JP2016145745A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が容易である新規な構成の磁気センサを提供する。【解決手段】基板１０と、少なくとも２つの磁気検出部１２と、を有し、磁気検出部１２は、基板１０に設けられた第１コイル３１と、第１コイル３１と重なって設けられた磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂと、を有し、第１コイル３１は、視野において渦巻き状に巻回された導線であり、磁気抵抗効果素子２１ａ〜２１ｄは、第１コイル３１の中心を通って設定される第１仮想線を挟んで第１仮想線の両側に配置されており、第１の磁気検出部１２Ａが有する第１磁気抵抗効果素子２１ａと第２の磁気検出部１２Ｂが有する第２磁気抵抗効果素子２１ｄ、第１の磁気検出部１２Ａが有する第２磁気抵抗効果素子２１ｂと第２の磁気検出部１２Ｂが有する第１磁気抵抗効果素子２１ｃ、を直列接続して、第１の磁気検出部１２Ａと第２の磁気検出部１２Ｂとで、差動回路を構成する磁気センサ。【選択図】図５

Description

本発明は、磁気センサに関するものである。

従来、基板上に磁界検出用素子である磁気抵抗効果素子を設けた磁気センサが知られている。例えば、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子）のようなスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子は、磁化が所定の方位に固定（ピン）されたピンド層と、磁化の方位が外部磁場に応じて変化するフリー層とを備え、ピンド層の磁化の方位と、フリー層の磁化の方位との相対的関係に応じて抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を電気的に検知することで、外部磁場（磁界）の強度を把握することができる。

上述したような磁気センサとしては、磁気抵抗効果素子が検知したフリー層の磁化の方位を初期化する初期化手段を有するものが知られている。初期化手段としては、通電することで磁界を発生させるコイルが挙げられる。コイルは、基板の法線方向から基板を見た視野において、磁気抵抗効果素子と重なる位置に設けられる。

なお、以下の説明では、基板の法線方向から基板を見た視野のことを「平面視」と称することがある。また、基板の法線方向から対象物を見たときの対象物の面積のことを「平面視面積」と称することがある。

このようなコイルで生じた磁界は、フリー層の磁化の方位を所定の方向（初期状態）に向け、フリー層の磁化の方位を初期化する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２６７１１９号公報

近年では、種々の分野において機器の小型化が進んでおり、そのような機器に実装される磁気センサも小型化が求められている。しかしながら、上記構成の磁気センサを小型化しようとすると、基板の平面視面積に対するコイルの平面視面積が相対的に大きくなり、小型化の障害となりやすい。一方で、基板の縮小に応じて等比でコイルを小型化すると、初期化のために必要な強度の磁界を発生させることが困難となる。

そのため、磁気センサの小型化を実現可能な新規な構成が求められていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、小型化が容易である新規な構成の磁気センサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、基板と、前記基板に設けられた少なくとも２つの磁気検出部と、を有し、前記磁気検出部は、前記基板に設けられた第１コイルと、前記基板の法線方向からの視野において、前記第１コイルと重なって設けられた第１磁気抵抗効果素子および第２磁気抵抗効果素子と、を有し、前記第１コイルは、前記視野において渦巻き状に巻回された導線であり、前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子は、それぞれ磁化方向が固定されたピンド層と、磁化方向が外部磁場に応じて変化するフリー層と、が積層された構造を有し、前記第１コイルの中心を通って設定される第１仮想線を挟んで前記第１仮想線の両側に配置されており、第１の磁気検出部が有する前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子のうちいずれか一方と、第２の磁気検出部が有する前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子のうちいずれか一方と、を直列接続し、前記第１の磁気検出部が有する前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子のうち他方と、前記第２の磁気検出部が有する前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子のうち他方と、を直列接続して、前記第１の磁気検出部と前記第２の磁気検出部とで、差動回路を構成する磁気センサを提供する。

本発明の一態様においては、前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子は、前記第１仮想線に対して対称な位置に配置されている構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子は、前記第１コイルの中心を通り前記第１仮想線と直交して設定される第２仮想線と重なって配置されている構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記第１磁気抵抗効果素子における前記ピンド層の磁化方向と、前記第２磁気抵抗効果素子における前記ピンド層の磁化方向とは、互いに同方向に設定されている構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記基板の法線方向からの視野において、前記第１コイルと隣り合って設けられた第１サブコイルおよび第２サブコイルを有し、前記第１サブコイルおよび前記第２サブコイルは、前記視野において渦巻き状に巻回された導線であり、前記第１コイルの中心を通り前記第１仮想線と直交して設定される第２仮想線と重なって配置され、前記第１磁気抵抗効果素子は、前記視野において前記第１コイルおよび前記第１サブコイルに重なり、前記第２磁気抵抗効果素子は、前記視野において前記第１コイルおよび前記第２サブコイルに重なる構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記第１サブコイルと前記第２サブコイルとは、同一の構成である構成としてもよい。

