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JP3639727B2 - Magnetic sensor - Google Patents

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JP3639727B2
JP3639727B2 JP22845198A JP22845198A JP3639727B2 JP 3639727 B2 JP3639727 B2 JP 3639727B2 JP 22845198 A JP22845198 A JP 22845198A JP 22845198 A JP22845198 A JP 22845198A JP 3639727 B2 JP3639727 B2 JP 3639727B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気センサに関し、特に薄膜磁気インピーダンス素子を用いた高感度磁気センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
最近の情報機器や計測・制御機器の急速な発展にともない小型・低コストで高感度・高速応答の磁気センサの要求がますます大きくなっている。たとえば、コンピュータの外部記憶装置のハードディスク装置では、バルクタイプの誘導型磁気ヘッドから薄膜磁気ヘッド、磁気抵抗効果(MR)ヘッドと高性能化が進んできており、モーターの回転センサであるロータリーエンコーダではマグネットリングの磁極数が多くなり従来用いられている磁気抵抗効果(MR)センサに代わり微弱な表面磁束を感度良く検出できる磁気センサが必要となってきている。また、非破壊検査や紙幣検査に用いることができる高感度磁気センサの需要も大きくなっている。さらに小型軽量の自動車用方位センサ、高精細カラーテレビやパーソナルコンピュータの表示管のアクティブ磁気シールド用センサなどの需要も高くなっている。
【0003】
現在用いられている代表的な磁気検出素子として誘導型再生磁気ヘッド、磁気抵抗効果(MR)素子、フラックスゲートセンサ、ホール素子等がある。また、最近、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果を利用した高感度の磁気センサが提案されており(特開平6−176930号公報、特開平7−181239号公報、特開平7−333305号公報参照)、また磁性薄膜の磁気インピーダンス効果を利用した高感度の磁気センサも提案されている(特開平8−75835号公報、日本応用磁気学会誌vol.20,553(1996)参照)。
【0004】
誘導型再生磁気ヘッドはコイル巻線が必要であるため磁気ヘッド自体が大型化し、また、小型化すると磁気ヘッドと媒体の相対速度が低下して検出感度が著しく低下するという問題がある。これに対して、強磁性膜による磁気抵抗効果(MR)素子が用いられるようになってきた。MR素子は磁束の時間変化ではなく磁束そのものを検出するものであり、これにより磁気ヘッドの小型化が進められてきた。しかし、現在のMR素子の電気抵抗の変化率は約2%であり、また、スピンバルブ素子を用いたMR素子でさえ電気抵抗の変化率が最大6%以下と小さく、また数%の抵抗変化を得るのに必要な外部磁界は1600A/m以上と大きい。従って磁気抵抗感度は0.001%/(A/m)以下の低感度である。また、最近、磁気抵抗変化率が数10%を示す人工格子による巨大磁気抵抗効果(GMR)が見いだされてきた。しかし数10%の抵抗変化を得るためには数万A/mの外部磁界が必要であり、磁気センサとしての実用化はされていない。
【0005】
従来の高感度磁気センサであるフラックスゲートセンサはパーマロイ等の高透磁率磁心の対称なB−H特性が外部磁界によって変化することを利用して磁気の測定を行うものであり、高分解能と±1°の高指向性を持つ。しかし、検出感度をあげるために反磁界の少ない大型の磁心を必要としセンサ全体の寸法を小さくすることが難しく、また、消費電力が大きいという問題点を持つ。
【0006】
ホール素子を用いた磁界センサは電流の流れる面に垂直に磁界を印加すると、電流と印加磁界の両方向に対して垂直な方向に電界が生じてホール素子に起電力が誘起される現象を利用したセンサである。ホール素子はコスト的には有利であるが磁界検出感度が低く、また、SiやGaAsなどの半導体で構成されるため温度変化に対して半導体内の格子の熱振動による散乱によって電子、または正孔の移動度が変化するため磁界感度の温度特性が悪いという欠点を持つ。
【0007】
特開平6−176930号公報、特開平7−181239号公報、特開平7−333305号公報に記載されているように、磁気インピーダンス素子が提案され大幅な磁界感度の向上を実現している。この磁気インピーダンス素子は時間的に急激に変化する電流を磁性線に印加することによって生じる表皮効果を利用した円周磁束の時間変化に対する電圧のみを外部印加磁界による変化として検出することを基本原理としている磁気インピーダンス素子である。図22はその磁気インピーダンス素子の例を示したものである。この磁性線として(FeCoSiB)等の零磁歪の直径30μm程度のアモルファスワイヤ(線引後、張力アニールしたワイヤ)が用いられており、図23はワイヤのインピーダンス変化の印加磁界依存性を示したものである。長さ1mm程度の微小寸法のワイヤでも1MHz程度の高周波電流を通電するとワイヤの電圧の振幅がMR素子の100倍以上である約0.1%/(A/m)の高感度で変化する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
磁気センサとして、小型で低コスト、かつ、検出磁界に対する出力の直線性、温度特性に優れた高感度磁気センサが求められており、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果を利用した磁気センサは高感度の磁界検出特性を示す。また、特開平6−176930号公報、特開平6−347489号公報に示されるものにおいてはバイアス磁界を加えることによりインピーダンス変化の印加磁界依存性の直線性が改善されること、およびアモルファスワイヤに負帰還コイルを巻き、アモルファスワイヤの両端の電圧に比例した電流をコイルに通電し負帰還を施すことにより、直線性の優れた磁気センサを提供できることを示されている。
【0009】
しかしながら特開平6−176930号公報には発振回路や検波回路を含む駆動回路にはふれておらず、また、特開平6−347489号公報では発振回路として一対のスイッチングトランジスタを用いたマルチバイブレータとローパスフィルタの組み合わせを提案している。また、電気学会論文誌E vol.116−E P435(1996),第20回日本応用磁気学会学術講演概要集20pB−2(1996)によると低消費電力化のためにC−MOSマルチバイブレータによるパルス発振による発振回路を提案している。ところで、これらのパルス発振方式では、磁気インピーダンス素子がインダクタンス成分であることから抵抗と微分回路を構成し、実際に磁気インピーダンスに供給される高周波電流はトランジスタ及び、C−MOSマルチバイブレータにより発生されたパルス波の微分波形となり、パルス波より高い周波数となる。この微分波形の周波数は磁気インピーダンス素子の抵抗成分とインダクタンス成分により決まるため磁気インピーダンス素子の磁気インピーダンスが最も大きな変化率を示す適正な周波数に設定する事が難しくなる。
【0010】
また、高周波電流を発生させる回路を直接、磁気インピーダンス素子に接続すると磁気インピーダンス素子のインピーダンスが小さいため、極端に振幅が小さくなり、磁気−インピーダンス変化を十分に引き出せない。さらに、パルス波による振幅の検波は前記電気学会論文誌Eに示される従来方法ではリプルが発生するため、検出電圧が不安定である。特開平8−75835号公報に記載されているものでは磁気薄膜を用いた磁気インピーダンス素子を提案し、素子の小型化をはかっているが、発振回路としてスイッチングトランジスタを用いたマルチバイブレータであり、磁気−インピーダンス変化を最大に引き出すことは難しい。
