JP2015118067A - 磁気検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 配置スペースを効果的に使用でき、しかも磁気センサの配置誤差などに起因する出力ノイズを最少限に制限できる磁気検知装置を提供する。【解決手段】 磁気検知装置１は、４つの検知ブロック１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄを有している。それぞれの検知ブロックには正方形の磁界誘導層１１が設けられ、磁界誘導層１１の端面の辺に沿って磁気センサＲ１１，Ｒ１２，・・・が配置されている。Ｚ方向の外部磁界が磁界誘導層１１に案内され、磁気センサＲ１１，Ｒ１２，・・・によってＸ成分またはＹ成分として検知される。また、Ｘ方向とＹ方向の外乱磁界は検知出力として現れない。【選択図】図１

Description

本発明は、ＧＭＲ素子などの磁気センサを使用して、その感度軸と直交する向きの磁界成分を検知する磁気検知装置に関する。

特許文献１に、軟磁性材料で形成されて磁界誘導層として機能する磁性体が設けられた磁気検知装置が開示されている。

この磁気検知装置は、基板がＸ−Ｙ平面と平行な表面を有し、この表面に複数の磁気センサが配置され、複数の磁気センサでブリッジ回路が構成されている。前記磁気センサは長尺形状であり、複数の磁気センサが、互いに平行にＹ方向へ延びている。そして、それぞれの磁気センサの感度軸は、Ｘ方向へ向けられている。

前記磁性体によって、Ｚ方向の外部磁界が誘導され、誘導された外部磁界が、それぞれの磁気センサに対してＸ方向成分として与えられる。そのため磁性体は、Ｚ方向への高さ寸法が大きく、且つＹ方向へ細長く形成され、それぞれの磁性体とそれぞれの磁気センサとが平行に対向している。

国際公開 ＷＯ ２０１０／０６８１４６ Ａ１

特許文献１に記載されている従来の磁気検知装置は、磁気センサと磁性体とが共にＹ方向に長く形成されているため、小型に構成するのが難しく、例えばほぼ正方形の領域内などの限られたスペースに配置することが困難である。

特許文献１に記載されている磁気検知装置は、全ての磁気センサの感度軸がＸ方向に向けられているが、感度軸に対して外部磁界が逆向きに作用する磁気センサを直列に接続してブリッジ回路を構成することで、Ｘ方向の外部磁界に対して検知出力が発生しないように考慮されている。しかし、個々の磁気センサと磁性体との対向状態にばらつきが生じるのを避けることができず、また個々の磁気センサの特性にもばらつきがあるため、この種の磁界検知装置では、Ｘ方向の外乱による検知出力がノイズとして重畳するのを完全に防止するのが困難である。

また、特許文献１に記載の磁気検知装置では、磁界を誘導するための磁性体が細長い形状であるため、強い磁場に晒されると軟磁性材料の磁性体に残留磁化（いわゆる帯磁）が残りやすくなる。この残留磁場により磁気センサの検知出力にオフセットが発生し、地磁気などを検知したときの検知出力にノイズとして重畳しやすくなる。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、全体を小型に構成しやすくなり、しかも、本来検知すべきではない外乱磁界が作用したときの影響を低減できる磁気検知装置を提供することを目的としている。

本発明は、磁界を誘導する磁界誘導層と、前記磁界誘導層で誘導された磁界を検知する複数の磁気センサとが設けられた磁気検知装置において、
前記磁界誘導層は、基準平面と平行な端面を有し、それぞれの前記磁気センサは、基準平面と平行な向きの感度軸を有し、
対を成す前記磁気センサは、前記端面の中心を挟んで対向し、２つの磁気センサの感度軸が、対向方向と平行で且つ互いに逆向きに設定されており、
対を成す前記磁気センサが複数組設けられて、いずれかの対を成す前記磁気センサの対向方向と、他の対を成す前記磁気センサの対向方向とが、互いに直交していることを特徴とするものである。

本発明の磁気検知装置は、少なくとも４個の磁気センサを有しており、基準平面と垂直な向きの外部磁界が磁界誘導層で誘導されて、基準平面と平行な磁界成分としてそれぞれの磁気センサで検知される。少なくとも４個の磁気センサが、互いの直交する方向で対向しているため、正方形などの狭い領域内に配置できるようになる。

本発明は、１つの前記磁界誘導層に対応して設けられた複数の前記磁気センサは、全て感度軸が前記磁界誘導層の内部に向けられ、または前記磁界誘導層の外側へ向けられているものとして構成できる。

本発明は、１つの前記磁界誘導層に対応して設けられた複数の前記磁気センサは、全て直列に接続されていることが好ましい。

この構成では、対を成す磁気センサのそれぞれと磁界誘導層との対向距離の誤差や、対を成す磁気センサの特性のばらつきなどにより、対を成す磁気センサの対向方向での外乱磁場を検知してしまうことがある。この場合であっても、この磁気センサとは感度軸が直交している磁気センサが直列に接続されているため、前記外乱磁場による出力変動をほぼ１／２に抑制することが可能になる。

