JP2016130686A

JP2016130686A - 磁気センサ

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Publication number: JP2016130686A
Application number: JP2015004968A
Authority: JP
Inventors: 俊英須藤; Shunei Sudo; 啓平林; Hiroshi Hirabayashi
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2016-07-21
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Abstract

【課題】磁界検出感度の低下を最小限に抑えながら、出力の直線性を向上させることができる磁気センサを提供する。
【解決手段】外部磁界の特定方向の成分を検出するための磁気センサは、それぞれが磁気抵抗効果素子を有する複数の抵抗素子部５０，６０，７０から構成された抵抗アレイ１０を有している。複数の抵抗素子部５０，６０，７０は、外部磁界の特定方向の成分に対する出力特性が互いに異なる。
【選択図】図８

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を利用した磁気センサに関する。

近年、移動体の位置を検出するためのセンサとして、磁気抵抗効果（ＭＲ）素子を利用した磁気センサが用いられている（例えば、特許文献１〜４参照）。

このような磁気センサでは、磁気センサに対する移動体の相対位置の変化により、移動体に設置された磁石などからの外部磁界の特定方向の成分が変化し、それに応じて、磁気センサの出力が変化するようになっている。これにより、外部磁界の特定方向の成分を検出することで、移動体の位置を検出することができる。

移動体の位置を高精度に検出するためには、外部磁界の特定方向の成分を高精度に検出することが求められており、このために、入力信号（外部磁界の特定方向の成分）に対する出力信号（電圧）の直線性を向上させるための対策が行われている。

この対策の一つとして、ＭＲ素子に対して外部からバイアス磁界を印加することで、ＭＲ素子の出力特性（抵抗値の外部磁界に対する特性）を変化させ、その非飽和領域における直線性を向上させる方法が知られている（例えば、特許文献５参照）。

昭６３−２７４８１７号公報特開平０４−１６０３１５号公報特開平０８−２８５５０９号公報特開平０９−０１６９２３号公報特開平０７−０９２１９９号公報

上述の方法は、ＭＲ変化率を犠牲にすることで、ＭＲ素子の出力の直線性の向上を図る方法である。すなわち、出力の直線性とＭＲ変化率とはトレードオフの関係にある。したがって、ＭＲ素子の出力の直線性を向上させることで、磁界検出の精度を向上させることができる反面、ＭＲ変化率は大幅に低下することになる。その結果、磁界検出感度の大幅な低下につながってしまう。

そこで本発明は、磁界検出感度の低下を最小限に抑えながら、出力の直線性を向上させることができる磁気センサを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の磁気センサは、外部磁界の特定方向の成分を検出するための磁気センサであって、それぞれが磁気抵抗効果素子を有する複数の抵抗素子部から構成された抵抗アレイを有し、複数の抵抗素子部は、外部磁界の特定方向の成分に対する出力特性が互いに異なる。

このような磁気センサでは、抵抗アレイの出力が、各抵抗素子部の磁気抵抗効果（ＭＲ）素子の異なる出力を重畳したものになる。その結果、抵抗アレイの出力特性における直線的な領域を、単一のＭＲ素子の場合に比べて、より大きくすることができる。また、バイアス磁界によって出力特性を変化させる場合に比べて、抵抗アレイの出力特性の変化を最小限に抑えることができ、そのため、ＭＲ変化率が大幅に低下することもない。

以上、本発明によれば、磁界検出感度の低下を最小限に抑えながら、出力の直線性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る磁気センサの構成を示す回路図である。本実施形態のＭＲ素子の概略断面図である。本実施形態の抵抗アレイの一部を拡大して示す概略平面図および概略断面図である。ＭＲ素子の抵抗値と外部磁界との関係の一例を示すグラフである。本実施形態の第１の抵抗素子部の構成を説明するための図である。本実施形態の第２の抵抗素子部の構成を説明するための図である。本実施形態の第３の抵抗素子部の構成を説明するための図である。本実施形態の第１の抵抗アレイの構成の一例を示す概略図である。本実施形態のバイアス磁界発生部の変形例を示す概略平面図である。本実施形態のバイアス磁界発生部の変形例を示す概略平面図である。本実施形態のバイアス磁界発生部の変形例を示す概略平面図である。本実施形態のバイアス磁界発生部の変形例を示す概略平面図である。本実施形態のバイアス磁界発生部の変形例を示す概略平面図である。本実施形態のバイアス磁界発生部の変形例を示す概略平面図である。本実施形態のバイアス磁界発生部の変形例を示す概略平面図である。本実施形態のバイアス磁界発生部の変形例を示す概略平面図である。複数のＭＲ素子で構成された抵抗アレイの出力波形の一例を概略的に示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

