JP7058630B2 - 磁気センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサ装置に関する。

近年、種々の用途において、物理量（例えば、移動体の回転移動や直線的移動による位置や移動量（変化量）等）を検出するための物理量検出装置（位置検出装置）が用いられている。この物理量検出装置としては、外部磁場の変化を検出可能な磁気センサと、磁気センサに対する相対的な位置を変化させ得る磁界発生部（例えば磁石）とを備えるものが知られており、外部磁場の変化に応じたセンサ信号が磁気センサから出力される。

磁気センサとしては、被検出磁界を検出する磁気センサ素子が基板上に設けられているものが知られており、かかる磁気センサ素子としては、外部磁場の変化に応じて抵抗が変化するスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子等）等が用いられている。

スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子は、外部磁場に応じて磁化方向を変化させ得る自由層と、磁化方向が固定されてなる磁化固定層と、自由層及び磁化固定層の間に介在する非磁性層とを少なくとも有する積層構造により構成される。このような構造を有する磁気抵抗効果素子においては、自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向とのなす角度により当該磁気抵抗効果素子の抵抗値が定まる。そして、外部磁場に応じた自由層の磁化方向が変化し、それによる自由層及び磁化固定層の磁化方向のなす角度が変化することで、磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化により、外部磁場の変化に応じたセンサ信号が出力される。基板上に設けられているスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子は、基板の面に平行な方向の磁界に対して感度を有するように構成される場合が多い。

一方で、磁気センサにおいては、基板上に設けられているスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子によって、基板の面に垂直な方向の磁界を検出するような要求もある（特許文献１参照）。上記磁気センサとしては、磁石の位置を検出するために用いられるものがある。この磁気センサにおいては、磁気抵抗効果素子が設けられている基板の上方に磁石が設けられており、磁気抵抗効果素子と磁石との間に軟磁性体が設けられている。この軟磁性体は、磁石が発生する磁界の成分のうち、基板面に対する垂直方向の垂直磁界成分を、磁気抵抗効果素子が感度を有する基板面に平行な方向の磁界成分に変換し、変換された磁界成分が磁気抵抗効果素子に印加される。

特開２０１５－１２９６９７号公報

上記磁気センサにおいて、磁石から発生し、磁気抵抗効果素子に印加される磁界は、垂直磁界成分の他に、基板面に平行な方向の水平磁界成分を含む。この場合、軟磁性体によって変換された磁界成分の他に、磁石から発生する水平磁界成分も磁気抵抗効果素子に印加されることになる。そのため、本来検出すべき磁界成分（軟磁性体によって変換された磁界成分）の強度に応じた磁気センサからの出力にノイズを生じさせてしまったり、磁気センサの感度が低下してしまったりするという問題がある。

上記課題に鑑みて、本発明は、本来検出すべき磁界成分以外の磁界成分の影響を抑制することができ、検出精度を向上させてなる磁気センサ装置を提供することを目的とする。

本発明は、第１方向に沿って入力される入力磁界を受けて、前記第１方向に直交する第２方向に沿って出力磁界を出力する磁界変換部と、前記出力磁界が印加され得る位置に設けられている磁界検出部と、前記第２方向に沿った外部磁界を遮蔽する磁気シールドと
を備え、前記第１方向に沿って見たときに、前記磁界変換部は、前記第１方向及び前記第２方向の双方に直交する第３方向における長さが前記第２方向における長さよりも長い形状を有し、前記第１方向に沿って見たときに、前記磁気シールドは、前記磁界変換部及び前記磁界検出部と重なる位置に設けられており、前記磁気シールドは、第１磁気シールドと第２磁気シールドとを含み、前記第１方向における前記第１磁気シールドと前記第２磁気シールドとの間に、前記磁界変換部及び前記磁界検出部が設けられていることを特徴とする磁気センサ装置を提供する。
上記磁気センサ装置において、前記第１方向に沿って見たときに、前記磁気シールドは、前記第２方向における最大長さが前記第３方向における最大長さよりも短い形状を有していてもよく、複数の前記磁界変換部が、前記第２方向に沿って並列していてもよい。

上記磁気センサ装置は、複数の前記磁界検出部を備え、前記第１方向に沿って見たときに、前記複数の磁界検出部は、前記磁界変換部の短手方向の中心を通る軸線であって、前記磁界変換部の長手方向に沿った前記軸線を中心とする線対称の位置に設けられていてもよい。

上記磁気センサ装置において、前記磁界検出部は、磁気抵抗効果素子を含み、前記磁気抵抗効果素子は、前記第２方向に磁化が固定されている磁化固定層と、印加される前記出力磁界に応じて磁化方向が変化する磁化自由層とを有していてもよい。

上記磁気センサ装置において、前記磁界検出部は、複数の前記磁気抵抗効果素子を含み、すべての前記磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層の磁化は、略同一方向に固定されていてもよく、前記磁界検出部は、ＴＭＲ素子又はＧＭＲ素子を含んでいてもよい。

