JP2005338031A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 携帯電話用方位センサに適用可能な小型、軽量、かつ高感度な磁気センサを得る。
【解決手段】 磁歪薄膜１２と弾性体１１が積層された振動体２から成り、外部の振動駆動手段によって前記振動体２が一体となって機械的に共振し、前記振動体２に印加される外部磁場変化に伴って前記磁歪材のヤング率が変化することにより前記振動体の機械的な共振周波数が変化し、前記共振周波数の変化量から外部磁場量が算出される磁気センサ１であって、前記磁歪材はＣｏ、Ｆｅ、Ｚｒから成る合金であり、その元素組成比Ｃｏ：Ｆｅ：Ｚｒ＝ｘ：ｙ：ｚとして、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１かつ０．２≦ｘ≦０．７５かつ０．２≦ｙ≦０．６かつ０．０５≦ｚ≦０．２である磁気センサ１とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主として地磁気検出に対して好適な磁気センサであって、磁歪現象による共振周波数の変化によって磁界を検出する磁気センサに関する。

従来、例えば、地磁気程度の磁場が検出できる磁気センサとして、数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ帯の表皮効果を利用する磁気−インピーダンス素子（以下、ＭＩ素子と呼ぶ）、あるいは、軟磁性体の透磁率変化を利用したフラックスゲートセンサがある。これらの磁気センサは、磁気感度に関して、一般的には、磁性体の反磁界の影響により、センサの小型化とともに磁気感度は著しく低下する傾向にある。一方、前記ＭＩ素子あるいはフラックスゲートセンサと異なる原理に基づく磁気センサとして、磁歪現象と圧電検出方式を組み合わせた磁気センサが提案されている。

図２は、従来の磁気センサの一例を示す概略図である。図２に示す磁歪素子を用いてなる磁気センサは、特許文献１に記載されているように、『磁歪素子及び圧電素子を組み合わせてなり、磁歪素子の伸びにより圧電素子を歪ませ電圧に変換する磁界センサであって、変電所または送電線における電流計測に適用したことを特徴とする磁界センサ』である。特許文献１に記載の磁気センサ３の基本原理は、外部磁場変化による磁歪素子２１の伸び（形状変化）を、磁歪素子２１と一体化された圧電素子２２に発生する電圧として検出するものである。従って、磁気センサの感度は、圧電素子２２に発生する電圧として出力され、その発生電圧Ｖは、式（１）により表現される。

Ｖ＝ｇ₃₁×ｔ×ｐ ・・・・・・・（１）

ここで、ｇ₃₁、ｔ、およびＰは、圧電応力定数、圧電素子の厚さおよび圧電素子２２に印加される圧力を示す。

また、特許文献２に記載されているように、『外部磁場に対して極反転しない磁石と、前記磁石に加わる磁場強度を力学的な力として検出する圧電素子と、を備えたことを特徴とする磁気センサ』がある。

図３は、従来の磁気センサの一例を示す概略図である。特許文献２に記載の磁気センサ４の基本原理は、特許文献２より引用すると、『磁気モーメントＭを有する磁石に外部磁場Ｈが作用すると、磁気モーメントＭと外部磁場Ｈとの外積（Ｈ×Ｍ）方向を軸とするトルクＴが働く。そして、外部磁場Ｈの強度が高くなると力学的な力であるトルクＴが増大する。この磁石で発生したトルクＴは圧電素子に応力（ねじり応力）を生じさせ、外部磁場Ｈは応力に変換される。』というものである。

特開２０００−８８９３７号公報 特開２０００−６５９０８号公報

従来の小型で高感度な磁気センサであるＭＩセンサあるいはフラックスゲートセンサは、磁気感度に関しては、一般的には、磁性体の反磁界の影響により、センサの小型化とともに磁気感度は著しく低下する傾向にある。そのため、例えば、地磁気を利用した携帯用方位センサなどに適用しようとした場合には、小型、且つ、高感度といった２つの条件を満たさなければならず、先のＭＩセンサおよびフラックスゲートセンサでは適用が困難であった。

