JP3777024B2

JP3777024B2 - 磁界の検出方法

Info

Publication number: JP3777024B2
Application number: JP18585397A
Authority: JP
Inventors: 昌紀三邊; 一実豊田
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: JPH1114721A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアモルファス磁性エレメントを用いた磁界センサ及びその磁界センサにより外部磁界を検出する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アモルファス合金ワイヤとして、自発磁化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向の磁区が交互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤが開発されている。例えば、Ｃｏ_７０．５Ｂ_１５Ｓｉ_１０Ｆｅ_４．５が開発されている。
【０００３】
かかる零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス磁性ワイヤに高周波電流したときに発生するワイヤ両端間出力電圧中のインダクタンス電圧分は、ワイヤの横断面内に生じる円周方向磁束によって上記の円周方向に易磁化性の外殻部が円周方向に磁化されることに起因し、従って、周方向透磁率μθも同外殻部の円周方向の磁化に依存する。
【０００４】
この通電中のアモルファスワイヤにワイヤ軸方向の外部磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁束と外部磁束との合成により、上記円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれ、それだけ円周方向への磁化が生じ難くなり、上記周方向透磁率μθが変化し、上記インダクタンス電圧分が変動することになる。
更に、上記通電電流の周波数がMHzオ−ダになると、高周波表皮効果を無視し得なくなり、表皮深さδ＝（２ρ／wμθ）^１／２（μθは前記した通り、円周方向透磁率、ρは電気抵抗率、wは角周波数)がμθにより変化し、このμθが前記した通り、外部磁界によって変化するので、ワイヤ両端間出力電圧中の抵抗電圧分も外部磁界で変動するようになる。
そこで、外部磁界による上記インダクタンス電圧分と抵抗電圧分の双方、すなわち、ワイヤ両端間出力電圧の変動（以下、外部磁界による出力電圧の変動をインピ−ダンス効果という）から外部磁界を検出することが提案されている（特開平７−１８１２３９号）。
【０００５】
上記零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤのインピ−ダンス効果は、自発磁化の方向が正周方向の磁区と負周方向の磁区とが交互に位置してなる外殻部の磁区が、外部磁界によりある角度（α°）ずらされた周方向交流磁界により回転されて周方向透磁率μθが外部磁界で変化されること、及びその外部磁界で変化される周方向透磁率μθで表皮深さが変動されることとに依存し、上記ずれ角度α°の正負では差異が生じないから、上記ワイヤ軸方向の外部磁界の正負、すなわち＋Ｈexと−Ｈexとでは出力に差は生じず、対称にパラメ−タ変化が生じる。
このため、コイルによりバイアス磁界をかけ、線形特性にすることが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記磁界センサにおいては、アモルファス磁性エレメントと電極との電気的・機械的に安定な溶接が不可欠である。
而るに、その溶接には、溶融したアモルファス合金を冷却時、結晶化させないように（アモルファス状態を維持させるように）高度の技術を必要とし、汎用の電極材である銅との溶接は至難である。
そこで、本発明者はアモルファス合金との溶接が可能な材料を鋭意探求したところ、磁性材料の中に、アモルファス合金と比較的容易に溶接できるものが多いことを知った。
その溶接が容易な理由としては、磁性材がＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ等を多量に含み、アモルファス合金組成中の原子と共通する原子を多く含有することによると推定される。
【０００７】
