JP2019148503A - 圧電磁歪複合型の磁界センサー及び磁気発電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも簡易な構成で磁歪層にバイアス磁界を印加することができる圧電磁歪複合型の磁界センサー等を提供する。【解決手段】本発明の圧電磁歪複合型の磁界センサー１Ａは、マルチフェロイック材料で構成される圧電層５と、圧電層５上に設けられた上部磁歪層７と、圧電効果によって上部磁歪層７に生じた電圧を検出する電圧検出部１１とを備える。圧電層５から発生する静磁界又は交換結合磁界５Ｂ２が、バイアス磁界として上部磁歪層７に印加される。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電磁歪複合型の磁界センサー及び磁気発電デバイスに関する。

圧電層と磁歪層とを積層させた積層体を有する圧電磁歪複合型の磁界センサーが知られている（例えば、下記特許文献１、２）。このようなセンサーに測定対象の外部磁界が印加されると、磁歪層が磁歪変化し、磁歪層と複合化された圧電層が応力を受けて圧電効果によって電圧を発生する。この電圧の大きさを検出することにより、外部磁界の強度が測定される。

特開２０１５−１４２１３７号公報 国際公開第２０１０／１１０４２３号

一般に磁歪材料は、印加される磁界の強度がゼロ近傍では磁界の変化に対する磁歪が小さいのに対し、ある程度の強度の磁界が印加されると磁界の変化に対する磁歪が大きくなる。そのため、圧電磁歪複合型の磁界センサーにおいて測定感度を向上させるためには、磁歪層に所定の強度のバイアス磁界を印加する必要がある。

しかしながら、従来の圧電磁歪複合型の磁界センサーにおいて磁歪層にバイアス磁界を印加するには、コイルや強磁性体部のような要素を別途設ける必要がある。そのため、構造が複雑化したり、バイアス磁界を発生させるための電力が必要になるため消費電力が大きくなったりといった問題があった。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも簡易な構成で磁歪層にバイアス磁界を印加することができる圧電磁歪複合型の磁界センサー、及びそのようなセンサーを利用した磁気発電デバイスを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーは、マルチフェロイック材料で構成される第１圧電層と、第１圧電層上に設けられた上部磁歪層と、圧電効果によって前記第１圧電層に生じた電圧を検出する電圧検出部とを備え、第１圧電層から発生する静磁界又は交換結合磁界が、バイアス磁界として上部磁歪層に印加される。

本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーにおいては、圧電磁歪複合型の磁界センサーとして必須の要素である圧電層自体から、上部磁歪層に印加するバイアス磁界を発生させている。そのため、従来の圧電磁歪複合型の磁界センサーよりも簡易な構成で磁歪層にバイアス磁界を印加することができる。

さらに、本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーは、第１圧電層の下に設けられた下部磁歪層をさらに備え、第１圧電層から発生する静磁界又は交換結合磁界が、バイアス磁界として上部磁歪層及び下部磁歪層に印加されることができる。これにより、第１圧電層を挟む上部磁歪層と下部磁歪層の両方の磁歪変形による応力が第１圧電層に与えられるため、磁界センサーの測定感度が向上する。

さらに、本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーにおいて、第１圧電層は、バイアス磁界として交換結合磁界を発生することができる。これにより、磁歪層に、第１圧電層から発生する静磁界に比較してより大きいバイアス磁界を容易に印加することができるため、通常の磁歪材料に必要なバイアス磁界を磁歪層に与えることが容易となり、磁界センサーの測定感度が向上する。

さらに、本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーにおいて、第１圧電層のマルチフェロイック材料は、強磁性又はフェリ磁性を示すことができる。これにより、第１圧電層のマルチフェロイック材料が反強磁性を示す場合と比較して、上部磁歪層と下部磁歪層の磁化方向を平行にすることが容易になる。

さらに、本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーにおいて、第１圧電層のマルチフェロイック材料は、反強磁性を示すことができる。反強磁性体は、マクロ的には自発磁化を有さないため、第１圧電層が外部磁場に対して磁気的に安定になる。そのため、第１圧電層のマルチフェロイック材料が強磁性又はフェリ磁性を示す場合と比較して、第１圧電層が発生するバイアス磁界が安定化するため、磁界センサーの測定精度が向上する。

さらに、本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーにおいて、第１圧電層の厚さは、５０ｎｍ以上であることができる。これにより、第１圧電層の圧電特性及び磁気特性が十分に高くなる。

