JP2003318466A

JP2003318466A - 磁気センサ、この磁気センサを用いた方位検知システム及び携帯通信端末

Info

Publication number: JP2003318466A
Application number: JP2002125377A
Authority: JP
Inventors: Taiko Ko; 太好高
Original assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd
Current assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2003-11-07
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP4316836B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型・軽量で高感度な磁気センサを提供す
る。【解決手段】少なくとも磁性体層４，６と非磁性体層
５との積層構造を含み、磁性体層４，６のうちで一軸磁
気異方性及び磁化反転可能な保磁力を有する磁界感知用
軟磁性体層６を備える小型・軽量な薄膜磁気抵抗効果素
子２の場合、成膜表面の荒れ等によって静磁気的な固着
部層７が磁界感知用軟磁性体層６と非磁性体層５との界
面に発生し、この固着部層７の膜厚は成膜条件によって
著しく異なるが、このような固着部層７の膜厚に対して
磁界感知用軟磁性体層６の膜厚を２０倍以上とすること
により、成膜条件に依らず、本来の磁気特性より特性が
劣化した固着部層７の影響を緩和して、感度等の点で良
好なる素子特性が得られるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁界測定用、ナビ
ゲーション用の地磁気センサ等の磁気センサ、この磁気
センサを用いた方位検知システム及び携帯通信端末に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の磁気センサとしては、磁
気抵抗効果素子（ＭＲ素子）、磁気インピーダンス素子
（ＭＩ素子）、フラックスゲートセンサ、半導体ホール
効果センサ等が用いられている。このうち、近年開発さ
れたＭＩセンサによれば、ＭＩ素子という磁気抵抗素子
を用いることで薄膜化・小型化が容易なため、近年その
改良も盛んである。また、ＭＲ素子の場合もこのＭＲ素
子に高周波電流を流した場合のその高周波インピーダン
スの磁界による変化をもって磁界強度を検知することが
できる。

【０００３】このような磁気センサに対して、最近で
は、磁性薄膜層が絶縁層を介して複数層形成され、伝導
に関わる電子がスピンを維持しながら絶縁層をトンネル
現象によって伝導されることから、この際の磁化の状態
によってトンネル透過係数が異なることを利用して磁界
検知を行なう原理のトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭ
Ｒ素子）が提案されている。強磁性体トンネル効果は非
常に高い磁場感度を有するため、超高密度磁気記録にお
けるＨＤＤ用磁気再生ヘッドとしての利用可能性があ
る。この他、モータ用磁界測定装置、ナビゲーション用
地磁気センサ等の磁気センサや、いわゆるＭＲＡＭと称
される磁気固体メモリデバイス等への利用も可能といえ
る。

【０００４】このようなＴＭＲ素子に関しては、例えば
特開平１１−１６１９１９号公報（特許第３００４００
５号）によれば、静磁気相互作用の動作の向上が図られ
ている。

【０００５】また、ＭＲ素子一般を方位計に用いる場
合、特開平５−１５７５６６号公報等に示されるよう
に、磁界感度の鋭敏さとヒステリシスのために補助磁界
を与えて高感度化を図るようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、特開平１１
−１６１９１９号公報（特許第３００４００５号）の場
合、積層化により静磁気相互作用の動作の向上を図って
いるもので、本質的な解決法とはいえず、コスト高にも
つながる対応策である。

【０００７】また、例えば方位センサを実現する上で、
ＭＲ素子のように補助磁界を与えて高感度化を図るのも
あまり得策とはいえない。

【０００８】結局、このような従来の磁気センサ類で
は、小型・軽量・低コスト化の点及び感度的な面でまだ
十分とはいえず、改良の余地が多分にある。

【０００９】そこで、本発明は、小型・軽量で高感度な
磁気センサを提供することを目的とする。

【００１０】併せて、このような磁気センサを利用する
ことで地磁気検知等の精度を向上させることができ、ナ
ビゲーションシステム等に有効な方位検知システム又は
携帯通信端末を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明の磁
気センサは、少なくとも磁性体層と非磁性体層との積層
構造を含み、前記磁性体層のうちで一軸磁気異方性及び
磁化反転可能な保磁力を有する磁界感知用軟磁性体層が
隣接ないし近接する他層との磁気的な結合により本来の
磁気特性より特性が劣化した固着部層を含む薄膜磁気抵
抗効果素子を備え、前記磁界感知用軟磁性体層の膜厚が
前記固着部層の膜厚の２０倍以上である。

【００１２】従って、成膜表面の荒れ等によって静磁気
的な固着部層が磁界感知用軟磁性体層と非磁性体層との
界面に発生し、この固着部層の膜厚は成膜条件によって
著しく異なるものの、このような固着部層の膜厚に対し
て磁界感知用軟磁性体層の膜厚を２０倍以上とすること
により、成膜条件に依らず、本来の磁気特性より特性が
劣化した固着部層の影響を緩和して、感度等の点で良好
なる素子特性が得られる。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁
気センサにおいて、前記磁界感知用軟磁性体層の一軸磁
気異方性の方向が前記固着部層の磁化方向に対して略直
交する方向に設定されている。

