JP6897702B2 - 磁場検出装置および磁場検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気検出素子を備えた磁場検出装置、および磁気検出素子を用いた磁場検出方法に関する。

これまでに、巨大磁気抵抗効果素子に交流磁界を印加することにより外部磁界に対する高い検出分解能を発現する磁気抵抗効果型センサが提案されている（例えば特許文献１参照）。また、磁気センサに磁束を集中させる構造を有するＭＥＭＳデバイスが提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開平１１−１０１８６１号公報 米国特許第７，９１５，８９１号明細書

ところで、このような磁場検出装置においては、磁場に対し、より高い検出分解能を有することが望まれる。したがって、より高い検出分解能を有する磁場検出装置を提供することが望ましい。さらに、より高い検出分解能で磁場を検出することのできる磁場検出方法を提供することが望ましい。

本発明の一実施の形態としての磁場検出装置は、第１の方向に沿った感度軸を有する磁気検出素子と、その磁気検出素子に対し、第１の方向およびその第１の方向に直交する第２の方向を含む面内に働く回転力を有すると共に第１の周波数で振動するスピントルクを付与可能な変調部と、磁気検出素子からの第１の周波数の出力信号を復調し、出力信号の振幅に基づき、磁気検出素子が受ける被測定磁場の強度を検出する復調部とを備える。

本発明の一実施の形態としての磁場検出方法は、第１の方向に沿った感度軸を有する磁気検出素子に対し、第１の方向およびその第１の方向に直交する第２の方向を含む面内に働く回転力を有すると共に第１の周波数で振動するスピントルクを付与することと、磁気検出素子からの第１の周波数の出力信号の振幅に基づき、磁気検出素子が受ける被測定磁場の強度を検出することとを含む。

本発明の一実施の形態としての磁場検出装置および磁場検出方法では、第１の周波数で振動するスピントルクの付与により、感度の変調を受ける。これにより、被測定磁場の強度に応じて磁気検出素子からの出力振幅が変化することとなるので、復調部により、磁気検出素子からの出力振幅に基づき、磁気検出素子が受ける被測定磁場の強度が検出される。

本発明の一実施の形態としての磁場検出装置および磁場検出方法によれば、１／ｆノイズが効果的に除去され、磁場の測定において高い再現性が得られる。したがって、本発明の一実施の形態としての磁場検出装置および磁場検出方法によれば、より高い検出分解能を実現することができる。
なお、本発明の効果はこれに限定されるものではなく、以下に記載のいずれの効果であってもよい。

本発明の第１の実施の形態としての磁場検出装置の全体構成例を表す概略図である。 図１Ａに示した磁場検出装置のうちの磁気検出素子の断面構成例を表す模式図である。 図１Ａに示した磁場検出装置のうちの復調部の構成例を表すブロック図である。 磁気検出素子の感度変調を説明する特性図である。 スピントルクの付与により感度変調された磁気検出素子を含む磁気検出部からの出力と、磁気検出素子に印加される被測定磁場との関係を表す特性図である。 図２に示したハイパスフィルタの回路構成例を表す回路図である。 図５Ａに示したハイパスフィルタを通過した後の、磁気検出素子からの出力信号の波形の一例を表す特性図である。 図２に示した位相検波回路に入力される参照信号の一例を表す波形図である。 図２に示した位相検波回路を通過した後の、磁気検出素子からの出力信号の波形の一例を表す特性図である。 図２に示したローパスフィルタを通過した後の、磁気検出素子からの出力信号の波形の一例を表す特性図である。 図２に示したＡ／Ｄ変換回路を通過した後の、磁気検出素子からの出力信号の波形の一例を表す特性図である。 図１に示した磁場検出装置による被測定磁場の測定値と、参考例としての磁場検出装置による被測定磁場の測定値とを比較した特性図である。 本発明の第２の実施の形態としての磁場検出装置における復調部の構成例を表すブロック図である。 図１０に示したサンプル・アンド・ホールド回路の構成例、およびそのサンプル・アンド・ホールド回路に入力されるサンプルパルス信号の一例を表す説明図である。 図１０に示したサンプル・アンド・ホールド回路に入力されるサンプルパルス信号の波形の一例を表す特性図である。 図１Ａに示した磁場検出装置の測定可能範囲を説明するための特性図である。 本発明の第１の変形例としての磁場検出装置の要部を表す概略図である。 本発明の第２の変形例としての磁場検出装置の要部を表す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（ハイパスフィルタと位相検波回路とを有する復調部を備えた磁場検出装置の例）
２．第２の実施の形態（ハイパスフィルタとサンプル・アンド・ホールド回路とを有する復調部を備えた磁場検出装置の例）
３．変形例

