JP6305181B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサに関し、特に、垂直方向の磁界成分を水平方向に変換する軟磁性体を有する磁気センサに関する。

磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは、例えば携帯電話機やスマートフォン等のモバイル機器に組み込まれて、地磁気を検出するための地磁気センサとして用いることができる。地磁気センサは、水平面内において直交するＸ軸方向及びＹ軸方向と、水平面に直交する垂直方向（Ｚ軸方向）との磁界成分をそれぞれ検出することができるように構成されている。

磁気抵抗効果素子は、外部磁界の方向によって抵抗値が変化する磁気抵抗効果膜を有して構成され、磁気抵抗効果膜面内における磁界成分を検出することができる。しかし、磁気抵抗効果膜に対して垂直方向（Ｚ軸方向）の磁界成分は検出することができないため、垂直方向の磁界成分を検出するために、磁気抵抗効果素子を立てた状態で垂直に配置する等の方法により磁気センサを構成する必要があった。このため、安価に製造することができず、また、製造ばらつきが生じやすく安定して垂直方向の磁界成分を検出することができないといった課題があった。

下記特許文献１には、垂直方向の磁界成分を検出することができる磁気センサについて記載されている。図１５は、特許文献１に記載されている従来例の磁気センサの模式部分拡大断面図である。

図１５に示すように、従来例の磁気センサ１１０は、磁気抵抗効果素子１２１〜１２４と、垂直方向の磁界成分を水平方向に変換する軟磁性体１３０とを有して構成される。軟磁性体１３０は、幅寸法（Ｘ１−Ｘ２方向の寸法）に対して高さ寸法（Ｚ１−Ｚ２方向の寸法）の方が長く形成された矩形状の断面形状となっている。そして、軟磁性体１３０の下面端部近傍に磁気抵抗効果素子１２１〜１２４が設けられている。

図１５に示すように、軟磁性体１３０に進入する外部磁界の垂直方向の磁界成分１５１は、軟磁性体１３０の内部を通過して、軟磁性体１３０の下面端部から外方に流出する際に水平方向に変換される。水平方向に変換された磁界は、磁気抵抗効果素子１２１〜１２４に対してＸ１方向またはＸ２方向に印加され、これにより、垂直方向の磁界成分１５１を安定して検出することができる。

国際公開ＷＯ２０１１／０６８１４６号

しかしながら、軟磁性体１３０に効果的に磁束を集めて水平方向の磁界成分に変換するために、軟磁性体１３０のアスペクト比（高さ寸法／幅寸法）を１．５倍から４倍程度に大きくすることが必要であった。このため、外部から強磁界が印加された場合等、軟磁性体１３０の磁化方向が高さ方向（Ｚ１−Ｚ２方向）に向きやすくなり、また、軟磁性体１３０のＺ１−Ｚ２方向に残留磁化が発生する。これにより軟磁性体１３０のＺ１−Ｚ２方向におけるＢＨカーブのヒステリシスが増大し、磁気センサ１１０のオフセットの発生等によりセンサ感度が低下するという課題が生じる。

また、軟磁性体１３０に垂直方向の磁界成分１５１を集めるために、軟磁性体１３０の幅寸法、全体の体積を大きくする必要がある。このため、水平方向の磁界成分、例えばＹ軸方向（図１５の紙面に垂直な方向）に外部磁界が印加されたときに、軟磁性体１３０のＹ方向端部においてＹ軸方向の磁界成分がＸ軸方向に曲げられて磁束が集中し、軟磁性体１３０の磁界分布のばらつきが増大するという課題が生じる。軟磁性体１３０の磁界分布のばらつきが増大すると、垂直方向の磁界成分の検出感度が低下する等、良好なセンサ感度を得ることができなくなるおそれがある。

本発明は、上記課題を解決して、軟磁性体の小型化、低背化を実現するとともに、垂直方向の磁界成分を基板面内方向に変換して良好なセンサ感度を得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。

本発明の磁気センサは、基板に形成された磁気抵抗効果素子と、前記基板の前記磁気抵抗効果素子が形成された面から離れる方向に延出する１対の軟磁性体とを有し、前記基板の前記面内において直交する方向を第１の方向と第２の方向としたときに、前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変化する自由磁性層とを有し、前記固定磁性層の磁化方向が前記第１の方向に向けられるとともに、１対の前記軟磁性体の下面側において、１対の前記軟磁性体の前記第１の方向の中心位置と前記磁気抵抗効果素子の前記第１の方向の中心位置とが重ならない位置に設けられており、１対の前記軟磁性体は、前記第１の方向に互いに離間して対向するとともに、１対の前記軟磁性体の下面側において接続されていることを特徴とする。

これによれば、１対の軟磁性体が設けられて、一方の軟磁性体の上面側から下面側を経由して他方の軟磁性体の上面側に至る磁路が形成される。よって、強い外部磁界が加えられた場合であっても、１対の軟磁性体の磁化方向が高さ方向に向きにくくなり、また、１対の軟磁性体の高さ方向に残留磁化が発生しにくくなることから、１対の軟磁性体のヒステリシスの増大を抑制できる。したがって、１対の軟磁性体により垂直方向の磁界成分を基板面内方向に変換するとともに、磁気センサのオフセットの発生等による感度の低下を抑制して良好なセンサ感度を得ることができる。