さらに、本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーにおいて、第１圧電層の自発的な誘電分極の方向は、積層方向に沿っていることができる。これにより、第１圧電層の積層方向に垂直な方向に誘電分極するため、第１圧電層の積層方向の両端面内に分極電荷が生じる。そのため、第１圧電層に生じた電圧を当該両端面から効果的に取り出すことができる。

さらに、本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーは、第１圧電層と積層された第２圧電層をさらに備え、第２圧電層は、マルチフェロイック材料以外の材料で構成され、第２圧電層の圧電定数は、第１圧電層の圧電定数よりも大きく、電圧検出部は、圧電効果によって第１圧電層及び／又は第２圧電層に生じた電圧を検出する。これにより、圧電層全体の厚さが薄くなっても圧電層から生じる電圧値を維持することができるため、磁界センサーの薄層化と高感度化を両立させることができる。

さらに、本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーは、第２圧電層に接するように、かつ、第２圧電層を積層方向に挟むように設けられた第１電極層及び第２電極層をさらに備え、電圧検出部は、第１電極層及び前記第２電極層を介して、圧電効果によって第２圧電層に生じた電圧を検出することができる。これにより、圧電効果によって圧電層に生じたより大きい電圧を確実に電圧検出部で検出することができるため、磁界センサーの測定感度が向上する。

さらに、本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーにおいて、第１圧電層は、上部磁歪層の積層方向下方に位置する第１部分と、第１部分と積層面内方向に隣接する第２部分と、を有し、第１部分の自発的な誘電分極の方向は、積層方向に沿っており、第２部分の自発的な誘電分極の方向は、積層面内方向に沿っており、電圧検出部は、圧電効果によって第１圧電層の第２部分に生じた電圧を検出することができる。これにより、圧電効果によって第１圧電層の第１部分に生じた電圧は第２部分において昇圧される。その結果、磁界センサーの測定感度が向上する。

さらに、本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーは、第１圧電層の第２部分の側面及び膜面に設けられた圧電部電極層をさらに備え、電圧検出部は、圧電部電極層を介して第２部分に生じた電圧を検出することができる。これにより、圧電部電極層が第１圧電層の第２部分の側面だけでなく膜面にも設けられるため、圧電部電極層は、第２部分に生じた電荷をより多く検出することができ、電圧検出部はより大きな電圧を検出できる。その結果、磁界センサーの測定感度が向上する。

さらに、本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーにおいて、圧電部電極層を構成する材料は、第１圧電層の第２部分を構成する材料に、引張り歪を与えることができる。これにより、第２部分の誘電分極を、積層面内方向に安定して向けることができるため、磁界センサーの測定感度が向上する。

さらに、本発明に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーにおいて、第１圧電層を構成するマルチフェロイック材料は、ＢｉＦｅＯ_３、ＢｉＭｎＯ_３、ＧａＦｅＯ_３、ＡｌＦｅＯ_３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＴｂＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４からなる群から選択される少なくとも一つであることができる。

上部磁歪層を構成する材料は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＣｏＮｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＡｌ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏＣｒ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＢＳｉＰ、ＦｅＢＳｉＣ、Ｎｉ_２ＭｎＧａ、ＦｅＣｏＮｉＢＳｉ、ＴｂＦｅＣｏ、Ｃｏフェライト、Ｎｉフェライト、Ｃｕフェライト、Ｌｉフェライト、Ｍｎフェライト、ＮｉＣｏフェライト、ＮｉＣｕＣｏフェライト、Ｆｅ_３О_４、ＴｂＦｅ_２、ＤｙＦｅ_２、ＥｒＦｅ_２、ＴｍＦｅ_２、ＳｍＦｅ_２、ＧａＦｅ、Ｔｂ（０．２７〜０．３）Ｄｙ（０．７〜０．７３）Ｆｅ（１．９〜２．０）からなる群から選択される少なくとも一つであることができる。

また、本発明に係る磁気発電デバイスは、上述のいずれかの磁界センサーと、圧電効果によって第１圧電層及び／又は第２圧電層に生じた電力を蓄電する蓄電部とを備える。これにより、上述のような磁界センサーを利用した磁気発電デバイスとなる。

