JP6132085B2 - Magnetic detector - Google Patents
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Description
本発明は、感磁素子を用いた磁気検出装置に関し、詳しくは、比較的小型で、低消費電力で、高いＳＮＲを保ちながら環境変動に対して安定した出力信号が得られる磁気検出装置に関するものである。 The present invention relates to a magnetic detection apparatus using a magnetosensitive element, and more particularly to a magnetic detection apparatus that is relatively small, has low power consumption, and can output an output signal that is stable against environmental fluctuations while maintaining a high SNR. It is.
磁気検出装置の一種に、磁界の大きさを電気的抵抗の変化や起電力などの電気的信号に変換して出力する感磁素子を用いたものがある。 One type of magnetic detection device uses a magnetosensitive element that converts the magnitude of a magnetic field into an electrical signal such as a change in electrical resistance or an electromotive force and outputs the electrical signal.
従来から、磁気検出装置にこのような感磁素子を用いるのにあたっては、
１）線形性を示す動作点を利用する
２）感度が高い動作点を使用する
３）同一方向の正負の磁界に対する応答が同じである感磁素子を使用する場合には信号磁界の方向をわかるようにする
などの目的で、感磁素子にバイアス磁界を印加することが行われている。
Conventionally, in using such a magnetosensitive element in a magnetic detection device,
1) Use an operating point that exhibits linearity 2) Use an operating point with high sensitivity 3) When using a magnetosensitive element that has the same response to positive and negative magnetic fields in the same direction, know the direction of the signal magnetic field A bias magnetic field is applied to the magnetosensitive element for the purpose of doing so.
磁気検出装置を構成する感磁素子にバイアス磁界を印加する方法としては、巻き線コイル、薄膜コイル、薄膜磁石、ラバー磁石、バルク磁石による方法などが知られている。なお、バルク磁石とは、角型・円柱型のようなブロック状の個体として製造される磁石であって、金属やセラミックスの粉末材料を成型して高温で焼き固めた焼結磁石などをいう。 As a method for applying a bias magnetic field to the magnetosensitive element constituting the magnetic detection device, a method using a wound coil, a thin film coil, a thin film magnet, a rubber magnet, a bulk magnet, or the like is known. The bulk magnet is a magnet manufactured as a block-shaped solid such as a square or a cylinder, and refers to a sintered magnet obtained by molding a metal or ceramic powder material and baking it at a high temperature.
図２０は磁気抵抗効果素子（以下ＭＲ素子という）を用いたＭＲヘッドの一例を示す構成説明図であり、ＭＲヘッドのディスク対向面から見た断面図である（特開平9-81916）。図２０において、セラミックの非磁性基板上（図示せず）に厚さ２μｍのNiFeを用いた下シールド１がメッキ法により成膜され、イオンミリングにより幅６０μｍにパターン化される。その上に、厚さ０．２μｍのAl2O3を用いた下ギャップ２がスパッタリング法により成膜される。 FIG. 20 is a structural explanatory view showing an example of an MR head using a magnetoresistive effect element (hereinafter referred to as MR element), and is a sectional view of the MR head as viewed from the disk facing surface (Japanese Patent Laid-Open No. 9-81916). In FIG. 20, a lower shield 1 using NiFe having a thickness of 2 μm is formed on a ceramic nonmagnetic substrate (not shown) by plating, and patterned to a width of 60 μm by ion milling. On top of that, a lower gap 2 using Al 2 O 3 having a thickness of 0.2 μm is formed by sputtering.
さらに導電性の下地層３として厚さ１０ｎｍのCr膜がスパッタリング法により成膜される。このCr膜は後で成膜されるCoCrPt膜が面内に配向するための下地の役割も果たしている。 Further, a Cr film having a thickness of 10 nm is formed as the conductive underlayer 3 by a sputtering method. This Cr film also serves as a base for aligning the CoCrPt film, which will be formed later, in-plane.
次に、軟磁性補助バイアス層としての厚さ２０ｎｍのCoZrMo、中間層としてのTa膜１０ｎｍ、強磁性磁気抵抗効果層としてのNiFe膜１５ｎｍからなるＭＲ素子層４がスパッタリング法により成膜される。 Next, an MR element layer 4 made of CoZrMo with a thickness of 20 nm as a soft magnetic auxiliary bias layer, a Ta film of 10 nm as an intermediate layer, and a NiFe film of 15 nm as a ferromagnetic magnetoresistive layer is formed by sputtering.
そして、ＭＲ素子層４はステンシル型のレジストを付けた後、イオンミリングにより幅２μｍにパターン化される。 The MR element layer 4 is patterned to a width of 2 μm by ion milling after a stencil type resist is applied.
その後、パターン化された磁性膜の両側にCoCrPt膜からなる厚さ５０ｎｍの永久磁石層５およびAuからなる０．２μｍの電極層６がスパッタリングされ、レジストが除去される。 Thereafter, a 50 nm thick permanent magnet layer 5 made of a CoCrPt film and a 0.2 μm electrode layer 6 made of Au are sputtered on both sides of the patterned magnetic film, and the resist is removed.
次に、この上に厚さ０．２４μｍのAl2O3を用いた上ギャップ７がスパッタリング法により成膜される。 Next, an upper gap 7 using Al 2 O 3 having a thickness of 0.24 μm is formed thereon by sputtering.
その上に厚さ２μｍのNiFeを用いた上シールド８がメッキ法により成膜され、イオンミリングにより幅６０μｍにパターン化される。 An upper shield 8 made of NiFe having a thickness of 2 μm is formed thereon by a plating method and patterned to a width of 60 μm by ion milling.
ところが、このような薄膜磁石によるバイアス磁界印加では、磁界強度の制御が困難であり、所望の磁界強度が得にくい、などの問題がある。 However, the application of a bias magnetic field by such a thin film magnet has problems such as difficulty in controlling the magnetic field intensity and obtaining a desired magnetic field intensity.
図２１は従来の磁気センサ装置の一例を示す構成説明図であり、ＭＲＥ（磁気抵抗効果）形成面側から見た平面図である（特開2008-180550）。図２１において、磁気センサ装置１００は、主要部として、センサチップ１１０とコイル１２０を含んでいる。また、要部として、上述した構成要素以外にも、支持部材１３０と、リード１４０と、封止樹脂１５０を含んでいる。 FIG. 21 is a configuration explanatory view showing an example of a conventional magnetic sensor device, and is a plan view seen from the MRE (magnetoresistance effect) formation surface side (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-180550). In FIG. 21, the magnetic sensor device 100 includes a sensor chip 110 and a coil 120 as main parts. In addition to the components described above, the main part includes a support member 130, a lead 140, and a sealing resin 150.
センサチップ１１０は、基板のＭＲＥ形成領域１１１上に、たとえばＮｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ等の材料からなり、バイアス磁界の変化（磁気ベクトルの変化）に応じて抵抗値が変化するＭＲＥを形成してなるものである。本実施形態において、ＭＲＥは、パターニングによってハの字状に形成されており、図示されない信号処理回路も集積化されている。 The sensor chip 110 is formed of a material such as Ni—Co or Ni—Fe on the MRE formation region 111 of the substrate, and forms an MRE whose resistance value changes in accordance with a change in bias magnetic field (change in magnetic vector). It will be. In the present embodiment, the MRE is formed in a square shape by patterning, and a signal processing circuit (not shown) is also integrated.
コイル１２０は、導線を筒状に巻いてなるものであり、通電状態（電流が流れた状態）で、センサチップ１１０に形成されたＭＲＥ１１４〜１１７に対してバイアス磁界を付与する。すなわち、特許請求の範囲に記載のバイアス磁界生成部に相当する。コイル１２０の構成材料は、導電材料であれば特に限定されるものではない。たとえば銅などの金属やより磁力が高いものとしてＫＳ鋼、ＭＴ鋼などの合金を採用することができる。コイル１２０の構成材料に限らず、線径、コイル１２０の径（筒径）、筒形状は、特に限定されるものではない。また、コイル１２０の位置は、ＭＲＥ１１４〜１１７に対してバイアス磁界を付与するために、ＭＲＥ１１４〜１１７の近傍であればよい。 The coil 120 is formed by winding a conducting wire in a cylindrical shape, and applies a bias magnetic field to the MREs 114 to 117 formed on the sensor chip 110 in an energized state (a state in which a current flows). That is, it corresponds to the bias magnetic field generation unit described in the claims. The constituent material of the coil 120 is not particularly limited as long as it is a conductive material. For example, a metal such as copper or an alloy such as KS steel or MT steel can be employed as a material having higher magnetic force. Not only the constituent material of the coil 120 but also the wire diameter, the diameter of the coil 120 (cylinder diameter), and the cylinder shape are not particularly limited. Further, the position of the coil 120 may be in the vicinity of the MREs 114 to 117 in order to apply a bias magnetic field to the MREs 114 to 117.
さらに、センサチップ１１０のＭＲＥ形成面全面を覆うように、コイル１２０が略矩形状の封止樹脂１５０の外周面に沿って一定の径で巻回され、この巻回された状態でコイル１２０は封止樹脂１５０に接着固定されている。すなわち、コイル１２０の筒形状も略矩形状とされている。また、コイル１２０の一端はリード１４０の電源端子１４１に接続され、他端はリード１４０のＧＮＤ端子１４２に接続されており、図２１に破線矢印で示す方向に電流Ｉが流れるように構成されている。 Further, the coil 120 is wound with a constant diameter along the outer peripheral surface of the substantially rectangular sealing resin 150 so as to cover the entire surface of the MRE forming surface of the sensor chip 110, and the coil 120 is wound in this wound state. It is adhesively fixed to the sealing resin 150. That is, the cylindrical shape of the coil 120 is also substantially rectangular. Further, one end of the coil 120 is connected to the power supply terminal 141 of the lead 140, and the other end is connected to the GND terminal 142 of the lead 140, and the current I flows in the direction indicated by the broken line arrow in FIG. Yes.
なお、電流Ｉが流れた状態で、それによって生じるバイアス磁界の方向（磁気ベクトルの向き）は、図２１中に矢印で示す方向となる。また、コイル１２０の中心軸がバイアス磁界の磁気的中心をなしている。 In the state where the current I flows, the direction of the bias magnetic field (direction of the magnetic vector) generated thereby is the direction indicated by the arrow in FIG. The central axis of the coil 120 is the magnetic center of the bias magnetic field.
ところで、コイルに電流を流すことによって生じる磁界は、コイルの巻き数やコイルに流れる電流によって変化する（たとえば巻き数や電流に比例して、磁界の強さが大きくなる）ことが知られている。したがって、コイル１２０の巻き数やコイル１２０に流れる電流Ｉを調整することで、バイアス磁界を調整することができる。すなわち、ＭＲＥ１１４〜１１７における初期状態（回転体が回転する前）の磁気ベクトルを調整する（オフセット調整する）ことができる。また、コイル１２０とＭＲＥ１１４〜１１７との位置関係や、コイル１２０の形状（径）によっても、ＭＲＥ１１４〜１１７における初期状態の磁気ベクトルを調整することができる。 By the way, it is known that the magnetic field generated by passing a current through the coil changes depending on the number of turns of the coil and the current flowing through the coil (for example, the strength of the magnetic field increases in proportion to the number of turns and the current). . Therefore, the bias magnetic field can be adjusted by adjusting the number of turns of the coil 120 and the current I flowing through the coil 120. That is, the magnetic vector in the initial state (before the rotating body rotates) in the MREs 114 to 117 can be adjusted (offset adjustment). Further, the magnetic vector in the initial state in the MREs 114 to 117 can also be adjusted by the positional relationship between the coil 120 and the MREs 114 to 117 and the shape (diameter) of the coil 120.
