(57)【要約】【課題】構成を複雑化することなく、ＭＲ素子を用いて一方向磁界の強度を高感度かつ高精度に評価できるようにし、たとえば、直流電流センサに用いて直流電流を高感度および高精度に測定できるようにする。【解決手段】磁気抵抗薄膜２２の抵抗値変化を検出することによって一方向磁界Ｍｘの強度を評価する磁界強度センサ１０であって、基板２１に磁気抵抗薄膜による導電パターンが形成された磁気抵抗薄膜素子と、この磁気抵抗薄膜素子を保持する保持具３０とを備え、上記基板は、保形性と可撓性を有する非磁性絶縁薄板からなり、上記保持具は、上記磁気抵抗薄膜面を磁界方向の鉛直面に対して所定角度θ傾斜させた状態で保持する。【選択図】  図１
2012078362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗薄膜の抵抗値変化を検出することによって一方向磁界の強度を評価する磁界強度センサであって、
基板に磁気抵抗薄膜による導電パターンが形成された磁気抵抗薄膜素子と、この磁気抵抗薄膜素子を保持する保持具とを備え、
上記基板は、保形性と可撓性を有する非磁性絶縁薄板からなり、
上記保持具は、上記磁気抵抗薄膜面を磁界方向の鉛直面に対して所定角度傾斜させた状態で保持する、
ことを特徴とする磁界強度センサ。
【請求項２】
請求項１において、上記保持具は、上記磁気抵抗薄膜面を磁界方向の鉛直面に対して５度〜３０度の角度で傾斜させた状態で保持することを特徴とする磁界強度センサ。
【請求項３】
請求項１または２において、上記基板がポリイミドフィルムであることを特徴とする磁界強度センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、上記磁気抵抗薄膜は、合金薄膜であって、磁歪定数が小さく１５０℃以上の高キュリー温度を有することを特徴とする磁界強度センサ。
【請求項５】
被測定導線を貫通させる環状磁気コアにギャップを設け、このギャップに請求項１〜４のいずれかに記載の磁気センサを介装させることにより、上記導線に流れる直流電流を測定するようにしたことを特徴とする直流電流センサ。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の上記磁界強度センサを用いて、上記磁気抵抗薄膜の膜面を磁界方向の鉛直面に対して所定角度傾斜させた状態で上記抵抗値変化を検出することを特徴とする磁界強度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗薄膜素子（ＭＲ素子、以下同じ）を用いて一方向磁界の強度を評価する磁界強度センサ、直流電流センサ、および磁界強度測定方法に関し、とくに磁気測定では地磁気以上の磁界強度の評価に適用して有効であり、また、直流電流等の測定にも好適に応用できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁界強度の評価は磁界強度を定量的に検出できる磁気センサを用いて行われるが、その磁気センサには磁気抵抗薄膜素子またはホール素子が広く使用されている。この場合、地磁気や磁気記録媒体の漏れ磁界評価など、８００Ａ／ｍ以下の小さな磁界強度評価ではＭＲ素子が主流となっている（特許文献１参照）。また、たとえば電磁アクチュエータなど、約８０００Ａ／ｍ以上の磁界強度評価ではホール素が主流となっている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１４５３７５号公報
【特許文献２】特開平７−２２６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ホール素子はＧａＡｓなどの化合物半導体基板を用いて構成され、一定の電流供給下で磁界強度にほぼ比例した起電力いわゆるホール電圧を発生する。このホール電圧から磁界強度を定量検出することができる。
【０００５】
