JP4625743B2 - 磁気検出素子 - Google Patents

Description

本発明は、非磁性基板上に磁性薄膜と平面コイルが積層された構造の磁気検出素子に関し、特に、フラックスゲートセンサ或いは磁気インピーダンス素子として好適に用いることが可能な磁気検出素子に関するものである。

従来、磁気センサで感度を必要とする応用例としては、例えば、直交フラックスゲートセンサや磁気インピーダンス素子が挙げられる。

本願発明者等は、先に、特開２００３−１６３３９１号公報において磁性薄膜による小型の磁気検出素子を提案している（特許文献１）。具体的には、図６に示すように非磁性基板上１０２に磁界検知方向の長手方向へ複数本の細長いパターンを並列に磁性薄膜で形成し、それを電気的に直列接続して磁気検知部１０４を設け、更に、不図示の絶縁膜を介して積層された薄膜コイル１０６よりセンサ出力を取り出す構造のものである。

磁気検知部１０４の磁性薄膜は、薄膜コイル１０６の渦巻き中心間を結んだ位置に配置されている。そして、磁性薄膜に数ＭＨｚの高周波電流を印加し、薄膜コイルより外部磁界に対する磁性薄膜の磁束変化を誘起電圧として取り出す。より小型化に対応するため磁性体に掛かる部分とそれ以外の部分でコイルピッチを可変し、より小型の素子に対応できるようにもしている。

また、これに関連する参考文献としては、直交フラックスゲートセンサの起源はＰａｌｍａｒ氏のＰｒｏｃ．ＩＥＥＥ ｐａｒｔ２（１９５３）まで遡る。その構造の改良としては、１９９７年のスイスローザンヌで行われた「EuroSensors XI」会議での“Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｌａｎａｒ Ｆｌｕｘｇａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｗｉｔｈ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｍｅｔａｌ Ｃｏｒｅ”（Ｌ．Ｃｈｉｅｓｉ他）の文献で、アモルファスコアと平面コイルの積層化した構造が知られている（非特許文献１）。

更に、その構造を薄膜化したものも、特開２００３−４８３１号公報に提案されている（特許文献２）。
特開２００３−１６３３９１号公報 特開２００３−４８３１号公報 "Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｌａｎａｒ Ｆｌｕｘｇａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｗｉｔｈ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｍｅｔａｌ Ｃｏｒｅ"（Ｌ．Ｃｈｉｅｓｉ他）

これらの素子を用いて、直線精度を要する高精度の電流センサや低温から高温まで感度の温度特性がフラットとなるセンサを実現するには、例えば、図７に示す構造がある。即ち、センサ素子１００にボビンに巻かれたコイル１０８を被せ、図８に示す負帰還回路による電流を通じて、素子に掛かる磁界をキャンセルするようにコイルで磁界を掛けるものである。

図８（ａ）はその負帰還回路の回路図、図８（ｂ）はその動作を示す信号波形図である。まず、図８（ａ）の回路を説明すると、発振回路１１０と検波回路１１２及び増幅・帰還回路１１４から構成されている。図８（ｂ）に示すようにセンサ素子１００に数ＭＨｚのパルス電流を印加し、そのパルスの周波数の２倍成分に関わるピーク波形のシフト量を検波により取り出す。そして、その増幅した出力を前述のコイル１０８に接続し、センサ素子に磁界が掛からない極性で電流が流れるように構成する。

しかし、図７に示すセンサでは、性能は改善されるが、巻線ボビンがスペースを取り、センサの小型化に関して支障を生じたり、或いはコイル部品の後付けによるコストアップがあり、その改善策として素子内に帰還コイルを組込んだものが望まれる。

単純には、図９に示すようにコイル層１０６′を追加して２層にし、センサのコイルと帰還のコイルを分けることは容易であるが、コイルが面対向することで両コイル間の容量結合が大きくなり、センサ感度が明らかに減少することを確認している。

