JP3650575B2 - 磁気インピーダンス効果素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサとして用いられる磁気インピーダンス効果素子に係わり、特に、磁気センサに用いられる磁気インピーダンス効果素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
図8は、従来の磁気インピーダンス効果素子の一例を示したものである。
従来の磁気インピーダンス効果素子は、軟磁性材料からなる感磁部51と感磁部51の両端に接続された一対の電極部52とを有し、感磁部51は、直線状である複数の検出部51aが並設されて、隣り合う検出部51aが接続部51bにより接続されたつづら折れ状である。また、感磁部51aは、検出部51aの長手方向が磁化容易軸となっている。
【0003】
外部磁界Hの方向が検出部51aの長手方向であるとき、一対の電極52間の出力電圧Emiは外部磁界Hにより変化して、出力電圧Emiの外部磁界H依存性は、例えば図7のように、複数の外部磁界Hにおいて出力電圧のピークEpが現れる。出力電圧Emiの外部磁界依存性は、出力電圧のピークEpを含む約±400A/mの外部磁界の範囲において、非線形である。
【0004】
出力電圧Emiの外部磁界依存性は、出力電圧のピークEpから外れた外部磁界の区間で、線形となる。出力電圧Emiの外部磁界依存性が線形であれば、出力電圧Emiから外部磁界Hを一義的に導き出すことができる。
【0005】
検出する外部磁界Hの範囲において出力電圧Emiの外部磁界依存性を線形とするためには、検出部51aの長手方向(検出する外部磁界Hの方向)にバイアス磁界を印加することにより、出力電圧Emiの外部磁界依存性が線形である区間を、検出する外部磁界の範囲に移動させることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の磁気インピーダンス効果素子では、出力電圧の外部磁界依存性が、広い非線形区間を有している。このような出力電圧の外部磁界依存性では、検出する外部磁界の範囲から非線形区間を排除して、外部磁界の大きさに対する出力電圧の線形性を確保するためは、大きなバイアス磁界が必要である。一方、バイアス磁界印加手段とする磁石を薄くすることにより磁気インピーダンス効果素子を薄型化することができるが、一般的な薄型磁石、特に薄膜磁石では、印加できる磁界の大きさに限界がある。よって、大きなバイアス磁界を必要とする磁気インピーダンス効果素子では、薄型化が困難であるという問題があった。
本発明は、出力電圧より外部磁界を一義的に導き出ために必要なバイアス磁界が小さく、且つ、高感度な磁気インピーダンス効果素子を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気インピーダンス効果素子は、軟磁性材料からなる感磁部と、前記感磁部の両端に接続された良導電材料からなる一対の電極部とを有し、前記感磁部は、直線状である複数の検出部が、それぞれ平行に並設されるとともに、隣り合う前記検出部間は、接続部により電気的に直列接続されており、磁化方向が前記検出部の長手方向と直交する第1の磁区の総面積が、前記検出部の長手方向を磁化方向とする第2の磁区の総面積以下であり、前記感磁部には、一対の前記電極部から交流電流が印加され、外部磁界を、前記電極部間の出力電圧として検出する。
このような磁気インピーダンス効果素子では、検出部の長さ方向について感磁部を大型化することなく、検出部の合計長さを長く形成して、検出部に生じる磁気インピーダンス効果の大きさを増加させることができるので、小型、且つ、検出部の長手方向の外部磁界に対して、検出出力が大きく、且つ高感度である。また、感磁部が、検出部の長さ方向に関して短いので、検出部の長手方向の外部磁界が微小であっても、効率良く検出することができる。
【0008】
また、感磁部の磁区構造を、磁化方向が検出部の長手方向と直交する第1の磁区の総面積が、前記検出部の長手方向を磁化方向とする第2の磁区の総面積以下とすることにより、出力電圧の外部磁界依存性における非線形区間を狭くすることができる。このような出力電圧の外部磁界依存性では、検出する外部磁界の範囲から非線形区間を排除して、外部磁界の大きさに対する出力電圧の線形性を確保するために必要なバイアス磁界が小さく、バイアス磁界印加手段を薄膜磁石や、薄帯状に得られる磁石を所定の大きさに切断した薄板磁石等の薄型磁石としても、検出する外部磁界の範囲における出力電圧の外部磁界依存性を線形として、出力電圧から外部磁界を一義的に導くことが可能である。また、バイアス磁界をコイルに印加した直流電流により誘導するときにも、コイルの巻き数を少なくすることができる。よって、バイアス磁界印加手段を薄型にして、磁気インピーダンス効果素子の薄型化を図ることができる。