本発明によれば、従来よりも簡易な構成で磁歪層にバイアス磁界を印加することができる圧電磁歪複合型の磁界センサー、及びそのようなセンサーを利用した磁気発電デバイスが提供される。

第１実施形態に係る磁界センサーの断面構造を示す模式図である。 第２実施形態に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーの断面構造を示す模式図である。 第３実施形態に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーの断面構造を示す模式図である。 第４実施形態に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーの断面構造を示す模式図である。 第５実施形態に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーの断面構造を示す模式図である。 実施形態に係る磁気発電デバイスの構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーの断面構造を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態に係る磁界センサー１Ａは、下部磁歪層３と、圧電部としての圧電層５と、上部磁歪層７と、電圧検出部１１とを備える。下部磁歪層３、圧電層５、及び上部磁歪層７は、この順に積層されている。

下部磁歪層３及び上部磁歪層７は、磁歪特性を示す強磁性材料又はフェリ磁性材料で構成されている。当該強磁性材料としては、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＣｏＮｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＡｌ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏＣｒ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＢＳｉＰ、ＦｅＢＳｉＣ、Ｎｉ_２ＭｎＧａ、ＦｅＣｏＮｉＢＳｉ、ＴｂＦｅＣｏ、Ｃｏフェライト、Ｎｉフェライト、Ｃｕフェライト、Ｌｉフェライト、Ｍｎフェライト、ＮｉＣｏフェライト、ＮｉＣｕＣｏフェライト、ＴｂＦｅ_２、ＤｙＦｅ_２、ＥｒＦｅ_２、ＴｍＦｅ_２、ＳｍＦｅ_２、ＧａＦｅ、Ｔｂ（０．２７〜０．３）Ｄｙ（０．７〜０．７３）Ｆｅ（１．９〜２．０）を挙げることができ、当該フェリ磁性材料としては、Ｆｅ_３О_４を挙げることができる。下部磁歪層３の磁化方向３Ｆと、上部磁歪層７の磁化方向７Ｆは、それぞれ積層面内方向に沿うように設定されている。また、磁化方向３Ｆ及び磁化方向７Ｆは、本実施形態では図１に示すように互いに略平行となるように設定されているが、他の態様、例えば互いに略反平行となるように設定されていてもよい。なお、略平行とは、積層方向から見て、磁化方向３Ｆ及び磁化方向７Ｆ間の角度が、０°±１０°の範囲内の場合を意味する。下部磁歪層３の磁化方向３Ｆ及び上部磁歪層７の磁化方向７Ｆは、実質的に固定されていることが好ましい。下部磁歪層３及び上部磁歪層７の厚さは、例えば１０ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下とすることができる。

圧電層５は、下部磁歪層３と上部磁歪層７によって積層方向に挟まれている。圧電層５は、マルチフェロイック材料で構成されている。マルチフェロイック材料は、強誘電特性と、磁気特性（強磁性、フェリ磁性、又は反強磁性）を合わせ持つ材料である。圧電層５を構成するマルチフェロイック材料は、例えばＢｉＦｅＯ_３、ＢｉＭｎＯ_３、ＧａＦｅＯ_３、ＡｌＦｅＯ_３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＴｂＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４からなる群から選択される少なくとも一つである。後述のマルチフェロイック材料で構成される他の層についても同様である。圧電層５は、強誘電特性に基づき自発的な誘電分極を有する。本実施形態では、圧電層５の自発的な誘電分極の方向５Ｄは、積層方向に沿うように設定されている。これにより、圧電層５の積層方向に垂直な方向に誘電分極するため、圧電層５の積層方向の両端面内に分極電荷が生じる。そのため、圧電層５に生じた電圧を当該両端面から効果的に取り出すことができる。

圧電層５は、強磁性、フェリ磁性、又は反強磁性を示す。圧電層５は、下部磁歪層３及び上部磁歪層７と交換結合している。これにより、圧電層５は、下部磁歪層３に対してバイアス磁界として交換結合磁界５Ｂ１を印加し、上部磁歪層７に対してバイアス磁界として交換結合磁界５Ｂ２を印加する。交換結合磁界５Ｂ１の方向は、例えば下部磁歪層３の磁化方向３Ｆと平行な方向に設定され、交換結合磁界５Ｂ２の方向は、例えば上部磁歪層７の磁化方向７Ｆと平行な方向に設定される。交換結合磁界５Ｂ１及び交換結合磁界５Ｂ２の大きさは、下部磁歪層３及び上部磁歪層７の磁歪定数が大きくなるように設定される。

