JP4650591B2 - 感磁ワイヤ、マグネトインピーダンス素子およびマグネトインピーダンスセンサ - Google Patents
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Description
このような従来の感磁ワイヤを構成するアモルファスワイヤ内部の磁区構造を模式的に示した斜視図を図6に示す。感磁ワイヤ9は、磁区構造の違いにより表層部91とコア部92の2層に分かれる。表層部91では、スピンが一定の円周方向へ向いている。それゆえ、スピン全体が円周として閉じた状態となっているため、表層部91に磁壁は全く存在しない。
一方、表層部91の内周側にあるコア部92では、多磁区構造を有し、多くの磁壁が存在する。また、表層部91とコア部92の界面でも、各スピンの向きが不連続的に変化するため、磁壁が存在する。
このように従来の感磁ワイヤ9は、表層部91ではスピンが一定の円周方向を向いたスピン構造(配列)をもつが、コア部92では多磁区構造を有し、全体として磁気的複合構造となっていた。そして、コア部92の多磁区構造部分に存在する磁壁および表層部91とコア部92の界面に存在する磁壁が、感磁ワイヤ9またはそれを用いたセンサのヒステリシス特性を劣化させる原因となっていた。
《感磁ワイヤ》
(1)本発明の感磁ワイヤは、ボルテックススピン構造を有することを特徴とする。
ここで「ボルテックススピン構造」とは、ワイヤ表層部で各スピンが一定の円周方向に連続的に配列していると共に、その表層部の内周側である内側部では各スピンがアモルファスワイヤの中心に近づくに従って徐々に円周方向から軸方向に回転していきそのワイヤ中心では軸方向に向く、連続的なスピン配列となる構造をいう。なお、ここでいう「スピン」とは、1原子当たりの磁気モーメントをいう。また、ボルテックススピン構造は、上記内側部の構造のみからなってもよい。内側部が占める領域は、ワイヤの組成、内部応力、形状により大きくなったり、小さくなったりする。
感磁ワイヤ1は、スピン配列の異なる表層部11と内側部12の2層からなる。先ず表層部11について説明する。断面Aの表層部11では、スピンが一定の円周方向へ向いている。それゆえ、スピンは全体として連続的に配列し円周方向に閉じて(循環または還流して)おり、表層部11に磁壁は全く存在しない。そして表層部11を構成する断面BのX1−X2−X3−Y1領域(図1では、代表例としてX1−X5線で示す)に存在する各スピンは、表層部11の最表面と同じスピン配列となっている。
このように本発明に係る感磁ワイヤ1の内側部12には磁壁が存在しない。また、表層部11と内側部12の界面でも、スピンは連続的に配列しており磁壁が存在しない。このようなスピン配列全体を本発明ではボルテックスピン構造と呼んでいる。なお、本明細書でいう「スピン配列」は、主に、各スピンの磁気モーメントの分布状況を意味するが、適宜単に「スピン配列」を「スピン」とも呼ぶ。
すべてのスピンは、印加された磁場である印加磁場の大きさに応じて、その印加磁場の方向に傾く。感磁ワイヤにパルス電流が流れると、そのパルス電流により、感磁ワイヤの円周方向に磁場が形成され、感磁ワイヤ中のスピンは円周方向に向く。この感磁ワイヤのスピンの回転による変化を、MIセンサは、ピックアップコイルで検出したり、ワイヤのインピーダンス変化を検出したりする。
本発明をより具体的にする付加的構成について説明する。なお、以下に述べる内容は、本発明に係る感磁ワイヤのみならず、それを用いたMI素子やMIセンサにも適宜適用される。そして本発明の感磁ワイヤは、下記の内容から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成が、上述した構成に加えられ得る。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
(1)ここで内側部の厚さ(図1の内側部11の「d」)は、最大でワイヤの半径までを取ることができる。
本発明のボルテックススピン構造は、薄膜などの2次元の構造(ナノドットの分野)ではなく、3次元の構造である。この3次元のボルテックススピン構造に関する知見は本発明が初めてである。
スピンの回転だけでなく磁壁の移動も検出していた従来の3次元の構造と異なり、本発明のボルテックススピン構造では磁壁(磁区)が存在しない。このため、本発明のMIセンサでは、完全にスピンの回転だけが検出され、ヒステリシスがゼロという優れた効果を有する。よって、本発明は磁壁(磁区)を有しない感磁ワイヤでもある。
