JP2004045119A - 磁気センサ、この磁気センサを用いた方位検知システム及び携帯通信端末 - Google Patents

Abstract

【課題】小型・軽量で高感度な磁気センサを提供する。
【解決手段】少なくとも磁性体層と非磁性体層との積層構造を含み、かつ、磁性体層のうちに磁界感知用軟磁性体層を含み、磁気的なカップリングにより磁界感知用軟磁性体層の磁気状態が変化して当該素子の磁気抵抗が変化する薄膜磁気抵抗効果素子５と、少なくとも一端側が検知系３に接続される線路中に薄膜磁気抵抗効果素子５が配設されて当該薄膜磁気抵抗効果素子５の抵抗変化によりインピーダンスが変化する伝送線路４とを備えることで磁気的なカップリングを受けて磁界感知用軟磁性体層の磁気状態が変化した場合、薄膜磁気抵抗効果素子５の磁気抵抗が変化することで最終的に伝送線路４のインピーダンスも変化するので、外部磁界の検知を交流、特に高周波キャリア成分を重畳させて行わせる上で伝送線路４のインピーダンス変化を通じて高感度に対象磁気を検知できるようにした。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界測定用、ナビゲーション用の地磁気センサ等の磁気センサ、この磁気センサを用いた方位検知システム及び携帯通信端末に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の磁気センサとしては、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）、フラックスゲートセンサ、半導体ホール効果センサ等が用いられている。このうち、近年開発されたＭＩセンサによれば、ＭＩ素子という磁気抵抗素子を用いることで薄膜化・小型化が容易なため、近年その改良も盛んである。また、ＭＲ素子の場合もこのＭＲ素子に高周波電流を流した場合のその高周波インピーダンスの磁界による変化をもって磁界強度を検知することができる。
【０００３】
このような磁気センサに対して、最近では、磁性薄膜層が絶縁層を介して複数層形成され、伝導に関わる電子がスピンを維持しながら絶縁層をトンネル現象によって伝導されることから、この際の磁化の状態によってトンネル透過係数が異なることを利用して磁界検知を行なう原理のトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）が提案されている。強磁性体トンネル効果は非常に高い磁場感度を有するため、超高密度磁気記録におけるＨＤＤ用磁気再生ヘッドとしての利用可能性がある。この他、モータ用磁界測定装置、ナビゲーション用地磁気センサ等の磁気センサや、いわゆるＭＲＡＭと称される磁気固体メモリデバイス等への利用も可能といえる。
【０００４】
このようなＴＭＲ素子に関しては、例えば特開平１１−１６１９１９号公報（特許第３００４００５号）によれば、反強磁性層と自由層（軟磁性層）との相互作用の動作の向上が図られている。
【０００５】
また、ＭＲ素子一般を方位計に用いる場合、特開平５−１５７５６６号公報等に示されるように、磁界感度の鋭敏さとヒステリシスのために補助磁界を与えて高感度化を図るようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平１１−１６１９１９号公報（特許第３００４００５号）の場合、積層化により反強磁性層と自由層（軟磁性層）との相互作用の動作の向上を図っているもので、本質的な解決法とはいえず、コスト高にもつながる対応策である。
【０００７】
また、例えば方位センサを実現する上で、ＭＲ素子のように補助磁界を与えて高感度化を図るのも寸法や消費電力の増大があり、携帯機器用には向かない。
【０００８】
結局、このような従来の磁気センサ類では、消費電力、小型の点及び感度的な面でまだ十分とはいえず、改良の余地が多分にある。
【０００９】
そこで、本発明は、小型で高感度な磁気センサを提供することを目的とする。
【００１０】
併せて、このような磁気センサを利用することで地磁気検知等の精度を向上させることができ、ナビゲーションシステム等に有効な方位検知システム又は携帯通信端末を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の磁気センサは、少なくとも磁性体層と非磁性体層との積層構造を含み、かつ、前記磁性体層のうちに磁界感知用軟磁性体層を含み、磁気的なカップリングにより前記磁界感知用軟磁性体層の磁気状態が変化して当該素子の磁気抵抗が変化する薄膜磁気抵抗効果素子と、少なくとも一端側が検知系に接続される線路中に前記薄膜磁気抵抗効果素子が配設接続されて当該薄膜磁気抵抗効果素子の抵抗変化によりインピーダンスが変化する伝送線路と、を備える。
【００１２】
従って、磁気的なカップリングを受けて磁界感知用軟磁性体層の磁気状態が変化した場合、薄膜磁気抵抗効果素子の磁気抵抗が変化することで最終的に伝送線路のインピーダンスも変化するので、外部磁界の検知を交流、特に高周波キャリア成分を重畳させて行わせる上で伝送線路のインピーダンス変化を通じて高感度に対象磁気を検知することが可能となり、高周波スイッチ、高感度な方向性結合器、周波数に依存しない高感度なパワーセンサ等への応用が可能となる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気センサにおいて、前記伝送線路の他端側に薄膜コイルを有する。
【００１４】
従って、請求項１記載の発明を実現する上で、伝送線路の他端側に薄膜コイルを有することで、伝送線路の他端側に高周波駆動系を直接接続することなく薄膜コイルを介して高周波駆動させることができ、ＥＭＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）用近磁界プローブ等の用途に好適な磁気センサを提供できる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の磁気センサにおいて、前記伝送線路は、保磁力が前記磁界感知用軟磁性体層の保磁力よりも低く、膜厚が前記磁界感知用軟磁性体層の膜厚よりも厚い磁性体層により形成されている。
【００１６】
