JP2015133397A - マグネトインピーダンスを用いた磁気センサー素子 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ高感度であり、磁気顕微鏡および高空間分解能の渦電流非破壊評価に適用して好適なマグネトインピーダンスを用いた磁気センサー素子を提供すること。
【解決手段】本発明のマグネトインピーダンス磁気センサー素子は、磁性アモルファスワイヤ２に卷回するコイル３に高周波電流Ｉ_ＡＣを印加して、コイル３に発生する高周波電圧Ｖ_ＡＣの振幅は外部磁場とともに変化するマグネトインピーダンスを用いた磁気センサー素子であって、磁性アモルファスワイヤ２に電気接続が無いことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気顕微鏡および高空間分解能の渦電流非破壊評価に用いて好適なマグネトインピーダンスを用いた磁気センサー素子に関する。

特開平７−１８１２３９号には、アモルファスワイヤによる磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子（以下「ＭＩ素子」という）が開示されている。磁気インピーダンス効果とは、磁性体にＭＨｚ帯域の高周波電流を流すと外部磁界により磁性体のインピーダンスが変化し、それによる磁性体両端電圧の振幅が数ガウス程度の微小磁界で数１０％変化する現象である。

図７は、従来公知のマグネトインピーダンス(以下ＭＩと略す)センサー素子を説明する構成図である。従来のＭＩ磁気センサー素子ａは、図７（ａ）に示すようなＭＩセンサー素子が知られており、例えば非特許文献１に開示されていると共に、アモルファスワイヤに高周波電流を印加して使用する。従来のＭＩ磁気センサー素子ａは、アモルファスワイヤ１８とそれに接続される結線から構成されている。ＭＩ磁気センサー素子ａのアモルファスワイヤ用電極端子１９は接地側に位置し、その電極端子２０は高周波電流Ｉ_ＡＣの供給側に位置している。ＭＩ磁気センサー素子ａの電圧用電極端子２１は電極端子１９に接続され、その電極端子２２は電極端子２０と接続されている。このように構成されたＭＩ磁気センサー素子ａにおいては、アモルファスワイヤ１８の電圧Ｖ_ＡＣの振幅は外部磁界とともに変化する。

また、従来のＭＩ磁気センサー素子ｂは、図７（ｂ）に示すようなＭＩセンサー素子が知られており、例えば特許文献１、特許文献２、非特許文献２に開示されていると共に、アモルファスワイヤに高周波電流を印加して使用する。そして、ＭＩ磁気センサー素子ｂのアモルファスワイヤ用電極端子２６は接地側に位置し、その電極端子２７は高周波電流Ｉ_ＡＣの供給側に位置している。ＭＩ磁気センサー素子ｂの検出コイル用電極端子２８は高周波電圧Ｖ_ＡＣの基準電位側、その電極端子２９は高周波電圧Ｖ_ＡＣの変動電位側と接続されている。このように構成された従来のＭＩ磁気センサー素子ｂにおいては、アモルファスワイヤ２４に卷回した検出コイル２５に外部磁場強さに対応する電圧振幅の変化を発生させる。

ところで、磁気顕微鏡および高空間分解能の渦電流非破壊評価に磁気センサー素子を用いる場合に、ＭＩ磁気センサーはサンプルにより接近していることが望まれる。他方で、従来のセンサー素子については、アモルファスワイヤを電気的に接続することが必要であり、その結果、電気接続によって材料のジュール熱損失を引き起こすと共に、ＭＩセンサーとサンプルの間の距離は大きくなるという課題がある。それ故に、現在のところ、従来のＭＩセンサーは、磁気顕微鏡および高空間分解能の渦電流非破壊評価に適用されていない。

特開平２００８−１３４２３６号公報 特開平２００９−３０００９３号公報

Ｌ．Ｖ．Ｐａｎｉｎａ，Ｋ．Ｍｏｈｒｉ， Ｋ．Ｂｕｓｈｉｄａ ａｎｄ Ｍ．Ｎｏｄａ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７６，６１９８−６２０３（１９９４）． Ｋ．Ｍｏｈｒｉ，Ｆ．Ｂ．Ｈｕｍｐｈｒｅｙ，Ｌ．Ｖ．Ｐａｎｉｎａ，Ｙ．Ｈｏｎｋｕｒａ，Ｊ．Ｙａｍａｓａｋｉ，Ｔ．Ｕｃｈｉｙａｍａ，ａｎｄ Ｍ．Ｈｉｒａｍｉ，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ ２０６，６０１−６０７（２００９）．

