従来、例えば地磁気程度の磁場を検出可能な小型で高感度な磁気センサとしては、数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ帯の表皮効果を利用した磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）を用いたＭＩセンサ、或いは軟磁性体の透磁率変化を利用したフラックスゲートセンサ等が挙げられる。これらの磁気センサの場合、磁気感度に関しては、一般に磁性体の反磁界の影響により、センサを小型化するに伴って磁気感度が著しく低下する傾向にある。従って、こうしたＭＩセンサやフラックスゲートセンサでは、小型化と高感度化とを両立させることが難しく、例えば地磁気を利用した携帯用方位センサ等には適用さない。
一方、上述したＭＩセンサやフラックスゲートセンサとは異なる原理に基づく磁気センサとして、磁歪現象と圧電検出方式とを組み合わせたタイプのものが開発されている。
このようなタイプの磁気センサの一例としては、例えば特開２０００−８８９３７号公報に開示された磁歪素子を用いて成る磁気センサが挙げられる。
第１図は、この従来の一例に係る磁気センサ１４の基本構成を示した概略図である。この磁気センサ１４は、変電所又は送電線における電流計測に適用されるもので、距離ｒの位置にある導体１５に流れる電流Ｊを磁場Ｈとの関係式Ｈ＝Ｊ／２πｒ（Ａ／ｍ）に基づいて検出可能であるように、磁歪素子１６及び圧電素子１７を組み合わせて磁歪素子１６の伸びにより圧電素子１７を歪ませて電圧に変換する機能を持つもので、更に電圧計１８で圧電素子１７からの電圧値を計測するように構成されている。
即ち、特開２０００−８８９３７号公報に開示された磁気センサ１４の基本原理は、外部磁場変化による磁歪素子１６の伸び（形状変化）をそれに一体化された圧電素子１７に発生する電圧として検出するものである。従って、磁気感度の良否は圧電素子１７に発生する電圧に大きく依存し、その発生電圧Ｖは圧電応力定数ｇ３１，圧電素子１７における厚さｔ及び印加される圧力Ｐとの間でＶ＝ｇ３ １×ｔ×Ｐなる関係式１により表現される。
又、特開２０００−６５９０８号公報に開示されているように、外部磁場に対して極反転しない磁石と、この磁石に加わる磁場強度を力学的な力として検出する圧電素子とを備えた磁気センサも開発されている。
第２図は、この従来の他例に係る磁気センサ２を含む磁気検出システム１の基本構成を示した回路ブロック図である。この磁気検出システム１は、一方の主面の全面に接地接続された裏面電極２２を設けた板状の圧電素子２１の他方の主面の一端側に外部磁場に対して極反転しない磁石２３を設けることにより、圧電素子２１が磁石２３に加わる磁場強度を力学的な力として検出する構成の磁気センサ２を備える他、圧電素子２１に加わる力学的な力に応じて発振周波数が変化する発振回路３１Ａと、発振回路３１Ａの発振周波数の変化を計測し、磁気センサ２で検出された磁場強度を表示する手段とを備えている。
又、この磁気検出システム１では、磁気センサ２において板状の圧電素子２１の他方の主面の他端側に非磁性金属２４を設け、常時外部磁場が零の状態で基準周波数で動作する発振回路３１Ｂを備えている。即ち、発振回路３１Ａは磁気センサ２の磁石２３，圧電素子２１，ＣＭＯＳインバータ３２Ａを帰還路内に配設して構築され、発振回路３１Ｂは非磁性金属２４，圧電素子２１，ＣＭＯＳインバータ３２Ｂを帰還路内に配設して構築される。更に、磁気検出システム１を構築するための複数の回路（全体で検出信号処理回路と呼ばれても良いもの）として、発振回路３１ＡのＣＭＯＳインバータ３２Ａの出力側（発振回路３１Ａ内でコンデンサを介して接地される）に接続されたカウンタ回路３３Ａ、発振回路３１ＢのＣＭＯＳインバータ３２Ｂの出力側（同様に発振回路３１Ａ内でコンデンサを介して接地される）に接続されたカウンタ回路３３Ｂ、カウンタ回路３３Ａでカウントされたパルス数とカウンタ回路３３Ｂでカウントされたパルス数との差を減算する減算回路３４、パルス数の差を補償する補償回路３５、較正係数を発生する較正係数発生回路３６、補償回路３５の出力と較正係数とを乗算する乗算回路３７、乗算出力値に基づいて磁気センサ２で検出された外部磁界の値を表示する表示装置３８を備えている。
要するに、特開２０００−６５９０８号公報に開示された磁気検出システム１の基本原理は、磁気モーメントを有する磁石２３に外部磁場Ｈが作用すると、磁気モーメントＭと外部磁場Ｈとの外積（Ｈ×Ｍ）方向を軸とするトルクＴが働き、そして外部磁場Ｈの強度が高くなると力学的な力であるトルクＴが増大することにより、磁石２３で発生したトルクＴが圧電素子２１に応力（ねじり応力）を生じさせ、外部磁場Ｈは応力に変換されるというものである。
ところで、特開２０００−８８９３７号公報に開示された磁歪現象と圧電検出方式とを組み合わせた磁気センサの場合、関係式１により磁気感度に係る発生電圧は圧電素子の厚さに比例し、圧電素子の薄膜化に伴って低下するという不都合が生じる。この発生電圧の低下を抑えるために圧電素子の膜厚を維持しつつ、圧電素子の小型化を図った場合にも小型化に伴って相対的に圧電素子の厚みに対して長さ及び幅の寸法が短くなって圧電素子自体が曲がり難い構造となるため、関係式１で表される圧力が低下することで発生電圧が更に低下してしまう。こうした結果により、小型化と高感度化とを同時に満たすことが困難であるという問題がある。
又、特開２０００−６５９０８号公報に開示された外部磁場に対して極反転しない磁石とこの磁石に加わる磁場強度を力学的な力として検出する圧電素子とを備えた磁気センサを用いた磁気検出システムの場合、原理的に磁石に発生したトルク（Ｈ×Ｍ）はモーメントであることにより、圧電素子で効率良く受けるためには圧電素子の面積に比較的大きな領域を必要とする。このような動作原理に基づくものであれば、差動型として構成した場合にもセンサのサイズが必然的に大きなものとなってしまうため、小型化には不向きであるという問題がある。
従って、本発明の目的は、このような問題点を解決することにあり、携帯用方位センサ等にも適用可能であって、簡素な検出信号処理回路を備えて小型化，軽量化された高感度な磁気センサを提供することにある。Conventionally, as a small and highly sensitive magnetic sensor capable of detecting a magnetic field of the order of geomagnetism, for example, an MI sensor using a magnetic impedance element (MI element) utilizing a skin effect of several MHz to several hundred MHz band, or soft magnetism For example, a fluxgate sensor using a change in magnetic permeability of the body. In the case of these magnetic sensors, the magnetic sensitivity generally tends to be remarkably lowered as the sensor is miniaturized due to the influence of the demagnetizing field of the magnetic material. Therefore, it is difficult to achieve both miniaturization and high sensitivity in such MI sensors and fluxgate sensors, and it is not applicable to, for example, a portable orientation sensor using geomagnetism.
