JP5707971B2 - Magnetic sensor controller - Google Patents
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Description
本発明は、磁気センサ制御装置に関する。さらに詳述すると、トンネル磁気抵抗効果素子等のスピントロニクス素子を用いた磁気センサと該磁気センサの制御回路からなる磁気センサ制御装置に関する。 The present invention relates to a magnetic sensor control device. More specifically, the present invention relates to a magnetic sensor control device including a magnetic sensor using a spintronic element such as a tunnel magnetoresistive element and a control circuit for the magnetic sensor.
従来、各種の磁気抵抗素子を用いたセンサには、磁気抵抗効果素子(MR素子など)や、磁気インピーダンス素子(MI素子)等が用いられている。例えば、MIセンサによれば、MI素子という磁気抵抗素子を用いることで薄膜化・小型化が容易であり、その改良も盛んに行われている。このMI素子の場合には、高周波電流を流した場合のその高周波インピーダンスの磁界による変化をもって磁界強度を検知することができるもので、回路技術を駆使する必要があるが、センサ感度は高い特長を有する。 Conventionally, sensors using various magnetoresistive elements have used magnetoresistive elements (MR elements, etc.), magnetoimpedance elements (MI elements), and the like. For example, according to the MI sensor, the use of a magnetoresistive element called an MI element facilitates thinning and miniaturization, and improvements are being actively made. In the case of this MI element, it is possible to detect the magnetic field strength by changing the high frequency impedance due to the magnetic field when a high frequency current is passed, and it is necessary to make full use of circuit technology, but the sensor sensitivity is high. Have.
また、磁気抵抗効果素子(MR素子)を用いた磁気センサ(磁気抵抗センサ)の素子として、巨大磁気抵抗素子(GMR素子)や、トンネル磁気抵抗素子(TMR素子)等が知られている。GMR(Giant magnetic resistance)素子とは、強磁性層と非強磁性層とが交互に複数層形成され、隣接する2つの磁性層の磁化方向が、外部磁界の強さに応じて平行な場合と反平行な場合とで変化する抵抗を利用して磁気検知を行うものである。また、TMR(tunnel Magneto-Resistance)素子とは、磁性薄膜層が絶縁層を介して複数層形成され、伝導に関わる電子がスピンを維持しながら絶縁層をトンネル現象によって伝導されることで、このときの磁化の状態によってトンネル透過係数が異なることを利用して磁界検知を行うものである。 Further, giant magnetoresistive elements (GMR elements), tunnel magnetoresistive elements (TMR elements), and the like are known as elements of magnetic sensors (magnetoresistance sensors) using magnetoresistive elements (MR elements). A GMR (Giant magnetic resistance) element includes a case where a plurality of ferromagnetic layers and non-ferromagnetic layers are alternately formed, and the magnetization directions of two adjacent magnetic layers are parallel according to the strength of an external magnetic field. Magnetic detection is performed by using a resistance that varies depending on the antiparallel case. In addition, a TMR (tunnel Magneto-Resistance) element is formed by forming a plurality of magnetic thin film layers through an insulating layer and conducting electrons through conduction through a tunnel phenomenon while maintaining spin. Magnetic field detection is performed by utilizing the fact that the tunnel transmission coefficient differs depending on the state of magnetization.
これらの磁気抵抗素子は磁化の向きと強度が所定の向きに固定されたピンド層(固定層)と、磁化の向きが外部磁界の向きに応じて変化するフリー層(自由層)とを備えている。磁気センサとして外部磁界を検知する時は固定されたピンド層の磁化方向に対して外部磁界の向きに応じて変化するフリー層の磁化方向の相対関係と、磁化の強度に応じて抵抗値は変化することを利用して磁界の方向を検知するものである。 These magnetoresistive elements include a pinned layer (fixed layer) whose magnetization direction and strength are fixed in a predetermined direction, and a free layer (free layer) whose magnetization direction changes according to the direction of the external magnetic field. Yes. When an external magnetic field is detected as a magnetic sensor, the relative value of the magnetization direction of the free layer that changes according to the direction of the external magnetic field with respect to the magnetization direction of the fixed pinned layer, and the resistance value changes according to the strength of magnetization. This is to detect the direction of the magnetic field.