本発明によれば、本来検出すべき磁界成分以外の磁界成分の影響を抑制することができ、検出精度を向上させてなる磁気センサ装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る磁気センサ装置を含むカメラモジュールの概略構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示すカメラモジュールの内部構造を模式的に示す概略図である。 図３は、図１に示すカメラモジュールの駆動装置を示す斜視図である。 図４は、図３に示す駆動装置の複数のコイルを示す斜視図である。 図５Ａは、図３に示す駆動装置の要部を示す断面図である。 図５Ｂは、図３に示す駆動装置の要部を示す断面図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る磁気センサ装置の要部を示す斜視図である。 図７は、本発明の一実施形態における磁気センサの概略構成を示す斜視図である。 図８は、本発明の一実施形態における磁気センサの概略構成を示す平面図である。 図９は、本発明の一実施形態における磁気センサの概略構成を示す側面図である。 図１０は、本発明の一実施形態における磁気センサの概略構成を示す側面図である。 図１１は、本発明の一実施形態における磁気抵抗効果素子の概略構成を示す斜視図である。 図１２は、本発明の一実施形態における磁界検出部の概略構成を示す斜視図である。 図１３は、本発明の一実施形態における磁界検出部の回路構成を示す回路図である。 図１４は、本発明の一実施形態における磁気抵抗効果素子の自由層及び磁化固定層のイニシャル状態における磁化方向を説明するための説明図である。 図１５は、本発明の一実施形態における磁気抵抗効果素子に第３磁界成分が印加されたときの自由層及び磁化固定層の磁化方向を説明するための説明図である。 図１６は、本発明の一実施形態における磁気抵抗効果素子に第２磁界成分及び第３磁界成分が印加されたときの自由層及び磁化固定層の磁化方向を説明するための説明図である。 図１７は、試験例１の結果を示すグラフである。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、本実施形態に係る磁気センサ装置において、必要に応じ、いくつかの図面中、「Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向」を規定している。ここで、Ｘ方向及びＹ方向は、本実施形態における基板１０４の第１面１０４Ａ及び第２面１０４Ｂ（図２参照）と実質的に平行な平面内における互いに直交する方向であり、Ｚ方向は、基板１０４の厚さ方向（基板１０４の第１面１０４Ａ及び第２面１０４Ｂに直交する方向）である。

本実施形態におけるカメラモジュール１００は、例えば、光学式手振れ補正機構とオートフォーカス機構とを備えるスマートフォン用のカメラの一部を構成するものであり、ＣＭＯＳ等を用いたイメージセンサ２００と組み合わせて用いられる（図１及び図２参照）。

カメラモジュール１００は、駆動装置と、レンズ１０２と、筐体１０３と、基板１０４とを備える（図１及び図２参照）。駆動装置は、レンズ１０２を移動させる機能を有する。駆動装置は、本実施形態に係る磁気センサ装置を含む。筐体１０３は、駆動装置を保護する機能を有する。基板１０４は、第１面１０４Ａ及びそれに対向する第２面１０４Ｂを有する。

レンズ１０２は、その光軸方向をＺ方向に平行とするような姿勢で、基板１０４の第１面１０４Ａの上方に配置されている。基板１０４は、レンズ１０２を通過した光を通過させる開口部（図示を省略）を有する。カメラモジュール１００は、レンズ１０２及び基板１０４の開口部を通過した光をイメージセンサ２００に入射させるように、イメージセンサ２００に対して位置合わせされている。

駆動装置は、第１保持部材１０５と、第２保持部材１０６と、複数の第１ワイヤ１０７と、複数の第２ワイヤ１０８とを備える（図２参照）。第２保持部材１０６は、レンズ１０２を保持するものであり、例えば、その内部にレンズ１０２を装着可能な筒状の形状を有していればよい。

第２保持部材１０６は、第１保持部材１０５に対して一方向、具体的にはレンズ１０２の光軸方向（Ｚ方向）に平行な方向に位置変更可能に設けられている。本実施形態において、第１保持部材１０５は、その内部にレンズ１０２と第２保持部材１０６とを収容可能な箱状の形状を有する。複数の第２ワイヤ１０８は、第１保持部材１０５と第２保持部材１０６とを接続し、第２保持部材１０６が第１保持部材１０５に対してＺ方向に沿って相対的に移動可能なように、第２保持部材１０６を支持している。

第１保持部材１０５は、基板１０４の第１面１０４Ａの上方において、基板１０４に対してＸ方向及びＹ方向の少なくとも一方向に位置変更可能に設けられている。複数の第１ワイヤ１０７は、基板１０４と第１保持部材１０５とを接続し、第１保持部材１０５が基板１０４に対してＸ方向及びＹ方向の少なくとも一方向に沿って相対的に移動可能なように、第１保持部材１０５を支持している。基板１０４に対する第１保持部材１０５の相対的な位置が変化すると、基板１０４に対する第２保持部材１０６の相対的な位置も変化する。

駆動装置は、複数の磁石（第１～第８磁石２１～２８）及び複数のコイル（第１～第６コイル３１～３６）を備える（図１及び図３参照）。第１磁石２１及び第２磁石２２は、Ｙ方向に沿ってレンズ１０２をそれらの間に挟むようにして配置されている。第３磁石２３及び第４磁石２４は、Ｘ方向に沿ってレンズ１０２をそれらの間に挟むようにして配置されている。第５～第８磁石２５～２８は、それぞれ、第１～第４磁石２１～２４の上方（＋Ｚ方向）に配置されている。第１～第８磁石２１～２８は、第１保持部材１０５に固定されている。

第１磁石２１、第２磁石２２、第５磁石２５及び第６磁石２６は、それぞれ長手方向をＸ方向に向けた直方体形状を有している。第３磁石２３、第４磁石２４、第７磁石２７及び第８磁石２８は、それぞれ長手方向をＹ方向に向けた直方体形状を有している（図１及び図３参照）。第１磁石２１の磁化方向Ｈ（図６参照）及び第６磁石２６の磁化方向は＋Ｙ方向であり、第２磁石２２及び第５磁石２５の磁化方向は－Ｙ方向である。第３磁石２３及び第８磁石２８の磁化方向は＋Ｘ方向であり、第４磁石２４及び第７磁石２７の磁化方向は－Ｘ方向である。