しかし、このホール素子は４端子の能動素子で電流供給が必要なため、センサ部および測定回路の構成が複雑になりやすいという問題があった。また、温度特性にも問題があり、高温タイプのＩｎＡｓ素子でも最高耐熱温度が１２５℃程度であるため、使用環境の制約が大きいという問題があった。
【０００６】
一方、ＭＲ素子は基板に磁気抵抗薄膜の導体パターンを形成することにより構成され、その磁気抵抗薄膜の抵抗値変化から磁界強度を検出するものであって、回路構成が簡単であり、また形状の自由度が高い。このため、ホール素子に比べてセンサ部および測定回路の構成を簡単化できるという利点がある。
【０００７】
さらに、磁気抵抗薄膜には、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏなどの強磁性元素からなる合金薄膜を使用することができるが、そのキュリー温度は高く、４００℃以上のキュリー温度を示す。したがって、温度特性や耐熱性にすぐれたものを得やすく、ホール素子の使用が困難な環境下でも使用できるという利点がある。
【０００８】
しかし、このＭＲ素子には磁界強度に対する抵抗値変化の直線性が悪いという問題があり、このため、精度を要求される磁界強度測定ではホール素子に大きく劣っていた。また、磁気センサとしての感度が低く、微弱な磁界強度の評価には適さないという問題もあった。
【０００９】
ＭＲ素子の検出感度を高める方法としては、磁気バイアスをかける方法が提案されているが、この場合は、その磁気バイアスをかけるために構成が大幅に複雑化し、ＭＲ素子を用いることの利点が損なわれてしまう。
【００１０】
本発明は以上のような背景を鑑みてなされたもので、その目的は、構成を複雑化することなく、ＭＲ素子を用いて一方向磁界の強度を高感度かつ高精度に評価できるようにし、たとえば、直流電流センサに用いて直流電流を高感度および高精度に測定できるようにすることにある。
【００１１】
本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。  
（１）磁気抵抗薄膜の抵抗値変化を検出することによって一方向磁界の強度を評価する磁界強度センサであって、
基板に磁気抵抗薄膜による導電パターンが形成された磁気抵抗薄膜素子と、この磁気抵抗薄膜素子を保持する保持具とを備え、
上記基板は、保形性と可撓性を有する非磁性絶縁薄板からなり、
上記保持具は、上記磁気抵抗薄膜面を磁界方向の鉛直面に対して所定角度傾斜させた状態で保持する、
ことを特徴とする磁界強度センサ。  
（２）上記手段（１）において、上記保持具は、上記磁気抵抗薄膜面を磁界方向の鉛直面に対して５度〜３０度の角度で傾斜させた状態で保持することを特徴とする磁界強度センサ。  
（３）上記手段（１）または（２）において、上記基板がポリイミドフィルムであることを特徴とする磁界強度センサ。  
（４）上記手段（１）〜（３）のいずれかにおいて、上記磁気抵抗薄膜は、合金薄膜であって、磁歪定数が小さく１５０℃以上の高キュリー温度を有することを特徴とする磁界強度センサ。  
（５）被測定導線を貫通させる環状磁気コアにギャップを設け、このギャップに上記手段（１）〜（４）のいずれかに記載の磁気センサを介装させることにより、上記導線に流れる直流電流を測定するようにしたことを特徴とする直流電流センサ。  
（６）上記手段（１）〜（４）のいずれかに記載の上記磁界強度センサを用いて、上記磁気抵抗薄膜の膜面を磁界方向の鉛直面に対して所定角度傾斜させた状態で上記抵抗値変化を検出することを特徴とする磁界強度測定方法。
【発明の効果】
【００１３】
構成を複雑化することなく、ＭＲ素子を用いて一方向磁界の強度を高感度かつ高精度に評価できるようになる。たとえば直流電流センサに用いれば、直流電流を高感度および高精度に測定することができる。  
上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態をなす磁界強度センサの平面図および斜視図を示す
【図２】ＭＲ素子の構成例を示す拡大平面図である。
【図３】磁界強度センサと測定装置の概略構成を示す図である。
