(57)【要約】 【課題】大きな検出信号を得ることのできる磁気センサおよび磁気センサ装置を提供する。【解決手段】本実施形態による磁気センサは、複数の検出素子ユニットであって、各検出素子ユニットは、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する一対の第１および第２磁気抵抗素子を備え、隣接する異なる検出素子ユニット間の間隔が各検出素子ユニットにおける第１および第２磁気抵抗素子間の間隔よりも小さくなるように配置された複数の検出素子ユニットと、各検出素子ユニットにおいて、前記第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子の検出信号の差分を得る信号処理回路と、を備えている。【選択図】図１
2017166921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の検出素子ユニットであって、各検出素子ユニットは、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する一対の第１および第２磁気抵抗素子を備え、隣接する異なる検出素子ユニット間の間隔が各検出素子ユニットにおける第１および第２磁気抵抗素子間の間隔よりも小さくなるように配置された複数の検出素子ユニットと、
各検出素子ユニットにおいて、前記第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子の検出信号の差分を得る信号処理回路と、
を備えた磁気センサ。
【請求項２】
複数の検出素子ユニットであって、各検出素子ユニットは、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する一対の第１および第２磁気抵抗素子を備え、前記第１および第２磁気抵抗素子はそれぞれ、磁化方向が固定されたピン層と、磁化方向が可変のフリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に配置された非磁性中間層と、を有し、前記第１および第２磁気抵抗層のピン層は磁化方向が互いに反平行であり、隣接する異なる検出素子ユニット間の間隔が各検出素子ユニットにおける第１および第２磁気抵抗素子間の間隔よりも小さくなるように配置された複数の検出素子ユニットと、
各検出素子ユニットにおいて、前記第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子の検出信号の和を得る信号処理回路と、
を備えた磁気センサ。
【請求項３】
複数の検出素子ユニットであって、各検出素子ユニットは、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する一対の第１および第２磁気抵抗素子と、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する一対の第３および第４磁気抵抗素子と、を備え、前記第１磁気抵抗素子と前記第２磁気抵抗素子との間の第１間隔および前記第３磁気抵抗素子と前記第４磁気抵抗素子との間の第２間隔が、前記第１磁気抵抗素子と前記第３磁気抵抗素子との間の第３間隔および前記第２磁気抵抗素子と前記第４磁気抵抗素子との間の第４間隔よりも広くなるように前記第１乃至第４磁気抵抗素子を配列して、前記第１乃至第４磁気抵抗素子のうちの２つの磁気抵抗素子は直列に接続された第１直列回路を構成し、前記第１乃至第４磁気抵抗素子のうちの他の２つの磁気抵抗素子は直列に接続された第２直列回路を構成し、隣接する異なる検出素子ユニット間の間隔が各検出素子ユニットにおける前記第１間隔および前記第２間隔よりも小さくなるように配置された複数の検出素子ユニットと、
前記第１直列回路における前記２つの磁気抵抗素子の接続ノードと、前記第２直列回路における前記他の２つの磁気抵抗素子の接続ノードとの間の電位差を検出する電位検出回路と、
を備えている磁気センサ。
【請求項４】
第１および第２電源端子を有する電源を更に備え、
各検出素子ユニットにおける前記第１乃至第４磁気抵抗素子はそれぞれ、磁化方向が固定されたピン層と、磁化方向が可変のフリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に配置された非磁性中間層と、を有し、
各検出素子ユニットにおいて、前記第１および第２磁気抵抗素子は、ピン層の磁化方向が同方向であり、前記第３および第４磁気抵抗素子のピン層の磁化方向は、前記第１および第２磁気抵抗素子のピン層の磁化方向と逆であり、
前記第１直列回路は、前記第１磁気抵抗素子の一方の端子と第２磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第２直列回路は、前記第３磁気抵抗素子の一方の端子と第４磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第１および第３磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第１電源端子が接続され、前記第２および第４磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第２電源端子が接続された、請求項３記載の磁気センサ。
【請求項５】
第１および第２電源端子を有する電源を更に備え、
各検出素子ユニットにおける前記第１乃至第４磁気抵抗素子はそれぞれ、磁化方向が固定されたピン層と、磁化方向が可変のフリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に配置された非磁性中間層と、を有し、
各検出素子ユニットにおいて、前記第１および第２磁気抵抗素子は、ピン層の磁化方向が同方向であり、前記第３および第４磁気抵抗素子のピン層の磁化方向は、前記第１および第２磁気抵抗素子のピン層の磁化方向と逆であり、
前記第１直列回路は、前記第１磁気抵抗素子の一方の端子と前記第３磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第２直列回路は、前記第２磁気抵抗素子の一方の端子と第４磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第１および第２磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第１電源端子が接続され、前記第３および第４磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第２電源端子が接続された、請求項３記載の磁気センサ。
【請求項６】
第１および第２電源端子を有する電源を更に備え、
各検出素子ユニットにおける前記第１乃至第４磁気抵抗素子はそれぞれ、磁化方向が固定されたピン層と、磁化方向が可変のフリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に配置された非磁性中間層と、を有し、
各検出素子ユニットにおいて、前記第１乃至第４磁気抵抗素子は、ピン層の磁化方向が互いに同方向であり、
