JP4524195B2 - 磁気検出素子 - Google Patents

Description

本発明は、非磁性基板上に磁性薄膜と平面コイルが積層された構造の磁気検出素子、特に、フラックスゲートセンサ又は磁気インピーダンス素子として用いられる磁気検出素子に関するものである。

近年、携帯電話やＰＤＡ等の小型情報端末機能が発達し、地図情報表示やＧＰＳ搭載等で地磁気方位を表示するニーズが高まり、超小型の磁気検出素子が要求されている。また、産業機器においても紙幣識別等のパターン識別や磁気式エンコーダのような局所的な磁界を検知するニーズでも、スペース制約において極めて小さな磁気検出素子が望まれている。その要求に対応しては、直交フラックスゲートセンサや磁気インピーダンス素子が適している。

既に、本願発明者は、特開２００３−１６３３９１号公報において磁性薄膜による小型の磁気検出素子を提案している（特許文献１）。

図１２は同公報の磁気検出素子を示す。図１２に示すように非磁性基板１０２上に複数本の細長いパターンを並列に磁性薄膜で形成し、電気的に直列接続した磁気検知部１０４を設け、不図示の絶縁膜を介して積層された薄膜コイル１０６よりセンサ出力を取り出す構造としている。

磁気検知部１０４の磁性薄膜は、薄膜コイルの渦巻き中心間を結んだ位置に配置されている。磁性薄膜に数ＭＨｚの高周波電流を印加し、コイルより外部磁界に対する磁性薄膜の磁束変化を誘起電圧として取り出す。より小型化に対応すべく磁性体に掛かる部分とそれ以外の部分でコイルピッチを可変させ、より小型の素子に対応できるようにもしている。

また、参考文献としては、直交フラックスゲートセンサの起源はＰａｌｍａｒ氏のＰｒｏｃ．ＩＥＥＥ ｐａｒｔ２（１９５３）まで遡る。その構造の改良は、1997のスイスローザンヌで行われた「Euro Sensors XI」会議での“Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｌａｎａｒ Ｆｌｕｘｇａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｗｉｔｈ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｍｅｔａｌ Ｃｏｒｅ”（Ｌ．Ｃｈｉｅｓｉ他）の文献で、アモルファスコアと平面コイルの積層化した構造が提案されている（非特許文献１）。

更に、その構造を薄膜化したものが特開２００３−４８３１号公報でも提案されている（特許文献２）。
特開２００３−１６３３９１号公報 特開２００３−４８３１号公報 Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｌａｎａｒ Ｆｌｕｘｇａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｗｉｔｈ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｍｅｔａｌ Ｃｏｒｅ（Ｌ．Ｃｈｉｅｓｉ他）

上述のような構造で素子のサイズを、一般的に使用されるチップ抵抗のように２．０ｍｍ×１．２ｍｍや１．６ｍｍ×０．８ｍｍのサイズのように小さくすることは可能となったが、図１２に示すように磁性薄膜の長さＬが短くなることで内部の反磁界が増えて、感度の低下を伴ってしまい、感度を要する場合には問題となるケースがあった。

単純に、磁性薄膜の反磁界を減らすためには、図１３に示すように磁性薄膜１０８を非磁性基板の端まで延長することで低減できるが、渦巻きコイルの中心部間とその外側の部分に掛かるコイル部分の誘起電圧が逆相になり、出力が相殺されて取り出せない問題が生じる。

本発明の目的は、素子のサイズが小さくなっても感度を確保することが可能な磁気検出素子を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、磁性体に高周波電流を流し、外部磁界によりその透磁率が変化する磁気検出素子において、単一の非磁性基板上に形成され細長く互いに平行な複数本の並列パターンから成り前記磁性体としての磁性薄膜と、該磁性薄膜上に絶縁層を介して積層され、前記磁性薄膜に対しバイアス磁界を印加又は誘導出力を取り出すための２つの渦巻き型平面コイルとを備え、前記磁性薄膜は、前記２つの平面コイルの渦巻き中心部を横切って前記平面コイルの縁部に向けて延長するように配置されると共に、前記２つの平面コイルの渦巻き中心部にあたる部分でそれぞれ隣接のパターンとショートパッドにより結ばれてつづら折れ状に接続され、前記２つのショートパッドの間を高周波電流を通電する通電区間部とすることを特徴とする。
また、本発明は、磁性体に高周波電流を流し、外部磁界によりその透磁率が変化する磁気検出素子において、単一の非磁性基板上に形成され細長く互いに平行な複数本の並列パターンから成り前記磁性体としての磁性薄膜と、該磁性薄膜上に絶縁層を介して積層され、前記磁性薄膜に対しバイアス磁界を印加又は誘導出力を取り出すための渦巻き型平面コイルとを備え、前記磁性薄膜は、前記平面コイルの渦巻き中心部を横切って前記平面コイルの縁部に向けて延長するように配置されると共に、前記平面コイルの渦巻き中心部にあたる部分及び一方の端部においてそれぞれ隣接のパターンとショートパッドにより結ばれてつづら折れ状に接続され、前記２つのショートパッドの間を高周波電流を通電する通電区間部とすることを特徴とする。

