JP2021141281A

JP2021141281A - Ｇｍｒ素子および検知装置

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Publication number: JP2021141281A
Application number: JP2020040071A
Authority: JP
Inventors: 和史末永; Kazufumi Suenaga
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2040-03-09
Also published as: JP7404939B2

Abstract

【課題】検知対象による検知精度の悪化を抑制しやすいＧＭＲ素子および検知装置を提供する。【解決手段】基材１１と、巨大磁気抵抗効果を示す検出層１５と、を有するＧＭＲ素子１０であって、検出層１５は基材１１の表面における複数の領域Ｒ１，Ｒ２であって、当該領域Ｒ１，Ｒ２における表面の法線方向が異なる。検出層１５は基材１１の表面に沿って設けられるため、検出層１５が設けられる領域Ｒ１，Ｒ２ごとに検出層１５が延びる方向も異なる。そのため、検出層１５が１つの平面として形成される場合と比較して、検出層１５による検知精度を確保しやすい磁界等の方向が増加する。【選択図】図２

Description

本発明は、ＧＭＲ素子および検知装置に関する。

従来、巨大磁気抵抗効果（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔ）を有する素子（以下「ＧＭＲ素子」とも表記する。）として、磁気ディスクのヘッドなど微小面積部位または微小体積部位に対して用いられるものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。ＧＭＲ素子は、ｎｍ程度の膜厚の非磁性層を、同じｎｍ程度の膜厚の磁性層で挟んだ平板状に形成された素子である。

ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｐ．ｔｄｋ．ｃｏｍ／ｔｅｃｈｍａｇ／ｔｅｃｈｎｏｂｏｘ／２００７０２／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍ

磁気ディスクのヘッドなどに用いられるＧＭＲ素子は１つの平板状に形成された素子であり、予め定められた方向の磁束、磁場または磁界（以後「磁界等」とも表記する。）変化の検出を目的とするものである。

例えば、磁界等の方向が一方向だけでない装置や部品に対して従来のＧＭＲ素子を用いる場合、従来のＧＭＲ素子の姿勢と磁界等の方向とを所定の相対的な関係に保つ必要があった。磁界等の方向が一方向だけでない装置や部品としては、磁気ディスクなどよりも大型の装置や部品などを例示することができる。

従来のＧＭＲ素子の姿勢と磁界等の方向との関係が、所定の相対的な関係から外れると、ＧＭＲ素子による磁界等の変化の検出精度が悪化するおそれがあった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、検知対象による検知精度の悪化を抑制しやすいＧＭＲ素子および検知装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様に係るＧＭＲ素子は、基材と、巨大磁気抵抗効果を示す検出層と、を有するＧＭＲ素子であって、前記検出層は、前記基材の表面における複数の領域であって、当該領域における前記表面の法線方向が異なる。

本発明の第２の態様に係る検知装置は、上記本発明の第１の態様に係るＧＭＲ素子と、前記ＧＭＲ素子における前記検出層から出力される検出信号を取得し、前記検出信号を予め定められた形式の出力信号に変換する変換部と、を有する。

本発明の第１の態様によるＧＭＲ素子、および、第２の態様による検知装置によれば、基材の表面における法線方向が異なる複数の領域に検出層が設けられる。検出層は基材の表面に沿って設けられるため、検出層が設けられる領域ごとに検出層が延びる方向も異なる。そのため、検出層が１つの平面として形成される場合と比較して、検出層による検知精度を確保しやすい磁束または磁場の方向が増加する。

本発明の第１の態様に係るＧＭＲ素子、および、第２の態様に係る検知装置によれば、基材の表面における法線方向が異なる複数の領域に検出層が設けられるため、検知対象による検知精度の悪化を抑制しやすいという効果を奏する。

本発明に係るＧＭＲワイヤセンサの概略を説明する模式図である。図１のＧＭＲワイヤセンサの構成を説明する断面図である。図２の領域Ａにおける検出層の構成を説明する拡大断面図である。本発明に係る検知装置の概略を説明する模式図である。ＧＭＲワイヤセンサにおける磁界と磁気抵抗比の関係を示すグラフである。ＧＭＲワイヤセンサにおける温度とＧＭＲの関係を示すグラフである。

この発明の一実施形態に係るＧＭＲワイヤセンサ、および、検知装置について、図１から図６を参照しながら説明する。まず、図１に示すＧＭＲワイヤセンサ（ＧＭＲ素子）１０について説明し、その後、ＧＭＲワイヤセンサ１０を用いた図４に示す検知装置５０について説明する。

