(57)【要約】　　　（修正有）【課題】磁気インピーダンス効果を用いる磁気検出器で磁気分布の影響を受け難くし、高感度で高精度の検出を可能とする。【解決手段】細長い短冊形に成形された磁性薄膜２を支持するフレキシブル基板１を、柔軟性を有する例えばアラミドフィルムから構成するとともに、直線状導体３に流れる被測定電流４にて発生する周回磁場５に一致させて、その両端が接するようにリング状に形成することにより、直線状導体３から発生する周回磁場一周分を受けられるようにし高感度，高精度な磁気検出ができるようにする。【選択図】　　　　図１
2004039848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に高透磁率磁性膜を形成し短冊形に加工して形成される磁性薄膜に、高周波電流を印加することで外部磁界によって磁性体のインピーダンスが変化する、磁気インピーダンス効果を利用する素子であって、短冊形磁性膜の１つ、または２つ以上からなる短冊形磁性薄膜を支持する基板として柔軟な基板を用いた磁気インピーダンス素子において、
短冊形に成形した磁性薄膜を支持する柔軟な基板をその両端が接するよう、磁場発生源に対してリング状に形成することを特徴とする磁気インピーダンス素子。
【請求項２】
基板に高透磁率磁性膜を形成し短冊形に加工して形成される磁性薄膜に、高周波電流を印加することで外部磁界によって磁性体のインピーダンスが変化する、磁気インピーダンス効果を利用する素子であって、短冊形磁性膜の１つ、または２つ以上からなる短冊形磁性薄膜を支持する基板として柔軟な基板を用いた磁気インピーダンス素子において、
短冊形に成形した磁性薄膜を支持する柔軟な基板を磁場発生源に対し渦巻き状または螺旋状に巻いて形成することを特徴とする磁気インピーダンス素子。
【請求項３】
前記短冊形に成形した磁性薄膜が、前記基板と同じ長さを有するか、または僅かに短いことを特徴とする請求項１に記載の磁気インピーダンス素子。
【請求項４】
前記磁場発生源を１つ、または２つ以上設けることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気インピーダンス素子。
【請求項５】
前記基板上に短冊形に成形した磁性薄膜と同一面またはその逆の裏面に、基板とは別の有機物材料を直線状に塗布することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気インピーダンス素子。
【請求項６】
前記有機物材料を直線状に塗布するにあたり、前記短冊形に成形した磁性薄膜の長さ方向と一致させて平行とするか、直交または或る角度をなして交差させるか、もしくはこれらを組み合わせることを特徴とする請求項５に記載の磁気インピーダンス素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁気検出を行なう磁気センサ、特に磁気インピーダンス効果を利用した高感度磁気インピーダンス素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器や計測・制御機器の高性能化，小型薄型化，低コスト化が急速に進み、これらの急速な発展に伴い、それらに用いられる磁気センサ，電流センサなどにも小型，低コスト，高感度などの要求が大きくなっている。
【０００３】
従来から用いられている磁気センサとしてはホール素子，磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子），巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子），フラクッスゲートセンサなどが知られており、また電流センサとしてはカレントトランスなどが知られている。例えばコンピュータの外部記憶装置のハードディスク装置に用いられる磁気ヘッドには、従来のバルクタイプの誘導型磁気ヘッドからＭＲヘッドへと高性能化が進んでおり、現在では巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を利用しようとする研究が活発に行なわれている。また、モータの回転センサであるロータリエンコーダではマグネットリングの微小化に伴い、外部に漏れる磁束が微弱になっており、現在のＭＲ素子に代わる高感度な磁気センサが要求されている。ブレーカなども従来の機械式に代わり、電流センサを用いた電子式のブレーカやサーマルリレーの開発が進んでいるが、従来のカレントトランスを用いた方式では小型化が困難であり、また感度，検出レンジなどの点で磁気センサの高感度化，大レンジ化が求められている。
【０００４】
