JP6969142B2

JP6969142B2 - 磁気センサ

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Publication number: JP6969142B2
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Inventors: 圭田邊; 晶裕海野
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Filing date: 2017-04-12
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Description

本発明は、磁気検出部に印加される検出対象磁界に応じた負帰還電流を磁界発生導体に流す構成の磁気センサに関する。

下記特許文献１は、微小な磁界の検出が可能な磁界検出センサを開示する。この磁界検出センサは、ブリッジ回路を成す４つの磁気抵抗効果素子と、磁性体とを備える。当該４つの磁気抵抗効果素子の固定磁化方向は互いに同じである。磁性体は、ブリッジ回路からみて垂直方向の検出対象磁界を集磁し、集磁された当該検出磁界を、当該ブリッジ回路を構成する４つの磁気抵抗効果素子が有する固定磁化方向と概ね平行になる方向へ変化させる。ブリッジ回路からの差動出力は、差動演算回路に入力され、差動演算回路は、磁界発生導体に帰還電流を流す。帰還電流が流れる磁界発生導体は、４つの磁気抵抗効果素子に対して、検出対象磁界の向きとは逆方向の磁界を発生させる。帰還電流を測定することにより、検出対象磁界が測定される。

特開２０１５−２１９０６１号公報

特許文献１の磁気センサでは、４つの磁気抵抗効果素子に同方向あるいは同相のバイアス磁界（外乱磁界等の非検出対象磁界）が印加されても、４つの磁気抵抗効果素子の抵抗変化が同じとなり、ブリッジ回路としてはバイアス磁界を検出しないようになっている。しかし、バイアス磁界は、磁気抵抗効果素子の動作点を変化させ、磁気センサの出力に影響を及ぼす。すなわち、磁気抵抗効果素子は、固定層磁化方向の磁界強度が一定値以上に大きくなると磁界変化に対する抵抗値変化（感度）が低下するため、バイアス磁界が大きくなると、磁気センサとしての感度が低下し、検出対象磁界に対して想定した出力が得られなくなるという問題があった（図１２も参照）。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、バイアス磁界の影響を抑制することの可能な磁気センサを提供することにある。

本発明のある態様は、磁気センサである。この磁気センサは、
検出対象の第１磁界が印加される第１及び第２磁気検出素子を含む磁気検出部と、
前記磁気検出部の出力電圧が入力される第１差動増幅器と、
前記第１差動増幅器が出力する第１負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子が検出する前記第１磁界を相殺する第２磁界を前記第１及び第２磁気検出素子に印加する第１磁界発生導体と、
前記第１及び第２磁気検出素子に印加されるバイアス磁界の所定方向成分を検出し、前記所定方向成分の大きさに応じた第２負帰還電流を出力するバイアス磁界検出手段と、
前記第２負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子に補正磁界を印加する第２磁界発生導体と、を備え、
前記バイアス磁界検出手段は、前記磁気検出部の出力電圧によらずに前記バイアス磁界の前記所定方向成分を検出し、
前記第１及び第２磁気検出素子の位置における前記バイアス磁界の前記所定方向成分と前記補正磁界の前記所定方向成分との合計が略一定であり、
前記第１及び第２磁気検出素子は、固定層磁化方向が互いに等しい磁気抵抗効果素子であってブリッジ回路を構成し、
検出対象の前記第１磁界が前記第１及び第２磁気検出素子の位置において互いに反対向きの磁界成分を持つように前記第１磁界の向きを変化させる磁性体を備え、
前記所定方向成分は、前記固定層磁化方向の成分であり、前記第１及び第２磁気検出素子の動作点を変化させる成分である。

本発明のもう１つの態様は、磁気センサである。この磁気センサは、
検出対象の第１磁界が印加される第１及び第２磁気検出素子を含む磁気検出部と、
前記磁気検出部の出力電圧が入力される第１差動増幅器と、
前記第１差動増幅器が出力する第１負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子が検出する前記第１磁界を相殺する第２磁界を前記第１及び第２磁気検出素子に印加する第１磁界発生導体と、
前記第１及び第２磁気検出素子に印加されるバイアス磁界の所定方向成分を検出し、前記所定方向成分の大きさに応じた第２負帰還電流を出力するバイアス磁界検出手段と、
前記第２負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子に補正磁界を印加する第２磁界発生導体と、を備え、
前記第１及び第２磁気検出素子の位置における前記バイアス磁界の前記所定方向成分と前記補正磁界の前記所定方向成分との合計が略一定であり、
前記第１及び第２磁気検出素子は、磁気抵抗効果素子であり、
前記バイアス磁界検出手段は、前記第１及び第２磁気検出素子に流れる電流により前記バイアス磁界の前記所定方向成分を検出し、前記第１及び第２磁気検出素子に流れる電流が基準値となるように前記第２負帰還電流を出力する。
前記第１及び第２磁気検出素子は、固定層磁化方向が互いに等しい磁気抵抗効果素子であってブリッジ回路を構成し、
検出対象の前記第１磁界が前記第１及び第２磁気検出素子の位置において互いに反対向きの磁界成分を持つように前記第１磁界の向きを変化させる磁性体を備え、
前記所定方向成分は、前記固定層磁化方向の成分であり、前記第１及び第２磁気検出素子の動作点を変化させる成分であってもよい。

