JP2017166921A - 磁気センサおよび磁気センサ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】大きな検出信号を得ることのできる磁気センサおよび磁気センサ装置を提供する。
【解決手段】本実施形態による磁気センサは、複数の検出素子ユニットであって、各検出素子ユニットは、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する一対の第1および第2磁気抵抗素子を備え、隣接する異なる検出素子ユニット間の間隔が各検出素子ユニットにおける第1および第2磁気抵抗素子間の間隔よりも小さくなるように配置された複数の検出素子ユニットと、各検出素子ユニットにおいて、前記第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の検出信号の差分を得る信号処理回路と、を備えている。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、磁気センサおよび磁気センサ装置に関する。
従来、生体から発生する磁界を計測する装置として、SQUID(Superconducting Quantum Interference Device:超伝導量子干渉素子)を有する磁気センサを用いた生体磁気計測装置が提案されている。この生体磁気計測装置においては、多数のSQUIDを有する磁気センサを配列させて生体磁気の計測に用いることで、脳磁図、心磁図等の2次元生体磁気情報を得ることができる。
SQUIDを有する磁気センサは、微弱な磁界の検出が可能であるが、外乱磁界のノイズにより微弱な磁界の検出感度が制限される。外乱磁界の影響を低減するために、差動原理によるグラジオメータが用いられている。生体からの信号磁界は外乱磁界に比べて勾配を有するので、距離を離して設置した2つの検出部コイル出力の差分を取り出すことにより、外乱磁界が相殺され、信号磁界は勾配による差分が残るので、磁界の検出感度が向上する。
しかし、SQUIDを用いた通常使用される同軸グラジオメータでは、生体近傍部と生体面から垂直方向に離れた位置に検出コイルをそれぞれが有する2組のセンサを配置しているので、差分検出のため信号磁界の強度もある程度減衰することが避けられない。生体面に配置した2組の検出コイルを用いた平面型グラジオメータでは、生体面に垂直方向の成分磁界Hzが、生体電流源の両側でその符号が反転する。したがって、生体電流源の両サイドに2つの検出コイルを適切な位置に配置すると、差分検出により逆にコイルの検出信号が増大する。
しかし、SQUIDでは検出コイルの直径がほぼ20mmと大きく、また生体面から検出コイルが3cm程度後退するので、大きな正負の磁界発生箇所に適切に検出コイルを配置することが困難であり、実際には同軸グラジオメータと大きな差はない。
一方、磁気抵抗効果型センサでは、素子サイズが数mm以下と小さく、概ね生体面にセンサ素子を配置できる。しかし、大きな正負の信号磁界を適切な位置に配置して、大きな検出信号を得ることのできる面内グラジオメータは知られていない。
本実施形態は、大きな検出信号を得ることのできる磁気センサおよび磁気センサ装置を提供する。
本実施形態による磁気センサは、複数の検出素子ユニットであって、各検出素子ユニットは、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する一対の第1および第2磁気抵抗素子を備え、隣接する異なる検出素子ユニット間の間隔が各検出素子ユニットにおける第1および第2磁気抵抗素子間の間隔よりも小さくなるように配置された複数の検出素子ユニットと、各検出素子ユニットにおいて、前記第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の検出信号の差分を得る信号処理回路と、を備えている。
以下に図面を参照して実施形態について説明する。
(第1実施形態)
第1実施形態による磁気センサ1を図1に示す。この磁気センサ100は、複数の検出素子ユニット1201、1202、1203、1204を有している。また、磁気センサ100は、生体に接するかまたは対向するセンサ端面を有し、各検出素子ユニット120i(i=1,2,3,4)は、上記センサ端面(x−y面)に配置された対となる磁気抵抗素子(以下、MR素子とも云う)1Ai、1Biを備えている。対となるMR素子1Ai(i=1,2,3,4)、1Biによって生体からの信号磁界が差動検出される。また、本実施形態においては、各検出素子ユニット120i(i=1,2,3,4)は、この検出素子ユニット120iにおける対となるMR素子1Ai、1Bi間の距離(間隔)DABよりも、この検出素子ユニット120iに隣接する他の検出素子ユニットとの間の距離(間隔)DUUが小さくなるように、配置される。すなわち、隣接する異なる検出素子ユニット間の距離DUUが任意の検出素子ユニットにおけるMR素子間の距離DABよりも小さくなるように、検出素子ユニットおよびMR素子が配置される。なお、ここで、対となるMR素子1Ai、1Bi間の距離DABは、MR素子1Ai(i=1,2,3,4)の中心と、MR素子1Biの中心との間の距離を意味する。また、隣接する異なる検出素子ユニット間の距離DUUは、隣接する検出素子ユニットの中心間の距離を意味する。なお、MR素子1Ai(i=1,2,3,4)は2つの端子を有している、例えば、MR素子1A1は、端子TA11,TA12を有し、MR素子1B1は端子TB11,TB12を有している。
第1実施形態による磁気センサ1を図1に示す。この磁気センサ100は、複数の検出素子ユニット1201、1202、1203、1204を有している。また、磁気センサ100は、生体に接するかまたは対向するセンサ端面を有し、各検出素子ユニット120i(i=1,2,3,4)は、上記センサ端面(x−y面)に配置された対となる磁気抵抗素子(以下、MR素子とも云う)1Ai、1Biを備えている。対となるMR素子1Ai(i=1,2,3,4)、1Biによって生体からの信号磁界が差動検出される。また、本実施形態においては、各検出素子ユニット120i(i=1,2,3,4)は、この検出素子ユニット120iにおける対となるMR素子1Ai、1Bi間の距離(間隔)DABよりも、この検出素子ユニット120iに隣接する他の検出素子ユニットとの間の距離(間隔)DUUが小さくなるように、配置される。すなわち、隣接する異なる検出素子ユニット間の距離DUUが任意の検出素子ユニットにおけるMR素子間の距離DABよりも小さくなるように、検出素子ユニットおよびMR素子が配置される。なお、ここで、対となるMR素子1Ai、1Bi間の距離DABは、MR素子1Ai(i=1,2,3,4)の中心と、MR素子1Biの中心との間の距離を意味する。また、隣接する異なる検出素子ユニット間の距離DUUは、隣接する検出素子ユニットの中心間の距離を意味する。なお、MR素子1Ai(i=1,2,3,4)は2つの端子を有している、例えば、MR素子1A1は、端子TA11,TA12を有し、MR素子1B1は端子TB11,TB12を有している。
MR素子1Ai(i=1,2,3,4)、1Biとしてはそれぞれ、異方性磁気抵抗効果、巨大磁気抵抗効果(GMR)、トンネル磁気抵抗効果(TMR)などの磁気抵抗効果素子が用いられる。MR素子の構成についてGMR素子を例にとって図2乃至図4を参照して説明する。図2はGMR素子1の平面図(z−y平面図)、図3は図2に示す切断線A−Aで切断した断面図、図4はGMR素子1に含まれる磁気抵抗膜10の断面図である。
