JP6285641B2 - 磁気センサ及び磁場成分演算方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサ及び磁場成分演算方法に関し、より詳細には、磁気抵抗素子を備え、消費電流の増大を招くことなく、また、温度による影響を最小限に抑えて任意の方向の磁場を検知できるようにした磁気センサ及び磁場成分演算方法に関する。

一般的に磁気の有無を検出する巨大磁気抵抗（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＧＭＲ）素子は広く知られている。磁場をかけると電気抵抗率が増加する現象を磁気抵抗効果というが、一般の物質では変化率は数％であるが、このＧＭＲ素子では数１０％に達することから、ハードディスクのヘッドに広く用いられている。

図１は、従来のＧＭＲ素子の動作原理を説明するための斜視図で、図２は、図１の部分断面図である。図中符号１は反強磁性層、２はピンド層（固定層）、３はＣｕ層（スペーサ層）、４はフリー層（自由回転層）を示している。磁性材料の磁化の向きで電子のスピン散乱が変わり抵抗が変化する。つまり、ΔＲ＝（Ｒ_ＡＰ−Ｒ_Ｐ）Ｒ_Ｐ（Ｒ_ＡＰ；上下の磁化の向きが反平行のとき、Ｒ_Ｐ；上下の磁化の向きが反平行のとき）で表される。
固定層２の磁気モーメントは、反強磁性層１との磁気結合により方向が固定されている。漏れ磁場により磁化自由回転層４の磁気モーメントの方向が変化すると、Ｃｕ層３を流れる電流が変化し、漏れ磁場の変化が読み取れる。

図３は、従来のＧＭＲ素子の積層構造を説明するための構成図で、図中符号１１は絶縁膜、１２はフリー層（自由回転層）、１３は導電層（伝導層）、１４はピンド層（固定層）、１５は反強磁性層、１６は絶縁膜を示している。

フリー層（自由回転層）１２は自由に磁化の向きが回転する層で、ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅ／ＮｉＦｅから構成され、導電層１３は電流を流し、スピン散乱が起きる層で、Ｃｕから構成され、ピンド層（固定層）１４は磁化の向きが一定方向に固定された層で、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅから構成され、反強磁性層１５はピンド層１４の磁化の向きを固定するための層で、ＰｔＭｎ又はＩｒＭｎから構成され、層１１，１６はＴａやＣｒ、ＮｉＦｅＣｒ、ＡｌＯから構成されている。またピンド層は反強磁性層を用いずにセルフバイアス構造を用いても良い。

例えば、特許文献１に記載のものは、磁界の方向の影響を受けることが少なく磁界の大きさを精度よく検出できる巨大磁気抵抗素子に関するもので、このＧＭＲ素子は、ＧＭＲチップ上に対してバイアス磁石とともに設置されている。
また、例えば、特許文献２に記載のものは、方位検出に関して高い感度を有し、小型で量産性にも優れた３軸磁気センサに関するもので、基板表面に平行で互いに直交するように設定した２軸（Ｘ、Ｙ軸）方向で地磁気成分を検知する２軸磁気センサ部と、２軸磁気センサ部上に配置され前記２軸を含む面に対して垂直方向（Ｚ軸）の磁界を集める磁性部材とを備えており、磁気感知軸の異なる磁気抵抗素子でブリッジを形成することにより従来よりも少ない素子数で３軸検知センサが実現可能であると提案している。

また、例えば、特許文献３に記載のものは、温度の影響を受けることが少なく磁界の大きさを精度よく検出できるトンネル磁気抵抗素子に関するもので、このＴＭＲ素子は、チップ上に磁気遮蔽されているものと磁場に対して応答するものそれぞれを有している。
さらに、例えば、特許文献４に記載のものは、検出対象方向に対する前方側からの磁場変化と後方側からの磁場変化とを識別でき、特定方向からの磁場の印加を正確に検出できる磁気検出装置に関するもので、特定方向からの磁場に対して距離の異なる二つの磁気抵抗素子を有している。

