JP7244157B1

JP7244157B1 - 磁気センサおよび磁気検出方法

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Publication number: JP7244157B1
Application number: JP2022524242A
Authority: JP
Inventors: 敦塚▲崎▼; 宏平藤原; 純一塩貝
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2022-02-18
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2023-03-22
Anticipated expiration: 2042-02-18
Also published as: WO2023157264A1; JPWO2023157264A1

Abstract

【課題】より小型化を図ることができ、消費電力を低減可能な磁気センサおよび磁気検出方法を提供する。
【解決手段】電流印加手段１４が、磁性体１１に周波数ωの交流電流を流すよう設けられている。検出部１５が、電流印加手段１４で電流を流したとき、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化から、磁性体１１の異常ホール効果による抵抗値を求め、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化から、磁性体１１の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値を求めるよう構成されている。解析手段が、求められた各抵抗値に基づいて、３次元の磁場を検出可能に構成されている。
【選択図】図２

Description

特許法第３０条第２項適用・刊行物：２０２１年第６８回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集発行日：２０２１年（令和３年）２月２６日

特許法第３０条第２項適用・集会名：２０２１年第６８回応用物理学会春季学術講演会開催日：２０２１年（令和３年）３月１６日～１９日

特許法第３０条第２項適用・刊行物：２０２１年第８２回応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集発行日：２０２１年（令和３年）８月２６日

特許法第３０条第２項適用・集会名：２０２１年第８２回応用物理学会秋季学術講演会開催日：２０２１年（令和３年）９月２１日～２３日

特許法第３０条第２項適用・刊行物：２０２１ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｅｖｉｃｅｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ（ＳＳＤＭ２０２１）のＴｈｅＥｘｔｅｎｄｅｄＡｂｓｔｒａｃｔｓ発行日：２０２１年（令和３年）９月６日

特許法第３０条第２項適用・集会名：２０２１ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｅｖｉｃｅｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ（ＳＳＤＭ２０２１）開催日：２０２１年（令和３年）９月６日～９日

特許法第３０条第２項適用・刊行物：公益財団法人住友電工グループ社会貢献基金２０１９年度助成対象研究・研究者成果報告書発行日：２０２１年（令和３年）９月２７日

特許法第３０条第２項適用・ウェブサイトのアドレス：ＤＯＩ：１０．１０３８／ｓ４３２４６－０２１－００２０６－２ウェブサイトの掲載日：２０２１年（令和３年）１０月４日

特許法第３０条第２項適用・ウェブサイトのアドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｔｏｈｏｋｕ．ａｃ．ｊｐ／ｊａｐａｎｅｓｅ／２０２１／１０／ｐｒｅｓｓ２０２１１００５－０１－ｖｅｃｔｏｒ．ｈｔｍｌウェブサイトの掲載日：２０２１年（令和３年）１０月５日

特許法第３０条第２項適用・刊行物：Ｔｈｅ４ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｆｏｒＴｈｅＣｏｒｅＲｅｓｅａｒｃｈＣｌｕｓｔｅｒｆｏｒＳｐｉｎｔｒｏｎｉｃｓＰｒｏｇｒａｍａｎｄＡｂｓｔｒａｃｔｓ発行日：２０２１年（令和３年）２月２２日

特許法第３０条第２項適用・集会名：Ｔｈｅ４ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｆｏｒＴｈｅＣｏｒｅＲｅｓｅａｒｃｈＣｌｕｓｔｅｒｆｏｒＳｐｉｎｔｒｏｎｉｃｓ開催日：２０２１年（令和３年）９月６日～９日

特許法第３０条第２項適用・ウェブサイトのアドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ｐｒ／ａｎｎｏｕｎｃｅ／２０２１１００４／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌウェブサイトの掲載日：２０２１年（令和３年）１０月４日

本発明は、磁気センサおよび磁気検出方法に関する。

磁場の方向を電気的な信号に変換して検出する磁気センサは、磁気メモリの読み出し、電子コンパス、自動操縦のための移動体の位置や速度の検出、機械駆動部の位置や回転の検出、電流から生じる磁場の検出による消費電力のモニターなど、様々な用途に使用されている。特に近年では、IoT（モノのインターネット）化を推進するために、磁場の方向を検出できる３次元磁気センサの重要性が高まっており、３次元磁気センサのさらなる小型化や低消費電力化が求められている。

従来、磁気センサとして、ホール効果を利用したホール素子や、磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子が広く用いられており、例えば３つの磁気センサを３次元空間のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に配置するなど、複数の素子を立体的に配置することにより、３次元での磁場の検出が行われている（例えば、特許文献１または２参照）。

なお、本発明者等により、強磁性体であるFe-Snナノ結晶薄膜が、半導体磁気センサに発現する正常ホール効果に匹敵する大きな異常ホール効果（ＡＨＥ：Anomalous Hall effect）を示し、ホール素子に応用可能であることが明らかにされている（例えば、非特許文献１乃至３参照）。また、磁性体に電流を流したとき、外部磁場によって電気抵抗が変化する現象として、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ：Anisotropic Magnetoresistance）効果および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ：Unidirectional Magnetoresistance）効果が知られている。

特開２０１６－１７８３０号公報特開２０１７－２６３１２号公報

Y. Satake et al., "Fe-Sn nanocrystalline films for flexible magnetic sensors with high thermal stability", Sci. Rep.,2019, 9, 3282 J. Shiogai et al., "Low-frequency noise measurements on Fe-Sn Hall sensors", Appl. Phys. Express, 2019, Vol.12, Number 12, 123001 K. Fujiwara et al., "Doping-induced enhancement of anomalous Hall coefficient in Fe-Sn nanocrystalline films for highly sensitive Hall sensors", APL Mater., 2019, Vol. 7, 111103