MR素子1は、磁気抵抗膜10と、磁界収束部21、22とを備えている。磁気抵抗膜10は、図示しない基板上に、下地層11、反強磁性層12、磁化固定層13、中間層14、第1磁界検出層151、第2磁界検出層152、およびキャップ層16が順次形成された積層構造を有している(図4)。下地層11は、例えば、Ta、Ru、またはCuから形成される。反強磁性層12は、例えばIrMnから形成され、磁化固定層13の磁化を固定する。磁化固定層13は、例えばCoFeから形成される。中間層14は、非磁性金属、例えばCuから形成される。第1および第2磁界検出層151,152の材料については、後述する。キャップ層16は、例えばRu、Ta、またはCuから形成される。
この磁気抵抗膜10は、中間層が非磁性金属から形成されるので、GMR膜とも呼ばれる。磁気抵抗膜10は、所望の形状にパターニングされる。例えば、センサ動作に適した適度な抵抗、例えば100Ω〜10kΩを実現するために、通電方向が長手方向(x方向)となる長方形の形状にパターニングされる。例えば、長さが0.01mm〜5mm、幅が1μm〜100μmの長方形の形状にパターニングされる。図2では、磁気抵抗膜10は、複数(8個)の長方形の形状に分割された構成を有している。すなわち、図2に示す磁気抵抗膜10は、8個の磁気抵抗部101〜108に分割される。なお、磁気抵抗膜10は1つの磁気抵抗部であってもよい。なお、図2に示す磁気抵抗膜10は1つの磁気抵抗部を示している。
これらの8個の磁気抵抗部101〜108は、直列接続されるように9個の電極31〜39が設けられる。電極31は、磁気抵抗部101の右端部近傍に設けられ、電極32i(i=1,2,3,4)は、磁気抵抗部102i−1と磁気抵抗部102iの左端部近傍を接続する。電極32i+1(i=1,2,3)は、磁気抵抗部102iと磁気抵抗部102i−1の右端部近傍を接続する。電極39は磁気抵抗部108の右端部近傍に接続される。すなわち、各磁気抵抗部10i(i=1,・・・,9)は、一対の電極に接続されている。また、電極31と電極39は、磁気抵抗膜10に電流を流すための電圧を印加する回路40に接続される。これらの電極31と電極39は、図1に示す端子、例えばTA11、TA12にそれぞれ接続される。この回路40によって、各磁気抵抗部10i(i=1,・・・,9)の一対の電極間に電流が流れる、この一対の電極間の領域が磁界検出領域となる。第1および第2磁界検出層151、152の長手方向のエッジ部に発生する磁区に起因するノイズの影響を低減するために、厳密に各磁気抵抗部10i(i=1,・・・,8)のエッジ部でなく、磁気抵抗部のエッジからある程度離れた箇所に電極31〜39を設けても良い。
生体磁気は数mm程度の均一磁界領域を有するので、信号磁束を第1および第2磁界検出層151、152に集める、高透磁率の軟磁性体からなる一対の磁界収束部21、22が磁気抵抗膜10の幅方向(z方向)の端部に設けられる。この磁界収束部21,22は、MFC(Magnetic flux concentrator)21,22とも呼ばれる。このMFC21,22はそれぞれ、例えばNiFe、NiFeMoCu、またはCo系アモルファス合金が用いられる。MFC21,22の厚さ(z方向の長さ)はそれぞれ、第1および第2磁界検出層151、152の厚さよりも十分に厚くし(例えば、数μm厚以上)、更に第1および第2磁界検出層151、152の接合部近傍では、MFC21、22の厚さが徐々に薄くなるようなテーパ形状を有することが好ましい。このようなテーパ形状とすることにより、信号磁束の収束効率アップおよび感度の増大を得ることができる。
第1磁界検出層151は、GMRの発現に適したCo,Fe,Niの群から少なくとも2種の元素を含む合金、例えば、CoFe、NiFe、またはCoFeNiなどの結晶性の磁性合金が用いられる。
このようなMR素子1Ai(i=1,2,3,4)とMR素子1Biとの間隔は、MR素子1AiとMR素子1Biの検出磁界が正の大きな値と、負の大きな値を示す箇所に配置することにより、MR素子1AiとMR素子1Biとの差分検出信号を増大することができる。
図5(a)に、脳磁生体信号の解析で利用されているSarVasモデルにより計算し、生体磁界Hz(生体面直成分)とx方向の位置との関係を調べた一例を示す。この計算では、20nA・mの強さの生体磁界源がy方向に流れる電流180によって生成され、この生体磁界源が、生体表面から20mmの直下でかつ原点すなわちx=0,y=0に存在して、MR素子1Aは概ね生体表面に近接していると仮定した(図5(b)、5(c))。生体面に近接した場合の、生体磁界源とMR素子との距離は20mmとした。生体磁界は、+x方向では負磁界、−x方向では正磁界となるように分布する。対となるMR素子1AとMR素子1Bとの間隔は、概ね図5(a)中で矢印に示したように、x軸方向において、−10mm〜−25mmの範囲と10mm〜25mmの範囲にMR素子1AとMR素子1Bとを設置すると、1500fTの大きな磁界が得られることが判る。図5(a)中の左右の矢印の範囲で検出信号の符号が逆となるので、差分信号は2倍に増大する。差分検出方法では、同方向の外乱磁界は相殺されるので、大きなSN比を実現することができる。
サイズが小さなMR素子を用いた磁気センサでは、SQUIDでは実現できないような10mm以下の間隔でMR素子を配置することが可能である。しかし、本発明者達は、差動検出方法を用いて大きな信号磁界を得るためには、対となるMR素子1AとMR素子1Bとの間隔を20nm〜50mmと比較的大きな値であることが望ましいことを見出した。また、20mm〜50mm程度の間隔で検出素子ユニットを配置すると、以下の問題があることが判明した。これについて図6(a)、6(b)を参照して説明する。
図6(a)、6(b)に磁界源の位置変動pと、MR素子1A、1Bの検出磁界の関係を調べた結果を示す。ここで、MR素子1AとMR素子1Bとの間の距離DABは図6(b)に示すように、20mmであるとしている。磁界源の位置変動pは、図6(b)に示すように、原点(x=0,y=0)から45度の角度で変動した場合について示す。図6(a)から、位置変動pがほぼ7.5mmにて検出磁界は半減することが分かる。すなわち、MR素子1A,1Bの間隔程度で検出素子ユニットを配置すると、磁界源からの磁界が測定できない場所が多発し、磁界源の生体表面での分布同定が困難になる。この課題を解決するには、MR素子1AとMR素子1Bの間隔DABよりも、近接して密に複数の検出素子ユニットを配置することが必要であると、本発明者達は見出した。検出素子ユニットを密に配置した場合、その密度よりも広い間隔のMR素子対を選んで差動信号を検出することにより、SN比に優れたグラジオメータが可能となる。SN比の向上により、より小さな生体磁場の測定が可能となる。
対となるMR素子1A,1Bから差動信号を得るための第1例を図7に示す。この第1例は信号処理回路70を有し、MR素子1Aの端子TA1,TA2、MR素子1Bの端子TB1,TB2は、信号処理回路70に接続される。信号処理回路70は、オペアンプ71と、このオペアンプ71に並列に接続された帰還抵抗72と、オペアンプ73と、このオペアンプ73に並列に接続された帰還抵抗74と、オペアンプ75と、を備えている。MR素子1Aの端子TA1、TA2から得られた検出信号をオペアンプ71で電圧に変換するとともに、MR素子1Bの端子TB1、TB2から得られた検出信号をオペアンプ73で電圧に変換する。これらのオペアンプ71、73の出力をオペアンプ75によって差動増幅し、検出素子ユニットの出力端であるオペアンプ75の出力端から、差動電圧を得る。これによって、地磁気などの遠方からの環境磁界外乱磁界ノイズは同相の電圧変化となるので、打ち消されて検出素子ユニットの出力に表れない。これに対して、信号磁界は2つMR素子1A、1Bの逆符号の磁界なので、両MR素子の出力の差動を取ることで、出力信号に増大することができる。こうして、信号処理回路70は、外乱磁界をキャンセルした高いSN比を有する信号電圧を得ることができる。
