(57)【要約】【課題】低磁界を、高感度に検出し、かつ低消費電力動作が可能な磁気センサおよびその動作方法。【解決手段】フルブリッジ構成の磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４と、磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の長手方向と平行に配置され、相反する２方向のバイアス磁界を磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４に印加するバイアス磁界発生用コイル１８とを備え、バイアス磁界発生用コイル１８のバイアス電流を制御して、感度および検出範囲を可変にする磁気センサ４０およびその動作方法。【選択図】図１
2009250931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子の長手方向と平行に配置され、相反する２方向のバイアス磁界を前記磁気抵抗素子に印加するバイアス磁界発生用コイルと
を備えることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記バイアス磁界発生用コイルのバイアス電流を制御して、感度および検出範囲を可変にすることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記磁気抵抗素子は、互いに直列接続された２素子を基板上に配置したことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記磁気抵抗素子は、互いにフルブリッジ構成に接続された４素子を基板上に配置したことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記バイアス磁界発生用コイルは、巻き線方向が互いに逆の２つのコイルを直列接続したことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記磁気抵抗素子を、前記バイアス磁界発生用コイル内に収納した一軸構成を備えることを特徴とする請求項５に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記バイアス磁界発生用コイルは、平面コイルであることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記磁気抵抗素子は、互いにフルブリッジ構成に接続された４素子を２組基板上に配置したことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項９】
互いにフルブリッジ構成に接続された４素子を２組基板上に配置した磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子の長手方向と平行に配置され、相反する２方向のバイアス磁界を前記磁気抵抗素子に印加するバイアス磁界発生用平面コイルと
を備え、前記バイアス磁界発生用平面コイルを前記磁気抵抗素子上に配置して、２軸電子コンパスを形成することを特徴とする磁気センサ。
【請求項１０】
前記バイアス磁界発生用平面コイルのバイアス電流を制御して、感度および検出範囲を可変にすることを特徴とする請求項９に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
磁気抵抗素子の長手方向と平行にバイアス磁界発生用コイルを配置し、相反する２方向のバイアス磁界を前記磁気抵抗素子に印加するステップと、
正方向に飽和磁化をパルス状に印加した後、前記正方向と同一方向にバイアス磁化を印加し第１出力電圧を検出するステップと、
前記正方向とは逆方向の負方向に、飽和磁化をパルス状に印加した後、前記負方向と同一方向にバイアス磁化を印加し第２出力電圧を検出するステップと、
前記第１出力電圧と、前記第１出力電圧と前記第２出力電圧の平均値との差より正方向の外部磁界強度を算出するステップと
を有することを特徴とする磁気センサの動作方法。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の磁気センサと、
前記磁気センサの出力に接続され、前記磁気センサの差動出力を増幅する差動アンプと、
前記差動アンプの出力電圧のアナログ信号をディジタル変換するＡＤコンバータと、
前記ＡＤコンバータの出力に接続され、ディジタル信号演算処理を実行するＣＰＵと
