JP2005326373A - 磁気検出素子及びこれを用いた磁気検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】構成が簡単で精度の高い磁気検出器を提供すること。
【解決手段】反強磁性層と磁性層とを、前記反強磁性層と磁性層の長手方向に対して４５度の方向の磁場中で積層して磁性薄膜コアを形成する。このように形成した磁性薄膜コアでは、反強磁性層によって磁性層に誘起される交換結合磁界によって、前記磁性層は、所定方向に磁化されてバイアス磁界を与えたと同様の作用をうける。２つの磁性薄膜コアを１つの基板上に同一工程で形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部磁界により検出導体のインピーダンスが変化する磁気インピーダンス効果を利用して磁気及び磁界を検出する磁気検出素子に関し、特に地磁気などの磁界の方向を検出することができる磁気検出器に関する。

地磁気を検出するために磁気インピーダンス効果を利用する磁気検出器（以下、磁気センサという）が従来から開発されている。
例えば、磁気インピーダンス効果を利用して地磁気の方位を検出できる磁気センサの従来技術が特開平８−１８４６５７号公報に示されている。

図５は前記従来技術の磁気センサ５０の側面図及び付属する回路のブロック図である。図５に示すように、この磁気センサ５０は、励磁コイル５２が巻回された細長い磁性体５４を有し、前記励磁コイル５２に高周波電源５３から高周波電流を供給する。本従来技術においては磁気インピーダンス特性における動作点を、所望の点に設定するために、高周波電源５３に直流電源５９を直列に接続して磁気センサ５０に直流バイアス磁界を与えている。前記励磁コイル５２の両端子間には、励磁コイル５２のインピーダンスを検出する検出部５６が接続されている。

図５に示す磁気センサ５０を２つ、図６に示すように基板６１上に直交させて配置し、地磁気センサ６０を構成する。地磁気センサ６０のそれぞれの磁気センサを５０ａ、５０ｂとする。図６では、磁気センサ５０ａ、５０ｂのそれぞれの高周波電源５３及び検出部５６は図示を省略している。地磁気センサ６０を地表面に平行にして１回転させると、磁気センサ５０ａ、５０ｂのインピーダンスはそれぞれ図７に示す波形５８ａ及び５８ｂのように変化する。波形５８ａ、５８ｂは、位相差が９０度の正弦波である。波形５８ａ、５８ｂで示されるそれぞれのインピーダンス値から地磁気の方向が判る。
特開平８−１８４６５７号公報

前記従来の地磁気センサ６０では、２つの磁気センサ５０ａ、５０ｂが正確に９０度の角度差（直交）で配置されていない場合、方位の検出値に誤差が生じる。２つの磁気センサ５０ａ、５０ｂを高精度で直交させるためには組立て工程に多大な手数を要するため、量産に適さず、地磁気センサ６０のコスト低減が難しかった。また従来の磁気インピーダンス素子では、直流バイアス磁界を与えるために直流電源や永久磁石を必要とする。そのため構成が複雑となり、その分コストが高くなるとともに、磁気検出素子の小型化に対する制約要因となっていた。
本発明は組立て工程に手数を要することなく２つの磁気センサが正確に直交した磁気検出素子を提供することを目的とする。

本発明の磁気検出素子は、所定の方向の磁場中において、少なくとも１つの反強磁性層と少なくとも１つの磁性層とを非磁性基板の上に積層して形成した一方向に長い第１の磁性薄膜コア、前記第１の磁性薄膜コアの長手方向に直交する長手方向を有し、前記所定の方向の磁場中において、少なくとも１つの反強磁性層と少なくとも１つの磁性層とを前記の非磁性基板上に積層して形成した一方向に長い第２の磁性薄膜コア、及び、前記第１の磁性薄膜コアに巻回した第１の導体層、及び前記第２の磁性薄膜コアに巻回した第２の導体層を有する。
本発明によれば、磁性層と反強磁性層とを所定の方向の磁界中で交互に積層することにより、反強磁性層による交換結合磁界により、磁性層は実質的に前記所定方向に磁化される。その結果反強磁性層と磁性層の積層体である前記第１及び第２の磁性薄膜コアは、前記所定方向の磁気バイアスを与えられたと同様の状態になる。従って本発明の磁気性薄膜コアによる磁気インピーダンス素子では、永久磁石や導体に直流電流を流すなどの手段により外部からバイアス磁界を印加する必要はない。
また第１及び第２の磁性薄膜コアを同一基板上に同一工程で形成するので、両者の位置関係を正確に所望の関係（直交）に保つことができる。

