(57)【要約】【課題】周囲の温度の影響を最小限に抑え、かつ、それぞれの磁場方向の感度を自由に調整することが可能で、チップサイズの増大を招くことなく多軸の磁場検知を可能とした磁気センサを提供すること。【解決手段】第１の検知部における第１の感磁部１１ａが、磁気収束部２１に覆われ、第２の感磁部１２ａが、基板平面上で前記第１の感磁部１１ａに併設されて、第１の感磁部１１ａと第２の感磁部１２ａとの間において、第２の検知部２における第１及び第３の磁気収束部２１，２３が、第２の磁気収束部２２の長手方向の仮想中線に対して線対称となるように配置され、第２の感磁部１２ａに隣接して第３の検知部３における第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの間隙を覆うように第４の磁気収束部２４が配置されている。【選択図】図１２
2015001467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板平面に対して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、
前記基板平面に対して平行な第１の軸方向の磁場を検知するために、前記第１の軸方向に感磁軸を有し、前記第１の軸方向の磁場に対する感度が異なる第１及び第２の感磁部又は前記第１の軸方向の磁場に対する感磁軸が反平行である第３及び第４の感磁部からなる第１の検知部と、
前記基板平面に対して平行かつ前記第１の軸方向に垂直な第２の軸方向の磁場を検知するために、前記第１の軸方向に感磁軸を有し、前記第１の軸方向の磁場に対する感度が等しい第５及び第６の感磁部と、該第５及び第６の感磁部の近傍に配置されて磁路を形成する第１乃至第３の磁気収束部からなる第２の検知部と、
前記基板平面に対して垂直な第３の軸方向の磁場を検知するために、前記第１の軸方向に感磁軸を有し、前記第１の軸方向の磁場に対する感度が等しい第７及び第８の感磁部と、該第７及び第８の感磁部の近傍に配置されて磁路を形成する第４の磁気収束部又は前記第４及び第５の磁気収束部からなる第３の検知部と
を備えていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記第１の検知部は、前記第１及び第２の感磁部の出力信号の差分又は第３及び第４の感磁部の出力信号に基づき前記第１の軸方向の磁場に応じた信号を出力し、
前記第２の検知部は、前記第５及び第６の感磁部の出力信号の差分に基づき前記第２の軸方向の磁場に応じた信号を出力し、
前記第３の検知部は、前記第７及び第８の感磁部の出力の差分に基づき前記第３の軸方向の磁場に応じた信号を出力す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２の検知部における前記第１乃至第３の磁気収束部が、前記第２の磁気収束部の長手方向に磁気を入力したときに、該第２の磁気収束部から前記第１の磁気収束部及び前記第２の磁気収束部から前記第３の磁気収束部にそれぞれ磁束成分の磁路が形成されるように配置され、
平面視したときに、前記第１の磁気収束部と前記第２の磁気収束部間の第１の仮想中線から前記第５の感磁部の長手方向の中線までの中線間距離、及び前記第２の磁気収束部と前記第３の磁気収束部間の第２仮想中線から前記第６の感磁部の長手方向の中線までの中線間距離が互いに等しい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】
前記第３の検知部における前記第７及び第８の感磁部は、平面視したときに、前記第７及び第８の感磁部の中心同士を結ぶ仮想線分が、前記第４の磁気収束部の長手方向の仮想中線と垂直又は前記第４及び第５の磁気収束部の中心同士を結ぶ仮想線分と平行である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】
前記第１の検知部における前記第１の感磁部が、平面視したときに、磁気収束部に覆われ、前記第２の感磁部が、前記基板平面上で前記第１の感磁部に併設されてい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】
前記磁気収束部が、前記第１乃至第５の磁気収束部のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記第１の検知部における前記第１の感磁部と前記第２の感磁部との短手方向の幅が異な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８】
前記第１の検知部における前記第３の感磁部の感磁軸が＋Ｘ軸方向で、前記第４の感磁部の感磁軸が−Ｘ軸方向であり、各感磁部の感磁軸が反平行であ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９】
前記第２の検知部における前記第１及び第３の磁気収束部は、平面視したときに、前記第２の磁気収束部の長手方向の仮想中線に対して線対称となり、かつ、前記第１及び第３の磁気収束部の中心を結んだ仮想線分が、前記第２の磁気収束部の中心以外と一部と交差する位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記第３の検知部における前記第７及び第８の感磁部の間隙を覆うように前記第４の磁気収束部が配置されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項１１】
前記第３の検知部における前記第７及び第８の感磁部の外側を覆うように前記第４及び第５の磁気収束部が配置されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項１２】
前記第１の検知部における前記第１の感磁部が、磁気収束部に覆われ、前記第２の感磁部が、前記基板平面上で前記第１の感磁部に併設され、
前記第１の感磁部と前記第２の感磁部との間において、前記第２の検知部における前記第１及び第３の磁気収束部が、前記第２の磁気収束部の長手方向の仮想中線に対して線対称となり、かつ、前記第１及び第３の磁気収束部の中心を結んだ仮想線分が、前記第２の磁気収束部の中心以外と一部と交差する位置に配置され、
前記第２の感磁部に隣接して前記第３の検知部における前記第７及び第８の感磁部の間隙を覆うように前記第４の磁気収束部が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１３】
前記第７及び第８の感磁部の短手方向の幅が、前記第１乃至第６の感磁部の短手方向の幅よりも広くしたことを特徴とする請求項１２に記載の磁気センサ。
【請求項１４】
前記第１の検知部における前記第１の感磁部と前記第２の感磁部との短手方向の幅が異なることを特徴とする請求項１２に記載の磁気センサ。
【請求項１５】
前記第３の検知部における前記第７及び第８の感磁部の外側を覆うように前記前記第４及び第５の磁気収束部が配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の磁気センサ。
【請求項１６】
前記第２の検知部における第５及び第６の感磁部の短手方向の幅が、前記第１及び第２，前記第５乃至第８の感磁部の短手方向の幅よりも狭くしたことを特徴とする請求項１３に記載の磁気センサ。
【請求項１７】
前記第１及び第２又は第３及び第４の感磁部の出力信号の差分と、前記第５及び第６の感磁部の出力信号の差分と、第７及び第８の感磁部の出力信号の差分とを出力する演算部を備えていることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項１８】
前記第１乃至第４の感磁部の短手方向の幅が、前記第５乃至第８の感磁部の短手方向の幅よりも狭くしたことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項１９】
前記第１及び第２の感磁部の短手方向の幅と、前記第５及び第６の感磁部の短手方向の幅と、前記第７及び第８の感磁部との短手方向の幅とがそれぞれ異な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２０】
前記第１及び第２の感磁部と第３及び第４の感磁部と第５及び第６の感磁部と第７及び第８の感磁部の各組の感磁部の無磁場下での電気抵抗が等しいことを特徴とする請求項１乃至１９のいずれかに記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサに関し、より詳細には、磁気抵抗素子を備え、消費電流の増大を招くことなく、また、温度による影響を最小限に抑えて任意の方向の磁場を検知できる磁気センサに関する。
【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。
