JPS5823453B2 - 磁電変換素子用合金及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、磁電変換素子に用いて最適な合金及びその製
造方法に関するものである。

磁電変換素子は、無接点スイッチや無刷子モータ等のス
イッチ素子として広く普及されて来ている。

従来、この磁電変換素子としては、例えば半導体ホール
素子、半導体磁気抵抗素子、プレーナホール素子、磁性
体磁気抵抗素子等が用いられて来た。

しかし、半導体を使用した素子は、キャリアの数及び易
動度の温度変化が大きく、温度特性が悪いので、温度補
償用の外部回路を必要とした。

又、プレーナホール素子は、出力電圧が小さく、無刷子
モータの駆動等に用いるには高利得の増巾器のような特
殊な周辺回路を必要とするなどの欠点があった。

さらに、磁気抵抗素子では、２端子素子であるため、出
力電圧に較べて不平衡電圧が大きく、抵抗率の温度変化
から生ずる不平衡電圧の変動が出力電圧に較べて無視で
きない為に、温度変化による零点ドリフトが実用上問題
となる。

本出願人は、上述の欠点を克服する為、直列に接続され
かつ磁気抵抗効果を有する２つの強磁性体を、その電流
通路が夫々互いに直交する如く配し、その接続点に出力
端子を設け、他端に電流供給端子を設けた磁電変換素子
を既に提案した（特願昭４８−７９６５５号）。

これら２つの強磁性体を飽和磁化させるに充分な磁界を
、一方の強磁性体の電流本向に対して角度Ｏで交差する
方向にΔρ 加えると、その出力電圧変化量は７司ωｓ２θに比例す
る。

但し、Δρ−ρ−ρ 、２ρ〇−ρ十ρ 。ρは強磁性
体を電流と平行方向に飽和磁化した時の抵抗、ρは強磁
性体を電流と垂直方向に飽和磁化した時の抵抗である。

従って、変化の方向も考慮に入れて、θが０度及び９０
度となる２つの磁界を用いると電圧変化量が最大となり
、それによって、スイッチング動作をさせるようになっ
ている。

このような構成によって、前述した諸欠点は解決される
。

しかし上記磁電変換素子にはなお改善すべき問題点があ
ることが見出された。

即ち、磁電変換素子を製造するには、量産性、コストダ
ウンの両面から、一般にＳｉ基板が用いられているが、
この場合、基板の厚みが薄いために素子の耐歪性が低下
してしまい、このために素子の出力の飽和特性が低下し
、素子の特性のバラツキが増加することが知られている
。

特に耐歪性の低下は、ピエゾ抵抗効果を通して中点電位
ズレの形で現われて来る為、高精度を要求される無接点
スイッチ等には、高価なアルミナ基板の使用を余儀なく
されて来た６しかも、前述したような磁電変換素子に適
用するには、Δρ／ｐｏが大きくなるような合金組成を
選ぶことが好ましいが、このような組成では磁歪定数が
大きく、上述した耐歪性の低下は回避できなかった。

本発明は、以上に述べた諸問題を解決する為のものであ
って、その第１発明は、超格子からなる相を有するＮｉ
とＣｏとの合金であって、Ｎｉ：Ｃ。

（原子数の比）が４０ ： ６０〜６０：４０である磁
電変換素子用合金に係る。

また本発明の第２発明は、２５０℃以上の基板温度でこ
の基板上にＮｉ及びＣｏを被着させ、これによって、超
格子からなる相を有しかつＮｉとＣｏとの割合（原子数
の比）が４０：６０〜６０：４０であるＮｉ−Ｃｏ合金
を前記基板上に形成するようにした磁電変換素子用合金
の製造方法に係るものである。