特開２０１２−１１２６８９号公報 特開２０１２−１２７７８８号公報 特開２００１−３４５４９８号公報 特開２０１２−３４８３５号公報

しかしながら、上述した特許文献１及び２の磁気センサは、磁気抵抗素子を用いてブリッジを形成し、その中点電位を出力信号として取り出すため、磁気抵抗素子を形成する物質の抵抗値を出力に含んでしまうため外部の温度に対して出力信号が敏感に変動してしまうという問題がある。
また、上述した特許文献３に記載の磁気センサは、ＧＭＲチップ上に対して磁気遮蔽されている素子と磁場に対して応答する素子それぞれを有している単軸センサであるが、磁気遮蔽のため磁気収束板を有しているため、磁気収束板の温度特性に応じて出力信号が外部の温度に対して敏感に変動してしまうという問題がある。

また、上述した特許文献４に記載の磁気センサは、特定方向からの磁場に対して距離の異なる位置に２つの素子を有しており、それぞれのセンサ出力の差分からある特定方向の磁場のみ高感度に検出し、磁場印加方向を特定する磁気センサであるが、本発明の磁気センサのような２つの素子間の磁気抵抗感度の違いについては何ら開示されていない。
さらに、特許文献４に記載の磁気センサは、弾球遊技機における不正を防止するため、特定方向から磁性体（磁石）が近づけられたことを検知することを目的としたものであり、出力差から磁性体の距離を定量するために、それぞれの感磁部の感度は一致していることを前提にしていると考えられる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、周囲の温度の影響を最小限に抑え、かつ、感磁軸方向の磁場を検知できる単軸の磁気センサ及び磁場成分演算方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、基板の平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、前記基板に設けられた第１の感磁部（２１，４１，５１，６１）と、該第１の感磁部（２１）に併設された第２の感磁部（２２，４２，５２，６２）と、前記第１及び第２の感磁部の出力の差分に基づいて前記感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力する差分演算部とを備え、前記第１及び第２の感磁部（２１，４１，５１，６１，２２，４２，５２，６２）は、無磁場下での電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向が一致で、外部磁場に対する磁気抵抗感度が異なり、前記第１及び第２の感磁部（２１，４１，５１，６１，２２，４２，５２，６２）からの出力信号の差分により、前記感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力し、前記第１及び第２の感磁部（２１，２２，４１，４２）の厚み（Ｔ）が等しく、平面視したときに、前記第１及び第２の感磁部（２１，２２，４１，４２）が矩形で、かつ該第１及び第２の感磁部（２１，２２，４１，４２）の長手方向の長さ（Ｌ１，Ｌ２）と短手方向の幅（Ｗ１，Ｗ２）の比（Ｗ１／Ｌ１，Ｗ２／Ｌ２）が等しく、感磁軸方向の長さ（Ｗ１，Ｗ２）が異なることを特徴とする。（図４，図６，図８，図１０）
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１及び第２の感磁部の出力は、前記第１及び第２の感磁部を定電圧駆動した場合は電流であり、前記第１及び第２の感磁部を定電流駆動した場合は電圧であることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１及び第２の感磁部（３１，３２）のどちらか一方にバイアス磁石（３３，３４）を備えていることを特徴とする。（図７（ａ））

