(57)【要約】携帯用方位センサ等にも適用可能であって、簡素な検出信号処理回路を備えて小型化，軽量化された高感度な磁気センサである。この磁気センサは、支持体である基板１０３の一方の主面に磁歪薄膜１０１を積層した圧電体１０２を備え、圧電体１０２から電極を引き出すようにした略板状の積層体から成るセンサ構造体１０６による磁歪素子を有し、圧電体１０２に印加された電圧によってセンサ構造体１０６が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場１１３の変化に伴ってセンサ構造体１０６の機械的な共振周波数が変化し、この共振周波数の変化量から外部磁場１１３の量を算出するように構成されている。
2004070408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪素子であるセンサ構造体から成り、該センサ構造体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴って該センサ構造体の機械的な共振周波数が変化し、該共振周波数の変化量から外部磁場量を算出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、前記磁歪素子は、磁歪薄膜から成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、前記磁歪素子は、磁歪薄膜と支持体とによる積層体から成ることを特徴とする磁気センサ。
【請求項４】
請求項３記載の磁気センサにおいて、前記支持体は、圧電材料による圧電板，シリコン板，非磁性金属板の何れか一つであることを特徴とする磁気センサ。
【請求項５】
請求項４記載の磁気センサにおいて、前記支持体は、片持ち梁構造，両持ち梁構造，ダイアフラム構造の何れか一つの支持構造を持つことを特徴とする磁気センサ。
【請求項６】
請求項３記載の磁気センサにおいて、前記磁歪素子は、前記センサ構造体として前記支持体の一方の主面に前記磁歪薄膜を積層した圧電体を有して成るもので、更に、前記圧電体に印加された電圧によって前記センサ構造体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴って該センサ構造体の機械的な共振周波数が変化し、該共振周波数の変化量から外部磁場量を算出することを特徴とする磁気センサ。
【請求項７】
請求項３記載の磁気センサにおいて、前記センサ構造体として前記支持体の他方の主面に電極を備えた略板状の積層体を有して成り、前記磁歪薄膜及び前記電極間に前記電圧が印加されることを特徴とする磁気センサ。
【請求項８】
請求項２〜７の何れか一つに記載の磁気センサにおいて、前記センサ構造体の機械的な共振周波数の変化は、前記外部磁場変化に伴って前記磁歪薄膜のヤング率が変化することで得られることを特徴とする磁気センサ。
【請求項９】
請求項２〜８の何れか一つに記載の磁気センサにおいて、前記磁歪薄膜の幅方向には予め外部磁場を印加するための磁場印加手段が備えられ、前記圧電体の振動方向は前記磁歪薄膜の幅方向に対して約４０〜５０度傾いた方向に設定されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項１０】
請求項９記載の磁気センサにおいて、前記磁場印加手段は、永久磁石又は電磁石であることを特徴とする磁気センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一つに記載の磁気センサにおいて、前記センサ構造体の機械的な共振周波数を検出するための検出信号処理回路を備え、前記検出信号処理回路は、前記センサ構造体を含むセンサ部，増幅回路，及び位相シフト回路を備えて成る自励発振回路部と、前記自励発振回路部から出力される発振周波数を電圧に変換する周波数／電圧変換回路部とを備えて成ることを特徴とする磁気センサ。
【請求項１２】
