WO2002101396A1 - Detecteur magnetique - Google Patents

Description

明 細 書 磁気検出装置 技術分野

この発明は、 磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出装置、 特に、 その 構造を改良した磁気検出装置に関する。 背景技術

従来、 磁気検出装置としてはホール素子や磁気抵抗素子が広く用いられてい るが、 検出感度の点で満足できるものが少ない。 そこで、 この磁気抵抗素子に 代わる高感度磁気検出素子として、 例えば特開平 6— 2 8 1 7 1 2号公報に開 示されているアモルファスワイ.ャによる磁気インピーダンス素子や、 特開平 8 - 0 7 5 8 3 5号公報に開示されている薄膜形状のものが提案されている。 いずれの形状の磁気インピーダンス素子も高感度の磁気検出特性を示すが、 素子自身の磁気検出特性は、 図 1 4に示すアモルファスワイヤの磁気インピー ダンス特性例のように非線形特性を有するので、 例えば特開平 6 - 1 7 6 9 3 0号公報， 特開平 6— 3 4 7 4 8 9号公報の如く、 バイアス磁界を加えること によりインピーダンス変化の印加磁界依存性の直線性を改善したり、 磁気ィン ピーダンス素子に負帰還コイルを卷き、 磁気インピーダンス素子の両端の電圧 に比例した電流をコイルに通電し負帰還を施すことにより、 直線性に優れた磁 気検出素子を提供するようにしている。 .

バイアス磁界は磁気インピ^ダンス素子に卷かれたコイルに通電する方法が 一般的なので、 バイアス用と帰還用の二種類のコイルを卷く必要があり、 装置 が大型化する。 装置が大型化すると、 磁気インピーダンス素子とバイアス用お よび帰還用コイルとの磁気抵抗が増えるので、 卷線に通電する電流を増やす必 要が生じ低消費電力化の妨げとなる。

その対策として、 磁気インピーダンス素子を可能な限り小型化することで磁 気インピーダンス素子と卷線間の磁気抵抗を低減できるが、 アモルファスワイ ャの場合はワイヤの張力等の違い、 すなわち磁歪効果の違いにより出力がばら つく。

歪みの影響は磁気感度が小さい程、 すなわち素子が小型化する程影響が大 きくなるので、 アモルファスワイヤを小型化すると磁気検出精度が上がらない 、 温度等により歪みの影響が変わるので耐環境性が悪い、 などの問題がある。 図 1 5に、 アモルファスワイヤを用いた小型磁気検出装置の例を示す。 Wはァ モノレファスワイヤ、 Cはコイルを示す。

さらに、 ワイヤ状， 薄膜状のいずれの形状の磁気インピーダンス素子を用い る場合でも、 磁気インピーダンス素子の製造時の材料 （透磁率， 抵抗率等） お ょぴ素子寸法 （長さ， S莫厚， 膜幅等） のばらつきにより、 素子感度がばらつく という問題がある。

図 1 6に磁気インピーダンス素子の検出回路 (磁気センサ) の従来例を示す。 これは、 磁気インピーダンス素子 1に対し、 高周波電流発生器 O S Cから高 周波電流を流したとき得られる出力を、 検波回路 Aおよび増幅回路 Bを介して 出力することで、 例えば素子 1のインピーダンスを求めるものである。 このと き、 出力の調整は可変抵抗器 V Rにより行なう。

しかし、 図 1 6のような方式では、 上記の素子感度ばらつきを 1つの可変抵 抗器 V Rでしか調整できないので、 ばらつきの低減ィ匕が非常に困難であるとい う問題がある。 また、 このような検出回路を用いて素子感度ばらつきを低減す るためには、 1台ずつ調整や校正を行なう必要があり、 コストが大幅にアップ する。 仮に、 調整， 校正が行なえたとしても、 経時変化による出力ドリフトの 校正はできないので、 補償精度が上がらないという問題もある。

