JPH098378A

JPH098378A - 磁歪素子

Info

Publication number: JPH098378A
Application number: JP7171556A
Authority: JP
Inventors: Hiroko Uyama; 浩子宇山; Naoya Hasegawa; 直也長谷川; Teruhiro Makino; 彰宏牧野
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 1997-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】希土類−鉄系の磁歪材料のうち、希土類（正
の磁歪を示す元素と負磁歪を示す元素）の組成比を変
え、磁歪値に傾斜をつけることにより、例えば磁歪アク
チュエータの効率を向上させる。【構成】希土類−鉄系の磁歪材料で構成された、正磁
歪を示す希土類元素と負磁歪を示す希土類元素を組み合
わせとする素子であって、特に膜面内または膜厚方向に
おいて、磁歪に傾斜をつけた磁歪素子と膜方向で磁歪に
傾斜をつけた磁歪素子とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁界を印加することに
よって作動する磁歪素子、特に高磁歪を利用した磁歪応
用デバイスに適した磁歪素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】磁歪を利用した装置としては、磁歪フィ
ルタ、磁歪センサ、磁歪駆動アクチュエータ、磁歪振動
子、超音波遅延線等が知られている。これらには特にＦ
ｅと希土類元素を含む高磁歪材料を使用した磁歪素子が
用いられてきた。磁歪材料を実際の装置に応用する際
は、低磁界の印加で高磁歪が実現できる特性が望まし
く、希土類系の材料を用いた磁歪素子がよく知られてい
る。

【０００３】このような磁歪素子の例として、図１０、
図１２に示したものがある。図１０に示す磁歪素子はユ
ニモルフ型の片持ち梁型アクチュエータであり、図１２
に示すものはユニモルフ型の磁歪素子をさらに進歩させ
たバイモルフ型のアクチュエータを示すものである。

【０００４】図１０に示したユニモルフ型の磁歪素子は
長方形の基板１にＦｅと希土類元素を含み、絶対値で１
０−５〜１０−３の高い磁歪値を有する磁性膜２を成膜
したものである。磁性膜２に外部から磁界が印加される
と、磁性膜２が膨張もしくは圧縮する。この時、例えば
磁性膜２が正の磁歪を有しているとすると、基板１の長
手方向（図１１、矢印Ｇの方向）に磁界が印加されたと
き、磁性膜２が矢印Ｇの方向に膨張するため、磁歪素子
は図１１（ａ）のように変位する。また、Ｈの方向に磁
界が印加されたとき、磁性膜２はＨの方向に膨張するた
め、矢印Ｇの方向においては圧縮する。従って、磁歪素
子は図１１（ｂ）のように変位する。

【０００５】一方、図１２に示すバイモルフ型の磁歪素
子はユニモルフ型の磁歪素子と同様の基板１の両面に高
い磁歪値を有する磁性膜３、４が成膜されている。磁性
膜３、４はどちらかが正磁歪、どちらかが負磁歪を示す
磁性膜であり、外部から磁界を印加した場合、磁性膜
３、４は一方が圧縮し、他方は膨張する。従って、ユニ
モルフ型の磁歪素子の場合と同様、磁歪素子が変位す
る。しかし、バイモルフ型の磁歪素子の場合、磁性膜
３、４の２層の磁性膜で基板を変位させることができる
ため、より大きな変位と駆動力を得ることが出来る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たようなユニモルフ、バイモルフ型の磁歪素子には次の
ような欠点があった。

【０００７】ユニモルフ型の素子においては基板１に磁
性膜２を片方にだけ成膜すればよいだけであるため、構
造が簡単で磁歪素子が製造しやすいという利点があるも
のの、振動を励起させる磁性膜が単層であるため、大き
な変位を得ることが難しいという欠点があった。

【０００８】また、バイモルフ型の磁歪素子においては
ユニモルフ型の磁歪素子よりも大きな変位が得られると
いう利点があるものの、基板の両面に磁性膜を形成しな
くてはならず、スパッタリング法などで磁性膜３、４を
成膜する場合、基板１の両面に２回に分けて磁性膜３、
４を成膜しなくてはならないため、製造工程が複雑であ
る。また、基板と磁性膜との総接触面積がユニモルフ型
の場合に比較して２倍に増加するため応力による影響が
大きくなり、磁歪素子に変位が発生した場合、その応力
によって、磁性膜３、４が基板１からはがれやすくなる
という欠点があった。