＜１．第１の実施の形態＞
［磁場検出装置１００の構成］
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態としての磁場検出装置１００の全体構成例を表す概略図である。磁場検出装置１００は、磁気検出部１０と、変調部２０と、復調部３０とを備えている。

（磁気検出部１０）
磁気検出部１０は、例えば４つの磁気検出素子１（１Ａ〜１Ｄ）を含んでおり、それら磁気検出素子１Ａ〜１Ｄはブリッジ接続されてブリッジ回路を形成している。磁気検出素子１Ａ〜１Ｄは、それぞれＸ軸方向の感度軸を有している。磁気検出素子１Ａ〜１Ｄとして、例えば磁気抵抗効果（ＭＲ；Magneto-Resistive effect）素子を適用できる。磁気検出素子１Ａ〜１Ｄが磁気抵抗効果素子の場合、各磁気抵抗効果素子の磁化固着層（ピンド層）の磁化方向が感度軸と実質的に平行であるとよい。

具体的には、磁気検出素子１Ａは−Ｘ方向の磁化Ｊ１Ａを有する磁化固着層１３（後出）を含み、磁気検出素子１Ｂは＋Ｘ方向の磁化Ｊ１Ｂを有する磁化固着層を含み、磁気検出素子１Ｃは−Ｘ方向の磁化Ｊ１Ｃを有する磁化固着層を含み、磁気検出素子１Ｄは＋Ｘ方向の磁化Ｊ１Ｄを有する磁化固着層を含んでいる。

図１Ｂは、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの構成例を模式的に表した積層断面図である。図１Ｂに示したように、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄは、それぞれ、第１電極層１１と第２電極層１２との間に、磁化固着層１３と、第１非磁性層１４と、磁化自由層１５とが第１電極層１１から第２電極層１２へ向けてこの順に積層されたものである。なお、磁化自由層１５と第２電極層１２との間には、第２非磁性層２１とスピン注入層２２とが磁化自由層１５から第２電極層１２へ向けてこの順に積層されている。第２非磁性層２１およびスピン注入層２２は変調部２０（２０Ａ〜２０Ｄ）を構成している。変調部２０については、後に詳述する。磁気検出素子１Ａ〜１Ｄでは、第１電極層１１から第２電極層１２へ向けて電流が流れるようになっている。

磁気検出部１０は、永久磁石２Ａ〜２Ｄおよび永久磁石３Ａ〜３Ｄをさらに有している。永久磁石２Ａおよび永久磁石３Ａは、磁気検出素子１Ａを挟んで対向するように配置され、磁化Ｊ１Ａと直交する方向、例えば＋Ｙ方向の磁化Ｊ２Ａおよび磁化Ｊ３Ａをそれぞれ有する。永久磁石２Ｂおよび永久磁石３Ｂは、磁気検出素子１Ｂを挟んで対向するように配置され、磁化Ｊ１Ｂと直交する＋Ｙ方向の磁化Ｊ２Ｂおよび磁化Ｊ３Ｂをそれぞれ有する。永久磁石２Ｃおよび永久磁石３Ｃは、磁気検出素子１Ｃを挟んで対向するように配置され、磁化Ｊ１Ｃと直交する＋Ｙ方向の磁化Ｊ２Ｃおよび磁化Ｊ３Ｃをそれぞれ有する。永久磁石２Ｄおよび永久磁石３Ｄは、磁気検出素子１Ｄを挟んで対向するように配置され、磁化Ｊ１Ｄと直交する＋Ｙ方向の磁化Ｊ２Ｄおよび磁化Ｊ３Ｄをそれぞれ有する。このような構成により、永久磁石２Ａ〜２Ｄおよび永久磁石３Ａ〜３Ｄは、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し＋Ｙ方向のバイアス磁場をそれぞれ印加するようになっている。なお、永久磁石２Ａ〜２Ｄおよび永久磁石３Ａ〜３Ｄは、それぞれ、本発明の「バイアス磁場付与部」に相当する一具体例である。

磁気検出部１０におけるブリッジ回路では、磁気検出素子１Ａの第１の端部と磁気検出素子１Ｂの第１の端部とが接続点Ｐ１において接続され、磁気検出素子１Ｃの第１の端部と磁気検出素子１Ｄの第１の端部とが接続点Ｐ２において接続されている。さらに、磁気検出素子１Ａの第２の端部と磁気検出素子１Ｄの第２の端部とが接続点Ｐ３において接続され、磁気検出素子１Ｂの第２の端部と磁気検出素子１Ｃの第２の端部とが接続点Ｐ４において接続されている。ここで、接続点Ｐ３および接続点Ｐ４には、交流電源５および直流電源６が接続されている。接続点Ｐ１，Ｐ２は、それぞれ差分検出器４の入力側端子と接続されている。この差分検出器４は、接続点Ｐ３と接続点Ｐ４との間にバイアス印加電圧が印加されたときの接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間の電位差を差分信号Ｓ１として復調部３０へ向けて出力するものである。

