(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基板と、
（ｂ）該基板上に絶縁体層を挟んで平行に配置した複数の導電性の磁性体層とを備え、
（ｃ）前記磁性体層の少なくとも一層の磁性体層を電気的に接続して高周波電流を通電するようにし、前記磁性体層同士の間隔を前記高周波電流によって発生する磁界が他の磁性体層に作用するように狭く配置することを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
請求項１記載の磁気センサにおいて、前記磁性体層の１層のみの両端に電極を形成し、該電極間に前記高周波電流を供給することを特徴とする磁気センサ。
【請求項３】
請求項１記載の磁気センサにおいて、前記磁性体層の両端に電極を形成し、該電極間に同じ方向に前記高周波電流を供給することを特徴とする磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高感度磁気センサとして磁性体のインピーダンス変化を利用したセンサが２種類提案されている。一つは高周波電流を通電した磁性体の内部インピーダンスが外部磁界によって変化するタイプ（ＭＩセンサ）であり、もう一つは高周波電流を通電した非磁性導体の周囲に磁性体を配置した構造であり、導体の外部インピーダンスが外部磁界によって変化するタイプである。
【０００３】
具体的には、以下のような先行技術が存在する。
（１）菊池弘昭、竹澤昌晃、山口正洋、荒井賢一：日本応用磁気学会誌，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．４−２（１９９７），ｐ．７８９
（２）千田正勝、越本泰弘：日本応用磁気学会誌，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５（１９９７），ｐ．８９５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の２種類のいずれのセンサも、より一層の感度向上にはインピーダンス変化量の増加が必要であり、それに適したセンサ構造が求められていた。
【０００５】
本発明は、上記問題点を除去し、構造が簡単で、かつ磁界検出感度を向上し得る磁気センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【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〕磁気センサにおいて、基板と、この基板上に絶縁体層を挟んで平行に配置した複数の導電性の磁性体層とを備え、前記磁性体層の少なくとも一層の磁性体層を電気的に接続して高周波電流を通電するようにし、前記磁性体層同士の間隔を前記高周波電流によって発生する磁界が他の磁性体層に作用するように狭く配置することを特徴とする。
【０００７】
〔２〕上記〔１〕記載の磁気センサにおいて、前記磁性体層の１層のみの両端に電極を形成し、この電極間に前記高周波電流を供給することを特徴とする。
【０００８】
〔３〕上記〔１〕記載の磁気センサにおいて、前記磁性体層の両端に電極を形成し、この電極間に同じ方向に前記高周波電流を供給することを特徴とする。
【０００９】
また、上記〔１〕記載の磁気センサにおいて、前記磁性体層の一端は前記磁性体を折り返すように形成し、前記磁性体層の他端は前記絶縁体を挟んで２段の電極を形成し、これらの電極が直列になるように電気的に接続することを特徴とする。
【００１０】
更に、上記〔１〕記載の磁気センサにおいて、前記磁性体層の一端には電極を形成し、前記複数の磁性体層の他端は前記絶縁体を挟んで２段の電極を形成し、これらの電極が直列になるように電気的に接続することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明の第１実施例を示す磁気センサ（Ｍc ／Ｍ型）のセンサ素子の斜視図である。
