JP4900855B2 - 絶対位置検出方法、回転角度検出方法、及び絶対位置検出構造 - Google Patents

Description

本発明は磁界センサーに係り、特に絶対位置検出方法、回転角度検出方法、及び絶対位置検出構造に係わる。

回転角度センサーは、回転する磁界の回転角度を検出する用途に使われている。ＡＭＲ素子を用いた回転角度センサーは、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ効果）を利用するＮｉＦｅ、ＮｉＣｏ等の強磁性体の薄膜からなる磁気センサーであって、一般に磁気抵抗変化率が３％程度であり、出力が小さい。より大きい出力を得るために、ＡＭＲ素子に代えて、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用したＧＭＲ素子を用いることが考えられる。ＧＭＲ素子は、所定の膜厚を持つ強磁性体層と非磁性体層を交互に積層した薄膜で構成され、磁気抵抗変化率が７０％程度まで上げられる。ＡＭＲに比べて著しく大きな磁気抵抗効果を得ることができる。但し、従来技術の各々には次に述べる課題がある。

特開平１１−１９４１６１号公報 特公平１１−５０５９３１号公報

ＡＭＲ素子の回転角度センサーは、出力が低いため高感度の回転角度センサーには十分な出力を得ることが難しい。効率的な検出をするには１周期の出力で使用可能であることが望ましいが、ＡＭＲ素子の回転角度センサーは、外部磁界が３６０°の変化を示す外部磁界を検出する用途について、２周期の出力を要する。２周期の出力は、１周期の出力に比べて検出信号の処理回路が複雑になる。

ＧＭＲ素子の回転角度センサーは、磁気抵抗効果膜の面内に進入する磁界の大きさに対して回転角が変化する。外部磁界の強度が一定である場合、回転角の検出を行うことは困難である。この点を補うために、ＧＭＲ素子に沿って電流バイアス膜を設けることが検討されている。電流バイアス膜は、電流を流すための導電体であり、電流による磁界でＧＭＲ素子に磁気的なバイアスを印加することができる。このような構成は、特開平１１−１９４１６１号公報に開示されている。また、特公平１１−５０５９３１号公報には電流バイアスのＭＲ素子が開示されている。しかし、これらの構成は電流バイアス膜から均一なバイアス磁界をＧＭＲ素子あるいはＭＲ素子に印加することが難しい。

他の構成としては、反強磁性層バイアスが検討されている。これは、反強磁性層で磁化を固定した強磁性層と、非磁性の中間層と、磁気的に自由な強磁性層を組み合わせたＧＭＲ素子を用いた回転角度センサーである。ブリッジ回路を構成するＧＭＲ素子を一つの基板上に一括成膜で設ける構成となっている。しかし、ブリッジ回路を構成する場合、異なるバイアスの向きを設定する必要があり、一括成膜による製法では難しい。すなわち、一方のバイアス方向を設定するために熱処理を行うと、他方のバイアス方向がずれてしまうという問題がある。このように、反強磁性層に要求される磁化の温度、磁界に対して十分に対応することは難しく、ＧＭＲ素子の性能を十分に引出して、３６０°の角度の絶対位置検出に向かない。そこで、本発明の目的は、３６０°の角度の絶対位置検出を可能とし、組立コストの低減を行うとともに組立時の素子の方向性を容易に判別できるような回転角センサーを提供することにある。