【０００９】本発明は、上述したような課題を解決すべ
くなされたものであり、本発明の目的は、大きな変位量
が得られ、膜はがれが少なく、製造するのが容易な磁歪
素子を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に第１の発明は、基板上に磁歪値の絶対値が最大で１０
−５〜１０−３である磁性合金からなる磁性薄膜を成膜
した磁歪素子であって、前記磁性薄膜は正の磁歪値を示
す領域と、負の磁歪値を示す領域が存在している磁歪素
子としたものである。

【００１１】また、第２の発明は、前記第１の発明にお
いて前記磁性薄膜の膜面内で磁歪値に傾斜をつけた磁歪
素子としたものである。

【００１２】また、第３の発明は、前記第１の発明また
は第２の発明において前記磁性薄膜の膜厚方向で磁歪値
に傾斜をつけた磁歪素子としたものである。

【００１３】また、第４の発明は、前記第１乃至第３の
発明において前記磁性薄膜のうち正の磁歪値を示す領域
はＦｅとＴｂ、Ｄｙ、Ｈｏのうちの１種または２種以上
の元素Ｍ1 とを含み、負の磁歪値を示す領域はＦｅとＳ
ｍ、Ｅｒ、Ｔｍのうちの１種または２種以上の元素Ｍ2
とを含む磁歪素子としたものである。

【００１４】さらに、第５の発明においては前記第１乃
至第４の発明において前記磁性薄膜は磁歪値が最大の領
域から連続的に磁歪値が変化し、磁歪値がほぼゼロとな
る遷移領域を経て磁歪値が最小となる領域を有する磁歪
素子としたものである。

【００１５】

【作用】上記手段において、基板上に磁歪値の絶対値が
最大で１０−５〜１０−３である磁性合金からなる磁性
薄膜を成膜する際に、正の磁歪値を示す領域と、負の磁
歪値を示す領域を存在させることによって、従来のバイ
モルフ型の磁歪素子と同等の変位量を得ることが出来
る。

【００１６】また、同一面内でまたは膜厚方向で磁歪値
に傾斜を付けて成膜することにより、単層の磁性膜で大
きな変位量を得ることが出来る。

【００１７】さらに、正の磁歪値を示す領域をＦｅとＴ
ｂ、Ｄｙ、Ｈｏのうちの１種または２種以上の元素Ｍ1
とを含ませるように構成し、負の磁歪値を示す領域はＦ
ｅとＳｍ、Ｅｒ、Ｔｍのうちの１種または２種以上の元
素Ｍ2 とを含ませるように構成することにより磁歪値の
制御がより確実にできるため、大きな変位量が確実に得
られる。

【００１８】また、磁歪値が最大の領域から連続的に磁
歪値を変化させ、磁歪値がほぼゼロとなる遷移領域を経
て磁歪値が最小となる領域を有する磁性膜の構成とする
ことにより磁性膜への応力の集中が緩和され、膜はがれ
が起こりにくくなる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。（実施例１）図１は本発明の第１実施例における磁歪素
子の側面図である。本実施例の磁歪素子はホウケイ酸ガ
ラス、結晶化ガラス等からなり長方形もしくは梁状に加
工された基板１上に磁性膜２が形成されている。この磁
性膜２は長手方向に沿って、磁歪値が正の値を示す正磁
歪の領域２０と磁歪値が零または零近傍の値を示す遷移
領域２１と磁歪値が負の値を示す負磁歪の領域２２がこ
の順に形成されている。

【００２０】このようにして構成された磁歪素子は次の
ように変位する。図２に示すように、成膜後の磁歪素子
の梁の長さ方向（矢印Ａの方向）に磁界を印加した場
合、磁性膜２の正磁歪の領域２０は矢印Ａの方向に伸
び、負磁歪の領域２２は縮む。従って、図２に示すよう
に、正磁歪の領域２０が下方にたわみ、Ｃの変位量を生
じる。また、負磁歪の領域２２が上方にたわみ、Ｄの変
位量を生じる。そして、印加磁界の方向を磁歪素子の長
さ方向とは垂直の方向（矢印Ｂの方向）にすると、たわ
み方は上下逆になる。このように本実施例の磁歪素子に
よれば、素子全体の変位量はＣとＤを加え合わせたもの
となるため、従来のユニモルフ型より大きな変位量が得
られる。

