JP2015092144A - 磁界検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】消費電流を抑えると共に検出精度を高め、且つ、検出範囲を広範とすることが可能な磁界検出センサを提供する。【解決手段】磁界検出センサは、磁気インピーダンス効果を利用した磁気インピーダンス素子１２に交流電流を印加して得られる出力から外部磁界を検出するものであって、当該磁気インピーダンス素子１２にバイアス磁界を印加するための負帰還バイアスコイル１４を備え、磁気インピーダンス素子１２は、非磁性基板１２ａと、非磁性基板の表面に形成された磁性薄膜１２ｂと、を有し、当該磁気インピーダンス素子１２の長手方向が磁界の検出方向とされ、磁性薄膜１２ｂの磁化容易軸が磁界の検出方向と同方向となるように磁気異方性がつけられている。【選択図】図２

Description

本発明は、磁界検出センサに関する。

従来、アモルファスワイヤーによる磁気インピーダンス効果を利用したＭＩ（Magneto-Impedance）素子を備えた磁界検出センサが提案されている。ＭＩ素子は、フラックスゲート型センサに比べて小型化が可能であり、しかもフラックスゲート型センサと同等の検出感度を維持するものとなっている。

このようなＭＩ素子を備えた磁界検出センサには以下のものがある。まず、ＭＩ素子に巻き回されるコイル対して、発振回路から交流バイアス電流を流し、ＭＩ素子に交流バイアス磁界を印加することにより、出力にピークが交互に高低差を有する振幅変調波形を得る。この出力は検波回路によって検波されて直流成分が除去された後に、コンパレータに入力される。これにより、高低差に応じてパルス変調されたデジタル波形の出力信号が得られる。この磁界検出センサによれば、発振回路の出力の振幅について絶対値でなく変化分から外部磁界の強さを求めることとなり、電源電圧の変動、素子の温度特性等の影響を受け難く、発振回路の細かな調整が不要で、且つ、ノイズに強いものとすることができる（特許文献１参照）。

また、磁気コアの両端に高周波の正弦波電流を印加する発振回路と、発振回路と薄膜磁気インピーダンス素子の磁気コアとの間に設けられ、発振回路の出力インピーダンスと薄膜磁気インピーダンス素子の入力インピーダンスのミスマッチを調整するバッファ回路と、該磁気インピーダンス素子に印加された外部磁界に応じて変化する高周波電流の変化量から外部磁界の磁気変化量を検出する検波回路と、磁気インピーダンス素子のヒステリシスを解消するヒステリシスキャンセル回路と、を備えた磁界検出センサも提案されている。この磁界検出センサによれば、例えば、バッファ回路を備えるため、発振回路による高周波通電出力を損失無く供給することができる（特許文献２参照）。また、この磁気検出センサでは、特許文献２の図５に示すように、磁気インピーダンス素子の外部磁界による変化量の傾きは４００Ａ／ｍで最大となることから、最大変化量となる箇所に動作点を移動させるべく、バイアスコイルに一定電流を流すこととしている。

特開平９−１２７２１８号公報 特開２０００−１８０５２１号公報

しかし、特許文献１及び２に記載の磁界検出センサは、いずれもＭＩ素子の磁界によるインピーダンス変化がＭ字の特性となるため、傾きが急峻となるところ（特許文献２の図５においては±４００Ａ／ｍ）まで交流バイアスを掛けないと高感度に測定することができず、消費電流が大きくなってしまう。また、傾きが急峻となるところまで直流バイアスを掛ける方式においても同様に消費電流が大きくなってしまう。

さらに、Ｍ字型ではヒステリシスが大きくなってしまうことから、ヒステリシス分だけ検出精度が低くなり、且つ、傾きが急峻となるところでしか高感度に磁界測定することができないことから、検出範囲が狭くなってしまう。

本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的とするところは、消費電流を抑えると共に検出精度を高め、且つ、検出範囲を広範とすることが可能な磁界検出センサを提供することにある。

本発明の磁界検出センサは、磁気インピーダンス効果を利用した磁気インピーダンス素子に交流電流を印加して得られる出力から外部磁界を検出する磁界検出センサであって、当該磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加するためのバイアスコイルを備え、前記磁気インピーダンス素子は、非磁性基板と、前記非磁性基板の表面に形成された磁性膜と、を有し、当該磁気インピーダンス素子の長手方向が磁界の検出方向とされ、前記磁性膜の磁化容易軸が前記磁界の検出方向と同方向となるように磁気異方性がつけられていることを特徴とする。