【0009】
本発明の磁気インピーダンス効果素子は、前記感磁部を、磁気的に等方性とした。
このような磁気インピーダンス効果素子では、磁気的に等方性の検出部であるから、検出部の磁化方向は固定されにくくなり、磁化方向を変化させやすくなっている。即ち、検出部の長手方向と直交する方向の透磁率が向上して、検出部長手方向の外部磁界の変化に対して、検出部の長手方向と直交する方向の透磁率の変化率が大きい。よって、外部磁界の変化に対する磁気インピーダンス効果の変化が大きいので、高感度の磁気インピーダンス効果素子とすることができる。
【0010】
本発明の磁気インピーダンス効果素子は、前記接続部が、前記検出部の長手方向と直交する方向に対して傾斜した状態で、前記検出部から延出されている。
このような磁気インピーダンス効果素子では、外部磁界の方向が検出部の長手方向と直交するとき、接続部が検出部の長手方向に対して垂直に延出された場合と比べて、外部磁界の接続部における交流電流方向成分が小さいので、接続部に生じる磁気インピーダンス効果が小さく、検出部長手方向の外部磁界に関する指向性に優れている。
【0011】
本発明の磁気インピーダンス効果素子は、前記接続部が円弧状である。
このような磁気インピーダンス効果素子では、外部磁界の方向が検出部の長手方向と直交するとき、外部磁界の接続部における交流電流方向成分がさらに小さくなるので、検出部長手方向の外部磁界に関する指向性を、さらに向上させることができる。
【0012】
本発明の磁気インピーダンス効果素子は、前記軟磁性材料が組成式T100-a-b-c-dXaMbZcQdで表され、平均結晶粒径5〜30nmのbcc−Fe、bcc−FeCo、bcc−Coの一種または2種以上の結晶粒と、元素Mの炭化物、または/及び窒化物の結晶粒とを含み、元素TはFe、Coのうち1種または2種の元素であり、元素XはSi、Alのうちの1種または2種の元素であり、元素MはTi、 Zr、Hf、Ta、Mo、V、Wから選ばれる1種または2種以上の元素であり、元素ZはC、Nのうちの1種または2種の元素であり、元素Qは、Cr、 Re、Ru、Rh、Ni、Pd、Pt、Auから選ばれる1種または2種以上の元素であり、a、b、c、dは原子%で0≦a≦25、1≦b≦10、0.5≦c≦15、0≦d≦10の関係を満足するものである。このような磁気インピーダンス効果素子では、感磁部を構成する軟磁性材料が、上記a、b、c、d の範囲にあれば、高透磁率、低保磁力、低磁歪定数とすることができる。このような軟磁性材料からなる感磁部では、外部磁界の変化に対する透磁率の変化率が 大きく、高感度の磁気インピーダンス効果素子とすることができる。
【0013】
本発明の磁気インピーダンス効果素子は、前記軟磁性材料が組成式T100-p-q-c-dSipAlqMbZcQdで表され、平均結晶粒径5〜30nmのbcc−Fe、bcc−FeCo、bcc−Coの一種または2種以上の結晶粒と、元素Mの炭化物、または/及び窒化物の結晶粒とを含み、元素TはFe、Coのうち1種または2種の元素であり、元素MはTi、Zr、Hf、Ta、Mo、V、Wから選ばれる1種または2種以上の元素であり、元素ZはC、Nのうちの1種または2種の元素であり、元素Qは、Cr、Re、Ru、Rh、Ni、Pd、Pt、Auから選ばれる1種または 2種以上の元素であり、p、q、b、c、dは原子%で8≦p≦25、1≦q≦10、1≦b≦10、0.5≦c≦15、0≦d≦10の関係を満足するものである。このような磁気インピーダンス効果素子では、感磁部を構成する軟磁性材料が、上記p、q、b、c、dの範囲にあれば、高透磁率、低保磁力、低磁歪定数とすることができる。このような軟磁性材料からなる感 磁部では、外部磁界の変化に対する透磁率の変化率が大きく、高感度の磁気インピーダンス効果素子とすることができる。
【発明の実施の形態】