支持部材１３０は、センサチップ１１０を搭載するものである。図２１においては、封止樹脂１５０によってセンサチップ１１０を被覆する際に、センサチップ１１０の位置ずれを防ぐ機能も果たすように、リード１４０とともにリードフレームの一部（所謂アイランド）として構成されている。詳しくは、封止樹脂１５０によるモールド後に、封止樹脂１５０から露出するリードフレームの外周部位が除去されて、図１に示すように、支持部材１３０とリード１４０とが分離されている。 The support member 130 mounts the sensor chip 110. In FIG. 21, when the sensor chip 110 is covered with the sealing resin 150, it is configured as a part of the lead frame (so-called island) together with the leads 140 so as to prevent the sensor chip 110 from being displaced. . Specifically, after molding with the sealing resin 150, the outer peripheral portion of the lead frame exposed from the sealing resin 150 is removed, and the support member 130 and the lead 140 are separated as shown in FIG.
このような支持部材１３０を用いると、簡素な構成でありながら、モールド時のセンサ
チップ１１０の位置ずれを抑制できる。
When such a support member 130 is used, the positional deviation of the sensor chip 110 during molding can be suppressed while having a simple configuration.
リード１４０は、先に述べたように、コイル１２０の一端が接続された電源端子１４１とコイル１２０の他端が接続されたＧＮＤ端子１４２以外にも、センサチップ１１０の出力端子１４３を含んでいる。図２１では、電源端子１４１とＧＮＤ端子１４２が、センサチップ１１０（ＭＲＥ１１４〜１１７）とコイル１２０とで共用されている。 As described above, the lead 140 includes the output terminal 143 of the sensor chip 110 in addition to the power supply terminal 141 to which one end of the coil 120 is connected and the GND terminal 142 to which the other end of the coil 120 is connected. . In FIG. 21, the power supply terminal 141 and the GND terminal 142 are shared by the sensor chip 110 (MRE 114 to 117) and the coil 120.
すなわち、センサチップ１１０も、図示されないワイヤ接続やフリップチップ接続によって、電源端子１４１またはＧＮＤ端子１４２と電気的に接続されている。したがって、コイル１２０には直流電流が流れることとなる。 That is, the sensor chip 110 is also electrically connected to the power supply terminal 141 or the GND terminal 142 by wire connection or flip chip connection (not shown). Therefore, a direct current flows through the coil 120.
このように、センサチップ１１０とコイル１２０とで電源端子１４１とＧＮＤ端子１４２を共用すると、リード１４０の本数を減らし、コストを低減することができる。 Thus, if the power supply terminal 141 and the GND terminal 142 are shared by the sensor chip 110 and the coil 120, the number of leads 140 can be reduced and the cost can be reduced.
封止樹脂１５０は、センサチップ１１０と、センサチップ１１０との接続部を含む各リード１４０の一部を被覆するものである。すなわち、センサチップ１１０は封止樹脂１５０によって被覆され、モールドＩＣとされている。封止樹脂１５０の構成材料としては、少なくとも電気絶縁性を示す材料であれば良く、好ましくは使用環境に応じて、耐熱性、耐薬品性、耐湿性などを兼ね備えた材料が適宜選択採用される。図２１の構成では、センサチップ１１０のＭＲＥ形成面全面を被覆するようにコイル１２０が配置されるため、リード１４０の配置側とは反対側（回転体側）における封止樹脂１５０の肉厚がコイル１２０の接触代としてやや厚くされ、封止樹脂１５０の回転体側の端部とＭＲＥ形成領域１１１との距離が距離Ｌ１とされている。 The sealing resin 150 covers the sensor chip 110 and a part of each lead 140 including a connection portion between the sensor chip 110 and the sensor chip 110. That is, the sensor chip 110 is covered with a sealing resin 150 to form a mold IC. The constituent material of the sealing resin 150 may be at least a material exhibiting electrical insulation, and preferably a material having heat resistance, chemical resistance, moisture resistance, and the like is appropriately selected and adopted according to the use environment. . In the configuration of FIG. 21, since the coil 120 is disposed so as to cover the entire MRE forming surface of the sensor chip 110, the thickness of the sealing resin 150 on the opposite side (rotary body side) to the arrangement side of the lead 140 is the coil. The contact margin of 120 is slightly increased, and the distance between the end of the sealing resin 150 on the rotating body side and the MRE formation region 111 is a distance L1.
しかし、図２１のように構成される巻き線コイルおよび薄膜コイルによるバイアス磁界印加では、製造プロセスが複雑である、消費電力が大きい、などの問題点がある。 However, the application of a bias magnetic field using a winding coil and a thin film coil configured as shown in FIG. 21 has problems such as a complicated manufacturing process and high power consumption.
図２２は従来の磁気式エンコーダの一例を示す構成説明図であり、磁気式エンコーダを小型のモータと結合させた側面図である（特開2002-181588）。図２２において、ヨーク１１は、永久磁石１２から発する磁界を導くもので、コ字状の３％Ｓｉ−Ｆｅの軟磁性の珪素鋼板を積層し２個のブロックに成形したものからなる。永久磁石１２はブロック状のフェライト磁石をヨーク１１の中に結合させて形成している。磁界検出素子１３は、３個のホール素子（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）をヨーク１１の開口部に配置している。ホール素子３個の検出信号がそれぞれ最大となる方向が互いに垂直になるように設置している。したがって、永久磁石１２から発する磁界はヨーク１１を通り、磁界検出素子１３を設置した空間に均一な磁界を形成する。また、図示していないが、磁界検出素子１３への駆動電源の供給や磁界検出手段からの信号送信を行うための信号線を、波形処理回路に接続している。また、図示しないが、回転軸１４は軸受によりケーシングに支持され、磁界検出手段はフレームを介してケーシングに固定されている。 FIG. 22 is an explanatory diagram showing an example of a conventional magnetic encoder, and is a side view in which the magnetic encoder is coupled to a small motor (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-181588). In FIG. 22, a yoke 11 is used to guide a magnetic field generated from a permanent magnet 12, and is formed by stacking U-shaped 3% Si—Fe soft magnetic silicon steel plates and forming them into two blocks. The permanent magnet 12 is formed by coupling a block-shaped ferrite magnet into the yoke 11. In the magnetic field detection element 13, three Hall elements (13 a, 13 b, 13 c) are arranged in the opening of the yoke 11. They are installed so that the directions in which the detection signals of the three Hall elements become maximum are perpendicular to each other. Therefore, the magnetic field generated from the permanent magnet 12 passes through the yoke 11 and forms a uniform magnetic field in the space where the magnetic field detection element 13 is installed. Although not shown, a signal line for supplying drive power to the magnetic field detection element 13 and transmitting a signal from the magnetic field detection means is connected to the waveform processing circuit. Although not shown, the rotating shaft 14 is supported by the casing by a bearing, and the magnetic field detection means is fixed to the casing via a frame.
図２２の構成によれば、永久磁石１２と軟磁性体のヨーク１１からなる磁界発生手段を持っているが、これは永久磁石１２から発する磁界はヨーク１１を通り、磁界検出素子１３を設置した空間に均一な磁界を形成するためである。また磁界検出素子１３を設置した空間ではヨーク１１により磁束が集中するため磁界検出素子１３への印加磁界強度は強くなってしまい、本発明のような弱いバイアス磁界を印加するすことは困難である。 According to the configuration of FIG. 22, the magnetic field generating means including the permanent magnet 12 and the soft magnetic yoke 11 is provided. The magnetic field generated from the permanent magnet 12 passes through the yoke 11 and the magnetic field detection element 13 is installed. This is because a uniform magnetic field is formed in the space. Further, in the space where the magnetic field detection element 13 is installed, the magnetic flux is concentrated by the yoke 11, so that the magnetic field strength applied to the magnetic field detection element 13 becomes strong, and it is difficult to apply a weak bias magnetic field as in the present invention. .
図２３は従来の移動体位置検出装置の一例を示す構成説明図であり、軟磁性材移動体として軟磁性材回転体の移動（回転）情報および原点情報を得るための回転センサを示している（特開2006-084416）。図２３（Ａ）において、第１軟磁性材回転体１６は、円周となっている外周面に一定間隔の配列ピッチＰで所定数の歯（凸部）１６ａを設けた構成であり、これと一定位置関係を保つ（一体となって回転する）第２軟磁性材回転体１７は、円周となっている外周面の一部に切欠部１７ａを設けた構成である。 FIG. 23 is a configuration explanatory view showing an example of a conventional moving body position detection device, and shows a rotation sensor for obtaining movement (rotation) information and origin information of a soft magnetic material rotating body as a soft magnetic material moving body. (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-084416). In FIG. 23 (A), the first soft magnetic material rotating body 16 has a configuration in which a predetermined number of teeth (convex portions) 16a are provided at a circumferentially arranged outer peripheral surface at a constant pitch P. The second soft magnetic material rotating body 17 that maintains a fixed positional relationship (rotates together) has a configuration in which a notch 17a is provided on a part of the outer peripheral surface that is a circumference.
第１軟磁性材回転体１６に対向してこれより９０°位相差２信号（Ａ相及びＢ相）を得るための第１の磁気抵抗効果素子として、第１のスピンバルブ型巨大磁気抵抗素子（以下、ＳＶ−ＧＭＲ素子）群１８が配置されている。 A first spin-valve giant magnetoresistive element as a first magnetoresistive element facing the first soft magnetic material rotating body 16 and obtaining a 90 ° phase difference 2 signal (A phase and B phase) therefrom A group 18 (hereinafter referred to as an SV-GMR element) is arranged.
また、第２軟磁性材回転体１７に対向してこれより原点信号（Ｚ相）を得るための第２の磁気抵抗効果素子として、第２のＳＶ−ＧＭＲ素子群２０が配置されている。また、第１および第２のＳＶ−ＧＭＲ素子群１８，２０にバイアス磁界を印加するために１個のバイアス磁石１９を配置している。 Further, a second SV-GMR element group 20 is arranged as a second magnetoresistive effect element facing the second soft magnetic material rotating body 17 and obtaining an origin signal (Z phase) therefrom. In addition, one bias magnet 19 is arranged to apply a bias magnetic field to the first and second SV-GMR element groups 18 and 20.
ここでは、図２３（Ｂ）に示すように、第１のＳＶ−ＧＭＲ素子群１８として２対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４を用い、第２のＳＶ−ＧＭＲ素子群２０として１対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ５，Ｒ６を用いている。なお、図２３では解りやすくするためにＳＶ−ＧＭＲ１〜６をバイアス磁石１５に比較して大きく図示したが、実際には微小寸法である。 Here, as shown in FIG. 23B, two pairs of SV-GMR elements R1 to R4 are used as the first SV-GMR element group 18, and one pair of SV-GMR element groups 20 is used. -GMR elements R5 and R6 are used. In FIG. 23, SV-GMR1 to SV-GMR1 to 6 are illustrated larger than the bias magnet 15 for easy understanding, but in actuality, the dimensions are small.