この磁界検出センサによれば、磁気インピーダンス素子は長手方向が磁界の検出方向とされ、磁性膜の磁化容易軸が長手方向に沿う方向に磁気異方性がつけられている。ここで、磁界の検出方向と磁性膜の磁化容易軸とを同方向とすることにより磁気インピーダンス特性をピラミッド型にすることができる。そして、ピラミッド型の磁気インピーダンス特性とすることにより、Ｍ字型のように傾きが急峻となるところまで直流及び交流バイアスを掛ける必要が無い。加えて、ピラミッド型ではＭ字型よりもヒステリシスが小さいため検出精度を向上でき、且つ、傾きが全域に亘って所定の傾斜を有していることから、検出範囲を広くすることができる。従って、消費電流を抑えると共に検出精度を高め、且つ、検出範囲を広範とすることができる。

また、本発明の磁界検出センサにおいて、前記磁気インピーダンス素子に交流電流を印加する発振回路と、前記磁気インピーダンス素子の出力を微分する微分回路と、前記微分回路から出力されるトリガ波形に基づいて、外部磁界を検出する演算部と、をさらに備えることが好ましい。

この磁界検出センサによれば、微分回路から出力されるトリガ波形に基づいて、外部磁界を検出するため、振幅の高低差に基づいて検出する場合、及び積分回路を用いる場合と比較してノイズに強くすることができる。従って、一層検出精度を高めることができる。

また、本発明の磁界検出センサにおいて、前記バイアスコイルは、磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加すると共に、負帰還磁界を印加する単一の負帰還バイアスコイルにより構成されていることが好ましい。

この磁界検出センサによれば、負帰還コイルとバイアスコイルとを別々に備える場合と比較して、大型化及び高コスト化を抑制することができる。

本発明によれば、消費電流を抑えると共に検出精度を高め、且つ、検出範囲を広範とすることが可能な磁界検出センサを提供することができる。

本実施形態に係る磁界検出センサを示す回路図である。 本実施形態に係る磁気インピーダンス素子及びその周辺部構成の詳細を示す斜視図であって、（ａ）は第１の例を示し、（ｂ）は第２の例を示している。 磁気インピーダンス特性を示す図である。 本実施形態に係る磁気インピーダンス素子と抵抗とからなるセンサの出力を示す図であり、（ａ）は外部磁界が０〔Ｈ／ｍ〕である場合を示し、（ｂ）は外部磁界がマイナス（例えばー４０〔Ｈ／ｍ〕）である場合を示している。 外部磁界が０〔Ｈ／ｍ〕である場合の各種信号を示すタイミングチャートであって、（ａ）はマイコンからフィルタに出力されるパルス電圧を示し、（ｂ）は負帰還バイアスコイルに印加される交流バイアスを示し、（ｃ）はハーフブリッジ回路の出力を示し、（ｄ）は第２微分回路の出力を示し、（ｅ）はフリップフロップ回路の出力を示している。 外部磁界がプラスである場合の各種信号を示すタイミングチャートであって、（ａ）はマイコンからフィルタに出力されるパルス電圧を示し、（ｂ）は負帰還バイアスコイルに印加される交流バイアスを示し、（ｃ）はハーフブリッジ回路の出力を示し、（ｄ）は第２微分回路の出力を示し、（ｅ）はフリップフロップ回路の出力を示している。 外部磁界がマイナスである場合の各種信号を示すタイミングチャートであって、（ａ）はマイコンからフィルタに出力されるパルス電圧を示し、（ｂ）は負帰還バイアスコイルに印加される交流バイアスを示し、（ｃ）はハーフブリッジ回路の出力を示し、（ｄ）は第２微分回路の出力を示し、（ｅ）はフリップフロップ回路の出力を示している。 ハイレベル信号の時間と外部磁界の強さとの相関を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は以下の実施形態に限られるものではない。

図１は、本実施形態に係る磁界検出センサを示す回路図である。図１に示す磁気検出装置１は、外部磁界（方向、方位や強さ）を検出するものであって、例えば電流センサ、方位センサ、トルクセンサ及び回転角センサの一要素として用いられるものである。このような磁気検出装置１は、発振回路１０と、磁気インピーダンス素子１２と、抵抗Ｒと、負帰還バイアスコイル（バイアスコイル）１４とを備えている。

発振回路１０は、磁気インピーダンス素子１２を駆動するための交流電圧の発生源であって、水晶振動子等を含んで交流信号（交流電圧）を出力する構成となっている。また、発振回路１０からの交流電圧は磁気インピーダンス素子１２に印加される。磁気インピーダンス素子１２は、磁気インピーダンス効果を有するものであって、例えば零磁歪アモルファス磁性体や磁性薄膜を有して構成されている。また、磁気インピーダンス効果とは、例えば高周波電流を通電したときに、周回方向の透磁率が外部磁界の印加により大幅に変化することに起因して表皮深さが変化することにより、インピーダンスが変化する現象である。この磁気インピーダンス素子１２は、一端が発振回路１０に接続され、他端が抵抗Ｒの一端に接続されている。抵抗Ｒの他端はグランド接続されている。

