(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照用磁気抵抗効果素子と磁界検出用磁気抵抗効果素子とを備えた磁界検出器であって、
前記参照用磁気抵抗効果素子および前記磁界検出用磁気抵抗効果素子はおのおの、
反強磁性層と
前記反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体からなる第１の層と
非磁性層と
外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体からなる第２の層とが積層された構造を有し、
前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は第１の層の磁化方向と第２の層の無磁界における磁化方向とが直交しており、
前記参照用磁気抵抗効果素子は第１の層の磁化方向と第２の層の無磁界における磁化方向とは平行または反平行であり、
前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の第１の層の磁化方向と前記参照用磁気抵抗効果素子の第１の層の磁化方向とは同じである
ことを特徴とする磁界検出器。
【請求項２】
参照用磁気抵抗効果素子と磁界検出用磁気抵抗効果素子とは、積層された膜構造に対し、垂直方向に電流を流すことで出力信号を得ることを特徴とする請求項１記載の磁界検出器。
【請求項３】
参照用磁気抵抗効果素子と磁界検出用磁気抵抗効果素子とは、面積が等しいことを特徴とする請求項２記載の磁界検出器。
【請求項４】
参照用磁気抵抗効果素子は第１の層の磁化方向と第２の層の無磁界における磁化方向とが平行もしくは反平行であることを特徴とする請求項１記載の磁界検出器。
【請求項５】
参照用磁気抵抗効果素子の第１の層と磁界検出用磁気抵抗効果素子の第１の層との磁化方向が平行もしくは反平行であることを特徴とする請求項１記載の磁界検出器。
【請求項６】
参照用磁気抵抗効果素子に磁気シールドを施すことを特徴とする請求項１記載の磁界検出器。
【請求項７】
参照用磁気抵抗効果素子を複数有し、第１の参照用磁気抵抗効果素子は第１の層の磁化方向と無磁界における第２の層の磁化方向とが平行であり、第２の参照用磁気抵抗効果素子は第１の層の磁化方向と無磁界における第２の層の磁化方向とが反平行であることを特徴とする請求項１に記載の磁界検出器。
【請求項８】
磁界検出用磁気抵抗効果素子に既知の磁界を印加することのできる磁界印加用の配線を有することを特徴とする請求項１に記載の磁界検出器。
【請求項９】
参照用磁気抵抗効果素子と前記磁界検出用磁気抵抗効果素子とが同一基板上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁界検出器。
【請求項１０】
既知の磁界を印加することのできる磁界印加用の配線を有し、磁界検出用磁気抵抗効果素子と同じ外部磁界応答特性を有する飽和磁界検出用磁気抵抗効果素子をさらに有する請求項１に記載の磁界検出器。
【請求項１１】
参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とを電圧に変換する抵抗電圧変換回路と、
前記抵抗電圧変換回路において前記 参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分を増幅する加減算増幅回路と、
を有する請求項１に記載の磁界検出器。
【請求項１２】
磁界検出用磁気抵抗効果素子に既知の磁界を印加することのできる磁界印加用の配線を有することを特徴とする請求項１１に記載の磁界検出器。
【請求項１３】
第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第２の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗および磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とを電圧に変換する抵抗電圧変換回路と、
前記抵抗電圧変換回路において前記第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分および前記第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と前記第２の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分を増幅し、それぞれ第１の電圧および第２の電圧として出力する加減算増幅回路と、
前記第１の電圧と前記第２の電圧の除算を第３の電圧として出力する乗除算回路と、
を有する請求項７に記載の磁界検出器。
【請求項１４】
第１の参照用磁気抵抗効果素子と同じ外部磁界応答特性を有する第３の参照用磁気抵抗効果素子を有し、第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第２の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第３の磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とを電圧に変換する抵抗電圧変換回路と、
前記抵抗電圧変換回路において前記第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分および前記第２の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と前記第３の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分を増幅し、それぞれ第１の電圧および第２の電圧として出力する加減算増幅回路と、
前記第１の電圧と前記第２の電圧の除算を出力する乗除算回路とを有する請求項７に記載の磁界検出器。
【請求項１５】
磁界検出用磁気抵抗効果素子と同じ外部磁界応答特性を持ち、磁気シールドを施された校正用磁気抵抗効果素子を有し、第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第２の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗と校正用磁気抵抗効果素子の抵抗とを電圧に変換する抵抗電圧変換回路と、
前記抵抗電圧変換回路において前記第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗から変換された電圧と前記第２の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗から変換された電圧との和と、前記校正用磁気抵抗効果素子の抵抗から変換された電圧の２倍の電圧との差分を第４の電圧として出力する第２の加減算増幅回路と、
第２の電圧と前記第４の電圧の差分を第５の電圧として出力する第２の乗除算回路と
第３の電圧と前記第５の電圧の差分を出力する減算回路と
を有することを特徴とする請求項１２記載の磁界検出器。
【請求項１６】
抵抗電圧変換回路と、加減算増幅回路と、乗除算回路とは同一基板上に設けられていることを特徴とした請求項１１記載の磁界検出器。
【請求項１７】
抵抗電圧変換装置が、定電流源と、抵抗素子と、磁気抵抗素子とを含んだ回路であることを特徴とする請求項１１記載の磁界検出器。
【請求項１８】
抵抗電圧変換装置が、定電圧源と、抵抗素子と、磁気抵抗素子とを含んだ回路であることを特徴とする請求項１４記載の磁界検出器。
【請求項１９】
請求項１に記載の磁界検出器を用いた電流検出装置。
【請求項２０】
請求項１に記載の磁界検出器を用いた位置検出装置。
【請求項２１】
請求項１に記載の磁界検出器を用いた回転検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巨大磁気抵抗効果もしくはトンネル磁気抵抗効果により磁界検出を行う磁界検出器およびこれを用いた電流検出装置、位置検出装置および回転検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗（ＭＲ：ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果は、磁性体に磁界を加えることにより電気抵抗が変化する現象であり、磁界検出器や磁気ヘッドなどに利用されている。近年、非常に大きな磁気抵抗効果を示す巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果材料として、Ｆｅ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｃｕなどの人工格子膜などが知られている。
【０００３】
また、強磁性層間の交換結合作用がなくなる程度に厚い非磁性金属層を持つ強磁性層／非磁性層／強磁性層／反強磁性層からなる構造により、強磁性層／反強磁性層を交換結合させて、その強磁性層の磁気モーメントを固定しいわゆる固着層とし、他方の強磁性層のスピンのみを外部磁界で容易に反転できる自由層とした、いわゆるスピンバルブ膜が知られている。反強磁性体としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどが用いられている。この場合、２つの強磁性層間の交換結合が弱く小さな磁界でスピンが反転できるので、高感度の磁気抵抗効果素子を提供できることから、高密度磁気記録用再生ヘッドとして用いられている。上記のスピンバルブ膜は、膜面内方向に電流を流すことで用いられる。
【０００４】
一方、膜面に対して垂直方向に電流を流す垂直磁気抵抗効果を利用すると、さらに大きな磁気抵抗効果が得られることが知られている。
さらには、強磁性層／絶縁層／強磁性層からなる３層膜において、外部磁界によって２つの強磁性層のスピンを互いに平行あるいは反平行にすることにより、膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが異なることを利用した、強磁性トンネル接合によるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果も知られている。
【０００５】
近年、ＧＭＲやＴＭＲ素子を、磁界検出器として用いる検討もされている。この場合、保磁力の異なる２つの強磁性層で非磁性金属層を挟んだ擬スピンバルブ型や、前述のスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子が検討されている。磁界検出器へ利用する場合にはこれらの素子の磁性層が、外部磁界に応答して、各素子を構成する２つの磁性層の相対角を互いに変えることにより、抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を定電流を流し、電圧の変化として信号読出しを行う。この際の読出しはＧＭＲやＴＭＲ効果を利用して行なわれる。
