JPWO2009048018A1 - 磁気検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、従来に比べてＸ−Ｙ平面上に位置する磁石の検知範囲を広げることが可能な磁気検出装置を提供することを目的としている。【解決手段】 基板１１には磁気センサ１２、第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４が組み込まれている。前記磁気センサ１２に内蔵される磁気抵抗効果素子は、少なくとも、高さ方向（Ｚ方向）に固定磁性層、フリー磁性層、及び、前記固定磁性層とフリー磁性層との間に介在する非磁性層を積層した構造を備える。前記固定磁性層の磁化方向は、前記Ｚ方向に直交するＸ方向の一方向に固定されており、前記第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４は、前記磁気抵抗効果素子のＸ方向の両側に間隔を空けて配置されている。前記第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４のＸ方向に向く対向面１３ａ１，１４ａ１は、Ｙ方向及びＺ方向に互いにずれて配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、従来に比べてＸ−Ｙ平面上に位置する磁石の検知範囲を広げることが可能な磁気検出装置に関する。

例えば磁石から生じる外部磁界を検知するための磁気検出装置には磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）が設けられている。

前記磁気抵抗効果素子１は、固定磁性層、フリー磁性層及び前記固定磁性層とフリー磁性層との間に介在する非磁性層の積層構造を備えた巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）であり、例えば、前記固定磁性層の磁化方向は＋Ｘ方向に固定されている。

図１４は、前記磁気抵抗効果素子１の上方に磁石２が対向した状態を示す平面図である。前記磁石２の上下面が着磁面であり、図１５〜図１７に示すように、例えば、前記磁石２の上面２ａがＳ極、下面２ｂがＮ極に着磁されている。

この磁気検出装置は、双極検知に対応可能となっている。例えば、今、図１５に示すように、前記磁石２が磁気抵抗効果素子１に対して＋Ｘ方向に位置すると、磁気抵抗効果素子１には、固定磁性層の磁化方向（ＰＩＮ方向）と反対方向（−Ｘ方向）の水平磁場成分Ｈ１が進入する。

前記磁気抵抗効果素子１を構成するフリー磁性層は、水平磁場成分の方向を向き、固定磁性層の磁化方向（ＰＩＮ方向）との関係で磁気抵抗効果素子１の電気抵抗値が変動する。このとき、固定磁性層の磁化方向（ＰＩＮ方向）と略反対方向の水平磁場成分Ｈ１が進入すると磁気抵抗効果素子１の電気抵抗値は大きくなる。これにより前記磁気抵抗効果素子１が組み込まれたセンサ回路の電位が中点電位から大きく変動して、磁石２からの外部磁界が作用していることを示すオン信号が出力されるように制御されている。また、図示しないが磁石２が磁気抵抗効果素子１に対して−Ｘ方向に位置した場合、磁気抵抗効果素子１には、固定磁性層の磁化方向（ＰＩＮ方向）と同一方向（＋Ｘ方向）の水平磁場成分が進入する。これにより磁気抵抗効果素子１の電気抵抗値は小さくなり、前記磁気抵抗効果素子１が組み込まれたセンサ回路の電位が中点電位から大きく変動し、オン信号が出力されるように制御されている。
特開２０００−２５２５４５号公報 特開２００３−１３０９３３号公報

従来の双極対応型の磁気検出装置では、Ｘ−Ｙ平面上に位置する磁石２の検知範囲は図１４に示すＡの領域に限られていた。

図１６に示すように、磁石２が前記磁気抵抗効果素子１に対して＋Ｙ方向、あるいは−Ｙ方向に位置したとき、前記磁石２の検知ができなかった。

図１６に示すように、磁石２が磁気抵抗効果素子１に対して＋Ｙ方向に位置すると、磁気抵抗効果素子１には−Ｙ方向の水平磁場成分Ｈ２が進入する。しかしながら固定磁性層の磁化方向（ＰＩＮ方向）は＋Ｘ方向であるため、固定磁性層の磁化方向とフリー磁性層の磁化方向とは略直交関係になり、磁気抵抗効果素子１の電気抵抗値は中間値となる。この結果、前記磁気抵抗効果素子１が組み込まれた電気回路の電位が中点電位から変動せず、あるいは電位が変動しても中点電位からの変動量が小さく、磁石２からの外部磁界が作用していないことを示すオフ信号が生成されてしまい、よって前記磁気抵抗効果素子１に対して＋Ｙ方向あるいは−Ｙ方向に位置したときの磁石２の検知が不可能であった。

また前記磁石２が磁気抵抗効果素子１の真上に位置したときは、図１７に示すように、前記磁石２からは前記磁気抵抗効果素子１に対して垂直磁場成分Ｈ３が作用するが、そもそも磁気抵抗効果素子１の電気抵抗値を変動させるための水平磁場成分が作用しないため、磁石２が磁気抵抗効果素子１の真上（及び真下）に位置したときも死角領域となってしまう。

特許文献１には「ホールセンサ」に関する発明が、特許文献２には、「磁気センサ素子」に関する発明が開示されているが、上記した従来技術の問題点については何ら記載されておらず、当然にその解決手段も開示されていない。

そこで本発明は上記従来の問題点を解決するためのものであり、特に、従来に比べてＸ−Ｙ平面上に位置する磁石の検知範囲を広げることが可能な磁気検出装置を提供することを目的としている。

本発明における磁気検出装置は、下面及び上面が着磁面の磁石に対し異なる高さ位置に配置され、前記磁石からの外部磁界を受けて電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果素子を備え、
前記磁気抵抗効果素子は、少なくとも、高さ方向（Ｚ方向）に固定磁性層、フリー磁性層、及び、前記固定磁性層とフリー磁性層との間に介在する非磁性層を積層した構造を備え、
前記固定磁性層の磁化方向は、前記Ｚ方向に直交するＸ方向の一方向に固定されており、前記磁気抵抗効果素子のＸ方向の両側に間隔を空けて第１の磁性体と、第２の磁性体とが設けられており、
前記第１の磁性体及び第２の磁性体のＸ方向に向く対向面は、前記Ｘ方向及びＺ方向に直交するＹ方向に互いにずれて配置されていることを特徴とするものである。

