JP3360519B2 - 積層型磁界検出装置 - Google Patents
積層型磁界検出装置Info
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- JP3360519B2 JP3360519B2 JP04176696A JP4176696A JP3360519B2 JP 3360519 B2 JP3360519 B2 JP 3360519B2 JP 04176696 A JP04176696 A JP 04176696A JP 4176696 A JP4176696 A JP 4176696A JP 3360519 B2 JP3360519 B2 JP 3360519B2
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁性体のインダク
タンス変化を検出原理として、外部磁界を電気信号に変
換する磁界検出装置、特に磁性体層を積層型として低磁
界を高感度に検出するものに関する。
タンス変化を検出原理として、外部磁界を電気信号に変
換する磁界検出装置、特に磁性体層を積層型として低磁
界を高感度に検出するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、各種分野において、磁界の検
出が行われている。例えば、回転するシャフトに磁性体
を取り付けシャフトの回転量を磁界の変化として検出し
たり、移動する物体の位置やその物体までの距離を磁界
の変化として検出することが行われている。そして、磁
界検出は、非接触で行うことができるため、移動する物
体の検出に特に適しており、生体計測、自動車や工作機
械などにおける位置計測等に好適であると考えられる。
出が行われている。例えば、回転するシャフトに磁性体
を取り付けシャフトの回転量を磁界の変化として検出し
たり、移動する物体の位置やその物体までの距離を磁界
の変化として検出することが行われている。そして、磁
界検出は、非接触で行うことができるため、移動する物
体の検出に特に適しており、生体計測、自動車や工作機
械などにおける位置計測等に好適であると考えられる。
【０００３】このような磁界検出素子としては、アモル
ファス磁性膜（単層膜）を用いたものが知られており、
この装置では、外部磁界（被検出磁界）の変化をインダ
クタンス変化として検出する。この磁界検出素子では、
図２に示すように、アモルファス磁性膜からなる細長形
状の素子９００に対し、その長さ方向の両端に駆動電源
９５０から１００ＭＨｚ前後の正弦波電流を印加する。
これによって、素子９００の幅方向に交流磁界が印加さ
れる。
ファス磁性膜（単層膜）を用いたものが知られており、
この装置では、外部磁界（被検出磁界）の変化をインダ
クタンス変化として検出する。この磁界検出素子では、
図２に示すように、アモルファス磁性膜からなる細長形
状の素子９００に対し、その長さ方向の両端に駆動電源
９５０から１００ＭＨｚ前後の正弦波電流を印加する。
これによって、素子９００の幅方向に交流磁界が印加さ
れる。
【０００４】このように、素子９００の幅方向に交流磁
界の印加されると、この素子９００に外部から加えられ
た被検出磁界に応じて素子９００のアモルファス磁性膜
の幅方向の透磁率μが変化する。このため、素子９００
のインダクタンスＬが（１）式により変化する。
界の印加されると、この素子９００に外部から加えられ
た被検出磁界に応じて素子９００のアモルファス磁性膜
の幅方向の透磁率μが変化する。このため、素子９００
のインダクタンスＬが（１）式により変化する。
【０００５】従って、素子９００の両端のインピーダン
スＺが、素子に加えられた被検出磁界に応じて、（２）
式に示すように変化する。この関係を被検出磁界の強度
とインピーダンスの変化の関係に直すと、図３に示すよ
うになる。そこで、このインピーダンス変化に伴う電圧
変化を検出器９５１で検出することによって、被検出磁
界（Ｈｅｘ）を検出することができる。
スＺが、素子に加えられた被検出磁界に応じて、（２）
式に示すように変化する。この関係を被検出磁界の強度
とインピーダンスの変化の関係に直すと、図３に示すよ
うになる。そこで、このインピーダンス変化に伴う電圧
変化を検出器９５１で検出することによって、被検出磁
界（Ｈｅｘ）を検出することができる。
【０００６】 Ｌ＝ｋμ（μは透磁率、ｋは形状により決まる定数） ・・・ （１） Ｚ＝√［Ｒ2 ＋（ωＬ）2 ］ ・・・ （２） ここで、Ｒは素子の抵抗分、ωは駆動電源９５０の駆動
角周波数（駆動周波数はｆで表す）である。
角周波数（駆動周波数はｆで表す）である。
【０００７】このようにして、アモルファス磁性膜を利
用して、簡単な構成で、外部磁界の大きさを検出するこ
とができる。
用して、簡単な構成で、外部磁界の大きさを検出するこ
とができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ここで、上記従来例で
は、インダクタンスＬの変化に応じたインピーダンスＺ
の変化を検出しているため、十分な大きなインピーダン
ス変化を得るためには、駆動角周波数ωを大きくする必
要がある。そこで、１０〜１００ＭＨｚ以上の高い駆動
周波数領域でなければ、十分な精度の磁界検出が行えな
かった。従って、この磁界検出素子の使用によって高周
波のノイズが生じ、これがコンピュータの動作に対し悪
影響を及ぼす可能性があった。特に、この検出素子を自
動車のエンジン回りのシャフトの回転検出に用いた場
合、その近傍に配置されるエンジン制御用のコンピュー
タに悪影響を与えるおそれがあり、コンピュータにおい
て、ノイズ対策が必要になったり、検出素子における信
号処理回路が高価になるという問題点があった。
は、インダクタンスＬの変化に応じたインピーダンスＺ
の変化を検出しているため、十分な大きなインピーダン
ス変化を得るためには、駆動角周波数ωを大きくする必
要がある。そこで、１０〜１００ＭＨｚ以上の高い駆動
周波数領域でなければ、十分な精度の磁界検出が行えな
かった。従って、この磁界検出素子の使用によって高周
波のノイズが生じ、これがコンピュータの動作に対し悪
影響を及ぼす可能性があった。特に、この検出素子を自
動車のエンジン回りのシャフトの回転検出に用いた場
合、その近傍に配置されるエンジン制御用のコンピュー
タに悪影響を与えるおそれがあり、コンピュータにおい
て、ノイズ対策が必要になったり、検出素子における信
号処理回路が高価になるという問題点があった。
【０００９】さらに、数１０ＭＨｚという高周波により
素子を駆動した場合は、浮遊インピーダンス成分である
抵抗分とインダクタンス分を考慮に入れなくてならず、
回路製作が複雑になるという問題点もあった。
素子を駆動した場合は、浮遊インピーダンス成分である
抵抗分とインダクタンス分を考慮に入れなくてならず、
回路製作が複雑になるという問題点もあった。
【００１０】また、この形式の素子の出力特性において
は、図３から明らかなように、外部磁界を０から上昇さ
せたときに感度の符号が反転する点（臨界点）が存在す
る。そこで、通常の場合、この臨界点に至るまでの領域
を磁界検出領域としている。ところが、この臨界点に至
るまでの領域、すなわち素子のダイナミックレンジが１
〜１０Ｏｅと狭いという問題点があった。また、このダ
イナミックレンジが駆動角周波数ωによって、変化して
しまうという問題点や、印加できる電圧に制限があるた
め、検出素子の出力が小さいという問題点もあった。
は、図３から明らかなように、外部磁界を０から上昇さ
せたときに感度の符号が反転する点（臨界点）が存在す
る。そこで、通常の場合、この臨界点に至るまでの領域
を磁界検出領域としている。ところが、この臨界点に至
るまでの領域、すなわち素子のダイナミックレンジが１
〜１０Ｏｅと狭いという問題点があった。また、このダ
イナミックレンジが駆動角周波数ωによって、変化して
しまうという問題点や、印加できる電圧に制限があるた
め、検出素子の出力が小さいという問題点もあった。
【００１１】そして、ダイナミックレンジが狭いと、こ
の素子を磁界センサとして用いた場合の検出可能な磁界
範囲が狭くなってしまう。このため、地磁気の影響を受
けないで１〜２０Ｏｅ領域という磁界領域での絶対量の
検出ができないという問題点があった。また、素子出力
が小さいため、絶対磁界を検出する位置センサ、距離セ
ンサとして利用する場合に、素子と被検出物体の距離を
大きくとれないという問題点もあった。また、なるべく
大きな出力を得るために、高周波源が大電力となり、消
費電力が大きくなっていまうという問題点があった。さ
らに、従来の素子では、その能力を精一杯利用しない
と、所定の検出が行えない場合が多く、磁界発生のため
のアモルファス磁性膜および回路を含めた装置の構成上
の制約が大きくなるという問題点もあった。
の素子を磁界センサとして用いた場合の検出可能な磁界
範囲が狭くなってしまう。このため、地磁気の影響を受
けないで１〜２０Ｏｅ領域という磁界領域での絶対量の
検出ができないという問題点があった。また、素子出力
が小さいため、絶対磁界を検出する位置センサ、距離セ
ンサとして利用する場合に、素子と被検出物体の距離を
大きくとれないという問題点もあった。また、なるべく
大きな出力を得るために、高周波源が大電力となり、消
費電力が大きくなっていまうという問題点があった。さ
らに、従来の素子では、その能力を精一杯利用しない
と、所定の検出が行えない場合が多く、磁界発生のため
のアモルファス磁性膜および回路を含めた装置の構成上
の制約が大きくなるという問題点もあった。
【００１２】本発明の目的は、上記課題に鑑みなされた
ものであり、低い周波数領域で駆動でき、素子の感度が
高く、低消費電力で、かつダイナミックレンジが広く、
かつ駆動周波数によって変化することのない磁界検出装
置を提供することを目的とする。
ものであり、低い周波数領域で駆動でき、素子の感度が
高く、低消費電力で、かつダイナミックレンジが広く、
かつ駆動周波数によって変化することのない磁界検出装
置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】素子出力を増加させるた
めには、駆動磁界効率を向上させることが必要である。
そこで、本発明においては、磁性体を含む磁性体層の中
に導電体からなる導電体層を設けた。この導電体層に
は、例えば、磁性体層に比べ、１桁以上導電率の高いも
のを採用する。
めには、駆動磁界効率を向上させることが必要である。
そこで、本発明においては、磁性体を含む磁性体層の中
に導電体からなる導電体層を設けた。この導電体層に
は、例えば、磁性体層に比べ、１桁以上導電率の高いも
のを採用する。
【００１４】このような構成にすると、素子の内部磁界
は、図４に示すような分布になる。すなわち、素子の長
手方向に対し垂直な面による断面において、導電体層の
中心は、磁界が０Ｏｅである。そして、中心から磁性体
層に向かい磁界強度が絶対値として上昇する。そこで、
被検出磁界Ｈext を透磁率μの大きさとして検知し、素
子出力に寄与する磁性体層に非常に効率よく駆動磁界を
印加できる。このため、磁界の検出精度を向上させるこ
とができる。
は、図４に示すような分布になる。すなわち、素子の長
手方向に対し垂直な面による断面において、導電体層の
中心は、磁界が０Ｏｅである。そして、中心から磁性体
層に向かい磁界強度が絶対値として上昇する。そこで、
被検出磁界Ｈext を透磁率μの大きさとして検知し、素
子出力に寄与する磁性体層に非常に効率よく駆動磁界を
印加できる。このため、磁界の検出精度を向上させるこ
とができる。
【００１５】さらに、磁性体と導電体を積層した構造に
より、従来技術では不可能であった駆動周波数の２桁以
上の低下が達成できる。これについて、以下に説明す
る。
より、従来技術では不可能であった駆動周波数の２桁以
上の低下が達成できる。これについて、以下に説明す
る。
【００１６】素子の出力をインピーダンスＺとして取り