本発明の絶対位置検出方法は、４つのスピンバルブ素子を接続してブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路に磁界を印加する永久磁石を、前記ブリッジ回路に対して相対的に回転させ、前記永久磁石が相対的に回転することにより生じる回転磁界が前記スピンバルブ素子の膜面に対して水平方向に印加されるように構成し、前記回転磁界を発生させる回転軸と前記スピンバルブ素子の膜面に対する垂線方向とを同方向とし、前記ブリッジ回路からの出力信号を処理して、０〜３６０°の回転角度を検出することを特徴とする。
前記絶対位置検出方法において、前記ブリッジ回路は、第１のスピンバルブ素子と第２のスピンバルブ素子が接続されて定電圧源Ｖｃｃを印加する端子に接続され、第３のスピンバルブ素子と第４のスピンバルブ素子が接続されて接地端子に接続され、第１のスピンバルブ素子と第３のスピンバルブ素子が接続されて第１の出力端子に接続され、第２のスピンバルブ素子と第４のスピンバルブ素子が接続されて第２の出力端子に接続されていることが好ましい。
前記絶対位置検出方法において、前記スピンバルブ素子の膜面をｘ−ｙ平面としたとき、前記４つのスピンバルブ素子は、次の条件を満たすものであり、
第１のスピンバルブ素子は、固定層の磁化の向きがｙ軸と平行であり、素子の長手方向がｘ軸の向きに平行であり、
第２のスピンバルブ素子は、固定層の磁化の向きがｘ軸と反平行であり、素子の長手方向がｙ軸の向きに平行であり、
第３のスピンバルブ素子は、固定層の磁化の向きがｙ軸と反平行であり、素子の長手方向がｘ軸の向きに平行であり、
第４のスピンバルブ素子は、固定層の磁化の向きがｘ軸と平行であり、素子の長手方向がｙ軸の向きに平行であることが好ましい。
本発明の回転角度検出方法は、第１のスピンバルブ膜及び第２のスピンバルブ膜を接続して定電圧源Ｖｃｃを印加する側の端子と、第３のスピンバルブ膜及び第４のスピンバルブ膜を接続している接地側の端子と、第１のスピンバルブ膜及び第３のスピンバルブ膜を接続している第１の出力の端子と、第２のスピンバルブ膜及び第４のスピンバルブ膜を接続している第２の出力の端子とを備えるブリッジ回路を用いて、
前記ブリッジ回路に平行な回転磁界を印加することにより、前記第１の出力の端子及び前記第２の出力の端子から、０〜３６０°の回転角度に対応する信号を検出することを特徴とする。
前記回転角度検出方法において、回転軸の端に設けられると共に回転軸と直交する向きにＮＳ着磁された永久磁石を、前記ブリッジ回路に対向するよう配置し、
前記回転軸を回転させることにより、前記ブリッジ回路に平行な回転磁界を印加することが好ましい。
前記回転角度検出方法において、前記ブリッジ回路と合わせて、第２のブリッジ回路を用いて回転角度を検出する方法であって、
前記第２のブリッジ回路は、第５のスピンバルブ膜及び第６のスピンバルブ膜を接続して定電圧源Ｖｃｃを印加する側の端子と、第７のスピンバルブ膜及び第８のスピンバルブ膜を接続している接地側の端子と、第５のスピンバルブ膜及び第７のスピンバルブ膜を接続している第３の出力の端子と、第６のスピンバルブ膜及び第８のスピンバルブ膜を接続している第４の出力の端子とを備え、
前記ブリッジ回路及び前記第２のブリッジ回路に平行な回転磁界を印加することにより、前記第１乃至第４の出力の端子から、０〜３６０°の回転角度に対応する信号を検出することが好ましい。
本発明の絶対位置検出構造は、４つのスピンバルブ素子を接続して構成されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に磁界を印加する永久磁石とを有し、前記永久磁石は前記ブリッジ回路に対して相対的に回転可能に配置され、前記永久磁石が相対的に回転することにより生じる回転磁界が前記スピンバルブ素子の膜面に対して水平方向に印加され、前記回転磁界を発生させる回転軸と前記スピンバルブ素子の膜面に対する垂線方向とが同方向であり、０〜３６０°の回転角度を検出可能であることを特徴とする。
前記絶対位置検出構造において、前記ブリッジ回路は、第１のスピンバルブ素子と第２のスピンバルブ素子が接続されて定電圧源Ｖｃｃを印加する端子に接続され、第３のスピンバルブ素子と第４のスピンバルブ素子が接続されて接地端子に接続され、第１のスピンバルブ素子と第３のスピンバルブ素子が接続されて第１の出力端子に接続され、第２のスピンバルブ素子と第４のスピンバルブ素子が接続されて第２の出力端子に接続されていることが好ましい。
前記絶対位置検出構造において、前記スピンバルブ素子の膜面をｘ−ｙ平面としたとき、前記４つのスピンバルブ素子は、次の条件を満たすものであり、
第１のスピンバルブ素子は、固定層の磁化の向きがｙ軸と平行であり、素子の長手方向がｘ軸の向きに平行であり、
第２のスピンバルブ素子は、固定層の磁化の向きがｘ軸と反平行であり、素子の長手方向がｙ軸の向きに平行であり、
第３のスピンバルブ素子は、固定層の磁化の向きがｙ軸と反平行であり、素子の長手方向がｘ軸の向きに平行であり、
第４のスピンバルブ素子は、固定層の磁化の向きがｘ軸と平行であり、素子の長手方向がｙ軸の向きに平行であることが好ましい。
本発明の回転角度センサーは、磁気抵抗素子を有する基板と、前記磁気抵抗素子を接続してブリッジ回路を構成する配線基板と、前記基板と配線基板を備えたセンサーホルダーを有し、前記センサーホルダー上に前記基板を４の倍数有するとともに、少なくとも２つの前記基板が配線基板面上で８０°〜１００°傾けて配置されることを特徴とする。この構成は、予めバイアス方向を設定した磁気抵抗素子をセンサーホルダー上で所定の向きに配列することにより、磁気抵抗素子の向きを設定するものである。

本発明の他の回転角度センサーは、磁気抵抗素子を有する基板と、前記基板を配置する配線基板と、前記配線基板と前記基板間を接続してブリッジ回路を構成する導電部材を有し、前記配線基板上に前記基板を４の倍数有するとともに、少なくとも２つの前記基板が配線基板の面上で８０°〜１００°傾けて配置され、前記基板と前記導電部材を被覆する封止部材を設けることを特徴とする。この構成は、予めバイアス方向を設定した磁気抵抗素子つきの基板を、所定の向きに配線基板上に配列することにより、磁気抵抗素子の向きを設定するものである。この構成は、前記配線基板に電極ピンを設け、表面をモールドで被覆する際に、電極ピンのみをモールドの外に露出させることが好ましい。

