JP2014149268A - 磁気検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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、
とで構成されことを特徴とするもの。
【選択図】 図１

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図２３は従来の移動***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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

特開２００８−１８０５５０号公報 特開２００２−１８１５８８号公報 特開２００６−０８４４１６号公報 特開２００１−００４７２８号公報

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。

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、
とで構成されことを特徴とする磁気検出装置である。

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、
前記感磁素子は、
印加磁界に対する出力特性が線対称となる特性を有することを特徴とする。

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。

請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか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。

請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか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。

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。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 磁界強度測定に用いた磁気検出装置の構成説明図である。 本願発明の他の実施例を示すブロック図である。 バルク磁石４６単体の具体例を示す構成説明図である。 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。 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る。 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る。 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る。 図１１の磁気検出装置の測定結果例である。 軟磁性構造体４５の形状例を示す構成説明図である。 本発明に基づく磁気検出装置から出力信号を取り出すためのブリッジ回路例図である。 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る。 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る。 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る。 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他の測定例図である。 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る。 磁気抵抗効果素子を用いたＭＲヘッドの一例を示す構成説明図である。 従来の磁気センサ装置の一例を示す構成説明図である。 従来の磁気式エンコーダの一例を示す構成説明図である。 従来の移動***置検出装置の一例を示す構成説明図である。 従来の磁気検出装置の一例を示す構成説明図である。 図２４で用いられる薄膜状磁気センサ２１の具体例を示す構成説明図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. 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、
   とで構成されことを特徴とする磁気検出装置。
2. 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することを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置
3. 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請求項１または請求項２記載の磁気検出装置。
4. 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請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気検出装置。
5. 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請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気検出装置。