JP6889527B2 - 磁気センサモジュール - Google Patents

Description

本発明は，リチウムイオン電池から生じる磁界を検出するための磁気センサモジュールに関する。

リチウムイオン電池には、製造工程における金属異物の混入や製造後のデンドライトの成長に起因して、欠陥が生じることがある。この欠陥により、リチウムイオン電池の内部に局所的な短絡電流が流れ、その近傍に局所的な磁界が生成される。従って、この磁界を検出することで、リチウムイオン電池の欠陥を検知できる。特許文献１及び特許文献２には、局所的な磁界を検出するための技術が開示されている。

特許文献１に開示された検査装置は、リチウムイオン電池を置くステージと、磁気センサとを備えている。ステージは、ＸＹ平面と平行に延びている。磁気センサは、ステージの下に位置している。磁気センサは、Ｘ方向に移動可能であり、且つ、Ｙ方向に移動可能である。磁気センサを移動しながら磁界を検出することによって、リチウムイオン電池から生じる局所的な磁界を検出できる。

特許文献２に開示された磁気計測装置は、複数の磁気センサを備えている。リチウムイオン電池は、アレイ状に配置された磁気センサの上に置かれる。この配置により、磁気センサのいずれかが、リチウムイオン電池から生じる局所的な磁界を検出できる。

特許第５２２９３５２号公報 特許第５８４１７７９号公報

リチウムイオン電池の欠陥に起因して生じる磁界は、非常に局所的である。この磁界の局所性により、欠陥を正確に検知するためには、磁気センサのサイズを小さくし、多数の磁気センサをアレイ状に配置して空間分解能を向上させることが好ましい。更に、上述した欠陥に起因して生じる磁界は弱い。従って、個々の磁気センサの感度を高めることが好ましい。即ち、高い感度を有しつつ小型化可能な磁気センサが求められている。

本発明は、この要望に応えることができる磁気センサを備える磁気センサモジュールを提供することを目的とする。

本発明は、第１の磁気センサモジュールとして、
リチウムイオン電池に生じる磁界を検出するための磁気センサモジュールであって、
前記磁気センサモジュールは、複数の磁気センサを備えており、
前記磁気センサは、所定平面上に配置されており、且つ、前記磁界を検出する際に、前記所定平面と直交する上下方向において前記リチウムイオン電池の下に位置し、
前記磁気センサの夫々は、第１センサと、第２センサとを備えており、
前記第１センサは、第１磁気抵抗薄膜と、第１固定抵抗薄膜とを備えており、
前記第１磁気抵抗薄膜の抵抗値は、前記磁界の増加に応じて増加し、
前記第１固定抵抗薄膜の抵抗値は、前記磁界に対して不変であり、
前記第２センサは、第２磁気抵抗薄膜と、第２固定抵抗薄膜とを備えており、
前記第２磁気抵抗薄膜の抵抗値は、前記磁界の増加に応じて減少し、
前記第２固定抵抗薄膜の抵抗値は、前記磁界に対して不変であり、
前記第１センサにおいて、前記第１磁気抵抗薄膜の一端側は、前記第１固定抵抗薄膜の一端側と直列に接続されており、
前記第２センサにおいて、前記第２磁気抵抗薄膜の一端側は、前記第２固定抵抗薄膜の一端側と直列に接続されており、
前記第１センサと前記第２センサとは、前記第１磁気抵抗薄膜の他端側と前記第２磁気抵抗薄膜の他端側とを互いに接続し、且つ、前記第１固定抵抗薄膜の他端側と前記第２固定抵抗薄膜の他端側とを互いに接続することにより、互いに並列に接続されている
磁気センサモジュールを提供する。

また、本発明は、第２の磁気センサモジュールとして、第１の磁気センサモジュールであって、
前記第１固定抵抗薄膜の抵抗値は、前記磁界が生じていないときの前記第１磁気抵抗薄膜の前記抵抗値の±１０％以内であり、
前記第２固定抵抗薄膜の抵抗値は、前記磁界が生じていないときの前記第２磁気抵抗薄膜の前記抵抗値の±１０％以内である
磁気センサモジュールを提供する。

また、本発明は、第３の磁気センサモジュールとして、第１又は第２の磁気センサモジュールであって、
磁気センサの夫々において、前記第１磁気抵抗薄膜及び前記第２磁気抵抗薄膜は、前記所定平面上において互いに隣り合っており、且つ、前記所定平面上において前記第１固定抵抗薄膜及び前記第２固定抵抗薄膜の間に配置されている
磁気センサモジュールを提供する。

また、本発明は、第４の磁気センサモジュールとして、第１から第３までのいずれかの磁気センサモジュールであって、
前記第１磁気抵抗薄膜、前記第２磁気抵抗薄膜、前記第１固定抵抗薄膜及び前記第２固定抵抗薄膜は、互いに同じ材料からなる
磁気センサモジュールを提供する。

また、本発明は、第５の磁気センサモジュールとして、第１から第４までのいずれかの磁気センサモジュールであって、
前記第１センサは、第１薄膜磁石と、２つの第１軟磁性薄膜とを更に備えており、
前記第１薄膜磁石は、前記所定平面と平行な所定方向に沿って延びており、且つ、前記所定方向に沿って着磁されており、
前記第１磁気抵抗薄膜は、前記第１薄膜磁石の上に位置しており、
２つの前記第１軟磁性薄膜は、前記所定方向において前記第１磁気抵抗薄膜を挟んでおり、且つ、前記第１薄膜磁石の前記所定方向における両端部を覆っており、
前記第２センサは、第２薄膜磁石と、２つの第２軟磁性薄膜とを更に備えており、
前記第２薄膜磁石は、前記所定方向に沿って延びており、且つ、前記所定方向に沿って着磁されており、
前記第２磁気抵抗薄膜は、前記第２薄膜磁石の上に位置しており、
２つの前記第２軟磁性薄膜は、前記所定方向において前記第２磁気抵抗薄膜を挟んでおり、且つ、前記第２薄膜磁石の前記所定方向における両端部を覆っている
磁気センサモジュールを提供する。

