JP2018179775A - 薄膜磁気センサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ｘｙ平面上を移動する検査対象物を検知することが可能であり、かつ、外来磁気ノイズをキャンセルすることが可能な薄膜磁気センサモジュールを提供すること。【解決手段】薄膜磁気センサモジュール１０は、感磁方向がｙ軸方向となるように、ｘｙ平面上に配置された第１ＧＭＲ素子２０と、感磁方向がｙ軸方向となるように、ｘｙ平面上に配置された第２ＧＭＲ素子３０と、第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０にバイアス磁場を印加するための磁石４０とを備えている。第１ＧＭＲ素子２０と第２ＧＭＲ素子３０とは電気的に直列に接続されており、第１ＧＭＲ素子２０は座標（ｙ1、ｘ1）上に位置し、第２ＧＭＲ素子３０は座標（ｙ2、ｘ2）上（但し、ｙ1≠ｙ2）に位置する。磁石４０ａは、第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０に大きさ及び向きの等しいｙ軸方向のバイアス磁界を作用させることが可能な平面形状を持つ。【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜磁気センサモジュールに関し、さらに詳しくは、ｘｙ平面上を移動する検査対象物を検知することが可能であり、かつ、外来磁気ノイズをキャンセルすることが可能な薄膜磁気センサモジュールに関する。

磁気センサは、電磁気力（例えば、電流、電圧、電力、磁場、磁束など。）、力学量（例えば、位置、速度、加速度、変位、距離、張力、圧力、トルク、温度、湿度など。）、生化学量等の被検出量を、磁場を介して電圧に変換する電子デバイスである。磁気センサは、磁場の検出方法に応じて、ホールセンサ、異方的磁気抵抗（ＡＭＲ： Anisotropic Magneto-Resistivity）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ： Giant Magneto Resistance）センサ等に分類される。

これらの中でもＧＭＲセンサは、
（１）ＡＭＲセンサに比べて電気比抵抗の変化率の最大値（すなわち、ＭＲ比＝△ρ／ρ₀（△ρ＝ρ_H−ρ₀：ρ_Hは、外部磁場Ｈにおける電気比抵抗、ρ₀は、外部磁場ゼロにおける電気比抵抗））が極めて大きい、
（２）ホールセンサに比べて抵抗値の温度変化が小さい、
（３）ＧＭＲ効果を有する材料が薄膜材料であるために、マイクロ化に適している、
等の利点がある。そのため、ＧＭＲセンサは、コンピュータ、電力、自動車、家電、携帯機器等に用いられる高感度マイクロ磁気センサとしての応用が期待されている。

ＧＭＲ効果を示す材料としては、強磁性層（例えば、パーマロイ等）と非磁性層（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）の多層膜、あるいは、反強磁性層、強磁性層（固定層）、非磁性層及び強磁性層（自由層）の４層構造を備えた多層膜（いわゆる、「スピンバルブ」）からなる金属人工格子、強磁性金属（例えば、パーマロイ等）からなるｎｍサイズの微粒子と、非磁性金属（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）からなる粒界相とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、スピン依存トンネル効果によってＭＲ（Magneto-Resistivity）効果が生ずるトンネル接合膜、ｎｍサイズの強磁性金属合金微粒子と、非磁性・絶縁性材料からなる粒界相とを備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料等が知られている。

これらの内、スピンバルブに代表される多層膜は、一般に、低磁場における感度が高いという特徴がある。しかしながら、多層膜は、種々の材料からなる薄膜を高精度で積層する必要があるために、安定性や歩留まりが悪く、製作コストを抑えるには限界がある。そのため、この種の多層膜は、専ら付加価値の大きなデバイス（例えば、ハードディスク用の磁気ヘッド）にのみ用いられ、単価の安いＡＭＲセンサやホールセンサとの価格競争を強いられる磁気センサに応用するのは困難であると考えられている。また、多層膜間の拡散が生じやすく、ＧＭＲ効果が消失しやすいため、耐熱性が悪いという大きな欠点がある。

一方、ナノグラニュラー材料は、一般に、作製が容易で、再現性も良い。そのため、これを磁気センサに応用すれば、磁気センサを低コスト化することができる。特に、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、
（１）その組成を最適化すれば、室温において１０％を越える高いＭＲ比を示す、
（２）電気比抵抗ρが桁違いに高いので、磁気センサの超小型化と低消費電力化が同時に実現可能である、
（３）耐熱性の悪い反強磁性膜を含むスピンバルブ膜と異なり、高温環境下でも使用可能である、
等の利点がある。しかしながら、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、低磁場における磁場感度が非常に小さいという問題がある。そのため、このような場合には、ＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなるヨークを配置し、ＧＭＲ膜の磁場感度を上げることが行われる。

紙幣識別や物体の位置検出、傷探傷などに磁気センサを利用する場合において、対象物は磁性体であるが、自ら磁力を発しない時には、磁気センサ側に磁石やコイルなどの磁力を発する機構を付加し、磁気センサにバイアス磁場を付与することが行われている。このような磁気センサに検査対象物が近づくと、検査対象物に含まれる磁性体によって磁石が発する磁力線の向きが変わり、この磁力線の向きの変化を磁気センサの出力の変化として検出することができる。そのため、バイアス磁場を付与する手段を備えた磁気センサに関し、従来から種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、巨大磁気抵抗薄膜の両端に、軟磁性薄膜と硬磁性薄膜の多層膜を配置した磁界センサが開示されている。
同文献には、電気抵抗変化が磁界の方向に依存しない磁気センサに対して、硬磁性薄膜によって生じた磁界をバイアス磁界として印加すると、外部磁界の大きさ及び極性を同時に検出することができる点が記載されている。

