JP4655162B2 - マグネトインピーダンス素子およびマグネトインピーダンスセンサ - Google Patents
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Description
図示するごとく、アモルファス磁性ワイヤ91にパルス電流Iを流すと、このパルス電流Iにより周回方向に磁界Hが発生する。そして、検出コイル95から誘起電圧(dH/dt)が出力される。次に、パルス電流Iを流している状態で外部磁場Hxが印加されたとすると、アモルファス磁性ワイヤ91の円周方向に配列されているスピンが共鳴してθ揺れる。このスピン共鳴θによる誘起電圧(dMθ/dt)が検出コイル95に加重出力される。すなわち、外部磁場Hxの印加状態下においては、誘起電圧(dH/dt + dMθ/dt)が出力される。
次に、図12に、この波形図101のうち、最初のパルスのピーク特性について外部磁場Hxが印加されていないパルス電流Iのみによる時間的変化を示す波形図102、外部磁場Hxが印加(+Hxおよび−Hx)されている時間的変化を示す波形103、波形図104をそれぞれ示す。
図12からわかるように波形図102〜波形図104において最初のパルスが減衰して誘起電圧がゼロクロスする時間(t)が同一ではなく位相差を生じている。外部磁場が印加されていないパルス電流Iのみによるゼロクロスする時間t1に対して、外部磁界+Hxが印加されるとゼロクロスする時間はt1+Δtaとなって遅れ(Δta)を生じ、外部磁界−Hxが印加されるとゼロクロスする時間はt1−Δtbとなって速く(Δtb)なる。
パルス電流に起因する成分であるdH/dtによる出力電圧の時間変化波形と、外部磁界に応じて変化する成分であるdMθ/dtによる出力電圧の時間変化波形のピーク時間には位相差がある。そのため、二つの波形の合成である検出コイルに発生する誘起電圧波形は、パルス電流に起因する成分であるdH/dtによる出力電圧のピーク時間に対する位相差を有する。また、外部磁界に応じて変化する成分であるdMθ/dtによる出力電圧の時間変化波形は、外部磁界の増大に伴いピーク電圧は上昇する。そのため、二つの波形の合成である検出コイルに発生する誘起電圧波形は、外部磁界の変化に伴い、dH/dtによる出力電圧のピーク時間に対する位相差は変化していると思われる。
そのため、図12のように検出コイルの出力電圧のピークとなる時間が外部磁場によって変動すると、外部磁場が印加された場合は、そのときの出力電圧のピーク値を迎える時間とずれたところで電圧をサンプリングすることになり、出力電圧が低下するため感度が低下し、直線性も低下する。
特に、携帯電話等に組み込まれる方位計測用の磁気センサとしては、直線性を向上することにより磁界を高精度に検出できる性能と、回路構成を簡略化することにより低消費電力を達成することの双方が求められている。
上記感磁体の外面上に絶縁層を介して設けられた導電層と、
上記感磁体の上記軸線方向における他端部に設けられ、上記感磁体と上記導電層とを電気的に接続する接続部と、
上記導電層の外周に一定の方向に巻き回され、上記パルス電流が上記感磁体に流れた際に、該感磁体に作用する上記外部磁界の強度に対応した誘起電圧を出力する検出コイルと、
を備え、上記感磁体に流れる上記パルス電流の向きと、上記導電層に流れる該パルス電流の向きとが互いに逆向きになるように構成されていることを特徴とするマグネトインピーダンス素子にある。
本発明では、感磁体の外周に導電層が形成されており、感磁体と導電層とが上記接続部で接続されている。これにより、感磁体に流れるパルス電流の向きと、導電層に流れるパルス電流の向きとが逆になる。そのため、感磁体を流れるパルス電流により発生する感磁体の外部の磁界と、導電層を流れるパルス電流により発生する導電層の外部の磁界とが打ち消し合う。これにより、検出コイルから出力される誘起電圧のうち、直線性等の低下の原因と思われるパルス電流に起因する成分であるdH/dtが弱められ、外部磁界に応じて変化する成分であるdMθ/dtのみを検出することが可能となる。
本発明において、上記感磁体は断面円形に形成され、上記導電層は円筒形状に形成され、上記導電層は上記感磁体に対して同心的に設けられていることが好ましい。
この場合には、感磁体が断面非円形の場合や、感磁体と導電層とが同心的に設けられていない場合と比較して、導電層の外側に放射される、パルス電流に起因する磁界を殆ど0にすることができる。これにより、検出コイルに出力される誘起電圧のうち、dH/dtが殆ど無くなり、外部磁界によって変化する成分であるdMθ/dtのみを検出することが可能となる。
アモルファス磁性体は、外部から作用する磁界の大きさにより電磁気特性が変化する性質(マグネトインピーダンス効果)を示すため、本発明の感磁体として好適に使用することができる。