【００１４】従って、固着部層の磁化方向は他の磁性体
層の磁化方向に倣うが、このような固着部層の磁化方向
に対して略直交する方向に磁界感知用軟磁性体層の一軸
磁気異方性の方向を設定することで、磁界感知用軟磁性
体層の困難軸方向の磁化状態をデバイス構成に活かすこ
とができる。また、固着部層との磁気的カップリングも
低下する。

【００１５】請求項３記載の発明は、請求項１記載の磁
気センサにおいて、前記磁界感知用軟磁性体層の一軸磁
気異方性の方向が前記固着部層の磁化方向に対して鋭角
なる角度を持つ方向に設定されている。

【００１６】従って、固着部層の磁化方向は他の磁性体
層の磁化方向に倣うが、このような固着部層の磁化方向
に対して鋭角なる角度を持つ方向に磁界感知用軟磁性体
層の一軸磁気異方性の方向を設定することで、固着部層
との磁気的カップリングを併用できるので、所望の電気
特性を得る。

【００１７】請求項４記載の発明は、請求項１ないし３
の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記磁界感知用
軟磁性体層以外の前記磁性体層が、スピンバルブ構造を
持つピン層構造とされている。

【００１８】比較的広範囲の磁界状態においても、安定
した性能をピン層が持つように設計すると、いわゆるス
ピンバルブ構造を持つピン層構造とした場合も請求項１
ないし３記載の発明の作用・効果をいわゆる保磁力差型
センサに比べて維持できる。

【００１９】請求項５記載の発明は、請求項１ないし４
の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記磁界感知用
軟磁性体層は、保磁力が地磁気の強度の２／３以下に設
定されている。

【００２０】従って、磁界感知用軟磁性体層の保磁力特
性としてヒステリシス特性を持たせることにより、４値
以上の磁気センサとなるが、マージンを含めてその保磁
力が地磁気の強度の２／３以下で十分に機能させること
ができる。

【００２１】請求項６記載の発明は、請求項１ないし５
の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記磁界感知用
軟磁性体層は、異方性磁界強度が地磁気の強度以下に設
定されている。

【００２２】従って、磁界感知用軟磁性体層の困難軸方
向の磁化特性に関して、異方性磁界強度が地磁気の強度
以下となるように設定することで、軟磁性体の飽和磁束
密度まで使えることになるので、Ｓ／Ｎを向上させ、セ
ンサ特性をより一層安定させることができる。

【００２３】請求項７記載の発明は、請求項１ないし６
の何れか一記載の磁気センサにおいて、保磁力が前記磁
界感知用軟磁性体層の保磁力よりも低く、膜厚が前記磁
界感知用軟磁性体層の膜厚よりも厚い磁性体層により前
記磁界感知用軟磁性体層上に形成された引出電極を備え
る。

【００２４】従って、磁界感知用軟磁性体層の保磁力よ
りも保磁力の低い磁性体層を引出電極とすることで、セ
ンサ部への磁束集中効果が期待でき、より一層感度を向
上させることができる。

【００２５】請求項８記載の発明は、請求項１ないし７
の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記薄膜磁気抵
抗効果素子は、磁性体層、非磁性体絶縁層及び磁性体層
の積層構造を含むトンネル型磁気抵抗効果素子であっ
て、モノリシックに薄膜形成されている。

【００２６】従って、請求項１ないし７の何れか一記載
の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子
がトンネル型磁気抵抗効果素子として薄膜作製基板上に
モノリシックに作製されるので、高精度な磁気センサと
することができる。また、製品間のばらつきが抑えら
れ、低コストに製造でき、さらには、並列型センサの実
現も容易である。

【００２７】請求項９記載の発明は、請求項８記載の磁
気センサにおいて、チップ構成された複数個の前記トン
ネル型磁気抵抗効果素子がチップ搭載基板上にチップ方
向を異ならせて実装されている。

【００２８】従って、請求項８記載の磁気センサを実現
する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵
抗効果素子としてチップ構成されてチップ搭載基板上に
実装されて作製されるので、一括して熱処理工程を行な
うことが可能で、その分、製造が容易となり、薄膜磁気
抵抗効果素子モジュール作製の歩留まりが高く、低コス
トな磁気センサとすることができる。

【００２９】請求項１０記載の発明は、請求項８記載の
磁気センサにおいて、チップ外形形状に対して異なる方
向の磁気異方性を持たせてチップ構成された複数個のト
ンネル型磁気抵抗効果素子が、チップ搭載基板上にチッ
プ外形形状を揃えて実装されている。

【００３０】従って、請求項８記載の磁気センサを実現
する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵
抗効果素子としてチップ構成されてチップ搭載基板上に
実装されて作製されるので、薄膜磁気抵抗効果素子作製
の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることが
でき、さらには、チップ外形形状に対して磁気異方性の
方向を異ならせてチップ外形形状を揃えて実装させてい
るので、汎用実装機を用いることもでき、より一層の低
コスト化を図ることができる。また、チップの実装面に
対して垂直異方性を採る構成も可能であり、これによ
り、３軸ベクトル検知も容易に実現できる。

【００３１】請求項１１記載の発明は、請求項９又は１
０記載の磁気センサにおいて、隣接する前記各薄膜磁気
抵抗効果素子間の出力の差動をとる差動演算手段を有
し、これらの差動演算手段の差動演算結果に基づき対象
となる磁気を検知するようにした。