また、特許文献２には、
（ａ）Ｘ軸方向に沿って２列の磁石列を配置し、２列の磁石列の中心線上に異方性磁気抵抗素子を配置し、
（ｂ）異方性磁気抵抗効果素子と、不感磁素子である固定抵抗とを直列に接続してハーフブリッジ回路を構成した
磁気検出装置が開示されている。
同文献には、異方性磁気抵抗素子を１つしか含まないため、組立誤差や磁石の磁力のばらつき等があった場合でも、出力電圧Ｖ_outの値が変化するのみで、検知波形には影響がない点が記載されている。

磁気センサは、測定対象物を駆動するメカ部に内蔵されることが多く、駆動用モータなどによる磁場の変動（外来磁場）がノイズとして検出されることがしばしば問題となる。これを防ぐために、軟磁性材料からなる磁気シールドでセンサ部をカバーすることも考えられる。しかし、測定対象物を検出する必要があるために、完全に磁気シールドでノイズを防ぐことは原理上不可能である。

また、鉛直方向に感磁方向を持つ複数の磁気センサ素子を幾何学的に異なる位置に配置して、複数の素子間の出力電圧の差を出力信号として出力させる方法も知られている。この場合、測定対象物は、各素子に時間差をもって作用するので出力信号が得られる一方、ノイズ磁場は各素子に一様に印加されるのでノイズは検知されない。しかしながら、磁気センサが水平方向に感磁方向を持つ場合、複数の磁気センサを幾何学的に異なる位置に配置すると、磁場の水平方向成分が異なるためにセンサの動作点が変わってしまう。そのため、一様なノイズ磁場に対して各素子が異なる出力を出すため、ノイズがキャンセルされないという課題があった。

特開２００３−０７８１８７号公報 特開２０１３−１６７５６２号公報

本発明が解決しようとする課題は、ｘｙ平面上を移動する検査対象物を検知することが可能であり、かつ、外来磁気ノイズをキャンセルすることが可能な薄膜磁気センサモジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る薄膜磁気センサモジュールは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記薄膜磁気センサモジュールは、
感磁方向がｙ軸方向となるように、ｘｙ平面上に配置された第１ＧＭＲ素子と、
感磁方向がｙ軸方向となるように、前記ｘｙ平面上に配置された第２ＧＭＲ素子と、
前記第１ＧＭＲ素子及び前記第２ＧＭＲ素子にバイアス磁場を印加するための磁石と
を備えている。
（２）前記第１ＧＭＲ素子と前記第２ＧＭＲ素子とは電気的に直列に接続されており、
前記第１ＧＭＲ素子の前記ｘｙ平面上の座標を（ｙ₁、ｘ₁）、前記第２ＧＭＲ素子の前記ｘｙ平面上の座標を（ｙ₂、ｘ₂）とした時に、ｙ₁≠ｙ₂の関係が成り立つ。
（３）前記磁石は、ｚ軸方向に磁化された単一の磁石からなり、前記第１ＧＭＲ素子及び前記第２ＧＭＲ素子が配置された前記ｘｙ平面の下又は上に配置されている。
（４）前記磁石は、次の式（ａ）及び式（ｂ）の関係が成り立つ。
０．９５≦Ｂ_y(ｙ₁、ｘ₁)／Ｂ_y(ｙ₂、ｘ₂)≦１．０５ ・・・（ａ）
０．９５≦Ｂ_z(ｙ₁、ｘ₁)／Ｂ_z(ｙ₂、ｘ₂)≦１．０５ ・・・（ｂ）
但し、
Ｂ_y(ｙ₁、ｘ₁)は、座標（ｙ₁、ｘ₁）における磁束密度のｙ軸方向成分、
Ｂ_y(ｙ₂、ｘ₂)は、座標（ｙ₂、ｘ₂）における磁束密度のｙ軸方向成分、
Ｂ_z(ｙ₁、ｘ₁)は、座標（ｙ₁、ｘ₁）における磁束密度のｚ軸方向成分、
Ｂ_z(ｙ₂、ｘ₂)は、座標（ｙ₂、ｘ₂）における磁束密度のｚ軸方向成分。

水平方向に感磁方向を持つ第１ＧＭＲ素子と第２ＧＭＲ素子を電気的に直列に接続し、かつ、これらをｘｙ平面上に配置する場合において、第１ＧＭＲ素子及び第２ＧＭＲ素子にバイアス磁場を印加するための磁石の平面形状を最適化すると、
（ａ）第１ＧＭＲ素子及び第２ＧＭＲ素子に作用するｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yの大きさ及び向きが同一となり（式（ａ））、かつ、
（ｂ）第１ＧＭＲ素子及び第２ＧＭＲ素子に作用するｚ軸方向の磁束密度Ｂ_zの大きさが同一となる（式（ｂ））。
このような薄膜磁気センサモジュールを用いると、水平方向に移動する検査対象物を検知することが可能となり、しかも外来磁気ノイズをキャンセルすることができる。

本発明に係る薄膜磁気センサモジュールの平面図（図１（Ａ））、及び正面図（図１（Ｂ））である。 図２（Ａ）は、２つのＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）に逆向きのｙ軸方向のバイアス磁場が印加された薄膜磁気センサモジュールの模式図である。図２（Ｂ）は、各ＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）に作用する磁場（Ｈ）と出力（Ｖ_out）との関係を示す図である。 図３（Ａ）は、２つのＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）に同じ向きのｙ軸方向のバイアス磁場が印加された薄膜磁気センサモジュールの模式図である。図３（Ｂ）は、各ＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）に作用する磁場（Ｈ）と出力（Ｖ_out）との関係を示す図である。