出す場合に、このインピーダンスは（２）式によって表
現されるが、これを厳密に表すと、次の（３）〜（５）
式で表される。
出す場合に、このインピーダンスは（２）式によって表
現されるが、これを厳密に表すと、次の（３）〜（５）
式で表される。
【００１７】
【数１】 ここで、ｔは磁性体層及び導電体層を含む素子の膜厚、
Ｒｆは素子の表皮効果の影響のない抵抗分、Ｌｆは素子
の表皮効果のないインダクタンス分、ωは駆動角周波
数、ρは比抵抗である。また、（４）式のδは、素子に
対する電流および磁界の侵入領域の目安となる表皮厚さ
である。前述のように、素子への被検出磁界Ｈｅｘｔ印
加に伴い、磁性体の透磁率μが変化する。このため、Ｌ
ｆが、（１）式のように変化する。
Ｒｆは素子の表皮効果の影響のない抵抗分、Ｌｆは素子
の表皮効果のないインダクタンス分、ωは駆動角周波
数、ρは比抵抗である。また、（４）式のδは、素子に
対する電流および磁界の侵入領域の目安となる表皮厚さ
である。前述のように、素子への被検出磁界Ｈｅｘｔ印
加に伴い、磁性体の透磁率μが変化する。このため、Ｌ
ｆが、（１）式のように変化する。
【００１８】駆動周波数ｆを１０〜１００ＭＨｚの領域
で使用する従来技術では、ＲとωＬが同等な値であり、
Ｚの変化は被検出磁界Ｈｅｘｔの印加によるインダクタ
ンス及び抵抗分の変化の重畳として現れる。しかし、こ
れを１ＭＨｚ以下の領域で使用すると、ωが小さいため
に、表皮の厚さδが素子の厚さｔよりも十分厚くｔ＜２
δとなる。したがって、（３）式に（１）式および
（４）式を代入した（５）式の第１項からも明らかなよ
うに、μの変化による表皮効果型の抵抗成分の変化はな
い。また、駆動周波数（１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ）が
通常の場合より１桁以上小さいため、第２項のインダク
タンス成分ωＬも通常の駆動周波数での値に比べて１桁
小さい。このため、従来の素子では、駆動周波数が１Ｍ
Ｈｚ程度という条件下において、インダクタンス成分も
抵抗成分も変化しないため磁界の検出はほとんど行えな
い。
で使用する従来技術では、ＲとωＬが同等な値であり、
Ｚの変化は被検出磁界Ｈｅｘｔの印加によるインダクタ
ンス及び抵抗分の変化の重畳として現れる。しかし、こ
れを１ＭＨｚ以下の領域で使用すると、ωが小さいため
に、表皮の厚さδが素子の厚さｔよりも十分厚くｔ＜２
δとなる。したがって、（３）式に（１）式および
（４）式を代入した（５）式の第１項からも明らかなよ
うに、μの変化による表皮効果型の抵抗成分の変化はな
い。また、駆動周波数（１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ）が
通常の場合より１桁以上小さいため、第２項のインダク
タンス成分ωＬも通常の駆動周波数での値に比べて１桁
小さい。このため、従来の素子では、駆動周波数が１Ｍ
Ｈｚ程度という条件下において、インダクタンス成分も
抵抗成分も変化しないため磁界の検出はほとんど行えな
い。
【００１９】一方、本発明では、導電体からなる導電体
層を磁性体層で挟んだ構造になっている。このため、導
電率の高い導電体層が磁性体からなる磁性体層に電気的
に並列接続される。従って、素子全体の抵抗値Ｒtotal
は、（６）式に示すようにして決定され、この抵抗値Ｒ
total を２桁程度低くすることができる。なお、この式
において、Ｒmag は磁性体層のみの抵抗、Ｒcondは導電
体層のみの抵抗である。
層を磁性体層で挟んだ構造になっている。このため、導
電率の高い導電体層が磁性体からなる磁性体層に電気的
に並列接続される。従って、素子全体の抵抗値Ｒtotal
は、（６）式に示すようにして決定され、この抵抗値Ｒ
total を２桁程度低くすることができる。なお、この式
において、Ｒmag は磁性体層のみの抵抗、Ｒcondは導電
体層のみの抵抗である。
【００２０】 １／Ｒtotal ＝１／Ｒmag ＋１／Ｒcond ・・・ （６） このように、本発明によれば、高導電率の導電体層を設
けることで、素子の抵抗が小さくなり、駆動周波数を従
来に比べ２桁小さくしてもωＬとＲが同等の大きさにな
る。このため、駆動周波数を１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚと
いう低周波領域にすることができる。
けることで、素子の抵抗が小さくなり、駆動周波数を従
来に比べ２桁小さくしてもωＬとＲが同等の大きさにな
る。このため、駆動周波数を１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚと
いう低周波領域にすることができる。
【００２１】さらに、本発明では、透磁率の高い磁性体
と導電率の高い導電体の積層化による相乗効果によっ
て、表皮厚さが薄くなり低周波でも表皮効果の影響が現
れる。このため、抵抗Ｒ成分も被検出磁界Ｈｅｘｔによ
り変化する。
と導電率の高い導電体の積層化による相乗効果によっ
て、表皮厚さが薄くなり低周波でも表皮効果の影響が現
れる。このため、抵抗Ｒ成分も被検出磁界Ｈｅｘｔによ
り変化する。
【００２２】磁性体層と導電体層が積層された構造の素
子の場合における表皮効果を考えると、表皮厚さが磁性
体層の厚さより少し大きい場合には、図５に示す磁界回
路からも明らかなように、透磁率μは磁性体と導電体層
の直列である。従って、磁性体層の透磁率μが導電体よ
りも３桁以上大きければ、素子の透磁率μは磁性体層の
透磁率と等しくみなせる。一方、磁気回路内に流れる電
流Ｉは、上述のように、磁性体層と導電体層で並列抵抗
を形成しているので、導電率については導電体層の抵抗
が支配的になる。
子の場合における表皮効果を考えると、表皮厚さが磁性
体層の厚さより少し大きい場合には、図５に示す磁界回
路からも明らかなように、透磁率μは磁性体と導電体層
の直列である。従って、磁性体層の透磁率μが導電体よ
りも３桁以上大きければ、素子の透磁率μは磁性体層の
透磁率と等しくみなせる。一方、磁気回路内に流れる電
流Ｉは、上述のように、磁性体層と導電体層で並列抵抗
を形成しているので、導電率については導電体層の抵抗
が支配的になる。
【００２３】従って、このときの素子の抵抗値は、導電
体層の有効厚さを（３）式の表皮厚さをδとすると、簡
単な式を用いて、次の（７）、（８）式で決定される。
体層の有効厚さを（３）式の表皮厚さをδとすると、簡
単な式を用いて、次の（７）、（８）式で決定される。
【００２４】
【数２】 この（８）式から、素子全体での比抵抗ρtotal （ρto
t も同義）は、｛｝内の第１項の導電体層のρc が磁性
体層のρm に比べて支配的であることが分かる。従っ
て、（７）式から明らかなように、（８）式の｛｝内第
２項以降の総和が第１項の４ρc と同等の大きさにな
り、透磁率μの変化による表皮厚さδの変化領域が導電
体層のみに及ぶように、駆動周波数ωに応じて各層の厚
さｔ及び比抵抗ρを選択すれば、磁性体層の透磁率μの
変化で全体の抵抗Ｒの変化も大きくすることができる。
t も同義）は、｛｝内の第１項の導電体層のρc が磁性
体層のρm に比べて支配的であることが分かる。従っ
て、（７）式から明らかなように、（８）式の｛｝内第
２項以降の総和が第１項の４ρc と同等の大きさにな
り、透磁率μの変化による表皮厚さδの変化領域が導電
体層のみに及ぶように、駆動周波数ωに応じて各層の厚
さｔ及び比抵抗ρを選択すれば、磁性体層の透磁率μの
変化で全体の抵抗Ｒの変化も大きくすることができる。
【００２５】また、従来例とは異なり、透磁率μの値と
して、磁性体層の高い値を用いる上、表皮効果の影響は
素子抵抗の変化に大きく関与する導電体層にも及ぶた
め、ρtotal の変化も大きい。なお、この効果を引き出
すには、導電体層と磁性体層の膜厚が３：１〜１：５の
範囲にあればよい。
して、磁性体層の高い値を用いる上、表皮効果の影響は
素子抵抗の変化に大きく関与する導電体層にも及ぶた
め、ρtotal の変化も大きい。なお、この効果を引き出
すには、導電体層と磁性体層の膜厚が３：１〜１：５の
範囲にあればよい。
【００２６】この場合、磁性体層には、表皮効果の及ぼ
す影響が少ないので、インピーダンスの式は（４）式と
同じように表記すれば、（９）式で表される。この
（９）式から、右辺第２項のインダクタンス成分の、駆
動角周波数ω及び透磁率μに対する変化率が高いことが
理解される。
す影響が少ないので、インピーダンスの式は（４）式と
同じように表記すれば、（９）式で表される。この
（９）式から、右辺第２項のインダクタンス成分の、駆
動角周波数ω及び透磁率μに対する変化率が高いことが
理解される。
【００２７】 Ｚ＝Ｒ（−ｔ／２√［２ρ］）√［ωμ］＋ｊｋ（２√［２ρ］／ｔ）ωμ ・・・ （９） このように、本発明では、磁性体層と導電体層の積層に
よる相乗効果により、被検出磁界は磁性体層で高感度に
検出し、これを磁性体層と積層した導電体層の表皮厚さ
に含まれる有効領域で高効率に抵抗変化に変換する。す
なわち、磁性体層と導電体層の積層による相乗効果によ
り、被検出磁界は磁性体層で高感度に検出し、それを磁
性体層と積層した導電体の表皮厚さで高効率に抵抗変化
として変換する効果を有する。これにより、被検出磁界
の変化に対し、インダクタンスＬだけでなく抵抗値Ｒの
変化も大きくとることができる。本発明によれば、厚さ
１０μｍ以下の素子において、１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ
におけるＲの変化率を従来技術よりも１〜２桁高くでき
る。
よる相乗効果により、被検出磁界は磁性体層で高感度に
検出し、これを磁性体層と積層した導電体層の表皮厚さ
に含まれる有効領域で高効率に抵抗変化に変換する。す
なわち、磁性体層と導電体層の積層による相乗効果によ
り、被検出磁界は磁性体層で高感度に検出し、それを磁
性体層と積層した導電体の表皮厚さで高効率に抵抗変化
として変換する効果を有する。これにより、被検出磁界
の変化に対し、インダクタンスＬだけでなく抵抗値Ｒの
変化も大きくとることができる。本発明によれば、厚さ
１０μｍ以下の素子において、１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ
におけるＲの変化率を従来技術よりも１〜２桁高くでき
る。
【００２８】また、従来のアモルファス単一膜では、ダ
イナミックレンジが駆動周波数により変化してしまう。
そこで、本発明では、磁気異方性を素子内で分布するこ
となく均一に付加した磁性体層を用い、これによってダ
イナミックレンジが駆動周波数に対して安定した素子を
実現する。このような磁性体層は、例えば、スパッタリ
ング、真空蒸着等で薄膜作成する際に、これを直流磁場
中で行い、これによって磁性体層における磁気異方性を
制御して、素子中における磁気異方性を均一にする。
イナミックレンジが駆動周波数により変化してしまう。
そこで、本発明では、磁気異方性を素子内で分布するこ
となく均一に付加した磁性体層を用い、これによってダ
イナミックレンジが駆動周波数に対して安定した素子を
実現する。このような磁性体層は、例えば、スパッタリ
ング、真空蒸着等で薄膜作成する際に、これを直流磁場
中で行い、これによって磁性体層における磁気異方性を
制御して、素子中における磁気異方性を均一にする。
【００２９】磁気異方性が素子のダイナミックレンジを
決定する理由を以下に示す。図６において、素子の磁化
状態は被検出磁場Ｈｅｘｔ、異方性磁場Ｈｋ、印加され
る磁場Ｈ、そしてＨに逆向きに発生する反磁界Ｈｄｙ、
Ｈｄｘにより決定される。これを用いて、素子全体での
磁気エネルギーの式は以下の（１０）式のようになる。
決定する理由を以下に示す。図６において、素子の磁化
状態は被検出磁場Ｈｅｘｔ、異方性磁場Ｈｋ、印加され
る磁場Ｈ、そしてＨに逆向きに発生する反磁界Ｈｄｙ、
Ｈｄｘにより決定される。これを用いて、素子全体での
