JP3341036B2 - Magnetic sensor - Google Patents
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- JP3341036B2 JP3341036B2 JP09138299A JP9138299A JP3341036B2 JP 3341036 B2 JP3341036 B2 JP 3341036B2 JP 09138299 A JP09138299 A JP 09138299A JP 9138299 A JP9138299 A JP 9138299A JP 3341036 B2 JP3341036 B2 JP 3341036B2
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気センサに関
し、特に高感度磁気センサである磁気インピーダンスセ
ンサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic sensor, and more particularly to a magnetic impedance sensor which is a high-sensitivity magnetic sensor.
【0002】[0002]
【従来の技術】最近の情報機器や計測・制御機器の急速
な発展にともない小型・低コストで高感度・高速応答の
磁気センサの要求がますます大きくなっている。たとえ
ば、コンピュータの外部記憶装置のハードディスク装置
ではバルクタイプの誘導型磁気ヘッドから薄膜磁気ヘッ
ド、磁気抵抗効果(MR)ヘッドと高性能化が進んできてお
り、モーターの回転センサであるロータリーエンコーダ
ではマグネットリングの磁極数が多くなり従来用いられ
ている磁気抵抗効果(MR)センサに代わり微弱な表面磁束
を感度良く検出できる磁気センサが必要となってきてい
る。また、非破壊検査や紙幣検査に用いることができる
高感度磁気センサの需要も大きくなっている。さらに小
型軽量の自動車用方位センサ、高精細カラーテレビやパ
ーソナルコンピュータの表示管のアクティブ磁気シール
ド用センサなどの需要も高くなっている。2. Description of the Related Art With the rapid development of information devices and measurement / control devices in recent years, there has been an increasing demand for small, low-cost, high-sensitivity, high-speed magnetic sensors. For example, in the hard disk drive of the external storage device of a computer, the performance has been improved from a bulk type inductive magnetic head to a thin film magnetic head and a magnetoresistive effect (MR) head, and a rotary encoder serving as a motor rotation sensor has a magnet. As the number of magnetic poles of the ring increases, a magnetic sensor capable of detecting a weak surface magnetic flux with high sensitivity is required instead of a conventionally used magnetoresistive effect (MR) sensor. In addition, demand for a high-sensitivity magnetic sensor that can be used for nondestructive inspection and banknote inspection is increasing. Further, there is a growing demand for a small and lightweight direction sensor for automobiles, a sensor for active magnetic shield of a display tube of a high-definition color television or a personal computer, and the like.
【0003】現在用いられている代表的な磁気センサと
して誘導型再生用磁気ヘッド、磁気抵抗効果(MR)素子、
フラックスゲートセンサ、ホール素子等がある。また、
最近、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果
(特開平6-176930号公報、特開平7-181239号公報、特開
平7-333305号公報参照)や磁性薄膜の磁気インピーダン
ス効果(特開平8-75835 号公報、日本応用磁気学会誌vo
l.20,553-556(1996)参照)を利用した高感度の磁気セン
サが提案されている。[0003] Typical magnetic sensors currently used include an inductive reproducing magnetic head, a magnetoresistive (MR) element,
There are a flux gate sensor, a Hall element and the like. Also,
Recently, the magnetic impedance effect of an amorphous wire (see JP-A-6-176930, JP-A-7-181239, and JP-A-7-333305) and the magnetic impedance effect of a magnetic thin film (JP-A-8-75835, Journal of the Japan Society of Applied Magnetics vo
l, 20,553-556 (1996)), a high-sensitivity magnetic sensor has been proposed.
【0004】誘導型再生磁気ヘッドはコイル巻線が必要
であるため磁気ヘッド自体が大型化する。また、誘導型
再生磁気ヘッドを小型化すると磁気ヘッドと媒体の相対
速度が低下して検出感度が著しく低下するという問題が
惹起する虞がある。これに対して、強磁性膜による磁気
抵抗効果(MR)素子が用いられるようになってきた。MR素
子は磁束の時間変化ではなく磁束そのものを検出するも
のであり、これにより磁気ヘッドの小型化が進められて
きた。しかし、現在のMR素子の電気抵抗の変化率は約2
%であり、また、スピンバルブ素子を用いたMR素子でさ
え電気抵抗の変化率が最大6%以下と小さく、また数%
の抵抗変化を得るのに必要な外部磁界は1600 A/m以上と
大きい。従って磁気抵抗感度は0.001 %/(A/m) 以下の低
感度である。また、最近、磁気抵抗変化率が数10%を示
す人工格子による巨大磁気抵抗効果(GMR) が見いだされ
てきた。しかし数10%の抵抗変化を得るためには数万A/
mの外部磁界が必要であり、磁気センサとしての実用化
はされていない。The inductive reproducing magnetic head requires a coil winding, so that the magnetic head itself becomes large. In addition, when the size of the inductive reproducing magnetic head is reduced, the relative speed between the magnetic head and the medium may be reduced, which may cause a problem that the detection sensitivity is significantly reduced. On the other hand, a magnetoresistance (MR) element using a ferromagnetic film has come to be used. The MR element detects the magnetic flux itself rather than the time change of the magnetic flux, and thus the miniaturization of the magnetic head has been promoted. However, the rate of change of the electric resistance of the current MR element is about 2
%, And even the MR element using the spin valve element has a small rate of change in electric resistance of at most 6% or less, and several%.
The external magnetic field required to obtain the resistance change is as large as 1600 A / m or more. Therefore, the magnetoresistive sensitivity is a low sensitivity of 0.001% / (A / m) or less. Recently, the giant magnetoresistance effect (GMR) by an artificial lattice having a magnetoresistance change rate of several tens of percent has been found. However, tens of thousands of A /
Since an external magnetic field of m is required, it has not been put to practical use as a magnetic sensor.
【0005】従来の高感度磁気センサであるフラックス
ゲートセンサは、パーマロイ等の高透磁率磁心の対称な
B-H 特性が外部磁界によって変化することを利用して磁
気の測定を行うものであり、高分解能と±1°の高指向
性を持つ。しかし、このフラックスゲートセンサは、検
出感度をあげるために反磁界の少ない大型の磁心を必要
としセンサ全体の寸法を小さくすることが難しく、ま
た、消費電力が大きいという問題点を持つ。前記ホール
素子を用いた磁界センサは電流の流れる面に垂直に磁界
を印加すると、電流と印加磁界の両方向に対して垂直な
方向に電界が生じてホール素子に起電力が誘起される現
象を利用したセンサである。ホール素子はコスト的には
有利であるが磁界検出感度が低く、また、SiやGaAsなど
の半導体で構成されるため温度変化に対して半導体内の
格子の熱振動による散乱によって電子、または正孔の移
動度が変化するため磁界感度の温度特性が悪いという欠
点を持つ。A fluxgate sensor, which is a conventional high-sensitivity magnetic sensor, has a high permeability magnetic core such as permalloy.
It measures the magnetism by using the fact that the BH characteristic changes due to an external magnetic field, and has high resolution and high directivity of ± 1 °. However, this flux gate sensor requires a large magnetic core with a small demagnetizing field in order to increase the detection sensitivity, it is difficult to reduce the size of the entire sensor, and there is a problem that the power consumption is large. The magnetic field sensor using the Hall element utilizes the phenomenon that when a magnetic field is applied perpendicular to the plane where current flows, an electric field is generated in a direction perpendicular to both the current and the applied magnetic field, and an electromotive force is induced in the Hall element. Sensor. Hall elements are advantageous in terms of cost, but have low magnetic field detection sensitivity.Because they are composed of semiconductors such as Si and GaAs, electrons or holes are scattered due to thermal vibration of the lattice in the semiconductor against temperature changes. Has the disadvantage that the temperature characteristics of the magnetic field sensitivity are poor due to the change in the mobility of the magnetic field.