（変調部２０）
変調部２０（２０Ａ〜２０Ｄ）は、図１Ｂに示したように、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの内部に組み込まれており、それぞれ第２非磁性層２１およびスピン注入層２２を有している。スピン注入層２２は、例えばＣｏＦｅ（コバルト鉄合金）などからなり、永久磁石２Ａ〜２Ｄおよび永久磁石３Ａ〜３Ｄにより付与されるバイアス磁場の向きと反対向きである−Ｙ方向の磁化Ｊ２２を有している

変調部２０Ａ〜２０Ｄに対し交流電源５および直流電源６によりバイアス印加電流が供給されることにより、それぞれ、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対する＋Ｙ方向のバイアス磁場の強度を弱めるように作用するスピントルクが生成される。そのようなスピントルクは、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄにおける感度変調をもたらす。ここでいうバイアス印加電流とは、バイアス成分と振動成分とを有する電流であり、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄへのバイアス印加電流の供給により、強度が周期的に変動する（第１の周波数で振動する）スピントルクが生成される。このスピントルクは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向を含むＸＹ面内に働く回転力を有する。

（復調部３０）
復調部３０は、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄからの第１の周波数の出力信号、すなわち差分信号Ｓ１を復調し、その差分信号Ｓ１の振幅に基づき、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄが受ける検出対象磁場としての被測定磁場Ｈｍの強度を検出するようになっている。ここで図２を参照し、復調部３０の構成について具体的に説明する。図２は、復調部３０の構成例を表すブロック図である。

図２に示したように、復調部３０は、上流から下流へ向けて、ハイパスフィルタ３１と位相検波回路３２とローパスフィルタ３３とアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路３４とを有している。

ハイパスフィルタ３１は、第１の周波数未満である第２の周波数以上の周波数成分を通過させ、位相検波回路３２へ向けて出力信号Ｓ２を出力するフィルタである。例えば第１の周波数が１ｋＨｚである場合、第２の周波数は５００Ｈｚである。

位相検波回路３２は、参照信号ＲＳを参照し、ハイパスフィルタ３１からの出力信号Ｓ２から位相検波信号Ｓ３を取り出すようになっている。参照信号ＲＳは、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄからの第１の周波数（例えば１ｋＨｚ）の差分信号Ｓ１の位相と同じ位相であって第１の周波数の方形波である。位相検波信号Ｓ３は、ローパスフィルタ３３へ向かうようになっている。

ローパスフィルタ３３は、位相検波信号Ｓ３から被測定成分を平滑化し、Ａ／Ｄ変換回路３４へ向けて出力信号Ｓ４を出力するフィルタである。

Ａ／Ｄ変換回路３４は、ローパスフィルタ３３を通過し平滑化された被測定成分の出力信号Ｓ４に対しＡ／Ｄ変換を行い、出力信号Ｓoutを外部へ出力するように構成されている。

［磁場検出装置１００の動作および作用］
本実施の形態の磁場検出装置１００では、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄが受ける検出対象磁場としての被測定磁場Ｈｍの強度を検出することができる。特に、磁場検出装置１００では、変調部２０により磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの分解能が向上するので、より微弱な被測定磁場Ｈｍであっても高い精度で検出することができる。

