WO2005081007A1 - 磁界検出器、これを用いた電流検出装置、位置検出装置および回転検出装置 - Google Patents

磁界検出器、これを用いた電流検出装置、位置検出装置および回転検出装置 Download PDF

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resistance
voltage
circuit
layer
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Takashi Takenaga
Hiroshi Kobayashi
Takeharu Kuroiwa
Sadeh Beysen
Taisuke Furukawa
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Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
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    • G01R15/205—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using magneto-resistance devices, e.g. field plates
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    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors

Definitions

  • Magnetic field detector, current detector, position detector and rotation detector using the same
  • the present invention relates to a magnetic field detector for detecting a magnetic field by a giant magnetoresistance effect or a tunnel magnetoresistance effect, and a current detection device, a position detection device, and a rotation detection device using the same.
  • the magnetoresistance (MR) effect is a phenomenon in which electric resistance changes when a magnetic field is applied to a magnetic substance, and is used for a magnetic field detector, a magnetic head, and the like.
  • artificial lattice films such as Fe / Cr and CoZCu have been known as giant magnetoresistance (GMR) effect materials exhibiting a very large magnetoresistance effect.
  • the ferromagnetic layer having a nonmagnetic metal layer having a thickness large enough to eliminate the exchange coupling effect between the ferromagnetic layers, the Z nonmagnetic layer, the Z ferromagnetic layer, and the Z antiferromagnetic layer has a structure including A so-called spin valve in which a ferromagnetic layer is exchange-coupled to fix the magnetic moment of the ferromagnetic layer to form a so-called pinned layer, and to form a free layer in which only the spin of the other ferromagnetic layer can be easily reversed by an external magnetic field. Films are known. FeMn, IrMn, PtMn, etc. are used as antiferromagnetic materials.
  • the exchange coupling between the two ferromagnetic layers is weak and the spin can be inverted with a small magnetic field, a high-sensitivity magnetoresistive effect element can be provided. Therefore, it is used as a reproducing head for high-density magnetic recording.
  • the spin valve film is used by flowing a current in the in-plane direction of the film.
  • the spin of the two ferromagnetic layers is made parallel or anti-parallel to each other by an external magnetic field, thereby forming a tunnel in a direction perpendicular to the film surface.
  • a tunneling magnetoresistance (TMR) effect by a ferromagnetic tunnel junction utilizing the difference in the magnitude of the current is known.
  • GMR or TMR elements as magnetic field detectors.
  • TMR element that can obtain a large output signal and can use an arbitrary shape in the magnetic field detector.
  • Patent Document 1 Patent No. 3017061
  • an external magnetic field can be measured from a voltage change of the magnetoresistive element. It is also possible to obtain a large output signal by using the bridge circuit technology.
  • the saturation magnetic field of the free layer depends on the thickness and shape of the free layer, it is affected by the variation due to the reproducibility in the manufacturing process, and the variation occurs immediately by the detector.
  • a TMR element as the magnetoresistive element.
  • the output signal is affected by the variation due to the reproducibility in the manufacturing process, and the variation occurs immediately by the detector.
  • the resistance change rate and the saturation magnetic field change an error occurs in the magnetic field detected according to the change amount.
  • the resistance change rate and the saturation magnetic field change depending on the operating temperature. This changes the sensitivity and resolution of the detector.
  • the present invention provides a magnetic field detector capable of performing sensitivity calibration and resolution calibration of the detector as needed by a single detector at any time, a detection method thereof, and a physical quantity measurement device using the same.
  • the purpose is to do.
  • the present invention is a magnetic field detector including a reference magnetoresistance effect element and a magnetic field detection magnetoresistance effect element, wherein the reference magnetoresistance effect element and the magnetic field detection magnetoresistance effect element are each: A non-magnetic layer, a non-magnetic layer, and a free layer made of a magnetic material whose magnetization direction changes with an external magnetic field.
  • the reference magnetoresistance effect element has a structure in which the direction of magnetization of the fixing layer and the direction of magnetization of the free layer in the absence of a magnetic field are parallel or antiparallel.
  • the magnetoresistive element is characterized in that the magnetization direction of the pinned layer is different from the magnetization direction of the free layer in the absence of a magnetic field.
  • the resistance change rate can be calibrated at any time without using a magnetic field generator.
  • an external magnetic field By referring to a magnetoresistive element having a field response, it is possible to compare output signals within the same detector, and a stable output signal can be obtained even when the sensitivity of the element changes.
  • FIG. 1 is a view for explaining a direction of magnetization of a free layer and a fixed layer of a magnetoresistance effect element.
  • ⁇ Circle over (2) ⁇ is a diagram for explaining the external magnetic field dependence of the element resistance of the magnetoresistance effect element.
  • FIG. 3 is a top view for explaining the configuration of the magnetic field detector of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a cross-sectional structure of a magnetoresistive element of the magnetic field detector according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining output signals of the magnetic field detector of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a top view for explaining the configuration of the magnetic field detector according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a top view for explaining the configuration of the magnetic field detector of the third embodiment.
  • FIG. 8 is a top view for explaining the configuration of the magnetic field detector of the fourth embodiment.
  • FIG. 9 is a top view for explaining the configuration of another magnetic field detector according to the fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a top view for explaining the configuration of the magnetic field detector according to the fifth embodiment.
  • FIG. 11 is a top view for explaining the configuration of another magnetic field detector according to the fifth embodiment.
  • FIG. 12 is a perspective view illustrating a current detection device according to a sixth embodiment.
  • FIG. 13 is a perspective view for describing a position detection device according to a seventh embodiment.
  • FIG. 14 is a side view illustrating a rotation detecting device according to an eighth embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of a magnetic field detector according to a ninth embodiment.
  • FIG. 16 is a circuit diagram illustrating an example of a differential amplifier circuit according to the ninth embodiment.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of a magnetic field detector according to Embodiment 10.
  • FIG. 18 is a diagram showing an output waveform of the tenth embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram for explaining a configuration of a magnetic field detector according to Embodiment 11.
  • FIG. 20 is a circuit diagram illustrating an example of a multiplication / division circuit.
  • FIG. 21 is a diagram for illustrating a configuration of a magnetic field detector according to a twelfth embodiment.
  • FIG. 22 is a diagram for illustrating a configuration of a magnetic field detector according to Embodiment 13.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating the dependence of the element resistance of the magnetoresistive element on the external magnetic field.
  • FIG. 24 is a circuit diagram illustrating an example of an addition circuit. Explanation of reference numerals
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the directions of magnetization of the free layer and the fixed layer of the magnetoresistive element 52.
  • the direction 2 of the free layer and the direction 3 of the pinned layer of the spin-valve magnetoresistive element are 90 °.
  • the magnetization direction of the free layer changes its direction by an external magnetic field.
  • the resistance value of the magnetoresistive element changes linearly according to the angle formed by the changed magnetization direction 2a of the free layer and the magnetization direction 3 of the fixed layer.
  • the element resistance R becomes 90 ° when the magnetization direction 2 of the free layer and the magnetization direction 3 of the pinned layer are 90 °.
  • R R + AR / 2 X H /
  • R is an intermediate value between the maximum and minimum resistance values that the element resistance can take.
  • AR is the magnetoresistance ratio of the element. Since the element resistance R is proportional to the external magnetic field, the magnitude of the external magnetic field can be detected by obtaining the element resistance.
  • the detected external magnetic field is a direction component of the magnetization direction 3 of the pinned layer. Further, the magnetic field region of the fixed layer that can be detected in the magnetizing direction, that is, the operating region is -IHI ⁇ H ⁇ .
  • the magnetic field can be detected by the current or voltage flowing through the element by the element resistance depending on the external magnetic field.
  • FIG. 3 is a top view showing the magnetic field detector according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the magnetic field detector shown here has one magnetoresistive element for detection 1 (hereinafter, referred to as a detecting element) and one magnetoresistive element for reference 11 (hereinafter, referred to as a reference element). )have.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of the cross-sectional structure of each of the elements 1 and 11.
  • a wiring layer 62 is formed on a substrate 61, and then an antiferromagnetic layer 63 is formed.
  • a first magnetic layer 64 (fixed layer) made of a magnetic material whose magnetic direction is fixed by the antiferromagnetic layer 63 is formed.
  • a non-magnetic layer 65 serving as a tunnel insulating layer is formed, and a second magnetic layer 66 (free layer) is formed on the non-magnetic layer 65.
  • the second magnetic layer 66 also has a magnetic force whose magnetization direction changes by an external magnetic field.
  • a wiring layer 67 is formed on the second magnetic layer 66.
  • the force structure showing the structure in which the antiferromagnetic layer 63, the first magnetic layer 64, the non-magnetic layer 65, and the second magnetic layer 66 are sequentially stacked is not limited to this, but instead is the second structure.
  • the element can also be formed by laminating the magnetic layer 66, the nonmagnetic layer 65, the first magnetic layer 64, and the antiferromagnetic layer 63 in this order.
  • each of the elements 11 has a rectangular element shape.
  • Element 11 need not have the same aspect ratio, but elements 1 and 11 have the same area to equalize the element resistance. are doing.
  • the magnetization directions 2 and 12 become the longitudinal direction of the element due to the shape magnetic anisotropy.
  • the magnetization direction 3 of the first magnetic layer 64 of the detection element 1 is orthogonal to the magnetization direction 2 of the second magnetic layer 66 of the detection element 1 in the absence of a magnetic field in the element plane. are doing.
  • the magnetization direction 13 of the first magnetic layer 64 of the reference element 11 is parallel to the magnetization direction 12 of the second magnetic layer 66 of the reference element 11 in the absence of a magnetic field.
  • the directions 3 and 13 of the first magnetic layer 64 of the elements 1 and 11 are the same here.
  • wirings 4, 44, 14, 16 for signal detection are formed and connected as wiring layers 62, 67 to the first magnetic layer 64 and the second magnetic layer 66 of the respective elements 1, 11, and are connected to the detection circuit. It is connected.
  • the first magnetic layer 66 and the second magnetic layer 64 of each of the elements 1 and 11 are made of a ferromagnetic material.
  • a material constituting the ferromagnetic material for example, Co, Ni, a metal containing Fe as a main component, such as Co, Fe, a Co-Fe alloy, a Co-Ni alloy, a Co-Fe-Ni, a Fe-Ni alloy, and An alloy such as Ni-Mn-Sb or Co-Mn-Ge may be used.
  • the non-magnetic layer 65 which is a tunnel insulating layer, may be made of an insulating material such as Ta O, S
  • metal oxide such as 25 iO and MgO, and it may be a fluoride.
  • the first magnetic layer 64 of each of the elements 1 and 11 is laminated with the antiferromagnetic layer 63 so that the direction of magnetization is fixed. That is, the antiferromagnetic layer 63 fixes the spin direction of the first magnetic layer 64, so that the magnetization directions of the first magnetic layer 64 are maintained in the directions of 3 and 13, respectively.
  • the material forming the antiferromagnetic layer include Ir-Mn, Ni-Mn, Ni-0, and Fe-Mn ⁇ Pt-Mn.
  • Each of the above films is formed by, for example, DC magnetron sputtering. Further, for example, it may be formed by a molecular beam epitaxy (MBE) method, various sputtering methods, a chemical vapor deposition (CVD) method, or a vapor deposition method.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • CVD chemical vapor deposition
  • the elements 1 and 11 are formed by, for example, photolithography.
  • films to be the second magnetic layer 66, the nonmagnetic layer 65, and the first magnetic layer 64 are formed respectively.
  • a desired pattern is formed by a photoresist.
  • the shape of the device can be obtained by ion milling or reactive ion etching. Further, a pattern may be formed by electron beam lithography or a focused ion beam.
  • wirings 4, 44, 14, 16 are made of, for example, an A1 layer.
  • the detection element 1 and the reference element 11 be simultaneously formed on the same substrate by the same process.
  • the variation when simultaneously performed is very small, and there is almost no variation which is a problem in the measurement of magnetoresistance.
  • the magnetization directions 3 and 13 of the first magnetic layer of each of the elements 1 and 11 are set, for example, by the following method. No external exchange interaction between the antiferromagnetic layer and the first magnetic layer is eliminated, and an external magnetic field for generating a saturation magnetization of the first magnetic layer by heating the magnetic field detector above the blocking temperature is desired. In the direction of. By cooling the magnetic field detector to a temperature equal to or lower than the blocking temperature in this state, a desired magnetization direction can be obtained in the first magnetic layer.
  • the applied magnetic field during the heat treatment may be the same.
  • the magnetic field detector of the present embodiment can be formed.
  • the shape of the element 11 need not be rectangular as long as the direction of the magnetization of the second magnetic layer can be defined as desired.
  • each of the elements 1 and 11 is preferably a TMR element. This makes it possible to achieve both a large output signal and miniaturization of the device.
  • V I X (R + AR / 2 X H /
  • R is the element resistance when a saturation magnetic field is applied from the outside
  • AR is the measuring element m
  • H the strength of the saturation magnetic field
  • H the strength of the applied external magnetic field
  • I k
  • the intensity of the current flowing through the measuring element 1, V is the voltage applied to the measuring element.
  • the element resistance of the reference element 11 is changed. Is the same value as the saturation value of the resistance of the detecting element 1 in the negative magnetic field. From this, the element resistance R and the output voltage V obtained in the reference element 11 are given by Equations (3) and (4), respectively.
  • V I X (R-AR / 2) (4)
  • ARZ2 is the difference between the output signal of the reference element 11 and the detection element 1 in the absence of a magnetic field, and the AR of the output signal in the absence of a magnetic field can be determined to determine the AR in real time during measurement. In other words, even if the AR changes due to a temperature change during measurement, the AR can be easily and accurately obtained. Since V, V, and H are known values,
  • the output signal described above can also be obtained by converting the output signals obtained from the detecting element 1 and the reference element 11 into numerical signals and then performing numerical processing.
  • the force of applying a constant current to each of the elements 1 and 11 This current does not need to be constant for each of the elements 1 and 11. In that case, if the ratio of the magnitudes of the currents flowing through the respective elements 1 and 11 is known, the external magnetic field H Can be requested.
  • the direction 2 of the second magnetic layer of the detecting element 1 and the direction 3 of the first magnetic layer are perpendicular to each other in the element plane. However, it is not necessary to work orthogonally. If the magnetization direction 2 of the second magnetic layer is not parallel or antiparallel to the magnetization direction 1 of the first magnetic layer, the element resistance changes due to the external magnetic field H. it can.
  • the direction 13 of magnetization of the first magnetic layer of the element 11 for reference is parallel to the direction 12 of magnetization of the second magnetic layer of the element 11 for reference in the absence of a magnetic field.
  • they may be antiparallel.
  • the element resistance of the reference element 11 has the same value as the saturation value of the resistance of the detection element 1 in a positive magnetic field.
  • a large output signal is obtained because the differential detection between the reference element 11 and the detection element 1 is used.
  • the resistance change rate AR is obtained from the differential force between the output signals of the detection element 1 and the reference element 11 in the absence of a magnetic field. As a result, a stable output signal can be obtained even when the resistance value of the element changes.
  • the magnetic field detector of the present embodiment can be easily formed.
  • the reference element 11 with the magnetic shield 5 for shielding the external magnetic field.
  • the magnetic shield 5 of the reference element 11 is made of a high magnetic permeability material, for example, a NiFe layer. Further, another alloy containing Co, Ni, and Fe as a main component may be used.
  • the reference element 11 is not affected by the external magnetic field by the external shield 5. Therefore, if the magnetization direction 12 of the second magnetic layer of the reference element and the magnetization direction 13 of the first magnetic layer are parallel or anti-parallel, the magnetization direction may be any direction. It comes out.
  • a bridge circuit is formed by adding a combination of elements having the same configuration to the detection element 1 and the reference element 11 of the first embodiment.
  • the added detection element 41 has the same configuration as the detection element
  • the reference element 51 has the same configuration as the reference element 11, and a description thereof will be omitted.
  • the magnetization directions of the first magnetic layer and the second magnetic layer of the detecting elements 1 and 41 are the same. In this case, ⁇ is obtained by flowing a current from the wiring 7 to the wiring 77 and measuring the potential difference between the wirings 8 and 88.
  • FIG. 7 is a top view showing a magnetic field detector according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the magnetic field detector of the present embodiment is obtained by further providing a reference element 21 to the magnetic field detector of the first embodiment, and the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
  • Each of the elements 1, 11, and 21 has the same laminated structure as in the first embodiment.
  • each of the elements 1, 11, and 21 has a rectangular element shape.
  • the aspect ratios of the elements 1, 11, and 21 do not need to be the same, but the elements 1, 11, and 21 have the same area to make the element resistance equal.
  • the magnetization directions 3, 13, and 23 of the first magnetic layer of each of the elements 1, 11, and 21 are parallel to the magnetization direction 3 and the magnetization direction 13 and are parallel to the magnetization direction 13 and the magnetization direction.
  • the direction 23 is anti-parallel.
  • the magnetization direction 2 of the second magnetic layer of the detection element 1 in the absence of a magnetic field is orthogonal to the magnetization direction 3 of the first magnetic layer in the element plane.
  • the directions 12 and 22 of the second magnetic layer in the absence of a magnetic field of the reference elements 11 and 21 are respectively parallel and parallel to the directions 13 and 23 of the first magnetic layer. Antiparallel.