このような磁気抵抗素子を用いた磁気センサに関し、例えば、特許文献1及び特許文献2には、検知対象への分解能を高めるため、センサとしての磁気抵抗素子を直列に複数配置した磁気センサが開示されている。また、特許文献3には、TMR素子からなる磁気抵抗素子を有し、センサを平面に配置していても磁面の平面以外のZ軸方向のベクトル成分を検知可能な磁気センサが開示されている。また、特許文献4には、磁気抵抗効果素子と、薄膜コイルと、を備え薄膜コイルを流れる検出対象電流を測定する電流センサが開示されている。
With respect to a magnetic sensor using such a magnetoresistive element, for example,
これまでTMR素子等のスピントロニクス素子は、磁界に対する変化率は大きいが、電子デバイス特有の低周波ノイズが大きいと考えられていたが、近年、検知に必要な素子の面積の微小化が進み、微細加工の限界まで検知素子として機能させることができることがわかってきた。しかしながら、TMR素子などのスピントロニクス素子を用いた磁気センサにおけるノイズの低減および高感度化のための技術は検討の余地が残されていた。 Up to now, spintronics elements such as TMR elements have been considered to have a large rate of change with respect to the magnetic field, but the low frequency noise peculiar to electronic devices has been considered to be large. It has been found that it can function as a sensing element up to the limit of processing. However, there is still room for study on techniques for reducing noise and increasing sensitivity in magnetic sensors using spintronic elements such as TMR elements.
そこで本発明は、磁気抵抗素子を用いた磁気センサであって、磁気抵抗素子を並列または直列に接続して磁気抵抗素子群とし、該磁気抵抗素子群を並列に接続したセルを検知部として備えた磁気センサについて、磁気センサの測定対象に合わせて、ノイズを低減し、かつ、検知の高感度化を図ることができる磁気センサ制御装置を提供することを目的とする。
The present invention provides a magnetic sensor using a magneto-resistive element, a magnetoresistive element group connect the magnetoresistive elements in parallel or in series, the cells connected to said magnetoresistive element element group in parallel as a detection unit It is an object of the present invention to provide a magnetic sensor control device that can reduce noise and increase detection sensitivity in accordance with the measurement target of the magnetic sensor.
かかる目的を達成するため、請求項1に記載の磁気センサ制御装置は、複数の磁気抵抗素子を並列または直列に接続して磁気抵抗素子群とし、複数の磁気抵抗素子群を並列に接続したセルを有し、セルが並列および/または直列に接続されてなる検知部と、磁気抵抗素子群のうち、少なくとも1つについて接続を切り替える第一のスイッチ部と、セルのうち、少なくとも1つについて接続を切り替える第二のスイッチ部と、を備え、磁界発生源を電流源として、該電流源の電流を検知する磁気センサと、電流の周波数、振幅および位相の信号に基づいて、第一のスイッチ部および/または第二のスイッチ部を切り替えるスイッチ切替部と、スイッチ切替部により磁気抵抗素子群および/またはセルを順次異なる組み合わせで選択して検知を行って、検知精度が所定のノイズ対信号出力条件を満たす場合は、当該時点で選択されている組み合わせで検知を行うとともに、所定のノイズ対信号出力条件を満たさない場合は、他の組み合わせを選択して検知を繰り返す制御手段と、を備えたものである。
To achieve the above object, a magnetic sensor control device according to
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の磁気センサ制御装置において、検知部の近傍に交流磁界印加部を設け、検知部を構成する磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させ、制御手段は、電流の周波数、振幅、および位相の信号に基づいて、交流磁界印加部を制御するものである。
Further, an invention according to
また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の磁気センサ制御装置において、検知部を圧電素子とともに基板に配置し、圧電素子に交流電圧を印加して基板を振動させ、検知部を構成する磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させ、制御手段は、電流の周波数、振幅、および位相の信号に基づいて、圧電素子を制御するものである。
Further, the invention according to
また、請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の磁気センサ制御装置において、検知部の近傍に硬磁性材料からなる硬磁性体部を有する可動部を設け、該可動部の駆動により硬磁性体部を変位させ、検知部を構成する磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させ、制御手段は、電流の周波数、振幅、および位相の信号に基づいて、可動部を制御するものである。
The invention of
また、請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の磁気センサ制御装置において、検知部の近傍に軟磁性材料からなる軟磁性体部およびコイル部材を有する可動部を設け、コイル部材へ直流電流を印加して軟磁性体部が磁化された状態で可動部を駆動させることにより軟磁性体部を変位させ、検知部を構成する磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させ、制御手段は、電流の周波数、振幅、および位相の信号に基づいて、可動部を制御するものである。
According to a fifth aspect of the present invention, in the magnetic sensor control device according to the first aspect of the present invention, a movable portion having a soft magnetic body portion made of a soft magnetic material and a coil member is provided in the vicinity of the detection portion, and the coil member is provided. Controlling the magnitude of the external magnetic field of the magnetoresistive element that constitutes the detection unit by displacing the soft magnetic unit by applying a direct current and driving the movable unit while the soft magnetic unit is magnetized It means the frequency of the current, based on the amplitude and phase of the signal, and controls the moving unit.
また、請求項6に記載の発明は、請求項1から5までのいずれかに記載の磁気センサ制御装置において、制御手段は、当該装置の消費電力、または/および印可電圧を検知する電力検知部を備え、該電力検知部による検知に基づいて磁気センサを制御するものである。
According to a sixth aspect of the present invention, in the magnetic sensor control device according to any one of the first to fifth aspects, the control means detects a power consumption of the device and / or an applied voltage. The magnetic sensor is controlled based on detection by the power detection unit.