図３は、変調部２０Ａ〜２０Ｄによる磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの感度変調を説明する特性図である。図３では、変調部２０Ａ〜２０Ｄに対し交流電源５および直流電源６によりバイアス印加電流を供給し、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの磁化自由層１５に対しスピントルクを付与しつつ、Ｘ軸方向に沿って−１ｍＴから＋１ｍＴの範囲に亘る被測定磁場Ｈｍを印加したときに得られる、差分信号Ｓ１の印加電圧１Ｖあたりの出力電圧［Ｖ／Ｖ］（以下、単に出力電圧［Ｖ／Ｖ］と記載する。）を表している。図３では、横軸を被測定磁場Ｈｍ［ｍＴ］とし、縦軸を出力電圧［Ｖ／Ｖ］としている。図３は、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの磁化自由層１５に対しスピントルクをそれぞれ付与したときの、被測定磁場Ｈｍと出力電圧［Ｖ／Ｖ］との関係を示している。図３において、曲線Ｃ３−１は、基準となる電流Ａ［任意単位］を第１電極層１１から第２電極層１２へ向かう方向へ流してスピントルクを発生させたときの、磁気検出部１０の出力電圧特性を表している。同様に、曲線Ｃ３−２は曲線Ｃ３−１における電流Ａの１．５倍の電流１．５Ａ［任意単位］を、曲線Ｃ３−３は曲線Ｃ３−１における電流Ａの２倍の電流２Ａ［任意単位］を、曲線Ｃ３−４は曲線Ｃ３−１における電流Ａの０．５倍の電流０．５Ａ［任意単位］をそれぞれ第１電極層１１から第２電極層１２へ向かう方向へ流してスピントルクを発生させたときの、磁気検出部１０の出力電圧特性を表している。変調部２０Ａ〜２０Ｄを流れる交流電流が増加すると、発生するスピントルクの強度も増大する。この場合、スピン注入層２２の磁化Ｊ２２の向きは−Ｙ方向であり、永久磁石２Ａ〜２Ｄおよび永久磁石３Ａ〜３Ｄによる＋Ｙ方向のバイアス磁場の向きと反対である。したがって、スピントルクの強度が増大するほど磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに付与されるバイアス磁場を低下させる作用が強まることとなる。また、図３において、正の値の被測定磁場Ｈｍは、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し、磁化Ｊ１Ｂおよび磁化Ｊ１Ｄと実質的に同じ方向（図１の例では＋Ｘ方向）に印加されることを意味し、負の値の被測定磁場Ｈｍは、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し、磁化Ｊ１Ａおよび磁化Ｊ１Ｃと実質的に同じ方向（図１の例では−Ｘ方向）に印加されることを意味する。

図３に示したように、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに流す電流の値によって、すなわち磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの磁化自由層１５に付与するスピントルクの大きさによって磁気検出部１０の出力電圧［Ｖ／Ｖ］が変動することがわかる。電流Ａを流したときの曲線Ｃ３−１を基準とすると、曲線Ｃ３−２および曲線Ｃ３−３のように電流の値が大きくなるほど、すなわち発生するスピントルクの強度が増大するほど出力電圧［Ｖ／Ｖ］の絶対値が上昇する。一方、曲線Ｃ３−４のように電流の値が小さくなると、すなわち発生するスピントルクの強度が減少すると出力電圧［Ｖ／Ｖ］の絶対値が低下する。したがって、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに流す電流の値を増大させることによって、すなわち磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの磁化自由層１５に付与するスピントルクの強度を増大させることによって、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの被測定磁場Ｈｍに対する感度が向上することとなる。

上述したように、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄは、それらに付与されるスピントルクの強度に応じて感度変調を生じる。したがって、ある値の被測定磁場Ｈｍが印加された環境下においてスピントルクを磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに付与すると、図４に示したように、磁気検出部１０からの出力電圧が周期的に変動することとなる。図４は、第１の周波数で振動するスピントルクの付与により感度変調された磁気検出素子１Ａ〜１Ｄを含む磁気検出部１０からの出力電圧と、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに印加される被測定磁場Ｈｍとの関係を表す特性図である。

図４の（Ａ）は、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し、スピントルクを付与しつつＸ軸方向に沿って−１ｍＴから＋１ｍＴの範囲に亘る被測定磁場Ｈｍを印加したときに得られる、差分信号Ｓ１の印加電圧１Ｖあたりの出力電圧［Ｖ／Ｖ］（以下、単に出力電圧［Ｖ／Ｖ］と記載する。）を表している。なお、差分信号Ｓ１は、４つの磁気検出素子１Ａ〜１Ｄを含むブリッジ回路に対し交流電源５および直流電源６により接続点Ｐ３と接続点Ｐ４との間に所定のバイアス印加電圧を印加し、ブリッジ回路の接続点Ｐ１，Ｐ２からそれぞれ取り出された信号ｅ１と信号ｅ２とに基づいて差分検出器４において差分を検出することにより得られる。図４の（Ａ）では、横軸を被測定磁場Ｈｍ［ｍＴ］とし、縦軸を出力電圧［Ｖ／Ｖ］とし、１．０Ａ［任意単位］，１．５Ａ［任意単位］および２．０Ａ［任意単位］の３水準の電流についての被測定磁場Ｈｍと出力電圧［Ｖ／Ｖ］との関係を示している。