本発明のもう１つの態様は、磁気センサである。この磁気センサは、
検出対象の第１磁界が印加される第１及び第２磁気検出素子を含む磁気検出部と、
前記磁気検出部の出力電圧が入力される第１差動増幅器と、
前記第１差動増幅器が出力する第１負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子が検出する前記第１磁界を相殺する第２磁界を前記第１及び第２磁気検出素子に印加する第１磁界発生導体と、
前記第１及び第２磁気検出素子に印加されるバイアス磁界の所定方向成分を検出し、前記所定方向成分の大きさに応じた第２負帰還電流を出力するバイアス磁界検出手段と、
前記第２負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子に補正磁界を印加する第２磁界発生導体と、を備え、
前記バイアス磁界検出手段は、前記第１及び第２磁気検出素子とは別に設けられた磁気検出素子により前記バイアス磁界の前記所定方向成分を検出し、
前記第１及び第２磁気検出素子の位置における前記バイアス磁界の前記所定方向成分と前記補正磁界の前記所定方向成分との合計が略一定であり、
前記第１及び第２磁気検出素子は、固定層磁化方向が互いに等しい磁気抵抗効果素子であってブリッジ回路を構成し、
検出対象の前記第１磁界が前記第１及び第２磁気検出素子の位置において互いに反対向きの磁界成分を持つように前記第１磁界の向きを変化させる磁性体を備え、
前記所定方向成分は、前記固定層磁化方向の成分であり、前記第１及び第２磁気検出素子の動作点を変化させる成分である。

前記第１及び第２磁気検出素子の位置における前記バイアス磁界の所定方向成分と前記補正磁界の所定方向成分との合計が略０であってもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、バイアス磁界の影響を抑制することの可能な磁気センサを提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る磁気センサの磁気検出部を構成するブリッジ回路の概略回路図。前記磁気センサにおける磁気検出部及びその近傍の概略断面図。同概略平面図。前記磁気センサにおける第１磁界発生導体７０及び第２磁界発生導体７５の配線パターン説明図。前記磁気センサにおける第１磁界発生導体７０の配線パターン説明図であって図４から第２磁界発生導体７５を省略した配線パターン説明図。前記磁気センサにおける第２磁界発生導体７５の配線パターン説明図であって図４から第１磁界発生導体７０を省略した配線パターン説明図。図１に示すブリッジ回路の各磁気抵抗効果素子の位置における検出対象磁界の向き及びそれによる各磁気抵抗効果素子の抵抗値変化を示す模式図。図７の変形例を示す模式図。実施の形態１に係る磁気センサの概略回路図。図９の変形例を示す概略回路図。比較例に係る磁気センサの概略回路図。磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向の磁界強度に対する抵抗値の変化の一例を示す特性図。図９及び図１０の各出力電圧Ｖoutの周波数特性を比較した簡易グラフ。図９及び図１０の各センサ構成におけるセンサの磁気分解能の周波数特性を比較した簡易グラフ。本発明の実施の形態２に係る磁気センサにおける磁気検出部及びその近傍の概略断面図。本発明の実施の形態３に係る磁気センサにおける磁気検出部及びその近傍の概略断面図。本発明の実施の形態４に係る磁気センサにおける磁気検出部及びその近傍の概略断面図。図１６及び図１７の磁気センサの概略回路図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る磁気センサの磁気検出部を構成するブリッジ回路の概略回路図である。このブリッジ回路は、第１磁気抵抗効果素子１０、第２磁気抵抗効果素子２０、第３磁気抵抗効果素子３０、及び第４磁気抵抗効果素子４０、を備える。第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の固定層磁化方向は同じ（＋Ｘ方向）である。固定層磁化方向と平行な方向が、各磁気抵抗効果素子の感磁方向である。第１磁気抵抗効果素子１０の一端と、第２磁気抵抗効果素子２０の一端は、第１電源電圧Ｖccが供給される第１電源ラインに接続される。なお、図１には示されないが、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）に流れる電流によりバイアス磁界を検出する構成の場合、図９に示すように、電流検出用の抵抗（図９の第２検出抵抗Ｒｓ２）が、第１電源ラインと、第１磁気抵抗効果素子１０及び第２磁気抵抗効果素子２０の一端と、の間に設けられる。第１磁気抵抗効果素子１０の他端は、第４磁気抵抗効果素子４０の一端に接続される。第２磁気抵抗効果素子２０の他端は、第３磁気抵抗効果素子３０の一端に接続される。第３磁気抵抗効果素子３０の他端と、第４磁気抵抗効果素子４０の他端は、第２電源電圧−Ｖccが供給される第２電源ラインに接続される。第１磁気抵抗効果素子１０と第４磁気抵抗効果素子４０の相互接続点に出力される電圧をＶａ、第２磁気抵抗効果素子２０と第３磁気抵抗効果素子３０の相互接続点に出力される電圧をＶｂとする。