また、請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１及び第２の感磁部（３１，３２）のそれぞれにバイアス磁石（３３ａ乃至３３ｃ，３４ａ乃至３４ｃ）を備え、かつ前記第１及び第２の感磁部（３１，３２）の前記バイアス磁石（３３ａ乃至３３ｃ，３４ａ乃至３４ｃ）の個数及び／又は強度が異なることを特徴とする。（図７（ｂ））
また、請求項５に記載の発明は、基板の平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、前記基板に設けられた第１の感磁部と、該第１の感磁部に併設された第２の感磁部と、前記第１及び第２の感磁部の出力の差分に基づいて前記感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力する差分演算部とを備え、前記第１及び第２の感磁部は、無磁場下での電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向が反平行であることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、基板の平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおける磁場成分演算方法において、前記基板に設けられた第１の感磁部と、該第１の感磁部に併設された第２の感磁部と、前記第１及び第２の感磁部の出力の差分に基づいて前記感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力する差分演算部とを備え、前記第１及び第２の感磁部は、無磁場下での電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向が一致で、外部磁場に対する磁気抵抗感度が異なり、前記第１及び第２の感磁部の厚みが等しく、平面視したときに、前記第１及び第２の感磁部が矩形で、かつ該第１及び第２の感磁部の長手方向の長さと短手方向の幅の比が等しく、感磁軸方向の長さが異なることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記第１及び第２の感磁部（３１，３２）のどちらか一方にバイアス磁石（３３，３４）を備えていることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記第１及び第２の感磁部（３１，３２）のそれぞれにバイアス磁石（３３ａ乃至３３ｃ，３４ａ乃至３４ｃ）を備え、かつ前記第１及び第２の感磁部（３１，３２）の前記バイアス磁石（３３ａ乃至３３ｃ，３４ａ乃至３４ｃ）の個数及び／又は強度が異なることを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、基板の平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおける磁場成分演算方法において、前記基板に設けられた第１の感磁部と、該第１の感磁部に併設された第２の感磁部と、前記第１及び第２の感磁部の出力の差分に基づいて前記感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力する差分演算部とを備え、無磁場下での電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向が反平行であることを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２の感磁部からの出力信号の差分により、感磁部の感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することができるので、周囲の温度の影響を最小限に抑え、かつ、感磁軸方向の磁場を検知できる単軸の磁気センサ及び磁場成分演算方法を実現することができる。

従来のＧＭＲ素子の動作原理を説明するための斜視図である。 図１の部分断面図である。 従来のＧＭＲ素子の積層構造を説明するための構成図である。 本発明に係る磁気センサの実施形態を説明するための構成図である。 図４に示した感磁部を説明するための図である。 それぞれ形状が異なる第１の感磁部と第２の感磁部を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、感磁部にバイアス磁石を設けた構成図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例１を説明するための構成図である。 （ａ），（ｂ）は、図８（ａ）（ｂ）に示した磁気センサにおいて、感磁軸方向の外部磁場の変化に対する第１及び第２の感磁部の出力の出力変化を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例２を説明するための構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図４は、本発明に係る磁気センサの実施形態を説明するための構成図で、図中符号２０は感磁部、２１は第１の感磁部、２２は第２の感磁部、２３が差動演算部を示している。
本発明の磁気センサは、基板の平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサである。この磁気センサの感磁部２０は、基板に設けられた第１の感磁部２１と、この第１の感磁部２１に併設された第２の感磁部２２とを備えている。つまり、第１の感磁部２１と第２の感磁部２２とは、基板平面上又は基板内部に設けられている。

これらの第１及び第２の感磁部２１，２２は、無磁場下での電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向が一致しており、外部磁場に対する磁気抵抗感度が異なっている。そして、第１及び第２の感磁部２１，２２からの出力信号の差分により、差動演算部２３を介して感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力するように構成されている。つまり、第１及び第２の感磁部２１，２２の出力の差分に基づく信号を出力する差分演算部２３を備えている。

第１及び第２の感磁部２１，２２の出力は、感磁部を構成する材料に依存し、外部磁場には依存しない抵抗Ｒと、外部磁場に応答して変化する抵抗変化量ΔＲに基づいた信号を出力する。例えば、感磁部を定電圧駆動する場合は、出力される電流から前記抵抗Ｒ＋抵抗変化率ΔＲを導出することができる。
材料に依存する抵抗Ｒは、一般的に外部温度に対して敏感であり、例えば、Ｃｕを材料とするＧＭＲ素子であれば、室温から１００℃までの温度領域で約０．５％程度抵抗Ｒが変化し得る。それに比べ、外部磁場に対して変化する抵抗変化量ΔＲは、外部温度に対して鈍感であり、例えば、ＧＭＲ素子では、一定磁場下において室温から１００℃までの温度領域で約０．０１％程度しか抵抗変化量ΔＲが変化しない。

本発明の磁気センサは、無磁場下で電気抵抗が等しく、外部磁場に対する磁気抵抗感度が異なる第１及び第２の感磁部２１，２２からの出力信号の差分により、材料に依存する抵抗Ｒをキャンセルし、抵抗変化量ΔＲのみを出力するため、外部温度の影響を最小限に抑え、かつ、感磁軸方向の磁場を検知することを可能になる。
第１及び第２の感磁部２１，２２の無磁場下での電気抵抗を等しくする方法は特に制限されないが、例えば、それぞれの感磁部の形状を適当な値に設計することで実現可能である。

