JP2016170167A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、微弱な磁界の検出精度を向上させた磁気センサに関する。
【解決手段】本磁気センサは、入力される磁界の向きに応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子の近傍に、前記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が配置されており、前記磁性体は前記磁気抵抗効果素子の形成されている側の面に凹部形状の凹部を有することを特徴とする。また、前記磁性体の凹部は、前記磁性体の中心と、略一致していると良い。さらに、前記凹部形状は、辺の数が３本以上の多角形を少なくとも含んでもよく、円弧形状を少なくとも含んでもよい。
【選択図】図６

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、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、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。

図１、図２はＧＭＲ素子の特性を説明する図である。まず、本発明にて用いられるＧＭＲ素子の特性について、図１、図２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および図２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の例におけるＧＭＲチップ１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２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２に示すように、ＧＭＲ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、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。

図３、図４は従来の磁気センサの構成図である。前記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、特許文献１では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ＧＭＲ素子をほぼ同一箇所に形成した素子形成部の近傍に、ＧＭＲ素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体２１を配置している。

さらに前記磁性体２１は、一方向の外部磁界を、ＧＭＲ素子間で異なる方向に変化させることが出来る。これにより、ブリッジ回路以内の４つのＧＭＲ素子に対し、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、磁界が導出されるように配置されている。これによりブリッジ回路から大きな差動電圧を出力し、一方向の磁界の検出精度の向上を図っている。

図５は特許文献１における、磁性体２１によってＧＭＲ素子部１１、１２へ導入される磁界Ｈの概略図である。磁性体２１により磁界Ｈが曲げられ、ＧＭＲ素子部１１、１２に於いて、ＧＭＲ素子部１１、１２の感磁方向への磁界成分（Ｘ軸方向磁界）が発生し、前述のとおりＧＭＲ抵抗値が変化する。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。なお、以下の全ての説明に於いて、ＧＭＲ素子の磁化固定方向と平行な方向をＸ軸方向、ＧＭＲ素子形成面内における、ＧＭＲ素子の磁化固定方向と直交する方向をＹ軸方向、ＧＭＲ素子形成面と直交する方向をＺ軸方向と定義する。

また、特許文献２においては、磁気抵抗効果素子に対し、外部からの垂直磁界を水平方向への磁界成分に変換して与える磁性体を複数配置して、垂直磁界成分を検出するセンサが開示されている。

特許第５５００７８５号公報 特許第５５９７２０６号公報

しかしながら、上記特許文献１、特許文献２に開示の技術では、微弱な磁界を検出する為には、素子部に導出される磁界の量が不十分であり、磁気検出精度を向上させる必要がある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、磁気センサの磁気検出精度の向上を簡便な構成にて図ることにある。

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抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子の近傍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、その磁性体は前記磁気抵抗効果素子の形成されている側の面に凹部形状の凹部を有することで、検出磁界を磁気抵抗素子に効率よく導出する事により、磁気検出精度を向上させることが出来る。

さらに、磁性体の凹部は、磁性体の配置面側に配置されており、磁気抵抗効果素子の配置面の垂直方向において、凹部の中心と、磁性体の中心が略一致していることが望ましい。

また、前記凹部形状は、辺の数が３本以上の多角形を少なくとも含んでもよく、円弧形状を少なくとも含んでも良い。さらに、磁性体は軟磁性体である事が望ましい。

上記の発明によると、上記磁性体の上記突起部により、検出磁界を磁気抵抗素子に効率よく導出する事により、磁気センサの磁気検出精度を向上させることが出来る。

ＧＭＲチップの構成を示す図である。 ＧＭＲ素子の特性を説明する図である。 従来の磁気センサ構成（Ｘ−Ｚ軸面）を示す図である。 従来の磁気センサ構成（Ｘ−Ｙ軸面）を示す図である。 従来例におけるＧＭＲ素子部へ導入される磁束の概略図である。 実施形態１における磁気センサの構成（Ｘ−Ｚ軸面）を示す図である。 実施形態１における磁気センサの構成（Ｘ−Ｙ軸面）を示す図である。 実施形態１におけるＧＭＲ素子部へ導入される磁束の概略図である。 従来例におけるＧＭＲ素子部の拡大図である。 実施形態１におけるＧＭＲ素子部の拡大図である。 従来例と実施形態１における磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。 実施形態２における磁気センサの構成（Ｘ−Ｚ軸面）を示す図である。 実施形態２における磁気センサの構成（Ｘ−Ｙ軸面）を示す図である。 実施形態２におけるＧＭＲ素子部へ導入される磁束の概略図である。 従来例と実施形態２における磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。 実施形態３における磁気センサの構成（Ｘ−Ｚ軸面）を示す図である。 実施形態３における磁気センサの構成（Ｘ−Ｙ軸面）を示す図である。 実施形態３におけるＧＭＲ素子部へ導入される磁束の概略図である。 従来例と実施形態３における磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。

