JP2007205748A

JP2007205748A - 磁気センサおよび磁気デバイス

Info

Publication number: JP2007205748A
Application number: JP2006022058A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Omori; 賢一大森; Takuya Aizawa; 卓也相沢; Satoru Nakao; 知中尾
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】１つの部品で複数の方向の磁場強度をそれぞれ独立して同時に検出することが可能な磁気センサおよびこれを用いた磁気デバイスを提供する。
【解決手段】磁気センサ１０は、１枚の基板１１と、この基板１１上に設けられた４つの磁気インピーダンス素子１２とを有する。磁気インピーダンス素子１２は、短冊形状に形成された磁性体からなる。こうした４つの磁気インピーダンス素子１２のうち、２つの磁気インピーダンス素子１２ａ，１２ｂは、短冊形状の長手方向Ｌが第１の方向、例えば図１中のＸ軸方向を向いて配置される。また、他の２つの磁気インピーダンス素子１２ｃ，１２ｄは、短冊形状の長手方向Ｌが第１の方向と直交する第２の方向、例えば図１中のＹ軸方向を向いて配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部磁場を検出する磁気センサおよびこれを用いた磁気デバイスに関する。

空間に存在する微弱な外部磁界、例えば地磁気などを検出する磁気センサを小型、集積化するために、例えば、薄膜の磁性体を基板上に形成した磁気インピーダンス素子を用いた磁気センサが知られている。また、こうした磁気インピーダンス素子を１枚の基板上に複数形成することによって、複数の磁気インピーダンス素子を有し、かつ、実装面積の増大や、製造コストの上昇を抑えた磁気センサも知られている。

例えば、特許文献１には、２方向に向いてそれぞれ配列された磁性材料からなる磁気インピーダンス素子が記載されている。また、例えば特許文献２には、互いに直交する２方向にそれぞれ配列された複数の磁気インピーダンス素子を接続してホイートストンブリッジ回路をなす磁気センサが記載されている。
特開２００１−２８１３０９号公報特開平１０−２７０７７４号公報

例えば、電子コンパスなど空間の方位を検出する機器では、複数の方向の外部磁界強度をそれぞれ独立して検出する必要がある。しかしながら、上述したような特許文献１に記載の磁気インピーダンス素子では、複数の方向の磁場強度の合計値を検出できるだけであり、複数の方向の磁場強度をそれぞれ独立して同時に検出することはできなかった。
また、特許文献２に記載の磁気センサでは、一方の方向に向いた磁気インピーダンス素子の出力特性を改善するために、一方の方向と直交する他方の方向に向いた磁気インピーダンス素子を形成したものであり、複数の方向の磁場強度をそれぞれ独立して同時に検出することはできなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、１つの部品で複数の方向の磁場強度をそれぞれ独立して同時に検出することが可能な磁気センサおよびこれを用いた磁気デバイスを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る磁気センサは、１枚の基板上に４つの磁気インピーダンス素子を備え、そのうち２つの磁気インピーダンス素子は第１の方向を、他の２つの磁気インピーダンス素子は前記第１の方向と直交する第２の方向を向いて配置され、前記磁気インピーダンス素子のそれぞれによりホイートストンブリッジ回路が構成されている磁気センサであって、
前記磁気インピーダンス素子は少なくとも１つ以上の短冊形状をなす磁性体からなり、前記磁性体の磁化容易軸方向はその長手方向に対して略４５度傾いていることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る磁気デバイスは、請求項１に記載の磁気センサと、前記磁気センサに電気的なパルスを供給するパルス発生手段とを備えたことを特徴とする。

本発明の磁気センサによれば、４つの磁気インピーダンス素子は、それぞれ短冊形状をもつ磁性体から構成されており、４つの磁気インピーダンス素子のうちの２つはその長手方向が第１の方向を向いて配置され、他の２つはその長手方向が第２の方向を向いて配置されており、これら４つの磁気インピーダンス素子の磁化容易軸が、全て長手方向に対して略４５度傾いた状態に揃えられる。これにより、第１の方向の磁気インピーダンス素子の磁場検出感度と、第２の方向の磁気インピーダンス素子の磁場検出感度を揃えることができ、磁気インピーダンス素子のそれぞれにより構成されたホイートストンブリッジ回路から、第１の方向の磁場強度と、第２の方向の磁場強度とをそれぞれ独立して同時に検出することが可能になる。

そして、４つの磁気インピーダンス素子を１枚の基板上に形成することによって、複数の方向の磁場強度をそれぞれ独立して同時に検出することができる磁気センサを１つの部品で実現することが可能になり、複数の方向の磁場強度を個別に検出できる磁気センサの小型化、集積化を実現できる。

