JP4655247B2 - 超高感度マグネトインピーダンスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気感度に優れた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や正弦波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というマグネトインピーダンス効果（以下、ＭＩ効果と記す）を生じることが知られている。この変化をアモルファスワイヤの両端からのインピーダンスを直接検出するマグネトインピーダンス素子（以下ＭＩ素子）と、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素子がある。これらのＭＩ効果を利用した高感度磁気センサがＭＩセンサである。
このＭＩセンサは、現在、携帯電話などに使用されているが、センサの感度を高めると測定レンジが小さくなるという問題がある。従来、感度と測定レンジの制御は反磁界を利用する方法と感磁ワイヤの磁気特性を制御する方法との２通りの方法で行われていた。反磁界を利用する方法は、感度を高めるために感磁ワイヤを長くすることで長手方向の反磁界が減少させるものである。しかし、反磁界が減少するため測定レンジが低くなっていた。逆に、感磁ワイヤを短くすると長手方向の反磁界が増加し測定レンジが大きくなるが、感度が減少していた。一方、感磁ワイヤの磁気特性を制御する方法は、感磁ワイヤの長手方向の透磁率を増加させることによりセンサの感度を高めるものである。しかし、そのことで磁気飽和現象を有する軟磁性材料からなる感磁ワイヤの測定レンジは必然的に低下していた。逆に、長手方向の透磁率を低くすると測定レンジは大きくなるが、当然に感度が減少していた。つまり、感度を高めることと測定レンジを大きくすることは背反の現象であるため両立することができなかった。

従来、ＭＩセンサは、例えば、特許公報３６９３１１９号公報に記載されているように、パルスの立上り時間・立下り時間を周波数換算した場合に０．２ＧＨｚとなるパルス電流を感磁ワイヤへ印加し、ワイヤ径が３０μｍで長さが１．５ｍｍと長めの場合、反磁界を利用して高感度となる場合であるが、感度３５ｍＶ／Ｇ、測定レンジ０．９ｋＡ／ｍであった。また、ワイヤ径が３０μｍで長さが０．６ｍｍと短めの場合、反磁界を利用して広い測定レンジとなる場合であるが、感度２ｍV／G、測定レンジ３．６ｋA／ｍが得られている。これより、ＭＩセンサの感度と測定レンジは、上記のような背反の関係を有するため両方を同時に向上させることは困難であり、実際の使用に対して制限があった。
ここで、高周波電流を更に高周波化することにより、感度を高めることが試みられている。Ｌ．Ｖ．Ｐａｎｉｎａ等によるＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２７２−２７６（２００４），１４５２−１４５９には、アモルファスワイヤに０．５〜２．２ＧＨzの正弦波電流を印加し、アモルファスワイヤの両端からのインピーダンスを測定した結果が開示されている。それによると、高周波化により感度の向上は見受けられるが測定レンジに関しては０．０１２５Ａ／ｍ（１Ｏｅ）と著しく低く、更には、高周波化しても測定レンジが広がらない問題があり、感度と測定レンジの両方を同時に向上させることはできていなかった。

特許公報３６９３１１９号公報

Ｌ．Ｖ．Ｐａｎｉｎａ等によるＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２７２−２７６（２００４），１４５２−１４５９

そこで、本発明は、小型で磁気センサとして感度が高く、測定レンジの大きなＭＩセンサを提供する。

発明者らは、高周波電流の周波数、波形、検出方式、感磁ワイヤ等に関して種々の検討を加えた結果、スピンの回転現象を直接検出する検出コイルを使用する方式においてアモルファス感磁ワイヤに対し従来より高い高周波の電流を印加することにより、スピン回転運動を電流印加とともに均一かつ一斉に、かつ、鋭く首ふり運動させることで、高感度化と高測定レンジ化を達成することができるのではないかと着想した。そして、具体的にはアモルファスワイヤへの印加する電流を従来より高い所定の周波数としつつ、出力の方式を検出コイル方式とすることにより本発明を完成した。

具体的には請求項１に記載の発明のマグネトインピーダンスセンサは、零磁歪となる軟磁性合金のアモルファスからなる感磁ワイヤと前記感磁ワイヤの周囲に絶縁物を介して検出コイルを有し、前記感磁ワイヤに高周波電流を印加することで、外部磁場に応じて検出コイルより発生する電圧を検出するマグネトインピーダンス素子と、前記マグネトインピーダンス素子に高周波電流を供給する電流供給装置と、検出コイルからの出力を信号処理する信号処理回路を有するマグネトインピーダンスセンサにおいて、前記感磁ワイヤは少なくともワイヤの円周方向にスピン配列した表面層を有し、前記高周波電流は０．３以上、１．０ＧＨｚ以下の周波数を有することを特徴とするものである。