特許文献１および２に記載のような従来の磁気センサでは、磁場の１方向（例えば、Ｘ、Ｙ、またはＺ成分）を決定することができる。しかしながら、３方向の磁場ベクトルを検出するためには、複数の素子を立体的に配置する必要があり、小型化には限界があるという課題があった。また、使用する素子の数だけ電力が消費されるため、低消費電力化にも限界があるという課題もあった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、より小型化を図ることができ、消費電力を低減可能な磁気センサおよび磁気検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る磁気センサは、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、及び一方向性磁気抵抗効果が生じる磁性体と、前記磁性体に周波数ωの交流電流を流すよう設けられた電流印加手段と、前記電流印加手段で前記交流電流を流したとき、前記磁性体の異常ホール効果による抵抗値と、前記磁性体の異方性磁気抵抗効果による抵抗値と、前記磁性体の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値とを測定する検出部と、前記検出部で測定された前記異常ホール効果による抵抗値と、前記異方性磁気抵抗効果による抵抗値と、各抵抗値又は前記一方向性磁気抵抗効果による抵抗値又はその正負の符号との組み合わせに基づいて、３次元磁場を検出する解析手段とを、有し、前記磁性体は、前記電流印加手段で前記交流電流を流したとき、前記交流電流が所定の方向に流れる第１区間と、前記所定の方向に対して９０°、１８０°、２７０°、および３６０°以外の角度で前記交流電流が流れるように接続された第２区間とを有し、前記検出部は、前記異常ホール効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化から求め、前記異方性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記第１区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化と、前記第２区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化とからそれぞれ求め、前記一方向性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化から求めるよう構成されていることを特徴とする。

本発明に係る磁気検出方法は、交流電流が所定の方向に流れる第１区間と、前記所定の方向に対して９０°、１８０°、２７０°、および３６０°以外の角度で前記交流電流が流れるように接続された第２区間とを有し、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、及び一方向性磁気抵抗効果が生じる磁性体に、周波数ωの前記交流電流を流し、前記磁性体の異常ホール効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化から求め、前記磁性体の異方性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記第１区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化と、前記第２区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化とからそれぞれ求め、前記磁性体の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化から求め、前記磁性体の異常ホール効果による抵抗値と、前記磁性体の異方性磁気抵抗効果による抵抗値と、前記磁性体の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値又はその正負の符号との組み合わせに基づいて、３次元磁場を検出することを特徴とする。

本発明に係る磁気検出方法は、本発明に係る磁気センサにより好適に実施することができる。本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法は、磁性体に発現する異常ホール効果、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果を利用して、以下の原理で３方向の磁場を検出することができる。すなわち、図１に示すように、Ｘ－Ｙ面内に磁性体の薄膜を配置したとき、３次元の磁場Ｈの方向を検出するためには、Ｘ－Ｙ面に対して垂直なＺ軸に対して磁場ベクトルが成す角度である天頂角θ_Ｈと、Ｘ－Ｙ面での磁場ベクトルの方向を示す方位角φ_Ｈとを、それぞれ独立に決定する必要がある。

ここで、Ｘ－Ｙ面内の磁性体に電流を流したときに生じる異常ホール効果により、磁性体のホール抵抗が磁場のＺ軸成分に比例する出力を示すため、磁場Ｈの天頂角θ_Ｈを一意に決定することができる。また、それと同時に、外部磁場のＸ－Ｙ面内成分によって電気抵抗が変化する異方性磁気抵抗効果は、磁場の方位角に対して180度周期を有し、また、磁性体の縦抵抗（電流の方向の抵抗）である一方向性磁気抵抗効果が、磁場の方位角に対して360度周期を有するため、異方性磁気抵抗効果による抵抗値と、一方向性磁気抵抗効果による抵抗値又はその正負の符号とを組み合わせることにより、方位角φ_Ｈを一意に決定することができる。なお、必要に応じて磁場の大きさを求めてもよく、磁場Ｈの大きさは、例えば、異常ホール効果や異方性磁気抵抗効果の大きさから求めることができる。

このように、本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法は、１つの磁性体を使用して、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、および一方向性磁気抵抗効果による抵抗値又はその正負の符号に基づいて、３次元磁場を検出することができる。このため、複数のセンサ、又は、複数の素子を立体的、或いは、広いスペースに配置する従来の磁場センサと比べて、より小型化、低コスト化を図ることができる。また、素子の数が少ないため、消費電力を低減することもできる。

本発明に係る磁気センサは、各抵抗値を求めるために、例えば、前記電流印加手段で前記磁性体に周波数ωの交流電流を流したとき、前記検出部が、前記異常ホール効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化から求め、前記異方性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化から求め、前記一方向性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化から求めるよう構成されていることが好ましい。

本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法は、磁場Ｈの正確な方位角φ_Ｈを求めるため、異方性磁気抵抗効果による抵抗値が、異なる磁場角度に対して、複数得られるよう構成されていることが好ましい。

この場合、例えば、前記磁性体は、前記電流印加手段で前記交流電流を流したとき、前記交流電流が所定の方向に流れる第１区間と、前記所定の方向に対して所定の角度で前記交流電流が流れる第２区間とを有し、前記検出部は、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化として、前記第１区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化と、前記第２区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化とを用いるよう構成されていることが好ましい。これにより、磁場の方位角に対して180度周期を有する異方性磁気抵抗効果の抵抗値として、第１区間および第２区間での２つの抵抗値を求め、これらを一方向性磁気抵抗効果による抵抗値又はその正負と組み合わせることにより、方位角φ_Ｈをほぼ一意に、また、正確に決定することができる。ただし、前記所定の角度が、９０°、１８０°、２７０°、または３６０°のときには、方位角φ_Ｈを一意に決定するのが困難であるため、前記所定の角度は、これら以外の角度であることが好ましい。

また、本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法の変形例として、一方向性磁気抵抗効果が十分に大きく、一方向性磁気抵抗効果による信号の確度が高い場合には、第１区間および第２区間での一方向性磁気抵抗の抵抗値を求め、比較することで、方位角φ_Ｈをほぼ一意に、また、正確に決定することもできる。また、この場合、第１区間および第２区間での異方性磁気抵抗効果を測定することで、磁場の大きさを求めることもできる。

本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法で、使用可能な磁性体は、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、及び一方向性磁気抵抗効果が生じるものであることが好ましく、具体的には、Fe-Snナノ結晶、Co₂MnGa、Co₂MnAl、Fe₃Sn₂結晶、Fe₃Sn結晶、Co₃Sn₂S₂、CrまたはVをドープした(Bi,Sb)₂Te₃、GaMnAsなどの強磁性体が挙げられる。このうち、Fe-Snナノ結晶、Co₂MnGa、Co₂MnAl、Fe₃Sn₂結晶、Fe₃Sn結晶は、室温で使用できるため特に好ましい。また、磁性体の厚みは、2 nm～100 nmであることが好ましい。