【０００６】
ここで、ＴＭＲ素子に比較しＧＭＲ素子の磁気抵抗変化率は小さく、大きな変化率を得るためには強磁性層／非磁性層の繰返しの積層構造が必要となる。また、膜面に対して垂直方向に電流を流すＧＭＲ素子では、素子を長くする必要はないもののＴＭＲ素子と比較し素子抵抗が小さく、大きな出力信号を得るためには電流量を大きくする必要がある。これにより消費電力が大きくなる。さらに前述の膜面内方向に電流を流すＧＭＲ素子においては、大きな磁気抵抗効果を得るために、素子内の電流経路を十分に得る必要があり素子の長さを大きくする必要がある。
上記の理由により、磁界検出器においては、大きな出力信号が得られ任意の形状を用いることが可能なＴＭＲ素子を用いることが好ましい。
【０００７】
さらに、単体の磁気抵抗効果素子で測定するのではなく、４個の磁気抵抗効果素子を用いてブリッジ回路を形成し、かつ固着層の磁化方向が逆向きの素子を組合わせ、高出力な磁界検出器を形成する技術が提案されている。（特許文献１参照）
【０００８】
【特許文献１】
特許第３０１７０６１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記、磁気抵抗効果素子を用いれば、磁気抵抗効果素子の電圧変化から外部磁界を測定することができる。また、上記ブリッジ回路の技術を用いれば、大きな出力信号を得ることは可能である。
しかし自由層の飽和磁界は、自由層の膜厚及び形状に依存するため、製造工程における再現性に起因するばらつきの影響を受けやすく、検出器によってばらつきが生じる。また、前述のように磁気抵抗効果素子としてはＴＭＲ素子を用いることが好ましいが、この場合、素子抵抗はトンネル絶縁層の膜厚に敏感であるため、出力信号は製造工程における再現性に起因するばらつきの影響を受けやすく、検出器によってばらつきが生じる。これにより、抵抗変化率および飽和磁界が変化した場合、その変化量に応じて検出される磁界に誤差が生じる。さらに、使用温度に依存しても抵抗変化率および飽和磁界は変化する。これによって検出器の感度および分解能は変化する。
従来、これらを校正するためには、磁界発生装置を用いて磁界を印加して各検出器における検出器毎の出力信号や飽和磁界を測定しておく必要があった。また、温度による素子特性の変化を校正するためには、前述の測定を各温度において実施し、出力信号を校正する必要があった。
【００１０】
しかし、従来型の磁界検出器においては、上記の検出感度と分解能のばらつきを簡易に検出、校正することは不可能であり、これらを実施するためには、既知の外部磁界を発生させる巨大な磁界発生装置を用いる必要があった。
【００１１】
それゆえ、本発明は、検出器の感度校正と分解能校正とを検出器単体で随時に行うことが可能な磁界検出器とその検出方法、およびこれを用いた物理量測定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】
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、参照用磁気抵抗効果素子と磁界検出用磁気抵抗効果素子とを備えた磁界検出器であって、前記参照用磁気抵抗効果素子および前記磁界検出用磁気抵抗効果素子はおのおの、反強磁性層と前記反強磁性層により磁化方向が固定された磁性体からなる固着層と非磁性層と外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体からなる自由層とが積層された構造を有し、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子は固着層の磁化方向と自由層の無磁界における磁化方向とが直交しており、前記参照用磁気抵抗効果素子は第１の層の磁化方向と第２の層の無磁界における磁化方向とは平行または反平行であり、前記磁界検出用磁気抵抗効果素子の第１の層の磁化方向と前記参照用磁気抵抗効果素子の第１の層の磁化方向とは同じであることを特徴とするものである。
【００１３】
上記の磁界検出器によれば、任意の時に磁界発生装置を用いることなく抵抗変化率を校正することができる。また、外部磁界が印加された状態で、無磁界における磁界応答性を有する磁気抵抗効果素子を参照することで、同一検出器内で出力信号の比較が可能となり、素子の感度が変化した場合においても、安定した出力信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】磁気抵抗効果素子の自由層および固着層の磁化方向を説明する図である。
【図２】磁気抵抗効果素子の素子抵抗の外部磁界依存性を説明する図である。
【図３】実施の形態１の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。
【図４】実施の形態１の磁界検出器の磁気抵抗効果素子の断面構造の模式図である。
【図５】実施の形態１の磁界検出器の出力信号を説明するための図である。
【図６】実施の形態２の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。
【図７】実施の形態３の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。
【図８】実施の形態４の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。
【図９】実施の形態４の他の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。
【図１０】実施の形態５の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。
【図１１】実施の形態５の他の磁界検出器の構成を説明するための上面図である。
【図１２】実施の形態６の電流検出装置を説明するための斜視図である。
【図１３】実施の形態７の位置検出装置を説明するための斜視図である。
【図１４】実施の形態８の回転検出装置を説明するための側面図である。
【図１５】実施の形態９の磁界検出器の構成を説明するための図である。
【図１６】実施の形態９の差分増幅回路の一例を説明するための回路図である。
【図１７】実施の形態１０の磁界検出器の構成を説明するための図である。
【図１８】実施の形態１０の出力波形を示す図である。
【図１９】実施の形態１１の磁界検出器の構成を説明するための図である
【図２０】乗除算回路の一例を説明するための回路図である。
【図２１】実施の形態１２の磁界検出器の構成を説明するための図である。
【図２２】実施の形態１３の磁界検出器の構成を説明するための図である。
【図２３】磁気抵抗効果素子の素子抵抗の外部磁界依存性を説明する図である。
【図２４】加算回路の一例を説明するための回路図である。
【符号の説明】
【００１５】
１、４１  検出用素子、２、１２、２２、３２  無磁界における第２の磁性層の磁化方向、２ａ、３２ａ  磁界が印加された場合の第２の磁性層の磁化方向、３、１３、２３、３３  第１の磁性層の磁化方向、４、７、８、１４、１６、２４、２６、３４、３６、４４、７７、８８、１１０  金属配線、５  磁気シールド、６  磁界印加用の金属配線、１１、２１、５１  参照用素子、３１  飽和磁界検出用素子、５２  磁気抵抗効果素子、６１  基板、６２、６７  配線層、６３  反強磁性層、６４  第１の磁性層、６５  非磁性層、６６  第２の磁性層、１００  被測定物、１０２  配線、１０３、１０４  磁石、１０５  歯車、１０６  歯車の歯、１０９  素子周辺回路、１１０  配線、２０１  抵抗電圧変換回路、２０２  加減算増幅回路、２０３  乗除算回路、２０４  定電流源、２０５  加算回路、２０６  減算回路、２０７  差分増幅回路、２０８、２０９  定電圧源、２１０  出力調整回路、２１１  校正用素子、２２１  スイッチ、２３０、２３１、２３２、２３３  反転増幅回路、２４０、２４１、２４２、２４３、２４５  ＯＰアンプ、２５０、２５１、２５２、２５３、２５５  抵抗、２６０  トランジスタ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
まず、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁界検出器の具体的な検出動作について、図１を参照して説明する。図１は磁気抵抗効果素子５２の自由層および固着層の磁化方向を示す模式図である。図１においてはスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の自由層の磁化方向２と固着層の磁化方向３が９０°の方向である。このスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の固着層の磁化方向３に沿った方向に磁界が印加されると、自由層の磁化は外部磁界によりその方向を変化させる。この際、変化した自由層の磁化方向２ａと固着層の磁化方向３がなす角に応じて、磁気抵抗効果素子の抵抗値は線形に変化する。
【００１７】
具体的には固着層の磁化方向３を０°とし、それに対して外部磁界Ｈが印加された際に自由層の磁化方向２ａのなす角をθとした場合、素子抵抗の変化はｃｏｓθに反比例する。自由層が一軸異方性を持った軟磁性膜である場合、ｃｏｓθ＝｜Ｈｋ｜／Ｈとなる。つまり、｜Ｈｋ｜より大きな外部磁界が印加された場合は、自由層の磁化方向２ａは固着層の磁化方向に平行あるいは反平行に固定されてしまい、これ以上素子抵抗は変化しない。つまり、Ｈｋは自由層の飽和磁界である。
【００１８】
この結果、素子抵抗Ｒは図２に示すように自由層の磁化方向２と固着層の磁化方向３が９０°の方向である場合には、
Ｒ＝Ｒｍ＋ΔＲ／２×Ｈ／｜Ｈｋ｜（ただし、−｜Ｈｋ｜≦Ｈ≦｜Ｈｋ｜）
となる。ここでＲｍは素子抵抗がとり得る最大の抵抗値と最小の抵抗値との中間値であり、無磁界中での素子抵抗である。また、ΔＲは素子の磁気抵抗変化率である。この素子抵抗Ｒは外部磁界に比例するため、素子抵抗を得ることにより外部磁界の大きさを検出することが可能である。なお、検出される外部磁界は、固着層の磁化方向３の方向成分である。また、固着層の磁化方向において検出可能な磁界領域、すなわち動作領域は−｜Ｈｋ｜≦Ｈ≦｜Ｈｋ｜である。
上記の外部磁界に依存した素子抵抗により、素子を流れる電流もしくは電圧により磁界を検出することができる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、その具体例を図にもとづいて説明する。
【００２０】
