JP6321323B2

JP6321323B2 - 磁気センサ

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Publication number: JP6321323B2
Application number: JP2013058199A
Authority: JP
Inventors: 格久四竈; 洋次片桐
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
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Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: JP2014182096A

Description

本発明は、磁気センサに関し、より詳細には、磁気抵抗素子を備え、消費電流の増大を招くことなく、また温度による影響を最小限に抑え任意の方向の磁場を検知できる磁気センサに関する。

一般的に磁気の有無を検出する巨大磁気抵抗（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＧＭＲ）素子は広く知られている。磁場をかけると電気抵抗率が増加する現象を磁気抵抗効果というが、一般の物質では変化率は数％であるが、このＧＭＲ素子では数１０％に達することから、ハードディスクのヘッドに広く用いられている。

図１は、従来のＧＭＲ素子の動作原理を説明するための斜視図で、図２は、図１の部分断面図である。図中符号１は反強磁性層、２はピンド層（固定層）、３はＣｕ層（スペーサ層）、４はフリー層（自由回転層）を示している。磁性材料の磁化の向きで電子のスピン散乱が変わり抵抗が変化する。つまり、ΔＲ＝（Ｒ_ＡＰ−Ｒ_Ｐ）Ｒ_Ｐ（Ｒ_ＡＰ；上下の磁化の向きが反平行のとき、Ｒ_Ｐ；上下の磁化の向きが反平行のとき）で表される。
固定層２の磁気モーメントは、反強磁性層１との磁気結合により方向が固定されている。漏れ磁場により磁化自由回転層４の磁気モーメントの方向が変化すると、Ｃｕ層３を流れる電流が変化し、漏れ磁場の変化が読み取れる。

図３は、従来のＧＭＲ素子の積層構造を説明するための構成図で、図中符号１１は絶縁膜、１２はフリー層（自由回転層）、１３は導電層、１４はピンド層（固定層）、１５は反強磁性層、１６は絶縁膜から構成され、フリー層（自由回転層）１２は自由に磁化の向きが回転する層で、ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅ／ＮｉＦｅから構成され、導電層１３は電流を流し、スピン散乱が起きる層で、Ｃｕから構成され、ピンド層（固定層）１４は磁化の向きが一定方向に固定された層で、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅから構成され、反強磁性層１５はピンド層１４の磁化の向きを固定するための層で、ＰｔＭｎ又はＩｒＭｎから構成され、層１１，１６はＴａやＣｒ、ＮｉＦｅＣｒ、ＡｌＯから構成されている。またピンド層は反強磁性層を用いずにセルフバイアス構造を用いても良い。

例えば、特許文献１に記載のものは、ＧＭＲ素子を用いた磁気記録システムに関するもので、自由強磁性体層の静磁気結合が最小となるよう改良された固定強磁性体層を有するスピン・バルブ磁気抵抗（ＭＲ）センサで、その図４には、自由強磁性体層と固定強磁性体層とを有する積層構造が記載されている。
また、例えば、特許文献２に記載のものは、磁界の方向の影響を受けることが少なく磁界の大きさを精度よく検出できる巨大磁気抵抗素子に関するもので、このＧＭＲ素子は、ＧＭＲチップ上に対してバイアス磁石とともに設置されている。

また、例えば、特許文献３に記載のものは、方位検出に関して高い感度を有し、小型で量産性にも優れた３軸磁気センサに関するもので、基板表面に平行で互いに直交するように設定した２軸（Ｘ、Ｙ軸）方向で地磁気成分を検知する２軸磁気センサ部と、２軸磁気センサ部上に配置され前記２軸を含む面に対して垂直方向（Ｚ軸）の磁界を集める磁性部材とを備えており、磁気感知軸の異なる磁気抵抗素子でブリッジを形成することにより従来よりも少ない素子数で３軸検知センサが実現可能であると提案している。
また、例えば、特許文献４に記載のものは、温度の影響を受けることが少なく磁界の大きさを精度よく検出できるトンネル磁気抵抗素子に関するもので、このＴＭＲ素子は、チップ上に磁気遮蔽されているものと磁場に対して応答するものそれぞれを有している。

特開平７−１６９０２６号公報特開２０１２−１１２６８９号公報特開２０１２−１２７７８８号公報特開２００１−３４５４９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものは、自由強磁性体層と固定強磁性体層とを有する積層構造を備えたＧＭＲ素子が開示されているものの、本発明の磁気センサのような磁気抵抗素子と磁気収束板とを組み合わせた配置パターンについては何ら開示されていない。
また、特許文献２及び３の磁気センサは、磁気抵抗素子を用いてブリッジを形成し、その中点電位を出力信号として取り出すため、磁気抵抗素子を形成する物質の抵抗値を出力に含んでしまうため外部の温度に対して出力信号が敏感に変動してしまう。

