JP7464420B2 - 磁気検出器 - Google Patents

Description

本発明は、高周波電流を通電する磁性薄膜と、この磁性薄膜の周囲に配置される検出コイルからなる直交フラックスゲート型磁気検出器に関する。

近年、医療や極微小な磁性金属検出の要求により、高感度な磁気検出器が求められており、直交フラックスゲート型磁気検出器が注目されている。

ここでいう直交フラックスゲート型磁気検出器とは、高周波電流が通電される磁性体と外部磁界との相互作用により発生する磁性体の磁束変化を、磁性体の周囲に配置された検出コイルで誘起電圧として取り出す構成の磁気検出器である。検出コイルは磁性体の磁束変化を検出できれば良いので、必ずしも磁性体の周囲に巻回される必要はなく、例えば通電される磁性体の近傍に絶縁膜を介して積層されて形成された平面コイルを配置するものであってもよい。

例えば特許文献１では、直交フラックスゲート型としても駆動可能な、非磁性基板上に形成された磁性薄膜からなる磁性体と、渦巻き型平面コイルとからなる磁気検出素子の構成が提案されている。

また特許文献２では、磁性薄膜を用いた磁気インピーダンス効果素子について記載されている。磁気インピーダンス効果素子は、磁性体に通電する点は同じであるが、磁性体のインピーダンスが外部磁界によって敏感に変化する効果を利用して、例えば磁性体の両端に発生する電圧として外部磁界を直接検出するものである。特許文献２では、磁性薄膜を形成する工程の途中で、磁性薄膜を形成する基板と磁性薄膜の熱膨張係数の違いから発生する、磁性薄膜の両側部のめくれ上がりを防ぐ方法について提案されている。ただし、特許文献２記載の磁性薄膜では、単なる矩形ないし長方形の断面構造に比べて表皮効果を発揮する部分が減少するため、磁気インピーダンス効果素子としては感度が低下し、検出信号のＳ／Ｎが低下するという問題点があった。

特許第４５２４１９５号公報 特開２００１－２２８２２９号公報

磁性薄膜は、非磁性基板の一面にスパッタなどで磁性材料を成膜して、イオンミリングなどで任意の平面形状パターンに成形する。このとき、線形または長方形の平面形状の磁性薄膜パターンの、長手方向に対して垂直な断面（短手方向と厚み方向における断面）の断面形状は、略矩形もしくは略台形形状になるのが一般的である。

このような略矩形または略台形形状の断面を有する線形磁性薄膜パターンにおいては、
外部磁界のない飽和していない状態において、図１の平面図に示すような磁区構造が存在する。各磁区の内部の各点は、単一の磁石の様に同一の（平行な）磁化方向であり、図１において、磁区内部の矢印は、それぞれの磁区の代表的な磁化方向を示す。磁化方向が変化する磁区の境界を、磁壁と呼ぶ。図１では、磁性薄膜２０の幅方向（パターン短手方向）に、磁化容易軸７１を形成している。

すると、外部磁界のない飽和していない状態では、短手方向の磁化容易軸に沿う方向に磁化した磁区と、これと１８０度反対の反平行な方向に磁化した磁区が長手方向に交互に隣接して並び、磁壁を挟み隣接する磁区の磁化方向が１８０度異なる、１８０度磁壁が支配的な磁区８１が形成される。

また、磁性薄膜の幅方向における両端部には、磁化容易軸７１と直交する方向に磁化した磁区と、これと反対の直交する方向に磁化した磁区が長手方向に交互に並び、隣接する磁区８１と磁化方向が９０度異なる、９０度磁壁が支配的な磁区８２が形成される。

つまり、１８０度磁壁と９０度磁壁で接する４つの磁区の磁化方向が、磁性薄膜の面内で一巡して回転するループを形成するように磁化している。また、このような磁気ループの磁化の回転方向は、長手方向に交互に逆回転するものとなっている。

ここで、磁界検出方向７０に磁界を印加するとき、９０度磁壁が支配的な磁区８２の磁化量が変化するため、９０度磁壁が磁界検出方向に移動する。このとき、１８０度磁壁が支配的な磁区８１の磁化方向と磁界検出方向７０は直交するため、１８０度磁壁の移動はない。磁気検出器のノイズ量に悪影響を及ぼすのは、磁界検出方向に印加される外部磁界で移動をする９０度磁壁である。

