特許 6886222 磁気センサ

(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】6886222

(24)【登録日】2021年5月18日

(45)【発行日】2021年6月16日

(54)【発明の名称】磁気センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/09 20060101AFI20210603BHJP

   G01D 5/245 20060101ALI20210603BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20210603BHJP

【ＦＩ】

   G01R33/09

   G01D5/245 N

   H01L43/08 Z

   H01L43/08 B

【請求項の数】16

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2019-51596(P2019-51596)

(22)【出願日】2019年3月19日

(65)【公開番号】特開2020-153771(P2020-153771A)

(43)【公開日】2020年9月24日

【審査請求日】2020年5月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123788

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100127454

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼野 研一

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 祐太

(72)【発明者】

【氏名】平林 啓

【審査官】 島田 保

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−０１０６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０１９０３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２１９２２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０４２３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２４９５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−２０５２４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２５３４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０３１３４１３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ３３／０９

Ｇ０１Ｄ ５／２４５

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

相互に接続された複数の電気抵抗要素を有し、各電気抵抗要素は少なくとも一つのＭＲ素子を含み、各ＭＲ素子は、外部磁界が印加されていないときに初期磁化方向に磁化され外部磁界が印加されたときに磁化方向が前記初期磁化方向から変化するフリー層を有し、前記複数の電気抵抗要素は、各フリー層の磁化方向が同一方向に所定の角度回転したときに電気抵抗が増加する群と電気抵抗が減少する群のいずれかに属する磁気センサであって、
２つの前記群は、一方の群の電気抵抗要素の電気抵抗の増加による前記磁気センサの出力の変動と、他方の群の電気抵抗要素の電気抵抗の減少による前記磁気センサの出力の変動とが相殺されるように配置されている、磁気センサ。

【請求項2】

前記複数の電気抵抗要素は、直列に接続された第１及び第２の電気抵抗要素と、直列に接続された第３及び第４の電気抵抗要素と、を有し、前記第１及び第４の電気抵抗要素に電源電圧が印加され、前記第２及び第３の電気抵抗要素が接地され、前記第１の電気抵抗要素と前記第２の電気抵抗要素との間、及び前記第３の電気抵抗要素と前記第４の電気抵抗要素との間からそれぞれ出力電圧が取り出され、
前記第１及び第４の電気抵抗要素は同じ群に属し、前記第２及び第３の電気抵抗要素は他の群に属する、請求項１に記載の磁気センサ。

【請求項3】

各ＭＲ素子は、外部磁界に対して磁化方向が固定されたレファレンス層を有し、前記一方の群の前記ＭＲ素子は、前記フリー層の前記初期磁化方向が前記レファレンス層の磁化方向に対して第１の回転方向に第１の角度θ１（ただし、０°＜θ１＜１８０°）回転しており、前記他方の群の前記ＭＲ素子は、前記フリー層の前記初期磁化方向が前記レファレンス層の磁化方向に対して前記第１の回転方向と逆方向の第２の回転方向に第２の角度θ２（ただし、０°＜θ２＜１８０°）回転している、請求項２に記載の磁気センサ。

【請求項4】

一部の前記ＭＲ素子の前記フリー層と他の前記ＭＲ素子の前記フリー層は互いに概ね反平行の向きに磁化されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気センサ。

【請求項5】

各ＭＲ素子はそれぞれ前記フリー層にバイアス磁界を印加する一対のバイアス磁石を有し、
前記一対のバイアス磁石は、前記フリー層の前記初期磁化方向における両側端部と対向し、その中心軸が前記フリー層の中心軸と概ね直交する一対の端部バイアス磁石、または前記フリー層の前記初期磁化方向における両方側部と対向し、その中心軸が前記フリー層の中心軸と概ね互いに平行な一対のサイドバイアス磁石である、請求項４に記載の磁気センサ。

【請求項6】

前記一対のバイアス磁石は前記一対の端部バイアス磁石であり、前記初期磁化方向と直交する方向において、前記端部バイアス磁石の寸法は前記フリー層の寸法より大きい、請求項５に記載の磁気センサ。

【請求項7】

前記一対のバイアス磁石は前記一対のサイドバイアス磁石であり、前記初期磁化方向と平行な方向において、前記サイドバイアス磁石の寸法は前記フリー層の寸法より大きい、請求項５または６に記載の磁気センサ。

【請求項8】

前記一部のＭＲ素子の前記一対のバイアス磁石と、前記他のＭＲ素子の前記一対のバイアス磁石は、互いに保磁力の異なる材料から形成されている、請求項５から７のいずれか１項に記載の磁気センサ。

【請求項9】

前記一部のＭＲ素子の前記一対のバイアス磁石はＣｏＰｔ、またはＣｏＰｔにＣｒ，Ｂ，Ｔａの少なくともいずれかを添加した材料からなり、前記他のＭＲ素子の前記一対のバイアス磁石はＦｅＰｔ、またはＦｅＰｔにＮｉ，Ｎｂ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｍｏ，Ｔｉの少なくともいずれかを添加した材料からなる、請求項８に記載の磁気センサ。

【請求項10】

前記一部のＭＲ素子の前記一対のバイアス磁石は前記端部バイアス磁石であり、前記他のＭＲ素子の前記一対のバイアス磁石は前記サイドバイアス磁石であり、前記端部バイアス磁石と前記サイドバイアス磁石は同じ方向に磁化されている、請求項５から７のいずれか１項に記載の磁気センサ。

【請求項11】

前記ＭＲ素子はそれぞれ前記フリー層にバイアス磁界を印加する一対のバイアス磁石を有し、少なくとも一つの前記ＭＲ素子の前記一対のバイアス磁石は、前記フリー層の前記初期磁化方向における両側端部と対向しており、前記バイアス磁石の中心軸は前記フリー層の中心軸に対して２５°〜６５°の範囲で傾斜している、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気センサ。