また、特許文献４に記載のＧＭＲ素子は、ＧＭＲチップ上に対して磁気遮蔽されている素子と磁場に対して応答する素子それぞれを有している単軸センサであるが、この構造では磁気抵抗素子の感磁軸方向の磁場のみしか検知することが出来ない。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、周囲の温度の影響を最小限に抑え、かつ、感磁軸方向以外の磁場を検知できる単軸の磁気センサを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、基板平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、前記基板平面に平行に配置された一方及び他方の感磁部（２１，２２，４１，４２，６１，６２，８１，８２）と、該一方及び他方の感磁部の近傍かつ前記磁気センサを平面視したとき前記基板平面における前記一方及び他方の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置されている矩形状の磁気収束部（３１，３２，５０，７１，７２，９１，９２）とを備え、前記一方及び他方の感磁部は前記基板平面に対して平行であって、前記磁気収束部の短手方向に平行な同一の方向に感磁軸を持つ素子であり、前記一方及び他方の感磁部（２１，２２，４１，４２，６１，６２，８１，８２）が、前記磁気センサを平面視したときに、前記磁気収束部（３１，３２，５０，７１，７２，９１，９２）の短手方向の中線（Ｎ２）が、前記一方及び他方の感磁部（２１，２２，４１，４２，６１，６２，８１，８２）の一部と交差するように配置され、前記一方及び他方の感磁部（２１，２２，４１，４２，６１，６２，８１，８２）の中心同士を結ぶ仮想線分（Ｍ）と、前記磁気収束部（３１，３２，７１，７２，９１，９２）の中心同士を結ぶ仮想線分（Ｎ）とが平行であるか、又は前記一方及び他方の感磁部の中心同士を結ぶ仮想線分と、前記磁気収束部（５０）の長手方向の中線（Ｎ１）とが垂直で、前記一方の感磁部からの出力信号及び他方の感磁部（２１，２２，４１，４２，６１，６２，８１，８２）からの出力信号の差分により、前記基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分、または、前記基板平面に対して平行かつ前記感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することを特徴とする磁気センサ。（図５乃至図９；全実施例）