また、図４の（Ｂ）は、＋１．０ｍＴ，＋０．５ｍＴ，０ｍＴ，−０．５ｍＴ，−１．０ｍＴの５水準の被測定磁場Ｈｍがそれぞれ印加された状態において、１．０Ａ［任意単位］，１．５Ａ［任意単位］および２．０Ａ［任意単位］の３水準の電流を流したときに生じるスピントルクを磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに印加したときの磁気検出部１０からの印加電圧１Ｖあたりの出力電圧［Ｖ／Ｖ］（以下、単に出力電圧［Ｖ／Ｖ］と記載する。）の経時変化を表している。図４の（Ｂ）では、横軸を時刻Ｔとし、縦軸を差分信号Ｓ１の出力電圧［Ｖ／Ｖ］としている。また、図４の（Ｂ）では、１ｋＨｚで振動する電流を流した場合、すなわち時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの１周期が１ｍｓｅｃ．である場合を例示している。さらに、図４の（Ｂ）では、曲線Ｃ４−１は＋１．０ｍＴの被測定磁場Ｈｍを、曲線Ｃ４−２は＋０．５ｍＴの被測定磁場Ｈｍを、曲線Ｃ４−３は０ｍＴの被測定磁場Ｈｍを、曲線Ｃ４−４は−０．５ｍＴの被測定磁場Ｈｍを、曲線Ｃ４−５は−１．０ｍＴの被測定磁場Ｈｍをそれぞれ磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに印加したときの特性を示している。

図４に示したように、所定の被測定磁場Ｈｍが印加された環境下において振動する電流を印加すると、磁気検出部１０からの印加電圧１Ｖあたりの出力電圧［Ｖ／Ｖ］が周期的に変動することがわかる。その際、被測定磁場Ｈｍの絶対値が大きいほど、出力電圧［Ｖ／Ｖ］の変動幅も大きくなっている。さらに、被測定磁場Ｈｍの印加方向が反対方向となることにより、上述の出力電圧［Ｖ／Ｖ］の位相も反転することがわかる。

磁場検出装置１００では、磁気検出部１０において差分信号Ｓ１を生成したのち、ハイパスフィルタ３１により、磁気検出部１０からの差分信号Ｓ１における第２の周波数（例えば５００Ｈｚ）未満の周波数成分をカットする。これにより、第２の周波数（例えば５００Ｈｚ）未満の周波数成分である１／ｆノイズが除去される。なお、ハイパスフィルタ３１は、例えば図５Ａに示した回路構成を有する。また、図５Ｂは、ハイパスフィルタ３１を通過した後の、出力信号Ｓ２の波形の一例を表す特性図である。図５Ｂに示した波形は、図４の（Ｂ）に示した曲線Ｃ４−１〜Ｃ４−５を重ね合わせたものに相当する。より詳細には、図５Ｂの曲線Ｃ５−１〜Ｃ５−５が、それぞれ図４の（Ｂ）における曲線Ｃ４−１〜Ｃ４−５に相当する。なお、図５Ｂでは、横軸が経過時間［ｍｓｅｃ．］を表し、縦軸が出力電圧［−］を表している。縦軸の出力電圧［−］は、最大値を１として規格化した任意単位で表している。

磁場検出装置１００では、ハイパスフィルタ３１において出力信号Ｓ２を生成したのち、位相検波回路３２により、例えば図６Ａに示した参照信号ＲＳを参照して出力信号Ｓ２の復調を行い、位相検波信号Ｓ３を取り出す。図６Ａは、位相検波回路３２に入力される参照信号ＲＳの一例を表す波形図である。参照信号ＲＳは、図５Ｂに示した出力信号Ｓ２の波形の周期と同期しており、例えば０．５ｍｓｅｃ．ごとに値ＳＨと値ＳＬとが交互に繰り返される矩形波信号である。本実施の形態では、位相検波回路３２は、例えば参照信号ＲＳが値ＳＨのときには出力電圧の符号を反転させることなく出力信号Ｓ２を通過させ、参照信号ＲＳが値ＳＬのときには出力電圧の符号を反転させて出力信号Ｓ２を通過させるようになっている。その結果、例えば図６Ｂに示した波形を有する位相検波信号Ｓ３が得られる。図６Ｂは、位相検波回路３２を通過した後の位相検波信号Ｓ３の波形の一例を表す特性図である。図６Ｂの曲線Ｃ６−１〜Ｃ６−５は、それぞれ図５Ｂにおける曲線Ｃ５−１〜Ｃ５−５に相当する。

次に、磁場検出装置１００では、ローパスフィルタ３３において、位相検波信号Ｓ３から被測定成分を取り出す。その結果、例えば図７に示した波形を示す出力信号Ｓ４が得られる。図７の曲線Ｃ７−１〜Ｃ７−５は、それぞれ図６Ｂにおける曲線Ｃ６−１〜Ｃ６−５に相当する。