つまり、第１及び第２の感磁部２１，２２の厚みＴが等しく、感磁部２０を平面視したときに、第１及び第２の感磁部２１，２２が矩形で、かつ第１及び第２の感磁部２１，２２の長手方向の長さＬ１，Ｌ２と短手方向の幅Ｗ１，Ｗ２の比Ｗ１／Ｌ１，Ｗ２／Ｌ２が等しければ、無磁場下での抵抗Ｒを容易に等しくすることができる。
なお、本発明の磁気センサにおける感磁部２０は、特定の方向に感磁軸を有し、感磁部２０に入力される外部磁場の大きさに応じて出力信号が変化するものであれば特に制限されない。感磁部２０の具体例としては、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗），ＣＭＲ（超巨大磁気抵抗）、ホール素子が挙げられるがこの限りではない。温度特性の観点からＧＭＲやＴＭＲが好ましく、ＧＭＲがより好ましい。

図５は、図４に示した感磁部を説明するための図である。抵抗値Ｒは、感磁部の伝導パスの電流方向Ｉに対して垂直な面で切断した際の伝導層の（電流パスの）断面積Ｓに反比例し、伝導パスの電流方向の長さＬに比例する。仮想的に感磁部を電流方向に微小区間ΔＬの幅で分割したと考え、分割されたそれぞれの要素の電流に垂直な面の断面積をＳｊで定義する。Ｓｊは、ｊ番目の要素の電流に垂直な面の伝導層の（電流パスの）断面積を表している。

この時の抵抗Ｒは、ΔＬ／Ｓｊをすべての要素足し合わせた量に比例しており、同一材料も用いた２つの素子であれば、ΔＬ／Ｓｊをすべての要素足し合わせた量が等しければ抵抗値は等しくなる。
例えば、第１及び第２の感磁部の厚みが等しく、磁気センサを平面視した時に、第１及び第２の感磁部が矩形である場合、この第１及び第２の感磁部の長手方向（電流方向）の長さＬと、短手方向（電流方向に垂直方向）の幅Ｗの比が等しければ、無磁場下での抵抗Ｒを容易に等しくすることができる。

図６は、それぞれ形状が異なる第１の感磁部と第２の感磁部を示す図で、感磁部を平面視したときに、第１及び第２の感磁部５１，５２，の形状が異なるように構成されている。
第１及び第２の感磁部５１，５２の厚みＴが等しく、第１及び第２の感磁部５１，５２を平面視した時の第１の感磁部５１が円形で、第２の感磁部５２が矩形であったとき、図６に示すように、第２の感磁部５２の長手方向（電流方向）の長さＬと、短手方向（電流方向に垂直方向）の幅Ｗの比であるＬ対Ｗ（Ｌ／Ｗ）がπ対２と等しくなるように第１及び第２の感磁部５１，５２を設計することにより、無磁場下での抵抗Ｒを容易に等しくすることができる。

なお、本発明の磁気センサにおいて、第１及び第２の感磁部の無磁場下での電気抵抗が等しい状態とは、本発明の効果を害さない程度に異なっている状態を含んでおり、例えば、無磁場下での電気抵抗が互いに±１％度程度、好ましくは±０．１％、より好ましくは０．０１％相違していてもよい。
また、第１及び第２の感磁部の感磁軸方向を一致させる方法も特に制限されないが、例えば、感磁部の構成を同じ構成にすることで実現可能である。感磁部がＧＭＲの場合、ピンド層の固定磁化の方向をそれぞれ同一方向にする方法が挙げられる。なお、本実施形態の磁気センサにおいて、第１及び第２の感磁部の感磁軸方向が一致している状態とは、平行の他に、本発明の効果を害さない程度に異なっている状態を含んでいる。

また、第１及び第２の感磁部の外部磁場に対する磁気抵抗感度を異なるものにする方法は、用いる感磁部の性質に応じて適宜設計すればよいため、特に制限されない。例えば、感磁部としてＧＭＲを用いる場合、第１及び第２の感磁部の電流方向に垂直方向の幅を変えることで実現できる。他の方法としては、例えば、第１及び第２の感磁部の形状を変えることで実現できる。また、ハードバイアス磁石を設置することによって実現することができる。

