(57)【要約】【課題】簡便なプロセスで製造でき、かつ少ない磁気検出部数で３軸の磁場成分を検出可能な、磁気抵抗効果素子からなる磁気センサを提供すること。【解決手段】第１の磁気感知部３０１と第２の磁気感知部３０２とが互いに並行で、かつ重ならないように配置され、第１の磁気感知部３０１の感磁材３０１ａと、第２の磁気感知部３０２の感磁材３０２ａとを、電気的に直列接続する接続部３１１ａとからなる第１の配置パターン３１１を有している。第１の配置パターン３１１と同じ構造構成を有する第２の配置パターン３１２が、基板平面に対して平行で、かつ第１の配置パターン３１１の磁気収束部３０１ｂ，３０２ｂの短手方向側に平行な線に対して対称で、かつ互いに重ならないように離間して対向配置されている。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板平面に対して平行な任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、
前記基板平面上に四角形状の感磁材と、該感磁部と長さの異なる四角形状の磁気収束材とを有し、前記基板平面に対して平行で、かつ前記感磁材の長手方向の中点を通る中線と、前記磁気収束材の長手方向の中点を通る中線とが互いに交わらないように配置された第１の磁気感知部と、該第１の磁気感知部と同一の構造を有する第２の磁気感知部とを備え、
該第２の磁気感知部の感磁材が、前記第１の磁気感知部の磁気収束材と前記第２の磁気感知部の磁気収束材とに挟まれるように配置され、
前記第１の磁気感知部と前記第２の磁気感知部とが互いに並行で、かつ重ならないように配置され、前記第１の磁気感知部の感磁材と前記第２の磁気感知部の感磁材とを電気的に直列接続する接続部とからなる第１の配置パターンを有し、
前記第１の配置パターンと同一の構成を有する第２の配置パターンが、前記基板平面に対して平行で、かつ前記第１の配置パターンの磁気収束材の短手方向側に平行な線に対して対称で、かつ互いに重ならないように離間して対向配置されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記基板平面に対して垂直な軸方向の磁場を検出できるように、前記基板上に前記第１の配置パターンと同一の構成を有する第３の配置パターンを有し、
該第３の配置パターンが任意の点に対して前記第１の配置パターンと対称で、かつ前記第１の配置パターンの磁気収束材の長手方向と、前記第３の配置パターンの長手方向が平行で互いに重ならないように離間して配置され、
前記第１の配置パターンと前記第２の配置パターン及び前記第３の配置パターンが互いに平行で、かつ異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記第１の配置パターンから前記第２の配置パターンのそれぞれの磁気収束材において、磁気収束部材が、前記第１及び第２の配置パターンの構造中心点から遠い位置の方の磁気収束材の短手側でＴ字状に接するように配置され、前記磁気収束部材と隣接する磁気収束材との距離が、前記配置パターン内における２つの磁気収束材間の距離よりも遠い位置関係に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記各配置パターン間における磁気収束材間の距離が、前記各配置パターン内における２つの磁気収束材間の距離よりも長いことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の磁気センサ。
【請求項５】
同一基板上に、更に、前記第１乃至第３の配置パターンのいずれかの感磁材をと同じ配置パターンの感磁材と、該感磁材の全面を覆う磁気収束材を有する第４の配置パターンを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記第１の配置パターン乃至前記第４の配置パターンのいずれかの配置パターンが複数個で配置パターン群を構成し、該配置パターン群が、互いに平行でかつ重ならないように配置され、かつ前記配置パターン群の各々の感磁部同士が、１つの直列接続となるように接続部で電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気センサにおける前記第１の配置パターンと前記第２の配置パターンを有する磁気センサの磁気検出方法において、
前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場（Ｘ磁場）は、前記第１の配置パターンと前記第２の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場（Ｙ磁場）は、同一方向に磁場変換され、
さらに、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場（Ｚ磁場）は、前記第１の配置パターンと前記第２の配置パターンに対して各々同じ方向に変換され、前記第１の配置パターンを有する磁気センサと、前記第２の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の差を演算することで、Ｘ磁場のみを単独で演算することを特徴とする磁気検出方法。
【請求項８】
請求項５又は６に記載の磁気センサにおける前記第２の配置パターンと前記第３の配置パターン及び前記第４の配置パターンを有する磁気センサの検出方法において、
前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場（Ｘ磁場）は、前記第２の配置パターンと前記第３の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場（Ｙ磁場）は、同一方向に磁場変換され、
さらに、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場（Ｚ磁場）は、前記第２の配置パターンと前記第３の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、
前記第２の配置パターンを有する磁気センサと、前記第３の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の和を演算し、さらに、その和を前記第４の配置パターンからなる磁気センサの抵抗を２倍の値から差をとることで、Ｙ磁場のみを単独で演算することを特徴とする磁気検出方法。
【請求項９】
請求項２乃至６にいずれかに記載の磁気センサにおける前記第１の配置パターンと前記第３の配置パターンを有する磁気センサの検出方法において、
前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場（Ｘ磁場）は、前記第１の配置パターンと前記第３の配置パターンに対して各々同じ方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場（Ｙ磁場）は、同一方向に磁場変換され、
さらに、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場（Ｚ磁場）は、前記第１の配置パターンと前記第３の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、
