JP2000019033A

JP2000019033A - 磁界検出センサ

Info

Publication number: JP2000019033A
Application number: JP10186689A
Authority: JP
Inventors: Kenji Morikawa; 健志森川; Yuji Nishibe; 祐司西部; Hideya Yamadera; 秀哉山寺; Norikazu Ota; 則一太田; Yutaka Nonomura; 裕野々村
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1998-07-01
Publication date: 2000-01-21

Abstract

(57)【要約】【課題】磁界検出センサにおいて、低コストかつ高感
度であると共に被検出体の磁界空間分布による検出値の
バラツキを低減する。【解決手段】磁界検出センサ１は、基板上に形成され
た上下磁性体層２ｂ，２ａ及びその間に形成され高周波
電源に接続される導電層４を備える磁界検出部２と、磁
界検出部２に直結され、シャフト等の被検出体に向かっ
て幅が拡大し該被検出体から直接又は間接的に漏洩する
磁束を収束させて前記磁界検出部に伝える磁界収束部３
とを備え、磁界検出部２における透磁率の変化として前
記被検出体における磁界の変化を検出する。磁界収束部
３が被検出体から漏洩する磁束を収束させ平均化するた
め、真の磁界変化が精度良く検出可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、磁性体のシャフ
ト、板材等の被検出体に加えられた歪み、電界、磁界等
の外場の変化により変動する構造体の漏洩磁界を検出す
るための磁界検出センサに関する。例えば、シャフトの
捩りトルクを検出する場合において、シャフト構造体の
形状あるいは磁気的な材料特性の分布により漏洩磁界に
分布がある場合に、その影響を受けずに構造体に加わる
外場の値を精度良く検出するためのトルクセンサや、そ
の他物体検知センサ、位置決めセンサに用いられる磁界
検出センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】磁界検出センサの用途の一つである、例
えばシャフトの捩りトルクの磁気的な検出を行うトルク
センサにおいては、従来より大きく分けて２つの方法が
知られている。

【０００３】第一は、磁気ヘッド型トルクセンサ（例え
ば、野々村裕ら、「磁気ひずみ式トルクセンサ」電子情
報通信学会誌、ＥＤ８７−１７０，（１９８８）１５）
である。図１０は、この磁気ヘッド型トルクセンサを示
している。図１０に示すセンサは、強磁性を有する鋼材
シャフト２０１の周上の一部に１ｋ〜１００ｋＨｚの電
流で駆動する磁気ヘッド型の励磁コイル２０２と定電流
源２０４、そして磁気ヘッド型の検出コイル２０３と交
流電圧検出器２０５を設けた構成である。

【０００４】動作原理は以下のようである。励磁コイル
２０２により鋼材シャフト表面の磁気モーメントがシャ
フト軸方向と平行に交流励起される。このときシャフト
に捩りトルクが印加されると、逆磁歪効果によりそのト
ルクの大きさに比例して前記シャフト軸方向から４５°
傾いた方向に向って磁気モーメントが傾く。そして、こ
の傾きの投影成分を検出コイル２０３を用いてファラデ
ーの電磁誘導の法則に基づいて電圧として検出する。

【０００５】第二は、全周コイル型トルクセンサ（I.Sa
sada et al.,IEEE Trans.on Magn.,MAG-20(1984)951)で
ある。検出原理は前記磁気ヘッド型トルクセンサと同様
であるが構成が異なっている。図１１は、この全周コイ
ル型トルクセンサの概略構成を示している。このセンサ
では、図１１に示すように、強磁性を有する鋼材シャフ
ト２５１の周上の全体に１ｋ〜１００ｋＨｚの電流で駆
動する励磁ソレノイドコイル２５３、及び検出ソレノイ
ドコイル２５４を設置した構成を備える。そして、この
センサでは、検出感度を上げるために、シャフト２５１
の表面にアモルファス軟磁性リボン２５２を２枚接着し
たうえで、トルクが零の時のこれらの磁気モーメントの
向きをシャフト軸方向に対してそれぞれ４５°と−４５
°の初期状態にセットしている。また、２つの検出ソレ
ノイドコイル２５４を設けて電気的なブリッジ接続を構
成している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】被検出体であるシャフ
ト（例えば、車軸）においては、強度が必要とされてお
り、このシャフト等の磁気特性は、シャフトの円周上で
大きく分布している。このため上記の磁気ヘッド型技術
では、零トルク時の出力が、シャフトの周上での位置に
より異なる。また、捩りトルクに対する感度もシャフト
の周上での位置により異なる。このため、自動車の車軸
のトルクを測定する等、回転するシャフトのトルク測定
が正確に測定できないという問題点があった。

【０００７】また軸トルク変動により生じた磁界変化を
高感度に検出するには、検出センサの感度が低いため、
感度向上のためヘッド型励磁コイル２０２へ２００ｍＡ
以上の大きな駆動電流を供給する必要がある。このた
め、発熱によるシャフトと検知ヘッドの特性が変化して
しまい、センサの検出特性が悪く、また電源に要するコ
ストが高いという問題もあった。