請求項１〜１０の何れか一つに記載の磁気センサにおいて、前記センサ構造体の機械的な共振周波数を検出するための検出信号処理回路を備え、前記検出信号処理回路は、前記センサ構造体を第１のセンサ構造体として含むセンサ部，増幅回路，及び位相シフト回路を備えて成る第１の自励発振回路部と、非磁歪薄膜による積層体，又は非磁歪薄膜と支持体とによる積層体から成ると共に、外部磁場変化に対して機械的な共振周波数が変化せずに一定の基準周波数を発振する第２のセンサ構造体と、前記第２のセンサ構造体を含むセンサ部，増幅回路，及び位相シフト回路を備えて成る第２の自励発振回路部と、前記第１の自励発振回路部から出力される前記発振周波数と前記第２の自励発振回路部から出力される前記基準周波数との差を増幅して差動周波数として出力する差動増幅回路と、前記差動増幅回路から出力される前記差動周波数を電圧に変換する周波数／電圧変換回路部とを備えて成ることを特徴とする磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、主として携帯端末機器，家電機器，自動車，計測機器等の各種産業機器に搭載される地磁気検出が検出可能な小型で高感度な磁気センサであって、詳しくは磁歪現象と共振周波数検出方式とを組み合わせたタイプの磁気センサに関する。
【背景技術】  従来、例えば地磁気程度の磁場を検出可能な小型で高感度な磁気センサとしては、数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ帯の表皮効果を利用した磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）を用いたＭＩセンサ、或いは軟磁性体の透磁率変化を利用したフラックスゲートセンサ等が挙げられる。これらの磁気センサの場合、磁気感度に関しては、一般に磁性体の反磁界の影響により、センサを小型化するに伴って磁気感度が著しく低下する傾向にある。従って、こうしたＭＩセンサやフラックスゲートセンサでは、小型化と高感度化とを両立させることが難しく、例えば地磁気を利用した携帯用方位センサ等には適用さない。
一方、上述したＭＩセンサやフラックスゲートセンサとは異なる原理に基づく磁気センサとして、磁歪現象と圧電検出方式とを組み合わせたタイプのものが開発されている。
このようなタイプの磁気センサの一例としては、例えば特開２０００−８８９３７号公報に開示された磁歪素子を用いて成る磁気センサが挙げられる。
第１図は、この従来の一例に係る磁気センサ１４の基本構成を示した概略図である。この磁気センサ１４は、変電所又は送電線における電流計測に適用されるもので、距離ｒの位置にある導体１５に流れる電流Ｊを磁場Ｈとの関係式Ｈ＝Ｊ／２πｒ（Ａ／ｍ）に基づいて検出可能であるように、磁歪素子１６及び圧電素子１７を組み合わせて磁歪素子１６の伸びにより圧電素子１７を歪ませて電圧に変換する機能を持つもので、更に電圧計１８で圧電素子１７からの電圧値を計測するように構成されている。
即ち、特開２０００−８８９３７号公報に開示された磁気センサ１４の基本原理は、外部磁場変化による磁歪素子１６の伸び（形状変化）をそれに一体化された圧電素子１７に発生する電圧として検出するものである。従って、磁気感度の良否は圧電素子１７に発生する電圧に大きく依存し、その発生電圧Ｖは圧電応力定数ｇ３１，圧電素子１７における厚さｔ及び印加される圧力Ｐとの間でＶ＝ｇ３１×ｔ×Ｐなる関係式１により表現される。
又、特開２０００−６５９０８号公報に開示されているように、外部磁場に対して極反転しない磁石と、この磁石に加わる磁場強度を力学的な力として検出する圧電素子とを備えた磁気センサも開発されている。
第２図は、この従来の他例に係る磁気センサ２を含む磁気検出システム１の基本構成を示した回路ブロック図である。この磁気検出システム１は、一方の主面の全面に接地接続された裏面電極２２を設けた板状の圧電素子２１の他方の主面の一端側に外部磁場に対して極反転しない磁石２３を設けることにより、圧電素子２１が磁石２３に加わる磁場強度を力学的な力として検出する構成の磁気センサ２を備える他、圧電素子２１に加わる力学的な力に応じて発振周波数が変化する発振回路３１Ａと、発振回路３１Ａの発振周波数の変化を計測し、磁気センサ２で検出された磁場強度を表示する手段とを備えている。
