(57)【要約】 【課題】     簡素な構造により小型化が容易で高感度な圧電磁歪複合型の磁気センサを提供する。【解決手段】     圧電セラミックス基板上の少なくとも一方の面にＰｄ、Ｇａ、Ｃｏ等を含有するＦｅ系合金からなる磁歪材料をスパッタ法により成膜して一体化する。  外部磁界によって磁歪材が歪むと、その磁歪材と一体化した圧電材に応力が加わる。その応力によって圧電材内部の分極が変化することにより生じる電圧を、磁気センサの出力として検出する。【選択図】 図２
2010110423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板上の少なくとも一方の面に、
Ｆｅ系合金からなる磁歪膜を成膜したものであることを特徴とする
圧電磁歪複合型磁気センサ。
【請求項２】
圧電基板上の少なくとも一方の面に、
Ｐｄを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜を成膜したものであることを特徴とする
圧電磁歪複合型磁気センサ。
【請求項３】
圧電基板上の少なくとも一方の面に、
Ｇａを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜を成膜したものであることを特徴とする
圧電磁歪複合型磁気センサ。
【請求項４】
圧電基板上の少なくとも一方の面に、
Ｃｏを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜を成膜したものであることを特徴とする
圧電磁歪複合型磁気センサ。
【請求項５】
圧電基板上の少なくとも一方の面に、
組成の異なる２種類以上のＦｅ系合金からなる磁歪膜の積層膜を成膜したものであることを特徴とする
圧電磁歪複合型磁気センサ。
【請求項６】
圧電基板上の少なくとも一方の面に、
Ｐｄを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜と、
Ｃｏを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜との積層膜を成膜したものであることを特徴とする
圧電磁歪複合型磁気センサ。
【請求項７】
圧電基板上の少なくとも一方の面に、
Ｇａを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜と、
Ｃｏを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜との積層膜を成膜したものであることを特徴とする
圧電磁歪複合型磁気センサ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の圧電磁歪複合型磁気センサにおいて、
圧電基板の両面上に磁歪膜を成膜したものであることを特徴とする
圧電磁歪複合型磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界の微小な変動を検知するために用いられる磁気センサであって、詳しくは圧電効果と磁歪現象とを組み合わせた圧電磁歪複合型磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、代表的な磁気センサとして、ホール効果を利用したホールセンサが広く使用されている他、多種多様な磁気センサが目的に応じて選択され使用されている。【０００３】
その磁気センサの中にあって、磁歪素子と圧電素子とを構成要素に含む磁気センサの一例として、例えば特許文献１には磁歪素子と圧電素子とを貼り合わせてなる磁気センサが開示されている。【０００４】
この特許文献１に開示される磁気センサの基本原理は、外部磁場変化による磁歪素子の形状変化を、磁歪素子に一体化された圧電素子に発生する電圧として検出するものである。【０００５】
すなわち磁歪素子の磁歪変化時の応力を受けて圧電素子が変位することにより発生する電圧を検知するものであり、磁気センサの磁気感度の良否は圧電素子に発生する電圧に依存する。【０００６】
一方、特許文献２には、圧電体にスパッタリング等の成膜技術を用いて成膜した磁歪薄膜を積層したものを、支持基板上に配置したセンサ構造体からなる磁気センサが開示されている。【０００７】
この特許文献２に開示される磁気センサの基本原理は、センサ構造体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴って変化するセンサ構造体の共振周波数の変化量から外部磁場量を算出するものである。【０００８】
