(57)【要約】【課題】簡易な構成とすることが可能な磁場センサを提供する。【解決手段】第１の磁気抵抗効果素子と、第２の磁気抵抗効果素子と、出力ポートと、信号線路と、前記第１の磁気抵抗効果素子に直流電流または直流電圧を印加可能な第１の入力端子と、を有し、前記第１の磁気抵抗効果素子および前記第２の磁気抵抗効果素子は、それぞれ、第１の磁性層、第２の磁性層およびこれらの間に配置されたスペーサ層を有し、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とが前記信号線路を介して接続され、前記出力ポートは、前記第２の磁気抵抗効果素子に対して並列に接続されている、ことを特徴とする磁場センサ。【選択図】図１
2019027786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁気抵抗効果素子と、第２の磁気抵抗効果素子と、出力ポートと、信号線路と、前記第１の磁気抵抗効果素子に直流電流または直流電圧を印加可能な第１の入力端子と、を有し、
前記第１の磁気抵抗効果素子および前記第２の磁気抵抗効果素子は、それぞれ、第１の磁性層、第２の磁性層およびこれらの間に配置されたスペーサ層を有し、
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とが前記信号線路を介して接続され、
前記出力ポートは、前記第２の磁気抵抗効果素子に対して並列に接続されている、ことを特徴とする磁場センサ。
【請求項２】
第１の磁気抵抗効果素子と、第２の磁気抵抗効果素子と、出力ポートと、信号線路と、前記第１の磁気抵抗効果素子に直流電流または直流電圧を印加可能な第１の入力端子と、を有し、
前記第１の磁気抵抗効果素子および前記第２の磁気抵抗効果素子は、それぞれ、第１の磁性層、第２の磁性層およびこれらの間に配置されたスペーサ層を有し、
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とが前記信号線路を介して接続され、
前記出力ポートは、前記第２の磁気抵抗効果素子からの直流出力電圧を出力可能である、ことを特徴とする磁場センサ。
【請求項３】
コンデンサをさらに含み、前記コンデンサは、前記第１の入力端子と、前記第２の磁気抵抗効果素子および前記出力ポートのうちの少なくとも一方との間に接続されている、ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の磁場センサ。
【請求項４】
前記第２の磁気抵抗効果素子に直流電流または直流電圧を印加可能な第２の入力端子をさらに有する、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の磁場センサ。
【請求項５】
前記第１の磁気抵抗効果素子に第１のバイアス磁場を印加し、前記第２の磁気抵抗効果素子に第２のバイアス磁場を印加するバイアス磁場印加機構を有し、
第１のバイアス磁場と第２のバイアス磁場は逆方向の成分を有する、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の磁場センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
スピントルク共鳴を利用した磁場センサが知られている。
磁場センサの一例として、特許文献１に記載されたスピントルク発振磁気抵抗センサでは、第１の磁性層、第２の磁性層およびスペーサ層にセンス電流を流すことで、スピントルク誘導発振を引き起こし、当該発振の周波数が磁界の存在に応じて変化する。当該発振の周波数は、高周波数である。当該スピントルク発振磁気抵抗センサでは、処理回路によって、電気抵抗の変化を測定することで、当該発振の周波数を測定する（特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１２４５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の磁場センサでは、磁界に応じた発振の周波数を測定する処理回路が、高周波デバイスとなり、複雑な構成となる場合があった。
【０００５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、簡易な構成とすることが可能な磁場センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、第１の磁気抵抗効果素子と、第２の磁気抵抗効果素子と、出力ポートと、信号線路と、前記第１の磁気抵抗効果素子に直流電流または直流電圧を印加可能な第１の入力端子と、を有し、前記第１の磁気抵抗効果素子および前記第２の磁気抵抗効果素子は、それぞれ、第１の磁性層、第２の磁性層およびこれらの間に配置されたスペーサ層を有し、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とが前記信号線路を介して接続され、前記出力ポートは、前記第２の磁気抵抗効果素子に対して並列に接続されている、ことを特徴とする磁場センサである。
【０００７】
本明細書では、直流電流とは、時間によって方向が変化しない電流であり、時間によって大きさが変化する電流も含むものとする。同様に、本明細書では、直流電圧とは、時間によって方向が変化しない電圧であり、時間によって大きさが変化する電圧も含むものとする。
【０００８】
本発明の一態様は、第１の磁気抵抗効果素子と、第２の磁気抵抗効果素子と、出力ポートと、信号線路と、前記第１の磁気抵抗効果素子に直流電流または直流電圧を印加可能な第１の入力端子と、を有し、前記第１の磁気抵抗効果素子および前記第２の磁気抵抗効果素子は、それぞれ、第１の磁性層、第２の磁性層およびこれらの間に配置されたスペーサ層を有し、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とが前記信号線路を介して接続され、前記出力ポートは、前記第２の磁気抵抗効果素子からの直流出力電圧を出力可能である、ことを特徴とする磁場センサである。
【０００９】
本発明の一態様は、磁場センサにおいて、コンデンサをさらに含み、前記コンデンサは、前記第１の入力端子と、前記第２の磁気抵抗効果素子および前記出力ポートのうちの少なくとも一方との間に接続されている、ことを特徴とする。
【００１０】
本発明の一態様は、磁場センサにおいて、前記第２の磁気抵抗効果素子に直流電流または直流電圧を印加可能な第２の入力端子をさらに有する、ことを特徴とする。
【００１１】
本発明の一態様は、磁場センサにおいて、前記第１の磁気抵抗効果素子に第１のバイアス磁場を印加し、前記第２の磁気抵抗効果素子に第２のバイアス磁場を印加するバイアス磁場印加機構を有し、第１のバイアス磁場と第２のバイアス磁場は逆方向の成分を有する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、磁場センサにおいて、簡易な構成とすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る磁場センサの構成を示した断面模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るスピントルク発振およびスピントルク共鳴の周波数と直流電圧出力および発振出力との関係を示したグラフを示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る磁場センサの構成を示した断面模式図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る磁場センサの構成を示した断面模式図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子にバイアス磁場印加機構によりバイアス磁場が印加されているときにおける当該磁気抵抗効果素子の磁化状態の模式図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子にバイアス磁場印加機構によりバイアス磁場が印加されているときにおける当該磁気抵抗効果素子の磁化状態の模式図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係るスピントルク発振およびスピントルク共鳴の周波数と直流電圧出力および発振出力との関係を示したグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明を実施するための好適な形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。