本発明は、１つの前記磁界誘導層と、これに対応して設けられた複数の前記磁気センサで１つの検知ブロックが構成され、それぞれの検知ブロックでは、複数の前記磁気センサが全て直列に接続されており、
複数の前記磁気センサの感度軸が全て前記磁界誘導層の内部に向けられている検知ブロックと、複数の前記磁気センサの感度軸が全て前記磁界誘導層の外側へ向けられている検知ブロックとが直列に接続され、直列に接続された検知ブロックに電圧が与えられるとともに、直列に接続された２つの検知ブロックの中点から検知出力が得られるものとして構成される。

さらには、直列に接続された検知ブロックが２列並列に接続されてフルブリッジ回路が構成されている。

本発明は、前記磁界誘導層の前記端面は四角形であり、それぞれの前記磁気センサが四角形のそれぞれの辺に沿って配置されていることが好ましい。

さらに、それぞれの前記磁気センサは、前記辺の長さの中心部に配置されていることが好ましい。

本発明の磁気検知装置は、前記磁界誘導層は、中心部に穴を有し、前記端面は前記穴の縁部である内辺と、外側の縁部である外辺を有し、前記磁気センサは、前記内辺と前記外辺の双方に沿って配置されており、
内辺に沿って配置された前記磁気センサと、外辺に沿って配置された前記磁気センサとで、感度軸の向きが逆であるものであってもよい。

本発明の磁気検知装置は、複数の磁気センサが直交方向に対向する構造であるため、基準平面に沿う各方向での寸法の差を小さくでき、狭いスペース内に配置しやすくなる。

また、交差方向に配置された複数の磁気センサを直列に接続することにより、外乱磁場に対する出力変動を抑制することが可能である。

さらに、磁界誘導層を細長く形成する必要がないため、強い磁場に晒されたときに、いわゆる帯磁と称される残留磁場が磁界誘導層に残りにくくなり、帯磁による検知出力のオフセットを抑制できる。

本発明の第１の実施の形態の磁気検知装置の全体構造を示す平面図、 （Ａ）は図１に示す磁気検知装置を構成する検知ブロックの構造を示す平面図、（Ｂ）は前記（Ａ）をＢ−Ｂ線で切断した断面図、 （Ａ）（Ｂ）は、磁気センサの平面形状を実施の形態別に示す平面図、 磁気センサの縦断面図、 図１に示す磁気検知装置の等価回路図、 （Ａ）は本発明の第２の実施の形態の磁気検知装置を示す平面図、（Ｂ）はその等価回路図、 本発明の第３の実施の形態の磁気検知装置を示す平面図、 （Ａ）は本発明の第４の実施の形態の磁気検知装置を示す平面図、（Ｂ）はその等価回路図、 本発明の第５の実施の形態の磁気検知装置を示す平面図、

図１に示す磁気検知装置１は、外部磁界のうちの図の紙面に直交するＺ方向の成分を検知するためのものである。この磁気検知装置１は、外部磁界のうちの紙面と平行なＸ方向の成分を検知する他の磁気検知装置ならびにＹ方向の成分を検知する他の磁気検知装置と組み合わされて、直交する３方向の外部磁界を検知できるものとして構成することが可能である。この磁気検知装置は地磁気センサなどとして使用される。

磁気検知装置１は、Ｘ−Ｙ平面と平行な基準面を有しており、この基準面は図２（Ｂ）に示す支持基板２の表面２ａに一致している。

磁気検知装置１には、第１の検知ブロック１０Ａと第２の検知ブロック１０Ｂならびに第３の検知ブロック１０Ｃと第４の検知ブロック１０Ｄとが設けられており、４個の検知ブロック１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄは基準面と平行な面に並べられて配置されている。

第１の検知ブロック１０Ａは、磁界誘導層１１と４個の磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４を有している。図２（Ｂ）に示すように、磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４は、支持基板２の表面２ａに固定されている。磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４は、絶縁層３で覆われており、絶縁層３の上に磁界誘導層１１が設置されている。

第１の検知ブロック１０Ａに設けられた磁気センサＲ１１とＲ１３は、長手方向がＹ方向に向けられており、磁気センサＲ１２とＲ１４は長手方向がＸ方向に向けられている。磁気センサＲ１１とＲ１３は長手方向が互いに平行に向けられ、磁気センサＲ１２とＲ１４は長手方向が互いに平行に向けられている。磁気センサＲ１１，Ｒ１３の長手方向と磁気センサＲ１２，Ｒ１４の長手方向は互いに直交している。

図３には、磁気センサＲ１２，Ｒ１４の平面形状が実施の形態別に示されている。磁気センサＲ１１，Ｒ１３は、磁気センサＲ１２，Ｒ１４とは長手方向の向きが相違しているだけであり、その構造は実質的に同じである。

