JPH1183966A - 磁界検出方法、磁界検出システムおよび磁界検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁化方向が一方向に固定されている第１の強
磁性体層と、印加される磁界に応じて磁化方向が変化す
る第２の強磁性体層とを含むＧＭＲ素子を用いる。この
素子を用いて磁界を高い感度で検出する。 【解決手段】 第１および第２ＧＭＲ素子を近接させて
配置する。この第１ＧＭＲ素子に第１の磁界−Ｈａを印
加し、かつ、この第２ＧＭＲ素子に第３の磁界Ｈｂを印
加する第１の処理と、この第１ＧＭＲ素子に第２の磁界
Ｈａを印加し、かつ、この第２ＧＭＲ素子に第４の磁界
−Ｈｃを印加する第２の処理とを交互に実施しながら、
これら第１および第２の素子それぞれの抵抗値を監視す
る。この抵抗値変化に基づいて第１および第２の素子に
及ぶ外部磁界を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、巨大磁気抵抗
（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance ）効果を利用した
磁界検出方法、その実施に好適な磁界検出システム、該
システムに用いて好適な磁界検出素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】巨大磁気抵抗効果を利用した従来の磁界
検出素子の一例が、例えば特開平６−１１２５２号公報
に開示されている。この素子は、反強磁性体層、第１の
強磁性体層、非磁性体層および第２の強磁性体層をこの
順に積層した構造を有する（上記公報の図２）。この反
強磁性体層は、第１の強磁性体層の磁化方向を固定する
役割を持つ。

【０００３】また、他の従来例として、特開平５−１１
４７６１号公報に開示されている素子がある。この素子
は、第１の強磁性体層と、非磁性体層と、第１の強磁性
体層より小さな保磁力を示す第２の強磁性体層とを、こ
の順に積層した構造を有する。この素子の場合、第１お
よび第２の強磁性体層を保磁力の異なる材料とすること
で、反強磁性体層を不要にできる。

【０００４】これらいずれの素子も、第１の強磁性体層
の磁化方向は、使用予定の磁界強度の範囲では、変化し
ない。第２の強磁性体層の磁化方向のみが、外部磁界の
印加の大きさに応じ回転する。したがって、外部磁界の
印加に伴って、これら第１および第２の強磁性体層の磁
化方向の相対的な角度が変わるので、これら層での伝導
電子のスピンに依存する散乱が変化する。これに伴い素
子の電気抵抗値が変化する。そのため、これら素子は、
外部磁界の変化を素子の電気抵抗値の変化として検出で
きた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の磁気検出
素子いずれも、磁気抵抗特性は、図１８に示したような
ヒステリシス特性を有した曲線になることが知られてい
る。ただし、第１の強磁性体層の磁化方向が図１８の左
向きである例を示している。なお、図１８の横軸におい
てプラスの領域は右向きの磁界を示し、マイナスの領域
は左向きの磁界を示す。

【０００６】このようにヒステリシス特性を示す理由に
ついて、従来の素子のうちの前者の素子の場合について
説明する。

【０００７】この素子は、反強磁性体層１、第１の強磁
性体層３、非磁性体層５および第２の強磁性体層７をこ
の順に有する。第１の強磁性体層３の磁化方向は、反強
磁性体層１によって、この層３の磁化方向と同じ方向
（図中、左向き）に固定されている。この状態の素子
に、図中の左向きに外部磁界−Ｈａを印加して、第２の
強磁性体層７の磁化方向を左向きにする。すると、素子
の電気抵抗は低い値Ｒ_L になる。次に、この素子に右向
きの外部磁界を印加する。この右向きの外部磁界の強度
が、反強磁性体層１が示す左向きの磁界に打ち勝つ強度
になる前までは（図１８中のＨｕ＞）、素子の電気抵抗
は低い値Ｒ_L のままであるが、打ち勝てる強度を越える
と第２の強磁性体層７の磁化方向は回転し始める。する
と、素子の電気抵抗は、徐々に大きくなる。さらに右向
きの磁界の強度が高まりある強度Ｈｖを越えると、第２
の強磁性体層７の磁化方向は、第１の強磁性体層３の磁
化方向と逆の向きになる。すると、素子の電気抵抗は、
高い抵抗値Ｒ_H になる。このＨｕとＨｖとの間の磁界
を、後の本発明の説明の都合上、第１の磁化遷移磁界範
囲と称することにする。

【０００８】第２の強磁性体層７の磁化方向が右向きと
なったこの素子に、今度は、左向きの外部磁界をかけ
る。このときは、外部磁界の向きが反強磁性体層１の磁
化方向と同じであるので、第２の強磁性体層７の磁化方
向は、比較的小さな外部磁界−Ｈｗで回転し始める。す
ると、素子の電気抵抗は減少し始める。さらに左向きの
磁界の強度が高まりある強度の磁界−Ｈｘになると、第
２の強磁性体層７の磁化方向は、第１の強磁性体層３の
磁化方向と同じになる。すると、素子の電気抵抗は、低
い抵抗値Ｒ_L になる。この−Ｈｗと−Ｈｘとの間の磁界
を、後の本発明の説明の都合上、第２の磁化遷移磁界範
囲と称することにする。このようにしてヒステリシス特
性が発現する。

【０００９】第１および第２の強磁性体層として保磁力
の異なる材料を用いる素子の場合も、その磁気抵抗特性
は、やはりヒステリシス特性を示す。

【００１０】この種の素子を用いて外部磁界を検出する
場合、次のような方法が一般にとられていた。一つの方
法として、初期化磁化として、第１および第２の強磁性
体層３，７の磁化方向が左向きになるように素子を磁化
しておく。この状態の素子では、第２の強磁性体層７の
磁化方向を右向きにできる強度の外部磁界、すなわち図
１８中のＨｖ＋αの外部磁界が該素子に及んだ場合、素
子の電気抵抗は大きな値に変化するので、この抵抗値の
変動から外部磁界を検出できる。また、初期化磁化とし
て、第１および第２の強磁性体層３，７それぞれの磁化
方向が逆向きになるように素子を磁化しておく。この状
態の素子では、第２の強磁性体層７の磁化方向を左向き
にできる強度の外部磁界すなわち、図１８中の−Ｈｘ−
αの外部磁界が該素子に及んだ場合、素子の電気抵抗は
小さな値になるので、この抵抗値の変動から外部磁界を
検出できる。したがって、この従来の磁界検出方法の場
合は、磁界検出感度は、右向きの磁界検出ではＨｖ＋α
であり、左向きの磁界検出では−Ｈｘ−αであった。

【００１１】上述した説明から理解できるように、従来
の磁界検出方法の場合、磁界検出感度は、第２の強磁性
体層の磁気特性により決定される。したがって、磁界検
出感度を高めるためには、第２の強磁性体層の材料を軟
磁気特性の優れた材料、すなわち、ヒステリシス特性に
おける幅Ａが狭くかつ高さＢが高い（図１８参照）材料
を開発するのが良い。しかし、このような材料の開発は
困難である。

【００１２】従って、従来の磁性体材料を用いた磁界検
出素子を用いて従来より高い磁界検出感度が得られる磁
界検出方法が望まれる。また、その方法の実施に好適な
磁界検出システムが望まれる。また、そのシステムに用
いて好適な磁界検出素子が望まれる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

（１）そこで、この出願の磁界検出方法の発明によれ
ば、巨大磁気抵抗効果素子を用いて、磁界を検出するに
当たり、２個の巨大磁気抵抗効果素子を近接させて配置
する。そしてこれら第１および第２の素子に対し、以下
の第１の処理（ａ）および第２の処理（ｂ）を交互に実
施しながら、これら素子の抵抗値を監視する。そして、
この監視している抵抗値に基づいて外部磁界を検出す
る。

【００１４】（ａ）前記第１の素子に、該第１の素子の
第２の強磁性体層の磁化方向を第１の強磁性体層の磁化
方向と同じ方向にする第１の磁界を印加し、かつ、前記
第２の素子に、該第２の素子の第２の強磁性体層の磁化
方向を第１の強磁性体層の磁化方向と逆の方向にする第
３の磁界を印加する第１の処理。