以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁場センサ１０１の断面模式図である。
磁場センサ１０１は、磁気抵抗効果素子１ａと、磁気抵抗効果素子１ｂと、磁気抵抗効果素子１ａに対応した上部電極５ａおよび下部電極６ａと、磁気抵抗効果素子１ｂに対応した上部電極５ｂおよび下部電極６ｂと、出力ポート９と、グラウンドポート１２と、信号線路７と、インダクタ１０ａと、コンデンサ２０と、入力端子１１ａと、電源１３ａと、インダクタ１５と、バイアス磁場印加機構２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂと、グラウンド８と、基準電位端子３０ａ、３０ｂと、を有している。
磁気抵抗効果素子１ａは、磁化固定層２ａと、磁化自由層４ａと、これらの間に配置されたスペーサ層３ａとを有している。
磁気抵抗効果素子１ｂは、磁化固定層２ｂと、磁化自由層４ｂと、これらの間に配置されたスペーサ層３ｂとを有している。
【００１６】
ここで、本実施形態では、磁場センサ１０１が図１に示される構成要素のすべてを備える場合について説明するが、他の例として、磁場センサ１０１は図１に示される構成要素のうちの一部を備えない構成が用いられてもよい。
例えば、磁場センサ１０１は、電源１３ａを備えなくてもよく、この場合、電源１３ａとしては磁場センサ１０１の外部にある電源が用いられる。
また、例えば、磁場センサ１０１は、グラウンド８およびグラウンドポート１２を備えなくてもよく、この場合、グラウンド８およびグラウンドポート１２としては磁場センサ１０１の外部にあるグラウンドおよびグラウンドポートが用いられる。
一例として、磁場センサ１０１は、図１に示される基準電位端子３０ａと、基準電位端子３０ｂと、入力端子１１ａと、出力ポート９との間にある回路部を有して構成されてもよく、この場合、電源１３ａ、グラウンド８およびグラウンドポート１２は当該磁場センサ１０１の外部にあると捉えることができる。
【００１７】
磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂは、それぞれ、図１に示されるように、信号線路７に接続されている。また、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂは、それぞれ、基準電位端子３０ａ、３０ｂに接続されており、基準電位端子３０ａ、３０ｂを介してグラウンド８に接続可能になっている。より具体的には、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂは、それぞれ、その一端（磁化自由層４ａ、４ｂの側の端）が信号線路７に接続され、他端（磁化固定層２ａ、２ｂの側の端）が基準電位端子３０ａ、３０ｂを介してグラウンド８に接続されている。磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂが接続される向きはこれに限定されるものではなく、磁気抵抗効果素子１ａは、その一端（磁化自由層４ａの側の端）が基準電位端子３０ａを介してグラウンド８に接続され、他端（磁化固定層２ａの側の端）が信号線路７に接続されてもよい。同様に、磁気抵抗効果素子１ｂは、その一端（磁化自由層４ｂの側の端）が基準電位端子３０ｂを介してグラウンド８に接続され、他端（磁化固定層２ｂの側の端）が信号線路７に接続されてもよい。
【００１８】
インダクタ１０ａは、出力ポート９に対して並列に、信号線路７における磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂとの間に接続されている。入力端子１１ａは、磁気抵抗効果素子１ａに直列に接続されている。より具体的には、図１に示されるように、入力端子１１ａはインダクタ１０ａとグラウンド８との間に接続されている。つまり、入力端子１１ａは、出力ポート９に対して並列に、インダクタ１０ａを介して信号線路７に接続されており、磁気抵抗効果素子１ａとインダクタ１０ａに直列に接続されている。電源１３ａが入力端子１１ａとグラウンド８との間に接続されることにより、磁場センサ１０１は、磁気抵抗効果素子１ａ、信号線路７の一部、入力端子１１ａおよびグラウンド８の一部を含む閉回路を形成することが可能となっている。コンデンサ２０は、インダクタ１０ａと信号線路７との接続部と磁気抵抗効果素子１ｂとの間の信号線路７に直列接続されている。つまり、本実施形態では、コンデンサ２０は、入力端子１１ａと磁気抵抗効果素子１ｂとの間に接続されているとともに、入力端子１１ａと出力ポート９との間に接続されている。コンデンサ２０は、電源１３ａからの電流の不変成分が磁気抵抗効果素子１ａ以外の磁気抵抗効果素子１ｂや出力ポート９に流れないようにする役割を持つ。
【００１９】
上部電極５ａおよび下部電極６ａは、一対の電極としての役目を有しており、磁気抵抗効果素子１ａを構成する各層（磁化自由層４ａ、スペーサ層３ａ、磁化固定層２ａ）の積層方向に当該磁気抵抗効果素子１ａを介して配設されている。
同様に、上部電極５ｂおよび下部電極６ｂは、一対の電極としての役目を有しており、磁気抵抗効果素子１ｂを構成する各層（磁化自由層４ｂ、スペーサ層３ｂ、磁化固定層２ｂ）の積層方向に当該磁気抵抗効果素子１ｂを介して配設されている。
つまり、上部電極５ａ、５ｂおよび下部電極６ａ、６ｂは、電流を磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに対して、当該磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂを構成する各層の面と交差する方向、例えば、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂを構成する各層の面に対して垂直な方向（積層方向）に流すための一対の電極としての機能を有している。ここで、本実施形態では、磁気抵抗効果素子１ａには直流電流が流れ、磁気抵抗効果素子１ｂには高周波電流が流れる。上部電極５ａ、５ｂおよび下部電極６ａ、６ｂは、例えば、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ、Ｒｕ、またはこれらの材料のうちのいずれか２つ以上の膜で構成されることが好ましい。
【００２０】
グラウンド８は、基準電位として機能する。信号線路７およびグラウンド８の形状は、例えば、マイクロストリップライン（ＭＳＬ）型やコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）型に規定することが好ましい。マイクロストリップライン形状やコプレーナウェーブガイド形状を設計する際、信号線路７の特性インピーダンスと回路系のインピーダンスとが等しくなるように信号線路７の信号線幅やグラウンド間距離を設計することにより、信号線路７を伝送損失の少ない伝送線路とすることが可能である。信号線路７は、例えば、Ａｕ、Ｃｕ、ＡｕＣｕ、Ａｇ、またはＡｌ等の電気伝導率の高い材料で構成されることが望ましい。
【００２１】