本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法は、前記磁性体を支持する基板と、前記磁性体の劣化防止用のキャップ層とを有し、前記磁性体は薄膜から成り、前記基板と前記キャップ層との間に挟まれて配置されていることが好ましい。この場合、磁性体の膜厚効果により、一方向性磁気抵抗効果の発現強度が大きくなるため、磁気センサの感度を高めることができる。また、磁性体の面内方向に沿って電流量を増加させることにより、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、および一方向性磁気抵抗効果の発現強度を大きくし、また、ＳＮ比を向上させることができる。また、磁性体が薄膜から成る平面型の単一素子により３次元の磁場を求めることができ、さらに小型化を図ることができる。

なお、この場合、基板は、その表面に磁性体を形成可能なものであれば、いかなるものから成っていてもよく、例えば、SiO_x（1≦x≦2；酸化ケイ素）、Al₂O₃（サファイア）、MgO、Mg Al₂O₄などから成っていてもよい。また、基板は、フレキシブル基板であってもよい。キャップ層は、磁性体の劣化を防止可能なものであれば、いかなるものから成っていてもよいが、特に、SiO_x（1≦x≦2）、HfO_x（1≦x≦2）、AlO_x（1≦x≦1.5）, SiN_x（1≦x≦1.33）など、電気を流さない絶縁体や、大気中で高い安定性を有するものから成っていることが好ましい。

本発明によれば、より小型化を図ることができ、消費電力を低減可能な磁気センサおよび磁気検出方法を提供することができる。

本発明に係る磁気センサおよび磁気検出方法の、３次元の磁場Ｈの検出原理を説明するための、磁場ベクトルと天頂角θ_Ｈおよび方位角φ_Ｈとの関係を示す斜視図である。本発明の実施の形態の磁気センサの、（ａ）全体構成を示す概略の斜視図、（ｂ）磁性体を含む素子の斜視図である。本発明の実施の形態の磁気センサを示す、キャップ層を透過した平面図である。本発明の実施の形態の磁気センサおよび磁気検出方法の、（ａ）外部磁場の天頂角θ_Ｈと、異常ホール効果（ＡＨＥ）による抵抗値（Ｒ_Ｈ ^ω）との関係、（ｂ）外部磁場の方位角φ_Ｈと、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ_１ ^ω）との関係、（ｃ）外部磁場の方位角φ_Ｈと、一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ_１ ^２ω）との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態の磁気センサおよび磁気検出方法の、磁性体の第１区間と第２区間との成す角度が（ａ）４５度、（ｂ）６０度、（ｃ）１０５度のときの、天頂角θ_Ｈまたは方位角φ_Ｈと、異常ホール効果（ＡＨＥ）による抵抗値（Ｒ_Ｈ ^ω）、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ_１ ^ω）、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ_２ ^ω）、および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ_１ ^２ω）の符号との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態の磁気検出方法の、３次元磁場検出アルゴリズムのフローチャートの一例である。本発明の実施の形態の磁気センサおよび磁気検出方法の、外部磁場を検出する実験での、（ａ）変化させた外部磁場の天頂角θ_Ｈおよび方位角φ_Ｈ、（ｂ）検出した天頂角θ_Ｈおよび方位角φ_Ｈを示すグラフである。本発明の実施の形態の磁気センサの（ａ）磁性体を含む素子の変形例を示す、キャップ層を透過した平面図、（ｂ）磁場を検出する実験での、（ａ）に印加する磁場を示す平面図、（ｃ）（ａ）の第１区間（Sample A）の拡大平面図、（ｄ）（ａ）の第２区間（Sample B）の拡大平面図である。図８に示す磁気センサの、磁場を検出する実験での、（ａ）第２区間（Sample B）での、外部磁場の方位角φ_Ｈと、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ_B ^ω）との関係、（ｂ）第１区間（Sample A）での、外部磁場の方位角φ_Ｈと、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ_A ^ω）との関係、（ｃ）第１区間（Sample A）での、外部磁場の方位角φ_Ｈと、一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ_A ^２ω）との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態の磁気センサの、異なる素子構造での、一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値の振幅Ｒ^UMRと素子抵抗Ｒ_０との比（Ｒ^UMR／Ｒ_０）を示すグラフである。本発明の実施の形態の磁気センサの、磁性体の厚みｔと、一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値の振幅Ｒ^UMRと素子抵抗Ｒ_０との比（Ｒ^UMR／Ｒ_０）との関係を示すグラフ、（挿入図）磁性体の厚みｔと、素子抵抗の逆数（１／Ｒ_０）との関係を示すグラフである。

以下、図面および実施例等に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図２乃至図１１は、本発明の実施の形態の磁気センサおよび磁気検出方法を示している。
図２に示すように、磁気センサ１０は、磁性体１１と基板１２とキャップ層１３と電流印加手段１４と検出部１５と解析手段（図示せず）とを有している。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すキャップ層１３の下の積層体構造の断面を示し、磁性体１１、基板１２、キャップ層１３から成る。磁性体１１は、薄膜から成り、薄膜作製法により基板１２の表面に形成されて、基板１２に支持されている。キャップ層１３は、磁性体１１を酸化等の劣化から防ぐよう、基板１２とは反対側の磁性体１１の表面を覆うよう設けられている。すなわち、磁性体１１は、基板１２とキャップ層１３との間に挟まれて配置されている。なお、薄膜作製法としては、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等の気相法、メッキ法、ゾル・ゲル法等の液相法などが挙げられる。