負帰還バイアスコイル１４は、磁気インピーダンス素子１２に巻き回されるコイルである。なお、負帰還バイアスコイル１４は、磁気インピーダンス素子１２にバイアス磁界を印加できれば、磁気インピーダンス素子１２をコアとして巻き回されていなくともよい。また、上記では、磁気インピーダンス素子１２と抵抗Ｒとによってハーフブリッジが構成されているが、これに限らず、抵抗を３つ備えたフルブリッジ回路により構成されていてもよい。

図２は、本実施形態に係る磁気インピーダンス素子１２及びその周辺部構成の詳細を示す斜視図であって、（ａ）は第１の例を示し、（ｂ）は第２の例を示している。図２（ａ）に示すように、磁気インピーダンス素子１２は、非磁性基板１２ａと、磁性薄膜（磁性膜）１２ｂと、電極１２ｃ、１２ｄとにより構成されている。

非磁性基板１２ａは、非磁性体から構成される基板であって、プリント基板１００に載置されている。この非磁性基板１２ａは、チタン酸カルシウム、酸化物ガラス、チタニア、アルミナ等によって構成されており、本実施形態では略直方体に構成されている。

磁性薄膜１２ｂは、高透磁率金属磁性膜によって構成されており、図２（ａ）に示すように、非磁性基板１２ａの表面のうち、プリント基板１００が設けられる面の反対面において平面視してミアンダ形状（つづら折れ形状）となるように形成されている。より詳細に、この磁性薄膜１２ｂは、矩形波の立ち上り及び立ち下り方向が、略直方体をなす非磁性基板１２ａの長手方向に伸びている。

また、磁性薄膜１２ｂは、その磁化容易軸方向が膜面内で磁性薄膜１２ｂの長手方向と同方向となるように磁気異方性がつけられており、全体として非磁性基板１２ａの長手方向と磁化容易軸方向とが同方向となるようにされている。

電極１２ｃ，１２ｄは、非磁性基板１２ａの表面、且つ、磁性薄膜１２ｂの両端に設けられており、プリント基板１００上の電極１００ａ，１００ｂとボンディングワイヤにて接続されるものである。プリント基板１００上の電極１００ａ，１００ｂは、それぞれ図１に示した発振回路１０及び抵抗Ｒに接続されることとなる。

さらに、図２（ａ）に示すように、プリント基板１００は磁気インピーダンス素子１２の幅方向の両側に、磁気インピーダンス素子１２と間隔を開けて、切欠き部１００ｃを備えている。切欠き部１００ｃは、プリント基板１００の一端からプリント基板１００の中央付近まで伸びている。

また、負帰還バイアスコイル１４は、プリント基板１００の切欠き部１００ｃを介して、磁気インピーダンス素子１２の周囲に巻きまわされている。このため、負帰還バイアスコイル１４のコイル軸方向は、非磁性基板１２ａの長手方向と同方向となり、当該磁気インピーダンス素子１２の長手方向が磁界の検出方向とされる。さらに、上記したように、非磁性基板１２ａの長手方向と磁化容易軸方向とが同方向となるようにされていることから、磁性薄膜１２ｂの磁化容易軸は磁界の検出方向と同方向となるように磁気異方性がつけられていることとなる。

また、図２（ｂ）に示すように、磁性薄膜１２ｂは、非磁性基板１２ａの裏面、すなわちプリント基板１００が設けられる側の面に形成されてもよい。この場合、電極１２ｃ，１２ｄは、非磁性基板１２ａの裏面、且つ、磁性薄膜１２ｂの両端に設けられることとなる。また、プリント基板１００上の電極１００ａ，１００ｂについても、非磁性基板１２ａの裏面側に設けられている。

再度、図１を参照する。磁界検出センサ１は、上記構成に加えて、計装アンプ１６と、第１アンプ１８と、第１微分回路２０と、第２アンプ２２と、第２微分回路２４と、コンパレータ２６と、フリップフロップ回路２８と、マイコン（演算部）３０とを備え、これらが上記順に接続されている。

計装アンプ１６は、磁気インピーダンス素子１２及び抵抗Ｒからなるハーフブリッジ回路の出力を入力するものである。また、計装アンプ１６の後段には、第１アンプ１８が接続されている。このため、ハーフブリッジ回路の出力電圧は、計装アンプ１６及び第１アンプ１８により増幅され、第１微分回路２０に入力される。

