JP2018004565A - Magnetic sensor module - Google Patents
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Abstract
【課題】高い感度を有しつつ小型化可能な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。【解決手段】磁気センサモジュール２０の磁気センサ３０は、第１磁気抵抗薄膜４２４及び第１固定抵抗薄膜４４４を含む第１センサ４０と、第２磁気抵抗薄膜５２４及び第２固定抵抗薄膜５４４を含む第２センサ５０とを備えている。第１磁気抵抗薄膜４２４の抵抗値は、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、磁界の増加に応じて減少する。第１磁気抵抗薄膜４２４の一端側は、第１固定抵抗薄膜４４４の一端側と接続されており、第２磁気抵抗薄膜５２４の一端側は、第２固定抵抗薄膜５４４の一端側と接続されている。第１磁気抵抗薄膜４２４の他端側と第２磁気抵抗薄膜５２４の他端側とは、互いに接続されており、第１固定抵抗薄膜４４４の他端側と第２固定抵抗薄膜５４４の他端側とは、互いに接続されている。【選択図】図５PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic sensor module including a magnetic sensor which has high sensitivity and can be miniaturized. A magnetic sensor 30 of a magnetic sensor module 20 includes a first sensor 40 including a first magnetoresistive thin film 424 and a first fixed resistance thin film 444, and a second magnetoresistive thin film 524 and a second fixed resistance thin film 544. And a second sensor 50. The resistance value of the first magnetoresistive thin film 424 increases as the magnetic field increases, and the resistance value of the second magnetoresistive thin film 524 decreases as the magnetic field increases. One end of the first magnetoresistive thin film 424 is connected to one end of the first fixed resistance thin film 444, and one end of the second magnetoresistive thin film 524 is connected to one end of the second fixed resistance thin film 544. There is. The other end of the first magnetoresistive thin film 424 and the other end of the second magnetoresistive thin film 524 are connected to each other, and the other end of the first fixed resistance thin film 444 and the other end of the second fixed resistance thin film 544 are connected. The sides are connected to each other. [Selection diagram] Fig. 5
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。 The present invention relates to a magnetic sensor module for detecting a magnetic field generated from a lithium ion battery.
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。 Lithium ion batteries may have defects due to the inclusion of foreign metal in the manufacturing process and the growth of dendrites after manufacturing. Due to this defect, a local short-circuit current flows inside the lithium ion battery, and a local magnetic field is generated in the vicinity thereof. Therefore, a defect of the lithium ion battery can be detected by detecting this magnetic field. Patent Documents 1 and 2 disclose a technique for detecting a local magnetic field.
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。 The inspection apparatus disclosed in Patent Document 1 includes a stage on which a lithium ion battery is placed and a magnetic sensor. The stage extends in parallel with the XY plane. The magnetic sensor is located below the stage. The magnetic sensor can move in the X direction and can move in the Y direction. By detecting the magnetic field while moving the magnetic sensor, a local magnetic field generated from the lithium ion battery can be detected.
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。 The magnetic measuring device disclosed in Patent Document 2 includes a plurality of magnetic sensors. The lithium ion battery is placed on a magnetic sensor arranged in an array. With this arrangement, any of the magnetic sensors can detect a local magnetic field generated from the lithium ion battery.
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。 Magnetic fields generated due to defects in lithium ion batteries are very local. In order to accurately detect defects due to the locality of the magnetic field, it is preferable to reduce the size of the magnetic sensor and arrange a large number of magnetic sensors in an array to improve the spatial resolution. Further, the magnetic field generated due to the above-described defects is weak. Therefore, it is preferable to increase the sensitivity of each magnetic sensor. That is, there is a need for a magnetic sensor that has high sensitivity and can be miniaturized.
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。 An object of this invention is to provide a magnetic sensor module provided with the magnetic sensor which can respond to this request.
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。
The present invention provides the first magnetic sensor module as
A magnetic sensor module for detecting a magnetic field generated in a lithium ion battery,
The magnetic sensor module includes a plurality of magnetic sensors,
The magnetic sensor is disposed on a predetermined plane, and when detecting the magnetic field, the magnetic sensor is positioned below the lithium ion battery in a vertical direction perpendicular to the predetermined plane,
Each of the magnetic sensors includes a first sensor and a second sensor,
The first sensor includes a first magnetoresistive thin film and a first fixed resistance thin film,
The resistance value of the first magnetoresistive thin film increases as the magnetic field increases,
The resistance value of the first fixed resistance thin film is invariant to the magnetic field,
The second sensor includes a second magnetoresistive thin film and a second fixed resistance thin film,
The resistance value of the second magnetoresistive thin film decreases as the magnetic field increases,
The resistance value of the second fixed resistance thin film is invariant to the magnetic field,
In the first sensor, one end side of the first magnetoresistive thin film is connected in series with one end side of the first fixed resistance thin film,
In the second sensor, one end side of the second magnetoresistive thin film is connected in series with one end side of the second fixed resistance thin film,
The first sensor and the second sensor connect the other end side of the first magnetoresistive thin film and the other end side of the second magnetoresistive thin film, and the other end of the first fixed resistance thin film. A magnetic sensor module connected in parallel to each other is provided by connecting the side and the other end of the second fixed resistance thin film to each other.
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。
Moreover, this invention is a 1st magnetic sensor module as a 2nd magnetic sensor module,
The resistance value of the first fixed resistance thin film is within ± 10% of the resistance value of the first magnetoresistive thin film when the magnetic field is not generated,
The magnetic sensor module has a resistance value of the second fixed resistance thin film that is within ± 10% of the resistance value of the second magnetoresistance thin film when the magnetic field is not generated.