本明細書では、本発明の磁気センサについて、ハーフブリッジ回路を用いた構成を例に挙げて説明するが、磁気センサの構成はこれに限定されるものではない。本発明は、例えば、フルブリッジ回路を用いた磁気センサにも適用可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの構成を示す回路図である。

本実施形態の磁気センサ１は、第１の抵抗アレイ１０と第２の抵抗アレイ２０との直列回路によって構成されたハーフブリッジ回路２を備えている。ハーフブリッジ回路２では、第１および第２の抵抗アレイ１０，２０の一端同士が互いに接続され、第１の抵抗アレイ１０の他端が電源端子Ｖ_ＣＣに接続され、第２の抵抗アレイ２０の他端がグランド端子ＧＮＤに接続されている。出力端子Ｖ_ｏｕｔは、第１および第２の抵抗アレイ１０，２０の接続点に接続されている。ハーフブリッジ回路２では、出力端子Ｖ_ｏｕｔとグランド端子ＧＮＤとの電位差が出力電圧として出力される。

各抵抗アレイ１０，２０は、同様の膜構成を有する複数の磁気抵抗効果（ＭＲ）素子を有している。以下、図２および図３を参照して、ＭＲ素子の構成について説明する。図２は、ＭＲ素子の概略断面図であり、成膜方向に沿った断面を示している。図３（ａ）は、抵抗アレイの一部を拡大して示す概略平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った概略断面図である。なお、図３（ｂ）の上下方向が、ＭＲ素子の成膜方向である。

ＭＲ素子３０は、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、ＭＲ素子３０は、図２に示すように、反強磁性層３１と、外部磁界に対して磁化方向が固定されたピンド層３２と、スペーサ層３３と、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層３４と、を有している。反強磁性層３１は、ピンド層３２との交換結合によってピンド層３２の磁化方向を固定する層である。図２では、ピンド層３２の磁化方向が、斜線を付した矢印で示されている。なお、図２には、強磁性体からなる単層のピンド層３２の例が示されているが、ピンド層３２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３３は、非磁性導電層またはトンネルバリア層である。スペーサ層３３が非磁性導電層である場合、ＭＲ素子３０は、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子として機能し、スペーサ層３３がトンネルバリア層である場合、ＭＲ素子３０は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子として機能する。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、ＭＲ素子３０は、ＴＭＲ素子であることが好ましい。

各ＭＲ素子３０は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、下部電極４１と上部電極４２とにそれぞれ接続されている。具体的には、各ＭＲ素子３０は、反強磁性層３１（図２参照）が、導電性のバッファ層（図示せず）を介して、下部電極４１に電気的に接続され、フリー層３４（図２参照）が、導電性のキャップ層（図示せず）を介して、上部電極４２に電気的に接続されている。このような構成により、ＭＲ素子３０の成膜方向にセンス電流が流れるようになっている。また、下部電極４１の両端にそれぞれ接続されたＭＲ素子３０には、それぞれ異なる上部電極４２が接続されている。これにより、複数のＭＲ素子３０は、複数の下部電極４１と複数の上部電極４２とによって、互いに直列に接続されている。

ここで、再び図１および図２を参照して、外部磁界に応じて出力を変化させるハーフブリッジ回路２の動作について簡単に説明する。

ＭＲ素子３０では、上述したように、ピンド層３２の磁化方向が、反強磁性層３１との交換結合により、所定の方向に固定されているが、フリー層３４の磁化方向は、外部磁界に応じて変化する。そのため、フリー層３４の磁化方向とピンド層３２の磁化方向との相対角度も、外部磁界に応じて変化する。この相対角度に応じて伝導電子のスピン依存散乱が変化するため、各ＭＲ素子３０では、磁気抵抗変化が生じることになる。