従って、伝送線路を磁界感知用軟磁性体層の保磁力よりも保磁力の低い磁性体層により形成することで、センサ部となる薄膜磁気抵抗効果素子への磁束集中効果が期待でき、より一層感度を向上させることができる。この際、直流磁界又は低周波磁界による伝送線路機能への影響は無視できる。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記磁界感知用軟磁性体層は、永久磁石により磁気的なカップリングを受ける。
【００１８】
従って、可動部に配置した永久磁石による磁界の変化による磁気的なカップリングの差を利用して磁界感知用軟磁性体層の磁気状態を変化させて伝送線路上に配設の薄膜磁気抵抗効果素子の抵抗を変化させることで、磁気センサとして意図するアプリケーション機能を実現できる。
【００１９】
請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし３の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記磁界感知用軟磁性体層は、近接させて配設される配線部に流れる電流により磁気的なカップリングを受ける。
【００２０】
従って、近接させて配設される配線部に流れる電流による磁気的なカップリングを利用して磁界感知用軟磁性体層の磁気状態を変化させて伝送線路上に配設の薄膜磁気抵抗効果素子の抵抗を変化させることで、磁気センサとして意図するアプリケーション機能を実現できる。特に、電流を利用しているので、その電流強度を変えることにより、意図するアプリケーション機能を簡単に実現できる。
【００２１】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記磁界感知用軟磁性体層は、前記伝送線路自身に高周波電流に重畳されて流れる直流電流又は低周波電流により磁気的なカップリングを受ける。
【００２２】
従って、本来的に高周波電流を流す伝送線路自身を磁気的なカップリング用の電流印加に利用することで、高周波用部分との一体化構成が可能となり、より一層小型・簡便に構成できる。
【００２３】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし６の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記検知系は、前記伝送線路を伝送される高周波の強度変化によって磁界を検知する。
【００２４】
従って、磁気センサとしていわゆる高周波キャリア型センサを提供できる。
【００２５】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７の何れか一記載の磁気センサにおいて、前記薄膜磁気抵抗効果素子は、磁性体層、非磁性体絶縁層及び磁性体層の積層構造を含むトンネル型磁気抵抗効果素子であって、モノリシックに薄膜形成されている。
【００２６】
従って、請求項１ないし７の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子としてモノリシックに作製されるので、高精度な磁気センサとすることができる。また、製品間のばらつきが抑えられ、低コストに製造でき、さらには、並列型センサの実現も容易である。
【００２７】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の磁気センサにおいて、チップ構成された複数個の前記トンネル型磁気抵抗効果素子がチップ方向を異ならせて実装されている。
【００２８】
従って、請求項８記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子としてチップ構成されて実装されることにより作製されるので、一括して熱処理工程を行なうことが可能で、その分、製造が容易となり、薄膜磁気抵抗効果素子モジュール作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができる。
【００２９】
請求項１０記載の発明は、請求項８記載の磁気センサにおいて、チップ外形形状に対して異なる方向の磁気異方性を持たせてチップ構成された複数個のトンネル型磁気抵抗効果素子が、チップ外形形状を揃えて実装されている。
【００３０】
従って、請求項８記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子としてチップ構成されて実装されることにより作製されるので、薄膜磁気抵抗効果素子作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができ、さらには、チップ外形形状に対して磁気異方性の方向を異ならせてチップ外形形状を揃えて実装させているので、汎用実装機を用いることもでき、より一層の低コスト化を図ることができる。また、チップの実装面に対して垂直異方性を採る構成も可能であり、これにより、３軸ベクトル検知も容易に実現できる。
【００３１】
請求項１１記載の発明は、請求項９又は１０記載の磁気センサにおいて、隣接する前記各薄膜磁気抵抗効果素子間の出力の差動をとる差動演算手段を有し、これらの差動演算手段の差動演算結果に基づき対象となる磁気を検知するようにした。
【００３２】
従って、隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子間の出力の差動をとり、その差動演算結果に基づき対象となる磁気を検知することで、特に近傍からの磁界ノイズをキャンセルでき、よって、ノイズによる誤検知動作を防止できる。また、携帯電話等へ搭載する上で、他の部品から発生する磁界に対して耐性を持つことになる。
【００３３】
請求項１２記載の発明の方位検知システムは、地磁気を検知対象とする請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサと、この磁気センサの検知出力に基づき磁気ベクトルを検知する検知手段と、前記磁気センサの検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、を備える。
【００３４】