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記磁気センサを平面視したとき、前記感磁部と前記磁気収束部の重なる面積が等しいことを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記一方及び他方の感磁部の出力が入力される差分回路を備えていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記一方及び他方の感磁部が、第１及び第２の感磁部（２１，２２）で、前記磁気収束部が、第１及び第２の磁気収束部（３１，３２）であり、該第１及び第２の磁気収束部は前記基板の同一面に配置され、前記第１及び第２の感磁部が、前記磁気センサを平面視したとき、該第１及び第２の磁気収束部どうしが対向する側に配置され、前記第１の磁気収束部が前記第１の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、前記の第２磁気収束部が前記第２の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、前記第１及び第２感磁部の中心同士を結ぶ仮想線分（Ｍ）と、前記第１及び第２の磁気収束部の中心同士を結ぶ仮想線分（Ｎ）とが平行であり、前記第１の感磁部（２１）の出力信号をＳ１、前記第２の感磁部（２２）の出力信号をＳ２、前記第１及び第２感磁部（２１，２２）の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ（磁場変換効率ａ）、Ｚ方向の磁場をＢｚ（磁場変換効率ｃ）とした場合に、前記差分回路が、Ｓ１＝Ｒ＋ａＢｘ−ｃＢｚＳ２＝Ｒ＋ａＢｘ＋ｃＢｚＳ２−Ｓ１＝２ｃＢｚの演算をすることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、基板平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、前記基板平面に平行に配置された一方及び他方の感磁部と、該一方及び他方の感磁部の近傍かつ前記磁気センサを平面視したとき前記基板平面における前記一方及び他方の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置されている矩形状の磁気収束部と、前記一方及び他方の感磁部の出力が入力される差分回路とを備え、前記一方及び他方の感磁部は前記基板平面に対して平行であって、前記磁気収束部の短手方向に平行な同一の方向に感磁軸を持つ素子であり、前記一方及び他方の感磁部が、前記磁気センサを平面視したときに、前記磁気収束部の短手方向の中線が、前記一方及び他方の感磁部の一部と交差するように配置され、前記一方の感磁部からの出力信号及び他方の感磁部からの出力信号の差分により、前記基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分、または、前記基板平面に対して平行かつ前記感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力する磁気センサであって、前記一方及び他方の感磁部が、第３及び第４の感磁部（４１，４２）で、前記磁気収束部が、前記第３及び第４の感磁部に間に配置された単一の第３の磁気収束部（５０）であり、該第３の磁気収束部が、両側部において、前記第３及び第４の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、前記第３及び第４の感磁部の中心同士を結ぶ仮想線分（Ｍ）と、前記第３の磁気収束部の長手方向の中線（Ｎ１）が垂直であり、前記第３の感磁部（４１）の出力信号をＳ３、前記第４の感磁部（４２）の出力信号をＳ４、前記第３及び第４感磁部（４１，４２）の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ（磁場変換効率ａ）、Ｚ方向の磁場をＢｚ（磁場変換効率ｃ）とした場合に、前記差分回路が、Ｓ３＝Ｒ＋ａＢｘ＋ｃＢｚＳ４＝Ｒ＋ａＢｘ−ｃＢｚＳ３−Ｓ４＝２ｃＢｚの演算をすることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記一方及び他方の感磁部が、第５及び第６の感磁部（６１，６２）で、前記磁気収束部が、第５及び第６の磁気収束部（７１，７２）であり、該第５及び第６の磁気収束部は前記基板の同一面に配置され、該第５及び第６の感磁部が、前記磁気センサを平面視したとき、該第５及び第６の磁気収束部どうしが対向する側とは反対側に配置され、前記第５の磁気収束部が前記第５の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、前記第６の磁気収束部が前記第６の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置されていて、前記第５の感磁部（６１）の出力信号をＳ５、前記第６の感磁部（６２）の出力信号をＳ６、前記第５及び第６感磁部（６１，６２）の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ（磁場変換効率ａ）、Ｚ方向の磁場をＢｚ（磁場変換効率ｃ）とした場合に、前記差分回路が、Ｓ５＝Ｒ＋ａＢｘ＋ｃＢｚＳ６＝Ｒ＋ａＢｘ−ｃＢｚＳ５−Ｓ６＝２ｃＢｚの演算をすることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記一方及び他方の感磁部が、第７及び第８の感磁部（８１，８２）で、前記磁気収束部が、第６乃至第８の磁気収束部（９１，９２，９３）であり、前記第６の磁気収束部（９１）と前記第８の磁気収束部（９３）とが、前記第７の磁気収束部（９２）の長手方向の中線（Ｎ１）に対して線対称で、前記第６の磁気収束部（９１）が、前記第７の感磁部（８１）の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、かつ前記第７の磁気収束部（９２）が、前記第８の感磁部（８２）の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、前記第７及び第８の感磁部（８１，８２）からの出力信号の差分により、前記基板平面に対して平行、かつ前記第７及び第８の感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することを特徴とする。（図９；実施例４）

また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記第６の磁気収束部と前記第７の感磁部とからなる配置パターンを前記第６の磁気収束部の短手方向の任意の軸に対して線対称な仮想パターンとして基板表面に対して平行にシフトさせると、前記第７の磁気収束部と前記第８の感磁部とからなる配置パターンと重なる関係にある配置パターンであることを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、基板平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、前記基板平面に平行に配置された一方及び他方の感磁部と、該一方及び他方の感磁部の近傍かつ前記磁気センサを平面視したとき前記基板平面における前記一方及び他方の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置されている矩形状の磁気収束部とを備え、前記一方及び他方の感磁部は前記基板平面に対して平行であって、前記磁気収束部の短手方向に平行な同一の方向に感磁軸を持つ素子であり、前記一方及び他方の感磁部が、前記磁気センサを平面視したときに、前記磁気収束部の短手方向の中線が、前記一方及び他方の感磁部の一部と交差するように配置され、前記一方の感磁部からの出力信号及び他方の感磁部からの出力信号の差分により、前記基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分、または、前記基板平面に対して平行かつ前記感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力する磁気センサであって、前記一方及び他方の感磁部が、第７及び第８の感磁部で、前記磁気収束部が、第６乃至第８の磁気収束部であり、前記第６の磁気収束部と前記第８の磁気収束部とが、前記第７の磁気収束部の長手方向の中線に対して線対称で、前記第６の磁気収束部が、前記第７の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、かつ前記第７の磁気収束部が、前記第８の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、前記第７の磁気収束部の短手方向の中線が前記第６及び第８の磁気収束部の中心同士を結ぶ仮想線分と平行で、かつ重ならず、前記第７及び第８の感磁部からの出力信号の差分により、前記基板平面に対して平行、かつ前記第７及び第８の感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記一方及び他方の感磁部が、第７及び第８の感磁部（８１，８２）で、前記磁気収束部が、第６乃至第８の磁気収束部（９１，９２，９３）であり、前記第６の磁気収束部（９１）と前記第８の磁気収束部（９３）とが、前記第７の磁気収束部（９２）の長手方向の中線（Ｎ１）に対して線対称で、前記第６の磁気収束部（９１）が、前記第７の感磁部（８１）の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、かつ前記第７の磁気収束部（９２）が、前記第８の感磁部（８２）の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、前記第７及び第８の感磁部（８１，８２）からの出力信号の差分により、前記基板平面に対して平行、かつ前記第７及び第８の感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力し、前記第７の感磁部の出力信号をＳ７、前記第８の感磁部の出力信号をＳ８、前記第７及び第８感磁部の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ（磁場変換効率ａ）、Ｙ方向の磁場をＢｙ（磁場変換効率ｂ）、Ｚ方向の磁場をＢｚ（磁場変換効率ｃ）とした場合に、前記差分回路が、Ｓ７＝Ｒ＋ａＢｘ＋ｂＢｙ−ｃＢｚＳ８＝Ｒ＋ａＢｘ−ｂＢｙ−ｃＢｚＳ７−Ｓ８＝２ｂＢｙの演算をすることを特徴とする。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１〜４、６〜８、１０のいずれかに記載の発明において、前記仮想線分が、お互いに重なっていないことを特徴とする。