【0006】特開平6-176930号公報、特開平7-181239号
公報、特開平7-333305号公報に記載されているように、
磁気インピーダンス素子が提案され大幅な磁界感度の向
上を実現している。この磁気インピーダンス素子は、時
間的に急激に変化する電流を磁性線に印加することによ
って生じる表皮効果を利用した円周磁束の時間変化に対
する電圧のみを外部印加磁界による変化として検出する
ことを基本原理としている磁気インピーダンス素子であ
る。磁性線としてFeCoSiB 等の零磁歪の直径30μm 程度
のアモルファスワイヤ(線引後、張力アニールしたワイ
ヤ)が用いられており、長さ1mm 程度の微小寸法のワイ
ヤでも1MHz程度の高周波電流を通電するとワイヤの電圧
の振幅がMR素子の100 倍以上である約0.1%/(A/m)の高感
度で変化する。As described in JP-A-6-176930, JP-A-7-181239, and JP-A-7-333305,
Magneto-impedance elements have been proposed to achieve significant improvements in magnetic field sensitivity. The basic principle of this magneto-impedance element is to detect only the voltage with respect to the time change of the circumferential magnetic flux using the skin effect generated by applying a current that changes rapidly with time to a magnetic wire as a change due to an externally applied magnetic field. The magnetic impedance element described above. Amorphous wires with a diameter of about 30 μm with zero magnetostriction such as FeCoSiB (wires that have been drawn and annealed in tension) such as FeCoSiB are used as the magnetic wires. The amplitude of the voltage changes with high sensitivity of about 0.1% / (A / m), which is 100 times or more that of the MR element.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】ところで、磁気センサ
として、小型で低コスト、かつ、検出磁界(外部磁界)
に対する出力の直線性、温度特性に優れた高感度磁気セ
ンサが求められている。そして、アモルファスワイヤの
磁気インピーダンス効果を利用した磁気センサは高感度
の磁界検出特性を示す。また、特開平6-176930号公報、
特開平6-347489号公報にはバイアス磁界を加えることに
よりインピーダンス変化の印加磁界依存性の直線性が改
善されることが示され、かつアモルファスワイヤに負帰
還コイルを巻き、アモルファスワイヤの両端の電圧を増
幅し、負帰還電流を負帰還コイルに流すことにより、直
線性の優れた磁気センサを提供できることが示されてい
る。By the way, as a magnetic sensor, a small and low-cost magnetic field (external magnetic field) is detected.
There is a demand for a high-sensitivity magnetic sensor having excellent output linearity and temperature characteristics. The magnetic sensor using the magnetic impedance effect of the amorphous wire exhibits high-sensitivity magnetic field detection characteristics. Also, JP-A-6-176930,
Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 6-347489 discloses that the application of a bias magnetic field improves the linearity of the applied magnetic field dependence of the impedance change, and a negative feedback coil is wound around the amorphous wire, and the voltage across the amorphous wire is increased. It is shown that a magnetic sensor with excellent linearity can be provided by amplifying the negative feedback current and flowing a negative feedback current to the negative feedback coil.
【0008】なお、特開平6-176930号公報では発振回路
や検波回路を含む駆動回路については触れられておら
ず、また、特開平6-347489号公報では発振回路として一
対のスイッチングトランジスタを用いたマルチバイブレ
ータとローパスフィルタの組み合わせが提案されてい
る。また、日本応用磁気学会VOL.21.793-796(1997)によ
ると低消費電力化の為、C-MOS マルチバイブレータによ
るパルス駆動で2つのアモルファスワイヤに高周波電流
を通電し、それぞれをダイオードダイオードで検波し、
オペアンプで差動増幅している。しかし、この回路では
磁気インピーダンス素子の磁気変化量を最大限には引き
出してはおらず、温度特性上、問題がある。2つのアモ
ルファスワイヤを使用する特許は特開平7-248365号公報
で示されているが、検波回路を含む駆動回路にはふれて
いない。Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-176930 does not mention a driving circuit including an oscillation circuit and a detection circuit, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-347489 uses a pair of switching transistors as an oscillation circuit. A combination of a multivibrator and a low-pass filter has been proposed. According to the Japan Society of Applied Magnetics, VOL.21.793-796 (1997), in order to reduce power consumption, high-frequency current is applied to two amorphous wires by pulse driving with a C-MOS multivibrator, and each is detected by a diode. ,
Differential amplification is performed by an operational amplifier. However, in this circuit, the amount of magnetic change of the magneto-impedance element is not maximized, and there is a problem in temperature characteristics. A patent using two amorphous wires is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-248365, but does not mention a drive circuit including a detection circuit.
【0009】本発明は上記事情を鑑みてなされたもので
あり、検出磁界に対する出力の直線性及び温度特性が優
れた高感度でコンパクトな磁気センサを提供することを
目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a highly sensitive and compact magnetic sensor having excellent linearity of output with respect to a detected magnetic field and excellent temperature characteristics.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】本願の請求項1に係る磁
気センサの発明は、強磁性体からなり、長手方向の両端
に第1電極と第2電極をそれぞれ設け、前記強磁性体の
周囲に絶縁体を介してバイアスコイルと負帰還コイルを
巻回した構成をそれぞれ有する第1と第2の2個の磁気
インピーダンス素子と、該2個の磁気インピーダンス素
子に高周波の電流を通電するための発振回路と、前記2
個の磁気インピーダンス素子に互いに逆極性の磁界が印
加するように前記バイアスコイルに、直流電流を流す回
路と、印加される外部磁界により生じる前記2個の磁気
インピーダンス素子のインピーダンス変化に依存する第
1電極と第2電極間の交流電圧について各正極側及び負
極側の両方を、それぞれ一定の直流電流が流れる検波ダ
イオードで検波する検波回路と、該検波回路の出力電圧
のピーク値を保持するピークホールド回路と、該ピーク
ホールド回路の第1の磁気インピーダンス素子の正極側
出力電圧と第2の磁気インピーダンス素子の負極側出力
電圧とを加算した加算電圧と、第1の磁気インピーダン
ス素子の負極側出力電圧と第2の磁気インピーダンス素
子の正極側出力電圧とを加算した加算電圧とを差動増幅
してピークホールド回路の前記4つの出力電圧を合成す
る合成回路と、を備えたことを特徴とする。本願の請求
項2に係る発明は、請求項1に記載の構成において、前
記磁気インピーダンス素子は、非磁性体からなる基板上
に形成された強磁性体薄膜磁気コアを有し、該強磁性体
薄膜磁気コアの長手方向両端に第1電極と第2電極をそ
れぞれ設け、前記強磁性体薄膜磁気コアの周囲に絶縁体
を介してバイアスコイルと負帰還コイルを巻回した構造
であることを特徴とする。本願の請求項3に係る発明
は、請求項1に記載の構成において、前記磁気インピー
ダンス素子は、その長手方向両端に設けられた第1電極
と第2電極を有する強磁性体アモルファスワイヤからな
り、前記強磁性体アモルファスワイヤの周囲に絶縁体を
介してバイアスコイルと負帰還コイルを巻回した構造で
あることを特徴とする。本願の請求項4に係る磁気セン
サの発明は、強磁性体からなり、長手方向の両端に第1
電極と第2電極をそれぞれ設け、前記強磁性体の周囲に
絶縁体を介してバイアスコイルと負帰還コイルを巻回し
た構成をそれぞれ有する第1と第2の2個の磁気インピ
ーダンス素子と、該2個の磁気インピーダンス素子に高
周波の電流を通電するための発振回路と、前記2個の磁
気インピーダンス素子に互いに逆極性の磁界が印加する
ように前記バイアスコイルに、直流電流を流す回路と、
印加される外部磁界により生じる前記2個の磁気インピ
ーダンス素子のインピーダンス変化に依存する第1電極
と第2電極間の交流電圧について各正極側及び負極側の
両方を、それぞれ一定の直流電流が流れる検波ダイオー
ドで検波する検波回路と、該検波回路の出力電圧のピー
ク値を保持するピークホールド回路と、該ピークホール
ド回路の第1の磁気インピーダンス素子の正極側出力電
圧と第1の磁気インピーダンス素子の負極側出力電圧と
を差動増幅した電圧と、第2の磁気インピーダンス素子
の正極側出力電圧と第2の磁気インピーダンス素子の負
極側出力電圧とを差動増幅した電圧とを差動増幅して4
つの前記ピークホールド回路の出力電圧を合成する合成
回路と、を備えたことを特徴とする。本願の請求項5に
係る発明は、請求項4に記載の構成において、前記磁気
インピーダンス素子は、非磁性体からなる基板上に形成
された強磁性体薄膜磁気コアを有し、該強磁性体薄膜磁
気コアの長手方向両端に第1電極と第2電極をそれぞれ
設け、前記強磁性体薄膜磁気コアの周囲に絶縁体を介し
てバイアスコイルと負帰還コイルを巻回した構造である
ことを特徴とする。本願の請求項6に係る発明は、請求
項4に記載の構成において、前記磁気インピーダンス素
子は、その長手方向両端に設けられた第1電極と第2電
極を有する強磁性体アモルファスワイヤからなり、前記
強磁性体アモルファスワイヤの周囲に絶縁体を介してバ
イアスコイルと負帰還コイルを巻回した構造であること
を特徴とする。上記発振回路はパルス波、正弦波のどち
らでも駆動でき、パルス波としてC-MOS で矩形波を発振
し微分回路で微分波形を供給する回路や正弦波では、C-
MOS と発振子で矩形波を発振させ、およびローパスフィ
ルタ、または、バンドパスフィルタで正弦波を作り出す
回路、また、トランジスタと発振子の組み合わせによる
カスケード型コルピッツ発振回路、オペアンプによるウ
ィーンブリッジ回路がある。上記、検波回路は検波ダイ
オードに一定電流を流し、交流電圧の正極性側、負極性
側の両方を検波したピークホールド回路であり、2つの
磁気インピーダンス素子の検波出力を合成して、差動増
幅している。According to a first aspect of the present invention, there is provided a magnetic sensor comprising a ferromagnetic material, a first electrode and a second electrode provided at both ends in a longitudinal direction, and a periphery of the ferromagnetic material. And a first and a second two magneto-impedance elements each having a configuration in which a bias coil and a negative feedback coil are wound via an insulator, and a high-frequency current for passing a high-frequency current through the two magneto-impedance elements. An oscillation circuit;
A circuit for flowing a direct current to the bias coil so that magnetic fields of opposite polarities are applied to the two magnetic impedance elements; and a circuit that depends on an impedance change of the two magnetic impedance elements caused by an applied external magnetic field .