従って、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、高感度な請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される磁気ベクトルが利用されるが、この際、磁気センサの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。さらには、磁気センサによる検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の携帯通信端末のようなビジネス形態に利用することも可能である。
【００３５】
請求項１３記載の発明の方位検知システムは、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置されて地磁気を検知対象とする請求項１ないし１１の何れか一記載の複数の磁気センサと、これらの磁気センサの検知出力に基づき３軸以上のベクトルを検知する検知手段と、を備える。
【００３６】
従って、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置された高感度な請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される３軸以上のベクトルを利用することで、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用することができる。特に、加速度センサ等を併用することなく、当該センサのみで使用中の運動を検知することができる。
【００３７】
請求項１４記載の発明の携帯通信端末は、表示部を備える携帯通信端末であって、地磁気を検知対象として前記表示部の裏面側に埋め込まれた請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサを備える。
【００３８】
従って、携帯電話等の実装面積が限られた携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気センサを備えるＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の低減が見込まれる。特に、表示部の裏面側に埋め込み実装しているので、折り畳みタイプの端末の場合であっても、表示面に近接又は一体化され、検知誤差が少なくなる。また、当該磁気センサは受動的な部品であるので、他に電気・磁気的なノイズは発生せず、表示部のように外来ノイズに敏感な箇所にも適合可能となる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は本実施の形態の磁気センサ１の構成例を示す原理的な平面図である。
【００４０】
本実施の形態の磁気センサ１は、高周波送信部２と検知系としての高周波受信部３との間に接続配線された伝送線路４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、伝送線路４ｂ上に配設接続された磁気検知用の薄膜磁気抵抗効果素子５とにより構成されている。
【００４１】
ここに、本実施の形態では、薄膜磁気抵抗効果素子５としてＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）が用いられている。図２はこのＴＭＲ素子の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図である。基本的には、石英、ガラス等の絶縁性の基板６上に積層させた中程度の保磁力を持つ磁性体層７、絶縁性を有する非磁性体層８、磁性体層である磁界感知用軟磁性体層９の所定パターンによる積層構造として構成されている（積層順序は逆であってもよい）。ここに、磁界感知用軟磁性体層９は磁性体層７に対して直交するパターンで形成され、後述するような方向の一軸磁気異方性及び磁化反転容易な保磁力を有する層として、他層に比べて低い保磁力を持たせてあり、フリー層（自由層）とも称される。
【００４２】
これらの層の具体例として、中程度の保磁力を持つ磁性体層４は例えばＣｏ_５０Ｆｅ_５０，Ｃｏ_７５Ｆｅ_２５等により形成され、非磁性体層８はＡｌ−Ｏ，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ−Ｏ，ＳｉＯ_２，Ｓｉ−Ｏ−Ｎ，ＺｎＯ，Ｓｉ_３Ｎ_４等により形成され、磁界感知用軟磁性体層９はＦｅ_２０Ｎｉ_８０，Ｆｅ_２１Ｎｉ_７９等のパーマロイ、Ｍｏ−パーマロイ、Ｃｕ−Ｍｏパーマロイ、センダスト、ＣｏＺｒＮｂアモルファス等により形成されている。
【００４３】
本実施の形態で利用するＴＭＲ素子５は、基本的には、近年において見出された現象、即ち、強磁性体と絶縁膜と強磁性体との接合構造により形成されて、両強磁性体の磁化の相対角度に依存してトンネル効果が現れる強磁性体トンネル効果という現象を利用したもので、例えば、特開平１０−９１９２５号公報、特開平１０−２５５２３１号公報中にも記載されているように、Ｓ．Ｍａｅｋｓａｗａ　ａｎｄ　Ｖ．Ｇａｆｖｅｒｔ等は、ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，ＭＡＧ−１８，７０７（１９８２）において、磁性体／絶縁体／磁性体結合で両磁性層の磁化の相対角度に依存してトンネル効果が現れることが規定されることを理論的、実験的に示している。
【００４４】
このような基本構成において、成膜表面の荒れ等によって磁界感知用軟磁性体層９中には非磁性体層８との界面に静電気的な固着部層１０が発生する。この固着部層１０は、隣接ないし近接する他層との磁気的な結合により本来の磁気特性より特性が劣化した層として発生する。
【００４５】
このような構成において、固着部層１０の膜厚は１０ｎｍ以下であることが多いが、成膜条件によって著しく異なる。そこで、本発明者は、固着部層１０の膜厚に対して磁界感知用軟磁性体層９の膜厚を数種類変えたバッチを作製し、各々のバッチ（磁界感知用軟磁性体層９／固着部層１０の比）のバッチ内最小保磁力、最大保磁力を評価する実験を行ったところ、表１に示すような結果が得られたものである。
【００４６】
【表１】

【００４７】
