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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-04-14
(45)【発行日】2023-04-24
(54)【発明の名称】超高感度マイクロ磁気センサ
(51)【国際特許分類】
G01R 33/02 20060101AFI20230417BHJP
H01L 29/82 20060101ALI20230417BHJP
【ＦＩ】
G01R33/02 D
H01L29/82 Z
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2017119171
(22)【出願日】2017-06-16
(65)【公開番号】P2019002851
(43)【公開日】2019-01-10
【審査請求日】2020-01-06
【審判番号】
【審判請求日】2022-01-27
(73)【特許権者】
【識別番号】390030731
【氏名又は名称】朝日インテック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100111523
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 良文
(72)【発明者】
【氏名】本蔵 義信
(72)【発明者】
【氏名】本蔵 晋平
【合議体】
【審判長】岡田 吉美
【審判官】中塚 直樹
【審判官】濱野 隆
(56)【参考文献】
【文献】特許第５８３９５２７（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】国際公開第２０１５／０６０３４４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／０６１５１３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許第６１９４８９７（ＵＳ，Ｂ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
G01R 33/00-33/26
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上に並行に配置され導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤ2本と、前記磁性ワイヤ2本の一方である第1磁性ワイヤの第1端部と第2端部と、前記磁性ワイヤ2本の他方である第2磁性ワイヤの第3端部と第4端部と、前記並行に配置された前記磁性ワイヤ2本の間に配置された絶縁性分離壁と、前記並行に配置された前記磁性ワイヤ2本及び前記絶縁性分離壁の外周を巻回して配置される周回コイルと、前記第1磁性ワイヤの前記第２端部と前記第2磁性ワイヤの前記第３端部とは接続され、前記第1端部と前記第4端部との夫々に接続される前記磁性ワイヤ通電用の第1電極と第2電極と、前記周回コイルの端部に接続されるコイル電圧検出用の第3電極と第4電極と、を設置した磁界検出素子、及び前記第1電極と前記第2電極とに接続され前記磁性ワイヤにパルス電流を流す手段と、前記第3電極と前記第4電極とに接続され前記2本の磁性ワイヤに逆向きに前記パルス電流を流した時に前記周回コイルに生じるコイル電圧を検知する回路と、前記コイル電圧を外部磁界Hに変換する手段とからなる磁気センサにおいて、前記磁性ワイヤは、２０Ｇ（２０×１０―４テスラ（T））以下の異方性磁界を有し、かつ円周方向スピン配列を持つ表面磁区と軸方向にスピン配列を持つ中央部コア磁区の２相の磁区構造を有してなり、
前記磁性ワイヤに通電される前記パルス電流は、換算周波数は０．２ＧＨｚ～４．０ＧＨｚで、該ワイヤ表面に異方性磁界の１．５倍以上の円周方向磁界を発生させるのに必要な電流強度以上とし、
前記周回コイルはコイルピッチ１０μｍ以下とすることを特徴とするマイクロ磁気センサ。
【請求項2】
請求項１に記載のマイクロ磁気センサにおいて、前記磁性ワイヤに前記パルス電流を通電することによって、前記表面磁区内のワイヤ軸方向の磁界により軸方向に傾斜した円周方向スピンを一斉回転させて、その時に生じる超高速スピン回転現象による前記ワイヤの軸方向の磁化変化のみをコイル出力として取り出し、関係式（１）を使って磁界Ｈに変換することを特徴とするマイクロ磁気センサ。
Ｖｓ＝Ｖｏ・２Ｌ・πＤ・ｐ・Ｎｃ・ｆ・ｓｉｎ（πＨ／２Ｈｍ） （１）