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。
Moreover, this invention is a 1st or 2nd magnetic sensor module as a 3rd magnetic sensor module,
In each of the magnetic sensors, the first magnetoresistive thin film and the second magnetoresistive thin film are adjacent to each other on the predetermined plane, and the first fixed resistance thin film and the second fixed thin film are on the predetermined plane. Provided is a magnetic sensor module disposed between resistive thin films.
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。
Moreover, this invention is a magnetic sensor module in any one of 1st to 3rd as a 4th magnetic sensor module,
The first magnetoresistive thin film, the second magnetoresistive thin film, the first fixed resistive thin film, and the second fixed resistive thin film provide a magnetic sensor module made of the same material.
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。
Moreover, this invention is a magnetic sensor module in any one of 1st to 4th as a 5th magnetic sensor module,
The first sensor further includes a first thin film magnet and two first soft magnetic thin films,
The first thin film magnet extends along a predetermined direction parallel to the predetermined plane, and is magnetized along the predetermined direction,
The first magnetoresistive thin film is located on the first thin film magnet;
The two first soft magnetic thin films sandwich the first magnetoresistive thin film in the predetermined direction, and cover both ends of the first thin film magnet in the predetermined direction;
The second sensor further includes a second thin film magnet and two second soft magnetic thin films,
The second thin film magnet extends along the predetermined direction and is magnetized along the predetermined direction;
The second magnetoresistive thin film is located on the second thin film magnet;
The two second soft magnetic thin films sandwich the second magnetoresistive thin film in the predetermined direction, and provide a magnetic sensor module that covers both ends of the second thin film magnet in the predetermined direction.
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。 According to the present invention, as the magnetic field generated by the lithium ion battery increases, the resistance value of the first magnetoresistive thin film increases and the resistance value of the second magnetoresistive thin film decreases. For this reason, the same voltage is applied to the first sensor and the second sensor, and the voltage between the first magnetoresistive thin film and the first fixed resistance thin film, and between the second magnetoresistive thin film and the second fixed resistance thin film. By measuring the difference from the voltage, the magnetic field detection sensitivity can be increased. That is, the magnetic sensor according to the present invention can be miniaturized while having high sensitivity.
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。 Moreover, since the magnetic sensor module according to the present invention has a plurality of magnetic sensors arranged on a predetermined plane, high spatial resolution can be obtained. More specifically, it is possible to detect a weak magnetic field caused by a minute metal foreign matter or dendrite of the order of millimeter or less with high sensitivity and in a short time.
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。 Referring to FIGS. 1 and 2, a measurement system 10 according to an embodiment of the present invention is a system for detecting a magnetic field generated in a lithium ion battery 70. Specifically, the lithium ion battery 70 is provided with a separator (not shown) that separates a positive electrode (not shown) and a negative electrode (not shown). The separator may be partially damaged due to the mixing of foreign metal in the manufacturing process of the lithium ion battery 70 or the growth of dendrites after the manufacturing (that is, the lithium ion battery 70 may be defective). When the above-described defect occurs in the lithium ion battery 70, a local short-circuit current Ii flows in the vicinity of the defect, and a local magnetic field is generated in the vicinity of the short-circuit current Ii. The measurement system 10 is a system for detecting defects in the lithium ion battery 70 by detecting this magnetic field.
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。 Hereinafter, first, the basic structure of the measurement system 10 according to the present embodiment will be described.
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。 The measurement system 10 includes a control device 12 that is a computer, for example, and a magnetic sensor module 20. The control device 12 includes a transmission unit 122 and a display unit 128.
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。 1, 3, and 4, the magnetic sensor module 20 includes a substrate 22 made of an insulator such as silicon, glass, or FR-4, a magnetic sensor array 24, a signal processing unit 26, and a cable 28. It has. The substrate 22 has an upper surface (mounting surface) 22U and a lower surface 22L. Each of the upper surface 22U and the lower surface 22L extends in parallel with the XY plane, and has a rectangular shape on the XY plane. The upper surface 22U is located on the lower surface 22L in the vertical direction (Z direction) orthogonal to the XY plane.
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。 With reference to FIGS. 1 and 4, the magnetic sensor module 20 includes a plurality of magnetic sensors 30. 4 and 5, each of the magnetic sensors 30 includes two substrates 32 made of an insulator such as silicon, glass, or FR-4, a first sensor 40, and a second sensor 50. . In each of the magnetic sensors 30, the substrate 32 is adjacent to the horizontal direction (Y direction). The first sensor 40 is formed on one substrate 32, and the second sensor 50 is formed on the other substrate 32.
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。 As shown in FIGS. 4 and 5, the magnetic sensors 30 are arranged in an array (matrix) on the upper surface 22 </ b> U of the substrate 22, thereby forming a magnetic sensor array 24. In other words, the magnetic sensor array 24 includes a plurality of magnetic sensors 30 arranged in an array and is provided on the upper surface 22U. In the present embodiment, 35 magnetic sensors 30 are arranged in 7 rows in the front-rear direction (predetermined direction: X direction) and in 5 rows in the Y direction. However, the number of magnetic sensors 30 is not limited to this. Further, the arrangement of the magnetic sensors 30 is not limited to an N × M matrix.
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。 Referring to FIGS. 1, 4 and 5, each of the substrates 32 extends in parallel with the XY plane and has a rectangular shape in the XY plane. In each of the magnetic sensors 30, the two substrates 32 are mounted on the upper surface 22 </ b> U of the substrate 22 such that the + Y side edge of one substrate 32 is adjacent to the −Y side edge of the other substrate 32. . The first sensor 40 and the second sensor 50 are located on the lower surface (the surface on the −Z side) of the substrate 32 and face the upper surface 22U of the substrate 22 in the Z direction. In the present embodiment, each of the substrates 32 is fixed to the upper surface 22U of the substrate 22 by flip chip mounting. However, the present invention is not limited to this, and each of the substrates 32 can be mounted on the substrate 22 by various methods.