前記第１の配置パターンを有する磁気センサと、前記第３の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の差を演算することで、Ｚ磁場のみを単独で演算することを特徴とする磁気検出方法。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれかに記載の磁気検出方法の２つ以上を組み合わせることにより２軸又は３軸方向の磁場を検出することを特徴とする磁気検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサ及びその磁気検出方法に関し、より詳細には、磁気抵抗素子を備え、感度軸を同じ方向に揃えることで製造工程の簡略化し、かつ、従来よりも少ない磁気検出部数を同一基板上に備え、ＸとＹとＺ軸方向の磁場を検知できる磁気センサ及びその磁気検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に磁気の有無を検出する巨大磁気抵抗（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＧＭＲ）素子は広く知られている。磁場をかけると電気抵抗率が増加する現象を磁気抵抗効果というが、一般の物質では変化率は数％であるが、このＧＭＲ素子では数１０％に達することから、ハードディスクのヘッドに広く用いられている。更にＧＭＲよりも変化率が大きいトンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ）も磁気ヘッドも広く知られている。
【０００３】
図１は、従来のＧＭＲ素子の動作原理を説明するための斜視図で、図２は、図１の部分断面図である。図中符号１は反強磁性層、２はピンド層（固定層）、３はＣｕ層（スペーサ層）、４はフリー層（自由回転層）を示している。磁性材料の磁化の向きで電子のスピン散乱が変わり抵抗が変化する。つまり、ΔＲ＝（ＲＡＰ−ＲＰ）ＲＰ（ＲＡＰ；上下の磁化の向きが反平行のとき、ＲＰ；上下の磁化の向きが反平行のとき）で表される。
【０００４】
固定層２の磁気モーメントは、反強磁性層１との磁気結合により方向が固定されている。漏れ磁場により磁化自由回転層４の磁気モーメントの方向が変化すると、Ｃｕ層３を流れる電流が変化し、漏れ磁場の変化が読み取れる。
図１に示すＧＭＲ構造は、スピンバルブ構造と呼ばれ、フリー層の磁化方向とピンド層の磁化方向が直交するように初期設計され、ピンド層方向に磁場がかかることによりフリー層の磁化が動き抵抗変化を示す。そのため、ＧＭＲの感度軸はピンド層方向になる。
【０００５】
図３は、従来のＧＭＲ素子の積層構造を説明するための構成図で、図中符号１１は絶縁膜、１２はフリー層（自由回転層）、１３は導電層、１４はピンド層（固定層）、１５は反強磁性層、１６は絶縁膜を示している。フリー層（自由回転層）１２は、自由に磁化の向きが回転する層で、ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅ／ＮｉＦｅから構成され、導電層１３は、電流を流し、スピン散乱が起きる層で、Ｃｕから構成され、ピンド層（固定層）１４は、磁化の向きが一定方向に固定された層で、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅから構成され、反強磁性層１５は、ピンド層１４の磁化の向きを固定するための層で、ＰｔＭｎ又はＩｒＭｎから構成され、絶縁膜１１，１６は、ＴａやＣｒ、ＮｉＦｅＣｒ、ＡｌＯから構成されている。また、ピンド層１４は、反強磁性層を用いずにセルフバイアス構造を用いても良い。
【０００６】
ＧＭＲ素子の平面構造は、つづら折り状の構造（ミアンダ構造）をとるのが一般的で、フリー層の磁化の向きとピンド層の向きを直交させるために主に、感度軸であるピンド層の幅に対し、フリー層の方向であるＧＭＲの長さを十分大きくすることで生じる形状異方性を利用し、フリー層の向きを感度軸であるピンド層の向きと直交させるように制御する手法や、フリー層の方向にＧＭＲの両端、もしくはその間に永久磁石を配置し、永久磁石の磁場によりフリー層の磁化方向をピンド層と直交させる手法がある。
【０００７】
ＧＭＲやＴＭＲは、磁場強度に対応した磁気抵抗変化を示すため、磁気センサとして実用化されており、磁気スイッチや電流検知、さらには地磁気検知に用いられている。
地磁気を検出するためにはＸ、Ｙ、Ｚの３軸の磁場を検出することが必要になる。例えば、ＧＭＲは基板平面上に形成された場合、ピンド層の磁化方向に感度軸を持つため、水平方向の磁場しか検出できない。
【０００８】
例えば、特許文献１に記載のものは、単一の基板上に３次元方向に交差するように配置された磁気抵抗効果素子を有する磁気センサに関するもので、ピンド層とフリー層とを含んでなる磁気抵抗素子を用いた磁気センサであって、特に、磁気センサの表面に垂直な方向の磁場を測定する高感度の磁気センサが記載されており、水平方向の磁場を検出する磁気抵抗素子を用いて、斜め斜面上に形成することで、本来検知出来ない垂直方向に掛かるＺ磁場をベクトル分解することで、同一基板でＸ、Ｙ、Ｚの磁場を検知出来ることが提案されている。つまり、この特許文献１では、基板を斜めに加工し、ＧＭＲを斜めに形成することで、水平方向成分と垂直方向の磁場成分を検出する工夫を施している。
【０００９】
また、特許文献２に記載のものは、正確な方位を検出するために、地磁気方位を検出する感度軸を備えたＸ軸用磁気センサとＹ軸用磁気センサとＺ軸用磁気センサとセンサ制御用半導体を備えた検出装置に関するもので、垂直方向の磁場を検知するために、素子を立てて基板上に実装することで、Ｚ軸方向の磁場を検出する工夫を施している。
また、同一基板上に形成された磁気抵抗素子で、Ｘ、Ｙ、Ｚの磁場を検出することが出来ると製造工程が大きく簡略化できコスト的に有利であり、また、実装や斜め形成の加工精度による誤差に影響を受けることがないため、低コスト、かつ高精度の地磁気センサの実現が可能である。
【００１０】
しかしながら、Ｘ、Ｙ方向を同一基板上で検出するために、磁気検出部の感度軸が直交させて同一基板上に形成する必要がある。
例えば、特許文献３に記載のものは、ピンド層の磁化の向きが互いに交差する二以上の磁気抵抗効果素子を単一チップ上に有する磁気センサに関するもので、この特許文献３には、感度軸を直交させて同一基板上に形成するためには、ピン層の向きが同一平面上で交差する二以上の磁気抵抗素子を形成するために、各センサチップ内において、Ｎ極、Ｓ極を組み合わせた永久磁石のアレイを用いて、４つの異なる方向（±ｘ軸、±ｙ軸）にピンド層の磁化を固定する処理する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−６７５２号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００８／０９９８２２号（特許第４４９５２４０号）
【特許文献３】特開２００２−２９９７２８号公報（特許第３４９８７３７号）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述した特許文献１の磁気センサは、磁気抵抗素子は、ホール素子よりも感度が高いため、後段での複雑な信号処理をする必要はないが、基板を斜めに形成したり、コイルを形成するなど量産性が課題となる。
