JP7843355B2 - 磁気センサおよび磁気測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサおよび磁気測定方法に関する。

磁界を検出、測定する磁気センサとして、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）効果を用いた磁気抵抗効果素子を備えたものがある。これら磁気センサにおける磁気抵抗効果素子は、固定磁性層と、非磁性中間層と、フリー磁性層とがこの順に積層された構成を備えている。磁気抵抗効果素子では、測定対象の外部磁界が加わるとフリー磁性層の磁化方向が変化し、フリー磁性層の磁化方向と固定磁性層の磁化方向とのなす角に応じた抵抗変化が起こる。磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、磁気抵抗効果素子の抵抗変化を用いて、磁界を検出することができる。

磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサには、フィルターでは除去することができない１／ｆノイズがある。１／ｆノイズは周波数に反比例し、低周波数になるほど大きくなるため、高精度の計測を行う際に阻害要因となる可能性がある。このため、１／ｆノイズを除去するために種々の方法が用いられている。

特許文献１には、偶関数型の磁気センサにおいて、ある方向（＋Ｘ方向）にバイアス磁界を印加したときの出力と、その反対方向（－Ｘ方向）にバイアス磁界を印加したときの出力との差分を取ることにより１／ｆノイズを除去する磁気センサが開示されている。

特許文献２には、半導体サンプルのホール起電力を測定する際に、電極とサンプルとの間に発生するショットキーバリアによるノイズを除去するために、電圧差Ｖｍの周波数帯域を低周波側にシフトさせて、１／ｆノイズの影響を大きく受けている電圧差Ｖｍの周波数帯域を除去する測定装置が開示されている。

特許文献３には、２つのサンプリングホールドを切り替えることで第１の電流、第２の電流の各々でブリッジ信号をサンプリングし、サンプリングした第１および第２のブリッジ信号の差から、磁場の値を判定する磁場感知デバイスが開示されている。

特許文献４には、出力信号の１／ｆノイズを除去するために変調器でセンサ信号の正負を切り替えて変調した信号の差分を取るセンサ装置が開示されている。

特開２０１８－１１５９７２号公報 特開２０２０－１４８７２７号公報 特表２０１２－５１８７８８号公報 特表２００９－５４４００４号公報

磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサには、低周波数領域における１／ｆノイズが磁気センサの検出精度を低下させるという問題があり、この問題を解決するために、従来、様々な装置や方法が提案されている。本発明は、従来とは異なる構成により１／ｆノイズを除去して、小さな磁界を高精度で測定することができる、磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサおよび磁気測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、一態様において、固定磁性層、フリー磁性層、および前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に形成された中間層を有する磁気抵抗効果素子を備えた磁気検知部と、前記磁気検知部の出力に基づいて、測定磁界を算出する磁界算出部と、前記フリー磁性層に対して、前記測定磁界の方向に沿って磁界を印加して、前記フリー磁性層を磁気的に飽和させる飽和磁界印加部と、を備え、前記磁界算出部は、前記フリー磁性層に対して、前記測定磁界が印加されているときにおける前記磁気検知部の第１の出力と、前記フリー磁性層が磁気的に飽和しているときにおける前記磁気検知部の第２の出力と、に基づいて、前記測定磁界を算出することを特徴とする、磁気センサである。

前記磁界算出部は、前記第１の出力と、前記第２の出力との差分に基づいて、前記測定磁界を算出してもよい。

第１の出力には測定磁界の出力および１／ｆノイズが含まれており、第２の出力にはフリー磁性層が磁気的に飽和した状態の出力および１／ｆノイズが含まれている。このため、第１の出力と第２の出力とに基づいて、第１の出力から１／ｆノイズを取り除くことができる。例えば、第１の出力と第２の出力との差分を用いることにより、第１の出力から１／ｆノイズを取り除くことができる。また、フリー磁性層が磁気的に飽和した状態の出力は既知であるため、第１の出力、第２の出力および既知の出力に基づいて、第１の出力から１／ｆノイズの影響が取り除かれた測定磁界が得られる。

前記固定磁性層は、第１の方向に磁化方向が固定されており、前記フリー磁性層は、前記磁界が印加されていないときの磁化方向が、前記第１の方向と直交する方向であり、前記測定磁界の方向が、前記第１の方向に対して平行または反平行であってもよい。

この構成により、フリー磁性層の磁化方向と固定磁性層の磁化方向との関係が、測定磁界の方向によって異なる。このため、測定磁界の向きが第１の方向に対して、平行または反平行のいずれかによって、磁気抵抗効果素子の抵抗値が反対に変化する。したがって、測定磁界と磁気抵抗効果素子の抵抗との関係が奇関数となり、測定磁界の大きさおよび方向を測定することができる。

前記磁気抵抗効果素子を複数備えており、複数の前記磁気抵抗効果素子がブリッジ回路を構成してもよい。複数の磁気抵抗効果素子で構成されたブリッジ回路を用いることで、単独の磁気抵抗効果素子を用いた場合よりも、測定磁界に対応する出力が大きくなるから、磁気センサの測定精度が向上する。

前記固定磁性層は、第１の方向に磁化方向が固定されており、前記フリー磁性層は、前記磁界が印加されていないときの磁化方向が、前記第１の方向と直交する方向であり、前記測定磁界の方向が前記第１の方向であり、複数の前記磁気抵抗効果素子のそれぞれにおいて、前記飽和磁界印加部によって前記フリー磁性層に前記磁界を印加する方向が前記第１の方向に対して平行または反平行であってもよい。