【図４】磁界強度を測定するときのＭＲ素子の設置状態を模式的に示す上側面図と斜視図である。
【図５】磁界強度に対する磁気抵抗の変化を示すグラフ（ａ）（ｂ）である。
【図６】磁界強度に対する磁気抵抗の変化を示すグラフ（ｃ）（ｄ）である。
【図７】磁界強度に対する磁気抵抗の変化を示すグラフ（ｅ）（ｆ）である。
【図８】磁界強度に対する磁気抵抗の変化を示すグラフ（ｇ）である。
【図９】磁界強度に対する測定ダイナミックレンジの変化を示すグラフである。
【図１０】ＭＲ素子を湾曲させながら測定を行うときの状態を模式的に示す図である。
【図１１】本発明の第２実施形態をなす磁界強度センサとその応用例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１実施形態をなす磁界強度センサの平面図および斜視図を示す。同図に示す磁界強度センサ１０は、ＭＲ素子（磁気抵抗薄膜素子）２０と、このＭＲ素子２０を保持する保持具３０とによって主要部が構成されている。ＭＲ素子２０は、図２に拡大して示すように、非磁性で絶縁性の薄い素子基板２１に磁気抵抗薄膜２２による導電パターンが葛折れ状に形成されている。
【００１６】
素子基板２１にはポリイミドフィルムが使用されている。このポリイミドフィルムは保形性と可撓性を有して曲げなどに対する形状の自由度が高く、耐熱温度も３５０℃と高い。磁気抵抗薄膜２２は、主としてＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏなどの強磁性元素からなる合金薄膜が使用されている。この種の合金薄膜は磁歪定数が非常に小さいとともに、４００℃以上の高キュリー温度を示す。このような素子基板２１と磁気抵抗薄膜２２の組み合わせにより、ホール素子よりも遙かに高い耐熱性の磁気センサが構成されている。
【００１７】
磁気抵抗薄膜２２はスパッタリングにより形成され、フォトリソグラフィ技術によって葛折れ状の導電路にパターニングされている。その導電路の両端は端子パッド部２３にそれぞれ接続している。
【００１８】
保持具３０は、図１の（ａ）〜（ｃ）に示すように、細長い薄板状のリード基板３１を用いて構成されている。このリード基板３１は、高耐熱性の非磁性絶縁材であるポリイミドフィルムを用いて構成され、保形性と可撓性を有する。つまり、長形の薄い板バネ状をなしている。
【００１９】
このリード基板３１の先端部に上記ＭＲ素子２０が接着等により装着・保持されている。リード基板３１の表面には印刷配線によるリード配線３２が形成されている。
【００２０】
リード配線３２の先端部はボンディングワイヤ３３を介して上記端子パッド部２３に接続される。また、その基端部は、図３に示すように、ケーブル１１などを介して測定装置５０に接続されるようになっている。
【００２１】
測定装置５０は、図３に示すように、ＭＲ素子２０の磁気抵抗変化量を測定する抵抗測定回路５１、測定された抵抗変化量を磁界強度に変換するデータ変換回路５２、および抵抗変化量から変換された磁界強度を表示器等に出力する出力装置５３などによって構成される。
【００２２】
上記ＭＲ素子２０は、図１の（ｃ）に示すように、磁気抵抗薄膜２２面Ｐ２がリード基板３１の保持面Ｐ１に対して所定角度（５度〜３０度）で傾斜するように装着・保持されている。このために、ＭＲ素子２０の一辺の下側とリード基板３１との間にスペーサ部材４１が介装されている。そして、このスペーサ部材４１の高さにより、所定の傾斜角度が設定されている。
【００２３】
これにより、リード基板３１の保持面Ｐ１を基準面とし、この基準面が被測定磁界方向（Ｍｘ）の鉛直面（Ｐ１）となるように保持具３０を操作して設置すると、ＭＲ素子２０の磁気抵抗薄膜２２面がその磁界Ｍｘ方向の鉛直面（Ｐ１）に対して所定角度（５度〜３０度）だけ傾斜させられる。
【００２４】
上記のように、本発明の磁界強度センサ１０は、ＭＲ素子２０の抵抗値変化を検出することによって一方向磁界Ｍｘの強度を定量検出するに際し、図４の（ａ）と（ｂ）に示すように、上記磁気抵抗薄膜２２面を磁界方向の鉛直面（Ｐ１）に対して所定角度θだけ傾斜させた状態で上記抵抗値変化を検出することができるように構成されている。