図２は、実施の形態に係る磁気センサにおける磁気検出部及びその近傍の概略断面図である。図３は、同概略平面図である。図２及び図３により、直交三軸であるＸＹＺ軸を定義する。また、図２及び図３において、検出対象磁界の磁力線を併せて示している。本実施の形態の磁気センサにおいて、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）は、第１磁界発生導体７０及び第２磁界発生導体７５と共に、積層体５に設けられ、積層体５の表面上には磁性体８０が設けられる。図３に示すように、第１磁気抵抗効果素子１０と第３磁気抵抗効果素子３０は、Ｘ方向における位置が互いに等しい。同様に、第２磁気抵抗効果素子２０と第４磁気抵抗効果素子４０は、Ｘ方向における位置が互いに等しい。また、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０は、Ｙ方向における位置が互いに等しい。同様に、第３磁気抵抗効果素子３０と第４磁気抵抗効果素子４０は、Ｙ方向における位置が互いに等しい。

図３において、第１磁気抵抗効果素子１０及び第３磁気抵抗効果素子３０の配置と、第２磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子４０の配置と、が線対称となるＸ方向の中心線をＡとする。また、第１磁気抵抗効果素子１０及び第２磁気抵抗効果素子２０の配置と、第３磁気抵抗効果素子３０及び第４磁気抵抗効果素子４０の配置と、が線対称となるＹ方向の中心線をＢとする。磁性体８０は、磁性体８０のＸ方向の中心線とＹ方向の中心線がそれぞれＡとＢに合致する位置に配置されることが好ましい。また、磁性体８０は、第１磁気抵抗効果素子１０及び第２磁気抵抗効果素子２０のＹ方向側に延在し、かつ、第３磁気抵抗効果素子３０と第４磁気抵抗効果素子４０の−Ｙ方向側に延在することが好ましい。さらに、磁性体８０は、積層体５側の端面がＺ方向において第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）に最も近づいた配置、すなわち積層体５側の端面が積層体５の表面に接触していることが好ましい。このように配置にすることで、検出対象磁界の変化に応じた第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の抵抗変化が、効率良く、さらに均等に発生することになる。

積層体５内における、第１磁界発生導体７０を形成する層は、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が形成される層よりも下層（−Ｚ方向側の層）であることが好ましい。第１磁界発生導体７０を第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が形成される層より下層に配置することで、磁性体８０と第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）のＺ方向の距離を近づけることができ、これにより検出対象磁界の変化に第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が効率良く応答可能になる。なお、積層体５内における、第２磁界発生導体７５が形成される層は、図２の例では第１磁界発生導体７０が形成される層より下層としているが、第１磁界発生導体７０が形成される層より上層としてもよい。磁性体８０は軟磁性体であってもよい。磁性体８０は、Ｚ方向の検出対象磁界を集磁し、集磁した検出対象磁界を、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が有する固定層磁化方向（Ｘ方向）と概ね平行になる方向へ変化させる。磁性体８０により、第１磁気抵抗効果素子１０及び第３磁気抵抗効果素子３０の位置における検出対象磁界のＸ成分と、第２磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子４０の位置における検出対象磁界のＸ成分とは、互いに反対向きとなり、検出対象磁界が交流の場合には互いに位相が１８０°異なる差動磁界となる（逆位相となる）。

図４は、実施の形態の磁気センサにおける第１磁界発生導体７０及び第２磁界発生導体７５の配線パターン説明図である。図５は、前記磁気センサにおける第１磁界発生導体７０の配線パターン説明図であって、図４から第２磁界発生導体７５を省略した配線パターン説明図である。図６は、前記磁気センサにおける第２磁界発生導体７５の配線パターン説明図であって、図４から第１磁界発生導体７０を省略した配線パターン説明図である。図４及び図５において、積層体５内の第１磁界発生導体７０の配線パターンを実線で示している。同様に、図４及び図６において、積層体５内の第２磁界発生導体７５の配線パターンを実線で示している。

第１磁界発生導体７０は、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）と同じ積層体５内の好ましくは単一の層に形成される。図４及び図５の例では、第１磁界発生導体７０は、１ターンに満たないＵ字状の平面コイルとしているが、スパイラル状に複数ターン周回する平面コイルであってもよい。第１磁界発生導体７０は、図９で後述のように、各磁気抵抗効果素子が検出する検出対象磁界（第１磁界）を相殺する（検出対象磁界の感磁方向成分を相殺する磁界成分を有する）第２磁界を発生する。ここで、相殺は、好ましくは略０にすることであるが、一部のみを打ち消すことであってもよい。後述の第２磁界発生導体７５が発生する補正磁界（反バイアス磁界）についても同様である。

