(57)【要約】【課題】特殊な磁性材料を使用することなく磁気抵抗効果素子の出力を増大する。【解決手段】磁化の向きが固定された磁気抵抗効果素子の強磁性参照層１３にスピン波誘起層１２を接続し、スピン波誘起層の内部に発生するスピン起電力によって特定の向きのスピンを有する電子を強磁性参照層１３に注入する。【選択図】図１
2014099509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが固定された強磁性参照層と外部磁場によって磁化の向きが変化する強磁性自由層とが非磁性層を挟んで積層された磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための電極と、
前記磁気抵抗効果膜の磁気抵抗を測定するための電極と、
前記強磁性参照層に接続されたスピン波誘起層とを備え、
前記スピン波誘起層は、内部に発生するスピン起電力によって特定の向きのスピンを有する電子を前記強磁性参照層に注入することを特徴とする磁気検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の磁気検出装置において、
前記スピン波誘起層の前記強磁性参照層に接続された端部と反対側の端部は磁化の向きが固定された強磁性ピン止め層に接続され、
前記強磁性ピン止め層の磁化と前記強磁性参照層の磁化は逆向きであり、
前記スピン波誘起層に交番磁場を照射する交番磁場照射部を備えることを特徴とする磁気検出装置。
【請求項３】
請求項２記載の磁気検出装置において、
前記スピン波誘起層は前記強磁性参照層の前記非磁性層とは反対側の面に接続されていることを特徴とする磁気検出装置。
【請求項４】
請求項２記載の磁気検出装置において、
前記スピン波誘起層は前記強磁性参照層の側面に接続されていることを特徴とする磁気検出装置。
【請求項５】
請求項２記載の磁気検出装置において、
前記強磁性参照層に前記スピン波誘起層が並列に複数接続されていることを特徴とする磁気検出装置。
【請求項６】
磁化の向きが固定された第１の強磁性参照層と外部磁場によって磁化の向きが変化する強磁性自由層とが非磁性層を挟んで積層された第１の磁気抵抗効果素子と、前記第１の強磁性参照層に接続され、内部に発生するスピン起電力によって特定の向きのスピンを有する電子を前記第１の強磁性参照層に注入する第１のスピン波誘起層とを備える第１の磁気センサと、
磁化の向きが固定された第２の強磁性参照層と外部磁場によって磁化の向きが変化する強磁性自由層とが非磁性層を挟んで積層された第２の磁気抵抗効果素子と、前記第２の強磁性参照層に接続され、内部に発生するスピン起電力によって特定の向きのスピンを有する電子を前記第２の強磁性参照層に注入する第２のスピン波誘起層とを備える第２の磁気センサと、
前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流す電源と、
前記第１の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗を測定する第１の測定部と、
前記第２の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗を測定する第２の測定部と、
前記第１の磁気抵抗効果素子及び前記第２の磁気抵抗効果素子の特性を記憶しており、前記第１の測定部の出力と前記第２の測定部の出力をもとに外部磁場の方向を演算する演算部とを有し、
前記第１の強磁性参照層の磁化の向きと前記第２の強磁性参照層の磁化の向きとは直交していることを特徴とする磁気検出装置。
【請求項７】
請求項６記載の磁気検出装置において、
前記第１のスピン波誘起層の前記第１の強磁性参照層に接続された端部と反対側の端部は磁化の向きが固定された第１の強磁性ピン止め層に接続され、
前記第１の強磁性ピン止め層の磁化と前記第１の強磁性参照層の磁化とは逆向きであり、
前記第２のスピン波誘起層の前記第２の強磁性参照層に接続された端部と反対側の端部は磁化の向きが固定された第２の強磁性ピン止め層に接続され、
前記第２の強磁性ピン止め層の磁化と前記第２の強磁性参照層の磁化とは逆向きであり、
