JP7002739B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサに関するものであり、特に磁気材料における磁気モーメントの変化に基づいて磁気を検出する磁気検出装置に関する。

例えばピコテスラやナノテスラのような次元での高感度の磁気の計測を行うための磁気計測装置に関する研究が広く行われており、例えば、超伝導量子干渉素子（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｖｉｃｅ；ＳＱＵＩＤ）や磁気インピーダンスセンサ（ＭＩセンサ）を用いた磁気計測装置が提案されている。

たとえば、ＭＩセンサを用いた磁気センサは、たとえば特許文献１に示すように、ＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏｉｍｐｅｄａｎｃｅ）素子に交流電流を通電することにより、表皮効果によりＭＩ素子のインピーダンスが通電した交流電流の周波数に依存して変化する現象を利用するセンサであり、センサを小型化できる、あるいは、精度のよい計測を行うことができるという利点がある。

ところで、ＭＩセンサにおいては、表皮効果を生じさせるためにＭＩ素子に交流電流を通電する必要がある。ＭＩ素子には、磁気異方性アモルファスワイヤになどが好適に用いられるが、このアモルファスワイヤの有する電気抵抗により、大電流を通電するのが困難となる場合があった。

特開２００３－００４８３０号公報

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、磁性材料を用い、より簡易な構成を可能にする一方で精度のよい計測を可能にする磁気センサを提供することにある。

本願の発明者らは、磁性材料を膜状に形成させる際に、その膜を形成する対象物に電流を印加させることで磁気モーメントの配向を制御しつつ電着をすることが可能であること、また、かかる電着電流の向きを切り換えて電着を行うことで、異なった磁気モーメントの配向を有する電着層を設けること、さらに、それら異なった磁気モーメントの配向を有する複数の電着層を重ねることで全体として磁気異方性を有すること、を見いだした。本発明はかかる知見に基づいて成されたものである。

すなわち、前記目的を達成するための本発明の要旨とするところは、（ａ）磁性材料部と、該磁性材料部に時間的に変化する印加磁界を加える励磁部と、前記磁性材料部が発生する磁界を検出する磁気検出部と、を備え、前記磁性材料部の磁気モーメントが前記印加磁界の印加されていない状態と前記印加磁界によって磁化させられた状態との間で変化することによって生ずる検出磁界を前記磁気検出部が検出することによって、磁界を計測する磁気センサであって、（ｂ）前記励磁部は、長手状に形成された導電材料を含んで構成され、（ｃ）前記磁性材料部は、複数の層からなる軟磁性膜を含み、前記複数の層の一つは該導電材料の外周側面全体に密着して設けられるとともに、前記複数の層は相互に密着して設けられ、（ｄ）前記磁性材料部の磁気モーメントは、前記導電材料の長手方向に直交する該導電材料の周方向に配向されたものであり、（ｅ）前記複数の層からなる軟磁性膜のそれぞれの層における磁気モーメントは、前記導電材料の長手方向に直交する一の方向もしくは該一の方向と逆方向に配向されており、（ｆ）前記磁性材料部は、磁気モーメントが前記一の方向に配向された第１層と、磁気モーメントが前記一の方向とは逆方向に配向された第２層とを少なくとも一層ずつ有するとともに、（ｇ）前記磁性材料部は、相互に反対向きの磁気モーメントが略等量に分布していること、を特徴とする。

第１の発明に係る磁気センサによれば、前記磁性材料部の磁気モーメントが前記印加磁界の印加されていない状態と前記印加磁界によって磁化させられた状態との間で変化することによって生ずる検出磁界を前記磁気検出部が検出することによって、磁界を計測するものであるところ、前記磁性材料部は、複数の層からなる軟磁性膜を含み、前記複数の層の一つは該導電材料の外周側面全体に密着して設けられるとともに、前記複数の層は相互に密着して設けられるので、前記導電材料に電流を流すことにより前記軟磁性膜に磁界を印加させることができる。また、前記磁性材料部の磁気モーメントは、前記導電材料の長手方向に直交する該導電材料の周方向に配向されたものであり、前記複数の層からなる軟磁性膜のそれぞれの層における磁気モーメントは、前記導電材料の長手方向に直交する一の方向もしくは該一の方向と逆方向に配向されており、前記磁性材料部は、磁気モーメントが前記一の方向に配向された第１層と、磁気モーメントが前記一の方向とは逆方向に配向された第２層とを少なくとも一層ずつ有するとともに、相互に反対向きの磁気モーメントが略等量に分布しているので、磁気センサにより測定しようとする外部磁界に対するセンサ出力の線形性を良好なものとすることができる。

また好適には、（ａ）前記磁気検出部はソレノイドコイルであり、（ｂ）該ソレノイドコイルは、その円筒状の空間内に前記磁性材料部が設けられた前記導電材料を該ソレノイドコイルの長手方向と該導電材料の長手方向とが一致した状態で収容するように配置され、（ｃ）該ソレノイドコイルの両端に発生する起電力に基づいて磁気検出を行うものである。このようにすれば、前記磁性材料部における磁気モーメントの状態の変化を前記ソレノイドコイルにより精度よく検出することができる。

また好適には、前記磁性材料部は、その組成に鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）を含むものである。このようにすれば、磁性を有する材料を良好に導電材料の表面に電着することができる。