本発明においては、磁性薄膜を平面コイルの渦巻き中心部を横切って配置し、且つ、平面コイルの渦巻き中心に当たる部分と一方の端部間において磁性薄膜に高周波電流を通電する構成、或いは渦巻き型平面コイルを直列接続された２つのコイルとし、更に、磁性薄膜を２つの平面コイルの中心を横切って配置し、２つの渦巻き中心部間にあたる区間で磁性薄膜に高周波電流を通電する構成とすることにより、磁性薄膜を延長しても素子の小型化に対して感度の改善が可能となる。

従来は磁性薄膜と薄膜コイルを組合せた素子は、コイルに発生する逆相の影響を考えて磁性薄膜を渦巻きコイル中心から延長して使うことは好ましくないと考えられてきたが、本発明によれば、磁性薄膜の通電区間を２つの渦巻きコイル間または１つの渦巻きコイル中心と一方の端部間に限定して通電することにより、磁性薄膜を延長することの弊害はほとんど無く、素子の小型化に対しても感度の改善が可能となる。

次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図1は本発明の第１の実施形態を示す斜視図である。これは、基本の実施形態を示す。ガラス，セラミック等の非磁性基板１０の上に、磁性薄膜で細長く互いに平行なパターンが形成された磁気検知部１２が形成されている。磁界検知方向は、パターン長手方向に沿う図１に示す矢印方向である。磁性薄膜の磁化容易軸は、面内で長手方向とは直角の方向につけておくのが望ましく、バイアス磁界を印加しての磁性薄膜の形成や成膜後の磁場中熱処理で確保する。

磁性薄膜の上には、不図示の絶縁膜を介して銅やアルミの良導電性金属薄膜により渦巻き型の平面コイル１４が形成されている。

また、図１の斜視図では分かり辛いので図１の平面図の図２を用いて説明するが、磁気検知部１２の平面コイル１４の２つの渦巻き中心部に当たる部分で、隣接のパターンと結ぶためのショートパッド１６が形成され、複数本のパターンがつづら折れ状で直列につながれている。つづら折れ状パターンの両端には、接続端子としてのショートパッド１６ａ，１６ｂが形成されている。

ショートパッド１６には、銅やアルミ等の良導電性金属薄膜を形成するか、磁気検知部１２の磁性薄膜と同一材で構成しても良い。

この構造では、図２に示すように全長Ｌの磁気検知部１２で平面コイル１４の２つの渦巻き中心部に当たる区間Ｓのみを通電する形となり、この点が後述する本発明の重要な要素である。この電気的に直列接続されたつづら折れ状パターンの両端に形成されたショートパッド１６ａ，１６ｂと、平面コイル１４の両端１４ａ，１４ｂは、平面コイル１４の２つの渦巻き中心部に当たる部分から引出され、不図示の絶縁膜を介して最上部に用意された銅やアルミで形成された電極１８にスルーホール２０で結ばれている。

直交フラックスゲートセンサの動作では、磁気検知部１２に数ＭＨｚの高周波電流を印加することで、外部磁界に対する磁性薄膜内部の磁束が同期して変化し、その変化をコイル側より誘起電圧として取り出す。

次に、本発明による構成の効果を実際に検証した結果を説明する。図１２で説明した２つの渦巻きコイル中心間に磁性薄膜両端が位置した素子（Ｔｙｐｅ−1）と、更に磁性薄膜を端部へ延長した図１の構成の素子（Ｔｙｐｅ−２）を試作した。

これらの素子は共に、素子形成面が２×１．２ｍｍで厚さ０．７ｍｍのセラミック基板を用い、磁性薄膜の長さは、Ｔｙｐｅ−１でＬ＝１．２ｍｍ、Ｔｙｐｅ−２でＬ＝１．８ｍｍである。Ｔｙｐｅ−２でのショートパッドの位置は渦巻きコイルの中心にそれぞれ位置し、通電区間の距離はＳ＝１．２ｍｍとなっている（つまり延長部はそれぞれ０．３ｍｍとなる）。平面コイルのタン数は５１Ｔとした。