第１微分回路２０は、計装アンプ１６及び第１アンプ１８により増幅された電圧の変化点を検出するものである。この第１微分回路２０によりハーフブリッジ回路の出力電圧の変化点がトリガ波形として出力されることとなる。第２アンプ２２は、第１微分回路２０の出力を増幅するものであり、第２微分回路２４は、第２アンプ２２にて増幅された電圧の変化点を検出するものである。これら第２アンプ２２及び第２微分回路２４により、トリガ波形がより顕著になって出力されることとなる。なお、本実施形態に係る磁界検出センサ１は、第１微分回路２０と、第２アンプ２２と、第２微分回路２４とを備えているが、これらに変えて、１つの微分回路のみを備えていてもよい。

また、第２微分回路２４から出力されたトリガ波形は、コンパレータ２６に入力され、フリップフロップ回路２８は、トリガ波形に応じてハイロウ出力し、マイコン３０は、ハイロウタイミングを検出することとなる。ここで、後述の動作において説明するが、ハイロウタイミングは、外部磁界を反映したものとなる。このため、マイコン３０は、ハイロウタイミングに基づいて外部磁界を検出することとなる。なお、フリップフロップ回路２８は、ＪＫ型のものが用いられている。

さらに、マイコン３０は、負帰還バイアスコイル１４にバイアス磁界を印加するためのパルス電圧を発生させている。さらに、磁界検出センサ１は、フィルタ３２と、第３アンプ３４とを備えている。フィルタ３２は、マイコン３０からのパルスを三角波に変換するものである。フィルタ３２からの三角波は第３アンプ３４を介して交流バイアスとして負帰還バイアスコイル１４に印加される。これにより、磁気インピーダンス素子１２にはバイアス磁界が印加されることとなる。

加えて、マイコン３０は、検出された外部磁界と逆方向の磁界を磁気インピーダンス素子１２に印加するための信号（負帰還信号）を出力している。また、磁界検出センサ１は、大電流出力アンプ３６と、加算器３８とを備えている。大電流出力アンプ３６は、マイコン３０から出力される負帰還信号を増幅する。加算器３８は、フィルタ３２と第３アンプ３４との間に設けられており、大電流出力アンプ３６により増幅された負帰還信号と、フィルタ３２からの三角波信号とを加算するものである。よって、負帰還バイアスコイル１４には、第３アンプ３４を通じてバイアス電圧と負帰還電圧とが印加されることとなる。

このように、本実施形態に係る磁界検出センサ１は、バイアス及び負帰還を単一の負帰還バイアスコイル１４にて実現している。よって、負帰還コイルとバイアスコイルとを別々に備える場合と比較して、大型化及び高コスト化を抑制する構成となっている。

次に、本実施形態に係る磁界検出センサ１の作用及び動作等を説明する。まず、磁界の検出方向と磁性薄膜１２ｂの磁化容易軸とを同方向とすることにより磁気インピーダンス特性をピラミッド型にすることができる。

図３は、磁気インピーダンス特性を示す図である。なお、図３において実線は本実施形態の特性を示し、破線は従来特性を示している。図３の破線に示すように、従来では磁気インピーダンス特性がＭ字型となっている。このＭ字型の特性では、外部磁界が０〔Ｏｅ〕付近においてインピーダンスの変化量が非常に小さくなっている。このため、従来では傾きが急峻となるところ（４〜８〔Ｏｅ〕）まで交流バイアスを掛けないと高感度に測定することができず、消費電流が大きくなってしまう。また、傾きが急峻となるところまで直流バイアスを掛ける方式においても同様に消費電流が大きくなってしまう。

さらに、図３に示すように、Ｍ字型では傾きが急峻となるところにおいてヒステリシスが大きくなっており、ヒステリシス分だけ検出精度が低くなってしまう。加えて、傾きが急峻となるところでしか高感度に磁界測定することができないことから、検出範囲が狭くなってしまう。

これに対して、本実施形態では、磁界の検出方向と磁性薄膜１２ｂの磁化容易軸とを同方向とすることにより磁気インピーダンス特性をピラミッド型にしている。このピラミッド型の特性では、図３に示すように、外部磁界が０〔Ｏｅ〕付近においてもインピーダンスの変化量がある程度の値を保つようになっている。すなわち、０〔Ｏｅ〕付近においてもある程度の傾きを有している。よって、Ｍ字型のように傾きが急峻となるところまで直流及び交流バイアスを掛ける必要が無く、消費電力を抑えることができる。

さらに、ピラミッド型の特性では、そのヒステリシスが、Ｍ字型の傾きが急峻となるところでのヒステリシスよりも小さくなる傾向がある。よって、ピラミッド型の特性では、Ｍ字型の特性よりも検出精度の向上を図ることができる。加えて、ピラミッド型の特性では、傾きが全域に亘って所定の傾斜を有していることから、検出範囲も広いといえる。

