WO2009119081A1 - 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

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 Download PDF

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magneto
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magnetosensitive wire
magnetosensitive
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本蔵義信
山本道治
濱田典彦
下出晃宏
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愛知製鋼株式会社
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    • Y10T428/12861—Group VIII or IB metal-base component

Definitions

  • the present invention relates to a magnetosensitive wire having excellent hysteresis characteristics, a magnetoimpedance element (hereinafter referred to as “MI element”) and a magnetoimpedance sensor (hereinafter referred to as “MI sensor”) using the magnetosensitive wire.
  • MI element magnetoimpedance element
  • MI sensor magnetoimpedance sensor
  • MI effect A magneto-impedance effect (hereinafter referred to as “MI effect”) is known in which the impedance changes with a magnetic field due to the skin effect when a high-frequency pulse current is passed through an amorphous wire of a CoFeSiB alloy.
  • a high-sensitivity magnetic sensor using an MI element that detects this change by a detection coil wound around an amorphous wire, that is, an MI sensor, is currently used in mobile phones and the like.
  • the conventional sensor has a problem of poor hysteresis characteristics. This problem is caused by the magnetic domain structure of the amorphous wire that is a magnetosensitive wire.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing a magnetic domain structure inside the amorphous wire constituting such a conventional magnetic sensitive wire.
  • the magnetic sensing wire 9 is divided into two layers, a surface layer portion 91 and a core portion 92, depending on the magnetic domain structure.
  • the spin is directed in a constant circumferential direction. Therefore, since the entire spin is closed as a circumference, there is no domain wall in the surface layer portion 91.
  • the core portion 92 on the inner peripheral side of the surface layer portion 91 has a multi-domain structure and has many domain walls. In addition, a domain wall exists at the interface between the surface layer portion 91 and the core portion 92 because the direction of each spin changes discontinuously.
  • the conventional magnetic sensing wire 9 has a spin structure (array) in which the spin is directed in the circumferential direction with a constant spin in the surface layer portion 91, but has a multi-domain structure in the core portion 92, and as a whole a magnetic composite It was a structure.
  • the present invention provides a magnetosensitive wire excellent in hysteresis characteristics suitable for a magnetic sensor and the like, an MI element using the same, and an MI sensor.
  • the expression of hysteresis is caused by the movement of the domain wall inside the magnetosensitive wire having a multi-domain structure when a magnetic field is applied. Therefore, the present inventor first came up with the idea of making the multi-domain structure having domain walls into a vortex spin structure having no domain walls, and succeeded in obtaining a vortex spin structure magnetosensitive wire for the first time. By developing this result, a series of the present invention described below has been completed.
  • the magnetosensitive wire of the present invention has a vortex spin structure.
  • the “vortex spin structure” means that each spin is continuously arranged in a certain circumferential direction in the wire surface layer portion, and each spin is made of an amorphous wire in the inner portion on the inner peripheral side of the surface layer portion. As the wire approaches the center, the wire rotates gradually from the circumferential direction to the axial direction.
  • spin means a magnetic moment per atom.
  • the vortex spin structure may consist only of the structure of the inner part. The area occupied by the inner part increases or decreases depending on the wire composition, internal stress, and shape.
  • FIG. 1 is a perspective sectional view for schematically explaining a magnetosensitive wire having a vortex spin structure.
  • the cross section A is a plane perpendicular to the axial direction of the wire
  • the cross section B is a plane cut at the central portion along the axial direction of the wire.
  • the magnetosensitive wire 1 is composed of two layers of a surface layer portion 11 and an inner portion 12 having different spin arrangements. First, the surface layer portion 11 will be described. In the surface layer portion 11 of the cross section A, the spin is directed in a constant circumferential direction. Therefore, the spins are continuously arranged as a whole and closed in the circumferential direction (circulated or refluxed), and there is no domain wall in the surface layer portion 11.