On the other hand, as a magnetic sensor based on a principle different from the above-described MI sensor and fluxgate sensor, a type that combines a magnetostriction phenomenon and a piezoelectric detection method has been developed.
An example of this type of magnetic sensor is a magnetic sensor using a magnetostrictive element disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-88937.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a magnetic sensor 14 according to this conventional example. This magnetic sensor 14 is applied to current measurement at a substation or a transmission line, and a relational expression H = J / 2πr (A / m) of a current J flowing through a conductor 15 at a position of a distance r with a magnetic field H. The magnetostrictive element 16 and the piezoelectric element 17 are combined to have a function of distorting the piezoelectric element 17 by the expansion of the magnetostrictive element 16 and converting it into a voltage. The voltage value from 17 is measured.
That is, the basic principle of the magnetic sensor 14 disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-88937 is to detect the expansion (shape change) of the magnetostrictive element 16 due to the change in the external magnetic field as a voltage generated in the piezoelectric element 17 integrated therewith. Is. Therefore, the quality of the magnetic sensitivity greatly depends on the voltage generated in the piezoelectric element 17, and the generated voltage V is V = g between the piezoelectric stress constant g 31 , the thickness t in the piezoelectric element 17 and the applied pressure P. It is expressed by the relational expression 1 3 1 × t × P.
Further, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-65908, a magnetic sensor including a magnet that does not polarize with respect to an external magnetic field and a piezoelectric element that detects the magnetic field strength applied to the magnet as a mechanical force. Has also been developed.
FIG. 2 is a circuit block diagram showing a basic configuration of a magnetic detection system 1 including a magnetic sensor 2 according to another example of this conventional technique. In this magnetic detection system 1, a magnet 23 that is not pole-reversed with respect to an external magnetic field is provided on one end side of the other main surface of a plate-like piezoelectric element 21 provided with a back electrode 22 connected to the ground on the entire surface of one main surface. In addition to the magnetic sensor 2 having a configuration in which the piezoelectric element 21 detects the magnetic field strength applied to the magnet 23 as a mechanical force, an oscillation circuit whose oscillation frequency changes according to the mechanical force applied to the piezoelectric element 21 is provided. 31A and means for measuring a change in the oscillation frequency of the oscillation circuit 31A and displaying the magnetic field intensity detected by the magnetic sensor 2.
Further, in this magnetic detection system 1, a nonmagnetic metal 24 is provided on the other main surface of the other main surface of the plate-like piezoelectric element 21 in the magnetic sensor 2, and an oscillation that always operates at a reference frequency with an external magnetic field being zero. A circuit 31B is provided. That is, the oscillation circuit 31A is constructed by arranging the magnet 23, the piezoelectric element 21, and the CMOS inverter 32A of the magnetic sensor 2 in the feedback path, and the oscillation circuit 31B feedbacks the nonmagnetic metal 24, the piezoelectric element 21, and the CMOS inverter 32B. It is constructed by arranging in the road. Further, as a plurality of circuits for constructing the magnetic detection system 1 (which may be called detection signal processing circuits as a whole), the output side of the CMOS inverter 32A of the oscillation circuit 31A (through a capacitor in the oscillation circuit 31A). Counter circuit 33A connected to the output side of the CMOS inverter 32B of the oscillation circuit 31B (also grounded via a capacitor in the oscillation circuit 31A), the counter circuit 33A The subtracting circuit 34 for subtracting the difference between the number of pulses counted by the counter circuit 33B and the number of pulses counted by the counter circuit 33B, the compensating circuit 35 for compensating for the difference in the number of pulses, the calibration coefficient generating circuit 36 for generating a calibration coefficient, and the compensating circuit A multiplication circuit 37 that multiplies the output of 35 by the calibration coefficient, and an external magnet detected by the magnetic sensor 2 based on the multiplication output value. And a display device 38 for displaying the values.
In short, the basic principle of the magnetic detection system 1 disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-65908 is that when an external magnetic field H acts on a magnet 23 having a magnetic moment, the outer product (H × M) of the magnetic moment M and the external magnetic field H ) Torque T about the direction acts, and when the strength of the external magnetic field H increases, the torque T, which is a mechanical force, increases, so that the torque T generated by the magnet 23 causes stress (torsional stress) on the piezoelectric element 21. ) And the external magnetic field H is converted into stress.
Incidentally, in the case of a magnetic sensor that combines the magnetostriction phenomenon and the piezoelectric detection method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-88937, the generated voltage related to the magnetic sensitivity is proportional to the thickness of the piezoelectric element according to the relational expression 1, and the piezoelectric element Inconvenience that it decreases as the film becomes thinner. In order to suppress the decrease in the generated voltage, when the piezoelectric element is reduced in size while maintaining the thickness of the piezoelectric element, the length and width of the piezoelectric element are relatively smaller than the thickness of the piezoelectric element as the size is reduced. Since the dimensions are shortened and the piezoelectric element itself is difficult to bend, the generated voltage is further reduced by reducing the pressure represented by the relational expression 1. Due to such a result, there is a problem that it is difficult to satisfy both miniaturization and high sensitivity at the same time.
Further, magnetic detection using a magnetic sensor provided with a magnet that is not pole-reversed with respect to an external magnetic field and a piezoelectric element that detects the magnetic field strength applied to the magnet as a mechanical force disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-65908. In the case of the system, the torque (H × M) generated in the magnet in principle is a moment, so that a relatively large area is required for the area of the piezoelectric element in order to be received efficiently by the piezoelectric element. If it is based on such an operation principle, even if it is configured as a differential type, the size of the sensor will inevitably become large, and there is a problem that it is not suitable for miniaturization.
Accordingly, an object of the present invention is to solve such a problem, and can be applied to a portable orientation sensor or the like, and includes a simple detection signal processing circuit, which is reduced in size and weight. It is to provide a sensitive magnetic sensor.