を備えることを特徴とする磁気センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサおよびその動作方法、および磁気センサシステムに関し、特に、地磁気などの低磁界を高感度に検出可能な磁気センサおよびその動作方法、および磁気センサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮｉＦｅパーマロイやＦｅ，Ｃｏ合金などの強磁性体素子に、直流電流Ｉ、外部磁界Ｈを印加した場合に現れる強磁性体素子の電界Ｅは、ガルバノ磁気効果として知られており、ロシアのレフ・ランダウ（Ｌ．Ｌａｎｄａｕ）によってＥ＝ρｉ＋ａ（ｉ×Ｈ）＋ｂＨ（ｉ・Ｈ）と表されることが示されている。ここで、ｉは単位面積当たりの電流値、ρは抵抗率、ａおよびｂは、物理的定数である。このうち右辺第３項が磁気抵抗（ＭＲ：Magneto-resistive）効果である。
【０００３】
ＭＲ効果によれば、磁化容易軸方向（通常は素子の長手方向）に電流を流した時、それに垂直な方向に磁界を印加すると、図２１に示すように、外部磁界Ｈに対して対称的にＭＲの抵抗値Ｒが減少する。図２１において、Ｈｋは飽和磁界を表す。
【０００４】
しかし、その感度は、例えば、０．１（％／Ｏｅ）程度と小さい。地磁気（例えば、日本国内において、約０．４Ｏｅ程度）などの低磁界を検出するには、図２２に示すように、通常、外部磁界Ｈに対してバイアス磁界ＨBを印加し、入力信号に対して、ＭＲの抵抗値Ｒの出力感度を高める必要がある。
【０００５】
更に、このようなＭＲ素子は、温度による変化が大きいことや、抵抗値変化を電圧に変換するため、図２３（ａ）および（ｂ）に示すように、２素子を直交配置する構成や、或いは、図２４（ａ）および（ｂ）に示すように、４素子をフルブリッジ型に配置する構成によって、感度・精度を高めている。
【０００６】
従って、直交配置したＭＲ素子に容易に均一方向にバイアス磁界を印加するために、バイアスコイルを４５°傾けて配置することが、一般的である（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
【０００７】
また、ＭＲ素子は、その磁化履歴により、ヒステリシス特性を有するために正負両方向に飽和磁化とバイアス磁化を交互に印加し、バイアス磁化印加時に出力を読み取る方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献３、および非特許文献１参照。）。
【０００８】
また磁化反転が生じる為、検出磁界範囲が狭くなる。
【特許文献１】特開平０５−１５７５６５号公報
【特許文献２】特許第３５７３１００号公報
【特許文献３】特許第４００６６７４号公報
【非特許文献１】下江治、阿部泰典、諸野脇幸昌、橋爪繁直著“磁気抵抗効果素子を用いた方位センサ”、日立金属技報Ｖｏ１，１８（２００２）ｐ．３７−４２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、ＭＲ素子を直交配置し、一律４５°方向にバイアス磁界を印加する場合、磁気センサの感度につながる抵抗変化量（Ｒ−Ｈ特性グラフの傾き）は大きくなるものの、大きなバイアス磁化が必要となり、センサの消費電流が増える。
【００１０】
本発明の目的は、外部磁界強度による出力の直線近似域が広く得られ、検出可能範囲を狭く限定し、バイアス磁界を小さくしても、低磁界を、高感度に検出可能でかつ低消費電力動作の磁気センサおよびその動作方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の目的は、外部磁界強度による出力の直線近似域が広く得られ、検出可能範囲を狭く限定し、バイアス磁界を小さくしても、低磁界を、高感度に検出可能でかつ低消費電力動作の磁気センサを搭載した磁気センサシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子の長手方向と平行に配置され、相反する２方向のバイアス磁界を前記磁気抵抗素子に印加するバイアス磁界発生用コイルとを備える磁気センサが提供される。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、互いにフルブリッジ構成に接続された４素子を２組基板上に配置した磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子の長手方向と平行に配置され、相反する２方向のバイアス磁界を前記磁気抵抗素子に印加するバイアス磁界発生用平面コイルとを備え、前記バイアス磁界発生用平面コイルを前記磁気抵抗素子上に配置して、２軸電子コンパスを形成する磁気センサが提供される。