  • Each spin existing in the X1-X2-X3-Y1 region (shown by the X1-X5 line in FIG. 1 as a representative example) of the cross section B constituting the surface layer portion 11 has the same spin arrangement as that of the outermost surface of the surface layer portion 11. It has become.
  • the spin arrangement of the inner part 12 will be described.
  • the spin at the boundary (X5) between the surface layer portion 11 and the inner portion 12 is The same direction as the spin.
  • X5 to X6 that is, as it approaches the axial center, the spin gradually inclines from the circumferential direction toward the axial direction, and the axial direction (of the magnetosensitive wire 1 of the magnetic sensing wire 1) is increased at the axial center (X6).
  • the direction matches the (centerline direction).
  • spin tilt arrangement exists similarly on the Y1-Y2 line on the cross section B and also in any part of the Y1-X3-X6-Y3 region of the cross section B.
  • the spins are continuously arranged at the interface between the surface layer portion 11 and the inner portion 12 and there is no domain wall.
  • Such an entire spin arrangement is called a vortex spin structure in the present invention.
  • the “spin arrangement” in this specification mainly means the distribution of the magnetic moment of each spin, but the “spin arrangement” is also simply referred to as “spin” as appropriate.
  • the magnetosensitive wire of the present invention is used for an MI sensor, for example.
  • the outline of the MI sensor is as follows. All spins tilt in the direction of the applied magnetic field according to the magnitude of the applied magnetic field, which is the applied magnetic field.
  • a pulse current flows through the magnetosensitive wire, a magnetic field is formed in the circumferential direction of the magnetosensitive wire by the pulse current, and spins in the magnetosensitive wire are directed in the circumferential direction.
  • the MI sensor detects a change due to the spin rotation of the magnetosensitive wire with a pickup coil or detects a change in impedance of the wire.
  • the contents described below are appropriately applied not only to the magnetosensitive wire according to the present invention but also to MI elements and MI sensors using the same.
  • the magnetosensitive wire of the present invention one or two or more configurations arbitrarily selected from the following contents can be added to the above-described configuration. Note that which embodiment is the best depends on the target, required performance, and the like.
  • the thickness of the inner portion (“d” of the inner portion 11 in FIG. 1) can take up to the radius of the wire.
  • the vortex spin structure of the present invention is not a two-dimensional structure such as a thin film (in the field of nanodots) but a three-dimensional structure.
  • the present invention is the first knowledge regarding this three-dimensional vortex spin structure. Unlike the conventional three-dimensional structure that detects not only the rotation of the spin but also the movement of the domain wall, the vortex spin structure of the present invention has no domain wall (domain). For this reason, the MI sensor of the present invention has an excellent effect that only the spin rotation is completely detected and the hysteresis is zero. Therefore, the present invention is also a magnetosensitive wire having no domain wall (magnetic domain).
  • the magnetosensitive wire of the present invention is preferably made of a soft magnetic alloy having an amorphous main phase and zero magnetostriction.
  • a magnetosensitive wire having a vortex spin structure or a magnetosensitive wire having no domain wall (magnetic domain) is obtained.
  • zero magnetostriction means that the absolute value of magnetostriction is less than 10 ⁇ 6 .
  • the absolute value of magnetostriction is less than 10 ⁇ 6 when Fe / Co is about 0.07 in “(CoFe) 80 (SiB) 20 . , The magnetostriction at that level is set to zero magnetostriction ”.
  • the magnetosensitive wire of the present invention is preferably made of a Co—Si based alloy, a Co—Si—B based alloy, particularly a Co—Fe—Si—B based alloy that exhibits zero magnetostriction.
  • the magnetosensitive wire of the present invention may be made of a known amorphous alloy such as a Co—Mn—Si—B alloy or an Fe—Si alloy.
  • This magnetosensitive wire is produced, for example, by appropriately adjusting its alloy component, wire diameter, and internal stress.
  • the alloy used is preferably a Co—Fe—Si—B-based zero magnetostrictive material.