上記本発明において、前記基板に設ける磁気抵抗素子は、磁界が付加されない時、回転可能な磁化軸を有する自由な強磁性層（自由層）と、非磁性層と、磁化軸が固定された強磁性層（固定層）と、前記固定層の磁化軸を固定するバイアス層の少なくとも４層を積層する。前記バイアス層は、反強磁性層、もしくは積層フェリ層とする。少なくとも４層を積層した多層膜で磁気抵抗素子を構成する。いわゆる、スピンバルブ素子を用いることが望ましい。また、上記本発明のいずれかにおいて、前記磁気抵抗素子は、前記基板上に１ないし２素子を設けた構成とすることができる。ここで、素子あるいは磁気抵抗素子とは１対の電極部および前記電極部間を結ぶパターニングした磁気抵抗効果膜を含む。また、配線基板上に配置する磁気抵抗素子はそれぞれが基板上に１ないし２素子を含み、それぞれを配線基板上の任意の位置に配置することにより、磁気抵抗素子の形状を小型化し、同一形状とすることで、磁気抵抗素子の歩留りの向上を行う。

上記本発明の回転角度センサーにおいて、前記磁気抵抗素子は第１の磁気抵抗素子と第３の磁気抵抗素子は１６０〜２００°で配置し、第２の磁気抵抗素子と第４の磁気抵抗素子は１６０〜２００°で配置し、第１の磁気抵抗素子に対して第２の磁気抵抗素子は８０°〜１００°傾けて配置する構成とすることができる。好ましくは、前記の８０°〜１００°という傾斜角度の範囲を９０°と同等及び、前記の１６０°〜２００°という傾斜角度の範囲を１８０°と同等にすることで、回転角度センサーの出力信号の対称性を高めることができる。これらの角度は配線基板の面上で比較した傾斜の度合いである。また、上記本発明において、前記磁気抵抗素子は、第１の磁気抵抗素子に対して第２の磁気抵抗素子は、前記固定層の向きが８０°〜１００°傾いており、第２の磁気抵抗素子に対して第３の磁気抵抗素子は、前記固定層の向きが８０°〜１００°傾いており、第３の磁気抵抗素子に対して第４の磁気抵抗素子は、前記固定層の向きが８０°〜１００°傾いている構成とすることで、同様の効果を得ることが可能である。

上記本発明において、前記磁気抵抗素子あるいは基板の表面あるいは裏面には、固定層の磁化の向きを判別するための目印を付加することができる。また、磁気抵抗素子の形状を非対称にしたり、素子面に位置検出パターンを形成することで組立時の素子の方向性を認識することもできる。ここで、前記目印は、磁気的あるいは電気的に磁気抵抗効果膜と離隔して配置され、判別可能な形状を備え、基板中心に対して対象な位置に前記目印と同等なものや判別しにくいものを設けない構成とすることが望ましい。また、上記本発明において、スピンバルブ素子を配置する際に、前記センサーホルダー上に回転角度センサーの出力信号を処理する処理回路を設ける構成とすることができる。こうすると、処理回路の組立性が向上される。また、スピンバルブ素子の配置面の反対側に処理回路を設け、さらに小型化することも可能である。

本発明は、上記のいずれかの回転角度センサーと、この回転角度センサー中のセンサーホルダーの周囲に磁界発生手段として配置した永久磁石を備え、前記永久磁石は前記回転軸に設けられて回転可能であるとともに、前記センサーホルダーに対して基板の面に沿った回転磁界を印加することを特徴とする回転軸の回転角を検出する回転角度センサーユニットである。回転磁界とは、一様な向きを有する磁界を前記回転軸とともに回転させたものを指す。磁気抵抗素子が受ける回転磁界は、一様な磁界（磁力線がほぼ平行な磁界）であることが望ましい。また、前記本発明の回転角度センサーユニットにおいて、前記永久磁石に磁気ヨークを設けて磁気回路を構成し、この磁気回路によって前記センサーホルダーの面に平行な磁界を印加するとともに、前記永久磁石の幅が前記磁気抵抗素子群の外接円の０．８倍以上とすることが好ましい。ここで、磁気抵抗素子群とは、全ての磁気抵抗素子を一つのグループとして見たものであり、外接円はその中に磁気抵抗素子群が接する最小の仮想的な円の領域を指す。

以上に説明した通り、本発明の回転角度センサーを用いることで、０〜３６０°の回転角度に対して絶対位置検出を行うことが可能となる。また、一形状のスピンバルブ素子を用い、これを本発明のように配置することで、歩留りの向上を図ることができる。

本発明の回転角度センサーの斜視図である。 本発明に用いるスピンバルブ素子の斜視図である。 図１の構成における結線を説明する回路図である。 図３の回路の出力波形を説明するグラフである。 本発明のスピンバルブ素子の膜構成を説明する斜視図である。 スピンバルブ素子の磁気抵抗変化特性を説明するグラフである。 本発明の他の回転角度センサーの斜視図である。 本発明に用いるスピンバルブ素子の変形例を説明する平面図である。 本発明に係る回転角度センサーユニットの断面図である。 本発明に係る他の回転角度センサーユニットの断面図である。 本発明の他の回転角度センサーの斜視図である。 図１１の構成に用いるスピンバルブ素子の斜視図である。 図１１の構成における結線を説明する回路図である。 図１１の回路の出力波形を説明するグラフである。 スピンバルブ素子の固定層の磁化の向きの相関関係を示す模式図である。 本発明の他の回転角度センサーの内部を説明する模式図である。 図１６の構成を基にした回転角度センサーの斜視図である。

