JP3197414B2

JP3197414B2 - 磁気インピーダンス効果素子

Info

Publication number: JP3197414B2
Application number: JP32381693A
Authority: JP
Inventors: 佳年雄毛利
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 2001-08-13
Anticipated expiration: 2016-08-13
Also published as: JPH07181239A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、磁気インピーダンス
効果素子に関するものである。さらに詳しくは、この発
明は、オーディオテープレコーダ、ビデオテープレコー
ダ、コンピュータ、計測制御機器であるロータリエンコ
ーダ、数値制御機器の磁気スケールなどに用いられてい
る磁気ヘッドや各種の磁気センサ等として有用な磁気イ
ンピーダンス効果素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】マイクロエレクトロニクス技
術の発展にともなって、ＡＶ機器、コンピュータ、計測
制御機器、数値制御機器等の小型高性能化が急速に進ん
でいる。特にコンピュータ関連機器に関してはそれが顕
著であり、たとえば、コンピュータ用外部記憶媒体であ
るフロッピーディスクについてみると、直径が５インチ
のものから、さらに小型化が進み、今や２．８インチ時
代を迎えようとしている。また、ハードディスクでは１
インチ径のものに移行しようとしている。

【０００３】しかしながら、これらの各機器を小型化す
るには、その心臓部である磁気ヘッドを小型化する必要
があるが、この磁気ヘッドの小型化は必ずしも容易では
なく、これを妨げる要因がある。ひとつの要因は、磁気
ヘッド自体の大きさの問題である。つまり、従来の磁気
ヘッドはコイルの巻線が必要であり、磁気ヘッド自体は
どうしても大型化してしまう。もうひとつは、検出感度
の問題である。つまり、小型化されると磁気ヘッドと記
憶媒体の相対速度が低下して検出速度が小さくなり、し
たがって、検出感度が著しく低下してしまうということ
である。

【０００４】そこで、最近になって、従来の磁気ヘッド
では検出電圧が不足してくるため、磁束の時間変化でな
く磁束そのものを検出する磁気抵抗素子をヘッドとして
使用する動きが見られるようになってきた。これによ
り、小型化が一層押し進められてきた。ところが、現在
の磁気抵抗素子は電気抵抗の変化率が最大６％以下と非
常に小さく、また、数％の磁気抵抗変化を生じさせるの
に必要な外部磁界は、２０ガウス（Ｇ）以上と大きい。
このため、磁気抵抗感度は、０．１％／Ｇ以下の低感度
であり、このため信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）も非常に悪
い。

【０００５】従って、磁気抵抗素子はブリッジ回路で抵
抗変化のみを検出できるようにした上で着磁体に十分近
接させて用いる必要があるが、実際には、たとえば、ス
ピンドルモータなどのロータリエンコーダにおいては、
ギャップマージンが数十ミクロン程度しかなく、細かい
ゴミの侵入によってもモータが停止するといった故障が
生じ易い状態となっている。このような磁気抵抗素子
に対し、最近になって、巨大磁気抵抗効果とよばれる現
象が磁性人工格子を用いる場合に見出されているが、こ
の場合には、実際のところ、数十％の電気抵抗変化を得
るのに数百ガウスもの大きな磁界が必要であり、さら
に、ヒステリシスの問題もあり、小型化を指向する製品
にはこの技術は適していない。

【０００６】そこで、このような従来の磁性抵抗素子や
巨大抵抗効果を用いた素子の欠点を克服することのでき
る新しい素子をこの発明の発明者はすでに提案してい
る。すなわち、まず、一般的に、磁性を持つ導線に交流
電流などの時間的に変化する電流を流すと、導線の両端
には二種類の電圧の和が現われる。それらは導線の電気
抵抗と電流との積による電圧と、円周磁束の時間変化に
よる電圧である。つまり、磁性線両端間の交流電圧ｅ_W
は一般に磁性線の電気抵抗Ｒによるオーミック電圧ｅ_R
＝Ｒ・ｉ_Wと磁性線円周方向磁束φθの時間変化ｄφθ
／ｄｔによる誘電電圧ｅ_L＝ｄφθ／ｄｔの２つの成分
の和ｅ_W＝ｅ_R＋ｅ_L で表わせられる。通常後者の電圧は非常に小さいので、
この電圧を利用することは、現在まで工学的にほとんど
なかった。