本発明は、上記の課題を解決したもので、小型かつ高感度であり、磁気顕微鏡および高空間分解能の渦電流非破壊評価に適用して好適なマグネトインピーダンスを用いた磁気センサー素子を提供することを目的とする。

本発明のマグネトインピーダンス磁気センサー素子は、例えば図１に示すように、磁性アモルファスワイヤ２に卷回するコイル３に高周波電流Ｉ_ＡＣを印加して、コイル３に発生する高周波電圧Ｖ_ＡＣの振幅は外部磁場とともに変化するマグネトインピーダンスを用いた磁気センサー素子であって、磁性アモルファスワイヤ２に電気接続が無いことを特徴とする。

本発明のマグネトインピーダンス磁気センサー素子において、好ましくは、磁性アモルファスワイヤ２の長さが１ｍｍ乃至１０ｍｍであり、磁性アモルファスワイヤ２の直径が１０μｍ乃至１ｍｍであると共に、コイル３の卷数が１０乃至２００であるとよい。
本発明のマグネトインピーダンス磁気センサー素子において、好ましくは、コイル３に印加する直流電流によって、磁性アモルファスワイヤ２に対するバイアス静磁場を印加する構成とするとよい。
本発明のマグネトインピーダンス磁気センサー素子において、好ましくは、単一のコイルが、励起コイル、検知コイルおよびバイアス磁場コイルを兼用するとよい。

本発明のマグネトインピーダンス磁気センサー素子において、好ましくは、例えば図１に示すように、コイル３の一端は接地されており、コイル３の他端は第１のコンデンサーＣ１を介して高周波電流Ｉ_ＡＣが供給されると共に、第２のコンデンサーＣ２を介して高周波電圧Ｖ_ＡＣを発生する構成とするとよい。

本発明のマグネトインピーダンス磁気センサー素子において、好ましくは、例えば図１に示すように、コイル３の一端は接地されており、コイル３の他端は第１のコンデンサーＣ１を介して高周波電流Ｉ_ＡＣが供給されると共に、第２のコンデンサーＣ２を介して高周波電圧Ｖ_ＡＣを発生する構成とし、さらに、コイル３の他端と第２のコンデンサーＣ２の接続点にインダクタＬが接続されていると共に、このインダクタＬを介して直流電流Ｉ_ＤＣを印加する構成とするとよい。

本発明のＭＩ磁気センサー素子では、磁性アモルファスワイヤに対して電気的な接続は無いので、ＭＩセンサーとサンプルの間の距離は小さくなり得る。従来のＭＩセンサーと比較して、本発明のＭＩセンサーは、磁気顕微鏡および高空間分解能渦電流を用いた非破壊検査（ＮＤＥ：Ｎｏｎ Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ）に好適に適用できる。

本発明の一実施例を説明するマグネトインピーダンス(ＭＩ)を用いた磁気センサー素子の要部回路図である。 本発明の一実施例を説明する回路図で、ＭＩ磁気センサー素子を用いて構成された磁気検出器の全体回路ブロック図を示している。 図２の装置における、外部磁場の変化に応じた出力電圧の応答を示す図である。 図２の磁気検出器の出力電圧の周波数応答図である。 図２の磁気検出器におけるノイズスペクトラムの一例を説明する図で、（ａ）は磁気シールドボックス中で計測した場合、（ｂ）は磁気シールドが無い実験室で計測した場合を示している。 本発明の一実施例を説明する要部拡大図で、ＭＩ磁気センサー磁気顕微鏡に適用される場合を示している。 従来のＭＩ磁気センサー素子を説明する要部回路図である。