前記第１直列回路は、前記第１磁気抵抗素子の一方の端子と前記第２磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第２直列回路は、前記第３磁気抵抗素子の一方の端子と前記第４磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第１および第３磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第１電源端子が接続され、前記第２および第４磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第２電源端子が接続された、請求項３記載の磁気センサ。
【請求項７】
第１および第２電源端子を有する電源を更に備え、
各検出素子ユニットにおける前記第１乃至第４磁気抵抗素子はそれぞれ、磁化方向が固定されたピン層と、磁化方向が可変のフリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に配置された非磁性中間層と、を有し、
各検出素子ユニットにおいて、前記第１乃至第４磁気抵抗素子は、ピン層の磁化方向が互いに同方向であり、
前記第１直列回路は、前記第１磁気抵抗素子の一方の端子と前記第4磁気抵抗素子の一方の端子を接続した回路であり、
前記第２直列回路は、前記第２磁気抵抗素子の一方の端子と前記第３磁気抵抗素子の一方の端子を接続し回路であり、
前記第１および第２磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第１電源端子が接続され、前記第３および第４磁気抵抗素子のそれぞれの他方の端子に前記第２電源端子が接続された、請求項３記載の磁気センサ。
【請求項８】
磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する第１乃至第４磁気抵抗素子を備えた素子検出ユニットであって、前記第１磁気抵抗素子と前記第２磁気抵抗素子の配列方向と、前記第１および第３磁気抵抗素子の配列方向がほぼ直交し、前記第４磁気抵抗素子と前記第２磁気抵抗素子の配列方向と、前記第４磁気抵抗効果素子と前記第３磁気抵抗素子の配列方向がほぼ直交し、
前記第１乃至第４磁気抵抗素子のそれぞれの出力端子からの信号を受ける複数の入力端子を有し、前記信号を処理する信号処理回路と、
前記第２および第３磁気抵抗素子のそれぞれの出力端子と、前記信号処理回路の入力端子との接続を切り替えるスイッチ回路と、
を備えている磁気センサ。
【請求項９】
前記複数の検出素子ユニットのうちの１つの検出素子ユニットにおける前記第１および第２磁気抵抗素子の配列方向とは概ね直交す方向に配列された２つの磁気抵抗素子を有する他の検出素子ユニットを更に備えた、請求項１または２記載の磁気センサ。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気センサと、
前記磁気センサからの信号を処理する処理回路と、前記処理回路によって処理された信号を画像化する画像化回路と、
を備えた磁気センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気センサおよび磁気センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体から発生する磁界を計測する装置として、ＳＱＵＩＤ(Superconducting Quantum Interference Device：超伝導量子干渉素子）を有する磁気センサを用いた生体磁気計測装置が提案されている。この生体磁気計測装置においては、多数のＳＱＵＩＤを有する磁気センサを配列させて生体磁気の計測に用いることで、脳磁図、心磁図等の２次元生体磁気情報を得ることができる。
【０００３】
ＳＱＵＩＤを有する磁気センサは、微弱な磁界の検出が可能であるが、外乱磁界のノイズにより微弱な磁界の検出感度が制限される。外乱磁界の影響を低減するために、差動原理によるグラジオメータが用いられている。生体からの信号磁界は外乱磁界に比べて勾配を有するので、距離を離して設置した２つの検出部コイル出力の差分を取り出すことにより、外乱磁界が相殺され、信号磁界は勾配による差分が残るので、磁界の検出感度が向上する。
【０００４】
しかし、ＳＱＵＩＤを用いた通常使用される同軸グラジオメータでは、生体近傍部と生体面から垂直方向に離れた位置に検出コイルをそれぞれが有する２組のセンサを配置しているので、差分検出のため信号磁界の強度もある程度減衰することが避けられない。生体面に配置した２組の検出コイルを用いた平面型グラジオメータでは、生体面に垂直方向の成分磁界Ｈｚが、生体電流源の両側でその符号が反転する。したがって、生体電流源の両サイドに２つの検出コイルを適切な位置に配置すると、差分検出により逆にコイルの検出信号が増大する。
【０００５】
しかし、ＳＱＵＩＤでは検出コイルの直径がほぼ２０ｍｍと大きく、また生体面から検出コイルが３ｃｍ程度後退するので、大きな正負の磁界発生箇所に適切に検出コイルを配置することが困難であり、実際には同軸グラジオメータと大きな差はない。
【０００６】
一方、磁気抵抗効果型センサでは、素子サイズが数ｍｍ以下と小さく、概ね生体面にセンサ素子を配置できる。しかし、大きな正負の信号磁界を適切な位置に配置して、大きな検出信号を得ることのできる面内グラジオメータは知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−２１９０６１号公報
【特許文献２】特開２００８−２７６１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本実施形態は、大きな検出信号を得ることのできる磁気センサおよび磁気センサ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態による磁気センサは、複数の検出素子ユニットであって、各検出素子ユニットは、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する一対の第１および第２磁気抵抗素子を備え、隣接する異なる検出素子ユニット間の間隔が各検出素子ユニットにおける第１および第２磁気抵抗素子間の間隔よりも小さくなるように配置された複数の検出素子ユニットと、各検出素子ユニットにおいて、前記第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子の検出信号の差分を得る信号処理回路と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態による磁気センサを示す斜視図。
【図２】ＧＭＲ素子を示す平面図。
【図３】図２に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図。
【図４】磁気抵抗膜の断面図。
【図５】図５（ａ）乃至５（ｃ）は、生体磁界と磁気センサとの位置との関係を説明する図。
【図６】図６（ａ）および６（ｂ）は、磁界源の位置変動と、ＭＲ素子の検出磁界の関係を説明する図。
【図７】差動信号を得る信号処理回路を示す回路図。
【図８】図８（ａ）および８（ｂ）は、磁気的差動を説明する図。
【図９】図９（ａ）および９（ｂ）は、磁気的差動を説明する図。
【図１０】図１０は、第２実施形態の磁気センサを説明する図。
【図１１】図１１（ａ）および１１（ｂ）は、第２実施形態の磁気センサに用いられるブリッジ回路の第１具体例を示す回路図。