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１０１は反強磁性層、１０２はピンド層（固定層）、１０３はＣｕ層（スペーサ層）、１０４はフリー層（自由回転層）、２０２はピンド層（固定層）、２０３はＣｕ層（スペーサ層）、２０４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。
【０００３】
固定層１０２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１０４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３０１は絶縁膜、３０２はフリー層（自由回転層）、３０３は導電層、３０４はピンド層（固定層）、３０５は反強磁性層、３０６は絶縁膜を示している。
【０００４】
フリー層（自由回転層）３０２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３０３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）３０４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３０５はピンド層３０４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、層３０１，３０６はＴａやＣｒ、ＮｉＦｅＣｒ、ＡｌＯから構成されている。またピンド層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。
【０００５】
例えば、特許文献１に記載のものは、磁界の方向の影響を受けることが少なく磁界の大きさを精度よく検出できる巨大磁気抵抗素子に関するもので、このＧＭＲ素子は、ＧＭＲチップ上に対してバイアス磁石とともに設置されている。
また、特許文献２に記載のものは、方位検出に関して高い感度を有し、小型で量産性にも優れた３軸磁気センサに関するもので、基板表面に平行で互いに直交するように設定した２軸（Ｘ、Ｙ軸）方向で地磁気成分を検知する２軸磁気センサ部と、２軸磁気センサ部上に配置され前記２軸を含む面に対して垂直方向（Ｚ軸）の磁界を集める磁性部材とを備えており、磁気感知軸の異なる磁気抵抗素子でブリッジを形成することにより従来よりも少ない素子数で３軸検知センサが実現可能であることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１１２６８９号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２７７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１及び２の磁気センサは、磁気抵抗素子を用いてブリッジを形成し、その中点電位を出力信号として取り出すため、磁気抵抗素子を形成する物質の抵抗値を出力に含んでしまうため外部の温度に対して出力信号が敏感に変動してしまうという問題がある。
また、Ｘ，Ｙセンサがそれぞれ独立したブリッジを形成するためチップサイズの増大を招くとともに、Ｘ，ＹセンサとＺセンサに共通の磁気抵抗素子を使用するため、各方向の感度調整を独立に行うことが困難である。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、周囲の温度の影響を最小限に抑え、かつ、それぞれの磁場方向の感度を自由に調整することが可能で、チップサイズの増大を招くことなく多軸の磁場検知を可能とした磁気センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、前記基板平面に対して平行な第１の軸方向の磁場を検知するために、前記第１の軸方向に感磁軸を有し、前記第１の軸方向の磁場に対する感度が異なる第１及び第２の感磁部（１１ａ及び１１ｂ，１２ａ及び１２ｂ）又は前記第１の軸方向の磁場に対する感磁軸が反平行である第３及び第４の感磁部（１１ｃ，１２ｃ）からなる第１の検知部（１ａ，１ｂ，１ｃ）と（図６乃至図８；実施形態１，２，３）、前記基板平面に対して平行かつ前記第１の軸方向に垂直な第２の軸方向の磁場を検知するために、前記第１の軸方向に感磁軸を有し、前記第１の軸方向の磁場に対する感度が等しい第５及び第６の感磁部（１３ａ，１４ａ）と、該第５及び第６の感磁部（１３ａ，１４ａ）の近傍に配置されて磁路を形成する第１乃至第３の磁気収束部（２１乃至２３）からなる第２の検知部（２）と（図９；実施形態４）、前記基板平面に対して垂直な第３の軸方向の磁場を検知するために、前記第１の軸方向に感磁軸を有し、前記第１の軸方向の磁場に対する感度が等しい第７及び第８の感磁部（１５ａ，１６ａ）と、該第７及び第８の感磁部（１５ａ，１６ａ）の近傍に配置されて磁路を形成する第４の磁気収束部（２４）又は前記第４及び第５の磁気収束部（２４，２５）からなる第３の検知部（３）と（図１０及び図１１；実施形態５，６）を備えていることを特徴とする。
【００１０】
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、前記第１の検知部（１ａ，１ｂ）は、前記第１及び第２の感磁部（１１ａ乃至１１ｂ，１２ａ乃至１２ｂ）の出力信号（Ｓ１，Ｓ２）の差分又は第３及び第４の感磁部（１１ｃ，１２ｃ）の出力信号（Ｓ３，Ｓ４）に基づき前記第１の軸方向の磁場に応じた信号を出力し、前記第２の検知部（２）は、前記第５及び第６の感磁部（１３ａ，１４ａ）の出力信号（Ｓ５，Ｓ６）の差分に基づき前記第２の軸方向の磁場に応じた信号を出力し、前記第３の検知部（３ａ，３ｂ）は、前記第７及び第８の感磁部（１５ａ，１６ａ）の出力（Ｓ７，Ｓ８）の差分に基づき前記第３の軸方向の磁場に応じた信号を出力することを特徴とする。
【００１１】
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２の検知部（２）における前記第１乃至第３の磁気収束部（２１乃至２３）が、前記第２の磁気収束部（２２）の長手方向に磁気を入力したときに、該第２の磁気収束部（２２）から前記第１の磁気収束部（２１）及び前記第２の磁気収束部（２２）から前記第３の磁気収束部（２３）にそれぞれ磁束成分の磁路が形成されるように配置され、平面視したときに、前記第１の磁気収束部（２１）と前記第２の磁気収束部（２２）間の第１の仮想中線（Ｌ２１）から前記第５の感磁部（１３ａ）の長手方向の中線（Ｌ１３）までの中線間距離（ＭＷ１）、及び前記第２の磁気収束部（２２）と前記第３の磁気収束部（２３）間の第２仮想中線（Ｌ２３）から前記第６の感磁部（１４ａ）の長手方向の中線（Ｌ１４）までの中線間距離（ＭＷ２）が互いに等しいことを特徴とする。（図９；実施形態４）
【００１２】
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、前記第３の検知部（３ａ，３ｂ）における前記第７及び第８の感磁部（１５ａ，１６ａ）は、平面視したときに、前記第７及び第８の感磁部（１５ａ，１６ａ）の中心同士を結ぶ仮想線分（Ｌ５６）が、前記第４の磁気収束部（２４）の長手方向の仮想中線（Ｌ４０）と垂直又は前記第４及び第５の磁気収束部（２４，２５）の中心同士を結ぶ仮想線分（Ｌ５０）と平行であることを特徴とする。（図１０及び図１１；実施形態５，６）
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、前記第１の検知部（１ａ）における前記第１の感磁部（１１ａ）が、平面視したときに、磁気収束部（２０）に覆われ、前記第２の感磁部（１２ａ）が、前記基板平面上で前記第１の感磁部（１１ａ）に併設されていることを特徴とする。（図６；実施形態１）
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記磁気収束部（２０）が、前記第１乃至第５の磁気収束部（２１乃至２５）のいずれかであることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項７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、前記第１の検知部（１ｂ）における前記第１の感磁部（１１ｂ）と前記第２の感磁部（１２ｂ）との短手方向の幅が異なることを特徴とする。（図７；実施形態２）
また、請求項８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、前記第１の検知部（１ｃ）における前記第３の感磁部（１１ｃ）の感磁軸が＋Ｘ軸方向で、前記第４の感磁部（１２ｃ）の感磁軸が−Ｘ軸方向であり、各感磁部の感磁軸が反平行であることを特徴とする。（図８；実施形態３）