図３（Ａ）に示す磁気センサＲ１２，Ｒ１４は、素子部２０が１本設けられ、その長手方向がＸ方向に向けられている。素子部２０のＸ方向に向く両端部に電極層１３ａ，１３ａが設けられている。図３（Ｂ）に示す磁気センサＲ１２、Ｒ１４は、複数の素子部２０を有している。それぞれの素子部２０は長手方向がＸ方向へ向けられて互いに平行に配置されている。Ｘ方向の両側には連結導電層１３ｂが設けられ、Ｘ方向の両端部において素子部２０の端部が互い違いに導通させられて、複数の素子部２０によっていわゆるミアンダパターンが形成されている。そして、Ｙ方向の両端部に位置する素子部２０の互いに逆向きの端部に電極層１３ｃ，１３ｃが形成されている。

電極層１３ａ，１３ｃならびに連結導通層１３ｂは、金や銀または銅などの低抵抗材料で形成されている。

図４には、図３（Ａ）（Ｂ）に示された素子部２０をＸ−Ｚ面と平行な切断面で切断した断面図が示されている。

図４に示すように、支持基板２の表面２ａに金属が多層に積層された積層構造を有する素子部２０が形成されている。素子部２０を構成する金属層はスパッタ工程やＣＶＤ工程で成膜されている。

素子部２０は、巨大磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子層（ＧＭＲ層）である。支持基板２の表面２ａに絶縁下地層４が形成され、その上に、素子部２０が積層されている。素子層２０では、絶縁下地層４の表面にシード層２１が形成され、その上に固定磁性層２２と非磁性層２３とフリー磁性層２４が順に積層され、フリー磁性層２４が保護層２５で覆われている。シード層２１はＮｉＦｅＣｒ（ニッケル−鉄−クロム合金）などで形成され、固定磁性層２２はシード層２１の表面に直接固定されて形成されている。

固定磁性層２２は、第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂ、ならびに第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂとの間に位置する非磁性中間層２２ｃを有する積層フェリ構造である。第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂは、ＣｏＦｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性中間層２２ｃはＲｕ（ルテニウム）などである。

積層フェリ構造の固定磁性層２２は、第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂの磁化が反平行に固定されたいわゆるセルフピン構造である。セルフピン構造は、固定磁性層２２の磁化を固定するために反強磁性層を用いていない。反強磁性層を用いるものでは、反強磁性層と固定磁性層とを積層し、磁場中で熱処理することで、固定磁性層の磁化を固定するが、積層フェリ構造の固定磁性層２２では、磁場中で熱処理を行うことなく、量子力学的には第１の固定層２２ａと第２の固定層２２ｂの反強磁性結合（いわゆるＲＫＫＹ相互作用）により、磁化の向きが固定されている。

図４に示す非磁性層２３はＣｕ（銅）などの非磁性材料で形成されている。フリー磁性層２４は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。フリー磁性層２４は、縦方向（Ｙ方向）の長さ寸法が横方向（Ｘ方向）の幅寸法よりも十分に大きく、その形状異方性によって、磁化がＸ方向へ向けて揃えられている。したがって、フリー磁性層２４の磁化を縦方向へ揃えるための縦バイアス付与構造を備えていない。固定磁性層２２が積層フェリ構造であり、磁場中の熱処理が不要であると、フリー磁性層２４の磁気異方性を保持しやすくなっている。フリー磁性層２４を覆う保護層２５はＴａ（タンタル）などで形成されている。

磁気抵抗効果に寄与する固定磁性層２２の磁化の固定方向は、第２の固定層２２ｂの磁化方向である。素子部２０では、固定磁性層２２の固定磁化Ｐの方向が幅方向に向けられている。磁気センサは、前記固定磁化Ｐの方向が感度軸である。フリー磁性層２４の磁化は、これに与えられる外部磁界の方向に向けられ、素子部２０は、固定磁性層２２の固定磁化の向きとフリー磁性層２４の磁化の向きとの相対的な角度差に応じて電気抵抗が変化する。素子部２０は、これに作用する外部磁界のうち、固定磁化Ｐの方向に沿う磁界成分が大きくなるにしたがって電気抵抗が小さくなり、固定磁化Ｐの方向と逆向きの磁界成分が大きくなるにしたがって磁気抵抗が大きくなる。また、固定磁化Ｐと直交する向きの磁界成分によっては電気抵抗が変化しない。

図２（Ａ）（Ｂ）に示す磁界誘導層１１は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル−鉄合金）や、ＦｅＣｏＮｉ合金（鉄−コバルト−ニッケル合金）などの透磁率の高い軟磁性材料で形成されている。磁界誘導層１１は、絶縁層３の表面においてメッキ工程で成形される。

図２（Ａ）（Ｂ）に示す磁界誘導層１１は六面体形状であり、その下向きの端面１２は、基準平面である支持基板２の表面２ａと平行に対向している。端面１２の形状は四角形であり、図２の実施の形態に示すように、好ましくは正方形である。