本発明の構成を取ることによって、優れた効果を得ることができた理由はさだかではないが、得られた結果から次のように推論する。
まず、高周波電流における周波数が０．３以上、１．０ＧＨｚの範囲内で優れた感度がえられる理由について推論する。
検出コイルで検知される電圧はｄφ／ｄｔに比例することが知られている。まず、感磁ワイヤに高周波電流が印加されると感磁ワイヤの円周方向に磁場が作られる。ワイヤ中のスピンは外部磁場の向きから電流により作られた円周方向磁場の方向に回転する。電流により作られる円周方向磁場（Hφ）の時間変化ｄHφ／ｄｔが大きいほど、すなわち、大きい周波数の電流が印加されるほどワイヤ中のスピンの回転は速くなる。このスピンの回転速度はｄφ／ｄｔに相当するため、検出コイルに検知される電圧は大きくなり高感度となると思われる。

しかしながら、一般的には、高周波になるほど表皮深さが浅くなるため、そこを流れる表皮電流により形成される円周方向磁場に反応するスピンの絶対量、つまりφが小さくなり、検出コイルで検知される電圧dφ／ｄｔが小さくなる作用を有するため、感度が周波数に対してどのような挙動をしめすかは予測は難しかった。

結果的に、後述するように０から０．５ＧＨｚまでは周波数を上げていくと、感度が上昇していることを考慮すると、以下のような感磁ワイヤ内の内部応力が作用していたのではないかと思われる。
一般的に、感磁ワイヤ中の内部応力は径方向に対し、表層部では大きく内部では小さくなる。スピンの首ふり運動は印加されている高周波電流の周波数に応じた表皮深さ内で起こるが、ある程度までの高周波の場合では、表皮深さが厚いため、その表皮深さ内の内部応力分布の不均一さにより、そこでの各スピンが異なる振る舞いで運動する。各スピンが異なる振る舞いで首ふり運動を行えば、センサとしての感度は小さくなると思われる。逆に、０．３ＧＨｚ以上の高周波の場合では、表皮深さが薄くなり内部応力の不均一さが減少するため、スピン回転運動が電流印加とともに均一かつ一斉に、かつ、鋭く首ふり運動をする現象が発現すると思われる。

以上のように、メカニズムはさだかではないが、一つの推論として周波数を上げれば上げるほど感度が上昇する点は説明することができるが、現実には周波数が０．５ＧＨｚを超えるとピークを迎え、その後は減少している。これは、このようなピークの存在は予想外のことであり、これはスピン共鳴現象によるスピンの波化によると思われる。スピン全体が波化することで、スピンの一斉回転が阻害されることで周波数の向上による効果が失われ、１ＧＨｚを超えたところで十分な感度か得られなくなったものと思われる。
本発明者等は、このような複数の作用が交錯する予測性の困難な現象において、感度において１ＧＨｚ近傍において周波数において最適領域の存在を初めて発見したものである。

一方、高周波電流における周波数が０．３以上、１．０ＧＨｚの範囲内で優れた測定レンジがえられる理由について推論する。
測定レンジは高周波化しても変わらないと思われていたが、実際は、かなり広い領域で上昇を発見した。これは、後から考えるに以下の理由ではないかと推測する。
例えば、感磁ワイヤにおいて、高周波電流が高周波になるほど、表皮効果により感磁ワイヤに流れる電流の表皮深さが浅くなる。表皮深さが浅くなるほど、上述のように感磁ワイヤの表面付近の内部応力の作用が大きくなる。内部応力が大きいほど異方性磁界が大きいため測定レンジが大きくなるためと思われる。また、周波数が０．５ＧＨｚ以上で測定レンジの増加がほぼ飽和するのは、その周波数以上では表皮深さが非常に薄くなっていため、内部応力の変化が飽和したためと思われる。

請求項１に記載の発明は、出力の検出方式として検出コイルを採用し、零磁歪となる軟磁性合金のアモルファスからなる感磁ワイヤが、少なくともワイヤの円周方向にスピン配列した表面層を有する状態で、周波数換算で０．３以上、１．０ＧＨｚ以下と従来より高い周波数の高周波電流を印加することにより、従来のマグネトインピーダンスセンサのおける感度と測定レンジを同時に向上することができる。