ＧＭＲワイヤセンサ１０は、磁界等の変化に対して電気抵抗が変化する巨大磁気抵抗効果を利用した磁気センサである。ＧＭＲワイヤセンサ１０には、図２に示すようにワイヤコア（基材）１１と検出層１５とが設けられている。

ワイヤコア１１は、長尺に形成された円柱状のワイヤである。ワイヤコア１１の少なくとも円周面の一部には検出層１５が設けられている。検出層１５は円周面における領域Ｒ１および領域Ｒ２に設けられていてもよい。検出層１５は、円周面の全面に設けられていてもよい。検出層１５は、ワイヤコア１１の円周面および端部を含む全面設けられていてもよい。

領域Ｒ１および領域Ｒ２は、それぞれの領域における円周面の法線方向が異なる領域である。領域Ｒ１および領域Ｒ２は、両者の法線方向が直交する領域でもよい。領域における円周面の法線方向としては、領域における円周面を代表する法線方向であればよい。例えば、領域の中央における円周面の法線方向であってもよいし、領域の円周面全ての法線方向を平均した方向であってもよい。

ワイヤコア１１は、図２に示すような断面が円形のワイヤであってもよいし、楕円形のワイヤであってもよい。さらに、断面が平角形状などの多角形状のワイヤであってもよい。

ワイヤコア１１は、導電性を有する材料から形成されてもよいし、高分子材料などの樹脂から形成されてもよい。また、ワイヤコア１１は、磁性を有する磁性材料から形成されてもよいし、非磁性材料から形成されてもよい。さらに、ワイヤコア１１は、樹脂材料の中に磁性材料から形成された粒子を分散させた材料から形成されてもよい。

ワイヤコア１１を形成する導電性を有する材料としては、ステンレス鋼（例えば、クロムを含む鋼、または、クロムとニッケルを含む鋼）や、純銅または銅を主な成分とする銅合金などを例示することができる。

ワイヤコア１１を形成する高分子材料としては、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、合成ゴム、シリコーン樹脂、ポリ塩化ビニル、クロロプレンゴム、ポリウレタン、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミド樹脂，及び前述の樹脂のうち少なくとも一つを含む合成樹脂などを例示することができる。

検出層１５は、ＧＭＲワイヤセンサ１０における巨大磁気抵抗効果を主に発揮する層である。検出層１５は、図３に示すように磁性層１６と、非磁性層１７と、が交互に積層された多層膜である。

検出層１５には、磁性層１６、非磁性層１７、磁性層１６の組が少なくとも１組設けられているとよい。検出層１５には、磁性層１６および非磁性層１７が合計で数十層、例えば２０層〜３０層積層されていることが好ましい。さらに、磁性層１６および非磁性層１７が合計で数十層よりも多く積層されていてもよい。
なお、検出層１５の最外層を非磁性層１７、例えばＣｕ層とすることにより、ＧＭＲワイヤセンサ１０の検出層１５から出力される検出信号を取り出すための電極（電気配線）の取付けを容易とすることができる。

磁性層１６および非磁性層１７は共にｎｍ単位の膜厚を有する層である。例えば、１ｎｍ〜２ｎｍの膜厚を有する層である。磁性層１６および非磁性層１７は同じ厚さの層であってもよいし、異なる厚さの層であってもよい。

磁性層１６および非磁性層１７を形成する方法としては、メッキ法や、スパッタ法や、ＣＶＤ（化学気相成長）法や、ＰＶＤ（物理気相成長）法などを用いることができる。磁性層１６および非磁性層１７は、同じ形成方法で形成されてもよいし、異なる形成方法で形成されてもよい。

磁性層１６は磁性材料から形成される。磁性層１６を形成する材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などを例示することができる。また、磁性層１６を形成する材料としては、前述（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）の元素のうち少なくとも１つ以上の元素を含有する化合物や合金などを例示することができる。更に，より強い強磁性を示す希土類元素を含む化合物や合金であっても良く、例えば、ネオジウム（Ｎｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）などを含有する化合物や合金であっても良い。

非磁性層１７は非磁性材料から形成される。非磁性層１７を形成する材料としては、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）などを例示することができる。また、非磁性層１７を形成する材料としては、Ｃｕ、Ｃｒ、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）など、また、前述（Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｇ、Ａｕ）の元素のうち少なくとも１つ以上の元素を含有する化合物や合金などを例示することができる。

