(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）パルス通電電流で周回方向に励磁される高透磁率磁性体ヘッドと、
（ｂ）該高透磁率磁性体ヘッドの周回方向に巻回されたコイルと、
（ｃ）該コイルの誘起電圧の第１パルスを検出する電子スイッチとを具備することを特徴とする磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサ。
【請求項２】
請求項１記載の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサにおいて、前記高透磁率磁性体ヘッドはアモルファス磁性体を用いた磁性体ヘッドであることを特徴とする磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサ。
【請求項３】
請求項２記載の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサにおいて、前記アモルファス磁性体ヘッドはアモルファスワイヤであることを特徴とする磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサ。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサにおいて、前記高透磁率磁性体ヘッドは、周回方向に磁気異方性を持つヘッドであることを特徴とする磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサ。
【請求項５】
請求項１記載の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサにおいて、前記パルス通電電流は、前記高透磁率磁性体ヘッドに表皮効果を生じさせ、磁気インピーダンス効果を発生させることを特徴とする磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサ。
【請求項６】
請求項１記載の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサにおいて、前記電子スイッチに接続されるアンプからのセンサ出力電圧に比例した電流を印加させ、外部磁界Ｈexを相殺する負帰還磁界を発生する帰還コイルとを具備することを特徴とする磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小磁界を温度安定性が高く、かつ、高感度・高速応答で検出する磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高感度磁気センサとしては、フラックスゲートセンサ及び既に本願発明者によって提案されている磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサ（ＭＩセンサ）がある（例えば、特開平９−１３３７４２号公報、特開平９−３２９６５５号公報参照）。
【０００３】
フラックスゲートセンサは、アポロ計画で月磁気検出に用いられたことで有名な高感度磁界センサであるが、ヘッドの長さ方向に交流磁界で励振することによるヘッド端部の反磁界の影響を避けるため、ヘッドの長さを、２０〜３０ｍｍに設定して、ヘッドの中央部の磁束変化の外部磁界に対する敏感性を利用して、マイクロガウスの高分解能を実現している。
【０００４】
この原理的欠点のため、フラックスゲートセンサでは、ヘッドのマイクロ寸法化は不可能であり、ヘッド端部の磁界検出感度が低いため磁気記録のヘッドや、高密度着磁体の表面局所磁界を検出するロータリーエンコーダ用ヘッドなどには適用できない。専ら、一様磁界に対してのみ高感度である。応答速度は、コイルによる大振幅励磁のため数ｋＨｚが一般的であり、数十ｋＨｚ以上の磁界を検出することは困難である。さらに、この大振幅励磁のため、消費電力は１０ＶＡ以上であり、携帯性には難がある。
【０００５】
一方、ＭＩセンサは、ヘッドの磁性体に高周波電流またはパルス電流を通電して表皮効果を発生させることにより、そのインピーダンスが外部磁界で敏感に変化することを原理としており、反磁界を生じないため、ヘッドを１ｍｍ以下のマイクロ寸法に短く設定してもマイクロガウスの磁界検出分解能を発揮し、ＭＨｚの高速応答も容易であり、さらに、パルス電流励磁・パルス磁界バイアス方式ＭＩセンサの消費電力は１０ｍＷ程度であるので、携帯性に富んでいる。
【０００６】
表１に、フラックスゲートセンサとＭＩセンサの基本性能の比較を示す。
【０００７】
【表１】
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このように、ＭＩセンサはマイクロ寸法ヘッド、高感度、高速応答、低消費電力の４つの長所をすべて兼備する超高性能マイクロ磁気センサであるため、電磁波センサ、電磁波信号解析器、地磁気方位センサ、ハンディ地磁気センサ、車速センサ、加速度センサなどへの実用化が急速に拡大している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＭＩセンサは、検波用にショットキーバリアダイオードなどの高周波用ダイオードを使用しているため、例えば、自動車分野などへの応用に際して、センサの環境温度が大幅に変動する環境下では直流出力電圧が変動するという、温度特性の不安定性が解決すべき課題であることが判明した。
【０００９】
また、これまでのＭＩセンサでは、ヘッドにバイアス磁界を印加してリニア磁界センサを構成するため、消費電力が比較的大きくなる場合が多かった。
【００１０】
本発明は、上記問題点を除去し、温度特性の安定化を図るとともに、消費電力を減少させることができる磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサにおいて、パルス通電電流で周回方向に励磁される高透磁率磁性体ヘッドと、この高透磁率磁性体ヘッドの周回方向に巻回されたコイルと、このコイルの誘起電圧の第１パルスを検出する電子スイッチとを具備するようにしたものである。