また、１対の軟磁性体を設けて、且つ、軟磁性体の残留磁化の発生を抑制しているため、従来例に示すような断面矩形状の軟磁性体を有する磁気センサと比較して、軟磁性体全体のアスペクト比及び体積を低減しつつ、垂直方向の磁界成分を効果的に集磁して水平方向（基板面内方向）に変換することができる。したがって、軟磁性体の小型化・低背化が可能である。さらに、１対の軟磁性体のそれぞれの体積を低減することができるため、基板面内方向の磁界成分が軟磁性体の第１の方向の端部または第２の方向の端部に集中することを抑制して、軟磁性体における磁界分布のばらつきの発生を低減できる。よって、良好なセンサ感度が得られる。

したがって、本発明の磁気センサによれば、軟磁性体の小型、低背化を実現するとともに、垂直方向の磁界成分を基板面内方向に変換して良好なセンサ感度を得ることができる。

１対の前記軟磁性体は、前記基板に対してそれぞれ前記第１の方向に互いに逆方向に傾斜していることが好ましい。これによれば、強い外部磁界が印加された場合に、残留磁化方向が第１の方向に分散されるため、軟磁性体の垂直方向におけるヒステリシスの増大を確実に抑制して良好なセンサ感度を得ることができる。

１対の前記軟磁性体同士の前記第１の方向における間隔が、上面側に向かうにしたがって大きくなることが好ましい。これによれば、垂直方向の磁界成分を効率良く１対の前記軟磁性体に集磁することができ、垂直方向の磁界成分を良好に検出することができる。

１対の前記軟磁性体は、それぞれ前記第２の方向に延出して形成されており、前記磁気抵抗効果素子は１対の前記軟磁性体よりも短く形成されていることが好ましい。これによれば、従来例の磁気センサの軟磁性体と比較して、１対の軟磁性体の小型化・低背化が可能であり、それぞれの軟磁性体の厚さ（第１の方向の寸法）を小さくすることができる。そのため、第２の方向に外部磁界が印加された場合であっても、１対の軟磁性体の第２の方向の端部において、外部磁界が第１の方向に曲げられて磁界が集中することを抑制できる。したがって、第２の方向における磁界分布のばらつきを低減して、軟磁性体の第２の方向における有効長さを長くすることができるため、良好なセンサ感度を得ることができる。

１対の前記軟磁性体は、１対の前記軟磁性体の前記第１の方向の中心位置を挟んで対称に形成されていることが好ましい。これによれば、外部磁界の垂直方向の磁界成分を効率良く基板面内方向に変換して、良好なセンサ感度を実現することができる。

１対の前記軟磁性体の上面側には、１対の前記軟磁性体のそれぞれから連続して前記第１の方向に延びる延出部が設けられていることが好ましい。これによれば、延出部を設けることにより、１対の軟磁性体の上面側の平面積を大きくすることができるため、１対の軟磁性体を厚く形成することなく、効果的に垂直方向の磁界成分を集磁することができる。

前記磁気抵抗効果素子は複数設けられており、複数の前記磁気抵抗効果素子は、１対の前記軟磁性体の前記第１の方向の中心位置を挟んで両側に配置されていることが好ましい。これによれば、接続された１対の軟磁性体に対して複数の磁気抵抗効果素子を配置して垂直方向の磁界成分を検出することができるため、磁気センサの小型化が可能である。

１対の前記軟磁性体の前記第１の方向の中心位置を挟んで設けられた複数の前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の磁化方向が同じ方向に向けられており、複数の前記磁気抵抗効果素子によりブリッジ回路が構成されていることが好ましい。これによれば、水平方向の磁界成分に対しては、複数の磁気抵抗効果素子の抵抗変化が等しくなるため、外部磁界の水平成分による抵抗変化がキャンセルされブリッジ回路から出力されない。また、垂直磁界成分については、１対の軟磁性体により水平方向に変換された磁界成分が、複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれに対して異なる方向に印加されるため、異なる抵抗値となる。したがって、垂直方向の磁界成分によりブリッジ回路から出力が得られる。

１対の前記軟磁性体が複数設けられており、１対の前記軟磁性体を構成する第１の軟磁性体と第２の軟磁性体とが、交互に前記第１の方向に連続して形成されていることが好ましい。これによれば、第１の方向の磁界成分が確実に軟磁性体に集められて、磁気抵抗効果素子に印加されないため、センサ感度を向上させることができる。

