KR101237582B1

KR101237582B1 - 초 고감도 마그네트 임피던스 센서

Info

Publication number: KR101237582B1
Application number: KR1020117024859A
Authority: KR
Inventors: 요시노부 혼꾸라; 미찌하루 야마모또; 노리히꼬 하마다; 아끼히로 시모데
Original assignee: 아이치 세이코우 가부시키가이샤
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2013-02-26
Also published as: EP2423697A1; EP2423697A4; US8350565B2; US20120038358A1; CN102414570A; KR20120009459A; JP2010256109A; CN102414570B; JP4655247B2; WO2010123109A1

Abstract

자기 센서로서 감도가 높고, 측정 레인지가 큰 MI 센서를 제공한다. 본 발명의 마그네트 임피던스 센서는, 영자왜로 되는 연자성 합금의 아몰퍼스로 이루어지는 감자 와이어와 상기 감자 와이어의 주위에 절연물을 개재하여 검출 코일을 갖고, 상기 감자 와이어에 고주파 전류를 인가함으로써, 외부 자장에 따라 검출 코일로부터 발생하는 전압을 검출하는 마그네트 임피던스 소자와, 상기 마그네트 임피던스 소자에 고주파 전류를 공급하는 전류 공급 장치와, 검출 코일로부터의 출력을 신호 처리하는 신호 처리 회로를 갖는 마그네트 임피던스 센서에 있어서, 상기 감자 와이어는 적어도 와이어의 원주 방향으로 스핀 배열된 표면층을 갖고, 상기 고주파 전류는 0.3 이상, 1.0㎓ 이하의 주파수를 갖는다.

Description

초 고감도 마그네트 임피던스 센서 {ULTRA-SENSITIVE MAGNETOIMPEDANCE SENSOR}

본 발명은, 자기 감도가 우수한 마그네트 임피던스 센서(이하, MI 센서라고 함)에 관한 것이다.

CoFeSiB계 합금의 아몰퍼스 와이어에 고주파의 펄스 전류나 정현파 전류를 흘려보내면 표피 효과에 의해 임피던스가 자계에 의해 변화된다고 하는 마그네트 임피던스 효과(이하, MI 효과라고 함)를 발생시키는 것이 알려져 있다. 이 변화를 아몰퍼스 와이어의 양단부로부터의 임피던스를 직접 검출하는 마그네트 임피던스 소자(이하 MI 소자)와, 이 변화를 아몰퍼스 와이어에 권회된 검출 코일에 의해 검출하는 MI 소자가 있다. 이들 MI 효과를 이용한 고감도 자기 센서가 MI 센서이다.

이 MI 센서는, 현재 휴대 전화 등에 사용되고 있지만, 센서의 감도를 높이면 측정 레인지가 작아진다고 하는 문제가 있다. 종래, 감도와 측정 레인지의 제어는 반자계를 이용하는 방법과 감자 와이어의 자기 특성을 제어하는 방법의 2가지 방법으로 행해지고 있었다. 반자계를 이용하는 방법은, 감도를 높이기 위해 감자 와이어를 길게 함으로써 길이 방향의 반자계를 감소시키는 것이다. 그러나 반자계가 감소하므로 측정 레인지가 낮아지고 있었다. 반대로, 감자 와이어를 짧게 하면 길이 방향의 반자계가 증가하여 측정 레인지가 커지지만, 감도가 감소하고 있었다. 한편, 감자 와이어의 자기 특성을 제어하는 방법은, 감자 와이어의 길이 방향의 투자율을 증가시킴으로써 센서의 감도를 높이는 것이다. 그러나 그로 인해 자기 포화 현상을 갖는 연자성 재료로 이루어지는 감자 와이어의 측정 레인지는 필연적으로 저하되고 있었다. 반대로, 길이 방향의 투자율을 낮게 하면 측정 레인지는 커지지만, 당연히 감도가 감소하고 있었다. 즉, 감도를 높이는 것과 측정 레인지를 크게 하는 것은 이율배반적인 현상이므로 양립할 수 없었다.