電圧検出部１１は、圧電効果によって圧電層５に生じた電圧を検出するように設けられている。本実施形態では、下部磁歪層３と上部磁歪層７は、圧電層５に対する電極層としても機能するように構成されており、電圧検出部１１の一端と他端が、下部磁歪層３と上部磁歪層７にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、圧電層５の上面と下面間に生じた電圧値を電圧検出部１１によって測定することができる。下部磁歪層３及び上部磁歪層７の圧電層５とは反対側に、別途電極層が設けられていてもよい。

測定対象である外部磁界が磁界センサー１Ａに印加されると、下部磁歪層３及び上部磁歪層７が磁歪変化し、下部磁歪層３及び上部磁歪層７間に積層された圧電層５が応力を受けて圧電効果によって電圧を発生する。この電圧値は外部磁界の大きさに依存するため、この電圧値を電圧検出部１１で測定することによって、外部磁界の大きさを算出することができる。

上述のような本実施形態に係る磁界センサー１Ａにおいては、圧電磁歪複合型の磁界センサーとして必須の要素である圧電層５自体から、下部磁歪層３及び上部磁歪層７に印加するバイアス磁界（交換結合磁界５Ｂ１、５Ｂ２）を発生させている。そのため、従来の圧電磁歪複合型の磁界センサーよりも簡易な構成で磁歪層３、７にバイアス磁界を印加することができる。そのため、構造が簡略化されており、また、バイアス磁界を発生させるための電力が不要である。

また、上述のような本実施形態に係る磁界センサー１Ａにおいては、積層方向に圧電層５を挟むように設けられた一対の磁歪層（下部磁歪層３及び上部磁歪層７）を備える。そのため、下部磁歪層３と上部磁歪層７の両方の磁歪変形による応力が圧電層５に与えられるため、磁界センサー１Ａの測定感度が向上する。

また、本実施形態に係る磁界センサー１Ａにおいて、圧電層５は、バイアス磁界として交換結合磁界５Ｂ１、５Ｂ２を発生している。これにより、後述のように圧電層５がバイアス磁界として静磁界を発生する場合と比較して、下部磁歪層３及び上部磁歪層７により大きいバイアス磁界を容易に印加することができ、通常の磁歪材料に必要なバイアス磁界を磁歪層に与えることが容易となる。その結果、磁界センサーの測定感度が向上する。

また、本実施形態に係る磁界センサー１Ａにおいて、圧電層５のマルチフェロイック材料は、強磁性又はフェリ磁性を示すことができる。この場合、圧電層５のマルチフェロイック材料が反強磁性を示す場合と比較して、下部磁歪層３と上部磁歪層７の磁化方向を平行にすることが容易になる。このような構成においては、測定対象の外部磁界が印加されると、下部磁歪層３及び上部磁歪層７は、磁歪によって同じ方向に伸縮する。そのため、測定対象の外部磁界による下部磁歪層３及び上部磁歪層７の同方向の伸縮と、振動ノイズによる下部磁歪層３及び上部磁歪層７の屈曲変形とを分離して把握することができるため、振動ノイズに起因する測定誤差を補正することが可能となる。また、圧電層５のマルチフェロイック材料が強磁性又はフェリ磁性を示す場合、圧電層５も磁歪特性を有する。そのため、圧電層５の磁化方向は、外部磁界に対する圧電層５の磁歪変形の伸縮方向が、外部磁界に対する下部磁歪層３及び上部磁歪層７の磁歪変形の伸縮方向と同一となるように設定されることが好ましい。何故なら、圧電層５が、下部磁歪層３及び上部磁歪層７の磁歪変形を妨げることを抑制することができるためである。

また、本実施形態に係る磁界センサー１Ａにおいて、圧電層５のマルチフェロイック材料は、反強磁性を示すことができる。反強磁性体は、マクロ的には自発磁化を有さないため、圧電層５が外部磁場に対して磁気的に安定になる。そのため、圧電層５のマルチフェロイック材料が強磁性又はフェリ磁性を示す場合と比較して、圧電層５が発生するバイアス磁界としての交換結合磁界５Ｂ１、５Ｂ２の大きさ及び方向が安定化するため、磁界センサー１Ａの測定精度が向上する。