本発明によれば、リチウムイオン電池が生じる磁界の増加に応じて、第１磁気抵抗薄膜の抵抗値は増加し、第２磁気抵抗薄膜の抵抗値は減少する。このため、第１センサと第２センサとに同一電圧を付加し、第１磁気抵抗薄膜と第１固定抵抗薄膜との間の電圧と第２磁気抵抗薄膜と第２固定抵抗薄膜との間の電圧との差分を測定することで、磁界の検出感度を高めることができる。即ち、本発明による磁気センサは、高い感度を有しつつ小型化可能である。

また、本発明による磁気センサモジュールは、複数の磁気センサを所定平面上に配置しているため、高い空間分解能を得ることができる。より具体的には、ミリメートルオーダー以下の微小な金属異物やデンドライト等に起因する微弱な磁界を、高い感度で且つ短時間で検出できる。

本発明の実施の形態による測定システムを模式的に示す図である。 図１の測定システムの動作を示す図である。 図１の測定システムの磁気センサモジュールを示す斜視図である。磁気センサモジュールには、リチウムイオン電池が搭載されている。 図３の磁気センサモジュールを示す斜視図である。磁気センサモジュールには、リチウムイオン電池が搭載されていない。磁気センサモジュールにおいて磁気センサアレイが設けられた領域を破線で描画している。 図４の磁気センサモジュールの磁気センサアレイの一部（１点鎖線Ａで囲んだ部分）を模式的に示す底面図である。磁気センサアレイに含まれる１つの磁気センサを拡大して描画している。 図５の磁気センサのセンサ素子を示す底面図である。センサ素子の薄膜磁石及び軟磁性薄膜の隠れた輪郭を破線で描画している。 図６のセンサ素子をＶＩ−ＶＩ線に沿って示す断面図である。 図５の磁気センサの抵抗素子を示す断面図である。 図５の磁気センサの磁気抵抗素子の磁界に対する電気抵抗特性を示すグラフである。磁気バイアスされていないときの磁気抵抗素子の電気抵抗特性を破線で描画している。 図５の磁気センサを増幅部と共に示す回路図である。 図２の増幅部と乗算部との間に設けられる次段の増幅部の一例を示すブロック回路図である。 図１の測定システムの出力結果の一例を示す図である。

図１及び図２を参照すると、本発明の実施の形態による測定システム１０は、リチウムイオン電池７０に生じる磁界を検出するためのシステムである。詳しくは、リチウムイオン電池７０には、正極（図示せず）と負極（図示せず）とを隔てるセパレータ（図示せず）が設けられている。リチウムイオン電池７０の製造工程における金属異物の混入や製造後のデンドライトの成長に起因して、セパレータが部分的に破損することがある（即ち、リチウムイオン電池７０に欠陥が生じることがある）。リチウムイオン電池７０に上述の欠陥が生じると、欠陥近傍に局所的な短絡電流Ｉｉが流れ、短絡電流Ｉｉの近傍に局所的な磁界が生じる。測定システム１０は、この磁界を検出することでリチウムイオン電池７０の欠陥を検知するためのシステムである。

以下、まず、本実施の形態による測定システム１０の基本的な構造について説明する。

測定システム１０は、例えばコンピュータである制御装置１２と、磁気センサモジュール２０とを備えている。制御装置１２は、発信部１２２と、表示部１２８とを備えている。

図１、図３及び図４を参照すると、磁気センサモジュール２０は、シリコン、ガラスまたはＦＲ−４等の絶縁体からなる基板２２と、磁気センサアレイ２４と、信号処理部２６と、ケーブル２８とを備えている。基板２２は、上面（実装面）２２Ｕと、下面２２Ｌと有している。上面２２Ｕ及び下面２２Ｌの夫々は、ＸＹ平面と平行に延びており、ＸＹ平面において矩形形状を有している。上面２２Ｕは、ＸＹ平面と直交する上下方向（Ｚ方向）において、下面２２Ｌの上に位置している。

図１及び図４を参照すると、磁気センサモジュール２０は、複数の磁気センサ３０を備えている。図４及び図５を参照すると、磁気センサ３０の夫々は、シリコン、ガラスまたはＦＲ−４等の絶縁体からなる２つの基板３２と、第１センサ４０と、第２センサ５０とを備えている。磁気センサ３０の夫々において、基板３２は、横方向（Ｙ方向）に隣り合っている。第１センサ４０は、一方の基板３２上に形成されており、第２センサ５０は、他方の基板３２上に形成されている。

図４及び図５に示されるように、磁気センサ３０は、基板２２の上面２２Ｕ上にアレイ状（マトリックス状）に配置されており、これにより磁気センサアレイ２４が形成されている。換言すれば、磁気センサアレイ２４は、複数の磁気センサ３０をアレイ状に配置したものであり、上面２２Ｕ上に設けられている。本実施の形態においては、３５個の磁気センサ３０が、前後方向（所定方向：Ｘ方向）において７列に配置されており、Ｙ方向において５列に配置されている。但し、磁気センサ３０の数は、これに限られない。また、磁気センサ３０の配列は、Ｎ×Ｍのマトリックス状に限定されない。

図１、図４及び図５を参照すると、基板３２の夫々は、ＸＹ平面と平行に延びており、ＸＹ平面において矩形形状を有している。磁気センサ３０の夫々において、２つの基板３２は、一方の基板３２の＋Ｙ側の縁が他方の基板３２の−Ｙ側の縁に隣接するようにして、基板２２の上面２２Ｕに実装されている。第１センサ４０及び第２センサ５０は、基板３２の下面（−Ｚ側の面）上に位置しており、Ｚ方向において基板２２の上面２２Ｕと対向している。本実施の形態において、基板３２の夫々は、フリップチップ実装によって基板２２の上面２２Ｕに固定されている。但し、本発明は、これに限られず、基板３２の夫々は、様々な方法で基板２２に実装できる。

図１を参照すると、信号処理部２６は、基板２２の下面２２Ｌ上に設けられている。信号処理部２６は、基板２２に設けられたスルーホール（図示せず）を経由して磁気センサ３０の夫々に接続されている。また、信号処理部２６は、ケーブル２８に接続されている。信号処理部２６は、ケーブル２８を経由して受けた入力信号を使用して、磁気センサ３０の夫々から受けた信号を処理してケーブル２８に出力する。上述のように、本実施の形態の信号処理部２６は、基板２２のうち、リチウムイオン電池７０と反対側の下面２２Ｌに実装されている。この配置により、信号処理部２６は、電気的な外乱を受け難い。但し、本発明は、これに限られない。例えば、信号処理部２６は、基板３２の上面２２Ｕに実装されていてもよい。