【０００７】そこで、すでに発明者が提案した新しい素
子は、時間的に変化する電流を磁性線に印加することに
よって生じる円周磁束の時間変化に対する電圧のみを、
外部印加磁界による変化として検出することを基本的な
原理としている磁気インダクタンス素子である。この磁
気インダクタンス素子は、磁性線と、その磁性線の円周
磁束の時間変化に対する電圧のみを取出す電気抵抗回路
とからなる。図１はその磁気インダクタンス素子の例を
示したものである。この図１の回路内の磁性線として、
図２に示すように、FeCoSiB 等からなる零磁歪アモルフ
ァス細線等を折り曲げたものや直線状のものを用いるこ
ともできる。

【０００８】このような磁気インダクタンス素子内の回
路により、磁性線に交流電流などの時間的に変化する電
流（I_W）を印加し、電気抵抗分による電圧（オーミック
電圧）を相殺することでインダクタンス分電圧（ｅ_L)
を得ることができる。この磁気インダクタンス素子の磁
性線に、外部から、たとえば、永久磁石やその他の手段
で発生される一般的な直流磁界や交流磁界を印加するこ
とによって、ｅ_Lの振幅｜ｅ_L｜が減少し、外部印加磁界を検知することができる。

【０００９】この磁気インダクタンス素子において、た
とえば、磁性線としてFeCoSiB からなるas-cast の零磁
歪ａ−ワイヤを用い、磁性線に平行方向に印加した外部
磁界Ｈ₁と、ワイヤの長さを変化させて、各インダクタ
ンス分電圧ｅ_Lの振幅｜ｅ_L｜を測定すると、図３に示すようになる。

【００１０】この図３において、（ａ）はワイヤの長さ
が３０mm、（ｂ）はワイヤの長さが１０mm、（ｃ）はワ
イヤの長さが５mm、（ｄ）はワイヤの長さが２mmの磁気
インダクタンス素子について、各｜ｅ_L｜を測定したものである。

【００１１】たとえば、図３（ａ）に示したように、３
０mm長のａ−ワイヤではＨ₁が約１（Oe) における｜ｅ_L｜は、Ｈ₁が０（Oe) における｜ｅ_L0｜に対して、約５０％減少しており、従来のフラックスゲ
ート形磁界センサと同程度の高感度を示している。この
とき、ワイヤの長さ方向に対して垂直方向のＨ₂を印加
すると｜ｅ_L｜はほとんど変化しない。すなわち、磁気インダクタンス
素子は強い指向性を持っており、被検出信号磁界のみを
選択的に検出するので方位センサなどに適用する場合、
Ｓ／Ｎ比は著しく高くなる。また、張力アニールを施し
たアモルファスワイヤでは１〜２mmの長さでも図３
（ａ）のような高感度の電圧変化特性も見出した。

【００１２】しかしながら、その後のこの発明の発明者
の検討により、この新しい素子にも、改善すべき点が存
在することがわかってきた。それは、この磁気インダク
タンス素子においは、磁気抵抗素子を用いる場合と同様
にブリッジ回路という補償回路が必要であり、そのため
に小型化にはおのずと限界があったからである。また、
補償回路の調整に手間がかかり、操作性に難点があっ
た。

【００１３】この発明は、以上の通りの事情に鑑みてな
されたものであり、従来の磁気抵抗素子の欠点を克服
し、磁気抵抗素子と同程度の微小寸法でフラックスゲー
トセンサと同程度の高感度をもつ新しいマイクロ磁気素
子を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するための手段として、時間的に変化する電流を
磁性線に印加することによって生じる円周磁束の時間変
化に対する電圧を外部印加磁界によって変化させる磁気
素子において、時間的に変化する電流を磁性線に表皮効
果を生じさせる高周波とする磁気インピーダンス効果素
子を提供する。