【００１５】（ｂ）前記第１の素子に、該第１の素子の
第１の強磁性体層の磁化方向と同じ方向に磁化されてい
る前記第２の強磁性体層の磁化方向を変化させ始める磁
界から前記第１の強磁性体層の磁化方向と逆の方向にさ
せるまでの磁界の範囲（第１の磁化遷移磁界範囲）およ
び該範囲前後の近傍の磁界範囲から選ばれる第２の磁界
を印加し、かつ、前記第２の素子に、該第１の強磁性体
層の磁化方向と逆の方向に磁化されている前記第２の強
磁性体層の磁化方向を変化させ始める磁界から前記第１
の強磁性体層の磁化方向と同じ方向にさせるまでの磁界
の範囲（第２の磁化遷移磁界範囲）および該範囲前後の
近傍の磁界範囲から選ばれる第４の磁界を印加する第２
の処理。

【００１６】なお、これら第１および第２の処理を交互
に行う周期は、例えば外部磁界の変化状況等を考慮して
きめる。また、第２の磁界および第４の磁界をどの程度
の大きさの磁界に設定するかは、検出したい磁界感度を
考慮して決める。

【００１７】この出願の磁界検出方法の発明では、以下
のような作用が得られる。まず、第１の処理は、第１の
素子および第２の素子それぞれをリセット状態にする役
目をもつ。一方の第２の処理は、第１の素子を第２の磁
界の分だけ活性な状態にして、該第１の素子の電気抵抗
を小さな外部磁界で変動させる役目をもち、第２の素子
を第４の磁界の分だけ活性な状態にして、該第２の素子
の電気抵抗を小さな外部磁界で変動させる役目をもつ。
従って、第２の処理を行なった時に外部磁界が素子に及
ぶと、この外部磁界が小さな磁界であっても素子では電
気抵抗の変化が生じる。そのため、従来より高い感度で
外部磁界を検出できる。

【００１８】なお、この磁界検出方法の発明を実施する
に当たり、前記第２の磁界を、前記第１の磁化遷移磁界
範囲近傍の前記磁界範囲から選ばれる磁界とし、かつ、
前記第４の磁界を、前記第２の磁化遷移磁界範囲近傍の
前記磁界範囲から選ばれる磁界であって前記第２の素子
を前記第１の素子の磁化状態に対して逆の磁化状態にす
る磁界とするのが好適である。例えば、後述する図５中
のＨａを第２の磁界とし、かつ、−Ｈｃを第４の磁界と
する設定、或は、図７中のＨｄを第２の磁界とし、か
つ、−Ｈｅを第４の磁界とする設定が好適である。こう
すると、第１の素子は、例えば、第１の強磁性体層の磁
化方向と同じ方向の外部磁界を高感度に検出する役目を
果たし、第２の素子は、第１の強磁性体層の磁化方向と
逆方向の外部磁界を高感度に検出する役目を果たすの
で、２方向の外部磁界を従来より高い感度で検出でき
る。

【００１９】（２）また、上記の磁界検出方法の発明を
実施するために、互いに近接させた第１および第２の巨
大磁気抵抗効果素子と、前記第１の素子に前記第１の磁
界および第２の磁界を交互に印加し、かつ、前記第１お
よび第２の磁界を印加するタイミングに同期させて、前
記第２の素子に、前記第３の磁界および第４の磁界を交
互に印加する磁界発生手段と、前記第１の素子の抵抗値
および第２の素子それぞれの抵抗値に応じた電気信号を
検出しそれら電気信号を加算して出力する抵抗値検出手
段と、少なくとも前記第２の処理を実施する時の前記抵
抗値検出手段の出力を監視し、該出力に基づいて外部磁
界の有無を判定する磁界判定手段とを具えた磁界検出シ
ステムを用意するのが好適である。

【００２０】（３）なお、磁界検出方法の発明および磁
界検出システムの発明を実施するに当たり、巨大磁気抵
抗効果素子として、その第１および第２の強磁性体層が
所定形状にパタ−ニングされている素子を用いるのが好
適である。このような素子は、ヒステリシス特性が四角
形状に近い特性を示す素子となる（詳細は後述す
る。）。したがって、磁化遷移磁界範囲外でかつ該範囲
近傍の磁界を第２の磁界や第４の磁界として用いる場合
に、これら第２の磁界や第４の磁界を、磁化遷移磁界範
囲の近くに設定し易い。したがって、外部磁界をより高
感度に検出し易い。

【００２１】また、磁界検出方法の発明および磁界検出
システムの発明を実施するに当たり、第１および第２の
巨大磁気抵抗効果素子それぞれとして、前記各磁界（第
１〜第４の磁界）発生のための電流が流される電流層を
素子内に具えた素子を用いるのが好適である。こうする
と、第１の磁界などを巨大磁気抵抗効果素子に効率良く
印加でき、また、システムの小型化が図れる等の利点が
得られる。

【００２２】その意味から、第１および第２の巨大磁気
抵抗効果素子を近接させて配置してなる磁界検出素子と
して、前記第１の素子および第２の素子を、これら素子
にバイアス磁界を印加するための電流を流す電流層を介
在させて積層してある素子を用意するのが好適である。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの出願の
各発明の実施の形態についてそれぞれ説明する。しかし
ながら説明に用いる各図はこの発明を理解出来る程度
に、各構成成分の寸法、形状および配置関係を概略的に
示してあるにすぎない。また、各図において、同様な構
成成分については同一の番号を伏して示し、その重複す
る説明を省略することもある。

【００２４】１．第１の実施の形態 図１は、この第１の実施の形態で用いて好適な磁界検出
システム（第１の磁界検出システム）１０を示した図で
ある。

【００２５】この磁界検出システム１０は、第１の巨大
磁気抵抗効果素子１０ａと、該素子１０ａに近接させて
配置した第２の巨大磁気抵抗効果素子１０ｂと、磁界発
生手段１２と、抵抗値検出手段１４と、磁界判定手段１
６とを具えている。これら各構成成分のうち、１０ａ、
１０ｂ、１２、１４は、例えば基板１８の上に設けられ
ている。また、磁界判定手段１６は、この場合は、基板
１８の外部に用意されている。もちろん、この配置例は
一例である。

【００２６】なお、以下の説明では、巨大磁気抵抗効果
素子１０ａ、１０ｂを、第１ＧＭＲ素子１０ａ、第２Ｇ
ＭＲ素子１０ｂ、または素子１０ａ、素子１０ｂと略称
することもある。

【００２７】この磁界検出システム１０は、例えば、磁
気記録媒体に記録されている磁気データを再生するため
の装置として用いることができる。磁気データは、磁気
記録媒体に画成されている記録領域の磁化の向きを制御
することにより記録される。磁気データを再生する（読
み出す）ためには、素子１０ａ、１０ｂにより記録媒体
の漏洩磁界すなわち、素子にとっての外部磁界を検出す
る。この発明では、これら素子１０ａ、１０ｂは、外部
磁界の変化を、各素子の電気抵抗の変化として検出する
（詳細は後述する。）。

【００２８】また、これらのＧＭＲ素子１０ａ、１０ｂ
には、抵抗値検出手段１４が導線によって結合されてい
る。この抵抗値検出手段１４は、この導線を通して第１
および第２ＧＭＲ素子１０ａ、１０ｂに電流を流し、そ
の電流の変化に基づいて素子１０ａ、１０ｂの電気抵抗
を検出する。

【００２９】図２は、この抵抗値検出手段１４の具体的
な構成例を示した図である。この抵抗値検出手段１４
は、素子１０ａの抵抗値を検出する第１検出素子１４ａ
と、素子１０ｂの抵抗値を検出する第２検出素子１４ｂ
と、これら第１および第２検出素子の出力を加算する加
算器１４ｃとで構成してある。これら検出素子１４ａ、
１４ｂは抵抗測定器などの従来公知の任意の手段で実現
できる。また、素子の電気抵抗の検出は、抵抗値そのも
のでも、電圧値でも、電流値でも良い。ここでは、抵抗
値を電圧値の形で検出する。

【００３０】また、第１および第２ＧＭＲ素子１０ａ、
１０ｂそれぞれは、その側面１１を基板１８の端縁１８
ａにそろえた状態にして設けられている。この磁気検出
システム１０は、外部磁気を検出する時、被検出対象領
域（例えば磁気記録媒体）に、上述の側面１１を近接さ
せて用いられる。

