JP2005062000A - 磁気検出素子および磁気検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流電圧を印加する導体層を改良することによって、製造期間及び製造コストのかかる従来の積層型磁気検出素子と比べて短期間かつ安価に製造可能な磁気検出素子、およびそれを組み込んだ磁気検出回路を提供することにある。
【解決手段】 導体層として導電性を有する既製の導体線４の周りに、磁性膜５を成膜することで、磁気検出素子１が構成されていることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子および磁気検出回路に関するものであって、特に、交流電圧を印加する導電体の層を改良することによって、製造工程の容易化、製造期間の短縮化、および製造コストのコストダウンを図るものである。

従来より、各種分野において、例えば回転するシャフトに磁性体を取り付け、そのシャフトの回転量を磁界の変化として検出したり、移動する物体の位置や、その物体までの距離を磁界の変化として検出するなどして、磁界の検出が行われている。

ここで、この磁界の検出を高感度に行うべく、外部磁界に対する物理量（インピーダンス）の変化率の高い素子を使用し、外部磁界を電気信号に変換することによって磁界の検出を行うのが一般的である。このような検出を行う素子として、例えば、特許文献１や特許文献２に開示された磁気検出素子がある。

特許文献１に開示された磁気検出素子は、零磁歪アモルファスワイヤなどの磁性線がもつ顕著な磁気インダクタンス効果を利用したものであり、磁性線を薄膜化することによって高感度化を図ったものである。すなわち、透磁率の高い磁性体層と、その磁性体層よりも導電率の高い導電体層と、の積層構造による相乗効果を利用して、導電体層に交流電圧を印加することによって磁性体層における被検出磁界の高感度検出を可能にするものである。

また、特許文献２に開示された磁気検出素子は、特許文献１に開示された磁気検出素子と同様の積層構造を有しており、導体金属層を内包したＣｏ−Ｎｂ−Ｚｒアモルファス金属磁性薄膜を磁気検出素子として利用することによって直流電気抵抗を低減させ、より高感度の磁界検出を可能にするものである。

特許第３３６０５１９号公報（段落番号００２６） 特許第３２１０９３３号公報（段落番号００４４）

しかしながら、上述した磁気検出素子には、以下のような問題点が含まれている。すなわち、特許文献１又は特許文献２に開示された磁気検出素子にあっては、上述のとおり双方とも磁性膜／導体膜／磁性膜という積層構造を採用しており、高感度の磁界検出を実現せしめるものであるが、磁性膜と導体膜の双方を厚さ数μｍ程度成膜する必要があることから、積層構造に成膜する工程が煩雑であって製造に長時間を要し、全体的な製造コストを引き上げるといった問題点がある。

また、磁性膜と導体膜の双方を薄膜で構成しているため、角形比が大きく高感度化し難いという問題点がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、交流電圧を印加する導電体の層を改良することによって、製造期間及び製造コストのかかる従来の積層型磁気検出素子と比べて短期間かつ安価に製造可能な磁気検出素子、およびそれを組み込んだ磁気検出回路を提供することにある。

以上のような課題を解決するために、本発明は、導電性を有する導体線の周りに磁性膜を成膜することで磁気検出素子が構成されていることを特徴とする。

より具体的には、本発明は、以下のものを提供する。

（１） 磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子において、導電性を有する導体線と、前記導体線の外周面に成膜された磁性膜と、から構成されていることを特徴とする磁気検出素子。

本発明によれば、導体線と磁性膜とから構成された磁気検出素子において、既製の導体線に磁性膜を成膜して磁気検出素子が構成されていることから、従来のように導体膜を成膜する必要がないので、製造工程の容易化を図ることができるとともに、短期間かつ安価に磁気検出素子を製造することができる。なお、導電性を有する導体線として、Ｃｕなどの安価な金属材料を用いれば、更なるコストダウンを図ることが可能である。

また、磁気検出素子として磁性線を採用する場合にあっては、難易度の高い超音波接合法による端子付けを行う必要があることから接続部分の信頼性に乏しいというデメリットがあるが、本発明によれば、慣用技術として定着している導体線への半田付けを適用できることから、高い接続信頼性を確保することができる。

（２） 磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子において、導電性を有する導体線と、前記導体線の外周面に形成された絶縁層と、前記絶縁層の外周面に成膜された磁性膜と、から構成されていることを特徴とする磁気検出素子。