本発明によれば、磁歪素子であるセンサ構造体から成り、該センサ構造体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴って該センサ構造体の機械的な共振周波数が変化し、該共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する磁気センサが得られる。
又、本発明によれば、上記磁気センサにおいて、磁歪素子は、磁歪薄膜から成る磁気センサが得られる。
更に、本発明によれば、上記磁気センサにおいて、磁歪素子は、磁歪薄膜と支持体とによる積層体から成る磁気センサが得られる。この磁気センサにおいて、支持体は、圧電材料による圧電板，シリコン板，非磁性金属板の何れか一つであること、更に支持体は、片持ち梁構造，両持ち梁構造，ダイアフラム構造の何れか一つの支持構造を持つことは、それぞれ好ましい。
加えて、本発明によれば、上記磁気センサにおいて、磁歪素子は、センサ構造体として支持体の一方の主面に磁歪薄膜を積層した圧電体を有して成るもので、更に、圧電体に印加された電圧によってセンサ構造体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴って該センサ構造体の機械的な共振周波数が変化し、該共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する磁気センサが得られる。
又、本発明によれば、上記磁気センサにおいて、センサ構造体として支持体の他方の主面に電極を備えた略板状の積層体を有して成り、磁歪薄膜及び電極間に電圧が印加される磁気センサが得られる。
一方、本発明によれば、上記何れか一つの磁気センサにおいて、センサ構造体の機械的な共振周波数の変化は、外部磁場の変化に伴って磁歪薄膜のヤング率が変化することで得られる磁気センサが得られる。
他方、本発明によれば、上記何れか一つの磁気センサにおいて、磁歪薄膜の幅方向には予め外部磁場を印加するための磁場印加手段が備えられ、圧電体の振動方向は磁歪薄膜の幅方向に対して約４０〜５０度傾いた方向に設定されている磁気センサが得られる。この磁気センサにおいて、磁場印加手段は、永久磁石又は電磁石であることは好ましい。
又、本発明によれば、上記何れか一つの磁気センサにおいて、センサ構造体の機械的な共振周波数を検出するための検出信号処理回路を備え、検出信号処理回路は、センサ構造体を含むセンサ部，増幅回路，及び位相シフト回路を備えて成る自励発振回路部と、増幅回路及び位相シフト回路の間に接続されて自励発振回路部から出力される発振周波数を電圧に変換する周波数／電圧変換回路部とを備えて成る磁気センサが得られる。
更に、本発明によれば、上記何れか一つの磁気センサにおいて、センサ構造体の機械的な共振周波数を検出するための検出信号処理回路を備え、検出信号処理回路は、センサ構造体を第１のセンサ構造体として含むセンサ部，増幅回路，及び位相シフト回路を備えて成る第１の自励発振回路部と、非磁歪薄膜による積層体，又は非磁歪薄膜と支持体とによる積層体から成ると共に、外部磁場変化に対して機械的な共振周波数が変化せずに一定の基準周波数を発振する第２のセンサ構造体と、第２のセンサ構造体を含むセンサ部，増幅回路，及び位相シフト回路を備えて成る第２の自励発振回路部と、第１の自励発振回路部から出力される発振周波数と第２の自励発振回路部から出力される基準周波数との差を増幅して差動周波数として出力する差動増幅回路と、差動増幅回路から出力される差動周波数を電圧に変換する周波数／電圧変換回路部とを備えて成る磁気センサが得られる。According to the present invention, the sensor structure which is a magnetostrictive element is in a state where the sensor structure is mechanically vibrated as a unit, and the sensor structure is mechanically changed in accordance with a change in the external magnetic field. The magnetic resonance frequency changes, and a magnetic sensor that calculates the external magnetic field amount from the change amount of the resonance frequency is obtained.
According to the present invention, in the above magnetic sensor, the magnetostrictive element can be a magnetic sensor made of a magnetostrictive thin film.
Furthermore, according to the present invention, in the above magnetic sensor, the magnetostrictive element can be a magnetic sensor comprising a laminate of a magnetostrictive thin film and a support. In this magnetic sensor, the support is any one of a piezoelectric plate made of a piezoelectric material, a silicon plate, and a non-magnetic metal plate, and the support is any of a cantilever structure, a cantilever structure, and a diaphragm structure. It is preferable to have one support structure.
In addition, according to the present invention, in the above magnetic sensor, the magnetostrictive element comprises a piezoelectric body in which a magnetostrictive thin film is laminated on one main surface of a support as a sensor structure. While the sensor structure is mechanically vibrated integrally by the applied voltage, the mechanical resonance frequency of the sensor structure changes with a change in the external magnetic field, and the resonance frequency A magnetic sensor that calculates the amount of external magnetic field from the amount of change is obtained.
According to the present invention, in the above magnetic sensor, the sensor structure includes a substantially plate-like laminate having electrodes on the other main surface of the support, and a voltage is applied between the magnetostrictive thin film and the electrodes. A magnetic sensor is obtained.
On the other hand, according to the present invention, in any one of the above magnetic sensors, the change in the mechanical resonance frequency of the sensor structure can be obtained by changing the Young's modulus of the magnetostrictive thin film in accordance with the change in the external magnetic field. A sensor is obtained.
On the other hand, according to the present invention, in any one of the above magnetic sensors, magnetic field applying means for applying an external magnetic field in advance in the width direction of the magnetostrictive thin film is provided, and the vibration direction of the piezoelectric body is the width direction of the magnetostrictive thin film. Thus, a magnetic sensor set in a direction inclined by about 40 to 50 degrees with respect to the magnetic field can be obtained. In this magnetic sensor, the magnetic field applying means is preferably a permanent magnet or an electromagnet.
According to the present invention, any one of the above magnetic sensors includes a detection signal processing circuit for detecting a mechanical resonance frequency of the sensor structure, and the detection signal processing circuit includes a sensor structure. A self-excited oscillation circuit unit comprising an amplifier unit, an amplifier circuit, and a phase shift circuit; and a frequency / frequency which is connected between the amplifier circuit and the phase shift circuit and converts an oscillation frequency output from the self-excited oscillation circuit unit into a voltage / A magnetic sensor comprising a voltage conversion circuit unit is obtained.
Furthermore, according to the present invention, any one of the above magnetic sensors includes a detection signal processing circuit for detecting a mechanical resonance frequency of the sensor structure, and the detection signal processing circuit includes the first sensor structure. A first self-excited oscillation circuit unit including a sensor unit, an amplifier circuit, and a phase shift circuit included as a sensor structure, and a non-magnetostrictive thin film or a laminate of a non-magnetostrictive thin film and a support. And a second sensor structure that oscillates a constant reference frequency without changing the mechanical resonance frequency in response to a change in the external magnetic field, a sensor unit including the second sensor structure, an amplifier circuit, and a phase shift A second self-excited oscillation circuit unit comprising a circuit, and amplifying a difference between an oscillation frequency output from the first self-excited oscillation circuit unit and a reference frequency output from the second self-excited oscillation circuit unit. Output as a differential frequency. A differential amplifier circuit, the magnetic sensor is obtained comprising a frequency / voltage converter circuit for converting a differential frequency output from the differential amplifier circuit into a voltage.