次に、第１の検知ブロック１０Ａにおける磁界誘導層１１と４個の磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４との位置関係を説明する。

図２（Ａ）には、磁界誘導層１１の平面形状の中心（図心）Ｏが示されている。この中心Ｏは正方形の端面１２の図心でもある。磁界誘導層１１の端面１２は第１の外辺１２ａと第２の外辺１２ｂと第３の外辺１２ｃならびに第４の外辺１２ｄを有している。

第１の検知ブロック１０Ａでは、磁気センサＲ１１と磁気センサＲ１３が第１の対を形成している。磁気センサＲ１１，Ｒ１３は中心Ｏを挟んで位置し、それぞれ中心Ｏから等距離に配置されている。また、磁気センサＲ１１の長手方向（Ｙ方向）の中心と、磁気センサＲ１３の長手方向（Ｙ方向）の中心とを結ぶ対向線Ｌ１は、中心Ｏを通過している。

磁気センサＲ１２と磁気センサＲ１４によって第２の対が形成されている。磁気センサＲ１２，Ｒ１４は、中心Ｏを挟んで位置し、それぞれ中心Ｏから等距離に配置されている。また、磁気センサＲ１２の長手方向（Ｘ方向）の中心と、磁気センサＲ１４の長手方向（Ｘ方向）の中心とを結ぶ対向線Ｌ２は、中心Ｏを通過している。

第１の対を成す磁気センサＲ１１，Ｒ１３の対向方向と、第２の対を成す磁気センサＲ１２，Ｒ１４の対向方向は直交し、対向線Ｌ１と対向線Ｌ２とが中心Ｏにおいて直交している。

磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４を構成する素子部２０は、固定磁性層２２の固定磁化Ｐすなわち感度軸の方向が素子の幅方向に向けられている。図２（Ａ）に示すように、磁気センサＲ１１の固定磁化Ｐ１１と磁気センサＲ１３の固定磁化Ｐ１３は対向方向であるＸ方向に向けられて、固定磁化Ｐ１１と固定磁化Ｐ１３は互いに逆向きである。磁気センサＲ１２の固定磁化Ｐ１２と磁気センサＲ１４の固定磁化Ｐ１４は対向方向であるＹ方向に向けられて、固定磁化Ｐ１２と固定磁化Ｐ１４は互いに逆向きである。すなわち、全ての磁気センサＲ１１，１２，１３，１４の感度軸の方向である固定磁化の方向が、磁界誘導層１１の中心Ｏに向けられている。

図１に示すように、第１の検知ブロック１０Ａでは、磁気センサＲ１１と磁気センサＲ１２とが配線３１ａによって接続され、磁気センサＲ１２と磁気センサＲ１３とが配線３１ｂによって接続され、磁気センサＲ１３と磁気センサ１４とが配線３１ｃによって接続され、磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４が直列に接続されている。なお、配線３１ａ，３１ｂ，３１ｃならびに以下において説明する他の配線層は、支持基板２の表面２ａに形成された導電パターンによって形成されている。

ここで、図２に示されている第１の検知ブロック１０Ａによる磁界検知動作を説明する。

磁気センサＲ１１と磁気センサＲ１３は、中心Ｏを挟んでＸ方向で対向しているため、図２（Ｂ）に矢印で示すように、外部磁界のうちのＺ方向で下向きの成分Ｈｐは、磁界誘導層１１に案内され、下端の端面１２から漏れ出て、そのＸ方向の成分Ｈｖが磁気センサＲ１１とＲ１３に与えられる。逆に、外部磁界のうちのＺ方向で上向きの成分は端面１２から磁界誘導層１１の内部に誘導されるため、このとき磁気センサＲ１１とＲ１２にＸ方向の磁界成分が与えられる。

磁気センサＲ１２と磁気センサＲ１４は、中心Ｏを挟んでＹ方向で対向しているため、外部磁界のうちのＺ方向の上向きの成分または下向きの成分が磁界誘導層１１で誘導されるときに、磁気センサＲ１２と磁気センサＲ１４に対してＹ方向の磁界成分が与えられる。

磁気センサＲ１１とＲ１３は、中心Ｏを挟んでＸ方向で対向することで、磁界誘導層１１で誘導される外部磁界をＸ方向の成分として検知でき、磁気センサＲ１２，Ｒ１４は、中心Ｏを挟んでＹ方向で対向することで、磁界誘導層１１で誘導される外部磁界をＹ方向の成分として検知できる。磁界誘導層１１で誘導される外部磁界のうち、Ｘ方向の成分を磁気センサＲ１１，Ｒ１３に効率良く与え、Ｙ方向の成分を磁気センサＲ１２，Ｒ１４に効率良く与えるためには、磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４が、端面１２の外辺１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに接近した位置で、磁界誘導層１１の端面１２に対向していることが好ましい。

