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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】2024-12-27
(45)【発行日】2025-01-14
(54)【発明の名称】磁気センサ
(51)【国際特許分類】
G01R 33/02 20060101AFI20250106BHJP
【ＦＩ】
G01R33/02 D
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020183551
(22)【出願日】2020-11-02
(65)【公開番号】P2022073519
(43)【公開日】2022-05-17
【審査請求日】2023-09-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000173795
【氏名又は名称】公益財団法人電磁材料研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110000800
【氏名又は名称】デロイトトーマツ弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】早坂 淳一
(72)【発明者】
【氏名】荒井 賢一
【審査官】島▲崎▼ 純一
(56)【参考文献】
【文献】特開平０５－１５１５３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－０８０１３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０４４５６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１４８６３９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｒ ３３／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
誘電体基板と、前記誘電体基板の主面において延在している導電性材料からなる伝送線路と、前記伝送線路に近接し、かつ、前記伝送線路に沿って延在し、長手方向が磁化困難軸方向である一方、短手方向が磁化容易軸方向である矩形状の軟磁性薄膜と、により構成されているインダクタと、前記インダクタとともに、ＬＣ共振回路を構成するコンデンサと、
前記軟磁性薄膜に対して長手方向にバイアス静磁場を印加するための磁石と、を備え、
前記軟磁性薄膜の前記主面の前後方向の長さの前記主面の左右方向の長さに対する比は１０～２０の範囲である
ことを特徴とする磁気センサ。
【請求項2】
前記伝送線路は、信号線と、前記信号線を挟み込むように且つ前記信号線に平行に延在する一対の接地線と、を備えている、ことを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。
【請求項3】
前記伝送線路は、信号線と、前記信号線を挟み込むように且つ前記信号線に平行に延在する一対の接地線と、を備え、前記軟磁性薄膜の短辺長は前記信号線の短辺長よりも大きい、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項4】
誘電体基板と、前記誘電体基板の主面において延在している導電性材料からなる伝送線路と、前記伝送線路に近接し、かつ、前記伝送線路に沿って延在し、長手方向が磁化困難軸方向である一方、短手方向が磁化容易軸方向である矩形状の軟磁性薄膜と、により構成されているインダクタと、前記インダクタとともに、ＬＣ共振回路を構成するコンデンサと、
前記軟磁性薄膜に対して長手方向にバイアス静磁場を印加するための磁石と、を備え、
前記伝送線路は、信号線と、前記信号線を挟み込むように且つ前記信号線に平行に延在する一対の接地線とからなり、
前記信号線と前記一対の接地線のそれぞれとの間のキャパシタンスに由来する前記ＬＣ共振回路の共振周波数が、前記インダクタおよび前記コンデンサに由来する前記ＬＣ共振回路の共振周波数と比較して高周波数側にずれるように、前記信号線および前記一対の接地線が配置されている
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】
【0001】
本発明は、磁気センサに関する。
【背景技術】
【0002】