対となるMR素子1A,1Bから差動信号を得るための別の例を図8(a)乃至図9(b)を参照して説明する。MR素子1A、1Bはそれぞれスピンバブル構造の磁気抵抗効果素子である。MR素子1Aは、磁化方向が固定されたピン層2Aと、磁化方向が可変のフリー層6Aと、ピン層2Aとフリー層6Aとの間に配置された中間層4Aと、を有している(図8(a))。MR素子1Bは、磁化方向が固定されたピン層2Bと、磁化方向が可変のフリー層6Bと、ピン層2Bとフリー層6Bとの間に配置された中間層4Bと、を有している。ここで、中間層4A、4Bは、MR素子1A、1BがGMR素子であれば非磁性金属層であり、MR素子1A、1BがTMR素子であれば非磁性絶縁層である。
この図8(a)乃至図9(b)では垂直通電タイプのMR素子を示したが、図2乃至図4に示す面内通電型のGMR素子を用いてもよい。ここで、MR素子1Aのピン層2Aの磁化方向と、MR素子1Bのピン層2Bの磁化方向は逆向きとする。すると、MR素子1AとMR素子1Bでは磁界に対する電圧変化(抵抗変化)が逆となる。すなわち、MR素子1Aでは正磁界でフリー層6Aがピン層2Aの磁化方向とは逆向きとなるので抵抗が増大し、出力電圧が増大する。一方、MR素子1Bでは正磁界でフリー層6Bはピン層2Bの磁化方向と同方向になるので、抵抗が減少し、出力電圧が減少する。その結果、MR素子1AとMR素子1Bの出力電圧を加算すると、外乱磁界の同方向磁界は相殺され、MR素子1AとMR素子1Bに加わる正負の信号磁界は逆に増大する。
以上説明したように、第1実施形態の磁気センサによれば、大きな検出信号を得ることができる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態による磁気センサについて図10乃至図14(b)を参照して説明する。この第2実施形態の磁気センサは、第1実施形態で説明したMR素子を用いて構成したブリッジ回路を備えている。このブリッジ回路の構成の一例を図10に示す。
次に、第2実施形態による磁気センサについて図10乃至図14(b)を参照して説明する。この第2実施形態の磁気センサは、第1実施形態で説明したMR素子を用いて構成したブリッジ回路を備えている。このブリッジ回路の構成の一例を図10に示す。
図10に示すように、2つのMR素子1Ax,1Ayを1つの基板上に形成、2つのMR素子1Bx,1Byを1つの基板上に形成る。これら4つのMR素子1Ax,1Ay、1Bx,1Byを用いてブリッジ回路を構成する。これら4つのMR素子にはそれぞれ、図8(a)、9(a)に示すように、ピン層、中間層、およびフリー層を備えたスピンバブル構成の磁気抵抗効果素子が用いられる。
図10では、2つの基板上においてそれぞれ2つのMR素子を形成したが、4つの異なる基板上でそれぞれMR素子を形成し、貼り合わせても良い。MR素子1Ax,1Ayには同じ信号磁界が、MR素子1Bx,1ByにはMR素子1Ax,1Ayと方向が逆の信号磁界が加わるように各素子を配置することにより本実施形態の効果が得られる。このため、MR素子1AxとMR素子1Ayの間隔Dxy、MR素子1BxとMR素子1Byの間隔Dxyは出来る限り近接して配置することが望ましい。その結果、間隔Dxyは、MR素子1AとMR素子1Bの間隔DABよりも十分に小さな間隔とする。図示していないが、この4つの磁気抵抗効果素子からなる素子ユニットに隣接して、他の同様な構成の検出素子ユニットを複数設けてもよい。この場合、図1と同様に、隣接する検出素子ユニットの間隔は、Dxyよりも狭めた配置とする。
(ブリッジ回路の第1具体例)
図11(a)、11(b)にブリッジ回路の一具体例を示す。なお、図11(a),11(b)において、MR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byにおける矢印は各MR素子のピン層の磁化方向を示している。図11(a),11(b)に示すように、MR素子1AxとMR素子1Ayはピン層の磁化が互いに反対方向に固着される。MR素子1Bx,MR素子1Byもピン層の磁化が互いに反対方向に固着される。MR素子1AxとMR素子1Bxはピン層の磁化が同じ方向に固着され、かつMR素子1AxとMR素子1Bxは直列に接続されて第1電流ラインを形成する。電源の一方の端子には、MR素子1AxとMR素子1Ayを接続する。他方の端子には、MR素子1BxとMR素子1Byを接続する。以降の説明では、MR素子1AxとMR素子1Ayが高電位電源端子に、MR素子1BxとMR素子1Byが低電位電源端子に接続した場合について説明するが、電源端子との接続を逆にしても同じ効果を得ることができる。MR素子1AyとMR素子1Byはピン層の磁化が同じ方向に固着され、MR素子1AyとMR素子1Byは直列に接続されて第2電流ラインを形成する。図11(a)に示すように、正の信号磁界H+の方向に対して、MR素子1AxとMR素子1Bxのピン層の磁化方向が平行になるように配置され、MR素子1AyとMR素子1Byのピン層の磁化方向が反平行(逆向き)になるように配置される。
図11(a)、11(b)にブリッジ回路の一具体例を示す。なお、図11(a),11(b)において、MR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byにおける矢印は各MR素子のピン層の磁化方向を示している。図11(a),11(b)に示すように、MR素子1AxとMR素子1Ayはピン層の磁化が互いに反対方向に固着される。MR素子1Bx,MR素子1Byもピン層の磁化が互いに反対方向に固着される。MR素子1AxとMR素子1Bxはピン層の磁化が同じ方向に固着され、かつMR素子1AxとMR素子1Bxは直列に接続されて第1電流ラインを形成する。電源の一方の端子には、MR素子1AxとMR素子1Ayを接続する。他方の端子には、MR素子1BxとMR素子1Byを接続する。以降の説明では、MR素子1AxとMR素子1Ayが高電位電源端子に、MR素子1BxとMR素子1Byが低電位電源端子に接続した場合について説明するが、電源端子との接続を逆にしても同じ効果を得ることができる。MR素子1AyとMR素子1Byはピン層の磁化が同じ方向に固着され、MR素子1AyとMR素子1Byは直列に接続されて第2電流ラインを形成する。図11(a)に示すように、正の信号磁界H+の方向に対して、MR素子1AxとMR素子1Bxのピン層の磁化方向が平行になるように配置され、MR素子1AyとMR素子1Byのピン層の磁化方向が反平行(逆向き)になるように配置される。
このように構成された第1具体例のブリッジ回路において、電源45から第1電流ラインと第2電流ラインに並列に通電する。MR素子1AxとMR素子1Bxの接続ノードと、MR素子1AyとMR素子1Byの接続ノードとの電位差を電圧計47で検出して出力を得る。