종래, MI 센서는, 예를 들어 특허 공보 3693119호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 펄스의 상승 시간ㆍ하강 시간을 주파수 환산한 경우에 0.2㎓로 되는 펄스 전류를 감자 와이어에 인가하고, 와이어 직경이 30㎛이고 길이가 1.5㎜로 약간 긴 경우, 반자계를 이용하여 고감도로 되는 경우이지만, 감도 35㎷/G, 측정 레인지 0.9㎄/m이었다. 또한, 와이어 직경이 30㎛이고 길이가 0.6㎜로 약간 짧은 경우, 반자계를 이용하여 넓은 측정 레인지로 되는 경우이지만, 감도 2㎷/G, 측정 레인지 3.6㎄/m이 얻어지고 있다. 이에 의해, MI 센서의 감도와 측정 레인지는, 상기한 바와 같은 이율배반의 관계를 가지므로 양쪽을 동시에 향상시키는 것은 곤란하여, 실제의 사용에 대해 제한이 있었다.

여기서, 고주파 전류를 더욱 고주파화 함으로써, 감도를 높이는 것이 시도되고 있다. L.V.Panina 등에 의한 Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 272-276(2004), 1452-1459에는, 아몰퍼스 와이어에 0.5 내지 2.2㎓의 정현파 전류를 인가하고, 아몰퍼스 와이어의 양단부로부터의 임피던스를 측정한 결과가 개시되어 있다. 그에 따르면, 고주파화에 의해 감도의 향상은 볼 수 있지만 측정 레인지에 관해서는 0.0125A/m(1Oe)로 현저하게 낮고, 또한 고주파화해도 측정 레인지가 넓어지지 않는 문제가 있어, 감도와 측정 레인지의 양쪽을 동시에 향상시킬 수 없었다.

특허 공보 3693119호 공보

L.V.Panina 등에 의한 Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 272-276(2004), 1452-1459

따라서 본 발명은 소형이고 자기 센서로서 감도가 높고, 측정 레인지가 큰 MI 센서를 제공한다.

발명자들은 고주파 전류의 주파수, 파형, 검출 방식, 감자 와이어 등에 관해 다양한 검토를 한 결과, 스핀의 회전 현상을 직접 검출하는 검출 코일을 사용하는 방식에 있어서 아몰퍼스 감자 와이어에 대해 종래보다 높은 고주파의 전류를 인가함으로써, 스핀 회전 운동을 전류 인가와 함께 균일하고, 또한 일제히, 또한 날카롭게 세차 운동시킴으로써, 고감도화와 고측정 레인지화를 달성할 수 있는 것이 아닐까라고 착상하였다. 그리고 구체적으로는 아몰퍼스 와이어에 인가하는 전류를 종래보다 높은 소정의 주파수로 하면서, 출력의 방식을 검출 코일 방식으로 함으로써 본 발명을 완성하였다.

구체적으로는 청구항 1에 기재된 발명의 마그네트 임피던스 센서는, 영자왜로 되는 연자성 합금의 아몰퍼스로 이루어지는 감자 와이어와 상기 감자 와이어의 주위에 절연물을 개재하여 검출 코일을 갖고, 상기 감자 와이어에 고주파 전류를 인가함으로써, 외부 자장에 따라 검출 코일로부터 발생하는 전압을 검출하는 마그네트 임피던스 소자와, 상기 마그네트 임피던스 소자에 고주파 전류를 공급하는 전류 공급 장치와, 검출 코일로부터의 출력을 신호 처리하는 신호 처리 회로를 갖는 마그네트 임피던스 센서에 있어서, 상기 감자 와이어는 적어도 와이어의 원주 방향으로 스핀 배열된 표면층을 갖고, 상기 고주파 전류는 0.3 이상, 1.0㎓ 이하의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 구성을 취함으로써, 우수한 효과를 얻을 수 있었던 이유는 확실하지 않지만, 얻어진 결과로부터 다음과 같이 추론한다.

우선, 고주파 전류에 있어서의 주파수가 0.3 이상, 1.0㎓의 범위 내에서 우수한 감도가 얻어지는 이유에 대해 추론한다.