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では、本発明における磁気センサの基本構成を説明し、実施形態２乃至３では、本発明における磁気センサの応用構成を説明する。

なお、磁気抵抗素子としてＧＭＲを例にして説明するが、ＴＭＲ、ＡＭＲ等を含めた磁気抵抗効果を持つ素子にも適用可能である。

（実施形態１）
本発明の第１の実施形態を、図６乃至図１１を参照して説明する。図６は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｚ軸方向に於ける構成図である。図７は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｙ軸方向に於ける構成図である。図８は本実施形態における、磁性体によってＧＭＲ素子部へ入射される磁界の概略図である。図９は従来例における、磁性体によってＧＭＲ素子部に入射される磁界の概略図のうち、ＧＭＲ素子部における拡大図である。図１０は本実施形態における、磁性体によってＧＭＲ素子部に入射される磁界の概略図のうち、ＧＭＲ素子部における拡大図である。図１１は従来例と本実施形態における、磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。

［構成］
図６、図７を参照して、本実施形態の軟磁性体の形状について説明する。ＧＭＲチップ１１０にはＧＭＲ素子１１１，１１２が形成されている。さらにこれらＧＭＲ素子はブリッジ回路を構成しており、そのブリッジ回路の近傍に、磁気抵抗素子に入力される磁界の向き変化させる磁性体１２１が配置されている。また磁性体１２１にはＧＭＲ素子１１１，１１２の形成されている側の面に磁界の向きを変化させる凹部形状の磁界変化作用凹部１３１を有している。

さらに、磁性体１２１の磁界変化作用凹部１３１は、Ｘ軸とＺ軸で形成される平面に於ける形状が、素子配置面側を底辺とする三角形である事が望ましいが、磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においては、辺の数が３本以上の多角形であってもよい。

磁性体１２１は、例えば、フェライト、パーマロイ（Ｎｉ−Ｆｅ合金）やセンダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金）などの軟磁性体であるが、上記磁性体１２１の機能として、上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその材料について限定されない。

さらに磁性体１２１を構成するに当たり、１つの部品で構成されることが望ましいが、上記磁性体１２１の機能として上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその部品数は限定されない。

［動作］
次に、図８乃至図１０を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部１１１、１１２へ導入される磁界Ｈについて説明する。磁性体１２１に入射されるＺ軸方向に於ける紙面、上方向からの磁界は、従来例の作用と同様に磁性体１２１により曲げられ、磁性体１２１内部に導入される。

磁性体１２１内部に導入された磁界Ｈは、磁性体１２１の磁界変化作用凹部１３１近辺ではその凹部形状により、磁性体１２１のＸ軸方向における外側方向へ導出される。これにより、結果的にＧＭＲ素子１１１、１１２近辺へ集磁された磁界Ｈが入射される事で、検出する磁界量が増加する。さらに図９、図１０を参照して、従来例および本実施例におけるＧＭＲ素子部の拡大図から、本実施形態では、磁界変化作用凹部１３１による作用により、ＧＭＲ素子部１１１における磁界Ｈは、磁界変化作用凹部１３１による集磁効果により磁界量が増加する事が確認できる。また、上記の作用による、ＧＭＲ素子部に入射される磁界Ｈの入射角の比較をすると、本実施形態では、磁界変化作用凹部１３１による作用により、磁界Ｈは、Ｘ軸方向へ曲げられる事が確認できる。この事により、ＧＭＲ素子１１１へ入射される磁界Ｈは、磁界量の増加だけでなく、磁性体１２１および磁界変化作用凹部１３１の作用により、磁界Ｈが曲げられる事で、ＧＭＲ素子の感磁方向である磁界ＨのＸ軸方向成分が増加し、磁気センサの検出精度を向上させることが出来る。図示はしていないが、Ｘ軸上反対側に於いても、磁性体１２１および磁界変化作用凹部１３１の作用により、ＧＭＲ素子１１２へ入射される磁界Ｈは、同様の作用が働き、ＧＭＲ素子の感磁方向である磁界ＨのＸ軸方向成分が増加する事で、磁気センサの検出精度を向上させることが出来る。