同方向の外乱磁界DHに対しては、それぞれ、第1電流ラインにおいては、MR素子1AxおよびMR素子1Bxは同じ低抵抗状態に、すなわち外乱磁界DHの方向に向くフリー層の磁化がピン層の磁化に対して互いに平行な配列にシフトする。一方、第2電流ラインにおいては、MR素子1AyおよびMR素子1Byは同じ高抵抗状態に、すなわち外乱磁界DHの方向に向くフリー層の磁化がピン層の磁化に対して反平行な配列にシフトする。これにより、両電流ラインの中間点(接続ノード)では電源45の電圧の半分の値、すなわち同じ値となるので電位差はゼロとなる。
この第1具体例のブリッジ回路においては、信号磁界に関しては、MR素子1Ax、1Ayには正の信号磁界H+、MR素子1Bx、1Byには負の信号磁界H−が加わるので、第1電流ラインにおいては、高電位側のMR素子1Axは低抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に平行な配列にシフトし、低電位側のMR素子1Bxは高抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に反平行な配列にシフトする。第2電流ラインにおいては、高電位側のMR素子1Ayは高抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の直に反平行な配列にシフトし、低電位側のMR素子1Byは低抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に平行な配列にシフトする。これにより、第1電流ラインの電位と、第2電流ラインの電位は逆方向に動くので、第1電流ラインの中点(MR素子1AxとMR素子1Bxの接続ノード)と、第2電流ラインの中点(MR素子1AyとMR素子1Byの接続ノード)との間に電位差が発生して出力を検知できる。こうして、外乱磁界をキャンセルした高いSN比を有する信号電圧を得ることができる。
(ブリッジ回路の第2具体例)
図12(a)、12(b)にブリッジ回路の第2具体例を示す。なお、図12(a),12(b)において、MR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byにおける矢印は各MR素子のピン層の磁化方向を示している。図12(a)、12(b)に示すように、4つのMR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byのそれぞれのピン層の着磁方向は図1(a)と同じである。第1電流ラインを高電位側のMR素子1Axと低電位側のMR素子1Ayを直列に接続したラインとし、第2電流ラインを高電位側のMR素子1Bxと低電位側のMR素子1Byを直列に接続したラインとした。
図12(a)、12(b)にブリッジ回路の第2具体例を示す。なお、図12(a),12(b)において、MR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byにおける矢印は各MR素子のピン層の磁化方向を示している。図12(a)、12(b)に示すように、4つのMR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byのそれぞれのピン層の着磁方向は図1(a)と同じである。第1電流ラインを高電位側のMR素子1Axと低電位側のMR素子1Ayを直列に接続したラインとし、第2電流ラインを高電位側のMR素子1Bxと低電位側のMR素子1Byを直列に接続したラインとした。
この第2具体例のブリッジ回路においては、信号磁界に関しては、MR素子1Ax、1Ayには正の信号磁界H+が、MR素子1Bx、1Byには負の信号磁界H−が加わる。このため、第1電流ラインにおいては、高電位側のMR素子1Axは低抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に平行な配列にシフトし、低電位側のMR素子1Ayは高抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に反平行な配列にシフトする。第2電流ラインにおいては、高電位側のMR素子1Bxは高抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に反平行な配列にシフトし、低電位側のMR素子1Byは低抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に平行な配列にシフトする。これにより、第1電流ラインの電位と、第2電流ラインの電位は逆側に動くので、第1電流ラインの中点(MR素子1AxとMR素子1Ayの接続ノード)と第2電流ラインの中点(MR素子1BxとMR素子1Byの接続ノード)との間に電位差が発生して出力を検知できる。同方向の外乱磁界DHについては、第1電流ラインの高電位側のMR素子1Axは低抵抗状態にシフト、低電位側のMR素子1Ayは高抵抗状態にシフトし、第2電流ラインにおいても第1電流ラインと同じく高電位側のMR素子1Bxは低抵抗状態にシフトし、低電位側のMR素子1Byは高抵抗状態にシフトする。その結果、両電流ラインの上記中間点ではともに同じ方向に電位が動くので電位差は発生しない。こうして、外乱磁界をキャンセルした高いSN比を有する信号電圧を得ることができる。
(ブリッジ回路の第3具体例)
図13(a)、13(b)にブリッジ回路の第3具体例を示す。なお、図13(a),13(b)において、MR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byにおける矢印は各MR素子のピン層の磁化方向を示している。この第3具体例のブリッジ回路においては、図13(a)、13(b)に示すように、MR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byのそれぞれのピン層の磁化は全て方向に着磁される。
図13(a)、13(b)にブリッジ回路の第3具体例を示す。なお、図13(a),13(b)において、MR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byにおける矢印は各MR素子のピン層の磁化方向を示している。この第3具体例のブリッジ回路においては、図13(a)、13(b)に示すように、MR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byのそれぞれのピン層の磁化は全て方向に着磁される。
第1電流ラインを高電位側のMR素子1Axと低電位側のMR素子1Bxとを直列に接続したラインとし、第2電流ラインを高電位側のMR素子1Byと低電位側のMR素子1Ayとを直列に接続したラインとした。すなわち、第1および第2電流ラインでは、電流の流れる方向が逆である。信号磁界に対しては、MR素子1Ax、1Ayでは正の信号磁界H+が、MR素子1Bx、1Byでは負の信号磁界H−が加わるので、第1電流ラインの高電位側のMR素子1Axでは磁化配列が低抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に平行な状態にシフトし、低電圧側のMR素子1Bxでは磁化配列が高抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化方向に反平行な状態にシフトする。第2電流ラインの高電位側のMR素子1Byでは磁化配列が高抵抗側に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に反平行な状態にシフト、低電圧側のMR素子1Bxでは磁化配列が低抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に平行な状態にシフトする。