本発明によれば、小型化が容易である新規な構成の磁気センサを提供することができる。

第１実施形態に係る磁気センサの説明図である。 磁気抵抗効果素子の構成を示す模式図である。 磁気センサが有する磁気検出部の構成を示す模式図である。 磁気センサが有する磁気検出部の構成を示す模式図である。 磁気検出部についての回路構成を説明する説明図である。 磁気検出部についての回路構成を示す説明図である。 第２実施形態に係る磁気センサの説明図である。

［第１実施形態］
以下、図１〜図６を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る磁気センサについて説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法、角度、比率などは適宜異ならせてある。

図１は、本実施形態に係る磁気センサ１の説明図である。図１（ａ）は、磁気センサ１の概略斜視図であり、図１（ｂ）は磁気センサ１の概略平面図である。本実施形態に係る磁気センサは、外部から印加される外部磁場の磁界強度を、互いに直交する３軸の成分別に計測可能な３軸磁気センサである。

図に示すように、磁気センサ１は、基板１０と、少なくとも２つの磁気検出部と、を有している。磁気検出部については後述する。磁気検出部は、基板１０に設けられた複数の磁気抵抗効果素子２１，２２，２３と、を有している。

以下の図では、ｘｙｚ座標系を設定し、このｘｙｚ座標系を参照しつつ各部材の位置関係を説明する。ｘｙｚ座標系において、基板１０の表面内に設定するｘ軸方向に対し、表面内においてｘ軸と直交する方向をｙ軸方向、ｘ軸方向とｙ軸方向のそれぞれと直交する方向をｚ軸方向とする。すなわち、基板１０の表面と同じ面方向にｘｙ平面が設定され、基板１０の法線方向にｚ軸が設定されている。
また、本明細書において、「平面視」とは＋ｚ方向上方から−ｚ方向に見たときの視野を指す。

基板１０は、平面視で矩形の基板である。基板１０は、例えば、ＳｉＯ_２／Ｓｉ、ガラス、石英を形成材料としている。図では、基板１０は、４辺がｘ軸およびｙ軸と平行となるように配置されている。図では、基板１０の４辺を１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとし、ｘ軸方向で対向する２辺を１０ａ，１０ｂ、ｙ軸方向で対向する２辺を１０ｃ，１０ｄとしている。辺１０ａ，１０ｂはｙ軸に平行であり、辺１０ｃ，１０ｄはｘ軸に平行である。

基板１０の表面１０ｘには、４つの溝部１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）が形成されている。図では、溝部１１ａ，１１ｂは、ｘ軸方向に隣り合い、辺１０ｃに沿って形成されている。溝部１１ｃ，１１ｄは、ｘ軸方向に隣り合い、辺１０ｄに沿って形成されている。

溝部１１は、平面視矩形に形成され、一方の溝の幅が深さ方向（−ｚ方向）に漸減している。そのため、溝部１１は、それぞれ対向する一対の傾斜面を有している。

溝部１１は、例えば、フォトリソグラフィ技術により表面１０ｘをパターニングして、エッチングすることにより形成する。表面１０ｘの形成材料が＜１００＞の単結晶シリコンである場合、溝部１１の傾斜面の角度（表面１０ｘに対する傾斜面方向の俯角）は、５４．７°である。

磁気抵抗効果素子２１は、外部から印加される外部磁場の磁界強度のｘ軸の成分を検出する磁気抵抗効果素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを有している。磁気抵抗効果素子２１ａ，２１ｂは、ｙ軸方向に隣り合い、辺１０ａに沿って形成されている。磁気抵抗効果素子２１ｃ，２１ｄは、ｙ軸方向に隣り合い、辺１０ｂに沿って形成されている。磁気抵抗効果素子２１は、ｙ軸方向を長手方向として形成されている。

磁気抵抗効果素子２２は、外部から印加される外部磁場の磁界強度のｙ軸の成分およびｚ軸の成分を検出する磁気抵抗効果素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを有している。磁気抵抗効果素子２２ａは、溝部１１ａの＋ｙ方向の俯角を有する傾斜面１１１に設けられている。同様に、磁気抵抗効果素子２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、溝部１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの＋ｙ方向の俯角を有する傾斜面１１１に設けられている。磁気抵抗効果素子２２は、ｘ軸方向を長手方向として形成されている。

磁気抵抗効果素子２１は、外部から印加される外部磁場の磁界強度のｙ軸の成分およびｚ軸の成分を検出する磁気抵抗効果素子２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄと、を有している。磁気抵抗効果素子２３ａは、溝部１１ａの−ｙ方向の俯角を有する傾斜面１１２に設けられている。同様に、磁気抵抗効果素子２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは、溝部１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの−ｙ方向の俯角を有する傾斜面１１２に設けられている。磁気抵抗効果素子２３は、ｘ軸方向を長手方向として形成されている。