【図１２】図１２（ａ）および１２（ｂ）は、第２実施形態の磁気センサに用いられるブリッジ回路の第２具体例を示す回路図。
【図１３】図１３（ａ）および１３（ｂ）は、第２実施形態の磁気センサに用いられるブリッジ回路の第３具体例を示す回路図。
【図１４】図１４（ａ）および１４（ｂ）は、第２実施形態の磁気センサに用いられるブリッジ回路の第４具体例を示す回路図。
【図１５】図１５は、第３実施形態による磁気センサを説明する図。
【図１６】第３実施形態の磁気センサにおける結線の第１具体例を示す図。
【図１７】第３実施形態の磁気センサにおける結線の第２具体例を示す図。
【図１８】第３実施形態の変形例による磁気センサを説明する図。
【図１９】第４実施形態による磁気センサを説明する図。
【図２０】第５実施形態による磁気センサ装置を示す図。
【図２１】第５実施形態の第１変形例による磁気センサ装置を示す図。
【図２２】第５実施形態の第２変形例による磁気センサ装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に図面を参照して実施形態について説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
第１実施形態による磁気センサ１を図１に示す。この磁気センサ１００は、複数の検出素子ユニット１２０１、１２０２、１２０３、１２０４を有している。また、磁気センサ１００は、生体に接するかまたは対向するセンサ端面を有し、各検出素子ユニット１２０ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、上記センサ端面（ｘ−ｙ面）に配置された対となる磁気抵抗素子（以下、ＭＲ素子とも云う）１Ａｉ、１Ｂｉを備えている。対となるＭＲ素子１Ａｉ（ｉ＝１，２，３，４）、１Ｂｉによって生体からの信号磁界が差動検出される。また、本実施形態においては、各検出素子ユニット１２０ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、この検出素子ユニット１２０ｉにおける対となるＭＲ素子１Ａｉ、１Ｂｉ間の距離（間隔）ＤＡＢよりも、この検出素子ユニット１２０ｉに隣接する他の検出素子ユニットとの間の距離（間隔）ＤＵＵが小さくなるように、配置される。すなわち、隣接する異なる検出素子ユニット間の距離ＤＵＵが任意の検出素子ユニットにおけるＭＲ素子間の距離ＤＡＢよりも小さくなるように、検出素子ユニットおよびＭＲ素子が配置される。なお、ここで、対となるＭＲ素子１Ａｉ、１Ｂｉ間の距離ＤＡＢは、ＭＲ素子１Ａｉ（ｉ＝１，２，３，４）の中心と、ＭＲ素子１Ｂｉの中心との間の距離を意味する。また、隣接する異なる検出素子ユニット間の距離ＤＵＵは、隣接する検出素子ユニットの中心間の距離を意味する。なお、ＭＲ素子１Ａｉ（ｉ＝１，２，３，４）は２つの端子を有している、例えば、ＭＲ素子１Ａ１は、端子ＴＡ１１，ＴＡ１２を有し、ＭＲ素子１Ｂ１は端子ＴＢ１１，ＴＢ１２を有している。
【００１３】
ＭＲ素子１Ａｉ（ｉ＝１，２，３，４）、１Ｂｉとしてはそれぞれ、異方性磁気抵抗効果、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）などの磁気抵抗効果素子が用いられる。ＭＲ素子の構成についてＧＭＲ素子を例にとって図２乃至図４を参照して説明する。図２はＧＭＲ素子１の平面図（ｚ−ｙ平面図）、図３は図２に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図、図４はＧＭＲ素子１に含まれる磁気抵抗膜１０の断面図である。
【００１４】
ＭＲ素子１は、磁気抵抗膜１０と、磁界収束部２１、２２とを備えている。磁気抵抗膜１０は、図示しない基板上に、下地層１１、反強磁性層１２、磁化固定層１３、中間層１４、第１磁界検出層１５１、第２磁界検出層１５２、およびキャップ層１６が順次形成された積層構造を有している（図４）。下地層１１は、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、またはＣｕから形成される。反強磁性層１２は、例えばＩｒＭｎから形成され、磁化固定層１３の磁化を固定する。磁化固定層１３は、例えばＣｏＦｅから形成される。中間層１４は、非磁性金属、例えばＣｕから形成される。第１および第２磁界検出層１５１，１５２の材料については、後述する。キャップ層１６は、例えばＲｕ、Ｔａ、またはＣｕから形成される。
【００１５】
この磁気抵抗膜１０は、中間層が非磁性金属から形成されるので、ＧＭＲ膜とも呼ばれる。磁気抵抗膜１０は、所望の形状にパターニングされる。例えば、センサ動作に適した適度な抵抗、例えば１００Ω〜１０ｋΩを実現するために、通電方向が長手方向（ｘ方向）となる長方形の形状にパターニングされる。例えば、長さが０．０１ｍｍ〜５ｍｍ、幅が１μｍ〜１００μｍの長方形の形状にパターニングされる。図２では、磁気抵抗膜１０は、複数（８個）の長方形の形状に分割された構成を有している。すなわち、図２に示す磁気抵抗膜１０は、８個の磁気抵抗部１０１〜１０８に分割される。なお、磁気抵抗膜１０は１つの磁気抵抗部であってもよい。なお、図２に示す磁気抵抗膜１０は１つの磁気抵抗部を示している。
【００１６】
これらの８個の磁気抵抗部１０１〜１０８は、直列接続されるように９個の電極３１〜３９が設けられる。電極３１は、磁気抵抗部１０１の右端部近傍に設けられ、電極３２ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、磁気抵抗部１０２ｉ−１と磁気抵抗部１０２ｉの左端部近傍を接続する。電極３２ｉ＋１（ｉ＝１，２，３）は、磁気抵抗部１０２ｉと磁気抵抗部１０２ｉ−１の右端部近傍を接続する。電極３９は磁気抵抗部１０８の右端部近傍に接続される。すなわち、各磁気抵抗部１０ｉ（ｉ＝１，・・・，９）は、一対の電極に接続されている。また、電極３１と電極３９は、磁気抵抗膜１０に電流を流すための電圧を印加する回路４０に接続される。これらの電極３１と電極３９は、図１に示す端子、例えばＴＡ１１、ＴＡ１２にそれぞれ接続される。この回路４０によって、各磁気抵抗部１０ｉ（ｉ＝１，・・・，９）の一対の電極間に電流が流れる、この一対の電極間の領域が磁界検出領域となる。第１および第２磁界検出層１５１、１５２の長手方向のエッジ部に発生する磁区に起因するノイズの影響を低減するために、厳密に各磁気抵抗部１０ｉ（ｉ＝１，・・・，８）のエッジ部でなく、磁気抵抗部のエッジからある程度離れた箇所に電極３１〜３９を設けても良い。
【００１７】
生体磁気は数ｍｍ程度の均一磁界領域を有するので、信号磁束を第１および第２磁界検出層１５１、１５２に集める、高透磁率の軟磁性体からなる一対の磁界収束部２１、２２が磁気抵抗膜１０の幅方向（ｚ方向）の端部に設けられる。この磁界収束部２１，２２は、ＭＦＣ(Magnetic flux concentrator)２１，２２とも呼ばれる。このＭＦＣ２１，２２はそれぞれ、例えばＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＭｏＣｕ、またはＣｏ系アモルファス合金が用いられる。ＭＦＣ２１，２２の厚さ（ｚ方向の長さ）はそれぞれ、第１および第２磁界検出層１５１、１５２の厚さよりも十分に厚くし（例えば、数μｍ厚以上）、更に第１および第２磁界検出層１５１、１５２の接合部近傍では、ＭＦＣ２１、２２の厚さが徐々に薄くなるようなテーパ形状を有することが好ましい。このようなテーパ形状とすることにより、信号磁束の収束効率アップおよび感度の増大を得ることができる。