A detection circuit that detects both the positive electrode side and the negative electrode side of the AC voltage between the first electrode and the second electrode with a detection diode through which a constant DC current flows, and a peak that holds the peak value of the output voltage of the detection circuit Hold circuit and the peak
Positive electrode side of the first magnetic impedance element of the hold circuit
Output voltage and negative side output of second magneto-impedance element
Voltage and the first magnetic impedance
And a second magneto-impedance element.
Differential amplification of the added voltage obtained by adding the positive output voltage of the
To combine the four output voltages of the peak hold circuit.
And a synthesizing circuit . According to a second aspect of the present invention, in the configuration according to the first aspect, the magneto-impedance element has a ferromagnetic thin-film magnetic core formed on a substrate made of a non-magnetic material, A first electrode and a second electrode are respectively provided at both ends in the longitudinal direction of the thin-film magnetic core, and a bias coil and a negative feedback coil are wound around the ferromagnetic thin-film magnetic core via an insulator. And According to a third aspect of the present invention, in the configuration according to the first aspect, the magneto-impedance element includes a ferromagnetic amorphous wire having a first electrode and a second electrode provided at both ends in a longitudinal direction thereof, A bias coil and a negative feedback coil are wound around the ferromagnetic amorphous wire via an insulator. The invention of a magnetic sensor according to claim 4 of the present application is made of a ferromagnetic material and has first ends at both ends in the longitudinal direction.
First and second two magneto-impedance elements each having a configuration in which an electrode and a second electrode are provided, and a bias coil and a negative feedback coil are wound around the ferromagnetic material via an insulator. An oscillation circuit for supplying a high-frequency current to the two magneto-impedance elements, a circuit for passing a direct current to the bias coil so that magnetic fields of opposite polarities are applied to the two magneto-impedance elements,
An AC voltage between the first electrode and the second electrode, which depends on an impedance change of the two magneto-impedance elements caused by an applied external magnetic field, applies a constant DC voltage to both the positive electrode side and the negative electrode side. a detection circuit for detecting by the detection diode current flows, the peak hold circuit for holding a peak value of the output voltage of the detection wave circuit, the peak hole
Positive output of the first magneto-impedance element of the
And the negative output voltage of the first magneto-impedance element
And a second magneto-impedance element
And the negative output voltage of the second magneto-impedance element.
Differential amplification of the pole side output voltage and the differentially amplified voltage
Combining the output voltages of the two peak hold circuits
And a circuit . According to a fifth aspect of the present invention, in the configuration according to the fourth aspect, the magnetic impedance element has a ferromagnetic thin-film magnetic core formed on a substrate made of a nonmagnetic material, A first electrode and a second electrode are respectively provided at both ends in the longitudinal direction of the thin-film magnetic core, and a bias coil and a negative feedback coil are wound around the ferromagnetic thin-film magnetic core via an insulator. And The invention according to claim 6 of the present application, in the configuration according to claim 4, wherein the magneto-impedance element comprises a ferromagnetic amorphous wire having first and second electrodes provided at both ends in the longitudinal direction, A bias coil and a negative feedback coil are wound around the ferromagnetic amorphous wire via an insulator. The above oscillation circuit can be driven by either a pulse wave or a sine wave, and a circuit that oscillates a rectangular wave as a pulse wave with a C-MOS and supplies a differentiated
There is a circuit that oscillates a square wave with a MOS and an oscillator and generates a sine wave with a low-pass filter or a band-pass filter, a cascaded Colpitts oscillation circuit using a combination of a transistor and an oscillator, and a Wien bridge circuit using an operational amplifier. The above detection circuit is a peak hold circuit that applies a constant current to the detection diode and detects both the positive side and the negative side of the AC voltage, and combines the detection outputs of the two magnetic impedance elements to perform differential amplification. are doing.
【0011】[0011]
【発明の実施の形態】以下、本発明の第1実施の形態を
図1〜図18に基づき、図21及び図22を参照して説
明する。図1は本発明の磁気センサ1の回路構成を示す
ブロック図である。本磁気センサ1は、負帰還コイル2
及びバイアスコイル3を持つ磁気インピーダンス素子4
を2個使用し、発振回路5、検波回路6、増幅回路7、
負帰還抵抗8から成る。図1において、9は2個の磁気
インピーダンス素子4のバイアスコイル3に互いに逆極
性の磁界を印加するように直流電流を流す回路(直流電
流供給回路)、10は強磁性体である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 18 and FIGS. FIG. 1 is a block diagram showing a circuit configuration of the magnetic sensor 1 of the present invention. The magnetic sensor 1 includes a negative feedback coil 2
Impedance element 4 having a coil and a bias coil 3
Oscillating circuit 5, detecting circuit 6, amplifying circuit 7,
It comprises a negative feedback resistor 8. In FIG. 1, reference numeral 9 denotes a circuit (DC current supply circuit) for flowing a DC current so as to apply magnetic fields of opposite polarities to the bias coils 3 of the two magnetic impedance elements 4, and reference numeral 10 denotes a ferromagnetic material.
【0012】磁気インピーダンス素子4としては図2、
3、4に示す薄膜磁気インピーダンス(MI)素子(以
下、同符号を用い薄膜MI素子4という。)が用いられて
いる。図2は、薄膜MI素子4の構造を模式的に示した図
であり、図3は図2のA-A 線に沿う断面図、図4は図2
のB-B 線に沿う断面図である。薄膜MI素子4は、強磁性
体10として幅20μm 、厚さ3 μm 、長さ2000μm の形
状の薄膜磁気コア(以下、同符号を用い薄膜磁気コア1
0という。請求項2記載の強磁性体薄膜磁気コアを構成
する。)を用い、薄膜磁気コア10に絶縁膜11を介し
て負帰還コイル2としての負帰還用薄膜コイル(以下、
負帰還用薄膜コイル2という)、バイアスコイル3とし
てのバイアス用薄膜コイル(以下、バイアス用薄膜コイ
ル3という)を立体的に巻き回した構成になっている。
負帰還用、バイアス用薄膜コイル2,3は薄膜磁気コア
10の周囲に交互に巻き回されており、その巻き数はそ
れぞれ42ターンである。また、それぞれの電極部の一部
にはワイヤーボンド用のAuのパッドが施されている。図
3及び図4において、14は非磁性体からなる基板(請
求項2又は請求項5記載の基板を構成する。)であり、
15は第1電極、16は第2電極である。As the magnetic impedance element 4, FIG.
Thin-film magneto-impedance (MI) elements 3 and 4 (hereinafter referred to as the thin-film MI element 4 using the same reference numerals) are used. 2 is a diagram schematically showing the structure of the thin-film MI element 4, FIG. 3 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 2, and FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. The thin film MI element 4 has a ferromagnetic material 10 having a width of 20 μm, a thickness of 3 μm, and a length of 2000 μm.