先ず、磁気インピーダンス素子として機能させ、コイルをバイアス磁界用として使用する場合を説明する。素子の測定用の回路を図３に示す。Ｃ-ＭＯＳインバータを用いて１０〜２０ＭＨｚのパルスを発振回路３０で発振させ、ＤＣ分を除去し素子に分圧抵抗を介して本件の素子の磁気検知部１２へ電流を印加し、素子両端の外部磁界に対する振幅変化を検波回路３２によりセンサ出力として取り出した。この測定では、Ｃ−ＭＯＳインバータに７４ＡＣ０４を用い、５Ｖ駆動で２０ＭＨｚの発振をさせた。

測定結果を図４に示す。図４に示すように外部磁界をヘルムホルツコイル等で可変させての磁界検知特性を比較すると、Ｔｙｐｅ−２ものでは磁性薄膜を延長した反磁界低減の効果が現れ、Ｖ字のピーク位置が磁界の小さい方へシフトし、Ｖ字の傾斜部が急峻になっている事がわかる。

磁性薄膜を延長した部分は高周波電流が流れない区間であり、磁気インピーダンス効果は働かないが、両端に現れる磁極が離れたことによる反磁界の緩和効果が明確になり、Ｔｙｐｅ−１からＴｙｐｅ−２に対する感度アップとして現れている。

次に、積層されたコイルがバイアス磁界印加用として正常に機能するかを検証した。そこで、ヘルムホルツコイルの磁界印加を止めて、平面コイル１４に電流を印加しての磁界検知特性を確認したが、図５に示すようにＴｙｐｅ−１，Ｔｙｐｅ−２でほぼ同じＶ字特性が得られた。

この結果により、磁性薄膜の延長部がコイル通電から見ると反磁界緩和に全く寄与していないことが判る。これは、コイルバイアスでは、磁性薄膜の通電区間と外の延長区間で渦巻きコイル中心部を境にしてコイルによる磁界が相対的に逆となるため、磁極がコイル渦巻きの中心部にできて反磁界の緩和に寄与しないことが原因である。

因みに、図１３で説明したようにショートパッドを延長部両端に取ったものもｔｙｐｅ−３として確認してみたが、図５に示すようにＴｙｐｅ−３のＶ字特性は完全につぶれてしまい、バイアスコイルとして機能しない結果であった。

次に、実際のセンサ動作ではこの平面コイル１４にＤＣ電流を流し、Ｖ字の傾斜部に動作点をシフトさせて使用するが、今回の検証では、そこへＩｂ=２３ｍＡの電流を流した時のデータを取った。その結果を図６に示す。図６に示すようにバイアスを印加することで、Ｔｙｐｅ−１のものでは磁気インピーダンス効果のＶ字特性が平行移動するのに対し、磁性薄膜を延長したＴｙｐｅ−２のものでは反磁界の影響が少し大きくなり、傾斜部の感度が下がるが、それでもＴｙｐｅ−１の感度よりも明らかに高くなっている（図６ではゼロ点での接線として感度を表している）。

この場合、Ｔｙｐｅ−２のものでは、バイアス電流を印加することで、磁界検知部の渦巻きコイル中心に磁極が僅かにできることで、反磁界の緩和効果が少し悪くなるが、磁性薄膜延長の効果を否定するほどの影響とはなっていない。

次に、直交フラックスゲートタイプとして機能させた場合の効果を説明する。前述のＴｙｐｅ−１、Ｔｙｐｅ−２の素子をそのまま用いて、今度は図７に示す回路でセンサを動作させた。

図７に示すようにＣ−ＭＯＳインバータの発振回路３４で数ＭＨｚのパルス発振を行い、ＤＣ分を除去し磁気検知部１２に高周波電流を印加した。平面コイル１４側には、図７に示すように磁気検知部１２に通電に対するクロストーク分として尖頭ピークが現れ、それが外部磁界に対してそのプラスとマイナスのピークが同方向に電圧シフトを生じ、検波回路３６によりセンサ出力を取り出した。この評価では、５Ｖ駆動で、４ＭＨｚの周波数に設定した。

その結果を図８に示す。外部磁界に対する磁界検知特性は原点対称のＳ字特性を示すが、ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋとしての出力変化幅は同じであるが、Ｔｙｐｅ−２の方でピーク位置が内側となり、原点付近の傾斜でみる感度を比較すると、Ｔｙｐｅ−２のものがＴｙｐｅ−１のものより１．６倍になった。素直に反磁界の緩和効果が現れた結果である。

図９を用いて動作原理を説明すると、パターン長手方向に外部磁界が加わると、磁界ゼロで幅方向を向いていた磁化が長手方向に傾き、磁性薄膜内部に磁束が発生する。そこへ、磁性薄膜に図９の矢印の区間に高周波電流を印加すると、周回磁界が発生しその区間の磁化が首振り運動を起こす。