磁気エネルギーの式は以下の（１０）式のようになる。
【００３０】
【数３】 ここで、Ｍｓは磁化、θは容易磁化方向（磁化容易軸方
向）と磁化の方向のなす角度である。Ｈｄｘは駆動磁界
Ｈよりもその絶対値が小さく、またＨと逆方向で負の符
号をもつ。Ｈｄｙと被検出磁界Ｈｅｘｔとの関係も同様
である。θは、Ｅが最小となるように、異方性磁界Ｈ
ｋ、被検出磁界Ｈｅｘｔ、反磁界Ｈｄｘ、Ｈｄｙ、Ｈの
大小関係で規定される。透磁率μは、このモデルにおい
て、Ｈｅｘｔの大きさ及び方向と、Ｈｋの大きさ及び方
向により変化し、これが素子感度に反映する。図７に示
すように、素子の幅方向に異方性の磁化容易軸を形成し
た場合に、透磁率の変化が大きくなり、インピーダンス
Ｚの変化も大きい。
向）と磁化の方向のなす角度である。Ｈｄｘは駆動磁界
Ｈよりもその絶対値が小さく、またＨと逆方向で負の符
号をもつ。Ｈｄｙと被検出磁界Ｈｅｘｔとの関係も同様
である。θは、Ｅが最小となるように、異方性磁界Ｈ
ｋ、被検出磁界Ｈｅｘｔ、反磁界Ｈｄｘ、Ｈｄｙ、Ｈの
大小関係で規定される。透磁率μは、このモデルにおい
て、Ｈｅｘｔの大きさ及び方向と、Ｈｋの大きさ及び方
向により変化し、これが素子感度に反映する。図７に示
すように、素子の幅方向に異方性の磁化容易軸を形成し
た場合に、透磁率の変化が大きくなり、インピーダンス
Ｚの変化も大きい。
【００３１】また、これによると素子のダイナミックレ
ンジ（Ｈｅｘｔ＝０から素子感度の符号が変化するまで
の外部磁界Ｈｅｘｔの範囲、すなわち透磁率が極大とな
るまでの磁界）は、膜に付加された異方性磁界Ｈｋと、
ＨｄｙとＨｄｘとのバランスで決まる形状磁気異方性磁
界Ｈｓとの和であるＨｋ＋Ｈｓにより定まる。
ンジ（Ｈｅｘｔ＝０から素子感度の符号が変化するまで
の外部磁界Ｈｅｘｔの範囲、すなわち透磁率が極大とな
るまでの磁界）は、膜に付加された異方性磁界Ｈｋと、
ＨｄｙとＨｄｘとのバランスで決まる形状磁気異方性磁
界Ｈｓとの和であるＨｋ＋Ｈｓにより定まる。
【００３２】異方性磁界Ｈｋは、スパッタリング、真空
蒸着等の薄膜作成技術による素子作成時の磁場中処理、
あるいは磁性体層間の交換相互作用により制御できる。
また、形状磁気異方性磁界Ｈｓは、図８に示したよう
に、素子形状（磁性体層の幅及び長さの比）により決ま
る。両者ともに安定に制御できるため、薄膜作成技術に
よりダイナミックレンジを制御することが可能となる。
蒸着等の薄膜作成技術による素子作成時の磁場中処理、
あるいは磁性体層間の交換相互作用により制御できる。
また、形状磁気異方性磁界Ｈｓは、図８に示したよう
に、素子形状（磁性体層の幅及び長さの比）により決ま
る。両者ともに安定に制御できるため、薄膜作成技術に
よりダイナミックレンジを制御することが可能となる。
【００３３】素子の基板面に平行に被検出磁界Ｈｅｘｔ
が印加されると、これにより素子磁性体層の磁化状態が
変化し、素子の幅方向の透磁率μが変化する。素子の導
電体層の長さ方向に交流電流を印加することにより、素
子の幅方向に交流駆動磁界を発生させ、この透磁率変化
をインダクタンスＬ、あるいは抵抗Ｒ、あるいは両者の
位相差、または（９）式に示すインピーダンスＺの変化
として検出する。
が印加されると、これにより素子磁性体層の磁化状態が
変化し、素子の幅方向の透磁率μが変化する。素子の導
電体層の長さ方向に交流電流を印加することにより、素
子の幅方向に交流駆動磁界を発生させ、この透磁率変化
をインダクタンスＬ、あるいは抵抗Ｒ、あるいは両者の
位相差、または（９）式に示すインピーダンスＺの変化
として検出する。
【００３４】素子の導電体層に駆動電源が接続され、１
００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの正弦波低電流が印加される。こ
の状態において、素子の両端には素子のインピーダンス
Ｚと印加電流の積で求められる電圧が発生する。被検出
磁界Ｈｅｘｔが素子に与えられると、素子の透磁率μが
変化する。これに基づくＬ及びＲの変化を電圧の波高値
からインピーダンスＺの変化量として読みとれば、被検
出磁界Ｈｅｘｔの大きさがわかる。
００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの正弦波低電流が印加される。こ
の状態において、素子の両端には素子のインピーダンス
Ｚと印加電流の積で求められる電圧が発生する。被検出
磁界Ｈｅｘｔが素子に与えられると、素子の透磁率μが
変化する。これに基づくＬ及びＲの変化を電圧の波高値
からインピーダンスＺの変化量として読みとれば、被検
出磁界Ｈｅｘｔの大きさがわかる。
【００３５】本発明では、磁性体層と導電体層の積層化
による相乗効果により、従来技術では不可能であった、
駆動周波数が１〜２桁低い１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚにお
いてインダクタンスＬの変化を高効率化するとともに、
表皮効果の実効領域を素子抵抗に大きく寄与する導電体
層のみに影響するように素子構成に特徴を持たせてある
ためＲの変化も高効率化し、出力を１〜２桁高めると同
時に、従来よりも消費電力を１桁小さくした。
による相乗効果により、従来技術では不可能であった、
駆動周波数が１〜２桁低い１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚにお
いてインダクタンスＬの変化を高効率化するとともに、
表皮効果の実効領域を素子抵抗に大きく寄与する導電体
層のみに影響するように素子構成に特徴を持たせてある
ためＲの変化も高効率化し、出力を１〜２桁高めると同
時に、従来よりも消費電力を１桁小さくした。
【００３６】さらに、薄膜作成技術及び素子形状による
磁気異方性の制御により、素子のダイナミックレンジの
制御、向上及び駆動周波数の変化に対するダイナミック
レンジの安定化を可能にした。
磁気異方性の制御により、素子のダイナミックレンジの
制御、向上及び駆動周波数の変化に対するダイナミック
レンジの安定化を可能にした。
【００３７】このように、本発明は、素子を導電体層と
磁性体層に分離し積層することにより、それぞれの持つ
特徴を生かすとともに、その相乗効果で素子の感度向上
等を達成している。本発明では、導電体の導電体層を磁
性体の磁性体層の中に配することにより、素子抵抗値を
２桁小さくし、インダクタンスの検出効率を高くすると
ともに、消費電力を従来より１桁小さくできる。さらに
は、磁性体層と導電体層の積層による相乗効果により、
被検出磁界は磁性体層で高感度に検出し、それを磁性体
層と積層した導電体の表皮厚さで高効率に抵抗変化とし
て変換する効果を有する。これにより、各層の膜厚比を
適切に選択すれば、厚さが１０μｍ以下の素子において
も従来技術では不可能であった駆動周波数が１〜２桁低
い１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚにおける磁界検出を可能にで
きる。さらに、インダクタンスのみならず抵抗の変化
も、従来素子より１桁以上大きくとることを可能にし、
特に周波数の低い１００ｋＨｚでの感度を従来より２桁
以上高くできる。
磁性体層に分離し積層することにより、それぞれの持つ
特徴を生かすとともに、その相乗効果で素子の感度向上
等を達成している。本発明では、導電体の導電体層を磁
性体の磁性体層の中に配することにより、素子抵抗値を
２桁小さくし、インダクタンスの検出効率を高くすると
ともに、消費電力を従来より１桁小さくできる。さらに
は、磁性体層と導電体層の積層による相乗効果により、
被検出磁界は磁性体層で高感度に検出し、それを磁性体
層と積層した導電体の表皮厚さで高効率に抵抗変化とし
て変換する効果を有する。これにより、各層の膜厚比を
適切に選択すれば、厚さが１０μｍ以下の素子において
も従来技術では不可能であった駆動周波数が１〜２桁低
い１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚにおける磁界検出を可能にで
きる。さらに、インダクタンスのみならず抵抗の変化
も、従来素子より１桁以上大きくとることを可能にし、
特に周波数の低い１００ｋＨｚでの感度を従来より２桁
以上高くできる。
【００３８】従って、自動車内で使用する場合において
も、ノイズ電波の発生の間題が低減できる。したがっ
て、エンジン制御用のコンピュータに与えるノイズの対
策が低減でき、回路も安価で済むため、磁気センサを用
いたシステム全体のコストダウンが可能となる。
も、ノイズ電波の発生の間題が低減できる。したがっ
て、エンジン制御用のコンピュータに与えるノイズの対
策が低減でき、回路も安価で済むため、磁気センサを用
いたシステム全体のコストダウンが可能となる。
【００３９】さらには、直流磁界中で磁性膜を形成する
という薄膜作成技術によって、磁性体層の磁気異方性を
制御することにより、素子のダイナミックレンジの向上
及び駆動周波数の変化に対するダイナミックレンジの安
定化を可能にした。異方性磁界は、素子の出力特性（出
力対被検出磁界の特性）の最大出力を示す磁界を決定す
る要素である。このため、導電体層と磁性体層に分離し
て磁性体層の磁気特性を独立制御することにより、素子
の検出磁界領域が小さくすることも大きくすることもで
きる。磁気異方性を小さくして検出磁界領域を小さくと
れば、単位検出磁界あたりの出力が大きくなるため、従
来技術に比べて高分解能な絶対値型磁界センサの構築が
可能となる。一方、磁気異方性を大きくして検出磁界領
域を大きくとれば、センサシステムを構築する周辺機器
の設計精度、センサ素子と磁界発生素子とのクリアラン
ス等の設計上の障壁が大幅に除去できるため、自動車用
の車高センサ、位置センサを用いたシステムの構成を従
来よりはるかに簡素で安価な構成にできる。
という薄膜作成技術によって、磁性体層の磁気異方性を
制御することにより、素子のダイナミックレンジの向上
及び駆動周波数の変化に対するダイナミックレンジの安
定化を可能にした。異方性磁界は、素子の出力特性（出
力対被検出磁界の特性）の最大出力を示す磁界を決定す
る要素である。このため、導電体層と磁性体層に分離し
て磁性体層の磁気特性を独立制御することにより、素子
の検出磁界領域が小さくすることも大きくすることもで
きる。磁気異方性を小さくして検出磁界領域を小さくと
れば、単位検出磁界あたりの出力が大きくなるため、従
来技術に比べて高分解能な絶対値型磁界センサの構築が
可能となる。一方、磁気異方性を大きくして検出磁界領
域を大きくとれば、センサシステムを構築する周辺機器
の設計精度、センサ素子と磁界発生素子とのクリアラン
ス等の設計上の障壁が大幅に除去できるため、自動車用
の車高センサ、位置センサを用いたシステムの構成を従
来よりはるかに簡素で安価な構成にできる。
【００４０】また、導電体層がＦｅ、Ｃｏの強磁性体で
ある場合には、やはり導電体層が磁性体層に比べて導電
率が１桁以上高い導電体であるので、上記の効果が得ら
れる上に、導電体層と磁性体層がともに磁性体であるの
で両層間の強い磁気的なカップリングにより一軸磁気異
方性を制御できる。このため、ダイナミックレンジのさ
らなる拡大をも同時に達成することができる。
ある場合には、やはり導電体層が磁性体層に比べて導電
率が１桁以上高い導電体であるので、上記の効果が得ら
れる上に、導電体層と磁性体層がともに磁性体であるの
で両層間の強い磁気的なカップリングにより一軸磁気異
方性を制御できる。このため、ダイナミックレンジのさ
らなる拡大をも同時に達成することができる。
【００４１】また、これらの素子はすべて薄膜により素
子が形成されるので、基板にＳｉを選択すれば、Ｓｉ基
板上に形成した信号処理回路との一体化が容易になると
いう効果も有する。
子が形成されるので、基板にＳｉを選択すれば、Ｓｉ基
板上に形成した信号処理回路との一体化が容易になると
いう効果も有する。
【００４２】また、他の構成例によれば、本発明の磁界
検出素子は、低抵抗材料よりなる通電電流を流す導電体