검출 코일에 의해 검지되는 전압은 dφ/dt에 비례하는 것이 알려져 있다. 우선, 감자 와이어에 고주파 전류가 인가되면 감자 와이어의 원주 방향으로 자장이 만들어진다. 와이어 중의 스핀은 외부 자장의 방향으로부터 전류에 의해 만들어진 원주 방향 자장의 방향으로 회전한다. 전류에 의해 만들어지는 원주 방향 자장(Hφ)의 시간 변화 dHφ/dt가 클수록, 즉 큰 주파수의 전류가 인가될수록 와이어 중의 스핀의 회전은 빨라진다. 이 스핀의 회전 속도는 dφ/dt에 상당하므로, 검출 코일에 의해 검지되는 전압은 커져 고감도로 된다고 생각된다.

그러나 일반적으로는, 고주파로 될수록 표피 깊이가 얕아지므로, 거기를 흐르는 표피 전류에 의해 형성되는 원주 방향 자장에 반응하는 스핀의 절대량, 즉 φ이 작아져, 검출 코일에 의해 검지되는 전압 dφ/dt가 작아지는 작용을 가지므로, 감도가 주파수에 대해 어떤 거동을 나타낼지 예측은 어려웠다.

결과적으로, 후술하는 바와 같이 0 내지 0.5㎓까지는 주파수를 올려 가면, 감도가 상승하고 있는 것을 고려하면, 이하와 같은 감자 와이어 내의 내부 응력이 작용하고 있었던 것이 아닐까라고 생각된다.

일반적으로, 감자 와이어 중의 내부 응력은 직경 방향에 대해, 표층부에서는 커지고 내부에서는 작아진다. 스핀의 회전 운동은 인가되고 있는 고주파 전류의 주파수에 따른 표피 깊이 내에서 일어나지만, 어느 정도까지의 고주파의 경우에는, 표피 깊이가 두꺼우므로, 그 표피 깊이 내의 내부 응력 분포의 불균일함에 의해, 거기서의 각 스핀이 다른 거동으로 운동한다. 각 스핀이 다른 거동으로 세차 운동을 행하면, 센서로서의 감도는 작아진다고 생각된다. 반대로, 0.3㎓ 이상의 고주파의 경우에는, 표피 깊이가 얕아져 내부 응력의 불균일함이 감소하므로, 스핀 회전 운동이 전류 인가와 함께 균일하고, 또한 일제히, 또한 날카롭게 세차 운동을 하는 현상이 발현한다고 생각된다.

이상과 같이, 메커니즘은 확실하지 않지만, 하나의 추론으로서 주파수를 올리면 올릴수록 감도가 상승하는 점은 설명할 수 있지만, 현실에서는 주파수가 0.5㎓를 초과하면 피크를 맞이하고, 그 후 감소하고 있다. 이와 같은 피크의 존재는 예상외의 것으로, 이것은 스핀 공명 현상에 의한 스핀의 파형화에 의한다고 생각된다. 스핀 전체가 파형화함으로써, 스핀의 일제 회전이 저해됨으로써 주파수의 향상에 의한 효과가 상실되고, 1㎓를 초과하였다고 해도 충분한 감도를 얻을 수 없게 된 것이라고 생각된다.

본 발명자들은, 이와 같은 복수의 작용이 얽혀있는 예측성이 곤란한 현상에 있어서, 감도에 있어서 1㎓ 근방에 있어서 주파수에 있어서 최적 영역의 존재를 처음으로 발견한 것이다.

한편, 고주파 전류에 있어서의 주파수가 0.3 이상, 1.0㎓의 범위 내에서 우수한 측정 레인지를 얻을 수 있는 이유에 대해 추론한다.

측정 레인지는 고주파화해도 변하지 않는다고 생각되고 있었지만, 실제는 상당히 넓은 영역에서 상승을 발견하였다. 이것은, 나중에 생각해보니 이하의 이유가 아닐까하고 추측한다.

