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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-27
(45)【発行日】2025-01-14
(54)【発明の名称】磁気センサおよび磁気測定方法
(51)【国際特許分類】
G01R 33/09 20060101AFI20250106BHJP
G01R 33/02 20060101ALI20250106BHJP
H10N 50/80 20230101ALI20250106BHJP
H10N 50/10 20230101ALI20250106BHJP
H10D 48/40 20250101ALI20250106BHJP
【ＦＩ】
G01R33/09
G01R33/02 V
H10N50/80 Z
H10N50/10 U
H01L29/82 Z
【請求項の数】
32
(21)【出願番号】P 2024145161
(22)【出願日】2024-08-27
(62)【分割の表示】P 2024052742の分割
【原出願日】2024-03-28
【審査請求日】2024-10-31
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000010098
【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100135183
【弁理士】
【氏名又は名称】大窪 克之
(74)【代理人】
【識別番号】100085453
【弁理士】
【氏名又は名称】野▲崎▼ 照夫
(74)【代理人】
【識別番号】100108006
【弁理士】
【氏名又は名称】松下 昌弘
(72)【発明者】
【氏名】梅津 英治
(72)【発明者】
【氏名】菊地 冠汰
【審査官】永井 皓喜
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２１－１４３９１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－２０４００２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－１１３４１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００６／０００２０３５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－１４４２２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－２９９７２３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｒ ３３／０２
Ｈ１０Ｎ ５０／１０
Ｇ１１Ｂ ５／３９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、
前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、
前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、
を有する可変磁界検知部を備え、
前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記第１状態または前記第２状態における前記磁気状態可変部材の磁化は、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合の影響を受けることを特徴とする磁気センサ。
【請求項2】
前記磁気状態可変部材が前記第１状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第１出力と、前記磁気状態可変部材が前記第２状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第２出力とに基づいて、前記測定磁界を算出する磁界算出部をさらに備える、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項3】
前記第２状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ２は、前記第１状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ１よりも高く、かつ
前記第１磁性体と前記磁気検知素子との間に位置する第１物質の前記第１方向の透磁率μ０よりも高い、
請求項２に記載の磁気センサ。
【請求項4】
前記可変磁界検知部は、前記磁気検知素子と前記磁気状態可変部材との間に非磁性部材を有し、前記磁気検知素子の感磁部は、前記磁気状態可変部材に対して磁気的に非結合である、請求項３に記載の磁気センサ。
【請求項5】
前記磁気検知素子の感磁部は、前記磁気状態可変部材と磁気的に結合している、請求項３に記載の磁気センサ。
【請求項6】
前記磁気検知素子と前記磁気状態可変部材とは、前記第１方向に直交する第２方向に並ぶ、請求項３に記載の磁気センサ。
【請求項7】
前記磁気状態可変部材は、前記磁気検知素子の検知中心よりも、前記第１方向で前記第１磁性体に近位な部分を有する、請求項６に記載の磁気センサ。
【請求項8】
前記磁気状態可変部材の前記第１方向の中央と、前記磁気検知素子の検知中心とは、前記第１方向において等しい位置にある、請求項６に記載の磁気センサ。
【請求項9】
前記磁気状態可変部材の前記第１方向の長さは、前記磁気検知素子の前記第１方向の長さよりも長い、請求項８に記載の磁気センサ。
【請求項10】
前記第１磁性体は、前記第１方向の長さが、前記第２方向の長さよりも長い、請求項６に記載の磁気センサ。
【請求項11】
前記可変磁界検知部は、前記第１端部から見て、前記磁気検知素子よりも前記第１方向で遠位な第２磁性体をさらに備える、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項12】
前記磁気状態可変部材は、前記第２状態において、前記第１磁性体および前記第２磁性体と磁気的に結合するように配置される、請求項１１に記載の磁気センサ。
【請求項13】
第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、
前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、
前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、
を有する可変磁界検知部を備え、
前記第２状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ２は、
前記第１状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ１よりも高く、かつ
前記第１磁性体と前記磁気検知素子との間に位置する第１物質の前記第１方向の透磁率μ０よりも高く、
前記磁気状態変調部材と前記磁気状態可変部材とは前記第１方向に直交する第２方向に積層された磁気制御体を構成し、前記磁気制御体と前記磁気検知素子とは前記第２方向に並んで配置され、
前記磁気状態変調部材は、通電時に前記磁気状態可変部材にスピン軌道トルクを付与するスピントルク生成部を有し、
通電時の前記磁気状態可変部材の磁気状態は、前記スピントルク生成部からの前記スピン軌道トルクに基づき、非通電時の磁気状態と相違することを特徴とする磁気センサ。
【請求項14】
前記可変磁界検知部は、前記磁気状態変調部材が非通電状態であるときに、前記磁気状態可変部材を、前記測定磁界によって磁化が回転しない程度に前記第２方向に沿って磁化するバイアス磁界源を有し、前記磁気状態変調部材が非通電状態のときに前記磁気状態可変部材は前記第１状態であり、
前記磁気状態変調部材が通電状態であって前記第２方向に沿う法線を有する第１面の面内方向に電流が流れるときに、前記磁気状態可変部材は前記第２状態であり、前記第２状態において、前記磁気状態可変部材は、前記スピン軌道トルクを受けて、前記測定磁界に基づく磁界により磁化が前記第１面の面内方向に回転可能な程度に、前記電流が流れる向きと反対向きに磁化する、請求項１３に記載の磁気センサ。
【請求項15】
前記第２状態において、前記磁気状態変調部材に流れる前記電流は、前記第１面の面内方向で前記第１方向に直交する第３方向に沿う、請求項１４に記載の磁気センサ。
【請求項16】
前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合が、前記バイアス磁界源となる、請求項１４に記載の磁気センサ。
【請求項17】
前記バイアス磁界源は、通電により誘導磁界を生じるコイルと、永久磁石との少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の磁気センサ。
【請求項18】
前記バイアス磁界源は前記磁気制御体に積層される、請求項１７に記載の磁気センサ。
【請求項19】
前記磁気状態変調部材が通電状態であって前記第１方向に沿う電流が流れるときに、前記磁気状態可変部材は前記第１状態であり、前記第１状態において、前記磁気状態可変部材は、前記スピン軌道トルクを受けて、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に磁化され、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第２状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により回転しにくく、前記磁気状態変調部材が非通電状態のときに前記磁気状態可変部材は前記第２状態であり、前記第２状態において、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第１状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向を向きやすい、請求項１３に記載の磁気センサ。
【請求項20】
前記可変磁界検知部は、前記磁気状態可変部材にバイアス磁界を付与するバイアス磁界源を有し、前記第２状態において前記磁気状態可変部材が受ける前記バイアス磁界は、前記第２方向に沿う法線を有する第１面の面内方向に沿い、前記測定磁界に基づく磁束により前記磁気状態可変部材の磁化が回転可能な程度である、請求項１９に記載の磁気センサ。
【請求項21】
前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合が、前記バイアス磁界源となる、請求項２０に記載の磁気センサ。
【請求項22】
前記バイアス磁界源は、通電により誘導磁界を生じるコイルと、永久磁石との少なくとも１つを含む、請求項２０に記載の磁気センサ。
【請求項23】
前記バイアス磁界源は前記磁気制御体に積層される、請求項２２に記載の磁気センサ。
【請求項24】
前記バイアス磁界は、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に沿う、請求項２０に記載の磁気センサ。
【請求項25】
前記磁気状態変調部材が通電状態であって前記第１方向に沿う電流が流れるときに、前記磁気状態可変部材は前記第１状態であり、前記第１状態において、前記磁気状態可変部材は、前記スピン軌道トルクを受けて、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向および前記第２方向に磁化され、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第２状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により回転しにくく、前記磁気状態変調部材が非通電状態のときに前記磁気状態可変部材は前記第２状態であり、前記第２状態において、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第１状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向を向きやすい、請求項１３に記載の磁気センサ。
【請求項26】
前記可変磁界検知部は、前記磁気状態可変部材にバイアス磁界を付与するバイアス磁界源を有し、前記第２状態において前記磁気状態可変部材が受ける前記バイアス磁界は、前記第２方向に沿う法線を有する第１面の面内方向に沿い、前記測定磁界に基づく磁束により前記磁気状態可変部材の磁化が回転可能な程度である、請求項２５に記載の磁気センサ。
【請求項27】
前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合が、前記バイアス磁界源となる、請求項２６に記載の磁気センサ。
【請求項28】
前記バイアス磁界源は、通電により誘導磁界を生じるコイルと、永久磁石との少なくとも１つを含む、請求項２６に記載の磁気センサ。
【請求項29】
前記バイアス磁界源は前記磁気制御体に積層される、請求項２８に記載の磁気センサ。
【請求項30】
前記バイアス磁界は、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に沿う、請求項２６に記載の磁気センサ。
【請求項31】
第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、
前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、
前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、
を有する可変磁界検知部、および
前記磁気状態可変部材が前記第１状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第１出力と、前記磁気状態可変部材が前記第２状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第２出力とから、前記測定磁界を算出する磁界算出部
を備える磁気センサを用いた磁気測定方法であって、
前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第１状態として前記第１出力を得る第１測定ステップと、
前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第２状態として前記第２出力を得る第２測定ステップと、
前記磁界算出部において前記第１出力と前記第２出力とから前記測定磁界を算出する磁界算出ステップと、
を備え、
前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記第１状態または前記第２状態における前記磁気状態可変部材の磁化は、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合の影響を受けることを特徴とする磁気測定方法。
【請求項32】
第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、
前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、
前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、
を有する可変磁界検知部、および
前記磁気状態可変部材が前記第１状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第１出力と、前記磁気状態可変部材が前記第２状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第２出力とから、前記測定磁界を算出する磁界算出部
を備える磁気センサを用いた磁気測定方法であって、
前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第１状態として前記第１出力を得る第１測定ステップと、
前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第２状態として前記第２出力を得る第２測定ステップと、
前記磁界算出部において前記第１出力と前記第２出力とから前記測定磁界を算出する磁界算出ステップと、
を備え、
前記第２状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ２は、
前記第１状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ１よりも高く、かつ
前記第１磁性体と前記磁気検知素子との間に位置する第１物質の前記第１方向の透磁率μ０よりも高く、
前記磁気状態変調部材と前記磁気状態可変部材とは前記第１方向に直交する第２方向に積層された磁気制御体を構成し、前記磁気制御体と前記磁気検知素子とは前記第２方向に並んで配置され、
前記磁気状態変調部材は、通電時に前記磁気状態可変部材にスピン軌道トルクを付与するスピントルク生成部を有し、
通電時の前記磁気状態可変部材の磁気状態は、前記スピントルク生成部からの前記スピン軌道トルクに基づき、非通電時の磁気状態と相違することを特徴とする磁気測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサおよび磁気測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
磁界を検出、測定する磁気センサとして、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）効果を用いた磁気抵抗効果素子を備えたものがある。これら磁気センサにおける磁気抵抗効果素子は、固定磁性層と、非磁性中間層と、フリー磁性層とがこの順に積層された構成を備えている。磁気抵抗効果素子では、測定対象の外部磁界が加わるとフリー磁性層の磁化方向が変化し、フリー磁性層の磁化方向と固定磁性層の磁化方向とのなす角に応じた抵抗変化が起こる。磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、磁気抵抗効果素子の抵抗変化を用いて、磁界を検出することができる。
【0003】
磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサには、フィルターでは除去することができない１／ｆノイズがある。１／ｆノイズは周波数に反比例し、低周波数になるほど大きくなるため、高精度の計測を行う際に阻害要因となる可能性がある。このため、１／ｆノイズを除去するために種々の方法が用いられている。
【0004】
特許文献１には、偶関数型の磁気センサにおいて、ある方向（＋Ｘ方向）にバイアス磁界を印加したときの出力と、その反対方向（－Ｘ方向）にバイアス磁界を印加したときの出力との差分を取ることにより１／ｆノイズを除去する磁気センサが開示されている。
【0005】
特許文献２には、半導体サンプルのホール起電力を測定する際に、電極とサンプルとの間に発生するショットキーバリアによるノイズを除去するために、電圧差Ｖｍの周波数帯域を低周波側にシフトさせて、１／ｆノイズの影響を大きく受けている電圧差Ｖｍの周波数帯域を除去する測定装置が開示されている。
【0006】
特許文献３には、２つのサンプリングホールドを切り替えることで第１の電流、第２の電流の各々でブリッジ信号をサンプリングし、サンプリングした第１および第２のブリッジ信号の差から、磁場の値を判定する磁場感知デバイスが開示されている。
【0007】
特許文献４には、出力信号の１／ｆノイズを除去するために変調器でセンサ信号の正負を切り替えて変調した信号の差分を取るセンサ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特開２０１８－１１５９７２号公報
【文献】特開２０２０－１４８７２７号公報
【文献】特表２０１２－５１８７８８号公報
【文献】特表２００９－５４４００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサには、低周波数領域における１／ｆノイズが磁気センサの検出精度を低下させるという問題があり、この問題を解決するために、従来、様々な装置や方法が提案されている。本発明は、従来とは異なる構成により１／ｆノイズを除去して、小さな磁界を高精度で測定することができる、磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサおよび磁気測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、一態様において、第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、を有する可変磁界検知部を備えることを特徴とする磁気センサである。
【0011】
かかる磁気センサでは、磁気状態可変部材が異なる状態にあるときの磁界検知部からの２つの出力を用いることにより、測定対象となる外部磁界である測定磁界を測定したときに、１／ｆノイズが除去された信号を得ることができる。
【0012】
上記の磁気センサは、前記磁気状態可変部材が前記第１状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第１出力と、前記磁気状態可変部材が前記第２状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第２出力とに基づいて、前記測定磁界を算出する磁界算出部をさらに備えてもよい。磁界算出部において１／ｆノイズが除去された信号を算出することができる。
【0013】
上記の磁気センサにおいて、前記第２状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ２は、前記第１状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ１よりも高く、かつ前記第１磁性体と前記磁気検知素子との間に位置する第１物質の前記第１方向の透磁率μ０よりも高くてもよい。
【0014】
このように、第２状態において磁気状態可変部材の実効的な透磁率が周囲の透磁率よりも高いことにより、測定磁界に基づく磁束、すなわち、測定磁界の磁束および第１磁性体が測定磁界を受けて磁化してなる磁束が、磁気状態可変部材に集中しやすくなる。このため、磁気状態可変部材が第２状態にあるときの磁気検知素子の感磁部に到達する磁束の密度と、磁気状態可変部材が第１状態にあるときの磁気検知素子の感磁部に到達する磁束の密度とが相違しやすい。
【0015】
上記の磁気センサの一実施形態（第１実施形態）において、前記可変磁界検知部は、前記磁気検知素子と前記磁気状態可変部材との間に非磁性部材を有し、前記磁気検知素子の感磁部は、前記磁気状態可変部材に対して磁気的に非結合であってもよい。
【0016】
磁気検知素子の感磁部と磁気状態可変部材とが磁気的に非結合である場合には、磁気状態可変部材が測定磁界に基づく磁束を集磁しやすくなる第２状態において、磁気検知素子の感磁部には測定磁界に基づく磁束が到達しにくくなる。
【0017】
上記の磁気センサの他の一実施形態（第２実施形態）において、前記磁気検知素子の感磁部は、前記磁気状態可変部材と磁気的に結合していてもよい。
【0018】
磁気検知素子の感磁部と磁気状態可変部材とが磁気的に結合している場合には、磁気状態可変部材が測定磁界に基づく磁束を集磁しやすくなる第２状態において、磁気検知素子の感磁部にも測定磁界に基づく磁束が到達しやすくなる。
【0019】
上記の磁気センサにおける磁気検知素子と磁気状態可変部材において、前記磁気検知素子と前記磁気状態可変部材とは、前記第１方向に直交する第２方向に並んでいてもよい。この場合において、前記磁気状態可変部材は、前記磁気検知素子の検知中心よりも、前記第１方向で前記第１磁性体に近位な部分を有してもよい。また、前記磁気状態可変部材の前記第１方向の中央と、前記磁気検知素子の検知中心とは、前記第１方向において等しい位置にあってもよく、さらに、前記磁気状態可変部材の前記第１方向の長さは、前記磁気検知素子の前記第１方向の長さよりも長くてもよい。前記第１磁性体は、前記第１方向の長さが、前記第２方向の長さよりも長くてもよい。
【0020】
上記の磁気センサの可変磁界検知部は、前記第１端部から見て、前記磁気検知素子よりも前記第１方向で遠位な第２磁性体をさらに備えてもよい。
【0021】
第１方向で第１磁性体と第２磁性体との間に磁気検知素子が位置することにより、測定磁界に基づく磁束を効率的に磁気検知素子に到達させることができる。
【0022】
この場合において、前記磁気状態可変部材は、前記第２状態において、前記第１磁性体および前記第２磁性体と磁気的に結合するように配置されていてもよい。このとき、測定磁界は、第１磁性体と磁気状態可変部材と第２磁性体とからなり磁気的に結合された部分を優先的に通るため、磁気状態可変部材が第１磁性体または第２磁性体と磁気的に結合していないときとの対比で、磁気検知素子の感磁部に到達する磁束密度の差を大きくすることができる。
【0023】
上記の第１実施形態の磁気センサまたは第２実施形態の磁気センサにおいて、前記磁気状態変調部材と前記磁気状態可変部材とは前記第１方向に直交する第２方向に積層された磁気制御体を構成し、前記磁気制御体と前記磁気検知素子とは前記第２方向に並んで配置されていてもよい。この場合において、前記磁気状態変調部材は、通電時に前記磁気状態可変部材にスピン軌道トルクを付与するスピントルク生成部を有し、通電時の前記磁気状態可変部材の磁気状態は、前記スピントルク生成部からの前記スピン軌道トルクに基づき、非通電時の磁気状態と相違していてもよい。
【0024】
スピン軌道トルクを用いて磁気状態可変部材の磁気状態を変更することにより、第１状態と第２状態との磁気状態の相違の程度を大きくしたり、状態間の切替を容易にしたりすることが実現される。
【0025】
上記のスピン軌道トルクを用いる場合の一具体例（タイプＡ）において、前記可変磁界検知部は、前記磁気状態変調部材が非通電状態であるときに、前記磁気状態可変部材を、前記測定磁界によって磁化が回転しない程度に前記第２方向に沿って磁化するバイアス磁界源を有していてもよい。この場合において、前記磁気状態変調部材が非通電状態のときに前記磁気状態可変部材は前記第１状態であり、前記磁気状態変調部材が通電状態であって前記第２方向に沿う法線を有する第１面の面内方向に電流が流れるときに、前記磁気状態可変部材は前記第２状態であり、前記第２状態において、前記磁気状態可変部材は、前記スピン軌道トルクを受けて、前記測定磁界に基づく磁界により磁化が前記第１面の面内方向に回転可能な程度に、前記電流が流れる向きと反対向きに磁化してもよい。
【0026】
第１状態では、磁気状態可変部材はバイアス磁界により磁化の向きが固定されるため、測定磁界に基づく磁界は、磁気状態可変部材に集中しにくい。これに対し、第２状態では、磁気状態可変部材は測定磁界に基づく磁束により磁化するため、測定磁界に基づく磁束は磁化状態可変部材に集中する。それゆえ、磁気状態可変部材の周囲に位置する磁気検知素子に到達する磁束密度は、第１状態と第２状態とで相違する。
【0027】
この場合において、前記第２状態において、前記磁気状態変調部材に流れる前記電流は、前記第１面の面内方向で前記第１方向に直交する第３方向に沿ってもよい。このとき、ヒステリシスが低減されることがある。
【0028】
タイプＡの具体例において、バイアス磁界源の形態は限定されない。前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合が、前記バイアス磁界源となってもよい。あるいは、前記バイアス磁界源は、通電により誘導磁界を生じるコイルと、永久磁石との少なくとも１つを含んでいてもよく、このとき、前記バイアス磁界源は前記磁気制御体に積層されてもよい。
【0029】
上記のスピン軌道トルクを用いる場合の他の一具体例（タイプＢ）では、前記磁気状態変調部材が通電状態であって前記第１方向に沿う電流が流れるときに、前記磁気状態可変部材は前記第１状態であり、前記第１状態において、前記磁気状態可変部材は、前記スピン軌道トルクを受けて、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に磁化され、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第２状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により回転しにくく、前記磁気状態変調部材が非通電状態のときに前記磁気状態可変部材は前記第２状態であり、前記第２状態において、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第１状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向を向きやすくてもよい。
【0030】
第１状態では、磁気状態可変部材はスピン軌道トルクに基づき磁化の向きが固定されるため、測定磁界に基づく磁界は、磁気状態可変部材に集中しにくい。これに対し、第２状態では、磁気状態可変部材は測定磁界に基づく磁束により磁化するため、測定磁界に基づく磁束は磁化状態可変部材に集中する。それゆえ、磁気状態可変部材の周囲に位置する磁気検知素子に到達する磁束密度は、第１状態と第２状態とで相違する。
【0031】
タイプＢの具体例において、前記可変磁界検知部は、前記磁気状態可変部材にバイアス磁界を付与するバイアス磁界源を有してもよい。バイアス磁界源は、タイプＡの具体例と同様に様々な形態を取りうる。この場合において、前記第２状態において前記磁気状態可変部材が受ける前記バイアス磁界は、前記第２方向に沿う法線を有する第１面の面内方向に沿い、前記測定磁界に基づく磁束により前記磁気状態可変部材の磁化が回転可能な程度であればよい。
【0032】
第２状態においてバイアス磁界が磁気状態可変部材に印加されることにより、ヒステリシスが低減される。
【0033】
前記バイアス磁界は、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に沿うことにより、ヒステリシスの低減がより安定的に実現される。
【0034】
上記のスピン軌道トルクを用いる場合の別の一具体例（タイプＣ）では、前記磁気状態変調部材が通電状態であって前記第１方向に沿う電流が流れるときに、前記磁気状態可変部材は前記第１状態であり、前記第１状態において、前記磁気状態可変部材は、前記スピン軌道トルクを受けて、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向および前記第２方向に磁化され、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第２状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により回転しにくく、前記磁気状態変調部材が非通電状態のときに前記磁気状態可変部材は前記第２状態であり、前記第２状態において、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第１状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向を向きやすくてもよい。
【0035】
第１状態では、磁気状態可変部材はスピン軌道トルクに基づき磁化の向きが固定されるため、測定磁界に基づく磁界は、磁気状態可変部材に集中しにくい。これに対し、第２状態では、磁気状態可変部材は測定磁界に基づく磁束により磁化するため、測定磁界に基づく磁束は磁化状態可変部材に集中する。それゆえ、磁気状態可変部材の周囲に位置する磁気検知素子に到達する磁束密度は、第１状態と第２状態とで相違する。
【0036】
タイプＣの具体例において、前記可変磁界検知部は、前記磁気状態可変部材にバイアス磁界を付与するバイアス磁界源を有してもよい。この場合におけるバイアス磁界源の形態はタイプＡの具体例と同様である。また、バイアス磁界の印加方向やその強さについては、タイプＢの具体例と同様であり、具体的には、前記バイアス磁界は、前記第２方向に沿う法線を有する第１面の面内方向に沿い、前記測定磁界に基づく磁束により前記磁気状態可変部材の磁化が回転可能な程度であってもよいし、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に沿っていてもよい。
【0037】
本発明は、他の一態様において、第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、を有する可変磁界検知部、および前記磁気状態可変部材が前記第１状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第１出力と、前記磁気状態可変部材が前記第２状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第２出力とから、前記測定磁界を算出する磁界算出部を備える磁気センサを用いた磁気測定方法である。かかる磁気測定方法は、前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第１状態として前記第１出力を得る第１測定ステップと、前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第２状態として前記第２出力を得る第２測定ステップと、前記磁界算出部において前記第１出力と前記第２出力とから前記測定磁界を算出する磁界算出ステップと、を備える。
【0038】
第１測定ステップにおいて取得した第１出力と、第２測定ステップにおいて取得した第２出力とに基づいて、磁界算出ステップにおいて測定磁界を算出することにより、磁気抵抗効果素子の１／ｆノイズが除去された測定磁界が得られる。例えば、磁界算出ステップにおいて第１出力と第２出力との差分を用いることにより、第１出力から１／ｆノイズを取り除くことができる。
【発明の効果】
【0039】
本発明によれば、測定磁界から１／ｆノイズを除去できるため、小さな磁界を高精度で測定可能な、磁気分解能が高い磁気センサおよび磁気測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】本発明の一実施形態に係る磁気センサのブロック図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁界検知部の説明図である。
【図3A】本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）を説明する図である。
【図3B】本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）を説明する図である。
【図4】本発明の第１実施形態に係る磁気センサを用いた磁気測定方法を説明するフローチャートである。
【図5】本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部の好適例の説明図である。
【図6】本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部の好適例の他の例の説明図である。
【図7】本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部の好適例の別の例の説明図である。
【図8】本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部の変形例の説明図である。
【図9】本発明の第２実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）を説明する図である。
【図10】本発明の第２実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）の好適例を説明する図である。
【図11A】可変磁界検知部がタイプＡ、かつ第１実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に非結合）の構成を有する実施例（実施例１－１）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。
【図11B】実施例１－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【図12A】実施例１－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。