  • Wiring 4, 44, 14, 16, 24, 26 for signal detection is connected to the second magnetic layer and the first magnetic layer of each element 1, 11, 21 and connected to the detection circuit.
  • one of the wirings 4 and 44 connected to the detection element 1 is connected to the second magnetic layer side of the element, and the other is connected to the first magnetic layer side.
  • the wirings 14, 16, 24, 26 in the reference elements 11, 21 are also connected at similar positions.
  • the above elements 1, 11, and 21 are preferably TMR elements. This makes it possible to achieve both a large output signal and miniaturization of the device.
  • the directions of magnetization 3, 13, and 23 of the first magnetic layer of each of the elements 1, 11, and 21 can be determined by, for example, heat treatment, as in the first embodiment.
  • a wiring is formed directly above or directly below the element, and the saturation magnetic resistance of the first magnetic layer is increased above the blocking temperature at which the magnetic interaction between the antiferromagnetic layer and the first magnetic layer is stopped.
  • a current in a desired direction to generate By lowering the temperature below the blocking temperature in this state, a desired magnetic orientation can be obtained in the first magnetic layer.
  • the magnetic field is not limited to a magnetic field generated by flowing a current through the wiring, but may be any magnetic field that can be locally applied.
  • the magnetization directions 3, 13, and 23 of the first magnetic layer are set, for example, by performing local heat treatment on the elements 1 and 11 in a state where an external magnetic field is applied to change the magnetization directions 3 and 13. It can also be formed by performing local heat treatment on the element 21 in a state where the magnetic field is applied in the opposite direction after the determination, and then determining the magnetization direction 23.
  • V I X (R-AR / 2) (7)
  • V I X (R + AR / 2) (8)
  • the AR can be obtained each time by the difference between the output signals of the two reference elements 11 and 21.
  • the saturation magnetic field of the element of the present embodiment is a constant and known value, and the resistance change rate can be obtained by obtaining the magnetic resistance in the saturation magnetic field. Therefore, even if the resistance change rate changes due to variations in resistance value between elements or changes in resistance value due to temperature, the resistance change rate can be calculated from the outputs of the reference elements 11 and 21 each time measurement is performed. It is possible to accurately detect the external magnetic field using the resistance change rate under the environment of actual use.
  • the above-mentioned output signal can also be obtained by converting the output signals obtained from the detecting element 1 and the reference elements 11 and 21 into numerical signals, and then performing numerical processing.
  • the force of applying a constant current to each of elements 1, 11, and 21 does not need to be constant for each of elements 1, 11, and 21.
  • the ratio of the magnitudes of the currents flowing through the respective elements 1, 11, and 21 is known, the external magnetic field H can be obtained using the above equation.
  • a large output signal can be obtained because differential detection between two reference elements 11 and 21 and detection element 1 is used.
  • the resistance change rate AR is obtained by the output signal strength of the reference elements 11 and 21, the resistance change rate AR is caused by the element resistance variation due to the reproducibility during formation and the temperature. As a result, a stable output signal can be obtained even when the resistance value of the element changes.
  • the reference elements 11, 21 are provided with a magnetic shield 5 for shielding an external magnetic field.
  • the magnetic shield 5 has the same material strength as in the first embodiment.
  • the reference elements 11, 21 are externally shielded by the external shield 5. Not affected by magnetic fields. Therefore, the magnetization direction 12 of the second magnetic layer of the reference element 11 is parallel to the magnetization direction 13 of the first magnetic layer, and the magnetization direction of the second magnetic layer of the reference element 21 is parallel. If the direction of the magnetic direction 22 of the first magnetic layer and the direction of the magnetic direction 23 of the first magnetic layer are antiparallel, the magnetic directions 12 and 13 of the second magnetic layer of the reference elements 11 and 21 may be any directions. Can be.
  • ⁇ and ⁇ are determined in the same manner as in Embodiment 2 by detecting element 1 and reference element 11.
  • FIG. 8 is a top view showing a magnetic field detector according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the magnetic field detector shown here is provided with wiring 6 for applying a magnetic field to the detecting element 1 in addition to the configuration of FIG. 3 and the first embodiment.
  • the wiring 6 is arranged, for example, directly above the detecting element 1 in parallel with the magnetic direction 2 of the second magnetic layer.
  • the same components as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • a constant current is caused to flow through the wiring 6 disposed immediately above the detecting element 1 in the absence of a magnetic field.
  • a known magnetic field can be applied to the detecting element 1.
  • the magnetization direction of the second magnetic layer of the detecting element 1 is rotated by the applied magnetic field in accordance with the magnetic field applied in the magnetization direction 2a.
  • the output voltage when a constant current I flows through the reference element 11 can be obtained from Equation (4), and the difference between the output voltages is as follows.
  • V -V I X (1 + HV I H
  • H and I are known values, and if H is known, AR
  • the difference between the output signals of the detection element 1 and the reference element 11 in the absence of a magnetic field can be obtained.
  • the force in Equation (12) can be obtained as k.
  • the saturation magnetic field can be detected even if the wiring current magnetic field H 'is only one point.
  • the above-described detection of the saturation magnetic field is performed in the absence of an external magnetic field, which is not necessary even in the absence of a magnetic field. If the external magnetic field does not change, the wiring current magnetic field at two different points, for example, H ′, It can be implemented by applying + H '. This detection may be performed as necessary before the measurement of the external magnetic field or when the temperature during the measurement changes.
  • detection of the external magnetic field may be performed in the same manner as in the first embodiment.
  • the saturation magnetic field can also be detected by forming a bridge circuit using the detecting element 1 and the reference element 11 in the same manner as in FIG. 6 and the second embodiment.
  • the output signal described above can also be obtained by converting output signals obtained from the detecting element 1 and the reference element 11 into numerical signals, and then performing numerical processing.
  • the saturation magnetic field can be detected as needed only by the detector. This makes it possible to calibrate the resolution of the detector as needed without using an external magnetic field generator.
  • FIG. 9 in addition to the configuration of FIG. 7, wiring 6 for applying a magnetic field to detection element 1 can be arranged.
  • the same components as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. This makes it possible to detect the saturation magnetic field of the second magnetic layer of the detecting element 1 without requiring an external magnetic field even in the configuration of FIG.
  • the reference elements 11 and 21 may be provided with a magnetic shield 5 for shielding an external magnetic field.
  • the direction of magnetization of the second magnetic layers of the reference elements 11 and 21 can be set to any direction.
  • FIG. 10 is a top view showing a magnetic field detector according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the magnetic field detector shown here has the same configuration as that of the detector shown in FIG. 3 and the first embodiment, and also has the same magnetic resistance effect as the detection element 1 with respect to an external magnetic field.
  • a resistance effect element (hereinafter referred to as a saturated magnetic field detecting element) 31 is provided.
  • the detection element 1 and the saturation magnetic field detection element 31 are formed so as to have the same shape.
  • the element 31 for detecting a saturated magnetic field may have the same magnetoresistance effect as the element 1 for detecting, and there is no particular limitation on the arrangement.
  • the same components as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • a wiring 6 for applying a magnetic field is disposed immediately above the element 31 for detecting a saturated magnetic field, and the wiring 6 is disposed, for example, directly above the element 1 for detecting and in parallel with the magnetic direction 2 of the second magnetic layer. It has been.
  • the detecting element 1, the reference element 11, and the saturation magnetic field detecting element 31 be formed simultaneously on the same substrate by the same process.
  • the variation when they are performed simultaneously is extremely small, and there is almost no variation which is a problem in measuring the magnetoresistance.
  • the operation of magnetic field detection is the same as the detection operation in the first embodiment.
  • the saturation magnetic field of the second magnetic layer of the saturation magnetic field detecting element 31 can be detected by the same method as described in the fourth embodiment. Since the detection element 1 and the saturation magnetic field detection element 31 have the same magnetoresistance effect characteristics, the saturation magnetic field of the detection element 1 must be determined by calculating the saturation magnetic field of the saturation magnetic field detection element 31. It is possible.
  • the detecting element 1 and the saturation magnetic field detecting element 31 for obtaining the saturation magnetic field of the second magnetic layer are independent, while detecting the external magnetic field,
  • the saturation magnetic field can be detected at any time. Therefore, the saturation magnetic field during detection of the external magnetic field can be obtained, so that the resolution can be calibrated during the measurement, and the external magnetic field can be measured with higher accuracy.
  • a saturation magnetic field detecting element 31 can be provided.
  • the same components as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. In this way, even in the configuration of FIG. 7, it is possible to detect the saturation magnetic field of the second magnetic layer of the detecting element 1 without measuring the external magnetic field during the measurement of the external magnetic field.
  • the reference elements 11 and 21 can be provided with a magnetic shield 5 for shielding an external magnetic field.
  • the direction of magnetization of the second magnetic layers of the reference elements 11 and 21 can be set to any direction.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a current detection device according to the present embodiment.
  • the current detection device shown here is a current detection device using, for example, the magnetic field detector shown in FIG. 3 and Embodiment 1, and is kept at a certain distance from the wiring 102 through which the current to be measured flows. Are located.
  • the current detecting device includes all the members described in the first embodiment, and includes a peripheral circuit 109 for performing output detection and signal processing. Further, a wiring 110 for supplying power and outputting a signal to an external device is provided.
  • the detecting element 1 arranged in the current detecting device is arranged such that the direction of the external magnetic field generated by the wiring 102 through which the current to be measured is generated coincides with the detecting direction. Specifically, the direction of the magnetic field of the first magnetic layer of the detecting element 1 and the direction of the external magnetic field may be matched.
  • the magnetic field detector shown in the present invention since the magnetic field detector shown in the present invention is used, even if there is a change in temperature and a variation in characteristics of each detector in current detection, it is stable. Since an output signal can be obtained and the resolution of the detector can be calibrated, highly accurate current detection can be performed.
  • FIG. 13 is a perspective view showing the position detecting device according to the present embodiment.
  • the position detector shown here is, for example, a position detector using the magnetic field detector shown in FIG. 3 and the first embodiment, and the DUT 100 is provided with a magnet 103 periodically. Note that a part of a part of the DUT 100 where the magnet 103 is provided is illustrated here. In this magnet, for example, adjacent magnets have opposite polarities.
  • the position detector includes, for example, all the members shown in FIG. 3 and the first embodiment, and performs the output detection and the signal processing similarly to the sixth embodiment.
  • Peripheral circuit 109 for performing the operation. Further, a wiring 110 for supplying power and outputting a signal to an external device is provided.
  • the magnetic field in the position detector changes due to the magnetic flux from the magnet 103 provided therein. Since the device under test is provided with the magnet 103 periodically, it is possible to count the magnets that have passed through the position detector by detecting a change in the magnetic field in the detector due to this movement.
  • power for operating the current detection device is supplied via the wiring 110, and a detection signal is output to the external device via the peripheral circuit 109 and the wiring 110. This makes it possible to measure the amount of movement of the device under test. This is not limited to linear movement, and for example, it is also possible to detect the amount of rotation of a rotating body.
  • the position detector of the present invention is not limited to this configuration, but may be any configuration as long as it can detect a change in magnetic flux from an object to be measured.
  • the magnetic field detector of the present invention since the magnetic field detector of the present invention is used, a stable output can be obtained even when there is a change in temperature and a variation in characteristics of each detector in position detection. A signal can be obtained and the resolution of the detector can be calibrated. It can be carried out.
  • FIG. 14 is a side view showing the rotation detector according to the present embodiment.
  • the rotation detector shown here includes, for example, the magnetic field detector shown in FIG. 3 and the first embodiment and the permanent magnet 104 magnetized in the direction of the device under test.
  • the object to be measured is, for example, a gear 105 made of a soft magnetic material having a high magnetic permeability.
  • the rotation detector includes, for example, all the members shown in FIG. 3 and the first embodiment, and performs output detection and signal processing in the same manner as in the sixth embodiment.
  • Peripheral circuit 109 is provided. Further, a wiring 110 for supplying power and outputting a signal to an external device is provided.
  • the detecting element 1 is arranged in a direction in which an external magnetic field generated by the permanent magnet 104 and the gear 105 can be detected.
  • the direction of magnetization of the first magnetic layer of the detecting element 1 is the center direction of the gear wheel 105.
  • the present rotation detector includes the permanent magnet 104 magnetized in the direction of the object to be measured, the teeth 106 of the gear 105 as the object to be measured are magnetized by the magnetic flux from the magnet 104.
  • the magnetic field in the magnetic field detector 101 changes.
  • the number of teeth that have passed through the magnetic field detector 101 can be counted. This makes it possible to measure the rotation amount of the device under test.
  • electric power for operating the current detection device is supplied via a wiring 110, and a detection signal is output to an external device via a peripheral circuit 109 and a wiring 110. This is not limited to a rotational movement, but it is also possible to detect, for example, a moving amount of an object to be measured that moves linearly.
  • the rotation detector of the present invention is not limited to this configuration as long as it can detect a change in magnetic flux from the object to be measured.
  • the rotating body is a soft magnetic body having high magnetic permeability and has a gear shape, the existing rotating body can be used.
  • FIG. 15 shows an example of a specific circuit configuration of the magnetic field detector of FIG. 3 in the first embodiment, and is a circuit block diagram of the magnetic field detector in the ninth embodiment of the present invention.
  • the configuration of the present embodiment will be described based on FIG.
  • the magnetic field detector shown here is an example of a circuit configuration including the magnetic field detector of Embodiment 1, and has one detection element 1 and one reference element 11.
  • the structures and manufacturing methods of the elements 1 and 11 included in the circuit are the same as in the first embodiment.
  • the magnetic field detector includes a resistance-voltage conversion circuit 201 and an addition / subtraction amplification circuit 202.
  • the resistance voltage conversion circuit 201 is configured by connecting a constant current circuit 204 to the element 11.
  • the addition / subtraction amplification circuit 202 includes a difference amplification circuit 207 that amplifies the difference between the output voltage obtained from the detection element 1 and the reference element 11, and the output voltage obtained from the detection element 1 and the reference element 11. Outputs a voltage based on the difference.
  • the differential amplifier circuit 207 is configured by a circuit including an OP amplifier 245 and a resistor 245 as shown in FIG. 16, for example. Here, the same symbols in the drawing are similar OP amplifiers and resistors.
  • the constant current circuits 204 are connected to the element 11 respectively, A constant current I flows.
  • the output voltage from the detecting element 1 under the external magnetic field H is given by equation (2).
  • the magnetization direction 12 of the second magnetic layer and the magnetization direction 13 of the first magnetic layer are parallel, and the resistance value is the saturation value of the resistance of the detection element in a negative magnetic field.
  • the output voltages V and V obtained in the detecting element 1 and the reference element 11 are expressed by equations (2) and (4), respectively.
  • V I X (R + ⁇ R 2 X H I H I) (2)
  • V I X (R-A R / 2) (4)
  • the addition / subtraction amplification circuit 202 differentially amplifies the output voltages obtained by the detection element 1 and the reference element 11. Now, when the amplification factor of the addition / subtraction amplification circuit 202 is set to ⁇ , the output voltage V is as follows from Expression (5) and the amplification factor a.
  • V a XIX (1 + H / IH
  • ⁇ , ⁇ , and I ⁇ I are known as set values
  • AR is a detection element in the absence of a magnetic field.
  • the difference between the output signals V and H can be obtained.
  • V when the external magnetic field is 0 takes the following values.
  • V a XIX AR / 2 (14)
  • the circuit can be configured to be 2V.
  • the resistance-to-voltage conversion circuit for converting the resistance of the reference magnetoresistance effect element and the resistance of the magnetic field detection magnetoresistance effect element to a voltage
  • An addition / subtraction amplifier circuit is provided for amplifying a difference between voltages converted from the resistance of the magnetoresistive element and the resistance of the magnetoresistive element for detecting a magnetic field.
  • the resistance change rate AR since differential detection can be performed using the outputs of the reference element 11 and the detection element 1, a large output signal can be obtained.
  • the resistance change rate AR since the resistance change rate AR also obtains the difference between the output signals of the detection element 1 and the reference element 11 in the absence of a magnetic field, the resistance change rate AR may have a variation in element resistance due to reproducibility at the time of formation or temperature. As a result, a stable output signal can be obtained even when the resistance value of the element changes.
  • a desired output voltage can be obtained by appropriately setting the amplification factor oc.
  • the reference element 11 may be provided with the magnetic shield 5 for shielding an external magnetic field.
  • the magnetic shield 5 of the reference element 11 is made of a high magnetic permeability material, for example, a NiFe layer. Further, another alloy containing Co, Ni, and Fe as a main component may be used.
  • the reference element 11 is not affected by an external magnetic field due to the external shield 5. Therefore, if the magnetization direction 12 of the second magnetic layer of the reference element and the magnetization direction 13 of the first magnetic layer are parallel or anti-parallel, the magnetization direction may be any direction. It comes out.
  • an operating magnetic field detector can be configured with a very simple circuit configuration.
  • a resistance-voltage conversion circuit an addition / subtraction amplification circuit, and a multiplication / division circuit are provided on the same substrate.
  • the magneto-resistive elements, bipolar transistors, and resistive elements it is possible to suppress the effects of external force noise and temperature changes of transistors and resistors included in the addition / subtraction amplifier circuit.