さらに、磁界誘導層１１で誘導された磁界成分が磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４によってバランス良く検知されるためには、磁気センサＲ１１が外辺１２ａのＸ方向の中央部に対向することが好ましい。同様に、磁気センサＲ１２，Ｒ１３，Ｒ１４が、外辺１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの中央部に対向することが好ましい。

図２（Ａ）に示すように、４個の磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４の固定磁化Ｐ１２，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１３の向きは、全て中心Ｏに向けられている。そのため、磁界誘導層１１で誘導された外部磁界のＸ方向成分とＹ方向成分は、全ての磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４の固定磁化Ｐ１２，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１３の向きに対して同じように作用する。すなわち、Ｚ方向の下向きに誘導される磁界は、固定磁化Ｐ１２，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１３と逆向きの磁界として与えられ、Ｚ方向の上向きに誘導される磁界は、固定磁化Ｐ１２，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１３と平行な向きの磁界として与えられる。

そのため、磁界誘導層１１で誘導されるＺ方向の磁界成分に対しては、全ての磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４の電気抵抗が同じ変化を示す。また、全ての磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４が直列に接続されているため、合成抵抗Ｒ１は、個々の磁気センサの抵抗変化の４倍となる。

図２（Ａ）に示すように、Ｘ方向で対向する磁気センサＲ１１の固定磁化Ｐ１１と磁気センサＲ１３の固定磁化Ｐ１３は、互いに逆向きである。したがって、磁気検知装置１に作用する外部磁界のうちの磁界誘導層１１で誘導されていないＸ方向の外乱成分に関しては、磁気センサＲ１１と磁気センサＲ１３の一方の抵抗値が増加すると他方の抵抗値が低下する関係となる。磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４が直列に接続されているため、その合成抵抗Ｒ１では、Ｘ方向の外乱成分による抵抗値の変化が相殺される。同様にＹ方向の外乱成分が作用したときも、磁気センサＲ１２と磁気センサＲ１４の抵抗値が互いに逆に変化するため、合成抵抗Ｒ１では相殺される。

ここで、磁気センサＲ１１と磁気センサＲ１３に着目すると、磁気センサＲ１１と磁界誘導層１１との相対位置と、磁気センサＲ１３と磁界誘導層１１との相対位置との間には、誤差（公差）が発生するのを避けることができない。さらに磁気センサＲ１１と磁気センサＲ１３とで特性を完全に一致させることは難しい。そのため、外部磁界のうちのＸ方向の外乱成分が作用したときに、磁気センサＲ１１の抵抗変化と磁気センサＲ１３抵抗変化の絶対位置どうしが一致しなくなり、Ｘ方向の外乱成分による抵抗変化が検知出力として現れるようになり、これが本来検知すべきＺ方向の磁界に対する検知出力に対してノイズ成分として重畳する。

一方で、Ｘ方向の外乱磁界が作用したときに、磁気センサＲ１２と磁気センサＲ１４の抵抗は変化しないため、４個の磁気センサＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４が直列に接続されていると、その合成抵抗Ｒ１を基準としたときに、Ｘ方向の外乱磁界による磁気センサＲ１１，Ｒ１３の抵抗値の変化による影響を１／２に低減させることができる。これは、磁気センサＲ１２，Ｒ１４にＹ方向の外乱磁界が作用したときも同じである。

このように、Ｘ方向に対向して対を成す磁気センサＲ１１，Ｒ１３と、Ｙ方向に対向して対を成す磁気センサＲ１２，Ｒ１４とを直列に接続することにより、磁界誘導層１１で誘導されるＺ方向の磁界に対する感度をそれぞれの磁気センサの感度の４倍にでき、また、本来検出すべきではないＸ方向の外乱成分とＹ方向の外乱成分に対する出力感度の影響を、合成抵抗Ｒ１において１／２の影響に留めることが可能になる。

なお、磁界誘導層１１には、地磁気などのような検知しようとする外部磁界とは異なる強い磁場が与えられることがある。例えば、磁気検知装置１に磁石や強い磁力を持つ機器などが不用意に接近すると磁界誘導層１１に本来検知すべきではない磁界が与えられる。しかし、磁界誘導層１１は四角形で好ましくは正方形であるため、従来の細長い磁性体のような帯磁となる大きな残留磁化が残りにくくなっている。仮に、磁界誘導層１１にわずかでも残留磁化があると、その磁化が磁気センサに外乱磁界として作用することになる。しかし、前記検知ブロック１０Ａでは、Ｘ方向やＹ方向の外乱磁界が作用しも、その影響を低減できるため、検知出力に大きなオフセットが残る現象を防止しやすい。

図１に示す第２の検知ブロック１０Ｂでは、磁界誘導層１１の端面１２に４個の磁気センサＲ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４が対向し、これら磁気センサが直列に接続されている。第２の検知ブロック１０Ｂでは、磁気センサＲ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４の固定磁化Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ２３，Ｐ２４の方向が、第１の検知ブロック１０Ａと同様に磁界誘導層１１の中心Ｏに向けられている。よって、第１の検知ブロック１０Ａの合成抵抗Ｒ１と第２の検知ブロック１０Ｂの合成抵抗Ｒ２は、外部磁界に対する反応が同じである。

