JP5532166B1 - 磁気センサおよび磁気センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】スピンバルブ型のＭＲ素子を用いた磁気センサにおいて、自由層に印加される層間結合磁界による影響を低減する。
【解決手段】磁気センサ１は、ＭＲ素子１０と磁石２１，２２を備えている。ＭＲ素子１０は、Ｘ方向に平行な方向に磁化が固定された磁化固定層と、外部磁界のＸ方向の成分に応じて磁化が変化する自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層を有している。磁化固定層、非磁性層および自由層は、Ｙ方向に並ぶように積層されている。自由層には、磁化固定層に起因して、Ｘ方向に平行な方向の層間結合磁界Ｈinが印加されている。磁石２１，２２は、自由層に対してバイアス磁界Ｈｂを印加する。バイアス磁界Ｈｂは、層間結合磁界Ｈinの方向とは反対方向の第１の磁界成分Ｈｂ１と、Ｚ方向の第２の磁界成分Ｈｂ２とを有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を有する磁気センサ、ならびにこの磁気センサとスケールとを備えた磁気センサシステムに関する。

近年、種々の用途で、動作体の回転動作や直線的動作に関連する物理量を検出する磁気センサシステムが用いられている。一般的に、磁気センサシステムは、スケールと磁気センサとを備え、磁気センサによって、スケールと磁気センサとの相対的位置関係に関連する信号を生成するようになっている。このような磁気センサシステムは、例えば特許文献１ないし４に記載されている。

動作体が回転動作をするものである場合に用いられる磁気センサシステムのスケールは、一般的には、動作体に連動する回転体である。この回転体は、例えば、円周方向に交互に配列された複数組のＮ極とＳ極を有する多極着磁磁石や、磁性材料によって構成された複数の歯を有する歯車である。この場合、磁気センサシステムは、前記物理量として、回転体の回転位置や回転速度等を検出する。

動作体が直線的動作をするものである場合に用いられる磁気センサシステムのスケールは、例えば、交互に直線状に配列された複数組のＮ極とＳ極を有するリニアスケールである。この場合、リニアスケールと磁気センサの一方が動作体に連動し、磁気センサシステムは、前記物理量として、磁気センサに対するリニアスケールの相対的な位置や速度を検出する。

磁気センサは、感磁素子を含んでいる。特許文献１ないし３には、感磁素子として、いわゆるスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子とも記す。）を用いた磁気センサが記載されている。スピンバルブ型のＭＲ素子は、磁化が固定された磁化固定層と、外部磁界に応じて磁化の方向および大きさが変化する自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層とを有している。スピンバルブ型のＭＲ素子には、非磁性層がトンネルバリア層であるＴＭＲ素子と、非磁性層が非磁性導電層であるＧＭＲ素子とが含まれる。

特開２００８−１５１７５９号公報 国際公開第２００８／０７２６１０号 特開２００３−２１５１４５号公報 特開平８−１２２０９５号公報

特許文献１に記載されているように、スピンバルブ型のＭＲ素子を用いた磁気センサでは、磁化固定層に起因して自由層に層間結合磁界が印加される場合がある。層間結合磁界の方向は、磁化固定層の磁化の方向と同じか反対方向である。自由層に層間結合磁界が印加されていると、外部磁界の方向によって外部磁界の大きさの変化に対するＭＲ素子の抵抗値の変化量が異なったり、外部磁界の大きさの変化に対するＭＲ素子の抵抗値の変化量が小さくなったりするという問題が生じる。

特許文献１には、層間結合磁界をゼロにすると磁気センサの出力波形が不安定になることが記載されている。また、特許文献１には、永久磁石を用いて、自由層に対して、磁化固定層の磁化の方向に直交する方向にバイアス磁界を印加することによって、磁気センサの出力波形を安定化する技術が記載されている。しかし、この技術では、層間結合磁界がゼロではない場合には、層間結合磁界による上述の問題を解決することはできない。

特許文献２には、ＭＲ素子の側方に軟磁性体を設けることによって、自由層に層間結合磁界が印加されていても、見かけ上、磁気センサの磁気検出感度を向上させる技術が記載されている。しかし、この技術は、層間結合磁界による影響を直接低減する訳ではない。

特許文献３，４には、ＭＲ素子にバイアス磁界を印加する技術が記載されている。しかし、特許文献３，４では、層間結合磁界による影響は考慮されていない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサおよび磁気センサシステムであって、自由層に印加される層間結合磁界による影響を低減できるようにした磁気センサおよび磁気センサシステムを提供することにある。