以上説明したように、第1電流ラインの電位と、第2電流ラインの電位は逆側に動くので、中点間に電位差が発生して出力を検知できる。同方向の外乱磁界DHについては、4つのMR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byは、同じ低抵抗状態にシフトするので、中点間に電位差は発生しない。なお、外乱磁界DHが図13(b)に示す場合と反対向きのときは、4つのMR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byは、高抵抗状態にシフトする。このように構成したことにより、外乱磁界をキャンセルした高いSN比を有する信号電圧を得ることができる。
(ブリッジ回路の第4具体例)
図14(a)、14(b)に第4具体例のブリッジ回路を示す。なお、図14(a),14(b)において、MR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byにおける矢印は各MR素子のピン層の磁化方向を示している。この第4具体例のブリッジ回路においては、MR素子1Ax、1Ay、1Bx、1byのピン層の磁化方向は、全て同じ方向である。第1電流ラインを高電位側のMR素子1Axと低電位側のMR素子1Byを直列に接続したラインとし、第2電流ラインを高電位側のMR素子1Bxと低電位側のMR素子1Ayを直列に接続したラインとした。すなわち、第1および第2電流ラインで電流の流れる方向が逆である。
図14(a)、14(b)に第4具体例のブリッジ回路を示す。なお、図14(a),14(b)において、MR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byにおける矢印は各MR素子のピン層の磁化方向を示している。この第4具体例のブリッジ回路においては、MR素子1Ax、1Ay、1Bx、1byのピン層の磁化方向は、全て同じ方向である。第1電流ラインを高電位側のMR素子1Axと低電位側のMR素子1Byを直列に接続したラインとし、第2電流ラインを高電位側のMR素子1Bxと低電位側のMR素子1Ayを直列に接続したラインとした。すなわち、第1および第2電流ラインで電流の流れる方向が逆である。
このように構成されたブリッジ回路においては、信号磁界に対しては、MR素子1Ax、1Ayでは正の信号磁界H+が、MR素子1Bx、1Byでは負の信号磁界H−が加わる。このため、第1電流ラインの高電位側のMR素子1Axは低抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に対して平行な状態にシフトし、低電位側のMR素子1Byは高抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に対して反平行な状態にシフトする。第2電流ラインの高電位側のMR素子1Bxは高抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に反平行な状態にシフト、低電圧側A1yでは低抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に平行な状態にシフトする。すなわち、第1電流ラインの中点電位と、第2電流ラインの中点電位は逆側に動くので、中点間に電位差が発生して出力を検知できる。図14(b)に示すように、同方向の外乱磁界DHについては、4つのMR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byは、全て同じ低抵抗状態にシフトするので、中点間に電位差は発生しない。なお、外乱磁界DHが図14(b)と反対向きの場合は、4つのMR素子1Ax、1Ay、1Bx、1Byは、全て同じ高抵抗状態にシフトする。こうして、外乱磁界をキャンセルした高いSN比を有する信号電圧を得ることができる。
以上説明したように、第2実施形態によれば、大きな検出信号を得ることが可能な磁気センサを提供することができる。
(第3実施形態)
図5では、磁界源の方向(矢印)と直交するx方向における磁界を示したが、磁界源の方向が変化してx方向の成分が増えると、x方向における磁界の成分は低下する。このため、90度方向が回転した磁界源による磁界の成分を検出するには、y方向に配列された他の2つのMR素子からの差動検出を行うことが好ましい。これを第3実施形態として説明する。
図5では、磁界源の方向(矢印)と直交するx方向における磁界を示したが、磁界源の方向が変化してx方向の成分が増えると、x方向における磁界の成分は低下する。このため、90度方向が回転した磁界源による磁界の成分を検出するには、y方向に配列された他の2つのMR素子からの差動検出を行うことが好ましい。これを第3実施形態として説明する。
第3実施形態による磁気センサを図15乃至図17を参照して説明する。第3実施形態の磁気センサを図15に示す。この第3実施形態の磁気センサは、4つのMR素子1A1、1B1、1C1、1D1がそれぞれ第1正方形の頂点に配置された第1検出素子ユニットと、4つのMR素子1A2、1B2、1C2、1D2がそれぞれ第2正方形の頂点に配置された第2検出素子ユニットとを備えている。
第1および第2検出素子ユニットは、最近接の検出素子ユニットの間隔DUUが、同一の検出素子ユニットにおけるMR素子の間隔DAB、すなわち正方形の辺の長さよりも小さくなるように、配置される。1つの検出素子ユニット内の少なくとも2つのMR素子について、複数アンプから1つのアンプを選択することが可能な切り替えスイッチ回路を用いて上記1つのアンプに結線する。この切り替えスイッチによって、MR素子の出力端子に接続された配線と、アンプの入力端子に接続された配線との接続を切り替える。
例えば、第1具体例のように、1つの検出素子ユニット、例えば第1検出素子ユニットにおいて、MR素子1A1の2つの端子TA11,TA12が信号処理回路701のオペアンプ711の端子に接続され、MR素子1D1の端子TD11,TD12が配線を介して信号処理回路702のオペアンプ732の端子に接続され、スイッチ回路150によってMR素子1B1とMR素子1C1の配線の接続を切り替える。
第1の結線状態では、図16にしたように、MR素子1B1の2つの端子TB11,TB12が信号処理回路701のオペアンプ731の端子に接続され、MR素子1A1とMR素子1B1の差動出力が信号処理回路701のオペアンプ751から出力される。また、MR素子1C1の2つの端子TC11,TC12が配線を介して信号処理回路702のオペアンプ712の端子に接続され、MR素子1C1とMR素子1D1の差動出力が信号処理回路702のオペアンプ752から出力される。これにより、MR素子1A1とMR素子1B1の配列方向、MR素子1C1とMR素子1D1の配列方向と直交する方向に流れる生体電流源からの磁界が検出できる。一方、切り替えスウィチ150により第2の結線状態を実現すると、図17に示すように、MR素子1C1の2つの端子TC11,TC12が信号処理回路701のオペアンプ731の端子に接続され、MR素子1A1とMR素子1C1の差動出力が信号処理回路701のオペアンプ751から出力される。また、MR素子1B1の2つの端子TB11,TB12が配線を介して信号処理回路702のオペアンプ712の端子に接続され、MR素子1B1とMR素子1D1の差動出力が信号処理回路702のオペアンプ752から出力される。MR素子1A1とMR素子1C1の配列方向、MR素子1B1とMR素子1D1の配列方向と直交する方向に流れる生体電流源からの磁界が検出できる。第1の結線状態と第2の結線状態を比較することにより、生体電流源の方向を測定することができる。ここで、2つのMR素子の配列方向とは、それぞれのMR素子の中心を結ぶ方向である。