磁気抵抗効果素子２１，２２，２３としては、ＧＭＲ（Giant Magneto-Resistance、巨大磁気抵抗）素子、ＴＭＲ（Tunnel Magneto-Resistance、トンネル磁気抵抗）素子などを挙げることができる。本実施形態では、磁気抵抗効果素子２１，２２，２３として、ＧＭＲ素子を用いることとして説明する。

なお、図では磁気抵抗効果素子２１，２２，２３をそれぞれ直方体状の構成として１つずつ示しているが、より詳細には次のような構成となっている。

図２は、磁気抵抗効果素子２１，２２，２３の構成を示す模式図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の線分ＩＩｂ−ＩＩｂにおける概略断面図である。

図２（ａ）に示すように、磁気抵抗効果素子２１，２２，２３は、平面視矩形の帯状部２０１と、帯状部２０１の両端に設けられた配線層２０２と、を有している。磁気抵抗効果素子２１，２２，２３は、配線層２０２により外部の回路と電気的に接続される。例えば、配線層２０２には、それぞれ図示しない定電圧源の正極及び負極等が接続される。この定電圧源による所定の電源電圧（例えば、３Ｖ）及び接地電圧（例えば、０Ｖ）の印加に応じて、一対の配線層２０２の間に電流が流れる。

図２（ｂ）に示すように、帯状部２０１は、反強磁性材料からなるピニング層２０１ａ、ピニング層２０１ａにより磁化の方位が固定されたピンド層２０１ｂ、非磁性材料からなるスペーサ層２０１ｃ、および、磁化の方位が外部磁場に応じて変化するフリー層２０１ｄ、が積層され、スピンバルブ構造を成している。

図に示す磁気抵抗効果素子２１，２２，２３では、平面視で長手方向に直交する方向にピンド層の磁化の向きが固定されている。図では、ピンド層の磁化の向きを符号Ｐ（ピンド層の磁化方向Ｐ）で示す矢印で示している。また、外部磁場を検出する前の初期状態におけるフリー層の磁化の向きを符号Ｆ（フリー層の磁化方向Ｆ）で示す矢印で示している。

また、磁気抵抗効果素子２１，２２，２３では、磁界無印加時において、フリー層の磁化方向Ｆが平面視で長手方向と同方向となっている。フリー層の磁化方向Ｆはピンド層の磁化方向Ｐと直交している。

このスピンバルブ構造により、磁気抵抗効果素子２１，２２，２３は、測定対象とする外部磁場に応じて一対の配線層２０２間の抵抗値が変化し、当該外部磁場の強度を検出することができる。

なお、図２に示した磁気抵抗効果素子２１，２２，２３の構造は一例であって、その構造は、スピンバルブの機能を発揮できる限度において適宜変更可能である。例えば、フリー層２０１ｄと、ピンド層２０１ｂ及びピニング層２０１ａと、の成膜順序は入れ替え可能であり、さらに、磁気抵抗効果素子としての特性改善のため、上記以外の層が挿入されていてもよい。

図１（ｂ）には、それぞれの磁気抵抗効果素子２１，２２，２３における、外部磁場を検出する前の初期状態におけるピンド層の磁化方向Ｐと、フリー層の磁化方向Ｆと、を示している。

図３は、磁気センサ１が有する磁気検出部１２の構成を示す模式図である。磁気検出部１２は、基板１０に設けられた第１コイル３１と、基板１０の法線方向からの視野（平面視）において第１コイル３１と重なって設けられた第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子と、を有している。図では、例として、磁気抵抗効果素子２１ａを「第１磁気抵抗効果素子」、磁気抵抗効果素子２１ｂを「第２磁気抵抗効果素子」とする磁気検出部について示している。

第１コイル３１は、平面視において、外周側から内周側に向けて時計回りに巻回された導線である。第１コイル３１は、例えば、基板１０の内部において配線を引き回す層に設けられている。図では、第１コイル３１は、ｘ軸方向またはｙ軸方向に延在する直線部分と、延在方向が変化する屈曲部分とを有する略矩形の渦巻き形状として示している。

第１コイル３１は、外周側の端部が電源電圧ＶＤＤに接続され、内周側の端部が接地電圧ＧＮＤに接続される。これにより第１コイル３１には、符号ＥＣで示す矢印方向に電流が流れ、流れる電流が符号Ｈで示す白矢印方向に磁場を形成する。

磁気抵抗効果素子２１ａは、第１コイル３１の中心Ｏに対して＋ｙ軸方向において、ｘ軸方向に延在する直線部分（導線）と重なって配置している。磁気抵抗効果素子２１ａは、第１コイル３１を構成する複数本の直線部分と直交するように配置している。