本発明の磁気センサは、外部磁界の第１の方向の成分を検出するものである。この磁気センサは、磁気抵抗効果素子と、バイアス磁界発生部とを備えている。磁気抵抗効果素子は、第１の方向に平行な方向に磁化が固定された磁化固定層と、外部磁界の第１の方向の成分に応じて磁化が変化する自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層とを有している。磁化固定層、非磁性層および自由層は、第１の方向に直交する第２の方向に並ぶように積層されている。自由層には、磁化固定層に起因して、第１の方向に平行な方向の層間結合磁界が印加されている。バイアス磁界発生部は、少なくとも１つの磁石を有し、自由層に対してバイアス磁界を印加する。磁気抵抗効果素子と少なくとも１つの磁石は、第１および第２の方向に直交する第３の方向に並んでいる。少なくとも１つの磁石は、磁気抵抗効果素子に向いた端面を有している。少なくとも１つの磁石の磁化の方向は、前記端面に垂直な方向に対して傾いている。少なくとも１つの磁石の磁化は、第１の方向に平行な第１の磁化成分と、第３の方向に平行な第２の磁化成分とを有している。バイアス磁界は、層間結合磁界の方向とは反対方向の第１の磁界成分と、第３の方向に平行な第２の磁界成分とを有している。第１の磁界成分の方向は、第１の磁化成分の方向とは反対方向である。第２の磁界成分の方向は、第２の磁化成分の方向と同じである。

本発明の磁気センサにおいて、少なくとも１つの磁石は、磁気抵抗効果素子を挟むように配置された一対の磁石であってもよい。また、少なくとも１つの磁石の前記端面は、第３の方向に垂直であってもよい。

本発明の磁気センサシステムは、本発明の磁気センサと、磁気センサに対する相対的位置が第１の方向に変化し得るスケールとを備え、磁気センサに対するスケールの相対的位置が変化することによって、外部磁界の第１の方向の成分が変化するものである。

本発明の磁気センサおよび磁気センサシステムでは、バイアス磁界発生部によって自由層に印加されるバイアス磁界は、層間結合磁界の方向とは反対方向の第１の磁界成分と、第１および第２の方向に直交する第３の方向の第２の磁界成分とを有している。第１の磁界成分は、層間結合磁界を相殺するように作用する。第２の磁界成分は、外部磁界の第１の方向の成分がゼロであるときの自由層の磁化の方向を安定化させるように作用する。これらのことから、本発明によれば、スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサおよび磁気センサシステムにおいて、自由層に印加される層間結合磁界による影響を低減することができるという効果を奏する。

本発明の一実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る磁気センサの平面図である。 図２に示したＭＲ素子の構成の一例を示す側面図である。 外部磁界のＸ方向の成分とＭＲ素子の抵抗値との関係の一例を示す特性図である。 バイアス磁界の第１の磁界成分の作用を示す特性図である。 磁石の磁化の方向と磁石が発生する磁界のＸ方向の成分との関係を示す説明図である。 磁石の磁化の方向と磁石が発生する磁界の方向との関係を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る磁気センサシステムの概略の構成を示す斜視図である。図１に示したように、本実施の形態に係る磁気センサシステムは、本実施の形態に係る磁気センサ１と、この磁気センサ１に対する相対的位置が第１の方向に変化し得るスケール３０とを備えている。以下、第１の方向をＸ方向と言う。本実施の形態では特に、スケール３０は、Ｘ方向に沿って交互に直線状に配列された複数組のＮ極とＳ極を有するリニアスケールである。スケール３０は、Ｘ方向に平行な側面３０ａを有している。磁気センサ１は、側面３０ａに対向する位置に配置されている。磁気センサ１とスケール３０の一方は、図示しない動作体に連動してＸ方向に移動する。これにより、磁気センサ１に対するスケール３０の相対的位置がＸ方向に変化する。図１において、曲線の矢印は、スケール３０が発生する磁束を表している。磁気センサ１は、外部磁界のＸ方向の成分を検出するものである。以下、外部磁界のＸ方向の成分を、記号Ｈｘで表す。外部磁界は、スケール３０によって発生される。磁気センサ１に対するスケール３０の相対的位置が変化すると、外部磁界のＸ方向の成分Ｈｘが変化する。

