(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１磁気抵抗素子を含み、外部磁場の方向と基準方向との成す角度に応じて出力する角度センサと、
複数の第２磁気抵抗素子を含み、前記外部磁場の強度に基づいて出力する磁場強度センサと、を備え、
前記角度センサおよび前記磁場強度センサは、互いにセンサ形成される基準面に対する法線方向が同一であり、
前記磁場強度センサは、前記外部磁場の方向と前記基準方向との成す角度に応じて異なる出力特性を有し、
前記角度センサによって検知された前記外部磁場の方向と前記基準方向との成す角度と前記磁場強度センサの出力とに基づいて、前記外部磁場の強度が決定される、磁気センサ。
【請求項２】
前記角度センサおよび前記磁場強度センサは、同一基板上に設けられている、請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記角度センサは、前記外部磁場の方向と前記基準方向との成す角度に対する出力特性として、ｃｏｓ関数で表される出力特性を有し、
前記磁場強度センサは、前記外部磁場の強度に対する出力特性として、直線で表される出力特性を有し、
前記磁場強度センサの出力特性における前記外部磁場の方向と前記基準方向との成す角度に対する非線形性分布は、略一定である、請求項１または２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記複数の第１磁気抵抗素子および前記複数の第２磁気抵抗素子は、平面視した場合に円形状を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記複数の第２磁気抵抗素子の各々は、膜面に平行な所定の面内方向に磁化が固定されたリファレンス層と、前記膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動するフリー層と、を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記角度センサは、前記外部磁場の方向と前記基準方向との成す角度に対する出力特性が互いに異なる第１センサおよび第２センサを含み、
前記第１センサおよび前記第２センサの各々は、磁化方向が固定されたリファレンス層と、前記外部磁場の方向に応じて磁化の方向が変化するフリー層とを有する複数の前記第１磁気抵抗素子を含み、
前記第１センサにおける前記リファレンス層の磁化方向と、前記第２センサにおける前記リファレンス層の磁化方向とが異なる、請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記第１センサにおける前記リファレンス層の磁化方向と、前記第２センサにおける前記リファレンス層の磁化方向とが、９０°異なり、
前記第１センサにおける出力をＶｏｕｔ１（ｍＶ）とし、前記第２センサにおける出力をＶｏｕｔ２（ｍＶ）とし、前記外部磁場の方向と前記基準方向との成す角度をθとした場合に、下記式（１）から前記外部磁場の方向と前記基準方向との成す角度が算出される、請求項６に記載の磁気センサ。
【数１】
0006984792.tif 000010
【請求項８】
前記磁場強度センサは、前記外部磁場の強度に対する出力特性が互いに異なる第３センサおよび第４センサを含み、
前記第３センサおよび前記第４センサの各々は、膜面に平行な所定の面内方向に磁化が固定されたリファレンス層と、前記膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動するフリー層とを含み、
前記第３センサにおける前記リファレンス層の磁化方向と、前記第４センサにおける前記リファレンス層の磁化方向とが異なる、請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記第３センサにおける前記リファレンス層の磁化方向と、前記第４センサにおける前記リファレンス層の磁化方向とが、９０°異なる、請求項８に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記第３センサにおける出力をＶｏｕｔ３（ｍＶ）とし、前記第４センサにおける出力をＶｏｕｔ４（ｍＶ））とし、前記外部磁場の方向と前記基準方向との成す角度をθとし、θ＝０°における前記第３センサの感度をＧ３（ｍＶ／ｍＴ）とし、θ＝０°における前記第４センサの感度をＧ４（ｍＶ／ｍＴ）とし、前記第３センサによって検出される前記外部磁場の強度をＢ３とし、前記第４センサによって検出される前記外部磁場の強度Ｂ４とした場合において、θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°以外となる場合に以下の式（２）および式（３）から前記外部磁場の強度が算出され、θ＝０°、１８０°となる場合に、前記式（２）から前記外部磁場の強度が算出され、θ＝９０°、２７０°となる場合に、前記式（３）から前記外部磁場の強度が算出される、請求項９に記載の磁気センサ。
【数２】
0006984792.tif 000011
【数３】
0006984792.tif 000012
【請求項１１】
前記複数の第１磁気抵抗素子は、ハーフブリッジ回路を構成する一対の第１磁気抵抗素子を１つ以上含み、
前記一対の第１磁気抵抗素子の各々は、磁化方向が固定されたリファレンス層と、前記外部磁場の方向に応じて磁化の方向が変化するフリー層とを有し、
前記一対の第１磁気抵抗素子において、一方の第１磁気抵抗素子における前記リファレンス層の磁化方向と、他方の第１磁気抵抗素子における前記リファレンス層の磁化方向とは逆方向であり、
前記複数の第２磁気抵抗素子は、ハーフブリッジ回路を構成する一対の第２磁気抵抗素子を１つ以上含み、
前記一対の第２磁気抵抗素子の各々は、膜面に平行な所定の面内方向に磁化が固定されたリファレンス層と、前記膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動するフリー層とを含み、
前記一対の第２磁気抵抗素子において、一方の第２磁気抵抗素子における前記リファレンス層の磁化方向と、他方の第２磁気抵抗素子における前記リファレンス層の磁化方向とは逆方向である、請求項１から１０のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１２】
前記複数の第１磁気抵抗素子は、第１ハーフブリッジ回路を構成する前記一対の第１磁気抵抗素子と第２ハーフブリッジ回路を構成する前記一対の第１磁気抵抗素子とを１組以上含み、
前記第１ハーフブリッジ回路および前記第２ハーフブリッジ回路によってフルブリッジ回路が構成されており、
前記第１ハーフブリッジ回路を構成する前記一対の第１磁気抵抗素子のうち、一方の第１磁気抵抗素子における前記リファレンス層の磁化方向と、前記第２ハーフブリッジ回路を構成する前記一対の第１磁気抵抗素子のうち、一方の第１磁気抵抗素子における前記リファレンス層の磁化方向とが同じ向きであり、
前記複数の第２磁気抵抗素子は、第３ハーフブリッジ回路を構成する前記一対の第２磁気抵抗素子と第４ハーフブリッジ回路を構成する前記一対の第２磁気抵抗素子とを１組以上含み、
前記第３ハーフブリッジ回路および前記第４ハーフブリッジ回路によってフルブリッジ回路が構成されており、
前記第３ハーフブリッジ回路を構成する前記一対の第２磁気抵抗素子のうち、一方の第２磁気抵抗素子における前記リファレンス層の磁化方向と、前記第４ハーフブリッジ回路を構成する前記一対の第２磁気抵抗素子のうち、一方の第２磁気抵抗素子における前記リファレンス層の磁化方向とが同じ向きである、請求項１１に記載の磁気センサ。
【請求項１３】
前記複数の第１磁気抵抗素子の各々は、膜面に平行な所定の面内方向に磁化が固定されたリファレンス層と、前記膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動するフリー層と、を含む、請求項１または２に記載の磁気センサ。
【請求項１４】
前記磁場強度センサに与えられる前記外部磁場を相殺するキャンセル磁場を発生する第１キャンセル磁場発生部および第２キャンセル磁場発生部と、
前記第１キャンセル磁場発生部および前記第２キャンセル磁場発生部に流れる電流を制御する電流制御部と、をさらに備え、
前記電流制御部は、前記角度センサによって検知された前記外部磁場の方向と基準方向との成す角度に基づいて前記電流を制御する、請求項１から１３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
【請求項１５】
前記磁場強度センサは、前記外部磁場の強度に対する出力特性が互いに異なる第３センサおよび第４センサを含み、
前記第３センサおよび前記第４センサの各々は、膜面に平行な所定の面内方向に磁化が固定されたリファレンス層と、前記膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動するフリー層とを含み、
前記第３センサにおける前記リファレンス層の磁化方向と、前記第４センサにおける前記リファレンス層の磁化方向とが異なり、
前記第１キャンセル磁場発生部によって発生される第１キャンセル磁場と前記第２キャンセル磁場発生部によって発生される第２キャンセル磁場との合成磁場によって、前記外部磁場が相殺され、
前記第１キャンセル磁場の方向は、前記第３センサにおける前記リファレンス層の磁化方向と平行であり、
前記第２キャンセル磁場の方向は、前記第４センサにおける前記リファレンス層の磁化方向と平行である、請求項１４に記載の磁気センサ。
【請求項１６】
前記第２キャンセル磁場発生部、前記第１キャンセル磁場発生部、および前記磁場強度センサは、順に積層されており、
前記第２キャンセル磁場発生部と前記第１キャンセル磁場発生部との間に第１絶縁層が設けられており、
前記第１キャンセル磁場発生部と前記磁場強度センサとの間に第２絶縁層が設けられている、請求項１４または１５に記載の磁気センサ。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれかに記載の磁気センサを複数備え、
複数の前記磁気センサは、行列状に配置されている、磁気センサアレイ。
【請求項１８】
前記磁気センサは、第１領域と、前記第１領域の周囲を取り囲む第２領域とを含み、
前記第１領域には、前記角度センサおよび前記磁場強度センサの一方が形成されており、
前記第２領域には、前記角度センサおよび前記磁場強度センサの他方が形成されており、
前記第１領域および第２領域は、前記第１領域の中心を通過する仮想線に対して線対称の形状を有する、請求項１７に記載の磁気センサアレイ。
【請求項１９】
請求項１から１６のいずれかに記載の磁気センサと、
前記磁気センサをＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の少なくともいずれかの方向に移動させるセンサ移動機構と、を備えた磁場分布測定装置。
【請求項２０】
請求項１から１６のいずれかに記載の磁気センサと、
磁場源を有し、移動可能に構成された移動体と、を備えた位置特定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサ、磁気センサアレイ、磁場分布測定装置、および位置特定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気トンネル接合素子（磁気抵抗素子）を利用した角度センサとして、図２６に示すような第１角度センサ４００が知られている。図２６は、従来の第１角度センサを示す概略図である。【０００３】
図２６に示すように、第１角度センサ４００は、磁気トンネル接合素子４０１によって構成されている。磁気トンネル接合素子４０１は、磁化方向が固定されたリファレンス層４０２と、絶縁層４０３、と、磁化方向が固定されていないフリー層４０４とを含んでいる。たとえば、磁石等の磁場源が回転することにより、フリー層４０４の磁化の向きが変化する。すなわち、外部磁場の方向と所定の基準方向との角度（外部磁場の角度）によって、フリー層４０４の磁化の向きが変化する。【０００４】
図２７は、従来の第１角度センサにおける磁気トンネル接合素子の抵抗の変化を示す図である。図２７に示すように、フリー層４０４とリファレンス層４０２の磁化の相対角度によって、第１角度センサ４００の抵抗が変化する。【０００５】