【００３１】また、この第１、第２ＧＭＲ素子１０ａ、
１０ｂの、被検出対象領域側の側面１１とは反対側の側
面に近接させて、磁界発生手段１２を設けてある。

【００３２】この磁界発生手段１２は、第１ＧＭＲ素子
１０ａにこの発明でいう第１の磁界および第２の磁界を
交互に印加し、かつ、この第１および第２の磁界を印加
するタイミングに同期させて、第２ＧＭＲ素子１０ｂ
に、この発明でいう第３の磁界および第４の磁界を交互
に印加する。

【００３３】この場合の磁界発生手段１２は、第１ＧＭ
Ｒ素子１０ａに近接させたソレノイドコイル１２ａと、
第２ＧＭＲ素子１０ｂに近接させたソレノイドコイル１
２ｂと、これらに共通な交流電源１２ｃとを具えてい
る。これら交流電源１２ｃおよびソレノイドコイル１２
ａ、１２ｂ間は導線によって結合されている。そして、
磁界検出動作時には交流電源１２ｃによりソレノイドコ
イル１２ａ、１２ｂに電流を流して、電磁石として機能
させる。そして、ソレノイドコイル１２ａにより、第１
ＧＭＲ素子１０ａに、この発明でいう第１および第２の
磁界を印加でき、ソレノイドコイル１２ｂにより、第２
のＧＭＲ素子１０ｂに、この発明でいう第３および第４
の磁界を印加できるように、ソレノイドコイルの向きや
交流電源の出力電流の大きさ等を考慮してある。

【００３４】また、磁界判定手段１６は、少なくともこ
の発明でいう第２の処理の時の、抵抗値検出手段１４の
出力（ここでは電圧出力）を監視する。そしてこの出力
に基づいて、前記第１および第２ＧＭＲ素子１０ａ，１
０ｂに外部磁界が及んだか否かを判定する。この磁界判
定手段１６は、例えば、公知の比較回路、論理回路、メ
モリ等を組み合わせた電子回路、またはコンピュータで
構成できる。

【００３５】次に、第１および第２ＧＭＲ素子１０ａ，
１０ｂの構成について説明する。両者は、この場合、同
じ構造の素子としてある。そこで、素子１０ａに着目し
て説明する。図３は、ＧＭＲ素子１０ａの構造を示す断
面図である。図３は、図１に示すＩ−Ｉ線の位置の切り
口の断面を示す図である。

【００３６】ＧＭＲ素子１０ａは、基板１８の上に反強
磁性体層２８、第１強磁性体層２２、非磁性体層２４お
よび第２強磁性体層２６を順次に積層させて具えてい
る。反強磁性体層２８として、２７．０ｎｍの膜厚のＮ
ｉＯ層を用いている。また、第１強磁性体層２２は、
２．０ｎｍの膜厚のＮｉ₃₅Ｆｅ₂₀Ｃｏ₄₅層である。ま
た、非磁性体層２４は、２．０ｎｍの膜厚のＣｕ層であ
る。さらに、第２強磁性体層２６は、１０．０ｎｍの膜
厚のＮｉ₃₅Ｆｅ₂₀Ｃｏ₄₅層である。これら各層は、スパ
ッタ法により成膜する。もちろん、ここで述べた各層の
材料や、膜厚は、一例にすぎない。

【００３７】このＧＭＲ素子１０ａの磁気抵抗特性を、
直流４端子法により測定した結果を、図４（Ａ），
（Ｂ）に示した。これらの図のうち、図４（Ａ）はいわ
ゆるメジャーループを示し、図４（Ｂ）はいわゆるマイ
ナーループを示す。いずれの図も、横軸は磁界の強度エ
ルステッド（Ｏｅ）であり、縦軸は素子の抵抗値変化率
（％）である。ただし、抵抗値変化率は、第１および第
２の強磁性体層の磁化方向が同じになっているときの電
気抵抗を、基準としている。なお、この場合反強磁性体
層２８の磁化方向が図４の左向きの磁界である。また、
図４の横軸においてプラスの領域は右向きの磁界を示
し、マイナスの領域は左向きの磁界を示す。

【００３８】図４（Ａ）から理解できるように、この素
子１０ａの磁気抵抗特性は、反強磁性体層と第１の強磁
性体層との交換結合のため、印加磁界に対し非対称とな
る。また、図４（Ｂ）は、素子１０ａに、左向きの５０
０Ｏｅ以上の強度の磁界を印加した後、±４０Ｏｅまで
の低磁界を印加したときの、磁気抵抗特性である。この
素子１０ａは、図１８を用いて既に説明した理由と同様
の理由から、ヒステリシス特性を持つ磁気抵抗特性を示
す。

【００３９】この図４（Ｂ）のような磁気抵抗特性を示
すＧＭＲ素子での、この発明でいう第１の磁化遷移磁界
範囲は、おおよそ＋２６〜＋３４Ｏｅであり、第２の磁
化遷移磁界範囲は、おおよそ−５〜−１２Ｏｅである。

【００４０】次に、磁界検出動作について説明する。こ
こでは、外部磁界として、右向きのΔｈ、右向きのΔ
Ｈ、左向きの−Δｈおよび左向きの−ΔＨを検出する例
を考える。図５および図６（Ａ）、（Ｂ）はその説明の
ための図である。詳細には、図５は、ちょうど、第１お
よび第２ＧＭＲ素子１０ａ，１０ｂそれぞれの磁気抵抗
特性を模式的に示した図である。また、図６（Ａ）、
（Ｂ）は、この発明の磁界検出方法を実施した時に抵抗
値検出手段で検出される信号を電圧値として示した図で
ある。

【００４１】第１ＧＭＲ素子１０ａおよび第２ＧＭＲ素
子１０ｂそれぞれに初期化磁界として左向きの大きな磁
界を印加する。たとえば、強度が５００Ｏｅの左向きの
磁界を印加する。

【００４２】続いて磁界検出動作を開始する。磁界検出
動作時は、素子１０ａに、この発明でいう第１の磁界お
よび第２の磁界を交互に印加する。同時に、素子１０ｂ
に、この発明でいう第３の磁界および第４の磁界を交互
に印加する。

【００４３】この第１の磁界は、素子１０ａの第１およ
び第２の強磁性体の磁化方向をそろえることのできる強
度の磁界の範囲から選ぶ。この第１の磁界を左向きの磁
界−Ｈａとする（図５参照）。図４（Ｂ）の磁気抵抗特
性の例で考えると、この第１の磁界−Ｈａを、例えば−
２４Ｏｅとする。一方、第２の磁界は、この発明でいう
第１の磁化遷移磁界範囲δＨ１（図５参照）およびその
前後の近傍の磁界範囲から選ぶ。この実施の形態では、
この第２の磁界を、右向きの磁界であって、第１の磁化
遷移磁界範囲δＨ１の下限値よりやや小さな強度の磁界
Ｈａとする。図４（Ｂ）の磁気抵抗特性の例で考える
と、この第２の磁界Ｈａを、例えば２４Ｏｅとする。

【００４４】また、この第３の磁界は、素子１０ｂの第
２の強磁性体層の磁化方向を第１の強磁性体層の磁化方
向と逆の方向にできる強度の磁界の範囲から選ぶ。この
第３の磁界を右向きの磁界Ｈｂとする（図５参照）。図
４（Ｂ）の磁気抵抗特性の例で考えると、この第３の磁
界Ｈｂを、例えば４２Ｏｅとする。一方、第４の磁界
は、この発明でいう第２の磁化遷移磁界範囲δＨ２（図
５参照）およびその前後の近傍の磁界範囲から選ぶ。こ
の実施の形態では、この第４の磁界を、左向きの磁界で
あって、第２の磁化遷移磁界範囲δＨ２の上限値よりや
や大きな強度の磁界−Ｈｃとする（図５参照）。図４
（Ｂ）の磁気抵抗特性の例で考えると、この第２の磁界
−Ｈｃを、例えば−６Ｏｅとする。

【００４５】これら第１の磁界および第２の磁界を、素
子１０ａに、所定周期で交互に印加する。また、これら
第３の磁界および第４の磁界を、素子１０ｂに、前記第
１の磁界および第２の磁界に同期させて交互に印加す
る。この周期は、測定対象の外部磁界がどのような頻度
で生じるか等を考慮して決める。また、これら第１〜第
４の磁界をパルス状に加える。