本発明の磁気センサによれば、軟磁性体の小型、低背化を実現するとともに、垂直方向の磁界成分を基板面内方向に変換して良好なセンサ感度を得ることができる。

第１の実施形態における磁気センサの斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの断面図である。 本実施形態における磁気センサの平面図である。 磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子の平面図である。 図４のＶ−Ｖ線で切断して矢印方向から見たときの磁気抵抗効果素子の部分拡大断面図である。 ２つの磁気抵抗効果素子により構成されるハーフブリッジ回路の回路図である。 第１の実施形態の変形例における磁気センサの断面図である。 （ａ）第１の実施例における磁気センサの斜視図であり、（ｂ）比較例の磁気センサの斜視図である。 第１の実施例における軟磁性体の磁界分布を示すシミュレーション結果のグラフであり、（ａ）軟磁性体のＹ軸方向位置と、Ｘ軸方向の磁界成分との関係を示すグラフ、及び（ｂ）軟磁性体のＹ軸方向位置と、Ｙ軸方向の磁界成分との関係を示すグラフである。 比較例における軟磁性体の磁界分布を示すシミュレーション結果のグラフであり、（ａ）軟磁性体のＹ軸方向位置と、Ｘ軸方向の磁界成分との関係を示すグラフ、及び（ｂ）軟磁性体のＹ軸方向位置と、Ｙ軸方向の磁界成分との関係を示すグラフである。 第２の実施形態の磁気センサを示し、磁気抵抗効果素子の平面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの断面図である。 本実施形態のフルブリッジ回路の回路図である。 第２の実施例における軟磁性体の磁界分布を示すシミュレーション結果のグラフであり、（ａ）軟磁性体のＹ軸方向位置と、Ｘ軸方向の磁界成分との関係を示すグラフ、及び（ｂ）軟磁性体のＹ軸方向位置と、Ｙ軸方向の磁界成分との関係を示すグラフである。 従来例の磁気センサの模式部分拡大断面図である。

以下、本発明の具体的な実施形態の磁気センサについて、図面を参照しながら説明する。なお、各図面の寸法は適宜変更して示している。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態における磁気センサの斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの断面図である。図３は、磁気センサの平面図である。図４は、磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子の平面図である。また、図５は、図４のＶ−Ｖ線で切断して矢印方向から見たときの磁気抵抗効果素子の部分拡大断面図である。

本実施形態の磁気センサ１０は、例えば、垂直方向の磁界成分を検出するＺ軸磁気センサとして用いることができ、携帯電話機やスマートフォン等のモバイル機器に搭載される地磁気センサとして構成される。

図１に示すように、本実施形態の磁気センサ１０は、基板１５に形成された磁気抵抗効果素子２１、２２と、磁界方向変換部３０とを有して構成される。図１及び図２に示すように、磁界方向変換部３０は第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とを有しており、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とは、いずれも基板１５の磁気抵抗効果素子２１、２２が形成された面から離れる方向に延出して設けられている。また、基板１５の面内において直交する方向をＸ１−Ｘ２方向（第１の方向）とＹ１−Ｙ２方向（第２の方向）としたときに、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とはＹ１−Ｙ２方向に延出して形成されている。

図２に示すように、基板１５の面に対して垂直方向に外部磁界が印加された場合に、垂直方向の磁界成分５１は、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とに集磁される。そして、垂直方向の磁界成分５１は第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６の内部を通過して、下面側から流出する磁界が水平方向（基板１５の面内方向）に変換される。磁気抵抗効果素子２１、２２は磁界方向変換部３０の下面側に配置されており、水平方向に変換された磁界成分が磁気抵抗効果素子２１、２２にそれぞれ印加される。

本実施形態において、磁気抵抗効果素子２１、２２としてＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子が用いられる。図５に示すように、磁気抵抗効果素子２１は、膜面内に印加される外部磁界を検出することができる磁気抵抗効果膜４３を有して構成される。磁気抵抗効果膜４３は、絶縁膜４２及びシード層４９を介してシリコン基板４１の上面に形成されている。磁気抵抗効果膜４３は、磁化方向が固定された固定磁性層４５と、外部磁界により磁化方向が変化する自由磁性層４７とを有し、図５に示すように、固定磁性層４５、非磁性層４６、及び自由磁性層４７の順に積層されて、自由磁性層４７の表面が保護膜４８で覆われて構成されている。なお、図５では磁気抵抗効果素子２１について示しているが、他の磁気抵抗効果素子においても同様の構成である。

本実施形態において、固定磁性層４５は第１の固定磁性層４５ｃ／非磁性結合層４５ｅ／第２の固定磁性層４５ｄからなる、いわゆるセルフピン型の積層構成となっている。第１の固定磁性層４５ｃがシード層４９と接しており、また、第２の固定磁性層４５ｄが非磁性層４６と接する。第１の固定磁性層４５ｃと第２の固定磁性層４５ｄの磁化は導電電子により間接的な交換相互作用（ＲＫＫＹ的相互作用）により１８０°異なる方向に向けられている。この場合、第２の固定磁性層４５ｄの磁化方向が、図４に示す固定磁性層の磁化方向４５ａとなる。磁気抵抗効果に寄与するのは、非磁性層４６を挟む自由磁性層４７と第２の固定磁性層４５ｄとの相対的な磁化方向の関係であるからである。

本実施形態において、絶縁膜４２はシリコン基板４１を熱酸化したシリコン酸化膜であり、スパッタ法等で成膜したアルミナ膜、酸化膜等であってもよい。固定磁性層４５の第１の固定磁性層４５ｃと第２の固定磁性層４５ｄは、ＣｏＦｅ合金（コバルト鉄合金）などの軟磁性材料等で形成されている。非磁性結合層４５ｅは導電性のＲｕ等が用いられる。非磁性層４６は、Ｃｕ（銅）等である。自由磁性層４７は、保磁力が小さく透磁率が大きいＮｉＦｅ合金（ニッケル鉄合金）などの軟磁性材料が用いられる。また、本実施形態において自由磁性層４７を単層で示しているが、例えばＮｉＦｅ層とＣｏＦｅ層とを積層した構成とすることも可能である。保護膜４８は、Ｔａ（タンタル）等である。