磁場解析に用いた磁石（実施例１）の平面図（図４（Ａ））、及び斜視図（図４（Ｂ））である。 図５（Ａ）は、図４に示す磁石のｙ座標とｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yとの関係を示す図である。図５（Ｂ）は、図４に示す磁石のｙ座標とｚ軸方向の磁束密度Ｂ_zとの関係を示す図である。 図６（Ａ）は、センサ設置面の平面図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示すセンサ設置面のｙ座標とｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yとの関係を示す図である。

磁石（実施例２）の平面図である。 図８（Ａ）は、図７に示す磁石のｙ座標とｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yとの関係を示す図である。図８（Ｂ）は、図７に示す磁石のｙ座標とｚ軸方向の磁束密度Ｂ_zとの関係を示す図である。 磁石（実施例３）の平面図である。 図１０（Ａ）は、図９に示す磁石のｙ座標とｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yとの関係を示す図である。図１０（Ｂ）は、図９に示す磁石のｙ座標とｚ軸方向の磁束密度Ｂ_zとの関係を示す図である。

磁石（実施例４）の平面図である。 図１２（Ａ）は、図１１に示す磁石のｙ座標とｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yとの関係を示す図である。図１２（Ｂ）は、図１１に示す磁石のｙ座標とｚ軸方向の磁束密度Ｂ_zとの関係を示す図である。 磁石（実施例５）の平面図である。 図１４（Ａ）は、図１３に示す磁石のｙ座標とｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yとの関係を示す図である。図１４（Ｂ）は、図１３に示す磁石のｙ座標とｚ軸方向の磁束密度Ｂ_zとの関係を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 薄膜磁気センサモジュール］
図１に、本発明に係る薄膜磁気センサモジュールの平面図（図１（Ａ））、及び正面図（図１（Ｂ））を示す。図１において、薄膜磁気センサモジュール１０は、
感磁方向がｙ軸方向となるように、ｘｙ平面上に配置された第１ＧＭＲ素子２０と、
感磁方向がｙ軸方向となるように、ｘｙ平面上に配置された第２ＧＭＲ素子３０と、
第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０にバイアス磁場を印加するための磁石４０ａと
を備えている。

［１．１． 第１ＧＭＲ素子］
第１ＧＭＲ素子２０は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜（Ａ）２２と、ＧＭＲ膜（Ａ）２２の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる一対の薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６とを備えている。第１ＧＭＲ素子２０の表面は、通常、保護膜（図示せず）により覆われている。第１ＧＭＲ素子２０の一端には電源（Ｖ_cc）を接続するための端子が接合され、他端は第２ＧＭＲ素子３０に接続されている。さらに、第１ＧＭＲ素子２０と第２ＧＭＲ素子３０の間には、出力（Ｖ_out）を取り出すための端子が接合されている。すなわち、第１ＧＭＲ素子２０と第２ＧＭＲ素子３０とは、電気的に直列に接続されている。

［１．１．１． ＧＭＲ膜（Ａ）］
ＧＭＲ膜（Ａ）２２は、外部磁場の変化を電気抵抗Ｒの変化として感じ、結果的に電圧の変化として検出するためのものであり、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を有する材料からなる。外部磁場の変化を高い感度で検出するためには、ＧＭＲ膜（Ａ）２２のＭＲ比の絶対値は、大きいほど良い。ＧＭＲ膜（Ａ）２２のＭＲ比の絶対値は、具体的には、５％以上が好ましく、さらに好ましくは、１０％以上である。

また、ＧＭＲ膜（Ａ）２２は、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６と直接、電気的に接続されるので、ＧＭＲ膜（Ａ）２２には、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６より高い電気比抵抗ρを有するものが用いられる。一般に、ＧＭＲ膜（Ａ）２２の電気比抵抗ρが小さすぎると、センサ全体の電気抵抗に対する配線などの抵抗の比率が相対的に大きくなり、その結果としてＭＲ比が低下するので好ましくない。一方、ＧＭＲ膜（Ａ）２２の電気比抵抗ρが高すぎる場合には、ノイズが増加し、外部磁場の変化を電圧変化として検出するのが困難となる。
ＧＭＲ膜（Ａ）２２の電気比抵抗ρは、具体的には、１０³μΩｃｍ以上１０¹²μΩｃｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、１０⁴μΩｃｍ以上１０¹¹μΩｃｍ以下である。

このような条件を満たす材料には、種々の材料があるが、中でも上述した金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料が特に好適である。金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、高いＭＲ比と高い電気比抵抗ρを有するだけでなく、僅かな組成変動によってＭＲ比が大きく変動することがないので、安定した磁気特性を有する薄膜を、再現性良く、かつ低コストで作製することができるという利点がある。

ＧＭＲ膜（Ａ）２２として用いられる金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料としては、具体的には、
（１）Ｃｏ−Ｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ａｌ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｓｍ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｄｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、ＦｅＣｏ−Ｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金等の酸化物系ナノグラニュラー合金、
（２）Ｆｅ−ＭｇＦ₂、ＦｅＣｏ−ＭｇＦ₂、Ｆｅ−ＣａＦ₂、ＦｅＣｏ−ＡｌＦ₃等のフッ化物系ナノグラニュラー合金、
などがある。

［１．１．２． 薄膜ヨーク（Ａ）］
薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６は、ギャップを介して対向しており、ＧＭＲ膜（Ａ）２２は、ギャップ内又はその近傍において、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６と電気的に接続される。
ここで、「ギャップ近傍」とは、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６先端に発生する増幅された大きな磁場の影響を受ける領域をいう。薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６間に発生する磁場は、ギャップ内が最も大きくなるので、ＧＭＲ膜（Ａ）２２は、ギャップ内に形成するのが最も好ましいが、ＧＭＲ膜（Ａ）２２に作用する磁場が実用上十分な大きさであるときは、その全部又は一部がギャップ外（例えば、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６の上面側又は下面側）にあっても良いことを意味する。

薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６は、ＧＭＲ膜（Ａ）２２の磁場感度を高めるためのものであり、軟磁性材料からなる。弱磁場に対する高い磁場感度を得るためには、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６には、透磁率μ及び／又は飽和磁化Ｍｓの高い材料を用いるのが好ましい。また、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６の材料は、使用する外部磁場の範囲で磁気飽和のないものが好ましい。一方、軟磁性材料の透磁率μは、高いほど好ましく、例えば、５０００以上が好ましい。

このような条件を満たす軟磁性材料としては、具体的には、
（ａ）４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｆｅ₇₄Ｓｉ₉Ａｌ₁₇、Ｆｅ₁₂Ｎｉ₈₂Ｎｂ₆、Ｆｅ_75.6Ｓｉ_13.2Ｂ_8.5Ｎｂ_1.9Ｃｕ_0.8、Ｆｅ₈₃Ｈｆ₆Ｃ₁₁、Ｆｅ₈₅Ｚｒ₁₀Ｂ₅合金、Ｆｅ₉₃Ｓｉ₃Ｎ₄合金、Ｆｅ₇₁Ｂ₁₁Ｎ₁₈合金、
（ｂ）４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金／ＳｉＯ₂多層膜、
（ｃ）Ｆｅ_71.3Ｎｄ_9.6Ｏ_19.1ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₇₀Ａｌ₁₀Ｏ₂₀ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₆₅Ｆｅ₅Ａｌ₁₀Ｏ₂₀ナノグラニュラー合金、
（ｄ）Ｃｏ₃₅Ｆｅ₃₅Ｍｇ₁₀Ｆ₂₀ナノグラニュラー合金、
（ｅ）Ｃｏ₈₈Ｎｂ₆Ｚｒ₆アモルファス合金、(Ｃｏ₉₄Ｆｅ₆)₇₀Ｓｉ₁₅Ｂ₁₅アモルファス合金、
などがある。

［１．２． 第２ＧＭＲ素子］
第２ＧＭＲ素子３０は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜（Ｂ）３２と、ＧＭＲ膜（Ｂ）３２の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる一対の薄膜ヨーク（Ｂ）３４、３６とを備えている。第２ＧＭＲ素子３０の表面は、通常、保護膜（図示せず）により覆われている。さらに、第２ＧＭＲ素子３０の一端は、第１ＧＭＲ素子２０に接合され、他端は、接地（ＧＮＤ）のための端子に接続されている。

［１．２．１． ＧＭＲ膜（Ｂ）］
ＧＭＲ膜（Ｂ）３２の材料は、第１ＧＭＲ素子２０のＧＭＲ膜（Ａ）２２と異なる材料でも良いが、同一材料の方がより好ましい。ＧＭＲ膜（Ｂ）３２及びＧＭＲ膜（Ａ）２２に同一材料を用いると、１工程で双方のＧＭＲ膜を同時に形成することができるので、製造コストを低減することができる。また、同一材料の場合は温度による抵抗変化量が同じになるので、中点電位（Ｖ_out）が温度により変化しないという利点がある。
ＧＭＲ膜（Ｂ）３２の材料に関するその他の点は、ＧＭＲ膜（Ａ）２２と同様であるので、説明を省略する。

［１．２．２． 薄膜ヨーク（Ｂ）］
薄膜ヨーク（Ｂ）３４、３６の材料は、第１ＧＭＲ素子２０の薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６と異なる材料でも良く、あるいは、同一材料でも良い。薄膜ヨーク（Ｂ）３４、３６及び薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６に同一材料を用いると、１工程で双方の薄膜ヨークを同時に形成することができるので、製造コストを低減することができる。
薄膜ヨーク（Ｂ）３４、３６の材料に関するその他の点は、薄膜ヨーク（Ａ）２４、２６と同様であるので、説明を省略する。

［１．２．３． 磁場感度］
本発明に係る薄膜磁気センサモジュール１０は、検査対象物がｙ軸方向を移動する時に、第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０の双方が、所定の時間間隔をおいて磁束の変化を検出する。そのため、第１ＧＭＲ素子２０と第２ＧＭＲ素子３０の磁場感度は、同一であるのが好ましい。

［１．３． ＧＭＲ素子の配置］
本発明に係る薄膜磁気センサモジュール１０は、第１ＧＭＲ素子２０のｘｙ平面上の座標を（ｙ₁、ｘ₁）、第２ＧＭＲ素子３０のｘｙ平面上の座標を（ｙ₂、ｘ₂）とした時に、ｙ₁≠ｙ₂の関係が成り立つ。すなわち、第１ＧＭＲ素子２０と第２ＧＭＲ素子３０とは、ｙ軸方向の位置が異なっている。これは、検査対象物がｙ軸方向に移動する時に、第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０の双方が、所定の時間間隔をおいて磁束の変化を検出できるようにするためである。
ここで、「ＧＭＲ素子の座標」とは、ＧＭＲ素子の基準点の位置をいう。図１に示す例において、第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０は、それぞれ、ＧＭＲ膜（Ａ）２２及びＧＭＲ膜（Ｂ）３２の中心を基準点としている。