図２（ｂ）に示す具体的な一例では、磁性体１１はFe-Snナノ結晶の薄膜（厚み 4 nm）から成る。基板１２は、サファイア（Al₂O₃）基板（厚み0.33 mm）から成る。キャップ層１３は、SiO_x（酸化ケイ素；厚み15 nm）から成る。なお、磁性体１１は、Fe-Snナノ結晶に限らず、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、一方向性磁気抵抗効果が生じる強磁性体であれば、いかなるものから成っていてもよい。具体的には、Co₂MnGa、Co₂MnAl、Fe₃Sn₂結晶、Fe₃Sn結晶、Co₃Sn₂S₂、CrまたはVドープした(Bi,Sb)₂Te₃、GaMnAsなどが挙げられる。また、磁性体１１の厚みは、2 nm～100 nmであることが好ましい。基板１２は、その表面に磁性体１１を形成可能なものであれば、サファイア（Al₂O₃）基板に限らず、SiO_x（1≦x≦2）、MgO、MgAl₂O₄など、いかなるものから成っていてもよい。また、基板１２は、フレキシブル基板等の可撓性材料から成っていてもよい。キャップ層１３は、磁性体１１の劣化を防止可能なものであれば、SiO_xに限らず、HfO_x（1≦x≦2）など、いかなるものから成っていてもよく、特に、電気を流さない絶縁体や、大気中で高い安定性を有するものから成っていることが好ましい。

図２（ａ）に示すように、図２（ｂ）に示す積層体構造を形成する磁性体１１は、基板１２の表面に細長く形成されており、両端の間に電気的な接続手段を用いて、電流印加手段１４と接続され、電流が流れるよう構成されている。磁性体１１は、一端から他端に向かって、それぞれ伸張方向が異なる直線状の複数の区間を有している。磁性体１１は、直線状の区間が複数接続された構造を有しており、図２（ａ）に示す具体的な一例では、３つの直線状の区間が接続された構造であり、これらの区間を、一端から他端に向かって、第１の区間、第２の区間、第３の区間とすると、第２の区間の伸張方向に対して、第１の区間および第３の区間がそれぞれ異なる角度で接続されている。なお、磁性体１１の直線状の区間の数は、２つであってもよく、４つ以上であってもよい。

前述のように、電流印加手段１４は、磁性体１１の一端と他端とに接続され、磁性体１１に電流を流すよう設けられている。図２（ａ）に示す具体的な一例では、電流印加手段１４は、磁性体１１に周波数ωの交流電流を流すよう設けられている。

検出部１５は、電圧測定手段１５ａを有している。図２（ａ）に示すように、電圧測定手段１５ａは、電流印加手段１４で磁性体１１に電流を流したとき、磁性体１１のいずれかの区間での、電流の流れる方向（磁性体１１の各区間が構成する、各直線状の形状に沿った方向）に対して垂直方向での電圧と、磁性体１１のいずれか複数の区間での、電流の流れる方向に対して平行方向での電圧とを測定するよう構成されている。図２（ａ）に示す具体的な一例では、電圧測定手段１５ａは、電流印加手段１４で磁性体１１に周波数ωの交流電流を流したとき、第２の区間での、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ_Ｈ）と、第１の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ_１）と、第２の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ_２）と、第３の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化（Ｖ_３）とを測定するよう構成されている。なお、図２（ａ）の第３の区間での測定は、第１の区間又は第２の区間のいずれかで測定してもよい。交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化が測定できる箇所であればどこでもよく、小型化の観点から、ＡＭＲ効果を測定する部位と共通部位で測定するのが好ましい。その場合、第３の区間は不要になる。

解析手段は、コンピュータ等から成り、電流印加手段１４および電圧測定手段１５ａに接続されている。解析手段は、電流印加手段１４で流した電流と、電圧測定手段１５ａで測定された各電圧変化とに基づいて、各電圧変化に対応する抵抗値をそれぞれ求め、求められた各抵抗値に基づいて３次元の磁場を求めるよう構成されている。

図２（ａ）および（ｂ）に示す具体的な一例では、磁性体１１に外部磁場が作用したとき、解析手段で求められた抵抗値のうち、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ_Ｈ）から求められた抵抗値が、磁性体１１の異常ホール効果による抵抗値であり、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ_１およびＶ_２）から求められた抵抗値が、磁性体１１の異方性磁気抵抗効果による抵抗値であり、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化（Ｖ_３）から求められた抵抗値が、磁性体１１の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値である。

本発明の実施の形態の磁気検出方法は、磁気センサ１０により好適に実施することができる。本発明の実施の形態の磁気検出方法は、電流印加手段１４により、磁性体１１に周波数ωの交流電流を流し、検出部１５により、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化と、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化と、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化とを測定し、測定された各電圧変化に基づいて、３次元の磁場を検出する。

図２（ａ）に示す具体的な一例では、第２の区間での、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ_Ｈ）と、第１の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ_１）と、第２の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ_２）と、第３の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化（Ｖ_３）とを測定し、解析手段により、電流印加手段１４で流した電流と、電圧測定手段１５ａで測定された各電圧変化とに基づいて、第１の区間、第２の区間では、各電圧変化に対応する抵抗値、及び、第３の区間では、抵抗値又は、抵抗値の正負の符号をそれぞれ求め、求められた各値に基づいて３次元の磁場を求める。

なお、検出部１５は、電圧測定手段１５ａの代わりに、電流印加手段１４で交流電流を流したときの各電圧変化に対応する抵抗値を測定する抵抗測定手段としてもよい。このとき、解析手段は、抵抗測定手段で測定した各抵抗値、第３の区間では抵抗値又は、抵抗値の正負の符号に基づいて３次元の磁場を求めるよう構成されている。

３次元の磁場を求める方法を、実際に製造された２つの区間からなる、図３に示す磁気センサ１０を用いて、より具体的に説明する。図３に示す磁気センサ１０は、磁性体１１が直線状の２つの区間を有しており、一端側の第１区間２１の伸張方向に対して、第２区間２２が所定の角度で接続されている。図３の例では、第１区間２１が、図２（ａ）での第２の区間と、第３の区間の機能を合わせたものであり、第２区間２２が、図２（ａ）での第１の区間の機能を備えたものである。そのため、図３に示す磁気センサ１０は、抵抗測定手段１５ｂにより、第１区間２１での、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化に対応する抵抗値（Ｒ_Ｈ ^ω）と、第１区間２１での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化に対応する抵抗値（Ｒ_１ ^ω）と、第２区間２２での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化に対応する抵抗値（Ｒ_２ ^ω）と、第１区間２１での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化に対応する抵抗値（Ｒ_１ ^２ω）とを測定するよう構成されている。なお、図３に示す磁気センサ１０は、第１区間２１と第２区間２２との成す角度を４５度に形成しているが、４５度に限ったものではなく、９０度、１８０度、２７０度、３６０度以外であれば、どのような角度でもよい。なお、図３に示す回路のうち、電流印加手段１４、検出部１５に接続されていない端子は、設けなくても特に問題ない。

