JP6525314B2 - 磁界検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流磁界によってＧＭＲ素子のフリー磁性層にバイアス磁界が印加される構造の磁界検出装置に関する。

例えば、電流センサや地磁気センサその他各種のセンサに使用される磁界検出装置には、磁気抵抗効果素子としてＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）が使用される。

ＧＭＲ素子は、固定磁性層と非磁性層とフリー磁性層とが積層されている。固定磁性層は磁化方向が固定されており、フリー磁性層の磁化の方向が外部磁界によって変化させられる。ＧＭＲ素子は、フリー磁性層の磁化の向きと、固定磁性層の固定磁化の向きとの相対関係で抵抗値が変化し、この抵抗値の変化を検知することで外部磁界の向きと強さを検知することが可能になる。

フリー磁性層は、軟磁性材料で形成されるが、その内部で磁壁が移動するとバルクハイゼンノイズが発生し、検知すべき出力が変動する課題がある。

そこで、従来は永久磁石を使用したハードバイアス磁界や、反強磁性膜との交換結合磁界を使用したエクスチェンジバイアス磁界をフリー磁性層に与えて、フリー磁性層を形成する軟磁性材料を単磁区化し、軟磁性材料の磁化を揃えることで、出力を安定させている。

しかしながら、ハードバイアス磁界を使用した方式は、強い外部磁界が印加されると永久磁石の磁化状態が変化し、ハードバイアス磁界が変化する課題や、同じチップ内でバイアス磁界方向が同一であるため、測定すべき外部磁界の向きが感度軸に対して斜めになると出力の線形性が低下する課題、さらには永久磁石に貴金属類を使用しているため製造コストが高くなる課題などがある。

また、エクスチェンジバイアス磁界を使用した方法は、バイアス磁界を強めてしまうとフリー磁性層の磁化方向が動きにくくなって検知感度が低下する課題や、比較的大きなヒステリシスを発生する課題、ならびに高温環境下に保存すると交換結合磁界が劣化してバイアス磁界が変化する課題、さらにはフリー層が幅寸法が短く長さ寸法の大きいものである場合に、強い外部磁界が与えられてフリー層の磁化方向が反転すると、磁化の反転が戻らなくなってオフセットが変化する課題などがある。

以下の特許文献１には、電流磁界を利用してフリー磁性層にバイアス磁界を与える磁気抵抗効果素子に関する発明が記載されている。

この磁気抵抗効果素子は、複数の長尺形状の磁気抵抗効果膜が平行に配置され、隣り合う磁気抵抗効果膜の隣り合う端部どうしが素子配線で接続されて、磁気抵抗効果膜がいわゆるミアンダ形状に接続されている。

前記磁気抵抗効果膜に接続されている配線の一部がバイアス配線とされており、このバイアス配線が、磁気抵抗効果膜の端部から長手方向へ間隔を空けた位置で、磁気抵抗効果膜の長尺方向と交差する方向に延びている。磁気抵抗効果膜に与えられる電流がバイアス配線を流れるときに、バイアス配線で電流磁界が誘導され、この電流磁界がバイアス磁界となって磁気抵抗効果膜に対して長尺方向へ与えられる。

特開２０１４−８９０８８号公報

前記特許文献１に記載された磁気抵抗効果素子は、バイアス配線を流れる電流で誘導されるバイアス磁界が、長尺形状の磁気抵抗効果膜に対して長手方向に与えられるため、磁気抵抗効果膜は長尺方向の両端部に対して中央部に作用するバイアス磁界が弱くなる。そのため、中央部分が外乱磁界に反応しやすくなり、出力ノイズが大きくなる。逆に、バイアス配線に大電流を与えてバイアス磁界を強くすると、磁気抵抗効果膜の両端部でフリー磁性層の磁化が固定されてしまい検知感度が低下することになる。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、過大な電流を与えなくてもＧＭＲ素子のフリー磁性層に対してバイアス磁界を安定して与えることができ、低ノイズの検知出力を得ることができる磁界検出装置を提供することを目的としている。

本発明の磁界検出装置は、長尺形状に形成された磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子と平行に配置されて前記磁気抵抗効果素子と直列に接続された通電路とを有し、
前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層とを有するＧＭＲ素子であり、
前記通電路と前記磁気抵抗効果素子に直流電流を与える電源部が設けられ、前記通電路に与えられる直流電流で誘導される電流磁界が前記フリー磁性層へバイアス磁界として与えられて、前記磁気抵抗効果素子の抵抗変化に基づく出力が検知される磁界検出装置において、
直列に接続された第１の抵抗変化部と第２の抵抗変化部、ならびに直列に接続された第３の抵抗変化部と第４の抵抗変化部が設けられ、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部との直列群と、前記第３の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部との直列群とが並列に接続され、前記第１の抵抗変化部、前記第２の抵抗変化部、前記第３の抵抗変化部、第４の抵抗変化部が、それぞれ前記磁気抵抗効果素子と前記通電路を有しており、
前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記通電路ならびに前記磁気抵抗効果素子が互いに平行に配置され、前記第３の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部とで、前記通電路ならびに前記磁気抵抗効果素子が互いに平行に配置され、
前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記固定磁性層の固定磁化の方向が逆向きで、前記第１の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部とで前記固定磁化の方向が同じで、前記第２の抵抗変化部と前記第３の抵抗変化部とで前記固定磁化の方向が同じであり、
前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部との中点からの前記出力と、前記第３の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部との中点からの前記出力との差が求められることを特徴とするものである。