第２磁界発生導体７５は、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）と同じ積層体５内の好ましくは単一の層に形成される。図４及び図６の例では、第２磁界発生導体７５は、ミアンダ状の導体パターンとしている。具体的には、第２磁界発生導体７５は、第４磁気抵抗効果素子４０と同じＸ方向位置かつ第４磁気抵抗効果素子４０の−Ｙ方向側を一端として＋Ｙ方向に延び、第２磁気抵抗効果素子２０の＋Ｙ方向側に至り、そこから＋Ｘ方向に延びて磁性体８０と同じＸ方向位置に至り、そこから−Ｙ方向に延びて磁性体８０の−Ｙ方向側に至り、そこから＋Ｘ方向に延びて第３磁気抵抗効果素子３０と同じＸ方向位置に至り、そこから＋Ｙ方向に延びて第１磁気抵抗効果素子１０の＋Ｙ方向側に至る（第１磁気抵抗効果素子１０と同じＸ方向位置かつ第１磁気抵抗効果素子１０の＋Ｙ方向側を他端とする）。第２磁界発生導体７５は、図９で後述のように、各磁気抵抗効果素子の位置におけるバイアス磁界のＸ方向成分（感磁方向成分）を相殺する磁界成分を有する補正磁界を発生する。本実施の形態では、バイアス磁界は、磁性体８０が存在しなければ任意方向の一様磁界であるものとし、バイアス磁界のＸ方向成分を補正磁界により相殺する。

図７は、図１に示すブリッジ回路の各磁気抵抗効果素子の位置における検出対象磁界の向き及びそれによる各磁気抵抗効果素子の抵抗値変化を示す模式図である。図７において検出対象磁界は、磁性体８０が存在しなければ全体的に−Ｚ方向と平行な磁界であり、磁性体８０があることにより部分的に曲げられて、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の位置において図７に示す方向の成分を持つようになっている。

第１磁気抵抗効果素子１０においては、検出対象磁界の方向は固定層磁化方向と同一方向となる成分を持つため、フリー層磁化方向が固定層磁化方向と一致し、第１磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は、無磁界時の抵抗値Ｒ０から−ΔＲだけ変化する。一方、第２磁気抵抗効果素子２０においては、検出対象磁界の方向は固定層磁化方向と逆方向となる成分を持つため、フリー層磁化方向が固定層磁化方向と逆になり、第２磁気抵抗効果素子２０の抵抗値は、無磁界時の抵抗値Ｒ０から＋ΔＲだけ変化する。同様に、第３磁気抵抗効果素子３０の抵抗値は無磁界時と比較して−ΔＲだけ変化し、第４磁気抵抗効果素子４０の抵抗値は無磁界時と比較して＋ΔＲだけ変化する。このような第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の抵抗変化により、電圧Ｖａは無磁界時と比較して高くなり、電圧Ｖｂは無磁界時と比較して低くなる。ゆえに、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）のブリッジ回路は、差動出力、すなわち検出対象磁界の変化に応じて互いに逆の変化をする電圧Ｖａと電圧Ｖｂの出力が可能となっている。なお、図８のようにブリッジ回路の配線を変更し、かつ第３磁気抵抗効果素子３０及び第４磁気抵抗効果素子４０の固定層磁化方向を変更しても、同様に差動出力が可能である。

図９は、実施の形態に係る磁気センサの概略回路図である。ブリッジ接続された第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）は、検出対象の第１磁界が印加される磁気検出部を構成する。第１差動増幅器としての第１演算増幅器５０は、反転入力端子が第１磁気抵抗効果素子１０と第４磁気抵抗効果素子４０の相互接続点に接続され、非反転入力端子が第２磁気抵抗効果素子２０と第３磁気抵抗効果素子３０の相互接続点に接続され、出力端子が第１磁界発生導体７０の一端に接続される。第１演算増幅器５０は、磁気検出部の出力電圧（電圧Ｖａ,Ｖｂ）が入力され、第１磁界発生導体７０に負帰還電流を供給する。

第１磁界発生導体７０は、第１演算増幅器５０が出力する負帰還電流が流れることにより、各磁気抵抗効果素子が検出する第１磁界（検出対象磁界）を相殺する第２磁界を発生する。換言すれば、第１演算増幅器５０は、各磁気抵抗効果素子の位置において前記第１磁界の感磁方向成分を相殺する磁界成分を有する第２磁界を第１磁界発生導体７０が発生するように、すなわち各磁気抵抗効果素子の位置において第１及び第２磁界の磁気平衡状態が成立するように、第１磁界発生導体７０に負帰還電流を供給する。第１磁界発生導体７０が図４及び図５に示す電流経路を成すため、第１磁気抵抗効果素子１０及び第３磁気抵抗効果素子３０の位置における第２磁界と、第２磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子４０の位置における第２磁界とは、共にＸ方向と平行かつ互いに反対向きとなる。第１検出抵抗Ｒｓ１は、負帰還電流の経路に設けられる（第１磁界発生導体７０と直列接続される）。

差動増幅器の例示である第２演算増幅器６０は、反転入力端子が第１検出抵抗Ｒｓ１の第１磁界発生導体７０側の一端に接続され、出力端子が第１検出抵抗Ｒｓ１の他端に接続され、かつ非反転入力端子が固定電圧端子としてのグランドに接続される。第１演算増幅器５０及び第２演算増幅器６０は、共に両電源駆動であり、第１電源電圧Ｖccが供給される第１電源ラインと、第２電源電圧−Ｖccが供給される第２電源ラインと、にそれぞれ接続される。第２演算増幅器６０の出力端子の電圧が、磁気センサとしての出力電圧Ｖoutとなる。図９に示すように負帰還電流をＩとすると、出力電圧Ｖoutは、Ｖout＝Ｒｓ１×Ｉとなる。負帰還電流は、検出対象磁界（第１磁界）の大きさに比例するため、出力電圧Ｖoutも、検出対象磁界に比例することになり、出力電圧Ｖoutにより、検出対象磁界を検出することができる。

