マグネトインピーダンス素子およびマグネトインピーダンスセンサ
【課題】帰還回路を用いることなく直線性及び温度特性に優れたマグネトインピーダンス素子およびマグネトインピーダンスセンサを提供すること。
【解決手段】一様な磁界の計測に用いられるマグネトインピーダンス素子１０であって、線状に形成され、外部から作用する磁界により電磁気特性が変化するとともに、一端１ａ側から他端１ｂ側へパルス電流が流される感磁体１を備える。導電層３が、感磁体１の外面上に絶縁層２を介して設けられている。感磁体１の軸線方向における他端部１ｂに、感磁体１と導電層３とを電気的に接続する接続部４が設けられている。パルス電流が感磁体１に流れた際に、感磁体１に作用する外部磁界の強度に対応した誘起電圧を出力する検出コイル６が、導電層３の外周に巻き回されている。そして、感磁体１に流れるパルス電流の向きと、導電層３に流れるパルス電流の向きとが逆向きになる。
【解決手段】一様な磁界の計測に用いられるマグネトインピーダンス素子１０であって、線状に形成され、外部から作用する磁界により電磁気特性が変化するとともに、一端１ａ側から他端１ｂ側へパルス電流が流される感磁体１を備える。導電層３が、感磁体１の外面上に絶縁層２を介して設けられている。感磁体１の軸線方向における他端部１ｂに、感磁体１と導電層３とを電気的に接続する接続部４が設けられている。パルス電流が感磁体１に流れた際に、感磁体１に作用する外部磁界の強度に対応した誘起電圧を出力する検出コイル６が、導電層３の外周に巻き回されている。そして、感磁体１に流れるパルス電流の向きと、導電層３に流れるパルス電流の向きとが逆向きになる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直線性に優れたマグネトインピーダンス素子およびマグネトインピーダンスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、マグネトインピーダンス素子（以下、ＭＩ素子とも記す。）を用いた磁気センサ（以下、ＭＩセンサとも記す。）として、例えば、アモルファスワイヤの外周に検出コイルを巻き回したものが知られている。特許文献１には、アモルファスワイヤにパルス電流を通電し、検出コイルから出力される誘起電圧の第１パルスを測定することにより、外部磁界Ｈｅｘを高感度に検出できるＭＩセンサが開示されている。ＭＩ素子は、ジャイアントマグネトインピーダンス素子、もしくはＧＭＩ素子とも呼ばれている。また、ＭＩセンサは、ジャイアントマグネトインピーダンスセンサ、もしくはＧＭＩセンサとも呼ばれている。
【０００３】
ここで、ＭＩ素子による磁場検出の原理について、図１０を用いて説明する。
図示するごとく、アモルファス磁性ワイヤ９１にパルス電流Ｉを流すと、このパルス電流Ｉにより周回方向に磁界Ｈが発生する。そして、検出コイル９５から誘起電圧（dＨ／dｔ）が出力される。次に、パルス電流Ｉを流している状態で外部磁場Ｈｘが印加されたとすると、アモルファス磁性ワイヤ９１の円周方向に配列されているスピンが共鳴してθ揺れる。このスピン共鳴θによる誘起電圧（dＭθ／dｔ）が検出コイル９５に加重出力される。すなわち、外部磁場Ｈｘの印加状態下においては、誘起電圧（dＨ／dｔ ＋ dＭθ／dｔ）が出力される。
【０００４】
図１１はＭＩ素子を用いたＭＩセンサの、パルス電流に対する誘起電圧の出力を示す波形図である。これは外部磁場Ｈｘの印加状態下においてパルス電流Ｉを流したときの検出コイルにより出力される、減衰振動する誘起電圧の時間的変化を示す波形図１０１である。
次に、図１２に、この波形図１０１のうち、最初のパルスのピーク特性について外部磁場Ｈｘが印加されていないパルス電流Ｉのみによる時間的変化を示す波形図１０２、外部磁場Ｈｘが印加（＋Ｈｘおよび−Ｈｘ）されている時間的変化を示す波形１０３、波形図１０４をそれぞれ示す。
図１２からわかるように波形図１０２〜波形図１０４において最初のパルスが減衰して誘起電圧がゼロクロスする時間（ｔ）が同一ではなく位相差を生じている。外部磁場が印加されていないパルス電流Ｉのみによるゼロクロスする時間ｔ１に対して、外部磁界＋Ｈｘが印加されるとゼロクロスする時間はｔ１＋Δｔaとなって遅れ（Δｔa）を生じ、外部磁界−Ｈｘが印加されるとゼロクロスする時間はｔ１−Δｔｂとなって速く（Δｔｂ）なる。
【０００５】
この結果、外部磁界が＋Ｈｘから−Ｈｘ（図１２）に極性が変わるときに、ゼロクロス時間が変動するとともに、検出コイルの出力電圧のピークとなる時間も変動していることが分かる。本件発明者等はこの原因を鋭意検討したところ、以下のようになると考えた。
パルス電流に起因する成分であるｄＨ／ｄｔによる出力電圧の時間変化波形と、外部磁界に応じて変化する成分であるｄＭθ／ｄｔによる出力電圧の時間変化波形のピーク時間には位相差がある。そのため、二つの波形の合成である検出コイルに発生する誘起電圧波形は、パルス電流に起因する成分であるｄＨ／ｄｔによる出力電圧のピーク時間に対する位相差を有する。また、外部磁界に応じて変化する成分であるｄＭθ／ｄｔによる出力電圧の時間変化波形は、外部磁界の増大に伴いピーク電圧は上昇する。そのため、二つの波形の合成である検出コイルに発生する誘起電圧波形は、外部磁界の変化に伴い、ｄＨ／ｄｔによる出力電圧のピーク時間に対する位相差は変化していると思われる。
【０００６】
ところで、後述するように、公知のマグネトインピーダンスセンサ（以下、適宜ＭＩセンサと記す。）は、マグネトインピーダンス素子（以下、適宜ＭＩ素子と記す）に使用される感磁体に平行な外部磁場に対する検出コイルの出力電圧のピーク値が比例関係をとることを利用したものである。
【０００７】
現状のＭＩ素子を使用したＭＩセンサでは、後述する図６に示すようにパルス電流の立ち上がった時間ｔ１から、検出コイルに発生する誘起電圧波形においてピーク値を取ると思われる所定のタイミングｔ２でアナログスイッチを短時間オン−オフすることで、外部磁場に対応した検出コイルに発生した出力電圧のピーク値を検出している。ここで、サンプリング時間Δｔは、所定の入力電流波形と、それに応じた出力電圧波形があるとき、出力電圧波形においてピーク値を取ると思われる所定のタイミングｔ２から、パルス電流の立ち上がった時間ｔ１を引いたものとする。（Δｔ＝ｔ２−ｔ１）
【０００８】
通常、外部磁場が無いとき（図１２では１０２）のサンプリング時間Δｔを固定して外部磁場が印加されたときも測定している。
そのため、図１２のように検出コイルの出力電圧のピークとなる時間が外部磁場によって変動すると、外部磁場が印加された場合は、そのときの出力電圧のピーク値を迎える時間とずれたところで電圧をサンプリングすることになり、出力電圧が低下するため感度が低下し、直線性も低下する。
【０００９】
また、温度変化に伴う感磁体の電気抵抗等の材料特性の変化によって、感磁体に流れるパルス電流が変化する。パルス電流が変化すれば、当然、パルス電流による周回磁界Ｈは変動する。よって、温度変化によって感磁体の磁化（Ｍ）と関係ないパルス電流による周回磁界Ｈが変動し、それによっても直線性の低下や、センサの原点（この例の場合は、印加磁場無しでの出力電圧のピーク値）のドリフトを生じていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−２５８５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の磁気センサは、直線性を向上させるために、アモルファス磁性ワイヤ９１に巻き回された帰還コイル（図示せず）と、該帰還コイルに電流を供給するための帰還回路（図示せず）とが必要であるという問題があった。その結果、回路構成が複雑となって大型化するおそれがあった。上記帰還回路を省略すると、充分な検出精度が得られない場合があった。また、帰還コイルおよび帰還回路を駆動するために、消費電力が増大するという問題があった。