以下、本発明に係る磁気デバイスの実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の磁気センサの一例（以下、第１実施形態とも呼ぶ）を示す平面図である。磁気センサ１０は、１枚の基板１１と、この基板１１上に設けられた４つの磁気インピーダンス素子１２とを有する。磁気インピーダンス素子１２は、短冊形状に形成された磁性体からなる。こうした４つの磁気インピーダンス素子１２のうち、２つの磁気インピーダンス素子１２ａ，１２ｂは、短冊形状の長手方向Ｌが第１の方向、例えば図１中のＸ軸方向を向いて配置される。また、他の２つの磁気インピーダンス素子１２ｃ，１２ｄは、短冊形状の長手方向Ｌが第１の方向と直交する第２の方向、例えば図１中のＹ軸方向を向いて配置される。

こうした４つの磁気インピーダンス素子１２は電気的に接続されてホイートストンブリッジ回路Ｒを構成する。そして、４つの磁気インピーダンス素子１２の磁化容易軸Ｄは、それぞれの磁気インピーダンス素子１２の短冊形状の長手方向Ｌに対して略４５度傾いている。

このような磁気センサ１０の構成によって、第１の方向（Ｘ軸方向）に長手方向を向けて配置された磁気インピーダンス素子１２ａ，１２ｂの磁化容易軸Ｄと、第２の方向（Ｙ軸方向）に長手方向を向けて配置された磁気インピーダンス素子１２ｃ，１２ｄの磁化容易軸Ｄとが、全て長手方向Ｌに対して略４５度傾いた状態に揃えられる。これにより、第１の方向に長手方向を向けて配置された磁気インピーダンス素子１２ａ，１２ｂの磁場検出感度と、第２の方向に長手方向を向けて配置された磁気インピーダンス素子１２ｃ，１２ｄの磁場検出感度を揃えることができる。

そして、４つの磁気インピーダンス素子１２のそれぞれにより構成されたホイートストンブリッジ回路Ｒにセンス電流となる電気的なパルスを供給することによって、ホイートストンブリッジ回路ＲのＯＵＴ１とＯＵＴ２からそれぞれリファレンス信号を得て、第１の方向（Ｘ軸方向）の磁場強度と、第２の方向（Ｙ軸方向）の磁場強度とをそれぞれ独立して同時に検出することが可能になる。

そして、こうした４つの磁気インピーダンス素子１２を１枚の基板１１上に形成することによって、複数の方向の磁場強度をそれぞれ独立して同時に検出することができる磁気センサを１つの部品で実現することが可能になり、複数の方向の磁場強度を個別に検出できる磁気センサの小型化、集積化を実現できる。

本発明の磁気センサ１０による磁場検出をさらに詳述すると、４つの磁気インピーダンス素子１２からなるホイートストンブリッジ回路Ｒにパルス発生手段からパルスを与えた状態で、例えば図１中のＸ軸方向に向いた磁場が存在する場合、長手方向ＬがＸ軸方向に向いた磁気インピーダンス素子１２ａ，１２ｂのインピーダンスが増大する。これにより、ホイートストンブリッジ回路ＲのＯＵＴ１から出力されるパルスの波高値が減少し、反対にＯＵＴ２から出力されるパルスの波高値が増大する。

また、図１中のＹ軸方向に向いた磁場が存在する場合、長手方向ＬがＹ軸方向に向いた磁気インピーダンス素子１２ｃ，１２ｄのインピーダンスが増大する。これにより、ホイートストンブリッジ回路ＲのＯＵＴ１から出力されるパルスの波高値が増大し、反対にＯＵＴ２から出力されるパルスの波高値が減少する。このように、磁気センサ１０の置かれた磁場のそれぞれの方向成分の磁場強度に応じて、ホイートストンブリッジ回路ＲのＯＵＴ１から出力されるパルスの波高値と、ＯＵＴ２からから出力されるパルスの波高値とが互いに逆に増減するので、複数の方向の磁場強度を同時に、かつ個別に検出することができる。

こうしたホイートストンブリッジ回路ＲのＯＵＴ１とＯＵＴ２とからそれぞれ出力されるパルスの出力比を得ることにより、磁気センサ１０を例えば電子コンパスの方位角センサとして用いることができる。さらに、図１中のＸ軸方向に対して４５°ないし１３５°の角度のバイアス磁界を磁気センサ１０に印加することにより、４つの磁気インピーダンス素子１２に均等にバイアス磁界を印加することができる。

磁気インピーダンス素子１２を構成する磁性体は、例えば基板１１上に積層された薄膜の磁性体であればよい。磁気インピーダンス素子１２を構成する磁性体としては、例えば、ＣｏＺｒＮｂ非晶質（アモルファス）磁性材料や、パーマロイ（Ｎｉ−８０ｗｔ％Ｆｅ）などの強磁性体、ＮｉＦｅ、ＦｅＣｏＳｉＢなどの非晶質（アモルファス）磁性材料や結晶性磁性材料を用いることができる。

磁気インピーダンス素子１２の形成にあたっては、例えば非磁性の基板上にスパッタリング法、真空蒸着法、メッキ法などによって磁性体を形成し、フォトリソグラフィーによってレジストを形成した後、ドライエッチング、ウエットエッチング、リフトオフなどによって所定の短冊形状に磁性体を成型すればよい。