これにより、前記磁石が前記磁気抵抗効果素子に対してＹ方向に位置したとき、磁気抵抗効果素子に進入する水平磁場成分の方向が、従来のＹ方向からＸ方向に傾く方向に変更させられ、前記磁気抵抗効果素子に対してＹ方向に位置する磁石の検知が可能となる。

また、磁石２が磁気抵抗効果素子に対してＸ方向に位置したときは、水平磁場成分の磁束密度の増幅が可能であり、Ｘ方向への検知範囲を従来よりも広げることができる。以上により、従来に比べて、Ｘ−Ｙ平面上に位置する磁石の検知範囲を広げることができる。

また本発明では、前記第１の磁性体及び第２の磁性体には、前記対向面からＸ方向と略平行な方向であって互いに磁気抵抗効果素子から離れる方向に延びるＸ方向延出部と、前記Ｘ方向延出部の前記対向面と反対面側からＹ方向へ略平行な方向であって互いに離れる方向に延びるＹ方向延出部とを備えることが好ましい。Ｘ方向延出部を設けることで、より適切に、磁気抵抗効果素子に、Ｙ方向からＸ方向に傾く水平磁場成分を進入させることができ、また、Ｙ方向延出部を設けることで、磁石から生じる外部磁界の集磁効果を高めることができ、効果的に、従来に比べて、Ｘ−Ｙ平面上に位置する磁石の検知範囲を広げることができる。

また本発明では、前記第１の磁性体及び第２の磁性体の対向面は、Ｚ方向にずれて配置されていることが好ましい。これにより、前記磁石が前記磁気抵抗効果素子の真上あるいは真下に位置しても磁気抵抗効果素子には、固定磁性層の磁化方向と同一方向あるいは反対方向に近づく水平磁場成分を進入させることができ、磁気抵抗効果素子の真上あるいは真下に位置する磁石の検知が可能となる。

あるいは本発明における磁気検出装置は、下面及び上面が着磁面の磁石に対し異なる高さ位置に配置され、前記磁石からの外部磁界を受けて電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果素子を備え、
前記磁気抵抗効果素子は、少なくとも、高さ方向（Ｚ方向）に固定磁性層、フリー磁性層、及び、前記固定磁性層とフリー磁性層との間に介在する非磁性層を積層した構造を備え、
前記固定磁性層の磁化方向は、前記Ｘ方向の一方向に固定されており、前記磁気抵抗効果素子のＸ方向の両側に間隔を空けて第１の磁性体と、第２の磁性体とが設けられており、
前記第１の磁性体及び第２の磁性体のＸ方向を向く対向面は、前記Ｚ方向に互いにずれて配置されていることを特徴とするものである。

これにより、前記磁石が前記磁気抵抗効果素子の真上あるいは真下に位置しても磁気抵抗効果素子には、固定磁性層の磁化方向と同一方向あるいは反対方向、又はそれらに近づく水平磁場成分を進入させることができ、磁気抵抗効果素子の真上あるいは真下に位置する磁石の検知が可能となり、従来に比べて、Ｘ−Ｙ平面上に位置する磁石の検知範囲を広げることができる。

また本発明では、前記第１の磁性体及び第２の磁性体には、Ｘ方向に略平行で磁気抵抗効果素子から互いに離れる方向に延出するとともにＺ方向にずれて配置されたＸ方向延出部と、各Ｘ方向延出部からＺ方向と略平行な方向であって磁気抵抗効果素子に近づく方向に延出するＺ方向延出部とを有し、前記Ｚ方向延出部のＸ方向を向く一方の面が前記対向面であることが好ましい。

これにより、前記磁石が前記磁気抵抗効果素子の真上あるいは真下に位置してもより効果的に、磁石の検知が可能となる。

本発明の磁気検出装置によれば、従来に比べてＸ−Ｙ平面上に位置する磁石の検知範囲を広げることが可能である。

図１は本実施形態における磁気検出装置の斜視図、図２は磁気検出装置を図１の矢印方向から見た側面図、図３は、本実施形態における磁石の検知範囲を説明するための平面図、図４は、磁石が磁気抵抗効果素子に対して＋Ｘ方向に位置したときの平面図、図５は、磁石が磁気抵抗効果素子に対して−Ｘ方向に位置したときの平面図、図６は、磁石が磁気抵抗効果素子に対して＋Ｙ方向に位置したときの平面図、図７は、磁石が磁気抵抗効果素子に対して−Ｙ方向に位置したときの平面図、図８は、磁石が磁気抵抗効果素子の真上に位置したときの側面図、図９は本実施形態における磁気抵抗効果素子の積層構造を示す断面図、図１０は本実施形態における磁気検出装置の回路構成図、である。

Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の各方向は残りの２方向に対して直交する関係にある。各図では、Ｘ方向を、互いに反平行な＋Ｘ方向及び−Ｘ方向で、Ｙ方向を互いに反平行な＋Ｙ方向及び−Ｙ方向で表している。以下で「Ｘ方向」という場合は、＋Ｘ方向、−Ｘ方向の双方を含む意味か、あるいは＋Ｘ方向、−Ｘ方向の方向を特定しない意味で使用する。「Ｙ方向」についても同様である。

図１及び図２に示すように、本実施形態の磁気検出装置１０は、基板１１と、前記基板１１に設置された磁気センサ１２と、第１の磁性体１３と、第２の磁性体１４とを有して構成される。

前記磁気センサ１２は、磁気抵抗効果素子、固定抵抗素子、及び集積回路等が組み込まれてパッケージ化された構造である。

前記第１の磁性体１３は、前記磁気センサ１２に対して＋Ｘ方向に離れた位置に基板１１上に土台１５を介して設けられ、前記第２の磁性体１４は、前記磁気センサ１２に対して−Ｘ方向に離れた位置に基板１１に形成された貫通孔１１ａに裏側から差し込まれて設けられている。

前記第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４はＮｉＦｅ等の軟磁性材料で形成されることが好適である。