磁場検出装置１００では、最後に、Ａ／Ｄ変換回路３４により、ローパスフィルタ３３を通過して平滑化された被測定成分の出力信号Ｓ４に対しＡ／Ｄ変換を行い、出力信号Ｓoutを外部へ出力する。図８に、Ａ／Ｄ変換回路３４を通過した後の、出力信号Ｓoutの波形の一例を表す。図８では、横軸に被測定磁場［ｍＴ］を示し、縦軸に出力電圧［−］を示している。図８に示したように、出力信号Ｓoutでは、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに印加される被測定磁場［ｍＴ］と、出力電圧［−］とがほぼ比例する関係にある。

［磁場検出装置１００の効果］
本実施の形態の磁場検出装置１００では、上述したように、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄが、スピン注入層２２を含む変調部２０による磁化自由層１５に対するスピントルクの付与により、それらの感度の変調を受けるようになっている。これにより、被測定磁場Ｈｍの強度に応じて磁気検出素子１Ａ〜１Ｄからの出力電圧Ｖの振幅が変化することとなるので、復調部３０により、出力電圧Ｖの振幅に基づき、被測定磁場Ｈｍの強度を検出することができる。例えば、携帯電話機に内蔵される磁気コンパスでは、０〜１００Ｈｚ程度の周波数を有する被測定磁場の強度を測定することが多い。従来の磁気コンパスでは、上記周波数帯において磁気抵抗効果素子内に発生する大きな１／ｆノイズの影響により、十分な検出分解能が得られなかった。これに対し、本実施の形態の磁場検出装置１００および本実施の形態の磁場検出方法によれば、１／ｆノイズが効果的に除去されてより高い検出分解能を実現することができる。したがって、本実施の形態によれば、磁場の測定において高い再現性が得られる。

図９は、本実施の形態の磁場検出装置１００により測定した、Ｘ軸方向に沿った被測定磁場Ｈｍの測定値のばらつきを表す実験例である。図９では、横軸がサンプル番号を表し、縦軸が被測定磁場の実測値を表している。比較のため、参考例による被測定磁場Ｈｍの実測値についても併せて掲載する。その参考例は、変調部２０を有さず、スピントルクを印加しなかったことを除き、他は本実施の形態の磁場検出装置１００と実質的に同じ構成を有する磁場検出装置である。図９に示したように、参考例と比較すると、本実験例では被測定磁場Ｈｍの実測値のばらつきが小さく、高い検出分解能を実現していることがわかる。

また、本実施の形態では、変調部２０により磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの感度が向上するので、より微弱な被測定磁場Ｈｍであっても高い精度で検出することができる。さらに、１／ｆノイズの発生源となる磁性材料を用いずに、スピントルクを付与することにより磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの感度の変調を行うようにしたので、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄにおける被測定磁場Ｈｍの検出動作の阻害を回避できる。例えば、先に挙げた特許文献２では、磁性材料からなる磁束集中部材４０を備えるようにしているので、磁束集中部材４０がノイズ発生源となる可能性が高い。

また、本実施の形態では、ハイパスフィルタ３１を通過した出力信号Ｓ２のうち、位相検波回路３２において参照信号ＲＳに基づいて復調した周波数成分のみを最終的に出力信号Ｓoutとして取り出すようにしたので、より高いＳ／Ｎ比が得られる。

＜２．第２の実施の形態＞
［復調部３０Ａの構成］
図１０は、本発明の第２の実施の形態としての復調部３０Ａの構成例を表すブロック図である。この復調部３０Ａは、上記第１の実施の形態の復調部３０と同様に、磁場検出装置１００に搭載可能であり、変調部２０において感度変調された差分信号Ｓ１の復調を行い、Ｓ／Ｎ比の改善に寄与することができる。

図１０に示したように、復調部３０Ａは、復調部３０における位相検波回路３２の代わりにサンプル・アンド・ホールド回路３５を有している。また、ローパスフィルタ３３を有していない。これらの点を除いて、復調部３０Ａは、復調部３０と実質的に同じ構成を有する。

図１１Ａに、サンプル・アンド・ホールド回路３５の構成例を示す。さらに、図１１Ｂに、サンプル・アンド・ホールド回路３５に入力されるサンプルパルス信号ＰＳの波形の一例を表す特性図を示す。サンプル・アンド・ホールド回路３５は、サンプル・アンド・ホールド回路３５の外部から入力されるサンプルパルス信号ＰＳを参照して、図５Ｂに示した出力信号Ｓ２の波形のピーク値をサンプリングして出力信号Ｓ２の復調を行い、出力信号Ｓ５を取り出すようになっている。出力信号Ｓ５の波形は、例えば図７に示した出力信号Ｓ４の波形と実質的に同じである。

