JP7064662B2 - 磁気センサー - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサーに関する。

導電性のある構造物や生体内部の機能を非破壊で測定する技術として、内部に流れる電流によって生じる僅かな磁場の強度分布を測定する方法が知られている。そのような測定方法には、微小な磁場を検出できる磁気センサーが用いられ、例えば、コイルを利用した磁気センサーや、磁性体を薄膜形成した磁気センサー（磁気抵抗素子）等が用いられる。

ここで、上記磁気抵抗素子を用いて三次元（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向）の磁場強度を測定する場合には、一般的には各測定軸に対して磁気抵抗素子が必要となる。また、３軸のうち１軸分の磁場強度を他の２軸の磁場強度から算出することも可能ではあるが、少なくとも２軸分の磁場強度を検出する磁気抵抗素子が必要となる。これら異なる軸方向の磁場強度を検出する磁気抵抗素子は物理的に離間させた状態で配置せざるを得ず、各磁気抵抗素子の検出結果に基づき特定の座標における三次元の磁場強度を取得することになる（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、測定試料が小さくなるほど、相対的に各磁気抵抗素子同士の位置の違いが顕著になるため、それらの位置ずれ、すなわち検出位置のずれが問題となる場合がある。このような問題に対しては、例えば、移動ステージ等を用いて各磁気抵抗素子を同一位置に順次移動させて測定することで、磁気抵抗素子同士の位置ずれを補正する方法が挙げられる（例えば、特許文献２参照）。

さらに、上記磁気抵抗素子を用いて測定試料の磁場分布を測定する場合には、例えば、平板状の基板上に、複数の磁気抵抗素子を基板に対してそれぞれ平行に配列させ、広域で磁場強度を検出する必要がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１７－２６３１２号公報 特許第５６２６６７８号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、磁気抵抗素子を移動させながら測定を行うため測定完了までに時間がかかり、しかも同一のタイミングにおける各成分の磁場強度を検出することができないため高精度な磁場情報を取得することができない。

また、上記従来の技術によれば、基板上に複数の磁気抵抗素子が平行に配列されるが、磁気抵抗素子はその面方向に一定の面積を有するため、基板の単位面積当たりの磁気抵抗素子の配置数には限度があり、高い空間分解能で磁場情報を取得することができない。

そこで、本発明は、各磁気抵抗素子による検出位置及び検出タイミングのずれを抑え、高精度かつ高空間分解能で測定を行うことができる磁気センサーを提供することを目的としている。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、磁気センサーであって、
第１の方向を検出軸とする平面型の第１の磁気抵抗素子と、前記第１の方向と異なる第２の方向を検出軸とする平面型の第２の磁気抵抗素子とが対向して配置される磁気抵抗素子ユニットが、前記第１の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子の平面に直交する方向に複数配列され、
測定試料に対向する面が、前記磁気抵抗素子ユニットの配列方向に平行な面である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気センサーにおいて、
前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子との間に絶縁層が設けられている。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁気センサーにおいて、
前記配列方向に隣り合う前記磁気抵抗素子ユニット同士が互いに接している。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサーにおいて、
前記磁気抵抗素子ユニットを構成する基板の一部と、隣接する前記磁気抵抗素子ユニットを構成する基板の一部とが、前記配列方向に直交する方向に重なり合って配置される。

請求項５に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサーにおいて、
基板の両面に前記第１の方向を検出軸とする第１の磁性薄膜と、前記第２の方向を検出軸とする第２の磁性薄膜とがそれぞれ設けられて、前記第１の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子が構成され、
複数の前記基板が、前記第１の磁性薄膜側の面と前記第２の磁性薄膜側の面とを対向させるように配列されて、複数の前記磁気抵抗素子ユニットが構成されている。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気センサーにおいて、
複数の前記磁気抵抗素子ユニットによる検出結果に基づき、前記配列方向の磁場強度を導出する演算部を備える。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気センサーにおいて、
外部の磁場強度を検出する外部磁気抵抗素子と、
前記外部磁気抵抗素子による検出結果に基づき、外部環境によるノイズ成分を特定する特定部と、を備える。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気センサーにおいて、
複数の前記磁気抵抗素子ユニットの周囲に分散して配置される複数の周辺磁気抵抗素子を備える。

本発明によれば、各磁気抵抗素子による検出位置及び検出タイミングのずれを抑え、高精度かつ高空間分解能で測定を行うことができる磁気センサーを提供することができる。

第１の実施形態の磁気センサーを示す概略構成図である。 磁気抵抗素子ユニットの概略構成を示す正面図である。 磁気抵抗素子ユニットの概略構成を示す分解斜視図である。 第１の磁気抵抗素子の積層構成を示す概略図である。 第１の実施形態の磁気センサーの概略構成を示す平面図である。 第２の実施形態の磁気センサーを示す概略構成図である。 第２の実施形態の磁気センサーの概略構成を示す平面図である。 第２の実施形態の磁気センサーの概略構成を示す側面図である。 第３の実施形態の磁気センサーを示す概略構成図である。 第４の実施形態の磁気センサーの概略構成を示す平面図である。 第５の実施形態の磁気センサーの概略構成を示す平面図である。

