JP6777058B2 - 磁気センサ - Google Patents
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Description
しかしながら、軟磁性薄膜(軟磁性体)の幅を広くするほど、磁場中における感度軸方向(この場合は巨大磁気抵抗薄膜の短手方向)と直交する巨大磁気抵抗薄膜の長手方向での出力ノイズが悪化する。
<構成>
本実施形態の磁気センサ10は、一例として、磁石を有する移動体(図示省略)の位置を検出するためのセンサ、すなわち、位置センサとされている。本実施形態の磁気センサ10は、上記磁石に対して相対移動することで磁石が発生する外部磁場の変化を検出し、更に検出した当該変化に基づいて移動体の移動量を算出するようになっている。この場合、本実施形態の磁気センサ10は、後述する主軸(図1AのX軸)を感度軸として、移動体が発生する主軸に沿った方向(主軸に平行な方向)からの磁場の変化を検出するようになっている。
以下の説明では、図1Aにおいて、X軸(素子部20及び軟磁性体30の短手方向に沿った軸)を主軸、Y軸(素子部20及び軟磁性体30の長手方向に沿った軸)を他軸という。
軟磁性体30は、一例として、長尺とされている。軟磁性体30には、素子部20の形状(楕円形)と同じ形状の開口31が形成されている。軟磁性体30は、素子部20(及び自身の)厚み方向から見て、開口31内で素子部20と隙間を形成することなく素子部20を囲んでいる。すなわち、軟磁性体30は、少なくとも素子部20の端部領域22との間で隙間を形成せずに配置されている。なお、素子部20及び軟磁性体30は、基板(図示省略)上に配置されている。
本実施形態の素子部20は、図1Cに示されるように、一例として、一般的なスピンバルブ型の膜構成を有している。具体的には、素子部20は、外部磁場に応じて磁化方向が変化するフリー層151と、外部磁場に対して磁化方向が固定されたピンド層153と、フリー層151とピンド層153との間に位置し、フリー層151及びピンド層153に接するスペーサ層152と、スペーサ層152の反対側でピンド層153に隣接する反強磁性層154と、を有している。フリー層151、スペーサ層152、ピンド層153及び反強磁性層154は、上記基板上に積層されている。反強磁性層154は、ピンド層153との交換結合によってピンド層153の磁化方向を固定している。ピンド層153は、非磁性中間層を挟んで2つの強磁性層が設けられたシンセティック構造を有していてもよい。スペーサ層152は、Al2O3等の非磁性絶縁体からなるトンネルバリア層とされている。そのため、本実施形態の素子部20は、トンネル磁気抵抗効果(TMR)素子として機能する。すなわち、本実施形態の素子部20は、トンネル磁気抵抗効果を有する。なお、TMR素子は、例えば、GMR素子に比べて、MR変化率が大きく、ブリッジ回路の出力電圧を大きくすることができるという点で好ましい。
本実施形態の軟磁性体30は、図1Aに示されるように、厚み方向から見ると、一例として、矩形状とされている。また、楕円形の開口31の長軸は、軟磁性体30の長手方向に沿っている。そのため、軟磁性体30は、図1Aに示されるように、一例として、素子部20の長軸(図示省略)及び短軸(図示省略)に対して線対称とされている。
以下の説明では、軟磁性体30における素子部20の長軸方向の両端よりも外側にはみ出している部分をはみ出し領域34といい、軟磁性体30における端部以外の部分を非はみ出し領域32という(図1A参照)。
図1Aでは便宜上模式的に図示しているが、実際の非はみ出し領域32の最小幅Wmは、一例として、素子部20の最大幅W0よりも広い。そのため、本実施形態の場合、非はみ出し領域32の最小幅Wmが素子部20の最大幅W0以下の場合に比べて、磁気センサ10の感度を高感度にしている。
長手方向の両方のはみ出し領域34の長さLは、一例として、非はみ出し領域32の最小幅Wm未満とされている。また、はみ出し領域34の長さLは、一例として、軟磁性体30の最大幅W0未満とされている。
次に、本実施形態の作用効果について、本実施形態(図1A参照)と、比較形態(図2参照)とを比較して説明する。当該比較は、図3のグラフに示されるように、各磁気センサに定められた大きさの磁場を印加した場合に時間に対する各磁気センサの出力の測定により行った。なお、比較形態の説明において、本実施形態と同じ要素について説明する場合、本実施形態と同じ名称及び符号を用いる。
次に、測定の方法について図3を参照しつつ説明する。