その結果、電流を通電した区間のみで高周波の磁束変化を生じ、近接のコイルで誘導出力電圧が発生し、コイル全体でセンサ出力を形成する。非通電区間は、高周波の磁束変化が起きないため、逆相の誘導電圧は発生しない。

（第２の実施形態）
図１０は本発明の第２の実施形態を示す。第１の実施形態では、渦巻きコイルの２つが直列に接続された構成を説明したが、第２の実施形態では、図１０に示すように単純に渦巻きコイルを1つとしたもので動作原理は第１の実施形態と共通である。磁性薄膜は絶縁膜を挟んで積層されるが、渦巻きの中心部を通り、その中央と端部の磁性薄膜の区間を通電する。

（第３の実施形態）
図１１は本発明の第３の実施形態を示す。図１１に示すように磁性薄膜の延長部は、反磁界の緩和に寄与するだけのためにあるので、通電区間部と延長部の非通電区間部の伸長方向を変えて、磁気検出素子の指向性を可変させる事も可能である。２２はその磁気検知部１２の延長部であり、通電区間部に対して直角に折り曲げられた形状となっている。

通電区間を曲げてしまうと幅方向につけていた磁化容易軸が回転してしまうために、所定の特性が得られなくなってしまうが、非通電区間であれば単なる磁束の引き込み部となるため磁化容易軸がどの方向を向いているかは重要ではない。なお、図１１における磁性薄膜の延長部分を屈曲させる構成は図１０の実施形態にも使用可能である。

本発明の第１の実施形態を示す斜視図である。 図１の平面図である。 本発明の素子を磁気インピーダンス素子として機能させ、コイルをバイアス磁界用として使用する場合の測定回路の一例を示す回路図である。 図３の測定回路による本発明の素子と従来例の素子との測定結果を示す図である。 本発明の素子と従来例の素子とでヘルムホルツコイルの磁界印加を止めて平面コイルに電流を印加して磁界検知特性を測定した場合の結果を示す図である。 本発明の素子と従来例の素子とで平面コイルにバイアス電流を流して測定した場合の結果を示す図である。 本発明による素子を直交フラックスゲートタイプとして機能させる場合の測定回路の一例を示す回路図である。 図７の測定回路による本発明の素子と従来例の素子との測定結果を示す図である。 図８の測定結果による本発明の効果を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態を示す平面図である。 本発明の第３の実施形態を示す平面図である。 従来例の磁気検出素子を示す斜視図である。 磁性薄膜を非磁性基板の端部まで延長した場合の例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 非磁性基板
１２ 磁気検知部
１４ 平面コイル
１４ａ、１４ｂ 平面コイルの両端
１６ ショートパッド
１６ａ、１６ｂ ショートパッド
１８ 電極
２０ スルーホール
２２ 延長部
３０ 発振回路
３２ 検波回路
３４ 発振回路
３６ 検波回路

Claims (3)

1. 磁性体に高周波電流を流し、外部磁界によりその透磁率が変化する磁気検出素子において、単一の非磁性基板上に形成され細長く互いに平行な複数本の並列パターンから成り前記磁性体としての磁性薄膜と、該磁性薄膜上に絶縁層を介して積層され、前記磁性薄膜に対しバイアス磁界を印加又は誘導出力を取り出すための２つの渦巻き型平面コイルとを備え、前記磁性薄膜は、前記２つの平面コイルの渦巻き中心部を横切って前記平面コイルの縁部に向けて延長するように配置されると共に、前記２つの平面コイルの渦巻き中心部にあたる部分でそれぞれ隣接のパターンとショートパッドにより結ばれてつづら折れ状に接続され、前記２つのショートパッドの間を高周波電流を通電する通電区間部とすることを特徴とする磁気検出素子。
2. 磁性体に高周波電流を流し、外部磁界によりその透磁率が変化する磁気検出素子において、単一の非磁性基板上に形成され細長く互いに平行な複数本の並列パターンから成り前記磁性体としての磁性薄膜と、該磁性薄膜上に絶縁層を介して積層され、前記磁性薄膜に対しバイアス磁界を印加又は誘導出力を取り出すための渦巻き型平面コイルとを備え、前記磁性薄膜は、前記平面コイルの渦巻き中心部を横切って前記平面コイルの縁部に向けて延長するように配置されると共に、前記平面コイルの渦巻き中心部にあたる部分及び一方の端部においてそれぞれ隣接のパターンとショートパッドにより結ばれてつづら折れ状に接続され、前記２つのショートパッドの間を高周波電流を通電する通電区間部とすることを特徴とする磁気検出素子。
3. 前記磁性薄膜は、前記平面コイルの渦巻き中心部の前記ショートパッドにおいて前記高周波電流を通電する通電区間部と通電しない非通電区間部との伸長方向を変えることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気検出素子。

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