【図12B】実施例１－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【図13A】可変磁界検知部がタイプＡ、かつ第２実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に結合）の構成を有する実施例（実施例１－２）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。
【図13B】実施例１－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【図14A】実施例１－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。
【図14B】実施例１－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【図15A】可変磁界検知部がタイプＢ、かつ第１実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に非結合）の構成を有する実施例（実施例２－１）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。
【図15B】可変磁界検知部実施例２－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【図16A】実施例２－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。
【図16B】実施例２－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【図17A】可変磁界検知部がタイプＢ、かつ第２実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に結合）の構成を有する実施例（実施例２－２）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。
【図17B】実施例２－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【図18A】実施例２－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。
【図18B】実施例２－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【図19A】可変磁界検知部がタイプＣ、かつ第１実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に非結合）の構成を有する実施例（実施例３－１）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。
【図19B】実施例３－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【図20A】実施例３－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。
【図20B】実施例３－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【図21A】可変磁界検知部がタイプＣ、かつ第２実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に結合）の構成を有する実施例（実施例３－２）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。
【図21B】実施例３－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【図22A】実施例３－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。
【図22B】実施例３－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【図23】可変磁界検知部実施例２－１の変形例に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0041】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。各図面において同じ部材には同じ番号を付して、説明を省略する。各部材の位置関係を示すために、適宜、各図に基準座標を示す。
【0042】
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気センサのブロック図である。図２は、本発明の一実施形態に係る磁気センサが備える磁界検知部の説明図である。本実施形態の磁気センサ１は、磁界検知部２、制御用電源３、磁界算出部４およびアンプ５、アナログ－デジタル変換回路（Ａ／Ｄ変換回路６）および制御部７を備えている。制御部７は、磁気センサ１を構成する各部を制御するものであり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）やプログラム等として構成される。
【0043】
磁界検知部２は、測定対象としての外部磁界を検知するものである。図２に示されるように、Ｘ方向に沿う磁界を測定する磁気検知素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄにより構成されたフルブリッジ回路１５などにより磁界検知部２が構成される。本実施形態では、磁界検知部２は、磁気検知素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄのそれぞれに対応して、可変磁界検知部１００ａ、１００ｂ、１００ｃおよび１００ｄを有する。制御用電源３は、制御部７からの制御信号に基づき、各部に所定の電流を印加したり所定の電圧を印加したりする。
【0044】
磁界算出部４は、磁界検知部２の出力に基づいて測定対象となる外部磁界（測定磁界Ｈ）を算出するものであり、例えば、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling）回路などで構成される。磁界算出部４は、後述する磁気状態可変部材４０の磁気状態が第１状態にあるときの可変磁界検知部１００ａ、１００ｂ、１００ｃおよび１００ｄからの第１の出力と、磁気状態可変部材４０の磁気状態が第２状態にあるときの可変磁界検知部１００ａ、１００ｂ、１００ｃおよび１００ｄからの第２の出力とに基づいて、測定磁界Ｈを算出する。例えば、第１の出力に基づく信号と第２の出力に基づく信号との差を求めることにより、第１の出力から１／ｆノイズを取り除くことができる。
【0045】
磁気センサ１では、磁界算出部４が測定磁界Ｈを算出した後、算出した測定磁界Ｈに対応する信号をアンプ５で増幅した後に、Ａ／Ｄ変換回路６によりデジタルデータに変換する。
【0046】
本発明の一実施形態に係る磁気センサ１の磁界検知部２が備える４つの磁気検知素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄは、同一基板（１チップ）上に設けられていてもよい。本実施形態では、４つの磁気検知素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄは図示しない同一基板上に設けられており、図２は、磁気センサ１の磁界検知部２を、基板の法線方向で基板の積層面（おもて面）側から見た図である。すなわち、図２において、Ｚ１側が基板のおもて面側であり、Ｚ２側が基板の裏面側である。なお、Ｚ方向は磁気検知素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄの積層方向に沿う。
【0047】
磁界検知部２は、電源給電点である電源端子Ｖｄｄとグランド端子ＧＮＤとの間に、いずれもＹ方向に延在する磁気検知素子１０ａおよび磁気検知素子１０ｂとが直列に接続されてなる第１ハーフブリッジ回路と、いずれもＹ方向に延在する磁気検知素子１０ｃおよび磁気検知素子１０ｄとが直列に接続されてなる第２ハーフブリッジ回路とが、並列に接続されたフルブリッジ回路１５を有する。
【0048】
第１ハーフブリッジ回路は、磁気検知素子１０ａと磁気検知素子１０ｂとの間に、出力端子Ｖ１を備えている。また、第２ハーフブリッジ回路は、磁気検知素子１０ｃと磁気検知素子１０ｄとの間に、出力端子Ｖ２を備えている。これらの２つの出力端子Ｖ１、Ｖ２から出力の電位差（第１ハーフブリッジ回路の中点電位Ｖａ－第２ハーフブリッジ回路の中点電位Ｖｂ）により、測定磁界Ｈとして外部から印加された外部磁場の大きさを定量的に測定できる。なお、本実施形態では、出力端子Ｖ１からの中点電位Ｖａを含む第１信号および出力端子Ｖ２からの中点電位Ｖｂを含む第２信号が磁界検知部２から出力され、磁界算出部４が行う処理は、これらの第１信号および第２信号を入力として、中点電位差の算出を行うことを含む。
【0049】
第１ハーフブリッジ回路を形成している一対の磁気検知素子１０ａ、１０ｂでは、固定磁性層１１（図３Ａ参照。）の磁化１１ｍは、図２において白抜き矢印で示されるように、この順にＸ２向きおよびＸ１向きである。また、第２ハーフブリッジ回路を形成している一対の磁気検知素子１０ｃ、１０ｄでは、図２において白抜き矢印で示されるように、固定磁性層１１の磁化１１ｍは、この順にＸ１向きおよびＸ２向きである。
【0050】
第１ハーフブリッジ回路と第２ハーフブリッジ回路とでは、電源端子Ｖｄｄ側の磁気検知素子１０ｂと磁気検知素子１０ｄとの固定磁性層１１の磁化１１ｍが反対向き（反平行）である。また、グランド端子ＧＮＤ側の磁気検知素子１０ａと磁気検知素子１０ｃとの固定磁性層１１の磁化１１ｍが反対向き（反平行）である。したがって、磁気検知素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄの感度軸方向はＸ方向であり、本明細書において「第１方向」ともいう。また、Ｚ方向を「第２方向」ともいい、Ｙ方向を「第３方向」ともいう。
【0051】
そして、４つの磁気検知素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄは、測定磁界Ｈが印加されていない状態における、フリー磁性層１３（図３Ａ参照。）の磁化１３ｍの向きが等しく、図２において黒矢印で示されるように、Ｙ方向Ｙ２向き（以下、「Ｙ２向き」と略記する。他の方向の向きについても同様とする。）に沿っている。測定磁界Ｈが印加されていない状態におけるフリー磁性層１３の磁化１３ｍの向きを揃える方法は限定されない。外部からバイアス磁界を印加してもよいし、フリー磁性層１３と相互作用する反強磁性層との交換結合を用いてもよい。
【0052】
上述した構成により、Ｘ方向の測定磁界Ｈの大きさの変化に伴い、第１ハーフブリッジ回路からの出力端子Ｖ１と第２ハーフブリッジ回路からの出力端子Ｖ２とでは、出力が逆方向に変化する。このため、２つの出力端子Ｖ１、Ｖ２の電位差として、大きな出力が得られる。したがって、磁気センサ１は測定磁界Ｈを高精度で検知することができる。なお、フルブリッジ回路１５に代えて、第１ハーフブリッジ回路または第２ハーフブリッジ回路を用いることもできるし、磁気検知素子１０ａを単独で用いることもできる。
【0053】
図２に示されるように、本実施形態に係る磁気センサ１は、磁気検知素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに対応して、周囲の磁気的環境を変化させて測定磁界Ｈを測定する可変磁界検知部１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄを備える。以下、可変磁界検知部１００ａを具体例として説明する。
【0054】
（第１実施形態）
図３Ａは、本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）を説明する図である。可変磁界検知部１００ａは、第１方向に沿う測定磁界Ｈにより磁化する第１磁性体３１および第２磁性体３２と、第１方向で第１磁性体３１と第２磁性体３２との間に位置する磁気検知素子１０ａと、磁気状態が変化可能な磁気状態可変部材４０と、磁気状態可変部材４０の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材２０と、を備える。本明細書において、磁気状態可変部材４０などの磁性部材について用いられる「磁化」なる用語が意味する概念は、強磁性体の磁化とは異なる物理現象（例えば、反強磁性体のトポロジカル的性質に基づき生じる仮想磁場）に基づき部材の内部に磁界が生じることも含む。
図３Ａは、本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）を説明する図である。可変磁界検知部１００ａは、第１方向に沿う測定磁界Ｈにより磁化する第１磁性体３１および第２磁性体３２と、第１方向で第１磁性体３１と第２磁性体３２との間に位置する磁気検知素子１０ａと、磁気状態が変化可能な磁気状態可変部材４０と、磁気状態可変部材４０の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材２０と、を備える。本明細書において、磁気状態可変部材４０などの磁性部材について用いられる「磁化」なる用語が意味する概念は、強磁性体の磁化とは異なる物理現象（例えば、反強磁性体のトポロジカル的性質に基づき生じる仮想磁場）に基づき部材の内部に磁界が生じることも含む。
【0055】
第１磁性体３１および第２磁性体３２は、第１方向に沿う測定磁界Ｈにより第１方向に磁化することができる限り、いかなる材料から構成されていてもよい。具体例として、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）などの磁性材料が挙げられる。第１磁性体３１および第２磁性体３２は、第１方向の測定磁界Ｈを集め磁化する集磁体（ヨーク）として機能する。図３Ａに示されるように、測定磁界Ｈが第１方向の一方側の向き、具体的にはＸ１向きの場合には、測定磁界Ｈは第１磁性体３１により集磁されて第１磁性体３１を磁化するため、第１磁性体３１には測定磁界Ｈよりも高い密度の磁束（以下、「測定磁束Φ」ともいう。）が生成し、この測定磁束Φは、第１磁性体３１の第１の向き側（Ｘ１側）の端部である第１端部３１１から第１の向きに放出される。第１磁性体３１および第２磁性体３２の周囲に位置する第１物質から構成される絶縁体５０の透磁率μ０は、第１磁性体３１および第２磁性体３２の透磁率よりも十分に低いので、第１端部３１１から第１の向きに放出された測定磁束Φは、第１物質内で第２方向および第３方向にも拡散するが、第２磁性体３２のＸ２側の端部へと収束する。
【0056】
磁気検知素子１０ａは、第１磁性体３１の第１の向き側（Ｘ１側）の端部である第１端部３１１よりも第１の向きに位置し、第１方向に沿う感度軸を有する。磁気検知素子１０ａの具体例として、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）やトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子などの磁気抵抗効果素子、ホール素子などが例示される。図３Ａには、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子を磁気検知素子１０ａの具体例として示している。磁気検知素子１０ａは第１磁性体３１および第２磁性体３２の間に位置する。換言すれば、第２磁性体３２は、第１磁性体３１の第１端部３１１から見て、磁気検知素子１０ａよりも第１方向（Ｘ方向）で遠位に設けられる。第１磁性体３１および第２磁性体３２は、第１方向（Ｘ方向）の測定磁界Ｈを集磁し、第１磁性体３１と第２磁性体３２との間の磁束密度を高めるため、磁気検知素子１０ａは第１磁性体３１および第２磁性体３２が設けられていない場合よりも磁気分解能が高い。
【0057】
巨大磁気抵抗効果素子からなる磁気検知素子１０ａは、固定磁性層１１と、フリー磁性層１３と、固定磁性層１１とフリー磁性層１３との間に形成された中間層１２とを有する。固定磁性層１１は、例えば、ＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）などの磁性材料を用いて構成される。中間層１２は、例えば、Ｃｕなどの非磁性材料を用いて構成される。フリー磁性層１３は、例えば、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）などの軟磁性材料を用いて構成され、単層構造、積層構造、積層フェリ構造などとして形成される。なお、磁気検知素子１０ａがトンネル磁気抵抗効果素子からなる場合には、中間層１２は、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、酸化チタンなどにより構成される絶縁障壁層である。
【0058】
磁気検知素子１０ａの抵抗値は、磁化１１ｍの向きが固定された固定磁性層１１と、外部磁場により磁化１３ｍの向きや大きさが変わる感磁部であるフリー磁性層１３との磁化の向きの相対関係によって変化する。磁気センサ１の可変磁界検知部１００ａは、磁気検知素子１０ａの抵抗値の変化に基づいて、外部磁場の向きと強さとを測定することができる。本実施形態では、フリー磁性層１３は磁気検知素子１０ａのＺ２側に位置し、磁気検知素子１０ａの検知中心１０Ｐはフリー磁性層１３の中心に位置する。
【0059】
磁気状態可変部材４０は、実効的な透磁率と磁化４０ｍの向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る部材であって、磁気状態変調部材２０によって磁気状態が制御される。磁気状態可変部材４０は、第１磁性体３１の第１端部３１１よりも第１の向き側（Ｘ１側）に位置し、図３Ａに示される例では、第１方向で、第１磁性体３１と第２磁性体３２との間に位置する。
【0060】