これらの要求を満たすために、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果（ＭＩ効果とも言う）を用いた磁気インピーダンスセンサが提案された（特開平６−２８１７１２号公報，日本応用磁気学会誌ｖｏｌ．１８，ｐ４９３，１９９４等参照）。磁気インピーダンス効果とは、磁性体に高周波電流を通電した状態で外部磁界が変化すると磁性体の透磁率が変化し、それにともない磁性体のインピーダンスが、磁界０のときと比較して数十〜数百％変化する現象である。この現象に伴う磁性体両端の電圧を測定することにより、数ガウス程度の微小な外部磁界変化を検出するものである。
【０００５】
上記のような磁気インピーダンス効果は、アモルファスワイヤだけでなく、磁性薄帯や磁性薄膜でも同様に見られ、特に薄膜については小型，薄型が可能であり、信頼性，量産性に優れるため、様々な構造のものが提案されている（電気学会マグネティックス研究会資料ＭＡＧ−９４−７５，１９９４、電気学会論文誌Ａ，１１５巻１０号，ｐ９４９，１９９５、特開平８−７５８３５号公報等参照）。
【０００６】
薄膜を用いた磁気インピーダンス素子は磁気異方性を付与され、一軸異方性を誘導した高透磁率軟磁性膜を短冊形に加工した磁性薄膜パターンで構成される。磁気異方性は磁性膜の成膜時に磁界を印加しながら行ない、さらに回転磁界中や静止磁界中で１５０〜４００℃程度の熱処理をすることにより誘導される。磁化容易軸の方向は、一般的には短冊形構造の短軸（線幅）方向である。磁気インピーダンス素子は、その長さ方向成分の磁界によってインピーダンスが変化すると言う特性を示す。このときの磁気インピーダンス特性は、磁化容易軸が線幅の場合、磁場の正負でそれぞれインピーダンスのピークをとり、磁場の正負で対称となる特性を示す。また、その変化率は数十〜数百％と非常に大きな変化を示す。
【０００７】
長さ方向に磁気異方性を付与しても、磁気インピーダンス特性が発現する。そのときの特性は磁界ゼロのときがインピーダンスが最も大きく、磁界の絶対値が大きくなるにつれて減少する特性になる。この場合も、インピーダンスは磁界の正負で対称になる。この場合の検出磁界方向も磁性薄膜パターンの長さ方向成分である。
【０００８】
これらの磁気インピーダンス特性におけるインピーダンスの変化は、磁性薄膜パターンに高周波電流を印加している状態で、透磁率が変化することによって引き起こされるものである。インピーダンスを抵抗成分とインダクタンス成分に分離すると、両者ともに透磁率が変化することによって変化するが、絶対値の大きい抵抗成分がその変化には支配的である。透磁率変化による抵抗変化は、基本的には高周波電流が磁性体中を流れるときに発生する表皮効果に起因するため、表皮効果を大きくするためには高周波電流の周波数を上げるか、または磁性薄膜の膜厚を厚くする方法が有効となる。
【０００９】
上記のように、磁気インピーダンス素子は磁界に対して大きくインピーダンスが変化することが特徴であるが、素子にバイアス磁界を印加し、磁界に対してインピーダンスの変化が大きい点で動作させることにより、さらに磁界に対して高感度に応答するセンサとなる。このバイアス磁界を印加するためには素子の周りにコイル（バイアスコイル）を形成し、そのコイルに電流を印加することで磁界を発生させることが必要である。また、感度の直線性を向上する目的で負帰還磁界をかける場合にもコイルが必要となる。アモルファスワイヤを用いた場合、そのワイヤの周りに直接Ｃｕワイヤなどを巻き、コイルを形成する構造がとられるが、薄膜で形成した磁気インピーダンス素子と同一基板上にコイルを薄膜で形成する構造なども提案されている（日本応用磁気学会誌ｖｏｌ．２１，ｐ６４９，１９９７、特開平９−２６９０８４号公報等参照）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、磁気インピーダンス素子にはアモルファスワイヤを用いたものと薄膜を用いたものとがあるが、特性の再現性（安定性），信頼性，量産性の面では薄膜を用いた方が有利と言える。薄膜を用いた場合、従来はガラスなどの硬い非磁性基板上にスパッタ法などを用いて成膜し、レジストなどの感光性材料を用いて微細パターンを形成し、ウエットエッチングやイオンビームエッチングなどのドライエッチングを用いて、微細パターンに加工している。
【００１１】
ところで、硬い基板によって作製した磁気検出のための磁気インピーダンス素子を用いて、電流が流れている直線状導体から生じる磁場を測定する場合、その磁場の強度分布は直線状導体を中心として同心円状になり、平面ではない。そのため、従来ガラス基板に作製されていた磁気インピーダンス素子では磁気インピーダンス素子が有限な大きさであるために、磁性薄膜パターンの場所によって磁気インピーダンス素子が受ける磁場強度に分布が生じる。特に、微小な電流の測定を行なう場合、測定対象物に極力近づける必要があるが、近づけるほど磁気インピーダンス素子が受ける磁場分布が大きくなり、精度の高い磁場測定ができないと言う問題が生じる。