【請求項12】

前記フリー層と前記バイアス磁石はいずれも、前記ＭＲ素子の積層方向からみて、互いに隣接する２辺が９０°以外の角度をなす略平行四辺形である、請求項１１に記載の磁気センサ。

【請求項13】

前記少なくとも一つのＭＲ素子は少なくとも２つのＭＲ素子を含み、前記少なくとも２つのＭＲ素子の前記フリー層の中心軸は互いに平行であり、一部の前記ＭＲ素子の前記バイアス磁石の中心軸は他の前記ＭＲ素子の前記バイアス磁石の中心軸に対して逆方向に傾斜している、請求項１１または１２に記載の磁気センサ。

【請求項14】

全ての前記バイアス磁石は同じ方向に磁化されている、請求項１３に記載の磁気センサ。

【請求項15】

前記複数の電気抵抗要素はそれぞれ、単一のＭＲ素子、直列に接続された複数のＭＲ素子、または直列に接続された複数のＭＲ素子からなるＭＲ素子群が並列に接続された複数のＭＲ素子群のいずれかからなる、請求項１から１４のいずれか１項に記載の磁気センサ。

【請求項16】

前記フリー層の面内２方向の磁界を検出する、請求項１から１５のいずれかに記載の磁気センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は磁気センサに関し、特に磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。

【背景技術】

【0002】

磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、磁気抵抗効果によって生じる抵抗変化に基づき外部磁界を検出する。磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは他の磁気センサと比べて、磁界に対する出力及び感度が高く、かつ小型化が容易である。特許文献１に開示された磁気センサは、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー磁性層（以下、フリー層という）と、磁気抵抗効果を奏する非磁性層（以下、スペーサ層という）と、外部磁界に対して磁化方向が固定された固定磁性層（以下、レファレンス層という）と、を有している。外部磁界が印加されていないときのフリー層の磁化方向を安定させるため、フリー層の側方にはバイアス磁界を印加する永久磁石層（以下、バイアス磁石という）が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−１６２４９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

磁気センサは製造中及び製造後に様々な応力を受ける。外部磁界が印加されていないときは、フリー層の磁化方向はバイアス磁石によって一定の方向に固定されているが、応力を受けると、逆磁歪効果によって磁化方向が変化する。磁化方向の変化は磁気抵抗効果素子の電気抵抗、ひいては外部磁界が印加されていないときの磁気センサの出力に影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、磁気センサが受ける応力は予測できない場合が多く、予測できた場合も応力を制御することは困難である。従って、磁気センサの精度を確保するためには、外部磁界が印加されていないときの磁気センサの出力が応力の影響を受けにくいことが望まれる。

【0005】

本発明は、外部磁界が印加されていないときの出力が応力の影響を受けにくい磁気センサ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】

【0006】

本発明の磁気センサは、相互に接続された複数の電気抵抗要素を有している。各電気抵抗要素は少なくとも一つのＭＲ素子を有し、各ＭＲ素子は、外部磁界が印加されていないときに初期磁化方向に磁化され外部磁界が印加されたときに磁化方向が初期磁化方向から変化するフリー層を有している。複数の電気抵抗要素は、各フリー層の磁化方向が同一方向に所定の角度回転したときに電気抵抗が増加する群と電気抵抗が減少する群のいずれかに属している。２つの群は、一方の群の電気抵抗要素の電気抵抗の増加による磁気センサの出力の変動と、他方の群の電気抵抗要素の電気抵抗の減少による磁気センサの出力の変動とが相殺されるように配置されている。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、外部磁界が印加されていないときの出力が応力の影響を受けにくい磁気センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る磁気センサの概略構成図である。

【図2】図１に示す磁気センサのＭＲ素子の概略構成図である。

【図3】フリー層とレファレンス層とピンド層の外部磁界がない状態での磁化を概念的に示す平面図である。

【図4】比較例の磁気センサの概略構成図である。

【図5】各ＭＲセンサの応力が掛かったときの抵抗の増減を示す概念図である。

【図6】第１の実施形態に係る磁気センサのフリー層に掛かるバイアス磁界とフリー層の磁化を示す図である。

【図7】本発明の第２の実施形態に係る磁気センサの概略構成図である。

【図8】図７に示す磁気センサのＭＲ素子の概略構成図である。

【図9】第２の実施形態に係る磁気センサのフリー層に掛かるバイアス磁界とフリー層の磁化を示す図である。

【図10】本発明の第３の実施形態に係る磁気センサの概略構成図である。

【図11】本発明の第４の実施形態に係る磁気センサの概略構成図である。

【図12】実施例と比較例における磁気センサへの荷重付加方法を説明する図である。

【図13】実施例と比較例における変位と電圧オフセットの関係とを示すグラフである。

【図14】本発明の変形例の磁気センサの概略構成図である。

【図15】方位検出器の概略構成図である。

【図16】他の方位検出器の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態に係る磁気センサについて説明する。以下の説明及び図面において、Ｘ方向はピンド層及びレファレンス層の磁化方向及びフリー層の短軸方向に一致する。Ｙ方向はＸ方向と直交する方向であり、フリー層の長軸方向に一致する。Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向と直交する方向であり、ＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）の多層膜の積層方向に一致する。なお、各図面におけるＸ、Ｙ，Ｚ方向を示す矢印の向きを＋Ｘ方向、＋Ｙ方向、＋Ｚ方向、矢印の向きと反対側の向きを−Ｘ方向、−Ｙ方向、−Ｚ方向ということがある。