前記第１のスピン波誘起層及び前記第２のスピン波誘起層に交番磁場を照射する交番磁場照射部を備えることを特徴とする磁気検出装置。
【請求項８】
磁化の向きが固定された第１の強磁性参照層と外部磁場によって磁化の向きが変化する強磁性自由層とが非磁性層を挟んで積層された第１の磁気抵抗効果素子と、前記第１の強磁性参照層に接続され、内部に発生するスピン起電力によって特定の向きのスピンを有する電子を前記第１の強磁性参照層に注入する第１のスピン波誘起層とを備える第１の磁気センサと、
磁化の向きが固定された第２の強磁性参照層と外部磁場によって磁化の向きが変化する強磁性自由層とが非磁性層を挟んで積層された第２の磁気抵抗効果素子と、前記第２の強磁性参照層に接続され、内部に発生するスピン起電力によって特定の向きのスピンを有する電子を前記第２の強磁性参照層に注入する第２のスピン波誘起層とを備える第２の磁気センサと、
前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子の膜厚方向に交流電流を流す交流電源と、
前記第１の磁気抵抗効果素子の出力と前記第２の磁気抵抗効果素子の出力の差を検出する差動検出部と、
前記交流電源の周波数を掃引し、前記差動検出部の検出信号がピークを示すときの周波数を外部磁場の変動周波数として出力する演算制御部とを有し、
前記第１の強磁性参照層の磁化と前記第２の強磁性参照層の磁化は逆向きであることを特徴とする磁気検出装置。
【請求項９】
請求項８記載の磁気検出装置において、
前記第１のスピン波誘起層の前記第１の強磁性参照層に接続された端部と反対側の端部は磁化の向きが固定された第１の強磁性ピン止め層に接続され、
前記第１の強磁性ピン止め層の磁化と前記第１の強磁性参照層の磁化とは逆向きであり、
前記第２のスピン波誘起層の前記第２の強磁性参照層に接続された端部と反対側の端部は磁化の向きが固定された第２の強磁性ピン止め層に接続され、
前記第２の強磁性ピン止め層の磁化と前記第２の強磁性参照層の磁化は逆向きであり、
前記第１のスピン波誘起層及び前記第２のスピン波誘起層に交番磁場を照射する交番磁場照射部を備えることを特徴とする磁気検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果を利用した磁気検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクドライブなどの磁気記録再生装置の磁気再生ヘッドに搭載される磁気センサとして、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）やトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）などの磁気抵抗効果を利用したセンサが用いられている。これらの磁気センサに用いられる磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された強磁性固定層と外部磁場によって磁化方向が変化する強磁性自由層とで非磁性層を挟んだ構造を有し、強磁性固定層の磁化と強磁性自由層の磁化のなす角度によって素子の磁気抵抗が変化する現象を利用する。ＴＭＲを利用した磁気抵抗効果素子はセンス電流を膜厚方向に流す。ＧＭＲを利用した磁気抵抗効果素子には、センス電流を膜面内方向に流すタイプと、センス電流を膜厚方向に流すタイプとがある。
【０００３】
特許文献１には、ＧＭＲ素子を構成する磁性層としてハーフメタル磁性体又は高分極率磁性体を用いることによってＧＭＲ素子の出力を増大させること、あるいは基体上に完全分極スピン注入層と障壁層を形成し、その上にＧＭＲ素子を配置することによってＧＭＲ素子の出力を増大させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３９９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、ＧＭＲ素子に一方の向きのスピンの電子のみを流すことにより出力の増大を図っている。しかし、ＧＭＲ素子に流れる電流のスピンの向きを揃えるためにハーフメタル磁性体や高分極率磁性体、完全分極スピン注入層など特殊な磁性材料を用いる必要がある。