  • the resistance it is desirable that the resistance is made of a material having a small change force S due to temperature, for example, a resistor using a metal oxide thin film.
  • FIG. 17 is a circuit block diagram showing a magnetic field detection circuit according to Embodiment 10 of the present invention.
  • the magnetic field detection circuit shown here is obtained by adding the wiring 6 for applying a magnetic field to the detection element 1 and the circuit for applying the magnetic field to the magnetic field detection circuit of the ninth embodiment. Except for the wiring 6 for applying the magnetic field to the detection element 1 and the circuit for applying the magnetic field, the configuration is the same as that of the ninth embodiment, and therefore the description is omitted.
  • a constant current source 220 and a switch 221 are provided on the wiring 6 for applying a current magnetic field to the detection element 1.
  • the switch 221 is configured to be switched using a semiconductor switch, for example, in synchronization with an input signal of an external force of the magnetic field detection circuit.
  • V (H) a X I X (1 + ⁇ /
  • V ( ⁇ + ⁇ ') ⁇ X I X (1 + ( ⁇ + ⁇ ') /
  • V (H + H ')-V ( ⁇ ) ⁇ X I X AR / 2 X H' / I ⁇
  • the AR can be obtained from the difference between the output signals.
  • H can be obtained.
  • V (H + H ') 1 + (H + H,) /
  • Figure 18 shows an example of the output waveform.
  • the differential force of the output Vout is also H'Z I H
  • k I can be determined.
  • the present embodiment by adopting a configuration in which an external magnetic field can be arbitrarily applied to the detecting element, it is possible to detect a saturation magnetic field without requiring an external magnetic field. Therefore, the saturation magnetic field can be detected as needed by the detector alone. As a result, the resolution of the detector can be calibrated as necessary without using an external magnetic field generator.
  • a large output signal can be obtained because differential detection between reference element 11 and detection element 1 is used.
  • the resistance change rate AR is obtained from the differential force between the output signals of the detection element 1 and the reference element 11 in the absence of a magnetic field, there is a case where there is a variation in element resistance due to reproducibility at the time of formation and a temperature variation. As a result, a stable output signal can be obtained even when the resistance value of the element changes.
  • the magnetic field detector of the present embodiment can be easily formed. is there.
  • the reference element 11 is provided with a magnetic shield 5 for shielding an external magnetic field.
  • the magnetic shield 5 of the reference element 11 is made of a high magnetic permeability material, for example, a NiFe layer. Further, another alloy containing Co, Ni, and Fe as a main component may be used.
  • the reference element 11 is not affected by an external magnetic field due to the external shield 5. Therefore, if the magnetization direction 12 of the second magnetic layer of the reference element and the magnetization direction 13 of the first magnetic layer are parallel or anti-parallel, the magnetization direction may be any direction. It comes out.
  • the resistance-voltage conversion circuit, addition / subtraction amplification circuit, and multiplication / division circuit are configured using magnetoresistive elements, bipolar transistors, resistance elements, etc. provided on the same substrate, so that noise due to external force and addition / subtraction are obtained.
  • Temperature changes of transistors and resistors included in the amplifier circuit It is possible to suppress the influence of the throat.
  • the resistance it is desirable that the resistance is made of a material having a small change force S due to temperature, for example, a resistor using a metal oxide thin film.
  • FIG. 19 is a circuit block diagram showing a magnetic field detection circuit according to Embodiment 11 of the present invention.
  • the magnetic field detection circuit shown here is an example of a circuit configuration including the magnetic field detector of the third embodiment, and has a detection element 1 and reference elements 11 and 21.
  • the structures and manufacturing methods of the elements 1, 11, and 21 included in the circuit are the same as those in the third embodiment.
  • the magnetic field detection circuit of the present embodiment includes a resistance-voltage conversion circuit 201, an addition / subtraction amplification circuit 202, and a multiplication / division circuit 203.
  • the resistance voltage conversion circuit 201 is configured by connecting the constant current circuit 204 to the elements 1, 11, and 21, respectively, as in the ninth embodiment.
  • the addition / subtraction amplification circuit 202 is a circuit that differentially amplifies the output voltages obtained by the detection element 1 and the reference elements 11 and 12.
  • a subtraction circuit 206 connected to the reference elements 11 and 21 and outputting the difference V between the respective output voltages to the multiplication / division circuit 203 is connected to the detection element 1 and the reference element 11. And the difference between the respective output voltages V and V
  • the path 206 and the differential amplifier circuit 207 are configured by a circuit including, for example, an amplifier and a resistor as shown in FIG.
  • the multiplication / division circuit 203 is a circuit that divides the input, and has three inputs ⁇ V, V and a voltage.
  • FIG. 20 shows an example of the internal equivalent circuit.
  • This equivalent circuit is composed of an OP amplifier 245, a resistor 245, a transistor 260, and a powerful circuit.
  • the same symbols in the drawings are similar OP amplifiers, resistors, and transistors.
  • the detection operation of the magnetic field detection circuit according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • a constant current I flows through the elements 11 and 21, respectively.
  • the output voltage of the detecting element 1 under the external magnetic field H is expressed by the following equation (2).
  • the reference element 11 the magnetization direction 12 of the second magnetic layer and the magnetization direction 13 of the first magnetic layer are parallel.
  • the magnetization direction 22 of the second magnetic layer and the magnetization direction 23 of the first magnetic layer are antiparallel. Therefore, the reference elements 11 and 21 are expressed by the equations (7) and (8) similarly to the saturation values of the resistance of the detection element 1 in positive and negative magnetic fields.
  • the detection elements 1 and the reference elements 11 and 21 output the output voltages V 1, V 2 and V 3 expressed by the equations (2), (7) and (8) to the addition / subtraction amplification circuit 202.
  • V IX (R + ⁇ R 2XH (2)
  • V IX (R -AR / 2) (7)
  • V IX (R + AR / 2) (8)
  • the addition / subtraction amplification circuit 202 differentially amplifies the output voltages obtained by the detection element 1 and the reference elements 11 and 21.
  • the difference V between the output voltages obtained in the reference elements 11 and 21 and the amplified value of ⁇ are output.
  • the subtraction circuit 20 differentially amplifies the output voltages obtained by the detection element 1 and the reference elements 11 and 21.
  • the difference amplification circuit 2 By setting the amplification factor of 6 to a and the amplification factor of the difference amplification circuit 207 to a, the difference amplification circuit 2
  • ⁇ X AV ⁇ XIX ARX (1 + H / I ⁇ ⁇ ) / 2 (20)
  • the multiplication / division circuit 203 is a circuit that divides an input, and has three inputs ⁇ V, V, and V
  • V can be set arbitrarily so as to determine the magnitude of the output voltage. At this time, the external magnetic field H becomes a
  • a follow up 210 do it.
  • the internal circuit of the output adjustment circuit 210 is connected to a constant voltage source 209 for subtraction by a differential amplifier circuit shown in FIG. 16, for example. From equation (22), the following equation is obtained.
  • the output voltage at k I can be set to ⁇ IV.
  • the resistance of the first reference magnetoresistance effect element, the resistance of the second reference magnetoresistance effect element, and the resistance of the magnetic field detection magnetoresistance effect element are converted into voltages.
  • An addition / subtraction amplifier circuit that amplifies a difference between voltages converted from the resistance of the effect element and the second reference magnetoresistance and the resistance of the effect element, and outputs the amplified voltage as a first voltage and a second voltage, respectively; And a multiplication / division circuit that outputs the division of the second voltage as a third voltage.
  • the resistance-voltage conversion circuit the addition / subtraction amplification circuit, and the multiplication / division circuit, it is possible to configure a magnetic field detector having a simple circuit configuration and operating asynchronously.
  • the resistance-voltage conversion circuit, the addition / subtraction amplification circuit, and the multiplication / division circuit are configured using magnetoresistive elements, bipolar transistors, and resistive elements provided on the same substrate, so that external noise and addition / subtraction are obtained. It is possible to suppress the effects of temperature changes of transistors and resistors included in the amplification circuit and the multiplication / division circuit.
  • resistors used materials whose resistivity changes little with temperature, such as metal It is desirable to use a resistor or the like that uses an oxidized film.
  • the reference elements 11, 21 are provided with a magnetic shield 5 for shielding an external magnetic field.
  • the magnetic shield 5 has the same material strength as in the first embodiment.
  • the reference elements 11 and 21 are not affected by the external magnetic field due to the external shield 5. Therefore, the magnetization direction 12 of the second magnetic layer of the reference element 11 is parallel to the magnetization direction 13 of the first magnetic layer, and the magnetization direction of the second magnetic layer of the reference element 21 is parallel. If the direction of the magnetic direction 22 of the first magnetic layer and the direction of the magnetic direction 23 of the first magnetic layer are antiparallel, the magnetic directions 12 and 13 of the second magnetic layer of the reference elements 11 and 21 may be any directions. Can be.
  • the amplification factor in the addition / subtraction amplifier circuit shown in the present embodiment is an example, and it goes without saying that a configuration can be obtained so that a desired output can be obtained even with a combination of different amplification factors.
  • the constant voltage sources 208 and 209 are described as separate constant voltage sources for easy understanding of the circuit diagram.
  • an external voltage such as Vcc is divided by a resistor. Needless to say, you can get it.
  • the twelfth embodiment is a modification of the eleventh embodiment.
  • the two reference elements l la and l ib having the external magnetic field response characteristics in which the magnetization directions of the first magnetic layer and the second magnetic layer are parallel and equal to each other;
  • the direction of magnetization of the magnetic layer and the direction of magnetization of the second magnetic layer are antiparallel, and a reference element 21 having the same characteristics as the reference element 11a is provided.
  • a magnetic field detection circuit can be obtained by configuring a circuit as shown in FIG. 21 using the three reference elements lla, lib, 21 and the detection element 1.
  • the magnetic field detection circuit has a resistance-voltage conversion circuit 201, addition / subtraction amplification circuits 202a and 202b, and a multiplication / division circuit 203.
  • the detection element 1 forms an inverting amplification circuit 230 together with a resistance 250 and an OP amplifier 240. And ing.
  • One end of the resistor 250 is connected to a constant voltage source (not shown).
  • the reference elements 11a, 11b, and 21 also form resistors 251, 252, and 253, OP amplifiers 241, 242, and 243, and inverting amplifier circuits 231, 232, and 233, respectively.
  • One end of each of the resistors 251, 252, and 253 is connected to a constant voltage source (not shown), like the resistor 250.
  • the resistance-voltage conversion circuit 201 has inverting amplifier circuits 230, 231, 232, and 233.
  • the outputs of the inverting amplifier circuits 230 and 231 are input to the addition / subtraction circuit 202a.
  • the outputs of the inverting amplifier circuits 232 and 233 are input to the addition / subtraction circuit 202b.
  • the addition / subtraction circuits 202a and 202b may be, for example, difference amplifier circuits shown in FIG.
  • the addition / subtraction circuits 202a and 202b output the difference between the outputs of the inverting amplifiers 230 and 231 and the outputs of the inverting amplifiers 232 and 233, respectively.
  • the outputs of the addition / subtraction circuits 202a and 202b are input to the multiplication / division circuit 203.
  • the configurations of the addition / subtraction circuits 202a and 202b and the multiplication / division circuit 203 are the same as those of the eleventh embodiment, and thus the description is omitted.
  • an inverting amplifier circuit including a detecting element 1 and reference elements 11 and 21 is provided, and a resistance change of the element is controlled by a constant voltage supplied from a constant voltage source. It is detected and amplified in the form of a change in amplification factor with respect to V. More specifically, the detection cc
  • the output voltage V of the inverting amplifier circuit 230 using the element 1 is represented by R as the resistance value of the resistor 250.
  • V V X (R + AR / 2 X H /
  • the output voltages V and V of the inverting amplifier circuits 231 and 232 including the reference elements l la and l ib are given assuming that the resistance values of the resistors 251 and 252 are R and R, respectively.
  • V V X (R— ARZ2) ZR (25)
  • V V X (R -AR / 2) / R (26)
  • the output voltage V of the inverting amplifier circuit 233 including the reference element 21 is
  • V V X (R + AR / 2) / R (27)
  • the reference elements l la, l ib, 21 and the detection element 1 are formed by the magnetic layers of the second magnetic layer and the first magnetic layer.
  • the configuration is exactly the same except for the direction of formation. Further, if the resistors 250, 251, 252, and 253 are equal to each other and have a resistance value of V, it is not necessary to adjust the output. However, even if the resistance value is different, the output may be adjusted at a later stage.
  • addition / subtraction and amplification are performed by the addition / subtraction amplification circuits 202a and 202b.
  • the resistors used in the addition / subtraction amplifier circuits 202a and 202b may have different resistance values, but the amplification factor can be set to 1 by using the same value for all four resistors. In this case, if the resistance values of the resistors 250, 251, 252, and 253 are equal to R, the output from the addition / subtraction circuit is expressed by the equation (28).
  • V -V V X (1 + HZ I H
  • V -V V X AR / R21 (29)
  • the output of the multiplication / division circuit 203 is as follows.
  • V (V -V) x v / (v
  • the magnetic measurement circuit has a third reference magnetoresistance effect element having the same external magnetic field response characteristics as the first reference magnetoresistance effect element, and has a first reference magnetoresistance effect element.
  • a resistance-voltage conversion circuit for converting the resistance of the effect element, the resistance of the second reference magnetoresistance element, the resistance of the third magnetoresistance element, and the resistance of the magnetic field detection magnetoresistance element into a voltage;
  • An addition / subtraction amplifier circuit that amplifies the difference between the voltage converted from the resistance of the reference magnetoresistance effect element and outputs the amplified voltage as a first voltage and a second voltage, respectively;
  • a multiplication / division circuit for outputting division.
  • the resistance-voltage conversion circuit, the addition / subtraction amplification circuit, and the multiplication / division circuit it is possible to configure a magnetic field detector that operates with a simple circuit configuration and that operates asynchronously.
  • the resistance-voltage conversion circuit, the addition / subtraction amplification circuit, and the multiplication / division circuit using a magnetoresistive element, a bipolar transistor, a resistance element, and the like provided on the same substrate, external noise and addition / subtraction amplification circuits, It is possible to suppress the effects of temperature changes of transistors and resistors included in the multiplication / division circuit.
  • the resistance it is desirable that the resistance is made of a material having a small change in the resistivity with temperature, for example, a resistor using a metal oxide thin film.
  • FIG. 22 is a circuit block diagram of a magnetic field detector according to Embodiment 13 of the present invention.
  • the magnetic field detector shown here is different from the magnetic field detector of Embodiment 10 in the circuit configuration including a calibration magnetoresistive element 211 (hereinafter, referred to as a calibration element) provided with a magnetic field shield. It is an example.
  • the structures and manufacturing methods of the elements 1, 11, and 21 included in the circuit are the same as those of the third embodiment, and thus the description is omitted.
  • the calibration element 211 is manufactured by the same method as the detection element 1, and is provided with a magnetic shield 5 for an element having the same structure as the detection element 1.
  • the magnetic shield 5 has the same material strength as in the first embodiment.
  • the shift amount ⁇ H of the magnetic field resistance characteristic can be accurately obtained.
  • the magnetic field detector shown in FIG. 22 includes a resistance-voltage conversion circuit 201, addition / subtraction amplification circuits 202c and 202d, multiplication / division circuits 203a and 203b, and an addition / subtraction amplification circuit 207c.
  • the resistance-voltage conversion circuit 201 is configured by connecting a constant current circuit 204 to each of the detection element 1, the reference elements 11 and 21, and the calibration element 211, and a constant current I flows when detecting a magnetic field. It is.
  • the operations of the detecting element 1 and the reference elements 11 and 21 are the same as those of the eleventh embodiment, and thus the description is omitted. Since the calibration element 211 has a structure covered with the magnetic field shield 5, the voltage V generated at both ends of the element 211 is offset when the external magnetic field force ⁇
  • the addition / subtraction amplification circuit 202c includes a difference amplification circuit 207a that amplifies the difference between the outputs of the detection element 1 and the reference element 11, and a subtraction circuit 206 that calculates the difference between the reference elements 11 and 21. And power are also composed.
  • the detailed operations of the difference amplification circuit 207a and the subtraction circuit 206 are the same as those of the eleventh embodiment, and the description is omitted.
  • the multiplication / division circuit 203a connected to the difference amplification circuit 207a and the subtraction circuit 206 has the same configuration as that of the eleventh embodiment, and the output is the same as the expression (23) in the eleventh embodiment. is there.
  • the addition / subtraction amplification circuit 202d outputs the sum V + of the outputs of the reference elements 11 and 21.
  • Arithmetic circuit 205 and difference amplifier circuit 2 amplifying the difference between the output of adder circuit 205 and twice the V
  • the addition circuit 205 can be constituted by a circuit as shown in FIG. 24, for example.
  • the circuit shown in FIG. 24 is composed of a circuit including an OP amplifier 245 and a resistor 245.
  • the same symbols in the drawing are similar OP amplifiers and resistors.
  • the difference amplification circuit 207b amplifies the input from the calibration element 211 provided with the magnetic field shield twice, and outputs the difference from the input from the addition circuit 205.
  • the output voltage is given by Expression (35) from Expressions (32) and (34).