また、磁歪現象と圧電検出方式を組み合わせた従来の磁気センサにおいては、以下の理由から小型化と高感度化を同時に満たすことが困難であった。つまり、特許文献１の磁気センサ３においては、式（１）より、磁気感度に係る発生電圧Ｖは圧電素子２２の厚さｔに比例し、圧電素子２２の薄膜化とともに発生電圧も低下することになる。

また、発生電圧の低下を抑えるために圧電素子２２の膜厚を維持し、圧電振動子の小型化を図る場合、小型化にともなって相対的に振動子の厚みに対して長さおよび幅が短くなり、振動子が曲がりにくい構造となる。そのため、式（１）で表される圧力Ｐは低下し、結果的に発生電圧が低下することとなる。従って、小型化と高感度化を同時に満たすことは、困難といえる。

また、特許文献２にみられるように、外部磁場に対して極反転しない磁石２５と、前記磁石に加わる磁場強度を力学的な力として検出する圧電素子２２とを備えたことを特徴とする磁気センサ４においては、原理的に、磁石に発生したトルク（Ｈ×Ｍ）はモーメントであるため、圧電素子２２で効率よく受けるには、圧電素子２２の面積として比較的大きな領域を必要とする。このような動作原理に基づくものであれば、差動型とした場合にも、センサのサイズは必然的に大きなものとなり、小型化には不向きであると考えられる。

そこで、本発明の課題は、携帯電話用方位センサに適用可能な小型、軽量、かつ高感度な磁気センサを提供することである。

本発明の磁気センサは、磁歪材と弾性材が積層された振動体から成り、前記振動体が一体となって機械的に共振している状態にあって、前記振動体に印加される外部磁場変化に伴って前記磁歪材のヤング率が変化することにより前記振動体の機械的な共振周波数が変化し、前記共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する磁気センサであって、前記磁歪材はＣｏ、Ｆｅ、Ｚｒから成る合金であり、その元素の組成比Ｃｏ：Ｆｅ：Ｚｒ＝ｘ：ｙ：ｚは、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１とした時、０．２≦ｘ≦０．７５かつ０．２≦ｙ≦０．６かつ０．０５≦ｚ≦０．２である磁気センサである。

本発明の磁気センサによれば、磁歪材と弾性材が積層された振動体が一体となって機械的に振動している状態にあって、外部磁場変化に伴って前記磁歪材のヤング率が変化することにより前記振動体の機械的な共振角波数が変化し、前記共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する構成としているため、小型及び軽量化が可能であり、また、前記磁歪材がＣｏ、Ｆｅ、Ｚｒから成る合金であり、その元素組成比Ｃｏ：Ｆｅ：Ｚｒ＝ｘ：ｙ：ｚは、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１かつ０．２≦ｘ≦０．７５かつ０．２≦ｙ≦０．６かつ０．０５≦ｚ≦０．２とすることにより、Ｚｒによって、アモルファス構造を成すことができ、外部磁場に対して磁歪材の磁化回転が容易に起きる。また、Ｆｅ量を多くすることで磁歪材の磁歪量が大きくなるので外部磁場に対するヤング率の変化量が大きくなり、その結果、共振周波数の変化量も大きくなり、感度の高い磁気センサを得ることができる。

本発明の実施の形態の磁気センサについて、以下に詳細に説明する。本発明の磁気センサは、磁歪材と弾性材が積層された振動体から成り、外部の振動駆動手段によって前記振動体を一体として機械的に共振させる。振動体に印加される外部磁場変化に伴って前記磁歪材のヤング率が変化することにより前記振動体の機械的な共振周波数が変化するので、前記共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する磁気センサである。ここで、前記振動体を圧電材料とする場合、前記外部の振動駆動手段は、交流電源などが使用され、前記振動体に形成された電極から、交流電力を供給することで、振動体の振動を行うことができる。