以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

《第１の実施形態》
図１～図４を参照して、第１の実施形態の磁気センサー１００について説明する。図１は、第１の実施形態の磁気センサー１００を示す概略構成図である。図２Ａ，２Ｂは、磁気抵抗素子ユニット１０の概略構成図であって、図２Ａは、磁気抵抗素子ユニット１０の面方向から見た正面図、図２Ｂは、磁気抵抗素子ユニット１０の分解斜視図である。図３は、第１の磁気抵抗素子１の積層構成を示す概略図である。図４は、磁気センサー１００及び測定試料６の概略構成を示す平面図である。なお、図１では、参照センサー１０４の図示を省略し、図４では、制御部１０２の図示を省略している。

図１に示すように、磁気センサー１００は、第１の方向を検出軸とする平面型の第１の磁気抵抗素子１と、第１の方向と異なる第２の方向を検出軸とする平面型の第２の磁気抵抗素子２とが対向して配置される磁気抵抗素子ユニット１０が、当該第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の平面に直交する方向に複数配列された積層体１０１と、測定試料６から離れた位置に設けられる参照センサー１０４と、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２による検出結果に基づき配列方向の磁場強度を導出し、参照センサー１０４による検出結果に基づき外部環境によるノイズ成分を特定する制御部１０２と、を備えている。また、磁気センサー１００において測定試料６に対向する面が、積層体１０１の配列方向に平行な面１０３である。

ここで、以下の説明において、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の面内の特定方向をＸ方向とし、当該面内のＸ方向に直交する方向をＹ方向、当該Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向（第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の配列方向）をＺ方向とする。

複数の磁気抵抗素子ユニット１０は、図１に示すように、配列方向に隣り合う磁気抵抗素子ユニット１０同士が互いに接するように配列されている。また、図２Ａ，２Ｂに示すように、磁気抵抗素子ユニット１０は、第１の磁気抵抗素子１、第２の磁気抵抗素子２、及びそれらの間に設けられる絶縁層３が積層されて構成されている。第１の磁気抵抗素子１は、シリコン基板１２、第１の磁性薄膜１４０、電極層１４等を有して構成され、第２の磁気抵抗素子２は、シリコン基板２２、第２の磁性薄膜２４０、電極層２４等を有して構成されている。第１及び第２の磁気抵抗素子１、２は、第１の磁性薄膜１４０側の面と、第２の磁性薄膜２４０側の面とを互いに対向させて配置されている。

第１の磁気抵抗素子１は、図３に示すように、磁化の向きが固定された固定磁性層１１０、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層１３０、及び固定磁性層１１０と自由磁性層１３０との間に配置された絶縁層１２０により、磁気トンネル接合を形成し、固定磁性層１１０の磁化の向きと自由磁性層１３０の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層１２０の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）である。

第１の磁気抵抗素子１は、例えば、シリコン基板（Ｓｉ、ＳｉＯ_２）１２上に、下地層（Ｔａ）１３が形成され、その上に固定磁性層１１０として、下から反強磁性層（ＩｒＭｎ）１１１、強磁性層（ＣｏＦｅ）１１２、磁気結合層（Ｒｕ）１１３、強磁性層（ＣｏＦｅＢ）１１４が積層され、絶縁層（ＭｇＯ）１２０を介して、その上に、自由磁性層１３０として、下から強磁性層（ＣｏＦｅＢ）１３１、軟磁性層（ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＳｉ）１３３が積層された積層構造を有する。これら下地層１３、固定磁性層１１０、絶縁層１２０及び自由磁性層１３０により第１の磁性薄膜１４０が構成される。なお、第１の磁気抵抗素子１の層構成及び各層の材料はこれらに限られるものではなく、公知のいずれの層構成及び材料であっても良く、例えば、強磁性層１３１と軟磁性層１３３との間に磁気結合層（Ｒｕ）が更に積層されていても良い。

このように構成される第１の磁気抵抗素子１は、検出磁場ゼロの状態においては、固定磁性層１１０の磁化の向きと自由磁性層１３０の磁化の向きとが略９０度のねじれの位置で安定している。これは、それぞれ磁化容易軸の方向に磁化しているからである。すなわち、第１の磁気抵抗素子１は、自由磁性層１３０の磁化容易軸の方向Ａ２が固定磁性層１１０の磁化容易軸の方向Ａ１に対して略９０度ねじれた位置に形成されたものである。

例えば、固定磁性層１１０の磁化の向きに対して反対方向の外部磁場が第１の磁気抵抗素子１に印加されると、自由磁性層１３０の磁化の向きが固定磁性層１１０の磁化の向きの逆方向側へスピンし、トンネル効果により絶縁層１２０の抵抗が増大する。一方、固定磁性層１１０の磁化の向きに対して同方向の外部磁場が第１の磁気抵抗素子１に印加されると、自由磁性層１３０の磁化の向きが固定磁性層１１０の磁化の向きと同方向側へスピンし、トンネル効果により絶縁層１２０の抵抗が減少する。このようにして外部から加わった磁場強度を抵抗値の変化量として電極層１４を介して電気的に読み出すことで、第１の磁気抵抗素子１により磁場強度を検出することができる。

第２の磁気抵抗素子２は、検出軸の方向が異なる以外は第１の磁気抵抗素子１と同様に構成されている。具体的には、図２Ａ，２Ｂに示すように、第１の磁気抵抗素子１は、固定磁性層１１０の磁化の向きがＸ方向であることにより、Ｘ方向を検出軸とするのに対し、第２の磁気抵抗素子２は、固定磁性層（図示略）の磁化の向きがＹ方向であることにより、Ｙ方向を検出軸としている。