層、この導電体層周囲を覆う磁性体層、導電体層と磁性
体層の間に介在された絶縁層からなる。
検出素子は、低抵抗材料よりなる通電電流を流す導電体
層、この導電体層周囲を覆う磁性体層、導電体層と磁性
体層の間に介在された絶縁層からなる。
【００４３】そして、この絶縁層を設けることにより、
導電体層にのみ通電電流を流して磁性体層内を貫く周回
磁束を効率よく発生させることが可能となる。
導電体層にのみ通電電流を流して磁性体層内を貫く周回
磁束を効率よく発生させることが可能となる。
【００４４】また、導電体層の幅を１００μｍ以上とす
ることにより、幅方向の表皮効果を顕著に発生させるこ
とができる。さらに、磁性体層に関しては、素子幅方向
が容易磁化方向となるように磁気異方性を付与すること
で、外部磁界に鋭いインピーダンス変化を引き出すこと
を可能とする。
ることにより、幅方向の表皮効果を顕著に発生させるこ
とができる。さらに、磁性体層に関しては、素子幅方向
が容易磁化方向となるように磁気異方性を付与すること
で、外部磁界に鋭いインピーダンス変化を引き出すこと
を可能とする。
【００４５】次に、絶縁層を設けた点について、説明す
る。導電体層と磁性体層との絶縁分離がなされていない
場合には、通電電流の一部は磁性体層に流れ込む。この
磁性体層に流れ込んだ電流は磁性体層内を貫く周回磁束
を発生ためには寄与しない。すなわち、磁界検出素子へ
の通電電流の一部が磁性体層に流れ込んでしまうと、導
電体層を流れる電流は通電電流よりも小さくなってしま
い、通電電流が磁気インピーダンス効果発生のために効
率良く使われなくなる。そこで、導電体層と磁性体層と
の間に絶縁層を設け、導電体層のみに集中して通電電流
を流すことにより、通電電流の全てが磁性体層内を貫く
周回磁束発生のために使われることになり、より顕著な
磁気インピーダンス効果を引き出すことが可能となる。
る。導電体層と磁性体層との絶縁分離がなされていない
場合には、通電電流の一部は磁性体層に流れ込む。この
磁性体層に流れ込んだ電流は磁性体層内を貫く周回磁束
を発生ためには寄与しない。すなわち、磁界検出素子へ
の通電電流の一部が磁性体層に流れ込んでしまうと、導
電体層を流れる電流は通電電流よりも小さくなってしま
い、通電電流が磁気インピーダンス効果発生のために効
率良く使われなくなる。そこで、導電体層と磁性体層と
の間に絶縁層を設け、導電体層のみに集中して通電電流
を流すことにより、通電電流の全てが磁性体層内を貫く
周回磁束発生のために使われることになり、より顕著な
磁気インピーダンス効果を引き出すことが可能となる。
【００４６】ここで、外部磁界に対するインピーダンス
変化の内訳を考えてみると、インダクタンス変化と抵抗
変化とに分けることができる。インダクタンス分の変化
は、図９に示す磁性体層内を貫く周回磁束（図９の周回
磁界Φ１）の変化に対応する。そして、上述のように、
絶縁層を設けることで、インダクタンス分の変化を十分
大きなものにでき、磁界検出の感度を増大できる。
変化の内訳を考えてみると、インダクタンス変化と抵抗
変化とに分けることができる。インダクタンス分の変化
は、図９に示す磁性体層内を貫く周回磁束（図９の周回
磁界Φ１）の変化に対応する。そして、上述のように、
絶縁層を設けることで、インダクタンス分の変化を十分
大きなものにでき、磁界検出の感度を増大できる。
【００４７】次に、素子幅を１００μｍ以上に設定した
ことについて説明する。外部磁界に対する抵抗分の変化
は、上下磁性体層間での漏洩で導電体層を貫く磁束（図
９の漏洩磁束Φ２）の変化に対応する。この漏洩磁束
は、導電体層に表皮効果を発生させ、この表皮効果が抵
抗分の変化となって現れる。
ことについて説明する。外部磁界に対する抵抗分の変化
は、上下磁性体層間での漏洩で導電体層を貫く磁束（図
９の漏洩磁束Φ２）の変化に対応する。この漏洩磁束
は、導電体層に表皮効果を発生させ、この表皮効果が抵
抗分の変化となって現れる。
【００４８】従って、抵抗分の変化を顕著に発生させる
ためには、表皮の深さ以上の導体幅を有することと、導
電体層を上下に貫く漏洩磁束を大きく発生させることの
２つが重要となる。そこで、表皮効果による抵抗変化発
生のメカニズムについて説明すると共に、１００ｋＨｚ
から１ＭＨｚという低周波領域においても表皮効果を発
生させるにはどうしたらよいのか説明する。
ためには、表皮の深さ以上の導体幅を有することと、導
電体層を上下に貫く漏洩磁束を大きく発生させることの
２つが重要となる。そこで、表皮効果による抵抗変化発
生のメカニズムについて説明すると共に、１００ｋＨｚ
から１ＭＨｚという低周波領域においても表皮効果を発
生させるにはどうしたらよいのか説明する。
【００４９】表皮効果は、定性的には以下のメカニズム
で発生する。まず、磁性体層からの漏洩磁束が導電体層
を上下に貫く。次に、この磁束により渦電流が発生す
る。この渦電流により通電電流が図１０に示すように導
電体層の両端に片寄る。これによって、最終的に表皮効
果が発生する。
で発生する。まず、磁性体層からの漏洩磁束が導電体層
を上下に貫く。次に、この磁束により渦電流が発生す
る。この渦電流により通電電流が図１０に示すように導
電体層の両端に片寄る。これによって、最終的に表皮効
果が発生する。
【００５０】次に、導電体層に表皮効果を発生させるた
めの条件について考える。どんな寸法においても表皮効
果は発生するのではなくて、特別な形状において表皮効
果は発生する。表皮効果の度合いを表すものとして、表
皮の深さを示す量δ（電流が有効に流れる深さ）を考え
る必要がある。表皮の深さは、上述の（４）式のよう
に、 δ＝√［２ρ／ω・μ］ で表され、導電体層の抵抗率と、通電電流の周波数と密
接に関連している。例えば、通電する電流の周波数を高
くするのに伴って表皮の深さは小さく（薄く）なる関係
にある。ここで、ρ：導電体層の抵抗率 μ：導電体層
の透磁率 ω：通電電流の角周波数である。
めの条件について考える。どんな寸法においても表皮効
果は発生するのではなくて、特別な形状において表皮効
果は発生する。表皮効果の度合いを表すものとして、表
皮の深さを示す量δ（電流が有効に流れる深さ）を考え
る必要がある。表皮の深さは、上述の（４）式のよう
に、 δ＝√［２ρ／ω・μ］ で表され、導電体層の抵抗率と、通電電流の周波数と密
接に関連している。例えば、通電する電流の周波数を高
くするのに伴って表皮の深さは小さく（薄く）なる関係
にある。ここで、ρ：導電体層の抵抗率 μ：導電体層
の透磁率 ω：通電電流の角周波数である。
【００５１】導体厚みと表皮の深さと表皮効果発生の関
係は、導体厚みより表皮の深さが小さい場合に表皮効果
が発生が発生し、逆に導体厚みより表皮の深さが大きい
場合には表皮効果は発生しない傾向にある。従って、通
電電流の周波数を高くして表皮深さを小さくすること、
あるいは導体厚みを大きくすることが、表皮効果を顕著
に発生させるポイントである。
係は、導体厚みより表皮の深さが小さい場合に表皮効果
が発生が発生し、逆に導体厚みより表皮の深さが大きい
場合には表皮効果は発生しない傾向にある。従って、通
電電流の周波数を高くして表皮深さを小さくすること、
あるいは導体厚みを大きくすることが、表皮効果を顕著
に発生させるポイントである。
【００５２】ここで、表皮効果は導電体層を上下に貫く
磁束により発生する渦電流が起因していることにより、
本素子の表皮効果は導電体層の幅方向に発生していると
考えられる。そこで、表皮効果を発生させるため導電体
層の幅を表皮深さ以上とすることが、表皮効果を顕著に
発生させるために重要な要因となる。表皮の深さは、通
電電流１００ｋＨｚから１ＭＨｚで、導電体層として標
準的な材料Ａｌ、あるいはＣｕを使用した場合には８０
μｍから１００μｍ程度であることにより、導体幅を１
００μｍ以上とすれば、通電電流周波数１００ｋＨｚか
ら１ＭＨｚの範囲においても表皮効果が充分発生可能で
あることが明らかである。
磁束により発生する渦電流が起因していることにより、
本素子の表皮効果は導電体層の幅方向に発生していると
考えられる。そこで、表皮効果を発生させるため導電体
層の幅を表皮深さ以上とすることが、表皮効果を顕著に
発生させるために重要な要因となる。表皮の深さは、通
電電流１００ｋＨｚから１ＭＨｚで、導電体層として標
準的な材料Ａｌ、あるいはＣｕを使用した場合には８０
μｍから１００μｍ程度であることにより、導体幅を１
００μｍ以上とすれば、通電電流周波数１００ｋＨｚか
ら１ＭＨｚの範囲においても表皮効果が充分発生可能で
あることが明らかである。
【００５３】また、磁場中成膜により磁性体層内に均一
に磁気異方性を付与できたことにより、磁性体層内のド
メイン（領域）を図１１に示すように制御できることに
なる。このように制御されたドメインは、外部磁場に対
して一斉の変化を示すことになり、外部磁場に対して急
激な透磁率変化を示すことになる。この急激な透磁率変
化は、磁性体層内を周回する磁束Φ1 、及び磁性体層か
ら漏洩する磁束Φ2 を急激に変化させることになる。最
終的には、インダクタンス、及び抵抗の外部磁界に対す
る大きな変化となって現れる。
に磁気異方性を付与できたことにより、磁性体層内のド
メイン（領域）を図１１に示すように制御できることに
なる。このように制御されたドメインは、外部磁場に対
して一斉の変化を示すことになり、外部磁場に対して急
激な透磁率変化を示すことになる。この急激な透磁率変
化は、磁性体層内を周回する磁束Φ1 、及び磁性体層か
ら漏洩する磁束Φ2 を急激に変化させることになる。最
終的には、インダクタンス、及び抵抗の外部磁界に対す
る大きな変化となって現れる。
【００５４】また、上記積層型検出装置を４つ有し、電
気的ブリッジ構成に配置することにより、磁界を電気的
信号として取出すことができる。
気的ブリッジ構成に配置することにより、磁界を電気的
信号として取出すことができる。
【００５５】さらに、単安定マルチバイブレータ回路に
よって装置を駆動し、磁界を抵抗とインダクタンスの位
相差として検出することが好適である。
よって装置を駆動し、磁界を抵抗とインダクタンスの位
相差として検出することが好適である。
【００５６】以上により、１ＭＨｚ以下という低周波領
域で、数Ｏｅという低磁界に対してインピーダンス変化
率が１００％以上という顕著な磁気インピーダンス効果
を得ることができる。
域で、数Ｏｅという低磁界に対してインピーダンス変化
率が１００％以上という顕著な磁気インピーダンス効果
を得ることができる。
【００５７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（実施
形態）について、図面に基づいて説明する。
形態）について、図面に基づいて説明する。
【００５８】「基本構成１」まず、本発明に係る磁界検
出素子の基本的構成の一例を図１に示す。素子１は、シ
リコンの基板１０上に、磁性体層１１で周囲を取り囲ん
だ導電体層１２を積層した構造体として形成されてい
る。導電体層１２と磁性体層１１は、直接接触してい
る。磁性体層１１はＦｅＣｏＳｉＢ、ＣｏＳｉＢ等のア
モルファス軟磁性体により形成されており、一方導電体
層１２はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ等の、磁性体層に比べて導電
率が１桁以上高い導電体で形成されている。各層は、真
空蒸着法あるいはスパッタリング法等の薄膜作成技術に
より作成される。また磁性体層１１は、素子の幅方向に
直流磁場を印加した状態で作成され、素子の幅方向が磁
性体層１１の容易磁化方向となっている。さらに、磁性
体層１１をメッキで形成し、その語磁場中で熱処理する
ことによって、容易磁化方向を通電方向に対し、９０゜
に設定した磁性体層１１を形成することも好適である。
出素子の基本的構成の一例を図１に示す。素子１は、シ
リコンの基板１０上に、磁性体層１１で周囲を取り囲ん
だ導電体層１２を積層した構造体として形成されてい