本発明によれば、一方及び他方の感磁部からの出力信号の差分により、基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分、又は感磁部の感磁軸に対して垂直かつ基板平面に対して平行方向の軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することができるので、周囲の温度の影響を最小限に抑え、かつ、感磁軸方向以外の磁場を検知できる単軸の磁気センサを実現することができる。

従来のＧＭＲ素子の動作原理を説明するための斜視図である。図１の部分断面図である。従来のＧＭＲ素子の積層構造を説明するための構成図である。ＧＭＲのパターン形状を説明するための平面図である。（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例１を説明するための構成図である。（ａ），（ｂ）は、本実施例１における差分回路の演算について説明するための構成図である。本発明に係る磁気センサの実施例２を説明するための構成図である。本発明に係る磁気センサの実施例３を説明するための構成図である。本発明に係る磁気センサの実施例４を説明するための構成図である。本発明における差分回路を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の磁気センサは、基板平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサである。各実施例で順次説明するように、基板平面に平行に配置された一方及び他方の感磁部２１，２２，４１，４２，６１，６２，８１，８２と、感磁部の近傍に配置された磁気収束部３１，３２，５０，７１，７２，９１，９２とを備え、一方及び他方の感磁部２１，２２，４１，４２，６１，６２，８１，８２は、磁気センサを平面視したときに、磁気収束部３１，３２，５０，７１，７２，９１，９２の短手方向の中線が一方及び他方の感磁部２１，２２，４１，４２，６１，６２，８１，８２の一部と交差するように配置されている。

また、一方及び他方の感磁部２１，２２，４１，４２，６１，６２，８１，８２の中心同士を結ぶ仮想線分Ｍと、磁気収束部３１，３２，７１，７２，９１，９２の中心同士を結ぶ仮想線分Ｎとが平行又は磁気収束部５０の長手方向の中線Ｎ１が垂直である。
このような構成により、一方及び他方の感磁部２１，２２，４１，４２，６１，６２，８１，８２からの出力信号の差分により、基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分、または、前記基板平面に対して平行かつ感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することができる。

つまり、本発明は、２つのセンサの差分を取るだけで、温度特性による素子特性変化の影響がキャンセルされ、感磁部の感磁軸以外の方向の磁場を検出できる単軸磁気センサを実現することができる。
また、測定精度向上の観点から、磁気センサを平面視したとき、感磁部と磁気収束部が重なる面積が等しいことが好ましい。
以下に、図面を参照して具体的な各実施例について説明する。

図５（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例１を説明するための構成図で、図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の断面図である。図中符号２１は第１の感磁部、２２は第２の感磁部、３１は第１の磁気収束部、３２は第２の磁気収束部を示している。なお、基板は図示していないが、その基板上には各々の感磁部２１，２２及び磁気収束部３１，３２が設けられている。
本実施例１の磁気センサは、基板平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサである。なお、基板平面とは基板の表面側の平面を意味している。
第１及び第２の感磁部２１，２２は、基板平面に平行に配置されている。また、第１及び第２の磁気収束部３１，３２は、第１及び第２の感磁部２１，２２の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置されている。つまり、第１及び第２の磁気収束部３１，３２は、各々の対向する側において、第１及び第２の感磁部２１，２２の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置されている。なお、対向する側とは、磁気センサを平面視したとき、基板平面に平行に配置された第１の磁気収束部３１と第２の磁気収束部３２の互いに対向する側を意味している。