第１ＧＭＲ素子２０のｘ軸方向の位置（ｘ₁）及び第２ＧＭＲ素子３０のｘ軸方向の位置（ｘ₂）は、特に限定されない。すなわち、ｘ₁及びｘ₂は、同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。一般に、後述するバイアス磁場の条件を満たし、かつ、ｘ₁＝ｘ₂の関係を満たす位置に第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０を配置することは、物理的に困難となる場合が多い。このような場合には、ｘ₁≠ｘ₂となるように第１ＧＭＲ素子３０及び第２ＧＭＲ素子３０を配置すれば良い。

［１．４． 磁石］
［１．４．１． 磁石の配置］
磁石４０ａは、ｚ軸方向に磁化された単一の磁石からなる。また、磁石４０ａは、第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０が配置されたｘｙ平面の下又は上に配置されている。図１に示す例において、磁石４０ａは、第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０の設置面の下に配置されている。

［１．４．２． 磁束密度比］
本発明において、磁石４０ａは、次の式（ａ）及び式（ｂ）の関係が成り立つ。
０．９５≦Ｂ_y(ｙ₁、ｘ₁)／Ｂ_y(ｙ₂、ｘ₂)≦１．０５ ・・・（ａ）
０．９５≦Ｂ_z(ｙ₁、ｘ₁)／Ｂ_z(ｙ₂、ｘ₂)≦１．０５ ・・・（ｂ）
但し、
Ｂ_y(ｙ₁、ｘ₁)は、座標（ｙ₁、ｘ₁）における磁束密度のｙ軸方向成分、
Ｂ_y(ｙ₂、ｘ₂)は、座標（ｙ₂、ｘ₂）における磁束密度のｙ軸方向成分、
Ｂ_z(ｙ₁、ｘ₁)は、座標（ｙ₁、ｘ₁）における磁束密度のｚ軸方向成分、
Ｂ_z(ｙ₂、ｘ₂)は、座標（ｙ₂、ｘ₂）における磁束密度のｚ軸方向成分。

式（ａ）中、Ｂ_y(ｙ₁、ｘ₁)／Ｂ_y(ｙ₂、ｘ₂)比（以下、単に「Ｂ_y比」ともいう）は、第２ＧＭＲ素子３０に作用する磁束密度のｙ軸方向成分に対する第１ＧＭＲ素子２０のそれの比を表す。すなわち、式（ａ）が成り立つことは、第１ＧＭＲ素子２０に作用する磁束密度のｙ軸方向成分の大きさ及び向きが第２ＧＭＲ素子３０に作用するそれとほぼ同一であることを表す。

Ｂ_y比が小さすぎる場合、及び大きすぎる場合のいずれも、外来磁気ノイズを十分にキャンセルできない。従って、Ｂ_y比は、０．９５以上１．０５以下である必要がある。Ｂ_y比は、好ましくは、０．９８以上１．０２以下、さらに好ましくは、０．９９以上１．０１以下である。

式（ｂ）中、Ｂ_z(ｙ₁、ｘ₁)／Ｂ_z(ｙ₂、ｘ₂)比（以下、単に「Ｂ_z比」ともいう）は、第２ＧＭＲ素子３０に作用する磁束密度のｚ軸方向成分に対する第１ＧＭＲ素子２０のそれの比を表す。すなわち、式（ｂ）が成り立つことは、第１ＧＭＲ素子２０に作用する磁束密度のｚ軸方向成分の大きさ及び向きが第２ＧＭＲ素子３０に作用するそれとほぼ同一であることを表す。

磁性体を含む検査対象物がｙ軸方向に移動すると、磁石４０ａから放出される磁力線の向きが変化する。本発明に係る薄膜磁気センサモジュール１０は、この磁力線の向きの変化を第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０で検出する。Ｂ_z比が小さすぎる場合、及び大きすぎる場合のいずれも、検査対象物が第１ＧＭＲ素子２０の上を通過した時と第２ＧＭＲ素子３０の上を通過した時とで、出力（Ｖ_out）が大きく変化し、検査対象物の検出精度が低下する。従って、Ｂ_z比は、０．９５以上１．０５以下である必要がある。Ｂ_z比は、好ましくは、０．９８以上１．０２以下、さらに好ましくは、０．９９以上１．０１以下である。

［１．４．３． 磁石の平面形状］
磁石４０ａがｚ軸方向に磁化されている場合、磁石４０ａの上面から流出した磁力線は、弧を描いて裏面に流入する。そのため、磁石４０ａのどの位置に第１ＧＭＲ素子２０を配置するかによって、第１ＧＭＲ素子２０に作用するバイアス磁場の大きさが異なる。この点は、第２ＧＭＲ素子３０も同様である。

磁石４０ａの平面形状が対称性の高い形状である場合、磁石４０ａから放出される磁力線の形状も対称性が高くなる。そのため、通常、上述した式（ａ）及び式（ｂ）の関係を同時に満たす１組の座標は存在しない。
しかし、磁石４０ａの平面形状が対称性の低い形状である場合、上述した式（ａ）及び式（ｂ）を満たす少なくとも１組の座標（ｙ₁、ｘ₁）及び（ｙ₂、ｘ₂）が存在する。このような座標上に、それぞれ、第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０を配置すると、
（ａ）第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０に作用するバイアス磁場のｙ軸方向成分の大きさ及び向きを同一にし、かつ、
（ｂ）第１ＧＭＲ素子２０及び第２ＧＭＲ素子３０に作用するバイアス磁場のｚ軸方向成分の大きさを同一にすることができる。