【0011】
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、小型で低コスト、かつ、検出磁界に対する出力の直線性、温度特性に優れた高感度磁気センサ、および、その駆動回路を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記のごとき本発明の目的を達成するために、本願の請求項1に係る発明では、非磁性体からなる基板上に形成された磁気コアの周囲に絶縁体を介してバイアスコイルを巻回した薄膜磁気インピーダンス素子を用いた磁気センサにおいて、該磁気コアの両端に高周波の正弦波電流を印加する発振回路と、該発振回路と該薄膜磁気インピーダンス素子の磁気コアとの間に設けられ、発振回路の出力インピーダンスと薄膜磁気インピーダンス素子の入力インピーダンスのミスマッチを調整するバッファ回路と、該磁気インピーダンス素子に印加された外部磁界に応じて変化する高周波電流の変化量から外部磁界の磁気変化量を検出する検波回路と、を具備することを特徴とする磁気センサを提供する。
本願の請求項2に係る発明では、請求項1に係る発明において、非磁性体からなる基板上に形成された磁気コアは、強磁性体の薄膜により形成されていることを特徴とする磁気センサを提供する。
本願の請求項3に係る発明では、請求項1に係る発明において、非磁性体からなる基板上に形成された磁気コアは、強磁性体アモルファスワイヤにより形成されていることを特徴とする磁気センサを提供する。
本願の請求項4に係る発明では、請求項1に係る発明において、上記発振回路はインダクタンス素子を含まないバンドパスフィルタを含む正弦波発振回路であることを特徴とする磁気センサを提供する。
本願の請求項5に係る発明では、請求項1に係る発明において、上記発振回路はウィーンブリッジ回路で構成されることを特徴とする磁気センサを提供する。本願の請求項6に係る発明では、請求項1に係る発明において、上記バッファ回路は温度補償回路を持ち、インピーダンス変換機能を備えたプッシュ−プル回路から構成されることを特徴とする磁気センサを提供する。
本願の請求項7に係る発明では、請求項1に係る発明において、上記検波回路は整流回路とローパスフィルタを有することを特徴とする磁気センサを提供する。
本願の請求項8に係る発明では、請求項7に係る発明において、上記ローパスフィルタはインダクタンス分を含まないローパスフィルタであることを特徴とする磁気センサを提供する。
本願の請求項9に係る発明では、請求項7に係る発明において、上記検波回路は差動回路により構成されていることを特徴とする磁気センサを提供する。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明一実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1は本発明の実施の形態に用いられる薄膜磁気インピーダンス(MI)素子の構造を模式的に示した正面図、図2は図1のA−B線に沿って切断した断面図であり、図3は図1のC−D線に沿って切断した断面図である。実際の薄膜MIセンサ全体は薄膜セラミックス板、ガラス板のような板状体の上に形成されているが、図1ではこれを省略して示している。図1、図2及び図3において、1は平面形状が長方形の薄板状に形成された薄膜磁気コアであるMIセンサ板である。このMIセンサ板としての薄膜磁気コアの形状は、幅20μm、厚さ5μm、長さ500μmである。該MIセンサ板1の周囲には、絶縁物層2、3を介して、バイアスコイル4と負帰還コイル5が同一方向に且つ交互に巻回されている。図には正確に示してはいないが、これらコイルの巻数は、それぞれ20ターンである。バイアス用、負帰還用コイルを同一面上に交互に薄膜磁気コアに巻き回わす構造により磁気コアの各部位に均等にバイアス磁界、および負帰還磁界を加えることができ磁気センサとしての感度特性の直線性が向上する。バイアスコイル4の両端には、バイアスコイル端子6、7が接続され、負帰還コイル5の両端には、負帰還コイル端子8、9が接続されている。MIセンサ板1の両端には、MIセンサ端子10、11が接続されている。これら端子はAu金属薄膜及びアルミ金属薄膜から成り、先端の巾広部は、外部配線用のパッドとなる。なお、12は、MIセンサ全体を覆う絶縁保護膜である。
【0014】
図4は薄膜磁気コアをNiFeメッキで作製したときの薄膜磁気センサにセンサの長さ方向に0および2400A/mの磁界(Hex)を印加したときのセンサ両端電極E(E=Z*I)の通電電流周波数特性である。Hex=0のときとHex=2400A/mのときのEの差ΔEは通電電流の周波数20MHz付近で最大であった。図5は通電電流周波数を20MHzとしたときのインピーダンスの変化率の印加磁界(Hex)依存性を示したものである。印加磁界を大きくしていくとインピーダンスの変化率ΔZ/Z0は大きくなり、素子の異方性磁界HkのところでΔZ/Z0は最大となり、さらにHex>HkではΔZ/Z0は小さくなっていく。また、単位印加磁界あたりのインピーダンスの変化量(磁界感度)はHex=1600A/m前後で最大となり0.08%/(A/m)の磁界感度を示した。
【0015】
図6は本発明の磁気センサの回路構成を示すブロック図である。磁気センサは発振回路21、薄膜磁気インピーダンス素子22と発振回路21とのインピーダンスマッチングをとるためのバッファ回路23、負帰還コイル24およびバイアスコイル25を持つ磁気インピーダンス素子22、整流回路26と平滑回路を構成するローパスフィルタ27と差動検出を行う差動回路28とを有する検波回路29、増幅回路30および負帰還抵抗31から成る。
【0016】
図7は、薄膜磁気インピーダンス素子22に高周波の正弦波電流を通電するための発振回路21の詳細回路図である。この発振回路21は水晶発振子、セラミック発振子からなる発振子32をCーMOS回路33の入出力端間に接続したC−MOS発振による発振部34を持つ。発振回路21の発振周波数が発振子32の振動数によって決まるため、周波数安定度が高く、低消費型の発振回路21を得ることが出来る。発振部34の発振出力は、セラミックフィルタからなるバンドパスフィルタ35を通過させる。発振部34から出力される信号Vcの波形は、図8に示すような矩形波であるが、これをバンドパスフィルタ35を通過させることにより、図8に示すような正弦波Vfが得られる。そして、発振回路21を磁気−インピーダンス効果が最大に得られる周波数に設定できる。バンドパスフィルタ35はLCフィルタでも使用可能だが、磁気インピーダンスに及ぼす微少磁界(L(インダクタンス)分から発生する磁界の影響)を排除するため、インダクタンスレスであるセラミックフィルタを使用した。
【0017】
図9は、C−MOS発振部により発振させた出力を直接薄膜磁気インピーダンス素子に印加せしめた場合の回路図である。この回路は第20回日本応用磁気学会学術講演概要集20pB−2(1996)に示される回路とC−MOS発振形態(RC発振)が異なるが、図10に示すようなパルス波Vcが生じる。パルス波を薄膜磁気インピーダンス素子に印加した場合の高周波通電の欠点は、図9に示すように、薄膜磁気インピーダンス素子22がインダクタンス分に相当するため、抵抗R10とハイパスフィルタを形成する。その為、パルス波Vcが図10に示すように、微分波形Vmになり、高周波通電周波数が高域に移行する。図11に示す薄膜磁気インピーダンス素子による周波数特性を例にとると、この素子は、磁気−インピーダンス特性が最大になる周波数は20MHz(50ns)である。この周波数パルスを薄膜磁気−インピーダンス素子に印加して高周波通電を行う。薄膜磁気インピーダンス素子に印加した高周波通電パルス波は図10のような微分波形で出力され、周波数が200MHz(5ns)に移行する。薄膜磁気インピーダンスセンサによる200MHzにおける磁気−インピーダンス変化率は図11のグラフよりほとんど変化しないことがわかる。本発明では、この問題点の解決方法として、上記図7で示した発振回路のように、発振させた高周波のパルス波をバンドパスフィルタに通して高周波成分を排除して正弦波を作り出し、これを薄膜磁気インピーダンス素子に印加すことを提案している。