実施の形態１．
図３は、本発明の実施の形態１における磁界検出器を示す上面図である。ここに示す磁界検出器は１個の検出用磁気抵抗効果素子１（以下、検出用素子と表記する。）と１個の参照用磁気抵抗効果素子１１（以下、参照用素子と表記する。）を有している。それぞれの素子１、１１の断面構造の模式図を図４に示す。図４において、基板６１上に配線層６２が形成され、次に反強磁性層６３が形成されている。次にこの反強磁性層６３により磁化方向が固定された磁性体からなる第１の磁性層６４（固着層）が形成されている。さらに、トンネル絶縁層となる非磁性層６５を形成し、その上層に外部磁界によって磁化方向が変化する磁性体からなる第２の磁性層６６（自由層）が形成されている。第２の磁性層６６の上層には配線層６７が形成されている。ここでは、反強磁性層６３、第１の磁性層６４、非磁性層６５、第２の磁性層６６が順次積層される構成を示したが、構成はこれにとらわれるものではなく、逆に第２の磁性層６６、非磁性層６５、第１の磁性層６４、反強磁性層６３の順に積層しても素子を構成することができる。
【００２１】
図３では、素子１、１１はともに長方形の素子形状を有している。素子１、１１の縦横比は同じである必要はないが、素子１、１１は素子抵抗を等しくするために同じ面積としている。
それぞれの素子１、１１の第２の磁性層６６は、素子形状が長方形であるため、形状磁気異方性によりその磁化方向２、１２は素子の長手方向となる。一方、検出用素子１の第１の磁性層６４の磁化方向３は、無磁界における検出用素子１の第２の磁性層６６の磁化方向２に対して、素子平面内で直交している。さらに、参照用素子１１の第１の磁性層６４の磁化方向１３は、無磁界における参照用素子１１の第２の磁性層６６の磁化方向１２と平行である。
また、それぞれの素子１、１１の第１の磁性層６４の磁化方向３、１３はここでは同じである。
さらにそれぞれの素子１、１１の第１の磁性層６４と第２の磁性層６６とに信号検出用の配線４、４４、１４、１６が配線層６２、６７として形成接続され、検出回路へと接続されている。
【００２２】
それぞれの素子１、１１の第１の磁性層６６および第２の磁性層６４は強磁性体よりなっている。強磁性体を構成する材料として、例えばＣｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ合金などのＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅを主成分として含む金属、およびＮｉ−Ｍｎ−Ｓｂ、Ｃｏ２−Ｍｎ−Ｇｅなどの合金であればよい。
また、トンネル絶縁層である非磁性層６５は、絶縁体であればよく、例えばＴａ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＭｇＯ等の金属の酸化物があり、弗化物であってもよい。
【００２３】
それぞれの素子１、１１の第１の磁性層６４は、前述のように、反強磁性層６３と積層されることにより磁化方向を固定されている。つまり、反強磁性層６３が第１の磁性層６４のスピンの向きを固定することで、第１の磁性層６４の磁化方向がそれぞれ３、１３の方向に保たれている。この反強磁性層を構成する材料として例えばＩｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎがある。
【００２４】
上記のそれぞれの膜は、例えばＤＣマグネトロンスパッタリングにより形成される。また、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、各種スパッタ法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、蒸着法によって形成されてもよい。
【００２５】
また、それぞれの素子１、１１は、例えばフォトリソグラフィーにより形成する。この場合、第２の磁性層６６、非磁性層６５および第１の磁性層６４となる膜をそれぞれ形成後、フォトレジストによる所望のパターンを形成する。その後、イオンミリングもしくは反応性イオンエッチングにより素子の形状を得ることが可能である。また、電子線リソグラフィー、集束イオンビームによるパターンの形成であってもよい。
さらに、配線４、４４、１４、１６は、例えばＡｌ層よりなっている。
【００２６】
また、検出用素子１および参照用素子１１を同一のプロセスで同一基板上に同時に形成することが望ましい。上記のような成膜法やフォトリソグラフィー法では同時に実施した場合のばらつきはきわめて小さく、磁気抵抗の測定に問題となるばらつきはほとんど発生しない。
【００２７】
それぞれの素子１、１１の第１の磁性層の磁化方向３、１３は例えば次の方法で設定する。反強磁性層と第１の磁性層の見かけ上の交換相互作用がなくなる、ブロッキング温度以上に磁界検出器を加熱し、第１の磁性層の飽和磁化を発生するための外部磁界を所望の方向に印加する。この状態でブロッキング温度以下に磁界検出器を冷却することにより、第１の磁性層において所望の磁化方向が得られる。
【００２８】
本実施の形態においては、検出用素子１と参照用素子１１との第１の磁性層の磁化方向３、１３は平行であるため、熱処理時の印加磁界は同じ方向でよく、一様な磁界を印加することで本実施の形態の磁界検出器を形成することが可能である。
【００２９】
ここで、素子１、１１の形状は、第２の磁性層の磁化方向が所望に規定できるのであれば、長方形である必要はない。
また、それぞれの素子１、１１はＴＭＲ素子であることが好ましい。これによって大きな出力信号と素子の小型化が両立可能である。
【００３０】
次に、本実施の形態の磁界検出器の検出動作について図３、５を用いて説明する。
図３に示されるそれぞれの素子１、１１に、磁界検出時にそれぞれ配線４、４４、１４、１６を介して一定電流Ｉが流される。ここで、外部磁界Ｈが第１の磁性層３、１３と同じ方向に印加された場合、外部磁界Ｈでの検出用素子１における素子抵抗Ｒは式（１）となり、出力電圧Ｖは式（２）となる。
Ｒ＝Ｒｍ＋ΔＲ／２×Ｈ／｜Ｈｋ｜            （１）
Ｖ＝Ｉ×（Ｒｍ＋ΔＲ／２×Ｈ／｜Ｈｋ｜）    （２）
ここで、Ｒｍは外部から飽和磁界が印加された場合の素子抵抗、ΔＲは測定用素子１の磁気抵抗変化率、Ｈｋは飽和磁界の強度、Ｈは印加された外部磁界の強さ、Ｉは測定用素子１に流される電流の強さ、Ｖは測定用素子にかかる電圧である。
【００３１】
一方、参照用素子１１においては、第２の磁性層と第１の磁性層の無磁界における磁化方向１２、１３および外部磁界Ｈの磁化方向は同一であるため、外部磁界Ｈが印加された場合においても参照用素子１１における第２の磁性層の磁化方向１２と第１の磁性層の磁化方向１３は同一のままであり、参照用素子１１の素子抵抗は検出用素子１の抵抗の負磁界における飽和値と同じ値となる。このことから、参照用素子１１において得られる素子抵抗Ｒ１、出力電圧Ｖ１はそれぞれ式（３）、式（４）となる。
Ｒ１＝Ｒｍ−ΔＲ／２                （３）
Ｖ１＝Ｉ×（Ｒｍ−ΔＲ／２）        （４）
【００３２】
検出用素子１と参照用素子１１において得られる出力電圧の差ΔＶ１は式（５）であらわされる。
ΔＶ１＝Ｉ×（１＋Ｈ／｜Ｈｋ｜）×ΔＲ／２    （５）
この式を変形すれば、
Ｈ＝（２×ΔＶ１／Ｉ×ΔＲ−１）×Ｈｋ        （６）
となる。
このＶ、Ｖ１、ΔＶ１と外部磁界Ｈおよび飽和磁界Ｈｋの関係は図５のとおりとなる。
ここで、ΔＲ／２は、参照用素子１１と検出用素子１の無磁界における出力信号の差であり、無磁界における出力信号の差を求めて測定時にリアルタイムにΔＲを求めることができる。つまり、測定時の温度変化等で、ΔＲが変化した場合であっても、容易に正確にΔＲを求めることができる。また、Ｖ、Ｖ１、Ｈｋは既知な値であるから、式（６）を用いて外部磁界Ｈを求めることができる。
前述の出力信号は、検出用素子１と参照用素子１１からそれぞれ得られる出力信号を数値信号に変換した後に、数値的に演算処理することでも得ることが可能である。
【００３３】
本実施の形態においてはそれぞれの素子１、１１に一定電流を流したが、この電流はそれぞれの素子１、１１で一定である必要はない。その場合、それぞれの素子１、１１に流す電流の大きさの比が既知であれば、上記式（３）〜（６）を用いて外部磁界Ｈを求めることができる。
【００３４】
また、本実施の形態においては、検出用素子１の第２の磁性層の磁化方向２と第１の磁性層の磁化方向３とは素子平面内において直交していたが、直交している必要はない。第２の磁性層の磁化方向２が第１の磁性層の磁化方向１と平行もしくは反平行でなければ、外部磁界Ｈにより素子抵抗が変化するので、外部磁界Ｈを検出することができる。
【００３５】
また、本実施の形態では参照用素子１１の第１の磁性層の磁化方向１３は、無磁界における参照用素子１１の第２の磁性層の磁化方向１２と平行としたが、反平行でもよい。反平行であった場合は、参照用素子１１の素子抵抗は検出用素子１の抵抗の正磁界における飽和値と同じ値となる。
【００３６】
本実施の形態によれば、参照用素子１１と検出用素子１との差動検出を用いているために大きな出力信号が得られる。また、抵抗変化率ΔＲは無磁界における検出用素子１と参照用素子１１との出力信号の差から得られているため、形成時の再現性に起因する素子抵抗ばらつきをもった場合や温度に起因して素子の抵抗値が変化した場合においても安定した出力信号を得ることが可能である。
また、それぞれの素子１、１１の第１の磁性層の磁化方向３、１３は同じ方向であるので、本実施の形態の磁界検出器を容易に形成することが可能である。
【００３７】
さらに、参照用素子１１に、外部磁界を遮蔽するための磁気シールド５を設けることもできる。
参照用素子１１の磁気シールド５は高透磁率材料であればよく、例えばＮｉＦｅ層よりなっている。また、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅを主成分として含む他の合金であってもよい。
【００３８】
磁気シールド５を設けることにより、参照用素子１１は外部シールド５により外部磁界の影響を受けない。そのため、参照用素子の第２の磁性層の磁化方向１２と第１の磁性層の磁化方向１３とが平行あるいは反平行であれば、磁化方向は任意の向きとすることができる。
【００３９】
実施の形態２．
本実施の形態は、図６に示すように、実施の形態１の検出用素子１，および参照用素子１１に同じ構成の素子の組み合わせを付加し、ブリッジ回路を形成したものである。付加した検出用素子４１は検出用素子と同一の構成を有し、また、参照用素子５１は参照用素子１１と同一の構成を有しているので説明を省略する。また、検出用素子１および４１の第１の磁性層および第２の磁性層の磁化方向は同一である。この場合、ΔＶ１は、配線７から７７へと電流を流し、配線８および８８の電位差を測定することで得ることができる。