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、磁気抵抗素子の長手方向と平行にバイアス磁界発生用コイルを配置し、相反する２方向のバイアス磁界を前記磁気抵抗素子に印加するステップと、正方向に飽和磁化をパルス状に印加した後、前記正方向と同一方向にバイアス磁化を印加し第１出力電圧を検出するステップと、前記正方向とは逆方向の負方向に、飽和磁化をパルス状に印加した後、前記負方向と同一方向にバイアス磁化を印加し第２出力電圧を検出するステップと、前記第１出力電圧と、前記第１出力電圧と前記第２出力電圧の平均値との差より正方向の外部磁界強度を算出するステップとを有する磁気センサの動作方法が提供される。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁気センサと、前記磁気センサの出力に接続され、前記磁気センサの差動出力を増幅する差動アンプと、前記差動アンプの出力電圧のアナログ信号をディジタル変換するＡＤコンバータと、前記ＡＤコンバータの出力に接続され、ディジタル信号演算処理を実行するＣＰＵとを備える磁気センサシステムが提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の磁気センサによれば、外部磁界強度による出力の直線近似域が広く得られ、検出可能範囲を狭く限定し、バイアス磁界を小さくしても、低磁界を、高感度に検出可能でかつ低消費電力動作を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１８】
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１９】
[第１の実施の形態]
本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサに適用するＭＲ素子は、図１（ａ）に示すように、電源端子１２と接地（ＧＮＤ）端子１４間に、ＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の２素子を中点取り出し端子１６を介して直列に、基板１０上に配置した構成を備える。
【００２０】
あるいはまた、第１の実施の形態に係る磁気センサに適用するＭＲ素子は、図１（ｂ）に示すように、ＭＲ素子を４素子フルブリッジ構成に基板上に配置した構成を備えていてもよい。図１（ｂ）においては、電源端子１２1とＧＮＤ端子１４1間に、ＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の２素子を中点取り出し端子１６1を介して直列に、基板１０上に配置した図１（ａ）と同様の構成と、電源端子１２2とＧＮＤ端子１４2間に、ＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の２素子を中点取り出し端子１６2を介して直列に、基板１０上に配置した図１（ａ）と同様の構成によって、ＭＲ素子を４素子フルブリッジ構成に形成している。
【００２１】
第１の実施の形態に係る磁気センサに適用するバイアス磁界発生用コイル１８は、図１（ｃ）に示すように、巻き線方向が互いに逆（左右で巻き方が逆転）の構成を有する。
【００２２】
図１（ｃ）に示す巻き線方向が互いに逆（左右で巻き方が逆転）のバイアス磁界発生用コイル１８内に、図１（ｃ）の矢印で示されるように、図１（ａ）若しくは（ｂ）に示したＭＲ素子を配置した基板１０を収納することによって、一軸構成の磁気センサ４０が得られる。
【００２３】
このように、図１（ｃ）に示すバイアス磁界発生用コイル１８内に図１（ａ）若しくは（ｂ）に示すＭＲ素子を配置した基板１０を収納した一軸構成の磁気センサ４０は、図２に示すように模式的に表される。
【００２４】
第１の実施の形態に係る磁気センサ４０は、ＭＲ素子と、ＭＲ素子の長手方向と平行に配置され、相反する２方向のバイアス磁界をＭＲ素子に印加するバイアス磁界発生用コイル１８とを備える。
【００２５】
バイアス磁界発生用コイル１８のバイアス電流を制御して、感度および検出範囲を可変にすることができる。
【００２６】
ＭＲ素子４素子をフルブリッジに組み、外部巻き線のバイアス磁界発生用コイル１８（左右で巻き方向逆転）内に収納した形態によって、一軸磁気センサとなる。また、ＭＲ素子２素子で分圧して出力することもできる。
【００２７】
[第２の実施の形態]
本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサに適用するバイアス磁界発生用平面コイル２０の模式的構成は、図３に示すように表される。また、第２の実施の形態に係る磁気センサに適用するＭＲ素子の構成であって、４素子フルブリッジ構成のＭＲ素子を２組基板上に配置した構成は、図４に示すように表される。