磁場を測定する前に、磁性体１１に作用する外部磁場の方向と、磁性体１１に発現する異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果および一方向性磁気抵抗効果による抵抗値の変化との関係を、あらかじめ求めておく。ここで、磁性体１１の表面に対して垂直なＺ軸と外部磁場の磁場ベクトルとの成す角度を天頂角θ_Ｈ（０°≦θ_Ｈ≦１８０°）、磁性体１１の表面に平行な面での、外部磁場の磁場ベクトルの角度を方位角φ_Ｈ（０°≦φ_Ｈ≦３６０°）とすると、異常ホール効果の抵抗値の変化は、Ｒ_０cosθ_Ｈとなる。また、異方性磁気抵抗効果の抵抗値の変化は、Ｒ_０cos２φ_Ｈとなり、１８０度周期となる。また、一方向性磁気抵抗効果の抵抗値の変化は、Ｒ_０sinφ_Ｈとなり、３６０度周期となる。ここで、Ｒ_０は、各抵抗値の振幅である。

磁性体１１（この例では、Fe-Snナノ結晶を用いた。）に流す交流電流を、Ｉ＝２^１／２Ｉ_ａｃcos(ωt)、電流密度を、ｊ＝8.75×10⁵ Acm^-2とし、外部磁場の磁束密度を、μ_０Ｈ＝１（Ｔ）としたときの、外部磁場の天頂角θ_Ｈと、異常ホール効果（ＡＨＥ）による抵抗値（Ｒ_Ｈ ^ω）との関係を測定し、図４（ａ）に示す。

図４（ａ）に示すように、外部磁場の天頂角θ_Ｈと、異常ホール効果（ＡＨＥ）による抵抗値（Ｒ_Ｈ ^ω）との関係は、天頂角０°≦θ_Ｈ≦１８０°に対し、０度で抵抗値（Ｒ_Ｈ ^ω）が最大値をとり、９０度（外部磁場に対して垂直）で０Ω、１８０度で最小値となる単調減少の関数となる。磁性体１１にFe-Sn系を用いた場合は、磁化が薄膜面内を向きやすい性質（面内磁気異方性）をもっているため、磁場が１Ｔの場合は、異常ホール効果の抵抗値の変化は、磁場方向に完全に追随しない。その結果、図４（ａ）のような単調減少的な関数になる（なお、磁場が９Ｔなどの強磁場では、cosθ_Ｈの関数に完全に追随する）。なお、天頂角－１８０°≦θ_Ｈ≦０°では、抵抗値（Ｒ_Ｈ ^ω）が、０度の最大値から、－９０度で０Ω、－１８０度では最小値となり、同様の単調減少の関数となる。このように、異常ホール効果の抵抗値の変化は、磁場に完全に追随する、追随しないのどちらであっても、０度を最大値にして、±９０度で０Ω、±１８０度で最小値の単調減少関数になる。このため、天頂角０°≦θ_Ｈ≦１８０°又は天頂角－１８０°≦θ_Ｈ≦０°のどちらか一方を測定するだけで、天頂角方向の角度を求めることができる。

図４（ａ）と同様の条件で、外部磁場の方位角φ_Ｈと、第１区間２１でのＡＭＲ効果による抵抗値（Ｒ_１ ^ω）および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ_１ ^２ω）との関係を測定し、それぞれ図４（ｂ）および（ｃ）に示す。

図４（ｂ）に示すように、ＡＭＲ効果による抵抗値（Ｒ_１ ^ω）は１８０度周期の関数となる。なお、外部磁場の方位角φ_Ｈと、ＡＭＲ効果による第２区間２２での抵抗値（Ｒ_２ ^ω）との関係は、図示していないが、図４（ｂ）と同様の波形で、方位角φ_Ｈが第１区間２１と第２区間２２との成す角度分ずれた関係となる。抵抗値（Ｒ_１ ^ω）は、９０度、１８０度、２７０度、または、３６０度においては、変化値が小さいことから、抵抗値（Ｒ_１ ^ω）一つだけでは精度が悪い。そのため、第１区間２１と第２区間２２との成す角を、９０度、１８０度、２７０度、または、３６０度以外でずらした、第２区間２２の抵抗値（Ｒ_２ ^ω）を用いることで、より精度を高めることができる。当該角度は、±４５度又は±１３５度ずれた形で配置すると、それぞれ、cos2θ、sin2θに比例した値が得られるので、望ましいが、当該角度に限られたものではなく、９０度、１８０度、２７０度、または、３６０度以外で得られたものであればどの角度であってもよい。

図４（ｂ）に示すように、ＡＭＲ効果による抵抗値は、１８０度周期であるため、極性（象限）判別ができないという問題がある。従来、この対処として、別の異なるセンサ等を設けるなどして判別をおこなっていたが、本発明では、別のセンサを用いることなく、極性判別が行えないか検討した結果、図４（ｃ）に示す３６０度周期のＵＭＲ効果による抵抗値（Ｒ_１ ^２ω）を用いることに想到した。

図４に示す関係について、第１区間２１と第２区間２２との成す角度が４５度、６０度、１０５度のときの、天頂角θ_Ｈまたは方位角φ_Ｈと各抵抗値の極性符号との関係をまとめ、それぞれ図５（ａ）～（ｃ）に示す。図４（ｂ）および図５（ａ）～（ｃ）に示すように、方位角φ_ＨとＡＭＲによる抵抗値との関係が１８０度周期であるため、第１区間２１および第２区間２２のＡＭＲによる抵抗の測定値だけでは、方位角φ_Ｈを２つにしか絞ることができず、方位角φ_Ｈを一意に求めることが困難である。そこで、図５（ａ）～（ｃ）に示すように、ＵＭＲ効果による抵抗値を求めることにより、極性の判別ができることで、方位角φ_Ｈを一意に求めることができる。

なお、図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、ＵＭＲによる抵抗値は、ＡＭＲによる抵抗値と比べて非常に小さく、測定精度がやや劣るため、ＵＭＲによる抵抗値と組み合わせる際には、ＵＭＲによる抵抗値の符号にのみ着目してもよい。