【０００６】
本発明は、特殊な磁性材料を使用することなく磁気抵抗効果素子の出力を増大することのできる構造、また磁性膜としてハーフメタル磁性体又は高分極率磁性体を用いた場合においても更に出力を増大することのできる磁気検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
強磁性体中の磁化に空間的不均一性及び時間的不均一性があるとスピン起電力が発生する。本発明では、磁性体中にスピン波が誘起するスピン起電力を利用してスピン流を生成・増幅することにより磁気抵抗効果素子を利用した磁気センサの信号増大、ノイズ低減を図る。
【０００８】
本発明の磁気検出装置は、磁化の向きが固定された強磁性参照層と外部磁場によって磁化の向きが変化する強磁性自由層とが非磁性層を挟んで積層された磁気抵抗効果膜と、磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための電極と、磁気抵抗効果膜の磁気抵抗を測定するための電極と、強磁性参照層に接続されたスピン波誘起層とを備える。スピン波誘起層は、内部に発生するスピン起電力によって特定の向きのスピンを有する電子を強磁性参照層に注入する。
【０００９】
スピン波誘起層の強磁性参照層に接続された端部と反対側の端部を、磁化の向きが強磁性参照層の磁化の向きと逆向きに固定された強磁性ピン止め層に接続し、スピン波誘起層に交番磁場を照射する交番磁場照射部を備えるのが好ましい。この構成により、スピン波誘起層にスピン波定在波を誘起し、磁気抵抗効果膜の強磁性参照層に所望の向きのスピンを有する電子を安定的に注入することができる。
【００１０】
各々がスピン波誘起層を有する個別の磁気センサを複数個並列接続して磁気検出装置を構成すると、マグノイズを低減することができる。
【００１１】
また、スピン波誘起層を備えてスピン起電力によって特定の向きのスピンを有する電子を磁気抵抗効果素子の強磁性参照層に注入する本発明の磁気センサを２個、それぞれの磁気センサの磁気抵抗効果素子の強磁性参照層の磁化を逆向きに設定し、センス電流を交流として周波数掃引し、２つの磁気センサの出力差がピークを示すときのセンス電流周波数を求めることにより、外部磁場の変動周波数を検知することができる。
【００１２】
また、スピン波誘起層を備えてスピン起電力によって特定の向きのスピンを有する電子を磁気抵抗効果素子の強磁性参照層に注入する本発明の磁気センサを２個、それぞれの磁気センサの磁気抵抗効果素子の強磁性参照層の磁化の向きが直交するように配置すると、２つの磁気センサの出力から３次元空間内での外部磁場の方向を求めることが可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると磁気抵抗効果素子の出力を増大することができる。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による磁気検出装置の一実施例を示す模式図。
【図２】スピン波誘起層におけるスピン起電力発生の原理を示す模式図。
【図３】本発明による磁気検出装置の他の実施例を示す模式図。
【図４】本発明による磁気検出装置の他の実施例を示す模式図。
【図５】本発明による磁気検出装置の一実施例の概略断面図。
【図６】本発明による磁気検出装置の他の実施例を示す模式図。
【図７】本発明による磁気検出装置の他の実施例を示す模式図。
【図８】外部磁場の振動に応じて振動する磁気検知部の強磁性自由層の磁化の様子を示す模式図。
【図９】２つの磁気センサにおける強磁性参照層の磁化と強磁性参照層の磁化の関係を示す図。
【図１０】２つの磁気センサの出力の関係を示す図。
【図１１】センス電流の周波数と出力ΔＶの関係を示す図。
【図１２】図７に示した実施例の変形例を示す模式図。
【図１３】図７に示した実施例の変形例を示す模式図。
【図１４】本発明による磁気検出装置の他の実施例を示す模式図。
【図１５】磁気検出装置の磁気検知部だけを取り出して示した概略図。