次に、検知装置５０について図４を参照しながら説明する。
検知装置５０は磁場の下で機能する機器に対して用いられ、磁場の変動を検知する装置である。例えば、極低温下で強磁場を発生させる超伝導磁石を用いた機器７０に対して用いられる装置である。極低温としては液体ヘリウム温度（約−２６９℃）などを例示することができる。更に、高温超伝導体材料で作製した超伝導磁石を用いた機器では極低温としては液体窒素温度（約−１９６℃）などを例示することができる。強磁場としては０．５Ｔ以上の磁場などを例示することができる。

検知装置５０は、機器７０の動作確認に用いられてもよいし、機器７０の故障診断に用いられてもよいし、機器７０の管理モニターとして用いられてもよい。検知装置５０は他の機器と組み合わされてシステムとして用いられてもよい。

超伝導磁石を用いた機器７０としては、物性特性測定装置や、磁気共鳴画像化診断に用いられるＭＲＩ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｍａｇｉｎｇ）装置や、超伝導磁石を利用して浮上走行する磁気浮上式鉄道などを例示することができる。

検知装置５０には、上述のＧＭＲワイヤセンサ１０と、検出回路部（変換部）５１と、電子計算機５５と、が設けられている。ＧＭＲワイヤセンサ１０は、例えば超伝導磁石を含む機器７０に配置されている。

ＧＭＲワイヤセンサ１０は、機器７０に配置される位置の形状に沿って配置可能となっている。ＧＭＲワイヤセンサ１０は、超伝導磁石の周囲に配置されてもよいし、超伝導磁石を収納する容器の周囲に配置されてもよいし、超伝導磁石が発生する磁界等が及ぶ範囲に配置されてもよい。

検知装置５０に設けられるＧＭＲワイヤセンサ１０は１本のみであってもよいし、複数本であってもよい。複数本のＧＭＲワイヤセンサ１０が設けられる場合には、複数本のＧＭＲワイヤセンサ１０を撚り合わせて撚線の形態として用いてもよい。また、複数本のＧＭＲワイヤセンサ１０を網目状に組み合わせた平面状または織物状の形態として用いてもよい。

検出回路部５１は、ＧＭＲワイヤセンサ１０の検出層１５から出力される検出信号を取得し、前記検出信号を予め定められた形式の出力信号に変換する回路である。検出信号としては、抵抗値の変化や、電流が一定との条件下における電圧の変化などを例示することができる。検出回路部５１としては、ＧＭＲ素子に対して用いられる公知の回路を用いることができる。

検出回路部５１における変換には、信号の増幅や、電気信号から光信号への変換や、アナログ信号からデジタル信号への変換や、デジタル信号からアナログ信号への変換などのいずれかが含まれてもよい。

電子計算機５５は、検出回路部５１から出力される検出信号に基づいて、機器制御部７１へ出力する制御信号を生成するものである。電子計算機５５には、ＧＭＲワイヤセンサ１０により測定された検出信号や出力信号などのデータを保存するデータロガー５６や、ＧＭＲワイヤセンサ１０により測定されたデータを表示するモニター５７が含まれてもよい。

機器制御部７１は、電子計算機５５から出力される制御信号に基づいて機器７０の制御を行うものである。制御の内容としては、機器７０の異常を報知する発報装置による異常報知の制御や、超伝導磁石を冷却する各種機器の動作の制御や、超伝導磁石に供給する電流を制御する機器の制御や、機器７０の動作を停止させる制御や、機器７０を管理している部署との通信を行う装置による通報の制御などを例示することができる。

次に、上記の構成からなるＧＭＲワイヤセンサ１０および検知装置５０の動作について図５および図６を参照しながら説明する。
図５は、磁界（Ｈ）が−１．５Ｔ以上１．５Ｔ以下の範囲におけるＧＭＲワイヤセンサ１０の磁気抵抗比（％）の変化を示すグラフである。図５では、磁性層１６が２ｎｍの厚さの鉄（Ｆｅ）であり、非磁性層１７が１ｎｍの厚さのクロム（Ｃｒ）であり、磁性層１６および非磁性層１７を合計２０層積層した例が示されている。

さらに図５では、異なる温度におけるＧＭＲワイヤセンサ１０の磁気抵抗比（％）の変化も示している。具体的には、液体ヘリウム温度（−２６９℃）における磁気抵抗比（％）の変化を示すグラフＧ１、液体窒素温度（−１９６℃）における磁気抵抗比（％）の変化を示すグラフＧ２、−１２３℃における磁気抵抗比（％）の変化を示すグラフＧ３、室温（例えば２７℃）における磁気抵抗比（％）の変化を示すグラフＧ４が示されている。