磁気抵抗効果素子２１ｂは、第１コイル３１の中心Ｏに対して−ｙ軸方向において、ｘ軸方向に延在する直線部分（導線）と重なって配置している。磁気抵抗効果素子２１ｂは、第１コイル３１を構成する複数本の直線部分と直交するように配置している。

磁気抵抗効果素子２１ａが重なる第１コイル３１の直線部分の本数と、磁気抵抗効果素子２１ｂが重なる第１コイル３１の直線部分の本数とは、同数（図では５本）となっている。

このような構成の磁気検出部１２では、第１コイル３１で磁場Ｈを形成すると、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂに、同強度の磁場Ｈが加わる。磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂのフリー層の磁化方向Ｆは、第１コイル３１で形成される磁場方向に配向する。これにより、外部磁場の影響を受け磁化方向が変化したフリー層の磁化方向Ｆを、第１コイル３１で形成される所定の磁場方向に揃えることができる。

本明細書では、上述のような「フリー層の磁化方向を第１コイル３１で形成される所定の磁場方向に揃えること」を初期化と称することがある。また、「フリー層の磁化方向が初期化された状態」を初期状態と称することがある。

磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂは、第１コイル３１の中心Ｏを通って設定される第１仮想線ＶＬ１を挟んで、第１仮想線ＶＬ１の両側に配置されている。図では、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂは、第１仮想線ＶＬ１に対して対称に配置されている。また、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂの中心軸は、第１コイル３１の中心Ｏを通り第１仮想線ＶＬ１と直交して設定される第２仮想線ＶＬ２と重なって配置されている。

また、磁気抵抗効果素子２１ａにおけるピンド層の磁化方向Ｐと、磁気抵抗効果素子２１ｂにおけるピンド層の磁化方向Ｐとは、互い同方向に設定されている。

さらに磁気検出部１２では、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂのフリー層の磁化方向Ｆとピンド層の磁化方向Ｐとが直交している。また、磁気抵抗効果素子２１ａと磁気抵抗効果素子２１ｂとは、フリー層の磁化方向Ｆが逆方向となっている。

このような磁気検出部１２では、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂが１つの第１コイル３１を共有することとなるため、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂが初期化のための個別のコイルを有する場合と比べ、コイルの設置面積を低減することができる。そのため、磁気センサ１の小型化に適した構成となっている。

また、図に示す磁気検出部１２では、初期状態における、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂの磁化の状態が、第１仮想線ＶＬ１、第２仮想線ＶＬ２に対して対称となる。そのため、外部磁場に対するフリー層の磁化方向の変化が検出しやすく、好感度な磁気センサとすることができる。

なお、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂの配置位置が理想状態からずれており、第１仮想線ＶＬ１に対して対称ではない場合であっても、外部磁場の検出は可能であり、磁気センサ１の小型化に適した磁気検出部１２となる。

同様に、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂの中心軸が、第２仮想線ＶＬ２とずれている場合であっても、外部磁場の検出は可能であり、磁気センサ１の小型化に適した磁気検出部１２となる。また、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂのピンド層の磁化方向Ｐが同方向でなく、ずれが生じていたとしても、外部磁場の検出は可能であり、磁気センサ１の小型化に適した磁気検出部１２となる。

詳細な説明は省略するが、磁気抵抗効果素子２１ｃおよび磁気抵抗効果素子２１ｄは、不図示のコイル（第１コイル）と平面視で重なって設けられており、磁気検出部を構成している。
同様に、磁気抵抗効果素子２２ａおよび磁気抵抗効果素子２２ｂと、不図示のコイル（第１コイル）とで、磁気検出部を構成している。
磁気抵抗効果素子２２ｃおよび磁気抵抗効果素子２２ｄと、不図示のコイル（第１コイル）とで、磁気検出部を構成している。
磁気抵抗効果素子２３ａおよび磁気抵抗効果素子２３ｂと、不図示のコイル（第１コイル）とで、磁気検出部を構成している。
磁気抵抗効果素子２３ｃおよび磁気抵抗効果素子２３ｄと、不図示のコイル（第１コイル）とで、磁気検出部を構成している。

いずれの磁気検出部においても、コイルに通電することで発生する磁場により、磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化方向を初期化する。

また、各磁気検出部が有するコイル（第１コイル）は、上述した第１コイル３１と同様に、基板１０の内部において配線を引き回す層に設けられている。各コイルは、共通する工程で同時に形成することができる。

なお、図４に示すように、辺１０ｃに沿って設けられている４つの磁気抵抗効果素子２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂは、共通する１つの第１コイル３１と重なって磁気検出部を構成することとしてもよい。辺１０ｄに沿って設けられている４つの磁気抵抗効果素子２２ｃ，２２ｄ，２３ｃ，２３ｄも同様である。