図１及び図２に示すように、第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４には夫々、Ｚ方向と略平行な方向に延出するＺ方向延出部１３ａ，１４ａが設けられ、前記Ｚ方向延出部１３ａ，１４ａの磁気センサ１２を介して内側に向くＸ方向の一面が夫々、対向面１３ａ１，１４ａ１である。ここで「Ｚ方向と略平行」とはＺ方向に対して１０°までの傾き範囲を含む意味である。

図１，図２に示すように各Ｚ方向延出部１３ａ，１４ａの前記対向面１３ａ１，１４ａ１とは反対側からＸ方向に略平行で磁気センサ１２から離れる方向にＸ方向延出部１３ｂ，１４ｂが設けられている。ここで「Ｘ方向と略平行」とはＸ方向に対して２５°までの傾き範囲を含む意味である。

図２に示すように、第１の磁性体１３のＸ方向延出部１３ｂは、第２の磁性体１４のＸ方向延出部１４ｂよりも高さ方向（Ｚ方向）において高い位置にあり、前記第１の磁性体１３の前記Ｚ方向延出部１３ａは前記Ｘ方向延出部１３ｂから下方向に折れ曲がって形成されている。一方、第２の磁性体１４の前記Ｚ方向延出部１４ａは前記Ｘ方向延出部１４ｂから上方向に折れ曲がって形成されている。

図１に示すように、第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４には、前記Ｘ方向延出部１３ｂ、１４ｂの前記対向面１３ａ１，１４ａ１側と反対面側からＹ方向に略平行な方向であって、互いに離れる方向に延びるＹ方向延出部１３ｃ，１４ｃが設けられている。ここで「Ｙ方向と略平行」とはＹ方向に対して１０°までの傾き範囲を含む意味である。

図９に示すように、前記磁気センサ１２内に組み込まれる磁気抵抗効果素子２０は、下から下地層６０、反強磁性層６１、固定磁性層６２、非磁性材料層６３、フリー磁性層６４及び保護層６５の順に積層されて成る。前記下地層６０は例えばＴａ、反強磁性層６１は例えばＩｒＭｎ、固定磁性層６２は例えばＣｏＦｅ、非磁性材料層６３はＣｕ又は酸化マグネシウムや酸化アルミニウム等、フリー磁性層６４は例えばＮｉＦｅ、保護層６５は例えばＴａで形成される。例えば積層順を逆にしたり、固定磁性層６２を積層フェリ構造で形成する等、図９の積層構造から変更が可能であるが、少なくとも固定磁性層６２、非磁性材料層６３、及びフリー磁性層６４の３層構造を有していなければならない。

前記反強磁性層６１と前記固定磁性層６２の間には交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じて前記固定磁性層６２の磁化方向（ＰＩＮ方向）は一方向に固定される。この実施形態では前記固定磁性層６２の磁化方向（ＰＩＮ方向）は＋Ｘ方向である。

一方、前記フリー磁性層６４の磁化方向は固定されず、作用する水平磁場成分の方向に向けられる。

本実施形態の磁気検出装置１０の特徴的部分は、磁気抵抗効果素子２０のＸ方向の両側に所定の間隔Ｔ１，Ｔ２（例えば、０．１〜０．３）を空けて第１の磁性体１３と第２の磁性体１４が設けられ、前記第１の磁性体１３及び前記第２の磁性体１４のＸ方向に向く対向面１３ａ１，１４ａ１は、互いに、Ｙ方向及びＺ方向にずれて配置されている点にある（図２や図４を参照）。

これによりＸ−Ｙ平面上に位置する磁石３０の検知範囲を図３に示す領域Ｂにまで広げることができる。

前記磁石３０は例えば上面３０ａがＳ極に下面３０ｂがＮ極に着磁されている（図８参照）。前記磁石の幅寸法Ｔ４、長さ寸法Ｔ５は、１０〜３０ｍｍで、厚さ寸法Ｔ６は１０〜２０ｍｍである（図３、図８参照）。

前記磁石３０は磁気抵抗効果素子２０よりも上方に位置し、図８のように、磁気抵抗効果素子２０の真上に前記磁石３０が位置したとき、前記磁気抵抗効果素子２０と前記磁石３０間の高さ寸法はＴ３である。図８に示す磁石３０と磁気抵抗効果素子２０間の高さ寸法Ｔ３は、３０〜５０ｍｍの範囲内である。

図３に示す磁石３０が磁気抵抗効果素子２０に対して、＋Ｘ方向、−Ｘ方向、＋Ｙ方向、−Ｙ方向及び真上に位置したときについて考察する。

図４は、磁石３０が磁気抵抗効果素子２０に対して＋Ｘ方向に位置したときの状態を示す。前記磁石３０から生じた外部磁界の一部は、第１の磁性体１３に集磁し、前記第１の磁性体１３の対向面１３ａ１から第２の磁性体１４の対向面１４ａ１に向けて磁束が導かれる。このとき前記第１の磁性体１３と前記第２の磁性体１４の間に位置する磁気抵抗効果素子２０には、−Ｘ方向に近い方向の水平磁場成分Ｈ４が進入する。前記磁気抵抗効果素子２０の固定磁性層６２の磁化方向（ＰＩＮ方向）は、＋Ｘ方向であるため、水平磁場成分Ｈ４が流入することで、前記磁気抵抗効果素子２０の固定磁性層６２の磁化方向（ＰＩＮ方向）とフリー磁性層６４の磁化方向の関係は略反平行になり、前記磁気抵抗効果素子２０の電気抵抗値は大きくなる。

図５は、磁石３０が磁気抵抗効果素子２０に対して−Ｘ方向に位置したときの状態を示す。前記磁石３０から生じた外部磁界の一部は、第２の磁性体１４に集磁し、前記第２の磁性体１４の対向面１４ａ１から第１の磁性体１３の対向面１３ａ１に向けて磁束が導かれる。このとき前記第１の磁性体１３と前記第２の磁性体１４の間に位置する磁気抵抗効果素子２０には、＋Ｘ方向に近い方向の水平磁場成分Ｈ５が進入する。前記磁気抵抗効果素子２０の固定磁性層６２の磁化方向（ＰＩＮ方向）は、＋Ｘ方向であるため、水平磁場成分Ｈ５が流入することで、前記磁気抵抗効果素子２０の固定磁性層６２の磁化方向（ＰＩＮ方向）とフリー磁性層６４の磁化方向の関係は略平行になり、前記磁気抵抗効果素子２０の電気抵抗値は小さくなる。

