JP5500785B2

JP5500785B2 - 磁気センサ

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Publication number: JP5500785B2
Application number: JP2008126621A
Authority: JP
Inventors: 多聞笠島
Original assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Current assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
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Description

本発明は、磁気センサにかかり、特に、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。

計測装置として、磁界の変化を検出可能な磁気センサが開発されており、例えば、電流計、磁気エンコーダなど、種々の用途に用いられている。このような磁気センサの一例が下記非特許文献１に開示されており、磁界の変化を検出する素子としてＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子（Giant Magneto Resistive effect 素子））を用いている。なお、ＧＭＲ素子は、入力される磁気に応じて出力される抵抗値が変化する素子であり、この出力される抵抗値に基づいて、検出された磁界の変化を計測することができる。

そして、ＧＭＲ素子を用いた磁気センサの具体的な構成の一例としては、非特許文献１に示すように、基板上に４つのＧＭＲ素子を配置し、ブリッジ回路を構成する。そして、ブリッジ回路の差動電圧を検出することで、検出対象となる磁界が変化することに伴うＧＭＲ素子の抵抗値の変化を検出する。これにより、磁界の変化に高感度なセンサを構成することができる。

具体的に、非特許文献１に開示されている磁気センサは、磁界の変化を検出する素子として、入力される磁界の向きに応じて出力される抵抗値が変化するスピンバルブ型のＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）を用いたＧＭＲチップ（磁界検出チップ）を備えている。そして、ＧＭＲ素子は、それぞれの一面に、所定の方向の磁界を検出可能なよう所定方向に磁化固定されている。このとき、ＧＭＲチップの小型化、及び、個々の抵抗値のばらつきを小さくするために、１つのＧＭＲチップ上にブリッジ回路を形成する４つのＧＭＲ素子を形成している。このため、４つ全てのＧＭＲ素子の磁化固定方向は全て同一方向である。

このようなブリッジ回路を形成するＧＭＲチップを用いて一方向の磁界を検出する場合には、全てのＧＭＲ素子における磁界の変化がほぼ同一となるため、かかる変化に応じて各ＧＭＲ素子から出力される抵抗値の変化はほぼ同一となる。すると、ブリッジ回路にて差動電圧を検出することが困難となる。このような問題点を解決すべく、非特許文献１では、４つのＧＭＲ素子のうち、２つのＧＭＲ素子上をＮｉＦｅ膜で覆っている。すると、ＮｉＦｅ膜で覆われたＧＭＲ素子では磁界の変化を検出できないため、他の２つのＧＭＲ素子の抵抗値が磁界の変化に応じて変化する。これにより、ブリッジ回路にて差動電圧を検出でき、磁界の変化を検出することができる。

NVE CORPORATION（米国）、"NVE CORPORATION GMR Sensor Catalog"、［online］、P7、［２００８年３月１７日検索］、インターネット＜URL : http://www.nve.com/Downloads/catalog.pdf＞

しかしながら、上記特許文献１に開示の技術では、ブリッジ回路を形成する各ＧＭＲ素子のうち、ＮｉＦｅ膜で覆われた２つのＧＭＲ素子の抵抗値が変化しないため、大きな差動電圧が出力されず、磁界を高精度に検出することができない、という問題があった。

一方で、高精度に一方向の磁界を検出するために、上述したようなＧＭＲ素子を用いたブリッジ回路を利用する場合には、磁化固定方向が異なるよう、例えばＧＭＲ素子を２つずつに分割して配置する必要がある。ところが、ＧＭＲ素子を分割する構成を採るとなると、ブリッジ回路が複数のチップにて構成されることとなり、各ＧＭＲ素子の抵抗値の誤差が生じ、磁界が０であってもオフセット電圧を生じ、高精度な計測ができない。また、ブリッジ回路を構成するために、複数のチップに形成されたＧＭＲ素子を接続する接続点や配線等が必要となり、これらによる抵抗が増加し、ますますオフセット電圧が増大化しうる。さらに、複数のチップで構成されると、上述したように接続点や配線、基板が必要になるなど、センサの小型化を図ることができない、という問題がある。

また、磁界が０の時のオフセット電圧が大きいと、当該オフセット電圧の温度特性が悪化する。つまり、４つのＧＭＲ素子の抵抗値は、温度の上昇・下降とともに増加、減少するが、上述したようにＧＭＲ素子を分割しているため、そのばらつきが大きくなる。その結果、大きなオフセットドリフトが生じ、ますます磁界を高精度に検出することが困難となる。

さらに、ＧＭＲ素子を分割して設けると、これらを密集して配置することができない。すると、ＧＭＲ素子の膜厚にはばらつきがあるため、各ＧＭＲ素子の抵抗ばらつきが大きくなり、上述同様に、オフセット電圧が大きくなる、という問題が生じる。そして、ＧＭＲ素子を分割して設けると、各素子毎にパッドを形成する必要があり、素子面積が大きくなり、チップの小型化を図ることができない。加えて、チップの小型化が困難となることにより、製造工程において製造されるチップの個数が減少し、製品単価が増加してしまう、という問題があった。