【００３２】従って、隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子
間の出力の差動をとり、その差動演算結果に基づき対象
となる磁気を検知することで、特に近傍からの磁界ノイ
ズをキャンセルでき、よって、ノイズによる誤検知動作
を防止できる。また、携帯電話等へ搭載する上で、他の
部品から発生する磁界に対して耐性を持つことになる。

【００３３】請求項１２記載の発明の方位検知システム
は、地磁気を検知対象とする請求項１ないし１１の何れ
か一記載の磁気センサと、この磁気センサの検知出力に
基づき磁気ベクトルを検知する検知手段と、前記磁気セ
ンサの検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに
基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知
手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合
にはその旨を報知する報知手段と、を備える。

【００３４】従って、地磁気を検知対象とする方位検知
システムに適用した場合、基本的には、高感度な請求項
１ないし１１の何れか一記載の磁気センサの検知出力に
基づき検知される磁気ベクトルが利用されるが、この
際、磁気センサの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気
強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知
結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知さ
れた場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結
果の利用を未然に防止できる。さらには、磁気センサに
よる検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該シ
ステムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや
携帯電話等の携帯通信端末のようなビジネス形態に利用
することも可能である。

【００３５】請求項１３記載の発明の方位検知システム
は、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置されて地磁
気を検知対象とする請求項１ないし１１の何れか一記載
の複数の磁気センサと、これらの磁気センサの検知出力
に基づき３軸以上のベクトルを検知する検知手段と、を
備える。

【００３６】従って、３軸ベクトル以上の方向に独立し
て配置された高感度な請求項１ないし１１の何れか一記
載の磁気センサの検知出力に基づき検知される３軸以上
のベクトルを利用することで、地磁気を検知対象とする
方位検知システムに適用することができる。特に、加速
度センサ等を併用することなく、当該センサのみで使用
中の運動を検知することができる。

【００３７】請求項１４記載の発明の携帯通信端末は、
表示部を備える携帯通信端末であって、地磁気を検知対
象として前記表示部の裏面側に埋め込まれた請求項１な
いし１１の何れか一記載の磁気センサを備える。

【００３８】従って、携帯電話等の実装面積が限られた
携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気センサを備え
るＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の低減が見
込まれる。特に、表示部の裏面側に埋め込み実装してい
るので、折り畳みタイプの端末の場合であっても、表示
面に近接又は一体化され、検知誤差が少なくなる。ま
た、当該磁気センサは受動的な部品であるので、他に電
気・磁気的なノイズは発生せず、表示部のように外来ノ
イズに敏感な箇所にも適合可能となる。

【００３９】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態を図１
に基づいて説明する。図１は本実施の形態の磁気センサ
１の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその
概略断面図である。

【００４０】本実施の形態の磁気センサ１は、ＴＭＲ素
子（トンネル型磁気抵抗効果素子）２を磁気検知用の薄
膜磁気抵抗効果素子に用いたもので、基本的には、石
英、ガラス等の絶縁性の基板３上に積層させた中程度の
保磁力を持つ磁性体層４、絶縁性を有する非磁性体層
５、磁性体層である磁界感知用軟磁性体層６の所定パタ
ーンによる積層構造として構成されている（積層順序は
逆であってもよい）。ここに、磁界感知用軟磁性体層６
は磁性体層４に対して直交するパターンで形成され、後
述するような方向の一軸磁気異方性及び磁化反転容易な
保磁力を有する層として、他層に比べて低い保磁力を持
たせてあり、フリー層とも称される。

【００４１】これらの層の具体例として、中程度の保磁
力を持つ磁性体層４は例えばＣｏ_５ _０Ｆｅ_５０，Ｃｏ
_７５Ｆｅ_２５等により形成され、非磁性体層５はＡｌ−
Ｏ，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ−Ｏ，ＳｉＯ_２，Ｓｉ−Ｏ−Ｎ，
ＺｎＯ，Ｓｉ_３Ｎ_４等により形成され、磁界感知用軟磁
性体層６はＦｅ_２０Ｎｉ_８０，Ｆｅ_２１Ｎｉ_７９等のパ
ーマロイ、Ｍｏ−パーマロイ、Ｃｕ−Ｍｏパーマロイ、
センダスト、ＣｏＺｒＮｂアモルファス等により形成さ
れている。

【００４２】本実施の形態で利用するＴＭＲ素子２は、
基本的には、近年において見出された現象、即ち、強磁
性体と絶縁膜と強磁性体との接合構造により形成され
て、両強磁性体の磁化の相対角度に依存してトンネル効
果が現れる強磁性体トンネル効果という現象を利用した
もので、例えば、特開平１０−９１９２５号公報、特開
平１０−２５５２３１号公報中にも記載されているよう
に、Ｓ．Ｍaeksawa andＶ．Ｇafvert等は、ＩＥＥＥ
Ｔrans.Ｍagn.,ＭＡＧ−18,707(1982)において、磁性体
／絶縁体／磁性体結合で両磁性層の磁化の相対角度に依
存してトンネル効果が現れることが規定されることを理
論的、実験的に示している。

【００４３】このような基本構成において、成膜表面の
荒れ等によって磁界感知用軟磁性体層６中には非磁性体
層５との界面に静電気的な固着部層７が発生する。この
固着部層７は、隣接ないし近接する他層との磁気的な結
合により本来の磁気特性より特性が劣化した層として発
生する。