発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。本発明の磁気センサの場合、その技術概要を簡単に説明すれば、磁気センサを磁歪素子であるセンサ構造体から成るものとし、このセンサ構造体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴ってセンサ構造体の機械的な共振周波数が変化し、この共振周波数の変化量から外部磁場量を算出するものとすることである。但し、ここでの磁歪素子は、磁歪薄膜から成る（その積層体としても良い）か、或いは磁歪薄膜と支持体とによる積層体から成るものであれば良い。
第３図（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例１に係る磁気センサの基本構成を示した側面断面図である。第３図（ａ）に示す磁気センサは、支持体である基板１０３の一方の主面に磁歪薄膜１０１を積層した圧電体１０２を備え、圧電体１０２から電極を引き出すようにした略板状の積層体から成るセンサ構造体１０６を有し、圧電体１０２に印加された電圧によってセンサ構造体１０６が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場１１３の変化に伴ってセンサ構造体１０６の機械的な共振周波数が変化し、係る共振周波数の変化量から外部磁場１１３の量を算出するように構成されている。
尚、第３図（ｂ）に示すように、ここでの基板１０３は、圧電体１０２自体で置き換えることが可能であり、この場合にはセンサ構造体１０６が圧電体１０２の一方の主面に磁歪薄膜１０１を積層し、且つ他方の主面に圧電体１０２へ電圧を印加するための電極１０４を備えて成る略板状の磁歪素子として構成され、磁歪薄膜１０１及び電極１０４間に電圧が印加されるものである。
これらの磁気センサの場合、外部磁場１１３が印加されると、磁歪薄膜１０１の磁歪効果に伴って磁歪薄膜１０１のヤング率（所謂伸びの弾性率，縦弾性率と呼ばれるもの）が変化（後文で説明する強磁性体のΔＥ効果による）し、結果的に磁歪薄膜１０１と圧電体１０２とを有するセンサ構造体１０６の共振周波数が変化する。
即ち、このセンサ構造体１０６は、磁歪薄膜１０１と圧電体１０２における圧電薄膜との複合梁として考えることができ、その共振周波数ｆ０の変化量Δｆは、それぞれ磁歪薄膜１０１の厚さをｔｆ，磁歪薄膜１０１のヤング率をＥｆ，磁歪薄膜１０１の密度をρｆ，圧電体１０２（この場合は圧電薄膜）の厚さをｔｓ，圧電体１０２のヤング率をＥｓ，圧電体１０２の密度ρｓとした場合、Δｆ＝（ｔｆ・ｆ０／２ｔｓ）×［（３Ｅｆ／Ｅｓ）−（ρｆ／ρｓ）］＝ａ′（ｂ′・Ｅｆ−ｃ′）なる関係式２として表わされる。
但し、ここでは、ａ′＝ｔｆ・ｆ０／２ｔｓなる関係式３と、ｂ′＝３／Ｅｓなる関係式４と、ｃ′＝ρｆ／ρｓなる関係式５とが成立する。
以上の関係式２〜関係式５から、磁歪薄膜１０１及び圧電体１０２から成る複合梁の磁歪薄膜１０１のヤング率Ｅｆが外部磁場１１３によって変化する場合、これに伴って複合梁の共振周波数ｆ０の変化量Δｆが変化する（共振周波数ｆ０の変化量Δｆの変化による影響が大きい）ことが判る。
ここで、強磁性体のΔＥ効果は、公知文献「近角著、強磁性体の物理（下）、裳華房、ｐ．１４４」によれば、「強磁性体では磁歪λの正負に関係なく、張力による自発磁化の回転のために余分な伸びを生じる。そのためにヤング率Ｅｆが低下する。この効果をΔＥ効果という。ΔＥ効果は磁歪λの存在のために生じるので当然λに比例する。」という具合いに説明されている。
そこで、本発明の磁気センサについて考察すれば、センサ構造体１０６に外部磁場１１３が印加されると外部磁場１１３の方向に沿うような自発磁化の回転によって磁歪薄膜１０１の伸びを生じ、それに伴ってヤング率Ｅｆが低下する。このため、外部磁場１１３が変化するとセンサ構造体１０６の複合梁の共振周波数ｆ０が関係式３に従って低下する。ここでの複合梁の共振周波数ｆ０の変化は、磁歪薄膜１０１の磁歪による形状的な変化によっても生じるものであり、センサ出力としての共振周波数ｆ０の変化量Δｆはセンサ構造体１０６の一体的振動変化によるものとなる。磁気センサにおけるセンサ感度Δｆ／Ｈｅｘを改善するためには、センサ設計上、関係式３に示すａ′の値を大きくすること、即ち、磁歪薄膜１０１の厚みｔｆと圧電体１０２における圧電薄膜の厚みｔｓとの比ｔｆ／ｔｓを大きくすること、及びセンサ構造体１０６の複合梁の共振周波数ｆ０を高くすることが必要となる。センサ構造体１０６の複合梁の共振周波数ｆ０自体を高めるためには、例えば圧電体１０２の基本モードが縦振動である場合には圧電体１０２の長さを短くし、圧電体１０２の基本モードが厚味すべり振動の場合には振動子（圧電体１０２）の厚さを薄くすれば良い。
本発明の磁気センサにおいても、磁性薄膜を利用している限り、反磁界の影響を原理的に避けられないが、従来のＭＩセンサやフラックスゲートセンサと比べれば、センサ感度Δｆ／Ｈｅｘに対する影響は小さいと考えられる。即ち、上述した関係式２に示されるように反磁界に関連する磁歪薄膜１０１のヤング率Ｅｆの項の変化量が小さくても、圧電薄膜の厚さｔｓと磁歪薄膜１０１の厚さｔｆとの比率ｔｆ／ｔｓ及び共振周波数ｆ０が十分に大きかったり、或いは高ければ、高いセンサ感度Δｆ／Ｈｅｘを維持することが可能である。
第３図（ｂ）に示す磁気センサを製造する場合、先ず圧電体１０２として５０μｍ程度の厚さの−１８．５度Ｘ−Ｃｕｔ水晶板（基板１０３に該当する）上にＲＦスパッタリング等の成膜技術を用いて１μｍ程度の厚さのＣｏ−Ｆｅ−Ｚｒ系磁歪薄膜１０１を堆積させる。ここで、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｚｒ系磁歪薄膜１０１の化学量論的組成比は、例えば５０：３５：１５とし、そのときの磁歪定数λｓは２５×１０−６程度であり、圧電体１０２として使用する−１８．５度Ｘ−Ｃｕｔ水晶板（基板１０３に該当する）の基本振動モードを縦振動とする。
次に、−１８．５度Ｘ−Ｃｕｔ水晶板の反対面全体に電極１０４を形成してセンサ構造体１０６を構成するが、その共振周波数ｆ０はおおよそセンサ構造体１０６の長さで決定される。例えば圧電体１０２の長さ（センサ構造体１０６の長さ）を１２ｍｍ程度とすれば、センサ構造体１０６の共振周波数ｆ０は２００（ｋＨｚ）程度となる。
第３図（ｃ）に示す実施例２に係る磁気センサは、支持体である基板１０３の一方の主面に磁歪薄膜１０１を積層形成してセンサ構造体１０６としたものである。支持体である基板１０３は、水晶板，ＰＺＴに代表される圧電セラミクス板，ＬｉＮｂＯ３板，シリコン基板、或いはステンレスやＴｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｌ等の非磁性金属板であることが望ましい。
尚、シリコン基板や非磁性金属板を用いる場合には、片持ち梁構造（カンチレバー構造），両持ち梁構造，ダイアフラム構造の何れか一つの支持構造を採用すれば、機械的共振状態を発生させるために例えば静電駆動方式や光検出方式等の静電的，電磁的，熱的励振方法等により容易に駆動することが可能となる。又、圧電材料を支持体として用いる場合であっても、平板のみならず、片持ち梁構造，両持ち梁構造，ダイアフラム構造の何れか一つの支持構造を採用し、上述した駆動方式により機械的共振状態を発生させる（これらの各種構造に対する駆動方式の技術は周知であるので説明を省略する）ことが望ましい。但し、この場合の電極は、磁歪薄膜１０１又は支持体としての基板１０３の何れかに直接設けるか、或いは直接引き出すようにすることが望ましい。
第４図は、上述した磁気センサにおける外部磁場Ｈｅｘに対する共振周波数ｆ０の関係で示される出力特性（センサ出力）を示したものである。
第４図によれば、センサ出力は外部磁場１１３の変化に対して、共振周波数ｆ０の変化量として検出され、ほぼ線形的関係が得られている。
又、一般に、強磁性材料の磁歪量とヤング率との関係は比例関係にあり、磁気センサのセンサ感度Δｆ／Ｈｅｘを高めるためには、磁歪定数の大きな材料を適用することが好ましいと考えられる。そこで、例えば最近高い磁歪定数を有するＴｂＤｙＦｅ合金等が開発されているが、これらの材料は一般的に磁歪現象が発現する磁気バイアスポイントが数百Ｏｅ以上と高いので余り好ましくない。