It is called 0. A ferromagnetic thin film magnetic core according to claim 2 is constituted. ), A thin film coil for negative feedback (hereinafter, referred to as a negative feedback coil 2) serving as a negative feedback coil 2 on a thin film magnetic core 10 via an insulating film 11.
The structure is such that a thin film coil for bias as a thin film coil for negative feedback (hereinafter referred to as a negative feedback thin film coil 2) and a bias coil 3 (hereinafter referred to as a thin film coil for bias 3) are three-dimensionally wound.
The negative feedback and bias thin film coils 2 and 3 are alternately wound around the thin film magnetic core 10, and the number of turns is 42 turns, respectively. Further, Au pads for wire bonding are provided on a part of each electrode portion. 3 and 4, reference numeral 14 denotes a substrate made of a non-magnetic material (constituting the substrate according to claim 2 or 5 );
Reference numeral 15 denotes a first electrode, and reference numeral 16 denotes a second electrode.
【0013】つぎに、作製した薄膜MI素子4の特性につ
いて述べる。ここで薄膜磁気コア10の寸法は上述した
ように幅20μm 、厚さ3 μm 、長さ2000μm であり、負
帰還用、バイアス用薄膜コイル2,3は同一面上に交互
に巻き回されており、その巻き数は上述したようにそれ
ぞれ42ターンである。負帰還用、バイアス用薄膜コイル
2,3を薄膜磁気コア10の同一面上に交互に巻き回わ
す構造により薄膜磁気コア10の各部位に均等にバイア
ス磁界、および負帰還磁界を加えることができ薄膜MI素
子4(磁気センサ1)としての感度特性の直線性が向上
する。図5は薄膜磁気コア10をNiFeめっきで作製した
ときの薄膜MI素子4に薄膜MI素子4の長さ方向に0 およ
び1080 A/mの磁界(Hex) を印加したときの薄膜MI素子4
の両端電極(第1、第2電極15,16)間の電圧E の
周波数特性である。この場合、Hex=0 のときとHex=1080
A/mのときのE の差ΔE は、図6に示すように通電電流
の周波数20 MHz付近で最大であった。図7は通電電流の
周波数を20 MHzとしたときのインピーダンスの変化率の
印加磁界(Hex) 依存性を示したものである。印加磁界を
大きくしていくとインピーダンスの変化率ΔZ /Z0 は大
きくなり、素子の異方性磁界HkのところでΔZ /Z0 は最
大となり、さらにHex >HkではΔZ /Z0 は小さくなって
いく。また、単位印加磁界あたりのインピーダンスの変
化量(磁界感度)はHex=200 A/m 前後で最大となり0.4%
/(A/m)の磁界感度を示した。Next, characteristics of the manufactured thin film MI element 4 will be described. Here, the dimensions of the thin-film magnetic core 10 are 20 μm in width, 3 μm in thickness, and 2000 μm in length as described above, and the negative feedback and biasing thin-film coils 2 and 3 are alternately wound on the same surface. The number of turns is 42 turns as described above. The structure in which the negative feedback and bias thin film coils 2 and 3 are alternately wound on the same surface of the thin film magnetic core 10 makes it possible to apply a bias magnetic field and a negative feedback magnetic field to each part of the thin film magnetic core 10 evenly. The linearity of the sensitivity characteristic as the thin film MI element 4 (magnetic sensor 1) is improved. FIG. 5 shows the thin film MI element 4 when a magnetic field (Hex) of 0 and 1080 A / m is applied to the thin film MI element 4 in the longitudinal direction when the thin film magnetic core 10 is manufactured by NiFe plating.
7 shows the frequency characteristics of the voltage E between the two end electrodes (first and second electrodes 15 and 16). In this case, Hex = 0 and Hex = 1080
The difference ΔE of E at A / m was the largest around the frequency of the applied current of 20 MHz as shown in FIG. FIG. 7 shows the dependence of the rate of change of impedance on the applied magnetic field (Hex) when the frequency of the flowing current is 20 MHz. As the applied magnetic field increases, the rate of change ΔZ / Z0 of the impedance increases, ΔZ / Z0 becomes maximum at the anisotropic magnetic field Hk of the element, and ΔZ / Z0 decreases when Hex> Hk. In addition, the amount of change in impedance per unit applied magnetic field (magnetic field sensitivity) reaches a maximum at around Hex = 200 A / m and reaches 0.4%.
/ (A / m).
【0014】前記発振回路5としては、例えば図8、
9、10、11に示す発振回路5が用いられる。図8、
9、10、11に示すものは、磁気インピーダンス素子
4に高周波の電流を通電するための発振回路5である。
図8の発振回路5は、RCによるC−MOS発振であ
り、発振部17に微分回路18を付加した回路である。
図9の発振回路5は、発振子19を使用したC−MOS
発振回路5である。図9の発振回路5は、周波数安定度
が高く、振幅が安定している(振幅=Vcc)。CMOS発
振出力後に、信号をローパスフィルタ、または、バンド
パスフィルタからなるフィルタ部20を通過させる為、
正弦波が得られる。ローパスフィルタは安価なLCフィ
ルタを使用し、図ではバタワース型ローパスフィルタで
示したが、チェビシェフ型ローパスフィルタでもよい。
図10の発振回路5は、オペアンプ21を使用したウィ
ーンブリッジ発振回路5である。この回路で正弦波が得
られる。図11の発振回路5は、エミッタ接地で構成さ
れたコルピッツ発振回路5とベース接地で構成された増
幅器22,23をカスケード接続した回路である。この
回路の利点はミラー効果の影響を排除できるため、発振
部17に対する負荷変動の影響を極力、押さえ、安定し
た発振が供給できる。また、周波数特性も改善できる利
点もある。As the oscillation circuit 5, for example, FIG.
Oscillation circuits 5, 9, 10, and 11 are used. FIG.
Reference numerals 9, 10, and 11 denote oscillation circuits 5 for supplying a high-frequency current to the magnetic impedance element 4.
The oscillation circuit 5 in FIG. 8 is a C-MOS oscillation by RC, and is a circuit in which a differentiating circuit 18 is added to the oscillation unit 17.
The oscillation circuit 5 of FIG.
An oscillation circuit 5. The oscillation circuit 5 of FIG. 9 has a high frequency stability and a stable amplitude (amplitude = Vcc). After the CMOS oscillation output, the signal passes through a filter unit 20 including a low-pass filter or a band-pass filter.
A sine wave is obtained. As the low-pass filter, an inexpensive LC filter is used, and a Butterworth-type low-pass filter is shown in the figure, but a Chebyshev-type low-pass filter may be used.
The oscillation circuit 5 in FIG. 10 is a Wien bridge oscillation circuit 5 using the operational amplifier 21. With this circuit, a sine wave is obtained. The oscillation circuit 5 shown in FIG. 11 is a circuit in which a Colpitts oscillation circuit 5 having a common emitter and amplifiers 22 and 23 having a common base are cascaded. The advantage of this circuit is that the influence of the mirror effect can be eliminated, so that the effect of the load fluctuation on the oscillating unit 17 can be suppressed as much as possible, and stable oscillation can be supplied. There is also an advantage that the frequency characteristics can be improved.
【0015】上述したように構成した磁気センサ1で
は、発振回路5で高周波通電電流を2個の磁気インピー
ダンス素子4に印加する。また、図12に示すように磁
気インピーダンス素子4に外部磁界が加えられると磁気
インピーダンス素子4のインピーダンスが変化する。前
記2個の磁気インピーダンス素子4(以下、便宜上、適
宜、図12下側の磁気インピーダンス素子4を第1MI素
子4aといい、図12上側の磁気インピーダンス素子4
を第2MI素子4bという。)にはそれぞれ正反対のバイ
アス磁界を加える。この場合、第1MI素子4aには正の
バイアス磁界を加え、第2MI素子4bには負のバイアス
磁界を加える。このバイアス磁界による第1MI素子4a
の薄膜磁気コア10の第1電極15と第2電極16間の
電圧(電圧振幅)は、図13に示すように正の傾きを示
し、このバイアス磁界による第2MI素子4bの薄膜磁気
コア10の第1電極15と第2電極16間の電圧(電圧
振幅)は、図14に示すように負の傾きを示す。In the magnetic sensor 1 configured as described above, the oscillating circuit 5 applies a high-frequency current to the two magnetic impedance elements 4. As shown in FIG. 12, when an external magnetic field is applied to the magnetic impedance element 4, the impedance of the magnetic impedance element 4 changes. The two magnetic impedance elements 4 (hereinafter, for convenience, the lower magnetic impedance element 4 in FIG. 12 is referred to as a first MI element 4a, and the upper magnetic impedance element 4 in FIG.