次に、図１および図２を参照して、磁気センサ１について説明する。図２は、磁気センサ１の平面図である。磁気センサ１は、基板２と、この基板２上に配置されたスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子と記す。）１０と、バイアス磁界発生部２０とを備えている。ＭＲ素子１０は、ＴＭＲ素子でもよいし、ＧＭＲ素子でもよい。バイアス磁界発生部２０は、少なくとも１つの磁石を有している。少なくとも１つの磁石は、ＭＲ素子１０に対して間隔を置いて配置されていてもよいし、ＭＲ素子１０に接していてもよい。本実施の形態では特に、少なくとも１つの磁石は、ＭＲ素子１０を挟むように配置された一対の磁石２１，２２である。磁石２１，２２は、いずれも、ＭＲ素子１０に接するように、基板２上に配置されている。磁石２１，２２は、それぞれ、例えば直方体形状を有している。また、図１および図２には、ＭＲ素子１０の形状が直方体形状である例を示している。しかし、ＭＲ素子１０の形状は、円柱形状等の他の形状であってもよい。

次に、図３を参照して、ＭＲ素子１０について説明する。図３は、ＭＲ素子１０の構成の一例を示す側面図である。ＭＲ素子１０は、少なくとも、Ｘ方向に平行な方向に磁化が固定された磁化固定層１３と、外部磁界のＸ方向の成分Ｈｘに応じて磁化が変化する自由層１５と、磁化固定層１３と自由層１５の間に配置された非磁性層１４とを有している。

図３に示した例では、ＭＲ素子１０は、更に、下地層１１、反強磁性層１２および保護層１６を有している。この例では、基板２の上に、下地層１１、反強磁性層１２、磁化固定層１３、非磁性層１４、自由層１５および保護層１６が、この順に積層されている。下地層１１と保護層１６は、導電性を有している。下地層１１は、基板２の結晶軸の影響を排除し、下地層１１の上に形成される各層の結晶性や配向性を向上させるために用いられる。下地層１１の材料としては、例えばＴａやＲｕが用いられる。反強磁性層１２は、磁化固定層１３との交換結合により、磁化固定層１３における磁化の方向を固定する層である。反強磁性層１２は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等の反強磁性材料によって形成されている。

磁化固定層１３では、反強磁性層１２との界面における交換結合により、磁化の方向が固定されている。図３に示した例では、磁化固定層１３は、反強磁性層１２の上に順に積層されたアウター層１３１、非磁性中間層１３２およびインナー層１３３を有し、いわゆるシンセティック固定層になっている。アウター層１３１とインナー層１３３は、例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＮｉＦｅ等の軟磁性材料によって形成されている。アウター層１３１は、反強磁性層１２との交換結合により、磁化の方向が固定されている。アウター層１３１とインナー層１３３は、反強磁性的に結合し、磁化の方向が互いに逆方向に固定されている。非磁性中間層１３２は、アウター層１３１とインナー層１３３の間に反強磁性交換結合を生じさせ、アウター層１３１の磁化の方向とインナー層１３３の磁化の方向を互いに逆方向に固定する。非磁性中間層１３２は、Ｒｕ等の非磁性材料によって形成されている。磁化固定層１３がアウター層１３１、非磁性中間層１３２およびインナー層１３３を有する場合には、磁化固定層１３の磁化の方向とは、インナー層１３３の磁化の方向を指す。図３では、磁化固定層１３の磁化を、記号Ｍpinを付した矢印で表している。この矢印が示す方向が、磁化固定層１３の磁化の方向である。

ＭＲ素子１０がＴＭＲ素子である場合には、非磁性層１４はトンネルバリア層である。トンネルバリア層は、例えば、マグネシウム層の一部または全体を酸化させて形成したものであってもよい。ＭＲ素子１０がＧＭＲ素子である場合には、非磁性層１４は非磁性導電層である。自由層１５は、例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ等の軟磁性材料によって形成されている。保護層１６は、その下の各層を保護するための層である。保護層１６の材料としては、Ｔａ、Ｒｕ、Ｗ、Ｔｉ等が用いられる。

磁化固定層１３、非磁性層１４および自由層１５は、Ｘ方向に直交する第２の方向に並ぶように積層されている。以下、第２の方向をＹ方向と言う。本実施の形態では、Ｙ方向は、スケール３０の側面３０ａに垂直な方向である。