詳しくは、図２に示されるように、信号処理部２６は、磁気センサ３０に夫々対応した複数の信号処理ユニット２６２を備えている。信号処理ユニット２６２の夫々は、増幅部２６４、乗算部２６６及びフィルター部２６８を備えている。信号処理ユニット２６２の夫々において、増幅部２６４、乗算部２６６及びフィルター部２６８は、互いに直列に接続されている。増幅部２６４の夫々は、対応する磁気センサ３０に接続されている。また、乗算部２６６の夫々は、制御装置１２の発信部１２２に接続されており、フィルター部２６８の夫々は、制御装置１２に接続されている。

図３に示されるように、リチウムイオン電池７０は、本体部７２と、２つの端子部７８とを備えている。本体部７２は、所定平面（水平面：ＸＹ平面）と平行に延びており、ＸＹ平面において矩形形状を有している。２つの端子部７８は、本体部７２の正極（図示せず）及び負極（図示せず）に夫々接続されており、充電時及び放電時に、外部機器（図示せず）に接続される。

以下、リチウムイオン電池７０に生じる磁界を検出する際（検査の際）の測定システム１０の基本的な動作について説明する。

図１及び図３を参照すると、リチウムイオン電池７０を、検査の際に、磁気センサアレイ２４の上に置く。換言すれば、磁気センサアレイ２４の磁気センサ３０は、リチウムイオン電池７０から生じる磁界を検出する際に、Ｚ方向においてリチウムイオン電池７０の下に位置する。

図１及び図２を参照すると、制御装置１２の発信部１２２は、検査の際に、磁気センサモジュール２０のケーブル２８及びリチウムイオン電池７０の端子部７８に、所定周波数を有する同期信号Ｖｉｎを供給する。この結果、同期信号Ｖｉｎは、信号処理部２６の乗算部２６６に印加される。加えて、同期信号Ｖｉｎは、リチウムイオン電池７０の正極（図示せず）と負極（図示せず）との間に印加される。リチウムイオン電池７０については、同期信号Ｖｉｎを充放電過程における準定常的な信号に重畳して印加してもよいし、同期信号Ｖｉｎのみを印加してもよい。

リチウムイオン電池７０に印加される同期信号Ｖｉｎについて、電圧値の最大値は、リチウムイオン電池７０の満充電電圧値（約４．２Ｖ）以下であることが好ましく、電圧値の最小値は、リチウムイオン電池７０の終止電圧値（約２．８Ｖ）以上であることが好ましい。同期信号Ｖｉｎの周波数は、１０Ｈｚ以上かつ１００ｋＨｚ以下であればよい。特に、単セルのリチウムイオン電池７０の検査の際には、ノイズ特性を考慮すると、上述の周波数帯のうちの高周波帯を使用することが好ましい。一方、積層型の比較的厚みのあるリチウムイオン電池７０の検査においては、表皮効果の影響や渦電流の影響を抑制するという観点から、１００Ｈｚ以上かつ１ｋＨｚ以下の低周波帯を使用することが好ましい。

図２を参照すると、短絡電流Ｉｉによって発生した局所的な磁界は、磁気センサモジュール２０の磁気センサアレイ２４の中で磁界に近い位置にある磁気センサ３０（例えば、磁気センサＳ２）によって検出される。磁気センサ３０の夫々は、検出した磁界の強さに応じた電圧Ｖｄを、対応する増幅部２６４に出力する。

増幅部２６４は、磁気センサ３０が出力した電圧Ｖｄを増幅して、増幅電圧Ｖｏｕｔを対応する乗算部２６６に出力する。乗算部２６６及びフィルター部２６８は、同期信号Ｖｉｎを参照信号として使用することで、増幅電圧Ｖｏｕｔから、参照信号の周波数成分のみを抽出する。これにより、極めて高いＳＮ比を有する出力信号Ｖｏｕｔ２が得られる。出力信号Ｖｏｕｔ２は、制御装置１２に出力される。

出力信号Ｖｏｕｔ２は、磁気センサ３０が短絡電流Ｉｉの近傍に生じた局所的な磁界に近いほど強くなる。従って、制御装置１２は、磁気センサアレイ２４に含まれる全ての磁気センサ３０について出力信号Ｖｏｕｔ２を解析することで、リチウムイオン電池７０の内部に流れる短絡電流ＩｉのＸＹ平面上の分布（即ち、磁界分布）を算出できる。

図１２を参照すると、算出された磁界分布は、例えばコンター図として制御装置１２の表示部１２８に表示できる。これにより、短絡電流Ｉｉの近傍に生じた局所的な磁界の分布を視覚的に把握できる。図１２のコンター図は、ラミネート型のリチウムイオン電池７０において単セルの内部に生じた短絡部近傍の磁界分布を例示している。本実施例においては、コバルト酸リチウムからなる正極とグラファイトからなる負極との間に、ＪＩＳ Ｃ８７１２に準拠する強制内部短絡試験において使用するニッケル片を意図的に混入して、内部短絡を形成した。次に、リチウムイオン電池７０の正極と負極との間に１ｋＨｚの正弦波信号を印加して図１２に描画された分布を得た。

以下、磁気センサ３０の構造及び機能について、更に詳細に説明する。

図５及び図１０に示されるように、磁気センサ３０の夫々において、第１センサ４０は、第１センサ素子４２と、第１抵抗素子４４とを備えており、第２センサ５０は、第２センサ素子５２と、第２抵抗素子５４とを備えている。第１センサ素子４２及び第１抵抗素子４４は、互いに直列に接続されて、第１ハーフブリッジ回路（第１センサ４０）を形成している。同様に、第２センサ素子５２及び第２抵抗素子５４は、互いに直列に接続されて、第２ハーフブリッジ回路（第２センサ５０）を形成している。第１センサ４０及び第２センサ５０は、互いに並列に接続されて、電気的なブリッジ回路を形成している。

図５から図７までを参照すると、第１センサ４０の第１センサ素子４２は、第２センサ５０の第２センサ素子５２と同一の部材から形成されており、第２センサ素子５２と基本的に同一の構造及びサイズを有している。以下、まず、第１センサ素子４２の構造について説明する。その後、第２センサ素子５２の構造について、第１センサ素子４２と異なる点を中心に説明する。