예를 들어, 감자 와이어에 있어서, 고주파 전류가 고주파로 될수록, 표피 효과에 의해 감자 와이어에 흐르는 전류의 표피 깊이가 얕아진다. 표피 깊이가 얕아질수록, 상술한 바와 같이 감자 와이어의 표면 부근의 내부 응력의 작용이 커진다. 내부 응력이 클수록 이방성 자계가 크므로 측정 레인지가 커지기 때문이라고 생각된다. 또한, 주파수가 0.5㎓ 이상에서 측정 레인지의 증가가 대략 포화되는 것은, 그 주파수 이상에서는 표피 깊이가 매우 얇게 되어 있으므로, 내부 응력의 변화가 포화되었기 때문이라고 생각된다.

청구항 1에 기재된 발명은, 출력의 검출 방식으로서 검출 코일을 채용하고, 영자왜로 되는 연자성 합금의 아몰퍼스로 이루어지는 감자 와이어가, 적어도 와이어의 원주 방향으로 스핀 배열된 표면층을 갖는 상태에서, 주파수 환산으로 0.3 이상, 1.0㎓ 이하로 종래보다 높은 주파수의 고주파 전류를 인가함으로써, 종래의 마그네트 임피던스 센서의 있어서의 감도와 측정 레인지를 동시에 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 MI 소자의 정면을 도시하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 MI 센서의 전기 회로의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 MI 소자, MI 센서에서 사용하는 펄스 전류의 상승, 하강 시간으로부터 주파수를 구하는 방법을 설명하는 설명도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 관한 MI 센서에 있어서의 센서 출력과 인가 자장의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 관한 MI 센서에 있어서의 센서 감도와 주파수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 관한 MI 센서에 있어서의 측정 레인지와 주파수의 관계를 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시 형태를 적절하게, 종래예와 비교하면서 설명한다. 또한, 본 발명은 하기의 실시예로 한정되는 것이 아니다.

≪감자 와이어≫

본 발명의 감자 와이어는, 영자왜(zero-magnetostriction)로 되는 연자성 합금의 아몰퍼스로 이루어진다. 예를 들어, 코로나사 출판의 자기 센서 이공학, P13에는, (CoFe)80(SiB)20에 있어서, Fe/Co가 약 0.07일 때, 자기 변형의 절대치가 10^-6 미만으로 되고, 그 레벨의 자기 변형을 영자왜라고 기술되어 있다. 본 발명의 영자기 변형도 그 레벨로 한다.

감자 와이어의 조성은, Co-Fe-Si-B계의 영자왜를 갖는 합금이 바람직하다. 그 외, Co-Mn-Si-B계나 Fe-Si계 등의 공지의 합금계로 이루어지는 아몰퍼스 합금이어도 된다. 감자 와이어 전부가 아몰퍼스상인 것이 바람직하지만, 와이어 내에 균일한 내부 응력을 발생시키는 소량의 석출상을 포함해도 된다. 석출상으로서는, 예를 들어 Fe-B계, Fe-Si계, Co-B계, Co-Si계, Co계 합금, Fe계 합금, Si-B계 화합물 등이 있다. 감자 와이어에 상기 아몰퍼스를 사용함으로써, 원주 방향으로 스핀 배열된 표면층을 갖는 감자 와이어를 얻을 수 있다.

본 실시예에서는 Co71.2Fe4.8Si11.8B12.2조성(at％)으로 이루어지는 조성을 갖고, 직경 11.6㎛의 아몰퍼스 와이어를 공시재(시료 1)로 하였다. 본 공시재는, 개량 테일러법에 의해 제작하였다. 또한, 그 공시재에 520℃의 분위기 온도에서 200㎫의 텐션을 가하면서 7s 동안 열처리를 실시한 아몰퍼스 와이어도 공시재(시료 2)로 하였다.

≪MI 소자≫

본 발명의 MI 소자(2)의 구성에 관한 실시예를 도 1의 개념도를 사용하여 설명한다.