【００１４】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記第２の検知部（２）における前記第１及び第３の磁気収束部（２１，２３）は、平面視したときに、前記第２の磁気収束部（２２）の長手方向の仮想中線（Ｌ２２）に対して線対称となり、かつ、前記第１及び第３の磁気収束部（２１，２３）の中心（Ｃ１，Ｃ３）を結んだ仮想線分（Ｌ１０）が、前記第２の磁気収束部（２２）の中心（Ｃ２）以外と一部と交差する位置に配置されていることを特徴とする。（図９；実施形態４）
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９のいずれかに記載の発明において、前記第３の検知部（３ａ）における前記第７及び第８の感磁部（１５ａ，１６ａ）の間隙を覆うように前記第４の磁気収束部（２４）が配置されていることを特徴とする。（図１０；実施形態５）
【００１５】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至９のいずれかに記載の発明において、前記第３の検知部（３ｂ）における前記第７及び第８の感磁部（１５ａ，１６ａ）の外側を覆うように前記第４及び第５の磁気収束部（２４，２５）が配置されていることを特徴とする。（図１１；実施形態６）
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の検知部（１ａ）における前記第１の感磁部（１１ａ）が、磁気収束部（２０）に覆われ、前記第２の感磁部（１２ａ）が、前記基板平面上で前記第１の感磁部（１１ａ）に併設され（図６；実施形態１）、前記第１の感磁部（１１ａ）と前記第２の感磁部（１２ａ）との間において、前記第２の検知部（２）における前記第１及び第３の磁気収束部（２１，２３）が、前記第２の磁気収束部（２２）の長手方向の仮想中線（Ｌ２２）に対して線対称となり、かつ、前記第１及び第３の磁気収束部（２１，２３）の中心（Ｃ１，Ｃ３）を結んだ仮想線分（Ｌ１０）が、前記第２の磁気収束部（２２）の中心（Ｃ２）以外と一部と交差する位置に配置され（図９；実施形態４）、前記第２の感磁部（１２ａ）に隣接して前記第３の検知部（３）における前記第７及び第８の感磁部（１５ａ，１６ａ）の間隙を覆うように前記第４の磁気収束部（２４）が配置されている（図１０；実施形態５）ことを特徴とする。（図１２＝図６＋図９＋図１０；実施例１＝実施形態１＋実施形態４＋実施形態５）
【００１６】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の発明において、前記第７及び第８の感磁部（１５ｂ，１６ｂ）の短手方向の幅が、前記第１乃至第６の感磁部（１１ａ乃至１４ａ）の短手方向の幅よりも広くしたことを特徴とする。（図１３；実施例２）
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１２に記載の発明において、前記第１の検知部（１ｂ）における前記第１の感磁部（１１ｂ）と前記第２の感磁部（１２ｂ）との短手方向の幅が異なることを特徴とする。（図１４；実施例３）
また、請求項１５に記載の発明は、請求項１２に記載の発明において、前記第３の検知部（３ｂ）における前記第７及び第８の感磁部（１５ａ，１６ａ）の外側を覆うように前記前記第４及び第５の磁気収束部（２４，２５）が配置されていることを特徴とする。（図１５；実施例４）
【００１７】
また、請求項１６に記載の発明は、請求項１３に記載の発明において、前記第２の検知部（２）における第５及び第６の感磁部（１３ｂ，１４ｂ）の短手方向の幅が、前記第１及び第２，前記第５乃至第８の感磁部（１１ａ，１１ｃ，乃至１２ａ乃至１２ｃ及び１５ａ，１６ａ）の短手方向の幅よりも狭くしたことを特徴とする。（図１６；実施例５）
また、請求項１７に記載の発明は、請求項１乃至１６のいずれかに記載の発明において、前記第１及び第２又は第３及び第４の感磁部（１１ａ，１２ａ／１１ｂ，１２ｂ／１１ｃ，１２ｃ）の出力信号の差分と、前記第５及び第６の感磁部（１３ａ，１４ａ／１３ｂ，１４ｂ）の出力信号の差分と、第７及び第８の感磁部（１５ａ，１６ａ／１５ｂ，１６ｂ）の出力信号の差分とを出力する演算部を備えていることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１８に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１乃至第４の感磁部（１１ａ，１１ｃ，１２ａ乃至１２ｃ）の短手方向の幅が、前記第５乃至第８の感磁部（１３ａ乃至１６ａ）の短手方向の幅よりも狭くしたことを特徴とする。
また、請求項１９に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１及び第２の感磁部（１１ａ，１２ａ）の短手方向の幅と、前記第５及び第６の感磁部（１３ｂ，１４ｂ）の短手方向の幅と、前記第７及び第８の感磁部（１５ｂ，１６ｂ）との短手方向の幅とがそれぞれ異なることを特徴とする。（図１６；実施例５）
また、請求項２０に記載の発明は、請求項１乃至１９のいずれかに記載の発明において、前記第１及び第２の感磁部（１１ａ，１２ａ）と第３及び第４の感磁部（１１ｃ，１２ｃ）と第５及び第６の感磁部（１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ）と第７及び第８の感磁部（１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ）の各組の感磁部の無磁場下での電気抵抗が等しいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の磁気センサによれば、周囲の温度の影響を最小限に抑え、かつ、それぞれの磁場方向の感度を自由に調整することが可能で、チップサイズの増大を招くことなく多軸の磁場検知が可能な磁気センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】感磁部の出力原理を説明するための図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、本発明の磁気センサに用いられる演算回路としての差動増幅回路を示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施形態１における第１の検知部を説明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実施形態２における第１の検知部を説明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実施形態３における第１の検知部を説明するための構成図である。
【図９】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施形態４における第２の検知部を説明するための構成図である。
【図１０】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施形態５における第３の検知部の構成図である。
【図１１】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施形態６における第３の検知部の構成図である。
【図１２】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例１を説明するための構成図である。
【図１３】（ａ），（ｂ）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ある。
【図１４】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例３を説明するための構成図である。
【図１５】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例４を説明するための構成図である。
【図１６】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例５を説明するための構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。  
＜磁気センサ＞
本発明の磁気センサは、基板平面に対して平行な第１の軸方向の磁場を検知する第１の検知部と、基板平面に対して平行かつ第１の軸方向に垂直な第２の軸方向の磁場を検知する第２の検知部と、基板平面に対して垂直な第３の軸方向の磁場を検知する第３の検知部とを備える磁気センサである。
【００２２】
第１の検知部は、第１の軸方向に感磁軸を有する感磁部を有し、第１の検知部は、第１の軸方向の磁場に対する感度が異なる第１及び第２の感磁部、又は、第１の軸方向の磁場に対する感磁軸が互いに反平行である第３及び第４の感磁部からなる。この第１及び第２の感磁部、又は、第３及び第４の感磁部の出力信号の差分に基づき第１の軸方向の磁場に応じた信号を出力する。
