JP2006073974A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 外部磁石の強度や極性に依存しない、安定した出力特性を示す磁気センサを提供する。
【解決手段】 磁気センサは、端部を細く加工してある磁性線、若しくは、端部に軟磁性磁石を備えている磁性線から構成される。その磁気センサは外部印加磁界の大きさや極性に依存せず、安定した出力電圧を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気センサに関する。

従来の磁気センサにおいて、外部磁石の強度や極性に依存しない、安定した出力特性を示すことは困難である。従って、新規な構造を有する磁気センサが望まれる。

感磁要素（特許第１２３８３５１号）にて開示されている磁気センサは、いわゆる複合磁性線におけるパルス発生を原理とするものである。複合磁性線とは保磁力の異なる２層から構成される磁性線である。保磁力の大きい部分の磁化方向を一定として、保磁力の小さい部分の磁化方向を反転させることにより、複合磁性線の外周部に設置した検出コイルにパルス電圧を誘発する。磁化方向を一定とする保磁力の大きい部分を固定磁化層、外部磁石により磁化方向を反転させる保磁力の小さい部分を自由磁化層と呼ぶ。

複合磁性線における固定磁化層と自由磁化層は、それらの磁化方向が同一である平行状態と、逆向きである反平行状態の２通りの状態をとりうる。自由磁化層が固定磁化層に対して平行状態から反平行状態に移る過程を反平行磁化反転、反平行状態から平行状態に移る過程を平行磁化反転と定義する。

平行状態、反平行状態は互いに等価ではないために、反平行磁化反転に伴い誘発されるパルス電圧は一般的に、平行磁化反転に伴い誘発されるパルス電圧に比べて不安定であり、小出力であることが知られている。平行磁化反転に伴う出力を最大限にするために非対称励磁方式（特許第１７６９７６３号）と呼ばれる方法が提案されている。この方法では反平行磁化反転を起こす磁石と、平行磁化反転を起こす磁石の強さを不等にする必要があり、実用上は好ましくない。

平行状態では固定磁化層、自由磁化層の磁化方向がそろっており、磁性線には反磁界が生じている。この反磁界は複合磁性線の両端部においてそれぞれ正、負の磁極が存在することに起因するものである。反磁界は複合磁性線を反転させるための外部磁界を非対称にすることの一因を担う。

一方、反平行状態では固定磁化層、自由磁化層が静磁的に結合している。そのために外部磁界による自由磁化層の反転を妨げる働きを有する。

磁気センサの実用上、外部磁界はより小さく、かつ平行磁化過程、反平行磁化過程を誘起するためのそれぞれ正負の磁界の大きさを同一にすることが求められる。しかしながら反磁界や静磁結合の存在はこれらの要請に対して相容れないものであり、正負同じ大きさの磁界印加により安定した出力特性を示す磁気センサを実現することが望まれる。
特許第１２３８３５１号 特許第１７６９７６３号

外部磁石の強度や極性に依存しない、安定した出力特性を示す磁気センサを提供することである。

本発明は、端部を加工、若しくは端部に軟磁性磁石を備えた磁性線から構成される磁気センサを提供すること。

端部の直径が中央部分の直径に対して細くなるような形状を有する磁性線、若しくは端部に軟磁性磁石を備えた磁性線により構成される磁気センサを提供すること。

前記磁性線の両端部のうち、少なくとも一方の端部の直径が他部分の直径に対して細くなるような形状を有すること、若しくは少なくとも一方の端部に軟磁性磁石を備えていることを特徴とする磁気センサを提供すること。

外部磁石の移動、若しくは外部磁界の変化に対して、パルス電圧を発生することを特徴とする磁気センサを提供すること。

素材や組成を異にすることにより保磁力が異なる２つの磁性体を２層構造にした磁性線、若しくは、ひねり処理などを施して外周部と内周部が異なる保磁力を有する磁性線を複合磁性線と呼ぶ。保磁力の大きい部分の磁化方向を一定として、保磁力の小さい部分の磁化方向を反転させた際には、いわゆる大バルクハウゼンジャンプを伴う高速な磁化反転が生じることから、複合磁性線の外周部に設置した検出コイルにはパルス電圧が誘発される。この現象は感磁要素（特許第１２３８３５１号）において開示されており、回転を検出する磁気センサなどとして実用化されているものである。