【００２８】
第２の実施の形態に係る磁気センサ４０は、互いにフルブリッジ構成に接続された４素子を２組基板上に配置したＭＲ素子３０と、ＭＲ素子３０の長手方向と平行に配置され、相反する２方向のバイアス磁界をＭＲ素子３０に印加するバイアス磁界発生用平面コイル２０とを備える。
【００２９】
図３において、Ａ＋，Ａ−およびＢ＋，Ｂ−は、相反する２方向のバイアス磁界の発生方向を表す。また、図４において、（Ａ１，Ａ３）、（Ａ２，Ａ４）、（Ｂ１，Ｂ３）、（Ｂ２，Ｂ４）は、互いにフルブリッジ構成に接続された４素子を２組基板上に配置したＭＲ素子３０上にバイアス磁界発生用平面コイル２０をＭＲ素子３０の長手方向と平行に配置した場合の相反する２方向のバイアス磁界の発生方向を表す。
【００３０】
バイアス磁界発生用平面コイル２０をＭＲ素子３０上に配置して、２軸磁気センサの電子コンパスを形成する磁気センサを得ることができる。
【００３１】
バイアス磁界発生用平面コイル２０のバイアス電流を制御して、感度および検出範囲を可変にすることが可能である。
【００３２】
ＭＲ素子のヒステリシス特性例であって、ストライプ形状のＭＲ素子において、長手方向（容易磁化方向）と印加磁界Ｈとの成す角が、９０°傾いた場合のＭＲ素子の抵抗値Ｒと印加磁界Ｈとの関係は、図５に示すように表される。外部磁界Ｈを正方向から負方向に変化させた後、負方向から正方向に変化した場合、図５上において動作点は、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａの軌跡をたどる。
【００３３】
ＭＲ素子のヒステリシス特性例であって、ストライプ形状のＭＲ素子において、長手方向（容易磁化方向）と印加磁界Ｈとの成す角が、４５°傾いた場合のＭＲ素子の抵抗値Ｒと印加磁界Ｈとの関係は、図６に示すように表される。外部磁界Ｈを正方向から負方向に変化させた後、負方向から正方向に変化した場合、図６上において動作点は、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａの軌跡をたどる。
【００３４】
（磁気センサの動作方法）
本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの動作方法は、ＭＲ素子の長手方向と平行にバイアス磁界発生用コイルを配置し、相反する２方向のバイアス磁界をＭＲ素子に印加するステップと、正方向に飽和磁化をパルス状に短時間印加した後、正方向と同一方向にバイアス磁化を印加し第１出力電圧Ｖout（＋）を検出するステップと、正方向とは逆方向の負方向に、飽和磁化をパルス状に短時間印加した後、負方向と同一方向にバイアス磁化を印加し第２出力電圧Ｖout（−）を検出するステップと、第１出力電圧Ｖout（＋）と、第１出力電圧Ｖout（＋）と第２出力電圧Ｖout（−）の平均値との差より正方向の外部磁界強度を算出するステップとを有する。
【００３５】
本発明の比較例として、ストライプ形状のＭＲ素子において、長手方向（容易磁化方向）と印加磁界Ｈとの成す角が、９０°傾いた場合のＭＲ素子を用いた場合、図５に示すようなヒステリシス特性を有することから、このようなＭＲ素子を適用した磁気センサに導通するパルス電流波形の模式図は、図７に示すように表される。すなわち、本発明の比較例に係る磁気センサに適用するパルス電流は、ＭＲ素子の、負方向と逆方向にバイアス電流ＩA をバイアス磁界発生用平面コイル２０導通させている。或いは、正方向と逆方向にバイアス電流−ＩAをバイアス磁界発生用平面コイル２０導通させている。
【００３６】
一方、本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサに適用するパルス電流波形の模式図は、図８に示すように表される。本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサに適用するパルス電流は、正方向と同一方向にバイアス電流ＩB をバイアス磁界発生用平面コイル２０導通させている。或いは、負方向と同一方向にバイアス電流−ＩB をバイアス磁界発生用平面コイル２０導通させている。
【００３７】
（ａ）正方向に飽和磁化をパルス状に短時間印加した後、正方向と同一方向にバイアス電流ＩB をバイアス磁界発生用平面コイル２０導通させて、バイアス磁化を印加し、第１出力電圧Ｖout（＋）を検出する。
【００３８】