ここで「零磁歪」とは、磁歪の絶対値が10−6未満を意味する。例えば、コロナ社出版の「磁気センサ理工学」の13頁には、「(CoFe)80(SiB)20において、Fe/Coが約0.07のとき、磁歪の絶対値が10−6未満となり、そのレベルの磁歪を零磁歪とする」旨の記述がされている。そこで上記のように本発明の零磁歪もそのレベルとした。
本発明の感磁ワイヤは、零磁歪となるCo−Si系合金さらにはCo−Si−B系合金、特にCo−Fe−Si−B系合金からなると好ましい。その他、本発明の感磁ワイヤはCo−Mn−Si−B系合金やFe−Si系合金等の公知のアモルファス合金からなってもよい。
この感磁ワイヤは、例えば、その合金成分、ワイヤ径、内部応力を適切に調整することで作製される。用いる合金は、Co−Fe−Si−B系の零磁歪の材料が好ましい。
ワイヤ径は、大きくなる程、ボルテックススピン構造が形成されにくくなる。その直径が15μmを超えると、感磁ワイヤの内部に多磁区構造が形成されやすくなるため、その直径は15μm以下が望ましい。
さらにワイヤ直径が0.5μm未満になると、ワイヤの体積が小さくなり、センサとして使用できないほどのセンサ感度の低下を招く。従って、本発明の感磁ワイヤの直径は、例えば、0.5〜15μmであると好適である。
内部応力の調整は、例えば、ワイヤにテンションを印加しながら施す熱処理(以後、「テンションアニール」と称す)や、電流を流しながら施す熱処理等により行われる。このときの熱処理は、アモルファスが完全結晶化する温度以下でなされる。
(1)本発明は、上述したボルテックススピン構造を有する感磁ワイヤを磁気検出体とするマグネトインピーダンス素子でもある。また本発明は、磁壁(磁区)を有しない感磁ワイヤを磁気検出体とするマグネトインピーダンス素子とも把握される。
本発明のMI素子は、従来の公知であるMI素子に対して、その磁気検出体である感磁ワイヤのみを本発明の上述した感磁ワイヤで置き換えたものであれば足る。
MI素子の構成自体は、例えば、国際公開公報WO2003/071299号、国際公開W02005/019851号、特開平2005−227297号および特開平07−181239号等で公知である。それらの公知の構成やその他の公知の構成を本発明のMI素子に利用可能である。
本発明のMI素子には、例えば、基板と、上述した本発明の感磁ワイヤと、該感磁ワイヤを内包する絶縁体と、該感磁ワイヤの周囲に巻回した検出コイルと、該感磁ワイヤおよび該検出コイルから延設された電極端子とが含まれる。
(1)本発明は、上記の感磁ワイヤやMI素子のみならず、それらを用いたMIセンサとしても把握される。
本発明のMIセンサは、従来の公知であるMIセンサに対して、その磁気検出体である感磁ワイヤのみを本発明の上述した感磁ワイヤで置き換えたものであれば足る。本発明のMIセンサは、例えば、本発明の感磁ワイヤと、該感磁ワイヤの周囲に巻回した検出コイルと、該感磁ワイヤにパルス電流を通電するパルス発振回路と、該検出コイルの検出電圧から外部磁界の強度に対応する信号に変換する信号処理回路とからなる。
(2)本発明のMIセンサは、前述の感磁ワイヤを使用しているため、MIセンサとしてのヒステリシスがほぼ零という優れたヒステリシス特性を有する。本発明のMIセンサは、測定レンジにおいて、印加磁場に対する出力電圧特性の直線性に優れる。
MIセンサの構成自体も、前述した公報等で公知であり、それらの公知の構成やその他の公知の構成を本発明のMIセンサに利用可能である。なお、本発明のMIセンサは、感磁ワイヤのインピーダンス変化を直接検出する方式でも、同様の効果が得られる。
《発明の効果》
このように本発明のMI素子やMIセンサは、従来のMI素子やMIセンサの感磁ワイヤを、ボルテックススピン構造を有する本発明の感磁ワイヤに置き換えることで、MIセンサで検出されるヒステリシスをほぼ零とする、優れたヒステリシス特性を示す。
さらに本発明の感磁ワイヤを使用すると、MIセンサの測定レンジにおいて、印加磁場に対する出力電圧特性の直線性が、従来の感磁ワイヤを使用したものに比べ大幅に向上する。
11 表層部
12 内側部
2 MI素子
3 検出コイル
4 絶縁物
51 電極
52 電極
6 MIセンサ
61 パルス発振回路
62 信号処理回路
7 パルス電流波形
9 感磁ワイヤ(従来例)
91 表層部
92 コア部
10 基板
《構成》
(1)感磁ワイヤ