図４は、本実施形態に係る磁気インピーダンス素子１２と抵抗Ｒとからなるセンサの出力を示す図であり、（ａ）は外部磁界が０〔Ｈ／ｍ〕である場合を示し、（ｂ）は外部磁界がマイナス（例えばー４０〔Ｈ／ｍ〕）である場合を示している。

図４（ａ）に示すように、本実施形態に係る磁界検出センサ１は磁気インピーダンス特性がピラミッド型であることから、外部磁界が０〔Ｈ／ｍ〕である場合、交流バイアスはピラミッドの頂点を中心に左右対称（図４において左右対象）に振れ、これに対するインピーダンスの変化は交流バイアスの周波数が２逓倍化されたものとなり、出力されることとなる。

より詳細に説明すると、時刻Ｔａ１における交流バイアスに対してインピーダンスはＺ１となり、時刻Ｔａ２における交流バイアスに対してインピーダンスはＺ２となる。さらに、時刻Ｔａ３における交流バイアスに対してインピーダンスはＺ１となり、時刻Ｔａ４における交流バイアスに対してインピーダンスはＺ２となり、時刻Ｔａ５における交流バイアスに対してインピーダンスはＺ１となる。このように、センサ出力は交流バイアスの周波数が２逓倍化されたものとなる。

これに対して、図４（ｂ）に示すように、外部磁界がマイナスである場合には、交流バイアスの振れの中心点がピラミッドの頂点からずれることとなる。これにより、センサ出力についても変化する。

より詳細に説明すると、時刻Ｔｂ１における交流バイアスに対してインピーダンスはＺ３となり、時刻Ｔｂ２における交流バイアスに対してインピーダンスはＺ１となる。さらに、時刻Ｔｂ３における交流バイアスに対してインピーダンスはＺ４となり、時刻Ｔｂ４における交流バイアスに対してインピーダンスはＺ１となり、時刻Ｔｂ５における交流バイアスに対してインピーダンスはＺ３となる。また、時刻Ｔｂ６における交流バイアスに対してインピーダンスはＺ５となり、時刻Ｔｂ７における交流バイアスに対してインピーダンスはＺ３となる。

このように、外部磁界がマイナスである場合には、外部磁界が０〔Ｈ／ｍ〕である場合と比較してセンサ出力が異形となり、センサ出力は２つの極大値と２つの極小値をとることとなる。後述するように、これらの極大値と極小値とが第１微分回路２０と、第２アンプ２２と、第２微分回路２４とによってトリガ波形とされることとなる。なお、図４（ｂ）では外部磁界がマイナスである場合を例に説明したが、プラスである場合についても交流バイアスの中心点のずれ方向が左右ことなるだけで、他はマイナスの場合と同様である。

図５は、外部磁界が０〔Ｈ／ｍ〕である場合の各種信号を示すタイミングチャートであって、（ａ）はマイコン３０からフィルタ３２に出力されるパルス電圧を示し、（ｂ）は負帰還バイアスコイル１４に印加される交流バイアスを示している。また、（ｃ）はハーフブリッジ回路の出力を示し、（ｄ）は第２微分回路２４の出力を示し、（ｅ）はフリップフロップ回路２８の出力を示している。

まず、図５（ａ）に示すように、マイコン３０は、所定の周波数信号（交流バイアス周波数ｆ_０）を出力する。具体的に周波数信号は、時刻ｔ１０において立ち上り、時刻ｔ２０において立ち下がり、時刻ｔ３０において立ち上り、時刻ｔ４０において立ち下がり、時刻ｔ５０において立ち上がる。このような周波数信号は、フィルタ３２により三角波とされ、第３アンプ３４により増幅されて、図５（ｂ）に示す交流バイアスが生成される。この交流バイアスは、時刻ｔ１０において極大値をとり、時刻ｔ２０において極小値をとり、時刻ｔ３０において極大値をとり、時刻ｔ４０において極小値をとり、時刻ｔ５０において極大値をとる。このような交流バイアスが負帰還バイアスコイル１４に印加され、磁気インピーダンス素子１２には交流磁界が印加される。

上記バイアス電圧が負帰還バイアスコイル１４に印加された場合、外部磁界が０〔Ｈ／ｍ〕であるとすると、図４（ａ）を参照して説明したように、ハーフブリッジ回路の出力は交流バイアスの周波数が２逓倍化されたものとなる。具体的にハーフブリッジ回路の出力は、図５（ｃ）に示すように、時刻ｔ１０，ｔ２０，ｔ３０，ｔ４０，ｔ５０において極小値をとる。さらに、ハーフブリッジ回路の出力は、時刻ｔ１０，ｔ２０の中間時刻ｔ６０、時刻ｔ２０，ｔ３０の中間時刻ｔ７０、時刻ｔ３０，ｔ４０の中間時刻ｔ８０、及び時刻ｔ４０，ｔ５０の中間時刻ｔ９０において極大値をとる。