また好適には、前記磁性材料部は、鉄（Ｆｅ）を１５～２５％の割合で含むものである。このようにすれば、前記磁性材料部を透磁率のよいものとすることができる。

また好適には、外部磁界の大きさが－５０［μＴ］以上、５０［μＴ］以下の範囲内において、前記励磁部による励磁電流の周波数が１００［ＭＨｚ］以下である場合において、前記導電材料のインピーダンス変化量が５％以下である。このようにすれば、測定しようとする外部磁界の範囲において導電材料のインピーダンスの変化量がきわめて小さいので、安定した磁気計測ができる。

また好適には、前記磁気センサ用の磁性材料部は、（ａ）長手状の導電材料の外周側面全体に磁性材料を形成させて得られるものであって、（ｂ）該導電材料の長手方向の一の向きに形成電流を流し、磁性材料を形成させる第１の形成工程と、（ｃ）該導電材料の長手方向の該一の向きとは逆向きに形成電流を流し、磁性材料を形成させる第２の形成工程と、を含み、（ｄ）前記第１の形成工程において流される形成電流の総量と前記第２の形成工程において流される形成電流の総量とが略等しいこと、を特徴とする。このようにすれば、第１の形成工程と第２の形成工程とのそれぞれにおいて、磁気モーメントが相互に逆向きに配向された磁性材料の層を形成することができるとともに、前記第１の形成工程において流される形成電流の総量と前記第２の形成工程において流される形成電流の総量とが略等しいので、磁性材料部全体として磁気異方性を誘導することができる。

また好適には、前記形成電流は、めっきカソードとしての前記導電材料とメッキアノードとの間に電位差を生じさせるためのめっき電流と、前記磁性材料における磁気モーメントを整列させるためのバイアス電流とを含むものである。このようにすれば、めっき電流とバイアス電流との両方により磁気モーメントを配向しつつめっきにより磁性材料部を形成することができる。

本発明の磁気センサの一実施例における構成を説明する図である。 図１の磁気センサにおけるプローブ部の基本構成を説明する図である。 図２のプローブ部における、軟磁性膜が構成された導体部の一例を説明する図である。 図３の軟磁性膜を形成するめっき加工の概要を説明する図である。 軟磁性膜を生成するための工程を説明するフローチャートである。 本実施例の磁気センサの動作原理を説明する図であって、軟磁性膜における磁化の変化を説明する図である。 本実施例の軟磁性膜４４が形成された導体部４２のインピーダンス特性を示した図である。 比較対象であるアモルファスワイヤのインピーダンス特性を、図７の実験例と同一の条件で測定した結果である。 本実施例の導体部と比較例であるアモルファスワイヤとについて、外部磁界を異ならせた場合のインピーダンスの変化量を、印加した電流の周波数ごとに示した図である。 本実施例の導体部と比較例であるアモルファスワイヤとについて、図９とは異なる範囲で外部磁界を異ならせた場合のインピーダンスの変化量を、印加した電流の周波数ごとに示した図である。 本実施例の軟磁性膜４４を備えた導体部４２を製造する別の態様を説明する図である。図４に対応する図である。

以下、本発明の一実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の磁気センサ１０の概要を説明する図である。磁気センサ装置１０は磁気を検出するためのプローブ部１２とそのプローブ部１２を駆動するための回路部１４とを含んで構成されている。磁気センサ装置１０は本発明の磁気センサに相当する。プローブ部１２の構成は後述する。

回路部１４は、後述するプローブ部１２の導体部４２に電流を供給するために設けられたクロック部２０、電流供給部２２を含んで構成されている。クロック部２０は例えばＣＭＯＳ ＩＣなどであり、所定の間隔でパルス信号を出力する。電流供給部２２は該クロック部２０から出力されるクロック信号に同期させて、図示しない電源から供給される電源電圧に基づいて、周期的に変化する電流Ｉｅをプローブ部１２の導体部４２に供給する。周期的に変化する電流Ｉｅとは、例えば正弦波やパルス状に変化する方形波である。この電流Ｉｅが本発明の時間的に反転する励磁電流に相当し、所定の周期で変化する電流である。なお、この所定の周期は固定値であってもよいし、可変なものとされてもよい。

また、回路部１４は、後述するプローブ部１２のコイル５０の誘導起電力Ｅｏｕｔを検出するために設けられたサンプルホールド回路２４、フィルタ３０、アンプ３２を有している。サンプルホールド回路２４は、コイル５０の起電力Ｅｃｏｉｌの振幅のピーク（ピーク値）を検出する。なお、前記クロック部２０からは、これらサンプルホールド回路２４にトリガ信号が供給されるようになっており、サンプルホールド回路２４におけるピーク値の検出はこのトリガ信号に同期して所定の位相ごとに行われる。フィルタ３０はコイル５０の出力Ｅｃｏｉｌから高周波成分および低周波成分を除去（ハイカットおよびローカット）し、所望の周波数成分のみを取り出す。アンプ３２は、フィルタ３０の出力信号を、所定のオフセット電圧Ｏｆｆｓｅｔにより例えば１０００倍程度に増幅を行う。このようにして出力された信号Ｅｏｕｔが、図示しないモニタなどの表示装置に表示されたり、記録装置に記録されたり、他の装置に送信されるようになっている。なお、図示しないが、フィルタ３０の他に、あるいはフィルタ３０に代えて、アンプ３２の出力信号に対して、所望の周波数成分のみを取り出すフィルタを設けるようにしてもよい。本実施例における回路部１４のうちサンプルホールド回路２４、フィルタ３０、アンプ３２が、後述するコイル５０とともに磁気検出部を構成する。