ここで、Ｖｓはコイル出力電圧、Ｖｏは比例定数、制御因子定数としては、Ｌはワイヤの長さ、Ｄはワイヤの直径、ｐはパルス電流の表皮深さ、Ｎｃはコイルの巻き数、ｆはパルス周波数、Ｈｍはコイル出力電圧が最大値を取る時の外部磁界強度。
【請求項3】
請求項１に記載のマイクロ磁気センサにおいて、前記パルス電流を流す手段はパルス発信回路で構成され、
前記コイル電圧を検出する回路は、前記第3電極と前記第4電極に接続される入力側回路、前記入力側回路に接続され前記コイル電圧を入力される第1アンプ回路、前記コイル電圧の出力波形のピーク電圧を検波する電子スイッチ、前記ピーク電圧を保存する容量４～１００ｐＦのコンデンサとからなるサンプルホールド回路、前記サンプルホールド回路の保持電圧を増幅する第2アンプ回路、及び前記第2アンプ回路の出力電圧をデジタル値に変換するＡＤ変換回路で構成されることを特徴とするマイクロ磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、立上がりパルス検波を採用することによりＧＳＲセンサの感度特性を改善する技術に関するものである。
ここで、ＧＳＲセンサとは超高速スピン回転効果（英語表記；ＧＨｚ Ｓｐｉｎ Ｒｏｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）を基礎にした超高感度マイクロ磁気センサという。
ここで、ＧＳＲセンサとは超高速スピン回転効果（英語表記；ＧＨｚ Ｓｐｉｎ Ｒｏｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）を基礎にした超高感度マイクロ磁気センサという。
【背景技術】
【0002】
高感度マイクロ磁気センサは、横型ＦＧセンサ、縦型ＦＧセンサ、ホールセンサ、ＧＭＲセンサ、ＴＭＲセンサ、ＭＩセンサ、ＧＳＲセンサ、高周波キャリアセンサなどがある。現在、これらのセンサはスマートフォン、自動車、医療、ロボットなどに広く採用されている。その中でもＧＳＲセンサは、感度面とサイズ面において優れており、最も注目されている。
【0003】
現在、生体内モーションデバイスのリモートコントロール実現のためにＧＳＲセンサを活用する３次元磁気センサを搭載して位置や方位を求める研究が進んでいる。
モーションデバイスに搭載するためには、センササイズは小さければ小さいほど望ましいが、それに反比例して検出感度が低下する。さらに供給電源の制約もあって測定中の消費電力の低減が求められている。
モーションデバイスに搭載するためには、センササイズは小さければ小さいほど望ましいが、それに反比例して検出感度が低下する。さらに供給電源の制約もあって測定中の消費電力の低減が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第５８３９５２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ＧＳＲセンサの検波方法には、立上がりパルス検波と立下りパルス検波の２通りの方法がある。前者は、磁界感度が後者の２．５倍ほど大きく、パルス時間を短くして消費電力を低減することができるが、直線性は１～２％程度で、後者の０．５％以下に比べて劣る。
本発明の課題は、立上がりパルス検波の直線性を０．５％以下にして立上がりパルス検波の長所を引き出すことである。
本発明の課題は、立上がりパルス検波の直線性を０．５％以下にして立上がりパルス検波の長所を引き出すことである。
【0006】
ＧＳＲセンサのコイル出力電圧（以下、コイル電圧という。）は、パルス電流に依存する誘導電圧（ａ電圧という。）と外部の磁界に依存する電圧（ｂ電圧という。）の２つの電圧からなっている。立上がりパルス検波と立下りパルス検波の両者を比較した場合、立下りパルス検波の場合の方が２つの電圧のピークが近接していてパルス電流の影響を強く受ける。しかもａ電圧は、ＭＩ効果により磁界の影響で磁性ワイヤのインピーダンスが変化し、その結果、パルス電流に依存するa電圧にも磁界の影響が重なるので簡単にキャンセルできない。
つまり、ａ電圧が磁界の影響を受けないのであれば、Ｈ＝０Ｇでａ電圧を測定し、それをキャンセルすれば正味のｂ電圧を検出することができる。
つまり、ａ電圧が磁界の影響を受けないのであれば、Ｈ＝０Ｇでａ電圧を測定し、それをキャンセルすれば正味のｂ電圧を検出することができる。
【0007】
立上がりパルス検波をしたコイル電圧からパルス電流に依存する誘起電圧を取り除く研究は、２０年前から取り組まれているが、いまだに解決しない難しい課題である。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者は、１個のコイルに２本の磁性ワイヤを設置して逆向きにパルス電流を流すと、Ｈ＝０Ｇ（０テスラ）のとき立上がりパルス検波のコイル誘導電圧が０になることを見出した（図７）。磁界Ｈがある場合において、電流を逆向きに流すと、コイル電圧は変化せず、ｂ電圧のみを検出していることがわかる（図８）。つまりａ電圧が消失しているように見える。