特に、携帯電話等に組み込まれる方位計測用の磁気センサとしては、直線性を向上することにより磁界を高精度に検出できる性能と、回路構成を簡略化することにより低消費電力を達成することの双方が求められている。
【００１２】
本発明は、上記従来のマクネトインピーダンスセンサの問題点に鑑みてなされたものであり、帰還回路を用いることなく直線性及び温度特性に優れたマグネトインピーダンス素子およびマグネトインピーダンスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の発明は、一様な磁界の計測に用いられるマグネトインピーダンス素子であって、
線状に形成され、外部から作用する磁界により電磁気特性が変化するとともに、軸線方向における一端側から他端側へパルス電流が流される感磁体と、
上記感磁体の外面上に絶縁層を介して設けられた導電層と、
上記感磁体の上記軸線方向における他端部に設けられ、上記感磁体と上記導電層とを電気的に接続する接続部と、
上記導電層の外周に巻き回され、上記パルス電流が上記感磁体に流れた際に、該感磁体に作用する上記外部磁界の強度に対応した誘起電圧を出力する検出コイルと、
を備え、上記感磁体に流れる上記パルス電流の向きと、上記導電層に流れる該パルス電流の向きとが互いに逆向きになるように構成されていることを特徴とするマグネトインピーダンス素子にある。
【発明の効果】
【００１４】
次に、本発明の効果つき説明する。
本発明では、感磁体の外周に導電層が形成されており、感磁体と導電層とが上記接続部で接続されている。これにより、感磁体に流れるパルス電流の向きと、導電層に流れるパルス電流の向きとが逆になる。そのため、感磁体を流れるパルス電流により発生する感磁体の外部の磁界と、導電層を流れるパルス電流により発生する導電層の外部の磁界とが打ち消し合う。これにより、検出コイルから出力される誘起電圧のうち、直線性等の低下の原因と思われるパルス電流に起因する成分であるdＨ／dｔが弱められ、外部磁界に応じて変化する成分であるdＭθ／dｔのみを検出することが可能となる。
【００１５】
そのため、外部磁界と誘起電圧との直線性を高めることが可能となる。また、帰還コイルや帰還回路を設ける必要が無くなるので、消費電力も少なくてすむ。
【００１６】
以上説明したように、本発明によると、帰還回路を用いることなく直線性に優れたマグネトインピーダンス素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１における、マグネトインピーダンス素子の概略を示す図である。
【図２】実施例１における、マグネトインピーダンス素子の概略断面図である。
【図３】実施例１における、感磁体および導電層を流れるパルス電流の向きを表した概念図。
【図４】図３から感磁体のみを取り出した図。
【図５】図３から導電層のみを取り出した図。
【図６】実施例１における、感磁体に流れるパルス電流と、検出コイルに出力される誘起電圧との関係を表した図。
【図７】実施例１における、マグネトインピーダンスセンサの回路図。
【図８】実施例１における、パルス電流に対する検出コイルの出力特性を示す波形図。
【図９】実施例１における、マグネトインピーダンス素子の作製プロセスを示す図。
【図１０】従来例における、マグネトインピーダンス素子の動作原理を示す図。
【図１１】従来例における、パルス電流に対する検出コイルの出力特性を示す波形図。
【図１２】従来例における、検出コイルから出力される第１パルスの波形図であって、外部磁界を＋Ｈｘ、０、−Ｈｘ （Ｇ）にした場合の波形図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記感磁体は断面円形に形成され、上記導電層は円筒形状に形成され、上記導電層は上記感磁体に対して同心的に設けられていることが好ましい。
この場合には、感磁体が断面非円形の場合や、感磁体と導電層とが同心的に設けられていない場合と比較して、導電層の外側に放射される、パルス電流に起因する磁界を殆ど０にすることができる。これにより、検出コイルに出力される誘起電圧のうち、dＨ／dｔが殆ど無くなり、外部磁界によって変化する成分であるdＭθ／dｔのみを検出することが可能となる。
【００１９】
また、上記感磁体はアモルファス磁性体からなることが好ましい。
アモルファス磁性体は、外部から作用する磁界の大きさにより電磁気特性が変化する性質（マグネトインピーダンス効果）を示すため、本発明の感磁体として好適に使用することができる。
【００２０】
また、上記アモルファス磁性体としてはＣｏＦｅＳｉＢ系合金から構成されたものがある。
ＣｏＦｅＳｉＢ系合金は、外部から作用する磁界の大きさにより磁気特性が大きく変化する軟磁性材料であり、低磁歪であるため、本発明の感磁体として好適に用いることができる。
なお、感磁体は上記の特性を有する公知の材料であればよく、ＣｏＭＳｉＢ系やＦｅ−Ｓｉ系等のアモルファス合金でもよい。
【００２１】
さらに、上記導電層は、銅またはアルミニウムからなるメッキ膜またはスパッタ膜であることが好ましい。
この場合には、メッキ法やスパッタ法を用いることにより、薄い導電層を簡単に形成することができる。
【００２２】
また、本発明のマグネトインピーダンス素子は、パルス電流が供給されるアモルファス磁性ワイヤと、アモルファス磁性ワイヤの外周に絶縁層を介して設けられた導電層と、上記アモルファス磁性ワイヤの一方の端面にて、アモルファス磁性ワイヤと導電層とを短絡する導電体からなる接続部とを備える。
本発明は、従来の、アモルファス磁性ワイヤの外周に検出コイルを巻く構造に対して、そのアモルファス磁性ワイヤの外周に絶縁層を介して導電層を設け、導体であるアモルファス磁性ワイヤと導電層を短絡して電気的に接続することにより、上記アモルファス磁性ワイヤに流れるパルス電流の向きと、上記導電層に流れるパルス電流の向きと互いに逆向きになるように構成されていることを特徴とする。それにより上述した（発明の効果）に記載の効果を奏するものである。
【００２３】
また、本発明のマグネトインピーダンスセンサは、上記マグネトインピーダンス素子と、上記感磁体に入力される上記パルス電流を発生するパルス発生器と、上記検出コイルに接続され、上記パルス電流を流した時に上記検出コイルから出力される上記誘起電圧をサンプルして保持するサンプルホールド回路とを備えることを特徴とする。
この場合には、従来のマグネトインピーダンスセンサのように、外部磁界を打ち消すための帰還コイルおよび帰還回路が必要ないので、マグネトインピーダンスセンサの消費電力を少なくすることができる。
【００２４】
本発明のジャイアントマグネットインピーダンス素子（マグネトインピーダンス素子）は、非磁性体からなる基板とパルス電流を印加するアモルファス磁性ワイヤ（感磁体）を軸とする同軸型コアと前記同軸型コアの外周に形成された検出コイルとからなることを特徴とする。
【００２５】
非磁性体からなる基板としては、絶縁性のアルミナ系セラミックス、半導体のシリコンウェハ、導体の金属などを好適に使用できる。
【００２６】
同軸型コアは、アモルファス磁性ワイヤ（感磁体）とアモルファス磁性ワイヤ（感磁体）の外周に絶縁体（絶縁層）を介して導電層が外周に形成され、かつ、同軸型コアの一方の端面にてアモルファス磁性ワイヤ（感磁体）と導電層とが導電体（接続部）によって短絡されているものである。
入力用の電極端子は、アモルファス磁性ワイヤ（感磁体）へ接続されている電極端子と導電層へ接続されている電極端子とからなる。
【００２７】
この構成により、アモルファス磁性ワイヤ（感磁体）にパルス電流を通電するとアモルファス磁性ワイヤ（感磁体）に流れたパルス電流は同軸型コアの端面の導電体（接続部）に流れた後、アモルファス磁性ワイヤ（感磁体）の外周の導電層においてアモルファス磁性ワイヤ（感磁体）とは反対方向にパルス電流が導電層に流れることになる。