なお、反強磁性体からなる磁気状態可変部材４０の比透磁率は１程度またはそれ以下であるが、前述のように磁気状態可変部材４０の内部には外部磁界よりも高い磁界が発生する場合がある。この場合には、磁気状態可変部材４０は外部磁界をその内部に集める集磁現象が生じるものの、反強磁性体としての性質から、磁気状態可変部材４０の内部に生じた磁界が磁気状態可変部材４０と磁気的に結合されていない部材に漏れ出すことはない。そこで、本明細書では、磁気状態可変部材４０の「実効的な透磁率」を、所定方向の外部磁界を受けたときの集磁機能に基づき評価する。例えば、磁気状態可変部材４０の周囲の比透磁率が１である場合において、磁気状態可変部材４０が、第１方向に沿う成分を有する外部磁界を受けたときにさらに外部磁界を集める機能を有する場合には、磁気状態可変部材４０の第１方向の実効的な比透磁率は１を超えると判断する。したがって、上記のように磁気状態可変部材４０が第１方向の実効的な比透磁率が１を超える場合には、磁気状態可変部材４０の集磁機能により、その周囲の磁束密度は低下することになる。
【0061】
一具体例において、磁気状態可変部材４０は、第２状態の第１方向（Ｘ方向）の実効的な透磁率μ２が、第１状態の第１方向（Ｘ方向）の実効的な透磁率μ１よりも高い。また、第２状態の第１方向（Ｘ方向）の実効的な透磁率μ２は、第１磁性体３１と磁気検知素子１０ａとの間に位置する第１物質の第１方向（Ｘ方向）の透磁率μ０よりも高い。本実施形態では、第１物質として、絶縁体５０が位置している。
【0062】
第１実施形態では、磁気状態可変部材４０と磁気状態変調部材２０とは第２方向（Ｚ方向）に積層されて磁気制御体６０を構成し、磁気制御体６０と磁気検知素子１０ａとの間には非磁性部材４１が設けられ、非磁性部材４１により、磁気制御体６０の磁気状態可変部材４０と磁気検知素子１０ａのフリー磁性層１３とは磁気的に非結合となっている。
【0063】
（第１状態）
図３Ａに示されるように、測定磁界Ｈはヨークとして機能する第１磁性体３１に集磁され、この磁界によって第１磁性体３１は磁化され、第１磁性体３１の第１端部３１１から測定磁束Φが放出される。第１状態では、磁気状態可変部材４０のＸ方向の実効的な透磁率μ１は、絶縁体５０の透磁率μ０と大差ない。このため、測定磁束Φは、第１磁性体３１の第１端部３１１から、Ｘ１向きの成分を有しつつ第２方向（Ｚ方向）および第３方向（Ｙ方向）の成分を有するように拡散して放出される。その後、第１磁性体３１と第２磁性体３２との間で、第２方向および第３方向の成分が小さくなるように収束して、第１磁性体３１よりもＸ１側に位置する第２磁性体３２に至る。こうして拡散および収束する測定磁束Φの一部が磁気検知素子１０ａのフリー磁性層１３に到達し、磁気検知素子１０ａより測定される。
図３Ａに示されるように、測定磁界Ｈはヨークとして機能する第１磁性体３１に集磁され、この磁界によって第１磁性体３１は磁化され、第１磁性体３１の第１端部３１１から測定磁束Φが放出される。第１状態では、磁気状態可変部材４０のＸ方向の実効的な透磁率μ１は、絶縁体５０の透磁率μ０と大差ない。このため、測定磁束Φは、第１磁性体３１の第１端部３１１から、Ｘ１向きの成分を有しつつ第２方向（Ｚ方向）および第３方向（Ｙ方向）の成分を有するように拡散して放出される。その後、第１磁性体３１と第２磁性体３２との間で、第２方向および第３方向の成分が小さくなるように収束して、第１磁性体３１よりもＸ１側に位置する第２磁性体３２に至る。こうして拡散および収束する測定磁束Φの一部が磁気検知素子１０ａのフリー磁性層１３に到達し、磁気検知素子１０ａより測定される。
【0064】
（第２状態）
図３Ｂは本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）を説明する図である。第２状態では、磁気状態可変部材４０のＸ方向の実効的な透磁率μ２は、絶縁体５０の透磁率μ０よりも高い。このため、第１端部３１１から放出される測定磁束Φは、磁気状態可変部材４０を優先的に通る。この測定磁束Φの磁気状態可変部材４０への集中により、フリー磁性層１３に到達する測定磁束Φの密度は、第１状態との対比で低下し、磁気状態可変部材４０の近傍に位置する磁気検知素子１０ａでは、測定磁束Φの測定感度が低下する。したがって、第２状態における可変磁界検知部からの第２出力は、第１状態における第１出力との対比で、ノイズ信号の強度は等しいが、測定磁束Φに基づく信号強度が低下する。なお、図３Ｂには磁気状態可変部材４０は反強磁性体からなる場合が示されている。このため、第１磁性体３１から磁気状態可変部材４０に入った測定磁束Φは、磁気状態可変部材４０から漏れ出すことはない。磁気状態可変部材４０が強磁性体からなる場合には、磁気状態可変部材４０のＸ１側の端部が測定磁束Φに基づく磁束は、第２磁性体３２を通り、第２磁性体３２のＸ１側から放出される。
図３Ｂは本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）を説明する図である。第２状態では、磁気状態可変部材４０のＸ方向の実効的な透磁率μ２は、絶縁体５０の透磁率μ０よりも高い。このため、第１端部３１１から放出される測定磁束Φは、磁気状態可変部材４０を優先的に通る。この測定磁束Φの磁気状態可変部材４０への集中により、フリー磁性層１３に到達する測定磁束Φの密度は、第１状態との対比で低下し、磁気状態可変部材４０の近傍に位置する磁気検知素子１０ａでは、測定磁束Φの測定感度が低下する。したがって、第２状態における可変磁界検知部からの第２出力は、第１状態における第１出力との対比で、ノイズ信号の強度は等しいが、測定磁束Φに基づく信号強度が低下する。なお、図３Ｂには磁気状態可変部材４０は反強磁性体からなる場合が示されている。このため、第１磁性体３１から磁気状態可変部材４０に入った測定磁束Φは、磁気状態可変部材４０から漏れ出すことはない。磁気状態可変部材４０が強磁性体からなる場合には、磁気状態可変部材４０のＸ１側の端部が測定磁束Φに基づく磁束は、第２磁性体３２を通り、第２磁性体３２のＸ１側から放出される。
【0065】
図４は、本発明の第１実施形態に係る磁気センサを用いた磁気測定方法を説明するフローチャートである。図４に示されるように、まず、第１測定ステップとして、制御部７から出力された制御信号により、制御用電源３から、磁界検知部２が備える可変磁界検知部１００ａ～１００ｄのそれぞれが有する磁気状態可変部材４０の磁気状態を第１状態とするための信号が出力され、磁気状態可変部材４０を第１状態として磁気検知素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄにより測定を行い、可変磁界検知部１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄのそれぞれから第１出力を得る。これらの信号により、磁界検知部２から第１信号（出力端子Ｖ１からの中点電位Ｖａを含む信号）および第２信号（出力端子Ｖ２からの中点電位Ｖｂを含む信号）が出力される（ステップＳ１０１）。磁界検知部２から出力されたこれらの２つの信号は、磁界算出部４に入力され、それらの信号のまま、あるいは２つの信号の差である中点電位差の信号として、磁界算出部４または図示しないメモリに格納される。
【0066】
次に、第２測定ステップとして、制御部７から出力された制御信号により、制御用電源３から、磁界検知部２が備える可変磁界検知部１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄのそれぞれが有する磁気状態可変部材４０の磁気状態を第２状態とするための信号が出力され、磁気状態可変部材４０を第２状態にして磁気検知素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄにより測定を行い、可変磁界検知部１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄのそれぞれから第２出力を得る。これらの信号により、磁界検知部２から第１信号および第２信号が出力される（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０１およびステップＳ１０２の測定時間は、いずれも１秒間よりも十分に短い時間（例えば０．３秒間）であり、ステップＳ１０１およびステップＳ１０２に要する時間も１秒間よりも十分に短い（例えば０．７秒間）。このため、ステップＳ１０１とステップＳ１０２とは、１／ｆノイズが実質的に等しい環境で行われ、第１出力に含まれる１／ｆノイズと、第２出力に含まれる１／ｆノイズとは、実質的に等しい。磁界検知部２から出力された２つの信号は、磁界算出部４に入力され、それらの信号のまま、あるいは２つの信号の差である中点電位差の信号として、磁界算出部４または図示しないメモリに格納される。
【0067】
続いて、磁界算出部４は、ステップＳ１０１およびステップＳ１０２により磁界算出部４または図示しないメモリに格納された、第１出力に基づく信号（第１状態の中点電位差を含む信号）と第２出力に基づく信号（第２状態の中点電位差を含む信号）との差を求める処理を、磁界算出ステップとして行う（ステップＳ１０３）。なお、磁界算出部４または図示しないメモリに格納された信号が、中点電位差を求める前の第１信号および第２信号である場合には、磁界算出部４は、第１状態の第１信号と第２信号との差を求める処理を行って第１状態の中点電位差を含む信号を得るとともに、第２状態の第１信号と第２信号との差を求める処理を行って第２状態の中点電位差を含む信号を得て、さらにこれらの２つの中点電位差を含む信号の差分を求める処理を、磁界算出ステップとして行う。磁界算出部４が上記の処理を実行することより、１／ｆノイズが適切に除去された測定信号が得られる。この測定信号を、アンプ５で増幅し、Ａ／Ｄ変換回路６にてデジタル信号に変換する。それゆえ、本実施形態に係る磁気センサ１を用いた磁気測定方法により得られる測定信号は、１／ｆノイズが適切に除去されているため、第１出力に基づく信号（第１状態の中点電位差を含む信号）や第２出力に基づく信号（第２状態の中点電位差を含む信号）よりも、測定磁束Φに基づく信号の分解能（磁気分解能）が高い。
【0068】
なお、本実施形態では、磁界検知部２がフルブリッジ回路１５を有するため、磁界算出部４において差を求める処理の対象となる信号は、第１出力に基づく第１状態の中点電位差の信号および第２出力に基づく第２状態の中点電位差の信号であるが、磁界算出部４の処理対象となる信号は、磁界検知部２からの出力信号に応じて適宜設定される。例えば、磁界検知部２が可変磁界検知部１００ａを１つのみ有する場合には、磁界算出部４では、可変磁界検知部１００ａからの第１信号と第２信号との差が求められることになる。
【0069】
（配置関係）
磁気検知素子１０ａと磁気状態可変部材４０との配置関係は、第１出力に含まれる測定磁束Φに基づく信号と第２出力に含まれる測定磁束Φに基づく信号との相違の程度が大きくなるように設定されることが好ましい。
磁気検知素子１０ａと磁気状態可変部材４０との配置関係は、第１出力に含まれる測定磁束Φに基づく信号と第２出力に含まれる測定磁束Φに基づく信号との相違の程度が大きくなるように設定されることが好ましい。
【0070】
この観点から、磁気検知素子１０ａと磁気状態可変部材４０とは、第１方向（Ｘ方向）に直交する第２方向（Ｚ方向）に並んでいてもよい。この配置関係を有する場合には、磁気状態可変部材４０の磁気状態の変化が磁気検知素子１０ａの検知中心１０Ｐに到達する測定磁束Φの強さの変化として現れやすい。
【0071】
磁気状態可変部材４０は、磁気検知素子１０ａの検知中心１０Ｐよりも、第１方向（Ｘ方向）で第１磁性体３１に近位な部分を有することが好ましい。この配置関係を有する場合には、第２状態において、第１端部３１１から放出された測定磁束Φは、第１方向で相対的に近位な磁気状態可変部材４０に到達しやすいため、第２状態にある磁気状態可変部材４０への磁束の集中が効率的に行われる。この観点から、磁気状態可変部材４０の第１方向の長さは、磁気検知素子１０ａの第１方向（Ｘ方向）の長さよりも長いことが好ましい。
【0072】
磁気状態可変部材４０の第１方向（Ｘ方向）の中央と、磁気検知素子１０ａの検知中心１０Ｐとは、第１方向（Ｘ方向）において等しい位置にあることが好ましい。この配置関係を有する場合には、第１状態にある磁気状態可変部材４０が磁気検知素子１０ａに及ぼしうる第１方向（Ｘ方向）の磁束と、第２状態にある磁気状態可変部材４０が磁気検知素子１０ａに及ぼしうる第１方向の磁束とが等しくなりやすい。このため、第１出力に含まれるノイズ信号と第２出力に含まれるノイズ信号との相関が高くなり、磁界算出部４において得られた測定信号におけるノイズ除去効率が高くなることが期待される。なお、測定信号におけるノイズ除去効率を安定的に高める観点および磁気状態可変部材４０の動作安定性を高める観点から、磁気状態可変部材４０の中央と、磁気状態変調部材２０の中央とは、第１方向（Ｘ方向）において等しいことが好ましい場合がある。
【0073】
磁気状態可変部材４０の第１方向（Ｘ方向）の長さは、磁気検知素子１０ａの第１方向（Ｘ方向）の長さよりも長いことが好ましい。この配置関係を有する場合には、磁気状態可変部材４０のＸ２側の一部は、第１方向（Ｘ方向）において、第１端部３１１と磁気検知素子１０ａとの間に位置するため、磁気検知素子１０ａに到達する磁束密度は、磁気状態可変部材４０の磁気状態の影響を受けやすい。
【0074】
磁気検知素子１０ａに到達する磁束密度が磁気状態可変部材４０の磁気状態の影響を受けやすくなることをより安定的に実現する観点から、磁気状態可変部材４０は、第２状態において、第１磁性体３１と第２磁性体３２とが磁気的に結合するように配置されていることが好ましい。図５は、本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部の好適例の説明図である。図５に示される例では、第２方向（Ｚ方向）から見て、磁気状態可変部材４０は、第２状態において、第１磁性体３１および第２磁性体３２と磁気的に結合するように配置されている。具体的には、磁気状態可変部材４０は、第１磁性体３１と重なる部分および第２磁性体３２と重なる部分を有している。このため、図５に示されるように、第１磁性体３１が磁化して生じた測定磁束Φは、磁気状態可変部材４０と第１磁性体３１との磁気的結合部から、ほぼ直接的に第２状態にある磁気状態可変部材４０に流れ込み、磁気状態可変部材４０と第１磁性体３１との磁気的結合部から、ほぼ直接的に第２磁性体３２へと流れ出る。このため、測定磁束Φは磁気検知素子１０ａに到達する成分を実施的に有さず、磁気検知素子１０ａではノイズ信号のみが測定されやすくなる。
【0075】
図６は、本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部の好適例の他の例の説明図である。図６に示される構成では、図５に示される構成との対比で、磁気検知素子１０ａの構成要素の配置がＺ方向において逆転している。すなわち、図５では、磁気検知素子１０ａのフリー磁性層１３は磁気制御体６０に近位な側（Ｚ２側）に位置するが、図６では、磁気検知素子１０ａの固定磁性層１１が磁気制御体６０に近位な側（Ｚ２側）に位置する。このため、図６に示される構成では、図５に示される構成よりも、磁気検知素子１０ａの検知中心１０Ｐが、第１磁性体３１や第２磁性体３２の第２方向（Ｚ方向）の中心に近い。それゆえ、第１状態において磁気検知素子１０ａの検知中心１０Ｐに到達する測定磁束Φは、Ｘ１向きの成分の強度が相対的に高くなることが期待される。
【0076】
図７は、本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部の好適例の別の例の説明図である。図７に示される構成では、図５に示される構成との対比で、磁気検知素子１０ａと磁気制御体６０との第２方向（Ｚ方向）の配置関係が逆転している。すなわち、図５では、磁気検知素子１０ａは磁気制御体６０よりもＺ１側に位置するが、図７では、磁気検知素子１０ａは磁気制御体６０よりもＺ２側に位置する。このため、図７に示される構成では、図５に示される構成よりも、磁気検知素子１０ａの検知中心１０Ｐが、第１磁性体３１や第２磁性体３２の第２方向（Ｚ方向）の中心から遠い。それゆえ、第２状態において、磁気検知素子１０ａの検知中心１０Ｐに到達する測定磁束Φの強度が特に低くなることが期待される。また、第１端部３１１から見て、磁気検知素子１０ａは磁気制御体６０の陰に位置することから、測定磁束Φの一部が第１端部３１１から絶縁体５０に放出されたとしても、磁気制御体６０が磁気的遮蔽となるため、その磁束は磁気検知素子１０ａには到達しにくくなる。それゆえ、第２状態において、磁気検知素子１０ａではノイズ信号のみが測定されやすくなる。
【0077】
図８は、本発明の第１実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部の変形例の説明図である。測定磁界Ｈの向きが一方に限定される場合には、第１磁性体３１と第２磁性体３２との一方を省略することができる。例えば、測定磁界Ｈの向きが第１の向きのみである場合には、図８に示されるように、第２磁性体３２を省略しても、第２状態において測定磁束Φが磁気検知素子１０ａの検知中心１０Ｐに到達しにくくなるようにすることが安定的に実現される。なお、図８には磁気状態可変部材４０が反強磁性体からなる場合が示されている。
【0078】
なお、測定磁界Ｈが第１方向（Ｘ方向）の磁界である場合には、第１磁性体３１の第１方向（Ｘ方向）の長さは、第２方向（Ｚ方向）の長さよりも長いことが好ましい。長さの関係が逆（第１方向の長さ＜第２方向の長さ）の場合には、第２方向（Ｚ方向）の磁界を検出する可能性が高くなる。
【0079】
（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）を説明する図である。第２実施形態では、第１実施形態との対比で、非磁性部材４１は設けられておらず、磁気状態可変部材４０とフリー磁性層１３とは磁気的に結合している。このため、第２実施形態では、第２状態において、磁気状態可変部材４０は、実質的にフリー磁性層１３として機能する。このため、第２状態では、磁気検知素子１０ａの検出感度は磁気状態可変部材４０の磁気的状態の影響を直接的に受ける。