上述のような本実施形態に係る磁界センサー１Ａにおいては、圧電層５の厚さは、５０ｎｍ以上が好ましく、１００ｎｍ以上がさらに好ましい。これにより、圧電層５の圧電特性及び磁気特性が十分に高くなる。また、圧電層５の厚さは、例えば３０００ｎｍ以下とすることができる。

なお、上述の本実施形態に係る磁界センサー１Ａは、２つの磁歪層（下部磁歪層３及び上部磁歪層７）を備えているが、一方の磁歪層のみを備えてもよい。この場合、他方の磁歪層の代わりに、圧電層５に対する電極層を設けてもよい。

また、上述の本実施形態に係る磁界センサー１Ａにおいては、圧電層５は、バイアス磁界として交換結合磁界５Ｂ１、５Ｂ２に代えて、静磁界を下部磁歪層３及び上部磁歪層７に印加してもよい。この場合、圧電層５は、強磁性又はフェリ磁性を示す。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーについて説明する。第２実施形態以降の各実施形態の説明においては、他の実施形態と同様の要素については、同様の符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する場合がある。

図２は、第２実施形態に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーの断面構造を示す模式図である。本実施形態に係る磁界センサー１Ｂは、圧電部の構成において、第１実施形態の磁界センサー１Ａと異なる。具体的には、第１実施形態の磁界センサー１Ａの圧電部は圧電層５のみで構成されているが、本実施形態の磁界センサー１Ｂの圧電部２０は、マルチフェロイック材料で構成された２つのマルチフェロイック層２１、２５と、マルチフェロイック材料以外の材料で構成された圧電層２３とを有し、マルチフェロイック層２１、圧電層２３、マルチフェロイック層２５の順に積層されている。圧電層２３の圧電定数は、マルチフェロイック層２１、２５の圧電定数よりも大きい。圧電層２３を構成する材料としては、例えばＡｌＮ、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）、Ｂａ_ｘＳｒ_１−ｘＴｉＯ_３（０≦ｘ≦１）、ＰｂＺｒ_ｘＴｉ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）、ＰｂＭｇＮｂＯ_３、ＰｂＴｉＯ_３、ＰｂＭｇＮｂＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３、フッ化ポリビニリデンを挙げることができる。マルチフェロイック層２１の誘電分極の方向２１Ｄ、圧電層２３の誘電分極の方向２３Ｄ、及びマルチフェロイック層２５の誘電分極の方向２５Ｄは、それぞれ積層方向に沿っている。

マルチフェロイック層２１は、下部磁歪層３と交換結合しており、下部磁歪層３に対してバイアス磁界として交換結合磁界２１Ｂを印加する。マルチフェロイック層２５は、上部磁歪層７と交換結合しており、上部磁歪層７に対してバイアス磁界として交換結合磁界２５Ｂを印加する。マルチフェロイック層２１及びマルチフェロイック層２５は、それぞれバイアス磁界として交換結合磁界２１Ｂ、２５Ｂに変えて、静磁界を下部磁歪層３及び上部磁歪層７に印加してもよい。電圧検出部１１は、圧電効果によって圧電部２０に生じた電圧を検出する。

上述のような本実施形態に係る磁界センサー１Ｂによれば、第１実施形態の磁界センサー１Ａと同様の理由に基づき、従来の圧電磁歪複合型の磁界センサーよりも簡易な構成で磁歪層３、７にバイアス磁界を印加することができる。さらに、本実施形態に係る磁界センサー１Ｂによれば、圧電層２３の圧電定数は、マルチフェロイック層２１、２５の圧電定数よりも大きいため、圧電部２０全体の厚さが薄くなっても圧電部２０から生じる電圧値を維持することができる。その結果、磁界センサー１Ｂの薄層化と高感度化を両立させることができる。なお、磁界センサー１Ｂの圧電部２０は、２つのマルチフェロイック層２１、２５のうちの一方のみを有してもよい。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーについて説明する。図３は、第３実施形態に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーの断面構造を示す模式図である。本実施形態に係る磁界センサー１Ｃは、圧電部の構成と電圧検出部１１の電気的接続において、第２実施形態の磁界センサー１Ｂと異なる。具体的には、本実施形態の圧電部２０Ｘは、第１電極層２２と第２電極層２４をさらに有する点において、第２実施形態の磁界センサー１Ｂの圧電部２０と異なる。