CoFeSiB系合金は、外部から作用する磁界の大きさにより磁気特性が大きく変化する軟磁性材料であり、低磁歪であるため、本発明の感磁体として好適に用いることができる。
なお、感磁体は上記の特性を有する公知の材料であればよく、CoMSiB系やFe−Si系等のアモルファス合金でもよい。
この場合には、メッキ法やスパッタ法を用いることにより、薄い導電層を簡単に形成することができる。
本発明は、従来の、アモルファス磁性ワイヤの外周に検出コイルを巻く構造に対して、そのアモルファス磁性ワイヤの外周に絶縁層を介して導電層を設け、導体であるアモルファス磁性ワイヤと導電層を短絡して電気的に接続することにより、上記アモルファス磁性ワイヤに流れるパルス電流の向きと、上記導電層に流れるパルス電流の向きと互いに逆向きになるように構成されていることを特徴とする。それにより上述した(発明の効果)に記載の効果を奏するものである。
この場合には、従来のマグネトインピーダンスセンサのように、外部磁界を打ち消すための帰還コイルおよび帰還回路が必要ないので、マグネトインピーダンスセンサの消費電力を少なくすることができる。
入力用の電極端子は、アモルファス磁性ワイヤ(感磁体)へ接続されている電極端子と導電層へ接続されている電極端子とからなる。
したがって、アモルファス磁性ワイヤ(感磁体)にパルス電流Iが流れることによって生成される周回方向の磁界+Hと、導電層に流れることによって生成される周回方向の磁界−Hとによってキャンセルされることとなる。その結果、検出コイル5ではパルス電流Iによる誘起電圧(dH/dt)は生じなくなる。
同軸型コアの一方の端面を短絡する接続部は、上記のメッキ膜やスパッタ膜の他、金などのボンディングでもよい。
そして、検出コイルの両端は出力用の電極端子に接続されている。
また、同軸型コアを内包する絶縁体はCVD法により形成されるSiO2膜など無機質材料、絶縁性を有するエポキシ樹脂などの有機質材料からなる。
次に、本発明の実施例にかかるマグネトインピーダンス素子およびマグネトインピーダンスセンサにつき、図1〜図9を用いて説明する。
図1に示すごとく、本例のマグネトインピーダンス素子10は、線状に形成され、外部から作用する磁界により電磁気特性が変化するとともに、軸線方向における一端1a側から他端1b側へパルス電流Iが流される感磁体1を備える。
また、感磁体1の外面上に絶縁層2を介して導電層3が設けられている。
また、感磁体1の軸線方向における他端部1bに、感磁体1と導電層3とを電気的に接続する接続部4が設けられている。
さらに、パルス電流Iが感磁体1に流れた際に、感磁体1に作用する外部磁界の強度に対応した誘起電圧を出力する検出コイル6が、導電層3の外周に巻き回されている。
そして、図3に示すごとく、感磁体1に流れるパルス電流Iの向きと、導電層3に流れるパルス電流Iの向きとが互いに逆向きになるように構成されている。
非磁性のシリコンウェハからなる基板9の平坦面に、絶縁性を有するガラス皮膜2(絶縁層2)により被覆されているアモルファス磁性ワイヤ1(感磁体1)と、銅メッキにより形成された導電層3と、アモルファス磁性ワイヤ1(感磁体1)および導電層3を短絡している銅メッキにより形成されている導電体4(接続部4)からなる同軸型コア(20)と、同軸型コア(20)を内包するように形成しているエポキシ樹脂からなる絶縁体5(外側絶縁層5)と、基板9の平坦面から絶縁体5(外側絶縁層5)の外表面に渡って形成されている検出コイル6から構成される。
入力用電極端子は、アモルファス磁性ワイヤ1(感磁体1)へパルス電流(I)を供給する電極端子7Aおよび導電層3から戻ってくる電極端子7Bとからなる。
また、出力用電極端子8を有する。
検出コイル6の巻数は30ターンである。
なお、上述したように、感磁体1は直径7μm、長さ1.5mmの線状に形成されているが、図1では軸線方向長さを短くした概念図を表示している。
また、アモルファス磁性ワイヤ以外の部材は、導電層と同じ理由で、非磁性材であることが好ましい。
より詳しくは、感磁体1の外周面12を絶縁層2が被覆し、その絶縁層2をさらに導電層3が被覆している。また、導電層3は外側絶縁層5によって覆われ、その周りに検出コイル6が巻き回されている。
図7に示すごとく、マグネトインピーダンスセンサ11は、マグネトインピーダンス素子10と、感磁体1に入力されるパルス電流Iを発生するパルス発生器200と、検出コイル6に接続され、パルス電流Iを流した時に検出コイル6から出力される誘起電圧dMθ/dtをサンプルして保持するサンプルホールド回路400とを備える。なお、検出タイミングは、パルス電流Iの立上がり時又は立下り時に応じた、図6中の電圧波形P1、P1’中の時間t2、t5とすることができる。その時間において、電圧V1、V1’として検出できる。