（作用）
本発明の回転角度センサーで用いるスピンバルブ素子は、その磁気抵抗変化が〜１０％を示し、ＮｉＦｅ等の強磁性薄膜を用いた異方性磁気抵抗素子と比べて、大幅にその出力が大きくなる。その原理は、自由層の方向と固定層の磁化の角度差が抵抗変化として現れることを利用する。その変化ｄＲは（１）式の様になる。
ｄＲ＝ｋ（１−cos（θ））・・・（１）式
（１）式の各パラメータは（ｋ：定数、θ：自由層と固定層のなす角）とした。適切な外部磁界の強度を設定すると、自由層と固定層のなす角が、ほぼ外部磁界と固定層のなす角に等しくなることにより、角度に応じた抵抗変化（再生出力）を得ることができる。このとき、固定層が外部磁界の影響を受け難いようにする為に、固定層の向きを固定するための反強磁性層には、保磁力が大きなものを用いることが望ましい。また、耐熱性を向上させるためには、ブロッキング温度の高い反強磁性層を用いる。

スピンバルブ素子が形成される基板として、ガラス基板などの透明な基板を用いた場合、基板越しにセンサー面の向きを判別することができるため、センサー面を配線基板側（下面）にしてセンサーホルダー上に配置することが可能となる。このように検出面（電極面）を下向きにすることで、ワイヤーボンディングをする必要がなくなり、組立工数の減少が可能となる。スピンバルブ素子が形成された基板に、シリコン基板などの不透明な基板を用いた場合、センサー裏面に固定用端子を設けることもしくは、裏面の適切な位置に目印を設けることでで、配線基板への配置を容易にすることができる。

また、固定層の向きが相対している磁気抵抗素子同士は、配線基板の予め用意されている配線によって、電気的に直列に接続し、この電気回路の一方の端を電源の（＋）側に、他端を（−）側に接続し、中点の電圧変化を出力として利用する。また、もう一方の組合せから、同様に出力が得られ、両者の出力の比較を行うことにより、回転角度が得られる。

磁気抵抗素子あるいは基板は、成膜した基板から切り離された後、配線基板上に配置すべく固定層の方向性、すなわち基板の向きを任意の角度傾けて配置する必要がある。このために、基板の表面に固定層の磁化の向きを判別するための目印を付加する。この目印は、磁気的または電気的に磁気抵抗素子と分離された箇所にあり、判別可能な形状を備え、基板中心に対して対象な位置に前記目印と判別しにくいものがないことを特徴とする。

また、この目印は、磁気抵抗素子のパターンと容易に区別が付く形状であればよい。その形状としては、○型、△型、☆型、□型等とすることができる。この目印のパターンを素子基板上において方向性の判別が容易な箇所に配置することが望ましい。また、この目印の材質は、スピンバルブ膜、磁性膜、非磁性膜のいずれでも問題はないが、非磁性膜を用いることがより望ましい。また、目印は、金属膜でなく、インクなどで印刷してもよい。

以下、図面を用いて本発明の回転角度センサーを説明する。図１に本発明の回転角度センサーと回転外部磁界の関係を説明する斜視図を示す。図２は、図１中のスピンバルブ素子を説明する斜視図である。図３は、スピンバルブ素子と配線基板を結線したブリッジ回路を説明する回路図である。図４は、図３の回路の出力波形のグラフである。図５は、本発明の基板上に形成したスピンバルブ膜の構成を断面で説明する斜視図である。図６は、スピンバルブ素子の磁気抵抗変化特性のグラフである。図７は、本発明の他の回転角度センサーの斜視図である。図８は、本発明に用いるスピンバルブ素子の変形例を説明する平面図である。図９は、本発明に係る回転角度センサーユニットの断面図である。図１０は、本発明に係る他の回転角度センサーユニットの断面図である。図１１は、本発明の他の回転角度センサーの斜視図である。図１２は、図１１の構成に用いるスピンバルブ素子の斜視図である。図１３は、図１１の構成における電気的な結線を説明する回路図である。図１４は、図１１の回路の出力波形のグラフである。図１５は、スピンバルブ素子の固定層の磁化の向きの相関関係を示す。図１６は、本発明の他の回転角度センサーの模式図である。図１７は、図１６の構成を基にした回転角度センサーの斜視図である。

（実施例１）
まず、図１に本発明の回転角度センサーと回転外部磁界の関係を説明する斜視図を示す。この回転角度センサーは、センサーホルダー１２上に、４つのスピンバルブ素子１０と、これらのスピンバルブ素子を電気的に接続してブリッジ回路とするための配線基板１１を設けた構成である。スピンバルブ素子１０に回転外部磁界を加えたとき、回転外部磁界の回転角θに応じた出力信号をブリッジ回路から得ることができた。図１中、ｘ軸とｙ軸とｚ軸は、回転外部磁界の向きなどを示す仮想的な座標である。金属製の円柱状のセンサーホルダー１２は、その軸がｚ軸と平行である。ｘ−ｙ平面にほぼ平行な回転外部磁界は、ｚ軸を中心にして回転させた。点線で表示した矢印１３とｘ軸の為す角度θは、回転外部磁界の回転角度である。