又、この磁気検出システム１では、磁気センサ２において板状の圧電素子２１の他方の主面の他端側に非磁性金属２４を設け、常時外部磁場が零の状態で基準周波数で動作する発振回路３１Ｂを備えている。即ち、発振回路３１Ａは磁気センサ２の磁石２３，圧電素子２１，ＣＭＯＳインバータ３２Ａを帰還路内に配設して構築され、発振回路３１Ｂは非磁性金属２４，圧電素子２１，ＣＭＯＳインバータ３２Ｂを帰還路内に配設して構築される。更に、磁気検出システム１を構築するための複数の回路（全体で検出信号処理回路と呼ばれても良いもの）として、発振回路３１ＡのＣＭＯＳインバータ３２Ａの出力側（発振回路３１Ａ内でコンデンサを介して接地される）に接続されたカウンタ回路３３Ａ、発振回路３１ＢのＣＭＯＳインバータ３２Ｂの出力側（同様に発振回路３１Ａ内でコンデンサを介して接地される）に接続されたカウンタ回路３３Ｂ、カウンタ回路３３Ａでカウントされたパルス数とカウンタ回路３３Ｂでカウントされたパルス数との差を減算する減算回路３４、パルス数の差を補償する補償回路３５、較正係数を発生する較正係数発生回路３６、補償回路３５の出力と較正係数とを乗算する乗算回路３７、乗算出力値に基づいて磁気センサ２で検出された外部磁界の値を表示する表示装置３８を備えている。
要するに、特開２０００−６５９０８号公報に開示された磁気検出システム１の基本原理は、磁気モーメントを有する磁石２３に外部磁場Ｈが作用すると、磁気モーメントＭと外部磁場Ｈとの外積（Ｈ×Ｍ）方向を軸とするトルクＴが働き、そして外部磁場Ｈの強度が高くなると力学的な力であるトルクＴが増大することにより、磁石２３で発生したトルクＴが圧電素子２１に応力（ねじり応力）を生じさせ、外部磁場Ｈは応力に変換されるというものである。
ところで、特開２０００−８８９３７号公報に開示された磁歪現象と圧電検出方式とを組み合わせた磁気センサの場合、関係式１により磁気感度に係る発生電圧は圧電素子の厚さに比例し、圧電素子の薄膜化に伴って低下するという不都合が生じる。この発生電圧の低下を抑えるために圧電素子の膜厚を維持しつつ、圧電素子の小型化を図った場合にも小型化に伴って相対的に圧電素子の厚みに対して長さ及び幅の寸法が短くなって圧電素子自体が曲がり難い構造となるため、関係式１で表される圧力が低下することで発生電圧が更に低下してしまう。こうした結果により、小型化と高感度化とを同時に満たすことが困難であるという問題がある。
又、特開２０００−６５９０８号公報に開示された外部磁場に対して極反転しない磁石とこの磁石に加わる磁場強度を力学的な力として検出する圧電素子とを備えた磁気センサを用いた磁気検出システムの場合、原理的に磁石に発生したトルク（Ｈ×Ｍ）はモーメントであることにより、圧電素子で効率良く受けるためには圧電素子の面積に比較的大きな領域を必要とする。このような動作原理に基づくものであれば、差動型として構成した場合にもセンサのサイズが必然的に大きなものとなってしまうため、小型化には不向きであるという問題がある。
従って、本発明の目的は、このような問題点を解決することにあり、携帯用方位センサ等にも適用可能であって、簡素な検出信号処理回路を備えて小型化，軽量化された高感度な磁気センサを提供することにある。
【発明の開示】
本発明によれば、磁歪素子であるセンサ構造体から成り、該センサ構造体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴って該センサ構造体の機械的な共振周波数が変化し、該共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する磁気センサが得られる。
又、本発明によれば、上記磁気センサにおいて、磁歪素子は、磁歪薄膜から成る磁気センサが得られる。