ＭＲ素子１０では、自由層１５に印加される磁界に応じて、自由層１５の磁化が変化する。より詳しく説明すると、自由層１５に印加される磁界の方向および大きさに応じて、自由層１５の磁化の方向および大きさが変化する。ＭＲ素子１０の抵抗値は、自由層１５の磁化の方向および大きさによって変化する。例えば、自由層１５の磁化の大きさが一定の場合には、自由層１５の磁化の方向が磁化固定層１３の磁化の方向と同じであるときに、ＭＲ素子１０の抵抗値は最小値となり、自由層１５の磁化の方向が磁化固定層１３の磁化の方向とは反対方向であるときに、ＭＲ素子１０の抵抗値は最大値となる。

ＭＲ素子１０がＧＭＲ素子である場合には、ＭＲ素子１０は、ＭＲ素子１０を構成する各層の面と交差する方向、例えばＭＲ素子１０を構成する各層の面に対して垂直な方向に電流を流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）タイプでもよいし、ＭＲ素子１０を構成する各層の面に対してほぼ平行な方向に電流を流すＣＩＰ（Current In Plane）タイプでもよい。ＭＲ素子１０がＴＭＲ素子である場合には、ＭＲ素子１０は、ＣＰＰタイプになる。

ＭＲ素子１０がＣＰＰタイプである場合には、例えば、下地層１１と保護層１６に、それぞれ図示しない電極が接続され、これらの電極によって、磁気センサ１がＭＲ素子１０の抵抗値に対応した信号を生成するための電流が、ＭＲ素子１０に供給される。この電流は、ＭＲ素子１０を構成する各層の面と交差する方向、例えばＭＲ素子１０を構成する各層の面に対して垂直な方向に流れる。例えば、ＭＲ素子１０に一定値の電流を供給する場合には、ＭＲ素子１０の両端間の電位差によって、ＭＲ素子１０の抵抗値に対応した信号を生成することができる。ＭＲ素子１０がＣＩＰタイプである場合には、例えば、保護層１６における互いに離れた２つの位置に図示しない２つの電極が接続され、これらの電極によって上記の電流がＭＲ素子１０に供給される。この電流は、ＭＲ素子１０を構成する各層の面に対してほぼ平行な方向に流れる。この場合も、上記と同様にしてＭＲ素子１０の抵抗値に対応した信号を生成することができる。

本実施の形態では、自由層１５と磁化固定層１３の間では、非磁性層１４を介した磁気的層間結合が生じる。これにより、自由層１５には、磁化固定層１３に起因して、Ｘ方向に平行な方向の層間結合磁界Ｈinが印加されている。層間結合磁界Ｈinの方向は、磁化固定層１３の磁化の方向と同じか反対方向である。図３では、層間結合磁界Ｈinを、記号Ｈinを付した矢印で表している。この矢印が示す方向が、層間結合磁界Ｈinの方向である。図３には、層間結合磁界Ｈinの方向が、磁化固定層１３の磁化Ｍpinの方向と同じである例を示している。

図２に示したように、ＭＲ素子１０と、一対の磁石２１，２２は、Ｘ方向およびＹ方向に直交する第３の方向に並んでいる。以下、第３の方向をＺ方向と言う。より詳しく説明すると、図２に示したように、Ｙ方向から見たときに、ＭＲ素子１０と磁石２１，２２のそれぞれの中心は、Ｚ方向に延びる同一直線Ｌ上に位置している。

なお、本出願において用いるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、いずれも、図１において双方向の矢印で示したように、特定の一方向とその反対方向とを含むものとして定義される。一方、磁界の方向や磁化の方向は、特定の一方向のみを表すものとして定義される。

磁石２１は、ＭＲ素子１０に向いた端面２１ａを有している。磁石２２は、ＭＲ素子１０に向いた端面２２ａを有している。これら端面２１ａ，２２ａは、Ｚ方向に垂直である。図２に示した例では、端面２１ａに磁石２１のＮ極が現れ、端面２２ａに磁石２２のＳ極が現れている。磁石２１，２２間の距離、すなわち端面２１ａ，２２ａ間の距離を、記号Ｇで表す。

磁石２１の磁化の方向は、端面２１ａに垂直な方向に対して傾いている。図２では、磁石２１の磁化を、記号Ｍ２１を付した矢印で表している。この矢印が示す方向が、磁石２１の磁化の方向である。磁石２１の磁化Ｍ２１は、Ｘ方向に平行な第１の磁化成分Ｍ２１ｘと、Ｚ方向に平行な第２の磁化成分Ｍ２１ｚとを有している。