【００１５】

【作用】つまり、この発明においては、従来の磁気イン
ダクタンス素子における通電電流を高周波化することに
より、ブリッジ回路を不要としたことに大きな特徴があ
る。例えば、図４はこの発明を実現するための最も単純
な電気回路であり、磁性線に交流電流ｉ_Wを通電して、
磁性線の平行方向から外部磁界（Ｈ_ext）を印加し、磁
性線の両端間の交流電圧の振幅｜ｅ_W｜を測定する構成
をなしている。

【００１６】この発明においては、例えば図４におい
て、電気抵抗Ｒに磁性線のインピーダンスの数倍以上の
大きな抵抗値を持たせ、磁性線に通電した交流電流ｉ_W
の波形が交流電圧源の電圧ｅ_acの波形にほぼ等しくなる
ようにすることが望ましい。この発明においては、磁性
線としてアモルファス磁性線を使用することを特徴とす
る磁気インピーダンス効果素子を用いてもよく、さら
に、そのアモルファス磁性線として、円周方向に磁化容
易方向をもつアモルファス磁性線を用いてもよい。また
さらに、そのアモルファス磁性線として、正磁歪をもつ
アモルファス磁性線には長さ方向に圧縮力、負磁歪をも
つアモルファス磁性線には長さ方向に張力を印加して熱
処理を施したアモルファス磁性線を用いてもよい。

【００１７】以下実施例を示しさらに詳しくこの発明に
ついて説明する。

【００１８】

【実施例】実施例１実際にこの発明の磁気インピーダンス効果素子につい
て、アモルファス磁性線を高周波電流ｉ_Wで通電励磁
し、外部磁界を印加した場合の、オーミック電圧ｅ_rと
誘電電圧ｅ_Lとの和ｅ_Wの振幅｜ｅ_W｜の値を測定し
た。

【００１９】例えば図５は、直径が３０μｍ、長さ５．
５ｍｍのアモルファス磁性線を１００ｋＨｚ以上のｉ_W
で通電励磁し、Ｈ_ext＝０（Oe）と、Ｈ_ext＝10（Oe）
（８００Ａ／ｍ）の外部磁界を印加した場合の、オーミ
ック電圧ｅ_rと誘電圧ｅ_Lとの和ｅ_Wの振幅｜ｅ_W｜の
値を示した結果である。この図５において、実線はＨ
_ext＝０（Oe）の場合、点線はＨ_ext＝10（Oe）（８０
０Ａ／ｍ）の場合である。このアモルファス磁性線は、
２Kg/mm²の張力を印加し４７５℃、１min のアールを施
している。

【００２０】この図５に例示したように、｜ｅ_w｜のＨ
_extの印加による変化は、ｆ＞２００ｋＨｚで出現し、
ｆ＝１〜２ＭＨｚでは、Ｈ_ext＝１０（Oe）の外部磁界
を印加した場合、｜ｅ_w｜は約５０％の減少を示してい
る。そして、この高感度の電圧変化はアモルファス磁性
線を１mm程度の微小寸法線にしてもほとんど劣化しな
い。このような現象はこれまでの磁性体ではみられなか
った現象であり、とくにＭＲ効果が小さい（１％以下）
アモルファス磁性線で現われたことはこれまでまったく
予想されなかったことである。図６は図５のｆ＝１ＭＨ
ｚ，ｉ_w＝１５ｍＡにおける、ｉ_w，ｅ_w（Ｈ_ext＝
０) およびｅ_w(Ｈ_ext＝10（Oe）) の波形の写真であ
る。この図６に例示したように、正弦波電流に対して、
ｅ_w（Ｈ_ext＝０) の波形は角のある波形であり、ｅ
_w( Ｈ_ext＝10（Oe）) の波形はｉ_wの波形とほとんど
同じである。このｅ_w（Ｈ_ext＝０）の波形は正弦波か
ら著しくかけ離れた波形ではないのでｅ_wとｉ_wを正弦
波と考えた場合、磁性線インピーダンスをＺとすると｜
ｅ_w｜のＨ_extに対する変化は｜Ｚ｜の変化とみなすこ
とができる。従って、この発明の磁気素子を磁気インピ
ーダンス効果素子（Magneto-Impedance 素子；ＭＩ素
子）と呼ぶことにした。実施例２この発明の磁気インピーダンス効果素子について、アモ
ルファス磁性線を高周波電流ｉ_w で通電励磁し、外部印
加磁界の変化と｜ｅ_w｜との関係である磁気インピーダ
ンス特性を調べた。