【００２３】
また、第２の検知部は、第１の軸方向に感磁軸を有する感磁部を有し、第１の軸方向の磁場に対する感度が等しい第５及び第６の感磁部と、第１乃至第３の磁気収束部からなり、第５及び第６の感磁部の出力信号の差分に基づき第２の軸方向の磁場に応じた信号を出力する。
また、第３の検知部は、第１の軸方向に感磁軸を有する感磁部を有し、第１の軸方向の磁場に対する感度が等しい第７及び第８の感磁部と、第４の磁気収束部又は第４及び第５の磁気収束部からなり、この第７及び第８の感磁部の出力の差分に基づき第３の軸方向の磁場に応じた信号を出力する。
【００２４】
また、第２の軸方向の磁場を精度よく検出する観点から、第１乃至第３の磁気収束部は、第２の磁気収束部の長手方向に磁気を入力したときに、第２の磁気収束部から第１の磁気収束部及び第２の磁気収束部から第３の磁気収束部にそれぞれ磁束成分の磁路が形成されるように配置されていることが好ましい。
また、第２の軸方向の磁場を精度よく検出する観点から、磁気センサを平面視したときに、第１の磁気収束部と第２の磁気収束部間の第１仮想中線から、第５の感磁部の長手方向の中線までの中線間距離、及び、第２の磁気収束部と第３の磁気収束部間の第２仮想中線から、第６の感磁部の長手方向の中線までの中線間距離が互いに略等しいことが好ましい。
【００２５】
また、第３の軸方向の磁場を精度よく検出する観点から、第７及び第８の感磁部は、磁気センサを平面視したときに、第４又は第５の磁気収束部の短手方向の中線が、第７及び第８の感磁部の一部と交差するように配置され、この第７及び第８の感磁部の中心同士を結ぶ仮想線分が、第４の磁気収束部の長手方向の仮想中線と垂直又は第４及び第５の磁気収束部の中心同士を結ぶ仮想線分と平行であることが好ましい。
【００２６】
＜感磁部＞
各感磁部の出力は、素子を構成する材料に依存する（外部磁場には依存しない）抵抗Ｒと、外部磁場に応答して変化する抵抗変化量ΔＲに基づいた信号を出力する。例えば、感磁部を定電圧駆動（ＶＣＯＮＳＴ）する場合は、出力される電流ＩＯＵＴから前記抵抗Ｒ＋抵抗変化率ΔＲを導出することが出来る。
ＩＯＵＴ＝ＶＣＯＮＳＴ／（Ｒ＋ΔＲ）
∝（Ｒ＋ΔＲ）
【００２７】
材料に依存する抵抗Ｒは、一般的に外部温度に対して敏感であり、例えば、Ｃｕを材料とするＧＭＲ素子であれば、室温から１００℃までの温度領域で約０．５％程度抵抗Ｒが変化し得る。それに比べ、外部磁場に対して変化する抵抗変化量ΔＲは外部温度に対して鈍感であり、例えば、ＧＭＲ素子では一定磁場下において室温から１００℃までの温度領域で約０．０１％程度しか抵抗変化量ΔＲが変化しない。
【００２８】
本発明の磁気センサにおいて、第１及び第２の感磁部と、第３及び第４の感磁部と、第５及び第６の感磁部と、第７及び第８の感磁部との各組の感磁部の無磁場下での電気抵抗が等しいことが好ましい。無磁場下での電気抵抗が等しいとは、素子を構成する材料に依存する抵抗Ｒが等しいことを意味する。
各組の感磁部の無磁場下での電気抵抗を等しくする方法は、特に制限されないが、例えば、それぞれの感磁部の形状を適当な値に設計することで実現可能である。
【００２９】
例えば、各感磁部の厚みＴが等しく、感磁部を平面視したときに、各感磁部が矩形で、かつ各感磁部の長手方向の長さＬ１，Ｌ２と短手方向の幅Ｗ１，Ｗ２の比Ｗ１／Ｌ１，Ｗ２／Ｌ２が等しければ、無磁場下での抵抗Ｒを容易に等しくすることができる。
本発明の磁気センサにおける感磁部の具体例としては、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗），ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗），ＡＭＲ（異方性磁気抵抗），ＣＭＲ（超巨大磁気抵抗），ホール素子が挙げられるがこの限りではない。温度特性の観点からＧＭＲやＴＭＲが好ましく、ＧＭＲがより好ましい。また、感磁部の感度軸方向の幅は特に制限されないが、０．１〜２０ミクロンであることが好ましい。
【００３０】
図４は、感磁部の出力原理を説明するための図である。抵抗Ｒは、感磁部の伝導パスの電流方向Ｉに対して垂直な面で切断した際の伝導層の（電流パスの）断面積Ｓに反比例し、伝導パスの電流方向の長さＬに比例する。仮想的に感磁部を電流方向に微小区間ΔＬの幅で分割したと考え、分割されたそれぞれの要素の電流に垂直な面の断面積をＳｊで定義する。Ｓｊは、ｊ番目の要素の電流に垂直な面の伝導層の（電流パスの）断面積を表している。
【００３１】
この時の抵抗Ｒは、ΔＬ／Ｓｊをすべての要素足し合わせた量に比例しており、同一材料も用いた２つの素子であれば、ΔＬ／Ｓｊをすべての要素足し合わせた量が等しければ抵抗値は等しくなる。
例えば、各感磁部の厚みが等しく、磁気センサを平面視した時に、感磁部が矩形である場合、各感磁部の長手方向（電流方向）の長さＬと、短手方向（電流方向に垂直方向）の幅Ｗの比が等しければ、無磁場下での抵抗Ｒを容易に等しくすることができる。
【００３２】
なお、本発明の磁気センサにおいて、各感磁部の無磁場下での電気抵抗が等しい状態とは、本発明の効果を害さない程度に異なっている状態を含んでおり、例えば、無磁場下での電気抵抗が互いに±１％度程度、好ましくは±０．１％、より好ましくは０．０１％相違していてもよい。
また、各感磁部の感磁軸方向を一致させる方法も特に制限されないが、例えば、感磁部の構成を同じ構成にすることで実現可能である。感磁部がＧＭＲの場合、ピンド層の固定磁化の方向をそれぞれ同一方向にする方法が挙げられる。なお、本発明の磁気センサにおいて、各感磁部の感磁軸方向が一致している状態とは、平行の他に、本発明の効果を害さない程度に異なっている状態を含んでいる。
【００３３】
また、第１乃至第３の検知部は、各感磁部の出力信号の差分を出力することが可能な演算回路を設けていることが好ましい。
図５（ａ），（ｂ）は、本発明の磁気センサに用いられる演算回路としての差動増幅回路を示す図である。なお、図中符号１１乃至１６は感磁部を示している。
演算回路としては、各感磁部の出力の差分に基づく信号を出力することが可能なものであれば特に制限されず、図５（ａ）に示す様な各感磁部の出力が入力され、２つの入力の差分値を所定の割合で増幅して出力する差動増幅回路や、各感磁部の出力をデジタル信号に変換し、差分演算を行うデジタルＩＣ回路等が挙げられるがこの限りではない。本発明の磁気センサは、複数の組の感磁部の差分を演算するため、図５（ｂ）に示す様なマルチプレクサを用いた差動増幅回路によれば、１つのオペアンプにより演算が可能であるため、小型化の観点から好ましい。
【００３４】
図６（ａ），（ｂ）乃至図１１（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施形態１乃至６を説明するための第１乃至第３の検知部を示す構成図で、図６（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施形態１における第１の検知部を説明するための構成図で、図７（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施形態２における第１の検知部を説明するための構成図、図８（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施形態３における第１の検知部を説明するための構成図である。なお、各図における（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【００３５】
図中符号１ａは実施形態１における第１の検知部、１ｂは実施形態２における第１の検知部、１ｃは実施形態３における第１の検知部、１１ａ，１１ｂは第１の感磁部、１２ａ，１２ｂは第２の感磁部、１１ｃは第３の感磁部、１２ｃは第４の感磁部、２０は磁気収束部、３１は基板、３２は絶縁層を示している。
本発明の磁気センサは、基板平面に対して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である。以下に、各検知部の構成について順次説明する。
【００３６】
＜第１の検知部＞
図６（ａ），（ｂ）において、実施形態１における第１の検知部１ａは、基板平面に対して平行な第１の軸方向の磁場を検知するために、第１の軸方向に感磁軸を有し、第１の軸方向の磁場に対する感度が異なる第１及び第２の感磁部１１ａ，１２ａを備えている。なお、第１の感磁部１１ａと第２の感磁部１２ａの短手方向の幅をそれぞれＷ１，Ｗ２で示し、Ｗ１＝Ｗ２の関係にある。
【００３７】
また、第１の検知部１ａにおける第１の感磁部１１ａは、平面視したときに、磁気収束部２０に覆われ、第２の感磁部１２ａが、基板３１の平面上で第１の感磁部１１ａに併設されている。なお、磁気収束部２０は、後述する第１乃至第５の磁気収束部２１乃至２５のいずれかであることが好ましい。
