していることを特徴とする。

また、本発明の、もう１つのセンサ用の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定されたピンド層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層と、ピンド層とフリー層との間に設けられている中間層と、を含み、ピンド層は複数に分割された平面形状を有していることを特徴とする。この場合にも、複数に分割されたピンド層は、固定された磁化方向に沿って長く延び、固定された磁化方向に直交する方向に短い平面形状をそれぞれ有していることが好ましい。

ピンド層は、固定された磁化方向に沿う長さが、固定された磁化方向に直交する方向の長さの３倍以上である平面形状を有していることが好ましい。また、フリー層は円形の平面形状を有していることが好ましい。

フリー層の平面的に見たときの総面積は、ピンド層の、平面的に見てフリー層と重なる部分の面積よりも大きいことが好ましい。特にフリー層が円形であって、フリー層の総面積が、ピンド層の平面的に見たときの総面積よりも大きいことがより好ましい。中間層は、ＴＭＲ素子の場合には絶縁性、ＧＭＲ素子の場合には非磁性層であり、絶縁性かつ非磁性であってもよい。

本発明のセンサは、前記したいずれかの構成の磁気抵抗効果素子を複数個含み、複数の磁気抵抗効果素子が互いに接続されて構成されたホイートストンブリッジを含む検知回路と、検知回路に対向する位置に設けられた磁石と、を有し、磁石から磁気抵抗効果素子のフリー層へ及ぼされる磁力の変化に伴う磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化を検知することによって、磁石と検知回路の相対位置の変化を検知することができる。そして、磁石が被検知部材に取り付けられており、検知回路が磁石に対向する位置に固定され、磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化を検知することによって、被検知部材の角度の変化を検知することができるようになっていてもよい。

本発明によると、磁気抵抗効果素子のピンド層の磁化方向が外部磁界の影響を受けて変化するおそれを小さくすることができ、センサの検知誤差を小さくして精度を高めることができる。

本発明に係るセンサを車両に組み込んだ状態を示す要部の概略図である。 本発明に係るセンサの検知回路を示すブロック図である。 図２に示されている検知回路に含まれるＭＲ素子の構造を模式的に示す断面図である。 センサの検知回路に含まれるＭＲ素子のピンド層の形状と角度誤差の関係を示すグラフである。 センサの検知回路に含まれるＭＲ素子のピンド層とフリー層の形状の例を示す平面図である。 センサの検知回路に含まれるＭＲ素子のピンド層とフリー層の形状の他の例を示す平面図である。 センサの検知回路に含まれるＭＲ素子のピンド層とフリー層の形状のさらに他の例を示す平面図である。 センサの検知回路に含まれるＭＲ素子のピンド層とフリー層の形状のさらに他の例を示す平面図である。 センサにおける外部磁界の強度と角度誤差の関係を示すグラフである。 センサの検知回路に含まれるＭＲ素子のピンド層とフリー層の形状のさらに他の例を示す平面図である。 センサの検知回路に含まれるＭＲ素子のピンド層とフリー層の形状のさらに他の例を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

まず、本発明に係るセンサ、すなわち、被検知部材の角度を検知するセンサの一例の全体構成について説明する。図１に概略的に示すように、車両のハンドル（ステアリングホイール）１の軸１ａの一部に磁石（永久磁石）２が取り付けられている。そして、この磁石２と対向する位置において、検知回路３が図示しない取付部材に固定されている。主にこの磁石２と検知回路３によってセンサが構成されている。検知回路３は、図示しない制御回路を介してモータ４に接続されており、モータ４のピニオン４ａが、操舵車軸５に取り付けられているギア５ａと連結されている。操舵車軸５は、ハンドル１の軸１ａに連結されている。

検知回路３の構成が図２に模式的に示されている。この検知回路３は、２つのホイートストンブリッジ３ａ，３ｂを有する。図２に示す回路図上では、各ホイートストンブリッジ３ａ，３ｂは、それぞれ４つの磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）６が四角形の４辺に配置されている。この四角形の点Ａ１が電源７に接続され、点Ａ１に対向する点Ａ２が接地されている。また、２つの点Ａ３，Ａ４が電圧計８に接続されて点Ａ３と点Ａ４の間の電位差（以下「出力電圧」と言う）が検出される。この出力電圧に基づいて、処理回路９が各ＭＲ素子６の抵抗値の変化を検知する。なお、各素子等の配置に関する本明細書中の説明は、図２に示す回路図上でのレイアウトに関するものである。各素子等の、基板（図示せず）上での実際の実装位置は、これらの説明や図２によって限定されるものではなく、任意に変更可能である。