【００２１】図７は実施例１で用いたアモルファス磁性
線の磁気インピーダンス特性であり、ｆ＝１ＭＨｚにお
いて、ｉ_w＝７．５ｍＡおよび１５ｍＡの場合を測定し
た結果である。この図７に例示したように、｜ｅ_w｜は
Ｈ_ext＝５（Oe）で約５０％減少しており、例えば図２
に例示した交流電流を通電した磁性線に両端間の電圧を
検出するだけのもっとも単純な回路を用いても、従来の
フラックスゲートセンサに匹敵する非常に高感度の磁束
検出素子を得ることが可能である。実施例３アモルファスの磁性線の径を変化させた場合のΔ｜ｅ_w
｜／｜ｅ_w｜の周波数特性を調べた。

【００２２】図８は実施例１で用いたアモルファスの磁
性線を変化させた場合のΔ｜ｅ_w｜／｜ｅ_w｜の周波数
特性である。この図８に例示したように、１２４μｍ径
の磁性線および５０μｍ径の磁性線では、それぞれｆ＝
２００ｋＨｚおよび６００ｋＨｚ近傍で変化率は最大を
示した。特に、５０μｍ径の磁性線を用いた場合の変化
率は、この３つの中で最も大きくその値は約６０％を示
した。

【００２３】この磁気インピーダンス効果の起源は図５
に示した２曲線から考察すると磁性線の内部インダクタ
ンスＬ_iの変化と同時に磁性線の電気抵抗Ｒ_wが表皮効
果により変化するためと考えられる。すなわち、表皮効
果が強い場合（図５の実線ではｆ＞２００ｋＨＺ）には
インピーダンスＺは、δを表皮厚さ、ａを磁性線直径と
すると、

【００２４】

【数１】

【００２５】となり、

【００２６】

【数２】

【００２７】（μθ：円周透磁率）となるのでＨ_exでμ
θが減少し、｜Ｚ｜が大幅に減少する。実施例４この発明の磁気インピーダンス素子を磁界センサに用い
た。図９はＭＩ素子・ＦＥＴ組合せによる共振型マルチ
バイブレータの例である。この共振型マルチバイブレー
タにおいては、３０μｍ径１mm長の微細なアモルファス
磁性線を用いて、２２０ＭＨｚの自己発振を生じさせる
ことができ、±２（Oe）までの外部印加磁界において、
直線性の良好な磁界検出特性を得ることができた。共振
は磁性線のインダクタンスとＦＥＴのソース・ドレイン
間の内部キャパシタンスで生じている。この共振型マル
チバイブレータにおいては、消費電力は非常に小さく８
ｍＷであった。