そして、上記のハーフブリッジ回路の出力は、第１微分回路２０、第２アンプ２２、及び第２微分回路２４を通じてトリガ波形とされる。具体的にトリガ波形は、図５（ｄ）に示すように、ハーフブリッジ回路の出力における極大値及び極小値と対応して出力される。すなわち、トリガ波形は、時刻ｔ１０，ｔ２０，ｔ３０，ｔ４０，ｔ５０，ｔ６０，ｔ７０，ｔ８０，ｔ９０において得られることとなる。なお、トリガ波形は、時刻ｔ１０，ｔ２０，ｔ３０，ｔ４０，ｔ５０において正側のトリガ波形となり、時刻ｔ６０，ｔ７０，ｔ８０，ｔ９０において負側のトリガ波形となる。

このようなトリガ波形を入力するフリップフロップ回路２８は、負側のトリガ波形の間においてハイレベル信号を出力する。ここで、負側のトリガ波形の間、すなわちハイレベル信号が出力される時間Ｔは、外部磁界によって変化する。このため、マイコン３０は、このハイレベル信号の時間Ｔに基づいて、外部磁界を検出することとなる。図５に示す例において時間Ｔ＝１／２ｆ_０となっており、マイコン３０は、外部磁界を０〔Ｈ／ｍ〕と検出することとなる。

図６は、外部磁界がプラスである場合の各種信号を示すタイミングチャートであって、（ａ）はマイコン３０からフィルタ３２に出力されるパルス電圧を示し、（ｂ）は負帰還バイアスコイル１４に印加される交流バイアスを示している。また、（ｃ）はハーフブリッジ回路の出力を示し、（ｄ）は第２微分回路２４の出力を示し、（ｅ）はフリップフロップ回路２８の出力を示している。

まず、図６（ａ）に示すように、マイコン３０は、所定の周波数信号（交流バイアス周波数ｆ_０）を出力する。この信号は図５（ａ）に示したものと同じであって、時刻ｔ１＋において立ち上り、時刻ｔ２＋において立ち下がり、時刻ｔ３＋において立ち上り、時刻ｔ４＋において立ち下がり、時刻ｔ５＋において立ち上がる。このような周波数信号は、フィルタ３２により三角波とされ、第３アンプ３４により増幅されて、図６（ｂ）に示す交流バイアスが生成される。この交流バイアスは、図５（ｂ）に示したものと同じであって、時刻ｔ１＋において極大値をとり、時刻ｔ２＋において極小値をとり、時刻ｔ３＋において極大値をとり、時刻ｔ４＋において極小値をとり、時刻ｔ５＋において極大値をとる。このような交流バイアスが負帰還バイアスコイル１４に印加され、磁気インピーダンス素子１２には交流磁界が印加される。

上記バイアス電圧が負帰還バイアスコイル１４に印加された場合、外部磁界がプラスであるとすると、ハーフブリッジ回路の出力は、図４（ｂ）をプラス方向にした場合と同様になる。具体的にハーフブリッジ回路の出力は、図６（ｃ）に示すように、時刻ｔ１＋，ｔ２＋，ｔ３＋，ｔ４＋，ｔ５＋において極小値をとる。さらに、ハーフブリッジ回路の出力は、時刻ｔ１＋，ｔ２＋の間の時刻ｔ６＋、時刻ｔ２＋，ｔ３＋の間の時刻ｔ７＋、時刻ｔ３＋，ｔ４＋の間の時刻ｔ８＋、及び時刻ｔ４＋，ｔ５＋の間の時刻ｔ９＋において極大値をとる。

なお、極大値を示す時刻ｔ６＋，時刻ｔ７＋は、時刻ｔ２＋に近い時刻となっており、時刻ｔ８＋，時刻ｔ９＋についても時刻ｔ４＋に近い時刻となっている。

そして、上記のハーフブリッジ回路の出力は、第１微分回路２０、第２アンプ２２、及び第２微分回路２４を通じてトリガ波形とされる。具体的にトリガ波形は、図６（ｄ）に示すように、ハーフブリッジ回路の出力における極大値及び極小値と対応して出力される。すなわち、トリガ波形は、時刻ｔ１＋，ｔ２＋，ｔ３＋，ｔ４＋，ｔ５＋，ｔ６＋，ｔ７＋，ｔ８＋，ｔ９＋において得られることとなる。なお、トリガ波形は、時刻ｔ１＋，ｔ２＋，ｔ３＋，ｔ４＋，ｔ５＋において正側のトリガ波形となり、時刻ｔ６＋，ｔ７＋，ｔ８＋，ｔ９＋において負側のトリガ波形となる。