【図１６】強磁性参照層の磁化と強磁性自由層の磁化のなす角度θと磁気抵抗Ｒの関係を表す図。
【図１７】３つのベクトルＭ1，Ｍ2，ｍの関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
図１は、本発明による磁気検出装置の一例を示す模式図である。図１に示した磁気検出装置は、強磁性ピン止め層１１、スピン波誘起層１２、強磁性参照層１３、非磁性層１４、強磁性自由層１５を積層した構造を有する。強磁性自由層１５は電極１６に、強磁性参照層１３は電極１７ａ，１７ｂにそれぞれ接続されている。非磁性層１４を挟んだ強磁性参照層１３と強磁性自由層１５の積層構造は磁気抵抗効果素子を構成し、電源２１や電圧計２２と接続することで磁気検知部２０となる。電極１６と電極１７ａには電源２１が接続され、磁気抵抗効果素子の膜厚方向にセンス電流を流す。また、電圧計２２は磁気抵抗効果素子の電圧を測定する。本実施例では、電源２１として定電流源を用い、磁気抵抗効果素子の両端電圧を測定することにより磁気抵抗を求めている。なお、電源２１として定電圧源を用い、電圧計２２の代わりに電流計を用いて磁気抵抗効果素子に流れる電流の大きさを測定することにより磁気抵抗を求める構成としてもよい。
【００１７】
スピン波誘起層１２の両端に接している強磁性ピン止め層１１と強磁性参照層１３は、それぞれの層の磁化の向きがスピン波誘起層１２を介した経路に沿って逆向きになるように設定され、それらの磁化３１，３２は外部磁場の影響によって向きが変化しないように固定されている。一方、強磁性自由層１５の磁化３３の向きは、外部磁場の影響を受けて変化する。交番磁場照射部１８は、スピン波誘起層１２に交番磁場１９を照射する。電極１７ａ，１７ｂは強磁性参照層１３と同じ磁性体金属で構成してもよく、電極１６は強磁性自由層１５が兼用してもよい。
【００１８】
強磁性ピン止め層１１には、高い磁気異方性を有する材料、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄白金（ＦｅＰｔ）、コバルト白金（ＣｏＰｔ）を用いることができる。また、反強磁性体によるピン止め効果によって強磁性体に大きな異方性磁界を付与させることができる反強磁性／強磁性交換結合膜、例えば、マンガンイリジウム（ＭｎＩｒ）／コバルト鉄（ＣｏＦｅ）、ＭｎＩｒ／鉄シリコン（ＦｅＳｉ）、マンガン鉄（ＦｅＭｎ）／ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）を用いてもよい。膜厚は１０ｎｍ〜１００ｎｍとすればよい。スピン波誘起層１２の材料としては、磁化を駆動しやすい低い磁気異方性を有するものが好ましく、例えばパーマロイ（Ｐｙ：ＮｉＦｅ合金）、Ｆｅ、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）等を用いることができる。また、スピン波誘起層１２に定在波が安定して閉じ込められていればよいため、通常のスピン拡散長に支配されるスピン流デバイスと比べて１０倍以上の距離にわたってスピンの向きの情報を伝送できるメリットがある。したがって、スピン波誘起層１２の膜厚ｔは、スピン拡散長の５０倍程度、より好ましくは５００倍以下とする必要がある。例えば、スピン波誘起層１２としてＰｙを用いる場合には、膜厚は１００ｎｍ程度とするのが好ましい。強磁性参照層１３には、Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＰｔ等を用いることができる。膜厚は５ｎｍ〜５０ｎｍとすればよい。非磁性層１４にはＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、ＭｇＯ、ＡｌＯｘ等を用いることができる。膜厚は１ｎｍ〜２ｎｍとすればよい。非磁性層１４に導電性の材料を用いた場合には磁気検知部はＧＭＲ素子を構成し、非磁性層に電気絶縁性の材料を用いる場合には磁気検知部はＴＭＲ素子を構成する。強磁性自由層１５としては、膜厚１０ｎｍ〜２０ｎｍのＰｙ、Ｆｅ、ＣｏＦｅＢ等を用いることができる。交番磁場照射部１８は、スピン波誘起層１２に対して周波数１００ＭＨｚ程度の交番磁場１９を照射できるものであればよい。例えば、交流電流を流した空心コイルを用いることができる。また、交番磁場照射部１８は磁気検知部２０に影響を与えないように、スピン波誘起層１２に近接して一体として配置するのが好ましい。