【0018】
図12はウイーンブリッジ発振回路を示す回路図である。ウイーンブリッジ発振回路は、正弦波発振回路であり、これを図6に示す発振回路21に用いた場合、C−MOS発振回路を用いた場合のようにフィルタを付加する必要がない。
【0019】
図13にバッファ回路23の詳細を示す。バッファ回路23は発振回路21で発振した高周波信号を損失させることなく、薄膜磁気インピーダンス素子22に供給する回路である。たとえば、薄膜磁気インピーダンス素子では、20MHzにおけるインピーダンスが5Ωである。図13におけるR10を10Ωにすると総合インピーダンスが15Ωになる。これをバッファ回路なしで発振回路21と接続させると発振回路21の負荷が重いため、薄膜磁気インピーダンス素子22に出力する電圧が数十mVp−pになり、図15に示す検出回路29の検出部概略回路においてダイオードD3の順方向電圧(200mV程度)より、低くなり、検出できなくなる。それを解決するために薄膜磁気インピーダンス素子と発振回路の間にバッファ回路23を挿入する。バッファ回路23の出力段のトランジスタはダーリントン接続(Tr4とTr6、Tr3とTr5)によるプッシュブル回路を構成しており、トランジスタの出力インピーダンスを数Ω以下にしている。そしてR8,R9を1Ω以下にすれば、バッファ回路23の出力インピーダンスは負荷のインピーダンスと比較して無視できる程度になり、発振回路21によって発生した高周波通電出力を損失なく、薄膜磁気インピーダンス素子22に供給できる。
【0020】
また、図13におけるバッファ回路23のダイオードD1、D2はトランジスタの温度特性の補正用である。図13において温度によるトランジスタのベース−エミッタ電圧変化をΔVBEとする。バッファ回路23においてダイオードD1、D2を挿入しない場合、図21に示す式(1)、(2)より、ΔVBE分だけトランジスタの電圧が変化することがわかる。一般にΔVBEは、−2.2mV/℃で変化するため、図14のように温度が高くなるにつれてトランジスタのコレクタ電流Icが流れるようになり、最終的にはなだれ現象が生じ、トランジスタを破損する。この解決方法としてTr2(Tr1)とTr4(Tr3)に間にトランジスタと温度変化が同じダイオードを挿入し、温度による電圧変化をキャンセルすることができる。これを示す式が図21の式(3)、(4)である。これより、温度特性のよい、バッファ回路に仕上がる。
【0021】
図15は、薄膜磁気インピーダンス素子22への高周波通電出力をDC電圧に変換する動作を説明する説明回路図である。図15に示す回路の動作を図16を用いて説明すると、薄膜磁気インピーダンス素子22の両端に発生した高周波出力電圧VoはダイオードD3により半波整流され、コンデンサC6で平滑電圧Veになる。完全に直流化にするために発生したリプルをローパスフィルタ27を通して排除する。このローパスフィルタ27は、LCフィルタでも使用可能だが、磁気インピーダンスに及ぼす微少磁界(L(インダクタンス)分から発生する磁界の影響)を排除するため、インダクタンスレスであるローパスフィルタで構成した。なお、図15及び図16における出力電圧Vdは、薄膜インピーダンス素子22が検知した磁気量により変化する。
【0022】
図17は、磁気インピーダンスセンサに組み込まれた薄膜磁気インピーダンス素子のインピーダンス変化率を最大に得るための回路図である。図17において、薄膜磁気インピーダンス素子22の両端に発生した高周波出力電圧VoをダイオードD3、D5により正と負それぞれに半波整流し、コンデンサC6、C10による平滑回路を通してDC電圧+Ve、−Veに変換し、抵抗R14、コンデンサC7および抵抗21、コンデンサC11によるローパスフィルタでリプルを排除し、検波出力+Vd、−Vdを得る。これらの波形を図18に示す。そして、得られた正負出力+Vd、−Vd間の電圧をオペアンプで差動検出する。この差動検知により、図15に示す回路で検知される磁気−インピーダンスの変化量の2倍の変化量を得ることができる。また、R24とR15の比を変えることにより、オペアンプ36を増幅器として作用させることが出来る。
【0023】
図19は、バイアスコイル、および負帰還コイルを持つ薄膜磁気インピーダンス素子を用いて作製した本発明に係るリニア磁気センサの総合回路の一例を示す回路図である。これを磁気センサとして用いるときは、薄膜磁気インピーダンス素子の最大感度のところに動作点を持ってくることによりセンサ感度を向上することができる。このため、バイアスコイルに電流を流すことによりバイアス磁界を加え動作点を変えることができ、1600A/mのバイアス磁界を磁気コアに印加することにより磁界0A/mのところに磁界感度が最大になるようにした。
【0024】
一方、バイアスコイルを用いて印加磁界0A/mに最大感度を持ってくるように動作点を移動した場合、磁界に対するインピーダンスの変化(出力の変化)の直線性はあまり良くないものとなる。この直線性を改善する方法として出力信号をフィードバックし負帰還コイルを用いて磁界に対する出力の非直線性を補正するだけの磁界を薄膜磁気コアに負帰還磁界として加えることにより出力信号を補正し直線性を得る方法がとられる。図19に示されるリニア磁気センサの回路図により、動作点を最大感度の点に移動し、出力信号をフィードバックし、薄膜コアに負帰還磁界を加え感度特性の直線性を高めている。
図20は図19に示す回路を用いてバイアスコイル磁界1600A/m、負帰還率50%の負帰還をかけたときの磁気センサの印加磁界に対する出力電圧の関係を示したものである。ここで通電電流の周波数は20MHzである。図20に示すように±240A/mの測定磁界内で優れた直線性を示し、かつ、10-3A/mの磁界分解能を示した。これらの結果はリニア磁界センサとして良好な特性である。
【0025】
以上、本発明を上述の実施の形態により説明したが、例えば、薄膜磁気インピーダンス素子の薄膜磁気コアの代わりに強磁性アモルファスワイヤで構成した薄膜磁気インピーダンス素子を用いるなど、本発明の主旨の範囲内で種々の変形や応用が可能であり、これらの変形や応用を本発明の範囲から排除するものではない。
【0026】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本願の請求項1、2,3に係る発明では、薄膜磁気インピーダンス素子を含む複合素子として高感度の磁気センサを提供でき、正弦波を薄膜磁気インピーダンス素子に入力できることで特性を最大限に引き出すことが可能となった。そして、発振器と薄膜磁気インピーダンス素子の間にバッファ回路を設けることにより、薄膜磁気インピーダンス素子のインピーダンスの影響を排除でき、発振器の出力を損失なく、供給できる。
請求項4に係る発明では、薄膜磁気インピーダンス素子に印加する正弦波による高周波通電電流を簡単なインダクタンスを排除した回路で構成したので、薄膜磁気インピーダンス素子に及ぼす磁気センサ自身から発生する微少磁界の影響を排除することが出来る。
本願の請求項5に係る発明では、発振回路をウィーンブリッジ回路で構成したので、発振回路にバンドパスフィルタを設ける必要がなく、さらに、ウイーンブリッジ回路はインダクタンスレス回路であるので、磁気センサの回路構成を簡単に構成できる。