図４に示すように、磁気抵抗効果素子２１、２２は、それぞれＹ１−Ｙ２方向に細長く延びる平面矩形状に形成されており、Ｘ１−Ｘ２方向において互いに間隔を設けて配置されている。図４には、固定磁性層の磁化方向４５ａと、自由磁性層の磁化方向４７ａとをそれぞれ矢印で模式的に示している。磁気抵抗効果素子２１、２２の固定磁性層の磁化方向４５ａは、延出方向に対して直交する方向（Ｘ１−Ｘ２方向）において、同一方向（例えばＸ２方向）に向けられている。また、自由磁性層の磁化方向４７ａは、磁気抵抗効果素子２１、２２の形状異方性により延出方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に向けられており、互いに同じ方向（例えばＹ１方向）に向けられている。固定磁性層の磁化方向４５ａと自由磁性層の磁化方向４７ａとは、それぞれ磁気抵抗効果素子２１、２２の面内方向に向けられており、外部磁界が印加されていない状態において互いに直交する方向に向けられている。

固定磁性層の磁化方向４５ａと同一方向（Ｘ２方向）に外部磁界が印加された場合には、自由磁性層の磁化方向４７ａが、外部磁界方向（Ｘ２方向）に変動して固定磁性層の磁化方向４５ａと平行に近づき、電気抵抗値が低下する。

一方、固定磁性層の磁化方向４５ａと反対方向（Ｘ１方向）に外部磁界が印加された場合には、自由磁性層の磁化方向４７ａが、外部磁界方向（Ｘ１方向）に変動して固定磁性層の磁化方向４５ａと反平行に近づき、電気抵抗値が増大する。

図４に示すように、磁気抵抗効果素子２１と磁気抵抗効果素子２２とは、例えばＣｕ等の非磁性材料を用いて形成された配線部２５によりＹ１側において接続されている。また、磁気抵抗効果素子２１と磁気抵抗効果素子２２のＹ２側は、配線部２５を介して外部回路等に接続される。図６は、２つの磁気抵抗効果素子により構成されるハーフブリッジ回路の回路図を示す。図６に示すように、磁気抵抗効果素子２１と磁気抵抗効果素子２２とは、入力端子（Ｖ_ｄｄ）とグラウンド端子（ＧＮＤ）との間で直列接続されてハーフブリッジ回路２７を構成している。そして、磁気抵抗効果素子２１と磁気抵抗効果素子２２との間の中点電位（Ｖ_１）が、差動増幅器５４により増幅されて、磁気センサ１０の出力信号として外部回路（図示しない）に出力される。

本実施形態において、図２に示すように、垂直方向の磁界成分５１を水平方向に変換する磁界方向変換部３０は、絶縁層１６を介して磁気抵抗効果素子２１、２２の上方に設けられている。

図２に示すように、磁界方向変換部３０は１対の軟磁性体（第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６）を有しており、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６は、いずれも、基板１５の磁気抵抗効果素子２１、２２が形成された面から離れる方向に延出して設けられている。また、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とは、Ｘ１−Ｘ２方向において互いに離間して対向するとともに、下面側において底部４０により接続されている。また、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６の上面側には、Ｘ１−Ｘ２方向に延出する延出部３７、３８が形成されている。

第１の軟磁性体３５は基板１５に対してＸ１方向に傾斜しており、第２の軟磁性体３６は、第１の軟磁性体３５と反対方向のＸ２方向に傾斜している。よって、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とは、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６との間隔が上面側に向かうにしたがって大きくなるように、断面Ｖ字状に形成されている。

本実施形態において、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＴｉ、ＣｏＺｒＮｂから選ばれた少なくとも１つの材料が含まれる軟磁性材料から形成される。また、底部４０及び延出部３７、３８は、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６と同じ材料が用いられており、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６と連続して形成される。

図２に示すように、磁気抵抗効果素子２１、２２は、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とのＸ１−Ｘ２方向の中心位置３０ａを挟んで両側に配置されている。さらに、磁気抵抗効果素子２１、２２はそれぞれ、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とのＸ１−Ｘ２方向の中心位置３０ａと磁気抵抗効果素子２１、２２のＸ１−Ｘ２方向の中心位置２１ａ、２２ａとが重ならない位置に設けられている。図２に示すように、磁気抵抗効果素子２１は第１の軟磁性体３５と重なる位置に、磁気抵抗効果素子２２は第２の軟磁性体３６と重なる位置に配置されている。このように、接続された第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６に対して、２つの磁気抵抗効果素子２１、２２を配置しているため、磁気センサ１０の小型化が可能である。

以上のように磁気センサ１０を構成することより、磁界方向変換部３０に集磁された垂直方向の磁界成分５１は、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６を通過し、下面側から流出して水平方向（基板１５の面内方向）に変換される。そして、図２に示すように、水平方向に変換された磁界は、磁気抵抗効果素子２１にはＸ１方向に印加され、磁気抵抗効果素子２２にはＸ２方向に印加され、互いに逆向きに作用する。