【００２５】
図５〜図８に示すグラフ（ａ）〜（ｇ）は、磁界強度の変化に対するＭＲ素子２０の磁気抵抗変化状態をそれぞれ示す。この場合、ＭＲ素子２０はポリイミドフィルム基板を用いた。磁気抵抗薄膜２２はＣｕ（またはＴｉ）の下地層（５０ｎｍ厚）にＮｉ８０Ｆｅ２０合金層（１００ｎｍ厚）を積層したものを、コイル幅２００μｍ，コイルスペース５０μｍの導電パターンに形成した。
【００２６】
グラフ（ａ）は上記傾斜角度θが０度の場合の磁気抵抗変化状態を示す。これは磁気抵抗薄膜が磁界方向の鉛直面に平行な場合である。この場合、印加磁界の強度が±１６０ｋＡ／ｍ以下で磁気抵抗の変化が緩慢であるとともに、磁気抵抗変化にヒステリシスが見られる。このため、磁気抵抗変化の緩慢領域では磁界強度検出の感度が低下し、ヒステリシス領域では検出の精度が悪化してしまう。
【００２７】
さらに、印加磁界の強度が±５００ｋＡ／ｍ付近で抵抗変化曲線の急な折れ曲がりが生じている。このため、印加磁界の強度が大きい場合でも、磁界強度に対する抵抗値変化の直線性が悪く、高精度の検出が行えないという問題が生じる。
【００２８】
ところが、磁気抵抗薄膜を磁界方向の鉛直面に対して傾けると、つまり、上記傾斜角度θをゼロよりも大きい有意な角度にすると、グラフ（ｂ）〜（ｇ）にそれぞれ示すように、印加磁界強度が小さい領域での磁気抵抗変化の直線性が改善されるとともに、抵抗変化曲線の急な折れ曲がりが解消あるいは緩和され、これにより、検出の感度および精度が共に大幅に改善されることが判明した。これは本発明者らにより知得されたものであり、本発明はこの知得に基づいている。
【００２９】
傾斜の方向については、グラフ（ｃ）と（ｄ）、グラフ（ｅ）と（ｆ）がそれぞれ同角度で左方向と右方向に傾斜させた場合の特性を示すが、左右どちらに傾斜した場合でも、その傾斜角度θに応じた特性が得られた。
【００３０】
さらに、上記傾斜角度θの最適化について本発明者らは、表１および図９に示すように、上記傾斜角度θを５度以上にすると、磁気抵抗変化のヒステリシス発生をほぼ抑制できることを知得した。また、上記傾斜角度θが２０度以上になると、グラフ（ｇ）に示すように、磁気抵抗が高感度に変化する領域が狭まる傾向、つまり、高感度検出のダイナミックレンジが狭まる傾向が現れるようになる。このため、その高感度検出のダイナミックレンジを８０ｋＡ／ｍ以上確保するためには、表１および図９にその実証データ例を示すように、上記傾斜角度θを３０度以下とすればよいことが判明した。
【００３１】
表１は、磁気抵抗薄膜としてＣｕ（５０ｎｍ厚）／Ｎｉ８０Ｆｅ２０合金（１００ｎｍ厚）を積層したものを、コイル幅１００μｍ，コイルスペース５０μｍの導電パターンに形成し、この磁気抵抗薄膜の測定角度（磁界方向の鉛直面に対する傾斜角度）に対する抵抗変化のヒステリシスの状態と、抵抗変化曲線の急な折れ曲がりが生じるところの磁界強度（折れ曲がり磁界強度）［ｋＡ／ｍ］の状態を示す。
【表１】
2012078362.tif 000003
【００３２】
磁気変化を抵抗変化として感度良く測定できる範囲いわゆる測定ダイナミックレンジは、表１における折れ曲がり磁界［ｋＡ／ｍ］によって示される。図９は、上記測定角度に対するダイナミックレンジ［ｋＡ／ｍ］の状態をグラフ化して示す。
【００３３】
上記によれば、図１〜図３に示した磁界強度センサ１０は、ＭＲ素子２０の磁気抵抗薄膜２２面Ｐ２を磁界方向の鉛直面Ｐ１に対して５度〜３０度の角度で傾斜させた状態で保持するように構成されていることがとくに望ましい。
【００３４】
ＭＲ素子では、たとえば、Ｎｉ８０Ｆｅ２０合金薄膜のように、磁歪定数の非常に小さい磁気抵抗薄膜を用いたとしても、歪による薄膜の磁化変化により、異方性分散が生じる。この異方性分散が磁気抵抗変化にヒステリシスを生じさせると考えられる。
【００３５】