【００１８】
第１磁界検出層１５１は、ＧＭＲの発現に適したＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの群から少なくとも２種の元素を含む合金、例えば、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、またはＣｏＦｅＮｉなどの結晶性の磁性合金が用いられる。
【００１９】
このようなＭＲ素子１Ａｉ（ｉ＝１，２，３，４）とＭＲ素子１Ｂｉとの間隔は、ＭＲ素子１ＡｉとＭＲ素子１Ｂｉの検出磁界が正の大きな値と、負の大きな値を示す箇所に配置することにより、ＭＲ素子１ＡｉとＭＲ素子１Ｂｉとの差分検出信号を増大することができる。
【００２０】
図５（ａ）に、脳磁生体信号の解析で利用されているＳａｒＶａｓモデルにより計算し、生体磁界Ｈｚ（生体面直成分）とｘ方向の位置との関係を調べた一例を示す。この計算では、２０ｎＡ・ｍの強さの生体磁界源がｙ方向に流れる電流１８０によって生成され、この生体磁界源が、生体表面から２０ｍｍの直下でかつ原点すなわちｘ＝０，ｙ＝０に存在して、ＭＲ素子１Ａは概ね生体表面に近接していると仮定した（図５（ｂ）、５（ｃ））。生体面に近接した場合の、生体磁界源とＭＲ素子との距離は２０ｍｍとした。生体磁界は、＋ｘ方向では負磁界、−ｘ方向では正磁界となるように分布する。対となるＭＲ素子１ＡとＭＲ素子１Ｂとの間隔は、概ね図５（ａ）中で矢印に示したように、ｘ軸方向において、−１０ｍｍ〜−２５ｍｍの範囲と１０ｍｍ〜２５ｍｍの範囲にＭＲ素子１ＡとＭＲ素子１Ｂとを設置すると、１５００ｆＴの大きな磁界が得られることが判る。図５（ａ）中の左右の矢印の範囲で検出信号の符号が逆となるので、差分信号は２倍に増大する。差分検出方法では、同方向の外乱磁界は相殺されるので、大きなＳＮ比を実現することができる。
【００２１】
サイズが小さなＭＲ素子を用いた磁気センサでは、ＳＱＵＩＤでは実現できないような１０ｍｍ以下の間隔でＭＲ素子を配置することが可能である。しかし、本発明者達は、差動検出方法を用いて大きな信号磁界を得るためには、対となるＭＲ素子１ＡとＭＲ素子１Ｂとの間隔を２０ｎｍ〜５０ｍｍと比較的大きな値であることが望ましいことを見出した。また、２０ｍｍ〜５０ｍｍ程度の間隔で検出素子ユニットを配置すると、以下の問題があることが判明した。これについて図６（ａ）、６（ｂ）を参照して説明する。
【００２２】
図６（ａ）、６（ｂ）に磁界源の位置変動ｐと、ＭＲ素子１Ａ、１Ｂの検出磁界の関係を調べた結果を示す。ここで、ＭＲ素子１ＡとＭＲ素子１Ｂとの間の距離ＤＡＢは図６（ｂ）に示すように、２０ｍｍであるとしている。磁界源の位置変動ｐは、図６（ｂ）に示すように、原点（ｘ＝０，ｙ＝０）から４５度の角度で変動した場合について示す。図６（ａ）から、位置変動ｐがほぼ７．５ｍｍにて検出磁界は半減することが分かる。すなわち、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂの間隔程度で検出素子ユニットを配置すると、磁界源からの磁界が測定できない場所が多発し、磁界源の生体表面での分布同定が困難になる。この課題を解決するには、ＭＲ素子１ＡとＭＲ素子１Ｂの間隔ＤＡＢよりも、近接して密に複数の検出素子ユニットを配置することが必要であると、本発明者達は見出した。検出素子ユニットを密に配置した場合、その密度よりも広い間隔のＭＲ素子対を選んで差動信号を検出することにより、ＳＮ比に優れたグラジオメータが可能となる。ＳＮ比の向上により、より小さな生体磁場の測定が可能となる。
【００２３】
対となるＭＲ素子１Ａ，１Ｂから差動信号を得るための第１例を図７に示す。この第１例は信号処理回路７０を有し、ＭＲ素子１Ａの端子ＴＡ１，ＴＡ２、ＭＲ素子１Ｂの端子ＴＢ１，ＴＢ２は、信号処理回路７０に接続される。信号処理回路７０は、オペアンプ７１と、このオペアンプ７１に並列に接続された帰還抵抗７２と、オペアンプ７３と、このオペアンプ７３に並列に接続された帰還抵抗７４と、オペアンプ７５と、を備えている。ＭＲ素子１Ａの端子ＴＡ１、ＴＡ２から得られた検出信号をオペアンプ７１で電圧に変換するとともに、ＭＲ素子１Ｂの端子ＴＢ１、ＴＢ２から得られた検出信号をオペアンプ７３で電圧に変換する。これらのオペアンプ７１、７３の出力をオペアンプ７５によって差動増幅し、検出素子ユニットの出力端であるオペアンプ７５の出力端から、差動電圧を得る。これによって、地磁気などの遠方からの環境磁界外乱磁界ノイズは同相の電圧変化となるので、打ち消されて検出素子ユニットの出力に表れない。これに対して、信号磁界は２つＭＲ素子１Ａ、１Ｂの逆符号の磁界なので、両ＭＲ素子の出力の差動を取ることで、出力信号に増大することができる。こうして、信号処理回路７０は、外乱磁界をキャンセルした高いＳＮ比を有する信号電圧を得ることができる。
【００２４】
対となるＭＲ素子１Ａ，１Ｂから差動信号を得るための別の例を図８（ａ）乃至図９（ｂ）を参照して説明する。ＭＲ素子１Ａ、１Ｂはそれぞれスピンバブル構造の磁気抵抗効果素子である。ＭＲ素子１Ａは、磁化方向が固定されたピン層２Ａと、磁化方向が可変のフリー層６Ａと、ピン層２Ａとフリー層６Ａとの間に配置された中間層４Ａと、を有している（図８（ａ））。ＭＲ素子１Ｂは、磁化方向が固定されたピン層２Ｂと、磁化方向が可変のフリー層６Ｂと、ピン層２Ｂとフリー層６Ｂとの間に配置された中間層４Ｂと、を有している。ここで、中間層４Ａ、４Ｂは、ＭＲ素子１Ａ、１ＢがＧＭＲ素子であれば非磁性金属層であり、ＭＲ素子１Ａ、１ＢがＴＭＲ素子であれば非磁性絶縁層である。
【００２５】
この図８（ａ）乃至図９（ｂ）では垂直通電タイプのＭＲ素子を示したが、図２乃至図４に示す面内通電型のＧＭＲ素子を用いてもよい。ここで、ＭＲ素子１Ａのピン層２Ａの磁化方向と、ＭＲ素子１Ｂのピン層２Ｂの磁化方向は逆向きとする。すると、ＭＲ素子１ＡとＭＲ素子１Ｂでは磁界に対する電圧変化（抵抗変化）が逆となる。すなわち、ＭＲ素子１Ａでは正磁界でフリー層６Ａがピン層２Ａの磁化方向とは逆向きとなるので抵抗が増大し、出力電圧が増大する。一方、ＭＲ素子１Ｂでは正磁界でフリー層６Ｂはピン層２Ｂの磁化方向と同方向になるので、抵抗が減少し、出力電圧が減少する。その結果、ＭＲ素子１ＡとＭＲ素子１Ｂの出力電圧を加算すると、外乱磁界の同方向磁界は相殺され、ＭＲ素子１ＡとＭＲ素子１Ｂに加わる正負の信号磁界は逆に増大する。
【００２６】
以上説明したように、第１実施形態の磁気センサによれば、大きな検出信号を得ることができる。
【００２７】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態による磁気センサについて図１０乃至図１４（ｂ）を参照して説明する。この第２実施形態の磁気センサは、第１実施形態で説明したＭＲ素子を用いて構成したブリッジ回路を備えている。このブリッジ回路の構成の一例を図１０に示す。
【００２８】
図１０に示すように、２つのＭＲ素子１Ａｘ，１Ａｙを１つの基板上に形成、２つのＭＲ素子１Ｂｘ，１Ｂｙを１つの基板上に形成る。これら４つのＭＲ素子１Ａｘ，１Ａｙ、１Ｂｘ，１Ｂｙを用いてブリッジ回路を構成する。これら４つのＭＲ素子にはそれぞれ、図８（ａ）、９（ａ）に示すように、ピン層、中間層、およびフリー層を備えたスピンバブル構成の磁気抵抗効果素子が用いられる。