この実験結果によれば、磁界感知用軟磁性体層９／固着部層１０の比が２０以上、即ち、固着部層１０の膜厚に対して磁界感知用軟磁性体層９の膜厚が２０倍以上であれば、成膜条件に依らず、バッチ内最大保磁力が０．２Ｏｅに収まり、本来の磁気特性より特性が劣化した固着部層１０の影響が緩和され、感度等の点で良好なる素子特性が得られたものである。
【００４８】
ところで、本実施の形態のＴＭＲ素子５の磁化方向について説明する。まず、磁性体層７は図２中に矢印ａで示すようにそのパターン形状長手方向に磁化方向が設定されている。ここに、固着部層１０の磁化方向は磁性体層７の磁化方向に倣うため、固着部層１０の磁化方向も矢印ａで示す方向となる。一方、磁界感知用軟磁性体層９の一軸磁気異方性の方向が、図１中に矢印ｂで示すように、固着部層１０の磁化方向ａに対して直交する方向に設定されている（厳密に９０°である必要はなく、多少の許容範囲を考慮すると、略直交でよい）。
【００４９】
このような方向性の設定により、磁界感知用軟磁性体層９の困難軸方向の磁化状態を当該磁気センサ１のデバイス構成に活かすことができる。また、固着部層１０との磁気的カップリングも低下する。
【００５０】
なお、本実施の形態のＴＭＲ素子５を構成する上で、その層構成としては、中程度の保磁力を持つ磁性体層７をいわゆるスピンバルブ構造を持つピン層構造としてもよい。即ち、特に図示しないが、磁性体層７部分を、低又は中程度の保磁力の磁性体層／反強磁性体層／保護層により構成するものである。この場合も素子全体における積層順序を逆としてもよい。また、この場合の反強磁性体層としては、ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等により形成され、保護層はＤＬＣ，Ｔａ，Ｔｉ，ＳｉＯ_２，Ｓｉ_３Ｎ_４等により形成される。
【００５１】
このような構成において、例えば図１中に示すように可動部に配置された永久磁石１１によりＴＭＲ素子５が励磁されるが、可動部に配置された永久磁石１１の磁界の変化による磁気的なカップリングの差を利用することで磁界感知用軟磁性体層９の磁気状態が変化した場合、ＴＭＲ素子５の磁気抵抗が変化することで最終的に伝送線路４のインピーダンスも変化することとなる。よって、外部磁界の検知を交流、特に高周波送信部２によって高周波キャリア成分（例えば、キャリア周波数６００ＭＨｚ）を重畳させて行わせる上で伝送線路４のインピーダンス変化を通じて高周波受信部３側では高感度に対象磁気を検知することが可能となる。この結果、当該磁気センサ１は、高周波スイッチ、高感度な方向性結合器、周波数に依存しない高感度なパワーセンサ等への応用が可能となる。
【００５２】
なお、伝送線路を非磁性体により構成することは広く行われているが、本実施の形態では、伝送線路４の全部又は一部を磁性体により形成し、その保磁力を磁界感知用軟磁性体層９の保磁力よりも低く、膜厚が磁界感知用軟磁性体層９の膜厚よりも厚くなるようにすれば、所望のアプリケーションの性能向上が可能となる。例えば、センサ部となるＴＭＲ素子５への磁束集中効果が期待でき、より一層感度を向上させることができる。この際、直流磁界又は低周波磁界による伝送線路機能への影響は無視できる。
【００５３】
また、本実施の形態や以下の実施の形態において、伝送線路４としては、後述するようなコープレーナ型線路に限らず、トリプレート線路、マイクロストリップ線路等でもよい。さらには、導波管等の立体伝送線路であってもよく、同軸ケーブル内に薄膜磁気抵抗効果素子を配設することも可能である。また、薄膜磁気抵抗効果素子としても、少なくとも磁性体層と非磁性体層との積層構造を含み、かつ、磁性体層のうちに磁界感知用軟磁性体層を含み、磁気的なカップリングにより磁界感知用軟磁性体層の磁気状態が変化して当該素子の磁気抵抗が変化するものであればよく、ＴＭＲ素子以外にも、磁性体層、非磁性絶縁体層及び磁性体層で構成される膜面に垂直に電流を流すｃｐｐ型巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）や、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子等であってもよい。
【００５４】
本発明の第二の実施の形態を図３に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の各実施の形態でも同様とする）。
【００５５】
本実施の形態は、ＴＭＲ素子５の印加磁化方法を第一の実施の形態とは異ならせたもので、磁場印加用電源（又は、アンプ）１２と終端アース（又は、部分アース）１３との間に接続されてＴＭＲ素子５に近接させて配設させた磁場印加用の配線部１４が設けられている。
【００５６】
これにより、本実施の形態の場合、磁場印加用電源（又は、アンプ）１２により配線部１４上に発生した電流によりＴＭＲ素子５が励磁されて（磁気的なカップリングを受け）、磁界感知用軟磁性体層９の磁化状態が変化し、ＴＭＲ素子５の抵抗値が変化することで伝送線路４のインピーダンス変化がもたらされる。よって、磁気センサ１として意図するアプリケーション機能を実現できる。特に、電流を利用しているので、その電流強度を変えることにより、意図するアプリケーション機能を簡単に実現することができる。
【００５７】
本発明の第三の実施の形態を図４に基づいて説明する。本実施の形態は、磁場印加用電源（又は、アンプ）１２と終端アース（又は、部分アース）１３と磁場印加用の配線部１４とを高周波送信部２と高周波受信部３と伝送線路４ｃとを利用して一体化することにより、ＴＭＲ素子５が、伝送線路４ｃ自身に高周波電流に重畳されて流れる直流電流（又は低周波電流）により磁気的なカップリングを受けるようにしたものである。この場合、図４中に矢印で示すように、伝送線路４ａを経由して流れる直流電流（又は低周波電流）も磁場印加用として機能する。
【００５８】
即ち、第二の実施の形態の場合と同様に作用するが、本実施の形態によれば、本来的に高周波電流を流す伝送線路４ｃ自身を磁気的なカップリング用の電流印加に利用することで、高周波用部分との一体化構成が可能となり、より一層小型・簡便に構成することができる。
【００５９】
なお、本実施の形態の構成において、中心の伝送線路４ｂに対しても電流を流し、磁気的なカップリング用の電流印加に利用するようにしてもよい。
【００６０】