【0010】

（第１の実施形態）
図１（ａ）は第１の実施形態に係る磁気センサ１の概略構成を示している。磁気センサ１は４つの電気抵抗要素(以下、第１の電気抵抗要素１１、第２の電気抵抗要素１２、第３の電気抵抗要素１３、第４の電気抵抗要素１４という)を有し、これらの電気抵抗要素１１〜１４がブリッジ回路（ホイートストンブリッジ）で相互に接続されている。４つの電気抵抗要素１１〜１４は２つの組１１，１２及び１３，１４に分割され、それぞれの組の電気抵抗要素１１，１２及び電気抵抗要素１３，１４が直列接続されている。第１の電気抵抗要素１１と第４の電気抵抗要素１４は電源電圧Ｖｃｃに接続され、第２の電気抵抗要素１２と第３の電気抵抗要素１３は接地（ＧＮＤ）されている。第１の電気抵抗要素１１と第２の電気抵抗要素１２の間の出力電圧が中点電圧Ｖ１として取り出され、第３の電気抵抗要素１３と第４の電気抵抗要素１４の間の出力電圧が中点電圧Ｖ２として取り出される。従って、第１〜第４の電気抵抗要素１１〜１４の電気抵抗をそれぞれＲ１〜Ｒ４とすると、中点電圧Ｖ１，Ｖ２はそれぞれ下式のように求められる。

【0011】

【数1】

【0012】

【数2】

【0013】

第１〜第４の電気抵抗要素１１〜１４はそれぞれ、少なくとも一つのＭＲ素子を含んでいる。本実施形態では、第１〜第４の電気抵抗要素１１〜１４はそれぞれ単一のＭＲ素子（以下、第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１４Ａという）から構成されている。図示は省略するが、第１〜第４の電気抵抗要素１１〜１４はそれぞれ、直列に接続された複数のＭＲ素子、または直列に接続された複数のＭＲ素子からなるＭＲ素子群が並列に接続された複数のＭＲ素子群のいずれかからなっていてもよい。第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１４Ａは同一の構成を有しているため、ここでは第１のＭＲ素子１１について説明する。図２（ａ）は第１のＭＲ素子１１Ａの概略斜視図を示している。第１のＭＲ素子１１Ａは、多層膜２０と、多層膜２０をＹ方向に挟む一対のバイアス磁石２７と、を有している。多層膜２０は一般的なスピンバルブ型の膜構成を有している。多層膜２０はＺ方向からみて、Ｘ方向が短辺、Ｙ方向が長辺の概ね矩形の平面形状を有している。多層膜２０は反強磁性層２１と、ピンド層２２と、非磁性中間層２３と、レファレンス層２４と、スペーサ層２５と、フリー層２６と、を含み、これらの層はこの順で積層されている。多層膜２０はＺ方向において一対の電極層（図示せず）に挟まれており、電極層から多層膜２０にＺ方向にセンス電流が流れるようにされている。

【0014】

フリー層２６は、外部磁界が印加されていないときに初期磁化方向Ｄ１（図２（ｂ）参照）に磁化され、外部磁界が印加されたときに磁化方向が初期磁化方向Ｄ１から変化（回転）する磁性層であり、例えばＮｉＦｅで形成することができる。ピンド層２２は反強磁性層２１との交換結合によって外部磁界に対して磁化方向が固定された強磁性層である。反強磁性層２１はＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ，ＮｉＭｎなどで形成することができる。レファレンス層２４はピンド層２２とスペーサ層２５との間に挟まれた強磁性層であり、Ｒｕ，Ｒｈなどの非磁性中間層２３を介してピンド層２２と磁気的に結合、より具体的にはピンド層２２と反強磁性結合している。従って、レファレンス層２４とピンド層２２はいずれも外部磁界に対して磁化方向が固定されており、その磁化方向は互いに反平行の向きとされている。これによって、レファレンス層２４の磁化方向が安定化するとともに、レファレンス層２４から放出される磁界がピンド層２２から放出される磁界によって打ち消され、外部への漏れ磁界を抑制することができる。スペーサ層２５はフリー層２６とレファレンス層２４との間に位置し、磁気抵抗効果を奏する非磁性層である。スペーサ層２５は、Ｃｕなどの非磁性金属からなる非磁性導電層、またはＡｌ₂Ｏ₃などの非磁性絶縁体からなるトンネルバリア層である。スペーサ層２５が非磁性導電層である場合、第１のＭＲ素子１１Ａは巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子として機能し、スペーサ層２５がトンネルバリア層である場合、第１のＭＲ素子１１Ａはトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子として機能する。ＭＲ変化率が大きく、ブリッジ回路の出力電圧を大きくすることができるという点で、第１のＭＲ素子１１ＡはＴＭＲ素子であることがより好ましい。

【0015】

図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ方向からみた第１のＭＲ素子１１Ａの概略平面図を示している。図３（ａ）〜３（ｃ）はフリー層２６とレファレンス層２４とピンド層２２の外部磁界がない状態での磁化を概念的に示している。図３（ａ）〜３（ｃ）中の矢印は磁化方向を模式的に示している。フリー層２６はバイアス磁石２７のバイアス磁界によって、概ね長軸方向（Ｙ方向）と平行な初期磁化方向Ｄ１に磁化されている。フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１はバイアス磁石２７の磁化方向Ｄ２と概ね平行である。フリー層２６のＹ方向の長軸を中心軸Ｃ１という。レファレンス層２４は概ね短軸方向（Ｘ方向）と平行な磁化方向Ｄ３に磁化されている。フリー層２６の感磁方向であるＸ方向に外部磁界が印加されると、フリー層２６の磁化方向は外部磁界の強さに応じて図２（ｂ）において時計回りまたは反時計回りに回転する。これによってレファレンス層２４の磁化方向Ｄ３とフリー層２６の磁化方向との間の相対角度が変化し、センス電流に対する電気抵抗が変化する。