  • the diameter is preferably 15 ⁇ m or less. Further, when the wire diameter is less than 0.5 ⁇ m, the volume of the wire becomes small, and the sensor sensitivity is lowered so that it cannot be used as a sensor.
  • the diameter of the magnetosensitive wire of the present invention is preferably, for example, 0.5 to 15 ⁇ m.
  • the internal stress is adjusted by, for example, heat treatment performed while applying tension to the wire (hereinafter referred to as “tension annealing”), heat treatment performed while applying current, or the like.
  • tension annealing heat treatment performed while applying tension to the wire
  • the heat treatment at this time is performed below the temperature at which the amorphous is completely crystallized.
  • the present invention is also a magneto-impedance element using the magnetosensitive wire having the above-described vortex spin structure as a magnetic detector.
  • the present invention is also grasped as a magneto-impedance element using a magnetic sensing wire having no domain wall (magnetic domain) as a magnetic detector.
  • the MI element of the present invention only needs to replace the conventionally known MI element by replacing only the magnetosensitive wire as the magnetic detector with the above-described magnetosensitive wire of the present invention.
  • the structure of the MI element itself is known, for example, in International Publication WO2003 / 071299, International Publication W02005 / 019851, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-227297, Japanese Patent Application Laid-Open No.
  • the MI element of the present invention includes, for example, a substrate, the above-described magnetosensitive wire of the present invention, an insulator enclosing the magnetosensitive wire, a detection coil wound around the magnetosensitive wire, and the sensory wire. A magnetic wire and an electrode terminal extending from the detection coil.
  • Each spin in the magnetosensitive wire of the MI element is inclined in the direction of the external magnetic field according to the magnitude of the external magnetic field.
  • a high-frequency pulse current corresponding to 50 to 250 MHz generated by the pulse oscillation circuit is supplied thereto, a magnetic field is formed in the circumferential direction of the magnetosensitive wire, and the spin in the magnetosensitive wire rotates in the circumferential direction.
  • the MI sensor detects a change in the spin direction with a detection coil or detects a change in the impedance of the wire. A similar change occurs when the pulse current is interrupted and can be detected.
  • the present invention can be grasped not only as the above-mentioned magnetosensitive wire and MI element but also as an MI sensor using them.
  • the MI sensor of the present invention only needs to replace the conventionally known MI sensor with only the above-described magnetosensitive wire as the magnetic detector.
  • the MI sensor of the present invention includes, for example, the magnetosensitive wire of the present invention, a detection coil wound around the magnetosensitive wire, a pulse oscillation circuit that supplies a pulse current to the magnetosensitive wire, and the detection coil. And a signal processing circuit for converting the detected voltage into a signal corresponding to the intensity of the external magnetic field.
  • the MI sensor of the present invention uses the above-described magnetosensitive wire, it has excellent hysteresis characteristics such that the hysteresis as the MI sensor is almost zero.
  • the MI sensor of the present invention is excellent in the linearity of the output voltage characteristic with respect to the applied magnetic field in the measurement range.
  • the configuration of the MI sensor itself is also known in the above-mentioned publications and the like, and those known configurations and other known configurations can be used for the MI sensor of the present invention. Note that the MI sensor of the present invention can obtain the same effect even if it directly detects the impedance change of the magnetosensitive wire.
  • the MI element or MI sensor of the present invention replaces the magnetosensitive wire of the conventional MI element or MI sensor with the magnetosensitive wire of the present invention having a vortex spin structure, thereby reducing the hysteresis detected by the MI sensor.
  • Excellent hysteresis characteristics almost zero.
  • the magnetosensitive wire of the present invention is used, the linearity of the output voltage characteristics with respect to the applied magnetic field is greatly improved in the measurement range of the MI sensor compared to the conventional magnetosensitive wire.
  • an amorphous wire manufactured by Unitika Co., Ltd. having a constant circumferential spin structure in the surface layer portion and a multi-domain structure inside was prepared in the same manner as the surface layer portion 91 in FIG.
