JPH0499005A

JPH0499005A - 磁歪膜

Info

Publication number: JPH0499005A
Application number: JP16962890A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Ikeda; 満昭池田; Shigehiro Ogata; 緒方　茂宏
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1990-06-26
Filing date: 1990-06-26
Publication date: 1992-03-31

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、磁歪の逆効果を利用した非障触形の歪み検出
器あるいはトルクセンサや高出力音波振動子その他の磁
歪装置に用いられる磁歪膜に関する。

［従来の技術］磁歪膜を用いた機器の磁歪膜としては、■磁気変化に対
する変位量を大きくし、特性を向上させるために飽和磁
歪定数（λＳ）が大きい。

■小形化のために動作磁界が小さい。

ことが要求される。

このため、従来種々の磁性材料が用いられているが、飽
和磁歪定数の絶対値がｔｏｏ×１０””を超える磁性材
としては、たとえば、　Ｔｂ５Ｆｅのような希土類元素
を含む金属間化合物、あるいはＣｏ　Ｆ　ｅ　ｔｏｈ酸
化物しか見当たらなかった。

また、磁性膜を用いた機器の例として、磁歪式トルクセ
ンサの構成例を第４図に示しており、図においてｌは回
転軸、２・３は回転軸ｌの周囲に固着した磁歪膜で、短
冊状の素片を適宜の角度で並べて設け、対称的に傾斜さ
せである。４・５は各磁歪膜の外側に設けた検出コイル
である。

回転軸ｌにトルクＴが加わると、傾斜させて固着した磁
歪膜２・３の長軸方向を主軸とする主応力が発生し、ト
ルクの方向により一方の磁歪膜２に圧縮応力が作用し、
他方の磁歪膜３に引っ張り応力が生じる。このたぬ、磁
歪定数が０でないそれぞれの磁歪膜の磁気的特性が変化
し、検出コイル４・５の一方はインダクタンスが減少し
、他方は増大して、トルクの大きさに応じた出力が得ら
れる。

このような歪み検出器などの磁歪膜としては、高出力を
得るため、一般に非晶質合金、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ
合金）、Ｆｅ−５ｉ合金などの磁性体が用いられている
が、薄い磁性体を回転軸に接着剤で貼着すると、温度上
昇やトルクにより接着がゆるんだり、接着剤の剛性が小
さいためトルクの伝達が不正確になるなどの欠点があり
、このため、磁性合金をスパッタ、蒸着、イオンプレー
ティングなどの方法で固着させる方法が採用されている
。（特開昭６０−４２６２８号公報）また、トルクセン
サにおいて高透磁率膜を得るため、Ａｌ−Ｆｅ合金を温
度２００℃に加熱した状慈でスパッタリングを行い、あ
るいは、Ｎｉ　−Ｐｅ合金を温度２５０℃でスパッタリ
ングを行って、数μｍからＩＯμｍ程度に厚くした磁歪
膜を形成するもの（特開昭６３−２６５４１号公輸）や
、本出願人が先に提案しているように、回転軸の温度を
２８０〜５００℃に保持した状頼で、軸心に対して３０
〜６０’の方向に磁界を印加し、Ｎｉを３５〜６５重量
％含んだＮｉ−Ｆｅ合金をスパッタ法あるいはイオンプ
レーティング法により磁歪膜を形成させるもの（特開平
−１２３４８７号公報）がある。

しかし、これらは高透磁率膜の特性のばらつきをなくし
、固着を安定に保持させ、あるいは異方性を向上させる
ことに注目したものであり、温度の選定と膜厚をさらに
薄くすることによって磁歪膜の飽和磁歪定数の絶対値を
大きくすることについては全く考慮されていなかった。

［発明が解決しようとする課題］上述のように飽和磁歪定数が大きい磁歪膜として希土類
元素を含んだ金属間化合物は、単結晶らしくは一方向凝
固法で製造されないと、所望の特性が得られず、歩留ま
りが悪いとともにコスト的にも高価であり、衝撃に弱い
ため、利用分野が制限される欠点がある。