Ｎｉ−Ｃｏ系合金は、強磁性体合金の中で磁気抵抗係数
Δρ／ｐｏが大きい材料として従来から知られている。

一方、Ｎｉ−Ｃｏ系合金は結晶学的に面心立方格子構造
を有しており、この面心立方格子の格子点にＮ１原子と
Ｃｏ原子とが配されている。

通常溶融冷却して得られる塊状、或いは従来の低温の基
板温度にて形成した薄膜のＮｉ−Ｃｏ系合金では、前記
面心立方格子の格子点を占めるＮｉ原子とＣｏ原子は不
規則であり、この系の高次の規則性を確認した報告はな
い。

従来は、磁電変換素子として、磁気抵抗効果の考慮のみ
から、７６Ｎｉ−２４Ｃｏ付近の組成を持ったＮｉ −
Ｃｏ合金が使用されて来たが、前述したように、この組
成では磁歪定数が大きく、種々の不利益があった。

一方、本発明の如＜ ４ ＯＮｉ −６０Ｃｏ〜６０
Ｎｉ −４ＯＣ。

に選定することにより、磁歪定数を小さくすることがで
き、さらに超格子相の形成により磁気抵抗係数を大きく
することができる為に、前述したような問題点が一挙に
解決出来る事を本発明者らは見出したのである。

本発明に依るＮｉ−Ｃｏ合金の組成を王妃の如く限定し
た理由は、４ ＯＮｉ −６０ＣｏよりＮｉの少ないＮ
ｉ−Ｃｏ合金では、磁気抵抗係数Δρ／ｌ）０が小さく
て磁電変換素子として使用し難くなり、また６ＯＮｉ−
４０ＣｏよりＮｉの多いＮｉ−Ｃｏ合金では、後述する
ように磁歪定数が大きく、耐歪性が悪くなって中点電位
ずれが大きくなり、本発明に依る効果が少なくなるから
である。

又、本発明に依れば、蒸着等で被着形成されるＮｉ −
Ｃｏ合金膜の膜厚は１０，０００λ以下であるのが好ま
しい。

何故ならば、膜厚が１０，０００八を越えると、インピ
ーダンスが下がり過ぎてパワーを食うからである。

膜厚の実用的範囲はｉ、ｏｏｏ〜３，０００人である。

更に、本発明によれば、蒸着等によるＮｉ −Ｃｏ合金
膜を形成する際の基板温度は、２５０〜５００℃程度が
実用的である。

というのは、基板温度が２５０℃未満では合金が超格子
相を有さす、磁気抵抗効果が小さく、また基板温度をあ
まり高くすると基板が溶けるか或いはやられてしまい然
も温度上昇及び降下に時間がかかつて作業性が悪くなる
からである。

次に本発明の基本原理及び構成を、図面を参照しながら
詳しく説明する。

第１図及び第２図は、本発明を説明する為に、電子線回
折写真に基づいて作図した回折パターンの概略図である
。

第１図は、基板温度１５０℃で蒸着した５ ＯＮｉ −
５０Ｃｏによる比較例を示し、第２図は、基板温度３０
０℃で蒸着した５ＯＮｉ−５０Ｃｏによる本発明の実施
例を示している。

第１図によるＮｉ −Ｃｏ合金は典型的な面心立方格子
（ＦＣＣ）の回折パターンを示していて、最も内側の回
折リングは（１１１）面、２番目は（２００）面・・・
・・・に順次対応している。

即ち、後述することからも明らかなように、Ｎｉ原子と
Ｃｏ原子の配置がばらばらであり、規則性を有していな
いことが分る。

これに対して、第２図によれば、第１図に示されている
ＦＣＣのパターン以外に、新たな回折リングやスポット
が多く存在するのがはっきりと観察される。

第２図の回折パターンは、本発明に依る５ ＯＮｉ −
５０Ｃｏ合金が、ＦＣＣを基礎としていて、ＦＣＣより
高次の回折面を持った格子を有している事を示している
。

第２図の回折パターンを詳しく分析した結果、本発明に
依る５ＯＮｉ−５０Ｃｏ合金は、第３Ａ図に示したよう
な超格子を持っている事が分かった。

第３図において、黒丸及び白丸はそれぞれＣｏ原子及び
Ｎｉ原子を、矢印ａ、ｂ、ｃは格子軸を、ＭはＣｏ原子
とＮｉ原子との配置が逆になるドメインの長さを示して
いる。