本実施の形態においては、素子をブリッジ回路として形成しているので、より大きな出力を得ることができる。
【００４０】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３における磁界検出器を示す上面図である。本実施の形態の磁界検出器は実施の形態１の磁界検出器にさらに参照用素子２１を設けたものであり、実施の形態１と同一のものには同一符号を付す。それぞれの素子１、１１、２１は、実施の形態１と同様な積層構造である。ここでは、それぞれの素子１、１１、２１はともに長方形の素子形状を有している。それぞれの素子１、１１、２１の縦横比は同じである必要はないが、それぞれの素子１、１１、２１は素子抵抗を等しくするために同じ面積としている。
【００４１】
それぞれの素子１、１１、２１の第１の磁性層の磁化方向３、１３、２３は磁化方向３と磁化方向１３とは平行であり、磁化方向１３と磁化方向２３とは反平行である。無磁界における検出用素子１の第２の磁性層の磁化方向２は第１の磁性層の磁化方向３に対して、素子平面内で直交している。また、参照用素子１１、２１の無磁界における第２の磁性層の磁化方向１２、２２は、それぞれの第１の磁性層の磁化方向１３、２３に対して、それぞれ平行および反平行である。
それぞれの素子１、１１、２１の第２の磁性層と第１の磁性層には信号検出用の配線４、４４、１４、１６、２４、２６が接続され、検出回路へと接続されている。ここで検出用素子１に接続される配線４、４４は、一方は素子の第２の磁性層側に接続されており、もう一方は第１の磁性層側に接続されている。参照用素子１１、２１における配線１４、１６、２４、２６も同様な位置に接続されている。
【００４２】
上記の素子１、１１、２１はＴＭＲ素子であることが好ましい。これによって大きな出力信号と素子の小型化が両立可能である。
【００４３】
それぞれの素子１、１１，２１の第１の磁性層の磁化方向３、１３、２３の決定は、実施の形態１と同様に、例えば熱処理により可能である。ここでは図示しないが、例えば素子の直上もしくは直下に配線を形成し、反強磁性層と第１の磁性層の磁気的相互作用がなくなるブロッキング温度以上において、第１の磁性層の飽和磁化を発生するための所望の向きに電流を流す。この状態でブロッキング温度以下に温度を下げることにより、第１の磁性層において所望の磁化方向が得られる。この磁界は、配線に電流を流すことによって生じる磁界に限らず、局所的に磁界を印加できればよい。
【００４４】
上記の第１の磁性層の磁化方向３、１３、２３は、例えば外部磁界を印加した状態での素子１、１１に局所的な熱処理を実施して磁化方向３、１３を決定し、その後に逆向きの磁界を印加した状態で、素子２１に局所的な熱処理を実施し磁化方向２３を決定することでも形成可能である。
【００４５】
次に、本実施の形態の磁界検出器における動作について図７を用いて説明する。
図７に示されるそれぞれの素子１、１１、２１に、磁界検出時にそれぞれ配線４、１４、２４を介して素子に一定電流Ｉが流される。この際、外部磁界Ｈでの検出用素子１における素子抵抗は式（１）で、出力電圧は式（２）で求められる。ここで、参照用素子１１においては、第２の磁性層の磁化方向１２と第１の磁性層の磁化方向１３は平行であり、参照用素子２１においては、第２の磁性層の磁化方向２２と第１の磁性層の磁化方向２３は反平行である。このため、それぞれ参照用素子１１、２１は検出用素子１の抵抗の正負磁界における飽和値と同じ値となる。この参照用素子１１、２１において得られる出力電圧Ｖ１、Ｖ２はそれぞれ式（５）、式（６）であらわされる。
Ｖ１＝Ｉ×（Ｒｍ−ΔＲ／２）          （７）
Ｖ２＝Ｉ×（Ｒｍ＋ΔＲ／２）          （８）
【００４６】
これにより検出用素子１と参照用素子１１において得られる出力電圧の差ΔＶ１は次のとおりとなる。
ΔＶ１＝Ｉ×（１＋Ｈ／｜Ｈｋ｜）×ΔＲ／２  （９）
同様に検出用素子１と参照用素子２１において得られる出力電圧の差ΔＶ２は次のとおりとなる。
ΔＶ２＝Ｉ×（１−Ｈ／｜Ｈｋ｜）×ΔＲ／２  （１０）
さらにΔＶ１とΔＶ２の差は次のとおりとなる。
ΔＶ１−ΔＶ２＝Ｉ×ΔＲ×Ｈ／｜Ｈｋ｜
【００４７】
ここで、ΔＲは、２個の参照用素子１１、２１のそれぞれ出力信号の差によりその都度求めることができる。これは、本実施の形態の素子の飽和磁界は一定の既知の値であり、飽和磁界における、磁気抵抗を求めることにより、抵抗変化率を求めることができるためである。そのため、素子間の抵抗値のばらつきや温度による抵抗値の変化などの影響により抵抗変化率が変化しても、測定の都度、参照用素子１１，２１の出力から抵抗変化率を求めることができ、実使用の環境下における抵抗変化率を用いて精度よく外部磁界を検出することが可能となる。
前述の出力信号は、検出用素子１と参照用素子１１、２１からそれぞれ得られる出力信号を数値信号に変換した後に、数値的に演算処理することでも得ることが可能である。
【００４８】
本実施の形態においてはそれぞれの素子１、１１、２１に一定電流を流したが、この電流はそれぞれの素子１、１１、２１で一定である必要はない。その場合、それぞれの素子１、１１、２１に流す電流の大きさの比が既知であれば、上記式を用いて外部磁界Ｈを求めることができる。
【００４９】
本実施の形態によれば、２個の参照用素子１１、２１と検出用素子１との差動検出を用いているために大きな出力信号が得られる。
さらに、本実施の形態においては、抵抗変化率ΔＲは参照用素子１１、２１の出力信号から得られているため、形成時の再現性に起因して素子抵抗ばらつきをもった場合および温度に起因して素子の抵抗値が変化した場合においても安定した出力信号が得られる。
また、検出用素子１の出力信号の最大値と最小値の両者が得られているために、さらに高い信頼性と精度が得られる。
【００５０】
また、参照用素子１１、２１に、外部磁界を遮蔽するための磁気シールド５を設けることもできる。
磁気シールド５は実施の形態１と同様の材料からなる。
【００５１】
磁気シールド５を設けることにより、参照用素子１１、２１は外部シールド５により外部磁界の影響を受けない。そのため、参照用素子１１の第２の磁性層の磁化方向１２と第１の磁性層の磁化方向１３の方向が平行でかつ、参照用素子２１の第２の磁性層の磁化方向２２と第１の磁性層の磁化方向２３の方向が反平行であれば、参照用素子１１，２１の第２の磁性層の磁化方向１２、１３は任意の向きとすることができる。
【００５２】
また、ΔＶ１とΔＶ２は、実施の形態２と同様な方法で、検出用素子１と参照用素子１１、２１を用いてブリッジ回路を構成することでも検出可能である。
【００５３】
実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４における磁界検出器を示す上面図である。ここに示す磁界検出器は、図３および実施の形態１の構成に加え、検出用素子１に磁界を印加するための配線６を備えている。この配線６は例えば検出用素子１の直上に第２の磁性層の磁化方向２に平行に配置されている。なお、図３と同一の構成は同一符号を付し、説明を省略する。
【００５４】
ここでは、あらかじめ無磁界において、検出用素子１の直上に配置された配線６に一定の電流を流す。これにより検出用素子１に既知の磁界を印加することができる。この際、検出用素子１の第２の磁性層の磁化方向は印加された磁界により磁化方向２ａに印加された磁界に応じて回転する。
配線６に流れた電流により磁界Ｈ’を印加し、検出用素子１に一定電流Ｉを流した場合では、検出用素子１における出力電圧Ｖ３は次のようになる。
Ｖ３＝Ｉ×（Ｒｍ＋ΔＲ／２×Ｈ’／｜Ｈｋ｜）      （１１）
同様に参照用素子１１に一定電流Ｉを流した場合の出力電圧は式（４）より求めることができるので、その出力電圧の差は次のようになる。
Ｖ３−Ｖ１＝Ｉ×（１＋Ｈ’／｜Ｈｋ｜）×ΔＲ／２  （１２）
ここで、Ｈ’およびＩは既知の値であり、ＨＫが既知であれば、式（１２）を用いて、ΔＲを精度良く求めることができる。また、ＨＫが既知でない場合においては、ΔＲは実施の形態１において説明した方法で、検出用素子１と参照用素子１１との無磁界における出力信号の差で求めれば。既知の値であるＩおよびＨ’を用いて、式（１２）からＨｋを求めることが可能となる。外部磁界がない条件下では、配線電流磁界Ｈ’は１点であっても飽和磁界は検出可能である。
【００５５】
上記の飽和磁界の検出は無磁界中である必要ではなく、外部磁界が印加された状態であっても、それが変化しなければ、異なる２点の配線電流磁界、例えば−Ｈ’、＋Ｈ’を印加することで実施可能である。この検出は外部磁界の測定前や測定時の温度が変化した場合など、必要に応じて実施すればよい。
【００５６】
上記の方法で求めた飽和磁界を用いて、外部磁界の検出は、実施の形態１と同様な方法で行えばよい。
【００５７】
ここで飽和磁界は、図６および実施の形態２と同様の方法で、検出用素子１と参照用素子１１を用いてブリッジ回路を構成することでも検出可能である。
【００５８】
上記の出力信号は、検出用素子１と参照用素子１１からそれぞれ得られる出力信号を数値信号に変換した後に、数値的に演算処理することでも得られる。
【００５９】
本実施の形態によれば、検出用素子１に外部磁界を任意に印加できる構成とすることにより、飽和磁界の検出が外部磁界を要せずに可能となる。そのため、検出器のみで必要に応じて随時飽和磁界を検出できる。これにより外部の磁界発生器を用いず、かつ必要に応じて検出器の分解能を校正することが可能となる。
【００６０】
さらに、図９に示すように、図７の構成に加え、検出用素子１に磁界を印加するための配線６を配置することも可能である。なお、図９において、図７と同一の構成は同一符号を付し、説明を省略する。このようにすれば、図７の構成においても検出用素子１の第２の磁性層の飽和磁界を外部磁界を要せずに検出することが可能である
【００６１】
また、図８、図９において参照用素子１１、２１に、外部磁界を遮蔽するための磁気シールド５を設けることもできる。
磁気シールド５を設けることにより、参照用素子１１、２１の第２の磁性層の磁化方向は任意の向きとすることができる。
【００６２】
実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５における磁界検出器を示す上面図である。ここに示す磁界検出器は、図３および実施の形態１で示した検出器と同様な構成に加え、外部磁界に対して検出用素子１と同じ磁気抵抗効果特性を示す飽和磁界検出用磁気抵抗効果素子（以下飽和磁界検出用素子と表記する）３１を備えている。ここでは、検出用素子１と飽和磁界検出用素子３１とは同一の形状を有するように作成している。