以下、本実施の形態におけるバイアス磁界検出手段について説明する。バイアス磁界検出手段は、第２検出抵抗Ｒｓ２、第３演算増幅器７６、第４演算増幅器７７、及び基準電圧源７８、を含む。第２検出抵抗Ｒｓ２は、第１電源電圧Ｖccが供給される第１電源ラインと、第１磁気抵抗効果素子１０及び第２磁気抵抗効果素子２０の一端と、の間に設けられる。第２検出抵抗Ｒｓ２は、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）からなるブリッジ回路に流れる電流を電圧に変換する。ブリッジ回路に流れる電流は、ブリッジ回路の合成抵抗に反比例する。ブリッジ回路の合成抵抗は、バイアス磁界のＸ方向成分によって変化する。したがって、第２検出抵抗Ｒｓ２の両端の電圧が特定されると、バイアス磁界のＸ方向成分が特定される関係にある。なお、第２検出抵抗Ｒｓ２は、第３磁気抵抗効果素子３０及び第４磁気抵抗効果素子４０の他端と、第２電源電圧−Ｖccが供給される第２電源ラインと、の間に設けられてもよい。

差動増幅器の例示である第３演算増幅器７６は、反転入力端子及び非反転入力端子が第２検出抵抗Ｒｓ２の両端にそれぞれ接続される。第３演算増幅器７６の出力端子は、第２差動増幅器としての第４演算増幅器７７の反転入力端子に接続される。第４演算増幅器７７の非反転入力端子とグランドとの間に、基準電圧源７８が接続される。第４演算増幅器７７の出力端子とグランドとの間に、第２磁界発生導体７５が接続される。第３演算増幅器７６は、第２検出抵抗Ｒｓ２の両端の電圧、すなわち第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）からなるブリッジ回路に流れる電流に比例した電圧を出力する。第４演算増幅器７７は、第３演算増幅器７６の出力電圧と基準電圧源７８の出力電圧との差が略０になるように第２磁界発生導体７５に負帰還電流を供給する。基準電圧源７８の出力電圧は、好ましくはバイアス磁界が無い場合の第３演算増幅器７６の出力電圧（バイアス磁界が無い場合にブリッジ回路に流れる電流に対応）と等しい。これにより、各磁気抵抗効果素子の位置におけるバイアス磁界のＸ方向成分と補正磁界のＸ方向成分との合計が略０で一定となる（ブリッジ回路に流れる電流はバイアス磁界が無い場合の電流と略等しくなる）。第３演算増幅器７６及び第４演算増幅器７７は、共に両電源駆動であり、第１電源電圧Ｖccが供給される第１電源ラインと、第２電源電圧−Ｖccが供給される第２電源ラインと、にそれぞれ接続される。

第２磁界発生導体７５は、第４演算増幅器７７が出力する負帰還電流が流れることにより、各磁気抵抗効果素子の位置におけるバイアス磁界を相殺する補正磁界を発生する。換言すれば、第４演算増幅器７７は、各磁気抵抗効果素子の位置においてバイアス磁界の感磁方向成分を相殺する磁界成分を有する補正磁界を第２磁界発生導体７５が発生するように、すなわち各磁気抵抗効果素子の位置においてバイアス磁界及び補正磁界の磁気平衡状態が成立するように、第２磁界発生導体７５に負帰還電流を供給する。第２磁界発生導体７５が図４及び図６に示す電流経路を成すため、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の位置における補正磁界は、Ｘ方向と平行かつ向きが互いに等しい。

図１０は、図９の変形例を示す概略回路図である。図１０に示す回路は、図９に示す回路と比較して、第２演算増幅器６０が無くなり、第１検出抵抗Ｒｓ１の他端がグランドに接続され、第１検出抵抗Ｒｓ１の一端の電圧が出力電圧Ｖoutとされている点で相違し、その他の点で一致する。図１０における出力電圧Ｖoutは、図９における出力電圧Ｖoutと比較して、プラスマイナスが反転する他は計算上一致するが、図１３及び図１４で後述のように周波数特性が異なる。

図１１は、比較例に係る磁気センサの概略回路図である。図１１に示す回路は、図１０に示す回路と比較して、バイアス磁界検出手段（第２検出抵抗Ｒｓ２、第３演算増幅器７６、第４演算増幅器７７、及び基準電圧源７８）と第２磁界発生導体７５が無くなった点で相違し、その他の点で一致する。バイアス磁界が存在しない環境下では、図１１における出力電圧Ｖoutは、図１０における出力電圧Ｖoutと一致する。しかし、バイアス磁界が存在する環境下では、図１１における出力電圧Ｖoutは、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の感度低下により、検出対象磁界の変化に対して想定した電圧値とならないことがある。