外部磁界の加わった磁気検出器の動作中に９０度磁壁が動くと、磁壁の局所的なピン止めや解放が発生して、磁性薄膜内部の磁区の磁束量が不規則な変動を起こし、検出コイルにおいてノイズとして検出されるのである。そのため、９０度磁壁を抑制することは、ノイズ量を低減するために有効である。

特許文献１では、上記のような磁性薄膜内部の磁壁移動については触れられておらず、磁壁移動で発生するノイズを低減する手法についての検討はない。

特許文献２では、磁気インピーダンス効果素子の磁性薄膜の形状について述べているが、磁性薄膜の熱膨張係数の違いによる磁性薄膜の両側部のめくれ上がりを防ぐための構造であり、直交フラックスゲート型の磁気検出器において磁壁移動で発生するノイズを抑えることについての記載はない。直交フラックスゲート型の磁気検出器においては、磁壁移動が起こり得る条件で駆動されるため、磁気インピーダンス効果素子と異なり９０度磁壁の量を抑えることが重要である。

上記の状況を鑑み、本発明に係る磁気検出器の一態様は、
非磁性体からなる基板と、
前記基板の上に線形形状で形成される少なくとも１つ以上の磁性薄膜と、
前記磁性薄膜の周囲に配置される検出コイルとを備える直交フラックスゲート方式の磁気検出器であって、
前記磁性薄膜は、短手方向の端部が前記磁性薄膜の中央部より薄い側端部となる段差を有することで、前記磁性薄膜の９０度磁壁が抑制され、
前記磁性薄膜の少なくとも一部に交流電流が通電されたときに、外部磁界の強度に応じて生ずる前記磁性薄膜の周囲の磁束変化による誘起電圧を前記検出コイルで検出することを特徴とする。

本発明によれば、磁性薄膜の９０度磁壁を抑制し、ノイズ量が小さくＳ／Ｎ比に優れた直交フラックスゲート型の磁気検出器を構成できる。

磁性薄膜の一般的な磁区構造を模式的に示す平面図。 本発明の磁気検出器の全体構成を説明する図。 本発明の磁気検出器の要部を示す斜視図。 本発明の磁気検出器の基板短手方向の断面図。 本発明の磁性薄膜の構成を示す断面図および斜視図。 磁性薄膜の比較例１の構成を示す図。 磁性薄膜の比較例２の構成を示す図。 本発明の磁性薄膜の磁区構造の平面図と検出特性を示す図。 比較例１の磁性薄膜の磁区構造の平面図と検出特性を示す図。 比較例２の磁性薄膜の磁区構造の平面図と検出特性を示す図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（実施形態１）
図２は、本発明の磁気検出器の実施形態１の全体構成を説明する図である。直交フラックスゲート方式の磁気センサにおいて、ノイズ量を低減する磁気検出器の全体構成について説明する。

また、図３は本発明の磁気検出器の要部を示す斜視図であり、図４は図３の磁気検出器の磁性薄膜の短手方向の断面図である。各図で磁気センサとして機能する磁性薄膜２０の線形形状パターンの本数は３本の例を示しているが、これに限るものではないのは明らかである。

本実施形態１では、直交フラックスゲートセンサである磁気検出器１００は、磁性体に高周波電流を通電すると、磁性体内部の磁束が外部磁界に応じて変化して、その磁束変化を磁性体の周囲に配置される検出コイルで誘起電圧として取り出すものである。

図２の磁気検出器１００では、図３の磁気検出器の要部斜視図にも示すように、セラミックやガラスなどの非磁性体からなる基板である非磁性基板１０の上に、少なくとも１本以上の細長い線形形状パターンの磁性体が磁性薄膜２０として形成されており、駆動部４０から高周波電流が通電されている。磁性薄膜２０の周囲に銅やアルミなどの導電材料からなる検出コイル３０が巻回されており、検出コイル３０に発生する誘起電圧を検波部５０で検出して端子Ｏｕｔｐｕｔから検出信号を出力している。検出コイル３０に並列接続されるコンデンサは、検出信号に対する共振調整部６０として機能している。