【0016】

図４（ａ）は比較例の磁気センサ１０１の構成を示す図１（ａ）と同様の図である。第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１４Ａのフリー層２６の初期磁化方向は同じ方向を向いている。第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１４Ａのレファレンス層２４の磁化方向は図中の矢印の方向を向いている。従って、＋Ｘ方向に外部磁界が印加されると第１及び第３のＭＲ素子１１Ａ，１３Ａの電気抵抗が減少し、第２及び第４のＭＲ素子１２Ａ，１４Ａの電気抵抗が増加する。これによって、図４（ｂ）に示すように、中点電圧Ｖ１が増加し中点電圧Ｖ２が低下する。−Ｘ方向に外部磁界が印加された場合は、これとは逆に、中点電圧Ｖ１が低下し中点電圧Ｖ２が増加する。中点電圧Ｖ１，Ｖ２の差分Ｖ１−Ｖ２を検出することで、中点電圧Ｖ１，Ｖ２を検出する場合と比べて２倍の感度が得られる。また、図４（ｂ）において中点電圧Ｖ１，Ｖ２が同一方向にシフトしても（例えば上側にシフトしても）も差分を検出することでその影響を排除することができる。

【0017】

第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１４Ａが同一方向に応力を受けると、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１は逆磁歪効果によって回転する。図４（ｃ）は、第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１４Ａに、Ｘ軸及びＹ軸に対して４５°の角度で引張応力Ｓが掛かっている状態を示している。逆磁歪効果は磁歪定数の正負及び応力が引張応力Ｓであるか圧縮応力であるかによって、異なる方向に作用する。引張応力が掛かりフリー層２６の磁歪定数が正の場合、及び圧縮応力が掛かりフリー層２６の磁歪定数が負の場合、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１は応力と平行となる方向に回転する。引張応力が掛かりフリー層２６の磁歪定数が負の場合、及び圧縮応力が掛かりフリー層２６の磁歪定数が正の場合、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１は応力と直交する方向に回転する。図４（ｃ）において４５°の角度で引張応力Ｓが掛かると、第１及び第３のＭＲ素子１１Ａ，１３Ａのフリー層２６の初期磁化方向Ｄ１はレファレンス層２４の磁化方向Ｄ３の向きに回転するため、第１及び第３のＭＲ素子１１Ａ，１３Ａの電気抵抗は減少する。第２及び第４のＭＲ素子１２Ａ，１４Ａのフリー層２６の初期磁化方向Ｄ１はレファレンス層２４の磁化方向と反対方向に回転するため、第２及び第４のＭＲ素子１２Ａ，１４Ａの電気抵抗は増加する。これによって、図４（ｄ）に示すように、中点電圧Ｖ１が増加し中点電圧Ｖ２が低下し、Ｖ１−Ｖ２が増加する。つまり、外部応力によって、外部磁界が掛かっていないときの磁気センサ１０１の出力Ｖ１−Ｖ２はゼロからオフセットする。出力Ｖ１−Ｖ２のオフセットは外部磁界の測定精度に影響を与える。

【0018】

外部応力は、例えば磁気センサをパッケージ内に封入する際に、封止用の樹脂などから受ける力によって生じる。パッケージに封入された磁気センサを基板などに取り付け、モジュール化する際（例えばはんだ工程）にも応力が生じる。モジュールが製品に組み込まれる際の工程（例えばねじ止め）でも応力が生じることがあり、製品としての使用中にも、例えば温度変化による熱応力が生じることがある。これらの応力は予測及び測定が困難であり、制御することも困難である。従って、本質的には出力Ｖ１−Ｖ２が外部応力によって影響を受けにくいことが望まれる。

【0019】

本実施形態では、第１〜第４の電気抵抗要素１１〜１４（第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１４Ａ）は、全てのフリー層２６の初期磁化方向Ｄ１が外部応力によって同一方向に所定の角度（図示の例では４５°）回転したときに電気抵抗が増加または減少する第１の群Ｇ１と、第１の群Ｇ１の電気抵抗が増加したときに電気抵抗が減少し、第１の群Ｇ１の電気抵抗が減少したときに電気抵抗が増加する第２の群Ｇ２のいずれかに属している。第１の群Ｇ１に属するＭＲ素子を第１群ＭＲ素子といい、第２の群Ｇ２に属するＭＲ素子を第２群ＭＲ素子という。ここでは、説明の便宜上、第１の群Ｇ１に属するＭＲ素子は電気抵抗が増加し、第２の群Ｇ２に属するＭＲ素子は電気抵抗が減少するとする。第２及び第３のＭＲ素子１２Ａ，１３Ａは第１の群Ｇ１に属し、第１及び第４のＭＲ素子１１Ａ，１４Ａは第２の群Ｇ２に属している。図１（ａ）に示すように、第１群ＭＲ素子（第２及び第３のＭＲ素子１２Ａ，１３Ａ）は、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１がレファレンス層２４の磁化方向Ｄ３に対して時計回り方向（第１の回転方向）に第１の角度θ１（０°＜θ１＜１８０°、本実施形態では約９０°）回転している。第２群ＭＲ素子（第１及び第４のＭＲ素子１１Ａ，１４Ａ）は、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１がレファレンス層２４の磁化方向に対して反時計周り方向（第１の回転方向と逆方向の第２の回転方向）に第２の角度θ２（０°＜θ２＜１８０°、本実施形態では約９０°）回転している。換言すれば、第１群ＭＲ素子と第２群ＭＲ素子では、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１を示すベクトルをＦ、レファレンス層２４の磁化方向Ｄ３を示すベクトルをＲとしたときに、外積Ｆ×Ｒの向きが互いに逆方向となっている。