この格子は、従来から知られているＣｕＡｕ Ｉ型（第
３Ｂ図）あるいはＣｕＡｕ■型（第３Ｃ図）の超格子を
基礎としたものである。

即ち、従来のＮｉ−Ｃｏ合金では、Ｎｉ原子とＣｏ原子
の配列は全く不規則であるが、本発明に依るＮｉ−Ｃｏ
合金では、ＣｕＡｕＩ型あるいはＣｕＡｕ■型等を基礎
とした超格子を持った相を有している事が分かる。

このような超格子を有する事によって、後述するように
、本発明に依る素子では、従来の素子と較べて、磁気抵
抗効果が大幅に改善される。

第４図は、蒸着基板温度Ｔｓと磁気抵抗係数Δｐ／ｐ□
との関係を示したグラフである。

使用した試料は５ ＯＮｉ −５０Ｃｏを２５００〜３
０００人の膜厚で被着させたものを使い、室温（２９３
°Ｋ）及び７７°にで測定した。

使用磁場は２ＫＯｅである。第４図で斜線を施した領域
は、Ｎｉ原子とＣｏ原子の配列が不規則な状態と規則的
な（超格子を有している）状態との間の転移領域であり
、この領域より基板温度の低い領域では不規則状態に、
この領域より基板温度の高い領域、特に５２３°Ｋ（２
５０℃）以上では高次の規則状態にある。

第４図は次の事実を示している。

即ち、不規則状態では磁気抵抗係数Δρ口。

は低く、基板温度の上昇と共に急激に増加して、規則状
態では磁気抵抗係数Δｐ／、０は高い絶対値で飽和して
いる。

しかも飽和値は、シュミット（Ｓｍｉｔ）による合金バ
ルクでの測定値よりも高い。

従って、本発明に依る規則（超格子を有する）状態にあ
るＮｉ −Ｃｏ合金では、従来の不規則状態にあるＮｉ
−Ｃｏ合金と較べて、磁気抵抗係数Δｐ／ｐｏが大幅
に増大することが分かる。

本発明においては、第５図に示すように、一般に、Ｎｉ
−Ｃｏ合金の膜厚が上記の値よりも薄くなれば、磁気
抵抗係数のピーク又は飽和点が図面右方向にシフトする
傾向がある。

第６図に、第４図と同様の試料による、規則状態（蒸着
基板温度Ｔｓ：５６１°Ｋ）及び不規則状態（蒸着基板
温度Ｔｓ：４１９°Ｋ）での磁気抵抗係数Δｐ／’ｐ□
の温度依存性を示す。