この方式では磁気感度が圧電素子の発生電圧に依存しないため、特許文献１の例による方式の磁気センサと比較して、小型化と高感度化とを容易に両立することができた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−８８９３７号公報
【特許文献２】ＷＯ２００４／０７０４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
磁歪素子と圧電素子とを貼り合わせたタイプの磁気センサの場合には、磁気感度に係わる発生電圧の大きさは、各素子の圧電又は磁歪特性及び、大きさ、剛性等により定まるため、小型化と高感度化を同時に満たす事が困難である。【００１１】
特に、マイクロモータの磁気エンコーダ用としての使用や、各種のマイクロアクチュエータに位置検出制御用として内蔵して使用することが可能なまでに小型化することは難しいといえる。【００１２】
又、使用する磁歪素子の特性に関して、歪量は、素子が影響を受ける磁界が強いほど大きく歪むものの、その歪量の増え方は磁界の強さに対して線形的では無いため、磁気センサとしたときに優位性のある磁界域が、使用する磁歪素子の種類により異なる。【００１３】
又、磁歪素子の材質については、歪み率が大きな、いわゆる超磁歪材料が好適であると考えられるが、通常希土類元素が含まれる為、高価であるという問題がある。【００１４】
又、磁歪素子と圧電素子との貼り付けに関して、それらの素子のバルク材同士を接着剤で接着すると、接着剤が緩衝材となり、磁気電気変換効率を低下させる場合がある。また、使用条件によっては、接着部から剥離する可能性がある。【００１５】
一方、共振周波数の変化量から外部磁場量を算出するタイプの磁気センサの場合、機械的な共振周波数を検出処理するための処理回路を構成して配置する必要があるため、各種マイクロアクチュエータに内蔵可能なまでに小型化することは難しく、コストも高くなる傾向にあるといえる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の問題を解決するため、請求項１に記載の発明では、圧電基板上の少なくとも一方の面にＦｅ系合金からなる磁歪膜を成膜したものであることを特徴とする圧電磁歪複合型磁気センサとした。【００１７】
また請求項２に記載の発明では、圧電基板上の少なくとも一方の面にＰｄを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜を成膜したものであることを特徴とする圧電磁歪複合型磁気センサとした。【００１８】
また請求項３に記載の発明では、圧電基板上の少なくとも一方の面にＧａを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜を成膜したものであることを特徴とする圧電磁歪複合型磁気センサとした。【００１９】
また請求項４に記載の発明では、圧電基板上の少なくとも一方の面にＣｏを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜を成膜したものであることを特徴とする圧電磁歪複合型磁気センサとした。【００２０】
また請求項５に記載の発明では、圧電基板上の少なくとも一方の面に組成の異なる２種類以上のＦｅ系合金からなる磁歪膜の積層膜を成膜したものであることを特徴とする圧電磁歪複合型磁気センサとした。【００２１】
また請求項６に記載の発明では、圧電基板上の少なくとも一方の面にＰｄを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜と、Ｃｏを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜との積層膜を成膜したものであることを特徴とする圧電磁歪複合型磁気センサとした。【００２２】
また請求項７に記載の発明では、圧電基板上の少なくとも一方の面にＧａを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜と、Ｃｏを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜との積層膜を成膜したものであることを特徴とする圧電磁歪複合型磁気センサとした。【００２３】