図２はプローブ部１２の基本構成を概念的に説明する図である。プローブ部１２は、長手状の導体である導体部４２とコイル５０とを含んで構成されている。導体部４２は本発明の導電材料に相当するもので、略円柱や角柱などの長手形状を有しており（図２の例においては導体部４２は円柱形状とされている）、その両端面に導線２６が接続されている。導線２６により前述の電流供給部２２と電気的に接続されることで、電流Ｉｅを導体部４２の両端間に流すことができる。導体部４２はたとえば銅やニッケルなどの電気伝導性のよい物質から選択されうるが、後述するように、導体部４２には軟磁性膜４４がめっきにより電着されるため、めっきが着きやすい物質が好ましい。また好適には、導体部４２は、軟磁性膜４４に比べて電気抵抗率の小さい導電材料である。このようにすることで、外部磁場に対するインピーダンスの変化が小さくなるため、外部磁場によらず安定して励磁電流を流すことができる。また、導電体４２は、たとえば直径が１０～５００［μｍ］、好適には３０～１００［μｍ］の円柱状のワイヤとされる。直径が細すぎると強度が小さくなって取り扱いが難しくなる一方、太すぎると後述する印加磁界Ｂｅを生ずるための電流Ｉｅとして大きい電流を必要とすることとなるためである。

コイル５０は、長手円筒形状を有するいわゆるソレノイドコイルである。コイル５０の円筒内部に前記導体部４２が略同心となるように配設されている。図２の例においては、コイル５０の長手方向の長さと導体部４２の長手方向の長さとが略同一とされているが、これに限定されず、後述する導体部４２に設けられた軟磁性膜４４が生ずる磁界の変化を十分に検出可能なものであれば、コイル５０の長手方向の長さは導体部４２の長手方向の長さに比べて長くても短くてもよい。コイル５０の一端は接地されており、他端は導線２８により前述の回路部１４、具体的にはそのサンプルホールド回路２４に接続されており、コイル５０の起電力Ｅｃｏｉｌの値が検出可能とされている。

導体部４２の表面のうち、円筒形状となる側面においては、複数の層からなる軟磁性膜４４が設けられている。図３はこの軟磁性膜４４の構成された導体部４２の一例を説明する図である。なお、図３においてはコイル５０は省略されている。図３の例においては、軟磁性膜４４として、第１層４４ａと第２層４４ｂとの２つの層が設けられている。この軟磁性膜４４が本発明の軟磁性膜および磁性材料部に相当する。本実施例においては、これら第１層４４ａおよび第２層４４ｂはそれぞれ、めっき加工により形成、すなわち電着された磁性材料である。軟磁性膜４４は磁性体であり、具体的にはたとえば、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）を含んで構成される。具体的には鉄の含有量が１５～２５（重量％）とされ、より好適には１８～２２（重量％）とされる。このようにすれば、磁性膜４４の透磁率を高いものとすることができ、磁気センサ１０の感度を高めることができる。また、磁性膜４４の厚さはたとえば１～５０［μｍ］であり、また好適には１～１５［μｍ］とされる。このようにすることで磁気センサ１０の感度が向上することが実験的に得られている。なお、第１層４４ａと第２層４４ｂとは、それぞれは同じ組成とされる。

図４は、軟磁性膜４４としての第１層４４ａおよび第２層４４ｂを形成するためのいわゆるめっき加工の概要を説明する図である。めっき槽５８において、導体部４２とめっき材料５２とがめっき液に浸されている。めっき材料５２は前述のとおり鉄およびニッケルを含む金属であり、めっき工程においてめっきアノードとして作用する。このめっき材料５２は、前述のとおり軟磁性膜４４における組成が所望のものとなるように、たとえば、軟磁性膜における組成と同じ比率となるように金属を組み合わせて用いられる。

導体部４２の両端は、それぞれ導線６０および６１により、スイッチ５６の端子ａおよび５６ｂに電気的に接続されている。図４の例に示すように、スイッチ５６がめっき電源５４と端子５６ａとを接続すると、図中Ｉｐで示すようにめっき電流が流れることとなる。これによりめっきアノード５２を形成する金属が酸化されてイオン化してめっき液に溶け出る。溶け出た金属イオンは導体部４２の表面で還元されて薄膜状の金属となり、導体部４２はめっきアノード５２を構成する金属、すなわち、鉄およびニッケルを含む金属によりめっきされた状態となる。

ここで、導体部４２には、その長手方向に、図４に示すようにめっき電流Ｉｐが流れるので、長手形状の導体部４２を回り込む方向の磁界Ｂｐが発生することとなる。そのため、めっき液中の金属イオンが導体部４２の表面において還元されて固定される際に、その磁化方向が磁界Ｂｐの影響を受けることとなる。具体的には、金属イオンの磁化方向（磁気モーメントの方向）が磁界Ｂｐの向きに揃った状態（配向された状態）でめっきが構成される。これが第１めっき工程であり、本発明の第１の形成工程に対応し、めっき電流Ｉｐが形成電流に対応する。