【００２９】
図１０では、２つの基板上においてそれぞれ２つのＭＲ素子を形成したが、４つの異なる基板上でそれぞれＭＲ素子を形成し、貼り合わせても良い。ＭＲ素子１Ａｘ，１Ａｙには同じ信号磁界が、ＭＲ素子１Ｂｘ，１ＢｙにはＭＲ素子１Ａｘ，１Ａｙと方向が逆の信号磁界が加わるように各素子を配置することにより本実施形態の効果が得られる。このため、ＭＲ素子１ＡｘとＭＲ素子１Ａｙの間隔Ｄｘｙ、ＭＲ素子１ＢｘとＭＲ素子１Ｂｙの間隔Ｄｘｙは出来る限り近接して配置することが望ましい。その結果、間隔Ｄｘｙは、ＭＲ素子１ＡとＭＲ素子１Ｂの間隔ＤＡＢよりも十分に小さな間隔とする。図示していないが、この４つの磁気抵抗効果素子からなる素子ユニットに隣接して、他の同様な構成の検出素子ユニットを複数設けてもよい。この場合、図１と同様に、隣接する検出素子ユニットの間隔は、Ｄｘｙよりも狭めた配置とする。  
【００３０】
（ブリッジ回路の第１具体例）
図１１（ａ）、１１（ｂ）にブリッジ回路の一具体例を示す。なお、図１１（ａ），１１（ｂ）において、ＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙ、１Ｂｘ、１Ｂｙにおける矢印は各ＭＲ素子のピン層の磁化方向を示している。図１１（ａ），１１（ｂ）に示すように、ＭＲ素子１ＡｘとＭＲ素子１Ａｙはピン層の磁化が互いに反対方向に固着される。ＭＲ素子１Ｂｘ，ＭＲ素子１Ｂｙもピン層の磁化が互いに反対方向に固着される。ＭＲ素子１ＡｘとＭＲ素子１Ｂｘはピン層の磁化が同じ方向に固着され、かつＭＲ素子１ＡｘとＭＲ素子１Ｂｘは直列に接続されて第１電流ラインを形成する。電源の一方の端子には、ＭＲ素子１ＡｘとＭＲ素子１Ａｙを接続する。他方の端子には、ＭＲ素子１ＢｘとＭＲ素子１Ｂｙを接続する。以降の説明では、ＭＲ素子１ＡｘとＭＲ素子１Ａｙが高電位電源端子に、ＭＲ素子１ＢｘとＭＲ素子１Ｂｙが低電位電源端子に接続した場合について説明するが、電源端子との接続を逆にしても同じ効果を得ることができる。ＭＲ素子１ＡｙとＭＲ素子１Ｂｙはピン層の磁化が同じ方向に固着され、ＭＲ素子１ＡｙとＭＲ素子１Ｂｙは直列に接続されて第２電流ラインを形成する。図１１（ａ）に示すように、正の信号磁界Ｈ＋の方向に対して、ＭＲ素子１ＡｘとＭＲ素子１Ｂｘのピン層の磁化方向が平行になるように配置され、ＭＲ素子１ＡｙとＭＲ素子１Ｂｙのピン層の磁化方向が反平行（逆向き）になるように配置される。
【００３１】
このように構成された第１具体例のブリッジ回路において、電源４５から第１電流ラインと第２電流ラインに並列に通電する。ＭＲ素子１ＡｘとＭＲ素子１Ｂｘの接続ノードと、ＭＲ素子１ＡｙとＭＲ素子１Ｂｙの接続ノードとの電位差を電圧計４７で検出して出力を得る。
【００３２】
同方向の外乱磁界ＤＨに対しては、それぞれ、第１電流ラインにおいては、ＭＲ素子１ＡｘおよびＭＲ素子１Ｂｘは同じ低抵抗状態に、すなわち外乱磁界ＤＨの方向に向くフリー層の磁化がピン層の磁化に対して互いに平行な配列にシフトする。一方、第２電流ラインにおいては、ＭＲ素子１ＡｙおよびＭＲ素子１Ｂｙは同じ高抵抗状態に、すなわち外乱磁界ＤＨの方向に向くフリー層の磁化がピン層の磁化に対して反平行な配列にシフトする。これにより、両電流ラインの中間点（接続ノード）では電源４５の電圧の半分の値、すなわち同じ値となるので電位差はゼロとなる。
【００３３】
この第１具体例のブリッジ回路においては、信号磁界に関しては、ＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙには正の信号磁界Ｈ＋、ＭＲ素子１Ｂｘ、１Ｂｙには負の信号磁界Ｈ−が加わるので、第１電流ラインにおいては、高電位側のＭＲ素子１Ａｘは低抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に平行な配列にシフトし、低電位側のＭＲ素子１Ｂｘは高抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に反平行な配列にシフトする。第２電流ラインにおいては、高電位側のＭＲ素子１Ａｙは高抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の直に反平行な配列にシフトし、低電位側のＭＲ素子１Ｂｙは低抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に平行な配列にシフトする。これにより、第１電流ラインの電位と、第２電流ラインの電位は逆方向に動くので、第１電流ラインの中点（ＭＲ素子１ＡｘとＭＲ素子１Ｂｘの接続ノード）と、第２電流ラインの中点（ＭＲ素子１ＡｙとＭＲ素子１Ｂｙの接続ノード）との間に電位差が発生して出力を検知できる。こうして、外乱磁界をキャンセルした高いＳＮ比を有する信号電圧を得ることができる。
【００３４】
（ブリッジ回路の第２具体例）
図１２（ａ）、１２（ｂ）にブリッジ回路の第２具体例を示す。なお、図１２（ａ），１２（ｂ）において、ＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙ、１Ｂｘ、１Ｂｙにおける矢印は各ＭＲ素子のピン層の磁化方向を示している。図１２（ａ）、１２（ｂ）に示すように、４つのＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙ、１Ｂｘ、１Ｂｙのそれぞれのピン層の着磁方向は図１（ａ）と同じである。第１電流ラインを高電位側のＭＲ素子１Ａｘと低電位側のＭＲ素子１Ａｙを直列に接続したラインとし、第２電流ラインを高電位側のＭＲ素子１Ｂｘと低電位側のＭＲ素子１Ｂｙを直列に接続したラインとした。
【００３５】
この第２具体例のブリッジ回路においては、信号磁界に関しては、ＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙには正の信号磁界Ｈ＋が、ＭＲ素子１Ｂｘ、１Ｂｙには負の信号磁界Ｈ−が加わる。このため、第１電流ラインにおいては、高電位側のＭＲ素子１Ａｘは低抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に平行な配列にシフトし、低電位側のＭＲ素子１Ａｙは高抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に反平行な配列にシフトする。第２電流ラインにおいては、高電位側のＭＲ素子１Ｂｘは高抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に反平行な配列にシフトし、低電位側のＭＲ素子１Ｂｙは低抵抗状態、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化に平行な配列にシフトする。これにより、第１電流ラインの電位と、第２電流ラインの電位は逆側に動くので、第１電流ラインの中点（ＭＲ素子１ＡｘとＭＲ素子１Ａｙの接続ノード）と第２電流ラインの中点（ＭＲ素子１ＢｘとＭＲ素子１Ｂｙの接続ノード）との間に電位差が発生して出力を検知できる。同方向の外乱磁界ＤＨについては、第１電流ラインの高電位側のＭＲ素子１Ａｘは低抵抗状態にシフト、低電位側のＭＲ素子１Ａｙは高抵抗状態にシフトし、第２電流ラインにおいても第１電流ラインと同じく高電位側のＭＲ素子１Ｂｘは低抵抗状態にシフトし、低電位側のＭＲ素子１Ｂｙは高抵抗状態にシフトする。その結果、両電流ラインの上記中間点ではともに同じ方向に電位が動くので電位差は発生しない。こうして、外乱磁界をキャンセルした高いＳＮ比を有する信号電圧を得ることができる。