したがって、アモルファス磁性ワイヤ（感磁体）にパルス電流Ｉが流れることによって生成される周回方向の磁界＋Ｈと、導電層に流れることによって生成される周回方向の磁界−Ｈとによってキャンセルされることとなる。その結果、検出コイル５ではパルス電流Ｉによる誘起電圧（dＨ／dｔ）は生じなくなる。
【００２８】
同軸型コアの絶縁体は、アモルファス磁性ワイヤと導電層との絶縁を確保するためのものであるが、アモルファス磁性ワイヤを被覆するガラス皮膜、ＣＶＤ法により形成されるＳｉＯ2膜など無機質材料、絶縁性を有するエポキシ樹脂などの有機質材料からなる。
【００２９】
同軸型コアの導電層は、銅メッキやアルミニウムメッキなどのメッキ膜、銅などのスパッタ膜、ＰＶＤ法、若しくは、ＣＶＤ法による薄膜からなる。好ましくは、この導電層は、非磁性材で構成される。磁性を有していると、この導電層を通る電流の作る円周方向磁界により導電層自体が磁化され、ノイズを発生させ、センサの直線性の低下や、Ｓ／Ｎ比の低下を招く。
同軸型コアの一方の端面を短絡する接続部は、上記のメッキ膜やスパッタ膜の他、金などのボンディングでもよい。
【００３０】
検出コイルは、基板の平坦面に配列された複数の下部導体膜からなる下コイルと、下コイルの表面に配設され、同軸型コアを内包するように形成された絶縁体の外表面に形成されるとともに下部導体膜と同じ方向に配列された複数の上部導体膜からなる上コイルとからなる。
そして、検出コイルの両端は出力用の電極端子に接続されている。
【００３１】
下部導体膜および上部導体膜は、銅やアルミニウムなどの導電性金属のスパッタ膜、ＰＶＤ法、若しくは、ＣＶＤ法による薄膜やメッキ膜で形成される。
また、同軸型コアを内包する絶縁体はＣＶＤ法により形成されるＳｉＯ2膜など無機質材料、絶縁性を有するエポキシ樹脂などの有機質材料からなる。
【実施例】
【００３２】
（実施例１）
次に、本発明の実施例にかかるマグネトインピーダンス素子およびマグネトインピーダンスセンサにつき、図１〜図９を用いて説明する。
【００３３】
図１は、マグネトインピーダンス素子１０の概略図であり、図２は断面図である。また、図３は、パルス電流Ｉが流れる方向を表した概略図である。
図１に示すごとく、本例のマグネトインピーダンス素子１０は、線状に形成され、外部から作用する磁界により電磁気特性が変化するとともに、軸線方向における一端１ａ側から他端１ｂ側へパルス電流Ｉが流される感磁体１を備える。
また、感磁体１の外面上に絶縁層２を介して導電層３が設けられている。
また、感磁体１の軸線方向における他端部１ｂに、感磁体１と導電層３とを電気的に接続する接続部４が設けられている。
さらに、パルス電流Ｉが感磁体１に流れた際に、感磁体１に作用する外部磁界の強度に対応した誘起電圧を出力する検出コイル６が、導電層３の外周に巻き回されている。
そして、図３に示すごとく、感磁体１に流れるパルス電流Ｉの向きと、導電層３に流れるパルス電流Ｉの向きとが互いに逆向きになるように構成されている。
【００３４】
図１に示すごとく、マグネトインピーダンス素子１０は、感磁体１の一端部１ａに接続された第１電極７ａと、導電層３に接続された第２電極７ｂを備える。これら第１電極７ａと第２電極７ｂとの間にパルス電圧が印加される。そして、第２電極７ｂと導電層３との接触部７ｃと、上記接続部４との間に、検出コイル６が巻き回されている。
【００３５】
図１は、ジャイアントマグネトインピーダンス素子１０（マグネトインピーダンス素子１０）の概略を示す図である。
非磁性のシリコンウェハからなる基板９の平坦面に、絶縁性を有するガラス皮膜２（絶縁層２）により被覆されているアモルファス磁性ワイヤ１（感磁体１）と、銅メッキにより形成された導電層３と、アモルファス磁性ワイヤ１（感磁体１）および導電層３を短絡している銅メッキにより形成されている導電体４（接続部４）からなる同軸型コア（２０）と、同軸型コア（２０）を内包するように形成しているエポキシ樹脂からなる絶縁体５（外側絶縁層５）と、基板９の平坦面から絶縁体５（外側絶縁層５）の外表面に渡って形成されている検出コイル６から構成される。
入力用電極端子は、アモルファス磁性ワイヤ１（感磁体１）へパルス電流（Ｉ）を供給する電極端子７Ａおよび導電層３から戻ってくる電極端子７Ｂとからなる。
また、出力用電極端子８を有する。
【００３６】
ここで、感磁体１（アモルファス磁性ワイヤ）の直径は７μｍ、長さは１．５ｍｍであり、アモルファス磁性ワイヤの組成はＣｏＦｅＳｉＢ合金を使用し、ガラス皮膜からなる絶縁層２の厚さは１μｍである。外側絶縁層５の厚さは２μｍで、検出コイル６はエポキシ樹脂で被覆されている。導電層３および接続部４の厚さは２μｍである。
検出コイル６の巻数は３０ターンである。
なお、上述したように、感磁体１は直径７μｍ、長さ１．５ｍｍの線状に形成されているが、図１では軸線方向長さを短くした概念図を表示している。
また、アモルファス磁性ワイヤ以外の部材は、導電層と同じ理由で、非磁性材であることが好ましい。
【００３７】
次に、図２に示すごとく、感磁体１は断面円形に形成され、導電層３は円筒形状に形成され、導電層３は感磁体１に対して同心的に設けられている。
より詳しくは、感磁体１の外周面１２を絶縁層２が被覆し、その絶縁層２をさらに導電層３が被覆している。また、導電層３は外側絶縁層５によって覆われ、その周りに検出コイル６が巻き回されている。
【００３８】
このような構造にしている理由を、図４および図５を用いて説明する。図４は図３から感磁体１だけを取り出した図であり、図５は導電層３だけを取り出した図である。図４に示すごとく、感磁体１にパルス電流Ｉが流れることにより感磁体外部に磁界Ｈ１が発生する。感磁体１の中心から距離ｒの位置における、パルス電流Ｉによって生じる磁界Ｈ１の強さは、感磁体１の断面を円形とすることで、Ｈ１＝μ０Ｉ／２πｒと表すことができる。
【００３９】
また、図５に示すごとく、導電層３を流れるパルス電流Ｉの大きさは、感磁体１を流れるパルス電流Ｉの大きさと同じであり、導電層３を流れるパルス電流Ｉの向きは、感磁体１を流れるパルス電流Ｉの向きに対して逆向きになっている。そのため、導電層３の中心から距離ｒの位置における、パルス電流Ｉによって生じる磁界Ｈ２は、導電層３を円筒形状で、かつ、感磁体１に対して同心的に設けることにより、Ｈ２＝−μ０Ｉ／２πｒと表すことができる。そのため、図３に示すごとく、導電層３の内側に感磁体１が存在すると、感磁体１を流れるパルス電流Ｉによって生じる、感磁体１の外側の磁界Ｈ１と、導電層３を流れるパルス電流Ｉによって生じる、導電層の外側の磁界Ｈ２とが打ち消し合って、Ｈ１＋Ｈ２＝０となる。
【００４０】
また、図５に示すごとく、導電層３の内側では、パルス電流Ｉによって生じる磁界Ｈｉｎは０になる。そのため図３に示すごとく、導電層３の内側に存在する感磁体１は、導電層３から発生する磁界の影響を受けない。
【００４１】
すなわち、図３の構造にすることにより、感磁体１は導電層３による磁界の影響を受けず、導電層３の外側には、パルス電流Ｉにより発生した磁界が放射されなくなる。
【００４２】
上述したように、感磁体１を流れるパルス電流Ｉによって生じた、感磁体１の外側の磁界Ｈ１は、導電層３を流れるパルス電流Ｉによって生じた、導電層３の外側の磁界Ｈ２によって打ち消される（図４、図５参照）。そのため、パルス電流Ｉによって生じた磁界Ｈ（＝Ｈ１＋Ｈ２）による成分ｄＨ／ｄｔは検出コイル６から出力されず、スピンｓによって生じた磁化Ｍθによる成分ｄＭθ／ｄｔのみが出力される。
【００４３】
検出コイル６から出力される誘起電圧の波形例を図６に示す。このように、感磁体１にパルス電流Ｉを流した時に、磁化Ｍθが大きく変化するため、検出コイル６に誘起電圧ｄＭθ／ｄｔが図に示すごとく出力される。
【００４４】
なお、本例の感磁体１は、ＣｏＦｅＳｉＢ系合金からなるアモルファス磁性体から構成されている。
【００４５】
次に、本例のマグネトインピーダンス素子１０を用いたマグネトインピーダンスセンサ１１について説明する。