る。導電体層１２と磁性体層１１は、直接接触してい
る。磁性体層１１はＦｅＣｏＳｉＢ、ＣｏＳｉＢ等のア
モルファス軟磁性体により形成されており、一方導電体
層１２はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ等の、磁性体層に比べて導電
率が１桁以上高い導電体で形成されている。各層は、真
空蒸着法あるいはスパッタリング法等の薄膜作成技術に
より作成される。また磁性体層１１は、素子の幅方向に
直流磁場を印加した状態で作成され、素子の幅方向が磁
性体層１１の容易磁化方向となっている。さらに、磁性
体層１１をメッキで形成し、その語磁場中で熱処理する
ことによって、容易磁化方向を通電方向に対し、９０゜
に設定した磁性体層１１を形成することも好適である。
【００５９】この素子は、以下のように動作する。この
素子の導電体層あるいは導電体層及び磁性体層の両方の
両端に駆動電源５０を印加する。交流駆動電流による交
流磁場が素子の幅方向に与えられた状態で、素子に外部
から被検出磁界が与えられると、被検出磁界により変化
した透磁率に基づき素子の抵抗値Ｒ及びインダクタンス
Ｌが変化する。この変化量を、検出器６０により、抵
抗、インダクタンス、両者の位相差あるいはインピーダ
ンスの変化量として検出する。インピーダンス変化の例
を図１２に示す。
素子の導電体層あるいは導電体層及び磁性体層の両方の
両端に駆動電源５０を印加する。交流駆動電流による交
流磁場が素子の幅方向に与えられた状態で、素子に外部
から被検出磁界が与えられると、被検出磁界により変化
した透磁率に基づき素子の抵抗値Ｒ及びインダクタンス
Ｌが変化する。この変化量を、検出器６０により、抵
抗、インダクタンス、両者の位相差あるいはインピーダ
ンスの変化量として検出する。インピーダンス変化の例
を図１２に示す。
【００６０】また、従来の厚さ１０μｍ以下の薄膜素子
と比較すると、図１３に示すように１００ｋＨｚ〜２Ｍ
Ｈｚでのインピーダンス変化が大きくなっており、従来
よりも２桁低い駆動周波数での感度を２桁以上向上させ
ている。
と比較すると、図１３に示すように１００ｋＨｚ〜２Ｍ
Ｈｚでのインピーダンス変化が大きくなっており、従来
よりも２桁低い駆動周波数での感度を２桁以上向上させ
ている。
【００６１】「基本構成２」次に、本発明に係る磁界検
出素子の基本的構成の他の例を図１４に示す。上述の基
本構成１と同様に、素子１は、シリコンの基板１０上
に、磁性体層１１で周囲を取り囲んだ導電体層１２を積
層した構造体として形成されている。そして、この例で
は、導電体層１２と磁性体層１１の間に絶縁体層１５が
設けられている。そして、導電体層１２の幅が、１００
μｍ以上に設定されていると共に、磁性体層１１は、素
子の幅方向に直流磁場を印加した状態で作成され、素子
の幅方向が磁性体層１１の容易磁化方向となっている。
すなわち、磁性体層１１の磁化容易軸が装置の電流印加
方向に対し９０゜の角度に設定されている。
出素子の基本的構成の他の例を図１４に示す。上述の基
本構成１と同様に、素子１は、シリコンの基板１０上
に、磁性体層１１で周囲を取り囲んだ導電体層１２を積
層した構造体として形成されている。そして、この例で
は、導電体層１２と磁性体層１１の間に絶縁体層１５が
設けられている。そして、導電体層１２の幅が、１００
μｍ以上に設定されていると共に、磁性体層１１は、素
子の幅方向に直流磁場を印加した状態で作成され、素子
の幅方向が磁性体層１１の容易磁化方向となっている。
すなわち、磁性体層１１の磁化容易軸が装置の電流印加
方向に対し９０゜の角度に設定されている。
【００６２】そして、上述の例と同様に、素子の導電体
層１２の両端に駆動電源を印加する。この状態で、素子
に外部から被検出磁界が与えられると、被検出磁界によ
り変化した透磁率に基づき素子の抵抗値Ｒ及びインダク
タンスＬが変化する。この変化量を、検出器により、抵
抗、インダクタンス、両者の位相差あるいはインピーダ
ンスの変化量として検出する。
層１２の両端に駆動電源を印加する。この状態で、素子
に外部から被検出磁界が与えられると、被検出磁界によ
り変化した透磁率に基づき素子の抵抗値Ｒ及びインダク
タンスＬが変化する。この変化量を、検出器により、抵
抗、インダクタンス、両者の位相差あるいはインピーダ
ンスの変化量として検出する。
【００６３】本発明に関する素子の被検出磁界とインピ
ーダンスの関係を図１５に示す。磁性体層と導電体層と
の間に絶縁層がなく、導電体層の幅が１００μｍ以下と
いう上述の基本構成の素子と比較して、外部磁界印加に
対するインピーダンス変化率は３倍の９００％程度とな
った。また、図１６には素子通電電流周波数（駆動周波
数）に対するインピーダンス変化率を示している。上述
の基本構成１の素子と比較して、１ＭＨｚより低い周波
数領域においても大きなインピーダンス変化率が得られ
ていることが分る。
ーダンスの関係を図１５に示す。磁性体層と導電体層と
の間に絶縁層がなく、導電体層の幅が１００μｍ以下と
いう上述の基本構成の素子と比較して、外部磁界印加に
対するインピーダンス変化率は３倍の９００％程度とな
った。また、図１６には素子通電電流周波数（駆動周波
数）に対するインピーダンス変化率を示している。上述
の基本構成１の素子と比較して、１ＭＨｚより低い周波
数領域においても大きなインピーダンス変化率が得られ
ていることが分る。
【００６４】「実施形態１」図１７は、この発明の実施
形態１に係る磁界検出素子についての斜視図である。素
子１００は、シリコン単結晶の基板１１０と、この基板
１１０上に形成された上層１１１、導電体層１１２及び
下層１１３からなっている。なお、上下層１１１、１１
３が磁性体層を形成している。上下層１１１、１１３の
寸法は、長さ１０ｍｍ、幅１ｍｍ、導電体層１１２の上
下の位置にある部分の厚さがそれぞれ２μｍである。導
電体層は、長さ１０ｍｍ、幅５００μｍ、厚さ３μｍで
ある。
形態１に係る磁界検出素子についての斜視図である。素
子１００は、シリコン単結晶の基板１１０と、この基板
１１０上に形成された上層１１１、導電体層１１２及び
下層１１３からなっている。なお、上下層１１１、１１
３が磁性体層を形成している。上下層１１１、１１３の
寸法は、長さ１０ｍｍ、幅１ｍｍ、導電体層１１２の上
下の位置にある部分の厚さがそれぞれ２μｍである。導
電体層は、長さ１０ｍｍ、幅５００μｍ、厚さ３μｍで
ある。
【００６５】各層１１１、１１２、１１３は真空蒸着法
等の薄膜作成技術により作成され、互いに密着してい
る。また、基板１１０と下層１１３の下面も同様に密着
している。磁性体層を構成する上層１１１は、保磁力が
１Ｏｅ以下のＦｅＣｏＳｉＢのアモルファス軟磁性体で
形成され、磁化容易軸は素子１００の幅方向に方向付け
されている。また、導電体層１１２はＣｕで形成されて
いる。この素子１００の導電体層１１２は、上層１１１
よりも長く取り出され、素子１００の長さ方向の両端に
おいて配線用の電極を構成する。
等の薄膜作成技術により作成され、互いに密着してい
る。また、基板１１０と下層１１３の下面も同様に密着
している。磁性体層を構成する上層１１１は、保磁力が
１Ｏｅ以下のＦｅＣｏＳｉＢのアモルファス軟磁性体で
形成され、磁化容易軸は素子１００の幅方向に方向付け
されている。また、導電体層１１２はＣｕで形成されて
いる。この素子１００の導電体層１１２は、上層１１１
よりも長く取り出され、素子１００の長さ方向の両端に
おいて配線用の電極を構成する。
【００６６】素子１００のダイナミックレンジを決定す
る一軸磁気異方性は、成膜時に素子１００の幅方向に直
流磁界を印加しておくことによりつける。このときの磁
界の大きさ及び素子１００の長さ及び幅で決まる形状効
果により、素子１００のダイナミックレンジを±１８Ｏ
ｅとする。素子の導電体層１１２の両端には、方形波発
生用の駆動電源（インバータ回路）１５０が接続され、
またそれに並列に位相検出器１６０が接続される。
る一軸磁気異方性は、成膜時に素子１００の幅方向に直
流磁界を印加しておくことによりつける。このときの磁
界の大きさ及び素子１００の長さ及び幅で決まる形状効
果により、素子１００のダイナミックレンジを±１８Ｏ
ｅとする。素子の導電体層１１２の両端には、方形波発
生用の駆動電源（インバータ回路）１５０が接続され、
またそれに並列に位相検出器１６０が接続される。
【００６７】次に、この素子１００の動作を説明する。
導電体層１１２の両端の電極にはインバータ回路１５０
が接続されており、ここから１００ｋＨｚ交流電流を導
電体層１１２の両端に印加する。そして、導電体層１１
２の両端の電圧を検出すると、素子１００の抵抗Ｒ及び
インダクタンスＬの変化分による位相変化が生じる。素
子１００の長さ方向に外部磁界を印加した場合の位相角
θの出力特性を図１８に示す。ここで、位相角θは、θ
＝ｔａｎ（ωＬ／Ｒ）で表され、インダクタンス成分と
抵抗成分からなるインピーダンスの位相角である。図に
示すように、位相角θは、素子１００に加えられた外部
磁界Ｈｅｘｔに対してリニアに変化する。ダイナミック
レンジは、制御した異方性磁界Ｈｋを中心に、その上下
に広がる。本実施形態の素子１００は、異方性磁界Ｈｋ
を制御して膜厚方向に均一に大きくとっており、素子の
インピーダンスがピークをもつ時の外部磁界の大きさが
±１８Ｏｅであり、この点を中心に外部磁界に対する位
相変化を検出できる。使用できる検出磁界領域が、従来
の単層膜よりも５倍ほど大きい。
導電体層１１２の両端の電極にはインバータ回路１５０
が接続されており、ここから１００ｋＨｚ交流電流を導
電体層１１２の両端に印加する。そして、導電体層１１
２の両端の電圧を検出すると、素子１００の抵抗Ｒ及び
インダクタンスＬの変化分による位相変化が生じる。素
子１００の長さ方向に外部磁界を印加した場合の位相角
θの出力特性を図１８に示す。ここで、位相角θは、θ
＝ｔａｎ（ωＬ／Ｒ）で表され、インダクタンス成分と
抵抗成分からなるインピーダンスの位相角である。図に
示すように、位相角θは、素子１００に加えられた外部
磁界Ｈｅｘｔに対してリニアに変化する。ダイナミック
レンジは、制御した異方性磁界Ｈｋを中心に、その上下
に広がる。本実施形態の素子１００は、異方性磁界Ｈｋ
を制御して膜厚方向に均一に大きくとっており、素子の
インピーダンスがピークをもつ時の外部磁界の大きさが
±１８Ｏｅであり、この点を中心に外部磁界に対する位
相変化を検出できる。使用できる検出磁界領域が、従来
の単層膜よりも５倍ほど大きい。
【００６８】また、１００ｋＨｚでの素子の感度（外部
磁界の変化に対する位相角の変化量）が最大で２．５ｄ
ｅｇｒｅｅ／Ｏｅである。さらに、外部磁界が零のとき
のインピーダンスが従来の単層膜での９０００ｍΩから
４５０ｍΩへと減少しているため素子の消費電力は１／
２０と非常に小さい。この素子においては、導電体層１
１２は磁性体層の１０倍以上の導電率をもつものであれ
ば、Ｆｅ、Ｃｏの強磁性体であっても、反強磁性体のＮ
ｉＯ、ＣｏＯ等であってもよい。また、磁性体層はＣｏ
ＳｉＢ、ＣｏＮｂＺｒ等の保磁力が１Ｏｅ以下の他のア
モルファス軟磁性体でもよい。
磁界の変化に対する位相角の変化量）が最大で２．５ｄ
ｅｇｒｅｅ／Ｏｅである。さらに、外部磁界が零のとき
のインピーダンスが従来の単層膜での９０００ｍΩから
４５０ｍΩへと減少しているため素子の消費電力は１／
２０と非常に小さい。この素子においては、導電体層１
１２は磁性体層の１０倍以上の導電率をもつものであれ
ば、Ｆｅ、Ｃｏの強磁性体であっても、反強磁性体のＮ
ｉＯ、ＣｏＯ等であってもよい。また、磁性体層はＣｏ
ＳｉＢ、ＣｏＮｂＺｒ等の保磁力が１Ｏｅ以下の他のア
モルファス軟磁性体でもよい。
【００６９】「実施形態２」図１９に、本発明の実施形
態２の構成を示す。これは素子２００を上部から見た図
である。また、素子２００を断面２５０でカットした断
面構造を図２０に示す。この実施形態２の素子２００で
は、まずフォトリソグラフィー技術によりシリコン基板