このため、本発明の目的は、上述した課題である、小型化及び低コスト化を図りつつ、磁界の検出精度の向上を図ることができる磁気センサを提供する、ことにある。

そこで、本発明の一形態である磁気センサは、入力される磁界の向きに応じて出力する抵抗値が変化する複数の磁気抵抗効果素子が接続され、所定の接続点間の差動電圧を検出可能なよう構成されたブリッジ回路を備えている。そして、上記磁気抵抗効果素子は、当該磁気抵抗効果素子の磁化固定方向が全て同一方向を向いて配置されている。さらに、上記ブリッジ回路の周囲に、磁気抵抗効果素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体を配置している。

また、上記磁性体は、例えば、軟磁性体である。また、上記磁気抵抗効果素子と磁性体とは、磁気抵抗効果素子の磁化固定方向に沿って同一直線上に配置されていると望ましい。

そして、上記磁気センサは、具体的には、上記ブリッジ回路が、４つの前記磁気抵抗効果素子を備えると共に、当該ブリッジ回路にて相互に隣り合って接続されていない対となる２つの磁気抵抗効果素子をほぼ同一箇所に形成した素子形成部を、当該磁気抵抗効果素子の各対に対応して２箇所に形成し、当該２箇所の素子形成部の間に磁性体を配置した、という構成を採る。このとき、上記磁性体を、磁気抵抗効果素子が形成されている面上に載置して設けてもよい。

さらに、上記各素子形成部に対して他の素子形成部側とは反対側に、他の磁性体をそれぞれ備えてもよい。そして、上記各他の磁性体を、磁気抵抗効果素子が形成された面の下方に配置してもよい。

上記発明によると、まず、ブリッジ回路は、磁化固定方向が同一方向に向いて配置された複数の磁気抵抗効果素子にて形成されているため、一チップ上に形成でき、個々の抵抗値のばらつきを小さくすることができる。そして、本発明では、ブリッジ回路の周囲に磁性体が配置されている。すると、同一の磁化固定方向を有するよう形成された磁気抵抗効果素子に対する磁気センサの周囲に存在する磁界の向きが、磁性体によって変化する。これにより、磁性体の配置に応じて、一方向の外部磁界を、磁気抵抗効果素子間で異なる方向に変化させることができる。例えば、ブリッジ回路にて相互に隣り合って接続されていない対となる２つの磁気抵抗効果素子をほぼ同一箇所に形成した素子形成部を２箇所に形成して、一方に対しては磁化固定方向に、他方に対してはその反対方向に、磁界が入射されるよう磁性体を配置する。これにより、ブリッジ回路から大きな差動電圧が出力されるため、一方向の磁界の検出精度の向上を図ることができる。

このとき、特に、一チップ上にブリッジ回路を構成するＧＭＲ素子を形成できることから、個々の抵抗値のばらつきを小さくすることができ、オフセット電圧を抑制して、磁界検出精度のさらなる向上を図ることができる。加えて、一チップ上にブリッジ回路を構成することで、チップ全体の小型化を図ることができ、これによりチップの製造効率も向上し、センサの低コスト化を図ることもできる。

また、本発明の他の形態である計測機器は、上述した磁気センサを備えて構成される。そして、この計測機器は、磁気抵抗効果素子が形成されている面に対して垂直に入射する磁界を発生させる磁界発生手段を備えていてもよい。

また、本発明の他の形態である電流計は、一部に切断された空隙部を有する略環状の磁性体コアと、当該磁性体コアのほぼ中心を貫通する導体と、を備え、導体に流れる電流を、当該電流によって磁性体コアに生じる磁界を検出して計測する電流計である。そして、この電流計は、上記磁性体コアに形成された空隙部に、上記磁気センサを配置して構成されている。このとき、上記磁気センサを、当該磁気センサが備える磁気抵抗効果素子が形成されている面が上記空隙部を形成する磁性体コアの断面に対向するよう配置するとよい。

また、本発明の他の形態である回転角センサは、所定の方向に磁界を発生する磁界発生手段と、上述した磁気センサと、を備えている。そして、上記磁界発生手段を回転可能に設けている。さらに、上記磁界検出センサを、磁界発生手段の回転周囲に、当該磁界発生手段の回転円の半径方向と磁気抵抗効果素子の磁化固定方向とが一致するよう配置している。そして、上記磁界発生手段は、略円柱形状であり、当該磁界発生手段の外周面の半分がＮ極にて形成されていてもよい。さらに、少なくとも２つの磁気センサを、磁界発生手段の回転周囲に、当該磁界発生手段の回転中心から相互に９０度の角度を有するよう配置してもよい。