図２８は、従来の第１角度センサの出力特性を示す図である。第１角度センサ４００の抵抗が変化することにより、外部磁場の角度に対する第１角度センサ４００の出力特性は、ｃｏｓ関数で表される。【０００６】
たとえば、０°、１８０°において、第１角度センサ４００の出力は、同一の値であり、第１角度センサ４００では、外部磁場の角度を一意に決定することが困難である。【０００７】
このため、外部磁場の角度を一意に決定する構成として、図２９に示すような第２角度センサ４００Ａが知られている。図２９は、従来の第２角度センサを示す概略平面図である。【０００８】
図２９に示すように、第２角度センサ４００Ａは、第１センサ４１０と第２センサ４２０とを含む。第１センサ４１０は、磁気トンネル接合素子４０１Ａ、４０１Ｂ、４０１Ｃ、４０１Ｄによって構成されたブリッジ回路を含む。第２センサ４２０は、磁気トンネル接合素子４０１Ｅ、４０１Ｆ、４０１Ｇ、４０１Ｈによって構成されたブリッジ回路を含む。【０００９】
磁気トンネル接合素子４０１Ａ〜４０１Ｈは、上述の磁気トンネル接合素子４０１とほぼ同様の構成を有するが、リファレンス層の磁化の向き（ＡＲ２）が一部異なっている。【００１０】
具体的には、第２センサにおいては、磁気トンネル接合素子４０１Ａ〜４０１Ｄに対応する磁気トンネル接合素子４０１Ｅ〜４０１Ｈのリファレンス層の磁化の向き（ＡＲ２）は、磁気トンネル接合素子４０１Ａ〜４０１Ｄのリファレンス層の磁化の向き（ＡＲ２）と９０°異なっている。【００１１】
図３０は、従来の第２角度センサの出力特性を示す図である。上記のように構成する場合には、図３０に示すように、第２センサ４２０の出力特性の位相が、第１センサの出力特性の位相に対して９０°ずれる。【００１２】
このように第１センサ４１０および第２センサ４２０の２つの出力を利用することにより、外部磁場の角度を一意に決定することができる。【００１３】
なお、磁気トンネル接合素子ごとに、リファレンス層の磁化の向きを固定する方法としては、たとえば、特開平８−２２６９６０号公報（特許文献１）、特開２００２−２９９７２８号公報（特許文献２）、特開２０１３−６４６６６号公報（特許文献３）に開示の方法がある。【００１４】
特許文献１においては、磁気トンネル接合素子の近傍に通電用の導線を設け、通電により磁場を発生させた状態でアニールを行うことで交換結合を形成し、リファレンス層を固定する方法が開示されている。この方法によれば、磁気トンネル接合素子と通電用導線の幾何学的配置を工夫することで、所望の方向へリファレンス層を固定することができる。【００１５】
特許文献２においては、所望の方向へリファレンス層を固定する方法として、マグネットアレイを用いて磁場を発生させた状態でアニールを行なうことで交換結合を形成する方法が開示されている。【００１６】
特許文献３においては、所望の方向へリファレンス層を固定する方法として、磁場を印加した状態でレーザ光照射によるアニールを行なうことで交換結合を形成する方法が開示されている。【００１７】
ここで、角度センサでは、検出角度の高精度化のための設計思想として、フリー層の磁化方向が検出磁場方向に追従するよう意図しない磁気異方性をなるべく排除することが求められる。これにより、磁気トンネル接合素子は、自ずと磁気飽和領域で用いられる。このため、角度センサの設計思想（検出角度の高精度化・磁気異方性の低減）は、一般的なリニアセンサの設計思想（入力磁場レンジの拡大・磁気異方性の増大）と相反する。したがって、角度センサのみを用いて、外部磁場の強度を精度よく検知することは困難となる。【００１８】
従来の磁気トンネル接合素子において、J.  Zhu  and  C.  Park,  “Magnetic  tunnel  junctions”,  Materials  Today  9,  36  (2006)（非特許文献１）には、トンネル磁気抵抗(TMR)効果を示すトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）が、図３１に示すように、絶縁層を挟んで配置されたフリー層の磁化Ｍ１とリファレンス層の磁化Ｍ２との相対角度によって決定されることが示されている。【００１９】
図３１は、従来の磁気トンネル接合素子において絶縁層を挟んで配置されたフリー層の磁化Ｍ１の向きとリファレンス層の磁化Ｍ２の向きを示す概略図である。【００２０】
図３１には、リファレンス層５０２、バリア層５０３、およびフリー層５０４が順に積層された積層部５０１を含む磁気抵抗素子５００が開示されている。フリー層５０４の磁化Ｍ１とリファレンス層５０２の磁化Ｍ２との相対角度はθである。【００２１】
トンネル磁気抵抗(TMR)効果によるコンダクタンスは、バリア層の上側（Ｍ１）と下側（Ｍ２）の強磁性体層の磁化の相対角度θを用いて以下の式（１ａ）で表わされる。【００２２】
【数１】
0006984792.tif 000002
【００２３】
ここで、ＧＰ=Ｇ（０°）は、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行であり、ＧＡＰ=Ｇ（１８０°）は、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが反平行であることを意味する。ＴＭＲ比は以下に示すJulliere’s  modelの式（２ａ）で表わされる。【００２４】
【数２】
0006984792.tif 000003
【００２５】
ここで、ＲＰは、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行である場合のトンネル抵抗であり、ＲＡＰは、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが反平行である場合のトンネル抵抗である。Ｐ１，Ｐ２は、リファレンス層２０２およびフリー層２０４のスピン分極率である。【００２６】
図３２は、従来の各種の磁気トンネル接合素子とそれら磁気トンネル接合素子での線形性制御方法とそれらの特徴を示す図である。【００２７】
安藤康夫,  “TMRを用いた生体磁気センサの開発”,  第5回岩崎コンファレンス「社会基盤の向上につながる磁気センサとその活用」,  平成29年11月27日（非特許文献２）には、図３２に示すように、各種の磁気トンネル接合素子とでの線形性制御手法とそれらの特徴が示されている。線形性を制御するためには、フリー層へ検出磁場方向と直交する方向へ異方性磁場を印加する。【００２８】
図３２には、左側から順に３種の磁気トンネル接合素子が開示されている。左から１つ目の磁気トンネル接合素子においては、リファレンス層の磁化は、膜面に平行な面内方向を向いており、フリー層の磁化も、面内方向を向いている。検知する外部磁場は、リファレンス層の膜面に平行な方向に変化する。この構成では、フリー層への磁気異方性印加のために、形状異方性を用いたり、磁石もしくは電磁石によるバイアス磁場印加を要する。また、異方性磁場の方向と検出磁場の方向が９０°からずれるとセンサ出力の線形性が悪化する。【００２９】
左から２つ目の磁気トンネル接合素子においては、リファレンス層の磁化は、膜面に平行な面内方向を向いており、フリー層の磁化は、リファレンス層の膜面に垂直な方向を向いている。検知する外部磁場は、リファレンス層の膜面に平行な方向に変化する。この構成では、フリー層への磁気異方性印加のために、フリー層／トンネルバリアの界面相互作用を利用するため、設計自由度が低く、感度と検出磁場範囲のトレードオフが大きい。【００３０】
左から３つ目の磁気トンネル接合素子においては、リファレンス層の磁化は、膜面に垂直な方向を向いている。フリー層の磁化は、リファレンス層の膜面に平行な面内方向を向いている。検知する外部磁場は、リファレンス層の膜面に垂直な方向に変化する。この構成では、検出磁場方向が膜面に垂直方向となるため、角度と磁場強度を同時に検知する素子の集積には向かない。【００３１】
１つ目の構成においては、異方性磁場の印加のために、形状異方性や磁石もしくは電磁石を要する、もしくは、積層界面での相互作用を要することにより、感度と検出磁場範囲のトレードオフが大きい、設計自由度が低い、といった問題がある。【００３２】
上記のようなデメリットを改善できる磁気抵抗素子として、以下に示すような磁気渦構造を有する磁気抵抗素子が開発されている。【００３３】
R.  Antos,  Y.  Otani  and  J.  Shibata,  “Magnetic  vortex  dynamics”,  J.  Phys.  Soc.  Jpn.  77,  031004  (2008)（非特許文献３）には、図３３に示すように、磁場に対して特殊な応答をする現象として磁気渦構造が開示されている。【００３４】
図３３は、従来の磁気渦構造を有する磁気抵抗素子におけるヒステリシスループを示す図である。図３３に示すように、磁気渦構造を有する磁気抵抗素子におけるヒステリシスループにおいては、磁化曲線の一部に線形的な領域が現れる。【００３５】
M.  Schneider,  H.  Hoffmann  and  J.  Zweck,  “Lorentz  microscopy  of  circular  ferromagnetic  permalloy  nanodisks”,  Appl.  Phys.  Lett.  77,  2909  (2000)（非特許文献４）には、図３３に示すように、磁気渦構造を有する磁気抵抗素子の磁気構造と、飽和磁場およびニュークリエーション磁場との関係が開示されている。【００３６】
図３４は、従来の磁気渦構造を有する磁気抵抗素子のディスク径と、飽和磁場およびニュークリエーション磁場とを示す図である。図３４に示すように、磁気渦構造を有する磁気抵抗素子においては、ディスクアスペクト比（＝フリー層の膜厚／ディスク径）が増加するにつれて、飽和磁場とニュークリエーション磁場が大きくなる。すなわち、磁気渦構造を有する磁気抵抗素子の線形領域はディスクアスペクト比が増加するにつれて拡大する。【００３７】
図３５から図３７に示すように、米国特許出願公開第２００８／０１８０８６５号明細書（特許文献４）には、巨大磁気抵抗(GMR)もしくはトンネル磁気抵抗(TMR)センサにおいて、奇関数型の線形な入力磁場-抵抗特性を得るために、磁気渦構造を用いる手法が提案されている。【００３８】
図３５は、従来の磁気渦構造を有する磁気抵抗素子を組み込んだ磁気センサを示す概略断面図である。図３６は、図３５の磁気センサの概略上面図である。図３７は、図３５に示す磁気センサの応答性を示す図である。【００３９】
図３５および図３６に示すように、特許文献４には、リファレンス層３０２、バリア層３０３、および磁気渦構造を有するフリー層３０４が順に積層された積層部を含む磁気抵抗要素３０１が、透磁性材料で形成される下部シールド３１０、上部シールド３２０に挟持された構造が開示されている。リファレンス層３０２においては、面内方向へ磁化を固定されており、フリー層３０４においては、磁化が渦状になっている。【００４０】
図３７に示すように、リファレンス層３０２の膜面に垂直方向に流れる電流は、磁場の変化に対して、略直線的に変化する。【００４１】
米国特許出願公開第２０１５／０１８５２９７号明細書（特許文献５）、遠藤基,  大兼幹彦,  永沼博,  安藤康夫,  磁気渦構造を応用した強磁性トンネル接合磁場センサ,  第39回日本磁気学会学術講演概要集10pE-12,  277  (2015)（非特許文献５）、T.  Wurft,  W.  Raberg,  K.  Prugl,  A.  Satz,  G.  Reiss  and  H.  Bruckl,  The  influence  of  edge  inhomogeneities  on  vortex  hysteresis  curves  in  magnetic  tunnel  junctions,  IEEE  Transactions  on  Magnetics  AF-05,  1  (2017)（非特許文献６）にも同様に、磁気渦構造を有する磁気抵抗素子が開示されている。【００４２】
特開２０１２−１１０４７０号公報（特許文献６）には、磁気トンネル接合素子によって構成されたＴＭＲセンサをアレイ化して、３次元の磁場分布を取得する技術が開示されている。【００４３】
特開２０１３−１２００８０号公報（特許文献７）には、磁気トンネル接合素子によって構成されたＴＭＲセンサとフィードバックコイルとを用いて、磁場の大きさを測定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４４】