本発明の磁気検出器は、所定の方向の磁場中において、少なくとも１つの反強磁性層と、少なくとも１つの磁性層とを非磁性基板の上に交互に積層して形成した一方向に長い第１の磁性薄膜コア、前記第１の磁性薄膜コアの長手方向に直交する長手方向を有し、前記所定の方向の磁場中において、少なくとも１つの反強磁性層と、少なくとも１つの磁性層とを前記の非磁性基板上に交互に積層して形成した一方向に長い第２の磁性薄膜コア、及び、前記第１の磁性薄膜コアに巻回した第１の導体層、前記第２の磁性薄膜コアに巻回した第２の導体層、前記第１の導体層に接続されて高周波電流を流す高周波電源、前記第１の導体層に接続されて、前記第１の導体層のインピーダンスを検出する検出部、前記第２の導体層に接続されて高周波電流を流す高周波電源、及び前記第２の導体層に接続されて、前記第２の導体層のインピーダンスを検出する検出部を有する。
本発明によれば、磁性層と反強磁性層とを所定の方向の磁界中で交互に積層することにより、反強磁性層による交換結合磁界により、磁性層は実質的に前記所定方向に磁化される。その結果反強磁性層と磁性層の積層体である前記第１及び第２の磁性薄膜コアは、前記所定方向の磁気バイアスを与えられたと同様の状態になる。従って本発明の磁気性薄膜コアによる磁気インピーダンス素子では、永久磁石や導体に直流電流を流すなどの手段により外部からバイアス磁界を印加する必要はない。
また第１及び第２の磁性薄膜コアを同一基板上に同一工程で形成するので、両者の位置関係を正確に所望の関係（直交）に保つことができる。
さらに、本発明の磁気検出器では、前記第１及び第２の導体層の、外部磁界によるそれぞれのインピーダンス変化の逆正接演算を行うことにより、地磁気などの外部磁界の方向を検出できる。

本発明によれば、２つの検出素子を１つの基板上に同一工程でパターン形成するので、２つの検出素子の位置関係を高精度に保つことができる。本発明の磁気検出素子では、反強磁性層によって磁性層に交換結合磁界を与えることにより、磁性層はバイアス磁界が印加されたと同様の状態になる。従ってバイアス磁界印加用の永久磁石や直流電源等を必要としないので安価になるとともに小型化が可能になる。外部磁界の変化に対するインピーダンス変化が最も急峻なインピーダンス特性を有する範囲に動作点を設定するために、交換結合磁界によるバイアス磁界に加えて、導体層に直流電流を流して直流磁界を重畳してもよい。この場合の直流バイアス電流値は、直流電流のみでバイアス磁界を与える場合に比べると小さな値でよい。また、反強磁性層による交換結合磁界により磁性層の磁区構造が安定になるという効果もあるため本発明の磁気検出素子では安定した磁気インピーダンス特性が得られる。

以下、本発明の磁気検出器の好適な実施例を図１から図４を参照して説明する。
図１は本発明の実施例の磁界検出器１の平面図である。図において、ガラスなどからなる非磁性の基板５上に形成された矩形の磁性薄膜コア１１ａ、１１ｂにそれぞれの導体層１２ａ、１２ｂが巻回されている。矩形の磁性薄膜コア１１ａ、１１ｂは、それぞれの長手方向（２２ａ、２２ｂ）が互いに直交するように配置されている。磁性薄膜コア１１ａ、１１ｂとそれぞれの導体層１２ａ、１２ｂとの間は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２ ）の絶縁層（図は省略）によって電気的に絶縁されている。導体層１２ａの両端子１９ａ、２０ａ間には、高周波電源６ａと検出部７ａが並列に接続されている。また導体層１２ｂの両端子１９ｂ、２０ｂ間には高周波電源６ｂ及び検出部７ｂが並列に接続されている。高周波電源６ａ、６ｂ及び検出部７ａ、７ｂは、通常基板５の外部に設けられているが、図１に示すように基板５上に設けてもよい。基板５の上に磁性薄膜コア１１ａ、１１ｂ及び導体層１２ａ、１２ｂを形成したものを「磁気検出素子」という。磁気検出素子に高周波電源６ａ、６ｂ及び検出部７ａ、７ｂを接続したものを「磁気検出器」という。

