JP4110468B2 - 磁気インピーダンス素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁界検出を行なう磁気センサおよびそれを用いた電流センサ、特に磁気インピーダンス効果を利用した高感度磁気インピーダンス素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器や計測・制御機器の高性能化，小型薄型化，低コスト化が急速に進み、これらの急速な発展に伴い、それらに用いられる磁気センサ，電流センサなどにも小型，低コスト，高感度などの要求が大きくなっている。
従来から用いられている磁気センサとしてはホール素子、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）、フラックスセンサなどが知られており、また電流センサとしてはカレントトランスを用いた方式などが知られている。
【０００３】
例えば、コンピュータの外部記憶装置となるハードディスク装置に用いられる磁気ヘッドには、従来のバルクタイプの誘導型磁気ヘッドからＭＲヘッドへと高性能化が進んでおり、現在では巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を適用しようとする研究が活発に行なわれている。また、モータの回転センサであるロータリエンコーダではマグネットリングの微小化に伴い、外部に漏れる磁束が微弱になっており、現在のＭＲ素子に代わり高感度な磁気センサが要求されている。ブレーカなども従来の機械式に代わり、電流センサを用いた電子式の開発が進んでいるが、従来のカレントトランスを用いた方式では小型化が困難であり、また感度，検出レンジなどの点で、磁気センサの高感度化，大レンジ化が求められている。
【０００４】
これらの要求を満たすために、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果（ＭＩ効果ともいう）を用いた磁気インピーダンスセンサが、例えば特許文献１に提案された。磁気インピーダンス効果とは、磁性体に高周波電流を通電した状態で外部磁界が変化すると磁性体の透磁率が変化し、それに伴い磁性体のインピーダンスが、磁界０のときと比較して数十〜数百％変化する現象である。そこで、磁性体の両端の電圧を測定することにより、数百マイクロテスラ（μＴ）程度の微小な外部磁界変化を検出するものである。
上記のような磁気インピーダンス効果は、アモルファスワイヤだけでなく磁性薄帯や磁性薄膜でも同様に見られ、特に薄膜については小型，薄型が可能であり信頼性，量産性に優れるため、様々な構造のものが提案されており、その１つに例えば特許文献２に示すものがある。
【０００５】
薄膜を用いた磁気インピーダンス素子は、磁気異方性を付与され、一軸異方性を誘導した高透磁率軟磁性膜を短冊状に加工した磁性薄膜パターンで構成される。磁気異方性は磁性膜の成膜時に磁界を印加しながら行ない、さらに回転磁界中や静止磁界中で１５０〜４００℃程度の熱処理をすることにより誘導される。磁化容易軸の方向は、一般的には短冊状構造の短軸（線幅）方向である。磁気インピーダンス素子は、その長さ方向成分の磁界によってインピーダンスが変化するという特性を示す。このときの磁気インピーダンス特性は、磁化容易軸が線幅の場合、磁場の正負でそれぞれインピーダンスのピークをとり、磁場の正負で対称であるという特性を示す。また、その変化率は数十〜数百％と非常に大きな変化を示す。
【０００６】
長さ方向に磁気異方性を付与しても、磁気インピーダンス特性が発現する。その時の特性は磁界０のときインピーダンスが最も大きく、磁界の絶対値が大きくなるにつれて減少する特性になる。この場合もインピーダンスは磁界の正負で対称になる。この場合の検出磁界方向も、磁性薄膜パターンの長さ方向成分である。
これらの磁気インピーダンス特性におけるインピーダンスの変化は、磁性薄膜パターンに高周波電流を印加している状態での透磁率が変化することによって引き起こされるものである。インピーダンスを抵抗成分とインダクタンス成分とに分離すると両者ともに透磁率が変化することによって変化するが、絶対値の大きい抵抗成分がその変化には支配的である。透磁率変化による抵抗変化は、基本的には高周波電流が磁性体中を流れるときに発生する表皮効果に起因するため、表皮効果を大きくするためには高周波電流の周波数を上げるか、または磁性薄膜パターンである磁性体の膜厚を厚くする方法が有効となる。
【０００７】