【００２１】次に、本実施例における磁歪素子の製造方
法の例を説明する。図５は、上記した磁性膜２を成膜す
る場合のターゲットのセッティングを示す図である。図
５に示すように、正磁歪の領域２０と遷移領域２１と負
磁歪の領域２２を有するように磁歪値に傾斜を持たせる
ためには、アーク溶解で作成された純鉄ターゲット６に
希土類チップを貼った複合ターゲットを用いる。符号７
に示す白抜きのチップはＦｅと複合添加することによ
り、負の磁歪を示す元素（Ｓｍ、Ｅｒ、Ｔｍ等）を使用
した負磁歪チップであり、８に示す斜線を施したチップ
はＦｅと複合添加することにより正の磁歪を示す元素
（Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ等）を使用した正磁歪チップであ
る。なお、負磁歪チップ７、正磁歪チップ８は磁歪の符
号が逆であれば正負は逆でもよい。図５に示すように、
本実施例では中央部に近づくにしたがって負磁歪チップ
７と正磁歪チップ８を徐々に減らし、中央部では純鉄に
近い組成になるようにする。このようにターゲットを作
成し、スパッタリングを行うと、基板１には正磁歪の領
域２０と遷移領域２１と負磁歪の領域２２を有し、磁歪
素子の長手方向に沿って磁歪値に傾斜を有する磁性膜２
が形成される。この際のスパッタリングの条件は、ＲＦ
パワー：５００Ｗ以下、Ａｒ圧：４ｍｔｏｒｒ〜５ｍＴ
ｏｒｒ（ただし、Ｏ、Ｎを含んでもよい）、Ａr 流量：
７５ｓｃｃｍ〜８０ｓｃｃｍ（ただし、Ｏ、Ｎを含んで
もよい）、ターゲット−基板間距離：５０ｍｍ以下とし
た。このような条件で磁性膜２を作成したところ、基板
１上に１μｍ〜３μｍの磁性膜が成膜された。

【００２２】さらに、本実施例の磁歪素子の他の製造例
について説明する。図５は本製造例ににおけるターゲッ
トのセッティングを示す図である。本製造例によれば、
ターゲットに取り付けるチップの配置を、前述した製造
例のように中央部に近づくに従ってチップの枚数を減ら
していくのではなく、負磁歪チップ７と正磁歪チップ８
の枚数を中央部においてしだいに同数に近づけ、つまり
組成比を近づけていくようにして配置する。このように
作成されたターゲットを使用することにより、やはり、
前に述べたように基板１に磁歪値が傾斜した磁性膜２が
形成される。この際のスパッタリングの条件は、ＲＦパ
ワー：５００Ｗ以下、Ａｒ圧：４ｍＴｏｒｒ〜５ｍＴｏ
ｒｒ（ただし、Ｏ、Ｎを含んでもよい）、Ａｒ流量：７
５ｓｃｃｍ〜８０ｓｃｃｍ（ただし、Ｏ、Ｎを含んでも
よい）、ターゲット−基板間距離：５０ｍｍ以下であ
り、基板１上に１μｍ〜３μｍの磁性膜が成膜された。

【００２３】上述した２つの製造例においては、磁歪値
を調整するために負磁歪チップ７と正磁歪チップ８の枚
数を適宜調整すれば良いため、容易に磁歪値が傾斜した
磁性膜２が成膜できる。

【００２４】なお、本実施例においては遷移領域２１を
作成しているが、遷移領域は磁性膜２に対する応力の集
中を回避させるものであり、このような応力の集中によ
る影響が無視できれば、正磁歪の領域２０と負磁歪の領
域２２のみで磁性膜２を成膜しても良い。（実施例２）図３は本発明の第２実施例を示す図であ
る。本実施例においては第１実施例と同様、ホウケイ酸
ガラス、結晶化ガラス基板等からなり、長方形もしくは
梁状に加工された基板１上に磁性膜２が形成されてい
る。磁性膜２は基板１に近い方から順に負磁歪の領域２
２と遷移領域２１と正磁歪の領域２０が形成されてい
る。

【００２５】このようにして形成された本実施例におけ
る磁歪素子の変位を図４を参照しながら説明する。図４
は本実施例の変位の様子を示した斜視図である。磁歪素
子の梁の長さ方向（矢印Ｅの方向）に磁界を印加すると
磁性膜２のうち、正磁歪の領域２０の部分は磁歪素子の
長手方向に伸び、負磁歪の領域２２の部分は逆に縮むた
め、図４に示すように磁性膜２の方向に膨らむように磁
歪素子がたわむ。また、磁歪素子の長手方向と垂直な方
向（図中Ｆの方向）に磁界を印加すると正磁歪の領域２
０の部分は磁歪素子の長手方向に縮み、逆に負磁歪の領
域２２は伸びるため、磁歪素子の基板１側が膨らむよう
に、すなわち、図４の場合とは逆の方向にたわむ。