本願の請求項6に係る発明では、上記バッファ回路は温度補償回路を持ち、インピーダンス変換機能を備えたプッシュ−プル回路から構成されるので、バッファ回路の出力インピーダンスは負荷のインピーダンスと比較して無視できる程度になり、発振回路によって発生した高周波通電出力を損失なく、薄膜磁気インピーダンス素子に供給できる。
本願の請求項7及び8に係る発明では、上記検波回路は整流回路とローパスフィルタを有するので、検出回路においては整流回路と平滑回路にローパスフィルタを追加することにより、薄膜磁気インピーダンス素子の出力をDC信号に変換でき、極力、リプルを押さえた回路を供給できる。また、差動回路を設けることで磁気インピーダンスセンサの出力を正側だけでなく、負側も検出でき、通常の倍の変化量を検出できる。
本願の請求項8に係る発明では、ローパスフィルタをインダクタンスを排除した回路で構成したので、薄膜磁気インピーダンス素子に及ぼす磁気センサ自身から発生する微少磁界の影響を排除することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明に用いる薄膜磁気インピーダンス素子の構造を模式的に示した正面図である。
【図2】図2は、図1のA−B線に沿って切断した断面図である。
【図3】図3は、図1のC−D線に沿って切断した断面図である。
【図4】図4は、薄膜磁気インピーダンス素子の通電電流周波数特性図である。
【図5】図5は、薄膜磁気インピーダンス素子のインピーダンス変化率特性図である。
【図6】図6は、本発明に係る磁気センサのブロック図である。
【図7】図7は、発信部とバンドパスフィルタのブロック図である。
【図8】図8は、発信部とローパスフィルタ通過後の出力波形図である。
【図9】図9は、薄膜磁気インピーダンス素子を中心とした主要部の回路図である。
【図10】図10は、図9に示す回路の出力波形図である。
【図11】図11は、薄膜磁気インピーダンス素子の周波数特性図である。
【図12】図12は、ウイーンブリッジの回路図である。
【図13】図13は、バッファ回路の回路図である。
【図14】図14は、トランジスタのエミッターコレクタ特性図である。
【図15】図15は、検出回路の回路図である。
【図16】図16は、図15に示す検出回路の出力波形図である。
【図17】図17は、他の実施の形態の検出回路と増幅部の回路図である。
【図18】図18は、図17に示す回路の出力波形図である。
【図19】図19は、本発明の磁気センサの総合回路図である。
【図20】図20は、負帰還率50%の印加磁界に対する出力電圧特性図である。
【図21】図21は、バッファ回路の回路計算式を示す計算式図である。
【図22】図22は、アモルファスワイヤからなる磁気インピーダンス素子を用いた磁気センサの回路ブロック図である。
【図23】 図23は、アモルファスワイヤを用いた磁気インピーダンス素子の特性図である。
【符号の説明】
1・・・・・MIセンサ板
2・・・・・絶縁物層
3・・・・・絶縁物層
4・・・・・バイアスコイル
5・・・・・負帰還コイル
6・・・・・バイアスコイル端子
7・・・・・バイアスコイル端子
8・・・・・負帰還コイル端子
9・・・・・負帰還コイル端子
10・・・・・MIセンサ端子
11・・・・・MIセンサ端子
12・・・・・絶縁保護膜
20・・・・・非磁性基板
21・・・・・発振回路
22・・・・・薄膜磁気インピーダンス素子
23・・・・・バッファ回路
24・・・・・負帰還コイル
25・・・・・バイアスコイル
26・・・・・整流回路
27・・・・・ローパスフィルタ
28・・・・・差動回路
29・・・・・検波回路
30・・・・・増幅回路
31・・・・・負帰還抵抗
32・・・・・発振子
33・・・・・C−MOS回路
34・・・・・発振部
35・・・・・バンドパスフィルタ
36・・・・・オペアンプ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic sensor, and more particularly to a high-sensitivity magnetic sensor using a thin film magneto-impedance element.
[0002]
[Prior art]
With the recent rapid development of information equipment and measurement / control equipment, there is an increasing demand for small, low-cost, high-sensitivity, high-speed response magnetic sensors. For example, hard disk drives for computer external storage devices have been improved in performance from bulk-type induction magnetic heads to thin film magnetic heads and magnetoresistive effect (MR) heads. As the number of magnetic poles of the magnet ring increases, a magnetic sensor capable of detecting a weak surface magnetic flux with high sensitivity is required in place of a conventionally used magnetoresistive effect (MR) sensor. There is also a growing demand for high-sensitivity magnetic sensors that can be used for nondestructive inspection and banknote inspection. In addition, there is a growing demand for compact and lightweight automobile orientation sensors, high-definition color televisions, and sensors for active magnetic shields in display tubes of personal computers.
[0003]
Typical magnetic detection elements currently used include an inductive reproducing magnetic head, a magnetoresistive effect (MR) element, a fluxgate sensor, and a Hall element. Recently, a high-sensitivity magnetic sensor using the magneto-impedance effect of an amorphous wire has been proposed (see JP-A-6-176930, JP-A-7-181239, JP-A-7-333305), A high-sensitivity magnetic sensor using the magnetic impedance effect of a magnetic thin film has also been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-75835, Journal of Applied Magnetics Society of Japan, vol. 20, 553 (1996)).