よって、図４に示す磁気抵抗効果素子２１の自由磁性層の磁化方向４７ａは、電気抵抗値が増大する方向に向けられ、磁気抵抗効果素子２２の自由磁性層の磁化方向４７ａは、電気抵抗値が減少する方向に向けられる。したがって、図６に示すハーフブリッジ回路２７の中点電位（Ｖ_１）が変化し、これにより、垂直方向の磁界成分５１を検出することができる。

本実施形態の磁気センサ１０において、磁界方向変換部３０が、１対の軟磁性体（第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６）を有して構成されているため、図２に示すように、一方の軟磁性体（例えば第１の軟磁性体３５）の上面側から下面側の底部４０を経由して他方の軟磁性体（例えば第２の軟磁性体３６）の上面側に至る磁路が形成される。そのため、強い外部磁界が加えられた場合であっても、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６の磁化方向が高さ方向に向きにくくなり、また、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６の高さ方向（Ｚ１−Ｚ２方向）に残留磁化が発生しにくくなることから、ヒステリシスの増大を抑制できる。したがって、本実施形態の磁気センサ１０によれば、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６により垂直方向の磁界成分５１を水平方向に変換するとともに、オフセットの発生等による感度の低下を抑制して良好なセンサ感度を得ることができる。

また、本実施形態によれば、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６を設けて、且つ、軟磁性体の残留磁化の発生を抑制しているため、図１５に示す従来の磁気センサ１１０の軟磁性体１３０と比較して、磁界方向変換部３０全体のアスペクト比及び体積を低減しつつ、外部磁界の垂直方向の磁界成分５１を効果的に集磁して水平方向（基板面内方向）に変換することができる。したがって、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６全体の小型化・低背化が可能である。

以上のように、本実施形態の磁気センサに１０よれば、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６全体の小型、低背化を実現するとともに、垂直方向の磁界成分５１を水平方向に変換して良好なセンサ感度を得ることができる。

図２に示すように、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とが、Ｘ１−Ｘ２方向に傾斜して形成され、上面に向かうにしたがって互いの間隔が大きくなっているため、磁界方向変換部３０の磁路が、垂直方向（Ｚ１−Ｚ２方向）ではなく水平方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に向けられるように形成される。よって、強い外部磁界が印加された場合に、残留磁化方向が水平方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に分散されるため、磁界方向変換部３０のヒステリシスの増大を確実に抑制して良好なセンサ感度が得られる。

また、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６との間隔が、上面に向かって拡がって形成されていることにより、外部磁界の垂直方向の磁界成分５１を効率良く第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６に集磁することができ、外部磁界の垂直方向の磁界成分５１を良好に検出することができる。

図２に示すように、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とは、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とのＸ１−Ｘ２方向の中心位置３０ａを挟んで対称に形成されている。これにより、外部磁界の垂直方向の磁界成分５１を効果的に水平方向に変換することができ、磁気抵抗効果素子２１と磁気抵抗効果素子２２とに印加される水平成分の磁界強度のばらつきが低減されるため、センサ感度を向上させることができる。

図３に示すように、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とはＹ１−Ｙ２方向に延出して形成されており、磁気抵抗効果素子２１、２２は第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６よりも短く形成されている。

本実施形態によれば、上述のように、従来の磁気センサ１１０の軟磁性体３０と比較して、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６全体の小型化・低背化が可能であり、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６のそれぞれの厚さを薄くすることができる。よって、図３に示すようにＹ１−Ｙ２方向に水平方向の磁界成分５２が印加された場合において、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６の磁束が飽和しやすくなる。そのため、水平方向（Ｙ１−Ｙ２方向）の磁界成分５２が、Ｘ１−Ｘ２方向に曲げられて各軟磁性体３５、３６のＹ１−Ｙ２方向の端部に集中することが抑制される。

したがって、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６のＹ１ーＹ２方向における磁界分布の局所的な集中を抑制して、磁界分布のばらつきの発生を低減できる。よって、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６のＹ１−Ｙ２方向における有効長さ（均一な磁界分布が得られる長さ）を長くすることができ、良好なセンサ感度を得ることができる

なお、図１及び図２に示すように、第１の軟磁性体３５の上面側には、第１の軟磁性体３５から連続してＸ１方向に延びる延出部３７が設けられており、同様に、第２の軟磁性体３６の上面側には、第２の軟磁性体３６から連続してＸ２方向に延びる延出部３８が設けられている。このように、延出部３７、３８を設けることにより、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６の上面側の平面積を、延出部３７、３８を設けた分だけ大きくすることができ、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６を厚く形成することなく、効果的に垂直方向の磁界成分５１を集磁することができる。

本実施形態において１対の軟磁性体（第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６）について２つの磁気抵抗効果素子２１、２２を設けてハーフブリッジ回路２７を構成しているが、これに限定されず適宜変更することができる。第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６について１つの磁気抵抗効果素子を設けても良い。また、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６を複数設けて、複数のハーフブリッジ回路２７によりフルブリッジ回路を構成しても良い。