したがって、 この発明の課題は、 耐環境性や経時変化による精度低下のない、 高精度で低コストな検出回路を提供することにある。 発明の開示

このような課題を解決するため、 請求項 1の発明では、 磁気インピーダンス 効果を有する磁気インピーダンス素子と、 この磁気ィンピーダンス素子の両端 に交流電流を印加する端子と、 前記磁気ィンピーダンス素子にバイアス磁界を 印加するための巻線おょぴ端子と、 前記磁気ィンピーダンス素子に負帰還磁界 を印加するための巻線およぴ端子とを設け、 前記磁気ィンピーダンス素子と、 前記パイァス磁界を印加するための卷線およぴ端子と、 前記負帰還磁界を印加 するための卷線およぴ端子とを樹脂成型により一体化することを特徴とする。 この請求項 2の発明では、 磁気インピーダンス効果を有する 1対の磁気イン ピーダンス素子と、 これら各磁気インピーダンス素子の両端に交流電流を印加 する端子と、 前記各磁気ィンピーダンス素子にバイアス磁界を印加するための 卷線および端子と、 前記各磁気インピーダンス素子に負帰還磁界を印加するた めの卷線および端子とを設け、 前記磁気ィンピーダンス素子と、 前記バイァス 磁界を印加するための卷線およぴ端子と、 前記負帰還磁界を印加するための巻 線および端子とをそれぞれ樹脂成型により一体化することを特徴とする。

この請求項 2の発明においては、 前記負帰還磁界を印加するための卷線は、 前記対となる磁気インピーダンス素子に対して同一方向の磁界を与えるよう 1 つの卷線から構成することができる （請求項 3の発明） 。

請求項 4の発明では、 磁気インピーダンス効果を有する少なくとも 2つの磁 気インピーダンス素子と、 これら各磁気インピーダンス素子の両端に交流電流 を印加する端子と、 前記各磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加する ための磁石と、 前記各磁気インピーダンス素子に負帰還磁界を印加するための 卷線および端子とを設け、 前記磁気インピーダンス素子と、 磁石と、 前記負帰 還磁界を印加するための卷線および端子とをそれぞれ樹脂成型により一体化す ることを特 ί敷とする。

上記請求項 1ないし 4のいずれかの発明においては、 前記磁気インピーダン ス素子に対し、 その出力に比例した信号を出力する回路部を一体化することが できる （請求項 5の発明） 。

上記請求項 1ないし 5のいずれかの発明においては、 前記磁気インピーダン ス素子として薄膜型のものを用いることができる （請求項 6の発明） 。 図面の簡単な説明

図 1は、 この発明の第 1の実施の形態を示す構成図である。

図 2は、 この発明による磁気検出装置の製造過程説明図である。

図 3は、 図 1で用いられる検知回路例を示すブロック図である。

図 4は、 磁気検出装置における交流バイァス説明図である。

図 5は、 磁気インピーダンス素子における磁界発生方向説明図である。 図 6は、 磁気検出装置の磁界検知特性説明図である。

図 7は、 磁気検出装置における磁界検知方向説明図である。

図 8は、 磁気シールドの説明図である。

図 9は、 この発明の第 2の実施の形態を示す構成図である。

図 1 0は、 外乱磁界のキャンセル方法説明図である。

図 1 1は、 この発明の第 3の実施の形態を示す構成図である。

図 1 2は、 磁気検出装置における直流バイアス説明図である。

図 1 3は、 この発明の第 4の実施の形態を示す構成図である。 図 1 4は、 アモルファスワイヤの磁気インピーダンス特性説明図である。 図 1 5は、 アモルファスワイヤを用いた磁気検出装置例を示す概要図である。 図 1 6は、 検出回路の従来例を示す回路図である。 発明の実施するための最良の形態

図 1はこの発明の第 1の実施の形態を示す構成図で、 1は薄膜状の磁気ィン ピーダンス素子、 3は磁気インピーダンス素子 1の外側に形成された樹脂製の ボビンで、 ィンサート成形等で製作する。 4は磁気インピーダンス素子 1にパ ィァス磁界を印加するためのコイル、 5は磁気インピーダンス素子 1に負帰還 磁界を印加するためのコイル、 6は磁気インピーダンス素子 1およびコイル 4 ， 5を環境から保護するための樹脂製のケースで、 インサート成形等で製作す る。 2は磁気ィンピーダンス素子 1の両端に高周波電流を印加するための端子 、 およびコイル 4 , 5に電流を印加するための端子である。 以上のように構成 される磁気検出装置を、 符号 1 0で示す。