【特許文献１】特開平８−２２６９６０号公報
【特許文献２】特開２００２−２９９７２８号公報
【特許文献３】特開２０１３−６４６６６号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／０１８０８６５号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１５／０１８５２９７号明細書
【特許文献６】特開２０１２−１１０４７０号公報
【特許文献７】特開２０１３−１２００８０号公報
【非特許文献】
【００４５】
【非特許文献１】J.  Zhu  and  C.  Park,  “Magnetic  tunnel  junctions”,  Materials  Today  9,  36  (2006)
【非特許文献２】安藤康夫,  “TMRを用いた生体磁気センサの開発”,  第5回岩崎コンファレンス「社会基盤の向上につながる磁気センサとその活用」,  平成29年11月27日
【非特許文献３】R.  Antos,  Y.  Otani  and  J.  Shibata,  “Magnetic  vortex  dynamics”,  J.  Phys.  Soc.  Jpn.  77,  031004  (2008)
【非特許文献４】M.  Schneider,  H.  Hoffmann  and  J.  Zweck,  “Lorentz  microscopy  of  circular  ferromagnetic  permalloy  nanodisks”,  Appl.  Phys.  Lett.  77,  2909  (2000)
【非特許文献５】遠藤基,  大兼幹彦,  永沼博,  安藤康夫,  磁気渦構造を応用した強磁性トンネル接合磁場センサ,  第39回日本磁気学会学術講演概要集10pE-12,  277  (2015)
【非特許文献６】T.  Wurft,  W.  Raberg,  K.  Prugl,  A.  Satz,  G.  Reiss  and  H.  Bruckl,  The  influence  of  edge  inhomogeneities  on  vortex  hysteresis  curves  in  magnetic  tunnel  junctions,  IEEE  Transactions  on  Magnetics  AF-05,  1  (2017)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４６】
しかしながら、特許文献１から特許文献７、非特許文献１から６のいずれに記載の磁気センサにおいても、未知の角度で入力される外部磁場に対して、高精度に磁場の角度と磁場の大きさの双方を測定することについては十分に検討されていない。【００４７】
本開示は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本開示の目的は、外部磁場の角度を検出するとともに、検出された角度に基づいて外部磁場の強度も検出することができる、磁気センサ、磁気センサアレイ、磁場分布測定装置、および位置特定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４８】
本開示に基づく磁気センサは、複数の第１磁気抵抗素子を含み、外部磁場の方向と基準方向との成す角度に応じて出力する角度センサと、複数の第２磁気抵抗素子を含み、上記外部磁場の強度に基づいて出力する磁場強度センサと、を備える。上記角度センサおよび上記磁場強度センサは、互いにセンサ形成される基準面に対する法線方向が同一である。上記磁場強度センサは、上記外部磁場の方向と上記基準方向との成す角度に応じて異なる出力特性を有する。上記角度センサによって検知された上記外部磁場の方向と上記基準方向との成す角度と上記磁場強度センサの出力に基づいて、上記外部磁場の強度が決定される。【００４９】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記角度センサおよび上記磁場強度センサは、同一基板上に設けられていることが好ましい。【００５０】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記角度センサは、上記外部磁場の方向と上記基準方向との成す角度に対する出力特性として、ｃｏｓ関数で表される出力特性を有することが好ましく、上記磁場強度センサは、上記外部磁場の強度に対する出力特性として、直線で表される出力特性を有することが好ましい。さらに、上記磁場強度センサの出力特性における上記外部磁場の方向と上記基準方向との成す角度に対する非線形性分布は、略一定であることが好ましい。ここで、非線形は、ある外部磁場角度において、計測磁場範囲での出力変動幅（フルスケール）を分母、計測出力と理想直線のずれ量を分子とし、％ＦＳ表示したものと定義する。【００５１】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記複数の第１磁気抵抗素子および上記複数の第２磁気抵抗素子は、平面視した場合に円形状を有していてもよい。【００５２】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記複数の第２磁気抵抗素子の各々は、膜面に平行な所定の面内方向に磁化が固定されたリファレンス層と、上記膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動するフリー層と、を含むことが好ましい。【００５３】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記角度センサは、上記外部磁場の方向と上記基準方向との成す角度に対する出力特性が互いに異なる第１センサおよび第２センサを含むことが好ましい。また、上記第１センサおよび上記第２センサの各々は、磁化方向が固定されたリファレンス層と、上記外部磁場の方向に応じて磁化の方向が変化するフリー層とを有する複数の上記第１磁気抵抗素子を含むことが好ましい。この場合には、上記第１センサにおける上記リファレンス層の磁化方向と、上記第２センサにおける上記リファレンス層の磁化方向とが異なることが好ましい。【００５４】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記第１センサにおける上記リファレンス層の磁化方向と、上記第２センサにおける上記リファレンス層の磁化方向とが、９０°異なっていてもよい。この場合には、上記第１センサにおける出力をＶｏｕｔ１（ｍＶ）とし、上記第２センサにおける出力をＶｏｕｔ２（ｍＶ）とし、上記外部磁場の方向と上記基準方向との成す角度をθとした場合に、下記式（１）から上記外部磁場の方向と上記基準方向との成す角度が算出されることが好ましい。【００５５】
【数３】
0006984792.tif 000004
【００５６】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記磁場強度センサは、上記外部磁場の強度に対する出力特性が互いに異なる第３センサおよび第４センサを含むことが好ましい。また、上記第３センサおよび上記第４センサの各々は、膜面に平行な所定の面内方向に磁化が固定されたリファレンス層と、上記膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動するフリー層とを含むことが好ましい。この場合には、上記第３センサにおける上記リファレンス層の磁化方向と、上記第４センサにおける上記リファレンス層の磁化方向とが異なることが好ましい。【００５７】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記第３センサにおける上記リファレンス層の磁化方向と、上記第４センサにおける上記リファレンス層の磁化方向とが、９０°異なっていてもよい。【００５８】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記第３センサにおける出力をＶｏｕｔ３（ｍＶ）とし、上記第４センサにおける出力をＶｏｕｔ４（ｍＶ））とし、上記外部磁場の方向と上記基準方向との成す角度をθとし、θ＝０°における上記第３センサの感度をＧ３（ｍＶ／ｍＴ）とし、θ＝０°における上記第４センサの感度をＧ４（ｍＶ／ｍＴ）とし、上記第３センサによって検出される上記外部磁場の強度をＢ３とし、上記第４センサによって検出される上記外部磁場の強度Ｂ４とした場合において、θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°以外となる場合に以下の式（２）および式（３）から上記外部磁場の強度が算出され、θ＝０°、１８０°となる場合に、上記式（２）から上記外部磁場の強度が算出され、θ＝９０°、２７０°となる場合に、上記式（３）から上記外部磁場の強度が算出されることが好ましい。【００５９】
【数４】
0006984792.tif 000005
【００６０】
【数５】
0006984792.tif 000006
【００６１】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記複数の第１磁気抵抗素子は、ハーフブリッジ回路を構成する一対の第１磁気抵抗素子を１つ以上含んでいてもよい。この場合には、上記一対の第１磁気抵抗素子の各々は、磁化方向が固定されたリファレンス層と、上記外部磁場の方向に応じて磁化の方向が変化するフリー層とを有することが好ましく、上記一対の第１磁気抵抗素子において、一方の第１磁気抵抗素子における上記リファレンス層の磁化方向と、他方の第１磁気抵抗素子における上記リファレンス層の磁化方向とは逆方向であることが好ましい。さらに、上記複数の第２磁気抵抗素子は、ハーフブリッジ回路を構成する一対の第２磁気抵抗効果素子を１つ以上含んでいてもよい。この場合には、上記一対の第２磁気抵抗効果素子の各々は、膜面に平行な所定の面内方向に磁化が固定されたリファレンス層と、上記膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動するフリー層とを含むことが好ましく、上記一対の第２磁気抵抗素子において、一方の第２磁気抵抗素子における上記リファレンス層の磁化方向と、他方の第２磁気抵抗素子における上記リファレンス層の磁化方向とは逆方向であることが好ましい。【００６２】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記複数の第１磁気抵抗素子は、第１ハーフブリッジ回路を構成する上記一対の第１磁気抵抗素子と第２ハーフブリッジ回路を構成する上記一対の第１磁気抵抗素子とを１組以上含んでいてもよい。この場合には、上記第１ハーフブリッジ回路および上記第２ハーフブリッジ回路によってフルブリッジ回路が構成されていることが好ましい。さらに、上記第１ハーフブリッジ回路を構成する上記一対の第１磁気抵抗素子のうち、一方の第１磁気抵抗素子における上記リファレンス層の磁化方向と、上記第２ハーフブリッジ回路を構成する上記一対の第１磁気抵抗素子のうち、一方の第１磁気抵抗素子における上記リファレンス層の磁化方向とが同じ向きであることが好ましい。また、上記複数の第２磁気抵抗素子は、第３ハーフブリッジ回路を構成する上記一対の第２磁気抵抗素子と第４ハーフブリッジ回路を構成する上記一対の第２磁気抵抗素子とを１組以上含んでいてもよい。この場合には、上記第３ハーフブリッジ回路および上記第４ハーフブリッジ回路によってフルブリッジ回路が構成されていることが好ましい。さらに、上記第３ハーフブリッジ回路を構成する上記一対の第２磁気抵抗素子のうち、一方の第２磁気抵抗素子における上記リファレンス層の磁化方向と、上記第４ハーフブリッジ回路を構成する上記一対の第２磁気抵抗素子のうち、一方の第２磁気抵抗素子における上記リファレンス層の磁化方向とが同じ向きであることが好ましい。【００６３】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記複数の第１磁気抵抗素子の各々は、膜面に平行な所定の面内方向に磁化が固定されたリファレンス層と、上記膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動するフリー層と、を含んでいてもよい。【００６４】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記磁場強度センサに与えられる上記外部磁場を相殺するキャンセル磁場を発生する第１キャンセル磁場発生部および第２キャンセル磁場発生部と、上記第１キャンセル磁場発生部および上記第２キャンセル磁場発生部に流れる電流を制御する電流制御部と、をさらに備えていてもよい。この場合には、上記電流制御部は、上記角度センサによって検知された上記外部磁場の方向と基準方向との成す角度に基づいて上記電流を制御することが好ましい。【００６５】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記磁場強度センサは、上記外部磁場の強度に対する出力特性が互いに異なる第３センサおよび第４センサを含むことが好ましい。また、上記第３センサおよび上記第４センサの各々は、膜面に平行な所定の面内方向に磁化が固定されたリファレンス層と、上記膜面に垂直な軸回りに渦状に磁化され、外部磁場に応じて渦の中心が移動するフリー層とを含むことが好ましく、上記第３センサにおける上記リファレンス層の磁化方向と、上記第４センサにおける上記リファレンス層の磁化方向とが異なることが好ましい。さらに、上記第１キャンセル磁場発生部によって発生される第１キャンセル磁場と上記第２キャンセル磁場発生部によって発生される第２キャンセル磁場との合成磁場によって、上記外部磁場が相殺されることが好ましい。この場合には、上記第１キャンセル磁場の方向は、上記第３センサにおける上記リファレンス層の磁化方向と平行であることが好ましく、上記第２キャンセル磁場の方向は、上記第４センサにおける上記リファレンス層の磁化方向と平行であることが好ましい。【００６６】