この構成により、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層が飽和したときにおける、ブリッジ回路を構成する複数の磁気抵抗効果素子が同じ抵抗値になる。このため、ブリッジ回路からの第２の出力として、飽和磁界の状態における既知の出力が取り除かれた、１／ｆノイズのみを含む出力が得られる。また、ブリッジ回路からの第２の出力として得られる電圧値が小さくなるため、測定磁界を求める計算が簡単になる。

前記飽和磁界印加部が、コイルもしくは電流線または磁石であってもよい。コイルもしくは電流線または磁石を用いて磁界を印加することで、フリー磁性層を磁気的に飽和させることができる。

本発明は、別の一態様において、固定磁性層、フリー磁性層、および前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に形成された中間層を有する磁気抵抗効果素子を備えた磁気検知部の出力に基づいて測定磁界を測定する磁気測定方法であって、前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気検知部の第１の出力を得る磁界測定ステップと、前記測定磁界の方向に沿って磁界を印加し、前記フリー磁性層を飽和させた状態において、前記磁気検知部の第２の出力を得る飽和磁界測定ステップと、前記第１の出力と、前記第２の出力とに基づいて、前記測定磁界を算出する磁界算出ステップと、を備えていることを特徴とする、磁気測定方法である。

前記磁界算出ステップは、第１の出力と、第２の出力との差分に基づいて測定磁界を算出してもよい。

磁界測定ステップにおいて取得した第１の出力と、飽和磁界測定ステップにおいて取得した第２の出力とに基づいて測定磁界を算出することにより、磁気抵抗効果素子の１／ｆノイズが除去された測定磁界が得られる。例えば、第１の出力と第２の出力との差分を用いることにより、第１の出力から１／ｆノイズを取り除くことができる。

本発明によれば、測定磁界から１／ｆノイズを除去できるため、小さな磁界を高精度で測定可能な、磁気分解能が高い磁気センサおよび磁気測定方法を提供することができる。

実施形態に係る磁気センサのブロック図である。 磁気抵抗効果素子の積層構造を模式的に示す斜視図である。 変形例に係る磁気抵抗効果素子の積層構造を模式的に示す斜視図である。 磁気抵抗効果素子に生じる１／ｆノイズと磁気検知部の出力との関係を示すグラフである。 実施形態に係る磁気測定方法のフローチャートである。 一具体例に係る磁気測定方法のフローチャートである。 実施形態に係る磁気測定方法の各工程における磁気抵抗効果素子の磁気の状態および磁気検知部の出力の模式図である。 フリー磁性層に印加する磁界と磁気検知部の出力との関係を示すグラフである。 磁気センサの動作順序の例を説明する図である。 磁気センサの動作順序の他の例を説明する図である。 図９に示す動作順序における飽和磁界測定ステップを説明する図である。 変形例に係る磁気センサのブロック図である。 磁気センサの磁気検知部として用いられるフルブリッジ回路のブロック図である。 図１２のフルブリッジ回路に磁界が印加されフリー磁性層が飽和した状態を示すブロック図である。 シミュレーションにおける第１の出力を示すグラフである。 シミュレーションにおける第１の出力の周波数とノイズとの関係を示すグラフである。 シミュレーションにおける第２の出力を示すグラフである。 シミュレーションにおける第２の出力の周波数とノイズとの関係を示すグラフである。 シミュレーションにおける測定磁界の出力を示すグラフである。 シミュレーションにおける測定磁界の出力の周波数とノイズとの関係を示すグラフである。 フルブリッジ回路の変形例を示すブロック図である。 フルブリッジ回路の変形例を示すブロック図である。 フルブリッジ回路の変形例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。各図面において同じ部材には同じ番号を付して、説明を省略する。各部材の位置関係を示すために、適宜、各図に基準座標を示す。

図１は、本実施形態に係る磁気センサ１のブロック図である。同図に示すように、本実施形態の磁気センサ１は、磁気検知部２、飽和磁界印加部３、磁界算出部４およびアンプ５、アナログ－デジタル変換回路６および制御部７を備えている。

磁気検知部２は、測定対象としての外部磁界を検知するものである。磁気抵抗効果素子１０（図２参照）や、複数の磁気抵抗効果素子１０により構成されたフルブリッジ回路１５、ハーフブリッジ回路２１ａ、２１ｂ（図１２参照）などにより磁気検知部２が構成される。

図２は、磁気検知部２が備える磁気抵抗効果素子１０の構造を模式的に示す斜視図である。磁気抵抗効果素子１０としては、例えば、ＧＭＲ素子(巨大磁気抵抗効果素子)やＴＭＲ素子(トンネル磁気抵抗効果素子)が用いられ、固定磁性層１１、中間層１２およびフリー磁性層１３がこの順に積層された構成を備えている。磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は、磁化方向が固定された固定磁性層１１と、外部磁場により磁化方向が変わるフリー磁性層１３との磁化方向の相対関係によって変化する。磁気センサ１は、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値の変化に基づいて、測定する外部磁場の向きと強さとを測定することができる。以下では、固定磁性層１１の磁化方向を適宜、Ｐｉｎ方向ともいう。