  • This amorphous wire is manufactured by spinning in a rotating liquid, has an alloy composition of (Co 94 Fe 6 ) 72.5 Si 12.5 B 15 (at%), has a diameter of 20 ⁇ m, and is subjected to tension annealing. It has been done.
  • an amorphous wire having a diameter reduced to 13 ⁇ m was prepared by etching the amorphous wire used in the conventional example (Example 2).
  • MI element 2 The structure of the MI element 2 which is the Example which concerns on this invention is demonstrated using the conceptual diagram of FIG.
  • the detection coil 3 disposed around the magnetosensitive wire 1 via the insulator 4 (not shown) is disposed on the substrate 10. Both ends of the magnetosensitive wire 1 are connected to electrodes 51 for applying a pulse current.
  • the detection coil 3 is connected to an electrode 52 for detecting a voltage that changes according to an external magnetic field.
  • the length of the magnetosensitive wire was 0.6 mm, and the number of turns of the detection coil 30 was 15 turns.
  • the configuration shown here is an example, and other known MI element structures may be adopted.
  • the MI sensor 6 includes an MI element 2, a pulse oscillation circuit 61, and a signal processing circuit 62.
  • the operation of the sensor is as follows.
  • a high-frequency pulse current corresponding to 50 to 250 MHz generated by the pulse oscillation circuit 61 is supplied to the magnetosensitive wire 1 in the MI element 2.
  • a voltage based on the rotation of the spin in the magnetosensitive wire 1 is generated in the detection coil 3 by the action of the external magnetic field and the magnetic field in the wire circumferential direction by the pulse current. As shown in FIG.
  • this frequency is obtained by first obtaining the rise time or fall time ⁇ t of the pulse in the pulse current waveform 7, and then the ⁇ t is obtained as shown in FIG. 4B. , Calculated from the period determined to correspond to a quarter period of the wave. Next, after the pulse current rises, the analog switch 622 is switched (on-off) for a short time at a predetermined timing by the sample timing adjustment circuit 621. As a result, the analog switch 622 samples and transmits the voltage corresponding to the external magnetic field generated in the detection coil 3 to the amplifier 623. The same applies when the pulse current is cut off (at the fall).
  • the configuration shown here is merely an example, and other known MI sensor electronic circuits may be employed.
  • the magneto-impedance (MI) characteristic of this example is that the MI sensor 6 is installed in a magnetic field of ⁇ 2400 A / m and 10 Hz, and a pulse current of 80 mA corresponding to a frequency of 0.2 GHz is applied to the magnetosensitive wire 1 of the MI element 2.
  • the input voltage signal generated in the detection coil 3 was subjected to signal processing by the signal processing circuit 62, and the voltage of each magnetic field output from the detection coil 3 was measured and evaluated.
  • the rise time and fall time of the pulse current were both 1.25 ns.
  • the detection is performed at the falling edge of the pulse, but it may be the rising edge or both.
  • Example 1 the results obtained by the above measurements are shown in FIG.
  • the measurement result of this example is shown in FIG. 5A
  • the measurement result of the conventional example is shown in FIG. 5B.
  • the difference in applied magnetic field when the coil output is 2.5 V is defined as the hysteresis characteristic.
  • the hysteresis characteristic of this example was 2 A / m, which was less than the detection power (7 A / m) of the detection device. This indicates that the hysteresis characteristic is almost zero. From this, it can be said that the magnetosensitive wire according to the present invention has a vortex spin structure having no domain wall.
  • the linearity is the applied magnetic field between 30% of the applied magnetic field indicating the peak value of the coil output voltage (between applied magnetic field ⁇ 485 A / m in the example and applied magnetic field ⁇ 377 A / m in the comparative example).
  • the linearity of the output voltage with respect to was evaluated.
  • the method of number 2623 in JIS B0155 was used between the measurement ranges.
  • the configuration of the present invention can be more specifically expressed by the following contents.
  • the magnetosensitive wire will be taken up and described, but the same applies to the MI element or MI sensor.