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。 Referring to FIG. 1, the signal processing unit 26 is provided on the lower surface 22 </ b> L of the substrate 22. The signal processing unit 26 is connected to each of the magnetic sensors 30 via a through hole (not shown) provided in the substrate 22. The signal processing unit 26 is connected to a cable 28. The signal processing unit 26 uses the input signal received via the cable 28, processes the signal received from each of the magnetic sensors 30, and outputs the processed signal to the cable 28. As described above, the signal processing unit 26 of the present embodiment is mounted on the lower surface 22 </ b> L on the opposite side of the substrate 22 from the lithium ion battery 70. Due to this arrangement, the signal processing unit 26 is less susceptible to electrical disturbance. However, the present invention is not limited to this. For example, the signal processing unit 26 may be mounted on the upper surface 22U of the substrate 32.
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。 Specifically, as shown in FIG. 2, the signal processing unit 26 includes a plurality of signal processing units 262 corresponding to the magnetic sensors 30. Each of the signal processing units 262 includes an amplification unit 264, a multiplication unit 266, and a filter unit 268. In each of the signal processing units 262, the amplification unit 264, the multiplication unit 266, and the filter unit 268 are connected in series with each other. Each of the amplifying units 264 is connected to the corresponding magnetic sensor 30. Each of the multiplication units 266 is connected to the transmission unit 122 of the control device 12, and each of the filter units 268 is connected to the control device 12.
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。 As shown in FIG. 3, the lithium ion battery 70 includes a main body portion 72 and two terminal portions 78. The main body 72 extends in parallel with a predetermined plane (horizontal plane: XY plane), and has a rectangular shape on the XY plane. The two terminal portions 78 are connected to a positive electrode (not shown) and a negative electrode (not shown) of the main body 72, respectively, and are connected to an external device (not shown) during charging and discharging.
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。 Hereinafter, a basic operation of the measurement system 10 when detecting a magnetic field generated in the lithium ion battery 70 (during inspection) will be described.
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。 1 and 3, a lithium ion battery 70 is placed on the magnetic sensor array 24 during inspection. In other words, the magnetic sensor 30 of the magnetic sensor array 24 is positioned below the lithium ion battery 70 in the Z direction when detecting a magnetic field generated from the lithium ion battery 70.
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。 1 and 2, the transmitter 122 of the control device 12 supplies a synchronization signal Vin having a predetermined frequency to the cable 28 of the magnetic sensor module 20 and the terminal portion 78 of the lithium ion battery 70 during the inspection. To do. As a result, the synchronization signal Vin is applied to the multiplication unit 266 of the signal processing unit 26. In addition, the synchronization signal Vin is applied between the positive electrode (not shown) and the negative electrode (not shown) of the lithium ion battery 70. For the lithium ion battery 70, the synchronization signal Vin may be applied by being superimposed on a quasi-stationary signal in the charge / discharge process, or only the synchronization signal Vin may be applied.
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。 Regarding the synchronization signal Vin applied to the lithium ion battery 70, the maximum value of the voltage value is preferably equal to or less than the full charge voltage value (about 4.2 V) of the lithium ion battery 70, and the minimum value of the voltage value is lithium. It is preferable that the end voltage value (about 2.8 V) of the ion battery 70 or more. The frequency of the synchronization signal Vin may be 10 Hz or more and 100 kHz or less. In particular, when inspecting the single-cell lithium-ion battery 70, it is preferable to use a high-frequency band among the above-described frequency bands in consideration of noise characteristics. On the other hand, in the inspection of the laminated lithium ion battery 70 having a relatively large thickness, it is preferable to use a low frequency band of 100 Hz or more and 1 kHz or less from the viewpoint of suppressing the influence of the skin effect and eddy current. .
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。 Referring to FIG. 2, the local magnetic field generated by the short-circuit current Ii is detected by the magnetic sensor 30 (for example, the magnetic sensor S2) located near the magnetic field in the magnetic sensor array 24 of the magnetic sensor module 20. . Each of the magnetic sensors 30 outputs a voltage Vd corresponding to the detected magnetic field strength to the corresponding amplifying unit 264.
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。 The amplifying unit 264 amplifies the voltage Vd output from the magnetic sensor 30 and outputs the amplified voltage Vout to the corresponding multiplying unit 266. The multiplication unit 266 and the filter unit 268 extract only the frequency component of the reference signal from the amplified voltage Vout by using the synchronization signal Vin as the reference signal. As a result, an output signal Vout2 having an extremely high S / N ratio is obtained. The output signal Vout2 is output to the control device 12.
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。 The output signal Vout2 becomes stronger as the magnetic sensor 30 is closer to a local magnetic field generated in the vicinity of the short-circuit current Ii. Therefore, the control device 12 analyzes the output signal Vout2 for all the magnetic sensors 30 included in the magnetic sensor array 24, thereby distributing the short-circuit current Ii flowing in the lithium ion battery 70 on the XY plane (that is, the magnetic field). Distribution) can be calculated.