磁気抵抗効果素子１０がＧＭＲ素子である場合、固定磁性層１１は、例えば、ＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）などの強磁性層を用いて構成される。中間層１２は、例えば、Ｃｕなどの非磁性中間層を用いて構成される。フリー磁性層１３は、例えば、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）などの軟磁性材料を用いて構成され、単層構造、積層構造、積層フェリ構造などとして形成される。

フリー磁性層１３には、磁気センサ１の出力を安定化するために、感度軸すなわち測定対象としての外部磁界（測定磁界）の方向（図２ではＹ軸方向、両側矢印で示した）と直交する方向に、バイアス磁界が与えられる。これにより、磁界が印加されていない状態における、フリー磁性層１３を形成する軟磁性材料の磁化方向を揃えることができる。

磁気抵抗効果素子１０の固定磁性層１１は、磁化方向が第１の方向（図２に白抜き矢印で示した、Ｙ軸のＹ１方向）に固定されている。フリー磁性層１３は、磁界が印加されていないときの磁化方向が、第１の方向と直交する方向（図２に黒矢印で示した、Ｘ軸のＸ２方向）となっている。

このため、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は、同図に両側矢印で示した測定磁界の方向が、Ｙ軸方向におけるＹ１方向またはＹ２方向のいずれかにより、反対方向に変化する。抵抗値は、第１の方向であるＹ軸において、測定磁界の方向がＹ１方向であるか、Ｙ２方向であるかにより、符号が逆になる。すなわち、抵抗値が測定磁界に対して奇関数になるため、測定磁界の方向および大きさを連続的に測定することができる。

磁気抵抗効果素子１０として、上述したＧＭＲ素子の代わりにＴＭＲ素子を用いてもよい。この場合、中間層１２は、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、酸化チタンなどにより構成される絶縁障壁層である。

図１に示す飽和磁界印加部３は、磁気検知部２の備える磁気抵抗効果素子１０に対して磁界を印加して、フリー磁性層１３を磁気的に飽和させるものであり、たとえば、コイルや電流線または磁石などで構成される。磁気抵抗効果素子１０としてＴＭＲ素子を用いる場合、フリー磁性層１３を飽和させるための手段として、コイルや電流線または磁石に代えてＳＴＴ（Spin Transfer Torque）を用いることができる。

磁界算出部４は、磁気検知部２の出力に基づいて測定磁界を算出するものであり、例えば、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling）回路などで構成される。磁界算出部４は、フリー磁性層１３に対して、測定磁界が印加されているときの第１の出力と、フリー磁性層１３が磁気的に飽和しているときの第２の出力とに基づいて、測定磁界を算出する。例えば、第１の出力と第２の出力との差分をとることにより、第１の出力から１／ｆノイズを取り除くことができる。

磁気センサ１では、磁界算出部４が測定磁界を算出した後、算出した測定磁界に対応する信号をアンプ５で増幅した後に、アナログ-デジタル変換回路６によりデジタルデータに変換する。
制御部７は、磁気センサ１を構成する各部を制御するものであり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）やプログラム等として構成される。

図３は、変形例に係る磁気抵抗効果素子２０の積層構造を模式的に示す斜視図である。同図に示す磁気抵抗効果素子２０は、固定磁性層１１の磁化方向とフリー磁性層１３との磁化方向との相対的な関係が図２に示す磁気抵抗効果素子１０とは異なっている。すなわち、磁気抵抗効果素子２０のフリー磁性層１３に飽和磁界が印加されていないときの磁化方向は、固定磁性層１１の磁化方向と同じ、Ｘ軸のＸ２方向である。

磁気抵抗効果素子２０は、同図に両側矢印で示した測定磁界の方向が、Ｙ軸方向におけるＹ１方向の場合とＹ２方向の場合とで、抵抗値が同じように変化する。すなわち、磁気抵抗効果素子２０の抵抗値は、測定磁界の方向によらず同様に変化し、測定磁界の偶関数となる。このため、信号が大きくリニアリティーに優れた出力が得られる点において、図２の磁気抵抗効果素子１０のほうが、図３の磁気抵抗効果素子２０よりも好ましい。

図４は、磁気抵抗効果素子１０に生じる１／ｆノイズと、磁気抵抗効果素子１０を一つ備えた磁気検知部２からの出力との関係を示すグラフである。磁気検知部２からの出力に含まれる１／ｆノイズは周波数が低くなるほど大きくなるので、周波数の低い信号が１／ｆノイズに埋もれてしまう。このため、磁気抵抗効果素子１０を備えた磁気センサ１を用いて、小さな磁界を測定することが困難であった。

磁気抵抗効果素子１０に生じる１／ｆノイズは、各層の材料の物性や、形状、大きさなどを調整することにより、ある程度まで低減させることができる。しかし、ホワイトノイズ近くまで１／ｆノイズを低減させることは困難であった。本発明によれば、フリー磁性層１３を飽和させた状態において測定した第２の出力を用いることにより、測定磁界を含む第１の出力から１／ｆノイズを取り除いて、小さな磁界を高精度で測定すること可能になる。

図５Ａは、本実施形態に係る磁気測定方法のフローチャートであり、図５Ｂは、一具体例に係る磁気測定方法のフローチャートである。図６は、本実施形態に係る磁気測定方法の各工程において、磁気抵抗効果素子１０の磁気的な状態および、磁気検知部の出力を模式的に表した模式図である。同図では、向かって左側に各工程における磁気抵抗効果素子１０の固定磁性層１１とフリー磁性層１３との磁化状態を示し、右側に一つの磁気抵抗効果素子１０を備えた磁気検知部２（図１参照）の出力を示している。

