JP7286932B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、複数の磁気抵抗効果素子を備える磁気センサに関する。

下記特許文献１は、微小な磁界の検出が可能な磁界検出センサを開示する。この磁界検出センサは、ブリッジ回路を成す４つの磁気抵抗効果素子と、磁性体とを備える。当該４つの磁気抵抗効果素子の固定磁化方向は互いに同じである。磁性体は、ブリッジ回路からみて垂直方向の検出対象磁界を集磁し、集磁された当該検出磁界を、当該ブリッジ回路を構成する４つの磁気抵抗効果素子が有する固定磁化方向と概ね平行になる方向へ変化させる。ブリッジ回路からの差動出力は、差動演算回路に入力され、差動演算回路は、磁界発生導体に帰還電流を流す。帰還電流が流れる磁界発生導体は、４つの磁気抵抗効果素子に対して、検出対象磁界の向きとは逆方向の磁界を発生させる。帰還電流を測定することにより、検出対象磁界が測定される。

特開２０１５－２１９０６１号公報

特許文献１の磁気センサでは、４つの磁気抵抗効果素子に同方向あるいは同相のバイアス磁界（外乱磁界等の非検出対象磁界）が印加されても、４つの磁気抵抗効果素子の抵抗変化が同じとなり、ブリッジ回路としてはバイアス磁界を検出しないようになっている。しかし、バイアス磁界は、磁気抵抗効果素子の動作点を変化させ、磁気センサの出力に影響を及ぼす。すなわち、磁気抵抗効果素子は、固定層磁化方向の磁界強度が一定値以上に大きくなると磁界変化に対する抵抗値変化（感度）が低下するため、バイアス磁界が大きくなると、磁気センサとしての感度が低下し、検出対象磁界に対して想定した出力が得られなくなるという問題があった（図１７及び図１８も参照）。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、バイアス磁界の影響を抑制することの可能な磁気センサを提供することにある。

本発明のある態様は、磁気センサである。この磁気センサは、
検出対象の第１磁界が印加される第１及び第２磁気抵抗効果素子であって固定層磁化方向が互いに等しい第１及び第２磁気抵抗効果素子を含む磁気検出部と、
高電圧端子と低電圧端子との間に前記磁気検出部と直列に接続された、前記磁気検出部に印加される磁界による抵抗値変化が抑制された又は前記磁気検出部に印加される磁界による抵抗値変化が無い抵抗素子と、
前記磁気検出部の抵抗値と前記抵抗素子の抵抗値との比率に応じた電流が流れる第１磁界発生導体と、を備え、
前記第１磁界が前記第１及び第２磁気抵抗効果素子の位置において前記固定層磁化方向と平行かつ互いに反対向きの磁界成分を持ち、
前記第１磁界発生導体に流れる電流により発生する磁界が前記第１及び第２磁気抵抗効果素子に印加され、前記第１及び第２磁気抵抗効果素子の位置において前記固定層磁化方向と平行かつ互いに同じ向きの磁界成分を持つバイアス磁界による前記第１及び第２磁気抵抗効果素子の抵抗値変化が抑制される。

前記第１磁界発生導体は、前記磁気検出部と前記抵抗素子との相互接続点と中電圧端子との間に設けられてもよい。

前記磁気検出部と前記抵抗素子との相互接続点の電圧と、中電圧端子の電圧と、の差を増幅する第１差動増幅器を備え、
前記第１磁界発生導体は、前記第１差動増幅器の出力端子と前記中電圧端子との間に設けられてもよい。

前記抵抗素子は、磁気シールドされた磁気抵抗効果素子であってもよい。

前記抵抗素子は、固定抵抗であってもよい。

前記磁気検出部の出力電圧が入力される第２差動増幅器と、
前記第２差動増幅器が出力する第１負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子が検出する前記第１磁界を相殺する第２磁界を前記第１及び第２磁気検出素子に印加する第２磁界発生導体と、を備えてもよい。