以下、図面を用いて本発明を説明する。
なお、本明細書において、『磁気インピーダンス素子』は、アモルファス合金ワイヤなどの高透磁率合金磁性体の磁気インピーダンス効果を基礎に、パルス通電磁気インピーダンス効果をＣＭＯＳ電子回路で実現した新原理の高感度マイクロ磁気センサーをいう。
『磁気インピーダンス効果』は、広義には、外部磁場の関数として、ある材料の電気的インピーダンスが大きく変化することをいう。なお、狭義の『磁気インピーダンス効果』は、磁性体にＭＨｚ帯域の高周波電流を流すと外部磁界により磁性体のインピーダンスが変化し、それによる磁性体両端電圧の振幅が数ガウス程度の微小磁界で数１０％変化する現象である（特開平７−１８１２３９号、特開平９−１２７２１８号）。

図１は、本発明のマグネトインピーダンス(ＭＩ)を用いた磁気センサー素子の要部回路図である。磁性アモルファスワイヤ２は、例えばＦｅ−Ｃｏ−Ｂ系アモルファス材料からなる線材である。なお、磁性アモルファスワイヤ２は、Ｆｅ−Ｔａ−Ｎ系、Ｆｅ−Ｔａ−Ｃ系等の微結晶膜などの高透磁率金属磁性膜を有するものであってもよく、要は磁気抵抗変化が生ずる線材であればよい。磁性アモルファスワイヤ２の長さが１ｍｍ乃至１０ｍｍであり、磁性アモルファスワイヤ２の直径が１０μｍ乃至１ｍｍである。磁性アモルファスワイヤ２は、特段の電気的な接続線は接続されておらず、そこで接地もされていない。

コイル３は、磁性アモルファスワイヤ２の周面を卷回する状態で装着されている。コイル３の卷数は１０乃至２００であるとよい。コイル３の一端７は接地されており、コイル３の他端は第１のコンデンサーＣ１を介して高周波電流Ｉ_ＡＣが供給されると共に、第２のコンデンサーＣ２を介して高周波電圧Ｖ_ＡＣを発生する構成とし、さらに、コイル３の他端と第２のコンデンサーＣ２の接続点にインダクタＬが接続されていると共に、このインダクタＬを介して直流電流Ｉ_ＤＣを印加する構成としている。

このように構成された装置においては、磁性アモルファスワイヤ２に対して電気接続は無い。磁性アモルファスワイヤ２に卷回するコイル３に高周波電流Ｉ_ＡＣを印加すると、高周波電圧Ｖ_ＡＣの振幅は外部磁場とともに変化する。バイアス静磁場は同じコイル３に印加する直流電流Ｉ_ＤＣによって供給される。コンデンサーＣ１、Ｃ２とインダクタＬを利用して、高周波電流Ｉ_ＡＣ、高周波電圧Ｖ_ＡＣおよび直流電流Ｉ_ＤＣの信号が分離される。

続いて、ＭＩ素子の動作原理を説明する。式(1)は、コイル３のインダクタンスを示す。ここで、Ｌはコイル３のインダクタンス、ｌ（エル）はコイル３の長さ、Ｎはコイル３の卷数、Ｓはコイル３の横断面積、μ_０は真空の透磁率、μ_ｒは比透磁率、２Ｒはアモルファスワイヤの直径、κは２Ｒ／ｌによって決定された因子である。

式(2)は、コイル３のインピーダンスを示す。Ｚはコイル３のインピーダンス、ωは周波数である。コイル３に高周波電流Ｉ_ＡＣ＝Ｉｅ^ｊωｔを印加する場合、コイルの電圧Ｖ_ＡＣ は式(3)によって示される。Ｉは電流Ｉ_ＡＣの振幅、Ｖは電圧Ｖ_ＡＣの振幅である。

磁性アモルファスワイヤのＭ−Ｈカーブの非線形により、アモルファスワイヤの比透磁率μ_ｒ＝ｄＭ／ｄＨは外部磁場により変化する。そして、コイルのインピーダンスと電圧も外部磁場とともに変化する。これが、本発明のＭＩセンサーの原理である。