また、前記磁歪材はＣｏ、Ｆｅ、Ｚｒから成る合金であり、その元素の組成比Ｃｏ：Ｆｅ：Ｚｒ＝ｘ：ｙ：ｚとして、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１かつ０．２≦ｘ≦０．７５かつ０．２≦ｙ≦０．６かつ０．０５≦ｚ≦０．２とする。

図１は、本発明の磁気センサの構成の一例を示す概略図である。振動体２は、弾性体１１の両主面に磁歪薄膜１２が形成されている。この振動体２に外部磁場１４が印加された場合、磁歪薄膜１２の磁歪効果に伴って、磁歪薄膜１２のヤング率が変化し（以下、ΔＥ効果という）、結果的に振動体２の共振周波数ｆが変化する。振動体２は、磁歪薄膜１２と弾性体１１の複合梁として考えることができ、その共振周波数ｆの変化量Δｆは、数１により表される。

ここで、ｆ₀は磁場無印加時の振動体の共振周波数、ｌは振動体の長さ寸法を示し、ｔ_f，Ｅ_f0，Ｅ_f1，ρ_fは、それぞれ磁歪薄膜１２の厚さ、磁場無印加時のヤング率、磁場印加時のヤング率、密度を示し、また、ｔ_s、Ｅ_s、ρ_sは、それぞれ弾性体１１の厚さ、ヤング率、密度を示している。

従って、磁歪薄膜１２のヤング率が外部磁場１４によって変化することで、振動体２の共振周波数の変化量Δｆが変化することが分かり、この変化量から磁気を検知して磁気センサとして用いることができる。

ここで、強磁性体のΔＥ効果とは、次のように説明される。つまり、『強磁性体では磁歪λの正負に関係なく、張力による自発磁化の回転のために余分な伸びを生じる。そのためにヤング率Ｅ_fが低下する。この効果をΔＥ効果という。ΔＥ効果は磁歪λの存在のために生じるので当然λに比例する。』（近角著、強磁性体の物理（下）、裳華房、ｐ．１４４）というものである。そして、振動体２に外部磁場１４が印加されると、外部磁場１４の方向に沿うような自発磁化の回転によって、磁歪薄膜１２に伸びが生じ、磁歪薄膜１２のヤング率Ｅ_fが低下する。そのため、外部磁場１４が変化すると振動体２の共振周波数ｆは低下する。ここで、共振周波数ｆの変化は、磁歪薄膜１２の磁歪による形状的な変化によっても生じるものであり、センサ出力としての共振周波数ｆ変化量Δｆは、振動体２の総合的な変化によるものである。

本発明の磁気センサに用いる磁歪薄膜としてＣｏ−Ｆｅ系の磁性薄膜は、高い透磁率をもち、数Ａ／ｍ以下の低磁場領域でも高い磁歪定数を有しているので、検出できる磁場の大きさを低くすることが可能であり、本発明における磁気センサに適用する上で好ましい材料といえる。

この磁気センサの具体的な構成例を挙げると、弾性体１１として長さ１２ｍｍ×幅３ｍｍＸ厚み０．５ｍｍの−１８．５°Ｘ−ｃｕｔ水晶板を用い、磁歪材としてＲＦスパッタを用いて水晶板の両主面に１μｍ程度の厚さで磁性薄膜１２を堆積させて、振動体２とした。この振動体２に支持体１３を設けて片持ち梁構造として磁気センサ１とした。磁性薄膜１２は電極としても機能し、この磁性薄膜に電圧を印加してそのインピーダンスを測定することにより振動体の共振周波数を測定することができる。この時の振動体２の長さ縦振動の基本共振周波数は、およそ１００ｋＨｚである。