図６及び図７を参照すると、第１センサ素子４２は、薄膜状の磁気抵抗材料からなる第１磁気抵抗薄膜４２４と、薄膜状の強磁性体からなる第１薄膜磁石４２６と、薄膜状の軟磁性体からなる２つの第１軟磁性薄膜４２８と、Ａｕ（金）等の導電体からなる２つの接続部４２２Ｅ，４２２Ｍとを備えている。

第１薄膜磁石４２６は、基板３２上に形成されている。第１薄膜磁石４２６は、ＸＹ平面と平行な所定方向（Ｘ方向）に沿って延びており、Ｘ方向において２つの端部４２６Ｎ，４２６Ｓを有している。第１薄膜磁石４２６は、＋Ｘ側がＮ極になり且つ−Ｘ側がＳ極になるようにして、Ｘ方向に沿って着磁されている。第１薄膜磁石４２６のＺ方向におけるサイズ（厚さ）は、例えば１μｍ程度である。第１薄膜磁石４２６は、例えば、ＳｍＣｏ磁石、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｎ系磁石、鉄酸化物系のハードフェライト磁石の永久磁石からなり、強い磁力を有している。

第１磁気抵抗薄膜４２４は、第１薄膜磁石４２６の上に形成されている。詳しくは、第１磁気抵抗薄膜４２４は、第１薄膜磁石４２６のＸ方向における中間部の上に位置している。また、第１磁気抵抗薄膜４２４は、Ｙ方向において、第１薄膜磁石４２６の両側縁の間に位置している。本実施の形態において、第１磁気抵抗薄膜４２４の厚さは、例えば０．５μｍ程度であり、Ｘ方向におけるサイズは、例えば１μｍ程度である。第１磁気抵抗薄膜４２４は、例えば、ＣｏＡｌＯ系、ＣｏＹＯ系、ＦｅＭｇＦ系、ＦｅＣｏＭｇＦ系、ＦｅＣｏＡｌＦ系のナノグラニュラー合金からなり、外部磁界に応じて数１０％以上の大きな電気抵抗変化を示す。

第１軟磁性薄膜４２８の夫々は、第１薄膜磁石４２６を覆うようにして、主として第１薄膜磁石４２６上に形成された薄膜である。詳しくは、２つの第１軟磁性薄膜４２８は、Ｘ方向に並んでおり、第１薄膜磁石４２６のＸ方向における両端部（端部４２６Ｎ及び端部４２６Ｓ）を覆っている。特に、本実施の形態において、＋Ｘ側の第１軟磁性薄膜４２８は、第１薄膜磁石４２６の＋Ｘ側の部位の大部分を、上から完全に覆うと共にＸＹ平面において完全に覆っている。同様に、−Ｘ側の第１軟磁性薄膜４２８は、第１薄膜磁石４２６の−Ｘ側の部位の大部分を、上から完全に覆うと共にＸＹ平面において完全に覆っている。

２つの第１軟磁性薄膜４２８は、Ｘ方向において第１磁気抵抗薄膜４２４を挟んでいる。詳しくは、第１磁気抵抗薄膜４２４は、＋Ｘ側の第１軟磁性薄膜４２８の−Ｘ側の端と接触しており、且つ、−Ｘ側の第１軟磁性薄膜４２８の＋Ｘ側の端と接触している。＋Ｘ側の第１軟磁性薄膜４２８の＋Ｘ側の端と−Ｘ側の第１軟磁性薄膜４２８の−Ｘ側の端とと間の距離は、例えば数百μｍ程度である。第１軟磁性薄膜４２８の夫々の厚さは、第１薄膜磁石４２６の厚さ（例えば１μｍ程度）よりも少し大きい。第１軟磁性薄膜４２８の夫々は、例えば、ＦｅＮｉ系、ＣｏＦｅＳｉＢ系、ＦｅＳｉＡｌ系、ＦｅＮｉＮｂ系の金属合金からなり、これにより、約数千の高い比透磁率を有しており、且つ、第１磁気抵抗薄膜４２４に比べて極く僅かな電気抵抗値（抵抗値）を有している。

接続部４２２Ｅは、−Ｘ側の第１軟磁性薄膜４２８の−Ｘ側の端部を覆うようにして基板３２上に形成されている。同様に、接続部４２２Ｍは、＋Ｘ側の第１軟磁性薄膜４２８の＋Ｘ側の端部を覆うようにして基板３２上に形成されている。接続部４２２Ｅは、第１軟磁性薄膜４２８及び第１磁気抵抗薄膜４２４を経由して、接続部４２２Ｍと電気的に接続されている。接続部４２２Ｅと接続部４２２Ｍとの間の抵抗値は、第１磁気抵抗薄膜４２４の抵抗値と実質的に等しい。

第１薄膜磁石４２６は、上述のように第１軟磁性薄膜４２８に覆われているため、第１薄膜磁石４２６及び第１軟磁性薄膜４２８は、磁気回路を形成している。より具体的には、第１薄膜磁石４２６から生じた磁束の殆どは、第１センサ素子４２の外部に漏れることなく第１軟磁性薄膜４２８の内部に収束されて、第１磁気抵抗薄膜４２４を−Ｘ方向に通過する。この結果、第１磁気抵抗薄膜４２４は−Ｘ方向に磁気バイアスされている。

第２センサ素子５２は、第１センサ素子４２と同様に、薄膜状の磁気抵抗材料からなる第２磁気抵抗薄膜５２４と、薄膜状の強磁性体からなる第２薄膜磁石５２６と、薄膜状の軟磁性体からなる２つの第２軟磁性薄膜５２８と、Ａｕ（金）等の導電体からなる２つの接続部５２２Ｅ，５２２Ｍとを備えている。

第２薄膜磁石５２６は、Ｘ方向に沿って延びており、Ｘ方向において２つの端部５２６Ｎ，５２６Ｓを有している。第２薄膜磁石５２６は、−Ｘ側がＮ極になり且つ＋Ｘ側がＳ極になるようにして、Ｘ方向に沿って着磁されている。第２薄膜磁石５２６は、第１薄膜磁石４２６と同じ材料からなり、強い磁力を有している。