本発明の磁界検出装置では、全ての前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の固定磁化の方向が前記通電路に流れる直流電流と平行であることが好ましい。

また、本発明の磁界検出装置では、全ての前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の固定磁化の方向が前記通電路に流れる直流電流と平行であり、前記通電路に流れる直流電流の向きは、
前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで逆向きで、前記第１の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部が同じで、前記第２の抵抗変化部と前記第３の抵抗変化部が同じであることが好ましい。

あるいは、本発明の磁界検出装置では、全ての前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の固定磁化の方向が前記通電路に流れる直流電流と平行であり、
それぞれの前記抵抗変化部では、一部の前記通電路が正方向通電路で、他の前記通電路が、電流の向きが前記正方向通電路と逆である逆方向通電路であり、１つの前記抵抗変化部に、前記正方向通電路と前記逆方向通電路とが同じ数設けられているものが好ましい。

あるいは、本発明の磁界検出装置は、長尺形状に形成された磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子と平行に配置されて前記磁気抵抗効果素子と直列に接続された通電路とを有し、
前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層とを有するＧＭＲ素子であり、
前記通電路と前記磁気抵抗効果素子に直流電流を与える電源部が設けられ、前記通電路に与えられる直流電流で誘導される電流磁界が前記フリー磁性層へバイアス磁界として与えられて、前記磁気抵抗効果素子の抵抗変化に基づく出力が検知される磁界検出装置において、
直列に接続された第１の抵抗変化部と第２の抵抗変化部とが設けられ、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部が、それぞれ前記磁気抵抗効果素子と前記通電路を有しており、
前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記通電路ならびに前記磁気抵抗効果素子が互いに平行に配置されて、
前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記固定磁性層の固定磁化の方向が逆向きであり、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部との中点から前記出力が得られ、
全ての前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の固定磁化の方向が前記通電路に流れる直流電流と平行であり、
それぞれの前記抵抗変化部では、一部の前記通電路が正方向通電路で、他の前記通電路が、電流の向きが前記正方向通電路と逆である逆方向通電路であり、１つの前記抵抗変化部に、前記正方向通電路と前記逆方向通電路とが同じ数設けられていることを特徴とするものである。
本発明の磁界検出装置は、それぞれの前記磁気抵抗効果素子が第１の磁気抵抗効果素子で、それぞれの前記通電路が第２の磁気抵抗効果素子であり、
前記第１の磁気抵抗効果素子に流れる直流電流で誘導される電流磁界が、前記第２の磁気抵抗効果素子のフリー磁性層に対するバイアス磁界となり、前記第２の磁気抵抗効果素子に流れる直流電流で誘導される電流磁界が、前記第１の磁気抵抗効果素子のフリー磁性層に対するバイアス磁界となるものとすることも可能である。

本発明の磁界検出装置は、長尺状の磁気抵抗効果素子と通電路とが直列に接続されていると共に互いに平行に配置されており、通電路を通過する直流電流で誘導される電流磁界が磁気抵抗効果素子に対して短幅方向へのバイアス磁界として与えられる。

そのため、通電路に流れる電流を過大にしなくても、磁気抵抗効果素子の長手方向の全域において短幅方向へ均一なバイアス磁界が与えることができるようになる。よって、磁気抵抗効果素子によって低ノイズで磁界を検知できるようになり、省電力で高感度の検知動作を行うことが可能になる。

また、従来のハードバイアス方式やエクスチェンジバイアス方式の課題を解消することができる。

本発明の第１の実施の形態の磁界検出装置を示す平面図、 図１に示す磁界検出装置の回路図、 第１の抵抗変化部を構成する通電路と磁気抵抗効果素子を示す断面図、 （Ａ）は、第１の抵抗変化部を構成する通電路と磁気抵抗効果素子の構造と動作を示す説明図、（Ｂ）は、第２の抵抗変化部を構成する通電路と磁気抵抗効果素子の構造と動作を示す説明図、 本発明の第２の実施の形態の磁界検出装置を示すものであり、（Ａ）は、第１の抵抗変化部を構成する通電路（第２の磁気抵抗効果素子）と第１の磁気抵抗効果素子の構造と動作を示す説明図、（Ｂ）は、第２の抵抗変化部を構成する通電路（第２の磁気抵抗効果素子）と第１の磁気抵抗効果素子の構造と動作を示す説明図、 本発明の第３の実施の形態の磁界検出装置を示す平面図、 本発明の第４の実施の形態の磁界検出装置を示す平面図、