【００１３】
本発明の第１実施例のセンサ素子７は、図１に示すように、例えば、基板１と、その基板上に長さＬ1 ：２０ｍｍ、幅Ｗ1 ：１２．５ｍｍ、厚さＴ1 ：１０μｍの第１の磁性体層２を形成し、その第１の磁性体層２上に幅Ｗ2 ：１２．５ｍｍ、長さＬ2 ：１０ｍｍ、厚さＴ2 ：２００μｍの絶縁体層３を形成し、更に、その絶縁体層３上に同じ広さの第２の磁性体層４を形成し、第１の磁性体層２のみに電源を接続し、高周波電流を通電するようにした。
【００１４】
詳細には、磁性体層２，４はＣｏ系アモルファスリボンを用いた。異方性磁界（ＨK ）は約５Ｏｅ、比透磁率（μr ）は約８０００である。磁化容易軸方向は素子の長さ方向である。周波数４ＭＨｚの高周波電流（Ｉ0 ）は、図９に示すようなレイアウトで、ネットワークアナライザのポートから５０Ωを介してセンサ素子の長さ方向に通電した。比較のために、２０×１２．５ｍｍの磁性リボンのみのＭ型センサも用いた。
【００１５】
図２に本発明の磁気センサ（Ｍc+／Ｍc+型）及び従来の基板上に単層の磁性体層を有するＭ型センサの規格化電圧の外部磁界依存性を示す。図２中には、インピーダンス変化の計算値（●はＭ／Ｍ型，▲はＭ型）も併記した。
【００１６】
外部磁界の増加に伴い出力電圧は磁性体のＨk 付近で大きく減少し、５００Ｏｅにおける計算値と実験値の誤差は最大で３％である。磁性体リボン自身の形状による外部インピーダンスの増加分は磁気回路モデルから算出した。
【００１７】
以上の結果から、導体として用いた磁性体リボン上に磁性体リボンを積層することで、インピーダンス変化率が増大し、センサ感度の向上に有利であることが明らかとなった。また、磁性体／磁性体構造の磁気センサは、内部インピーダンスと外部インピーダンスの変化を重畳した値となることも明らかとなった。
【００１８】
図３は本発明の第２実施例を示す磁気センサ（Ｍc+／Ｍc+型）のセンサ素子の斜視図、図４は本発明の第２実施例を示す磁気センサ（Ｍc+／Ｍc+型）のセンサ素子の製造工程断面図である。
【００１９】
本発明の第２実施例のセンサ素子１７は、図３に示すように、例えば、第１，第２の磁性体層１２および１６として厚さＴ1 ：０．０１ｍｍ、幅Ｗ1 ：１２．５ｍｍ、長さＬ1 ：２０ｍｍのＣｏＦｅＭｎＭｏＳｉＢアモルファスリボンを、絶縁体層１５として厚さＴ1 ：０．０１ｍｍ、幅Ｗ1 ：１２．５ｍｍ、長さＴ2 ：２００μｍのプラスチックシートを、電極１３、及び電極１４として半田を、基板１１としてスライドガラスを用いた。なお、ＣｏＦｅＭｎＭｏＳｉＢアモルファスリボンに限定することなく、Ｃｏ系アモルファスリボンとするようにしてもよい。
【００２０】
（１）まず、図４（ａ）に示すように、ガラス基板１１上に第１の磁性体層１２を形成し、その両端には電極１３Ａ，１４Ｂを形成する。
【００２１】
（２）次に、図４（ｂ）に示すように、絶縁体層１５を形成し、その上に第２の磁性体層１６を形成する。
【００２２】
（３）次に、図４（ｃ）に示すように、その第２の磁性体層１６の両端にも電極１３Ｂ，１４Ｂを形成する。
【００２３】
このようにして、第１の磁性体層１２と第２の磁性体層１６の間には絶縁体層１５を挟み、その両端には電極１３，１４が形成される。
【００２４】
このようにして形成されたセンサ素子１７には、両端の電極１３と１４に電気を接続して、高周波電流Ｉ0 を供給する。その場合に、磁性体層１２，１６同士の間隔を前記高周波電流Ｉ0 によって発生する磁界が他の磁性体層に作用するように狭く配置する。
【００２５】
図５は本発明の第３実施例を示す磁気センサのセンサ素子（Ｍc+／Ｍc-型）の斜視図、図６は本発明の第２実施例を示す磁気センサのセンサ素子（Ｍc+／Ｍc-型）の製造工程断面図である。
【００２６】
