特許第6226447号(P6226447)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6226447
(24)【登録日】2017年10月20日
(45)【発行日】2017年11月8日
(54)【発明の名称】磁気センサ及びその磁気検出方法
(51)【国際特許分類】
   G01R 33/09 20060101AFI20171030BHJP
【FI】
   G01R33/06 R
【請求項の数】10
【全頁数】21
(21)【出願番号】特願2012-230600(P2012-230600)
(22)【出願日】2012年10月18日
(65)【公開番号】特開2014-81318(P2014-81318A)
(43)【公開日】2014年5月8日
【審査請求日】2015年7月16日
(73)【特許権者】
【識別番号】303046277
【氏名又は名称】旭化成エレクトロニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100066980
【弁理士】
【氏名又は名称】森 哲也
(74)【代理人】
【識別番号】100109380
【弁理士】
【氏名又は名称】小西 恵
(74)【代理人】
【識別番号】100103850
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼
(72)【発明者】
【氏名】石井 宏典
【審査官】 小川 浩史
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第2011/089978(WO,A1)
【文献】 国際公開第2011/068146(WO,A1)
【文献】 特許第6199548(JP,B2)
【文献】 特許第6126348(JP,B2)
【文献】 米国特許出願公開第2004/0137275(US,A1)
【文献】 米国特許出願公開第2006/0126229(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01R 33/00−33/26
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、
基板平面上に四角形状の感磁材と、該感磁材と長さの異なる四角形状の磁気収束材とを有し、前記感磁材と前記磁気収束材とが前記基板平面に対して平行で、かつ前記感磁材の長手方向の中線と、前記磁気収束材の長手方向の中線とが互いに交わらないように配置された第1の磁気感知部、
前記第1の磁気感知部と同一の構造を有し、該第1の磁気感知部と平行で、かつ重ならないように配置された第2の磁気感知部、及び
前記第1の磁気感知部の感磁材と前記第2の磁気感知部の感磁材とを電気的に直列接続する接続部を有し、
前記第2の磁気感知部の感磁材が、前記第1の磁気感知部の磁気収束材と前記第2の磁気感知部の磁気収束材とに挟まれるように配置された第1の配置パターンと、
前記第1の配置パターンと同一の構成を有し、前記基板平面に対して平行で、かつ前記第1の配置パターンの磁気収束材の短手方向側に平行な線に対して対称で、かつ互いに重ならないように離間して対向配置されている第2の配置パターンと、を備えることを特徴とする磁気センサ。
【請求項2】
前記基板上に前記第1の配置パターンと同一の構成を有する第3の配置パターンを有し、
該第3の配置パターンが任意の点に対して前記第1の配置パターンと対称で、かつ前記第1の配置パターンの磁気収束材の長手方向と、前記第3の配置パターンの長手方向が平行で互いに重ならないように離間して配置され、
前記第1の配置パターンと前記第2の配置パターン及び前記第3の配置パターンが互いに平行で、かつ異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。
【請求項3】
前記第1の配置パターンから前記第2の配置パターンのそれぞれの磁気収束材において、磁気収束部材が、前記第1及び第2の配置パターンの構造中心点から遠い位置の方の磁気収束材の短手側でT字状に接するように配置され、前記磁気収束部材と隣接する磁気収束材との距離が、前記配置パターン内における2つの磁気収束材間の距離よりも遠い位置関係に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気センサ。
【請求項4】
前記各配置パターン間における磁気収束材間の距離が、前記各配置パターン内における2つの磁気収束材間の距離よりも長いことを特徴とする請求項1,2又は3に記載の磁気センサ。
【請求項5】
同一基板上に、更に、前記第1乃至第3の配置パターンのいずれかの感磁材と同じ配置パターンの感磁材と、該感磁材の全面を覆う磁気収束材を有する第4の配置パターンを有することを特徴とする請求項2に記載の磁気センサ。
【請求項6】
前記第1の配置パターン乃至前記第4の配置パターンのいずれかの配置パターンが複数個で配置パターン群を構成し、該配置パターン群が、互いに平行でかつ重ならないように配置され、かつ前記配置パターン群の各々の感磁部同士が、1つの直列接続となるように接続部で電気的に接続されていることを特徴とする請求項5に記載の磁気センサ。
【請求項7】
請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気センサにおける前記第1の配置パターンと前記第2の配置パターンを有する磁気センサの磁気検出方法において、
前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場は、前記第1の配置パターンと前記第2の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場は、同一方向に磁場変換され、
さらに、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場は、前記磁気収束材の平面と平行でありかつ前記第1の配置パターンと前記第2の配置パターンに対して各々同じ方向に変換され、前記第1の配置パターンを有する磁気センサと、前記第2の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の差を演算することで、前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場のみを単独で演算することを特徴とする磁気検出方法。
【請求項8】
請求項5又は6に記載の磁気センサにおける前記第2の配置パターンと前記第3の配置パターン及び前記第4の配置パターンを有する磁気センサの検出方法において、
前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場は、前記第2の配置パターンと前記第3の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場は、同一方向に磁場変換され、
さらに、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場は、前記磁気収束材の平面と平行でありかつ前記第2の配置パターンと前記第3の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、