検出対象の第１磁界が前記第１及び第２磁気抵抗効果素子の位置において互いに反対向きの磁界成分を持つように前記第１磁界の向きを変化させる磁性体を備えてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、バイアス磁界の影響を抑制することの可能な磁気センサを提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る磁気センサ１Ａの概略断面図。 磁気センサ１Ａの概略平面図。 磁気センサ１Ａの第１磁界発生導体７５の配線パターン説明図。 磁気センサ１Ａの概略回路図。 磁気検出部７に印加されるバイアス磁界、比較例における磁気検出部７の抵抗変化、及び磁気センサ１Ａの磁気検出部７の抵抗変化の一例を示すグラフ。 本発明の実施の形態２に係る磁気センサ１Ｂの概略断面図。 本発明の実施の形態３に係る磁気センサ１Ｃの概略回路図。 本発明の実施の形態４に係る磁気センサ１Ｄの概略断面図。 磁気センサ１Ｄの第２磁界発生導体７０の配線パターン説明図。 磁気センサ１Ｄの概略回路図。 本発明の実施の形態５に係る磁気センサ１Ｅの概略断面図。 本発明の実施の形態６に係る磁気センサ１Ｆの概略回路図。 本発明の実施の形態７に係る磁気センサ１Ｇの概略回路図。 本発明の実施の形態８に係る磁気センサ１Ｈの概略断面図。 本発明の実施の形態９に係る磁気センサ１Ｊの概略断面図。 図１４及び図１５の磁気センサの概略回路図。 磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向の磁界強度に対する抵抗値の変化の一例を示す特性図。 磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向の磁界強度に対する感度の変化の一例を示す特性図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（実施の形態１）
図１～図５を参照し、本発明の実施の形態１に係る磁気センサ１Ａについて説明する。図１及び図２において、直交三軸であるＸＹＺ軸を定義する。また、図１及び図２において、検出対象磁界の磁力線を併せて示している。磁気センサ１Ａにおいて、第１磁気抵抗効果素子１０、第２磁気抵抗効果素子２０、第３磁気抵抗効果素子３０、及び第４磁気抵抗効果素子４０は、第１磁界発生導体７５と共に、積層体５に設けられる。積層体５の表面上には、磁性体８０が設けられる。図２に示すように、第１磁気抵抗効果素子１０と第３磁気抵抗効果素子３０は、Ｘ方向における位置が互いに等しい。同様に、第２磁気抵抗効果素子２０と第４磁気抵抗効果素子４０は、Ｘ方向における位置が互いに等しい。また、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０は、Ｙ方向における位置が互いに等しい。同様に、第３磁気抵抗効果素子３０と第４磁気抵抗効果素子４０は、Ｙ方向における位置が互いに等しい。

図２において、第１磁気抵抗効果素子１０及び第３磁気抵抗効果素子３０の配置と、第２磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子４０の配置と、が線対称となるＸ方向の中心線をＡとする。また、第１磁気抵抗効果素子１０及び第２磁気抵抗効果素子２０の配置と、第３磁気抵抗効果素子３０及び第４磁気抵抗効果素子４０の配置と、が線対称となるＹ方向の中心線をＢとする。磁性体８０は、磁性体８０のＸ方向の中心線とＹ方向の中心線がそれぞれＡとＢに合致する位置に配置されることが好ましい。また、磁性体８０は、第１磁気抵抗効果素子１０及び第２磁気抵抗効果素子２０のＹ方向側に延在し、かつ、第３磁気抵抗効果素子３０と第４磁気抵抗効果素子４０の－Ｙ方向側に延在することが好ましい。さらに、磁性体８０は、積層体５側の端面がＺ方向において第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）に最も近づいた配置、すなわち積層体５側の端面が積層体５の表面に接触していることが好ましい。このように配置にすることで、検出対象磁界の変化に応じた第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の抵抗変化が、効率良く、さらに均等に発生することになる。

積層体５内における、第１磁界発生導体７５を形成する層は、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が形成される層よりも下層（－Ｚ方向側の層）であることが好ましい。第１磁界発生導体７５を第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が形成される層より下層に配置することで、磁性体８０と第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）のＺ方向の距離を近づけることができ、これにより検出対象磁界の変化に第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が効率良く応答可能になる。磁性体８０は軟磁性体であってもよい。

磁性体８０は、Ｚ方向の検出対象磁界を集磁し、集磁した検出対象磁界を、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）が有する固定層磁化方向（Ｘ方向）と概ね平行になる方向へ変化させる。検出対象磁界は、磁性体８０が存在しなければ全体的にＺ方向と平行な磁界であり、磁性体８０があることにより部分的に曲げられて、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の位置においてＸ方向の成分を持つようになっている。磁性体８０により、第１磁気抵抗効果素子１０及び第３磁気抵抗効果素子３０の位置における検出対象磁界のＸ成分と、第２磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子４０の位置における検出対象磁界のＸ成分とは、互いに反対向きとなり、検出対象磁界が交流の場合には互いに位相が１８０°異なる差動磁界となる（逆位相となる）。

図３は、磁気センサ１Ａの第１磁界発生導体７５の配線パターン説明図である。図３において、積層体５内の第１磁界発生導体７５の配線パターンを実線で示している。第１磁界発生導体７５は、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）と同じ積層体５内に形成される。図３の例では、第１磁界発生導体７５は、ミアンダ状の導体パターンとしている。具体的には、第１磁界発生導体７５は、第４磁気抵抗効果素子４０と同じＸ方向位置かつ第４磁気抵抗効果素子４０の－Ｙ方向側を一端として＋Ｙ方向に延び、第２磁気抵抗効果素子２０の＋Ｙ方向側に至り、そこから＋Ｘ方向に延びて磁性体８０と同じＸ方向位置に至り、そこから－Ｙ方向に延びて磁性体８０の－Ｙ方向側に至り、そこから＋Ｘ方向に延びて第３磁気抵抗効果素子３０と同じＸ方向位置に至り、そこから＋Ｙ方向に延びて第１磁気抵抗効果素子１０の＋Ｙ方向側に至る（第１磁気抵抗効果素子１０と同じＸ方向位置かつ第１磁気抵抗効果素子１０の＋Ｙ方向側を他端とする）。第１磁界発生導体７５は、各磁気抵抗効果素子の位置におけるバイアス磁界のＸ方向成分（感磁方向成分）を相殺する磁界成分を有する補正磁界を発生する。本実施の形態では、バイアス磁界は、磁性体８０が存在しなければ任意方向の一様磁界であるものとし、バイアス磁界のＸ方向成分を補正磁界により相殺する。ここで、相殺は、好ましくは略０にすることであるが、一部のみを打ち消すことであってもよい。

