JP5765907B2 - 磁性部材および電子部品 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品の一部を構成可能な磁性部材に関する。

近年、複数の超常磁性粒子を固体中に分散させた磁性部材からなる電子部品（磁気センサ）が提案されている（特許文献１）。

特表２００９−５１１８６８号公報

上述した磁性部材においては、固体により超常磁性粒子それぞれの位置が保持されているため、使用時に外部から交流磁場を印加した場合でも、超常磁性粒子自体の変位、つまりブラウン機構による磁化および消磁はなされない。この場合、超常磁性粒子の磁気応答は、粒子に内在する磁気モーメントの変位、つまりニール機構による磁化および消磁に依存する。

ただ、使用時に外部から印加される交流磁場の周期Ｔが、ニール機構により磁化および消磁するのに要する時間（緩和時間）τよりも短い場合、この周期Ｔに磁気応答が追いつかなくなり、結果的に超常磁性の特性を失い、磁気ヒステリシスを生じてしまうという課題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、使用時に超常磁性の特性を失って磁気ヒステリシスを生じてしまうことのない磁性部材を提供することである。

上記課題を解決するため第１の構成は、電子部品の一部を構成可能であり、複数の超常磁性粒子それぞれを保持してなる磁性部材であって、前記超常磁性粒子それぞれは、少なくとも、該超常磁性粒子におけるニール緩和時間τｎが、前記電子部品として用いられる際に当該磁性部材に印加される交流磁界の周期Tよりも短くなる（τｎ＜T）ように定められた粒径で形成されている。

このように構成された磁性部材では、超常磁性粒子それぞれが保持されているため、使用時に外部から信号を印加した場合に、超常磁性粒子自体の変位、つまりブラウン機構による磁化および消磁が制限される。そのため、超常磁性粒子の磁気応答は、粒子に内在する磁気モーメントの変位、つまりニール機構による磁化および消磁に依存する。

このとき、ニール機構により磁化および消磁するのに要する時間（緩和時間）τは、超常磁性粒子の粒径に応じて遅くなるが、上記構成において、超常磁性粒子それぞれは、少なくとも超常磁性粒子におけるニール緩和時間τｎが、使用時に印加される信号の周期Tよりも短くなる（τｎ＜T）ように粒径が定められている。そのため、使用時に外部から印加される交流磁界の周期Ｔが上記緩和時間τよりも短くなることはなく、この周期Ｔに磁気応答が追いつかなくなることがないため、結果的に磁気ヒステリシスを生じることがない。

この構成において、超常磁性粒子それぞれを保持するためには、例えば、超常磁性粒子それぞれを直接または間接的に密着させることにより変位不能としてもよいし、何らかの基材を用いて変位不能としてもよい。

具体的には、例えば、上記構成を以下に示す第２の構成のようにすることが考えられる。この構成において、前記超常磁性粒子それぞれは、ブラウン機構による変位を抑制可能な基材中に分散させることにより、ブラウン機構による変位が制限された状態で保持されている。

このように構成された磁性部材であれば、超常磁性粒子それぞれを基材中に分散させることで、ブラウン機構による変位が制限された状態で保持することができる。
また、この構成において、固体の基材中に超常磁性粒子それぞれを分散させるためには、例えば、第３の構成のようにするとよい。

この構成において、前記基材は、非磁性の部材であり、該部材を液化した状態で前記超常磁性粒子それぞれを分散させてから固化することによって、前記超常磁性粒子を保持している。

このように構成された磁性部材であれば、液化した部材中に超常磁性粒子それぞれを分散させてから固化することにより、超常磁性粒子それぞれが固体の基材中に分散されたものとすることができる。

また、上記第３の構成において、前記超常磁性粒子それぞれは、第４の構成のように、該超常磁性粒子の表面に非磁性のコーティング層が形成されている。
この構成であれば、超常磁性粒子それぞれに非磁性のコーティング層が形成されているため、この超常磁性粒子それぞれを液化された基材中に分散させた際の両者の親和性を高めることができ、これにより、超常磁性粒子それぞれを固化した基材中に確実に保持することができる。

また、上記課題を解決するための第５の構成は、磁心を備えたトランスまたは磁気センサとして用いられる電子部品であって、前記磁心には、第１から第４のいずれかの構成に係る磁性部材が用いられている。この構成であれば、第１から第４のいずれかの構成と同様の作用、効果を得ることができる。