上記本開示に基づく磁気センサにあっては、上記第２キャンセル磁場発生部、上記第１キャンセル磁場発生部、および上記磁場強度センサは、順に積層されていることが好ましい。さらに、上記第２キャンセル磁場発生部と上記第１キャンセル磁場発生部との間に第１絶縁層が設けられていることが好ましく、上記第１キャンセル磁場発生部と上記磁場強度センサとの間に第２絶縁層が設けられていることが好ましい。【００６７】
本開示に基づくセンサアレイは、上記磁気センサを複数備える。複数の上記磁気センサは、行列状に配置されている。【００６８】
上記本開示に基づくセンサアレイにあっては、上記磁気センサは、第１領域と、上記第１領域の周囲を取り囲む第２領域とを含むことが好ましい。この場合には、上記第１領域には、上記角度センサおよび上記磁場強度センサの一方が形成されていることが好ましく、上記第２領域には、上記角度センサおよび上記磁場強度センサの他方が形成されていることが好ましい。さらに、上記第１領域および第２領域は、上記第１領域の中心を通過する仮想線に対して線対称の形状を有することが好ましい。【００６９】
本開示に基づく磁場分布測定装置は、上記磁気センサと、上記磁気センサをＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の少なくともともいずれかの方向に移動させるセンサ移動機構と、を備える。【００７０】
本開示に基づく位置特定装置は、上記磁気センサと、磁場源を有し、移動可能に構成された移動体とを備える。
【発明の効果】
【００７１】
本開示によれば、外部磁場の角度を検出するとともに、検出された角度に基づいて外部磁場の強度も検出することができる、磁気センサ、磁気センサアレイ、磁場分布測定装置、および位置特定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施の形態１に係る磁気センサを示す概略図である。
【図２】実施の形態１に係る第１磁気抵抗素子の構造を示す概略断面図である。
【図３】実施の形態１に係る第２磁気抵抗素子の構造を示す概略断面図である。
【図４】実施の形態１に係る第１磁気抵抗素子の上部強磁性層（フリー層）における磁化が外部磁場によって変化する様子を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る第２磁気抵抗素子の上部強磁性層（フリー層）における渦状の磁化が外部磁場によって変化する様子を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る角度センサに含まれる第１センサおよび第２センサにおける外部磁場の角度に対する出力特性を示す図である。
【図７】実施の形態１に係る磁場強度センサに含まれる第３センサおよび第４センサにおける外部磁場の角度に対する出力フルスケール特性を示す図である。
【図８】実施の形態１に係る磁場強度センサに含まれる第３センサおよび第４センサにおける外部磁場の角度に対する出力の非線形性を示す図である。
【図９】実施の形態１に係る磁場強度センサに含まれる第３センサにおける磁場強度に対する出力特性を示す図である。
【図１０】実施の形態１に係る磁場強度センサに含まれる第４センサにおける磁場強度に対する出力特性を示す図である。
【図１１】実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第１工程を示す図である。
【図１２】実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第２工程を示す図である。
【図１３】実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第３工程を示す図である。
【図１４】実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第４工程を示す図である。
【図１５】実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第５工程を示す図である。
【図１６】実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第６工程を示す図である。
【図１７】実施の形態２に係る磁気センサを示す概略図である。
【図１８】実施の形態２に係る第２磁気抵抗素子の構造を示す概略断面図である。
【図１９】実施の形態３に係る磁気センサを示す概略図である。
【図２０】実施の形態４に係る磁気センサを示す概略斜視図である。
【図２１】実施の形態４に係る磁気センサを示す概略断面図である。
【図２２】実施の形態５に係る磁気センサアレイを示す概略平面図である。
【図２３】図２２に示す磁気センサアレイの拡大図である。
【図２４】実施の形態６に係る磁場分布測定装置を示す図である。
【図２５】実施の形態７に係る位置特定装置を示す図である。
【図２６】従来の第１角度センサを示す概略図である。
【図２７】従来の第１角度センサにおける磁気抵抗素子の抵抗の変化を示す図である。
【図２８】従来の第１角度センサの出力特性を示す図である。
【図２９】従来の第２角度センサを示す概略平面図である。
【図３０】従来の第２角度センサの出力特性を示す図である。
【図３１】従来の磁気トンネル接合素子において絶縁層を挟んで配置されたフリー層の磁化Ｍ１の向きとリファレンス層の磁化Ｍ２の向きを示す概略図である。
【図３２】従来における各種の磁気抵抗素子とそれら磁気抵抗素子の特徴を示す図である。
【図３３】従来の磁気渦構造を有する磁気抵抗素子におけるヒステリシスループを示す図である。
【図３４】従来の磁気渦構造を有する磁気抵抗素子のディスク径と、飽和磁場およびニュークリエーション磁場とを示す図である。
【図３５】従来の磁気渦構造を有する磁気抵抗素子を組み込んだ磁気センサを示す概略断面図である。
【図３６】図３５の磁気センサの概略上面図である。
【図３７】図３５に示す磁気センサの応答性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７３】
以下、本開示の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、同一のまたは共通する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
【００７４】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る磁気センサを示す概略図である。図１を参照して、実施の形態１に係る磁気センサ１について説明する。
【００７５】
磁気センサ１は、角度センサ１０、磁場強度センサ２０、および算出部３０を含む。角度センサ１０、磁場強度センサ２０、および算出部３０は、同一基板６１（図１１参照）上に設けられている。角度センサ１０および磁場強度センサ２０は、平面的に配置されている。すなわち、角度センサ１０および磁場強度センサ２０は、互いにセンサ形成される基準面に対する法線方向が同一である。ここで、算出部の機能は同一基板へ設ける以外にも、センサとは別途用意した集積回路基板上に設けてもよい。
【００７６】
角度センサ１０は、磁気センサ１のうち外部磁場の角度を測定する部位である。角度センサ１０は、第１センサ１１および第２センサ１２を含む。
【００７７】
第１センサ１１は、複数の第１磁気抵抗素子１１１、１１２、１１３、１１４を有する。複数の第１磁気抵抗素子１１１、１１２、１１３、１１４は、平面視した場合に、円形状を有する。これにより、形状異方性の角度依存性を無くすことができ、出力特性を適切にすることができる。
【００７８】
複数の第１磁気抵抗素子１１１、１１２、１１３、１１４は、フルブリッジ回路を構成している。
【００７９】
具体的には、第１磁気抵抗素子１１１の一方側は、電源電圧Ｖｉｎを印加するための電極部Ｐ１に接続されている。第１磁気抵抗素子１１１の他方側は、出力電圧Ｖ＋を取り出すための電極部Ｐ２に接続されている。
【００８０】
第１磁気抵抗素子１１２の一方側は、出力電圧Ｖ＋を取り出すための電極部Ｐ２に接続されている。第１磁気抵抗素子１１２の他方側は、グランド電極としての電極部Ｐ４に接続されている。
【００８１】
第１磁気抵抗素子１１３の一方側は、電源電圧Ｖｉｎを印加するための電極部Ｐ１に接続されている。第１磁気抵抗素子１１３の他方側は、出力電圧Ｖ−を取り出すための電極部Ｐ３に接続されている。
【００８２】
第１磁気抵抗素子１１４の一方側は、出力電圧Ｖ−を取り出すための電極部Ｐ３に接続されている。第１磁気抵抗素子１１４の他方側は、グランド電極としての電極部Ｐ４に接続されている。
【００８３】
第１磁気抵抗素子１１１および第１磁気抵抗素子１１２が、直列接続されることにより、第１ハーフブリッジ回路が構成される。第１磁気抵抗素子１１３および第１磁気抵抗素子１１４が、直列接続されることにより、第２ハーフブリッジ回路が構成される。
【００８４】
第１ハーフブリッジ回路および第２ハーフブリッジ回路が、並列接続されることにより、フルブリッジ回路が構成される。第１磁気抵抗素子１１１および第１磁気抵抗素子１１２は、横軸に外部磁場、縦軸に出力を取った時に傾きが正となる。第１磁気抵抗素子１１３および第１磁気抵抗素子１１４は、横軸に外部磁場、縦軸に出力を取った時に傾きが正となる。
【００８５】
電極部Ｐ１と電極部Ｐ４との間に電源電圧Ｖｉｎを印加すると、電極部Ｐ２および電極部Ｐ４からは、磁場強度に応じて、出力電圧Ｖ＋，Ｖ−が取り出される。出力電圧Ｖ＋，Ｖ−は、差動増幅器（不図示）を介して差動増幅される。
【００８６】
複数の第１磁気抵抗素子１１１、１１２、１１３、１１４の各々は、後述するように、リファレンス層としての下部強磁性層１０５と、フリー層としての上部強磁性層１０７を含む。下部強磁性層１０５においては、膜面に平行な所定の面内方向に磁化が固定されている。一方、上部強磁性層１０７においては、磁化が固定されていない。
【００８７】
複数の第１磁気抵抗素子１１１、１１２、１１３、１１４の各々において、下部強磁性層１０５の磁化方向は、矢印ＡＲ２に示すようになっている。
【００８８】
具体的には、上記第１ハーフブリッジ回路を構成する一対の第１磁気抵抗素子１１１、１１２において、第１磁気抵抗素子１１１における下部強磁性層１０５の磁化方向と、第１磁気抵抗素子１１２における下部強磁性層１０５の磁化方向とは、逆方向である。
【００８９】
同様に、上記第２ハーフブリッジ回路を構成する一対の第１磁気抵抗素子１１３、１１４において、第１磁気抵抗素子１１３における下部強磁性層１０５の磁化方向と、第１磁気抵抗素子１１４における下部強磁性層１０５の磁化方向とは、逆方向である。
【００９０】
また、第１ハーフブリッジ回路における第１磁気抵抗素子１１１の下部強磁性層１０５の磁化方向と、第２ハーフブリッジ回路における第１磁気抵抗素子１１４の下部強磁性層１０５の磁化方向は、同じ方向である。