本発明の目的は、上記零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス磁性ワイヤのバイアス磁界作用下でのインピ−ダンス効果を利用して外部磁界を検出する場合、磁界センサの電極にアモルファス磁性エレメントとの溶接が容易な磁性材を使用し、機械的に過酷な条件、例えば、激しい振動下でも良好なリニア特性で検出することを可能とする磁界センサ及び磁界の検出方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る磁界の検出方法は、磁性材電極の間にアモルファス磁性エレメントを溶接し、該アモルファス磁性エレメントの近傍にコイルを配設した磁界センサの磁性材電極を前記コイルで予め磁化し、該アモルファス磁性エレメントに電流を流し、前記磁化された磁性材電極の発生磁界をバイアス磁界として外部磁界を前記アモルファス磁性エレメントの両端間電圧の変化から検出することを特徴とし、検出に先立ち、磁界センサの磁性材電極の磁化調整をそのセンサのコイルによる着磁処理または／及び脱磁処理で行うことができ、また、磁界の検出中、コイルに検出出力から負帰還をかけることもできる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係る磁界センサの一例を示している。
図１において、１は絶縁基板、例えば、ガラスエポキシ基板、セラミックス基板等であり、その寸法は、縦及び横とも１０ｍｍ以下である。２ａ，２ｂは磁性材からなる一対のバ−状電極であり、並行配置で先端側を絶縁基板１の片面側に固定してある。これらのバ−状電極２ａ，２ｂの後端部は絶縁基板１の外部に引出してある。３はバ−状電極の先端２１ａ，２１ｂ間に溶接により接続したアモルファス磁性エレメントとしてのアモルファス磁性ワイヤであり、局在磁気に対する検出範囲を広くするために、一端部を一方の電極の先端２１ａからはみ出させてもよい。
このアモルファス磁性ワイヤ３には、自発磁化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向である磁区が交互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤを使用してある。
４はアモルファス磁性エレメントの近傍に並設したコイルであり、発生磁界の方向をアモルファス磁性エレメントの軸方向に一致させるように絶縁基板上に配設してある。
【００１０】
図２は本発明に係る磁界の検出方法を説明するための図面であり、Ｈexは被検出外部磁界を、Ｈbは磁性電極の磁化により発生させたバイアス磁界を示している。
その電極の磁化は、コイルに直流電流を流してその発生磁界で着磁する方法、上記センサのコイル以外の手段で行う方法の何れによってもよい。前者の場合は、電磁力ピックアップ等で電極が不測的に磁化されていることもあるので、磁界センサのコイルに交流電流を漸次減少しつつ流して電極を一旦脱磁処理し、次いで、コイルに直流電流を流して着磁することが望ましい。
外部磁界Ｈｅｘを検出するには、高周波電源５を電極２ａ，２ｂ間に接続し、アモルファス磁性ワイヤ３に高周波電流を流し、ワイヤ両端間出力電圧Ｖ
を測定して行く。この出力電圧は、自発磁化の方向が正周方向の磁区と負周方向の磁区とが交互に位置してなるアモルファス磁性ワイヤの外殻部の磁区が、外部磁界によりある角度（α°）ずらされた周方向交流磁界で回転されて周方向透磁率μθが外部磁界で変化されること、及びその外部磁界で変化される周方向透磁率μθで表皮深さが変動されること等によるのであり、上記ずれ角度α°の正負のみの相違では出力電圧に差異は生じず、従って、外部磁界が大きさが等しく正負方向のみが相違する場合、バイアス磁界Ｈｂが０であると、出力電圧に差異が生じず、リニア特性にはならない。
【００１１】
而るに、バイアス磁界Ｈｂの作用のもとでは、外部磁界（Ｈｂ＋Ｈex）に対する出力電圧値と外部磁界（Ｈｂ−Ｈex）に対する出力電圧値とが相違するから、被検出外部磁界−Ｈexに対する出力電圧と被検出外部磁界＋Ｈexに対する出力電圧とを異ならし得、被検出外部磁界の極性を判別でき、バイアス磁界Ｈｂを適切に設定することにより、図に示すように、ある外部磁界の範囲内では、リニア特性で磁界を検出できる。
【００１２】
かかる磁界の検出中、電極の磁化に使用した磁界よりも強い磁界が外部磁界として作用することがあり、かかる過大磁界のもとでは電極の磁化の増大が余儀なくされ、逆に、逆方向の外部磁界による保磁力の低下で磁化が弱められることもあり、または、経時的な保持力低下により磁化が弱められることもあり、かかる場合、上記バイアス磁界の狂いが惹起されるから、適時、或いは、磁界検出に先立って、コイルによる着磁処理または脱磁処理により、電極の磁化を調整する（リセットする）ことが有効である。
