JP2005338031A

JP2005338031A - Magnetic sensor

Info

Publication number: JP2005338031A
Application number: JP2004160763A
Authority: JP
Inventors: Koichi Okamoto; 幸一岡本; Junichi Hayasaka; 淳一早坂; Yoshiaki Ikeda; 義秋池田; Hiroshi Shimada; 島田　　寛
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2005-12-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact, light-weighted and highly sensitive magnetic sensor applicable for a direction sensor for a cellular phone. <P>SOLUTION: In the magnetic sensor 1 comprising a vibrator 2 layered with magnetostrictive materials 12 and an elastomer 11, wherein the vibrator 2 is integrally and mechanically resonated by an external vibration driving means, wherein a mechanical resonance frequency of the vibrator changes by a change in a Young modulus of the magnetostrictive material in accompaniment to a change in an external magnetic field 14 impressed to the vibrator 2, and wherein an amount of the external magnetic field is calculated, on the basis of a variation of the resonance frequency, the magnetostrictive material is an alloy comprising Co, Fe and Zr, and x+y+z=1, 0.2≤x≤0.75, 0.2≤y≤0.6 and 0.05≤z≤0.2 are satisfied, where an element composition ratio is represented as Co:Fe:Zr=x:y:z. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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。 The present invention relates to a magnetic sensor that is mainly suitable for geomagnetic detection and detects a magnetic field by a change in resonance frequency due to a magnetostriction phenomenon.

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。 Conventionally, for example, as a magnetic sensor capable of detecting a magnetic field of the order of geomagnetism, a magnetic-impedance element (hereinafter referred to as an MI element) using a skin effect of several MHz to several hundred MHz band, or a change in permeability of a soft magnetic material There is a fluxgate sensor using These magnetic sensors generally have a tendency to significantly reduce the magnetic sensitivity as the sensor is downsized due to the influence of the demagnetizing field of the magnetic material. On the other hand, a magnetic sensor combining a magnetostriction phenomenon and a piezoelectric detection method has been proposed as a magnetic sensor based on a principle different from the MI element or the fluxgate sensor.

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。 FIG. 2 is a schematic view showing an example of a conventional magnetic sensor. As described in Patent Document 1, the magnetic sensor using the magnetostrictive element shown in FIG. 2 is “a combination of a magnetostrictive element and a piezoelectric element, and the piezoelectric element is distorted by the expansion of the magnetostrictive element and converted into a voltage. A magnetic field sensor characterized by being applied to current measurement in a substation or a transmission line. The basic principle of the magnetic sensor 3 described in Patent Document 1 is to detect the expansion (shape change) of the magnetostrictive element 21 due to an external magnetic field change as a voltage generated in the piezoelectric element 22 integrated with the magnetostrictive element 21. . Therefore, the sensitivity of the magnetic sensor is output as a voltage generated in the piezoelectric element 22, and the generated voltage V is expressed by the equation (1).

Ｖ＝ｇ₃₁×ｔ×ｐ・・・・・・・（１） V = g ₃₁ × 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。 Here, g ₃₁ , t, and P indicate the piezoelectric stress constant, the thickness of the piezoelectric element, and the pressure applied to the piezoelectric element 22.

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。 In addition, as described in Patent Document 2, “a magnet that does not invert with respect to an external magnetic field and a piezoelectric element that detects a magnetic field strength applied to the magnet as a mechanical force” are provided. There is a magnetic sensor.

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。 FIG. 3 is a schematic view showing an example of a conventional magnetic sensor. The basic principle of the magnetic sensor 4 described in Patent Document 2 is quoted from Patent Document 2, “When an external magnetic field H acts on a magnet having a magnetic moment M, the outer product of the magnetic moment M and the external magnetic field H (H × M ) Torque T about the direction acts. When the strength of the external magnetic field H increases, the torque T, which is a mechanical force, increases. The torque T generated by the magnet causes stress (torsional stress) in the piezoelectric element, and the external magnetic field H is converted into stress. ].