  • the output of the multiplication / division circuit 203b which is connected to the addition / subtraction amplification circuit 202d and the subtraction circuit 206 and outputs the value obtained by dividing the output of the addition / subtraction amplification circuit 202d by the subtraction circuit 206 is expressed by the equations (21) and (31) ), (35)
  • the force is also as follows.
  • V V X ⁇ / ( ⁇ — ⁇ ) (36)
  • the output V of the addition / subtraction amplifier circuit 207c that outputs the difference between the outputs of the multiplication / division circuit 203a and the multiplication / division circuit 203b has the following formulas (33) and (36).
  • V V ⁇ ⁇ 1/2 + ( ⁇ - ⁇ ) / ( ⁇ - ⁇ ) ⁇ (37)
  • V V ⁇ ⁇ ( ⁇ - ⁇ ) / ( ⁇ — ⁇ ) ⁇ (38)
  • Vessels can be eliminated.
  • V is set to 2V
  • the voltage output between IV and H can be obtained from IV.
  • the magnetometer of the present embodiment has the same external magnetic field response characteristics as the magnetoresistive element for magnetic field detection, has a calibrated magnetoresistive element with a magnetic shield, and has a first reference A resistance-voltage conversion circuit that converts the resistance of the magnetoresistive element, the resistance of the second reference magnetoresistive element, the resistance of the magnetic field detecting magnetoresistive element, and the resistance of the calibration magnetoresistive element to a voltage,
  • the first reference magnetoresistance effect in the resistance-voltage conversion circuit The sum of the voltage converted from the resistance of the element and the voltage converted from the resistance of the second reference magnetoresistive element is twice the voltage converted from the resistance of the calibration magnetoresistive element.
  • a second addition / subtraction amplifier circuit that outputs a difference between the second voltage and the fourth voltage as a fourth voltage; a second multiplication / division circuit that outputs a difference between the second voltage and the fourth voltage as a fifth voltage; And a subtraction circuit that outputs a difference between the third voltage and the fifth voltage.
  • the resistance-voltage conversion circuit the addition / subtraction amplification circuit, and the multiplication / division circuit, it is possible to configure a magnetic field detector that operates with a simple circuit configuration and operates asynchronously.
  • the resistance-voltage conversion circuit, the addition / subtraction amplification circuit, and the multiplication / division circuit using a magnetoresistive element, a bipolar transistor, a resistance element, and the like provided on the same substrate, external noise and noise can be reduced. It is possible to suppress the influence of a change in the temperature of the transistors and resistors included in the addition / subtraction amplifier circuit and the multiplication / division circuit.
  • the resistance it is preferable that the resistance is made of a material having a small change in resistivity with temperature, for example, a resistor using a metal oxide thin film.
  • the resistance value R when no external magnetic field is applied can be obtained and used as a reference value, thereby providing a more accurate external value.
  • the reference elements 11 and 21 are provided with the magnetic shield 5 for shielding the external magnetic field.
  • the magnetic shield 5 has the same material strength as in the first embodiment.
  • the reference elements 11 and 21 are not affected by the external magnetic field due to the external shield 5. Therefore, the magnetization direction 12 of the second magnetic layer of the reference element 11 and the magnetization direction 13 of the first magnetic layer are parallel, and the direction of the second magnetic layer of the reference element 21 is If the directions of the magnetizing direction 22 and the magnetizing direction 23 of the first magnetic layer are antiparallel, the magnetizing directions 12 and 13 of the second magnetic layer of the reference elements 11 and 21 may be any Orientation.
  • the magnetic field detector and the current detection device, the position detection device, and the rotation detector using the same have been described.
  • the present invention is not limited to this. Detectors that detect the position and amount of movement of an object that moves with the pattern, magnetic storage devices, magnetic recording heads, patterned magnetic elements such as magnetic recording media, etc. Then, it can be widely applied to other similar devices.
  • a magnetic field detector having three or four tunneling magneto-resistance effect elements is described. However, even if the detector includes any other number of tunneling magneto-resistance effect elements. Good. Further, these elements may form a bridge circuit, for example. It is also preferable to use a tunneling magneto-resistance effect element as the magneto-resistance effect element, but it is not limited to this. For example, a giant magneto-resistance effect element or another type including a ferromagnetic layer in which one magnetization direction is fixed. It may be a magnetoresistive element.

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Abstract

　参照用磁気抵抗効果素子と磁界検出用磁気抵抗効果素子とを備えた磁界検出器であって、前記参照用磁気抵抗効果素子および前記磁界検出用磁気抵抗効果素子はおのおの、反強磁性層と前記反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体からなる固着層と非磁性層と外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体からなる自由層とが積層された構造を有し、前記参照用磁気抵抗効果素子は固着層の磁化方向と自由層の無磁界における磁化方向とが平行もしくは反平行であり、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は固着層の磁化方向と自由層の無磁界における磁化方向とが異なることを特徴とすることにより、検出器の感度校正と分解能校正が単体でかつ随時可能な磁界検出器を得ることができる。

Description

明 細 書
磁界検出器、これを用いた電流検出装置、位置検出装置および回転検 出装置
技術分野
[0001] 本発明は、巨大磁気抵抗効果もしくはトンネル磁気抵抗効果により磁界検出を行う 磁界検出器およびこれを用いた電流検出装置、位置検出装置および回転検出装置 に関するものである。
背景技術
[0002] 磁気抵抗（MR:magnetoresistance)効果は、磁性体に磁界をカ卩えることにより電気 抵抗が変化する現象であり、磁界検出器や磁気ヘッドなどに利用されている。近年、 非常に大きな磁気抵抗効果を示す巨大磁気抵抗 (GMR： giant magnetoresistance) 効果材料として、 Fe/Cr, CoZCuなどの人工格子膜などが知られている。
[0003] また、強磁性層間の交換結合作用がなくなる程度に厚い非磁性金属層を持つ強磁 性層 Z非磁性層 Z強磁性層 Z反強磁性層からなる構造により、強磁性層 Z反強磁 性層を交換結合させて、その強磁性層の磁気モーメントを固定しいわゆる固着層とし 、他方の強磁性層のスピンのみを外部磁界で容易に反転できる自由層とした、いわ ゆるスピンバルブ膜が知られている。反強磁性体としては、 FeMn、 IrMn、 PtMnな どが用いられている。この場合、 2つの強磁性層間の交換結合が弱く小さな磁界でス ピンが反転できるので、高感度の磁気抵抗効果素子を提供できることから、高密度磁 気記録用再生ヘッドとして用いられている。上記のスピンバルブ膜は、膜面内方向に 電流を流すことで用いられる。
[0004] 一方、膜面に対して垂直方向に電流を流す垂直磁気抵抗効果を利用すると、さら に大きな磁気抵抗効果が得られることが知られて 、る。
さらには、強磁性層 Z絶縁層 Z強磁性層からなる 3層膜において、外部磁界によつ て 2つの強磁性層のスピンを互いに平行あるいは反平行にすることにより、膜面垂直 方向のトンネル電流の大きさが異なることを利用した、強磁性トンネル接合によるトン ネル磁気抵抗 (TMR： tunneling magnetoresistance)効果も知られて 、る。 [0005] 近年、 GMRや TMR素子を、磁界検出器として用いる検討もされて 、る。この場合 、保磁力の異なる 2つの強磁性層で非磁性金属層を挟んだ擬スピンバルブ型や、前 述のスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子が検討されて 1、る。磁界検出器へ利用す る場合にはこれらの素子の磁性層力 外部磁界に応答して、各素子を構成する 2つ の磁性層の相対角を互いに変えることにより、抵抗値が変化する。この抵抗値の変化 を定電流を流し、電圧の変化として信号読出しを行う。この際の読出しは GMRや T MR効果を利用して行なわれる。
[0006] ここで、 TMR素子に比較し GMR素子の磁気抵抗変化率は小さぐ大きな変化率 を得るためには強磁性層 Z非磁性層の繰返しの積層構造が必要となる。また、膜面 に対して垂直方向に電流を流す GMR素子では、素子を長くする必要はな!/、ものの TMR素子と比較し素子抵抗力 S小さぐ大きな出力信号を得るためには電流量を大き くする必要がある。これにより消費電力が大きくなる。さらに前述の膜面内方向に電流 を流す GMR素子においては、大きな磁気抵抗効果を得るために、素子内の電流経 路を十分に得る必要があり素子の長さを大きくする必要がある。
上記の理由により、磁界検出器においては、大きな出力信号が得られ任意の形状 を用いることが可能な TMR素子を用いることが好ま 、。
[0007] さらに、単体の磁気抵抗効果素子で測定するのではなぐ 4個の磁気抵抗効果素 子を用いてブリッジ回路を形成し、かつ固着層の磁ィ匕方向が逆向きの素子を組合わ せ、高出力な磁界検出器を形成する技術が提案されている。（特許文献 1参照）
[0008] 特許文献 1 :特許第 3017061号
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] 上記、磁気抵抗効果素子を用いれば、磁気抵抗効果素子の電圧変化から外部磁 界を測定することができる。また、上記ブリッジ回路の技術を用いれば、大きな出力信 号を得ることは可會である。
しかし自由層の飽和磁界は、自由層の膜厚及び形状に依存するため、製造工程に おける再現性に起因するばらつきの影響を受けやすぐ検出器によってばらつきが 生じる。また、前述のように磁気抵抗効果素子としては TMR素子を用いることが好ま しいが、この場合、素子抵抗はトンネル絶縁層の膜厚に敏感であるため、出力信号 は製造工程における再現性に起因するばらつきの影響を受けやすぐ検出器によつ てばらつきが生じる。これにより、抵抗変化率および飽和磁界が変化した場合、その 変化量に応じて検出される磁界に誤差が生じる。さらに、使用温度に依存しても抵抗 変化率および飽和磁界は変化する。これによつて検出器の感度および分解能は変 化する。
従来、これらを校正するためには、磁界発生装置を用いて磁界を印加して各検出 器における検出器毎の出力信号や飽和磁界を測定しておく必要があった。また、温 度による素子特性の変化を校正するためには、前述の測定を各温度において実施し 、出力信号を校正する必要があった。
[0010] しかし、従来型の磁界検出器においては、上記の検出感度と分解能のばらつきを 簡易に検出、校正することは不可能であり、これらを実施するためには、既知の外部 磁界を発生させる巨大な磁界発生装置を用いる必要があった。
[0011] それゆえ、本発明は、検出器の感度校正と分解能校正とを検出器単体で随時に行 うことが可能な磁界検出器とその検出方法、およびこれを用いた物理量測定装置を 提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0012] 本発明は、参照用磁気抵抗効果素子と磁界検出用磁気抵抗効果素子とを備えた 磁界検出器であって、前記参照用磁気抵抗効果素子および前記磁界検出用磁気 抵抗効果素子はおのおの、反強磁性層と前記反強磁性層により磁ィ匕方向が固定さ れた磁性体カゝらなる固着層と非磁性層と外部磁界によって磁ィ匕方向が変化する磁性 体からなる自由層とが積層された構造を有し、前記参照用磁気抵抗効果素子は固 着層の磁ィ匕方向と自由層の無磁界における磁ィ匕方向とが平行もしくは反平行であり 、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は固着層の磁化方向と自由層の無磁界にお ける磁ィ匕方向とが異なることを特徴とするものである。
発明の効果
[0013] 上記の磁界検出器によれば、任意の時に磁界発生装置を用いることなく抵抗変化 率を校正することができる。また、外部磁界が印加された状態で、無磁界における磁 界応答性を有する磁気抵抗効果素子を参照することで、同一検出器内で出力信号 の比較が可能となり、素子の感度が変化した場合においても、安定した出力信号を 得ることができる。
図面の簡単な説明
[図 1]磁気抵抗効果素子の自由層および固着層の磁ィ匕方向を説明する図である。 圆 2]磁気抵抗効果素子の素子抵抗の外部磁界依存性を説明する図である。
圆 3]実施の形態 1の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。
圆 4]実施の形態 1の磁界検出器の磁気抵抗効果素子の断面構造の模式図である。 圆 5]実施の形態 1の磁界検出器の出力信号を説明するための図である。
圆 6]実施の形態 2の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。
圆 7]実施の形態 3の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。
圆 8]実施の形態 4の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。
圆 9]実施の形態 4の他の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。
[図 10]実施の形態 5の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。
[図 11]実施の形態 5の他の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。 圆 12]実施の形態 6の電流検出装置を説明するための斜視図である。
圆 13]実施の形態 7の位置検出装置を説明するための斜視図である。
圆 14]実施の形態 8の回転検出装置を説明するための側面図である。
[図 15]実施の形態 9の磁界検出器の構成を説明するための図である。
圆 16]実施の形態 9の差分増幅回路の一例を説明するための回路図である。
[図 17]実施の形態 10の磁界検出器の構成を説明するための図である。
[図 18]実施の形態 10の出力波形を示す図である。
[図 19]実施の形態 11の磁界検出器の構成を説明するための図である
[図 20]乗除算回路の一例を説明するための回路図である。
[図 21]実施の形態 12の磁界検出器の構成を説明するための図である。
[図 22]実施の形態 13の磁界検出器の構成を説明するための図である。
[図 23]磁気抵抗効果素子の素子抵抗の外部磁界依存性を説明する図である。
[図 24]加算回路の一例を説明するための回路図である。 符号の説明
[0015] 1、 41 検出用素子、 2、 12、 22、 32 無磁界における第 2の磁性層の磁ィ匕方向、 2a 、 32a 磁界が印加された場合の第 2の磁性層の磁ィ匕方向、 3、 13、 23、 33 第 1の 磁性層の磁ィ匕方向、 4、 7、 8、 14、 16、 24、 26、 34、 36、 44、 77、 88、 110 金属 配線、 5 磁気シールド、 6 磁界印加用の金属配線、 11、 21、 51 参照用素子、 31 飽和磁界検出用素子、 52 磁気抵抗効果素子、 61 基板、 62、 67 配線層、 63 反強磁性層、 64 第 1の磁性層、 65 非磁性層、 66 第 2の磁性層、 100 被測定 物、 102 配線、 103、 104 磁石、 105 歯車、 106 歯車の歯、 109 素子周辺回 路、 110 配線、 201 抵抗電圧変換回路、 202 加減算増幅回路、 203 乗除算回 路、 204 定電流源、 205 加算回路、 206 減算回路、 207 差分増幅回路、 208、 209 定電圧源、 210 出力調整回路、 211 校正用素子、 221 スィッチ、 230、 23 1、 232、 233 反転増幅回路、 240、 241、 242、 243、 245 OPアンプ、 250、 251 、 252、 253、 255 抵抗、 260 卜ランジスタ。
発明を実施するための最良の形態
[0016] まず、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁界検出器の具体的な検出動 作について、図 1を参照して説明する。図 1は磁気抵抗効果素子 52の自由層および 固着層の磁ィ匕方向を示す模式図である。図 1にお!/ヽてはスピンバルブ型磁気抵抗効 果素子の自由層の磁ィ匕方向 2と固着層の磁ィ匕方向 3が 90° の方向である。このスピ ンノ レブ型磁気抵抗効果素子の固着層の磁ィ匕方向 3に沿った方向に磁界が印加さ れると、自由層の磁ィ匕は外部磁界によりその方向を変化させる。この際、変化した自 由層の磁ィ匕方向 2aと固着層の磁ィ匕方向 3がなす角に応じて、磁気抵抗効果素子の 抵抗値は線形に変化する。
[0017] 具体的には固着層の磁化方向 3を 0° とし、それに対して外部磁界 Hが印加された 際に自由層の磁化方向 2aのなす角を 0とした場合、素子抵抗の変化は cos Θに反 比例する。自由層が一軸異方性を持った軟磁性膜である場合、 cos Θ = I H
k I /H となる。つまり、 I H Iより大きな外部磁界が印加された場合は、自由層の磁ィ匕方向 k
2aは固着層の磁ィ匕方向に平行あるいは反平行に固定されてしま 、、これ以上素子 抵抗は変化しない。つまり、 Hは自由層の飽和磁界である。 [0018] この結果、素子抵抗 Rは図 2に示すように自由層の磁ィ匕方向 2と固着層の磁ィ匕方向 3が 90° の方向である場合には、
R=R + AR/2 X H/
m I H | (ただし、 | H | ≤H≤ | H | )
k k k
となる。ここで Rは素子抵抗がとり得る最大の抵抗値と最小の抵抗値との中間値であ
m
り、無磁界中での素子抵抗である。また、 ARは素子の磁気抵抗変化率である。この 素子抵抗 Rは外部磁界に比例するため、素子抵抗を得ることにより外部磁界の大きさ を検出することが可能である。なお、検出される外部磁界は、固着層の磁化方向 3の 方向成分である。また、固着層の磁ィ匕方向において検出可能な磁界領域、すなわち 動作領域は— I H I ≤H≤ である。
k I H
k I
上記の外部磁界に依存した素子抵抗により、素子を流れる電流もしくは電圧により 磁界を検出することができる。
[0019] 以下、本発明の実施の形態について、その具体例を図にもとづいて説明する。
[0020] 実施の形態 1.