また、特許文献２に記載のものは、垂直方向の磁場を検知するために、素子を立てて基板上に実装することで、Ｚ軸方向の磁場を検出する工夫を施しているものの、いずれの方向ともＸ、Ｙ、Ｚ磁場検知のために複雑な工程を要するためコストに課題があった。また、特許文献３では、チップ毎の処理が、製造工程を複雑化し、コスト高となるという課題があった。
【００１３】
このため、同じ方向に感度軸をもつ磁気抵抗素子を用いて、Ｘ、Ｙ、Ｚの磁場を検出出来る１チップの地磁気センサを実現できれば、製造も簡略化でき、コストも下げる事が可能になる。一般的に少ない素子数でＸ、Ｙ、Ｚを検出出来る磁気センサが実現できれば素子サイズも小さくなる効果も期待出来る。
本発明は、このような状況を鑑みて発明されたものであり、その目的とするところは、簡便なプロセスで製造でき、かつ少ない磁気検出部数で３軸の磁場成分を検出可能な、磁気抵抗効果素子からなる３軸の磁気センサ及びその磁気検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、基板平面に対して平行な任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、前記基板平面上に四角形状の感磁材（３０１ａ）と、該感磁部と長さの異なる四角形状の磁気収束材（３０１ｂ）とを有し、前記基板平面に対して平行で、かつ前記感磁材の長手方向の中点を通る中線（Ｍａ）と、前記磁気収束材の長手方向の中点を通る中線（Ｍｂ）とが互いに交わらないように配置された第１の磁気感知部（３０１）と、該第１の磁気感知部と同一の構造を有する第２の磁気感知部（３０２）とを備え、該第２の磁気感知部の感磁材（３０２ａ）が、前記第１の磁気感知部の磁気収束材（３０１ｂ）と前記第２の磁気感知部の磁気収束材（３０２ｂ）とに挟まれるように配置され、前記第１の磁気感知部と前記第２の磁気感知部とが互いに並行で、かつ重ならないように配置され、前記第１の磁気感知部の感磁材（３０１ａ）と前記第２の磁気感知部の感磁材（３０２ａ）とを電気的に直列接続する接続部（３１１ａ）とからなる第１の配置パターン（３１１）を有し、前記第１の配置パターン（３１１）と同一の構成を有する第２の配置パターン（３１２）が、前記基板平面に対して平行で、かつ前記第１の配置パターン（３１１）の磁気収束材の短手方向側に平行な線に対して対称で、かつ互いに重ならないように離間して対向配置されていることを特徴とする。（図９）
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記基板平面に対して垂直な軸方向の磁場を検出できるように、前記基板上に前記第１の配置パターンと同一の構成を有する第３の配置パターンを有し、該第３の配置パターンが任意の点（Ｐ）に対して前記第１の配置パターンと対称で、かつ前記第１の配置パターンの磁気収束材の長手方向と、前記第３の配置パターンの長手方向が平行で互いに重ならないように離間して配置され、前記第１の配置パターンと前記第２の配置パターン及び前記第３の配置パターンが互いに平行で、かつ異なる位置に配置されていることを特徴とする。（図１０）
【００１６】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１の配置パターンから前記第２の配置パターンのそれぞれの磁気収束材において、磁気収束部材が、前記第１及び第２の配置パターンの構造中心点から遠い位置の方の磁気収束材の短手側でＴ字状に接するように配置され、前記磁気収束部材と隣接する磁気収束材との距離（Ａ）が、前記配置パターン内における２つの磁気収束材間の距離（Ｂ）よりも遠い位置関係に配置されていることを特徴とする。（図１１）
【００１７】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記各配置パターン間における磁気収束材間の距離（Ｄ）が、前記各配置パターン内における２つの磁気収束材間の距離（Ｅ）よりも長いことを特徴とする。（図１２）
【００１８】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、同一基板上に、更に、前記第１乃至第３の配置パターンのいずれかの感磁材をと同じ配置パターンの感磁材と、該感磁材の全面を覆う磁気収束材を有する第４の配置パターンを有することを特徴とする。（図１３）
【００１９】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記第１の配置パターン乃至前記第４の配置パターンのいずれかの配置パターンが複数個で配置パターン群を構成し、該配置パターン群が、互いに平行でかつ重ならないように配置され、かつ前記配置パターン群の各々の感磁部同士が、１つの直列接続となるように接続部（３１１ｂ）で電気的に接続されていることを特徴とする。（図１４）
【００２０】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気センサにおける前記第１の配置パターンと前記第２の配置パターンを有する磁気センサの磁気検出方法において、前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場（Ｘ磁場）は、前記第１の配置パターンと前記第２の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場（Ｙ磁場）は、同一方向に磁場変換され、さらに、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場（Ｚ磁場）は、前記第１の配置パターンと前記第２の配置パターンに対して各々同じ方向に変換され、前記第１の配置パターンを有する磁気センサと、前記第２の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の差を演算することで、Ｘ磁場のみを単独で演算することを特徴とする。
【００２１】
また、請求項８に記載の発明は、請求項５又は６に記載の磁気センサにおける前記第２の配置パターンと前記第３の配置パターン及び前記第４の配置パターンを有する磁気センサの検出方法において、前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場（Ｘ磁場）は、前記第２の配置パターンと前記第３の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場（Ｙ磁場）は、同一方向に磁場変換され、さらに、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場（Ｚ磁場）は、前記第２の配置パターンと前記第３の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記第２の配置パターンを有する磁気センサと、前記第３の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の和を演算し、さらに、その和を前記第４の配置パターンからなる磁気センサの抵抗を２倍の値から差をとることで、Ｙ磁場のみを単独で演算することを特徴とする。
【００２２】