また、抵抗アレイ１０，２０内では、ＭＲ素子３０のピンド層３２の磁化方向はそれぞれ揃っているが、第１の抵抗アレイ１０と第２の抵抗アレイ２０との間では、ＭＲ素子３０のピンド層３２の磁化方向は互いに異なっている。具体的には、図１の斜線を付した矢印で示すように、ＭＲ素子３０のピンド層３２の磁化方向は互いに反平行である。このため、第１の抵抗アレイ１０と第２の抵抗アレイ２０との間では、ピンド層３２の磁化方向とフリー３４層の磁化方向との相対角度に差が生じ、外部磁界に対する応答（磁気抵抗変化）に差が生じることになる。例えば、外部磁界がｘｙ平面内で回転したときに、第１の抵抗アレイ１０の抵抗値が増大すると、第２の抵抗アレイ２０の抵抗値は減少することになる。

したがって、このように構成されたハーフブリッジ回路２では、電源端子Ｖ_ＣＣからの電圧が第１の抵抗アレイ１０と第２の抵抗アレイ２０とに印加された状態で、外部磁界が変化すると、それに応じて出力電圧も変化する。この外部磁界と出力電圧との関係から、外部磁界の方向および大きさを求めることが可能になる。

次に、本実施形態の抵抗アレイの詳細な構成について説明する。第１の抵抗アレイと第２の抵抗アレイとは、上述したピンド層の磁化方向を除いて、実質的に同一である。そこで、以下では、第１の抵抗アレイの構成についてのみ説明する。

まず、第１の抵抗アレイの構成を説明する前に、ＭＲ素子の抵抗値と外部磁界との関係について説明する。図４は、図２に示すＭＲ素子の抵抗値と外部磁界との関係の一例を示すグラフである。縦軸はＭＲ素子の抵抗値（任意単位）、横軸は外部磁界のｘ軸方向（図２参照）の成分（任意単位）をそれぞれ示している。なお、横軸の正の値は、外部磁界がピンド層３２の磁化方向（図２に示す例ではｘ軸の正方向）と反対方向の成分を有することを表している。以下では、外部磁界のｘ軸方向の成分を単に「外部磁界」ともいう。

ＭＲ素子３０の抵抗値の最大値および最小値をそれぞれＲ_ｍａｘおよびＲ_ｍｉｎとし、これらの中間値をＲ_Ｃ（＝（Ｒ_ｍａｘ＋Ｒ_ｍｉｎ）／２）とすると、理想的には、外部磁界がゼロのときに抵抗値がＲ_Ｃとなるはずである。しかしながら、実際には、図４に示すように、外部磁界がゼロのときの抵抗値はＲ_Ｃからずれる。これは、主にピンド層３２とフリー層３４との間の層間結合磁界に起因する。便宜的には、図２の白抜きの矢印で示すように、ピンド層の磁化方向と反平行な方向の磁場Ｈ_ｉｎがフリー層３４に作用していることによるものとみなすことができる。以下、抵抗値がＲ_Ｃとなる磁場Ｈ_ｉｎを「オフセット磁場」ということにする。

このオフセット磁場Ｈ_ｉｎの大きさに応じて、ＭＲ素子３０の出力特性、すなわち外部磁界に対する抵抗値の挙動は変化する。したがって、オフセット磁場Ｈ_ｉｎの大きさを制御することで、ＭＲ素子３０の出力特性を制御することができる。フリー層３４に作用するオフセット磁場Ｈ_ｉｎは、上述した層間結合磁界や形状磁気異方性など、さまざまな要因によって変化するが、本実施形態では、ｘ軸方向の成分が異なるバイアス磁界をＭＲ素子３０に印加することにより、ＭＲ素子３０ごとにオフセット磁場Ｈ_ｉｎの大きさを変化させている。その結果、第１の抵抗アレイ１０内には、膜構成は同一であるが出力特性が異なる複数のＭＲ素子３０が存在することになる。

本実施形態では、第１の抵抗アレイ１０は、複数の抵抗素子部を有し、各抵抗素子部は、ＭＲ素子３０と、ＭＲ素子３０のフリー層３４にバイアス磁界を印加するバイアス磁界発生部とを有している。複数の抵抗素子部は、ＭＲ素子３０の出力特性の違い、すなわちフリー層３４に作用するオフセット磁場Ｈ_ｉｎの大きさの違いによって、複数の抵抗素子部に分類することができる。本実施形態では、第１の抵抗アレイ１０の複数の抵抗素子部は、３つの抵抗素子部に分類されている。

