JP4084036B2 - 磁気センサ及びこの磁気センサを用いた方位検知システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界測定用、ナビゲーション用の地磁気センサ等の磁気センサ及びこの磁気センサを用いた方位検知システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の磁気センサとしては、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）、フラックスゲートセンサ、半導体ホール効果センサ等が用いられている。このうち、近年開発されたＭＩセンサによれば、ＭＩ素子という磁気抵抗素子を用いることで薄膜化・小型化が容易なため、近年その改良も盛んである。また、ＭＲ素子の場合もこのＭＲ素子に高周波電流を流した場合のその高周波インピーダンスの磁界による変化をもって磁界強度を検知することができる。
【０００３】
このような磁気センサに対して、最近では、磁性薄膜層が絶縁層を介して複数層形成され、伝導に関わる電子がスピンを維持しながら絶縁層をトンネル現象によって伝導されることから、この際の磁化の状態によってトンネル透過係数が異なることを利用して磁界検知を行なう原理のトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）が提案されている。強磁性体トンネル効果は非常に高い磁場感度を有するため、超高密度磁気記録におけるＨＤＤ用磁気再生ヘッドとしての利用可能性がある。この他、モータ用磁界測定装置、ナビゲーション用地磁気センサ等の磁気センサや、いわゆるＭＲＡＭと称される磁気固体メモリデバイス等への利用も可能といえる。
【０００４】
このようなＴＭＲ素子に関しては、例えば特開平１１−１６１９１９号公報（特許第３００４００５号）によれば、静磁気相互作用の動作の向上が図られている。また、従来からある巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）についても電流を膜面に垂直に流す構成が実現されており（ｃｐｐ型ＧＭＲ素子）、その応用面が広がってきている。
【０００５】
また、ＭＲ素子一般を方位計に用いる場合、特開平５−１５７５６６号公報等に示されるように、磁界感度の鋭敏さとヒステリシスのために補助磁界を与えて高感度化を図るようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平１１−１６１９１９号公報（特許第３００４００５号）の場合、積層化により静磁気相互作用の動作の向上を図っているもので、本質的な解決法とはいえず、コスト高にもつながる対応策である。
【０００７】
また、例えば方位センサを実現する上で、ＭＲ素子のように補助磁界を与えて高感度化を図るのもあまり得策とはいえない。
【０００８】
結局、このような従来の磁気センサ類では、小型・軽量・低コスト化の点及び感度的な面でまだ十分とはいえず、改良の余地が多分にある。
【０００９】
そこで、本発明は、小型・軽量で高感度な磁気センサを提供することを目的とする。
【００１０】
併せて、このような磁気センサを利用することで地磁気検知等の精度を向上させることができ、ナビゲーションシステム等に有効な方位検知システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の磁気センサは、一軸磁気異方性及び磁化反転可能な保磁力を有して２値の磁化状態を取り得る特性を持たせた複数の薄膜磁気抵抗効果素子を、これらの各薄膜磁気抵抗効果素子間の一軸磁気異方性の方向に相対角度を持たせて並列に配置させ、該各薄膜磁気抵抗効果素子の磁化方向を抵抗変化として検知することでデジタル化した信号を出力する。
【００１２】
従って、対象となる磁界のベクトル成分（磁気角度ないしは磁気方位）を検知するにあたって、並列に配置されている複数の薄膜磁気抵抗効果素子間の一軸磁気異方性の方向が異なり相対角度を有しているので、特に一様な磁界中では一軸磁気異方性の方向に応じて臨界角度を超えれば磁化方向が向くことから各素子の磁化方向を抵抗変化として得ることで、デジタル化した信号となり、所望の角度分解能は素子数と相対角度とにより自由に持たせることができ、よって、小型・軽量で信号処理が容易な高感度な磁気センサを提供できる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子の一軸磁気異方性を形状効果異方性により持たせてなる。
【００１４】
従って、請求項１記載の磁気センサを実現する上で、素子の形状で決定可能な形状効果異方性により一軸磁気異方性を持たせることで容易に必要な２値化磁化状態を実現できる薄膜磁気抵抗効果素子を作製できる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子の一軸磁気異方性を結晶磁気異方性により持たせてなる。
【００１６】
従って、請求項１記載の磁気センサを実現する上で、成膜時やアニール時の作製条件を変えて結晶磁気異方性により一軸磁気異方性を持たせることで同一形状のものでも所望の方向の一軸異方性を持たせることができ、容易に必要な２値化磁化状態を持つ薄膜磁気抵抗効果素子を作製できる。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項１，２又は３記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とを一致させてなる。
【００１８】
従って、請求項１，２又は３記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子の形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とを一致させ、異方性エネルギーを高めることで、当該薄膜磁気抵抗効果素子の２値性をより高めることができ、より一層の高感度化を図ることができる。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１，２又は３記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とをずらしてなる。
【００２０】
従って、請求項１，２又は３記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子の形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とをずらすことで、適正な異方性エネルギー状態とすることができ、並列に配置された中間点での各薄膜磁気抵抗効果素子からのノイズの発生を低減させることができる。
【００２１】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、磁性体層、非磁性絶縁体層及び磁性体層の積層構造を含むトンネル型磁気抵抗効果素子又は磁性体層、非磁性絶縁体層及び磁性体層で構成される膜面に垂直に電流を流すｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子であって、薄膜作製基板上にモノリシックに薄膜形成されている。
【００２２】
従って、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子として薄膜作製基板上にモノリシックに作製されるので、高精度な磁気センサとすることができる。
【００２３】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、チップ構成されたトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子であって、チップ搭載基板上にチップ方向を異ならせて実装されている。
【００２４】
従って、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子としてチップ構成されてチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、薄膜磁気抵抗効果素子作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができる。
【００２５】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、チップ外形形状に対して異なる方向の磁気異方性を持たせてチップ構成されたトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子であって、チップ搭載基板上にチップ外形形状を揃えて実装されている。
【００２６】