一方、スイッチ５６を、めっき電源５４と端子５６ｂとを接続する状態に切り換えると、この場合のめっき電流Ｉｐ’は、めっき電源５４からめっきアノード５２、導体部４２、導線６１、スイッチ５６の順で流れることとなる。この場合、導体部４２についていえば、めっき電流Ｉｐ’が流れる向きは前述のスイッチ５６がめっき電源５４と端子５６ａとを接続する状態におけるめっき電流Ｉｐとは逆の向きとなる。したがって、めっき電流Ｉｐ’に起因する磁界Ｂｐ’の向きも、図４に破線矢印で示すようになり、前述の磁界Ｂｐの向きとは円柱状の導体部４２の周方向の逆向きとなる。このようにしておこなわれためっき工程を第２めっき工程とすれば、第２めっき工程によって得られるめっき層の磁化方向は、第１めっき工程とは導体部４２の周方向において逆向き、すなわち１８０度異なる方向となる。この第２めっき工程が、本発明の第２の形成工程に対応する。

なお、上記第１めっき工程および第２めっき工程におけるめっき電流Ｉｐの大きさは、めっき加工のために十分な大きさであり、かつ、金属イオンをその磁化が所望の方向に配向されるのに十分な磁界Ｂｐを生ずるのに十分な大きさとなるように定められる。

上述のとおり、第１層４４ａに含まれる磁化のそれぞれと第２層４４ｂに含まれる磁化のそれぞれとは、相互に導体部４２の周方向の逆向きとされているが、好適には、第１層４４ａに含まれる磁化の量と、第２層４４ｂに含まれる磁化の量とが略等しくなるようにされる。具体的には、第１めっき工程を実行する時間におけるめっき電流Ｉｐの積算量（単位はクーロン（＝アンペア秒））と、第２めっき工程を実行する時間におけるめっき電流Ｉｐ’の積算量とが等しくなるようにする。これにより軟磁性膜４４は磁気異方性を有したものとなる。

図５は、軟磁性膜４４を生成するための工程を説明するフローチャートである。ステップＳ１０（以下「ステップ」を省略する）においては、めっき槽５８にめっきカソードとしての導体部４２とめっきアノードとしてのめっき材料５２とが配置され、図４に示すように電気的に配線がなされる。

Ｓ２０においては、第１めっき工程が実行される。たとえば図４に示すように、スイッチ５６を端子５６ａ側とすることで、めっき電流Ｉｐを導体部４２に流すことで第１めっき工程が実行され、第１層４４ａが形成される。第１めっき工程の実行時間は、前述のように第１めっき工程を実行する時間におけるめっき電流Ｉｐの積算量を考慮して定められる。所定の実行時間が経過すると、第１めっき工程が終了させられる。

Ｓ３０においては、続いて第２めっき工程が実行されるか否かが判断される。第２めっき工程が実行される場合には、続いてＳ４０が実行され、実行されない場合には、本フローチャートは終了させられる。

Ｓ４０においては第２めっき工程が実行される。たとえば図４に破線で示すように、スイッチ５６を端子５６ｂ側とすることで、めっき電流Ｉｐ’を導体部４２に流すことで第２めっき工程が実行され、第２層４４ｂが形成される。第２めっき工程の実行時間は、第２めっき工程を実行する時間におけるめっき電流Ｉｐ’の積算量を考慮して定められる。所定の実行時間が経過すると、第２めっき工程が終了させられる。

Ｓ５０においては、再度第１めっき工程が実行されるか否かが判断される。第１めっき工程が実行される場合には、Ｓ２０が再び実行され、実行されない場合には、本フローチャートは終了させられる。

このようにすることで、軟磁性膜４４における第１層４４ａと第２層４４ｂとを所望の厚さに設けることができ、また、所望の回数だけ繰り返し設けることができるので、それら第１層４４ａおよび第２層４４ｂにそれぞれ含まれる磁化の量を適宜調整しうる。

図６は、上述のようにして構成されるプローブ部１２を用いた磁気センサ１０の動作原理を説明する図であって、プローブ部１２の軟磁性膜４４における磁化（磁気モーメント）の変化の様子を説明する図である。なお、図６においては、軟磁性膜４４を構成する第１層４４ａおよび第２層４４ｂのそれぞれの磁化の状態を説明するため、プローブ部１２を切り欠いて表している。

図６（ａ）は、プローブ部１２に磁界が印加されていない状態の第１層４４ａおよび第２層４４ｂのそれぞれの磁化の状態を説明する図である。第１めっき工程および第２めっき工程によりそれぞれ形成された第１層４４ａおよび第２層４４ｂの磁化は、それぞれ導体部４２の円筒面の周方向、すなわち、導体部４２の長手方向に直交する方向であって、相互に反対の向きとなる方向とされている。

図６（ｂ）は、プローブ部１２に外部磁界Ｂｅｘが加えられた場合を説明する図である。図６（ｂ）に示すように外部磁界Ｂｅｘが加えられると、その外部磁界Ｂｅｘの影響を受けた状態となる。具体的には、図６（ｂ）に示すように、図における左向きに外部磁界Ｂｅｘが加えられると、第１層４４ａおよび第２層４４ｂのそれぞれの磁化は、図６（ａ）に示す磁界が印加されていない状態と比べて、それぞれ図の左方向に傾いた状態となる。この傾きの大きさは、外部磁界Ｂｅｘの大きさに依存する。なお、この外部磁界Ｂｅｘはたとえば、磁気センサ１０が測定しようとする測定対象が生ずる磁界に相当する。