本発明によれば、磁気検出素子は、導電性を有する導体線と、その導体線の外周面に形成された絶縁層と、その絶縁層の外周面に成膜された磁性膜と、から構成されており、磁気検出素子の導体線を流れる高周波電流は、絶縁層によって磁性膜へ流入するのが妨げられ、導体線の部分のみに流れることになるから、インピーダンス変化が大きくなり、ひいては磁気検出特性の向上を図ることができる。

（３） 前記磁性膜の外周面には、直流バイアス用コイルが捲回されていることを特徴とする磁気検出素子。

本発明によれば、磁性膜の外周面には、直流バイアス用コイルが捲回されていることによって、この直流バイアス用コイルにバイアス電流を流して、磁気検出素子に所定のバイアス磁界（磁束密度）を容易に印加することができるので、インピーダンス変化特性を良好にして、この磁気検出素子をリニア磁界センサとして使用することができる。

（４） （１）から（３）のいずれか記載の磁気検出素子と、前記磁気検出素子の前記導体線に駆動電圧を印加する駆動電源と、前記磁気検出素子に生じるインピーダンス変化を検出する検出器と、を備えることを特徴とする磁気検出回路。

本発明によれば、磁気検出回路には、上述した磁気検出素子と、その磁気検出素子の導体線の両端に駆動電圧を印加する駆動電源と、その磁気検出素子に生じるインピーダンス変化を検出する検出器と、が備えられており、高感度な磁界検出をすることが可能な磁気検出回路を容易かつ短期間に提供することができる。

（５） （３）記載の磁気検出素子と、前記磁気検出素子の前記導体線に駆動電圧を印加する駆動電源と、前記磁気検出素子に生じるインピーダンス変化を検出する検出器と、を備える磁気検出回路であって、前記磁気検出素子に捲回された前記直流バイアス用コイルにバイアス電流を供給するバイアス電源が設けられていることを特徴とする磁気検出回路。

本発明によれば、磁気検出回路には、上述した磁気検出素子にバイアス電流を供給するバイアス電源が設けられていることから、磁気検出素子に所定のバイアス磁界（磁束密度）を印加することができ、ひいてはインピーダンス変化特性の良好な部分を磁界検出に用いることができる。

本発明に係る磁気検出素子は、以上説明したように、導電性を有する既製の導体線の周りに磁性膜を成膜するという構成になっていることから、導体線を成膜する工程を省き、導体線の外周面に磁性膜（絶縁膜／磁性膜）を容易に製造することができ、ひいては製造期間の短縮および製造コストの削減に寄与することが可能となる。また、かかる構成を有する磁気検出素子を用いても、従来に劣ることのない、従来よりも優れたインピーダンス変化特性を有する。

また、磁性膜のみを薄膜で構成しているため、従来よりも角形比が改善され、高感度化を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

［磁気検出器の回路構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気検出回路の回路構成を示す図である。

図１において、本発明の実施の形態に係る磁気検出回路は、導体線の周りに磁性膜を成膜した磁気検出素子１と、例えば１００ＭＨｚの正弦波電流などの高周波電流を供給する駆動電源２と、磁気検出素子１のインピーダンス変化に伴う電圧変化を検出する検出器３と、から構成されており、駆動電源２と検出器３との２つの接続点に磁気検出素子１が接続されている。なお、検出器３としては、例えば、対象物の電圧変化を検出する電圧計が挙げられる。

かかる回路構成において、駆動電源２は、磁気検出素子１に対し高周波電圧を供給してその両端に電圧を印加して電流を流すと、磁気検出素子１の内部において周回方向の交流磁界を発生させる。そして、この交流磁界が印加された磁気検出素子１に対し、軸方向の外部磁界（被検出磁界）が印加されると、磁気検出素子１のインピーダンスが変化し、その変化を検出器３によって検出する。以下、かかる検出過程について図２を用いて詳述する。図２は、本発明の実施の形態に係る磁気検出素子１の構造を示す斜視図である。

図２において、磁気検出素子１は、導電性を有する導体線（導線）４と、その導体線４の周りに成膜された磁性膜５と、から構成されている。なお、具体的な製造工程については後述する。

磁気検出素子１に対し高周波電流が供給されると、その高周波電流のほとんどは、磁性膜５よりも導電率の高い導体線４を流れる。そして、導体線４に高周波電流が流れると、次式によって磁性膜５の周回方向に交流磁界が発生する。なお、Ｈは磁界、Ｊは電流密度を示す。