本発明の第四の実施の形態を図５に基づいて説明する。本実施の形態では、高周波送信部２に代えて、伝送線路４ｂ，４ｃの一端に薄膜コイルとしてループコイル１５を備えるようにしたものである。また、本実施の形態では、伝送線路４ａ，４ｂ、伝送線路４ｂ，４ｃに跨って複数個、例えば２個のＴＭＲ素子５ａ，５ｂが並列的に配設接続されて設けられている。なお、ＴＭＲ素子に対する磁場印加方法については省略する（以下の実施の形態でも同様とする）。
【００６１】
本実施の形態の磁気センサ１によれば、伝送線路４の他端側にループコイル１５を有するので、伝送線路４の他端側に高周波駆動系（高周波送信部２）を直接接続することなくループコイル１５を介して高周波駆動させることができる。この結果、ＥＭＣ用近磁界プローブ等の用途に好適な高感度磁気センサを提供することができる。
【００６２】
なお、複数個、例えば２個のＴＭＲ素子５ａ，５ｂは図６に示すように伝送線路４上に直列に配設接続させてもよい。
【００６３】
何れにしても、ＴＭＲ素子を複数個配設させた場合、後述するような差動演算処理によりノイズをキャンセルさせることができる。
【００６４】
本発明の第五の実施の形態を図７及び図８に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば図１で前述したような磁気センサ１をモノリシックな薄膜により作製するようにした作製方法に関する。本実施の形態は、いわゆるダブルジャンクションタイプの構成例を示す。まず、図７（ａ）に示すように、ガラス基板１６上にＣｏＦｅ膜１７（磁性体層７に相当）、Ａｌ_２Ｏ_３膜１８（非磁性体層８に相当）、Ｆｅ−Ｎｉ膜１９（磁界感知用軟磁性体層９に相当）の薄膜積層が形成された素材を用意し、このような素材を用いて図７（ｂ）、図８（ａ）に示すように、ダブルジャンクションタイプのＴＭＲ素子５をパターン形成する。ついで、図７（ｃ）、図８（ｂ）に示すように、ＴＭＲ素子５を覆うように絶縁膜２０を形成し、必要箇所にスルーホール２１を形成する。
【００６５】
そして、図７（ｄ）及び図８（ｃ）に示すように、Ａｌ等の非磁性金属膜２２を用いて配線用伝送線路及びパッド部を形成する。本実施の形態では、伝送線路構造としてコープレーナ型に適用しており、幅方向に見ると、伝送線路（中心導体部）４ｂを左右両側の伝送線路（外導体部）４ａ，４ｃで挟む如く３分割構造とされ、各々長さ方向両端にパッド４ｄ，４ｅ，４ｆを有し、長さ方向に見ると、入力用パッド部４Ａ、スルーホール２１を介してＴＭＲ素子５に接続されたコープレーナ伝送線路部４Ｂ、出力用パッド部４Ｃの３つの領域を有する所定のパターン形状とされている。このようなパターン形状は、非磁性金属膜２２をスパッタリング法により成膜した後、フォトリソグラフィ法とエッチングとを用いて形成する。Ａｌによる非磁性金属膜２２の成膜は蒸着法等であってもよい。また，非磁性金属膜２２としてはＣｕ，Ａｇ，Ａｕ或いはその合金等であってもよい。
【００６６】
本実施の形態によれば、薄膜磁気抵抗効果素子がＴＭＲ素子５としてモノリシックに作製されるので、高精度な磁気センサ１とすることができる。また、製品間のばらつきを抑え、低コストに製造することができ、さらには、並列型センサの実現も容易である。
【００６７】
本発明の第六の実施の形態を図９に基づいて説明する。図９は本実施の形態の磁気センサ３１の原理的構成を示す模式図である。本実施の形態の磁気センサ３１は、複数の薄膜磁気抵抗効果素子として、Ｓｉ熱酸化基板等の薄膜作製基板上に並列に配置させてモノリシックに薄膜形成される高精度なＴＭＲ素子を利用することを基本とする。
【００６８】
より具体的には、例えば、外形形状が長方形状にチップ構成されてその長手方向に磁気異方性を持たせた４個のＴＭＲ素子３２ａ〜３２ｄをプリント基板等の伝送線路搭載基板３３上に実装させることにより構成されている（伝送線路については図示を省略する）。即ち、長方形状を利用した形状効果異方性を持たせたＴＭＲ素子３２ａ〜３２ｄが用いられており、各々のチップ方向＝磁気異方性の方向Ａ〜Ｄ（従って、ＴＭＲ素子３２ａ〜３２ｄの長手方向）が相互に相対角度を持つように並列に配置されている。なお、図示した磁気異方性の方向Ａ〜Ｄは、中程度の保磁力を持つ磁性体層７（又は、相当するピン層）の磁化方向を示している。
【００６９】
このような磁気センサ３１は検知対象となる磁気が作用し得る環境下に置かれ、各々のＴＭＲ素子３２ａ〜３２ｄの検知出力に基づき磁界のベクトル成分（磁気角度或いは磁気方位）を検知するために使用される。ここに、磁気センサ３１に或る磁界が作用した場合、並列に配置されている複数のＴＭＲ素子３２ａ〜３２ｄ間の磁気異方性の方向Ａ〜Ｄがずれており、各々のＴＭＲ素子３２ａ〜３２ｄが呈示する抵抗値対応の検知出力が大小異なることとなり、これらの検知出力を簡単な演算回路により演算処理することにより、磁気方位を特定検知することができる。即ち、複数のＴＭＲ素子３２ａ〜３２ｄ間の磁気異方性の方向Ａ〜Ｄをずらすことにより、磁界のベクトル成分を検知するにあたってその角度検知分解能を向上させ、高感度化を図れるものとなる。
【００７０】
また、元々薄膜技術等を用いて作製されるＴＭＲ素子３２ａ〜３２ｄを用いているので、磁気センサ３１としても小型・軽量化を図ることができる。また、各薄膜磁気抵抗効果素子がＴＭＲ素子３２ａ〜３２ｄとしてチップ構成されてチップ搭載基板３３上に実装されることにより磁気センサ３１が作製されるので、一括して熱処理工程を行なうことが可能で、その分、製造が容易となり、ＴＭＲ素子モジュール作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサ３１とすることができる。
【００７１】
本発明の第七の実施の形態を図１０に基づいて説明する。本実施の形態も、前述したような磁気センサ４１のより実際的な構成例を示すものである。
【００７２】
本実施の形態では、前述のＴＭＲ素子３２ａ〜３２ｄに相当するＴＭＲ素子４２ａ〜４２ｄが、そのチップ外形形状（長方形状）に対して異なる方向の磁気異方性を持たせてチップ構成されたＴＭＲ素子であって、伝送線路搭載基板４３上にチップ外形形状を揃えて並列配置させて実装させることにより磁気センサ４１が構成されている。作用的には、前述した実施の形態の場合と同様である。
【００７３】