さらに、前述の特開昭６３−２６５４１号にも記載され
ているように、磁歪膜の膜厚が厚い場合は下地との密着
性が悪く、剥離し易いなどの欠点があり、あまり薄い場
合は下地の表面粗さの影響を受けて膜厚が一定せず、十
分な磁束が通せないため感度が鈍く、磁界を強くしても
出力が改善されなかった。

また、現状の磁歪材料合金として知られているＲＦｅ５
　　（Ｒは希土類元素）の磁界に対する飽和磁歪定数は
、第５図の磁界−磁歪定数特性曲線に示すように大きな
値を得ることができるが、磁界の強さとして数１０にθ
、を要し、低磁界で動作するＤｙＦｅ３でも、２３０Ｘ
１０−＠の飽和磁歪定数を得るにはＩＫθ、の磁界が必
要であり、このように大きな磁界を与えるようにすれば
、機器の小形化は到底望めない。

このため、前述の要件を満たし、製造が容易で衝撃に強
い磁歪材料が望まれている。

［課題を解決するための手段］本発明者は、上記の課題に対して研究を重ね、延性を有
する磁歪合金を真空技術を用いて２．５μｍ程度以下に
薄膜化することにより、飽和磁歪定数が異常に大きくな
ることを見い出し、バルク材での飽和磁歪定数の絶対値
がｌ０×１０−６以上の合金を温度３５０℃以上で真空
薄膜形成法によって厚さ２．５μｍ程度以下に形成し、
あるいは３５０℃未満で厚さ２．５μｍ程度以下に薄膜
形成して３５０℃以上でアニールすることにより、飽和
磁歪定数の絶対値がｌ００ｘｌｏ−”を超える磁歪膜を
形成させることができた。

なお、温度は下地の熔融温度や薄膜の拡散を生じない程
度にする必要があり、実用的には６００〜６５０℃程度
までが適当であると思われる。

また、薄膜材料としては、金属間化合物を除くＮｉ、Ｇ
ｏおよびＮｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｇｏ−
Ｆｅやアモルファスを含む合金が用いられる。

トルクセンサとして用いるときのように、透磁率を大き
くする必要がある場合は、バルク材の状態における飽和
磁歪定数が２０×１０−６以上の合金を温度３５０〜５
５０℃で２．５μｍ程度以下に真空薄膜形成するか、３
５０℃未満で薄膜形成したのち、３５０〜５５０℃でア
ニールするのがよい。

［作用コ磁歪材料を薄膜化することにより、飽和磁歪定数の絶対
値をバルク材の場合に比して著しく増大させることがで
きる理由は明らかでないが、磁歪は磁性材料に磁界を加
えると材料の寸法が変化する現象であり、磁化をになっ
ているＦｅ、Ｎｉ。

Ｃｏなどの原子の配置いわゆる結晶構造が関係している
が、バルク材と薄膜では結晶構造が同じであっても、薄
膜になると圧倒的に欠陥の量が多くなり、その結果、平
均的原子間隔が異なり、このようなミクロ的な構造の相
違により磁歪の増大を生じるものではないかと考えられ
る。

また、真空技術による薄膜の形成で膜の保磁力を小さく
できるため、低磁界で磁歪定数が大きくなる。

なお、膜作製時の温度が低いと膜の結晶化が不十分で透
磁率が小さく、逆に温度が高すぎると薄膜が拡散したり
、下地の材質によって熔融するおそれがあるだけでなく
、結晶粒が粗大化して透磁率の低下を生じる。

［実施例］以下、本発明を実施例について詳述する。

Ｎ１−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｆｅ−Ａｌ系およびＧｏ
−Ｆｅ系合金を用い、スパッタ法、真空蒸着法、イオン
プレーティング法によって下地となる石英基板（０，０
１ＸＩ　ＯＸ２０ｍｍ）　　上に厚さを変えて種々の磁
歪膜を形成させた。