本発明のＭＩ素子の正面を示す概念図である。 本発明の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センサにおいてのセンサ出力と印加磁場の関係を示す図である。 本発明の実施例に係るＭＩセンサにおいてのセンサ感度と周波数の関係を示す図である。 本発明の実施例に係るＭＩセンサにおいての測定レンジと周波数の関係を示す図である。

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。
≪感磁ワイヤ≫
本発明の感磁ワイヤは、零磁歪となる軟磁性合金のアモルファスからなる。例えば、コロナ社出版の磁気センサ理工学、Ｐ１３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記述されている。本発明の零磁歪もそのレベルとする。

感磁ワイヤの組成は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系の零磁歪を有する合金が好ましい。その他、Ｃｏ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｂ系やＦｅ−Ｓｉ系等の公知の合金系からなるアモルファス合金でもよい。感磁ワイヤ全部がアモルファス相であることが望ましいが、ワイヤ内に均一な内部応力を発生するような少量の析出相を含んでも良い。析出相としては、例えば、Ｆｅ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｃｏ−Ｂ系、Ｃｏ−Ｓｉ系、Ｃｏ系合金、Ｆｅ系合金、Ｓｉ-Ｂ系化合物等がある。感磁ワイヤに上記アモルファスを用いることにより、円周方向にスピン配列した表面層を有する感磁ワイヤが得られる。

本実施例においてはＣｏ７１．２Ｆｅ４．８Ｓｉ１１．８Ｂ１２．２組成（ａｔ％） なる組成を有し、直径１１．６μｍのアモルファスワイヤを供試材（試料１）とした。本供試材は、改良テイラー法により作製した。また、その供試材に５２０℃の雰囲気温度で２００ＭＰａのテンションを加えながら７ｓ間熱処理を施したアモルファスワイヤも供試材（試料２）とした。

≪ＭＩ素子≫
本発明のＭＩ素子２の構成についての実施例を図１の概念図を用いて説明する。
まず、感磁ワイヤ２１の周囲に絶縁物２３（図示せず）を介して検出コイル２２を配置し、それらを基板６上に配設する。そして、感磁ワイヤ２１はその両端にパルス電流を印加するための電極２５１に接続され、検出コイル２２は外部磁場に応じて変化する電圧を検出するため電極２５２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ターンである。この構成は一例であり、公知の検出コイル型のＭＩ素子構造においても同様の効果を得ることができる。

≪ＭＩセンサ≫
本発明のＭＩ素子２を使用したＭＩセンサ１の電子回路の実施例を図２を用いて説明する。ＭＩセンサ１は、ＭＩ素子２と、電流供給装置３、信号処理回路４からなる。本実施例においては、高周波電流を供給する電流供給装置はパルス発振回路３１を用いた。
センサの動作は以下のようである。パルス発振回路３１により発生した後述する周波換算した周波数が０．３以上、１．０ＧＨｚ以下のパルス電流をＭＩ素子２中の感磁ワイヤ２１へ供給すると、検出コイル２２に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るスピンの回転に基づく外部磁場に対応した電圧が発生する。

ここでの周波数は、図３（ａ）に示すようにパルス電流波形１０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、そのΔｔを、図３（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ものである。次に、サンプルタイミング調整回路４１により前記パルス電流が立ち上がったあと、所定のタイミングでアナログスイッチ４２を短時間スイッチをオンーオフする。これによりアナログスイッチ４２は、検出コイル２２に発生した外部磁場に対応した電圧をサンプリングし増幅器４３に伝える。パルス電流を遮断するとき（立ち下がりのとき）も同様のことが行える。この構成は一例であり、公知の感磁ワイヤ中の磁化の変化を検出コイルで検知するタイプのＭＩセンサの電子回路においても同様の効果を得ることができる。

本実施例でのＭＩ特性の測定、及び、感度と測定レンジの算出方法について説明する。図４は試料１のアモルファスワイヤをＭＩセンサに組み込み最大磁場±０．３ｋＡ／ｍ、１０Ｈｚ中に設置し、感磁ワイヤに周波数０．３ＧＨｚに相当する８０ｍＡのパルス電流を入力し、検出コイルに発生した電圧信号を上記センサにより信号処理された電圧を測定したものである。なお、ここではパルスの立ち上がり部で検出したが、立ち下がり部でもよく、両方でも良い。測定レンジは、ゼロ磁場を中心に直線性が１％Ｆ．Ｓ．以下になる磁場とした。なお、直線性の評価の方法は、ＪＩＳＢ０１５５の番号２６２３の方法を用いた。感度は測定レンジ間における出力電圧の傾きとした。