図７（ａ），（ｂ）は、感磁部にバイアス磁石を設けた構成図で、図７（ａ）はどちらか一方に感磁部にバイアス磁石を設けた例で、図７（ｂ）は両方の感磁部にバイアス磁石を設けた例を示している。図中符号３１は第１の感磁部、３２は第２の感磁部、３３，３３ａ乃至３３ｃ，３４，３４ａ乃至３４ｃはハードバイアス磁石を示している。
図７（ａ），（ｂ）に示すように、ハードバイアス磁石の設置形態としては、例えば、図７（ａ）のように、第１及び第２の感磁部３１，３２のどちらか一方にハードバイアス磁石３３，３４を備える設置形態や、図７（ｂ）のように、第１及び第２の感磁部３１，３２のハードバイアス磁石３３ａ乃至３３ｃ，３４ａ乃至３４ｃの個数及び／又は強度が異なるようにする設置形態が挙げられる。

また、図７（ａ），（ｂ）において、第１及び第２の感磁部３１，３２の厚みＴが等しく、感磁部２０を平面視したときに、第１及び第２の感磁部３１，３２が矩形で、かつ第１及び第２の感磁部３１，３２の長手方向の長さＬ１，Ｌ２が等しく、短手方向の幅Ｗ１，Ｗ２が等しいように構成されている。
また、第１及び第２の感磁部の外部磁場に対する磁気抵抗感度を異なるものにする方法は、感磁部としてＴＭＲを用いる場合、第１及び第２の感磁部の厚みを変えることで実現できる。また、磁気抵抗感度は完全一致していなければ特に制限されないが、第１及び第２の感磁部の出力の差分値を大きくし、外部磁場の変化に対する感度を向上させる観点から、第１及び第２の感磁部の外部磁場に対する磁気抵抗感度は大きく異なっていることが好ましい。

第１及び第２の感磁部が矩形の場合、磁気センサを平面視したとき、第１及び第２の感磁部の感磁軸方向の長さが異なるように設計することにより、外部磁場に対する磁気抵抗感度を異なるものすることが容易になる。
また、本発明の他の磁気センサは、基板の平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサであって、基板に設けられた第１の感磁部と、この第１の感磁部に併設された第２の感磁部とを備え、第１及び第２の感磁部は、無磁場下で電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向は反平行であり、第１及び第２の感磁部からの出力信号の差分により、感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力する磁気センサである。

第１及び第２の感磁部が、無磁場下で電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向は反平行であることにより、感磁部からの出力信号の差分を取ることにより、材料に依存する抵抗Ｒをキャンセルし、抵抗変化量ΔＲのみを出力するため、外部温度の影響を最小限に抑え、かつ、感磁軸方向の磁場を検知することを可能になる。
また、本発明の磁気センサにおいて、第１及び第２の感磁部の出力の差分に基づく信号を出力する差分演算部を備えていることが好ましい。この構成によれば、感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を容易に出力することが可能になる。

差分演算部２３としては、第１及び第２の感磁部の出力の差分に基づく信号を出力するものであれば特に制限されず、第１及び第２の感磁部の出力が入力され、２つの入力の差分値を所定の割合で増幅して出力する差動増幅回路や、第１及び第２の感磁部の出力をデジタル信号に変換し、差分演算を行うデジタルＩＣ回路等が挙げられるがこの限りではない。
以下に、本発明の磁気センサのさらに具体的な実施例について説明する。

図８（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例１を説明するための構成図である。図中符号４１は第１の感磁部、４２は第２の感磁部、５０は基板、１１１，１２１はピンド層、１１２，１２２は伝導層、１１３，１２３はフリー層を示している。つまり、第１の感磁部４１と第２の感磁部４２は、スピンバルブ型のピンド層１１１，１２１と伝導層１１２，１２２とフリー層１１３．１２３を積層してなるＧＭＲ素子を用いている。