また、上記課題を解決するための第５の構成は、磁心を備えたインダクタとして用いられる電子部品であって、前記磁心には、第１から第４のいずれかの構成に係る磁性部材が用いられている。この構成であれば、第１から第４のいずれかの構成と同様の作用、効果を得ることができる。

超常磁性粒子における粒径と緩和時間との関係を示すグラフ 異なる温度、異方性定数における超常磁性粒子の粒径と緩和時間との関係を示すグラフ 磁気部材を適用した電流検出用のセンサを示す図（１） 磁気部材を適用した電流検出用のセンサを示す図（２） 磁気部材を適用した電流検出用のセンサを示す図（３） 磁気部材を適用した電流検出用のセンサを示す図（４） 磁気部材を適用したＥＭＩフィルタを示す図 磁気部材を適用したチップアンテナを示す図

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（１）磁性部材の特徴
磁性部材は、複数の超常磁性粒子それぞれを保持してなる部材であり、電子部品の一部を構成するものである。この超常磁性粒子それぞれの粒径は、磁気応答の速度に応じて定められている。

磁気応答は、粒子そのものが反転するブラウン機構、および、粒子における磁気スピンが反転するニール機構それぞれによるものであり、図１に示すように、その速度は、ブラウン機構およびニール機構それぞれにおいて反転が起こる時間（緩和時間）τで決まる。

この緩和時間τは、超常磁性粒子の粒径ｄに応じて長くなるが、ニール機構による緩和時間τｎの方が、ブラウン機構による緩和時間τｂに比べて粒径による変動幅が大きく、一定の粒径ｄｔｈを超えるまで緩和時間τｂより小さいが、粒径ｄｔｈを超えた以降、緩和時間τｂより大きくなる。つまり、粒径ｄｔｈを超えなければ、ブラウン機構よりもニール機構における磁気応答の方が速く、ニール機構による磁気応答が優勢になる一方、粒径ｄｔｈを超えると、ブラウン機構よりもニール機構による磁気応答の方が遅くなり、ブラウン機構による磁気応答が優勢になる。

また、ニール機構による緩和時間τｎは、以下に示す式１により求められるものであり、定数（定数とみなせるものも含む）を除くと、温度Ｔ，異方性定数кおよび粒径Ｒに応じて決まる値になる。

図２に、この式１に基づき、複数の温度Ｔ（本実施形態では、―４０℃（≒２３３Ｋ）、２５℃（≒２９８Ｋ）、１３０℃（≒４０３Ｋ））それぞれにおける粒径Ｒに応じた緩和時間τｎの変化を表したグラフ（同図（ａ））と、複数の異方性定数к（本実施形態では、３０，４１，５０，６０，７０）それぞれにおける粒径Ｒに応じた緩和時間τｎを表したグラフ（同図（ｂ））と、を示す。なお、この例では、超常磁性粒子として酸化鉄系の材料を使用した場合における基準緩和時間τ０として１０＾（−９）ｓｅｃを使用している。

このグラフをみると、温度Ｔが高くなるほど、または、異方性定数кが小さくなるほど、同じ粒径Ｒに対する磁気応答（周波数応答）の性能が悪化することが分かる。また、粒径Ｒがある程度小さい領域になると、温度Ｔおよび異方性定数кの違いによる影響が少なくなっているため、この領域の粒径Ｒを採用すれば、外部環境の温度Ｔや異方性定数кこれらファクターの影響を受けないようにすることができる。

このような特性に照らし、本実施形態では、少なくとも、超常磁性粒子におけるニール緩和時間τｎが、電子部品として用いられる際に当該磁性部材に印加される交流磁界の周期Ｔよりも短くなる（τｎ＜Ｔ）ように超常磁性粒子の粒径が定められている。

また、超常磁性粒子それぞれは、ブラウン機構による変位が制限（本実施形態では、抑止）されるように保持されており、それぞれが直接または間接的に密着することで保持された構成となっていればよい。ここでいう「間接的に密着」とは、超常磁性粒子表面に被膜を形成したり、何らかの媒体を介在させた状態での密着のことである。