【００１９】
図２を参照して、スピン波誘起層１２の機能について説明する。交番磁場照射部１８からスピン波誘起層１２に交番磁場１９が照射されると、スピン波誘起層１２内部の磁化に歳差運動が生じる。そして、隣り合う磁化同士の相互作用により磁化の歳差運動が波の形で空間的に伝搬していくスピン波が励起される。図２には、スピン波誘起層１２内の各位置における磁化を表す矢印によって、スピン波誘起層１２を伝搬するスピン波を模式的に示した。ここで、スピン波誘起層１２は両端で強磁性ピン止め層１１と強磁性参照層１３に接しているため、両端部での磁化の向きは強磁性ピン止め層１１の磁化３１の向き及び強磁性参照層１３の磁化３２の向きと同じになる。従って、スピン波誘起層１２に誘起されるスピン波は、両端部を固定端とする定在波となり、典型的には図２に示すように中央部分を腹、両端部を節とする定在波となる。こうしてスピン波誘起層１２内の磁化は空間的に変化すると共に時間的にも変化したものとなる。
【００２０】
ところで、一般に、磁性体中の磁化に空間的不均一性と時間的不均一性が同時に存在するとスピン起電力Ｆzが発生する。強磁性ピン止め層１１と強磁性参照層１３を結ぶ方向をｚ軸方向とし、ｚ軸に対する角度をθ、ｚ軸の回りの回転角度をφとする極座標系を考えると、スピン起電力Ｆzは次式(1)で表される。
【数１】
2014099509.tif 000003
【００２１】
ここで、スピン波誘起層に誘起されたスピン波は定在波であるため、式(2)が成立し、式(1)は式(3)のようになる。
【数２】
2014099509.tif 000004
【００２２】
式(3)中の右辺の（±）は上向きスピンと下向きスピンとで起電力の向きが逆になること、すなわち上向きスピンの電子と下向きスピンの電子に対して独立に逆向きの電場を印加できることを示している。このため、上向きスピンの電子と下向きスピンの電子を逆方向に移動させ、片方のスピンの電子を選択的に磁気抵抗効果素子の強磁性参照層１３に注入することができる。また、式中のωは交番磁場により励起された磁化の歳差運動の周期である。このため、スピン起電力は交番磁場の周波数に比例することになり、交番磁場の周波数を変化させることによりスピン起電力の大きさを制御することが可能である。例えば、スピン波誘起層として膜厚１００ｎｍのＰｙを用い、１００ＭＨｚの交番磁場をかけた場合、１３０ｎｅＶのスピン起電力が得られる。また、図２の右側に示すように、電気化学ポテンシャルは、上向きスピンと下向きスピンの数密度で与えられる全エネルギーで与えられる。
【００２３】
磁気検知部２０では、定電流源２１によって例えば磁気抵抗効果素子の強磁性自由層１５側から強磁性参照層１３の方向に電流を流す。このとき、強磁性参照層１３の磁化３２と同じ向きのスピンを有する電子が多く強磁性参照層１３から非磁性層１４を通って強磁性自由層１５に流れ、それが強磁性自由層１５の磁化３３と相互作用して磁気抵抗効果を生じる。磁気抵抗効果による抵抗変化率は強磁性参照層１３から磁気検知部２０に流入するスピンの偏り（スピン分極率）に依存する。本発明では、スピン波誘起層１２から特定の向きのスピンを有する電子を強磁性参照層１３に注入することで、強磁性参照層１３の実効的なスピン分極率を高め、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率を増大させる。それによって磁気検知部２０の出力信号を増大させる。
【００２４】
図３は、本発明による磁気検出装置の他の実施例を示す模式図である。
図１に示した実施例ではスピン波誘起層を磁気抵抗効果素子の強磁性参照層の下面に接して配置したが、本実施例の磁気検出装置では、スピン波誘起層１２を磁気抵抗効果素子の強磁性参照層１３の側方に接続して配置する構造とした。
【００２５】