図１２は、磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向の磁界強度に対する抵抗値の変化の一例を示す特性図である。図１２に示すように、磁気抵抗効果素子は、固定層磁化方向の磁界強度が一定値以内の場合は磁界強度と抵抗値とが直線的な関係となるが、磁界強度が一定値以上になると磁界強度の変化に対する抵抗値の変化（傾き）が小さくなり、さらに磁界強度が高くなると磁界強度に対する抵抗値の変化が無くなる。したがって、磁気抵抗効果素子は、図１２に示すバイアス磁界が０のときの動作点において、高感度であり、かつリニアな抵抗値変化を最大に取れる（リニア領域における出力電圧の振幅を最も大きく取れる）。一方、図１２に示すバイアス磁界が小さいときの動作点では、バイアス磁界が０のときの動作点と比較して、感度が低下し、またリニアな抵抗値変化も大きく取れない。また、図１２に示すバイアス磁界が大きいときの動作点では、飽和により磁気抵抗効果素子として動作できなくなる。

図９及び図１０に示す回路では、第４演算増幅器７７が供給する負帰還電流により第２磁界発生導体７５が補正磁界を発生するため、バイアス磁界が大きい環境下においても、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の動作点を、バイアス磁界が０のときの動作点又はその近傍に安定させることができる。これに対し図１１に示す比較例の回路では、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の動作点はバイアス磁界の大きさ次第で自在に変動するため、動作点が不安定なために感度が不安定になり、またバイアス磁界が大きいと感度低下や検出不能になるリスクがある。

図１３は、図９及び図１０の各出力電圧Ｖoutの周波数特性を比較した簡易グラフである。このグラフは、検出対象磁界の大きさを一定として周波数を変化させた場合の各出力電圧Ｖoutの大きさを表している。図９に示す回路は、負帰還電流を電圧に変換する電流電圧変換回路が第１検出抵抗Ｒｓ１に加えて第２演算増幅器６０を含むことにより、第１検出抵抗Ｒｓ１のみで電流電圧変換を行う図１０の構成と比較して、図１３に示すように、より高い周波数の磁界まで検出可能となる。これは、図９に示す回路は、第１演算増幅器５０及び第２演算増幅器６０により負帰還電流を供給する構成のため、第１演算増幅器５０及のみで負帰還電流を供給する図１０の回路と比較して第１演算増幅器５０への負担が低減されたことによる。

図１４は、図９及び図１０の各センサ構成におけるセンサの磁気分解能の周波数特性を比較した簡易グラフである。１／ｆノイズと呼ばれる、エネルギーが周波数の反比例するノイズの存在により、磁気抵抗効果素子の分解能は一般に、検出対象磁界の周波数が高くなるほど良好となる。しかし、図１４に示すように、図１０の変形例の構成では、第１演算増幅器５０の周波数特性がネックとなり、ある周波数以上では、周波数が高くなった場合の分解能の向上が鈍化する。これと比較して図９に示す回路では、第２演算増幅器６０を設けたことにより、高周波数領域においても周波数が高くなった場合、第１演算増幅器５０の周波数特性のネックが低減されることで、高周波数領域でより高分解能となるため、より高い周波数の磁界まで検出可能となる。

図１３及び図１４での考察より、検出対象磁界の周波数が例えば100KHz以上と高い場合には、図９に示す回路構成とすることで、高周波数領域の磁界まで検出可能とすることができる。一方、検出対象磁界の周波数が低い場合には、図１０に示す回路構成とすることで、部品点数増加を抑制することができる。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) 外乱磁界等の非検出対象磁界であるバイアス磁界が存在する環境下では、バイアス磁界検出手段により、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）に印加されたバイアス磁界を検出し、当該バイアス磁界に応じた補正磁界を第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）に印加する構成のため、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の動作点を、バイアス磁界が存在しない場合と同等の動作点に安定させられる。このため、バイアス磁界が存在する環境下でも、磁気センサとして高感度となり、検出対象磁界の大きさが同じであれば、図１１に示す比較例のようにバイアス磁界検出手段が存在しない場合と比較して、大きな出力電圧Ｖoutを得ることができる。また、バイアス磁界が存在する環境下でも第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の動作点が安定することから、想定感度に対する実際の感度の誤差を低減することができ、磁気センサとしての測定精度が高められる。

(2) ブリッジ接続された第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）を磁気検出部としているため、磁界検出の分解能を高めることができる。

(3) 磁気検出部における磁気平衡を保持する構成であるため、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）における環境温度による抵抗変化率の変化を抑え、検出精度を維持することができる。

(4) 第１磁界発生導体７０と第２磁界発生導体７５は、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）と同じ積層体５内に形成されるため、別体のソレノイドコイルを用いる場合よりも製品の小型化に有利になるほか、製造時における位置精度のバラつきを抑えることが可能となる。

なお、本実施の形態において、リニアな抵抗値変化を最大限に取るためには、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の動作点をバイアス磁界が０のときの動作点に設定（各磁気抵抗効果素子の位置におけるバイアス磁界のＸ方向成分と補正磁界のＸ方向成分との合計が略０となるように設定）することになるが、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の動作点をバイアス磁界が０のときの動作点以外に設定（各磁気抵抗効果素子の位置におけるバイアス磁界のＸ方向成分と補正磁界のＸ方向成分との合計が０以外となるように設定）してもよい。第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の動作点は、補正磁界の強度、すなわち第２磁界発生導体７５に流れる電流の大きさに依存するので、基準電圧源７８の電圧値の設定により、バイアス磁界の強度によらず、動作点の調整が可能である。ここで、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の動作点を、バイアス磁界が０のときの動作点以外に設定する場合、バイアス磁界が弱いと、各磁気抵抗効果素子の位置において補正磁界のＸ方向成分とバイアス磁界のＸ方向成分とが強め合うこともある。このような場合であっても、変動があり且つその変動を予測できないバイアス磁界による各磁気抵抗効果素子の動作点の変動を抑制でき（バイアス磁界のＸ方向成分と補正磁界のＸ方向成分との合計を一定にでき）、前記動作点を安定させることができる。