従って、前述の第六の実施の形態の効果に加えて、本実施の形態によれば、チップ外形形状に対して磁気異方性の方向を異ならせてチップ外形形状を揃えて並列配置させてＴＭＲ素子４２ａ〜４２ｄを実装させているので、実装に際して汎用実装機を用いることもでき、より一層の低コスト化を図ることができる。
【００７４】
本発明の第八の実施の形態を図１１に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような磁気センサの一次的な信号処理も含めた構成例を示すものである。
【００７５】
本実施の形態の磁気センサ５１は、隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子５２ａ，５２ｂ間、５２ｂ，５２ｃ間、及び、５２ｃ，５２ｄ間の出力の差動をとる差動演算手段としての差動演算器５３ａ，５３ｂ，５３ｃを備えて構成されている。即ち、磁気異方性の方向Ａ〜Ｄに関して各々相対角度を持たせた隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子５２ａ，５２ｂ間、５２ｂ，５２ｃ間、及び、５２ｃ，５２ｄ間の出力の差動を差動演算器５３ａ，５３ｂ，５３ｃで演算し、これらの差動演算手段の差動演算結果を比較し、この比較結果に基づき対象となる磁気ベクトルを検知特定するように構成されている。
【００７６】
本実施の形態のように、隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子５２ａ，５２ｂ間、５２ｂ，５２ｃ間、及び、５２ｃ，５２ｄ間の出力の差動をとり、その差動演算結果に基づき対象となる磁気ベクトルを検知特定することで、ノイズをキャンセルでき、よって、磁気センサ５１としてノイズによる誤検知動作を防止することができる。また、携帯電話等へ搭載する上で、他の部品から発生する磁界に対して耐性を持つことになる。
【００７７】
本発明の第九の実施の形態を図１２に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した各実施の形態のような磁気センサを利用して構成した地磁気検知の方位検知システムへの適用例を示す。まず、例えば３つの磁気センサ６１ａ，６１ｂ，６１ｃ（前述した磁気センサ１，３１，４１，５１の何れの形態でもよい）をｘｙｚ３軸ベクトルの方向に独立して配置させた地磁気センサ６２が設けられている。これらの磁気センサ６１ａ，６１ｂ，６１ｃの検知出力はデータ取り込み部６３を介して検知手段としての３磁気成分検知部６４に入力されている。この３磁気成分検知部６４は地磁気検知に関して、磁気センサ６１ａ，６１ｂ，６１ｃの検知出力に基づき３軸ベクトル成分を検知する。一方、データ取り込み部６３を介して取り込まれた磁気センサ６１ａ，６１ｂ，６１ｃの検知出力に関してその絶対値を算出する絶対値演算部６５と、この絶対値演算部６５により算出された絶対値の大きさを予め設定されている比較地磁気強度に測定マージンを加味した閾値と比較する比較部６６とによる異常検知手段６７が設けられている。比較部６６では算出された絶対値の大きさが閾値を越えている場合に検知結果に異常があると判断する。この比較部６６の出力側には異常検知出力に基づき動作する報知手段としての警報部６８が設けられている。
【００７８】
これにより、本実施の形態の方位検知システムによれば、測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味して予め設定されている閾値を超えるような大きさの検知結果が得られた場合には、警報部６８を通じて測定値に異常がある旨を報知するので、誤った検知結果の利用を未然に防止できる。なお、より実際的には、３磁気成分検知部６４から得られる検知結果とともに、この警報部６８の出力も通信部６９を通じて当該システムの使用者に通信によって通知するシステム構成とすればよい。これにより、ＧＰＳシステムや後述の携帯電話等の通信システムのようなビジネス形態に利用することも可能となる。
【００７９】
なお、本実施の形態の方位検知システムでは、３つの磁気センサ６１ａ，６１ｂ，６１ｃを用いたが、３つ以上の磁気センサを３軸ベクトル以上の方向に独立に配置させて地磁気の方向検知を３軸以上のベクトル検知として行なうようにしてもよい。或いは、逆に、１つの磁気センサのみを用いる一軸ベクトル検知を行なう方位検知システムとして構成してもよい。
【００８０】
本発明の第十の実施の形態を図１３に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した各実施の形態のような磁気センサを利用して構成したＧＰＳ対応の携帯通信端末としての携帯電話７１への適用例を示す。図１３は携帯電話７１の外観構成を示す概略正面図で、種々の構成例があるが、一例としてマイク部７２、入力操作部７３、スピーカ部７４、ＬＣＤ等による表示部７５等を備え、ヒンジ部７６により２つ折り構造とされている。
【００８１】
このような基本的な構成に加え、本実施の形態では、ＧＰＳ機能を発揮させるための地磁気の方位検知に利用する磁気センサ７７（前述した磁気センサ１，３１，４１，５１の何れの形態でもよい）が表示部７５の裏面側に埋め込まれることにより搭載されている。
【００８２】
従って、携帯電話７１等の実装面積が限られた携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気センサ７７を備えるＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の低減が見込まれる。特に、表示部７５の裏面側に埋め込み実装しているので、本実施の形態のような折り畳みタイプの携帯電話７１の場合であっても、表示面に近接又は一体化されるので、誤差が少なくなる。また、磁気センサ７７は受動的な部品であるので、他に電気・磁気的なノイズは発生せず、表示部７５のように外来ノイズに敏感な箇所にも適合可能となる。