これによっても、本発明による規則格子では使用温度範
囲全般、特に低温において磁気抵抗係数が大きいことが
分る。

第７図は、上述の５４Ｎｉ−４６Ｃｏの組成（第５図に
対応）を持った磁電変換素子についての蒸着基板温度Ｔ
ｓと出力電圧との関係を示すグラフである。

使用した試料としては、まずＮｉ及びＣ。をＡｒガス１
気圧の雰囲気中でＲＦ溶解後、鉄製鋳型に鋳込み、この
鋳板を冷間圧延してリボン状に整形し蒸着用合金とした
。

蒸着用基板は１ｗｒＬ厚の平板ガラスを用いた。

蒸着はタングステン抵抗加熱法を用い、真空度２ ｘ
１０−５０−５ｒｒｒ、蒸着基板温度は、１５０，２０
０．２５０，３００，３５０℃の各値で蒸着した。

膜厚は約１８００人で、駆動電圧ＤＣＩＯＶ、使用磁場
２０００ｅ及び２ＫＯｅで測定した。

第７図から明らかなように、出力電圧は、不規則状態か
ら規則（超格子を有する）状態へ転移する２５０℃前後
で急激に増大している。

第７図によれば、膜厚の関係で上記転移を生じさせる蒸
着基板温度が第４図と比較して若干右へずれているもの
の、全体として第４図と似た挙動を示している。

これは、出力電圧の変化量が磁気抵抗係数Δｐ／ｐ □
に比例することから容易に推測されることである。

又、下記表に、Ｓｉ基板を使用した素子の出力電圧を示
す。

測定は、駆動電圧ＤＣ１０Ｖ、使用磁場２０００ｅで行
ない、比較例として７６Ｎｉ −２４Ｃｏを基板温度２
５０℃で蒸着したものを、本発明の実施例として５４Ｎ
ｉ−４６Ｃｏを基板温度３００℃で蒸着したものを用い
た。

上記表から明らかなように、本発明に依る５４Ｎｉ−４
６Ｃｏでは、磁気抵抗係数Δｐ／ｐｏの最も大きい従来
の７６Ｎｉ −２４Ｃｏと比較して、出力電圧の低下は
僅かであり、実用上殆ど問題がない程度である。

これは、第４図及び第７図に示されたように、本発明の
ように構成することに依って、磁気抵抗係数Δｐ／ｐ□
及び出力電圧が著しく増大することから容易に理解され
よう。

第８図は、Ｎｉ−Ｃｏ合金の組成と中点電位ずれとの関
係を示したグラフである。

中点電位ずれの測定は、第９図に示すように行った。

即ち、５×３ＸＩＭＩＬ３試料素子１を４閣のギャップ
を持った支持台２に載せ、２．５ｆｒａｎφの荷重面を
持つ１０００Ｖの荷重子３を素子面に載せて荷重をかけ
、中点電位のズレを外部抵抗ブリッジで測定することに
°依って実施した。

使用した合金試料としては、４０Ｎｉ−６０Ｃｏ〜８１
Ｎｉ−１９Ｃｏの２２種の合金組成を用いた。

この組成範囲外では磁気抵抗効果が急激に減少するので
除外した。

試料は、第７図に関連して述べられたと同様にして作製
された蒸着用合金を用い、蒸着用基板４は１喘厚の平板
ガラスを用いた。

蒸着はタングステン抵抗加熱法を用い、真空度１０ ”
ｒｒｖｎＨｙ、基板温度２５０℃、平均蒸着速度２５０
ＯＡ、イ。

市、冷却速度１．５〜２．０ｄｅｇ／ｍ地で行なった。

磁電変換素子のパターン５は出力端子６及び電流供給端
子７，８からなる三端子のパターンで電極部面積の大き
いものを用いた。

パターン形成用マスクとしてのホトレジストは０ＦＰＲ
（商品名）、パターン形成用のエッチャントは濃ＨＮＯ
３：Ｈ２〇二１：４、基板４のカッティングはダイヤモ
ンドカッターで行なった。

膜厚は、磁気抵抗係数の膜厚依存性の無視出来る２５０
０人前後に選定した。

第８図から５４Ｎｉ −４６Ｃｏ付近の組成で歪効果（
中点電位ずれ）は零になることが分り、またこの点は基
板温度に依らないことも分った。

これよりＮｉの多い組成では、中点電位ずれが負になり
、Ｎｉの増加と共に絶対値かはｙ直線的に負に増大し、
またＮｉの少ない範囲では中点電位すれがＮｉの減少と
共にゆるやかに増加し、４ＯＮｉ−６０Ｃｏの組成で飽
和する。

この飽和点での中点電位ずれの値ΔＶと絶対値が等しい
負の中点電位ずれ一ΔＶは６０ Ｎｉ −４０Ｃｏの組
成で起ることが分る。

このことから、本発明に依る合金は、上述した磁気抵抗
係数を高く維持しかつ中点電位ずれを所望の範囲に小さ
くすることがらＮｉが４０原子％以上、６０原子％以下
であることが必須不可欠である。