また、マグネトインピーダンス素子中のR11は、感磁体1の抵抗分を等価抵抗として表示している。
外部磁界Hex=+2Gの波形図112と外部磁界Hex=−2Gの波形図113は対称波形となり、ゼロクロスする時間(t)も同一となる。この結果、外部磁界に対して優れた出力電圧の直線性が得られる。
図9は図1に示すマグネトインピーダンス素子10の製造工程図であって、長手方向からみた断面図である。
まず、アルミナ系セラミックスからなる基板9の平坦面に2μm程度の下部導体膜からなる下コイル61を銅メッキにより形成する。
下コイル61と同軸型コア20の導電層3とを絶縁するためにCVD法によりSiO2膜層からなる絶縁層51を形成する。次に、エポキシ樹脂からなる絶縁層52を塗布形成する。
次に、同軸型コア20の端面において感磁体1(アモルファス磁性ワイヤ)と導電層3とを短絡するため、銅スパッタ膜により接続部4を形成し、さらにCVD法によりSiO2膜層の絶縁層53を形成する。
上コイル62はCVD法によるSiO2膜の絶縁層55により被覆される。
本例では、図1に示すごとく、感磁体1の外周に導電層3が形成されており、感磁体1と導電層3とが接続部4で接続されている。これにより、感磁体1に流れるパルス電流と同じ大きさのパルス電流であって、感磁体1に流れるパルス電流の向きと逆向きのパルス電流が導電層3に流れる。そのため、感磁体1を流れるパルス電流により発生する、感磁体1の外側の磁界と、導電層3を流れるパルス電流により発生する、導電層3の外側の磁界とが、導電層3の外側において打ち消し合い、感磁体内部では、磁界が保持される。これにより、検出コイルから出力される誘起電圧のうち、パルス電流に起因する成分であるdH/dtが弱められ、外部磁界によって変化する成分であるdMθ/dtのみを主として検出することが可能となる。
この場合には、感磁体1が断面非円形の場合や、感磁体1と導電層3とが同心的に設けられていない場合と比較して、導電層3の外側に放射される、パルス電流Iに起因する磁界Hを殆ど0にすることができる。これにより、検出コイル6に出力される誘起電圧のうち、dH/dtが殆ど無くなり、外部磁界によって変化する成分であるdMθ/dtのみを検出することが可能となる。
この場合には、メッキ法やスパッタ法を用いることにより、薄い導電層3を簡単に形成することができる。
この場合には、従来のマグネトインピーダンスセンサのように、外部磁界を打ち消すための帰還コイルおよび帰還回路が必要ないので、マグネトインピーダンスセンサの消費電力を少なくすることができる。
ここで、マグネト・インピーダンス素子という表記は、MI素子と表記される。また、同じ構成に基づくものが、ジャイアントマグネトインピーダンス素子、もしくはGMI素子とも呼ばれている。
マグネト・インピーダンスセンサという表記も、MIセンサ、ジャイアント・マグネト・インピーダンスセンサ、GMIセンサとも呼ばれている。
Claims (5)
- 線状に形成され、外部から作用する磁界により電磁気特性が変化するとともに、軸線方向における一端側から他端側へパルス電流が流される感磁体と、
上記感磁体の外面上に絶縁層を介して設けられた導電層と、
上記感磁体の上記軸線方向における他端部に設けられ、上記感磁体と上記導電層とを電気的に接続する接続部と、
上記導電層の外周に一定の方向に巻き回され、上記パルス電流が上記感磁体に流れた際に、該感磁体に作用する上記外部磁界の強度に対応した誘起電圧を出力する検出コイルと、
を備え、上記感磁体に流れる上記パルス電流の向きと、上記導電層に流れる該パルス電流の向きとが互いに逆向きになるように構成されていることを特徴とするマグネトインピーダンス素子。 - 請求項1において、上記感磁体は断面円形に形成され、上記導電層は円筒形状に形成され、上記導電層は上記感磁体に対して同心的に設けられていることを特徴とするマグネトインピーダンス素子。
- 請求項1または請求項2において、上記感磁体はアモルファス磁性体からなることを特徴とするマグネトインピーダンス素子。
- 請求項1〜請求項3のいずれか1項において、上記導電層は、銅またはアルミニウムからなるメッキ膜またはスパッタ膜であることを特徴とするマグネトインピーダンス素子。
- 請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のマグネトインピーダンス素子と、上記感磁体に入力される上記パルス電流を発生するパルス発生器と、上記検出コイルに接続され、上記パルス電流が流れた時に上記検出コイルから出力される上記誘起電圧をサンプルして保持するサンプルホールド回路とを備えることを特徴とするマグネトインピーダンスセンサ。
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