【００１２】
したがって、この発明の課題は、磁気インピーダンス素子が受ける磁場分布の問題を解決し高感度で高精度な磁気検出器を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、基板に高透磁率磁性膜を形成し短冊形に加工して形成される磁性薄膜に、高周波電流を印加することで外部磁界によって磁性体のインピーダンスが変化する、磁気インピーダンス効果を利用する素子であって、短冊形磁性膜の１つ、または２つ以上からなる短冊形磁性薄膜を支持する基板として柔軟な基板を用いた磁気インピーダンス素子において、
短冊形に成形した磁性薄膜を支持する柔軟な基板をその両端が接するよう、磁場発生源に対してリング状に形成することを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明では、基板に高透磁率磁性膜を形成し短冊形に加工して形成される磁性薄膜に、高周波電流を印加することで外部磁界によって磁性体のインピーダンスが変化する、磁気インピーダンス効果を利用する素子であって、短冊形磁性膜の１つ、または２つ以上からなる短冊形磁性薄膜を支持する基板として柔軟な基板を用いた磁気インピーダンス素子において、
短冊形に成形した磁性薄膜を支持する柔軟な基板を磁場発生源に対し渦巻き状または螺旋状に巻いて形成することを特徴とする。
【００１５】
上記請求項１の発明においては、前記短冊形に成形した磁性薄膜が、前記基板と同じ長さを有するか、または僅かに短くすることができる（請求項３の発明）。請求項１または２の発明においては、前記磁場発生源を１つ、または２つ以上設けることができる（請求項４の発明）。
【００１６】
上記請求項１ないし４のいずれかの発明においては、前記基板上に短冊形に成形した磁性薄膜と同一面またはその逆の裏面に、基板とは別の有機物材料を直線状に塗布することができ（請求項５の発明）、この請求項５の発明においては、前記有機物材料を直線状に塗布するにあたり、前記短冊形磁性薄膜の長さ方向と一致させて平行とするか、直交または或る角度をなして交差させるか、もしくはこれらを組み合わせることができる（請求項６の発明）。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【００１８】
図示のように、アラミドフィルムのフレキシブル（柔軟）基板（厚さは約５０μｍ）１上に細長い短冊形磁性薄膜２から成る磁気インピーダンス素子において、その両端が互いに接するように、直線状導体３に流される被測定電流４にて発生する周回磁場５に一致させて配置して構成される。このとき、フレキシブル基板１の両端を接するので、短冊形磁性薄膜２はそれが互いに接しない程度に予めフレキシブル基板１の長さより僅かに短く形成しておくか、短冊形磁性薄膜２がフレキシブル基板１と同じ長さのときは短冊形磁性薄膜２が互いに接しないように配置するものとする。図１は前者の例である。また、符号６は電極を示す。
【００１９】
細長い短冊形磁性薄膜２は、フレキシブル基板１上に、例えばマグネトロンスパッタ法を用いてアモルファス磁性膜を成膜し、レジストなどの感光性材料を用いて微細パターンを形成し、磁界熱処理後にイオンビームエッチングして作製される。フレキシブル基板としてアラミドフィルムを用いたが、他の有機フィルムや非磁性金属薄帯、キャッシュカード等に用いられているプラスティック板でも良い。
【００２０】
以上のようにすることで非常に細い磁気検出素子となり、周回磁場５を一周しているので場所による影響を受けず、高感度，高精度となる。細長い短冊形磁性薄膜２をここでは一本としたが、２本以上とすることもできる。また、バイアスコイルや負帰還コイルを、短冊形磁性薄膜２と同一のフレキシブル基板１上に薄膜で形成することもできる。
【００２１】
図２はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【００２２】
図１ではフレキシブル基板１の両端を接してリング状に構成した磁気検出素子を用いるようにしたが、ここでは磁場発生源としての直線状導体３の周りに、細長い短冊形磁性薄膜２から成る磁気インピーダンス素子を（ａ）のように螺旋状、または（ｂ）のように渦巻き状に巻いて構成したものである。（ｂ）のように渦巻き状に巻くときは、内側にある電極６が部分的に露出する（または、外から電気的な接続ができる）よう、例えば図２（ｃ）のようにフレキシブル基板１の幅より長めに形成すると良い。細長い短冊形磁性薄膜２は、ここでも２本以上とすることができる。