図９は、本発明の第２実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）を説明する図である。第２実施形態では、第１実施形態との対比で、非磁性部材４１は設けられておらず、磁気状態可変部材４０とフリー磁性層１３とは磁気的に結合している。このため、第２実施形態では、第２状態において、磁気状態可変部材４０は、実質的にフリー磁性層１３として機能する。このため、第２状態では、磁気検知素子１０ａの検出感度は磁気状態可変部材４０の磁気的状態の影響を直接的に受ける。
【0080】
例えば、第２状態において磁気状態可変部材４０の第１方向の実効的な透磁率μ２は周囲の絶縁体５０の透磁率μ０よりも高くなるため、図９に示されるように、測定磁束Φは磁気状態可変部材４０に優先的に集中する。この場合には、磁気状態可変部材４０において磁化してＸ１向きに進む測定磁束Φの一部は、磁気状態可変部材４０と磁気的に結合するフリー磁性層１３も通り、その向きはＸ１向きの成分を有する。それゆえ、第２実施形態では、第１状態よりも第２状態において、フリー磁性層１３に到達する測定磁束Φの強度が高くなる場合がある。
【0081】
これに対し、第１状態では、磁気状態可変部材４０の第１方向の実効的な透磁率μ１は周囲の絶縁体５０の透磁率μ０と同等であるから、磁気状態可変部材４０による測定磁束Φの集磁の程度は第２状態よりも低い。このため、測定磁束Φが磁気状態可変部材４０と磁気的に結合するフリー磁性層１３に到達したとしても、その磁束密度は第２状態の場合よりも低くなる。
【0082】
このように、第２実施形態では、測定磁束Φは、第１状態よりも第２状態において、フリー磁性層１３に到達しやすくなる。したがって、第２実施形態では、第２状態において得られた第２出力から第１状態において得られた第１出力を差し引くことによって、ノイズ信号が除去された測定信号を得ることができる。
【0083】
第２実施形態では、磁気状態可変部材４０とフリー磁性層１３とは磁気的に結合するため、磁気状態可変部材４０とフリー磁性層１３とが共通の材料から構成され、１つの部材（可変フリー磁性層）が磁気状態可変部材４０の機能とフリー磁性層１３の機能とを果たしていてもよい。この場合には、可変フリー磁性層のＺ１側を向く表面の一部に中間層１２および固定磁性層１１が積層されて、磁気抵抗効果素子の構造を有する磁気検知素子１０ａが構成されていてもよい。なお、可変フリー磁性層は、磁気状態可変部材４０を構成する材料と同様の材料から構成することができる。したがって、可変フリー磁性層についての「磁化」なる用語が意味する概念は、強磁性体の磁化よりも広く、例えば反強磁性体のトポロジカル的性質に基づく仮想磁場を含む。
【0084】
図１０は、本発明の第２実施形態に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）の好適例を説明する図である。図１０に示される例では、図５に示される例と同様に、第２状態において、磁気状態可変部材４０は第１磁性体３１および第２磁性体３２と磁気的に結合する。このため、第２状態では、フリー磁性層１３が第１磁性体３１および第２磁性体３２と磁気的に結合することになる。それゆえ、第２状態では、測定磁束Φは特に効率的にフリー磁性層１３に到達する。
【0085】
本発明の実施形態に係る磁気センサ１の可変磁界検知部１００ａでは、磁気状態可変部材４０の第１方向の実効的な透磁率が相対的に低い第１状態と相対的に高い第２状態とにおいて、フリー磁性層１３に到達する測定磁束Φの密度が相違する。フリー磁性層１３に到達する測定磁束Φが相対的に高くなる状態が第１状態であるか第２状態であるかは、具体的な構成によって決定される。
【0086】
以下、磁気状態変調部材２０に通電することにより磁気状態可変部材４０に対してスピン軌道トルクを付与して磁気状態可変部材４０を所定の方向に磁化する構成を共通として、磁気状態変調部材２０に第３方向（Ｙ方向）に沿って通電し磁気状態変調部材２０を第３方向（Ｙ方向）に磁化する構成（タイプＡ）、磁気状態変調部材２０に第１方向（Ｘ方向）に沿って通電し磁気状態変調部材２０を第３方向（Ｙ方向）に磁化する構成（タイプＢ）、磁気状態変調部材２０に第３方向（Ｙ方向）に沿って通電し磁気状態変調部材２０を第２方向（Ｚ方向）に磁化する構成（タイプＣ）を具体例として、可変磁界検知部１００ａの詳細動作を説明する。
【0087】
（実施例１－１）
図１１Ａは、可変磁界検知部がタイプＡ、かつ第１実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に非結合）の構成を有する実施例（実施例１－１）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１１Ｂは、実施例１－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。図１１Ａおよび図１１Ｂに示される可変磁界検知部１００ａでは、第１磁性体３１および第２磁性体３２ならびに絶縁体５０は表示を省略している（以下同様）。
図１１Ａは、可変磁界検知部がタイプＡ、かつ第１実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に非結合）の構成を有する実施例（実施例１－１）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１１Ｂは、実施例１－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。図１１Ａおよび図１１Ｂに示される可変磁界検知部１００ａでは、第１磁性体３１および第２磁性体３２ならびに絶縁体５０は表示を省略している（以下同様）。
【0088】
実施例１－１において、磁気状態変調部材２０は、磁気状態変調部材２０に対してＸＹ面内方向に通電することにより、スピンホール効果やラシュバ・エーデルシュタイン効果などが発現し、磁気状態可変部材４０に対してスピン軌道トルクを付与するスピントルク生成部を有する。磁気状態変調部材２０は膜状体であって、その全体がスピントルク生成部から構成されていてもよい。図１１Ａに示される構成では、磁気状態変調部材２０はスピントルク生成部から構成される。スピントルク生成部を構成する材料として、常磁性の遷移金属の中でも高比重のＨｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Iｒなどの重金属（５ｄ遷移金属）；ＢｉＳｂ、ＢｉＳｅ、Ｂｉ2Ｓｅ3、Ｂｉ2Ｔｅ3などのトポロジカル絶縁体、Ｍｎ3Ｘ（Ｘ＝Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ）、Ｍｎ1-xＴｒxγ相（gamma-phase）（Ｔｒ＝Ｎｉ，Ｆｅ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ）などの反強磁性体；ＬｕＰｔＳｂ、ＬｕＰｄＢｉ、ＬｕＰｔＢｉ、ＳｃＰｔＢｉ、ＹＡｕＰｂ、ＬａＰｔＢｉ、ＣｅＰｔＢｉ、ＴｈＰｔＰｂ、およびＬａＡｕＰｂ等やこれらの混晶からなるハーフホイスラー合金トポロジカル半金属が例示される。スピントルク生成部は、単相膜から構成されていてもよいし、積層膜から構成されていてもよい。積層膜である場合には、隣り合う膜の間に境界領域が生成していてもよい。
【0089】
磁気状態可変部材４０は、磁気状態変調部材２０からのスピン軌道トルクを受けて、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍが回転可能な材料から構成される。そのような材料として、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）などの軟磁性材料；Ｍｎ3Ｘ（Ｘ＝Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ）などの反強磁性体が例示される。磁気状態可変部材４０は、単相膜から構成されていてもよいし、積層膜から構成されていてもよい。積層膜である場合には、隣り合う膜の間に境界領域が生成していてもよい。
【0090】
非磁性部材４１は、有機系材料から構成されていてもよいし、無機系材料から構成されていてもよい。無機系材料の場合には、Ｃｕ、Ｒｕなどの導電性材料から構成されていてもよいし、酸化物、窒化物などの絶縁性材料から構成されていてもよい。非磁性部材４１は絶縁体５０と一体であってもよい。
【0091】
本例に係る可変磁界検知部１００ａでは、磁気状態変調部材２０は反強磁性体からなる反強磁性部を有し、一具体例として、磁気状態変調部材２０は全体が反強磁性部からなる。このため、磁気状態変調部材２０が非通電状態にある第１状態において、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍは、磁気状態変調部材２０（反強磁性部）との交換結合２０ａｆによりＺ１向きとなっている。Ｚ方向は厚さが小さいため磁化４０ｍの回転が生じにくい。このため、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍは実質的にＺ１向きが固定され、測定磁界Ｈの印加方向であるＸ方向の実効的な透磁率が低い。それゆえ、Ｘ方向については、磁気状態可変部材４０の実効的な透磁率μ１は周囲の絶縁体５０と透磁率μ０の差がほぼない。
【0092】
この状態で測定磁界Ｈが印加されると、測定磁束Φは磁気状態可変部材４０に集中しない。このため、図１１Ｂに示されるように、測定磁束Φのうち相当量の磁束がフリー磁性層１３に到達し、この到達した磁束を磁気検知素子１０ａは測定する。
【0093】
図１２Ａは、実施例１－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１２Ｂは、実施例１－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【0094】
第２状態では、磁気状態変調部材２０に、Ｙ方向、具体的にはＹ１向きに電流２０ｃを流して通電状態とする。これにより、スピンホール効果などにより、磁気状態変調部材２０のＺ１側にはＸ方向の一方に偏在したスピンが蓄積され、磁気状態可変部材４０に注入される。蓄積したスピンの角運動量が直に受け渡されることで磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍにトルクが働き、すなわちスピン軌道トルクが生じて、磁化４０ｍはＹ２向きとなる。
【0095】
このとき、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍは、磁気状態可変部材４０の厚さ方向に直交するＸＹ面（第１面）の面内方向を向くため、磁化４０ｍは、測定磁束ΦによりＸＹ面内で回転可能である。すなわち、磁気状態可変部材４０は、第２状態において、Ｘ方向の実効的な透磁率μ２が第１状態のＸ方向の実効的な透磁率μ１よりも高くなる（μ２＞μ１）。
【0096】
この状態で測定磁界Ｈが印加されると、図１２Ｂに示されるように、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍは測定磁束Φに沿うように回転してＸ１向きとなり、これにより磁気状態可変部材４０に集磁機能が生じて、測定磁束Φは磁気状態可変部材４０に集中する。こうして、磁気状態変調部材２０が非通電状態のときにはフリー磁性層１３に到達していた測定磁束Φは、磁気状態変調部材２０に電流２０ｃを印加することにより、磁気状態可変部材４０に集中する。それゆえ、第２状態では、第１状態よりも、測定磁束Φは磁気検知素子１０ａに到達しにくくなる。
【0097】
このように、実施例１－１では、第１状態では第２状態よりも、測定磁束Φが磁気検知素子１０ａに到達しやすいため、磁界算出部４において第１出力から第２出力を差し引くことにより、１／ｆノイズが適切に除去された測定信号を得ることができる。
【0098】
（実施例１－２）
図１３Ａは、可変磁界検知部がタイプＡ、かつ第２実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に結合）の構成を有する実施例（実施例１－２）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１３Ｂは、実施例１－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。図１４Ａは、実施例１－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１４Ｂは、実施例１－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
図１３Ａは、可変磁界検知部がタイプＡ、かつ第２実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に結合）の構成を有する実施例（実施例１－２）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１３Ｂは、実施例１－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。図１４Ａは、実施例１－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１４Ｂは、実施例１－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【0099】
実施例１－２に係る可変磁界検知部１００ａは、実施例１－１に係る可変磁界検知部１００ａとの対比で、非磁性部材４１を有しない点で相違し、その他の構成は共通する。このため、実施例１－２に係る可変磁界検知部１００ａでは、磁気状態可変部材４０とフリー磁性層１３とが磁気的に結合している。それゆえ、図１３Ａに示されるように、磁気状態変調部材２０に電流が印加されていない非通電状態である第１状態では、磁気状態変調部材２０における反強磁性体からなる部分と磁気状態可変部材４０との交換結合２０ａｆにより、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍと、磁気状態可変部材４０と磁気的に結合したフリー磁性層１３の磁化１３ｍとはＺ１向きとなる。
【0100】
フリー磁性層１３はＺ方向の厚さが小さいため、磁化１３ｍは回転しにくい。このため、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍおよびフリー磁性層１３の磁化１３ｍは、実質的にＺ１向きに固定される。すなわち、磁気状態可変部材４０およびフリー磁性層１３のＸ方向の実効的な透磁率は、周囲の絶縁体５０の透磁率μ０と差がほぼない。
【0101】
この状態で測定磁束Φを受けても、図１３Ｂに示されるように、フリー磁性層１３の磁化１３ｍは感度軸方向であるＸ方向に沿うように回転しにくいため、測定磁束Φは磁気検知素子１０ａによって測定されにくい。
【0102】
一方、磁気状態変調部材２０にＹ１向きの電流２０ｃを流す通電時の状態である第２状態では、実施例１－１の場合と同様に磁気状態変調部材２０から磁気状態可変部材４０へのスピン注入が行われることなどにより、磁気状態可変部材４０にスピン軌道トルクが生じて、図１４Ａに示されるように、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍはＹ２向きに揃う。磁気状態可変部材４０とフリー磁性層１３とは磁気的に結合しているため、フリー磁性層１３の磁化１３ｍもＹ２向きに揃う。
【0103】
これらの磁化４０ｍおよび磁化１３ｍの向きは、磁気状態可変部材４０およびフリー磁性層１３の厚さに直交するＸＹ面内方向であるから、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍの方向およびフリー磁性層１３の磁化１３ｍの方向は、いずれも測定磁束ΦによりＸＹ面内で回転可能である。すなわち、磁気状態可変部材４０およびフリー磁性層１３はＸ方向の実効的な透磁率が高い状態となる。
【0104】
この状態で測定磁界Ｈが印加されると、図１４Ｂに示されるように、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍは測定磁束Φに沿うように回転してＸ１向きとなり、これにより磁気状態可変部材４０に集磁機能が生じて、測定磁束Φは磁気状態可変部材４０に集中する。ここで、磁気状態可変部材４０はフリー磁性層１３と磁気的に結合するため、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍの影響を受けて、第１状態（図１３Ｂ）よりも高い密度を有するＸ１向きの磁束がフリー磁性層１３に到達する。
【0105】
このように、実施例１－２の第２状態では、測定磁界Ｈが印加されたときに、フリー磁性層１３が第１状態よりもＸ１向きに強く磁化されるため、磁気検知素子１０ａの測定磁界Ｈの測定感度は第２状態の方が相対的に高くなる。それゆえ、磁界算出部４において第２出力から第１出力を差し引くことにより、１／ｆノイズが適切に除去された測定信号を得ることができる。
【0106】
なお、実施例１－１および実施例１－２では、第１状態において、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍは、磁気状態変調部材２０との交換結合２０ａｆがバイアス磁界源となってＺ１向きであるが、第１状態において磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍを所定の向きに揃えるバイアス磁界源はこれに限定されない。磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍは、通電コイルからの誘導磁界や永久磁石からの磁界をバイアス磁界としてＺ方向を向いてもよい。そのような場合でも、第２状態では磁気状態変調部材２０への電流印加に基づいて、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍがＹ方向を向けばよい。第１信号に含まれるノイズ成分と第２信号に含まれるノイズ成分との相関を高める観点からは、第１状態と第２状態とでバイアス磁界源からのバイアス磁界に差がないことが好ましい場合がある。
【0107】
（実施例２－１）