前記第2の配置パターンを有する磁気センサと、前記第3の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の和を演算し、さらに、その和を前記第4の配置パターンからなる磁気センサの抵抗を2倍した値との差をとることで、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場のみを単独で演算することを特徴とする磁気検出方法。
【請求項9】
請求項2,5,6のいずれかに記載の磁気センサにおける前記第1の配置パターンと前記第3の配置パターンを有する磁気センサの検出方法において、
前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場は、前記第1の配置パターンと前記第3の配置パターンに対して各々同じ方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場は、同一方向に磁場変換され、
さらに、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場は、前記磁気収束材の平面と平行でありかつ前記第1の配置パターンと前記第3の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、
前記第1の配置パターンを有する磁気センサと、前記第3の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の差を演算することで、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場のみを単独で演算することを特徴とする磁気検出方法。
【請求項10】
請求項7乃至9のいずれかに記載の磁気検出方法の2つを組み合わせることにより2軸方向の磁場を検出し、請求項7乃至9に記載の磁気検出方法のすべてを組み合わせることにより3軸方向の磁場を検出することを特徴とする磁気検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁気センサ及びその磁気検出方法に関し、より詳細には、磁気抵抗素子を備え、感度軸を同じ方向に揃えることで製造工程の簡略化し、かつ、従来よりも少ない磁気検出部数を同一基板上に備え、XとYとZ軸方向の磁場を検知できる磁気センサ及びその磁気検出方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的に磁気の有無を検出する巨大磁気抵抗(Giant Magnet Resistance;GMR)素子は広く知られている。磁場をかけると電気抵抗率が増加する現象を磁気抵抗効果というが、一般の物質では変化率は数%であるが、このGMR素子では数10%に達することから、ハードディスクのヘッドに広く用いられている。更にGMRよりも変化率が大きいトンネル磁気抵抗素子(TMR)も磁気ヘッドも広く知られている。
【0003】
図1は、従来のGMR素子の動作原理を説明するための斜視図で、図2は、図1の部分断面図である。図中符号1は反強磁性層、2はピンド層(固定層)、3はCu層(スペーサ層)、4はフリー層(自由回転層)を示している。磁性材料の磁化の向きで電子のスピン散乱が変わり抵抗が変化する。つまり、ΔR=(RAP−R)R(RAP;上下の磁化の向きが反平行のとき、R;上下の磁化の向きが反平行のとき)で表される。
【0004】
固定層2の磁気モーメントは、反強磁性層1との磁気結合により方向が固定されている。漏れ磁場により磁化自由回転層4の磁気モーメントの方向が変化すると、Cu層3を流れる電流が変化し、漏れ磁場の変化が読み取れる。
図1に示すGMR構造は、スピンバルブ構造と呼ばれ、フリー層の磁化方向とピンド層の磁化方向が直交するように初期設計され、ピンド層方向に磁場がかかることによりフリー層の磁化が動き抵抗変化を示す。そのため、GMRの感度軸はピンド層方向になる。
【0005】
図3は、従来のGMR素子の積層構造を説明するための構成図で、図中符号11は絶縁膜、12はフリー層(自由回転層)、13は導電層、14はピンド層(固定層)、15は反強磁性層、16は絶縁膜を示している。フリー層(自由回転層)12は、自由に磁化の向きが回転する層で、NiFe又はCoFe/NiFeから構成され、導電層13は、電流を流し、スピン散乱が起きる層で、Cuから構成され、ピンド層(固定層)14は、磁化の向きが一定方向に固定された層で、CoFe又はCoFe/Ru/CoFeから構成され、反強磁性層15は、ピンド層14の磁化の向きを固定するための層で、PtMn又はIrMnから構成され、絶縁膜11,16は、TaやCr、NiFeCr、AlOから構成されている。また、ピンド層14は、反強磁性層を用いずにセルフバイアス構造を用いても良い。
【0006】
GMR素子の平面構造は、つづら折り状の構造(ミアンダ構造)をとるのが一般的で、フリー層の磁化の向きとピンド層の向きを直交させるために主に、感度軸であるピンド層の幅に対し、フリー層の方向であるGMRの長さを十分大きくすることで生じる形状異方性を利用し、フリー層の向きを感度軸であるピンド層の向きと直交させるように制御する手法や、フリー層の方向にGMRの両端、もしくはその間に永久磁石を配置し、永久磁石の磁場によりフリー層の磁化方向をピンド層と直交させる手法がある。
【0007】
GMRやTMRは、磁場強度に対応した磁気抵抗変化を示すため、磁気センサとして実用化されており、磁気スイッチや電流検知、さらには地磁気検知に用いられている。
地磁気を検出するためにはX、Y、Zの3軸の磁場を検出することが必要になる。例えば、GMRは基板平面上に形成された場合、ピンド層の磁化方向に感度軸を持つため、水平方向の磁場しか検出できない。
【0008】
例えば、特許文献1に記載のものは、単一の基板上に3次元方向に交差するように配置された磁気抵抗効果素子を有する磁気センサに関するもので、ピンド層とフリー層とを含んでなる磁気抵抗素子を用いた磁気センサであって、特に、磁気センサの表面に垂直な方向の磁場を測定する高感度の磁気センサが記載されており、水平方向の磁場を検出する磁気抵抗素子を用いて、斜め斜面上に形成することで、本来検知出来ない垂直方向に掛かるZ磁場をベクトル分解することで、同一基板でX、Y、Zの磁場を検知出来ることが提案されている。つまり、この特許文献1では、基板を斜めに加工し、GMRを斜めに形成することで、水平方向成分と垂直方向の磁場成分を検出する工夫を施している。
【0009】
また、特許文献2に記載のものは、正確な方位を検出するために、地磁気方位を検出する感度軸を備えたX軸用磁気センサとY軸用磁気センサとZ軸用磁気センサとセンサ制御用半導体を備えた検出装置に関するもので、垂直方向の磁場を検知するために、素子を立てて基板上に実装することで、Z軸方向の磁場を検出する工夫を施している。
また、同一基板上に形成された磁気抵抗素子で、X、Y、Zの磁場を検出することが出来ると製造工程が大きく簡略化できコスト的に有利であり、また、実装や斜め形成の加工精度による誤差に影響を受けることがないため、低コスト、かつ高精度の地磁気センサの実現が可能である。
【0010】
しかしながら、X、Y方向を同一基板上で検出するために、磁気検出部の感度軸が直交させて同一基板上に形成する必要がある。