本発明の目的は、帰還コイルを組み込んでも感度低下がなく、更に、生産性が良く省スペースに優れた磁界検出素子を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、磁性体に高周波電流を流し、外部磁界によりその透磁率が変化する磁気検出素子において、単一の非磁性基板上に磁性体としての線状の磁性薄膜が形成され、前記磁性薄膜上には絶縁層を介して積層された前記磁性薄膜に対しバイアス磁界を印加するため又は誘導出力を取り出すための第１の渦巻き型平面コイルと、帰還を掛けるための第２の渦巻き型平面コイルとが同一平面に形成され、前記第１及び第２の渦巻き型平面コイルの中心が、前記磁性薄膜の長手方向の両端部に位置することを特徴とする。

本発明においては、磁性薄膜上に絶縁層を介して磁性薄膜に対しバイアス磁界を印加するため又は誘導出力を取り出すための第１の渦巻き型平面コイルと、帰還を掛けるための第２の渦巻き型平面コイルとを同一平面に形成する。こうすることで、感度のロスが少なく、生産性の良い、帰還コイルを組み込んだ磁気検出素子を実現できる。

本発明によれば、帰還コイルを容量結合を抑えて磁気検出素子に組込むことができ、感度を低下させることなく、生産性が良く、省スペースに優れた磁気センサを実現できる。更に、もう一層その上に同様のコイル層を形成することで、より感度を向上させることができる。

次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の磁気検出素子の一実施形態を示す斜視図である。図１を用いて本発明の基本的な構成について説明する。

本発明に係る磁気検出素子２０は、まず、図１に示すようにガラスやセラミック等の非磁性基板１０を有する。その非磁性基板１０の一面にＣｏ−Ｚｒ−Ｎｂ等アモルファス，Ｎｉ−Ｆｅ等パーマロイまたはＦｅ−Ｔａ−Ｃ等の微結晶膜のような細長い高透磁率磁性薄膜１２がつづら折れ状に形成されている。

図１では磁性薄膜１２は磁性パターン一本でつづら折れ状に形成されているが、複数本の並列パターンを形成し、それぞれの端部を銅やアルミ等の導電性金属膜で接続することで、一本のつづら折れ状の磁性薄膜１２を形成しても良い。図１の矢印は磁界検知方向を示す。

次に、素子２０においては不図示の絶縁膜を挟んでその磁性薄膜１２の上の同一平面上に２つの薄膜平面コイル１４ａ，１４ｂが形成され、それぞれの渦巻きの中心部を概ね磁性薄膜１２の長手方向の端部と一致させている。そうすることで、センサ効率が最適となる。

また、この２つの薄膜平面コイル１４ａ，１４ｂは、重ねた場合と比較して容量結合を極めて小さく出来るため、感度低下が発生せず、同一面で形成されるために製造コストも上がらない。コイル１４ａ，１４ｂの線幅やターン数等のコイル仕様を同じにしておけば、素子が１８０°回転しても扱いを同じにできる。

最後にスルーホール１６ａ〜１６ｆを通して磁性薄膜１２の両端，コイル１４ａ，１４ｂの両端を電極１８ａ〜１８ｆへそれぞれ引き出す。

この磁気検出素子２０を直交フラックスゲートとして動作させる場合には、図８で説明した駆動回路を用い、発振回路１１０からのパルス電流を電極１８ａ，１８ｄを介して流し、磁性薄膜１２に高周波電流を印加する。磁性薄膜１２の長手方向からの磁界による内部の磁束変化を積層された薄膜平面コイル１４ａより誘導出力として電極１８ｂ，１８ｃより取り出す。

その誘導出力は図８の検波回路１１２を通し、増幅・帰還回路１１４によりセンサ出力を電極１８ｅ，１８ｆに取り出し、薄膜平面コイル１４ｂに印加することで素子に掛かる磁界をキャンセルする方向に磁界を掛けて負帰還構成をなす。

次に、図１の磁気検出素子の具体的なサンプルデータを図２に示す。素子２０の磁性薄膜の寸法は長さ１．２ｍｍ，幅２０μｍ，厚さ２μｍでライン数を７とし、出力コイル（１４ａ）と帰還コイル（１４ｂ）のターン数を４２Ｔとした。駆動パルスは５Ｖ電源で４ＭＨｚとした。