第２磁気抵抗薄膜５２４は、第１磁気抵抗薄膜４２４と同様に、第２薄膜磁石５２６の上に形成されている。第２磁気抵抗薄膜５２４は、第１磁気抵抗薄膜４２４と同じ材料から同じサイズを有するように形成されており、外部磁界に応じて数１０％以上の大きな電気抵抗変化を示す。

２つの第２軟磁性薄膜５２８は、第１軟磁性薄膜４２８と同様に、Ｘ方向に並んでおり、第２薄膜磁石５２６のＸ方向における両端部（端部５２６Ｎ及び端部５２６Ｓ）をほぼ完全に覆っている。また、２つの第２軟磁性薄膜５２８は、第１軟磁性薄膜４２８と同様に、Ｘ方向において第２磁気抵抗薄膜５２４を挟んでいる。第２軟磁性薄膜５２８の夫々は、第１軟磁性薄膜４２８と同じ材料からなり、約数千の高い比透磁率を有しており、且つ、第２磁気抵抗薄膜５２４に比べて極く僅かな抵抗値を有している。

接続部５２２Ｅは、−Ｘ側の第２軟磁性薄膜５２８の−Ｘ側の端部を覆うようにして基板３２上に形成されている。同様に、接続部５２２Ｍは、＋Ｘ側の第２軟磁性薄膜５２８の＋Ｘ側の端部を覆うようにして基板３２上に形成されている。これにより、接続部５２２Ｅは、接続部５２２Ｍと電気的に接続されている。接続部５２２Ｅと接続部５２２Ｍとの間の抵抗値は、第２磁気抵抗薄膜５２４の抵抗値と実質的に等しい。

第２薄膜磁石５２６及び第２軟磁性薄膜５２８は、第１薄膜磁石４２６及び第１軟磁性薄膜４２８と同様に、磁気回路を形成しており、第２磁気抵抗薄膜５２４は、第１磁気抵抗薄膜４２４と反対の＋Ｘ方向に磁気バイアスされている。

図５及び図８を参照すると、第１センサ４０の第１抵抗素子４４は、第２センサ５０の第２抵抗素子５４と同一の部材から形成されており、第２抵抗素子５４と同一の構造及びサイズを有している。更に、第１抵抗素子４４及び第２抵抗素子５４の夫々は、第１磁気抵抗薄膜４２４や第２磁気抵抗薄膜５２４と異なっているが類似した構造及びサイズを有している。以下、第１抵抗素子４４及び第２抵抗素子５４の構造について説明する。

図８を参照すると、第１抵抗素子４４は、薄膜状の磁気抵抗材料からなる第１固定抵抗薄膜４４４と、薄膜状の金属からなる２つの第１薄膜４４８と、Ａｕ（金）等の導電体からなる２つの接続部４４２Ｅ，４４２Ｍとを備えている。

第１固定抵抗薄膜４４４は、基板３２上に形成されている。第１固定抵抗薄膜４４４は、第１磁気抵抗薄膜４２４と同じ材料から同じサイズを有するように形成されている。２つの非磁性の第１薄膜４４８は、Ｘ方向に並んでおり、且つ、Ｘ方向において第１固定抵抗薄膜４４４を挟んでいる。第１薄膜４４８の夫々は、低い透磁率を有する金属からなり、且つ、第１固定抵抗薄膜４４４に比べて極く僅かな抵抗値を有している。

接続部４４２Ｅは、−Ｘ側の第１薄膜４４８の−Ｘ側の端部を覆うようにして基板３２上に形成されている。同様に、接続部４４２Ｍは、＋Ｘ側の第１薄膜４４８の＋Ｘ側の端部を覆うようにして基板３２上に形成されている。接続部４４２Ｅは、第１薄膜４４８及び第１固定抵抗薄膜４４４を経由して、接続部４４２Ｍと電気的に接続されている。接続部４４２Ｅと接続部４４２Ｍとの間の抵抗値は、第１固定抵抗薄膜４４４の抵抗値と実質的に等しい。

第２抵抗素子５４は、第１抵抗素子４４と同様に、薄膜状の磁気抵抗材料からなる第２固定抵抗薄膜５４４と、薄膜状の金属からなる２つの第２薄膜５４８と、Ａｕ（金）等の導電体からなる２つの接続部５４２Ｅ，５４２Ｍとを備えている。

第２固定抵抗薄膜５４４は、基板３２上に形成されている。第２固定抵抗薄膜５４４は、第１固定抵抗薄膜４４４と同じ材料から同じサイズを有するように形成されている。２つの非磁性の第２薄膜５４８は、Ｘ方向に並んでおり、且つ、Ｘ方向において第２固定抵抗薄膜５４４を挟んでいる。第２薄膜５４８の夫々は、第１薄膜４４８と同じ材料からなり、低い透磁率を有しており、且つ、第２固定抵抗薄膜５４４に比べて極く僅かな抵抗値を有している。

接続部５４２Ｅは、−Ｘ側の第２薄膜５４８の−Ｘ側の端部を覆うようにして基板３２上に形成されている。同様に、接続部５４２Ｍは、＋Ｘ側の第２薄膜５４８の＋Ｘ側の端部を覆うようにして基板３２上に形成されている。これにより、接続部５４２Ｅは、接続部５４２Ｍと電気的に接続されている。接続部５４２Ｅと接続部５４２Ｍとの間の抵抗値は、第２固定抵抗薄膜５４４の抵抗値と実質的に等しい。

図９を参照すると、第１磁気抵抗薄膜４２４、第２磁気抵抗薄膜５２４、第１固定抵抗薄膜４４４及び第２固定抵抗薄膜５４４のようなＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance Effect）型の磁気抵抗素子は、図９において破線で描画しているように、正負の外部磁界に対して対称な電気抵抗特性を示す。

但し、本実施の形態において、第１磁気抵抗薄膜４２４及び第２磁気抵抗薄膜５２４の夫々は、磁気バイアスされており、これにより、正負の外部磁界に対して非対称な電気抵抗特性を示す。更に、第１磁気抵抗薄膜４２４の磁気バイアス方向は、第２磁気抵抗薄膜５２４の磁気バイアス方向と反対であるため、第１磁気抵抗薄膜４２４は、第２磁気抵抗薄膜５２４と異なる電気抵抗特性を示す。より具体的には、零磁界近傍において、第１磁気抵抗薄膜４２４の抵抗値は、外部磁界の増加に応じて増加し、第２磁気抵抗薄膜５２４の抵抗値は、外部磁界の増加に応じて減少する。