図３の検出コイル３０では、磁性薄膜２０の長手方向と検出コイルの中心軸が一致しており、非磁性基板１０と磁性薄膜２０の周囲に巻回された立体コイルを形成しているが、例えば磁性薄膜２０上に絶縁層を介して、導電材料を渦巻き状に巻回して形成された平面コイルとして配置してもよい。

磁気検出器１００の磁界検出方向は、磁性薄膜２０の線形パターンの長手方向に沿う方向であり、図２の磁界検出方向７０を示す矢印の方向である。磁性薄膜２０の磁化容易軸は、薄膜の面内で長手方向と直交する短手方向に付けておくのが望ましく、磁性薄膜の形成中や成膜後に、バイアス磁界を印加した状態で磁場中における熱処理を行って確保する。

図３、図４では磁性薄膜の本数は３本の例を示すが、本数はこれに限るものではない。
磁性薄膜２０が複数あるとき、それぞれの磁性薄膜の線形パターンは互いに平行に形成される。複数の磁性薄膜は、本実施形態のようにつづら折れ状に接続されて電気的に直列接続されてもよく、あるいは電気的に並列接続されていてもよい。全部の磁性薄膜２０の区間に通電する必要はなく、少なくとも検出コイル３０で検出可能な一部の区間に通電されていればよい。

磁性薄膜２０は、非磁性基板１０の一面に設けられ、例えばＦｅ－Ｔａ－Ｃなどの高透磁率磁性材料からなる。

磁性薄膜２０は、スパッタなどで非磁性基板１０上に成膜した後に、イオンミリングなどで線形形状パターンに形成することができ、この場合、磁性薄膜の線形パターンの長手方向に対して垂直な短手方向断面の形状は、略矩形または略台形形状になる。

前述のように、磁性薄膜に外部磁界を印加すると、磁化方向に応じて磁区の大きさが変化し、磁壁の移動が起こる。９０度磁壁が動くときに磁壁の局所的なピン止めや解放が発生すると、磁性薄膜内部の磁区の磁束量が不規則な変動をして、検出コイルでノイズとなって検出される。直交フラックスゲート型磁気検出器は、バイアス磁界をかけて駆動される磁気インピーダンス効果素子とは異なり、磁壁が移動する領域で駆動されるため、ノイズ量を小さくするためには９０度磁壁を減らすことが有効である。

前述の図１に示すように、磁性薄膜の幅方向（パターン短手方向）に磁化容易軸７１を形成すると、外部磁界のない飽和していない状態では、磁化容易軸に沿う方向に磁化した磁区と、これと１８０度反対の方向に磁化した磁区が長手方向に交互に隣接して並ぶ、１８０度磁壁が支配的な磁区８１が形成される。

また、磁性薄膜の幅方向における両端部には、磁化容易軸７１と直交する方向に磁化した磁区と、これと反対の直交する方向に磁化した磁区が長手方向に交互に並び、隣接する磁区８１との磁化方向が９０度異なる、９０度磁壁が支配的な磁区８２が形成される。

ここで、１８０度磁壁は磁化容易軸方向に印加される磁界で磁化方向が磁化容易軸に沿う方向に移動して、９０度磁壁は磁界検出方向に印加される磁界で磁界検出方向に移動するものとしている。磁気検出器のノイズ量に悪影響を及ぼす磁壁は、この９０度磁壁である。

発明者らは、９０度磁壁を減らし検出信号のノイズ量を抑える方法として、図５（ａ）に示すように、磁性薄膜の短手方向の矩形断面（幅Ｗ２）の両側部の上面を、幅Ｗ３、Ｗ４にわたり厚みをｔ１だけ削って薄くして高低差のある段差２２を構成し、図の灰色領域で示す側端部２１（厚みｔ２）を形成する構造を見出した。段差２２は高低差のある構造であればよく、段差斜面の角度は９０度である必要はなく、平面である必要もない。