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。 Referring to FIG. 12, the calculated magnetic field distribution can be displayed on the display unit 128 of the control device 12 as a contour diagram, for example. Thereby, it is possible to visually grasp the local magnetic field distribution generated in the vicinity of the short-circuit current Ii. The contour diagram of FIG. 12 illustrates the magnetic field distribution in the vicinity of the short-circuit portion generated inside the single cell in the laminated lithium ion battery 70. In this example, an internal short circuit was formed by intentionally mixing a nickel piece used in a forced internal short circuit test based on JIS C8712 between a positive electrode composed of lithium cobalt oxide and a negative electrode composed of graphite. Next, a 1 kHz sine wave signal was applied between the positive electrode and the negative electrode of the lithium ion battery 70 to obtain the distribution drawn in FIG.
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。 Hereinafter, the structure and function of the magnetic sensor 30 will be described in more detail.
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。 As shown in FIGS. 5 and 10, in each of the magnetic sensors 30, the first sensor 40 includes a first sensor element 42 and a first resistance element 44, and the second sensor 50 includes a second sensor 50. A sensor element 52 and a second resistance element 54 are provided. The first sensor element 42 and the first resistance element 44 are connected in series to form a first half-bridge circuit (first sensor 40). Similarly, the second sensor element 52 and the second resistance element 54 are connected to each other in series to form a second half bridge circuit (second sensor 50). The first sensor 40 and the second sensor 50 are connected in parallel to each other to form an electrical bridge circuit.
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。 Referring to FIGS. 5 to 7, the first sensor element 42 of the first sensor 40 is formed of the same member as the second sensor element 52 of the second sensor 50, and is basically the same as the second sensor element 52. Have the same structure and size. Hereinafter, first, the structure of the first sensor element 42 will be described. Thereafter, the structure of the second sensor element 52 will be described with a focus on differences from the first sensor element 42.
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。 Referring to FIGS. 6 and 7, the first sensor element 42 includes a first magnetoresistive thin film 424 made of a thin film magnetoresistive material, a first thin film magnet 426 made of a thin film ferromagnetic material, Two first soft magnetic thin films 428 made of a soft magnetic material and two connection portions 422E and 422M made of a conductor such as Au (gold) are provided.
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。 The first thin film magnet 426 is formed on the substrate 32. The first thin film magnet 426 extends along a predetermined direction (X direction) parallel to the XY plane, and has two end portions 426N and 426S in the X direction. The first thin film magnet 426 is magnetized along the X direction so that the + X side becomes the N pole and the −X side becomes the S pole. The size (thickness) in the Z direction of the first thin film magnet 426 is, for example, about 1 μm. The first thin film magnet 426 is composed of, for example, a permanent magnet of an SmCo magnet, an Nd—Fe—B magnet, an Sm—Fe—N magnet, an Nd—Fe—N magnet, an iron oxide hard ferrite magnet, Has a strong magnetic force.
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。 The first magnetoresistive thin film 424 is formed on the first thin film magnet 426. Specifically, the first magnetoresistive thin film 424 is located on an intermediate portion of the first thin film magnet 426 in the X direction. Further, the first magnetoresistive thin film 424 is located between both side edges of the first thin film magnet 426 in the Y direction. In the present embodiment, the thickness of the first magnetoresistive thin film 424 is, for example, about 0.5 μm, and the size in the X direction is, for example, about 1 μm. The first magnetoresistive thin film 424 is made of, for example, a CoAlO-based, CoYO-based, FeMgF-based, FeCoMgF-based, or FeCoAlF-based nanogranular alloy, and exhibits a large change in electrical resistance of several tens of percent or more depending on an external magnetic field.
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。 Each of the first soft magnetic thin films 428 is a thin film mainly formed on the first thin film magnet 426 so as to cover the first thin film magnet 426. Specifically, the two first soft magnetic thin films 428 are arranged in the X direction and cover both ends (the end 426N and the end 426S) of the first thin film magnet 426 in the X direction. In particular, in the present embodiment, the first soft magnetic thin film 428 on the + X side completely covers most of the portion on the + X side of the first thin film magnet 426 from the top and completely covers the XY plane. Similarly, the first soft magnetic thin film 428 on the −X side completely covers most of the −X side portion of the first thin film magnet 426 from the top and completely covers the XY plane.
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。 The two first soft magnetic thin films 428 sandwich the first magnetoresistive thin film 424 in the X direction. Specifically, the first magnetoresistive thin film 424 is in contact with the −X side end of the first soft magnetic thin film 428 on the + X side, and the end on the + X side of the first soft magnetic thin film 428 on the −X side. In contact. The distance between the + X side end of the + X side first soft magnetic thin film 428 and the −X side end of the −X side first soft magnetic thin film 428 is, for example, about several hundred μm. Each thickness of the first soft magnetic thin film 428 is slightly larger than the thickness of the first thin film magnet 426 (for example, about 1 μm). Each of the first soft magnetic thin films 428 is made of, for example, a FeNi-based, CoFeSiB-based, FeSiAl-based, or FeNiNb-based metal alloy, and thus has a high relative permeability of about several thousand, and the first Compared to the magnetoresistive thin film 424, it has an extremely small electric resistance value (resistance value).
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。 The connecting portion 422E is formed on the substrate 32 so as to cover the −X side end of the −X side first soft magnetic thin film 428. Similarly, the connection portion 422M is formed on the substrate 32 so as to cover the + X side end portion of the + X side first soft magnetic thin film 428. The connection portion 422E is electrically connected to the connection portion 422M via the first soft magnetic thin film 428 and the first magnetoresistive thin film 424. The resistance value between the connection part 422E and the connection part 422M is substantially equal to the resistance value of the first magnetoresistive thin film 424.