【0020】

図１（ｃ）において４５°の角度で引張応力Ｓが掛かると、第１及び第４のＭＲ素子１１Ａ，１４Ａのフリー層２６の初期磁化方向Ｄ１はレファレンス層２４の磁化方向Ｄ３の向きに回転し、第１及び第４のＭＲ素子１１Ａ，１４Ａの電気抵抗は減少する。第２及び第３のＭＲ素子１２Ａ，１３Ａのフリー層２６の初期磁化方向Ｄ１はレファレンス層２４の磁化方向Ｄ３と反対方向に回転し、第２及び第３のＭＲ素子１２Ａ，１３Ａの電気抵抗は増加する。図１（ｄ）に示すように、中点電圧Ｖ１と中点電圧Ｖ２がともに増加し、Ｖ１−Ｖ２の変化が抑えられる。つまり、外部応力が掛かった状態で、磁気センサの出力Ｖ１−Ｖ２のオフセットを比較例と比べて低減することができる。

【0021】

外部応力はあらゆる方向から掛かる可能性がある。また、前述のように、外部応力は引張応力の場合もあるし、圧縮応力の場合もある。フリー層２６の磁歪定数が正で、且つ引張応力Ｓが図１（ｃ）の方向に掛かる場合は、上述のように第２及び第３のＭＲ素子１２Ａ，１３Ａが第１群ＭＲ素子に属し、第１及び第４のＭＲ素子１１Ａ，１４Ａが第２群ＭＲ素子に属する。しかし、例えばフリー層２６の磁歪定数が正で、且つ引張応力が図１（ｃ）に示す方向と直交する方向に掛かる場合は、第１及び第４のＭＲ素子１１Ａ，１４Ａが第１群ＭＲ素子に属し、第２及び第３のＭＲ素子１２Ａ，１３Ａが第２群ＭＲ素子に属することになる。このように、どのＭＲ素子がどの群に属するかは一義的に決まるわけではない。しかし、第１及び第４のＭＲ素子１１Ａ，１４Ａは常に同じ群に属し、第２及び第３のＭＲ素子１２Ａ，１３Ａは常に別の群に属することに留意されたい。

【0022】

図５は第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１４Ａの電気抵抗の増減を模式化して示しており、図５（ａ）は図１（ｃ）に対応している。図５（ａ）を参照すると、第２及び第３のＭＲ素子１２Ａ，１３Ａ（第１の群Ｇ１）の電気抵抗が増加し、第１及び第４のＭＲ素子１１Ａ，１４Ａ（第２の群Ｇ２）の電気抵抗が減少し、中点電圧Ｖ１，Ｖ２がともに増加する。図５（ｂ）を参照すると、第２及び第３のＭＲ素子１２Ａ，１３Ａ（第２の群Ｇ２）の電気抵抗が減少し、第１及び第４のＭＲ素子１１Ａ，１４Ａ（第１の群Ｇ１）の電気抵抗が増加し、中点電圧Ｖ１，Ｖ２がともに減少する。磁気センサが図５（ａ）の状態にあるか図５（ｂ）の状態にあるかは、外部応力やフリー層２６の磁歪定数に依存するが、本実施形態の磁気センサ１は常に図５（ａ）と図５（ｂ）のいずれかの状態にある。そして、いずれの場合でも、磁気センサの出力Ｖ１−Ｖ２のオフセットは低減される。これは、第１の群Ｇ１と第２の群Ｇ２が、第１の群Ｇ１の電気抵抗要素の電気抵抗の増減による磁気センサの出力の変動と、第２の群Ｇ２の電気抵抗要素の電気抵抗の増減による磁気センサの出力の変動とが相殺されるように配置されているためである。これに対し、図４（ｃ）に示す比較例に対応する図５（ｃ）を参照すると、第１群Ｇ１の電気抵抗要素（第２及び第４のＭＲ素子１２Ａ，１４Ａ）と第２の群Ｇ２の電気抵抗要素（第１及び第３のＭＲ素子１１Ａ，１３Ａ）が上述のように配置されていない。このため、磁気センサの出力Ｖ１−Ｖ２のオフセットは増加する傾向となる。

【0023】

本実施形態では、一対のバイアス磁石２７は、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１における両側端部２６Ａ，２６Ｂ（図２（ｂ）参照）と対向しており、バイアス磁石２７の中心軸Ｃ２がフリー層２６の中心軸Ｃ１と概ね直交している。本明細書では、このようなバイアス磁石２７を端部バイアス磁石２７Ａという。一部のＭＲ素子（第１及び第２のＭＲ素子１１Ａ，１２Ａ）のフリー層２６と他のＭＲ素子（第３及び第４のＭＲ素子１３Ａ，１４Ａ）のフリー層２６は互いに概ね反平行の向きに磁化されている。すなわち、一部のＭＲ素子（第１及び第２のＭＲ素子１１Ａ，１２Ａ）の端部バイアス磁石２７Ａと他のＭＲ素子（第３及び第４のＭＲ素子１３Ａ，１４Ａ）の端部バイアス磁石２７Ａは互いに概ね反平行の向きに磁化されている。反平行とは方向が１６０°〜２００°の範囲で異なることを意味する。

【0024】

ＭＲ素子毎に端部バイアス磁石２７Ａの磁化方向を変えるため、一部の端部バイアス磁石２７Ａと他の端部バイアス磁石２７Ａは保磁力の異なる材料から形成されている。例えば、第１及び第２のＭＲ素子１１Ａ，１２Ａの端部バイアス磁石２７ＡはＣｏＰｔ、またはＣｏＰｔにＣｒ，Ｂ，Ｔａの少なくともいずれかを添加した材料から形成され、第３及び第４のＭＲ素子１３Ａ，１４Ａの端部バイアス磁石２７ＡはＦｅＰｔ、またはＦｅＰｔにＮｉ，Ｎｂ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｍｏ，Ｔｉの少なくともいずれかを添加した材料から形成される。前者の保磁力は１５００〜５０００Ｏｅであり、後者の保磁力は５０００〜１３０００Ｏｅである。まず全ての端部バイアス磁石２７Ａの保磁力を上回る磁界（例えば１５０００Ｏｅ以上の磁界）で全ての端部バイアス磁石２７Ａを着磁する。これによって、全ての端部バイアス磁石２７Ａは同一方向に磁化される。次に、前者の保磁力と後者の保磁力の中間の磁界（例えば７５００Ｏｅ程度の磁界）を反対方向に印加する。第１及び第２のＭＲ素子１１Ａ，１２Ａの端部バイアス磁石２７Ａは新たに印加された磁界によって反対方向に磁化されるが、第３及び第４のＭＲ素子１３Ａ，１４Ａの端部バイアス磁石２７Ａの磁化方向は不変である。これによって、ＭＲ素子毎に端部バイアス磁石２７Ａの磁化方向を変えることができる。