このようなトリガ波形を入力するフリップフロップ回路２８は、負側のトリガ波形の間においてハイレベル信号を出力する。ここで、外部磁界がプラスである場合、負側のトリガ波形の発生時刻ｔ６＋，時刻ｔ７＋は共に時刻ｔ２＋に近い時刻となっており、時刻ｔ８＋，時刻ｔ９＋についても時刻ｔ４＋に近い時刻となっている。よって、ハイレベルを示す時間Ｔは、図５に示す例よりも長くなる。マイコン３０は、このハイレベル信号の時間Ｔに基づいて、外部磁界を検出することとなる。図６に示す例において時間Ｔ＞１／２ｆ_０となっており、マイコン３０は、外部磁界をプラスと検出することとなる。

図７は、外部磁界がマイナスである場合の各種信号を示すタイミングチャートであって、（ａ）はマイコン３０からフィルタ３２に出力されるパルス電圧を示し、（ｂ）は負帰還バイアスコイル１４に印加される交流バイアスを示している。また、（ｃ）はハーフブリッジ回路の出力を示し、（ｄ）は第２微分回路２４の出力を示し、（ｅ）はフリップフロップ回路２８の出力を示している。

まず、図７（ａ）に示すように、マイコン３０は、所定の周波数信号（交流バイアス周波数ｆ_０）を出力する。この信号は図５（ａ）に示したものと同じであって、時刻ｔ１−において立ち上り、時刻ｔ２−において立ち下がり、時刻ｔ３−において立ち上り、時刻ｔ４−において立ち下がり、時刻ｔ５−において立ち上がる。このような周波数信号は、フィルタ３２により三角波とされ、第３アンプ３４により増幅されて、図７（ｂ）に示す交流バイアスが生成される。この交流バイアスは、図５（ｂ）に示したものと同じであって、時刻ｔ１−において極大値をとり、時刻ｔ２−において極小値をとり、時刻ｔ３−において極大値をとり、時刻ｔ４−において極小値をとり、時刻ｔ５−において極大値をとる。このような交流バイアスが負帰還バイアスコイル１４に印加され、磁気インピーダンス素子１２には交流磁界が印加される。

上記バイアス電圧が負帰還バイアスコイル１４に印加された場合、外部磁界がマイナスであるとすると、ハーフブリッジ回路の出力は、図４（ｂ）を参照した場合と同様になる。具体的にハーフブリッジ回路の出力は、図７（ｃ）に示すように、時刻ｔ１−，ｔ２−，ｔ３−，ｔ４−，ｔ５−において極小値をとる。さらに、ハーフブリッジ回路の出力は、時刻０，ｔ１−の間の時刻ｔ６−、時刻ｔ１−，ｔ２−の間の時刻ｔ７−、時刻ｔ２−，ｔ３−の間の時刻ｔ８−、時刻ｔ３−，ｔ４−の間の時刻ｔ９−、時刻ｔ４−，ｔ５−の間の時刻ｔ１０−、及び時刻ｔ５−以降の時刻ｔ１１−において極大値をとる。

なお、極大値を示す時刻ｔ６−，時刻ｔ７−は、時刻ｔ１−に近い時刻となっており、時刻ｔ８−，時刻ｔ９−についても時刻ｔ３−に近く、時刻ｔ１０−，時刻ｔ１１−についても時刻ｔ５−に近い時刻となっている。

そして、上記のハーフブリッジ回路の出力は、第１微分回路２０、第２アンプ２２、及び第２微分回路２４を通じてトリガ波形とされる。具体的にトリガ波形は、図６（ｄ）に示すように、ハーフブリッジ回路の出力における極大値及び極小値と対応して出力される。すなわち、トリガ波形は、時刻ｔ１−，ｔ２−，ｔ３−，ｔ４−，ｔ５−，ｔ６−，ｔ７−，ｔ８−，ｔ９−，ｔ１０−，ｔ１１−において得られることとなる。なお、トリガ波形は、時刻ｔ１−，ｔ２−，ｔ３−，ｔ４−，ｔ５−において正側のトリガ波形となり、時刻ｔ６−，ｔ７−，ｔ８−，ｔ９−，ｔ１０−，ｔ１１−において負側のトリガ波形となる。

このようなトリガ波形を入力するフリップフロップ回路２８は、負側のトリガ波形の間においてハイレベル信号を出力する。ここで、外部磁界がマイナスである場合、負側のトリガ波形の発生時刻ｔ６−，時刻ｔ７−は共に時刻ｔ１−に近い時刻となっており、時刻ｔ８−，時刻ｔ９−についても時刻ｔ３−に近く、時刻ｔ１０−，時刻ｔ１１−についても時刻ｔ５−に近い時刻となっている。よって、ハイレベルを示す時間Ｔは、図５に示す例よりも短くなる。マイコン３０は、このハイレベル信号の時間Ｔに基づいて、外部磁界を検出することとなる。図５に示す例において時間Ｔ＜１／２ｆ_０となっており、マイコン３０は、外部磁界をマイナスと検出することとなる。