本発明の磁気インピーダンス効果素子を、図1から図5を用いて説明する。第1の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子は、図1(a)に示すように、ガラス等非磁性材料からなる基板(図示せず)上に、軟磁性材料の薄膜からなる感磁部1が形成されている。
【0014】
感磁部1は、例えば、Fe71.4Si13.1Al5.8Hf3.3C4.5Ru1.9なる組成で表され、平均結晶粒径5〜30nmのbcc−Feの結晶粒と、Hfの炭化物の結晶粒を主体として、bcc−Feの周囲にHfCの結晶粒が存在する結晶粒径5〜30nmの微結晶軟磁性合金薄膜である。
【0015】
感磁部1は、他にも、組成式がT100-p-q-c-dSipAlqMbZcQdと表され、(但し、元素TはFe、Coのうち1種または2種の元素であり、元素MはTi、Zr、Hf、Ta、Mo、V、Wから選ばれる1種または2種以上の元素であり、元素ZはC、Nのうちの1種または2種の元素であり、元素Qは、Cr、Re、Ru、Rh、Ni、Pd、Pt、Auから選ばれる1種または2種 以上の元素)平均結晶粒径5〜30nmのbcc−Fe、bcc−FeCo、bcc−Coの一種または2種以上の結晶粒と、元素Mの炭化物、または/及び窒化物の結晶粒とを含む微結晶軟磁性合金薄膜であってもよい。このとき、a、b、c、dは原子%で0≦a≦25、1≦b≦10、0.5≦c≦15、0≦d≦10である。
【0016】
感磁部1は、他にも、組成式がT100-a-b-c-dXaMbZcQdであり、(但し、元素TはFe、Coのうち1種または2種の元素であり、元素XはSi、Alのうちの1種または2種の元素であり、元素MはTi、Zr、Hf、Ta、Mo、V、Wから選ばれる1種または2種以上の元素であり、元素ZはC、Nのうちの1種または2種の元素であり、元素Qは、Cr、Re、 Ru、Rh、Ni、Pd、Pt、Auから選ばれる1種または2種以上の元素)bcc−Fe、bcc−FeCo、bcc−Coの一種または2種以上の結晶粒とを含む微結晶軟磁性合金薄膜であってもよい。このとき、a、b、c、dは原子%で0≦a≦25、1≦b≦10、0.5≦c≦15、0≦c≦10、0≦d≦10である。
【0017】
感磁部1は、直線状の検出部1aを複数有し、検出部1aは、それぞれ同一寸法であり、平行に並設されている。接続部1bは、検出部1aと同等の幅であり、各検出部1aの長手方向(図1(a)中に示すx方向)端部から垂直に延出されて、互いに隣り合う検出部1a間を連結している。このように、感磁部1は検出部1aが接続部1aにより電気的に直列接続され、つづら折り状パターンとなっている。なお、接続部1bの延出長さは、検出部1aの長さ寸法と比べて、十分短いものとなっている。
【0018】
また、図1(b)に示すように、感磁部1には、検出部1aの長手方向と直交する方向(図1中に示すy方向)に誘導磁気異方性が導入されており、検出部1aは、磁化方向が検出部1aの長手方向と直交する第1の磁区S1を有している。一方、検出部1aは直線状であるから、形状磁気異方性により、検出部1aの長手方向を磁化方向とする第2の磁区S2を有している。検出部1aの磁区構造は、第1の磁区S1の総面積と第2の磁区S2の総面積が拮抗しており、検出部1aは、磁気的に等方性となっている。
【0019】
接続部1bの磁区構造は、接続部1bの面積に比べて検出部1aの面積が十分大きいので、検出部1aの磁区構造に影響されて、検出部1aと同様、ほぼ、磁気的に等方性となっている。また、接続部1bが等方的にならない場合であっても、検出部1aよりも面積が十分小さいので、その影響を小さくすることができる。
【0020】
良導電材料の薄膜からなる一対の電極部2は、基板上で感磁部1の両端に配設されて、感磁部1に接続されている。
【0021】
感磁部1は、絶縁膜(図示せず)により覆われている。Co−Pt合金等の硬磁性材料の薄膜からなる磁石3(以下、薄膜磁石)は、絶縁膜を介して、全ての検出部1aを覆っている。このとき、薄膜磁石3は、検出部1aのほぼ全長に至って形成されている。この薄膜磁石3は、検出部1aの長手方向にバイアス磁界Hbを付与している。
【0022】
なお、上記実施の形態では、バイアス磁界印加手段として薄膜磁石3を用いたが、バイアス磁界印加手段は、FeMReB(Mは、Zr、Hf、Nbのなかの1種または、2種以上、Reは、Yを含む希土類元素のなかから選ばれた1種または2種以上)等からなる液体急冷法により得られた薄帯状の磁石を、所定の大きさに切断したもの、フェライト磁石等で形成した薄板状の磁石でもよい。バイアス磁界印加手段としてフェライト磁石などの電気抵抗の高い材料を用いるとき、絶縁膜はなくても良い。