スパッタ法により５ＯＮｉ−Ｆｅ合金で磁歪膜を作製し
た場合の例について説明すると、石英基板をトリクレン
および純水中で順次に超音波洗浄を行い、スパッタ装置
内にセットし、真空槽内を５×１０−＠Ｔｏｒｒに排気
したのちアルゴンガスを３Ｘ１０−”Ｔｏｒｒ導入し、
石英基板の加熱温度を２００〜６００℃の範囲内でそれ
ぞれ異なる温度に調整し、ターゲット電圧−４００Ｖ、
電流０．９Ａの条件下でスパッタリングを行い、石英基
板上にスパッタ時間を制御して厚さが異なる磁歪膜を形
成させた。なお、膜の形成時に磁界を加えないものと、
ｌＯθ、の磁界を加えたものとを作った。

このように作製した磁歪膜の飽和磁歪定数を測定した結
果、３５０℃以上で作製した膜については、第１図の特
性曲線ａに示すように膜厚が３μｍから薄くなるにした
がって飽和磁歪定数の絶対値が急激に増大し、２．５μ
ｍ以下では１００×１０−”を超え、とくに膜形成時に
磁界を印加した場合は、特性曲線すで示すように、さら
に大きな値が得られた。

なお、温度が３５０℃未満で薄膜形成したものを、３５
０℃以上でアニールした結果、３５０℃以上で薄膜形成
したものと同様の特性を得ることができた。

他の材料や膜形成法によって作製した磁歪膜の飽和磁歪
定数を測定した結果を、バルク値と比較して付表に示し
ており、いずれの材料でも同様に２〜２．５μｍ以下で
飽和磁歪定数が増大する傾向が見られる。

この結果、磁歪膜の膜作製法によらず、バルク材での飽
和磁歪定数の絶対値がｔｏｘ＋ｏ−’以上の合金を、温
度３５０℃以上で膜厚を２．５μｍ程度以下に形成すれ
ば、１００×１０−６以上の大きな磁歪が得られること
が明らかになった。

また、真空蒸着法により８ＯＮｉ−Ｃｏ合金を用いた例
について説明する。

真空槽内を７×１０−’Ｔｏｒｒに排気し、８ＯＮｉ−
Ｃｏ合金膜を１００　０．磁界中で石英基板にそれぞれ
所定温度で膜厚を変えて蒸着した。この磁歪膜の膜厚に
対する飽和磁歪定数を測定した結果を第１図の特性曲線
Ｃに示している。

一方、蒸着時の基板温度による透磁率の変化を調べた結
果は、第２図に示すように３００℃を超えると急激に増
大し、５５０℃を超えると急激に低下しており、この傾
向は総ての材料および他の方法によって作製した膜に共
通していた。

また、３５０℃未満で作成した膜を３５０〜５５０℃で
アニールしても同じ傾向が得られた。

上記の真空蒸着によって作製した５μｍ以下の磁歪膜を
使って従来と同様のトルクセンサを試作し、出力の大き
さを測定した。その結果、第３図に示すように蒸着温度
が３００℃以下および５７５℃以上で作製したものでは
、出力が膜厚に比例していたが、３５０〜５５０℃で作
製した磁歪膜を使った場合は、膜厚が２．５μｍ以下で
出力が大きくなる傾向があることが分かった。

しかし、バルク材における飽和磁歪定数カ月７×１０−
”である７ＯＮｉ−Ｃｏについて同様の実験を行った結
果は、膜厚が薄くなっても出力の向上が認められなかっ
た。膜厚を０．５μｍに薄くすると飽和磁歪定数が５０
０ｘｌＯ−が得られるが、材質による膜厚低下に伴う出
力の減少の方が大きいためと思われる。

