JP2014003215A - 磁気抵抗効果素子及び電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】感度軸方向に直交する向きの磁界による不可逆的な特性の変化を防止可能な磁気抵抗効果素子、及びその磁気抵抗効果素子を備えた電流センサを提供すること。
【解決手段】外部磁界が印加されることで磁化方向が変動する磁化自由層（３０７）と、外部磁界が無磁界のときに磁化自由層の磁化方向を所定の方向に固定するバイアス磁界（Ｂ１，Ｂ２）を印加する一対のバイアス部（２２，２３）とを含み、一対のバイアス部は、磁化自由層に対して互いに向かい合う向きのバイアス磁界を印加可能に構成されたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果素子を備える電流センサに関する。

被測定電流により生じる誘導磁界に基づき、非接触で電流値を測定可能な電流センサが実用化されている。この電流センサは、例えば、印加される磁界の強度に応じて電気抵抗の変動する磁気抵抗効果素子を備えており、磁気抵抗効果素子の電気抵抗の変動に基づいて被測定電流の電流値を算出する。この磁気抵抗効果素子は、一般に、反強磁性層、強磁性固定層（磁化固定層）、非磁性中間層（非磁性層）、フリー磁性層（磁化自由層）などが積層された磁界検出部を備えている。

磁気抵抗効果素子の磁界検出部において、強磁性固定層は、反強磁性層の上面に接するように設けられている。これにより、強磁性固定層の磁化方向は、反強磁性層との間で生じる交換結合磁界により一方向に揃えられている。また、フリー磁性層は、強磁性固定層の上方に非磁性中間層を介して設けられている。このため、フリー磁性層の磁化方向は、外部磁界の向きと強度に応じて変化される。磁気抵抗効果素子の電気抵抗は、外部磁界により変化されるフリー磁性層の磁化方向と強磁性固定層の磁化方向との関係で変動する。

このような磁気抵抗効果素子を備える電流センサにおいて、フリー磁性層にバイアス磁界を印加するためのハードバイアス層を備える磁気抵抗効果素子を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この電流センサでは、ハードバイアス層から印加されるバイアス磁界により磁気抵抗効果素子のフリー磁性層の磁化方向は初期化されるので、磁気ヒステリシスによる電流測定精度の低下を抑制できる。

特開２００６−６６８２１号公報

ところで、被測定電流とは別の電流を通流される導体が電流センサに近接して配置され、この導体を通流する電流により、感度軸方向に直交する向きの強い誘導磁界が電流センサに印加されることがある。上述の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子は、感度軸方向に直交する向きに強い磁界を受けることを想定されていないので、このような磁界を受けると磁気抵抗効果素子の特性が不可逆的に変化され、電流センサの電流測定精度は低下される恐れがある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、感度軸方向に直交する向きの磁界による不可逆的な特性の変化を防止可能な磁気抵抗効果素子、及びその磁気抵抗効果素子を備えた電流センサを提供することを目的とする。

本発明の磁気抵抗効果素子は、外部磁界が印加されることで磁化方向が変動する磁化自由層と、前記外部磁界が無磁界のときに前記磁化自由層の磁化方向を所定の方向に固定するバイアス磁界を印加する一対のバイアス部とを含み、前記一対のバイアス部は、前記磁化自由層に対して互いに向かい合う向きのバイアス磁界を印加可能に構成されたことを特徴とする。

この構成によれば、磁気抵抗効果素子の磁化自由層は、一対のバイアス部により互いに向かい合う向きのバイアス磁界を印加され、バイアス磁界に起因する複数の磁区が形成されている。このため、感度軸方向に直交する向きの磁界により磁化自由層の磁化の状態が一時的に変化しても、外部磁界が印加されなくなれば、バイアス磁界によって磁化自由層の磁化の状態は元に戻る。つまり、磁気抵抗効果素子の特性が一時的に変化しても、容易に元の特性に戻る。よって、感度軸方向に直交する向きの磁界による磁気抵抗効果素子の不可逆的な特性の変化を防ぐことができる。

本発明の磁気抵抗効果素子において、前記一対のバイアス部は、前記磁化自由層の延在方向に垂直な向きに着磁されたことが好ましい。また、前記一対のバイアス部は、同じ向きに着磁されたことが好ましい。この構成によれば、磁化自由層に対して互いに向かい合う向きのバイアス磁界を印加可能な一対のバイアス部を容易に実現し、感度軸方向に直交する向きの磁界による磁気抵抗効果素子の不可逆的な特性の変化を防ぐことができる。