また請求項８に記載の発明では、請求項１〜７のいずれかに記載の圧電磁歪複合型磁気センサにおいて、圧電基板の両面上に磁歪膜を成膜したものであることを特徴とする圧電磁歪複合型磁気センサとした。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、Ｆｅ系合金の磁歪材を使用して磁歪膜を圧電基板上に成膜することにより、小型化が可能で高感度の磁気センサを、簡単な構成により安価に実現することができる。【００２５】
例えば、ホールセンサに比べても、数倍の分解能を持ち、周波数応答性は数MHzと高い。また、交流磁界を検出する際は入力電力が不要であるため、磁気センサ素子の消費電力がゼロである。【００２６】
特に、Ｆｅ系合金の磁歪材としてＰｄを含有するものを使用した場合には、磁界の変化の対する歪量がＦｅ系合金の中でも大きい為、より高感度の磁気センサを得ることができる。【００２７】
特に、Ｆｅ系合金の磁歪材としてＧａを含有するものを使用した場合には、ＧａはＰｄ等と比較して入手しやすく、又Ｆｅに対する組成比が１０〜２０％程でも十分な磁歪量が得られる為、より安価に高感度の磁気センサを得ることができる。【００２８】
特に、Ｆｅ系合金の磁歪材としてＣｏを含有するものを使用した場合には、ヤング率がＦｅ系合金の中でも大きい為、磁歪により生じる応力を効率よく圧電基板に与えることができる。【００２９】
また、本発明によれば、組成の異なる２種類以上のＦｅ系合金からなる磁歪膜を積層して圧電基板上に成膜することにより、各々の組成による磁歪材の特性的な長所を兼ね備えた磁気センサを得ることができる。【００３０】
特に、Ｐｄを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜と、Ｃｏを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜との積層膜を成膜したものによる場合、広範囲で高感度且つ線形的な特性を備えた磁気センサを得ることができる。【００３１】
特に、Ｇａを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜と、Ｃｏを含有したＦｅ系合金からなる磁歪膜との積層膜を成膜したものによる場合、広範囲で線形的な特性を備えた磁気センサを、比較的安価に得ることができる。【００３２】
また、本発明によれば、圧電基板の片面に磁歪膜を成膜した場合には、磁気検出時における磁気センサの歪みは曲げ方向になるのに対して、圧電基板の両面上に磁歪膜を成膜した場合には、伸縮による歪みとなる。【００３３】
磁気センサの歪みが伸縮によるものとなる結果として、磁気センサを両端で保持できる為、固定が容易になることに加え、外乱の影響を受ける可能性の軽減と耐久性の向上が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明は、Ｐｄ、Ｇａ、Ｃｏのいずれかを含むＦｅ系合金からなる磁歪材を圧電材からなる基板上に成膜したものを最良の形態とする。【００３５】
特に、圧電基板の両面に、Ｐｄ、Ｇａ、Ｃｏのいずれかを１０〜５０％程度含むＦｅ系合金の内、２種類以上の組合せで積層して成膜することにより、高感度且つ広範囲で線形的な特性を備えた、圧電磁歪複合型の磁気センサとすることができる。【００３６】
Ｐｄを含むＦｅ系合金に関しては、Ｐｄを２７〜３２原子％含む合金が望ましい。図１の状態図で示す通り、Ｐｄを２７〜３２原子％含むＦｅ系合金は、磁場誘起マルテンサイト双晶相変態を生じる面心正方構造（ＦＣＴ）となるため、大磁歪を発現する。よって、高感度な磁気センサが実現できる。【００３７】
以下に、本発明の具体的な実施例について、図を参照して説明する。
【実施例１】
【００３８】
〔圧電磁歪複合型の磁気センサの製作〕
図２は、本実施例による圧電磁歪複合型磁気センサ１を示しており、圧電セラミックス基板Ｐの両面に磁歪膜Ｍを成膜した構造となっている。【００３９】
具体的には、10×20×0.26mmの圧電セラミックス基板Ｐ（比誘電率ε33/ε0=5500、圧電定数d31=-330×10-12 C/N、機械的品質係数Q=30）３枚の両面上に10×18mmの面積で磁歪膜Ｍを2μmの厚さで成膜した。【００４０】
３枚の圧電セラミック基板には、各々以下の組成からなる鉄系の磁歪材料を成膜する。
(1)Fe-30atPd    (2)Fe-20at%Ga    (3)Fe-50at%Co【００４１】
磁歪膜の成膜にはRFマグネトロンスパッタ装置を用いた。ＲＦ電力密度は2.2W/cm２、ガス圧は0.2〜1Paで成膜を行った。また、磁歪膜に磁気異方性を持たせるため、およそ100 Ｏeの磁場を印加して成膜を行った。【００４２】