[0004]
The induction type reproducing magnetic head requires a coil winding, so that the magnetic head itself becomes large, and if the size is reduced, the relative speed between the magnetic head and the medium is lowered, and the detection sensitivity is remarkably lowered. On the other hand, a magnetoresistive effect (MR) element using a ferromagnetic film has been used. The MR element detects not the time change of the magnetic flux but the magnetic flux itself, and the miniaturization of the magnetic head has been promoted. However, the current MR element has a change rate of about 2%, and even an MR element using a spin valve element has a small change rate of an electric resistance of 6% or less and a resistance change of several%. The external magnetic field required to obtain the value is as large as 1600 A / m or more. Therefore, the magnetoresistive sensitivity is a low sensitivity of 0.001% / (A / m) or less. Recently, a giant magnetoresistance effect (GMR) using an artificial lattice having a magnetoresistance change rate of several tens of percent has been found. However, in order to obtain a resistance change of several tens of percent, an external magnetic field of tens of thousands of A / m is required, and it has not been put into practical use as a magnetic sensor.
[0005]
A fluxgate sensor, which is a conventional high-sensitivity magnetic sensor, measures magnetism by utilizing the fact that the symmetric BH characteristics of a high-permeability magnetic core such as Permalloy are changed by an external magnetic field. High directivity of 1 °. However, in order to increase the detection sensitivity, a large magnetic core with a small demagnetizing field is required, and it is difficult to reduce the overall size of the sensor, and the power consumption is large.
[0006]
A magnetic field sensor using a Hall element utilizes a phenomenon in which, when a magnetic field is applied perpendicularly to the plane of current flow, an electric field is generated in a direction perpendicular to both the current and applied magnetic fields, and an electromotive force is induced in the Hall element. It is a sensor. Although the Hall element is advantageous in terms of cost, it has low magnetic field detection sensitivity, and since it is composed of a semiconductor such as Si or GaAs, electrons or holes are scattered by scattering due to thermal oscillation of the lattice in the semiconductor against temperature changes. Has the disadvantage that the temperature characteristics of the magnetic field sensitivity are poor.
[0007]
As described in JP-A-6-176930, JP-A-7-181239, and JP-A-7-333305, a magneto-impedance element has been proposed to achieve a significant improvement in magnetic field sensitivity. The basic principle of this magneto-impedance element is to detect only the voltage against the time change of the circumferential magnetic flux using the skin effect generated by applying a current that changes rapidly with time to the magnetic wire as a change due to the externally applied magnetic field. It is a magnetic impedance element. FIG. 22 shows an example of the magneto-impedance element. As this magnetic wire, an amorphous wire (wire subjected to tension annealing after drawing) having a diameter of about 30 μm with zero magnetostriction such as (FeCoSiB) is used, and FIG. 23 shows the applied magnetic field dependence of the impedance change of the wire. It is. Even if a wire with a minute dimension of about 1 mm in length is applied with a high frequency current of about 1 MHz, the amplitude of the voltage of the wire changes with a high sensitivity of about 0.1% / (A / m), which is 100 times or more that of the MR element.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As a magnetic sensor, there is a demand for a high-sensitivity magnetic sensor that is small, low-cost, excellent in output linearity with respect to the detected magnetic field, and excellent in temperature characteristics. A magnetic sensor that uses the magneto-impedance effect of amorphous wire is a highly sensitive magnetic field. The detection characteristics are shown. In addition, in the ones disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 6-176930 and 6-347490, the linearity of the applied magnetic field dependency of the impedance change is improved by applying a bias magnetic field, and the amorphous wire is negatively affected. It has been shown that a magnetic sensor having excellent linearity can be provided by winding a feedback coil and applying a current proportional to the voltage across the amorphous wire to the coil to provide negative feedback.
[0009]
However, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-176930 does not mention a drive circuit including an oscillation circuit and a detection circuit, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-347490 discloses a multivibrator using a pair of switching transistors as an oscillation circuit and a low-pass circuit. Suggests a combination of filters. In addition, IEEJ Transactions E vol. 116-E P435 (1996), 20th Annual Meeting of the Japan Society of Applied Magnetics, 20pB-2 (1996), has proposed an oscillation circuit based on pulse oscillation using a C-MOS multivibrator to reduce power consumption. . By the way, in these pulse oscillation systems, since the magneto-impedance element is an inductance component, a resistor and a differential circuit are formed, and the high-frequency current actually supplied to the magnetic impedance is generated by the transistor and the C-MOS multivibrator. It becomes a differential waveform of the pulse wave and has a higher frequency than the pulse wave. Since the frequency of the differential waveform is determined by the resistance component and the inductance component of the magneto-impedance element, it is difficult to set an appropriate frequency at which the magnetic impedance of the magneto-impedance element exhibits the greatest change rate.
[0010]
In addition, when a circuit that generates a high-frequency current is directly connected to a magnetic impedance element, the impedance of the magnetic impedance element is small, so that the amplitude becomes extremely small and a change in magnetic-impedance cannot be sufficiently extracted. Furthermore, the detection of the amplitude by the pulse wave is unstable because the ripple is generated in the conventional method shown in the IEEJ Transaction E. In Japanese Patent Laid-Open No. 8-75835, a magnetic impedance element using a magnetic thin film has been proposed to reduce the size of the element, but a multivibrator using a switching transistor as an oscillation circuit is used. -It is difficult to maximize the impedance change.
[0011]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is to provide a high-sensitivity magnetic sensor that is small in size and low in cost, excellent in output linearity with respect to a detection magnetic field, and excellent in temperature characteristics, and a driving circuit thereof. .
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the object of the present invention as described above, in the invention according to claim 1 of the present application, the bias coil is wound around the magnetic core formed on the non-magnetic substrate via the insulator. In a magnetic sensor using a thin-film magneto-impedance element, an oscillation circuit that applies a high-frequency sine wave current to both ends of the magnetic core, and the oscillation circuit provided between the oscillation circuit and the magnetic core of the thin-film magneto-impedance element A buffer circuit that adjusts the mismatch between the output impedance of the thin film magneto-impedance element and the input impedance of the thin-film magneto-impedance element, and the amount of change in the external magnetic field is detected from the amount of change in the high-frequency current that changes in response to the external magnetic field A magnetic sensor comprising a detection circuit.
In the invention according to claim 2 of the present application, in the invention according to claim 1, the magnetic core formed on the non-magnetic substrate is formed of a ferromagnetic thin film. I will provide a.
In the invention according to claim 3 of the present application, in the invention according to claim 1, the magnetic core formed on the non-magnetic substrate is formed of a ferromagnetic amorphous wire. I will provide a.
The invention according to claim 4 of the present application provides the magnetic sensor according to the invention according to claim 1, wherein the oscillation circuit is a sine wave oscillation circuit including a band-pass filter not including an inductance element.