図５は、磁気検出部１２の回路構成を説明する説明図である。図５（ａ）は、磁気検出部１２を構成する磁気抵抗効果素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの配置を説明する図であり、図５（ｂ）は磁気検出部１２の回路構成を説明する模式図である。

図５（ａ）に示すように、辺１０ａに沿って配置された磁気検出部１２（第１の磁気検出部１２Ａ）が有する磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子）２１ａと、辺１０ｂに沿って配置された磁気検出部１２（第２の磁気検出部１２Ｂ）が有する磁気抵抗効果素子（第２磁気抵抗効果素子）２１ｄとは、初期状態において、フリー層の磁化方向Ｆとピンド層の磁化方向Ｐのいずれも逆方向になっている。

また、第１の磁気検出部１２Ａが有する磁気抵抗効果素子（第２磁気抵抗効果素子）２１ｂと、第２の磁気検出部１２Ｂが有する磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子）２１ｃとは、初期状態において、フリー層の磁化方向Ｆとピンド層の磁化方向Ｐのいずれも逆方向になっている。

本実施形態の磁気センサ１では、磁気抵抗効果素子２１ａと磁気抵抗効果素子２１ｄとを直列接続し、磁気抵抗効果素子２１ｃと磁気抵抗効果素子２１ｂとを直列接続して、第１の磁気検出部１２Ａと第２の磁気検出部１２Ｂとで、差動回路を構成している。

すなわち、図５（ｂ）に示すように、第１の磁気検出部１２Ａの磁気抵抗効果素子２１ａ、磁気抵抗効果素子２１ｂ、第２の磁気検出部１２Ｂの磁気抵抗効果素子２１ｃ、磁気抵抗効果素子２１ｄは、配線接続されブリッジ回路Ｂ１を形成する。

図５（ｂ）に示すブリッジ回路Ｂ１において、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｄは、電源端子Ｑ１と接地端子Ｑ２との間に直列に接続される。このとき、磁気抵抗効果素子２１ａの一端が電源端子Ｑ１と接続され、磁気抵抗効果素子２１ｄの一端が接地端子Ｑ２と接続される。

また、磁気抵抗効果素子２１ｃおよび磁気抵抗効果素子２１ｂは、電源端子Ｑ１と接地端子Ｑ２との間に直列に接続される。このとき、磁気抵抗効果素子２１ｃの一端が電源端子Ｑ１と接続され、磁気抵抗効果素子２１ｂの一端が接地端子Ｑ２と接続される。

電源端子Ｑ１、接地端子Ｑ２には図示しない定電圧源の正極、負極がそれぞれ接続され、電源端子Ｑ１には電源電圧（例えば、３Ｖ）が印加され、接地端子Ｑ２には接地電圧（例えば、０Ｖ）が印加される。これにより、ブリッジ回路Ｂ１は、磁気抵抗効果素子２１ａと磁気抵抗効果素子２１ｄとの間の電位と、磁気抵抗効果素子２１ｃと磁気抵抗効果素子２１ｂとの間の電位と、の電位差である出力電圧Ｖ１を出力する。

磁気センサ１は、ブリッジ回路Ｂ１の出力電圧Ｖ１から、印加される外部磁場の±Ｘ方向の成分Ｈｘを算出することができる。具体的には、外部磁場の±Ｘ方向の成分Ｈｘは、下記の式（１）により求めることができる。
Ｈｘ＝ｋｘ・Ｖ１ …（１）
ここで、感度係数ｋｘは、出力電圧Ｖ１に対する、外部磁場の±Ｘ方向の成分Ｈｘ（±Ｘ方向の磁界強度）の比例定数である。

なお、例えば、第２の磁気検出部１２Ｂの第１コイルに通電する方向を逆にし、初期状態におけるフリー層の磁化方向Ｆを図５とは逆方向にした場合には、第１の磁気検出部１２Ａの磁気抵抗効果素子２１ａと第２の磁気検出部１２Ｂの磁気抵抗効果素子２１ｄとを直列接続し、第１の磁気検出部１２Ａの磁気抵抗効果素子２１ｂと第２の磁気検出部１２Ｂの磁気抵抗効果素子２１ｃとを直列接続して、差動回路を構成するとよい。

図６は、磁気抵抗効果素子２２および磁気抵抗効果素子２３を含む磁気検出部についての回路構成を示す説明図であり、図５（ｂ）に対応する図である。

すなわち、図６（ａ）に示すように、第１の磁気検出部１２Ａの磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子）２２ａ、磁気抵抗効果素子（第２磁気抵抗効果素子）２２ｂ、第２の磁気検出部１２Ｂの磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子）２２ｃ、磁気抵抗効果素子（第２磁気抵抗効果素子）２２ｄは、配線接続されブリッジ回路Ｂ２を形成する。