従来技術として、周波数変調型に分類される磁性体を利用した磁気センサがある。具体的には、位相シフト型共振回路の帰還回路に、導体層、誘電体層、および磁性体層からなる伝送線路素子を挿入してなる磁気センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。導体層は、渦巻き状の平面パターンで形成されている。また、軟磁性体層は、軟磁性薄帯あるいは軟磁性薄膜からなる略長方形状を有し、かつ、その長手方向に一軸性の磁気異方性が付与されている。当該磁気センサによれば、高周波電流駆動による小型化と高感度化の両立が可能であり、周辺回路を含めた、全体構成の簡素化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許第３５５９４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、この磁気センサによれば、センサ部分が渦巻き状の導体層を有し、かつ多層構造の伝送線路素子から構成されているため、センサ構造が複雑になるという問題があった。
【0005】
本発明は、構成のさらなる簡素化を図りながらも磁気感度の向上を図りうる磁気センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の磁気センサは、
誘電体基板と、前記誘電体基板の主面において延在している導電性材料からなる伝送線路と、前記伝送線路に近接し、かつ、前記伝送線路に沿って延在し、長手方向が磁化困難軸方向である一方、短手方向が磁化容易軸方向である矩形状の軟磁性薄膜と、により構成されているインダクタと、
前記インダクタとともに、ＬＣ共振回路を構成するコンデンサと、
前記軟磁性薄膜に対して長手方向にバイアス静磁場を印加するための磁石とを備えている。
誘電体基板と、前記誘電体基板の主面において延在している導電性材料からなる伝送線路と、前記伝送線路に近接し、かつ、前記伝送線路に沿って延在し、長手方向が磁化困難軸方向である一方、短手方向が磁化容易軸方向である矩形状の軟磁性薄膜と、により構成されているインダクタと、
前記インダクタとともに、ＬＣ共振回路を構成するコンデンサと、
前記軟磁性薄膜に対して長手方向にバイアス静磁場を印加するための磁石とを備えている。
【発明の効果】
【0007】
当該構成の磁気センサによれば、誘電体基板の主面の上に伝送線路および軟磁性薄膜が形成されているだけであるため、構成のさらなる簡素化が図られながらも、軟磁性薄膜の強磁性共鳴現象を利用することにより外部交流磁場の磁気感度、ひいては検出精度の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の一実施形態としての磁気センサの構成に関する説明図。
【図2】磁気センサを構成する磁気感知部の斜視図。
【図3】磁気センサを構成する磁気感知部の上面図。
【図4】磁気センサを構成する磁気感知部の模擬的断面図。
【図5】軟磁性薄膜の磁気特性に関する説明図。
【図6】軟磁性薄膜の複素透磁率に関する説明図。
【図7】磁気センサによる検出信号の例示図。
【発明を実施するための形態】
【0009】
（構成）
図１に示されている本発明の一実施形態としての磁気センサは、ＬＣ共振回路２を備えている。ＬＣ共振回路２は、インダクタンスＬを有する磁気感知部１と、第１コンデンサ２１と、第２コンデンサ２２と、周波数調節器２３と、信号増幅器２４と、を備えている。
図１に示されている本発明の一実施形態としての磁気センサは、ＬＣ共振回路２を備えている。ＬＣ共振回路２は、インダクタンスＬを有する磁気感知部１と、第１コンデンサ２１と、第２コンデンサ２２と、周波数調節器２３と、信号増幅器２４と、を備えている。
【0010】
周波数調節器２３は、カソード側で対抗する一対のダイオード２３１および２３２と、電源２３０と、により構成されている。一方のダイオード２３１のアノード側は磁気感知部１に接続されている。他方のダイオード２３２のアノード側はグラウンドＧＮＤに接続されている。電源２３０により一対のダイオード２３１および２３２の間とグラウンドＧＮＤとの間に印加される静電圧Ｖadが調節されることにより、当該一対のダイオード２３１および２３２の間のキャパシタンスが調節され、ＬＣ共振回路２の共振周波数が変更されうる。周波数調節器２３は省略されてもよい。
【0011】
信号増幅器２４は、トランジスタ２４２と、電源２４０と、により構成されている。トランジスタ２４２のベースが磁気感知部１および第１コンデンサ２１の間に接続され、コレクタが電源２４０に接続され、エミッタが出力端子２６に接続され、かつ、抵抗器２４４を介してグラウンドＧＮＤに接続されている。
【0012】
図１に模擬的に示されているように、磁気センサは、磁気感知部１にバイアス静磁場Ｈを印加するための永久磁石および／または電磁石により構成されている磁石４をさらに備えている。
【0013】