【００４４】このような構成において、固着部層７の膜
厚は１０ｎｍ以下であることが多いが、成膜条件によっ
て著しく異なる。そこで、本発明者は、固着部層７の膜
厚に対して磁界感知用軟磁性体層６の膜厚を数種類変え
たバッチを作製し、各々のバッチ（磁界感知用軟磁性体
層６／固着部層７の比）のバッチ内最小保磁力、最大保
磁力を評価する実験を行ったところ、表１に示すような
結果が得られたものである。

【００４５】

【表１】

【００４６】この実験結果によれば、磁界感知用軟磁性
体層６／固着部層７の比が２０以上、即ち、固着部層７
の膜厚に対して磁界感知用軟磁性体層６の膜厚が２０倍
以上であれば、成膜条件に依らず、バッチ内最大保磁力
が０．２Ｏｅに収まり、本来の磁気特性より特性が劣化
した固着部層７の影響が緩和され、感度等の点で良好な
る素子特性が得られたものである。

【００４７】ところで、本実施の形態の磁気センサ１の
磁化方向について説明する。まず、磁性体層４は図１中
に矢印ａで示すようにそのパターン形状長手方向に磁化
方向が設定されている。ここに、固着部層７の磁化方向
は磁性体層４の磁化方向に倣うため、固着部層７の磁化
方向も矢印ａで示す方向となる。一方、磁界感知用軟磁
性体層６の一軸磁気異方性の方向が、図１中に矢印ｂで
示すように、固着部層７の磁化方向ａに対して直交する
方向に設定されている（厳密に９０°である必要はな
く、多少の許容範囲を考慮すると、略直交でよい）。

【００４８】このような方向性の設定により、磁界感知
用軟磁性体層６の困難軸方向の磁化状態を当該磁気セン
サ１のデバイス構成に活かすことができる。また、固着
部層７との磁気的カップリングも低下する。

【００４９】なお、本実施の形態の磁気センサ１を構成
する上で、その層構成としては、中程度の保磁力を持つ
磁性体層４をいわゆるスピンバルブ構造を持つピン層構
造としてもよい。即ち、特に図示しないが、磁性体層４
部分を、低又は中程度の保磁力の磁性体層／反強磁性体
層／保護層により構成するものである。この場合も素子
全体における積層順序を逆としてもよい。また、この場
合の反強磁性体層としては、ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ，Ｐｔ
Ｍｎ等により形成され、保護層はＤＬＣ，Ｔａ，Ｔｉ，
ＳｉＯ_２，Ｓｉ_３Ｎ_４等により形成される。

【００５０】本発明の第二の実施の形態を図２に基づい
て説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分
は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の各実
施の形態でも同様とする）。

【００５１】本実施の形態の磁気センサ１は、基本的に
は、第一の実施の形態の場合と同様であるが、磁界感知
用軟磁性体層６の一軸磁気異方性の方向を、図２中に矢
印ｂで示すように、磁性体層４（固着部層７）の磁化方
向ａに対して鋭角なる角度を持つ方向に設定したもので
ある。

【００５２】このような方向性の設定により、当該磁気
センサ１のデバイス構成において固着部層７との磁気的
カップリングを併用できるので、所望の電気特性を得る
ことができる。

【００５３】本発明の第三の実施の形態を図３に基づい
て説明する。本実施の形態は、前述したような磁気セン
サ１に関して、磁界感知用軟磁性体層６のヒステリシス
特性として図３に示すような特性を持たせたものであ
る。

【００５４】このようなヒステリシス特性により、当該
磁気センサ１として４値以上の地磁気検知が可能な地磁
気センサを提供できる。ここに、図示例では、磁界感知
用軟磁性体層６の保磁力として地磁気を１（磁界相対
値）に対して１／２に設定した例を示すが、通常、地磁
気センサとして利用する上では、最低でも４方向の検知
能力が要求されるので、マージン等を含めて４方向の検
知能力を発揮し得る範囲を検討したところ、保磁力とし
て地磁気の２／３以下であれば十分機能し得ることを確
認したものである。

【００５５】本発明の第四の実施の形態を図４に基づい
て説明する。本実施の形態は、前述したような磁気セン
サ１に関して、磁界感知用軟磁性体層６の困難軸方向の
磁化特性（異方性磁界強度）として図４に示すような特
性を持たせたものである。

【００５６】このような磁化特性を持たせることによ
り、磁気センサ１としてのセンサ特性をより一層安定さ
せることができる。ここに、図示例では、異方性磁界強
度として地磁気の強度程度の場合を示しているが、マー
ジン等を含めてその適正な範囲を検討したところ、地磁
気の強度程度以下であれば、軟磁性体の飽和磁束密度ま
で使えることになるので、Ｓ／Ｎが向上し、十分センサ
特性のより一層の安定性が確認できたものである。

【００５７】本発明の第五の実施の形態を図５に基づい
て説明する。本実施の形態は、前述したような磁気セン
サ１に関して、磁界感知用軟磁性体層６の上層にこの磁
界感知用軟磁性体層６を覆うような引出電極８を設けた
ものである。この引出電極８は、その保磁力が磁界感知
用軟磁性体層６の保磁力よりも低く、かつ、その膜厚が
磁界感知用軟磁性体層６の膜厚よりも厚い磁性体層によ
り積層形成されている。