また、請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の磁気センサ制御装置において、制御手段は、当該装置の電源となる電池部を備え、電力検知部による検知、および電池部に基づいて磁気センサを制御するものである。
According to a seventh aspect of the present invention, in the magnetic sensor control device according to the sixth aspect of the present invention, the control means includes a battery unit serving as a power source for the device, based on detection by the power detection unit and the battery unit. It controls the magnetic sensor.
また、請求項8に記載の発明は、請求項6または7のいずれかに記載の磁気センサ制御装置において、制御手段は、当該装置の電源となる外部エネルギーを受動する外部エネルギー受動部を備え、電力検知部による検知、および外部エネルギー受動部に基づいて磁気センサを制御するものである。
Further, the invention according to claim 8 is the magnetic sensor control device according to
本発明によれば、磁気センサの測定対象に合わせて、ノイズを低減し、かつ、検知の高感度化を図ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, according to the measuring object of a magnetic sensor, noise can be reduced and the high sensitivity of detection can be achieved.
以下、本発明に係る構成を図1から図18に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a configuration according to the present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS.
(検知用素子部構成)
図1及び図2に検知用素子部(以下、磁気抵抗素子、検知素子、素子ともいう)の構成例を示す。図1に示す検知用素子部10は、キャップ層7、フリー層6、トンネル層5A、ピンド層4、反強磁性(AFM)層3、シード層2、基板1からなるTMR層構成による検知用素子部10の一例である。
(Detection element configuration)
1 and 2 show a configuration example of a detection element section (hereinafter also referred to as a magnetoresistive element, a detection element, or an element). The
基板1としては、例えば、SiやSi上熱酸化基板を用いる。また、超高真空スパッタ装置やイオンビームスパッタ装置、EB蒸着装置などを用いて、Taなどのシード層2、FeMn,PtMnIrMn,NiMn,PdPtMn,CrPtMn,CoMnなどやそれらの合金などからなるAFM層3を構成する。なお、厚みは各設計値によって3nm〜400nm程度か、もしくは、それ以上に設定されるが、10nm〜100nmが好適である。また、AFM層3の上部にピンド層4(シンセティックフェリ層)を設ける構成(スピンバルブ構成)としている。
As the
トンネル層5Aは、例えば、Al−OやMgOで構成され、厚みは0.5nm〜6nmの間で設計されるが、1nm〜4nmが好適である。ここで、MgOによる構成とすると、比較的厚い膜厚であっても優れた磁気抵抗変化率特性が得られるため、抵抗値を大きくとりたい場合には厚みを厚くすることで実現可能となるメリットを有する。なお、図示はしないが、MgO層をトンネル層5Aとする場合には、例えば、CoFeSiBなどのアモルファス膜をアズデポで作製後、アニール時に結晶化することも好ましい。このようにすることにより、MgOの再配列を促して、結晶性を高めることにより磁気抵抗変化率を著しく向上させることができるため、さらに検知性能の向上を図ることができる。
The
フリー層6は、例えば、NiFe,CoFe,CoNiFe,CoZrNb等の軟磁気特性を有するもので構成することにより、センサ特性を発揮することが可能となる。また、キャップ層7としては、Taなどを成膜する。
By forming the
検知用素子部10は、所望の形状にフォトリソグラフィー、EB露光等を用いた微細加工により形状を作製し、上下に電極を配して完成させる。
The
なお、本実施形態における検知用素子部10は、図1に示すTMR層構成に限られるものではなく、例えば、図2に示すようなGMR層構成であっても良い。図2に示す検知用素子部10は、トンネル層5Aに替えて非磁性金属層5Bを有し、その他の層構成は同様である。ここで、非磁性金属層5Bには、例えば、Cu,Agなどが適している。
Note that the
(磁気センサ構成)
磁気センサ20は、以下に詳細に説明するように、磁気抵抗素子よりなる磁気センサであって、2重階層を持って構成され、磁気抵抗素子を並列または直列になるセンサとして機能される群(磁気抵抗素子群)であって、それらの群どうしがさらに並列になるセンサをもってセルとしてなり、セルごとの機能状態に応じて出力の合成または分離を行なうものである。すなわち、センサを素子群で構成し、かつ配置しやすいように2重階層を持って構成されることから、適宜、ノイズ対信号出力を測定対象に合わせて検知可能とし、検知情報をより高度に得ることができるものである。
(Magnetic sensor configuration)
As will be described in detail below, the
図3に磁気センサ20の一例を示す。磁気センサ20は、検知素子10を直列に配置して磁気抵抗素子群8(8a,8b,8c・・・)とし、これらを並列に配置してセル(検知部、素子配列部)9とし、磁気抵抗素子群8を連動させるものである。このようにすることにより、素子数に比例して、抵抗値を高めることができる。また、基準抵抗(固定抵抗)11を直列に配置することにより、磁気抵抗値の変化につれて出力変化を実現することが可能となる。
FIG. 3 shows an example of the
さらに、直列接続としていることにより、同一電圧であれば接続した素子分の電圧変化が得られることとなりセンサの高感度化への寄与が大きい。なお、直列接続の方法としては、図4(a)に示すように素子に対して互い違いに電流を流す方法、図4(b)に示すように同一方向に電流を流す方法のいずれであっても良い。 Furthermore, since the connection is made in series, a change in the voltage of the connected elements can be obtained with the same voltage, which greatly contributes to the high sensitivity of the sensor. In addition, as a method of series connection, either a method of flowing current to the elements alternately as shown in FIG. 4A or a method of flowing current in the same direction as shown in FIG. Also good.