図６（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ、プローブ部１２、特に軟磁性膜４４に印加磁界が印加された場合を説明する図である。本実施例においては、プローブ部１２の導体部４２に電流Ｉｅを流すことにより軟磁性膜４４に印加磁界Ｂｅを印加することができる。すなわち、図６（ｃ）においては図の右から左に向かって電流Ｉｅを流す例を示している。かかる電流Ｉｅにより同図に示すように印加磁界Ｂｅが印加される。この印加磁界Ｂｅは、前述の外部磁界Ｂｅｘに比べて、プローブ部１２に与える影響がより大きくなるようにされているので、外部磁界Ｂｅｘの存在の有無によらず、印加磁界Ｂｅが印加されると第１層４４ａおよび第２層４４ｂのそれぞれの磁化は、図６（ｃ）に示すように、印加磁界Ｂｅに揃う向きとされる。

図６（ｄ）は、図６（ｃ）とは逆の方向に電流Ｉｅを流した場合の例を説明する図である。電流Ｉｅが図６（ｃ）の場合と逆向きとなるので、印加磁界Ｂｅも導体部４２の周方向（長手方向を軸と見立てた場合のその軸回りの方向）に関して逆向きに発生しており、第１層４４ａおよび第２層４４ｂのそれぞれの磁化も、印加磁界Ｂｅに揃う向きとされ、図６（ｃ）に示す場合とは導体部４２の周方向に関して逆向きとなる。

ここで、電流Ｉｅは前述のとおり、電流供給部２２によって発生させられるものであり、周期的に変化させられる。たとえば電流Ｉｅが時間的に判定する正弦波である場合には、軟磁性膜４４における磁化は、外部磁界Ｂｅｘが存在しない場合には、図６（ａ）→図６（ｃ）→図６（ａ）→図６（ｄ）→図６（ａ）のように、また、外部磁界Ｂｅｘが存在する場合には、図６（ｂ）→図６（ｃ）→図６（ｂ）→図６（ｄ）→図６（ｂ）のように、それぞれ繰り返し変化することとなる。

このように軟磁性膜４４における磁化が印加磁界Ｂｅにより整列したり（図６（ｃ）、（ｄ））、解放されたり（図６（ａ）、（ｂ））を繰り返すことで、時間的に変化する微小な磁界を生ずることになる。そして、その微小な磁界の大きさは、解放された場合の磁化の状態によって、たとえば、解放された際の状態が図６（ａ）であるか図６（ｂ）であるか、あるいは、図６（ｂ）のように磁化が傾いた状態であっても、その傾きの程度などに応じて異なる。したがって、該時間的に変化する微小な磁界をコイル５０によってその起電力Ｅｃｏｉｌとして検出し、その起電力Ｅｃｏｉｌの大きさを評価することで、プローブ部１２における外部磁界Ｂｅｘの大きさを測定することが可能となる。

なお、導体部４２として銅のような非磁性の物質が用いられる場合、導体部４２に残留磁界が残ることがないので、プローブ部１２に印加される外部磁界Ｂｅｘに対するコイル５０の出力Ｅｃｏｉｌの関係がヒステリシスを生じにくいという利点がある。

また、前述のように、第１層４４ａに含まれる磁化の量と、第２層４４ｂに含まれる磁化の量とが略等しくされることにより、プローブ部１２に印加される外部磁界Ｂｅｘに対するコイル５０の出力Ｅｃｏｉｌの関係が、特に外部磁界Ｂｅｘの方向が異なる磁界に対しても、線形性（リニアリティ）の点において好ましい特性となる。

図７は、本実施例のプローブ部１２における、軟磁性膜４４が形成された導体部４２のインピーダンス特性を示した図である。図７には、プローブ部１２に印加される外部磁界Ｂｅｘの大きさに対する導体部４２のインピーダンスの大きさの関係を、導体部４２の両端に印加する電流Ｉｅの周波数を１～１００［ＭＨｚ］の範囲で異ならせて得られたものを、それぞれの周波数ごと示したものである。

図７に示すように、本実施例の導体部４２によれば、電流Ｉｅの周波数が１～１００［ＭＨｚ］の範囲内においては、導体部４２に印加される外部磁界Ｂｅｘの大きさが少なくとも－５０～５０［μＴ］の範囲で変化しても、導体部４２のインピーダンスの変化量は５％以下となっており、外部磁界Ｂｅｘの影響を受けにくいことがわかる。

図８は、上記図７に比較するための実験例であって、本実施例の導体部４２と比較対象となるアモルファス素材からなるワイヤ（以下、アモルファスワイヤという。）のインピーダンスを、図７の実験例と同一の条件で測定した結果を示している。すなわち、アモルファスワイヤに印加される外部磁界Ｂｅｘの大きさに対する、そのアモルファスワイヤのインピーダンスの大きさの関係を、アモルファスワイヤの両端に印加する電流Ｉｅの周波数を１～１００［ＭＨｚ］の範囲で異ならせて得られたものを、それぞれの周波数ごと示したものである。

図８に示すように、アモルファスワイヤを用いた場合には、電流Ｉｅの周波数が１～１００［ＭＨｚ］のいずれの周波数の場合においても、アモルファスワイヤに印加される外部磁界Ｂｅｘの大きさが－５０～５０［μＴ］の範囲で変化すると、アモルファスワイヤのインピーダンスが変化することがわかる。

図９は、図７の例、すなわち本実施例の導体部４２と、図８の例、すなわち比較例であるアモルファスワイヤとのそれぞれについて、外部磁界Ｂｅｘを－７８［μＴ］から＋７８［μＴ］まで変化させた場合のインピーダンスの変化量の変化割合、すなわち、当該変化量のうち最大値の、外部磁界Ｂｅｘが０［μＴ］である場合のインピーダンスの大きさに対する割合（％）を示した図である。図９（ａ）は印加した電流Ｉｅの周波数ごとに折れ線グラフにより示した図であり、図９（ｂ）は具体的な数値を示した表である。なお、外部磁界Ｂｅｘが負の値であることは外部磁界の向きが逆向きであることを示している。