【００３８】
図７（ａ），（ｂ）において、実施形態２における第１の検知部１ｂにおける第１の感磁部１１ｂと第２の感磁部１２ｂとの短手方向の幅が異なるように構成されている。つまり、第１の感磁部１１ｂの短手方向の幅Ｗ１は、第２の感磁部１２ｂの短手方向の幅Ｗ２よりも狭くなるように構成されている。また、第１の感磁部１１ｂの長手方向の長さＬ１は、第２の感磁部１２ｂの長手方向の長さＬ２よりも短くなるように構成されている。なお、第１の感磁部１１ｂと第２の感磁部１２ｂの短手方向の幅をそれぞれＷ１，Ｗ２で示し、Ｗ１＜Ｗ２の関係にある。
【００３９】
このように、図６（ａ），（ｂ）及び図７（ａ），（ｂ）は、第１の軸方向の磁場に対する感度が異なる第１及び第２の感磁部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂからなる第１の検知部１ａ，１ｂの一例である。第１及び第２の感磁部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、Ｘ軸方向に感磁軸を有している。第１の検知部１ａ，１ｂは、基板平面に対して平行な第１の軸方向の磁場として、Ｘ軸方向の磁場を検知する。
【００４０】
また、図６（ａ），（ｂ）に示した実施形態１における第１の検知部１ａの例では、第１の感磁部１１ａが磁気収束部２０に覆われており、外部磁場に対する感度を有さず、第１の感磁部１１ａを構成する材料に依存する抵抗Ｒに基づく信号を常に出力する。一方、第２の感磁部１２ａは、抵抗Ｒに加え、Ｘ軸方向の外部磁場ＢＸに依存する抵抗変化量ΔＲに依存する信号を出力する。
【００４１】
このことを詳細に説明すると、Ｘ軸方向の磁場成分ＢＸは、磁気収束部２０によって収束されるため第１の感磁部１１ａには入力されず、第２の感磁部１２ａに対してのみ入力される。ここで、入力された磁場成分ＢＸに対し、第２の感磁部１２ａに対して入力されるＸ軸方向の磁場成分は、磁気収束部２０によるＸ軸方向の磁場成分に対する収束率を表す係数ｈ１とすると、ｈ１ＢＸとなる。また、Ｙ軸方向の磁場成分ＢＹ、Ｂｚは、第１及び第２の感磁部１１ａ，１２ａの感磁軸方向には変換されないため、第１及び第２の感磁部１１ａ，１２ａの出力には影響を与えない。この時、Ｘ軸方向の外部磁場に対する感度をαとすると、第２の感磁部１２ａの抵抗変化量ΔＲ＝αｈ１ＢＸとなる。
【００４２】
ここで、各感磁部を定電圧駆動する場合、第２の感磁部１２ａからの出力信号Ｓ２と第１の感磁部１１ａからの出力信号Ｓ１の差分は、
Ｓ２−Ｓ１＝（Ｒ＋αｈ１ＢＸ）／ＶＣＯＮＳＴ−Ｒ／ＶＣＯＮＳＴ
＝αｈ１ＢＸ／ＶＣＯＮＳＴ
となり、第１及び第２の感磁部１１ａ，１２ａの出力信号の差分に基づき、Ｘ軸方向の外部磁場ＢＸを導出することが可能になる。
【００４３】
また、図７（ａ），（ｂ）に示した実施形態２における第１の検知部１ｂの例では、第１の感磁部１１ｂと第２の感磁部１２ｂの長手方向の長さＬ１，Ｌ２と短手方向の幅Ｗ１，Ｗ２の比Ｗ１／Ｌ１，Ｗ２／Ｌ２が等しい。すなわち、第１の感磁部１１ｂと第２の感磁部１２ｂの無磁場下での抵抗Ｒが等しい。一方、第１及び第２の感磁部１１ｂ，１２ｂの各々の感磁軸方向（短手方向）の幅Ｗ１，Ｗ２は異なるため、外部磁場に依存する抵抗変化量ΔＲは異なる。本実施形態３においては、Ｘ軸方向の外部磁場成分ＢＸに対する第２の感磁部１２ｂの感度をαとし、第１の感磁部１１ｂの感度をβとすると、第２の感磁部１２ｂの抵抗変化量ΔＲ＝αＢＸ、第１の感磁部１１ｂの抵抗変化量ΔＲ＝βＢＸとなる。
【００４４】
ここで、各感磁部を定電圧駆動する場合、第２の感磁部１２ｂからの出力信号Ｓ２と第１の感磁部１１ｂからの出力信号Ｓ１の差分は、
Ｓ２−Ｓ１＝（Ｒ＋αＢＸ）／ＶＣＯＮＳＴ−（Ｒ＋βＢＸ）／ＶＣＯＮＳＴ
＝（α−β）ＢＸ／ＶＣＯＮＳＴ
となり、第１及び第２の感磁部１１ｂ，１２ｂの出力信号の差分に基づき、Ｘ軸方向の外部磁場ＢＸを導出することが可能になる。
【００４５】
このような第１の検知部１ａ，１ｂにおいて、第１及び第２の感磁部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの出力信号Ｓ１，Ｓ２の差分に基づき基板平面に対して平行な第１の軸方向の磁場に応じた信号を出力する。また、第１の検知部１ｃにおいて、第３及び第４の感磁部１１ｃ，１２ｃの出力信号Ｓ３，Ｓ４に基づき基板平面に対して平行な第１の軸方向の磁場に応じた信号を出力する。
【００４６】
図８（ａ），（ｂ）において、実施形態３における第１の検知部１ｃは、第１の軸方向の磁場に対する感磁軸が反平行である第３及び第４の感磁部１１ｃ，１２ｃから構成されており、第１の検知部１ｃにおける第３の感磁部１１ｃの感磁軸が＋Ｘ軸方向で、第４の感磁部１２ｃの感磁軸が−Ｘ軸方向であり、各感磁部の感磁軸が反平行であるように構成されている。なお、第３の感磁部１１ｃと第４の感磁部１２ｃの短手方向の幅をそれぞれＷ３，Ｗ４で示し、Ｗ３＝Ｗ４の関係にある。
【００４７】
また、図８（ａ），（ｂ）に示した実施形態３における第１の検知部１ｃの例では、第３の感磁部１１ｃの感磁軸は＋Ｘ軸方向であり、第４の感磁部１２ｃの感磁軸は−Ｘ軸方向であり、各感磁部の感磁軸が反平行（１８０度異なる）である。本実施形態３においては、各感磁部のＸ軸方向の外部磁場成分ＢＸに対する抵抗変化量はいずれもαＢＸと等しくなるようにした。
【００４８】
各感磁部を定電圧駆動する場合、第３の感磁部１１ｃからの出力信号Ｓ３と第４の感磁部１２ｃからの出力信号Ｓ４の差分は、
Ｓ３−Ｓ４＝（Ｒ＋αＢＸ）／ＶＣＯＮＳＴ−（Ｒ−αＢＸ）／ＶＣＯＮＳＴ
＝２αＢＸ／ＶＣＯＮＳＴ
となり、第３及び第４の感磁部１１ｃ，１２ｃの出力信号の差分に基づき、Ｘ軸方向の外部磁場ＢＸを導出することが可能になる。
【００４９】
以上のように、本実施形態１乃至３の磁気センサにおける第１の検知部１ａ乃至１ｃは、外部磁場に対する磁気抵抗感度が異なる各感磁部の組からの出力信号の差分により、材料に依存する抵抗Ｒをキャンセルし、抵抗変化量ΔＲのみを出力するため、外部温度の影響を最小限に抑え、かつ、感磁軸方向の磁場を検知することが可能であることが理解される。また、各感磁部の形状や大きさ等を設計することにより、任意の感度の検知部とすることが可能である。
【００５０】
＜第２の検知部＞
図９（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施形態４における第２の検知部を説明するための構成図で、図中符号１３ａは第５の感磁部、１４ａは第６の感磁部、２１は第１の磁気収束部、２２は第２の磁気収束部、２３は第３の磁気収束部を示している。
【００５１】
本実施形態４における第２の検知部２は、基板平面に対して平行かつ第１の軸方向に垂直な第２の軸方向の磁場を検知するために、第１の軸方向に感磁軸を有し、第１の軸方向の磁場に対する感度が等しい第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａと、この第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａの近傍に配置されて磁路を形成する第１乃至第３の磁気収束部２１乃至２３から構成されている。なお、第５の感磁部１３ａと第６の感磁部１４ａの短手方向の幅をそれぞれＷ５，Ｗ６で示し、Ｗ５＝Ｗ６の関係にある。
【００５２】
このような構成により、第２の検知部２は、第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａの出力信号Ｓ５，Ｓ６の差分に基づき基板平面に対して平行かつ第１の軸方向に垂直な第２の軸方向の磁場に応じた信号を出力する。
また、第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａは、Ｘ軸方向に感磁軸を有している。第２の検知部２は、第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａの出力信号Ｓ５，Ｓ６の差分に基づき、基板平面に対して平行かつ第１の軸方向に垂直な第２の軸方向の磁場として、Ｙ軸方向の磁場ＢＹを検知する。
【００５３】
この第２の検知部２は、Ｘ軸方向の磁場に対する感度が等しい第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ｂと、第１乃至第３の磁気収束部２１乃至２３から構成されている。
第１乃至第３の磁気収束部２１乃至２３が、第２の磁気収束部２２の長手方向に磁気を入力したときに、第２の磁気収束部２２から第１の磁気収束部２１及び第２の磁気収束部２２から第３の磁気収束部２３にそれぞれ磁束成分の磁路が形成されるように配置されている。
【００５４】