磁性薄膜コア１１ａ、１１ｂは、長手方向の長さが例えば１５００μｍ、幅が５０μｍの帯状の形状を有し、フォトレジスト法などによりにパターン形成されている。
図２は、図１に示す磁性薄膜コア１１ａのII−II断面図である。図２では磁性コア１１ａの断面を示すが、磁性薄膜コア１１ａと１１ｂは同じ構成を有するので、断面も同じである。磁性薄膜コア１１ａ、１１ｂはＮｉＦｅなどの軟磁性体からなる磁性層１５と、Ｆｅ−Ｍｎなどの反強磁性体からなる反強磁性層１４が基板５の上に交互に積層されている。本実施例では、例えば厚さ０．３μｍの５つの磁性層１５と、厚さ２００Aの５つの反強磁性層１４が交互に積層されている。導体層１２ａ、１２ｂはＣｕからなり、例えば膜厚１μｍ、幅２０μｍの導体層が４０回巻回されている。図１では図を見易くするため巻回数は１０回となっている。

ＮｉＦｅなどからなる磁性層１５、およびＦｅ−Ｍｎなどからなる反強磁性層１４は、スパッタ法、真空蒸着法などの成膜方法で形成される。
図１及び図２を参照して磁気検出素子の製造法を説明する。まず基板５の表面に点線で示すように、導体層１２ａ、１２ｂの導体層半体１２ｃ、１２ｄを銅のスパッタリング又は銅の真空蒸着によって形成する。次に基板５及び導体層半体１２ｃ、１２ｄの上に、図２に示すように５つの磁性層１５と５つの反強磁性層１４を交互にスパッタリング又は真空蒸着によって成膜する。反強磁性層１４及び磁性層１５の成膜中には、図１に矢印１３ａで示す方向（矢印１３ｂも矢印１３ａと同じ方向を示す）に１００Ｏｅの磁界を印加する。矢印１３ａの方向は、磁性薄膜コア１１ａの長手方向２２ａに対して時計回りに４５°の方向である。また、矢印１３ｂの方向は、磁性薄膜コア１１ｂの長手方向２２ｂに対して反時計回りに４５°の方向である。上記のように磁界中で形成された磁性薄膜コア１１ａ、１１ｂにおいて、磁性薄膜コア１１ａの磁性層１５の磁化容易軸の方向は、矢印１３ａの方向となり、磁性薄膜コア１１ｂの磁性層１５の磁化容易軸の方向は矢印１３ｂの方向になる。また反強磁性層１４によって磁性層１５に交換結合磁界が誘起され、その方向は、磁性薄膜コア１１ａでは矢印１３ａの方向であり、磁性薄膜コア１１ｂでは矢印１３ｂの方向である。これにより、磁性薄膜コア１１ａの磁化方向は概ね矢印１３ａの方向となり、磁性薄膜コア１１ｂの磁化方向は概ね矢印１３ｂの方向になる。

図１に示す磁気検出器１に、磁性薄膜コア１１ｂの長手方向２２ｂに対して反時計回りに角度θの方向でかつ強さがＨの外部磁界Ｈｅｘが印加されるときの動作を図３を参照して説明する。図において、磁性薄膜コア１１ａには、Ｈａ＝Ｈｓｉｎθで表される強さの磁界が印加される。また磁性薄膜コア１１ｂには、Ｈｂ＝Ｈｃｏｓθで表される強さの磁界が印加される。前記のように、磁性薄膜コア１１ａ、１１ｂは、それぞれ矢印１３ａ、１３ｂの方向に磁化されているので、磁性薄膜コア１１ａ、１１ｂはあたかも矢印１３ａ、１３ｂの方向にバイアス磁界が与えられている状態になる。