例えば、特許文献3に記載のものは、ピンド層の磁化の向きが互いに交差する二以上の磁気抵抗効果素子を単一チップ上に有する磁気センサに関するもので、この特許文献3には、感度軸を直交させて同一基板上に形成するためには、ピン層の向きが同一平面上で交差する二以上の磁気抵抗素子を形成するために、各センサチップ内において、N極、S極を組み合わせた永久磁石のアレイを用いて、4つの異なる方向(±x軸、±y軸)にピンド層の磁化を固定する処理する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】特開2004−6752号公報
【特許文献2】国際公開WO2008/099822号(特許第4495240号)
【特許文献3】特開2002−299728号公報(特許第3498737号)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
しかしながら、上述した特許文献1の磁気センサは、磁気抵抗素子は、ホール素子よりも感度が高いため、後段での複雑な信号処理をする必要はないが、基板を斜めに形成したり、コイルを形成するなど量産性が課題となる。
また、特許文献2に記載のものは、垂直方向の磁場を検知するために、素子を立てて基板上に実装することで、Z軸方向の磁場を検出する工夫を施しているものの、いずれの方向ともX、Y、Z磁場検知のために複雑な工程を要するためコストに課題があった。また、特許文献3では、チップ毎の処理が、製造工程を複雑化し、コスト高となるという課題があった。
【0013】
このため、同じ方向に感度軸をもつ磁気抵抗素子を用いて、X、Y、Zの磁場を検出出来る1チップの地磁気センサを実現できれば、製造も簡略化でき、コストも下げる事が可能になる。一般的に少ない素子数でX、Y、Zを検出出来る磁気センサが実現できれば素子サイズも小さくなる効果も期待出来る。
本発明は、このような状況を鑑みて発明されたものであり、その目的とするところは、簡便なプロセスで製造でき、かつ少ない磁気検出部数で3軸の磁場成分を検出可能な、磁気抵抗効果素子からなる3軸の磁気センサ及びその磁気検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、基板平面上に四角形状の感磁材(301a)と、該感磁と長さの異なる四角形状の磁気収束材(301b)とを有し、前記感磁材と前記磁気収束材とが前記基板平面に対して平行で、かつ前記感磁材の長手方向の中線(Ma)と、前記磁気収束材の長手方向の中線(Mb)とが互いに交わらないように配置された第1の磁気感知部(301)、前記第1の磁気感知部と同一の構造を有し、該第1の磁気感知部と平行で、かつ重ならないように配置された第2の磁気感知部(302)、及び前記第1の磁気感知部の感磁材と前記第2の磁気感知部の感磁材とを電気的に直列接続する接続部有し前記第2の磁気感知部の感磁材(302a)が、前記第1の磁気感知部の磁気収束材(301b)と前記第2の磁気感知部の磁気収束材(302b)とに挟まれるように配置された第1の配置パターンと、前記第1の配置パターン(311)と同一の構成を有し、前記基板平面に対して平行で、かつ前記第1の配置パターン(311)の磁気収束材の短手方向側に平行な線に対して対称で、かつ互いに重ならないように離間して対向配置されている第2の配置パターンと、を備えることを特徴とする。(図9
【0015】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記基板上に前記第1の配置パターンと同一の構成を有する第3の配置パターンを有し、該第3の配置パターンが任意の点(P)に対して前記第1の配置パターンと対称で、かつ前記第1の配置パターンの磁気収束材の長手方向と、前記第3の配置パターンの長手方向が平行で互いに重ならないように離間して配置され、前記第1の配置パターンと前記第2の配置パターン及び前記第3の配置パターンが互いに平行で、かつ異なる位置に配置されていることを特徴とする。(図10
【0016】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記第1の配置パターンから前記第2の配置パターンのそれぞれの磁気収束材において、磁気収束部材が、前記第1及び第2の配置パターンの構造中心点から遠い位置の方の磁気収束材の短手側でT字状に接するように配置され、前記磁気収束部材と隣接する磁気収束材との距離(A)が、前記配置パターン内における2つの磁気収束材間の距離(B)よりも遠い位置関係に配置されていることを特徴とする。(図11
【0017】
また、請求項4に記載の発明は、請求項1,2又は3に記載の発明において、前記各配置パターン間における磁気収束材間の距離(D)が、前記各配置パターン内における2つの磁気収束材間の距離(E)よりも長いことを特徴とする。(図12
【0018】
また、請求項5に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、同一基板上に、更に、前記第1乃至第3の配置パターンのいずれかの感磁材と同じ配置パターンの感磁材と、該感磁材の全面を覆う磁気収束材を有する第4の配置パターンを有することを特徴とする。(図13
【0019】
また、請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の発明において、前記第1の配置パターン乃至前記第4の配置パターンのいずれかの配置パターンが複数個で配置パターン群を構成し、該配置パターン群が、互いに平行でかつ重ならないように配置され、かつ前記配置パターン群の各々の感磁部同士が、1つの直列接続となるように接続部(311b)で電気的に接続されていることを特徴とする。(図14
【0020】
また、請求項7に記載の発明は、請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気センサにおける前記第1の配置パターンと前記第2の配置パターンを有する磁気センサの磁気検出方法において、前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場は、前記第1の配置パターンと前記第2の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場は、同一方向に磁場変換され、さらに、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場は前記磁気収束材の平面と平行でありかつ前記第1の配置パターンと前記第2の配置パターンに対して各々同じ方向に変換され、前記第1の配置パターンを有する磁気センサと、前記第2の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の差を演算することで、前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場のみを単独で演算することを特徴とする。
【0021】