また、請求項９に記載の発明は、請求項２乃至６にいずれかに記載の磁気センサにおける前記第１の配置パターンと前記第３の配置パターンを有する磁気センサの検出方法において、前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場（Ｘ磁場）は、前記第１の配置パターンと前記第３の配置パターンに対して各々同じ方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場（Ｙ磁場）は、同一方向に磁場変換され、さらに、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場（Ｚ磁場）は、前記第１の配置パターンと前記第３の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記第１の配置パターンを有する磁気センサと、前記第３の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の差を演算することで、Ｚ磁場のみを単独で演算することを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項７乃至９のいずれかに記載の磁気検出方法の２つ以上を組み合わせることにより２軸又は３軸方向の磁場を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、感度軸を同じ方向に揃えることで製造工程の簡略化し、かつ、従来よりも少ない磁気検出部数を同一基板上に備え、ＸとＹとＺ軸方向の磁場を検知できる磁気センサ及びその磁気検出方法が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来のＧＭＲ素子の動作原理を説明するための斜視図である。
【図２】図１の部分断面図である。
【図３】従来のＧＭＲ素子の積層構造を説明するための構成図である。
【図４】ＧＭＲのパターン形状を説明するための平面図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、ＧＭＲ素子と磁気収束板の配置パターンを説明（Ｘ軸方向の磁場変換）するための構成図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、ＧＭＲ素子と磁気収束板の配置パターンを説明（Ｙ軸方向の磁場変換）するための構成図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、ＧＭＲ素子と磁気収束板の配置パターンを説明（Ｚ軸方向の磁場変換）するための構成図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図である。
【図９】（ａ）乃至（ｅ）は、本発明に係る磁気センサの実施例１を説明するための配置パターンの構成図である。
【図１０】本発明に係る磁気センサの実施例１における同じ基板上にＸ磁場乃至Ｚ磁場を検出するための磁気センサとして、第１の配置パターンと第２の配置パターンに加え、第３の配置パターンのセンサ配置パターンを説明するための構成図である。
【図１１】本発明に係る磁気センサの実施例１における磁気センサとして磁気収束材の形状を示す図である。
【図１２】本発明に係る磁気センサの実施例１における磁気センサとして、磁気収束材間と感磁材の位置関係を示した図である。
【図１３】本発明に係る磁気センサの実施例１における磁気センサとして、第４の配置パターンを説明するための構成図である。
【図１４】配置パターンを複数個配列した磁気センサの構造図である。
【図１５】本発明に係る磁気センサの実施例２を説明するための構成図である。
【図１６】本発明に係る磁気センサの実施例２を説明するための他の構成図である。
【図１７】本発明に係る磁気センサの実施例２を説明するためのさらに他の構成図である。
【図１８】本発明に係る磁気センサの実施例２を説明するためのさらに他の構成図である。
【図１９】第１の配置パターンを有する第１の磁気センサ部と、第２の配置パターンを有する第２の磁気センサ部と、第３の配置パターンを有する第３の磁気センサ部と、第４の配置パターンを有する第４の磁気センサ部が同一基板上に形成された構造図である。
【図２０】本発明の磁気センサにＸ，Ｙ，Ｚ方向の磁場がかかった時に、第１乃至第４の磁気感知部にどのような抵抗変化を示すかを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
まず、以下に本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサの磁気抵抗素子としてのＧＭＲ素子と磁気収束板の基本的な配置パターンについて説明する。
図４は発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、磁気抵抗素子としてのＧＭＲ素子と磁気収束板の基本的な配置パターンを説明するための構成図である。
【００２７】
ＧＭＲ素子はミアンダ構造をもち、複数回折り返された構造をもつ。ＧＭＲ素子の折り返し回数は限定されるものではなく、ＧＭＲ素子の折り返しの長さで抵抗値が決まるため、狙いの抵抗値にあわせ、任意に設計出来る。また折り返し部は図中ではコの字型に折り返されているが、先端部に突起を加えることや、永久磁石やＣｕ等の配線層で接続することも可能である。
また、ミアンダ状のＧＭＲ素子の短手方向がピンド層の磁化の方向で、長手方向がフリー層の磁化の向きで、ピンド層の磁化の向き、つまりＧＭＲ素子の短手方向が感度軸方向と平行になる。
【００２８】
図５（ａ），（ｂ）乃至図７（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、磁気抵抗素子としてのＧＭＲ素子と磁気収束板の基本的な配置パターンを説明するための構成図である。図５（ａ），（ｂ）は、磁気収束板によるＸ軸方向の磁場変換の様子を説明するための図で、図６（ａ），（ｂ）は、磁気収束板によるＹ軸方向の磁場変換の様子を説明するための図で、図７（ａ），（ｂ）は、磁気収束板によるＺ軸方向の磁場変換の様子を説明するための図である。
【００２９】
磁気抵抗素子を形成する基板としては、シリコン基板や化合物半導体基板、セラミック基板など特に限定されず、基板上に回路が形成されていても何ら構わない。
なお、磁気抵抗素子としてＧＭＲ素子を用いているが、ＧＭＲ素子に限定されるものではなく、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子やその他磁気抵抗変化素子を用いても何ら構わない。また磁気収束板はＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＢ乃至ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅなどの軟磁気特性を示す磁性材料であれば良い。
【００３０】
まず、図５（ａ），（ｂ）に基づいて、磁気収束板によるＸ軸方向の磁場変換の様子を説明する。図５（ａ）は、ＧＭＲ素子と磁気収束部の配置パターンを説明するための構成図で、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。図中符号２１はＧＭＲ素子、２２は一方の磁気収束部を示し、他方の磁気収束板２３は、一方の磁気収束板２２と対向するように配置される。