図 2に磁気検出装置の組み立てフローを示す。

まず、 ①に示すリードフレーム 2 0の一組の端子間に、 磁気インピーダンス 素子 1を②に示すように接合する。 この接合方法としては半田付け， 接着， ポ ンディング等がある。 次に、 ③のように、 磁気ィンピーダンス素子 1を接合し たリードフレーム 2 0に、 ボビン 3を樹脂成形する。 次いで④のようにリード フレームをカットした後、 バイアス用コイル 4と負帰還用コイル 5を巻く。 そ の上に、 ⑥のようにケース 6を樹脂成形し、 端子 2を折り曲げ加工して完成と なる。

薄膜状の磁気インピーダンス素子は 1 mm角程度に製作が可能なので、 磁気 検出装置 1 0の外形をほぼ 5 mm角にすることができ、 磁気インピーダンス素 子 1とコイル 4， 5との磁気抵抗を大幅に低減することができる。 図 3に検出回路の例を示す。

同図において、 8 0は磁気インピーダンス素子 1に高周波電流を印加する素 子駆動部、 8 1はバイァス用コイル 4を駆動するバイァス用駆動部、 8 2は検 波回路、 8 3 , 8 4は保持回路、 8 5は差動増幅回路、 8 6は負帰還用コイル 5に出力を帰還するための、 例えば抵抗からなる帰還素子、 8 7は差動増幅回 路 8 5の出力電圧をデジタル値に変換する電圧/デジタル変換器、 8 8はマイ クロコンピュータ等からなる補正演算器をそれぞれ示す。

つまり、 外部磁界によるインピーダンスの変化を検波回路 8 2で検波後に、 バイアス用コイル 4に印加する波形のタイミングに同期させ、 保持回路 8 3で 検波波形の （+ ) 側を保持するとともに保持回路 8 4でその （一） 側を保持し 、 これらの差を差動増幅回路 8 5で検出する。

図 4は磁気検出装置に交流バイアスを印加した時の出力説明図である。 これは一般的な磁気ィンピーダンス素子の特性を示し、 零磁界を基準に磁界 の方向に関わらず任意のセンサ出力が得られる様子を示す。

図 4において、 （a ) , ( b ) で示すケース 1は、 外部磁界が零の状態で、 磁気ィンピーダンス素子 1の出力で見たプラス側の出力とマイナス側の出力が 等しいくなつているので、 保持回路 8 3， 8 4のそれぞれの出力は等しくなり 、 差動増幅回路 8 5の出力は矢印 Aで示すように零となる。

図 4の （c ) ， ( d ) で示すケース 2は、 外部磁界が印加された状態で、 磁 気インピーダンス素子 1の出力で見たプラス側の出力とマイナス側の出力差は 厶 Vとなるので、 保持回路 8 3 , 8 4のそれぞれの出力差は Δ νとなり、 差動 増幅回路 8 5の出力は矢印 Βで示すようにひ X A V ( a ：差動増幅回路のゲイ ン） となる。

以上のように、 任意の磁界が印加された状態で既知の磁界をバイアス用コィ ルに印加し、 そのときの出力を求めることにより、 磁気検出装置の出力感度を 自動的に求めることができるので、 以上に説明したような磁気検出装置を用い ることにより、 環境特性や経時変化にて磁気インピーダンス素子 1の磁気感度 が変化したとしても、 図 4で示したような方法により磁気インピーダンス素子 1の感度を検出し、 自動的に校正をすることが可能となる。

図 5は磁気検出装置における磁界の発生方向説明図である。

ここでは、 バイアス用コイル 4の外側に帰還用コイル 5が卷かれているが、 帰還用コイル 5の外側にバイアス用コイル 4を巻くようにしても良い。 矢印 C で示す磁気インピーダンス素子 1の磁界検知方向に対して、 負帰還用コイル 5 による磁界方向を逆にすることにより、 磁気インピーダンス素子 1への印加磁 界を低減できるので、 より広い範囲の磁界検知が可能となる。

図 6に負帰還素子 （8 6 ) を任意に選定した場合の、 検知磁界に対する磁気 検出装置の出力特性例を示す。 負帰還を施した場合の方が広範囲の磁界を検知 できることが分かる。