以上により、各磁気センサ10、10Aの出力のスペクトルは、時間に対して平坦であるほどよい。さらに出力が低い、すなわち0に近いほどよい。なお、以降の説明では、他軸方向の磁場による出力ノイズを、単に、「出力ノイズ」と表記する。
比較形態の磁気センサ10Aの具体的な構成について図2を参照しながら説明する。比較形態の磁気センサ10Aは、本実施形態の磁気センサ10の素子部20及び軟磁性体30に換えて素子部20A及び一対の軟磁性体30Aを備えている。素子部20Aは、一例として、長尺とされ、厚み方向から見ると矩形とされている。すなわち、比較形態の素子部20Aの長手方向の端側部分の幅は、本実施形態の場合と異なり、長手方向の中央側から外側の端部に亘って徐々に狭くなっていない。一対の軟磁性体30は、一例として、長尺とされ、素子部20の短手方向の両側に沿って配置されている。比較形態の磁気センサ10Aは、上記の点以外は本実施形態の磁気センサ10(図1A参照)と同様の構成とされている。
次に、本実施形態の磁気センサ10の出力スペクトルと、比較形態の磁気センサ10Aの出力スペクトルとを比較しての考察を説明する。
ここで、本明細書では、出力ノイズのうち0.1(秒)間に前述のように規格化した出力の変化量が0.001以上の場合、すなわち、0.1(秒)間に規格化した出力の変化率が0.1(%)以上の場合を前述の「飛びND」と定義する。そして、本実施形態の場合、比較形態の場合に比べて出力ノイズが小さい理由は、以下のように考えられる。すなわち、比較形態の素子部20Aの長手方向の端部領域の幅は、本実施形態の場合と異なり、長手方向の中央領域側から端部側に離れるに従い徐々に狭くなっておらず、端部は素子部20の短手方向に沿った平面とされている(図2参照)。
そのため、素子部20Aの長手方向の端部領域では、図2の拡大図に示されるように、短手方向を向く不安定な磁場成分Bxが発生すると考えられる。その結果、比較形態の場合、図3に示されるように、出力のスペクトルに飛びNDが発生したと考えられる。
これに対して、本実施形態の磁気センサ10の場合、素子部20をその厚み方向から見ると素子部20は長軸方向を主軸方向とする楕円形とされている(図1A参照)。別言すると、本実施形態の素子部20の幅は、厚み方向から見て、長手方向の中央側から長手方向に離れるに従い徐々に狭くなる形状とされている。そのため、本実施形態の素子部20の長手方向の端部領域22には、比較形態のような短手方向を向く不安定な磁場成分Bx(図2参照)が発生し難く、発生したとしても比較形態の場合に比べて小さい。その結果、本実施形態の場合、図3に示されるように、比較形態の場合に発生した出力のスペクトルに飛びNDが観測されなかったと考えられる。
したがって、本実施形態の磁気センサ10は、出力ノイズを低減させる(又は飛びNDの発生を抑制する)ことができる。本効果は、本実施形態の場合のように軟磁性体30の最小幅Wmが素子部20の最大幅W0よりも広い場合に、出力ノイズが大きくなることから、特に有効といえる。また、本効果は、本実施形態のように、素子部20がトンネル磁気抵抗効果を有する場合にS/N比を大きくできる点で特に有効といえる。
なお、本実施形態の磁気センサ10の場合、軟磁性体30が開口31内で素子部20と隙間を形成することなく素子部20を囲んでいることの効果については後述する。
次に、第1変形例の磁気センサ10Bについて図4を参照しつつ説明する。ここで、図4は本変形例の磁気センサ10Bの構成を示す。
以上より、本変形例の磁気センサ10Bは、前述の比較形態の磁気センサ10Aに比べて、出力ノイズを低減させる(又は飛びNDの発生を抑制する)ことができる。ここで、本変形例の場合に本実施形態の場合と同様の効果を有する理由は、本変形例の素子部20が本実施形態の素子部20と同じために、本変形例の場合に図2を用いて説明した磁場成分Bxの発生が起こり難いといえるためと考えられる。
以上により、本実施形態の磁気センサ10は、本変形例の磁気センサ10Bに比べて、高感度である。別の見方をすると、本実施形態の磁気センサ10は、前述の比較形態の磁気センサ10Aに比べて、感度を向上させつつ出力ノイズを低減させることができる。
次に、第2変形例の磁気センサ10Cについて図5を参照しつつ説明する。本変形例の磁気センサ10Cは、本実施形態の磁気センサ10における、その長手方向(素子部20の長軸方向)の両端部分が、素子部20の短軸方向に沿って切断された形状となっている。すなわち、本変形例の素子部20Cは、素子部20Cの厚み方向から見て少なくともその長軸方向の両端部分以外の部分が楕円形の一部とされている。別の見方をすると、本変形例の素子部20Cの端部領域22Cの幅は、中央領域21C側から徐々に狭くなる。