次に、各ホイートストンブリッジ３ａ，３ｂ内の各ＭＲ素子６の構成を説明する。図３に示すように、ＭＲ素子６は、下地層１０、反強磁性層１１、ピンド層１２、中間層１３、フリー層１４、およびキャップ層１５が、この順番で積層された構成を有している。図３に示す例では、ピンド層１２は、非磁性層１２ｂを、それぞれ強磁性体からなるアウター層１２ａとインナー層１２ｃとで挟んだ構成である。アウター層１２ａは反強磁性層１１に接するように設けられ、インナー層１２ｃは中間層１３に接するように設けられている。このＭＲ素子６は、基板１６上で下部電極層１７と上部電極層１８との間に挟まれており、各層に直交する方向にセンス電流が流される。

ＭＲ素子６の各層の材料と厚さの一例を表１に示す。ただし、各層の材料と厚さは以下の例に限定されるわけではなく、任意に変更可能である。また、下地層１０、反強磁性層１１、キャップ層１５は適宜に省略することもできる。

下地層１０は、その材料として、反強磁性層１１とピンド層１２のアウター層１２ａとの交換結合が良好になる組み合わせが選ばれる。下地層１０は、例えば厚さ１．５ｎｍのＴａ膜と厚さ２ｎｍのＲｕ膜の積層膜で構成されている。

反強磁性層１１は、ピンド層１２の磁化方向を固定する役割を果たすものであり、例えば厚さ７ｎｍのＩｒＭｎ膜で構成されている。

ピンド層１２は磁性層として形成され、前述したように、アウター層１２ａと、非磁性層１２ｂと、インナー層１２ｃとがこの順番に積層された構成を有する。本実施形態では、アウター層１２ａは、反強磁性層１１によって外部磁界に対して磁化方向が固定されている。アウター層１２ａは、例えば厚さ２ｎｍのＣｏＦｅ膜で構成されている。非磁性層１２ｂは、例えば厚さ０．８ｎｍのＲｕ膜で構成されている。インナー層１２ｃは、例えば厚さ２．５ｎｍのＣｏＦｅ膜で構成されている。このような積層構造のピンド層１２（シンセティックピンド層）では、アウター層１２ａとインナー層１２ｃとの磁気モーメントが互いに相殺され、全体としての漏れ磁界が抑制されるとともに、インナー層１２ｃの磁化方向が強固に固定される。ただし、単層構造のピンド層１２を有する構成にすることも可能である。なお、本発明は、このピンド層１２について従来にない構成や形状を採用することを主要な特徴としており、その点については後述する。

中間層１３は、例えば厚さ０．５ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃膜で構成されている。本実施形態のＭＲ素子６はトンネル磁気抵抗効果を発揮するＴＭＲ素子であり、そのため中間層１３は絶縁層である。ただし、本発明のＭＲ素子６はＴＭＲ素子に限られず、ＧＭＲ素子であってもよく、ＧＭＲ素子の場合には中間層１３として非磁性層が形成される。

フリー層１４は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する。本実施形態のフリー層１４は、例えば厚さ１ｎｍのＣｏＦｅ膜と厚さ３ｎｍのＮｉＦｅ膜の積層膜で構成されている。

キャップ層１５は、ＭＲ素子６の劣化防止のために設けられ、例えば厚さ４ｎｍのＴａ膜で構成されている。

このＭＲ素子６を挟む下部電極層１７および上部電極層１８は、例えばＣｕ膜からなる。

このＭＲ素子６では、ピンド層１２の固定された磁化方向と、外部磁界に応じて変化するフリー層１４の磁化方向との相対関係によって抵抗値が変化する。検知回路３のホイートストンブリッジ３ａ，３ｂでは、図２に示す回路図上において四角形の隣り合う辺に位置するＭＲ素子６のピンド層１２同士が、互いに反対向きの磁化方向を有しており、図２に示す回路図上において四角形の中心を挟んで対向するＭＲ素子６のピンド層１２同士が同じ磁化方向を有している。これらの磁化方向は、図２に矢印でそれぞれ示されている。そして、ホイートストンブリッジ３ａとホイートストンブリッジ３ｂは、互いに対応する位置にある各ＭＲ素子６のピンド層１２の磁化方向が、９０度回転している。