本発明の磁気抵抗効果素子において、前記一対のバイアス部は、着磁方向とは異なる向きのバイアス磁界を生じさせる領域をそれぞれ含むことが好ましい。この構成によれば、一対のバイアス部により、着磁方向とは異なる向きのバイアス磁界を生じさせて磁気抵抗効果素子のフリー磁性層に適切なバイアス磁界を印加できる。

本発明の磁気抵抗効果素子において、前記一対のバイアス部は、対称な平面形状を有することが好ましい。この構成によれば、磁化自由層に対して互いに向かい合う向きのバイアス磁界を容易に印加できる。

本発明の電流センサは、上記磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。この構成によれば、感度軸方向に直交する向きの磁界による磁気抵抗効果素子の不可逆的な特性の変化は防止されるので、電流センサの電流測定精度の低下を抑制できる。

本発明によれば、感度軸方向に直交する向きの磁界による不可逆的な特性の変化を防止可能な磁気抵抗効果素子、及びその磁気抵抗効果素子を備えた電流センサを提供できる。

実施の形態１に係る電流センサの構成の一部を示す回路図である。 実施の形態１に係る電流センサが備える磁気抵抗効果素子の構成例を示す平面模式図である。 実施の形態１に係る電流センサにおいて、長尺パターンの長手方向に略平行なバイアス磁界が発生するメカニズムを説明するための模式図である。 実施の形態１に係る電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子の積層構造を示す断面模式図である。 感度軸方向に直交する向きに強い磁界が印加される場合の磁気抵抗効果素子の状態を示す平面模式図である。 実施の形態２に係る電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子の構成例を示す平面模式図である。 実施の形態３に係る電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子の構成例を示す平面模式図である。 実施の形態４に係る電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子の構成例を示す平面模式図である。 実施例及び比較例の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ曲線を示すグラフである。 実施例及び比較例の電流センサに対して感度軸方向に直交する向きの磁界が印加される場合の磁気抵抗効果素子の感度を示すグラフである。 感度軸方向に直交する向きに強い磁界を受けて磁気抵抗効果素子の特性が大きく変化される様子を示す平面模式図である。

フリー磁性層（磁化自由層）にバイアス磁界を印加するためのハードバイアス層を備える磁気抵抗効果素子は、感度軸方向に印加される磁界の履歴をバイアス磁界によって初期化できる。しかしながら、従来の磁気抵抗効果素子は、感度軸方向に直交する向きに強い磁界を受けることを想定されていないので、感度軸方向に直交する向きの強い磁界を受けると特性が大きく変化されてしまうことがある。

図１１は、感度軸方向に直交する向きに強い磁界を受けて磁気抵抗効果素子の特性が大きく変化される様子を示す平面模式図である。図１１Ａに示すように、磁気抵抗効果素子４は、一方向に延びるフリー磁性層４１１を備える磁界検出部４１と、磁界検出部４１の両端部の外側において磁界検出部４１のフリー磁性層４１１にバイアス磁界Ｂを印加する一対のバイアス部４２，４３とを備えている。

バイアス部４２，４３は、平面形状が略長方形状のフリー磁性層４１１の長手方向に平行な向きのバイアス磁界Ｂを生じるように構成されている。磁界検出部４１のフリー磁性層４１１は、バイアス部４２，４３から印加されるバイアス磁界Ｂにより、バイアス磁界Ｂと同方向に磁化されている。この磁気抵抗効果素子４の感度軸方向Ｓは、フリー磁性層の長手方向に垂直な方向である。

感度軸方向Ｓに直交し、バイアス磁界Ｂと逆向きの強い外部磁界Ｈがフリー磁性層４１１に印加されると、図１１Ｂに示すように、フリー磁性層４１１の一部の領域の磁化は反転されて逆向きになる。具体的には、バイアス部４２，４３に近接するフリー磁性層４１１の両端の領域では、バイアス磁界Ｂによって磁化の向きは維持されるが、フリー磁性層４１１の中央の領域では、外部磁界Ｈによって磁化は反転される。外部磁界Ｈにより一部の領域の磁化が反転される結果、磁化の向きが維持される領域と磁化が反転される領域との境界には磁壁Ｗが形成される。

このように、外部磁界Ｈによりフリー磁性層４１１の中央の領域の磁化が反転されてしまうと、その後、図１１Ｃに示すように外部磁界Ｈが印加されなくなっても、フリー磁性層４１１の中央の一部の領域の磁化は反転された状態で維持される。その結果、磁気抵抗効果素子４の磁気感度は図１１Ａの状態から大きく変化され、電流センサの電流測定精度は低下してしまう。