第１電極層２２及び第２電極層２４は、圧電層２３と接するように、かつ、圧電層２３を積層方向に挟むように、圧電部２０Ｘの他の層と共に積層されている。第１電極層２２及び第２電極層２４を構成する材料としては、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属を挙げることができる。

電圧検出部１１は、一端と他端が、第１電極層２２と第２電極層２４にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、電圧検出部１１は、第１電極層２２及び第２電極層２４を介して、圧電効果によって圧電層２３に生じた電圧を検出する。

上述のような本実施形態に係る磁界センサー１Ｃによれば、第１実施形態の磁界センサー１Ａと同様の理由に基づき、従来の圧電磁歪複合型の磁界センサーよりも簡易な構成で磁歪層３、７にバイアス磁界を印加することができる。さらに、本実施形態に係る磁界センサー１Ｃによれば、圧電効果によって圧電層２３に生じた電圧を、圧電層２３に隣接して設けられた第１電極層２２及び第２電極層２４を介して、より大きな電圧を確実に電圧検出部１１で検出することができるため、磁界センサー１Ｃの測定感度が向上する。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーについて説明する。図４は、第４実施形態に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーの断面構造を示す模式図である。本実施形態に係る磁界センサー１Ｄは、圧電層の構成と電圧検出部１１の電気的接続において、第１実施形態の磁界センサー１Ａと異なる。具体的には、本実施形態の磁界センサー１Ｄの圧電層３０は、第１実施形態の圧電層５と同様にマルチフェロイック材料で構成されているが、誘電分極の方向が互いに異なる２つの部分を有する点において、第１実施形態の圧電層５と異なる。

本実施形態の磁界センサー１Ｄの圧電層３０は、少なくとも一部が上部磁歪層７の積層方向下方に位置する、即ち、下部磁歪層３と上部磁歪層７の間に位置する第１部分３１と、第１部分３１と積層面内方向に隣接する第２部分３３とを有する。第１部分３１の自発的な誘電分極の方向３１Ｄは、積層方向に沿っており、第２部分３３の自発的な誘電分極の方向３３Ｄは、積層面内方向に沿っている。圧電層３０の第１部分３１が、下部磁歪層３及び上部磁歪層７と交換結合しており、下部磁歪層３にバイアス磁界として交換結合磁界３１Ｂ１を印加し、上部磁歪層７にバイアス磁界として交換結合磁界３１Ｂ２を印加する。

また、磁界センサー１Ｄは、第２部分３３の側面３３Ｓ、及び、第２部分３３の一方の膜面である下面３３Ｌに接するように設けられた圧電部電極層１７を備える。圧電部電極層１７は、第３実施形態の第１電極層２２及び第２電極層２４（図３参照）と同様の材料からなる。

電圧検出部１１の一端が下部磁歪層３に電気的に接続され、電圧検出部１１の他端が圧電部電極層１７に電気的に接続されている。これにより、電圧検出部１１は、圧電効果によって圧電層３０の第２部分３３に生じた電圧を検出することができる。第１部分３１と下部磁歪層３との間に電極層を設け、電圧検出部１１の一端を当該電極層に電気的に接続してもよい。

上述のような本実施形態に係る磁界センサー１Ｄによれば、第１実施形態の磁界センサー１Ａと同様の理由に基づき、従来の圧電磁歪複合型の磁界センサーよりも簡易な構成で磁歪層３、７にバイアス磁界を印加することができる。さらに、本実施形態に係る磁界センサー１Ｄによれば、圧電効果によって圧電層３０の第１部分３１に生じた電圧は第２部分３３において昇圧される。その結果、磁界センサー１Ｄの測定感度が向上する。

また、上述のような本実施形態に係る磁界センサー１Ｄによれば、圧電部電極層１７が第２部分３３の側面３３Ｓだけでなく下面３３Ｌにも設けられるため、圧電部電極層１７は、第２部分３３に生じた電荷をより多く検出することができ、電圧検出部１１はより大きな電圧を検出できる。その結果、磁界センサー１Ｄの測定感度が向上する。

さらに、本実施形態に係る磁界センサー１Ｄにおいて、圧電部電極層１７を構成する材料は、第２部分３３を構成する材料に、引張り歪を与えることが好ましい。これにより、第２部分３３の誘電分極を、積層面内方向に安定して向けることができるため、磁界センサー１Ｄの測定感度が向上する。