第１コイル３１は、第１磁石２１と基板１０４との間に配置され、第２コイル３２は、第２磁石２２と基板１０４との間に配置されている（図２参照）。第３コイル３３は、第３磁石２３と基板１０４との間に配置され、第４コイル３４は、第４磁石２４と基板１０４との間に配置されている。第５コイル３５は、第１磁石２１及び第５磁石２５とレンズ１０２との間に配置され、第６コイル３６は、第２磁石２２及び第６磁石２６とレンズ１０２との間に配置されている。第１～第４コイル３１～３４は、基板１０４の第１面１０４Ａに固定され、第５コイル３５及び第６コイル３６は、第２保持部材１０６に固定されている。

第１コイル３１には、主に第１磁石２１から発生される磁界が印加され、第２コイル３２には、主に第２磁石２２から発生される磁界が印加され、第３コイル３３には、主に第３磁石２３から発生される磁界が印加され、第４コイル３４には、主に第４磁石２４から発生される磁界が印加される。

第５コイル３５は、第１磁石２１に沿ってＸ方向に延びる第１導体部３５１と、第５磁石２５に沿ってＸ方向に延びる第２導体部３５２と、第１導体部３５１及び第２導体部３５２の一端部同士及び他端部同士をＺ方向に接続する２つの第３導体部３５３とを含む（図４参照）。第６コイル３６は、第２磁石２２に沿ってＸ方向に延びる第１導体部３６１と、第６磁石２６に沿ってＸ方向に延びる第２導体部３６２と、第１導体部３６１及び第２導体部３６２の一端部同士及び他端部同士をＺ方向に接続する２つの第３導体部３６３とを含む（図４参照）。

第５コイル３５の第１導体部３５１には、主に第１磁石２１から発生される磁界の＋Ｙ方向の成分が印加される。第５コイル３５の第２導体部３５２には、主に第５磁石２５から発生される磁界の－Ｙ方向の成分が印加される。第６コイル３６の第１導体部３６１には、主に第２磁石２２から発生される磁界の－Ｙ方向の成分が印加される。第６コイル３６の第２導体部３６２には、主に第６磁石２６から発生される磁界の＋Ｙ方向の成分が印加される。

駆動装置は、第１コイル３１及び第２コイル３２のいずれか一方の内側において基板１０４に固定された磁気センサ１０と、第３コイル３３及び第４コイル３４のいずれか一方の内側において基板１０４に固定された磁気センサ１０とを備える。本実施形態において、２つの磁気センサ１０は、それぞれ第１コイル３１の内側及び第４コイル３４の内側に配置されている（図５Ａ、図５Ｂ参照）。この２つの磁気センサ１０は、手振れの影響を低減するためにレンズ１０２の位置を変化させるためのセンサ信号を出力する。

第１コイル３１の内側に配置されている磁気センサ１０は、第１磁石２１から発生される磁界を検出し、第１磁石２１の位置に対応したセンサ信号を出力する。第４コイル３４の内側に配置されている磁気センサ１０は、第４磁石２４から発生される磁界を検出し、第４磁石２４の位置に対応したセンサ信号を出力する。各磁気センサ１０の構成については、後述する。

駆動装置は、磁石４１と、磁気センサ４２とを備える（図１及び図３参照）。磁気センサ４２は、自動的に焦点合わせを行う際にレンズ１０２の位置を検出するために用いられる。磁気センサ４２は、第１磁石２１の端面２１Ａと第４磁石２４の端面２４Ａとの近傍において基板１０４の第１面１０４Ａに固定されている。磁気センサ４２は、例えば、ホール素子、ＡＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子等を含んでいればよい。

磁石４１は、磁気センサ４２の上方において、第２保持部材１０６に固定されており、直方体形状を有している。第１保持部材１０５に対する第２保持部材１０６の相対的な位置がＺ方向に平行な方向に変化すると、第１保持部材１０５に対する磁石４１の相対的な位置もＺ方向に平行な方向に変化する。

ここで、駆動装置の動作について説明する。
駆動装置は、光学式手振れ補正機構及びオートフォーカス機構の一部を構成する。駆動装置、光学式手振れ補正機構及びオートフォーカス機構は、カメラモジュール１００の外部の制御部（図示を省略）によって制御される。

光学式手振れ補正機構は、例えば、カメラモジュール１００の外部のジャイロセンサ等によって、手振れを検出できるように構成されている。光学式手振れ補正機構が手振れを検出すると、制御部は、手振れの態様に応じて基板１０４に対するレンズ１０２の相対的な位置が変化するように、駆動装置を制御する。これにより、レンズ１０２の絶対的な位置を安定させて、手振れの影響を低減することができる。なお、基板１０４に対するレンズ１０２の相対的な位置は、手振れの態様に応じて、Ｘ方向及びＹ方向に変化する。

オートフォーカス機構は、例えば、イメージセンサ２００又はオートフォーカスセンサ等によって、被写体に焦点が合った状態を検出できるように構成されている。制御部は、被写体に焦点が合った状態になるように、駆動装置によって、基板１０４に対するレンズ１０２の相対的な位置をＺ方向に変化させる。これにより、自動的に被写体に対する焦点合わせを行うことができる。

光学式手振れ補正機構に関連する駆動装置の動作について説明する。
制御部によって第１コイル３１及び第２コイル３２に電流が印加されると、第１磁石２１及び第２磁石２２から発生される磁界と第１コイル３１及び第２コイル３２から発生される磁界との相互作用によって、第１磁石２１及び第２磁石２２が固定されている第１保持部材１０５は、Ｙ方向に移動する。その結果、レンズ１０２もＹ方向に移動する。また、制御部によって第３コイル３３及び第４コイル３４に電流が印加されると、第３磁石２３及び第４磁石２４から発生される磁界と第３コイル３３及び第４コイル３４から発生される磁界との相互作用によって、第３磁石２３及び第４磁石２４が固定されている第１保持部材１０５は、Ｘ方向に移動する。その結果、レンズ１０２もＸ方向に移動する。制御部は、２つの磁気センサ１０によって検出される第１磁石２１及び第４磁石２４の位置に対応する信号に基づいて、レンズ１０２の位置を検出する。