図 3は、本発明の実施の形態 1における磁界検出器を示す上面図である。ここに示 す磁界検出器は 1個の検出用磁気抵抗効果素子 1 (以下、検出用素子と表記する。 )と 1個の参照用磁気抵抗効果素子 11 (以下、参照用素子と表記する。）を有してい る。それぞれの素子 1、 11の断面構造の模式図を図 4に示す。図 4において、基板 6 1上に配線層 62が形成され、次に反強磁性層 63が形成されている。次にこの反強 磁性層 63により磁ィ匕方向が固定された磁性体カゝらなる第 1の磁性層 64 (固着層）が 形成されている。さらに、トンネル絶縁層となる非磁性層 65を形成し、その上層に外 部磁界によって磁ィ匕方向が変化する磁性体力もなる第 2の磁性層 66 (自由層）が形 成されている。第 2の磁性層 66の上層には配線層 67が形成されている。ここでは、 反強磁性層 63、第 1の磁性層 64、非磁性層 65、第 2の磁性層 66が順次積層される 構成を示した力 構成はこれにとらわれるものではなぐ逆に第 2の磁性層 66、非磁 性層 65、第 1の磁性層 64、反強磁性層 63の順に積層しても素子を構成することがで きる。
[0021] 図 3では、素子 11はともに長方形の素子形状を有している。素子 11の縦横 比は同じである必要はないが、素子 1、 11は素子抵抗を等しくするために同じ面積と している。
それぞれの素子 1、 11の第 2の磁性層 66は、素子形状が長方形であるため、形状 磁気異方性によりその磁ィ匕方向 2、 12は素子の長手方向となる。一方、検出用素子 1の第 1の磁性層 64の磁ィ匕方向 3は、無磁界における検出用素子 1の第 2の磁性層 66の磁ィ匕方向 2に対して、素子平面内で直交している。さらに、参照用素子 11の第 1の磁性層 64の磁ィ匕方向 13は、無磁界における参照用素子 11の第 2の磁性層 66 の磁ィ匕方向 12と平行である。
また、それぞれの素子 1、 11の第 1の磁性層 64の磁ィ匕方向 3、 13はここでは同じで ある。
さらにそれぞれの素子 1、 11の第 1の磁性層 64と第 2の磁性層 66とに信号検出用 の配線 4、 44、 14、 16が配線層 62、 67として形成接続され、検出回路へと接続され ている。
[0022] それぞれの素子 1、 11の第 1の磁性層 66および第 2の磁性層 64は強磁性体よりな つている。強磁性体を構成する材料として、例えば Co、 Fe、 Co- Fe合金、 Co- Ni合 金、 Co- Fe- Ni、 Fe- Ni合金などの Co、 Ni、 Feを主成分として含む金属、および Ni- Mn-Sb、 Co -Mn-Geなどの合金であればよい。
2
また、トンネル絶縁層である非磁性層 65は、絶縁体であればよぐ例えば Ta O、 S
2 5 iO、 MgO等の金属の酸化物があり、弗化物であってもよい。
2
[0023] それぞれの素子 1、 11の第 1の磁性層 64は、前述のように、反強磁性層 63と積層 されることにより磁ィ匕方向を固定されている。つまり、反強磁性層 63が第 1の磁性層 6 4のスピンの向きを固定することで、第 1の磁性層 64の磁化方向がそれぞれ 3、 13の 方向に保たれている。この反強磁性層を構成する材料として例えば Ir-Mn、 Ni-Mn 、 Ni- 0、 Fe- Mnゝ Pt- Mnがある。
[0024] 上記のそれぞれの膜は、例えば DCマグネトロンスパッタリングにより形成される。ま た、例えば分子線エピタキシー (MBE)法、各種スパッタ法、化学気相成長 (CVD)法 、蒸着法によって形成されてもよい。
[0025] また、それぞれの素子 1、 11は、例えばフォトリソグラフィ一により形成する。この場 合、第 2の磁性層 66、非磁性層 65および第 1の磁性層 64となる膜をそれぞれ形成 後、フォトレジストによる所望のパターンを形成する。その後、イオンミリングもしくは反 応性イオンエッチングにより素子の形状を得ることが可能である。また、電子線リソグ ラフィー、集束イオンビームによるパターンの形成であってもよ 、。
さらに、配線 4、 44、 14、 16は、例えば A1層よりなっている。
[0026] また、検出用素子 1および参照用素子 11を同一のプロセスで同一基板上に同時に 形成することが望ましい。上記のような成膜法やフォトリソグラフィ一法では同時に実 施した場合のばらつきはきわめて小さぐ磁気抵抗の測定に問題となるばらつきはほ とんど発生しない。
[0027] それぞれの素子 1、 11の第 1の磁性層の磁ィ匕方向 3、 13は例えば次の方法で設定 する。反強磁性層と第 1の磁性層の見かけ上の交換相互作用がなくなる、ブロッキン グ温度以上に磁界検出器を加熱し、第 1の磁性層の飽和磁化を発生するための外 部磁界を所望の方向に印加する。この状態でブロッキング温度以下に磁界検出器を 冷却することにより、第 1の磁性層において所望の磁ィ匕方向が得られる。
[0028] 本実施の形態においては、検出用素子 1と参照用素子 11との第 1の磁性層の磁ィ匕 方向 3、 13は平行であるため、熱処理時の印加磁界は同じ方向でよぐ一様な磁界 を印加することで本実施の形態の磁界検出器を形成することが可能である。
[0029] ここで、素子 11の形状は、第 2の磁性層の磁ィ匕方向が所望に規定できるのであ れば、長方形である必要はない。
また、それぞれの素子 1、 11は TMR素子であることが好ましい。これによつて大きな 出力信号と素子の小型化が両立可能である。
[0030] 次に、本実施の形態の磁界検出器の検出動作について図 3、 5を用いて説明する 図 3に示されるそれぞれの素子 1、 11に、磁界検出時にそれぞれ配線 4、 44、 14、 16を介して一定電流 Iが流される。ここで、外部磁界 Hが第 1の磁性層 3、 13と同じ方 向に印加された場合、外部磁界 Hでの検出用素子 1における素子抵抗 Rは式（1)と なり、出力電圧 Vは式（2)となる。
R=R + AR/2 X H/ I H | (1)
m k
V=I X (R + AR/2 X H/ | H | ) (2)
m k ここで、 Rは外部から飽和磁界が印加された場合の素子抵抗、 ARは測定用素子 m
1の磁気抵抗変化率、 Hは飽和磁界の強度、 Hは印加された外部磁界の強さ、 Iは k
測定用素子 1に流される電流の強さ、 Vは測定用素子に力かる電圧である。
[0031] 一方、参照用素子 11においては、第 2の磁性層と第 1の磁性層の無磁界における 磁化方向 12、 13および外部磁界 Hの磁ィ匕方向は同一であるため、外部磁界 Hが印 カロされた場合においても参照用素子 11における第 2の磁性層の磁ィ匕方向 12と第 1 の磁性層の磁ィ匕方向 13は同一のままであり、参照用素子 11の素子抵抗は検出用 素子 1の抵抗の負磁界における飽和値と同じ値となる。このことから、参照用素子 11 において得られる素子抵抗 R、出力電圧 Vはそれぞれ式（3)、式 (4)となる。
1 1
R =R - AR/2 (3)
1 m
V =I X (R - AR/2) (4)
1 m
[0032] 検出用素子 1と参照用素子 11において得られる出力電圧の差 Δνは式（5)であ
1
らわされる。
AV =I X (1 +H/
1 I H
k I ) X AR/2 (5)
この式を変形すれば、
H= (2 X AV /I X AR-l) Χ Η (6)
1 k
となる。
この V、 V、 Δ Vと外部磁界 Hおよび飽和磁界 Hの関係は図 5のとおりとなる。
1 1 k
ここで、 ARZ2は、参照用素子 11と検出用素子 1の無磁界における出力信号の差 であり、無磁界における出力信号の差を求めて測定時にリアルタイムに ARを求める ことができる。つまり、測定時の温度変化等で、 ARが変化した場合であっても、容易 に正確に ARを求めることができる。また、 V、 V、 Hは既知な値であるから、式（6)を
1 k
用いて外部磁界 Hを求めることができる。
前述の出力信号は、検出用素子 1と参照用素子 11からそれぞれ得られる出力信号 を数値信号に変換した後に、数値的に演算処理することでも得ることが可能である。
[0033] 本実施の形態においてはそれぞれの素子 1、 11に一定電流を流した力 この電流 はそれぞれの素子 1、 11で一定である必要はない。その場合、それぞれの素子 1、 1 1に流す電流の大きさの比が既知であれば、上記式（3)— (6)を用いて外部磁界 H を求めることができる。
[0034] また、本実施の形態においては、検出用素子 1の第 2の磁性層の磁ィ匕方向 2と第 1 の磁性層の磁ィ匕方向 3とは素子平面内にぉ 、て直交して 、たが、直交して 、る必要 はな ヽ。第 2の磁性層の磁ィ匕方向 2が第 1の磁性層の磁化方向 1と平行もしくは反平 行でなければ、外部磁界 Hにより素子抵抗が変化するので、外部磁界 Hを検出する ことができる。
[0035] また、本実施の形態では参照用素子 11の第 1の磁性層の磁ィ匕方向 13は、無磁界 における参照用素子 11の第 2の磁性層の磁ィ匕方向 12と平行としたが、反平行でも よい。反平行であった場合は、参照用素子 11の素子抵抗は検出用素子 1の抵抗の 正磁界における飽和値と同じ値となる。
[0036] 本実施の形態によれば、参照用素子 11と検出用素子 1との差動検出を用いている ために大きな出力信号が得られる。また、抵抗変化率 ARは無磁界における検出用 素子 1と参照用素子 11との出力信号の差力も得られているため、形成時の再現性に 起因する素子抵抗ばらつきをもった場合や温度に起因して素子の抵抗値が変化した 場合においても安定した出力信号を得ることが可能である。
また、それぞれの素子 1、 11の第 1の磁性層の磁ィ匕方向 3、 13は同じ方向であるの で、本実施の形態の磁界検出器を容易に形成することが可能である。
[0037] さらに、参照用素子 11に、外部磁界を遮蔽するための磁気シールド 5を設けること ちでさる。
参照用素子 11の磁気シールド 5は高透磁率材料であればよぐ例えば NiFe層より なっている。また、 Co、 Ni、 Feを主成分として含む他の合金であってもよい。
[0038] 磁気シールド 5を設けることにより、参照用素子 11は外部シールド 5により外部磁界 の影響を受けない。そのため、参照用素子の第 2の磁性層の磁化方向 12と第 1の磁 性層の磁ィ匕方向 13とが平行あるいは反平行であれば、磁ィ匕方向は任意の向きとす ることがでさる。
[0039] 実施の形態 2.
本実施の形態は、図 6に示すように、実施の形態 1の検出用素子 1,および参照用 素子 11に同じ構成の素子の組み合わせを付加し、ブリッジ回路を形成したものであ る。付加した検出用素子 41は検出用素子と同一の構成を有し、また、参照用素子 51 は参照用素子 11と同一の構成を有しているので説明を省略する。また、検出用素子 1および 41の第 1の磁性層および第 2の磁性層の磁化方向は同一である。この場合 、 Δνは、配線 7から 77へと電流を流し、配線 8および 88の電位差を測定することで
1
得ることができる。
本実施の形態においては、素子をブリッジ回路として形成しているので、より大きな 出力を得ることができる。
[0040] 実施の形態 3.
図 7は、本発明の実施の形態 3における磁界検出器を示す上面図である。本実施 の形態の磁界検出器は実施の形態 1の磁界検出器にさらに参照用素子 21を設けた ものであり、実施の形態 1と同一のものには同一符号を付す。それぞれの素子 1、 11 、 21は、実施の形態 1と同様な積層構造である。ここでは、それぞれの素子 1、 11、 2 1はともに長方形の素子形状を有している。それぞれの素子 1、 11、 21の縦横比は 同じである必要はないが、それぞれの素子 1、 11、 21は素子抵抗を等しくするために 同じ面積としている。
[0041] それぞれの素子 1、 11、 21の第 1の磁性層の磁化方向 3、 13、 23は磁ィ匕方向 3と 磁ィ匕方向 13とは平行であり、磁ィ匕方向 13と磁ィ匕方向 23とは反平行である。無磁界 における検出用素子 1の第 2の磁性層の磁ィ匕方向 2は第 1の磁性層の磁化方向 3〖こ 対して、素子平面内で直交している。また、参照用素子 11、 21の無磁界における第 2の磁性層の磁ィ匕方向 12、 22は、それぞれの第 1の磁性層の磁ィ匕方向 13、 23に対 して、それぞれ平行および反平行である。
それぞれの素子 1、 11、 21の第 2の磁性層と第 1の磁性層には信号検出用の配線 4、 44、 14、 16、 24、 26が接続され、検出回路へと接続されている。ここで検出用素 子 1に接続される配線 4、 44は、一方は素子の第 2の磁性層側に接続されており、も う一方は第 1の磁性層側に接続されている。参照用素子 11、 21における配線 14、 1 6、 24、 26も同様な位置に接続されている。
[0042] 上記の素子 1、 11、 21は TMR素子であることが好ましい。これによつて大きな出力 信号と素子の小型化が両立可能である。 [0043] それぞれの素子 1、 11, 21の第 1の磁性層の磁ィ匕方向 3、 13、 23の決定は、実施 の形態 1と同様に、例えば熱処理により可能である。ここでは図示しないが、例えば 素子の直上もしくは直下に配線を形成し、反強磁性層と第 1の磁性層の磁気的相互 作用がなくなるブロッキング温度以上において、第 1の磁性層の飽和磁ィ匕を発生する ための所望の向きに電流を流す。この状態でブロッキング温度以下に温度を下げる ことにより、第 1の磁性層において所望の磁ィ匕方向が得られる。この磁界は、配線に 電流を流すことによって生じる磁界に限らず、局所的に磁界を印加できればよい。
[0044] 上記の第 1の磁性層の磁ィ匕方向 3、 13、 23は、例えば外部磁界を印加した状態で の素子 1、 11に局所的な熱処理を実施して磁化方向 3、 13を決定し、その後に逆向 きの磁界を印カロした状態で、素子 21に局所的な熱処理を実施し磁ィ匕方向 23を決定 することでも形成可能である。
[0045] 次に、本実施の形態の磁界検出器における動作について図 7を用いて説明する。
図 7に示されるそれぞれの素子 1、 11、 21に、磁界検出時にそれぞれ配線 4、 14、 24を介して素子に一定電流 Iが流される。この際、外部磁界 Hでの検出用素子 1にお ける素子抵抗は式（1)で、出力電圧は式（2)で求められる。ここで、参照用素子 11に おいては、第 2の磁性層の磁ィ匕方向 12と第 1の磁性層の磁化方向 13は平行であり、 参照用素子 21においては、第 2の磁性層の磁ィ匕方向 22と第 1の磁性層の磁ィ匕方向 23は反平行である。このため、それぞれ参照用素子 11、 21は検出用素子 1の抵抗 の正負磁界における飽和値と同じ値となる。この参照用素子 11、 21において得られ る出力電圧 V、 Vはそれぞれ式（5)、式 (6)であらわされる。
1 2
V =I X (R - AR/2) (7)
1 m
V =I X (R + AR/2) (8)
2 m
[0046] これにより検出用素子 1と参照用素子 11において得られる出力電圧の差 Δνは次
1 のとおりとなる。
AV =I X (1 +H/ I H
k I ) X AR/2 (9)
1
同様に検出用素子 1と参照用素子 21において得られる出力電圧の差 AVは次の
2 とおりとなる。
ΔΥ =I X (1-H/ I H I ) X AR/2 (10) さらに Δνと Δνの差は次のとおりとなる。
1 2
Δν - AV =I X ARX H/ | H |
1 2 k
[0047] ここで、 ARは、 2個の参照用素子 11、 21のそれぞれ出力信号の差によりその都度 求めることができる。これは、本実施の形態の素子の飽和磁界は一定の既知の値で あり、飽和磁界における、磁気抵抗を求めることにより、抵抗変化率を求めることがで きるためである。そのため、素子間の抵抗値のばらつきや温度による抵抗値の変化な どの影響により抵抗変化率が変化しても、測定の都度、参照用素子 11, 21の出力か ら抵抗変化率を求めることができ、実使用の環境下における抵抗変化率を用いて精 度よく外部磁界を検出することが可能となる。
前述の出力信号は、検出用素子 1と参照用素子 11、 21からそれぞれ得られる出力 信号を数値信号に変換した後に、数値的に演算処理することでも得ることが可能で ある。
[0048] 本実施の形態においてはそれぞれの素子 1、 11、 21に一定電流を流した力 この 電流はそれぞれの素子 1、 11、 21で一定である必要はない。その場合、それぞれの 素子 1、 11、 21に流す電流の大きさの比が既知であれば、上記式を用いて外部磁界 Hを求めることができる。
[0049] 本実施の形態によれば、 2個の参照用素子 11、 21と検出用素子 1との差動検出を 用いているために大きな出力信号が得られる。
さらに、本実施の形態においては、抵抗変化率 ARは参照用素子 11、 21の出力 信号力 得られているため、形成時の再現性に起因して素子抵抗ばらつきをもった 場合および温度に起因して素子の抵抗値が変化した場合においても安定した出力 信号が得られる。
また、検出用素子 1の出力信号の最大値と最小値の両者が得られているために、さ らに高い信頼性と精度が得られる。
[0050] また、参照用素子 11、 21に、外部磁界を遮蔽するための磁気シールド 5を設けるこ とちでさる。
磁気シールド 5は実施の形態 1と同様の材料力もなる。
[0051] 磁気シールド 5を設けることにより、参照用素子 11、 21は外部シールド 5により外部 磁界の影響を受けない。そのため、参照用素子 11の第 2の磁性層の磁ィ匕方向 12と 第 1の磁性層の磁化方向 13の方向が平行でかつ、参照用素子 21の第 2の磁性層の 磁ィ匕方向 22と第 1の磁性層の磁ィ匕方向 23の方向が反平行であれば、参照用素子 1 1, 21の第 2の磁性層の磁ィ匕方向 12、 13は任意の向きとすることができる。
[0052] また、 Δνと Δνは、実施の形態 2と同様な方法で、検出用素子 1と参照用素子 11
1 2
、 21を用 ヽてブリッジ回路を構成することでも検出可能である。
[0053] 実施の形態 4.