また、図5に示すように図3に示した磁気センサ20に、さらにスイッチ(スイッチ部13)を配置した構成とすることも好ましい。ここで、スイッチは、例えば、CMOS等で構成することができる。
Further, as shown in FIG. 5, it is also preferable that a switch (switch unit 13) is further arranged on the
以上のように素子群と連動させて動作させることにより磁気センサの高感度化および1/fノイズの低減を図ることができる。 By operating in conjunction with the element group as described above, it is possible to increase the sensitivity of the magnetic sensor and reduce 1 / f noise.
また、図6に磁気センサ20の他の例を示す。図6に示すように検知素子10を並列に配置して磁気抵抗素子群8(8a,8b,8c・・・)とし、これらを並列に配置してセル(検知部、素子配列部)9とし、これらを連動させることとしても良い。このように素子を並列に配置することにより、ノイズ低減、特に1/fノイズの低減を図ることができる。また、図7に示すように図6に示した磁気センサ20に、さらにスイッチ(スイッチ部13)を配置した構成とすることも好ましい。
FIG. 6 shows another example of the
さらに、図8に示すように、並列化した素子配列部9a(図6)と直列化した素子配列部9b(図5に示すスイッチ部付きの構成)とを複合的に配置して、各素子配列部の配列をスイッチ部14により適宜変更可能とする構成とすることも好ましい。このように構成した磁気センサ20を用いて、目的のノイズ特性と必要とされる信号出力、さらには検知可能な素子数を可変させることによりセンサとしての検知面積を適宜変更し、センサの検知性能の向上を図ることができる。例えば、信号が大きな領域についてのみ素子を機能させる等の検知方法が実現可能となる。
Further, as shown in FIG. 8, a parallel arrangement of
また、図8に示す例では、各素子の階層数を2としているが、それらをさらに群として並列化や直列化を行うことも好ましい。例えば、図1に示した検知素子10のそれぞれを並列化した素子で置き換えるようにしても良い。このような微細な加工に際しては、例えば、電子ビーム露光プロセスや自己組織化膜を用いたパターンニングなどのナノメータ(nm)オーダでの微細加工を行うようにすれば良い。このように階層性を多重とすることにより、さらなるノイズの低減、高感度化が可能となる。
Further, in the example shown in FIG. 8, the number of layers of each element is 2, but it is also preferable to perform parallelization or serialization by further grouping them. For example, each of the
(磁気センサ制御)
以下、磁気センサ制御装置40(磁気センサ20を含んで構成される制御回路である)が実行する磁気センサ20の制御(制御方法)について説明する。本実施形態の磁気センサ制御装置40が実行する処理を図9のフローチャートに示す。
(Magnetic sensor control)
Hereinafter, control (control method) of the
また、図10に磁気センサ制御装置40の機能ブロック図の一例を示す。図9に示した処理を実行するために、磁気センサ制御装置40は、磁気センサ20からのセンサ出力に基づいて各種の制御を実行する制御部41を有し、当該制御部41は、スイッチ部13,14を制御するスイッチ切替部42と、周波数、振幅および位相の検知内容等を一次記憶するための記憶部(メモリ)43と、を有している。
FIG. 10 shows an example of a functional block diagram of the magnetic sensor control device 40. In order to execute the processing shown in FIG. 9, the magnetic sensor control device 40 includes a control unit 41 that executes various controls based on the sensor output from the
ここで、目的とする検知信号を電流源として検知すること場合は、「真の」電流源とみなせ、また、解析を通して電流源とする場合には「実効的な」電流源とみなすことができる。そこで、本実施形態に係る磁気センサ制御装置40は、そのときの電流源の周波数、振幅、位相に応じて、素子部を切り替えて、より検知出力を増加させるものである。 Here, when a target detection signal is detected as a current source, it can be regarded as a “true” current source, and when it is assumed to be a current source through analysis, it can be regarded as an “effective” current source. . Therefore, the magnetic sensor control device 40 according to the present embodiment switches the element unit in accordance with the frequency, amplitude, and phase of the current source at that time to increase the detection output.