さらに、磁界を変化させてｂ電圧を測定したところ、磁界の正負に対して対称的に電圧が直線的に出力して、０．３％以下の優れた直線性が得られることを見出した。
磁界Ｈがゼロから変化した場合においても、ａ電圧が消失する理由は、２本ワイヤのインピーダンスの変化は電流の向きにかかわらず、磁界Ｈに対称的に変化するため両者のインピーダンスは常に同じで、両者に流れるパルス電流は同じとなり両者のコイルへの影響は磁場が変化してもキャンセルされることになるからであると考えられる（図９）。
さらに、磁界を変化させてｂ電圧を測定したところ、磁界の正負に対して対称的に電圧が直線的に出力して、０．３％以下の優れた直線性が得られることを見出した。
磁界Ｈがゼロから変化した場合においても、ａ電圧が消失する理由は、２本ワイヤのインピーダンスの変化は電流の向きにかかわらず、磁界Ｈに対称的に変化するため両者のインピーダンスは常に同じで、両者に流れるパルス電流は同じとなり両者のコイルへの影響は磁場が変化してもキャンセルされることになるからであると考えられる（図９）。
【0009】
立上がりパルス検波の場合、立上がりと同時に検波するのでパルス時間を１ｎｓ（１ナノ秒）以下にすることができる。一方、立下りパルス検波の場合、立上がりコイル電圧が減衰し終わってから、立下りパルス検波を行なう必要があるのでパルス時間を１０ｎｓ程度維持する必要がある。よって立上がりパルス検波を採用するとパルス消費電流を１／１０以下にすることができる。
【0010】
本発明の磁性ワイヤ２本からなる素子のコイル電圧は、磁性ワイヤ１本からなる素子のコイル電圧に比べて２倍である。また、立上がりパルス検波のコイル電圧は、立下りパルス検波のコイル電圧の２．５倍である（図１０）。特許文献１に記載のＧＳＲセンサに比べて、同一サイズの素子の場合には５倍のコイル電圧が得られる。
【0011】
コイル電圧と外部磁界との関係については、特許文献１に記載のＧＳＲセンサにおける関係式と同じであることを確認している。すなわち、
Ｖｓ＝Ｖｏ・２Ｌ・πＤ・ｐ・Ｎｃ・ｆ・ｓｉｎ（πＨ／２Ｈｍ） （１）
Ｖｓ＝Ｖｏ・２Ｌ・πＤ・ｐ・Ｎｃ・ｆ・ｓｉｎ（πＨ／２Ｈｍ） （１）
【0012】
ここで、Ｖｓはコイル電圧、Ｖｏはワイヤ透磁率、飽和磁束密度のワイヤ素材の磁気特性およびパルス電流で決まる比例定数、制御因子定数としては、Ｌはワイヤの長さ、Ｄはワイヤの直径、ｐはパルス電流の表皮深さ、Ｎｃはコイルの巻き数、ｆはパルス周波数、Ｈは外部磁界、Ｈｍはコイル出力電圧が最大値をとる外部磁界強度である。
【0013】
この式（１）の両辺を逆正弦変換して、その値を換算電圧Ｖ’とすると、
Ｖ’＝arcsin（Ｖｓ／Ｖｏ・２Ｌ・πＤ・ｐ・Ｎｃ・ｆ）＝（π・１／２Ｈｍ）・Ｈ （２）
Ｈ＝２Ｈｍ／π×Ｖ’ （３）
として、式（３）からＨを求めることができる。
Ｖ’は、磁界Ｈに対して－Ｈｍから＋Ｈｍまで直線的に変化する。測定レンジはＨｍとなり、逆正弦変換しない場合に比べると４倍程度拡大する。なお直線性Ｐは、Ｖｘ＝ａ（１－Δ）Ｈｘとして、Ｐ＝１００×Δ（％）と定義する（図１１）。
すなわち、Δ＝０の時の関係式Ｖｘ＝ａＨｘからのずれ量Δで直線性を定義する。
Ｖ’＝arcsin（Ｖｓ／Ｖｏ・２Ｌ・πＤ・ｐ・Ｎｃ・ｆ）＝（π・１／２Ｈｍ）・Ｈ （２）
Ｈ＝２Ｈｍ／π×Ｖ’ （３）
として、式（３）からＨを求めることができる。
Ｖ’は、磁界Ｈに対して－Ｈｍから＋Ｈｍまで直線的に変化する。測定レンジはＨｍとなり、逆正弦変換しない場合に比べると４倍程度拡大する。なお直線性Ｐは、Ｖｘ＝ａ（１－Δ）Ｈｘとして、Ｐ＝１００×Δ（％）と定義する（図１１）。
すなわち、Δ＝０の時の関係式Ｖｘ＝ａＨｘからのずれ量Δで直線性を定義する。
【0014】
さらに直線性についてもＧＳＲセンサの立下りパルスのずれ量である０．５％よりも０．２％と優れていることを確認した（図１２）。
ＧＳＲセンサは、磁性ワイヤとコイル内径との間隔を３μｍ以下として磁性ワイヤとコイルとの電磁結合を強化している。本発明においても磁性ワイヤ２本の間を除いて同様の関係を保つものとする。
ＧＳＲセンサは、磁性ワイヤとコイル内径との間隔を３μｍ以下として磁性ワイヤとコイルとの電磁結合を強化している。本発明においても磁性ワイヤ２本の間を除いて同様の関係を保つものとする。
【0015】