４つの磁気インピーダンス素子１２の長手方向Ｌに対して４５度の磁化容易軸を形成する方法としては、例えば、基板上に短冊形状の磁性体を形成した後、磁性体の長手方向Ｌに対して４５度の角度の静磁界中で磁性体を加熱、冷却を行えばよい。また、基板を静磁界中に置き、静磁界の方向に対して４５度の角度で長手方向が延びるように、基板上に磁性体を形成すればよい。

４つの磁気インピーダンス素子を１枚の基板上に形成する際の配列は、図１に示したような矩形の基板の４辺に沿って、磁気インピーダンス素子を略ロの字型に配置する以外にも、任意の配置形態がとられればよい。例えば図２（ａ）に示すように、１枚の基板２１の中心付近から、長手方向が基板２１の４辺に向かってそれぞれ延びるように４つの磁気インピーダンス素子２２を配置しても良い。

また、例えば図２（ｂ）に示すように、１枚の基板２５に長手方向が第１の方向を向いて配置された磁気インピーダンス素子２６ａと、長手方向が第２の方向を向いて配置された磁気インピーダンス素子２６ｂとをそれぞれまとめて配置してもよい。また、図２（ｃ）に示すように、１枚の基板２８の一方の面に、長手方向が第１の方向を向いて配置された磁気インピーダンス素子２９ａを、基板２８の他方の面に、長手方向が第２の方向を向いて配置された磁気インピーダンス素子２９ｂをそれぞれ配置してもよい。さらに、４つの磁気インピーダンス素子を４層に積層して構成すれば、小型、省スペースの磁気センサを実現できる。

図３は、磁気センサの他の一例（以下、第１実施形態とも呼ぶ）を示す平面図である。この実施形態では、磁気センサ３１の基板３２に形成される４つの磁気インピーダンス素子３３のそれぞれを、短冊形状の磁性体を複数並べて配置した構成としている。すなわち、磁気インピーダンス素子３３ａ，３３ｂは、長手方向が第１の方向に向いて延びるように複数の短冊形状の磁性体を配置し、隣接する磁性体どうしの端部をつづら折り形状になるように電気的に接続したものである。また、磁気インピーダンス素子３３ｃ，３３ｄは、長手方向が第２の方向に向いて延びるように複数の短冊形状の磁性体を配置し、隣接する磁性体どうしの端部をつづら折り形状になるように電気的に接続したものである。

このように、４つの磁気インピーダンス素子３３のそれぞれを、短冊形状の磁性体を複数並べてつづら折りになるように接続した形状にすれば、それぞれの磁気インピーダンス素子３３の磁場検出感度を上げることができ、より高感度に複数の方向の磁場を個別に検出可能な磁気センサを実現することができる。

図４は、本発明の磁気センサを備えた磁気デバイスの一例を示すブロック図である。図４は、磁気デバイスの一実施形態として、例えば電子コンパスなどに利用可能な方位角センサの構成を示す。磁気デバイス４１は、磁気センサ４２、パルス発振回路（パルス発生手段）４３、サンプルホールド回路４４、差動増幅回路４５、および抵抗４６を有している。

磁気センサ４２は、１枚の基板５１上に、長手方向がＸ方向に向いた磁気インピーダンス素子５２ａ，５２ｂと、長手方向がＹ方向に向いた磁気インピーダンス素子５２ｃ，５２ｄとを形成したものであり、これら４つの磁気インピーダンス素子５２のそれぞれによりホイートストンブリッジ回路Ｒを形成している。

こうした磁気センサ４２に接続される抵抗４６によって構成されたブリッジ回路Ｂは、磁場の変動によるパルスの出力変動がないので、常に一定のパルスが得られる。従って、抵抗４６によるブリッジ回路Ｂのパルス出力と、ホイートストンブリッジ回路Ｒからのパルス出力との差分を検出することによって、ホイートストンブリッジ回路Ｒのパルス出力の波高値の変動値だけを取り出すことができ、検出分解能をさらに高めることができる。こうした検出分解能を高めることによって、磁気インピーダンス素子５２の感度が低いものを用いても、充分な角度分解能を得ることができる。

本発明の磁気センサの一例を示す平面図である。基板上における磁性体の配置例を示す平面図である。本発明の磁気センサの他の一例を示す平面図である。本発明の磁気デバイスを示すブロック図である。

符号の説明

１０…磁気センサ、１１…基板、１２…磁気インピーダンス素子、Ｒ…ホイートストンブリッジ回路。

Claims

１枚の基板上に４つの磁気インピーダンス素子を備え、そのうち２つの磁気インピーダンス素子は第１の方向を、他の２つの磁気インピーダンス素子は前記第１の方向と直交する第２の方向を向いて配置され、前記磁気インピーダンス素子のそれぞれによりホイートストンブリッジ回路が構成されている磁気センサであって、
前記磁気インピーダンス素子は少なくとも１つ以上の短冊形状をなす磁性体からなり、前記磁性体の磁化容易軸方向はその長手方向に対して略４５度傾いていることを特徴とする磁気センサ。
請求項１に記載の磁気センサと、前記磁気センサに電気的なパルスを供給するパルス発生手段とを備えたことを特徴とする磁気デバイス。