図５（ａ）の側端部２１の磁区は、９０度磁壁が支配的な磁区８２を含んで磁化している。この構造によると、９０度磁壁のある磁区の占める領域の体積を抑制できて、検出信号のノイズ量を低減することができる。９０度磁壁の抑制とは、９０度磁壁の数だけでなく量を減らすことを意味している。現象としては、９０度磁壁が減ることと９０度磁壁に囲まれる磁区が小さくなることは、同義の事象なので、９０度磁壁のある磁区を抑制すれば９０度磁壁も抑制されるのである。

発明者らは、種々の寸法の磁性薄膜を作成し、磁気検出器の検出信号のノイズ量を測定した。その結果、図５の磁性薄膜の断面形状における各寸法Ｗ１～Ｗ４には、下記の関係があることが好適であることを見出した。
Ｗ３＜Ｗ１
Ｗ４＜Ｗ１
Ｗ１＋Ｗ３＋Ｗ４≦Ｗ２
ｔ１＜ｔ２

以下の実施例では、磁性薄膜の上辺の幅Ｗ１、下辺の幅Ｗ２は、それぞれ１２μｍ、１８μｍのものを使用した。

（実施形態１の磁性薄膜の形成方法）
本発明の実施例として、図５の実施形態１の、磁性薄膜２０の側端部２１の形成方法を説明する。まず、非磁性基板上の一面にスパッタなどで磁性薄膜の材料を成膜して、イオンミリングやレーザー加工などで幅Ｗ２の矩形断面を有する線形形状の磁性薄膜のパターンを形成する。

次に、イオンミリングやレーザー加工などで、磁性薄膜２０の幅方向（パターン短手方向）の端部である側端部２１（磁性薄膜２０の短手方向の断面における両側部の上面）を、中央部の上辺の幅Ｗ１だけ残して、それぞれ幅Ｗ３、Ｗ４にわたり、厚みｔ１だけ削り、厚みｔ２の側端部２１を形成する。

この手順により、実施形態１の磁性薄膜２０の断面形状は、図５（ａ）に示すように、幅方向の中央部が幅Ｗ１にわたり厚みｔ１＋ｔ２で、両側部が幅Ｗ３、Ｗ４にわたり一段低く厚みｔ２の側端部２１となった、高低差ｔ１の段差２２を有する凸形状に形成される。すなわち、磁性薄膜２０は、短手方向の端部が磁性薄膜の中央部より薄い側端部２１となる段差２２を有することで、磁性薄膜２０の９０度磁壁が抑制される断面形状となっている。

図５（ｂ）に示すように、実施形態１の磁性薄膜２０において、磁界検出方向７０は線形磁性薄膜パターンの長手方向にとり、磁化容易軸７１は短手方向に取っている。

なお段差２２は、磁性薄膜２０の長手方向全体に亘って存在する必要はなく、ある程度の範囲で設けられていれば、その分だけ９０度磁壁の数量が減少し、ノイズを低減することができる。

（実施形態１と比較例の、磁区構造と測定結果）
図６、７には、図５に示した本発明の実施形態１との対比のために測定した、単純な矩形断面を有する線形磁性薄膜パターンの形状を２例、比較例１、２として示す。図６の磁性薄膜（比較例１）の幅Ｗ５は、図５の幅Ｗ１に近いものとし、図７の磁性薄膜（比較例２）は、より広い幅Ｗ６で、図５の幅Ｗ２に近いものとしている（Ｗ５＜Ｗ６）。

まず、図５（実施形態１）、図６（比較例１、幅Ｗ５）、図７（比較例２、幅Ｗ６）に示す磁性薄膜形状の３つの場合における、９０度磁壁の形成状態について、図８、図９、図１０を参照して説明する。磁壁の移動は、直交フラックスゲート型磁気検出器の測定結果の特性波形（以降、ＦＧ波形という）と磁区構造の概要から考察できる。

図８、図９、図１０の各図（ａ）は、磁区構造の観察結果の平面図である。なお、ここに示す磁区構造は、磁化した物体の表面に直線偏光をあてると楕円偏光の反射光が得られる磁気カー効果を利用して、磁区構造を観察する装置を用いて観察した結果である。

図８、図９、図１０の各図（ｂ）、（ｃ）は、磁性薄膜２０に印加する外部磁界である印加磁界と検出コイル３０の検出信号の出力電圧の関係を示す、検出特性の測定結果の波形（ＦＧ波形）である。各（ｂ）図が全体波形、各（ｃ）図がゼロ磁場付近の拡大表示図である。