【００４６】素子１０ａ、素子１０ｂに外部磁界が及ば
ない時は、この素子１０ａに印加される磁界は、上記の
第１および第２の磁界そのもの（−Ｈａ、＋Ｈａ）であ
り、また、この素子１０ｂに印加される磁界は、上記の
第３および第４の磁界そのもの（Ｈｂ、−Ｈｃ）であ
る。したがって、素子１０ａの電気抵抗は、低い状態Ｒ
_L1であるので、第１検出素子１４ａで検出される出力
は、Ｖ_L1であり、また、素子１０ｂの電気抵抗は、高い
状態Ｒ_H1であるので、第２検出素子１４ｂで検出される
出力は、Ｖ_H1である。これらのため、加算器１４ｃの出
力は、Ｖ_L1＋Ｖ_H1になる（図６（Ｂ）の領域Ｉ）。

【００４７】また、素子１０ａ、素子１０ｂに外部磁界
Δｈが及んだ時は、素子１０ａに印加される磁界は、第
１の処理では−Ｈａ＋Δｈになり、第２の処理ではＨａ
＋Δｈになり、また、素子１０ｂに印加される磁界は、
第１の処理ではＨｂ＋Δｈになり、第２の処理では−Ｈ
ｃ＋Δｈになる。この外部磁界Δｈの大きさが、第１の
磁界Ｈａに該Δｈが加わると素子１０ａに印加される磁
界を第１の磁化遷移磁界範囲δＨ１内の磁界にするよう
な大きさであるとする。すると、この第２の磁界Ｈａが
印加されたときの素子１０ａの電気抵抗は、この外部磁
界Δｈの影響でＲ_M1になるので、第１検出素子１４ａの
出力はＶ_M1になる。一方、素子１０ｂの抵抗値はＲ_H1の
ままであるので、第２検出素子１４ｂの出力はＶ_H1であ
る。これらのため、加算器１４ｃの出力は、第１の処理
と第２の処理との切り換えごとに、Ｖ_L1＋Ｖ_H1と、Ｖ_M1
＋Ｖ_H1との間で変化する（図６（Ｂ）の領域ＩＩ）。

【００４８】また、素子１０ａ、素子１０ｂに外部磁界
ΔＨが及んだ時は、素子１０ａに印加される磁界は、第
１の処理では−Ｈａ＋ΔＨになり、第２の処理ではＨａ
＋ΔＨになり、また、素子１０ｂに印加される磁界は、
第１の処理ではＨｂ＋ΔＨになり、第２の処理では−Ｈ
ｃ＋ΔＨになる。この外部磁界ΔＨの大きさが、第１の
磁界Ｈａに該ΔＨが加わると素子１０ａに印加される磁
界を第１の磁化遷移磁界範囲δＨ１を越える磁界にする
ような大きさであるとする。すると、この第２の磁界Ｈ
ａが印加されたときの素子１０ａの電気抵抗は、この外
部磁界ΔＨの影響でＲ_H1になるので、第１検出素子１４
ａの出力はＶ_H1になる。一方、素子１０ｂの抵抗値はＲ
_H1のままであるので、第２検出素子１４ｂの出力はＶ_H1
である。これらのため、加算器１４ｃの出力は、第１の
処理と第２の処理との切り換えごとに、Ｖ_L1＋Ｖ_H1と、
Ｖ_H1＋Ｖ_H1（すなわち２Ｖ_H1）との間で変化する（図６
（Ｂ）の領域ＩＩＩ）。

【００４９】また、素子１０ａ、素子１０ｂに外部磁界
−Δｈが及んだ時は、素子１０ａに印加される磁界は、
第１処理では−Ｈａ−Δｈになり、第２処理ではＨａ−
Δｈになり、また、素子１０ｂに印加される磁界は、第
１処理ではＨｂ−Δｈになり、第２処理では−Ｈｃ−Δ
ｈになる。この外部磁界−Δｈの大きさが、第３の磁界
−Ｈｃに該−Δｈが加わると素子１０ｂに印加される磁
界を第２の磁化遷移磁界範囲δＨ２内の磁界にするよう
な大きさであるとする。すると、この第４の磁界−Ｈｃ
が印加されたときの素子１０ｂの電気抵抗は、この外部
磁界−Δｈの影響でＲ_M1になるので、第２検出素子１４
ｂの出力はＶ_M1になる。一方、素子１０ａの抵抗値はＲ
_L1のままであるので、第１検出素子１４ａの出力はＶ_L1
である。これらのため、加算器１４ｃの出力は、第１の
処理と第２の処理との切り換えごとに、Ｖ_L1＋Ｖ_H1と、
Ｖ_L1＋Ｖ_M1との間で変化する（図６（Ｂ）の領域Ｉ
Ｖ）。

【００５０】また、素子１０ａ、素子１０ｂに外部磁界
−ΔＨが及んだ時は、素子１０ａに印加される磁界は、
第１処理では−Ｈａ−ΔＨになり、第２処理ではＨａ−
ΔＨになり、また、素子１０ｂに印加される磁界は、第
１処理ではＨｂ−ΔＨになり、第２処理では−Ｈｃ−Δ
Ｈになる。この外部磁界−ΔＨの大きさが、第３の磁界
−Ｈｃに該−ΔＨが加わると素子１０ｂに印加される磁
界を第２の磁化遷移磁界範囲δＨ２を越える磁界にする
ような大きさであるとする。すると、この第４の磁界−
Ｈｃが印加されたときの素子１０ｂの電気抵抗は、この
外部磁界−ΔＨの影響でＲ_L1になるので、第２検出素子
１４ｂの出力はＶ_L1になる。一方、素子１０ａの抵抗値
はＲ_L1のままであるので、第１検出素子１４ａの出力は
Ｖ_L1である。これらのため、加算器１４ｃの出力は、第
１の処理と第２の処理との切り換えごとに、Ｖ_L1＋Ｖ_H1
と、Ｖ_L1＋Ｖ_L1（すなわち２Ｖ_L1）との間で変化する
（図６（Ｂ）の領域Ｖ）。これら出力変動を観測するこ
とで、外部磁界を検出できる。

【００５１】これらの説明から理解できるように、この
発明の磁界検出方法によれば、第２の磁界Ｈａが、第１
ＧＭＲ素子１０ａに対し、右向きの外部磁界を検出する
ために好適なバイアス磁界として作用する。また、第４
の磁界−Ｈｃが、第２ＧＭＲ素子１０ｂに対し、左向き
の外部磁界を検出するために好適なバイアス磁界として
作用する。そのため、第１のＧＭＲ素子１０ａにより、
ΔｈａやΔＨａ程度に小さな外部磁界であってもそれを
検出でき、また、第２のＧＭＲ素子１０ｂにより、−Δ
ｈａや−ΔＨａ程度に小さな外部磁界であってもそれを
検出できる。例えば、図４（Ｂ）の磁気抵抗特性を持つ
素子の例で具体的に説明すれば、従来方法では、約４０
Ｏｅ以上の強度の外部磁界でないと検出できなかったの
に対し、この発明の場合は、ΔＨａとして約８Ｏｅの外
部磁界を、また、−ΔＨとして約−８Ｏｅの外部磁界
を、それぞれ検出できる。

【００５２】なお、この発明でいう第２の磁界および第
４の磁界は上述したＨａおよび−Ｈｃに限られない。例
えば、図７に示したように、第２の磁界として第１の磁
化遷移磁界範囲δＨ１近傍で、かつ、第１のＧＭＲ素子
１０ａを高抵抗Ｒ_H1の状態にする磁界Ｈｄを用い、第４
の磁界として第２の磁化遷移磁界範囲δＨ２近傍で、か
つ、第２のＧＭＲ素子１０ｂを低抵抗Ｒ_L1の状態にする
磁界−Ｈｅを用いても良い。この場合は、第１のＧＭＲ
素子１０ａが、左向きの外部磁界−Δｈ、−ΔＨを検出
し、第２のＧＭＲ素子１０ｂが、右向きの外部磁界＋Δ
ｈ、＋ΔＨを検出する。

【００５３】また、この発明でいう第２の磁界を、第１
の磁化遷移磁界範囲δＨ１内の磁界とし、第４の磁界
を、第２の磁化遷移磁界範囲δＨ２内の磁界とする場合
があっても良い。