図 8は、本発明の実施の形態 4における磁界検出器を示す上面図である。ここに示 す磁界検出器は、図 3および実施の形態 1の構成に加え、検出用素子 1に磁界を印 加するための配線 6を備えている。この配線 6は例えば検出用素子 1の直上に第 2の 磁性層の磁ィ匕方向 2に平行に配置されている。なお、図 3と同一の構成は同一符号 を付し、説明を省略する。
[0054] ここでは、あら力じめ無磁界において、検出用素子 1の直上に配置された配線 6に 一定の電流を流す。これにより検出用素子 1に既知の磁界を印加することができる。 この際、検出用素子 1の第 2の磁性層の磁ィ匕方向は印加された磁界により磁ィ匕方向 2aに印加された磁界に応じて回転する。
配線 6に流れた電流により磁界 H'を印加し、検出用素子 1に一定電流 Iを流した場 合では、検出用素子 1における出力電圧 Vは次のようになる。
Figure imgf000016_0001
同様に参照用素子 11に一定電流 Iを流した場合の出力電圧は式 (4)より求めること ができるので、その出力電圧の差は次のようになる。
V -V =I X (1 +HV I H | ) X AR/2 (12)
3 1 k
ここで、 H，および Iは既知の値であり、 Hが既知であれば、式（12)を用いて、 AR
K
を精度良く求めることができる。また、 Hが既知でない場合においては、 ARは実施
K
の形態 1において説明した方法で、検出用素子 1と参照用素子 11との無磁界におけ る出力信号の差で求めれば。既知の値である Iおよび H'を用いて、式（12)力も Hを k 求めることが可能となる。外部磁界がない条件下では、配線電流磁界 H'は 1点であ つても飽和磁界は検出可能である。 [0055] 上記の飽和磁界の検出は無磁界中である必要ではなぐ外部磁界が印加された状 態であっても、それが変化しなければ、異なる 2点の配線電流磁界、例えば H'、 + H'を印加することで実施可能である。この検出は外部磁界の測定前や測定時の温 度が変化した場合など、必要に応じて実施すればよい。
[0056] 上記の方法で求めた飽和磁界を用いて、外部磁界の検出は、実施の形態 1と同様 な方法で行えばよい。
[0057] ここで飽和磁界は、図 6および実施の形態 2と同様の方法で、検出用素子 1と参照 用素子 11を用いてブリッジ回路を構成することでも検出可能である。
[0058] 上記の出力信号は、検出用素子 1と参照用素子 11からそれぞれ得られる出力信号 を数値信号に変換した後に、数値的に演算処理することでも得られる。
[0059] 本実施の形態によれば、検出用素子 1に外部磁界を任意に印加できる構成とする ことにより、飽和磁界の検出が外部磁界を要せずに可能となる。そのため、検出器の みで必要に応じて随時飽和磁界を検出できる。これにより外部の磁界発生器を用い ず、かつ必要に応じて検出器の分解能を校正することが可能となる。
[0060] さらに、図 9に示すように、図 7の構成に加え、検出用素子 1に磁界を印加するため の配線 6を配置することも可能である。なお、図 9において、図 7と同一の構成は同一 符号を付し、説明を省略する。このようにすれば、図 7の構成においても検出用素子 1の第 2の磁性層の飽和磁界を外部磁界を要せずに検出することが可能である
[0061] また、図 8、図 9において参照用素子 11、 21に、外部磁界を遮蔽するための磁気シ 一ルド 5を設けることもできる。
磁気シールド 5を設けることにより、参照用素子 11、 21の第 2の磁性層の磁ィ匕方向 は任意の向きとすることができる。
[0062] 実施の形態 5.
図 10は、本発明の実施の形態 5における磁界検出器を示す上面図である。ここに 示す磁界検出器は、図 3および実施の形態 1で示した検出器と同様な構成に加え、 外部磁界に対して検出用素子 1と同じ磁気抵抗効果特性を示す飽和磁界検出用磁 気抵抗効果素子（以下飽和磁界検出用素子と表記する） 31を備えている。ここでは、 検出用素子 1と飽和磁界検出用素子 31とは同一の形状を有するように作成して 、る なお、飽和磁界検出用素子 31は検出用素子 1と同じ磁気抵抗効果特性を有して おればよく特に配置についての制限はない。なお、図 3と同一の構成は同一符号を 付し、説明を省略する。
また、磁界印加用の配線 6を飽和磁界検出用素子 31の直上に配置しており、この 配線 6は例えば検出用素子 1の直上に第 2の磁性層の磁ィ匕方向 2に平行に配置され ている。
[0063] また、検出用素子 1、参照用素子 11および飽和磁界検出用素子 31を同一のプロ セスで同一基板上に同時に形成することが望ましい。上記のような成膜法やフォトリソ グラフィ一法では同時に実施した場合のばらつきはきわめて小さぐ磁気抵抗の測定 に問題となるばらつきはほとんど発生しない。
[0064] 次に、本実施の形態の磁界検出器における検出動作について説明する。
磁界検出の動作は、実施の形態 1での検出動作と同様である。
さらに、実施の形態 4に記載と同様な方法により飽和磁界検出用素子 31の第 2の 磁性層の飽和磁界を検出することができる。検出用素子 1と飽和磁界検出用素子 31 とは同じ磁気抵抗効果特性を有して ヽるので、飽和磁界検出用素子 31の飽和磁界 を求めることにより、検出用素子 1の飽和磁界を求めることが可能とある。
[0065] 本実施の形態によれば、検出用素子 1と第 2の磁性層の飽和磁界を得るための飽 和磁界検出用素子 31とが独立であるため、外部磁界の検出を行いつつ、随時飽和 磁界の検出が可能である。そのため、外部磁界を検出中の飽和磁界を求めることが できるので測定中の分解能校正が可能となり、さらに精度よく外部磁界を測定するこ とがでさる。
また、外部磁界の測定を中断することなぐ磁界検出器の分解能校正を行うことが 可能となる。
[0066] 図 11に示すように、図 7の構成に加え、飽和磁界検出用素子 31を備えることも可能 である。なお、図 11において、図 7と同一の構成は同一符号を付し、説明を省略する 。このようにすれば、図 7の構成においても検出用素子 1の第 2の磁性層の飽和磁界 を外部磁界の測定中に外部磁界を要せずに検出することが可能である [0067] また、図 10、図 11において参照用素子 11、 21に、外部磁界を遮蔽するための磁 気シールド 5を設けることもできる。
磁気シールド 5を設けることにより、参照用素子 11、 21の第 2の磁性層の磁ィ匕方向 は任意の向きとすることができる。
[0068] 実施の形態 6.
図 12は、本実施の形態における電流検出装置を示す斜視図である。ここに示す電 流検出装置は、例えば図 3および実施の形態 1に示した磁界検出器を用 、た電流検 出装置であり、被測定電流が流れる配線 102から、一定の距離が保たれて配置され ている。ここでは検出用素子 1のみしか図示しないが、電流検出装置は実施の形態 1 に示した部材を全て備えており、出力検出及び信号処理をするための周辺回路 109 を備えている。また、電力供給用及び信号を外部機器に出力するための配線 110を 備えている。
[0069] 電流検出装置内に配置されている検出用素子 1は、被測定電流が流れる配線 102 力 発生する外部磁界の方向と検出方向が一致するように配置されている。具体的 には、検出用素子 1の第 1の磁性層の磁ィ匕方向と外部磁界の方向を一致させればよ い。
[0070] 次に、本実施の形態の電流検出装置における電流検出動作について説明する。
被測定電流 iが配線 102に流れると、電流の作用により配線と垂直な方向に環状磁 界が発生する。この磁界 Hの大きさは、 H=k X iZRで表される。 kは比例定数で Rは 配線からの距離である。ここで、電流検出装置内の検出用素子 1と配線との距離を測 定しておけば、比例定数 kは既知であるので、実施の形態 4で示した磁界検出器によ り磁界 Hを測定することにより配線電流 iを検出することが可能である。この際、電流 検出装置を動作するための電力は配線 110を介して供給され、検出信号は周辺回 路 109及び配線 110を介して例えば表示装置などの外部機器へと出力される。 また、他の実施の形態の磁界検出器を電流検出器に用いることももちろん可能であ る。
[0071] 本実施の形態によれば、本発明で示された磁界検出器を用いているために、電流 検出において温度の変化および検出器毎の特性ばらつきがあった場合でも、安定し た出力信号が得られかつ検出器の分解能を校正することが可能なため、高精度な電 流検出を行うことができる。
[0072] 実施の形態 7.
図 13は、本実施の形態における位置検出装置を示す斜視図である。ここに示す位 置検出器は、例えば図 3および実施の形態 1に示した磁界検出器を用 ヽた位置検出 装置であり、被測定物 100には周期的に磁石 103が備えられている。なお、被測定 物 100に磁石 103が設けられた部位の一部をここでは図示している。この磁石は例 えば隣接する磁石同士が逆の極性を有している。ここでは検出用素子 1のみしか図 示しな 、が、位置検出器は例えば図 3および実施の形態 1に示した部材を全て備え ており、実施の形態 6と同様に、出力検出及び信号処理をするための周辺回路 109 を備えている。また、電力供給用及び信号を外部機器に出力するための配線 110を 備えている。
[0073] 次に、本実施の形態の位置検出装置における位置検出動作について説明する。
被測定物が移動すると、そこに備えられた磁石 103からの磁束により、位置検出器 における磁界が変化する。被測定物は周期的に磁石 103を備えているために、この 移動による検出器における磁界の変化を検出することにより、位置検出器を通過した 磁石を計数することが可能である。実施の形態 6と同様に、電流検出装置を動作する ための電力は配線 110を介して供給され、検出信号は周辺回路 109及び配線 110 を介して外部機器へと出力される。これにより被測定物の移動量を測定することが可 能となる。これは、直線的に移動するものに限らず、例えば、回転体の回転量を検出 することも可會である。
また、他の実施の形態の磁界検出器を位置検出器に用いることももちろん可能であ る。
[0074] 本発明の位置検出器はこの構成に限定されるものではなぐ被測定物からの磁束 の変化を検出できる構成であれば良 、。
[0075] 本実施の形態によれば、本発明の磁界検出器を用いているために、位置検出にお V、て温度の変化および検出器毎の特性ばらつきがあった場合でも、安定した出力信 号が得られかつ検出器の分解能を校正することが可能であり、高精度な位置検出を 行うことができる。
[0076] 実施の形態 8.
図 14は、本実施の形態における回転検出器を示す側面図である。ここに示す回転 検出器は、例えば図 3および実施の形態 1に示した磁界検出器および被測定物の方 向に着磁した永久磁石 104を備えて 、る。被測定物は透磁率の大きな軟磁性体から なる例えば歯車 105である。ここでは検出用素子 1のみしか図示しないが、回転検出 器は例えば図 3および実施の形態 1に示した部材を全て備えており、実施の形態 6と 同様に、出力検出及び信号処理をするための周辺回路 109を備えている。また、電 力供給用及び信号を外部機器に出力するための配線 110を備えている。
[0077] 検出用素子 1は、永久磁石 104および歯車 105により発生する外部磁界を検出で きる方向に配置されている。例えば、検出用素子 1の第 1の磁性層の磁ィ匕方向は歯 車 105の中心方向である。
[0078] 次に、本実施の形態の回転検出器における回転検出動作について説明する。
本回転検出器は被測定物方向に着磁した永久磁石 104を備えているために、被 測定物である歯車 105の歯 106は、磁石 104からの磁束により磁化する。この磁化し た歯 106により歯車 105が回転した場合、磁界検出器 101における磁界が変化する 。この歯 106の回転による磁界の変化を検出することにより、磁界検出器 101を通過 した歯の数を計数することが可能である。これにより被測定物の回転量を測定するこ とが可能となる。実施の形態 6と同様に、電流検出装置を動作するための電力は配 線 110を介して供給され、検出信号は周辺回路 109及び配線 110を介して外部機 器へと出力される。これは、回転運動するものに限らず、例えば、直線的に移動する 被測定物の移動量を検出することも可能である。
[0079] 本発明の回転検出器はこの構成に限定されるものではなぐ被測定物からの磁束 の変化を検出できる構成であれば良 、。
[0080] 本実施の形態によれば、被測定物に磁界検出用の磁石を設置する必要がなぐ高 精度な位置検出を行うことができる。また、回転体が透磁率の大きな軟磁性体で歯車 形状を有して!/、れば、既存の回転体を利用可能である。
[0081] 実施の形態 9. 図 15は、実施の形態 1の図 3の具体的な磁界検出器の回路構成の例を示したもの で、本発明の実施の形態 9における磁界検出器の回路ブロック図である。図 15にもと づいて、本実施の形態の構成について説明する。ここに示す磁界検出器は、実施の 形態 1の磁界検出器を含んだ回路構成の例であって、 1個の検出用素子 1と 1個の 参照用素子 11を有している。回路に含まれる素子 1、 11の構造と作製方法について は、実施の形態 1と同様である。
[0082] 本実施の形態の磁界検出器は、抵抗電圧変換回路 201と、加減算増幅回路 202 とから構成される。
抵抗電圧変換回路 201は、素子 11に定電流回路 204をそれぞれ接続すること で構成されている。また、加減算増幅回路 202は検出用素子 1と参照用素子 11とか ら得られる出力電圧を差分増幅する差分増幅回路 207からなり、検出用素子 1と参 照用素子 11とから得られる出力電圧の差分にもとづいた電圧を出力する。差分増幅 回路 207は、例えば図 16に示すような OPアンプ 245と抵抗 245とからなる回路で構 成される。ここで図面の同一記号は同様の OPアンプと抵抗である。
[0083] 次に、本実施の形態の磁界検出回路の検出動作について図 15を用いて説明する 抵抗電圧変換回路 201では、素子 11に定電流回路 204がそれぞれ接続されて おり、磁界検出時にそれぞれ一定電流 Iが流される。外部磁界 Hでの検出用素子 1か らの出力電圧は式（2)となる。ここで、参照用素子 11においては、第 2の磁性層の磁 化方向 12と第 1の磁性層の磁化方向 13は平行であり、その抵抗値は検出用素子の 抵抗の負磁界における飽和値と同じ値になる。この検出用素子 1、参照用素子 11に おいて得られる出力電圧 V、 Vはそれぞれ式（2)、式 (4)であらわされる。
1
V = I X (R + ^ R 2 X H I H I ) (2)
m k
V =I X (R - A R/2) (4)
1 m
[0084] 加減算増幅回路 202は、検出用素子 1と参照用素子 11において得られる出力電 圧を差分増幅する。いま、加減算増幅回路 202の増幅率を αと設定すると、出力電 圧 V は、式（5)および増幅率 aから、次のようになる。
out
V = a X I X (1 +H/ I H | ) X A R/2 (13) このうち、 α、Ι、 I Η Iは設定値で既知であり、 ARは無磁界における検出用素子
k
1と参照用素子 11との出力信号の差力 得ることができるので、出力電圧 V と Hの
out 対応がつく。例えば、外部磁場が 0における V は以下の値をとる。
out
V = a XIX AR/2 (14)
out
ここで、例えば出力電圧 V 力 となるように a =2Z(IX AR)と設定すると、 V
out out
= (1+H/ | H | )となり、11= | 11
k Iのとき V =0V、H= | H |のとき V = k out k out
2Vとなるよう回路を構成できる。
[0085] 本実施の形態によれば、参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗 効果素子の抵抗とを電圧に変換する抵抗電圧変換回路と、抵抗電圧変換回路にお いて参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とから 変換された電圧の差分を増幅する加減算増幅回路とを有している。
[0086] そのため、参照用素子 11と検出用素子 1との出力を用いて差動検出を行うことが出 来るので大きな出力信号が得られる。また、抵抗変化率 ARは無磁界における検出 用素子 1と参照用素子 11との出力信号の差力も得ているため、形成時の再現性に起 因する素子抵抗ばらつきをもった場合や温度に起因して素子の抵抗値が変化した場 合においても安定した出力信号を得ることが可能である。
[0087] また、増幅率 ocを適宜設定することで、所望の出力電圧を得ることができる。
さらに、実施の形態 1で述べたように参照用素子 11に外部磁界を遮蔽するための 磁気シールド 5を設けることもできる。
参照用素子 11の磁気シールド 5は高透磁率材料であればよぐ例えば NiFe層より なっている。また、 Co、 Ni、 Feを主成分として含む他の合金であってもよい。
磁気シールド 5を設けることにより、参照用素子 11は外部シールド 5により外部磁界 の影響を受けない。そのため、参照用素子の第 2の磁性層の磁化方向 12と第 1の磁 性層の磁ィ匕方向 13とが平行あるいは反平行であれば、磁ィ匕方向は任意の向きとす ることがでさる。
[0088] さらに、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路を設けることにより、非常に簡単な回 路構成で、動作する磁界検出器を構成することができる。
また、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を、同一基板上に設けら れた磁気抵抗素子、バイポーラトランジスタ、抵抗素子などを用いて構成することによ り、外部力 のノイズや加減算増幅回路に含まれるトランジスタや抵抗の温度変化な どによる影響を抑えることが可能となる。抵抗については、温度による抵抗率の変化 力 S小さい材料、例えば金属酸ィ匕物薄膜を利用した抵抗器などで構成することが望ま しい。
[0089] 実施の形態 10.