オートフォーカス機構に関連する駆動装置の動作について説明する。
基板１０４に対するレンズ１０２の相対的な位置をＺ方向に移動させる場合、制御部は、第１導体部３５１では＋Ｘ方向に電流が流れるように、第２導体部３５２では－Ｘ方向に電流が流れるように、第５コイル３５に電流を印加し、第１導体部３６１では－Ｘ方向に電流が流れるように、第２導体部３６２では＋Ｘ方向に電流が流れるように、第６コイル３６に電流を印加する。これらの電流と第１磁石２１、第２磁石２２、第５磁石２５及び第６磁石２６から発生される磁界とによって、第５コイル３５の第１導体部３５１及び第２導体部３５２と第６コイル３６の第１導体部３６１及び第２導体部３６２とに、Ｚ方向のローレンツ力が作用する。これにより、第５コイル３５及び第６コイル３６が固定されている第２保持部材１０６は、Ｚ方向に移動する。その結果、レンズ１０２もＺ方向に移動する。なお、基板１０４に対するレンズ１０２の相対的な位置を－Ｚ方向に移動させる場合には、制御部は、第５コイル３５及び第６コイル３６に、上述したＺ方向にレンズ１０２を移動させる場合と逆方向の電流を印加させればよい。

基板１０４に対するレンズ１０２の相対的な位置がＺ方向に変化すると、磁気センサ４２に対する磁石４１の相対的な位置もＺ方向に変化する。磁気センサ４２は、少なくとも磁石４１が発生する磁界を検出し、磁石４１の位置に対応する信号を生成する。制御部は、磁気センサ４２によって生成される信号に基づいて、レンズ１０２の位置を検出する。

続いて、本実施形態に係る磁気センサ装置の概略構成について説明する。
本実施形態に係る磁気センサ装置は、第１コイル３１の内側に配置されている磁気センサ１０と、磁界発生部としての第１磁石２１とを備える。また、本実施形態に係る磁気センサ装置は、第４コイル３４の内側に配置されている磁気センサ１０と、磁界発生部としての第４磁石２４とを備える。以下、第１コイル３１の内側に配置されている磁気センサ１０と第１磁石２１とを備える磁気センサ装置を例に挙げて説明するが、下記の説明は、第４コイル３４の内側に配置されている磁気センサ１０と第４磁石２４とを備える磁気センサ装置にも当て嵌まることは言うまでもない。

磁気センサ装置において、磁気センサ１０と、第１磁石２１とは、第１磁石２１が発生する磁界の一部である部分磁界が磁気センサ１０に印加され得るように構成されている。この部分磁界は、第１方向としてのＺ方向に平行な第１磁界成分Ｈ１と、第２方向としてのＹ方向に平行な第２磁界成分Ｈ２とを含む。本実施形態において、第１磁石２１の磁化方向ＨはＹ方向に平行であり、磁気センサ１０に印加され得る第２磁界成分Ｈ２の方向は－Ｙ方向に平行である（図６参照）。

上述したように、磁気センサ１０は、基板１０４に固定されており、第１磁石２１は、第１保持部材１０５に固定されている。基板１０４に対する第１保持部材１０５の位置がＹ方向に変化すると、磁気センサ１０に対する第１磁石２１の相対的な位置もＹ方向に変化する。磁気センサ１０からの出力は、Ｙ方向における、磁気センサ１０に対する第１磁石２１の相対的な位置に対応する。

磁気センサ１０と第１磁石２１とは、それらの相対的な位置がＹ方向に変化すると、第１磁界成分Ｈ１が変化するように構成されている。本実施形態においては、第１保持部材１０５がＹ方向に移動して、磁気センサ１０と第１磁石２１との相対的な位置が変化すると、第１磁界成分Ｈ１が変化する。

本実施形態における磁気センサ１０は、第１磁石２１から発生するＺ方向の磁界成分（第１磁界成分Ｈ１）が入力磁界として入力され、その第１磁界成分Ｈ１をＹ方向の磁界成分（第３磁界成分Ｈ３）に変換して出力する磁界変換部１１と、磁界変換部１１から出力される出力磁界としての第３磁界成分Ｈ３が印加され得る位置に設けられている磁界検出部１２と、第１磁石２１から発生するＹ方向の磁界成分（第２磁界成分Ｈ２）が外部磁界として磁界検出部１２に印加されるのを遮るための磁気シールド１３とを備える（図７～図１０参照）。

磁界変換部１１は、軟磁性体により構成される複数のヨーク１１１を含む。本実施形態において、磁界変換部１１が複数のヨーク１１１を含む態様を例に挙げているが、これに限定されるものではなく、磁界変換部１１は１つのヨーク１１１を含んでいてもよい。
複数のヨーク１１１は、第３方向としてのＸ方向の長さがＹ方向の長さよりも長い形状であって、例えばＺ方向に沿って見たときに長方形状を有している。複数のヨーク１１１は、Ｚ方向に沿って見たときに、それらの長手方向がＸ方向に平行となるように設けられていてもよく、Ｙ方向に沿って並ぶように設けられていてもよい。本実施形態において、複数のヨーク１１１の形状、長手方向の長さ及び短手方向の長さは、互いに同一であるが、これらのうちの少なくとも一つが異なっていてもよい。また、各ヨーク１１１は、Ｘ方向において連続しているが、Ｘ方向において複数に分割されていてもよい。なお、Ｚ方向に沿って見たときの各ヨーク１１１の形状としての長方形状は一例であって、この態様に限定されるものではない。例えば、Ｚ方向に沿って見たときの各ヨーク１１１の形状は、４つの角が８９～９１°の四角形であってもよいし、４つの角が丸められた長方形であってもよい。