磁石２２の磁化の方向は、端面２２ａに垂直な方向に対して傾いている。図２では、磁石２２の磁化を、記号Ｍ２２を付した矢印で表している。この矢印が示す方向が、磁石２２の磁化の方向である。磁石２２の磁化Ｍ２２は、Ｘ方向に平行な第１の磁化成分Ｍ２２ｘと、Ｚ方向に平行な第２の磁化成分Ｍ２２ｚとを有している。磁化成分Ｍ２２ｘの方向は、磁化成分Ｍ２１ｘの方向と同じである。磁化成分Ｍ２２ｚの方向は、磁化成分Ｍ２１ｚの方向と同じである。

磁石２１は、後に磁石２１となる磁性材料による成型体を着磁することによって形成することができる。磁石２１の磁化の方向は、成型体を着磁する際に成型体に印加する磁界の方向によって設定することができる。磁石２２も、これと同様の方法で形成することができる。

バイアス磁界発生部２０、すなわち一対の磁石２１，２２は、自由層１５に対してバイアス磁界Ｈｂを印加する。バイアス磁界Ｈｂは、層間結合磁界Ｈinの方向とは反対方向の第１の磁界成分Ｈｂ１と、Ｚ方向の第２の磁界成分Ｈｂ２とを有している。磁界成分Ｈｂ１の方向は、磁化成分Ｍ２１ｘ，Ｍ２２ｘの方向とは反対方向である。磁界成分Ｈｂ２の方向は、磁化成分Ｍ２１ｚ，Ｍ２２ｚの方向と同じである。磁界成分Ｈｂ１の方向が磁化成分Ｍ２１ｘ，Ｍ２２ｘの方向とは反対方向になる現象については、後で詳しく説明する。

次に、本実施の形態に係る磁気センサ１および磁気センサシステムの作用および効果について説明する。本実施の形態に係る磁気センサシステムでは、スケール３０によって、磁気センサ１が検出する外部磁界が発生される。磁気センサ１に対するスケール３０の相対的位置が変化すると、外部磁界のＸ方向の成分Ｈｘが変化する。より詳しく説明すると、磁気センサ１に対するスケール３０の相対的位置が変化すると、磁気センサ１から見て、外部磁界は、その方向がＺ方向の軸を中心として回転するように変化する。その結果、外部磁界のＸ方向の成分Ｈｘが変化する。成分Ｈｘは、磁化固定層１３の磁化Ｍpinの方向と同じ方向に向いているときと、磁化Ｍpinの方向とは反対方向に向いているときがある。以下、成分Ｈｘが磁化Ｍpinの方向とは反対方向に向いているときの成分Ｈｘの大きさを正の値で表し、成分Ｈｘが磁化Ｍpinの方向と同じ方向に向いているときの成分Ｈｘの大きさを負の値で表す。

磁気センサ１は、スピンバルブ型のＭＲ素子１０を備えている。ＭＲ素子１０の抵抗値は、外部磁界のＸ方向の成分Ｈｘに応じて変化する。磁気センサ１は、ＭＲ素子１０の抵抗値に対応した信号を生成する。この信号によって、動作体の直線的動作に関連する物理量、例えば、磁気センサ１に対するスケール３０の相対的な位置や速度を検出することが可能になる。

ＭＲ素子１０では、磁化固定層１３に起因して、自由層１５に、Ｘ方向に平行な方向の層間結合磁界Ｈinが印加されている。ここで、本実施の形態におけるバイアス磁界発生部２０が設けられていない場合について考える。この場合には、外部磁界のＸ方向の成分Ｈｘの方向によって成分Ｈｘの大きさの変化に対するＭＲ素子１０の抵抗値の変化量が異なったり、成分Ｈｘの大きさの変化に対するＭＲ素子１０の抵抗値の変化量が小さくなってＭＲ素子１０の感度が低くなったりするという問題が生じる。以下、これについて、図４を参照して詳しく説明する。