また、本発明の他の形態である磁気センサの製造方法は、入力される磁界の向きに応じて出力する抵抗値が変化する複数の磁気抵抗効果素子が接続され、当該磁気抵抗効果素子の磁化固定方向が全て同一方向を向いて配置されており、所定の接続点間の差動電圧を検出可能なよう構成されたブリッジ回路を形成する第一の工程と、上記ブリッジ回路の周囲に、磁気抵抗効果素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体を配置する第二の工程と、を有する。

そして、上記第一の工程は、ブリッジ回路を４つの磁気抵抗効果素子にて形成すると共に、当該ブリッジ回路にて相互に隣り合って接続されていない対となる２つの磁気抵抗効果素子をほぼ同一箇所に形成した素子形成部を、当該磁気抵抗効果素子の各対に対応して２箇所に形成することによりブリッジ回路を形成する。また、上記第二の工程は、上記２箇所の素子形成部の間に磁性体を配置する。

また、上記第二の工程は、各素子形成部に対して他の素子形成部側とは反対側に、他の磁性体をそれぞれ配置してもよい。

本発明は、以上のように構成され機能するので、これによると、一方向の磁界の変化に応じてブリッジ回路から大きな差動電圧が出力されるため、磁界の検出精度の向上を図ることができる。特に、上記ブリッジ回路を１チップ上に形成できるため、各磁気抵抗効果素子のばらつきを抑制し、磁界検出精度の更なる向上と共に、センサの小型化、低コスト化を図ることができる、という優れた効果を有する。

本発明の具体的な構成を、実施形態にて説明する。以下、実施形態１乃至３では、本発明における磁気センサの構成を説明し、実施形態４乃至５では、磁気センサを利用した各種計測機器を説明する。

＜実施形態１＞
本発明の第１の実施形態を、図１乃至図７を参照して説明する。図１は、ＧＭＲ素子の特性を説明する図である。図２乃至図５は、ＧＭＲチップの一例を示す図である。図６乃至図７は、本実施形態における磁気センサの一例を示す図である。

まず、本発明にて用いられるＧＭＲ素子の特性について、図１を参照して説明する。ＧＭＲ素子は、入力される磁界の向きに応じて出力される抵抗値が変化するスピンバルブ型のＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）である。そして、図１に、ＧＭＲ素子に対する磁界Ｈの侵入角と、抵抗値との関係について示す。

図１（ａ）の例におけるＧＭＲチップ１００は、その上面にＧＭＲ素子が形成されている。このＧＭＲ素子は、矢印Ａ方向の磁界を検出可能なよう当該矢印Ａ方向に磁化固定されて、構成されていることとする。

そして、図１（ａ）において、ＧＭＲ素子は、当該ＧＭＲ素子の形成面に対して垂直に入射する磁界Ｈ中に配置されている。この場合に、ＧＭＲ素子の抵抗値は、図１（ｂ）に示すように、「Ｒｏ」となる。これに対し、磁界Ｈの向きが傾くと、図１（ａ）の点線にて示すように、ＧＭＲ素子面に対する磁界Ｈの入射角が、垂直方向から−△θ（△（デルタ）：変化量を表すこととして用いる）、あるいは、＋△θの角度だけ傾く。すると、ＧＭＲ素子は、上述したように一方向に磁化固定されているため、その方向において磁界の向きが変化することとなり、図１（ｂ）に示すように、ＭＲ抵抗値が変化する。このように、ＧＭＲ素子は、入射する磁界の向きが垂直な状態にて抵抗値をＲｏと設定したときに、当該磁界Ｈの向きが微小角度だけ傾いたときに特に抵抗値が大きく変化するという特性を有する。

［構成］
次に、図２乃至図５を参照して、本実施形態の磁気センサ１に用いるＧＭＲチップ１０の構成について説明する。ＧＭＲチップ１０は、図２に示すように、略直方体形状であり、その一面（上面）に、４つのＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が形成されている。これらＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、図４に示すように接続され、ブリッジ回路を構成している。つまり、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３と、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ４がそれぞれ直列に接続されており、当該直列接続されたＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ３とＲ２，Ｒ４とは、電源に対して並列に接続され、閉回路を構成している。これにより、ＧＭＲ素子Ｒ１とＲ３の接続点Ｖａと、ＧＭＲ素子Ｒ２とＲ４の接続点Ｖｂと、の間における差動電圧を検出することが可能である。なお、ブリッジ回路は、予めＧＭＲチップ１０に、上述したように差動電圧が検出可能なよう形成されていることとする。