２３０上に素子が形成される。図に示すように、積層化
された細線２１０がつづら折りされ、その両端には電極
取り出し用のパッド２２０が形成されている。そして、
細線２１０がＸ方向に平行に並ぶ領域２４０のみに、下
層２１１、導電体層２１２、上層２１３が積層され、そ
の他の領域は導電体層２１２のみの細線が形成される。
態２の構成を示す。これは素子２００を上部から見た図
である。また、素子２００を断面２５０でカットした断
面構造を図２０に示す。この実施形態２の素子２００で
は、まずフォトリソグラフィー技術によりシリコン基板
２３０上に素子が形成される。図に示すように、積層化
された細線２１０がつづら折りされ、その両端には電極
取り出し用のパッド２２０が形成されている。そして、
細線２１０がＸ方向に平行に並ぶ領域２４０のみに、下
層２１１、導電体層２１２、上層２１３が積層され、そ
の他の領域は導電体層２１２のみの細線が形成される。
【００７０】素子２００の寸法は、導電体層２１２の幅
が５０μｍ、３層となった部分の長さが３ｍｍ、平行に
並んだ導電体層２１２同士の間隔が１５０μｍである。
上下層２１１、２１３はＣｏＳｉＢであり、厚さ３μ
ｍ、導電体層はＣｕであり１μｍである。各層の磁化容
易軸は、図のＹ方向に付加されており、異方性磁界Ｈｋ
＝１８Ｏｅに設定されている。
が５０μｍ、３層となった部分の長さが３ｍｍ、平行に
並んだ導電体層２１２同士の間隔が１５０μｍである。
上下層２１１、２１３はＣｏＳｉＢであり、厚さ３μ
ｍ、導電体層はＣｕであり１μｍである。各層の磁化容
易軸は、図のＹ方向に付加されており、異方性磁界Ｈｋ
＝１８Ｏｅに設定されている。
【００７１】この素子の細線２１０は、図２０に示すよ
うに、シリコン基板２３０上に下層２１１、導電体層２
１２、上層２１３が形成されている。ボンディング用の
パッド２２０には、図１９に示すように、駆動用の単安
定マルチバイプレータ２６１及び位相検出器２６２が接
続されている。単安定マルチバイブレータ２６１によ
り、素子２００が、１ＭＨｚ、１０ｍＡで駆動される
と、素子２００のインダクタンスＬは、図２１のように
変化する。素子２００のダイナミックレンジは、形状効
果及び磁気異方性により、０〜１８Ｏｅになっている。
なお、この例では、上下層２１１、２１３の磁気異方性
は、素子作製後における所定の直流磁界中における熱処
理により付加されたものである。
うに、シリコン基板２３０上に下層２１１、導電体層２
１２、上層２１３が形成されている。ボンディング用の
パッド２２０には、図１９に示すように、駆動用の単安
定マルチバイプレータ２６１及び位相検出器２６２が接
続されている。単安定マルチバイブレータ２６１によ
り、素子２００が、１ＭＨｚ、１０ｍＡで駆動される
と、素子２００のインダクタンスＬは、図２１のように
変化する。素子２００のダイナミックレンジは、形状効
果及び磁気異方性により、０〜１８Ｏｅになっている。
なお、この例では、上下層２１１、２１３の磁気異方性
は、素子作製後における所定の直流磁界中における熱処
理により付加されたものである。
【００７２】「実施形態３」図２２は、本発明の実施形
態３の正面図である。素子３００は２ｍｍ×１０ｍｍの
大きさであり、シリコン単結晶の基板３３０上に、スパ
イラル状に形成されている。その両端には、配線取り出
し用のボンディングパッド３２０を形成されている。素
子の下層及び上層はＣｏＳｉＢであり、一方、導電体層
はＣｕであり、その線幅は１０μｍ、厚さが２μｍであ
る。磁化容易軸は素子の幅方向に付加されている。一対
のボンディングパット３２０には、インバータ回路３５
０と位相検出器３５１が並列に接続される。
態３の正面図である。素子３００は２ｍｍ×１０ｍｍの
大きさであり、シリコン単結晶の基板３３０上に、スパ
イラル状に形成されている。その両端には、配線取り出
し用のボンディングパッド３２０を形成されている。素
子の下層及び上層はＣｏＳｉＢであり、一方、導電体層
はＣｕであり、その線幅は１０μｍ、厚さが２μｍであ
る。磁化容易軸は素子の幅方向に付加されている。一対
のボンディングパット３２０には、インバータ回路３５
０と位相検出器３５１が並列に接続される。
【００７３】図２３は、図２２の要部の断面図である。
下層３４１上に配置されたＣｏの導電体層３４２が、下
層３４１と上層３４３により覆われた構造となってい
る。
下層３４１上に配置されたＣｏの導電体層３４２が、下
層３４１と上層３４３により覆われた構造となってい
る。
【００７４】「実施形態４」図２４は、本発明の実施形
態４を示す。このように、磁性体層７１１、７１３、７
１５、７１７、導電体層７１２、７１４、７１６、７１
８を有する素子７００〜７０３がブリッジ状に配置さ
れ、これに高周波定電圧源７２１及び抵抗検出回路７２
２が接続される。すなわち、この例では、素子７００、
７０２は長さ方向がＹ軸方向に向けられ、素子７０１、
７０３は長さ方向がＸ軸方向に向けられ、素子７００、
７０３の外側端同士と、素子７０１、７０２の外側端同
士が接続され、素子７００、７０１の内側端同士、素子
７０２、７０３の内側端同士が接続されている。そし
て、定電圧源７２１は、素子７００、７０３の外側端
と、素子７０１、７０２の外側端の間に接続され、抵抗
検出回路７２２は素子７００、７０１の内側端と、素子
７０２、７０３の内側端の間に接続されている。
態４を示す。このように、磁性体層７１１、７１３、７
１５、７１７、導電体層７１２、７１４、７１６、７１
８を有する素子７００〜７０３がブリッジ状に配置さ
れ、これに高周波定電圧源７２１及び抵抗検出回路７２
２が接続される。すなわち、この例では、素子７００、
７０２は長さ方向がＹ軸方向に向けられ、素子７０１、
７０３は長さ方向がＸ軸方向に向けられ、素子７００、
７０３の外側端同士と、素子７０１、７０２の外側端同
士が接続され、素子７００、７０１の内側端同士、素子
７０２、７０３の内側端同士が接続されている。そし
て、定電圧源７２１は、素子７００、７０３の外側端
と、素子７０１、７０２の外側端の間に接続され、抵抗
検出回路７２２は素子７００、７０１の内側端と、素子
７０２、７０３の内側端の間に接続されている。
【００７５】この４つの素子７００〜７０３の寸法は、
上下の磁性体層７１１、７１３、７１５、７１７がそれ
ぞれ幅１ｍｍ、長さ５ｍｍ、厚さ２μｍであり、導電体
層７１２、７１４、７１６、７１８は幅０．１ｍｍ、長
さ６ｍｍ、厚さ３μｍである。磁性体層はＦｅＣｏＳｉ
Ｂ、導電体層はＣｏである。すべての磁性体層７１１、
７１３、７１５、７１７の磁気異方性は、素子７００及
び７０２の長さ方向（図における縦方向）であるＹ軸方
向に磁化容易軸が向けられている。このため、素子７０
０、７０２と素子７０１、７０３の各グループにおい
て、Ｘ方向の被検出磁界Ｈｅｘｔに対する出力特性が異
なる。これを図２５に示す。
上下の磁性体層７１１、７１３、７１５、７１７がそれ
ぞれ幅１ｍｍ、長さ５ｍｍ、厚さ２μｍであり、導電体
層７１２、７１４、７１６、７１８は幅０．１ｍｍ、長
さ６ｍｍ、厚さ３μｍである。磁性体層はＦｅＣｏＳｉ
Ｂ、導電体層はＣｏである。すべての磁性体層７１１、
７１３、７１５、７１７の磁気異方性は、素子７００及
び７０２の長さ方向（図における縦方向）であるＹ軸方
向に磁化容易軸が向けられている。このため、素子７０
０、７０２と素子７０１、７０３の各グループにおい
て、Ｘ方向の被検出磁界Ｈｅｘｔに対する出力特性が異
なる。これを図２５に示す。
【００７６】このように、素子７００、７０２と素子７
０１、７０３の素子グループ間では、付加された磁化容
易軸の方向が互いに９０度異なっている。このため、Ｘ
方向に加えられた被検出磁場Ｈｅｘｔに対する感度がそ
れぞれ異なる。素子７００、７０２は、素子寸法及び付
加した異方性磁界により被検出磁場Ｈｅｘｔが１８Ｏｅ
までは磁界に対して正の感度を持つが、逆に素子７０
１、７０３は磁界に対して負の感度を持つ。したがっ
て、これらの素子を図２４のようにブリッジ構成にする
ことにより、検出される抵抗値は（１１）式のようにな
る。ここで、素子７００、７０２の抵抗変化をΔＲ７０
０、素子７０１、７０３の抵抗変化をΔＲ７０１として
いる。これより、被検出磁界が零の時の出力を零にでき
るとともに、同じ特性の素子を４つ用いるブリッジ型の
素子の場合に比べて感度の向上も同時に達成できる。
０１、７０３の素子グループ間では、付加された磁化容
易軸の方向が互いに９０度異なっている。このため、Ｘ
方向に加えられた被検出磁場Ｈｅｘｔに対する感度がそ
れぞれ異なる。素子７００、７０２は、素子寸法及び付
加した異方性磁界により被検出磁場Ｈｅｘｔが１８Ｏｅ
までは磁界に対して正の感度を持つが、逆に素子７０
１、７０３は磁界に対して負の感度を持つ。したがっ
て、これらの素子を図２４のようにブリッジ構成にする
ことにより、検出される抵抗値は（１１）式のようにな
る。ここで、素子７００、７０２の抵抗変化をΔＲ７０
０、素子７０１、７０３の抵抗変化をΔＲ７０１として
いる。これより、被検出磁界が零の時の出力を零にでき
るとともに、同じ特性の素子を４つ用いるブリッジ型の
素子の場合に比べて感度の向上も同時に達成できる。
【００７７】 ΔＲ＝２（ΔＲ７００−ΔＲ７０１）／（２Ｒ＋ΔＲ７００＋ΔＲ７０１） ・・・（１１） 図２５の出力特性を持つ素子をブリッジ構成した場合の
素子出力を図２６に示す。外部磁界が零の時の素子出力
は零で、かつ２２Ｏｅ時の出力が５７％の高感度な磁気
センサが実現される。駆動電流を実効値で２．５Ｖとす
れば素子感度はアンプなしでも２７ｍＶ／Ｏｅと、非常
に高感度な磁界検出センサが構成できる。
素子出力を図２６に示す。外部磁界が零の時の素子出力
は零で、かつ２２Ｏｅ時の出力が５７％の高感度な磁気
センサが実現される。駆動電流を実効値で２．５Ｖとす
れば素子感度はアンプなしでも２７ｍＶ／Ｏｅと、非常
に高感度な磁界検出センサが構成できる。
【００７８】［実施形態５］図２７は本発明の実施形態
５を示す。真空蒸着法により、ＣｏＮｂＺｒ合金で形成
された磁性体層８０１ａ及び８０１ｂと、その両者には
さまれるＣｕの導電体層８０２からなる検出素子８００
が形成される。また、同時にＣｕからなる抵抗体８０３
も同時に形成される。前記素子８００と抵抗体８０３は
交流電圧源８２１に直列接続される。また、素子８００
の両端にインピーダンス検出器８２２が接続される。こ
のとき、素子８００及び抵抗体８０３の長さは５ｍｍ、
素子８００の磁性体層８０１の長さは４．５ｍｍ、素子
８００及び抵抗体８０３の幅は０．５ｍｍである。ま
た、磁性体層８０１ａ及び８０１ｂの厚さがともに２μ
ｍ、導電体層８０２の厚さが３μｍである。
５を示す。真空蒸着法により、ＣｏＮｂＺｒ合金で形成
された磁性体層８０１ａ及び８０１ｂと、その両者には
さまれるＣｕの導電体層８０２からなる検出素子８００
が形成される。また、同時にＣｕからなる抵抗体８０３
も同時に形成される。前記素子８００と抵抗体８０３は
交流電圧源８２１に直列接続される。また、素子８００
の両端にインピーダンス検出器８２２が接続される。こ
のとき、素子８００及び抵抗体８０３の長さは５ｍｍ、
素子８００の磁性体層８０１の長さは４．５ｍｍ、素子
８００及び抵抗体８０３の幅は０．５ｍｍである。ま
た、磁性体層８０１ａ及び８０１ｂの厚さがともに２μ
ｍ、導電体層８０２の厚さが３μｍである。
【００７９】図２８は図２７の素子８００のＢでの断面
構造である。Ｃｕからなる導電体層８０２の両端で磁性
体層８０１ａ及び８０１ｂは接触しておらず、導電体層
８０２で分離された構造である。また磁性体層の磁化容
易軸は成膜中に直流磁界を印加しておくことにより素子
の幅方向、すなわち交流電圧印加方向と直交する方向に
付加されている。
構造である。Ｃｕからなる導電体層８０２の両端で磁性
体層８０１ａ及び８０１ｂは接触しておらず、導電体層
８０２で分離された構造である。また磁性体層の磁化容
易軸は成膜中に直流磁界を印加しておくことにより素子