図８、図９、図１０の（ｂ）、（ｃ）に示すＦＧ波形の測定結果は、全て同じ測定回路の構成で計測している。

（比較例１の測定結果と考察）
図６の比較例１（幅Ｗ５）の、磁区構造とＦＧ波形の測定結果を図９に示す。図６の比較例１のような幅の狭い矩形の平面形状のとき、図９（ａ）の磁区構造を見ると、幅方向の両側部に磁界検出方向に磁化した磁区が多く存在して、９０度磁壁が多くあることがわかる。また、磁化容易軸に沿う方向に磁化した磁区の面積は、幅Ｗ５が狭いため小さくなっている。

図６の比較例１（幅Ｗ５）の磁性薄膜で測定したＦＧ波形を、図９（ｂ）、（ｃ）に示す。ＦＧ波形の磁場ゼロ付近を拡大した図９（ｃ）を見ると、強い歪とノイズが発生していることがわかる。これは、図９（ａ）に示す９０度磁壁の影響である。９０度磁壁が支配的な磁区が多いとき、９０度磁壁が磁界検出方向に移動して、検出信号の直線性が悪化する。

図９（ｂ）のＦＧ波形の歪が発生しているゼロ磁場付近では、９０度磁壁が不規則に移動しており、磁性薄膜内部の磁束の変動、ノイズが大きくなっている。これらの結果から、図６に示す比較例１の矩形形状の磁性薄膜では、磁気検出信号のノイズ量が大きくなるといえる。

（比較例２の測定結果と考察）
図７の比較例２（幅Ｗ６）の、磁区構造とＦＧ波形の測定結果を図１０に示す。図７の比較例２は、図６と比較して幅が広い（Ｗ６＞Ｗ５）矩形形状の平面形状の磁性薄膜である。図１０（ａ）の磁区構造を見ると、幅方向の両側部に磁界検出方向を向く磁区が多く存在して、９０度磁壁が多くあることがわかる。

図７の比較例２（幅Ｗ６）の磁性薄膜で測定したＦＧ波形を、図１０（ｂ）、（ｃ）に示す。検出特性の磁場ゼロ付近を拡大した図１０（ｃ）を見ると、強い歪とノイズが広範囲に発生していることがわかる。これは、図１０（ａ）に示す９０度磁壁の影響である。ただ、図１０（ｂ）を図９（ｂ）と比較すると、出力電圧の値は大きく、検出感度が高いことがわかる。これは、磁性薄膜の幅を長くすることで、磁化容易軸に沿う磁区が大きくなることが要因と言える。

図１０（ｂ）のＦＧ波形の歪が発生している付近では、９０度磁壁が不規則に移動しており、磁性薄膜内部の磁束の変動、ノイズが広範囲にわたり大きくなっている。これらの結果から、図６、図７に示す従来の矩形断面形状の磁性薄膜では、磁気検出のノイズ量がともに大きくなるといえる。

（実施形態１の測定結果と考察）
これらの比較例に対して図８には、側端部２１に段差２２を備える本発明の実施形態１の磁性薄膜形状（図５）のときの、磁区構造とＦＧ波形の測定結果を示す。図８（ａ）の磁区構造の観察結果には、段差２２を形成したことによる磁区境界への影響が段差境界２２ａ、２２ｂとして明確に見えている。

実施形態１の形状のとき、磁性薄膜２０の側端部２１では磁界検出方向に磁化した磁区の発生量は非常に少なく、かつ、磁区が小さくなっており、９０度磁壁が少なくなっていることがわかる。また、磁化容易軸に沿う方向に磁化した磁区では１８０度磁壁が明瞭に形成されていることもわかる。

さらに図８（ｂ）、（ｃ）のＦＧ波形から、９０度磁壁が少なくなることの効果が確認できる。実施形態１の磁性薄膜２０では、検出特性の直線性が極めて良好となり、検出感度は高く、さらに歪が非常に小さくノイズが減少している。

これは、磁性薄膜２０の側端部２１に発生する磁界検出方向に磁化した磁区が少なく、かつ、小さくなることで、９０度磁壁の不規則な移動が抑制されていることを示す。このことから、実施形態１のように、側端部２１に段差２２を設けると、ノイズ量が大きく抑制されることがわかる。