これに対し、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系，Ｆｅ−Ｃｏ系，或いはＦｅ−Ｎｉ系薄膜等の磁性材料に関しては、磁歪定数の絶対値が高いだけではなく、高い透磁率を持つと共に、数Ｏｅ以下の低磁場側で高い磁歪定数を有しており、磁気バイアスポイントを低くすることが可能であるため、本発明における磁気センサ材料には好適である。
第５図は、上述した磁気センサに磁気検出方向の正負判別機能を具備した場合の基本構成及び動作機能を示した模式図であり、同図（ａ）は外部磁場が印加されない場合に関するもの，同図（ｂ）は外部磁場１１３が正の方向に印加された場合に関するもの，同図（ｃ）は外部磁場１２０が負の方向に印加された場合に関するものである。
ここでは、先の実施の形態の磁気センサに対して磁気検出方向の正負判別機能を持たせるべく、そのセンサ構造体１６と同等なセンサ構造体１２４における磁歪薄膜１２２の幅方向に予め外部磁場を印加するための永久磁石（或いは電磁コイルでも良い）１１４，１１６を設け、磁歪薄膜１２２にバイアス磁場を印加するように構成し、圧電体１２３の振動方向１１８を磁歪薄膜１２２の幅方向に対して４５度傾いた方向に設定した構成としている。
こうした構成における磁気検出方向の正負判別法の原理を説明すれば、先ず第５図（ａ）に示されるように外部磁場が印加されない場合（外部磁場による磁気信号がない場合）、永久磁石１１４，１１６により回転磁化１１７は殆ど磁歪薄膜１２２の幅方向に向いており、しかも圧電体１２３の振動方向１１８が磁歪薄膜１２２の方向に対して４５度傾いている状態にある。この状態は、第３図で説明した永久磁石１１４，１１６が設けられていない場合と比べて磁歪薄膜１２２の幅方向への磁気バイアス印加による磁歪現象によって磁歪薄膜１２２のヤング率Ｅｆが低くなっているが、磁歪薄膜１２２の磁歪方向が圧電体１２３の振動方向１１８に対して４５度傾いているため、実質的には圧電体１２３の振動方向１１８におけるヤング率Ｅｆが高くなっていると言える。従って、ここでの構成では先の第３図に示した構成の場合と比べて共振周波数ｆ０が高い状態にある。
次に、第５図（ｂ）に示されるように外部磁場１１３が正の方向に印加された場合、回転磁化１１９の方向は圧電体１２３の振動方向１１８に平行になるように推移し、それに伴って圧電体１２３の振動方向１１８における磁歪薄膜１２２の磁歪が増加し、ヤング率Ｅｆが更に低下することになる。従って、この場合の共振周波数ｆ０は低下することになる。
更に、第５図（ｃ）に示されるように外部磁場１２０が負の方向に印加された場合は、回転磁化１２１の方向は圧電体１２３の振動方向１１８に対して垂直になるように推移し、それに伴って圧電体１２３の振動方向１１８における磁歪薄膜１２２の磁歪が減少し、ヤング率Ｅｆが高くなる。従って、この場合の共振周波数ｆ０は増加することになる。
以上の第５図（ａ）〜（ｃ）より、磁歪薄膜１２２の幅方向に予め外部磁場を印加できるように永久磁石１１４，１１６を設け、圧電体１２３の振動方向１１８が磁歪薄膜１２２の幅方向に対して４５度傾いた方向に設定されていれば、磁気検出方向を判別することが可能となる。尚、種々実験結果から、ここでの圧電体１２３の振動方向１１８は、磁歪薄膜１２２の幅方向に対して約４０〜５０度の範囲で傾いた方向に設定されている構成であれば、磁気検出方向を判別できることが判った。
第６図は、上述したセンサ構造体１０６の機械的な共振周波数を検出するための検出信号処理回路の基本構成を示した回路ブロック図である。ここでの検出信号処理系回路は、センサ構造体１０６を含むセンサ部７，増幅回路８，及び位相シフト回路９を備えて成る自励発振回路部と、この自励発振回路部における増幅回路８及び位相シフト回路９の間に接続されて自励発振回路部から出力される発振周波数を電圧に変換する周波数／電圧変換回路部（Ｆ／Ｖコンバータ）１０とを備えて構成される。ここでの簡易な自励発振回路部の構成例としては、ＣＭＯＳインバータの帰還回路にセンサ部７を配置することで実現できる。
第７図は、上述したセンサ構造体１０６の機械的な共振周波数を検出するための別の検出信号処理回路の基本構成を示した回路ブロック図である。ここでの検出信号処理系回路は、先のセンサ構造体１０６を第１のセンサ構造体として含むセンサ部７，増幅回路８，及び位相シフト回路９を備えて成る第１の自励発振回路部１１と、非磁歪薄膜による積層体，又は非磁歪薄膜と支持体とによる積層体から成ると共に、外部磁場変化に対して機械的な共振周波数が変化せずに一定の基準周波数を発振する略図された別な第２のセンサ構造体と、この第２のセンサ構造体を含むセンサ部，増幅回路，及び位相シフト回路を備えて成る第２の自励発振回路部１２とを備えている。又、この検出信号処理系回路は、第１の自励発振回路部１１における増幅回路８及び位相シフト回路９の間、並びに第２の自励発振回路部１２における増幅回路及び位相シフト回路の間にそれぞれ接続されて第１の自励発振回路部１１から出力される発振周波数と第２の自励発振回路部１２から出力される基準周波数との差を増幅して差動周波数として出力する差動増幅回路１３と、差動増幅回路１３から出力される差動周波数を電圧に変換する周波数／電圧変換回路部（Ｆ／Ｖコンバータ）１０とを備えている。
このような第１の自励発振回路部１１による発振周波数と第２の自励発振回路部１２による基準周波数との差を得るようにした差動方式の検出信号処理回路の場合、温度変化に伴う磁歪薄膜１０１の形状変化やヤング率変化を補正することが可能になるため、一層高精度に磁場計測を行うことができる。尚、ここでの別なセンサ構造体に用いられた非磁歪薄膜としては、形状の他に熱容量，熱伝導率，熱膨張系数等の各種材料定数が適用された磁歪薄膜１０１とほぼ等しくなるように選択することが好ましい。一例として、磁歪薄膜１０１をＦｅ−Ｃｏ系薄膜とする場合に非磁歪薄膜としてＡｕ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｔｉ等の薄膜が挙げられる。
要するに、本発明の磁気センサの場合、第３図を参照して説明したように、磁歪素子であるセンサ構造体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴ってセンサ構造体の機械的な共振周波数が変化し、その共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する構成としているので、小型化及び軽量化が可能であり、且つ高感度なセンサ特性を持つようになる。特に、この磁気センサにおいて、磁歪薄膜の幅方向に予め外部磁場を印加するための磁場印加手段を備え、圧電体の振動方向を磁歪薄膜の幅方向に対して約４０〜５０度傾いた方向に設定する構成として磁気検出方向を判別できる構成とすれば、携帯用方位センサ等の各種産業機器への適用が好適となる。又、この磁気センサでは、検出信号処理回路を第６図を参照して説明した構成か、或いは第７図を参照して説明した差動方式の構成とすることにより、高精度な磁気計測を簡単に行うことが可能となる。In order to describe the invention in more detail, it will be described with reference to the accompanying drawings. In the case of the magnetic sensor of the present invention, the technical outline will be briefly described. The magnetic sensor is composed of a sensor structure that is a magnetostrictive element, and this sensor structure is mechanically vibrated as a unit. The mechanical resonance frequency of the sensor structure changes with the change of the external magnetic field, and the external magnetic field amount is calculated from the change amount of the resonance frequency. However, the magnetostrictive element here may be composed of a magnetostrictive thin film (may be a laminate thereof) or a laminate of a magnetostrictive thin film and a support.