【００２６】このように、本実施例における磁歪素子の
場合、磁性膜２の正磁歪の領域２０及び負磁歪の領域２
２が互いに逆の方向に変位するため、磁歪素子全体の変
位（たわみ）を互いに促進させることとなる。従って、
従来のユニモルフ型の磁歪素子よりも大きな変位を１つ
の基板の片側に磁性膜２を成膜するだけで得ることがで
きる。

【００２７】また、遷移領域２１は正磁歪の領域２０と
負磁歪の領域２２が逆に変位することに対する応力の集
中を緩和する働きをするが、このような影響を無視すれ
ば遷移領域２１は設ける必要はない。

【００２８】次に、本実施例における磁歪素子の製造例
について説明する。図７は本製造例に用いるスパッタリ
ング用のターゲットの平面図、図８はΙ−Ι線における
断面図である。図７、図８に示すように、負磁歪チップ
７と正磁歪チップ８を円錐系にしたもの（断面的に見る
とくさび型である）を純鉄ターゲット６の中に埋めこ
む。この純鉄ターゲット６は、例えば、あらかじめ円錐
形の穴ができるように型に円錐状の形状を作っておき、
この型に純鉄を流し込み、できあがった円錐形の窪みの
中に、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｔｍ等の金属を
流し込むことによって作成できる。

【００２９】このようにして作成されたターゲットを用
いてスパッタリングを始めると、ターゲットは図中の下
から削られていくため、基板１上には膜厚方向に正磁歪
から負磁歪に傾斜した、すなわち、基板に近い方から順
に負磁歪の領域２２と遷移領域２１と正磁歪の領域２０
を有する磁性膜２が形成できる。なお、負磁歪チップ７
と正磁歪チップ８の配置は逆でもよい。

【００３０】次に、本実施例の他の製造例を図９を参照
しながら説明する。図９に実施例３とは別の方法で膜厚
方向に磁歪値の傾斜をつける実施例を示す。本製造例に
おいては、１つのスパッタ装置内に２つのターゲット１
３，１４を配置し、２極放電をしながら基板ホルダー１
６をＨ方向に回転させ、基板１５が２つのターゲットの
下を交互に通過するようにセッテイングする。例えば、
ターゲット１３は負磁歪チップ７のついた純鉄ターゲッ
トとし、ターゲット１４は正磁歪チップ８のついた純鉄
ターゲットとし、ターゲット１３には７００Ｗの高いパ
ワーをかけ、ターゲット１４には１００Ｗの低いパワー
をかける。そして、時間の経過とともターゲット１３の
パワーを７００Ｗから１００Ｗに徐々に下げ、それと同
時にターゲット１４のパワーを１００Ｗから７００Ｗに
上げていく。

【００３１】その下で基板ホルダー１６をＨ方向、ある
いは逆方向に回転させながら成膜すると、パワーの高い
方の元素が多量にスパッタされるため、基板に近い側に
負の磁歪値を示す元素、基板から遠く表面に近い側に正
の磁歪値を示す元素が多く含まれるような磁歪値に傾斜
のついた磁性膜２ができる。

【００３２】なお、膜作成の方法として、ターゲットの
配置、パワーのかけ方は逆でもよい。このとき、注意す
べき点は基板ホルダーの回転速度を遅くし過ぎると正磁
歪膜と負磁歪膜の多層膜ができてしまうことである。そ
のため、ある程度回転速度を速くし、原子のオーダーで
正磁歪元素と負磁歪元素が積層されるように調節する必
要がある。

【００３３】上記各実施例においては、成膜後、磁歪値
が正または負の領域は、正磁歪あるいは負磁歪の大きな
磁歪値を持たなければならない。正磁歪を示す希土類元
素を多く含む正磁歪の領域２０または負磁歪を示す希土
類元素を多く含む負磁歪の領域２２は、希土類−鉄系ラ
ーベス型金属間化合物ＲＥＦｅ２であること、磁歪値は
１０−５〜１０−３、より好ましくは１０−４〜１０−
３のオーダーであることが望ましい。正磁歪元素として
は、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏが、負磁歪元素としてはＳｍ、Ｅ
ｒ、Ｔｍ等が挙げられる。これらの元素の添加量は３０
〜６０原子％であることが好ましい。