図４を用いて前記のバイアス磁界について説明する。図４の（ａ）は、図１に示す導体層１２ａに高周波電源６ａから高周波電流を流して、導体層１２ａのインピーダンスを検出部７ａで検出した、外部磁界Ｈｅｘ（横軸）の強さＨとインピーダンスＺ（縦軸）の大きさとの関係を実測で求めたグラフである。同様にして図４の（ｂ）は、外部磁界Ｈｅｘの強さＨと、導層体１２ｂのインピーダンスＺの大きさとの関係を実測で求めたグラフである。

本実施例では、図１に示すように、反強磁性層１４によって磁性層１５に矢印１３ａの方向の交換結合磁界を与えることにより、図４の（ａ）に示すように、磁性薄膜コア１１ａと導体層１２ａにおける、外部磁界Ｈｅｘの強さとインピーダンスＺとの関係を表す曲線Ｃａが、負方向（外部磁界Ｈｅｘの方向とは逆方向）にずれる。このことは磁性薄膜コア１１ａに正方向のバイアス磁界が印加されていることを示している。
同様にして、図４の（ｂ）に示すように、磁性薄膜コア１１ｂ及び導体層１３ｂにおいて、外部磁界Ｈｅｘの強さとインピーダンスＺとの関係を表す曲線Ｃｂが、正方向にずれる。このことは、磁性薄膜コア１１ｂに正方向のバイアス磁界が印加されていることを示している。

図４の（ａ）において、磁性薄膜コア１１ａに印加される磁界の強さＨａは図３に示すように、Ｈｓｉｎθである（Ｈａ＝Ｈｓｉｎθ）。このときのインピーダンスＺはＺａである。インピーダンスＺａは検出部７ａで検出される。検出部７ａの出力のインピーダンスＺａのデータは方位検出演算部３０に入力され、内部のメモリに記録されている外部磁界Ｈｅｘが零のときのインピーダンスＺｏとの比較によりインピーダンス変化ΔＺａが得られる。
また図４の（ｂ）において、磁性薄膜コア１１ｂに印加される磁界の強さＨｂは図３に示すように、Ｈｃｏｓθである（Ｈｂ＝Ｈｃｏｓθ）。このときのインピーダンスＺはＺｂである。インピーダンスＺｂは検出部７ｂで検出される。検出部７ｂの出力のインピーダンスＺｂのデータは方位検出演算部３０に入力され、内部のメモリに記録されている外部磁界Ｈｅｘが零のときのインピーダンスＺｏとの比較によりインピーダンス変化ΔＺｂが得られる。インピーダンス変化ΔＺａとΔＺｂの比から次の式（１）に示す関係が得られる。
ｔａｎθ＝ΔＺａ／ΔＺｂ ・・・（１）
式（１）の逆正接演算を方位検出演算部３０で行うことにより、外部磁界の方向θを求めることができる。外部磁界の方向θは表示部３１で表示してもよく、また他の機器に入力して利用することができる。

本実施例では図１に示すように、磁性薄膜コア１１ａ、１１ｂの磁化方向をそれぞれ矢印１３ａ、１３ｂの方向にして、それぞれの磁性薄膜コア１１ａ、１１ｂの長手方向に対して４５度ずらしている。これにより、図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁気インピーダンス特性曲線Ｃａ及びＣｂがそれぞれ負方向にシフトして、インピーダンス特性曲線Ｃａ、Ｃｂの比較的勾配の大きな部分に動作点Ｐａ、Ｐｂが設定される。磁化の方向１３ａ、１３ｂは磁性薄膜コア１１ａ、１１ｂを形成するときに印加する磁場の方向で定まる。使用時にこの磁化の方向１３ａ、１３ｂを変えたいときには、導体層１２ａ、１２ｂに流す交周波電流に直流電流を重畳することにより可能である。その直流電流値を調節することにより、インピーダンス変化が急峻な線形になる最適なバイアス磁界を与えることができる。すなわち、図４の（ａ）及び（ｂ）に示す動作点Ｐａ、Ｐｂを所望の値に設定することができ、磁気インピーダンス特性曲線Ｃａ、Ｃｂの最も勾配の大きい点に動作点Ｐａ、Ｐｂを設定することが可能となる。その結果、磁気検出器の感度を最高の状態に設定することができる。前記直流電流値は、従来のように直接電流のみで直流バイアス磁界を印加する場合に比べるとはるかに少ない電流でよいので、直流電源も小型のものでよい。