上述のように、外部磁界の印加前後で磁気抵抗効果素子の特性が大きく変化されてしまうのは、フリー磁性層の磁化の一部が外部磁界によって反転され、外部磁界が失われた後もその状態が維持されてしまうからである。すなわち、上述のような磁気抵抗効果素子の不可逆的な特性変化は、フリー磁性層がバイアス磁界によって一方向に磁化されているために生じると考えられる。本発明者らは、この知見に基づき、フリー磁性層にあらかじめ２以上の磁区を形成しておくことで、磁気抵抗効果素子の不可逆的な特性変化を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明の骨子は、一方向に延びるフリー磁性層の両端部の外側においてバイアス磁界を生じる一対のバイアス部を有する磁気抵抗効果素子において、フリー磁性層に対して互いに向かい合う向きのバイアス磁界を印加できる構成の一対のバイアス部を設けることである。以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態では、磁気抵抗効果素子を用いた電流センサの第１の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る電流センサ１の構成の一部を示す回路図である。電流センサ１は、被測定電流が流れる導体（不図示）の近傍に配設される磁界検出ブリッジ回路１１を備えている。磁界検出ブリッジ回路１１は、被測定電流からの誘導磁界Ｈ１により電気抵抗が変化される４個の磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄにより構成されている。この４個の磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、いずれも同じ素子構造を有している。

磁界検出ブリッジ回路１１は、磁気抵抗効果素子１２ａと磁気抵抗効果素子１２ｃとの接続点と等電位の端子Ｔ１を備えており、端子Ｔ１は、電源電圧を供給する電源（不図示）に接続されている。また、磁界検出ブリッジ回路１１は、磁気抵抗効果素子１２ｂと磁気抵抗効果素子１２ｄとの接続点と等電位の端子Ｔ２を備えており、端子Ｔ２は、接地電圧を供給するグランド（不図示）に接続されている。

さらに、磁界検出ブリッジ回路１１は、磁気抵抗効果素子１２ａと磁気抵抗効果素子１２ｂとの接続点と等電位の出力端子Ｏ１、及び、磁気抵抗効果素子１２ｃと磁気抵抗効果素子１２ｄとの接続点と等電位の出力端子Ｏ２を備えている。この２個の出力端子Ｏ１，Ｏ２から、被測定電流による誘導磁界Ｈ１に対応する電圧差が出力される。電流センサ１は、出力端子Ｏ１，Ｏ２の電圧差に基づいて、後段の演算回路（不図示）で被測定電流の電流値を算出する。

図２は、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの構成例を示す平面模式図である。図２Ａは、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの構成概略を模式的に示し、図２Ｂは、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄ内のバイアス磁界を模式的に示している。図２Ａに示すように、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、それぞれ、基板３０１（図２Ａにおいて不図示、図４参照）の上面に形成される磁界検出部２１と、磁界検出部２１を挟むように配置される一対のバイアス部２２，２３とを含む。磁界検出部２１は、平面形状が略長方形状の複数の長尺パターン（長尺部）２１１（２１１ａ〜２１１ｇ）を有している。各長尺パターン２１１は、長手方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）において、所定間隔で平行に配列されている。

各長尺パターン２１１の両端部には、それぞれ、導電パターン２１２（２１２ａ〜２１２ｈ）が設けられている。長尺パターン２１１の配列方向（Ｙ方向）において、最も外側に設けられた長尺パターン２１１ａの一端部（図２の左側）には、各磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの一方の端子となる導電パターン２１２ａが接続されている。長尺パターン２１１ａの配列方向において、長尺パターン２１１ａから最も離れて設けられた長尺パターン２１１ｇの他端部（図２の右側）には、各磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの他方の端子となる導電パターン２１２ｈが接続されている。

長尺パターン２１１ａの他端部と、長尺パターン２１１ａに隣接する長尺パターン２１１ｂの他端部とは、導電パターン２１２ｂによって接続されている。また、長尺パターン２１１ｂの一端部と、長尺パターン２１１ｂに隣接する長尺パターン２１１ｃの一端部とは、導電パターン２１２ｃによって接続されている。同様に、長尺パターン２１１ｃの他端部と、長尺パターン２１１ｃに隣接する長尺パターン２１１ｄの他端部とは、導電パターン２１２ｄによって接続されている。長尺パターン２１１ｄの一端部と、長尺パターン２１１ｄに隣接する長尺パターン２１１ｅの一端部とは、導電パターン２１２ｅによって接続されている。さらに、長尺パターン２１１ｅの他端部と、長尺パターン２１１ｅに隣接する長尺パターン２１１ｆの他端部とは、導電パターン２１２ｆによって接続されている。長尺パターン２１１ｆの一端部と、長尺パターン２１１ｆに隣接する長尺パターン２１１ｇの一端部とは、導電パターン２１２ｇによって接続されている。