インダクタ１０ａは、インダクタ成分により電流の高周波成分をカットすると同時に電流の不変成分を通す機能を有する。インダクタ１０ａは、例えば、チップインダクタであってもよく、あるいは、パターン線路によるインダクタであってもよい。また、他の例として、インダクタ１０ａは、インダクタ成分を有する抵抗素子であってもよい。インダクタ１０ａのインダクタンス値は、任意であってもよく、例えば、１０［ｎＨ］以上であることが好ましい。インダクタ１０ａにより、磁気抵抗効果素子１ａから出力される高周波信号が入力端子１１ａに流入するのを防ぎ、磁気抵抗効果素子１ａから出力される高周波信号を磁気抵抗効果素子１ｂに効果的に印加することができる。入力端子１１ａから入力された電流の不変成分は、磁気抵抗効果素子１ａ、信号線路７の一部、インダクタ１０ａ、入力端子１１ａおよびグラウンド８の一部を含んで形成される閉回路を流れる。この閉回路により、磁気抵抗効果素子１ａに効率的に直流電流または直流電圧を印加することができる。
【００２２】
入力端子１１ａは、インダクタ１０ａとグラウンド８との間に接続されている。入力端子１１ａとグラウンド８との間に電源１３ａが接続されることで、磁気抵抗効果素子１ａに直流電流または直流電圧を印加することが可能になる。
【００２３】
電源１３ａは、入力端子１１ａとグラウンド８との間に接続される。電源１３ａによって入力端子１１ａから、磁気抵抗効果素子１ａに直流電流または直流電圧が印加される。電源１３ａは直流電流源でもよく、直流電圧源でもよい。電源１３ａは、一定の直流電流を発生可能な直流電流源でもよく、一定の直流電圧を発生可能な直流電圧源でもよい。また、電源１３ａは、発生する直流電流値の大きさが変化可能な直流電流源でもよく、発生する直流電圧値の大きさが変化可能な直流電圧源でもよい。
【００２４】
インダクタ１５は、信号線路７における磁気抵抗効果素子１ｂと出力ポート９との間の部分であって、かつ、２個の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの間とはならない部分に接続されている。つまり、図１に示されるように、信号線路７において、磁気抵抗効果素子１ｂと出力ポート９とを並列に分岐する点（分岐点Ｐ１）に対して、当該分岐点Ｐ１と出力ポート９との間にインダクタ１５が備えられている。また、信号線路７において、インダクタ１５と出力ポート９とは直列に接続されている。
この構成により、インダクタ１５は、出力ポート９に高周波信号を流さない作用を行う。これにより、磁気抵抗効果素子１ａから発生した高周波信号が信号線路７を通って磁気抵抗効果素子１ｂに印加されることを実現することが可能である。
なお、インダクタ１５は、例えば、チップインダクタであってもよく、あるいは、パターン線路によるインダクタであってもよい。また、他の例として、インダクタ１５は、インダクタ成分を有する抵抗素子であってもよい。インダクタ１５のインダクタンス値は、任意であってもよく、例えば、１０［ｎＨ］以上であることが好ましい。
【００２５】
バイアス磁場印加機構２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂは、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂの近傍に配設され、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂに静磁場を印加する。例えば、バイアス磁場印加機構２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂは、一定の磁場を印加する永久磁石により構成されている。他の例として、バイアス磁場印加機構２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂは、電磁石により構成されてもよい。
【００２６】
本実施形態では、磁気抵抗効果素子１ａに対してはバイアス磁場印加機構２１ａ、２２ａにより静磁場が印加され、磁気抵抗効果素子１ｂに対してはバイアス磁場印加機構２１ｂ、２２ｂにより静磁場が印加される。ここで、磁気抵抗効果素子１ａに対してバイアス磁場印加機構２１ａ、２２ａにより印加される静磁場（第１のバイアス磁場）の方向と、磁気抵抗効果素子１ｂに対してバイアス磁場印加機構２１ｂ、２２ｂにより印加される静磁場（第２のバイアス磁場）の方向とは、同じ方向であってもよく、あるいは、異なる方向であってもよい。
一例として、第１のバイアス磁場の方向と検出対象の磁場（外部磁場）の方向とが一致していてもよい。他の例として、第１のバイアス磁場の方向と検出対象の磁場（外部磁場）の方向とが逆方向であってもよい。
【００２７】
磁化固定層２ａ、２ｂは、それぞれ、強磁性体材料で構成されており、その磁化方向が実質的に一方向に固定されている。磁化固定層２ａ、２ｂは、それぞれ、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＮｉとＦｅの合金、ＦｅとＣｏの合金、またはＦｅとＣｏとＢの合金などの高スピン分極率材料から構成されることが好ましい。これにより、高い磁気抵抗変化率を得ることができる。また、磁化固定層２ａ、２ｂは、それぞれ、ホイスラー合金で構成されてもよい。また、磁化固定層２ａ、２ｂの膜厚は、それぞれ、例えば、１〜１０［ｎｍ］とすることが好ましい。また、それぞれの磁化固定層２ａ、２ｂについて、磁化固定層２ａ、２ｂの磁化を固定するために、磁化固定層２ａ、２ｂに接するように反強磁性層を付加してもよい。他の例として、それぞれの磁化固定層２ａ、２ｂについて、結晶構造や形状などに起因する磁気異方性を利用して磁化固定層２ａ、２ｂの磁化を固定してもよい。反強磁性層としては、例えば、ＦｅＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＣｕＦｅＳ２、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＣｒまたはＭｎなどを用いることができる。
【００２８】
スペーサ層３ａ、３ｂは、それぞれ、磁化固定層２ａ、２ｂと磁化自由層４ａ、４ｂとの間に配置される。そして、磁化固定層２ａ、２ｂの磁化と磁化自由層４ａ、４ｂの磁化とが相互作用して磁気抵抗効果が得られる。スペーサ層３ａ、３ｂは、それぞれ、例えば、導電体、絶縁体、または半導体によって構成される層、あるいは、絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層で構成される。
【００２９】
例えば、それぞれのスペーサ層３ａ、３ｂとして非磁性導電材料が適用される場合、材料としてはＣｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＲｕなどが挙げられ、それぞれの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂには巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果が発現する。ＧＭＲ効果を利用する場合、それぞれのスペーサ層３ａ、３ｂの膜厚は、例えば、０．５〜３．０［ｎｍ］程度とすることが好ましい。
【００３０】
例えば、それぞれのスペーサ層３ａ、３ｂとして非磁性絶縁材料が適用される場合、材料としてはＡｌ２Ｏ３またはＭｇＯなどが挙げられ、それぞれの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂにはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が発現する。この場合、それぞれの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂでは、磁化固定層２ａ、２ｂと磁化自由層４ａ、４ｂとの間にコヒーレントトンネル効果が発現するように、スペーサ層３ａ、３ｂの膜厚を調整することで、高い磁気抵抗変化率が得られる。ＴＭＲ効果を利用する場合、それぞれのスペーサ層３ａ、３ｂの膜厚は、例えば、０．５〜３．０［ｎｍ］程度とすることが好ましい。