〔圧電磁歪複合型の磁気センサの測定〕
図３の測定ブロック図に示す構成により、磁歪材の組成が異なる各センサの出力電圧を測定した。磁場Hは空芯コイルを用い、正弦波の交流磁場H=170 Ｏe、周波数f=1 Hzを印加した。チャージアンプの利得は1.26 mV/pCである。【００４３】
図４は３種類の磁気センサの磁場に対する出力電圧を比較したグラフである。この結果から、特に(1)Fe-30at%Pd膜を用いた磁気センサは、他の鉄系磁歪材料を用いた場合と比較して出力電圧が高く、特に磁場H=80 Ｏe以下では勾配が急峻であり、優れた磁場感度を持つことが確認された。
【実施例２】
【００４４】
次に実施例２として、Fe-30at%Pd膜を用いた磁気センサの膜厚を変えて、その影響を検証した。
試料として、Fe-30at%Pd膜の膜厚t=2μmとt=10μmのものを用意した。【００４５】
膜厚t=10μmの膜厚以外は、磁気センサの製作及び測定に関する条件は、実施例１の条件と同一である。【００４６】
図５は、本実施例による  膜厚t=2μmとt=10μmのFe-30at%Pd膜を用いた磁気センサの各磁場における出力電圧を表したグラフである。この結果から、t=10μmの磁気センサでは、t=2μmのおよそ10倍の出力電圧が得られることが確認された。
【実施例３】
【００４７】
図６は、本実施例による圧電磁歪複合型磁気センサ２を示しており、圧電セラミックス基板Ｐの両面に組成の異なる２種類の磁歪膜Ｍp、Ｍｃを成膜した構造となっている。【００４８】
具体的には、10×20×0.26mmの圧電セラミックス基板Ｐ（比誘電率ε33/ε0=5500、圧電定数d31=-330×10-12 C/N、機械的品質係数Q=30）の両面上に10×18mmの面積で、まずFe-30at%Pdの磁歪膜Ｍpを厚さ2μmで成膜し、更にその上にFe-50at%Coの磁歪膜Ｍcを厚さ2μmで成膜した。【００４９】
磁歪膜を積層構造とした以外の磁気センサの製作及び測定に関する条件は、実施例１の条件と同一である。【００５０】
図７は各磁場の大きさに対する磁気センサの出力電圧を表したグラフであって、本実施例による圧電セラミックス基板ＰにFe-30at%PdとFe-50at%Coとの積層膜を成膜した試料の出力と、Fe-30at%Pdを単層で成膜した場合及び、Fe-50at%Coを単層で成膜した場合の出力結果を示している。【００５１】
図７から、Fe-30at%Pd膜を用いた磁気センサはH=80 Ｏe以下では勾配が急峻で感度が高く、特に弱磁場で高特性である。【００５２】
また、Fe-50at%Co膜を用いた磁気センサは、H=100 Ｏe以下では従来材のNi膜と同程度であるが、H=100 Ｏe以上では感度が高い。よって、H=100 Ｏe以上の磁界に対して優位性がある。【００５３】
そこで、H=80 Ｏe以下の磁場で優位なFe-30at%Pd膜とH=100 Ｏe以上の磁場で優位なFe-50at%Co膜を複合した結果、図７のグラフからわかるように両者の長所を兼ね備え、より線形的な特性を持つ磁気センサが得られた。
【実施例４】
【００５４】
次に実施例４として、圧電セラミックス基板にFe-20at%Ga膜とFe-50at%Co膜との積層膜を成膜した試料を用意した。【００５５】
実施例３に対して、Fe-30at%Pd膜を厚さ2μmのFe-20at%Ga膜とした以外、磁気センサの製作及び測定に関する条件は、実施例３の条件と同一である。【００５６】
図８は各磁場の大きさに対する磁気センサの出力電圧を表したグラフであって、本実施例による圧電セラミックス基板ＰにFe-20at%GaとFe-50at%Coとの積層膜を成膜した試料の出力と、Fe-20at%Gaを単層で成膜した場合及び、Fe-50at%Coを単層で成膜した場合の出力結果を示している。【００５７】
Fe-20at%Gaの単層膜を用いた磁気センサはFe-30at%Pd膜には及ばないものの、例えば従来材のNi膜に比べればH=50 Ｏe以下では勾配が急峻で感度が高く、弱磁場の検出においては有効である。【００５８】
Fe-50at%Co膜を用いた磁気センサは、H=100 Ｏe以下では従来材のNi膜と同程度であるが、H=100 Ｏe以上では感度が高い。よって、H=100 Ｏe以上の磁界に対して優位性がある。【００５９】
そこで、H=50 Ｏe以下の磁場で優位なFe-20at%Ga膜とH=100 Ｏe以上の磁場で優位なFe-50at%Co膜を複合した結果、図８のグラフからわかるように両者の長所を兼ね備え、より線形的な特性を持つ磁気センサが得られた。