なお、本実施形態に係る磁界センサー１Ｄにおいて、圧電部電極層１７は、第２部分３３の下面３３Ｌ等の膜面には設けられておらず、第２部分３３の側面３３Ｓのみに設けられていてもよい。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーについて説明する。図５は、第５実施形態に係る圧電磁歪複合型の磁界センサーの断面構造を示す模式図である。本実施形態に係る磁界センサー１Ｅは、第４実施形態の磁界センサー１Ｄと圧電部の構成において異なり、第２実施形態の磁界センサー１Ｂの特徴部分を、第４実施形態の磁界センサー１Ｄに適用した構成に対応する。

具体的には、本実施形態の磁界センサー１Ｅの圧電部は、マルチフェロイック材料で構成された２つのマルチフェロイック層２１、２５と、マルチフェロイック材料以外の材料で構成された圧電層２６とを有し、マルチフェロイック層２１、圧電層２６、マルチフェロイック層２５の順に積層されている。圧電層２６の圧電定数は、マルチフェロイック層２１、２５の圧電定数よりも大きい。

圧電層２６は、少なくとも一部が上部磁歪層７の積層方向下方に位置する、即ち、下部磁歪層３と上部磁歪層７の間に位置する第１部分２７と、第１部分２７と積層面内方向に隣接する第２部分２８とを有する。第１部分２７の自発的な誘電分極の方向２７Ｄは、積層方向に沿っており、第２部分２８の自発的な誘電分極の方向２８Ｄは、積層面内方向に沿っている。

また、磁界センサー１Ｅは、第２部分２８の側面２８Ｓ、及び、第２部分２８の一方の膜面である下面２８Ｌに接するように設けられた圧電部電極層１７を備える。圧電部電極層１７は、第２部分２８の膜面には設けず、第２部分２８の側面２８Ｓのみに設けてもよい。

電圧検出部１１の一端が下部磁歪層３に電気的に接続され、電圧検出部１１の他端が圧電部電極層１７に電気的に接続されている。これにより、電圧検出部１１は、圧電効果によって圧電層２６の第２部分２８に生じた電圧を検出することができる。第１部分２７と下部磁歪層３との間に電極層を設け、電圧検出部１１の一端を当該電極層に電気的に接続してもよい。

上述のような本実施形態に係る磁界センサー１Ｅによれば、第１実施形態の磁界センサー１Ａと同様の理由に基づき、従来の圧電磁歪複合型の磁界センサーよりも簡易な構成で磁歪層３、７にバイアス磁界を印加することができる。さらに、上述のような本実施形態に係る磁界センサー１Ｅによれば、第２実施形態の磁界センサー１Ｂと同様の理由に基づき、磁界センサー１Ｅの薄層化と高感度化を両立させることができる。さらに、上述のような本実施形態に係る磁界センサー１Ｅによれば、第４実施形態の磁界センサー１Ｄと同様の理由に基づき、磁界センサー１Ｅの測定感度が向上する。

（磁気発電デバイス）
次に、本発明の実施形態に係る磁気発電デバイスについて説明する。図６は、実施形態に係る磁気発電デバイスの構成を示すブロック図である。図６に示すように、実施形態に係る磁気発電デバイス５０は、上述のいずれかの実施形態の磁界センサー１Ａ（１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ）と、整流部５１と、蓄電部５３を備える。磁気発電デバイス５０は、磁界センサー１Ａ（１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ）に印加された磁界から電力を発生し、当該電力を蓄電することができる。具体的には、上述のように外部磁界の印加によって磁界センサー１Ａ（１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ）の圧電層に電圧が発生する。その電圧に伴う電力は、磁界センサー１Ａ（１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ）に接続された整流部５１に送られて整流され、その後、二次電池等を有する蓄電部において蓄電される。機能部５５は、例えばセンサーモジュール及び無線通信モジュールを有し、上述の蓄電部において蓄電された電力により、所望の物理量のセンシングと、その取得データを無線で通信すること等を行う。

１Ａ…磁界センサー、３…下部磁歪層、３Ｆ…下部磁歪層の磁化方向、５…マルチフェロイック材料で構成される圧電層、５Ｄ…圧電層の誘電分極の方向、５Ｂ１、５Ｂ２…交換結合磁界、７…上部磁歪層、７Ｆ…上部磁歪層の磁化方向、１１…電圧検出部。

Claims (15)