図２のデータから明らかなように少なくとも±２ガウスの磁界範囲で直線性が良好であり、全範囲での理想値からの誤差は１％以内であった。

図３は図１の磁気検出素子の感度の温度特性を示す。感度の温度特性も図３に示すように−４０℃〜＋８０℃の範囲で見ると、高温で極めて僅かに感度低下があるものの、全体として十分１％以下になった。

この磁気検出素子２０を磁気インピーダンス素子として動作させる場合には、図４（ａ）に示す回路で駆動する。即ち、発振回路１２０でパルス発振をさせ、ＤＣ分を除去し、分圧抵抗を介して磁性薄膜１２にパルス電流を印加する。外部磁界により磁性薄膜１２のインピーダンスは、図４（ｂ）に示すようにＶ字状の変化を示すが、感度のよいところにセットするために、コイル１４ａに電圧Ｖｂを掛けてバイアス磁界Ｈｂを磁性薄膜１２に印加する。

磁性薄膜１２の両端電圧は検波回路１２２で振幅検波され、増幅・帰還回路１２４を経てコイル１４ｂに出力される。コイルの極性は素子に掛かる磁界をキャンセルするように選択する。

図５は本発明の他の実施形態を示す斜視図である。図５では図１と同一部分には同一符号を付している。図1の素子構造で、感度や帰還コイルの効率上ターン数を増やしたくても、一層では限界がある場合には、図５に示すようにもう一層追加する。

即ち、コイル１４ａ，１４ｂに対してその真上に絶縁層を介してそれぞれコイル１４ｃ，１４ｄを配置する。その際、コイル１４ａとコイル１４ｃ、コイル１４ｂとコイル１４ｄはそれぞれ直列に接続する。そうすることで、直列状態の１４ａ＋１４ｃと１４ｂ＋１４ｄの容量結合は小さいままとなるので、図１の実施形態で説明した効果は維持できる。

本発明の磁気検出素子の一実施形態を示す斜視図である。 図１の磁気検出素子の磁気特性を示す図である。 図１の磁気検出素子の感度の温度特性を示す図である。 図１の磁気検出素子を磁気インピーダンス素子として動作させる場合の駆動回路の一例を示す回路図である。 本発明の他の実施形態を示す分解斜視図である。 従来例の磁気検出素子を示す斜視図である。 図６等の素子を用いた磁気センサの例を示す図である。 図７のセンサの駆動に用いる回路の一例を示す図である。 他の従来例の磁気検出素子を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 非磁性基板
１２ 磁性薄膜
１４ａ、１４ｂ コイル
１４ｃ、１４ｄ コイル
１６ａ〜１６ｆ スルーホール
１８ａ〜１８ｆ 電極
２０ 磁気検出素子
１２０ 発振回路
１２２ 検波回路
１２４ 増幅・帰還回路

Claims (3)

1. 磁性体に高周波電流を流し、外部磁界によりその透磁率が変化する磁気検出素子において、単一の非磁性基板上に磁性体としての線状の磁性薄膜が形成され、前記磁性薄膜上には絶縁層を介して積層された前記磁性薄膜に対しバイアス磁界を印加するため又は誘導出力を取り出すための第１の渦巻き型平面コイルと、帰還を掛けるための第２の渦巻き型平面コイルとが同一平面に形成され、前記第１及び第２の渦巻き型平面コイルの中心が、前記磁性薄膜の長手方向の両端部に位置することを特徴とする磁気検出素子。
2. 前記第１、第２の渦巻き平面コイル上に、絶縁層を介して、前記磁性薄膜に対しバイアス磁界印加するため又は誘導出力を取り出すための第３の渦巻き型平面コイルと、帰還を掛けるための第４の渦巻き型平面コイルとが同一平面に形成され、且つ、前記第１と第３の渦巻き型平面コイル、前記第２と第４の渦巻き型平面コイルがそれぞれ直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出素子。
3. 前記第３の渦巻き型平面コイルが前記第１の渦巻き型コイルの真上に、前記第４の渦巻き型平面コイルが前記第２の渦巻き型平面コイルの真上に位置することを特徴とする請求項２に記載の磁気検出素子。

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