【００５４】また、この実施の形態では、磁界発生手段
１２で発生させる第１〜第４の磁界をパルス波形を示す
交流磁界としたが、これに限らなくてもよい。例えば、
正弦波や三角波などの波形の交流磁界としてもよい。

【００５５】また、第１強磁性体層２２および第２強磁
性体層２６として、例えばＦｅやＮｉやＣｏやこれらの
合金を用いてもよい。さらに、反強磁性体層２８とし
て、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＣｏＯ、アモルフ
ァスＦｅ₂ Ｏ₃ などを用いてもよい。

【００５６】また、上述の実施の形態では外部磁界その
ものを検出する例を説明したが、この発明でいう外部磁
界とは、次のような場合も該当する。例えば、第２の磁
界を印加した素子１０ａおよび第４の磁界を印加した素
子１０ｂに金属が近づいて、第２の磁界および第４の磁
界の強度を変化させた場合のように、素子１０ａ、１０
ｂに印加されている磁界が変化する場合も、外部磁界の
変化に該当する。すなわち、この発明の磁界検出方法
は、金属探知にも応用できる。

【００５７】２．第２の実施の形態 次に、図３を用いて説明した素子１０ａの代わりに、別
の構造のＧＭＲ素子を用いて本発明の方法により磁界を
検出する例を説明する。すなわち、第１および第２の強
磁性体層を保磁力が異なる材料で構成した第２構造のＧ
ＭＲ素子を、第１および第２ＧＭＲ素子として用いる例
を説明する。

【００５８】図８は、第２構造のＧＭＲ素子４１を示す
断面図である。このＧＭＲ素子４１は、基板１８の上に
複数の積層単位４０ｆ、４０ｅ、４０ｄ、４０ｃ、４０
ｂおよび４０ａをこの順序で積層させて具えている（図
８（Ａ））。各積層単位４０ａ〜４０ｆはそれぞれ同じ
構造である。図８（Ｂ）に、積層単位４０ａの構造の一
例を示してある。

【００５９】積層単位４０ａは、順次に積層した第２強
磁性体層４２、非磁性体層４４、第１強磁性体層４６お
よび非磁性体層４８を有する積層構造である。そして、
第１強磁性体層４６の保磁力を第２強磁性体層４２の保
磁力に比べて大きくしてある。第２強磁性体層４２とし
て、１０．０ｎｍの膜厚のＮｉ₃₅Ｆｅ₂₀Ｃｏ₄₅層を用い
ている。また、第１強磁性体層４６として、６．０ｎｍ
の膜厚のＣｏ層を用いている。非磁性体層４４および４
８の各々は、それぞれ２．８ｎｍの膜厚のＣｕ層であ
る。上述した各層はスパッタ法により成膜する。

【００６０】なお、この第２構造のＧＭＲ素子４１は６
層の積層単位を積層させて構成してあるが、この層数に
限らない。また、各積層単位を構成する層の積層順は逆
にしてもよい。

【００６１】この第２構造のＧＭＲ素子４１では、第１
強磁性体層４６の保磁力と第２強磁性体層４２の保磁力
との間に差をもたせてある。従って、第１構造のＧＭＲ
素子１０ａのような反強磁性体層は不要である。すなわ
ち、第１強磁性体層４６の保磁力が比較的大きいので、
この第１強磁性体層４６の磁化の向きは一方向に固定さ
れる。そして、第２強磁性体層４２の保磁力は比較的弱
く設定してあるので、外部磁界に応じて第２強磁性体層
４２の磁化だけが自在に向きを変える。

【００６２】このＧＭＲ素子４１の磁気抵抗特性を、直
流４端子法により測定した結果を、図９（Ａ），（Ｂ）
に示した。これらの図のうち、図９（Ａ）はいわゆるメ
ジャーループを示し、図９（Ｂ）はいわゆるマイナール
ープを示す。いずれの図も、横軸は磁界の強度（Ｏｅ）
であり、縦軸は素子の抵抗値変化率（％）である。ただ
し、抵抗値変化率は、第１および第２の強磁性体層の磁
化方向が同じになっているときの電気抵抗を、基準とし
ている。なお、以下の説明では、保磁力が大である第１
の強磁性体層４６の磁化方向が図９の左向きの磁界であ
るとする。また、図９の横軸においてプラスの領域は右
向きの磁界を示し、マイナスの領域は左向きの磁界を示
す。

【００６３】図９（Ａ）から理解できるように、この素
子４１では、第１および第２の強磁性体の保磁力の違い
に起因する磁気抵抗特性が得られることが分かる。ま
た、図９（Ｂ）は、素子４１に、マイナス方向の１５０
Ｏｅ以上の強度の磁界を印加した後、±６０Ｏｅまでの
低磁界を印加したときの、磁気抵抗特性である。ヒステ
リシス特性を持つ磁気抵抗特性を示すことが分かる。

【００６４】この図９（Ｂ）のような磁気抵抗特性を示
すＧＭＲ素子での、この発明でいう第１の磁化遷移磁界
範囲は、おおよそ＋３３〜＋４７Ｏｅであり、第２の磁
化遷移磁界範囲は、おおよそ−６〜＋１５Ｏｅである。

【００６５】この場合、この発明でいう第１の磁界を例
えば−３０Ｏｅ、第２の磁界を例えば３０Ｏｅ、第３の
磁界を例えば７５Ｏｅ、第４の磁界を例えば１５Ｏｅと
することが出来る。すなわちこの場合は、第３の磁界お
よび第４の磁界として、同じ方向の磁界（非交流磁界）
を使用する。

【００６６】この第２構造の素子４１を用いた場合の磁
界検出動作は、第１の実施の形態の場合と同様であるの
で、その説明を省略する。

【００６７】３．第３の実施の形態 この第１の発明の磁界検出方法の実施に当たり、第１Ｇ
ＭＲ素子および第２ＧＭＲ素子として、以下に説明する
第３構造の素子（図示せず）をそれぞれ用いても良い。

【００６８】この第３構造の素子は、上述の第１構造の
素子１０ａの構成での反強磁性体層、第１の強磁性体
層、非磁性体層および第２の強磁性体層それぞれを、所
定形状に、パターニングした素子である。または、上述
の第２構造の素子１０ｂの構成での第１の強磁性体層、
非磁性体層および第２の強磁性体層それぞれを、所定形
状に、パターニングした素子である。パターニングは、
例えば数１０μｍ程度の四角形状に、行う。また、その
手法として、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエ
ッチング技術を用いる。各磁性体層をパターニングする
と、第２の強磁性体層は単磁区状となり、そうしない場
合に比べて、ヒステリシス特性が四角形状になる。すな
わち、第１および第２の磁化遷移磁界範囲が狭いヒステ
リシス特性、つまり、急激に抵抗変化を示すヒステリシ
ス特性を持つＧＭＲ素子が得られる。

【００６９】図１０は、第１構造の素子１０ａの反強磁
性体層、第１の強磁性体層、非磁性体層および第２の強
磁性体層それぞれを、５０μｍ×３０μｍの長方形状に
加工した場合の素子の、磁気抵抗特性である。ただし、
第１および第２の強磁性体の磁化容易軸の方向が上記の
５０μｍとなるようにパターニングした素子での磁気抵
抗特性である。測定は、いままで同様、直流４端子法で
行った。

【００７０】この図１０と図４（Ｂ）とを、比較するこ
とで理解できるように、各磁性体層をパターニングした
ＧＭＲ素子の方が、ヒステリシス特性が四角状になるこ
とが分かる。然も、ヒステリシス特性は、磁界ゼロを中
心にして対称の特性になる。

【００７１】この図１０のような磁気抵抗特性を示すＧ
ＭＲ素子での、この発明でいう第１の磁化遷移磁界範囲
は、おおよそ＋２２〜＋２３Ｏｅであり、第２の磁化遷
移磁界範囲は、おおよそ−２２〜−２１Ｏｅである。こ
の第３の素子構造の場合、第１および第２の磁化遷移磁
界範囲それぞれが、第１構造の素子１０ａや第２構造の
素子４１に比べて、非常に狭い。