図４は、磁気センサ１Ａの概略回路図である。磁気センサ１Ａの磁気検出部７は、第１磁気抵抗効果素子１０、第２磁気抵抗効果素子２０、第３磁気抵抗効果素子３０、及び第４磁気抵抗効果素子４０からなるブリッジ回路である。第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の固定層磁化方向は同じ（＋Ｘ方向）である。固定層磁化方向と平行な方向が、各磁気抵抗効果素子の感磁方向である。抵抗Ｒは、磁気検出部に印加される磁界による抵抗値変化が抑制された又は前記磁気検出部に印加される磁界による抵抗値変化が無い抵抗素子である。抵抗Ｒは、固定抵抗であってもよいし、磁気シールドされた磁気抵抗効果素子であってもよい。抵抗Ｒは、磁気抵抗効果素子である場合、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）と同じ温度特性のものであるとよい。抵抗Ｒの抵抗値は、バイアス磁界が存在しない場合における磁気検出部７の抵抗値、すなわち第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の合成抵抗値と一致する。

抵抗Ｒの一端は、電源電圧Ｖccが供給される高電圧端子に接続される。抵抗Ｒの他端は、第１磁気抵抗効果素子１０の一端と、第２磁気抵抗効果素子２０の一端と、に接続される。第１磁気抵抗効果素子１０の他端は、第４磁気抵抗効果素子４０の一端に接続される。第２磁気抵抗効果素子２０の他端は、第３磁気抵抗効果素子３０の一端に接続される。第３磁気抵抗効果素子３０の他端と、第４磁気抵抗効果素子４０の他端は、電源電圧－Ｖccが供給される低電圧端子に接続される。抵抗Ｒの他端、第１磁気抵抗効果素子１０の一端、及び第２磁気抵抗効果素子２０の一端（図４の点Ｐ１）は、第１磁界発生導体７５の一端に接続される。第１磁界発生導体７５の他端は、中電圧端子としてのグランド端子に接続される。第１磁気抵抗効果素子１０と第４磁気抵抗効果素子４０の相互接続点に出力される電圧をＶａ、第２磁気抵抗効果素子２０と第３磁気抵抗効果素子３０の相互接続点に出力される電圧をＶｂとする。電圧Ｖａ、Ｖｂの差が、磁気センサ１Ａのセンサ出力電圧となる。

検出対象磁界が図２に示す状態の場合、第１磁気抵抗効果素子１０においては、検出対象磁界の方向は固定層磁化方向と同一方向となる成分を持つため、フリー層磁化方向が固定層磁化方向と一致し、第１磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は、無磁界時の抵抗値Ｒ０から－ΔＲだけ変化する。一方、第２磁気抵抗効果素子２０においては、検出対象磁界の方向は固定層磁化方向と逆方向となる成分を持つため、フリー層磁化方向が固定層磁化方向と逆になり、第２磁気抵抗効果素子２０の抵抗値は、無磁界時の抵抗値Ｒ０から＋ΔＲだけ変化する。同様に、第３磁気抵抗効果素子３０の抵抗値は無磁界時と比較して－ΔＲだけ変化し、第４磁気抵抗効果素子４０の抵抗値は無磁界時と比較して＋ΔＲだけ変化する。このような第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の抵抗変化により、電圧Ｖａは無磁界時と比較して高くなり、電圧Ｖｂは無磁界時と比較して低くなる。ゆえに、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）のブリッジ回路は、差動出力、すなわち検出対象磁界の変化に応じて互いに逆の変化をする電圧Ｖａと電圧Ｖｂの出力が可能となっている。

図４の回路において、バイアス磁界が存在しない場合、点Ｐ１はグランド電位となる。このため、第１磁界発生導体７５に電流は流れない。＋Ｘ方向の成分を持つバイアス磁界が磁気検出部７に印加された場合、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の各抵抗値が低下し、磁気検出部７の抵抗値が低下するため、点Ｐ１の電圧はマイナスとなる（グランド電位を下回る）。マイナスの程度は、バイアス磁界の＋Ｘ方向の成分が大きいほど大きい。点Ｐ１の電圧がマイナスになると、グランド端子、第１磁界発生導体７５、点Ｐ１という向きに電流が流れる。これにより第１磁界発生導体７５は、各磁気抵抗効果素子の位置において－Ｘ方向成分を持つ、すなわち各磁気抵抗効果素子の位置におけるバイアス磁界を相殺する補正磁界を発生する。