また、本変形例の磁気センサ10Cの軟磁性体30Cは切断された形状になっていることにより一対とされている。すなわち、本変形例の一対の軟磁性体30Cは、素子部20Cの厚み方向から見て、素子部20Cの短軸方向の両側で対をなしつつ当該両側と隙間なく配置されている。別の見方をすると、一対の軟磁性体30Cは、素子部20CをX方向の両側から挟んで端部領域22CのY軸方向の端以外の部分との間で隙間を形成せずに配置されている。本変形例の磁気センサ10Cは、上記の点以外は本実施形態の磁気センサ10(図1A参照)と同様の構成とされている。
また、本変形例の素子部20Cは、前述の比較形態の磁気センサ10Bの場合(図4参照)と異なり、軟磁性体30Cとの間で隙間を形成していない。そのため、本変形例の磁気センサ10Cは、第1変形例の磁気センサ10Bに比べて、高感度であると推認される。
以上より、本変形例の磁気センサ10Cは、素子部20がその厚み方向から見るとその短軸方向を主軸方向とする楕円状とされ、且つ、素子部20Cが軟磁性体30Cとの間で隙間を形成していないことにより、感度を向上させつつ出力ノイズを低減させることができると推認される。
なお、本変形例の磁気センサ10Cは、本実施形態の場合(図1A参照)と異なり、素子部20Cの長手方向の両端よりも外側で軟磁性体30Cが繋がっていない。そのため、本変形例の磁気センサ10Cの場合、本実施形態の磁気センサ10のように軟磁性体30における一方側の非はみ出し領域32から他方側の非はみ出し領域32にはみ出し領域34を経由して磁束が流れることがない。
したがって、本変形例の磁気センサ10Cの場合、本実施形態の磁気センサ10の場合に比べて、短手方向の磁場が素子部20Cの短手方向の一方側の軟磁性体30Cから他方側の軟磁性体30Cに流れ難く素子部20Cに印加され易い点で有効といえる。
10B 磁気センサ
10C 磁気センサ
10D 磁気センサ
10E 磁気センサ
10F 磁気センサ
10G 磁気センサ
10H 磁気センサ
20 素子部
20C 素子部
22 端部領域
21 中央領域
22C 端部領域
30 軟磁性体
30B 軟磁性体
30C 軟磁性体
31 開口
32 非はみ出し領域
34 はみ出し領域
W0 素子部の最大幅
Wm 軟磁性体の最小幅
Claims (10)
- 磁気抵抗効果を有する長尺な素子部と、
前記素子部の短手方向の両側から前記素子部を挟むように配置されている軟磁性体と、
を備え、
前記軟磁性体には開口が形成され、前記素子部のすべては前記開口内に配置されており、
前記素子部における長手方向の少なくとも一方の端部領域の幅は、その長手方向の中央領域側から前記長手方向に離れるに従い徐々に狭くなる、
磁気センサ。 - 前記素子部における長手方向の両方の端部領域の幅は、その長手方向の中央領域側から前記長手方向に離れるに従い徐々に狭くなる、
請求項1に記載の磁気センサ。 - 前記端部領域の幅は、その長手方向の中央領域側から前記長手方向に離れるに従い徐々に狭くなって端部でゼロになる、
請求項1又は2に記載の磁気センサ。 - 前記端部領域の幅は、前記素子部の長手方向の中央から前記長手方向に離れるに従い徐々に狭くなる、
請求項1〜3の何れか1項に記載の磁気センサ。 - 前記素子部は、前記長手方向及び前記短手方向に直交する直交方向から見て、楕円形とされている、
請求項1〜4の何れか1項に記載の磁気センサ。 - 前記軟磁性体は、前記長手方向及び前記短手方向に直交する直交方向から見て、少なくとも前記端部領域との間で隙間を形成せずに配置されている、
請求項1〜5の何れか1項に記載の磁気センサ。 - 前記軟磁性体は、前記長手方向及び前記短手方向に直交する直交方向から見て、前記素子部との間で隙間を形成して配置されている、
請求項1〜5の何れか1項に記載の磁気センサ。 - 磁気抵抗効果を有する長尺な素子部と、
前記素子部の短手方向の両側から前記素子部を挟むように配置されている軟磁性体と、
を備え、
前記素子部における長手方向の少なくとも一方の端部領域の幅は、その長手方向の中央領域側から前記長手方向に離れるに従い徐々に狭くなり、
前記軟磁性体は、前記長手方向及び前記短手方向に直交する直交方向から見て、少なくとも前記端部領域との間で隙間を形成せずに配置される、
磁気センサ。 - 前記素子部は、トンネル磁気抵抗効果を有する、
請求項1〜8の何れか1項に記載の磁気センサ。 - 前記素子部は、巨大磁気抵抗効果を有する、
請求項1〜8の何れか1項に記載の磁気センサ。
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