FIGS. 3A and 3B are side sectional views showing the basic configuration of the magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention. The magnetic sensor shown in FIG. 3 (a) has a substantially plate-like shape having a piezoelectric body 102 in which a magnetostrictive thin film 101 is laminated on one main surface of a substrate 103 as a support, and electrodes are drawn from the piezoelectric body 102. The sensor structure 106 includes a laminated body, and the sensor structure 106 is mechanically vibrated as a unit by a voltage applied to the piezoelectric body 102, and is accompanied by a change in the external magnetic field 113. The mechanical resonance frequency of the sensor structure 106 changes, and the amount of the external magnetic field 113 is calculated from the amount of change in the resonance frequency.
As shown in FIG. 3B, the substrate 103 here can be replaced by the piezoelectric body 102 itself. In this case, the sensor structure 106 is formed on one main surface of the piezoelectric body 102. The magnetostrictive thin film 101 is laminated, and an electrode 104 for applying a voltage to the piezoelectric body 102 is provided on the other main surface. The magnetostrictive thin film 101 is configured as a substantially plate-like magnetostrictive element. It is what is done.
In the case of these magnetic sensors, when an external magnetic field 113 is applied, the Young's modulus of the magnetostrictive thin film 101 (what is called the elastic modulus of elongation, what is called the longitudinal elastic modulus) changes with the magnetostrictive effect of the magnetostrictive thin film 101 (postscript). As a result, the resonance frequency of the sensor structure 106 having the magnetostrictive thin film 101 and the piezoelectric body 102 changes.
That is, the sensor structure 106 can be thought of as a composite beam with a piezoelectric thin film in the magnetostrictive film 101 and the piezoelectric body 102, the change amount Δf of the resonance frequency f 0, the thickness of the magnetostrictive film 101, respectively t f , The Young's modulus of the magnetostrictive thin film 101 is E f , the density of the magnetostrictive thin film 101 is ρ f , the thickness of the piezoelectric body 102 (in this case, the piezoelectric thin film) is t s , the Young's modulus of the piezoelectric body 102 is E s , and the piezoelectric body 102 If the density ρ s, Δf = (t f · f 0 / 2t s) × [(3E f / E s) - (ρ f / ρ s)] = a '(b' · E f -c ' ) Is expressed as a relational expression 2.
However, here, a '= a t f · f 0 / 2t s relational expression 3, b' = 3 / and E s relational expression 4, c '= ρ f / ρ s relational expression 5 and is satisfied To do.
From the above relational expressions 2 to 5, when the Young's modulus E f of the magnetostrictive thin film 101 of the composite beam composed of the magnetostrictive thin film 101 and the piezoelectric body 102 is changed by the external magnetic field 113, the resonance frequency f of the composite beam is accompanied accordingly. 0 change amount Δf is changed (large influence due to a change in the change amount Δf of the resonance frequency f 0) is seen.