実際の測定では、検出部１５の抵抗測定手段１５ｂで測定された抵抗値Ｒ_Ｈ ^ωを、図４（ａ）に示す関係にあてはめることにより、天頂角θ_Ｈを一意に求めることができる。また、測定された抵抗値Ｒ_１ ^ωおよびＲ_２ ^ωを、図４（ｂ）および、図４（ｂ）から方位角φ_Ｈが第１区間２１と第２区間２２との成す角度分ずれた関係にあてはめることにより、方位角φ_Ｈを１８０度ずれた２つの角度に絞ることができる。測定された抵抗値Ｒ_１ ^２ωを、図４（ｃ）に示す関係にあてはめて、その符号に着目することにより、１８０度ずれた２つの方位角φ_Ｈを１つに絞ることができ、方位角φ_Ｈを一意に求めることができる。

また、本発明の実施の形態の磁気センサ１０は、必要に応じて、磁場Ｈの大きさを測定してもよい。磁場の大きさは、予め、既知の磁場に磁気センサをおいて、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果に関連する値を測定し、その時に得られた測定値と磁場との関係式を導いておくことで、実際の環境で測定を行った際の値と関係式とを比較することにより、容易に磁場の大きさを求めることができる。本発明は、ＡＭＲ素子を用いていることから、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果:Giant Magneto Resistive effect）素子、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果: Tunnel Magneto Resistance Effect）素子のような強磁場で磁気破壊モードがなく、磁場を測定する上でも好適である。

［本発明の３次元磁場検出アルゴリズム］
図６に、本発明の実施の形態のＡＨＥによる抵抗値（Ｒ_Ｈ ^ω）、ＡＭＲ効果による抵抗値（Ｒ_１ ^ω）、抵抗値（Ｒ_２ ^ω）、ＵＭＲ効果による抵抗値（Ｒ_１ ^２ω）を用いた、磁気センサの３次元磁場検出アルゴリズムの一例を示す。

［ステップ１０１．ＡＨＥによる抵抗値（Ｒ_Ｈ ^ω）の検出］
本発明の実施の形態の磁気センサ１０を測定環境に置き、電流印加手段１４により、磁性体１１に周波数ωの交流電流を流し、交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ_Ｈ）を測定し、対応する抵抗値（Ｒ_Ｈ ^ω）を測定する。

［ステップ１０２．天頂角θ_Ｈの決定］
得られた抵抗値（Ｒ_Ｈ ^ω）について、解析手段を用いて演算を行い、予め求めておいた磁性体１１に作用する外部磁場の方向と、磁性体１１に発現する異常ホール効果との関係から、天頂角θ_Ｈを求める。（角度成分の範囲は、０度≦θ_Ｈ≦１８０度）

［ステップ１０３．ＡＭＲ効果による抵抗値（Ｒ_１ ^ω）、抵抗値（Ｒ_２ ^ω）の検出］
第１の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ_１）と、第２の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ_２）を測定し、対応する抵抗値（Ｒ_１ ^ω）、抵抗値（Ｒ_２ ^ω）を測定する。

［ステップ１０４．方位角φ_Ｈの極性（象限）以外の決定］
得られた抵抗値（Ｒ_１ ^ω）、抵抗値（Ｒ_２ ^ω）について、解析手段を用いて演算を行い、予め求めておいた磁性体１１に作用する外部磁場の方向と、磁性体１１に発現する異方性磁気抵抗効果との関係から、方位角φ_Ｈ及び方位角φ_Ｈ－180°を求める。（角度成分の範囲は、０度≦φ_Ｈ≦１８０度）

［ステップ１０５．一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ_１ ^２ω）の検出］
交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化（Ｖ_３）を測定し、対応する抵抗値（Ｒ_１ ^２ω）、又は抵抗値（Ｒ_１ ^２ω）の極性を求める。

［ステップ１０６、１０７．方位角φ_Ｈの極性の決定］
ステップ１０５で求められた抵抗値、または抵抗値の極性が、０Ω以上または正である場合は、ステップ１０４で求めた方位角φ_Ｈ及び方位角φ_Ｈ－180°のうち、φ_Ｈを方位角φ_Ｈとして決定する（ステップ１０６）。一方、ステップ１０５で求められた抵抗値、または抵抗値の極性が、０Ω以下または負である場合は、ステップ１０４で求めた方位角φ_Ｈ及び方位角φ_Ｈ－180°のうち、φ_Ｈ－180°を方位角φ_Ｈとして決定する（ステップ１０７）。

上記のようなステップのアルゴリズムを用いて３次元磁場を決定する。なお、図６のフローチャートは一例であって、順序等、適宜変更可能である。例えば、天頂角θ_Ｈと方位角φ_Ｈとは決定方法が独立しているので、先に、方位角φ_Ｈの方を決定してから天頂角θ_Ｈを決定してもよいし、同時並行で、演算して、決定してもよい。

このように、本発明の実施の形態の磁気センサ１０および磁気検出方法は、磁性体１１のみを使用して、磁性体１１に発現する異常ホール効果、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値に基づいて、３次元の磁場を検出することができる。このため、本発明の構成以外の別のセンサを用いる必要がないため、複数の素子を立体的に配置する従来の磁場センサと比べて、より小型化、低コスト化を図ることができる。また、磁性体１１が薄膜から成る平面型の単一素子により３次元の磁場を求めることができるため、さらに小型化を図ることができる。また、素子の数が少ないため、消費電力を低減することもできる。

本発明の実施の形態の磁気センサ１０および磁気検出方法は、薄膜から成る磁性体１１の膜厚効果により、一方向性磁気抵抗効果の発現強度が大きくなるため、磁気センサ１０の感度を高めることができる。また、磁性体１１の面内方向に沿って電流量を増加させることにより、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、および一方向性磁気抵抗効果の発現強度を大きくし、また、ＳＮ比を向上させることができる。

本発明の実施の形態の磁気センサ１０および磁気検出方法は、小型化および低消費電力化を図ることができるため、磁気センサ１０を含めた素子の集積化に有利であり、IoT化などのスマート社会の推進に寄与することができる。