本実施例では、スピン波誘起層１２は、一端が強磁性ピン止め層１１に接し、他端が電極１７ｂを介して強磁性参照層１３に接している。この場合、電極１７ｂは強磁性参照層１３と同じ導電性磁性材料で構成するのが好ましい。強磁性ピン止め層１１の磁化３１と強磁性参照層１３の磁化３２は、互いに逆向きであり、外部磁場によって変化しないように固定されている。スピン波誘起層１２に定在波が安定して閉じ込められていればよいため、通常のスピン拡散長に支配されるスピン流デバイスと比べて１０倍以上の距離にわたってスピンの向きの情報を伝送できるメリットがある。したがって、スピン波誘起層１２の長さＬは、スピン拡散長の５００倍程度以下とする。
【００２６】
本実施例の構造の場合、ＧＭＲ、ＭＴＪの磁化の向きが膜面に垂直方向を向いた垂直磁化膜でなく、比較的作成し易い面内方向磁化膜の場合を取り扱える。また、磁気検知部とスピン波誘起層を空間的に分離できるため、図１の構造よりも磁気検知部の自由層磁化が交番磁場の影響を受けにくいメリットがある。
【００２７】
図４は本発明による磁気検出装置の他の実施例を示す模式図、図５はその概略断面図である。
本実施例では、複数のスピン波誘起層からのスピン流注入により、磁気抵抗効果素子の強磁性参照層へのスピン流注入を増大させた。１つの磁気抵抗効果素子の強磁性参照層１３と強磁性ピン止め層１１の間に複数のスピン波誘起層１２を並列に接続し、各スピン波誘起層に交番磁場照射部１８から交番磁場１９を照射するようにした。それぞれのスピン波誘起層から発生したスピン流、例えば下向きのスピンをもつ電子を合流させて強磁性参照層１３に注入する。こうして、１個のスピン波誘起層を用いる場合よりも強磁性参照層に注入されるスピン流を増大させ、強磁性参照層の実効的なスピン偏極率を増加させて磁気抵抗効果素子の出力信号を更に増大させることができる。
【００２８】
図示の例では強磁性ピン止め層１１を全てのスピン波誘起層１２に共通の一つの層としたが、強磁性ピン止め層は図１に示すように個々のスピン波誘起層毎に個別に設けてもよい。また、強磁性参照層１３は単磁区構造が安定に存在することが求められるため、１００ｎｍのオーダーのサイズとするのが望ましい。例えば、ＣｏＦｅでは４００ｎｍ×４００ｎｍ×５ｎｍ程度の大きさとすることができる。
【００２９】
図６は、本発明による磁気検出装置の他の実施例を示す模式図である。
本実施例の磁気検出装置は、各々がスピン波誘起層を有する個別の磁気センサを複数個並列に接続したものである。図に示した四角のブロック４１〜４４のそれぞれが、図１、図３、図４で説明した磁気センサである。本実施例のように複数の磁気センサを並列化することにより、マグノイズを低減することができる。
【００３０】
図７は、本発明による磁気検出装置の他の実施例を示す模式図である。本実施例の磁気検出装置は、外部磁場が周波数ｆ0で時間的に振動しているときに、その振動周波数を検出するものである。図８に示すように、外部磁場の振動に応じて磁気検知部の強磁性自由層の磁化も２つの状態Ｐ，Ｑの間を周波数ｆ0で振動する。
【００３１】
本実施例では、図７に示すように、強磁性参照層の磁化が逆向きになった磁気抵抗効果素子Ａと磁気抵抗効果素子Ｂをペアで組合せ、２つの磁気抵抗効果素子の出力Ｖ1，Ｖ2の差（Ｖ1−Ｖ2）を測定する。磁気抵抗効果素子Ａ，Ｂにスピン波誘起層を介して接続される強磁性ピン止め層の磁化は、これまでの実施例と同様に対応する強磁性参照層の磁化と逆向きである。なお、強磁性自由層の上部に接続される電極は図示を省略した。２つの磁気抵抗効果素子Ａ，Ｂに各々接続されているスピン波誘起層に発生するスピン起電力の向きが逆になるように、２つのスピン波誘起層にそれぞれ逆向きの磁場４６，４７を印加する。逆向きの磁場４６，４７を印加することにより、２つのスピン波誘起層においてスピンの歳差運動の軸となる有効磁場の向きが逆になり、スピンの歳差運動の回転方向が反対方向になる。磁場４６，４７は、２つのスピン波誘起層の間に配置した導電線に電流４５を流すことで発生させた。図の例では、電流４５の向きは紙面表面から裏面に向かう向きである。また、電源４８として周波数可変の交流電源を用い、磁気抵抗効果素子Ａ，Ｂに流すセンス電流を交流電流として、制御演算部４９で電源周波数を掃引する。