図５Ａに示すように、磁気測定方法は、磁界測定ステップＳ１と、飽和磁界測定ステップＳ２と、磁界算出ステップＳ３とを備えている。これらのステップにより外部磁界を測定することで、磁界測定ステップＳ１において得られた第１の出力から１／ｆノイズを除去して測定磁界を得ることができる。本発明の磁気測定方法によって１／ｆノイズを除去できるため、周波数の低い小さな磁界を高精度で測定することが可能になる。

磁界測定ステップＳ１と、飽和磁界測定ステップＳ２とは、いずれを先に行ってもよい。磁界算出ステップＳ３は、測定磁界を算出するために、磁界測定ステップＳ１で得られた第１の出力と、飽和磁界測定ステップＳ２で得られた第２の出力とを用いる。このため、磁界算出ステップＳ３は、磁界測定ステップＳ１および飽和磁界測定ステップＳ２の後に行う必要がある。

磁界測定ステップＳ１および飽和磁界測定ステップＳ２の測定は、それぞれ複数回行い、複数の測定結果に基づいて、第１の出力および第２の出力を求めてもよい。例えば、複数回の測定により得られた複数の測定結果の平均値として、第１の出力および第２の出力を求めてもよい。また、複数回の測定により得られた複数の測定結果のうちの最大値と最小値とを除き、残りの測定結果を平均して、第１の出力および第２の出力を求めてもよい。

磁界測定ステップＳ１では、フリー磁性層１３（図２参照）に測定磁界が印加されているときにおける、磁気検知部２の第１の出力を測定する。この測定により得られる第１の出力には、測定磁界および１／ｆノイズの信号が含まれている。

磁界測定ステップＳ１において測定する測定磁界は、１方向のみの磁界であっても、複数方向の磁界であってもよい。複数方向の磁界としては、例えば、相互に直交するＸＹＺ座標における、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の磁界が挙げられる。複数方向の磁界を測定する場合、同時に測定しても、順次測定してもよい。

飽和磁界測定ステップＳ２では、飽和磁界印加部３によりフリー磁性層１３に磁界を印加して、フリー磁性層１３を磁気的に飽和させた状態において、磁気検知部２の第２の出力を測定する。フリー磁性層１３が磁気的に飽和した状態では、磁界がそれ以上大きくなっても、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は変化しない。飽和磁界印加部３によって印加する飽和磁界Ｈｓは、フリー磁性層１３を飽和させられる大きさとして、測定磁界方向に対して平行な方向または反平行な方向に印加する。

図７は、フリー磁性層１３に印加する磁界と磁気検知部２の出力との関係を示すグラフである。同図を用いて、フリー磁性層１３を磁気的に飽和させる飽和磁界Ｈｓについて説明する。磁気検知部２の出力は、理想的には同図に一点鎖線で示すように、フリー磁性層１３に印加する磁界が飽和磁界Ｈｓまたは飽和磁界－Ｈｓとなるまで変化し、外部磁界が飽和磁界＋Ｈｓ以上の範囲および飽和磁界－Ｈｓ以下の範囲では一定となる。しかし、実際には、同図に実線で示すように、磁気検知部２の出力は、飽和磁界＋Ｈｓ、飽和磁界－Ｈｓの前後でなだらかに変化し、外部磁界が飽和磁界＋Ｈｓ、飽和磁界－Ｈｓとなったのちにわずかに変化する。

本実施形態において「フリー磁性層が磁気的に飽和している」とは、フリー磁性層１３を磁気的に飽和させる飽和磁界＋Ｈｓ以上、または飽和磁界－Ｈｓ以下の磁界がフリー磁性層に印加された状態をいう。ここで、飽和磁界Ｈｓとは、磁気検知部２からの出力の飽和点＋Ｐｓからの平行線＋ＬＰと、フリー磁性層１３に磁界が印加されていないゼロ点近傍の接線Ｌ０と、が交差する点の磁界をいい、飽和磁界－Ｈｓとは、磁気検知部２からの出力の飽和点－Ｐｓからの平行線－ＬＰと、接線Ｌ０と、が交差する点の磁界をいう。

なお、実際には、フリー磁性層１３が磁気的に飽和した状態においても、磁気検知部２が若干感度を持つ。そこで、飽和磁界＋Ｈｓ以上および飽和磁界－Ｈｓ以下における出力が一定となるように、磁気検知部２の感度補正（以下に記した飽和磁界測定ステップＳ２におけるオフセット補正）を行う。このため、図７に示すように、飽和点＋Ｐｓからの平行線＋ＬＰおよび飽和点－Ｐｓからの平行線－ＬＰは、いずれも、磁界の大きさを示す横軸と平行である。

飽和磁界測定ステップＳ２において得られる第２の出力には、フリー磁性層１３が磁気的に飽和した状態の信号（以下、適宜、飽和磁界信号ともいう）と１／ｆノイズの信号とが含まれている。飽和磁界信号は、フリー磁性層１３が磁気的に飽和した方向が、固定磁性層１１のＰｉｎ方向と同方向（平行）か逆方向（反平行）かによって決まっている、既知の信号である。このため、飽和磁界測定ステップＳ２において得られた第２の出力から飽和磁界信号を減ずることにより、１／ｆノイズの出力が得られる。この場合、飽和磁界信号がオフセット信号であり、第２の出力から飽和磁界信号を減ずるオフセット補正が行われる。