（ｂ）次に、正方向とは逆方向の負方向に、飽和磁化をパルス状に短時間印加した後、負方向と同一方向にバイアス電流−ＩB をバイアス磁界発生用平面コイル２０導通させて、バイアス磁化を印加し、第２出力電圧Ｖout（−）を検出する。
【００３９】
（ｃ）次に、第１出力電圧Ｖout（＋）と、第１出力電圧Ｖout（＋）と第２出力電圧Ｖout（−）の平均値との差で表される（１）式により、正方向の外部磁界強度を算出する。
【００４０】
Ｖout＝Ｖout（＋）−{（Ｖout（＋）＋Ｖout（−））／２}              …（１）
第２の実施の形態に係る磁気センサに適用する一軸構成の磁気センサの回路構成は、図９に示すように、ＭＲ素子ＭＲ１とＭＲ素子ＭＲ２のハーフブリッジとＭＲ素子ＭＲ３とＭＲ素子ＭＲ４のハーフブリッジからなるフルブリッジ構成のＭＲ素子ＭＲ１〜ＭＲ４と、ＭＲ素子ＭＲ１〜ＭＲ４に印加される外部磁界Ｈexと、、ＭＲ素子ＭＲ１〜ＭＲ４に印加されるバイアス磁界ＨBとを備える。矢印は、それぞれのＭＲ素子ＭＲ１〜ＭＲ４に印加される外部磁界Ｈexおよびバイアス磁界ＨBの方向を表す。
【００４１】
ＭＲ素子ＭＲ１とＭＲ素子ＭＲ２の中点電位取り出し端子Ａと、ＭＲ素子ＭＲ３とＭＲ素子ＭＲ４の中点電位取り出し端子Ｂ間には、それぞれを入力端子に接続された差動アンプ４４が接続されている。
【００４２】
ＭＲ素子ＭＲ１に印加される磁界はＨB＋Ｈex、ＭＲ素子ＭＲ２に印加される磁界は−ＨB＋Ｈex、ＭＲ素子ＭＲ３に印加される磁界は−ＨB＋Ｈex、ＭＲ素子ＭＲ４に印加される磁界はＨB＋Ｈexとなる。
【００４３】
２方向（正・逆）のバイアス磁界ＨBと、ＭＲ素子ＭＲ１〜ＭＲ４の平行配置により、図９に示すように、各ＭＲ素子ＭＲ１〜ＭＲ４への磁化条件が相反した状態となり、ＭＲ素子ＭＲ１とＭＲ素子ＭＲ２の中点電位取り出し端子Ａと、ＭＲ素子ＭＲ３とＭＲ素子ＭＲ４の中点電位取り出し端子Ｂ間の電位差を差動アンプ４４によって検出することで、検出方向（正のバイアス方向）における外部磁界Ｈexの強度測定が可能となる。
【００４４】
第２の実施の形態に係る磁気センサに適用するＭＲ素子の抵抗値Ｒと印加磁界Ｈの関係は、図１０に示すように表される。また、第２の実施の形態に係る磁気センサの出力電圧Ｖoutと外部印加磁界Ｈexの関係は、図１１に示すように表される。
【００４５】
この時のバイアス磁界ＨB（＝バイアスコイル電流）（９０°）の値は、図１０に示すように、４５°配置時のバイアス磁界ＨB（４５°）の値よりも小さい。また、図１１に示すように、出力電圧Ｖoutと外部印加磁界Ｈexの関係において、Ｖout(９０°)時の直線近似域の方が、Ｖout(４５°)時の直線近似域よりも、広い直線近似域が得られている。
【００４６】
第２の実施の形態に係る磁気センサの出力電圧Ｖoutと外部印加磁界Ｈexの関係において、平行配置（９０°）の時、バイアス電圧をＶB2＜ＶB1と設定して、バイアス磁界を小さく設定して、感度を高める例は、図１２に示すように、模式的に表される。
【００４７】
検出可能範囲を狭く限定しても、低磁界をより高感度に検出する用途、例えば地磁気を検出する電子コンパスなどの場合、バイアス磁界ＨBを小さくして、感度（ΔＶout／ΔＨex）を高めることができる。
【００４８】
相反するバイアス磁界を発生させるには、平面状コイルが適している。
【００４９】
平面コイルは、磁気抵抗素子上に絶縁層成膜後、Ｃｕ又はＡｌ等の導体を成膜→ホトリソパターニングして形成することが、特性上、コスト上適しているが、シート状に作製したコイルを貼り付けても良い。
【００５０】
（地磁気センサ）
第２の実施の形態に係る磁気センサの試作例として、セラミック基板上に形成したＭＲ変化型地磁気センサについて以下に説明する。
【００５１】
ＭＲ変化型磁気センサの作製においては、厚膜スクリーン印刷技術を取り入れることで、歩留りが向上する。第２の実施の形態に係る磁気センサの試作例として、セラミック基板上に形成した地磁気センサによって、地磁気レベルの磁界を０．８９ｍＶ／Ｖ／Ｇの高い感度で検出している。
【００５２】
スクリーン印刷法は、スクリーン版上のペーストをスキージにより開口部を通して基板に転写する工法であり、必要箇所のみに厚膜形成可能で、材料の無駄が無く生産性の高い方法である。
【００５３】
第２の実施の形態に係る磁気センサの試作例として、セラミック基板上に形成したＭＲ変化型地磁気センサにおいては、ＭＲ方式により、数百Åの磁性薄膜を成膜する下地に、同じスクリーン印刷法によりグレーズ（ガラス）厚膜を形成し、必要箇所のみ極平坦化を行っている。
【００５４】
ＭＲ素子にはパーマロイ系薄膜（Ｆｅ２７％−Ｎｉ７２．５％−Ｃｏ０．５％）を用いた。磁性体の容易磁化方向と印加磁界によってＭＲが変化する磁気異方性を利用し、ＭＲ素子に微弱電流を流して抵抗値変化を検出する。