なお、図５におけるグラフＧ１からグラフＧ４において線が二重になっているのは、磁界を−１．５Ｔから１．５Ｔに変化させた場合の線と、１．５Ｔから−１．５Ｔに変化させた場合の線の両者が図示され、これらの線がヒステリシスにより一致しないためである。

図６は、温度ｔ（℃）が変化した時のＧＭＲワイヤセンサ１０のＧＭＲの変化を示すグラフである。図６では、磁界（Ｈ）が０Ｔの場合が示されている。磁性層１６および非磁性層１７の条件は図５のものと同じである。

図６に示す場合では、液体ヘリウム温度（−２６９℃）におけるＧＭＲと室温（例えば２７℃）におけるＧＭＲの差（ＧＭＲ温度変化とも表記する）は約４０％となる。なお、磁界（Ｈ）を０Ｔよりも大きくする、または、小さくすると、図６に示されるグラフの傾きは小さくなる。

例えば、液体ヘリウム温度（−２６９℃）において、磁界（Ｈ）が変化するとＧＭＲワイヤセンサ１０の磁気抵抗比（％）は磁界（Ｈ）の変化に対応して変化する（図５参照。）。検出回路部５１は、図４に示すように、ＧＭＲワイヤセンサ１０の検出層１５から、磁気抵抗比（％）の変化に対応する検出信号を取得する。

検出回路部５１は、取得した検出信号を予め定められた形式の出力信号に変換し、出力信号を電子計算機５５に出力する。電子計算機５５は、磁界（Ｈ）の変化に対応して機器７０を制御する制御信号を生成し、機器制御部７１へ制御信号を出力する。例えば磁界（Ｈ）の変化を抑制する制御信号や、磁界（Ｈ）の変化を報知する制御信号や、機器７０の動作を停止させる制御信号を出力する。

また、例えば磁界（Ｈ）が０Ｔにおいて、温度が変化するとＧＭＲワイヤセンサ１０のＧＭＲが温度の変化に対応して変化する（図６参照。）。検出回路部５１は、図４に示すように、ＧＭＲワイヤセンサ１０の検出層１５から、ＧＭＲの変化に対応する検出信号を取得する。

検出回路部５１は、取得した検出信号を予め定められた形式の出力信号に変換し、出力信号を電子計算機５５に出力する。電子計算機５５は、磁界（Ｈ）の変化に対応して機器７０を制御する制御信号を生成し、機器制御部７１へ制御信号を出力する。例えば温度の変化を抑制する制御信号や、温度の変化を報知する制御信号や、機器７０の動作を停止させる制御信号を出力する。

上記の構成のＧＭＲワイヤセンサ１０によれば、検出層１５が、少なくともワイヤコア１１の表面における法線方向が異なる複数の領域Ｒ１，Ｒ２に設けられる。検出層１５はワイヤコア１１の表面に沿って設けられるため、検出層１５が設けられる領域Ｒ１，Ｒ２ごとに検出層１５が延びる方向も異なる。そのため、検出層１５が１つの平面として形成される場合と比較して、検出層１５による検知精度を確保しやすい磁界等の方向が増加する。

ワイヤコア１１の表面の全てに検出層１５を設けることにより、表面の一部に設ける場合と比較して、検出層１５が延びる方向を増やしやすい。そのため、検出層１５による検知精度を確保しやすい磁界等の方向を増やしやすい。

具体的には、ワイヤコア１１の断面形状が円形である場合（図２参照。）には、検出層１５がワイヤコア１１の円周面に沿って設けられる。言い換えると、検出層１５が延びる方向には、３６０°全ての方向が含まれる。検出層１５が１つの平面として形成される場合と比較して、検出層１５による検知精度を確保しやすい磁界等の方向が制限されにくい。

また、表面の一部に検出層１５を設ける場合と比較して、検出層１５を設ける面積を増やしやすい。言い換えると、磁界等を検知可能な面積を広げやすい。検出層１５を設ける面積が広くなると、狭い場合と比較して、空間的に連続した磁界等の検知を行いやすくなる。