【００３２】
図９は、磁気抵抗効果素子Ａにおける強磁性参照層の磁化３１ａと強磁性自由層の磁化３３ａ、及び磁気抵抗効果素子Ｂにおける強磁性参照層の磁化３１ｂと強磁性自由層の磁化３３ｂの関係を示す図である。２つの磁気抵抗効果素子Ａ，Ｂの強磁性自由層の磁化３３ａ，３３ｂは、いずれも外部磁化の方向を向く。一方、２つの磁気抵抗効果素子Ａ，Ｂの強磁性参照層の磁化３１ａ，３１ｂは互いに逆方向を向いている。従って、磁気抵抗効果素子Ａにおける強磁性参照層の磁化３１ａと強磁性自由層３３ａのなす角度をθとすると、磁気抵抗効果素子Ｂでは、強磁性参照層の磁化３１ｂと強磁性自由層３３ｂのなす角度は（π−θ）となる。
【００３３】
図１０は、磁気抵抗効果素子Ａ，Ｂを備える２つの磁気検知部の出力Ｖ1，Ｖ2の関係を示す図である。
磁気抵抗効果素子の磁気抵抗Ｒは、強磁性自由層の磁化と強磁性参照層の磁化のなす角θに依存して、平行と反平行の間で後述の図１６のように変化する。その結果、出力電圧はＶ＝ＩＲに従うので、θに依存する磁気抵抗Ｒとセンス電流Ｉの方向によって決まる。つまり、センス電流の方向により出力電圧の符号が反転する。強磁性参照層から電子注入される場合、磁気抵抗効果素子Ａ側の出力Ｖ1は、強磁性自由層の磁化と強磁性参照層の磁化のなす角θ1に依存して、図１０の左上に黒丸で示した実線のように変化する。センス電流の向きが反転して、強磁性参照層へ電子注入される場合には、図１０の左下に白丸で示した実線のようになり、出力の符号反転が起こる。磁気抵抗効果素子Ｂ側の出力Ｖ2は、θ2＝π−θ1の関係があるので、図１０の右側に図示するように変化する。
【００３４】
強磁性自由層の磁化が周波数ｆ0で振動している場合、それに同期してセンス電流を振動させると、出力の差（Ｖ1−Ｖ2）は図示したようにΔＶとなって現れるが、センス電流の周波数が外部磁界の周波数と同期していない場合には、位相がずれてしまい、時間積算するとほとんど消去されてしまい、出力が現れない。この結果、図１１に示すように、センス電流の交流周波数掃引によって差出力に現れるピークに対応する周波数が検知磁場の周波数となる。制御演算部４９では、出力ΔＶがピークになる電源周波数を検知磁場の振動周波数ｆ0として出力する。
【００３５】
センス電流がピックアップするのは、検知すべき外部磁場がセンス電流の周波数と同期するかどうかになる。例えば、１個のセンサの出力を周波数解析するのではなく、本実施例のように２個のセンサを使い、センス電流を交流にして同期周波数を検波することにより、１ＭＨｚ以下の低周波数の場合に問題となる１／ｆノイズを低減することができる。
【００３６】
図１２及び図１３は、図７に示した実施例の変形例を示す模式図である。図１２は、図７に原理図を示した磁気検出装置において、磁気抵抗効果素子に接続するスピン波誘起層を図３のように強磁性参照層の側方に配置した実施例である。また、図１３は、図７に原理図を示した磁気検出装置において、磁気抵抗効果素子に接続するスピン波誘起層を図５のように複数個並置した例である。いずれも磁気検知部に対するスピン波誘起層の配置が異なるだけで、他の構成は図７と同様である。図１２及び図１３において、磁気抵抗効果素子の強磁性自由層に接続される電極は図示を省略した。
【００３７】
図１４は、本発明による磁気検出装置の他の実施例を示す模式図である。本実施例では、強磁性参照層の磁化方向が互いに直交する２つの磁気抵抗効果素子を組み合わせて用いることで、任意の方向の磁場検知を可能にする。なお、磁気抵抗効果素子の強磁性自由層に接続される電極は図示を省略した。
【００３８】