第３の検知ブロック１０Ｃでは、磁界誘導層１１の端面１２に４個の磁気センサＲ３１，Ｒ３２，Ｒ３３，Ｒ３４が対向し、これら磁気センサが直列に接続されている。第３の検知ブロック１０Ｃでは、磁気センサＲ３１，Ｒ３２，Ｒ３３，Ｒ３４の固定磁化Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，Ｐ３４の方向が、磁界誘導層１１の中心Ｏと逆方向の外側に向けられている。

第４の検知ブロック１０Ｄでは、磁界誘導層１１の端面１２に４個の磁気センサＲ４１，Ｒ４２，Ｒ４３，Ｒ４４が対向し、これら磁気センサが直列に接続されている。第４の検知ブロック１０Ｄでは、磁気センサＲ４１，Ｒ４２，Ｒ４３，Ｒ４４の固定磁化Ｐ４１，Ｐ４２，Ｐ４３，Ｐ４４の方向が、磁界誘導層１１の中心Ｏと逆方向の外側に向けられている。

よって、第３の検知ブロック１０Ｃの合成抵抗Ｒ３と第４の検知ブロック１０Ｄの合成抵抗Ｒ４は、外部磁界に対する反応が同じである。また、第１の検知ブロック１０Ａならびに第２の検知ブロック１０Ｂの外部磁界に対する抵抗変化と、第３の検知ブロック１０Ｃと第４の検知ブロック１０Ｄの外部磁界に対する抵抗変化は、互いに逆極性となる。

図１に示すように、第１の検知ブロック１０Ａの磁気センサ群と、第４の検知ブロック１０Ｄの磁気センサ群とが直列に接続され、第３の検知ブロック１０Ｃの磁気センサ群と第２の検知ブロック１０Ｂの磁気センサ群とが直列に接続されている。第１の検知ブロック１０Ａの磁気センサ群と第３の検知ブロック１０Ｃの磁気センサ群に電源電圧Ｖｄｄが与えられ、第２の検知ブロック１０Ｂの磁気センサ群と第４の検知ブロック１０Ｄの磁気センサ群とが接地されている。そして、第１の検知ブロック１０Ａの磁気センサ群と、第４の検知ブロック１０Ｄの磁気センサ群との中点で第１の検知出力Ｖ１が得られ、第３の検知ブロック１０Ｃの磁気センサ群と第２の検知ブロック１０Ｂの磁気センサ群との中点で第２の検知出力Ｖ２が得られる。

第１の検知ブロック１０Ａの磁気センサ群の合成抵抗Ｒ１、第２の検知ブロック１０Ｂの磁気センサ群の合成抵抗Ｒ２、第３の検知ブロック１０Ｃの磁気センサ群の合成抵抗Ｒ３、第４の検知ブロック１０Ｄの磁気センサ群の合成抵抗Ｒ４による、磁気検知装置１の等価回路は、図５に示す通りである。

この磁気検知装置１では、Ｚ方向で下向き（支持基板２に向く方向）の外部磁界が与えられると、合成抵抗Ｒ１，Ｒ２が大きくなり、合成抵抗Ｒ３，Ｒ４が小さくなる。よって第１の検知出力Ｖ１から第２の検知出力Ｖ２の差をとった差動出力が中点電位よりも低下する。逆に、Ｚ方向で上向きの外部磁界が与えられると、差動出力が中点電位よりも上昇する。

また、前述のように、それぞれの磁気センサの配置の誤差や、特性のばらつきがあったとしても、磁界誘導層１１に誘導されることなく作用するＸ方向とＹ方向の外乱磁界による検知出力のノイズを低減させることが可能である。

図６（Ａ）は本発明の第２の実施の形態の磁気検知装置１０１の平面図である。
この磁気検知装置１０１に設けられた磁界誘導層１１１は、平面形状が四角形で好ましくは正方形であるが、中心部に四角形で好ましくは正方形の穴１１２が上下方向（Ｚ方向）に貫通して形成されている。磁界誘導層１１１の下側の端面は、４つの外辺１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄを有するとともに、穴１１２の縁部に４つの内辺１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄを有している。

磁気センサＲ１１１は、磁界誘導層１１１の端面の外辺１１３ａに沿って配置され、磁気センサＲ１１２，Ｒ１１３，Ｒ１１４は、外辺１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄに沿って配置されている。磁気センサＲ１１１，Ｒ１１２，Ｒ１１３，Ｒ１１４の固定磁化Ｐ１１１，Ｐ１１２，Ｐ１１３，Ｐ１１４の向きは、磁界誘導層１１１の中心Ｏに向けられている。そして、磁気センサＲ１１１，Ｒ１１２，Ｒ１１３，Ｒ１１４は、配線１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃによって直列に接続されている。