なお、飽和磁界検出用素子３１は検出用素子１と同じ磁気抵抗効果特性を有しておればよく特に配置についての制限はない。なお、図３と同一の構成は同一符号を付し、説明を省略する。
また、磁界印加用の配線６を飽和磁界検出用素子３１の直上に配置しており、この配線６は例えば検出用素子１の直上に第２の磁性層の磁化方向２に平行に配置されている。
【００６３】
また、検出用素子１、参照用素子１１および飽和磁界検出用素子３１を同一のプロセスで同一基板上に同時に形成することが望ましい。上記のような成膜法やフォトリソグラフィー法では同時に実施した場合のばらつきはきわめて小さく、磁気抵抗の測定に問題となるばらつきはほとんど発生しない。
【００６４】
次に、本実施の形態の磁界検出器における検出動作について説明する。
磁界検出の動作は、実施の形態１での検出動作と同様である。
さらに、実施の形態４に記載と同様な方法により飽和磁界検出用素子３１の第２の磁性層の飽和磁界を検出することができる。検出用素子１と飽和磁界検出用素子３１とは同じ磁気抵抗効果特性を有しているので、飽和磁界検出用素子３１の飽和磁界を求めることにより、検出用素子１の飽和磁界を求めることが可能とある。
【００６５】
本実施の形態によれば、検出用素子１と第２の磁性層の飽和磁界を得るための飽和磁界検出用素子３１とが独立であるため、外部磁界の検出を行いつつ、随時飽和磁界の検出が可能である。そのため、外部磁界を検出中の飽和磁界を求めることができるので測定中の分解能校正が可能となり、さらに精度よく外部磁界を測定することができる。
また、外部磁界の測定を中断することなく、磁界検出器の分解能校正を行うことが可能となる。
【００６６】
図１１に示すように、図７の構成に加え、飽和磁界検出用素子３１を備えることも可能である。なお、図１１において、図７と同一の構成は同一符号を付し、説明を省略する。このようにすれば、図７の構成においても検出用素子１の第２の磁性層の飽和磁界を外部磁界の測定中に外部磁界を要せずに検出することが可能である
【００６７】
また、図１０、図１１において参照用素子１１、２１に、外部磁界を遮蔽するための磁気シールド５を設けることもできる。
磁気シールド５を設けることにより、参照用素子１１、２１の第２の磁性層の磁化方向は任意の向きとすることができる。
【００６８】
実施の形態６．
図１２は、本実施の形態における電流検出装置を示す斜視図である。ここに示す電流検出装置は、例えば図３および実施の形態１に示した磁界検出器を用いた電流検出装置であり、被測定電流が流れる配線１０２から、一定の距離が保たれて配置されている。ここでは検出用素子１のみしか図示しないが、電流検出装置は実施の形態１に示した部材を全て備えており、出力検出及び信号処理をするための周辺回路１０９を備えている。また、電力供給用及び信号を外部機器に出力するための配線１１０を備えている。
【００６９】
電流検出装置内に配置されている検出用素子１は、被測定電流が流れる配線１０２から発生する外部磁界の方向と検出方向が一致するように配置されている。具体的には、検出用素子１の第１の磁性層の磁化方向と外部磁界の方向を一致させればよい。
【００７０】
次に、本実施の形態の電流検出装置における電流検出動作について説明する。
被測定電流ｉが配線１０２に流れると、電流の作用により配線と垂直な方向に環状磁界が発生する。この磁界Ｈの大きさは、Ｈ＝ｋ×ｉ／Ｒで表される。ｋは比例定数でＲは配線からの距離である。ここで、電流検出装置内の検出用素子１と配線との距離を測定しておけば、比例定数ｋは既知であるので、実施の形態４で示した磁界検出器により磁界Ｈを測定することにより配線電流ｉを検出することが可能である。この際、電流検出装置を動作するための電力は配線１１０を介して供給され、検出信号は周辺回路１０９及び配線１１０を介して例えば表示装置などの外部機器へと出力される。
また、他の実施の形態の磁界検出器を電流検出器に用いることももちろん可能である。
【００７１】
本実施の形態によれば、本発明で示された磁界検出器を用いているために、電流検出において温度の変化および検出器毎の特性ばらつきがあった場合でも、安定した出力信号が得られかつ検出器の分解能を校正することが可能なため、高精度な電流検出を行うことができる。
【００７２】
実施の形態７．
図１３は、本実施の形態における位置検出装置を示す斜視図である。ここに示す位置検出器は、例えば図３および実施の形態１に示した磁界検出器を用いた位置検出装置であり、被測定物１００には周期的に磁石１０３が備えられている。なお、被測定物１００に磁石１０３が設けられた部位の一部をここでは図示している。この磁石は例えば隣接する磁石同士が逆の極性を有している。ここでは検出用素子１のみしか図示しないが、位置検出器は例えば図３および実施の形態１に示した部材を全て備えており、実施の形態６と同様に、出力検出及び信号処理をするための周辺回路１０９を備えている。また、電力供給用及び信号を外部機器に出力するための配線１１０を備えている。
【００７３】
次に、本実施の形態の位置検出装置における位置検出動作について説明する。
被測定物が移動すると、そこに備えられた磁石１０３からの磁束により、位置検出器における磁界が変化する。被測定物は周期的に磁石１０３を備えているために、この移動による検出器における磁界の変化を検出することにより、位置検出器を通過した磁石を計数することが可能である。実施の形態６と同様に、電流検出装置を動作するための電力は配線１１０を介して供給され、検出信号は周辺回路１０９及び配線１１０を介して外部機器へと出力される。これにより被測定物の移動量を測定することが可能となる。これは、直線的に移動するものに限らず、例えば、回転体の回転量を検出することも可能である。
また、他の実施の形態の磁界検出器を位置検出器に用いることももちろん可能である。
【００７４】
本発明の位置検出器はこの構成に限定されるものではなく、被測定物からの磁束の変化を検出できる構成であれば良い。
【００７５】
本実施の形態によれば、本発明の磁界検出器を用いているために、位置検出において温度の変化および検出器毎の特性ばらつきがあった場合でも、安定した出力信号が得られかつ検出器の分解能を校正することが可能であり、高精度な位置検出を行うことができる。
【００７６】
実施の形態８．
図１４は、本実施の形態における回転検出器を示す側面図である。ここに示す回転検出器は、例えば図３および実施の形態１に示した磁界検出器および被測定物の方向に着磁した永久磁石１０４を備えている。被測定物は透磁率の大きな軟磁性体からなる例えば歯車１０５である。ここでは検出用素子１のみしか図示しないが、回転検出器は例えば図３および実施の形態１に示した部材を全て備えており、実施の形態６と同様に、出力検出及び信号処理をするための周辺回路１０９を備えている。また、電力供給用及び信号を外部機器に出力するための配線１１０を備えている。
【００７７】
検出用素子１は、永久磁石１０４および歯車１０５により発生する外部磁界を検出できる方向に配置されている。例えば、検出用素子１の第１の磁性層の磁化方向は歯車１０５の中心方向である。
【００７８】
次に、本実施の形態の回転検出器における回転検出動作について説明する。
本回転検出器は被測定物方向に着磁した永久磁石１０４を備えているために、被測定物である歯車１０５の歯１０６は、磁石１０４からの磁束により磁化する。この磁化した歯１０６により歯車１０５が回転した場合、磁界検出器１０１における磁界が変化する。この歯１０６の回転による磁界の変化を検出することにより、磁界検出器１０１を通過した歯の数を計数することが可能である。これにより被測定物の回転量を測定することが可能となる。実施の形態６と同様に、電流検出装置を動作するための電力は配線１１０を介して供給され、検出信号は周辺回路１０９及び配線１１０を介して外部機器へと出力される。これは、回転運動するものに限らず、例えば、直線的に移動する被測定物の移動量を検出することも可能である。
【００７９】
本発明の回転検出器はこの構成に限定されるものではなく、被測定物からの磁束の変化を検出できる構成であれば良い。
【００８０】
本実施の形態によれば、被測定物に磁界検出用の磁石を設置する必要がなく、高精度な位置検出を行うことができる。また、回転体が透磁率の大きな軟磁性体で歯車形状を有していれば、既存の回転体を利用可能である。
【００８１】
実施の形態９．
図１５は、実施の形態１の図３の具体的な磁界検出器の回路構成の例を示したもので、本発明の実施の形態９における磁界検出器の回路ブロック図である。図１５にもとづいて、本実施の形態の構成について説明する。ここに示す磁界検出器は、実施の形態１の磁界検出器を含んだ回路構成の例であって、１個の検出用素子１と１個の参照用素子１１を有している。回路に含まれる素子１、１１の構造と作製方法については、実施の形態１と同様である。
【００８２】
本実施の形態の磁界検出器は、抵抗電圧変換回路２０１と、加減算増幅回路２０２とから構成される。
抵抗電圧変換回路２０１は、素子１、１１に定電流回路２０４をそれぞれ接続することで構成されている。また、加減算増幅回路２０２は検出用素子１と参照用素子１１とから得られる出力電圧を差分増幅する差分増幅回路２０７からなり、検出用素子１と参照用素子１１とから得られる出力電圧の差分にもとづいた電圧を出力する。差分増幅回路２０７は、例えば図１６に示すようなＯＰアンプ２４５と抵抗２４５とからなる回路で構成される。ここで図面の同一記号は同様のＯＰアンプと抵抗である。
【００８３】
次に、本実施の形態の磁界検出回路の検出動作について図１５を用いて説明する。
抵抗電圧変換回路２０１では、素子１、１１に定電流回路２０４がそれぞれ接続されており、磁界検出時にそれぞれ一定電流Ｉが流される。外部磁界Ｈでの検出用素子１からの出力電圧は式（２）となる。ここで、参照用素子１１においては、第２の磁性層の磁化方向１２と第１の磁性層の磁化方向１３は平行であり、その抵抗値は検出用素子の抵抗の負磁界における飽和値と同じ値になる。この検出用素子１、参照用素子１１において得られる出力電圧Ｖ、Ｖ１はそれぞれ式（２）、式（４）であらわされる。
Ｖ＝Ｉ×（Ｒｍ＋ΔＲ／２×Ｈ／｜Ｈｋ｜）    （２）
Ｖ１＝Ｉ×（Ｒｍ−ΔＲ／２）                （４）
【００８４】
加減算増幅回路２０２は、検出用素子１と参照用素子１１において得られる出力電圧を差分増幅する。いま、加減算増幅回路２０２の増幅率をαと設定すると、出力電圧Ｖｏｕｔは、式（５）および増幅率αから、次のようになる。
Ｖｏｕｔ＝α×Ｉ×（１＋Ｈ／｜Ｈｋ｜）×ΔＲ／２        （１３）
このうち、α、Ｉ、｜Ｈｋ｜は設定値で既知であり、ΔＲは無磁界における検出用素子１と参照用素子１１との出力信号の差から得ることができるので、出力電圧ＶｏｕｔとＨの対応がつく。例えば、外部磁場が０におけるＶｏｕｔは以下の値をとる。