第１のＳＶ−ＧＭＲ素子群１８としての２対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４は、第１軟磁性材回転体１６の外周に対向し、そのうち一方のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の対は前記外周面に対向する同一平面（回転体１６の移動方向に平行な面）上にあり、かつ回転体１８の移動方向に略垂直方向でかつ回転体１６の厚み方向（つまり凸部を有する面に平行な方向）に配列されている。ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２のピン層磁化方向は回転体１６の移動方向に対して互いに略順方向と略逆方向を向くように配置されている。 Two pairs of SV-GMR elements R1 to R4 as the first SV-GMR element group 18 are opposed to the outer periphery of the first soft magnetic material rotating body 16, and one of the pair of SV-GMR elements R1 and R2 is It is on the same plane (surface parallel to the moving direction of the rotator 16) facing the outer peripheral surface, and is substantially perpendicular to the moving direction of the rotator 18 and the thickness direction of the rotator 16 (that is, a surface having a convex portion). (Direction parallel to). The pinned layer magnetization directions of the SV-GMR elements R <b> 1 and R <b> 2 are arranged so as to be substantially forward and substantially opposite to the moving direction of the rotating body 16.
他方のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４の対も回転体１６の外周面に対向する同一平面（回転体１の移動方向に平行な面）上にあり、かつ回転体１６の移動方向に略垂直方向（回転体１の厚み方向に）に配列されていて、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２の対から回転体１６の移動方向に配列間隔Ｌだけ離れた位置となっている。但し、配列間隔Ｌは、回転体１６の歯１６ａの配列ピッチをＰとしたとき、Ｌ＝ｎＰ±Ｐ／４ （ｎは整数）である。なお、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ３，Ｒ４のピン層磁化方向も回転体１６の移動方向に対して互いに略順方向と略逆方向を向くように配置されている。 The other pair of SV-GMR elements R3 and R4 is also on the same plane (a plane parallel to the moving direction of the rotating body 1) facing the outer peripheral surface of the rotating body 16, and is substantially perpendicular to the moving direction of the rotating body 16. They are arranged in the thickness direction of the rotator 1 and are located at a distance of the arrangement interval L in the moving direction of the rotator 16 from the pair of SV-GMR elements R1 and R2. However, the arrangement interval L is L = nP ± P / 4 (n is an integer), where P is the arrangement pitch of the teeth 16a of the rotating body 16. Note that the pinned layer magnetization directions of the SV-GMR elements R3 and R4 are also arranged so as to be substantially forward and substantially opposite to the moving direction of the rotating body 16, respectively.
第２のＳＶ−ＧＭＲ素子群２０として１対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ５，Ｒ６は、第２軟磁性材回転体１７の外周面に対向する同一平面（回転体１７の移動方向に平行な面）上にあり、かつ回転体１７の移動方向に略垂直方向（回転体１７の厚み方向に）に配列されている。ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ５，Ｒ６のピン層磁化方向は回転体１７の移動方向に対して互いに略順方向と略逆方向を向くように配置されている。 A pair of SV-GMR elements R5 and R6 as the second SV-GMR element group 20 are on the same plane facing the outer peripheral surface of the second soft magnetic material rotating body 17 (a plane parallel to the moving direction of the rotating body 17). They are arranged in a direction substantially perpendicular to the moving direction of the rotating body 17 (in the thickness direction of the rotating body 17). The pinned layer magnetization directions of the SV-GMR elements R5 and R6 are arranged so as to be substantially forward and substantially opposite to the moving direction of the rotating body 17, respectively.
バイアス磁界発生用のバイアス磁石１９は、第１及び第２軟磁性材回転体１６，１７の移動方向に垂直な厚み方向において、第１のＳＶ−ＧＭＲ素子群１８（２対のＳＶＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４）と第２のＳＶ−ＧＭＲ素子群２０（１対のＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ５，Ｒ６）との間に１個配置されている。そして、第１及び第２回転体１６，１７が存在しないときに、ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ６位置での磁界が当該ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ６の感磁面に平行な磁界成分を主に有し、かつ各ＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ６のピン層磁化方向に略垂直な磁束を発生する磁極配置（例えば、磁極面１９ａが前記感磁面に略垂直）となっている。なお、バイアス磁石１５がＳＶ−ＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ６の感磁面と回転体１，２の外周面間のギャップにはみ出さないように、バイアス磁石１９の側面１９ｂは前記感磁面と同一平面上にあるか、やや後退した位置となっている。
ている。
A bias magnet 19 for generating a bias magnetic field includes a first SV-GMR element group 18 (two pairs of SVGMR elements R1 to R1) in the thickness direction perpendicular to the moving direction of the first and second soft magnetic material rotating bodies 16 and 17. R4) and one SV-GMR element group 20 (a pair of SV-GMR elements R5 and R6). And when the 1st and 2nd rotary bodies 16 and 17 do not exist, the magnetic field in SV-GMR element R1-R6 position mainly has a magnetic field component parallel to the magnetosensitive surface of the SV-GMR element R1-R6. And a magnetic pole arrangement that generates a magnetic flux substantially perpendicular to the pinned layer magnetization direction of each of the SV-GMR elements R1 to R6 (for example, the magnetic pole surface 19a is substantially perpendicular to the magnetosensitive surface). The side surface 19b of the bias magnet 19 is flush with the magnetosensitive surface so that the bias magnet 15 does not protrude into the gap between the magnetosensitive surfaces of the SV-GMR elements R1 to R6 and the outer peripheral surfaces of the rotating bodies 1 and 2. It is in the upper or slightly retracted position.
ing.
図２３は、磁性材の相対移動による外部磁界のベクトル方向を検出しているものの、本発明の低バイアス磁界を印加するための構造とは明らかに異なる。 Although FIG. 23 detects the vector direction of the external magnetic field due to the relative movement of the magnetic material, it is clearly different from the structure for applying the low bias magnetic field of the present invention.
図２４は従来の磁気検出装置の一例を示す構成説明図であり、磁気インピーダンス（ＭＩ）効果を有する金属磁性材料によりミアンダ形状に形成された薄膜状磁気センサを用いた磁気検出装置を示している（特開2001-004728）。 FIG. 24 is a configuration explanatory view showing an example of a conventional magnetic detection device, and shows a magnetic detection device using a thin film magnetic sensor formed in a meander shape from a metal magnetic material having a magnetic impedance (MI) effect. (JP 2001-004728).
図２４において、ミアンダ形状に形成された２個の薄膜状磁気センサ２１が、軟磁性材料２６を用いてＨ形に形成された支持台２７の水平部２７ａの上面に、シート状磁気媒体２８に対向するようにその移動方向に沿って並設されている。 In FIG. 24, two thin-film magnetic sensors 21 formed in a meander shape are placed on the upper surface of a horizontal portion 27 a of a support base 27 formed in an H shape using a soft magnetic material 26 on a sheet-like magnetic medium 28. They are juxtaposed along the moving direction so as to face each other.
図２５は薄膜状磁気センサ２１の具体例を示す構成説明図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ部分拡大断面図である。図２５において、薄膜状磁気センサ２１は、ガラスなどの基板２１ａの上に、所定膜厚の軟磁性材料２１ｂとＴｉなどの非磁性材料２１ｃがたとえばスパッタ法により交互に積層されてイオンミリングによりミアンダ形状に形成されたものであり、その両端には端子２１ｄ、２１ｅが形成されている。なお、素子となる金属磁性体の膜厚は、ＭＩ効果を最も効率よく利用するために、通電する高周波電流の周波数に応じた値に調整される。 FIG. 25 is a configuration explanatory view showing a specific example of the thin film magnetic sensor 21, where (A) is a plan view and (B) is an AA partial enlarged sectional view of (A). In FIG. 25, a thin film magnetic sensor 21 includes a soft magnetic material 21b having a predetermined thickness and a nonmagnetic material 21c such as Ti, which are alternately laminated on a substrate 21a such as glass by, for example, a sputtering method. The terminals 21d and 21e are formed at both ends thereof. Note that the film thickness of the metal magnetic material serving as the element is adjusted to a value corresponding to the frequency of the high-frequency current to be passed in order to use the MI effect most efficiently.
上記構成の磁気検出装置３０は読取装置に組み込まれ、シート状磁気媒体２８が搬送されて来ると、この外部信号磁界３２を非接触の状態で磁気センサ２１により検出する。この磁気センサ２１の磁気インピーダンス（ＭＩ）効果は、薄膜状磁気センサ２１の端子２１ｄ、２１ｅに高周波電流を通電すると、外部信号磁界３２によって磁性材料２４の透磁率が変化することに伴い、磁性材料２４の電気的インピーダンスが変化する現象を利用したものである。 The magnetic detection device 30 having the above configuration is incorporated in a reading device, and when the sheet-like magnetic medium 28 is conveyed, the external signal magnetic field 32 is detected by the magnetic sensor 21 in a non-contact state. The magnetic impedance (MI) effect of the magnetic sensor 21 is due to the change in the magnetic permeability of the magnetic material 24 caused by the external signal magnetic field 32 when a high-frequency current is passed through the terminals 21d and 21e of the thin film magnetic sensor 21. This utilizes the phenomenon that the electrical impedance of 24 changes.
ここで、磁気センサ２１は図２４に示すように、軟磁性材料２６でＨ形に形成された支持台２７の水平部２７ａの上面に取り付けられているので、支持台２７を構成する軟磁性材料２６が磁気シールド材２９となり、磁気センサ２１の背面、前面および後面が磁気シールドされ、センサ面以外のあらゆる方向からの磁気的雑音が排除され、シート状磁気媒体２８と対向するセンサ面のみで磁気媒体２８からの漏洩磁界を有効に検出すことができる。この場合、磁気シールド材２９として軟磁性材料２６を用いているので地磁気や低い周波数の磁気雑音を有効にシールドすることができる。 Here, as shown in FIG. 24, the magnetic sensor 21 is attached to the upper surface of the horizontal portion 27 a of the support base 27 formed in an H shape with the soft magnetic material 26, and therefore, the soft magnetic material constituting the support base 27. 26 becomes a magnetic shield material 29, and the back surface, front surface, and rear surface of the magnetic sensor 21 are magnetically shielded to eliminate magnetic noise from all directions other than the sensor surface, and only the sensor surface facing the sheet-like magnetic medium 28 is magnetic. The leakage magnetic field from the medium 28 can be detected effectively. In this case, since the soft magnetic material 26 is used as the magnetic shield material 29, geomagnetism and low-frequency magnetic noise can be effectively shielded.
しかし、図２４の構成によれば、磁極面の片面を軟磁性材料２６で形成した磁気シールドで完全に覆って他方の面を露出させ、磁気回路は感知対象物を着磁する必要からバルク磁石３３の磁極方向と磁気センサ２１の感磁方向を直交させている。さらに、スペーサ３５によりバイアス磁界の大きさを調整するように構成されているので、計測対象磁界の一部が軟磁性構造体へ迂回することになり、計測対象磁界の正確な測定は困難である。 However, according to the configuration of FIG. 24, since one surface of the magnetic pole surface is completely covered with the magnetic shield formed of the soft magnetic material 26 and the other surface is exposed, the magnetic circuit needs to magnetize the sensing object, so that the bulk magnet The magnetic pole direction 33 and the magnetic sensing direction of the magnetic sensor 21 are orthogonal to each other. Furthermore, since the bias magnetic field is adjusted by the spacer 35, a part of the magnetic field to be measured bypasses the soft magnetic structure, and it is difficult to accurately measure the magnetic field to be measured. .