【0023】
次に、第1の実施の形態の製造方法、特に、感磁部1の製造方法について説明する。
感磁部1とする微結晶軟磁性合金薄膜は、RFマグネトロンスパッタを用いて、Ar雰囲気中、磁界を印加して成膜する。微結晶軟磁性合金薄膜の成膜は、検出部1aの長手方向となる方向に直交する静磁界を印加して、感磁部1に、検出部1aの長手方向と直交する方向に誘導磁気異方性を導入する。微結晶軟磁性合金薄膜の成膜標準条件は、高周波電力が400(W)、Arガス圧が50(sccm)、成膜時圧力が7(mTorr)、成膜時静磁界強度が4800(A/m)、成膜速度が33.5(nm/分)である。また、基板の冷却は、間接冷却により行った。
【0024】
上記感磁部1の製造では、感磁部1とする微結晶軟磁性合金薄膜を、磁界中にて成膜したが、微結晶軟磁性合金薄膜を成膜した後に静磁界を印加しても良い。
このとき、微結晶軟磁性合金薄膜をスパッタ法等を用いて成膜して、成膜後の微結晶軟磁性合金薄膜に熱処理工程を行う。熱処理工程では、感磁部1に、検出部1aと直交する方向の静磁界を印加して、感磁部1に、検出部1aと直交する方向の誘導磁気異方性を導入する。熱処理工程の標準条件は、静磁界強度が80000(A/m)、熱処理温度が575℃、熱処理時間が30分、昇温レートが13.6(℃/分)である。
【0025】
このように、成膜工程の後、静磁界中において熱処理工程を行うことにより、感磁部1に、検出部1aの長手方向と直交する誘導磁気異方性を導入し、検出部1aの長手方向に生じる形状磁気異方性拮抗させ、磁化方向が検出部1aの長手方向と直交する第1の磁区S1の総面積と、検出部1aの長手方向を磁化方向とする第2の磁区S2の総面積とを、ほぼ拮抗させることが容易となる。
【0026】
次に、本発明の第1の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子の駆動方法について説明する。
上記第1の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子は、図1(a)に示すように、一対の電極部2間に発振回路が接続され、数MHz帯域の交流電流IACが感磁部1に印加される。感磁部1に印加された交流電流IACは、検出部1aを検出部1aの長手方向に流れて、検出部1aから略垂直に延出された接続部1bを、検出部1aの長手方向と略直交する方向に流れる。
【0027】
また、一対の電極部2間に検波回路が接続され、一対の電極部2間の出力電圧Emiを、検波回路より得る。
【0028】
感磁部1に外部磁界Hが印加されると、感磁部1に磁気インピーダンス効果が生じる。
【0029】
検出部1aでは、外部磁界Hの検出部1a長手方向成分による磁気インピーダンス効果が生じる。それぞれの検出部1aに生じる磁気インピーダンス効果の大きさ|Z|は、(数1)のように表すことができる。
【0030】
【数1】
【0031】
また、それぞれの接続部1bには、外部磁界Hの検出部1aの長手方向と直交する成分によって、磁気インピーダンス効果が生じる。接続部1bに生じる磁気インピーダンス効果の大きさ|Z|は、(数2)のように表すことができる。
【0032】
【数2】
【0033】
外部磁界Hの方向が検出部1aの長手方向と一致するとき、検出部1aのみに磁気インピーダンス効果が生じて、接続部1bには磁気インピーダンス効果が生じない。よって、一対の電極部2間の出力電圧Emiから、検出部1aの長手方向の外部磁界を導き出すことができる。
【0034】
一方、外部磁界Hの方向が検出部1aの長手方向と直交するとき、接続部1bのみに磁気インピーダンス効果が生じて、検出部1aには磁気インピーダンス効果が生じない。このとき、一対の電極部2間の出力電圧Emiは、検出部1aの長手方向と直交する外部磁界により変化する。
【0035】
このようなつづら折れ状の感磁部1において、検出部1a長手方向の外部磁界に対する指向性を高めるためには、外部磁界、特に、検出部1aの長手方向に直交する方向(図1中y方向)の外部磁界に対する接続部1bの感度を極力小さくする必要がある。これは、接続部1bのy方向の長さ(Lb)を出来る限り短く形成することよって、実現可能である。
【0036】