また、磁界方向変換部３０の構成も適宜変更することができる。図７は、第１の実施形態の変形例における磁気センサの断面図である。図７に示す変形例の磁気センサ１１は、磁界方向変換部３１の構造が異なっており、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とが傾斜して設けられておらず、いずれも基板１５の磁気抵抗効果素子２１、２２が形成された面から垂直方向（Ｚ１方向）に延出している。また、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６の上面側において延出部３７、３８が設けられていない。

このような態様であっても、一方の軟磁性体（例えば第１の軟磁性体３５）から底部４０を経由して他方の軟磁性体（例えば第２の軟磁性体３６）へと向かう磁路が形成される。よって、強い外部磁界が加えられた場合であっても、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６の高さ方向に残留磁化が発生しにくくなり、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６のヒステリシスの増大を抑制できる。したがって、磁気センサ１１のオフセットの発生や、感度の低下を抑制して良好なセンサ感度を得ることができる。

また、図１５に示す従来の磁気センサ１１０の軟磁性体１３０と比較して、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６全体のアスペクト比及び体積を低減しつつ、垂直方向の磁界成分５１を効果的に集磁して水平方向（基板面内方向）に変換することができる。したがって、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６全体の小型化・低背化が可能である。

＜第１の実施例＞
図８（ａ）は、第１の実施例における磁気センサの斜視図であり、図８（ｂ）は比較例の磁気センサの斜視図である。図８（ａ）に示す第１の実施例の磁気センサ１２の構成は、図１から図５に示す第１の実施形態と同様である。また、図８（ｂ）に示す比較例の磁気センサ１１０は、図１５に示す従来例の磁気センサ１１０と同様の構成であり、断面矩形状の直方体の軟磁性体１３０を有する。なお、第１の実施例の磁気センサ１２及び比較例の磁気センサ１１０において、磁気抵抗効果素子２１、１２１はそれぞれ１つのみ示している。

下記の表１には、第１の実施例の磁気センサ１２について、構成を変えたサンプルＮｏ１〜サンプルＮｏ５において検出磁界をシミュレーションした結果を示している。サンプルＮｏ１〜サンプルＮｏ５は、それぞれ、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６の厚さ（ｔ）、高さ（Ｈ）、角度（θ）、底部４０の幅（Ｗ（Ｂｏｔｔｏｍ））、磁界方向変換部３０の全体の幅（Ｗ（Ｔｏｐ））、Ｙ１−Ｙ２方向の長さ（Ｌ）を変化させた。また、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とのＸ軸方向の中心位置３０ａと、磁気抵抗効果素子２１のＸ軸方向の中心位置２１ａとの距離をオフセットとして示しており、オフセットの大きさはそれぞれ１．２５μｍ〜２．２５μｍの範囲で最適化した値としている。また、厚さ（ｔ）は、第１の軟磁性体３５、第２の軟磁性体３６、各延出部３７、３８、底部４０のいずれも１μｍで固定している。表１は、外部磁界をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向にそれぞれ２．４ｍＴ印加したときの、磁気センサ１２で検出されるＸ軸方向の磁界成分とＹ軸方向の磁界成分とを示している。

磁界方向変換部３０に対してＺ１方向からＺ２方向に印加された外部磁界は、Ｘ１方向に変換され磁気抵抗効果素子２１に印加される。表１に示すように、高さ（Ｈ）を３μｍ〜５μｍ、角度（θ）を９５ｄｅｇ〜１１０ｄｅｇとした各サンプルＮｏ１〜５において、２．４ｍＴの外部磁界に対して１．９ｍＴ以上のＸ軸方向の磁界成分が検出されており、良好なセンサ感度を得られることが示された。特にサンプルＮｏ２では、２．４ｍＴのＺ軸方向の外部磁界に対して２．４ｍＴの磁界が検出されており、優れたセンサ感度を実現できる。

従来例の磁気センサ１１０で、同様のセンサ感度を得るためには、例えば、図８（ｂ）に示す幅（Ｗ）を５μｍ、高さ（Ｈ）を１１μｍ以上にして、アスペクト比、体積を大きくする必要がある。表１に示すように、本実施例の磁気センサ１２は、従来に比べ高さ（Ｈ）を１／３〜１／２に低背化し、また、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６の厚さを１μｍと薄く形成しても良好なセンサ感度が得られる。よって、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６の全体の低背化・小型化を実現するとともに、良好なセンサ感度を得られることが示された。

図９各図は、第１の実施例における軟磁性体の磁界分布を示すグラフである。図９（ａ）は、軟磁性体のＹ軸方向位置と、Ｘ軸方向の磁界成分との関係を示すシミュレーション結果のグラフであり、図９（ｂ）軟磁性体のＹ軸方向位置と、Ｙ軸方向の磁界成分との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。図９に示す磁気センサ１２は、表１に示すサンプルＮｏ２の構成とした。

また、図１０各図は、比較例における軟磁性体の磁界分布を示すグラフである。図１０（ａ）は、軟磁性体のＹ軸方向位置と、Ｘ軸方向の磁界成分との関係を示すシミュレーション結果のグラフであり、図１０（ｂ）は、軟磁性体のＹ軸方向位置と、Ｙ軸方向の磁界成分との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。