このような構成において、例えば、図示しているように図２の右向きの外部磁界１９が検知回路３に加わった場合には、ホイートストンブリッジ３ａの４つのＭＲ素子６の抵抗は全て等しくなるので、出力電圧は０になる。一方、ホイートストンブリッジ３ｂの４つのＭＲ素子６の抵抗は最大または最小になるため、出力電圧は最大値になる。そして、この外部磁界１９の向きが、矢印で示されている方向から（例えば反時計回りに）変化するにつれて、両ホイートストンブリッジ３ａ，３ｂの出力電圧は変化する。外部磁界１９の角度の変化に対する出力電圧の変化をグラフで表すと、図示しないが、ホイートストンブリッジ３ａでは正弦曲線で表され、ホイートストンブリッジ３ｂでは余弦曲線で表される。従って、両ホイートストンブリッジ３ａ，３ｂの出力電圧をそれぞれ測定すると、外部磁界１９の向き（角度）がわかる。従って、その外部磁界１９の向きから、検知回路３の各ＭＲ素子６に及ぼす磁石２（図１参照）の位置（回転角度）を求めることができる。

以上説明したように、検知回路３と磁石２とによって角度センサが構成されている。具体的には、図１に示すように、運転者がハンドル１を切ると、軸１ａに取り付けられた磁石２が移動して、この磁石２から検知回路３の両ホイートストンブリッジ３ａ，３ｂの各ＭＲ素子６のフリー層１４に及ぼされる磁界１９の向きが変化する。それによって、各ＭＲ素子６の抵抗値がそれぞれ変化し、両ホイートストンブリッジ３ａ，３ｂの出力電圧が変化する。この両ホイートストンブリッジ３ａ，３ｂの出力電圧の変化を電圧計８が検出して処理回路９が演算することによって、磁石２の位置が求められ、それによってハンドル１の回転角度が求められる。そして、その回転角度に応じてモータ４が作動させられてピニオン４ａおよびギア５ａを介して操舵車軸５が回転させられる。このモータ４による車軸５の回転が、使用者がハンドル１を切ることによる操舵の補助として作用し、小さな力で操舵が行えるいわゆるパワーステアリングが実現する。

以上説明したＭＲ素子６を含むセンサにおいて、本発明者は、従来の精度向上の妨げとなる１つの要因として、ピンド層１２の磁化方向が外部磁界の影響を受けて変化する場合があることに着目した。前記したＭＲ素子６を含むセンサによる検知は、固定されたピンド層１２の磁化方向に対する、外部磁界１９の影響により変化したフリー層１４の磁化方向の相対関係に基づくものであり、ピンド層１２の磁化方向が、フリー層１４の磁化方向と同様に外部磁界に応じて僅かでも変化すると、検知精度が大幅に低下する。そこで、ピンド層１２の磁化方向が、外部磁界の影響を受けず変化しないようにするために、以下の構成を採用した。

本発明者は、ピンド層１２の磁化方向を変化しにくくする方策として、ピンド層１２の平面形状に着目した。そして、所望の磁化方向に沿って長く延びてその磁化方向に直交する方向に短い細長い平面形状であるときに磁化方向が変化しにくいことを見出した。これを実証するために、様々なＭＲ素子６を作製してホイートストンブリッジ３ａ，３ｂを含む検知回路３を構成し、対向する磁石２に対する相対角度を実測しながら、検知回路３によって求められた検知結果と比較して角度の誤差を求めた。その結果を図４に示している。なお、このときの外部磁界１９は３００Ｏｅ（約２３９００Ａ／ｍ）であった。

以下の説明において、ピンド層１２の形状について述べる場合には、アウター層１２ａと非磁性層１２ｂとインナー層１２ｃの全てを同じ形状に形成していることを意味する。さらに、詳述しないが、ピンド層１２に接する層の一部も同様の形状に形成されている場合があってもよい。そして、図５，６，７，８，１０，１１では、見やすくするために、ＭＲ素子６のうちのピンド層１２とフリー層１４のみを抜き出して図示しており、他の層は全て図示省略している。