【００３１】
例えば、それぞれのスペーサ層３ａ、３ｂとして非磁性半導体材料が適用される場合、材料としてはＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＧａＯｘまたはＧａ２Ｏｘなどが挙げられる。この場合、それぞれのスペーサ層３ａ、３ｂの膜厚は、例えば、１．０〜４．０［ｎｍ］程度とすることが好ましい。
【００３２】
例えば、それぞれのスペーサ層３ａ、３ｂとして非磁性絶縁体中の導体によって構成される通電点を含む層が適用される場合、Ａｌ２Ｏ３またはＭｇＯによって構成される非磁性絶縁体中に、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｃｕ、ＡｌまたはＭｇなどの導体によって構成される通電点を含む構造とすることが好ましい。この場合、それぞれのスペーサ層３ａ、３ｂの膜厚は、例えば、０．５〜２．０［ｎｍ］程度とすることが好ましい。
【００３３】
磁化自由層４ａ、４ｂは、それぞれ、外部印加磁場またはスピン偏極電子によってその磁化の方向が変化可能であり、強磁性体材料で構成されている。それぞれの磁化自由層４ａ、４ｂは、例えば、膜面内方向に磁化容易軸を有する材料から構成される場合、材料としてはＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉまたはＣｏＭｎＡｌなどが挙げられ、厚さは１〜３０［ｎｍ］程度とすることが好ましい。また、それぞれの磁化自由層４ａ、４ｂは、膜面法線方向に磁化容易軸を有する材料から構成される場合、材料としてはＣｏ、ＣｏＣｒ系合金、Ｃｏ多層膜、ＣｏＣｒＰｔ系合金、ＦｅＰｔ系合金、希土類を含むＳｍＣｏ系合金またはＴｂＦｅＣｏ合金などが挙げられる。また、それぞれの磁化自由層４ａ、４ｂは、例えば、ホイスラー合金で構成されてもよい。
また、それぞれの磁化自由層４ａ、４ｂについて、磁化自由層４ａ、４ｂとスペーサ層３ａ、３ｂとの間に高スピン分極率材料を挿入してもよく、これによって、高い磁気抵抗変化率を得ることが可能となる。高スピン分極率材料としては、例えば、ＣｏＦｅ合金またはＣｏＦｅＢ合金などが挙げられる。このようなＣｏＦｅ合金またはＣｏＦｅＢ合金のいずれについても、その膜厚は、例えば、０．２〜１．０［ｎｍ］程度とすることが好ましい。
【００３４】
なお、本実施形態では、それぞれの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂにおいて、スペーサ層３ａ、３ｂの両側に、磁化固定層２ａ，２ｂと磁化自由層４ａ、４ｂが配置される構成を示したが、他の例として、磁化固定層２ａ，２ｂの代わりに磁化自由層が用いられてもよい。つまり、スペーサ層の両側のそれぞれに磁化自由層が配置される磁気抵抗効果素子が用いられてもよい。
【００３５】
ここで、それぞれの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂについて、上部電極５ａ、５ｂと磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂとの間、および下部電極６ａ、６ｂと磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂとの間にキャップ層、シード層またはバッファー層を配設してもよい。キャップ層、シード層またはバッファー層としては、例えば、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｒまたはこれらの積層膜などが挙げられ、これらの層の膜厚は、例えば、２〜１０［ｎｍ］程度とすることが好ましい。
【００３６】
なお、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂの大きさとしては、任意であってもよく、例えば、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂの長辺を１００［ｎｍ］程度、あるいは１００［ｎｍ］以下とすることが好ましい。ここで、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂの平面視形状が長方形（正方形を含む。）ではない場合は、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂの平面視形状に最小の面積で外接する長方形の長辺を、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂの長辺と定義する。この長辺が１００［ｎｍ］程度であるように小さい場合には、磁化自由層４ａ、４ｂの磁区の単磁区化が可能となり、高効率なスピントルク共鳴現象の実現が可能となる。ここでは、「平面視形状」とは、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂを構成する各層の積層方向に垂直な平面で見た形状のことである。 
【００３７】
ここで、スピントルク発振効果について説明する。
磁気抵抗効果素子に印加される磁場の強度と当該磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の大きさとのバランスが一定の条件になると、磁化自由層の磁化が振動する（歳差運動を起こす）。磁気抵抗効果素子の素子抵抗値は、磁化固定層と磁化自由層との磁化の相対角で決まる。そのため、磁気抵抗効果素子の抵抗値は、磁化自由層の磁化の振動に伴い、周期的に変化する。つまり、磁気抵抗効果素子は、磁化が振動する周波数で抵抗値が周期的に変化する抵抗振動素子として取り扱うことができる。このとき、直流電流を磁気抵抗効果素子に流すと、磁化が振動する周波数の高周波信号を磁気抵抗効果素子から出力させることができる。つまり、磁気抵抗効果素子が発振器として機能する。この効果をスピントルク発振効果と呼ぶ。この振動の周波数（歳差運動の周波数）であるスピントルク発振周波数は、磁気抵抗効果素子に印加される磁場の強度に応じて変化する。
また、磁気抵抗効果素子に、高周波信号を入力すると、磁気抵抗効果素子はスピントルク共鳴現象により直流電圧を出力する。つまり、磁気抵抗効果素子がダイオード（整流器）として機能する。この効果をスピントルクダイオード効果と呼ぶ。入力された高周波信号の周波数が磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数と一致するとき、最も大きな直流電圧が出力される。
【００３８】
本実施形態では、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振周波数は、磁化自由層４ａにおける有効磁場によって変化する。磁化自由層４ａにおける有効磁場Ｈｅｆｆは、磁化自由層４ａに印加される磁場ＨＥ、磁化自由層４ａにおける異方性磁場Ｈｋ、磁化自由層４ａにおける反磁場ＨＤ、磁化自由層４ａにおける交換結合磁場ＨＥＸを用いて、式（１）により表される。
また、磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数についても同様である。
【００３９】
［数１］
Ｈｅｆｆ＝ＨＥ＋Ｈｋ＋ＨＤ＋ＨＥＸ    ・・（１）
【００４０】
次に、磁場センサ１０１の動作原理を説明する。
磁気抵抗効果素子１ａは、入力端子１１ａから直流電流または直流電圧が印加されてその中を直流電流が流れることで、スピントルク発振効果により、スピントルク発振周波数の高周波信号を発生させることができる。この状態で、検出される外部磁場が磁気抵抗効果素子１ａに印加されると、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振周波数が変化するため、磁気抵抗効果素子１ａから出力される高周波信号の周波数が変化する。つまり、外部磁場の変化を周波数の変化として取り出すことが可能となる。また、磁気抵抗効果素子１ａから発生した高周波信号は、信号線路７を通り、磁気抵抗効果素子１ｂに印加される。