図１０の回路構成に示すように前記磁気抵抗効果素子２０を含めたブリッジ回路が構成されている。図１０に示すように磁気抵抗効果素子２０は２個設けられているが１個でもよい。複数の磁気抵抗効果素子２０を設ける場合、例えば前記磁気抵抗効果素子２０をＸ方向に並設するが、前記磁気抵抗効果素子２０の配置は限定されない。また前記磁気抵抗効果素子２０と直列接続される固定抵抗素子２５は外部磁界に対して電気抵抗値が変動しない素子である。また他の例としては、前記固定抵抗素子２５に代えて、固定磁性層の磁化方向が、磁気抵抗効果素子２０と反対方向である−Ｘ方向を向いた磁気抵抗効果素子を使用してもよい。これにより出力（差動電位）を大きくできる。図１０に示す符号２６は入力端子、符号２７はグランド端子である。

図１０に示すようにブリッジ回路に設けられた２つの出力取出し部２２，２３が差動増幅器２８に接続され、さらに差動増幅器２８が比較回路２９を介して外部出力端子２４に接続されている。

図４、図５で説明したように、磁石３０が磁気抵抗効果素子２０に対して＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向に位置すると、磁気抵抗効果素子２０の電気抵抗値の変動が大きくなり、その結果、出力取出し部２２，２３の電位が中点電位から大きく変動する。このため差動増幅器２８から出力される差動電位も大きく変動し、そして前記差動電位が比較回路２９にて定められた基準電位（閾値）を上回り、あるいは下回ることでオン信号が生成される。磁石３０からの外部磁界が検知されたことを示す前記オン信号は、外部出力端子２４から出力される。

また本実施形態では、前記磁気抵抗効果素子２０のＸ方向の両側に第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４を設けることで、前記磁石３０が前記磁気抵抗効果素子２０に対してＸ方向に位置したときは水平磁場成分の磁束密度を増幅でき、従来に比べて、前記磁石３０の＋Ｘ方向及び−Ｘ方向への検知範囲を広げることができる。磁束密度を数ｍＴ程度上げることができる。

続いて、図６は、磁石３０が磁気抵抗効果素子２０に対して＋Ｙ方向に位置したときの状態を示す。前記磁石３０から生じた外部磁界の一部は、第２の磁性体１４に集磁し、前記第２の磁性体１４の対向面１４ａ１から第１の磁性体１３の対向面１３ａ１に向けて磁束が導かれる。このとき前記第１の磁性体１３と前記第２の磁性体１４の間に位置する磁気抵抗効果素子２０には、−Ｙ方向から＋Ｘ方向に傾く水平磁場成分Ｈ６が進入する。すなわち第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４が無かった従来のように−Ｙ方向から作用していた水平磁場成分の方向を本実施形態のように第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４を設けることで−Ｙ方向から＋Ｘ方向に傾く方向に変更することが可能である。前記磁気抵抗効果素子２０の固定磁性層６２の磁化方向（ＰＩＮ方向）は、＋Ｘ方向であるため、水平磁場成分Ｈ６が流入することで、前記磁気抵抗効果素子２０の固定磁性層６２の磁化方向（ＰＩＮ方向）とフリー磁性層６４の磁化方向間の角度は、９０°よりも小さくなり、よって前記磁気抵抗効果素子２０の電気抵抗値は中間値よりも小さくなる。

図７は、磁石３０が磁気抵抗効果素子２０に対して−Ｙ方向に位置したときの状態を示す。前記磁石３０から生じた外部磁界の一部は、第１の磁性体１３に集磁し、前記第１の磁性体１３の対向面１３ａ１から第２の磁性体１４の対向面１４ａ１に向けて磁束が導かれる。このとき前記第１の磁性体１３と前記第２の磁性体１４の間に位置する磁気抵抗効果素子２０には、＋Ｙ方向から−Ｘ方向に傾いた水平磁場成分Ｈ７が進入する。前記磁気抵抗効果素子２０の固定磁性層６２の磁化方向（ＰＩＮ方向）は、＋Ｘ方向であるため、水平磁場成分Ｈ７が流入することで、前記磁気抵抗効果素子２０の固定磁性層６２の磁化方向（ＰＩＮ方向）とフリー磁性層６４の磁化方向間の角度は９０°よりも大きくなり、前記磁気抵抗効果素子２０の電気抵抗値は中間値よりも大きくなる。

したがって、図６や図７に示すように磁石３０が磁気抵抗効果素子２０に対して＋Ｙ方向及び−Ｙ方向に位置したときでも、図１０に示す出力取出し部２２，２３における中点電位からの電位変動量を従来に比べて大きくでき、比較回路２９にてオン信号を生成することができる。

図６や図７に示すように磁石３０が磁気抵抗効果素子２０に対して＋Ｙ方向及び−Ｙ方向に位置した場合、磁石３０から磁気抵抗効果素子２０に向けて＋Ｙ方向あるいは−Ｙ方向の水平磁場成分の影響もあるため、水平磁場成分Ｈ６，Ｈ７は、図４や図５に示す水平磁場成分Ｈ４，Ｈ５に比べて＋Ｙ方向や−Ｙ方向に近づきやすくなる。このため差動増幅器２８より得られる差動電位（絶対値）は、図４や図５のように磁石３０が磁気抵抗効果素子２０に対して＋Ｘ方向及び−Ｘ方向に位置するときよりも小さくなりやすく、図３のように、領域ＢにおけるＹ方向への検知範囲はＸ方向の検知範囲よりも短くなりやすいものの、本実施形態では、従来、不可能であった磁気抵抗効果素子２０から見たＹ方向への検知範囲を確実に確保でき、従来に比べて磁気抵抗効果素子２０の周囲領域の全域を検知範囲に定めることが可能となっている。