【００５５】
本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの試作例として、地磁気センサに適用するＭＲ素子の配置構成例は、図１３（ａ）に示すように模式的に表され、適用するバイアス磁界発生用平面コイル２０は、図１３（ｂ）に示すように模式的に表される。また、地磁気センサの模式的鳥瞰図は、図１４に示すように表される。また、地磁気センサの模式的回路構成は、図１５に示すように表される。
【００５６】
ＭＲ素子のパターン構成は、形状異方性と所望の抵抗値を得るため、図１３（ａ）に示すように、折り返しパターンとした。図１３（ａ）の構成は、図４の構成に対応している。このパターンをＸ，Ｙ各軸あたりＭＲ素子を４個でフルブリッジ構成し、合計８個作製して異なる向きに配置し、磁界の変化に対して異なる信号を取り出すことにより、ＸＹ方向を検出することが可能となる。
【００５７】
試作に用いたＭＲ素子は図１３のようなパターンとした。図１３(ａ)はＭＲ素子の配置を示す。図１３（ｂ）のバイアス磁界発生用平面コイル２０は、図１４に示すようにＭＲ素子の完成後にＭＲ素子の上部（Ｚ軸方向）に絶縁処理をした状態で重ねて配置する。これにより、ＭＲ素子とバイアス磁界発生用平面コイル２０とは、互いに平行な方向（図１４中のＡからＢの方向）に電流が流れる。
【００５８】
図１５に示すように、バイアス磁界発生用平面コイル２０からはバイアス磁界ＨBが生じ、磁界の強さを調整するとＭＲ素子の抵抗値Ｒが変化する。ＭＲ素子は、材料特性により磁界変化量に対する抵抗値変化量が全磁場領域で一定ではないので、最も抵抗値変化量が大きい磁場領域にバイアス磁界ＨBを固定することで、磁気センサの感度を最大限に上げることができる。
【００５９】
また、図１５に示すように配置することで、ＭＲ素子ＭＲ１〜ＭＲ４はそれぞれ異なる磁場環境となることがわかる。
【００６０】
(地磁気センサの作製方法)
（ａ）アルミナ基板にグレーズ層を膜厚スクリーン印刷し、下地を平坦化したものを使用する。
【００６１】
（ｂ）グレーズ層の上にリフトオフ用のレジストを形成し、パーマロイをスパッタ・リフトオフ形成する。膜厚ｔは、例えば、約３００Å程度とした。また、パターン幅Ｌ１は、例えば、約４０μｍ程度とした。
【００６２】
（ｃ）その後、成膜されたパーマロイ磁気センサの感度を出すためにアニール処理を行う。アニールによって感度が向上するメカニズムは、アニールがＦｅＮ3結晶の成長を抑制しつつ、結晶粒径の拡大、残留応力と内部歪みの除去、結晶欠陥の低減することによる。
【００６３】
（ｄ）この結晶はＭＲ特性に不利に働く構造であるため、アニール後のサンプルをＸ線回折解析し、その結果を指標として、より効果的なアニール条件出しを行う。
【００６４】
一般にアニールは真空下で行なわれるが、第２の実施の形態に係る磁気センサの製造方法においては、酸化対策として還元雰囲気において行った。条件は、水素雰囲気で、約１０-4Ｔｏｒｒ程度の減圧下において室温から約４００℃程度まで約２０分で昇温して、約４００℃で約３時間保持する。
【００６５】
（ｅ）熱処理後、約２時間程度で常温まで降温して取り出す。
【００６６】
（ｆ）次に、バイアス磁界発生用平面コイル２０を作製する。第２の実施の形態に係る磁気センサの製造方法においては、評価用に簡易コイルを作製した。線径φ０．０２ｍｍの銅線を絶縁フィルム上に２１ターン平面にまきつける。バイアス磁界発生用平面コイル２０はＭＲ素子のＺ軸上部に密接させて、測定を行う。
【００６７】
（実験結果）
−ＭＲ特性計測方法−
試作した地磁気センサの材料特性評価結果を以下に説明する。
【００６８】
第２の実施の形態に係る磁気センサの試作例として、セラミック基板上に形成した地磁気センサのＭＲ素子の表面顕微鏡写真は、図１６に示すように表される。図１６の端子Ａと端子Ｂ間（図１３（ａ）におけるＭＲ素子Ｒ３とＭＲ素子Ｒ４を直列に接続）に電流１００μＡを流し、±２００Ｇの範囲で磁場を印加して、端子Ａと端子Ｃ間（端子Ａ，Ｃはそれぞれ図１３（ａ）におけるＭＲ素子Ｒ３の両端）の電位差として抵抗値変化を読み取り、素子の材料特性評価を行った。
【００６９】
バイアス磁界発生用平面コイル２０を実装した磁気センサ４０の状態の写真を図１７に示す。バイアス磁界発生用平面コイル２０に流すバイアスコイル電流Ｉcoilは、１５〜４０ｍＡの範囲で、地磁気を測定するための最適なバイアス磁界の条件を探した。
【００７０】
さらに、磁気センサを水平面内で回転させて地磁気を測定した。また、検出感度評価においては、ヘルムホルツコイルにて磁界印加し出力特性を測定した。