Is referred to as a second MI element 4b. ) Apply opposite bias magnetic fields. In this case, a positive bias magnetic field is applied to the first MI element 4a, and a negative bias magnetic field is applied to the second MI element 4b. The first MI element 4a by this bias magnetic field
The voltage (voltage amplitude) between the first electrode 15 and the second electrode 16 of the thin film magnetic core 10 has a positive slope as shown in FIG. 13, and the bias magnetic field causes the voltage of the thin film magnetic core 10 of the second MI element 4b to change. The voltage (voltage amplitude) between the first electrode 15 and the second electrode 16 has a negative slope as shown in FIG.
【0016】そして、検出部24(図1の検波回路6に
相当する。)は、第1MI素子4aの薄膜磁気コア10の
第1電極15と第2電極16間の電圧(外部磁界及びバ
イアス磁界による電圧)及び第2MI素子4bの薄膜磁気
コア10の第1電極15と第2電極16間の電圧(外部
磁界及びバイアス磁界による電圧)を検波し、検波した
信号をオペアンプ25(図1の増幅回路7に相当す
る。)〔合成回路〕で差動検出することにより、外部磁
界の変化に応じた第1MI素子4aと第2MI素子4bの両
電圧振幅変化分が加算され、しかも、第1MI素子4a及
び第2MI素子4bの温度による特性の変化が相殺される
(すなわち、温度特性が優れたものになる。)。The detecting unit 24 (corresponding to the detection circuit 6 in FIG. 1) is configured to control a voltage (an external magnetic field and a bias magnetic field) between the first electrode 15 and the second electrode 16 of the thin-film magnetic core 10 of the first MI element 4a. ) And the voltage between the first electrode 15 and the second electrode 16 of the thin-film magnetic core 10 of the second MI element 4b (voltage due to an external magnetic field and a bias magnetic field), and the detected signal is output to an operational amplifier 25 (amplifier in FIG. 1). This corresponds to the circuit 7.) By performing differential detection in the [synthesis circuit] , both voltage amplitude changes of the first MI element 4a and the second MI element 4b according to the change of the external magnetic field are added, and the first MI element Changes in characteristics of the 4a and the second MI element 4b due to temperature are canceled out (that is, the temperature characteristics become excellent).
【0017】前記検波回路6及び増幅回路7(以下、便
宜上、検波回路6及び増幅回路7を検出回路26とい
う)としては、例えば、図15及び図16に示す検出回
路26Bが用いられる。この図15及び図16に示す検
出回路26Bの説明に先立って、まず、日本応用磁気学
会VOL.21.793-796(1997)に示されたものを説明する。こ
の日本応用磁気学会VOL.21.793-796(1997)によるC-MOS
マルチバイブレータ型磁気センサの検出回路26Aは磁
気素子(磁気インピーダンス素子)一つに対して一個の
ダイオードを使用して検出している。この検出回路26
Aを有する磁気センサ1の回路構成を図21に示す。As the detection circuit 6 and the amplification circuit 7 (hereinafter, for convenience, the detection circuit 6 and the amplification circuit 7 are referred to as a detection circuit 26), for example, a detection circuit 26B shown in FIGS. 15 and 16 is used. Prior to the description of the detection circuit 26B shown in FIGS. 15 and 16, the one shown in the Japan Society of Applied Magnetics VOL. 21.793-796 (1997) will be described first. C-MOS by Japan Society of Applied Magnetics VOL.21.793-796 (1997)
The detection circuit 26A of the multivibrator-type magnetic sensor detects one magnetic element (magnetic impedance element) using one diode. This detection circuit 26
FIG. 21 shows a circuit configuration of the magnetic sensor 1 having A.
【0018】検出部24(検出回路26A)の検出方法
は、一方の磁気インピーダンス素子(便宜上、第1MI素
子4aという)及び他方の磁気インピーダンス素子(便
宜上、第2MI素子4bという)の両端の電圧波形(VAi
n、VBin)がダイオード27,28を通ることで正極性
側のみをピークホールドして検出する方法である。この
ときの第1MI素子4aの検出電圧をVAとし、外部磁界で
変化した電圧の変化量をΔVHとすると外部に正極性磁界
を加えた場合、図21及び図22に示すように第1MI素
子4aの検出電圧はVA+ΔVHとなる。同様に第2MI素子
4bの検出電圧はVB−ΔVHとなる。そのときのオペアン
プ25の出力はVA=VBとなるため、 2ΔVHが得られる。
この図21の検出部24(検出回路26A)では磁気イ
ンピーダンス素子4の両端の電圧波形を正極性側しか、
検波しておらず、十分にMI素子(第1、第2MI素子4
a,4b)の外部磁界による磁気変化量を検出している
とはいえない。The detecting method of the detecting section 24 (detecting circuit 26A) is based on the voltage waveforms at both ends of one magnetic impedance element (for convenience, the first MI element 4a) and the other magnetic impedance element (for convenience, the second MI element 4b). (VAi
n, VBin) passes through the diodes 27 and 28, and only the positive polarity side is peak-held and detected. When the detected voltage of the first MI element 4a at this time is VA and the amount of change in the voltage changed by the external magnetic field is ΔVH, when a positive magnetic field is externally applied, as shown in FIGS. 21 and 22, the first MI element 4a Is VA + ΔVH. Similarly, the detection voltage of the second MI element 4b becomes VB-ΔVH. At this time, the output of the operational amplifier 25 is VA = VB, and 2ΔVH is obtained.
In the detection unit 24 (detection circuit 26A) of FIG. 21, the voltage waveform at both ends of the magnetic impedance element 4 is changed to the positive polarity side only.
No detection is performed, and the MI elements (first and second MI elements 4
It cannot be said that the amount of magnetic change due to the external magnetic field in (a, 4b) is detected.
【0019】上記図21の検出回路26Aに対して、図
15の検出回路26Bは一個のMI素子に検波ダイオード
を2個使用することでMI素子の両端の電圧波形の正負両
極性振幅を検出できるようにした。磁気インピーダンス
素子4の両端の電圧波形がダイオードD1-1,D1-2,D2-
1,D2-2(本発明の検波回路6を構成する。)を通過し
た後、第1MI素子4aによる正極性側でピークホールド
した電圧のピーク出力をVA1〔第1MI素子4a(第1の
磁気インピーダンス素子)の正極側出力電圧〕、負極性
のピーク出力をVA2〔第1MI素子4a(第1の磁気イン
ピーダンス素子)の負極側出力電圧〕とする。また、第
2MI素子4bによる正極性のピーク出力をVB1〔第2MI
素子4b(第2の磁気インピーダンス素子)の正極側出
力電圧〕、負極性のピーク出力を VB2〔第2MI素子4b
(第2の磁気インピーダンス素子)の負極側出力電圧〕
とする。本実施の形態では、抵抗R6,R7,R8,R
9及びコンデンサC5,C6,C7,C8がピークホー
ルド回路を構成する。In contrast to the detection circuit 26A shown in FIG. 21, the detection circuit 26B shown in FIG. 15 can detect both positive and negative amplitudes of the voltage waveform at both ends of the MI element by using two detection diodes for one MI element. I did it. The voltage waveforms at both ends of the magneto-impedance element 4 are diodes D1-1, D1-2, D2-
1. After passing through D2-2 (which constitutes the detection circuit 6 of the present invention), the peak output of the voltage which is peak-held on the positive polarity side by the first MI element 4a is VA1 [the first MI element 4a (first
The positive output voltage of the magnetic impedance element) and the negative peak output are set to VA2 [the first MI element 4a (the first magnetic input element).
Negative output voltage of the impedance element) . In addition, the peak output of the positive polarity by the second MI element 4b is VB1 [the second MI element 4b ].
The element 4b (second magneto-impedance element) has a positive electrode
Power Voltage], negative peak output VB2 [First 2MI element 4b
(Negative Output Voltage of the Second Magnetic Impedance Element)
And In the present embodiment, the resistors R6, R7, R8, R
9 and the capacitors C5, C6, C7, C8 constitute a peak hold circuit.