Ｖｏｕｔ＝α×Ｉ×ΔＲ／２      （１４）
ここで、例えば出力電圧Ｖｏｕｔが１Ｖとなるようにα＝２／（Ｉ×ΔＲ）と設定すると、Ｖｏｕｔ＝（１＋Ｈ／｜Ｈｋ｜）となり、Ｈ＝−｜Ｈｋ｜のときＶｏｕｔ＝０Ｖ、Ｈ＝｜Ｈｋ｜のときＶｏｕｔ＝２Ｖとなるよう回路を構成できる。
【００８５】
本実施の形態によれば、参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とを電圧に変換する抵抗電圧変換回路と、抵抗電圧変換回路において参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分を増幅する加減算増幅回路とを有している。
【００８６】
そのため、参照用素子１１と検出用素子１との出力を用いて差動検出を行うことが出来るので大きな出力信号が得られる。また、抵抗変化率ΔＲは無磁界における検出用素子１と参照用素子１１との出力信号の差から得ているため、形成時の再現性に起因する素子抵抗ばらつきをもった場合や温度に起因して素子の抵抗値が変化した場合においても安定した出力信号を得ることが可能である。
【００８７】
また、増幅率αを適宜設定することで、所望の出力電圧を得ることができる。
さらに、実施の形態１で述べたように参照用素子１１に外部磁界を遮蔽するための磁気シールド５を設けることもできる。
参照用素子１１の磁気シールド５は高透磁率材料であればよく、例えばＮｉＦｅ層よりなっている。また、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅを主成分として含む他の合金であってもよい。
磁気シールド５を設けることにより、参照用素子１１は外部シールド５により外部磁界の影響を受けない。そのため、参照用素子の第２の磁性層の磁化方向１２と第１の磁性層の磁化方向１３とが平行あるいは反平行であれば、磁化方向は任意の向きとすることができる。
【００８８】
さらに、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路を設けることにより、非常に簡単な回路構成で、動作する磁界検出器を構成することができる。
また、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を、同一基板上に設けられた磁気抵抗素子、バイポーラトランジスタ、抵抗素子などを用いて構成することにより、外部からのノイズや加減算増幅回路に含まれるトランジスタや抵抗の温度変化などによる影響を抑えることが可能となる。抵抗については、温度による抵抗率の変化が小さい材料、例えば金属酸化物薄膜を利用した抵抗器などで構成することが望ましい。
【００８９】
実施の形態１０．
図１７は、本発明の実施の形態１０における磁界検出回路を示す回路ブロック図である。ここに示す磁界検出回路は実施の形態９の磁界検出回路に、検出用素子１に磁界を印加するための配線６および磁界印加のための回路を備えたものである。検出用素子１に磁界を印加するための配線６および磁界印加のための回路以外は、実施の形態９と同様であるため、説明を省略する。
図１７に示される磁界検出回路では、検出用素子１に電流磁場を印加する配線６には、定電流源２２０とスイッチ２２１が設けられている。スイッチ２２１は、例えば半導体スイッチを用いて、磁界検出回路外部からの入力信号に同期して切り替えられるように構成されている。
【００９０】
次に、本実施の形態の磁界検出回路の検出動作について説明する。まず、外部磁界Ｈが印加されている状態で、スイッチ２２１がオフの場合、加減算回路２０７の増幅率をαとすると、式（９）を参照して、出力電圧Ｖｏｕｔは式（１５）で記述される。
Ｖｏｕｔ（Ｈ）＝α×Ｉ×（１＋Ｈ／｜Ｈｋ｜）×ΔＲ／２      （１５）
次に、スイッチ２２１がオンの場合、定電流回路２２０によって流れた電流によって電流磁場Ｈ’が生じるため、出力電圧Ｖｏｕｔは、以下のように記述できる。
Ｖｏｕｔ（Ｈ＋Ｈ’）＝α×Ｉ×（１＋（Ｈ＋Ｈ’）／｜Ｈｋ｜）×ΔＲ／２  （１６）
Ｖｏｕｔ（Ｈ＋Ｈ’）−Ｖｏｕｔ（Ｈ）＝α×Ｉ×ΔＲ／２×Ｈ’／｜Ｈｋ｜  （１７）
となる。ここでα、Ｉ、Ｈ’は既知であるため、出力信号の差はＨｋおよびΔＲの関数となる。
例えばＨｋが既知であるとするならば、出力信号の差からΔＲを求めることができる。また、例えば外部磁場が０のときの値からΔＲを求めれば、Ｈｋを求めることができる。また、α＝２／（Ｉ×ΔＲ）と設定すると、
Ｖｏｕｔ（Ｈ）＝１＋Ｈ／｜Ｈｋ｜                      （１８）
Ｖｏｕｔ（Ｈ＋Ｈ’）＝１＋（Ｈ＋Ｈ’）／｜Ｈｋ｜      （１９）
となる。出力波形の例を図１８に示す。このように、出力されるＶｏｕｔの差からＨ’／｜Ｈｋ｜が求まり、｜Ｈｋ｜を求めることができる。
【００９１】
本実施の形態によれば、検出用素子に外部磁界を任意に印加できる構成とすることにより、飽和磁界の検出が外部磁界を要せずに可能となる。そのため、検出器のみで必要に応じて随時飽和磁界を検出できる。これにより外部の磁界発生器を用いず、かつ必要に応じて検出器の分解能を校正することが可能となる。
【００９２】
また、本実施の形態によれば、参照用素子１１と検出用素子１との差動検出を用いているために大きな出力信号が得られる。また、抵抗変化率ΔＲは無磁界における検出用素子１と参照用素子１１との出力信号の差から得られているため、形成時の再現性に起因する素子抵抗ばらつきをもった場合や温度に起因して素子の抵抗値が変化した場合においても安定した出力信号を得ることが可能である。
【００９３】
また、それぞれの素子１、１１の第１の磁性層の磁化方向３、１３は同じ方向であるので、本実施の形態の磁界検出器を容易に形成することが可能である。
さらに、参照用素子１１に、外部磁界を遮蔽するための磁気シールド５を設けることもできる。
参照用素子１１の磁気シールド５は高透磁率材料であればよく、例えばＮｉＦｅ層よりなっている。また、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅを主成分として含む他の合金であってもよい。
磁気シールド５を設けることにより、参照用素子１１は外部シールド５により外部磁界の影響を受けない。そのため、参照用素子の第２の磁性層の磁化方向１２と第１の磁性層の磁化方向１３とが平行あるいは反平行であれば、磁化方向は任意の向きとすることができる。
【００９４】
さらに、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路を設けることにより、非常に簡単な回路構成で、動作する磁界検出器を構成することができる。
また、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を、同一基板上に設けられた磁気抵抗素子、バイポーラトランジスタ、抵抗素子などを用いて構成することにより、外部からのノイズや加減算増幅回路に含まれるトランジスタや抵抗の温度変化などによる影響を抑えることが可能となる。抵抗については、温度による抵抗率の変化が小さい材料、例えば金属酸化物薄膜を利用した抵抗器などで構成することが望ましい。
【００９５】
実施の形態１１．
図１９は、本発明の実施の形態１１における磁界検出回路を示す回路ブロック図である。ここに示す磁界検出回路は実施の形態３の磁界検出器を含んだ回路構成の例であって、検出用素子１と参照用素子１１、２１を有している。回路に含まれる素子１、１１、２１の構造と作製方法については、実施の形態３と同様である。
【００９６】
本実施の形態の磁界検出回路は抵抗電圧変換回路２０１と、加減算増幅回路２０２と、乗除算回路２０３から構成される。
抵抗電圧変換回路２０１は実施の形態９と同様に素子１、１１、２１に定電流回路２０４をそれぞれ接続することで構成されている。
加減算増幅回路２０２は、検出用素子１と参照用素子１１、１２において得られる出力電圧を差分増幅する回路である。本実施の形態においては、参照用素子１１、２１に接続され、それぞれの出力電圧の差Ｖを乗除算回路２０３に出力する減算回路２０６と、検出用素子１と参照用素子１１とに接続され、それぞれの出力電圧Ｖ１とＶの差であるΔＶ１を乗除算回路２０３に出力する差分増幅回路２０７とからなっている。減算回路２０６および差分増幅回路２０７は例えば図１６に示すようなＯＰアンプと抵抗とからなる回路で構成される。
乗除算回路２０３は入力に対して除算を行う回路であり、３つの入力ΔＶ１とＶ−と電圧源２０８からの変換用電圧Ｖａに対して、ΔＶ１×Ｖａ／Ｖ−を出力する回路となっている。ここで、図２０に内部等価回路の１例を示す。この等価回路はＯＰアンプ２４５と抵抗２４５とトランジスタ２６０とからなる回路で構成される。ここで図面の同一記号は同様のＯＰアンプと抵抗とトランジスタである。
【００９７】
次に、本実施の形態の磁界検出回路の検出動作について図１９を用いて説明する。抵抗電圧変換回路２０１では、素子１、１１、２１にそれぞれ一定電流Ｉが流される。外部磁界Ｈでの検出用素子１における出力電圧は式（２）となる。ここで、参照用素子１１においては、第２の磁性層の磁化方向１２と第１の磁性層の磁化方向１３は平行であり、参照用素子２１においては、第２の磁性層の磁化方向２２と第１の磁性層の磁化方向２３は反平行である。このため、それぞれ参照用素子１１、２１は検出用素子１の抵抗の正負磁界における飽和値と同じく式（７）、式（８）となる。この検出用素子１、参照用素子１１、２１においてそれぞれ式（２）、式（７）、式（８）であらわされる出力電圧Ｖ、Ｖ１、Ｖ２を加減算増幅回路２０２に出力する。
Ｖ＝Ｉ×（Ｒｍ＋ΔＲ／２×Ｈ／｜Ｈｋ｜）      （２）
Ｖ１＝Ｉ×（Ｒｍ−ΔＲ／２）                  （７）
Ｖ２＝Ｉ×（Ｒｍ＋ΔＲ／２）                  （８）
【００９８】
加減算増幅回路２０２では、検出用素子１と参照用素子１１、２１において得られる出力電圧を差分増幅する。本実施の形態においては、参照用素子１１と２１において得られる出力電圧の差Ｖ−と、ΔＶ１の増幅値を出力する。このとき、例えば、減算回路２０６の増幅率をα、差分増幅回路２０７の増幅率をαと設定することで、差分増幅回路２０７からの出力は式（９）より次のとおりとなる。
α×ΔＶ１＝α×Ｉ×ΔＲ×（１＋Ｈ／｜Ｈｋ｜）／２      （２０）
同様に、減算回路２０６からの出力は次のようになる。
Ｖ−＝α（Ｖ２−Ｖ１）＝α×Ｉ×ΔＲ                    （２１）
【００９９】
乗除算回路２０３は、入力に対して除算を行う回路であり、３つの入力ΔＶ１とＶ−とＶａに対して、ΔＶ１×Ｖａ／Ｖ−を出力する。
このとき、式（２）、（２０）、（２１）により、磁場Ｈを印加したときの測定用素子両端の電位差Ｖに対して、次式が成立する。