以下、図５から図７を参照して、各抵抗素子部の構成について説明する。図５（ａ）、図６（ａ）、および図７（ａ）は、それぞれ第１、第２、および第３の抵抗素子部の概略平面図であり、ＭＲ素子の成膜方向に垂直な平面を示している。また、図５（ｂ）、図６（ｂ）、および図７（ｂ）には、第１、第２、および第３の抵抗素子部におけるＭＲ素子の抵抗値の外部磁界に対する挙動（出力波形）がそれぞれ概略的に示されている。なお、第１、第２、および第３の抵抗素子部は、バイアス磁界発生部の配置構成のみが異なっている。そのため、以下では、第１の抵抗素子部の構成を詳細に説明し、第２および第３の抵抗素子部については、バイアス磁界発生部の配置構成のみ説明する。

図５（ａ）に示すように、第１の抵抗素子部５０は、基板（図示せず）と、基板上に配置されたＭＲ素子３０と、同じく基板上に配置されたバイアス磁界発生部５１とを有している。バイアス磁界発生部５１は、ＭＲ素子３０のフリー層３４にバイアス磁界を印加する少なくとも１つの硬磁性体を有している。本実施形態では、バイアス磁界発生部５１は、ＭＲ素子３０を挟むように互いに間隔を置いて配置された一対の硬磁性体５２，５３である。各硬磁性体５２，５３は、ＭＲ素子３０に対して間隔を置いて配置されている。

第１の抵抗素子部５０では、バイアス磁界発生部５１の各硬磁性体５２，５３は、その長手方向がｘ軸に対して平行に配置されている。このとき、各硬磁性体５２，５３の磁化方向はｘ軸に垂直な方向であるため、フリー層３４に作用するｘ軸方向の磁界は存在しない。そのため、図５（ａ）の白抜きの矢印で示すように、ＭＲ素子３０のオフセット磁場Ｈ_ｉｎに変化はない。その結果、第１の抵抗素子部５０では、ＭＲ素子３０の抵抗値は、図５（ｂ）に示すような挙動を示すことになる。

また、第２の抵抗素子部６０のバイアス磁界発生部６１は、ＭＲ素子３０に対する相対位置の点で、第１の抵抗素子部５０のバイアス磁界発生部５１と異なっている。すなわち、第２の抵抗素子部６０では、バイアス磁界発生部６１の各硬磁性体６２，６３は、その長手方向がｘ軸に対して所定の角度だけ傾斜するように配置されている。このとき、各硬磁性体６２，６３の磁化方向はｘ軸に垂直な方向であるが、ＭＲ素子３０のフリー層３４に印加されるバイアス磁界は、ｘ軸の正方向の成分を有している。これにより、第２の抵抗素子部６０では、バイアス磁界のｘ軸の正方向の成分が大きくなり、その結果、ＭＲ素子３０のオフセット磁場Ｈ_ｉｎはバイアス磁界のｘ軸成分により相殺される。このため、ＭＲ素子３０の抵抗値は、図６（ｂ）に示すような挙動を示すことになる。

また、第３の抵抗素子部７０のバイアス磁界発生部７１は、ＭＲ素子３０に対する相対位置の点で、第１の抵抗素子部５０のバイアス磁界発生部５１や第２の抵抗素子部６０のバイアス磁界発生部６１と異なっている。すなわち、第３の抵抗素子部７０では、バイアス磁界発生部７１の各硬磁性体７２，７３は、図７（ａ）に示すように、第２の抵抗素子部６０の場合と比べて、その長手方向がｘ軸に対してさらに傾斜するように配置されている。これにより、第３の抵抗素子部７０では、バイアス磁界のｘ軸の正方向の成分は、さらに大きくなる。このため、ＭＲ素子３０のオフセット磁場Ｈ_ｉｎは正となり、その結果、第３の抵抗素子部７０では、ＭＲ素子３０の抵抗値は、図７（ｂ）に示すような挙動を示すことになる。