しかし、この異方性分散の影響は、磁気抵抗薄膜面を磁界方向の鉛直面に対して傾斜させることにより軽減されることが判明した。さらに、その異方性分散の影響を無くすためには、上記のように、磁気抵抗薄膜面を磁界方向の鉛直面に対して５度以上傾けるとよいことが判明した。さらに、その異方性分散による影響の回避に着目するならば、上記傾斜角度θは、１５度〜３０度の範囲がより望ましいことが判明した。
【００３６】
上記実施形態では、ＭＲ素子２０の基板２１が保形性と可撓性を有しているが、これにより、一方向磁界強度を測定する空間部が狭かったり異形状であったりした場合でも、ＭＲ素子を湾曲させることでその測定空間部に差し込み、測定を行うことができるという利点が得られる。
【００３７】
この場合、ＭＲ素子２０を湾曲させることによる検出特性への悪影響が懸念されるが、図１０に示すように、ＭＲ素子２０の全体に、磁界方向（Ｍｘ）の鉛直面に対して上述した所定の傾斜角度θを持たせることにより、その湾曲による悪影響はほぼ回避できることが確認された。
【００３８】
図１１は、上記磁界強度センサ１０の好適な応用例を模式的に示す。上述したように、本発明の磁界強度センサ１０は、従来のＭＲ素子を用いた磁界強度センサに比べて、検出の感度および精度が向上しているので、従来はホール素子を用いなければならなかった計測用途にも好適に適用可能である。
【００３９】
同図はその適用例である直流電流センサを示す。同図に示す直流電流センサはクランプ電流計とも呼ばれているもので、分割開閉式環状磁気コア６１，６２を貫通する導線６０に流れる直流電流ｉｘを、環状磁気コア６１，６２に誘導される磁界強度によって測定する。環状磁気コア６１，６２の磁路にはギャップ６３が設けてあり、このギャップ６３に磁界強度センサ１０が介装されている。
【００４０】
磁界強度センサ１０は、その磁路ギャップ６３を通過する一方向磁界Ｍｘの磁界強度を定量検出する。センサ部であるＭＲ素子２０は保持具３０によって保持されているが、この保持は、磁気抵抗薄膜面が磁界方向（Ｍｘ）の鉛直面に対して５度〜３０度の範囲になるよう、行われている。
【００４１】
これにより、直流電流ｉｘの大きさに応じて誘導される磁界強度を高感度および高精度に定量検出し、直流電流ｉｘを高感度および高精度に測定することができる。
【００４２】
以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、ＭＲ素子２０の保持具３０は上述した以外にも種々の形態が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
構成を複雑化することなく、ＭＲ素子を用いて一方向磁界の強度を高感度かつ高精度に評価できるようになる。たとえば直流電流センサに用いれば、直流電流を高感度および高精度に測定することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０  磁界強度センサ、１１  ケーブル、２０  ＭＲ素子（磁気抵抗薄膜素子）、
２１  素子基板、２２  磁気抵抗薄膜、２３  端子パッド部、３０  保持具、
３１  リード基板（保持具）、３２  リード配線、３３  ボンディングワイヤ、
４１  スペーサ部材、５０  測定装置、５１  抵抗測定回路、
５２  データ変換回路、５３  表示器等の出力装置、６１，６２  磁気コア、
６３  ギャップ、Ｍｘ  磁界、θ  傾斜角度
【図１】
2012078362.tif 000004
【図２】
2012078362.tif 000005
【図３】
2012078362.tif 000006
【図４】
2012078362.tif 000007
【図５】
2012078362.tif 000008
【図６】
2012078362.tif 000009
【図７】
2012078362.tif 000010
【図８】
2012078362.tif 000011
【図９】
2012078362.tif 000012
【図１０】
2012078362.tif 000013
【図１１】
2012078362.tif 000014