【００９１】
同様に、第１ハーフブリッジ回路における第１磁気抵抗素子１１２の下部強磁性層１０５の磁化方向と、第２ハーフブリッジ回路における第１磁気抵抗素子１１３の下部強磁性層１０５の磁化方向は、同じ方向である。
【００９２】
なお、基準方向ＤＲ１に対して、外部磁場が角度θを持って印加される場合には、第１磁気抵抗素子１１１、１１２、１１３、１１４における上部強磁性層１０７の磁化方向（矢印ＡＲ１方向）も角度θ回転する。これにより、角度センサ１０の出力が変化する。
【００９３】
第２センサ１２は、複数の第１磁気抵抗素子１２１、１２２、１２３、１２４を有する。複数の第１磁気抵抗素子１２１、１２２、１２３、１２４は、平面視した場合に、円形状を有する。これにより、形状異方性の角度依存性を無くすことができ、出力特性を適切にすることができる。
【００９４】
複数の第１磁気抵抗素子１２１、１２２、１２３、１２４は、フルブリッジ回路を構成している。第１磁気抵抗素子１２１および第１磁気抵抗素子１２２が、直列接続されることにより、第１ハーフブリッジ回路が構成される。第１磁気抵抗素子１２３および第１磁気抵抗素子１２４が、直列接続されることにより、第２ハーフブリッジ回路が構成される。なお、これらブリッジ回路の接続構成については、第１センサ１１とほぼ同様であるため、その説明については省略する。
【００９５】
第２センサ１２は、第１センサ１１と比較して、各第１磁気抵抗素子１２１、１２２、１２３、１２４におけるリファレンス層（下部強磁性層）の磁化方向が、対応する第１磁気抵抗素子１１１、１１２、１１３、１１４におけるリファレンス層（下部強磁性層）の磁化方向と異なっている。
【００９６】
具体的には、各第１磁気抵抗素子１２１、１２２、１２３、１２４におけるリファレンス層の磁化方向は、対応する第１磁気抵抗素子１１１、１１２、１１３、１１４におけるリファレンス層の磁化方向と９０°異なっている。
【００９７】
複数の第１磁気抵抗素子１２１、１２２、１２３、１２４の各々も、磁化が固定されていない上部強磁性層１０７（図２参照）、および所定の面内方向に磁化が固定された下部強磁性層１０５を含む。
【００９８】
複数の第１磁気抵抗素子１２１、１２２、１２３、１２４の各々において、下部強磁性層１０５の磁化方向は、矢印ＡＲ４に示すようになっている。
【００９９】
第２センサ１２においても、第１ハーフブリッジ回路を構成する一対の第１磁気抵抗素子１２１、１２２において、第１磁気抵抗素子１２１における下部強磁性層１０５の磁化方向と、第１磁気抵抗素子１２２における下部強磁性層１０５の磁化方向とは、逆方向である。
【０１００】
同様に、上記第２ハーフブリッジ回路を構成する一対の第１磁気抵抗素子１２３、１２４において、第１磁気抵抗素子１２３における下部強磁性層１０５の磁化方向と、第１磁気抵抗素子１２４における下部強磁性層１０５の磁化方向とは、逆方向である。
【０１０１】
また、第１ハーフブリッジ回路における第１磁気抵抗素子１２１の下部強磁性層１０５の磁化方向と、第２ハーフブリッジ回路における第１磁気抵抗素子１２４の下部強磁性層１０５の磁化方向は、同じ方向である。
【０１０２】
同様に、第１ハーフブリッジ回路における第１磁気抵抗素子１２２の下部強磁性層１０５の磁化方向と、第２ハーフブリッジ回路における第１磁気抵抗素子１２３の下部強磁性層１０５の磁化方向は、同じ方向である。
【０１０３】
なお、基準方向ＤＲ１に対して、外部磁場が角度θを持って印加される場合には、第１磁気抵抗素子１２１、１２２、１２３、１２４における上部強磁性層１０７の磁化方向（矢印ＡＲ３方向）も角度θ回転する。これにより、角度センサ１０の出力が変化する。
【０１０４】
磁場強度センサ２０は、磁気センサ１のうち外部磁場の強度を測定する部位である。磁場強度センサ２０は、第３センサ２１および第４センサ２２を含む。
【０１０５】
第３センサ２１は、複数の第２磁気抵抗素子２１１、２１２、２１３、２１４を有する。複数の第２磁気抵抗素子２１１、２１２、２１３、２１４は、平面視した場合に、円形状を有する。
【０１０６】
複数の第２磁気抵抗素子２１１、２１２、２１３、２１４は、フルブリッジ回路を構成する。第２磁気抵抗素子２１１および第２磁気抵抗素子２１２が、直列接続されることにより、第３ハーフブリッジ回路が構成される。第２磁気抵抗素子２１３および第２磁気抵抗素子２１４が、直列接続されることにより、第４ハーフブリッジ回路が構成される。なお、これらブリッジ回路の接続構成については、第１センサ１１とほぼ同様であるため、その説明については省略する。
【０１０７】
複数の第２磁気抵抗素子２１１、２１２、２１３、２１４の各々は、後述するように、リファレンス層としての下部強磁性層２０５（図３参照）と、フリー層としての上部強磁性層２０７（図３参照）と、を含む。下部強磁性層２０５は、膜面に平行な所定の方向に磁化が固定されている。上部強磁性層２０７は、上記膜面に垂直な軸まわりに渦状に磁化されている。外部磁場が印加された場合には、外部磁場に応じて磁化渦の中心が移動する。前述のように、磁気構造を有する磁気抵抗素子の線形領域は、ディスクアスペクト比（＝フリー層の膜厚／ディスク径）が増加するにつれて拡大する。このような磁気渦構造の磁気抵抗素子を用いることにより、入力磁場のレンジを拡大することができる。
【０１０８】
外部磁場が印加されていない状態において、複数の第２磁気抵抗素子２１１、２１２、２１３、２１４の各々において、下部強磁性層２０５の磁化方向は、矢印ＡＲ５に示すようになっている。
【０１０９】
上記第３ハーフブリッジ回路を構成する一対の第２磁気抵抗素子２１１、２１２において、第２磁気抵抗素子２１１における下部強磁性層２０５の磁化方向と、第２磁気抵抗素子２１２における下部強磁性層２０５の磁化方向とは、逆方向である。
【０１１０】
同様に、上記第４ハーフブリッジ回路を構成する一対の第２磁気抵抗素子２１３、２１４において、第２磁気抵抗素子２１３における下部強磁性層２０５の磁化方向と、第２磁気抵抗素子２１４における下部強磁性層２０５の磁化方向とは、逆方向である。
【０１１１】
また、第３ハーフブリッジ回路における第２磁気抵抗素子２１１の下部強磁性層２０５の磁化方向と、第４ハーフブリッジ回路における第２磁気抵抗素子２１４の下部強磁性層２０５の磁化方向は、同じ方向である。
【０１１２】
同様に、第３ハーフブリッジ回路における第２磁気抵抗素子２１２の下部強磁性層２０５の磁化方向と、第４ハーフブリッジ回路における第２磁気抵抗素子２１３の下部強磁性層２０５の磁化方向は、同じ方向である。
【０１１３】
第４センサ２２は、複数の第２磁気抵抗素子２２１、２２２、２２３、２２４を有する。複数の第２磁気抵抗素子２２１、２２２、２２３、２２４は、平面視した場合に、円形状を有する。
【０１１４】
複数の第２磁気抵抗素子２２１、２２２、２２３、２２４は、フルブリッジ回路を構成している。第２磁気抵抗素子２２１および第２磁気抵抗素子２２２が、直列接続されることにより、第３ハーフブリッジ回路が構成される。第２磁気抵抗素子２２３および第２磁気抵抗素子２２４が、直列接続されることにより、第４ハーフブリッジ回路が構成される。なお、これらブリッジ回路の接続構成については、第１センサ１１とほぼ同様であるため、その説明については省略する。
【０１１５】
第４センサ２２は、第３センサ２１と比較して、各第２磁気抵抗素子２２１、２２２、２２３、２２４における下部強磁性層２０５の磁化方向が、対応する第２磁気抵抗素子２１１、２１２、２１３、２１４におけるリファレンス層の磁化方向と異なっている。
【０１１６】
具体的には、各第２磁気抵抗素子２２１、２２２、２２３、２２４におけるリファレンス層の磁化方向は、対応する第２磁気抵抗素子２１１、２１２、２１３、２１４におけるリファレンス層の磁化方向と９０°異なっている。
【０１１７】
複数の第２磁気抵抗素子２２１、２２２、２２３、２２４の各々も、上部強磁性層２０７（図３参照）、および所定の面内方向に磁化が固定された下部強磁性層２０５を含む。
【０１１８】
複数の第２磁気抵抗素子２２１、２２２、２２３、２２４の各々において、下部強磁性層２０５の磁化方向は、矢印ＡＲ６に示すようになっている。
【０１１９】
第４センサ２２においても、第３ハーフブリッジ回路を構成する一対の第２磁気抵抗素子２２１、２２２において、第２磁気抵抗素子２２１における下部強磁性層２０５の磁化方向と、第２磁気抵抗素子２２２における下部強磁性層２０５の磁化方向とは、逆方向である。
【０１２０】
同様に、上記第４ハーフブリッジ回路を構成する一対の第２磁気抵抗素子２２３、２２４において、第２磁気抵抗素子２２３における下部強磁性層２０５の磁化方向と、第２磁気抵抗素子２２４における下部強磁性層２０５の磁化方向とは、逆方向である。
【０１２１】
また、第３ハーフブリッジ回路における第２磁気抵抗素子２２１の下部強磁性層２０５の磁化方向と、第４ハーフブリッジ回路における第２磁気抵抗素子２２４の下部強磁性層２０５の磁化方向は、同じ方向である。
【０１２２】
同様に、第３ハーフブリッジ回路における第２磁気抵抗素子２２２の下部強磁性層２０５の磁化方向と、第４ハーフブリッジ回路における第２磁気抵抗素子２２３の下部強磁性層２０５の磁化方向は、同じ方向である。
【０１２３】
算出部３０には、角度センサ１０からの出力および磁場強度センサ２０の出力が入力される。具体的には、算出部３０には、第１センサ１１、第２センサ１２、第３センサ２１、および第４センサ２２からの出力が入力される。
【０１２４】
算出部３０は、後述するように、角度センサ１０から出力によって外部磁場の角度θを決定し、当該決定された角度θと磁場強度センサ２０の出力とに基づいて、外部磁場の強度を決定する。
【０１２５】
図２は、実施の形態１に係る第１磁気抵抗素子の構造を示す概略断面図である。図２を参照して、第１磁気抵抗素子１１１の構造について説明する。なお、他の第１磁気抵抗素子の構造は、当該第１磁気抵抗素子１１１の構造とほぼ同様であるため、その説明については省略する。
【０１２６】
図２に示すように、第１磁気抵抗素子１１１は、いわゆる合成反強磁性（SAF:synthetic  anti-ferromagnetic）結合を用いたBottom-pinned型のＴＭＲ素子である。ここでは一例として同構造を示しているが、ＳＡＦを使用しない場合や、Top-pinned型のＴＭＲ素子であってもよい。
【０１２７】
第１磁気抵抗素子１１１は、下部電極層１０１、反強磁性層１０２、強磁性層１０３（ピンド層）、非磁性層１０４、下部強磁性層１０５（リファレンス層）、絶縁層１０６、上部強磁性層１０７、キャップ層１０８を含む。
【０１２８】
下部電極層１０１は、反強磁性層１０２の結晶を適切に成長させるシード層として機能する。下部電極層１０１としては、たとえば、ＲｕとＴａとの積層膜を採用することができる。なお、下部電極層１０１は、他の金属や合金からなる単一の金属膜、および複数種の上記金属膜が積層されたものを採用することができる。
【０１２９】
反強磁性層１０２は、下部電極層１０１上に設けられている。反強磁性層１０２としては、たとえば、ＰｔＭｎを採用することができる。なお、反強磁性層１０２は、ＩｒＭｎ等のＭｎを含む合金であってもよい。
【０１３０】
強磁性層１０３は、反強磁性層１０２上に設けられている。強磁性層１０３としては、たとえば、ＣｏＦｅを採用することができる。なお、強磁性層１０３は、ＣｏＦｅＢ等であってもよい。強磁性層１０３の磁化は、反強磁性層１０２から作用する交換結合磁場によって所定の面内方向に固定される。
【０１３１】
非磁性層１０４は、強磁性層１０３上に設けられている。非磁性層１０４は、たとえば、Ｒｕを採用することができる。
【０１３２】
下部強磁性層１０５は、非磁性層１０４上に設けられている。下部強磁性層１０５としては、たとえば、ＣｏＦｅＢを採用することができる。なお、強磁性層１０３は、ＣｏＦｅ等であってもよい。
【０１３３】
上述の強磁性層１０３、非磁性層１０４、および下部強磁性層１０５は、ＳＡＦ構造を形成している。これにより、第１リファレンス層としての下部強磁性層１０５の磁化の方向が強固に固定される。
【０１３４】
絶縁層１０６は、下部強磁性層１０５上に設けられている。絶縁層としては、たとえばＭｇＯを採用することができる。絶縁層１０６は、上部強磁性層１０７と下部強磁性層１０５との間に配置されており、トンネルバリア層として機能する。
【０１３５】