以下、外部磁界の方向が検出部1aの長手方向と一致するときを考える。
【0037】
まず、磁気インピーダンス効果素子の感度について説明する。
(数1)より、検出部1aの長手方向と直交する方向(以後、検出部1aの幅方向)の透磁率μが、外部磁界Hにより大きく変化するほど、外部磁界Hに対する磁気インピーダンス効果の大きさ|Z|の変化が大きく、感度の高い磁気インピーダンス効果素子となることがわかる。
【0038】
検出部1aは、図1(b)のように、磁気的に等方性であるから、検出部1aの磁化方向が固定されにくくなり、磁化方向を変化させやすくなっている。即ち、検出部1aの長手方向と直交する方向の透磁率が向上して、検出部長手方向の外部磁界の変化に対して、検出部1aの幅方向の透磁率μの変化率が大きい。
一方、検出部1aにおいて検出部1aの長手方向の磁化が支配的であると、磁気的に等方性である検出部1aに比べて外部磁界Hによる透磁率μの変化率が低いものとなる。
【0039】
また、(数1)からわかるように、それぞれの検出部1aに生じる磁気インピーダンス効果の大きさ|Z|は、検出部1aの長さ(La)が長いほど、外部磁界に対する変化率が増大する。感磁部1を、図1(a)に示すようなつづら折れ状として複数個の検出部1aを連結することにより、感磁部1の寸法を大型化することなく検出部1aの合計長さを長くして、磁気インピーダンス効果素子の感度を向上させることができる。
【0040】
また、感磁部1を構成する軟磁性材料に、前述のような微結晶軟磁性合金薄膜を用いることによって、外部磁界Hによる透磁率μの変化率を高めて、高感度な磁気インピーダンス効果素子とすることができる。
【0041】
次に、出力電圧Emiの外部磁界依存性について説明する。
このような磁気インピーダンス効果素子における出力電圧Emiの外部磁界依存性を、図2において模式的に示す。図2に示すように、出力電圧Emiの外部磁界依存性は、検出部1aが磁気的に等方性であるから、出力電圧のピークEPが、バイアス磁界Hbに対応するただ一つの外部磁界H1において現れる。
【0042】
なお、検出部1aにおいて、検出部1aの長手方向の磁化が支配的であるとき、即ち、検出部1aの幅方向を磁化方向とする第1の磁区S1の総面積が、検出部1aの長手方向を磁化方向とする第2の磁区S2の総面積以下であっても、出力電圧のピークEPは、ただ一つの外部磁界H1において現れる。
【0043】
このような出力電圧Emiの外部磁界依存性は、出力電圧のピークEPを含む外部磁界の区間で非線形であり、出力電圧のピークEPから外れた区間で線形である。出力電圧Emiの外部磁界依存性が線形であれば、出力電圧Emiから外部磁界Hを一義的に導き出すことができる。
【0044】
また、出力電圧のピークEPが現れる外部磁界H1は、バイアス磁界Hbにより変化させることができる。ゼロバイアス磁界(Hb=0)であるとき、出力電圧のピークEPが現れる外部磁界H0と、バイアス磁界Hbを印加したとき、出力電圧のピークEPが現れる外部磁界H1との間隔(|H1−H0|)は、印加するバイアス磁界Hbが大きいほど大きくなる。
【0045】
第1の磁区S1の総面積が第2の磁区の総面積以下であれば、出力電圧Emiの外部磁界依存性は、出力電圧のピークEPが一つしかないので、非線形区間が狭い。よって、検出する外部磁界の範囲から非線形区間を排除して、外部磁界の大きさに対する出力電圧Emiの線形性を確保するために必要なバイアス磁界Hbは、薄膜磁石3等を用いて得ることができる。
【0046】
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
第2の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子は、図3に示すように、ガラス等非磁性材料からなる基板(図示せず)上に、軟磁性材料の薄膜からなる感磁部11が形成されている。感磁部11は、第1の実施の形態と同様な微結晶軟磁性合金薄膜であり、成膜方法も第1の実施の形態と同様である。
【0047】
感磁部11は、直線状の検出部11aを複数有し、検出部11aは、それぞれ同一寸法であり、平行に並設されている。接続部11bは、各検出部1aの長手方向(図3中、x方向)端部から、検出部11aと同等な幅で円弧状に延出されて、互いに隣り合う検出部11a間を連結している。このような円弧状の接続部11bは、ほとんどの部分において、検出部11aの長手方向と直交する方向(図3中、y方向)に対して傾斜しており、検出部11aの長手方向と直交するのは、円弧状の頂部のみである。