制御手段41は、先ず、磁界を検知して(S1)、その周波数、振幅および位相を検知する(S2)。これらは、記憶部43に一時的に記憶される。 The control means 41 first detects a magnetic field (S1), and detects its frequency, amplitude and phase (S2). These are temporarily stored in the storage unit 43.
次に、スイッチ切替部42によりスイッチ部を切り替えて、セル9(および/または磁気抵抗素子群8)を適宜異なる組み合わせで選択し(S3)、選択した素子による検知を行い、新たな磁界(異なる磁界)を検知し(S4)、新たな周波数、振幅、位相(異なる周波数、振幅、位相)を検知する(S5)。 Next, the switch unit is switched by the switch switching unit 42, and the cells 9 (and / or the magnetoresistive element group 8) are appropriately selected in different combinations (S3), detected by the selected elements, and a new magnetic field (different) Magnetic field) is detected (S4), and a new frequency, amplitude, and phase (different frequency, amplitude, and phase) are detected (S5).
所定の設定条件(例えば、検知精度が所望の精度を満たす)を満たす場合(S7:Yes)は、当該時点で選択されている素子構成で検知を行う。一方、設定条件を満たさない場合(S7:No)は、S3へ戻り、再度検知素子の選択を行い、設定条件を満たすまで処理(S3〜S7)を繰り返すものである。 When a predetermined setting condition (for example, the detection accuracy satisfies a desired accuracy) is satisfied (S7: Yes), detection is performed with the element configuration selected at that time. On the other hand, when the setting condition is not satisfied (S7: No), the process returns to S3, the detection element is selected again, and the processing (S3 to S7) is repeated until the setting condition is satisfied.
磁気センサ20をこのように制御することにより、ノイズ対信号出力を測定対象に合わせて検知可能とした磁気センサ20について、より検知出力を増加させて、高精度な検知情報を得ることができる。また、測定対象に合わせて最適なセンシングが実行可能なように磁気センサ20の制御がされるので、様々の測定対象について、長期に亘って使用することができる。
By controlling the
(第2の実施形態)
以下、磁気センサ20のその他の実施形態について説明する。上述の実施の形態と同様の点についての説明は省略する。また、検知素子の配列(直列、並列)、スイッチ部の有無等は、以下に説明する構成においても適宜組み合わせ可能なものである。
(Second Embodiment)
Hereinafter, other embodiments of the
図10に示す磁気センサ20は、検知素子10に加えて、交流(AC)磁界印加用のコイル部(交流磁界印加部)16と、コイル部16への交流(AC)磁界印加用の電流源17を付加したものである。このように構成することにより、検知素子10に外部から交流磁界を重畳し、検知する実効的な周波数領域をシフトさせて検知を実現することができ、ノイズの低減、特に、1/fノイズの低減を図ることができる。
A
また、図10に示す磁気センサ20を用いて、図9に示した処理を実行し、かつ、制御手段41により交流磁界印加部16を制御する(外部からの重畳させる交流磁界の周波数、強度、および位相を可変させる)ことにより、さらに、高感度化を実現することができる。
Further, the
(第3の実施形態)
図11に示す磁気センサ20は、圧電素子18を配置した基板19に検知部を設け、圧電素子18は、駆動用電圧印加用の電極部21を備えるものである。このように構成した磁気センサ20では、駆動用電圧源22によって電極部21に駆動用電圧(交流電圧)を印加して、圧電素子18を駆動させ、基板19全体を機械的に一定周期で振動させる。
(Third embodiment)
A
さらに、直流(DC)磁界印加用コイル部23と直流(DC)磁界印加用電流源24を配置し、直流磁界を印加可能とすることも好ましい。なお、直流磁界印加用コイル部23と直流磁界印加用電流源24を配置した状態で、DC磁界印加の有無を選択可能とする構成としても良い。
Furthermore, it is also preferable to arrange a direct current (DC) magnetic field applying
このような構成とすることにより、外部に対して振動させることによりAC分の成分が重畳された状態で検知できるためノイズ低減、特に、1/fノイズの低減を図ることができる。また、圧電素子による交流磁界の印加は簡便であり、磁気的には設計パラメータの自由度が大きく、効率的なノイズ低減が実現できる。 By adopting such a configuration, it is possible to detect in a state where an AC component is superimposed by vibrating externally, and therefore noise reduction, particularly 1 / f noise reduction, can be achieved. In addition, application of an alternating magnetic field by a piezoelectric element is simple, and the degree of freedom of design parameters is magnetically large, so that efficient noise reduction can be realized.