このとき、磁気抵抗効果素子１ｂからスピントルクダイオード効果により直流電圧を出力ポート９に出力することが可能となる。スピントルクダイオード効果によって、磁気抵抗効果素子１ｂに入力された高周波信号の周波数が磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数と一致するとき、磁気抵抗効果素子１ｂは最も大きな直流電圧を出力し、また、入力された高周波信号の周波数の、磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数からの差異が大きくなるにつれて、出力電圧は徐々に減少する。磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数を固定した場合、検出される外部磁場の変化により磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振周波数が変化すると、磁気抵抗効果素子１ｂから出力される直流電圧の大きさが変化する。つまり、磁場センサ１０１では、外部磁場の変化量を出力電圧の変化量として検出することが可能である。
【００４１】
本実施形態では、出力ポート９は信号線路７に接続されており、グラウンドポート１２はグラウンド８に接続されており、出力ポート９とグラウンドポート１２との間に電圧計（図示せず）を接続する。これにより、当該電圧計と磁気抵抗効果素子１ｂとが並列に接続されるようにして、当該電圧計により磁気抵抗効果素子１ｂから出力される直流電圧の大きさを検出（計測）する。そして、当該直流電圧の大きさに基づいて、外部磁場の大きさを検出することが可能である。
【００４２】
本実施形態では、信号線路７の分岐点Ｐ１と出力ポート９との間にインダクタ１５を備えているが、他の例として、出力ポート９に接続される電圧計（磁場センサ１０１の外部のもの）がインダクタを有する場合には、インダクタ１５が備えられなくてもよい。
同様に、本実施形態では、磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂとの間の信号線路７と入力端子１１ａとの間にインダクタ１０ａを備えているが、他の例として、電源１３ａがインダクタを有する場合には、インダクタ１０ａが備えられなくてもよい。
【００４３】
また、出力ポート９は、磁気抵抗効果素子１ｂから出力される直流電圧を検出することが可能な任意のところに備えられてもよく、例えば、信号線路７ではなく、磁気抵抗効果素子１ｂの上部電極５ｂに接続されて備えられてもよい。
【００４４】
図２は、本発明の第１実施形態に係るスピントルク発振およびスピントルク共鳴の周波数と直流電圧出力および発振出力との関係を示したグラフを示す図である。
図２に示されるグラフにおいて、左側の縦軸は磁気抵抗効果素子１ｂからの直流電圧出力を表わしており、右側の縦軸は磁気抵抗効果素子１ａからの発振出力を表わしており、横軸は周波数を表している。図２の例では、説明を容易にするために、磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数が一定（すなわち、検出対象の外部磁場が磁気抵抗効果素子１ｂに印加されず、磁気抵抗効果素子１ｂに印加される磁場の強度が一定の場合）で、磁気抵抗効果素子１ａにバイアス磁場印加機構２１ａ、２２ａにより印加される静磁場の方向と、検出対象の外部磁場の方向とが一致している例で、磁気抵抗効果素子１ａに印加される、検出対象の外部磁場の強度が変化したときのグラフを示してある。
図２の例において、特性２０１のプロット線は、外部から磁気抵抗効果素子１ａに印加される、検出対象の外部磁場の強度がＢａ１であるときのものであり、また、特性２０２のプロット線は、外部から磁気抵抗効果素子１ａに印加される、検出対象の外部磁場の強度がＢａ２であるときのものである。これらの外部磁場の強度の関係は、Ｂａ１＜Ｂａ２である。
図２の例において、特性２０３のプロット線は、磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルクダイオード効果による、入力高周波信号の周波数に対する出力される直流電圧の大きさを示す。
【００４５】
図２に示されるように、外部から磁気抵抗効果素子１ａに印加される、検出対象の外部磁場の強度がＢａ１からより大きいＢａ２に変化（シフト）した場合、磁気抵抗効果素子１ａに印加される磁場強度が大きくなるのに伴い、磁気抵抗効果素子１ａから出力される高周波信号の周波数はｆａ１からより高いｆａ２に変化（シフト）する。
【００４６】
また、磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数ｆａ３は一定であるため、磁気抵抗効果素子１ａから出力される高周波信号の周波数に対応して、磁気抵抗効果素子１ｂから出力される直流電圧はｄａ１からより小さいｄａ２に変化（シフト）する。つまり、磁場センサ１０１は、外部磁場の変化を出力電圧の変化として検出することが可能な磁場センサとして機能する。磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振周波数は、外部から印加される磁場の強度に敏感であるため、磁場センサ１０１は検出感度が高い。従って、磁場センサ１０１は微小な磁場の検出に好適である。本実施形態では、外部磁場として微小な磁場を検出することから、検出対象の外部磁場よりも、バイアス磁場印加機構２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂにより印加される磁場（第１のバイアス磁場および第２のバイアス磁場）の方が大きくなる。
【００４７】
さらに、磁場センサ１０１の感度を向上させるためには、磁気抵抗効果素子１ａの磁化固定層２ａの磁化の向きが、検出対象の外部磁場と同じ向きになることが好ましい。この向きでは、磁気抵抗効果素子１ａからの発振の振幅（レベル）が大きくなる。
【００４８】
なお、磁場センサ１０１では、検出対象の外部磁場が磁気抵抗効果素子１ｂに印加されることを防ぐために、例えば、磁気抵抗効果素子１ｂの周囲に磁気シールドが設置されていることが磁場センサとして使いやすいという点で好ましいが、磁気抵抗効果素子１ｂの周囲に磁気シールドが設置されていなくてもよい。
本実施形態では、磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂとは、同様な構成を有するが、まったく同じ動作を行うのではなく、異なる動作を行うとしている。磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂとは、それぞれの機能に応じて、その構成がそれぞれ最適化されることが好ましい。
【００４９】
以上のように、本実施形態に係る磁場センサ１０１では、磁気抵抗効果素子１ａ（第１の磁気抵抗効果素子）と、磁気抵抗効果素子１ｂ（第２の磁気抵抗効果素子）と、出力ポート９と、信号線路７と、磁気抵抗効果素子１ａに直流電流または直流電圧を印加可能な入力端子１１ａ（第１の入力端子）と、を有する。磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂは、それぞれ、磁化固定層２ａ、２ｂ（第１の磁性層）、磁化自由層４ａ、４ｂ（第２の磁性層）およびこれらの間に配置されたスペーサ層３ａ、３ｂを有する。磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂとが信号線路７を介して接続されている。出力ポート９は、磁気抵抗効果素子１ｂに対して並列に接続されている。出力ポート９は、磁気抵抗効果素子１ｂからの直流出力電圧を出力可能である。