電子回路は、特許文献１に記載の電子回路と同じ回路を採用する。磁性ワイヤに通電するパルス電流の換算周波数は０．２ＧＨｚ～４ＧＨｚ、パルス電流の強度は磁性ワイヤ表面に異方性磁界の１．５倍以上の円周方向磁界を発生させるのに必要な強度とする。
パルス通電時に発生するコイル電圧は、パルス対応型バッファー回路を介してサンプルホールド回路に送られる。コイルの巻き数Ｎｃが小さい場合には、直接サンプルホールド回路に送ることも可能である。
パルス通電時に発生するコイル電圧は、パルス対応型バッファー回路を介してサンプルホールド回路に送られる。コイルの巻き数Ｎｃが小さい場合には、直接サンプルホールド回路に送ることも可能である。
【0016】
立上がりパルスの検波は電子スイッチにて行なうが、検波タイミングはコイル出力波形のピークタイミングで行なう。a電圧が存在しないので、ピーク電圧の時間的タイミングは磁界Ｈに依存せず一定である。しかしピークのタイミング時間は、a電圧が存在する場合、磁界Ｈに依存して変化するので、コイル出力波形のピークタイミングに合わせることは厳密にはできない。これが非直線性の原因となっている。
サンプルホールド回路のコンデンサ容量は４ｐＦ～１００ｐＦとする。望ましく電子スイッチのｏｎ－ｏｆｆはできる限り細かくしてコンデンサ容量も４ｐＦ～８ｐＦと小さくすることである。これによりピークタイミングの電圧を瞬時の電圧値としてコンデンサにホールドする。このホールドされたコンデンサ電圧はプログラミングアンプを介して出力される。
サンプルホールド回路のコンデンサ容量は４ｐＦ～１００ｐＦとする。望ましく電子スイッチのｏｎ－ｏｆｆはできる限り細かくしてコンデンサ容量も４ｐＦ～８ｐＦと小さくすることである。これによりピークタイミングの電圧を瞬時の電圧値としてコンデンサにホールドする。このホールドされたコンデンサ電圧はプログラミングアンプを介して出力される。
【発明の効果】
【0017】
立上がりパルス検波タイプのＧＳＲセンサは、同一素子サイズで５倍の磁界検出感度と１／１０以下のパルス消費電力を実現することができ、生体内のモーションデバイス搭載の磁気センサの大幅な小型化を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】実施形態および実施例におけるＧＳＲセンサ素子の平面図である。
【図3】実施形態および実施例における電子回路図である。
【図4】実施形態および実施例におけるパルス時間とパルス電流の印加との関係図である。
【図5】実施形態および実施例におけるパルス電流を印加したときのコイル電圧の波形図である。
【図6】実施形態および実施例における出力波形図である。
【図7】外部磁界Ｈ＝０における２本の磁性ワイヤに逆向き（＋向きと－向き）にパルス電流を流したときの出力Ｖの図である。
【図8】外部磁界Ｈ＝－２Ｇ～＋２Ｇと変化させたときの出力Ｖの図である。
【図9】外部磁界ＨとインピーダンスＺとの関係図である。
【図10】磁性ワイヤ１本および２本における立上がりパルス検波および立下りパルス検波のコイル電圧の出力図である。
【図11】外部磁界の変化と出力との関係における直線性Ｐの説明図である。
【図12】ＧＳＲセンサの立上がりパルスにおける磁界Ｈｘとずれ量との関係図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
本発明の実施形態は次の通りである。
なお、本発明の構成に、本明細書中から任意に選択した一つ又は二つ以上の構成を付加し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求諸特性によって異なる。
なお、本発明の構成に、本明細書中から任意に選択した一つ又は二つ以上の構成を付加し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求諸特性によって異なる。
【0020】
本発明の超高感度マイクロ磁気センサであるＧＳＲセンサは、
基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤ２本を近接配置し、磁性ワイヤ２本を一緒に巻回した周回コイルとワイヤ通電用の電極２個とコイル電圧検出用の電極２個を設置した磁界検出素子および磁性ワイヤにパルス電流を流す手段と２本の磁性ワイヤに逆向きにパルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知する回路とコイル電圧を外部磁界Ｈに変換する手段とからなり、
磁性ワイヤは、２０Ｇ（２０×１０ ―４ テスラ（Ｔ））以下の異方性磁界を有し、かつ円周方向スピン配列を持つ表面磁区と軸方向にスピン配列を持つ中央部コア磁区の２相の磁区構造を有してなり、