図７に示すごとく、マグネトインピーダンスセンサ１１は、マグネトインピーダンス素子１０と、感磁体１に入力されるパルス電流Ｉを発生するパルス発生器２００と、検出コイル６に接続され、パルス電流Ｉを流した時に検出コイル６から出力される誘起電圧ｄＭθ／ｄｔをサンプルして保持するサンプルホールド回路４００とを備える。なお、検出タイミングは、パルス電流Ｉの立上がり時又は立下り時に応じた、図６中の電圧波形Ｐ１、Ｐ１’中の時間ｔ２、ｔ５とすることができる。その時間において、電圧Ｖ１、Ｖ１’として検出できる。
また、マグネトインピーダンス素子中のＲ１１は、感磁体１の抵抗分を等価抵抗として表示している。
【００４６】
図８は、本例に係るマグネトインピーダンスセンサ１１を使って、上記第１パルスＰ１を測定した時の波形図である。マグネトインピーダンスセンサ１１に作用する外部磁界Ｈｅｘが＋２Ｇの時の波形が１１２であり、０Ｇの時の波形が１１１である。また、Ｈｅｘが−２Ｇの時の波形が１１３である。なお、測定時におけるパルス電流は１８０ｍＡであり、パルス幅時間は５０ｎｓである。立上がり時間及び立下り時間は５ｎｓである。
【００４７】
図８から分かるように外部磁界Ｈｅｘ＝０のとき、波形図１１１に示すように検出コイル６の出力電圧はほぼ０ｍＶで推移する。このことより、感磁体１へ通電するパルス電流Ｉが形成する周回磁界Ｈによるノイズ電圧が完全に消失していることがわかる。
外部磁界Ｈｅｘ＝＋２Ｇの波形図１１２と外部磁界Ｈｅｘ＝−２Ｇの波形図１１３は対称波形となり、ゼロクロスする時間（ｔ）も同一となる。この結果、外部磁界に対して優れた出力電圧の直線性が得られる。
【００４８】
次に、図９を用いてマグネトインピーダンス素子１０の作製プロセスを説明する。
図９は図１に示すマグネトインピーダンス素子１０の製造工程図であって、長手方向からみた断面図である。
まず、アルミナ系セラミックスからなる基板９の平坦面に２μｍ程度の下部導体膜からなる下コイル６１を銅メッキにより形成する。
下コイル６１と同軸型コア２０の導電層３とを絶縁するためにＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜層からなる絶縁層５１を形成する。次に、エポキシ樹脂からなる絶縁層５２を塗布形成する。
【００４９】
そして、感磁体１（アモルファス磁性ワイヤ）、絶縁層２（ガラス皮膜）、導電層３（銅メッキ）からなる同軸型コア２０を絶縁層５２の上に定着する。
次に、同軸型コア２０の端面において感磁体１（アモルファス磁性ワイヤ）と導電層３とを短絡するため、銅スパッタ膜により接続部４を形成し、さらにＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜層の絶縁層５３を形成する。
【００５０】
同軸型コア２０の上部には、ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜層の絶縁層５４を形成し、さらに２μｍ程度の上部導体膜からなる上コイル６２を銅メッキにより形成して、下コイル６１と上コイル６２とにより螺旋状の検出コイル６を形成する。
上コイル６２はＣＶＤ法によるＳｉＯ2膜の絶縁層５５により被覆される。
【００５１】
次に、本例のマグネトインピーダンス素子１０およびマグネトインピーダンスセンサ１１の作用効果について説明する。
本例では、図１に示すごとく、感磁体１の外周に導電層３が形成されており、感磁体１と導電層３とが接続部４で接続されている。これにより、感磁体１に流れるパルス電流と同じ大きさのパルス電流であって、感磁体１に流れるパルス電流の向きと逆向きのパルス電流が導電層３に流れる。そのため、感磁体１を流れるパルス電流により発生する、感磁体１の外側の磁界と、導電層３を流れるパルス電流により発生する、導電層３の外側の磁界とが、導電層３の外側において打ち消し合い、感磁体内部では、磁界が保持される。これにより、検出コイルから出力される誘起電圧のうち、パルス電流に起因する成分であるdＨ／dｔが弱められ、外部磁界によって変化する成分であるdＭθ／dｔのみを主として検出することが可能となる。
【００５２】
そのため、外部磁界と誘起電圧との直線性及び温度特性を高めることが可能となる。また、帰還コイルや帰還回路を設ける必要が無くなるので、消費電力も少なくてすむ。
【００５３】
また、図２に示すごとく、感磁体１は断面円形に形成され、導電層３は円筒形状に形成され、導電層３は感磁体１に対して同心的に設けられている。
この場合には、感磁体１が断面非円形の場合や、感磁体１と導電層３とが同心的に設けられていない場合と比較して、導電層３の外側に放射される、パルス電流Ｉに起因する磁界Ｈを殆ど０にすることができる。これにより、検出コイル６に出力される誘起電圧のうち、dＨ／dｔが殆ど無くなり、外部磁界によって変化する成分であるdＭθ／dｔのみを検出することが可能となる。
【００５４】
さらに、導電層３は、銅またはアルミニウムからなるメッキ膜またはスパッタ膜である。
この場合には、メッキ法やスパッタ法を用いることにより、薄い導電層３を簡単に形成することができる。
【００５５】
また、本例のマグネトインピーダンスセンサは、図７に示すごとく、上記マグネトインピーダンス素子１０と、パルス発生器２００と、サンプルホールド回路４００とを備える。
この場合には、従来のマグネトインピーダンスセンサのように、外部磁界を打ち消すための帰還コイルおよび帰還回路が必要ないので、マグネトインピーダンスセンサの消費電力を少なくすることができる。
ここで、マグネト・インピーダンス素子という表記は、ＭＩ素子と表記される。また、同じ構成に基づくものが、ジャイアントマグネトインピーダンス素子、もしくはＧＭＩ素子とも呼ばれている。
マグネト・インピーダンスセンサという表記も、ＭＩセンサ、ジャイアント・マグネト・インピーダンスセンサ、ＧＭＩセンサとも呼ばれている。
【符号の説明】
【００５６】
１ 感磁体
１ａ （感磁体の）一端
１ｂ （感磁体の）他端
２ 絶縁層
３ 導電層
４ 接続部
６ 検出コイル
１０ マグネトインピーダンス素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直線性に優れたマグネトインピーダンス素子およびマグネトインピーダンスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、マグネトインピーダンス素子（以下、ＭＩ素子とも記す。）を用いた磁気センサ（以下、ＭＩセンサとも記す。）として、例えば、アモルファスワイヤの外周に検出コイルを巻き回したものが知られている。特許文献１には、アモルファスワイヤにパルス電流を通電し、検出コイルから出力される誘起電圧の第１パルスを測定することにより、外部磁界Ｈｅｘを高感度に検出できるＭＩセンサが開示されている。ＭＩ素子は、ジャイアントマグネトインピーダンス素子、もしくはＧＭＩ素子とも呼ばれている。また、ＭＩセンサは、ジャイアントマグネトインピーダンスセンサ、もしくはＧＭＩセンサとも呼ばれている。
【０００３】
ここで、ＭＩ素子による磁場検出の原理について、図１０を用いて説明する。
図示するごとく、アモルファス磁性ワイヤ９１にパルス電流Ｉを流すと、このパルス電流Ｉにより周回方向に磁界Ｈが発生する。そして、検出コイル９５から誘起電圧（dＨ／dｔ）が出力される。次に、パルス電流Ｉを流している状態で外部磁場Ｈｘが印加されたとすると、アモルファス磁性ワイヤ９１の円周方向に配列されているスピンが共鳴してθ揺れる。このスピン共鳴θによる誘起電圧（dＭθ／dｔ）が検出コイル９５に加重出力される。すなわち、外部磁場Ｈｘの印加状態下においては、誘起電圧（dＨ／dｔ ＋ dＭθ／dｔ）が出力される。
【０００４】
図１１はＭＩ素子を用いたＭＩセンサの、パルス電流に対する誘起電圧の出力を示す波形図である。これは外部磁場Ｈｘの印加状態下においてパルス電流Ｉを流したときの検出コイルにより出力される、減衰振動する誘起電圧の時間的変化を示す波形図１０１である。