【０００８】また、シャフトの同軸上全周にコイルを巻
くという技術においては、周上変動の悪影響は除去でき
るが、捩りトルクの検出感度が非常に低いという問題点
がある。また、感度を向上させるために投入電力を上げ
れば温度が上昇するうえ、電源にコストがかかる。また
この技術では、大きなコイルがシャフト全体をとりまく
構造のため、一度セッティングをしてしまうとシャフト
を交換することが困難なため、汎用性に乏しいという問
題点もあった。

【０００９】本発明の目的は、物体の歪み等の内部情報
をその物体からの漏洩磁界により検出するときに、物体
の磁気特性の分布に起因する零点出力（０レベル）、及
び感度（内部情報による発生漏洩磁界）の位置によるば
らつきの影響を大幅に低減すると共に、駆動電力が小さ
くても漏洩磁界を検出することができ、温度特性に優れ
た高感度、高汎用性、低コストの磁界検出センサを提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、被検出体に非接触で配置され、該被検出体
における磁界の変化を検出する磁界検出センサであっ
て、基板上に形成された磁性体層とその表面の少なくと
も一部が該磁性体層と接するように形成され高周波電源
に接続される導電層とを備える磁界検出部と、前記磁界
検出部に直結され、前記被検出体に向かって幅が拡大し
該被検出体から直接又は間接的に漏洩する磁束を収束さ
せて前記磁界検出部に伝える磁界収束部と、を備え、前
記磁界検出部における透磁率の変化に基づいて前記被検
出体における磁界の変化を検出することを特徴とする。

【００１１】被検出体の漏洩磁界の検出手段として以上
のような磁界検出センサを用いることにより、小さな駆
動電力で高感度な磁界検出センサを提供でき、しかも、
磁界収束部と磁界検出部を直結し、同一磁気材料を用い
れば、製造上の工程が省略でき、低コストで実現可能で
ある。また、磁気検出部と直結された磁界収束部が被検
出体からの漏洩する磁束を収束させ平均化するため、漏
洩磁界の位置によるばらつきを低減することが可能な一
体型センサを実現することが可能となる。

【００１２】なお、上記磁界検出センサにおいて、磁界
収束部と磁界検出部の磁性体層とが膜面内で一軸磁気異
方性を有し、その磁化容易軸は、共に、磁界検出部の幅
方向に平行又は直交する方向とすることが好ましい。

【００１３】また、本発明において、温度上昇の悪影響
を避けるためには、磁界を検出する部分は小さく、かつ
磁界検出部分から離れていることが望ましい。

【００１４】また、本発明において、上記被検出体が回
転するシャフトである場合、本発明の磁界検出センサを
該シャフトの周上に非接触で設置することにより、該シ
ャフトに加えられた捩りトルクを高精度に検出するトル
クセンサの実現が可能となる。本発明の磁界検出センサ
をトルクセンサとして用いる場合において、磁界収束部
がシャフトからの漏洩磁界を収束し平均化して磁界検出
部に伝達する。このため、シャフトに捩りトルクが加え
られることによって磁界が変化した場合、磁界収束部で
収束された磁束により磁界検出部における透磁率が、シ
ャフトの漏洩磁界の変化に応じて変化する。そこで、磁
界検出部における透磁率（高周波透磁率）の変化を検出
することでシャフトの捩りトルクを検知することが可能
となる。

【００１５】この様な構成により、シャフトが回転しな
がらかつシャフトに捩りトルクが加えられたときに、シ
ャフト等の被検出体上の周上での磁気特性の分布が原因
で、真の捩りトルク値が検出できないという問題を解決
することができる。これは、被検出体であるシャフトに
向かって幅の広がる磁界収束部が、空間分布を有するシ
ャフトの磁界を収束し平均する構造であることに起因す
る。従来のトルクセンサでは、上述のようにシャフトか
らの漏洩磁界を低消費電力かつ高感度で検出し、更に磁
界特性の分布による誤検出を防止するという両方の課題
を達成することができなかったが、磁界収束部を備え、
軟磁性体の透磁率変化を検出原理とする高感度な磁界検
出センサを用いることにより、高性能なトルクセンサを
実現することが可能となる。

【００１６】また、被検出体からの漏洩磁界は、本発明
の磁界検出センサによって直接又は間接的に検出される
が、直接検出する場合には、被検出体を予め励磁してお
き、この励磁した被検出体に磁界収束部を向ける。上記
本発明のセンサは高感度であるため、被検出体を励磁す
るための励磁電流を小さくすることができる。