【００３６】
（ブリッジ回路の第３具体例）
図１３（ａ）、１３（ｂ）にブリッジ回路の第３具体例を示す。なお、図１３（ａ），１３（ｂ）において、ＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙ、１Ｂｘ、１Ｂｙにおける矢印は各ＭＲ素子のピン層の磁化方向を示している。この第３具体例のブリッジ回路においては、図１３（ａ）、１３（ｂ）に示すように、ＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙ、１Ｂｘ、１Ｂｙのそれぞれのピン層の磁化は全て方向に着磁される。
【００３７】
第１電流ラインを高電位側のＭＲ素子１Ａｘと低電位側のＭＲ素子１Ｂｘとを直列に接続したラインとし、第２電流ラインを高電位側のＭＲ素子１Ｂｙと低電位側のＭＲ素子１Ａｙとを直列に接続したラインとした。すなわち、第１および第２電流ラインでは、電流の流れる方向が逆である。信号磁界に対しては、ＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙでは正の信号磁界Ｈ＋が、ＭＲ素子１Ｂｘ、１Ｂｙでは負の信号磁界Ｈ−が加わるので、第１電流ラインの高電位側のＭＲ素子１Ａｘでは磁化配列が低抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に平行な状態にシフトし、低電圧側のＭＲ素子１Ｂｘでは磁化配列が高抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化がピン層の磁化方向に反平行な状態にシフトする。第２電流ラインの高電位側のＭＲ素子１Ｂｙでは磁化配列が高抵抗側に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に反平行な状態にシフト、低電圧側のＭＲ素子１Ｂｘでは磁化配列が低抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に平行な状態にシフトする。
【００３８】
以上説明したように、第１電流ラインの電位と、第２電流ラインの電位は逆側に動くので、中点間に電位差が発生して出力を検知できる。同方向の外乱磁界ＤＨについては、４つのＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙ、１Ｂｘ、１Ｂｙは、同じ低抵抗状態にシフトするので、中点間に電位差は発生しない。なお、外乱磁界ＤＨが図１３（ｂ）に示す場合と反対向きのときは、４つのＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙ、１Ｂｘ、１Ｂｙは、高抵抗状態にシフトする。このように構成したことにより、外乱磁界をキャンセルした高いＳＮ比を有する信号電圧を得ることができる。
【００３９】
（ブリッジ回路の第４具体例）
図１４（ａ）、１４（ｂ）に第４具体例のブリッジ回路を示す。なお、図１４（ａ），１４（ｂ）において、ＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙ、１Ｂｘ、１Ｂｙにおける矢印は各ＭＲ素子のピン層の磁化方向を示している。この第４具体例のブリッジ回路においては、ＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙ、１Ｂｘ、１ｂｙのピン層の磁化方向は、全て同じ方向である。第１電流ラインを高電位側のＭＲ素子１Ａｘと低電位側のＭＲ素子１Ｂｙを直列に接続したラインとし、第２電流ラインを高電位側のＭＲ素子１Ｂｘと低電位側のＭＲ素子１Ａｙを直列に接続したラインとした。すなわち、第１および第２電流ラインで電流の流れる方向が逆である。
【００４０】
このように構成されたブリッジ回路においては、信号磁界に対しては、ＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙでは正の信号磁界Ｈ＋が、ＭＲ素子１Ｂｘ、１Ｂｙでは負の信号磁界Ｈ−が加わる。このため、第１電流ラインの高電位側のＭＲ素子１Ａｘは低抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に対して平行な状態にシフトし、低電位側のＭＲ素子１Ｂｙは高抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に対して反平行な状態にシフトする。第２電流ラインの高電位側のＭＲ素子１Ｂｘは高抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に反平行な状態にシフト、低電圧側Ａ１ｙでは低抵抗状態に、すなわちフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に平行な状態にシフトする。すなわち、第１電流ラインの中点電位と、第２電流ラインの中点電位は逆側に動くので、中点間に電位差が発生して出力を検知できる。図１４（ｂ）に示すように、同方向の外乱磁界ＤＨについては、４つのＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙ、１Ｂｘ、１Ｂｙは、全て同じ低抵抗状態にシフトするので、中点間に電位差は発生しない。なお、外乱磁界ＤＨが図１４（ｂ）と反対向きの場合は、４つのＭＲ素子１Ａｘ、１Ａｙ、１Ｂｘ、１Ｂｙは、全て同じ高抵抗状態にシフトする。こうして、外乱磁界をキャンセルした高いＳＮ比を有する信号電圧を得ることができる。
【００４１】
以上説明したように、第２実施形態によれば、大きな検出信号を得ることが可能な磁気センサを提供することができる。
【００４２】
（第３実施形態）
図５では、磁界源の方向（矢印）と直交するｘ方向における磁界を示したが、磁界源の方向が変化してｘ方向の成分が増えると、ｘ方向における磁界の成分は低下する。このため、９０度方向が回転した磁界源による磁界の成分を検出するには、ｙ方向に配列された他の２つのＭＲ素子からの差動検出を行うことが好ましい。これを第３実施形態として説明する。
【００４３】
第３実施形態による磁気センサを図１５乃至図１７を参照して説明する。第３実施形態の磁気センサを図１５に示す。この第３実施形態の磁気センサは、４つのＭＲ素子１Ａ１、１Ｂ１、１Ｃ１、１Ｄ１がそれぞれ第１正方形の頂点に配置された第１検出素子ユニットと、４つのＭＲ素子１Ａ２、１Ｂ２、１Ｃ２、１Ｄ２がそれぞれ第２正方形の頂点に配置された第２検出素子ユニットとを備えている。
【００４４】
第１および第２検出素子ユニットは、最近接の検出素子ユニットの間隔ＤＵＵが、同一の検出素子ユニットにおけるＭＲ素子の間隔ＤＡＢ、すなわち正方形の辺の長さよりも小さくなるように、配置される。１つの検出素子ユニット内の少なくとも２つのＭＲ素子について、複数アンプから１つのアンプを選択することが可能な切り替えスイッチ回路を用いて上記１つのアンプに結線する。この切り替えスイッチによって、ＭＲ素子の出力端子に接続された配線と、アンプの入力端子に接続された配線との接続を切り替える。
【００４５】