－Ｘ方向の成分を持つバイアス磁界が磁気検出部７に印加された場合、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の各抵抗値が上昇し、磁気検出部７の抵抗値が上昇するため、点Ｐ１の電圧はプラスとなる（グランド電位を上回る）。プラスの程度は、バイアス磁界の－Ｘ方向の成分が大きいほど大きい。点Ｐ１の電圧はプラスになると、点Ｐ１、第１磁界発生導体７５、グランド端子という向きに電流が流れる。これにより第１磁界発生導体７５は、各磁気抵抗効果素子の位置において＋Ｘ方向成分を持つ、すなわち各磁気抵抗効果素子の位置におけるバイアス磁界を相殺する補正磁界を発生する。

第１磁界発生導体７５が図３に示す電流経路を成すため、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の位置における補正磁界は、Ｘ方向と平行かつ向きが互いに等しい。第１磁界発生導体７５に流れる電流（負帰還電流）は、バイアス磁界のＸ方向成分が大きいほど大きくなる。各磁気抵抗効果素子の位置において、バイアス磁界及び補正磁界の磁気平衡状態が成立する。

バイアス磁界及び補正磁界の磁気平衡状態が成立する動作点は、
・第１磁界発生導体７５と各磁気抵抗効果素子との磁気的結合、
・第１磁界発生導体７５単体での磁界発生効率（第１磁界発生導体７５のインダクタンス値）、
・各磁気抵抗効果素子の分解能
の３条件によって決まる。３条件が理想的であれば、すなわち第１磁界発生導体７５と各磁気抵抗効果素子との磁気的結合が十分に強く、第１磁界発生導体７５単体での磁界発生効率が十分に高く、各磁気抵抗効果素子の分解能が十分に高ければ、僅かな電流が第１磁界発生導体７５に流れるだけで磁気平衡状態となり、磁気平衡状態において各磁気抵抗効果素子の位置でバイアス磁界及び補正磁界のＸ成分の合計が実質的に０になる。

図５は、磁気検出部７に印加されるバイアス磁界、比較例における磁気検出部７の抵抗変化、及び磁気センサ１Ａの磁気検出部７の抵抗変化の一例を示すグラフである。比較例は、図１～図４の構成から抵抗Ｒを無くして短絡し、かつ第１磁界発生導体７５を無くして開放とした構成である。図５より、比較例の構成では、バイアス磁界の変動により磁気検出部７の抵抗値が大きく変動している。これに対し、本実施の形態の磁気センサ１Ａでは、バイアス磁界の変動に対する磁気検出部７の抵抗値の変動が大幅に抑制され、磁気検出部７の抵抗値はバイアス磁界が存在しない場合とほとんど変わらない値でほぼ一定となっている。すなわち、各磁気抵抗効果素子の位置においてバイアス磁界及び補正磁界のＸ成分の合計が実質的に０になっている。

図１７及び図１８に示すように、磁気抵抗効果素子は、固定層磁化方向の磁界強度が一定値以内の場合は磁界強度と抵抗値とが直線的な関係となり高感度となるが、磁界強度が一定値以上になると磁界強度の変化に対する抵抗値の変化（傾き）が小さくなって感度が低下し、さらに磁界強度が高くなると磁界強度に対する抵抗値の変化が無くなる。したがって、磁気抵抗効果素子は、図１７及び図１８に示すバイアス磁界が０のときの動作点において、高感度であり、かつリニアな抵抗値変化を最大に取れる（リニア領域における出力電圧の振幅を最も大きく取れる）。一方、図１７に示すバイアス磁界が小さいときの動作点では、バイアス磁界が０のときの動作点と比較して、感度が低下し、またリニアな抵抗値変化も大きく取れない。また、図１７に示すバイアス磁界が大きいときの動作点では、飽和により磁気抵抗効果素子として動作できなくなる。

本実施の形態では、磁気検出部７と直列に抵抗Ｒを接続し、抵抗Ｒ及び磁気検出部７の相互接続点とグランド端子との間に第１磁界発生導体７５を接続し、抵抗Ｒの抵抗値と磁気検出部７の抵抗値との比率に応じた電流を第１磁界発生導体７５に流す構成としている。ここで、抵抗Ｒの抵抗値と磁気検出部７の抵抗値との比率は、磁気検出部７に印加されるバイアス磁界のＸ方向成分によって変化する。第１磁界発生導体７５に流れる電流により発生する補正磁界は、磁気検出部７に印加されるバイアス磁界のＸ方向成分を相殺し、抵抗Ｒの抵抗値と磁気検出部７の抵抗値との比率を、バイアス磁界が存在しない場合の比率に近づけ、好ましくは実質的に一致させる。

本実施の形態によれば、下記の作用効果を奏することができる。

(1) 磁気検出部７に印加されるバイアス磁界のＸ方向成分を、第１磁界発生導体７５の発生する補正磁界により相殺するため、バイアス磁界の影響を抑制できる。具体的には、バイアス磁界による第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の感度低下や飽和による動作不能リスクを抑制することができる。