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。 Since the first thin film magnet 426 is covered with the first soft magnetic thin film 428 as described above, the first thin film magnet 426 and the first soft magnetic thin film 428 form a magnetic circuit. More specifically, most of the magnetic flux generated from the first thin film magnet 426 is converged inside the first soft magnetic thin film 428 without leaking to the outside of the first sensor element 42, and the first magnetoresistive thin film 424 is -Pass in the X direction. As a result, the first magnetoresistive thin film 424 is magnetically biased in the −X direction.
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。 Similarly to the first sensor element 42, the second sensor element 52 includes a second magnetoresistive thin film 524 made of a thin film-like magnetoresistive material, a second thin film magnet 526 made of a thin film-like ferromagnetic material, and a thin film-like magnet. Two second soft magnetic thin films 528 made of a soft magnetic material and two connection portions 522E and 522M made of a conductor such as Au (gold) are provided.
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。 The second thin film magnet 526 extends along the X direction and has two end portions 526N and 526S in the X direction. The second thin film magnet 526 is magnetized along the X direction so that the −X side becomes the N pole and the + X side becomes the S pole. The second thin film magnet 526 is made of the same material as the first thin film magnet 426 and has a strong magnetic force.
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。 The second magnetoresistive thin film 524 is formed on the second thin film magnet 526 in the same manner as the first magnetoresistive thin film 424. The second magnetoresistive thin film 524 is formed to have the same size from the same material as the first magnetoresistive thin film 424, and exhibits a large change in electrical resistance of several tens of percent or more depending on the external magnetic field.
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。 Similar to the first soft magnetic thin film 428, the two second soft magnetic thin films 528 are arranged in the X direction, and both end portions (the end portion 526N and the end portion 526S) in the X direction of the second thin film magnet 526 are almost completely formed. Covered. Also, the two second soft magnetic thin films 528 sandwich the second magnetoresistive thin film 524 in the X direction, like the first soft magnetic thin film 428. Each of the second soft magnetic thin films 528 is made of the same material as the first soft magnetic thin film 428, has a high relative magnetic permeability of about several thousand, and is slightly smaller than the second magnetoresistive thin film 524. Resistance.
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。 The connection portion 522E is formed on the substrate 32 so as to cover the −X side end of the −X side second soft magnetic thin film 528. Similarly, the connection portion 522M is formed on the substrate 32 so as to cover the + X side end of the + X side second soft magnetic thin film 528. Thereby, the connection part 522E is electrically connected with the connection part 522M. The resistance value between the connection part 522E and the connection part 522M is substantially equal to the resistance value of the second magnetoresistive thin film 524.
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。 The second thin film magnet 526 and the second soft magnetic thin film 528 form a magnetic circuit similarly to the first thin film magnet 426 and the first soft magnetic thin film 428, and the second magnetoresistive thin film 524 Magnetic bias is applied in the + X direction opposite to the thin film 424.
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。 Referring to FIGS. 5 and 8, the first resistance element 44 of the first sensor 40 is formed of the same member as the second resistance element 54 of the second sensor 50 and has the same structure as the second resistance element 54. And have a size. Further, each of the first resistance element 44 and the second resistance element 54 is different from the first magnetoresistive thin film 424 and the second magnetoresistive thin film 524, but has a similar structure and size. Hereinafter, the structures of the first resistance element 44 and the second resistance element 54 will be described.
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。 Referring to FIG. 8, the first resistance element 44 includes a first fixed resistance thin film 444 made of a thin-film magnetoresistive material, two first thin films 448 made of a thin-film metal, and a conductive material such as Au (gold). Two connection parts 442E and 442M made of a body are provided.
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。 The first fixed resistance thin film 444 is formed on the substrate 32. The first fixed resistance thin film 444 is formed from the same material and the same size as the first magnetoresistive thin film 424. The two nonmagnetic first thin films 448 are arranged in the X direction, and sandwich the first fixed resistance thin film 444 in the X direction. Each of the first thin films 448 is made of a metal having a low magnetic permeability, and has an extremely small resistance value as compared with the first fixed resistance thin film 444.
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。 The connecting portion 442E is formed on the substrate 32 so as to cover the −X side end of the −X side first thin film 448. Similarly, the connection portion 442M is formed on the substrate 32 so as to cover the + X side end of the + X side first thin film 448. The connection portion 442E is electrically connected to the connection portion 442M via the first thin film 448 and the first fixed resistance thin film 444. The resistance value between the connection portion 442E and the connection portion 442M is substantially equal to the resistance value of the first fixed resistance thin film 444.
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。 Similar to the first resistance element 44, the second resistance element 54 includes a second fixed resistance thin film 544 made of a thin-film magnetoresistive material, two second thin films 548 made of a thin-film metal, and Au (gold). And two connection portions 542E and 542M made of a conductive material such as the like.
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。 The second fixed resistance thin film 544 is formed on the substrate 32. The second fixed resistance thin film 544 is formed to have the same size from the same material as the first fixed resistance thin film 444. The two non-magnetic second thin films 548 are arranged in the X direction and sandwich the second fixed resistance thin film 544 in the X direction. Each of the second thin films 548 is made of the same material as the first thin film 448, has a low magnetic permeability, and has a very small resistance value compared to the second fixed resistance thin film 544.
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。 The connection portion 542E is formed on the substrate 32 so as to cover the −X side end of the −X side second thin film 548. Similarly, the connecting portion 542M is formed on the substrate 32 so as to cover the + X side end of the + X side second thin film 548. Thereby, the connection part 542E is electrically connected to the connection part 542M. The resistance value between the connection part 542E and the connection part 542M is substantially equal to the resistance value of the second fixed resistance thin film 544.