また、磁気センサＲ１２１は、磁界誘導層１１１の端面の内辺１１４ａに沿って配置され、磁気センサＲ１２２，Ｒ１２３，Ｒ１２４は、内辺１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄに沿って配置されている。磁気センサＲ１２１，Ｒ１２２，Ｒ１２３，Ｒ１２４の固定磁化Ｐ１２１，Ｐ１２２，Ｐ１２３，Ｐ１２４も磁界誘導層１１１の中心Ｏに向けられている。そして、磁気センサＲ１２１，Ｒ１２２，Ｒ１２３，Ｒ１２４は、配線１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃによって直列に接続されている。

さらに、磁気センサＲ１１１，Ｒ１１２，Ｒ１１３，Ｒ１１４の磁気センサ列と、磁気センサＲ１２１，Ｒ１２２，Ｒ１２３，Ｒ１２４の磁気センサ列とが直列に接続されている。図６（Ｂ）の等価回路では、磁気センサＲ１１１，Ｒ１１２，Ｒ１１３，Ｒ１１４の合成抵抗がＲ１１０で示され、磁気センサＲ１２１，Ｒ１２２，Ｒ１２３，Ｒ１２４の合成抵抗がＲ１２０で示されている。

この磁気検知装置１０１は、直列に接続された合成抵抗Ｒ１１０と合成抵抗Ｒ１２０に電圧Ｖｄｄが印加され、合成抵抗Ｒ１１０と合成抵抗Ｒ１２０との中点から検知出力Ｖ０が得られる。

磁界誘導層１１１に対してＺ方向の下向き（支持基板２に向く方向）の磁界が印加されると、合成抵抗Ｒ１１０が増加し、合成抵抗Ｒ１２０が低下する。よって検知出力Ｖ０が中点電位よりも低下する。逆に磁界誘導層１１１に対してＺ方向の上向きの磁界が印加されると、検知出力Ｖ０が中点電位よりも上昇する。

また、Ｘ方向の外乱成分またはＹ方向の外乱成分が与えられたときは、合成抵抗Ｒ１１０とＲ１２０が変化しない設計である。前記第１の検知ブロック１０Ａについて説明したように、磁気センサＲ１１１，Ｒ１１２，Ｒ１１３，Ｒ１１４ならびに磁気センサＲ１２１，Ｒ１２２，Ｒ１２３，Ｒ１２４と磁界誘導層１１１との相対位置にばらつきがあったり、個々の磁気センサの特性にばらつきがあったとしても、その影響を、合成抵抗Ｒ１１０，Ｒ１２０において１／２の頻度に低減することが可能である。

なお、図６に示す磁気検知装置１０１を２つ組み合わせてフルブリッジ回路を構成することも可能である。

また、図６において、内側に位置する磁気センサＲ１２１，Ｒ１２２，Ｒ１２３，Ｒ１２４の固定磁化を固定磁化Ｐ１２１，Ｐ１２２，Ｐ１２３，Ｐ１２４とは逆向きとなるように中心Ｏへの向きと逆向きに設定し、磁気センサＲ１１１，Ｒ１１２，Ｒ１１３，Ｒ１１４と磁気センサＲ１２１，Ｒ１２２，Ｒ１２３，Ｒ１２４を全て直列に接続して１つの検知ブロックを構成してもよい。

図７に示す第３の実施の形態の磁気検知装置２０１は、磁界誘導層２１１の平面形状が八角形状であり、端面の各辺に沿って磁気センサが配置されている。磁気センサＲ２１１とＲ２１３はＸ方向に対向して対を成し、磁気センサＲ２１２とＲ２１４は，Ｙ方向に対向して対を成している。Ｘ方向とＹ方向は互いに直交する方向である。磁気センサＲ２１１，Ｒ２１２，Ｒ２１３，Ｒ２１４は直列に接続され、それぞれの固定磁化Ｐａは磁界誘導層２１１の中心Ｏから離れる方向に向けられている。

磁気センサＲ２２１とＲ２２３はα方向に対向して対を成し、磁気センサＲ２２２とＲ２２４はβ方向に対向して対を成している。α方向とβ方向は互いに直交する方向である。磁気センサＲ２２１，Ｒ２２２，Ｒ２２３，Ｒ２２４は直列に接続され、それぞれの固定磁化Ｐｂは磁界誘導層２１１の中心Ｏに向けられている。

図６（Ｂ）に示した等価回路と同様に、直列に接続された磁気センサＲ２１１，Ｒ２１２，Ｒ２１３，Ｒ２１４の合成抵抗と、直列に接続された磁気センサＲ２２１，Ｒ２２２，Ｒ２２３，Ｒ２２４の合成抵抗をさらに直列に接続し、電圧Ｖｄｄを印加するとともに、両合成抵抗の中点から検知出力Ｖ０が得られるようにしてもよい。