(2) 補正磁界を発生させるための構成は、抵抗Ｒと第１磁界発生導体７５だけで足りる。このため、バイアス磁界の影響を抑制するための回路構成がシンプルでコスト安である。

(3) 抵抗Ｒを、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）と同じ温度特性の磁気抵抗効果素子とした場合、温度変化がバイアス磁界の影響抑制効果に生じさせる変動を抑制できる。

(4) 抵抗Ｒの抵抗値をバイアス磁界が存在しない場合の磁気検出部７の抵抗値と一致させているため、バイアス磁界が存在しない場合の図４の点Ｐ１の電圧はグランド電位となる。このため、第１磁界発生導体７５の他端を接続する中電圧端子としてグランド端子を利用でき、回路構成をシンプルにできる。

本実施の形態において、抵抗Ｒの抵抗値と、バイアス磁界が存在しない場合の磁気検出部７の抵抗値と、の比率は、１対１に限定されず、任意に設定できる。いずれの比率においても、第１磁界発生導体７５の他端を接続する中電圧端子は、バイアス磁界が存在しない場合の図４の点Ｐ１の電圧と一致する電圧の端子とすればよい。例えば同比率を１対３とした場合、＋Ｖcc×１／２の基準電源を設け、第１磁界発生導体７５の他端を接続する中電圧端子として、＋Ｖcc×１／２の基準電源端子を利用すればよい。この場合、基準電源を設ける必要があるが、抵抗Ｒによる電圧降下を小さくでき、磁気検出部７の出力電圧の振幅を大きく取ることができる。抵抗Ｒは、第３磁気抵抗効果素子３０及び第４磁気抵抗効果素子４０の他端同士の接続点と、電源電圧－Ｖccが供給される低電圧端子と、の間に接続されてもよい。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係る磁気センサ１Ｂの概略断面図である。本実施の形態の磁気センサ１Ｂは、実施の形態１の磁気センサ１Ａと比較して、磁気センサ１Ａにおいて積層体５内に設けられていた第１磁界発生導体７５が、積層体５の外部に設けられた第１磁界発生導体７５ａ、７５ｂに替わった点で相違し、その他の点で一致する。第１磁界発生導体７５ａ、７５ｂは、例えば巻軸方向がＸ方向と平行なコイル（ソレノイドコイル等）であって、積層体５のＸ方向両側にそれぞれ設けられる。第１磁界発生導体７５ａ、７５ｂは、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）に対してＸ方向と平行な一様磁界を印加できる構成であるとよい。第１磁界発生導体７５ａ、７５ｂは、互いに直列接続されても並列接続されてもよい。本実施の形態も、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３に係る磁気センサ１Ｃの概略回路図である。本実施の形態の磁気センサ１Ｃは、実施の形態１の磁気センサ１Ａと比較して、第１差動増幅器としての第１演算増幅器７６が追加されている。第１演算増幅器７６の非反転入力端子は、抵抗Ｒ及び磁気検出部７の相互接続点（図７の点Ｐ１）に接続される。第１演算増幅器７６の反転入力端子は、グランド端子に接続される。第１演算増幅器７６の出力端子は、第１磁界発生導体７５の一端に接続される。第１磁界発生導体７５の他端は、グランド端子に接続される。

＋Ｘ方向の成分を持つバイアス磁界が磁気検出部７に印加されて点Ｐ１の電圧がマイナスになると、第１演算増幅器７６の出力電圧はマイナスとなり、グランド端子、第１磁界発生導体７５、第１演算増幅器７６の出力端子という向きに電流が流れる。これにより第１磁界発生導体７５は、各磁気抵抗効果素子の位置において－Ｘ方向成分を持つ、すなわち各磁気抵抗効果素子の位置におけるバイアス磁界を相殺する補正磁界を発生する。－Ｘ方向の成分を持つバイアス磁界が磁気検出部７に印加されて点Ｐ１の電圧がプラスになると、第１演算増幅器７６の出力電圧はプラスとなり、第１演算増幅器７６の出力端子、第１磁界発生導体７５グランド端子という向きに電流が流れる。これにより第１磁界発生導体７５は、各磁気抵抗効果素子の位置において＋Ｘ方向成分を持つ、すなわち各磁気抵抗効果素子の位置におけるバイアス磁界を相殺する補正磁界を発生する。第１演算増幅器７６の非反転入力端子、反転入力端子間に仮想ショートが成立するため、点Ｐ１の電圧は実質的にグランド端子の電圧と一致する。すなわち、バイアス磁界及び補正磁界の磁気平衡状態において各磁気抵抗効果素子の位置でバイアス磁界及び補正磁界のＸ成分の合計が実質的に０になる。

本実施の形態のその他の点は、実施の形態１と同様である。本実施の形態によれば、実施の形態１と比較して第１演算増幅器７６の追加を要するものの、第１演算増幅器７６の増幅作用により、バイアス磁界及び補正磁界の磁気平衡状態における各磁気抵抗効果素子の位置でのバイアス磁界及び補正磁界のＸ成分の合計をより０に近づけることができる。本実施の形態において、第１磁界発生導体７５は、図６に示す実施の形態２と同様に積層体５の外部に設けられた第１磁界発生導体７５ａ、７５ｂに替えてもよい。