図１５Ａは、可変磁界検知部がタイプＢ、かつ第１実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に非結合）の構成を有する実施例（実施例２－１）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１５Ｂは、実施例２－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。図１６Ａは、実施例２－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１６Ｂは、実施例２－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
図１５Ａは、可変磁界検知部がタイプＢ、かつ第１実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に非結合）の構成を有する実施例（実施例２－１）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１５Ｂは、実施例２－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。図１６Ａは、実施例２－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１６Ｂは、実施例２－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【0108】
実施例２－１に係る可変磁界検知部１００ａは、実施例１－１に係る可変磁界検知部１００ａと同様に、非磁性部材４１を有し、磁気状態可変部材４０とフリー磁性層１３とが磁気的に結合していない。
【0109】
第１状態では、磁気状態変調部材２０にＸ方向、具体的にはＸ１向きの電流２０ｃを流して通電状態とする。電流印加によって、磁気状態変調部材２０から磁気状態可変部材４０へのスピン注入が行われることなどにより、実施例１－１と同様に磁気状態可変部材４０にスピン軌道トルクが生じて、図１５Ａに示されるように、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍはＹ２向きに強く揃う。なお、実施例２－１に係る可変磁界検知部１００ａでは、永久磁石などからなるバイアス磁界源２１が磁気状態変調部材２０に対してＺ２側に積層されているが、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍの向きに与える影響は、バイアス磁界源２１に基づき生じる磁界２１ｍよりも、磁気状態変調部材２０に基づくスピン起動トルクのほうが優勢となるように、バイアス磁界源２１に基づき生じる磁界２１ｍと磁気状態変調部材２０に基づき生成するスピン起動トルクとは設定される。
【0110】
このため、測定磁束Φが磁気状態可変部材４０に印加されても、図１５Ｂに示されるように、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍはＸ方向に沿うように回転しにくい。すなわち、磁気状態可変部材４０はＸ方向の実効的な透磁率μ１が低く、周囲の絶縁体５０の透磁率μ０と同等となる。それゆえ、磁気状態可変部材４０は、磁気検知素子１０ａのフリー磁性層１３に到達する測定磁束Φに影響を与えにくく、磁気検知素子１０ａでは、磁気状態可変部材４０が存在しない（絶縁体５０に置換された）場合と同様の磁気的環境で、測定磁束Φの測定が行われる。
【0111】
一方、第２状態では、磁気状態変調部材２０への電流２０ｃの印加を停止して非通電状態とする。これにより、図１６Ａに示されるように、磁気状態変調部材２０による磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍの向きの制御は行われなくなる。このため、バイアス磁界源２１に基づき生じる磁界２１ｍにより、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍはＹ２向きに揃えられているが、その程度は第１状態よりも弱い。このため、第２状態における磁気状態可変部材４０のＸ方向の実効的な透磁率μ２は、周囲の絶縁体５０の透磁率μ０よりも高くなる。
【0112】
この状態で測定磁界Ｈが印加されると、図１６Ｂに示されるように、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍは測定磁束Φに沿うように回転してＸ１向きとなり、これにより磁気状態可変部材４０に集磁機能が生じて、測定磁束Φは磁気状態可変部材４０に集中する。その結果、磁気検知素子１０ａのフリー磁性層１３に到達する測定磁束Φの密度が低下し、第１状態に比べて、可変磁界検知部１００ａにおける測定磁界Ｈの測定感度は低下する。
【0113】
このように、実施例２－１では、第１状態では第２状態よりも、測定磁束Φが磁気検知素子１０ａに到達しやすくなるため、磁界算出部４において第１出力から第２出力を差し引くことにより、１／ｆノイズが適切に除去された測定信号を得ることができる。
【0114】
（実施例２－２）
【0115】
図１７Ａは、可変磁界検知部がタイプＢ、かつ第２実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に結合）の構成を有する実施例（実施例２－２）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１７Ｂは、実施例２－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。図１８Ａは、実施例２－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１８Ｂは、実施例２－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【0116】
実施例２－２に係る可変磁界検知部１００ａは、実施例２－１に係る可変磁界検知部１００ａとの対比で、非磁性部材４１を有しない点で相違し、その他の構成は共通する。このため、実施例２－２に係る可変磁界検知部１００ａでは、磁気状態可変部材４０とフリー磁性層１３とが磁気的に結合している。それゆえ、図１７Ａに示されるように、磁気状態変調部材２０にＸ１向きに電流２０ｃが流れる通電状態である第１状態では、磁気状態可変部材４０にスピン軌道トルクが生じて磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍがＹ２向きに強く揃うとともに、磁気状態可変部材４０と磁気的に結合しているフリー磁性層１３においても、磁化１３ｍがＹ２向きに強く揃う。
【0117】
このため、測定磁束Φが磁気状態可変部材４０に印加されても、図１７Ｂに示されるように、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍはＸ方向に沿うように回転しにくい。すなわち、磁気状態可変部材４０はＸ方向の実効的な透磁率μ１が低く、周囲の絶縁体５０の透磁率μ０と同等となる。そして、実施例２－２では磁気状態可変部材４０とフリー磁性層１３とは磁気的に結合しているため、フリー磁性層１３もＸ方向の実効的な透磁率が低い。それゆえ、フリー磁性層１３は、測定磁束Φを受けてもＸ１向きに磁化しにくく、可変磁界検知部１００ａにおける測定磁界Ｈの測定感度が低下した状態となる。
【0118】
一方、第２状態では、磁気状態変調部材２０への電流２０ｃの印加を停止して非通電状態とする。これにより、図１８Ａに示されるように、磁気状態変調部材２０による磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍの向きの制御は行われなくなる。実施例２－２では、永久磁石などからなるバイアス磁界源２１が磁気状態変調部材２０に対してＺ２側に積層されているため、バイアス磁界源２１に基づき生じる磁界２１ｍにより、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍはＹ２向きに揃えられているが、その程度は第１状態よりも弱い。このため、磁気状態可変部材４０およびこれに磁気的に結合するフリー磁性層１３の、第２状態におけるＸ方向の実効的な透磁率は、周囲の絶縁体５０の透磁率μ０よりも高くなる。
【0119】
この状態で測定磁界Ｈが印加されると、図１８Ｂに示されるように、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍは測定磁束Φに沿うように回転してＸ１向きとなり、これにより磁気状態可変部材４０に集磁機能が生じて、測定磁束Φは磁気状態可変部材４０に集中する。ここで、磁気状態可変部材４０はフリー磁性層１３と磁気的に結合するため、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍの影響を受けて、第１状態（図１７Ｂ）よりも高い密度を有するＸ１向きの磁束がフリー磁性層１３に到達する。
【0120】
このように、実施例２－２の第２状態では、測定磁界Ｈが印加されたときに、フリー磁性層１３が第１状態よりもＸ１向きに強く磁化されるため、磁気検知素子１０ａの測定磁界Ｈの測定感度は第２状態の方が相対的に高くなる。それゆえ、磁界算出部４において第２出力から第１出力を差し引くことにより、１／ｆノイズが適切に除去された測定信号を得ることができる。
【0121】
なお、上記のタイプＢの構成を備える実施例（実施例２－１、実施例２－２）ではバイアス磁界源２１は永久磁石であったが、これに限定されない。バイアス磁界は交換結合に基づく磁界や通電コイルからの誘導磁界であってもよく、これらの磁界を与える部材がバイアス磁界源２１となりうる。また、第１状態において磁気状態変調部材２０に対してＸ１向きに通電したが、Ｘ２向きであってもよい。これにより磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍはＹ１向きとなるが、この場合も、磁化４０ｍは、Ｘ１向きの成分が大きい測定磁束Φを受けても回転しにくい。
【0122】
第２状態において磁気状態可変部材４０に印加されるバイアス磁界は、Ｙ２向きであったが、これに限定されない。磁気状態可変部材４０が測定磁束Φにより磁化されやすい方向に磁化されていればよく、この観点からは、バイアス磁界の向きはＸＹ面の面内方向にあることが好ましい場合がある。測定磁束ΦはＸ１向きの成分が最大であるから、ヒステリシスを低減する観点から、バイアス磁界はＸ方向に沿う、すなわち、Ｘ１向きまたはＸ２向きであることが好ましい場合がある。
【0123】
（実施例３－１）
図１９Ａは、可変磁界検知部がタイプＣ、かつ第１実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に非結合）の構成を有する実施例（実施例３－１）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１９Ｂは、実施例３－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。図２０Ａは、実施例３－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図２０Ｂは、実施例３－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
図１９Ａは、可変磁界検知部がタイプＣ、かつ第１実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に非結合）の構成を有する実施例（実施例３－１）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図１９Ｂは、実施例３－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。図２０Ａは、実施例３－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図２０Ｂは、実施例３－１に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【0124】
実施例３－１に係る可変磁界検知部１００ａは、実施例１－１に係る可変磁界検知部１００ａと同様に、非磁性部材４１を有し、磁気状態可変部材４０とフリー磁性層１３とが磁気的に結合していない。
【0125】
第１状態では、磁気状態変調部材２０にＹ方向、具体的にはＹ１向きの電流２０ｃを流して通電状態とする。電流印加によって、磁気状態変調部材２０から磁気状態可変部材４０へのスピン注入が行われることなどにより、実施例１－１と同様に磁気状態可変部材４０にスピン軌道トルクが生じて、図１９Ａに示されるように、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍはＺ１向きに強く揃う。
【0126】
このように磁気状態可変部材４０が厚さ方向（Ｚ方向）に揃うと、その磁化４０ｍは容易には変化しない。このため、測定磁束Φが磁気状態可変部材４０に印加されても、図１９Ｂに示されるように、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍはＸ方向に沿うように回転しにくい。すなわち、磁気状態可変部材４０はＸ方向の実効的な透磁率μ１が低く、周囲の絶縁体５０の透磁率μ０と同等となる。それゆえ、磁気状態可変部材４０は、磁気検知素子１０ａのフリー磁性層１３に到達する測定磁束Φに影響を与えにくく、磁気検知素子１０ａでは、磁気状態可変部材４０が存在しない（絶縁体５０に置換された）場合と同様の磁気的環境で、測定磁束Φの測定が行われる。
【0127】
一方、第２状態では、磁気状態変調部材２０への電流２０ｃの印加を停止して非通電状態とする。これにより、図２０Ａに示されるように、磁気状態変調部材２０による磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍの向きの制御は行われなくなる。実施例３－１では、磁気状態変調部材２０が反強磁性体からなる。この磁気状態変調部材２０の交換結合２０ａｆがバイアス磁界源として機能し、磁気状態可変部材４０はＹ２向きに比較的弱く磁化する。このため、第２状態における磁気状態可変部材４０は第１状態よりも容易にＸ方向に磁化可能であり、磁気状態可変部材４０のＸ方向の実効的な透磁率μ２は、周囲の絶縁体５０の透磁率μ０よりも高くなる。
【0128】
この状態で測定磁界Ｈが印加されると、図２０Ｂに示されるように、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍは測定磁束Φに沿うように回転してＸ１向きとなり、これにより磁気状態可変部材４０に集磁機能が生じて、測定磁束Φは磁気状態可変部材４０に集中する。その結果、磁気検知素子１０ａのフリー磁性層１３に到達する測定磁束Φの密度が低下し、第１状態に比べて、可変磁界検知部１００ａにおける測定磁界Ｈの測定感度は低下する。
【0129】
このように、実施例３－１では、第１状態は第２状態よりも、測定磁束Φが磁気検知素子１０ａに到達しやすくなるため、磁界算出部４において第１出力から第２出力を差し引くことにより、１／ｆノイズが適切に除去された測定信号を得ることができる。
【0130】
（実施例３－２）
図２１Ａは、可変磁界検知部がタイプＣ、かつ第２実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に結合）の構成を有する実施例（実施例３－２）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図２１Ｂは、実施例３－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。図２２Ａは、実施例３－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図２２Ｂは、実施例３－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
図２１Ａは、可変磁界検知部がタイプＣ、かつ第２実施形態（磁気状態可変部材４０と磁気検知素子の感磁部とが磁気的に結合）の構成を有する実施例（実施例３－２）に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図２１Ｂは、実施例３－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。図２２Ａは、実施例３－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加される前の状態を説明する図である。図２２Ｂは、実施例３－２に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第２状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【0131】
実施例３－２に係る可変磁界検知部１００ａは、実施例３－１に係る可変磁界検知部１００ａとの対比で、非磁性部材４１を有しない点で相違し、その他の構成は共通する。このため、実施例３－２に係る可変磁界検知部１００ａでは、磁気状態可変部材４０とフリー磁性層１３とが磁気的に結合している。それゆえ、図２１Ａに示されるように、磁気状態変調部材２０にＸ１向きの電流２０ｃが流れる通電状態である第１状態では、磁気状態可変部材４０にスピン軌道トルクが生じて磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍがＺ１向きに揃うとともに、磁気状態可変部材４０と磁気的に結合しているフリー磁性層１３においても、磁化１３ｍがＺ１向きに強く揃う。
【0132】
このため、測定磁束Φが磁気状態可変部材４０に印加されても、図２１Ｂに示されるように、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍはＸ方向に沿うように回転しにくい。すなわち、磁気状態可変部材４０はＸ方向の実効的な透磁率μ１が低く、周囲の絶縁体５０の透磁率μ０と同等となる。そして、実施例３－２では磁気状態可変部材４０とフリー磁性層１３とは磁気的に結合しているため、フリー磁性層１３もＸ方向の実効的な透磁率が低い。それゆえ、フリー磁性層１３は、測定磁束Φを受けてもＸ１向きに磁化しにくく、可変磁界検知部１００ａにおける測定磁界Ｈの測定感度が低下した状態となる。