The invention according to claim 5 of the present application provides the magnetic sensor according to claim 1, wherein the oscillation circuit is configured by a Wien bridge circuit. According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a magnetic sensor according to the first aspect of the present invention, wherein the buffer circuit includes a temperature-compensation circuit and includes a push-pull circuit having an impedance conversion function. provide.
The invention according to claim 7 of the present application provides the magnetic sensor according to claim 1, wherein the detection circuit includes a rectifier circuit and a low-pass filter.
The invention according to claim 8 of the present application provides the magnetic sensor according to claim 7, wherein the low-pass filter is a low-pass filter not including an inductance component.
The invention according to claim 9 of the present application provides the magnetic sensor according to claim 7, wherein the detection circuit is constituted by a differential circuit.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a front view schematically showing the structure of a thin film magneto-impedance (MI) element used in an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AB in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line CD in FIG. The actual thin film MI sensor as a whole is formed on a plate-like body such as a thin film ceramic plate or glass plate, but this is omitted in FIG. 1, 2, and 3, reference numeral 1 denotes an MI sensor plate that is a thin-film magnetic core formed in a thin plate shape having a rectangular planar shape. The thin film magnetic core as the MI sensor plate has a width of 20 μm, a thickness of 5 μm, and a length of 500 μm. A bias coil 4 and a negative feedback coil 5 are wound around the MI sensor plate 1 alternately in the same direction via insulator layers 2 and 3. Although not shown correctly in the figure, each of these coils has 20 turns. Bias and negative feedback coils are wound around a thin film magnetic core alternately on the same surface, so that a bias magnetic field and a negative feedback magnetic field can be evenly applied to each part of the magnetic core. Linearity is improved. Bias coil terminals 6 and 7 are connected to both ends of the bias coil 4, and negative feedback coil terminals 8 and 9 are connected to both ends of the negative feedback coil 5. MI sensor terminals 10 and 11 are connected to both ends of the MI sensor plate 1. These terminals are made of an Au metal thin film and an aluminum metal thin film, and the wide portion at the tip serves as a pad for external wiring. Reference numeral 12 denotes an insulating protective film that covers the entire MI sensor.
[0014]
FIG. 4 shows sensor end electrodes E (E = Z * I) when a magnetic field (Hex) of 0 and 2400 A / m is applied to the thin film magnetic sensor when the thin film magnetic core is made of NiFe plating. It is a current-carrying current frequency characteristic. The difference ΔE in E when Hex = 0 and Hex = 2400 A / m was the maximum near the frequency of the conduction current of 20 MHz. FIG. 5 shows the applied magnetic field (Hex) dependence of the rate of change in impedance when the energizing current frequency is 20 MHz. As the applied magnetic field is increased, the impedance change rate ΔZ / Z0 is increased, ΔZ / Z0 is maximized at the anisotropic magnetic field Hk of the element, and ΔZ / Z0 is decreased when Hex> Hk. Further, the amount of change in the impedance per unit applied magnetic field (magnetic field sensitivity) was maximum around Hex = 1600 A / m, and showed a magnetic field sensitivity of 0.08% / (A / m).
[0015]
FIG. 6 is a block diagram showing a circuit configuration of the magnetic sensor of the present invention. The magnetic sensor includes an oscillation circuit 21, a buffer circuit 23 for impedance matching between the thin film magnetic impedance element 22 and the oscillation circuit 21, a magnetic impedance element 22 having a negative feedback coil 24 and a bias coil 25, a rectifier circuit 26 and a smoothing circuit. It comprises a detection circuit 29 having a low-pass filter 27 and a differential circuit 28 for differential detection, an amplifier circuit 30, and a negative feedback resistor 31.
[0016]
FIG. 7 is a detailed circuit diagram of the oscillation circuit 21 for supplying a high-frequency sine wave current to the thin film magneto-impedance element 22. The oscillation circuit 21 has an oscillation unit 34 by C-MOS oscillation in which an oscillator 32 made of a crystal oscillator or a ceramic oscillator is connected between input and output terminals of a C-MOS circuit 33. Since the oscillation frequency of the oscillation circuit 21 is determined by the frequency of the oscillator 32, the frequency stability is high and a low consumption type oscillation circuit 21 can be obtained. The oscillation output of the oscillating unit 34 is passed through a band pass filter 35 made of a ceramic filter. The waveform of the signal Vc output from the oscillating unit 34 is a rectangular wave as shown in FIG. 8. By passing this through the band-pass filter 35, a sine wave Vf as shown in FIG. 8 is obtained. Then, the oscillation circuit 21 can be set to a frequency at which the magneto-impedance effect can be maximized. The bandpass filter 35 can be used as an LC filter, but in order to eliminate a minute magnetic field (influence of a magnetic field generated from an L (inductance) component) on the magnetic impedance, an inductanceless ceramic filter was used.
[0017]
FIG. 9 is a circuit diagram when the output oscillated by the C-MOS oscillating unit is directly applied to the thin film magneto-impedance element. Although this circuit is different from the circuit shown in the 20th Annual Meeting of the Japan Society of Applied Magnetics 20pB-2 (1996) in C-MOS oscillation mode (RC oscillation), a pulse wave Vc as shown in FIG. 10 is generated. The disadvantage of high-frequency energization when a pulse wave is applied to the thin film magneto-impedance element is that, as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 10, the pulse wave Vc becomes a differential waveform Vm, and the high-frequency energization frequency shifts to a high region. Taking the frequency characteristics of the thin film magneto-impedance element shown in FIG. 11 as an example, the frequency at which the magneto-impedance characteristic is maximum for this element is 20 MHz (50 ns). This frequency pulse is applied to the thin film magneto-impedance element to conduct high frequency energization. The high-frequency energized pulse wave applied to the thin film magneto-impedance element is output as a differential waveform as shown in FIG. 10, and the frequency shifts to 200 MHz (5 ns). From the graph of FIG. 11, it can be seen that the magneto-impedance change rate at 200 MHz by the thin film magnetic impedance sensor hardly changes. In the present invention, as a solution to this problem, as in the oscillation circuit shown in FIG. 7, the oscillated high-frequency pulse wave is passed through a band-pass filter to eliminate high-frequency components and create a sine wave. Has been proposed to be applied to a thin film magneto-impedance element.
[0018]
FIG. 12 is a circuit diagram showing a Wien bridge oscillation circuit. The Wien bridge oscillation circuit is a sine wave oscillation circuit. When this circuit is used in the oscillation circuit 21 shown in FIG. 6, it is not necessary to add a filter as in the case of using a C-MOS oscillation circuit.