この４ＯＮｉ−６０Ｃｏ〜６ＯＮｉ−４０Ｃｏは、従来
組成である７６Ｎｉ−２４Ｃｏと較べて、中点電位ずれ
が著しく少ない事が分かる。

これは、本発明に依る４ＯＮｉ−６０Ｃｏ〜６ＯＮｉ−
４０Ｃｏの組成が磁歪定数の小さい組成であるので、耐
歪性が向上する為であると考えられる。

第１０図は、ボゾルス（Ｂｏｚｏｒｔｈ ）による、飽
和磁歪の組成依存性を示すグラフである。

第８図と第１０図とは極めて似通った挙動を示している
ので、一見して歪効果と飽和磁歪とが密接に関係してい
そうなことが分かる。

磁歪とは、強磁性体を磁化したときに磁性体の外形が歪
んで変形する現象に対して名付けられたもので、消磁状
態での長さをｌｏとし飽和迄磁化した時の伸びをΔｌと
すると、λＳ＝Δ’／ｌｏで飽和磁歪の量が定義されて
いて、λＳを飽和磁歪定数と呼ぶ。

伸びの方向が磁化方向に平行な場合λｓ＞０、垂直な場
合（磁化の方向に縮む）λｓ＜０と定義されている。

逆に応力がか５つた場合にはその歪によって各磁区の磁
化Ｃ方向が変化する。

引張り応力で伸びた場合にはλｓ ＞ ０の時、各磁区
の磁化は応力と平行方向に変化し、λｓ＜０の時は、垂
直方向に変化する。

これらの磁化方向変化は各磁区内で行われ、磁化の正負
の向きは等価であるので完全消磁状態のものでは全体と
して磁化が発生するとは限らない。

圧縮応力の場合にはこの間の符号関係が逆になる。

応力によって全体として磁化が発生しない場合でも磁化
の方向と電流の方向のなす角度に依存する磁気抵抗効果
には各磁区の磁化方向（この場合も正負は等価）の変化
がきいて来る。

従って一般に磁歪がある材料に外部応力を加え歪ませる
と、磁歪によって各磁区の磁化方向が変化し磁気抵抗効
果を通して電気抵抗が変化することになる。

従って、第８図及び第１０図に基いて本発明のように磁
歪の少ない材料を選べば、上記効果による欠点を避ける
ことが出来るのは明らかである。

別の言い方をすれば、本発明のように磁歪の少ない材料
で素子を作製すれば、基板の歪が生じても影響を受けな
い耐歪性素子が得られることになる。

第１１図及・び第１２図は、磁電変換素子の出力電圧の
飽和特性を示すものであって、第１１図は従来組成の７
６Ｎｉ−２４Ｃｏに依る比較例を、第１２図は本発明に
依る５４Ｎｉ−４６Ｃｏの実施例をそれぞれ示している
。

駆動電圧はＤＣＩＯＶである。

一般に蒸着膜においては、蒸着膜物質と基板物質とが異
なる為、徐冷過程において熱膨張係数の差から生ずる歪
を蒸着膜が吸収することになる。

その内部応力が膜物質の破断応力に及ぶ例もある。

この応力は基板と膜面の密着強度が大きければ大きい程
、界面で吸収する分が少なくなって膜内に蓄積される率
が高まる。

従って膜に蓄積される応力は基板と膜の熱膨張係数の差
が大きいもの程大きくなり、又密着強度が大きい程大き
くなる傾向を示す。

この様にして生じた膜の内部応力は磁歪エネルギーを発
生させ、膜の磁気特性に影響を与える。

一方、磁電変換素子の飽和特性を決める飽和磁界の大き
さは膜の磁化を外部磁界によってその方向に揃えるため
に必要とする磁界の大きさで定義されている。

この飽和磁界の大きさは、素子を構成しているストライ
プの巾と長さの比によって決まる反磁界エネルギに打ち
勝つ磁場の大きさで決まっている。

しかしながら、蒸着条件、基板の種類によっては、磁歪
エネルギーによって飽和特性が低下する可能性は充分考
えられる。

第１１図及び第１２図から明らかな様に、従来組成のも
のは飽和磁界は２０００Ｃ以上になってしまっている。

蒸着条件、基板は同じものを使用しているので、この差
は磁歪定数の大きさから来ていることは明らかで、磁歪
エネルギー即ち等価磁界が飽和特性に影響していると考
えてよい。