本実施例１の磁気センサは、基板の平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサである。この磁気センサの感磁部は、基板に設けられた第１の感磁部４１と、この第１の感磁部４１に併設された第２の感磁部４２とを備えている。つまり、第１の感磁部４１と第２の感磁部４２とは、基板平面上又は基板内部に設けられている。
これらの第１及び第２の感磁部４１，４２は、無磁場下での電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向が一致しており、外部磁場に対する磁気抵抗感度が異なっている。そして、第１及び第２の感磁部４１，４２からの出力信号の差分により、差動演算部を介して感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力するように構成されている。また、本実施例１においては、それぞれ形状が異なる第１の感磁部４１と第２の感磁部４２を備えている。

また、第１及び第２の感磁部４１，４２の厚みＴ１，Ｔ２が等しく、平面視したときに、第１及び第２の感磁部４１，４２が矩形で、かつ第１及び第２の感磁部４１，４２の長手方向の長さＬ１，Ｌ２（Ｌ１＞Ｌ２）と短手方向の幅Ｗ１，Ｗ２（Ｗ１＞Ｗ２）の比Ｗ１／Ｌ１，Ｗ２／Ｌ２が等しくなるように構成されている。
また、第１及び第２の感磁部４１，４２が矩形で、平面視したときに、第１及び第２の感磁部４１，４２の感磁軸方向の長さＷ１，Ｗ２が異なるように構成されている。

つまり、第１の感磁部４１と第２の感磁部４２は、同一方向からの磁場に対して感磁軸を持っており、それぞれの感磁軸がお互いに平行になるように配置されている。また、第１の感磁部４１と第２の感磁部４２は、磁気抵抗感度が異なっており、かつ磁気センサを平面視した時、第１及び第２の感磁部４１，４２の感磁軸方向長さＷ、基板面に対して平行かつ感磁軸方向に垂直な方向の長さＬの比（Ｗ１：Ｌ１及びＷ２：Ｌ２）は等しくなるように配置されている。すなわち、第１及び第２の感磁部の無磁場時での抵抗Ｒは等しくなっている。

また、上述した実施例１の磁気センサは、第１及び第２の感磁部４１，４２の出力が入力される差分回路（図４参照）を備えている。このような構成における第１及び第２感磁部４１，４２からの出力信号の差分により、感度軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することができる。
また、感磁部は、特定の方向に感磁軸を持つ素子であれば特に制限されず、例えば、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）又はトンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ）、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）などを用いる。また、感磁部の感度軸方向の幅は、０．１〜２０ミクロンであることが好ましい。

第１及び第２の感磁部４１，４２の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ、磁気抵抗感度をａ、ｂとした場合に、差分回路は、第１の感磁部４１の出力信号をＳ１（∝Ｒ＋ａＢｘ）と、第２の感磁部２の出力信号をＳ２（∝Ｒ＋ｂＢｘ）の差分信号として
Ｓ１−Ｓ２∝（ａ−ｂ）Ｂｘ
を出力する。これにより、第１及び第２の感磁部４１，４２の感磁軸方向の磁場を検出することができる。

図９（ａ），（ｂ）は、図８（ａ）（ｂ）に示した磁気センサにおいて、感磁軸方向の外部磁場の変化に対する第１及び第２の感磁部の出力の出力変化を示す図である。図９（ａ）は、第１及び第２の感磁部４１，４２の出力Ｓ１，Ｓ２の差分信号Ｓ１−Ｓ２を示している。図７（ｂ）に示した差分信号Ｓ１−Ｓ２は、上述したように、外部温度によって敏感に変化する抵抗Ｒがキャンセルされているため、外部温度の変化の影響を受けずに外部磁場Ｂｘの変化に応じた出力を得ることができる。

例えば、定電流駆動の場合、第１及び第２の感磁部４１，４２にそれぞれ等しい電流Ｉを印加する。このときの第１及び第２の感磁部４１，４２の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ、磁気抵抗感度をａ、ｂとした場合に、差分回路は、第１の感磁部４１の出力信号をＳ１（＝（Ｒ＋ａＢｘ）×Ｉ）と、第２の感磁部４２の出力信号をＳ２（＝（Ｒ＋ｂＢｘ）×Ｉ）の差分信号として
Ｓ１−Ｓ２＝（ａ−ｂ）Ｂｘ×Ｉ
を出力する。これによって、第１及び第２の感磁部４１，４２の感磁軸方向の磁場を検出することができる。