なお、バルク材の状態で飽和磁歪定数が２０ｘｌＯ−６
以上である５ＯＮｉ−Ｆｅ、５ＯＮｉ　−Ｆｅ−５Ｍｏ
、６５Ｎｉ−Ｆｅ、７ＯＮｉ−Ｃ。

Ｎｉ、Ｃｏ、８７Ｆｅ−ＡＩ、６０Ｃｏ−Ｆｅ。

５０Ｃｏ−Ｆｅ−２Ｖの薄膜により同様のトルクセンサ
を試作して出力を調べた結果は、いずれも２．５μｍ以
下で出力の向上が得られた。

［発明の効果コ本発明は上述のように、バルク材の状態で飽和磁歪定数
の絶対値が１０ｘｌＯ−６以上の合金を、温度３５０℃
以上で真空薄膜形成によって２．５μｍ程度以下の厚さ
に形成し、あるいは３５０℃以下で形成して３５０℃以
上でアニールすることにより、飽和磁歪定数の絶対値を
大きくし、顕著な磁歪効果が得られ、希土類元素を含ま
ないでスパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング
法などによって作製でき、安価で延性に富み、衝撃に対
する脆さがない磁歪膜を提供でき、利用範囲を拡大させ
ることができる。

また、バルク材の状態での飽和磁歪定数が２０×１０−
６以上の合金を温度３５０〜５５０℃で真空薄膜形成し
、あるいは３５０℃以下で形成して３５０〜５５０℃で
アニールすれば、透磁率が高くトルクセンサとして有効
なＷｆｉ膜が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による実施例磁歪膜の膜厚と飽和磁歪定
数との関係を示す特性曲線図、第２図は磁歪膜作製時の
温度による透磁率の関係を示す特性曲線図、第３図は蒸
着温度を異にする磁歪膜の膜厚と出力比の関係を示す特
性曲線図、第４図は磁歪式トルクセンサの例を示す概略
構成図、第５図は従来の磁歪材料の磁界に対する磁歪定
数の関係を示す特性曲線図である。 ■は回転軸、２・３は磁歪膜、４・５は検出コイルであ
る。特許出願人　株式会社　安用電機製作所第３図第４圏膜厚（μｍ）基板温Ｊ！（’Ｃ）磁界Ｈ（Ｋ□ｅ）

Claims

【特許請求の範囲】１　バルク材の状態で飽和磁歪定数の絶対値が１０×１
０＾−＾６以上の合金を、温度３５０℃以上で、２．５
μｍ程度以下の厚さに真空薄膜形成したことを特徴とす
る磁歪膜。２　バルク材の状態で飽和磁歪定数の絶対値が１０×１
０＾−＾６以上の合金を、温度３５０℃未満で、２．５
μｍ程度以下の厚さに真空薄膜形成したのち、３５０℃
以上でアニールすることを特徴とする磁歪膜。３　バルク材の状態で飽和磁歪定数の絶対値が２０×１
０＾−＾６以上の合金を、温度３５０〜５５０℃で、２
．５μｍ程度以下の厚さに真空薄膜形成し、トルクセン
サに用いることを特徴とする磁歪膜。４　バルク材の状態で飽和磁歪定数の絶対値が２０×１
０＾−＾６以上の合金を、温度３５０℃未満で、２．５
μｍ程度以下の厚さに真空薄膜形成したのち、３５０〜
５５０℃でアニールし、トルクセンサに用いることを特
徴とする磁歪膜。５　前記合金が、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｎｉ−Ｃｏ系，Ｎｉ−Ｆ
ｅ系，Ｆｅ−Ａｌ系，Ｃｏ−Ｆｅ系のいずれかの合金で
ある請求項１、２、３または４記載の磁歪膜。６　前記真空薄膜が、スパッタ法、真空蒸着法、イオン
プレーティング法のいずれかで形成される請求項１、２
、３または４記載の磁歪膜。７　前記真空薄膜形成が、磁界を印加した状態で形成さ
れる請求項１、２、３または４記載の磁歪膜。