複合磁性線において、保磁力の大きい部分は磁化を反転させずに、通常は磁化方向を一定とするために固定磁化層と呼び、一方、外部磁石により磁化方向を反転させる保磁力の小さい部分を自由磁化層と呼ぶ。固定磁化層と自由磁化層は、それらの磁化方向が同一である平行状態と、逆向きである反平行状態の２通りの状態をとりうる。

自由磁化層が固定磁化層に対して反平行状態から平行状態に移る過程を平行磁化反転と呼び、この際には大バルクハウゼンジャンプを伴う高速な磁化反転を生じることから、検出コイルには波高値の大きいパルス出力が誘起される。

一方、自由磁化層が固定磁化層に対して平行状態から反平行状態に移る過程である反平行磁化反転に伴い誘発されるパルス電圧は一般的に、平行磁化反転に伴い誘発されるパルス電圧に比べて不安定であり、小出力であることが知られている。

これら平行磁化反転、及び反平行磁化反転における出力の非対称性は磁性線に生じる反磁界と静磁結合に起因するものである。平行状態では固定磁化層、自由磁化層の磁化方向がそろっており、磁性線には反磁界が生じている。一方、反平行状態では固定磁化層、自由磁化層が静磁的に結合している。

これらの反磁界、静磁結合はいずれも磁性線の端部に局所的に生じる問題であるために、磁性線端部に何らかの加工や部品付与を施すことにより、これを解決した。

磁性線の端部の直径を中央部分の直径に対して細くなるような形状とした場合には、平行磁化状態において磁性線端部、及び直径に段差が生じる部分に反磁界が分散される。そのために自由磁化層に実効的に寄与する反磁界の影響を軽減することが達成される。また反平行磁化状態での静磁結合も端部が揃っていないために軽減されることは明白である。

磁性線の端部に軟磁性磁石を付与させた場合には、外部から印加される磁束が軟磁性磁石に集中するために、磁性線に印加される実効的な磁界強度は低減される。結果的に外部印加磁界は、平行磁化状態における反磁界の影響を受けないこととなる。また反平行磁界状態での静磁結合磁界も軟磁性磁石が吸収するためにその影響を軽減することとなる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

磁性線としてＦｅＣｏＶ合金（バイカロイ合金）を素材とした場合では、ひねり処理を施すことにより、図２のような磁気的に性質を異とする２層構造となる。ここで外周部１３は保磁力の小さい自由磁化層、内周部１４は保磁力の大きい固定磁化層である。同図（ａ）は平行磁化状態、同図（ｂ）は反平行磁化状態をそれぞれ表す。

磁気的に性質を異にする複数の部分から構成される磁性線、いわゆる複合磁性線は、ひねり処理を施したＦｅＣｏＶ合金線以外にもＮｉＦｅ合金など幅広い磁性体により構成が可能である。またひねり処理以外にも、内部応力分布、組成、素材等を変化させることにより複合磁性線としての機能を実現することが可能である。

ここではバイカロイ合金線を磁性線として採用した際の実施例で本発明を説明する。

図３（ａ）は平行磁化状態における反磁界１５を示すものであり、一方、図３（ｂ）は反平行磁化状態における静磁結合磁界１６を示すものである。

図１、及び図６は、本発明に係る磁性線の構成の一例である。本発明の磁気センサにおける基本要素は、図１における端部の直径が中央部分の直径に対して細くなるような形状を有する磁性線１２から構成されること、若しくは図６における端部に軟磁性磁石１７を備えている磁性線から構成されることである。

図１のような端部が細くなっている磁性線は、端部のみにエッチング処理や研磨処理などを施すことにより実施可能である。

実施一例として図４に示す磁性線では長さ１８ｍｍ、直径０．２５ｍｍのひねり処理を施したバイカロイ合金の磁性線１１に関して、その両端部を各両端から４ｍｍの幅に渡ってエッチング処理を施し、それらの直径を１５ｍｍとした磁性線１２を作製した。

これら磁性線から構成される磁気センサに、正負両極性が対称の正弦波交流磁界を外部から印加した際の出力特性を測定した。端部エッチング処理のない図４における磁性線１１では、図５の黒丸で示した出力が得られた。ここでの出力とは、検出コイルに誘起されるパルス電圧の波高値を１ターンあたりの電圧に換算した値である。平行磁化過程で生じる正電圧側の出力と、反平行磁化過程で生じる負電圧側の出力は非対称である。この現象は前述のように磁性線に存在する反磁界と静磁結合に起因する、実用上は磁気センサの適応範囲を限定する、好ましくない特性である。さらに外部印加磁界の増加とともに、正出力、負出力ともに減少しており、外部磁界に対する磁気センサの適応範囲が狭いことを意味する。