図１０は、図９と同様にして、図７の例、すなわち本実施例の導体部４２と、図８の例、すなわち比較例であるアモルファスワイヤとのそれぞれについて、外部磁界Ｂｅｘを－５０［μＴ］から＋５０［μＴ］まで変化させた場合のインピーダンスの変化量の変化割合（％）を示した図である。図１０（ａ）は印加した電流Ｉｅの周波数ごとに折れ線グラフにより示した図であり、図１０（ｂ）は具体的な数値を示した表である。

図９および図１０に示すように、本実施例の導体部４２によれば、印加する電流Ｉｅの周波数によらず、外部磁界Ｂｅｘが－７８～７８［μＴ］、あるいは－５０～５０［μＴ］の範囲においてインピーダンスの変化量がほとんどない、すなわち、ほぼ一定のインピーダンスを保つ傾向がある。一方、比較対象のアモルファスワイヤは印加する電流Ｉｅの周波数によって外部磁界Ｂｅｘの大きさによってインピーダンスが大きく変動するものであり、特に低周波数であるほど顕著であることがわかる。

このように、本実施例の導体部４２は、印加する電流Ｉｅの周波数によらず、ほぼ一定のインピーダンスを保つ傾向が確認できる。より具体的には、外部磁界Ｂｅｘが－７８から７８［μＴ］の範囲で、あるいは－５０から５０［μＴ］の範囲で変化した場合のインピーダンスの変化量の割合は５％を超えることがないことがわかる。

ここで、図８で比較対象として用いたアモルファスワイヤは、ＭＩセンサ（磁気インピーダンスセンサ）におけるＭＩ素子として好適に用いられるものである。具体的には、ＭＩ素子としてのアモルファスワイヤの両端に高周波電流を通電し、その表皮効果によりアモルファスワイヤのインピーダンスが該高周波電流の周波数に依存して変化する現象を利用して磁気検出が行なわれる。

一方、本実施例の導体部４２について検討すると、図７乃至図９に示すように、印加する電流Ｉｅの周波数のそれぞれについて、導体部４２に影響する外部磁界Ｂｅｘの大きさによらず、導体部４２のインピーダンスの値が変動しないものであるので、本実施例の導体部４２を用いた磁気センサ１０は、前述のＭＩセンサとは全く異なる動作原理によって磁気検出を可能にしていることがわかる。

前述の実施例の磁気センサ１０によれば、磁気異方性を有する軟磁性膜４４と、軟磁性膜４４に時間的に反転する印加磁界Ｂｅを加える導体部４２と、軟磁性膜４４が発生する磁界を検出するコイル５０と、を備え、軟磁性膜４４の磁気モーメントが印加磁界Ｂｅの印加されていない状態と印加磁界Ｂｅによって磁化させられた状態との間で変化することによって生ずる検出磁界をコイル５０が検出するものであって、長手状に形成された導体部４２と導体部４２に時間的に反転する電流Ｉｅを印加する電流供給部２２とを含んで構成され、軟磁性膜４４は、導体部４２の表面に電着されたものであり、軟磁性膜４４の磁気モーメントは、導体部４２の長手方向に直交する導体部４２の周方向に配向されたものであり、相互に反対向きの磁気モーメントが略等量に分布しており、電流供給部２２は、導体部４２に時間的に反転する電流Ｉｅを印加することによって軟磁性膜４４に印加磁界Ｂｅを加えるものである。このようにすれば、軟磁性膜４４は、導体部４２の表面に電着されているので、電流供給部２２が導体部４２に電流Ｉｅを流すことにより軟磁性膜４４に磁界Ｂｅを発生させることができる。また、軟磁性膜４４の磁気モーメントは、導体部４２の長手方向に直交する導体部４２の周方向に配向されたものであり、相互に反対向きの磁気モーメントが略等量に分布しているので、磁気センサ１０により測定しようとする外部磁界Ｂｅｘに対するセンサ出力の線形性を良好なものとすることができる。また、また、電流供給部２２は、電気抵抗の少ない導体部４２に電流Ｉｅを印加するものであるので、大きな電流を流して印加磁界Ｂｅを生じさせることができる。

また前述の実施例の磁気センサ１０によれば、軟磁性膜４４は、複数の層からなり、個々の層における磁気モーメントは前記導電材料の長手方向に直交する一の方向もしくは該一の方向と逆方向に配向されており、磁気モーメントが前記一の方向に配向された第１層４４ａと、磁気モーメントが前記一の方向とは逆方向に配向された第２層４４ｂとを少なくとも一層ずつ有している。このようにすれば、磁気モーメントの方向がそれぞれ一定の方向に配向された第１層４４ａと第２層４４ｂとを個々に順次設けることにより、それら第１層４４ａと第２層４４ｂとの複数の層によって構成された軟磁性膜４４全体で磁気異方性を誘導することができる。

また前述の実施例の磁気センサ１０によれば、コイル５０はソレノイドコイル５０であり、ソレノイドコイル５０は、その円筒状の空間内に軟磁性膜４４が設けられた導体部４２をソレノイドコイル５０の長手方向と導体部４２の長手方向とが一致した状態で収容するように配置され、ソレノイドコイル５０の両端に発生する起電力Ｅｃｏｉｌに基づいて磁気検出を行うものであるので、軟磁性膜４４における磁気モーメントの状態の変化をソレノイドコイル５０により精度よく検出することができる。