【0048】
このように、感磁部11は、検出部11aが接続部11aにより電気的に直列接続され、S字状パターンとなっている。なお、接続部11bの長さ、及び面積は、検出部11aの長さ、及び面積と比べて、十分短く、小さいものとなっている。
【0049】
また、感磁部11には検出部11aの幅方向に誘導磁気異方性が導入され、検出部11aの長手方向に生じる形状磁気異方性と拮抗している。検出部11aの磁区構造は、図1(b)に示す第1の実施の形態における検出部1aの磁区構造と同様に、検出部11aの幅方向を磁化方向とする第1の磁区S1と、検出部11aの長手方向の磁化方向とする第2の磁区S2の総面積が拮抗しており、検出部11aは、磁気的にほぼ等方性となっている。
【0050】
接続部11bの磁区構造は、接続部11bの面積に比べて検出部11aの面積が十分大きいので、検出部11aの磁区構造に影響されて、検出部11aと同様、磁気的に、ほぼ等方性となっている。また、接続部11bが等方的にならない場合であっても、検出部11aよりも面積が十分小さいので、その影響を小さくすることができる。
【0051】
良導電材料の薄膜からなる一対の電極部12は、基板上で感磁部11の両端に配設されて、感磁部11に接続されている。
【0052】
感磁部11は、絶縁膜(図示せず)により覆われている。Co−Pt合金等の硬磁性材料の薄膜からなる磁石13(以下、薄膜磁石)は、絶縁膜を介して、全ての検出部11aを覆っている。このとき、薄膜磁石13は、検出部11aのほぼ全長に至って形成されている。この磁石13は、検出部11aの長手方向(y方向)にバイアス磁界Hbを付与している。
【0053】
なお、図3では、感磁部11を検出部11aを3個有するものとして説明したが、感磁部11は、検出部11aを2個有するU字状であっても良いし、検出部11aが4個以上であっても良い。
【0054】
なお、図3では接続部11bを円弧状としたが、図4に示す感磁部21のように、直線状の検出部21aを複数有し、検出部21aは互いに平行であるように並設されて、隣り合う検出部21を接続する接続部21bがV字状であっても良い。また、図5に示す感磁部31のように、直線状の検出部31aを複数有し、検出部31aは互いに平行に並設されて、隣り合う検出部31aの端部の位置が、検出部31aの長手方向に関してずれており、隣り合う検出部31aを接続する接続部31bが、検出部の長手方向に対して傾斜する直線状であっても良い。
【0055】
なお、図3では、検出部11aを同一寸法として示したが、検出部11aは、必ずしも同一寸法でなくても良い。図4、図5の検出部21a、31aについても同様である。
【0056】
なお、バイアス磁界印加手段は、第1の実施の形態と同様、薄帯状の磁石や、薄板状の磁石でもよい。
【0057】
次に、本発明の第2の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子の駆動方法について説明する。
上記第2の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子は、電極部12に発振回路が接続され、数MHz帯域の交流電流が感磁部11に印加される。感磁部11に印加された交流電流IACは、検出部11aを検出部11aの長手方向(x方向)に流れる。
【0058】
接続部11bを流れる交流電流IACは、接続部11bの形状に沿って、円弧状に流れる。このとき、接続部11bの各部分における交流電流IACの向きは、殆どの部分において、検出部11bの長手方向と直交する方向に対して連続的に変化している。接続部11bを流れる交流電流IACが、検出部11bの長手方向と直交するのは、円弧状の頂部のみである。
【0059】
また、一対の電極部2間に検波回路が接続され、一対の電極部2間の出力電圧Emiを、検波回路により得る。
【0060】
感磁部1に外部磁界Hが印加されると、感磁部1には、外部磁界Hによる磁気インピーダンス効果が生じる。
【0061】
外部磁界Hの方向が検出部11aの長手方向と一致するとき、検出部1aに生じる磁気インピーダンス効果の大きさ|Z|は、前述の(数1)のように表すことができる。そして、一対の電極部12間の出力電圧Emiから、検出部11a長手方向の外部磁界Hを導き出すことができる。