更に、本発明によれば、上記磁気センサにおいて、磁歪素子は、磁歪薄膜と支持体とによる積層体から成る磁気センサが得られる。この磁気センサにおいて、支持体は、圧電材料による圧電板，シリコン板，非磁性金属板の何れか一つであること、更に支持体は、片持ち梁構造，両持ち梁構造，ダイアフラム構造の何れか一つの支持構造を持つことは、それぞれ好ましい。
加えて、本発明によれば、上記磁気センサにおいて、磁歪素子は、センサ構造体として支持体の一方の主面に磁歪薄膜を積層した圧電体を有して成るもので、更に、圧電体に印加された電圧によってセンサ構造体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴って該センサ構造体の機械的な共振周波数が変化し、該共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する磁気センサが得られる。
又、本発明によれば、上記磁気センサにおいて、センサ構造体として支持体の他方の主面に電極を備えた略板状の積層体を有して成り、磁歪薄膜及び電極間に電圧が印加される磁気センサが得られる。
一方、本発明によれば、上記何れか一つの磁気センサにおいて、センサ構造体の機械的な共振周波数の変化は、外部磁場の変化に伴って磁歪薄膜のヤング率が変化することで得られる磁気センサが得られる。
他方、本発明によれば、上記何れか一つの磁気センサにおいて、磁歪薄膜の幅方向には予め外部磁場を印加するための磁場印加手段が備えられ、圧電体の振動方向は磁歪薄膜の幅方向に対して約４０〜５０度傾いた方向に設定されている磁気センサが得られる。この磁気センサにおいて、磁場印加手段は、永久磁石又は電磁石であることは好ましい。
又、本発明によれば、上記何れか一つの磁気センサにおいて、センサ構造体の機械的な共振周波数を検出するための検出信号処理回路を備え、検出信号処理回路は、センサ構造体を含むセンサ部，増幅回路，及び位相シフト回路を備えて成る自励発振回路部と、増幅回路及び位相シフト回路の間に接続されて自励発振回路部から出力される発振周波数を電圧に変換する周波数／電圧変換回路部とを備えて成る磁気センサが得られる。
更に、本発明によれば、上記何れか一つの磁気センサにおいて、センサ構造体の機械的な共振周波数を検出するための検出信号処理回路を備え、検出信号処理回路は、センサ構造体を第１のセンサ構造体として含むセンサ部，増幅回路，及び位相シフト回路を備えて成る第１の自励発振回路部と、非磁歪薄膜による積層体，又は非磁歪薄膜と支持体とによる積層体から成ると共に、外部磁場変化に対して機械的な共振周波数が変化せずに一定の基準周波数を発振する第２のセンサ構造体と、第２のセンサ構造体を含むセンサ部，増幅回路，及び位相シフト回路を備えて成る第２の自励発振回路部と、第１の自励発振回路部から出力される発振周波数と第２の自励発振回路部から出力される基準周波数との差を増幅して差動周波数として出力する差動増幅回路と、差動増幅回路から出力される差動周波数を電圧に変換する周波数／電圧変換回路部とを備えて成る磁気センサが得られる。
【図面の簡単な説明】  第１図は、従来の一例に係る磁気センサの基本構成を示した概略図であり、
第２図は、従来の他例に係る磁気センサを含む磁気検出システムの基本構成を示した回路ブロック図であり、
第３図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の実施例に係る磁気センサの基本構成を示した側面断面図であり、
第４図は、第３図（ｂ）に示す磁気センサにおける外部磁場に対する共振周波数の関係で示される出力特性を示したものであり、
第５図は、第３図（ｂ）に示す磁気センサに磁気検出方向の正負判別機能を具備した場合の基本構成及び動作機能を示した模式図であり、（ａ）は外部磁場が印加されない場合に関するもの，（ｂ）は外部磁場が正の方向に印加された場合に関するもの，（ｃ）は外部磁場が負の方向に印加された場合に関するものであり、