また前述の実施例の磁気センサ１０によれば、軟磁性膜４４は、その組成に鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）を含むので、磁性を有する材料を良好に導電材料の表面に電着することができる。

また前述の実施例の磁気センサ１０によれば、軟磁性膜４４は、鉄（Ｆｅ）を１５～２５％の割合で含むので、軟磁性膜４４を透磁率のよいものとすることができる。

また前述の実施例の磁気センサ１０によれば、外部磁界Ｂｅｘの大きさが－５０［μＴ］以上、５０［μＴ］以下の範囲内において、電流供給部２２から導体部４２に印加される励磁電流Ｉｅの周波数が１００［ＭＨｚ］以下である場合において、軟磁性膜４４を形成した導体部４２のインピーダンス変化量が５％以下であるので、測定しようとする外部磁界の範囲において軟磁性膜４４を形成した導体部４２のインピーダンスの変化量がきわめて小さく、安定した磁気計測ができる。

また前述の実施例においては、磁気センサ１０用の軟磁性膜４４は、長手状の導体部４２の表面に磁性材料を電着させて得られるものであって、導体部４２の長手方向の一の向きにめっき電流Ｉｐを流し、磁性材料を電着させる第１めっき工程（Ｓ２０）と、導体部４２の長手方向の該一の向きとは逆向きにめっき電流Ｉｐ’を流し、磁性材料を電着させる第２めっき工程（Ｓ４０）と、を含み、前記第１めっき工程において流されるめっき電流Ｉｐの該第１めっき工程における時間積算値と、前記第２めっき工程において流されるめっき電流Ｉｐ’の該第２めっき工程における時間積算値とが略等しいものであるので、第１めっき工程と第２めっき工程とのそれぞれにおいて、磁気モーメントが相互に逆向きに配向された磁性材料の層をめっきにより設けることができるとともに、前記第１めっき工程において流されるめっき電流の時間積算値と前記第２めっき工程において流されるめっき電流の時間積算値とが略等しいので、それら磁性材料の層を複数有する軟磁性膜４４全体として磁気異方性を誘導することができる。

続いて、本発明の別の実施例について説明する。以下の説明において、実施例相互に共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図１１は、本実施例の磁気センサ装置１０におけるプローブ部１２を構成する、軟磁性膜４４を備えた導体部４２の別の製造装置を説明する図である。図１１は前述の実施例の図４に対応する。

図１１の装置においては、図４の装置に加え、バイアス回路６３が設けられている。バイアス回路６３は、バイアス電源６４、スイッチ６６および６７を含み、バイアス回路６３とめっきカソードとしての導体部４２とは導線６８および６９で電気的に接続されており、バイアス電源６４と導体部４２とを直列に接続することができるものとされている。また、スイッチ６６および６７を切り換えることにより、導体部４２の両端のうち、いずれをバイアス電源６４の高電位側とするかを選択することができるようにされている。言い換えれば、バイアス電流Ｉｂを導体部４２の両端間でいずれの向きで流すかを選択可能とされている。

図１１の例においては、図４の例と同様に、スイッチ５６が端子５６ａとめっき電源５４とを接続する、前述の第１めっき工程を実行する状態とされている。一方、図１１に示すバイアス回路６３においては、スイッチ６６は端子６６ａとバイアス電源６４の正極とを接続し、端子６６ａは導線６８を介してめっきカソードとしての導体部４２の右端部と接続されている。また、スイッチ６７は端子６７ａとバイアス電源６４の負極とを接続し、端子６７ａは導線６９を介して導体部４２の左端部と接続されている。このようにすることで、導体部４２の右端部から左端部に向けてバイアス電流Ｉｂが流れるようになっている。

ここで、バイアス電流Ｉｂの大きさは、めっき電流Ｉｐの大きさに比べて大きいものとされる。また、バイアス電流Ｉｂはめっきの電着に寄与しないものであるので、めっき電流Ｉｐの大きさはめっき処理を行うのに最小限のものとすることができるのに加え、金属イオンが導体部４２の表面にめっきされる際に、めっき電流Ｉｐとバイアス電流Ｉｂとの両方によりその磁化が揃えられるので、より磁気異方性を誘導しやすくなる。すなわち、本実施例においては、めっき電流Ｉｐとバイアス電流Ｉｂとを合わせたものが本発明の形成電流に相当する。

なお、図１１に示すバイアス回路６３において破線で示すように、、スイッチ６６を端子６６ｂとバイアス電源６４の正極とを接続し、スイッチ６７を端子６７ｂとバイアス電源６４の負極とを接続するように切り換えることにより、導線６９、６８を介して、導体部４２の左端部から右端部に向けて、すなわち、前記バイアス電流Ｉｂと逆向きにバイアス電流Ｉｂ’が流すことができる。前述の第２めっき工程を行う場合には、このようにバイアス電流Ｉｂ’を流すことにより、生成される第２層における磁化を、第１めっき工程により生成される第１層の磁化とは逆向きのものとすることができる。

本実施例によれば、めっきカソードとしての導電材料４２とメッキアノード５２との間に電位差を生じさせるためのめっき電流Ｉｐと、前記軟磁性膜４４における磁気モーメントを整列させるためのバイアス電流Ｉｂの両方により磁気モーメントを配向しつつ，めっきにより軟磁性膜４４を形成することができる。