図２～図４のそれぞれに示されているように、磁気感知部１は、誘電体基板１０と、伝送線路１１と、軟磁性薄膜１２と、を備えている。該伝送線路１１は、信号線１３と一対の接地線１４１および１４２を備えている。磁気感知部１の各構成要素の姿勢または延在態様の説明のため、図２～図４に右手直交座標系が示されている。
【0014】
誘電体基板１０は、略矩形板状の誘電体からなる。誘電体基板１０としては、例えば、ガラス、水晶、サファイヤ、半導体単結晶系のシリコン、ゲルマニウム、化合物半導体系のＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯ、ＩｎＰ、ＳｉＧｅの他、セラミックス系のアルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、炭化珪素、チタニア、イットリア、またはそれらの複合材料からなる基板が用いられてもよい。誘電体基板１０の形状は円板状など、任意の形状に変更されてもよい。
【0015】
伝送線路１１の信号線１３は、誘電体基板１０の主面においてｘ方向に延在する略矩形状または帯状に形成されている。伝送線路１１の一対の接地線１４１および１４２は、信号線１３をｙ方向について挟むようにｘ方向に延在する略矩形状または帯状に形成されている。信号線１３、接地線１４１、１４２としては、導電性材料からなり、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｔｉ、あるいは、それらの積層薄膜が用いられてもよい。
【0016】
軟磁性薄膜１２は、伝送線路１１の信号線１３の近傍においてｘ方向を長手方向とし、ｙ方向を短手方向とする略矩形状に形成されている。信号線１３にｘ方向の高周波電流Ｉ（ωh）が流れると、図４に示されているように信号線１３の周囲にｙ－ｚ平面において回転する交流磁界Ｈ（ωh）が生じる。交流磁界Ｈ（ωh）の強さは、ビオ-サバールの法則により信号線１３から離れるにしたがって急減する。また、信号線１３に流れる順方向の高周波電流Ｉ（ωh）と、接地線１４２および１４２に流れる逆方向に流れる-Ｉ（ωh）によって形成される磁界分布の重ね合わせにより、交流磁界Ｈ（ωh）は、信号線１３と接地線１４１および１４２の間隙に強く集中する。よって、信号線１３の近傍に高透磁率の軟磁性薄膜１２が配置されることにより、外部交流磁場Ｈ（ωs）に敏感なインダクタンスの変化が得られる。インダクタンスの変化が演出されることで、高感度な磁気センサが実現される。
【0017】
本実施形態では、ｚ方向から見たときに軟磁性薄膜１２が信号線１３の長手方向中央部において部分的に重なるように、誘電体基板１０の主面の上に伝送線路１１および軟磁性薄膜の順で積層されている。軟磁性薄膜１２と、誘電体基板１０および／または伝送線路１１との間に誘電体からなる層が形成されていてもよい。該誘電体は、低損失の誘電体であることが望ましい。ｚ方向から見たときに軟磁性薄膜１２が必ずしも信号線１３と重なっていなくてもよい。誘電体基板１０に略平行に近接して他の誘電体基板が配置され、当該他の誘電体基板の主面において、当該誘電体基板１０に形成された信号線１３に対向するように空隙を介して軟磁性薄膜１２が形成されていてもよい。
【0018】
軟磁性薄膜１２の短辺長ｂは信号線１３の幅よりも大きい。短辺長ｂは信号線１３の幅ｂ0に信号線１３と接地線１４１の間隙ｂ１と、信号線１３と接地線１４２の間隙ｂ２を加えた大きさに略等しいことが望ましい。軟磁性薄膜１２のアスペクト比（長辺長ａ）／（短辺長ｂ）は１０～２０の範囲であることが好ましい。これは、軟磁性薄膜１２のアスペクト比ａ／ｂが１０未満である場合、交流磁界Ｈ（ωs）の検出軸方向である長辺長a方向の反磁界の影響が強くなることにより磁気感度が低下するためであり、アスペクト比ａ／ｂが２０を超える場合、線路長の伝送損失の増大および軟磁性薄膜１２の磁気抵抗の増大により磁気感度が低下するためである。
【0019】
軟磁性薄膜１１は、長手方向を磁化困難軸方向とし、短手方向を磁化容易軸方向としている。軟磁性薄膜１２が、その長手方向である磁化困難軸方向について、図５に実線で模擬的に示されているような磁化曲線で表わされる磁気特性を有する。その一方、軟磁性薄膜１２が、その短手方向である磁化容易軸方向について、図５に点線で模擬的に示されているような磁化曲線で表わされる磁気特性を有する。
【0020】