また、図11に示す磁気センサ20を用いて、図9に示した処理を実行して、かつ、制御手段41により圧電素子18を制御する(外部からの重畳させる圧電素子の交流電圧印加による機械振動の周波数、強度、および位相を可変させる)ことにより、さらに、高感度化を実現することができる。
Further, the process shown in FIG. 9 is executed using the
なお、本実施形態では、機械的に一定周期で振動を与える手段として圧電素子18を配置したが、これに限られるものではなく、例えば、他のMEMS技術等で用いられる駆動系(静電型駆動方式、電磁駆動方式など)を用いることも好ましい。
In the present embodiment, the
(第4の実施形態)
図12(a)に上面図、(b)に断面図を示す磁気センサ20は、柔構造の梁部25によりフレーム26に固定された可動部27上に硬磁性材料からなる硬磁性体部28を配置したものであり、また、可動部27は圧電素子を備えた圧電素子部および梁部29とも接続されている。さらに、可動部27は圧電素子印加用配線および電源(図示せず)によって、屈曲させることができ、結果として、硬磁性体部28を変位させることができる。なお、可動部27の全部または一部を硬磁性材料からなる磁性体で構成するようにしても良い。
(Fourth embodiment)
12A is a top view, and FIG. 12B is a cross-sectional view. The
すなわち、基板上30の検知部9においては、硬磁性体部28からの磁界強度が周期的に変動することとなるので、実質上AC磁界中において外来磁界を検知することとなる。よって、実効的な動作周波数をよりノイズ分、特に1/fノイズ成分が少ないところで機能させることが実現でき、その結果、より鋭敏な検知を実現することができる。また、測定対象に応じて屈曲の周波数を変化させることにより、測定の感度を高めることもできる。
That is, in the detection unit 9 on the
このような構成とすることにより、可動部27を大きく振幅させることができ、ノイズ低減の設計パラメータを大きく設定することができる。
With such a configuration, it is possible to greatly increase the amplitude of the
また、図12に示す磁気センサ20を用いて、図9に示した処理を実行して、かつ、制御手段41により可動部27を制御する(外部からの重畳させる交流磁界の周波数、強度、および位相を可変させる)ことにより、さらに、高感度化を実現することができる。
Further, the
(第5の実施形態)
図13(a)に上面図、(b)に断面図を示す磁気センサ20は、柔構造の梁部25によりフレーム26に固定された可動部27上に軟磁性材料からなる軟磁性体部31および軟磁性体を磁化するためのコイル部32を配置したものであり、また、可動部27は圧電素子を備えた圧電素子部および梁部29とも接続されている。さらに、可動部27は圧電素子印加用配線および電源(図示せず)によって、屈曲させることができ、結果として、軟磁性体部31およびコイル部32を変位させることができる。また、コイル部32は、DC電源部(図示せず)に接続されており、コイル部32に電流を流すことにより軟磁性体部31を磁化させることができる。なお、可動部27の全部または一部を軟磁性材料からなる磁性体で構成するようにしても良い。
(Fifth embodiment)
13A is a top view, and FIG. 13B is a cross-sectional view. The
すなわち、基板上30の検知部9においては、軟磁性体部31およびコイル部32による磁界の磁界強度が周期的に変動することとなるので、実質上AC磁界中において外来磁界を検知することとなる。よって、実効的な動作周波数をよりノイズ分、特に1/fノイズ成分が少ないところで機能させることが実現でき、その結果、より鋭敏な検知を実現することができる。また、測定対象に応じて屈曲の周波数を変化させることにより、測定の感度を高めることもできる。さらに、コイル部32に流す電流をDCからACとすることにより、2重の周期を重畳させることが可能となり、測定対象によってはノイズ分低減が実現可能となる。
That is, in the detection unit 9 on the
このような構成とすることにより、ノイズ低減の設計パラメータをさらに大きく設定することができる。また、複数の周波数でのノイズ低減が可能となる。 With such a configuration, the design parameter for noise reduction can be set larger. In addition, noise can be reduced at a plurality of frequencies.