これら第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の検出結果からベクトル成分を求めることで、磁気抵抗素子ユニット１０は、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の面方向に対して感度を持つ磁気センサーとして機能する。また、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２は、第１の磁性薄膜１４０側の面と第２の磁性薄膜２４０側の面とを対向させて配置されているため、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の磁場検出部分を近接させることができ、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の検出位置のずれを抑えることができる。これにより、磁気センサー１００は、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の各検出軸の磁場強度を同時に捉えることができ、高速かつ正確に二次元磁場情報を取得することができる。

絶縁層３は、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２との間に設けられ、絶縁材料（例えばＳｉＯ_２等）からなる絶縁性シートの両面に、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２とそれぞれ接着されるための接着剤層が設けられて構成されている。これにより、第１の磁気抵抗素子１の第１の磁性薄膜１４０側の面と第２の磁気抵抗素子２の第２の磁性薄膜２４０側の面との直接的な接触を防止するとともに、両者を接着して一体化することができる。また、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２とを数μｍオーダーで近接させることができるため、二成分の磁場強度を正確かつ高速に検出することができる。接着剤層としては、例えば、熱硬化性樹脂を用いて構成することができる。なお、絶縁層３は、絶縁性シートを備えず、絶縁性の接着剤層で構成されるものであっても良い。

参照センサー１０４は、測定試料６の外部環境における磁場強度を検出する外部磁気抵抗素子１０４ａ、１０４ｂが絶縁層（図示略）を介して対向配置されて構成されている。外部磁気抵抗素子１０４ａは第１の磁気抵抗素子１と同様に構成され、外部磁気抵抗素子１０４ｂは第２の磁気抵抗素子２と同様に構成されている。つまり、参照センサー１０４は、図４に示すように積層体１０１及び測定試料６からそれぞれ離れた位置に設けられる以外は、上記磁気抵抗素子ユニット１０と同様に構成されている。

制御部１０２は、各磁気抵抗素子ユニット１０により検出されるＸ方向及びＹ方向の磁場強度を取得し、取得された各磁場強度のユニット間の差分に基づき、配列方向（Ｚ方向）の磁場強度を算出することができる。これにより、磁気センサー１００は、測定試料６の三次元磁場情報を導出することができる。

また、制御部１０２は、参照センサー１０４を構成する外部磁気抵抗素子１０４ａ、１０４ｂによる検出結果に基づき、外部環境によるノイズ成分を特定する。具体的には、例えば、測定試料６の外部を発信源とする外部環境によるノイズ（環境ノイズ）が発生している場合、当該環境ノイズは全ての磁気抵抗素子ユニット１０及び参照センサー１０４でほぼ等しい位相と強度で検出されるため、制御部１０２は、これらの検出結果において共通する信号波形は環境ノイズであることを特定できる。したがって、制御部１０２が、各磁気抵抗素子ユニット１０で検出された磁場強度（測定試料６の磁場情報と環境ノイズとしての磁場情報が混在）から環境ノイズを差し引くことで、より高精度な磁場情報を得ることができる。
また、測定試料６に近い位置に環境ノイズの発信源が存在する場合、各磁気抵抗素子ユニット１０及び参照センサー１０４で検出される環境ノイズの強度は異なる。その場合は、制御部１０２は、多変量分析（例えば主成分分析等）を元に、各磁気抵抗素子ユニット１０及び参照センサー１０４の出力に重み付けを行い、環境ノイズ成分を特定し、測定結果から差し引くことで、より高精度な磁場情報を得ることができる。

ここで、環境ノイズの強度が大きいと、各磁気抵抗素子ユニット１０及び参照センサー１０４の出力信号を増幅アンプ（図示略）で増幅したときに信号が飽和してしまい、測定が行えなかったり精度が低下したりする場合がある。そこで、参照センサー１０４のダイナミックレンジを広く設定して（具体的には増幅アンプのゲインを小さくする）、強度の強い環境ノイズも測定範囲に収まるようにし、どの程度の環境ノイズが混在したかを把握できる構成にしておくことが好ましい。また、制御部１０２は、参照センサー１０４の検出結果に基づき、磁気抵抗素子ユニット１０の増幅アンプのゲインにフィードバックをかけ、適正な増幅率に再設定することが好ましい。

上記のように構成される磁気センサー１００を用いて測定試料６の磁場強度を検出する際には、磁気抵抗素子ユニット１０の配列方向に平行な面１０３を測定試料６に近接させて行う。これにより、それぞれ第１の磁性薄膜１４０側の面及び第２の磁性薄膜２４０側の面を測定試料６に対向させて第１及び第２の磁気抵抗素子１、２を配置するよりも、測定試料６に対して複数の第１及び第２の磁気抵抗素子１、２を密に配置することができる。よって、測定試料６から発生する磁場の分布を高空間分解能で同時に測定することができる。したがって、このような磁気センサー１００は、例えば、測定試料６が平面型の薄型リチウムイオン電池等である場合に、測定試料６内部に生じる金属異常物６１の検出に対して非常に有用である。