復調部３０Ａでは、Ａ／Ｄ変換回路３４により、サンプル・アンド・ホールド回路３５を通過したサンプル成分の出力信号Ｓ５に対しＡ／Ｄ変換を行い、出力信号Ｓoutを外部へ出力するようになっている。その際、Ａ／Ｄ変換回路３４は、複数のサンプル成分について時間平均処理を伴うＡ／Ｄ変換を行うようにしてもよい。被測定磁場Ｈｍの測定値のばらつきをよりいっそう抑えることができるからである。

［復調部３０Ａの作用効果］
本実施の形態においても、上記第１の実施の形態における復調部３０と同様に、変調部２０において感度変調された差分信号Ｓ１の復調を行い、Ｓ／Ｎ比の改善に寄与することができる。

＜３．変形例＞
以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、復調部として位相検波回路やサンプル・アンド・ホールド回路を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。また、上記実施の形態では、復調部がハイパスフィルタやローパスフィルタを含むようにしたが、本発明ではこれらを省略してもよい。

また、上記第１の実施の形態の磁場検出装置１００において、図１Ｂに示したようにスピン注入層２２が−Ｙ方向の磁化Ｊ２２を有する場合には、磁化自由層１５における磁化の傾きがスピン注入層２２の磁化Ｊ２２の向きと反対の向きに対して大きくなるとスピントランスファー効率が低下してしまう。このため、図１２に示したように、外部磁場（被測定磁場）がある程度大きくなると、その外部磁場（被測定磁場）［ｍＴ］の増加と印加電圧１Ｖあたりの出力電圧［Ｖ／Ｖ］（以下、単に出力電圧［Ｖ／Ｖ］と記載する。）の増加とが比例しなくなる。したがって、実質的には、例えば図１２に示した測定可能範囲Ｒ１２のように、外部磁場（被測定磁場）［ｍＴ］と出力電圧［Ｖ／Ｖ］とが比例する領域において使用することが望ましい。なお、図１２に示した曲線Ｃ３−１〜Ｃ３−４は、外部磁場（被測定磁場）［ｍＴ］の範囲が異なることを除き、実質的に図３に示したものと同じである。

そこで、図１３に示した変形例としての磁場検出装置１００Ａのように、差分検出器４と復調部３０との間にフィードバックコイル７を追加し、フィードバック電流を取り出すことにより、測定可能な外部磁場（被測定磁場）の範囲を広げることができる。図１３は、磁場検出装置１００Ａの一部構成要素を拡大して表した概略図である。磁場検出装置１００Ａは、フィードバックコイル７をさらに備えたことを除き、他は第１の実施の形態で説明した磁場検出装置１００と実質的に同じ構成を有する。

磁場検出装置１００Ａでは、差分信号Ｓ１に比例した電流がフィードバックコイル７に流れる。フィードバックコイル７に流れる電流の向きは、磁気検出部１０に印加される被測定磁場Ｈｍを打ち消す方向である。ここで、磁気検出部１０に実効的に印加される磁場がゼロに近づくようにフィードバック電流が調整される。このときのフィードバック電流は、被測定磁場Ｈｍに比例するため、フィードバック電流を検出することにより、被測定磁場Ｈｍの値を知ることができる。また、磁気検出部１０に実効的に印加される磁場がゼロ付近のため、被測定磁場Ｈｍの大きさに関わらず、外部磁場（被測定磁場）［ｍＴ］と出力電圧［Ｖ／Ｖ］とが比例する領域において使用することができる。

また、上記実施の形態等では、スピン注入層２２は、図１Ｂに示したように、永久磁石２Ａ〜２Ｄなどにより付与されるバイアス磁場の向きと反対向きである−Ｙ方向の磁化Ｊ２２を有するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、スピン注入層２２は、永久磁石２Ａ〜２Ｄなどにより付与されるバイアス磁場の向きと同じ向きである＋Ｙ方向の磁化Ｊ２２を有するようにしてもよい。その場合、 変調部２０Ａ〜２０Ｄに対し交流電源５および直流電源６によりバイアス印加電流が供給されることにより、それぞれ、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対する＋Ｙ方向のバイアス磁場の強度を強めるように作用するスピントルクが生成される。そのようなスピントルクであっても磁気検出素子１Ａ〜１Ｄにおける感度変調をもたらすことができる。また、本発明では、スピン注入層の磁化の向きは、永久磁石などにより付与されるバイアス磁場の向きに対して平行または反平行の場合に限定されるものではなく、傾斜していてもよい。但し、スピン注入層の磁化の向きをバイアス磁場の向きに対して平行または反平行とすることにより、スピントルクによる感度変調を効果的に生じさせることができる。