  • the magnetosensitive wire is preferably made of a Co—Si based alloy, a Co—Si—B based alloy, particularly a Co—Fe—Si—B based alloy, which exhibits zero magnetostriction.
  • a Co—Fe—Si—B alloy for example, when the whole is 100 atomic% (at%), Co: 60 to 80 at%, Fe: 3 to 7 at%, Si: 5 to 20 at%, and B : 7-30%.
  • the magnetosensitive wire of the present invention is preferably made of an amorphous wire made of an alloy having the above composition.
  • This heat treatment is preferably a heat treatment in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere at a temperature at which the amorphous wire is not completely crystallized.
  • the heating temperature is preferably 300 to 650 ° C., 400 to 630 ° C., more preferably 500 to 600 ° C., for example.
  • the heating time is preferably 2 to 60 seconds (s), more preferably 4 to 10 s.
  • the applied tension is preferably 30 to 2000 MPa, 100 to 1000 MPa, and more preferably 100 to 400 MPa.
  • the hysteresis characteristics of the magnetosensitive wire are 7 A / m or less, 5 A / m or less, and further 3 A / m or less. At this level, the hysteresis can be regarded as substantially zero.
  • the linearity of the magnetosensitive wire is 2% F.D. at 30% between the specific applied magnetic fields specified by the applied magnetic field corresponding to the peak voltage detected by the MI sensor. S. Hereinafter, 1.5% F.V. S or less, 1% F.S. S or less, further 0.8% F.S.
  • x to y includes a lower limit value x and an upper limit value y unless otherwise specified.
  • the lower limit value and the upper limit value described in the present specification can be arbitrarily combined to constitute a range such as “ab”.
  • the upper limit value or the lower limit value can be replaced with any numerical value included in the numerical value range described.
  • the magnetosensitive wire, MI element and MI sensor according to the present invention have almost zero hysteresis, and are extremely small and highly sensitive, they can be applied to ultra-small magnetic sensors for small electronic devices such as mobile phones. It is.

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Abstract

　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ため、その内部に磁壁が存在せず、ヒステリシスがほぼゼロという優れたヒステリシス特性を有する。このため、ＭＩセンサの測定レンジにおける印加磁場に対する出力電圧特性に関する直線性が、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。この感磁ワイヤを用いれば、従来よりも高精度なマグネトインピーダンス（ＭＩ）素子さらにはそのＭＩ素子を用いたセンサを提供することが可能となる。

Description

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
　本発明は、ヒステリシス特性に優れた感磁ワイヤ、その感磁ワイヤを用いたマグネトインピーダンス素子（以下、「ＭＩ素子」と記す）およびマグネトインピーダンスセンサ（以下、「ＭＩセンサ」と記す）に関する。
　ＣｏＦｅＳｉＢ系合金のアモルファスワイヤに高周波のパルス電流を流すと表皮効果により、インピーダンスが磁界によって変化するマグネトインピーダンス効果（以下、「ＭＩ効果」と記す）が知られている。この変化をアモルファスワイヤに巻回した検出コイルによって検出するＭＩ素子を利用した高感度磁気センサ、すなわちＭＩセンサは、現在、携帯電話などに使用されている。しかし、従来のセンサは、ヒステリシス特性が悪いという問題がある。この問題は、感磁ワイヤであるアモルファスワイヤの磁区構造に起因する。