第６図は、第３図（ｂ）に示す磁気センサのセンサ構造体の機械的な共振周波数を検出するための検出信号処理回路の基本構成を示した回路ブロック図であり、
第７図は、第３図（ｂ）に示す磁気センサのセンサ構造体の機械的な共振周波数を検出するための別の検出信号処理回路の基本構成を示した回路ブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】  発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。本発明の磁気センサの場合、その技術概要を簡単に説明すれば、磁気センサを磁歪素子であるセンサ構造体から成るものとし、このセンサ構造体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴ってセンサ構造体の機械的な共振周波数が変化し、この共振周波数の変化量から外部磁場量を算出するものとすることである。但し、ここでの磁歪素子は、磁歪薄膜から成る（その積層体としても良い）か、或いは磁歪薄膜と支持体とによる積層体から成るものであれば良い。
第３図（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例１に係る磁気センサの基本構成を示した側面断面図である。第３図（ａ）に示す磁気センサは、支持体である基板１０３の一方の主面に磁歪薄膜１０１を積層した圧電体１０２を備え、圧電体１０２から電極を引き出すようにした略板状の積層体から成るセンサ構造体１０６を有し、圧電体１０２に印加された電圧によってセンサ構造体１０６が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場１１３の変化に伴ってセンサ構造体１０６の機械的な共振周波数が変化し、係る共振周波数の変化量から外部磁場１１３の量を算出するように構成されている。
尚、第３図（ｂ）に示すように、ここでの基板１０３は、圧電体１０２自体で置き換えることが可能であり、この場合にはセンサ構造体１０６が圧電体１０２の一方の主面に磁歪薄膜１０１を積層し、且つ他方の主面に圧電体１０２へ電圧を印加するための電極１０４を備えて成る略板状の磁歪素子として構成され、磁歪薄膜１０１及び電極１０４間に電圧が印加されるものである。
これらの磁気センサの場合、外部磁場１１３が印加されると、磁歪薄膜１０１の磁歪効果に伴って磁歪薄膜１０１のヤング率（所謂伸びの弾性率，縦弾性率と呼ばれるもの）が変化（後文で説明する強磁性体のΔＥ効果による）し、結果的に磁歪薄膜１０１と圧電体１０２とを有するセンサ構造体１０６の共振周波数が変化する。
即ち、このセンサ構造体１０６は、磁歪薄膜１０１と圧電体１０２における圧電薄膜との複合梁として考えることができ、その共振周波数ｆ０の変化量Δｆは、それぞれ磁歪薄膜１０１の厚さをｔｆ，磁歪薄膜１０１のヤング率をＥｆ，磁歪薄膜１０１の密度をρｆ，圧電体１０２（この場合は圧電薄膜）の厚さをｔｓ，圧電体１０２のヤング率をＥｓ，圧電体１０２の密度ρｓとした場合、Δｆ＝（ｔｆ・ｆ０／２ｔｓ）×［（３Ｅｆ／Ｅｓ）−（ρｆ／ρｓ）］＝ａ′（ｂ′・Ｅｆ−ｃ′）なる関係式２として表わされる。
但し、ここでは、ａ′＝ｔｆ・ｆ０／２ｔｓなる関係式３と、ｂ′＝３／Ｅｓなる関係式４と、ｃ′＝ρｆ／ρｓなる関係式５とが成立する。
以上の関係式２〜関係式５から、磁歪薄膜１０１及び圧電体１０２から成る複合梁の磁歪薄膜１０１のヤング率Ｅｆが外部磁場１１３によって変化する場合、これに伴って複合梁の共振周波数ｆ０の変化量Δｆが変化する（共振周波数ｆ０の変化量Δｆの変化による影響が大きい）ことが判る。
ここで、強磁性体のΔＥ効果は、公知文献「近角著、強磁性体の物理（下）、裳華房、ｐ．１４４」によれば、「強磁性体では磁歪λの正負に関係なく、張力による自発磁化の回転のために余分な伸びを生じる。そのためにヤング率Ｅｆが低下する。この効果をΔＥ効果という。ΔＥ効果は磁歪λの存在のために生じるので当然λに比例する。」という具合いに説明されている。