そして、本実施形態では、特に、図２に示すように、４つのＧＭＲ素子のうち、図４に示すブリッジ回路において相互に隣り合って接続されていない対となる２つのＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４が、ほぼ同一箇所である素子形成部１１に形成されている。また、ブリッジ回路において相互に隣り合って接続されていない対となる他の２つのＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３が、ほぼ同一箇所である素子形成部１２に形成されている。ここで、図３には、素子形成部１１の拡大図を示すが、この図に示すように、２つのＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４が同一箇所にミアンダ形状（ジグザグ）に形成されており、また、素子形成部１２におけるＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３も同様に同一箇所にミアンダ形状に形成されている。また、全てのＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、同一方向、つまり、矢印Ａ方向に磁化固定されている。

そして、上述したように、２つずつのＧＭＲ素子（Ｒ１とＲ４、Ｒ２とＲ３）が形成された各素子形成部１１，１２は、相互に離間して形成されている。例えば、図２に示すように、ＧＭＲチップ１０の長辺方向つまりＧＭＲ素子の磁化固定方向における両端付近に、各素子形成部１１，１２が形成されている。このとき、各素子形成部１１，１２は、その間に後述する磁性体２１が配置可能な領域を空けて形成されている。

ここで、図５は、上述したＧＭＲチップ１０を側方から見た図であり、当該ＧＭＲチップ１０が磁界Ｈ中に配置されているときの様子を示す図である。この図に示すように、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の磁化固定方向Ａに対して磁界Ｈが垂直である状態から、当該磁界Ｈの向きが変化した場合には、全てのＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に対してほぼ同一の角度だけ変化する。すると、全てのＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値がほぼ同一の値だけ変化することとなる。ところが、この場合には、これらＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４にて構成された図４に示すブリッジ回路においては、上述した接続点Ｖａ−Ｖｂ間の差動電圧を検出することが困難となる。

これに対して、本発明における磁気センサ１は、上述したＧＭＲチップ１０に形成されているブリッジ回路の周囲に、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に入力される磁界Ｈの向きを変化させる磁性体２１を配置している。具体的に、本実施形態における磁気センサ１は、基板Ｂ上に上述したＧＭＲチップ１０を搭載し、さらに、ＧＭＲチップ１０上に形成されたブリッジ回路の各素子形成部１１，１２の間に、磁性体２１を載置している。なお、磁性体２１は、例えば、ソフトフェライト（軟磁性体）である。このように、本実施形態では、特に、磁性体２１とＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４とが、当該ＧＭＲ素子の磁化固定方向Ａに沿って同一直線状に配置された状態となっている。なお、磁性体２１の配置位置は、上記位置に限定されない。例えば、ＧＭＲチップ１０に載置されず、当該ＧＭＲチップ１０の上方に配置されていてもよい。また、必ずしも各素子形成部１１，１２の間に配置されていることに限定されない。

［動作］
次に、上記構成の磁気センサ１の動作を、図７を参照して説明する。図７は、上述した図５の例と同様に、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の素子面に対してほぼ垂直な磁界Ｈ中に磁気センサ１が配置されている場合を示している。すると、本実施形態においては、この図に示すように、磁性体２１よりも上方から当該磁性体２１の中心付近にかけては、磁界Ｈは磁性体２１に対して引き寄せられ、また、磁性体２１の中心付近から各素子形成部１１，１２が形成された下方においては、磁界Ｈは磁性体２１から離れる方向に曲折される。すると、磁性体２１を挟んで位置する各素子形成部１１，１２（ＧＭＲ素子（Ｒ１とＲ４、Ｒ２とＲ３））に対しては、それぞれ反対方向の磁界Ｈが入射することとなる。具体的には、図７の点線矢印Ｙ１，Ｙ２に示すように、素子形成部１１のＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４に対しては、磁化固定方向Ａと同一方向の向きに変化した磁界Ｈが入射し、素子形成部１２のＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３に対しては、磁化固定方向Ａとは反対方向の向きに変化した磁界Ｈが入射することとなる。

すると、ブリッジ回路においては、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗値と、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値と、がそれぞれ反対の符号に変化する。例えば、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗値は＋ΔＲだけ変化し、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値は−ΔＲだけ変化する。これにより、差動電圧の検出点であるＶａとＶｂの差が大きくなり、大きな差動電圧値を検出することができる。なお、差動電圧を検出する回路は、例えば、基板Ｂ上に形成されており、ＧＭＲチップ１０上に形成された上記ブリッジ回路に接続されることで、差動電圧を検出することができる。

以上のように、上記構成の磁気センサを用いることで、磁界の検出精度の向上を図ることができる。その結果、磁気センサを種々の計測機器に利用することが可能となる。特に、本実施形態では、ブリッジ回路を一チップ上に形成できることから、個々のＧＭＲ素子のばらつきを小さくすることができ、このためブリッジ回路におけるオフセット電圧を抑制して、磁界検出精度のさらなる向上を図ることができる。加えて、ブリッジ回路を構成するＧＭＲ素子を複数の分割されたチップ上に形成することなく、一チップ上に形成しているため、チップ全体の小型化を図ることができ、これによりチップの製造効率も向上し、センサの低コスト化を図ることもできる。