また、磁気センサを平面視したときに、第１の磁気収束部２１と第２の磁気収束部２２間の第１仮想中線Ｌ２１から、第５の感磁部１３ａの長手方向の中線Ｌ１３までの中線間距離ＭＷ１及び記第２の磁気収束部２２と第３の磁気収束部２３間の第２仮想中線Ｌ２３から、第６の感磁部１４ａの長手方向の中線Ｌ１４までの中線間距離ＭＷ２が互いに等しい。
【００５５】
また、第２の検知部２における第１及び第３の磁気収束部２１，２３は、平面視したときに、第２の磁気収束部２２の長手方向の仮想中線Ｌ２２に対して線対称となり、かつ、第１及び第３の磁気収束部２１，２３の中心Ｃ１，Ｃ３を結んだ仮想線分Ｌ１０が、第２の磁気収束部２２の中心Ｃ２以外と一部と交差する位置に配置されている。
また、図９（ａ），（ｂ）に示した第２の検知部２の例においては、Ｘ軸方向の磁場成分ＢＸは、第１乃至第３磁気収束部２１乃至２３によって収束され、第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａに対して等しく入力される。入力されるＸ軸方向の磁場成分の収束率をｈ２とすると、第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａに対してはＸ軸方向の磁場成分としてｈ２ＢＸが入力される。
【００５６】
Ｙ軸方向の磁場成分ＢＹは、まず第１及び第３の磁気収束部２１，２３により一度収束され、いずれも第２の磁気収束部２２に対して流れ込む。すなわち、第５の感磁部１３ａに対しては、この第５の感磁部１３ａの感磁軸方向と平行方向（Ｘ方向）に変換され、第６の感磁部１４ａに対しては、この第６の感磁部１４ａの感磁軸方向と反平行（−Ｘ方向）に変換される。入力されるＹ軸方向の磁場成分のＸ軸方向への変換率をｋ２とすると、第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａに対してはＸ軸方向の磁場成分としてｋ２ＢＹが入力される。
【００５７】
Ｚ軸方向の磁場成分ＢＺは、第１乃至第３の磁気収束部２１乃至２３のそれぞれにより収束されるため、第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａに対しては、両方とも感磁軸方向と反平行（−Ｘ方向）に変換される。入力されるＺ軸方向の磁場成分のＸ軸方向への変換率をｌ２とすると、第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａに対してはＸ軸方向の磁場成分としてｌ２ＢＺが入力される。
【００５８】
ここで、第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａのＸ軸方向に対する感度をκとし、各感磁部を定電圧駆動する場合、第６の感磁部１４ａからの出力信号Ｓ６と第５の感磁部１３ａからの出力信号Ｓ５の差分は、
Ｓ６−Ｓ５＝（Ｒ＋κｈ２ＢＸ−κｋ２ＢＹ−κｌ２ＢＺ）／ＶＣＯＮＳＴ
−（Ｒ＋κｈ２ＢＸ＋κｋ２ＢＹ−κｌ２ＢＺ）／ＶＣＯＮＳＴ
＝−２κｈ２ＢＹ／ＶＣＯＮＳＴ
となり、第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａの出力信号の差分に基づき、Ｙ軸方向の外部磁場ＢＹを導出することが可能になる。
【００５９】
第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａに印加される磁場は、第１乃至第３の磁気収束部２１乃至２３の効果によって符号が逆転するため、第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａの出力信号の差分により材料に依存する抵抗Ｒをキャンセルし、抵抗変化量ΔＲのみを出力するため、外部温度の影響を最小限に抑え、かつ、感磁軸方向に垂直で基板平面に平行方向の磁場を検知することを可能になる。
【００６０】
＜第３の検知部＞
図１０（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施形態５における第３の検知部の構成図で、図１１（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施形態６における第３の検知部を説明するための構成図を示している。図中符号１５ａは第７の感磁部、１６ａは第８の感磁部、２４は第４の磁気収束部、２５は第５の磁気収束部を示している。
【００６１】
図１０（ａ），（ｂ）において、本実施形態５における第３の検知部３ａは、基板平面に対して垂直な第３の軸方向の磁場を検知するために、第１の軸方向に感磁軸を有し、第１の軸方向の磁場に対する感度が等しい第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａと、この第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの近傍に配置されて磁路を形成する第４の磁気収束部２４とから構成されている。なお、第７の感磁部１５ａと第８の感磁部１６ａの短手方向の幅をそれぞれＷ７，Ｗ８で示し、Ｗ７＝Ｗ８の関係にある。
【００６２】
また、第３の検知部３ａにおける第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの間隙を覆うように第４の磁気収束部２４が配置されている。
また、図１１（ａ），（ｂ）において、本実施形態６における第３の検知部３ｂは、基板平面に対して垂直な第３の軸方向の磁場を検知するために、第１の軸方向に感磁軸を有し、第１の軸方向の磁場に対する感度が等しい第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａと、この第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの近傍に配置されて磁路を形成する第４及び第５の磁気収束部２４，２５から構成されている。なお、第７の感磁部１５ａと第８の感磁部１６ａの短手方向の幅をそれぞれＷ７，Ｗ８で示し、Ｗ７＝Ｗ８の関係にある。
【００６３】
また、第３の検知部３ｂにおける第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの外側を覆うように第４及び第５の磁気収束部２４，２５が配置されている。
また、第３の検知部３ａ，３ｂにおける第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａは、平面視したときに、前記第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの中心同士を結ぶ仮想線分Ｌ５６が、第４の磁気収束部２４の長手方向の仮想中線Ｌ４０と垂直である。また、第３の検知部３ｂにおいては、第４及び第５の磁気収束部２４，２５の中心同士を結ぶ仮想線分Ｌ５０と平行である。
【００６４】
このような構成により、第３の検知部３ａ，３ｂは、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの出力Ｓ７，Ｓ８の差分に基づき第３の軸方向の磁場に応じた信号を出力する。
また、図１０（ａ），（ｂ）に示す本実施形態５の磁気センサにおける第３の検知部３ａの第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａは、Ｘ軸方向に感磁軸を有している。この第３の検知部３ａは、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの出力信号Ｓ７，Ｓ８の差分に基づき、基板平面に対して垂直な第３の軸方向の磁場として、Ｚ軸方向の磁場ＢＺを検知する。
【００６５】
また、本実施形態５の第３の検知部３ａは、Ｘ軸方向の磁場に対する感度が等しい第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａと、第４の磁気収束部２４から構成されている。第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａは、磁気センサを平面視したときに、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの中心同士を結ぶ仮想線分Ｌ５６が、第４の磁気収束部２４の長手方向の仮想中線Ｌ４０と垂直である。
【００６６】
また、図１０（ａ），（ｂ）に示した実施形態５における第３の検知部３ａの例におけるＸ軸方向の磁場成分ＢＸは、第４の磁気収束部２４によって収束され、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａに対して等しく入力される。入力されるＸ軸方向の磁場成分の収束率をｈ３とすると、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａに対してはＸ軸方向の磁場成分としてｈ３ＢＸが入力される。第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａは、Ｙ軸方向の磁場成分に対しては不感である。