磁性ワイヤに通電するパルス電流は、該周波数は０．２ＧＨｚ～４．０ＧＨｚで、該ワイヤ表面に異方性磁界の１．５倍以上の円周方向磁界を発生させるのに必要な電流強度以上とし、
コイルはコイルピッチ１０μｍ以下である。コイル平均内径を３５μｍ以下が望ましい。また、複数の対のワイヤを配置する場合は、コイルと磁性ワイヤとの間隔は１μｍ～５μｍとすることが望ましい。
基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤ２本を近接配置し、磁性ワイヤ２本を一緒に巻回した周回コイルとワイヤ通電用の電極２個とコイル電圧検出用の電極２個を設置した磁界検出素子および磁性ワイヤにパルス電流を流す手段と２本の磁性ワイヤに逆向きにパルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知する回路とコイル電圧を外部磁界Ｈに変換する手段とからなり、
磁性ワイヤは、２０Ｇ（２０×１０ ―４ テスラ（Ｔ））以下の異方性磁界を有し、かつ円周方向スピン配列を持つ表面磁区と軸方向にスピン配列を持つ中央部コア磁区の２相の磁区構造を有してなり、
磁性ワイヤに通電するパルス電流は、該周波数は０．２ＧＨｚ～４．０ＧＨｚで、該ワイヤ表面に異方性磁界の１．５倍以上の円周方向磁界を発生させるのに必要な電流強度以上とし、
コイルはコイルピッチ１０μｍ以下である。コイル平均内径を３５μｍ以下が望ましい。また、複数の対のワイヤを配置する場合は、コイルと磁性ワイヤとの間隔は１μｍ～５μｍとすることが望ましい。
【0021】
また、本発明の超高感度マイクロ磁気センサであるＧＳＲセンサは、
磁性ワイヤにパルス電流を通電することによって、表面磁区内のワイヤ軸方向の磁界により軸方向に傾斜した円周方向スピンを超高速に一斉回転させて、その時に生じる超高速スピン回転現象による前記ワイヤの軸方向の磁化変化のみをコイル出力として取り出し、関係式（１）を使って磁界Ｈに変換するものである。
Ｖｓ=Ｖｏ・２Ｌ・πＤ・ｐ・Ｎｃ・ｆ・sin（πＨ/２Ｈｍ） （１）
ここで、Ｖｓはコイル出力電圧、Ｖｏは比例定数、制御因子定数としては、Ｌはワイヤの長さ、Ｄはワイヤの直径、ｐはパルス電流の表皮深さ、Ｎｃはコイルの巻き数、ｆはパルス周波数、Ｈｍはコイル出力電圧が最大値を取る時の外部磁界強度。
磁性ワイヤにパルス電流を通電することによって、表面磁区内のワイヤ軸方向の磁界により軸方向に傾斜した円周方向スピンを超高速に一斉回転させて、その時に生じる超高速スピン回転現象による前記ワイヤの軸方向の磁化変化のみをコイル出力として取り出し、関係式（１）を使って磁界Ｈに変換するものである。
Ｖｓ=Ｖｏ・２Ｌ・πＤ・ｐ・Ｎｃ・ｆ・sin（πＨ/２Ｈｍ） （１）
ここで、Ｖｓはコイル出力電圧、Ｖｏは比例定数、制御因子定数としては、Ｌはワイヤの長さ、Ｄはワイヤの直径、ｐはパルス電流の表皮深さ、Ｎｃはコイルの巻き数、ｆはパルス周波数、Ｈｍはコイル出力電圧が最大値を取る時の外部磁界強度。
【0022】
さらに、本発明の超高感度マイクロ磁気センサであるＧＳＲセンサの電子回路は、
パルス電流を発信するパルス発信回路、コイル電圧を入力する入力回路、パルス対応型バッファー回路およびコイル電圧の出力波形のピーク電圧を検波する電子スイッチとピーク電圧を保存する容量４～１００ｐＦのコンデンサとからなるサンプルホールド回路から構成され、プログラミングアンプにて増幅し、ＡＤ（アナログデジタル）変換する電子回路に接続するものである。
パルス電流を発信するパルス発信回路、コイル電圧を入力する入力回路、パルス対応型バッファー回路およびコイル電圧の出力波形のピーク電圧を検波する電子スイッチとピーク電圧を保存する容量４～１００ｐＦのコンデンサとからなるサンプルホールド回路から構成され、プログラミングアンプにて増幅し、ＡＤ（アナログデジタル）変換する電子回路に接続するものである。
【0023】
本発明の実施形態について、図１～図６を用いて詳細に説明する。
ＧＳＲセンサ素子（以下、素子という。）１は、基板１０の上に磁性ワイヤ２本（２１および２２）とその磁性ワイヤ２本を周回する１個のコイル３およびワイヤ通電用の２個の電極（２４およびと２５）とコイル電圧検出用の２個の電極（３３および３４）ならびに磁性ワイヤとワイヤ通電用電極との接続部、コイルとコイル電圧検出用電極との接続部からなる。また、素子１には磁性ワイヤ２本（２１および２２）に逆向きのパルス電流を流す手段２３からなる。そして、パルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知する回路５とコイル電圧を外部磁界に変換する手段から構成されている。外部磁界Ｈとコイル電圧Ｖｓは、上記の式（１）のような数学的関係で表される。