図１と図２に示す第１の実施の形態の磁界検出装置１は、基板の表面であるＸ−Ｙ平面に沿って形成された薄膜の積層体で構成されている。

磁界検出装置１は、第１の抵抗変化部Ｒ１、第２の抵抗変化部Ｒ２、第３の抵抗変化部Ｒ３および第４の抵抗変化部Ｒ４を有している。

第１の抵抗変化部Ｒ１と第２の抵抗変化部Ｒ２は直列に接続され、第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４は直列に接続されている。第１の抵抗変化部Ｒ１と第２の抵抗変化部Ｒ２との直列群と、第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４との直列群とが並列に接続されている。図２に示すように、磁界検出装置１には直流電流（直流電力）を与える電源部２が接続されており、第１の抵抗変化部Ｒ１と第３の抵抗変化部のＹ１側の端部に直流電圧（駆動電圧）Ｖｄｄが印加され、第２の抵抗変化部Ｒ２のＹ２側の端部と、第４の抵抗変化部Ｒ４のＹ２側の端部とが、接地電位Ｇｎｄに設定されている。

第１の抵抗変化部Ｒ１と第２の抵抗変化部Ｒ２との中点から第１の中点出力Ｏｕｔ１が得られ、第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４との中点から第２の中点出力Ｏｕｔ２が得られる。図２に示すように、第１の中点出力Ｏｕｔ１と第２の中点出力Ｏｕｔ２は、差動増幅器３に与えられて、第１の中点出力Ｏｕｔ１と第２の中点出力Ｏｕｔ２との差が求められる。この差の出力が磁界検知出力である。

図１に示すように、第１の抵抗変化部Ｒ１、第２の抵抗変化部Ｒ２、第３の抵抗変化部Ｒ３、第４の抵抗変化部Ｒ４には、それぞれ磁気抵抗効果素子１０が複数設けられている。全ての磁気抵抗効果素子１０は、左右方向（Ｘ方向）に長手方向が向けられた長尺形状であり、且つ互いに平行に形成されている。

本明細書における長尺形状の磁気抵抗効果素子１０とは、Ｘ方向に一体に連続しているものであってもよいし、Ｘ方向に複数個に途切れており、個々の素子が導電層で接続されてＸ方向に連結されているものであってもよい。

第１の抵抗変化部Ｒ１には、複数の通電路２１が形成されている。個々の通電路２１は左右方向（Ｘ方向）に長手方向が向けられた長尺形状である。同様に、第２の抵抗変化部Ｒ２、第３の抵抗変化部Ｒ３および第４の抵抗変化部Ｒ４にも、長手方向がＸ方向に向けられた長尺形状の通電路２２，２３，２４が形成されている。

図４（Ａ）には、第１の抵抗変化部Ｒ１に配列している磁気抵抗効果素子１０と通電路２１の一部が示されている。図１と図４（Ａ）に示すように、第１の抵抗変化部Ｒ１では、それぞれの通電路２１のＸ１側の端部が接続部２６ａを介してその下側に位置する磁気抵抗効果素子１０のＸ１側の端部に接続されている。図１に示すように、それぞれの通電路２１のＸ２側の端部は、接続部２６ｂを介してＹ１側に隣接する磁気抵抗効果素子１０のＸ２側の端部に接続されている。よって、第１の抵抗変化部Ｒ１はいわゆるミアンダパターンとなっており、ミアンダパターンの各行では、通電路２１と磁気抵抗効果素子１０とが、直列に接続され、且つ接続部２６ａで折り返されて互いに平行に対向している。

第１の抵抗変化部Ｒ１において、最もＹ１側に位置する通電路２１のＸ２側の端部は、電源部２に接続されている。したがって、第１の抵抗変化部Ｒ１のそれぞれの通電路２１に流れる直流電流Ｉ１は、常にＸ１方向に向けられている。また、それぞれの磁気抵抗効果素子１０に流れる直流電流Ｉａ（図４（Ａ）参照）は、Ｘ２方向へ向けられている。直流電流Ｉ１と直流電流Ｉａは同じ電流であるが、説明の都合上異なる符号で示している。

図４（Ｂ）には、第２の抵抗変化部Ｒ２に配列している磁気抵抗効果素子１０と通電路２２の一部が示されている。図１と図４（Ｂ）に示すように、通電路２２のＸ２側の端部は接続部２７ｂを介して、その下に位置する磁気抵抗効果素子１０のＸ２側の端部に接続され、通電路２２のＸ１側の端部は接続部２７ａを介して、Ｙ２側に隣接する磁気抵抗効果素子１０のＸ１側の端部に接続されている。第２の抵抗変化部Ｒ２でも、通電路２２と磁気抵抗効果素子１０とが、直列に接続されており、且つ接続部２７ｂで折り返されて、互いに平行に対向している。

第２の抵抗変化部Ｒ２において、最もＹ２側に位置する通電路２２のＸ１側の端部は、接地電位Ｇｎｄに接続されている。また、第１の抵抗変化部Ｒ１において最もＹ２側に位置する磁気抵抗効果素子１０のＸ２側の端部と、第２の抵抗変化部Ｒ２において最もＹ１側に位置する磁気抵抗効果素子１０のＸ１側の端部とが、導電性の連結層２８で連結されている。第１の中点出力Ｏｕｔ１は、連結層２８から得られる。

第２の抵抗変化部Ｒ２においても、ミアンダパターンで配列しているそれぞれの通電路２２に直流電流Ｉ２がＸ１方向へ流れ、磁気抵抗効果素子１０に、直流電流Ｉｂ（図４（Ｂ）参照）がＸ２方向へ流れる。直流電流Ｉ２とＩｂは同じ電流である。