【0133】
一方、第２状態では、磁気状態変調部材２０への電流２０ｃの印加を停止して非通電状態とする。これにより、図２２Ａに示されるように、磁気状態変調部材２０による磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍの向きの制御は行われなくなる。実施例３－２では、磁気状態変調部材２０が反強磁性体からなる部分を有し、この反強磁性体と磁気状態可変部材４０との交換結合２０ａｆにより、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍはＹ２向きとなるが、磁化の程度は比較的弱い。そして、この磁気状態可変部材４０の磁化に基づき、磁気状態可変部材４０に磁気的に結合するフリー磁性層１３の磁化１３ｍもＹ２向きとなり、その磁化の程度は磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍと同様に、比較的弱い。このため、第２状態における磁気状態可変部材４０およびフリー磁性層１３は、第１状態よりも容易にＸ方向に磁化可能である。すなわち、磁気状態可変部材４０のＸ方向の実効的な透磁率μ２は、周囲の絶縁体５０の透磁率μ０よりも高くなる。
【0134】
この状態で測定磁界Ｈが印加されると、図２２Ｂに示されるように、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍは測定磁束Φに沿うように回転してＸ１向きとなり、これにより磁気状態可変部材４０に集磁機能が生じて、測定磁束Φは磁気状態可変部材４０に集中する。ここで、フリー磁性層１３は磁気状態可変部材４０と磁気的に結合するため、磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍの影響を受けて、第１状態（図２１Ｂ）よりも高い密度を有するＸ１向きの磁束がフリー磁性層１３に到達する。
【0135】
このように、実施例３－２の第２状態では、測定磁界Ｈが印加されたときに、フリー磁性層１３が第１状態よりもＸ１向きに強く磁化されるため、磁気検知素子１０ａの測定磁界Ｈの測定感度は第２状態の方が相対的に高くなる。それゆえ、磁界算出部４において第２出力から第１出力を差し引くことにより、１／ｆノイズが適切に除去された測定信号を得ることができる。
【0136】
なお、上記のタイプＣの構成を備える実施例（実施例３－１、実施例３－２）では交換結合２０ａｆがバイアス磁界源となってバイアス磁界を付与したが、これに限定されない。バイアス磁界は永久磁石からの磁界や通電コイルからの誘導磁界であってもよく、これらの磁界を与える部材がバイアス磁界源２１となりうる。また、第１状態において磁気状態変調部材２０に対してＹ２向きに通電したが、Ｙ１向きであってもよい。これにより磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍはＺ２向きとなるが、この場合も、磁化４０ｍは、Ｘ１向きの成分が大きい測定磁束Φを受けても回転しにくい。
【0137】
第２状態において磁気状態可変部材４０に印加されるバイアス磁界は、Ｙ２向きであったが、これに限定されない。バイアス磁界により所定の向きに設定された磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍが、磁気状態可変部材４０が測定磁束Φを受けたときに、測定磁束Φの向きに沿うように回転しやすい方向であればよい。この観点からは、バイアス磁界はＸＹ面の面内方向であることが好ましい場合がある。測定磁束ΦはＸ１向きの成分の向きが最大であるから、ヒステリシスを低減する観点から、バイアス磁界はＸ方向に沿う、すなわち、Ｘ１向きまたはＸ２向きであることが好ましい場合がある。
【0138】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【0139】
上記の説明では、磁気制御体６０における磁気状態可変部材４０と磁気状態変調部材２０との積層方向と、磁気検知素子１０ａと磁気制御体６０との並び方向はいずれも第２方向であったが、これに限定されない。例えば磁気状態可変部材４０と磁気状態変調部材２０とは第１方向または第３方向に積層されていてもよい。また、磁気制御体６０における磁気状態可変部材４０と磁気状態変調部材２０との境界はＸＹ面に平行な平面であったが、これに限定されない。境界が作る面は、ＸＹ面に対して傾く部分を有していてもよい。そのような場合の具体例として、境界が平面であるがＸＹ面に対して傾いている構成、境界が曲面である構成、境界が屈曲部を有している構成、境界が積層方向から見てパターンを形成している構成などが挙げられる。また、磁気状態変調部材２０に電流を印加するための配線は、磁器検知素子の電気特性を測定するための配線の一部と共用されてもよく、そのようにすることによって回路全体の簡素化が実現される。
【0140】
さらに、上記の説明では、磁気状態変調部材２０からのスピン軌道トルクにより磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍが回転するが、これに限定されず、スピン移行トルクにより磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍが回転してもよく、スピン軌道トルクとスピン移行トルクとの双方が磁気状態可変部材４０の磁化４０ｍの回転に寄与していてもよい。
【0141】
特に、磁気制御体６０が、図２３に示されるように、磁気状態可変部材４０の機能と磁気状態変調部材２０の機能とを兼ね備える通電磁気状態可変部材６０１を有する場合には、通電磁気状態可変部材６０１に通電して電流６０１ｃを流すことによりスピン軌道トルクとスピン移行トルクとの双方が寄与して、通電磁気状態可変部材６０１の磁化６０１ｍが回転することがある。なお、図２３は、図１５Ｂに示される可変磁界検知部実施例２－１の変形例であり、変形例に係る磁気センサが備える可変磁界検知部（磁気状態可変部材の磁気状態は第１状態）に測定磁界が印加された状態を説明する図である。
【0142】
本発明は次の態様を含む。
（１）第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、を有する可変磁界検知部を備え、前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記第１状態または前記第２状態における前記磁気状態可変部材の磁化は、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合の影響を受けることを特徴とする磁気センサ。
（２）前記磁気状態可変部材が前記第１状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第１出力と、前記磁気状態可変部材が前記第２状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第２出力とに基づいて、前記測定磁界を算出する磁界算出部をさらに備える、上記（１）に記載の磁気センサ。
（３）前記第２状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ２は、前記第１状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ１よりも高く、かつ前記第１磁性体と前記磁気検知素子との間に位置する第１物質の前記第１方向の透磁率μ０よりも高い、上記（２）に記載の磁気センサ。
（４）前記可変磁界検知部は、前記磁気検知素子と前記磁気状態可変部材との間に非磁性部材を有し、前記磁気検知素子の感磁部は、前記磁気状態可変部材に対して磁気的に非結合である、上記（３）に記載の磁気センサ。
（５）前記磁気検知素子の感磁部は、前記磁気状態可変部材と磁気的に結合している、上記（３）に記載の磁気センサ。
（６）前記磁気検知素子と前記磁気状態可変部材とは、前記第１方向に直交する第２方向に並ぶ、上記（３）に記載の磁気センサ。
（７）前記磁気状態可変部材は、前記磁気検知素子の検知中心よりも、前記第１方向で前記第１磁性体に近位な部分を有する、上記（６）に記載の磁気センサ。
（８）前記磁気状態可変部材の前記第１方向の中央と、前記磁気検知素子の検知中心とは、前記第１方向において等しい位置にある、上記（６）に記載の磁気センサ。
（９）前記磁気状態可変部材の前記第１方向の長さは、前記磁気検知素子の前記第１方向の長さよりも長い、上記（８）に記載の磁気センサ。
（１０）前記第１磁性体は、前記第１方向の長さが、前記第２方向の長さよりも長い、上記（６）に記載の磁気センサ。
（１１）前記可変磁界検知部は、前記第１端部から見て、前記磁気検知素子よりも前記第１方向で遠位な第２磁性体をさらに備える、上記（１）に記載の磁気センサ。
（１２）前記磁気状態可変部材は、前記第２状態において、前記第１磁性体および前記第２磁性体と磁気的に結合するように配置される、上記（１１）に記載の磁気センサ。
（１３）第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、を有する可変磁界検知部を備え、前記第２状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ２は、前記第１状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ１よりも高く、かつ前記第１磁性体と前記磁気検知素子との間に位置する第１物質の前記第１方向の透磁率μ０よりも高く、前記磁気状態変調部材と前記磁気状態可変部材とは前記第１方向に直交する第２方向に積層された磁気制御体を構成し、前記磁気制御体と前記磁気検知素子とは前記第２方向に並んで配置され、前記磁気状態変調部材は、通電時に前記磁気状態可変部材にスピン軌道トルクを付与するスピントルク生成部を有し、通電時の前記磁気状態可変部材の磁気状態は、前記スピントルク生成部からの前記スピン軌道トルクに基づき、非通電時の磁気状態と相違することを特徴とする磁気センサ。
（１４）前記可変磁界検知部は、前記磁気状態変調部材が非通電状態であるときに、前記磁気状態可変部材を、前記測定磁界によって磁化が回転しない程度に前記第２方向に沿って磁化するバイアス磁界源を有し、前記磁気状態変調部材が非通電状態のときに前記磁気状態可変部材は前記第１状態であり、前記磁気状態変調部材が通電状態であって前記第２方向に沿う法線を有する第１面の面内方向に電流が流れるときに、前記磁気状態可変部材は前記第２状態であり、前記第２状態において、前記磁気状態可変部材は、前記スピン軌道トルクを受けて、前記測定磁界に基づく磁界により磁化が前記第１面の面内方向に回転可能な程度に、前記電流が流れる向きと反対向きに磁化する、上記（１３）に記載の磁気センサ。
（１５）前記第２状態において、前記磁気状態変調部材に流れる前記電流は、前記第１面の面内方向で前記第１方向に直交する第３方向に沿う、上記（１４）に記載の磁気センサ。
（１６）前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合が、前記バイアス磁界源となる、上記（１４）に記載の磁気センサ。
（１７）前記バイアス磁界源は、通電により誘導磁界を生じるコイルと、永久磁石との少なくとも１つを含む、上記（１４）に記載の磁気センサ。
（１８）前記バイアス磁界源は前記磁気制御体に積層される、上記（１７）に記載の磁気センサ。
（１９）前記磁気状態変調部材が通電状態であって前記第１方向に沿う電流が流れるときに、前記磁気状態可変部材は前記第１状態であり、前記第１状態において、前記磁気状態可変部材は、前記スピン軌道トルクを受けて、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に磁化され、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第２状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により回転しにくく、前記磁気状態変調部材が非通電状態のときに前記磁気状態可変部材は前記第２状態であり、前記第２状態において、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第１状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向を向きやすい、上記（１３）に記載の磁気センサ。
（２０）前記可変磁界検知部は、前記磁気状態可変部材にバイアス磁界を付与するバイアス磁界源を有し、前記第２状態において前記磁気状態可変部材が受ける前記バイアス磁界は、前記第２方向に沿う法線を有する第１面の面内方向に沿い、前記測定磁界に基づく磁束により前記磁気状態可変部材の磁化が回転可能な程度である、上記（１９）に記載の磁気センサ。
（２１）前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合が、前記バイアス磁界源となる、上記（２０）に記載の磁気センサ。
（２２）前記バイアス磁界源は、通電により誘導磁界を生じるコイルと、永久磁石との少なくとも１つを含む、上記（２０）に記載の磁気センサ。
（２３）前記バイアス磁界源は前記磁気制御体に積層される、上記（２２）に記載の磁気センサ。
（２４）前記バイアス磁界は、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に沿う、上記（２０）に記載の磁気センサ。
（２５）前記磁気状態変調部材が通電状態であって前記第１方向に沿う電流が流れるときに、前記磁気状態可変部材は前記第１状態であり、前記第１状態において、前記磁気状態可変部材は、前記スピン軌道トルクを受けて、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向および前記第２方向に磁化され、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第２状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により回転しにくく、前記磁気状態変調部材が非通電状態のときに前記磁気状態可変部材は前記第２状態であり、前記第２状態において、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第１状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向を向きやすい、上記（１３）に記載の磁気センサ。
（２６）前記可変磁界検知部は、前記磁気状態可変部材にバイアス磁界を付与するバイアス磁界源を有し、前記第２状態において前記磁気状態可変部材が受ける前記バイアス磁界は、前記第２方向に沿う法線を有する第１面の面内方向に沿い、前記測定磁界に基づく磁束により前記磁気状態可変部材の磁化が回転可能な程度である、上記（２５）に記載の磁気センサ。
（２７）前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合が、前記バイアス磁界源となる、上記（２６）に記載の磁気センサ。
（２８）前記バイアス磁界源は、通電により誘導磁界を生じるコイルと、永久磁石との少なくとも１つを含む、上記（２６）に記載の磁気センサ。
（２９）前記バイアス磁界源は前記磁気制御体に積層される、上記（２８）に記載の磁気センサ。
（３０）前記バイアス磁界は、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に沿う、上記（２６）に記載の磁気センサ。
（３１）第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、を有する可変磁界検知部、および前記磁気状態可変部材が前記第１状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第１出力と、前記磁気状態可変部材が前記第２状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第２出力とから、前記測定磁界を算出する磁界算出部を備える磁気センサを用いた磁気測定方法であって、前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第１状態として前記第１出力を得る第１測定ステップと、前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第２状態として前記第２出力を得る第２測定ステップと、前記磁界算出部において前記第１出力と前記第２出力とから前記測定磁界を算出する磁界算出ステップと、を備え、前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記第１状態または前記第２状態における前記磁気状態可変部材の磁化は、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合の影響を受けることを特徴とする磁気測定方法。
（３２）第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、を有する可変磁界検知部、および前記磁気状態可変部材が前記第１状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第１出力と、前記磁気状態可変部材が前記第２状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第２出力とから、前記測定磁界を算出する磁界算出部を備える磁気センサを用いた磁気測定方法であって、前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第１状態として前記第１出力を得る第１測定ステップと、前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第２状態として前記第２出力を得る第２測定ステップと、前記磁界算出部において前記第１出力と前記第２出力とから前記測定磁界を算出する磁界算出ステップと、を備え、前記第２状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ２は、前記第１状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ１よりも高く、かつ前記第１磁性体と前記磁気検知素子との間に位置する第１物質の前記第１方向の透磁率μ０よりも高く、前記磁気状態変調部材と前記磁気状態可変部材とは前記第１方向に直交する第２方向に積層された磁気制御体を構成し、前記磁気制御体と前記磁気検知素子とは前記第２方向に並んで配置され、前記磁気状態変調部材は、通電時に前記磁気状態可変部材にスピン軌道トルクを付与するスピントルク生成部を有し、通電時の前記磁気状態可変部材の磁気状態は、前記スピントルク生成部からの前記スピン軌道トルクに基づき、非通電時の磁気状態と相違することを特徴とする磁気測定方法。