従って、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子としてチップ構成されてチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、薄膜磁気抵抗効果素子作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができ、さらには、チップ外形形状に対して磁気異方性の方向を異ならせてチップ外形形状を揃えて実装させているので、汎用実装機を用いることもでき、より一層の低コスト化を図ることができる。また、チップの実装面に対して垂直異方性を採る構成も可能であり、これにより、３軸ベクトル検知も容易に実現できる。
【００２７】
請求項９記載の発明は、請求項１ないし８の何れか一記載の磁気センサにおいて、隣接する前記各薄膜磁気抵抗効果素子間の出力の差動をとる差動演算手段を有し、これらの差動演算手段の差動演算結果に基づき対象となる磁気を検知するようにした。
【００２８】
従って、隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子間の出力の差動をとり、その差動演算結果に基づき対象となる磁気を検知することで、特に近傍からの磁界ノイズをキャンセルでき、よって、ノイズによる誤検知動作を防止できる。
【００２９】
請求項１０記載の発明の方位検知システムは、地磁気を検知対象とする請求項１ないし９の何れか一記載の磁気センサと、この磁気センサの検知出力に基づき磁気ベクトルを検知する検知手段と、前記磁気センサの検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、を備える。
【００３０】
従って、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、高感度な請求項１ないし９の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される磁気ベクトルが利用されるが、この際、磁気センサの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。さらには、磁気センサによる検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能である。
【００３１】
請求項１１記載の発明の方位検知システムは、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置されて地磁気を検知対象とする請求項１ないし９の何れか一記載の複数の磁気センサと、これらの磁気センサの検知出力に基づき３軸以上のベクトルを検知する検知手段と、前記磁気センサの検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、を備える。
【００３２】
従って、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置された高感度な請求項１ないし９の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される３軸以上のベクトルが利用されるが、この際、磁気センサの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。さらには、磁気センサによる３軸ベクトル以上の検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は本実施の形態の磁気センサ１の原理的構成を示す模式図である。本実施の形態の磁気センサ１は、例えば、外形形状が正方形状の４個の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄを同一平面上に並列に近接配置させることにより構成されている。ここに、個々の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄは、矢印Ａ〜Ｄで示すような方向の一軸磁気異方性を持たせるとともに、磁化反転を容易に行い得るような低い保磁力を有し、その磁化反転の有無に応じた２値の磁化状態を取りやすい特性を持たせた素子である。このような薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄは、図１中に示すように、各々の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄ間の一軸磁気異方性の方向Ａ〜Ｄに相対角度を持つように配置されている。例えば、一軸磁気異方性の方向Ａは図中下向き、方向Ｂは図中斜め左下向き、方向Ｃは図中左向き、方向Ｄは図中斜め左上向きの如く設定されている。つまり、図１に示す例では、各々の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄ間の一軸磁気異方性は、時計回りに４５°ずつ方向をずらして設定されている。
【００３４】
なお、各薄膜磁気抵抗効果素子２にこのような一軸磁気異方性を持たせるための作製方法としては、例えば、図２に示すように、薄膜磁気抵抗効果素子２の磁界中アニール時にその磁界の方向Ｇが所望の方向（Ａ〜Ｄ）となるように設定することで、結晶磁気異方性により一軸磁気異方性を持たせることができる。
【００３５】
このような磁気センサ１は検知対象となる磁気が作用し得る環境下に置かれ、各々の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄの検知出力に基づき磁界のベクトル成分（磁気角度或いは磁気方位）を検知するために使用される。ここに、磁気センサ１に或る磁界が作用した場合、並列に配置されている複数の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄ間の一軸磁気異方性の方向Ａ〜Ｄがずれており、各々の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄが呈示する抵抗値対応の検知出力が大小異なることとなり、これらの検知出力を簡単な演算回路により演算処理することにより、磁気方位を特定検知することができる。即ち、複数の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄ間の一軸磁気異方性の方向Ａ〜Ｄをずらすことにより、磁界のベクトル成分を検知するにあたってその角度検知分解能を向上させ、高感度化を図れるものとなる。
【００３６】
また、元々薄膜技術等を用いて作製される薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄを用いているので、磁気センサ１としても小型・軽量化を図ることができる。
【００３７】
本発明の第二の実施の形態を図３及び図４に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の各実施の形態でも同様とする）。
【００３８】
図３は本実施の形態の磁気センサ１1の原理的構成を示す模式図である。本実施の形態の磁気センサ１1は、例えば、外形形状が正方形状の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄに代えて、外形形状が長方形状でその長手方向に一軸磁気異方性を持たせた４個の薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄを同一平面上に並列に近接配置させることにより構成されている。即ち、長方形状を利用した形状効果異方性を持たせた薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄが用いられており、各々の一軸磁気異方性の方向Ａ〜Ｄ（従って、薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの長手方向）が図１の場合と同じような相対角度を持つように並列に配置されている。
【００３９】
なお、各薄膜磁気抵抗効果素子１２にこのような一軸磁気異方性を持たせるための作製方法としては、例えば、図４に示すように、長方形状により形状効果異方性を持たせた薄膜磁気抵抗効果素子１２の磁界中アニール時にその磁界の方向Ｇが形状効果の方向（長手方向）となるように設定することで、形状効果異方性及び結晶磁気異方性により方向が一致する一軸磁気異方性を持たせることができる。
【００４０】
本実施の形態の磁気センサ１１による場合も磁気センサ１による場合と同様に小型・軽量で高感度化を図ることができる。また、形状効果異方性により一軸磁気異方性を持たせることで容易に薄膜磁気抵抗効果素子１２を作製することができる。さらに、本実施の形態によれば、各薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とが一致しているので、各々の薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの２値性をより高めることができ、結果的に、より一層の高感度化を図ることができる。
【００４１】