改良テイラー法により製作したCo71.2Fe4.8Si11.8B12.2(at%)の合金組成を有する直径11.6μmのアモルファスワイヤを、本発明の実施例に係る感磁ワイヤの供試材とした。この供試材であるアモルファスワイヤに、520℃の雰囲気温度で、200MPaのテンションを加えながら、7s間の熱処理を施した(実施例1)。
なお、従来例として図6の表層部91と同様に、一定の円周方向のスピン構造を表層部分に有し、内部に多磁区構造を有するアモルファスワイヤ(ユニチカ株式会社製)を用意した。このアモルファスワイヤは、回転液中紡糸法により製作され、(Co94Fe6)72.5Si12.5B15(at%)の合金組成をもち、直径が20μmであって、テンションアニールが施されたものである。
さらに、従来例で用いた上記アモルファスワイヤにエッチングを施して、直径を13μmに細径化したアモルファスワイヤも用意した(実施例2)。
本発明に係る実施例であるMI素子2の構成について、図2の概念図を用いて説明する。
先ず、感磁ワイヤ1の周囲に絶縁物4(図示せず)を介して配置された検出コイル3が基板10上に配設される。感磁ワイヤ1の両端には、パルス電流を印加するための電極51に接続されている。検出コイル3は、外部磁場に応じて変化する電圧を検出するための電極52に接続されている。感磁ワイヤの長さは0.6mmとし、検出コイル30の巻き数は15ターンとした。ここに示した構成は一例であり、その他の公知のMI素子構造を採用してもよい。
本発明に係る実施例であるMIセンサ6の電子回路を、図3を用いて説明する。 MIセンサ6は、MI素子2、パルス発振回路61、信号処理回路62からなる。センサの動作は以下のようである。
パルス発振回路61により発生した50〜250MHz相当の高周波のパルス電流をMI素子2中の感磁ワイヤ1へ供給する。すると、外部磁場とパルス電流によるワイヤ円周方向の磁場との作用によって、感磁ワイヤ1中のスピンの回転に基づく電圧が検出コイル3で発生する。
この周波数は、図4(a)に示すように、先ずパルス電流波形7中のパルスの立ち上がり、若しくは、立ち下りの時間Δtを求め、次にそのΔtが、図4(b)に示すように、波の4分の1周期に相当するとして求めた周期から算出したものである。
次に、前記パルス電流が立ち上がった後、サンプルタイミング調整回路621によって、所定のタイミングでアナログスイッチ622が短時間のスイッチング(オン−オフ)をする。これによりアナログスイッチ622は、検出コイル3に発生した外部磁場に対応した電圧を、サンプリングして増幅器623へ伝える。パルス電流を遮断するとき(立ち下がりのとき)も同様である。
ここに示した構成は一例であり、その他の公知のMIセンサの電子回路を採用してもよい。
本実施例に関するマグネトインピーダンス(MI)特性は、MIセンサ6を±2400A/m、10Hzの磁場中に設置し、MI素子2の感磁ワイヤ1に周波数0.2GHzに相当する80mAのパルス電流を入力し、検出コイル3に発生した電圧信号を、上記の信号処理回路62で信号処理して、検出コイル3から出力される各磁場の電圧を測定することで評価した。
パルス電流の立ち上がり時間、立ち下がり時間は共に1.25nsであった。なお、ここではパルスの立ち下がり部で検出したが、立ち上がり部でもよく、両方でもよい。
《評価》
(1)上述の実施例1に関して、上記の測定により得られた結果を図5および表1に示す。本実施例の測定結果は図5(a)に、従来例の測定結果は図5(b)に示した。図5中に描かれたループにおいて、コイル出力が2.5Vのときの印加磁場の差を、ヒステリシス特性とした。
図5(a)の測定結果から明らかなように、本実施例のヒステリシス特性は2A/mであり、これは検出装置の検出力(7A/m)以下であった。これは、ヒステリシス特性がほぼゼロであることを示す。このことから、本発明に係る感磁ワイヤは、磁壁を有しないボルテックススピン構造からなるといえる。
一方、従来例では、図5(b)の測定結果から明らかなように、ヒステリシス特性が33.4A/mであった。
(2)また、磁気センサの実用特性として、直線性も重要なパラメータである。
本実施例の場合、図5(a)の測定結果から明らかなように、ピーク電圧を示す印加磁場の30%間(ここでは、印加磁場±485A/m間)の直線性は0.7%F.S.であった。これは、図5(b)に示す従来例の直線性(7.7%F.S.)の10分の1以下であった。なお、「F.S.」はFull Scale(フルスケール)を意味する。