(第1変形例)
第3実施形態の変形例による磁気センサについて図18を参照して説明する。この変形例の磁気センサにおいては、図15に示す第3実施形態の磁気センサにおいて、各検出素子ユニット内の4つのMR素子として、スピンバルブ型のMR素子を用いた構成を有している。例えば第1検出素子ユニット内のMR素子1A1,1B1,1C1,1D1として、スピンバルブ型のMR素子が用いられる。例えば図18に示すように、MR素子1A1はピン層2A1と、フリー層6A1と、ピン層2A1とフリー層6A1との間に配置された非磁性層4A1とを有し、MR素子1B1はピン層2B1と、フリー層6B1と、ピン層2B1とフリー層6B1との間に配置された非磁性層4B1とを有し、MR素子1C1はピン層2C1と、フリー層6C1と、ピン層2C1とフリー層6C1との間に配置された非磁性層4C1とを有し、MR素子1D1はピン層2D1と、フリー層6D1と、ピン層2D1とフリー層6D1との間に配置された非磁性層4D1とを有している。
第3実施形態の変形例による磁気センサについて図18を参照して説明する。この変形例の磁気センサにおいては、図15に示す第3実施形態の磁気センサにおいて、各検出素子ユニット内の4つのMR素子として、スピンバルブ型のMR素子を用いた構成を有している。例えば第1検出素子ユニット内のMR素子1A1,1B1,1C1,1D1として、スピンバルブ型のMR素子が用いられる。例えば図18に示すように、MR素子1A1はピン層2A1と、フリー層6A1と、ピン層2A1とフリー層6A1との間に配置された非磁性層4A1とを有し、MR素子1B1はピン層2B1と、フリー層6B1と、ピン層2B1とフリー層6B1との間に配置された非磁性層4B1とを有し、MR素子1C1はピン層2C1と、フリー層6C1と、ピン層2C1とフリー層6C1との間に配置された非磁性層4C1とを有し、MR素子1D1はピン層2D1と、フリー層6D1と、ピン層2D1とフリー層6D1との間に配置された非磁性層4D1とを有している。
図18に示すように、MR素子1A1およびMR素子1D1のピン層の磁化方向と、MR素子1B1およびMR素子1C1のピン層の磁化方向は互いに逆向きとする。それぞれ、MR素子1A1とMR素子1B1、MR素子1A1とMR素子1C1、MR素子1C1とMR素子1D1、MR素子1B1とMR素子1D1をそれぞれ、2つのMR素子同士での加算出力は、図8(a)、8b)で説明したように、同じ方向の外乱磁界では相殺、2つのMR素子間で方向が反対の信号磁界は加算となる。
図16、図17に示した信号処理回路701、702において、差動アンプを加算アンプに変えた信号処理回路と、スイッチ機能を有する配線とを備えることにより、図15乃至図17で説明した場合と同様、第1の結線状態と第2の結線状態を比較することにより、生体電流源の方向を測定することができる。
以上説明したように、第3実施形態によれば、大きな検出信号を得ることが可能な磁気センサを提供することができる。
(第4実施形態)
第4実施形態による磁気センサについて図19を参照して説明する。この第4実施形態の磁気センサは、図1に示す第1実施形態の磁気センサ100において、検出素子ユニット1201に対して検出素子ユニット1301を設けた構成を有している。検出素子ユニット1301は、MR素子1a1とMR素子1b1とを備えている。検出素子ユニット1301のMR素子1a1とMR素子1b1の配列方向は、検出素子ユニット1201におけるMR素子1A1とMR素子1B1との配列方向と概ね直交するように配置される。
第4実施形態による磁気センサについて図19を参照して説明する。この第4実施形態の磁気センサは、図1に示す第1実施形態の磁気センサ100において、検出素子ユニット1201に対して検出素子ユニット1301を設けた構成を有している。検出素子ユニット1301は、MR素子1a1とMR素子1b1とを備えている。検出素子ユニット1301のMR素子1a1とMR素子1b1の配列方向は、検出素子ユニット1201におけるMR素子1A1とMR素子1B1との配列方向と概ね直交するように配置される。
このような構成とすることにより、検出素子ユニット1201では、磁界源の電流がy方向に流れる場合に感度良く検出することができる。また、検出素子ユニット1301では、磁界源の電流がx方向に流れる場合に感度良く検出することができる。検出素子ユニット1201と検出素子ユニット1301の出力を比較することにより、磁界源の方向を判別することができる。なお、他の検出素子ユニット120j(j=2,3,4)に対して検出素子ユニット130jを設けてもよい。検出素子ユニット130j(j=2,3,4)は、MR素子1ajとMR素子1bjとを備えている。検出素子ユニット130j(j=2,3,4)のMR素子1ajとMR素子1bjの配列方向は、検出素子ユニット120jにおけるMR素子1AjとMR素子1Bjとの配列方向と概ね直交するように配置される。
以上説明したように、第4実施形態によれば、第1実施形態と同様に、大きな検出信号を得ることが可能な磁気センサを提供することができる。
(第5実施形態)
次に、第1乃至第4実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気センサを、脳神経が発する磁界を検出する脳磁計に用いることができる。これを第5実施形態の磁気センサ装置として説明する。
次に、第1乃至第4実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気センサを、脳神経が発する磁界を検出する脳磁計に用いることができる。これを第5実施形態の磁気センサ装置として説明する。
第5実施形態による磁気センサ装置について図20を参照して説明する。この磁気センサ装置200は、第1乃至第4実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気センサ100を用いた脳磁計である。
図20の左側の図は、脳磁計200を人体の頭部に装着した状態を模式的に示す。この脳磁計200は、複数のセンサ部、例えば数100個程度のセンサ部301が柔軟性のある基体302の上に設置された構成を有している。本実施形態では、従来SQUIDセンサよりも密に多数のセンサが配置されるので、全体のセンサ数は増大することができる。また、電位端子や加速度センサなどの別のセンサ部が同時に設置されていても良い。第1乃至第4実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気センサは、従来のSQUID磁気センサに比べて非常に小さく作成できるので、このような複数のセンサ部の設置、回路の設置、他のセンサとの共存も容易である。
柔軟性のある基体302は、例えばシリコーン樹脂などの弾性体からなり、帯状に各センサ部301をつないで頭部に密着できるように構成されている。基体302は連続した膜を帽子状に加工したものでも良いが、図20に示すようなネット状のものが、装着性が良く、また人体への密着性が向上するので好ましい。