【００３１】
ＧＭＲ素子２１は、ＧＭＲ素子の幅、長さはＧＭＲ素子の抵抗や感度に合わせて任意に調整出来るが、ＧＭＲの間に磁気収束板を配置する構造をとるためつづら折りのピッチは磁気収束板の幅よりも大きいことが好ましい。
また、ＧＭＲ素子の幅もセンサの感度や動作磁場範囲を決めるため、最適化する必要がある。ＧＭＲ素子の単手方向であるピンド層方向の幅は０．１〜２０μｍであることが好ましいが、幅が大きいと素子サイズが大きくなりすぎてしまい、かつ狭すぎると感度が低下するため０．１〜１０μｍの範囲が好ましい。
【００３２】
また、一方の磁気収束部２２は、ＧＭＲ素子を挟む位置に配置される、互いに独立した２つの磁気収束部と、それに直交して結合する磁気収束部から成る。本明細書ではＧＭＲ素子を挟む位置に配置される磁気収束部を櫛歯状磁気収束板、櫛馬状磁気収束板に直交して結合する部分を梁状磁気収束板と定義する。
また、好ましいＧＭＲ素子と櫛歯状の磁気収束板の位置関係を図５（ｂ）に示す。ＧＭＲ素子２１ｂと磁気収束部２３の水平方向の位置関係は、ＧＭＲ素子２１ｂの右端が磁気収束部２２と２３の中間点よりも右側に配置され、また、ＧＭＲ素子２１ｂの左端が、磁気収束部２３の左端よりも左側に配置されることが望ましいが、ＧＭＲ素子２１ｂの右端と磁気収束部２３が接することがより好ましい。同様に、ＧＭＲ素子２１ａの左端が、磁気収束部２２の左端よりも左側に配置されることが望ましいが、ＧＭＲ素子２１ａの右端と磁気収束部２２が接することがより好ましい。ＧＭＲ素子２１ｂと磁気収束部２３の断面方向の位置関係は、ＧＭＲ素子２１ｂの底面が磁気収束部２３の底面より下にあることが望ましいが、ＧＭＲ素子２１ｂの上面が磁気収束板２３の底面より下に配置されることがより好ましく、具体的には２ミクロン以内の高さ間隔で配置されることがより好ましい。
【００３３】
櫛歯状磁気収束板の幅が細く、磁気収束板の厚みが厚いほど、磁気増幅効果を向上することが出来る。磁気収束板の厚みを磁気収束板の幅で割ったアスペクト比は１以上であることが望ましく、櫛歯状磁気収束板の幅は１〜４０μｍであることが好ましい。
紙面の右方向を＋Ｘ軸方向、上方向を＋Ｙ方向、紙面に垂直な方向を＋Ｚ方向と定義する。このような構成により、ＧＭＲ素子２１にＸ，Ｙ、Ｚの磁場が掛かった時の抵抗変化について説明する。
Ｘ磁場が印加された時、磁気収束板２２にかかる磁場は−Ｙ方向に曲がられ、ＧＭＲ素子２１は極性が逆向きの磁場を受ける。そのときの抵抗変化は、以下の関係式を有している。
【００３４】
ΔＲｘ＝ａＨｘ（ａは磁性体による磁場変換効率）
【００３５】
磁場変換効率は、磁気収束板の形状やＧＭＲと磁気収束板の相対位置により任意に調整でき、特に限定されるものではない。
次に、図６（ａ），（ｂ）に基づいて、磁気収束板によるＹ軸方向の磁場変換の様子を説明する。図６（ａ）は、ＧＭＲ素子と磁気収束板の配置パターンを説明するための構成図で、図６（ｂ）は、図５（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。すべてのＧＭＲ素子２１に外部磁場と同じ向きの磁場がかかる。つまり、以下のような関係式を有している。
【００３６】
ΔＲｙ＝ｃＨｙ  （ｃは磁性体による磁場変換効率）
【００３７】
次に、図７（ａ），（ｂ）に基づいて、磁気収束板によるＺ軸方向の磁場変換の様子を説明する。図７（ａ）は、ＧＭＲ素子と磁気収束板の配置パターンを説明するための構成図で、図７（ｂ）は、図７（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である磁気収束板２３の櫛状磁気収束板によりＢｚ磁場が±Ｙ軸方向に曲げられるが、櫛歯状磁気収束板直近のＧＭＲ素子２１は片側（＋Ｙ軸方向）の磁場しか検知しない。つまり、以下のような関係式を有している。
【００３８】
ΔＲｚ＝ｄＨｚ  （ｄはＺ軸磁場の変換効率）
【００３９】
図８（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、ＧＭＲ素子と磁気収束板の配置パターンを説明（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の磁場変換）するための構成図である。図８におけるＧＭＲ素子と磁気収束板の配置パターンは、図５（ａ）に示した配置パターンと同様の構造を有している。
ＧＭＲ３１と磁気収束板３２、３３からなる磁気検出部をＲ１、ＧＭＲ４１と磁気収束板４２、４３からなる磁気検出部をＲ２とし、それぞれ磁場がかからない時の抵抗値をＲとする。
このような構成により、磁場によりＧＭＲ素子の抵抗が変化した場合の抵抗変変化は、以下の関係式で表される。
【００４０】
Ｒ’＝Ｒ（１＋ΔＲ／Ｒ）
Ｒ１，Ｒ２にＺ／Ｙ／Ｚの磁場が同時に印加されたときのＲ１とＲ２の差が、以下の関係式で表される。
Ｒ１＝Ｒ（１＋（ΔＲｘ１＋ΔＲｙ１＋ΔＲｚ１）／Ｒ）
Ｒ２＝Ｒ（１＋（ΔＲｘ２＋ΔＲｙ２＋ΔＲｚ２）／Ｒ
ΔＲ＝Ｒ２−Ｒ１
＝Ｒ（１＋（ΔＲｘ２＋ΔＲｘ２＋ΔＲｚ２）／Ｒ）
−Ｒ（１＋（ΔＲｘ２＋ΔＲｙ１＋ΔＲｚ１）／Ｒ）
＝（ΔＲｘ２−ΔＲｘ２）＋（ΔＲｘ２−ΔＲｙ１）＋（ΔＲｚ２
−ΔＲｚ１）
【００４１】
２つの抵抗差をとることで、定数項は消え、磁場による抵抗変化量の差のみで抵抗変化量がわかる。定電流駆動の場合の出力は、以下の式で表されるので、出力から抵抗変化量（＝磁場強度）を算出できる。
【００４２】
Ｖｏｕｔ＝（ΔＲ／Ｒ）×Ｒ１＝ΔＲ×Ｉ
【００４３】
この実施形態では定電流駆動の例を示しているが、駆動方式はこれに限定されるものではない。
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。
【実施例１】
【００４４】
図９（ａ）乃至（ｅ）は、本発明に係る磁気センサの実施例１を説明するための配置パターンの構成図で、同一基板上にＸ磁場を検出するための磁気センサとして、第１の配置パターンと第２の配置パターンのセンサ配置パターンを説明するための構成図である。つまり、基板平面に対して平行な任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサの配置パターンの構成図で、同一基板上で基板平面に対して垂直方向の磁場を検知できるようにした磁気センサである。
【００４５】
図９（ａ）は第１の磁気感知部、図９（ｂ）は第１の磁気感知部と線対称に配置された第２の磁気感知部、図９（ｃ）は第１の磁気感知部と重ならないで平行に配置された第２の磁気感知部、図９（ｄ）は２個の第１の磁気感知部からなる第１の配置パターン、図９（ｅ）は第１の配置パターンと対称に配置された第２の配置パターンを示している。
第１の磁気感知部３０１は、図９（ａ）に示すように、四角形状の感磁材３０１ａと、この感磁材３０１ａと長さの異なる四角形状の磁気収束材３０１ｂとを有している。また、第２の磁気感知部３０２は、図９（ｂ）に示すように、基板に対して平行で、かつ感磁材３０１ａの長手方向の中点を通る中線Ｍａと、磁気収束材３０１ｂの長手方向の中点を通る中線Ｍｂとが、互いに交わらないように配置され、第１の磁気感知部３０１と同じの構造構成を有して線対称に配置されている。
【００４６】