次に、図１中のスピンバルブ素子１０の配置と回転外部磁界の関係を説明する。４つのスピンバルブ素子１０は、ｘ−ｙ平面に平行に配置させると共に、隣り合うもの同士を９０゜ずつ傾けるようにして、配線基板上に配置した。各々のスピンバルブ素子１０について、固定層の磁化の向き４や、その長手方向を次のように設定した。抵抗Ｒ１に相当するスピンバルブ素子１０は、固定層の磁化の向きがｙ軸と平行であり、素子の長手方向がｘ軸の向きに平行とした。抵抗Ｒ２に相当するスピンバルブ素子１０は、固定層の磁化の向きがｘ軸と反平行であり、素子の長手方向がｙ軸の向きに平行とした。抵抗Ｒ３に相当するスピンバルブ素子１０は、固定層の磁化の向きがｙ軸と反平行であり、素子の長手方向がｘ軸の向きに平行とした。抵抗Ｒ４に相当するスピンバルブ素子１０は、固定層の磁化の向きがｘ軸と平行であり、素子の長手方向がｙ軸の向きに平行とした。これらのスピンバルブ素子１０は、図２に示すように、基板上に磁気抵抗パターン２が形成され、磁気抵抗パターンの両端には、配線基板１１との接続を行うための電極膜を設けた。

次に、図１に用いた配線基板１１の構成を説明する。配線基板１１は、円盤状のガラス板の上に、Ｃｕの薄膜配線１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを有する。これらの薄膜配線は、４つのスピンバルブ素子１０を電気的に接続するものであり、その一部はハンダを介して図２に示す電極膜３と接合させる端子として機能する。このように配線基板１１で結合したスピンバルブ素子１０のブリッジ回路について、概念的な回路図を図３に示す。Ｒ１とＲ２を結合する薄膜配線１１ａは、定電圧源Ｖｃｃを印加する端子とした。Ｒ１とＲ３を結合する薄膜配線１１ｂは、出力Ａの端子とした。Ｒ２とＲ４を結合する薄膜配線１１ｃは、出力端子Ｂとした。Ｒ３とＲ４を結合する薄膜配線１１ｄは、接地端子（ＧＮＤ）とした。図１において、薄膜電極１１ｂと薄膜電極１１ｃの交差部分は絶縁膜を介して積層させた。図４に回転角度センサーの出力を示す。スピンバルブ素子の膜面方向に対して水平方向に与えられる外部磁界が回転すると、同図のような出力Ａおよび出力Ｂを得る。それぞれの回転角度に応じた正弦波状の出力を得ることができる。これらの出力は、この場合、π／２の位相差を持っているので、適切な信号処理を行うことで磁界の角度を検出することが出来る。

次に、配線基板とスピンバルブ素子の接合工程を説明する。まず、配線基板上の端子に相当する箇所にハンダを盛った。このハンダに対してハンダ付きの電極膜を合わせるようにして、各々のスピンバルブ素子を配線基板上に置いた。この工程では、透明なガラス板を通して方向性目印を認識することができた。この方向性目印に従って、配線基板上でスピンバルブ素子の向きを位置決めした。続けて、この構成をリフローオーブン内で熱処理した後、自然冷却した。熱処理によって溶融されたハンダ同士は一体化して、自然冷却の際に固化し、薄膜配線の端子と電極膜とを接合させることができた。この配線基板について、薄膜配線を付けていない方の面を耐熱性のよい接着剤を介してセンサーホルダーに固定して、回転角度センサーを作製した。センサーホルダーに一括で配線基板の貼付けを行うため、従来技術に比べて組立工数の減少が可能となった。

図２において、図１の回転角度センサーに搭載したスピンバルブ素子１０の構成を説明する。このスピンバルブ素子は、ガラスあるいはシリコンの平板で構成した基板１上に、磁気抵抗パターン２と、その両端に接続する電極膜３と、磁気抵抗パターン２の向きを示す方向性目印５を、薄膜で形成した。図２中の矢印は、磁気抵抗パターン２中において、固定層の磁化の向き４を示すものである。磁気抵抗パターン２はパターニングした磁気抵抗効果膜であり、その積層構成を図５で説明する。同図は、図２の磁気抵抗パターンを矢印４の向きで切断して観た一部断面図に相当する。この磁気抵抗パターンの膜構成自体は公知の構成であり、基板１上に多層膜を形成し、これを１本のストライプにパターニングしたものである。この多層膜はスピンバルブ素子であり、外部磁界に対して回転可能な強磁性膜である自由層１０ａと、スペーサとなる非磁性層１０ｂと、外部磁界によって磁化が動かない強磁性膜である固定層１０ｃと、この固定層の磁化の向きを固定する反強磁性層１０ｄと、反強磁性層を保護するＣＡＰ層１０ｅを含む。反強磁性層１０ｄは、真空磁場中熱処理工程を経て一定の方向に磁化させた。各々のスピンバルブ素子には、固定層の向きが基板切り出し後も判別可能なように丸印の形状の薄膜を方向性目印５として設けた。このスピンバルブ素子の磁気特性を図６に示す。同図において、横軸は外部からスピンバルブ素子に印加する磁界であり、縦軸は磁気抵抗変化率とした。これらのスピンバルブ素子は１０、スピンバルブ膜と電極膜３と方向性目印５の組を一括成膜で多数作製したウェファーを、ダイシングソーで個々のスピンバルブ素子に切り分けたものを用いた。これらのスピンバルブ素子の仕様は同じである。