また、図13に示す磁気センサ20を用いて、図9に示した処理を実行して、かつ、制御手段41により可動部27を制御する(外部からの重畳させる交流磁界の周波数、強度、および位相を可変させる)ことにより、さらに、高感度化を実現することができる。
In addition, the
上記第1〜第5の実施形態で説明した磁気センサ制御装置40によれば、スイッチ切替部42によって、スイッチ部13,14を適宜切り替えることにより、検知対象物と、その検知結果に応じて、磁気抵抗素子群8、セル9を選択的に設定することができ、磁気センサ20の検知位置や検知面積を切り替えることができる。切り替える方向によって、感度を増加させることができ、検知対象物に沿った検知が可能となり、磁気センサ20の検知の高感度化を図ることができる。例えば、磁界を発生する電流源に近いことや、磁界の解析によって、ベクトル成分解析が可能となり、磁界の方向性を検知して、検知の高感度化を実現することができる。
According to the magnetic sensor control device 40 described in the first to fifth embodiments, the switch switching unit 42 appropriately switches the
(その他の実施形態)
さらに、磁気センサ制御装置40は、図15に示すように、装置の消費電力や印可電圧を検知する電力検知部44を備えることが好ましい。電力検知部44を備える磁気センサ制御装置40が実行する処理では、図16のフローチャートに示すように、電力検知部44が消費電力を検知する処理(S17)が追加される。なお、図9のフローチャートと同様の処理についての説明は省略する。
(Other embodiments)
Furthermore, as shown in FIG. 15, the magnetic sensor control device 40 preferably includes a power detection unit 44 that detects power consumption and applied voltage of the device. In the process executed by the magnetic sensor control device 40 including the power detection unit 44, a process (S17) in which the power detection unit 44 detects power consumption is added as shown in the flowchart of FIG. A description of the same processing as that in the flowchart of FIG. 9 is omitted.
この磁気センサ制御装置40によれば、装置全体の消費電力(消費電流,印加電圧)を検知しつつ、センシングを行うことが可能となるので、消費電力の最適化を行いつつ、検知の高感度化を実現することができる。さらに方向性を検知させるように、検知部を各部分に分けた上で、それぞれの検出データをもとに検知信号の値を維持しながら、消費電力の最適化を行うことができる。 According to this magnetic sensor control device 40, it is possible to perform sensing while detecting the power consumption (current consumption, applied voltage) of the entire device, so that the detection sensitivity is high while optimizing the power consumption. Can be realized. Furthermore, the power consumption can be optimized while maintaining the value of the detection signal based on each detection data after dividing the detection unit into each part so as to detect the directionality.
また、磁気センサ制御装置40は、電力検知部44とともに、図17に示すように、1次電池、および/または、2次電池からなり、装置の電源となる電池部45を備え、電力検知部44と電池部45を用いて駆動制御を行うことにより、消費電力の低減を図る自律型センサとして機能させることができる。 Moreover, the magnetic sensor control device 40 includes a battery unit 45 that is composed of a primary battery and / or a secondary battery and serves as a power source of the apparatus, as shown in FIG. By performing drive control using the battery 44 and the battery unit 45, it can function as an autonomous sensor that reduces power consumption.
さらに、図18に示すように、外部からエネルギー(駆動源)を受動する外部エネルギー受動部(外部磁界エネルギー吸収用アンテナ)46を備え、電力検知部44と電池部45を用いて駆動制御を行うことにより、消費電力の低減を図り、より長期駆動可能な自律型センサとして機能する。さらに方向性を検知させるように、検知部を各部分に分けた上で、それぞれの検出データをもとに検知信号の値を維持しながら、消費電力の最適化を行って、稼動時間を長期化することができる。 Furthermore, as shown in FIG. 18, an external energy passive unit (external magnetic field energy absorbing antenna) 46 that passively passes energy (driving source) from the outside is provided, and drive control is performed using the power detection unit 44 and the battery unit 45. Thus, the power consumption is reduced, and the sensor functions as an autonomous sensor that can be driven for a longer period. In order to detect the direction further, the detection unit is divided into parts and the power consumption is optimized while maintaining the value of the detection signal based on the detection data. Can be
尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。 The above-described embodiment is a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
1 基板
2 シード層
3 AFM層
4 ピンド層
5A トンネル層
5B 非磁性金属層
6 フリー層
7 キャップ層
8 磁気抵抗素子群
9,9a,9b セル(素子配列部、検知部)
10 検知用素子部
11 基準抵抗
12 配線
13,14 スイッチ部
16 交流磁界印加用コイル部
17 交流磁界印加用電流源
18 圧電素子
19 圧電素子を配置した基板
20 磁気センサ
21 駆動用電圧印加用電極部
22 駆動用電源
23 直流磁界印加用コイル部
24 直流磁界印加用電流源
25 梁部
26 フレーム
27 可動部
28 硬磁性体部
29 圧電素子部および梁部
30 素子部用基板
31 軟磁性体部
32 コイル部
40 磁気センサ制御装置
41 制御部
42 スイッチ切替部
43 記憶部
44 電力検知部
45 電池部
46 外部エネルギー受動部
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記磁気抵抗素子群のうち、少なくとも1つについて接続を切り替える第一のスイッチ部と、
前記セルのうち、少なくとも1つについて接続を切り替える第二のスイッチ部と、
を備え、磁界発生源を電流源として、該電流源の電流を検知する磁気センサと、
前記電流の周波数、振幅および位相の信号に基づいて、前記第一のスイッチ部および/または前記第二のスイッチ部を切り替えるスイッチ切替部と、
前記スイッチ切替部により前記磁気抵抗素子群および/または前記セルを順次異なる組み合わせで選択して検知を行って、検知精度が所定のノイズ対信号出力条件を満たす場合は、当該時点で選択されている組み合わせで検知を行うとともに、前記所定のノイズ対信号出力条件を満たさない場合は、他の組み合わせを選択して検知を繰り返す制御手段と、を備えた磁気センサ制御装置。 A magnetoresistive element group by connecting a plurality of magnetoresistive elements in parallel or in series, having a cell connected to a plurality of said magnetoresistive element element group in parallel, comprising the cells are connected in parallel and / or series A detection unit ;
A first switch section that switches connection for at least one of the magnetoresistive element groups;
A second switch section for switching connection for at least one of the cells;
A magnetic sensor that detects a current of the current source using the magnetic field generation source as a current source ,
A switch switching unit that switches between the first switch unit and / or the second switch unit based on the frequency, amplitude, and phase signals of the current ;
When the detection is performed by selecting the magnetoresistive element group and / or the cell sequentially in different combinations by the switch switching unit and the detection accuracy satisfies a predetermined noise-to-signal output condition, it is selected at that time. And a control unit that performs detection by a combination and repeats detection by selecting another combination when the predetermined noise-to-signal output condition is not satisfied .