図１１を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部１１１、１１２へ導入される磁界Ｈの強さをシミュレーションにより、従来例と比較した結果について説明する。実施形態１では、従来例に比べＧＭＲ素子部１１１、１１２へ導入される磁界Ｈの強さが増していることが確認できる。

以上のように作用する為、結果的にＧＭＲ素子部の磁界量が増加する事で磁気センサの磁気検出精度を向上させる事が出来る。

（実施形態２）
本発明の第２の実施形態を、図１２乃至図１５を参照して説明する。図１２は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｚ軸方向に於ける構成図である。図１３は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｙ軸方向に於ける構成図である。図１４は本実施形態における、磁性体によってＧＭＲ素子部へ入射される磁界の概略図である。図１５は従来例と本実施形態における、磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。

［構成］
図１２、図１３を参照して、本実施形態の軟磁性体の形状について説明する。ＧＭＲチップ２１０にはＧＭＲ素子２１１，２１２が形成されている。さらにこれらＧＭＲ素子はブリッジ回路を構成しており、そのブリッジ回路の近傍に、磁気抵抗素子に入力される磁界の向き変化させる磁性体２２１が配置されている。また磁性体２２１にはＧＭＲ素子２１１，２１２の形成されている側の面に磁界の向きを変化させる凹部形状の磁界変化作用凹部２３１を有している。

さらに、磁性体２２１の磁界変化作用凹部２３１は、Ｘ軸とＺ軸で形成される平面に於ける形状が、四角形である事が望ましいが、磁界変化作用凹部２３１の機能として、上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においては、辺の数が４本以上の多角形であってもよい。

磁性体２２１は、例えば、フェライト、パーマロイ（Ｎｉ−Ｆｅ合金）やセンダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金）などの軟磁性体であるが、上記磁性体２２１の機能として、上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその材料について限定されない。

さらに磁性体２２１を構成するに当たり、１つの部品で構成されることが望ましいが、上記磁性体２２１の機能として上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその部品数は限定されない。

［動作］
次に、図１４を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部２１１、２１２へ導入される磁界Ｈについて説明する。磁性体２２１に入射されるＺ軸方向に於ける紙面、上方向からの磁界は、従来例の作用と同様に磁性体２２１により曲げられ、磁性体２２１内部に導入される。

磁性体２２１内部に導入された磁界Ｈは、磁性体２２１の磁界変化作用凹部２３１近辺ではその凹部形状により、磁性体２２１のＸ軸方向における外側方向へ導出される。これにより、結果的にＧＭＲ素子２１１、２１２近辺へ集磁された磁界Ｈが入射される事で、検出する磁界量が増加する。さらに、本実施形態においても実施形態１と同様にＧＭＲ素子部に入射される磁界Ｈの入射角が、ＧＭＲ素子の感磁方向（Ｘ軸方向）に大きく曲げられる。この事により、ＧＭＲ素子２１１へ入射される磁界Ｈは、磁界量の増加だけでなく、磁性体２２１および磁界変化作用凹部２３１の作用により、磁界Ｈが曲げられる事により、ＧＭＲ素子の感磁方向である磁界ＨのＸ軸方向成分が増加する事で、磁気センサの検出精度を向上させることが出来る。

図１５を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部２１１、２１２へ導入される磁界Ｈの強さをシミュレーションにより、従来例と比較した結果について説明する。実施形態２では、従来例に比べＧＭＲ素子部２１１、２１２へ導入される磁界Ｈの強さが増していることが確認できる。

以上のように作用する為、結果的にＧＭＲ素子部の磁界量が増加する事で磁気センサの磁気検出精度を向上させる事が出来る。

（実施形態３）
本発明の第３の実施形態を、図１６乃至図１９を参照して説明する。図１６は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｚ軸方向に於ける構成図である。図１７は本実施形態における磁気センサにおける、Ｘ−Ｙ軸方向に於ける構成図である。図１８は本実施形態における、磁性体によってＧＭＲ素子部へ入射される磁界の概略図である。図１９は従来例と本実施形態における、磁気抵抗素子部のＸ軸方向の磁界量のシミュレーション結果である。