[0019]
FIG. 13 shows details of the buffer circuit 23. The buffer circuit 23 is a circuit that supplies the high-frequency signal oscillated by the oscillation circuit 21 to the thin film magneto-impedance element 22 without loss. For example, in a thin film magnetic impedance element, the impedance at 20 MHz is 5Ω. When R10 in FIG. 13 is 10Ω, the total impedance is 15Ω. When this is connected to the oscillation circuit 21 without a buffer circuit, the load on the oscillation circuit 21 is heavy, so that the voltage output to the thin film magnetic impedance element 22 becomes several tens of mVp-p, and the detection unit of the detection circuit 29 shown in FIG. In the schematic circuit, the voltage is lower than the forward voltage (about 200 mV) of the diode D3 and cannot be detected. In order to solve this problem, a buffer circuit 23 is inserted between the thin film magneto-impedance element and the oscillation circuit. The transistors at the output stage of the buffer circuit 23 constitute a push-bull circuit by Darlington connection (Tr4 and Tr6, Tr3 and Tr5), and the output impedance of the transistor is set to several Ω or less. If R8 and R9 are set to 1Ω or less, the output impedance of the buffer circuit 23 becomes negligible compared to the impedance of the load, and the high-frequency energization output generated by the oscillation circuit 21 is lost to the thin film magnetic impedance element 22 without loss. Can supply.
[0020]
Further, the diodes D1 and D2 of the buffer circuit 23 in FIG. 13 are for correcting the temperature characteristics of the transistor. In FIG. 13, the change in the base-emitter voltage of the transistor due to temperature is represented by ΔVBE. When the diodes D1 and D2 are not inserted in the buffer circuit 23, it can be seen from the equations (1) and (2) shown in FIG. 21 that the transistor voltage changes by ΔVBE. Since ΔVBE generally changes at −2.2 mV / ° C., the collector current Ic of the transistor flows as the temperature rises as shown in FIG. 14, and finally an avalanche phenomenon occurs and the transistor is damaged. As a solution to this, a diode having the same temperature change as that of the transistor can be inserted between Tr2 (Tr1) and Tr4 (Tr3) to cancel the voltage change due to temperature. Equations (3) and (4) in FIG. 21 show this. As a result, the buffer circuit with good temperature characteristics is finished.
[0021]
FIG. 15 is an explanatory circuit diagram for explaining the operation of converting the high-frequency energization output to the thin film magneto-impedance element 22 into a DC voltage. The operation of the circuit shown in FIG. 15 will be described with reference to FIG. 16. The high-frequency output voltage Vo generated at both ends of the thin film magneto-impedance element 22 is half-wave rectified by the diode D3 and becomes the smoothed voltage Ve by the capacitor C6. The ripple generated in order to make it completely DC is eliminated through the low-pass filter 27. The low-pass filter 27 can be used as an LC filter, but is composed of an inductance-less low-pass filter in order to eliminate a minute magnetic field (effect of a magnetic field generated from an L (inductance) component) on the magnetic impedance. Note that the output voltage Vd in FIGS. 15 and 16 varies depending on the amount of magnetism detected by the thin-film impedance element 22.
[0022]
FIG. 17 is a circuit diagram for obtaining the maximum rate of impedance change of the thin film magnetoimpedance element incorporated in the magnetoimpedance sensor. In FIG. 17, the high-frequency output voltage Vo generated at both ends of the thin film magneto-impedance element 22 is half-wave rectified into positive and negative by the diodes D3 and D5, respectively, and converted into DC voltages + Ve and −Ve through a smoothing circuit by capacitors C6 and C10. Then, the ripple is eliminated by a low-pass filter including the resistor R14, the capacitor C7, the resistor 21, and the capacitor C11, and detection outputs + Vd and -Vd are obtained. These waveforms are shown in FIG. The obtained voltage between the positive and negative outputs + Vd and −Vd is differentially detected by an operational amplifier. By this differential detection, a change amount twice as large as the change amount of the magnetic-impedance detected by the circuit shown in FIG. 15 can be obtained. Further, by changing the ratio of R24 and R15, the operational amplifier 36 can be operated as an amplifier.
[0023]
FIG. 19 is a circuit diagram showing an example of a total circuit of a linear magnetic sensor according to the present invention manufactured using a thin film magneto-impedance element having a bias coil and a negative feedback coil. When this is used as a magnetic sensor, the sensor sensitivity can be improved by bringing the operating point to the maximum sensitivity of the thin film magneto-impedance element. For this reason, by applying a current to the bias coil, a bias magnetic field can be applied to change the operating point. By applying a bias magnetic field of 1600 A / m to the magnetic core, the magnetic field sensitivity is maximized at a magnetic field of 0 A / m. I did it.
[0024]
On the other hand, when the operating point is moved so as to bring the maximum sensitivity to the applied magnetic field of 0 A / m using the bias coil, the linearity of the impedance change (output change) with respect to the magnetic field is not very good. As a method of improving this linearity, the output signal is fed back to the thin film magnetic core as a negative feedback magnetic field by feeding back the output signal and correcting the nonlinearity of the output with respect to the magnetic field using a negative feedback coil. A way to get sex is taken. According to the circuit diagram of the linear magnetic sensor shown in FIG. 19, the operating point is moved to the point of maximum sensitivity, the output signal is fed back, and a negative feedback magnetic field is added to the thin film core to improve the linearity of the sensitivity characteristic.
FIG. 20 shows the relationship of the output voltage to the applied magnetic field of the magnetic sensor when negative feedback with a bias coil magnetic field of 1600 A / m and a negative feedback rate of 50% is applied using the circuit shown in FIG. Here, the frequency of the energization current is 20 MHz. As shown in FIG. 20, excellent linearity was exhibited in a measured magnetic field of ± 240 A / m, and a magnetic field resolution of 10 −3 A / m was exhibited. These results are good characteristics as a linear magnetic field sensor.
[0025]
As described above, the present invention has been described with reference to the above embodiment. For example, a thin film magneto-impedance element made of a ferromagnetic amorphous wire is used instead of the thin film magnetic core of the thin film magneto-impedance element. Various modifications and applications are possible, and these modifications and applications are not excluded from the scope of the present invention.
[0026]
【The invention's effect】
As described above in detail, in the inventions according to Claims 1, 2, and 3 of the present application, a highly sensitive magnetic sensor can be provided as a composite element including a thin film magnetoimpedance element, and a sine wave can be input to the thin film magnetoimpedance element. It became possible to draw out the characteristics to the maximum. By providing a buffer circuit between the oscillator and the thin film magneto-impedance element, the influence of the impedance of the thin film magneto-impedance element can be eliminated, and the output of the oscillator can be supplied without loss.
In the invention according to claim 4, since the high-frequency energization current due to the sine wave applied to the thin film magneto-impedance element is configured by a circuit excluding a simple inductance, the influence of the minute magnetic field generated from the magnetic sensor itself on the thin film magneto-impedance element Can be eliminated.
In the invention according to claim 5 of the present application, since the oscillation circuit is composed of a Wien bridge circuit, it is not necessary to provide a band pass filter in the oscillation circuit. Further, since the Wien bridge circuit is an inductanceless circuit, the circuit of the magnetic sensor is provided. The configuration can be easily configured.