したがって、本実施形態に係る磁場センサ１０１では、簡易な構成とすることが可能である。
【００５０】
ここで、本実施形態に係る磁場センサ１０１では、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂを利用した磁場センサを提供することができ、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振の機能および磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルクダイオードの機能を利用して磁場を検出する。
【００５１】
本実施形態に係る磁場センサ１０１では、コンデンサ２０をさらに含む。コンデンサ２０は、入力端子１１ａと、磁気抵抗効果素子１ｂおよび出力ポート９のうちの少なくとも一方との間に接続されている。本実施形態では、コンデンサ２０は、入力端子１１ａと磁気抵抗効果素子１ｂとの間に接続されているとともに、入力端子１１ａと出力ポート９との間に接続されているが、他の構成例として、これらのうちの一方に接続されてもよい。
したがって、本実施形態に係る磁場センサ１０１では、コンデンサ２０によって、電源１３ａからの電流の不変成分が磁気抵抗効果素子１ａ以外の磁気抵抗効果素子１ｂや出力ポート９に流れることを抑制することができる。
電源１３ａからの電流の不変成分が磁気抵抗効果素子１ａ以外の磁気抵抗効果素子１ｂや出力ポート９に流れても問題が生じない場合は、コンデンサ２０は備えられなくてもよい。
【００５２】
本実施形態に係る磁場センサ１０１では、磁気抵抗効果素子１ａにバイアス磁場（第１のバイアス磁場）を印加し、磁気抵抗効果素子１ｂにバイアス磁場（第２のバイアス磁場）を印加するバイアス磁場印加機構２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂを有する。
第１のバイアス磁場と第２のバイアス磁場は、例えば、同一の方向の磁場であってもよく、あるいは、逆方向の成分を有してもよい。
なお、磁気抵抗効果素子１ａに第１のバイアス磁場が印加され、磁気抵抗効果素子１ｂに第２のバイアス磁場が印加されている方が、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振効果や磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルクダイオード効果が生じやすいが、バイアス磁場が印加されていなくてもこれらの効果が生じる場合は、バイアス磁場印加機構２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂは備えられなくてもよい。
【００５３】
本実施形態に係る磁場センサ１０１では、磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂとは、出力ポート９に対して互いに並列に接続されている。また、磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂとは、基準電位端子３０ａまたは３０ｂを介してグラウンド８に対して互いに並列に接続可能になっている。つまり、磁場センサ１０１が、磁場センサ１０１の外部にあるグラウンド８に接続された時には、磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂとは、グラウンド８に対して互いに並列に接続される。
【００５４】
なお、本実施形態に係る磁場センサ１０１は、任意の装置などに適用されてもよく、微小な磁場の検出に好適であることを活かして、一例として、生体磁場の検出に使用されてもよい。
【００５５】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る磁場センサ１０２の構成を示した断面模式図である。
磁場センサ１０２について、第１実施形態に係る磁場センサ１０１とは異なる点について主に説明し、共通する事項については適宜説明を省略する。また、第１実施形態に係る磁場センサ１０１と共通している構成要素については、同じ符号を付してあり、適宜説明を省略する。
【００５６】
本実施形態に係る磁場センサ１０２は、第１実施形態に係る磁場センサ１０１の構成要素を有しており、さらに、インダクタ１０ｂと、入力端子１１ｂと、電源１３ｂとを有している。インダクタ１０ｂは、出力ポート９に対して並列に、信号線路７における磁気抵抗効果素子１ｂと出力ポート９との間に接続されている。入力端子１１ｂは、磁気抵抗効果素子１ｂに直列に接続されている。具体的には、図３に示されるように、入力端子１１ｂはインダクタ１０ｂとグラウンド８との間に接続されている。つまり、入力端子１１ｂは、出力ポート９に対して並列に、インダクタ１０ｂを介して信号線路７に接続されており、磁気抵抗効果素子１ｂとインダクタ１０ｂに直列に接続されている。電源１３ｂが入力端子１１ｂとグラウンド８に接続されることにより、磁場センサ１０２では、磁気抵抗効果素子１ｂ、信号線路７の一部、入力端子１１ｂおよびグラウンド８の一部を含む閉回路を形成することが可能となっている。
【００５７】
また、図３の例では、信号線路７においてインダクタ１０ｂと出力ポート９とに並列に分岐する点（分岐点Ｐ２）に対して、当該分岐点Ｐ２と出力ポート９との間にインダクタ１５が備えられる配置となっている。他の例として、分岐点Ｐ１と分岐点Ｐ２との間にインダクタ１５が備えられてもよく、この場合、インダクタ１５がインダクタ１０ｂの役割を果たすときにはインダクタ１０ｂが備えられなくてもよい。
【００５８】
ここで、本実施形態では、磁場センサ１０２が図３に示される構成要素のすべてを備える場合について説明するが、他の例として、磁場センサ１０２は図３に示される構成要素のうちの一部を備えない構成が用いられてもよい。
例えば、磁場センサ１０２は、電源１３ａを備えなくてもよく、この場合、電源１３ａとしては磁場センサ１０２の外部にある電源が用いられる。
例えば、磁場センサ１０２は、電源１３ｂを備えなくてもよく、この場合、電源１３ｂとしては磁場センサ１０２の外部にある電源が用いられる。
また、例えば、磁場センサ１０２は、グラウンド８およびグラウンドポート１２を備えなくてもよく、この場合、グラウンド８およびグラウンドポート１２としては磁場センサ１０１の外部にあるグラウンドおよびグラウンドポートが用いられる。
一例として、磁場センサ１０２は、図３に示される基準電位端子３０ａと、基準電位端子３０ｂと、入力端子１１ａと、入力端子１１ｂと、出力ポート９との間にある回路部を有して構成されてもよく、この場合、電源１３ａ、電源１３ｂ、グラウンド８およびグラウンドポート１２は当該磁場センサ１０２の外部にあると捉えることができる。
【００５９】
磁場センサ１０２では、磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルクダイオード効果を得る際に、磁気抵抗効果素子１ｂに直流電流または直流電圧を印加することができる。磁気抵抗効果素子１ｂに直流電流または直流電圧を印加すると、ダイオード感度が向上するため、当該磁気抵抗効果素子１ｂから出力される直流電圧が大きくなる。つまり、磁場センサ１０２は、第１実施形態の場合と比べて、出力の大きな磁場センサとして機能することが可能となる。
【００６０】
なお、本実施形態では、電源１３ａから磁気抵抗効果素子１ａに流す電流の電流密度の方が、電源１３ｂから磁気抵抗効果素子１ｂに流す電流の電流密度よりも、大きい。本実施形態では、磁気抵抗効果素子１ａにはスピントルク発振のために必要な大きな電流密度の電流を流し、磁気抵抗効果素子１ｂにはバイアスとして、磁気抵抗効果素子１ｂにスピントルク発振効果が発現しない程度の小さな電流密度の電流を流す。