図６（ａ）に示すブリッジ回路Ｂ２において、磁気抵抗効果素子２２ａおよび磁気抵抗効果素子２２ｄは、電源端子Ｑ１と接地端子Ｑ２との間に直列に接続される。このとき、磁気抵抗効果素子２２ａの一端が電源端子Ｑ１と接続され、磁気抵抗効果素子２２ｄの一端が接地端子Ｑ２と接続される。

また、磁気抵抗効果素子２２ｃおよび磁気抵抗効果素子２２ｂは、電源端子Ｑ１と接地端子Ｑ２との間に直列に接続される。このとき、磁気抵抗効果素子２２ｃの一端が電源端子Ｑ１と接続され、磁気抵抗効果素子２２ｂの一端が接地端子Ｑ２と接続される。

同様に、図６（ｂ）に示すように、第１の磁気検出部１２Ａの磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子）２３ａ、磁気抵抗効果素子（第２磁気抵抗効果素子）２３ｂ、第２の磁気検出部１２Ｂの磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子）２３ｃ、磁気抵抗効果素子（第２磁気抵抗効果素子）２３ｄは、配線接続されブリッジ回路Ｂ３を形成する。

図６（ｂ）に示すブリッジ回路Ｂ３において、磁気抵抗効果素子２３ａおよび磁気抵抗効果素子２３ｄは、電源端子Ｑ１と接地端子Ｑ２との間に直列に接続される。このとき、磁気抵抗効果素子２３ａの一端が電源端子Ｑ１と接続され、磁気抵抗効果素子２３ｄの一端が接地端子Ｑ２と接続される。

また、磁気抵抗効果素子２３ｃおよび磁気抵抗効果素子２３ｂは、電源端子Ｑ１と接地端子Ｑ２との間に直列に接続される。このとき、磁気抵抗効果素子２３ｃの一端が電源端子Ｑ１と接続され、磁気抵抗効果素子２３ｂの一端が接地端子Ｑ２と接続される。

電源端子Ｑ１、接地端子Ｑ２には図示しない定電圧源の正極、負極がそれぞれ接続され、電源端子Ｑ１には電源電圧が印加され、接地端子Ｑ２には接地電圧が印加される。これにより、ブリッジ回路Ｂ２は、磁気抵抗効果素子２２ａと磁気抵抗効果素子２２ｄとの間の電位と、磁気抵抗効果素子２２ｃと磁気抵抗効果素子２２ｂとの間の電位と、の電位差である出力電圧Ｖ２を出力する。また、ブリッジ回路Ｂ３は、磁気抵抗効果素子２３ａと磁気抵抗効果素子２３ｄとの間の電位と、磁気抵抗効果素子２３ｃと磁気抵抗効果素子２３ｂとの間の電位と、の電位差である出力電圧Ｖ３を出力する。

磁気センサ１は、ブリッジ回路Ｂ２の出力電圧Ｖ２と、ブリッジ回路Ｂ３の出力電圧Ｖ３と、を組み合わせることで、印加される外部磁場の±Ｙ方向成分及び±Ｚ方向成分を分離して算出することができる。具体的には、外部磁場の±Ｙ方向の成分Ｈｙは、下記の式（２）により求めることができる。
Ｈｙ＝ｋｙ（Ｖ２＋Ｖ３） …（２）
ここで、感度係数ｋｙは、出力電圧Ｖ２、Ｖ３に対する、外部磁場の±Ｙ方向の成分Ｈｙ（±Ｙ方向の磁界強度）の比例定数である。

さらに、外部磁場の±Ｚ方向の成分Ｈｚは、下記の式（３）により求めることができる。
Ｈｚ＝ｋｚ（Ｖ２−Ｖ３） …（３）
ここで、感度係数ｋｚは、出力電圧Ｖ２、Ｖ３に対する、外部磁場の±Ｚ方向の成分Ｈｚ（±Ｚ方向の磁界強度）の比例定数である。

本実施形態の磁気センサ１は、以上のような構成となっている。

以上のような構成の磁気センサ１によれば、各磁気抵抗効果素子２１，２２，２３が初期化のための個別のコイルを有する場合と比べ、コイルの設置面積を低減することができる。そのため、小型化に適した新規な構成の磁気センサを提供することができる。

［第２実施形態］
図７は、本発明の第２実施形態に係る磁気センサの説明図である。本実施形態の磁気センサは、第１実施形態の磁気センサ１と一部共通しており、磁気検出部が有するコイルの構成が異なっている。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図７は、本実施形態の磁気センサが有する磁気検出部１３の構成を示す模式図である。磁気検出部１３は、磁気抵抗効果素子２１ａ、磁気抵抗効果素子２１ｂ、第１コイル４１、第１サブコイル５１、第２サブコイル５２を有している。