磁界算出ステップＳ３は、磁界測定ステップＳ１において測定された第１の出力と、飽和磁界測定ステップＳ２において測定された第２の出力とに基づいて、測定磁界を算出する。第１の出力には、測定磁界の信号と１／ｆノイズが含まれており、第２の出力には、飽和磁界信号と１／ｆノイズとが含まれている。このため、第１の出力と第２の出力とを用いれば、第１の出力から１／ｆノイズを取り除くことができる。

上述したように第２の信号に含まれる飽和磁界信号は既知である。このため、第１の出力と第２の出力との差分から、さらに飽和磁界信号を減ずることにより、１／ｆノイズを含まない測定磁界の信号を得ることができる。

図５Ｂは、一具体例に係る磁気測定方法のフローチャートである。同図に示す磁気測定方法は、磁界測定ステップＳ１および飽和磁界測定ステップＳ２の後に磁界算出ステップＳ３’を行う。磁界算出ステップＳ３’では、第１の出力と第２の出力との差分を算出することにより第１の出力から１／ｆノイズを取り除いて、測定磁界を算出する。

図８は、磁気センサ１の動作順序（シーケンス）の例を説明する図であり、磁気検知部２からの信号出力を示している。同図では、磁界測定ステップＳ１と飽和磁界測定ステップＳ２との順序が、図５Ａに示すフローチャートとは逆の例を示している。磁気センサ１の測定回路をオンとした後、まず、飽和磁界測定ステップＳ２として、磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３に磁界を印加し、飽和させた状態で測定を行い、第２の出力を得る。その後、磁界測定ステップＳ１として、フリー磁性層１３を飽和させるための磁界を印加せずに、外部磁場を測定し、第１の出力を得る。そして、磁界算出ステップＳ３を行い、第１の出力と第２の出力とに基づいて、１／ｆノイズが取り除かれた外部磁場すなわち測定磁界を算出する。

図８ではフリー磁性層１３を（＋）方向に飽和させているが、これに代えて、（－）方向に飽和させた状態で、飽和磁界測定ステップＳ２を行ってもよい。ここで、（＋）方向に飽和させた状態とは、Ｐｉｎ方向に沿って同じ方向（平行）に磁界を印加してフリー磁性層１３を飽和させた状態をいい、適宜（＋）飽和ともいう。（－）方向に飽和させた状態とは、Ｐｉｎ方向に沿って反対方向（反平行）に磁界を印加して、フリー磁性層１３を飽和させた状態をいい、適宜、（－）飽和ともいう。

図９は、磁気センサ１の動作順序（シーケンス）の他の例を説明する図である。同図に示す動作シーケンスでは、飽和磁界測定ステップＳ２において、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層を（＋）方向および（－）方向の両方向にそれぞれ飽和させ、（＋）飽和および（－）飽和の２つの状態において測定を行い、得られた２つの測定結果を用いて、第２の出力を得ている。

図１０は、図９に示す動作順序における飽和磁界測定ステップＳ２を説明する図である。図１０では、磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３を、まず（＋）飽和の状態にして測定した後、（－）飽和の状態にして測定している。飽和磁界信号はその信号強度の絶対値が大きいため、飽和磁界信号を含む飽和状態での測定結果は、（＋）飽和の状態および（－）飽和の状態のいずれにおいても、信号強度の絶対値が大きい。しかしながら、（＋）飽和の測定結果に含まれる飽和磁界信号と（－）飽和の測定結果に含まれる飽和磁界信号とは極性が反対であることから、これらの測定結果を加算して第２の出力とする、あるいは両者の平均値を第２の出力とすることにより、その信号強度の絶対値を小さくすることができる。これにより、磁界算出部４、アンプ５およびアナログ－デジタル変換回路６（Ａ／Ｄ変換回路、図１参照）において処理する信号強度の絶対値が小さくなり、アンプの増幅率を高める観点や、Ａ／Ｄ変換の際の分解能を高める観点から有利である。

上述したように（＋）飽和および（－）飽和の状態における測定結果を用いることで、第２の出力の信号強度の絶対値を小さくすることができる。ただし、第２の出力には、磁気抵抗効果素子１０のばらつきなどに起因するオフセット信号が含まれることがある。第２の出力がオフセット信号を含む場合、当該オフセット信号を取り除くためのオフセット補正を行う。

図１１は変形例に係る磁気センサ８のブロック図である。変形例に係る磁気センサ８は、磁気検知部２からの第１の出力および第２の出力を、アンプ５で増幅して、アナログ－デジタル変換回路６でＡ／Ｄ変換を行ってデジタル信号とした後に、磁界算出部４において測定磁界を算出する。磁気センサにおける各部は、第１の出力と第２の出力とに基づいて測定磁界を求めることができる構成であればよく、図１および図１１に示す例に限られない。

図１２は磁気センサ１の磁気検知部２（図１参照）として用いられるフルブリッジ回路１５の模式図である。同図に示すように、フルブリッジ回路１５は、磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄ（これらを区別しない場合、適宜、磁気抵抗効果素子１０という）を備えている。４つの磁気抵抗効果素子１０は、同一基板（１チップ）上に設けられていてもよい。