また、磁気センサを平面視したとき、第１及び第２の感磁部２１，２２と磁気収束部３１，３２の重なる面積が等しくなるように配置されている。
また、第１及び第２の感磁部２１，２２の中心同士を結ぶ仮想線分Ｍと、第１及び第２の磁気収束部３１，３２の中心同士を結ぶ仮想線分Ｎとが平行である。
このような構成により、第１及び第２の感磁部２１，２２からの出力信号の差分により、基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することができる。
また、本実施例１の磁気センサは、第１及び第２の感磁部２１，２２の出力が入力される差分回路（図示せず）を備えている。

また、図５に示す磁気センサでは、仮想線分（Ｍ，Ｎ）は、お互いに重なっていないように構成されているが、本発明はこれに限定されず、重なっていてもよい。また、感磁部は、特定の方向に感磁軸を持つ素子であれば特に制限されず、例えば、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）又はトンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ）、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）等を用いる。また、感磁部の短手方向の幅は、０．１〜２０ミクロンであることが好ましい。
また、磁気収束部は、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＢ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅのいずれかの軟磁性材料からなることが好ましい。また、磁気収束部の厚みは、１〜４０ミクロンであることが好ましい。

図６（ａ），（ｂ）は、本実施例１における差分回路の演算について説明するための構成図で、図６（ａ）は上面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の断面図である。図中符号２１ａ，２２ａは感磁軸を示している。なお、図５（ａ），（ｂ）と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
第１の感磁部２１の出力信号をＳ１、第２の感磁部２２の出力信号をＳ２、第１及び第２感磁部２１，２２の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ（磁場変換効率ａ）、Ｚ方向の磁場をＢｚ（磁場変換効率ｃ）とした場合に、差分回路は、
Ｓ１＝Ｒ＋ａＢｘ−ｃＢｚ
Ｓ２＝Ｒ＋ａＢｘ＋ｃＢｚ
Ｓ２−Ｓ１＝２ｃＢｚ
の演算を行う。これにより、基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分（Ｚ軸方向の磁場）を検出することができる。

図７は、本発明に係る磁気センサの実施例２を説明するための構成図で、図中符号４１は第３の感磁部、４２は第４の感磁部、５０は第３の磁気収束部を示している。
第３の磁気収束部５０は、第３及び第４の感磁部４１，４２との間に配置された単一の磁気収束部であり、この第３の磁気収束部５０は、その両側部において、第３及び第４の感磁部４１，４２の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、第３及び第４の感磁部４１，４２の中心同士を結ぶ仮想線分Ｍと、第３の磁気収束部５０の長手方向の中線Ｎ１とが垂直である。
このような構成により、第３及び第４の感磁部４１，４２からの出力信号の差分により、基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することができる。

第３の感磁部４１の出力信号をＳ３、第４の感磁部４２の出力信号をＳ４、第３及び第４感磁部４１，４２の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ（磁場変換効率ａ）、Ｚ方向の磁場をＢｚ（磁場変換効率ｃ）とした場合に、差分回路は、
Ｓ３＝Ｒ＋ａＢｘ＋ｃＢｚ
Ｓ４＝Ｒ＋ａＢｘ−ｃＢｚ
Ｓ３−Ｓ４＝２ｃＢｚ
の演算を行う。これにより、基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分（Ｚ軸方向の磁場）を検出することができる。

図８は、本発明に係る磁気センサの実施例３を説明するための構成図で、図中符号６１は第５の感磁部、６２は第６の感磁部、７１は第５の磁気収束部、７２は第６の磁気収束部を示している。なお、基板は図示していないが、その基板上には各々の感磁部６１，６２及び磁気収束部７１，７２が設けられている。
本実施例３の磁気センサは、基板平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサである。なお、基板平面とは基板の表面側の平面を意味している。
第１及び第２の磁気収束部７１，７２は、対向する側と反対側において、第５及び第６の感磁部６１，６２の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置されている。なお、対向する側とは、磁気センサを平面視したとき、基板平面に平行に配置された第５の磁気収束部７１と第６の磁気収束部７２の互いに対向する側を意味している。
このような構成により、第５及び第６の感磁部６１，６２からの出力信号の差分により、基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することができる。