本発明の第三の実施の形態を図５に基づいて説明する。本実施の形態では、前述したような磁気センサを構成する要素となる薄膜磁気抵抗効果素子３２に関して、形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とをずらしたものである。即ち、図５に示すように、長方形状により形状効果異方性を持たせた薄膜磁気抵抗効果素子３２の磁界中アニール時にその磁界の方向Ｇが形状効果の方向（長手方向）に対して角度を持つように設定することで、形状効果異方性の方向と結晶磁気異方性の方向とが一致せず、ずれを持つようにしたものである。
【００４２】
このような薄膜磁気抵抗効果素子３２を複数個並列に配置させて磁気センサを構成することにより、並列に配置された中間点での各薄膜磁気抵抗効果素子３２からのノイズの発生を低減させることができる。
【００４３】
本発明の第四の実施の形態を図６に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような磁気センサのより実際的な構成例を示すものである。ここでは、例えば図３に示したようなタイプの磁気センサ構成例を示している。
【００４４】
本実施の形態では、前述の薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄに相当する薄膜磁気抵抗効果素子４２ａ〜４２ｄが、特に図示しないが、磁性体層、非磁性絶縁体層及び磁性体層の積層構造を含むトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）であって、Ｓｉ熱酸化基板等の薄膜作製基板４３上に並列に配置させてモノリシックに薄膜形成されることにより磁気センサ４１が構成されている。作用的には、前述した実施の形態の場合と同様である。
【００４５】
従って、本実施の形態によれば、各薄膜磁気抵抗効果素子４２ａ〜４２ｄがＴＭＲ素子として薄膜作製基板４３上にモノリシックに作製されることにより磁気センサ４１が完成しているので、高精度な磁気センサとすることができる。
【００４６】
本発明の第五の実施の形態を図７に基づいて説明する。本実施の形態も、前述したような磁気センサのより実際的な構成例を示すものである。ここでは、例えば図３に示したようなタイプの磁気センサ構成例を示している。
【００４７】
本実施の形態では、前述の薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄに相当する薄膜磁気抵抗効果素子５２ａ〜５２ｄが、長方形状の外形にチップ構成されたＴＭＲ素子であって、プリント基板等のチップ搭載基板５３上にチップ方向（一軸磁気異方性の方向Ａ〜Ｄ）を異ならせて実装させることにより磁気センサ５１が構成されている。作用的には、前述した実施の形態の場合と同様である。
【００４８】
従って、本実施の形態によれば、各薄膜磁気抵抗効果素子５２ａ〜５２ｄがＴＭＲ素子としてチップ構成されてチップ搭載基板５３上に実装されることにより磁気センサ５１が作製されるので、薄膜磁気抵抗効果素子作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができる。
【００４９】
本発明の第六の実施の形態を図８に基づいて説明する。本実施の形態も、前述したような磁気センサのより実際的な構成例を示すものである。ここでは、例えば図３に示したようなタイプの磁気センサ構成例を示している。
【００５０】
本実施の形態では、前述の薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄに相当する薄膜磁気抵抗効果素子６２ａ〜６２ｄが、そのチップ外形形状（長方形状）に対して異なる方向の磁気異方性を持たせてチップ構成されたＴＭＲ素子であって、チップ搭載基板６３上にチップ外形形状を揃えて並列配置させて実装させることにより磁気センサ６１が構成されている。作用的には、前述した実施の形態の場合と同様である。
【００５１】
従って、前述の第五の実施の形態の効果に加えて、本実施の形態によれば、チップ外形形状に対して磁気異方性の方向を異ならせてチップ外形形状を揃えて並列配置させて薄膜磁気抵抗効果素子６２ａ〜６２ｄを実装させているので、実装に際して汎用実装機を用いることもでき、より一層の低コスト化を図ることができる。
【００５２】
本発明の第七の実施の形態を図９に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような磁気センサの一次的な信号処理も含めた構成例を示すものである。ここでは、例えば図１に示したようなタイプの磁気センサ構成例を示している。
【００５３】
本実施の形態の磁気センサ１は、隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂ間、２ｂ，２ｃ間、及び、２ｃ，２ｄ間の出力の差動をとる差動演算手段としての差動演算器３ａ，３ｂ，３ｃを備えて構成されている。即ち、一軸磁気異方性の方向Ａ〜Ｄに関して各々相対角度を持たせた隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂ間、２ｂ，２ｃ間、及び、２ｃ，２ｄ間の出力の差動を差動演算器３ａ，３ｂ，３ｃで演算し、これらの差動演算手段の差動演算結果を比較し、この比較結果に基づき対象となる磁気ベクトルを検知特定するように構成されている。
【００５４】
本実施の形態のように、隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂ間、２ｂ，２ｃ間、及び、２ｃ，２ｄ間の出力の差動をとり、その差動演算結果に基づき対象となる磁気ベクトルを検知特定することで、ノイズをキャンセルでき、よって、磁気センサ１としてノイズによる誤検知動作を防止することができる。
【００５５】
なお、これらの実施の形態では、磁気センサとしてＴＭＲ素子を用いたが、磁性体層、非磁性絶縁体層及び磁性体層で構成される膜面に垂直に電流を流すｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）の場合にも同様に適用することができる。
【００５６】
本発明の第八の実施の形態を図１０に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した各実施の形態のような磁気センサを利用して構成した地磁気検知の方位検知システムへの適用例を示す。まず、例えば３つの磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ（前述した磁気センサ１，１１，４１，５１，６１の何れの形態でもよい）をｘｙｚ３軸ベクトルの方向に独立して配置させた地磁気センサ７２が設けられている。これらの磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃの検知出力はデータ取り込み部７３を介して検知手段としての３磁気成分検知部７４に入力されている。この３磁気成分検知部７４は地磁気検知に関して、磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃの検知出力に基づき３軸ベクトル成分を検知する。一方、データ取り込み部７３を介して取り込まれた磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃの検知出力に関してその絶対値を算出する絶対値演算部７５と、この絶対値演算部７５により算出された絶対値の大きさを予め設定されている比較地磁気強度に測定マージンを加味した閾値と比較する比較部７６とによる異常検知手段７７が設けられている。比較部７６では算出された絶対値の大きさが閾値を越えている場合に検知結果に異常があると判断する。この比較部７６の出力側には異常検知出力に基づき動作する報知手段としての警報部７８が設けられている。
【００５７】
これにより、本実施の形態の方位検知システムによれば、測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味して予め設定されている閾値を超えるような大きさの検知結果が得られた場合には、警報部７８を通じて測定値に異常がある旨を報知するので、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。なお、より実際的には、３磁気成分検知部７４から得られる検知結果とともに、この警報部７８の出力も通信部７９を通じて当該システムの使用者に通信によって通知するシステム構成とすればよい。これにより、ＧＰＳシステムや携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能となる。
【００５８】
なお、本実施の形態の方位検知システムでは、３つの磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃを用いたが、３つ以上の磁気センサを３軸ベクトル以上の方向に独立に配置させて地磁気の方向検知を３軸以上のベクトル検知として行なうようにしてもよい。或いは、逆に、１つの磁気センサのみを用いる一軸ベクトル検知を行う方位検知システムとして構成してもよい。