表１に、この振動体２に用いた磁歪薄膜１２の元素組成比が組成１から組成７について、振動体２に外部磁場１４を２０×１０³／４π（Ａ／ｍ）印加した時の振動体２の共振周波数の変化量を示す。

表１の組成１〜組成３のように、Ｚｒ量を徐々に増やしていった結果、Ｚｒが全くない組成１では共振周波数の変化が０Ｈｚであるのに対し、組成２で１５０Ｈｚ、組成３で１５５Ｈｚ共振周波数が変化した。これはＺｒが全くない場合、磁性薄膜１２が結晶化してしまい、アモルファス構造とならないため、本実施例の強さの範囲の外部磁場１４が印加されても磁性薄膜の磁化が回転せず、その結果、ヤング率の変化も起きないので、振動体２の共振周波数が変化しなかったと考えられる。

一方、組成２、組成３のように、Ｚｒを含む場合は、磁性薄膜１２は結晶化することなく、アモルファス構造となるので、外部磁場に対して磁化回転が起き、ΔＥ効果によって振動体２の共振周波数が変化したと考えられる。また、Ｚｒ量を増やしても、振動体２の共振周波数の変化は、ほとんど変わらないので、５％以上あれば磁気センサとして機能するといえる。

次に、組成４〜組成７のように、Ｚｒ量を一定にしてＦｅ量を徐々に増やしていった結果、組成４で３０Ｈｚ、組成５で１３０Ｈｚ、組成６で１９０ＨｚとＦｅ量が増えるに従い、振動体２の共振周波数の変化量は大きくなっていく。さらに、Ｆｅ量が増えた組成７では、１４０Ｈｚと共振周波数の変化量が下がることが分かる。この磁気センサは、外部磁場が印加された時の磁性薄膜のヤング率の変化を利用しているものであり、このヤング率の変化は、この磁性薄膜の飽和磁歪λｓに比例関係にある。

飽和磁歪λ_sは、ＣｏとＦｅの比率で決定され、Ｆｅ量が増えることによって飽和磁歪λ_sも大きくなるので、ヤング率の変化も大きくなり、その結果、共振周波数の変化量も増えていったと考えられる。そして、飽和磁歪λ_sが極大となる組成６で共振周波数の変化量も極大となり、それ以上Ｆｅ量が増えると飽和磁歪λ_sも小さくなっていき、共振周波数の変化量も小さくなったと考えられる。飽和磁歪λ_sはＣｏとＦｅ量の比率で変わるものであるが、十分な共振周波数の変化量を得るためには、飽和磁歪λ_s３０×１０^-6以上あることが望ましいので、Ｆｅ量は２０〜６０％が望ましい。

本発明の磁気センサの一例を示す概略図。 従来の磁気センサの一例を示す概略図。 従来の磁気センサの他の一例を示す概略図。

符号の説明

１ （本発明の）磁気センサ
２ （本発明の磁気センサの）振動体
３ 従来の磁気センサ
４ 従来の磁気センサ
１１ 弾性体
１２ 磁歪薄膜
１３ 支持体
１４ 外部磁場
２１ 磁歪素子
２２ 圧電素子
２３ 導体
２４ 電圧計
２５ 磁石
２６ 非磁性金属
２７ 電極

Claims (1)

1. 磁歪材と弾性材が積層された振動体から成り、外部の振動駆動手段によって前記振動体が一体となって機械的に共振し、前記振動体に印加される外部磁場変化に伴って前記振動体の機械的な共振周波数が変化し、前記共振周波数の変化量から外部磁場量が算出される磁気センサであって、前記磁歪材はＣｏ、Ｆｅ、Ｚｒから成る合金であり、その元素の組成比Ｃｏ：Ｆｅ：Ｚｒ＝ｘ：ｙ：ｚとして、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１かつ０．２≦ｘ≦０．７５かつ０．２≦ｙ≦０．６かつ０．０５≦ｚ≦０．２であることを特徴とする磁気センサ。

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