また、超常磁性粒子それぞれは、ブラウン機構による変位を抑制可能な基材中に分散させることにより、ブラウン機構による変位が制限されるように保持された構成としてもよい。この場合、非磁性の部材（例えば、樹脂材料、セラミックなど）を基材とし、該部材を液化した状態で超常磁性粒子それぞれを分散させて一定の位置関係としてから固化することによって、超常磁性粒子を保持することとすればよい。なお、ブラウン機構による変位を抑制可能であれば、ゲル状や粘性の高い液体を基材として採用することもできる。

なお、超常磁性粒子それぞれは、隣接する超常磁性粒子における超常磁性の特性を所定のしきい値以上損なってしまうことのない位置関係となっていればよく、その位置関係が維持される濃度を上限として基材中に分散されている。

こうして、超常磁性粒子を基材中に分散させる場合には、各超常磁性粒子の表面に非磁性のコーティング層を形成しておくことが、超常磁性粒子と基材との親和性を高めて確実な保持を実現するために望ましい。このコーティング層には、界面活性剤、酸化被膜、有機材料または非磁性の無機材料などを採用することが考えられる。
（２）具体的な適用構成
上述した磁性部材を適用する電子部品としては、例えば、以下に示すようなものが考えられる。

まず、図３に示すように、環状に形成した複数の磁性部材１を連ねると共に、それぞれ各磁性部材１の全周にわたって巻き付けられた複数の励磁コイル１２と、複数の磁性部材１それぞれをまたがって巻き付けられた検出コイル１４と、を備えた電流検出用のセンサとすることが考えられる。この磁気センサでは、複数の磁性部材１における環状部分を通された導線１８に流れる電流を検出する。

また、図４に示すように、環状に形成した磁性部材２からなり、磁性部材２の一部分に形成されたギャップ２２と、このギャップ２２内に配置されたホール素子２４と、を備えた電流検出用のセンサとすることが考えられる。この磁気センサは、磁性部材２における環状部分を通された導線２８に流れる電流を検出する。

また、図５に示すように、環状に形成した磁性部材３からなり、磁性部材３の全周にわたって巻き付けられた平衡コイル３２と、磁性部材３の一部分に形成されたギャップ３４と、このギャップ３４内に配置されたホール素子３６と、を備えた電流検出用のセンサとすることが考えられる。この磁気センサは、磁性部材３における環状部分を通された導線３８に流れる電流を検出する。

また、図６に示すように、環状に形成した磁性部材４からなり、この磁性部材４における環状部分を分割するようにつなぐ連結磁路４２と、磁性部材４の全周にわたって巻き付けられた励磁コイル４４と、連結磁路４２の全長にわたって巻き付けられた検出コイル４６と、を備えた電流検出用のセンサとすることが考えられる。この磁気センサは、磁性部材４における環状部分を、連結磁路４２で分割された一方の領域から他方の領域に抜けるように通された導線４８に流れる電流を検出する。

また、図７に示すように、筒状に形成した磁性部材５からなり、この筒状部分に導線５２を貫通させて用いるフェライトビーズとすることが考えられる。このフェライトビーズであれば、高周波に対して高い透磁率をもつ磁性部材５を用いることで、導体５２に急峻なスパイクなどの高周波ノイズが発生したとしても、この高周波ノイズに対して磁性部材５の透磁率に起因する高いインピーダンスを示すため、このような高周波ノイズの導体５２への流通を抑制することができる。

なお、同様の作用効果が得られる構成としては、上記筒状の磁性部材５に導体５２を貫通させた構成に限らず、例えば、リング状の磁性部材に導体を巻き付けた構成、柱状の磁性部材内部に螺旋状の導体を埋設した構成などとしてもよい。

また、図８に示すように、矩形の板状に形成した磁性部材７からなり、この板状の表面における下側の領域に左右方向に拡がる接地導体７２を設けると共に、それ以外の領域に左右方向に伸びるアンテナ導体７４を設けたチップアンテナとすることが考えられる。この実施形態では、アンテナ導体７４がＦ型に形成されているが、アンテナ導体としての形状はこの形状に限定されない。また、アンテナ導体７４の一端側が接地導体７２と接続されているが、この一端側は必ずしも接地導体７２と接続されていなくてもよい。