【００５８】このように、磁界感知用軟磁性体層６の保
磁力よりも保磁力の低い磁性体層を引出電極８とするこ
とで、センサ部への磁束集中効果が期待でき、センサと
してより一層感度を向上させることができる。

【００５９】本発明の第六の実施の形態を図６に基づい
て説明する。図６は本実施の形態の磁気センサ１1の原
理的構成を示す模式図である。本実施の形態の磁気セン
サ１1は、複数の薄膜磁気抵抗効果素子として、Ｓｉ熱
酸化基板等の薄膜作製基板上に並列に配置させてモノリ
シックに薄膜形成される高精度なＴＭＲ素子を利用する
ことを基本とする。より具体的には、例えば、外形形状
が長方形状にチップ構成されてその長手方向に磁気異方
性を持たせた４個のＴＭＲ素子１２ａ〜１２ｄをプリン
ト基板等のチップ搭載基板１３上に実装させることによ
り構成されている。即ち、長方形状を利用した形状効果
異方性を持たせたＴＭＲ素子１２ａ〜１２ｄが用いられ
ており、各々のチップ方向＝磁気異方性の方向Ａ〜Ｄ
（従って、ＴＭＲ素子１２ａ〜１２ｄの長手方向）が相
互に相対角度を持つように並列に配置されている。な
お、図示した磁気異方性の方向Ａ〜Ｄは、中程度の保磁
力を持つ磁性体層４（又は、相当するピン層）の磁化方
向を示している。

【００６０】このような磁気センサ１１は検知対象とな
る磁気が作用し得る環境下に置かれ、各々のＴＭＲ素子
１２ａ〜１２ｄの検知出力に基づき磁界のベクトル成分
（磁気角度或いは磁気方位）を検知するために使用され
る。ここに、磁気センサ１１に或る磁界が作用した場
合、並列に配置されている複数のＴＭＲ素子１２ａ〜１
２ｄ間の磁気異方性の方向Ａ〜Ｄがずれており、各々の
ＴＭＲ素子１２ａ〜１２ｄが呈示する抵抗値対応の検知
出力が大小異なることとなり、これらの検知出力を簡単
な演算回路により演算処理することにより、磁気方位を
特定検知することができる。即ち、複数のＴＭＲ素子１
２ａ〜１２ｄ間の磁気異方性の方向Ａ〜Ｄをずらすこと
により、磁界のベクトル成分を検知するにあたってその
角度検知分解能を向上させ、高感度化を図れるものとな
る。

【００６１】また、元々薄膜技術等を用いて作製される
ＴＭＲ素子１２ａ〜１２ｄを用いているので、磁気セン
サ１１としても小型・軽量化を図ることができる。ま
た、各薄膜磁気抵抗効果素子がＴＭＲ素子１２ａ〜１２
ｄとしてチップ構成されてチップ搭載基板１３上に実装
されることにより磁気センサ１１が作製されるので、一
括して熱処理工程を行なうことが可能で、その分、製造
が容易となり、ＴＭＲ素子モジュール作製の歩留まりが
高く、低コストな磁気センサ１１とすることができる。

【００６２】本発明の第七の実施の形態を図７に基づい
て説明する。本実施の形態も、前述したような磁気セン
サ２１のより実際的な構成例を示すものである。

【００６３】本実施の形態では、前述のＴＭＲ素子１２
ａ〜１２ｄに相当するＴＭＲ素子２２ａ〜２２ｄが、そ
のチップ外形形状（長方形状）に対して異なる方向の磁
気異方性を持たせてチップ構成されたＴＭＲ素子であっ
て、チップ搭載基板２３上にチップ外形形状を揃えて並
列配置させて実装させることにより磁気センサ２１が構
成されている。作用的には、前述した実施の形態の場合
と同様である。

【００６４】従って、前述の第六の実施の形態の効果に
加えて、本実施の形態によれば、チップ外形形状に対し
て磁気異方性の方向を異ならせてチップ外形形状を揃え
て並列配置させてＴＭＲ素子２２ａ〜２２ｄを実装させ
ているので、実装に際して汎用実装機を用いることもで
き、より一層の低コスト化を図ることができる。

【００６５】本発明の第八の実施の形態を図８に基づい
て説明する。本実施の形態は、前述したような磁気セン
サの一次的な信号処理も含めた構成例を示すものであ
る。

【００６６】本実施の形態の磁気センサ３１は、隣接す
る各薄膜磁気抵抗効果素子３２ａ，３２ｂ間、３２ｂ，
３２ｃ間、及び、３２ｃ，３２ｄ間の出力の差動をとる
差動演算手段としての差動演算器３３ａ，３３ｂ，３３
ｃを備えて構成されている。即ち、磁気異方性の方向Ａ
〜Ｄに関して各々相対角度を持たせた隣接する各薄膜磁
気抵抗効果素子３２ａ，３２ｂ間、３２ｂ，３２ｃ間、
及び、３２ｃ，３２ｄ間の出力の差動を差動演算器３３
ａ，３３ｂ，３３ｃで演算し、これらの差動演算手段の
差動演算結果を比較し、この比較結果に基づき対象とな
る磁気ベクトルを検知特定するように構成されている。