（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４に係る磁気センサ１Ｄの概略断面図である。図９は、磁気センサ１Ｄの第２磁界発生導体７０の配線パターン説明図である。図９において、積層体５内の第２磁界発生導体７０の配線パターンを実線で示し、積層体５内の第１磁界発生導体７５の図示を省略している。図１０は、磁気センサ１Ｄの概略回路図である。実施の形態１～３の磁気センサが、磁気検出部７の出力端子間に検出対象磁界に応じた（比例した）センサ出力電圧が現れる磁気比例式であったのに対し、本実施の形態の磁気センサ１Ｄは、磁気平衡式である。磁気センサ１Ｄは、実施の形態１の磁気センサ１Ａの構成に加え、第２磁界発生導体７０と、第２差動増幅器としての第２演算増幅器５０と、検出抵抗Ｒｓと、を備える。

図８及び図９に示すように、第２磁界発生導体７０は、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）と同じ積層体５内の単一の層に形成される。図９の例では、第２磁界発生導体７０は、１ターンに満たないＵ字状の平面コイルとしているが、スパイラル状に複数ターン周回する平面コイルであってもよい。なお、積層体５内における、第２磁界発生導体７０が形成される層は、図８の例では第１磁界発生導体７５が形成される層より上層としているが、第１磁界発生導体７５が形成される層より下層としてもよい。第２磁界発生導体７０は、後述のように、各磁気抵抗効果素子が検出する検出対象磁界（第１磁界）を相殺する（検出対象磁界の感磁方向成分を相殺する磁界成分を有する）第２磁界を発生する。ここで、相殺は、好ましくは略０にすることであるが、一部のみを打ち消すことであってもよい。

図１０に示すように、第２演算増幅器５０は、反転入力端子が第１磁気抵抗効果素子１０と第４磁気抵抗効果素子４０の相互接続点に接続され、非反転入力端子が第２磁気抵抗効果素子２０と第３磁気抵抗効果素子３０の相互接続点に接続され、出力端子が第２磁界発生導体７０の一端に接続される。第２演算増幅器５０は、磁気検出部の出力電圧（電圧Ｖａ、Ｖｂ）が入力され、第２磁界発生導体７０に負帰還電流を供給する。第２磁界発生導体７０は、第２演算増幅器５０が出力する負帰還電流が流れることにより、各磁気抵抗効果素子が検出する第１磁界（検出対象磁界）を相殺する第２磁界を発生する。換言すれば、第２演算増幅器５０は、各磁気抵抗効果素子の位置において前記第１磁界の感磁方向成分を相殺する磁界成分を有する第２磁界を第２磁界発生導体７０が発生するように、すなわち各磁気抵抗効果素子の位置において第１及び第２磁界の磁気平衡状態が成立するように、第２磁界発生導体７０に負帰還電流を供給する。

第２磁界発生導体７０が図９に示す電流経路を成すため、第１磁気抵抗効果素子１０及び第３磁気抵抗効果素子３０の位置における第２磁界と、第２磁気抵抗効果素子２０及び第４磁気抵抗効果素子４０の位置における第２磁界とは、共にＸ方向と平行かつ互いに反対向きとなる。検出抵抗Ｒｓは、第２磁界発生導体７０の他端とグランド端子との間に接続される。検出抵抗Ｒｓの両端の電圧が、センサ出力電圧Ｖoutとなる。図１０に示すように負帰還電流をＩとすると、出力電圧Ｖoutは、Ｖout＝Ｒｓ×Ｉとなる。負帰還電流は、検出対象磁界（第１磁界）の大きさに比例する。このため、出力電圧Ｖoutも、検出対象磁界に比例することになり、出力電圧Ｖoutにより、検出対象磁界を検出することができる。本実施の形態のその他の点は、実施の形態１と同様である。本実施の形態も、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

（実施の形態５）
図１１は、本発明の実施の形態５に係る磁気センサ１Ｅの概略断面図である。本実施の形態の磁気センサ１Ｅは、実施の形態４の磁気センサ１Ｄと比較して、磁気センサ１Ｄにおいて積層体５内に設けられていた第１磁界発生導体７５が、積層体５の外部に設けられた第１磁界発生導体７５ａ、７５ｂに替わった点で相違し、その他の点で一致する。第１磁界発生導体７５ａ、７５ｂの構成は、実施の形態２（図６）と同じである。本実施の形態も、実施の形態４と同様の効果を奏することができる。