また、上記実施の形態等では、バイアス磁場付与部として永久磁石を用いるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、バイアス磁場付与部として誘導コイルを用い、電磁誘導によりバイアス磁場を磁気検出素子に対して印加するようにしてもよい。さらに、本発明では、バイアス磁場付与部を設けなくともよい。その場合、例えば図１４に示したように、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの形状異方性を利用してもよい。具体的には、外部磁場が印加されていない状態において、フリー層の磁化Ｆ１Ａ〜Ｆ１Ｄの向きがピンド層の磁化Ｊ１Ａ〜Ｊ１Ｄの向き（Ｘ軸方向）と直交するように、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの長手方向（Ｙ軸方向）へ向いた状態で安定化させるとよい。

１００，１００Ａ…磁場検出装置、１０…磁気検出部、１（１Ａ〜１Ｄ）…磁気検出素子、２Ａ〜２Ｄ，３Ａ〜３Ｄ…永久磁石、４…差分検出器、５…交流電源、６…直流電源、７…フィードバックコイル、１１…第１電極層、１２…第２電極層、１３…磁化固着層、１４…第１非磁性層、１５…磁化自由層、２０…変調部、２１…第２非磁性層、２２…スピン注入層、３０…復調部、３１…ハイパスフィルタ、３２…位相検波回路、３３…ローパスフィルタ、３４…Ａ／Ｄ変換回路、３５…サンプル・アンド・ホールド回路。

Claims (12)

1. 第１の方向に沿った感度軸を有する磁気検出素子と、
   前記磁気検出素子に対し、前記第１の方向および前記第１の方向に直交する第２の方向を含む面内に働く回転力を有すると共に第１の周波数で振動するスピントルクを付与可能な変調部と、
   前記磁気検出素子からの前記第１の周波数の出力信号を復調し、前記出力信号の振幅に基づき、前記磁気検出素子が受ける被測定磁場の強度を検出する復調部と
   を備えた磁場検出装置。
2. 前記磁気検出素子は、磁化固着層と、第１の非磁性層と、磁化自由層とを含む磁気トンネル接合素子であり、
   前記変調部は、前記磁化自由層から見て前記第１の非磁性層と反対側に順に積層された第２の非磁性層と、スピン注入層とを含み、
   前記磁気検出素子と前記変調部とは一体化した積層構造を構成している
   請求項１記載の磁場検出装置。
3. 前記磁化固着層における、前記第１の非磁性層と反対側に設けられた第１電極と、
   前記スピン注入層における、前記第２の非磁性層と反対側に設けられた第２電極と
   をさらに備え、
   前記第１電極から前記第２電極へ流れるバイアス印加電流が供給されることにより、前記磁化自由層の磁化に作用するスピントルクが発生するようになっている
   請求項２記載の磁場検出装置。
4. 前記磁気検出素子に対し、前記第２の方向のバイアス磁場を付与するバイアス磁場付与部をさらに備え、
   前記スピン注入層の磁化の向きは、前記第２の方向と同じ向きであり、または前記第２の方向と反対向きである
   請求項２または請求項３に記載の磁場検出装置。
5. 前記復調部は、前記第１の周波数未満の第２の周波数以上の周波数成分を通過させるハイパスフィルタを有する
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁場検出装置。
6. 前記復調部は、前記磁気検出素子からの前記出力信号の位相と同じ位相であって前記第１の周波数の方形波を参照し、位相検波信号を取り出す位相検波回路をさらに有する
   請求項５記載の磁場検出装置。
7. 前記復調部は、前記位相検波信号から被測定成分を平滑化して通過させるローパスフィルタをさらに有する
   請求項６記載の磁場検出装置。
8. 前記復調部は、前記ローパスフィルタを通過した被測定成分のＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換部をさらに有する
   請求項７記載の磁場検出装置。
9. 前記復調部は、サンプル・アンド・ホールド回路をさらに有する
   請求項５記載の磁場検出装置。
10. 前記復調部は、前記サンプル・アンド・ホールド回路を通過したサンプル成分のＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換部をさらに有する
    請求項９記載の磁場検出装置。
11. 前記Ａ／Ｄ変換部は、複数の前記サンプル成分について時間平均処理を伴う前記Ａ／Ｄ変換を行う
    請求項１０記載の磁場検出装置。
12. 第１の方向に沿った感度軸を有する磁気検出素子に対し、前記第１の方向および前記第１の方向に直交する第２の方向を含む面内に働く回転力を有すると共に第１の周波数で振動するスピントルクを付与することと、
    前記磁気検出素子からの前記第１の周波数の出力信号の振幅に基づき、前記磁気検出素子が受ける被測定磁場の強度を検出することと
    を含む磁場検出方法。

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