第５の感磁部６１の出力信号をＳ５、第６の感磁部６２の出力信号をＳ６、第５及び第６感磁部６１，６２の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ（磁場変換効率ａ）、Ｚ方向の磁場をＢｚ（磁場変換効率ｃ）とした場合に、差分回路は、
Ｓ５＝Ｒ＋ａＢｘ＋ｃＢｚ
Ｓ６＝Ｒ＋ａＢｘ−ｃＢｚ
Ｓ５−Ｓ６＝２ｃＢｚ
の演算を行う。これにより、基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分（Ｚ軸方向）の磁場を検出することができる。

図９は、本発明に係る磁気センサの実施例４を説明するための構成図で、図中符号８１は第７の感磁部、８２は第８の感磁部、９１は第６の磁気収束部、９２は第７の磁気収束部、９３は第８の磁気収束部を示している。
第６の磁気収束部９１と第８の磁気収束部９３とは、第７の磁気収束部９２の長手方向の中線Ｎ１に対して線対称である。また、第６の磁気収束部９１が、第７の感磁部８１の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、かつ第７の磁気収束部９２が、第８の感磁部８２の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置されている。

また、第６の磁気収束部９１と第７の感磁部８１とからなる配置パターンと、第７の磁気収束部９２と第８の感磁部８２とからなる配置パターンとが、前記第６の磁気収束部の短手方向の任意の軸に対して線対称である。図９においては、また、第６の磁気収束部９１と第７の感磁部８１とからなる配置パターンを、前記第７の感磁部８１の短手方向かつ該第７の感磁部８１の中心を通る軸Ｐに対して線対称な仮想パターンとしてＸ軸方向にシフトすると、第７の磁気収束部９２と第８の感磁部８２とからなる配置パターンと重なるように配置されている。

また、第７の磁気収束部９２の短手方向の中線Ｎ２が第６及び第８の磁気収束部９１，９３の中心同士を結ぶ仮想線分Ｎと平行で、かつ重ならないように構成されている。また、第７、第８の感磁部の中心を通る線Ｐは、第６及び第８の磁気収束部９１，９３の中心同士を結ぶ仮想線分Ｎと平行で、かつ重ならないように構成されている。
このような構成により、第７及び第８の感磁部８１，８２からの出力信号の差分により、基板平面に対して平行、かつ第７及び第８の感磁部８１，８２の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することができる。

第７の感磁部８１の出力信号をＳ７、第８の感磁部８２の出力信号をＳ８、第７及び第８感磁部８１，８２の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ（磁場変換効率ａ）、Ｙ方向の磁場をＢｙ（磁場変換効率ｂ）、Ｚ方向の磁場をＢｚ（磁場変換効率ｃ）とした場合に、差分回路は、
Ｓ７＝Ｒ＋ａＢｘ＋ｂＢｙ−ｃＢｚ
Ｓ８＝Ｒ＋ａＢｘ−ｂＢｙ−ｃＢｚ
Ｓ７−Ｓ８＝２ｂＢｙ
の演算を行う。これにより、前記基板平面に対して平行かつ感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分（Ｙ軸方向の磁場）を検出することができる。
上述した各実施例における差分回路は、２つの入力の差に応じた信号を出力するものであればよく、アナログ回路で実現する場合は、例えば、図１０に示す様な差動増幅回路（Ｖｏｕｔ＝Ｒ２（Ｖ１−Ｖ２）／Ｒ１）を用いることが出来るが、本発明はこれに限定されない。

以上のように、本発明の磁気センサによれば、一方及び他方の感磁部からの出力信号の差分により、基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分、又は感磁部の感磁軸に対して垂直かつ基板平面に対して平行方向の軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することができるので、周囲の温度の影響を最小限に抑え、かつ、感磁軸方向以外の磁場を検知できる単軸の磁気センサを実現することができる。

１反強磁性層
２ピンド層（固定層）
３Ｃｕ層（スペーサ層）
４フリー層（自由回転層）
１１，１６層
１２フリー層（自由回転層）
１３導電層
１４ピンド層（固定層）
１５反強磁性層
２１第１の感磁部
２２第２の感磁部
３１第１の磁気収束部
３２第２の磁気収束部
２１ａ，２２ａ感磁軸
４１第３の感磁部
４２第４の感磁部
５０第３の磁気収束部
６１第５の感磁部
６２第６の感磁部
７１第５の磁気収束部
７２第６の磁気収束部
８１第７の感磁部
８２第８の感磁部
９１第６の磁気収束部
９２第７の磁気収束部
９３第８の磁気収束部