まず、各ＭＲ素子６のフリー層１４の平面形状を直径０．６μｍの円形とし、絶縁性の中間層１３の平面形状を、フリー層１４と実質的に同じ形状にした。そして、このフリー層１４に中間層１３を介して対向するピンド層１２の平面形状を、直径０．６μｍの円形にした場合（図５参照）の角度誤差を求め、図４に円形状のドットでプロットした。

そして、フリー層１４および中間層１３の平面形状は前記した例と同様に直径０．６μｍの円形にして、ピンド層１２の平面形状を、幅と長さが２μｍ（縦横比が１対１）の正方形にした場合（図６（ａ）参照）と、幅が２μｍで長さが４μｍ（縦横比が２対１）の長方形にした場合（図６（ｂ）参照）と、幅が２μｍで長さが６μｍ（縦横比が３対１）の長方形にした場合（図６（ｃ）参照）の角度誤差を求め、図４に菱形状のドットでプロットした。なお、図６（ａ）〜（ｃ）に示す例において、フリー層１４の直径とピンド層１２の幅の比は０．６対２、すなわち１対約３．３である。

また、フリー層１４および中間層１３の平面形状はそのままで、ピンド層１２の平面形状を、幅と長さが１．２μｍ（縦横比が１対１）の正方形にした場合（図７（ａ）参照）と、幅が１．２μｍで長さが３．６μｍ（縦横比が３対１）の長方形にした場合（図７（ｂ）参照）と、幅が１．２μｍで長さが６μｍ（縦横比が５対１）の長方形にした場合（図７（ｃ）参照）の角度誤差を求め、図４に四角形状のドットでプロットした。なお、このときのフリー層１４の直径とピンド層１２の幅の比は０．６対１．２、すなわち１対２である。

さらに、フリー層１４の平面形状を直径１．２μｍの円形とし、絶縁性の中間層１３の平面形状をフリー層１４と実質的に同じ形状にし、ピンド層１２の平面形状を、幅と長さが２μｍ（縦横比が１対１）の正方形にした場合（図８（ａ）参照）と、幅が２μｍで長さが４μｍ（縦横比が２対１）の長方形にした場合（図８（ｂ）参照）と、幅が２μｍで長さが６μｍ（縦横比が３対１）の長方形にした場合（図８（ｃ）参照）と、幅が２μｍで長さが１０μｍ（縦横比が５対１）の長方形にした場合（図８（ｄ）参照）の角度誤差を求め、図４に三角形状のドットでプロットした。なお、このときのフリー層１４の直径とピンド層１２の幅の比は１．２対２、すなわち、１対約１．６７である。

なお、以上の例、および後述する例の全てにおいて、ピンド層１２の縦方向、すなわち長手方向が、そのピンド層１２の磁化方向と平行でそれと同じ向きまたは反対向きになるようにした。従って、ホイートストンブリッジ３ａ内のＭＲ素子６のピンド層１２の長手方向と、ホイートストンブリッジ３ｂ内のＭＲ素子６のピンド層１２の長手方向は、互いに９０度回転した向きになっている。

図４に示されている結果を見ると、ピンド層１２がより細長い形状になるほど角度誤差が小さくなる傾向がある。図６〜８に示すようにピンド層１２はフリー層１４よりも大きくフリー層１４の外側にはみ出しており、このはみ出している部分はトンネル効果には寄与しないが、図４から明らかなように角度誤差の低減に寄与している。この点について考察すると、ピンド層１２の長手方向に沿う磁化方向が、長手方向に直交する細い幅方向に向くように回転移動することは容易ではないことが一因であろうと思われる。そうすると、磁化方向と平行な長手方向の長さと、それに直交する幅方向の長さとの比が大きければ大きいほど、磁化方向が回転しにくくなると考えられる。そして、図４には、ピンド層１２の幅が同一の場合には長手方向の長さが長いほど角度誤差が小さく、ピンド層１２の長手方向の長さが同一の場合には幅方向の長さが短いほど角度誤差が小さいことが明示されている。特に、ピンド層１２の固定された磁化方向に沿う長さである長手方向の長さが、その固定された磁化方向に直交する方向（幅方向）の長さの３倍以上である時に、角度誤差がかなり小さくなることがわかる。