【００６１】
本実施形態では、磁気抵抗効果素子１ｂと出力ポート９との間の信号線路７と入力端子１１ｂとの間にインダクタ１０ｂを備えているが、他の例として、電源１３ｂがインダクタを有する場合には、インダクタ１０ｂが備えられなくてもよい。
【００６２】
以上のように、本実施形態に係る磁場センサ１０２では、第１実施形態の場合と同様に、簡易な構成とすることが可能である。
【００６３】
また、本実施形態に係る磁場センサ１０２では、磁気抵抗効果素子１ｂ（第２の磁気抵抗効果素子）に直流電流または直流電圧を印加可能な入力端子１１ｂ（第２の入力端子）をさらに有する。
したがって、本実施形態に係る磁場センサ１０２では、磁気抵抗効果素子１ｂのダイオード感度を向上させることが可能であり、これにより、出力を向上させることが可能である。
【００６４】
（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態に係る磁場センサ１０３の構成を示した断面模式図である。
磁場センサ１０３について、第１実施形態に係る磁場センサ１０１とは異なる点について主に説明し、共通する事項については適宜説明を省略する。また、第１実施形態に係る磁場センサ１０１と共通している構成要素については、同じ符号を付してあり、適宜説明を省略する。
【００６５】
本実施形態に係る磁場センサ１０３は、第１実施形態に係る磁場センサ１０１の構成要素を有しており、さらに、バイアス磁場印加機構２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂの代わりに、バイアス磁場印加機構３１〜３３を有している。バイアス磁場印加機構３１〜３３は、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂの近傍に配置され、磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂのそれぞれに、逆方向の一定磁場をバイアス磁場として印加する。
【００６６】
図４の例では、バイアス磁場印加機構３１は磁気抵抗効果素子１ａの近傍に配置され、バイアス磁場印加機構３２は磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂとの近傍であってこれらの間に配置され、バイアス磁場印加機構３３は磁気抵抗効果素子１ｂの近傍に配置される。
本実施形態では、磁気抵抗効果素子１ａを挟んで配置されるバイアス磁場印加機構３１とバイアス磁場印加機構３２により印加されるバイアス磁場の方向と、磁気抵抗効果素子１ｂを挟んで配置されるバイアス磁場印加機構３２とバイアス磁場印加機構３３により印加されるバイアス磁場の方向とが、逆方向となっている。また、本実施形態では、磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂとでバイアス磁場印加機構３２が共用されている。
【００６７】
ここで、本実施形態では、磁場センサ１０３が図４に示される構成要素のすべてを備える場合について説明するが、他の例として、第１実施形態の図１に示される磁場センサ１０１と同様に、磁場センサ１０３は図４に示される構成要素のうちの一部を備えない構成が用いられてもよい。
【００６８】
磁場センサ１０３では、バイアス磁場印加機構３１〜３３により、磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂのそれぞれに、逆方向のバイアス磁場を印加した状態で、外部磁場の検出を行う。
本実施形態では、バイアス磁場印加機構３１、３２によって磁気抵抗効果素子１ａに印加されるバイアス磁場（第１のバイアス磁場）は、検出対象の外部磁場と同じ向きであり、バイアス磁場印加機構３２、３３によって磁気抵抗効果素子１ｂに印加されるバイアス磁場（第２のバイアス磁場）は、検出対象の外部磁場と逆の向きである。この状態で、外部磁場が印加されると、スピントルク発振状態の磁気抵抗効果素子１ａに印加される磁場強度は、第１のバイアス磁場と外部磁場との和の強度になる。また、スピントルクダイオード状態の磁気抵抗効果素子１ｂに印加される磁場強度は、第２のバイアス磁場と外部磁場との差の強度になる。つまり、検出対象の外部磁場が大きくなると、磁気抵抗効果素子１ａに印加される磁場強度は大きくなり、磁気抵抗効果素子１ｂに印加される磁場強度は小さくなる。よって、このとき、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振周波数は高くなり、磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数は低くなる。このように、検出対象の外部磁場の強度の変化によって、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振周波数と磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数とが逆方向の変化（シフト）をする。ここで、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振周波数が、磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数よりも、高い場合には、磁場センサ１０３は出力電圧のシフト量が大きな高感度の磁場センサとして機能することが可能である。
【００６９】
図５は、本発明の第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１ａにバイアス磁場印加機構３１〜３２により第１のバイアス磁場が印加されているときにおける当該磁気抵抗効果素子１ａの磁化状態の模式図である。
図５に示されるように、磁気抵抗効果素子１ａにおいて、磁化固定層２ａの磁化４１の方向と、バイアス磁場印加機構３１〜３２により発生する磁化自由層４ａにおける第１のバイアス磁場の方向とのなす角の角度θ１が１７０度以上１９０度以下（例えば、１８０度程度）になるように、バイアス磁場印加機構３１〜３２が磁気抵抗効果素子１ａに対して配置されることが好ましい。なお、図５では、磁化固定層２ａの磁化４１の方向に平行な直線を直線４３および直線４４で示し、第１のバイアス磁場の方向に平行な直線を直線４５で示している。
【００７０】
また、磁気抵抗効果素子１ａに直流電流および直流電圧が印加されずにバイアス磁場印加機構３１〜３２により第１のバイアス磁場が印加されているとき、磁化自由層４ａの磁化４２は第１のバイアス磁場と同じ方向を向いている。磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振の発振性能は、スピントルク発振周波数で振動する磁気抵抗効果素子１ａの抵抗値の変化量と相関がある。つまり、磁化自由層４ａの磁化４２が歳差運動を起こす回転軸と磁化固定層２ａの磁化４１との角度θ１が１７０度以上１９０度以下となる（反平行状態の）場合には、磁気抵抗効果素子１ａの抵抗値は大きく振動するため、磁気抵抗効果素子１ａは発振特性のよい（Ｑ値の高い）発振状態を維持することができる。そのため、磁場センサ１０３は、高感度な磁場センサとして機能することが可能である。
なお、図５の例は一例であり、他の構成が用いられてもよい。
【００７１】
図６は、本発明の第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１ｂにバイアス磁場印加機構３２〜３３により第２のバイアス磁場が印加されているときにおける当該磁気抵抗効果素子１ｂの磁化状態の模式図である。