【００８３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の磁気センサによれば、磁気的なカップリングを受けて磁界感知用軟磁性体層の磁気状態が変化した場合、薄膜磁気抵抗効果素子の磁気抵抗が変化することで最終的に伝送線路のインピーダンスも変化するので、外部磁界の検知を交流、特に高周波キャリア成分を重畳させて行わせる上で伝送線路のインピーダンス変化を通じて高感度に対象磁気を検知することができ、高周波スイッチ、高感度な方向性結合器、周波数に依存しない高感度なパワーセンサ等に応用することができる。
【００８４】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明を実現する上で、伝送線路の他端側に薄膜コイルを有するので、伝送線路の他端側に高周波駆動系を直接接続することなく薄膜コイルを介して高周波駆動させることができ、ＥＭＣ用近磁界プローブ等の用途に好適な磁気センサを提供することができる。
【００８５】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の磁気センサにおいて、伝送線路を磁界感知用軟磁性体層の保磁力よりも保磁力の低い磁性体層により形成することで、センサ部となる薄膜磁気抵抗効果素子への磁束集中効果が期待でき、より一層感度を向上させることができる。
【００８６】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし３の何れか一記載の磁気センサにおいて、可動部に配置した永久磁石による磁界の変化による磁気的なカップリングの差を利用して磁界感知用軟磁性体層の磁気状態を変化させて伝送線路上に配設の薄膜磁気抵抗効果素子の抵抗を変化させることで、磁気センサとして意図するアプリケーション機能を実現することができる。
【００８７】
請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし３の何れか一記載の磁気センサにおいて、近接させて配設される配線部に流れる電流による磁気的なカップリングを利用して磁界感知用軟磁性体層の磁気状態を変化させて伝送線路上に配設の薄膜磁気抵抗効果素子の抵抗を変化させることで、磁気センサとして意図するアプリケーション機能を実現することができ、特に、電流を利用しているので、その電流強度を変えることにより、意図するアプリケーション機能を簡単に実現することができる。
【００８８】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし３の何れか一記載の磁気センサにおいて、本来的に高周波電流を流す伝送線路自身を磁気的なカップリング用の電流印加に利用しているので、高周波用部分との一体化構成が可能となり、より一層小型・簡便に構成することができる。
【００８９】
請求項７記載の発明によれば、請求項１ないし６の何れか一記載の磁気センサにおいて、磁気センサとしていわゆる高周波キャリア型センサを提供することができる。
【００９０】
請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし７の何れか一記載の磁気センサを実現する上で、薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子としてモノリシックに作製されるので、高精度な磁気センサとすることができ、また、製品間のばらつきを抑え、低コストに製造することができ、さらには、並列型センサの実現も容易にすることができる。
【００９１】
請求項９記載の発明によれば、請求項８記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子としてチップ構成されて実装されることにより作製されるので、一括して熱処理工程を行なうことが可能で、その分、製造が容易となり、薄膜磁気抵抗効果素子モジュール作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができる。
【００９２】
請求項１０記載の発明によれば、請求項８記載の磁気センサを実現する上で、各薄膜磁気抵抗効果素子がトンネル型磁気抵抗効果素子としてチップ構成されて実装されることにより作製されるので、薄膜磁気抵抗効果素子作製の歩留まりが高く、低コストな磁気センサとすることができ、さらには、チップ外形形状に対して磁気異方性の方向を異ならせてチップ外形形状を揃えて実装させているので、汎用実装機を用いることもでき、より一層の低コスト化を図ることができ、また、チップの実装面に対して垂直異方性を採る構成も可能であり、これにより、３軸ベクトル検知も容易に実現することができる。
【００９３】
請求項１１記載の発明によれば、請求項９又は１０記載の磁気センサにおいて、隣接する各薄膜磁気抵抗効果素子間の出力の差動をとり、その差動演算結果に基づき対象となる磁気を検知することで、特に近傍からの磁界ノイズをキャンセルでき、よって、ノイズによる誤検知動作を防止することができ、また、携帯電話等へ搭載する上で、他の部品から発生する磁界に対して耐性を持たせることができる。
【００９４】
請求項１２記載の発明の方位検知システムによれば、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用した場合、基本的には、高感度な請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される磁気ベクトルが利用されるが、この際、磁気センサの検知出力の絶対値を測定済みの地磁気強度に測定マージンを加味した閾値との比較により検知結果に異常があるか否かを判断しており、異常が検知された場合にはその旨を報知させることで、誤った検知結果の利用を未然に防止することができ、さらには、磁気センサによる検知結果とともに、異常検知の結果の情報も当該システムの使用者に通信により伝送するＧＰＳシステムや携帯電話等の携帯通信端末のようなビジネス形態に利用することもできる。
【００９５】
請求項１３記載の発明の方位検知システムによれば、３軸ベクトル以上の方向に独立して配置された高感度な請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサの検知出力に基づき検知される３軸以上のベクトルを利用することで、地磁気を検知対象とする方位検知システムに適用することができ、特に、加速度センサ等を併用することなく、当該センサのみで使用中の運動を検知することができる。