【００６７】本実施の形態のように、隣接する各薄膜磁
気抵抗効果素子３２ａ，３２ｂ間、３２ｂ，３２ｃ間、
及び、３２ｃ，３２ｄ間の出力の差動をとり、その差動
演算結果に基づき対象となる磁気ベクトルを検知特定す
ることで、ノイズをキャンセルでき、よって、磁気セン
サ３１としてノイズによる誤検知動作を防止することが
できる。また、携帯電話等へ搭載する上で、他の部品か
ら発生する磁界に対して耐性を持つことになる。

【００６８】なお、これらの実施の形態では、薄膜磁気
抵抗効果素子としてＴＭＲ素子を用いたが、磁性体層、
非磁性絶縁体層及び磁性体層で構成される膜面に垂直に
電流を流すｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素
子）の場合にも同様に適用することができる。

【００６９】本発明の第九の実施の形態を図９に基づい
て説明する。本実施の形態は、前述した各実施の形態の
ような磁気センサを利用して構成した地磁気検知の方位
検知システムへの適用例を示す。まず、例えば３つの磁
気センサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ（前述した磁気センサ
１，１１，２１，３１の何れの形態でもよい）をｘｙｚ
３軸ベクトルの方向に独立して配置させた地磁気センサ
４２が設けられている。これらの磁気センサ４１ａ，４
１ｂ，４１ｃの検知出力はデータ取り込み部４３を介し
て検知手段としての３磁気成分検知部４４に入力されて
いる。この３磁気成分検知部４４は地磁気検知に関し
て、磁気センサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃの検知出力に基
づき３軸ベクトル成分を検知する。一方、データ取り込
み部４３を介して取り込まれた磁気センサ４１ａ，４１
ｂ，４１ｃの検知出力に関してその絶対値を算出する絶
対値演算部４５と、この絶対値演算部４５により算出さ
れた絶対値の大きさを予め設定されている比較地磁気強
度に測定マージンを加味した閾値と比較する比較部４６
とによる異常検知手段４７が設けられている。比較部４
６では算出された絶対値の大きさが閾値を越えている場
合に検知結果に異常があると判断する。この比較部４６
の出力側には異常検知出力に基づき動作する報知手段と
しての警報部４８が設けられている。

【００７０】これにより、本実施の形態の方位検知シス
テムによれば、測定済みの地磁気強度に測定マージンを
加味して予め設定されている閾値を超えるような大きさ
の検知結果が得られた場合には、警報部４８を通じて測
定値に異常がある旨を報知するので、誤った検知結果の
利用を未然に防止できる。なお、より実際的には、３磁
気成分検知部４４から得られる検知結果とともに、この
警報部４８の出力も通信部４９を通じて当該システムの
使用者に通信によって通知するシステム構成とすればよ
い。これにより、ＧＰＳシステムや後述の携帯電話等の
通信システムのようなビジネス形態に利用することも可
能となる。

【００７１】なお、本実施の形態の方位検知システムで
は、３つの磁気センサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃを用いた
が、３つ以上の磁気センサを３軸ベクトル以上の方向に
独立に配置させて地磁気の方向検知を３軸以上のベクト
ル検知として行なうようにしてもよい。或いは、逆に、
１つの磁気センサのみを用いる一軸ベクトル検知を行な
う方位検知システムとして構成してもよい。

【００７２】本発明の第十の実施の形態を図１０に基づ
いて説明する。本実施の形態は、前述した各実施の形態
のような磁気センサを利用して構成したＧＰＳ対応の携
帯通信端末としての携帯電話５１への適用例を示す。図
１０は携帯電話５１の外観構成を示す概略正面図で、種
々の構成例があるが、一例としてマイク部５２、入力操
作部５３、スピーカ部５４、ＬＣＤ等による表示部５５
等を備え、ヒンジ部５６により２つ折り構造とされてい
る。

【００７３】このような基本的な構成に加え、本実施の
形態では、ＧＰＳ機能を発揮させるための地磁気の方位
検知に利用する磁気センサ５７（前述した磁気センサ
１，１１，２１，３１の何れの形態でもよい）が表示部
５５の裏面側に埋め込まれることにより搭載されてい
る。

【００７４】従って、携帯電話５１等の実装面積が限ら
れた携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気センサ５
７を備えるＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の
低減が見込まれる。特に、表示部５５の裏面側に埋め込
み実装しているので、本実施の形態のような折り畳みタ
イプの携帯電話５１の場合であっても、表示面に近接又
は一体化されるので、誤差が少なくなる。また、磁気セ
ンサ５７は受動的な部品であるので、他に電気・磁気的
なノイズは発生せず、表示部５５のように外来ノイズに
敏感な箇所にも適合可能となる。

【００７５】

【発明の効果】請求項１記載の発明の磁気センサによれ
ば、成膜表面の荒れ等によって静磁気的な固着部層が磁
界感知用軟磁性体層と非磁性体層との界面に発生し、こ
の固着部層の膜厚は成膜条件によって著しく異なるもの
の、このような固着部層の膜厚に対して磁界感知用軟磁
性体層の膜厚を２０倍以上とすることにより、成膜条件
に依らず、本来の磁気特性より特性が劣化した固着部層
の影響を緩和し、感度等の点で良好なる素子特性を得る
ことができる。