本発明は、これらの課題を解決するものであって、その目的は、比較的小型で、低消費電力で、高いＳＮＲ（信号対雑音比）を保ちながら環境変動に対して安定した磁気測定出力信号が得られる磁気検出装置を実現することにある。 The present invention solves these problems, and its object is to provide a magnetic measurement output that is relatively small, has low power consumption, and is stable against environmental fluctuations while maintaining a high SNR (signal-to-noise ratio). The object is to realize a magnetic detection device capable of obtaining a signal.
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
非磁性材よりなる基板と、
この基板の一方の面に設けられた感磁素子と、
前記基板の他方の面に設けられ前記感磁素子に対してバイアス磁界を印加するバルク磁石と、
このバルク磁石の磁極の少なくとも一部を覆うように形成された軟磁性構造体とで構成され、
前記感磁素子は、印加磁界に対する出力特性が線対称となる特性を有し、
前記感磁素子と前記軟磁性構造体との間に、非磁性材料よりなるスペーサを有することを特徴とする磁気検出装置である。
In order to achieve such a problem, the invention according to claim 1 of the present invention is:
A substrate made of a non-magnetic material;
A magnetosensitive element provided on one surface of the substrate;
A bulk magnet that is provided on the other surface of the substrate and applies a bias magnetic field to the magnetosensitive element;
A soft magnetic structure formed so as to cover at least a part of the magnetic poles of the bulk magnet ,
The magnetosensitive element has a characteristic that the output characteristic with respect to the applied magnetic field is line symmetric,
A magnetic detection device comprising a spacer made of a nonmagnetic material between the magnetosensitive element and the soft magnetic structure .
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の磁気検出装置において、
前記感磁素子として２個の感磁素子が同一の感磁方向となるように平行に配置され、
前記バルク磁石として２個のバルク磁石が前記２個の感磁素子へのバイアス磁界印加方向が互いに逆方向となるように磁極方向が互いに逆方向に配置された磁気検出ブリッジ回路として構成されていることを特徴とする。
A second aspect of the present invention provides the magnetic detection apparatus according to the first aspect,
Two magnetic sensitive elements are arranged in parallel so as to have the same magnetic sensitive direction as the magnetic sensitive element,
As the bulk magnet, two bulk magnets are configured as a magnetic detection bridge circuit in which magnetic pole directions are arranged in opposite directions so that bias magnetic field application directions to the two magnetosensitive elements are opposite to each other. It is characterized by that.
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の磁気検出装置において、
前記軟磁性構造体は、
磁束の流れる磁路部分の断面が局所的に小さく形成されていることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the magnetic detection device according to claim 1 or 2, wherein
The soft magnetic structure is
The magnetic path portion through which the magnetic flux flows is locally small in size .
これらにより、比較的小型で、低消費電力で、高いＳＮＲ（信号対雑音比）を保ちながら、環境変動に対して安定した磁気測定出力信号が得られる。 Accordingly, it is possible to obtain a magnetic measurement output signal that is relatively small in size, low in power consumption, and stable with respect to environmental fluctuations while maintaining a high SNR (signal-to-noise ratio).
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づく磁気検出装置の一実施例を示す構成説明図である。（Ａ）〜（Ｃ）は非磁性スペーサを設けない構成であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は底面図である。（Ｄ）〜（Ｆ）は非磁性スペーサを設けた構成を示すもので、（Ｄ）は上面図、（Ｅ）は側面図、（Ｆ）は底面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of an embodiment of a magnetic detection device according to the present invention. (A)-(C) are the structures which do not provide a nonmagnetic spacer, (A) is a top view, (B) is a side view, (C) is a bottom view. (D)-(F) show the structure which provided the nonmagnetic spacer, (D) is a top view, (E) is a side view, (F) is a bottom view.
図１（Ｂ）において、非磁性材料よりなる基板４１の一方の面（上面）には感磁素子４２がその磁極方向が感磁方向Ａに対して平行になるように配置されていて、その両端には配線パッド４３、４４が設けられている。他方の面（下面）にはコの字形に成形された軟磁性構造体４５の連結部４５ａが固着されていて、軟磁性構造体４５の開口部４５ｂにはバルク磁石４６の両磁極の磁界方向が感磁方向Ａに対して同一で平行な状態になるようにバルク磁石４６の両磁極面の一部が嵌め合わされている。 In FIG. 1B, a magnetosensitive element 42 is arranged on one surface (upper surface) of a substrate 41 made of a nonmagnetic material so that the magnetic pole direction thereof is parallel to the magnetosensitive direction A. Wiring pads 43 and 44 are provided at both ends. A connecting portion 45a of a soft magnetic structure 45 formed in a U-shape is fixed to the other surface (lower surface), and the magnetic field direction of both magnetic poles of the bulk magnet 46 is attached to the opening 45b of the soft magnetic structure 45. Are part of both magnetic pole faces of the bulk magnet 46 so as to be in the same and parallel state with respect to the magnetic sensing direction A.
図１（Ｅ）において、基板４１と軟磁性構造体４５の連結部４５ａとの間には非磁性材料よりなるスペーサ４７が設けられている。 In FIG. 1E, a spacer 47 made of a nonmagnetic material is provided between the substrate 41 and the connecting portion 45a of the soft magnetic structure 45.
ここで、感磁素子４２は、印加磁界に対する出力特性が線対称となる特性を持つものとする。バルク磁石４６は、感磁素子４２に対してバイアス磁界を印加するように機能する。軟磁性構造体４５は、バルク磁石４６の両磁極面の少なくとも一部を覆うことによりバルク磁石４６の両磁極面を連結するように機能する。 Here, it is assumed that the magnetosensitive element 42 has a characteristic that the output characteristic with respect to the applied magnetic field is line symmetric. The bulk magnet 46 functions to apply a bias magnetic field to the magnetosensitive element 42. The soft magnetic structure 45 functions to connect both magnetic pole faces of the bulk magnet 46 by covering at least a part of both magnetic pole faces of the bulk magnet 46.
図１の構成におけるバイアス磁界による調整原理について説明する。バルク磁石４６と軟磁性構造体４５によるバイアス磁界からの磁束は、以下に説明する第１の磁束と第２の磁束を足し合わせたものが支配的である。 An adjustment principle using a bias magnetic field in the configuration of FIG. 1 will be described. The magnetic flux from the bias magnetic field generated by the bulk magnet 46 and the soft magnetic structure 45 is predominantly the sum of the first magnetic flux and the second magnetic flux described below.
第１の磁束は、軟磁性構造体４５で覆われていないバルク磁石４６のＮ極面を始点として基板４１などの周辺部材や空気などの外部環境を通り、軟磁性構造体４５で覆われていないバルク磁石４６のＳ極面を終点とする磁路を通過する磁束である。 The first magnetic flux is covered with the soft magnetic structure 45 from the N pole surface of the bulk magnet 46 not covered with the soft magnetic structure 45 through a peripheral member such as the substrate 41 and an external environment such as air. This magnetic flux passes through a magnetic path whose end point is the S pole surface of the bulk magnet 46 that is not present.
第２の磁束は、軟磁性構造体４５の断面積が小さい箇所周辺において発生する漏れ磁束である。これは、軟磁性構造体４５により覆われたバルク磁石４６のＮ極面を始点として軟磁性構造体４５内を通り、軟磁性構造体４５により覆われたバルク磁石４６のＳ極面を終点とする磁路を通過する磁束において、軟磁性構造体４５内の断面積が小さい箇所を通過する際に、局所的に磁束密度が高くなり、漏れ磁束が発生することに起因する。特に、局所的に磁束密度が飽和して飽和時のＢ−Ｈ曲線の傾きである透磁率が小さくなり、周辺の空気や非磁性部材などの透磁率が無視できない大きさとなる場合、漏れ磁束は大きくなる。 The second magnetic flux is a leakage magnetic flux generated around a portion where the cross-sectional area of the soft magnetic structure 45 is small. This starts from the N pole face of the bulk magnet 46 covered by the soft magnetic structure 45 and passes through the soft magnetic structure 45, and the S pole face of the bulk magnet 46 covered by the soft magnetic structure 45 is the end point. In the magnetic flux passing through the magnetic path, the magnetic flux density locally increases when passing through a portion having a small cross-sectional area in the soft magnetic structure 45, resulting in leakage flux. In particular, when the magnetic flux density is locally saturated and the permeability, which is the slope of the BH curve at the time of saturation, becomes small, and the permeability of surrounding air, nonmagnetic members, and the like becomes a magnitude that cannot be ignored, the leakage flux is growing.
すなわち、バルク磁石４６単体を用いた際に生じる磁束と比較すると、バルク磁石４６から生じる磁束の一部が軟磁性構造体４５へ迂回し、軟磁性構造体４５周辺の磁界強度が弱められるため、バルク磁石４６からのバイアス磁界を感磁素子４２の飽和磁界範囲内となるように調整することが可能となる。 That is, compared with the magnetic flux generated when the bulk magnet 46 is used alone, a part of the magnetic flux generated from the bulk magnet 46 bypasses the soft magnetic structure 45, and the magnetic field strength around the soft magnetic structure 45 is weakened. It is possible to adjust the bias magnetic field from the bulk magnet 46 to be within the saturation magnetic field range of the magnetosensitive element 42.
図１（Ｂ）に示すように、基板４１と軟磁性構造体４５の連結部との間に非磁性材料よりなるスペーサ４７を設けていない場合、軟磁性構造体４５近傍に感磁素子４２を配置すると、計測対象となる磁束の一部が軟磁性構造体４５へ迂回するため、感磁素子４２を通過する磁束が本来の磁束に比べて小さくなり、結果出力信号が小さくなる。 As shown in FIG. 1B, when the spacer 47 made of a nonmagnetic material is not provided between the substrate 41 and the connecting portion of the soft magnetic structure 45, the magnetosensitive element 42 is provided in the vicinity of the soft magnetic structure 45. When arranged, a part of the magnetic flux to be measured is diverted to the soft magnetic structure 45, so that the magnetic flux passing through the magnetosensitive element 42 is smaller than the original magnetic flux, and the output signal is reduced as a result.
すなわち、図1（Ｅ）に示すように感磁素子４２と軟磁性構造体４５の間に非磁性スペーサ４７を設けることにより、計測対象の磁束の一部が軟磁性構造体４５へ迂回することがほとんど無くなり、出力信号の劣化が無い安定した磁界計測が可能となる。 That is, as shown in FIG. 1 (E), by providing a nonmagnetic spacer 47 between the magnetosensitive element 42 and the soft magnetic structure 45, a part of the magnetic flux to be measured bypasses the soft magnetic structure 45. The stable magnetic field measurement without the deterioration of the output signal is possible.