特開２０００−８８９３７号公報JP 2000-88937 A 特開２０００−６５９０８号公報JP 2000-65908 A

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。 Conventionally, the MI sensor or fluxgate sensor, which is a small and highly sensitive magnetic sensor, generally has a tendency to significantly decrease the magnetic sensitivity as the sensor is downsized due to the influence of the demagnetizing field of the magnetic material. It is in. Therefore, for example, when it is intended to be applied to a portable azimuth sensor using geomagnetism, two conditions such as small size and high sensitivity must be satisfied, and the above MI sensor and fluxgate sensor are not applicable. It was difficult.

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。 In addition, in the conventional magnetic sensor that combines the magnetostriction phenomenon and the piezoelectric detection method, it is difficult to satisfy both miniaturization and high sensitivity for the following reasons. That is, in the magnetic sensor 3 of Patent Document 1, the generated voltage V related to the magnetic sensitivity is proportional to the thickness t of the piezoelectric element 22 and the generated voltage decreases as the thickness of the piezoelectric element 22 is reduced. become.

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。 In addition, when the piezoelectric element 22 is kept thin in order to suppress a decrease in the generated voltage and the piezoelectric vibrator is reduced in size, the length and the width are relatively smaller than the vibrator thickness as the size is reduced. The structure becomes shorter and the vibrator is less likely to bend. Therefore, the pressure P represented by the formula (1) decreases, and as a result, the generated voltage decreases. Therefore, it can be said that it is difficult to satisfy both miniaturization and high sensitivity at the same time.

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。 Further, as seen in Patent Document 2, a magnet having a magnet 25 that does not invert with respect to an external magnetic field and a piezoelectric element 22 that detects a magnetic field strength applied to the magnet as a mechanical force is provided. In the sensor 4, in principle, the torque (H × M) generated in the magnet is a moment, so that the piezoelectric element 22 requires a relatively large area to be efficiently received. If it is based on such an operation principle, even if it is a differential type, the size of the sensor is inevitably large, and it is considered unsuitable for miniaturization.

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。 Therefore, an object of the present invention is to provide a small, lightweight, and highly sensitive magnetic sensor applicable to an orientation sensor for a mobile phone.

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。 The magnetic sensor of the present invention comprises an oscillating body in which a magnetostrictive material and an elastic material are laminated, and the oscillating body is in a state of being mechanically resonated and externally applied to the oscillating body. A magnetic sensor that calculates a magnetic field amount from a change amount of the resonance frequency by changing a mechanical resonance frequency of the vibrating body by changing a Young's modulus of the magnetostrictive material in accordance with the change, and the magnetostrictive material Is an alloy composed of Co, Fe and Zr, and the composition ratio of the elements Co: Fe: Zr = x: y: z is 0.2 ≦ x ≦ 0.75 and 0.2 when x + y + z = 1. ≦ y ≦ 0.6 and 0.05 ≦ z ≦ 0.2.

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。 According to the magnetic sensor of the present invention, a vibrating body in which a magnetostrictive material and an elastic material are laminated is in a state of mechanical vibration, and the Young's modulus of the magnetostrictive material is changed with an external magnetic field change. By changing, the mechanical resonance angular wave number of the vibrator changes, and the external magnetic field amount is calculated from the change amount of the resonance frequency. Therefore, the size and weight can be reduced, and the magnetostrictive material Is an alloy composed of Co, Fe, and Zr, and the elemental composition ratio Co: Fe: Zr = x: y: z is x + y + z = 1 and 0.2 ≦ x ≦ 0.75 and 0.2 ≦ y ≦ 0. .6 and 0.05 ≦ z ≦ 0.2, an amorphous structure can be formed by Zr, and the magnetization rotation of the magnetostrictive material easily occurs with respect to the external magnetic field. Also, increasing the amount of Fe increases the amount of magnetostriction of the magnetostrictive material, so the amount of change in Young's modulus with respect to the external magnetic field increases, and as a result, the amount of change in resonance frequency also increases, resulting in a highly sensitive magnetic sensor. Can do.

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。 The magnetic sensor according to the embodiment of the present invention will be described in detail below. The magnetic sensor of the present invention is composed of a vibrating body in which a magnetostrictive material and an elastic material are laminated, and mechanically resonates the vibrating body as an integral unit by external vibration driving means. Since the mechanical resonance frequency of the vibrating body changes as the Young's modulus of the magnetostrictive material changes in accordance with the change in the external magnetic field applied to the vibrating body, the amount of external magnetic field is calculated from the amount of change in the resonance frequency. It is a magnetic sensor. Here, when the vibrating body is made of a piezoelectric material, the external vibration driving unit uses an AC power source or the like, and supplies AC power from an electrode formed on the vibrating body, thereby vibrating the vibrating body. It can be performed.