【００１２】
〔２〕上記〔１〕記載の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサにおいて、前記高透磁率磁性体ヘッドはアモルファス磁性体を用いた磁性体ヘッドであることを特徴とする。
【００１３】
〔３〕上記〔２〕記載の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサにおいて、前記アモルファス磁性体ヘッドはアモルファスワイヤであることを特徴とする。
【００１４】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサにおいて、前記高透磁率磁性体ヘッドは、周回方向に磁気異方性を持つヘッドであることを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔１〕記載の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサにおいて、前記パルス通電電流は、前記高透磁率磁性体ヘッドに表皮効果を生じさせ、磁気インピーダンス効果を発生させるようにしたものである。
【００１６】
〔６〕上記〔１〕記載の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサにおいて、前記電子スイッチに接続されるアンプからのセンサ出力電圧に比例した電流を印加させ、外部磁界Ｈexを相殺する負帰還磁界を発生する帰還コイルとを具備するようにしたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
まず、本発明の第１実施例について説明する。
【００１９】
図１は本発明の第１実施例を示す磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサ（ＭＩ）センサ回路の構成図である。
【００２０】
この図において、１は０磁歪アモルファスワイヤ、２はＭＩ素子、３はＱ1 ，Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 ，Ｑ5 ，Ｑ6 （例えば、７４ＡＣ０４）のＣ−ＭＯＳインバータとＣＲ微分回路からなる電源回路、４はアナログスイッチ（例えば、７４ＨＣ４０６６）、５は０磁歪アモルファスワイヤ１の周回方向に巻回されたコイル、６はアンプ（例えば、ＡＤ５２４）、７は帰還コイル、Ｒ1 は５１０ｋΩ、Ｒ2 は３ｋΩ、Ｒ3 は２００ｋΩ、Ｒ4 は１Ω、Ｒ5 は５．１ｋΩ、Ｒ6 は２ｋΩ、Ｒ7 は２ｋΩ、Ｒ8 は３ｋΩ、Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 ，Ｃ4 は１００ｐＦである。
【００２１】
この図に示すように、この実施例の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサ（ＭＩセンサ）回路は、２ｍｍ長、３０μｍ径の０磁歪アモルファスワイヤ１の両端に半田付けで電極を形成したＭＩ素子２をヘッドとし、ＣＭＯＳマルチバイブレータとＣＲ微分回路からなる電源回路３で発生させた立ち上がり時間約５ｎｓのパルス電流をＭＩ素子２に印加し、このＭＩ素子２の周回方向に巻回された４０ターンのコイル５の誘起電圧を検出するように構成している。
【００２２】
上記０磁歪アモルファスワイヤ１は、厳密にはわずかに負の磁歪（−１０-7）を持ち、張力アニールによって円周方向に異方性が誘導されているワイヤである。したがって、ワイヤ長さ方向の外部磁界Ｈexが０の場合は、ワイヤ１の通電パルス電流による磁束の変化は円周方向のみであって、ワイヤ１の周回方向に巻回されたコイル５との鎖交磁束が０であり、このコイル５の誘起電圧は０である。
【００２３】
外部磁界Ｈexが印加されると、ワイヤ１の磁化ベクトルがワイヤ軸方向に傾斜し、通電パルス電流による円周方向の磁界によって磁化ベクトルが円周方向に回転する。この時の磁束変化のワイヤ軸方向成分がコイル５と鎖交し、コイル５に誘起電圧が発生する。このコイル５の誘起電圧の符号は外部磁界Ｈexの符号と逆になる。ワイヤ１は表皮効果のため磁壁の移動が抑制され、磁化ベクトルの回転のみが生じる。この磁化動作のため、この回路構成におけるコイル５の誘起電圧は、従来のようにバイアス磁界を印加することなく、外部磁界Ｈexに比例した電圧となり、リニア磁界センサの特性を表す。
【００２４】
しかし、急峻なパルス電流による鎖交磁束の急激な変化のため、誘起電圧波形は純粋なパルス電圧波形でなく、コイル５の浮遊容量によるＬＣ振動波形となる。この振動波形の第１パルス波形のみが外部磁界Ｈexに比例して高感度に変化するため、高感度磁界センサを構成するためには、第１のパルス波形のみを抽出する必要がある。ここでは、アナログスイッチ４によって、第１のパルス波形のみを抽出する。
【００２５】
図２は、縦軸をコイル誘起電圧の第１のパルスの高さをピークホールドした値Ｅout 、横軸を印加磁界Ｈexとした実験結果を示す。｜Ｈex｜を０から約１．２Ｏｅまで増加させると、Ｅout はＨexに比例して増加し、｜Ｈex｜＞１．２ＯｅまではＥout が減少している。
【００２６】
このアナログスイッチ４のトリガパルスは、ワイヤ通電パルスより進み位相にする必要があり、ワイヤ通電パルスは２個のインバータ（Ｑ3 ，Ｑ4 ）を通して約１０ｎｓ遅らせるようにしている。
【００２７】
このコイル５の誘起パルス電圧の第１パルスの高さはピークホールド回路（Ｒ5 ，Ｃ4 ）で直流電圧に変換され、アンプ６でセンサ出力電圧となる。センサ出力電圧に比例した電流は、帰還コイル７に印加されて、外部磁界Ｈexを相殺する負帰還磁界を発生する。