このように、長尺パターン２１１の両端部に設けられる導電パターン２１２は、各磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの端子となる導電パターン２１２ａ，２１２ｈを除き、隣接する長尺パターン２１１を相互に接続する屈曲部分を構成している。隣接する長尺パターン２１１が導電パターン２１２で接続されることにより、ミアンダ状に折れ曲がったミアンダパターンの磁界検出部２１が構成されている。磁界検出部２１の感度軸方向Ｓ１は、長尺パターン２１１の長手方向に垂直な方向である。

長尺パターン２１１の両端部の外側には、磁界検出部２１を挟むように一対のバイアス部２２，２３が設けられている。バイアス部２２，２３は、それぞれ、各長尺パターン２１１（２１１ａ〜２１１ｇ）に対応するハードバイアス層２２１（２２１ａ〜２２１ｇ），２３１（２３１ａ〜２３１ｇ）を有している。各ハードバイアス層２２１，２３１は、それぞれ、長尺パターン２１１の長手方向に略平行な第１辺と、長尺パターン２１１の長手方向に略垂直な第２辺とを含む略直角三角形状の平面形状を有している。また、各ハードバイアス層２２１，２３１の略直角三角形状の斜辺は、磁界検出部２１の方向を向くように形成されている。ハードバイアス層２２１（２２１ａ〜２２１ｇ）とハードバイアス層２３１（２３１ａ〜２３１ｇ）とは、各長尺パターン２１１（２１１ａ〜２１１ｇ）を挟んで対称な平面形状を有している。

図２Ｂに示すように、各ハードバイアス層２２１，２３１の着磁方向Ｍ１は、各長尺パターン２１１の長手方向に対して略垂直な方向である。より具体的には、各ハードバイアス層２２１，２３１は、略直角三角形状の第１辺から斜辺へと向かう同じ向き（図２の上向き）に着磁されている。各ハードバイアス層２２１，２３１の斜辺に相当する領域Ａ１は、着磁方向Ｍ１とは異なる向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を生じさせる磁界方向の変化領域である。この領域Ａ１により、各長尺パターン２１１の長手方向に略平行で、互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２が発生される。各ハードバイアス層２２１，２３１から発生されるバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２は、各長尺パターン２１１を構成するフリー磁性層３０７（図２において不図示、図４参照）に印加される。

長尺パターンの長手方向に対して略垂直な方向に着磁されたハードバイアス層から、長尺パターンの長手方向に略平行で、互いに向かい合う向きのバイアス磁界が発生するメカニズムを説明する。ハードバイアス層は、その着磁方向に位置する端部からバイアス磁界を発生する。このため、ハードバイアス層の着磁方向における端部の位置と、長尺パターンの長手方向の端部の位置との関係に応じて、バイアス磁界の向きは異なってくる。

例えば、図３Ａに示すような平面形状が略長方形のハードバイアス層ＨＢａにおいて、ハードバイアス層ＨＢａの着磁方向Ｍａの端部Ｅ１ａは、長尺パターンＰａの長手方向Ｌａの端部Ｅ２ａから離れた位置に位置付けられている。このため、図３Ａに示すように、バイアス磁界Ｂａは、略長方形のハードバイアス層ＨＢａに沿うように発生し、長尺パターンＰａに印加される。つまり、ハードバイアス層ＨＢａから長尺パターンＰａに印加されるバイアス磁界Ｂａは、長尺パターンＰａの長手方向Ｌａに垂直な方向の成分が大きくなっている。

これに対し、図３Ｂに示すようなハードバイアス層ＨＢｂにおいて、着磁方向Ｍｂに存在する端部Ｅ１ｂは、長尺パターンＰｂの長手方向Ｌｂの端部Ｅ２ｂと向かい合うような位置に位置付けられている。この場合、ハードバイアス層ＨＢｂにおいて端部Ｅ１ｂから発生するバイアス磁界Ｂｂは、磁性材料で構成される長尺パターンＰｂの端部Ｅ２ｂに向かって引き寄せられて、長手方向Ｌｂに平行な方向の成分が大きくなる。これにより、長尺パターンＰｂには、ハードバイアス層ＨＢｂから長手方向Ｌｂに平行な方向の成分が大きいバイアス磁界Ｂｂが印加される。