図１０（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例２を説明するための構成図である。図中符号６１は第１の感磁部、６２は第２の感磁部、７０は基板、１３１，１４１はピンド層、１３２，１４２は伝導層、１３３，１４３はフリー層を示している。つまり、第１の感磁部６１と第２の感磁部６２は、スピンバルブ型のピンド層１３１，１４１と伝導層１３２，１４２とフリー層１３３．１４３を積層してなるＧＭＲ素子を用いている。

図８に示した実施例１では、第１及び第２の感磁部４１，４２の各層の膜厚（Ｔ１＝Ｔ２）が等しい場合において、第１及び第２の感磁部４１，４２の感磁軸方向長さＷと基板面に対して平行かつ感磁軸方向に垂直な方向の長さＬの比（Ｗ１：Ｌ１及びＷ２：Ｌ２）が等しくなるように配置された例に説明したが、図１０に示すように、感磁軸方向の長さＷ（Ｗ1＝Ｗ２）が等しい場合において、第１及び第２の感磁部６１，６２の伝導層の厚みＴ（Ｔ１＞Ｔ２）と基板面に対して平行かつ感磁軸方向に垂直な方向の長さＬ（Ｌ１＞Ｌ２）の比（Ｔ１：Ｌ１及びＴ２：Ｌ２）が等しくなるように配置されていてもよい。

すなわち、上述したように、感磁軸方向の断面における伝導層の断面積Ｓ（＝Ｗ×Ｔ）と、長さＬの比が等しくなるように感磁部を設計することにより、無磁場下で電気抵抗が等しく、かつ、外部磁場に対する磁気抵抗感度が異なる感磁部を得ることができる。
本実施例２の磁気センサは、基板の平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサである。この磁気センサの感磁部は、基板に設けられた第１の感磁部６１と、この第１の感磁部６１に併設された第２の感磁部６２とを備えている。つまり、第１の感磁部６１と第２の感磁部６２とは、基板平面上又は基板内部に設けられている。

これらの第１及び第２の感磁部６１，６２は、無磁場下での電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向が一致しており、外部磁場に対する磁気抵抗感度が異なっている。そして、第１及び第２の感磁部６１，６２からの出力信号の差分により、差動演算部を介して感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力するように構成されている。
また、本実施例２においては、それぞれ形状が異なる第１の感磁部６１と第２の感磁部６２を備えている。つまり、第１及び第２の感磁部６１，６２が矩形で、平面視したときに、第１及び第２の感磁部６１，６２の感磁軸方向の長さＷ１，Ｗ２が異なるように構成されている。

上述した各実施例における差分回路は、２つの入力の差に応じた信号を出力するものであればよく、アナログ回路で実現する場合は、例えば、図４に示すような差動増幅回路２３（Ｖｏｕｔ＝Ｒ２（Ｖ１−Ｖ２）／Ｒ１）を用いることができるが、本発明はこれに限定されない。

次に、本発明に係る磁場成分演算方法について説明する。
本発明の磁気センサを用いた磁場成分演算方法は、無磁場での電気抵抗が等しく、感磁軸方向が一致しており、かつ外部磁場に対する磁気抵抗感度が異なる２つの感磁部の出力の差分に基づいて、感磁軸方向の磁場成分を演算する。また、無磁場での電気抵抗が等しく、感磁軸方向が反平行である２つの感磁部の出力の差分に基づいて、感磁軸方向の磁場成分を演算する。

つまり、本発明の磁場成分演算方法は、基板の平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおける磁場成分演算方法である。基板に設けられた第１の感磁部と、この第１の感磁部に併設された第２の感磁部とを備えている。
無磁場下での電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向が一致で、外部磁場に対する磁気抵抗感度が異なる第１及び第２の感磁部の出力の差分に基づいて、感磁軸方向の磁場成分を演算する。なお、磁気センサの構成については、上述した各実施例と同様である。