図４は、外部磁界のＸ方向の成分ＨｘとＭＲ素子１０の抵抗値との関係の一例を示す特性図である。図４において、横軸は外部磁界のＸ方向の成分Ｈｘを示し、縦軸はＭＲ素子１０の抵抗値を示している。横軸の単位はＯｅ（１Ｏｅ＝７９．６Ａ／ｍ）であり、縦軸の単位はオームである。図４に示したように、ＭＲ素子１０の抵抗値の最大値をＲmaxとし、ＭＲ素子１０の抵抗値の最小値をＲminとし、ＲmaxとＲminの中央の値（Ｒmax＋Ｒmin）／２をＲｃとする。成分ＨｘがゼロのときにＭＲ素子１０の抵抗値がＲｃであれば、成分Ｈｘの方向によって成分Ｈｘの大きさの変化に対するＭＲ素子１０の抵抗値の変化量が異ならず、また、成分Ｈｘがゼロの近傍において成分Ｈｘの大きさの変化に対するＭＲ素子１０の抵抗値の変化量が大きくなってＭＲ素子１０の感度が高くなる。しかし、自由層１５に層間結合磁界Ｈinが印加されていると、ＭＲ素子１０の抵抗値がＲｃとなるときの成分Ｈｘの値が、層間結合磁界Ｈinの分だけゼロからずれる。その結果、成分Ｈｘの方向によって成分Ｈｘの大きさの変化に対するＭＲ素子１０の抵抗値の変化量が異なり、また、成分Ｈｘがゼロの近傍において成分Ｈｘの大きさの変化に対するＭＲ素子１０の抵抗値の変化量が小さくなってＭＲ素子１０の感度が低くなる。

なお、本実施の形態において、バイアス磁界発生部２０が設けていない状態で、図４に示したような成分ＨｘとＭＲ素子１０の抵抗値との関係を求め、更に、ＭＲ素子１０の抵抗値がＲｃとなるときの成分Ｈｘの値を求めることにより、自由層１５に印加されている層間結合磁界Ｈinの方向と大きさを求めることが可能である。

図２に示したように、本実施の形態に係る磁気センサ１は、自由層１５に対してバイアス磁界Ｈｂを印加するバイアス磁界発生部２０を備えている。バイアス磁界Ｈｂは、層間結合磁界Ｈinの方向とは反対方向の第１の磁界成分Ｈｂ１と、Ｚ方向の第２の磁界成分Ｈｂ２とを有している。第１の磁界成分Ｈｂ１は、層間結合磁界Ｈinを相殺するように作用する。

ここで、第１の磁界成分Ｈｂ１の上記の作用を確認した実験の結果を示す。実験では、バイアス磁界発生部２０（磁石２１，２２）を設けていない状態と、バイアス磁界発生部２０を設けた状態とについて、外部磁界のＸ方向の成分ＨｘとＭＲ素子１０の抵抗値との関係を求めた。実験で用いたＭＲ素子１０のＹ方向から見たときの形状は、一辺が４μｍの正方形である。実験で用いた磁石２１，２２のＹ方向から見たときの形状は、Ｚ方向の寸法が３μｍ、Ｙ方向の寸法が５μｍの長方形である。バイアス磁界発生部２０（磁石２１，２２）を設けた状態では、磁石２１，２２はＭＲ素子１０に接し、磁石２１，２２間の距離Ｇは４μｍである。図５は、実験の結果を示している。図５おける横軸と縦軸は、図４と同様である。図５において、破線は、バイアス磁界発生部２０を設けていない状態における成分ＨｘとＭＲ素子１０の抵抗値との関係を示し、実線は、バイアス磁界発生部２０を設けた状態における成分ＨｘとＭＲ素子１０の抵抗値との関係を示している。図５に示したように、バイアス磁界発生部２０を設けた状態では、成分Ｈｘの大きさの変化に対するＭＲ素子１０の抵抗値の変化量が、成分Ｈｘが正の値の領域と成分Ｈｘが負の値の領域とで、ほぼ等しくなっている。また、バイアス磁界発生部２０を設けていない状態に比べて、バイアス磁界発生部２０を設けた状態では、成分Ｈｘがゼロの近傍において成分Ｈｘの大きさの変化に対するＭＲ素子１０の抵抗値の変化量が大きくなってＭＲ素子１０の感度が高くなっている。

また、バイアス磁界Ｈｂの第２の磁界成分Ｈｂ２は、外部磁界のＸ方向の成分Ｈｘがゼロであるときの自由層１５の磁化の方向を安定化させるように作用する。これにより、第１の磁界成分Ｈｂ１によって層間結合磁界Ｈinが相殺されたことによって磁気センサ１の出力信号の波形が不安定になることを防止することができる。

以上のことから、本実施の形態によれば、スピンバルブ型のＭＲ素子１０を用いた磁気センサ１および磁気センサシステムにおいて、自由層１５に印加される層間結合磁界Ｈinによる影響を低減することができる。