このようなバイアス磁場を発生させるためには、磁石４０ａは、平面形状がｘ軸及びｙ軸に対して非線対称な形状を持つものが好ましい。ｘ軸及びｙ軸に対して非線対称な平面形状としては、例えば、
（ａ）菱形（又は、平行四辺形）、
（ｂ）菱形（又は、平行四辺形）の鋭角の角部を切除した形状、
（ｃ）２つの内角が直角である台形、
（ｄ）１／４円、
（ｅ）２つの長方形をｙ軸方向にずらして結合させた形状
などがある。磁石４０ａは、少なくともその平面形状の一部に、このような非線対称な平面形状を含んでいれば良い。

［２． 作用］
水平方向に感磁方向を持つ第１ＧＭＲ素子と第２ＧＭＲ素子を電気的に直列に接続し、かつ、これらをｘｙ平面上に配置する場合において、第１ＧＭＲ素子及び第２ＧＭＲ素子にバイアス磁場を印加するための磁石の形状を最適化すると、
（ａ）第１ＧＭＲ素子及び第２ＧＭＲ素子に作用するｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yの大きさ及び向きが同一となり（式（ａ））、かつ、
（ｂ）第１ＧＭＲ素子及び第２ＧＭＲ素子に作用するｚ軸方向の磁束密度Ｂ_zの大きさが同一となる（式（ｂ））。
このような薄膜磁気センサモジュールを用いると、水平方向に移動する検査対象物を検知することが可能となり、しかも外来磁気ノイズをキャンセルすることができる。

図２（Ａ）に、２つのＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）に逆向きのｙ軸方向のバイアス磁場が印加された薄膜磁気センサモジュールの模式図を示す。図２（Ｂ）に、各ＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）に作用する磁場（Ｈ）と出力（Ｖ_out）との関係を示す。
図２（Ａ）に示すように、ｚ軸方向に磁化された磁石の上に２つのＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）をｙ₁≠ｙ₂となるように配置する場合において、磁石の平面形状が対称性の高い形状である時は、各ＧＭＲ素子には、それぞれ、逆向きのｙ方向のバイアス磁場が作用する。この時、Ｒ₁、Ｒ₂に作用するバイアス磁場は、逆向きであるが大きさは同じであるため、外来磁場がない時は、Ｒ₁とＲ₂の出力は、ほぼ等しくなる。そのため、Ｒ₁、Ｒ₂を直列に接続し、中点電位を出力させると、中点電位は、電源電圧（Ｖ_cc）の約１／２となる。

しかし、逆向きのバイアス磁場が印加されているＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）に対して、同相の外来磁場（図２に示す例では、右向きの外来磁場）が作用した時には、図２（Ｂ）に示すように、各ＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）は、それぞれ、逆向きの反応をする。そのため、Ｒ₁、Ｒ₂を直列に接続し、中点電位を出力させると、中点電位は、Ｖ_cc／２よりも増加又は減少する。すなわち、図２（Ａ）に示す薄膜磁気センサモジュールでは、外来磁場をキャンセルすることができず、ノイズが大きくなる。

図３（Ａ）に、２つのＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）に同じ向きのｙ軸方向のバイアス磁場が印加された薄膜磁気センサモジュールの模式図を示す。図３（Ｂ）は、各ＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）に作用する磁場（Ｈ）と出力（Ｖ_out）との関係を示す。
図３（Ａ）に示すように、ｚ軸方向に磁化された磁石の上に２つのＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）を配置する場合において、磁石の平面形状が対称性の低い形状である時には、各ＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）の配置を最適化することにより、各ＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）に、それぞれ、同じ向き及び大きさのｙ軸方向のバイアス磁場を作用させることができる。

このような薄膜磁気センサに対して、同相の外来磁場が作用した時には、図３（Ｂ）に示すように、各ＧＭＲ素子（Ｒ₁、Ｒ₂）は、それぞれ、同じ向きの反応をする。そのため、Ｒ₁、Ｒ₂を直列に接続し、中点電位を出力させると、中点電位は約Ｖ_cc／２のままとなり、ほとんど変動しない。すなわち、図３（Ａ）に示す薄膜磁気センサモジュールを用いると、外来磁場をキャンセルすることができ、ノイズが小さくなる。
一方、検査対象物がｙ軸方向に沿って移動する時には、所定の時間間隔をおいて、Ｒ₁及びＲ₂の抵抗値がそれぞれ独立に変化する。そのため、検査対象物の通過を検出することができる。

（実施例１）
［１． 試験方法］
図４に、磁場解析に用いた磁石４０ａ（実施例１）の平面図（図４（Ａ））、及び斜視図（図４（Ｂ））を示す。実施例１において、磁石４０ａの平面形状は、平行四辺形とした。磁石４０ａの厚さは１ｍｍとし、磁石表面（ｚ＝０）から１．１ｍｍの位置にあるｘｙ平面をセンサ設置面とした。また、第１ＧＭＲ素子は、ｘ座標が−ｘとなるライン上に配置するものとし、第２ＧＭＲ素子は、ｘ座標が＋ｘとなるライン上に配置するものとした。このような条件下において、センサ設置面上の磁束密度の向き及び大きさをシミュレーションにより求めた。

［２． 結果］
図５（Ａ）に、図４に示す磁石４０ａのｙ座標とｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yとの関係を示す。図５（Ｂ）に、図４に示す磁石のｙ座標とｚ軸方向の磁束密度Ｂ_zとの関係を示す。なお、図５は、ｚ＝１．１ｍｍ、ｘ＝±０．５ｍｍのシミュレーション結果である。図５より、以下のことがわかる。
（ａ）ｙ＝４〜８ｍｍの範囲内にある場合、磁束密度のｚ軸方向成分Ｂ_zは、ｘ座標及びｙ座標によらずほぼ等しくなる。
（ｂ）ｙ＝４〜８ｍｍの範囲内にある場合、磁束密度のｙ軸方向成分Ｂ_yの向き及び大きさがほぼ等しくなる少なくとも１組の座標（ｙ₁、ｘ₁）及び（ｙ₂、ｘ₂）が存在する。