図２は本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図２（Ｂ）において、非磁性材料よりなる基板４１の一方の面（上面）には感磁素子４２がその磁極方向が感磁方向Ａに対して平行になるように配置され、その両端には配線パッド４３、４４が設けられている。他方の面（下面）には、バルク磁石４６の両磁極の磁界方向が感磁方向Ａに対して同一で平行な状態を維持するように図１（Ｂ）の状態から軟磁性構造体４５を９０°回転させた状態で、コの字形に成形された軟磁性構造体４５の連結部に隣接する一方の側面部が固着されていて、軟磁性構造体４５の開口部にはバルク磁石４６の両磁極面の一部が嵌め合わされている。 FIG. 2 is an explanatory diagram showing the construction of another embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the portions common to FIG. In FIG. 2 (B), a magnetosensitive element 42 is disposed on one surface (upper surface) of a substrate 41 made of a nonmagnetic material so that the magnetic pole direction thereof is parallel to the magnetosensitive direction A, and is provided at both ends thereof. Wiring pads 43 and 44 are provided. On the other surface (lower surface), the soft magnetic structure 45 is removed from the state of FIG. 1B so that the magnetic field directions of both magnetic poles of the bulk magnet 46 are the same and parallel to the magnetic sensing direction A. One side surface portion adjacent to the connecting portion of the soft magnetic structure 45 formed in a U-shape is fixed in a state of being rotated by 90 °, and the opening of the bulk magnet 46 is attached to the opening of the soft magnetic structure 45. Part of both magnetic pole faces are fitted together.
図２（Ｅ）において、基板４１と軟磁性構造体４５の連結部との間には非磁性材料よりなるスペーサ４７が設けられている。 In FIG. 2E, a spacer 47 made of a nonmagnetic material is provided between the substrate 41 and the connecting portion of the soft magnetic structure 45.
図３も本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図３（Ｂ）において、非磁性材料よりなる基板４１の一方の面（上面）には感磁素子４２がその磁極方向が感磁方向Ａに対して平行になるように配置されていて、その両端には配線パッド４３、４４が設けられている。他方の面（下面）には、バルク磁石４６の両磁極が感磁方向Ａに対して同一の磁界方向で平行な状態を維持するように図１（Ｂ）の状態から軟磁性構造体４５を１８０°回転させた状態でバルク磁石４６の端面が固着され、磁性構造体４５の連結部は底面として露出している。 FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration of another embodiment of the present invention. Components common to those in FIG. In FIG. 3B, a magnetosensitive element 42 is disposed on one surface (upper surface) of a substrate 41 made of a nonmagnetic material so that the magnetic pole direction thereof is parallel to the magnetosensitive direction A. Wiring pads 43 and 44 are provided at both ends. On the other surface (lower surface), the soft magnetic structure 45 is removed from the state shown in FIG. 1B so that both magnetic poles of the bulk magnet 46 are maintained parallel to the magnetic sensing direction A in the same magnetic field direction. The end surface of the bulk magnet 46 is fixed in a state rotated by 180 °, and the connecting portion of the magnetic structure 45 is exposed as a bottom surface.
図３（Ｅ）において、基板４１と軟磁性構造体４５の連結部との間には非磁性材料よりなるスペーサ４７が設けられている。 In FIG. 3E, a spacer 47 made of a nonmagnetic material is provided between the substrate 41 and the connecting portion of the soft magnetic structure 45.
図４も本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図４（Ｂ）において、非磁性材料よりなる基板４１の一方の面（上面）には感磁素子４２がその磁極方向が感磁方向Ａに対して平行になるように配置され、その両端には配線パッド４３、４４が設けられている。他方の面（下面）には、バルク磁石４６の両磁極の磁界方向が感磁方向Ａに対して直交するように、コの字形に成形された開口部にバルク磁石４６の両磁極面の一部を嵌め合わせた軟磁性構造体４５が、図１（Ｂ）の状態から反時計方向に９０°回転させた状態で配置されている。 FIG. 4 is an explanatory diagram of the configuration of another embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to portions common to FIG. In FIG. 4B, a magnetosensitive element 42 is arranged on one surface (upper surface) of a substrate 41 made of a nonmagnetic material so that the magnetic pole direction thereof is parallel to the magnetosensitive direction A, and at both ends thereof. Wiring pads 43 and 44 are provided. On the other surface (lower surface), one of the magnetic pole surfaces of the bulk magnet 46 is formed in an opening formed in a U shape so that the magnetic field directions of the magnetic poles of the bulk magnet 46 are orthogonal to the magnetic sensing direction A. The soft magnetic structures 45 fitted with the portions are arranged in a state rotated 90 ° counterclockwise from the state of FIG.
これら図１から図４の構成によれば、バルク磁石４６と軟磁性構造体４５の配置方法が異なるため印加磁界強度はそれぞれ異なるものの、バルク磁石４６単体を用いた際の磁界と比較して弱められたバイアス磁界が印加されることになる。 According to the configurations shown in FIGS. 1 to 4, the applied magnetic field strengths are different because the arrangement method of the bulk magnet 46 and the soft magnetic structure 45 is different, but it is weaker than the magnetic field when using the bulk magnet 46 alone. The applied bias magnetic field is applied.
非磁性スペーサ４７の機能について説明する。
軟磁性構造体４５の近傍に感磁素子４２を配置すると、計測対象となる磁束の一部が軟磁性構造体４５へ迂回することから感磁素子４２を通過する磁束が本来の磁束に比べて小さくなり、その結果、出力信号が小さくなる。これに対し、感磁素子４２と軟磁性構造体４５の間に非磁性スペーサ４７を設置することにより、計測対象の磁束の一部が軟磁性構造体４５へ迂回することがほとんど無くなり、出力信号の劣化の少ない安定した磁界計測が可能となる。
The function of the nonmagnetic spacer 47 will be described.
When the magnetosensitive element 42 is disposed in the vicinity of the soft magnetic structure 45, a part of the magnetic flux to be measured is diverted to the soft magnetic structure 45, so that the magnetic flux passing through the magnetosensitive element 42 is larger than the original magnetic flux. As a result, the output signal becomes smaller. On the other hand, by installing the non-magnetic spacer 47 between the magnetosensitive element 42 and the soft magnetic structure 45, a part of the magnetic flux to be measured hardly detours to the soft magnetic structure 45, and the output signal Stable magnetic field measurement with less deterioration of the sensor becomes possible.
軟磁性構造体４５の周辺における磁界強度について説明する。
図５は軟磁性構造体４５の具体例を示す構成説明図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。軟磁性構造体４５は、たとえばたて１．０ｍｍ、横１．５ｍｍ、高さ０．６ｍｍの直方体であって、底面中央には短手方向に沿って半径０．２７５ｍｍで深さ０．３５ｍｍの溝Ｇが設けられている鉄とニッケルからなる磁性材料パーマロイＰＢ（ＪＩＳ規格品）を用いる。
The magnetic field strength around the soft magnetic structure 45 will be described.
FIG. 5 is a structural explanatory view showing a specific example of the soft magnetic structure 45, (A) is a top view, (B) is a front view, and (C) is a side view. The soft magnetic structure 45 is, for example, a rectangular parallelepiped having a length of 1.0 mm, a width of 1.5 mm, and a height of 0.6 mm. The center of the bottom surface has a radius of 0.275 mm and a depth of 0.35 mm along the short direction. A magnetic material permalloy PB (JIS standard product) made of iron and nickel provided with a groove G is used.
この軟磁性構造体４５の溝Ｇには、図６に示すように、バルク磁石４６が嵌め合わされる。図６は磁界強度測定に用いた磁気検出装置の構成説明図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図、（Ｄ）は底面図である。バルク磁石４６としては、たとえばサマリウムとコバルトを主成分とするSmCo磁石を用いる。形状は０．８ｍｍ□×０．５ｍｍの角型に加工されたもので、磁極面が０．８ｍｍ□の両面となるように着磁されている。 A bulk magnet 46 is fitted into the groove G of the soft magnetic structure 45 as shown in FIG. 6A and 6B are explanatory views of the configuration of the magnetic detection apparatus used for measuring the magnetic field strength, where FIG. 6A is a top view, FIG. 6B is a front view, FIG. 6C is a side view, and FIG. As the bulk magnet 46, for example, an SmCo magnet mainly composed of samarium and cobalt is used. The shape is processed into a square shape of 0.8 mm □ × 0.5 mm, and is magnetized so that the magnetic pole surface has both sides of 0.8 mm □.
磁界強度の測定点は図６に示すＡ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点の４点であり、軟磁性構造体４５もしくはバルク磁石４６の表面から１ｍｍの箇所に図示しない感磁素子を配置して磁界強度をそれぞれ測定した。 Magnetic field strength measurement points are A point, B point, C point, and D point shown in FIG. 6, and a magnetosensitive element (not shown) is arranged at a location 1 mm from the surface of the soft magnetic structure 45 or bulk magnet 46. Then, the magnetic field strength was measured.
また比較例として、図７に示すように、バルク磁石４６単体の周辺の磁界強度についても測定した。図７はバルク磁石４６単体の具体例を示す構成説明図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。測定点はＥ点であり、同じくバルク磁石４６の表面から１ｍｍの箇所にナノグラニュラ膜と軟磁性薄膜からなるトンネル磁気抵抗素子を用いた感磁素子を配置し、原点ピークのシフト量から磁界強度を測定した。 As a comparative example, the magnetic field strength around the bulk magnet 46 alone was also measured as shown in FIG. FIG. 7 is a structural explanatory view showing a specific example of the bulk magnet 46 alone, (A) is a top view, (B) is a front view, and (C) is a side view. The measurement point is point E. Similarly, a magnetosensitive element using a tunnel magnetoresistive element made of a nanogranular film and a soft magnetic thin film is arranged at a position 1 mm from the surface of the bulk magnet 46, and the magnetic field intensity is determined from the shift amount of the origin peak. Was measured.
図８は、軟磁性構造体４５の周辺における磁界強度の測定結果例である。Ａ点の磁界強度は４．１ＯｅでＥ点の磁界強度の５．３％であり、Ｂ点の磁界強度は１３．５ＯｅでＥ点の磁界強度の１７．６％であり、Ｃ点の磁界強度は１１．５ＯｅでＥ点の磁界強度の１５．０％であり、Ｄ点の磁界強度は４６．８ＯｅでＥ点の磁界強度の６１．０％である。なお、図７のＥ点における磁界強度は７６．７Ｏｅである。 FIG. 8 shows an example of the measurement result of the magnetic field strength around the soft magnetic structure 45. The magnetic field strength at point A is 4.1 Oe, 5.3% of the magnetic field strength at point E, the magnetic field strength at point B is 13.5 Oe, 17.6% of the magnetic field strength at point E, and the magnetic field at point C. The strength is 11.5 Oe, which is 15.0% of the magnetic field strength at point E, and the magnetic field strength at point D is 46.8 Oe, which is 61.0% of the magnetic field strength at point E. Note that the magnetic field strength at point E in FIG. 7 is 76.7 Oe.
これらの結果から、バルク磁石４６単体を用いた際に生じる磁束と比較して、軟磁性構造体４５周辺の磁界強度が弱められており、バルク磁石４６からのバイアス磁界を弱める方向に調整することが可能であることが明らかである。よって、本発明の構成を用いることにより、感磁素子４２に低バイアス磁界を印加することが可能になる。 From these results, the magnetic field strength around the soft magnetic structure 45 is weakened compared to the magnetic flux generated when the bulk magnet 46 is used alone, and the bias magnetic field from the bulk magnet 46 is adjusted to be weakened. It is clear that is possible. Therefore, a low bias magnetic field can be applied to the magnetosensitive element 42 by using the configuration of the present invention.