【００５９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の磁気センサによれば、対象となる磁界のベクトル成分（磁気角度ないしは磁気方位）を検知するにあたって、並列に配置されている複数の薄膜磁気抵抗効果素子間の一軸磁気異方性の方向が異なり相対角度を有しているので、特に一様な磁界中では一軸磁気異方性の方向に応じて臨界角度を超えれば磁化方向が向くことから各素子の磁化方向を抵抗変化として得ることで、デジタル化した信号となり、所望の角度分解能は素子数と相対角度とにより自由に持たせることができ、よって、小型・軽量で信号処理が容易な高感度な磁気センサを提供することができる。
【００６０】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の磁気センサを実現する上で、素子の形状で決定可能な形状効果異方性により一軸磁気異方性を持たせることで容易に必要な２値化磁化状態を実現できる薄膜磁気抵抗効果素子を作製することができる。
【００６１】
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の磁気センサを実現する上で、成膜時やアニール時の作製条件を変えて結晶磁気異方性により一軸磁気異方性を持たせることで同一形状のものでも所望の方向の一軸異方性を持たせることができ、容易に必要な２値化磁化状態を持つ薄膜磁気抵抗効果素子を作製することができる。
【００６２】
請求項４記載の発明によれば、請求項１，２又は３記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子の形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とを一致させ、異方性エネルギーを高めることで、当該薄膜磁気抵抗効果素子の２値性をより高めることができ、より一層の高感度化を図ることができる。
【００６３】
請求項５記載の発明によれば、請求項１，２又は３記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子の形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とをずらすことで、適正な異方性エネルギー状態とすることができ、並列に配置された中間点での各薄膜磁気抵抗効果素子からのノイズの発生を低減させることができる。
【００６４】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子として薄膜作製基板上にモノリシックに作製されるので、高精度な磁気センサとすることができる。
【００６５】
請求項７記載の発明によれば、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子としてチップ構成されてチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、薄膜磁気抵抗効果素子作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができる。
【００６６】
請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子としてチップ構成されてチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、薄膜磁気抵抗効果素子作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができ、さらには、チップ外形形状に対して磁気異方性の方向を異ならせてチップ外形形状を揃えて実装させているので、汎用実装機を用いることもでき、より一層の低コスト化を図ることができる。また、チップの実装面に対して垂直異方性を採る構成も可能であり、これにより、３軸ベクトル検知も容易に実現することができる。
【００６７】
請求項９記載の発明によれば、請求項１ないし８の何れか一記載の磁気センサにおいて、隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子間の出力の差動をとり、その差動演算結果に基づき対象となる磁気を検知することで、特に近傍からの磁界ノイズをキャンセルでき、よって、磁気センサとしてノイズによる誤検知動作を防止することができる。
【００６８】
請求項１０記載の発明の方位検知システムによれば、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、高感度な請求項１ないし９の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される磁気ベクトルが利用されるが、この際、磁気センサの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止することができる。さらには、磁気センサによる検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能である。
【００６９】
請求項１１記載の発明の方位検知システムによれば、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置された高感度な請求項１ないし９の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される３軸以上のベクトルが利用されるが、この際、磁気センサの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止することができる。さらには、磁気センサによる３軸ベクトル以上の検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図２】一軸磁気異方性を持たせる作製方法を示す説明図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図４】一軸磁気異方性を持たせる作製方法を示す説明図である。
【図５】本発明の第三の実施の形態の一軸磁気異方性を持たせる作製方法を示す説明図である。
【図６】本発明の第四の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図７】本発明の第五の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図８】本発明の第六の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図９】本発明の第七の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の第八の実施の形態の方位検知システムの構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 磁気センサ
２ａ〜２ｄ 薄膜磁気抵抗効果素子
３ａ〜３ｄ 差動演算手段
１１ 磁気センサ
１２ａ〜１２ｄ 薄膜磁気抵抗効果素子
２１ 磁気センサ
２２ａ〜２２ｄ 薄膜磁気抵抗効果素子
３２ 薄膜磁気抵抗効果素子
４１ 磁気センサ
４２ａ〜４２ｄ 薄膜磁気抵抗効果素子
４３ 薄膜作製基板
５１ 磁気センサ
５２ａ〜５２ｄ 薄膜磁気抵抗効果素子
５３ チップ搭載基板
６１ 磁気センサ
６２ａ〜６２ｄ 薄膜磁気抵抗効果素子
６３ チップ搭載基板
７１ａ〜７１ｃ 磁気センサ
７４ 検知手段
７７ 異常検知手段
７８ 報知手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界測定用、ナビゲーション用の地磁気センサ等の磁気センサ及びこの磁気センサを用いた方位検知システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の磁気センサとしては、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）、フラックスゲートセンサ、半導体ホール効果センサ等が用いられている。このうち、近年開発されたＭＩセンサによれば、ＭＩ素子という磁気抵抗素子を用いることで薄膜化・小型化が容易なため、近年その改良も盛んである。また、ＭＲ素子の場合もこのＭＲ素子に高周波電流を流した場合のその高周波インピーダンスの磁界による変化をもって磁界強度を検知することができる。
【０００３】
このような磁気センサに対して、最近では、磁性薄膜層が絶縁層を介して複数層形成され、伝導に関わる電子がスピンを維持しながら絶縁層をトンネル現象によって伝導されることから、この際の磁化の状態によってトンネル透過係数が異なることを利用して磁界検知を行なう原理のトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）が提案されている。強磁性体トンネル効果は非常に高い磁場感度を有するため、超高密度磁気記録におけるＨＤＤ用磁気再生ヘッドとしての利用可能性がある。この他、モータ用磁界測定装置、ナビゲーション用地磁気センサ等の磁気センサや、いわゆるＭＲＡＭと称される磁気固体メモリデバイス等への利用も可能といえる。
【０００４】