上述したように、本実施の形態における磁気バイアスは、永久磁石を使用して行われる。但し、本発明は、これに限られず、磁気バイアスは、例えばコイルを使用して行ってもよい。また、第１磁気抵抗薄膜４２４の抵抗値及び第２磁気抵抗薄膜５２４は、一方が外部磁界の増加に応じて増加し、他方が外部磁界の増加に応じて減少するように互いに逆方向に磁気バイアスされていればよい。換言すれば、２つの同じ磁気抵抗薄膜において、外部磁界の増加に応じて抵抗値が増加するように磁気バイアスされ且つ配置された方を第１磁気抵抗薄膜４２４として説明し、外部磁界の増加に応じて抵抗値が減少するように磁気バイアスされ且つ配置された方を第２磁気抵抗薄膜５２４として説明しているに過ぎない。

図５を参照すると、第１固定抵抗薄膜４４４及び第２固定抵抗薄膜５４４の夫々は、第１磁気抵抗薄膜４２４や第２磁気抵抗薄膜５２４と同じ薄膜状の磁気抵抗材料からなる。但し、第１固定抵抗薄膜４４４の近傍には、強磁性体が設けられておらず、且つ、第１薄膜４４８は磁束を殆ど集めない。即ち、第１固定抵抗薄膜４４４は、外部磁界の影響を殆ど受けない。このため、第１固定抵抗薄膜４４４の抵抗値は、外部磁界に対して実質的に不変である。同様に、第２固定抵抗薄膜５４４の抵抗値は、外部磁界に対して実質的に不変である。

図５及び図１０を参照すると、第１センサ４０（第１ハーフブリッジ回路）において、第１磁気抵抗薄膜４２４の一端側（図５において＋Ｘ側）は、第１固定抵抗薄膜４４４の一端側（図５において＋Ｘ側）と直列に接続されている。詳しくは、第１磁気抵抗薄膜４２４の一端側は、接続部４２２Ｍと接続されており、第１固定抵抗薄膜４４４の一端側は、接続部４４２Ｍと接続されている。接続部４２２Ｍと接続部４４２Ｍとは、導電体からなる中間部４８によって互いに接続されている。

同様に、第２センサ５０（第２ハーフブリッジ回路）において、第２磁気抵抗薄膜５２４の一端側（図５において＋Ｘ側）は、第２固定抵抗薄膜５４４の一端側（図５において＋Ｘ側）と直列に接続されている。詳しくは、第２磁気抵抗薄膜５２４の一端側は、接続部５２２Ｍと接続されており、第２固定抵抗薄膜５４４の一端側は、接続部５４２Ｍと接続されている。接続部５２２Ｍと接続部５４２Ｍとは、導電体からなる中間部５８によって互いに接続されている。

第１センサ４０の接続部４２２Ｅ及び第２センサ５０の接続部５２２Ｅには、一定値の電源電圧Ｖｃｃが供給されている。また、第１センサ４０の接続部４４２Ｅ及び第２センサ５０の接続部５４２Ｅは、グランドされている。即ち、第１センサ４０と第２センサ５０とは、第１磁気抵抗薄膜４２４の他端側（図５において−Ｘ側）と第２磁気抵抗薄膜５２４の他端側（図５において−Ｘ側）とを互いに接続し、且つ、第１固定抵抗薄膜４４４の他端側（図５において−Ｘ側）と第２固定抵抗薄膜５４４の他端側（図５において−Ｘ側）とを互いに接続することにより、互いに並列に接続されている。

図１０を参照すると、局所的な磁界の発生によって磁気センサ３０周辺の外部磁界が増加すると、第１磁気抵抗薄膜４２４の抵抗値が増加し、第２磁気抵抗薄膜５２４の抵抗値が減少する。一方、第１固定抵抗薄膜４４４や第２固定抵抗薄膜５４４の抵抗値は変わらない。従って、第１センサ４０の中間部４８の電圧Ｖｆｄ（Ｖｄ）は、局所的な磁界が発生していない場合の電圧から、所定値だけ下がる。同様に、第２センサ５０の中間部５８の電圧Ｖｓｄ（Ｖｄ）は、局所的な磁界が発生していない場合の電圧から、所定値だけ下がる。このときの電圧ＶｆｄとＶｓｄとの間の電圧差Ｖｏｆｆの値は、磁気センサ３０が第１センサ４０又は第２センサ５０のみを備えている場合に得られる電圧変動値（所定値）の２倍である。

以上の説明から理解されるように、第１センサ４０と第２センサ５０とに同一の電源電圧Ｖｃｃを付加し、第１磁気抵抗薄膜４２４と第１固定抵抗薄膜４４４との間の電圧と第２磁気抵抗薄膜５２４と第２固定抵抗薄膜５４４との間の電圧との差分を測定することで、磁界の検出感度を高めることができる。即ち、磁気センサ３０は、高い感度を有しつつ小型化可能である。

また、図５を参照すると、前述したように、磁気センサ３０のサイズは小さい。このため、基板３２のＸＹ平面におけるサイズは、既存の薄膜形成技術およびフォトリソグラフィー技術により、例えば約１ｍｍ×１ｍｍにできる。更に、磁気センサ３０間の磁気干渉は殆ど発生しない。このため、磁気センサ３０を、ＸＹ平面において近接配置できる。

磁気センサモジュール２０は、複数の小さな磁気センサ３０をＸＹ平面上に近接配置しているため、高い空間分解能が得られる。より具体的には、ＸＹ平面において、磁気センサ３０の第１磁気抵抗薄膜４２４及び第２磁気抵抗薄膜５２４の夫々を、他の磁気センサ３０の第１磁気抵抗薄膜４２４及び第２磁気抵抗薄膜５２４から１ｍｍ以内の距離に配置できる。換言すれば、磁気センサ３０を高密度で配置でき、これにより、ミリメートルオーダー以下の微小な金属異物やデンドライト等に起因する微弱な磁界を、高い感度で且つ短時間で検出できる。