磁界検出部１２は、第３磁界成分Ｈ３（図１５及び図１６参照）が印加されることで、第１磁界成分Ｈ１の変化に応じた信号を出力する。磁界検出部１２は、少なくとも１つの磁気抵抗効果素子１２０を含んでいればよい。本実施形態において、磁界検出部１２は、第１抵抗部Ｒ１、第２抵抗部Ｒ２、第３抵抗部Ｒ３及び第４抵抗部Ｒ４を含み、第１～第４抵抗部Ｒ１～Ｒ４のそれぞれが、少なくとも１つの磁気抵抗効果素子１２０を含んでいればよいが、第１～第４抵抗部Ｒ１～Ｒ４は、それぞれ、複数の磁気抵抗効果素子を直列に接続してなる素子列を含んでいてもよい。図８に示す例において、第１～第４抵抗部Ｒ１～Ｒ４のそれぞれに含まれる素子列は、直列に接続された１６個の磁気抵抗効果素子１２０を有する。

本実施形態における磁気抵抗効果素子１２０としては、例えば、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子等のＭＲ素子を用いることができる。磁気抵抗効果素子１２０は、順に積層された自由層１２１、非磁性層１２２、磁化固定層１２３及び反強磁性層１２４を含むＭＲ積層体１２５を有する（図１１参照）。反強磁性層１２４は、反強磁性材料により構成され、磁化固定層１２３との間で交換結合を生じさせることで、磁化固定層１２３の磁化の方向を固定する役割を果たす。また、磁化固定層１２３を、強磁性層／非磁性中間層／強磁性層の積層フェリ構造とし、両強磁性層を反強磁性的に結合させてなる、いわゆるセルフピン止め型の固定層（Synthetic Ferri Pinned層，ＳＦＰ層）とすることで、反強磁性層１２４が省略されていてもよい。

ＴＭＲ素子においては、非磁性層１２２はトンネルバリア層である。ＧＭＲ素子においては、非磁性層１２２は非磁性導電層である。ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子において、自由層１２１の磁化の方向が磁化固定層１２３の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が０°（互いの磁化方向が平行）のときに抵抗値が最小となり、１８０°（互いの磁化方向が反平行）のときに抵抗値が最大となる。

磁気抵抗効果素子１２０は、Ｚ方向に沿って見たときに略長方形状の複数のＭＲ積層体１２５が上部リード電極１２６及び下部リード電極１２７を介して直列に接続されてなるものであってもよい（図１２参照）。なお、図１２に示すＭＲ積層体１２５には、その積層方向（＋Ｚ方向、－Ｚ方向）に電流が流れるが、本実施形態における磁気抵抗効果素子１２０は、ＭＲ積層体１２５の面内方向（例えば＋Ｘ方向、－Ｘ方向）に電流が流れるＣＩＰ（Current In Plane）タイプの素子であってもよい。上部リード電極１２６及び下部リード電極１２７は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｔａ、Ｔｉ等のうちの１種の導電材料又は２種以上の導電材料の複合膜により構成される。なお、略長方形状とは、Ｚ方向に沿って見たときに、Ｘ方向における長さがＹ方向における長さよりも長い長方形状の他、Ｘ方向の長さがＹ方向における長さよりも長く、４つの角が８９～９１°の四角形状や、Ｘ方向における長さがＹ方向における長さよりも長く、４つの角が丸められた角丸四角形状等も含むことを意味する。本実施形態において、Ｚ方向に沿って見たときのＭＲ積層体１２５の形状は、略長方形状に限定されるものではなく、楕円形状、長円形状等であってもよい。

複数の下部リード電極１２７は、それぞれ細長い略長方形状を有しており、複数のＭＲ積層体１２５の電気的な直列方向において隣接する２つの下部リード電極１２７の間に所定の隙間を有するように設けられている。下部リード電極１２７の長手方向の両端近傍のそれぞれに、ＭＲ積層体１２５が設けられている。すなわち、複数の下部リード電極１２７上には、それぞれ、２つのＭＲ積層体１２５が設けられている。

複数の上部リード電極１２６は、複数のＭＲ積層体１２５上に設けられている。各上部リード電極１２６は、細長い略長方形状を有する。上部リード電極１２６は、複数のＭＲ積層体１２５の電気的な直列方向において隣接する２つの上部リード電極１２６の間に所定の隙間を有するように、かつ複数のＭＲ積層体１２５を直列に接続するように配置され、隣接する２つのＭＲ積層体１２５同士を電気的に接続する。なお、自由層１２１と下部リード電極１２７又は上部リード電極１２６との間にはキャップ層（保護層）が設けられていてもよい。

Ｚ方向に沿って見たときに、第１抵抗部Ｒ１に含まれる複数の磁気抵抗効果素子１２０及び第４抵抗部Ｒ４に含まれる複数の磁気抵抗効果素子１２０は、磁界変換部１１（ヨーク１１１）の－Ｙ側に配置されており、第２抵抗部Ｒ２に含まれる複数の磁気抵抗効果素子１２０及び第３抵抗部Ｒ３に含まれる複数の磁気抵抗効果素子１２０は、磁界変換部１１（ヨーク１１１）の＋Ｙ側に配置されている（図８参照）。複数の磁気抵抗効果素子１２０は、磁界変換部１１（ヨーク１１１）の短手方向の中心を通る軸線（磁界変換部１１（ヨーク１１１）の長手方向に延びる軸線）を中心とする線対称の位置に配置されている（図８参照）。なお、図８に示す態様に限定されず、少なくとも１つの磁界変換部１１（ヨーク１１１）の上記軸線と当該磁界変換部１１（ヨーク１１１）の＋Ｙ側に配置されている磁気抵抗効果素子１２０との間の長さ（Ｙ方向における長さ）と、その磁界変換部１１（ヨーク１１１）の上記軸線と当該磁界変換部１１（ヨーク１１１）の－Ｙ側に配置されている磁気抵抗効果素子１２０との間の長さ（Ｙ方向における長さ）とは、互いに実質的に同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。当該２つの長さが互いに実質的に同一であるとは、２つの長さの比が１：０．９５～１：１．０５程度であることを意味する。また、複数の磁気抵抗効果素子１２０は、少なくとも１つの磁界変換部１１（ヨーク１１１）の上記軸線を中心として線対称の位置に配置されていなくてもよい。