【0020】外部磁界で変化した変化電圧量をΔVHとす
ると外部磁界を印加したときの出力は VA1=VA+ΔVH、
VA2=−VA−ΔVH、 VB1=VB−ΔVH、 VB2=−VB+ΔVH
で表される。図15の回路図のようにピーク出力のVA1
とVB2 を互いに加算し、検波出力V1とする。同様にVA2
とVB1 を互い加算し、検波出力V2とする。そして、検波
出力V1とV2をオペアンプ25で差動検波し、4つのピー
ク出力を合成することで、式(1)及び(2)より、出
力Vout は4ΔVHを得ることができる。Assuming that the amount of voltage change caused by the external magnetic field is ΔVH, the output when the external magnetic field is applied is VA1 = VA + ΔVH,
VA2 = −VA−ΔVH, VB1 = VB−ΔVH, VB2 = −VB + ΔVH
It is represented by VA1 of peak output as shown in the circuit diagram of FIG.
And VB2 are added to each other to obtain a detection output V1. Similarly VA2
And VB1 are added to each other to obtain a detection output V2. Then, the detection outputs V1 and V2 are differentially detected by the operational amplifier 25 and the four peak outputs are combined, so that the output Vout can be obtained as 4ΔVH from the equations (1) and (2).
【0021】 Vout =|{(VA2 +VB1 )−(VA1 +VB2 )}|+(1/2)Vcc =|{[(−VA−ΔVH)+(VB−ΔVH)] −[(VA+ΔVH)+(−VB+ΔVH)]}|+(1/2)Vcc … (1) VA=VBより、 Vout =4ΔVH+(1/2)Vcc … (2)V out = | {(VA2 + VB1) − (VA1 + VB2)} | + (1/2) Vcc = | {[(− VA−ΔVH) + (VB−ΔVH)] − [(VA + ΔVH) + (−VB + ΔVH)]} | + (1/2) V cc (1) From VA = VB, V out = 4ΔVH + (1/2) V cc (2)
【0022】図15の検出回路26Bは、上述したよう
にその出力Vout として4ΔVHが得られるので、図21
の出力Vout 〔式(3)及び(4)で示される。〕と比
較して明らかなように、図21の検出回路26Aの2倍
の検出能力を有することになる。 Vout =VA+ΔVH−(VB−ΔVH) … (3) 一方、VA=VBであることから、 Vout =2ΔVH … (4)The detection circuit 26B shown in FIG. 15 obtains 4ΔVH as its output Vout as described above.
Output V out [shown by equations (3) and (4). As apparent from comparison with FIG. 21, the detection circuit has twice the detection capability of the detection circuit 26A of FIG. V out = VA + ΔVH− (VB−ΔVH) (3) On the other hand, since VA = VB, V out = 2ΔVH (4)
【0023】また、図15の検出回路26Bはダイオー
ドに一定電流を流すことで検波感度が多いに向上し、D
C的に検波電圧を(1/2)Vccにすることができ、オペアン
プ25の電源を単電源で動作できるようになった。In the detection circuit 26B shown in FIG. 15, the detection sensitivity is greatly improved by applying a constant current to the diode.
In C, the detection voltage can be set to (1/2) Vcc, and the power supply of the operational amplifier 25 can be operated with a single power supply.
【0024】図15の検出回路26Bに代えて、図17
に示すように検出回路26Cを構成してもよい。図17
の検出回路26Cは、図15の検出回路26Bと比し
て、ピーク出力VA1 、VA2 、VB1 、VB2 の合成の組み合
わせに関してVA1 及びVA2 を組み合わせ、またVB1 及び
VB2 を組み合わせ、この組み合わせにより得られた両信
号値をオペアンプで差動合成するように構成したことが
異なっている。図17において、43はVA1 及びVA2 を
差動検波するオペアンプ、44はVB1 及びVB2 を差動検
波するオペアンプである。出力Vout は式(5)〜
(8)に示されるように4ΔVHの検出ができ、図15の
検出回路26Bと同等の検出能力を有する。Instead of the detection circuit 26B of FIG.
The detection circuit 26C may be configured as shown in FIG. FIG.
15C is different from the detection circuit 26B of FIG. 15 in that VA1 and VA2 are combined with respect to the combination of the peak outputs VA1, VA2, VB1 and VB2, and VB1 and
The difference is that VB2 is combined and both signal values obtained by this combination are differentially combined by an operational amplifier. In FIG. 17, reference numeral 43 denotes an operational amplifier for differentially detecting VA1 and VA2, and reference numeral 44 denotes an operational amplifier for differentially detecting VB1 and VB2. The output V out is expressed by the equation (5)
As shown in (8), 4ΔVH can be detected, and has a detection capability equivalent to that of the detection circuit 26B of FIG.
【0025】 V1=VA2 −VA1 =(−VA−ΔVH)−(VA+ΔVH) … (5) V2=VB2 −VB1 =(−VB+ΔVH)−(VB−ΔVH) … (6) Vout =|V1−V2|+(1/2)Vcc =|(−2VA−2ΔVH)−(−2VB+2ΔVH)|+(1/2)Vcc …(7)V1 = VA2−VA1 = (− VA−ΔVH) − (VA + ΔVH) (5) V2 = VB2−VB1 = (− VB + ΔVH) − (VB−ΔVH) (6) Vout = | V1−V2 | + (1/2) Vcc = | (−2VA−2ΔVH) − (− 2VB + 2ΔVH) | + (1/2) Vcc (7)
【0026】VA=VBより、 Vout =4ΔVH+(1/2)Vcc … (8)From VA = VB, V out = 4ΔVH + (1/2) V cc (8)
【0027】しかし、図17の検出回路26C(検波回
路6及び増幅回路7)の温度特性を求めると図18に破
線45で示すようになり、図15の検出回路26B(検
波回路6及び増幅回路7)の温度特性(実線46)に比
して、図15の検出回路26B(検波回路6及び増幅回
路7)の温度特性の方が優れたものになっている。な
お、図21の検出回路26Aの温度特性(点線47)は
ダイオードの温度特性がそのまま出力に現れており、3
つの検出回路26(図15の検出回路26B、図17の
検出回路26C及び図21の検出回路26A)の中でも
っとも悪い特性になっている。また、図17の検出回路
26Cは図15の検出回路26Bより、オペアンプを多
く使用しており、この点においても図15の検出回路2
6Bの方が優れている。[0027] However, the detection circuit 26C (detection times in FIG. 17
When determining the temperature characteristics of the road-6 and the amplifier circuit 7) is as shown by the broken line 45 in FIG. 18, the detection circuit 26B of FIG. 15 (test
Compared to the temperature characteristics (solid line 46) of the wave circuit 6 and the amplification circuit 7) , the detection circuit 26B (the detection circuit 6 and the amplification circuit ) of FIG.
The temperature characteristic of the road 7) is better. In the temperature characteristic (dotted line 47) of the detection circuit 26A shown in FIG. 21, the temperature characteristic of the diode appears directly in the output.
Among the two detection circuits 26 (the detection circuit 26B in FIG. 15, the detection circuit 26C in FIG. 17, and the detection circuit 26A in FIG. 21), the characteristics are the worst. The detection circuit 26C of FIG. 17 uses more operational amplifiers than the detection circuit 26B of FIG.
6B is better.
【0028】図15及び図17において検波ダイオード
30,31,32,33はショットキーダイオードを使
用しているが、磁気インピーダンス素子の両端電圧の出
力が十分ある場合は通常のシリコンダイオードでもよ
い。In FIGS. 15 and 17, the detection diodes 30, 31, 32, and 33 use Schottky diodes. However, if there is sufficient output of the voltage between both ends of the magnetic impedance element, a normal silicon diode may be used.
【0029】次に、本発明の第2実施の形態を図19及
び図20に基づいて説明する。第2実施の形態は、実際
に前記図15の検出回路26Bを使用した磁気センサ1
であり、その回路構成を図19に示す。この第2実施の
形態では、発振回路5はCMOSによるRC発振器を使
用し、微分回路18で微分波形をMI素子に印加してい
る。この磁気センサ1の出力を図20に示す。この磁気
センサ1で、バイアスコイル3の磁界を320A/mとして、
負帰還40% の負帰還をかけた場合、±80A/m 測定範囲内
で0.021V/(A/m)の感度が得られ、優れた直線性を示し
た。これらの結果はリニア磁気センサとして良好な特性
を示すものである。Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, a magnetic sensor 1 actually using the detection circuit 26B of FIG.