また、磁気センサ３０の夫々において、第１磁気抵抗薄膜４２４及び第２磁気抵抗薄膜５２４は、ＸＹ平面上において互いに隣り合っており、且つ、ＸＹ平面上において第１固定抵抗薄膜４４４及び第２固定抵抗薄膜５４４の間に配置されている。この配置により、第１磁気抵抗薄膜４２４及び第２磁気抵抗薄膜５２４を互いに接近させ、第１磁気抵抗薄膜４２４及び第２磁気抵抗薄膜５２４が検出する磁界の対象空間をできる限り同一にできる。これにより、更に高い空間分解能が得られる。

図１０を参照すると、電圧Ｖｆｄ及び電圧Ｖｓｄは、例えば下記のように処理される。

信号処理部２６の増幅部２６４の夫々は、２つの初段増幅部２６４Ｆ，２６４Ｓを有している。初段増幅部２６４Ｆ及び初段増幅部２６４Ｓは、第１センサ４０及び第２センサ５０に夫々対応している。より具体的には、初段増幅部２６４Ｆは、第１センサ４０の接続部４２２Ｍや接続部４４２Ｍを経由して中間部４８に接続されており、初段増幅部２６４Ｓは、第２センサ５０の接続部５２２Ｍや接続部５４２Ｍを経由して中間部５８に接続されている。

初段増幅部２６４Ｆは、電圧Ｖｆｄを増幅して、増幅電圧Ｖｆａ（Ｖａ）を出力する。同様に、初段増幅部２６４Ｓは、電圧Ｖｓｄを増幅して、増幅電圧Ｖｓａ（Ｖａ）を出力する。次に、増幅電圧Ｖｆａと増幅電圧Ｖｓａとの間の電圧差を有する増幅電圧Ｖｏｕｔが出力される。

零磁界において、増幅部２６４が飽和しないように、中間部４８の電圧Ｖｆｄと中間部５８の電圧Ｖｓｄとの間の差分を小さくするという観点から、第１磁気抵抗薄膜４２４の抵抗値と第１固定抵抗薄膜４４４の抵抗値とは、互いに同一であることが好ましい。同様に、第２磁気抵抗薄膜５２４の抵抗値と第２固定抵抗薄膜５４４の抵抗値とは、互いに同一であることが好ましい。しかしながら、これらの抵抗値は、製造上の加工誤差に起因してばらつく。この結果、磁気センサ３０が外部磁場を受けていないときにも（即ち、零磁界においても）、中間部４８と中間部５８との間には、所定のオフセット電圧が生じる。初段増幅部２６４Ｆ（初段増幅部２６４Ｓ）の動作レンジには制限があるため、オフセット電圧は、できる限り小さいことが好ましい。例えば，電源電圧Ｖｃｃが５Ｖである場合、中点電位は２．５Ｖである。増幅部２６４の増幅度が５倍である場合、オフセット電圧を＋０．３Ｖと−０．３Ｖの間にする必要がある。

図６及び図７を参照すると、第１磁気抵抗薄膜４２４及び第２磁気抵抗薄膜５２４は、同一工程及び同一マスクで形成できる。従って、第１磁気抵抗薄膜４２４の抵抗値及び第２磁気抵抗薄膜５２４の抵抗値は、殆どばらつきのない同一値にできる。同様に、図８を参照すると、第１固定抵抗薄膜４４４及び第２固定抵抗薄膜５４４は、同一工程及び同一マスクで形成できる。従って、第１固定抵抗薄膜４４４の抵抗値及び第２固定抵抗薄膜５４４の抵抗値は、殆どばらつきのない同一値にできる。従って、第１磁気抵抗薄膜４２４の抵抗値と第１固定抵抗薄膜４４４の抵抗値との比率を、第２磁気抵抗薄膜５２４の抵抗値と第２固定抵抗薄膜５４４の抵抗値との比率と略等しくなるように組合せることでオフセット電圧を所定の電圧範囲内できる。

より具体的には、本実施の形態において、第１固定抵抗薄膜４４４の抵抗値は、磁界が生じていないときの第１磁気抵抗薄膜４２４の抵抗値の±１０％以内である。また、第２固定抵抗薄膜５４４の抵抗値は、磁界が生じていないときの第２磁気抵抗薄膜５２４の抵抗値の±１０％以内である。この設定により、第１磁気抵抗薄膜４２４の抵抗値と第１固定抵抗薄膜４４４の抵抗値との比率を、第２磁気抵抗薄膜５２４の抵抗値と第２固定抵抗薄膜５４４の抵抗値との比率の±１０％以内にでき、オフセット電圧を＋０．３Ｖと−０．３Ｖとの間にできる。

図６から図８までを参照すると、本実施の形態において、第１磁気抵抗薄膜４２４、第２磁気抵抗薄膜５２４、第１固定抵抗薄膜４４４及び第２固定抵抗薄膜５４４は、全て同じ磁気抵抗材料からなる。このため、温度係数を容易に同一とし、温度変化による影響を防止できる。但し、本発明は、これに限られない。例えば、第１固定抵抗薄膜４４４及び第２固定抵抗薄膜５４４の夫々は、磁気抵抗材料以外の材料から形成してもよい。

本実施の形態は、既に説明した変形例に加えて、更に様々に変形可能である。例えば、図２の増幅部２６４と乗算部２６６との間に、図１１に示した次段の増幅回路を設けてもよい。図１１の次段の増幅回路は、増幅回路に加えて、オフセット調整回路を備えている。オフセット調整回路により、増幅回路の出力オフセット電圧を補正できる。特に、オフセット調整回路は、逐次比較型ＤＡコンバータを備えており、電圧精度の良い補正信号を生成できる。このため、確実に出力オフセット電圧を補正でき、直流成分と交流成分とを含む電圧Ｖｏｕｔを安定して増幅できる。

また、図１を参照すると、リチウムイオン電池７０が搭載された磁気センサモジュール２０全体を磁気シールドによって覆ってもよい。これにより、直流的な外部磁界の影響による磁気バイアスの動作点の変動が防止できる。また、リチウムイオン電池７０と磁気センサ３０との間の距離を光学的な手法等によって測定して、出力信号Ｖｏｕｔ２の距離依存性を補正してもよい。また、温度センサを設けて、リチウムイオン電池７０の内部に流れる局所的な短絡電流Ｉｉ（図２参照）によって生じる温度上昇を測定してもよい。このように出力信号Ｖｏｕｔ２による磁気的な情報に加えて熱的な情報を加えることで、磁気センサモジュール２０の信頼性を更に高めることができる。