【0025】

図６（ａ）は、フリー層２６の長手方向Ｙにおけるバイアス磁界の分布を規準化して示している。図６（ｂ）は、フリー層２６の初期磁化の分布を示しており、矢印はフリー層２６の各位置での初期磁化方向を示している。一般に、フリー層２６の長手方向端部では磁化方向が長手方向Ｙ以外の方向を向きやすくなるが、本実施形態ではフリー層２６の磁化方向は長手方向Ｙ全長に渡って長手方向Ｙに揃えられている。これは、バイアス磁石２７がフリー層２６の長手方向Ｙ両端に位置しているため、フリー層２６の長手方向Ｙ両端に特に強いバイアス磁界が掛かるためである。また、図２（ｂ）に示すように、本実施形態では初期磁化方向Ｄ１と直交する方向Ｘにおいて、端部バイアス磁石２７Ａの寸法Ｌ１はフリー層２６の寸法Ｌ２より大きくされている。これによっても、フリー層２６の長手方向Ｙ両端に強いバイアス磁界が掛かり、フリー層２６の磁化方向がフリー層２６の長手方向Ｙ両端で長手方向Ｙを向きやすくなる。

【0026】

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態はバイアス磁石２７の構成を除き第１の実施形態と同様である。図７（ａ）は第２の実施形態に係る磁気センサ１Ａの概略構成を示している。図８は第１のＭＲ素子１１Ａの構成を示す図２と同様の図である。本実施形態では、一対のバイアス磁石２７は、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１における両方側部２６Ｃ，２６Ｄと対向し、その中心軸Ｃ２がフリー層２６の中心軸Ｃ１と概ね互いに平行となっている。本明細書では、このようなバイアス磁石２７をサイドバイアス磁石２７Ｂという。初期磁化方向Ｄ１と平行な方向（Ｙ方向）において、サイドバイアス磁石２７の寸法Ｌ３はフリー層２６の寸法Ｌ４より大きくされている。サイドバイアス磁石２７Ｂのバイアス磁界は図８（ｂ）に示すようにサイドバイアス磁石２７Ｂの側方に回り込むため、本実施形態ではサイドバイアス磁石２７Ｂの磁化方向Ｄ２とフリー層２６の初期磁化方向Ｄ１は概ね反平行の関係となる。一方、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１とレファレンス層２４の磁化方向Ｄ３の関係は第１の実施形態と同じである。従って、図７（ｂ）に示すように、本実施形態の磁気センサ１Ａは第１の実施形態の磁気センサ１と同じ原理で作動する。

【0027】

図９（ａ）は本実施形態における、バイアス磁界のフリー層２６の長手方向における分布を規準化して示している。上述のように、本実施形態ではサイドバイアス磁石２７Ｂの磁化方向Ｄ２とフリー層２６に掛かるバイアス磁界の方向は反平行であるため、バイアス磁界はマイナスとなっている。なお、図６（ａ）の縦軸と図９（ａ）の縦軸は同じ基準値で規準化されている。実施例１では、初期磁化方向Ｄ１と平行な方向（Ｙ方向）において、サイドバイアス磁石２７Ｂの寸法はフリー層２６の寸法と一致している。実施例２では、初期磁化方向Ｄ１と平行な方向（Ｙ方向）において、サイドバイアス磁石２７Ｂの寸法はフリー層２６の寸法より大きくなっている。図９（ｂ）は、実施例１におけるフリー層２６の初期磁化の分布を、図９（ｃ）は、実施例２におけるフリー層２６の初期磁化の分布を示している。矢印はフリー層２６の各位置での初期磁化方向を示している。いずれの実施例でも、フリー層２６のほとんどの領域で初期磁化方向がフリー層２６の長手方向Ｙを向いている。実施例１ではフリー層２６の長手方向端部（部位Ａ）でバイアス磁界が若干弱いため、磁化方向が幾分長手方向以外の方向を向きやすくなっている。実施例２では、フリー層２６には長手方向端部でも比較的大きなバイアス磁界が掛かっているため、磁化方向は長手方向全長に渡ってさらに長手方向に揃えられている。

【0028】

本実施形態でも、一部のＭＲ素子（第１及び第２のＭＲ素子１１Ａ，１２Ａ）のフリー層２６と、他のＭＲ素子（第３及び第４のＭＲ素子１３Ａ，１４Ａ）のフリー層２６は、互いに概ね反平行の向きに磁化されている。すなわち、第１及び第２のＭＲ素子１１Ａ，１２Ａのサイドバイアス磁石２７Ｂと、第３及び第４のＭＲ素子１３Ａ，１４Ａのサイドバイアス磁石２７Ｂは、互いに概ね反平行の向きに磁化されている。サイドバイアス磁石２７Ｂの磁化方向は、第１の実施形態と同様にして、ＭＲ素子毎に変えることができる。