（実施の形態６）
図１２は、本発明の実施の形態６に係る磁気センサ１Ｆの概略回路図である。本実施の形態の磁気センサ１Ｆは、実施の形態４の磁気センサ１Ｄと比較して、第１差動増幅器としての第１演算増幅器７６が追加されている。第１演算増幅器７６の接続形態、及び補正磁界の発生原理は、実施の形態３（図７）と同じである。本実施の形態のその他の点は、実施の形態４と同様である。本実施の形態によれば、第１演算増幅器７６の増幅作用により、バイアス磁界及び補正磁界の磁気平衡状態における各磁気抵抗効果素子の位置でのバイアス磁界及び補正磁界のＸ成分の合計をより０に近づけることができる。本実施の形態において、第１磁界発生導体７５は、図１１に示す実施の形態５と同様に積層体５の外部に設けられた第１磁界発生導体７５ａ、７５ｂに替えてもよい。

（実施の形態７）
図１３は、本発明の実施の形態７に係る磁気センサ１Ｇの概略回路図である。前述の各実施の形態は、抵抗Ｒの抵抗値と磁気検出部７の抵抗値との比率により磁気検出部７に印加されるバイアス磁界のＸ成分を検出するものであった。これに対し本実施の形態では、磁気検出部７に流れる電流により磁気検出部７に印加されるバイアス磁界のＸ成分を検出する。以下、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

本実施の形態のバイアス磁界検出手段は、抵抗Ｒ、第１差動増幅器としての第１演算増幅器７６、第１磁界発生導体７５、第３差動増幅器としての第３演算増幅器７７、及び基準電圧源７８、を含む。抵抗Ｒは、磁気検出部７に流れる電流を電圧に変換する。磁気検出部７に流れる電流は、磁気検出部７の抵抗値に反比例する。磁気検出部７の抵抗値は、磁気検出部７に印加されるバイアス磁界のＸ方向成分によって変化する。抵抗Ｒの両端の電圧が特定されると、磁気検出部７に印加されるバイアス磁界のＸ方向成分が特定される関係にある。

第１演算増幅器７６の非反転入力端子は、抵抗Ｒの一端に接続される。第１演算増幅器７６の反転入力端子は、抵抗Ｒの他端に接続される。第１演算増幅器７６の出力端子は、第３演算増幅器７７の反転入力端子に接続される。第３演算増幅器７７の非反転入力端子とグランド端子との間に、基準電圧源７８が接続される。第３演算増幅器７７の出力端子は、第１磁界発生導体７５の一端に接続される。第１磁界発生導体７５の他端は、グランド端子に接続される。抵抗Ｒの抵抗値を、磁気検出部７の抵抗値と比較して十分に低くすることで、磁気検出部７の出力電圧の振幅を大きく取ることができる。

第１演算増幅器７６は、抵抗Ｒの両端の電圧を増幅する。第１演算増幅器７６の出力電圧は、磁気検出部７に流れる電流に比例する。第３演算増幅器７７は、第１演算増幅器７６の出力電圧と基準電圧源７８の出力電圧との差が略０となるように第１磁界発生導体７５に電流を供給する。基準電圧源７８の出力電圧は、好ましくはバイアス磁界が無い場合の第１演算増幅器７６の出力電圧（バイアス磁界が無い場合に磁気検出部７に流れる電流に対応）と等しい。これにより、各磁気抵抗効果素子の位置におけるバイアス磁界のＸ方向成分と補正磁界のＸ方向成分との合計が略０で一定となる（磁気検出部７に流れる電流はバイアス磁界が無い場合の電流と略等しくなる）。

第１磁界発生導体７５は、第３演算増幅器７７が出力する電流（負帰還電流）が流れることにより、各磁気抵抗効果素子の位置におけるバイアス磁界を相殺する補正磁界を発生する。換言すれば、第３演算増幅器７７は、各磁気抵抗効果素子の位置においてバイアス磁界の感磁方向成分を相殺する磁界成分を有する補正磁界を第１磁界発生導体７５が発生するように、すなわち各磁気抵抗効果素子の位置においてバイアス磁界及び補正磁界の磁気平衡状態が成立するように、第１磁界発生導体７５に電流を供給する。

本実施の形態によれば、実施の形態１と比較して第１演算増幅器７６、第３演算増幅器７７、及び基準電圧源７８の追加を要するものの、第１演算増幅器７６及び第３演算増幅器７７の増幅作用により、バイアス磁界及び補正磁界の磁気平衡状態における各磁気抵抗効果素子の位置でのバイアス磁界及び補正磁界のＸ成分の合計をより０に近づけることができる。

（実施の形態８、９）
図１４は、本発明の実施の形態８に係る磁気センサ１Ｈの概略断面図である。図１５は、本発明の実施の形態９に係る磁気センサ１Ｊの概略断面図である。図１６は、図１４及び図１５の磁気センサの概略回路図である。本実施の形態では、バイアス磁界検出用の磁気検出素子７９によりバイアス磁界のＸ方向成分を検出する。図１４の構成例では、磁気検出素子７９を積層体５内かつ磁性体８０の直下に配置する。図１５の構成例では、磁気検出素子７９を積層体５の外部に配置する。