なお、ここでの直線性は、コイル出力電圧のピーク値を示す印加磁場の30%間(実施例では印加磁場±485A/m間、比較例では印加磁場±377A/m間)において、印加磁場に対する出力電圧の直線性を評価した。また、直線性の評価には、測定レンジ間において、JIS B0155にある番号2623の方法を用いた。
(3)実施例2に係る感磁ワイヤを用いた場合も上述した実施例1に係る感磁ワイヤを用いた場合と同様に、従来例と明らかに異なる優れたヒステリシス特性(3A/m)および前述した直線性(0.8%F.S.)が得られることが確認された。これにより、実施例2に係る感磁ワイヤも、磁壁を有しないボルテックススピン構造からなるといえる。
上述した実施形態または実施例を踏まえ、本発明の構成は以下に述べるような内容によってさらに具体的に表現され得る。なお、以下では感磁ワイヤを取り上げて説明するが、MI素子またはMIセンサについても同様に該当する。
(1)合金組成
感磁ワイヤは、前述したように、零磁歪となるCo−Si系合金さらにはCo−Si−B系合金、特にCo−Fe−Si−B系合金からなると好ましい。
Co−Fe−Si−B系合金の場合、例えば、全体を100原子%(at%)としたときに、Co:60〜80at%、Fe:3〜7at%、Si:5〜20at%およびB:7〜30%とできる。さらにCo:65〜75at%、Fe:4〜6at%、Si:7〜15at%またはB:10〜20%であるとより好ましい。なお、各元素の組成範囲を示す上限値または下限値は、上記数値範囲内に含まれる任意の数値を用いることができる。
また、それらの元素の他、本発明の感磁ワイヤは、その特徴(ボルテックススピン構造、ヒステリシス特性)を阻害しない改良元素を少量含み得る。勿論、不可避不純物を含み得ることはいうまでもない。
(2)熱処理
本発明の感磁ワイヤは、上記のような組成をもつ合金からなるアモルファスワイヤからなると好ましい。そのアモルファスワイヤに適切な熱処理を施すことで、ワイヤの表層部のみならずその内周部をもボルテックススピン構造とすることができる。この熱処理は、不活性ガス雰囲気または真空雰囲気中で、アモルファスワイヤが完全に結晶化しない温度内で加熱する処理であるとよい。加熱温度は、例えば、300〜650℃、400〜630℃さらに500〜600℃が好ましい。加熱時間は、2〜60秒(s)さらには4〜10sが好ましい。この熱処理の際、ワイヤにテンションを加えるとよい。テンションを加えるのは、アモルファスワイヤに内部応力を導入するためである。
この印加するテンションは、30〜2000MPa、100〜1000MPaさらには100〜400MPaであると好ましい。
(3)感磁ワイヤの特性
先ず、感磁ワイヤのヒステリシス特性は、7A/m以下、5A/m以下さらには3A/m以下であると好ましい。この程度であれば、実質的にヒステリシスがゼロと見なせる。
次に、感磁ワイヤの直線性は、MIセンサで検出されたピーク電圧に対応する印加磁場により特定される特定印加磁場間の30%において、2%F.S.以下、1.5%F.S以下、1%F.S以下さらには0.8%F.S以下であると好ましい。
なお、本明細書でいう「x〜y」は、特に断らない限り、下限値xおよび上限値yを含む。また、本明細書に記載した下限値および上限値は任意に組合わせて、「a〜b」のような範囲を構成し得る。さらにその上限値または下限値には、記載した数値範囲内に含まれる任意の数値で置換できる。
Claims (7)
- ワイヤ表層部で各スピンが一定の円周方向に連続的に配列していると共に、その表層部の内周側である内側部では各スピンがアモルファスワイヤの中心に近づくに従って徐々に円周方向から軸方向に回転していきそのワイヤ中心では軸方向に向く、連続的なスピン配列となるボルテックススピン構造を有することを特徴とする感磁ワイヤ。
- 表層から中心にかけて磁壁を有しない請求項1に記載の感磁ワイヤ。
- 零磁歪となる軟磁性合金のアモルファスからなる請求項1または2に記載の感磁ワイヤ。
- 前記軟磁性合金は、コバルト(Co)およびケイ素(Si)を必須元素とするCo−Si系合金である請求項3に記載の感磁ワイヤ。
- 直径が0.5〜15μmである請求項1に記載の感磁ワイヤ。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の感磁ワイヤを磁気検出体とするマグネトインピーダンス素子。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の感磁ワイヤを磁気検出体とするマグネトインピーダンスセンサ。
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