なお、図５から図７に示した例では、各硬磁性体の磁化方向は、いずれもｙ軸の正の方向に固定されているが、これに限定されるものではなく、各硬磁性体に対して固定されていてもよく、例えば、その短手方向に平行に固定されていてもよい。すなわち、第１の抵抗素子部５０では、各硬磁性体５２，５３の磁化方向がｙ軸に対して所定の角度だけ傾斜し、その傾斜角度が、第２の抵抗素子部６０から第３の抵抗素子部７０にかけて徐々に大きくなるようになっていてもよい。

図８は、第１の抵抗アレイ１０の構成の一例を示す概略図である。図示した例では、第１の抵抗アレイ１０は、６個の第１の抵抗素子部５０と、４個の第２の抵抗素子部６０と、６個の第３の抵抗素子部７０とを有しているが、各抵抗素子部の数はこれに限定されるものではない。また、第１の抵抗素子部５０と第３の抵抗素子部７０とは、第２の抵抗素子部６０に対して回転対称に配置されているが、必ずしもこのように規則的に配置されている必要はない。例えば、第１の抵抗アレイ１０に対して外部磁界が均一に印加されている場合には、第１の抵抗素子部５０と第２の抵抗素子部６０と第３の抵抗素子部７０とがランダムに配置されていてもよい。

このような構成により、第１の抵抗アレイ１０の出力波形（すなわち抵抗値の外部磁界依存性）は、図５（ｂ）、図６（ｂ）、および図７（ｂ）に示す、各抵抗素子部５０，６０，７０におけるＭＲ素子３０の出力波形を重畳したものになる。重畳された出力波形は、各ＭＲ素子３０の出力波形に比べて、より多くの直線的な領域を有することになる。その一方で、出力波形を重畳しても、その最大値と最小値はほとんど変化することがない。その結果、本実施形態の磁気センサ１によれば、ＭＲ変化率の低下を最小限に抑えながら、出力の直線性を向上させることができる。

なお、抵抗アレイの構成としては、抵抗素子部ごとにＭＲ素子の出力特性が異なり、その結果、上述したように抵抗アレイの出力特性の直線性が向上するようになっていればよく、したがって、抵抗素子部の種類は、上述した３種類に限定されるものではない。抵抗アレイは、少なくとも２種類の抵抗素子部から構成されていればよく、４種類以上の抵抗素子部から構成されていてもよい。

図９から図１１は、本実施形態のバイアス磁界発生部のいくつかの変形例を示す概略平面図である。各図は、図５（ａ）、図６（ａ）、および図７（ａ）に対応する図である。

図９に示す変形例では、３つの抵抗素子部５０，６０，７０は、バイアス磁界発生部５１，６１，７１の平面形状が互いに異なっている。具体的には、ＭＲ素子３０の中心を通りｙ軸に平行な直線から硬磁性体（平行四辺形）の一方の頂点までの距離（図９（ａ）の矢印Ｌ１参照）と、他方の頂点までの距離（図９（ａ）の矢印Ｌ２参照）との比が、３つの抵抗素子部５０，６０，７０で異なっている。このような構成により、抵抗素子部５０，６０，７０ごとに、ＭＲ素子３０のフリー層３４に作用するバイアス磁界のｘ軸方向の成分を変化させて、オフセット磁場Ｈ_ｉｎの大きさを変化させることができる。

図１０に示す変形例でも、３つの抵抗素子部５０，６０，７０は、バイアス磁界発生部５１，６１，７１の平面形状が互いに異なっている。具体的には、一方の端部における硬磁性体間のｙ軸方向の距離（図１０（ａ）の矢印Ｌ１参照）と、他方の端部における硬磁性体間のｙ軸方向の距離（図１０（ａ）の矢印Ｌ２参照）との比が、３つの抵抗素子部５０，６０，７０で異なっている。このような構成により、図９に示す変形例と同様の効果を得ることができる。

図１１に示す変形例では、図５から図７に示したものと同様に、３つの抵抗素子部５０，６０，７０は、バイアス磁界発生部５１，６１，７１のＭＲ素子３０に対する相対位置が互いに異なっている。この変形例では、図５から図７に示したように硬磁性体の傾斜量（回転量）を変化させる代わりに、抵抗素子部５０，６０，７０ごとに、硬磁性体間のｘ軸方向の距離を変化させている。このような構成により、上述した変形例と同様の効果を得ることができる。