上部強磁性層１０７は、絶縁層１０６上に設けられている。上部強磁性層１０７としては、たとえば、ＣｏＦｅＢを採用することができる。なお、上部強磁性層１０７は、ＮｉＦｅ等であってもよい。
【０１３６】
上部強磁性層１０７においては、磁化は固定されておらず、上部強磁性層１０７は、フリー層として機能する。上部強磁性層１０７の磁化は、外部磁場によって向きを変える。
【０１３７】
キャップ層１０８は、上部強磁性層１０７上に設けられている。たとえば、ＲｕとＴａとの積層膜を採用することができる。なお、キャップ層１０８は、他の金属や合金からなる単一の金属膜、および複数種の上記金属膜が積層されたものを採用することができる。
【０１３８】
なお、上述における下部電極層１０１、反強磁性層１０２、強磁性層１０３、非磁性層１０４、下部強磁性層１０５、絶縁層１０６、上部強磁性層１０７、キャップ層１０８は、一例を示すものであり、単層で構成されていてもよいし、複数の層が積層されて構成されていてもよい。上述における下部電極層１０１、反強磁性層１０２、強磁性層１０３、非磁性層１０４、下部強磁性層１０５、絶縁層１０６、上部強磁性層１０７、キャップ層１０８は、適宜設定することができる。
【０１３９】
図３は、実施の形態１に係る第２磁気抵抗素子の構造を示す概略断面図である。図３を参照して、第２磁気抵抗素子２１１の構造について説明する。なお、他の第２磁気抵抗素子の構造は、当該第２磁気抵抗素子２１１の構造とほぼ同様であるため、その説明については省略する。
【０１４０】
図３に示すように、第２磁気抵抗素子２１１は、いわゆる合成反強磁性（SAF:synthetic  anti-ferromagnetic）結合を用いたBottom-pinned型のＴＭＲ素子である。ここでは一例として同構造を示しているが、ＳＡＦを使用しない場合や、Top-pinned型のＴＭＲ素子であってもよい。
【０１４１】
第２磁気抵抗素子２１１は、下部電極層２０１、反強磁性層２０２、強磁性層２０３（ピンド層）、非磁性層２０４、下部強磁性層２０５（リファレンス層）、絶縁層２０６、上部強磁性層２０７、キャップ層２０８を含む。
【０１４２】
第１磁気抵抗素子１１１と比較して、上部強磁性層２０７が渦状に磁化されている点が相違し、その他の構成についてはほぼ同様である。すなわち、下部電極層２０１、反強磁性層２０２、強磁性層２０３、非磁性層２０４、下部強磁性層２０５、絶縁層２０６、およびキャップ層２０８は、上述の下部電極層１０１、反強磁性層１０２、強磁性層１０３、非磁性層１０４、下部強磁性層１０５、絶縁層１０６、およびキャップ層１０８とほぼ同様の構成である。このため、それらの詳細な説明については省略する。
【０１４３】
上部強磁性層２０７は、磁気渦構造を有する。上部強磁性層２０７は、フリー層として機能する。上部強磁性層２０７の磁化は、外部磁場によって向きを変える。
【０１４４】
図４は、実施の形態１に係る第１磁気抵抗素子の上部強磁性層（フリー層）における磁化が外部磁場によって変化する様子を示す図である。なお、図４においては、上部強磁性層１０７および下部強磁性層１０５のそれぞれを平面視した状態を示している。
【０１４５】
また、図４は、外部磁場の角度の変化によってフリー層１０７における磁化の向きの変化を一例として示している。リファレンス層としての下部強磁性層１０５において固定された磁化の向きは図４中において左を向いている。
【０１４６】
この場合において、図４中における左側は、外部磁場が、０°方向（右方向、具体的には、図１，図１７中ＤＲ１方向）に印加される場合を示しており、フリー層１０７の磁化は、リファレンス層１０５の固定された磁化の向きと反平行となる。図中右側へは外部磁場の角度が４５°ずつ増加した場合を示している。図４中３番目は、外部磁場が９０°方向（上方向）に印加される場合を示しており、フリー層１０７の磁化は、リファレンス層１０５の磁化に対して直交している。図４中における中央は、外部磁場が１８０°方向（左方向）に印加される場合を示しており、フリー層１０７の磁化は、リファレンス層１０５の固定された磁化の向きと平行となる。図４中７番目は、外部磁場が２７０°方向（下方向）に印加される場合を示しており、フリー層１０７の磁化は、リファレンス層１０５の磁化に対して直交している。図４中における右側は、外部磁場が３６０°方向（右方向）に印加される場合を示しており、フリー層１０７の磁化は、リファレンス層１０５の固定された磁化の向きと反平行となる。
【０１４７】
図５は、実施の形態１に係る第２磁気抵抗素子の上部強磁性層（フリー層）における渦状の磁化が外部磁場によって変化する様子を示す図である。
【０１４８】
図５は、０°もしくは１８０°方向からの外部磁場の変化によってフリー層２０７における渦状の磁化の向きの変化を一例として示している。第２リファレンス層としての下部強磁性層２０５において固定された磁化の向きは図５中において左を向いている。
【０１４９】
この場合において、図５中における左側は、外部磁場が、１８０°方向（負方向、具体的には、図１、図１７中ＤＲ１方向に対して１８０°方向）に大きい場合を示しており、図５中における中央は、外部磁場が印加されていない場合を示しており、図５中における右側は、外部磁場が、０°方向（正方向、具体的には、図１，図１７中ＤＲ１方向）に大きい場合を示している。なお、図５中における各渦状の磁化の状態は、図３３に示す磁化曲線の各位置で示す磁気渦の状態とほぼ対応している。
【０１５０】
図５中の中央に示すように、外部磁場が印加されていない場合には、フリー層２０７において磁気渦の中心は、フリー層２０７の中央に位置している。
【０１５１】
図５中の左側から２番目に示すように、負方向に外部磁場が印加されると、フリー層２０７において磁気渦の中心は、フリー層２０７の中央から図５中下方に移動する。さらに、負方向への外部磁場が大きくなると、図５中の左から１番目に示すように、フリー層２０７の磁束密度が飽和して、フリー層２０７の磁化は、リファレンス層２０５の固定された磁化の向きと平行となる。
【０１５２】
図５中の左側から４番目に示すように、正方向に外部磁場が印加されると、フリー層２０７において磁気渦の中心は、フリー層２０７の中央から図５中上方に移動する。さらに、正方向への外部磁場が大きくなると、図５中の左から５番目に示すように、フリー層２０７の磁束密度が飽和して、フリー層２０７の磁化は、リファレンス層１０５の固定された磁化の向きと反平行となる。
【０１５３】
図６は、実施の形態１に係る角度センサに含まれる第１センサおよび第２センサにおける外部磁場の角度に対する出力特性を示す図である。図６を参照して、第１センサ１１および第２センサ１２の外部磁場の角度θに対する出力特性について説明する。
【０１５４】
上述のように構成された第１センサ１１において、外部磁場の角度θに対する出力特性は、ｃｏｓ関数で表される。また、第２センサ１２においても、外部磁場の角度θに対する出力特性は、ｃｏｓ関数で表される。なお、第２センサ１２においては、下部強磁性層（リファレンス層）１０５の磁化方向が第１センサ１１と比較して９０°異なっている。このため、第２センサ１２の出力特性は、第１センサ１１と比較して９０°位相がずれた状態となっている。
【０１５５】
このように、位相をずらして第１センサ１１および第２センサ１２から出力を得ることにより、０°から３６０°までの角度に対して、入力された外部磁場の角度を一意に定めることができる。
【０１５６】
この場合において、第１センサ１１における出力をＶｏｕｔ１（ｍＶ）とし、第２センサ１２における出力をＶｏｕｔ２（ｍＶ）とし、外部磁場の方向と基準方向との成す角度（外部磁場の角度）をθとした場合に、下記式（１）から外部磁場の方向と基準方向との成す角度が算出される。
【０１５７】
【数６】
0006984792.tif 000007
【０１５８】
このような式を用いることにより、簡便に外部磁場の角度を算出することができる。
図７は、実施の形態１に係る磁場強度センサに含まれる第３センサおよび第４センサにおける外部磁場の角度に対する出力特性を示す図である。図７を参照して、第３センサ２１および第４センサ２２の外部磁場の角度に対する出力特性について説明する。
【０１５９】
第４センサ２２においては、下部強磁性層（リファレンス層）２０５の磁化方向が第３センサ２１と比較して、９０°異なっている。これにより、図７に示すように、第３センサ２１出力の小さいところで、第４センサ２２の出力を高くなっている。また、第４センサ２２の出力の小さいところで、第３センサ２１の出力が高くなっている。すなわち、下部強磁性層２０５の磁化方向が、互いに異なる第３センサ２１および第４センサ２２と用いることにより、一方のセンサの感度が低くなる領域を他方のセンサで補完することができる。
【０１６０】
図８は、実施の形態１に係る磁場強度センサに含まれる第３センサおよび第４センサにおける外部磁場の角度に対する出力の非線形性を示す図である。図８を参照して、第３センサ２１および第４センサ２２の外部磁場の角度に対する出力の非線形性について説明する。
【０１６１】
図８に示すように、外部磁場の角度に対して良好な感度を有する範囲では、第３センサ２１および第４センサ２２の外部磁場の角度に対する出力の非線形性は、略一定となっており、ほぼ変化がない。また、第３センサ２１および第４センサ２２の外部磁場の角度に対する出力の非線形性は、０．５％ＦＳより小さくなっている。ここで、非線形％ＦＳ（パーセントフルスケール）は、ある外部磁場角度において、計測磁場範囲での出力変動幅（フルスケール）を分母、計測出力と理想直線のずれ量を分子とし、パーセント表示したものと定義する。
【０１６２】
図９は、実施の形態１に係る磁場強度センサに含まれる第３センサにおける磁場強度に対する出力特性を示す図である。図９においては、一例として、外部磁場の角度が、０°、１８０°、２１０°、２４０°、２７０°、３００°、３３０°となる場合での、第３センサ２１における磁場強度に対する出力特性を示している。
【０１６３】
第３センサ２１における磁場強度に対する出力特性は、ほぼ直線で表されている。また、第３センサ２１における磁場強度に対する出力特性は、外部磁場の角度に応じて異なっている。
【０１６４】
図１０は、実施の形態１に係る磁場強度センサに含まれる第４センサにおける磁場強度に対する出力特性を示す図である。図１０においては、一例として、外部磁場の角度が、０°、９０°、１２０°、１５０°、２７０°、３００°、３３０°となる場合での、第４センサ２２における磁場強度に対する出力特性を示している。
【０１６５】
第４センサ２２における磁場強度に対する出力特性は、ほぼ直線で表されている。また、第４センサ２２における磁場強度に対する出力特性は、外部磁場の角度に応じて異なっている。
【０１６６】
このように、第３センサ２１および第４センサ２２が、互いに異なる感度の出力特性を有することにより、第３センサ２１および第４センサ２２の出力に基づいて、外部磁場の強度を算出することができる。また、外部磁場の角度が０°から３６０°の範囲で、外部磁場の強度を算出することができる。たとえば、外部磁場の角度が０°の場合に、第４センサ２２の出力が０である場合であっても、第３センサ２１からの出力に基づいて、外部磁場の強度を算出することができる。
【０１６７】
具体的には、第３センサ２１における出力をＶｏｕｔ３（ｍＶ）とし、第４センサ２２における出力をＶｏｕｔ４（ｍＶ）とし、外部磁場の方向と基準方向との成す角度をθとし、θ＝０°における第３センサの感度をＧ３（ｍＶ／ｍＴ）とし、θ＝０°における第４センサの感度をＧ４（ｍＶ／ｍＴ）とし、第３センサ２１によって検出される外部磁場の強度をＢ３とし、第４センサ２２によって検出される外部磁場の強度Ｂ４とした場合において、θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°以外となる場合に以下の式（２）および式（３）から外部磁場の強度が算出され、θ＝０°、１８０°となる場合に、式（２）から外部磁場の強度が算出され、θ＝９０°、２７０°となる場合に、式（３）から外部磁場の強度が算出される。
【０１６８】
【数７】
0006984792.tif 000008
【０１６９】
【数８】
0006984792.tif 000009
【０１７０】
このような式を用いて外部磁場の強度を算出することにより、簡便に磁場強度を決定することができる。
【０１７１】