比較例の磁気センサ１１０では、軟磁性体１３０の体積が大きいため、Ｙ軸方向の磁界成分を印加した場合に、Ｙ軸方向の磁界成分がＸ軸方向に曲げられて軟磁性体１３０に集中する。そのため、図１０（ａ）に示すように、Ｙ軸方向の磁界を印加したときに軟磁性体１３０においてＸ軸方向の磁界成分が発生し、また、軟磁性体１３０のＹ方向の両端部に向かうにしたがってＸ軸方向の磁界成分が増大する傾向を示しており、Ｘ軸方向の磁界成分のばらつきが大きくなっている。さらに、図１０（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向の外部磁界を印加したときの、Ｙ軸方向の磁界成分も軟磁性体１３０のＹ方向位置において一定にならず、磁界成分が不均一となっている。

これに対し、実施例の磁気センサ１２では、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６の厚さを１μｍと薄く形成しているため、Ｙ軸方向の磁界成分がＸ軸方向に曲げられて第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６に集中することが抑制される。よって、図９（ａ）に示すように、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６のＹ方向位置が−１００μｍから＋１００μｍの範囲において、Ｘ軸方向の磁界成分がほぼ０となり、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６における磁界分布が均一化されている。また、図９（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向の磁界成分についても同様に、Ｙ方向位置が−１００μｍから＋１００μｍの範囲において、ほぼ一定のＹ軸方向の磁界成分となっている。よって、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６のＹ軸方向の有効長さを長くすることができる。

以上のように、本実施例の磁気センサ１２は、水平方向に磁界が印加された場合においても、第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６の磁界成分のばらつきが低減されているため、オフセットの発生等による感度の低下を抑制して良好なセンサ感度を得ることができる。

＜第２の実施形態＞
図１１は、第２の実施形態の磁気センサを示し、磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子の平面図である。図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの磁気センサの断面図である。また、図１３は、４つの磁気抵抗効果素子により構成されるフルブリッジ回路の回路図である。

本実施形態の磁気センサ１３は、１対の軟磁性体（第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６）が複数設けられている点が異なっている。図１２に示すように、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とが交互にＸ１−Ｘ２方向に連続して形成されている。隣り合う第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６とは、下面側において底部４０により接続されて、また、上面側において延出部３９により接続されており、底部４０と延出部３９とは、Ｘ１−Ｘ２方向において交互に設けられている。複数の第１の軟磁性体３５と複数の第２の軟磁性体３６とがＸ１−Ｘ２方向に繋がって形成されて１つの磁界方向変換部３２を構成している。

図１２に示すように、複数の第１の軟磁性体３５及び複数の第２の軟磁性体３６の下面側にそれぞれ磁気抵抗効果素子２１〜２４が配置されている。図１１に示すように、各磁気抵抗効果素子２１〜２４の固定磁性層の磁化方向４５ａはいずれも同一方向にＸ２方向に向けられている。また、外部磁界が印加されていない状態において、自由磁性層の磁化方向４７ａは、形状異方性により磁気抵抗効果素子２１〜２４の延出方向であるＹ１方向に向けられている。

本実施形態において、図１３に示すように、磁気抵抗効果素子２１〜２４によりフルブリッジ回路２９が構成されている。磁気抵抗効果素子２１と磁気抵抗効果素子２２とが直列接続されたハーフブリッジ回路２７から中点電位（Ｖ_１）が出力され、磁気抵抗効果素子２３と磁気抵抗効果素子２４とが直列接続されたハーフブリッジ回路２８から中点電位（Ｖ_２）が出力される。入力端子（Ｖ_ｄｄ）とグラウンド端子（ＧＮＤ）との間で、ハーフブリッジ回路２７とハーフブリッジ回路２８とが並列接続されてフルブリッジ回路２９を構成する。図１３に示すように、中点電位（Ｖ_１）と中点電位（Ｖ_２）との差分が差動増幅器５４により増幅されてセンサ出力（Ｖ_ｏｕｔ）として出力される。なお、本実施形態では、フルブリッジ回路２９は４つの磁気抵抗効果素子２１〜２４から構成されているが、これに限定されず、出力を大きくするためにより多数の磁気抵抗効果素子を用いることもできる。

このように、フルブリッジ回路２９を構成することにより、水平方向の磁界成分に起因する各磁気抵抗効果素子２１〜２４の抵抗変化が同じになるため、フルブリッジ回路２９からセンサ出力として出力されず、垂直方向の磁界成分による抵抗変化のみが出力される。

また、図１２に示すように複数の複数の第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６を連続して設けた場合であっても、Ｚ軸方向における残留磁化の発生を抑制することができ、センサ出力のオフセット等によるセンサ感度の低下を抑制することができる。

また、本実施形態において、複数の第１の軟磁性体３５及び複数の第２の軟磁性体３６を連続して設けていることから、水平方向の磁界成分（Ｘ１−Ｘ２方向の磁界成分及びＹ１−Ｙ２方向の磁界成分）が、連続する第１の軟磁性体３５及び第２の軟磁性体３６に効果的に集められる。したがって、水平方向の磁界成分が各磁気抵抗効果素子２１〜２４に印加されることを抑制して、垂直方向の磁界成分５１を確実に検出することができるため、センサ感度を向上させることができる。