バイアス磁界発生部は、抵抗素子部ごとに、フリー層に作用するバイアス磁界のｘ軸方向の成分を変化させるようになっていればよい。そのため、上述した実施形態や変形例のように、バイアス磁界発生部（硬磁性体）の形状や位置は、抵抗素子部ごとに系統的に変化している必要はない。したがって、例えば、１つの抵抗アレイ内での３つの抵抗素子部が、それぞれ図９から図１１に示す変形例のような構成のバイアス磁界発生部を有していてもよい。すなわち、バイアス磁界発生部（硬磁性体）の形状や位置は、抵抗素子部ごとにさまざまに異なっていてもよく、抵抗アレイとして、バイアス磁界発生部のさまざまな組み合わせが可能である。

また、バイアス磁界発生部（硬磁性体）の形状や位置もさまざまに変更可能である。

バイアス磁界発生部のｚ軸方向から見た形状（平面形状）は、上述した実施形態や変形例のように矩形でなくてもよく、他の多角形であってもよい。なお、このとき、矩形や多角形の角部は丸まっていてもよい。また、バイアス磁界発生部の平面形状は、円形や、図１２に示すように、楕円形であってもよく、任意の曲線から構成されていてもよい。あるいは、直線と曲線との組み合わせによって構成されていてもよい。

また、バイアス磁界発生部の位置は、バイアス磁界発生部によってＭＲ素子にバイアス磁界が印加されるような位置であればよく、特に限定されるものではない。上述した実施形態や変形例では、バイアス磁界発生部は、ｚ軸方向から見て、ＭＲ素子から離れて位置しているが、図１３に示すように、ＭＲ素子に接触するように位置していてもよく、ＭＲ素子の一部に重なるように位置していてもよい。あるいは、ＭＲ素子を覆うように、ＭＲ素子に完全に重なるように位置していてもよい。また、上述した実施形態や変形例では、バイアス磁界発生部の位置は、ｚ軸方向から見て、ＭＲ素子に対して対照的な位置であるが、必ずしも対称的な位置でなくてもよい。したがって、例えば、一方のバイアス磁界発生部が、ＭＲ素子に接触し、他方のバイアス磁界発生部が、ＭＲ素子から離れるように位置していてもよい。あるいは、ＭＲ素子の一方の側に、２つのバイアス磁界発生部（硬磁性体）が位置していてもよい。

これらのことは、バイアス磁界発生部のｚ軸方向に沿った断面形状、およびｚ軸方向の位置にも当てはまる。すなわち、ｚ軸に垂直な方向から見て、バイアス磁界発生部は、上述した平面形状の場合と同様に、さまざまな幾何形状を有していてよく、さまざまな位置に配置されていてよい。例えば、バイアス磁界発生部のｚ軸方向の位置は、ＭＲ素子のｚ軸方向の位置と異なっていてもよく、バイアス磁界発生部（硬磁性体）同士がｚ軸方向にずれて位置していてもよい。あるいは、バイアス磁界発生部が、ＭＲ素子に対して非対称的に位置していてもよく、ＭＲ素子の一方の側に、２つのバイアス磁界発生部（硬磁性体）が位置していてもよい。

また、上述した実施形態や変形例では、バイアス磁界発生部は、２つの硬磁性体から構成されているが、バイアス磁界発生部の数は、これに限定されるものではない。例えば、ｚ軸方向から見たとき、あるいは、ｚ軸に垂直な方向から見たとき、ＭＲ素子の一方の側に、１つだけバイアス磁界発生部が設けられていてもよい。あるいは、図１４に示すように、バイアス磁界発生部が、３つの硬磁性体から構成されていてもよく、さらにそれ以上の硬磁性体から構成されていてもよい。

一方で、ＭＲ素子の形状や位置も、バイアス磁界発生部と同様に、さまざまに変更可能である。例えば、ＭＲ素子のｚ軸方向から見た形状（平面形状）は、上述した実施形態や変形例のように円形でなくてもよく、図１５に示すように、楕円形であってもよい。あるいは、任意の曲線から構成されていてもよく、直線と曲線との組み合わせによって構成されていてもよい。また、ＭＲ素子の平面形状は、矩形（図１３参照）や他の多角形であってもよく、その角部が丸まっていてもよい。さらに、ＭＲ素子の位置については、上述した実施形態や変形例のように対称的な位置でなくてもよく、例えば、ＭＲ素子の平面形状が楕円形である場合、その長軸が、図１６に示すように、ｘ軸方向やｙ軸方向に対して傾斜していてもよい。また、ＭＲ素子のｚ軸方向に沿った断面形状は、図３（ｂ）に示すような矩形でなくてもよい。