Claims

基板平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、
前記基板平面に平行に配置された一方及び他方の感磁部と、該一方及び他方の感磁部の近傍かつ前記磁気センサを平面視したとき前記基板平面における前記一方及び他方の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置されている矩形状の磁気収束部とを備え、
前記一方及び他方の感磁部は前記基板平面に対して平行であって、前記磁気収束部の短手方向に平行な同一の方向に感磁軸を持つ素子であり、
前記一方及び他方の感磁部が、前記磁気センサを平面視したときに、前記磁気収束部の短手方向の中線が、前記一方及び他方の感磁部の一部と交差するように配置され、
前記一方及び他方の感磁部の中心同士を結ぶ仮想線分と、前記磁気収束部の中心同士を結ぶ仮想線分とが平行であるか、又は
前記一方及び他方の感磁部の中心同士を結ぶ仮想線分と、前記磁気収束部の長手方向の中線とが垂直で、
前記一方の感磁部からの出力信号及び他方の感磁部からの出力信号の差分により、前記基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分、または、前記基板平面に対して平行かつ前記感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することを特徴とする磁気センサ。
前記磁気センサを平面視したとき、前記感磁部と前記磁気収束部の重なる面積が等しいことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
前記一方及び他方の感磁部の出力が入力される差分回路を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
前記一方及び他方の感磁部が、第１及び第２の感磁部で、前記磁気収束部が、第１及び第２の磁気収束部であり、
該第１及び第２の磁気収束部は前記基板の同一面に配置され、
前記第１及び第２の感磁部が、前記磁気センサを平面視したとき、該第１及び第２の磁気収束部どうしが対向する側に配置され、
前記第１の磁気収束部が前記第１の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、
前記の第２磁気収束部が前記第２の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、
前記第１及び第２感磁部の中心同士を結ぶ仮想線分と、前記第１及び第２の磁気収束部の中心同士を結ぶ仮想線分とが平行であり、
前記第１の感磁部の出力信号をＳ１、前記第２の感磁部の出力信号をＳ２、前記第１及び第２感磁部の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ（磁場変換効率ａ）、Ｚ方向の磁場をＢｚ（磁場変換効率ｃ）とした場合に、前記差分回路が、
Ｓ１＝Ｒ＋ａＢｘ−ｃＢｚ
Ｓ２＝Ｒ＋ａＢｘ＋ｃＢｚ
Ｓ２−Ｓ１＝２ｃＢｚ
の演算をすることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
基板平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、
前記基板平面に平行に配置された一方及び他方の感磁部と、該一方及び他方の感磁部の近傍かつ前記磁気センサを平面視したとき前記基板平面における前記一方及び他方の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置されている矩形状の磁気収束部と、前記一方及び他方の感磁部の出力が入力される差分回路とを備え、
前記一方及び他方の感磁部は前記基板平面に対して平行であって、前記磁気収束部の短手方向に平行な同一の方向に感磁軸を持つ素子であり、
前記一方及び他方の感磁部が、前記磁気センサを平面視したときに、前記磁気収束部の短手方向の中線が、前記一方及び他方の感磁部の一部と交差するように配置され、
前記一方の感磁部からの出力信号及び他方の感磁部からの出力信号の差分により、前記基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分、または、前記基板平面に対して平行かつ前記感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力する磁気センサであって、
前記一方及び他方の感磁部が、第３及び第４の感磁部で、前記磁気収束部が、前記第３及び第４の感磁部に間に配置された単一の第３の磁気収束部であり、該第３の磁気収束部が、両側部において、前記第３及び第４の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、前記第３及び第４の感磁部の中心同士を結ぶ仮想線分と、前記第３の磁気収束部の長手方向の中線が垂直であり、
前記第３の感磁部の出力信号をＳ３、前記第４の感磁部の出力信号をＳ４、前記第３及び第４感磁部の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ（磁場変換効率ａ）、Ｚ方向の磁場をＢｚ（磁場変換効率ｃ）とした場合に、前記差分回路が、
Ｓ３＝Ｒ＋ａＢｘ＋ｃＢｚ
Ｓ４＝Ｒ＋ａＢｘ−ｃＢｚ
Ｓ３−Ｓ４＝２ｃＢｚ
の演算をすることを特徴とする磁気センサ。
前記一方及び他方の感磁部が、第５及び第６の感磁部で、前記磁気収束部が、第５及び第６の磁気収束部であり、
該第５及び第６の磁気収束部は前記基板の同一面に配置され、
該第５及び第６の感磁部が、前記磁気センサを平面視したとき、該第５及び第６の磁気収束部どうしが対向する側とは反対側に配置され、