＜第２の実施例＞
図１４は、第２の実施例における軟磁性体の磁界分布を示すシミュレーション結果のグラフであり、図１４（ａ）は、軟磁性体のＹ軸方向位置と、Ｘ軸方向の磁界成分との関係を示すグラフ、図１４（ｂ）は、軟磁性体のＹ軸方向位置と、Ｙ軸方向の磁界成分との関係を示すグラフである。

本実施例の磁気センサは、図１１及び図１２に示す第２の実施形態の磁気センサ１３と同様の構成である。隣り合う第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６は、表１に示すサンプルＮｏ２と同様の構成とし、この１対の第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６をＸ１−Ｘ２方向に連続して形成している。

図１４（ａ）に示すように、Ｚ軸方向の外部磁界（２．４ｍＴ）が印加された場合に、Ｘ軸方向の磁界成分は約２．０ｍＴであり、本実施例においても、複数の第１の軟磁性体３５と複数の第２の軟磁性体３６により垂直方向の磁界成分５１を水平方向に変換して、磁気抵抗効果素子２１〜２４により検出可能であることが示されている。

また、Ｘ軸方向の外部磁界（２．４ｍＴ）が印加されたときのＸ軸方向の磁界成分がほぼ０ｍＴとなっており、Ｘ軸方向の磁界成分が磁気抵抗効果素子２１〜２４に印加されることを抑制して、センサ感度をより向上させることができる。さらに、Ｙ軸方向の外部磁界（２．４ｍＴ）が印加された場合においても、図９（ａ）に示す第１の実施例と比較して、Ｘ軸方向の磁界成分がより低減されており、第１の軟磁性体３５と第２の軟磁性体３６における磁界分布がより均一化されていることが示された。

１０〜１３ 磁気センサ
１５ 基板
１６ 絶縁層
２１〜２４ 磁気抵抗効果素子
２１ａ〜２４ａ 磁気抵抗効果素子のＸ軸方向の中心位置
２５ 配線部
２７ ハーフブリッジ回路
２９ フルブリッジ回路
３０、３１、３２ 磁界方向変換部
３０ａ 第１の軟磁性体と第２の軟磁性体とのＸ軸方向の中心位置
３５ 第１の軟磁性体
３６ 第２の軟磁性体
３７〜３９ 延出部
４０ 底部
４１ シリコン基板
４３ 磁気抵抗効果膜
４５ 固定磁性層
４５ａ 固定磁性層の磁化方向
４７ 自由磁性層
４７ａ 自由磁性層の磁化方向
５１ 垂直方向（Ｚ軸方向）の磁界成分
５２ 水平方向（Ｙ軸方向）の磁界成分

Claims (7)

1. 基板に形成された磁気抵抗効果素子と、
   前記基板の前記磁気抵抗効果素子が形成された面から離れる方向に延出する１対の軟磁性体とを有し、
   前記基板の前記面内において直交する方向を第１の方向と第２の方向としたときに、
   前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化方向が変化する自由磁性層とを有し、前記固定磁性層の磁化方向が前記第１の方向に向けられるとともに、１対の前記軟磁性体の下面側において、１対の前記軟磁性体の前記第１の方向の中心位置と前記磁気抵抗効果素子の前記第１の方向の中心位置とが重ならない位置に設けられており、
   １対の前記軟磁性体は、前記第１の方向に互いに離間して対向するとともに、１対の前記軟磁性体の下面側において接続され、
   前記磁気抵抗効果素子は複数設けられており、
   複数の前記磁気抵抗効果素子の１つは１対の前記軟磁性体の一方である第１の軟磁性体に対応し、複数の前記磁気抵抗効果素子の別の１つは１対の前記軟磁性体の他方である第２の軟磁性体に対応し、
   １対の前記軟磁性体は、前記基板に対してそれぞれ前記第１の方向に互いに逆方向に傾斜しており、
   １対の前記軟磁性体同士の前記第１の方向における間隔が、上面側に向かうにしたがって大きくなることを特徴とする磁気センサ。
2. １対の前記軟磁性体は、それぞれ前記第２の方向に延出して形成されており、前記磁気抵抗効果素子は１対の前記軟磁性体よりも短く形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. １対の前記軟磁性体は、１対の前記軟磁性体の前記第１の方向の中心位置を挟んで対称に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
4. １対の前記軟磁性体の上面側には、１対の前記軟磁性体のそれぞれから連続して前記第１の方向に延びる延出部が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
5. 前記複数の前記磁気抵抗効果素子は、１対の前記軟磁性体の前記第１の方向の中心位置を挟んで両側に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
6. １対の前記軟磁性体の前記第１の方向の中心位置を挟んで設けられた複数の前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の磁化方向が同じ方向に向けられており、複数の前記磁気抵抗効果素子によりブリッジ回路が構成されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気センサ。
7. １対の前記軟磁性体が複数設けられており、１対の前記軟磁性体を構成する第１の軟磁性体と第２の軟磁性体とが、交互に前記第１の方向に連続して形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の入力装置。