１０ 測定システム
１２ 制御装置
１２２ 発信部
１２８ 表示部
２０ 磁気センサモジュール
２２ 基板
２２Ｕ 上面（実装面）
２２Ｌ 下面
２４ 磁気センサアレイ
２６ 信号処理部
２６２ 信号処理ユニット
２６４ 増幅部
２６４Ｆ，２６４Ｓ 初段増幅部
２６６ 乗算部
２６８ フィルター部
２８ ケーブル
３０，Ｓ２ 磁気センサ
３２ 基板
４０ 第１センサ
４２ 第１センサ素子
４２２Ｅ，４２２Ｍ 接続部
４２４ 第１磁気抵抗薄膜
４２６ 第１薄膜磁石
４２６Ｎ，４２６Ｓ 端部
４２８ 第１軟磁性薄膜
４４ 第１抵抗素子
４４２Ｅ，４４２Ｍ 接続部
４４４ 第１固定抵抗薄膜
４４８ 第１薄膜
４８ 中間部
５０ 第２センサ
５２ 第２センサ素子
５２２Ｅ，５２２Ｍ 接続部
５２４ 第２磁気抵抗薄膜
５２６ 第２薄膜磁石
５２６Ｎ，５２６Ｓ 端部
５２８ 第２軟磁性薄膜
５４ 第２抵抗素子
５４２Ｅ，５４２Ｍ 接続部
５４４ 第２固定抵抗薄膜
５４８ 第２薄膜
５８ 中間部
７０ リチウムイオン電池
７２ 本体部
７８ 端子部

Claims (5)

1. リチウムイオン電池の部分的な欠陥に起因して欠陥近傍に局所的に生じる磁界を検出するための磁気センサモジュールであって、
   前記磁気センサモジュールは、複数の磁気センサを備えており、
   前記磁気センサは、所定平面上に配置されており、且つ、前記磁界を検出する際に、前記所定平面と直交する上下方向において前記リチウムイオン電池の下に位置し、
   前記磁気センサの夫々は、第１センサと、第２センサとを備えており、
   前記第１センサ及び前記第２センサの夫々は、絶縁体からなる基板上に形成されており、
   前記第１センサ及び前記第２センサは、前記所定平面において、前記基板以外の部材を間に挟むことなく互いに隣り合っており、
   前記第１センサは、第１磁気抵抗薄膜と、第１固定抵抗薄膜と、第１薄膜磁石とを備えており、
   前記第１薄膜磁石は、前記所定平面と平行な所定方向に沿って延びており、且つ、前記所定方向に沿って着磁されており、
   前記第１磁気抵抗薄膜は、前記第１薄膜磁石の上に位置しており、
   前記第１磁気抵抗薄膜の抵抗値は、前記磁界の増加に応じて増加し、
   前記第１固定抵抗薄膜の近傍には強磁性体が設けられておらず、これにより、前記第１固定抵抗薄膜の抵抗値は、前記磁界に対して変化が抑制されており、
   前記第２センサは、第２磁気抵抗薄膜と、第２固定抵抗薄膜と、第２薄膜磁石とを備えており、
   前記第２薄膜磁石は、前記所定方向に沿って延びており、且つ、前記所定方向に沿って前記第１薄膜磁石と反対の方向に着磁されており、
   前記第２磁気抵抗薄膜は、前記第２薄膜磁石の上に位置しており、
   前記第２磁気抵抗薄膜の抵抗値は、前記磁界の増加に応じて減少し、
   前記第２固定抵抗薄膜の近傍には強磁性体が設けられておらず、これにより、前記第２固定抵抗薄膜の抵抗値は、前記磁界に対して変化が抑制されており、
   前記第１センサにおいて、前記第１磁気抵抗薄膜の一端側は、前記第１固定抵抗薄膜の一端側と直列に接続されており、
   前記第２センサにおいて、前記第２磁気抵抗薄膜の一端側は、前記第２固定抵抗薄膜の一端側と直列に接続されており、
   前記第１センサと前記第２センサとは、前記第１磁気抵抗薄膜の他端側と前記第２磁気抵抗薄膜の他端側とを互いに接続し、且つ、前記第１固定抵抗薄膜の他端側と前記第２固定抵抗薄膜の他端側とを互いに接続することにより、互いに並列に接続されている
   磁気センサモジュール。
2. 請求項１記載の磁気センサモジュールであって、
   前記第１固定抵抗薄膜の抵抗値は、前記磁界が生じていないときの前記第１磁気抵抗薄膜の前記抵抗値の±１０％以内であり、
   前記第２固定抵抗薄膜の抵抗値は、前記磁界が生じていないときの前記第２磁気抵抗薄膜の前記抵抗値の±１０％以内である
   磁気センサモジュール。
3. 請求項１又は請求項２記載の磁気センサモジュールであって、
   磁気センサの夫々において、前記第１磁気抵抗薄膜及び前記第２磁気抵抗薄膜は、前記所定平面上において互いに隣り合っており、且つ、前記所定平面上において前記第１固定抵抗薄膜及び前記第２固定抵抗薄膜の間に配置されている
   磁気センサモジュール。
4. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載の磁気センサモジュールであって、
   前記第１磁気抵抗薄膜、前記第２磁気抵抗薄膜、前記第１固定抵抗薄膜及び前記第２固定抵抗薄膜は、互いに同じ材料からなる
   磁気センサモジュール。
5. 請求項１から請求項４までのいずれかに記載の磁気センサモジュールであって、
   前記第１センサは、２つの第１軟磁性薄膜を更に備えており、
   ２つの前記第１軟磁性薄膜は、前記所定方向において前記第１磁気抵抗薄膜を挟んでおり、且つ、前記第１薄膜磁石の前記所定方向における両端部を覆っており、
   前記第２センサは、２つの第２軟磁性薄膜を更に備えており、
   ２つの前記第２軟磁性薄膜は、前記所定方向において前記第２磁気抵抗薄膜を挟んでおり、且つ、前記第２薄膜磁石の前記所定方向における両端部を覆っている
   磁気センサモジュール。

Images