このようなメカニズムから、図２に示すような形状（構造）を有する各ハードバイアス層２２１，２３１を用いることで、各長尺パターン２１１の長手方向に略平行で、互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を容易に発生させることができる。すなわち、各ハードバイアス層２２１，２３１においてバイアス磁界の発生する端部と、各長尺パターン２１１の長手方向の端部とを近接させることで、各長尺パターン２１１の長手方向に略平行で、互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を容易に発生させることができる。そして、発生するバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を、各長尺パターン２１１のフリー磁性層３０７に対して印加することができる。

図４は、本実施の形態の電流センサ１に用いられる磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの積層構造を示す断面模式図である。図４では、長尺パターン２１１及びハードバイアス層２２１，２３１の積層構造のみを模式的に示している。図４に示すように、長尺パターン２１１及びハードバイアス層２２１，２３１は、シリコンなどの半導体材料で構成される基板３０１の上面に形成されている。

長尺パターン２１１は、シード層３０２、第１の強磁性層３０３、反平行結合層３０４、第２の強磁性層３０５、非磁性中間層（非磁性層）３０６、フリー磁性層（磁化自由層）３０７、及び保護層３０８がこの順序で積層されることにより形成されている。第１の強磁性層３０３及び第２の強磁性層３０５は、反平行結合層３０４を介して反強磁性的に結合されており、いわゆるセルフピン止め型の強磁性固定層（ＳＦＰ層：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｆｅｒｒｉ Ｐｉｎｎｅｄ層）（磁化固定層）を構成している。このように、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、強磁性固定層（磁化固定層）、フリー磁性層（磁化自由層）３０７、及び強磁性固定層（磁化固定層）とフリー磁性層（磁化自由層）３０７との間の非磁性中間層（非磁性層）３０６を含む積層構造を備えるスピンバルブ型の素子である。

ハードバイアス層２２１，２３１は、フリー磁性層３０７に対して互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を印加できるように構成されている。フリー磁性層３０７は、ハードバイアス層２２１，２３１から印加されるバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２により互いに向かい合う２方向に磁化される。

この磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、感度軸方向Ｓ１に直交する向きに強い磁界を受けても、図１１に示すような不可逆的な特性の変化を生じない。図５は、感度軸方向Ｓ１に直交する向きに強い磁界が印加される場合の磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの状態を示す平面模式図である。図５Ａに示すように、磁界検出部２１のフリー磁性層３０７は、バイアス磁界Ｂ１，Ｂ２によって互いに向かい合う方向に磁化されており、少なくとも２個の磁区を形成されている。また、磁区の境界には磁壁Ｗ１が形成されている。

感度軸方向Ｓ１に直交する向きの強い外部磁界Ｈ２がフリー磁性層３０７に印加されると、図５Ｂに示すように、フリー磁性層３０７の一部の領域の磁化は反転されて逆向きになる。その結果、磁区の境界である磁壁Ｗ１は外部磁界Ｈ２の向きに移動される。その後、図５Ｃに示すように外部磁界Ｈ２が印加されなくなると、外部磁界Ｈ２で反転された磁化はバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２によって元の状態に戻される。また、磁壁Ｗ１の位置も、フリー磁性層３０７の中央の位置に戻される。

このように、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄのフリー磁性層３０７は、一対のバイアス部２２１，２３１により互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を印加され、バイアス磁界Ｂ１，Ｂ２に起因する複数の磁区を形成されている。このため、感度軸方向Ｓ１に直交する向きの外部磁界Ｈ２によりフリー磁性層３０７の磁化の状態が一時的に変化されても、外部磁界Ｈ２が印加されなくなれば、バイアス磁界Ｂ１，Ｂ２によってフリー磁性層３０７の磁化の状態は元に戻される。つまり、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの特性が一時的に変化されても、容易に元の特性に戻される。よって、感度軸方向Ｓ１に直交する向きの外部磁界Ｈ２による磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの不可逆的な特性の変化を防ぎ、電流センサ１の電流測定精度の低下を抑制できる。

なお、本実施の形態では、フリー磁性層３０７の延びる方向に平行で、互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を生じさせているが、バイアス磁界はこれに限られない。バイアス磁界は、少なくとも、外部磁界の印加前後においてフリー磁性層の磁化を略等しい状態にできれば良い。例えば、バイアス磁界の向きは、フリー磁性層３０７の延びる方向に対して僅かに傾斜されていても良い。