本発明では、反強磁性層による交換結合磁界により、磁性薄膜コア１１ａ、１１ｂの磁性層１５の磁区構造が安定になるという効果も得られる。この効果により、磁気検出素子のインピーダンス特性が安定化し、信頼性の高い安定した特性の磁気検出器が実現できる。

本発明は地磁気などの磁気や磁界を検出する小型かつ簡単な構成の磁気検出器に利用可能である。

本発明の実施例の磁気検出器の平面図 本発明の実施例の磁気検出素子の磁性薄膜コアの断面図 本発明の磁気検出器に印加される外部磁界の方向を示す平面図 （ａ）は第１の導体層１２ａのインピーダンスＺと外部磁界Ｈｅｘとの関係を表すグラフ、（ｂ）は第２の導体層１２ｂのインピーダンスＺと外部磁界Ｈｅｘとの関係を表すグラフ 従来技術の磁気検出素子の構成図 前記従来技術の磁気検出素子を用いた磁気検出器の構成図 前記従来技術の磁気検出素子の回転角度とインピーダンスＺとの関係を示すグラフ

符号の説明

１ 磁気検出器
５ 基板
１１ａ、１１ｂ 磁性薄膜コア
１２ａ、１２ｂ 導体層
６ａ、６ｂ 高周波電源
７ａ、７ｂ 検出部
１３ａ、１３ｂ 磁場の方向
１４ 反強磁性層
１５ 磁性層
Ｈｅｘ 外部磁界

Claims (4)

1. 所定の方向の磁場中において、少なくとも１つの反強磁性層と、少なくとも１つの磁性層とを非磁性基板の上に交互に積層して形成した一方向に長い第１の磁性薄膜コア、
   前記第１の磁性薄膜コアの長手方向に直交する長手方向を有し、前記所定の方向の磁場中において、少なくとも１つの反強磁性層と、少なくとも１つの磁性層とを前記の非磁性基板上に交互に積層して形成した一方向に長い第２の磁性薄膜コア、及び、
   前記第１の磁性薄膜コアに巻回した第１の導体層、及び
   前記第２の磁性薄膜コアに巻回した第２の導体層
   を有する磁気検出素子。
2. 前記磁場の前記所定の方向は、前記第１及び第２磁性薄膜コアのそれぞれの長手方向に対して４５度異なる方向であることを特徴とする請求項１記載の磁気検出素子。
3. 所定の方向の磁場中において、少なくとも１つの反強磁性層と、少なくとも１つの磁性層とを非磁性基板の上に交互に積層して形成した一方向に長い第１の磁性薄膜コア、
   前記第１の磁性薄膜コアの長手方向に直交する長手方向を有し、前記所定の方向の磁場中において、少なくとも１つの反強磁性層と、少なくとも１つの磁性層とを前記の非磁性基板上に交互に積層して形成した一方向に長い第２の磁性薄膜コア、及び、
   前記第１の磁性薄膜コアに巻回した第１の導体層、
   前記第２の磁性薄膜コアに巻回した第２の導体層、
   前記第１の導体層に接続されて高周波電流を流す高周波電源、
   前記第１の導体層に接続されて、前記第１の導体層のインピーダンスを検出する検出部、
   前記第２の導体層に接続されて高周波電流を流す高周波電源、及び
   前記第２の導体層に接続されて、前記第２の導体層のインピーダンスを検出する検出部
   を有する磁気検出器。
4. 前記磁場の前記所定の方向は、前記第１及び第２磁性薄膜コアのそれぞれの長手方向に対して４５度異なる方向であることを特徴とする請求項３記載の磁気検出器。

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