【００６７】
Ｚ軸方向の磁場成分ＢＺは、第４の磁気収束部２４により収束されるため、第７の感磁部１５ａに対しては、感磁軸方向に平行（＋Ｘ方向）に変換され、第８の感磁部１６ａに対しては、感磁軸方向に反平行（−Ｘ方向）に変換される。入力されるＺ軸方向の磁場成分のＸ軸方向への変換率をｌ３とすると、第７の感磁部１５ａに対しては、Ｘ軸方向の磁場成分としてｌ３ＢＺが入力され、第８の感磁部１６ａに対しては、Ｘ軸方向の磁場成分として−ｌ３ＢＺが入力される。
【００６８】
ここで、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａのＸ軸方向に対する感度をτとし、各感磁部を定電圧駆動する場合、第７の感磁部１５ａからの出力信号Ｓ７と第８の感磁部からの出力信号Ｓ８の差分は、
Ｓ７−Ｓ８＝（Ｒ＋τｈ３ＢＸ＋τｌ３ＢＺ）／ＶＣＯＮＳＴ
−（Ｒ＋τｈ３ＢＸ−τｌ３ＢＺ）／ＶＣＯＮＳＴ
＝２τｌ３ＢＺ／ＶＣＯＮＳＴ
となり、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの出力信号の差分に基づき、Ｚ軸方向の外部磁場ＢＺを導出することが可能になる。
【００６９】
また、図１１（ａ），（ｂ）に示す本実施形態６の磁気センサにおける第３の検知部３ｂの第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａは、Ｘ軸方向に感磁軸を有している。この第３の検知部３ｂは、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの出力信号Ｓ７，Ｓ８の差分に基づき、基板平面に対して垂直な第３の軸方向の磁場として、Ｚ軸方向の磁場ＢＺを検知する。
【００７０】
また、本実施形態６の第３の検知部３ｂは、Ｘ軸方向の磁場に対する感度が等しい第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ｂと、第４及び第５の磁気収束部２４，２５から構成されている。第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａは、磁気センサを平面視したときに、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの中心同士を結ぶ仮想線分Ｌ５６が、第４及び第５の磁気収束部２４，２５の中心同士を結ぶ仮想線分Ｌ５０と平行である。
【００７１】
また、図１１（ａ），（ｂ）に示した実施形態６における第３の検知部３ｂの例におけるＸ軸方向の磁場成分ＢＸは、第４及び第５の磁気収束部２４，２５によって収束され、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａに対して等しく入力される。入力されるＸ軸方向の磁場成分の収束率をｈ３とすると、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａに対しては、Ｘ軸方向の磁場成分としてｈ３ＢＸが入力される。第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａは、Ｙ軸方向の磁場成分に対しては不感である。
【００７２】
Ｚ軸方向の磁場成分ＢＺは、第４及び第５の磁気収束部２４，２５により収束されるため、第７の感磁部１５ａに対しては、感磁軸方向に反平行（−Ｘ方向）に変換され、第８の感磁部１６ａに対しては、感磁軸方向に平行（＋Ｘ方向）に変換される。入力されるＺ軸方向の磁場成分のＸ軸方向への変換率をｌ３とすると、第７の感磁部１５ａに対しては、Ｘ軸方向の磁場成分として−ｌ３ＢＺが入力され、第８の感磁部１６ａに対しては、Ｘ軸方向の磁場成分としてｌ３ＢＺが入力される。
【００７３】
ここで、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａのＸ軸方向に対する感度をτとし、各感磁部を定電圧駆動する場合、第８の感磁部１６ａからの出力信号Ｓ８と第７の感磁部１５ａからの出力信号Ｓ７の差分は、
Ｓ８−Ｓ７＝（Ｒ＋τｈ３ＢＸ＋τｌ３ＢＺ）／ＶＣＯＮＳＴ
−（Ｒ＋τｈ３ＢＸ−τｌ３ＢＺ）／ＶＣＯＮＳＴ
＝２τｌ３ＢＺ／ＶＣＯＮＳＴ
となり、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの出力信号の差分に基づき、Ｚ軸方向の外部磁場ＢＺを導出することが可能になる。
【００７４】
このように、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａに印加される磁場は第４及び第５の磁気収束部２４，２５の効果によって符号が逆転するため、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの出力信号の差分により材料に依存する抵抗Ｒをキャンセルし、抵抗変化量ΔＲのみを出力するため、外部温度の影響を最小限に抑え、かつ、感磁軸方向に垂直で基板平面に垂直方向の磁場を検知することを可能になる。
【００７５】
なお、第１乃至第４の感磁部１１ａ，１１ｃ，１２ａ乃至１２ｃの短手方向の幅が、第５乃至第８の感磁部１３ａ乃至１６ａの短手方向の幅よりも狭く構成しても良い。
また、第１及び第２の感磁部１１ａ，１２ａと第３及び第４の感磁部１１ｃ，１２ｃと第５及び第６の感磁部１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂと第７及び第８の感磁部１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂの各組の感磁部の無磁場下での電気抵抗が等しくなるように構成するのが良い。
【００７６】
＜演算部＞
本発明の磁気センサは、第１及び第２又は第３及び第４の感磁部１１ａ，１２ａ／１１ｂ，１２ｂ／１１ｃ，１２ｃの出力信号の差分と、第５及び第６の出力信号の差分１３ａ，１４ａ／１３ｂ，１４ｂ、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａ／１５ｂ，１６ｂの出力信号の差分とを出力することが可能な演算部を備えていることが好ましい。
次に、本発明の磁気センサのより具体的な各実施例について説明する。  
【実施例１】
【００７７】
図１２（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例１を説明するための構成図で、第１の検知部として図６（ａ）に示したものを適用し、第２の検知部として図９に示したものを、第３の検知部として図１０に示したものを適用した。
感磁部１１ａ，１２ａ乃至１５ａ，１６ａとしては、スピンバルブ型のピンド層、伝導層、フリー層を積層してなるＧＭＲ素子を用いている。
【００７８】
本実施例１の磁気センサは、第１の検知部１ａにおける第１の感磁部１１ａが、磁気収束部２１に覆われ、第２の感磁部１２ａが、基板平面上で第１の感磁部１１ａに併設されている。
また、図１２（ａ）から分かるように、第１の感磁部１１ａと第２の感磁部１２ａとの間において、第２の検知部２における第１及び第３の磁気収束部２１，２３が、第２の磁気収束部２２の長手方向の仮想中線Ｌ２２に対して線対称となり、かつ、第１及び第３の磁気収束部２１，２３の中心Ｃ１，Ｃ３を結んだ仮想線分Ｌ１０が、第２の磁気収束部２２の中心Ｃ２以外と一部と交差する位置に配置されている。
【００７９】
また、第２の感磁部１２ａに隣接して第３の検知部３における第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの間隙を覆うように第４の磁気収束部２４が配置されている。
また、感磁部１１ａ，１２ａ乃至１５ａ，１６ａは、Ｘ軸方向に対して感磁軸を持っており、それぞれの感磁軸がお互いに平行になるように配置されている。
また、感磁部１１ａは、基板上に設置された磁気収束部２１に磁気遮蔽されており、かつ磁気センサを平面視した時、感磁部１１ａ，１２ａの感磁軸方向長さＷと、基板面に対して平行かつ感磁軸方向に垂直な方向の長さＬの比（Ｗ１：Ｌ１及びＷ２：Ｌ２）は等しくなるように配置されている。すなわち、第１及び第２の感磁部の無磁場時での抵抗Ｒは等しくなっている。なお、第１の感磁部は、磁気収束部に覆われていればよく、特に制限されてないが、チップ面積を小さくする観点から、第１乃至第４のいずれかに覆われていることが好ましい。
【００８０】
また、第２の検知部における磁気収束部２１乃至２３は、磁気センサを平面視したときに、第２の磁気収束部の長手方向の仮想中線に対して線対称となり、かつ、第１及び第３の磁気収束部の中心を結んだ仮想線分が第２の磁気収束部の中心以外と一部と交差する位置に配置されている。