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。 The magnetostrictive material is an alloy composed of Co, Fe, and Zr. The composition ratio of the elements is Co: Fe: Zr = x: y: z, and x + y + z = 1 and 0.2 ≦ x ≦ 0.75 and 0. .2 ≦ y ≦ 0.6 and 0.05 ≦ z ≦ 0.2.

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。 FIG. 1 is a schematic view showing an example of the configuration of the magnetic sensor of the present invention. In the vibrating body 2, magnetostrictive thin films 12 are formed on both main surfaces of the elastic body 11. When an external magnetic field 14 is applied to the vibrating body 2, the Young's modulus of the magnetostrictive thin film 12 changes (hereinafter referred to as the ΔE effect) with the magnetostrictive effect of the magnetostrictive thin film 12. f changes. The vibrating body 2 can be considered as a composite beam of the magnetostrictive thin film 12 and the elastic body 11, and the change amount Δf of the resonance frequency f is expressed by the following equation (1).

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。 Here, f ₀ is the resonance frequency of the vibrating body when no magnetic field is applied, l is the length of the vibrating body, t _f , E _f0 , E _f1 , and ρ _f are the thickness of the magnetostrictive thin film 12 and the magnetic field, respectively. The Young's modulus when no magnetic field is applied, the Young's modulus when the magnetic field is applied, and the density are shown, and t _s , E _s , and ρ _s are the thickness, Young's modulus, and density of the elastic body 11, respectively.

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。 Therefore, it can be seen that the Young's modulus of the magnetostrictive thin film 12 is changed by the external magnetic field 14, whereby the amount of change Δf of the resonance frequency of the vibrating body 2 changes, and magnetism is detected from this amount of change and used as a magnetic sensor. it can.

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。 Here, the ΔE effect of a ferromagnetic material is explained as follows. In other words, in a ferromagnetic material, regardless of whether the magnetostriction λ is positive or negative, extra elongation occurs due to rotation of spontaneous magnetization due to tension. For this reason, Young's modulus E _f decreases. This effect is called ΔE effect. Since the ΔE effect occurs due to the presence of magnetostriction λ, it is naturally proportional to λ. (Nakaku), Physics of Ferromagnetic Material (bottom), Hanakabo, p.144). When the external magnetic field 14 is applied to the vibrating body 2, the magnetostrictive thin film 12 is stretched due to the rotation of the spontaneous magnetization along the direction of the external magnetic field 14, and the Young's modulus E _f of the magnetostrictive thin film 12 is decreased. For this reason, when the external magnetic field 14 changes, the resonance frequency f of the vibrating body 2 decreases. Here, the change in the resonance frequency f is also caused by a shape change due to the magnetostriction of the magnetostrictive thin film 12, and the change amount Δf of the resonance frequency f as the sensor output is due to a comprehensive change of the vibrating body 2. is there.

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。 As a magnetostrictive thin film used in the magnetic sensor of the present invention, a Co—Fe based magnetic thin film has a high magnetic permeability and a high magnetostriction constant even in a low magnetic field region of several A / m or less. Therefore, it can be said to be a preferable material for application to the magnetic sensor of the present invention.

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。 As a specific configuration example of this magnetic sensor, a -18.5 ° X-cut quartz plate having a length of 12 mm, a width of 3 mm, and a thickness of 0.5 mm is used as the elastic body 11, and a quartz crystal using RF sputtering as the magnetostrictive material. A magnetic thin film 12 having a thickness of about 1 μm was deposited on both main surfaces of the plate to obtain a vibrator 2. The vibrating body 2 was provided with a support 13 to form a magnetic sensor 1 having a cantilever structure. The magnetic thin film 12 also functions as an electrode, and the resonance frequency of the vibrating body can be measured by applying a voltage to the magnetic thin film and measuring its impedance. The basic resonance frequency of the longitudinal vibration of the vibrating body 2 at this time is approximately 100 kHz.