また、図９（ｃ）に示すように、第２の磁気感知部３０２の感磁材３０２ａが、第１の磁気感知部３０１の磁気収束材３０１ｂと、第２の磁気感知部３０２の磁気収束材３０２ｂとに挟まれるように配置され、さらに、第１の磁気感知部３０１と第２の磁気感知部３０２とが互いに並行で、かつ重ならないように配置されている。
また、図９（ｄ）に示すように、第１の磁気感知部３０１の感磁材３０１ａと、第２の磁気感知部３０２の感磁材３０２ａとを、電気的に直列接続する接続部３１１ａとからなる第１の配置パターン３１１を有している。
【００４７】
さらには、図９（ｅ）に示すように、第１の配置パターン３１１と同じ構造構成を有する第２の配置パターン３１２が、基板平面に対して平行で、かつ第１の配置パターン３１１の磁気収束部３０１ｂ，３０２ｂの短手方向側に平行な線に対して対称で、かつ互いに重ならないように離間して対向配置されている。
図１０は、本発明に係る磁気センサの実施例１における同じ基板上にＸ磁場乃至Ｚ磁場を検出するための磁気センサとして、第１の配置パターンと第２の配置パターンに加え、第３の配置パターンのセンサ配置パターンを説明するための構成図である。
【００４８】
同じ基板上に第１の配置パターン３１１と第２の配置パターン３１２を有し、さらに、第１の配置パターン３１１と同じ構造構成を有する第３の配置パターン３１３を有し、第３の配置パターン３１３が任意の点Ｐに対して対称で、かつ第１の配置パターン３１１の磁気収束材３０１ｂ，３０２ｂの長手方向と、第３の配置パターン３１３の磁気収束材３０１ｂ，３０２ｂの長手方向とが平行になるように、互いに重ならないように離間して配置されており、さらに、第１の配置パターン３１１と第２の配置パターン３１２及び第３の配置パターン３１３が互いに平行で、かつ異なる位置に配置されている。
【００４９】
図１１は、本発明に係る磁気センサの実施例１における磁気センサとして磁気収束材の形状を示す図である。磁気収束部材３１１ｃ，３１１ｃは、第１配置パターン３１１の構造中心点から遠い位置の方の磁気収束材３０１ｂ，３０２ｂの短手側でＴ字状に接するように配置されており、同時に、この磁気収束部材３１１ｃ，３１１ｃと隣接する磁気収束材３０１ｂ，３０２ｂとの距離Ａが、配置パターン３１１内における２つの磁気収束材３０１ｂ，３０２ｂ間の距離Ｂよりも遠い位置関係に配置されている。
【００５０】
図１２は、本発明に係る磁気センサの実施例１における磁気センサとして、磁気収束材間と感磁材の位置関係を示した図である。各配置パターン３１２，３１３間における磁気収束材３０２ｂ，３０２ｂ間の距離Ｄが、各配置パターン３１２，３１３内における２つの磁気収束材３０１ｂ，３０２ｂ間の距離Ｅよりも長い。
図１３は、本発明に係る磁気センサの実施例１における磁気センサとして、第４の配置パターンを説明するための構成図で、同一基板上にＸ磁場乃至Ｚ磁場を検出するための磁気センサとして第４の配置パターンを示している。
【００５１】
第１の配置パターン３１１と第３の配置パターン３１３を有し、さらに、感磁材３０１ａ，３０２ａと、この感磁材３０１ａ，３０２ａよりも上面に配置された磁気収束材３０１ｂ（３０２ｂ）を有し、この磁気収束材３０１ｂ（３０２ｂ）が感磁材３０１ａ，３０２ａの少なくとも平面全体を覆うように配置された第４の配置パターン３１４を有し、第１の配置パターン３１１と第２の配置パターン３１２及び第４の配置パターン３１４が互いに平行に、かつ異なる位置に配置されている。
【００５２】
図１４は、配置パターンを複数個配列した磁気センサの構造図で、本発明に係る磁気センサの実施例１における磁気センサとして、感磁材同士の電気的接合を示す図である。第１の配置パターン３１１から第４の配置パターン３１４において、それぞれの配置パターンにおいて、全く同じ構造の配置パターンが複数個存在して配置パターン群を構成し、この配置パターン群が、互いに平行で、かつ重ならないように配置され、かつ同一の配置パターンがそれぞれ有する感磁部同志が、１つの直列接続となるように電気的に接続されている。
【実施例２】
【００５３】
図１５は、本発明に係る磁気センサの実施例２を説明するための構成図で、第１の配置パターン３１１を有する磁気センサ部を示している。図中符号５０は第１の磁気センサ部、５１はＧＭＲ素子、５１ａはＧＭＲ素子５１の第１部分、５１ｂはＧＭＲ素子５１の第２部分、５１ｃはＧＭＲ素子５１の第３部分、５１ｄはＧＭＲ素子５１の第４部分、５２は一方の磁気収束板、５２ａは一方の磁気収束板５２の櫛歯の第１部分、５２ｂは一方の磁気収束板５２の櫛歯の第２部分５３は他方の磁気収束板、５３ａは他方の磁気収束板５３の櫛歯の第１部分、５３ｂは他方の磁気収束板５３の櫛歯の第２部分を示している。
【００５４】
第１の磁気センサ部５０は、感磁部であるＧＭＲ素子５１ａの長手方向に櫛歯状の磁気収束板５２ａが隣接され、ＧＭＲ素子５１ｂの長手方向に櫛歯状の磁気収束板５２ａが隣接され、さらに接続部で接合されている。ＭＲ素子５１ａ、櫛歯状の磁気収束板５２ａとＧＭＲ素子５１ｂ、櫛歯状の磁気収束板５２ａは点対称構造を有し、それらからなる単一構造パターンである第１の配置パターン３１１を有している。
【００５５】
図１６は、本発明に係る磁気センサの実施例２を説明するための他の構成図で、第２の配置パターンを有する磁気センサ部を示している。図中符号６０は第２の磁気センサ部、６１はＧＭＲ素子、６１ａはＧＭＲ素子６１の第１部分、６１ｂはＧＭＲ素子６１の第２部分、６６２は一方の磁気収束板、６２ａは一方の磁気収束板６２の櫛歯の第１部分、６２ｂは一方の磁気収束板６２の櫛歯の第２部分、６３は他方の磁気収束板、６３ａは他方の磁気収束板６３の櫛歯の第１部分、６３ｂは他方の磁気収束板６３の櫛歯の第２部分を示している。
【００５６】
一方の磁気収束板５２，６２は、一方の梁状部材に直交する向きに、この一方の梁状部材から片側に等間隔で複数の櫛歯状磁気収束板が形成されたものである。また、他方の磁気収束板５３，６３は、一方の磁気収束板に対向するように設けられ、他方の梁状部材に直交する向きに、この他方の梁状部材から片側に等間隔で複数の磁気収束板が形成されたものである。
【００５７】
第２の磁気センサ部６０は、感磁部であるＧＭＲ素子６１ａの長手方向に櫛歯状の磁気収束板６３ａが隣接され、ＧＭＲ素子６１ｂの長手方向に櫛歯状の磁気収束板６２ａが隣接され、さらに接続部で接合されている。ＧＭＲ素子６１ｂと櫛歯状の磁気収束板６２ａ、ＧＭＲ素子６１ｂと櫛歯状の磁気収束板６２ａと点対称構造を有し、それらからなる単一構造パターンである第２の配置パターン３１２を有している。
なお、第１の配置パターン３１１と第２の配置パターン３１２は、櫛歯状磁気収束板の短手方向に対して線対称の位置関係を有している。
【００５８】
図１７は、本発明に係る磁気センサの実施例２を説明するためのさらに他の構成図で、第３の配置パターンを有する磁気センサ部を示している。図中符号７０は第３の磁気センサ部、７１はＧＭＲ素子、７１ａはＧＭＲ素子７１の第１部分、７１ｂはＧＭＲ素子７１の第２部分、７２は一方の磁気収束板、７２ａは一方の磁気収束板７２の櫛歯の第１部分、７２ｂは一方の磁気収束板６２の櫛歯の第２部分、６３は他方の磁気収束板、７３ａは他方の磁気収束板７３の櫛歯の第１部分、７３ｂは他方の磁気収束板７３の櫛歯の第２部分を示している。
【００５９】