図６（Ａ）に、センサ設置面の平面図を示す。図６（Ｂ）に、図６（Ａ）に示すセンサ設置面のｙ座標とｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yとの関係を示す。なお、図６は、ｚ＝１．１ｍｍ、ｘ＝±１．０ｍｍのシミュレーション結果である。
図６（Ｂ）に示すように、ｚ＝１．１ｍｍ、ｘ＝−１．０ｍｍのライン上において、例えば、Ｂ_y＝−１０［Ｏｅ］となるのは、ｙ＝５．５ｍｍの位置である。一方、ｚ＝１．１ｍｍ、ｘ＝＋１．０ｍｍのライン上において、Ｂ_y＝−１０［Ｏｅ］となるのは、ｙ＝６．２ｍｍの位置である。

従って、図６（Ａ）に示すように、座標（ｙ₁、ｘ₁、ｚ₁）＝（５．５ｍｍ、−１．０ｍｍ、１．１ｍｍ）の位置に第１ＧＭＲ素子を配置し、座標（ｙ₂、ｘ₂、ｚ₂）＝（６．２ｍｍ、＋１．０ｍｍ、１．１ｍｍ）の位置に第２ＧＭＲ素子を配置すれば、第１ＧＭＲ素子及び第２ＧＭＲ素子に、それぞれ、大きさ及び向きがほぼ等しいｙ軸方向のバイアス磁場、並びに、大きさがほぼ等しいｚ軸方向のバイアス磁場を作用させることができる。
さらに、このように配置された第１ＧＭＲ素子及び第２ＧＭＲ素子をブリッジ接続すれば、外来磁場ノイズの影響の少ない薄膜磁気センサモジュールを実現できる。

（実施例２）
［１． 試験方法］
図７に、磁場解析に用いた磁石４０ｂ（実施例２）の平面図を示す。実施例２において、磁石４０ｂの平面形状は、平行四辺形の鋭角の角部を切除した形状とした。以下、実施例１と同様にして、センサ設置面上の磁束密度の向き及び大きさをシミュレーションにより求めた。

［２． 結果］
図８（Ａ）に、図７に示す磁石４０ｂのｙ座標とｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yとの関係を示す。図８（Ｂ）に、図７に示す磁石４０ｂのｙ座標とｚ軸方向の磁束密度Ｂ_zとの関係を示す。なお、図８は、ｚ＝１．１ｍｍ、ｘ＝±１．０ｍｍのシミュレーション結果である。図８より、以下のことが分かる。
（ａ）ｙ＝４〜７ｍｍの範囲内にある場合、磁束密度のｚ軸方向成分Ｂ_zは、ｘ座標及びｙ座標によらずほぼ等しくなる。
（ｂ）ｙ＝４〜７ｍｍの範囲内にある場合、磁束密度のｙ軸方向成分Ｂ_yの向き及び大きさがほぼ等しくなる少なくとも１組の座標（ｙ₁、ｘ₁）及び（ｙ₂、ｘ₂）が存在する。

（実施例３）
［１． 試験方法］
図９に、磁場解析に用いた磁石４０ｃ（実施例３）の平面図を示す。実施例３において、磁石４０ｃの平面形状は、２つの内角が直角である台形とした。以下、実施例１と同様にして、センサ設置面上の磁束密度の向き及び大きさをシミュレーションにより求めた。

［２． 結果］
図１０（Ａ）に、図９に示す磁石４０ｃのｙ座標とｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yとの関係を示す。図１０（Ｂ）に、図９に示す磁石４０ｃのｙ座標とｚ軸方向の磁束密度Ｂ_zとの関係を示す。なお、図１０は、ｚ＝１．１ｍｍ、ｘ＝±１．０ｍｍのシミュレーション結果である。図１０より、以下のことが分かる。
（ａ）ｙ＝５〜７ｍｍの範囲内にある場合、磁束密度のｚ軸方向成分Ｂ_zは、ｘ座標及びｙ座標によらずほぼ等しくなる。
（ｂ）ｙ＝５〜７ｍｍの範囲内にある場合、磁束密度のｙ軸方向成分Ｂ_yの向き及び大きさがほぼ等しくなる少なくとも１組の座標（ｙ₁、ｘ₁）及び（ｙ₂、ｘ₂）が存在する。

（実施例４）
［１． 試験方法］
図１１に、磁場解析に用いた磁石４０ｄ（実施例４）の平面図を示す。実施例４において、磁石４０ｄの平面形状は、１／４円と長方形とを組み合わせた形状とした。以下、実施例１と同様にして、センサ設置面上の磁束密度の向き及び大きさをシミュレーションにより求めた。

［２． 結果］
図１２（Ａ）に、図１１に示す磁石４０ｄのｙ座標とｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yとの関係を示す。図１２（Ｂ）に、図１１に示す磁石４０ｄのｙ座標とｚ軸方向の磁束密度Ｂ_zとの関係を示す。なお、図１０は、ｚ＝１．１ｍｍ、ｘ＝±１．０ｍｍのシミュレーション結果である。図１２より、以下のことが分かる。
（ａ）ｙ＝４〜７ｍｍの範囲内にある場合、磁束密度のｚ軸方向成分Ｂ_zは、ｘ座標及びｙ座標によらずほぼ等しくなる。
（ｂ）ｙ＝４〜７ｍｍの範囲内にある場合、磁束密度のｙ軸方向成分Ｂ_yの向き及び大きさほぼ等しくなる少なくとも１組の座標（ｙ₁、ｘ₁）及び（ｙ₂、ｘ₂）が存在する。