（実施の形態２）
図１５は、本発明の実施の形態２に係る磁気センサにおける磁気検出部及びその近傍の概略断面図である。本実施の形態の磁気センサは、実施の形態１において積層体５内に設けられていた第２磁界発生導体７５が、積層体５の外部に設けられた第２磁界発生導体７５ａ，７５ｂに替わった点で相違し、その他の点で一致する。第２磁界発生導体７５ａ，７５ｂは、例えば巻軸方向がＸ方向と平行なコイル（ソレノイドコイル等）であって、積層体５のＸ方向両側にそれぞれ設けられる。第２磁界発生導体７５ａ，７５ｂは、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）に対してＸ方向と平行な一様磁界を印加できる構成であるとよい。本実施の形態によれば、小型化や第２磁界発生導体７５ａ，７５ｂの位置精度以外の点においては、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

（実施の形態３、４）
図１６は、本発明の実施の形態３に係る磁気センサにおける磁気検出部及びその近傍の概略断面図である。図１７は、本発明の実施の形態４に係る磁気センサにおける磁気検出部及びその近傍の概略断面図である。図１８は、図１６及び図１７の磁気センサの概略回路図である。実施の形態１では、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）からなるブリッジ回路に流れる電流によりバイアス磁界のＸ方向成分を検出したが、実施の形態３、４では、バイアス磁界検出用の磁気検出素子７９によりバイアス磁界のＸ方向成分を検出する。

図１６に示す実施の形態３では磁気検出素子７９を積層体５内に配置し、図１７に示す実施の形態４では磁気検出素子７９を積層体５の外部に配置する。図１８では、磁気検出素子７９を、２つの磁気抵抗効果素子７９ａ，７９ｂとしている。磁気抵抗効果素子７９ａ，７９ｂの固定層磁化方向は、例えば、共にＸ方向と平行かつ互いに反対向きである。磁気抵抗効果素子７９ａ，７９ｂは、第１電源電圧Ｖccが供給される第１電源ラインと、第２電源電圧−Ｖccが供給される第２電源ラインと、の間に直列接続される。磁気抵抗効果素子７９ａ，７９ｂの相互接続点が第４演算増幅器７７の反転入力端子に接続される。第４演算増幅器７７は、磁気抵抗効果素子７９ａ，７９ｂの相互接続点の電圧（磁気検出素子７９の出力電圧）と基準電圧源７８の出力電圧との差が略０になるように第２磁界発生導体７５に負帰還電流を供給する。なお、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の動作点をバイアス磁界が０の場合の動作点にする場合、基準電圧源７８の出力電圧は０（基準電圧源７８は短絡）である。本実施の形態も、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

実施の形態ではバイアス磁界のＸ方向成分に対応して補正磁界を発生させる場合を説明したが、バイアス磁界のＸ方向成分に替えて又はそれに加えて、バイアス磁界の非Ｘ方向成分（例えばＹ方向成分）に対応して補正磁界を発生させてもよい。

実施の形態では磁気検出素子が磁気抵抗効果素子である場合を説明したが、磁気検出素子は、ホール素子等の他の種類のものであってもよい。磁気抵抗効果素子は感磁面と平行な方向の磁界を検出するため、磁気検出素子を磁気抵抗効果素子とする場合は感磁面がＺ方向と垂直になるように配置したのに対し、ホール素子は感磁面と垂直な方向の磁界を検出するため、磁気検出素子をホール素子とする場合は感磁面がＸ方向と垂直になるように配置する。また、検出対象磁界を検出するためのブリッジ回路を構成する磁気検出素子の個数は、実施の形態で例示した４つに限定されず、２つ以上の任意の個数でよい。実施の形態では４つの磁気抵抗効果素子がフルブリッジ接続された磁気検出部を例に説明したが、磁気検出部は、２つの磁気抵抗効果素子がハーフブリッジ接続されたものであってもよい。磁気検出素子及び磁界発生導体は、共通の積層体に構成される場合に限定されず、互いに別々に設けられてもよい。両電源駆動とした各素子は、片電源駆動であってもよい。

第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の検出精度をさらに向上させるために、磁性体８０と第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の間にヨークを形成してもよい。前記ヨークを形成することにより、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）に、より多くの磁界を効率よく導くことが出来るため、微小な磁界を精度よく検出することが可能となる。また、前記ヨークは薄膜プロセスで形成することで、寸法、位置ともに精度よく配置できるだけでなく、同一の積層行程で形成できるため外部に付属させた部品より低コストとなり、製品の小型化や製造コストの削減が可能になる。