図 17は、本発明の実施の形態 10における磁界検出回路を示す回路ブロック図で ある。ここに示す磁界検出回路は実施の形態 9の磁界検出回路に、検出用素子 1に 磁界を印加するための配線 6および磁界印加のための回路を備えたものである。検 出用素子 1に磁界を印加するための配線 6および磁界印加のための回路以外は、実 施の形態 9と同様であるため、説明を省略する。
図 17に示される磁界検出回路では、検出用素子 1に電流磁場を印加する配線 6に は、定電流源 220とスィッチ 221が設けられている。スィッチ 221は、例えば半導体ス イッチを用いて、磁界検出回路外部力 の入力信号に同期して切り替えられるように 構成されている。
[0090] 次に、本実施の形態の磁界検出回路の検出動作について説明する。まず、外部磁 界 Hが印加されている状態で、スィッチ 221がオフの場合、加減算回路 207の増幅 率を αとすると、式（9)を参照して、出力電圧 V は式（15)で記述される。
out
V (H) = a X I X (1 +Η/ | Η | ) X AR/2 (15)
out k
次に、スィッチ 221がオンの場合、定電流回路 220によって流れた電流によって電 流磁場 H'が生じるため、出力電圧 V は、以下のように記述できる。
out
V (Η + Η') = α X I X (1 + (Η + Η' ) / | Η | ) X AR/2 (16)
out k
V (H + H')-V (Η) = α X I X AR/2 X H' / I Η | (17)
out out k
となる。ここで a；、 I、 H'は既知であるため、出力信号の差は Hおよび ARの関数とな
k
る。
例えば Hが既知であるとするならば、出力信号の差から ARを求めることができる。
k
また、例えば外部磁場が 0のときの値から ARを求めれば、 Hを求めることができる。
k
また、 α = 2Ζ (Ι Χ AR)と設定すると、 V (H) = l +H/ I H I (18)
out k
V (H + H') = 1 + (H + H，）/
out I H
k I (19)
となる。出力波形の例を図 18に示す。このように、出力される Voutの差力も H'Z I H
Iが求まり、 I H
k Iを求めることができる。
k
[0091] 本実施の形態によれば、検出用素子に外部磁界を任意に印加できる構成とするこ とにより、飽和磁界の検出が外部磁界を要せずに可能となる。そのため、検出器のみ で必要に応じて随時飽和磁界を検出できる。これにより外部の磁界発生器を用いず 、かつ必要に応じて検出器の分解能を校正することが可能となる。
[0092] また、本実施の形態によれば、参照用素子 11と検出用素子 1との差動検出を用い ているために大きな出力信号が得られる。また、抵抗変化率 ARは無磁界における 検出用素子 1と参照用素子 11との出力信号の差力も得られているため、形成時の再 現性に起因する素子抵抗ばらつきをもった場合や温度に起因して素子の抵抗値が 変化した場合においても安定した出力信号を得ることが可能である。
[0093] また、それぞれの素子 1、 11の第 1の磁性層の磁ィ匕方向 3、 13は同じ方向であるの で、本実施の形態の磁界検出器を容易に形成することが可能である。
さらに、参照用素子 11に、外部磁界を遮蔽するための磁気シールド 5を設けること ちでさる。
参照用素子 11の磁気シールド 5は高透磁率材料であればよぐ例えば NiFe層より なっている。また、 Co、 Ni、 Feを主成分として含む他の合金であってもよい。
磁気シールド 5を設けることにより、参照用素子 11は外部シールド 5により外部磁界 の影響を受けない。そのため、参照用素子の第 2の磁性層の磁化方向 12と第 1の磁 性層の磁ィ匕方向 13とが平行あるいは反平行であれば、磁ィ匕方向は任意の向きとす ることがでさる。
[0094] さらに、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路を設けることにより、非常に簡単な回 路構成で、動作する磁界検出器を構成することができる。
また、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を、同一基板上に設けら れた磁気抵抗素子、バイポーラトランジスタ、抵抗素子などを用いて構成することによ り、外部力 のノイズや加減算増幅回路に含まれるトランジスタや抵抗の温度変化な どによる影響を抑えることが可能となる。抵抗については、温度による抵抗率の変化 力 S小さい材料、例えば金属酸ィ匕物薄膜を利用した抵抗器などで構成することが望ま しい。
[0095] 実施の形態 11.
図 19は、本発明の実施の形態 11における磁界検出回路を示す回路ブロック図で ある。ここに示す磁界検出回路は実施の形態 3の磁界検出器を含んだ回路構成の 例であって、検出用素子 1と参照用素子 11、 21を有している。回路に含まれる素子 1 、 11、 21の構造と作製方法については、実施の形態 3と同様である。
[0096] 本実施の形態の磁界検出回路は抵抗電圧変換回路 201と、加減算増幅回路 202 と、乗除算回路 203から構成される。
抵抗電圧変換回路 201は実施の形態 9と同様に素子 1、 11、 21に定電流回路 20 4をそれぞれ接続することで構成されて 、る。
加減算増幅回路 202は、検出用素子 1と参照用素子 11、 12において得られる出 力電圧を差分増幅する回路である。本実施の形態においては、参照用素子 11、 21 に接続され、それぞれの出力電圧の差 Vを乗除算回路 203に出力する減算回路 20 6と、検出用素子 1と参照用素子 11とに接続され、それぞれの出力電圧 Vと Vの差で
1
ある Δ νを乗除算回路 203に出力する差分増幅回路 207とからなっている。減算回
1
路 206および差分増幅回路 207は例えば図 16に示すような ΟΡアンプと抵抗とから なる回路で構成される。
乗除算回路 203は入力に対して除算を行う回路であり、 3つの入力 Δ Vと Vと電圧
1 - 源 208からの変換用電圧 Vに対して、 Δ ν X V /Vを出力する回路となっている。
a l a - ここで、図 20に内部等価回路の 1例を示す。この等価回路は OPアンプ 245と抵抗 2 45とトランジスタ 260と力もなる回路で構成される。ここで図面の同一記号は同様の O Pアンプと抵抗とトランジスタである。
[0097] 次に、本実施の形態の磁界検出回路の検出動作について図 19を用いて説明する 。抵抗電圧変換回路 201では、素子 11、 21にそれぞれ一定電流 Iが流される。外 部磁界 Hでの検出用素子 1における出力電圧は式（2)となる。ここで、参照用素子 1 1においては、第 2の磁性層の磁化方向 12と第 1の磁性層の磁化方向 13は平行で あり、参照用素子 21においては、第 2の磁性層の磁ィ匕方向 22と第 1の磁性層の磁ィ匕 方向 23は反平行である。このため、それぞれ参照用素子 11、 21は検出用素子 1の 抵抗の正負磁界における飽和値と同じく式 (7)、式 (8)となる。この検出用素子 1、参 照用素子 11、 21においてそれぞれ式（2)、式（7)、式 (8)であらわされる出力電圧 V 、 V、 Vを加減算増幅回路 202に出力する。
1 2
V = IX (R + ^R 2XH (2)
m I H
k I )
V =IX (R -AR/2) (7)
1 m
V =IX (R + AR/2) (8)
2 m
[0098] 加減算増幅回路 202では、検出用素子 1と参照用素子 11、 21において得られる出 力電圧を差分増幅する。本実施の形態においては、参照用素子 11と 21において得 られる出力電圧の差 Vと、 Δνの増幅値を出力する。このとき、例えば、減算回路 20
- 1
6の増幅率を a、差分増幅回路 207の増幅率を aと設定することで、差分増幅回路 2
07からの出力は式（9)より次のとおりとなる。
α X AV = α XIX ARX (1+H/ I Η \ )/2 (20)
1 k
同様に、減算回路 206からの出力は次のようになる。
V = a (V-V) = α XIX AR (21)
- 2 1
[0099] 乗除算回路 203は、入力に対して除算を行う回路であり、 3つの入力 Δ Vと Vと V
1 - a に対して、 Δν XV
1 a ZVを出力する。
- このとき、式（2)、（20)、（21)により、磁場 Hを印加したときの測定用素子両端の電 位差 Vに対して、次式が成立する。
V = AV XV/V =V X (1+H/ H
1 a - a I \ )/2 (22) out k
ここで I H Iおよび Vは既知の値であるから、出力電圧が求まれば、外部磁場 H k a
を求めることができる。
Vは、出力電圧の大きさを決めるように任意に設定できる。このとき、外部磁場 Hが a
H=- I H Iから H= I H Iまで変化するとき、 V は V =0Vから V =Vとなる k k out out out a ような回路が得られる。
[0100] さらに、外部磁場がある方向の時に正の出力、逆の方向の時に負の出力が得られ ることが必要な場合には、この出力から V Z4を減算する出力調整回路
a 210を追カロ すればよい。この出力調整回路 210の内部回路は、例えば図 16に示した差分増幅 回路でよぐ減算するための定電圧源 209と接続されている。式 (22)より、次式を得 る。
V = Δ V X V /V V /4=V X (1/2 +H/ | H | ) /2 (23)
out 1 a - a a k
これにより、外部磁場 Hが H=— I H
k Iから H= I H
k Iまで変化するとき、 V 狗 out
=-V Z2から V =V Z2となるような回路が得られる。より具体的には、 V = 2V out a out a a とすることで、 H= I H Iのときの出力電圧は IVで H=—
k I H
k Iのときの出力電圧 は— IVとなるように設定できる。
[0101] 本実施の形態の磁界検出回路では、第 1の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第 2の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗および磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗と を電圧に変換する抵抗電圧変換回路と、抵抗電圧変換回路において第 1の参照用 磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された 電圧の差分および第 1の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第 2の参照用磁気抵抗 効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分を増幅し、それぞれ第 1の電圧および 第 2の電圧として出力する加減算増幅回路と、第 1の電圧と前記第 2の電圧の除算を 第 3の電圧として出力する乗除算回路とを有している。
[0102] そのため、参照用素子 11と、検出用素子 1との出力を用いて差動検出することがで きるために大きな出力信号が得られる。また、素子間の抵抗値のばらつきや温度によ る抵抗値の変化などの影響により抵抗変化率が変化しても、参照用素子 11, 21の実 使用の環境下における抵抗変化率を用いて自動的に補正されるため、精度よくかつ 瞬時に外部磁界を検出することが可能となる。
[0103] さらに、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を設けることにより、簡 単な回路構成で、かつ非同期で動作する磁界検出器を構成することができる。
また、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を、同一基板上に設けら れた磁気抵抗素子、バイポーラトランジスタ、抵抗素子などを用いて構成することによ り、外部からのノイズや加減算増幅回路、乗除算回路に含まれるトランジスタや抵抗 の温度変化などによる影響を抑えることが可能となる。
使用する抵抗器については、温度による抵抗率の変化が小さい材料、例えば金属 酸ィ匕物薄膜を利用した抵抗器などで構成することが望ましい。
[0104] また、参照用素子 11、 21に、外部磁界を遮蔽するための磁気シールド 5を設けるこ とちでさる。
磁気シールド 5は実施の形態 1と同様の材料力もなる。
磁気シールド 5を設けることにより、参照用素子 11、 21は外部シールド 5により外部 磁界の影響を受けない。そのため、参照用素子 11の第 2の磁性層の磁ィ匕方向 12と 第 1の磁性層の磁化方向 13の方向が平行でかつ、参照用素子 21の第 2の磁性層の 磁ィ匕方向 22と第 1の磁性層の磁ィ匕方向 23の方向が反平行であれば、参照用素子 1 1, 21の第 2の磁性層の磁ィ匕方向 12、 13は任意の向きとすることができる。
[0105] なお、本実施の形態では抵抗電圧変換回路 201に定電流源を 3つ用いているが、 1つの電源に検出用素子 1と参照用素子 11、 21とを直列に接続してもよい。
また、本実施の形態で示された加減算増幅回路における増幅率は一例であって、 異なる増幅率の組み合わせであっても、所望の出力が得られるように構成できること は言うまでもない。
また、本実施例では回路図の理解が容易になるよう、定電圧源 208、 209を別の定 電圧源として記述して!/ヽるが、例えば Vccのような外部電圧を抵抗分割して得ても良 いことは言うまでも無い。
[0106] 実施の形態 12.
実施の形態 12は、実施の形態 11の変形例である。第 1の磁性層の磁ィ匕方向と第 2 の磁性層の磁ィ匕方向が平行でかつ互いに等しい外部磁界応答特性を持つ 2個の参 照用素子 l la、 l ibと、第 1の磁性層の磁ィ匕方向と第 2の磁性層の磁ィ匕方向が反平 行であり、参照用素子 11aと同じ特性を持つ参照用素子 21を備えている。このように 3個の参照用素子 l la、 l ib, 21と検出用素子 1とを用いて図 21に示すような回路を 構成することによって、磁界検出回路を得ることができる。
[0107] 以下、この回路構成について説明する。本実施の形態の磁界検出回路は抵抗電 圧変換回路 201、加減算増幅回路 202a、 202bおよび乗除算回路 203を有している 検出用素子 1は抵抗 250および OPアンプ 240とともに反転増幅回路 230を形成し ている。抵抗 250の一端は定電圧源（図示せず）に接続されている。参照用素子 11a 、 l ib, 21もそれぞれ抵抗 251、 252、 253および OPアンプ 241、 242、 243と反転 増幅回路 231、 232、 233を形成している。抵抗 251、 252、 253の一端は抵抗 250 と同様に定電圧源（図示せず）に接続されている。
抵抗電圧変換回路 201は反転増幅回路 230、 231、 232、 233力もなる。 反転増幅回路 230、 231の出力は加減算回路 202aに入力される。また、反転増幅 回路 232、 233の出力は加減算回路 202bに入力される。加減算回路 202a、 202b は例えば図 16に示した差分増幅回路でよい。
加減算回路 202a、 202bではそれぞれ、反転増幅回路 230、 231の出力と反転増 幅回路 232、 233の出力の差分を出力する。
次に、加減算回路 202a、 202bの出力を乗除算回路 203に入力する。加減算回路 202a, 202bおよび乗除算回路 203の構成は実施の形態 11と同様であるので説明 は省略する。
[0108] この回路構成においては、定電流回路を用いる代わりに、検出用素子 1や参照用 素子 11、 21を含む反転増幅回路を設け、素子の抵抗変化を定電圧源から供給され る定電圧 V に対する増幅率の変化の形で検出し増幅する。より具体的には、検出用 cc
素子 1を用いた反転増幅回路 230の出力電圧 V は、抵抗 250の抵抗値を R とする
HI 22 と
V =V X (R + AR/2 X H/ | H | ) /R (24)
HI cc m k 22
となる。同様に参照用素子 l la、 l ibを含む反転増幅回路 231および 232の出力電 圧 V および V は、抵抗 251、 252の抵抗値をそれぞれ R 、R とすると
H2 H3 21 23
V =V X (R— ARZ2) ZR (25)
H2 cc m 21
V =V X (R -AR/2) /R (26)
H3 cc m 23
となる。また、参照用素子 21を含む反転増幅回路 233の出力電圧 V は、抵抗 253
H4
の抵抗値を R
24とすると
V =V X (R + AR/2) /R (27)
H4 cc m 24
となる。
[0109] 参照用素子 l la、 l ib, 21と検出用素子 1とは、第 2の磁性層と第 1の磁性層の磁 化方向以外はまったく同様に構成している。また、抵抗 250、 251、 252、 253は等し V、抵抗値を有するようにすれば出力の調整を行う必要がな 、ので望ま 、。しかし、 異なる抵抗値であっても後段で出力の調整を行えば良い。
[0110] 次に、加減算増幅回路 202a、 202bで加減算と増幅を行う。加減算増幅回路 202a 、 202bで用いる抵抗は、異なる抵抗値を有していても良いが、 4つの抵抗に全て同 じ値のものを用いることで増幅率を 1とできる。この場合、加減算回路からの出力は、 抵抗 250、 251、 252、 253の抵抗値が R で等しい場合、出力電圧の差は式（28)、
21
(29)に示すようになる。
V -V =V X (1 +HZ I H
k I ) X AR/R21/2 (28)
HI H2 cc
V -V =V X AR/R21 (29)
H4 H3 cc
さらに、乗除算回路 203における出力は、次式のようになる。
V = (V -V ) x v / (v
out HI H2 a H4 -v H3 ) =
V X (l +H/ I H
k I ) /2 (30)
a
また、出力調整回路 210をもうけることで、 H=- I H Iから H= +
k I H
k Iまで変 化するときの、 V の出力範囲を- V
a Z2から V
a Z2とすることができる。
out
[0111] 本実施の形態の磁気測定回路では、第 1の参照用磁気抵抗効果素子と同じ外部 磁界応答特性を有する第 3の参照用磁気抵抗効果素子を有し、第 1の参照用磁気 抵抗効果素子の抵抗と第 2の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第 3の磁気抵抗効 果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とを電圧に変換する抵抗電圧 変換回路と、抵抗電圧変換回路において第 1の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と 磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分および第 2の参 照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第 3の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換 された電圧の差分を増幅し、それぞれ第 1の電圧および第 2の電圧として出力する加 減算増幅回路と、第 1の電圧と前記第 2の電圧の除算を出力する乗除算回路とを有 している。
[0112] そのため、参照用素子 11と検出用素子 1とを用いて差動検出することができるため に大きな出力信号が得られる。また、素子間の抵抗値のばらつきや温度による抵抗 値の変化などの影響により抵抗変化率が変化しても、参照用素子 11, 21の実使用 の環境下における抵抗変化率を用いて自動的に補正されるため、精度よくかつ瞬時 に外部磁界を検出することが可能となる。
[0113] さらに、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を設けることにより、簡 単な回路構成で、かつ非同期で動作する磁界検出器を構成することができる。 また、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を、同一基板上に設けられ た磁気抵抗素子、バイポーラトランジスタ、抵抗素子などを用いて構成することにより 、外部からのノイズや加減算増幅回路、乗除算回路に含まれるトランジスタや抵抗の 温度変化などによる影響を抑えることが可能となる。抵抗については、温度による抵 抗率の変化が小さい材料、例えば金属酸ィ匕物薄膜を利用した抵抗器などで構成す ることが望ましい。
[0114] さらに、定電流源を必要とせず、定電圧源のみで検出が可能となるので、回路を簡 略ィ匕することができる。
[0115] 実施の形態 13.