以上のように、磁気インピーダンス素子は磁界に対してインピーダンスが大きく変化することが特徴であるが、素子にバイアス磁界を印加し、磁界に対してインピーダンスの変化が大きい点で動作させることにより、さらに磁界に対して高感度に応答するセンサとなる。このバイアス磁界を印加するためには、素子の周りにコイル（バイアスコイル）を形成し、そのコイルに電流を印加することで磁界を発生させることが必要である。また、感度の直線性を向上する目的で、負帰還磁界をかける方式についてもコイルが必要になる。アモルファスワイヤを用いた場合、そのワイヤの周りに直接Ｃｕワイヤなどを巻き、コイルを形成する構造がとられているが、薄膜で形成した磁気インピーダンス素子と同一基板上にコイルを薄膜で形成するものもある（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平０６−２８１７１２号公報（第２−４頁、図１）
【特許文献２】
特開平０８−０７５８３５号公報（第４頁、図１）
【特許文献３】
特開平０９−２６９０８４号公報（第３−４頁、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、磁気インピーダンス素子にはアモルファスワイヤを用いたものと薄膜を用いたものとがあるが、特性の再現性（安定性），信頼性，量産性の面では薄膜を用いた方が有利であると言える。薄膜を用いた場合、ガラスなどの非磁性基板上にスパッタ法などを用いて成膜し、レジストなどの感光性材料を用いて微細パターンを形成し、ウエットエッチングやイオンビームエッチングなどのドライエッチングを用いて、微細パターンに加工している。
【００１０】
磁気インピーダンス特性は例えば図１０に示すように、正負の外部磁場に対してピークを有する場合の他にピークを有しない場合があるが、ピークを有する磁気インピーダンス特性であっても、ピークよりも高磁場側で使用する場合にはピークの有無には左右されない。しかし、磁場検知範囲を低磁場から高磁場の広い範囲にするには、ピーク位置をより低磁場側にする他に、磁気インピーダンス特性の直線性が重要になる。
したがって、この発明の課題は、磁気インピーダンス素子の検出範囲に関係する磁気インピーダンス特性の直線性と、低磁場からの検知範囲の問題を解決して広い検知範囲を持たせることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、１つの短冊状磁性薄膜の両端間のライン幅を直線的または曲線的に連続的に変化させることを特徴とするものである。ライン幅を連続的に変化させると、その短冊状磁性薄膜の形状や配置の仕方によってライン間隔も連続的に変化することになり、ライン幅，ライン間隔を連続的に変化させた磁気インピーダンス特性が重ね合わされることになり、直線性が向上する。
【００１２】
請求項２の発明は、短冊状磁性薄膜のライン幅やライン間隔を様々な組み合わせで変化させたパターンを２層以上積層することにより、直線性のさらなる向上を図るものである。このとき、膜厚も変化させれば磁気インピーダンス特性の重ね合わせの度合いをさらに変化させることができ、それに応じて直線性をより向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の原理構成を示す構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図を示す。
これは、図１（ｂ）のように、有機物薄膜３を表面に形成したガラス基板１上に、例えばマグネトロンスパッタ法を用いて、アモルファス磁性薄膜２を成膜し、レジストなどの感光性材料を用いて微細パターンに加工したものである。アモルファス磁性薄膜２は図１（ａ）のようにつづら折れパターンとし、短冊状磁性薄膜２の幅をライン幅Ｗ、互いの短冊状磁性薄膜２の間隔（磁性薄膜のない部分）をライン間隔Ｓとして、短冊状磁性薄膜２どうしの間隔を互いに異ならせている例である。
【００１４】
図９は、磁気インピーダンス特性のライン間隔依存性を説明するための説明図である。
同図（ａ），（ｂ）から、ライン間隔Ｓが広いほど、磁気インピーダンス特性のピーク位置が低磁界（（ａ）では左、（ｂ）では下）側にシフトすることが分かる。ライン間隔Ｓ，ライン幅Ｗの定義は図１と同様である。この効果を利用することで、磁気インピーダンス特性の直線性を向上させることができる。なお、ここでは、ピークを有する磁気インピーダンス特性を示したが、ピークを有しない磁気インピーダンス特性でも、同じ効果が現われることが確かめられている。
【００１５】
図２に、ライン間隔を３種類に変化させたときの磁気インピーダンス特性を示す。
ここでは、ライン間隔の異なる３つの磁気インピーダンス特性を重ね合わせることにより、直線性を向上させた１つの磁気インピーダンス特性が得られることを示している。
以上では磁性薄膜パターンをつづら折れパターンとしたが、図３のように短冊状磁性薄膜を並列接続したパターンとしても良い。