磁気シールド１３は、Ｚ方向に沿って見たときに、磁界変換部１１及び磁界検出部１２を間に挟むようにして位置する第１磁気シールド１３１及び第２磁気シールド１３２を含む（図７～図１０参照）。Ｚ方向に沿って見たときに、第１磁気シールド１３１は、磁界変換部１１及び磁界検出部１２よりも＋Ｚ方向（上方）に位置し、第２磁気シールド１３２は、磁界変換部１１及び磁界検出部１２よりも－Ｚ方向（下方）に位置する。第１磁気シールド１３１及び第２磁気シールド１３２は、Ｚ方向に沿って見たときに、いずれもＹ方向における最大長さがＸ方向における最大長さよりも短い形状を有していればよく、例えば、長方形状、４つの角の角度が８９～９１°の四角形状、４つの角が丸められた角丸長方形状、長方形の４つの角が面取りされた形状（八角形状）、楕円状を含む長円状、長方形の対向する２つの短辺を円弧状にした形状、台形、平行四辺形、菱形等の形状を有していればよい。なお、第１磁気シールド１３１及び第２磁気シールド１３２を含む磁気シールド１３が、例えば、４つの角の角度が８９～９１°の四角形状、台形、菱形等の四角形状を有する場合において、２組の対向する２辺のうちの少なくとも１組の対向する２辺が平行であってもよいし、２組の対向する２辺がいずれも非平行であってもよい。

磁気シールド１３は、例えば、軟磁性材料によって構成されていればよい。軟磁性材料としては、例えば、ＮｉＦｅ等が挙げられる。磁気シールド１３がＮｉＦｅにより構成される場合、磁気シールド１３の熱応力を低減するため、磁気シールド１３は、Ｎｉの割合が３５～６０質量％の組成のＮｉＦｅにより構成されるのが好ましい。このような組成のＮｉＦｅであれば、熱膨張係数を小さくすることができる。磁気シールド１３の磁気特性も考慮すると、磁気シールド１３は、Ｎｉの割合が４０～６０質量％の組成のＮｉＦｅにより構成されるのが好ましい。磁気シールド１３に求められる性能の一つとして、最大磁束吸収量が大きいことが挙げられる。磁気シールド１３の最大磁束吸収量は、磁気シールド１３の飽和磁化と厚み（Ｚ方向における寸法）との積に実質的に比例する。磁気シールド１３の性能を確保するために、磁気シールド１３の飽和磁化と厚みとの積、すなわち単位面積当たりの磁気モーメントは、０．６ｅｍｕ／ｃｍ^２以上であるのが好ましい。

なお、本実施形態において、磁気シールド１３は、Ｚ方向に沿って見たときに、磁界変換部１１及び磁界検出部１２の上方（＋Ｚ側）に位置する第１磁気シールド１３１と、磁界変換部１１及び磁界検出部１２の下方（－Ｚ側）に位置する第２磁気シールド１３２を含むが、磁気シールド１３の機能が奏される限りにおいて、第１磁気シールド１３１及び第２磁気シールド１３２のいずれか一方が省略されていてもよい。また、第１磁気シールド１３１及び第２磁気シールド１３２の少なくとも一方は、Ｙ方向において複数の磁気シールドが並列していてもよい。Ｙ方向において複数の磁気シールドが並列していることで、当該磁気シールドが飽和し難くなる。

本実施形態における磁界検出部１２の回路構成は、４つの抵抗部（第１～第４抵抗部Ｒ１～Ｒ４）をブリッジ接続してなるホイートストンブリッジ回路であればよい（図１３参照）。なお、当該磁界検出部１２の回路構成は、２つの抵抗部（例えば、第１抵抗部Ｒ１及び第２抵抗部Ｒ２）を直列に接続してなるハーフブリッジ回路であってもよい。

ホイートストンブリッジ回路は、電源ポートＶと、グランドポートＧと、第１出力ポートＥ１と、第２出力ポートＥ２と、電源ポートＶ及び第１出力ポートＥ１の間に設けられる第１抵抗部Ｒ１と、第１出力ポートＥ１及びグランドポートＧの間に設けられる第２抵抗部Ｒ２と、電源ポートＶ及び第２出力ポートＥ２の間に設けられる第３抵抗部Ｒ３と、第２出力ポートＥ２及びグランドポートＧの間に設けられる第４抵抗部Ｒ４とを含む。電源ポートＶには、定電流源が接続されることで所定の大きさの電源電圧（定電流）が印加され、グランドポートＧはグランドに接続される。