Ｖｏｕｔ＝ΔＶ１×Ｖａ／Ｖ−＝Ｖａ×（１＋Ｈ／｜Ｈｋ｜）／２      （２２）
ここで｜Ｈｋ｜およびＶａは既知の値であるから、出力電圧が求まれば、外部磁場Ｈを求めることができる。
Ｖａは、出力電圧の大きさを決めるように任意に設定できる。このとき、外部磁場ＨがＨ＝−｜Ｈｋ｜からＨ＝｜Ｈｋ｜まで変化するとき、ＶｏｕｔはＶｏｕｔ＝０ＶからＶｏｕｔ＝Ｖａとなるような回路が得られる。
【０１００】
さらに、外部磁場がある方向の時に正の出力、逆の方向の時に負の出力が得られることが必要な場合には、この出力からＶａ／４を減算する出力調整回路２１０を追加すればよい。この出力調整回路２１０の内部回路は、例えば図１６に示した差分増幅回路でよく、減算するための定電圧源２０９と接続されている。式（２２）より、次式を得る。
Ｖｏｕｔ＝ΔＶ１×Ｖａ／Ｖ−Ｖａ／４＝Ｖａ×（１／２＋Ｈ／｜Ｈｋ｜）／２（２３）
これにより、外部磁場ＨがＨ＝−｜Ｈｋ｜からＨ＝｜Ｈｋ｜まで変化するとき、ＶｏｕｔがＶｏｕｔ＝−Ｖａ／２からＶｏｕｔ＝Ｖａ／２となるような回路が得られる。より具体的には、Ｖａ＝２Ｖとすることで、Ｈ＝｜Ｈｋ｜のときの出力電圧は１ＶでＨ＝−｜Ｈｋ｜のときの出力電圧は−１Ｖとなるように設定できる。
【０１０１】
本実施の形態の磁界検出回路では、第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第２の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗および磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とを電圧に変換する抵抗電圧変換回路と、抵抗電圧変換回路において第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分および第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第２の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分を増幅し、それぞれ第１の電圧および第２の電圧として出力する加減算増幅回路と、第１の電圧と前記第２の電圧の除算を第３の電圧として出力する乗除算回路とを有している。
【０１０２】
そのため、参照用素子１１と、検出用素子１との出力を用いて差動検出することができるために大きな出力信号が得られる。また、素子間の抵抗値のばらつきや温度による抵抗値の変化などの影響により抵抗変化率が変化しても、参照用素子１１，２１の実使用の環境下における抵抗変化率を用いて自動的に補正されるため、精度よくかつ瞬時に外部磁界を検出することが可能となる。
【０１０３】
さらに、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を設けることにより、簡単な回路構成で、かつ非同期で動作する磁界検出器を構成することができる。
また、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を、同一基板上に設けられた磁気抵抗素子、バイポーラトランジスタ、抵抗素子などを用いて構成することにより、外部からのノイズや加減算増幅回路、乗除算回路に含まれるトランジスタや抵抗の温度変化などによる影響を抑えることが可能となる。
使用する抵抗器については、温度による抵抗率の変化が小さい材料、例えば金属酸化物薄膜を利用した抵抗器などで構成することが望ましい。
【０１０４】
また、参照用素子１１、２１に、外部磁界を遮蔽するための磁気シールド５を設けることもできる。
磁気シールド５は実施の形態１と同様の材料からなる。
磁気シールド５を設けることにより、参照用素子１１、２１は外部シールド５により外部磁界の影響を受けない。そのため、参照用素子１１の第２の磁性層の磁化方向１２と第１の磁性層の磁化方向１３の方向が平行でかつ、参照用素子２１の第２の磁性層の磁化方向２２と第１の磁性層の磁化方向２３の方向が反平行であれば、参照用素子１１，２１の第２の磁性層の磁化方向１２、１３は任意の向きとすることができる。
【０１０５】
なお、本実施の形態では抵抗電圧変換回路２０１に定電流源を３つ用いているが、１つの電源に検出用素子１と参照用素子１１、２１とを直列に接続してもよい。
また、本実施の形態で示された加減算増幅回路における増幅率は一例であって、異なる増幅率の組み合わせであっても、所望の出力が得られるように構成できることは言うまでもない。
また、本実施例では回路図の理解が容易になるよう、定電圧源２０８、２０９を別の定電圧源として記述しているが、例えばＶｃｃのような外部電圧を抵抗分割して得ても良いことは言うまでも無い。
【０１０６】
実施の形態１２．
実施の形態１２は、実施の形態１１の変形例である。第１の磁性層の磁化方向と第２の磁性層の磁化方向が平行でかつ互いに等しい外部磁界応答特性を持つ２個の参照用素子１１ａ、１１ｂと、第１の磁性層の磁化方向と第２の磁性層の磁化方向が反平行であり、参照用素子１１ａと同じ特性を持つ参照用素子２１を備えている。このように３個の参照用素子１１ａ、１１ｂ、２１と検出用素子１とを用いて図２１に示すような回路を構成することによって、磁界検出回路を得ることができる。
【０１０７】
以下、この回路構成について説明する。本実施の形態の磁界検出回路は抵抗電圧変換回路２０１、加減算増幅回路２０２ａ、２０２ｂおよび乗除算回路２０３を有している。
検出用素子１は抵抗２５０およびＯＰアンプ２４０とともに反転増幅回路２３０を形成している。抵抗２５０の一端は定電圧源（図示せず）に接続されている。参照用素子１１ａ、１１ｂ、２１もそれぞれ抵抗２５１、２５２、２５３およびＯＰアンプ２４１、２４２、２４３と反転増幅回路２３１、２３２、２３３を形成している。抵抗２５１、２５２、２５３の一端は抵抗２５０と同様に定電圧源（図示せず）に接続されている。
抵抗電圧変換回路２０１は反転増幅回路２３０、２３１、２３２、２３３からなる。
反転増幅回路２３０、２３１の出力は加減算回路２０２ａに入力される。また、反転増幅回路２３２、２３３の出力は加減算回路２０２ｂに入力される。加減算回路２０２ａ、２０２ｂは例えば図１６に示した差分増幅回路でよい。
加減算回路２０２ａ、２０２ｂではそれぞれ、反転増幅回路２３０、２３１の出力と反転増幅回路２３２、２３３の出力の差分を出力する。
次に、加減算回路２０２ａ、２０２ｂの出力を乗除算回路２０３に入力する。加減算回路２０２ａ、２０２ｂおよび乗除算回路２０３の構成は実施の形態１１と同様であるので説明は省略する。
【０１０８】
この回路構成においては、定電流回路を用いる代わりに、検出用素子１や参照用素子１１、２１を含む反転増幅回路を設け、素子の抵抗変化を定電圧源から供給される定電圧Ｖｃｃに対する増幅率の変化の形で検出し増幅する。より具体的には、検出用素子１を用いた反転増幅回路２３０の出力電圧ＶＨ１は、抵抗２５０の抵抗値をＲ２２とすると
ＶＨ１＝Ｖｃｃ×（Ｒｍ＋ΔＲ／２×Ｈ／｜Ｈｋ｜）／Ｒ２２      （２４）
となる。同様に参照用素子１１ａ、１１ｂを含む反転増幅回路２３１および２３２の出力電圧ＶＨ２およびＶＨ３は、抵抗２５１、２５２の抵抗値をそれぞれＲ２１、Ｒ２３とすると
ＶＨ２＝Ｖｃｃ×（Ｒｍ−ΔＲ／２）／Ｒ２１                （２５）
ＶＨ３＝Ｖｃｃ×（Ｒｍ−ΔＲ／２）／Ｒ２３                （２６）
となる。また、参照用素子２１を含む反転増幅回路２３３の出力電圧ＶＨ４は、抵抗２５３の抵抗値をＲ２４とすると
ＶＨ４＝Ｖｃｃ×（Ｒｍ＋ΔＲ／２）／Ｒ２４                （２７）
となる。
【０１０９】
参照用素子１１ａ、１１ｂ、２１と検出用素子１とは、第２の磁性層と第１の磁性層の磁化方向以外はまったく同様に構成している。また、抵抗２５０、２５１、２５２、２５３は等しい抵抗値を有するようにすれば出力の調整を行う必要がないので望ましい。しかし、異なる抵抗値であっても後段で出力の調整を行えば良い。
【０１１０】
次に、加減算増幅回路２０２ａ、２０２ｂで加減算と増幅を行う。加減算増幅回路２０２ａ、２０２ｂで用いる抵抗は、異なる抵抗値を有していても良いが、４つの抵抗に全て同じ値のものを用いることで増幅率を１とできる。この場合、加減算回路からの出力は、抵抗２５０、２５１、２５２、２５３の抵抗値がＲ２１で等しい場合、出力電圧の差は式（２８）、（２９）に示すようになる。
ＶＨ１−ＶＨ２＝Ｖｃｃ×（１＋Ｈ／｜Ｈｋ｜）×ΔＲ／Ｒ２１／２    （２８）
ＶＨ４−ＶＨ３＝Ｖｃｃ×ΔＲ／Ｒ２１                              （２９）
さらに、乗除算回路２０３における出力は、次式のようになる。
Ｖｏｕｔ＝（ＶＨ１−ＶＨ２）×Ｖａ／（ＶＨ４−ＶＨ３）＝
Ｖａ×（１＋Ｈ／｜Ｈｋ｜）／２                                    （３０）
また、出力調整回路２１０をもうけることで、Ｈ＝−｜Ｈｋ｜からＨ＝＋｜Ｈｋ｜まで変化するときの、Ｖｏｕｔの出力範囲を−Ｖａ／２からＶａ／２とすることができる。
【０１１１】
本実施の形態の磁気測定回路では、第１の参照用磁気抵抗効果素子と同じ外部磁界応答特性を有する第３の参照用磁気抵抗効果素子を有し、第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第２の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第３の磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とを電圧に変換する抵抗電圧変換回路と、抵抗電圧変換回路において第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分および第２の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第３の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗とから変換された電圧の差分を増幅し、それぞれ第１の電圧および第２の電圧として出力する加減算増幅回路と、第１の電圧と前記第２の電圧の除算を出力する乗除算回路とを有している。
【０１１２】
そのため、参照用素子１１と検出用素子１とを用いて差動検出することができるために大きな出力信号が得られる。また、素子間の抵抗値のばらつきや温度による抵抗値の変化などの影響により抵抗変化率が変化しても、参照用素子１１，２１の実使用の環境下における抵抗変化率を用いて自動的に補正されるため、精度よくかつ瞬時に外部磁界を検出することが可能となる。
【０１１３】