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。 Table 1 shows vibrations when an external magnetic field 14 of 20 × 10 ³ / 4π (A / m) is applied to the vibrating body 2 when the elemental composition ratio of the magnetostrictive thin film 12 used in the vibrating body 2 is from composition 1 to composition 7. The amount of change in the resonance frequency of the body 2 is shown.

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。 As a result of gradually increasing the amount of Zr as in composition 1 to composition 3 in Table 1, the change in resonance frequency was 0 Hz in composition 1 having no Zr, whereas in composition 2, 150 Hz and in composition 3 The 155 Hz resonance frequency has changed. This is because when there is no Zr, the magnetic thin film 12 is crystallized and does not have an amorphous structure. As a result, since the Young's modulus does not change, it is considered that the resonance frequency of the vibrating body 2 did not change.

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。 On the other hand, when Zr is contained as in composition 2 and composition 3, the magnetic thin film 12 does not crystallize and has an amorphous structure. Therefore, magnetization rotation occurs with respect to the external magnetic field, and the vibration body 2 of the vibrating body 2 is caused by the ΔE effect. It is thought that the resonance frequency has changed. Further, even if the amount of Zr is increased, the change in the resonance frequency of the vibrating body 2 hardly changes. Therefore, it can be said that if it is 5% or more, it functions as a magnetic sensor.

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。 Next, as in composition 4 to composition 7, as a result of gradually increasing the amount of Fe while keeping the amount of Zr constant, as the amount of Fe increases to 30 Hz in composition 4, 130 Hz in composition 5, 190 Hz in composition 6, The amount of change in the resonance frequency of the vibrating body 2 increases. Furthermore, it can be seen that with composition 7 with an increased amount of Fe, the amount of change in resonance frequency is reduced to 140 Hz. This magnetic sensor uses a change in Young's modulus of a magnetic thin film when an external magnetic field is applied, and this change in Young's modulus is proportional to the saturation magnetostriction λs of this magnetic thin film.

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。 The saturation magnetostriction λ _s is determined by the ratio of Co and Fe, and as the amount of Fe increases, the saturation magnetostriction λ _s also increases, so the change in Young's modulus also increases, and as a result, the amount of change in the resonance frequency also increases. It is thought. Then, it is considered that the amount of change in the resonance frequency is maximized with the composition 6 in which the saturation magnetostriction λ _s is maximized, and the saturation magnetostriction λ _s is decreased as the Fe amount is further increased, and the amount of change in the resonance frequency is also decreased. . The saturation magnetostriction λ _s changes depending on the ratio of Co and Fe. However, in order to obtain a sufficient amount of change in the resonance frequency, it is desirable that the saturation magnetostriction λ _{s is} 30 × 10 ⁻⁶ or more. 20 to 60% is desirable.

本発明の磁気センサの一例を示す概略図。Schematic which shows an example of the magnetic sensor of this invention. 従来の磁気センサの一例を示す概略図。Schematic which shows an example of the conventional magnetic sensor. 従来の磁気センサの他の一例を示す概略図。Schematic which shows another example of the conventional magnetic sensor.

Explanation of symbols

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic sensor 2 (of this invention) Vibration body 3 (of the magnetic sensor of this invention) Conventional magnetic sensor 4 Conventional magnetic sensor 11 Elastic body 12 Magnetostrictive thin film 13 Support 14 External magnetic field 21 Magnetostrictive element 22 Piezoelectric element 23 Conductor 24 Voltmeter 25 Magnet 26 Non-magnetic metal 27 Electrode

Claims

The vibrating body includes a vibrating body in which a magnetostrictive material and an elastic material are laminated. The vibrating body is mechanically resonated integrally by an external vibration driving unit, and the vibrating body is changed in accordance with a change in an external magnetic field applied to the vibrating body. A magnetic sensor in which an external magnetic field amount is calculated from a change amount of the resonance frequency, wherein the magnetostrictive material is an alloy composed of Co, Fe, and Zr, and a composition ratio of the elements As Co: Fe: Zr = x: y: z, x + y + z = 1, 0.2 ≦ x ≦ 0.75, 0.2 ≦ y ≦ 0.6, and 0.05 ≦ z ≦ 0.2. A magnetic sensor.