Here, the ΔE effect of a ferromagnet is, according to the publicly known document “Near Angle, Physics of the ferromagnet (bottom), Hankabo, p. 144”, “In a ferromagnet, regardless of whether the magnetostriction λ is positive or negative. This causes extra elongation due to rotation of the spontaneous magnetization due to the tension, which lowers the Young's modulus E f, and this effect is called the ΔE effect, which is naturally proportional to λ because it occurs due to the presence of the magnetostriction λ. Is explained.
Considering the magnetic sensor of the present invention, when the external magnetic field 113 is applied to the sensor structure 106, the magnetostrictive thin film 101 is stretched by the rotation of the spontaneous magnetization along the direction of the external magnetic field 113, and accordingly. Young's modulus Ef decreases. For this reason, when the external magnetic field 113 changes, the resonance frequency f 0 of the composite beam of the sensor structure 106 decreases according to the relational expression 3. The change in the resonance frequency f 0 of the composite beam here is also caused by a shape change due to the magnetostriction of the magnetostrictive thin film 101, and the change amount Δf of the resonance frequency f 0 as the sensor output is an integral part of the sensor structure 106. This is due to changes in the dynamic vibration. In order to improve the sensor sensitivity Δf / H ex in the magnetic sensor, the value of a ′ shown in the relational expression 3 is increased in the sensor design, that is, the thickness t f of the magnetostrictive thin film 101 and the piezoelectric thin film in the piezoelectric body 102. that the ratio t f / t s and the thickness t s is increased, and it becomes necessary to increase the resonance frequency f 0 of the composite beams of the sensor structure 106. To increase the resonant frequency f 0 itself composite beams of the sensor structure 106, for example, when the fundamental mode of the piezoelectric body 102 is longitudinal vibration shortens the length of the piezoelectric body 102, the fundamental mode of the piezoelectric body 102 Is thick sliding vibration, the thickness of the vibrator (piezoelectric body 102) may be reduced.
Even in the magnetic sensor of the present invention, as long as the magnetic thin film is used, the influence of the demagnetizing field is unavoidable in principle. However, the influence on the sensor sensitivity Δf / H ex compared with the conventional MI sensor and the fluxgate sensor. Is considered small. That is, even if the amount of change in the Young's modulus E f of the magnetostrictive thin film 101 related to the demagnetizing field is small as shown in the relational expression 2 described above, the thickness t s of the piezoelectric thin film and the thickness t of the magnetostrictive thin film 101 are small. the ratio t f / t s and or sufficiently greater resonance frequency f 0 of the is f, or is higher, it is possible to maintain a high sensor sensitivity Δf / H ex.
When manufacturing the magnetic sensor shown in FIG. 3 (b), first, as the piezoelectric body 102, RF sputtering or the like is formed on a -18.5 degree X-Cut quartz plate (corresponding to the substrate 103) having a thickness of about 50 μm. A Co—Fe—Zr magnetostrictive thin film 101 having a thickness of about 1 μm is deposited using a film technique. Here, the stoichiometric composition ratio of the Co—Fe—Zr magnetostrictive thin film 101 is, for example, 50:35:15, and the magnetostriction constant λs at that time is about 25 × 10 −6 , and is used as the piezoelectric body 102. The basic vibration mode of the -18.5 degree X-Cut crystal plate (corresponding to the substrate 103) is assumed to be longitudinal vibration.
Next, the electrode 104 is formed on the entire opposite surface of the −18.5 degree X-Cut quartz plate to form the sensor structure 106, and the resonance frequency f 0 is determined approximately by the length of the sensor structure 106. The For example, if the length of the piezoelectric body 102 (length of the sensor structure 106) and about 12 mm, the resonance frequency f 0 of the sensor structure 106 will be 200 (kHz) degree.
The magnetic sensor according to Example 2 shown in FIG. 3C is a sensor structure 106 in which a magnetostrictive thin film 101 is laminated on one main surface of a substrate 103 as a support. The substrate 103 as a support is preferably a quartz plate, a piezoelectric ceramic plate typified by PZT, a LiNbO 3 plate, a silicon substrate, or a nonmagnetic metal plate such as stainless steel, Ti, Cu, Cr, Au, or Al. .
When a silicon substrate or a non-magnetic metal plate is used, a mechanical resonance state can be generated by using any one of a cantilever structure (cantilever structure), a cantilever structure, and a diaphragm structure. Therefore, it can be easily driven by an electrostatic, electromagnetic or thermal excitation method such as an electrostatic drive method or a light detection method. Even when a piezoelectric material is used as a support, not only a flat plate but also a cantilever structure, a cantilever structure, or a diaphragm structure is adopted, and the above drive system is used to mechanically It is desirable to generate a resonance state (the description of the driving method for these various structures is well known and will not be repeated). However, in this case, it is desirable that the electrode be directly provided on either the magnetostrictive thin film 101 or the substrate 103 as a support, or be directly drawn out.
FIG. 4 shows output characteristics (sensor output) indicated by the relationship of the resonance frequency f 0 with respect to the external magnetic field H ex in the magnetic sensor described above.
According to FIG. 4, the sensor output is detected as a change amount of the resonance frequency f 0 with respect to the change of the external magnetic field 113, and a substantially linear relationship is obtained.
In general, the relationship between the magnetostriction amount of the ferromagnetic material and the Young's modulus is proportional, and it is considered preferable to apply a material having a large magnetostriction constant in order to increase the sensor sensitivity Δf / Hex of the magnetic sensor. It is done. Therefore, for example, a TbDyFe alloy having a high magnetostriction constant has been recently developed. However, these materials are not so preferable because the magnetic bias point at which the magnetostriction phenomenon is generally exhibited is as high as several hundred Oe or more.
On the other hand, the magnetic material such as Fe-Si-B, Fe-Co, or Fe-Ni thin film not only has a high absolute value of the magnetostriction constant, but also has a high magnetic permeability and a few Oe or less. Since it has a high magnetostriction constant on the low magnetic field side and can lower the magnetic bias point, it is suitable for the magnetic sensor material in the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a basic configuration and an operation function when the above-described magnetic sensor has a function of discriminating a magnetic detection direction, and FIG. 5 (a) relates to a case where an external magnetic field is not applied. FIG. 6B relates to the case where the external magnetic field 113 is applied in the positive direction, and FIG. 6C relates to the case where the external magnetic field 120 is applied in the negative direction.