ここで、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の磁場検出部分の大きさは、面内方向の一辺の長さが例えば数十μｍ～数ｍｍの範囲内であることが一般的である。磁場検出部分の大きさは、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２のＳ／Ｎ比や空間分解能に影響を与える。
一方、測定試料６の大きさは、平板状である場合、例えば一辺の長さが数ｃｍ～数ｍの範囲内であることが一般的である。また、測定試料６の厚さは、数百μｍ～数ｃｍの範囲内が一般的である。また、測定試料６が、例えばラミネートタイプのリチウムイオンバッテリーである場合、一辺の長さが１０～３０ｃｍの範囲内であることが一般的である。また、測定試料６が、例えばアルミ板や炭素鋼板のテストサンプルである場合、一辺の長さが２０～１００ｃｍの範囲内であることが一般的であり、数ｍの場合もある。

第１の磁気抵抗素子１単体の空間分解能は、測定試料６中に存在する金属異常物６１に対する相対的な大きさに依存する。例えば、直径Φが１００μｍ程度の略球形状の金属異常物６１の大まかな位置を検知する場合、第１の磁気抵抗素子１の一辺の長さは、金属異常物６１の直径と同程度（約１００μｍ）から、金属異常物６１の直径の１００倍程度（約１０ｍｍ）までの範囲内に設定されていることが好ましい。また、例えば、直径Φが１００μｍ程度の金属異常物６１の位置を正確に検知する場合、第１の磁気抵抗素子１の一辺の長さは、金属異常物６１の直径と同程度（約１００μｍ）から、金属異常物６１の直径の１０倍程度（約１ｍｍ）までの範囲内に設定されていることが好ましい。なお、第２の磁気抵抗素子２についても同様である。

また、図４に示すように、磁気センサー１００を用いて測定する際に、積層体１０１及び測定試料６を相対移動させるものとしても良い。例えば、積層体１０１を図４に示す方向Ｂ１に所定距離ずつ走査させて、当該所定距離おきの測定位置における磁場強度をそれぞれ検出することで、測定試料６のＹ方向全域の磁場分布を取得することができる。この場合、各測定位置間の距離を短くすることで、Ｙ方向の空間分解能を向上させることができる。また、積層体１０１を方向Ｂ１に走査させて測定試料６のＹ方向全域を測定した後、図４に示す方向Ｂ２に所定距離走査させてから、再び方向Ｂ１に走査させつつ測定を行うことで、より広域の磁場分布を測定できるとともに、Ｚ方向の空間分解能をも向上させることができる。さらに、積層体１０１をＸ方向に所定距離走査させてから、再び方向Ｂ１及びＢ２に走査させつつ測定を行うことで、測定試料６の磁場分布をより詳細に測定することが可能となる。
なお、複数の磁気センサー１００を用いて測定を行うものとしても良いし、それらの複数の磁気センサー１００を測定試料に対してそれぞれ相対移動させるものとしても良い。また、磁気センサー１００の位置を固定し、測定試料６を移動させるものとしても良い。

以上、第１の実施形態によれば、磁気センサー１００が、第１の方向を検出軸とする平面型の第１の磁気抵抗素子１と、第１の方向と異なる第２の方向を検出軸とする平面型の第２の磁気抵抗素子２とが対向して配置される磁気抵抗素子ユニット１０が、第１の磁気抵抗素子１及び第２の磁気抵抗素子２の平面に直交する方向に複数配列され、測定試料６に対向する面が、磁気抵抗素子ユニット１０の配列方向に平行な面１０３であるので、測定試料に対して複数の磁気抵抗素子を密に配列させることができる。これにより、各磁気抵抗素子の検出位置のずれが抑えられ、かつこれら配列された各磁気抵抗素子により同時に磁場強度を検出することで検出タイミングのずれも抑えることができる。よって、高精度かつ高空間分解能で測定を行うことが可能となる。

また、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２との間に絶縁層３が設けられているので、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２とを数μｍオーダーで近接させることができ、磁場強度を正確かつ高速に検出することができる。

また、配列方向に隣り合う磁気抵抗素子ユニット１０同士が互いに接しているので、より高空間分解能で測定を行うことができる。

また、複数の磁気抵抗素子ユニット１０による検出結果に基づき、配列方向の磁場強度を導出する制御部１０２を備えるので、三次元磁場情報を取得することができる。

また、外部の磁場強度を検出する外部磁気抵抗素子１０４ａ、１０４ｂと、外部磁気抵抗素子１０４ａ、１０４ｂによる検出結果に基づき、外部環境によるノイズ成分を特定する制御部１０２と、を備えるので、複数の磁気抵抗素子ユニット１０により検出された磁場強度からノイズ成分を除去することができ、より高精度な磁場情報を得ることができる。

なお、上記した第１の実施形態では、磁気抵抗素子ユニット１０が、第１の磁気抵抗素子１の第１の磁性薄膜１４０側の面と、第２の磁気抵抗素子２の第２の磁性薄膜２４０側の面とを対向させて構成されているものとしたが、これに限られるものではない。すなわち、磁気抵抗素子ユニットが、第１の磁気抵抗素子１の第１の磁性薄膜１４０と反対側の面と、第２の磁気抵抗素子２の第２の磁性薄膜２４０側の面とを対向させて構成されているものとしても良い。この場合には、第１の磁気抵抗素子１の第１の磁性薄膜１４０側の面と第２の磁気抵抗素子２の第２の磁性薄膜２４０側の面とが同一方向を向くように配列されて積層体が構成される。