上述した変形例を含め、本実施形態では、抵抗素子部ごとに、フリー層に印加されるバイアス磁界のｘ軸方向の成分を変化させることで、オフセット磁場の大きさを変化させ、ＭＲ素子の出力特性を変化させている。しかしながら、出力特性を変化させる方法は、これに限定されるものではない。例えば、上述したように、抵抗素子部ごとに、ＭＲ素子の平面形状、すなわちフリー層の平面形状を変化させることで、フリー層の形状磁気異方性を利用する方法も考えられる。この場合、フリー層の磁化は、形状磁気異方性によって、磁化容易軸方向（例えば、図１５および図１６に示すように、ＭＲ素子の平面形状が楕円形である場合には、楕円の長軸方向）を向きやすくなる。すなわち、フリー層の形状磁気異方性を利用する方法には、フリー層にバイアス磁界を印加するのと同様に、フリー層の磁化方向の変化を抑制する効果がある。したがって、フリー層の形状磁気異方性を利用する方法では、フリー層にバイアス磁界を印加する必要がないため、上述したバイアス磁界発生部は必ずしも設けられている必要はない。

以下、抵抗アレイの出力波形の計算結果を参照しながら、出力特性が異なる複数のＭＲ素子で抵抗アレイが構成された本実施形態の効果について説明する。

まず、計算について説明する前に、図１７を参照しながら、抵抗アレイのＭＲ変化率と、出力の直線性の指標となる最大ずれ量との定義について説明する。図１７には、複数のＭＲ素子で構成された抵抗アレイの出力波形の一例が概略的に示されている。所定の磁場範囲での抵抗値の最大値および最小値をそれぞれＲ_ｍａｘおよびＲ_ｍｉｎとし、これらの中間値をＲ_Ｃ（＝（Ｒ_ｍａｘ＋Ｒ_ｍｉｎ）／２）とすると、ＭＲ変化率は、（Ｒ_ｍａｘ−Ｒ_ｍｉｎ）／Ｒ_Ｃで定義される。一方で、抵抗値の最大値Ｒ_ｍａｘと最小値Ｒ_ｍｉｎとを直線で結び、この基準直線からの出力のずれが、外部磁界がＨ_ｄのときに最大値Δｒ_ｍａｘをとるものとする。この外部磁界がＨ_ｄのときの基準直線の値をＲ_ｄとすると、最大ずれ量（百分率）は、Δｒ_ｍａｘ／Ｒ_ｄで定義される。

抵抗アレイの出力波形については、モデルを仮定した数値シミュレーションを行い、得られた出力波形から、上述のＭＲ変化率と最大ずれ量とを算出し、それらを以下の３つのケースで比較した。ここで、ＭＲ変化率は、±３０ｍＴの磁場範囲での抵抗値の最大値および最小値から算出した。なお、以下のいずれのケースでも、抵抗アレイを構成するＭＲ素子としては、図２に示すＭＲ素子を用い、３つのケース間で、ＭＲ素子の膜構成は同一とした。

（ケース１）
抵抗アレイは、互いに直列に接続された、出力特性が異なる２４個のＴＭＲ素子から構成されているとした。具体的には、フリー層に対するｘ軸方向（図２参照）のオフセット磁場Ｈ_ｉｎの強度の違いによって、５種類のＴＭＲ素子に分類されているとした。より具体的には、オフセット磁場Ｈ_ｉｎの強度が３０ｍＴ、１８ｍＴ、０ｍＴ、−１８ｍＴ、−３０ｍＴのものが、それぞれ４個、５個、６個、５個、４個であるとした。