このようなＴＭＲ素子に関しては、例えば特開平１１−１６１９１９号公報（特許第３００４００５号）によれば、静磁気相互作用の動作の向上が図られている。また、従来からある巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）についても電流を膜面に垂直に流す構成が実現されており（ｃｐｐ型ＧＭＲ素子）、その応用面が広がってきている。
【０００５】
また、ＭＲ素子一般を方位計に用いる場合、特開平５−１５７５６６号公報等に示されるように、磁界感度の鋭敏さとヒステリシスのために補助磁界を与えて高感度化を図るようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平１１−１６１９１９号公報（特許第３００４００５号）の場合、積層化により静磁気相互作用の動作の向上を図っているもので、本質的な解決法とはいえず、コスト高にもつながる対応策である。
【０００７】
また、例えば方位センサを実現する上で、ＭＲ素子のように補助磁界を与えて高感度化を図るのもあまり得策とはいえない。
【０００８】
結局、このような従来の磁気センサ類では、小型・軽量・低コスト化の点及び感度的な面でまだ十分とはいえず、改良の余地が多分にある。
【０００９】
そこで、本発明は、小型・軽量で高感度な磁気センサを提供することを目的とする。
【００１０】
併せて、このような磁気センサを利用することで地磁気検知等の精度を向上させることができ、ナビゲーションシステム等に有効な方位検知システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の磁気センサは、一軸磁気異方性及び磁化反転可能な保磁力を有して２値の磁化状態を取り得る特性を持たせた複数の薄膜磁気抵抗効果素子を、これらの各薄膜磁気抵抗効果素子間の一軸磁気異方性の方向に相対角度を持たせて並列に配置させ、該各薄膜磁気抵抗効果素子の磁化方向を抵抗変化として検知することでデジタル化した信号を出力する。
【００１２】
従って、対象となる磁界のベクトル成分（磁気角度ないしは磁気方位）を検知するにあたって、並列に配置されている複数の薄膜磁気抵抗効果素子間の一軸磁気異方性の方向が異なり相対角度を有しているので、特に一様な磁界中では一軸磁気異方性の方向に応じて臨界角度を超えれば磁化方向が向くことから各素子の磁化方向を抵抗変化として得ることで、デジタル化した信号となり、所望の角度分解能は素子数と相対角度とにより自由に持たせることができ、よって、小型・軽量で信号処理が容易な高感度な磁気センサを提供できる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子の一軸磁気異方性を形状効果異方性により持たせてなる。
【００１４】
従って、請求項１記載の磁気センサを実現する上で、素子の形状で決定可能な形状効果異方性により一軸磁気異方性を持たせることで容易に必要な２値化磁化状態を実現できる薄膜磁気抵抗効果素子を作製できる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子の一軸磁気異方性を結晶磁気異方性により持たせてなる。
【００１６】
従って、請求項１記載の磁気センサを実現する上で、成膜時やアニール時の作製条件を変えて結晶磁気異方性により一軸磁気異方性を持たせることで同一形状のものでも所望の方向の一軸異方性を持たせることができ、容易に必要な２値化磁化状態を持つ薄膜磁気抵抗効果素子を作製できる。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項１，２又は３記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とを一致させてなる。
【００１８】
従って、請求項１，２又は３記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子の形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とを一致させ、異方性エネルギーを高めることで、当該薄膜磁気抵抗効果素子の２値性をより高めることができ、より一層の高感度化を図ることができる。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１，２又は３記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とをずらしてなる。
【００２０】
従って、請求項１，２又は３記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子の形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とをずらすことで、適正な異方性エネルギー状態とすることができ、並列に配置された中間点での各薄膜磁気抵抗効果素子からのノイズの発生を低減させることができる。
【００２１】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、磁性体層、非磁性絶縁体層及び磁性体層の積層構造を含むトンネル型磁気抵抗効果素子又は磁性体層、非磁性絶縁体層及び磁性体層で構成される膜面に垂直に電流を流すｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子であって、薄膜作製基板上にモノリシックに薄膜形成されている。
【００２２】
従って、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子として薄膜作製基板上にモノリシックに作製されるので、高精度な磁気センサとすることができる。
【００２３】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、チップ構成されたトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子であって、チップ搭載基板上にチップ方向を異ならせて実装されている。
【００２４】
従って、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子としてチップ構成されてチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、薄膜磁気抵抗効果素子作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができる。
【００２５】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、チップ外形形状に対して異なる方向の磁気異方性を持たせてチップ構成されたトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子であって、チップ搭載基板上にチップ外形形状を揃えて実装されている。
【００２６】
従って、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子としてチップ構成されてチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、薄膜磁気抵抗効果素子作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができ、さらには、チップ外形形状に対して磁気異方性の方向を異ならせてチップ外形形状を揃えて実装させているので、汎用実装機を用いることもでき、より一層の低コスト化を図ることができる。また、チップの実装面に対して垂直異方性を採る構成も可能であり、これにより、３軸ベクトル検知も容易に実現できる。
【００２７】
請求項９記載の発明は、請求項１ないし８の何れか一記載の磁気センサにおいて、隣接する前記各薄膜磁気抵抗効果素子間の出力の差動をとる差動演算手段を有し、これらの差動演算手段の差動演算結果に基づき対象となる磁気を検知するようにした。
【００２８】
従って、隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子間の出力の差動をとり、その差動演算結果に基づき対象となる磁気を検知することで、特に近傍からの磁界ノイズをキャンセルでき、よって、ノイズによる誤検知動作を防止できる。
【００２９】
請求項１０記載の発明の方位検知システムは、地磁気を検知対象とする請求項１ないし９の何れか一記載の磁気センサと、この磁気センサの検知出力に基づき磁気ベクトルを検知する検知手段と、前記磁気センサの検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、を備える。
【００３０】
従って、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、高感度な請求項１ないし９の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される磁気ベクトルが利用されるが、この際、磁気センサの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。さらには、磁気センサによる検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能である。