本実施形態において、すべてのＭＲ積層体１２５における磁化固定層１２３の磁化方向（図１４～図１６に示される実線の矢印）は、互いに同一の方向（＋Ｙ方向）に固定されている（図１４～図１６参照）。なお、すべてのＭＲ積層体１２５における磁化固定層の磁化方向が互いに略同一の方向に固定されていればよく、この場合において、各ＭＲ積層体１２５における磁化固定層１２３の磁化方向は、＋Ｙ方向に対して１０°以内の角度で傾斜していればよい。すべてのＭＲ積層体１２５は、Ｚ方向に沿って見たときに、Ｘ方向に長い形状を有しているため、各ＭＲ積層体１２５における自由層１２１は、磁化容易軸方向がＸ方向となる形状異方性を有している。そのため、イニシャル状態（第３磁界成分Ｈ３が印加されていない状態）におけるすべてのＭＲ積層体１２５における自由層１２１の磁化方向（図１４～図１６に示される破線の矢印）は、互いに同一であって、磁化固定層１２３の磁化方向に対する直交方向（＋Ｘ方向）である（図１４参照）。磁化固定層１２３及び自由層１２１の磁化方向が上記方向であることで、第３磁界成分Ｈ３に応じた第１～第４抵抗部Ｒ１～Ｒ４の抵抗値変化に伴い第１出力ポートＥ１及び第２出力ポートＥ２の電位差が変化し、その電位差の変化としての信号が出力される。

本実施形態に係る磁気センサ装置において、第１磁石２１から磁界が発生すると、当該磁界の一部である部分磁界のうちのＺ方向に平行な第１磁界成分Ｈ１が磁界変換部１１により第３磁界成分Ｈ３に変換されて出力される。磁界変換部１１から出力される第３磁界成分Ｈ３は、＋Ｙ方向の第３磁界成分Ｈ３と－Ｙ方向の第３磁界成分Ｈ３とを含む。第１抵抗部Ｒ１及び第４抵抗部Ｒ４に含まれる磁気抵抗効果素子１２０には、－Ｙ方向の第３磁界成分Ｈ３が印加され、それに応じて自由層１２１の磁化方向が変化する。一方、第２抵抗部Ｒ２及び第３抵抗部Ｒ３に含まれる磁気抵抗効果素子１２０には、＋Ｙ方向の第３磁界成分Ｈ３が印加され、それに応じて自由層１２１の磁化方向が変化する（図１５参照）。これにより、第１抵抗部Ｒ１及び第４抵抗部Ｒ４における自由層１２１と磁化固定層１２３の互いの磁化のなす角度θ１，θ４は、９０°を超える。一方、第２抵抗部Ｒ２及び第３抵抗部Ｒ３における自由層１２１と磁化固定層１２３の互いの磁化のなす角度θ２，θ３は９０°未満となる（図１５参照）。なお、図１５において、破線の矢印は第３磁界成分Ｈ３の印加により方向が変化した自由層１２１の磁化を表し、白抜き破線の矢印はイニシャル状態における自由層１２１の磁化方向を表している。

第１磁石２１から発生する磁界の一部である部分磁界には、Ｙ方向に平行な第２磁界成分Ｈ２が含まれる。この第２磁界成分Ｈ２のほとんどは、磁気シールド１３により吸収されるが、第２磁界成分Ｈ２のすべてが磁気シールド１３に吸収されるわけではなく、第２磁界成分Ｈ２の一部が磁気抵抗効果素子１２０に印加され、自由層１２１の磁化方向が変化してしまう（図１６参照）。なお、図１６において、破線の矢印は第３磁界成分Ｈ３の印加により方向が変化した自由層１２１の磁化を表し、白抜き破線の矢印はイニシャル状態における自由層１２１の磁化方向を表している。これにより、第１抵抗部Ｒ１、第２抵抗部Ｒ２、第３抵抗部Ｒ３及び第４抵抗部Ｒ４における自由層１２１と磁化固定層１２３の互いの磁化のなす角度θ１’，θ２’，θ３’，θ４’は、第２磁界成分Ｈ２が印加されないときに示すはずの角度θ１，θ２，θ３，θ４（図１５参照）よりも小さくなる。その結果、第１出力ポートＥ１及び第２出力ポートＥ２のそれぞれの出力が変動してしまうが、本実施形態においては、第１～第４抵抗部Ｒ１～Ｒ４に含まれるすべての磁気抵抗効果素子１２０の磁化固定層１２３の磁化が同一方向に固定され、かつすべての磁気抵抗効果素子１２０の自由層１２１のイニシャル状態における磁化が同一方向であるため、第２磁界成分Ｈ２の一部が磁気抵抗効果素子１２０に印加されたときに、第１出力ポートＥ１の出力の変動量と第２出力ポートＥ２の出力の変動量とが実質的に同一となる。第２磁界成分Ｈ２に起因して第１出力ポートＥ１の出力の変動量と第２出力ポートＥ２の出力の変動量とが異なると、磁気センサ装置からの出力がオフセットしてしまうおそれがあるが、本実施形態においては、磁気センサ装置からの出力のオフセットが生じるのを抑制することができる。また、本実施形態においては、イニシャル状態における自由層１２１の磁化方向が、第２磁界成分Ｈ２に直交しているため、磁気センサ装置の感度が低下するのを抑制することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

以下、実施例等を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、下記の実施例等に何ら限定されるものではない。