［製造方法］
次に、上述した磁気センサ１の製造方法について説明する。まず、上述したようにブリッジ回路を構成し、各素子形成部１１，１２に配置されるよう、４つのＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４をＧＭＲチップ１０上に形成する（第一の工程）。続いて、このＧＭＲチップ１０上に、つまり、各素子形成部１１，１２の間に、磁性体２１を載置して配置する（第二の工程）。なお、必要に応じて、任意のタイミングにて、ＧＭＲチップ１０を基板上に配置し、また、各種配線を接続する。

このようにして、磁気センサ１を製造することができ、単体で、あるいは、他の構成に組み込まれることで、各種計測機器として利用することができる。

＜実施形態２＞
次に、本発明の第２の実施形態を、図８乃至図９を参照して説明する。

［構成］
図８に示すように、本実施形態における磁気センサ１は、上述した実施形態１におけるＧＭＲチップ１０上に配置された磁性体２１に加えて、さらに別の磁性体２２，２３（例えば、ソフトフェライト（軟磁性体））を２つ備えている。具体的には、ＧＭＲチップ１０の両端側に、つまり、上記各素子形成部１１，１２のさらに外側に、それぞれ磁性体２２，２３が配置されている。換言すると、素子形成部１１に対して素子形成部１２側とは反対側に位置するＧＭＲチップ１０の端部と、素子形成部１２に対して素子形成部１１側とは反対側に位置するＧＭＲチップ１０の端部と、にそれぞれ磁性体２２，２３が配置されている。これにより、図９に示すように、各磁性体２２，２３は、上記各素子形成部１１，１２に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の素子面の下方に配置された状態となっている。

［動作］
次に、上記構成の磁気センサ１の動作を、図９を参照して説明する。図９は、上述した図７の例と同様に、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の素子面に対してほぼ垂直な磁界Ｈ中に磁気センサ１が配置されている場合を示している。すると、磁性体２１の中心付近から各素子形成部１１，１２が形成された下方においては、上述同様に、磁界Ｈは、磁性体２１から離れる方向に曲折され、さらに、ＧＭＲチップ１０の両端部に設けられた各磁性体２２，２３に引き寄せられる。従って、上述した実施形態１の場合と比較して、各素子形成部１１，１２（ＧＭＲ素子（Ｒ１とＲ４、Ｒ２とＲ３））に対しては、それぞれ反対方向により大きな角度を有して磁界Ｈが入射することとなる。具体的には、図９の点線矢印Ｙ１，Ｙ２に示すように、素子形成部１１のＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４に対しては、磁化固定方向Ａと同一方向の向きに変化した磁界Ｈが入射し、素子形成部１２のＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３に対しては、磁化固定方向Ａとは反対方向の向きに変化した磁界Ｈが入射することとなる。

すると、ブリッジ回路においては、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗値と、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値と、がそれぞれ反対の符号に変化する。例えば、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗値は＋ΔＲだけ変化し、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値は−ΔＲだけ変化する。これにより、差動電圧の検出点であるＶａとＶｂの差が大きくなり、大きな差動電圧値を検出することができる。なお、差動電圧を検出する回路は、例えば、基板Ｂ上に形成されており、当該基板Ｂ上の差動電圧検出回路がＧＭＲチップ１０上に形成された上記ブリッジ回路に接続されることで、差動電圧を検出することができる。

［製造方法］
なお、上述した磁気センサ１の製造方法は、上記実施形態１と同様である。つまり、まず、上述したようにブリッジ回路を構成した４つのＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４をＧＭＲチップ１０上に形成する（第一の工程）。続いて、このＧＭＲチップ１０上に、及び、ＧＭＲチップ１０の両端部に、磁性体２１，２２，２３をそれぞれ配置する（第二の工程）。なお、必要に応じて、任意のタイミングにて、ＧＭＲチップ１０を基板Ｂ上に配置し、また、各種配線を接続する。

＜実施形態３＞
次に、本発明の第３の実施形態を、図１０乃至図１１を参照して説明する。図１０に示すように、本実施形態における磁気センサ１は、上述した実施形態１におけるＧＭＲチップ１０上に配置された磁性体２１を備えておらず、上記実施形態２で説明した磁性体２２，２３（例えば、ソフトフェライト（軟磁性体））を、ＧＭＲチップ１０の両端側にそれぞれ備えた構成を採っている。

このような構成であって、図１１に示すように、各素子形成部１１，１２が形成された箇所においては、上述同様に、磁界Ｈの向きは、ＧＭＲチップ１０の両端部に設けられた各磁性体２２，２３に引き寄せられよう変化する。従って、各素子形成部１１，１２（ＧＭＲ素子（Ｒ１とＲ４、Ｒ２とＲ３））に対しては、それぞれ反対方向に角度を有して磁界Ｈが入射することとなる。つまり、図１１の点線矢印Ｙ１，Ｙ２に示すように、素子形成部１１のＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４に対しては、磁化固定方向Ａと同一方向の向きに変化した磁界Ｈが入射し、素子形成部１２のＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３に対しては、磁化固定方向Ａとは反対方向の向きに変化した磁界Ｈが入射することとなる。