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。 Referring to FIG. 9, TMR (Tunnel Magneto Resistance Effect) type magnetoresistive elements such as the first magnetoresistive thin film 424, the second magnetoresistive thin film 524, the first fixed resistance thin film 444, and the second fixed resistance thin film 544 are As shown by a broken line in FIG. 9, the electrical resistance characteristic is symmetric with respect to positive and negative external magnetic fields.
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。 However, in the present embodiment, each of the first magnetoresistive thin film 424 and the second magnetoresistive thin film 524 is magnetically biased, and thereby exhibits an electric resistance characteristic that is asymmetric with respect to positive and negative external magnetic fields. Furthermore, since the magnetic bias direction of the first magnetoresistive thin film 424 is opposite to the magnetic bias direction of the second magnetoresistive thin film 524, the first magnetoresistive thin film 424 has an electric resistance characteristic different from that of the second magnetoresistive thin film 524. Show. More specifically, in the vicinity of the zero magnetic field, the resistance value of the first magnetoresistive thin film 424 increases as the external magnetic field increases, and the resistance value of the second magnetoresistive thin film 524 increases as the external magnetic field increases. Decrease.
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。 As described above, the magnetic bias in the present embodiment is performed using a permanent magnet. However, the present invention is not limited to this, and the magnetic bias may be performed using a coil, for example. In addition, the resistance value of the first magnetoresistive thin film 424 and the second magnetoresistive thin film 524 are magnetized in opposite directions so that one increases as the external magnetic field increases and the other decreases as the external magnetic field increases. It only needs to be biased. In other words, in the same two magnetoresistive thin films, the one that is magnetically biased and arranged so that the resistance value increases as the external magnetic field increases is described as the first magnetoresistive thin film 424. Only the second magnetoresistive thin film 524 is described as being magnetically biased and arranged so that the resistance value decreases accordingly.
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。 Referring to FIG. 5, each of the first fixed resistance thin film 444 and the second fixed resistance thin film 544 is made of the same thin film magnetoresistive material as the first magnetoresistive thin film 424 and the second magnetoresistive thin film 524. However, no ferromagnetic material is provided in the vicinity of the first fixed resistance thin film 444, and the first thin film 448 collects almost no magnetic flux. That is, the first fixed resistance thin film 444 is hardly affected by the external magnetic field. For this reason, the resistance value of the first fixed resistance thin film 444 is substantially unchanged with respect to the external magnetic field. Similarly, the resistance value of the second fixed resistance thin film 544 is substantially unchanged with respect to the external magnetic field.
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。 5 and 10, in the first sensor 40 (first half-bridge circuit), one end side of the first magnetoresistive thin film 424 (+ X side in FIG. 5) is one end side of the first fixed resistance thin film 444 ( 5 is connected in series with the + X side in FIG. Specifically, one end side of the first magnetoresistive thin film 424 is connected to the connection portion 422M, and one end side of the first fixed resistance thin film 444 is connected to the connection portion 442M. The connecting portion 422M and the connecting portion 442M are connected to each other by an intermediate portion 48 made of a conductor.
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。 Similarly, in the second sensor 50 (second half bridge circuit), one end side (+ X side in FIG. 5) of the second magnetoresistive thin film 524 is one end side (+ X side in FIG. 5) of the second fixed resistance thin film 544. Connected in series. Specifically, one end side of the second magnetoresistive thin film 524 is connected to the connection portion 522M, and one end side of the second fixed resistance thin film 544 is connected to the connection portion 542M. The connecting portion 522M and the connecting portion 542M are connected to each other by an intermediate portion 58 made of a conductor.
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。 A constant power supply voltage Vcc is supplied to the connection portion 422E of the first sensor 40 and the connection portion 522E of the second sensor 50. Further, the connection part 442E of the first sensor 40 and the connection part 542E of the second sensor 50 are grounded. That is, the first sensor 40 and the second sensor 50 are the other end side (-X side in FIG. 5) of the first magnetoresistive thin film 424 and the other end side (−X side in FIG. 5) of the second magnetoresistive thin film 524. And the other end side (-X side in FIG. 5) of the first fixed resistance thin film 444 and the other end side (−X side in FIG. 5) of the second fixed resistance thin film 544 are connected to each other. By doing so, they are connected in parallel to each other.
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。 Referring to FIG. 10, when the external magnetic field around the magnetic sensor 30 increases due to the generation of a local magnetic field, the resistance value of the first magnetoresistive thin film 424 increases and the resistance value of the second magnetoresistive thin film 524 decreases. On the other hand, the resistance values of the first fixed resistance thin film 444 and the second fixed resistance thin film 544 are not changed. Therefore, the voltage Vfd (Vd) of the intermediate portion 48 of the first sensor 40 is lowered by a predetermined value from the voltage when no local magnetic field is generated. Similarly, the voltage Vsd (Vd) of the intermediate part 58 of the second sensor 50 is lowered by a predetermined value from the voltage when no local magnetic field is generated. The value of the voltage difference Voff between the voltages Vfd and Vsd at this time is twice the voltage fluctuation value (predetermined value) obtained when the magnetic sensor 30 includes only the first sensor 40 or the second sensor 50. It is.
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。 As understood from the above description, the same power supply voltage Vcc is applied to the first sensor 40 and the second sensor 50, and the voltage between the first magnetoresistive thin film 424 and the first fixed resistance thin film 444 The magnetic field detection sensitivity can be increased by measuring the difference between the voltage between the second magnetoresistive thin film 524 and the second fixed resistance thin film 544. That is, the magnetic sensor 30 can be downsized while having high sensitivity.