【００２８】このＭＩ素子・ＦＥＴ組合せによる共振型
マルチバイブレータの基本的な構造となるＭＩ素子の特
性は、例えば、図１０に示した通りとなる。このＭＩ素
子は２個のＭＩ素子に互いに逆のバイアス直流磁界Ｈ_b
を印加して、各々のｅ_wの差が外部印加磁界Ｈ_exに正比
例する。図１１は図７の自己発振回路のＭＩ素子にはＨ
_bを印加せず、１個のＭＩ素子の先端のみをフロッピー
ディスク駆動スピンドルモータのロータリエンコーダ用
３０mm径５１２極着磁のリング磁石表面０．５mmの位置
に置いた場合の磁極磁界検出結果である。この場合磁極
間隔は１５０μｍであった。磁気抵抗素子を用いた場合
の数倍のギャップマージンで明瞭な磁極磁界が検出され
た。

【００２９】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、通電電流を高周波化させることによって、ブリッ
ジ回路を用いる必要がなくなり、数ガウスの磁界で５０
％以上のインピーダンス変化を得る非常に感度のよい小
型の磁気インピーダンス効果素子が提供される。さらに
このインピーダンス効果素子を用いることによって、非
常に感度がよく小型の磁気ヘッドが提供される。さら
に、センサヘッドを数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波で励
磁させた振幅変調形の磁気センサは、励磁周波数の１０
分の１程度までの外部磁界を検出するので高速応答であ
る。

【００３０】この発明の磁気インピーダンス効果素子を
例えば磁界センサに用いた場合、従来のホール素子の感
度を約１００倍向上させることが可能であり、さらに、
ヘッドの使用温度は従来のホール素子の場合が７０℃程
度で破壊されるのに対して、約２００℃まで増大するこ
とが可能となる。またさらに、この発明の磁気インピ
ーダンス効果素子をロータリエンコーダヘッドに用いる
と、従来のＭＲ素子に対して約１００倍以上の高感度を
実現し、ヘッドと磁石表面のギャップを０．５mm程度に
離すことができ、ごみの侵入による故障事故などをなく
すことが可能となる。この発明の磁気インピーダンス効
果素子を用いれば非常に小型の地磁気利用電子方位素子
やマイクロマシン用のマイクロ磁気センサ、高感度の磁
気探傷センサアレイ、生体磁気センサなど各種の高感度
マイクロ磁気センサが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の磁気インダクタンス素子を示した概略図
である。

【図２】従来の磁気インダクタンス素子の磁性線を示し
た平面図である。

【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、各々、従来の磁
気インダクタンス素子を用いた磁気インダクタンスの波
形を示した波形図である。

【図４】この発明の磁気インピーダンス素子を示した概
略図である。

【図５】磁性線両端間の電圧と高周波電流の周波数との
関係を示した相関図である。

【図６】この発明における出力波形を示す波形図であ
る。

【図７】磁性線両端間の電圧と外部印加磁界との関係を
示した相関図である。

【図８】磁性線両端間の電圧の変化率と高周波電流周波
数との関係を示した相関図である。

【図９】この発明の磁気インピーダンス素子を磁界セン
サに用いた場合の概略図である。

【図１０】この発明の磁気インピーダンス素子を磁界セ
ンサに用いた場合の磁性線両端間の電圧と外部印加磁界
との関係を示した相関図である。

【図１１】磁極磁界検出結果を示した波形図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】時間的に変化する電流を磁性線に印加す
ることによって生じる円周磁束の時間変化に対する電圧
を、外部印加磁界によって変化させる磁気素子におい
て、前記時間的に変化する電流を前記磁性線に表皮効果
を生じさせる高周波とすることを特徴とする磁気インピ
ーダンス効果素子。
【請求項２】請求項１の磁性線が、アモルファス磁性
線である磁気インピーダンス効果素子。
【請求項３】請求項２のアモルファス磁性線が、円周
方向に磁化容易方向をもつアモルファス磁性線である磁
気インピーダンス効果素子。
【請求項４】請求項２または３のアモルファス磁性線
が、正磁歪をもつアモルファス磁性線としては長さ方向
に圧縮力、負磁歪をもつアモルファス磁性線としては長
さ方向に張力を印加して熱処理を施したアモルファス磁
性線である磁気インピーダンス効果素子。