なお、上述の第３センサ２１および第４センサ２２の角度に応じた感度の出力特性は、算出部３０に設けられたメモリに格納されている。磁気センサ１においては、上述のように角度センサ１０によって外部磁場の角度を検知し、検知された角度に基づいて、当該角度に対応した第３センサ２１および第４センサ２２の角度に応じた感度の出力特性を選択する。選択された出力特性と、第３センサ２１および第４センサ２２からの出力によって、算出部３０は、外部磁場の強度を決定することができる。この結果、実施の形態１に係る磁気センサ１においては、外部磁場の角度を検出するとともに、検出された角度に基づいて外部磁場の強度も検出することができる。
【０１７２】
図１１から図１６は、実施の形態１に係る磁気センサの製造工程の第１工程から第６工程をそれぞれ示す図である。図１１から図１６を参照して、実施の形態１に係る磁気センサ１の製造方法について説明する。
【０１７３】
図１１に示すように、磁気センサ１の製造方法における第１工程においては、フォトリソグラフィおよびドライエッチング等により、複数の第１磁気抵抗素子および複数の第２磁気抵抗素子を形成する形成領域に絶縁層６２が形成された基板６１を準備する。基板６１としては、たとえば、Ｓｉウエハを採用することができる。絶縁層６２は、シリコン酸化膜によって構成されている。
【０１７４】
続いて、絶縁層６２を覆うように、下地膜６３を基板６１の表面６１ａ上に形成する。下地膜６３としては、たとえばＣｕを採用することができる。
【０１７５】
次に、下地膜６３上に、複数の第１磁気抵抗素子および複数の第２磁気抵抗素子となるＴＭＲ積層膜６４を成膜する。
【０１７６】
具体的には、下地膜６３側から順に、下部電極膜、反強磁成膜、強磁性膜（ピンド層となる膜）、非磁性膜、下部強磁性膜（リファレンス層となる膜）、絶縁膜、上部強磁性膜（フリー層となる膜）、キャップ膜を積層する。
【０１７７】
なお、下部電極膜、反強磁成膜、強磁性膜、非磁性膜、下部強磁性膜、絶縁膜、上部強磁性膜、およびキャップ膜は、それぞれ、ＴＭＲ積層膜６４のパターニング後に、下部電極層１０１，２０１、反強磁性層１０２，２０２、強磁性層１０３，２０３、非磁性層１０４，２０４、下部強磁性層１０５，２０５、絶縁層１０６，２０６、上部強磁性層１０７，２０７、およびキャップ層１０８，２０８となる。
【０１７８】
ここで、下部電極膜としては、たとえばＲｕ／Ｔａを成膜する。下部電極膜の上層の強磁性膜／反強磁性膜としては、たとえばＣｏＦｅ／ＩｒＭｎを成膜する。この積層膜は、後述する磁場中アニールにより交換結合が生じ、ピンド層として機能する。
【０１７９】
強磁性膜の上層の非磁性膜としては、たとえばＲｕを成膜し、非磁性膜の上層の下部強磁性膜としては、たとえばＣｏＦｅＢを成膜する。
【０１８０】
下部強磁性膜／非磁性膜／強磁性膜は、ＳＡＦ構造を構成している。下部強磁性膜によって、強固に磁化が固定されたリファレンス層が形成される。
【０１８１】
下部強磁性膜の上層の絶縁膜としては、たとえばＭｇＯを成膜し、絶縁膜の上層の上部強磁性膜としては、たとえばＣｏＦｅＢを成膜する。上部強磁性膜／ＭｇＯ／下部強磁性膜のうち、上部強磁性膜によって、フリー層としての上部強磁性層１０７、フリー層としての上部強磁性層２０７が形成される。上部強磁性膜の上層のキャップ膜としては、たとえば、Ｔａ／Ｒｕを積層する。
【０１８２】
続いて、ＴＭＲ積層膜６４が成膜された基板６１を磁場中でアニールし、リファレンス層としての下部強磁性層１０５，２０５を形成する下部強磁性膜において磁化の方向を固定する。
【０１８３】
具体的には、ブリッジ回路を構成する第１磁気抵抗素子の形成領域ごと、ブリッジ回路を構成する第２磁気抵抗素子の形成領域ごとに所望の磁化方向が得られるように、局所的に、基板６１を磁場中でアニールする。
【０１８４】
より具体的には、ブリッジ回路内においては、第１磁気抵抗素子形成領域ごとに、あるいは、第２磁気抵抗素子形成領域ごとに、図１に示すように、下部強磁性層１０５、２０５の磁化方向が１８０°異なるように、磁場を印加しながら、局所的なレーザ光照射による加熱によりアニールする。
【０１８５】
センサ間においては、図１に示すように、下部強磁性層１０５、２０５の磁化方向が９０°異なるように、磁場を印加しながら、局所的なレーザ光照射による加熱によりアニールする。
【０１８６】
図１２に示すように、磁気センサ１の製造方法における第２工程においては、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、ＴＭＲ積層膜を所望の形状にパターニングする。これにより、複数の第１磁気抵抗素子および複数の第２磁気抵抗素子が形成される。なお、図１２から図１６においては、複数の第１磁気抵抗素子の一例として、第１磁気抵抗素子１１１を示しており、複数の第１磁気抵抗素子の一例として、第２磁気抵抗素子２１１を示している。
【０１８７】
複数の第１磁気抵抗素子および複数の第２磁気抵抗素子は、ディスク状（平面視した場合に円形状）に形成される。この際、複数の第２磁気抵抗素子のディスク径は、複数の第１磁気抵抗素子のディスク径よりも小さくする。具体的には、第２磁気抵抗素子のディスク径は、略５００ｎｍとして、第１磁気抵抗素子のディスク径は、２μｍとする。
【０１８８】
図１３に示すように、磁気センサ１の製造方法における第３工程においては、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、下地膜６３をパターニングし、配線パターン６３１、６３２を形成する。
【０１８９】
図１４に示すように、磁気センサ１の製造方法における第４工程においては、基板６１の全面に層間絶縁膜を成膜する。フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、成膜された層間絶縁膜をパターニングする。これにより、複数の第１磁気抵抗素子、複数の第２磁気抵抗素子、および配線パターン６３１、６３２を覆うように層間絶縁層６５が形成されるとともに、層間絶縁層６５にコンタクトホール６５ａ、６５ｂが設けられる。
【０１９０】
図１５に示すように、磁気センサ１の製造方法における第５工程においては、フォトリソグラフィおよびリフトオフにより、第１配線部６６および第２配線部６７を形成する。第１配線部６６および第２配線部６７は、たとえば、Ｃｕ配線である。
【０１９１】
第１配線部６６は、コンタクトホール６５ａを介して第１磁気抵抗素子に接続される。第２配線部６７は、コンタクトホール６５ｂを介して第２磁気抵抗素子に接続される。
【０１９２】
図１６に示すように、磁気センサ１の製造方法における第６工程においては、基板６１の全面にパッシベーション膜を成膜する。パッシベーション膜は、たとえば、ＳｉＯ２膜である。フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、パッシベーション膜をパターニングするとともに、所望の位置に開口部を形成する。
【０１９３】
このようにして角度センサ１０および磁場強度センサ２０が形成された基板６１をチップ化し、算出部３０が形成された回路基板に搭載されることで磁気センサ１が製造される。なお、角度センサ１０および磁場強度センサ２０が形成されたチップ自体を磁気センサ１として扱うこともできる。
【０１９４】
上記のように製造された磁気センサ１に対して、θ（角度）＝１８０°、Ｂ（磁場）＝１０ｍＴの外部磁場を入力したところ、角度センサ１０における第１センサ１１の出力Ｖｏｕｔ１、第２センサ１２の出力Ｖｏｕｔ２を用いて、θ＝ｔａｎ−１（Ｖｏｕｔ２／Ｖｏｕｔ１）により、外部磁場の角度を決定できることを確認した。また、磁場強度センサ２０における第３センサ２１の出力Ｖｏｕｔ３、第４センサ２２の出力Ｖｏｕｔ４、θ＝０°における第３センサの感度Ｇ３（ｍＶ／ｍＴ）、第４センサの感度Ｇ４（ｍＶ／ｍＴ）を用いて、Ｂ３＝Ｖｏｕｔ３／Ｇ３ｃｏｓθ、Ｂ４＝Ｖｏｕｔ４／Ｇ４ｓｉｎθの式を用いて、磁場強度を決定できることを確認できた。
【０１９５】
（実施の形態２）
図１７は、実施の形態２に係る磁気センサを示す概略図である。図１８は、実施の形態２に係る第２磁気抵抗素子の構造を示す概略断面図である。図１７および図１８を参照して、実施の形態２に係る磁気センサ１Ａについて説明する。
【０１９６】
図１７および図１８に示すように、実施の形態１に係る磁気センサ１Ａにあっては、第３センサ２１および第４センサ２２に含まれる複数の第２磁気抵抗素子２１１Ａ〜２１４Ａ、２２１Ａ〜２２４Ａの構成が相違する。その他の構成については、ほぼ同様である。
【０１９７】
第２磁気抵抗素子２１１Ａ〜２１４Ａ、２２１Ａ〜２２４Ａは、フリー層の磁化構造が磁気渦構造ではなく、垂直磁化構造のトンネル接続素子である。すなわち、第２磁気抵抗素子２１１Ａ〜２１４Ａ、２２１Ａ〜２２４Ａは、第１磁気抵抗素子１１１〜１１４、１２１〜１２４と比較して、フリー層としての上部強磁性層１０７の磁化の方向が、外部磁場が印加されない場合に、膜面に垂直方向を向いている。
【０１９８】
第２磁気抵抗素子２１１Ａは、下部電極層１０１、反強磁性層１０２、強磁性層１０３、非磁性層１０４、下部強磁性層１０５、絶縁層１０６、上部強磁性層１０７Ａ、キャップ層１０８を含む。
【０１９９】
これら下部電極層１０１、反強磁性層１０２、強磁性層１０３、非磁性層１０４、下部強磁性層１０５、絶縁層１０６、上部強磁性層１０７Ａ、キャップ層１０８は、実施の形態１に係るものとほぼ同様である。なお、反強磁性層１０２としては、ＩｒＭｎ等のＭｎを含む合金で形成することが好ましい。
【０２００】
このような第２磁気抵抗素子２１１Ａ〜２１４Ａ、２２１Ａ〜２２４Ａによって磁場強度センサ２０Ａが構成される場合であっても、実施の形態２に係る磁気センサ１は、実施の形態１に係る磁気センサ１とほぼ同様の効果を有する。
【０２０１】
（実施の形態３）
図１９は、実施の形態３に係る磁気センサを示す概略図である。図１９を参照して、実施の形態３に係る磁気センサ１Ｂについて説明する。
【０２０２】
図１９に示すように、実施の形態３に係る磁気センサ１Ｂは、実施の形態１に係る磁気センサ１と比較した場合に、磁場強度センサ２０Ｂの構成が相違する。その他の構成についてはほぼ同様である。
【０２０３】
磁場強度センサ２０Ｂは、複数のセンサ３１、３２、３３、３４、３５、３６を備える。センサ３２、３３、３４、３５、３６は、回転させたものである。
【０２０４】
センサ３１は、複数の第２磁気抵抗素子２１１Ｂ、２１２Ｂ、２１３Ｂ、２１４Ｂを備える。複数の第２磁気抵抗素子２１１Ｂ、２１２Ｂ、２１３Ｂ、２１４Ｂは、フルブリッジ回路を構成している。
【０２０５】
複数の第２磁気抵抗素子２１１Ｂ、２１２Ｂ、２１３Ｂ、２１４Ｂは、基準方向ＤＲ１方向に垂直な方向を長手方向とする平面視矩形状に設けられている。複数の第２磁気抵抗素子２１１Ｂ、２１２Ｂ、２１３Ｂ、２１４Ｂの層構造は、実施の形態１における複数の第１磁気抵抗素子１１１、１１２、１１３、１１４とほぼ同様である。フリー層である上部強磁性層１０７の磁化方向ＡＲ７は、バイアス磁場ＡＲ９によって決定されている。リファレンス層である下部強磁性層１０５の磁化方向ＡＲ８は、実施の形態１における複数の第１磁気抵抗素子１１１、１１２、１１３、１１４と同じ方向を向いている。
【０２０６】
バイアス磁場を用いて、センサ３１の出力を線形化する場合には、入力磁場の方向がバイアス方向からずれた場合には、非線形性が増大する。このため、様々の入力磁場の方向に対応できるように、実施の形態３においては、バイアス方向が異なる複数のセンサを配置している。
【０２０７】
センサ３２は、センサ３１を反時計回りに６０°回転させたものである。センサ３３は、センサ３１を反時計回りに１２０°回転させたものである。センサ３４は、センサ３１を反時計回りに１８０°回転させたものである。センサ３５は、センサ３１を反時計回りに２４０°回転させたものである。センサ３６は、センサ３１を反時計回りに３００°回転させたものである。
【０２０８】
なお、複数のセンサは、上記の６個のセンサに限られず、検知した所望の角度に応じて多数のセンサが配置される。
【０２０９】
このように磁場強度センサ２０Ｂを構成する場合には、角度センサ１０で検出された角度に対応するセンサの出力から外部磁場の強度を算出する。
【０２１０】
以上のように構成される場合であっても、実施の形態３に係る磁気センサ１Ｂは、実施の形態１に係る磁気センサ１とほぼ同様の効果が得られる。
【０２１１】
（実施の形態４）
図２０は、実施の形態４に係る磁気センサを示す概略斜視図である。図２１は、実施の形態４に係る磁気センサを示す概略断面図である。なお、図２０においては、便宜上のため、磁気センサの構成の一部のみを示している。図２０および図２１を参照して、実施の形態４に係る磁気センサ１Ｃについて説明する。