In the invention according to claim 6 of the present application, since the buffer circuit has a temperature compensation circuit and is composed of a push-pull circuit having an impedance conversion function, the output impedance of the buffer circuit is ignored compared with the impedance of the load. As a result, the high-frequency energization output generated by the oscillation circuit can be supplied to the thin film magneto-impedance element without loss.
In the invention according to claims 7 and 8 of the present application, since the detection circuit has a rectifier circuit and a low-pass filter, the detection circuit adds the low-pass filter to the rectifier circuit and the smoothing circuit, thereby outputting the output of the thin film magneto-impedance element. A circuit that can be converted into a DC signal and suppresses ripple as much as possible can be supplied. In addition, by providing a differential circuit, not only the positive side but also the negative side of the output of the magnetic impedance sensor can be detected, and the amount of change that is twice as normal can be detected.
In the invention according to claim 8 of the present application, since the low-pass filter is configured by a circuit excluding the inductance, it is possible to eliminate the influence of the minute magnetic field generated from the magnetic sensor itself on the thin film magneto-impedance element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view schematically showing the structure of a thin film magneto-impedance element used in the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AB in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line CD in FIG. 1;
FIG. 4 is a frequency characteristic diagram of a conduction current of a thin film magneto-impedance element.
FIG. 5 is an impedance change rate characteristic diagram of a thin film magneto-impedance element.
FIG. 6 is a block diagram of a magnetic sensor according to the present invention.
FIG. 7 is a block diagram of a transmitter and a bandpass filter.
FIG. 8 is an output waveform diagram after passing through a transmission unit and a low-pass filter.
FIG. 9 is a circuit diagram of the main part centering on a thin film magneto-impedance element.
FIG. 10 is an output waveform diagram of the circuit shown in FIG. 9;
FIG. 11 is a frequency characteristic diagram of a thin film magneto-impedance element.
FIG. 12 is a circuit diagram of a Wien bridge.
FIG. 13 is a circuit diagram of a buffer circuit.
FIG. 14 is an emitter-collector characteristic diagram of a transistor.
FIG. 15 is a circuit diagram of a detection circuit.
FIG. 16 is an output waveform diagram of the detection circuit shown in FIG. 15;
FIG. 17 is a circuit diagram of a detection circuit and an amplification unit according to another embodiment.
FIG. 18 is an output waveform diagram of the circuit shown in FIG. 17;
FIG. 19 is a general circuit diagram of the magnetic sensor of the present invention.
FIG. 20 is an output voltage characteristic diagram with respect to an applied magnetic field having a negative feedback rate of 50%.
FIG. 21 is a calculation formula diagram showing a circuit calculation formula of the buffer circuit;
FIG. 22 is a circuit block diagram of a magnetic sensor using a magneto-impedance element made of an amorphous wire.
FIG. 23 is a characteristic diagram of a magneto-impedance element using an amorphous wire.
[Explanation of symbols]
1 ... MI sensor plate
2 ... Insulator layer
3. Insulator layer
4 ... Bias coil
5 ... Negative feedback coil
6 ... Bias coil terminal
7: Bias coil terminal
8 ... Negative feedback coil terminal
9: Negative feedback coil terminal
10 ... MI sensor terminal
11 ... MI sensor terminal
12 ... Insulating protective film
20 ... Non-magnetic substrate
21 ... Oscillator circuit
22 ... Thin film magneto-impedance element
23 ... Buffer circuit
24 ... Negative feedback coil
25 ... Bias coil
26 ... Rectifier circuit
27 ...... Low-pass filter
28 ... Differential circuit
29 ... Detection circuit
30 ... Amplifier circuit
31 ... Negative feedback resistance
32 …… Oscillator
33 ... C-MOS circuit
34 ... Oscillator
35 ... Band pass filter
36 ・ ・ ・ ・ ・ Operational amplifier

Claims (9)

非磁性体からなる基板上に形成された磁気コアの周囲に絶縁体を介したバイアスコイルおよび負帰還コイルを巻回した薄膜磁気インピーダンス素子を用いた磁気センサにおいて、該磁気コアの両端に高周波の正弦波電流を印加する発振回路と、該発振回路と該薄膜磁気インピーダンス素子の磁気コアとの間に設けられ、発振回路の出力インピーダンスと薄膜磁気インピーダンス素子の入力インピーダンスのミスマッチを調整するバッファ回路と、
該磁気インピーダンス素子に印加された外部磁界に応じて変化する高周波電流の変化量から外部磁界の磁気変化量を直流検出する検波回路と、
を具備することを特徴とする磁気センサ。
In a magnetic sensor using a thin film magneto-impedance element in which a bias coil and a negative feedback coil via an insulator are wound around a magnetic core formed on a substrate made of a non-magnetic material, high-frequency waves are applied to both ends of the magnetic core. An oscillation circuit for applying a sine wave current; and a buffer circuit provided between the oscillation circuit and the magnetic core of the thin film magneto-impedance element, and adjusting a mismatch between the output impedance of the oscillation circuit and the input impedance of the thin film magneto-impedance element; ,
A detection circuit for direct current detection of the magnetic change amount of the external magnetic field from the change amount of the high-frequency current that changes according to the external magnetic field applied to the magneto-impedance element;
A magnetic sensor comprising:
非磁性体からなる基板上に形成された磁気コアは、強磁性体の薄膜により形成されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。2. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the magnetic core formed on the non-magnetic substrate is formed of a ferromagnetic thin film. 非磁性体からなる基板上に形成された磁気コアは、強磁性体アモルファスワイヤにより形成されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。2. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the magnetic core formed on the non-magnetic substrate is formed of a ferromagnetic amorphous wire. 上記発振回路はインダクタンス素子を含まないバンドパスフィルタを含む正弦波発振回路であることを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。2. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the oscillation circuit is a sine wave oscillation circuit including a band-pass filter that does not include an inductance element. 上記発振回路はウィーンブリッジ回路で構成されることを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。The magnetic sensor according to claim 1, wherein the oscillation circuit is a Wien bridge circuit. 上記バッファ回路は温度補償回路を持ち、インピーダンス変換機能を備えたプッシュ−プル回路から構成されることを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。2. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the buffer circuit includes a temperature compensation circuit and includes a push-pull circuit having an impedance conversion function. 上記検波回路は整流回路とローパスフィルタを有することを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。The magnetic sensor according to claim 1, wherein the detection circuit includes a rectifier circuit and a low-pass filter. 上記ローパスフィルタはインダクタンス分を含まないローパスフィルタであることを特徴とする請求項7に記載の磁気センサ。The magnetic sensor according to claim 7, wherein the low-pass filter is a low-pass filter that does not include an inductance component. 上記検波回路は差動回路により構成されていることを特徴とする請求項7に記載の磁気センサ。The magnetic sensor according to claim 7, wherein the detection circuit includes a differential circuit.
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