図６に示されるように、磁化固定層２ｂの磁化５１の方向と、バイアス磁場印加機構３２〜３３により発生する磁化自由層４ｂにおける第２のバイアス磁場の方向とのなす角の角度θ２が８０度以上１００度以下（例えば、９０度程度）になるように、バイアス磁場印加機構３２〜３３が磁気抵抗効果素子１ｂに対して配置されることが好ましい。なお、図６では、磁化固定層２ｂの磁化５１の方向に平行な直線を直線５３および直線５４で示し、第２のバイアス磁場の方向に平行な直線を直線５５で示している。
【００７２】
また、磁気抵抗効果素子１ｂに直流電流、直流電圧および高周波電流が印加されずにバイアス磁場印加機構３２〜３３により第２のバイアス磁場が印加されているとき、磁化自由層４ｂの磁化５２は第２のバイアス磁場と同じ方向を向いている。スピントルクダイオード効果では、磁化自由層４ａの磁化５２が静止している状態から、入力される高周波信号を利用してスピントルク共鳴周波数で振動する。そのため、磁化自由層４ａの磁化５２が容易に振動する磁場条件であるときに、ダイオード感度が最も高くなる。つまり、磁化自由層４ｂの磁化５２と磁化固定層２ｂの磁化５１との角度θ２が８０度以上１００度以下となる場合、磁化自由層４ｂの磁化５２が容易に振動するため、磁気抵抗効果素子１ｂのダイオード感度（整流の変換効率）が高くなる。そのため、磁場センサ１０３は、高感度な磁場センサとして機能することが可能である。
なお、図６の例は一例であり、他の構成が用いられてもよい。
【００７３】
図７は、本発明の第３実施形態に係るスピントルク発振およびスピントルク共鳴の周波数と直流電圧出力および発振出力との関係を示したグラフを示す図である。図７の例では、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振周波数が、磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数よりも、高い場合を示している。
図７に示されるグラフにおいて、左側の縦軸は磁気抵抗効果素子１ｂからの直流電圧出力を表わしており、右側の縦軸は磁気抵抗効果素子１ａからの発振出力を表わしており、横軸は周波数を表している。図７の例では、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂに印加される磁場が変化したときのグラフを示してある。
図７の例において、特性２２１のプロット線は、外部から磁気抵抗効果素子１ａに印加される、検出対象の外部磁場の強度がＢａ１であるときのものであり、また、特性２２２のプロット線は、外部から磁気抵抗効果素子１ａに印加される、検出対象の外部磁場の強度がＢａ２であるときのものである。これらの外部磁場の強度の関係は、Ｂａ１＜Ｂａ２である。
図７の例において、特性２２３のプロット線は、外部から磁気抵抗効果素子１ｂに印加される、検出対象の外部磁場の強度がＢａ１であるときのものであり、また、特性２２４のプロット線は、外部から磁気抵抗効果素子１ｂに印加される、検出対象の外部磁場の強度がＢａ２であるときのものである。
【００７４】
図７に示されるように、外部から磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂに印加される、検出対象の外部磁場の強度がＢａ１からより大きいＢａ２に変化（シフト）した場合、磁気抵抗効果素子１ａに印加される磁場強度が大きくなるのに伴い、磁気抵抗効果素子１ａから出力される高周波信号の周波数はｆｂ１からより高いｆｂ２に変化（シフト）する。また、この場合、磁気抵抗効果素子１ｂに印加される磁場強度が小さくなるのに伴い、磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数はｆｂ３からより低いｆｂ４に変化（シフト）する。つまり、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振周波数がシフトする方向と磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数がシフトする方向が逆向きになる。そのため、図７に示すように、検出対象の外部磁場の強度が変化した際における出力電圧の変化量（ｄｂ１−ｄｂ２）を大きくすることが可能となる。これにより、磁場センサ１０３は、検出対象の外部磁場の強度の変化量に対して、大きな電圧変化を出力することが可能となり、高感度の磁場センサを実現することができる。
他の例として、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振周波数が、磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数よりも、低い場合が用いられてもよい。この場合、例えば、第１のバイアス磁場は、検出対象の外部磁場と逆の向きとされ、第２のバイアス磁場は、検出対象の外部磁場と同じ向きとされる。この場合には、検出対象の外部磁場が大きくなると、磁気抵抗効果素子１ａに印加される磁場強度は小さくなり、磁気抵抗効果素子１ｂに印加される磁場強度は大きくなる。この場合も、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク発振周波数がシフトする方向と磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数がシフトする方向が逆向きになるので、それを利用して、検出対象の外部磁場の強度が変化した際における出力電圧の変化量を大きくすることが可能となる。
【００７５】
以上のように、本実施形態に係る磁場センサ１０３では、第１実施形態の場合と同様に、簡易な構成とすることが可能で、高い感度を実現することが可能である。
【００７６】
また、本実施形態に係る磁場センサ１０３では、磁気抵抗効果素子１ａ（第１の磁気抵抗効果素子）にバイアス磁場（第１のバイアス磁場）を印加し、磁気抵抗効果素子１ｂ（第２の磁気抵抗効果素子）にバイアス磁場（第２のバイアス磁場）を印加するバイアス磁場印加機構３１〜３３を有する。第１のバイアス磁場と第２のバイアス磁場は逆方向の成分を有する。本実施形態では、第１のバイアス磁場と第２のバイアス磁場は逆方向の磁場であるが、第１のバイアス磁場と第２のバイアス磁場は逆方向の成分を有していれば、本実施形態の磁場センサ１０３と同様に、検出対象の外部磁場の強度が変化した際における出力電圧の変化量を大きくすることが可能となる。
また、本実施形態に係る磁場センサ１０３では、磁気抵抗効果素子１ｂに対する磁気シールドを備えなくてもよい。
【００７７】
ここで、本実施形態に係る磁場センサ１０３においても、第２実施形態の場合と同様に、図３に示されるインダクタ１０ｂ、入力端子１１ｂ、電源１３ｂと同様な構成要素が用いられてもよい。
【００７８】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【符号の説明】
【００７９】
１ａ、１ｂ…磁気抵抗効果素子、２ａ、２ｂ…磁化固定層、３ａ、３ｂ…スペーサ層、４ａ、４ｂ…磁化自由層、５ａ、５ｂ…上部電極、６ａ、６ｂ…下部電極、７…信号線路、８…グラウンド、９…出力ポート、１０ａ、１０ｂ、１５…インダクタ、１１ａ、１１ｂ…入力端子、１２…グラウンドポート、１３ａ、１３ｂ…電源、２０…コンデンサ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、３１〜３３…バイアス磁場印加機構、３０ａ、３０ｂ…基準電位端子、４１〜４２、５１〜５２…磁化、４３〜４５、５３〜５５…直線、１０１〜１０３…磁場センサ、２０１〜２０３、２２１〜２２４…特性、θ１、θ２…角度、Ｐ１、Ｐ２…分岐点
【図１】
2019027786.tif 000003
【図２】
2019027786.tif 000004
【図３】
2019027786.tif 000005
【図４】
2019027786.tif 000006
【図５】
2019027786.tif 000007
【図６】
2019027786.tif 000008
【図７】
2019027786.tif 000009