また、本実施形態では、前記第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４の各対向面１３ａ１，１４ａ１を互いに図示Ｙ方向にずらして配置している。例えば、各対向面１３ａ１，１４ａ１が互いに図示Ｙ方向にずれておらずＸ方向に一致していると、磁石３０から生じた外部磁界が第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４のどちらにも優先的に進入しやすくなり、前記対向面１３ａ１，１４ａ１間で導かれる水平磁場成分が非常に小さくなってしまうと考えられる。本実施形態のように、第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４の対向面１３ａ１，１４ａ１をＹ方向にずらすことで、図６のように、磁石３０の中心が磁気抵抗効果素子２０よりも＋Ｙ方向に位置する場合には、第２の磁性体１４に優先的に外部磁界が導かれ、図７のように、磁石３０の中心が磁気抵抗効果素子２０よりも−Ｙ方向に位置する場合には、第１の磁性体１３に優先的に外部磁界が導かれる結果、前記対向面１３ａ１，１４ａ１間に水平磁場成分Ｈ６，Ｈ７が適切に生じる。

あるいは、図６に示すように、前記磁石３０が磁気抵抗効果素子２０の近傍に位置するとき、第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４の対向面１３ａ１，１４ａ１付近のＹ方向に向く側面は、前記磁石３０からの−Ｙ方向への水平磁場成分の影響を受けて、Ｓ極及びＮ極に着磁されやすいと考えられる。このとき、前記第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４の各対向面１３ａ１，１４ａ１を互いに図示Ｙ方向にずらして配置することで、図６に示す第２の磁性体１４のＮ極面と、第１の磁性体１３のＳ極面とがＸ方向にて近づき、第２の磁性体１４から第１の磁性体１３に向けて磁束が効率的に導かれやすくなるものと考えられる。よって磁気抵抗効果素子２０に進入する水平磁場成分Ｈ６,Ｈ７の磁束密度を上げることができ、磁石３０が磁気抵抗効果素子２０に対して＋Ｙ方向及び−Ｙ方向に位置したときでも効果的に磁気抵抗効果素子３０の検知を行うことができる。

また、本実施形態では、前記第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４には、磁気抵抗効果素子２０の方向へ向けて延びるＸ方向延出部１３ｂ，１４ｂと、互いに離れる方向に延びるＹ方向延出部１３ｃ，１４ｃとが設けられているため、磁気抵抗効果素子２０の方向に飛び出したＸ方向延出部１３ｂ、１４ｂより、水平磁場成分Ｈ６，Ｈ７を適切に磁気抵抗効果素子２０に進入させることができ、また磁石３０が磁気抵抗効果素子２０から離れても、どちらかのＹ方向延出部１３ｃ，１４ｃが磁気抵抗効果素子２０よりも磁石３０に近い位置にあるため、前記Ｙ方向延出部１３ｃ，１４ｃにて適切に集磁効果を上げることができ、Ｙ方向への検知範囲をより効果的に大きくできる。

続いて図８は、磁石３０が磁気抵抗効果素子２０の真上に位置したときの状態を示す。図８に示すように、前記第１の磁性体１３及び前記第２の磁性体１４のＺ方向延出部１３ａ，１４ａの上面１３ａ２，１４ａ２はＳ極に、下面１３ａ３，１４ａ３はＮ極に着磁される。本実施形態では、前記第１の磁性体１３と前記第２の磁性体１４の対向面１３ａ１，１４ａ１が図示Ｚ方向にずれて配置されている。このため、前記第１の磁性体１３の下面１３ａ３のＮ極面と、前記第２の磁性体１４の上面１４ａ２のＳ極面とをＸ方向にて近づけることができ、第１の磁性体１３のＮ極面から第２の磁性体１４のＳ極面に向けて−Ｘ方向に近い方向の水平磁場成分Ｈ８を導くことができ、前記水平磁場成分Ｈ８を、前記第１の磁性体１３と第２の磁性体１４の間に位置する磁気抵抗効果素子２０に進入させることができる。

この結果、磁気抵抗効果素子２０の電気抵抗値は大きくなり、したがって、磁石３０が磁気抵抗効果素子２０の真上に位置したときでも、図１０に示す出力取出し部２２，２３の電位を中点電位から大きく変動させることができ、比較回路２９にてオン信号を生成することができる。

また本実施形態では、前記第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４は、Ｘ方向に略平行で磁気抵抗効果素子２０から互いに離れる方向に延出するとともにＺ方向にずれて配置されたＸ方向延出部１３ｂ，１４ｂと、各Ｘ方向延出部１３ｂ，１４ｂからＺ方向と略平行な方向であって磁気抵抗効果素子２０に近づく方向に延出するＺ方向延出部１３ａ，１４ａとを有し、前記Ｚ方向延出部１３ａ，１４ａの磁気抵抗効果素子２０を介して内側を向く面が前記対向面１３ａ１，１４ａ１である。これにより、より適切に、集磁効果を高めることができ、また磁気抵抗効果素子２０に、効率的に水平磁場成分Ｈ８を進入させることができ、前記磁石３０が前記磁気抵抗効果素子２０の真上（あるいは真下）に位置してもより効果的に、磁石３０の検知が可能となる。

なおＸ方向とＹ方向との間の領域に磁石３０がある場合も当然に、磁気抵抗効果素子２０には＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向に近づく水平磁場成分が進入するため磁気抵抗効果素子２０の電気抵抗値が中間値よりも適切に大きくあるいは小さくなり、オン信号を生成でき、磁石３０があることを検知することができる。

以上により従来、死角領域となっていた磁気抵抗効果素子２０の真上あるいは真下領域、及び磁気抵抗効果素子２０から見て＋Ｙ方向領域及び−Ｙ方向領域を全て検知可能な領域にできる。したがって、従来に比べてＸ−Ｙ平面上に位置する磁石３０の検知範囲を広げることが可能である。

しかも本実施形態では磁石３０からの外部磁界を捉えるためのセンサ部には、基本的に１個の磁気抵抗効果素子２０を用いれば足り、また複数の磁気抵抗効果素子を用いる場合でも図１０のように一つのブリッジ回路を組むだけで済む。図１０の回路構成は、従来と同様の双極対応型の磁気センサの回路構成であるため、複雑化することなく簡単な回路構成を用いて、検知範囲を広げることが可能である。