ＧＳＲセンサ素子（以下、素子という。）１は、基板１０の上に磁性ワイヤ２本（２１および２２）とその磁性ワイヤ２本を周回する１個のコイル３およびワイヤ通電用の２個の電極（２４およびと２５）とコイル電圧検出用の２個の電極（３３および３４）ならびに磁性ワイヤとワイヤ通電用電極との接続部、コイルとコイル電圧検出用電極との接続部からなる。また、素子１には磁性ワイヤ２本（２１および２２）に逆向きのパルス電流を流す手段２３からなる。そして、パルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知する回路５とコイル電圧を外部磁界に変換する手段から構成されている。外部磁界Ｈとコイル電圧Ｖｓは、上記の式（１）のような数学的関係で表される。
【0024】
＜素子の構造＞
素子１の構造は、図１～図２に示す通りである。
素子１のサイズは、基板１０のサイズである幅０．０７ｍｍ～０．４ｍｍ、長さ０．２５ｍｍ～１ｍｍからなる。素子１の中央部は、磁性ワイヤ２本（２１および２２）が平行に整列配置できるように幅２０～６０μｍ、深さ２～２０μｍの溝が基板１０に形成されている。２本の磁性ワイヤ（２１および２２）は近接しており磁性ワイヤの間隔は１～５μｍであり、磁性ワイヤ（２１および２２）同士は絶縁材料で隔離されていること、例えば絶縁性分離壁が好ましい。
素子１の構造は、図１～図２に示す通りである。
素子１のサイズは、基板１０のサイズである幅０．０７ｍｍ～０．４ｍｍ、長さ０．２５ｍｍ～１ｍｍからなる。素子１の中央部は、磁性ワイヤ２本（２１および２２）が平行に整列配置できるように幅２０～６０μｍ、深さ２～２０μｍの溝が基板１０に形成されている。２本の磁性ワイヤ（２１および２２）は近接しており磁性ワイヤの間隔は１～５μｍであり、磁性ワイヤ（２１および２２）同士は絶縁材料で隔離されていること、例えば絶縁性分離壁が好ましい。
【0025】
＜磁性ワイヤ＞
磁性ワイヤ２は、ＣｏＦｅＳｉＢアモルファス合金の直径５～２０μｍである。磁性ワイヤ２の周囲は絶縁性材料、例えば絶縁性ガラスで被覆されていることが好ましい。長さは０．０７～１．０ｍｍである。
磁性ワイヤ２の異方性磁界は２０Ｇ（２０×１０ ―４ T）以下で、円周方向スピン配列を持つ表面磁区と軸方向にスピン配列を持つ中央部コア磁区の２相の磁区構造を有する。
磁性ワイヤ２は、ＣｏＦｅＳｉＢアモルファス合金の直径５～２０μｍである。磁性ワイヤ２の周囲は絶縁性材料、例えば絶縁性ガラスで被覆されていることが好ましい。長さは０．０７～１．０ｍｍである。
磁性ワイヤ２の異方性磁界は２０Ｇ（２０×１０ ―４ T）以下で、円周方向スピン配列を持つ表面磁区と軸方向にスピン配列を持つ中央部コア磁区の２相の磁区構造を有する。
【0026】
＜コイル＞
コイル３は、コイル巻き数は６～１８０回、コイルピッチは５μｍが好ましい。コイル３と磁性ワイヤ２との間隔は３μｍ以下が好ましい。コイル平均内径は１０～３５μｍが好ましい。
コイル３は、コイル巻き数は６～１８０回、コイルピッチは５μｍが好ましい。コイル３と磁性ワイヤ２との間隔は３μｍ以下が好ましい。コイル平均内径は１０～３５μｍが好ましい。
【0027】
＜素子の製造方法＞
素子の製造方法は、図２を用いて説明する。
基板１０に形成されている溝１１に沿って下コイル３１と基板面上に電極配線を行なう。その後、溝１１の中央部に絶縁性分離壁４１を形成して２つの溝形状として、そこに２本のガラス被覆した磁性ワイヤ２１および２２をそれぞれ整列配置する。次いで、基板全面に絶縁性レジストを塗布する。こうして磁性ワイヤ２１および２２は溝１１内に固定される。この塗布の際に磁性ワイヤ２１および２２の上部は薄く塗布する。そこに上コイル３２をフォトリソ技術で形成する。
なお、ガラス被覆していない磁性ワイヤ２を用いる場合には、下コイル３１と磁性ワイヤ２１および２２とが電気的な接触が生じないように予め絶縁性材料４を塗布しておくことである。
素子の製造方法は、図２を用いて説明する。
基板１０に形成されている溝１１に沿って下コイル３１と基板面上に電極配線を行なう。その後、溝１１の中央部に絶縁性分離壁４１を形成して２つの溝形状として、そこに２本のガラス被覆した磁性ワイヤ２１および２２をそれぞれ整列配置する。次いで、基板全面に絶縁性レジストを塗布する。こうして磁性ワイヤ２１および２２は溝１１内に固定される。この塗布の際に磁性ワイヤ２１および２２の上部は薄く塗布する。そこに上コイル３２をフォトリソ技術で形成する。