【００２８】
この負帰還効果によって、図３に示すように、直線性の良いヒステリシスのない磁界センサ特性が得られる。
【００２９】
図４は本発明の第１実施例の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサの出力電圧の温度特性を示す図であり、縦軸にセンサ出力電圧のドリフト率（％）、横軸に温度（℃）を示している。
【００３０】
この図において、ａは従来のショットキーバリアダイオードを用いた単ヘッドのＭＩセンサの特性を、ｂは本発明の第１実施例の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサによるコイル電圧検出形単ヘッドＭＩセンサの温度特性の測定結果を示している。
【００３１】
センサ全体を電気炉に設置し、温度を室温から８０℃まで上昇させた場合の、０電圧の変化であり、本発明のＭＩセンサでは、フルスケール電圧に対する０電圧の発生率が従来のＭＩセンサの約１／５に減少していることが分かる。
【００３２】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００３３】
図５は本発明の第２実施例を示す磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサ（ＭＩセンサ）回路の構成図である。
【００３４】
この図において、１１は０磁歪アモルファスワイヤ、１２はＭＩ素子、１３はＣＭＯＳマルチバイブレータとＣＲ微分回路を含む電源回路、Ｑ1 ，Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 ，Ｑ5 ，Ｑ6 ，Ｑ7 （例えば、７４ＡＣ０４）はＣ−ＭＯＳインバータを構成している。また、アナログスイッチ１４（例えば、７４ＨＣ４０６６）、コイル１５，１６，アンプ１７（例えば、ＡＤ５２４）、帰還コイル１８，１９を備えている。Ｒ1 は５．１ｋΩ、Ｒ2 は３ｋΩ、Ｒ3 は２００Ω、Ｒ4 ，Ｒ5 は５１ｋΩ、Ｒ6 ，Ｒ7 は２ｋΩ、Ｒ8 は３ｋΩ、Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 ，Ｃ4 ，Ｃ5 は１００ｐＦである。
【００３５】
この第２実施例では、第１実施例のＭＩセンサ回路を２ヘッド回路に発展させて、コモンモードノイズを相殺することにより温度安定性の良いセンサを構成するようにしている。
【００３６】
図６は本発明の第２実施例の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサの出力電圧の温度特性を示す図であり、縦軸にセンサ出力電圧のドリフト率（％）、横軸に温度（℃）を示している。
【００３７】
この図において、ａは従来のショットキーバリアダイオードを用いた単ヘッドのＭＩセンサの特性を、ｂは本発明の第１実施例の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサによるコイル電圧検出形単ヘッドＭＩセンサの温度特性の測定結果を、ｃは本発明の第２実施例の磁気インピーダンス効果マイクロ磁気センサによるコイル電圧検出形２ヘッドＭＩセンサの温度特性の測定結果をそれぞれ示している。
【００３８】
この図から明らかなように、２ヘッドＭＩセンサにより、コモンモード相殺効果による温度安定性が約４倍に向上した結果が得られた。３０℃〜７５℃の温度変化における０電圧のドリフトは０．４％であり、０．０１％ＦＳ／℃の高安定特性が実現された。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４０】
例えば、パルス通電したＭＩ素子の両端間の電圧の第１パルスをアナログスイッチで抽出してピークホールドするＭＩセンサも含まれる。
【００４１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００４２】
（Ａ）温度特性の安定化を図るとともに、消費電力を減少させることができる。
【００４３】
（Ｂ）負帰還効果によって、直線性の良いヒステリシスのない磁界センサ特性を得ることができる。
【００４４】
（Ｃ）コモンモード相殺効果による温度安定性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す磁気インピーダンス効果マイクロ磁気（ＭＩ）センサ回路の構成図である。
【図２】  本発明の第１実施例を示すコイルパルス電圧対磁界の特性図である。
【図３】  本発明第１実施例を示す磁気インピーダンス効果マイクロ磁気（ＭＩ）センサによる磁界（±１Ｏｅ，１００Ｈｚ）検出の特性図である。
【図４】  本発明の第１実施例を示す磁気インピーダンス効果マイクロ磁気（ＭＩ）センサの出力電圧の温度特性を示す図である。
【図５】  本発明の第２実施例を示す磁気インピーダンス効果マイクロ磁気（ＭＩ）センサ回路の構成図である。
【図６】  本発明の第２実施例を示す磁気インピーダンス効果マイクロ磁気（ＭＩ）センサの出力電圧の温度の特性図である。
【符号の説明】
Ｑ1 ，Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 ，Ｑ5 ，Ｑ6 ，Ｑ7     Ｃ−ＭＯＳインバータ
１，１１    ０磁歪アモルファスワイヤ
２，１２    ＭＩ素子（ヘッド）
３，１３    電源回路
４，１４    アナログスイッチ
５，１５，１６    コイル
６，１７    アンプ
７，１８，１９    帰還コイル
【図１】
0003645116.tif 000003
【図２】
0003645116.tif 000004
【図３】
0003645116.tif 000005
【図４】
0003645116.tif 000006
【図５】
0003645116.tif 000007
【図６】
0003645116.tif 000008