また、請求項8に記載の発明は、請求項5又は6に記載の磁気センサにおける前記第2の配置パターンと前記第3の配置パターン及び前記第4の配置パターンを有する磁気センサの検出方法において、前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場は、前記第2の配置パターンと前記第3の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場は、同一方向に磁場変換され、さらに、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場は前記磁気収束材の平面と平行でありかつ前記第2の配置パターンと前記第3の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記第2の配置パターンを有する磁気センサと、前記第3の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の和を演算し、さらに、その和を前記第4の配置パターンからなる磁気センサの抵抗を2倍したとの差をとることで、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場のみを単独で演算することを特徴とする。
【0022】
また、請求項9に記載の発明は、請求項2,5,6のいずれかに記載の磁気センサにおける前記第1の配置パターンと前記第3の配置パターンを有する磁気センサの検出方法において、前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場は、前記第1の配置パターンと前記第3の配置パターンに対して各々同じ方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場は、同一方向に磁場変換され、さらに、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場は、前記磁気収束材の平面と平行でありかつ前記第1の配置パターンと前記第3の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記第1の配置パターンを有する磁気センサと、前記第3の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の差を演算することで、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場のみを単独で演算することを特徴とする。
【0023】
また、請求項10に記載の発明は、請求項7乃至9のいずれかに記載の磁気検出方法の2つを組み合わせることにより2軸方向の磁場を検出し、請求項7乃至9に記載の磁気検出方法のすべてを組み合わせることにより3軸方向の磁場を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、感度軸を同じ方向に揃えることで製造工程の簡略化し、かつ、従来よりも少ない磁気検出部数を同一基板上に備え、XとYとZ軸方向の磁場を検知できる磁気センサ及びその磁気検出方法が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
図1】従来のGMR素子の動作原理を説明するための斜視図である。
図2図1の部分断面図である。
図3】従来のGMR素子の積層構造を説明するための構成図である。
図4】GMRのパターン形状を説明するための平面図である。
図5】(a),(b)は、本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、GMR素子と磁気収束板の配置パターンを説明(X軸方向の磁場変換)するための構成図である。
図6】(a),(b)は、本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、GMR素子と磁気収束板の配置パターンを説明(Y軸方向の磁場変換)するための構成図である。
図7】(a),(b)は、本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、GMR素子と磁気収束板の配置パターンを説明(Z軸方向の磁場変換)するための構成図である。
図8】(a),(b)は、本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図である。
図9】(a)乃至(e)は、本発明に係る磁気センサの実施例1を説明するための配置パターンの構成図である。
図10】本発明に係る磁気センサの実施例1における同じ基板上にX磁場乃至Z磁場を検出するための磁気センサとして、第1の配置パターンと第2の配置パターンに加え、第3の配置パターンのセンサ配置パターンを説明するための構成図である。
図11】本発明に係る磁気センサの実施例1における磁気センサとして磁気収束材の形状を示す図である。
図12】本発明に係る磁気センサの実施例1における磁気センサとして、磁気収束材間と感磁材の位置関係を示した図である。
図13】本発明に係る磁気センサの実施例1における磁気センサとして、第4の配置パターンを説明するための構成図である。
図14】配置パターンを複数個配列した磁気センサの構造図である。
図15】本発明に係る磁気センサの実施例2を説明するための構成図である。
図16】本発明に係る磁気センサの実施例2を説明するための他の構成図である。
図17】本発明に係る磁気センサの実施例2を説明するためのさらに他の構成図である。
図18】本発明に係る磁気センサの実施例2を説明するためのさらに他の構成図である。
図19】第1の配置パターンを有する第1の磁気センサ部と、第2の配置パターンを有する第2の磁気センサ部と、第3の配置パターンを有する第3の磁気センサ部と、第4の配置パターンを有する第4の磁気センサ部が同一基板上に形成された構造図である。
図20】本発明の磁気センサにX,Y,Z方向の磁場がかかった時に、第1乃至第4の磁気感知部にどのような抵抗変化を示すかを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
まず、以下に本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサの磁気抵抗素子としてのGMR素子と磁気収束板の基本的な配置パターンについて説明する。
図4は発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、磁気抵抗素子としてのGMR素子と磁気収束板の基本的な配置パターンを説明するための構成図である。
【0027】
GMR素子はミアンダ構造をもち、複数回折り返された構造をもつ。GMR素子の折り返し回数は限定されるものではなく、GMR素子の折り返しの長さで抵抗値が決まるため、狙いの抵抗値にあわせ、任意に設計出来る。また折り返し部は図中ではコの字型に折り返されているが、先端部に突起を加えることや、永久磁石やCu等の配線層で接続することも可能である。
また、ミアンダ状のGMR素子の短手方向がピンド層の磁化の方向で、長手方向がフリー層の磁化の向きで、ピンド層の磁化の向き、つまりGMR素子の短手方向が感度軸方向と平行になる。
【0028】
図5(a),(b)乃至図7(a),(b)は、本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、磁気抵抗素子としてのGMR素子と磁気収束板の基本的な配置パターンを説明するための構成図である。図5(a),(b)は、磁気収束板によるX軸方向の磁場変換の様子を説明するための図で、図6(a),(b)は、磁気収束板によるY軸方向の磁場変換の様子を説明するための図で、図7(a),(b)は、磁気収束板によるZ軸方向の磁場変換の様子を説明するための図である。