センサ部301の入出力コード303は、診断装置500のセンサ駆動部506および信号入出力部504とつながっている。センサ駆動部506からの電力と信号入出力部504からの制御信号に基づきセンサ部301は所定の磁界測定を行い、その結果は、並行して信号入出力部504へ入力される。信号入出力部504で得た信号はその後、信号処理部508へ送られ、この信号処理部508において、ノイズの除去、フィルタリング、増幅、信号演算などの処理が施される。その後、これらの信号は、脳磁計測のための特定の信号を抽出したり、信号位相を合わせたりする信号解析が信号解析部510において行われる。信号解析が終了したデータは、データ処理部512に送られる。データ処理部512では、MRI(Magnetic Resonance Imaging)などの画像データやEEG(Electroencephalogram)などの頭皮電位情報なども取り入れて、神経発火点解析や逆問題解析などの、データ解析を行う。その結果は画像化診断部516へ送られ、診断の助けとなるような画像化が行われる。これら一連の動作は制御機構502によって制御されており、一次信号データやデータ処理途中のメタデータなど、必要なデータは、データサーバに保存される。なお、図20に示すようにデータサーバと制御機構が一体化していても良い。
図20に示す第5実施形態では、センサ部301が人体頭部に設置されているが、これを人体胸部に設置すれば、心磁測定が可能となる。また、妊婦の腹部に設置すれば、胎児の心拍検査に用いることもできる。
被験者を含めた磁気センサ装置全体は、地磁気や磁気ノイズを防ぐためには、シールドルーム内に設置されるのが好ましい。あるいは、人体の測定部位やセンサ部301を局所的にシールドする機構を設けても良い。また、センサ部301にシールド機構を設けたり、信号解析やデータ処理で実効的なシールドを行っても良い。
図20に示す脳磁計200は、高感度磁気センサを備えたセンサ部301が柔軟性のある基体302に設置されているが、従来の脳磁計や心磁計のように、固定された基体に設置されていても構わない。その例を図21および図22に示す。図21は脳磁計の一例であるが、ヘルメット状の硬質の基体304上にセンサ部301が設置されている。図22は心磁計の一例であるが、平板状の硬質の基体305上にセンサ部301が設置されている。いずれの場合も、センサ部301からの信号の入出力とその処理は図20と同様である。
以上説明したように、第5実施形態によれば、センサ部として、第1乃至第4実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気センサを用いているので、大きな検出信号を得ることが可能な磁気センサ装置を提供することができる。
なお、一実施形態によれば、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する第1乃至第4磁気抵抗素子を備えた素子検出ユニットであって、前記第1磁気抵抗素子と前記第2磁気抵抗素子の配列方向と、前記第1および第3磁気抵抗素子の配列方向がほぼ直交し、前記第4磁気抵抗素子と前記第2磁気抵抗素子の配列方向と、前記第4磁気抵抗効果素子と前記第3磁気抵抗素子の配列方向がほぼ直交し、前記第1乃至第4磁気抵抗素子のそれぞれの出力端子からの信号を受ける複数の入力端子を有し、前記信号を処理する信号処理回路と、前記第2および第3磁気抵抗素子のそれぞれの出力端子と、前記信号処理回路の入力端子との接続を切り替えるスイッチ回路と、を備えている磁気センサにおいて、前記信号処理回路は、前記第1乃至第4磁気抵抗素子のうちの2つの磁気抵抗素子の信号の差分を得るとともに、他の2つの磁気抵抗素子の信号の差分を得るように構成してもよい。
また、前記第1乃至第4磁気抵抗素子はそれぞれ、磁化方向が固定されたピン層と、磁化方向が可変のフリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に配置された非磁性中間層と、を有し、前記第1および第4磁気抵抗素子のそれぞれのピン層と前記第2および第3磁気抵抗素子のそれぞれのピン層は互いに反対方向に磁化方向が固定され、前記信号処理回路は、前記第1乃至第4磁気抵抗素子のうちの2つの磁気抵抗素子の信号の和を得るとともに、他の2つの磁気抵抗素子の信号の和を得るように構成してもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1,1A1〜1A4・・・MR素子、1B1〜1B4・・・MR素子、1a1〜1a4・・・MR素子、1b1〜1b4・・・MR素子、2A,2B,2C・・・ピン層、31〜39・・・電極、4A,4B,4C・・・中間層(非磁性層)、6A,6B,6C・・・フリー層、10・・・磁気抵抗膜、101〜108・・・磁気抵抗部、11・・・下地層、12・・・反強磁性層、13・・・磁化固定層、14・・・中間層、151,152・・・磁界検出層、16・・・キャップ層、21,22・・・磁界収束部(MFC)、40・・・回路、45・・・電源、47・・・電圧計、70,701,702・・・信号処理回路、71,711,712・・・オペアンプ、72,721,722・・・帰還抵抗、73,731,732・・・オペアンプ、74,741,742・・・帰還抵抗、75,751,752・・・オペアンプ、100・・・磁気センサ、1201〜1204・・・検出素子ユニット、1301・・・検出素子ユニット、150・・・スイッチ回路、180・・・磁界源の電流の向き、200・・・脳磁計(磁気センサ装置)、301・・・センサ部、302・・・基体、302・・・基体、303・・・入出力コード、500・・・診断装置、502・・・制御機構、504・・・信号入出力部、506・・・センサ駆動部、508・・・信号処理部、510・・・信号解析部、512・・・データ処理部、514・・・MRI,EEG、516・・・画像診断部
Claims (10)
- 複数の検出素子ユニットであって、各検出素子ユニットは、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する一対の第1および第2磁気抵抗素子を備え、隣接する異なる検出素子ユニット間の間隔が各検出素子ユニットにおける第1および第2磁気抵抗素子間の間隔よりも小さくなるように配置された複数の検出素子ユニットと、
各検出素子ユニットにおいて、前記第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の検出信号の差分を得る信号処理回路と、
を備えた磁気センサ。 - 複数の検出素子ユニットであって、各検出素子ユニットは、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する一対の第1および第2磁気抵抗素子を備え、前記第1および第2磁気抵抗素子はそれぞれ、磁化方向が固定されたピン層と、磁化方向が可変のフリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に配置された非磁性中間層と、を有し、前記第1および第2磁気抵抗層のピン層は磁化方向が互いに反平行であり、隣接する異なる検出素子ユニット間の間隔が各検出素子ユニットにおける第1および第2磁気抵抗素子間の間隔よりも小さくなるように配置された複数の検出素子ユニットと、
各検出素子ユニットにおいて、前記第1磁気抵抗素子および第2磁気抵抗素子の検出信号の和を得る信号処理回路と、