【0029】

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る磁気センサ１Ｂはバイアス磁石２７の構成を除き第１の実施形態と同様である。図１０（ａ）は第３の実施形態に係る磁気センサ１Ｂの概略構成を示している。本実施形態では一部のバイアス磁石２７（第１及び第２のＭＲ素子１１Ａ，１２Ａのバイアス磁石２７）が端部バイアス磁石２７Ａであり、他のバイアス磁石２７（第３及び第４のＭＲ素子１３Ａ，１４Ａのバイアス磁石２７）がサイドバイアス磁石２７Ｂである。すなわち、本実施形態では端部バイアス磁石２７Ａとサイドバイアス磁石２７Ｂの両者が設けられている。端部バイアス磁石２７Ａとサイドバイアス磁石２７Ｂの構成は第１及び第２の実施形態で説明したとおりである。本実施形態では、端部バイアス磁石２７Ａとサイドバイアス磁石２７Ｂは同じ方向に磁化されている。従って、本実施形態は製造プロセスを単純化することができる。また、保磁力の高い材料を高電圧で着磁する必要がないため、着磁のための設備も簡略化できる。第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１４Ａのフリー層２６の初期磁化方向Ｄ１は第１の実施形態と同じであり、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１とレファレンス層２４の磁化方向Ｄ３の関係も第１の実施形態と同じである。従って、図１０（ｂ）に示すように、本実施形態の磁気センサ１Ｂは第１の実施形態の磁気センサ１と同様に作動する。

【0030】

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態に係る磁気センサ１Ｃはバイアス磁石２７の構成を除き第１の実施形態と同様である。図１１（ａ）は第４の実施形態に係る磁気センサ１Ｃの概略構成を示している。本実施形態では、一対のバイアス磁石２７は、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１における両側端部２６Ａ，２６Ｂ（端部２６Ｂは図示せず）と対向する端部バイアス磁石である。しかし、第１の実施形態と異なり、少なくとも一つのＭＲ素子のフリー層２６と一対のバイアス磁石２７はいずれも、ＭＲ素子の積層方向Ｚからみて、互いに隣接する２辺が４５°または１３５°の角をなす平行四辺形である。そして、バイアス磁石２７の中心軸Ｃ２はフリー層２６の中心軸Ｃ１に対して４５°で傾斜している。本明細書では、このようなバイアス磁石２７を斜めバイアス磁石２７Ｃという。フリー層２６と斜めバイアス磁石２７Ｃの形状は上記に限定されず、互いに隣接する２辺が９０°以外の角度をなす略平行四辺形であればよい。また、斜めバイアス磁石２７Ｃの中心軸Ｃ２はフリー層２６の中心軸Ｃ１に対して２５°〜６５°の角度θの範囲で傾斜していればよい。第１及び第２のＭＲ素子１１Ａ，１２Ａの斜めバイアス磁石２７Ｃの中心軸Ｃ２と、第３及び第４のＭＲ素子１３Ａ，１４Ａの斜めバイアス磁石２７Ｃの中心軸Ｃ２は、第１及び第２のＭＲ素子１１Ａ，１２Ａと第３及び第４のＭＲ素子１３Ａ，１４Ａとの間にあってフリー層２６の中心軸Ｃ１と平行な線Ｃ４に関し線対称、すなわち互いに逆方向に傾斜している。全てのフリー層２６の中心軸Ｃ１は同じ方向を向いており、全ての斜めバイアス磁石２７Ｃは同じ方向に磁化されている。

【0031】

図１１（ｃ）は斜めバイアス磁石２７Ｃの磁化を模式的に示している。図において、斜めバイアス磁石２７Ｃは磁化方向Ｄ２に磁化されている。従って、斜めバイアス磁石２７Ｃを微小磁区に分割すると、各微小磁区は左側がＳ極、右側がＮ極となるように磁化される。斜めバイアス磁石２７Ｃは線Ｃ４に対して鏡対称で傾斜しているため、左側の斜めバイアス磁石２７Ｃはフリー層２６に面する斜面に沿ってＳ極が現れ、右側の斜めバイアス磁石２７Ｃはフリー層２６に面する斜面に沿ってＮ極が現れる。このため、左側の斜めバイアス磁石２７Ｃでは斜め上向きのバイアス磁界が生じ、右側の斜めバイアス磁石２７Ｃでは斜め下向きのバイアス磁界が生じる。従って、第１及び第２のＭＲ素子１１Ａ，１２Ａのフリー層２６と第３及び第４のＭＲ素子１３Ａ，１４Ａのフリー層２６に互いに反平行の成分（＋Ｙ方向または−Ｙ方向）をもったバイアス磁界を掛けることができる。本実施形態では、第１〜第４のＭＲ素子１１Ａ〜１４Ａのフリー層２６の初期磁化方向は第１の実施形態と類似しており、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１とレファレンス層２４の磁化方向Ｄ３の関係も第１の実施形態と類似している。従って、図１１（ｂ）に示すように、本実施形態の磁気センサ１Ｂは第１の実施形態の磁気センサ１と同様に作動する。

【0032】

（実施例）
第１の実施形態の磁気センサ１に模擬的な応力を加えて出力Ｖ１，Ｖ２，Ｖ１−Ｖ２を計測した。図１２（ａ）に示すように、リード線３２を介して基板３１に磁気センサ１を固定した。次に図１２（ｂ）に示すように、基板３１の裏側から基板３１をプレート３３で＋Ｚ方向に押し付けた。基板３１は上向きに湾曲するため、リード線３２は外側に広がるように変形する。これによってリード線３２を介して磁気センサ１に引張応力を掛けることができる。図１２（ｃ）は図１２（ｂ）のＡ方向からみた上視図であり、同図に示すように、最も外部応力の影響が大きい４５°方向に基板３１をプレート３３で押し付けた。これによって、図１に示す引張応力Ｓを模擬した。基板３１の＋Ｚ方向変位量Ｄを変化させて出力Ｖ１，Ｖ２，Ｖ１−Ｖ２の変化を計測した。同様の試験を図４に示す比較例の磁気センサ１０１に対しても実施した。