次に、図１２に、この波形図１０１のうち、最初のパルスのピーク特性について外部磁場Ｈｘが印加されていないパルス電流Ｉのみによる時間的変化を示す波形図１０２、外部磁場Ｈｘが印加（＋Ｈｘおよび−Ｈｘ）されている時間的変化を示す波形１０３、波形図１０４をそれぞれ示す。
図１２からわかるように波形図１０２〜波形図１０４において最初のパルスが減衰して誘起電圧がゼロクロスする時間（ｔ）が同一ではなく位相差を生じている。外部磁場が印加されていないパルス電流Ｉのみによるゼロクロスする時間ｔ１に対して、外部磁界＋Ｈｘが印加されるとゼロクロスする時間はｔ１＋Δｔaとなって遅れ（Δｔa）を生じ、外部磁界−Ｈｘが印加されるとゼロクロスする時間はｔ１−Δｔｂとなって速く（Δｔｂ）なる。
【０００５】
この結果、外部磁界が＋Ｈｘから−Ｈｘ（図１２）に極性が変わるときに、ゼロクロス時間が変動するとともに、検出コイルの出力電圧のピークとなる時間も変動していることが分かる。本件発明者等はこの原因を鋭意検討したところ、以下のようになると考えた。
パルス電流に起因する成分であるｄＨ／ｄｔによる出力電圧の時間変化波形と、外部磁界に応じて変化する成分であるｄＭθ／ｄｔによる出力電圧の時間変化波形のピーク時間には位相差がある。そのため、二つの波形の合成である検出コイルに発生する誘起電圧波形は、パルス電流に起因する成分であるｄＨ／ｄｔによる出力電圧のピーク時間に対する位相差を有する。また、外部磁界に応じて変化する成分であるｄＭθ／ｄｔによる出力電圧の時間変化波形は、外部磁界の増大に伴いピーク電圧は上昇する。そのため、二つの波形の合成である検出コイルに発生する誘起電圧波形は、外部磁界の変化に伴い、ｄＨ／ｄｔによる出力電圧のピーク時間に対する位相差は変化していると思われる。
【０００６】
ところで、後述するように、公知のマグネトインピーダンスセンサ（以下、適宜ＭＩセンサと記す。）は、マグネトインピーダンス素子（以下、適宜ＭＩ素子と記す）に使用される感磁体に平行な外部磁場に対する検出コイルの出力電圧のピーク値が比例関係をとることを利用したものである。
【０００７】
現状のＭＩ素子を使用したＭＩセンサでは、後述する図６に示すようにパルス電流の立ち上がった時間ｔ１から、検出コイルに発生する誘起電圧波形においてピーク値を取ると思われる所定のタイミングｔ２でアナログスイッチを短時間オン−オフすることで、外部磁場に対応した検出コイルに発生した出力電圧のピーク値を検出している。ここで、サンプリング時間Δｔは、所定の入力電流波形と、それに応じた出力電圧波形があるとき、出力電圧波形においてピーク値を取ると思われる所定のタイミングｔ２から、パルス電流の立ち上がった時間ｔ１を引いたものとする。（Δｔ＝ｔ２−ｔ１）
【０００８】
通常、外部磁場が無いとき（図１２では１０２）のサンプリング時間Δｔを固定して外部磁場が印加されたときも測定している。
そのため、図１２のように検出コイルの出力電圧のピークとなる時間が外部磁場によって変動すると、外部磁場が印加された場合は、そのときの出力電圧のピーク値を迎える時間とずれたところで電圧をサンプリングすることになり、出力電圧が低下するため感度が低下し、直線性も低下する。
【０００９】
また、温度変化に伴う感磁体の電気抵抗等の材料特性の変化によって、感磁体に流れるパルス電流が変化する。パルス電流が変化すれば、当然、パルス電流による周回磁界Ｈは変動する。よって、温度変化によって感磁体の磁化（Ｍ）と関係ないパルス電流による周回磁界Ｈが変動し、それによっても直線性の低下や、センサの原点（この例の場合は、印加磁場無しでの出力電圧のピーク値）のドリフトを生じていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−２５８５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の磁気センサは、直線性を向上させるために、アモルファス磁性ワイヤ９１に巻き回された帰還コイル（図示せず）と、該帰還コイルに電流を供給するための帰還回路（図示せず）とが必要であるという問題があった。その結果、回路構成が複雑となって大型化するおそれがあった。上記帰還回路を省略すると、充分な検出精度が得られない場合があった。また、帰還コイルおよび帰還回路を駆動するために、消費電力が増大するという問題があった。
特に、携帯電話等に組み込まれる方位計測用の磁気センサとしては、直線性を向上することにより磁界を高精度に検出できる性能と、回路構成を簡略化することにより低消費電力を達成することの双方が求められている。
【００１２】
本発明は、上記従来のマクネトインピーダンスセンサの問題点に鑑みてなされたものであり、帰還回路を用いることなく直線性及び温度特性に優れたマグネトインピーダンス素子およびマグネトインピーダンスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の発明は、一様な磁界の計測に用いられるマグネトインピーダンス素子であって、
線状に形成され、外部から作用する磁界により電磁気特性が変化するとともに、軸線方向における一端側から他端側へパルス電流が流される感磁体と、
上記感磁体の外面上に絶縁層を介して設けられた導電層と、
上記感磁体の上記軸線方向における他端部に設けられ、上記感磁体と上記導電層とを電気的に接続する接続部と、
上記導電層の外周に巻き回され、上記パルス電流が上記感磁体に流れた際に、該感磁体に作用する上記外部磁界の強度に対応した誘起電圧を出力する検出コイルと、
を備え、上記感磁体に流れる上記パルス電流の向きと、上記導電層に流れる該パルス電流の向きとが互いに逆向きになるように構成されていることを特徴とするマグネトインピーダンス素子にある。
【発明の効果】
【００１４】
次に、本発明の効果つき説明する。
本発明では、感磁体の外周に導電層が形成されており、感磁体と導電層とが上記接続部で接続されている。これにより、感磁体に流れるパルス電流の向きと、導電層に流れるパルス電流の向きとが逆になる。そのため、感磁体を流れるパルス電流により発生する感磁体の外部の磁界と、導電層を流れるパルス電流により発生する導電層の外部の磁界とが打ち消し合う。これにより、検出コイルから出力される誘起電圧のうち、直線性等の低下の原因と思われるパルス電流に起因する成分であるdＨ／dｔが弱められ、外部磁界に応じて変化する成分であるdＭθ／dｔのみを検出することが可能となる。
【００１５】
そのため、外部磁界と誘起電圧との直線性を高めることが可能となる。また、帰還コイルや帰還回路を設ける必要が無くなるので、消費電力も少なくてすむ。
【００１６】
以上説明したように、本発明によると、帰還回路を用いることなく直線性に優れたマグネトインピーダンス素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１における、マグネトインピーダンス素子の概略を示す図である。
【図２】実施例１における、マグネトインピーダンス素子の概略断面図である。
【図３】実施例１における、感磁体および導電層を流れるパルス電流の向きを表した概念図。
【図４】図３から感磁体のみを取り出した図。
【図５】図３から導電層のみを取り出した図。
【図６】実施例１における、感磁体に流れるパルス電流と、検出コイルに出力される誘起電圧との関係を表した図。
【図７】実施例１における、マグネトインピーダンスセンサの回路図。
【図８】実施例１における、パルス電流に対する検出コイルの出力特性を示す波形図。
【図９】実施例１における、マグネトインピーダンス素子の作製プロセスを示す図。
【図１０】従来例における、マグネトインピーダンス素子の動作原理を示す図。
【図１１】従来例における、パルス電流に対する検出コイルの出力特性を示す波形図。