図１６では、磁気検出素子７９を、２つの磁気抵抗効果素子７９ａ、７９ｂとしている。磁気抵抗効果素子７９ａ、７９ｂの固定層磁化方向は、例えば、共にＸ方向と平行かつ互いに反対向きである。磁気抵抗効果素子７９ａ、７９ｂは、電源電圧Ｖccが供給される高電圧端子と、電源電圧－Ｖccが供給される低電圧端子と、の間に直列接続される。磁気抵抗効果素子７９ａ、７９ｂの相互接続点が第３演算増幅器７７の反転入力端子に接続される。第３演算増幅器７７は、磁気抵抗効果素子７９ａ、７９ｂの相互接続点の電圧（磁気検出素子７９の出力電圧）と基準電圧源７８の出力電圧との差が略０になるように第１磁界発生導体７５に負帰還電流を供給する。なお、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の動作点をバイアス磁界が０の場合の動作点にする場合、基準電圧源７８の出力電圧は０（基準電圧源７８は短絡）である。本実施の形態も、実施の形態７と同様の効果を奏することができる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

実施の形態ではバイアス磁界のＸ方向成分に対応して補正磁界を発生させる場合を説明したが、バイアス磁界のＸ方向成分に替えて又はそれに加えて、バイアス磁界の非Ｘ方向成分（例えばＹ方向成分）に対応して補正磁界を発生させてもよい。磁気検出部７を構成する磁気抵抗効果素子の個数は、実施の形態で例示した４つに限定されず、２つ以上の任意の個数でよい。実施の形態では、磁気検出部７として、４つの磁気抵抗効果素子がフルブリッジ接続された例に説明したが、磁気検出部７は、２つの磁気抵抗効果素子がハーフブリッジ接続されたものであってもよい。両電源駆動とした各素子は、片電源駆動であってもよい。

第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の検出精度をさらに向上させるために、磁性体８０と第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）の間にヨークを形成してもよい。前記ヨークを形成することにより、第１から第４磁気抵抗効果素子（１０、２０、３０、４０）に、より多くの磁界を効率よく導くことが出来るため、微小な磁界を精度よく検出することが可能となる。また、前記ヨークは薄膜プロセスで形成することで、寸法、位置ともに精度よく配置できるだけでなく、同一の積層行程で形成できるため外部に付属させた部品より低コストとなり、製品の小型化や製造コストの削減が可能になる。

１Ａ～１Ｈ、１Ｊ 磁気センサ、５ 積層体、７ 磁気検出部、１０ 第１磁気抵抗効果素子、２０ 第２磁気抵抗効果素子、３０ 第３磁気抵抗効果素子、４０ 第４磁気抵抗効果素子、５０ 第２演算増幅器（第２差動増幅器）、７０ 第２磁界発生導体、７５ 第１磁界発生導体、７６ 第１演算増幅器（第１差動増幅器）、７７ 第３演算増幅器（第３差動増幅器）、７８ 基準電圧源、７９ 磁気検出素子、８０ 磁性体

Claims (7)

1. 検出対象の第１磁界が印加される第１及び第２磁気抵抗効果素子であって固定層磁化方向が互いに等しい第１及び第２磁気抵抗効果素子を含む磁気検出部と、
   高電圧端子と低電圧端子との間に前記磁気検出部と直列に接続された、前記磁気検出部に印加される磁界による抵抗値変化が抑制された又は前記磁気検出部に印加される磁界による抵抗値変化が無い抵抗素子と、
   前記磁気検出部の抵抗値と前記抵抗素子の抵抗値との比率に応じた電流が流れる第１磁界発生導体と、を備え、
   前記第１磁界が前記第１及び第２磁気抵抗効果素子の位置において前記固定層磁化方向と平行かつ互いに反対向きの磁界成分を持ち、
   前記第１磁界発生導体に流れる電流により発生する磁界が前記第１及び第２磁気抵抗効果素子に印加され、前記第１及び第２磁気抵抗効果素子の位置において前記固定層磁化方向と平行かつ互いに同じ向きの磁界成分を持つバイアス磁界による前記第１及び第２磁気抵抗効果素子の抵抗値変化が抑制される、磁気センサ。
2. 前記第１磁界発生導体は、前記磁気検出部と前記抵抗素子との相互接続点と中電圧端子との間に設けられる、請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記磁気検出部と前記抵抗素子との相互接続点の電圧と、中電圧端子の電圧と、の差を増幅する第１差動増幅器を備え、
   前記第１磁界発生導体は、前記第１差動増幅器の出力端子と前記中電圧端子との間に設けられる、請求項１に記載の磁気センサ。
4. 前記抵抗素子は、磁気シールドされた磁気抵抗効果素子である、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
5. 前記抵抗素子は、固定抵抗である、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 前記磁気検出部の出力電圧が入力される第２差動増幅器と、
   前記第２差動増幅器が出力する第１負帰還電流が流れることにより、前記第１及び第２磁気検出素子が検出する前記第１磁界を相殺する第２磁界を前記第１及び第２磁気検出素子に印加する第２磁界発生導体と、を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
7. 検出対象の第１磁界が前記第１及び第２磁気抵抗効果素子の位置において互いに反対向きの磁界成分を持つように前記第１磁界の向きを変化させる磁性体を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気センサ。

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