（実施例２）
図７に他の実施形態の回転角度センサーを示す。同図は、図１の構成において、スピンバルブ素子１０の配置と、薄膜基板１１ｅ上の配線形状を変更した構成であり、電気的なブリッジ回路は、図３と同様の構成とした。４つのスピンバルブ素子１０は、十字型を構成するように配置させた。この配置に合わせるように、配線基板上に薄膜配線１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを設けるものとした。本実施例のように、配線基板１１の形状を変えることで、容易にスピンバルブ素子のレイアウトを変えることができる。

図８に磁気抵抗パターンの他の形状を説明する。磁気抵抗パターンや方向性目印は薄膜で構成され、所望の形状とすることができる。（ａ）は一対の電極膜の間に磁気抵抗パターン２と方向性目印５を設けた構成である。スピンバルブ素子中の固定層の磁化の向きは方向性目印５を設けた側に向かせた。同図中、（ｂ）と（ｃ）は方向性目印の配置を変えた実施例である。（ｄ）は、（ａ）等における方向性目印の形状を四角型□、三角型△あるいは星型☆とした変形例である。これらの変形例のいずれを選択することも可能である。判別容易な形状（パターン）であれば、（ｅ）のように文字パターン５ｅを用いてもよい。さらには、薄膜パターンに代えて、基板に切欠きなどを方向性目印として設けても良い。また、（ｆ）や（ｇ）に示すように、スピンバルブ素子の形状を電極膜間で非対称にすることで、スピンバルブ素子の方向性認識を行ってもよい。（ｈ）は、電極膜の形状を非対称にして方向性を認識する例であり、一方の電極膜３ｈを丸いパターンとした。

図９（ａ）は、図７の回転角度センサーを用いた回転角度センサーユニットの断面図であり、回転軸に設けた磁気回路の中に回転角度センサーを配置し、回転軸の回転角度を検出する構成とした。すなわち、この回転角度センサーユニットは、センサーホルダー１２を含む回転角度センサーを固定側として、永久磁石１４ｂを有するヨーク１４と回転軸１５を可動側とし、固定側と可動型の間をベアリング１６でつないでいる。図９（ｂ）には、ｚ軸側から見たヨーク１４と永久磁石１４ｂの位置関係を示す断面図である。各々の構成を順に説明する。まず、センサーホルダー１２の上には、スピンバルブ素子１０と信号処理回路（図示を省略した）を搭載し、これらの電気配線を有する配線基板を設けた。配線基板と外部の電気的な接続にはセンサーホルダー１２の側面に埋めたフラットケーブル１７を用いた。回転軸１５には、一対の永久磁石１４ｂを含むヨーク１４をその先端に設けた。対向して配置された永久磁石１４ｂの間には、実質的に平行な磁界Ｈ１９が形成された。同図中、磁界Ｈ１９のイメージを点線の矢印で示した。さらに、ヨーク１４の先端には、センサーホルダー１２を内周に支持するベアリング１６を設けた。永久磁石１４ｂは直方体であり、対向して配置した各々の面が異なる極となるようにヨーク１４に取り付けた。そして、回転軸をｚ軸を中心に回転させると、スピンバルブ素子１０の面に平行に入射する磁界Ｈ１９も回転して、回転角度センサーの出力が回転角度θに応じて変化した。このようにして回転軸の回転角度を３６０°にわたって絶対位置の検出をすることが可能となる。スピンバルブ素子が受ける磁界Ｈ１９は、望ましくは５０〜１００（Ｏｅ）であることが望ましい。

図１０に、本発明に係る他の回転角度センサーユニットの断面図を示す。この構成は図９において回転側の構成を変更したものである。永久磁石１４ｃをヨークの中央部に配置した点、およびヨークとベアリングを別個に保持するフレームを有する点で図９の構成と異なる。すなわち、（ａ）の回転角度センサーユニットは、ヨーク１４とベアリング１６を備えるケース１５ｂを回転軸１５に設けた。ベアリングの内周には回転角度センサーのセンサーホルダー１２を設けた。この際、スピンバルブ素子１０をヨーク１４の先端の間に配置するようにセンサーホルダーを挿入した。図１０の（ｂ）に一個の永久磁石１４ｃを含むヨーク１４を、円筒形のケース１５ｂ内に嵌めた様子を示す。（ｂ）はｚ軸に沿った向きで円筒形ケース１５ｂを見たものである。円筒形ケース１５ｂは、その内周に一対の溝を有する。この溝にヨーク１４を嵌めて固定した後、円筒形ケース１５ｂに回転軸のフランジを接合させた。こうすることで回転軸１５とともにヨーク１４から発生する磁界Ｈを回転させた。対向して配置された永久磁石１４ｃの間には、実質的に平行な磁界Ｈ１９が形成された。同図中、磁界Ｈ１９のイメージを点線の矢印で示した。永久磁石１４ｃの出す磁界はヨーク１４を伝わって、スピンバルブ素子１０に印加された。そして、回転軸１５をｚ軸を中心に回転させると、スピンバルブ素子１０の面に平行に入射する磁界Ｈ１９も回転して、回転角度センサーの出力が回転角度θに応じて変化した。