なお、上述した磁性部材を適用する電子部品には、上述した以外に、例えば、トランスや、インダクタなど、磁気センサ以外に採用できることはいうまでもない。
（３）作用，効果
このように構成された磁性部材では、超常磁性粒子それぞれが保持されているため、使用時に外部から信号を印加した場合に、超常磁性粒子自体の変位、つまりブラウン機構による磁化および消磁が制限される。そのため、超常磁性粒子の磁気応答は、粒子に内在する磁気モーメントの変位、つまりニール機構による磁化および消磁に依存する。

このとき、ニール機構により磁化および消磁するのに要する時間（緩和時間）τは、超常磁性粒子の粒径に応じて遅くなるが、上記構成において、超常磁性粒子それぞれは、少なくとも超常磁性粒子におけるニール緩和時間τｎが、使用時に印加される信号の周期Tよりも短くなる（τｎ＜T）ように粒径が定められている。そのため、使用時に外部から印加される交流磁界の周期Ｔが上記緩和時間τよりも短くなることはなく、この周期Ｔに磁気応答が追いつかなくなることがないため、結果的に磁気ヒステリシスを生じることがない。

また、上記実施形態において、ブラウン機構による変位を抑制可能な基材中に超常磁性粒子それぞれを分散させた場合には、超常磁性粒子それぞれを基材中に分散させた状態でブラウン機構による変位を制限した状態で保持することができる。

また、上記実施形態において、非磁性の部材である基材を液化した状態で超常磁性粒子それぞれを分散させてから固化した場合には、液化した部材中に超常磁性粒子それぞれを分散させてから固化することにより、超常磁性粒子それぞれが固体の基材中に分散されたものとすることができる。

また、上記実施形態において、超常磁性粒子それぞれの表面に非磁性のコーティング層が形成されている場合には、非磁性のコーティング層にて超常磁性粒子それぞれを液化された基材中に分散させた際の両者の親和性を高めることができ、これにより、超常磁性粒子それぞれを固化した基材中に確実に保持することができる。

１…磁性部材、１２…励磁コイル、１４…検出コイル、１８…導線、２…磁性部材、２２…ギャップ、２４…ホール素子、２８…導線、３…磁性部材、３２…平衡コイル、３４…ギャップ、３６…ホール素子、３８…導線、４…磁性部材、４２…連結磁路、４４…励磁コイル、４６…検出コイル、４８…導線、５…磁性部材、５２…導線、７…磁性部材、７２…接地導体、７４…アンテナ導体。

Claims (4)

1. 磁心を備えたセンサとして用いられる電子部品の前記磁心として用いられるとともに、複数の超常磁性粒子それぞれを保持してなり、１．００Ｅ＋０８［Ｈｚ］以下の交流磁界である外部磁場が印加された状態で電子部品として使用される磁性部材であって、
   前記超常磁性粒子それぞれは、前記電子部品として用いられる際に外部環境となる複数の温度のうち、最も磁気応答の性能が悪化する温度となる１３０℃について、少なくとも、該温度における磁気応答の速度で規定されるニール緩和時間τｎが、１．００Ｅ＋０８［Ｈｚ］以下の前記交流磁界における周期Ｔよりも短くなる（τｎ＜Ｔ）よう該周期Ｔに応じたものとして採用された８ｎｍ以上の粒径で形成され、隣接する前記超常磁性粒子における超常磁性の特性が維持される位置関係で、表面に形成された非磁性の被膜を介して間接的に密着することにより、ブラウン機構による変位が制限されている
   ことを特徴とする磁性部材。
2. 前記超常磁性粒子それぞれは、少なくとも、該超常磁性粒子の異方性定数に応じた磁気応答の速度で規定されるニール緩和時間τｎが、１．００Ｅ＋０８［Ｈｚ］以下の前記交流磁界の周期Ｔよりも短くなる（τｎ＜Ｔ）ように採用された８ｎｍ以上の粒径で形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁性部材。
3. 前記超常磁性粒子それぞれは、下記の式１にて求められるニール緩和時間τｎが、１．００Ｅ＋０８［Ｈｚ］以下の前記交流磁界の周期Ｔよりも短くなる（τｎ＜Ｔ）ように選択された８ｎｍ以上の粒径で形成されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁性部材。
   
4. 磁心を備えたセンサとして用いられる電子部品であって、
   前記磁心には、請求項１から３のいずれかに記載の磁性部材が用いられている
   ことを特徴とする電子部品。