上記した実施形態では、前記第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４の対向面１３ａ１，１４ａ１が互いにＹ方向及びＺ方向にずれて配置されていたが、前記第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４の対向面１３ａ１，１４ａ１が互いにＹ方向にのみずれた形態、前記第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４の対向面１３ａ１，１４ａ１が互いにＺ方向にのみずれた形態であってもよい。

また例えば図６に示すように平面視にて、第１の磁性体１３の対向面１３ａ１と第２の磁性体１４の対向面１４ａ１は、Ｘ方向に重ならないようにＹ方向にずらして配置されても、Ｘ方向に一部重なるようにＹ方向にずらして配置されてもどちらでもよい。Ｘ方向に重ならないように、前記第１の磁性体１３と前記第２の磁性体１４とをＹ方向にずらしすぎると（例えば、第１の磁性体１３の＋Ｙ方向に向く側面１３ｄを、第２の磁性体１４の−Ｙ方向に向く側面１４ｄよりも−Ｙ方向にずらしすぎると）、特に、図６，図７に示す水平磁場成分Ｈ６，Ｈ７がよりＹ方向に近づき、磁石３０が磁気抵抗効果素子２０のＹ方向に位置したときの検知を適切に行えなくなるため、あまりずらしすぎるのは好ましくない。図６では、前記第１の磁性体１３の＋Ｙ方向に向く側面１３ｄと、第２の磁性体１４の−Ｙ方向に向く側面１４ｄとが図示Ｘ方向に一致しているが、この側面１３ｄ，１４ｄ間のずらし量は、−１．０〜０．０ｍｍ（正値は対向面１３ａ１，１４ａ１どうしがＹ方向にて一部重なるずらし方向を示し、負値は対向面１３ａ１，１４ａ１どうしがＹ方向にて重ならず離れていくずらし方向を示す）であることが好ましい。

この実施形態では、前記磁気抵抗効果素子２０の中心２０ａを回転中心として、前記第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４とが点対称に配置されている。これにより前記磁石３０が磁気抵抗効果素子２０に対して＋Ｙ方向に位置したときの＋Ｙ方向への検知範囲長さと、−Ｙ方向に位置したときの−Ｙ方向への検知範囲長さを同じ大きさにすることができる。

次に、例えば図２に示すように側面図にて、第１の磁性体１３の対向面１３ａ１と第２の磁性体１４の対向面１４ａ１は、Ｘ方向に重ならないようにＺ方向にずらして配置されても、Ｘ方向に一部重なるようにＺ方向にずらして配置されてもどちらでもよい。Ｘ方向に重ならないように、前記第１の磁性体１３と前記第２の磁性体１４とをＺ方向にずらしすぎると（例えば、前記第１の磁性体１３のＺ方向延出部１３ａの下面１３ａ３を、前記第２の磁性体１４のＺ方向延出部１４ａの上面１４ａ２よりも上方へずらしすぎると）、あるいは、各対向面１３ａ１，１４ａ１のＸ方向への重なり領域を大きくしすぎると、前記磁気抵抗効果素子２０に進入する水平磁場成分Ｈ８が小さくなってしまい好ましくない。図２では、前記第１の磁性体１３のＺ方向延出部１３ａの下面１３ａ３と、前記第２の磁性体１４のＺ方向延出部１４ａの上面１４ａ２とがＸ方向にて一致しているが、この上下面１３ａ２，１４ａ２間のずらし量は、−０．５〜０．５ｍｍ（正値は対向面１３ａ１，１４ａ１どうしがＸ方向にて一部重なるずらし方向を示し、負値は対向面１３ａ１，１４ａ１どうしがＸ方向にて重ならず離れていくずらし方向を示す）であることが好ましい。

図８に示すように、磁気抵抗効果素子２０は、第１の磁性体１３にはＸ方向にて重ならず、一方、第２の磁性体１４にはＸ方向にて重なる位置に設けられているが、前記磁気抵抗効果素子２０をもう少し上方向に配置してもよい。ただし図８の形態では、第１の磁性体１３のＺ方向延出部１３ａの下面１３ａ３及び、第２の磁性体１４のＺ方向延出部１４ａの上面１４ａ２が夫々磁極面となり、第１の磁性体１３のＺ方向延出部１３ａの下面１３ａ４から、第２の磁性体１４のＺ方向延出部１４ａの上面１４ａ２に向けて水平磁場成分Ｈ８が導かれやすいので、磁気抵抗効果素子２０を第１の磁性体１３のＺ方向延出部１３ａの下面１３ａ３及び、第２の磁性体１４のＺ方向延出部１４ａの上面１４ａ２の近傍に配置することが好ましい。また、図８のように、磁気抵抗効果素子２０を第１の磁性体１３のＺ方向延出部１３ａの下面１３ａ３以下の位置、あるいは、磁気抵抗効果素子２０第２の磁性体１４のＺ方向延出部１４ａの上面１４ａ２以上の位置に配置することで、適切に水平磁場成分Ｈ８を磁気抵抗効果素子２０に進入させやすくできる。

また第１の磁性体１３及び第２の磁性体１４は、例えば、平板形状であってもよいが、図１に示すようにＺ方向延出部１３ａ，１４ａ、Ｘ方向延出部１３ｂ，１４ｂ及びＹ方向延出部１３ｃ，１４ｃを備える形態であることが、集磁効果の向上や、磁気検出素子２０に効率的に水平磁場成分を進入させることができ、Ｘ−Ｙ平面上に位置する磁石３０の検知範囲を適切に広げることができる点で好適である。

図１１は、他の実施形態における磁気検出装置の回路構成図である。図１１に示す磁気検出装置１００は、センサ部１０１と集積回路（ＩＣ）１０２とを有して構成される。

前記センサ部１０１には、第１磁気抵抗効果素子１０３と固定抵抗素子１０４とが第１出力取り出し部（接続部）１０５を介して直列接続された第１直列回路１０６、及び、第２磁気抵抗効果素子１０７と固定抵抗素子１０８とが第２出力取り出し部（接続部）１０９を介して直列接続された第２直列回路１１０が設けられる。