【0033】

図１３（ａ）は、比較例の磁気センサ１０１の、変位量Ｄに対する出力Ｖ１，Ｖ２，Ｖ１−Ｖ２の変化を示す。変位量Ｄが増えるに従い出力Ｖ１，Ｖ２のオフセットが増加するが、前述した理由により出力Ｖ１のオフセットはプラス方向に増加し、出力Ｖ２のオフセットはマイナス方向に増加する。このため、Ｖ１−Ｖ２は変位量Ｄが増えるに従い増加する。図１３（ｂ）は、第１の実施形態の磁気センサ１の、変位量Ｄに対する出力Ｖ１，Ｖ２，Ｖ１−Ｖ２の変化を示す。出力Ｖ１，Ｖ２のオフセットはともにプラス方向に増加するため、Ｖ１−Ｖ２は変位量Ｄが増えてもほとんど変化がなく、オフセットはほぼ完全に抑制されている。

【0034】

図１４（ａ）〜１４（ｄ）はそれぞれ、第１〜第４の実施形態の磁気センサ１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃの変形例を示している。これらの図には第１の電気抵抗要素１１だけを示している。第１の電気抵抗要素１１は直列に接続された複数のＭＲセンサ１１Ａを有している。具体的には、互いに隣接する２つのＭＲセンサ１１Ａが、上部電極層（図示せず）に接続された上部リード２８または下部電極層（図示せず）に接続された下部リード２９を介して、互いに接続されている。上部リード２８で接続された２つのＭＲセンサ１１Ａと下部リード２９で接続された２つのＭＲセンサ１１Ａは直列に接続されている。上部リード２８と下部リード２９はバイアス磁石２７から離隔している。図示は省略するが、第２〜第４の電気抵抗要素１２〜１４についても同様である。第１の電気抵抗要素１１を構成する一部のＭＲセンサ１１Ａでは、フリー層２６の初期磁化方向が＋Ｙ方向（または概略＋Ｙ方向）を向き、他のＭＲセンサ１１Ａでは、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１が−Ｙ方向（または概略−Ｙ方向）を向いている。一つの電気抵抗要素の電気抵抗がある特定の応力下で増加または減少する限り、フリー層２６の初期磁化方向Ｄ１が互いに逆方向を向く複数のＭＲ素子１１Ａが一つの電気抵抗要素に混在していてもよい。

【0035】

以上説明した磁気センサは、例えばフリー層２６の面内２方向（Ｘ方向及びＹ方向）の磁界を検出する方位検出器またはコンパスとして用いることができる。図１５（ａ）は磁気センサ１を備える方位検出器２Ａの概略構成図を示している。磁気センサ１は４つの電気抵抗要素１１〜１４を有し、各電気抵抗要素１１〜１４はＸ方向及びＹ方向の磁界を検出可能な少なくとも一つのＭＲセンサを有している。Ｘ方向及びＹ方向の磁界を検出できる限り、各電気抵抗要素１１〜１４の構成は限定されない。例えば、Ｘ方向に感磁軸を有するＭＲセンサとＹ方向に感磁軸を有するＭＲセンサとを直列に配列してもいいし、Ｘ方向及びＹ方向に対して斜め方向の感磁軸を有する少なくとも一つのＭＲセンサを設けていてもよい。各電気抵抗要素１１〜１４の内部に示す矢印は、各電気抵抗要素１１〜１４が検出可能な磁界の方向を示している。図１５（ｂ）は、磁界の角度θ（図１５（ａ）参照）に対するＶ２−Ｖ１の変化を示している。方位検出器２ＡがＸ−Ｙ面内を回転することでＶ２−Ｖ１が変化するため、Ｖ２−Ｖ１の最大値と最小値に基づきθ＝９０°の方向とθ＝−９０°の方向を検出することができる。

【0036】

図１６（ａ）は磁気センサを備える他の方位検出器２Ｂの概略構成図を示している。本実施形態では２つの磁気センサ１Ｄ，１Ｅが組み合わされている。第１の磁気センサ１Ｄは図１４に示す磁気センサと同じ特性を示し、第２の磁気センサ１Ｅは第１のセンサ１Ｄを全体的に時計回りに９０°回転した構成となっている。図１６（ｂ）は磁界の角度θ（図１６（ａ）参照）に対するＶ２−Ｖ１の変化を示している。第２の磁気センサ１Ｅの出力Ｖ３−Ｖ４は第１の磁気センサ１Ｄに対して特性が９０°ずれている。このため、第１の磁気センサ１Ｄと第２の磁気センサ１Ｅの出力を切り替えて読み出すことでＸ方向及びＹ方向の磁界強度並びに磁界の角度θを知ることができる。磁界の角度θは、第１の磁気センサ１Ｄの出力を（Ｖ２−Ｖ１）₁，第２の磁気センサ１Ｅの出力を（Ｖ２−Ｖ１）₂とすれば、θ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｖ２−Ｖ１）₁／（Ｖ２−Ｖ１）₂）として求めることができる。本実施形態の方位検出器は、例えば第１〜３の実施形態の磁気センサ１，１Ａ，１Ｂを組み合わせて実現することができる。

【0037】

さらに、詳細な説明は省略するが、本発明の磁気センサは上述の方位検出器だけでなく、磁気エンコーダ用センサ、位置検知センサ、回転角度検知センサ、電流センサ、磁気スイッチ、及びそれらを組み込んだモジュールや装置にも適用することができる。

【符号の説明】

【0038】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 磁気センサ
１１〜１４ 第１〜第４の電気抵抗要素
１１Ａ〜１４Ａ 第１〜第４のＭＲ素子
２４ レファレンス層
２６ フリー層
２７ バイアス磁石
２７Ａ 端部バイアス磁石
２７Ｂ サイドバイアス磁石
２７Ｃ 斜めバイアス磁石

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】