Here, an external magnetic field is applied in advance in the width direction of the magnetostrictive thin film 122 in the sensor structure 124 equivalent to the sensor structure 16 so that the magnetic sensor of the previous embodiment has a function of determining whether the magnetic detection direction is positive or negative. Permanent magnets (or electromagnetic coils) 114 and 116 for application may be provided so that a bias magnetic field is applied to the magnetostrictive thin film 122, and the vibration direction 118 of the piezoelectric body 123 is set to the width direction of the magnetostrictive thin film 122. The configuration is set in a direction inclined by 45 degrees.
The principle of the magnetic detection direction positive / negative discrimination method in such a configuration will be described. First, as shown in FIG. 5A, when an external magnetic field is not applied (when there is no magnetic signal due to the external magnetic field), the permanent magnet 114, 116, the rotational magnetization 117 is almost directed in the width direction of the magnetostrictive thin film 122, and the vibration direction 118 of the piezoelectric body 123 is inclined 45 degrees with respect to the direction of the magnetostrictive thin film 122. In this state, the Young's modulus E f of the magnetostrictive thin film 122 is lowered by the magnetostriction phenomenon due to the application of the magnetic bias in the width direction of the magnetostrictive thin film 122 as compared with the case where the permanent magnets 114 and 116 described in FIG. 3 are not provided. However, since the magnetostriction direction of the magnetostrictive thin film 122 is inclined by 45 degrees with respect to the vibration direction 118 of the piezoelectric body 123, the Young's modulus E f in the vibration direction 118 of the piezoelectric body 123 is substantially increased. I can say that. Therefore, in the state high resonance frequency f 0 as compared with the case of the configuration shown in FIG. 3 of the above in the configuration of this case.
Next, as shown in FIG. 5 (b), when the external magnetic field 113 is applied in the positive direction, the direction of the rotational magnetization 119 changes so as to be parallel to the vibration direction 118 of the piezoelectric body 123. Along with this, the magnetostriction of the magnetostrictive thin film 122 in the vibration direction 118 of the piezoelectric body 123 increases, and the Young's modulus E f further decreases. Accordingly, the resonance frequency f 0 in this case is lowered.
Further, as shown in FIG. 5C, when the external magnetic field 120 is applied in a negative direction, the direction of the rotational magnetization 121 changes so as to be perpendicular to the vibration direction 118 of the piezoelectric body 123. Accordingly, the magnetostriction of the magnetostrictive thin film 122 in the vibration direction 118 of the piezoelectric body 123 decreases, and the Young's modulus Ef increases. Accordingly, the resonance frequency f 0 in this case increases.
5A to 5C, permanent magnets 114 and 116 are provided in advance so that an external magnetic field can be applied in the width direction of the magnetostrictive thin film 122, and the vibration direction 118 of the piezoelectric body 123 is the width of the magnetostrictive thin film 122. If the direction is set to a direction inclined by 45 degrees with respect to the direction, it is possible to determine the magnetic detection direction. From various experimental results, if the vibration direction 118 of the piezoelectric body 123 is set to a direction inclined in the range of about 40 to 50 degrees with respect to the width direction of the magnetostrictive thin film 122, the magnetic field It was found that the detection direction could be determined.
FIG. 6 is a circuit block diagram showing a basic configuration of a detection signal processing circuit for detecting the mechanical resonance frequency of the sensor structure 106 described above. The detection signal processing system circuit here includes a self-excited oscillation circuit unit including a sensor unit 7 including a sensor structure 106, an amplifier circuit 8, and a phase shift circuit 9, and an amplifier circuit 8 in the self-excited oscillation circuit unit. And a frequency / voltage conversion circuit unit (F / V converter) 10 that is connected between the phase shift circuit 9 and converts the oscillation frequency output from the self-excited oscillation circuit unit into a voltage. A simple configuration example of the self-excited oscillation circuit unit here can be realized by arranging the sensor unit 7 in the feedback circuit of the CMOS inverter.
FIG. 7 is a circuit block diagram showing a basic configuration of another detection signal processing circuit for detecting the mechanical resonance frequency of the sensor structure 106 described above. The detection signal processing system circuit here is a first self-oscillation circuit unit including a sensor unit 7 including the previous sensor structure 106 as a first sensor structure, an amplifier circuit 8, and a phase shift circuit 9. 11 and a laminate of non-magnetostrictive thin film, or a laminate of non-magnetostrictive thin film and support, and oscillates a constant reference frequency without changing the mechanical resonance frequency in response to external magnetic field changes. Another second sensor structure, and a second self-excited oscillation circuit unit 12 including a sensor unit including the second sensor structure, an amplifier circuit, and a phase shift circuit are provided. The detection signal processing system circuit is provided between the amplifier circuit 8 and the phase shift circuit 9 in the first self-excited oscillation circuit unit 11 and between the amplifier circuit and the phase shift circuit in the second self-excited oscillation circuit unit 12. Are respectively connected to the first self-excited oscillation circuit unit 11 and the difference between the reference frequency output from the second self-excited oscillation circuit unit 12 and amplified as a differential frequency. A dynamic amplifier circuit 13 and a frequency / voltage conversion circuit unit (F / V converter) 10 that converts a differential frequency output from the differential amplifier circuit 13 into a voltage are provided.
In the case of the differential detection signal processing circuit in which the difference between the oscillation frequency by the first self-excited oscillation circuit unit 11 and the reference frequency by the second self-excited oscillation circuit unit 12 is obtained, the temperature changes. The accompanying change in shape and Young's modulus of the magnetostrictive thin film 101 can be corrected, so that magnetic field measurement can be performed with higher accuracy. The non-magnetostrictive thin film used in another sensor structure here is substantially the same as the magnetostrictive thin film 101 to which various material constants such as heat capacity, thermal conductivity, and thermal expansion coefficient are applied in addition to the shape. It is preferable to select. As an example, when the magnetostrictive thin film 101 is an Fe—Co-based thin film, examples of the non-magnetostrictive thin film include thin films such as Au, Al, Cu, Cr, and Ti.
In short, in the case of the magnetic sensor of the present invention, as described with reference to FIG. 3, the external magnetic field change occurs when the sensor structure which is a magnetostrictive element is mechanically vibrated integrally. As a result, the mechanical resonance frequency of the sensor structure changes, and the amount of external magnetic field is calculated from the amount of change in the resonance frequency. To have. In particular, this magnetic sensor includes magnetic field applying means for applying an external magnetic field in advance in the width direction of the magnetostrictive thin film, and the vibration direction of the piezoelectric body is inclined about 40 to 50 degrees with respect to the width direction of the magnetostrictive thin film. If the magnetic detection direction can be determined as a configuration to be set, application to various industrial devices such as a portable orientation sensor is preferable. Further, in this magnetic sensor, the detection signal processing circuit has the configuration described with reference to FIG. 6 or the differential type configuration described with reference to FIG. It can be done easily.