（実施例５）
［１． 試験方法］
図１３に、磁場解析に用いた磁石４０ｅ（実施例５）の平面図を示す。実施例５において、磁石４０ｅの平面形状は、２つの長方形をｙ軸方向にずらして結合させた形状とした。以下、実施例１と同様にして、センサ設置面上の磁束密度の向き及び大きさをシミュレーションにより求めた。

［２． 結果］
図１４（Ａ）に、図１３に示す磁石４０ｅのｙ座標とｙ軸方向の磁束密度Ｂ_yとの関係を示す。図１４（Ｂ）に、図１１に示す磁石４０ｅのｙ座標とｚ軸方向の磁束密度Ｂ_zとの関係を示す。なお、図１４は、ｚ＝１．１ｍｍ、ｘ＝±１．０ｍｍのシミュレーション結果である。図１４より、以下のことが分かる。
（ａ）ｙ＝４〜７ｍｍの範囲内にある場合、磁束密度のｚ軸方向成分Ｂ_zは、ｘ座標及びｙ座標によらずほぼ等しくなる。
（ｂ）ｙ＝４〜７ｍｍの範囲内にある場合、磁束密度のｙ軸方向成分Ｂ_yの向き及び大きさほぼ等しくなる少なくとも１組の座標（ｙ₁、ｘ₁）及び（ｙ₂、ｘ₂）が存在する。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る薄膜磁気センサは、紙葉類処理装置、自動車の車軸、ロータリーエンコーダ、産業用歯車等の回転情報の検出、油圧式シリンダ／空気式シリンダのストロークポジション、工作機械のスライド等の位置・速度情報の検出、工業用溶接ロボットのアーク電流等の電流情報の検出、地磁気方位コンパスなどに用いることができる。

１０ 薄膜磁気センサモジュール
２０ 第１ＧＭＲ素子
２２ ＧＭＲ膜（Ａ）
２４、２６ 薄膜ヨーク（Ａ）
３０ 第２ＧＭＲ素子
３２ ＧＭＲ膜（Ｂ）
３４、３６ 薄膜ヨーク（Ｂ）
４０ａ〜４０ｅ 磁石

Claims (4)

1. 以下の構成を備えた薄膜磁気センサモジュール。
   （１）前記薄膜磁気センサモジュールは、
   感磁方向がｙ軸方向となるように、ｘｙ平面上に配置された第１ＧＭＲ素子と、
   感磁方向がｙ軸方向となるように、前記ｘｙ平面上に配置された第２ＧＭＲ素子と、
   前記第１ＧＭＲ素子及び前記第２ＧＭＲ素子にバイアス磁場を印加するための磁石と
   を備えている。
   （２）前記第１ＧＭＲ素子と前記第２ＧＭＲ素子とは電気的に直列に接続されており、
   前記第１ＧＭＲ素子の前記ｘｙ平面上の座標を（ｙ₁、ｘ₁）、前記第２ＧＭＲ素子の前記ｘｙ平面上の座標を（ｙ₂、ｘ₂）とした時に、ｙ₁≠ｙ₂の関係が成り立つ。
   （３）前記磁石は、ｚ軸方向に磁化された単一の磁石からなり、前記第１ＧＭＲ素子及び前記第２ＧＭＲ素子が配置された前記ｘｙ平面の下又は上に配置されている。
   （４）前記磁石は、次の式（ａ）及び式（ｂ）の関係が成り立つ。
   ０．９５≦Ｂ_y(ｙ₁、ｘ₁)／Ｂ_y(ｙ₂、ｘ₂)≦１．０５ ・・・（ａ）
   ０．９５≦Ｂ_z(ｙ₁、ｘ₁)／Ｂ_z(ｙ₂、ｘ₂)≦１．０５ ・・・（ｂ）
   但し、
   Ｂ_y(ｙ₁、ｘ₁)は、座標（ｙ₁、ｘ₁）における磁束密度のｙ軸方向成分、
   Ｂ_y(ｙ₂、ｘ₂)は、座標（ｙ₂、ｘ₂）における磁束密度のｙ軸方向成分、
   Ｂ_z(ｙ₁、ｘ₁)は、座標（ｙ₁、ｘ₁）における磁束密度のｚ軸方向成分、
   Ｂ_z(ｙ₂、ｘ₂)は、座標（ｙ₂、ｘ₂）における磁束密度のｚ軸方向成分。
2. 以下の構成をさらに備えた請求項１に記載の薄膜磁気センサモジュール。
   （５）前記第１ＧＭＲ素子は、
   巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜（Ａ）と、
   前記ＧＭＲ膜（Ａ）の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる一対の薄膜ヨーク（Ａ）と
   を備えている。
   （６）前記第２ＧＭＲ素子は、
   巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜（Ｂ）と、
   前記ＧＭＲ膜（Ｂ）の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる一対の薄膜ヨーク（Ｂ）と
   を備えている。
3. 前記磁石は、平面形状がｘ軸及びｙ軸に対して非線対称な形状を持つ請求項１又は２に記載の薄膜磁気センサモジュール。
4. 前記磁石は、少なくとも、その平面形状の一部に、
   （ａ）菱形（又は、平行四辺形）、
   （ｂ）菱形（又は、平行四辺形）の鋭角の角部を切除した形状、
   （ｃ）２つの内角が直角である台形、
   （ｄ）１／４円、又は
   （ｅ）２つの長方形をｙ軸方向にずらして結合させた形状
   を含む請求項１から３までのいずれか１項に記載の薄膜磁気センサモジュール。

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