フルブリッジ回路１５は、電源給電点である電源端子Ｖｄｄとグランド端子Ｇｎｄとの間に、ハーフブリッジ回路２１ａと、ハーフブリッジ回路２１ｂとが、並列に接続された構成である。ハーフブリッジ回路２１ａは、磁気抵抗効果素子１０ａと１０ｂとが直列に接続されており、ハーフブリッジ回路２１ｂは、磁気抵抗効果素子１０ｃと１０ｄとが直列に接続されている。

ハーフブリッジ回路２１ａは、磁気抵抗効果素子１０ａと磁気抵抗効果素子１０ｂとの間に、出力端子Ｖａを備えている。また、ハーフブリッジ回路２１ｂは、磁気抵抗効果素子１０ｃと磁気抵抗効果素子１０ｄとの間に、出力端子Ｖｂを備えている。これらの２つの出力端子Ｖａ、Ｖｂから出力の電位差（Ｖａ－Ｖｂ、中点電位差）により、測定磁界として外部から印加された外部磁界の大きさを定量的に測定できる。

ハーフブリッジ回路２１ａを形成している一対の磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂは、固定磁性層１１の磁化方向（Ｐｉｎ方向）がこの順にＹ１方向およびＹ２方向である。また、ハーフブリッジ回路２１ｂを形成している一対の磁気抵抗効果素子１０ｃ、１０ｄは、固定磁性層１１の磁化方向（Ｐｉｎ方向）がこの順にＹ２方向、Ｙ１方向である。

ハーフブリッジ回路２１ａとハーフブリッジ回路２１ｂとでは、電源端子Ｖｄｄ側の磁気抵抗効果素子１０ａと１０ｃとのＰｉｎ方向が反対向き（反平行）である。また、グランド端子Ｇｎｄ側の磁気抵抗効果素子１０ｂと１０ｄとのＰｉｎ方向が反対向き（反平行）である。

そして、４つの磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄは、外部磁界が印加されていない状態における、フリー磁性層１３の磁化方向が同じＸ１方向である。

上述した構成により、Ｙ軸方向の測定磁界の大きさの変化に伴い、ハーフブリッジ回路２１ａからの出力端子Ｖａとハーフブリッジ回路２１ｂからの出力端子Ｖｂとでは、出力が逆方向に変化する。このため、２つの出力端子Ｖａ、Ｖｂの電位差として、大きな出力が得られる。したがって、磁気検知部２として、フルブリッジ回路１５を用いることにより、測定磁界を高精度で検知することができる。なお、フルブリッジ回路１５に代えて、ハーフブリッジ回路２１ａ、２１ｂや磁気抵抗効果素子１０を磁気検知部２として用いることもできる。

各磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの近傍には、フリー磁性層１３（図２参照）に磁界を印加する飽和磁界印加部２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが設けられている。飽和磁界印加部２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄはそれぞれ、例えば、コイルや電流線、磁石などにより構成される。図１２では、磁気抵抗効果素子１０ａおよび磁気抵抗効果素子１０ｃに同じ向きの飽和磁界を印加するとともに、磁気抵抗効果素子１０ｂおよび磁気抵抗効果素子１０ｄには、磁気抵抗効果素子１０ａとは反対向きの飽和磁界を等しく印加することが可能となるように、飽和磁界印加部２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは結線されている。

図１３は図１２の磁気センサ１に飽和磁界が印加されてフリー磁性層１３が飽和した状態を示すフルブリッジ回路１５のブロック図である。同図に示す例では、各磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄにおけるフリー磁性層１３を固定磁性層１１の磁化方向と平行な方向に飽和させている。このため、各磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄの抵抗値が等しい。

フルブリッジ回路１５を構成するハーフブリッジ回路２１ａとハーフブリッジ回路２１ｂとは、フリー磁性層１３を磁気的に飽和させた状態における、フリー磁性層１３と固定磁性層１１との磁化方向の相対的な関係が同じ磁気抵抗効果素子１０を備えている。このため、出力端子Ｖａ、Ｖｂからの出力に基づいて得られる第２の出力は、飽和磁界信号を含まず、１／ｆノイズのみを含む。したがって、フリー磁性層１３が飽和した状態における既知の飽和磁界信号を用いることなく、第１の出力と第２の出力のみに基づいて、測定磁界を求めることができる。さらに、フリー磁性層１３が飽和した状態における各磁気抵抗効果素子１０を同じ抵抗値とすることによってフルブリッジ回路１５からの出力が小さくなり、その後の信号の処理が容易になるという利点もある。

（シミュレーション）
図１３に示す４つの磁気抵抗効果素子１０によりフルブリッジ回路１５が形成された磁気センサ１について、シミュレーションを行った。図１４Ａおよび図１４Ｂに、シミュレーションにより得られた第１の出力を示すグラフ、および周波数とノイズとの関係を示すグラフを示す。図１５Ａおよび図１５Ｂに、シミュレーションにより得られた第２の出力を示すグラフ、および周波数とノイズとの関係を示すグラフを示す。図１６Ａおよび図１６Ｂに、本実施例における第１の出力と第２の出力とに基づく出力を示すグラフ、および当該出力における周波数とノイズとの関係を示すグラフを示す。