図 7に磁気検出装置により電流を検知する場合の構成例を示す。 同図 （a ) は斜視図、 同 （b ) は上面図である。

図 （a ) のように、 電流を導く配線 1 2を有する基板 1 1上に磁気検出装置 を実装したもので、 電流 1 2 0により発生する同 （b ) の点線 Dのような磁束 に対する磁気検出装置 1 0の配置により、 磁気検出装置 1 0の出力感度が決定 されるので、 磁気検出装置 1 0の配置を考慮することにより、 電流 1 2 0の大 きさに応じた磁気検出装置 1 0の出力感度調整が可能となる。 なお、 図 （b ) の磁気検出装置 1 0に示された矢印 Eは、 磁気インピーダンス素子 1の磁界検 知方向を示す。

図 8に磁気検出装置を用いて電流を検知する場合の磁気シールドの構成例を 示す。 これは、 図 7に示すものに磁気シールド 1 3を付カ卩したもので、 その形 状は電流 1 2 0の大きさに応じて適正化することが必要である。 図 9にこの発明の第 2の実施の形態を示す。

これは、 図 1に示すものに対し、 2つの磁気インピーダンス素子 1 a , l b を用いた点が特徴である。 こうすれば、 2つの素子の出力差をとることができ 、 これにより外乱磁界の影響をキャンセルして磁界を検知することが可能とな り、 より高精度な検知が可能となる。

図 1 0は外乱磁界のキャンセル方法説明図である。

同図において、 磁界 Sに対する磁気インピーダンス素子 1 a， 1 bの検知磁 界を S a , S bとし、 一様な外乱磁界 Nに対する磁気インピーダンス素子 1 a ， 1 bの検知磁界を Nとすると、 磁気インピーダンス素子 1 a， l bの出力差 は、

差動出力 = 1 aの出力一 1 bの出力

= S a + N ~ ( S b + N) = S a - S b … ( 1 ) となり、 一様な外乱磁界 Nの影響を受けることなく磁界の検知が可能なことが 分かる。 なお、 同図において外乱磁界 Nによる磁束を矢印 Nで示している。 図 1 1にこの発明の第 3の実施の形態を示す。 '

これは、 図 9のバイアス用コイルの代わりに、 （マイクロ） マグネット 7を 用いた点が特徴である。 マイク口マグネット 7は磁気インピーダンス素子 1 a ， 1 bに直流バイアスを印加するもので、 バイアス用コイルを用いるものに比 ベてバイアス用コイルに通電する電流を低消費電力化できる。 通常、 バイアス 用コイルには約 3 0 m A程度の電流が必要なので、 5 V駆動時に約 1 5 0 mW の低消費電力化が可能となる。

図 1 2は、 図 1 1のマイクロマグネットによる直流バイアス説明図である。 同図の外部磁界に対するセンサの出力特性は、 一般的な磁気インピーダンス素 子の特性を示しており、 零磁界を基準に磁界の方向に関わらず任意のセンサ出 力が得られることを示す。 図 1 2 ( a ) , ( b ) ， （c ) で示すケース 1は、 外部磁界が零の状態で、 磁気インピーダンス素子 1 a， l bの出力が等しくな つているので、 保持回路 83， 84の各出力も等しくなり、 差動増幅回路 85 の出力は矢印 Eで示すように零となる。

また、 図 12 (d) ， (e) , (f ) で示すケース 2は、 外部磁界 ΔΗが印 加された状態で、 磁気インピーダンス素子 1 a， 1 bの出力差が AVとなるの で、 保持回路 83, 84の出力差も Δνとなり、 差動増幅回路 85の出力は矢 印 Fで示すように ΑΧΔν (=α X (ΔΗ—ΔΗ' ) 、 A：差動増幅回路のゲ イン） となる。

図 13にこの発明の第 4の実施の形態を示す。

これは、 図 1に示す磁気検出装置に対し、 図 3に示すような検知回路部 8を 内蔵した点が特徵である。 このようにすることで、 センサ信号の高 S/N化が 可能となり、 図 4で説明したような自動校正時の各種補正データを磁気ィンピ 一ダンス素子毎に内蔵させることで、 より高精度化できる。 このような検知回 路部 8は図 9， 図 11に示す磁気検出装置に対しても適用できるのは言うまで もない。 産業上の利用可能性