を備えた磁気センサ。 - 複数の検出素子ユニットであって、各検出素子ユニットは、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する一対の第1および第2磁気抵抗素子と、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する一対の第3および第4磁気抵抗素子と、を備え、前記第1磁気抵抗素子と前記第2磁気抵抗素子との間の第1間隔および前記第3磁気抵抗素子と前記第4磁気抵抗素子との間の第2間隔が、前記第1磁気抵抗素子と前記第3磁気抵抗素子との間の第3間隔および前記第2磁気抵抗素子と前記第4磁気抵抗素子との間の第4間隔よりも広くなるように前記第1乃至第4磁気抵抗素子を配列して、前記第1乃至第4磁気抵抗素子のうちの2つの磁気抵抗素子は直列に接続された第1直列回路を構成し、前記第1乃至第4磁気抵抗素子のうちの他の2つの磁気抵抗素子は直列に接続された第2直列回路を構成し、隣接する異なる検出素子ユニット間の間隔が各検出素子ユニットにおける前記第1間隔および前記第2間隔よりも小さくなるように配置された複数の検出素子ユニットと、
前記第1直列回路における前記2つの磁気抵抗素子の接続ノードと、前記第2直列回路における前記他の2つの磁気抵抗素子の接続ノードとの間の電位差を検出する電位検出回路と、
を備えている磁気センサ。 - 第1および第2電源端子を有する電源を更に備え、
各検出素子ユニットにおける前記第1乃至第4磁気抵抗素子はそれぞれ、磁化方向が固定されたピン層と、磁化方向が可変のフリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に配置された非磁性中間層と、を有し、
各検出素子ユニットにおいて、前記第1および第2磁気抵抗素子は、ピン層の磁化方向が同方向であり、前記第3および第4磁気抵抗素子のピン層の磁化方向は、前記第1および第2磁気抵抗素子のピン層の磁化方向と逆であり、
前記第1直列回路は、前記第1磁気抵抗素子の一方の端子と第2磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第2直列回路は、前記第3磁気抵抗素子の一方の端子と第4磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第1および第3磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第1電源端子が接続され、前記第2および第4磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第2電源端子が接続された、請求項3記載の磁気センサ。 - 第1および第2電源端子を有する電源を更に備え、
各検出素子ユニットにおける前記第1乃至第4磁気抵抗素子はそれぞれ、磁化方向が固定されたピン層と、磁化方向が可変のフリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に配置された非磁性中間層と、を有し、
各検出素子ユニットにおいて、前記第1および第2磁気抵抗素子は、ピン層の磁化方向が同方向であり、前記第3および第4磁気抵抗素子のピン層の磁化方向は、前記第1および第2磁気抵抗素子のピン層の磁化方向と逆であり、
前記第1直列回路は、前記第1磁気抵抗素子の一方の端子と前記第3磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第2直列回路は、前記第2磁気抵抗素子の一方の端子と第4磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第1および第2磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第1電源端子が接続され、前記第3および第4磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第2電源端子が接続された、請求項3記載の磁気センサ。 - 第1および第2電源端子を有する電源を更に備え、
各検出素子ユニットにおける前記第1乃至第4磁気抵抗素子はそれぞれ、磁化方向が固定されたピン層と、磁化方向が可変のフリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に配置された非磁性中間層と、を有し、
各検出素子ユニットにおいて、前記第1乃至第4磁気抵抗素子は、ピン層の磁化方向が互いに同方向であり、
前記第1直列回路は、前記第1磁気抵抗素子の一方の端子と前記第2磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第2直列回路は、前記第3磁気抵抗素子の一方の端子と前記第4磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第1および第3磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第1電源端子が接続され、前記第2および第4磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第2電源端子が接続された、請求項3記載の磁気センサ。 - 第1および第2電源端子を有する電源を更に備え、
各検出素子ユニットにおける前記第1乃至第4磁気抵抗素子はそれぞれ、磁化方向が固定されたピン層と、磁化方向が可変のフリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に配置された非磁性中間層と、を有し、
各検出素子ユニットにおいて、前記第1乃至第4磁気抵抗素子は、ピン層の磁化方向が互いに同方向であり、
前記第1直列回路は、前記第1磁気抵抗素子の一方の端子と前記第4磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第2直列回路は、前記第2磁気抵抗素子の一方の端子と前記第3磁気抵抗素子の一方の端子を接続し回路であり、
前記第1および第2磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第1電源端子が接続され、前記第3および第4磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第2電源端子が接続された、請求項3記載の磁気センサ。 - 磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する第1乃至第4磁気抵抗素子を備えた素子検出ユニットであって、前記第1磁気抵抗素子と前記第2磁気抵抗素子の配列方向と、前記第1および第3磁気抵抗素子の配列方向がほぼ直交し、前記第4磁気抵抗素子と前記第2磁気抵抗素子の配列方向と、前記第4磁気抵抗効果素子と前記第3磁気抵抗素子の配列方向がほぼ直交し、
前記第1乃至第4磁気抵抗素子のそれぞれの出力端子からの信号を受ける複数の入力端子を有し、前記信号を処理する信号処理回路と、
前記第2および第3磁気抵抗素子のそれぞれの出力端子と、前記信号処理回路の入力端子との接続を切り替えるスイッチ回路と、
を備えている磁気センサ。 - 前記複数の検出素子ユニットのうちの1つの検出素子ユニットにおける前記第1および第2磁気抵抗素子の配列方向とは概ね直交す方向に配列された2つの磁気抵抗素子を有する他の検出素子ユニットを更に備えた、請求項1または2記載の磁気センサ。
- 請求項1乃至9のいずれかに記載の磁気センサと、
前記磁気センサからの信号を処理する処理回路と、前記処理回路によって処理された信号を画像化する画像化回路と、
を備えた磁気センサ装置。
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