（１）第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、を有する可変磁界検知部を備え、前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記第１状態または前記第２状態における前記磁気状態可変部材の磁化は、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合の影響を受けることを特徴とする磁気センサ。
（２）前記磁気状態可変部材が前記第１状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第１出力と、前記磁気状態可変部材が前記第２状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第２出力とに基づいて、前記測定磁界を算出する磁界算出部をさらに備える、上記（１）に記載の磁気センサ。
（３）前記第２状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ２は、前記第１状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ１よりも高く、かつ前記第１磁性体と前記磁気検知素子との間に位置する第１物質の前記第１方向の透磁率μ０よりも高い、上記（２）に記載の磁気センサ。
（４）前記可変磁界検知部は、前記磁気検知素子と前記磁気状態可変部材との間に非磁性部材を有し、前記磁気検知素子の感磁部は、前記磁気状態可変部材に対して磁気的に非結合である、上記（３）に記載の磁気センサ。
（５）前記磁気検知素子の感磁部は、前記磁気状態可変部材と磁気的に結合している、上記（３）に記載の磁気センサ。
（６）前記磁気検知素子と前記磁気状態可変部材とは、前記第１方向に直交する第２方向に並ぶ、上記（３）に記載の磁気センサ。
（７）前記磁気状態可変部材は、前記磁気検知素子の検知中心よりも、前記第１方向で前記第１磁性体に近位な部分を有する、上記（６）に記載の磁気センサ。
（８）前記磁気状態可変部材の前記第１方向の中央と、前記磁気検知素子の検知中心とは、前記第１方向において等しい位置にある、上記（６）に記載の磁気センサ。
（９）前記磁気状態可変部材の前記第１方向の長さは、前記磁気検知素子の前記第１方向の長さよりも長い、上記（８）に記載の磁気センサ。
（１０）前記第１磁性体は、前記第１方向の長さが、前記第２方向の長さよりも長い、上記（６）に記載の磁気センサ。
（１１）前記可変磁界検知部は、前記第１端部から見て、前記磁気検知素子よりも前記第１方向で遠位な第２磁性体をさらに備える、上記（１）に記載の磁気センサ。
（１２）前記磁気状態可変部材は、前記第２状態において、前記第１磁性体および前記第２磁性体と磁気的に結合するように配置される、上記（１１）に記載の磁気センサ。
（１３）第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、を有する可変磁界検知部を備え、前記第２状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ２は、前記第１状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ１よりも高く、かつ前記第１磁性体と前記磁気検知素子との間に位置する第１物質の前記第１方向の透磁率μ０よりも高く、前記磁気状態変調部材と前記磁気状態可変部材とは前記第１方向に直交する第２方向に積層された磁気制御体を構成し、前記磁気制御体と前記磁気検知素子とは前記第２方向に並んで配置され、前記磁気状態変調部材は、通電時に前記磁気状態可変部材にスピン軌道トルクを付与するスピントルク生成部を有し、通電時の前記磁気状態可変部材の磁気状態は、前記スピントルク生成部からの前記スピン軌道トルクに基づき、非通電時の磁気状態と相違することを特徴とする磁気センサ。
（１４）前記可変磁界検知部は、前記磁気状態変調部材が非通電状態であるときに、前記磁気状態可変部材を、前記測定磁界によって磁化が回転しない程度に前記第２方向に沿って磁化するバイアス磁界源を有し、前記磁気状態変調部材が非通電状態のときに前記磁気状態可変部材は前記第１状態であり、前記磁気状態変調部材が通電状態であって前記第２方向に沿う法線を有する第１面の面内方向に電流が流れるときに、前記磁気状態可変部材は前記第２状態であり、前記第２状態において、前記磁気状態可変部材は、前記スピン軌道トルクを受けて、前記測定磁界に基づく磁界により磁化が前記第１面の面内方向に回転可能な程度に、前記電流が流れる向きと反対向きに磁化する、上記（１３）に記載の磁気センサ。
（１５）前記第２状態において、前記磁気状態変調部材に流れる前記電流は、前記第１面の面内方向で前記第１方向に直交する第３方向に沿う、上記（１４）に記載の磁気センサ。
（１６）前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合が、前記バイアス磁界源となる、上記（１４）に記載の磁気センサ。
（１７）前記バイアス磁界源は、通電により誘導磁界を生じるコイルと、永久磁石との少なくとも１つを含む、上記（１４）に記載の磁気センサ。
（１８）前記バイアス磁界源は前記磁気制御体に積層される、上記（１７）に記載の磁気センサ。
（１９）前記磁気状態変調部材が通電状態であって前記第１方向に沿う電流が流れるときに、前記磁気状態可変部材は前記第１状態であり、前記第１状態において、前記磁気状態可変部材は、前記スピン軌道トルクを受けて、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に磁化され、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第２状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により回転しにくく、前記磁気状態変調部材が非通電状態のときに前記磁気状態可変部材は前記第２状態であり、前記第２状態において、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第１状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向を向きやすい、上記（１３）に記載の磁気センサ。
（２０）前記可変磁界検知部は、前記磁気状態可変部材にバイアス磁界を付与するバイアス磁界源を有し、前記第２状態において前記磁気状態可変部材が受ける前記バイアス磁界は、前記第２方向に沿う法線を有する第１面の面内方向に沿い、前記測定磁界に基づく磁束により前記磁気状態可変部材の磁化が回転可能な程度である、上記（１９）に記載の磁気センサ。
（２１）前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合が、前記バイアス磁界源となる、上記（２０）に記載の磁気センサ。
（２２）前記バイアス磁界源は、通電により誘導磁界を生じるコイルと、永久磁石との少なくとも１つを含む、上記（２０）に記載の磁気センサ。
（２３）前記バイアス磁界源は前記磁気制御体に積層される、上記（２２）に記載の磁気センサ。
（２４）前記バイアス磁界は、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に沿う、上記（２０）に記載の磁気センサ。
（２５）前記磁気状態変調部材が通電状態であって前記第１方向に沿う電流が流れるときに、前記磁気状態可変部材は前記第１状態であり、前記第１状態において、前記磁気状態可変部材は、前記スピン軌道トルクを受けて、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向および前記第２方向に磁化され、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第２状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により回転しにくく、前記磁気状態変調部材が非通電状態のときに前記磁気状態可変部材は前記第２状態であり、前記第２状態において、前記磁気状態可変部材の磁化は、前記第１状態よりも、前記測定磁界に基づく磁束により前記第１方向を向きやすい、上記（１３）に記載の磁気センサ。
（２６）前記可変磁界検知部は、前記磁気状態可変部材にバイアス磁界を付与するバイアス磁界源を有し、前記第２状態において前記磁気状態可変部材が受ける前記バイアス磁界は、前記第２方向に沿う法線を有する第１面の面内方向に沿い、前記測定磁界に基づく磁束により前記磁気状態可変部材の磁化が回転可能な程度である、上記（２５）に記載の磁気センサ。
（２７）前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合が、前記バイアス磁界源となる、上記（２６）に記載の磁気センサ。
（２８）前記バイアス磁界源は、通電により誘導磁界を生じるコイルと、永久磁石との少なくとも１つを含む、上記（２６）に記載の磁気センサ。
（２９）前記バイアス磁界源は前記磁気制御体に積層される、上記（２８）に記載の磁気センサ。
（３０）前記バイアス磁界は、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に沿う、上記（２６）に記載の磁気センサ。
（３１）第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、を有する可変磁界検知部、および前記磁気状態可変部材が前記第１状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第１出力と、前記磁気状態可変部材が前記第２状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第２出力とから、前記測定磁界を算出する磁界算出部を備える磁気センサを用いた磁気測定方法であって、前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第１状態として前記第１出力を得る第１測定ステップと、前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第２状態として前記第２出力を得る第２測定ステップと、前記磁界算出部において前記第１出力と前記第２出力とから前記測定磁界を算出する磁界算出ステップと、を備え、前記磁気状態変調部材は反強磁性からなる反強磁性部を有し、前記第１状態または前記第２状態における前記磁気状態可変部材の磁化は、前記反強磁性部と前記磁気状態可変部材との交換結合の影響を受けることを特徴とする磁気測定方法。
（３２）第１方向の測定磁界により磁化する第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１方向の一方側の端部である第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、前記第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子と、前記第１磁性体の前記第１端部よりも前記第１方向の前記一方側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材と、前記磁気状態可変部材の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材と、を有する可変磁界検知部、および前記磁気状態可変部材が前記第１状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第１出力と、前記磁気状態可変部材が前記第２状態にあるときの前記可変磁界検知部からの第２出力とから、前記測定磁界を算出する磁界算出部を備える磁気センサを用いた磁気測定方法であって、前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第１状態として前記第１出力を得る第１測定ステップと、前記測定磁界が印加されているときにおいて、前記磁気状態可変部材を前記第２状態として前記第２出力を得る第２測定ステップと、前記磁界算出部において前記第１出力と前記第２出力とから前記測定磁界を算出する磁界算出ステップと、を備え、前記第２状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ２は、前記第１状態にある前記磁気状態可変部材の前記第１方向の実効的な透磁率μ１よりも高く、かつ前記第１磁性体と前記磁気検知素子との間に位置する第１物質の前記第１方向の透磁率μ０よりも高く、前記磁気状態変調部材と前記磁気状態可変部材とは前記第１方向に直交する第２方向に積層された磁気制御体を構成し、前記磁気制御体と前記磁気検知素子とは前記第２方向に並んで配置され、前記磁気状態変調部材は、通電時に前記磁気状態可変部材にスピン軌道トルクを付与するスピントルク生成部を有し、通電時の前記磁気状態可変部材の磁気状態は、前記スピントルク生成部からの前記スピン軌道トルクに基づき、非通電時の磁気状態と相違することを特徴とする磁気測定方法。
【産業上の利用可能性】
【0143】
本発明は、外部磁場を高感度で検出することができる、磁気分解能が高い磁気センサおよび磁気測定方法として有用である。
【符号の説明】
【0144】
１ ：磁気センサ
２ ：磁界検知部
３ ：制御用電源
４ ：磁界算出部
５ ：アンプ
６ ：Ａ／Ｄ変換回路
７ ：制御部
１０Ｐ ：検知中心
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ ：磁気検知素子
１１ ：固定磁性層
１１ｍ、１３ｍ、４０ｍ、６０１ｍ ：磁化
１２ ：中間層
１３ ：フリー磁性層
１５ ：フルブリッジ回路
２０ ：磁気状態変調部材
２０ａｆ ：交換結合
２０ｃ、６０１ｃ ：電流
２１ ：バイアス磁界源
２１ｍ ：磁界
３１ ：第１磁性体
３２ ：第２磁性体
４０ ：磁気状態可変部材
４１ ：非磁性部材
５０ ：絶縁体
６０ ：磁気制御体
６０１ ：通電磁気状態可変部材
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ ：可変磁界検知部
３１１ ：第１端部
ＧＮＤ ：グランド端子
Ｈ ：測定磁界
Ｖ１、Ｖ２ ：出力端子
Ｖｄｄ ：電源端子
Φ ：測定磁束
２ ：磁界検知部
３ ：制御用電源
４ ：磁界算出部
５ ：アンプ
６ ：Ａ／Ｄ変換回路
７ ：制御部
１０Ｐ ：検知中心
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ ：磁気検知素子
１１ ：固定磁性層
１１ｍ、１３ｍ、４０ｍ、６０１ｍ ：磁化
１２ ：中間層
１３ ：フリー磁性層
１５ ：フルブリッジ回路
２０ ：磁気状態変調部材
２０ａｆ ：交換結合
２０ｃ、６０１ｃ ：電流
２１ ：バイアス磁界源
２１ｍ ：磁界
３１ ：第１磁性体
３２ ：第２磁性体
４０ ：磁気状態可変部材
４１ ：非磁性部材
５０ ：絶縁体
６０ ：磁気制御体
６０１ ：通電磁気状態可変部材
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ ：可変磁界検知部
３１１ ：第１端部
ＧＮＤ ：グランド端子
Ｈ ：測定磁界
Ｖ１、Ｖ２ ：出力端子
Ｖｄｄ ：電源端子
Φ ：測定磁束
【要約】
【課題】小さな磁界を高精度で測定することができる、磁気センサおよび磁気測定方法の提供を目的とする。
【解決手段】第１方向（Ｘ方向）の測定磁界により磁化する第１磁性体３１と、第１磁性体３１の第１方向の一方側（Ｘ１側）の端部である第１端部３１１よりもＸ１側に位置し、第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子１０ａと、第１磁性体３１の第１端部３１１よりもＸ１側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材４０と、磁気状態可変部材４０の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材２０と、を有する可変磁界検知部１００ａを備え、磁気状態変調部材２０は反強磁性からなる反強磁性部を有し、第１状態または第２状態における磁気状態可変部材４０の磁化は、反強磁性部と磁気状態可変部材４０との交換結合の影響を受ける磁気センサ１。
【選択図】図１
【解決手段】第１方向（Ｘ方向）の測定磁界により磁化する第１磁性体３１と、第１磁性体３１の第１方向の一方側（Ｘ１側）の端部である第１端部３１１よりもＸ１側に位置し、第１方向に沿う感度軸を有する磁気検知素子１０ａと、第１磁性体３１の第１端部３１１よりもＸ１側に位置し、実効的な透磁率と磁化の向きとの少なくとも１つを含む磁気状態が相違する第１状態と第２状態とを取り得る磁気状態可変部材４０と、磁気状態可変部材４０の磁気状態を変化させる磁気状態変調部材２０と、を有する可変磁界検知部１００ａを備え、磁気状態変調部材２０は反強磁性からなる反強磁性部を有し、第１状態または第２状態における磁気状態可変部材４０の磁化は、反強磁性部と磁気状態可変部材４０との交換結合の影響を受ける磁気センサ１。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】
【図16A】
【図16B】
【図17A】
【図17B】
【図18A】
【図18B】
【図19A】
【図19B】
【図20A】
【図20B】
【図21A】
【図21B】
【図22A】
【図22B】
【図23】