以下、図２に示したように磁界成分Ｈｂ１の方向が磁化成分Ｍ２１ｘ，Ｍ２２ｘの方向とは反対方向になる現象について、詳しく説明する。始めに、図６および図７を参照して、端面に垂直な方向に対して傾いた方向の磁化を有する磁石が発生する磁界について調べたシミュレーションの結果について説明する。シミュレーションでは、図６および図７に示した磁石４０を想定した。この磁石４０は、Ｚ方向の両端に位置する端面４０ａ，４０ｂを有している。端面４０ａ，４０ｂは、Ｚ方向に対して垂直である。磁石４０の磁化の方向は、端面４０ａ，４０ｂに垂直な方向（Ｚ方向）に対して傾いている。端面４０ａには磁石４０のＮ極が現れ、端面４０ｂには磁石４０のＳ極が現れている。磁石４０は、図２に示した磁石２１または磁石２２に対応する。磁石４０を磁石２１に対応させた場合には、端面４０ａが端面２１ａに対応する。磁石４０を磁石２２に対応させた場合には、端面４０ｂが端面２２ａに対応する。

シミュレーションでは、端面４０ａ，４０ｂの近傍の空間における磁界のＸ方向の成分の強度と磁界の方向とを調べた。シミュレーションでは、磁界のＸ方向の成分の強度は、磁界のＸ方向の成分が図６および図７おける右側に向いている場合に正の値で表し、磁界のＸ方向の成分が図６および図７おける左側に向いている場合に負の値で表した。また、シミュレーションでは、図６および図７に示したＸＺ平面内において、下から上に向かう方向を基準方向とし、磁化および磁界の方向を、基準方向に対してなす角度で表した。角度は、基準方向から時計回り方向については正の値で表し、基準方向から反時計回り方向について負の値で表した。磁石４０の磁化の方向は４５度である。

図６は、端面４０ａ，４０ｂの近傍の空間における磁界のＸ方向の成分の強度の分布を示している。図６において、記号Ｒ１０，Ｒ２０は、磁界のＸ方向の成分の強度が０ｍＴの領域を示し、記号Ｒ１１，Ｒ２２は、磁界のＸ方向の成分の強度が−４ｍＴ以上０ｍＴ未満の領域を示し、記号Ｒ１２，Ｒ２１は、磁界のＸ方向の成分の強度が０ｍＴより大きく４ｍＴ以下の領域を示している。各領域内の矢印は、磁界のＸ方向の成分の方向を示している。また、記号Ｌ１０は、Ｙ方向から見たときの磁石４０の中心を通り、Ｚ方向に延びる直線を示している。

図７は、端面４０ａ，４０ｂの近傍の空間における磁界の方向の分布を示している。図７において、記号Ｒ３０，Ｒ４０は、磁界の方向が０度の領域を示し、記号Ｒ３１，Ｒ４２は、磁界の方向が−１０度以上０度未満の領域を示し、記号Ｒ３２，Ｒ４１は、磁界の方向が０度より大きく１０度以下の領域を示している。各領域内の矢印は、磁界の方向を示している。

図６に示したように、端面４０ａの近傍の、Ｘ方向について磁石４０と同じ幅を有する空間では、領域Ｒ１０が直線Ｌ１０の右側に位置し、領域Ｒ１１が領域Ｒ１２よりも広い。また、図７に示したように、端面４０ａの近傍の、Ｘ方向について磁石４０と同じ幅を有する空間では、領域Ｒ３０が直線Ｌ１０の右側に位置し、領域Ｒ３１が領域Ｒ３２よりも広い。これらのことから、Ｙ方向から見たときに、ＭＲ素子１０の中心が直線Ｌ１０上に位置するように、端面４０ａの近傍にＭＲ素子１０を配置した場合には、自由層１５に印加される磁界の方向は、負の角度を有することになる。

また、図６に示したように、端面４０ｂの近傍の、Ｘ方向について磁石４０と同じ幅を有する空間では、領域Ｒ２０が直線Ｌ１０の左側に位置し、領域Ｒ２２が領域Ｒ２１よりも広い。また、図７に示したように、端面４０ｂの近傍の、Ｘ方向について磁石４０と同じ幅を有する空間では、領域Ｒ４０が直線Ｌ１０の左側に位置し、領域Ｒ４２が領域Ｒ４１よりも広い。これらのことから、Ｙ方向から見たときに、ＭＲ素子１０の中心が直線Ｌ１０上に位置するように、端面４０ｂの近傍にＭＲ素子１０を配置した場合には、自由層１５に印加される磁界の方向は、負の角度を有することになる。