【0062】
一方、外部磁界Hの方向が検出部11aの長手方向と直交するとき、外部磁界Hは、検出部11aの長手方向、即ち検出部11aを流れる交流電流IACの方向に成分をもたないので、検出部11aに磁気インピーダンス効果が生じない。以下、外部磁界Hの方向が検出部11aの長手方向と直交するときを考える。
【0063】
このとき、接続部11bにおいて、交流電流IACの向きは、円弧状の頂部のみで外部磁界H方向と一致して、他の殆どの部分で外部磁界Hの方向に対して、連続的に変化している。
【0064】
このように、交流電流IACの向きが外部磁界の方向から傾斜している部分では、交流電流IAC方向が外部磁界H方向と一致するときに比べて、外部磁界の交流電流IAC方向成分が小さい。よって、交流電流IACの向きが外部磁界の方向と交叉している部分に生じる磁気インピーダンス効果は、交流電流IAC方向が外部磁界H方向と一致するときに生じる磁気インピーダンス効果よりも小さくなる。
【0065】
よって、外部磁界Hが検出部11aの長手方向と直交するとき、接続部11bが円弧状であれば、接続部11bにおいて生じる磁気インピーダンス効果の大きさが小さいので、外部磁界Hの変化によっても、出力電圧Emiはほとんど変化しない。よって、検出部11a長手方向の外部磁界に関する指向性が優れた磁気インピーダンス効果素子とすることができる。
【0066】
また、図4のようなV字状の接続部21bや、図5に示すような直線状の接続部31bであっても、検出部21a、31aの長手方向の外部磁界に関する指向性が優れたものとなる。
【0067】
円弧状である接続部11bと、V字状、直線状である接続部21b、31bを比較すると、円弧状である接続部11bは、主な部分において検出部1aの長さ方向と直交する方向に対する傾斜が大きく、しかも短い長さで検出部11a間を接続することができる。よって、円弧状の接続部11bでは、外部磁界Hが検出部11aの長さ方向と直交するとき、接続部11bに生じる磁気インピーダンス効果が小さいので、検出部11a長手方向の外部磁界に関する指向性が、より優れてる。
【0068】
第2の実施の形態の磁気インピーダンス効果素子の感度、出力電圧の外部磁界依存性は、第1の実施の形態と同様である。
【0069】
(実施例)
図6は、本発明の第1の実施の形態の実施例である磁気インピーダンス効果素子について、出力電圧の外部磁界依存性を示すグラフである。
実施例の形状は、第1の実施の形態と同様であり、3mm×1mm大きさの結晶化ガラス基板上に感磁部1が形成されており、感磁部11は、3個の検出部1aを有するつづら折れ状であり、検出部1aの長さが2mm、検出部1bの幅が36.8μmであり、検出部1a間の間隔が、150μmである。
【0070】
また、感磁部1の材料は、Fe71.4Si13.1Al5.8Hf3.3C4.5Ru1.9なる組成で表され、bcc−Feの結晶粒と、Hfの炭化物の結晶粒を主体として、bcc−Feの周囲にHfCの結晶粒が存在する結晶粒径5〜30nmの微結晶軟磁性合金薄膜であり、感磁部1の厚さは、3.8μmである。
【0071】
実施例では、バイアス磁界を印加しておらず(Hb=0)、図6に示す出力電圧の外部磁界依存性において、外部磁界の方向が検出部1aの長手方向であるとき、出力電圧のピークは、外部磁界が0であるときに現れる。
【0072】
また、外部磁界の方向が検出部1aの幅方向であるとき、出力電圧は外部磁界により変化して、出力電圧のピークは外部磁界が0であるときに現れる。出力電圧の外部磁界に対する変化率は、外部磁界の方向が検出部1aの長手方向である方が、外部磁界が検出部1bの幅方向であるときよりも大きい。
【0073】
【発明の効果】
本発明の磁気インピーダンス効果素子は、直線状である感磁部が平行に並設されるとともに、各検出部間は、接続部により電気的に直列接続されており、検出部の幅方向を磁化方向とする第1の磁区の総面積が、検出部の長手方向を磁化方向とする第2の磁区の総面積以下である。