例えば、第１具体例のように、１つの検出素子ユニット、例えば第１検出素子ユニットにおいて、ＭＲ素子１Ａ１の２つの端子ＴＡ１１，ＴＡ１２が信号処理回路７０１のオペアンプ７１１の端子に接続され、ＭＲ素子１Ｄ１の端子ＴＤ１１，ＴＤ１２が配線を介して信号処理回路７０２のオペアンプ７３２の端子に接続され、スイッチ回路１５０によってＭＲ素子１Ｂ１とＭＲ素子１Ｃ１の配線の接続を切り替える。
【００４６】
第１の結線状態では、図１６にしたように、ＭＲ素子１Ｂ１の２つの端子ＴＢ１１，ＴＢ１２が信号処理回路７０１のオペアンプ７３１の端子に接続され、ＭＲ素子１Ａ１とＭＲ素子１Ｂ１の差動出力が信号処理回路７０１のオペアンプ７５１から出力される。また、ＭＲ素子１Ｃ１の２つの端子ＴＣ１１，ＴＣ１２が配線を介して信号処理回路７０２のオペアンプ７１２の端子に接続され、ＭＲ素子１Ｃ１とＭＲ素子１Ｄ１の差動出力が信号処理回路７０２のオペアンプ７５２から出力される。これにより、ＭＲ素子１Ａ１とＭＲ素子１Ｂ１の配列方向、ＭＲ素子１Ｃ１とＭＲ素子１Ｄ１の配列方向と直交する方向に流れる生体電流源からの磁界が検出できる。一方、切り替えスウィチ１５０により第２の結線状態を実現すると、図１７に示すように、ＭＲ素子１Ｃ１の２つの端子ＴＣ１１，ＴＣ１２が信号処理回路７０１のオペアンプ７３１の端子に接続され、ＭＲ素子１Ａ１とＭＲ素子１Ｃ１の差動出力が信号処理回路７０１のオペアンプ７５１から出力される。また、ＭＲ素子１Ｂ１の２つの端子ＴＢ１１，ＴＢ１２が配線を介して信号処理回路７０２のオペアンプ７１２の端子に接続され、ＭＲ素子１Ｂ１とＭＲ素子１Ｄ１の差動出力が信号処理回路７０２のオペアンプ７５２から出力される。ＭＲ素子１Ａ１とＭＲ素子１Ｃ１の配列方向、ＭＲ素子１Ｂ１とＭＲ素子１Ｄ１の配列方向と直交する方向に流れる生体電流源からの磁界が検出できる。第1の結線状態と第２の結線状態を比較することにより、生体電流源の方向を測定することができる。ここで、２つのＭＲ素子の配列方向とは、それぞれのＭＲ素子の中心を結ぶ方向である。
【００４７】
（第１変形例）
第３実施形態の変形例による磁気センサについて図１８を参照して説明する。この変形例の磁気センサにおいては、図１５に示す第３実施形態の磁気センサにおいて、各検出素子ユニット内の４つのＭＲ素子として、スピンバルブ型のＭＲ素子を用いた構成を有している。例えば第１検出素子ユニット内のＭＲ素子１Ａ１，１Ｂ１，１Ｃ１，１Ｄ１として、スピンバルブ型のＭＲ素子が用いられる。例えば図１８に示すように、ＭＲ素子１Ａ１はピン層２Ａ１と、フリー層６Ａ１と、ピン層２Ａ１とフリー層６Ａ１との間に配置された非磁性層４Ａ１とを有し、ＭＲ素子１Ｂ１はピン層２Ｂ１と、フリー層６Ｂ１と、ピン層２Ｂ１とフリー層６Ｂ１との間に配置された非磁性層４Ｂ１とを有し、ＭＲ素子１Ｃ１はピン層２Ｃ１と、フリー層６Ｃ１と、ピン層２Ｃ１とフリー層６Ｃ１との間に配置された非磁性層４Ｃ１とを有し、ＭＲ素子１Ｄ１はピン層２Ｄ１と、フリー層６Ｄ１と、ピン層２Ｄ１とフリー層６Ｄ１との間に配置された非磁性層４Ｄ１とを有している。
【００４８】
図１８に示すように、ＭＲ素子１Ａ１およびＭＲ素子１Ｄ１のピン層の磁化方向と、ＭＲ素子１Ｂ１およびＭＲ素子１Ｃ１のピン層の磁化方向は互いに逆向きとする。それぞれ、ＭＲ素子１Ａ１とＭＲ素子１Ｂ１、ＭＲ素子１Ａ１とＭＲ素子１Ｃ１、ＭＲ素子１Ｃ１とＭＲ素子１Ｄ１、ＭＲ素子１Ｂ１とＭＲ素子１Ｄ１をそれぞれ、２つのＭＲ素子同士での加算出力は、図８（ａ）、８ｂ）で説明したように、同じ方向の外乱磁界では相殺、２つのＭＲ素子間で方向が反対の信号磁界は加算となる。
【００４９】
図１６、図１７に示した信号処理回路７０１、７０２において、差動アンプを加算アンプに変えた信号処理回路と、スイッチ機能を有する配線とを備えることにより、図１５乃至図１７で説明した場合と同様、第１の結線状態と第２の結線状態を比較することにより、生体電流源の方向を測定することができる。
【００５０】
以上説明したように、第３実施形態によれば、大きな検出信号を得ることが可能な磁気センサを提供することができる。
【００５１】
（第４実施形態）
第４実施形態による磁気センサについて図１９を参照して説明する。この第４実施形態の磁気センサは、図１に示す第１実施形態の磁気センサ１００において、検出素子ユニット１２０１に対して検出素子ユニット１３０１を設けた構成を有している。検出素子ユニット１３０１は、ＭＲ素子１ａ１とＭＲ素子１ｂ１とを備えている。検出素子ユニット１３０１のＭＲ素子１ａ1とＭＲ素子１ｂ1の配列方向は、検出素子ユニット１２０１におけるＭＲ素子１Ａ１とＭＲ素子１Ｂ１との配列方向と概ね直交するように配置される。
【００５２】
このような構成とすることにより、検出素子ユニット１２０１では、磁界源の電流がｙ方向に流れる場合に感度良く検出することができる。また、検出素子ユニット１３０１では、磁界源の電流がｘ方向に流れる場合に感度良く検出することができる。検出素子ユニット１２０１と検出素子ユニット１３０１の出力を比較することにより、磁界源の方向を判別することができる。なお、他の検出素子ユニット１２０ｊ（ｊ＝２，３，４）に対して検出素子ユニット１３０ｊを設けてもよい。検出素子ユニット１３０ｊ（ｊ＝２，３，４）は、ＭＲ素子１ａｊとＭＲ素子１ｂｊとを備えている。検出素子ユニット１３０ｊ（ｊ＝２，３，４）のＭＲ素子１ａｊとＭＲ素子１ｂｊの配列方向は、検出素子ユニット１２０ｊにおけるＭＲ素子１ＡｊとＭＲ素子１Ｂｊとの配列方向と概ね直交するように配置される。
【００５３】
以上説明したように、第４実施形態によれば、第１実施形態と同様に、大きな検出信号を得ることが可能な磁気センサを提供することができる。
【００５４】
（第５実施形態）
次に、第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気センサを、脳神経が発する磁界を検出する脳磁計に用いることができる。これを第５実施形態の磁気センサ装置として説明する。
【００５５】
第５実施形態による磁気センサ装置について図２０を参照して説明する。この磁気センサ装置２００は、第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気センサ１００を用いた脳磁計である。
【００５６】
図２０の左側の図は、脳磁計２００を人体の頭部に装着した状態を模式的に示す。この脳磁計２００は、複数のセンサ部、例えば数１００個程度のセンサ部３０１が柔軟性のある基体３０２の上に設置された構成を有している。本実施形態では、従来ＳＱＵＩＤセンサよりも密に多数のセンサが配置されるので、全体のセンサ数は増大することができる。また、電位端子や加速度センサなどの別のセンサ部が同時に設置されていても良い。第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気センサは、従来のＳＱＵＩＤ磁気センサに比べて非常に小さく作成できるので、このような複数のセンサ部の設置、回路の設置、他のセンサとの共存も容易である。
【００５７】
柔軟性のある基体３０２は、例えばシリコーン樹脂などの弾性体からなり、帯状に各センサ部３０１をつないで頭部に密着できるように構成されている。基体３０２は連続した膜を帽子状に加工したものでも良いが、図２０に示すようなネット状のものが、装着性が良く、また人体への密着性が向上するので好ましい。
【００５８】