【0029】
磁気抵抗素子を形成する基板としては、シリコン基板や化合物半導体基板、セラミック基板など特に限定されず、基板上に回路が形成されていても何ら構わない。
なお、磁気抵抗素子としてGMR素子を用いているが、GMR素子に限定されるものではなく、トンネル磁気抵抗(TMR)素子やその他磁気抵抗変化素子を用いても何ら構わない。また磁気収束板はNiFe、NiFeB乃至NiFeCo、CoFeなどの軟磁気特性を示す磁性材料であれば良い。
【0030】
まず、図5(a),(b)に基づいて、磁気収束板によるX軸方向の磁場変換の様子を説明する。図5(a)は、GMR素子と磁気収束部の配置パターンを説明するための構成図で、図5(b)は、図5(a)におけるA−A線断面図である。図中符号21はGMR素子、22は一方の磁気収束部を示し、他方の磁気収束板23は、一方の磁気収束板22と対向するように配置される。
【0031】
GMR素子21は、GMR素子の幅、長さはGMR素子の抵抗や感度に合わせて任意に調整出来るが、GMRの間に磁気収束板を配置する構造をとるためつづら折りのピッチは磁気収束板の幅よりも大きいことが好ましい。
また、GMR素子の幅もセンサの感度や動作磁場範囲を決めるため、最適化する必要がある。GMR素子の単手方向であるピンド層方向の幅は0.1〜20μmであることが好ましいが、幅が大きいと素子サイズが大きくなりすぎてしまい、かつ狭すぎると感度が低下するため0.1〜10μmの範囲が好ましい。
【0032】
また、一方の磁気収束部22は、GMR素子を挟む位置に配置される、互いに独立した2つの磁気収束部と、それに直交して結合する磁気収束部から成る。本明細書ではGMR素子を挟む位置に配置される磁気収束部を櫛歯状磁気収束板、櫛馬状磁気収束板に直交して結合する部分を梁状磁気収束板と定義する。
また、好ましいGMR素子と櫛歯状の磁気収束板の位置関係を図5(b)に示す。GMR素子21bと磁気収束部23の水平方向の位置関係は、GMR素子21bの右端が磁気収束部22と23の中間点よりも右側に配置され、また、GMR素子21bの左端が、磁気収束部23の左端よりも左側に配置されることが望ましいが、GMR素子21bの右端と磁気収束部23が接することがより好ましい。同様に、GMR素子21aの左端が、磁気収束部22の左端よりも左側に配置されることが望ましいが、GMR素子21aの右端と磁気収束部22が接することがより好ましい。GMR素子21bと磁気収束部23の断面方向の位置関係は、GMR素子21bの底面が磁気収束部23の底面より下にあることが望ましいが、GMR素子21bの上面が磁気収束板23の底面より下に配置されることがより好ましく、具体的には2ミクロン以内の高さ間隔で配置されることがより好ましい。
【0033】
櫛歯状磁気収束板の幅が細く、磁気収束板の厚みが厚いほど、磁気増幅効果を向上することが出来る。磁気収束板の厚みを磁気収束板の幅で割ったアスペクト比は1以上であることが望ましく、櫛歯状磁気収束板の幅は1〜40μmであることが好ましい。
紙面の右方向を+X軸方向、上方向を+Y方向、紙面に垂直な方向を+Z方向と定義する。このような構成により、GMR素子21にX,Y、Zの磁場が掛かった時の抵抗変化について説明する。
X磁場が印加された時、磁気収束板22にかかる磁場は−Y方向に曲がられ、GMR素子21は極性が逆向きの磁場を受ける。そのときの抵抗変化は、以下の関係式を有している。
【0034】
ΔRx=aHx(aは磁性体による磁場変換効率)
【0035】
磁場変換効率は、磁気収束板の形状やGMRと磁気収束板の相対位置により任意に調整でき、特に限定されるものではない。
次に、図6(a),(b)に基づいて、磁気収束板によるY軸方向の磁場変換の様子を説明する。図6(a)は、GMR素子と磁気収束板の配置パターンを説明するための構成図で、図6(b)は、図5(a)におけるA−A線断面図である。すべてのGMR素子21に外部磁場と同じ向きの磁場がかかる。つまり、以下のような関係式を有している。
【0036】
ΔRy=cHy (cは磁性体による磁場変換効率)
【0037】
次に、図7(a),(b)に基づいて、磁気収束板によるZ軸方向の磁場変換の様子を説明する。図7(a)は、GMR素子と磁気収束板の配置パターンを説明するための構成図で、図7(b)は、図7(a)におけるA−A線断面図である磁気収束板23の櫛状磁気収束板によりBz磁場が±Y軸方向に曲げられるが、櫛歯状磁気収束板直近のGMR素子21は片側(+Y軸方向)の磁場しか検知しない。つまり、以下のような関係式を有している。
【0038】
ΔRz=dHz (dはZ軸磁場の変換効率)
【0039】
図8(a),(b)は、本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、GMR素子と磁気収束板の配置パターンを説明(X軸,Y軸,Z軸方向の磁場変換)するための構成図である。図8におけるGMR素子と磁気収束板の配置パターンは、図5(a)に示した配置パターンと同様の構造を有している。
GMR31と磁気収束板32、33からなる磁気検出部をR1、GMR41と磁気収束板42、43からなる磁気検出部をR2とし、それぞれ磁場がかからない時の抵抗値をRとする。
このような構成により、磁場によりGMR素子の抵抗が変化した場合の抵抗変変化は、以下の関係式で表される。
【0040】
R’=R(1+ΔR/R)
R1,R2にZ/Y/Zの磁場が同時に印加されたときのR1とR2の差が、以下の関係式で表される。
R1=R(1+(ΔRx1+ΔRy1+ΔRz1)/R)
R2=R(1+(ΔRx2+ΔRy2+ΔRz2)/R
ΔR=R2−R1
=R(1+(ΔRx2+ΔRx2+ΔRz2)/R)
−R(1+(ΔRx+ΔRy1+ΔRz1)/R)
=(ΔRx2−ΔRx)+(ΔRx2−ΔRy1)+(ΔRz2
−ΔRz1)
【0041】
2つの抵抗差をとることで、定数項は消え、磁場による抵抗変化量の差のみで抵抗変化量がわかる。定電流駆動の場合の出力は、以下の式で表されるので、出力から抵抗変化量(=磁場強度)を算出できる。
【0042】
Vout=(ΔR/R)×R1=ΔR×I
【0043】
この実施形態では定電流駆動の例を示しているが、駆動方式はこれに限定されるものではない。
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。
【実施例1】
【0044】
図9(a)乃至(e)は、本発明に係る磁気センサの実施例1を説明するための配置パターンの構成図で、同一基板上にX磁場を検出するための磁気センサとして、第1の配置パターンと第2の配置パターンのセンサ配置パターンを説明するための構成図である。つまり、基板平面に対して平行な任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサの配置パターンの構成図で、同一基板上で基板平面に対して垂直方向の磁場を検知できるようにした磁気センサである。
【0045】
図9(a)は第1の磁気感知部、図9(b)は第1の磁気感知部と線対称に配置された第2の磁気感知部、図9(c)は第1の磁気感知部と重ならないで平行に配置された第2の磁気感知部、図9(d)は2個の第1の磁気感知部からなる第1の配置パターン、図9(e)は第1の配置パターンと対称に配置された第2の配置パターンを示している。