の幅方向、すなわち交流電圧印加方向と直交する方向に
付加されている。
【００８０】交流電圧源８２１から供給される電圧は、
実効値１０ｍＶ、駆動周波数１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚで
ある。
実効値１０ｍＶ、駆動周波数１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚで
ある。
【００８１】「実施形態６」実施形態６の積層型薄膜磁
気センサの構造を図２９に示す。このように、導電体層
９０１の周囲を磁性体層９０２で覆い、磁性体層９０２
には幅方向に磁気異方性を付与している。磁性体層９０
２の材質は、ＦｅＣｏＳｉＢ、あるいはＣｏＮｂＺｒ系
の零磁歪アモルファス材料とする。導電体層９０１の幅
は１００μｍ、長さ１０ｍｍ、厚み３μｍである。導電
体層９０１の材質は、低抵抗材料であるＣｕ、あるいは
Ａｇとする。一方、導電体層９０１の上下にある磁性体
層９０２の幅は２ｍｍ、長さ１０ｍｍ、厚み２μｍであ
る。
気センサの構造を図２９に示す。このように、導電体層
９０１の周囲を磁性体層９０２で覆い、磁性体層９０２
には幅方向に磁気異方性を付与している。磁性体層９０
２の材質は、ＦｅＣｏＳｉＢ、あるいはＣｏＮｂＺｒ系
の零磁歪アモルファス材料とする。導電体層９０１の幅
は１００μｍ、長さ１０ｍｍ、厚み３μｍである。導電
体層９０１の材質は、低抵抗材料であるＣｕ、あるいは
Ａｇとする。一方、導電体層９０１の上下にある磁性体
層９０２の幅は２ｍｍ、長さ１０ｍｍ、厚み２μｍであ
る。
【００８２】そして、導電体層９０１と磁性体層９０２
との間は絶縁層９０３が設けられている。この絶縁層９
０３には、ＳｉＯ2 、あるいはポリイミド系の樹脂など
の絶縁体材料が採用される。
との間は絶縁層９０３が設けられている。この絶縁層９
０３には、ＳｉＯ2 、あるいはポリイミド系の樹脂など
の絶縁体材料が採用される。
【００８３】磁性体層９０２への磁気異方性の付与は、
磁場を印加しながら成膜する方法と磁場を加えながら熱
処理する方法のいずれの方法を採用してもよい。すなわ
ち、所定の磁場中で、蒸着法やスパッタ法によって、磁
性体層９０２を成膜してもよいし、メッキ等によって形
成した磁性対応９０２を磁場中で熱処理してもよい。こ
の素子では、温度変化に対する原子配置の安定化をねら
って、磁場中熱処理により磁性体層９０２にその幅方向
に磁化容易軸が向くように、磁気異方性を付与してい
る。
磁場を印加しながら成膜する方法と磁場を加えながら熱
処理する方法のいずれの方法を採用してもよい。すなわ
ち、所定の磁場中で、蒸着法やスパッタ法によって、磁
性体層９０２を成膜してもよいし、メッキ等によって形
成した磁性対応９０２を磁場中で熱処理してもよい。こ
の素子では、温度変化に対する原子配置の安定化をねら
って、磁場中熱処理により磁性体層９０２にその幅方向
に磁化容易軸が向くように、磁気異方性を付与してい
る。
【００８４】本素子の導電体層９０１には高周波電流が
通電される。導電体層９０１と磁性体層９０２とは絶縁
層９０３で分離されているので、通電電流のすべてが導
電体層９０１に流れる。このため、磁性体層９０２内を
貫く磁束を効率良く発生させることができる。従って、
本素子のインダクタンス成分の外部磁界に対する変化を
大きくすることができる。
通電される。導電体層９０１と磁性体層９０２とは絶縁
層９０３で分離されているので、通電電流のすべてが導
電体層９０１に流れる。このため、磁性体層９０２内を
貫く磁束を効率良く発生させることができる。従って、
本素子のインダクタンス成分の外部磁界に対する変化を
大きくすることができる。
【００８５】さらに、導電体層９０１の幅を１００μｍ
としている。このため、導電体層９０１を上下方向に貫
く、磁性体層９０２からの漏洩磁束により発生する、導
電体層９０１における幅方向の表皮効果を効率よく発生
させることができる。従って、本素子の抵抗分の外部磁
界に対する変化を大きくすることができる。
としている。このため、導電体層９０１を上下方向に貫
く、磁性体層９０２からの漏洩磁束により発生する、導
電体層９０１における幅方向の表皮効果を効率よく発生
させることができる。従って、本素子の抵抗分の外部磁
界に対する変化を大きくすることができる。
【００８６】「実施形態７」図３０に実施形態７の積層
型薄膜磁気センサの構造を示す。本素子は、導電体層１
００１の周囲を上部磁性体層１００２、下部磁性体層１
００３、サイド磁性体層１００４、１００５で覆った構
造を有しており、上部磁性体層１００２、及び下部磁性
体層１００３には幅方向に磁気異方性を付与している。
型薄膜磁気センサの構造を示す。本素子は、導電体層１
００１の周囲を上部磁性体層１００２、下部磁性体層１
００３、サイド磁性体層１００４、１００５で覆った構
造を有しており、上部磁性体層１００２、及び下部磁性
体層１００３には幅方向に磁気異方性を付与している。
【００８７】上部磁性体層１００２、及び下部磁性体層
１００３の材質は、零磁歪アモルファス材料の中でも飽
和磁化の大きなＣｏＮｂＺｒ系とする。一方、導電体層
１００１の幅は３００μｍ、長さ１０ｍｍ、厚み３μｍ
である。導電体層１００１の材質は、低抵抗材料である
Ｃｕ、あるいはＡｇとする。また、上部磁性体層１００
２、及び下部磁性体層１００３の幅は２ｍｍ、長さ１０
ｍｍ、厚み２μｍである。実施形態６と同様に、導電体
層１００１と磁性体層１００２、１００３、１００４、
１００５との間には絶縁層１００６（例えば、ＳｉＯ2
やポリイミド樹脂）を設けている。
１００３の材質は、零磁歪アモルファス材料の中でも飽
和磁化の大きなＣｏＮｂＺｒ系とする。一方、導電体層
１００１の幅は３００μｍ、長さ１０ｍｍ、厚み３μｍ
である。導電体層１００１の材質は、低抵抗材料である
Ｃｕ、あるいはＡｇとする。また、上部磁性体層１００
２、及び下部磁性体層１００３の幅は２ｍｍ、長さ１０
ｍｍ、厚み２μｍである。実施形態６と同様に、導電体
層１００１と磁性体層１００２、１００３、１００４、
１００５との間には絶縁層１００６（例えば、ＳｉＯ2
やポリイミド樹脂）を設けている。
【００８８】磁性体層１００２、１００３、１００４、
１００５への磁気異方性の付与は、磁場を印加しながら
成膜する方法と磁場を加えながら熱処理する方法の２つ
が考えられる。この素子では、作製プロセスの簡便化を
ねらって、磁場中成膜により、膜の作製と磁性体層１０
０２〜１００５への磁気異方性の付与を同時に実施して
いる。
１００５への磁気異方性の付与は、磁場を印加しながら
成膜する方法と磁場を加えながら熱処理する方法の２つ
が考えられる。この素子では、作製プロセスの簡便化を
ねらって、磁場中成膜により、膜の作製と磁性体層１０
０２〜１００５への磁気異方性の付与を同時に実施して
いる。
【００８９】本素子の導電体層１００１には、実施形態
６と同様に高周波電流が通電される。導電体層１００１
と磁性体層１００２〜１００５との間は絶縁されている
ので、通電電流のすべてが導電体層１００１に流れる。
この実施形態７では、実施形態６とは異なり、サイド磁
性体層１００４、１００５の透磁率の低い磁性材料とし
ている。これらサイド磁性体層１００４、１００５の透
磁率を調整することにより、磁性体層１００２〜１００
５内を貫く周回磁束、及び上下磁性体層１００２、１０
０３間での漏洩磁束をコントロールすることができる。
磁性体層１００２〜１００５内を貫く磁束はインダクタ
ンスを決定し、上下磁性体層１００２、１００３間での
漏洩磁束は導電体層１００１の幅方向の表皮効果に起因
した抵抗を決定している。そこで、サイド磁性体層１０
０４、１００５の透磁率を変化させることにより素子の
インダンタンス分、及び抵抗を制御することができる。
サイド磁性体層１００４、１００５の透磁率を変える手
法としては、材質を零磁歪アモルファス材料としては飽
和磁化の低いＦｅＣｏＳｉＢとすること等が考えられ
る。この例では、サイド磁性体層１００４、１００５の
透磁率を変えて、サイド部分の磁気抵抗を変化させ上下
磁性体層１００２、１００３間の漏洩磁束を制御してい
るが、サイド磁性体層１００４、１００５の重なり幅を
変えることにより漏洩磁束の制御をすることもできる。
６と同様に高周波電流が通電される。導電体層１００１
と磁性体層１００２〜１００５との間は絶縁されている
ので、通電電流のすべてが導電体層１００１に流れる。
この実施形態７では、実施形態６とは異なり、サイド磁
性体層１００４、１００５の透磁率の低い磁性材料とし
ている。これらサイド磁性体層１００４、１００５の透
磁率を調整することにより、磁性体層１００２〜１００
５内を貫く周回磁束、及び上下磁性体層１００２、１０
０３間での漏洩磁束をコントロールすることができる。
磁性体層１００２〜１００５内を貫く磁束はインダクタ
ンスを決定し、上下磁性体層１００２、１００３間での
漏洩磁束は導電体層１００１の幅方向の表皮効果に起因
した抵抗を決定している。そこで、サイド磁性体層１０
０４、１００５の透磁率を変化させることにより素子の
インダンタンス分、及び抵抗を制御することができる。
サイド磁性体層１００４、１００５の透磁率を変える手
法としては、材質を零磁歪アモルファス材料としては飽
和磁化の低いＦｅＣｏＳｉＢとすること等が考えられ
る。この例では、サイド磁性体層１００４、１００５の
透磁率を変えて、サイド部分の磁気抵抗を変化させ上下
磁性体層１００２、１００３間の漏洩磁束を制御してい
るが、サイド磁性体層１００４、１００５の重なり幅を
変えることにより漏洩磁束の制御をすることもできる。
【００９０】導電体層１００１の幅については最適値を
有すると考えられる。導電体層幅を小さくしすぎると渦
電流発生が妨げられ表皮効果が発生しない。一方、導電
体層１００１の幅を大きくしすぎると容易に渦電流の発
生が促進され表皮効果が発生しやすくなる。ただし、導
電体層１００１の幅を大きくすることは素子寸法が大き
くなってしまい、高周波領域での駆動を考えた場合、浮
遊インピーダンス（インダクタンスとキャパシタンス）
の問題を無視することができなくなる。こうしたことを
考慮して、ここでは導電体層の幅を５００μｍから１ｍ
ｍの範囲と設定している。
有すると考えられる。導電体層幅を小さくしすぎると渦
電流発生が妨げられ表皮効果が発生しない。一方、導電
体層１００１の幅を大きくしすぎると容易に渦電流の発
生が促進され表皮効果が発生しやすくなる。ただし、導
電体層１００１の幅を大きくすることは素子寸法が大き
くなってしまい、高周波領域での駆動を考えた場合、浮
遊インピーダンス（インダクタンスとキャパシタンス）
の問題を無視することができなくなる。こうしたことを
考慮して、ここでは導電体層の幅を５００μｍから１ｍ
ｍの範囲と設定している。
【図１】 本発明の基本構成１を示す図である。
【図２】 従来例の構成を示す図である。
【図３】 従来例の特性を示す図である。
【図４】 実施形態の素子内部の磁界の特性を示す図で
ある。
ある。
【図５】 実施形態の磁界の状態を示す図である。
【図６】 磁化の方向を示す図である。
【図７】 被検出磁界とインピーダンスの関係を示す図
である。
である。
【図８】 磁性体層の幅と磁界の関係を示す図である。
【図９】 素子の動作原理を説明する図である。
【図１０】 表皮効果を説明する模式図である。
【図１１】 磁性膜面内のドメイン（領域）を示す模式
図である。
図である。
【図１２】 被検出磁界と出力の関係を示す図である。
【図１３】 駆動周波数とインピーダンス変化率の関係
を示す図である。
を示す図である。
【図１４】 基本構成２を示す図である。
【図１５】 外部磁界とインピーダンスの関係を示す図
である。
である。
【図１６】 駆動周波数に対するインピーダンス変化率
を示す図である。
を示す図である。
【図１７】 実施形態１の構成を示す図である。
【図１８】 被検出磁界と位相角の関係を示す図であ
る。
る。