우선, 감자 와이어(21)의 주위에 절연물(23)(도시하지 않음)을 개재하여 검출 코일(22)을 배치하고, 그것들을 기판(6) 상에 배치한다. 그리고 감자 와이어(21)는 그 양단부에 펄스 전류를 인가하기 위한 전극(251)에 접속되고, 검출 코일(22)은 외부 자장에 따라 변화되는 전압을 검출하기 위해 전극(252)에 접속되어 있다. 감자 와이어의 길이는 0.6㎜로 하고, 검출 코일(30)의 권취 횟수는 15턴이다. 이 구성은 일례이고, 공지의 검출 코일형의 MI 소자 구조에 있어서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

≪MI 센서≫

본 발명의 MI 소자(2)를 사용한 MI 센서(1)의 전자 회로의 실시예를 도 2를 사용하여 설명한다. MI 센서(1)는 MI 소자(2)와, 전류 공급 장치(3), 신호 처리 회로(4)로 이루어진다. 본 실시예에서는, 고주파 전류를 공급하는 전류 공급 장치는 펄스 발진 회로(31)를 사용하였다.

센서의 동작은 이하와 같다. 펄스 발진 회로(31)에 의해 발생한 후술하는 주파 환산한 주파수가 0.3 이상, 1.0㎓ 이하인 펄스 전류를 MI 소자(2) 속의 감자 와이어(21)로 공급하면, 검출 코일(22)에 외부 자장과 펄스 전류에 의한 와이어 원주 방향의 자장의 작용에 의한 스핀의 회전에 기초하는 외부 자장에 대응한 전압이 발생한다.

여기서의 주파수는, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이 펄스 전류 파형(10) 중의 펄스의 상승, 혹은 하강의 시간 Δt를 구하고, 그 Δt를 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 파형의 4분의 1주기에 상당하는 것으로 하여 구한 것이다. 다음에, 샘플 타이밍 조정 회로(41)에 의해 상기 펄스 전류가 상승한 후, 소정의 타이밍에서 아날로그 스위치(42)로 단시간 스위치를 온-오프한다. 이에 의해 아날로그 스위치(42)는, 검출 코일(22)에 발생한 외부 자장에 대응한 전압을 샘플링하여 증폭기(43)에 전달한다. 펄스 전류를 차단할 때(하강할 때)도 동일하게 행해진다. 이 구성은 일례이고, 공지의 감자 와이어 중의 자화의 변화를 검출 코일에 의해 검지하는 타입의 MI 센서의 전자 회로에 있어서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

본 실시예에서의 MI 특성의 측정 및 감도와 측정 레인지의 산출 방법에 대해 설명한다. 도 4는 시료 1의 아몰퍼스 와이어를 MI 센서에 내장하여 최대 자장 ±0.3㎄/m, 10㎐ 중에 설치하고, 감자 와이어에 주파수 0.3㎓에 상당하는 80㎃의 펄스 전류를 입력하고, 검출 코일에 발생한 전압 신호가 상기 센서에 의해 신호 처리된 전압을 측정한 것이다. 또한, 여기서는 펄스의 상승부에서 검출하였지만, 하강부라도 좋고, 양쪽이라도 좋다. 측정 레인지는 제로 자장을 중심으로 직선성이 1％F.S. 이하로 되는 자장으로 하였다. 또한, 직선성의 평가 방법은, JISB0155의 번호 2623의 방법을 사용하였다. 감도는 측정 레인지 간에 있어서의 출력 전압의 기울기로 하였다.

다음에, 시료 1, 2를 MI 센서에 내장하고, MI 센서를 최대 자장 ±12㎄/m, 10㎐의 자장 중에 설치하고, 감자 와이어에 주파수 0.3, 0.5, 0.7, 1.0㎓에 상당하는 80㎃의 펄스 전류를 입력하여 동일한 측정을 행하였다. 또한, 비교예로서 주파수를 0.01, 0.03, 0.1, 0.2, 1.25, 1.5㎓로 하여 측정을 행하였다. 측정 결과에 기초하여 도 5에, 본 발명의 MI 센서에 있어서의 감도와 주파수의 관계를 나타낸다. 도 5의 (a)는 시료 1을 사용한 측정 결과이고, 도 5의 (b)는 시료 2를 사용한 것이다. 도 5의 (a)로부터, 개량 테일러법에 의해 제조한 상태의 시료 1에 있어서, 감도는 종래의 0.2㎓와 비교하여, 주파수 0.3 내지 1.0㎓의 범위에서 1.3 내지 1.7배로 되어 크게 상승하고 있다. 도 5의 (b)로부터, 시료 1에 소정의 텐션 어닐링한 시료 2에 있어서도, 감도는 종래의 0.2㎓와 비교하여, 주파수 0.3 내지 1.0㎓의 범위에서, 1.5 내지 2.0배로 되어 크게 상승하고 있다. 이들 결과로부터, 본 발명에 있어서는, 종래의 0.2㎓에서 구동된 MI 센서의 감도의 적어도 1.3배 이상의 감도를 얻을 수 있다. 또한 고감도를 얻기 위해서는, 주파수가 0.4㎓ 이상 0.75㎓ 이하, 0.4㎓ 이상 0.7㎓, 0.45㎓ 이상 0.65㎓ 이하, 0.45㎓ 이상 0.58㎓ 이하가 바람직하다.