ここでフリー層１４について考察すると、フリー層１４はピンド層１２とは逆に、外部磁界の影響を受けて磁化方向が鋭敏に移動（回転）することが好ましい。そうすると、フリー層１４を、長方形ではなく正方形、より好ましくは円形の平面形状に形成すると、磁化方向が外部磁界１９の影響によってあらゆる方向に自在に回転しやすくなることがわかる。従って、ピンド層１２はできるだけ細長い平面形状に形成して、その磁化方向を回転しにくくし、フリー層１４は正方形や円形（または長円形）の平面形状に形成して、その磁化方向を回転し易くすることが、角度誤差の低減のために効果的であることがわかる。

また、図４中の菱形と四角形と三角形のドットを対比すると、フリー層１４の直径が同一であればピンド層１２の幅が小さい方が角度誤差は小さく、ピンド層１２の幅が同一であればフリー層１４の直径が大きい方が角度誤差は小さい傾向がある。そこで、これらの点を確認するための測定を行った。具体的には、図６（ｃ）に示すようにフリー層１４の平面形状を直径０．６μｍの円形とし、ピンド層１２の平面形状を幅が２μｍで長さが６μｍ（縦横比が３対１）の長方形にした場合の、外部磁界１９と角度誤差との関係を求め、図９に実線で示している。そして、図１０に示すようにフリー層１４の平面形状を直径５μｍの円形とし、ピンド層１２の平面形状を幅が２μｍで長さが６μｍ（縦横比が３対１）の長方形にした場合の、外部磁界１９と角度誤差との関係を求め、図９に２点鎖線で示している。この実線と２点鎖線とを対比すると、ピンド層１２の平面形状が同一の場合に、フリー層１４の平面形状が大きい方が、角度誤差が小さいことがわかる。この傾向は、特に外部磁界１９の強度があまり小さくも大きくもない中程度の場合に顕著である。

さらに、図１１に示すようにフリー層１４の平面形状を直径５μｍの円形とし、ピンド層１２として、幅が２μｍで長さが６μｍ（縦横比が３対１）の長方形を幅方向に３分割した場合、すなわち、幅が約０．６７μｍで長さが６μｍの長方形を幅方向に３つ並べた場合の、外部磁界１９と角度誤差との関係を求め、図９に点線で示している。３つに分割されたピンド層１２の分割片同士の間はそれぞれ絶縁層で埋められている。

図９の点線と２点鎖線とを対比すると、フリー層１４の平面形状が同一で、ピンド層１２の平面的な総面積が同一である場合に、ピンド層１２の平面形状が単一の長方形である構成よりも、その長方形が幅方向に複数に分割されている構成の方が、角度誤差が小さいことがわかる。この傾向は、特に外部磁界１９の強度が比較的大きい場合に顕著である。そして、ピンド層１２が幅方向に複数に分割された平面形状を有する構成であると、特に外部磁界１９の強度が比較的大きい場合に、外部磁界の強度に応じた角度誤差の変動が小さくなるという傾向があるので、広い範囲の外部磁界に対して用いることができる。また、ピンド層１２が幅方向に複数に分割された平面形状を有する構成であると、誤差の補正も容易に行える。また、図１０，１１に示す例では、フリー層１４が比較的大面積であるため、外部磁界１９に敏感に反応し易く検知精度が高くなる。

なお、本実施形態ではＭＲ素子６としてＴＭＲ素子を用いているので、ピンド層１２が幅方向に完全に分離されていて構わない。もしもＭＲ素子６としてＧＭＲ素子を用いる場合には、分割された長方形がどこか一部で互いに連結されて導通していることが望ましい。その場合、連結個所がフリー層１４と重なる位置にある必要はなく、フリー層１４から離れた位置で連結されていてもよい。

以上の説明では、図２に示す回路図上においてホイートストンブリッジ３ａ，３ｂの四角形の各辺に１つずつＭＲ素子６が配置されているとして説明したが、図示しないが、各辺に、複数のＭＲ素子６が直列に接続された素子群をそれぞれ配置するようにしてもよい。その場合、各素子群を１つのＭＲ素子６と同等に取り扱って検知を行えばよく、個々のＭＲ素子６に加わる電圧が小さくなるため過電流による破壊の危険性が小さくなり、また各ＭＲ素子６ごとの特性のばらつきを平均化して誤差を小さくすることができるという利点がある。