【００３１】
請求項１１記載の発明の方位検知システムは、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置されて地磁気を検知対象とする請求項１ないし９の何れか一記載の複数の磁気センサと、これらの磁気センサの検知出力に基づき３軸以上のベクトルを検知する検知手段と、前記磁気センサの検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、を備える。
【００３２】
従って、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置された高感度な請求項１ないし９の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される３軸以上のベクトルが利用されるが、この際、磁気センサの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。さらには、磁気センサによる３軸ベクトル以上の検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は本実施の形態の磁気センサ１の原理的構成を示す模式図である。本実施の形態の磁気センサ１は、例えば、外形形状が正方形状の４個の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄを同一平面上に並列に近接配置させることにより構成されている。ここに、個々の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄは、矢印Ａ〜Ｄで示すような方向の一軸磁気異方性を持たせるとともに、磁化反転を容易に行い得るような低い保磁力を有し、その磁化反転の有無に応じた２値の磁化状態を取りやすい特性を持たせた素子である。このような薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄは、図１中に示すように、各々の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄ間の一軸磁気異方性の方向Ａ〜Ｄに相対角度を持つように配置されている。例えば、一軸磁気異方性の方向Ａは図中下向き、方向Ｂは図中斜め左下向き、方向Ｃは図中左向き、方向Ｄは図中斜め左上向きの如く設定されている。つまり、図１に示す例では、各々の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄ間の一軸磁気異方性は、時計回りに４５°ずつ方向をずらして設定されている。
【００３４】
なお、各薄膜磁気抵抗効果素子２にこのような一軸磁気異方性を持たせるための作製方法としては、例えば、図２に示すように、薄膜磁気抵抗効果素子２の磁界中アニール時にその磁界の方向Ｇが所望の方向（Ａ〜Ｄ）となるように設定することで、結晶磁気異方性により一軸磁気異方性を持たせることができる。
【００３５】
このような磁気センサ１は検知対象となる磁気が作用し得る環境下に置かれ、各々の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄの検知出力に基づき磁界のベクトル成分（磁気角度或いは磁気方位）を検知するために使用される。ここに、磁気センサ１に或る磁界が作用した場合、並列に配置されている複数の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄ間の一軸磁気異方性の方向Ａ〜Ｄがずれており、各々の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄが呈示する抵抗値対応の検知出力が大小異なることとなり、これらの検知出力を簡単な演算回路により演算処理することにより、磁気方位を特定検知することができる。即ち、複数の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄ間の一軸磁気異方性の方向Ａ〜Ｄをずらすことにより、磁界のベクトル成分を検知するにあたってその角度検知分解能を向上させ、高感度化を図れるものとなる。
【００３６】
また、元々薄膜技術等を用いて作製される薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄを用いているので、磁気センサ１としても小型・軽量化を図ることができる。
【００３７】
本発明の第二の実施の形態を図３及び図４に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の各実施の形態でも同様とする）。
【００３８】
図３は本実施の形態の磁気センサ１1の原理的構成を示す模式図である。本実施の形態の磁気センサ１1は、例えば、外形形状が正方形状の薄膜磁気抵抗効果素子２ａ〜２ｄに代えて、外形形状が長方形状でその長手方向に一軸磁気異方性を持たせた４個の薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄを同一平面上に並列に近接配置させることにより構成されている。即ち、長方形状を利用した形状効果異方性を持たせた薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄが用いられており、各々の一軸磁気異方性の方向Ａ〜Ｄ（従って、薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの長手方向）が図１の場合と同じような相対角度を持つように並列に配置されている。
【００３９】
なお、各薄膜磁気抵抗効果素子１２にこのような一軸磁気異方性を持たせるための作製方法としては、例えば、図４に示すように、長方形状により形状効果異方性を持たせた薄膜磁気抵抗効果素子１２の磁界中アニール時にその磁界の方向Ｇが形状効果の方向（長手方向）となるように設定することで、形状効果異方性及び結晶磁気異方性により方向が一致する一軸磁気異方性を持たせることができる。
【００４０】
本実施の形態の磁気センサ１１による場合も磁気センサ１による場合と同様に小型・軽量で高感度化を図ることができる。また、形状効果異方性により一軸磁気異方性を持たせることで容易に薄膜磁気抵抗効果素子１２を作製することができる。さらに、本実施の形態によれば、各薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とが一致しているので、各々の薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの２値性をより高めることができ、結果的に、より一層の高感度化を図ることができる。
【００４１】
本発明の第三の実施の形態を図５に基づいて説明する。本実施の形態では、前述したような磁気センサを構成する要素となる薄膜磁気抵抗効果素子３２に関して、形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とをずらしたものである。即ち、図５に示すように、長方形状により形状効果異方性を持たせた薄膜磁気抵抗効果素子３２の磁界中アニール時にその磁界の方向Ｇが形状効果の方向（長手方向）に対して角度を持つように設定することで、形状効果異方性の方向と結晶磁気異方性の方向とが一致せず、ずれを持つようにしたものである。
【００４２】
このような薄膜磁気抵抗効果素子３２を複数個並列に配置させて磁気センサを構成することにより、並列に配置された中間点での各薄膜磁気抵抗効果素子３２からのノイズの発生を低減させることができる。
【００４３】
本発明の第四の実施の形態を図６に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような磁気センサのより実際的な構成例を示すものである。ここでは、例えば図３に示したようなタイプの磁気センサ構成例を示している。
【００４４】
本実施の形態では、前述の薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄに相当する薄膜磁気抵抗効果素子４２ａ〜４２ｄが、特に図示しないが、磁性体層、非磁性絶縁体層及び磁性体層の積層構造を含むトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）であって、Ｓｉ熱酸化基板等の薄膜作製基板４３上に並列に配置させてモノリシックに薄膜形成されることにより磁気センサ４１が構成されている。作用的には、前述した実施の形態の場合と同様である。
【００４５】
従って、本実施の形態によれば、各薄膜磁気抵抗効果素子４２ａ〜４２ｄがＴＭＲ素子として薄膜作製基板４３上にモノリシックに作製されることにより磁気センサ４１が完成しているので、高精度な磁気センサとすることができる。
【００４６】