一方の磁気収束板７２，７２は、一方の梁状部材に直交する向きに、この一方の梁状部材から片側に等間隔で複数の櫛歯状磁気収束板が形成されたものである。また、他方の磁気収束板７３，７３は、一方の磁気収束板に対向するように設けられ、他方の梁状部材に直交する向きに、この他方の梁状部材から片側に等間隔で複数の磁気収束板が形成されたものである。
【００６０】
第３の磁気センサ部７０は、感磁部であるＧＭＲ素子７１ａの長手方向に櫛歯状の磁気収束板７２ａが隣接され、さらにＧＭＲ素子７１ｂの長手方向に櫛歯状の磁気収束板櫛歯状の磁気収束板７２ａが隣接され接続部で接合されている。ＧＭＲ素子７１ａ、櫛歯状の磁気収束板７２ａとＧＭＲ素子７１ｂ、櫛歯状の磁気収束板７３ａは点対称の位置関係を有し、それらからなる単一構造パターンである第３の配置パターン３１３を有している。
なお、第１の配置パターン３１１と第３の配置パターン３１３は、櫛歯状磁気収束板の長手方向に対して点対称の位置関係を有している。
【００６１】
図１８は、本発明に係る磁気センサの実施例２を説明するためのさらに他の構成図で、第４の配置パターンを有する磁気センサ部を示している。図中符号８０は第４の磁気センサ部、８１はＧＭＲ素子、８１ａはＧＭＲ素子８１の第１部分、８１ｂはＧＭＲ素子８１の第２部分、８１ｃはＧＭＲ素子８１の第３部分、８１ｄはＧＭＲ素子８１の第４部分であり、８２はＧＭＲ全面を覆う磁気収束板である。磁気収束板８２はＧＭＲ８１の感磁部全面を覆っていればよく、形状は限定されないが、図１８では長方形形状を有する磁気収束板を配置している。
【００６２】
第４の磁気センサ部８０のＧＭＲ素子の短手方向の向きは、第１，第２及び第３の磁気センサのＧＭＲの短手方向の向きは平行である必要がある。
図１９は、第１の配置パターンを有する第１の磁気センサ部と、第２の配置パターンを有する第２の磁気センサ部と、第３の配置パターンを有する第３の磁気センサ部と、第４の配置パターンを有する第４の磁気センサ部が同一基板上に形成された構造図である。
【００６３】
第１の配置パターンを有する第１の磁気センサ部５０と、第２の配置パターンを有する磁気センサ部６０は、櫛歯状磁気収束板の短手方向に対して、線対称の位置関係を有する。また、第１の配置パターンを有する第１の磁気センサ部５０と、第３の配置パターンを有する第３の磁気センサ部７０は、櫛歯状磁気収束板の長手方向に対して、点対称の位置関係を有する。また、第４の配置パターンを有する第４の磁気センサ部８０は、第１乃至第３の磁気センサ５０，６０，７０と平行になるよう同一基板上に配置されている。
【００６４】
さらに、第１乃至第４の磁気センサ部５０，６０，７０，８０は、抵抗値を出力出来るように、各ＧＭＲ素子の両端は電極パッドやＬＳＩ等の信号処理回路に電気的に接続されている。
また、さらに第１乃至第４の磁気センサ部５０，６０，７０，８０のそれぞれのＧＭＲ素子の感度軸が平行になるように配置されていて、すべて同じＧＭＲ素子の長さと幅を有し、同じ抵抗値を有している。
図２０は、本発明の磁気センサにＸ，Ｙ，Ｚ方向の磁場がかかった時に、第１乃至第４の磁気感知部にどのような抵抗変化を示すかを説明するための図である。Ｘ軸の磁場は左から右へ、Ｙ方向の磁場は下から上へ、Ｚ方向の磁場は紙面に向かって方向を＋方向とする。
【００６５】
第１の磁気センサ部５０にＸ方向のＨｘの磁場がかかった場合、隣あって配置されている突起状の磁気収束板により、Ｘ方向磁場が−Ｙ方向に曲げられる。曲げられた磁場は、ＧＭＲ素子感度軸と同じ方向であるため、磁気収束板によるＸ磁場の磁場変換効率をｃとすると、−ｃＨｘに比例した抵抗変化を示す。またまた＋Ｙ方向の磁場にＨｙの磁場がかかった場合、ＧＭＲ素子５１の感度軸方向と同じであるため、磁気収束板によるＹ磁場の磁場変換効率をａとすると＋ａＨｙに比例した抵抗変化を示す。さらにＺ方向からＨｚの磁場がかかった場合、Ｚ磁場は磁気収束板の両側（＋／−Ｘ方向）に曲げられるが、ＧＭＲ５１は、櫛歯磁気収束板５２，５３に対し＋Ｙ方向に配置されているため、磁気収束板によるＺ磁場の磁場変換効率をｄとすると、＋Ｙ方向に曲げられたＺ磁場による抵抗変化、つまり、＋ｄＨｚに比例した抵抗変化を示す。これらをまとめるとＸ，Ｙ，Ｚ方向の磁場がかかった時の第１の磁気センサ部５０の抵抗は、以下の式（１）で表される。
【００６６】
Ｒ１＝―ｃＨｘ＋ａＨｙ−ｄＨｚ＋Ｒ  ・・・（１）
【００６７】
次に、第２の磁気センサ部６０にＸ方向のＨｘの磁場がかかった場合、隣あって配置されている突起状の磁気収束板により、Ｘ方向磁場が＋Ｙ方向に曲げられる。曲げられた磁場は、ＧＭＲ素子感度軸と同じ方向であるため、磁気収束板によるＸ磁場の磁場変換効率をｃとすると、＋ｃＨｘに比例した抵抗変化を示す。また、＋Ｙ方向の磁場にＨｙの磁場がかかった場合、ＧＭＲ素子５１の感度軸方向と同じであるため、磁気収束板によるＹ磁場の磁場変換効率をａとすると＋ａＨｙに比例した抵抗変化を示す。さらにＺ方向からＨｚの磁場がかかった場合、Ｚ磁場は、磁気収束板の両側（＋／−Ｘ方向）に曲げられるが、ＧＭＲ６１は、櫛歯磁気収束板６２，６３に対して＋Ｙ方向に配置されているため、磁気収束板によるＺ磁場の磁場変換効率をｄとすると、＋Ｙ方向に曲げられたＺ磁場による抵抗変化、つまり、＋ｄＨｚに比例した抵抗変化を示す。これらをまとめるとＸ，Ｙ，Ｚ方向の磁場がかかった時の第２の磁気センサ部６０の抵抗は、以下の式（２）で表される。
【００６８】
Ｒ２＝ｃＨｘ＋ａＨｙ＋ｄＨｚ＋Ｒ  ・・・（２）
【００６９】
次に、第３の磁気センサ部７０にＸ方向のＨｘの磁場がかかった場合、隣あって配置されている突起状の磁気収束板により、Ｘ方向磁場が−Ｙ方向に曲げられる。曲げられた磁場はＧＭＲ素子感度軸と同じ方向であるため、磁気収束板によるＸ磁場の磁場変換効率をｃとすると、−ｃＨｘに比例した抵抗変化を示す。また、＋Ｙ方向の磁場にＨｙの磁場がかかった場合、ＧＭＲ素子５１の感度軸方向と同じであるため、磁気収束板によるＹ磁場の磁場変換効率をａとすると＋ａＨｙに比例した抵抗変化を示す。さらにＺ方向からＨｚの磁場がかかった場合、Ｚ磁場は磁気収束板の両側（＋／−Ｘ方向）に曲げられるが、ＧＭＲ６１は、櫛歯磁気収束板６２、６３に対して−Ｙ方向に配置されているため、磁気収束板によるＺ磁場の磁場変換効率をｄとすると、−Ｙ方向に曲げられたＺ磁場による抵抗変化、つまり、＋ｄＨｚに比例した抵抗変化を示す。これらをまとめるとＸ，Ｙ，Ｚの磁場がかかった時の第３の磁気センサ部７０の抵抗は、以下の式（３）で表される。
【００７０】
Ｒ３＝−ｃＨｘ＋ａＨｙ−ｄＨｚ＋Ｒ  ・・・（３）
【００７１】
次に、第４の磁気センサ部８０は、ＧＭＲ８１の感磁部上を磁気収束板８２が完全に覆っているのでＸ方向のＨｘ、Ｙ方向のＨｙの磁場が掛かっても、磁場は磁気収束板の内部を通り、ＧＭＲ素子には磁場にかからず抵抗は変化しない。また、Ｚ方向の磁場Ｈｘは、磁気収束板を抜けてＧＭＲに達するが、ＧＭＲ素子は垂直方向の磁場に感度をもたないため、結果として第４の磁気検出部８０は、Ｘ，Ｙ，Ｚの磁場による抵抗変化を示さず、第４の磁気センサ８０の抵抗は、以下の式（４）で表される。
【００７２】
Ｒ４＝Ｒ  ・・・（４）
【００７３】
上記式（１）乃至式（４）を用いて演算することで、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の磁場を分離することが出来る。
Ｘ軸方向の磁場を算出するために（２）式から（１）式の差をとると（５）式のようにＨｘ方向の磁場のみを算出出来る。