【図１２】従来例における、検出コイルから出力される第１パルスの波形図であって、外部磁界を＋Ｈｘ、０、−Ｈｘ （Ｇ）にした場合の波形図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記感磁体は断面円形に形成され、上記導電層は円筒形状に形成され、上記導電層は上記感磁体に対して同心的に設けられていることが好ましい。
この場合には、感磁体が断面非円形の場合や、感磁体と導電層とが同心的に設けられていない場合と比較して、導電層の外側に放射される、パルス電流に起因する磁界を殆ど０にすることができる。これにより、検出コイルに出力される誘起電圧のうち、dＨ／dｔが殆ど無くなり、外部磁界によって変化する成分であるdＭθ／dｔのみを検出することが可能となる。
【００１９】
また、上記感磁体はアモルファス磁性体からなることが好ましい。
アモルファス磁性体は、外部から作用する磁界の大きさにより電磁気特性が変化する性質（マグネトインピーダンス効果）を示すため、本発明の感磁体として好適に使用することができる。
【００２０】
また、上記アモルファス磁性体としてはＣｏＦｅＳｉＢ系合金から構成されたものがある。
ＣｏＦｅＳｉＢ系合金は、外部から作用する磁界の大きさにより磁気特性が大きく変化する軟磁性材料であり、低磁歪であるため、本発明の感磁体として好適に用いることができる。
なお、感磁体は上記の特性を有する公知の材料であればよく、ＣｏＭＳｉＢ系やＦｅ−Ｓｉ系等のアモルファス合金でもよい。
【００２１】
さらに、上記導電層は、銅またはアルミニウムからなるメッキ膜またはスパッタ膜であることが好ましい。
この場合には、メッキ法やスパッタ法を用いることにより、薄い導電層を簡単に形成することができる。
【００２２】
また、本発明のマグネトインピーダンス素子は、パルス電流が供給されるアモルファス磁性ワイヤと、アモルファス磁性ワイヤの外周に絶縁層を介して設けられた導電層と、上記アモルファス磁性ワイヤの一方の端面にて、アモルファス磁性ワイヤと導電層とを短絡する導電体からなる接続部とを備える。
本発明は、従来の、アモルファス磁性ワイヤの外周に検出コイルを巻く構造に対して、そのアモルファス磁性ワイヤの外周に絶縁層を介して導電層を設け、導体であるアモルファス磁性ワイヤと導電層を短絡して電気的に接続することにより、上記アモルファス磁性ワイヤに流れるパルス電流の向きと、上記導電層に流れるパルス電流の向きと互いに逆向きになるように構成されていることを特徴とする。それにより上述した（発明の効果）に記載の効果を奏するものである。
【００２３】
また、本発明のマグネトインピーダンスセンサは、上記マグネトインピーダンス素子と、上記感磁体に入力される上記パルス電流を発生するパルス発生器と、上記検出コイルに接続され、上記パルス電流を流した時に上記検出コイルから出力される上記誘起電圧をサンプルして保持するサンプルホールド回路とを備えることを特徴とする。
この場合には、従来のマグネトインピーダンスセンサのように、外部磁界を打ち消すための帰還コイルおよび帰還回路が必要ないので、マグネトインピーダンスセンサの消費電力を少なくすることができる。
【００２４】
本発明のジャイアントマグネットインピーダンス素子（マグネトインピーダンス素子）は、非磁性体からなる基板とパルス電流を印加するアモルファス磁性ワイヤ（感磁体）を軸とする同軸型コアと前記同軸型コアの外周に形成された検出コイルとからなることを特徴とする。
【００２５】
非磁性体からなる基板としては、絶縁性のアルミナ系セラミックス、半導体のシリコンウェハ、導体の金属などを好適に使用できる。
【００２６】
同軸型コアは、アモルファス磁性ワイヤ（感磁体）とアモルファス磁性ワイヤ（感磁体）の外周に絶縁体（絶縁層）を介して導電層が外周に形成され、かつ、同軸型コアの一方の端面にてアモルファス磁性ワイヤ（感磁体）と導電層とが導電体（接続部）によって短絡されているものである。
入力用の電極端子は、アモルファス磁性ワイヤ（感磁体）へ接続されている電極端子と導電層へ接続されている電極端子とからなる。
【００２７】
この構成により、アモルファス磁性ワイヤ（感磁体）にパルス電流を通電するとアモルファス磁性ワイヤ（感磁体）に流れたパルス電流は同軸型コアの端面の導電体（接続部）に流れた後、アモルファス磁性ワイヤ（感磁体）の外周の導電層においてアモルファス磁性ワイヤ（感磁体）とは反対方向にパルス電流が導電層に流れることになる。
したがって、アモルファス磁性ワイヤ（感磁体）にパルス電流Ｉが流れることによって生成される周回方向の磁界＋Ｈと、導電層に流れることによって生成される周回方向の磁界−Ｈとによってキャンセルされることとなる。その結果、検出コイル５ではパルス電流Ｉによる誘起電圧（dＨ／dｔ）は生じなくなる。
【００２８】
同軸型コアの絶縁体は、アモルファス磁性ワイヤと導電層との絶縁を確保するためのものであるが、アモルファス磁性ワイヤを被覆するガラス皮膜、ＣＶＤ法により形成されるＳｉＯ2膜など無機質材料、絶縁性を有するエポキシ樹脂などの有機質材料からなる。
【００２９】
同軸型コアの導電層は、銅メッキやアルミニウムメッキなどのメッキ膜、銅などのスパッタ膜、ＰＶＤ法、若しくは、ＣＶＤ法による薄膜からなる。好ましくは、この導電層は、非磁性材で構成される。磁性を有していると、この導電層を通る電流の作る円周方向磁界により導電層自体が磁化され、ノイズを発生させ、センサの直線性の低下や、Ｓ／Ｎ比の低下を招く。
同軸型コアの一方の端面を短絡する接続部は、上記のメッキ膜やスパッタ膜の他、金などのボンディングでもよい。
【００３０】
検出コイルは、基板の平坦面に配列された複数の下部導体膜からなる下コイルと、下コイルの表面に配設され、同軸型コアを内包するように形成された絶縁体の外表面に形成されるとともに下部導体膜と同じ方向に配列された複数の上部導体膜からなる上コイルとからなる。
そして、検出コイルの両端は出力用の電極端子に接続されている。
【００３１】
下部導体膜および上部導体膜は、銅やアルミニウムなどの導電性金属のスパッタ膜、ＰＶＤ法、若しくは、ＣＶＤ法による薄膜やメッキ膜で形成される。
また、同軸型コアを内包する絶縁体はＣＶＤ法により形成されるＳｉＯ2膜など無機質材料、絶縁性を有するエポキシ樹脂などの有機質材料からなる。
【実施例】
【００３２】
（実施例１）
次に、本発明の実施例にかかるマグネトインピーダンス素子およびマグネトインピーダンスセンサにつき、図１〜図９を用いて説明する。
【００３３】
図１は、マグネトインピーダンス素子１０の概略図であり、図２は断面図である。また、図３は、パルス電流Ｉが流れる方向を表した概略図である。
図１に示すごとく、本例のマグネトインピーダンス素子１０は、線状に形成され、外部から作用する磁界により電磁気特性が変化するとともに、軸線方向における一端１ａ側から他端１ｂ側へパルス電流Ｉが流される感磁体１を備える。
また、感磁体１の外面上に絶縁層２を介して導電層３が設けられている。
また、感磁体１の軸線方向における他端部１ｂに、感磁体１と導電層３とを電気的に接続する接続部４が設けられている。
さらに、パルス電流Ｉが感磁体１に流れた際に、感磁体１に作用する外部磁界の強度に対応した誘起電圧を出力する検出コイル６が、導電層３の外周に巻き回されている。
そして、図３に示すごとく、感磁体１に流れるパルス電流Ｉの向きと、導電層３に流れるパルス電流Ｉの向きとが互いに逆向きになるように構成されている。
【００３４】
図１に示すごとく、マグネトインピーダンス素子１０は、感磁体１の一端部１ａに接続された第１電極７ａと、導電層３に接続された第２電極７ｂを備える。これら第１電極７ａと第２電極７ｂとの間にパルス電圧が印加される。そして、第２電極７ｂと導電層３との接触部７ｃと、上記接続部４との間に、検出コイル６が巻き回されている。
【００３５】
図１は、ジャイアントマグネトインピーダンス素子１０（マグネトインピーダンス素子１０）の概略を示す図である。