FIG. 19 shows the circuit configuration. In the second embodiment, the oscillation circuit 5 uses a CMOS RC oscillator, and a differentiating circuit 18 applies a differential waveform to the MI element. The output of the magnetic sensor 1 is shown in FIG. With this magnetic sensor 1, the magnetic field of the bias coil 3 is set to 320 A / m,
When a negative feedback of 40% was applied, a sensitivity of 0.021 V / (A / m) was obtained within the measurement range of ± 80 A / m, showing excellent linearity. These results show good characteristics as a linear magnetic sensor.
【0030】上記実施の形態では、磁気インピーダンス
素子の強磁性体が強磁性体薄膜磁気コア10である場合
を例にしたが、これに代えて強磁性体アモルファスワイ
ヤで構成してもよい。In the above embodiment, the case where the ferromagnetic material of the magnetic impedance element is the ferromagnetic thin film magnetic core 10 has been described as an example. Alternatively, the ferromagnetic material may be formed of a ferromagnetic amorphous wire.
【0031】[0031]
【発明の効果】請求項1から請求項3までのいずれかに
記載の発明は、発振回路で2つの磁気インピーダンス素
子を高周波通電し、その出力を検波回路でDC信号に変
換し、増幅回路で差動増幅し、その出力を負帰還コイル
に負帰還する構成をなしており、磁気インピーダンス素
子に印加する高周波通電電流を安定的に供給し、磁気イ
ンピーダンス素子の磁界変化を効率よく検出できる回路
を簡単に構成できる。とくに検波回路は検波ダイオード
に一定電流を流すことにより、入力振幅が小さい場合で
も磁気インピーダンス素子の出力をDC信号に高感度で
変換できる。また、磁気インピーダンス素子のの出力を
互いに加算し、合成することで検波ダイオードの温度特
性の経時変化を排除でき、すぐれた磁気センサモジュー
ルを提供できる。そして、このモジュールは単電源でも
動作させることができる。請求項4から請求項6までの
いずれかに記載の発明は、前記請求項1から請求項3ま
でのいずれかに記載の発明と同様にして、磁気インピー
ダンス素子に印加する高周波通電電流を安定的に供給
し、磁気インピーダンス素子の磁界変化を効率よく検出
できる回路を簡単に構成でき、とくに検波回路は検波ダ
イオードに一定電流を流すことにより、入力振幅が小さ
い場合でも磁気インピーダンス素子の出力をDC信号に
高感度で変換できる。 According to any one of claims 1 to 3,
The described invention has a configuration in which two magneto-impedance elements are energized at high frequency by an oscillation circuit , their outputs are converted into DC signals by a detection circuit , differentially amplified by an amplification circuit , and the output is fed back to a negative feedback coil. As a result, a circuit capable of stably supplying a high-frequency current to be applied to the magneto-impedance element and efficiently detecting a change in the magnetic field of the magneto-impedance element can be easily configured. In particular, the detection circuit can convert the output of the magneto-impedance element to a DC signal with high sensitivity even when the input amplitude is small, by passing a constant current through the detection diode. In addition, the outputs of the magneto-impedance elements are added to each other and combined, whereby a change over time in the temperature characteristics of the detection diode can be eliminated, and an excellent magnetic sensor module can be provided. This module can be operated with a single power supply. Claim 4 to Claim 6
The invention according to any one of the first to third aspects of the present invention.
In the same manner as the invention described in any of
Stable supply of high-frequency current to be applied to dance elements
And efficiently detects changes in the magnetic field of the magneto-impedance element
Circuits that can be easily configured.
Input current is reduced by flowing a constant current through the
The output of the magneto-impedance element to a DC signal
Can be converted with high sensitivity.
【図1】本発明の第1実施の形態の磁気センサを模式的
に示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram schematically showing a magnetic sensor according to a first embodiment of the present invention.
【図2】図1の磁気センサに用いられる薄膜磁気インピ
ーダンス素子(薄膜MI素子)を示す平断面図である。FIG. 2 is a plan sectional view showing a thin-film magneto-impedance element (thin-film MI element) used in the magnetic sensor of FIG.
【図3】図2のA−A線に沿う断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along line AA of FIG. 2;
【図4】図2のB−B線に沿う断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken along line BB of FIG. 2;
【図5】図1のMI素子の電流周波数−出力電圧特性を示
す図である。5 is a diagram showing a current frequency-output voltage characteristic of the MI device of FIG.
【図6】図1のMI素子の電流周波数−インピーダンス変
化率特性を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a current frequency-impedance change rate characteristic of the MI element of FIG. 1;
【図7】図1のMI素子の外部磁界−インピーダンス変化
率特性を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an external magnetic field-impedance change rate characteristic of the MI element of FIG. 1;
【図8】図1の発振回路の第1例を示す回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram showing a first example of the oscillation circuit of FIG. 1;
【図9】図1の発振回路の第2例を示す回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram showing a second example of the oscillation circuit of FIG. 1;
【図10】図1の発振回路の第3例を示す回路図であ
る。FIG. 10 is a circuit diagram showing a third example of the oscillation circuit of FIG. 1;
【図11】図1の発振回路の第4例を示す回路図であ
る。FIG. 11 is a circuit diagram showing a fourth example of the oscillation circuit of FIG. 1;
【図12】2個のMI素子の回路構成を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a circuit configuration of two MI elements.
【図13】図1の第1MI素子の外部磁界−振幅特性を示
す図である。FIG. 13 is a diagram showing an external magnetic field-amplitude characteristic of the first MI element of FIG. 1;
【図14】図1の第2MI素子の外部磁界−振幅特性を示
す図である。FIG. 14 is a diagram showing an external magnetic field-amplitude characteristic of the second MI element of FIG. 1;
【図15】図1の検波回路及び増幅回路(検出回路)の
一例を示す回路図である。FIG. 15 is a circuit diagram illustrating an example of a detection circuit and an amplification circuit (detection circuit) of FIG. 1;
【図16】図15の検出回路の信号波形図である。16 is a signal waveform diagram of the detection circuit of FIG.
【図17】図1の検波回路及び増幅回路(検出回路)の
他の例を示す回路図である。FIG. 17 is a circuit diagram illustrating another example of the detection circuit and the amplification circuit (detection circuit) of FIG. 1;
【図18】図15、図17及び図21の検出回路の温度
−出力特性を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing temperature-output characteristics of the detection circuits of FIGS. 15, 17 and 21;
【図19】本発明の第2実施の形態を模式的に示す回路
図である。FIG. 19 is a circuit diagram schematically showing a second embodiment of the present invention.
【図20】図19の磁気センサの外部磁界−出力電圧特
性を示す図である。20 is a diagram showing an external magnetic field-output voltage characteristic of the magnetic sensor of FIG.
【図21】従来の磁気センサの一例を示す回路図であ
る。FIG. 21 is a circuit diagram illustrating an example of a conventional magnetic sensor.
【図22】図21の磁気センサの各部の信号波形を示す
図である。FIG. 22 is a diagram showing signal waveforms of various parts of the magnetic sensor of FIG.