（ケース２）
抵抗アレイは、互いに直列に接続された、出力特性が同一である２４個のＴＭＲ素子から構成されているとした。各ＴＭＲ素子では、フリー層に対するオフセット磁場Ｈ_ｉｎをゼロとし、その代わりに、ピンド層の磁化方向に垂直な方向（図２のｙ軸方向）に強度が１４６．９７ｍＴのバイアス磁界が印加されているとした。したがって、外部磁界がゼロのとき、フリー層の磁化は、バイアス磁界の方向（すなわちピンド層の磁化方向に垂直な方向）を向いているとした。なお、ケース２が、特許文献５に記載の方法を適用したものに相当する。

（ケース３）
抵抗アレイは、互いに直列に接続された、出力特性が同一である２４個のＴＭＲ素子から構成されているとした。各ＴＭＲ素子では、フリー層に対するオフセット磁場Ｈ_ｉｎをゼロとし、ｙ軸方向にもバイアス磁界は印加されていないとした。

表１に、３つのケースにおける、ＭＲ変化率と最大ずれ量の計算結果を示す。

ケース１とケース２では共に、ケース３と比べて、最大ずれ量が大幅に減少しており、出力の直線性の大幅な向上が見られている。一方で、ＭＲ変化率に関しては、ケース３と比べて、ケース１とケース２でいずれも減少しているが、ケース１では１８％の減少に止まっているのに対し、ケース２では４６％も減少している。このことは、ケース１（本実施形態）では、抵抗アレイのＭＲ変化率の低下を最小限に抑えながら、出力の直線性を向上させることができることを示している。

上述した実施形態では、抵抗アレイ内の複数のＭＲ素子は互いに直列に接続されているが、ＭＲ素子の接続は、これに限定されるものではなく、並列接続であってもよく、あるいは、直列と並列とが混在したものであってもよい。

１磁気センサ
２ハーフブリッジ回路
１０第１の抵抗アレイ
２０第２の抵抗アレイ
３０ＭＲ素子
３１反強磁性層
３２ピンド層
３３スペーサ層
３４フリー層
４１下部電極
４２上部電極
５０第１の抵抗素子部
６０第２の抵抗素子部
７０第３の抵抗素子部
５１，６１，７１，８１バイアス磁界発生部
５２，５３，６２，６３，７２，７３硬磁性体

Claims

外部磁界の特定方向の成分を検出するための磁気センサであって、
それぞれが磁気抵抗効果素子を有する複数の抵抗素子部から構成された抵抗アレイを有し、
前記複数の抵抗素子部は、前記外部磁界の前記特定方向の成分に対する出力特性が互いに異なる、磁気センサ。
前記複数の抵抗素子部が、少なくとも第１の種類の抵抗素子部と第２の種類の抵抗素子部とに分類され、前記第１の種類の抵抗素子部と前記第２の種類の抵抗素子部とは、前記外部磁界の前記特定方向の成分に対する出力特性が互いに異なる、請求項１に記載の磁気センサ。
前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定されたピンド層と、前記外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層と、前記ピンド層と前記フリー層との間に挟まれたスペーサ層と、を有する、請求項１または２に記載の磁気センサ。
前記磁気抵抗効果素子の前記ピンド層は、前記特定方向に沿って磁化が固定され、
前記複数の抵抗素子部は、前記磁気抵抗効果素子の前記フリー層の磁化容易軸方向が互いに異なる、請求項３に記載の磁気センサ。
前記各抵抗素子部が、前記磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を印加するバイアス磁界発生部をさらに有し、
前記複数の抵抗素子部は、前記磁気抵抗効果素子の前記フリー層に印加される前記バイアス磁界の前記特定方向の強度が互いに異なる、請求項４に記載の磁気センサ。
前記複数の抵抗素子部は、前記磁気抵抗効果素子に対する前記バイアス磁界発生部の相対位置が互いに異なる、請求項５に記載の磁気センサ。
前記複数の抵抗素子部は、前記磁気抵抗効果素子の成膜方向に垂直な平面において、前記バイアス磁界発生部の形状が互いに異なる、請求項５に記載の磁気センサ。
前記複数の抵抗素子部は、前記磁気抵抗効果素子の前記フリー層の形状磁気異方性が互いに異なる、請求項４に記載の磁気センサ。
前記磁気抵抗効果素子が、前記スペーサ層としてトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子である、請求項３から８のいずれか１項に記載の磁気センサ。
複数の前記抵抗アレイによってブリッジ回路が構成されている、請求項１から９のいずれか１項に記載の磁気センサ。