【００２３】
図３はこの発明の第３の実施の形態を示す構成図である。
これは、図１と同じように、フレキシブル基板１の両端を接してリング状に構成した磁気インピーダンス素子の中に、例えば３本の直線状導体３を配置したものである。この３本の導体３に例えば３相交流を流すと、被測定電流４の総和はゼロになる。つまり、リング状にされた磁気インピーダンス素子が受ける磁場は発生していない。このことから、３本の内の１つの導体に異変が生じた場合に磁場が発生するので、磁気インピーダンス素子でこれを検出するようにする。なお、これは図２のように細長い短冊形磁性薄膜２から成る磁気インピーダンス素子を（ａ）のように螺旋状、または（ｂ）のように渦巻き状に巻いて構成したものにも適用することができる。また、導体３の数は、１つまたは２つ以上いくつでも構わない。
【００２４】
図４はこの発明の第４の実施の形態を示す構成図で、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【００２５】
これは、例えばアラミドフィルムのフレキシブル基板１を用い、例えばアモルファス磁性膜で作製した短冊形磁性薄膜２がある面とは逆の裏面に、例えばポリイミドなどの有機物膜７を直線状に塗布し、硬化させたものである。短冊形磁性薄膜２の作製後に、フレキシブル基板１の裏面にポリイミドなどの有機物膜７を塗布、硬化させた。短冊形磁性薄膜２とポリイミドなどの有機物膜７の膜厚をともに４μｍにしたとき平坦となったが、このポリイミドなどの有機物膜７の膜厚を調整することで素子の平坦性または反り具合を微調整することができる。上記ポリイミドなどの有機物膜７は、短冊形磁性薄膜２がある面と同じ面に形成しても良い。また、短冊形磁性薄膜２はここでは１本としたが、２本以上でも良い。
【００２６】
図５，図６に図４の変形例をそれぞれ示す。図５，図６の（ａ）は平面図、（ｂ）は長手方向の断面図、（ｃ）は長手方向と直交する方向の断面図である。
【００２７】
アラミドフィルムのフレキシブル基板１を用い、例えばアモルファス磁性膜で作製した短冊形磁性薄膜２がある面とは逆の裏面（同じ面でも良い）に、ポリイミドなどの有機物膜７を直線状に塗布し、硬化させるに当たり、図５は短冊形磁性薄膜２に対しポリイミドなどの有機物膜７を平行にパターニングするのに対し、図６は短冊形磁性薄膜２に対しポリイミドなどの有機物膜７を直交するようにパターニングした例である。
【００２８】
いずれの場合も、短冊形磁性薄膜２は１本としたが２本以上でも良く、有機物膜７のパターンも試料の巻き方，曲げ方等により等間隔であってもそうでなくても良い。こうすることで、フレキシブル基板１の反り具合を微調整することができる。
【００２９】
【発明の効果】
この発明によれば、フレキシブル基板上に磁気検出のための磁気インピーダンス素子を作製するようにしたので、磁気インピーダンス素子は均一な磁場を受けることができ、高精度，高感度な磁気検出が可能となる利点が得られる。
【００３０】
また、フレキシブルな基板が短冊形に成形した磁性薄膜の応力を緩和するので、応力による磁気異方性の影響が少なくなり、高感度な磁気検出器を作製することができる。
【００３１】
さらに、磁場発生源の周囲に帯状の磁気インピーダンス素子をリング，螺旋または渦巻き状に巻くことで、周回磁場の少なくとも１周分を受けられて高感度化できるだけでなく、リング，螺旋または渦巻き状の帯状の磁気インピーダンス素子内にある磁場発生源のバランスが崩れることを利用した磁場変化の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】この発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図３】この発明の第３の実施の形態を説明する説明図である。
【図４】この発明の第４の実施の形態を示す構成図である。
【図５】図４の第１の変形例を示す構成図である。
【図６】図４の第２の変形例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…フレキシブル基板、２…短冊形磁性薄膜、３…直線状導体、４…被測定電流、５…周回磁場、６…電極、７…有機物膜。
【図１】
2004039848.tif 000003
【図２】
2004039848.tif 000004
【図３】
2004039848.tif 000005
【図４】
2004039848.tif 000006
【図５】
2004039848.tif 000007
【図６】
2004039848.tif 000008