式（１）によって、磁性膜５の周回方向に交流磁界が発生している状態において、外部磁界が磁気検出素子１の軸方向（図２中の軸Ａ−Ａ'の方向）に印加されると、その外部磁界に応じて磁性膜５の周回方向の透磁率が変化する。このため、次式（２）により、その外部磁界に応じて磁性膜５のインダクタンスも変化することとなる。なお、Ｌはインダクタンス、ｋは定数、μは透磁率を示す。

式（２）に基づき、外部磁界に応じて磁性膜５のインダクタンスが変化すると、次式（３）より算出される磁気検出素子１のインピーダンスもその外部磁界に応じて変化することとなる。なお、Ｚは磁気検出素子１全体のインピーダンス、Ｒは磁気検出素子１全体の抵抗分、ωは駆動電源２から供給される高周波電流の角周波数を示す。

式（３）より算出される磁気検出素子１のインピーダンスが、外部磁界に応じて変化する様子を図３に示す。図３は、本発明の実施の形態に係る磁気検出素子１のインピーダンス変化特性を示す図である。なお、横軸は磁束密度（Ｏｅ）、縦軸はインピーダンス変化率（％）を示し、駆動電源２から供給される高周波電流の角周波数を１２ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、３５ＭＨｚ、４５ＭＨｚ、８０ＭＨｚ、１００ＭＨｚと変化させたときのインピーダンス特性を示している。

図３によれば、駆動電源２から供給される高周波電流の角周波数が大きければ大きいほどインピーダンス変化率が大きくなっている。これは、式（３）の右辺第２項に起因するものである。従って、磁気検出素子１のインピーダンス変化特性を向上させるためには、駆動電源２から供給される高周波電流の角周波数はなるべく大きい方が好ましいが、この角周波数をあまりに大きくすると、回路構成によっては浮遊インピーダンス成分が発生する。このため、駆動電源２から供給される高周波電流の角周波数は、回路構成を考慮したうえで最適な値が決定される。

また、図３によれば、外部磁界（磁束密度）が印加され、最初のうちは、外部磁界の絶対値が０から大きくなるにつれてインピーダンス変化率が上昇している一方で、ある一定の臨界点に達した後は、外部磁界の絶対値が大きくなるにつれてインピーダンス変化率が下降している。このため、磁気検出素子１を用いて外部磁界の検出を行う際には、この臨界点に達する前のダイナミックレンジ（例えば、図３で角周波数が１００ＭＨｚの場合において、磁束密度が０Ｏｅ〜１６Ｏｅの範囲）において行うのが一般的である。

ここで、図３において、外部磁界の絶対値が０に近い場合には、インピーダンス変化率はあまり上昇しないことがわかる。従って、図４に示すように、磁性膜５の外周面に直流バイアス用コイル８を捲回し、この直流バイアス用コイル８にバイアス電流（バイアス磁界）を供給するバイアス電源６を設けることによって、外部磁界の絶対値が０に近い状態であっても、最適なダイナミックレンジにおいて外部磁界検出を行うことができる。すなわち、例えば、図３で角周波数が１００ＭＨｚの場合において、磁束密度１０Ｏｅ程度のバイアス磁界を印加すれば、外部磁界の絶対値が０に近い場合であっても、インピーダンス変化率が十分高い状態で（インピーダンス変化率がリニアに上昇する状態で）精度良く外部磁界検出を行うことができる。

次に、本発明の実施の形態に係る磁気検出素子１の製造工程について説明する。

［製造工程］
図５は、本発明の実施の形態に係る磁気検出素子１の製造工程を説明するための工程図である。なお、磁気検出素子１は、上述のとおり導体線４の周りに磁性膜５を成膜したものであり、成膜方法としては、
（１）真空チャンバ内で蒸着材料を電子ビームやタングステンヒータなどの熱源によって気化させ、近傍においた導体線４に堆積させて磁性膜５を形成する真空蒸着法、
（２）アルゴンプラズマをターゲットに照射し，それによりはじき出された物質を導体線４に堆積させるスパッタ法、
（３）磁性膜５を電気化学的に析出（電着）させる湿式めっき法
など様々な方法があるが、本発明ではこれらの種類の如何を問わない。ここでは、物理蒸着法のうちの蒸着法に基づいて磁気検出素子１を製造する工程について説明する。