前記検知部を構成する前記磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させ、
前記制御手段は、前記電流の周波数、振幅、および位相の信号に基づいて、前記交流磁界印加部を制御することを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ制御装置。 An AC magnetic field application unit is provided in the vicinity of the detection unit,
Varying the magnitude of the external magnetic field of the magnetoresistive element constituting the detection unit,
The control means, the frequency of the current, based on the amplitude and phase of the signal, the magnetic sensor control device according to claim 1, wherein the controller controls the alternating magnetic field applying unit.
前記圧電素子に交流電圧を印加して前記基板を振動させ、前記検知部を構成する前記磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させ、
前記制御手段は、前記電流の周波数、振幅、および位相の信号に基づいて、前記圧電素子を制御することを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ制御装置。 The detection unit is disposed on the substrate together with the piezoelectric element,
An AC voltage is applied to the piezoelectric element to vibrate the substrate, and the magnitude of the external magnetic field of the magnetoresistive element constituting the detection unit is varied,
The control means, the frequency of the current, based on the amplitude and phase of the signal, the magnetic sensor control device according to claim 1, wherein the controller controls the piezoelectric element.
該可動部の駆動により前記硬磁性体部を変位させ、前記検知部を構成する前記磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させ、
前記制御手段は、前記電流の周波数、振幅、および位相の信号に基づいて、前記可動部を制御することを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ制御装置。 A movable part having a hard magnetic body part made of a hard magnetic material is provided in the vicinity of the detection part,
The hard magnetic body portion is displaced by driving the movable portion, the magnitude of the external magnetic field of the magnetoresistive element constituting the detection portion is varied,
The control means, a magnetic sensor control device according to claim 1, the frequency of the current, based on the amplitude and phase of the signal, and controls the moving part.
前記コイル部材へ直流電流を印加して前記軟磁性体部が磁化された状態で前記可動部を駆動させることにより前記軟磁性体部を変位させ、前記検知部を構成する前記磁気抵抗素子の外部磁界の大きさを変動させ、
前記制御手段は、前記電流の周波数、振幅、および位相の信号に基づいて、前記可動部を制御することを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ制御装置。 A movable part having a soft magnetic body part and a coil member made of a soft magnetic material is provided in the vicinity of the detection part,
By applying a direct current to the coil member and driving the movable part in a state where the soft magnetic part is magnetized, the soft magnetic part is displaced, and the outside of the magnetoresistive element constituting the detection part Vary the magnitude of the magnetic field,
The control means, a magnetic sensor control device according to claim 1, the frequency of the current, based on the amplitude and phase of the signal, and controls the moving part.
該電力検知部による検知に基づいて前記磁気センサを制御することを特徴とする請求項1から5までのいずれかに記載の磁気センサ制御装置。 The control means includes a power detection unit that detects power consumption or / and applied voltage of the device,
The magnetic sensor control device according to any one of claims 1 to 5 based on the detection by said power detection unit and controls the magnetic sensor.
前記電力検知部による検知、および前記電池部に基づいて前記磁気センサを制御することを特徴とする請求項6に記載の磁気センサ制御装置。 The control means includes a battery unit serving as a power source for the device,
The magnetic sensor control device according to claim 6 , wherein the magnetic sensor is controlled based on detection by the power detection unit and the battery unit.
前記電力検知部による検知、および前記外部エネルギー受動部に基づいて前記磁気センサを制御することを特徴とする請求項6または7のいずれかに記載の磁気センサ制御装置。
The control means includes an external energy passive unit that passively passes external energy serving as a power source for the device,
Wherein detection by the power detection unit, and the external energy driven mechanism magnetic sensor control device according to claim 6 or 7, wherein the controller controls the magnetic sensor based on.
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