５積層体、１０第１磁気抵抗効果素子、２０第２磁気抵抗効果素子、３０第３磁気抵抗効果素子、４０第４磁気抵抗効果素子、５０第１演算増幅器（第１差動増幅器）、６０第２演算増幅器、７０第１磁界発生導体、７５第２磁界発生導体、７６第３演算増幅器、７７第４演算増幅器（第２差動増幅器）、７８基準電圧源、７９磁気検出素子、８０磁性体

Claims

検出対象の第１磁界が印加される第１及び第２磁気検出素子を含む磁気検出部と、
前記磁気検出部の出力電圧が入力される第１差動増幅器と、
前記第１差動増幅器が出力する第１負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子が検出する前記第１磁界を相殺する第２磁界を前記第１及び第２磁気検出素子に印加する第１磁界発生導体と、
前記第１及び第２磁気検出素子に印加されるバイアス磁界の所定方向成分を検出し、前記所定方向成分の大きさに応じた第２負帰還電流を出力するバイアス磁界検出手段と、
前記第２負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子に補正磁界を印加する第２磁界発生導体と、を備え、
前記バイアス磁界検出手段は、前記磁気検出部の出力電圧によらずに前記バイアス磁界の前記所定方向成分を検出し、
前記第１及び第２磁気検出素子の位置における前記バイアス磁界の前記所定方向成分と前記補正磁界の前記所定方向成分との合計が略一定であり、
前記第１及び第２磁気検出素子は、固定層磁化方向が互いに等しい磁気抵抗効果素子であってブリッジ回路を構成し、
検出対象の前記第１磁界が前記第１及び第２磁気検出素子の位置において互いに反対向きの磁界成分を持つように前記第１磁界の向きを変化させる磁性体を備え、
前記所定方向成分は、前記固定層磁化方向の成分であり、前記第１及び第２磁気検出素子の動作点を変化させる成分である、磁気センサ。
検出対象の第１磁界が印加される第１及び第２磁気検出素子を含む磁気検出部と、
前記磁気検出部の出力電圧が入力される第１差動増幅器と、
前記第１差動増幅器が出力する第１負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子が検出する前記第１磁界を相殺する第２磁界を前記第１及び第２磁気検出素子に印加する第１磁界発生導体と、
前記第１及び第２磁気検出素子に印加されるバイアス磁界の所定方向成分を検出し、前記所定方向成分の大きさに応じた第２負帰還電流を出力するバイアス磁界検出手段と、
前記第２負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子に補正磁界を印加する第２磁界発生導体と、を備え、
前記第１及び第２磁気検出素子の位置における前記バイアス磁界の前記所定方向成分と前記補正磁界の前記所定方向成分との合計が略一定であり、
前記第１及び第２磁気検出素子は、磁気抵抗効果素子であり、
前記バイアス磁界検出手段は、前記第１及び第２磁気検出素子に流れる電流により前記バイアス磁界の前記所定方向成分を検出し、前記第１及び第２磁気検出素子に流れる電流が基準値となるように前記第２負帰還電流を出力する、磁気センサ。
検出対象の第１磁界が印加される第１及び第２磁気検出素子を含む磁気検出部と、
前記磁気検出部の出力電圧が入力される第１差動増幅器と、
前記第１差動増幅器が出力する第１負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子が検出する前記第１磁界を相殺する第２磁界を前記第１及び第２磁気検出素子に印加する第１磁界発生導体と、
前記第１及び第２磁気検出素子に印加されるバイアス磁界の所定方向成分を検出し、前記所定方向成分の大きさに応じた第２負帰還電流を出力するバイアス磁界検出手段と、
前記第２負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子に補正磁界を印加する第２磁界発生導体と、を備え、
前記バイアス磁界検出手段は、前記第１及び第２磁気検出素子とは別に設けられた磁気検出素子により前記バイアス磁界の前記所定方向成分を検出し、
前記第１及び第２磁気検出素子の位置における前記バイアス磁界の前記所定方向成分と前記補正磁界の前記所定方向成分との合計が略一定であり、
前記第１及び第２磁気検出素子は、固定層磁化方向が互いに等しい磁気抵抗効果素子であってブリッジ回路を構成し、
検出対象の前記第１磁界が前記第１及び第２磁気検出素子の位置において互いに反対向きの磁界成分を持つように前記第１磁界の向きを変化させる磁性体を備え、
前記所定方向成分は、前記固定層磁化方向の成分であり、前記第１及び第２磁気検出素子の動作点を変化させる成分である、磁気センサ。
前記第１及び第２磁気検出素子は、固定層磁化方向が互いに等しい磁気抵抗効果素子であってブリッジ回路を構成し、
検出対象の前記第１磁界が前記第１及び第２磁気検出素子の位置において互いに反対向きの磁界成分を持つように前記第１磁界の向きを変化させる磁性体を備え、
前記所定方向成分は、前記固定層磁化方向の成分であり、前記第１及び第２磁気検出素子の動作点を変化させる成分である、請求項２に記載の磁気センサ。
前記第１及び第２磁気検出素子の位置における前記バイアス磁界の所定方向成分と前記補正磁界の所定方向成分との合計が略０である、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気センサ。