上記の実施例の回転角度センサーにおいて、センサーホルダー側が必ずしも固定部である必要はなく、回転軸側が固定され、センサーホルダー側が回転するように構成してもよい。本発明の回転角度センサーは相対的な変位を検出するものである。また、永久磁石の配置や形状は、上記実施例に構成に限らない。磁石とヨークの組合せによって磁路を形成して、所望の平行な磁界を回転角度センサーに与えることができればよい。

（実施例３）
図１１に本発明の他の回転角度センサーの斜視図を示す。この構成は、２本のスピンバルブ膜を有するスピンバルブ素子を用いて、フルブリッジ回路を組んだ回転角度センサーである。実施例１に比べて、配線基板上に設ける薄膜配線の回路配置を変更することで、基板の数を増やすことなく、出力信号の倍増を行うことが可能である。回転角度センサーの概略構成は、センサーホルダー１２上に配線基板１１ｆと、配線基板上に形成する薄膜配線と接続することでフルブリッジ回路を為す４つのスピンバルブ素子２０を設けた構成である。同図中、配線基板上の薄膜配線の詳細構成は省略する。

図１２に、図１１に用いるスピンバルブ素子２０の斜視図を示す。このスピンバルブ素子２０は、ガラスあるいはシリコンの平板で構成した基板１上に、２本の磁気抵抗パターン２ａ及び２ｂと、その両端に接続する電極膜３ａ及び３ｂと、磁気抵抗パターンの向きを示す方向性目印５を、薄膜で形成した。便宜上、磁気抵抗パターン２ａを抵抗Ｒ（Ｎ）とし、磁気抵抗パターン２ｂを抵抗Ｒ（Ｎ＋４）とした。図１２に示すように、抵抗Ｒ１とＲ５を有するスピンバルブ素子２０は、その長手方向をｘ軸に平行とし、固定層の磁化の向き４をｙ軸と平行にした。抵抗Ｒ２とＲ６を有するスピンバルブ素子は、その長手方向をｙ軸に平行とし、固定層の磁化の向き４をｘ軸に反平行とした。抵抗Ｒ３とＲ７を有するスピンバルブ素子は、その長手方向をｘ軸に平行とし、固定層の磁化の向き４をｙ軸に反平行とした。抵抗Ｒ４とＲ８を有するスピンバルブ素子は、その長手方向をｙ軸と平行とし、固定層の磁化の向き４をｘ軸に平行とした。なお、磁気抵抗パターンを構成するスピンバルブ素子の積層構造や、その固定層の磁化の向き４や、方向性目印などは実施例１と同様にした。

図１２に係るスピンバルブ素子のブリッジ回路について、概念的な回路図を図１３に示す。一枚の基板上に形成したスピンバルブ膜は別個のブリッジ回路を構成する。一方のブリッジ回路はＲ２とＲ８を接続して定電圧源Ｖｃｃを印加する端子とし、Ｒ４とＲ６を接続して接地端子とし、Ｒ２とＲ４を接続して出力Ｂの端子とし、Ｒ６とＲ８を接続して出力Ｂ’の端子とした。他方のブリッジ回廊は、Ｒ１とＲ７を接続して定電圧源Ｖｃｃを印加する端子とし、Ｒ３とＲ５を接続して接地端子とし、Ｒ１とＲ３を接続して出力Ａの端子とし、Ｒ５とＲ７を接続して出力Ａ’の端子とした。

この回転角度センサーは、端子Ａ−Ａ’間の信号出力と、端子Ｂ−Ｂ’間の信号出力を回路処理することにより、実施例１に比べて２倍大きい振幅の出力信号を得ることができた。この出力信号の波形を図１４に示す。このようにして、出力が大きく安定した角度検出を行うことが可能となった。また、基板１の配置方法は、４つのスピンバルブ素子の固定層の磁化の向き４を図１５（ａ）〜（ｄ）に示すいずれの様においても同様の効果を得ることができる。

図１６に、回転角度センサーの他の実施の形態を説明する。この回転角度センサーは配線基板３１上に、４個のスピンバルブ素子の基板１と複数の薄膜配線３２および３３とを接着で設け、基板１と薄膜配線の間をワイヤーボンディングの結線で接続することにより、ブリッジ回路を構成した。ここで、基板とその配置は図１の構成と同様とした。結線としては金の細線を用いた。薄膜配線の数は合計８本となったが、Ｒ２とＲ１の薄膜配線を共通化し、Ｒ３とＲ４の薄膜配線を共通化することによって、薄膜配線の数を６本とすることが可能である。

続けて、図１６の構成を封止材料でモールドした外観を図１７に示す。モールドした後、封止部材３５から薄膜配線３２，３３の先端側が露出されていて、その他の部材は封止部材３５内に封止する構成とした。この外観はＩＣチップに似ているものとなった。封止部材３５としては、絶縁樹脂を用いた。なお、図１６では配線基板と薄膜配線を用いたが、それらに代えてリードフレームを用いることにより、他に実施の形態とすることも可能である。具体的には、リードフレーム上に４個の基板１を配列し、基板とリードフレームの電極ピンの間を結線３４を介して接続した後、封止部材でモールドする構成とした。図１７の回転角度センサーは汎用性があり、所望の配線を設けたプリント基板上に実装することが可能である。例えば、センサホルダー上にプリント基板を結合し、このプリント基板上に図１７の構成を設けることもできた。