図５において、まず、真空チャンバ（図示せず）の中に導体線４を置く（図５（ａ））。この導体線４の材質としては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｌなどの導電性を有する物質が挙げられる。ここで、真空チャンバに置かれる導体線４は、予め溶剤洗浄、酸洗浄、超音波洗浄などを組み合わせて、酸化膜や不純物を完全に取り除いておくことが重要である。これによって、導体線４の外周面に成膜する磁性層の膜厚ムラを防止することができる。

次いで、蒸発源によって気化した磁性体を導体線４に衝突させ、磁性膜５を形成する。この磁性体の材質としては、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ，Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ，Ｃｏ−Ｎｂ−Ｚｒ，Ｆｅ−Ｎｉなどの透磁率の高い物質が挙げられる。ここで、蒸発源から蒸発した蒸発粒子のエネルギーは０．１〜１ｅＶと小さいため、シースヒータやハロゲンヒータなどによって熱エネルギーを与えたり、イオン銃によって数１００ｅＶ程度のガスイオンを導体線４に照射し、そのガスイオンのもつ運動エネルギーにより緻密な膜を形成するといったことも行われる（図５（ｂ））。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る磁気検出素子１の製造工程は、従来の磁気検出素子の製造工程に比べて容易であり、そのため磁気検出素子１の製造期間が短く、製造コストが安価であるといったメリットがある。

［変形例］
次に、本発明の実施の形態に係る磁気検出素子の変形例について説明する。図６は、本発明の実施の形態に係る磁気検出素子１'の構造を示す斜視図である。

図６において、磁気検出素子１'は、導電性を有する導体線４と、その導体線４の外周面に形成された絶縁層７と、その絶縁層７の外周面に成膜された磁性膜５と、から構成されている。図６に示すように、磁性膜５を成膜する前に、絶縁体によって形成された絶縁層７を介することによって、駆動電源２から供給される高周波電流は導体線４のみを流れることとなる。これより、磁気検出素子１'全体のインピーダンスの変化を大きくすることができ、ひいては外部磁界検出の精度の向上を図ることができる。

図６に示す磁気検出素子１'の製造工程は、基本的には上述した製造工程と同様である。相違点としては、導体線４の周りに磁性膜５を成膜する前に、絶縁体を成膜することで絶縁層７を形成する点である。なお、絶縁層７を成膜する手法としては、上述した物理蒸着法やスパッタ法などが挙げられる。また、絶縁体の材質としては、酸化珪素などの導電性を有していない物質が挙げられる。さらに、磁性膜５を成膜した後、コバルトプラチナ等の磁気固定層を磁性膜５の上に成膜するようにしてもよい。この磁気固定層によって、磁束線の動きがとまるため、外部磁界検出の精度の向上を図ることができる。

本発明に係る磁気検出素子および磁気検出器は、容易に製造することができ、ひいては製造期間の短縮および製造コストの削減に資するものとして有用である。

本発明の実施の形態に係る磁気検出回路の回路構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る磁気検出素子の構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る磁気検出素子のインピーダンス変化特性を示す図である。 本発明の実施の形態に係る磁気検出素子にバイアス電源を設けたときの回路構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態に係る磁気検出素子の製造工程を説明するための工程図である。 本発明の実施の形態に係る他の磁気検出素子の構造を示す斜視図である。

符号の説明

１ 磁気検出素子
２ 駆動電源
３ 検出器
４ 導体線
５ 磁性膜
６ バイアス電源
７ 絶縁層
８ 直流バイアス用コイル

Claims (5)

1. 磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子において、
   導電性を有する導体線と、
   前記導体線の外周面に成膜された磁性膜と、から構成されていることを特徴とする磁気検出素子。
2. 磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子において、
   導電性を有する導体線と、
   前記導体線の外周面に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層の外周面に成膜された磁性膜と、から構成されていることを特徴とする磁気検出素子。
3. 前記磁性膜の外周面には、直流バイアス用コイルが捲回されていることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気検出素子。
4. 請求項１から３のいずれか記載の磁気検出素子と、
   前記磁気検出素子の前記導体線に駆動電圧を印加する駆動電源と、
   前記磁気検出素子に生じるインピーダンス変化を検出する検出器と、を備えることを特徴とする磁気検出回路。
5. 請求項３記載の磁気検出素子と、
   前記磁気検出素子の前記導体線に駆動電圧を印加する駆動電源と、
   前記磁気検出素子に生じるインピーダンス変化を検出する検出器と、を備える磁気検出回路であって、
   前記磁気検出素子に捲回された前記直流バイアス用コイルにバイアス電流を供給するバイアス電源が設けられていることを特徴とする磁気検出回路。
   

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