すると、ブリッジ回路においては、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗値と、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値と、がそれぞれ反対の符号に変化する。例えば、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗値は＋ΔＲだけ変化し、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値は−ΔＲだけ変化する。これにより、差動電圧の検出点であるＶａとＶｂの差が大きくなり、大きな差動電圧値を検出することができる。なお、差動電圧を検出する回路は、例えば、基板Ｂ上に形成されており、当該基板ＢにＧＭＲチップ１上に形成された上記ブリッジ回路が接続されることで、差動電圧を検出することができる。

＜実施形態４＞
次に、本発明の第４の実施形態を、図１２乃至図１３を参照して説明する。本実施形態は、上述した磁気センサ１を利用した計測機器の一例として、電流計を説明する。

図１２に示すように、電流計は、一部に切断されたギャップ３０（空隙部）が形成された略ロの字状（環状）の磁性体コア３を備えており、上記ギャップ３０に実施形態１乃至３にて説明した磁気センサ１が配置されている。このとき、磁気センサ１は、ギャップ３０を形成する磁性体コア３の切断面、つまり、ギャップ３０を形成する相互に対向する壁面の一方に、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の形成面を対向させて配置されている。そして、図１３に示すように、略ロの字状の磁性体コア３のほぼ中心を貫通するよう導線３１（導体）を配置し、この導線３１に流れる電流を測定する。

以上のように構成することにより、導線３１に電流が流れると、その周囲を取り囲む磁性体コア３に沿って環状に磁界Ｈが生じる。すると、ギャップ３０に配置された磁気センサ１に形成されたＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の形成面には、垂直に磁界Ｈが入射することとなる。つまり、導線３１と磁性体コア３とは、磁気センサ１にて計測される磁界を発生させる磁界発生手段として機能する。

そして、導線３１に電流が流れることによって磁性体コア３に生じた磁界Ｈは、上記各実施形態にて説明したように、当該磁気センサ１に装備された磁性体２１等の影響で曲げられる。これにより、磁界は、磁気センサ１のＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に所定の角度で入射することとなる。具体的には、各素子形成部１１，１２（ＧＭＲ素子（Ｒ１とＲ４、Ｒ２とＲ３））に対しては、それぞれ反対方向に角度を有して磁界Ｈが入射することとなる。すると、ブリッジ回路においては、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗値と、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値と、がそれぞれ反対の符号に変化する。例えば、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗値は＋ΔＲだけ変化し、ＧＭＲ素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値は−ΔＲだけ変化する。これにより、差動電圧の検出点であるＶａとＶｂの差が大きくなり、大きな差動電圧値を検出することができる。

以上のように、上記構成の磁気センサ１を用いることで、導線３１を流れる電流を高精度に検出することが可能となる。特に、本実施形態では、ブリッジ回路を一チップ上に形成できることから、個々の抵抗値のばらつきを小さくすることができ、このためオフセット電圧を抑制して、磁界検出精度のさらなる向上を図ることができる。加えて、ブリッジ回路を構成するＧＭＲ素子を分割された複数のチップ上に形成することなく、一チップ上に形成しているため、チップ全体の小型化を図ることができる。すると、上述したような磁性体コア３の微小なギャップ３０にも配置することが可能であり、様々な計測機器にも適用可能である。

＜実施形態５＞
次に、本発明の第５の実施形態を、図１４乃至図１５を参照して説明する。本実施形態は、上述した磁気センサ１を利用した計測機器の一例として、エンコーダ（角度センサ）を説明する。

図１４に示すように、エンコーダは、半円柱のＮ極とＳ極とが合わさって略円柱状に形成された磁石４（磁界発生手段）を備えている。そして、この磁石４は、円柱の中心軸にて回転可能なよう基板や基台に設置されており、その回転周囲に上述した磁気センサ１を備えている。

特に、本実施形態では、上記磁石４の半径方向と、ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の磁化固定方向とが一致するよう、磁気センサ１を２つ配置している。このとき、２つの磁気センサ１は、磁石４の中心軸から相互に９０度の角度を有して配置されている。

これにより、磁石４が回転すると、当該磁石４からの磁界Ｈの向きが回転角に応じて変化するため、各磁気センサ１からは正弦波形の差動電圧値が計測される。例えば、磁気センサ１にＮ極が近づくほど大きな値の正の電圧が得られ、Ｎ極とＳ極の中間が磁気センサ１に向いているときには０電圧に、そして、Ｓ極が近づくほど小さな値の負の電圧が得られる。そして、２つの磁気センサ１は、それぞれ９０度ずれて配置されているため、それぞれにおいて計測される電圧値は、位相が９０度ずれることとなる。