図１に示すように、第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４における、磁気抵抗効果素子１０と通電路２３または２４との接続構造は、第２の抵抗変化部Ｒ２とほぼ同じである。

第３の抵抗変化部Ｒ３の最もＹ２側に位置する通電路２３のＸ１側の端部と、第４の抵抗変化部Ｒ４の最もＹ１側に位置する磁気抵抗効果素子１０のＸ１側の端部とが、導電性の連結層２９で連結されている。第２の中点出力Ｏｕｔ２は、連結層２９から得られる。

第３の抵抗変化部Ｒ３でも、それぞれの通電路２３に直流電流Ｉ３がＸ１方向へ流れ、磁気抵抗効果素子１０に直流電流がＸ２方向へ流れる。第４の抵抗変化部Ｒ４でも、それぞれの通電路２４に直流電流Ｉ４がＸ１方向へ流れ、磁気抵抗効果素子１０には直流電流がＸ２方向へ流れる。

図３には、第１の抵抗変化部Ｒ１に配列する磁気抵抗効果素子１０と通電路２１との積層構造が断面図で示されている。

磁気抵抗効果素子１０は、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）であり、基板７の上に絶縁下地層８とシード層９が形成されており、その上に、固定磁性層１１と非磁性層１２とフリー磁性層１３が順に積層され、フリー磁性層１３が保護層および絶縁層１４で覆われている。

固定磁性層１１は、第１の固定層１１ａと第２の固定層１１ｂ、ならびに第１の固定層１１ａと第２の固定層１１ｂとの間に位置する非磁性中間層１１ｃを有する積層フェリ構造である。第１の固定層１１ａと第２の固定層１１ｂは、ＣｏＦｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性中間層１１ｃはＲｕ（ルテニウム）などで形成されている。

積層フェリ構造の固定磁性層１１は、第１の固定層１１ａと第２の固定層１１ｂの磁化が反平行に固定されたいわゆるセルフピン構造である。積層フェリ構造の固定磁性層１１は、磁化中で熱処理を行うことなく、第１の固定層１１ａと第２の固定層１１ｂの反強磁性結合により、磁化の向きが固定される。固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの方向は、第２の固定層１１ｂの磁化方向を意味している。第１の抵抗変化部Ｒ１では、全ての磁気抵抗効果素子１０の固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの方向が図１において黒塗りの矢印で示すＸ１方向である。

非磁性層１２はＣｕ（銅）などの非磁性導電材料で形成されている。フリー磁性層１３は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。フリー磁性層１３は、左右方向（Ｘ方向）の長さ寸法が前後方向（Ｙ方向）の幅寸法よりも十分に大きい長尺形状である。

磁気抵抗効果素子１０の上に、保護層および絶縁層１４が形成されており、その上に通電路２１が形成されている。保護層および絶縁層１４は一部が除去されており、この除去部分に通電路２１と同じ導電材料が充填されて、磁気抵抗効果素子１０と導通する接続部２６ａ，２６ｂが形成される。

通電路２１は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）などの非磁性の導電性材料で形成されており、例えばＣｕとＡｌとの積層構造である。通電路２１はスパッタ工程などで形成されている。

磁気抵抗効果素子１０は、固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎと平行な方向であるＸ方向が感度軸方向である。フリー磁性層１３の磁化のベクトルが固定磁化Ｐｉｎと平行となるＸ１方向へ向けられると、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値が極小となり、磁化が固定磁化Ｐｉｎと反平行であるＸ２１方向へ向けられると、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値が極大になる。

第２の抵抗変化部Ｒ２，第３の抵抗変化部Ｒ３および第４の抵抗変化部Ｒ４における磁気抵抗効果素子１０の構造、および通電路２２，２３または２４の積層構造は、第１の抵抗変化部Ｒ１と実質的に同じである。ただし、固定磁性層１１の磁化の方向は抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で相違している。図１において黒塗りの矢印で示すように、第１の抵抗変化部Ｒ１と第４の抵抗変化部Ｒ４は、固定磁化ＰｉｎがＸ１方向であり、第２の抵抗変化部Ｒ２と第３の抵抗変化部Ｒ３は、固定磁化Ｐｉｎの向きがＸ２方向である。

次に、第１の実施の形態の磁界検出装置１の動作を説明する。
図２に示す電源部２から、第１の抵抗変化部Ｒ１と第２の抵抗変化部Ｒ２との直列群と、第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４との直列群に、直流電流が与えられる。

図４（Ａ）に示すように、第１の抵抗変化部Ｒ１では、通電路２１においてＸ１方向に流れる直流電流Ｉ１によって電流磁界Ｈ１が誘導される。この電流磁界Ｈ１によって、その下の磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３に対してＹ２方向のバイアス磁界が与えられる。このバイアス磁界によって、第１の抵抗変化部Ｒ１に設けられた磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３が単磁区化され、その磁化ＨａがＹ２方向に揃えられる。図１では、磁化Ｈａの向きがハッチング付きの矢印で示されている。