【００１３】
上記において、出力特性の直線性をより一層に向上させるために、出力Ｖ０をコイルに負帰還させることができる。すなわち、帰還がかかっていない場合、出力Ｖ_０は（Ｈｂ＋Ｈｅｘ）をＨとして、Ｖ_０＝ＡＨで与えられるが、負帰還係数をβとすると、Ｖ_０／Ｈ＝Ａ／（１＋Ａβ）が成立し、β≧Ａとする負帰還回路を構成することにより、Ｖ_０／Ｈ＝１／βとして、高度の直線特性を付与できる。
上記のように、本発明によれば、磁界センサの電極に磁性材を使用しているにもかかわらず、磁化電極による磁界をバイアス磁界として作用させることによりリニア特性で外部磁界を良好に検出できる。
従って、本発明によれば、磁界センサの磁性電極とアモルファス磁性エレメントとの電気的・機械的安定な溶接により、振動下等の過酷な環境のもとでも、外部磁界を良好なリニア特性にて検出できる。
【００１４】
上記磁性材には、実施例で使用したもの以外に、次ぎのような硬質磁性体や半硬質磁性体を使用できる。
（１）硬質磁性体
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｏ合金（Ｃｏ２０重量％，Ｎｉ８０重量％）、パ−マロイ（Ｆｅ１０重量％，Ｎｉ９０重量％）、スーパ−マロイ（Ｆｅ５０重量％，Ｎｉ５０重量％）、コバ−ル（Ｃｏ１７〜１８重量％，Ｎｉ２８〜２９重量％，残部Ｆｅ）。
（２）半硬質磁性体
１７％Ｃｒ鋼（Ｃ０．７重量％，Ｃｒ２．５重量％，Ｃｏ１７重量％，残部Ｆｅ）、３６％Ｃｏ鋼（Ｃ０．７重量％，Ｃｒ４重量％，Ｃｏ３６重量％，残部Ｆｅ）、バイカロイ系合金（Ｖ１０〜２０重量％，Ｃｒ１０〜２０重量％，Ｃｏ５２重量％，残部Ｆｅ）、Ｐ−６合金（Ｖ４重量％，Ｃｏ４５重量％，Ｎｉ６重量％，残部Ｆｅ）Ｆｅ−Ｎｉ−Ａｌ合金（Ａｌ９重量％，Ｃｏ微量，Ｃｕ微量，Ｎｉ１４〜１８重量％）、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｔｉ合金（Ｔｉ３重量％，Ｍｎ１２〜１３重量％，残部Ｆｅ）、Ｆｅ−Ｍｎ合金（Ｍｎ１２．５重量％，残部Ｆｅ）、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎ合金（Ｎ若干，Ｃｒ７重量％，Ｍｎ１２重量％，Ｃｏ若干，Ｍｏ若干，残部Ｆｅ）、マルエ−ジング鋼（Ｃｏ０．０１重量％，Ａｌ０．１６重量％，Ｓｉ０．１重量％，Ｐ０．００７重量％，Ｔｉ１９．７重量％，Ｍｎ０．１８重量％，Ｃｏ１２．１５重量％，Ｎｉ１９．７４重量％，Ｍｏ３．１３重量％，残部Ｆｅ）、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ合金（Ｓｉ１．５重量％，Ｃｒ２５〜３５重量％，Ｃｏ１０重量％，残部Ｆｅ）、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ合金（Ｃｏ１２重量％，Ｍｏ８重量％，残部Ｆｅ）、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｒ合金（Ｃｒ６〜９重量％，Ｃｏ２２重量％，Ｎｉ１４〜１１，残部Ｆｅ）、炭素鋼（Ｃ０．５重量％，残部Ｆｅ）、ＦＮＣ合金（Ｎｉ１６〜１８重量％，Ｃｕ６重量％，残部Ｆｅ）、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｏ合金（Ｍｎ５〜１０重量％，Ｃｏ１３〜２０重量％，残部Ｆｅ）、Ｆｅ−Ｎｉ−Ａｌ−Ｔｉ合金（Ａｌ３〜４．５重量％，Ｔｉ若干，Ｎｉ１４〜２３重量％，残部Ｆｅ）、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｃｕ（Ｃｏ２０〜２５重量％，Ｎｉ１２重量％、Ｃｒ７〜５重量％，Ｃｕ３重量％，残部Ｆｅ）、リカロイ（Ｎｂ３．１重量％，残部Ｆｅ）、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｃｕ−Ｖ合金（Ｖ０．９重量％，Ｃｏ１６．３重量％，Ｃｕ２０．９重量％，残部Ｆｅ）、Ｃｏ−Ｃｒ鋼（Ｃ０．８０〜０．８４重量％，Ｃｒ４．４〜４．６重量％，Ｍｎ０．５〜０．６重量％，Ｃｏ１４〜１５重量％，残部Ｆｅ）、Ｃｏ−Ｆｅ−Ａｕ合金（Ｆｅ１２重量％，Ａｕ６重量％，残部Ｃｏ）、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｔｉ合金（Ｔｉ３重量％，Ｆｅ１２重量％，残部Ｃｏ）、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂｅ合金（Ｂｅ１．３重量％，Ｆｅ１０．２重量％，残部Ｃｏ）、ニブコロイ（Ｆｅ１２重量％，Ｎｂ３重量％，残部Ｃｏ）、Ｆｅ−Ｃｕ合金（Ｆｅ６０重量％，残部Ｃｕ）、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｍｎ合金（Ｍｎ１．７重量％，Ｆｅ８０重量％，残部Ｃｕ）等。