また、上記した第１の実施形態では、配列方向に隣り合う磁気抵抗素子ユニット１０同士が互いに接しているものとしたが、これに限られるものではなく、隣り合う磁気抵抗素子ユニット１０同士が互いに接しておらず、隙間を介して配列されているものとしても良い。この場合、より高空間分解能で測定を行う観点から、当該隙間はより小さいことが好ましい。

また、上記した第１の実施形態では、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２がトンネル磁気抵抗素子であるものとしたが、平面型のものであればこれに限られるものではなく、例えば、異方向性磁気抵抗素子（ＡＭＲ（Anisotropic Magneto Resistive effect）素子）や、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）素子）等であっても良い。

また、上記した第１の実施形態では、第１の磁気抵抗素子１がＸ方向を検出軸とし、第２の磁気抵抗素子２がＹ方向を検出軸としている、すなわち、第１の磁気抵抗素子１の検出軸の方向と第２の磁気抵抗素子２の検出軸の方向が、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の面方向において９０度ねじれているものとしたが、これに限られるものではない。例えば、第１の磁気抵抗素子１がＹ方向を検出軸とし、第２の磁気抵抗素子２がＸ方向を検出軸としていても良いし、第１の磁気抵抗素子１の検出軸の方向と第２の磁気抵抗素子２の検出軸の方向とがなす角度が９０度未満であっても良い。

また、上記した第１の実施形態では、対向配置される第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２との間に絶縁層３が設けられているものとしたが、絶縁層３が設けられていなくても良い。この場合には、第１の磁気抵抗素子１と第２の磁気抵抗素子２とが互いに接触しないように、隙間を設けた状態で固定されていることが好ましい。また、各磁気抵抗素子の検出位置のずれを抑える観点から、当該隙間はより小さいほど好ましい。

また、上記した第１の実施形態では、積層体１０１が、複数の磁気抵抗素子ユニット１０がＺ方向に配列されて構成されているものとしたが、同じ向きの磁気抵抗素子ユニットが更に配列方向に直交する方向（Ｙ方向）にも配列されて、面１０３が当該方向に大きくなるように構成されているものとしても良い。この場合、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２の面方向の大きさをより小さく形成することで、配列方向に直交する方向（Ｙ方向）の空間分解能を更に高めることができる。

また、上記した第１の実施形態では、参照センサー１０４が磁気抵抗素子ユニット１０と同様に構成されているものとしたが、これに限られるものではない。例えば、各磁気抵抗素子ユニット１０及び参照センサー１０４により、環境ノイズの特徴量を抽出することができれば良いため、外部磁気抵抗素子１０４ａ、１０４ｂのうちいずれか一方のみで構成されているものとしても良いし、外部磁気抵抗素子１０４ａ、１０４ｂはそれぞれ第１及び第２の磁気抵抗素子１、２と異なる構成であっても良い。

また、上記した第１の実施形態では、環境ノイズの除去を行う目的で参照センサー１０４が設けられているものとしたが、これに限られるものではなく、例えば、以下の場合には参照センサー１０４が設けられていなくても良い。
例えば、測定試料６の磁場強度が微小で、環境ノイズが測定の阻害要素である場合、積層体１０１を円筒形状や箱型形状の磁気シールド（図示略）で覆うことで、積層体１０１により検出される環境ノイズの強度を低減させるものとしても良い。当該磁気シールドとしては、例えば、透磁率の高いＮｉＦｅやＣｏＦｅＳｉＢ等の鉄混合系を含有する板状又はシート状部材が組み合わされて構成される。
また、例えば、測定試料６に電流を印加可能であれば、環境ノイズとは異なる周波数帯で測定試料６に電流を印加し、その電流によって発生した磁場を測定することで、環境ノイズと測定試料６の磁場強度とを周波数によって区別することができる。例えば、環境ノイズとして良く挙げられる商用電源の周波数は５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、及びそれらの倍数であり、例えば７０Ｈｚはそれらの周波数帯とは重ならないため、測定試料６に７０Ｈｚの電流を印加することが挙げられる。
また、例えば、環境ノイズが常に一定である場合、あらかじめリファレンスとして測定試料６を設置しない状態で磁気センサー１００により測定を行った後、測定試料６を設置した状態で測定を行い、その測定結果からリファレンス分を差し引くことで環境ノイズを除去することができる。

《第２の実施形態》
本発明の磁気センサーの第２の実施形態について図５及び図６Ａ，６Ｂを参照して以下説明する。以下に説明する以外の構成は上記第１の実施形態の磁気センサー１００と略同様であるため、同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図５は、第２の実施形態の磁気センサー２００を示す概略構成図である。図６Ａ，６Ｂは、磁気センサー２００を示す概略構成図であって、図６Ａは、磁気センサー２００をＸ方向から見た平面図、図６Ｂは、磁気センサー２００をＺ方向から見た側面図である。なお、図５及び図６Ａ，６Ｂでは、制御部１０２及び参照センサー１０４の図示を省略している。

第２の実施形態に係る磁気センサー２００においては、磁気抵抗素子ユニット１０Ａ～１０Ｅが配列されて積層体２０１が構成され、磁気抵抗素子ユニット１０Ａ～１０Ｅを構成するシリコン基板１２ｂ～１２ｅ、２２ａ～２２ｄの一部と、隣接する磁気抵抗素子ユニット１０Ａ～１０Ｅを構成するシリコン基板１２ｂ～１２ｅ、２２ａ～２２ｄの一部とが、磁気抵抗素子ユニット１０Ａ～１０Ｅの配列方向に直交する方向（ＸＹ方向）に重なり合って配置されている。また、磁気センサー２００において測定試料６に対向する面が、磁気抵抗素子ユニット１０Ａ～１０Ｅの配列方向に平行な面２０３である。