１ 基板、２ 磁気抵抗パターン、２ａ ２ｂ 磁気抵抗パターン、
３ａ ３ｂ 電極膜、３ 電極膜、３ｈ 電極膜、４ 固定層の磁化の向き、
５ 方向性目印、５ｅ 文字パターン、１０ スピンバルブ素子、
１０ａ 自由層、１０ｂ 非磁性層、１０ｃ 固定層、１０ｄ 反強磁性層、
１０ｅ ＣＡＰ層、１１ 配線基板、
１１ａ １１ｂ １１ｃ １１ｄ 薄膜配線、１１ｆ 配線基板、
１２ センサーホルダー、１３ 角度θを示す矢印、１４ ヨーク、
１４ｂ 永久磁石、１４ｃ 永久磁石、１５ 回転軸、１５ｂ ケース、
１６ ベアリング、１７ フラットケーブル、１９ 磁界Ｈ、
２０ スピンバルブ素子、３１ 配線基板、３２ ３３ 薄膜配線、
３４ 結線、３５ 封止部材

Claims (2)

1. 第１〜第４のスピンバルブ素子を接続してブリッジ回路を構成し、
   第１のスピンバルブ素子と第２のスピンバルブ素子が定電圧源Ｖｃｃを印加する端子に接続され、第３のスピンバルブ素子と第４のスピンバルブ素子が接地端子に接続され、第１のスピンバルブ素子と第３のスピンバルブ素子が第１の出力端子に接続され、第２のスピンバルブ素子と第４のスピンバルブ素子が第２の出力端子に接続されており、
   前記第１〜第４のスピンバルブ素子の膜面をｘ−ｙ平面としたとき、第１のスピンバルブ素子は固定層の磁化の向きがｙ軸と平行であり且つ素子の長手方向がｘ軸の向きに平行であり、第２のスピンバルブ素子は固定層の磁化の向きがｘ軸と反平行であり且つ素子の長手方向がｙ軸の向きに平行であり、第３のスピンバルブ素子は固定層の磁化の向きがｙ軸と反平行であり且つ素子の長手方向がｘ軸の向きに平行であり、第４のスピンバルブ素子は固定層の磁化の向きがｘ軸と平行であり且つ素子の長手方向がｙ軸の向きに平行であり、
   前記第１〜第４のスピンバルブ素子は、回転可能な磁化軸を有する自由な強磁性層（自由層）と、非磁性層と、磁化軸が固定された強磁性層（固定層）を積層して備え、
   前記第１〜第４のスピンバルブ素子に囲われた中心点からみて、隣り合うスピンバルブ素子同士が前記固定層の磁化軸の向きを８０°〜１００°傾けて配置されており、
   前記ブリッジ回路に磁界を印加する永久磁石を、前記ブリッジ回路に対して相対的に回転させ、前記永久磁石が相対的に回転することにより生じる回転磁界が前記第１〜第４のスピンバルブ素子の膜面に対して水平方向に印加されるように構成し、前記回転磁界を発生させる回転軸と前記第１〜第４のスピンバルブ素子の膜面に対する垂線方向とを同方向とし、前記ブリッジ回路からの出力信号を処理して、０〜３６０°の回転角度を検出することを特徴とする絶対位置検出方法。
2. 第１〜第４のスピンバルブ素子を接続して構成されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に磁界を印加する永久磁石とを有し、
   第１のスピンバルブ素子と第２のスピンバルブ素子が定電圧源Ｖｃｃを印加する端子に接続され、第３のスピンバルブ素子と第４のスピンバルブ素子が接地端子に接続され、第１のスピンバルブ素子と第３のスピンバルブ素子が第１の出力端子に接続され、第２のスピンバルブ素子と第４のスピンバルブ素子が第２の出力端子に接続されており、
   前記第１〜第４のスピンバルブ素子の膜面をｘ−ｙ平面としたとき、第１のスピンバルブ素子は固定層の磁化の向きがｙ軸と平行であり且つ素子の長手方向がｘ軸の向きに平行であり、第２のスピンバルブ素子は固定層の磁化の向きがｘ軸と反平行であり且つ素子の長手方向がｙ軸の向きに平行であり、第３のスピンバルブ素子は固定層の磁化の向きがｙ軸と反平行であり且つ素子の長手方向がｘ軸の向きに平行であり、第４のスピンバルブ素子は固定層の磁化の向きがｘ軸と平行であり且つ素子の長手方向がｙ軸の向きに平行であり、
   前記第１〜第４のスピンバルブ素子は、回転可能な磁化軸を有する自由な強磁性層（自由層）と、非磁性層と、磁化軸が固定された強磁性層（固定層）を積層して備え、
   前記第１〜第４のスピンバルブ素子に囲われた中心点からみて、隣り合うスピンバルブ素子同士が前記固定層の磁化軸の向きを８０°〜１００°傾けて配置されており、
   前記永久磁石は前記ブリッジ回路に対して相対的に回転可能に配置され、前記永久磁石が相対的に回転することにより生じる回転磁界が前記第１〜第４のスピンバルブ素子の膜面に対して水平方向に印加され、前記回転磁界を発生させる回転軸と前記第１〜第４のスピンバルブ素子の膜面に対する垂線方向とが同方向であり、０〜３６０°の回転角度を検出可能であることを特徴とする絶対位置検出構造。
   

Images