図１５Ａに示すように、第２の出力は、信号強度の絶対値が小さい信号として得られる。これは、フルブリッジ回路１５を構成する磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３を飽和させた状態における第２の出力において、飽和磁界信号が相殺されることによる。

フルブリッジ回路１５を構成する磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが、Ｐｉｎ方向と飽和磁界を印加する方向を除いて完全に同じである理想的な状態の場合、第２の出力は１／ｆノイズのみを含み、飽和磁界信号を含まない。しかし、磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにばらつきがある場合、フルブリッジ回路１５からの第２の出力は、１／ｆノイズに加えて、ばらつきに起因するオフセット信号を含む。第２の出力にオフセット信号が含まれる場合、当該オフセット信号を取り除くためのオフセット補正が行われる。

図１６Ａに示すように、図１４Ａに示す第１の出力と図１５Ａに示す第２の出力との差分をとることによって、ノイズの少ない測定磁界を得ることができる。図１６Ｂに示すように、ノイズ除去後のスペクトラムは、図１４Ｂに示す第１の出力のスペクトラムと比較して、低周波数領域におけるノイズ成分を含め、全体的にノイズが低減されている。このように、本発明により、測定磁界に含まれる１／ｆノイズを低減させることができる。

（変形例）
図１７は、図１３のフリー磁性層１３が飽和した状態の変形例のフルブリッジ回路１６を示すブロック図である。同図に示す例では、各磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄにおけるフリー磁性層１３を固定磁性層１１の磁化方向と反平行な方向に飽和させている。

図１８は、変形例に係るフルブリッジ回路１７を示すブロック図である。同図に示す例では、磁気抵抗効果素子１０ａおよび１０ｃのフリー磁性層１３を固定磁性層１１の磁化方向と平行な方向に飽和させ、磁気抵抗効果素子１０ｂおよび１０ｄにおけるフリー磁性層１３を固定磁性層１１の磁化方向と反平行な方向に飽和させている。この構成を実現するために、フルブリッジ回路１７では、フルブリッジ回路１５との対比で、飽和磁界印加部２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの結線方式が異なっている。

図１９は、変形例に係るフルブリッジ回路１８を示すブロック図である。本例に示されるフルブリッジ回路１８は、フルブリッジ回路１７と回路しての構成は等しいが、飽和磁界印加部２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄへの給電方向が反対向きである。これにより、磁気抵抗効果素子１０ａおよび１０ｃにおけるフリー磁性層１３を固定磁性層１１の磁化方向と反平行な方向に飽和させている。そして、磁気抵抗効果素子１０ｂおよび１０ｄにおけるフリー磁性層１３を固定磁性層１１の磁化方向と平行な方向に飽和させている。

図１７～図１９に示した変形例のフルブリッジ回路１６～１８も、ハーフブリッジ回路２１ａとハーフブリッジ回路２１ｂとが、フリー磁性層１３が磁気的に飽和した状態における、フリー磁性層１３と固定磁性層１１との相対的な磁化方向が同じ磁気抵抗効果素子１０により構成される。このため、図１３のフルブリッジ回路１５同様、出力端子Ｖａおよび出力端子Ｖｂからの出力に飽和磁界信号が含まれない。したがって、出力端子Ｖａ、Ｖｂからの出力の差分として、フリー磁性層１３が飽和した状態における飽和磁界信号を含まず、１／ｆノイズを含む第２の出力が得られる。

本明細書において開示された実施形態は、全ての点で例示であってこの実施形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。例えば、上記の説明では、飽和磁界印加部２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄにより、磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに飽和磁界を印加したが、これに限定されない。例えば、磁気センサ１の近傍に配置された電流線に流れる被測定電流によって生じる誘導磁界を磁気センサ１により測定する場合には、この電流線に大電流を流して、フリー磁性層１３を磁気的に飽和させる誘導磁界を生じさせてもよい。

本発明は、低周波数の磁気を高感度で検出することができる、磁気分解能が高い磁気センサおよび磁気測定方法として有用である。

１ ：磁気センサ
２ ：磁気検知部
３ ：飽和磁界印加部
４ ：磁界算出部
５ ：アンプ
６ ：アナログ－デジタル変換回路
７ ：制御部
８ ：磁気センサ
１０ ：磁気抵抗効果素子
１０ａ ：磁気抵抗効果素子
１０ｂ ：磁気抵抗効果素子
１０ｃ ：磁気抵抗効果素子
１０ｄ ：磁気抵抗効果素子
１１ ：固定磁性層
１２ ：中間層
１３ ：フリー磁性層
１５ ：フルブリッジ回路
１６ ：フルブリッジ回路
１７ ：フルブリッジ回路
１８ ：フルブリッジ回路
２０ ：磁気抵抗効果素子
２１ａ ：ハーフブリッジ回路
２１ｂ ：ハーフブリッジ回路
２２ａ ：飽和磁界印加部
２２ｂ ：飽和磁界印加部
２２ｃ ：飽和磁界印加部
２２ｄ ：飽和磁界印加部
Ｈｓ ：飽和磁界
＋Ｈｓ ：飽和磁界
－Ｈｓ ：飽和磁界
＋Ｐｓ ：飽和点
－Ｐｓ ：飽和点
＋ＬＰ ：平行線
－ＬＰ ：平行線
Ｌ０ ：接線
Ｖｄｄ ：電源端子
Ｇｎｄ ：グランド端子
Ｖａ ：出力端子
Ｖｂ ：出力端子