図４（Ｂ）に示すように、第２の抵抗変化部Ｒ２でも、通電路２２に直流電流Ｉ２がＸ１方向へ流れ、その電流磁界Ｈ１がバイアス磁界として、磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３にＹ２方向へ与えられる。よって、第２の抵抗変化部Ｒ２においても、磁気抵抗効果素子１０に設けられたフリー磁性層１３が単磁区化され、その磁化ＨｂがＹ２方向へ揃えられる。

第３の抵抗変化部Ｒ３においても、通電路２３の直流電流Ｉ３で誘導される電流磁界が、磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３にバイアス磁界としてＹ２方向へ与えられ、フリー磁性層１３が単磁区化され磁化ＨｃがＹ２方向へ揃えられる。第４の抵抗変化部Ｒ４の磁気抵抗効果素子１０も同様であり、直流電流Ｉ４で誘導される電流磁界がバイアス磁界となり、磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３が単磁区化され、磁化ＨｄがＹ２方向へ揃えられる。

図１に示す磁界検出装置１は、それぞれの抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に設けられた磁気抵抗効果素子１０の固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの向きがＸ方向であり、感度軸方向はＸ方向である。

図１に示すように、外部磁界ＢがＸ２方向に与えられると、第１の抵抗変化部Ｒ１に設けられた磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３の磁化Ｈａは、破線の矢印で示すように、Ｘ２方向へ向けられる。同様に、第２の抵抗変化部Ｒ２でのフリー磁性層１３の磁化Ｈｂと、第３の抵抗変化部Ｒ３でのフリー磁性層１３の磁化Ｈｃおよび第４の抵抗変化部Ｒ４でのフリー磁性層１３の磁化Ｈｄも破線の矢印で示すようにＸ２方向へ向けられる。

その結果、第１の抵抗変化部Ｒ１の全体の抵抗値と第４の抵抗変化部Ｒ４の全体の抵抗値が大きくなり、第２の抵抗変化部Ｒ２の全体の抵抗値と第３の抵抗変化部Ｒ３の全体の抵抗値が小さくなる。よって、第１の中点出力Ｏｕｔ１の電圧値が低下し、第２の中点出力Ｏｕｔ２の電圧値が高くなり、図２に示す差動増幅部３からの電圧出力が高くなる。

図１とは逆に、外部磁界ＢがＸ１方向へ向けて与えられると、第１の中点出力Ｏｕｔ１の電圧値が増大し、第２の中点出力Ｏｕｔ２の電圧値が低下し、図２に示す差動増幅部３からの電圧出力が低くなる。

前記磁界検出装置１では、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１の抵抗変化部Ｒ１の通電路２１と第２の抵抗変化部Ｒ２の通電路２２が、Ｘ方向に細長く形成されて、長尺形状の磁気抵抗効果素子１０に接近して平行に設けられている。そのため、通電路２１，２２に流れる直流電流Ｉ１，Ｉ２で誘導される電流磁界が、磁気抵抗効果素子１０の長尺形状の全長において、Ｙ方向へ均等に作用し、フリー磁性層１３の磁化Ｈａ，Ｈｂが、長手方向の全長にわたって、均一にＹ２方向へ揃えられる。したがって、磁気抵抗効果素子１０は全長において均一な動作を行うことができ、外乱によるノイズを低減でき、全長にわたって感度を均一にし、感度を高くすることが可能である。これは第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４においても同じである。

また、図１に示す磁界検知装置１では、それぞれの抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で、磁気抵抗効果素子１０の固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの向きがＸ１方向またはＸ２方向である。また、全ての磁気抵抗効果素子１０においてフリー磁性層１３の磁化がＹ２方向へ揃えられている。

よって、Ｘ方向への外部磁界が作用していないときには、第１の中点出力Ｏｕｔ１と第２の中点出力Ｏｕｔ２の電圧値が理論上一致し、差動増幅器３の出力値が中間値（ゼロ出力）となる。そして、外部磁界Ｂの向きがＸ１方向のときに出力が増大し（プラス出力となり）、外部磁界Ｂの向きがＸ２方向のときに出力が低下する（マイナス出力となる）。

そのため、例えば、平衡式の電流センサでの使用に適している。平衡式の電流センサは、被測定電流で誘導される測定磁界が磁界検知装置１に与えられるとともにフィードバックコイルに流れる電流から誘導されるキャンセル磁界も磁界検知装置１に与えられる。測定磁界とコイル磁界は磁界検知装置１に対して逆向きに与えられる。

磁界検出装置１から、測定磁界とキャンセル磁界との差に相当する検知出力が得られ、制御部では、フィードバックコイルに対し前記検知出力がゼロに近づくためのコイル電流が与えられる。そして、測定磁界とキャンセル磁界とが相殺されて、コイル電流が安定状態となったときに、このコイル電流の電流値から測定磁界の大きさが測定される。

図１に示す磁界検出装置１は、差動増幅器３からの出力が中間値（ゼロ出力）を中心として増減するため、その検知出力でフィードバックコイルへ与えられるコイル電流を制御するのに適している。