1. マルチフェロイック材料で構成される第１圧電層と、
   前記第１圧電層上に設けられた上部磁歪層と、
   圧電効果によって前記第１圧電層に生じた電圧を検出する電圧検出部と、
   を備え、
   前記第１圧電層から発生する静磁界又は交換結合磁界が、バイアス磁界として前記上部磁歪層に印加される、圧電磁歪複合型の磁界センサー。
2. 前記第１圧電層の下に設けられた下部磁歪層をさらに備え、
   前記第１圧電層から発生する静磁界又は交換結合磁界が、バイアス磁界として前記上部磁歪層及び前記下部磁歪層に印加される、請求項１に記載の磁界センサー。
3. 前記第１圧電層は、前記バイアス磁界として交換結合磁界を発生する、請求項１又は２に記載の磁界センサー。
4. 前記第１圧電層の前記マルチフェロイック材料は、強磁性又はフェリ磁性を示す、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁界センサー。
5. 前記第１圧電層の前記マルチフェロイック材料は、反強磁性を示す、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁界センサー。
6. 前記第１圧電層の厚さは、５０ｎｍ以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁界センサー。
7. 前記第１圧電層の自発的な誘電分極の方向は、積層方向に沿っている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁界センサー。
8. 前記第１圧電層と積層された第２圧電層をさらに備え、
   前記第２圧電層は、マルチフェロイック材料以外の材料で構成され、
   前記第２圧電層の圧電定数は、前記第１圧電層の圧電定数よりも大きく、
   前記電圧検出部は、圧電効果によって前記第１圧電層及び／又は前記第２圧電層に生じた電圧を検出する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁界センサー。
9. 前記第２圧電層に接するように、かつ、前記第２圧電層を積層方向に挟むように設けられた第１電極層及び第２電極層をさらに備え、
   前記電圧検出部は、前記第１電極層及び前記第２電極層を介して、圧電効果によって前記第２圧電層に生じた電圧を検出する、請求項８に記載の磁界センサー。
10. 前記第１圧電層は、
    前記上部磁歪層の積層方向下方に位置する第１部分と、
    前記第１部分と積層面内方向に隣接する第２部分と、
    を有し、
    前記第１部分の自発的な誘電分極の方向は、積層方向に沿っており、前記第２部分の自発的な誘電分極の方向は、積層面内方向に沿っており、
    前記電圧検出部は、圧電効果によって前記第１圧電層の前記第２部分に生じた電圧を検出する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁界センサー。
11. 前記第１圧電層の前記第２部分の側面及び膜面に設けられた圧電部電極層をさらに備え、前記電圧検出部は、前記圧電部電極層を介して前記第２部分に生じた電圧を検出する、請求項１０に記載の磁界センサー。
12. 前記圧電部電極層を構成する材料は、前記第１圧電層の前記第２部分を構成する材料に、引張り歪を与える、請求項１１に記載の磁界センサー。
13. 前記第１圧電層を構成する前記マルチフェロイック材料は、ＢｉＦｅＯ_３、ＢｉＭｎＯ_３、ＧａＦｅＯ_３、ＡｌＦｅＯ_３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＴｂＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４からなる群から選択される少なくとも一つである、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の磁界センサー。
14. 前記上部磁歪層を構成する材料は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＣｏＮｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＡｌ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏＣｒ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＢＳｉＰ、ＦｅＢＳｉＣ、Ｎｉ_２ＭｎＧａ、ＦｅＣｏＮｉＢＳｉ、ＴｂＦｅＣｏ、Ｃｏフェライト、Ｎｉフェライト、Ｃｕフェライト、Ｌｉフェライト、Ｍｎフェライト、ＮｉＣｏフェライト、ＮｉＣｕＣｏフェライト、Ｆｅ_３О_４、ＴｂＦｅ_２、ＤｙＦｅ_２、ＥｒＦｅ_２、ＴｍＦｅ_２、ＳｍＦｅ_２、ＧａＦｅ、Ｔｂ（０．２７〜０．３）Ｄｙ（０．７〜０．７３）Ｆｅ（１．９〜２．０）からなる群から選択される少なくとも一つである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の磁界センサー。
15. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載された磁界センサーと、
    圧電効果によって前記第１圧電層及び／又は前記第２圧電層に生じた電力を蓄電する蓄電部と、
    を備える磁気発電デバイス。

Images