非磁性のシリコンウェハからなる基板９の平坦面に、絶縁性を有するガラス皮膜２（絶縁層２）により被覆されているアモルファス磁性ワイヤ１（感磁体１）と、銅メッキにより形成された導電層３と、アモルファス磁性ワイヤ１（感磁体１）および導電層３を短絡している銅メッキにより形成されている導電体４（接続部４）からなる同軸型コア（２０）と、同軸型コア（２０）を内包するように形成しているエポキシ樹脂からなる絶縁体５（外側絶縁層５）と、基板９の平坦面から絶縁体５（外側絶縁層５）の外表面に渡って形成されている検出コイル６から構成される。
入力用電極端子は、アモルファス磁性ワイヤ１（感磁体１）へパルス電流（Ｉ）を供給する電極端子７Ａおよび導電層３から戻ってくる電極端子７Ｂとからなる。
また、出力用電極端子８を有する。
【００３６】
ここで、感磁体１（アモルファス磁性ワイヤ）の直径は７μｍ、長さは１．５ｍｍであり、アモルファス磁性ワイヤの組成はＣｏＦｅＳｉＢ合金を使用し、ガラス皮膜からなる絶縁層２の厚さは１μｍである。外側絶縁層５の厚さは２μｍで、検出コイル６はエポキシ樹脂で被覆されている。導電層３および接続部４の厚さは２μｍである。
検出コイル６の巻数は３０ターンである。
なお、上述したように、感磁体１は直径７μｍ、長さ１．５ｍｍの線状に形成されているが、図１では軸線方向長さを短くした概念図を表示している。
また、アモルファス磁性ワイヤ以外の部材は、導電層と同じ理由で、非磁性材であることが好ましい。
【００３７】
次に、図２に示すごとく、感磁体１は断面円形に形成され、導電層３は円筒形状に形成され、導電層３は感磁体１に対して同心的に設けられている。
より詳しくは、感磁体１の外周面１２を絶縁層２が被覆し、その絶縁層２をさらに導電層３が被覆している。また、導電層３は外側絶縁層５によって覆われ、その周りに検出コイル６が巻き回されている。
【００３８】
このような構造にしている理由を、図４および図５を用いて説明する。図４は図３から感磁体１だけを取り出した図であり、図５は導電層３だけを取り出した図である。図４に示すごとく、感磁体１にパルス電流Ｉが流れることにより感磁体外部に磁界Ｈ１が発生する。感磁体１の中心から距離ｒの位置における、パルス電流Ｉによって生じる磁界Ｈ１の強さは、感磁体１の断面を円形とすることで、Ｈ１＝μ０Ｉ／２πｒと表すことができる。
【００３９】
また、図５に示すごとく、導電層３を流れるパルス電流Ｉの大きさは、感磁体１を流れるパルス電流Ｉの大きさと同じであり、導電層３を流れるパルス電流Ｉの向きは、感磁体１を流れるパルス電流Ｉの向きに対して逆向きになっている。そのため、導電層３の中心から距離ｒの位置における、パルス電流Ｉによって生じる磁界Ｈ２は、導電層３を円筒形状で、かつ、感磁体１に対して同心的に設けることにより、Ｈ２＝−μ０Ｉ／２πｒと表すことができる。そのため、図３に示すごとく、導電層３の内側に感磁体１が存在すると、感磁体１を流れるパルス電流Ｉによって生じる、感磁体１の外側の磁界Ｈ１と、導電層３を流れるパルス電流Ｉによって生じる、導電層の外側の磁界Ｈ２とが打ち消し合って、Ｈ１＋Ｈ２＝０となる。
【００４０】
また、図５に示すごとく、導電層３の内側では、パルス電流Ｉによって生じる磁界Ｈｉｎは０になる。そのため図３に示すごとく、導電層３の内側に存在する感磁体１は、導電層３から発生する磁界の影響を受けない。
【００４１】
すなわち、図３の構造にすることにより、感磁体１は導電層３による磁界の影響を受けず、導電層３の外側には、パルス電流Ｉにより発生した磁界が放射されなくなる。
【００４２】
上述したように、感磁体１を流れるパルス電流Ｉによって生じた、感磁体１の外側の磁界Ｈ１は、導電層３を流れるパルス電流Ｉによって生じた、導電層３の外側の磁界Ｈ２によって打ち消される（図４、図５参照）。そのため、パルス電流Ｉによって生じた磁界Ｈ（＝Ｈ１＋Ｈ２）による成分ｄＨ／ｄｔは検出コイル６から出力されず、スピンｓによって生じた磁化Ｍθによる成分ｄＭθ／ｄｔのみが出力される。
【００４３】
検出コイル６から出力される誘起電圧の波形例を図６に示す。このように、感磁体１にパルス電流Ｉを流した時に、磁化Ｍθが大きく変化するため、検出コイル６に誘起電圧ｄＭθ／ｄｔが図に示すごとく出力される。
【００４４】
なお、本例の感磁体１は、ＣｏＦｅＳｉＢ系合金からなるアモルファス磁性体から構成されている。
【００４５】
次に、本例のマグネトインピーダンス素子１０を用いたマグネトインピーダンスセンサ１１について説明する。
図７に示すごとく、マグネトインピーダンスセンサ１１は、マグネトインピーダンス素子１０と、感磁体１に入力されるパルス電流Ｉを発生するパルス発生器２００と、検出コイル６に接続され、パルス電流Ｉを流した時に検出コイル６から出力される誘起電圧ｄＭθ／ｄｔをサンプルして保持するサンプルホールド回路４００とを備える。なお、検出タイミングは、パルス電流Ｉの立上がり時又は立下り時に応じた、図６中の電圧波形Ｐ１、Ｐ１’中の時間ｔ２、ｔ５とすることができる。その時間において、電圧Ｖ１、Ｖ１’として検出できる。
また、マグネトインピーダンス素子中のＲ１１は、感磁体１の抵抗分を等価抵抗として表示している。
【００４６】
図８は、本例に係るマグネトインピーダンスセンサ１１を使って、上記第１パルスＰ１を測定した時の波形図である。マグネトインピーダンスセンサ１１に作用する外部磁界Ｈｅｘが＋２Ｇの時の波形が１１２であり、０Ｇの時の波形が１１１である。また、Ｈｅｘが−２Ｇの時の波形が１１３である。なお、測定時におけるパルス電流は１８０ｍＡであり、パルス幅時間は５０ｎｓである。立上がり時間及び立下り時間は５ｎｓである。
【００４７】
図８から分かるように外部磁界Ｈｅｘ＝０のとき、波形図１１１に示すように検出コイル６の出力電圧はほぼ０ｍＶで推移する。このことより、感磁体１へ通電するパルス電流Ｉが形成する周回磁界Ｈによるノイズ電圧が完全に消失していることがわかる。
外部磁界Ｈｅｘ＝＋２Ｇの波形図１１２と外部磁界Ｈｅｘ＝−２Ｇの波形図１１３は対称波形となり、ゼロクロスする時間（ｔ）も同一となる。この結果、外部磁界に対して優れた出力電圧の直線性が得られる。
【００４８】
次に、図９を用いてマグネトインピーダンス素子１０の作製プロセスを説明する。
図９は図１に示すマグネトインピーダンス素子１０の製造工程図であって、長手方向からみた断面図である。
まず、アルミナ系セラミックスからなる基板９の平坦面に２μｍ程度の下部導体膜からなる下コイル６１を銅メッキにより形成する。
下コイル６１と同軸型コア２０の導電層３とを絶縁するためにＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜層からなる絶縁層５１を形成する。次に、エポキシ樹脂からなる絶縁層５２を塗布形成する。
【００４９】
そして、感磁体１（アモルファス磁性ワイヤ）、絶縁層２（ガラス皮膜）、導電層３（銅メッキ）からなる同軸型コア２０を絶縁層５２の上に定着する。
次に、同軸型コア２０の端面において感磁体１（アモルファス磁性ワイヤ）と導電層３とを短絡するため、銅スパッタ膜により接続部４を形成し、さらにＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜層の絶縁層５３を形成する。
【００５０】
同軸型コア２０の上部には、ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜層の絶縁層５４を形成し、さらに２μｍ程度の上部導体膜からなる上コイル６２を銅メッキにより形成して、下コイル６１と上コイル６２とにより螺旋状の検出コイル６を形成する。
上コイル６２はＣＶＤ法によるＳｉＯ2膜の絶縁層５５により被覆される。
【００５１】
次に、本例のマグネトインピーダンス素子１０およびマグネトインピーダンスセンサ１１の作用効果について説明する。