一方、端部エッチング処理を施した図４における磁性線１２では、図５の白丸で示した出力が得られた。正出力と負出力がほぼ同程度の値となり、対称である。即ち外部磁界の極性に依存しない。このセンサ特性は実用上、電子回路で出力信号を処理することにおいて望ましいものである。また負出力はエッチングなしの磁性線では電圧値も微小であったが、エッチング処理を施した磁性線では出力値が増加した。さらに外部印加磁界の増加とともに、正出力、負出力ともに十分大きな出力を確保しており、外部磁界に対して、より広い適応範囲を確保する磁気センサが実現されていることが明白である。

磁性線の端部における反磁界、及び静磁結合が磁気センサ特性の劣化に起因しているとの知見から、磁性線の中央部分のみに外部磁界を印加する方法による問題解決の手段も有効である。そこで図６における磁性線１１のように、その両端に軟磁性磁石１７を付与した効果を図７に示す。同図は外部より２０エルステッド（Ｏｅ）の一様な磁界を磁性線全体に渡り印加した際に、磁性線各部に実質的に印加される磁界強度を微小コイルにて測定した結果である。磁性線両端部では印加される磁界強度がほぼゼロとなっていることが確認された。即ち反磁界の影響が存在する磁性線端部には磁界は印加されないこととなる。また静磁結合磁界も軟磁性磁石にその磁束が集中するために、センサ特性の劣化を回避することができる。

さらにこの軟磁性磁石を付与させた磁性線では、磁性線中央部には外部磁界の２０エルステッドよりも大きな、３８エルステッド程度の磁界が印加されていることがわかる。これは軟磁性磁石により磁界増加の効果があり、磁気センサの感度向上を実現するものである。

図６における軟磁性磁石を付与した磁性線１７から構成される磁気センサの出力特性を測定したところ、図５の白丸で示した端部をエッチング処理した磁性線から構成される磁気センサと同様な効果が確認された。即ち、正負の出力が対称であり、外部磁界の広い範囲に渡って安定した出力が得られた。

産業上の利用の可能性

本発明による磁気センサは、外部磁界の広範囲に渡り、磁界の極性に依存しない、安定した出力特性を示す。したがって、例えば回転検出の磁気センサに利用した際には、回転部に設置する磁石の大きさ、強さに対する要請が少なく、かつ磁石の極性に無依存な高出力を確保できる。このような性質を有する磁気センサは、各種装置、機器における回転、速度等を検出する上で利便性が高い。これらの利点は磁性線端部の加工、若しくは軟磁性磁石付与によるものであることは明白であり、本発明の効果は産業応用上、広範囲に渡るものである。

本発明の一実施例に係る磁性線の構成を示す図である。 磁性線における磁化自由層と磁化固定層がそれぞれ平行状態にある構成、ならびに反平行状態にある構成を示す図である。 磁性線における磁化自由層と磁化固定層がそれぞれ平行状態にある際に生じる反磁界、ならびに反平行状態にある際に生じる静磁結合を示す図である。 本発明の一実施例に係る磁性線の構成を示す図である。 本発明の一実施例に係る磁気センサの出力電圧を示す図である。 本発明の一実施例に係る磁性線の構成を示す図である。 本発明の一実施例に係る磁性線に印加される磁界強度を示す図である。

符号の説明

１１ 磁性線
１２ 両端部の直径が中央部の直径に対して細い磁性線
１３ 自由磁化層
１４ 固定磁化層
１５ 平行磁化状態における反磁界
１６ 反平行磁化状態における静磁結合
１７ 軟磁性磁石

Claims (3)

1. 端部の直径が中央部分の直径に対して細くなるような形状を有する磁性線、若しくは端部に軟磁性磁石を備えた磁性線により構成される磁気センサ。
2. 請求項１において、前記磁性線の両端部のうち、少なくとも一方の端部の直径が他部分の直径に対して細くなるような形状を有すること、若しくは少なくとも一方の端部に軟磁性磁石を備えていることを特徴とする磁気センサ。
3. 請求項１ないし２において、外部磁石の移動、若しくは外部磁界の変化に対して、パルス電圧を発生することを特徴とする磁気センサ。

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