図６および図７に示した現象は、定性的には以下のように説明することができる。図６および図７に示したように、磁石４０の磁化の方向が正の角度を有する場合、端面４０ａを通過する磁束の中心は直線Ｌ１０の右側に位置し、端面４０ｂを通過する磁束の中心は直線Ｌ１０の左側に位置する。端面４０ａの近傍における磁束は、端面４０ａから離れるに従って広がり、端面４０ｂの近傍における磁束は、端面４０ｂから離れるに従って広がる。その結果、端面４０ａ，４０ｂの近傍の空間における磁界のＸ方向の成分の強度と磁界の方向の分布は、図６および図７に示したようになる。

以上のシミュレーションの結果から、図２に示したように、バイアス磁界Ｈｂの磁界成分Ｈｂ１の方向が、磁石２１の磁化Ｍ２１の磁化成分Ｍ２１ｘおよび磁石２２の磁化Ｍ２２の磁化成分Ｍ２２ｘの方向とは反対方向になることが分かる。

本実施の形態では、図２に示したように、Ｙ方向から見たときに、ＭＲ素子１０と磁石２１，２２のそれぞれの中心がＺ方向に延びる同一直線Ｌ上に位置するようにＭＲ素子１０と磁石２１，２２を配置しながら、磁石２１，２２の磁化Ｍ２１，Ｍ２２の方向を制御するだけで、バイアス磁界Ｈｂの方向を制御することが可能である。そのため、本実施の形態によれば、前述の効果に加えて、ＭＲ素子１０と磁石２１，２２の位置決めが容易になるという効果を奏する。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、バイアス磁界発生部２０は、１つの磁石によって構成されていてもよい。この場合でも、１つの磁石によって、第１の磁界成分Ｈｂ１と第２の磁界成分Ｈｂ２とを有するバイアス磁界Ｈｂを、自由層１５に対して印加することが可能である。

また、スケールは、リニアスケールに限らず、円周方向に交互に配列された複数組のＮ極とＳ極を有する多極着磁磁石や、磁性材料によって構成された複数の歯を有する歯車等の回転体であってもよい。この場合には、第１の方向は、回転体の回転中心軸に垂直な断面において、回転体の外周に対する接線の方向である。

また、ＭＲ素子１０は、下から、下地層１１、自由層１５、非磁性層１４、磁化固定層１３、反強磁性層１２および保護層１６の順に積層されて構成されていてもよい。

１…磁気センサ、１０…ＭＲ素子、１３…磁化固定層、１４…非磁性層、１５…自由層、２０…バイアス磁界発生部、２１，２２…磁石、３０…スケール。

Claims (4)

1. 外部磁界の第１の方向の成分を検出する磁気センサであって、
   磁気抵抗効果素子と、バイアス磁界発生部とを備え、
   前記磁気抵抗効果素子は、前記第１の方向に平行な方向に磁化が固定された磁化固定層と、前記外部磁界の第１の方向の成分に応じて磁化が変化する自由層と、前記磁化固定層と前記自由層の間に配置された非磁性層とを有し、
   前記磁化固定層、前記非磁性層および前記自由層は、前記第１の方向に直交する第２の方向に並ぶように積層され、
   前記自由層には、前記磁化固定層に起因して、前記第１の方向に平行な方向の層間結合磁界が印加され、
   前記バイアス磁界発生部は、少なくとも１つの磁石を有し、前記自由層に対してバイアス磁界を印加し、
   前記磁気抵抗効果素子と前記少なくとも１つの磁石は、前記第１および第２の方向に直交する第３の方向に並び、
   前記少なくとも１つの磁石は、前記磁気抵抗効果素子に向いた端面を有し、
   前記少なくとも１つの磁石の磁化の方向は、前記端面に垂直な方向に対して傾いており、
   前記少なくとも１つの磁石の磁化は、前記第１の方向に平行な第１の磁化成分と、第３の方向に平行な第２の磁化成分とを有し、
   前記バイアス磁界は、前記層間結合磁界の方向とは反対方向の第１の磁界成分と、前記第３の方向に平行な第２の磁界成分とを有し、
   前記第１の磁界成分の方向は、前記第１の磁化成分の方向とは反対方向であり、
   前記第２の磁界成分の方向は、前記第２の磁化成分の方向と同じであることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記少なくとも１つの磁石は、前記磁気抵抗効果素子を挟むように配置された一対の磁石であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記少なくとも１つの磁石の前記端面は、前記第３の方向に垂直であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気センサ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気センサと、
   前記磁気センサに対する相対的位置が前記第１の方向に変化し得るスケールとを備え、
   前記磁気センサに対する前記スケールの相対的位置が変化することによって、前記外部磁界の第１の方向の成分が変化することを特徴とする磁気センサシステム。

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