本発明の第五の実施の形態を図７に基づいて説明する。本実施の形態も、前述したような磁気センサのより実際的な構成例を示すものである。ここでは、例えば図３に示したようなタイプの磁気センサ構成例を示している。
【００４７】
本実施の形態では、前述の薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄに相当する薄膜磁気抵抗効果素子５２ａ〜５２ｄが、長方形状の外形にチップ構成されたＴＭＲ素子であって、プリント基板等のチップ搭載基板５３上にチップ方向（一軸磁気異方性の方向Ａ〜Ｄ）を異ならせて実装させることにより磁気センサ５１が構成されている。作用的には、前述した実施の形態の場合と同様である。
【００４８】
従って、本実施の形態によれば、各薄膜磁気抵抗効果素子５２ａ〜５２ｄがＴＭＲ素子としてチップ構成されてチップ搭載基板５３上に実装されることにより磁気センサ５１が作製されるので、薄膜磁気抵抗効果素子作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができる。
【００４９】
本発明の第六の実施の形態を図８に基づいて説明する。本実施の形態も、前述したような磁気センサのより実際的な構成例を示すものである。ここでは、例えば図３に示したようなタイプの磁気センサ構成例を示している。
【００５０】
本実施の形態では、前述の薄膜磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄに相当する薄膜磁気抵抗効果素子６２ａ〜６２ｄが、そのチップ外形形状（長方形状）に対して異なる方向の磁気異方性を持たせてチップ構成されたＴＭＲ素子であって、チップ搭載基板６３上にチップ外形形状を揃えて並列配置させて実装させることにより磁気センサ６１が構成されている。作用的には、前述した実施の形態の場合と同様である。
【００５１】
従って、前述の第五の実施の形態の効果に加えて、本実施の形態によれば、チップ外形形状に対して磁気異方性の方向を異ならせてチップ外形形状を揃えて並列配置させて薄膜磁気抵抗効果素子６２ａ〜６２ｄを実装させているので、実装に際して汎用実装機を用いることもでき、より一層の低コスト化を図ることができる。
【００５２】
本発明の第七の実施の形態を図９に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような磁気センサの一次的な信号処理も含めた構成例を示すものである。ここでは、例えば図１に示したようなタイプの磁気センサ構成例を示している。
【００５３】
本実施の形態の磁気センサ１は、隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂ間、２ｂ，２ｃ間、及び、２ｃ，２ｄ間の出力の差動をとる差動演算手段としての差動演算器３ａ，３ｂ，３ｃを備えて構成されている。即ち、一軸磁気異方性の方向Ａ〜Ｄに関して各々相対角度を持たせた隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂ間、２ｂ，２ｃ間、及び、２ｃ，２ｄ間の出力の差動を差動演算器３ａ，３ｂ，３ｃで演算し、これらの差動演算手段の差動演算結果を比較し、この比較結果に基づき対象となる磁気ベクトルを検知特定するように構成されている。
【００５４】
本実施の形態のように、隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂ間、２ｂ，２ｃ間、及び、２ｃ，２ｄ間の出力の差動をとり、その差動演算結果に基づき対象となる磁気ベクトルを検知特定することで、ノイズをキャンセルでき、よって、磁気センサ１としてノイズによる誤検知動作を防止することができる。
【００５５】
なお、これらの実施の形態では、磁気センサとしてＴＭＲ素子を用いたが、磁性体層、非磁性絶縁体層及び磁性体層で構成される膜面に垂直に電流を流すｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）の場合にも同様に適用することができる。
【００５６】
本発明の第八の実施の形態を図１０に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した各実施の形態のような磁気センサを利用して構成した地磁気検知の方位検知システムへの適用例を示す。まず、例えば３つの磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ（前述した磁気センサ１，１１，４１，５１，６１の何れの形態でもよい）をｘｙｚ３軸ベクトルの方向に独立して配置させた地磁気センサ７２が設けられている。これらの磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃの検知出力はデータ取り込み部７３を介して検知手段としての３磁気成分検知部７４に入力されている。この３磁気成分検知部７４は地磁気検知に関して、磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃの検知出力に基づき３軸ベクトル成分を検知する。一方、データ取り込み部７３を介して取り込まれた磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃの検知出力に関してその絶対値を算出する絶対値演算部７５と、この絶対値演算部７５により算出された絶対値の大きさを予め設定されている比較地磁気強度に測定マージンを加味した閾値と比較する比較部７６とによる異常検知手段７７が設けられている。比較部７６では算出された絶対値の大きさが閾値を越えている場合に検知結果に異常があると判断する。この比較部７６の出力側には異常検知出力に基づき動作する報知手段としての警報部７８が設けられている。
【００５７】
これにより、本実施の形態の方位検知システムによれば、測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味して予め設定されている閾値を超えるような大きさの検知結果が得られた場合には、警報部７８を通じて測定値に異常がある旨を報知するので、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。なお、より実際的には、３磁気成分検知部７４から得られる検知結果とともに、この警報部７８の出力も通信部７９を通じて当該システムの使用者に通信によって通知するシステム構成とすればよい。これにより、ＧＰＳシステムや携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能となる。
【００５８】
なお、本実施の形態の方位検知システムでは、３つの磁気センサ７１ａ，７１ｂ，７１ｃを用いたが、３つ以上の磁気センサを３軸ベクトル以上の方向に独立に配置させて地磁気の方向検知を３軸以上のベクトル検知として行なうようにしてもよい。或いは、逆に、１つの磁気センサのみを用いる一軸ベクトル検知を行う方位検知システムとして構成してもよい。
【００５９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の磁気センサによれば、対象となる磁界のベクトル成分（磁気角度ないしは磁気方位）を検知するにあたって、並列に配置されている複数の薄膜磁気抵抗効果素子間の一軸磁気異方性の方向が異なり相対角度を有しているので、特に一様な磁界中では一軸磁気異方性の方向に応じて臨界角度を超えれば磁化方向が向くことから各素子の磁化方向を抵抗変化として得ることで、デジタル化した信号となり、所望の角度分解能は素子数と相対角度とにより自由に持たせることができ、よって、小型・軽量で信号処理が容易な高感度な磁気センサを提供することができる。
【００６０】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の磁気センサを実現する上で、素子の形状で決定可能な形状効果異方性により一軸磁気異方性を持たせることで容易に必要な２値化磁化状態を実現できる薄膜磁気抵抗効果素子を作製することができる。
【００６１】
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の磁気センサを実現する上で、成膜時やアニール時の作製条件を変えて結晶磁気異方性により一軸磁気異方性を持たせることで同一形状のものでも所望の方向の一軸異方性を持たせることができ、容易に必要な２値化磁化状態を持つ薄膜磁気抵抗効果素子を作製することができる。
【００６２】
請求項４記載の発明によれば、請求項１，２又は３記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子の形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とを一致させ、異方性エネルギーを高めることで、当該薄膜磁気抵抗効果素子の２値性をより高めることができ、より一層の高感度化を図ることができる。
【００６３】