また、エンコーダは、２つの磁気センサ１に接続され、当該各磁気センサ１にて計測される差動電圧が入力される計測部５を備えている。この計測部５は、各磁気センサ１にて計測された位相の異なる正弦波形の電圧値から、ｓｉｎ、ｃｏｓを用いて、ｔａｎを計算することで、磁石４の回転角を求めることができる。なお、磁石４が静止している場合であっても、同様に２つの磁気センサ１の出力からｔａｎを計算することで、磁石４の回転角を算出でき、アブソリュートエンコーダとしても機能しうる。

なお、磁気センサ１をエンコーダに用いるときの構成は、上述した構成に限定されない。例えば、磁石４は、必ずしも半円柱毎にＮ極とＳ極が分かれている構成されている必要は無く、磁石４の外周面の半分のみがＮ極に形成されていたり、あるいは、外周面の一部のみがＮ極に形成されていてもよい。また、磁気センサ１は必ずしも２つ装備することに限定されず、１つでもよく、あるいは、３個以上を配置してもよい。

また、上記では、磁気センサ１を用いた計測機器の一例として、電流計とエンコーダを説明したが、本発明における磁気センサ１は、他の様々な計測機器にも適用可能である。

本発明は、磁気センサ、電流計、エンコーダなど、様々な計測機器に利用することができ、産業上の利用可能性を有する。

ＧＭＲ素子の特性を説明する図である。ＧＭＲチップの構成を示す図である。ＧＭＲチップの一部の拡大図である。ＧＭＲチップに形成されているＧＭＲ素子にて構成されたブリッジ回路を示す図である。ＧＭＲチップに対する磁界の様子を示す図である。実施形態１における磁気センサの構成を示す図である。実施形態１における磁気センサに対する磁界の様子を示す図である。実施形態２における磁気センサの構成を示す図である。実施形態２における磁気センサに対する磁界の様子を示す図である。実施形態３における磁気センサの構成を示す図である。実施形態３における磁気センサに対する磁界の様子を示す図である。実施形態４における電流計の構成を示す図である。実施形態４における電流計の構成を示す図である。実施形態５におけるエンコーダの構成を示す図である。実施形態５におけるエンコーダの構成を示す図である。

符号の説明

１磁気センサ
１０ＧＭＲチップ
１１，１２素子形成部
２１，２２，２３磁性体
３磁性体コア
３０ギャップ
３１導線
４磁石
５計測部
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ＧＭＲ素子
Ａ磁化固定方向
Ｈ磁界