【００３４】上述したように、ユニモルフ型の構造の中
に、磁歪値を負から正の広い範囲に設定することによっ
て、大きなたわみを生じることができる。さらに、Ｎ
（窒素）を加えることで軟磁性化し、低磁界でも大きな
変位が生じるようにすることができる。低磁界で感度が
良い磁性膜２を得ることによって、磁歪素子の応用製品
への用途が広がる。なお、磁性膜２中にＯ（酸素）が少
量含まれていても良い。

【００３５】また、上記実施例のおいては、磁性膜２が
単層であるため、バイモルフ型に比べ、基板と膜の接触
面を２分の１となる。従って、強い圧縮応力、あるいは
引っ張り応力の影響が低減できるため、磁性膜２の膜は
がれ等の発生を防止できる。

【００３６】さらに、面積的に利点があるだけでなく、
磁歪値に傾斜を持たせ、遷移領域２１を設けることによ
り、膜表面に無理な応力がかかることがなく、ひび割れ
などの損傷を少なくすることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
〜３に記載した磁歪素子によれば、磁性膜を単層で形成
できるため、内部応力による磁歪特性劣化を最低限に抑
え、バイモルフ型の磁歪素子に匹敵する変位量を得るこ
とができる。従って、本発明の磁歪素子を磁歪アクチュ
エータとして使用した場合、磁気−機械変換効率が向上
する。また、磁性膜を単層とすることができるため、基
板と膜の接触面を従来のバイモルフ型の磁歪素子と比較
して、１／２とすることができるため、応力による膜は
がれ等を低減することができ、製造工程も簡略化でき
る。

【００３８】また、請求項４に記載した磁歪素子によれ
ば、大きな正磁歪または負磁歪を有する磁性膜が確実に
得ることができる。

【００３９】さらに、請求項に記載の５に記載の磁歪素
子によれば、磁性膜の応力の集中を避けることが可能で
あり、磁性膜のひび割れなどの損傷を防止することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における磁歪素子を示す斜
視図である。

【図２】本発明の第１実施例における磁歪素子の変位の
様子を示す斜視図である。

【図３】本発明の第２実施例における磁歪素子を示す斜
視図である。

【図４】本発明の第２実施例における磁歪素子の変位の
様子を示す斜視図である。

【図５】本発明の第１実施例における磁歪素子の磁性膜
を成膜するためのスパッタリング用ターゲットを示す平
面図である。

【図６】本発明の第１実施例における磁歪素子の磁性膜
を成膜するためのスパッタリング用ターゲットの他の実
施例を示す平面図である。

【図７】本発明の第２実施例における磁歪素子の磁性膜
を成膜するためのスパッタリング用ターゲットを示す平
面図である。

【図８】本発明の第２実施例における磁歪素子の磁性膜
を成膜するためのスパッタリング用ターゲットのΙ−Ι
線における断面図である。

【図９】本発明の第２実施例における磁歪素子の磁性膜
を成膜するためのスパッタリング装置の概要図である。

【図１０】従来の磁歪素子（ユニモルフ型）を示す斜視
図である。

【図１１】従来の磁歪素子の動作を示す図である。

【図１２】従来の磁歪素子（バイモルフ型）を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１基板２磁性膜６純鉄ターゲット７正磁歪チップ８負磁歪チップ２０正磁歪領域２１遷移領域２２負磁歪の領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に磁歪値の絶対値が最大で１０−
５〜１０−３である磁性合金からなる磁性薄膜を成膜し
た磁歪素子であって、前記磁性薄膜は正の磁歪値を示す
領域と、負の磁歪値を示す領域が存在していることを特
徴とする磁歪素子。
【請求項２】前記磁性薄膜の膜面内で磁歪値に傾斜を
つけたことを特徴とする請求項１に記載の磁歪素子。
【請求項３】前記磁性薄膜の膜厚方向で磁歪値に傾斜
をつけたことを特徴とする請求項１に記載の磁歪素子。
【請求項４】前記磁性薄膜のうち正の磁歪値を示す領
域はＦｅとＴｂ、Ｄｙ、Ｈｏのうちの１種または２種以
上の元素Ｍ1 とを含み、負の磁歪値を示す領域はＦｅと
Ｓｍ、Ｅｒ、Ｔｍのうちの１種または２種以上の元素Ｍ
2 とを含むことを特徴とする請求項１乃至３に記載の磁
歪素子。
【請求項５】前記磁性薄膜は磁歪値が最大の領域から
連続的に磁歪値が変化し、磁歪値がほぼゼロとなる遷移
領域を経て磁歪値が最小となる領域を有することを特徴
とする請求項１乃至４に記載の磁歪素子。