そこで、本発明の磁気センサについて考察すれば、センサ構造体１０６に外部磁場１１３が印加されると外部磁場１１３の方向に沿うような自発磁化の回転によって磁歪薄膜１０１の伸びを生じ、それに伴ってヤング率Ｅｆが低下する。このため、外部磁場１１３が変化するとセンサ構造体１０６の複合梁の共振周波数ｆ０が関係式３に従って低下する。ここでの複合梁の共振周波数ｆ０の変化は、磁歪薄膜１０１の磁歪による形状的な変化によっても生じるものであり、センサ出力としての共振周波数ｆ０の変化量Δｆはセンサ構造体１０６の一体的振動変化によるものとなる。磁気センサにおけるセンサ感度Δｆ／Ｈｅｘを改善するためには、センサ設計上、関係式３に示すａ′の値を大きくすること、即ち、磁歪薄膜１０１の厚みｔｆと圧電体１０２における圧電薄膜の厚みｔｓとの比ｔｆ／ｔｓを大きくすること、及びセンサ構造体１０６の複合梁の共振周波数ｆ０を高くすることが必要となる。センサ構造体１０６の複合梁の共振周波数ｆ０自体を高めるためには、例えば圧電体１０２の基本モードが縦振動である場合には圧電体１０２の長さを短くし、圧電体１０２の基本モードが厚味すべり振動の場合には振動子（圧電体１０２）の厚さを薄くすれば良い。
本発明の磁気センサにおいても、磁性薄膜を利用している限り、反磁界の影響を原理的に避けられないが、従来のＭＩセンサやフラックスゲートセンサと比べれば、センサ感度Δｆ／Ｈｅｘに対する影響は小さいと考えられる。即ち、上述した関係式２に示されるように反磁界に関連する磁歪薄膜１０１のヤング率Ｅｆの項の変化量が小さくても、圧電薄膜の厚さｔｓと磁歪薄膜１０１の厚さｔｆとの比率ｔｆ／ｔｓ及び共振周波数ｆ０が十分に大きかったり、或いは高ければ、高いセンサ感度Δｆ／Ｈｅｘを維持することが可能である。
第３図（ｂ）に示す磁気センサを製造する場合、先ず圧電体１０２として５０μｍ程度の厚さの−１８．５度Ｘ−Ｃｕｔ水晶板（基板１０３に該当する）上にＲＦスパッタリング等の成膜技術を用いて１μｍ程度の厚さのＣｏ−Ｆｅ−Ｚｒ系磁歪薄膜１０１を堆積させる。ここで、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｚｒ系磁歪薄膜１０１の化学量論的組成比は、例えば５０：３５：１５とし、そのときの磁歪定数λｓは２５×１０−６程度であり、圧電体１０２として使用する−１８．５度Ｘ−Ｃｕｔ水晶板（基板１０３に該当する）の基本振動モードを縦振動とする。
次に、−１８．５度Ｘ−Ｃｕｔ水晶板の反対面全体に電極１０４を形成してセンサ構造体１０６を構成するが、その共振周波数ｆ０はおおよそセンサ構造体１０６の長さで決定される。例えば圧電体１０２の長さ（センサ構造体１０６の長さ）を１２ｍｍ程度とすれば、センサ構造体１０６の共振周波数ｆ０は２００（ｋＨｚ）程度となる。
第３図（ｃ）に示す実施例２に係る磁気センサは、支持体である基板１０３の一方の主面に磁歪薄膜１０１を積層形成してセンサ構造体１０６としたものである。支持体である基板１０３は、水晶板，ＰＺＴに代表される圧電セラミクス板，ＬｉＮｂＯ３板，シリコン基板、或いはステンレスやＴｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｌ等の非磁性金属板であることが望ましい。
尚、シリコン基板や非磁性金属板を用いる場合には、片持ち梁構造（カンチレバー構造），両持ち梁構造，ダイアフラム構造の何れか一つの支持構造を採用すれば、機械的共振状態を発生させるために例えば静電駆動方式や光検出方式等の静電的，電磁的，熱的励振方法等により容易に駆動することが可能となる。又、圧電材料を支持体として用いる場合であっても、平板のみならず、片持ち梁構造，両持ち梁構造，ダイアフラム構造の何れか一つの支持構造を採用し、上述した駆動方式により機械的共振状態を発生させる（これらの各種構造に対する駆動方式の技術は周知であるので説明を省略する）ことが望ましい。但し、この場合の電極は、磁歪薄膜１０１又は支持体としての基板１０３の何れかに直接設けるか、或いは直接引き出すようにすることが望ましい。