また、第５の感磁部１３ａは、磁気収束部２１及び２２の間に配置され、第６の感磁部１４ａは磁気収束部２２及び２３の間に配置され、第５の感磁部１３ａと第６の感磁部１４ａの感磁軸方向は一致しており、また、第５の感磁部１３ａと第６の感磁部１４ａの短手方向の中線は一致しており、その中線と磁気収束部２１と磁気収束部２３の中心を結ぶ仮想線分は平行になるように配置されている。
【００８１】
また、磁気センサを平面視した時、第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａの感磁軸方向長さＷ、基板面に対して平行かつ感磁軸方向に垂直な方向の長さＬの比（Ｗ５：Ｌ５及びＷ６：Ｌ６）は等しくなるように配置されている。すなわち、第５及び第６の感磁部の無磁場時での抵抗Ｒは等しくなっている。
また、第７及び第８の感磁部１５，１６は、磁気収束部２４の両側に、磁気収束部の長手方向の中線と、第７及び第８の感磁部１５，１６の長手方向の中線との距離がそれぞれ等しくなるように配置されている。また、磁気センサを平面視した時、第７及び第８の感磁部１５，１６の感磁軸方向長さＷ、基板面に対して平行かつ感磁軸方向に垂直な方向の長さＬの比（Ｗ７：Ｌ７及びＷ８：Ｌ８）は等しくなるように配置されている。すなわち、第１５及び第１６の感磁部の無磁場時での抵抗Ｒは等しくなっている。なお、各感磁部の短手方向の幅は、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ５＝Ｗ６＝Ｗ７＝Ｗ８の関係にある。
【００８２】
このような構成における第１及び第２の感磁部１１ａ，１２ａからの出力信号の差分により感磁軸方向の磁場成分、第５及び第６の感磁部１３ａ，１４ａからの出力信号の差分により感磁軸方向に垂直で基板平面に平行方向の磁場成分、第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａからの感度軸方向の出力信号の差分により基板平面に垂直方向の磁場成分に応じた信号をそれぞれ出力することができる。
【００８３】
具体的には、各検知部を定電圧駆動し、この磁気センサに対して磁界Ｂ（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向のそれぞれの成分をＢＸ，ＢＹ，ＢＺ）を加えると、
第１の検知部は、
Ｓ２−Ｓ１（Ｓ４−Ｓ３）＝αｈ１ＢＸ／ＶＣＯＮＳＴ
を出力し、第２の検知部は、
Ｓ６−Ｓ５＝２κｋ２ＢＹ／ＶＣＯＮＳＴ
を出力し、第３の検知部は、
Ｓ７−Ｓ８＝２τｌ３ＢＺ／ＶＣＯＮＳＴ
を出力する。
【００８４】
すなわち、第１乃至第３の検知部により、ＢＸ，ＢＹ，ＢＺを導出することが可能になる。また、上記式より、第１乃至第３の検知部の感磁部の感度α、κ、τをそれぞれ所望の値にすることにより、Ｘ、Ｙ，Ｚ軸のそれぞれの方向に対して所望の感度及びレンジの磁気センサが実現可能であることが理解される。他の方法としては、第１乃至第３の検知部の磁気収束部の組成、大きさ、各感磁部との距離を所望のものとすることにより、ｈ１、ｋ２、ｌ３を所望の値にすることによっても、Ｘ、Ｙ，Ｚ軸のそれぞれの方向に対して所望の感度及びレンジの磁気センサが実現可能であることが理解される。
【実施例２】
【００８５】
図１３（ａ），（ｂ）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３の検知部の第７及び第８の感磁部の感磁軸方向（Ｘ軸方向）の幅を広くした以外は実施例１と同様である。つまり、第７及び第８の感磁部１５ｂ，１６ｂの短手方向の幅は、第１乃至第６の感磁部１１ａ乃至１４ａの短手方向の幅よりも広く構成されている。なお、各感磁部の短手方向の幅は、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ５＝Ｗ６＜Ｗ７＝Ｗ８の関係にある。
【００８６】
このように、第７及び第８の感磁部の幅が広くしたことにより、第１，第２及び第５，第６の感磁部よりも感度が高まるため、Ｚ軸方向の感度が高い磁気センサとなる。
【実施例３】
【００８７】
図１４（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例３を説明するための構成図で、第１の検知部として図７（ａ）に示したもの適用した以外は実施例１と同様である。つまり、第１の検知部１ｂにおける第１の感磁部１１ｂと第２の感磁部１２ｂとの短手方向の幅が異なるように構成されており、第１の感磁部１１ｂの短手方向の幅Ｗ１は、第２の感磁部１２ｂの短手方向の幅Ｗ２よりも狭くなるように構成されている。なお、各感磁部の短手方向の幅は、Ｗ１＜Ｗ２＝Ｗ５＝Ｗ６＝Ｗ７＝Ｗ８の関係にある。
【００８８】
このように、第１の検知部として図７（ａ）に示したもの適用したことにより、第１及び第２の感磁部が磁気収束板の温度特性を受けなくなるため、より温度特性が優れた磁気センサとなる。
【実施例４】
【００８９】
図１５（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例４を説明するための構成図で、第３の検知部として図１１（ａ）に示したもの適用した以外は実施例１と同様である。つまり、第３の検知部３ｂにおける第７及び第８の感磁部１５ａ，１６ａの外側を覆うように第４及び第５の磁気収束部２４，２５が配置されている。なお、各感磁部の短手方向の幅は、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ５＝Ｗ６＝Ｗ７＝Ｗ８の関係にある。
このように、第３の検知部として図１１（ａ）に示したもの適用したことにより、第２の感磁部が他の感磁部から独立するため、第２の感磁部の配置設計が容易となる。
【実施例５】
【００９０】
図１６（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの実施例５を説明するための構成図で、図中符号１３ｂ，１４ｂは第５及び第６の感磁部、１５ｂ，１６ｂは第７及び第８の感磁部を示している。第３の検知部の第７及び第８の感磁部の感磁軸方向（Ｘ軸方向）の幅を広くし、第２の検知部の第５及び第６の感磁部の感磁軸方向の幅を狭くした以外は実施例１と同様である。つまり、第２の検知部２における第５及び第６の感磁部１３ｂ，１４ｂの短手方向の幅が、第１及び第２，第５乃至第８の感磁部１１ａ，１１ｃ乃至１２ａ乃至１２ｃ及び１５ａ，１６ａの短手方向の幅よりも狭く構成されている。なお、各感磁部の短手方向の幅は、Ｗ５＝Ｗ６＜Ｗ１＝Ｗ２＜Ｗ７＝Ｗ８の関係にある。
【００９１】
また、第１及び第２の感磁部１１ａ，１２ａの短手方向の幅と、第５及び第６の感磁部１３ｂ，１４ｂの短手方向の幅と、第７及び第８の感磁部１５ｂ，１６ｂとの短手方向の幅とがそれぞれ異なるように構成しても良い。
このように、第７及び第８の感磁部の幅が広くしたことにより、磁気センサとしてＺ軸方向の磁場成分に対する感度が向上し、第５及び第６の感磁部の幅を狭くしたことにより、Ｙ軸方向の磁場成分に対する検知可能なレンジが向上する。すなわち、実施例５に係る磁気センサより、第１，第２及び第５乃至第８の感磁部として同じ構造のＧＭＲ素子を用いた場合であっても、各感磁部の幅を所望のものにすることにより、各軸方向の感度とレンジが所望の値となる磁気センサを容易に設計することが可能であることが理解される。
【符号の説明】
【００９２】
１ａ，１ｂ，１ｃ  第１の検知部
１１乃至１６  感磁部
１１ａ，１１ｂ  第１の感磁部
１２ａ，１２ｂ  第２の感磁部
１１ｃ  第３の感磁部
１２ｃ  第４の感磁部
１３ａ，１３ｂ  第５の感磁部
１４ａ，１４ｂ  第６の感磁部
１５ａ，１５ｂ  第７の感磁部
１６ａ，１６ｂ  第８の感磁部
２０  磁気収束部
２１  第１の磁気収束部
２２  第２の磁気収束部
２３  第３の磁気収束部
２４  第４の磁気収束部
２５  第５の磁気収束部
３１  基板
３２，３０１，３０６  絶縁膜
１０１，３０５  反強磁性層
１０２，２０２，３０４  ピンド層（固定層）
１０３，２０３  Ｃｕ層（スペーサ層）
１０４，２０４，３０２  フリー層（自由回転層）
３０３  導電層
【図１】
2015001467.tif 000003
【図２】
2015001467.tif 000004
【図３】
2015001467.tif 000005
【図４】
2015001467.tif 000006
【図５】
2015001467.tif 000007
【図６】
2015001467.tif 000008
【図７】
2015001467.tif 000009
【図８】
2015001467.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2015001467.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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