【００７２】次に、第３構造の素子を用いた場合の磁界
検出動作について説明する。この説明を図１１および図
１２（Ａ）、（Ｂ）を参照して行う。図１１は、第１お
よび第２ＧＭＲ素子それぞれの磁気抵抗特性を模式的に
示した図である。また、図１２（Ａ）、（Ｂ）は、この
発明の磁界検出方法を実施した時に抵抗値検出手段で検
出される信号を電圧値として示した図である。

【００７３】図１１の例では、この発明でいう第１の磁
界として第１および第２の強磁性体層の磁化方向を同じ
にできる強度の磁界−Ｈｆを用い、第２の磁界として、
第１の磁化遷移磁界範囲外の、かつ、該範囲の下限より
やや小さな磁界Ｈｇを用いる。また、この発明でいう第
３の磁界として第１および第２の強磁性体層の磁化方向
を逆方向にできる強度の磁界Ｈｆを用い、第４の磁界と
して、第２の磁化遷移磁界範囲外の、かつ、該範囲の上
限よりやや大きな磁界−Ｈｇを用いる。すなわち、第１
の磁界および第３の磁界として、大きさが同じで方向が
逆の磁界をそれぞれ用い、かつ、第２の磁界および第４
の磁界として、大きさが同じで方向が逆の磁界をそれぞ
れ用いる。

【００７４】そして、磁界検出動作時は、これら第１お
よび第２の磁界を、第１ＧＭＲ素子に交互に印加し、か
つ、これら第３および第４の磁界を、第２ＧＭＲ素子
に、前記第１および第２の磁界の印加タイミングに同期
させて、印加する。

【００７５】この磁界検出動作での、外部磁界が素子に
及ばない場合と、及んだ場合それぞれの動作原理は、第
１の実施の形態の場合と同様である。以下、簡単に説明
する。

【００７６】第１および第２ＧＭＲ素子に外部磁界が及
ばない場合は、第１ＧＭＲ素子の抵抗値は低い状態Ｒ_L3
であり、第２ＧＭＲ素子の抵抗値は高い状態Ｒ_H3であ
る。したがって、抵抗値検出手段１４（図１）から出力
される電圧は、Ｖ_L3＋Ｖ_H3である（図１２（Ｂ）の領域
Ｉ）。

【００７７】第１および第２ＧＭＲ素子に右向きの外部
磁界＋Δｈが及ぶと、第１ＧＭＲ素子には、第１の処理
時に−Ｈｆ＋Δｈ、第２の処理時にＨｇ＋Δｈの磁界が
それぞれ印加され、第２ＧＭＲ素子には、第１の処理時
にＨｆ＋Δｈ、第２の処理時に−Ｈｇ＋Δｈの磁界がそ
れぞれ印加される。このため、第１ＧＭＲ素子のみが、
第１および第２の磁界の交互印加に応じて、低抵抗状態
と高抵抗状態との間で変化し、第２ＧＭＲ素子は高抵抗
状態のままである。したがって、抵抗値検出手段１４
（図１）から出力される電圧は、Ｖ_L3＋Ｖ_H3と２Ｖ_H3と
の間で変化する（図１２（Ｂ）の領域ＩＩ）。

【００７８】第１および第２ＧＭＲ素子に左向きの外部
磁界−Δｈが及ぶと、第１ＧＭＲ素子には、第１の処理
時に−Ｈｆ−Δｈ、第２の処理時にＨｇ−Δｈの磁界が
それぞれ印加され、第２ＧＭＲ素子には、第１の処理時
にＨｆ−Δｈ、第２の処理時に−Ｈｇ−Δｈの磁界がそ
れぞれ印加される。このため第２ＧＭＲ素子のみが、第
１および第２の磁界の交互印加に応じて、高抵抗状態と
低抵抗状態との間で変化し、第１ＧＭＲ素子は低抵抗状
態のままである。したがって、抵抗値検出手段１４（図
１）から出力される電圧は、Ｖ_H3とＶ_L3との間で変化す
る（図１２（Ｂ）の領域ＩＩＩ）。

【００７９】この第３構造の素子の場合は、図１０の磁
気抵抗特性を持つ素子の例でいえば、外部磁界＋Δｈが
３Ｏｅ程度、外部磁界−Δｈが−３Ｏｅ程度でも、それ
らを検出できる。

【００８０】また、この第３構造の素子の場合、上記の
ように四角形状のヒステリシス特性を持つため、抵抗値
検出時のノイズを低減することができる。そのため、磁
界検出を、高いＳ／Ｎ比で行うことができる。また、第
３構造は、第１の磁界と第３の磁界とを大きさが同じで
逆向きの磁界にし、および、第２の磁界と第４の磁界と
を大きさが同じで逆向きの磁界にし易い構造といえる。
したがって、磁界発生手段の構成を簡易にできる。

【００８１】ただし、第３構造の素子では、上述のよう
なヒステリシス特性であるため、磁化遷移磁界範囲内の
強度の磁界を素子に印加するのが難しい。そのため、磁
化遷移磁界範囲内の磁界に起因する抵抗値、すなわち、
素子の抵抗値として、Ｒ_L3とＲ_H3との中間値を利用した
磁界検出を行いにくい。したがって、外部磁界の大きさ
を定量的に評価するのは困難である。

【００８２】４．第４の実施の形態 上述の各実施の形態では、第１の磁界〜第４の磁界は、
ＧＭＲ素子に近接させた別途の磁界発生手段から印加さ
れていた。しかし、ＧＭＲ素子上に磁界発生のための電
流が流される電流層（バイアス電流層ともいう。）を形
成し、該バイアス電流層に、前記の第１〜第４の磁界を
生じさせる電流を電流源から供給する構成としても良
い。この第４の実施の形態はその例である。

【００８３】図１３は、この第４の実施の形態の実施に
好適な磁界検出システム（第２の磁界検出システム）５
２の構成を示す平面図である。また、図１４は、第４構
造のＧＭＲ素子５０ａすなわちバイアス電流層５４ａを
具えたＧＭＲ素子５０ａの構造を示す断面図である。図
１４は、図１３に示すＪ−Ｊ線の位置の切り口の断面を
示す図である。

【００８４】この第２の磁界検出システム５２では、磁
界発生手段１２を、第１ＧＭＲ素子５０ａに設けたバイ
アス電流層５４ａと、第２ＧＭＲ素子５０ｂに設けたバ
イアス電流層５４ｂと、交流電源１２ｃとで構成する。
各素子５０ａ、５０ｂのバイアス電流層５４ａ、５４ｂ
は、所定の交流電流を流すことにより、この発明でいう
第１の磁界〜第４の磁界を発生させる膜体である。この
バイアス電流層５４ａ、５４ｂは、例えば１．０μｍの
膜厚のＣｕ層である。

【００８５】第１および第２ＧＭＲ素子５０ａ、５０ｂ
は、ここでは、同様の構造としてある。すなわち、図１
４に示すように、ＧＭＲ素子５０ａは、基板１８の上に
反強磁性体層２８、第１強磁性体層２２、非磁性体層２
４および第２強磁性体層２６を順次に積層させて具えて
いる。また、ＧＭＲ素子５０ａは、第２強磁性体層２６
の上に絶縁体層６０を具えている。そして、この絶縁体
層６０の上にバイアス電流層５４ａが設けられている。
従って、バイアス電流層５４ａとＧＭＲ素子５０ａとは
絶縁体層６０によって絶縁分離されている。

【００８６】また、ＧＭＲ素子５０ａは、反強磁性体層
２８、第１強磁性体層２２、非磁性体層２４および第２
強磁性体層２６の各々の側面に接触させて抵抗検出用電
極５８を具えている。この抵抗検出用電極５８は、導線
によって抵抗値検出手段１４に結合されている。この抵
抗検出用電極５８とバイアス電流層５４ａとは、非接触
の状態となるように設計してある。

【００８７】反強磁性体層２８、第１強磁性体層２２、
非磁性体層２４および第２強磁性体層２６の積層構造
は、第１構造のＧＭＲ素子１０ａと同一の構造である。
絶縁体層６０は、１．０μｍの膜厚のＳｉＯ₂ 層であ
る。このＳｉＯ₂ 層は、スパッタ法により第２強磁性体
層２６の上面に成膜される。そして、フォトリソグラフ
ィ技術を用いてパタン形成することにより、所定形状の
絶縁体層６０を完成させている。絶縁体層６０は、直方
体形状の膜体である。絶縁体層６０は、下側の積層構造
に比べてＪ−Ｊ線に沿う方向のサイズが小さく形成され
ている。