軟磁性薄膜１２としては、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ、Ｃｏ－Ｎｂ－Ｚｒ系のアモルファス薄膜、Ｆｅ－Ｓｉ、Ｆｅ－Ｚｒ－Ｎ系の微結晶薄膜、あるいは、それらの薄膜の間にＳｉＯなどの薄い絶縁層を挟んで積層した多層薄膜、Ｎｉ－Ｆｅ、 Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ系の結晶性薄膜、さらには、Ｆｅ－Ｓｉ合金、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｎｉ合金、センダスト合金のバルク材料、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｎｉ－Ｓｉ－Ｂ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｎｉ－Ｚｒ、 Ｆｅ－Ｎｉ－Ｂ、 Ｃｏ－Ｆｅ－Ｚｒ、 Ｃｏ－Ｚｒ系のアモルファス合金薄帯、軟磁性フェライトからなる薄膜が用いられてもよい。
【0021】
伝送線路１１の信号線１３と一対の接地線１４１、１４２のそれぞれとの間の寄生容量に由来するＬＣ共振回路２の共振周波数が、誘電体基板１０、伝送線路１１および軟磁性薄膜１２により構成されるインダクタ、ならびに、第１コンデンサ２１および第２コンデンサ２２に由来するＬＣ共振回路２の共振周波数ω0と比較して高周波数側（例えば、４ＧＨｚ帯）にずれるように、伝送線路１１の信号線１３および一対の接地線１４１、１４２が配置されている。これは、信号線１３と一対の接地線１４１、１４２の間の寄生容量は周辺環境の影響を受け易く、それを避け動作の安定性を維持するためである。
【0022】
（作用効果）
当該構成の磁気センサによれば、磁石４により軟磁性薄膜１２に対してその長手方向に、軟磁性薄膜１２の異方性磁界Ｈｋに略等しい大きさのバイアス静磁場＋Ｈsあるいは－Ｈsが印加されることにより、当該軟磁性薄膜１２の磁化困難軸方向に磁化Ｍが飽和する（図５の±Ｍs参照）。この状態でＬＣ共振回路２が共振角周波数ωrで共振すると、伝送線路１１に対して長手方向に交流電流Ｉ（ωr）が流れ、軟磁性薄膜１２に対してその短手方向、すなわち磁化容易軸方向に振動する交流磁場Ｈ（ωr）が形成される（図３および図４参照）。これにより、軟磁性薄膜１２の磁化困難軸方向に向きがそろった電子スピンが歳差運動し、強磁性共鳴が誘発される。
当該構成の磁気センサによれば、磁石４により軟磁性薄膜１２に対してその長手方向に、軟磁性薄膜１２の異方性磁界Ｈｋに略等しい大きさのバイアス静磁場＋Ｈsあるいは－Ｈsが印加されることにより、当該軟磁性薄膜１２の磁化困難軸方向に磁化Ｍが飽和する（図５の±Ｍs参照）。この状態でＬＣ共振回路２が共振角周波数ωrで共振すると、伝送線路１１に対して長手方向に交流電流Ｉ（ωr）が流れ、軟磁性薄膜１２に対してその短手方向、すなわち磁化容易軸方向に振動する交流磁場Ｈ（ωr）が形成される（図３および図４参照）。これにより、軟磁性薄膜１２の磁化困難軸方向に向きがそろった電子スピンが歳差運動し、強磁性共鳴が誘発される。
【0023】
図６には、軟磁性薄膜１２の磁化困難軸方向の複素透磁率μの実部μ’および虚部μ”が示されている。強磁性共鳴が生じる角周波数ωcの近傍において、複素透磁率μの実部μ’および虚部μ”の変化量が最大化する。これに応じて伝送線路１１および軟磁性薄膜１２により構成されているインダクタンスが大きく変化しうる。この際の磁気感知部１のインダクタンスおよび第１コンデンサ２１および第２コンデンサ２２のキャパシタンスに応じた共振角周波数ωｒでＬＣ共振回路２が発振し、当該発振信号がＬＣ共振回路２の出力端子２６から検出される。当該発振信号がＦＦＴにより周波数領域ｆに変換されることにより、図７に示されているようにＬＣ共振回路２の共振周波数ωｒに応じたピークＰ０が検出される。
【0024】
ここで、軟磁性薄膜１２の長手方向に振動する外部交流磁場Ｈ（ωｓ）が存在する場合、軟磁性薄膜１２の磁化困難軸方向に向きがそろった電子スピンの一部の歳差運動の速度または周波数が変化し、これに応じて伝送線路１１および軟磁性薄膜１２により構成されているインダクタンスに変調成分が生じる。このため、ＬＣ共振回路の発振信号にも変調成分が生じ、当該発振信号がＦＦＴにより周波数領域に変換されることにより、図７に示されているようにＬＣ共振回路の共振周波数ｆｒ＝ωｒ／２πに応じたピークＰ０の高周波数側および低周波数側のそれぞれに当該変調成分に応じたピークＰ＋およびＰ－のそれぞれが検出される。そして、ピークＰ＋およびＰ－のそれぞれの高さから外部交流磁場Ｈ（ωｓ）の強度｜Ｈ（ωｓ）｜が推定される。ピークＰ＋およびＰ－のそれぞれの、ピークＰ０を基準とした周波数のずれ量から外部交流磁場Ｈ（ω）の周波数ｆ＝ω／２πが推定される。
【符号の説明】
【0025】
１‥磁気感知部、２‥ＬＣ共振回路、１０‥誘電体基板、１１‥伝送線路、１２‥軟磁性薄膜、１３‥信号線、１４１、１４２‥接地線、Ｃ１、Ｃ２‥コンデンサ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】