前記集積回路１０２には、固定抵抗素子１１１と固定抵抗素子１１２が第３出力取り出し部１１３を介して直列接続された第３直列回路１１４が設けられる。

前記第３直列回路１１４は、共通回路として前記第１直列回路１０６及び前記第２直列回路１１０と夫々ブリッジ回路を構成している。

図１１に示すように前記集積回路１０２には入力端子（電源）１１９、グランド端子１２０及び２つの外部出力端子１２１，１２２が設けられている。

図１１に示すように集積回路１０２内には、１つの差動増幅器（差動出力部）１２５が設けられ、前記差動増幅器１２５の＋入力部、−入力部のどちらかに、前記第３直列回路１１４の第３出力取り出し部１１３が接続されている。

前記第１直列回路１０６の第１出力取り出し部１０５及び第２直列回路１１０の第２出力取り出し部１０９は夫々第１スイッチ回路１２６の入力部に接続され、前記第１スイッチ回路１２６の出力部は前記差動増幅器３５の−入力部、＋入力部のどちらか（前記第３出力取り出し部１１３が接続されていない側の入力部）に接続されている。

図１１に示すように、前記差動増幅器１２５の出力部はシュミットトリガー型のコンパレータ１２８に接続され、さらに前記コンパレータ１２８の出力部は第２スイッチ回路（第２接続切換部）１２９の入力部に接続され、さらに前記第２スイッチ回路１２９の出力部側は２つのラッチ回路及びＦＥＴ回路を経て第１外部出力端子１２１及び第２外部出力端子１２２に夫々接続される。

さらに図１１に示すように、前記集積回路１０２内には第３スイッチ回路１３０が設けられている。前記第３スイッチ回路１３０の出力部は、前記グランド端子１２０に接続され、前記第３スイッチ回路１３０の入力部には、第１直列回路１０６及び第２直列回路１１０の一端部が接続されている。

さらに図１１に示すように、前記集積回路１０２内には、インターバルスイッチ回路１３１及びクロック回路１３３が設けられている。前記インターバルスイッチ回路１３１のスイッチがオフされると集積回路１０２内への通電が停止するようになっている。前記インターバルスイッチ回路１３１のスイッチのオン・オフは、前記クロック回路１３３からのクロック信号に連動しており、前記インターバルスイッチ回路１３１は通電状態を間欠的に行う節電機能を有している。

前記クロック回路１３３からのクロック信号は、第１スイッチ回路１２６、第２スイッチ回路１２９、及び第３スイッチ回路１３０にも出力される。

前記第１磁気抵抗効果素子１０３は例えば＋Ｘ方向の外部磁界の強度変化に基づいて磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子であり、一方、前記第２磁気抵抗効果素子１０７は、−Ｘ方向の外部磁界の磁界強度変化に基づいて磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子である。

図１２，図１３で説明するように、＋Ｘ方向への外部磁界が作用すると、第１磁気抵抗効果素子１０３の抵抗値は変動するが、第２磁気抵抗効果素子１０７の抵抗値は変動しない（すなわち固定抵抗として作用する）。

一方、図１２，図１３で説明するように、−Ｘ方向への外部磁界が作用すると、第２磁気抵抗効果素子１０７の抵抗値は変動するが、第１磁気抵抗効果素子１０３の抵抗値は変動しない（すなわち固定抵抗として作用する）。

例えば、第１磁気抵抗効果素子１０３及び第２磁気抵抗効果素子１０７の固定磁性層の磁化方向（ＰＩＮ方向）は共に−Ｘ方向である。

一方、フリー磁性層の磁化方向は、無磁場状態（外部磁界が作用していない状態）において第１磁気抵抗効果素子１０３と第２磁気抵抗効果素子１０７とで異なっている。前記第１磁気抵抗効果素子１０３のフリー磁性層の磁化方向は無磁場状態で、−Ｘ方向であり、第２磁気抵抗効果素子１０７のフリー磁性層の磁化方向は無磁場状態で＋Ｘ方向である。

図１２は第１磁気抵抗効果素子１０３のヒステリシス特性を示すＲ−Ｈ曲線である。図１２のように、第１磁気抵抗効果素子１０３には＋Ｘ方向の外部磁界の磁界強度変化に対して、曲線ＨＲ１と曲線ＨＲ２で囲まれたヒステリシスループＨＲが形成される。前記第１磁気抵抗効果素子１０３の最大抵抗値と最低抵抗値の中間値であって、前記ヒステリシスループＨＲの広がり幅の中心値がヒステリシスループＨＲの「中点」である。そして前記ヒステリシスループＨＲの中点から外部磁界Ｈ＝０（Ｏｅ）のラインまでの磁界の強さで第１の層間結合磁界Ｈｉｎ１の大きさが決定される。図３に示すように第１磁気抵抗効果素子１０３では、前記第１の層間結合磁界Ｈｉｎ１が＋Ｘ方向の磁界方向へシフトしている。

図１３は第２磁気抵抗効果素子１０７のヒステリシス特性を示すＲ−Ｈ曲線である。図１３に示すように、第２磁気抵抗効果素子１０７には−Ｘ方向の外部磁界の磁界強度変化に対して、曲線ＨＲ３と曲線ＨＲ４で囲まれたヒステリシスループＨＲが形成される。前記第２磁気抵抗効果素子１０７の最大抵抗値と最低抵抗値の中間値であって、前記ヒステリシスループＨＲの広がり幅の中心値がヒステリシスループＨＲの「中点」である。そして前記ヒステリシスループＨＲの中点から外部磁界Ｈ＝０（Ｏｅ）のラインまでの磁界の強さで第２の層間結合磁界Ｈｉｎ２の大きさが決定される。図１３に示すように第２磁気抵抗効果素子１０７では、前記第２の層間結合磁界Ｈｉｎ２が−Ｘ方向の磁界方向へシフトしている。

図４、図７、図８の場合では、主に第２磁気抵抗効果素子１０７の電気抵抗値が大きく変動し、少なくとも、第１スイッチ回路１２６、第２スイッチ回路１２９及び第３スイッチ回路１３０が図１の状態から切り換えられる（スイッチングされる）と、第２外部出力端子１２２からオン信号が出力される。一方、図５、図６の場合では、主に第１磁気抵抗効果素子１０３の電気抵抗値が大きく変動し、少なくとも、第１スイッチ回路１２６、第２スイッチ回路１２９及び第３スイッチ回路１３０が図１の状態のとき、第１外部出力端子１２１からオン信号が出力される。本実施形態では、第１外部出力端子１２１及び、第２外部出力端子１２２のどちらからと特に区別することなくオン信号を得ることで、磁石３０が図３の領域Ｂ内に存在することを検知できる。