図９は非磁性スペーサ４７の効果を確認するための磁気検出装置の構成説明図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。なお、感磁素子４２としてナノグラニュラ膜と軟磁性薄膜からなるトンネル磁気抵抗素子を用い、非磁性スペーサ４７として厚さ０．５ｍｍの石英板を用いた。また感磁素子４２が形成される基板４１の厚さも０．５ｍｍである。 FIG. 9 is an explanatory diagram of the configuration of the magnetic detection device for confirming the effect of the nonmagnetic spacer 47, and the same reference numerals are given to the portions common to FIG. A tunnel magnetoresistive element made of a nanogranular film and a soft magnetic thin film was used as the magnetosensitive element 42, and a quartz plate having a thickness of 0.5 mm was used as the nonmagnetic spacer 47. The thickness of the substrate 41 on which the magnetosensitive element 42 is formed is also 0.5 mm.
非磁性スペーサ４７の効果を確認するための測定ステップは以下のとおりである。
１）まず、感磁素子４２単体の磁気抵抗特性を計測する（ステップＳ１）。
２）次に、感磁素子４２にバルク磁石４６と軟磁性構造体４５を組み合わせた磁気検出装置の磁気抵抗特性を計測する（ステップＳ２）。
３）バルク磁石４６と軟磁性構造体４５により感磁素子４２にバイアス磁界が印加されていることから、感磁素子４２単体の磁気抵抗特性と比較を行うために、バイアス磁界分を差し引いて磁気抵抗特性を導出する（ステップＳ３）。
The measurement steps for confirming the effect of the nonmagnetic spacer 47 are as follows.
1) First, the magnetoresistive characteristics of the magnetosensitive element 42 alone are measured (step S1).
2) Next, the magnetoresistive characteristics of the magnetic detection device in which the magnetic sensing element 42 is combined with the bulk magnet 46 and the soft magnetic structure 45 are measured (step S2).
3) Since a bias magnetic field is applied to the magnetosensitive element 42 by the bulk magnet 46 and the soft magnetic structure 45, the magnetic field is subtracted from the bias magnetic field for comparison with the magnetoresistive characteristics of the magnetosensitive element 42 alone. A resistance characteristic is derived (step S3).
４）感磁素子４２にバルク磁石４６と軟磁性構造体４５と非磁性スペーサ４７を組み合わせた磁気検出装置の磁気抵抗特性を計測する（ステップＳ４）。
５）バルク磁石４６と軟磁性構造体４５により感磁素子４２にバイアス磁界が印加されていることから、感磁素子４２単体の磁気抵抗特性と比較を行うために、バイアス磁界分を差し引いた磁気抵抗特性を導出する（ステップＳ５）。
4) The magnetoresistive characteristic of the magnetic detection device in which the magnetic sensing element 42 is combined with the bulk magnet 46, the soft magnetic structure 45, and the nonmagnetic spacer 47 is measured (step S4).
5) Since a bias magnetic field is applied to the magnetosensitive element 42 by the bulk magnet 46 and the soft magnetic structure 45, in order to compare with the magnetoresistive characteristics of the magnetosensitive element 42 alone, the magnetism obtained by subtracting the bias magnetic field component is used. Resistance characteristics are derived (step S5).
図１０は非磁性スペーサ４７の効果を確認するための磁気抵抗特性例図であり、特性Ａは感磁素子４２単体を用いた場合を示し、特性Ｂは感磁素子４２とバルク磁石４６と軟磁性構造体４５を組み合わせた場合を示し、特性Ｃは感磁素子４２とバルク磁石４６と軟磁性構造体４５と非磁性スペーサ４７を組み合わせた場合を示している。 FIG. 10 is an example of magnetoresistive characteristics for confirming the effect of the nonmagnetic spacer 47. Characteristic A shows the case where the magnetosensitive element 42 is used alone, and characteristic B shows the magnetosensitive element 42, the bulk magnet 46, and the soft The case where the magnetic structure 45 is combined is shown, and the characteristic C shows the case where the magnetosensitive element 42, the bulk magnet 46, the soft magnetic structure 45, and the nonmagnetic spacer 47 are combined.
図１０から明らかなように、感磁素子４２単体を用いた際の抵抗変化率と比較して、非磁性スペーサ４７を用いない場合は、計測対象となる磁束の一部が軟磁性構造体４５へ迂回するため、感磁素子４２を通過する磁束が本来の磁束に比べて小さくなって、抵抗変化率が小さくなる。また非磁性スペーサ４７を用いた場合は、計測対象となる磁束はほとんどが感磁素子４２を通過するため、本来の計測対象磁界による抵抗変化率と同等である。よって本発明の構成を用いれば、計測対象磁界の一部が軟磁性構造体４５へ迂回することを防止でき、出力信号の劣化を実用上無視できる安定した磁界計測が可能となる。 As is apparent from FIG. 10, when the nonmagnetic spacer 47 is not used, a part of the magnetic flux to be measured is soft magnetic structure 45 compared to the resistance change rate when the magnetosensitive element 42 is used alone. Therefore, the magnetic flux passing through the magnetic sensing element 42 becomes smaller than the original magnetic flux, and the resistance change rate becomes smaller. Further, when the nonmagnetic spacer 47 is used, most of the magnetic flux to be measured passes through the magnetosensitive element 42, which is equivalent to the resistance change rate due to the original magnetic field to be measured. Therefore, if the configuration of the present invention is used, it is possible to prevent a part of the magnetic field to be measured from detouring to the soft magnetic structure 45, and it is possible to perform stable magnetic field measurement in which deterioration of the output signal can be ignored in practice.
図１１は磁束が通過する軟磁性構造体４５内の断面積の大きさがバイアス磁界に及ぼす影響を確認するために用いた磁気検出装置の構成説明図であり、軟磁性構造体４５の高さｘと幅ｙの寸法を色々と変更して磁束が通過する軟磁性構造体４５内の断面積を変化させた場合のＦ点における磁界の大きさを測定したものである。図１１において、軟磁性体４５の狭まった部分の厚さ０．２５ｍｍは高さｘを変更した際も一定であり、計測点であるＦ点は軟磁性構造体４５の上部表面から０．５ｍｍの箇所にあるものとする。 FIG. 11 is an explanatory diagram of the configuration of the magnetic detection device used to confirm the influence of the cross-sectional area in the soft magnetic structure 45 through which the magnetic flux passes on the bias magnetic field. The height of the soft magnetic structure 45 is shown in FIG. This is a measurement of the magnitude of the magnetic field at point F when the cross-sectional area in the soft magnetic structure 45 through which magnetic flux passes is changed by changing the dimensions of x and width y in various ways. In FIG. 11, the thickness 0.25 mm of the narrowed portion of the soft magnetic body 45 is constant even when the height x is changed, and the measurement point F is 0.5 mm from the upper surface of the soft magnetic structure 45. Suppose that
図１２は、図１１の磁気検出装置の測定結果例である。幅１ｍｍの場合は、高さｘが大きくなるほど計測点での磁界が大きくなる傾向にある。これは、幅１ｍｍの場合、軟磁性構造体４５の狭まった部分の断面積が小さいため、該当箇所周辺において漏れ磁束が大きくなることによると考えられる。また、高さｘが大きくなると、磁極面の軟磁性構造体４５により覆われる面積が増加して軟磁性構造体４５内を通過する磁束が多くなり、漏れ磁界が大きくなるためと考えられる。 FIG. 12 is an example of measurement results of the magnetic detection device of FIG. When the width is 1 mm, the magnetic field at the measurement point tends to increase as the height x increases. This is presumably because when the width is 1 mm, the cross-sectional area of the narrowed portion of the soft magnetic structure 45 is small, so that the leakage magnetic flux increases around the corresponding portion. Further, it is considered that when the height x increases, the area covered by the soft magnetic structure 45 on the magnetic pole surface increases, and the magnetic flux passing through the soft magnetic structure 45 increases, and the leakage magnetic field increases.
幅２ｍｍの場合は、逆に高さｘが大きくなるほど計測点での磁界が小さくなる傾向が見られる。幅２ｍｍの場合、軟磁性構造体４５の狭まった部分の断面積が大きくなって該当箇所周辺における漏れ磁束の影響はほぼ無くなり、軟磁性構造体４５で覆われていないバルク磁石４６のＮ極面を始点として基板などの周辺部材や空気などの外部環境を通って軟磁性構造体４６により覆われていないバルク磁石４６のＳ極面を終点とする磁路を通過する磁束が支配的になる。 When the width is 2 mm, the magnetic field at the measurement point tends to decrease as the height x increases. When the width is 2 mm, the cross-sectional area of the narrow portion of the soft magnetic structure 45 becomes large, and the influence of the leakage magnetic flux around the corresponding portion is almost eliminated, and the N pole surface of the bulk magnet 46 not covered with the soft magnetic structure 45 The magnetic flux that passes through the magnetic path starting from the S pole face of the bulk magnet 46 that is not covered by the soft magnetic structure 46 through the peripheral environment such as the substrate and the external environment such as the air is dominant.
すなわち、高さｘが大きくなると磁極面の軟磁性構造体４５により覆われる面積が増加して軟磁性構造体４５内を通過する磁束が多くなり、外部環境を通過する磁束が少なくなるため磁界が小さくなると考えられる。上記のように、本発明を用いることにより、バイアス磁界を所望の強度に調整することが可能になる。 That is, as the height x increases, the area covered by the soft magnetic structure 45 on the magnetic pole surface increases, the magnetic flux passing through the soft magnetic structure 45 increases, and the magnetic flux passing through the external environment decreases, so that the magnetic field is reduced. It will be smaller. As described above, the bias magnetic field can be adjusted to a desired intensity by using the present invention.
なお、上記各実施例では、バルク磁石４６として、サマリウムとコバルトを主成分とする温度安定性が良好で加工性の良いSmCo磁石を用いているが、これに限るものではなく、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、酸化鉄を主成分とするフェライト磁石、アルミニウムとニッケルとコバルトと鉄を主成分とするアルニコ磁石、鉄とクロムとコバルトを主成分とする磁石なども用いることができる。 In each of the above embodiments, the bulk magnet 46 is a SmCo magnet having good temperature stability and good workability mainly composed of samarium and cobalt. However, the present invention is not limited to this. Boron-based neodymium magnets, ferric oxide-based ferrite magnets, aluminum, nickel, cobalt, and iron-based alnico magnets, iron-, chromium-, and cobalt-based magnets can also be used. it can.
また、バルク磁石４６の形状としては、上記各実施例のような直方体型に限るものではなく、角型、円柱型、リング型、ボール型、シート型などの形状も用いることができる。 Further, the shape of the bulk magnet 46 is not limited to the rectangular parallelepiped type as in each of the above embodiments, and shapes such as a square shape, a cylindrical shape, a ring shape, a ball shape, and a sheet shape can also be used.