又これらの図より、従来組成のものはヒステリシスも極
メて大きくなっている。

ヒステリシスは磁壁エネルギーの大きさと磁壁の動き易
さによって決って来る。

磁壁エネルギーも磁歪エネルギーと密接に関係している
。

磁壁の動き易さも内部応力の分布を通して磁歪エネルギ
ーと結びついている。

従って磁歪定数の小さい組成では当然のことながらヒス
テリシスも同時に小さくなっている。

更に、従来の素子では、飽和特性が悪く、ヒステリシス
のロフト内、ロフト間のバラツキも大きい。

これも、磁歪エネルギー即ち内部応力の蓄積のされ方が
ロフト内、ロフト間で同じになることは考えられないの
で当然の帰結であると思われる。

この意味でも、本発明のように磁歪係数の小さい組成は
有利であると言える。

以上説明したように、本発明によれば、２５０℃以上の
蒸着基板温度で被着させた４ＯＮｉ−６０Ｃ。

〜６ＯＮｉ−４０Ｃｏでは、磁歪定数が著しく減少し、
従って、耐歪性及び飽和特性に優れ、特性のバラツキも
少なく、しかも磁気抵抗効果及び出力電圧が従来の素子
と比較しても遜色のない磁電変換素子が実現される。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明を説明する為のものであって、第１図は１
５０℃の蒸着基板温度で被着した５ＯＮｉ−５０Ｃｏの
電子線回折パターンを示す概略図、第２図は３００℃の
蒸着基板温度で被着した５ＯＮｉ−５０Ｃｏの電子線回
折パターンを示す概略図、第３Ａ図は第２図の合金の結
晶構造を示す概略斜視図、第３Ｂ図はＣｕＡｕ Ｉ型の
結晶構造を示す概略斜視図、第３Ｃ図はＣｕＡｕ ＩＩ
型の結晶構造を示す概略斜視図、第４図は蒸着基板温度
による磁気抵抗係数の変化を示すグラフ、第５図は別の
例における蒸着基板温度による磁気抵抗係数の変化を示
すグラフ、第６図は測定温度による磁気抵抗係数の変化
を示すグラフ、第７図は蒸着基板温度による出力電圧の
変化を示すグラフ、第８図はＮｉ−Ｃｏ合金の組成によ
る中点電位ずれを示すグラフ、第９図は中点電位ずれの
測定方法を示す概略斜視図、第１０図はＮｉ −Ｃｏ合
金の組成による飽和磁歪定数の変化を示すグラフ、第１
１図はＮｉ−Ｃｏ合金のヒステリシス曲線図、第１２図
は別のＮｉ−Ｃｏ合金のヒステリシス曲線図である。 なお図面に用いられている符号において、３・・・・・
・荷重子、４・・・・・・基板、５・・・・・・磁気抵
抗パターン、６・・・・・・出力端子、７，８・・・・
・・電流供給端子である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超格子からなる相を有するＮｉとＣｏとの合金であ
   って、Ｎｉ：Ｃｏ（原子数の比）が４０ ： ６０〜６
   ０：４０である磁電変換素子用合金。 ２２５０℃以上の基板温度でこの基板上にＮｉ及びＣｏ
   を被着させ、これによって、超格子からなる相を有しか
   つＮｉとＣｏとの割合（原子数の比）が４０：６０〜６
   ０：４０であるＮｉ−Ｃｏ合金を前記基板上に形成する
   ようにした磁電変換素子用合金の製造方法。