〔試験例１〕
図６～図１０に示す構成を有する磁気センサ１０（Sample 1）を用い、第１磁石２１と磁気センサ１０との距離を、所定の位置から＋Ｙ方向及び－Ｙ方向に変動させたときにおける磁気センサ１０の出力の変動を、シミュレーションにより求めた。同様にして、当該磁気センサ１０における磁気シールド１３（第１磁気シールド１３１及び第２磁気シールド１３２）を有しないもの（Sample 2）を用い、磁気センサ１０の出力の変動をシミュレーションにより求めた。結果を図１７に示す。なお、図１７において、グラフの横軸は、所定の位置からの＋Ｙ方向及び－Ｙ方向における変動距離（Ｄ）を表し、縦軸は、磁気センサ１０の出力（ＯＰ）を表している。横軸（Ｄ）におけるゼロは、上記所定の位置を表しており、縦軸（ＯＰ）は、第１磁石２１と磁気センサ１０との距離を変動させたときにおける磁気センサ１０の出力と、その所定の位置での磁気センサ１０の出力との差分を表している。また、Sample 1において、磁気センサ１０に印加される第２磁界成分Ｈ２の磁場強度を、第１磁石２１から発生する第２磁界成分Ｈ２の磁場強度の１０％とし、Sample 2において、磁気センサ１０に印加される第２磁界成分Ｈ２の磁場強度を、第１磁石２１から発生する第２磁界成分Ｈ２の磁場強度の１００％とした。さらに、Sample 1及びSample 2において、第１磁石２１から発生する第１磁界成分Ｈ１の磁場強度を２４．５ｍＴ（millitesla）とし、第３磁界成分Ｈ３の磁場強度を第１磁界成分Ｈ１の磁場強度の１５％とし、磁気センサ１０の感度を１００（ｍＶ／Ｖ／ｄｅｇ）とした。

図１７に示す結果から明らかなように、Sample 1の磁気センサ１０においては、Sample 2の磁気センサ１０よりも大きな出力を得ることができた。このことから、磁気センサ１０に第２磁界成分Ｈ２が印加されてしまうことで、磁気センサ１０の感度が低下する一方、Sample 1の磁気センサ１０のように、第２磁界成分Ｈ２を吸収可能な磁気シールド１３を有することで、磁気センサ１０の感度が低下するのを抑制可能であるということができる。一方で、Sample 2のように第２磁界成分Ｈ２に起因して磁気センサ１０の感度が低下してしまうと、磁気センサ１０の出力を大きく増幅する必要があるが、磁気センサ１０の出力を大きく増幅すると、磁気センサ１０の出力に含まれるノイズも大きくなってしまうという問題が生じ得る。

〔試験例２〕
上記Sample 1の磁気センサ１０において、第２磁界成分Ｈ２の磁界強度を増大させたときにおける磁気センサ１０の感度の変化率（％）をシミュレーションにより求めた。また、Sample 1の磁気センサ１０において、磁界変換部１１（ヨーク１１１）の長手方向をＸ方向からＹ方向に変更し、Ｚ方向に沿って見たときに磁界変換部１１（ヨーク１１１）の短手方向における両側（＋Ｘ側及び－Ｘ側）に磁界検出部１２（磁気抵抗効果素子１２０）を配置した磁気センサ（Sample 3）についても、同様にして磁気センサの感度の変化率（％）をシミュレーションにより求めた。なお、感度の変化率（％）は、第２磁界成分Ｈ２を印加していないとき（第２磁界成分Ｈ２の磁界強度が０ｍＴ（millitesla）のとき）の感度に対し、第２磁界成分Ｈ２の磁界強度を増大させたときの感度の差分の百分率として求められ得る。その結果、Sample 1においては、第２磁界成分Ｈ２の磁界強度が１０ｍＴであるときにおける感度の変化率が０．６％であった。一方、Sample 3においては、第２磁界成分Ｈ２の磁界強度が１０ｍＴであるときにおける感度の変化率が２．７％であった。このことから、本実施形態に係る磁気センサ１０によれば、第２磁界成分Ｈ２に起因した感度の低下をより抑制可能であることが確認された。

１０…磁気センサ
１１…磁界変換部
１１１…ヨーク
１２…磁界検出部
１２０…磁気抵抗効果素子
１３…磁気シールド
１３１…第１磁気シールド
１３２…第２磁気シールド

Claims (7)

1. 第１方向に沿って入力される入力磁界を受けて、前記第１方向に直交する第２方向に沿って出力磁界を出力する磁界変換部と、
   前記出力磁界が印加され得る位置に設けられている磁界検出部と、
   前記第２方向に沿った外部磁界を遮蔽する磁気シールドと
   を備え、
   前記第１方向に沿って見たときに、前記磁界変換部は、前記第１方向及び前記第２方向の双方に直交する第３方向における長さが前記第２方向における長さよりも長い形状を有し、
   前記第１方向に沿って見たときに、前記磁気シールドは、前記磁界変換部及び前記磁界検出部と重なる位置に設けられており、
   前記磁気シールドは、第１磁気シールドと第２磁気シールドとを含み、
   前記第１方向における前記第１磁気シールドと前記第２磁気シールドとの間に、前記磁界変換部及び前記磁界検出部が設けられていることを特徴とする磁気センサ装置。
2. 前記第１方向に沿って見たときに、前記磁気シールドは、前記第２方向における最大長さが前記第３方向における最大長さよりも短い形状を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ装置。
3. 複数の前記磁界変換部が、前記第２方向に沿って並列し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装置。
4. 複数の前記磁界検出部を備え、
   前記第１方向に沿って見たときに、前記複数の磁界検出部は、前記磁界変換部の短手方向の中心を通る軸線であって、前記磁界変換部の長手方向に沿った前記軸線を中心とする線対称の位置に設けられている請求項１～３のいずれかに記載の磁気センサ装置。
5. 前記磁界検出部は、磁気抵抗効果素子を含み、
   前記磁気抵抗効果素子は、前記第２方向に磁化が固定されている磁化固定層と、印加される前記出力磁界に応じて磁化方向が変化する磁化自由層とを有することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の磁気センサ装置。
6. 前記磁界検出部は、複数の前記磁気抵抗効果素子を含み、
   すべての前記磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層の磁化は、略同一方向に固定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装置。
7. 前記磁界検出部は、ＴＭＲ素子又はＧＭＲ素子を含むことを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の磁気センサ装置。

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