図２は、本発明のＭＩ磁気センサー素子を利用して構築された磁気検出器の回路図である。磁性アモルファスワイヤ２の長さは５ｍｍ、直径は１００μｍであり、またアモルファスワイヤに卷回するコイルの卷数は３０である。コイル３に印加する電流の周波数は１ＭＨｚである。バイアス靜磁場は同じコイルに印加する直流電流Ｉ_ＤＣによって提供される。バイアス靜磁場の強さは約２．５Ｇａｕｓｓである。
信号発生器１１が、第１のコンデンサーＣ１を介してコイル３の他端に接続されている。プリアンプ１２は、高周波電圧Ｖ_ＡＣを入力して、復調器１３に出力する。そして、復調器１３とアンプ１４を介して出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。直流電流Ｉ_ＤＣはインダクタＬを介してコイル３の他端に供給されている。コイル３の電圧は低ノイズのプリアンプ１２に送られて、復調器１３を経由後、出力電圧Ｖｏｕｔを測定することにより外部磁界の変化を測定する。

図３は、外部磁場とともに変化する出力電圧を示している。−２Ｇａｕｓｓと＋２Ｇａｕｓｓの間の外部磁場において、出力電圧の応答は線形である。図４は、磁気検出器の周波数レスポンスを示している。-３ｄＢの帯域幅は約２５ｋＨｚである。

図５(a)は、構築された磁気検出器を使って、１ｍｍパーマロイ磁気シールドボックス中で計測したノイズスペクトラムである。白色雑音領域では３０ｐＴ／√Ｈｚであり、また１Ｈｚでの雑音レベルは７０ｐＴ／√Ｈｚである。構築された磁気検出器は磁気シールド無しでよく作動する。図５(ｂ)は、実験室で測定されたノイズスペクトラムである。

図６は、本発明のＭＩセンサーを用いた磁気顕微鏡の例を説明する構成図である。磁気顕微鏡の空間分解能を増加させるためには、アモルファスワイヤの先端を鋭く尖らせることが必要である。

本発明のＭＩ磁気センサー素子により、高感度磁気検出器を構築することができる。この検出器は、地質探査、医療診断、安全管理、非破壊評価などの様々な領域で応用可能である。また、磁性アモルファスワイヤに電気接続は無いので、本発明のＭＩセンサー素子は、磁気顕微鏡および高空間分解能渦電流非破壊評価に適用できる。

１: マグネトインピーダンス(ＭＩ)磁気センサー素子
２: 磁性アモルファスワイヤ
３: コイル
４、５: コンデンサーＣ１、Ｃ２
６: インダクタＬ
Ｉ_ＡＣ: 高周波電流
Ｉ_ＤＣ: 直流電流
Ｖ_ＡＣ: 高周波電圧

Claims (6)

1. 磁性アモルファスワイヤに卷回するコイルに高周波電流を印加して、前記コイルに発生する高周波電圧の振幅は外部磁場とともに変化するマグネトインピーダンスを用いた磁気センサー素子において、
   前記磁性アモルファスワイヤに電気接続が無いことを特徴とするマグネトインピーダンス磁気センサー素子。
2. 前記磁性アモルファスワイヤの長さが１ｍｍ乃至１０ｍｍであり、前記磁性アモルファスワイヤの直径が１０μｍ乃至１ｍｍであると共に、
   前記コイルの卷数が１０乃至２００であることを特徴とする請求項１に記載のマグネトインピーダンスを用いた磁気センサー素子。
3. 前記コイルに印加する直流電流によって、前記磁性アモルファスワイヤに対するバイアス静磁場を印加することを特徴とする請求項１又は２に記載のマグネトインピーダンスを用いた磁気センサー素子。
4. 単一のコイルが、励起コイル、検知コイルおよびバイアス磁場コイルを兼用することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のマグネトインピーダンスを用いた磁気センサー素子。
5. 前記コイルの一端は接地されており、前記コイルの他端は第１のコンデンサーを介して前記高周波電流が供給されると共に、第２のコンデンサーを介して前記高周波電圧を発生することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のマグネトインピーダンスを用いた磁気センサー素子。
6. 前記コイルの一端は接地されており、前記コイルの他端は第１のコンデンサーを介して前記高周波電流が供給されると共に、第２のコンデンサーを介して前記高周波電圧を発生し、
   さらに、前記コイルの他端と前記第２のコンデンサーの接続点にインダクタが接続されていると共に、このインダクタを介して前記直流電流を印加することを特徴とする請求項３又は４に記載のマグネトインピーダンスを用いた磁気センサー素子。