第1の磁気感知部301は、図9(a)に示すように、四角形状の感磁材301aと、この感磁材301aと長さの異なる四角形状の磁気収束材301bとを有している。また、第2の磁気感知部302は、図9(b)に示すように、基板に対して平行で、かつ感磁材301aの長手方向の中点を通る中線Maと、磁気収束材301bの長手方向の中点を通る中線Mbとが、互いに交わらないように配置され、第1の磁気感知部301と同じの構造構成を有して線対称に配置されている。
【0046】
また、図9(c)に示すように、第2の磁気感知部302の感磁材302aが、第1の磁気感知部301の磁気収束材301bと、第2の磁気感知部302の磁気収束材302bとに挟まれるように配置され、さらに、第1の磁気感知部301と第2の磁気感知部302とが互いに行で、かつ重ならないように配置されている。
また、図9(d)に示すように、第1の磁気感知部301の感磁材301aと、第2の磁気感知部302の感磁材302aとを、電気的に直列接続する接続部311aとからなる第1の配置パターン311を有している。
【0047】
さらには、図9(e)に示すように、第1の配置パターン311と同じ構造構成を有する第2の配置パターン312が、基板平面に対して平行で、かつ第1の配置パターン311の磁気収束部301b,302bの短手方向側に平行な線に対して対称で、かつ互いに重ならないように離間して対向配置されている。
図10は、本発明に係る磁気センサの実施例1における同じ基板上にX磁場乃至Z磁場を検出するための磁気センサとして、第1の配置パターンと第2の配置パターンに加え、第3の配置パターンのセンサ配置パターンを説明するための構成図である。
【0048】
同じ基板上に第1の配置パターン311と第2の配置パターン312を有し、さらに、第1の配置パターン311と同じ構造構成を有する第3の配置パターン313を有し、第3の配置パターン313が任意の点Pに対して対称で、かつ第1の配置パターン311の磁気収束材301b,302bの長手方向と、第3の配置パターン313の磁気収束材301b,302bの長手方向とが平行になるように、互いに重ならないように離間して配置されており、さらに、第1の配置パターン311と第2の配置パターン312及び第3の配置パターン313が互いに平行で、かつ異なる位置に配置されている。
【0049】
図11は、本発明に係る磁気センサの実施例1における磁気センサとして磁気収束材の形状を示す図である。磁気収束部材311c,311cは、第1配置パターン311の構造中心点から遠い位置の方の磁気収束材301b,302bの短手側でT字状に接するように配置されており、同時に、この磁気収束部材311c,311cと隣接する磁気収束材301b,302bとの距離Aが、配置パターン311内における2つの磁気収束材301b,302b間の距離Bよりも遠い位置関係に配置されている。
【0050】
図12は、本発明に係る磁気センサの実施例1における磁気センサとして、磁気収束材間と感磁材の位置関係を示した図である。各配置パターン312,313間における磁気収束材302b,302b間の距離Dが、各配置パターン312,313内における2つの磁気収束材301b,302b間の距離Eよりも長い。
図13は、本発明に係る磁気センサの実施例1における磁気センサとして、第4の配置パターンを説明するための構成図で、同一基板上にX磁場乃至Z磁場を検出するための磁気センサとして第4の配置パターンを示している。
【0051】
第1の配置パターン311と第3の配置パターン313を有し、さらに、感磁材301a,302aと、この感磁材301a,302aよりも上面に配置された磁気収束材301b(302b)を有し、この磁気収束材301b(302b)が感磁材301a,302aの少なくとも平面全体を覆うように配置された第4の配置パターン314を有し、第1の配置パターン311と第2の配置パターン312及び第4の配置パターン314が互いに平行に、かつ異なる位置に配置されている。
【0052】
図14は、配置パターンを複数個配列した磁気センサの構造図で、本発明に係る磁気センサの実施例1における磁気センサとして、感磁材同士の電気的接合を示す図である。第1の配置パターン311から第4の配置パターン314において、それぞれの配置パターンにおいて、全く同じ構造の配置パターンが複数個存在して配置パターン群を構成し、この配置パターン群が、互いに平行で、かつ重ならないように配置され、かつ同一の配置パターンがそれぞれ有する感磁部同志が、1つの直列接続となるように電気的に接続されている。
【実施例2】
【0053】
図15は、本発明に係る磁気センサの実施例2を説明するための構成図で、第1の配置パターン311を有する磁気センサ部を示している。図中符号50は第1の磁気センサ部、51はGMR素子、51aはGMR素子51の第1部分、51bはGMR素子51の第2部分、51cはGMR素子51の第3部分、51dはGMR素子51の第4部分、52は一方の磁気収束板、52aは一方の磁気収束板52の櫛歯の第1部分、52bは一方の磁気収束板52の櫛歯の第2部分53は他方の磁気収束板、53aは他方の磁気収束板53の櫛歯の第1部分、53bは他方の磁気収束板53の櫛歯の第2部分を示している。
【0054】
第1の磁気センサ部50は、感磁部であるGMR素子51aの長手方向に櫛歯状の磁気収束板52aが隣接され、GMR素子51bの長手方向に櫛歯状の磁気収束板52aが隣接され、さらに接続部で接合されている。MR素子51a、櫛歯状の磁気収束板52aとGMR素子51b、櫛歯状の磁気収束板52aは点対称構造を有し、それらからなる単一構造パターンである第1の配置パターン311を有している。
【0055】
図16は、本発明に係る磁気センサの実施例2を説明するための他の構成図で、第2の配置パターンを有する磁気センサ部を示している。図中符号60は第2の磁気センサ部、61はGMR素子、61aはGMR素子61の第1部分、61bはGMR素子61の第2部分、62は一方の磁気収束板、62aは一方の磁気収束板62の櫛歯の第1部分、62bは一方の磁気収束板62の櫛歯の第2部分、63は他方の磁気収束板、63aは他方の磁気収束板63の櫛歯の第1部分、63bは他方の磁気収束板63の櫛歯の第2部分を示している。
【0056】
一方の磁気収束板52,62は、一方の梁状部材に直交する向きに、この一方の梁状部材から片側に等間隔で複数の櫛歯状磁気収束板が形成されたものである。また、他方の磁気収束板53,63は、一方の磁気収束板に対向するように設けられ、他方の梁状部材に直交する向きに、この他方の梁状部材から片側に等間隔で複数の磁気収束板が形成されたものである。
【0057】
第2の磁気センサ部60は、感磁部であるGMR素子61aの長手方向に櫛歯状の磁気収束板63aが隣接され、GMR素子61bの長手方向に櫛歯状の磁気収束板62aが隣接され、さらに接続部で接合されている。GMR素子61bと櫛歯状の磁気収束板62a、GMR素子61bと櫛歯状の磁気収束板62aと点対称構造を有し、それらからなる単一構造パターンである第2の配置パターン312を有している。
なお、第1の配置パターン311と第2の配置パターン312は、櫛歯状磁気収束板の短手方向に対して線対称の位置関係を有している。
【0058】