（実施の形態２）
本実施の形態では、磁気抵抗効果素子を用いた電流センサの第２の形態について説明する。図６は、本実施の形態に係る電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子１２ｅの構成例を示す平面模式図である。図６Ａは、磁気抵抗効果素子１２ｅの構成概略を模式的に示し、図６Ｂは、磁気抵抗効果素子１２ｅ内のバイアス磁界の様子を模式的に示している。なお、本実施の形態の電流センサの構成は、磁気抵抗効果素子１２ｅの一部の構成を除いて電流センサ１の構成と共通している。このため、本実施の形態では、電流センサ１と異なる構成についてのみ説明する。

図６Ａに示すように、本実施の形態の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子１２ｅは、実施の形態１の磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄとは異なる形状のハードバイアス層２２２（２２２ａ〜２２２ｇ），２３２（２３２ａ〜２３２ｇ）を備えている。各ハードバイアス層２２２，２３２は、それぞれ、各長尺パターン２１１に対して対称な略Ｌ字状の平面形状を有している。図６Ｂに示すように、各ハードバイアス層２２２，２３２の着磁方向Ｍ２は、各長尺パターン２１１の長手方向に対して略垂直な同じ方向である。また、各ハードバイアス層２２２，２３２において、屈曲された領域Ａ２は、着磁方向Ｍ２とは異なる向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を生じさせる磁界方向の変化領域である。この領域Ａ２により、各長尺パターン２１１の長手方向に略平行で、互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２が発生される。

つまり、図６に示すような形状（構造）を有する各ハードバイアス層２２２，２３２を用いることで、各長尺パターン２１１の長手方向に略平行で、互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を発生させることができる。そして、発生するバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を、各長尺パターン２１１のフリー磁性層３０７に対して印加することができる。

このように、本実施の形態においても、磁気抵抗効果素子１２ｅのフリー磁性層３０７は、一対のバイアス部２２２，２３２により互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を印加され、バイアス磁界Ｂ１，Ｂ２に起因する複数の磁区を形成されている。このため、感度軸方向Ｓ１に直交する向きの外部磁界Ｈ２による磁気抵抗効果素子１２ｅの不可逆的な特性の変化を防ぎ、電流センサの電流測定精度の低下を抑制できる。本実施の形態において示される構成は、他の実施の形態において示される構成と適宜組み合わせて実施することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、磁気抵抗効果素子を用いた電流センサの第３の形態について説明する。図７は、本実施の形態に係る電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子１２ｆの構成例を示す平面模式図である。図７Ａは、磁気抵抗効果素子１２ｆの構成概略を模式的に示し、図７Ｂは、磁気抵抗効果素子１２ｆ内のバイアス磁界の様子を模式的に示している。なお、本実施の形態の電流センサの構成は、磁気抵抗効果素子１２ｆの一部の構成を除いて電流センサ１の構成と共通している。このため、本実施の形態では、電流センサ１と異なる構成についてのみ説明する。

図７Ａに示すように、本実施の形態の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子１２ｆは、実施の形態１の磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄとは異なる形状のハードバイアス層２２３（２２３ａ〜２２３ｇ），２３３（２３３ａ〜２３３ｇ）を備えている。各ハードバイアス層２２３，２３３は、それぞれ、各長尺パターン２１１に対して対称な略円形状の平面形状を有している。図７Ｂに示すように、各ハードバイアス層２２３，２３３の着磁方向Ｍ３は、各長尺パターン２１１の長手方向に対して略垂直な同じ方向である。また、各ハードバイアス層２２３，２３３において、各長尺パターン２１１に近接される円孤の一部に相当する領域Ａ３は、着磁方向Ｍ３とは異なる向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を生じさせる磁界方向の変化領域である。この領域Ａ３により、各長尺パターン２１１の長手方向に略平行で、互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２が発生される。

つまり、図７に示すような形状（構造）を有する各ハードバイアス層２２３，２３３を用いることで、各長尺パターン２１１の長手方向に略平行で、互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を発生させることができる。そして、発生するバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を、各長尺パターン２１１のフリー磁性層３０７に対して印加することができる。

このように、本実施の形態においても、磁気抵抗効果素子１２ｆのフリー磁性層３０７は、一対のバイアス部２２３，２３３により互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を印加され、バイアス磁界Ｂ１，Ｂ２に起因する複数の磁区を形成されている。このため、感度軸方向Ｓ１に直交する向きの外部磁界Ｈ２による磁気抵抗効果素子１２ｆの不可逆的な特性の変化を防ぎ、電流センサの電流測定精度の低下を抑制できる。本実施の形態において示される構成は、他の実施の形態において示される構成と適宜組み合わせて実施することができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、磁気抵抗効果素子を用いた電流センサの第４の形態について説明する。図８は、本実施の形態に係る電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子１２ｇの構成例を示す平面模式図である。図８Ａは、磁気抵抗効果素子１２ｇの構成概略を模式的に示し、図８Ｂは、磁気抵抗効果素子１２ｇ内のバイアス磁界の様子を模式的に示している。なお、本実施の形態の電流センサの構成は、磁気抵抗効果素子１２ｇの一部の構成を除いて電流センサ１の構成と共通している。このため、本実施の形態では、電流センサ１と異なる構成についてのみ説明する。