センサ部３０１の入出力コード３０３は、診断装置５００のセンサ駆動部５０６および信号入出力部５０４とつながっている。センサ駆動部５０６からの電力と信号入出力部５０４からの制御信号に基づきセンサ部３０１は所定の磁界測定を行い、その結果は、並行して信号入出力部５０４へ入力される。信号入出力部５０４で得た信号はその後、信号処理部５０８へ送られ、この信号処理部５０８において、ノイズの除去、フィルタリング、増幅、信号演算などの処理が施される。その後、これらの信号は、脳磁計測のための特定の信号を抽出したり、信号位相を合わせたりする信号解析が信号解析部５１０において行われる。信号解析が終了したデータは、データ処理部５１２に送られる。データ処理部５１２では、ＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)などの画像データやＥＥＧ(Electroencephalogram)などの頭皮電位情報なども取り入れて、神経発火点解析や逆問題解析などの、データ解析を行う。その結果は画像化診断部５１６へ送られ、診断の助けとなるような画像化が行われる。これら一連の動作は制御機構５０２によって制御されており、一次信号データやデータ処理途中のメタデータなど、必要なデータは、データサーバに保存される。なお、図２０に示すようにデータサーバと制御機構が一体化していても良い。
【００５９】
図２０に示す第５実施形態では、センサ部３０１が人体頭部に設置されているが、これを人体胸部に設置すれば、心磁測定が可能となる。また、妊婦の腹部に設置すれば、胎児の心拍検査に用いることもできる。
【００６０】
被験者を含めた磁気センサ装置全体は、地磁気や磁気ノイズを防ぐためには、シールドルーム内に設置されるのが好ましい。あるいは、人体の測定部位やセンサ部３０１を局所的にシールドする機構を設けても良い。また、センサ部３０１にシールド機構を設けたり、信号解析やデータ処理で実効的なシールドを行っても良い。
【００６１】
図２０に示す脳磁計２００は、高感度磁気センサを備えたセンサ部３０１が柔軟性のある基体３０２に設置されているが、従来の脳磁計や心磁計のように、固定された基体に設置されていても構わない。その例を図２１および図２２に示す。図２１は脳磁計の一例であるが、ヘルメット状の硬質の基体３０４上にセンサ部３０１が設置されている。図２２は心磁計の一例であるが、平板状の硬質の基体３０５上にセンサ部３０１が設置されている。いずれの場合も、センサ部３０１からの信号の入出力とその処理は図２０と同様である。
【００６２】
以上説明したように、第５実施形態によれば、センサ部として、第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気センサを用いているので、大きな検出信号を得ることが可能な磁気センサ装置を提供することができる。
【００６３】
なお、一実施形態によれば、磁界を検出しこの検出した磁界により抵抗が変化する第１乃至第４磁気抵抗素子を備えた素子検出ユニットであって、前記第１磁気抵抗素子と前記第２磁気抵抗素子の配列方向と、前記第１および第３磁気抵抗素子の配列方向がほぼ直交し、前記第４磁気抵抗素子と前記第２磁気抵抗素子の配列方向と、前記第４磁気抵抗効果素子と前記第３磁気抵抗素子の配列方向がほぼ直交し、前記第１乃至第４磁気抵抗素子のそれぞれの出力端子からの信号を受ける複数の入力端子を有し、前記信号を処理する信号処理回路と、前記第２および第３磁気抵抗素子のそれぞれの出力端子と、前記信号処理回路の入力端子との接続を切り替えるスイッチ回路と、を備えている磁気センサにおいて、前記信号処理回路は、前記第１乃至第４磁気抵抗素子のうちの２つの磁気抵抗素子の信号の差分を得るとともに、他の２つの磁気抵抗素子の信号の差分を得るように構成してもよい。
【００６４】
また、前記第１乃至第４磁気抵抗素子はそれぞれ、磁化方向が固定されたピン層と、磁化方向が可変のフリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に配置された非磁性中間層と、を有し、前記第１および第４磁気抵抗素子のそれぞれのピン層と前記第２および第３磁気抵抗素子のそれぞれのピン層は互いに反対方向に磁化方向が固定され、前記信号処理回路は、前記第１乃至第４磁気抵抗素子のうちの２つの磁気抵抗素子の信号の和を得るとともに、他の２つの磁気抵抗素子の信号の和を得るように構成してもよい。
【００６５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６６】
１，１Ａ１〜１Ａ４・・・ＭＲ素子、１Ｂ１〜１Ｂ４・・・ＭＲ素子、１ａ１〜１ａ４・・・ＭＲ素子、１ｂ１〜１ｂ４・・・ＭＲ素子、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ・・・ピン層、３１〜３９・・・電極、４Ａ，４Ｂ，４Ｃ・・・中間層（非磁性層）、６Ａ，６Ｂ，６Ｃ・・・フリー層、１０・・・磁気抵抗膜、１０１〜１０８・・・磁気抵抗部、１１・・・下地層、１２・・・反強磁性層、１３・・・磁化固定層、１４・・・中間層、１５１，１５２・・・磁界検出層、１６・・・キャップ層、２１，２２・・・磁界収束部（ＭＦＣ）、４０・・・回路、４５・・・電源、４７・・・電圧計、７０，７０１,７０２・・・信号処理回路、７１，７１１，７１２・・・オペアンプ、７２，７２１，７２２・・・帰還抵抗、７３，７３１，７３２・・・オペアンプ、７４，７４１，７４２・・・帰還抵抗、７５，７５１，７５２・・・オペアンプ、１００・・・磁気センサ、１２０１〜１２０４・・・検出素子ユニット、１３０１・・・検出素子ユニット、１５０・・・スイッチ回路、１８０・・・磁界源の電流の向き、２００・・・脳磁計（磁気センサ装置）、３０１・・・センサ部、３０２・・・基体、３０２・・・基体、３０３・・・入出力コード、５００・・・診断装置、５０２・・・制御機構、５０４・・・信号入出力部、５０６・・・センサ駆動部、５０８・・・信号処理部、５１０・・・信号解析部、５１２・・・データ処理部、５１４・・・ＭＲＩ，ＥＥＧ、５１６・・・画像診断部          
【図１】
2017166921.tif 000003
【図２】
2017166921.tif 000004
【図３】
2017166921.tif 000005
【図４】
2017166921.tif 000006
【図５】
2017166921.tif 000007
【図６】
2017166921.tif 000008
【図７】
2017166921.tif 000009
【図８】
2017166921.tif 000010
【図９】
2017166921.tif 000011
【図１０】
2017166921.tif 000012
【図１１】
2017166921.tif 000013
【図１２】
2017166921.tif 000014
【図１３】
2017166921.tif 000015
【図１４】
2017166921.tif 000016
【図１５】
2017166921.tif 000017
【図１６】
2017166921.tif 000018
【図１７】
2017166921.tif 000019
【図１８】
2017166921.tif 000020
【図１９】
2017166921.tif 000021
【図２０】
2017166921.tif 000022
【図２１】
2017166921.tif 000023
【図２２】
2017166921.tif 000024