第４図は、上述した磁気センサにおける外部磁場Ｈｅｘに対する共振周波数ｆ０の関係で示される出力特性（センサ出力）を示したものである。
第４図によれば、センサ出力は外部磁場１１３の変化に対して、共振周波数ｆ０の変化量として検出され、ほぼ線形的関係が得られている。
又、一般に、強磁性材料の磁歪量とヤング率との関係は比例関係にあり、磁気センサのセンサ感度Δｆ／Ｈｅｘを高めるためには、磁歪定数の大きな材料を適用することが好ましいと考えられる。そこで、例えば最近高い磁歪定数を有するＴｂＤｙＦｅ合金等が開発されているが、これらの材料は一般的に磁歪現象が発現する磁気バイアスポイントが数百Ｏｅ以上と高いので余り好ましくない。
これに対し、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系，Ｆｅ−Ｃｏ系，或いはＦｅ−Ｎｉ系薄膜等の磁性材料に関しては、磁歪定数の絶対値が高いだけではなく、高い透磁率を持つと共に、数Ｏｅ以下の低磁場側で高い磁歪定数を有しており、磁気バイアスポイントを低くすることが可能であるため、本発明における磁気センサ材料には好適である。
第５図は、上述した磁気センサに磁気検出方向の正負判別機能を具備した場合の基本構成及び動作機能を示した模式図であり、同図（ａ）は外部磁場が印加されない場合に関するもの，同図（ｂ）は外部磁場１１３が正の方向に印加された場合に関するもの，同図（ｃ）は外部磁場１２０が負の方向に印加された場合に関するものである。
ここでは、先の実施の形態の磁気センサに対して磁気検出方向の正負判別機能を持たせるべく、そのセンサ構造体１６と同等なセンサ構造体１２４における磁歪薄膜１２２の幅方向に予め外部磁場を印加するための永久磁石（或いは電磁コイルでも良い）１１４，１１６を設け、磁歪薄膜１２２にバイアス磁場を印加するように構成し、圧電体１２３の振動方向１１８を磁歪薄膜１２２の幅方向に対して４５度傾いた方向に設定した構成としている。
こうした構成における磁気検出方向の正負判別法の原理を説明すれば、先ず第５図（ａ）に示されるように外部磁場が印加されない場合（外部磁場による磁気信号がない場合）、永久磁石１１４，１１６により回転磁化１１７は殆ど磁歪薄膜１２２の幅方向に向いており、しかも圧電体１２３の振動方向１１８が磁歪薄膜１２２の方向に対して４５度傾いている状態にある。この状態は、第３図で説明した永久磁石１１４，１１６が設けられていない場合と比べて磁歪薄膜１２２の幅方向への磁気バイアス印加による磁歪現象によって磁歪薄膜１２２のヤング率Ｅｆが低くなっているが、磁歪薄膜１２２の磁歪方向が圧電体１２３の振動方向１１８に対して４５度傾いているため、実質的には圧電体１２３の振動方向１１８におけるヤング率Ｅｆが高くなっていると言える。従って、ここでの構成では先の第３図に示した構成の場合と比べて共振周波数ｆ０が高い状態にある。
次に、第５図（ｂ）に示されるように外部磁場１１３が正の方向に印加された場合、回転磁化１１９の方向は圧電体１２３の振動方向１１８に平行になるように推移し、それに伴って圧電体１２３の振動方向１１８における磁歪薄膜１２２の磁歪が増加し、ヤング率Ｅｆが更に低下することになる。従って、この場合の共振周波数ｆ０は低下することになる。
更に、第５図（ｃ）に示されるように外部磁場１２０が負の方向に印加された場合は、回転磁化１２１の方向は圧電体１２３の振動方向１１８に対して垂直になるように推移し、それに伴って圧電体１２３の振動方向１１８における磁歪薄膜１２２の磁歪が減少し、ヤング率Ｅｆが高くなる。従って、この場合の共振周波数ｆ０は増加することになる。
以上の第５図（ａ）〜（ｃ）より、磁歪薄膜１２２の幅方向に予め外部磁場を印加できるように永久磁石１１４，１１６を設け、圧電体１２３の振動方向１１８が磁歪薄膜１２２の幅方向に対して４５度傾いた方向に設定されていれば、磁気検出方向を判別することが可能となる。尚、種々実験結果から、ここでの圧電体１２３の振動方向１１８は、磁歪薄膜１２２の幅方向に対して約４０〜５０度の範囲で傾いた方向に設定されている構成であれば、磁気検出方向を判別できることが判った。