【００１５】
上記アモルファス磁性エレメントとしては、上記アモルファス磁性ワイヤ以外に、基板上に真空蒸着やイオンスパッタリング等により形成したアモルファス磁性薄膜（厚み０．００１〜５μｍ）を使用することもできる。
上記電極は、箔の貼着の外、金属箔積層絶縁基板の金属箔のエッチング、溶射、スパッタリング、蒸着、めっき等により形成できる。
【００１６】
本発明において使用する磁界検出装置としては、例えば、上記磁界センサをインダクティブ素子とするコルピッツ発振回路を組立て、更に、外部磁界によるこの発振回路の振幅変調を復調する復調回路を接続したものを使用できる。
【００１７】
【実施例】
〔実施例〕
使用した磁界センサは次の通りである。
図２において、絶縁基板１には厚み１．０ｍｍセラミックス板を、アモルファス磁性ワイヤには、外径５０μｍのＣｏ_７０．５Ｂ_１５Ｓｉ_１０Ｆｅ_４．５アモルファスワイヤを使用した。電極２ａ，２ｂ各部の寸法は、ａ＝５．０ｍｍ，ｂ＝６．０ｍｍ、ｃ＝１０．３０ｍｍ，ｄ＝０．５ｍｍ，ｅ＝０．３ｍｍ，ｆ＝０．３ｍｍ，ｇ＝０．５ｍｍ，ｈ＝２．３ｍｍとした。バイアスコイルを巻いた外径０．５ｍｍのチュ−ブにアモルファス磁性ワイヤを通し、ワイヤ各端と各電極とを溶接した。
電極には厚み０．１ｍｍのJIS SK-4 表1の半硬質磁性材料(Ｃ０．９０〜１．００、Ｓｉ０．３５以下、Ｍｎ０．５０以下、Ｐ０．０３以下、Ｓ０．０３以下、Ｃｕ０．０３以下、Ｎｉ０．２５以下、Ｃｒ０．２０以下、残部Ｆｅ）を使用した。
磁界センサのアモルファスワイヤの通電電流を約１０mA，約４０MHzとし、外部磁界Hex−０．８Ｏｅ〜＋０．８Ｏｅに対し、リニア出力特性を得るために、コイルで電極を磁化したところ、磁化によるバイアス磁界約０．５Ｏｅで、図３の出力特性を得た（図３で、１００ｍAが０．１６Ｏｅに相当）。
〔比較例〕
電極に厚み０．１ｍｍの銅箔を使用し、バイアス磁界はコイルの通電により発生させた。
図３とほほ同様な出力特性を得ることができたが、磁界センサの電極とアモルファス磁性ワイヤとの溶接強度を評価するために、引張り試験を行ったところ、実施例のものでは、アモルファス磁性ワイヤが破断したが、後者のものでは、溶接界面が簡単に剥離した。
【００１８】
【発明の効果】
本発明に係る磁界の検出方法によれば、アモルファス磁界センサの電極にアモルファス磁性エレメントとの強固な溶接を可能な磁性材を用いているから、振動下等の過酷な条件のもとでも安定して磁界検出でき、また、磁性電極の磁化に基づくバイアス磁界の作用のもとで検出しているからリニア特性での検出が可能であり、かつ、電極の磁化状態を容易に適正値に調整できるから、そのリニア特性も安定である。
従って、本発明によれば、機械的に過酷な環境のもとでも安定・高精度の磁界検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁界センサの一例を示す図面である。
【図２】本発明に係る磁界の検出方法の説明に使用した図面である。
【図３】本発明の実施例の感度特性を示す図表である。
【符号の説明】
１絶縁基板
２ａ磁性材電極
２ｂ磁性材電極
３アモルファス磁性エレメント
４コイル
５高周波電源

Claims

磁性材電極間に外部磁界検出用のアモルファス磁性エレメントを溶接し、該アモルファス磁性エレメントの近傍にコイルを配設した磁界センサの磁性材電極を前記コイルにより予め磁化し、前記アモルファス磁性エレメントに電流を流し、前記磁化された磁性材電極の発生磁界をバイアス磁界として外部磁界を前記アモルファス磁性エレメントの両端間電圧の変化から検出することを特徴とする磁界の検出方法。
請求項１記載の磁界の検出方法において、検出に先立ち、磁界センサの磁性材電極の磁化調整をそのセンサのコイルによる着磁処理または／及び脱磁処理で行うことを特徴とする磁界の検出方法。
磁界の検出中、コイルに検出出力から負帰還をかけることを特徴とする請求項１または２記載の磁界の検出方法。