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。 Also, referring to FIG. 5, as described above, the size of the magnetic sensor 30 is small. For this reason, the size of the substrate 32 in the XY plane can be set to, for example, about 1 mm × 1 mm by the existing thin film forming technique and photolithography technique. Furthermore, almost no magnetic interference occurs between the magnetic sensors 30. For this reason, the magnetic sensor 30 can be disposed close to the XY plane.
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。 Since the magnetic sensor module 20 has a plurality of small magnetic sensors 30 arranged close to each other on the XY plane, high spatial resolution can be obtained. More specifically, in the XY plane, the first magnetoresistive thin film 424 and the second magnetoresistive thin film 524 of the magnetic sensor 30 are respectively replaced with the first magnetoresistive thin film 424 and the second magnetoresistive thin film 524 of the other magnetic sensor 30. Can be placed within a distance of 1 mm. In other words, the magnetic sensors 30 can be arranged at a high density, and thereby, a weak magnetic field caused by a minute foreign metal or a dendrite of millimeter order or less can be detected with high sensitivity and in a short time.
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。 In each of the magnetic sensors 30, the first magnetoresistive thin film 424 and the second magnetoresistive thin film 524 are adjacent to each other on the XY plane, and the first fixed resistance thin film 444 and the second fixed resistance thin film 444 are on the XY plane. Disposed between the resistive thin films 544. With this arrangement, the first magnetoresistive thin film 424 and the second magnetoresistive thin film 524 are brought close to each other, and the target spaces of the magnetic fields detected by the first magnetoresistive thin film 424 and the second magnetoresistive thin film 524 can be made as uniform as possible. Thereby, higher spatial resolution can be obtained.
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。 Referring to FIG. 10, the voltage Vfd and the voltage Vsd are processed as follows, for example.
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。 Each of the amplification units 264 of the signal processing unit 26 includes two first-stage amplification units 264F and 264S. The first stage amplifier 264F and the first stage amplifier 264S correspond to the first sensor 40 and the second sensor 50, respectively. More specifically, the first stage amplification unit 264F is connected to the intermediate unit 48 via the connection unit 422M and the connection unit 442M of the first sensor 40, and the first stage amplification unit 264S is connected to the connection unit of the second sensor 50. It is connected to the intermediate part 58 via 522M and the connection part 542M.
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。 First stage amplifier 264F amplifies voltage Vfd and outputs amplified voltage Vfa (Va). Similarly, the first stage amplifier 264S amplifies the voltage Vsd and outputs the amplified voltage Vsa (Va). Next, an amplified voltage Vout having a voltage difference between the amplified voltage Vfa and the amplified voltage Vsa is output.
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。 From the viewpoint of reducing the difference between the voltage Vfd of the intermediate section 48 and the voltage Vsd of the intermediate section 58 so that the amplification section 264 is not saturated in the zero magnetic field, the resistance value of the first magnetoresistive thin film 424 and the first The resistance value of the fixed resistance thin film 444 is preferably the same as each other. Similarly, the resistance value of the second magnetoresistive thin film 524 and the resistance value of the second fixed resistance thin film 544 are preferably the same. However, these resistance values vary due to manufacturing errors in manufacturing. As a result, even when the magnetic sensor 30 is not receiving an external magnetic field (that is, even in a zero magnetic field), a predetermined offset voltage is generated between the intermediate portion 48 and the intermediate portion 58. Since the operation range of the first stage amplifier 264F (first stage amplifier 264S) is limited, the offset voltage is preferably as small as possible. For example, when the power supply voltage Vcc is 5V, the midpoint potential is 2.5V. When the amplification degree of the amplifying unit 264 is 5 times, the offset voltage needs to be between + 0.3V and −0.3V.
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。 6 and 7, the first magnetoresistive thin film 424 and the second magnetoresistive thin film 524 can be formed by the same process and the same mask. Therefore, the resistance value of the first magnetoresistive thin film 424 and the resistance value of the second magnetoresistive thin film 524 can be made the same value with almost no variation. Similarly, referring to FIG. 8, the first fixed resistance thin film 444 and the second fixed resistance thin film 544 can be formed by the same process and the same mask. Therefore, the resistance value of the first fixed resistance thin film 444 and the resistance value of the second fixed resistance thin film 544 can be made the same value with almost no variation. Therefore, the ratio between the resistance value of the first magnetoresistive thin film 424 and the resistance value of the first fixed resistance thin film 444 is approximately equal to the ratio between the resistance value of the second magnetoresistive thin film 524 and the resistance value of the second fixed resistance thin film 544. By combining them so as to be equal, the offset voltage can be within a predetermined voltage range.
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。 More specifically, in the present embodiment, the resistance value of the first fixed resistance thin film 444 is within ± 10% of the resistance value of the first magnetoresistance thin film 424 when no magnetic field is generated. The resistance value of the second fixed resistance thin film 544 is within ± 10% of the resistance value of the second magnetoresistive thin film 524 when no magnetic field is generated. With this setting, the ratio between the resistance value of the first magnetoresistive thin film 424 and the resistance value of the first fixed resistance thin film 444 is set to the ratio between the resistance value of the second magnetoresistive thin film 524 and the resistance value of the second fixed resistance thin film 544. The offset voltage can be between + 0.3V and -0.3V.
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。 6 to 8, in the present embodiment, the first magnetoresistive thin film 424, the second magnetoresistive thin film 524, the first fixed resistive thin film 444, and the second fixed resistive thin film 544 are all the same magnetoresistive material. Consists of. For this reason, it is possible to easily make the temperature coefficient the same and to prevent the influence due to the temperature change. However, the present invention is not limited to this. For example, each of the first fixed resistance thin film 444 and the second fixed resistance thin film 544 may be formed of a material other than the magnetoresistive material.