第１の磁気抵抗素子１ａ～１ｅ及び第２の磁気抵抗素子２ａ～２ｅは、それぞれ面方向に直交する方向から見て長方形状に形成されている以外は、上記第１の実施形態に係る第１及び第２の磁気抵抗素子１、２と同様に構成されている。

第１の磁気抵抗素子１ａ～１ｅは、面方向における長手方向がＸ方向に沿うように配置されている。また、第１の磁気抵抗素子１ｂ、１ｃは、Ｙ方向に並んで、それらの面方向が互いに平行になるように配置されている。したがって、第１の磁気抵抗素子１ｂ、１ｃは、Ｚ方向において同一の位置に設けられているが、第１の磁性薄膜１４０ｂ、１４０ｃを互いに反対側に向けて配置されている。同様に、第１の磁気抵抗素子１ｄ、１ｅは、Ｙ方向に並んで、それらの面方向が互いに平行になるように配置されている。したがって、第１の磁気抵抗素子１ｄ、１ｅは、Ｚ方向において同一の位置に設けられているが、第１の磁性薄膜１４０ｄ、１４０ｅを互いに反対側に向けて配置されている。

第２の磁気抵抗素子２ａ～２ｅは、面方向における長手方向がＹ方向に沿うように配置されている。また、第２の磁気抵抗素子２ａ、２ｂは、Ｘ方向に並んで、それらの面方向が互いに平行になるように配置されている。したがって、第２の磁気抵抗素子２ａ、２ｂは、Ｚ方向において同一の位置に設けられているが、第２の磁性薄膜２４０ａ、２４０ｂを互いに反対側に向けて配置されている。同様に、第２の磁気抵抗素子２ｃ、２ｄは、Ｘ方向に並んで、それらの面方向が互いに平行になるように配置されている。したがって、第２の磁気抵抗素子２ｃ、２ｄは、Ｚ方向において同一の位置に設けられているが、第２の磁性薄膜２４０ｃ、２４０ｄを互いに反対側に向けて配置されている。

そして、これら第１及び第２の磁気抵抗素子１ａ～１ｅ、２ａ～２ｅは、絶縁層３ａ～３ｅを介してＺ方向に配列されている。具体的には、図５及び図６Ａ，６Ｂに示すように、Ｚ方向において、第１の磁気抵抗素子１ａ／絶縁層３ａ／第２の磁気抵抗素子２ａ、２ｂ／絶縁層３ｂ／第１の磁気抵抗素子１ｂ、１ｃ／絶縁層３ｃ／第２の磁気抵抗素子２ｃ、２ｄ／絶縁層３ｄ／第１の磁気抵抗素子１ｄ、１ｅ／絶縁層３ｅ／第２の磁気抵抗素子２ｅの順に配置されている。これにより、第１の磁気抵抗素子１ａ、絶縁層３ａ及び第２の磁気抵抗素子２ａにより磁気抵抗素子ユニット１０Ａが構成され、第２の磁気抵抗素子２ｂ、絶縁層３ｂ及び第１の磁気抵抗素子１ｂにより磁気抵抗素子ユニット１０Ｂが構成され、第１の磁気抵抗素子１ｃ、絶縁層３ｃ及び第２の磁気抵抗素子２ｃにより磁気抵抗素子ユニット１０Ｃが構成され、第２の磁気抵抗素子２ｄ、絶縁層３ｄ及び第１の磁気抵抗素子１ｄにより磁気抵抗素子ユニット１０Ｄが構成され、第１の磁気抵抗素子１ｅ、絶縁層３ｅ及び第２の磁気抵抗素子２ｅにより磁気抵抗素子ユニット１０Ｅが構成されている。

以上、第２の実施形態によれば、磁気センサー２００が、磁気抵抗素子ユニット１０Ａ～１０Ｅを構成するシリコン基板１２ｂ～１２ｅ、２２ａ～２２ｄの一部と、隣接する磁気抵抗素子ユニット１０Ａ～１０Ｅを構成するシリコン基板１２ｂ～１２ｅ、２２ａ～２２ｄの一部とが、配列方向に直交する方向に重なり合って配置されるので、測定試料に対して複数の磁気抵抗素子をより密に配列させることができる。これにより、各磁気抵抗素子の検出位置のずれが抑えられ、かつこれら配列された各磁気抵抗素子により同時に磁場強度を検出することで検出タイミングのずれも抑えることができる。よって、より高精度かつより高空間分解能で測定を行うことが可能となる。

なお、上記した第２の実施形態では、積層体２０１が、五つの磁気抵抗素子ユニット１０Ａ～１０Ｅが配列されて構成されているものとしたが、これに限られるものではなく、配列される磁気抵抗素子ユニットの数は２～４であっても良いし、６以上であっても良い。

《第３の実施形態》
本発明の磁気センサーの第３の実施形態について図７を参照して以下説明する。以下に説明する以外の構成は上記第１の実施形態の磁気センサー１００と略同様であるため、同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図７は、第３の実施形態の磁気センサー３００を示す概略構成図である。なお、図７では、制御部１０２及び参照センサー１０４の図示を省略している。