本実施形態の磁気検出装置１０は、例えば、人が磁石３０を図３に示す領域Ｂ内に置いたか否かを測定するために使用されるものである。また、磁石３０は磁気検出装置１０内に組み込まれる構成要素であってもよく、磁石３０が移動側でなく固定側で、図１に示す磁気センサ１２、第１の磁性体１３、及び第２の磁性体１４を備えた基板１１が移動側であってもよい。

本実施形態における磁気検出装置の斜視図、 磁気検出装置を図１の矢印方向から見た側面図、 本実施形態における磁石の検知範囲を説明するための平面図、 磁石が磁気抵抗効果素子に対して＋Ｘ方向に位置したときの平面図、 磁石が磁気抵抗効果素子に対して−Ｘ方向に位置したときの平面図、 磁石が磁気抵抗効果素子に対して＋Ｙ方向に位置したときの平面図、 磁石が磁気抵抗効果素子に対して−Ｙ方向に位置したときの平面図、 磁石が磁気抵抗効果素子の真上に位置したときの側面図、 本実施形態における磁気抵抗効果素子の積層構造を示す断面図、 本実施形態における磁気検出装置の回路構成図、 他の実施形態における磁気検出装置の回路構成図、 第１磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ曲線、 第２磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ曲線、 従来における磁石の検知範囲を示す平面図、 磁石が従来における磁気検出装置を構成する磁気抵抗効果素子に対して＋Ｘ方向に位置したときの側面図、 磁石が従来における磁気検出装置を構成する磁気抵抗効果素子に対して＋Ｙ方向に位置したときの正面図、 磁石が従来における磁気検出装置を構成する磁気抵抗効果素子の真上に位置したときの側面図、

符号の説明

１０、１００ 磁気検出装置
１１ 基板
１２ 磁気センサ
１３ 第１の磁性体
１３ａ、１４ａ Ｚ方向延出部
１３ａ１、１４ａ１ 対向面
１３ｂ、１４ｂ Ｘ方向延出部
１３ｃ、１４ｃ Ｙ方向延出部
１４ 第２の磁性体
２０ 磁気抵抗効果素子
２２、２３、１０５、１０９、１１３ 出力取出し部
２４、１２１、１２２ 外部出力端子
２５、１０４、１０８、１１１、１１２ 固定抵抗素子
２６、１１９ 入力端子
２７、１２０ グランド端子
２８、１２５ 差動増幅器
２９ 比較回路
３０ 磁石
３０ａ （磁石の）上面
３０ｂ （磁石の）下面
６１ 反強磁性層
６２ 固定磁性層
６３ 非磁性層
６４ フリー磁性層
６５ 保護層
１０１ センサ部
１０２ 集積回路
１０３ 第１磁気抵抗効果素子
１０７ 第２磁気抵抗効果素子
１２６ 第１スイッチ回路
１２９ 第２スイッチ回路
１３０ 第３スイッチ回路
１３３ クロック回路
Ｈ４〜Ｈ８ 水平磁場成分
Ｈｉｎ１、Ｈｉｎ２ 層間結合磁界
ＰＩＮ 固定磁性層の磁化方向

Claims (5)

1. 下面及び上面が着磁面の磁石に対し異なる高さ位置に配置され、前記磁石からの外部磁界を受けて電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果素子を備え、
   前記磁気抵抗効果素子は、少なくとも、高さ方向（Ｚ方向）に固定磁性層、フリー磁性層、及び、前記固定磁性層とフリー磁性層との間に介在する非磁性層を積層した構造を備え、
   前記固定磁性層の磁化方向は、前記Ｚ方向に直交するＸ方向の一方向に固定されており、前記磁気抵抗効果素子のＸ方向の両側に間隔を空けて第１の磁性体と、第２の磁性体とが設けられており、
   前記第１の磁性体及び第２の磁性体のＸ方向に向く対向面は、前記Ｘ方向及びＺ方向に直交するＹ方向に互いにずれて配置されていることを特徴とする磁気検出装置。
2. 前記第１の磁性体及び第２の磁性体には、Ｘ方向と略平行な方向であって互いに磁気抵抗効果素子から離れる方向に延びるＸ方向延出部と、前記Ｘ方向延出部の対向面側と反対側からＹ方向へ略平行な方向であって互いに離れる方向に延びるＹ方向延出部とを備える請求項１記載の磁気検出装置。
3. 前記第１の磁性体及び第２の磁性体の対向面は、Ｚ方向にずれて配置されている請求項１又は２に記載の磁気検出装置。
4. 下面及び上面が着磁面の磁石に対し異なる高さ位置に配置され、前記磁石からの外部磁界を受けて電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果素子を備え、
   前記磁気抵抗効果素子は、少なくとも、高さ方向（Ｚ方向）に固定磁性層、フリー磁性層、及び、前記固定磁性層とフリー磁性層との間に介在する非磁性層を積層した構造を備え、
   前記固定磁性層の磁化方向は、前記Ｘ方向の一方向に固定されており、前記磁気抵抗効果素子のＸ方向の両側に間隔を空けて第１の磁性体と、第２の磁性体とが設けられており、
   前記第１の磁性体及び第２の磁性体のＸ方向を向く対向面は、前記Ｚ方向に互いにずれて配置されていることを特徴とする磁気検出装置。
5. 前記第１の磁性体及び第２の磁性体には、Ｘ方向に略平行で磁気抵抗効果素子から互いに離れる方向に延出するとともにＺ方向にずれて配置されたＸ方向延出部と、各Ｘ方向延出部からＺ方向と略平行な方向であって磁気抵抗効果素子に近づく方向に延出するＺ方向延出部とを有し、前記Ｚ方向延出部のＸ方向を向く一方の面が前記対向面である請求項３又は４に記載の磁気検出装置。

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