また、本発明の磁場成分演算方法は、基板に設けられた第１の感磁部と、この第１の感磁部に併設された第２の感磁部とを備え、無磁場下での電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向が反平行で、第１及び第２の感磁部の出力の差分に基づいて、感磁軸方向の磁場成分を演算する。
以上のように、本発明によれば、第１及び第２の感磁部からの出力信号の差分により、感磁部の感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することができるので、周囲の温度の影響を最小限に抑え、かつ、感磁軸方向の磁場を検知できる単軸の磁気センサ及び磁場成分演算方法を実現することができる。

１ 反強磁性層
２ ピンド層（固定層）
３ Ｃｕ層（スペーサ層）
４ フリー層（自由回転層）
１１，１６ 絶縁膜
１２ フリー層（自由回転層）
１３ 導電層（伝導層）
１４ ピンド層（固定層）
１５ 反強磁性層
２０ 感磁部
２１，３１，４１，５１，６１ 第１の感磁部
２２，３２，４２，５２，６２ 第２の感磁部
２３ 差動演算部
３３，３３ａ乃至３３ｃ，３４，３４ａ乃至３４ｃ ハードバイアス磁石
５０，７０ 基板
１１１，１２１，１３１，１４１ ピンド層
１１２，１２２，１３２，１４２ 伝導層
１１３，１２３，１３３，１４３ フリー層

Claims (9)

1. 基板の平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、
   前記基板に設けられた第１の感磁部と、該第１の感磁部に併設された第２の感磁部と、
   前記第１及び第２の感磁部の出力の差分に基づいて前記感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力する差分演算部とを備え、
   前記第１及び第２の感磁部は、無磁場下での電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向が一致で、外部磁場に対する磁気抵抗感度が異なり、
   前記第１及び第２の感磁部の厚みが等しく、
   平面視したときに、前記第１及び第２の感磁部が矩形で、かつ該第１及び第２の感磁部の長手方向の長さと短手方向の幅の比が等しく、感磁軸方向の長さが異なることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１及び第２の感磁部の出力は、
   前記第１及び第２の感磁部を定電圧駆動した場合は電流であり、
   前記第１及び第２の感磁部を定電流駆動した場合は電圧である
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１及び第２の感磁部のどちらか一方にバイアス磁石を備えている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. 前記第１及び第２の感磁部のそれぞれにバイアス磁石を備え、かつ前記第１及び第２の感磁部の前記バイアス磁石の個数及び／又は強度が異なる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. 基板の平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、
   前記基板に設けられた第１の感磁部と、該第１の感磁部に併設された第２の感磁部と、
   前記第１及び第２の感磁部の出力の差分に基づいて前記感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力する差分演算部とを備え、
   前記第１及び第２の感磁部は、無磁場下での電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向が反平行であることを特徴とする磁気センサ。
6. 基板の平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおける磁場成分演算方法において、
   前記基板に設けられた第１の感磁部と、該第１の感磁部に併設された第２の感磁部と、
   前記第１及び第２の感磁部の出力の差分に基づいて前記感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力する差分演算部とを備え、
   前記第１及び第２の感磁部は、無磁場下での電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向が一致で、外部磁場に対する磁気抵抗感度が異なり、
   前記第１及び第２の感磁部の厚みが等しく、平面視したときに、前記第１及び第２の感磁部が矩形で、かつ該第１及び第２の感磁部の長手方向の長さと短手方向の幅の比が等しく、感磁軸方向の長さが異なることを特徴とする磁場成分演算方法。
7. 前記第１及び第２の感磁部のどちらか一方にバイアス磁石を備えていることを特徴とする請求項６に記載の磁場成分演算方法。
8. 前記第１及び第２の感磁部のそれぞれにバイアス磁石を備え、かつ前記第１及び第２の感磁部の前記バイアス磁石の個数及び／又は強度が異なることを特徴とする請求項６に記載の磁場成分演算方法。
9. 基板の平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおける磁場成分演算方法において、
   前記基板に設けられた第１の感磁部と、該第１の感磁部に併設された第２の感磁部と、
   前記第１及び第２の感磁部の出力の差分に基づいて前記感磁軸方向の磁場成分に応じた信号を出力する差分演算部とを備え、
   無磁場下での電気抵抗が等しく、かつ感磁軸方向が反平行であることを特徴とする磁場成分演算方法。

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