第１コイル４１は、平面視において、外周側から内周側に向けて時計回りに巻回された導線である。第１コイル４１は、例えば、基板１０の内部において配線を引き回す層に設けられている。図では、第１コイル４１は、ｘ軸方向またはｙ軸方向に延在する直線部分と、延在方向が変化する屈曲部分とを有する略矩形の渦巻き形状として示している。

第１サブコイル５１および第２サブコイル５２は、平面視において第１コイル４１と隣り合って設けられ、第１コイル４１の中心Ｏ１を通り第１仮想線ＶＬ１と直交して設定される第２仮想線ＶＬ２と重なって配置されている。

第１サブコイル５１および第２サブコイル５２は、平面視において、外周側から内周側に向けて反時計回りに巻回された導線である。第１サブコイル５１および第２サブコイル５２は、基板１０の内部において第１コイル４１と同じ層に設けられている。図では、第１サブコイル５１および第２サブコイル５２は、ｘ軸方向またはｙ軸方向に延在する直線部分と、延在方向が変化する屈曲部分とを有する略矩形の渦巻き形状として示している。

第１サブコイル５１と第２サブコイル５２とは、図に示すように同一の構成となっていることが好ましい。ここで、「同一の構成」とは、外形（形状、大きさ）が同じであることに加え、電源電圧および接地電圧に接続したときに同量の電流が流れるようにサブコイルを構成する導線全体の電気抵抗値も同じになっていることを意味する。同じ形成材料を用いて第１サブコイル５１および第２サブコイル５２を形成した場合には、外形が同じであればよい。

なお、第１サブコイル５１および第２サブコイル５２は、第１コイル４１よりも小さいコイルであることとして示しているが、第１コイル４１と同じ大きさであってもよく、第１コイル４１よりも大きくてもよい。

磁気抵抗効果素子２１ａは、第１コイル４１の中心Ｏ１と第１サブコイル５１の中心Ｏ２との間において、ｘ軸方向に延在する第１コイル４１の直線部分（導線）および第１サブコイル５１の直線部分（導線）と重なって配置している。

磁気抵抗効果素子２１ｂは、第１コイル４１の中心Ｏ１と第２サブコイル５２の中心Ｏ３との間において、ｘ軸方向に延在する第１コイル４１の直線部分（導線）および第２サブコイル５２の直線部分（導線）と重なって配置している。

磁気抵抗効果素子２１ａが重なる第１コイル４１の直線部分の本数と、磁気抵抗効果素子２１ｂが重なる第１コイル４１の直線部分の本数とは同数（図では３本）となっている。また、磁気抵抗効果素子２１ａが重なる第１サブコイル５１の直線部分の本数と、磁気抵抗効果素子２１ｂが重なる第２サブコイル５２の直線部分の本数とは同数（図では２本）となっている。すなわち、磁気抵抗効果素子２１ａが重なる第１コイル４１の直線部分と第１サブコイル５１の直線部分の合計本数と、磁気抵抗効果素子２１ｂが重なる第１コイル４１の直線部分と第２サブコイル５２の直線部分の合計本数とは、同数（図では５本）となっている。

このような磁気検出部１３においては、第１コイル４１、第１サブコイル５１および第２サブコイル５２は、外周側の端部が電源電圧ＶＤＤに接続され、内周側の端部が接地電圧ＧＮＤに接続される。これにより第１コイル４１、第１サブコイル５１および第２サブコイル５２には、それぞれ符号ＥＣ１、ＥＣ２，ＥＣ３で示す矢印方向に電流が流れ、流れる電流が磁場を形成する。

第１コイル４１に電流ＥＣ１を流すと、電流ＥＣ１は磁場Ｈ１を形成する。磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂには、同じ大きさで逆向きの磁場Ｈ１が加わる。

第１サブコイル５１および第２サブコイル５２は、電源電圧および接地電圧に接続したときに同量の電流ＥＣ２，ＥＣ３が流れるため、生じる磁場Ｈ２，Ｈ３の強度が同じになる。したがって、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂには、同じ大きさで逆向きの磁場Ｈ２、Ｈ３が加わる。

これらの結果、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂには、同じ強度の磁場が加わり、精度よくフリー層の初期化をすることができる。

なお、初期化のためのコイルとしては、時計回りに巻回するコイルと半時計回りに巻回するコイルとを外周で接続して一体とした、「ダブルスパイラル型」と呼ばれる構成のものが知られている。例えば、磁気検出部１３において、第１コイル４１と第１サブコイル５１とを、ダブルスパイラル型のコイルと置き換えることが可能のようにも思えるが、上述したように、第１コイル４１と第１サブコイル５１とを別体で構成するほうが好ましい。