【００７６】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の磁気センサにおいて、固着部層の磁化方向は他の磁
性体層の磁化方向に倣うが、このような固着部層の磁化
方向に対して略直交する方向に磁界感知用軟磁性体層の
一軸磁気異方性の方向を設定したので、磁界感知用軟磁
性体層の困難軸方向の磁化状態をデバイス構成に活かす
ことができ、また、固着部層との磁気的カップリングも
低下させることができる。

【００７７】請求項３記載の発明によれば、請求項１記
載の磁気センサにおいて、固着部層の磁化方向は他の磁
性体層の磁化方向に倣うが、このような固着部層の磁化
方向に対して鋭角なる角度を持つ方向に磁界感知用軟磁
性体層の一軸磁気異方性の方向を設定したので、固着部
層との磁気的カップリングを併用できるので、所望の電
気特性を得ることができる。

【００７８】請求項４記載の発明によれば、請求項１な
いし３の何れか一記載の磁気センサにおいて、磁界感知
用軟磁性体層以外の磁性体層を、いわゆるスピンバルブ
構造を持つピン層構造とした場合も請求項１ないし３記
載の発明の作用・効果を維持することができる。

【００７９】請求項５記載の発明によれば、請求項１な
いし４の何れか一記載の磁気センサにおいて、磁界感知
用軟磁性体層の保磁力特性としてヒステリシス特性を持
たせることにより、４値以上の磁気センサとなるが、マ
ージンを含めてその保磁力が地磁気の強度の２／３以下
で十分に機能させることができる。

【００８０】請求項６記載の発明によれば、請求項１な
いし５の何れか一記載の磁気センサにおいて、磁界感知
用軟磁性体層の困難軸方向の磁化特性に関して、異方性
磁界強度が地磁気の強度以下となるように設定すること
で、軟磁性体の飽和磁束密度まで使えることになるの
で、Ｓ／Ｎを向上させ、センサ特性をより一層安定させ
ることができる。

【００８１】請求項７記載の発明によれば、請求項１な
いし６の何れか一記載の磁気センサにおいて、磁界感知
用軟磁性体層の保磁力よりも保磁力の低い磁性体層を引
出電極とすることで、センサ部への磁束集中効果が期待
でき、より一層感度を向上させることができる。

【００８２】請求項８記載の発明によれば、請求項１な
いし７の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、各
薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子と
して薄膜作製基板上にモノリシックに作製されるので、
高精度な磁気センサとすることができ、また、製品間の
ばらつきが抑えられ、低コストに製造でき、さらには、
並列型センサの実現することができる。

【００８３】請求項９記載の発明によれば、請求項８記
載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素
子がトンネル型磁気抵抗効果素子としてチップ構成され
てチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、一括
して熱処理工程を行なうことが可能で、その分、製造が
容易となり、薄膜磁気抵抗効果素子モジュール作製の歩
留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができ
る。

【００８４】請求項１０記載の発明によれば、請求項８
記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果
素子がトンネル型磁気抵抗効果素子としてチップ構成さ
れてチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、薄
膜磁気抵抗効果素子作製の歩留まりが高く、低コストな
磁気センサとすることができ、さらには、チップ外形形
状に対して磁気異方性の方向を異ならせてチップ外形形
状を揃えて実装させているので、汎用実装機を用いるこ
ともでき、より一層の低コスト化を図ることができる。
また、チップの実装面に対して垂直異方性を採る構成も
可能であり、これにより、３軸ベクトル検知も容易に実
現することができる。

【００８５】請求項１１記載の発明によれば、請求項９
又は１０記載の磁気センサにおいて、隣接する各薄膜磁
気抵抗効果素子間の出力の差動をとり、その差動演算結
果に基づき対象となる磁気を検知することで、特に近傍
からの磁界ノイズをキャンセルでき、よって、ノイズに
よる誤検知動作を防止することができ、また、携帯電話
等へ搭載する上で、他の部品から発生する磁界に対して
耐性を持たせることもできる。

【００８６】請求項１２記載の発明の方位検知システム
によれば、地磁気を検知対象とする方位検知システムに
適用した場合、基本的には、高感度な請求項１ないし１
１の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知
される磁気ベクトルが利用されるが、この際、磁気セン
サの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マ
ージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常が
あるか否かを判断しており、異常が検知された場合には
その旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未
然に防止することができ、さらには、磁気センサによる
検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システ
ムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯
電話等の携帯通信端末のようなビジネス形態に利用する
ことも可能である。

【００８７】請求項１３記載の発明の方位検知システム
によれば、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置され
た高感度な請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気セ
ンサの検知出力に基づき検知される３軸以上のベクトル
を利用することで、地磁気を検知対象とする方位検知シ
ステムに適用することができ、特に、加速度センサ等を
併用することなく、当該センサのみで使用中の運動を検
知することができる。

【００８８】請求項１４記載の発明の携帯通信端末によ
れば、表示部を備える携帯通信端末であって、地磁気を
検知対象として前記表示部の裏面側に埋め込まれた請求
項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサを備えるの
で、携帯電話等の実装面積が限られた携帯通信端末に関
して、方位検知用の磁気センサを備えるＧＰＳ対応の機
種の場合でもその実装面積の低減化を図ることができ、
特に、表示部の裏面側に埋め込み実装しているので、折
り畳みタイプの端末の場合であっても、表示面に近接又
は一体化されるので、検知誤差を少なくすることがで
き、また、当該磁気センサは受動的な部品であるので、
他に電気・磁気的なノイズは発生せず、表示部のように
外来ノイズに敏感な箇所にも適合させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態の磁気センサを示
し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図であ
る。