第３の実施形態に係る磁気センサー３００においては、シリコン基板１２の両面に第１の方向（Ｘ方向）を検出軸とする第１の磁性薄膜１４０と、第２の方向（Ｘ方向）を検出軸とする第２の磁性薄膜２４０とがそれぞれ設けられて、一体となった第１及び第２の磁気抵抗素子３０１、３０２が構成されている。また、そのように構成されるシリコン基板１２が、第１の磁性薄膜１４０側の面と第２の磁性薄膜２４０側の面とを対向させて複数配列されて、複数の磁気抵抗素子ユニット３１０が構成されている。また、隣り合うシリコン基板１２同士の間には絶縁層３が設けられ、これにより複数のシリコン基板１２が一体となって積層体３２０が構成されている。また、磁気センサー３００において測定試料６に対向する面が、積層体３２０の配列方向に平行な面３０３である。また、シリコン基板１２には、第１及び第２の磁性薄膜１４０、２４０により検出される磁場強度を外部に取り出すための電極層１４、２４が設けられている。

以上、第３の実施形態によれば、磁気センサー３００が、シリコン基板１２の両面に第１の方向を検出軸とする第１の磁性薄膜１４０と、第２の方向を検出軸とする第２の磁性薄膜２４０とがそれぞれ設けられて、第１の磁気抵抗素子３０１及び第２の磁気抵抗素子３０２が構成され、複数のシリコン基板１２が、第１の磁性薄膜１４０側の面と第２の磁性薄膜２４０側の面とを対向させるように配列されて、複数の磁気抵抗素子ユニット３１０が構成されているので、測定試料に対して複数の磁気抵抗素子をより密に配列させることができる。これにより、各磁気抵抗素子の検出位置のずれが抑えられ、かつこれら配列された各磁気抵抗素子により同時に磁場強度を検出することで検出タイミングのずれも抑えることができる。よって、より高精度かつより高空間分解能で測定を行うことが可能となる。

《第４の実施形態》
本発明の磁気センサーの第４の実施形態について図８を参照して以下説明する。以下に説明する以外の構成は上記第１の実施形態の磁気センサー１００と略同様であるため、同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図８は、第４の実施形態の磁気センサー４００及び測定試料６の概略構成を示す平面図である。なお、図８では、制御部１０２の図示を省略している。

第４の実施形態に係る磁気センサー４００は、磁気抵抗素子ユニット１０が配列されて構成される積層体４０１、参照センサー１０４、積層体４０１の周囲に分散して配置される複数のユニット４０５等を備えて構成される。積層体４０１は、Ｚ方向に複数配列された磁気抵抗素子ユニット１０が、互いに接するようにＹ方向に２列設けられて構成されている。

ユニット４０５は、周辺磁気抵抗素子４０５ａ、４０５ｂが絶縁層（図示略）を介して対向配置して構成され、周辺磁気抵抗素子４０５ａ、４０５ｂは上記第１及び第２の磁気抵抗素子１、２とそれぞれ同様に構成されている。したがって、ユニット４０５は、磁気抵抗素子ユニット１０と同様に構成されている。

複数のユニット４０５は、図８に示すように、Ｘ方向から見て積層体４０１の周囲に、測定試料６の積層体４０１に対向する面の全体及びその周辺に亘って分散されて配置されている。また、複数のユニット４０５は、Ｘ方向から見て縦横に５～２０個ずつ配置されていることが費用対効果の点で好ましい。例えば、ユニット４０５を縦横に５個ずつ配置すると計２５箇所の信号出力が得られ、ユニット４０５を縦横に２０個ずつ配置すると計４００箇所の信号出力が得られる。また、ユニット４０５同士の間の間隔は、磁場分布の検出精度に影響するが、密に配置するよりも、ある程度粗に配置する方が費用対効果が高い。例えば、測定試料６が２０ｃｍ角である場合、当該測定試料６の測定面内にユニット４０５を縦横に２０個ずつ等間隔に配置すると、各ユニット４０５同士の間の距離は約１ｃｍ程度になる。このように配置されて構成される場合には、直径Φが１００μｍ程度の球形状の金属異常物６１であれば、おおよその位置を特定することができる。

また、複数のユニット４０５は、積層体４０１を構成する磁気抵抗素子ユニット１０と同一の向き、すなわちユニット４０５の面方向がＸＹ平面に対して平行となる向きで配置されている。
これら複数のユニット４０５はそれぞれ個別に移動可能に構成され、測定試料６のサイズに応じて、ユニット４０５同士の間の距離や積層体４０１との間の距離、測定試料６との間の距離等がいずれも調整可能となっている。

磁気センサー４００を用いて測定を行う際には、ユニット４０５の測定試料６に対向する面が、積層体４０１の測定試料６に対向する面と面一になるように配置させた上で、それらを測定試料６に近接させた状態で行う。このようにして積層体４０１及びユニット４０５により測定試料６全体の大まかな磁場分布情報を取得した後、測定試料６の中でより詳細な測定を行うべき部分を特定し、当該部分に対向させるように積層体４０１を移動させ、再度測定を行うことができる。これにより、測定試料６の内部欠陥の位置を容易に特定し、かつ当該内部欠陥の詳細な磁場情報を取得することができる。

また、ユニット４０５を、参照センサー１０４と同様の目的で用いることも可能である。すなわち、ユニット４０５は個別に移動可能に構成されているため、ユニット４０５を所定位置に移動させた上で磁場強度を検出し、その検出結果に基づいて外部環境によるノイズ成分を特定するものとしても良い。