【実施例５】
【００６０】
次に、実施例５として、Fe-30at%Pd薄膜を用いた磁気センサの線形性を検証した。試料として、実施例１で用いた圧電セラミックス基板上へ膜厚t=10μmのFe-30at%Pdを成膜したものを用意した。試料サイズは1×1mmとした。【００６１】
交流磁場H=10Ｏe、周波数f=1Hzを印加し、直流磁場Hdcを40〜60Ｏe印加した時の出力電圧を確認した。チャージアンプの利得は500mV/pCである。【００６２】
図９は本実施例による印加磁場に対する出力電圧を表したグラフである。この結果から、磁気センサの線形性は1%以下であり、優れた線形性を持つことがわかった。
【実施例６】
【００６３】
次に、実施例６として、Fe-30at%Pd薄膜を用いた磁気センサの温度特性を検証した。試料は実施例５と同様である。【００６４】
このときの測定条件は、交流磁場H=10Ｏe、周波数f=1Hzを印加し、直流磁場Hdcを100Ｏe印加とした。【００６５】
図１０は本実施例による−40〜＋120℃までの温度範囲における出力電圧を表したグラフである。縦軸の出力電圧は、測定開始温度22℃の時の出力電圧を100％としている。この結果から、出力電圧の温度係数は0．8mV／℃であり、線形的な特性を持つことがわかった。
【００６６】
以上、実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されることなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば圧電素子の種類、大きさ、形状、磁歪材の成膜範囲、成膜厚、積層膜の組合せ、積層数等について、用途に応じて適宜選択できる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の圧電磁歪複合型磁気センサは、簡素な構造且つ機械的加工性が良くあらゆる大きさに加工して使用することが可能、更に広範囲の磁界検出が可能である為、マイクロモータ用の磁気エンコーダ、自動車用のトルクセンサ等、磁気検出を要するあらゆる機器に採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】Ｆｅ−Ｐｄ系合金の状態図である。
【図２】本発明の実施例の圧電磁歪複合型磁気センサの構造図である。
【図３】本発明の実施例に係わる磁気センサの出力電圧の測定ブロック図である。
【図４】本発明の実施例に関する磁気センサの出力特性を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例に関する磁気センサの出力特性を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例の圧電磁歪複合型磁気センサの構造図である。
【図７】本発明の実施例に関する磁気センサの出力特性を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例に関する磁気センサの出力特性を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例に関する磁気センサの出力特性を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例に関する磁気センサの出力特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６９】
１    圧電磁歪複合型磁気センサ(磁歪膜単層）
２    圧電磁歪複合型磁気センサ(磁歪膜積層）
Ｐ    圧電セラミックス基板
Ｍ    磁歪膜
Ｍp  磁歪膜（Fe-30at%Pd）
Ｍc  磁歪膜（Fe-50at%Co）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010110423.tif 000009
【図８】
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【図９】
2010110423.tif 000011
【図１０】
2010110423.tif 000012
【国際調査報告】
2010110423.tif 000013
2010110423.tif 000014
2010110423.tif 000015
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