【００７１】
−計測結果−
第２の実施の形態に係る地磁気センサの計測結果であって、地磁気に対する回転角度θ（ｄｅｇ．）と出力電圧Ｖout（ｍＶ）との関係は、図１８に示すように表される。バイアスコイル電流Ｉcoilが１５ｍＡの一定電流の場合、地磁気に対する回転角度θと出力電圧Ｖoutとの関係は、正弦波的な特性が得られた。
【００７２】
また、ヘルムホルツコイル電流（印加磁界）と出力電圧Ｖoutとの関係は、図１９に示すように表される。±２Ｇの範囲において直線性を示し、感度は０．８９ｍＶ／Ｖ／Ｇとなった。
【００７３】
図１８および図１９より、第２の実施の形態に係る磁気センサは、地磁気レベルの微弱磁場環境において検出できることが確認できた。同様に、直交する２軸の出力の逆正接関数より、方位を確定することが可能である。よって地磁気により方位を検知する磁気センサを得ることができた。
【００７４】
厚膜スクリーン印刷を用いて磁気センサの根幹となる部分の作製を行い、地磁気センサを作製して次の結果を得た。
【００７５】
厚膜スクリーン印刷により、誘導体厚やグレーズを数１０μｍ形成することができ、試作全体を通してハンドリング性は良好であった。
【００７６】
地磁気センサは、１軸方向の地磁気レベルの磁場を検出することに成功し、０．８９ｍＶ／Ｖ／Ｇの高感度を実現させることができた。
【００７７】
（磁気センサシステム）
本発明の第１乃至第２の実施の形態に係る磁気センサを適用する磁気センサシステムは、図２０に示すように、磁気センサ４０と、磁気センサ４０の出力に接続され、磁気センサ４０の差動出力を増幅する差動アンプ４４と、差動アンプ４４の出力電圧Ｖoutのアナログ信号をディジタル変換するＡＤコンバータ４６と、ＡＤコンバータ４６の出力に接続され、ディジタル信号演算処理を実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）４８とを備える。図２０に示すように、磁気センサ４０およびＣＰＵ４８には、バイアス駆動回路４２が接続されていてもよい。
【００７８】
また、図２０において、集積化された磁気センサ４０に加えて、差動アンプ４４、ＡＤコンバータ４６およびＣＰＵ４８なども集積化することができる。
【００７９】
本発明によれば、外部磁界強度による出力の直線近似域が広く得られ、検出可能範囲を狭く限定し、バイアス磁界を小さくしても、低磁界を、高感度に検出可能でかつ低消費電力動作の磁気センサおよびその動作方法を提供することができる。
【００８０】
また、本発明によれば、このような磁気センサを搭載した磁気センサシステムを提供することができる。
【００８１】
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１乃至第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００８２】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明の磁気センサは、産業用制御機器に適用可能であり、より具体的には、折りたたみ式携帯機器の開閉検出に利用可能な近接センサ、携帯電話の地図情報のヘッディングやナビゲーション装置に利用可能な電子コンパス、およびゲーム機器において姿勢把握可能な磁気センサなど幅広い産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサに適用するＭＲ素子の構成であって、（ａ）ＭＲ素子を２素子を基板上に配置した構成例、（ｂ）ＭＲ素子を４素子フルブリッジ構成に基板上に配置した構成例、（ｃ）巻き線方向が互いに逆（左右で巻き方が逆転）のバイアス磁界発生用コイルの構成例。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの構成例であって、図１（ｃ）に示す巻き線方向が互いに逆のバイアス磁界発生用コイル内に図１（ａ）若しくは（ｂ）に示すＭＲ素子を配置した基板を収納した一軸構成の磁気センサの構成例。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサに適用するバイアス磁界発生用平面コイルの模式的構成例。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサに適用するＭＲ素子の構成であって、４素子フルブリッジ構成のＭＲ素子を２組基板上に配置した構成例。
【図５】ＭＲ素子のヒステリシス特性例であって、ストライプ形状のＭＲ素子において、長手方向（容易磁化方向）と印加磁界との成す角が、９０°傾いた場合のＭＲ抵抗値と印加磁界との関係。