【００７４】
Ｒ２−Ｒ１＝（ｃＨｘ＋ａＨｙ＋ｄＨｚ＋Ｒ）−（−ｃＨｘ＋ａＨｙ−ｄＨｚ＋Ｒ）＝２ｃＨＸ  ・・・（５）
【００７５】
つまり、第１の配置パターンと第２の配置パターンを有する磁気センサの磁気検出方法において、磁気収束材の長手方向に平行な磁場（Ｘ磁場）は、第１の配置パターンと第２の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、磁気収束材の長手方向に垂直な磁場（Ｙ磁場）は、同一方向に磁場変換され、さらに、磁気収束材の平面方向に垂直な磁場（Ｚ磁場）は、第１の配置パターンと第２の配置パターンに対して各々同じ方向に変換され、第１の配置パターンを有する磁気センサと、第２の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の差を演算することで、Ｘ磁場のみを単独で演算する。
また、Ｚ軸方向の磁場を算出するために（１）式から（３）式の差をとると、（６）式のようにＨＺ方向の磁場のみを算出出来る。
【００７６】
Ｒ１−Ｒ３＝（−ｃＨｘ＋ａＨｙ＋ｄＨｚ＋Ｒ）−（−ｃＨｘ＋ａＨｙ−ｄＨｚ＋Ｒ）＝２ｄＨｚ  ・・・（６）
【００７７】
つまり、第１の配置パターンと第３の配置パターンを有する磁気センサの検出方法において、磁気収束材の長手方向に平行な磁場（Ｘ磁場）は、第１の配置パターンと第３の配置パターンに対して各々同じ方向に変換され、磁気収束材の長手方向に垂直な磁場（Ｙ磁場）は、同一方向に磁場変換され、さらに、磁気収束材の平面方向に垂直な磁場（Ｚ磁場）は、第１の配置パターンと第３の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、第１の配置パターンを有する磁気センサと、第３の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の差を演算することで、Ｚ磁場のみを単独で演算する。
Ｙ軸方向の磁場を算出するために（２）式と（３）式の和をとり、（４）式を２倍にして差をとることで、Ｈｙ方向の磁場のみを算出出来る。
【００７８】
Ｒ２＋Ｒ３−２Ｒ４＝（ｃＨｘ＋ａＨｙ＋ｄＨｚ＋Ｒ）＋（−ｃＨｘ＋ａＨｙ−ｄＨｚ＋Ｒ）−２Ｒ＝２ａＨｙ  ・・・（７）
【００７９】
つまり、第２の配置パターンと第３の配置パターン及び第４の配置パターンを有する磁気センサの検出方法において、磁気収束材の長手方向に平行な磁場（Ｘ磁場）は、第２の配置パターンと第３の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、磁気収束材の長手方向に垂直な磁場（Ｙ磁場）は、同一方向に磁場変換され、さらに、磁気収束材の平面方向に垂直な磁場（Ｚ磁場）は、第２の配置パターンと第３の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、第２の配置パターンを有する磁気センサと、第３の配置パターンからなる磁気センサとの抵抗の和を演算し、さらに、その和を第４の配置パターンからなる磁気センサの抵抗を２倍の値から差をとることで、Ｙ磁場のみを単独で演算する。
【００８０】
また、上述した磁気検出方法の２つ以上を組み合わせることにより２軸又は３軸方向の磁場を検出することも可能である。
このように同一平面上に、第１乃至第４の磁気センサ部５０，６０，７０，８０を配置し、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の磁場がかかったときのそれぞれの抵抗から演算を行うことで、精度よくＨｘ，Ｈｙ，Ｈｚの成分の磁場の検出が可能になる。
【００８１】
また、第１の磁気センサ部５０と第２の磁気センサ部６０は、線対称の位置関係で、第１の磁気センサ部５０と第３の磁気センサ部７０は、点対称の位置関係であることが望ましいが、上述したような制約を維持出来ればチップ上の任意の位置に配置可能である。
また、第４の磁気センサ部８０の磁気収束板は、ＧＭＲ全体を覆うものであればよく、形状は長方形に限定されず、三角や丸型など任意の形状でも効果は何ら構わない。
【００８２】
本発明により、４素子のＧＭＲでＸ，Ｙ，Ｚ方向の３軸の磁場検知が実現でき、小型化やコストダウンに繋がることが期待できる。さらに、ＧＭＲ素子の感度軸を平行に揃えていることで、ＧＭＲ素子の成膜回数も簡略化出来き、より勘弁かつ安価な製造で実現が可能になる。
【符号の説明】
【００８３】
１  反強磁性層
２  ピンド層（固定層）
３  Ｃｕ層（スペーサ層）
４  フリー層（自由回転層）
１１  絶縁膜
１２  フリー層（自由回転層）
１３  導電層
１４  ピンド層（固定層）
１５  反強磁性層
１６  絶縁膜
２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１  ＧＭＲ素子
２２，５２，６２，７２，８２  一方の磁気収束板
２３，５３，６３，７３  他方の磁気収束板
３２，３３，４２，４３  磁気収束板
５０  第１の磁気センサ部
５１ａ  ＧＭＲ素子５１の第１部分
５１ｂ  ＧＭＲ素子５１の第２部分
５１ｃ  ＧＭＲ素子５１の第３部分
５１ｄ  ＧＭＲ素子５１の第４部分
５２ａ  一方の磁気収束板５２の櫛歯の第１部分
５２ｂ  一方の磁気収束板５２の櫛歯の第２部分
５３ａ  他方の磁気収束板５３の櫛歯の第１部分
５３ｂ  他方の磁気収束板５３の櫛歯の第２部分
６０  第２の磁気センサ部
６１ａ  ＧＭＲ素子６１の第１部分
６１ｂ  ＧＭＲ素子６１の第２部分
６１ｃ  ＧＭＲ素子６１の第３部分
６１ｄ  ＧＭＲ素子６１の第４部分
６２ａ  一方の磁気収束板６２の櫛歯の第１部分
６２ｂ  一方の磁気収束板６２の櫛歯の第２部分
６３ａ  他方の磁気収束板６３の櫛歯の第１部分
６３ｂ  他方の磁気収束板６３の櫛歯の第２部分
７０  第３の磁気センサ部
７１ａ  ＧＭＲ素子７１の第１部分
７１ｂ  ＧＭＲ素子７１の第２部分
７１ｃ  ＧＭＲ素子７１の第３部分
７１ｄ  ＧＭＲ素子７１の第４部分
７２ａ  一方の磁気収束板７２の櫛歯の第１部分
７２ｂ  一方の磁気収束板７２の櫛歯の第２部分
７３ａ  他方の磁気収束板７３の櫛歯の第１部分
７３ｂ  他方の磁気収束板７３の櫛歯の第２部分
８０  第４の磁気センサ部
８１ａ  ＧＭＲ素子８１の第１部分
８１ｂ  ＧＭＲ素子８１の第２部分
８１ｃ  ＧＭＲ素子８１の第３部分
８１ｄ  ＧＭＲ素子８１の第４部分
３０１  第１の磁気感知部
３０１ａ，３０２ａ  感磁材
３０１ｂ，３０２ｂ  磁気収束材
３０２  第２の磁気感知部
３０３  第３の磁気感知部
３０４  第４の磁気感知部
３１１  第１の配置パターン
３１１ａ，３１１ｂ，３１２ａ  接続部
３１１ｃ  磁気収束部材
３１２  第２の配置パターン
３１３  第３の配置パターン
３１４  第４の配置パターン
【図１】
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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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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