Claims

入力される磁界の向きに応じて出力する抵抗値が変化する複数の磁気抵抗効果素子が接続され、所定の接続点間の差動電圧を検出可能なよう構成されたブリッジ回路を備え、
前記磁気抵抗効果素子は、当該磁気抵抗効果素子の磁化固定方向が全て同一方向を向いて配置されると共に、当該磁気抵抗効果素子が形成されている形成面に対して垂直に入射する磁界中に配置され、
前記ブリッジ回路は、４つの前記磁気抵抗効果素子を備えると共に、当該ブリッジ回路にて相互に隣り合って接続されていない対となる２つの前記磁気抵抗効果素子をほぼ同一箇所に形成した素子形成部を、当該磁気抵抗効果素子の各対に対応して２箇所に形成しており、
前記２箇所の素子形成部の間であり、前記磁気抵抗効果素子が形成されている面上に、あるいは、前記磁気抵抗効果素子が形成されている面よりも上方に、前記磁気抵抗効果素子の形成面に入力される磁界の入射角が垂直方向から所定の角度だけ傾くよう当該磁界の向きを変化させる磁性体を１つのみ配置した、
ことを特徴とする磁気センサ。
前記各素子形成部に対して他の素子形成部側とは反対側に、他の磁性体をそれぞれ備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
前記各他の磁性体を、前記磁気抵抗効果素子が形成された面の下方に配置した、
ことを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
入力される磁界の向きに応じて出力する抵抗値が変化する複数の磁気抵抗効果素子が接続され、所定の接続点間の差動電圧を検出可能なよう構成されたブリッジ回路を備え、
前記磁気抵抗効果素子は、当該磁気抵抗効果素子の磁化固定方向が全て同一方向を向いて配置されており、
前記ブリッジ回路は、４つの前記磁気抵抗効果素子を備えると共に、当該ブリッジ回路にて相互に隣り合って接続されていない対となる２つの前記磁気抵抗効果素子をほぼ同一箇所に形成した素子形成部を、当該磁気抵抗効果素子の各対に対応して２箇所に形成しており、
前記各素子形成部に対して他の素子形成部側とは反対側に、前記磁気抵抗効果素子の形成面に入力される磁界の入射角が垂直方向から所定の角度だけ傾くよう当該磁界の向きを変化させる１つの磁性体をそれぞれ配置し、
前記各磁性体を、前記磁気抵抗効果素子が形成された面の下方に配置した、
ことを特徴とする磁気センサ。
前記磁性体は、軟磁性体である、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気センサ。
前記磁気抵抗効果素子と前記磁性体とは、前記磁気抵抗効果素子の磁化固定方向に沿って同一直線上に配置されている、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気センサ。
請求項１乃至６のいずれかに記載の前記磁気センサを備えた、ことを特徴とする計測機器。
前記磁気抵抗効果素子が形成されている面に対して垂直に入射する磁界を発生させる磁界発生手段を備えた、
ことを特徴とする請求項７に記載の計測機器。
一部に切断された空隙部を有する略環状の磁性体コアと、当該磁性体コアのほぼ中心を貫通する導体と、を備え、前記導体に流れる電流を、当該電流によって前記磁性体コアに生じる磁界を検出して計測する電流計であって、
前記空隙部に、請求項１乃至６のいずれかに記載の前記磁気センサを配置した、
ことを特徴とする電流計。
前記磁気センサを、当該磁気センサが備える前記磁気抵抗効果素子が形成されている面が前記空隙部を形成する前記磁性体コアの断面に対向するよう配置した、
ことを特徴とする請求項９に記載の電流計。
所定の方向に磁界を発生する磁界発生手段と、請求項１乃至６のいずれかに記載の前記磁気センサと、を備え、
前記磁界発生手段を、回転可能に設けると共に、
前記磁気センサを、前記磁界発生手段の回転周囲に、当該磁界発生手段の回転円の半径方向と前記磁気抵抗効果素子の磁化固定方向とが一致するよう配置した、
ことを特徴とする回転角センサ。
前記磁界発生手段は、略円柱形状であり、当該磁界発生手段の外周面の半分がＮ極にて形成されている、
ことを特徴とする請求項１１に記載の回転角センサ。
少なくとも２つの前記磁気センサを、前記磁界発生手段の回転周囲に、当該磁界発生手段の回転中心から相互に９０度の角度を有するよう配置した、
ことを特徴とする請求項１２に記載の回転角センサ。
入力される磁界の向きに応じて出力する抵抗値が変化する複数の磁気抵抗効果素子が接続され、当該磁気抵抗効果素子の磁化固定方向が全て同一方向を向いて配置されると共に、当該磁気抵抗効果素子が形成されている形成面に対して垂直に入射する磁界中に当該磁気抵抗効果素子が配置され、所定の接続点間の差動電圧を検出可能なよう構成されたブリッジ回路を形成する第一の工程を有し、当該第一の工程は、前記ブリッジ回路を４つの前記磁気抵抗効果素子にて形成すると共に、当該ブリッジ回路にて相互に隣り合って接続されていない対となる２つの前記磁気抵抗効果素子をほぼ同一箇所に形成した素子形成部を、当該磁気抵抗効果素子の各対に対応して２箇所に形成することにより前記ブリッジ回路を形成し、
前記２箇所の素子形成部の間であり、前記磁気抵抗効果素子が形成されている面上に、あるいは、前記磁気抵抗効果素子が形成されている面よりも上方に、前記磁気抵抗効果素子の形成面に入力される磁界の入射角が垂直方向から所定の角度だけ傾くよう当該磁界の向きを変化させる磁性体を１つのみ配置する、第二の工程を有する、
ことを特徴とする磁気センサの製造方法。
前記第二の工程は、前記各素子形成部に対して他の素子形成部側とは反対側に、他の磁性体をそれぞれ配置する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の磁気センサの製造方法。
前記第二の工程は、前記各他の磁性体を、前記磁気抵抗効果素子が形成された面の下方に配置する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の磁気センサの製造方法。
入力される磁界の向きに応じて出力する抵抗値が変化する複数の磁気抵抗効果素子が接続され、当該磁気抵抗効果素子の磁化固定方向が全て同一方向を向いて配置されており、所定の接続点間の差動電圧を検出可能なよう構成されたブリッジ回路を形成する第一の工程を有し、当該第一の工程は、前記ブリッジ回路を４つの前記磁気抵抗効果素子にて形成すると共に、当該ブリッジ回路にて相互に隣り合って接続されていない対となる２つの前記磁気抵抗効果素子をほぼ同一箇所に形成した素子形成部を、当該磁気抵抗効果素子の各対に対応して２箇所に形成することにより前記ブリッジ回路を形成し、
前記各素子形成部に対して他の素子形成部側とは反対側に、前記磁気抵抗効果素子の形成面に入力される磁界の入射角が垂直方向から所定の角度だけ傾くよう当該磁界の向きを変化させる１つの磁性体をそれぞれ配置すると共に、当該各磁性体を、前記磁気抵抗効果素子が形成された面の下方に配置する、第二の工程を有する、
ことを特徴とする磁気センサの製造方法。