この発明によれば、 磁気インピーダンス素子とバイアス卷線， 負帰還卷線お よび端子を樹脂成形により一体化したので、 磁気抵抗が低減されバイァス電流 および負帰還電流を小さくすることができ、 小型で低消費電力の磁気検出装置 を提供することができる。

また、 バイアス用コイルで既知の磁界を印加できるので、 その出力から磁気 インピーダンス素子の感度を自動的に検出することにより、 耐環境性に優れた 高精度な磁気検出装置を提供できる。 さらに、 負帰還電流により検知磁界が低減できるので、 負帰還電流を大きく することにより、 検知磁界に対する磁気検出装置の出力感度の調整が可能とな る。 したがって、 検知磁界により磁気検出装置の出力が飽和することがなく、 磁気検知範囲の広い (ワイドレンジな) 磁気検出装置を低消費電力で提供でき る。

また、 2つの磁気インピーダンス素子の出力の差を検出することで、 外乱磁 界の影響をキャンセルすることができ、 低消費電力で高精度な磁気検出装置を 提供できる。

磁気インピーダンス素子のバイアス磁界をマイク口マグネットで印加するこ とで、 バイアスコイルに印加する電流分を更に低減でき、 より低消費電力化を 図ることができる。

また、 信号処理回路 （検知回路部） を内蔵させることで、 センサ信号の高 S /N化が可能となる。 特に、 各種補正データを内蔵させて高機能化を図ること で、 耐環境性に優れ高精度で低消費電力の磁気検出装置を提供できる。

加えて、 磁気インピーダンス素子に薄膜タイプのものを用いることにより、 ワイヤタイプで問題となる歪みによる出力変化の影響が少なく、 その結果、 高 精度で低消費電力の磁気検出装置を提供できる。

Claims

請求の範囲

1 . 磁気インピーダンス効果を有する磁気ィンピーダンス素子と、 この磁気インピーダンス素子の両端に交流電流を印加する端子と、 前記磁気ィンピーダンス素子にバイアス磁界を印加するための卷線および 端子と、

前記磁気ィンピーダンス素子に負帰還磁界を印加するための卷線およぴ端 子とを設け、

前記磁気ィンピーダンス素子と、

前記バイァス磁界を印加するための卷線および端子と、

前記負帰還磁界を印加するための卷線および端子とを樹脂成型により一体 化することを特徴とする磁気検出装置。

2 . 磁気インピーダンス効果を有する 1対の磁気ィンピーダンス素子と、 これら各磁気ィンピーダンス素子の両端に交流電流を印加する端子と、 前記各磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加するための卷線および 端子と、

前記各磁気ィンピーダンス素子に負帰還磁界を印加するための卷線およぴ 端子とを設け、

前記磁気ィンピーダンス素子と、

前記バイァス磁界を印加するための卷線および端子と、

前記負帰還磁界を印加するための卷線および端子とをそれぞれ樹脂成型に より一体化することを特徴とする磁気検出装置。

3 . 前記負帰還磁界を印加するための卷線は、 前記対となる磁気インピー ダンス素子に対して同一方向の磁界を与えるよう 1つの巻線からなることを特 徴とする請求項 2に記載の磁気検出装置。

4 . 磁気インピーダンス効果を有する少なくとも 2つの磁気インピーダン ス素子と、

これら各磁気インピーダンス素子の両端に交流電流を印加する端子と、 前記各磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加するための磁石と、 前記各磁気ィンピーダンス素子に負帰還磁界を印加するための巻線およぴ 端子とを設け、

前記磁気インピーダンス素子と、 磁石と、 前記負帰還磁界を印加するため の卷線およぴ端子とをそれぞれ樹脂成型により一体化することを特徴とする磁

5 . 前記磁気ィンピーダンス素子に対し、 その出力に比例した信号を出力 する回路部を一体ィヒす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 の磁気検出装置。

6 . 前記磁気インピーダンス素子として薄膜型のものを用いることを特徴 とする請求項 1ないし 5のいずれかに記載の磁気検出装置。