請求項５記載の発明によれば、請求項１，２又は３記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子の形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とをずらすことで、適正な異方性エネルギー状態とすることができ、並列に配置された中間点での各薄膜磁気抵抗効果素子からのノイズの発生を低減させることができる。
【００６４】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子として薄膜作製基板上にモノリシックに作製されるので、高精度な磁気センサとすることができる。
【００６５】
請求項７記載の発明によれば、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子としてチップ構成されてチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、薄膜磁気抵抗効果素子作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができる。
【００６６】
請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子としてチップ構成されてチップ搭載基板上に実装されて作製されるので、薄膜磁気抵抗効果素子作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができ、さらには、チップ外形形状に対して磁気異方性の方向を異ならせてチップ外形形状を揃えて実装させているので、汎用実装機を用いることもでき、より一層の低コスト化を図ることができる。また、チップの実装面に対して垂直異方性を採る構成も可能であり、これにより、３軸ベクトル検知も容易に実現することができる。
【００６７】
請求項９記載の発明によれば、請求項１ないし８の何れか一記載の磁気センサにおいて、隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子間の出力の差動をとり、その差動演算結果に基づき対象となる磁気を検知することで、特に近傍からの磁界ノイズをキャンセルでき、よって、磁気センサとしてノイズによる誤検知動作を防止することができる。
【００６８】
請求項１０記載の発明の方位検知システムによれば、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、高感度な請求項１ないし９の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される磁気ベクトルが利用されるが、この際、磁気センサの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止することができる。さらには、磁気センサによる検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能である。
【００６９】
請求項１１記載の発明の方位検知システムによれば、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置された高感度な請求項１ないし９の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される３軸以上のベクトルが利用されるが、この際、磁気センサの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止することができる。さらには、磁気センサによる３軸ベクトル以上の検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図２】一軸磁気異方性を持たせる作製方法を示す説明図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図４】一軸磁気異方性を持たせる作製方法を示す説明図である。
【図５】本発明の第三の実施の形態の一軸磁気異方性を持たせる作製方法を示す説明図である。
【図６】本発明の第四の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図７】本発明の第五の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図８】本発明の第六の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図９】本発明の第七の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の第八の実施の形態の方位検知システムの構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 磁気センサ
２ａ〜２ｄ 薄膜磁気抵抗効果素子
３ａ〜３ｄ 差動演算手段
１１ 磁気センサ
１２ａ〜１２ｄ 薄膜磁気抵抗効果素子
２１ 磁気センサ
２２ａ〜２２ｄ 薄膜磁気抵抗効果素子
３２ 薄膜磁気抵抗効果素子
４１ 磁気センサ
４２ａ〜４２ｄ 薄膜磁気抵抗効果素子
４３ 薄膜作製基板
５１ 磁気センサ
５２ａ〜５２ｄ 薄膜磁気抵抗効果素子
５３ チップ搭載基板
６１ 磁気センサ
６２ａ〜６２ｄ 薄膜磁気抵抗効果素子
６３ チップ搭載基板
７１ａ〜７１ｃ 磁気センサ
７４ 検知手段
７７ 異常検知手段
７８ 報知手段
Claims (11)
- 一軸磁気異方性及び磁化反転可能な保磁力を有して２値の磁化状態を取り得る特性を持たせた複数の薄膜磁気抵抗効果素子を、これらの各薄膜磁気抵抗効果素子間の一軸磁気異方性の方向に相対角度を持たせて並列に配置させ、該各薄膜磁気抵抗効果素子の磁化方向を抵抗変化として検知することでデジタル化した信号を出力する磁気センサ。
- 前記各薄膜磁気抵抗効果素子の一軸磁気異方性を形状効果異方性により持たせてなる請求項１記載の磁気センサ。
- 前記各薄膜磁気抵抗効果素子の一軸磁気異方性を結晶磁気異方性により持たせてなる請求項１記載の磁気センサ。
- 前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とを一致させてなる請求項１，２又は３記載の磁気センサ。
- 前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、形状効果異方性による一軸磁気異方性の方向と結晶磁気異方性による一軸磁気異方性の方向とをずらしてなる請求項１，２又は３記載の磁気センサ。
- 前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、磁性体層、非磁性絶縁体層及び磁性体層の積層構造を含むトンネル型磁気抵抗効果素子又は磁性体層、非磁性絶縁体層及び磁性体層で構成される膜面に垂直に電流を流すｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子であって、薄膜作製基板上にモノリシックに薄膜形成されている請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサ。
- 前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、チップ構成されたトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子であって、チップ搭載基板上にチップ方向を異ならせて実装されている請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサ。
- 前記各薄膜磁気抵抗効果素子は、チップ外形形状に対して異なる方向の磁気異方性を持たせてチップ構成されたトンネル型磁気抵抗効果素子又はｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子であって、チップ搭載基板上にチップ外形形状を揃えて実装されている請求項１ないし５の何れか一記載の磁気センサ。
- 隣接する前記各薄膜磁気抵抗効果素子間の出力の差動をとる差動演算手段を有し、これらの差動演算手段の差動演算結果に基づき対象となる磁気を検知するようにした請求項１ないし８の何れか一記載の磁気センサ。
- 地磁気を検知対象とする請求項１ないし９の何れか一記載の磁気センサと、この磁気センサの検知出力に基づき磁気ベクトルを検知する検知手段と、前記磁気センサの検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、を備える方位検知システム。
- ３軸ベクトル以上の方向に独立して配置されて地磁気を検知対象とする請求項１ないし９の何れか一記載の複数の磁気センサと、これらの磁気センサの検知出力に基づき３軸以上のベクトルを検知する検知手段と、前記磁気センサの検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、を備える方位検知システム。
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