すなわち、ダブルスパイラル型のコイルを用いた場合、ダブルスパイラル型のコイルにおける第１サブコイル５１に該当する部分と、第２サブコイル５２とに流す電流量を一致させ、それぞれ同じ大きさの磁場を発生させることが困難である。一方で、本実施形態のように第１サブコイル５１と第２サブコイル５２とを別体として形成すると、第１サブコイル５１と第２サブコイル５２とを同一の構成とすることで、特別な電気的制御を要することなく、同じ大きさの磁場を発生させることができるため、精度よくフリー層の初期化をすることができる。

このような磁気検出部１３では、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂが重なるコイル（第１コイル、第１サブコイル、第２サブコイル）の直線部分の本数は、第１実施形態の磁気検出部１２と同様に各５本となっているが、各コイルの巻回数は、第１実施形態の第１コイル３１よりも少ない。そのため、第１コイル４１、第１サブコイル５１、第２サブコイル５２の設置領域は、第１コイル３１と比べてｘ軸方向の広がりが小さくなる。磁気検出部１３において、各コイルのｘ軸方向に広がった部分は、磁気抵抗効果素子２１ａおよび磁気抵抗効果素子２１ｂとは重ならず、初期化には不要な部分であるため、各コイルのｘ軸方向への広がりを小さくすることで、コイル全体の設置面積を低減することができる。そのため、磁気センサ１の小型化に適した構成となっている。

以上のような構成の磁気センサによれば、各磁気抵抗効果素子２１，２２，２３が初期化のための個別のコイルを有する場合と比べ、コイルの設置面積を低減することができる。そのため、小型化に適した新規な構成の磁気センサを提供することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１…磁気センサ、１０…基板、１２，１３…磁気検出部、１２Ａ…第１の磁気検出部、１２Ｂ…第２の磁気検出部、２１，２２，２３…磁気抵抗効果素子、２１ａ，２１ｃ，２２ａ，２２ｃ，２３ａ，２３ｃ…磁気抵抗効果素子（第１磁気抵抗効果素子）、２１ｂ，２１ｄ，２２ｂ，２２ｄ，２３ｂ，２３ｄ…磁気抵抗効果素子（第２磁気抵抗効果素子）、３１，４１…第１コイル、５１…第１サブコイル、５２…第２サブコイル、１１１，１１２…傾斜面、２０１ｂ…ピンド層、２０１ｄ…フリー層、ＶＬ１…第１仮想線、ＶＬ２…第２仮想線、Ｆ，Ｐ…磁化方向、Ｈ，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３…磁場、Ｏ，Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３…中心

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板に設けられた少なくとも２つの磁気検出部と、を有し、
   前記磁気検出部は、前記基板に設けられた第１コイルと、
   前記基板の法線方向からの視野において、前記第１コイルと重なって設けられた第１磁気抵抗効果素子および第２磁気抵抗効果素子と、を有し、
   前記第１コイルは、前記視野において渦巻き状に巻回された導線であり、
   前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子は、それぞれ磁化方向が固定されたピンド層と、磁化方向が外部磁場に応じて変化するフリー層と、が積層された構造を有し、前記第１コイルの中心を通って設定される第１仮想線を挟んで前記第１仮想線の両側に配置されており、
   第１の磁気検出部が有する前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子のうちいずれか一方と、第２の磁気検出部が有する前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子のうちいずれか一方と、を直列接続し、
   前記第１の磁気検出部が有する前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子のうち他方と、前記第２の磁気検出部が有する前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子のうち他方と、を直列接続して、
   前記第１の磁気検出部と前記第２の磁気検出部とで、差動回路を構成する磁気センサ。
2. 前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子は、前記第１仮想線に対して対称な位置に配置されている請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１磁気抵抗効果素子および前記第２磁気抵抗効果素子は、前記第１コイルの中心を通り前記第１仮想線と直交して設定される第２仮想線と重なって配置されている請求項１または２に記載の磁気センサ。
4. 前記第１磁気抵抗効果素子における前記ピンド層の磁化方向と、前記第２磁気抵抗効果素子における前記ピンド層の磁化方向とは、互いに同方向に設定されている請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
5. 前記基板の法線方向からの視野において、前記第１コイルと隣り合って設けられた第１サブコイルおよび第２サブコイルを有し、
   前記第１サブコイルおよび前記第２サブコイルは、前記視野において渦巻き状に巻回された導線であり、前記第１コイルの中心を通り前記第１仮想線と直交して設定される第２仮想線と重なって配置され、
   前記第１磁気抵抗効果素子は、前記視野において前記第１コイルおよび前記第１サブコイルに重なり、
   前記第２磁気抵抗効果素子は、前記視野において前記第１コイルおよび前記第２サブコイルに重なる請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
6. 前記第１サブコイルと前記第２サブコイルとは、同一の構成である請求項５に記載の磁気センサ。

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