한편, 본 발명의 MI 센서에 있어서의 측정 레인지와 주파수의 관계를 도 6에 나타낸다. 도 6의 (a)는 시료 1을 사용한 측정 결과이고, 도 6의 (b)는 시료 2를 사용한 것이다. 도 6의 (a)로부터, 개량 테일러법에 의해 제조한 상태의 시료 1에 있어서, 측정 레인지는 종래의 0.2㎓와 비교하여, 주파수 0.3 내지 1.0㎓의 범위에서 1.1 내지 1.5배로 되어 크게 상승하고 있다. 도 6의 (b)로부터, 시료 1에 소정의 텐션 어닐링한 시료 2에 있어서도, 측정 레인지는 종래의 0.2㎓와 비교하여, 주파수 0.3 내지 1.0㎓의 범위에서, 1.1 내지 1.5배로 되어 크게 상승하고 있다. 이들 결과로부터, 본 발명에 있어서는, 종래의 0.2㎓에서 구동된 MI 센서의 측정 레인지의 적어도 1.1배 이상의 감도를 얻을 수 있다. 고측정 레인지를 얻기 위해서는, 주파수가 0.4㎓ 이상 1㎓ 이하, 0.45㎓ 이상 1㎓, 0.50㎓ 이상 1㎓ 이하가 바람직하다.

도 5, 도 6의 결과로부터, 개량 테일러법에 의해 제조한 상태의 감자 와이어나, 그것에 텐션 어닐링을 실시한 감자 와이어에 있어서도, 본 발명에 의해 고감도화와 넓은 측정 레인지화를 양립할 수 있는 것을 알 수 있다.

고감도화와 넓은 측정 레인지화를 보다 높은 레벨로 양립시키기 위해서는, 주파수가 0.4㎓ 이상 0.75㎓ 이하, 0.4㎓ 이상 0.7㎓, 0.45㎓ 이상 0.65㎓ 이하, 0.45㎓ 이상 0.58㎓ 이하가 바람직하다.

1 : MI 센서
2 : MI 소자
21 : 감자 와이어
22 : 검출 코일
23 : 절연체
251 : 감자 와이어용 단자
252 : 검출 코일용 단자
3 : 전류 공급 장치
31 : 펄스 발진 회로
4 : 신호 처리 회로
41 : 샘플 타이밍 회로
42 : 아날로그 스위치
43 : 증폭기
6 : 기판
10 : 펄스 전류 파형

Claims

영자왜로 되는 연자성 합금의 아몰퍼스로 이루어지는 감자 와이어와 상기 감자 와이어의 주위에 절연물을 개재하여 검출 코일을 갖고, 상기 감자 와이어에 고주파 전류를 인가함으로써, 외부 자장에 따라 검출 코일로부터 발생하는 전압을 검출하는 마그네트 임피던스 소자와, 상기 마그네트 임피던스 소자에 고주파 전류를 공급하는 전류 공급 장치와, 검출 코일로부터의 출력을 신호 처리하는 신호 처리 회로를 갖는 마그네트 임피던스 센서에 있어서, 상기 감자 와이어는 적어도 와이어의 원주 방향으로 스핀 배열된 표면층을 갖고, 상기 고주파 전류는 0.3 이상, 1.0㎓ 이하의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는, 마그네트 임피던스 센서.