【図６】ＭＲ素子のヒステリシス特性例であって、ストライプ形状のＭＲ素子において、長手方向（容易磁化方向）と印加磁界との成す角が、４５°傾いた場合のＭＲ素子の抵抗値と印加磁界との関係。
【図７】本発明の比較例に係る磁気センサに適用するパルス電流波形の模式図。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサに適用するパルス電流波形の模式図。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサに適用する一軸構成の磁気センサの回路構成図であって、４素子フルブリッジ構成のＭＲ素子を適用する回路構成図。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサに適用するＭＲ素子の抵抗値Ｒと印加磁界Ｈの関係の説明図。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの出力電圧Ｖoutと外部印加磁界Ｈexの関係の説明図。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの出力電圧Ｖoutと外部印加磁界Ｈexの関係において、平行配置（９０°）の時、バイアス磁界を小さくして、感度を高める例の説明図。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの試作例として、セラミック基板上に形成した地磁気センサであって、（ａ）適用するＭＲ素子の模式的配置構成例、（ｂ）適用するバイアス磁界発生用コイルの模式的構成例。
【図１４】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの試作例として、セラミック基板上に形成した地磁気センサの模式的鳥瞰図。
【図１５】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの試作例として、セラミック基板上に形成した地磁気センサの模式的回路構成図。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの試作例として、セラミック基板上に形成した地磁気センサのＭＲ素子の表面顕微鏡写真。
【図１７】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの試作例として、セラミック基板上に形成した地磁気センサのＭＲ素子上にコイルを配置した表面顕微鏡写真。
【図１８】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの試作例として、セラミック基板上に形成した地磁気センサの計測結果であって、地磁気に対する回転角度θ（ｄｅｇ．）と出力電圧Ｖout（ｍＶ）との関係。
【図１９】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの試作例として、セラミック基板上に形成した地磁気センサの計測結果であって、ヘルムホルツコイル電流（印加磁界）と出力電圧Ｖoutとの関係。
【図２０】本発明の第１乃至第２の実施の形態に係る磁気センサを適用する磁気センサシステムの模式的ブロック構成図。
【図２１】ＭＲ素子の磁気抵抗値Ｒと外部磁界Ｈとの関係の模式図。
【図２２】ＭＲ素子の磁気抵抗値Ｒと外部磁界Ｈとの関係を表す図において、バイアス磁界を印加し、感度を高める例の説明図。
【図２３】ＭＲ素子の配置例であって、（ａ）ＭＲ素子を２素子を直交に配置した構成例、（ｂ）（ａ）の等価回路図。
【図２４】ＭＲ素子の配置例であって、（ａ）ＭＲ素子を４素子フルブリッジ型に配置した構成例、（ｂ）（ａ）の等価回路図。
【符号の説明】
【００８５】
１０…基板
１２，１２1，１２2…電源端子
１４，１４1，１４2…接地（ＧＮＤ）端子
１６，１６1，１６2…中点電位取り出し端子
１８…バイアス磁界発生用コイル
２０…バイアス磁界発生用平面コイル
３０，Ｒ１〜Ｒ８，ＭＲ１〜ＭＲ４…ＭＲ素子
４０…磁気センサ
４２…バイアス駆動回路
４４…差動アンプ
４６…ＡＤコンバータ
４８…中央演算処理装置（ＣＰＵ）
【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１６】
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【図１７】
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