図５は、本発明の第２の実施の形態の磁界検出装置１Ａを示している。
図５（Ａ）には、第１の抵抗変化部Ｒ１を構成する磁気抵抗効果素子１０と通電路２１Ａが示されている。通電路２１Ａは、磁気抵抗効果素子１０と同じ積層構造のＧＭＲ素子で構成されている。すなわち、図５（Ａ）に示すものは、図１と図４に示す第１の抵抗変化部Ｒ１の通電路２１がＧＭＲ素子の通電路２１Ａに置換されたものである。

この構成では、磁気抵抗効果素子１０が第１の磁気抵抗効果素子として機能し、通電路２１Ａが第２の磁気抵抗効果素子として機能する。磁気抵抗効果素子１０と、第２の磁気抵抗効果素子である通電路２１Ａの固定磁性層の固定磁化Ｐｉｎの向きは、共にＸ１方向である。通電路２１Ａと磁気抵抗効果素子１０は接続部２６ａによって直列に接続されているとともに、１８０度折り返されて互いに平行に対向する構造である。なお、接続部２６ａは、ＧＭＲ素子を構成しない導電性材料で形成される。

直流電流Ｉ１が通電路２１Ａを流れると、この電流で誘導される電流磁界Ｈ１が、磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３にＹ２方向のバイアス磁界として作用し、磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３が単磁区化され磁化Ｈａ１がＹ２方向へ揃えられる。また、磁気抵抗効果素子１０を流れる直流電流Ｉａで誘導される電流磁界Ｈ３は、通電路２１Ａである第２の磁気抵抗効果素子のフリー磁性層にＹ２方向のバイアス磁界として作用し、通電路２１Ａのフリー磁性層の磁化Ｈａ２がＹ２方向へ揃えられる。

磁気抵抗効果素子１０と通電路２１Ａを構成しているＧＭＲ素子とで、外部磁界による抵抗値の変化が同じである。

図５（Ｂ）に示すように、第２の抵抗変化部Ｒ２においても、通電路２２ＡがＧＭＲ素子で構成されており、磁気抵抗効果素子１０が第１の磁気抵抗効果素子として機能し、通電路２２Ａが第２の磁気抵抗効果素子として機能する。通電路２２Ａと磁気抵抗効果素子１０は接続部２７ｂを介して直列に接続され、且つ互いに平行に対向している。第２の磁気抵抗効果素子である通電路２２Ａと磁気抵抗効果素子１０は、共に固定磁性層の固定磁化Ｐｉｎの向きがＸ２方向である。

図５（Ｂ）では、通電路２２Ａに流れる直流電流Ｉ２で誘導される電流磁界Ｈ１が、磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３にＹ２方向のバイアス磁界を与え、フリー磁性層１３の磁化Ｈｂ１がＹ２方向へ揃えられる。また、磁気抵抗効果素子１０に流れる直流電流Ｉｂで誘導される電流磁界Ｈ４が、第２の磁気抵抗効果素子である通電路２２Ａに対してＹ２方向へバイアス磁界を与え、通電路２２Ａのフリー磁性層の磁化Ｈｂ２もＹ２方向へ向けられる。

同様にして、第３の抵抗変化部Ｒ３でも、第２の磁気抵抗効果素子である通電路２３Ａが設けられ、通電路２３Ａと磁気抵抗効果素子１０の双方のフリー磁性層１３の磁化がＹ２方向へ向けられる。第４の抵抗変化部Ｒ４でも、第２の磁気抵抗効果素子である通電路２４Ａが設けられ、通電路２４Ａと磁気抵抗効果素子１０の双方のフリー磁性層１３の磁化がＹ２方向へ向けられる。

第２の抵抗変化部Ｒ２と第３の抵抗変化部Ｒ３および第４の抵抗変化部Ｒ４においても、Ｘ方向の外部磁界に対して、第２の磁気抵抗効果素子である通電路と、第１の磁気抵抗効果素子である磁気抵抗効果素子１０が同じ抵抗値の変化を示す。

この磁界検出装置１Ａでは、各抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４において、磁気抵抗効果素子の長さを第１の実施の形態の２倍にできるため、Ｓ／Ｎ比を向上できる。また、第１の実施の形態と同じ性能とするならば、大きさを第１の実施の形態よりも小さくできる。

図６に示す第３の実施の形態の磁界検出装置１Ｂは、第１の抵抗変化部Ｒ１と第４の抵抗変化部Ｒ４の構造が、図１に示す第１の実施の形態のＲ１，Ｒ４と同じである。第１の抵抗変化部Ｒ１と第４の抵抗変化部Ｒ４では、磁気抵抗効果素子１０の固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの向きがＸ１方向であり、フリー磁性層１３の磁化Ｈａ，Ｈｄの向きが共にＹ２方向である。

図６に示す第３の実施の形態では、第２の抵抗変化部Ｒ２の通電路２２と磁気抵抗効果素子１０との接続構造が図１に示す第１の実施の形態と相違している。図６に示す通電路２２では、直流電流Ｉ２がＸ２方向に流れている。したがって、直流電流Ｉ２で誘導される電流磁界が磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３に対してＹ１方向に作用し、フリー磁性層１３の磁化ＨｂがＹ１方向へ揃えられている。なお、第２の抵抗変化部Ｒ２では、磁気抵抗効果素子１０の固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの向きが、第１の実施の形態と同じＸ２方向である。