【図１９】 実施形態２の構成を示す図である。
【図２０】 素子の断面を示す図である。
【図２１】 被検出磁場とインダクタンスの関係を示す
図である。
図である。
【図２２】 実施形態３の構成を示す図である。
【図２３】 素子の断面を示す図である。
【図２４】 実施形態４の構成を示す図である。
【図２５】 被検出磁界と抵抗の関係を示す図である。
【図２６】 被検出磁界と出力の関係を示す図である。
【図２７】 実施形態５の構成を示す図である。
【図２８】 実施形態５の素子の断面構造を示す図であ
る。
る。
【図２９】 実施形態６の素子の断面構造を示す図であ
る。
る。
【図３０】 実施形態７の素子の断面構造を示す図であ
る。
る。
１ 素子、１０ 基板、１１ 磁性体層、１２ 導電体
層、５０ 駆動電源、６０ 検出器。
層、５０ 駆動電源、６０ 検出器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂田 二郎 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 野々村 裕 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 竹内 正治 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 平７−63832（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−330645（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 15/20 G01R 33/02 - 33/06
Claims (14)
- 【請求項１】 高周波電源からの高周波電流が供給さ
れ、外部磁界に応じた電気的特性の変化を検出する積層
型磁界検出装置であって、 基板と、 この基板上に形成された磁性体を含む磁性体層と、 この磁性体層の内部に形成された導電体からなる導電体
層と、 を有し、上記磁性体層は、上記高周波電源からの高周波電流の通
電電流が流れる方向とほぼ直交する幅方向に、容易磁化
軸が形成されている ことを特徴とする積層型磁界検出装
置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の装置において、上 記磁性体層および導電体層は、上記通電電流が流れる
方向が長手方向で、これに直交する方向が短手方向であ
る縦長形状であることを特徴とする積層型磁界検出装
置。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の装置におい
て、 上記導電体層は、上記高周波電源からの高周波電流の通
電電流方向と直交する導電体層の幅方向が、導電体層の
高さ方向より大きく、矩形の断面形状を有することを特
徴とする積層型磁界検出装置。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１つに記載の装
置において、 上記磁性体層は、積層形成された薄膜であることを特徴
とする積層型磁界検出装置。 - 【請求項５】 請求項１または２に記載の装置におい
て、上記容易磁化軸の方向における断面において、導電体層
の周囲を絶縁層で取り囲み、その絶縁層の周囲を上記磁
性体層で取り囲んでいる ことを特徴とする積層型磁界検
出装置。 - 【請求項６】 請求項５に記載の装置において、 上記導電体層の幅が、下記の式で決定される、電流が有
効に流れる厚さである表皮厚さδの大きさにより大きく
設定されていることを特徴とする積層型磁界検出装置。 δ＝√［２ρ／ω・μ］ （ここで、ρは導電体層の抵抗率、μは導電体層の透磁
率、ωは通電電流の角周波数である。） - 【請求項７】 請求項６に記載の装置において、 上記導電体層の厚みが、上記表皮厚さの大きさに比べ、
小さく設定されていることを特徴とする積層型磁界検出
装置。 - 【請求項８】 請求項６または７に記載の装置におい
て、 上記導電体層の幅が、１００μｍ以上に設定されている
ことを特徴とする積層型磁界検出装置。 - 【請求項９】 高周波電源からの高周波電流が供給さ
れ、外部磁界に応じた電気的特性の変化を検出する積層
型磁界検出装置であって、 基板と、 この基板上に形成された磁性体を含む磁性体層と、 この磁性体層の内部に形成された導電体からなる導電体
層と、 を有し、 上記導電体層は、比抵抗が磁性体層の１／１０以下の導
電体であることを特徴とする積層型磁界検出装置。 - 【請求項１０】 請求項９に記載の装置において、 磁性体層は、比抵抗が５０μΩ・ｃｍ以上で保磁力が１
Ｏｅ以下、直流磁界での比透磁率が５００以上の磁性体
層であることを特徴とする積層型磁界検出装置。 - 【請求項１１】 請求項１０に記載の装置において、 全体の厚さが１０μｍ以下であり上記導電体層と磁性体
層との厚みの比が３：１〜１：５であることを特徴とす
る積層型磁界検出装置。 - 【請求項１２】 請求項１１に記載の装置において、 磁性体層に含まれる磁性体がＦｅＣｏＳｉＢあるいはＣ
ｏＳｉＢであり、導電体層がＣｕであることを特徴とす
る積層型磁界検出装置。 - 【請求項１３】 高周波電源からの高周波電流が供給さ
れ、外部磁界に応じた電気的特性の変化を検出する積層
型磁界検出装置であって、 基板と、 この基板上に形成された磁性体を含む磁性体層と、 この磁性体層の内部に形成された導電体からなる導電体
層と、 を有する磁界検出装置を４つ有し、 これらを電気的ブリッジ構成に配置するとともに、 その中の２つにおける上記磁性体層は、上記高周波電源
からの高周波電流の通電電流が流れる方向と直交する方
向に容易磁化軸が形成されており、 他の２つにおける上記磁性体層は、上記高周波電源から
の高周波電流の通電電流が流れる方向と同一の方向に、
容易磁化軸が形成されている ことを特徴とする積層型磁
界検出装置。 - 【請求項１４】 請求項１〜１２のいずれか１つに記載
の装置において、 上記高周波電源は、単安定マルチバイブレータ回路を利
用しており、磁界を抵抗とインダクタンスとからなるイ
ンピーダンスの位相角として検出することを特徴とする
積層型磁界検出装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04176696A JP3360519B2 (ja) | 1995-03-17 | 1996-02-28 | 積層型磁界検出装置 |
| US08/615,954 US5838154A (en) | 1995-03-17 | 1996-03-14 | Multilayered magnetic sensor having conductive layer within megnetic layer |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5883995 | 1995-03-17 | ||
| JP7-58839 | 1995-03-17 | ||
| JP04176696A JP3360519B2 (ja) | 1995-03-17 | 1996-02-28 | 積層型磁界検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08320362A JPH08320362A (ja) | 1996-12-03 |
| JP3360519B2 true JP3360519B2 (ja) | 2002-12-24 |
Family
ID=26381421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04176696A Expired - Fee Related JP3360519B2 (ja) | 1995-03-17 | 1996-02-28 | 積層型磁界検出装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5838154A (ja) |
| JP (1) | JP3360519B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US6069475A (en) * | 1996-09-17 | 2000-05-30 | Tokin Corporation | Magnetic sensor utilizing impedance variation of a soft magnetic element in dependence upon a magnetic field strength and a method of manufacturing the same |
| US5949293A (en) * | 1997-02-18 | 1999-09-07 | Japan System Development Co., Ltd. | Integrated circuit for measuring the distance |
| US6452765B1 (en) * | 1998-11-18 | 2002-09-17 | Read-Rite Corporation | CoNbTi as high resistivity SAL material for high-density MR |
| DE60000420T2 (de) * | 1999-01-08 | 2003-06-05 | Nec Tokin Corp | Magnetischer Fühler mit weichmagnetisch metallischem Element in Zickzack-Form |
| JP2000349363A (ja) * | 1999-06-07 | 2000-12-15 | Yazaki Corp | 磁電変換素子及びその製造方法 |
| JP2001116814A (ja) * | 1999-10-22 | 2001-04-27 | Canon Electronics Inc | 磁気インピーダンス素子 |
| KR100383564B1 (ko) * | 2000-02-17 | 2003-05-12 | 주식회사 코디소프트 | 임피던스 밸브형 물질 형성 방법 및 그 임피던스 밸브형 물질 |
| JP4810005B2 (ja) * | 2001-06-14 | 2011-11-09 | トヨタ自動車株式会社 | 磁界検出素子 |
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| KR20040098666A (ko) * | 2002-03-27 | 2004-11-20 | 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 | 자기검출소자 및 자기검출기, 및 그 제조방법 |
| KR100487611B1 (ko) * | 2002-07-24 | 2005-05-24 | (주) 아모센스 | 박막형 자계센서 제조방법 |
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| CN203551758U (zh) * | 2013-07-26 | 2014-04-16 | 江苏多维科技有限公司 | 一种单磁阻tmr磁场传感器芯片及验钞机磁头 |
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| US9960629B2 (en) | 2015-08-07 | 2018-05-01 | Nucurrent, Inc. | Method of operating a single structure multi mode antenna for wireless power transmission using magnetic field coupling |
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