図17は、本発明に係る磁気センサの実施例2を説明するためのさらに他の構成図で、第3の配置パターンを有する磁気センサ部を示している。図中符号70は第3の磁気センサ部、71はGMR素子、71aはGMR素子71の第1部分、71bはGMR素子71の第2部分、72は一方の磁気収束板、72aは一方の磁気収束板72の櫛歯の第1部分、72bは一方の磁気収束板62の櫛歯の第2部分、63は他方の磁気収束板、73aは他方の磁気収束板73の櫛歯の第1部分、73bは他方の磁気収束板73の櫛歯の第2部分を示している。
【0059】
一方の磁気収束板72,72は、一方の梁状部材に直交する向きに、この一方の梁状部材から片側に等間隔で複数の櫛歯状磁気収束板が形成されたものである。また、他方の磁気収束板73,73は、一方の磁気収束板に対向するように設けられ、他方の梁状部材に直交する向きに、この他方の梁状部材から片側に等間隔で複数の磁気収束板が形成されたものである。
【0060】
第3の磁気センサ部70は、感磁部であるGMR素子71aの長手方向に櫛歯状の磁気収束板72aが隣接され、さらにGMR素子71bの長手方向に櫛歯状の磁気収束板櫛歯状の磁気収束板72aが隣接され接続部で接合されている。GMR素子71a、櫛歯状の磁気収束板72aとGMR素子71b、櫛歯状の磁気収束板73aは点対称の位置関係を有し、それらからなる単一構造パターンである第3の配置パターン313を有している。
なお、第1の配置パターン311と第3の配置パターン313は、櫛歯状磁気収束板の長手方向に対して点対称の位置関係を有している。
【0061】
図18は、本発明に係る磁気センサの実施例2を説明するためのさらに他の構成図で、第4の配置パターンを有する磁気センサ部を示している。図中符号80は第4の磁気センサ部、81はGMR素子、81aはGMR素子81の第1部分、81bはGMR素子81の第2部分、81cはGMR素子81の第3部分、81dはGMR素子81の第4部分であり、82はGMR全面を覆う磁気収束板である。磁気収束板82はGMR81の感磁部全面を覆っていればよく、形状は限定されないが、図18では長方形形状を有する磁気収束板を配置している。
【0062】
第4の磁気センサ部80のGMR素子の短手方向の向きは、第1,第2及び第3の磁気センサのGMRの短手方向の向きは平行である必要がある。
図19は、第1の配置パターンを有する第1の磁気センサ部と、第2の配置パターンを有する第2の磁気センサ部と、第3の配置パターンを有する第3の磁気センサ部と、第4の配置パターンを有する第4の磁気センサ部が同一基板上に形成された構造図である。
【0063】
第1の配置パターンを有する第1の磁気センサ部50と、第2の配置パターンを有する磁気センサ部60は、櫛歯状磁気収束板の短手方向に対して、線対称の位置関係を有する。また、第1の配置パターンを有する第1の磁気センサ部50と、第3の配置パターンを有する第3の磁気センサ部70は、櫛歯状磁気収束板の長手方向に対して、点対称の位置関係を有する。また、第4の配置パターンを有する第4の磁気センサ部80は、第1乃至第3の磁気センサ50,60,70と平行になるよう同一基板上に配置されている。
【0064】
さらに、第1乃至第4の磁気センサ部50,60,70,80は、抵抗値を出力出来るように、各GMR素子の両端は電極パッドやLSI等の信号処理回路に電気的に接続されている。
また、さらに第1乃至第4の磁気センサ部50,60,70,80のそれぞれのGMR素子の感度軸が平行になるように配置されていて、すべて同じGMR素子の長さと幅を有し、同じ抵抗値を有している。
図20は、本発明の磁気センサにX,Y,Z方向の磁場がかかった時に、第1乃至第4の磁気感知部にどのような抵抗変化を示すかを説明するための図である。X軸の磁場は左から右へ、Y方向の磁場は下から上へ、Z方向の磁場は紙面に向かって方向を+方向とする。
【0065】
第1の磁気センサ部50にX方向のHxの磁場がかかった場合、隣あって配置されている突起状の磁気収束板により、X方向磁場が−Y方向に曲げられる。曲げられた磁場は、GMR素子感度軸と同じ方向であるため、磁気収束板によるX磁場の磁場変換効率をcとすると、−cHxに比例した抵抗変化を示す。またまた+Y方向の磁場にHyの磁場がかかった場合、GMR素子51の感度軸方向と同じであるため、磁気収束板によるY磁場の磁場変換効率をaとすると+aHyに比例した抵抗変化を示す。さらにZ方向からHzの磁場がかかった場合、Z磁場は磁気収束板の両側(+/−X方向)に曲げられるが、GMR51は、櫛歯磁気収束板52,53に対し+Y方向に配置されているため、磁気収束板によるZ磁場の磁場変換効率をdとすると、+Y方向に曲げられたZ磁場による抵抗変化、つまり、+dHzに比例した抵抗変化を示す。これらをまとめるとX,Y,Z方向の磁場がかかった時の第1の磁気センサ部50の抵抗は、以下の式(1)で表される。
【0066】
R1=―cHx+aHy−dHz+R ・・・(1)
【0067】
次に、第2の磁気センサ部60にX方向のHxの磁場がかかった場合、隣あって配置されている突起状の磁気収束板により、X方向磁場が+Y方向に曲げられる。曲げられた磁場は、GMR素子感度軸と同じ方向であるため、磁気収束板によるX磁場の磁場変換効率をcとすると、+cHxに比例した抵抗変化を示す。また、+Y方向の磁場にHyの磁場がかかった場合、GMR素子51の感度軸方向と同じであるため、磁気収束板によるY磁場の磁場変換効率をaとすると+aHyに比例した抵抗変化を示す。さらにZ方向からHzの磁場がかかった場合、Z磁場は、磁気収束板の両側(+/−X方向)に曲げられるが、GMR61は、櫛歯磁気収束板62,63に対して+Y方向に配置されているため、磁気収束板によるZ磁場の磁場変換効率をdとすると、+Y方向に曲げられたZ磁場による抵抗変化、つまり、+dHzに比例した抵抗変化を示す。これらをまとめるとX,Y,Z方向の磁場がかかった時の第2の磁気センサ部60の抵抗は、以下の式(2)で表される。
【0068】
R2=cHx+aHy+dHz+R ・・・(2)
【0069】
次に、第3の磁気センサ部70にX方向のHxの磁場がかかった場合、隣あって配置されている突起状の磁気収束板により、X方向磁場が−Y方向に曲げられる。曲げられた磁場はGMR素子感度軸と同じ方向であるため、磁気収束板によるX磁場の磁場変換効率をcとすると、−cHxに比例した抵抗変化を示す。また、+Y方向の磁場にHyの磁場がかかった場合、GMR素子51の感度軸方向と同じであるため、磁気収束板によるY磁場の磁場変換効率をaとすると+aHyに比例した抵抗変化を示す。さらにZ方向からHzの磁場がかかった場合、Z磁場は磁気収束板の両側(+/−X方向)に曲げられるが、GMR61は、櫛歯磁気収束板62、63に対して−Y方向に配置されているため、磁気収束板によるZ磁場の磁場変換効率をdとすると、−Y方向に曲げられたZ磁場による抵抗変化、つまり、+dHzに比例した抵抗変化を示す。これらをまとめるとX,Y,Zの磁場がかかった時の第3の磁気センサ部70の抵抗は、以下の式(3)で表される。
【0070】
R3=−cHx+aHy−dHz+R ・・・(3)
【0071】
次に、第4の磁気センサ部80は、GMR81の感磁部上を磁気収束板82が完全に覆っているのでX方向のHx、Y方向のHyの磁場が掛かっても、磁場は磁気収束板の内部を通り、GMR素子には磁場にかからず抵抗は変化しない。また、Z方向の磁場Hxは、磁気収束板を抜けてGMRに達するが、GMR素子は垂直方向の磁場に感度をもたないため、結果として第4の磁気検出部80は、X,Y,Zの磁場による抵抗変化を示さず、第4の磁気センサ80の抵抗は、以下の式(4)で表される。