ワイヤコア１１の形状を長尺状に延びる線形状とすることにより、磁界等を検知可能な面積を広げやすい。例えば、磁気ディスクのヘッドなどに用いられる小型のＧＭＲ素子を離散して配置して検知可能な面積を広げる場合と比較して、空間的に連続した磁界等の検知を行いやすい。つまり、小型のＧＭＲ素子を離散して配置する場合には、ＧＭＲ素子とＧＭＲ素子との間の磁界等の検知を行うことはできず、検知域が断続的になる。これに対して線形状のワイヤコア１１を用いたＧＭＲワイヤセンサ１０の場合には、ＧＭＲワイヤセンサ１０が延びる方向について空間的に連続した磁界等の検知を行いやすい。

ワイヤコア１１を形成する材料として、ワイヤコア１１の曲げなどを許容できる材料を用いることにより、ＧＭＲワイヤセンサ１０を磁界等の検知領域に沿って配置することができる。さらには、ＧＭＲワイヤセンサ１０を磁界等の検知域が変動する対象にも用いることが可能となる。例えば、ＧＭＲワイヤセンサ１０を、人が着用する衣服などの物品に含まれるウェアラブルセンサとして用いることも可能となる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、検出層１５が線状に形成されたワイヤコア１１に設けられている例に適用して説明したが、薄膜状に形成された基材に検出層１５が設けられてもよい。直方体状や球体状などの立体的な形状を有する基材に検出層１５が設けられてもよい。

また、ワイヤコア１１が磁性材料から形成されている場合には、ワイヤコア１１の表面と隣接する位置に非磁性層１７を設け、その上に磁性層１６、非磁性層１７の順に層の形成を繰り返して検出層１５を形成してもよい。

このようにすることにより、ワイヤコア１１の表面と隣接する位置に磁性層１６を設ける場合と比較して、ワイヤコア１１を磁界等の検知に用いることができる。また、検出層１５における磁性層１６を１層減らすことが可能となる。

ワイヤコア１１が非磁性材料から形成されている場合には、ワイヤコア１１の表面と隣接する位置に磁性層１６を設け、その上に非磁性層１７、磁性層１６の順に層の形成を繰り返して検出層１５を形成してもよい。

このようにすることにより、ワイヤコア１１の表面と隣接する位置に非磁性層１７を設ける場合と比較して、ワイヤコア１１を磁界等の検知に用いることができる。また、検出層１５における非磁性層１７を１層減らすことが可能となる。

さらに、ＧＭＲワイヤセンサ１０には、検出層１５を覆う被覆層がさらに設けられてもよい。被覆層はＧＭＲワイヤセンサ１０の最外層となり、検出層１５を保護する層である。

被覆層を形成する材料としては、ＧＭＲワイヤセンサ１０における磁界等の検出精度を悪化させにくい材料が好ましい。例えば、ワイヤの被覆に用いられる材料（例えば樹脂）であって、これら材料の中で透磁率が相対的に低い材料が好ましい。例えば、エナメル樹脂に含有するポリビニルホルマール、ポリウレタン、ポリアミドイミド、ポリエステル、ナイロンなどを例示できる。または、オレフィン系樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂なども例示できる。

１０…ＧＭＲワイヤセンサ（ＧＭＲ素子）、１１…ワイヤコア（基材）、１５…検出層、１６…磁性層、１７…非磁性層、５０…検知装置、５１…検出回路部（変換部）、Ｒ１，Ｒ２…領域

Claims

基材と、巨大磁気抵抗効果を示す検出層と、を有するＧＭＲ素子であって、
前記検出層は、前記基材の表面における複数の領域であって、当該領域における前記表面の法線方向が異なるＧＭＲ素子。
前記検出層は、前記基材の表面の全てに設けられている請求項１記載のＧＭＲ素子。
前記基材は、長尺状の形状を有している請求項１または２に記載のＧＭＲ素子。
前記検出層は、磁性材料から形成された磁性層、および、非磁性材料から形成された非磁性層を交互に重ねた層である請求項１から３のいずれか１項に記載のＧＭＲ素子。
前記基材が磁性材料から形成された場合、前記検出層における前記基材と隣接する層は前記非磁性層である請求項４記載のＧＭＲ素子。
前記基材が非磁性材料から形成された場合、前記検出層における前記基材と隣接する層は前記磁性層である請求項４記載のＧＭＲ素子。
請求項１から６のいずれかに記載のＧＭＲ素子と、
前記ＧＭＲ素子における前記検出層から出力される検出信号を取得し、前記検出信号を予め定められた形式の出力信号に変換する変換部と、
を有する検知装置。