本発明の第３実施例のセンサ素子２０は、図５に示すように、例えば、磁性体層２２および２５として厚さ１０μｍのＣｏＦｅＭｎＭｏＳｉＢアモルファスリボンを、絶縁体層２４として厚さ２００μｍのプラスチックシートを、二段の電極２３，２６として半田を、基板２１としてスライドガラスを用いた。
【００２７】
（１）まず、図６（ａ）に示すように、ガラス基板２１上に磁性体層２２を形成し、その磁性体層２２の一端はそのままにしておき、その磁性体層２２の他端には電極２３を形成する。
【００２８】
（２）次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁体層２４をその磁性体層２２の一端には形成せず、その磁性体層２２の他端は電極２３に及ぶように形成する。
【００２９】
（３）次に、図６（ｃ）に示すように、磁性体層２５を磁性体層２２の一端に重ねて折り返すように配置し、その磁性体層２５の他端には電極２６を形成する。
【００３０】
このようにして形成されたセンサ素子２０には、二段になった電極２３と２６間に高周波電流Ｉ0 を供給すると、電極２３から導入された高周波電流Ｉ0 は、磁性体層２２を介して一端で折り返された後、磁性体層２５を介して電極２６から導出される。その場合に、磁性体層２２，２５同士の間隔を前記高周波電流Ｉ0 によって発生する磁界が他の磁性体層に作用するように狭く配置する。
【００３１】
図７は本発明の第４実施例を示す磁気センサのセンサ素子（Ｍc+／Ｍc-型）の斜視図、図８は本発明の第４実施例を示す磁気センサのセンサ素子（Ｍc+／Ｍc-型）の製造工程断面図である。
【００３２】
本発明の第４実施例のセンサ素子３０は、図７に示すように、例えば、磁性体層３２および３６として厚さ１０μｍのＣｏＦｅＭｎＭｏＳｉＢアモルファスリボンを、絶縁体層３５として厚さ２００μｍのプラスチックシートを、１つの電極３３と二段の電極３４，３７として半田を、基板３１としてスライドガラスを用いた。なお、ＣｏＦｅＭｎＭｏＳｉＢアモルファスリボンに限定することなく、Ｃｏ系アモルファスリボンとするようにしてもよい。
【００３３】
（１）まず、図８（ａ）に示すように、ガラス基板３１上に磁性体層３２を形成し、その磁性体層３２の一端には電極３３Ａを、その磁性体層３２の他端には電極３４を形成する。
【００３４】
（２）次に、図８（ｂ）に示すように、絶縁体層３５をその磁性体層３２の一端には形成せず、その磁性体層３２の他端は電極３４に及ぶように形成する。
【００３５】
（３）次に、図８（ｃ）に示すように、磁性体層３６を磁性体層３２に重ねるように形成し、その磁性体層３６の他端には電極３３と二段目の電極３７を形成する。
【００３６】
このようにして形成されたセンサ素子３０には、二段になった電極３４と３７間に高周波電流Ｉ0 を供給すると、その高周波電流Ｉ0 は電極３４から導入されて、磁性体層３２を介して、電極３３に至り折り返されて、そこから磁性体層３６を介して電極３７から導出される。
【００３７】
その場合に、磁性体層３２，３６同士の間隔を前記高周波電流によって発生する磁界が他の磁性体層に作用するように狭く配置する。
【００３８】
このように、平行に配置した複数の導電性磁性体層を電気的に接続し、これに高周波電流を通電する。この場合、磁性体のインピーダンスとしては内部インピーダンスと外部インピーダンスが合算されるだけでなく、磁性体層同士の相互インピーダンスも重畳するため、素子インピーダンスが増加すると共に、外部磁界に伴う変化量も増大する。
【００３９】
ここで、相互インピーダンスは磁性体層同士の間隔を十分狭く設定した場合、ある磁性体層から発生した磁界が隣接した他の磁性体層に鎖交した時に、この磁性体層に電磁誘導によって起電力を生じる効果として現れる。相互インピーダンスの具体的な内容は平行線路間の相互インダクタンスであり、両線路に同一方向に電流が流れている場合には正の値となるので、全体のインピーダンスを増す方向に作用する。