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。 The present embodiment can be modified in various ways in addition to the modifications already described. For example, the next-stage amplifier circuit shown in FIG. 11 may be provided between the amplifier 264 and the multiplier 266 in FIG. The next-stage amplifier circuit in FIG. 11 includes an offset adjustment circuit in addition to the amplifier circuit. The offset adjustment circuit can correct the output offset voltage of the amplifier circuit. In particular, the offset adjustment circuit includes a successive approximation type DA converter, and can generate a correction signal with high voltage accuracy. Therefore, the output offset voltage can be reliably corrected, and the voltage Vout including the direct current component and the alternating current component can be stably amplified.
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。 Referring to FIG. 1, the entire magnetic sensor module 20 on which the lithium ion battery 70 is mounted may be covered with a magnetic shield. As a result, fluctuations in the operating point of the magnetic bias due to the influence of a DC external magnetic field can be prevented. Further, the distance dependency between the output signal Vout2 may be corrected by measuring the distance between the lithium ion battery 70 and the magnetic sensor 30 by an optical method or the like. Further, a temperature sensor may be provided to measure a temperature rise caused by a local short-circuit current Ii (see FIG. 2) flowing inside the lithium ion battery 70. Thus, by adding thermal information in addition to magnetic information based on the output signal Vout2, the reliability of the magnetic sensor module 20 can be further improved.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Measurement system 12 Control apparatus 122 Transmission part 128 Display part 20 Magnetic sensor module 22 Board | substrate 22U Upper surface (mounting surface)
22L bottom surface 24 magnetic sensor array 26 signal processing unit 262 signal processing unit 264 amplification unit 264F, 264S first stage amplification unit 266 multiplication unit 268 filter unit 28 cable 30, S2 magnetic sensor 32 substrate 40 first sensor 42 first sensor element 422E, 422M Connection part 424 First magnetoresistive thin film 426 First thin film magnet 426N, 426S End 428 First soft magnetic thin film 44 First resistance element 442E, 442M Connection part 444 First fixed resistance thin film 448 First thin film 48 Intermediate part 50 Second Sensor 52 Second sensor element 522E, 522M Connection portion 524 Second magnetoresistive thin film 526 Second thin film magnet 526N, 526S End 528 Second soft magnetic thin film 54 Second resistance element 542E, 542M Connection portion 544 Second fixed resistance thin film 548 Second thin film 58 Medium Part 70 lithium-ion battery 72 body portion 78 terminal portion
Claims (5)
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。 A magnetic sensor module for detecting a magnetic field generated in a lithium ion battery,
The magnetic sensor module includes a plurality of magnetic sensors,
The magnetic sensor is disposed on a predetermined plane, and when detecting the magnetic field, the magnetic sensor is positioned below the lithium ion battery in a vertical direction perpendicular to the predetermined plane,
Each of the magnetic sensors includes a first sensor and a second sensor,
The first sensor includes a first magnetoresistive thin film and a first fixed resistance thin film,
The resistance value of the first magnetoresistive thin film increases as the magnetic field increases,
The resistance value of the first fixed resistance thin film is invariant to the magnetic field,
The second sensor includes a second magnetoresistive thin film and a second fixed resistance thin film,
The resistance value of the second magnetoresistive thin film decreases as the magnetic field increases,
The resistance value of the second fixed resistance thin film is invariant to the magnetic field,
In the first sensor, one end side of the first magnetoresistive thin film is connected in series with one end side of the first fixed resistance thin film,
In the second sensor, one end side of the second magnetoresistive thin film is connected in series with one end side of the second fixed resistance thin film,
The first sensor and the second sensor connect the other end side of the first magnetoresistive thin film and the other end side of the second magnetoresistive thin film, and the other end of the first fixed resistance thin film. Magnetic sensor modules connected in parallel to each other by connecting the side and the other end of the second fixed resistance thin film to each other.
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。 The magnetic sensor module according to claim 1,
The resistance value of the first fixed resistance thin film is within ± 10% of the resistance value of the first magnetoresistive thin film when the magnetic field is not generated,
The magnetic sensor module, wherein a resistance value of the second fixed resistance thin film is within ± 10% of the resistance value of the second magnetoresistive thin film when the magnetic field is not generated.
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。 The magnetic sensor module according to claim 1 or 2,
In each of the magnetic sensors, the first magnetoresistive thin film and the second magnetoresistive thin film are adjacent to each other on the predetermined plane, and the first fixed resistance thin film and the second fixed thin film are on the predetermined plane. Magnetic sensor module arranged between resistive thin films.
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。 A magnetic sensor module according to any one of claims 1 to 3,
The first magnetoresistive thin film, the second magnetoresistive thin film, the first fixed resistance thin film, and the second fixed resistance thin film are magnetic sensor modules made of the same material.
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。 A magnetic sensor module according to any one of claims 1 to 4,
The first sensor further includes a first thin film magnet and two first soft magnetic thin films,
The first thin film magnet extends along a predetermined direction parallel to the predetermined plane, and is magnetized along the predetermined direction,
The first magnetoresistive thin film is located on the first thin film magnet;
The two first soft magnetic thin films sandwich the first magnetoresistive thin film in the predetermined direction, and cover both ends of the first thin film magnet in the predetermined direction;
The second sensor further includes a second thin film magnet and two second soft magnetic thin films,
The second thin film magnet extends along the predetermined direction and is magnetized along the predetermined direction;
The second magnetoresistive thin film is located on the second thin film magnet;
The two second soft magnetic thin films sandwich the second magnetoresistive thin film in the predetermined direction, and cover both ends of the second thin film magnet in the predetermined direction.
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