次に、試料１、２をＭＩセンサに組み込み、ＭＩセンサを最大磁場±１２ｋＡ／ｍ、１０Ｈｚの磁場中に設置し、感磁ワイヤに周波数０．３、０．５、０．７、１．０ＧＨｚに相当する８０ｍＡのパルス電流を入力し同様の測定を行った。なお、比較例として周波数を０．０１、０．０３、０．１、０．２、１．２５、１．５ＧＨｚとして測定を行った。 測定結果に基づき、図５に、本発明のＭＩセンサにおける感度と周波数の関係を示す。図５（ａ）は試料１を用いた測定結果であり、図５（ｂ）は試料２を用いたものである。図５（ａ）より、改良テイラー法によって製造したままの試料１において、感度は、従来の０．２ＧＨｚと比較し、周波数０．３〜１．０ＧＨｚの範囲で１．３〜１．７倍となり大きく上昇している。図５（ｂ）より、試料１に所定のテンションアニールした試料２においても、感度は、従来の０．２ＧＨｚと比較し、周波数０．３〜１．０ＧＨｚの範囲で、１．５〜２．０倍となり大きく上昇している。これらの結果より、本発明においては、従来の０．２ＧＨｚで駆動されたＭＩセンサの感度の少なくとも１．３倍以上の感度を得ることができる。更に高感度を得るためには、周波数が０．４ＧＨｚ以上０．７５ＧＨｚ以下、０．４ＧＨｚ以上０．７ＧＨｚ、０．４５ＧＨｚ以上０．６５ＧＨｚ以下、０．４５ＧＨｚ以上０．５８ＧＨｚ以下が好ましい。

一方、本発明のＭＩセンサにおける測定レンジと周波数の関係を図６に示す。図６（ａ）は試料１を用いた測定結果であり、図６（ｂ）は試料２を用いたものである。図６（ａ）より、改良テイラー法によって製造したままの試料１において、測定レンジは、従来の０．２ＧＨｚと比較し、周波数０．３〜１．０ＧＨｚの範囲で１．１〜１．５倍となり大きく上昇している。図６（ｂ）より、試料１に所定のテンションアニールした試料２においても、測定レンジは従来の０．２ＧＨｚと比較し、周波数０．３〜１．０ＧＨｚの範囲で、１．１〜１．５倍となり大きく上昇している。これらの結果より、本発明においては、従来の０．２ＧＨｚで駆動されたＭＩセンサの測定レンジの少なくとも１．１倍以上の感度を得ることができる。高測定レンジを得るためには、周波数が０．４ＧＨｚ以上１ＧＨｚ以下、０．４５ＧＨｚ以上１ＧＨｚ、０．５０ＧＨｚ以上１ＧＨｚ以下が好ましい。
図５、図６の結果より、改良テイラー法によって製造したままの感磁ワイヤや、それへのテンションアニールを施した感磁ワイヤにおいても、本発明により高感度化と広い測定レンジ化を両立できることがわかる。
高感度化と広い測定レンジ化をより高いレベルで両立するためには、周波数が０．４ＧＨｚ以上０．７５ＧＨｚ以下、０．４ＧＨｚ以上０．７ＧＨｚ、０．４５ＧＨｚ以上０．６５ＧＨｚ以下、０．４５ＧＨｚ以上０．５８ＧＨｚ以下が好ましい。

１：ＭＩセンサ ２：ＭＩ素子 ２１：感磁ワイヤ ２２：検出コイル ２３：絶縁体 ２５１：感磁ワイヤ用端子 ２５２：検出コイル用端子 ３：電流供給装置 ３１：パルス発振回路 ４：信号処理回路 ４１：サンプルタイミング回路 ４２：アナログスイッチ ４３：増幅器 ６：基板 １０：パルス電流波形

Claims (1)

1. 零磁歪となる軟磁性合金のアモルファスからなる感磁ワイヤと前記感磁ワイヤの周囲に絶縁物を介して検出コイルを有し、前記感磁ワイヤに高周波電流を印加することで、外部磁場に応じて検出コイルより発生する電圧を検出するマグネトインピーダンス素子と、前記マグネトインピーダンス素子に高周波電流を供給する電流供給装置と、検出コイルからの出力を信号処理する信号処理回路を有するマグネトインピーダンスセンサにおいて、前記感磁ワイヤは少なくともワイヤの円周方向にスピン配列した表面層を有し、前記高周波電流は０．３以上、１．０ＧＨｚ以下の周波数を有することを特徴とするマグネトインピーダンスセンサ

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