【００４０】
図９に一例として単一磁性体から成るセンサ素子（Ｍc 型素子）を組み込んだインピーダンス測定系を示す。
【００４１】
この図において、測定にはネットワークアナラライザ（ＨＰ８７５３Ｄ）を用いた。ネットワークアナライザのポート４１とＭc 型素子４０の間にはインピーダンス整合用の抵抗素子４３（５０Ω）を接続した。素子量子両端の電圧をポートネットワークアナライザのポート４２における透過係数Ｓ21として測定し、インピーダンス変化を評価した。測定周波数は４ＭＨｚ、入力電力は０ｄＢｍである。外部磁界（Ｈex）はヘルムホルツコイル（Ｈex＝０〜６０Ｏｅ）および永久磁石（Ｈex＝５００Ｏｅ）を用いて印加した。
【００４２】
以下その実験結果について説明する。
【００４３】
図１０に外部磁界を素子長手方向及び幅方向に印加した場合のＭc+型素子におけるインピーダンスの外部磁界依存性を示す。縦軸は外部磁界Ｈex〔Ｏｅ〕を、縦軸は外部磁界Ｈex＝００Ｏｅ時のインピーダンスを１００％とした規格化インピーダンス（Ｚ）〔％〕を示している。この図において、外部磁界Ｈexの印加方向が素子長手方向ａの場合は、磁性体の磁化率（χ）、透磁率（μ）の３者の関係は以下の式（１）で表される。
【００４４】
μ≒χ∝１／（Ｈex＋Ｈk ）                                  …（１）
μとＺは比例するため、ＺはＨexと反比例の関係にある。よって、素子長手方向ｂにＨexを印加した場合、Ｚは急激な減少は示さず徐々に一定値に達する。
【００４５】
一方、外部磁界Ｈexを素子幅方向ｂに印加した場合、ＺはＨex＝Ｈk 付近で急激に減少し、Ｈex＝５００Ｏｅでほぼ一定値に達する。外部磁界Ｈexを素子長手方向ａに印加した場合の最大変化率（ΔＺmax ％／Ｏｅ）は２．５％Ｏｅ、素子幅方向ｂの場合はΔＺmax ＝４．５％／Ｏｅであった。ΔＺmax は感度と比例するので、外部磁界Ｈexを素子幅方向ｂに印加した方が素子長手方向ａに印加した場合より高感度である。よって、以下の実験は、全て外部磁界Ｈexを素子幅方向ｂに印加した。
【００４６】
図１１にＭc+型・Ｍc+／Ｍ型・Ｍc+／Ｍc+型・Ｍc+／Ｍc-型素子におけるインピーダンスの外部磁界依存性について実験値およびＨ∞＝∞の場合の理論値を示す。Ｍc+型素子のＺはＨex≒３Ｏｅ付近で大きく減少し始める。またＭc+／Ｍ型、Ｍc+／Ｍc+型、Ｍc+／Ｍc-型素子は、Ｈex≒４〜５Ｏｅ付近でＺが急激に減少している。これはＨex≒Ｈk 付近であるため、Ｚが大きく変化したと考えられる。Ｍc+／Ｍc-型のＺ特性は単層であるＭc+型とあまり差が見られず、Ｈex＝５００Ｏｅにおける両者のＺはほぼ一致している。これに対しＭc+／Ｍ型はＭc+型及びＭc+／Ｍc-型に比べＺ変化は増大する。また、Ｍc+／Ｍc+型のＺは他の３者に比べさらに変化が増大する。
【００４７】
各素子に対する等価回路を図１２に示す。図１２（ａ）はＭc+型素子の等価回路である。Ｚr は磁化飽和時に残留するインピーダンス（残留インピーダンス）である。Ｚr は導体抵抗及び形状によるインダクタンスからなる。Ｚi は内部インダクタンスに起因する内部インピーダンスであり、外部磁界によって減少し、磁化飽和状態の場合Ｚi ≒０となる。よって、Ｍc+型素子のＨ∞＝∞における規格化インピーダンス（Ｚ）は式（２）で表される。
【００４８】
Ｚ∞〔％〕＝１００×｜Ｚr ／（Ｚr ＋Ｚi ）｜                …（２）
そこで、Ｍc+／Ｍ型素子の等価回路〔図１２（ｂ）〕では、Ｍc+型素子の等価回路に対し積層された磁性体による外部インピーダンスの増分（外部インピーダンス：Ｚo ）が重畳される。Ｚo の具体的な値は外鉄型磁気回路モデルから算出した。Ｚo もＺi と同様に磁化飽和状態ではＺo ≒０となる。Ｍc+／Ｍ型素子におけるＺ∞を式（３）に示す。