図８Ａに示すように、本実施の形態の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子１２ｇは、実施の形態１の磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄとは異なる形状のハードバイアス層２２４（２２４ａ〜２２４ｇ），２３４（２３４ａ〜２３４ｇ）を備えている。各ハードバイアス層２２４，２３４は、それぞれ、各長尺パターン２１１に対して対称な略平行四辺形状の平面形状を有している。図８Ｂに示すように、各ハードバイアス層２２４，２３４の着磁方向Ｍ４は、各長尺パターン２１１の長手方向に対して略垂直な同じ方向である。また、各ハードバイアス層２２４，２３４において、各長尺パターン２１１に近接される一辺に相当する領域Ａ４は、着磁方向Ｍ４とは異なる向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を生じさせる磁界方向の変化領域である。この領域Ａ４により、各長尺パターン２１１の長手方向に略平行で、互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２が発生される。

つまり、図８に示すような形状（構造）を有する各ハードバイアス層２２４，２３４を用いることで、各長尺パターン２１１の長手方向に略平行で、互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を発生させることができる。そして、発生するバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を、各長尺パターン２１１のフリー磁性層３０７に対して印加することができる。

このように、本実施の形態においても、磁気抵抗効果素子１２ｆのフリー磁性層３０７は、一対のバイアス部２２４，２３４により互いに向かい合う向きのバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を印加され、バイアス磁界Ｂ１，Ｂ２に起因する複数の磁区を形成されている。このため、感度軸方向Ｓ１に直交する向きの外部磁界Ｈ２による磁気抵抗効果素子１２ｇの不可逆的な特性の変化を防ぎ、電流センサの電流測定精度の低下を抑制できる。本実施の形態において示される構成は、他の実施の形態において示される構成と適宜組み合わせて実施することができる。

（実施例）
上記実施の形態に示す磁気抵抗効果素子及び電流センサの有効性を確認するために行った実施例について説明する。ただし、本発明の構成は、実施例の記載に限定されるものではない。

フリー磁性層に対して互いに向かい合う向きのバイアス磁界が印加される磁気抵抗効果素子を備えた電流センサ（実施例）の特性を確認した。比較のため、フリー磁性層に対して一方向のバイアス磁界が印加される磁気抵抗効果素子を備えた電流センサ（比較例）の特性を併せて確認した。バイアス磁界が異なる点を除き、実施例及び比較例の電流センサの構成は同じである。

図９は、実施例及び比較例の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子の初期特性を示すグラフである。図９Ａ及び図９Ｂは、実施例の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ曲線を示し、図９Ｃ及び図９Ｄは、比較例の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ曲線を示す。図９Ａ及び図９Ｃは、印加磁界が±３ｍＴで測定されたＲ−Ｈ曲線であり、図９Ｂ及び図９Ｄは、印加磁界が±４０ｍＴで測定されたＲ−Ｈ曲線である。図９から、実施例及び比較例の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子は、同等の初期特性を有しているのが分かる。

図１０は、実施例及び比較例の電流センサに対して感度軸方向に直交する向きの磁界（以下、直交磁界）が印加される場合の磁気抵抗効果素子の感度を示すグラフである。図１０Ａ及び図１０Ｂは、実施例の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子の感度を示し、図１０Ｃ及び図１０Ｄは、比較例の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子の感度を示す。図１０Ａ〜図１０Ｄにおいては、逆向きの２種類の直交磁界を印加された場合の感度をそれぞれ示している。

図１０Ａ及び図１０Ｃは、直交磁界を印加されている状態の磁気抵抗効果素子の感度を、直交磁界の強度がゼロの状態を基準として示している。図１０Ａ及び図１０Ｃにおいて、横軸は、印加されている直交磁界の強度（ｍＴ）を示し、縦軸は、直交磁界の強度がゼロの場合を基準とする感度変化率（％）を示す。