また、軟磁性体材料としては、本実施例で用いる鉄とニッケルからなり透磁率が高く入手性と加工性の良好な磁性材料パーマロイＰＢ以外に、純鉄や、鉄とニッケルを主成分としてモリブデンや銅、クロムのうち少なくとも１つを含む軟磁性体、鉄を主成分としてケイ素と炭素、マンガン、リン、硫黄のうち少なくとも１つを含む軟磁性体、マンガン亜鉛フェライトやニッケル亜鉛フェライト、銅亜鉛フェライトなどの酸化鉄を主成分とする軟磁性材料なども用いることができる。 In addition to the magnetic material Permalloy PB made of iron and nickel used in this embodiment and having high magnetic permeability and good availability and workability, pure iron, molybdenum containing iron and nickel as main components, are used as the soft magnetic material. Soft magnetic material containing at least one of copper, copper, chromium, soft magnetic material containing iron as a main component and at least one of silicon and carbon, manganese, phosphorus, sulfur, manganese zinc ferrite, nickel zinc ferrite, copper zinc A soft magnetic material mainly composed of iron oxide such as ferrite can also be used.
また、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）の単体またはこれらを成分とする合金を軟磁性材料とし、電鋳法により作製した軟磁性構造体４５を用いてもよい。電鋳法で軟磁性構造体４５を作製することにより、複雑な形状を持つ軟磁性構造体４５の寸法精度が高くなり、バルク磁石４６との組み合わせで安定した磁界強度が得られる。 Further, a soft magnetic structure 45 made by electroforming using a simple magnetic material of Ni (nickel), Cu (copper), Fe (iron), or Co (cobalt) or an alloy containing these as components as a component is used. Also good. By producing the soft magnetic structure 45 by electroforming, the dimensional accuracy of the soft magnetic structure 45 having a complicated shape is increased, and a stable magnetic field strength can be obtained in combination with the bulk magnet 46.
また、電鋳法によれば、一度に大量の軟磁性構造体４５を安定に作製することができ、安価かつ量産に適した軟磁性構造体４５が得られる。 Further, according to the electroforming method, a large amount of soft magnetic structures 45 can be stably produced at a time, and soft magnetic structures 45 suitable for mass production can be obtained at a low cost.
また、軟磁性構造体４５の形状は、上記各実施例のコの字型に限るものではなく、たとえば図１３に示すように、バルク磁石４６を嵌め込んで使用するくり抜き型の形状を用いてもよい。 Further, the shape of the soft magnetic structure 45 is not limited to the U-shape of each of the above-described embodiments. For example, as shown in FIG. 13, a hollow-type shape in which a bulk magnet 46 is fitted and used is used. Also good.
非磁性スペーサ４７としては、上記各実施例で用いるハンドリングの良好な石英に限るものではなく、不純物を含有したガラス、Al2O3（サファイア）、Si（シリコン）、AlN（窒化アルミ）、Al2O3-TiC（アルミナチタンカーバイド）、非磁性ステンレス、真鍮、Al（アルミ）、Cu（銅）、Ti（チタン）、Au（金）、Ag（銀）、Zn（亜鉛）、Sn（すず）、Pb（鉛）、PC（ポリカーボネート）、PP（ポリプロピレン）、PBT（ポリブチレンテレフタレート）、PFA（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）、PVDF（フッ化ビニリデン樹脂）、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）、PPS（ポリフェニレンサルファイド）、ナイロン、ポリアミド樹脂、ガラスエポキシ樹脂、フェノール樹脂、セラミックスなどの非磁性材料を用いることもできる。 The nonmagnetic spacer 47 is not limited to quartz with good handling used in each of the above embodiments, but glass containing impurities, Al 2 O 3 (sapphire), Si (silicon), AlN (aluminum nitride), Al 2 O 3 -TiC (alumina titanium carbide), nonmagnetic stainless steel, brass, Al (aluminum), Cu (copper), Ti (titanium), Au (gold), Ag (silver), Zn (zinc), Sn (tin) ), Pb (lead), PC (polycarbonate), PP (polypropylene), PBT (polybutylene terephthalate), PFA (tetrafluoroethylene perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), PEEK (polyether ether ketone), PVDF (fluorine) Vinylidene fluoride resin), PTFE (polytetrafluoroethylene), PPS (polyphenylene sulfide), nylon, polyamide resin, glass epoxy resin, phenol resin A non-magnetic material, such as ceramics may also be used.
また、感磁素子４２を形成する基板４１を非磁性スペーサ４７として使用してもよい。 Further, the substrate 41 on which the magnetosensitive element 42 is formed may be used as the nonmagnetic spacer 47.
感磁素子４２は、上記各実施例で用いているナノグラニュラ膜と軟磁性薄膜からなるトンネル磁気抵抗素子の他に、磁界の印加に対して電気的抵抗が変化する異方性磁気抵抗素子（AMR）、巨大磁気抵抗素子（GMR）、トンネル磁気抵抗素子（TMR）、磁界の印加に対して電気的インピーダンスが変化する軟磁性材料により構成されるアモルファスワイヤあるいは薄膜からなる磁気インピーダンス素子などを用いてもよい。 In addition to the tunnel magnetoresistive element made up of the nanogranular film and the soft magnetic thin film used in each of the above embodiments, the magnetosensitive element 42 is an anisotropic magnetoresistive element whose electrical resistance changes with application of a magnetic field ( AMR), giant magnetoresistive element (GMR), tunnel magnetoresistive element (TMR), amorphous wire composed of soft magnetic material whose electrical impedance changes with application of magnetic field, or magnetic impedance element made of thin film May be.
本発明では、磁界強度１００Ｏｅ未満のバイアス磁界を、「低バイアス磁界」と定義する。磁界強度１００Ｏｅ以上ではバルク磁石４６単体を用いればよいが、バルク磁石４６の表面周辺において１００Ｏｅ未満の低バイアス磁界とするためにはバルク磁石４６自身の着磁を弱める必要があり、バルク磁石４６単体での実現は困難である。 In the present invention, a bias magnetic field having a magnetic field strength of less than 100 Oe is defined as a “low bias magnetic field”. The bulk magnet 46 alone may be used at a magnetic field strength of 100 Oe or more. However, in order to obtain a low bias magnetic field of less than 100 Oe around the surface of the bulk magnet 46, it is necessary to weaken the magnetization of the bulk magnet 46 itself. Realization is difficult.
感磁素子４２の感磁方向に対して磁極方向が平行もしくはねじれの位置もしくは交差となるように配置することができる。上記各実施例では簡単のため平行となるように配置しているが、図４に示すように交差していてもバイアス磁界を印加できる。 The magnetic pole direction can be arranged parallel or twisted or intersecting with respect to the magnetic sensing direction of the magnetic sensing element 42. In the embodiments described above, they are arranged so as to be parallel for simplicity, but a bias magnetic field can be applied even if they intersect as shown in FIG.
また、ねじれの位置に配置することにより、実装段階で感磁素子４２に対する磁極方向の角度を調整してバイアス磁界強度を仕様の値に調整することが可能になるため、個体差の少ない安定した低バイアス磁界の印加が可能になる。 In addition, by arranging at the twisted position, it becomes possible to adjust the bias magnetic field strength to the specified value by adjusting the angle of the magnetic pole direction with respect to the magnetosensitive element 42 at the mounting stage, and thus stable with little individual difference. A low bias magnetic field can be applied.
本発明に基づく磁気検出装置から出力信号を取り出すのにあたり、図１４に示すような各種のブリッジ回路を用いることができる。 In extracting an output signal from the magnetic detection device according to the present invention, various bridge circuits as shown in FIG. 14 can be used.
（Ａ）は１つの感磁素子４２（磁気検出素子）とその他３つの固定抵抗Ｒ１〜Ｒ３によりブリッジ回路を構成したものである。この回路によれば、出力信号の小さな低磁界を測定する場合に、感磁素子の温度などに起因する熱ノイズやドリフトの影響が生じるという問題がある。 (A) shows a bridge circuit constituted by one magnetosensitive element 42 (magnetic detection element) and three other fixed resistors R1 to R3. According to this circuit, when measuring a low magnetic field with a small output signal, there is a problem that thermal noise and drift are caused by the temperature of the magnetosensitive element.
（Ｂ）は同一方向に配置それた測定用の感磁素子４２ａと参照用の感磁素子４２ｂとその他２つの固定抵抗Ｒ１、Ｒ２によりブリッジ回路を構成したものである。この回路によれば、２つの感磁素子４２ａ、４２ｂを共にブリッジ回路の電源側もしくはグラウンド端子側に接続することにより、感磁素子４２の温度などに起因する熱ノイズやドリフトの影響についてはキャンセルできるが、参照用の感磁素子４２ｂに対して低感磁化もしくは磁気シールドを行う必要がある。また、感磁素子４２を２個使用しているにも拘わらず、測定感度は１個の感磁素子４２を使用した時と同じである。 (B) shows a bridge circuit constituted by a measuring magnetosensitive element 42a, a reference magnetosensitive element 42b arranged in the same direction, and two other fixed resistors R1 and R2. According to this circuit, the influence of thermal noise and drift due to the temperature of the magnetosensitive element 42 is canceled by connecting the two magnetosensitive elements 42a and 42b to the power supply side or the ground terminal side of the bridge circuit. However, it is necessary to perform low-sensitivity magnetization or magnetic shielding on the reference magnetosensitive element 42b. Further, the measurement sensitivity is the same as when one magnetosensitive element 42 is used even though two magnetosensitive elements 42 are used.
（Ｃ）は同一方向に配置された２つの感磁素子４２ａ、４２ｂをブリッジ回路の対辺に配置し、その他２つの固定抵抗Ｒ１、Ｒ２によりブリッジ回路を構成したものである。この回路によれば、２つの感磁素子４２ａ、４２ｂに同方向のバイアス磁界を印加すれば、感度を約２倍にすることが可能になるが、感磁素子４２ａ、４２ｂの温度などに起因する熱ノイズやドリフトの影響も約２倍となり、環境変動に対して弱くなってしまう。 (C) is one in which two magnetosensitive elements 42a and 42b arranged in the same direction are arranged on opposite sides of the bridge circuit, and the other two fixed resistors R1 and R2 constitute a bridge circuit. According to this circuit, if a bias magnetic field in the same direction is applied to the two magnetosensitive elements 42a and 42b, the sensitivity can be approximately doubled, but this is caused by the temperature of the magnetosensitive elements 42a and 42b. The effect of thermal noise and drift is about twice, and it becomes weak against environmental fluctuations.
そこで、本発明では、（Ｄ）に示すように、同一方向に配置された２つの感磁素子４２ａ、４２ｂを共にブリッジ回路の電源側もしくはグラウンド端子側に配置し、その他２つの固定抵抗Ｒ１、Ｒ２によりブリッジ回路を構成するとともに、各感磁素子４２ａ、４２ｂに対するバイアス磁界印加方向が互いに逆方向となるように磁気検出装置内の第１および第２のバルク磁石４６ａ、４６ｂの磁極方向を互いに逆方向に配置している。 Therefore, in the present invention, as shown in (D), two magnetosensitive elements 42a and 42b arranged in the same direction are both arranged on the power supply side or ground terminal side of the bridge circuit, and the other two fixed resistors R1, A bridge circuit is formed by R2, and the magnetic pole directions of the first and second bulk magnets 46a and 46b in the magnetic detection device are set so that the bias magnetic field application directions to the magnetic sensitive elements 42a and 42b are opposite to each other. Arranged in the opposite direction.