なお、ガラス被覆していない磁性ワイヤ２を用いる場合には、下コイル３１と磁性ワイヤ２１および２２とが電気的な接触が生じないように予め絶縁性材料４を塗布しておくことである。
【0028】
コイルの作製は、基板１０内に形成された溝１１の溝面および溝１１の両側に沿って凹形状の下コイル３１が形成されている。凸形状の上コイル３２はジョイント部３３を介して下コイルと電気的接合がされ、らせん状のコイル３となる。
【0029】
２本の磁性ワイヤ２１および２２の端部については、絶縁被膜のガラスを除去して金属蒸着による電気的接続ができるようにする。
【0030】
＜磁性ワイヤおよびコイルの配線構造＞
磁性ワイヤ２の配線構造は、図１に示すように、ワイヤ入力電極（＋）２４は磁性ワイヤ２１の上部と接続され、磁性ワイヤ２１の下部はワイヤ連結部２３を介して磁性ワイヤ２２の下部と接続されている。磁性ワイヤ２２の上部はワイヤ出力電極（－）２５と接続されている。このワイヤ連結部２３により、磁性ワイヤ２１では上部から下部への下向きのパルス電流が流れ、磁性ワイヤ２２では下部から上部への上向き（磁性ワイヤ２１とは逆向きになる。）のパルス電流を流すことができる。
磁性ワイヤ２の配線構造は、図１に示すように、ワイヤ入力電極（＋）２４は磁性ワイヤ２１の上部と接続され、磁性ワイヤ２１の下部はワイヤ連結部２３を介して磁性ワイヤ２２の下部と接続されている。磁性ワイヤ２２の上部はワイヤ出力電極（－）２５と接続されている。このワイヤ連結部２３により、磁性ワイヤ２１では上部から下部への下向きのパルス電流が流れ、磁性ワイヤ２２では下部から上部への上向き（磁性ワイヤ２１とは逆向きになる。）のパルス電流を流すことができる。
【0031】
コイル３の配線構造は、図１に示すように、コイル出力電極（＋）３３はコイル３の下端部と接続され、コイル３の上端部はコイルグランド電極（－）３４と接続されている。
【0032】
＜電子回路＞
電子回路５は、パルス電流を発信するパルス発信回路５１、コイル電圧を入力する入力回路５３、パルス対応型バッファー回路５４、コイル電圧の出力波形のピーク電圧を検波する電子スイッチ５６とピーク電圧を保持する容量４～１００ｐＦのコンデンサとからなるサンプルホールド回路、および増幅器５８のプログラミングアンプにて増幅してＡＤ変換を行なう。
また、電子回路５のコイル電圧を出力するＧＳＲセンサ素子が接続されている。
電子回路５は、パルス電流を発信するパルス発信回路５１、コイル電圧を入力する入力回路５３、パルス対応型バッファー回路５４、コイル電圧の出力波形のピーク電圧を検波する電子スイッチ５６とピーク電圧を保持する容量４～１００ｐＦのコンデンサとからなるサンプルホールド回路、および増幅器５８のプログラミングアンプにて増幅してＡＤ変換を行なう。
また、電子回路５のコイル電圧を出力するＧＳＲセンサ素子が接続されている。
【0033】
パルス電流の換算周波数は０．２～４ＧＨｚにて、パルス電流の強度は５０～２００ｍＡ、パルス時間は０～２ｎｓｅｃである。図４には、ＧＳＲセンサ素子にパルス電流を通電した時の通電時間の経過とパルス電流の印加の関係を表している。この図４の例では、通電を開始すると０．５ｎｓｅｃで立上がり、その印加状態で所定のパルス時間０．５ｎｓｅｃを保持し、通電を遮断すると０．５ｎｓｅｃで立ち下がる。
【0034】
＜コイル電圧の波形＞
図５には、上記のパルス電流を通電した際のコイル電圧の波形図を示す。
本発明では、ピーク電圧のタイミングを検波する。電子スイッチはｏｎ－ｏｆｆからなりその開閉時間は０．１～１．５ｎｓｅｃで繰り返す。
図５には、上記のパルス電流を通電した際のコイル電圧の波形図を示す。
本発明では、ピーク電圧のタイミングを検波する。電子スイッチはｏｎ－ｏｆｆからなりその開閉時間は０．１～１．５ｎｓｅｃで繰り返す。
【0035】
サンプルホールド回路のコンデンサ容量は４～１００ｐＦとし、電子回路のＡＤ変換は１４～１６ビットである。なお、電子スイッチのｏｎ－ｏｆｆを細かくするためにはコンデンサ容量は４～８ｐＦが好ましい。
コイル出力は、図６に示すように正弦波出力にて測定レンジ３～１００Ｇ（３×１０ ―４ ～１００×１０ ―４ T）で、その感度は５０ｍV／Ｇ～３Ｖ／Ｇ（５０×１０ ４ ｍＶ／Ｔ～３×１０ ４ Ｖ／Ｔ）である。直線性は０．３％以下である。
コイル出力は、図６に示すように正弦波出力にて測定レンジ３～１００Ｇ（３×１０ ―４ ～１００×１０ ―４ T）で、その感度は５０ｍV／Ｇ～３Ｖ／Ｇ（５０×１０ ４ ｍＶ／Ｔ～３×１０ ４ Ｖ／Ｔ）である。直線性は０．３％以下である。