Claims (8)

1. 第１の方向に磁化方向が固定された固定磁性層、フリー磁性層、および前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に形成された中間層を有する磁気抵抗効果素子を備えた磁気検知部と、
   前記磁気検知部の出力に基づいて、測定磁界を算出する磁界算出部と、
   前記フリー磁性層に対して、前記測定磁界の方向に沿って磁界を印加して、前記フリー磁性層を磁気的に飽和させる飽和磁界印加部と、を備え、
   前記磁気検知部は、
   前記固定磁性層が互いに反対方向に磁化方向が固定された、２つの前記磁気抵抗効果素子を有する第１ハーフブリッジ回路と、
   前記固定磁性層が互いに反対方向に磁化方向が固定された、別の２つの前記磁気抵抗効果素子を有する第２ハーフブリッジ回路とが、
   並列に接続された構成のフルブリッジ回路を備え、
   前記磁界算出部は、
   前記フリー磁性層に対して、前記測定磁界が印加されているときにおける前記磁気検知部の第１の出力と、
   前記フリー磁性層が磁気的に飽和しているときにおける前記磁気検知部の第２の出力と、に基づいて、前記測定磁界を算出し、
   前記第２の出力は、
   前記第１ハーフブリッジ回路が有する２つの前記磁気抵抗効果素子の前記フリー磁性層に対して、前記第１の方向の一方である第１の向きの磁界を印加することにより、前記フリー磁性層を飽和させ、
   前記第２ハーフブリッジ回路が有する２つの前記磁気抵抗効果素子の前記フリー磁性層に対して、前記第１の向きと反平行の第２の向きの磁界を印加することにより、前記フリー磁性層を飽和させているときの、
   前記フルブリッジ回路の測定結果であること
   を特徴とする、磁気センサ。
2. 前記磁界算出部は、前記第１の出力と、前記第２の出力との差分に基づいて、前記測定磁界を算出する、
   請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記フリー磁性層は、前記磁界が印加されていないときの磁化方向が、前記第１の方向と直交する方向であり、
   前記測定磁界の方向が、前記第１の方向に対して平行または反平行である、
   請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記飽和磁界印加部が、コイルもしくは電流線または磁石である、
   請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
5. 前記飽和磁界印加部がコイルもしくは電流線であって、
   前記第１ハーフブリッジ回路が有する２つの前記磁気抵抗効果素子のそれぞれに対応して、前記飽和磁界印加部が２つ設けられ、当該２つの飽和磁界印加部は直列に接続され、
   前記第２ハーフブリッジ回路が有する２つの前記磁気抵抗効果素子のそれぞれに対応して、前記飽和磁界印加部が２つ設けられ、当該２つの飽和磁界印加部は直列に接続される、請求項４に記載の磁気センサ。
6. 第１の方向に磁化方向が固定された固定磁性層、フリー磁性層、および前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に形成された中間層を有する磁気抵抗効果素子を備えた磁気検知部の出力に基づいて測定磁界を測定する磁気測定方法であって、
   前記磁気検知部は、
   前記固定磁性層が互いに反対方向に磁化方向が固定された、２つの前記磁気抵抗効果素子を有する第１ハーフブリッジ回路と、
   前記固定磁性層が互いに反対方向に磁化方向が固定された、別の２つの前記磁気抵抗効果素子を有する第２ハーフブリッジ回路とが、
   並列に接続された構成のフルブリッジ回路を備え、
   前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気検知部の第１の出力を得る磁界測定ステップと、
   前記測定磁界の方向に沿って磁界を印加し、前記フリー磁性層を飽和させた状態において、前記磁気検知部の第２の出力を得る飽和磁界測定ステップと、
   前記第１の出力と、前記第２の出力とに基づいて、前記測定磁界を算出する磁界算出ステップと、を備え、
   前記第２の出力は、
   前記第１ハーフブリッジ回路が有する２つの前記磁気抵抗効果素子の前記フリー磁性層に対して、前記第１の方向の一方である第１の向きの磁界が印加されることにより、前記フリー磁性層を飽和させ、
   前記第２ハーフブリッジ回路が有する２つの前記磁気抵抗効果素子の前記フリー磁性層に対して、前記第１の向きと反平行の第２の向きの磁界が印加されることにより、前記フリー磁性層を飽和させているときの、
   前記フルブリッジ回路の測定結果であること
   を特徴とする、磁気測定方法。
7. 前記磁界算出ステップは、前記第１の出力と、前記第２の出力との差分に基づいて、前記測定磁界を算出する、
   請求項６に記載の磁気測定方法。
8. 前記測定磁界の方向に沿って磁界を印加して前記フリー磁性層を飽和させる飽和磁界印加部がコイルもしくは電流線であって、
   前記第１ハーフブリッジ回路が有する２つの前記磁気抵抗効果素子のそれぞれに対応して、前記飽和磁界印加部が２つ設けられ、当該２つの飽和磁界印加部は直列に接続され、
   前記第２ハーフブリッジ回路が有する２つの前記磁気抵抗効果素子のそれぞれに対応して、前記飽和磁界印加部が２つ設けられ、当該２つの飽和磁界印加部は直列に接続される、請求項７に記載の磁気測定方法。