その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。

例えば、前述の実施例では１つのプローブ部１２により磁気センサ１０が構成されたが、このような態様に限定されず、たとえば、２つのプローブ部１２を用い、それら２つのプローブ部１２の出力を差動させることによりグラジオセンサを構成する磁気センサとすることもできる。

また、前述の実施例においては、相互に磁化の向きが反対向きである第１層４４ａと第２層４４ｂとが１つづつ設けられたが、このような態様に限定されない。すなわち、各方向の磁化の量が略等しくなるように設けられる限り、第１層４４ａと第２層４４ｂとの層の数は限定されない。同様に第１層４４ａと第２層４４ｂとの厚さについても限定されない。

前述の実施例においては、電源供給部２２から導体部４２に供給される電流Ｉｅは時間的に変化する電流とされたが、この電流Ｉｅは、その絶対値が等しい所定の正値と負値との間を時間的に交互に反転するものであってもよいし、所定の正値と０とを時間的に反転するものであっても一定の効果を得ることができる。また、変化の態様も、反転、すなわち、方形波状に変化するものであってもよいし、正弦波状に変化するものであってもよい。

また、前述の実施例においては、導電材料の表面に形成される軟磁性膜４４の一態様として、軟磁性膜４４がめっき加工により設けられる例を説明したが、このような態様に限定されるものではない。すなわち、イオンプレーティングやスパッタリングにより蒸着された軟磁性膜４４であっても磁気異方性が誘導される。

また、前述の実施例においては、導体部４２として銅あるいはニッケルを用いるものとされたが、これは例示にすぎず、めっきなどにより軟磁性膜４４を電着可能な導体であれば、非金属の物質が用いられてもよい。たとえば炭素などが用いられることも可能である。

１０：磁気センサ装置（磁気センサ）
１４：回路部（励磁部・磁気検出部）
２２：電流供給部（電源装置）
４２：導体部（めっきカソード）
４４：軟磁性膜（磁性材料部）
４４ａ：第１層
４４ｂ：第２層
５０：コイル（磁気検出部）
５２：めっき材料（めっきアノード）
Ｂｅ：印加磁界
Ｉｐ：めっき電流（電着電流）
Ｉｂ：バイアス電流（電着電流）

Claims (7)

1. 磁性材料部と、
   該磁性材料部に時間的に変化する印加磁界を加える励磁部と、
   前記磁性材料部が発生する磁界を検出する磁気検出部と、を備え、
   前記磁性材料部の磁気モーメントが前記印加磁界の印加されていない状態と前記印加磁界によって磁化させられた状態との間で変化することによって生ずる検出磁界を前記磁気検出部が検出することによって、磁界を計測する磁気センサであって、
   前記励磁部は、長手状に形成された導電材料を含んで構成され、
   前記磁性材料部は、複数の層からなる軟磁性膜を含み、前記複数の層の一つは該導電材料の外周側面全体に密着して設けられるとともに、前記複数の層は相互に密着して設けられ、
   前記磁性材料部の磁気モーメントは、前記導電材料の長手方向に直交する該導電材料の周方向に配向されたものであり、
   前記複数の層からなる軟磁性膜のそれぞれの層における磁気モーメントは、前記導電材料の長手方向に直交する一の方向もしくは該一の方向と逆方向に配向されており、
   前記磁性材料部は、磁気モーメントが前記一の方向に配向された第１層と、磁気モーメントが前記一の方向とは逆方向に配向された第２層とを少なくとも一層ずつ有するとともに、
   前記磁性材料部は、相互に反対向きの磁気モーメントが略等量に分布していること、
   を特徴とする磁気センサ。
2. 前記磁気検出部はソレノイドコイルであり、
   該ソレノイドコイルは、その円筒状の空間内に前記磁性材料部が設けられた前記導電材料を該ソレノイドコイルの長手方向と該導電材料の長手方向とが一致した状態で収容するように配置され、
   該ソレノイドコイルの両端に発生する起電力に基づいて磁気検出を行うこと、
   を特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記磁性材料部は、その組成に鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）を含むこと、
   を特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。
4. 前記磁性材料部は、鉄（Ｆｅ）を１５～２５％の割合で含むこと、
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の磁気センサ。
5. 外部磁界の大きさが－５０［μＴ］以上、５０［μＴ］以下の範囲内において、前記励磁部による励磁電流の周波数が１００［ＭＨｚ］以下である場合において、前記導電材料のインピーダンス変化量が５％以下であること
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の磁気センサ。
6. 長手状の導電材料の外周側面全体に磁性材料を形成させて得られる、磁気センサ用磁性材料部の製造方法であって、
   該導電材料の長手方向の一の向きに形成電流を流し、磁性材料を形成させる第１の形成工程と、
   該導電材料の長手方向の該一の向きとは逆向きに形成電流を流し、磁性材料を形成させる第２の形成工程と、を含み、
   前記第１の形成工程において流される形成電流の総量と前記第２の形成工程において流される形成電流の総量とが略等しいこと、
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１の磁気センサ用の磁性材料部の製造方法。
7. 前記形成電流は、めっきカソードとしての前記導電材料とメッキアノードとの間に電位差を生じさせるためのめっき電流と、前記磁性材料における磁気モーメントを整列させるためのバイアス電流とを含むこと、
   を特徴とする請求項６に記載の磁気センサ用磁性材料部の製造方法。
   

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