本例では、図１に示すごとく、感磁体１の外周に導電層３が形成されており、感磁体１と導電層３とが接続部４で接続されている。これにより、感磁体１に流れるパルス電流と同じ大きさのパルス電流であって、感磁体１に流れるパルス電流の向きと逆向きのパルス電流が導電層３に流れる。そのため、感磁体１を流れるパルス電流により発生する、感磁体１の外側の磁界と、導電層３を流れるパルス電流により発生する、導電層３の外側の磁界とが、導電層３の外側において打ち消し合い、感磁体内部では、磁界が保持される。これにより、検出コイルから出力される誘起電圧のうち、パルス電流に起因する成分であるdＨ／dｔが弱められ、外部磁界によって変化する成分であるdＭθ／dｔのみを主として検出することが可能となる。
【００５２】
そのため、外部磁界と誘起電圧との直線性及び温度特性を高めることが可能となる。また、帰還コイルや帰還回路を設ける必要が無くなるので、消費電力も少なくてすむ。
【００５３】
また、図２に示すごとく、感磁体１は断面円形に形成され、導電層３は円筒形状に形成され、導電層３は感磁体１に対して同心的に設けられている。
この場合には、感磁体１が断面非円形の場合や、感磁体１と導電層３とが同心的に設けられていない場合と比較して、導電層３の外側に放射される、パルス電流Ｉに起因する磁界Ｈを殆ど０にすることができる。これにより、検出コイル６に出力される誘起電圧のうち、dＨ／dｔが殆ど無くなり、外部磁界によって変化する成分であるdＭθ／dｔのみを検出することが可能となる。
【００５４】
さらに、導電層３は、銅またはアルミニウムからなるメッキ膜またはスパッタ膜である。
この場合には、メッキ法やスパッタ法を用いることにより、薄い導電層３を簡単に形成することができる。
【００５５】
また、本例のマグネトインピーダンスセンサは、図７に示すごとく、上記マグネトインピーダンス素子１０と、パルス発生器２００と、サンプルホールド回路４００とを備える。
この場合には、従来のマグネトインピーダンスセンサのように、外部磁界を打ち消すための帰還コイルおよび帰還回路が必要ないので、マグネトインピーダンスセンサの消費電力を少なくすることができる。
ここで、マグネト・インピーダンス素子という表記は、ＭＩ素子と表記される。また、同じ構成に基づくものが、ジャイアントマグネトインピーダンス素子、もしくはＧＭＩ素子とも呼ばれている。
マグネト・インピーダンスセンサという表記も、ＭＩセンサ、ジャイアント・マグネト・インピーダンスセンサ、ＧＭＩセンサとも呼ばれている。
【符号の説明】
【００５６】
１ 感磁体
１ａ （感磁体の）一端
１ｂ （感磁体の）他端
２ 絶縁層
３ 導電層
４ 接続部
６ 検出コイル
１０ マグネトインピーダンス素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一様な磁界の計測に用いられるマグネトインピーダンス素子であって、
線状に形成され、外部から作用する磁界により電磁気特性が変化するとともに、軸線方向における一端側から他端側へパルス電流が流される感磁体と、
上記感磁体の外面上に絶縁層を介して設けられた導電層と、
上記感磁体の上記軸線方向における他端部に設けられ、上記感磁体と上記導電層とを電気的に接続する接続部と、
上記導電層の外周に巻き回され、上記パルス電流が上記感磁体に流れた際に、該感磁体に作用する上記外部磁界の強度に対応した誘起電圧を出力する検出コイルと、
を備え、上記感磁体に流れる上記パルス電流の向きと、上記導電層に流れる該パルス電流の向きとが互いに逆向きになるように構成されていることを特徴とするマグネトインピーダンス素子。
【請求項２】
請求項１において、上記感磁体は断面円形に形成され、上記導電層は円筒形状に形成され、上記導電層は上記感磁体に対して同心的に設けられていることを特徴とするマグネトインピーダンス素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、上記感磁体はアモルファス磁性体からなることを特徴とするマグネトインピーダンス素子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項において、上記導電層は、銅またはアルミニウムからなるメッキ膜またはスパッタ膜であることを特徴とするマグネトインピーダンス素子。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のマグネトインピーダンス素子と、上記感磁体に入力される上記パルス電流を発生するパルス発生器と、上記検出コイルに接続され、上記パルス電流が流れた時に上記検出コイルから出力される上記誘起電圧をサンプルして保持するサンプルホールド回路とを備えることを特徴とするマグネトインピーダンスセンサ。
【請求項１】
一様な磁界の計測に用いられるマグネトインピーダンス素子であって、
線状に形成され、外部から作用する磁界により電磁気特性が変化するとともに、軸線方向における一端側から他端側へパルス電流が流される感磁体と、
上記感磁体の外面上に絶縁層を介して設けられた導電層と、
上記感磁体の上記軸線方向における他端部に設けられ、上記感磁体と上記導電層とを電気的に接続する接続部と、
上記導電層の外周に巻き回され、上記パルス電流が上記感磁体に流れた際に、該感磁体に作用する上記外部磁界の強度に対応した誘起電圧を出力する検出コイルと、
を備え、上記感磁体に流れる上記パルス電流の向きと、上記導電層に流れる該パルス電流の向きとが互いに逆向きになるように構成されていることを特徴とするマグネトインピーダンス素子。
【請求項２】
請求項１において、上記感磁体は断面円形に形成され、上記導電層は円筒形状に形成され、上記導電層は上記感磁体に対して同心的に設けられていることを特徴とするマグネトインピーダンス素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、上記感磁体はアモルファス磁性体からなることを特徴とするマグネトインピーダンス素子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項において、上記導電層は、銅またはアルミニウムからなるメッキ膜またはスパッタ膜であることを特徴とするマグネトインピーダンス素子。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のマグネトインピーダンス素子と、上記感磁体に入力される上記パルス電流を発生するパルス発生器と、上記検出コイルに接続され、上記パルス電流が流れた時に上記検出コイルから出力される上記誘起電圧をサンプルして保持するサンプルホールド回路とを備えることを特徴とするマグネトインピーダンスセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−２８１８２８（Ｐ２０１０−２８１８２８Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６７６９２（Ｐ２０１０−１６７６９２）
【出願日】平成２２年７月２７日（２０１０．７．２７）
【分割の表示】特願２００９−５３６０８５（Ｐ２００９−５３６０８５）の分割
【原出願日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【出願人】（０００１１６６５５）愛知製鋼株式会社 (141)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２７日（２０１０．７．２７）
【分割の表示】特願２００９−５３６０８５（Ｐ２００９−５３６０８５）の分割
【原出願日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【出願人】（０００１１６６５５）愛知製鋼株式会社 (141)
【Ｆターム（参考）】
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