図５のように側端部２１の厚みを中央部より薄くすると、側端部２１と中央部の磁区の磁化エネルギーの関係から、１８０度磁壁が支配的な磁区が大きくなり、９０度磁壁が支配的な磁区が小さくなると考えられる。

なお、図５に示す寸法は、Ｗ３／ｔ１およびＷ４／ｔ１（削った部分の縦横比）が３～６の範囲で、Ｗ２が１０μｍから３０μｍの範囲のとき好適である。図５では、側端部２１の段差部分の幅Ｗ３とＷ４は同じ値であるように示しているが、必ずしも同じでなくても構わない。また、ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）は、０．２５から０．４５の範囲であると好ましい。

図２に戻り、磁気検出器としての入出力について説明する。実施形態１の磁気検出器１００の磁性薄膜２０には、駆動部４０によって交流電流である高周波電流を通電する。高周波電流の周波数は数ＭＨｚが好適であるがそれ以外であってもよく、高周波電流の波形は台形波や矩形波、正弦波などであってもよい。駆動部４０は、ＲＣ発振器や水晶発振器、セラミック発振器などで発振させて、ロジックＩＣやオペアンプなどで磁性薄膜２０に高周波電流を通電してもよく、パルスジェネレータなどの交流電源であってもよい。

検出コイル３０の両端に現れ、外部磁界の強度に応じて生ずる磁性薄膜２０の周囲の磁界変化による誘起電圧は、ダイオードやロックインアンプなどを含む検波部５０で整流処理をするとよい。整流処理された信号は、任意の感度に調整して、検出対象とする周波数範囲に合わせたフィルタ回路を設定するとよい。

検出コイル３０による誘起電圧の取り出しは、検出コイルの共振現象を利用してもよく、検出コイル３０の共振周波数を調整するために、検出コイル３０に電気的に並列にコンデンサを含む回路からなる共振調整部６０を接続してもよい。

以上記載したように、本発明によれば、磁性薄膜の９０度磁壁を少なくでき、ノイズ量が小さくＳ／Ｎ比に優れた直交フラックスゲート型の磁気検出器を構成できる。

１００ 磁気検出器
１０ 非磁性基板
２０ 磁性薄膜
２１ 側端部
２２ 段差
２２ａ、２２ｂ 段差境界
３０ 検出コイル
４０ 駆動部
５０ 検波部
６０ 共振調整部
７０ 磁界検出方向
７１ 磁化容易軸
８１，８２ 磁区

Claims (6)

1. 非磁性体からなる基板と、
   前記基板の上に線形形状で形成される少なくとも１つ以上の磁性薄膜と、
   前記磁性薄膜の周囲に配置される検出コイルとを備える直交フラックスゲート方式の磁気検出器であって、
   前記磁性薄膜は、短手方向の端部が前記磁性薄膜の中央部より薄い側端部となる段差を有し、
   前記側端部の前記短手方向の長さＷ３と、前記段差の高低差ｔ１は、Ｗ３／ｔ１が３から６の間の値となる関係であり、前記側端部の厚みｔ２に対し、ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）が、０．２５から０．４５となる関係であることで前記磁性薄膜の９０度磁壁が抑制され、
   前記磁性薄膜の少なくとも一部に交流電流が通電されたときに、外部磁界の強度に応じて生ずる前記磁性薄膜の周囲の磁束変化による誘起電圧を前記検出コイルで検出することを特徴とする磁気検出器。
2. 前記磁性薄膜が前記基板と接する前記短手方向の長さＷ２は１０μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出器。
3. 前記検出コイルは、少なくとも１つ以上の前記磁性薄膜の周囲に巻回されて形成されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の磁気検出器。
4. 前記検出コイルは、少なくとも１つ以上の前記磁性薄膜の上に絶縁層を介して渦巻き状に形成された平面コイルであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の磁気検出器。
5. 複数の前記磁性薄膜が、つづら折れ状に接続されて電気的に直列接続または電気的に並列接続されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気検出器。
6. 前記検出コイルに電気的に並列に共振調整部が接続されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気検出器。

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