【００９６】
請求項１４記載の発明の携帯通信端末によれば、携帯電話等の実装面積が限られた携帯通信端末に関して、方位検知用の磁気センサを備えるＧＰＳ対応の機種の場合でもその実装面積の低減を見込むことができ、特に、表示部の裏面側に埋め込み実装しているので、折り畳みタイプの端末の場合であっても、表示面に近接又は一体化され、検知誤差を少なくすることができ、また、当該磁気センサは受動的な部品であるので、他に電気・磁気的なノイズは発生せず、表示部のように外来ノイズに敏感な箇所にも適合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の磁気センサの原理的な構成例を示す平面図である。
【図２】そのＴＭＲ素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）はその概略断面図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態の磁気センサの原理的な構成例を示す平面図である。
【図４】本発明の第三の実施の形態の磁気センサの原理的な構成例を示す平面図である。
【図５】本発明の第四の実施の形態の磁気センサの原理的な構成例を示す平面図である。
【図６】その変形例の磁気センサの原理的な構成例を示す平面図である。
【図７】本発明の第五の実施の形態の磁気センサの作製方法を工程順に示す概略断面図である。
【図８】その概略平面図である。
【図９】本発明の第六の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の第七の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図１１】本発明の第八の実施の形態の磁気センサの原理的構成を示す模式図である。
【図１２】本発明の第九の実施の形態の方位検知システムの構成例を示す模式図である。
【図１３】本発明の第十の実施の形態の携帯電話の構成例を示す概略正面図である。
【符号の説明】
１　　　磁気センサ
３　　　検知系
４　　　伝送線路
５　　　薄膜磁気抵抗効果素子、ＴＭＲ素子
７　　　磁性体層
８　　　非磁性体層
９　　　磁界感知用軟磁性体層
１１　　　永久磁石
１４　　　配線部
１５　　　薄膜コイル
３１　　　磁気センサ
３２　　　薄膜磁気抵抗効果素子、ＴＭＲ素子
４１　　　磁気センサ
４２　　　薄膜磁気抵抗効果素子、ＴＭＲ素子
５１　　　磁気センサ
５２　　　薄膜磁気抵抗効果素子
５３　　　差動演算手段
６１　　　磁気センサ
６２　　　薄膜磁気抵抗効果素子
６４　　　検知手段
６７　　　異常検知手段
６８　　　報知手段
７５　　　表示部
７７　　　磁気センサ

Claims (14)

1. 少なくとも磁性体層と非磁性体層との積層構造を含み、かつ、前記磁性体層のうちに磁界感知用軟磁性体層を含み、磁気的なカップリングにより前記磁界感知用軟磁性体層の磁気状態が変化して当該素子の磁気抵抗が変化する薄膜磁気抵抗効果素子と、
   少なくとも一端側が検知系に接続される線路中に前記薄膜磁気抵抗効果素子が配設接続されて当該薄膜磁気抵抗効果素子の抵抗変化によりインピーダンスが変化する伝送線路と、
   を備える磁気センサ。
2. 前記伝送線路の他端側に薄膜コイルを有する請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記伝送線路は、保磁力が前記磁界感知用軟磁性体層の保磁力よりも低く、膜厚が前記磁界感知用軟磁性体層の膜厚よりも厚い磁性体層により形成されている請求項１又は２記載の磁気センサ。
4. 前記磁界感知用軟磁性体層は、永久磁石により磁気的なカップリングを受ける請求項１ないし３の何れか一記載の磁気センサ。
5. 前記磁界感知用軟磁性体層は、近接させて配設される配線部に流れる電流により磁気的なカップリングを受ける請求項１ないし３の何れか一記載の磁気センサ。
6. 前記磁界感知用軟磁性体層は、前記伝送線路自身に高周波電流に重畳されて流れる直流電流又は低周波電流により磁気的なカップリングを受ける請求項１ないし３の何れか一記載の磁気センサ。
7. 前記検知系は、前記伝送線路を伝送される高周波の強度変化によって磁界を検知する請求項１ないし６の何れか一記載の磁気センサ。
8. 前記薄膜磁気抵抗効果素子は、磁性体層、非磁性体絶縁層及び磁性体層の積層構造を含むトンネル型磁気抵抗効果素子であって、モノリシックに薄膜形成されている請求項１ないし７の何れか一記載の磁気センサ。
9. チップ構成された複数個の前記トンネル型磁気抵抗効果素子がチップ方向を異ならせて実装されている請求項８記載の磁気センサ。
10. チップ外形形状に対して異なる方向の磁気異方性を持たせてチップ構成された複数個のトンネル型磁気抵抗効果素子が、チップ外形形状を揃えて実装されている請求項８記載の磁気センサ。
11. 隣接する前記各薄膜磁気抵抗効果素子間の出力の差動をとる差動演算手段を有し、これらの差動演算手段の差動演算結果に基づき対象となる磁気を検知するようにした請求項８ないし１０の何れか一記載の磁気センサ。
12. 地磁気を検知対象とする請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサと、
    この磁気センサの検知出力に基づき磁気ベクトルを検知する検知手段と、
    前記磁気センサの検知出力の絶対値と予め設定されている閾値とに基づき検知結果に異常があるか否かを判断する異常検知手段と、
    この異常検知手段により異常が検知された場合にはその旨を報知する報知手段と、
    を備える方位検知システム。
13. ３軸ベクトル以上の方向に独立して配置されて地磁気を検知対象とする請求項１ないし１１の何れか一記載の複数の磁気センサと、
    これらの磁気センサの検知出力に基づき３軸以上のベクトルを検知する検知手段と、
    を備える方位検知システム。
14. 表示部を備える携帯通信端末であって、地磁気を検知対象として前記表示部の裏面側に埋め込まれた請求項１ないし１１の何れか一記載の磁気センサを備える携帯通信端末。

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