図１０Ａに示されるように、実施例の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子では、直交磁界の方向に関わらず、直交磁界が大きくなるにつれて感度は徐々に低下される。また、図１０Ｃに示されるように、比較例の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子においても、第１の方向の直交磁界（以下、正方向磁界）が印加される場合（実線）には、正方向磁界が大きくなるにつれて感度は徐々に低下される。一方で、第２の方向の直交磁界（以下、逆方向磁界）が印加される場合（破線）には、逆方向磁界が大きくなると、感度は一度上昇した後に低下される。

図１０Ｂ及び図１０Ｄは、直交磁界を印加された後の磁気抵抗効果素子の感度を示している。図１０Ｂ及び図１０Ｄにおいて、横軸は、直前に印加された直交磁界の強度（ｍＴ）を示し、縦軸は、直交磁界が印加されていない状態の感度を示す。なお、縦軸は、直前に印加された直交磁界がゼロの場合を基準とした感度変化率（％）を示している。

図１０Ｂに示されるように、実施例の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子では、直前に印加された直交磁界が大きくても感度は殆ど変わらない。また、図１０Ｄに示されるように、比較例の電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子でも、直前に正方向磁界が印加されている場合（実線）には、正方向磁界が大きくても感度はほとんど変わらない。しかしながら、逆方向磁界が印加された場合（破線）には、逆方向磁界がある値より大きくなると、感度は大幅に増大されてしまう。

このように、比較例の磁気抵抗効果素子では、バイアス磁界の逆向きに強い磁界が印加されると、フリー磁性層の一部の磁化が反転されて元に戻らなくなり、電流センサの感度は増大されてしまう。これに対して、実施例の磁気抵抗効果素子では、フリー磁性層の磁化の状態が一時的に変化されても、外部磁界が印加されなくなれば、互いに向かい合う向きのバイアス磁界によりフリー磁性層の磁化の状態は元に戻される。つまり、感度軸方向に直交する向きの磁界による磁気抵抗効果素子の不可逆的な特性の変化を防ぎ、電流センサの電流測定精度の低下を抑制できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態では、平面形状が略直角三角形状、略Ｌ字状、略円形状、略平行四辺形状のハードバイアス層を示しているが、フリー磁性層に必要なバイアス磁界を印加できるのであれば、ハードバイアス層の平面形状は特に限定されない。一般的な長方形状の平面形状を有するハードバイアス層を用いても良い。

また、上記実施の形態では、４個の磁気抵抗効果素子を備える磁界検出ブリッジ回路を示しているが、磁界検出ブリッジ回路の構成は特に限定されない。例えば、２個の磁気抵抗効果素子と２個の固定抵抗素子とを組み合わせて磁界検出ブリッジ回路を構成しても良い。また、上記実施の形態では、７個の長尺パターンが略平行に配列された磁界検出部を備える磁気抵抗効果素子を示しているが、長尺パターンの数などはこれに限定されない。さらに、電流センサは、磁気比例式としても良いし、磁気平衡式としても良い。その他、本発明は、適宜変更して実施することができる。

本発明は、例えば、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。

１ 電流センサ
１１ 磁界検出ブリッジ回路
１２ａ〜１２ｄ 磁気抵抗効果素子
２１ 磁界検出部
２２，２３ バイアス部
２１１（２１１ａ〜２１１ｇ） 長尺パターン（長尺部）
２１２（２１２ａ〜２１２ｈ） 導電パターン
２２１（２２１ａ〜２２１ｇ），２３１（２３１ａ〜２３１ｇ） ハードバイアス層
３０１ 基板
３０２ シード層
３０３ 第１の強磁性層
３０４ 反平行結合層
３０５ 第２の強磁性層
３０６ 非磁性中間層（非磁性層）
３０７ フリー磁性層（磁化自由層）
３０８ 保護層
Ａ１〜Ａ４ 領域
Ｂ１，Ｂ２ バイアス磁界
Ｍ１〜Ｍ４ 着磁方向
Ｔ１，Ｔ２ 端子
Ｏ１，Ｏ２ 出力端子
Ｓ１ 感度軸方向

Claims (6)

1. 外部磁界が印加されることで磁化方向が変動する磁化自由層と、前記外部磁界が無磁界のときに前記磁化自由層の磁化方向を所定の方向に固定するバイアス磁界を印加する一対のバイアス部とを含み、
   前記一対のバイアス部は、前記磁化自由層に対して互いに向かい合う向きのバイアス磁界を印加可能に構成されたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記一対のバイアス部は、前記磁化自由層の延在方向に垂直な向きに着磁されたことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記一対のバイアス部は、同じ向きに着磁されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記一対のバイアス部は、着磁方向とは異なる向きのバイアス磁界を生じさせる領域をそれぞれ含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記一対のバイアス部は、対称な平面形状を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えた電流センサ。
   

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