前記第５の磁気収束部が前記第５の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、
前記第６の磁気収束部が前記第６の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置されていて、
前記第５の感磁部の出力信号をＳ５、前記第６の感磁部の出力信号をＳ６、前記第５及び第６感磁部の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ（磁場変換効率ａ）、Ｚ方向の磁場をＢｚ（磁場変換効率ｃ）とした場合に、前記差分回路が、
Ｓ５＝Ｒ＋ａＢｘ＋ｃＢｚ
Ｓ６＝Ｒ＋ａＢｘ−ｃＢｚ
Ｓ５−Ｓ６＝２ｃＢｚ
の演算をすることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
前記一方及び他方の感磁部が、第７及び第８の感磁部で、前記磁気収束部が、第６乃至第８の磁気収束部であり、
前記第６の磁気収束部と前記第８の磁気収束部とが、前記第７の磁気収束部の長手方向の中線に対して線対称で、
前記第６の磁気収束部が、前記第７の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、かつ前記第７の磁気収束部が、前記第８の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、
前記第７及び第８の感磁部からの出力信号の差分により、前記基板平面に対して平行、かつ前記第７及び第８の感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気センサ。
前記第６の磁気収束部と前記第７の感磁部とからなる配置パターンと、前記第７の磁気収束部と前記第８の感磁部とからなる配置パターンとが、
前記第６の磁気収束部と前記第７の感磁部とからなる配置パターンを、前記第６の磁気収束部の短手方向の任意の軸に対して線対称な仮想パターンとして基板表面に対して平行にシフトさせると、前記第７の磁気収束部と前記第８の感磁部とからなる配置パターンと重なる関係にある配置パターンであることを特徴とする請求項７に記載の磁気センサ。
基板平面に対して任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、
前記基板平面に平行に配置された一方及び他方の感磁部と、該一方及び他方の感磁部の近傍かつ前記磁気センサを平面視したとき前記基板平面における前記一方及び他方の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置されている矩形状の磁気収束部とを備え、
前記一方及び他方の感磁部は前記基板平面に対して平行であって、前記磁気収束部の短手方向に平行な同一の方向に感磁軸を持つ素子であり、
前記一方及び他方の感磁部が、前記磁気センサを平面視したときに、前記磁気収束部の短手方向の中線が、前記一方及び他方の感磁部の一部と交差するように配置され、
前記一方の感磁部からの出力信号及び他方の感磁部からの出力信号の差分により、前記基板平面に対して垂直方向の軸方向の磁場成分、または、前記基板平面に対して平行かつ前記感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力する磁気センサであって、
前記一方及び他方の感磁部が、第７及び第８の感磁部で、前記磁気収束部が、第６乃至第８の磁気収束部であり、
前記第６の磁気収束部と前記第８の磁気収束部とが、前記第７の磁気収束部の長手方向の中線に対して線対称で、
前記第６の磁気収束部が、前記第７の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、かつ前記第７の磁気収束部が、前記第８の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、
前記第７の磁気収束部の短手方向の中線が、
前記第６及び第８の磁気収束部の中心同士を結ぶ仮想線分と平行で、かつ重ならず、
前記第７及び第８の感磁部からの出力信号の差分により、前記基板平面に対して平行、かつ前記第７及び第８の感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力することを特徴とする磁気センサ。
前記一方及び他方の感磁部が、第７及び第８の感磁部で、前記磁気収束部が、第６乃至第８の磁気収束部であり、
前記第６の磁気収束部と前記第８の磁気収束部とが、前記第７の磁気収束部の長手方向の中線に対して線対称で、
前記第６の磁気収束部が、前記第７の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、かつ前記第７の磁気収束部が、前記第８の感磁部の長手方向に少なくとも一部が重なる位置に配置され、
前記第７及び第８の感磁部からの出力信号の差分により、前記基板平面に対して平行、かつ前記第７及び第８の感磁部の感磁軸に垂直な軸方向の磁場成分に応じた信号を出力し、
前記第７の感磁部の出力信号をＳ７、前記第８の感磁部の出力信号をＳ８、前記第７及び第８感磁部の抵抗をＲ、Ｘ方向の磁場をＢｘ（磁場変換効率ａ）、Ｙ方向の磁場をＢｙ（磁場変換効率ｂ）、Ｚ方向の磁場をＢｚ（磁場変換効率ｃ）とした場合に、前記差分回路が、
Ｓ７＝Ｒ＋ａＢｘ＋ｂＢｙ−ｃＢｚ
Ｓ８＝Ｒ＋ａＢｘ−ｂＢｙ−ｃＢｚ
Ｓ７−Ｓ８＝２ｂＢｙ
の演算をすることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
前記仮想線分が、お互いに重なっていないことを特徴とする請求項１〜４、６〜８、１０のいずれかに記載の磁気センサ。