なお、上記においてマイコン３０は、交流バイアス周波数ｆ_０の立ち下がり時（図５〜図７の星マーク時）においてリセット信号をフリップフロップ回路２８に送信し、マイコン３０は、リセット信号後の最初のハイレベル信号の時間Ｔに基づいて、外部磁界を検出することが好ましい。これにより、第２微分回路２４からトリガ波形が正確に出力されなかった場合にも対応可能だからである。

図８は、ハイレベル信号の時間Ｔと外部磁界の強さとの相関を示す図である。本実施形態においてマイコン３０は、図８に示すデータを記憶しておくことにより、外部磁界の方向（プラス、マイナス）だけでなく、その強さについても検出することができる。

このようにして、本実施形態に係る磁界検出センサ１によれば、磁気インピーダンス素子１２は長手方向が磁界の検出方向とされ、磁性薄膜１２ｂの磁化容易軸が長手方向に沿う方向に磁気異方性がつけられている。ここで、磁界の検出方向と磁性薄膜１２ｂの磁化容易軸とを同方向とすることにより磁気インピーダンス特性をピラミッド型にすることができる。そして、ピラミッド型の磁気インピーダンス特性とすることにより、Ｍ字型のように傾きが急峻となるところまで直流及び交流バイアスを掛ける必要が無い。加えて、ピラミッド型ではＭ字型よりもヒステリシスが小さいため検出精度を向上でき、且つ、傾きが全域に亘って所定の傾斜を有していることから、検出範囲を広くすることができる。従って、消費電流を抑えると共に検出精度を高め、且つ、検出範囲を広範とすることができる。

また、第２微分回路２４から出力されるトリガ波形に基づいて、外部磁界を検出するため、振幅の高低差に基づいて検出する場合、及び積分回路を用いる場合と比較してノイズに強くすることができる。従って、一層検出精度を高めることができる。

また、負帰還コイルとバイアスコイルとを別々に備える場合と比較して、大型化及び高コスト化を抑制することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

例えば、本実施形態に係る磁界検出センサ１は、単一の負帰還バイアスコイル１４を備えているが、これに限らず、負帰還コイルとバイアスコイルとをそれぞれ備えていてもよい。

また、本実施形態において磁気インピーダンス素子１２は、磁性薄膜１２ｂは平面視してミアンダ形状（つづら折れ形状）となるように形成されているが、これに限らず、直線状に形成されていてもよい。

さらに、上記実施形態においてマイコン３０は、ハイレベル信号が出力される時間に基づいて外部磁界を検出しているが、これに限らず、例えば交流バイアス周波数ｆ_０からハイレベル信号の立下りタイミングまでの時間に基づいて外部磁界を検出してもよい。これによっても、同様の効果を得られるからである。

１…磁界検出センサ
１０…発振回路
１２…磁気インピーダンス素子
１２ａ…非磁性基板
１２ｂ…磁性薄膜（磁性膜）
１２ｃ，１２ｄ…電極
１４…負帰還バイアスコイル（バイアスコイル）
１６…計装アンプ
１８…第１アンプ
２０…第１微分回路
２２…第２アンプ
２４…第２微分回路
２６…コンパレータ
２８…フリップフロップ回路
３０…マイコン（演算部）
３２…フィルタ
３４…第３アンプ
３６…大電流出力アンプ
３８…加算器
Ｒ…抵抗

Claims (3)

1. 磁気インピーダンス効果を利用した磁気インピーダンス素子に交流電流を印加して得られる出力から外部磁界を検出する磁界検出センサであって、
   当該磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加するためのバイアスコイルを備え、
   前記磁気インピーダンス素子は、非磁性基板と、前記非磁性基板の表面に形成された磁性膜と、を有し、当該磁気インピーダンス素子の長手方向が磁界の検出方向とされ、前記磁性膜の磁化容易軸が前記磁界の検出方向と同方向となるように磁気異方性がつけられている
   ことを特徴とする磁界検出センサ。
2. 前記磁気インピーダンス素子に交流電流を印加する発振回路と、
   前記磁気インピーダンス素子の出力を微分する微分回路と、
   前記微分回路から出力されるトリガ波形に基づいて、外部磁界を検出する演算部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の磁界検出センサ。
3. 前記バイアスコイルは、磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加すると共に、負帰還磁界を印加する単一の負帰還バイアスコイルにより構成されている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の磁界検出センサ。

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