【００４９】
Ｚ∞〔％〕＝１００×｜Ｚr ／（Ｚr ＋Ｚi ＋Ｚo ）｜          …（３）
Ｍc+／Ｍc+型素子においても、Ｍc+／Ｍ型素子と同様にＺr ，Ｚi ，Ｚo が発生する。さらに、両層に流れる電流から発生する磁界によって誘起される相互インダクタンスに基づく相互インピーダンス（Ｚm ）が発生する。ここで、素子は無限平面であり隣接する導体の結合係数を１と仮定し、Ｚm ＝Ｚo が得られる。
【００５０】
よって、Ｍc+／Ｍc+型素子は、図１２（ｃ）のような並列回路となる。
【００５１】
Ｍc+／Ｍc+型素子のＺ∞を式（４）に示す。
【００５２】
Ｚ∞〔％〕＝１００×｜Ｚr ／（Ｚr ＋Ｚi ＋Ｚo ＋Ｚm ）｜    …（４）
Ｍc+／Ｍc-型素子はＺm のＺに対する寄与を確認するために用いた。
【００５３】
Ｍc+／Ｍc-型〔図１２（ｄ）〕では磁性体は直列接続されているため、上層と下層の磁性体では電流の通電方向が反転する。
【００５４】
よって、Ｍc+／Ｍc+型と同様にＺm が発生するが、通電方向が逆方向であるためＺm の符号は負となる。Ｍc+／Ｍc-型素子のＺ∞を式（５）に示す。
【００５５】
Ｚ∞〔％〕＝１００×｜Ｚr ／（Ｚr ＋Ｚi ＋Ｚo −Ｚm ）｜    …（５）
理論計算より求めた各インピーダンスの比は、式（６）である。
【００５６】
Ｚr ：Ｚi ：Ｚo ：Ｚm ＝１．０：１．２：０．６：０．６      …（６）
次に、式（６）に基づき、各素子におけるＺ∞を算出した。
【００５７】
Ｍc+型素子ではＺ∞≒４５％、Ｍc+／Ｍ型素子ではＺ∞≒３６％、Ｍc+／Ｍc+型素子でＺ∞≒２９％、Ｍc+／Ｍc+型素子では、Ｚ∞≒４５％となった。Ｚの理論値とＨex＝５００Ｏｅにおける実験値の差は最大２％であった。Ｍc+／Ｍc-型素子とＭc+型素子のＺがほぼ一致することは、素子は無限平面と仮定でき、結合係数がほぼ１となるため、前述の通り｜Ｚo ｜≒｜Ｚm ｜であることを示唆している。また、Ｚm の符号は負であるため、Ｚo とＺm は打ち消し合い、Ｍc+／Ｍc-型素子におけるＺ∞はＭc+型素子のＺ∞と等しくなったと考えられる。
【００５８】
表１に各素子のΔＺmax とそれが得られたＨexを示す。
【００５９】
【表１】
0003698939.tif 000002
【００６０】
Ｍc+型とＭc+／Ｍc-型のΔＺmax はほぼ一致している。Ｍc+／Ｍ型のΔＺmax はＭc+型の約２倍、Ｍc+／Ｍc+型のΔＺmax は約３倍であった。ΔＺmax は感度と比例するので、Ｍc+／Ｍc+型素子が最も高感度であると言える。積層型素子（Ｍc+／Ｍ型、Ｍc+／Ｍc+型、Ｍc+／Ｍc-型）において、ΔＺmax が得られたＨexはＭc+型のものより大きい理由は、磁性体を積層したことにより反磁界が増し、実効的なＨk が増したためと考えられる。
【００６１】
上記した本発明のセンサ素子、つまり、積層構造磁気センサにおいて、以下のことが明らかにした。
【００６２】
（１）２層構造磁気センサにおいて、１層の磁性体に高周波電流を通電した場合（Ｍc+／Ｍ型）、外部インピーダンスが増し、インピーダンス変化が増大する。
【００６３】
（２）２層構造磁気センサにおいて、２層の磁性体に対し、同一方向に高周波電流を通電した場合（Ｍc+／Ｍc+型）、外部インピーダンスおよび相互インピーダンスが増し、インピーダンス変化がさらに増加する。
【００６４】
（３）２層構造磁気センサにおいて、２層に反対方向に高周波電流を通電した場合（Ｍc+／Ｍc-型）、磁化飽和状態におけるインピーダンス変化は１層の磁性体に通電した場合と同じになる。これは外部インピーダンスと相互インピーダンスがほぼ等しく、しかも符号は逆なため、相互インピーダンスが外部インピーダンスを打ち消していることを示す。
【００６５】