【００８８】上述の抵抗値検出用電極５８は、例えば、
Ｃｕ層をスパッタ法により成膜して形成する。このＣｕ
層の膜厚は１．０μｍである。

【００８９】また、各層は、逆の順に積層させてもよ
い。すなわち、基板１８の上にバイアス電流層５４ａ、
絶縁体層６０、第２強磁性体層２６、非磁性体層２４、
第１強磁性体層２２および反強磁性体層２８をこの順序
で積層させる。

【００９０】この第４構造のＧＭＲ素子５０ａの磁気抵
抗特性は、第１構造のＧＭＲ素子１０ａの磁気抵抗特性
（図４）と同じであるから説明を省略する。

【００９１】上述のバイアス電流層５４ａには、図１４
の矢印で示される方向に沿ってバイアス電流６２が流れ
る。従って、バイアス電流層５４ａの周囲に磁界が発生
する。この磁界は、第１強磁性体層２２の磁化の方向に
沿って印加される。この磁界がこの発明でいう第１の磁
界および第２の磁界（第２ＧＭＲ素子５０ｂについては
第３の磁界および第４の磁界）となるように、バイアス
電流層５４ａに流す電流を制御する。こうすることで、
この発明の磁界検出方法を実施できる。磁界検出の原理
は第１の実施の形態で説明した原理と同様であるので、
その説明は省略する。

【００９２】この第４の実施の形態の場合、第１の実施
の形態で必要であったソレノイドコイルを不要にできる
ので、磁界検出システムの小型化を図りつつ本発明の磁
界検出方法を実施できる。

【００９３】なお、バイアス電流層をＧＭＲ素子に設け
るという思想は、第２の実施の形態で用いた第２構造の
素子や、第３の実施の形態で用いた第３構造の素子にも
もちろん適用できる。

【００９４】５．第５の実施の形態 この発明の磁界検出方法は、第１および第２ＧＭＲ素子
それぞれとして以下に説明する第５構造のＧＭＲ素子６
８を用いる場合にも適用できる。

【００９５】図１５は、第５構造のＧＭＲ素子６８を示
す断面図である。このＧＭＲ素子６８は、基板１８の上
に第２強磁性体層２６、非磁性体層２４および第１強磁
性体層２２を順次に積層させて具えている。そして、こ
の第１強磁性体層２２の上に絶縁性の反強磁性体層６６
が設けられている。さらに、この絶縁性の反強磁性体層
６６の上にバイアス電流層５４ａを具えている。また、
第２強磁性体層２６、非磁性体層２４および第１強磁性
体層２２の側面に接触させて抵抗検出用電極５８を具え
ている。

【００９６】このように、この第５構造のＧＭＲ素子６
８は、反強磁性体層（例えば第４構造の反強磁性体層２
８）と絶縁体層（例えば第４構造の絶縁体層６０）とを
共通の膜体として構成している。従って、絶縁性の反強
磁性体層６６は、交換バイアス磁界により第１強磁性体
層２２の磁化の向きを固定する。また、絶縁性の反強磁
性体層６６は、バイアス電流層５４ａと第１強磁性体層
２２との間を絶縁分離させる。

【００９７】よって、この構成は、例えば第４構造のＧ
ＭＲ素子５０ａに比べると層数を少なくできるから、作
製が容易である。絶縁性の反強磁性体層６６として、Ｃ
ｏＯやアモルファスＦｅ₂ Ｏ₃ などを用いるのが好適で
ある。

【００９８】なお、この第５構造の素子であって、第３
の実施の形態で説明したように、各磁性体層を所定形状
にパターニングした素子に対しても、この発明の磁界検
出方法は適用できる。

【００９９】６．第６の実施の形態 上述した第４の実施の形態では、第１および第２ＧＭＲ
素子を基板１８上に平面的に配置する例であった。その
ため、第１および第２ＧＭＲ素子を形成するための領域
が広く必要になる。ＧＭＲ素子形成面積を縮小するため
に、第１ＧＭＲ素子および第２ＧＭＲ素子を、これら素
子にバイアス磁界を印加するための電流を流す電流層を
介在させて積層させるのが良い。この第６の実施の形態
は、その例である。

【０１００】図１６は第１および第２ＧＭＲ素子７４
ａ、７４ｂをバイアス電流層５４を介在させて積層した
素子、すなわち第６構造のＧＭＲ素子の断面図、図１７
はこの第６構造の素子を用いた磁界検出システム（第３
の磁界検出システム）７０の説明図である。図１６は、
図１７のｋ−ｋ線に沿ってＧＭＲ素子を切った断面図あ
る。

【０１０１】この場合の第６構造のＧＭＲ素子は、図１
４を参照して説明した第４構造のＧＭＲ素子上に、もう
１つの第４構造のＧＭＲ素子を逆さ状態に積層した構造
に相当する構造となっている。ただし、バイアス電流層
は、両素子で共用している。

【０１０２】この第６の実施の形態では、磁界発生手段
１２は、第１および第２ＧＭＲ素子７４ａ、７４ｂで共
用されるバイアス電流層５４と、交流電源１２ｃとで構
成してある。

【０１０３】この第６構造の素子では、第１および第２
ＧＭＲ素子７４ａ、７４ｂを、バイアス電流層５４を介
在させて積層してあるので、バイアス電流層５４に電流
を流すと、第１および第２ＧＭＲ素子に逆向きの磁界を
印加できる。したがって、この発明の磁界検出方法を実
施できる。しかも、第１および第２ＧＭＲ素子を積層し
てあるので、第１および第２のＧＭＲ素子をほぼ１個分
の面積で形成できるので、磁気検出システムの小型化を
図りつつ、この発明の磁界検出方法を実施できる。

【０１０４】なお、この実施の形態では、第４構造のＧ
ＭＲ素子をバイアス電流層を介在させて積層する例を説
明した。しかし、第１および第２ＧＭＲ素子をバイアス
電流層を介在させて積層するという思想は、第１〜第３
構造のＧＭＲ素子、第５構造のＧＭＲ素子を任意に組み
合わせて積層する場合にも適用できる。

【０１０５】

【発明の効果】この出願の磁界検出方法の発明によれ
ば、第１および第２ＧＭＲ素子を近接させて配置してお
き、この第１ＧＭＲ素子に所定の第１の磁界を印加し、
かつ、この第２ＧＭＲ素子に所定の第３の磁界を印加す
る第１の処理と、この第１ＧＭＲ素子に所定の第２の磁
界を印加し、かつ、この第２ＧＭＲ素子に所定の第４の
磁界を印加する第２の処理とを交互に実施しながら、こ
れら第１および第２の素子それぞれの抵抗値を監視し
て、これら第１および第２の素子に及ぶ外部磁界を検出
する。

【０１０６】上記の第１の処理は、第１の素子および第
２の素子それぞれをリセット状態にする役目をもつ。一
方の第２の処理は、第１の素子を第２の磁界の分だけ活
性な状態にして、該第１の素子の電気抵抗を小さな外部
磁界で変動させる役目をもち、第２の素子を第４の磁界
の分だけ活性な状態にして、該第２の素子の電気抵抗を
小さな外部磁界で変動させる役目をもつ。従って、第２
の処理を行なった時に外部磁界が素子に及ぶと、この外
部磁界が小さな磁界であっても素子では電気抵抗の変化
が生じる。したがって、従来より高い感度で外部磁界を
検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の磁界検出システムの説明図である。