【0072】
R4=R ・・・(4)
【0073】
上記式(1)乃至式(4)を用いて演算することで、X,Y,Z方向の磁場を分離することが出来る。
X軸方向の磁場を算出するために(2)式から(1)式の差をとると(5)式のようにHx方向の磁場のみを算出出来る。
【0074】
R2−R1=(cHx+aHy+dHz+R)−(−cHx+aHy−dHz+R)=2cHX ・・・(5)
【0075】
つまり、第1の配置パターンと第2の配置パターンを有する磁気センサの磁気検出方法において、磁気収束材の長手方向に平行な磁場(X磁場)は、第1の配置パターンと第2の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、磁気収束材の長手方向に垂直な磁場(Y磁場)は、同一方向に磁場変換され、さらに、磁気収束材の平面方向に垂直な磁場(Z磁場)は、第1の配置パターンと第2の配置パターンに対して各々同じ方向に変換され、第1の配置パターンを有する磁気センサと、第2の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の差を演算することで、X磁場のみを単独で演算する。
また、Z軸方向の磁場を算出するために(1)式から(3)式の差をとると、(6)式のようにHZ方向の磁場のみを算出出来る。
【0076】
R1−R3=(−cHx+aHy+dHz+R)−(−cHx+aHy−dHz+R)=2dHz ・・・(6)
【0077】
つまり、第1の配置パターンと第3の配置パターンを有する磁気センサの検出方法において、磁気収束材の長手方向に平行な磁場(X磁場)は、第1の配置パターンと第3の配置パターンに対して各々同じ方向に変換され、磁気収束材の長手方向に垂直な磁場(Y磁場)は、同一方向に磁場変換され、さらに、磁気収束材の平面方向に垂直な磁場(Z磁場)は、第1の配置パターンと第3の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、第1の配置パターンを有する磁気センサと、第3の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の差を演算することで、Z磁場のみを単独で演算する。
Y軸方向の磁場を算出するために(2)式と(3)式の和をとり、(4)式を2倍にして差をとることで、Hy方向の磁場のみを算出出来る。
【0078】
R2+R3−2R4=(cHx+aHy+dHz+R)+(−cHx+aHy−dHz+R)−2R=2aHy ・・・(7)
【0079】
つまり、第2の配置パターンと第3の配置パターン及び第4の配置パターンを有する磁気センサの検出方法において、磁気収束材の長手方向に平行な磁場(X磁場)は、第2の配置パターンと第3の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、磁気収束材の長手方向に垂直な磁場(Y磁場)は、同一方向に磁場変換され、さらに、磁気収束材の平面方向に垂直な磁場(Z磁場)は、第2の配置パターンと第3の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、第2の配置パターンを有する磁気センサと、第3の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の和を演算し、さらに、その和を第4の配置パターンからなる磁気センサの抵抗を2倍の値から差をとることで、Y磁場のみを単独で演算する。
【0080】
また、上述した磁気検出方法の2つを組み合わせることにより2軸方向の磁場を検出し、上述した磁気検出方法のすべてを組み合わせることにより3軸方向の磁場を検出することも可能である。
このように同一平面上に、第1乃至第4の磁気センサ部50,60,70,80を配置し、X,Y,Z方向の磁場がかかったときのそれぞれの抵抗から演算を行うことで、精度よくHx,Hy,Hzの成分の磁場の検出が可能になる。
【0081】
また、第1の磁気センサ部50と第2の磁気センサ部60は、線対称の位置関係で、第1の磁気センサ部50と第3の磁気センサ部70は、点対称の位置関係であることが望ましいが、上述したような制約を維持出来ればチップ上の任意の位置に配置可能である。
また、第4の磁気センサ部80の磁気収束板は、GMR全体を覆うものであればよく、形状は長方形に限定されず、三角や丸型など任意の形状でも効果は何ら構わない。
【0082】
本発明により、4素子のGMRでX,Y,Z方向の3軸の磁場検知が実現でき、小型化やコストダウンに繋がることが期待できる。さらに、GMR素子の感度軸を平行に揃えていることで、GMR素子の成膜回数も簡略化出来き、より勘弁かつ安価な製造で実現が可能になる。
【符号の説明】
【0083】
1 反強磁性層
2 ピンド層(固定層)
3 Cu層(スペーサ層)
4 フリー層(自由回転層)
11 絶縁膜
12 フリー層(自由回転層)
13 導電層
14 ピンド層(固定層)
15 反強磁性層
16 絶縁膜
21,31,41,51,61,71,81 GMR素子
22,52,62,72,82 一方の磁気収束板
23,53,63,73 他方の磁気収束板
32,33,42,43 磁気収束板
50 第1の磁気センサ部
51a GMR素子51の第1部分
51b GMR素子51の第2部分
51c GMR素子51の第3部分
51d GMR素子51の第4部分
52a 一方の磁気収束板52の櫛歯の第1部分
52b 一方の磁気収束板52の櫛歯の第2部分
53a 他方の磁気収束板53の櫛歯の第1部分
53b 他方の磁気収束板53の櫛歯の第2部分
60 第2の磁気センサ部
61a GMR素子61の第1部分
61b GMR素子61の第2部分
61c GMR素子61の第3部分
61d GMR素子61の第4部分
62a 一方の磁気収束板62の櫛歯の第1部分
62b 一方の磁気収束板62の櫛歯の第2部分
63a 他方の磁気収束板63の櫛歯の第1部分
63b 他方の磁気収束板63の櫛歯の第2部分
70 第3の磁気センサ部
71a GMR素子71の第1部分
71b GMR素子71の第2部分
71c GMR素子71の第3部分
71d GMR素子71の第4部分
72a 一方の磁気収束板72の櫛歯の第1部分
72b 一方の磁気収束板72の櫛歯の第2部分
73a 他方の磁気収束板73の櫛歯の第1部分
73b 他方の磁気収束板73の櫛歯の第2部分
80 第4の磁気センサ部
81a GMR素子81の第1部分
81b GMR素子81の第2部分
81c GMR素子81の第3部分
81d GMR素子81の第4部分
301 第1の磁気感知部
301a,302a 感磁材
301b,302b 磁気収束材
302 第2の磁気感知部
303 第3の磁気感知部
304 第4の磁気感知部
311 第1の配置パターン
311a,311b,312a 接続部
311c 磁気収束部材
312 第2の配置パターン
313 第3の配置パターン
314 第4の配置パターン
図1
図2
図3
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図5
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図20