（Ｄ）に示すように構成することにより、感磁素子４２ａ、４２ｂの温度などに起因する熱ノイズやドリフトの影響をキャンセルできるとともに、ブリッジ回路の出力を約２倍に増大することができ、ＳＮＲを改善できる。 By configuring as shown in (D), it is possible to cancel the influence of thermal noise and drift due to the temperature of the magnetosensitive elements 42a, 42b, etc., and to increase the output of the bridge circuit by about twice, SNR can be improved.
図１５および図１６は図１４（Ｄ）のブリッジ回路を適用するのに好適な磁気検出装置の具体例を示す構成説明図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図１６は図１５の構成に非磁性スペーサ４７を追加したものであり、ここでは図１５の構成について説明する。 FIG. 15 and FIG. 16 are configuration explanatory views showing a specific example of a magnetic detection device suitable for applying the bridge circuit of FIG. 14D, and the same reference numerals are given to the parts common to FIG. . FIG. 16 is obtained by adding a nonmagnetic spacer 47 to the configuration of FIG. 15, and here, the configuration of FIG. 15 will be described.
図１５において、共通の基板４１の上面には２つの感磁素子４２ａ、４２ｂが同一の感磁方向となるように平行に配置されていて、その両端にはそれぞれ配線パッド４３ａ、４４ａ、４３ｂ、４４ｂが設けられている。他方の面（下面）にはコの字形に成形された軟磁性構造体４５の連結部４５ａが固着されている。そして、軟磁性構造体４５の開口部４５ｂには、バルク磁石４６ａ、４６ｂの両磁極面の一部が嵌め合わされている。これら嵌め合わされたバルク磁石４６ａ、４６ｂは、それぞれの磁極方向が感磁方向に対して平行で、２つの感磁素子４２ａ、４２ｂに対するバイアス磁界印加方向が互いに逆方向となるような位置関係に設定されている。 In FIG. 15, two magnetosensitive elements 42a, 42b are arranged in parallel on the upper surface of a common substrate 41 so as to have the same magnetosensitive direction, and wiring pads 43a, 44a, 43b, 44b is provided. A connecting portion 45a of a soft magnetic structure 45 formed in a U-shape is fixed to the other surface (lower surface). A part of both magnetic pole surfaces of the bulk magnets 46 a and 46 b are fitted into the opening 45 b of the soft magnetic structure 45. The fitted bulk magnets 46a and 46b are set in a positional relationship such that the magnetic pole directions are parallel to the magnetic sensing direction and the bias magnetic field application directions to the two magnetic sensing elements 42a and 42b are opposite to each other. Has been.
図１７および図１８は厚さ０．５ｍｍの共通の基板上に設けられた２つの感磁素子に対するバイアス磁界の測定例図であって、図１７は非磁性スペーサが無い場合の特性例を示し、図１８は非磁性スペーサが有る場合の特性例を示している。これらの測定にあたっては、高さｘ＝０．８ｍｍ、幅ｙ＝１．０ｍｍの軟磁性構造体とバルク磁石を用い、バイアス磁界印加方向が互いに逆方向になるようにバルク磁石の磁極方向を互いに逆方向に配置した。なお、感磁素子としてナノグラニュラ膜と軟磁性薄膜からなるトンネル磁気抵抗素子を用い、非磁性スペーサとして厚さ０．５ｍｍの石英板を用いた。 FIGS. 17 and 18 are measurement examples of bias magnetic fields for two magnetosensitive elements provided on a common substrate having a thickness of 0.5 mm. FIG. 17 shows an example of characteristics when there is no nonmagnetic spacer. FIG. 18 shows an example of characteristics when a nonmagnetic spacer is provided. In these measurements, a soft magnetic structure having a height x = 0.8 mm and a width y = 1.0 mm and a bulk magnet are used, and the magnetic pole directions of the bulk magnets are set so that the bias magnetic field application directions are opposite to each other. Arranged in the opposite direction. A tunnel magnetoresistive element composed of a nanogranular film and a soft magnetic thin film was used as the magnetosensitive element, and a quartz plate having a thickness of 0.5 mm was used as the nonmagnetic spacer.
図１７において、特性Ａは感磁方向に対して逆方向のバイアス磁界を示し、特性Ｂは感磁方向に対して順方向のバイアス磁界を示している。非磁性スペーサが無い場合では、感磁素子にそれぞれ±4.18Ｏｅのバイアス磁界が印加されていた。 In FIG. 17, characteristic A shows a bias magnetic field in the reverse direction with respect to the magnetic sensitive direction, and characteristic B shows a bias magnetic field in the forward direction with respect to the magnetic sensitive direction. When there was no nonmagnetic spacer, a bias magnetic field of ± 4.18 Oe was applied to each magnetosensitive element.
図１８において、特性Ａは感磁素子単体のバイアス磁界を示し、特性Ｂは感磁素子とバルク磁石と軟磁性構造体を組み合わせた場合のバイアス磁界を示し、特性Ｃは感磁素子とバルク磁石と軟磁性構造体と非磁性スペーサを組み合わせた場合のバイアス磁界を示している。非磁性スペーサが有る場合では、感磁素子にそれぞれ±１．０４Ｏｅのバイアス磁界が印加されていた。非磁性スペーサにより、感磁素子との距離が離れるためバイアス磁界は小さくなるが、それぞれの感磁素子に対して互いに逆方向となるようなバイアス磁界を印加することが可能であることが分かる。 In FIG. 18, characteristic A shows the bias magnetic field of the magnetic sensitive element alone, characteristic B shows the bias magnetic field when the magnetic sensitive element, the bulk magnet, and the soft magnetic structure are combined, and characteristic C shows the magnetic sensitive element and the bulk magnet. 2 shows a bias magnetic field when a soft magnetic structure and a nonmagnetic spacer are combined. In the case where there is a nonmagnetic spacer, a bias magnetic field of ± 1.04 Oe was applied to the magnetosensitive elements. It can be seen that the nonmagnetic spacer reduces the bias magnetic field because the distance from the magnetic sensitive element is increased, but it is possible to apply bias magnetic fields in opposite directions to each magnetic sensitive element.
また、図１８に示すように、非磁性スペーサを用いた場合は、計測対象となる磁束のほとんどが感磁素子を通過するため、本来の計測対象磁界による抵抗変化率と同等である。 したがって、本発明の構成を用いれば、計測対象磁界の一部が軟磁性構造体へ迂回することは無く、出力信号の劣化の無い安定した磁界計測が可能となる。 As shown in FIG. 18, when a nonmagnetic spacer is used, most of the magnetic flux to be measured passes through the magnetosensitive element, which is equivalent to the resistance change rate due to the original magnetic field to be measured. Therefore, when the configuration of the present invention is used, a part of the magnetic field to be measured does not bypass the soft magnetic structure, and stable magnetic field measurement without deterioration of the output signal is possible.
図１９は、本発明に基づく磁気検出装置を用いた異物検出システムの具体例を示すブロック図であり、リチウムイオン二次電池の電極やセパレータなどとして用いられるシート材における金属異物の混入有無を検出するものである。 FIG. 19 is a block diagram showing a specific example of a foreign matter detection system using a magnetic detection device according to the present invention, which detects the presence or absence of metal foreign matter in a sheet material used as an electrode or separator of a lithium ion secondary battery. To do.
図１９（Ａ）において、交流電流源５１でコイル５２を交流駆動し、検査対象物であるシート材５３に対して交流磁界を印加する。シート材５３に金属異物５４が混入していると、金属異物５４の内部に渦電流が発生し、この渦電流による微小磁界が発生する。本発明に基づく磁気検出装置５５は、この渦電流に基づいて発生する微小磁界を、ブリッジ回路５６を介して（Ｂ）に示すような出力電圧Ｖｏｕｔとして検出する。 In FIG. 19A, the coil 52 is AC driven by the AC current source 51, and an AC magnetic field is applied to the sheet material 53 that is the inspection object. When the metal foreign material 54 is mixed in the sheet material 53, an eddy current is generated inside the metal foreign material 54, and a minute magnetic field is generated by the eddy current. The magnetic detection device 55 according to the present invention detects a minute magnetic field generated based on this eddy current as an output voltage Vout as shown in FIG.
以上説明したように、本発明によれば、比較的小型で、低消費電力で、高いＳＮＲ（信号対雑音比）を保ちながら環境変動に対して安定した磁気測定出力信号が得られる磁気検出装置を実現することができ、たとえばシート材における金属異物の混入有無を検出する異物検出システムのセンサとして好適である。 As described above, according to the present invention, a magnetic detection device that can obtain a magnetic measurement output signal that is relatively small, has low power consumption, and is stable against environmental fluctuations while maintaining a high SNR (signal to noise ratio). For example, it is suitable as a sensor of a foreign matter detection system that detects the presence or absence of metal foreign matter in a sheet material.
４１ 基板
４２ 感磁素子
４３、４４ 配線パッド
４５ 軟磁性構造体
４６ バルク磁石
４７ 非磁性スペーサ
41 Substrate 42 Magnetosensitive element 43, 44 Wiring pad 45 Soft magnetic structure 46 Bulk magnet 47 Nonmagnetic spacer
Claims (3)
この基板の一方の面に設けられた感磁素子と、
前記基板の他方の面に設けられ前記感磁素子に対してバイアス磁界を印加するバルク磁石と、
このバルク磁石の磁極の少なくとも一部を覆うように形成された軟磁性構造体とで構成され、
前記感磁素子は、印加磁界に対する出力特性が線対称となる特性を有し、
前記感磁素子と前記軟磁性構造体との間に、非磁性材料よりなるスペーサを有することを特徴とする磁気検出装置。 A substrate made of a non-magnetic material;
A magnetosensitive element provided on one surface of the substrate;
A bulk magnet that is provided on the other surface of the substrate and applies a bias magnetic field to the magnetosensitive element;
A soft magnetic structure formed so as to cover at least a part of the magnetic poles of the bulk magnet ,
The magnetosensitive element has a characteristic that the output characteristic with respect to the applied magnetic field is line symmetric,
A magnetic detection device comprising a spacer made of a nonmagnetic material between the magnetic sensitive element and the soft magnetic structure .
前記バルク磁石として２個のバルク磁石が前記２個の感磁素子へのバイアス磁界印加方向が互いに逆方向となるように磁極方向が互いに逆方向に配置された磁気検出ブリッジ回路として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置 Two magnetic sensitive elements are arranged in parallel so as to have the same magnetic sensitive direction as the magnetic sensitive element,
As the bulk magnet, two bulk magnets are configured as a magnetic detection bridge circuit in which magnetic pole directions are arranged in opposite directions so that bias magnetic field application directions to the two magnetosensitive elements are opposite to each other. The magnetic detection device according to claim 1.
磁束の流れる磁路部分の断面が局所的に小さく形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の磁気検出装置。 The soft magnetic structure is
3. The magnetic detection device according to claim 1, wherein a cross section of a magnetic path portion through which the magnetic flux flows is locally small .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013019410A JP6132085B2 (en) | 2013-02-04 | 2013-02-04 | Magnetic detector |
Applications Claiming Priority (1)
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