具体例を挙げて詳細に説明したように、本発明によると、ピンド層１２が細長い平面形状を有し、特に長手方向がピンド層１２の固定された磁化方向と平行であると、外部磁界１９の影響を受けず磁化方向が移動しない信頼性が高くなる。さらに、このピンド層１２の長手方向の長さとそれに直交する幅方向の長さの比（縦横比）が大きいほど角度誤差が小さくなる。すなわち、長手方向の長さは長いほど好ましく、幅方向の長さは短いほど好ましい。また、ピンド層１２の総面積が同一である場合には、単一の細長い形状（例えば長方形または長円形）に形成されているよりも、細長い形状（例えば長方形または長円形）が複数に分割された構成である方が好ましい。

一方、フリー層１４は、平面形状が円形であって大面積であると、磁化方向があらゆる方向およびあらゆる角度に自在に容易に回転でき、外部磁界１９に敏感に反応できるため、検知精度が高くなる。具体的には、フリー層１４の平面形状が長円形等である場合、フリー層１４の平面的に見たときの総面積が、ピンド層１２の、平面的に見てフリー層１４と重なる部分の面積よりも大きいことが好ましい。さらに、フリー層１４の平面形状が円形であって、フリー層１４の総面積が、ピンド層１２の平面的に見たときの総面積よりも大きいとより好ましい。

本発明のＭＲ素子６を含むセンサは、図１に示すように車両のハンドルの回転角度を毛位置するためのものに限られず、あらゆる被検知部材の位置や角度を検知するために使用可能である。

１ ハンドル（ステアリングホイール）
１ａ 軸
２ 磁石（永久磁石）
３ 検知回路
３ａ，３ｂ ホイートストンブリッジ
４ モータ
４ａ ピニオン
５ 操舵車軸
５ａ ギア
６ 磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）
７ 電源
８ 電圧計
９ 処理回路
１０ 下地層
１１ 反強磁性層
１２ ピンド層
１２ａ アウター層
１２ｂ 非磁性層
１２ｃ インナー層
１３ 中間層
１４ フリー層
１５ キャップ層
１６ 基板
１７ 下部電極層
１８ 上部電極層
１９ 外部磁界
Ａ１〜Ａ４ 点

Claims (10)

1. 外部から加わる磁気の変化を検知するセンサ用の磁気抵抗効果素子において、
   磁化方向が固定されたピンド層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層と、前記ピンド層と前記フリー層との間に設けられている中間層と、を含み、
   前記ピンド層は、前記固定された磁化方向に沿って長く延び、前記固定された磁化方向に直交する方向に短い平面形状を有していることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
2. 外部から加わる磁気の変化を検知するセンサ用の磁気抵抗効果素子において、
   磁化方向が固定されたピンド層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層と、前記ピンド層と前記フリー層との間に設けられている中間層と、を含み、
   前記ピンド層は複数に分割された平面形状を有していることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
3. 複数に分割された前記ピンド層は、前記固定された磁化方向に沿って長く延び、前記固定された磁化方向に直交する方向に短い平面形状をそれぞれ有している、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記ピンド層は、前記固定された磁化方向に沿う長さが、前記固定された磁化方向に直交する方向の長さの３倍以上である平面形状を有している、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記フリー層は円形の平面形状を有している、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記フリー層の平面的に見たときの総面積は、前記ピンド層の、平面的に見て前記フリー層と重なる部分の面積よりも大きい、請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記フリー層の前記総面積は、前記ピンド層の平面的に見たときの総面積よりも大きい、請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記中間層は絶縁性、または非磁性、または絶縁性かつ非磁性である、請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を複数個含み、該複数の磁気抵抗効果素子が互いに接続されて構成されたホイートストンブリッジを含む検知回路と、前記検知回路に対向する位置に設けられた磁石と、を有し、
   前記磁石から前記磁気抵抗効果素子の前記フリー層へ及ぼされる磁力の変化に伴う前記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化を検知することによって、前記磁石と前記検知回路の相対位置の変化を検知することができるセンサ。
10. 前記磁石が被検知部材に取り付けられており、前記検知回路が前記磁石に対向する位置に固定され、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化を検知することによって、前記被検知部材の角度の変化を検知することができる、請求項９に記載のセンサ。

Images