（４）インピーダンス変化の増加に伴い、最大インピーダンス変化率は増加した。すなわち、磁性体の積層化によるインピーダンス変化の向上により、磁気センサの一層の高感度化が期待できる。
【００６６】
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、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００６７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の磁気センサによれば、複数の高周波電流を通電した磁性体層が隣接することで素子インピーダンスが増加する。素子インピーダンス変化量は既存のセンサの約１．８倍に達し、磁界検出感度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す磁気センサ（Ｍc+／Ｍc+型）のセンサ素子の斜視図である。
【図２】本発明の磁気センサ（Ｍc+／Ｍc+型）及び従来の基板上に単層の磁性体層を有するＭ型センサの規格化電圧の外部磁界依存性を示す図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す磁気センサ（Ｍc+／Ｍc-型）のセンサ素子の斜視図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す磁気センサ（Ｍc+／Ｍc-型）のセンサ素子の製造工程断面図である。
【図５】本発明の第３実施例を示す磁気センサ（Ｍc+／Ｍc-型）のセンサ素子の斜視図である。
【図６】本発明の第３実施例を示す磁気センサ（Ｍc+／Ｍc-型）のセンサ素子の製造工程断面図である。
【図７】本発明の第４実施例を示す磁気センサ（Ｍc+／Ｍc-型）のセンサ素子の斜視図である。
【図８】本発明の第４実施例を示す磁気センサ（Ｍc+／Ｍc-型）のセンサ素子の製造工程断面図である。
【図９】センサ素子（Ｍc 型素子）を組み込んだインピーダンス測定系を示す図である。
【図１０】外部磁界を素子長手方向及び幅方向に印加した場合のＭc+型素子におけるインピーダンスの外部磁界依存性を示す図である。
【図１１】Ｍc+型・Ｍc+／Ｍ型・Ｍc+／Ｍc+型・Ｍc+／Ｍc-型素子におけるインピーダンスの外部磁界依存性について実験値およびＨ∞＝∞の場合の理論値を示す図である。
【図１２】各素子に対する等価回路を示す図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１    基板
２，１２    第１の磁性体層
３，１５，２４，３５    絶縁体層
４，１６    第２の磁性体層
１６，２２，２５，３２，３６    磁性体層
７，１７，２０，３０    センサ素子
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１４，１４Ａ，１４Ｂ，２３，２６，３３，３３Ａ，３４，３７    電極
４０    Ｍc 型素子
４１，４２    ネットワークアナライザのポート
４３    インピーダンス整合用の抵抗素子
【図１】
0003698939.tif 000003
【図２】
0003698939.tif 000004
【図３】
0003698939.tif 000005
【図４】
0003698939.tif 000006
【図５】
0003698939.tif 000007
【図６】
0003698939.tif 000008
【図７】
0003698939.tif 000009
【図８】
0003698939.tif 000010
【図９】
0003698939.tif 000011
【図１０】
0003698939.tif 000012
【図１１】
0003698939.tif 000013
【図１２】
0003698939.tif 000014