図６に示す実施の形態では、第３の抵抗変化部Ｒ３でも、通電路２３に直流電流Ｉ３がＸ２方向に流れている。直流電流Ｉ３で誘導される電流磁界が磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３に対してＹ１方向に作用し、フリー磁性層１３の磁化ＨｃがＹ１方向へ揃えられている。なお、磁気抵抗効果素子１０の固定磁性層１１の固定磁化Ｐｉｎの向きは、第１の実施の形態の第３の抵抗変化部Ｒ３と同じＸ２方向である。

図６に示す第３の実施の形態の磁界検出装置１Ｂは、感度軸方向であるＸ方向以外の向きの磁界に対して反応しにくくなる。

図６に示すように、Ｘ２方向に向く外部磁界Ｂが与えられているときは、各抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に設けられた磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３の磁化Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃ，Ｈｄが破線矢印で示す向きに傾いている。このとき、第１の抵抗変化部Ｒ１と第４の抵抗変化部Ｒ４で抵抗値が増大し、第２の抵抗変化部Ｒ２と第３の抵抗変化部Ｒ３で抵抗値が低下し、差動増幅部３からの出力値は中間値よりも高くなっている。

ここで、Ｙ１方向への外乱磁界が作用すると、各抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に設けられた全ての磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３の磁化Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃ，Ｈｄが破線矢印の向きからさらに反時計方向へ変化する。このとき、第１の抵抗変化部Ｒ１と第４の抵抗変化部Ｒ４で抵抗値が上がるが、第２の抵抗変化部Ｒ２と第３の抵抗変化部Ｒ３でも抵抗値が上がるため、差動増幅部３からの出力は変動しない。

第３の実施の形態の磁界検出装置１Ｂでは、感度軸方向以外の向きの磁界成分については、検知出力が変動しなくなり、感度軸方向に向く外部磁界Ｂを検知する検知出力にオフセットが発生しなくなる。よって、感度軸方向に向く外部磁界Ｂを検知する検知出力の線形性を向上させることができる。

図７に示す第４の実施の形態の磁界検出装置１Ｃでは、第１の抵抗変化部Ｒ１に、直流電流Ｉ１がＸ１方向に流れる正方向通電路２１ａと、直流電流Ｉ１がＸ２方向に流れる逆方向通電路２１ｂとが設けられている。正方向通電路２１ａと逆方向通電路２１ｂは同数設けられている。

正方向通電路２１ａと重ねて設けられている磁気抵抗効果素子１０では、正方向通電路２１ａに流れる直流電流Ｉ１の電流磁界が、Ｙ２方向へのバイアス磁界として作用し、フリー磁性層１３の磁化ＨａがＹ２方向に向けられる。逆方向通電路２１ｂと重ねて設けられている磁気抵抗効果素子１０では、逆方向通電路２１ｂに流れる直流電流Ｉ１の電流磁界がＹ１方向へのバイアス磁界として作用し、フリー磁性層１３の磁化ＨａがＹ１方向に向けられる。

第１の抵抗変化部Ｒ１では、正方向通電路２１ａからバイアス磁界が与えられる磁気抵抗効果素子１０と、逆方向通電路２１ｂからバイアス磁界が与えられる磁気抵抗効果素子１０とで、感度軸方向（Ｘ方向）に向く外部磁界Ｂが与えられたときに、抵抗値が同じ極性で変化する。

また、感度軸方向以外のＹ方向に向く外乱磁界が与えられたときは、第１の抵抗変化部Ｒ１内で、全ての磁気抵抗効果素子１０のフリー磁性層１３の磁化Ｈａが同じ方向へ回転するため、外乱磁界による抵抗変化が相殺される。例えばＹ１方向に向く磁界が作用すると、磁化Ｈａが反時計方向へ動いて正方向通電路２１ａからバイアス磁界が与えられる磁気抵抗効果素子１０の抵抗値が増大するが、逆方向通電路２１ｂからバイアス磁界が与えられる磁気抵抗効果素子１０では磁化Ｈａが反時計方向へ動くために抵抗値が低下する。これにより、Ｙ方向の磁界成分による抵抗値の変動が相殺される。

これは第２の抵抗変化部Ｒ２と第３の抵抗変化部Ｒ３および第４の抵抗変化部Ｒ４で同じである。第２の抵抗変化部Ｒ２でも、正方向通電路２２ａと逆方向通電路２２ｂが同数設けられている。第３の抵抗変化部Ｒ３と第４の抵抗変化部Ｒ４でも、正方向通電路２３ａ，２４ａと逆方向通電路２３ｂ，２４ｂがそれぞれ同数設けられている。

なお、図６と図７の実施の形態においても、図５に示す第２の実施の形態のように、それぞれの通電路２１，２２，２３，２４，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２３ａ，２３ｂが第２の磁気抵抗効果素子で構成されていてもよい。

なお、前記各実施の形態では、抵抗変化部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４によってフルブリッジ回路が構成されているが、第１の抵抗変化部Ｒ１と第２の抵抗変化部Ｒ２とで直列回路を構成してもよいし、抵抗変化部Ｒ３，Ｒ４を固定抵抗としてブリッジ回路を構成してもよい。