さらに、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を設けることにより、簡単な回路構成で、かつ非同期で動作する磁界検出器を構成することができる。
また、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を、同一基板上に設けられた磁気抵抗素子、バイポーラトランジスタ、抵抗素子などを用いて構成することにより、外部からのノイズや加減算増幅回路、乗除算回路に含まれるトランジスタや抵抗の温度変化などによる影響を抑えることが可能となる。抵抗については、温度による抵抗率の変化が小さい材料、例えば金属酸化物薄膜を利用した抵抗器などで構成することが望ましい。
【０１１４】
さらに、定電流源を必要とせず、定電圧源のみで検出が可能となるので、回路を簡略化することができる。
【０１１５】
実施の形態１３．
図２２は、本発明の実施の形態１３における磁界検出器の回路ブロック図である。ここに示す磁界検出器は実施の形態１０の磁界検出器に対して、さらに磁場シールドを設けた校正用磁気抵抗効果素子２１１（以下、校正用素子と表示する。）を含んだ回路構成の例である。回路に含まれる素子１、１１、２１の構造と作製方法については、実施の形態３と同様であるので説明を省略する。
【０１１６】
まず、校正用素子２１１について説明する。校正用素子２１１は、検出用素子１と同じ方法で作製され、検出用素子１と同じ構造を持つ素子に対して、磁気シールド５を設けたものである。磁気シールド５は実施の形態１と同様の材料からなる。このように構成することによって、外部磁場が印加されていないときの素子の抵抗を正確に求めることが可能となる。外部磁場の印加されていない場合の抵抗値を正確に求めることによって、外部磁場をより高精度に測定することが可能となる。以下、この原理について図２３を用いて説明する。
【０１１７】
素子抵抗の外部磁界依存性において、外部磁場が０の場合の抵抗値をＲｍとした場合に、周囲の環境、ノイズ等によりＲ＝Ｒｍを与える外部磁場に微少な変化（ΔＨ）が発生する場合を考える。このとき、外部磁場＝０のときの素子抵抗はＲ＝Ｒｏｆｆｓｅｔ≠Ｒｍとなる。このまま測定を行うと、図２３に記載のとおり、ΔＨで示す量だけ検出される磁場の大きさに誤差が生じる。そこで、外部磁場の印加されていない場合の抵抗値Ｒｏｆｆｓｅｔを求めて補正することで、より正確な外部磁場の検出が可能となる。このとき、参照用素子２１１の第１の磁性層の磁化方向に対して平行、反平行に外部磁場を印加したときの飽和磁場をそれぞれＨｋ＋およびＨｋ−とし、検出用素子１に対して定電流Ｉを流したときの電圧をＶｏｆｆｓｅｔとすると、直線の傾きが等しいことから、次式が得られる。
ΔＨ／（Ｈｋ＋−Ｈｋ−）＝（Ｒｏｆｆｓｅｔ−Ｒｍ）／ΔＲ      （３１）
Ｖｏｆｆｓｅｔ＝ＩＲｏｆｆｓｅｔ                              （３２）
ここで
Ｈｋ＋−Ｈｋ−＝２｜Ｈｋ｜であるため、Ｒｏｆｆｓｅｔ、ΔＲを測定により決定できれば、この式（３１）に従って磁場抵抗特性のシフト量ΔＨを正確に求めることができる。
【０１１８】
次に、本実施の形態の磁界検出器の検出動作について図２２を用いて説明する。図２２に示される磁界検出器は、抵抗電圧変換回路２０１と、加減算増幅回路２０２ｃ、２０２ｄと、乗除算回路２０３ａ、２０３ｂと、加減算増幅回路２０７ｃとから構成される。
抵抗電圧変換回路２０１は、検出用素子１、参照用素子１１、２１、校正用素子２１１にそれぞれ定電流回路２０４を接続することで構成されており、磁界検出時にそれぞれ一定電流Ｉが流される。検出用素子１、参照用素子１１、２１の動作については、実施の形態１１と同様であるので説明を省略する。校正用素子２１１は磁場シールド５に覆われた構造となっているため、その両端に生じる電圧Ｖｏｆｆｓｅｔは外部磁場が０のときの検出用素子１の電圧Ｖに等しい。
【０１１９】
次に、加減算増幅回路２０２ｃは、検出用素子１と参照用素子１１の出力の差分を増幅する差分増幅回路２０７ａと、参照用素子１１、２１との差を計算する減算回路２０６とから構成される。差分増幅回路２０７ａと減算回路２０６の詳細な動作は実施の形態１１と同様であるので説明を省略する。差分増幅回路２０７ａおよび減算回路２０６と接続された乗除算回路２０３ａは実施の形態１１と同様の構成であり、その出力は、実施の形態１１における式（２３）と同様の考察から次のとおりである。
Ｖｏｕｔ１＝（Ｖ−Ｖ１）×Ｖａ／Ｖ−＝Ｖａ×｛１＋２Ｈ／（Ｈｋ＋−Ｈｋ−）｝／２  （３３）
【０１２０】
次に、加減算増幅回路２０２ｄは、参照用素子１１、２１の出力の和Ｖ＋を出力する加算回路２０５と、加算回路２０５の出力とＶｏｆｆｓｅｔの２倍の差分を増幅する差分増幅回路２０７ｂとからなる。加算回路２０５は、例えば図２４のような回路で構成できる。図２４に示す回路はＯＰアンプ２４５と抵抗２４５とからなる回路で構成される。ここで図面の同一記号は同様のＯＰアンプと抵抗である。
このときＶ＋について次式が成り立つ。
Ｖ＋＝Ｖ１＋Ｖ２＝２×Ｉ×Ｒｍ        （３４）
差分増幅回路２０７ｂは、磁場シールドを設けた校正用素子２１１からの入力を２倍に増幅し、加算回路２０５からの入力との差分を出力する。
出力する電圧は式（３２）および（３４）より式（３５）となる。
（２×Ｖｏｆｆｓｅｔ−Ｖ＋）＝２×Ｉ×Ｒｏｆｆｓｅｔ−２×Ｉ×Ｒｍ    （３５）
【０１２１】
定電圧源２０８の出力をＶａ／２とすると、加減算増幅回路２０２ｄと減算回路２０６とに接続され、加減算増幅回路２０２ｄの出力を減算回路２０６で除した値を出力する乗除算回路２０３ｂの出力は、式（２１）、（３１）、（３５）から次式のとおりである。
Ｖｏｕｔ２＝Ｖａ×ΔＨ／（Ｈｋ＋−Ｈｋ−）                        （３６）
【０１２２】
乗除算回路２０３ａと乗除算回路２０３ｂの出力の差分を出力する加減算増幅回路２０７ｃの出力Ｖｏｕｔは式（３３）、（３６）から次のようになる。
Ｖｏｕｔ＝Ｖａ×｛１／２＋（Ｈ−ΔＨ）／（Ｈｋ＋−Ｈｋ−）｝        （３７）
さらに、出力調整回路２１０を用いてＶａ／２を減算すると、
Ｖｏｕｔ＝Ｖａ×｛（Ｈ−ΔＨ）／（Ｈｋ＋−Ｈｋ−）｝        （３８）
となる。つまり、Ｒ＝Ｒｍを与える外部磁場に微少な変化（ΔＨ）の誤差をこの磁界検出器は排除することが出来る。
また例えば、Ｖａ＝２Ｖと設定すると、Ｈｋ＋とＨｋ−の間で電圧出力が１Ｖから−１Ｖが得られるようにできる。
【０１２３】
本実施の形態の磁気測定器では、磁界検出用磁気抵抗効果素子と同じ外部磁界応答特性を持ち、磁気シールドを施された校正用磁気抵抗効果素子を有し、第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と第２の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗と磁界検出用磁気抵抗効果素子の抵抗と校正用磁気抵抗効果素子の抵抗とを電圧に変換する抵抗電圧変換回路と、抵抗電圧変換回路において第１の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗から変換された電圧と第２の参照用磁気抵抗効果素子の抵抗から変換された電圧との和と、校正用磁気抵抗効果素子の抵抗から変換された電圧の２倍の電圧との差分を第４の電圧として出力する第２の加減算増幅回路と、第２の電圧と前記第４の電圧の差分を第５の電圧として出力する第２の乗除算回路と第３の電圧と前記第５の電圧の差分を出力する減算回路とを有している。
【０１２４】
そのため磁場シールドを設けた校正用素子２１１と、検出用素子１の出力との差動検出を用いることができるために大きな出力信号が得られる。また、素子間の抵抗値のばらつきや温度による抵抗値の変化などの影響により抵抗変化率が変化しても、磁場シールドを設けた校正用素子２１１の実使用の環境下における抵抗変化率を用いて自動的に補正されるため、精度よくかつ瞬時に外部磁界を検出することが可能となる。
さらに、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を設けることにより、簡単な回路構成で、かつ非同期で動作する磁界検出器を構成することができる。
【０１２５】
さらに、抵抗電圧変換回路、加減算増幅回路、乗除算回路を、同一基板上に設けられた磁気抵抗素子、バイポーラトランジスタ、抵抗素子などを用いて構成することにより、外部からのノイズや加減算増幅回路、乗除算回路に含まれるトランジスタや抵抗の温度変化などによる影響を抑えることが可能となる。抵抗については、温度による抵抗率の変化が小さい材料、例えば金属酸化物薄膜を利用した抵抗器などで構成することが望ましい。
さらに、磁場シールドを設けた校正用素子２１１を設けることにより、外部磁場の印加されていない場合の抵抗値Ｒｏｆｆｓｅｔを求めて参照値として用いることで、より精確に外部磁場の測定が可能となる。
【０１２６】
また、参照用素子１１、２１にも、外部磁界を遮蔽するための磁気シールド５を設けることもできる。
磁気シールド５は実施の形態１と同様の材料からなる。
磁気シールド５を設けることにより、参照用素子１１、２１は外部シールド５により外部磁界の影響を受けない。そのため、参照用素子１１の第２の磁性層の磁化方向１２と第１の磁性層の磁化方向１３の方向が平行でかつ、参照用素子２１の第２の磁性層の磁化方向２２と第１の磁性層の磁化方向２３の方向が反平行であれば、参照用素子１１，２１の第２の磁性層の磁化方向１２、１３は任意の向きとすることができる。
【０１２７】
上記においては磁界検出器およびこれを用いた電流検出装置、位置検出装置および回転検出器について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、磁界を発するか若しくは磁界の変化を伴い移動する物体の位置及び移動量検出器、磁気記憶装置、磁気記録ヘッド、磁気記録媒体などのパターン化された磁気素子、および電力検出器などの被測定物が磁界の変化を伴う検出器であれば類似する他の装置に広く適用することができる。
【０１２８】
また、上記においては３個もしくは４個のトンネル磁気抵抗効果素子からなる磁界検出器について説明したが、検出器にはそれ以外の数のトンネル磁気抵抗効果素子が含まれていてもよい。さらにこれらの素子が例えばブリッジ回路を形成していてもよい。また磁気抵抗効果素子にトンネル磁気抵抗効果素子を用いることが好ましいが、これに限定されるものではなく、巨大磁気抵抗効果素子など、一方の磁化方向が固定された強磁性層を含むその他の磁気抵抗効果素子であってもよい。
【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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