または、８個の磁気センサの固定磁化の方向を全て中心Ｏに向く方向、または中心Ｏと逆向きの方向に設定し、８個の磁気センサを全て直列に接続して１つの検知ブロックを形成し、図１に示したように、この検知ブロックを４個接続してフルブリッジを構成することも可能である。

図８（Ａ）に示す第４の実施の形態の磁気検知装置３０１は、正方形の磁界誘導層３１１の端面の各辺に沿って磁気センサＲ３１１，Ｒ３１２，Ｒ３１３，Ｒ３１４が配置されている。磁気センサＲ３１１とＲ３１３の固定磁化Ｐｄは磁界誘導層３１１の中心Ｏに向く方向と逆向きに設定され、磁気センサＲ３１２とＲ３１４の固定磁化Ｐｅの方向は中心Ｏに向けられている。

磁気センサＲ３１１，Ｒ３１２，Ｒ３１３，Ｒ３１４は、図８（Ｂ）の等価回路に示すようにフルブリッジに接続されている。そして検知出力Ｖ１，Ｖ２を得ることが可能となっている。

本発明は、磁界誘導層の中心を挟んで互いに対向する対を成す磁気センサが２組以上設けられ、それぞれの組での磁気センサの対向方向が互いに直交していればどのような構成も可能である。例えば図９に示す磁気検知装置４０１のように、磁界誘導層４１１の平面形状が真円形状であり、Ｙ方向に対向している磁気センサＲ４１１，Ｒ４１３と，Ｘ方向に対向している磁気センサＲ４１２，Ｒ４１４が、真円形状の端面の縁部に沿うように円弧形状に形成されていてもよい。この場合の、固定磁化Ｐｆは、磁界誘導層４１１の中心Ｏに向けられ、または中心Ｏと逆方向に向けられる。

Ｒ 磁気センサ
Ｐ 固定磁化
１ 磁気検知装置
２ 支持基板
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 検知ブロック
１１ 磁界誘導層
１２ 端面
２０ 素子部
２２ 固定磁性層
２３ 非磁性層
２４ フリー磁性層
１０１ 磁気検知装置
１１１ 磁界誘導層
２０１ 磁気検知装置
２１１ 磁界誘導層
３０１ 磁気検知装置
３１１ 磁界誘導層
４０１ 磁気検知装置
４１１ 磁界誘導層

Claims (8)

1. 磁界を誘導する磁界誘導層と、前記磁界誘導層で誘導された磁界を検知する複数の磁気センサとが設けられた磁気検知装置において、
   前記磁界誘導層は、基準平面と平行な端面を有し、それぞれの前記磁気センサは、基準平面と平行な向きの感度軸を有し、
   対を成す前記磁気センサは、前記端面の中心を挟んで対向し、２つの磁気センサの感度軸が、対向方向と平行で且つ互いに逆向きに設定されており、
   対を成す前記磁気センサが複数組設けられて、いずれかの対を成す前記磁気センサの対向方向と、他の対を成す前記磁気センサの対向方向とが、互いに直交していることを特徴とする磁気検知装置。
2. １つの前記磁界誘導層に対応して設けられた複数の前記磁気センサは、全て感度軸が前記磁界誘導層の内部に向けられ、または前記磁界誘導層の外側へ向けられている請求項１記載の磁気検知装置。
3. １つの前記磁界誘導層に対応して設けられた複数の前記磁気センサは、全て直列に接続されている請求項２記載の磁気検知装置。
4. １つの前記磁界誘導層と、これに対応して設けられた複数の前記磁気センサで１つの検知ブロックが構成され、それぞれの検知ブロックでは、複数の前記磁気センサが全て直列に接続されており、
   複数の前記磁気センサの感度軸が全て前記磁界誘導層の内部に向けられている検知ブロックと、複数の前記磁気センサの感度軸が全て前記磁界誘導層の外側へ向けられている検知ブロックとが直列に接続され、直列に接続された検知ブロックに電圧が与えられるとともに、直列に接続された２つの検知ブロックの中点から検知出力が得られる請求項１記載の磁気検知装置。
5. 直列に接続された検知ブロックが２列並列に接続されてフルブリッジ回路が構成されている請求項４記載の磁気検知装置。
6. 前記磁界誘導層の前記端面は四角形であり、それぞれの前記磁気センサが四角形のそれぞれの辺に沿って配置されている請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気検知装置。
7. それぞれの前記磁気センサは、前記辺の長さの中心部に配置されている請求項６記載の磁気検知装置。
8. 前記磁界誘導層は、中心部に穴を有し、前記端面は前記穴の縁部である内辺と、外側の縁部である外辺を有し、前記磁気センサは、前記内辺と前記外辺の双方に沿って配置されており、
   内辺に沿って配置された前記磁気センサと、外辺に沿って配置された前記磁気センサとで、感度軸の向きが逆である請求項１記載の磁気検知装置。

Images