［変形例］
上記では、異常ホール効果（ＡＨＥ）、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果を用いた、３次元の磁場を検出することができる磁気センサ１０について説明した。しかし、一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果は３６０度周期であるので、条件によっては、当該磁気センサ１０を異常ホール効果（ＡＨＥ）、一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果のみを用いる形で、３次元の磁場を検出することができる磁気センサを実現でき、更に簡略にすることができる。

ＵＭＲ効果が十分に大きく信号の確度が高い場合には、図３において、第１の区間２１での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化と、第２の区間２２での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化とを測定するように構成することもできる。より具体的には、図３において、第１区間２１での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化に対応する抵抗値（Ｒ_１ ^２ω）と、第２区間２２での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化に対応する抵抗値（Ｒ_２ ^２ω）とを測定するように構成する。

その場合、第１の区間２１での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ１）（それに対応する抵抗値（Ｒ_１ ^ω））と、第２の区間での、交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化（Ｖ２）（それに対応する抵抗値（Ｒ_２ ^２ω））とを測定する必要はなく、素子構造を簡略化することができる。

この変形例では、異常ホール効果およびＵＭＲ効果による抵抗値に基づいて、３次元の磁場を検出することができるため、より一層の小型化もできる。なお、磁場の大きさが必要な場合は、前述と同様、異常ホール効果から求めてもよい。また、場合によっては、異方性磁気抵抗効果による抵抗値を検出部１５で検出するようにすれば、磁場の大きさを求めることができる。

図３に示す磁気センサ１０を用いて、外部磁場の角度（天頂角θ_Ｈおよび方位角φ_Ｈ）を変化させながら、磁場を検出する実験を行った。実験では、磁性体１１に流す交流電流の電流密度を、ｊ＝5×10⁵ Acm^-2とし、外部磁場の磁束密度を、μ_０Ｈ＝１（Ｔ）とした。変化させた外部磁場の天頂角θ_Ｈおよび方位角φ_Ｈを図７（ａ）に、磁気センサ１０により検出した天頂角θ_Ｈおよび方位角φ_Ｈを図７（ｂ）に示す。

図７（ａ）では、磁気センサ１０を初期の天頂角θ_Ｈ＝９０度、方位角φ_Ｈ＝０度となる位置に置き、まず、方位角はそのままに、天頂角の方向がずれる形になるように、外部磁場を動かした（工程１）。次に、その初期状態から天頂角がずれた角度のまま、天頂角は動かさず、方位角の方向が初期値からずれるように動かした（工程２）。最後に、天頂角、方位角が初期位置からずれた状態で、両方の角度がずれる形で動かした（工程３）。

図７（ｂ）に、磁気センサ１０が検出した３次元の角度を示す。図７（ａ）と図７（ｂ）とを比較すると、角度の変化に追従し、磁気センサ１０が正確に３次元角度を求めていることがわかる。このように、磁気センサ１０により、磁場の角度が精度良く検出されていることが確認された。

図８（ａ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、磁気センサ１０として、１枚の基板１２上に、磁性体１１の第１区間２１（図中のSample A）と第２区間２２（図中のSample B）とを離して配置し、第１区間２１と第２区間２２とを電気的に接続したものを製造し、磁場を検出する実験を行った。第１区間２１の伸張方向と第２区間２２の伸張方向との成す角度は、４５度である。実験では、図８（ｂ）に示すように、磁性体１１の表面（Ｘ－Ｙ平面）に沿って、磁束密度μ_０Ｈ＝１（Ｔ）、方位角φ_Ｈの磁場（天頂角θ_Ｈ＝９０度）をかけた。また、磁性体１１に流す交流電流の電流密度を、ｊ＝5×10⁵ Acm^-2とした。また、第１区間２１（Sample A）で、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ_Ａ ^ω）および一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ_Ａ ^２ω）を測定し、第２区間２２（Sample B）で、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果による抵抗値（Ｒ_Ｂ ^ω）を測定した。

各抵抗値の測定結果を、図９（ａ）～（ｃ）に示す。図９（ａ）および（ｂ）に示すように、抵抗値Ｒ_Ａ ^ωの波形の位相と抵抗値Ｒ_Ｂ ^ωの波形の位相とが、第１区間２１と第２区間２２との成す角度と同じ４５度ずれた状態で測定されていることが確認された。このことから、検出する磁場が変化しない範囲であれば、第１区間２１と第２区間２２とを離して配置しても、磁場を測定可能であるといえる。図８（ａ）では、第１区間２１と第２区間２２とを１枚の基板１２上に配置したが、各区間が電気的に接続されていれば、１枚の基板１２上に配置される必要はなく、各区間を異なる基板１２上にそれぞれ配置してもよい。この場合、１枚の基板上に形成すると、それぞれの区間に距離があることから、磁場が各区間で異なることがあるが、積層させることで、区間に同じ磁場が加わる可能性が高まることで、精度の向上が期待される。また、これにより、各区間を左右だけでなく、例えば、上下に積層するよう配置することで、小型化、磁気センサの機器への配置の自由度を高めることができる。

図３に示す磁気センサ１０の基板１２およびキャップ層１３の材料を変えて、磁場を検出する実験を行った。実験では、キャップ層１３（厚み 15 nm）／磁性体１１（厚み 4 nm）／基板１２（Al₂O₃は厚み 0.33 mm、その他は厚み 0.50 mm）から成る磁気センサ１０の素子構造として、HfO_x／Fe-Sn／Al₂O₃、SiO_x／Fe-Sn／Al₂O₃、SiO_x／Fe-Sn／MgO、SiO_x／Fe-Sn／MgAl₂O₄の４種類および、磁性体１１（厚み 4 nm）／基板１２（厚み 0.33 mm）の間に、下部層としてSiO_x（厚み 15 nm）を挿入したSiO_x／Fe-Sn／SiO_x／Al₂O₃（図中では、SiO_x／Fe-Sn／SiO_xと表記）を使用した。また、磁性体１１に流す交流電流の電流密度を、ｊ＝5×10⁵ Acm^-2とし、外部磁場の磁束密度を、μ_０Ｈ＝１（Ｔ）とした。実験では、測定された一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値の振幅Ｒ^UMRと、素子抵抗Ｒ_０との比（Ｒ^UMR／Ｒ_０）を求めた。