【０２１２】
図２０および図２１に示すように、実施の形態４に係る磁気センサ１Ｃは、実施の形態１に係る磁気センサ１と比較して、第１キャンセル磁場発生部４１、第２キャンセル磁場発生部４２、および電流制御部４５をさらに備える点において相違する。その他の構成についてはほぼ同様である。
【０２１３】
第２キャンセル磁場発生部４２、第１キャンセル磁場発生部４１、および磁場強度センサ２０は、順に積層されている。第２キャンセル磁場発生部４２と第１キャンセル磁場発生部４１との間には、第１絶縁層５１が設けられている。第１キャンセル磁場発生部４１と磁場強度センサ２０との間には第２絶縁層５２が設けられている。
【０２１４】
第１キャンセル磁場発生部４１および第２キャンセル磁場発生部４２は、導電性部材によって構成されている。
【０２１５】
第１キャンセル磁場発生部４１および第２キャンセル磁場発生部４２は、自身に電流が流れることにより、外部磁場Ｍ１０をキャンセルする第１キャンセル磁場Ｍ１１および第２キャンセル磁場Ｍ１２を発生させる。第１キャンセル磁場Ｍ１１と第２キャンセル磁場Ｍ１２との合成磁場によって、外部磁場Ｍ１０が相殺される。
【０２１６】
第１キャンセル磁場発生部４１は、実施の形態１に係る第４センサ２２の下部強磁性層（リファレンス層）における固定された磁化方向と平行な方向に延在する。第１キャンセル磁場発生部４１には、たとえば、上記磁化方向と平行な方向（ＡＲ１１方向）に電流が流れる。
【０２１７】
これにより、第１キャンセル磁場発生部４１は、実施の形態１に係る第３センサ２１における下部強磁性層（リファレンス層）２０５の磁化方向と平行な方向に第１キャンセル磁場Ｍ１１を発生させる。
【０２１８】
第２キャンセル磁場発生部４２は、実施の形態１に係る第３センサ２１の下部強磁性層（リファレンス層）における固定された磁化方向と平行な方向に延在する。第２キャンセル磁場発生部４２には、たとえば、上記磁化方向と平行な方向（ＡＲ１２方向）に電流が流れる。
【０２１９】
これにより、第２キャンセル磁場発生部４２は、実施の形態１に係る第４センサ２２における下部強磁性層（リファレンス層）２０５の磁化方向と平行な方向に第２キャンセル磁場Ｍ１２を発生させる。
【０２２０】
電流制御部４５は、角度センサ１０によって検知された外部磁場の方向と基準方向との成す角度に基づいて電流を制御する。具体的には、電流制御部４５は、検知された角度情報に基づき、上記の合成磁場の方向が、外部磁場の方向と反対となるように電流量を制御する。さらに、電流制御部４５は、合成磁場と外部磁場とが相殺されるように電流量を制御する。
【０２２１】
実施の形態４に係る磁気センサ１Ｃにあっては、第１キャンセル磁場発生部４１および第２キャンセル磁場発生部４２に流れる電流量に基づいて、外部磁場の強度を算出することにより、検知精度を向上させることができる。
【０２２２】
また、第１キャンセル磁場発生部４１、第２磁場キャンセル磁場発生部４２、磁場強度センサ２０を積層させることにより、磁気センサ１Ｃを全体的に小型化することができる。
【０２２３】
（実施の形態５）
図２２は、実施の形態５に係る磁気センサアレイを示す概略平面図である。図２３は、図２２に示す磁気センサアレイの拡大図である。図２２および図２３を参照して、実施の形態５に係る磁気センサアレイ２について説明する。
【０２２４】
図２２に示すように、磁気センサアレイ２は、実施の形態１に係る磁気センサ１を複数備える。複数の磁気センサ１は、行列状に配置されている。複数の磁気センサ１は、基材３上に配置されている。
【０２２５】
図２３に示すように、各磁気センサ１は、第１領域Ｒ１と、当該第１領域Ｒ１の周囲を取り囲む第２領域Ｒ２とを含む。第１領域Ｒ１には、角度センサ１０が形成されている。第２領域Ｒ２には、磁場強度センサ２０が形成されている。第１領域Ｒ１の中心Ｃ１を通る所定の仮想線ＶＬ１に対して線対称の形状を有する。なお、実施の形態５においては、第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２は、４角形形状を有するが、これに限定されず、円形状であってもよい。
【０２２６】
このように、第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２を線対称に設けることにより、磁気センサ１内での磁場分布の影響を最小化することができる。この結果、外部磁場の角度および強度の検出精度を向上させることができる。
【０２２７】
このような磁気センサアレイ２を用いることにより、磁場源から各磁気センサ１に入力される外部磁場の角度および強度を算出することができる。これにより、磁場源からの発生される外部磁場の角度分布および強度分布を検知することができる。
【０２２８】
なお、実施の形態５に係る磁気センサアレイ２においては、複数の磁気センサ１が平面的に配置される場合を例示して説明したが、これに限定されず、複数の基材３を重ねて配置することにより、複数の磁気センサを３次元的に配置してもよい。
【０２２９】
また、第１領域Ｒ１に角度センサ１０が形成されており、第２領域Ｒ２に磁場強度センサ２０が形成されている場合を例示して説明したが、これに限定されず、第１領域Ｒ１に磁場強度センサ２０が形成されており、第２領域Ｒ２に角度センサ１０が形成されていてもよい。すなわち、第１領域Ｒ１には、角度センサ１０および磁場強度センサ２０の一方が形成されており、第２領域Ｒ２には、角度センサ１０および磁場強度センサ２０の他方が形成されていればよい。
【０２３０】
（実施の形態６）
図２４は、実施の形態６に係る磁場分布測定装置を示す図である。図２４を参照して、実施の形態６に係る磁場分布測定装置４について説明する。
【０２３１】
図２４に示すように、磁場分布測定装置４は、実施の形態１に係る磁気センサ１と、センサ移動機構７０とを備える。センサ移動機構７０は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の少なくともともいずれかの方向に移動可能に設けられている。センサ移動機構７０は、Ｘ軸レール７１、Ｙ軸レール７２、Ｚ軸レール７３を含む。
【０２３２】
Ｘ軸レール７１は、Ｘ軸方向に延在する。Ｘ軸レール７１は、Ｙ軸レール７２によってＹ軸方向に移動可能に設けられている。Ｘ軸レール７１は、たとえばモータ等の駆動源によってＹ軸レール７２を走行する。
【０２３３】
なお、Ｘ軸方向とは、水平方向における任意の１方向であり、Ｙ軸方向とは、Ｘ軸方向に直交する方向である。
【０２３４】
Ｙ軸レール７２は、Ｙ軸方向に沿って延在する。Ｙ軸レール７２は、Ｘ軸レール７１のＹ軸方向の移動を案内する。Ｙ軸レール７２は、Ｘ軸方向におけるＸ軸レール７１の一端に設けられている。
【０２３５】
Ｚ軸レール７３は、Ｚ軸方向に沿って延在する。Ｚ軸方向は、上下方向であり、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直交する。Ｚ軸レール７３は、磁気センサ１を把持可能に設けられている。Ｚ軸レール７３は、Ｚ軸方向に移動可能に設けられている。
【０２３６】
このように、磁場分布測定装置４にあっては、センサ移動機構７０によって磁気センサ１を移動させることにより、磁場源から各位置で磁気センサ１に入力される外部磁場の角度および強度を算出することができる。これにより、磁場源からの発生される外部磁場の角度分布および強度分布を検知することができる。また、単一の磁気センサ１によって外部磁場の角度分布および強度分布を検知することができるため、磁場分布の検出分解能を向上させることができる。
【０２３７】
（実施の形態７）
図２５は、実施の形態７に係る位置特定装置を示す図である。図２５を参照して、実施の形態７に係る位置特定装置８０について説明する。
【０２３８】
図２５に示すように、実施の形態７に係る位置特定装置８０は、移動体８１と、磁気センサ１とを備える。
【０２３９】
移動体８１は、移動可能に設けられている。実施の形態７においては、水平方向に移動可能に設けられている。移動体８１は、磁場源を有しており、磁気センサ１は、移動体８１の位置に応じて、当該磁場源から発生される外部磁場の角度および強度を算出する。これにより、移動体８１の位置を特定することができる。
【０２４０】
このような位置特定装置８０は、たとえばカメラモジュールに組み込むことができる。この場合には、移動体８１は、マグネット等の磁場源を有し、レンズを保持するレンズ保持部である。レンズ保持部の位置を特定することにより、レンズの位置を特定することができる。特定されたレンズの位置に基づき、フォーカスを制御することができる。
【０２４１】
なお、上述した実施の形態５から７においては、磁気センサとして、実施の形態１に係る磁気センサ１を用いる場合を例示して説明したが、これに限定されず、実施の形態２から４に係る磁気センサが用いられていてもよい。
【０２４２】
このように、複数の実施の形態が存在する場合は、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組み合わせることは、当初から予定されている。
【０２４３】
以上、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【０２４４】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  磁気センサ、２  磁気センサアレイ、３  基材、４  磁場分布測定装置、１０  角度センサ、１１  第１センサ、１２  第２センサ、２０，２０Ａ，２０Ｂ  磁場強度センサ、２１  第３センサ、２２  第４センサ、３０  算出部、３１，３２，３３，３４，３５，３６  センサ、４１  第１キャンセル磁場発生部、４２  第２キャンセル磁場発生部、４５  電流制御部、５１  第１絶縁層、５２  第２絶縁層、６１  基板、６１ａ  表面、６２  絶縁層、６３  下地膜、６４  積層膜、６５  層間絶縁層、６５ａ，６５ｂ  コンタクトホール、６６  第１配線部、６７  第２配線部、７０  センサ移動機構、７１  Ｘ軸レール、７２  Ｙ軸レール、７３  Ｚ軸レール、８０  位置特定装置、８１  移動体、１０１  下部電極層（シード層）、１０２  反強磁性層、１０３  磁性層（ピンド層）、１０４  非磁性層、１０５  下部強磁性層（リファレンス層）、１０６  絶縁層（バリア層）、１０７，１０７Ａ  上部強磁性層（フリー層）、１０８  キャップ層、１１１，１１２，１１３，１１４，１２１，１２２，１２３，１２４  第１磁気抵抗素子、２０１  下部電極層（シード層）、２０２  反強磁性層、２０３  磁性層（ピンド層）、２０４  非磁性層、２０５  下部強磁性層（リファレンス層）、２０６  絶縁層（バリア層）、２０７  上部強磁性層（フリー層）、２０８  キャップ層、２１１，２１１Ａ，２１１Ｂ，２１２，２１３，２１４，２１４Ａ，２２１，２２２，２２３，２２４  第２磁気抵抗素子、３０１  磁気抵抗要素、３０２  リファレンス層、３０３  バリア層、３０４  フリー層、３１０  下部シールド、３２０  上部シールド、４００  第１角度センサ、４００Ａ  第２角度センサ、４０１，４０１Ａ，４０１Ｄ，４０１Ｅ，４０１Ｈ  磁気トンネル接合素子、４０２  リファレンス層、４０３  絶縁層、４０４  フリー層、４１０  第１センサ、４２０  第２センサ、５００  磁気抵抗素子、５０１  積層部、５０２  リファレンス層、５０３  バリア層、５０４  フリー層、６３１  配線パターン。
【図１】
0006984792.tif 000013
【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】
0006984792.tif 000022
【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】
0006984792.tif 000028
【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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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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