【実施例】
【0036】
実施例に係るＧＳＲセンサ素子の平面図を図１に示し、その断面図を図２に示す。また電子回路を図５に示す。本発明のＧＳＲセンサは、磁性ワイヤ２本（２１および２２）と磁性ワイヤ２本をまとめて周回する１個のコイル３およびワイヤ通電用の２個の電極（２４および２５）とコイル電圧検出用の電極（３３および３４）から構成されるＧＳＲセンサ素子１と、磁性ワイヤ２にパルス電流を流す手段とハ゜ルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知する回路とコイル電圧を外部磁界Ｈに変換する手段とから構成されている。外部磁界Ｈとコイル電圧は、式（１）に示す数学的関係で表される。
【0037】
素子１のサイズは、長さ０．１２ｍｍ、幅０．２０ｍｍにて基板１０の溝１１の幅は４０μｍ、深さ８μｍである。ワイヤ間隔は３μｍである。
【0038】
磁性ワイヤ（２１および２２）は、ＣｏＦｅＳｉＢアモルファス合金の直径１０μｍ、厚み１μｍ以下のガラス被覆がされており、長さ０．１２ｍｍのワイヤである。
異方性磁界は１５Ｇ（１５×１０ ―４ T）である。
異方性磁界は１５Ｇ（１５×１０ ―４ T）である。
【0039】
コイル３は、コイルピッチ５μｍにて巻き数は１４回、コイル３の平均内径は３０μｍでコイル３と磁性ワイヤ２との間隔は２μｍである。
【0040】
素子の構造は、図２に示すように、ガラス被覆された磁性ワイヤ（２１および２２）の直径の半分程度を基板１０に形成された溝１１に埋設し、溝１１の内面には下コイル３１を配置し、磁性ワイヤの上部に上コイル３２を配置し、両者の間には絶縁性樹脂で固定して基板平面上でジョイント部３３にて接合した。
コイル３の両端部は、それぞれコイル電極との間は導電性金属蒸着膜で電気的接続部を設けた。
磁性ワイヤ２と電極は、磁性ワイヤの端部の上面部のガラス被覆材料を除去した後、被覆除去されたワイヤ面と電極との間を導電性金属蒸着膜で電気的接合部を設けた。
また、２本の磁性ワイヤ２１と磁性ワイヤ２２との連結部２３も同様の処理により電気的接続を行なった。
コイル３の両端部は、それぞれコイル電極との間は導電性金属蒸着膜で電気的接続部を設けた。
磁性ワイヤ２と電極は、磁性ワイヤの端部の上面部のガラス被覆材料を除去した後、被覆除去されたワイヤ面と電極との間を導電性金属蒸着膜で電気的接合部を設けた。
また、２本の磁性ワイヤ２１と磁性ワイヤ２２との連結部２３も同様の処理により電気的接続を行なった。
【0041】
ＧＳＲセンサ素子１を電子回路５に搭載して、パルス発信回路５１から換算周波数１ＧＨｚ、パルス電流の強度１２０ｍＡにてパルス幅０．８ｎｎｓｅｃで通電した。その際の電子スイッチのｏｎ－ｏｆｆの間隔は０．２ｎｓｅｃである。サンプルホールド回路のコンデンサ容量は６ｐＦである。
【0042】
ＡＤ変換により１６ビットが得られた。また、正弦波出力は、測定レンジ９０Ｇにて感度は２００ｍＶを得ることができた。その時の消費電力は０．３ｍＷで、直線性は０．２％が得られた。
【産業上の利用可能性】
【0043】
本発明は、ＧＳＲセンサのさらなる高感度化、低消費電力化を実現するもので、生体内のモーションデバイスのように超小型で高性能を要求される用途で使用が期待される。
【符号の説明】
【0044】
１：ＧＳＲセンサ素子、１０：基板、１１：溝、
２：磁性ワイヤ、２１：磁性ワイヤ２本のうちの１本、２２：磁性ワイヤ２本のうちの他の１本、２３：ワイヤ連結部、２４：ワイヤ入力電極（＋）、２５：ワイヤ出力電極（－）、
３：コイル、３１：下コイル、３２：上コイル、３３：ジョイント部、３４：コイル出力電極（＋）、３５：コイルグランド電極（－）、
４：絶縁性樹脂、４１：絶縁性分離壁、
５：電子回路、５１：パルス発信回路、５２：ＧＳＲセンサ素子、５３：入力側回路、５４：バッファー回路、５５：サンプルホールド回路、５６：電子スイッチ、５７：コンデンサ、５８：増幅器
２：磁性ワイヤ、２１：磁性ワイヤ２本のうちの１本、２２：磁性ワイヤ２本のうちの他の１本、２３：ワイヤ連結部、２４：ワイヤ入力電極（＋）、２５：ワイヤ出力電極（－）、
３：コイル、３１：下コイル、３２：上コイル、３３：ジョイント部、３４：コイル出力電極（＋）、３５：コイルグランド電極（－）、
４：絶縁性樹脂、４１：絶縁性分離壁、
５：電子回路、５１：パルス発信回路、５２：ＧＳＲセンサ素子、５３：入力側回路、５４：バッファー回路、５５：サンプルホールド回路、５６：電子スイッチ、５７：コンデンサ、５８：増幅器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】