以上、第４の実施形態によれば、複数の磁気抵抗素子ユニット１０からなる積層体４０１の周囲に分散して配置される複数の周辺磁気抵抗素子４０５ａ、４０５ｂを備えるので、測定試料６の内部欠陥の位置を容易に特定することができ、かつ当該内部欠陥の詳細な磁場情報を取得することができる。

なお、上記した第４の実施形態では、ユニット４０５が磁気抵抗素子ユニット１０と同様に構成されているものとしたが、これに限られるものではない。例えば、ユニット４０５が、磁気抵抗素子ユニット１０と異なるサイズ及び形状であるものとしても良い。したがって、周辺磁気抵抗素子４０５ａ、４０５ｂが、第１及び第２の磁気抵抗素子１、２と異なる構成であっても良い。

また、上記した第４の実施形態では、ユニット４０５を構成する周辺磁気抵抗素子４０５ａ、４０５がそれぞれ、Ｘ方向及びＹ方向を検出軸とするものとしたが、これに限られるものではない。例えば、Ｚ方向を検出軸とする周辺磁気抵抗素子が更に設けられているものとしても良い。

《第５の実施形態》
本発明の磁気センサーの第５の実施形態について図９を参照して以下説明する。以下に説明する以外の構成は上記第４の実施形態の磁気センサー４００と略同様であるため、同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図９は、第５の実施形態の磁気センサー５００及び測定試料６の概略構成を示す平面図である。なお、図９では、制御部１０２の図示を省略している。
第５の実施形態に係る磁気センサー５００においては、参照センサー５０４、及び積層体４０１の周囲に分散して配置される複数のユニット５０５の面方向がそれぞれ、積層体４０１を構成する磁気抵抗素子ユニット１０と異なる向き、すなわちＹＺ平面に対して平行となる向きで配置されている。参照センサー５０４及びユニット５０５は、配置される向きが異なる以外は上記した参照センサー１０４及びユニット４０５と同様に構成されている。また、参照センサー５０４は、参照センサー５０４の両面のうちいずれの面をＸ方向側に向けて配置されていても良い。また、ユニット５０５は、ユニット５０５の両面のうちいずれの面をＸ方向側に向けて配置されていても良いが、複数のユニット５０５で互いに共通していることが好ましい。

以上、第５の実施形態によれば、複数の磁気抵抗素子ユニット１０からなる積層体４０１の周囲に分散して配置される複数のユニット５０５を備えるので、測定試料６の内部欠陥の位置を容易に特定することができ、かつ当該内部欠陥の詳細な磁場情報を取得することができる。

本発明は、磁気センサーに利用することができる。

１、１ａ～１ｅ、３０１ 第１の磁気抵抗素子
２、２ａ～２ｅ、３０２ 第２の磁気抵抗素子
３、３ａ～３ｅ 絶縁層
１０、１０Ａ～１０Ｅ 磁気抵抗素子ユニット
１２、１２ａ～１２ｅ、２２ａ～２２ｅ シリコン基板（基板）
１００、２００、３００、４００、５００ 磁気センサー
１０２ 制御部（演算部、特定部）
１０３、２０３、３０３ 面
１０４ａ、１０４ｂ 外部磁気抵抗素子
１４０、１４０ａ～１４０ｅ 第１の磁性薄膜
２４０、２４０ａ～２４０ｅ 第２の磁性薄膜
３１０ 磁気抵抗素子ユニット
４０５ａ、４０５ｂ 周辺磁気抵抗素子

Claims (8)

1. 第１の方向を検出軸とする平面型の第１の磁気抵抗素子と、前記第１の方向と異なる第２の方向を検出軸とする平面型の第２の磁気抵抗素子とが対向して配置される磁気抵抗素子ユニットが、前記第１の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子の平面に直交する方向に複数配列され、
   測定試料に対向する面が、前記磁気抵抗素子ユニットの配列方向に平行な面である磁気センサー。
2. 前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子との間に絶縁層が設けられている請求項１に記載の磁気センサー。
3. 前記配列方向に隣り合う前記磁気抵抗素子ユニット同士が互いに接している請求項１又は２に記載の磁気センサー。
4. 前記磁気抵抗素子ユニットを構成する基板の一部と、隣接する前記磁気抵抗素子ユニットを構成する基板の一部とが、前記配列方向に直交する方向に重なり合って配置される請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサー。
5. 基板の両面に前記第１の方向を検出軸とする第１の磁性薄膜と、前記第２の方向を検出軸とする第２の磁性薄膜とがそれぞれ設けられて、前記第１の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子が構成され、
   複数の前記基板が、前記第１の磁性薄膜側の面と前記第２の磁性薄膜側の面とを対向させるように配列されて、複数の前記磁気抵抗素子ユニットが構成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサー。
6. 複数の前記磁気抵抗素子ユニットによる検出結果に基づき、前記配列方向の磁場強度を導出する演算部を備える請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気センサー。
7. 外部の磁場強度を検出する外部磁気抵抗素子と、
   前記外部磁気抵抗素子による検出結果に基づき、外部環境によるノイズ成分を特定する特定部と、を備える請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気センサー。
8. 複数の前記磁気抵抗素子ユニットの周囲に分散して配置される複数の周辺磁気抵抗素子を備える請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気センサー。

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