1 磁気センサ 2 負帰還用薄膜コイル(負帰還コイル) 3 バイアス用薄膜コイル(バイアスコイル) 4 薄膜MI素子(磁気インピーダンス素子) 4a,4b 第1、第2MI素子(2個の磁気インピー
ダンス素子) 5 発振回路 6 検波回路 8 差動増幅回路 9 直流電流供給回路(直流電流を流す回路)DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic sensor 2 Negative feedback thin film coil (negative feedback coil) 3 Bias thin film coil (bias coil) 4 Thin film MI element (magnetic impedance element) 4a, 4b First and second MI element (two magnetic impedance elements) 5 Oscillation circuit 6 Detection circuit 8 Differential amplification circuit 9 DC current supply circuit (circuit for flowing DC current)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 湯口 昭代 静岡県磐田郡浅羽町浅名1743−1 ミネ ベア株式会社 開発技術センター内 (56)参考文献 特開 平7−248365(JP,A) 非嘉孝治、外5名,パルス電流励磁に よるスパッタ薄膜マイクロMIセンサ, 日本応用磁気学会誌,日本,社団法人日 本応用磁気学会,1997年4月15日,Vo l.21,No.4−2,649−652 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 33/02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Akiyo Yuguchi 173-1 Asana, Asaba-cho, Iwata-gun, Shizuoka Pref. Minebea Co., Ltd. Development Technology Center (56) References JP-A-7-248365 (JP, A) Non Yoshitaka Koji, five others, sputtered thin film micro MI sensor by pulsed current excitation, Journal of the Japan Society of Applied Magnetics, Japan, Japan Society of Applied Magnetics, April 15, 1997, Vol. 21, No. 4-2, 649-652 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01R 33/02
Claims (6)
1電極と第2電極をそれぞれ設け、前記強磁性体の周囲
に絶縁体を介してバイアスコイルと負帰還コイルを巻回
した構成をそれぞれ有する第1と第2の2個の磁気イン
ピーダンス素子と、 該2個の磁気インピーダンス素子に高周波の電流を通電
するための発振回路と、 前記2個の磁気インピーダンス素子に互いに逆極性の磁
界が印加するように前記バイアスコイルに、直流電流を
流す回路と、 印加される外部磁界により生じる前記2個の磁気インピ
ーダンス素子のインピーダンス変化に依存する第1電極
と第2電極間の交流電圧について各正極側及び負極側の
両方を、それぞれ一定の直流電流が流れる検波ダイオー
ドで検波する検波回路と、該検波回路 の出力電圧のピーク値を保持するピークホー
ルド回路と、 該ピークホールド回路の第1の磁気インピーダンス素子
の正極側出力電圧と第2の磁気インピーダンス素子の負
極側出力電圧とを加算した加算電圧と、第1の磁気イン
ピーダンス素子の負極側出力電圧と第2の磁気インピー
ダンス素子の正極側出力電圧とを加算した加算電圧とを
差動増幅してピークホールド回路の前記4つの出力電圧
を合成する合成回路と、 を備えたことを特徴とする磁気センサ。1. A structure comprising a ferromagnetic material, a first electrode and a second electrode provided at both ends in a longitudinal direction , and a bias coil and a negative feedback coil wound around the ferromagnetic material via an insulator. together first with respectively second two magnetic impedance elements, an oscillation circuit for energizing <br/> the high frequency current to the two magnetic impedance elements, said two magnetic impedance elements Reverse polarity magnet
A circuit for flowing a direct current through the bias coil so that an electric field is applied, and a first electrode and a second electrode which depend on an impedance change of the two magnetic impedance elements caused by an applied external magnetic field. AC voltage of each positive electrode and negative electrode
A detection diode through which a constant DC current flows
A detection circuit for detecting in de, a peak hold circuit for holding a peak value of the output voltage of the detection wave circuit, the first magneto-impedance element of said peak-hold circuit
And the negative output voltage of the second magneto-impedance element.
And an added voltage obtained by adding the pole-side output voltage to the first magnetic input.
The negative output voltage of the impedance element and the second magnetic impedance
The added voltage obtained by adding the positive side output voltage of the dance element and
The four output voltages of the peak hold circuit after differential amplification
And a combining circuit for combining the two .
体からなる基板上に形成された強磁性体薄膜磁気コアを
有し、該強磁性体薄膜磁気コアの長手方向両端に第1電
極と第2電極をそれぞれ設け、前記強磁性体薄膜磁気コ
アの周囲に絶縁体を介してバイアスコイルと負帰還コイ
ルを巻回した構造であることを特徴とする請求項1記載
の磁気センサ。2. The magnetic impedance element has a ferromagnetic thin-film magnetic core formed on a substrate made of a non-magnetic material, and a first electrode and a second electrode at both ends in the longitudinal direction of the ferromagnetic thin-film magnetic core. 2. The magnetic sensor according to claim 1, wherein electrodes are provided, and a bias coil and a negative feedback coil are wound around the ferromagnetic thin film magnetic core via an insulator.
手方向両端に設けられた第1電極と第2電極を有する強
磁性体アモルファスワイヤからなり、前記強磁性体アモ
ルファスワイヤの周囲に絶縁体を介してバイアスコイル
と負帰還コイルを巻回した構造であることを特徴とする
請求項1記載の磁気センサ。3. The magneto-impedance element comprises a ferromagnetic amorphous wire having a first electrode and a second electrode provided at both ends in the longitudinal direction thereof, and is provided around the ferromagnetic amorphous wire via an insulator. 2. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the magnetic sensor has a structure in which a bias coil and a negative feedback coil are wound.
1電極と第2電極をそれぞれ設け、前記強磁性体の周囲
に絶縁体を介してバイアスコイルと負帰還コイルを巻回
した構成をそれぞれ有する第1と第2の2個の磁気イン
ピーダンス素子と、 該2個の磁気インピーダンス素子に高周波の電流を通電
するための発振回路と、 前記2個の磁気インピーダンス素子に互いに逆極性の磁
界が印加するように前記バイアスコイルに、直流電流を
流す回路と、 印加される外部磁界により生じる前記2個の磁気インピ
ーダンス素子のインピーダンス変化に依存する第1電極
と第2電極間の交流電圧について各正極側及び負極側の
両方を、それぞれ一定の直流電流が流れる検波ダイオー
ドで検波する検波回路と、 該検波回路の出力電圧のピーク値を保持するピークホー
ルド回路と、 該ピークホールド回路の第1の磁気インピーダンス素子
の正極側出力電圧と第1の磁気インピーダンス素子の負
極側出力電圧とを差動増幅した電圧と、第2の磁気イン
ピーダンス素子の正極側出力電圧と第2の磁気インピー
ダンス素子の負極側出力電圧とを差動増幅した電圧とを
差動増幅して4つの前記ピークホールド回路の出力電圧
を合成する合成回路と、 を備えたことを特徴とする磁気センサ。4. A ferromagnetic material having first and second ends at both ends in the longitudinal direction.
A first electrode and a second electrode are provided, respectively, around the ferromagnetic material.
Around the bias coil and negative feedback coil via an insulator
The first and second two magnetic inputs each having the configuration described above.
High-frequency current is applied to the impedance element and the two magnetic impedance elements
An oscillating circuit for performing the operation, and two magnetic impedance elements having opposite polarities.
DC current is applied to the bias coil so that a field is applied.
Flow circuit and the two magnetic impedances generated by the applied external magnetic field.
First electrode dependent on impedance change of dance element
The AC voltage between the positive electrode and the negative electrode
A detection diode through which a constant DC current flows
A detection circuit for detecting the peak value of the output voltage of the detection circuit.
Circuit and a first magnetic impedance element of the peak hold circuit
And the negative output voltage of the first magneto-impedance element.
A voltage obtained by differentially amplifying the pole side output voltage and the second magnetic input.
The positive output voltage of the impedance element and the second magnetic impedance
The differential output of the negative side output voltage of the dance element and the voltage
Differential amplification and output voltages of the four peak hold circuits
And a combining circuit for combining the two .
体からなる基板上に形成された強磁性体薄膜磁気コアを
有し、該強磁性体薄膜磁気コアの長手方向両端に第1電
極と第2電極をそれぞれ設け、前記強磁性体薄膜磁気コ
アの周囲に絶縁体を介してバイアスコイルと負帰還コイ
ルを巻回した構造であることを特徴とする請求項4記載
の磁気センサ。5. The magnetic impedance element has a ferromagnetic thin-film magnetic core formed on a substrate made of a non-magnetic material, and a first electrode and a second electrode at both ends in the longitudinal direction of the ferromagnetic thin-film magnetic core. 5. The magnetic sensor according to claim 4, wherein electrodes are provided, and a bias coil and a negative feedback coil are wound around the ferromagnetic thin film magnetic core via an insulator.
手方向両端に設けられた第1電極と第2電極を有する強
磁性体アモルファスワイヤからなり、前記強磁性体アモ
ルファスワイヤの周囲に絶縁体を介してバイアスコイル
と負帰還コイルを巻回した構造であることを特徴とする
請求項4記載の磁気センサ。6. The magneto-impedance element comprises a ferromagnetic amorphous wire having a first electrode and a second electrode provided at both ends in the longitudinal direction thereof, and an insulator is provided around the ferromagnetic amorphous wire via an insulator. The magnetic sensor according to claim 4, wherein the magnetic sensor has a structure in which a bias coil and a negative feedback coil are wound.
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