【００１６】
図４はこの発明の第２の原理構成を示す平面図である。
これは、アモルファス磁性薄膜の短冊状磁性薄膜どうしの間隔Ｓだけでなく、短冊状磁性薄膜自体のライン幅Ｗを異ならせた磁気インピーダンス素子の例である。ライン幅Ｗを変化させることで、反磁界の影響により磁気インピーダンス特性のピーク位置を変えるものである。つまり、ライン間隔を変化させただけでは直線性が得られない場合には、ライン幅Ｗの変化も組み合わせることで、直線性の向上を図るものである。
【００１７】
図５は図４の変形例を示す平面図である。
これは、１本の短冊状磁性薄膜の中でライン幅Ｗを変化させたものを、つづら折れパターンにしたものである。ライン幅Ｗを変化させることで、反磁界の影響により磁気インピーダンス特性のピーク位置を変え、ライン間隔を変化させただけでは直線性が得られない場合には、ライン幅Ｗの変化も組み合わせることで、直線性の向上を図るものである。
図５（ａ）は幅の広い方または狭い方を片方に集めたつづら折れパターン、図５（ｂ）は幅の広い方と狭い方を交互に集めたつづら折れパターンの例である。ライン幅Ｗをここでは２通りに変化させているが３通り以上でも良く、各短冊状磁性薄膜でライン幅Ｗが異なっていても良い。
【００１８】
図６はこの発明の実施の形態を示す平面図である。
これは、アモルファス磁性薄膜の短冊状磁性薄膜の両端の幅を異ならせ、両端を直線で結んだものをつづら折れパターンとした例である。ライン幅，ライン間隔の異なった部分が連続的につながっているので、直線性を向上させることができる。
図６では左側をライン幅が狭い方にしたが逆でも良く、狭い，広いを組み合わせたものでも良い。また、図６では短冊状磁性薄膜の両端の中心位置を一致させているが、図７（ａ）のように中心位置を一致させないようにしても良く、または図７（ｂ）のように短冊状磁性薄膜の両端を直線でなく曲線で結ぶようにしても良い。さらには、図６，図７ではつづら折れパターンとしているが、図３のような並列接続パターンでも良い。
【００１９】
図８はこの発明の別の実施の形態を示す断面図である。
これは、つづら折れパターンのライン間隔が異なる２つの磁性薄膜を積層したもので、このように構成しても直線性を向上させることができる。なお、符号１はガラス基板、２は磁性薄膜、３は有機物薄膜を示す。
図８では、ライン間隔の異なるつづら折れパターンを積層したが、これまでに示したパターンのものを適宜組み合わせて積層しても良いし、それ以外のライン幅，ライン間隔の様々な組み合わせで積層しても良く、３層以上としても良い。あるいは、磁性薄膜の膜厚を変えても良く、さらにはつづら折れ以外に並列接続したパターンのものを用いても良く、これらを組み合わせて積層しても良いものである。
【００２０】
【発明の効果】
この発明によれば、短冊状磁性薄膜をつづら折れパターンまたは並列接続パターンにした磁気インピーダンス素子において、短冊状磁性薄膜のライン幅，ライン間隔を種々に変化させた構造とすることによって、磁気インピーダンス特性の直線性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１の原理構成を示す構成図
【図２】 磁気インピーダンス特性の重ね合わせ効果説明図
【図３】 図１の変形例を示す平面図
【図４】 この発明の第２の原理構成を示す平面図
【図５】 図４の変形例を示す平面図
【図６】 この発明の実施の形態を示す平面図
【図７】 図６の変形例を示す平面図
【図８】 この発明の別の実施の形態を示す断面図
【図９】 磁気インピーダンス特性のライン間隔依存性説明図
【図１０】 磁気インピーダンス特性を示す特性図
【符号の説明】
１…ガラス基板、２…磁性薄膜、３…有機物薄膜。

Claims (2)

1. 基板に高透磁率磁性膜を形成し、短冊状磁性薄膜をつづら折れまたは並列接続パターンに加工して形成される磁性薄膜に、高周波電流を印加することで外部磁界によって磁性体のインピーダンスが変化する、磁気インピーダンス効果を利用する素子であって、
   前記１つの短冊状磁性薄膜のライン幅を長さ方向に連続的に変化させることを特徴とする磁気インピーダンス素子。
2. 基板に高透磁率磁性膜を形成し、短冊状磁性薄膜をつづら折れまたは並列接続パターンに加工して形成される磁性薄膜に、高周波電流を印加することで外部磁界によって磁性体のインピーダンスが変化する、磁気インピーダンス効果を利用する素子であって、
   前記短冊状磁性薄膜それぞれの間隔，幅または膜厚の異なるものを２層以上積層することを特徴とする磁気インピーダンス素子。

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