第１の磁気抵抗効果素子Ａと第２の磁気抵抗効果素子Ｂは、それぞれの強磁性参照層１３ａ，１３ｂの磁化の向きが互いに直交するように配置される。このとき、磁気抵抗効果素子Ａの強磁性参照層１３ａにスピン波誘起層１２ａを介して接続される強磁性ピン止め層１１ａの磁化と、磁気抵抗効果素子Ｂの強磁性参照層１３ｂにスピン波誘起層１２ｂを介して接続される強磁性ピン止め層１１ｂの磁化も互いに直交する方向を向く。図１４には、スピン波誘起層１２ａ，１２ｂを磁気抵抗効果素子の強磁性参照層１３ａ，１３ｂの側方に配置した例を示したが、スピン波誘起層を図１に示すように磁気抵抗効果素子の強磁性参照層の積層方向下部に配置しても、もちろん構わない。第１の磁気抵抗効果素子Ａを含む磁気検知部の電圧計２２ａの出力Ｖ1と第２の磁気抵抗効果素子Ｂを含む磁気検知部の電圧計２２ｂの出力Ｖ2は、演算部５１に入力される。演算部では後述のように、Ｖ1，Ｖ2と予め記憶している磁気抵抗効果素子の出力特性を元に、外部磁場の方向を演算して表示部５２に出力する。
【００３９】
図１５は、図１４に示した磁気検出装置の磁気検知部だけを取り出して示した概略図である。ここでは簡単のために、第１の磁気抵抗効果素子Ａと第２の磁気抵抗効果素子Ｂは同一の構造で同一の磁気特性を有し、互いの強磁性参照層の磁化Ｍ1，Ｍ2のなす角度が９０°となるように配置されているものとする。２つの磁気抵抗効果素子Ａ，Ｂの強磁性参照層の磁化ｍは、いずれも外部磁場の方向を向く。この状態で、磁化Ｍ1と磁化ｍのなす角度をθ1、磁化Ｍ2と磁化ｍのなす角度をθ2とする。
【００４０】
図１６は、磁気抵抗効果素子における強磁性参照層の磁化Ｍと強磁性自由層の磁化ｍのなす角度θと磁気抵抗Ｒの関係を表す図である。磁化Ｍと磁化ｍが平行のとき磁気抵抗Ｒは最小になり、磁化Ｍと磁化ｍが反平行のとき磁気抵抗Ｒは最大になる。電源として定電流源を用いると、磁気抵抗Ｒは電圧計による測定電圧Ｖ1，Ｖ2に比例するので、図１６は電圧計の測定電圧Ｖ1，Ｖ2と角度θ1，θ2の関係を表す図でもある。すなわち、第１の磁気検知部の電圧計の測定電圧Ｖ1から角度θ1を求めることができる。同様にして、第２の磁気検知部の電圧計の測定電圧Ｖ2から角度θ2を求めることができる。なお、電源として定電圧源を用いた場合には、磁気抵抗は電流に逆比例するので、電圧計に代えて電流計で素子に流れる電流を測定することにより図１６の関係を用いて角度θ1，θ2を求めることができる。
【００４１】
ここで、図１７に示すように、磁化Ｍ1と磁化Ｍ2に直交する方向をＭperpとし、Ｍ1，Ｍ2，Ｍperpを座標軸とする３次元の直交座標系を考えると、３つのベクトルＭ1，Ｍ2，ｍの間には、図示するような関係が成り立つ。磁化ｍがＭperpとなす角度をθp、磁化ｍのＭ1Ｍ2平面への射影がＭ2となす角度をφとすると、角度（θp，φ）を求めることが出来れば、磁化ｍの方向、すなわち外部磁場の方向が求まる。ここで、幾何学的な関係から、θ1，θ2とθp，φの間には次式が成り立つ。
【数３】
2014099509.tif 000005
【００４２】
以上のように、２つの磁気検知部の出力Ｖ1，Ｖ2から、磁化Ｍ1と磁化ｍのなす角度θ1及び磁化Ｍ2と磁化ｍのなす角度をθ2が求まり、それをもとに上式(4)(5)から磁化ｍの方向、すなわち３次元空間内での外部磁場の方向（θp，φ）を求めることができる。演算部５１は、使用中の磁気抵抗効果素子における２つの強磁性層の磁化のなす角度θと磁気抵抗Ｒの関係を記憶しており、その関係からθ1，θ2を求め、更に上式(4)(5)の関係を用いて外部磁場の方向（θp，φ）を計算し、結果を表示部５２に表示する。
【００４３】
以上、磁気抵抗効果素子の出力信号を増大できる本発明の磁気検出装置の実施例について説明した。本発明の磁気検出装置は、例えば磁気ヘッドの再生センサ、脳波の検出など磁気検出を伴う生体計測装置の磁気センサ、モータの磁気センサ等として用いることができる。
【００４４】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１１  強磁性ピン止め層
１２  スピン波誘起層
１３  強磁性参照層
１４  非磁性層
１５  強磁性自由層
１８  交番磁場照射部
１９  交番磁場
２０  磁気検知部
２１  電源
２２  電圧計
４９  制御演算部
５１  演算部
５２  表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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