各素子構造でのＲ^UMR／Ｒ_０の値を、図１０に示す。図１０に示すように、SiO_x／Fe-Sn／Al₂O₃、SiO_x／Fe-Sn／MgO、SiO_x／Fe-Sn／MgAl₂O₄の３つの素子構造のものは、他の２つの素子構造のものよりも、Ｒ^UMR／Ｒ_０の値が大きくなっており、一方向性磁気抵抗効果が相対的に大きくなっていることが確認された。このことから、素子構造により、一方向性磁気抵抗効果を高めることができ、磁場の測定精度を高めることができるといえる。

図３に示す磁気センサ１０について、磁性体１１の膜厚を変えて、磁場を検出する実験を行った。実験では、磁性体１１に流す交流電流の電流密度を、ｊ＝5×10⁵ Acm^-2とし、外部磁場の磁束密度を、μ_０Ｈ＝１（Ｔ）とした。なお、磁気センサ１０の素子構造は、SiO_x（厚み 15 nm）／Fe-Sn／Al₂O₃（厚み 0.33 mm）である。実験では、測定された一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果による抵抗値の振幅Ｒ^UMRと、素子抵抗Ｒ_０との比（Ｒ^UMR／Ｒ_０）を求めた。

磁性体１１の厚みｔとＲ^UMR／Ｒ_０との関係を、図１１に示す。なお、図１１の挿入図に、磁性体１１の厚みｔと１／Ｒ_０との関係を示す。図１１に示すように、磁性体１１を厚くすることにより、Ｒ^UMR／Ｒ_０の値が大きくなり、一方向性磁気抵抗効果が相対的に大きくなることが確認された。ただし、図１１の挿入図に示すように、磁性体１１を厚くすることにより、素子抵抗Ｒ_０が小さくなることから、磁性体１１の膜厚と共にＲ^UMR／Ｒ_０の値が大きくなる原因としては、一方向性磁気抵抗効果の向上によるものだけとはいえない。このことから、磁場の測定精度を高めるためには、磁性体１１の膜厚だけでなく、他の効果や素子抵抗も考慮する必要があると考えられる。

磁気センサ１０は、上記に限らず適宜変更可能である。例えば、ＡＭＲ効果による抵抗値（Ｒ_１ ^ω）、抵抗値（Ｒ_２ ^ω）の値の両方を用いて所定の演算式から出力を求めてもよい。

また、磁気センサ１０は、ＡＭＲ効果による抵抗値（Ｒ_１ ^ω）、抵抗値（Ｒ_２ ^ω）を求めているが、あまり角度の精度が求められず、小型化などの要請が強い場合は、どちらか１箇所で測定するようにしてもよい。また、磁気センサ１０の変形例では、ＵＭＲ効果による抵抗値（Ｒ_１ ^２ω）、抵抗値（Ｒ_２ ^２ω）を求めているが、あまり角度の精度が求められず、小型化などの要請が強い場合は、どちらか１箇所で測定するようにしてもよい。

また、磁気センサ１０は、航空機や、乗用車などの使用する機器の実環境に応じて、周辺環境温度による影響や、周辺のノイズとなる磁場を補正する機能を備えてもよい。

１０磁気センサ
１１磁性体
１２基板
１３キャップ層
１４電流印加手段
１５検出部
１５ａ電圧測定手段
１５ｂ抵抗測定手段
２１第１区間
２２第２区間

Claims

異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、及び一方向性磁気抵抗効果が生じる磁性体と、
前記磁性体に周波数ωの交流電流を流すよう設けられた電流印加手段と、
前記電流印加手段で前記交流電流を流したとき、前記磁性体の異常ホール効果による抵抗値と、前記磁性体の異方性磁気抵抗効果による抵抗値と、前記磁性体の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値とを測定する検出部と、
前記検出部で測定された前記異常ホール効果による抵抗値と、前記異方性磁気抵抗効果による抵抗値と、前記一方向性磁気抵抗効果による抵抗値又はその正負の符号との組み合わせに基づいて、３次元磁場を検出する解析手段と、を有し、
前記磁性体は、前記電流印加手段で前記交流電流を流したとき、前記交流電流が所定の方向に流れる第１区間と、前記所定の方向に対して９０°、１８０°、２７０°、および３６０°以外の角度で前記交流電流が流れるように接続された第２区間とを有し、
前記検出部は、前記異常ホール効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化から求め、前記異方性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記第１区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化と、前記第２区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化とからそれぞれ求め、前記一方向性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化から求めるよう構成されている
ことを特徴とする磁気センサ。
前記解析手段は、前記異常ホール効果による抵抗値により、前記３次元磁場の天頂角を決定することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
前記磁性体は、Fe-Sn、Co₂MnGa、Co₂MnAl、Fe₃Sn₂、Fe₃Sn、Co₃Sn₂S₂、CrまたはVをドープした(Bi,Sb)₂Te₃、およびGaMnAsのいずれかから成る強磁性体であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の磁気センサ。
前記磁性体を支持する基板と、
前記磁性体の劣化防止用のキャップ層と、を有し、
前記磁性体は薄膜から成り、前記基板と前記キャップ層との間に挟まれて配置されていることを
特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
前記基板は、Al₂O₃、MgO、およびMgAl₂O₄のいずれかの材質で構成されることを特徴とする請求項４記載の磁気センサ。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気センサを用いた機器。
交流電流が所定の方向に流れる第１区間と、前記所定の方向に対して９０°、１８０°、２７０°、および３６０°以外の角度で前記交流電流が流れるように接続された第２区間とを有し、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果、及び一方向性磁気抵抗効果が生じる磁性体に、周波数ωの前記交流電流を流し、
前記磁性体の異常ホール効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して垂直方向での周波数ωの電圧変化から求め、前記磁性体の異方性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記第１区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化と、前記第２区間で前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数ωの電圧変化とからそれぞれ求め、前記磁性体の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値を、前記交流電流の流れる方向に対して平行方向での周波数２ωの電圧変化から求め、
前記磁性体の異常ホール効果による抵抗値と、前記磁性体の異方性磁気抵抗効果による抵抗値と、前記磁性体の一方向性磁気抵抗効果による抵抗値又はその正負の符号との組み合わせに基づいて、３次元磁場を検出することを
特徴とする磁気検出方法。