【図２】抵抗値検出手段の構成例を示した図である。

【図３】ＧＭＲ素子の第１構造を示す図である。

【図４】第１構造の素子の特性例を示した図である。

【図５】第１の実施の形態での磁界検出動作の説明図で
あり、第１〜第４の磁界例の説明図である。

【図６】第１の実施の形態での外部磁界と検出出力との
関係を説明する図である。

【図７】磁界検出動作の他の例の説明図である。

【図８】ＧＭＲ素子の第２構造を示す図である。

【図９】第２構造の素子の特性例を示した図である。

【図１０】第３構造の素子の特性例を示した図である。

【図１１】第３の実施の形態での磁界検出動作の説明図
である。

【図１２】第３の実施の形態での検出出力の説明図であ
る。

【図１３】第２の磁界検出システムの説明図である。

【図１４】ＧＭＲ素子の第４構造を示す図である。

【図１５】ＧＭＲ素子の第５構造を示す図である。

【図１６】ＧＭＲ素子の第６構造を示す図である。

【図１７】第３の磁界検出システムの説明図である。

【図１８】課題の説明図である。

【符号の説明】

−Ｈａ：第１の磁界 Ｈａ：第２の磁界 δＨ１：第１の磁化遷移磁界範囲 δＨ２：第２の磁化遷移磁界範囲 Ｈｂ：第３の磁界 −Ｈｃ：第４の磁界 １０：磁界検出システム １０ａ：第１ＧＭＲ素子 １０ｂ：第２ＧＭＲ素子 １２：磁界発生手段 １４：抵抗値検出手段 １４ａ：第１検出素子 １４ｂ：第２検出素子 １４ｃ：加算器 １６：磁界判定手段 １８：基板 ２２：第１強磁性体層 ２４：非磁性体層 ２６：第２強磁性体層 ２８：反強磁性体層 ４１：ＧＭＲ素子 ４０ａ〜４０ｆ：積層単位 ４２：第２強磁性体層 ４４、４８：非磁性体層 ４６：第１強磁性体層 ５０ａ：第１ＧＭＲ素子 ５０ｂ：第２ＧＭＲ素子 ５２：磁界検出システム ５４、５４ａ、５４ｂ：バイアス電流層 ５８：抵抗値検出用電極 ６０：絶縁体層 ６２：バイアス電流 ６６：絶縁性の反強磁性体層 ６８：ＧＭＲ素子 ７０：磁界検出システム ７４ａ：第１ＧＭＲ素子 ７４ｂ：第２ＧＭＲ素子

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁化方向が一方向に固定されている第１
   の強磁性体層と、印加される磁界に応じて磁化方向が変
   化する第２の強磁性体層とを含み、これら第１および第
   ２の強磁性体層の磁化方向の相対的な角度に応じて異な
   る電気抵抗値を示す第１の巨大磁気抵抗効果素子と、 磁化方向が一方向に固定されている第１の強磁性体層
   と、印加される磁界に応じて磁化方向が変化する第２の
   強磁性体層とを含み、これら第１および第２の強磁性体
   層の磁化方向の相対的な角度に応じて異なる電気抵抗値
   を示す第２の巨大磁気抵抗効果素子とを、近接させて配
   置しておき、 前記第１の素子に、該第１の素子の第２の強磁性体層の
   磁化方向を第１の強磁性体層の磁化方向と同じ方向にす
   る第１の磁界を印加し、かつ、前記第２の素子に、該第
   ２の素子の第２の強磁性体層の磁化方向を第１の強磁性
   体層の磁化方向と逆の方向にする第３の磁界を印加する
   第１の処理と、 前記第１の素子に、該第１の素子の第１の強磁性体層の
   磁化方向と同じ方向に磁化されている前記第２の強磁性
   体層の磁化方向を変化させ始める磁界から前記第１の強
   磁性体層の磁化方向と逆の方向にさせるまでの磁界の範
   囲（第１の磁化遷移磁界範囲）および該範囲前後の近傍
   の磁界範囲から選ばれる第２の磁界を印加し、かつ、前
   記第２の素子に、該第１の強磁性体層の磁化方向と逆の
   方向に磁化されている前記第２の強磁性体層の磁化方向
   を変化させ始める磁界から前記第１の強磁性体層の磁化
   方向と同じ方向にさせるまでの磁界の範囲（第２の磁化
   遷移磁界範囲）および該範囲前後の近傍の磁界範囲から
   選ばれる第４の磁界を印加する第２の処理とを、 交互に実施しながら、前記第１および第２の素子それぞ
   れの抵抗値を監視して、 前記第１および第２の素子に及ぶ外部磁界を検出するこ
   とを特徴とする磁界検出方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の磁界検出方法におい
   て、 前記第２の磁界を、前記第１の磁化遷移磁界範囲近傍の
   前記磁界範囲から選ばれる磁界とし、かつ、前記第４の
   磁界を、前記第２の磁化遷移磁界範囲近傍の前記磁界範
   囲から選ばれる磁界であって前記第２の素子を前記第１
   の素子の磁化状態に対して逆の磁化状態にする磁界とす
   ることを特徴とする磁界検出方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の磁界検出方法におい
   て、 前記第１および第２の素子それぞれとして、前記第１お
   よび第２の強磁性体層が所定形状にパタ−ニングされ、
   前記第２の強磁性体層が単磁区状の磁気特性を示す素子
   を用いることを特徴とする磁界検出方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の磁界検出方法におい
   て、 前記第１の素子として、前記第１および第２の磁界を発
   生させるための電流が流される電流層を素子内に具えた
   素子を用い、かつ、前記第２の素子として、前記第３お
   よび第４の磁界を発生させるための電流が流される電流
   層を素子内に具えた素子を用いることを特徴とする磁界
   検出方法。
5. 【請求項５】 請求項１または３に記載の磁界検出方法
   において、 前記第１の磁界および前記第３の磁界として、大きさが
   同じで方向が逆の磁界をそれぞれ用い、かつ、 前記第２の磁界および前記第４の磁界として、大きさが
   同じで方向が逆の磁界をそれぞれ用いることを特徴とす
   る磁界検出方法。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の磁界検出方法におい
   て、 前記抵抗値の監視は、前記第１の素子および第２の素子
   それぞれの抵抗値に応じた電気信号を加算した信号を監
   視することにより行なうことを特徴とする磁界検出方
   法。
7. 【請求項７】 互いに近接させた請求項１に記載の第１
   および第２の巨大磁気抵抗効果素子と、 前記第１の素子に請求項１に記載の第１の磁界および第
   ２の磁界を交互に印加し、かつ、前記第１および第２の
   磁界を印加するタイミングに同期させて、前記第２の素
   子に、請求項１に記載の第３の磁界および第４の磁界を
   交互に印加する磁界発生手段と、 前記第１の素子の抵抗値および第２の素子の抵抗値に応
   じた電気信号を検出しそれら電気信号を加算して出力す
   る抵抗値検出手段と、 少なくとも前記第２の処理を実施する時の前記抵抗値検
   出手段の出力を監視し該出力に基づいて外部磁界の有無
   を判定する磁界判定手段とを具えたことを特徴とする磁
   界検出システム。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の磁界検出システムにお
   いて、 前記第１および第２の巨大磁気抵抗効果素子それぞれと
   して、前記第１および第２の強磁性体層が所定形状にパ
   タ−ニングされ、前記第２の強磁性体層が単磁区状の磁
   気特性を示す素子を具えたことを特徴とする磁界検出シ
   ステム。
9. 【請求項９】 請求項７に記載の磁界検出システムにお
   いて、 前記磁界発生手段を、 前記第１の素子上に形成された磁界発生のための電流が
   流される電流層と、 前記第１の磁界および第２の磁界を生じさせる電流を前
   記電流層に供給する電流源と、 前記第２の素子上に形成された磁界発生のための電流が
   流される電流層と、 前記第３の磁界および第４の磁界を生じさせる電流を前
   記第２の素子上の前記電流層に供給する電流源とで構成
   したことを特徴とする磁界検出システム。
10. 【請求項１０】 磁化方向が一方向に固定されている第
    １の強磁性体層と、印加される磁界に応じて磁化方向が
    変化する第２の強磁性体層とを含み、これら第１および
    第２の強磁性体層の磁化方向の相対的な角度に応じて異
    なる抵抗値を示す第１の巨大磁気抵抗効果素子と、磁化
    方向が一方向に固定されている第１の強磁性体層と、印
    加される磁界に応じて磁化方向が変化する第２の強磁性
    体層とを含み、これら第１および第２の強磁性体層の磁
    化方向の相対的な角度に応じて異なる抵抗値を示す第２
    の巨大磁気抵抗効果素子とを、近接させて配置した構成
    の磁界検出素子において、 前記第１の素子および第２の素子を、これら素子にバイ
    アス磁界を印加するための電流を流す電流層を介在させ
    て積層してあることを特徴とする磁界検出素子。