　従来のＭＩセンサに使用されていた感磁ワイヤとして、例えば、再公表特許ＷＯ２００５／０１９８５１号公報に開示がある。そこには、張力アニールした２０μｍを有するアモルファスワイヤおよびこれを用いた長さ１ｍｍ以下、高さ０．５ｍｍのＭＩ素子が開示されている。しかし、その公報に開示されたアモルファスワイヤのヒステリシス特性は約２％程度と大きい。
　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。
再公表特許ＷＯ２００５／０１９８５１号公報
　本発明は、磁気センサなどに好適なヒステリシス特性に優れる感磁ワイヤと、それを用いたＭＩ素子およびＭＩセンサを提供する。
　ヒステリシスの発現は、多磁区構造をもつ感磁ワイヤ内部の磁壁が、磁場印加時に移動することに起因する。そこで本発明者は、先ず、磁壁を有する多磁区構造を、磁壁を全く有しないボルテックススピン構造にすることを思いつき、ボルテックススピン構造の感磁ワイヤを得ることに初めて成功した。この成果を発展させることで、以下に述べる一連の本発明を完成させるに至った。
《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。
（２）図１は、ボルテックススピン構造を有する感磁ワイヤを模式的に説明する斜視断面図である。断面Ａはワイヤの軸方向に垂直な面であり、断面Ｂはワイヤの軸方向に沿った中央部で切断した面である。
　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。
　次に内側部１２のスピン配列を説明する。断面Ｂ上のＹ１－Ｘ３－Ｘ６－Ｙ３領域（図１では、代表例としてＸ５－Ｘ６線で示す）で、表層部１１と内側部１２との境界（Ｘ５）でのスピンは、表層部１１のスピンと同じ向きである。Ｘ５からＸ６に向かうにつれて、すなわち、軸中心に近づくにつれて、スピンはその向きを円周方向から軸方向に向けて徐々に傾斜していき、軸中心（Ｘ６）において軸方向（感磁ワイヤ１の中心線方向）に向きが一致する。このようなスピン傾斜配列は、断面Ｂ上のＹ１－Ｙ２線上においても、さらには断面ＢのＹ１－Ｘ３－Ｘ６－Ｙ３領域中のいずれの部分でも同様に存在する。
　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。
（３）本発明の感磁ワイヤは、例えば、ＭＩセンサに使用される。ＭＩセンサの概略は次の通りである。
　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。
《感磁ワイヤの付加的構成》
　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。
　また、本発明の感磁ワイヤは、主相がアモルファスで、零磁歪となる軟磁性合金からなることが好ましい。これにより、ボルテックススピン構造を有する感磁ワイヤ、若しくは、磁壁（磁区）を有しない感磁ワイヤが得られる。
　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。
（２）ボルテックススピン構造を有する感磁ワイヤの作製方法の例を以下に示す。
　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。
《ＭＩ素子》
（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。
（２）ＭＩ素子の感磁ワイヤ中の各スピンは、外部磁場の大きさに応じて、その外部磁場の方向に傾いている。そこへパルス発振回路により発生した５０～２５０ＭＨｚ相当の高周波のパルス電流を供給すると、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回転する。ＭＩセンサは、このスピンの向きの変化を検出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。前記のパルス電流を遮断するときも同様の変化が生じ、その変化が検出され得る。この本発明のＭＩ素子をＭＩセンサに使用することで、後述の優れた効果が発揮される。
《ＭＩセンサ》
（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。
本発明の感磁ワイヤのボルテックススピン構造を模式的に示す斜視断面図である。 本発明の実施例であるＭＩ素子の正面を示す概念図である。 本発明の実施例であるＭＩセンサの電気回路の概念図である。 本発明のＭＩ素子、ＭＩセンサで使用するパルス電流の立ち上がり、立ち下がり時間から周波数を求める方法を説明する説明図である。 本発明の実施例に係るＭＩ特性図である。 従来例の感磁ワイヤ内部の磁気的複合構造を模式的に示す斜視図である。
符号の説明
　　１　　　　感磁ワイヤ（実施例）
　　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
　本発明の実施形態を適宜従来例と比較しつつ説明する。なお、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。
《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）。
（２）ＭＩ素子
　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。
（３）ＭＩセンサ
　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。
《測定》
　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。
《本発明》
　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。
　本発明による感磁ワイヤ、ＭＩ素子およびＭＩセンサは、ヒステリシスがほぼ零であり、非常に小型かつ高感度であるため、携帯電話をはじめとする小型電子機器用の超小型磁気センサに適用が可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001

Claims (7)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　直径が０．５～１５μｍである請求項１に記載の感磁ワイヤ。
  6. 　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。
  7. 　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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