第６図は、上述したセンサ構造体１０６の機械的な共振周波数を検出するための検出信号処理回路の基本構成を示した回路ブロック図である。ここでの検出信号処理系回路は、センサ構造体１０６を含むセンサ部７，増幅回路８，及び位相シフト回路９を備えて成る自励発振回路部と、この自励発振回路部における増幅回路８及び位相シフト回路９の間に接続されて自励発振回路部から出力される発振周波数を電圧に変換する周波数／電圧変換回路部（Ｆ／Ｖコンバータ）１０とを備えて構成される。ここでの簡易な自励発振回路部の構成例としては、ＣＭＯＳインバータの帰還回路にセンサ部７を配置することで実現できる。
第７図は、上述したセンサ構造体１０６の機械的な共振周波数を検出するための別の検出信号処理回路の基本構成を示した回路ブロック図である。ここでの検出信号処理系回路は、先のセンサ構造体１０６を第１のセンサ構造体として含むセンサ部７，増幅回路８，及び位相シフト回路９を備えて成る第１の自励発振回路部１１と、非磁歪薄膜による積層体，又は非磁歪薄膜と支持体とによる積層体から成ると共に、外部磁場変化に対して機械的な共振周波数が変化せずに一定の基準周波数を発振する略図された別な第２のセンサ構造体と、この第２のセンサ構造体を含むセンサ部，増幅回路，及び位相シフト回路を備えて成る第２の自励発振回路部１２とを備えている。又、この検出信号処理系回路は、第１の自励発振回路部１１における増幅回路８及び位相シフト回路９の間、並びに第２の自励発振回路部１２における増幅回路及び位相シフト回路の間にそれぞれ接続されて第１の自励発振回路部１１から出力される発振周波数と第２の自励発振回路部１２から出力される基準周波数との差を増幅して差動周波数として出力する差動増幅回路１３と、差動増幅回路１３から出力される差動周波数を電圧に変換する周波数／電圧変換回路部（Ｆ／Ｖコンバータ）１０とを備えている。
このような第１の自励発振回路部１１による発振周波数と第２の自励発振回路部１２による基準周波数との差を得るようにした差動方式の検出信号処理回路の場合、温度変化に伴う磁歪薄膜１０１の形状変化やヤング率変化を補正することが可能になるため、一層高精度に磁場計測を行うことができる。尚、ここでの別なセンサ構造体に用いられた非磁歪薄膜としては、形状の他に熱容量，熱伝導率，熱膨張系数等の各種材料定数が適用された磁歪薄膜１０１とほぼ等しくなるように選択することが好ましい。一例として、磁歪薄膜１０１をＦｅ−Ｃｏ系薄膜とする場合に非磁歪薄膜としてＡｕ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｔｉ等の薄膜が挙げられる。
要するに、本発明の磁気センサの場合、第３図を参照して説明したように、磁歪素子であるセンサ構造体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴ってセンサ構造体の機械的な共振周波数が変化し、その共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する構成としているので、小型化及び軽量化が可能であり、且つ高感度なセンサ特性を持つようになる。特に、この磁気センサにおいて、磁歪薄膜の幅方向に予め外部磁場を印加するための磁場印加手段を備え、圧電体の振動方向を磁歪薄膜の幅方向に対して約４０〜５０度傾いた方向に設定する構成として磁気検出方向を判別できる構成とすれば、携帯用方位センサ等の各種産業機器への適用が好適となる。又、この磁気センサでは、検出信号処理回路を第６図を参照して説明した構成か、或いは第７図を参照して説明した差動方式の構成とすることにより、高精度な磁気計測を簡単に行うことが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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