Ｂ 外部磁界
Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４ 電流磁界
Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃ，Ｈｄ フリー磁性層の磁化
Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４ 直流電流
Ｉａ，Ｉｂ 直流電流
Ｏｕｔ１ 第１の中点出力
Ｏｕｔ２ 第２の中点出力
Ｐｉｎ 固定磁化
Ｒ１ 第１の抵抗変化部
Ｒ２ 第２の抵抗変化部
Ｒ３ 第３の抵抗変化部
Ｒ４ 第４の抵抗変化部
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 磁界検出装置
２ 電源部
３ 差動増幅部
１０ 磁気抵抗効果素子
１１ 固定磁性層
１２ 非磁性層
１３ フリー磁性層
２１，２２，２３，２４ 通電路
２１Ａ，２２Ａ 第２の磁気抵抗効果素子である通電路

Claims (6)

1. 長尺形状に形成された磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子と平行に配置されて前記磁気抵抗効果素子と直列に接続された通電路とを有し、
   前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層とを有するＧＭＲ素子であり、
   前記通電路と前記磁気抵抗効果素子に直流電流を与える電源部が設けられ、前記通電路に与えられる直流電流で誘導される電流磁界が前記フリー磁性層へバイアス磁界として与えられて、前記磁気抵抗効果素子の抵抗変化に基づく出力が検知される磁界検出装置において、
   直列に接続された第１の抵抗変化部と第２の抵抗変化部、ならびに直列に接続された第３の抵抗変化部と第４の抵抗変化部が設けられ、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部との直列群と、前記第３の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部との直列群とが並列に接続され、前記第１の抵抗変化部、前記第２の抵抗変化部、前記第３の抵抗変化部、第４の抵抗変化部が、それぞれ前記磁気抵抗効果素子と前記通電路を有しており、
   前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記通電路ならびに前記磁気抵抗効果素子が互いに平行に配置され、前記第３の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部とで、前記通電路ならびに前記磁気抵抗効果素子が互いに平行に配置され、
   前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記固定磁性層の固定磁化の方向が逆向きで、前記第１の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部とで前記固定磁化の方向が同じで、前記第２の抵抗変化部と前記第３の抵抗変化部とで前記固定磁化の方向が同じであり、
   前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部との中点からの前記出力と、前記第３の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部との中点からの前記出力との差が求められることを特徴とする磁界検出装置。
2. 全ての前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の固定磁化の方向が前記通電路に流れる直流電流と平行である請求項１記載の磁界検出装置。
3. 全ての前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の固定磁化の方向が前記通電路に流れる直流電流と平行であり、前記通電路に流れる直流電流の向きは、
   前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで逆向きで、前記第１の抵抗変化部と前記第４の抵抗変化部が同じで、前記第２の抵抗変化部と前記第３の抵抗変化部が同じである請求項１記載の磁界検出装置。
4. 全ての前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の固定磁化の方向が前記通電路に流れる直流電流と平行であり、
   それぞれの前記抵抗変化部では、一部の前記通電路が正方向通電路で、他の前記通電路が、電流の向きが前記正方向通電路と逆である逆方向通電路であり、１つの前記抵抗変化部に、前記正方向通電路と前記逆方向通電路とが同じ数設けられている請求項１記載の磁界検出装置。
5. 長尺形状に形成された磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子と平行に配置されて前記磁気抵抗効果素子と直列に接続された通電路とを有し、
   前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層とを有するＧＭＲ素子であり、
   前記通電路と前記磁気抵抗効果素子に直流電流を与える電源部が設けられ、前記通電路に与えられる直流電流で誘導される電流磁界が前記フリー磁性層へバイアス磁界として与えられて、前記磁気抵抗効果素子の抵抗変化に基づく出力が検知される磁界検出装置において、
   直列に接続された第１の抵抗変化部と第２の抵抗変化部とが設けられ、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部が、それぞれ前記磁気抵抗効果素子と前記通電路を有しており、
   前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記通電路ならびに前記磁気抵抗効果素子が互いに平行に配置されて、
   前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部とで、前記固定磁性層の固定磁化の方向が逆向きであり、前記第１の抵抗変化部と前記第２の抵抗変化部との中点から前記出力が得られ、
   全ての前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の固定磁化の方向が前記通電路に流れる直流電流と平行であり、
   それぞれの前記抵抗変化部では、一部の前記通電路が正方向通電路で、他の前記通電路が、電流の向きが前記正方向通電路と逆である逆方向通電路であり、１つの前記抵抗変化部に、前記正方向通電路と前記逆方向通電路とが同じ数設けられていることを特徴とする磁界検出装置。
6. それぞれの前記磁気抵抗効果素子が第１の磁気抵抗効果素子で、それぞれの前記通電路が第２の磁気抵抗効果素子であり、
   前記第１の磁気抵抗効果素子に流れる直流電流で誘導される電流磁界が、前記第２の磁気抵抗効果素子のフリー磁性層に対するバイアス磁界となり、前記第２の磁気抵抗効果素子に流れる直流電流で誘導される電流磁界が、前記第１の磁気抵抗効果素子のフリー磁性層に対するバイアス磁界となる請求項１ないし５のいずれかに記載の磁界検出装置。

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