図 22は、本発明の実施の形態 13における磁界検出器の回路ブロック図である。こ こに示す磁界検出器は実施の形態 10の磁界検出器に対して、さらに磁場シールド を設けた校正用磁気抵抗効果素子 211 (以下、校正用素子と表示する。）を含んだ 回路構成の例である。回路に含まれる素子 1、 11、 21の構造と作製方法については 、実施の形態 3と同様であるので説明を省略する。
[0116] まず、校正用素子 211について説明する。校正用素子 211は、検出用素子 1と同じ 方法で作製され、検出用素子 1と同じ構造を持つ素子に対して、磁気シールド 5を設 けたものである。磁気シールド 5は実施の形態 1と同様の材料力もなる。このように構 成することによって、外部磁場が印加されて 、な 、ときの素子の抵抗を正確に求める ことが可能となる。外部磁場の印加されていない場合の抵抗値を正確に求めることに よって、外部磁場をより高精度に測定することが可能となる。以下、この原理について 図 23を用いて説明する。
[0117] 素子抵抗の外部磁界依存性において、外部磁場力^の場合の抵抗値を Rとした場
m 合に、周囲の環境、ノイズ等により R=Rを与える外部磁場に微少な変化（Δ Η)が
m
発生する場合を考える。このとき、外部磁場 =0のときの素子抵抗は R=R ≠Rと
offset m なる。このまま測定を行うと、図 23に記載のとおり、 Δ Ηで示す量だけ検出される磁場 の大きさに誤差が生じる。そこで、外部磁場の印加されていない場合の抵抗値 R offset を求めて補正することで、より正確な外部磁場の検出が可能となる。このとき、参照用 素子 211の第 1の磁性層の磁ィ匕方向に対して平行、反平行に外部磁場を印カロしたと きの飽和磁場をそれぞれ H および H とし、検出用素子 1に対して定電流 Iを流した k+ k- ときの電圧を V とすると、直線の傾きが等 ヽことから、次式が得られる。
offset
Δ Η/ (Η — H ) = (R -R ) / A R (31)
k+ k— offset m
V =IR (32)
offset offset
ここで
H — H = 2 I H Iであるため、 R 、 A Rを測定により決定できれば、この式（31) k+ k- k offset
に従って磁場抵抗特性のシフト量 Δ Hを正確に求めることができる。
[0118] 次に、本実施の形態の磁界検出器の検出動作について図 22を用いて説明する。
図 22に示される磁界検出器は、抵抗電圧変換回路 201と、加減算増幅回路 202c、 202dと、乗除算回路 203a、 203bと、加減算増幅回路 207cと力 構成される。 抵抗電圧変換回路 201は、検出用素子 1、参照用素子 11、 21、校正用素子 211 にそれぞれ定電流回路 204を接続することで構成されており、磁界検出時にそれぞ れ一定電流 Iが流される。検出用素子 1、参照用素子 11、 21の動作については、実 施の形態 11と同様であるので説明を省略する。校正用素子 211は磁場シールド 5に 覆われた構造となっているため、その両端に生じる電圧 V は外部磁場力^のときの offset
検出用素子 1の電圧 Vに等しい。
[0119] 次に、加減算増幅回路 202cは、検出用素子 1と参照用素子 11の出力の差分を増 幅する差分増幅回路 207aと、参照用素子 11、 21との差を計算する減算回路 206と 力も構成される。差分増幅回路 207aと減算回路 206の詳細な動作は実施の形態 11 と同様であるので説明を省略する。差分増幅回路 207aおよび減算回路 206と接続 された乗除算回路 203aは実施の形態 11と同様の構成であり、その出力は、実施の 形態 11における式（23)と同様の考察力 次のとおりである。
V = (V-V ) X V /V =V X { 1 + 2H/ (H -H ) }/2 (33)
outl 1 a - a k+ k -
[0120] 次に、加減算増幅回路 202dは、参照用素子 11、 21の出力の和 V+を出力する加 算回路 205と、加算回路 205の出力と V の 2倍の差分を増幅する差分増幅回路 2 offset
07bとからなる。加算回路 205は、例えば図 24のような回路で構成できる。図 24に示 す回路は OPアンプ 245と抵抗 245とからなる回路で構成される。ここで図面の同一 記号は同様の OPアンプと抵抗である。
このとき Vについて次式が成り立つ。
V =V +V =2XIXR (34)
+ 1 2 m
差分増幅回路 207bは、磁場シールドを設けた校正用素子 211からの入力を 2倍に 増幅し、加算回路 205からの入力との差分を出力する。
出力する電圧は式（32)および（34)より式（35)となる。
(2XV -V)=2XIXR -2XIXR (35)
offset + offset m
[0121] 定電圧源 208の出力を V
a Z2とすると、加減算増幅回路 202dと減算回路 206とに 接続され、加減算増幅回路 202dの出力を減算回路 206で除した値を出力する乗除 算回路 203bの出力は、式（21)、（31)、（35)力も次式のとおりである。
V =V X ΔΗ/(Η — Η ) (36)
out2 a k+ k—
[0122] 乗除算回路 203aと乗除算回路 203bの出力の差分を出力する加減算増幅回路 2 07cの出力 V は式（33)、（36)力も次のようになる。
out
V =V Χ{1/2+(Η-ΔΗ)/(Η -Η )} (37)
out a k+ k
さらに、出力調整回路 210を用いて V aZ2を減算すると、
V =V Χ{(Η-ΔΗ)/(Η — Η )} (38)
out a k+ k
となる。つまり、 R=Rを与える外部磁場に微少な変化（ΔΗ)の誤差をこの磁界検出 m
器は排除することが出来る。
また例えば、 V =2Vと設定すると、 H と H の間で電圧出力が IVから— IVが得ら
a k+ k—
れるようにできる。
[0123] 本実施の形態の磁気測定器では、磁界検出用磁気抵抗効果素子と同じ外部磁界 応答特性を持ち、磁気シールドを施された校正用磁気抵抗効果素子を有し、第 1の 参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第 2の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検 出用磁気抵抗効果素子の抵抗と校正用磁気抵抗効果素子の抵抗とを電圧に変換 する抵抗電圧変換回路と、抵抗電圧変換回路において第 1の参照用磁気抵抗効果 素子の抵抗力ゝら変換された電圧と第 2の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗力ゝら変換 された電圧との和と、校正用磁気抵抗効果素子の抵抗から変換された電圧の 2倍の 電圧との差分を第 4の電圧として出力する第 2の加減算増幅回路と、第 2の電圧と前 記第 4の電圧の差分を第 5の電圧として出力する第 2の乗除算回路と第 3の電圧と前 記第 5の電圧の差分を出力する減算回路とを有している。
[0124] そのため磁場シールドを設けた校正用素子 211と、検出用素子 1の出力との差動 検出を用いることができるために大きな出力信号が得られる。また、素子間の抵抗値 のばらつきや温度による抵抗値の変化などの影響により抵抗変化率が変化しても、 磁場シールドを設けた校正用素子 211の実使用の環境下における抵抗変化率を用 いて自動的に補正されるため、精度よくかつ瞬時に外部磁界を検出することが可能と なる。
さらに、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を設けることにより、簡単 な回路構成で、かつ非同期で動作する磁界検出器を構成することができる。
[0125] さらに、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を、同一基板上に設け られた磁気抵抗素子、バイポーラトランジスタ、抵抗素子などを用いて構成することに より、外部からのノイズや加減算増幅回路、乗除算回路に含まれるトランジスタゃ抵 抗の温度変化などによる影響を抑えることが可能となる。抵抗については、温度によ る抵抗率の変化が小さい材料、例えば金属酸ィ匕物薄膜を利用した抵抗器などで構 成することが望ましい。
さらに、磁場シールドを設けた校正用素子 211を設けることにより、外部磁場の印加 されていない場合の抵抗値 R を求めて参照値として用いることで、より精確に外部
offset
磁場の測定が可能となる。
[0126] また、参照用素子 11、 21にも、外部磁界を遮蔽するための磁気シールド 5を設ける ことちでさる。
磁気シールド 5は実施の形態 1と同様の材料力もなる。
磁気シールド 5を設けることにより、参照用素子 11、 21は外部シールド 5により外部 磁界の影響を受けない。そのため、参照用素子 11の第 2の磁性層の磁ィ匕方向 12と 第 1の磁性層の磁化方向 13の方向が平行でかつ、参照用素子 21の第 2の磁性層の 磁ィ匕方向 22と第 1の磁性層の磁ィ匕方向 23の方向が反平行であれば、参照用素子 1 1, 21の第 2の磁性層の磁ィ匕方向 12、 13は任意の向きとすることができる。
[0127] 上記においては磁界検出器およびこれを用いた電流検出装置、位置検出装置お よび回転検出器について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなぐ磁 界を発する力若しくは磁界の変化を伴い移動する物体の位置及び移動量検出器、 磁気記憶装置、磁気記録ヘッド、磁気記録媒体などのパターン化された磁気素子、 および電力検出器などの被測定物が磁界の変化を伴う検出器であれば類似する他 の装置に広く適用することができる。
[0128] また、上記においては 3個もしくは 4個のトンネル磁気抵抗効果素子力もなる磁界検 出器について説明したが、検出器にはそれ以外の数のトンネル磁気抵抗効果素子 が含まれていてもよい。さらにこれらの素子が例えばブリッジ回路を形成していてもよ Vヽ。また磁気抵抗効果素子にトンネル磁気抵抗効果素子を用いることが好ま ヽが、 これに限定されるものではなぐ巨大磁気抵抗効果素子など、一方の磁化方向が固 定された強磁性層を含むその他の磁気抵抗効果素子であってもよい。

Claims

請求の範囲
[1] 参照用磁気抵抗効果素子と磁界検出用磁気抵抗効果素子とを備えた磁界検出器 であって、
前記参照用磁気抵抗効果素子および前記磁界検出用磁気抵抗効果素子はおのお の、
反強磁性層と
前記反強磁性層により磁ィ匕方向が固定された磁性体力 なる第 1の層と
非磁性層と
外部磁界によって磁ィ匕方向が変化する磁性体力 なる第 2の層とが積層された構造 を有し、
前記参照用磁気抵抗効果素子は第 1の層の磁化方向と第 2の層の無磁界における 磁ィ匕方向とが平行もしくは反平行であり、
前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は第 1の層の磁化方向と第 2の層の無磁界にお ける磁ィ匕方向とが異なることを特徴とする磁界検出器。
[2] 参照用磁気抵抗効果素子の第 1の層と磁界検出用磁気抵抗効果素子の第 1の層と の磁ィ匕方向が平行もしくは反平行であることを特徴とする請求項 1記載の磁界検出
[3] 参照用磁気抵抗効果素子に磁気シールドを施すことを特徴とする請求項 1記載の磁 界検出器。
[4] 参照用磁気抵抗効果素子を複数有し、第 1の参照用磁気抵抗効果素子は第 1の層 の磁ィ匕方向と無磁界における第 2の層の磁ィ匕方向とが平行であり、第 2の参照用磁 気抵抗効果素子は第 1の層の磁ィ匕方向と無磁界における第 2の層の磁ィ匕方向とが 反平行であることを特徴とする請求項 1に記載の磁界検出器。
[5] 磁界検出用磁気抵抗効果素子に既知の磁界を印加することのできる磁界印加用の 配線を有することを特徴とする請求項 1に記載の磁界検出器。
[6] 参照用磁気抵抗効果素子と前記磁界検出用磁気抵抗効果素子とが同一基板上に 形成されて!、ることを特徴とする請求項 1に記載の磁界検出器。
[7] 既知の磁界を印加することのできる磁界印加用の配線を有し、磁界検出用磁気抵抗 効果素子と同じ外部磁界応答特性を有する飽和磁界検出用磁気抵抗効果素子をさ らに有する請求項 1に記載の磁界検出器。
[8] 参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とを電圧 に変換する抵抗電圧変換回路と、
前記抵抗電圧変換回路において前記参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と前記磁 界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分を増幅する加減算 増幅回路と、
を有する請求項 1に記載の磁界検出器。
[9] 磁界検出用磁気抵抗効果素子に既知の磁界を印加することのできる磁界印加用の 配線を有することを特徴とする請求項 8に記載の磁界検出器。
[10] 第 1の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第 2の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗お よび磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とを電圧に変換する抵抗電圧変換回路と 前記抵抗電圧変換回路において前記第 1の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と前 記磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分および前記第 1の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と前記第 2の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗 とカゝら変換された電圧の差分を増幅し、それぞれ第 1の電圧および第 2の電圧として 出力する加減算増幅回路と、
前記第 1の電圧と前記第 2の電圧の除算を第 3の電圧として出力する乗除算回路と を有する請求項 4に記載の磁界検出器。
[11] 第 1の参照用磁気抵抗効果素子と同じ外部磁界応答特性を有する第 3の参照用磁 気抵抗効果素子を有し、第 1の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第 2の参照用磁 気抵抗効果素子の抵抗と第 3の磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効 果素子の抵抗とを電圧に変換する抵抗電圧変換回路と、
前記抵抗電圧変換回路において前記第 1の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と前 記磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分および前記第 2の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と前記第 3の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗 とカゝら変換された電圧の差分を増幅し、それぞれ第 1の電圧および第 2の電圧として 出力する加減算増幅回路と、
前記第 1の電圧と前記第 2の電圧の除算を出力する乗除算回路とを有する請求項 4に記載の磁界検出器。
[12] 磁界検出用磁気抵抗効果素子と同じ外部磁界応答特性を持ち、磁気シールドを施 された校正用磁気抵抗効果素子を有し、第 1の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と 第 2の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗と校 正用磁気抵抗効果素子の抵抗とを電圧に変換する抵抗電圧変換回路と、
前記抵抗電圧変換回路において前記第 1の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗から 変換された電圧と前記第 2の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗から変換された電圧と の和と、前記校正用磁気抵抗効果素子の抵抗から変換された電圧の 2倍の電圧との 差分を第 4の電圧として出力する第 2の加減算増幅回路と、
第 2の電圧と前記第 4の電圧の差分を第 5の電圧として出力する第 2の乗除算回路 と
第 3の電圧と前記第 5の電圧の差分を出力する減算回路と
を有することを特徴とする請求項 9記載の磁界検出器。
[13] 抵抗電圧変換回路と、加減算増幅回路と、乗除算回路とは同一基板上に設けられて
V、ることを特徴とした請求項 8記載の磁界検出器。
[14] 抵抗電圧変換装置が、定電流源と、抵抗素子と、磁気抵抗素子とを含んだ回路であ ることを特徴とする請求項 8記載の磁界検出器。
[15] 抵抗電圧変換装置が、定電圧源と、抵抗素子と、磁気抵抗素子とを含んだ回路であ ることを特徴とする請求項 11記載の磁界検出器。
[16] 請求項 1に記載の磁界検出器を用いた電流検出装置。
[17] 請求項 1に記載の磁界検出器を用いた位置検出装置。
[18] 請求項 1に記載の磁界検出器を用いた回転検出装置。
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