【図２】本発明の第二の実施の形態の磁気センサを示
し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図であ
る。

【図３】本発明の第三の実施の形態の磁気センサの保磁
力の特性図である。

【図４】本発明の第四の実施の形態の磁気センサの異方
性磁界強度の特性図である。

【図５】本発明の第五の実施の形態の磁気センサを示
し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図であ
る。

【図６】本発明の第六の実施の形態の磁気センサの原理
的構成を示す模式図である。

【図７】本発明の第七の実施の形態の磁気センサの原理
的構成を示す模式図である。

【図８】本発明の第八の実施の形態の磁気センサの原理
的構成を示す模式図である。

【図９】本発明の第九の実施の形態の方位検知システム
の構成例を示す模式図である。

【図１０】本発明の第十の実施の形態の携帯電話の構成
例を示す概略正面図である。

【符号の説明】

１磁気センサ２薄膜磁気抵抗効果素子、ＴＭＲ素子４磁性体層５非磁性体層６磁界感知用軟磁性体層７固着部層８引出電極１１磁気センサ１２薄膜磁気抵抗効果素子、ＴＭＲ素子２１磁気センサ２２薄膜磁気抵抗効果素子、ＴＭＲ素子２３チップ搭載基板３１磁気センサ３２薄膜磁気抵抗効果素子３３差動演算手段４１磁気センサ４２薄膜磁気抵抗効果素子４３薄膜作製基板４４検知手段４７異常検知手段４８報知手段５５表示部５７磁気センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも磁性体層と非磁性体層との積
層構造を含み、前記磁性体層のうちで一軸磁気異方性及
び磁化反転可能な保磁力を有する磁界感知用軟磁性体層
が隣接ないし近接する他層との磁気的な結合により本来
の磁気特性より特性が劣化した固着部層を含む薄膜磁気
抵抗効果素子を備え、前記磁界感知用軟磁性体層の膜厚が前記固着部層の膜厚
の２０倍以上である磁気センサ。
【請求項２】前記磁界感知用軟磁性体層の一軸磁気異
方性の方向が前記固着部層の磁化方向に対して略直交す
る方向に設定されている請求項１記載の磁気センサ。
【請求項３】前記磁界感知用軟磁性体層の一軸磁気異
方性の方向が前記固着部層の磁化方向に対して鋭角なる
角度を持つ方向に設定されている請求項１記載の磁気セ
ンサ。
【請求項４】前記磁界感知用軟磁性体層以外の前記磁
性体層が、スピンバルブ構造を持つピン層構造とされて
いる請求項１ないし３の何れか一記載の磁気センサ。
【請求項５】前記磁界感知用軟磁性体層は、保磁力が
地磁気の強度の２／３以下に設定されている請求項１な
いし４の何れか一記載の磁気センサ。
【請求項６】前記磁界感知用軟磁性体層は、異方性磁
界強度が地磁気の強度以下に設定されている請求項１な
いし５の何れか一記載の磁気センサ。
【請求項７】保磁力が前記磁界感知用軟磁性体層の保
磁力よりも低く、膜厚が前記磁界感知用軟磁性体層の膜
厚よりも厚い磁性体層により前記磁界感知用軟磁性体層
上に形成された引出電極を備える請求項１ないし６の何
れか一記載の磁気センサ。
【請求項８】前記薄膜磁気抵抗効果素子は、磁性体
層、非磁性体絶縁層及び磁性体層の積層構造を含むトン
ネル型磁気抵抗効果素子であって、モノリシックに薄膜
形成されている請求項１ないし７の何れか一記載の磁気
センサ。
【請求項９】チップ構成された複数個の前記トンネル
型磁気抵抗効果素子がチップ搭載基板上にチップ方向を
異ならせて実装されている請求項８記載の磁気センサ。
【請求項１０】チップ外形形状に対して異なる方向の
磁気異方性を持たせてチップ構成された複数個のトンネ
ル型磁気抵抗効果素子が、チップ搭載基板上にチップ外
形形状を揃えて実装されている請求項８記載の磁気セン
サ。
【請求項１１】隣接する前記各薄膜磁気抵抗効果素子
間の出力の差動をとる差動演算手段を有し、これらの差
動演算手段の差動演算結果に基づき対象となる磁気を検
知するようにした請求項９又は１０記載の磁気センサ。
【請求項１２】地磁気を検知対象とする請求項１ない
し１１の何れか一記載の磁気センサと、この磁気センサの検知出力に基づき磁気ベクトルを検知
する検知手段と、前記磁気センサの検知出力の絶対値と予め設定されてい
る閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断す
る異常検知手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合にはその
旨を報知する報知手段と、を備える方位検知システム。
【請求項１３】３軸ベクトル以上の方向に独立して配
置されて地磁気を検知対象とする請求項１ないし１１の
何れか一記載の複数の磁気センサと、これらの磁気セン
サの検知出力に基づき３軸以上のベクトルを検知する検
知手段と、を備える方位検知システム。
【請求項１４】表示部を備える携帯通信端末であっ
て、地磁気を検知対象として前記表示部の裏面側に埋め
込まれた請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気セン
サを備える携帯通信端末。