［構成］
図１６、図１７を参照して、本実施形態の軟磁性体の形状について説明する。ＧＭＲチップ３１０にはＧＭＲ素子３１１，３１２が形成されている。さらにこれらＧＭＲ素子はブリッジ回路を構成しており、そのブリッジ回路の近傍に、磁気抵抗素子に入力される磁界の向き変化させる磁性体３２１が配置されている。また磁性体３２１にはＧＭＲ素子３１１，３１２の形成されている側の面に磁界の向きを変化させる凹部形状の磁界変化作用凹部３３１を有している。

さらに、磁性体３２１の磁界変化作用凹部３３１は、Ｘ軸とＺ軸で形成される平面に於ける形状が、半円形状である事が望ましいが、磁界変化作用凹部３３１の機能として、上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においては、一部または全部に円弧形状を含む形状であってもよく、さらに円弧形状と多角形を複合した合成形状であってもよい。

磁性体３２１は、例えば、フェライト、パーマロイ（Ｎｉ−Ｆｅ合金）やセンダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金）などの軟磁性体であるが、上記磁性体３２１の機能として、上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその材料について限定されない。

さらに磁性体３２１を構成するに当たり、１つの部品で構成されることが望ましいが、上記磁性体３２１の機能として上記磁界Ｈの向きを変化させることが出来る範囲においてはその部品数は限定されない。

［動作］
次に、図１８を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部３１１、３１２へ導入される磁界Ｈについて説明する。磁性体３２１に入射されるＺ軸方向に於ける紙面、上方向からの磁界は、従来例の作用と同様に磁性体３２１により曲げられ、磁性体３２１内部に導入される。

磁性体３２１内部に導入された磁界Ｈは、磁性体３２１の磁界変化作用凹部３３１近辺ではその凹部形状により、磁性体３２１のＸ軸方向における外側方向へ導出される。これにより、結果的にＧＭＲ素子３１１、３１２近辺へ集磁された磁界Ｈが入射される事で、検出する磁界量が増加する。さらに、本実施形態においても実施形態１と同様にＧＭＲ素子部に入射される磁界Ｈの入射角が、ＧＭＲ素子の感磁方向（Ｘ軸方向）に大きく曲げられる。この事により、ＧＭＲ素子３１１へ入射される磁界Ｈは、磁界量の増加だけでなく、磁性体３２１および磁界変化作用凹部３３１の作用により、磁界Ｈが曲げられる事により、ＧＭＲ素子の感磁方向である磁界ＨのＸ軸方向成分が増加する事で、磁気センサの検出精度を向上させることが出来る。

図１９を参照して、上記構成によるＧＭＲ素子部３１１、３１２へ導入される磁界Ｈの強さをシミュレーションにより、従来例と比較した結果について説明する。実施形態３では、従来例に比べＧＭＲ素子部３１１、３１２へ導入される磁界Ｈの強さが増していることが確認できる。

以上のように作用する為、結果的にＧＭＲ素子部の磁界量が増加する事で磁気センサの磁気検出精度を向上させる事が出来る。

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。

１ ＧＭＲチップ
１０ 従来例におけるＧＭＲチップ
１１，１２ 従来例における素子形成部
２１ 従来例における磁性体
１１０ 実施形態１におけるＧＭＲチップ
１１１，１１２ 実施形態１における素子形成部
１２１ 実施形態１における磁性体
１３１ 実施形態１における磁界変化作用凹部
２１０ 実施形態２におけるＧＭＲチップ
２１１，２１２ 実施形態２における素子形成部
２２１ 実施形態２における磁性体
２３１ 実施形態２における磁界変化作用凹部
３１０ 実施形態３におけるＧＭＲチップ
３１１，３１２ 実施形態３における素子形成部
３２１ 実施形態３における磁性体
３３１ 実施形態３における磁界変化作用凹部
Ａ 磁化固定方向
Ｈ 磁界

Claims (5)

1. 入力される磁界の向きに応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子の近傍に、前記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が配置されており、前記磁性体は前記磁気抵抗効果素子の形成されている側の面に、凹部形状の凹部を有することを特徴とする磁気センサ。
2. 前記磁性体の前記凹部は、前記磁性体の配置面側に配置されており、前記磁気抵抗効果素子の配置面の垂軸方向において、前記凹部の中心と、前記磁性体の中心が略一致していること、を特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記凹部形状は、辺の数が３本以上の多角形を少なくとも含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記凹部形状は、円弧形状を少なくとも含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
5. 前記磁性体は、軟磁性体である事を特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の磁気センサ。
   

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