このような磁気インピーダンス効果素子では、長い感磁部を短い区間内に形成することができるので、小型にすることができ、高出力、且つ高感度である。さらに、検出部の幅方向を磁化方向とする第1の磁区の総面積が、検出部の長手方向を磁化方向とする第2の磁区の総面積以下であるので、出力電圧の外部磁界依存性は非線形である区間が狭くなる。このような出力電圧の外部磁界依存性では、検出する外部磁界の範囲から非線形区間を排除して、外部磁界の大きさに対する出力電圧の線形性を確保するために必要なバイアス磁界が小さい。よって、このような磁気インピーダンス効果素子では、小さなバイアス磁界によっても、出力電圧から外部磁界を一義的に導くことが可能であるから、バイアス磁界印加手段として薄型磁石を用いることによって、磁気インピーダンス効果素子の薄型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁気インピーダンス効果素子の第1の実施の形態における構造を示す説明図と、本発明の磁気インピーダンス効果素子の感磁部の磁区構造を示す説明図。
【図2】本発明の磁気インピーダンス効果素子の出力電圧の外部磁界依存性を模式的に示す説明図。
【図3】本発明の磁気インピーダンス効果素子の第2の実施の形態における構造を示す説明図。
【図4】本発明の第2の実施の形態における他の構造を示す説明図。
【図5】本発明の第2の実施の形態における他の構造を示す説明図。
【図6】本発明の実施例での出力電圧の外部磁界依存性。
【図7】従来の磁気インピーダンス効果素子における出力電圧の外部磁界依存性を示すグラフ
【図8】従来の磁気インピーダンス効果素子を示す説明図。
【符号の説明】
1、11、21 感磁部
1a、11a、21a 検出部
1b、11b、21b 接続部
2、12、22 電極部
3、13、23 薄膜磁石(磁石)
Claims (6)
- 軟磁性材料からなる感磁部と、前記感磁部の両端に接続された良導電材料からなる一対の電極部とを有し、前記感磁部は、直線状である複数の検出部が、それぞれ平行に並設されるとともに、隣り合う前記検出部間は、接続部により電気的に直列接続されており、磁化方向が前記検出部の長手方向と直交する第1の磁区の総面積が、前記検出部の長手方向を磁化方向とする第2の磁区の総面積以下であり、前記感磁部には、一対の前記電極部から交流電流が印加され、外部磁界を、前記電極部間の出力電圧として検出することを特徴とする磁気インピーダンス効果素子。
- 前記感磁部は、磁気的に等方性であることを特徴とする請求項1記載の磁気インピーダンス効果素子。
- 前記接続部は、前記検出部の長手方向と直交する方向から傾斜した状態で、前記検出部から延出されていることを特徴とする請求項1または2に記載の磁気インピーダンス効果素子。
- 前記接続部は、円弧状であることを特徴とする請求項3記載の磁気インピーダンス効果素子。
- 前記軟磁性材料は組成式がT100-a-b-c-dXaMbZcQdで 表され、平均結晶粒径5〜30nmのbcc−Fe、bcc−FeCo、bcc−Coの一種または2種以上の結晶粒と、元素Mの炭化物、または/及び窒化物の結晶粒とを含み、元素TはFe、Coのうち1種または2種の元素であり、元素XはSi、Alのうちの1種または2種の元素であり、元素MはTi、Zr、Hf、Ta、Mo、V、Wから選ばれる1種または2種以上の元素であり、元素ZはC、Nのうちの1種または2種の元素であり、元素Qは、Cr、Re、Ru、Rh、Ni、Pd、Pt、Auから選ばれる1種または2種以上の元素であり、a、b、c、dは原子%で0≦a≦25、1≦b≦10、0.5≦c≦15、0≦d≦10の関係を満足するものであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。
- 前記軟磁性材料は組成式がT100-p-q-c-dSipAlqMbZcQdで 表され、平均結晶粒径5〜30nmのbcc−Fe、bcc−FeCo、bcc−Coの一種または2種以上の結晶粒と、元素Mの炭化物、または/及び窒化物の結晶粒とを含み、元素TはFe、Coのうち1種または2種の元素であり、元素MはTi、Zr、Hf、Ta、Mo、V、Wから選ばれる1種または2種以上の元素であり、元素ZはC、Nのうちの1種または2種の元素であり、元素Qは、Cr、Re、Ru、Rh、Ni、Pd、Pt、Auから選ばれる1種または2種以上の元素であり、p、q、b、c、dは原子%で8≦p≦25、1≦q≦10、1≦b≦10、0.5≦c≦15、0≦d≦10の関係を満足するものであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気インピーダンス効果素子。
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