【００１７】また、本発明の磁界検出センサによって被
検出体からの漏洩磁界を間接的に検出する場合には、被
検出体に強磁性の磁歪部材を取り付ける。このようにす
れば、被検出体を磁界検出のために最適な材質としなく
てもよく、被検出体にその機能上本来要求される特性を
満たすため最適な材料を用いることができる。被検出体
が車軸などのシャフトの場合には、シャフトの周上に磁
歪部材として磁歪管を取り付け、この磁歪管に上記本発
明の磁界収束部を向けることでシャフトに印加された捩
りトルクにより発生する磁界変化をシャフト周面上で均
一性よく検出することができる。更に、シャフトが被検
出体であり、該シャフトに磁歪管を取り付けて磁歪管か
らの漏洩磁界を検出する場合において、本発明の磁界検
出センサを可撓性基板上に複数個並べて形成し、この可
撓性基板上に磁界検出部と一体的に形成された磁界収束
部の幅広の端部が磁歪管に向くように配置する。この様
に可撓性基板上に複数の磁気検出センサ部を形成すれ
ば、これを磁歪管と対向してシャフト周面に沿って配置
することが容易となり、常時、シャフトの全周面におけ
る磁界変化を平均化して検出することができる。従っ
て、回転するシャフトにおける磁束変化を精度良く検出
することが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】［発明の基本構成］（構成例１）図１に本発明の構成例を示す。なお、図１
（ａ）は、基本構成の概略平面図、図１（ｂ）は、図１
（ａ）のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。図１に示
すように、本発明の磁界検出センサ１は、例えば可撓性
を示すポリイミドからなる基板９上に薄膜状に形成さ
れ、磁界検出部２及び磁界収束部３を備えている。磁界
を収束して平均化する略台形状の磁界収束部３は、磁界
検出部２と直結されており、磁界収束部３の端部は幅広
となっており、磁界検出部２との接続部分における幅よ
りもその幅が大きくなっている。

【００１９】磁界検出部２のＡ−Ａ線における断面は、
図１（ｂ）に示すように、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂからな
る磁性体層２ａ（下磁性体層）及び２ｂ（上磁性体層）
で、Ｃｕからなる導電層４を囲むように挟み込んだ構造
である。磁界検出部２は磁界収束部３との境界付近から
二股に分かれており、前記導電層４は、該二股の磁界検
出部２の形成領域においてコの字状に折り返すように形
成されている。また、上下磁性体層２ｂ，２ａ及びこれ
と一体の磁界収束部３を構成する磁性体材料であるＦｅ
−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ合金は、膜面内において一軸磁気異方
性を有し、その磁化容易軸は、磁界検出部２と磁界収束
部３のいずれにおいても磁界検出部２の幅方向、すなわ
ち高周波駆動用の導電層４の長さ方向（通電方向）に直
交する方向に設定されている。また、導電層４の引き出
し端部には磁界検出センサ１のインピーダンス成分検出
装置５が接続される。

【００２０】センサ１全体の大きさは、例えば、約５ｍ
ｍ×５ｍｍであり、磁性体層（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ）
の厚さは、例えば各々２μｍ、導電層（Ｃｕ）の厚さが
例えば３μｍで、総膜厚は例えば７μｍである。

【００２１】この様な構成の磁界検出センサでは、外部
磁界の大きさに応じて、磁界検出部２の透磁率μが変化
し、以下の（１）式により複素インピーダンスＺが変化
する。

【００２２】

【数１】ここで、Ｒは抵抗成分、Ｌはインダクタンス成分、Ｒ_DC
は直流抵抗値、ωは角周波数、ｔは膜厚、ρは比抵抗、
μは透磁率、ｋはセンサ形状により決まる係数である。

【００２３】図２は、このようなセンサの長さ方向（即
ち、磁界検出部２の幅方向或いは磁化容易軸方向に対
し、直交する方向）に加えられた一様な磁界中での出力
特性を示している。図２において、駆動電流は９．５ｍ
Ａ、周波数が１ＭＨｚとした。２０Ｏｅ（１Ｏｅ＝７９
Ａ／ｍ）の外部磁界変化に対し、インピーダンスの絶対
値｜Ｚ｜が１．７Ω変化する。従って、本発明の磁界検
出センサでは、磁界感度が０．０８５Ω／Ｏｅと非常に
大きい。また、インピーダンスではなく、インダクタン
ス、リアクタンス、抵抗を検出しても同様に優れた効果
が得られる。

【００２４】図３（ｂ）は、このセンサ１の磁界収束部
３の幅広部の右側にＦｅ−Ｃｏ−Ｃｒ磁石を配し、図３
（ａ）に示すように、磁石位置をセンサ１の幅方向（磁
化容易軸に平行な方向）に変化させたときのセンサのイ
ンピーダンスの変化を示している。図３において比較例
として示す磁界収束部３のない構成のセンサを用いて磁
界を検出した場合と比べると、本発明の磁界検出センサ
１は、磁石位置による検出感度の変動が小さい。このこ
とから、本発明の磁界検出センサ１によれば、シャフト
周面等、磁気特性の分布をもつ磁気材料に対しても、そ
れに基づく磁界分布の悪影響を低減しながら、高精度に
真の磁界の変化を検出することが容易であることがわか
る。

【００２５】なお、以上の構成では磁界収束部及び磁界
検出部の磁化容易軸を互いに一致させているが、磁界収
束部の磁化容易軸を磁界検出部の磁化容易軸と直交させ
た構成としても、上記同様の効果が得られる。

【００２６】また、基板９はポリイミドに限らず、ガラ
ス、シリコンなどの単結晶、セラミック等、室温付近で
強磁性を有する材料でなければどの様なものを用いても
実現できる。また、磁性体層２ａ，２ｂ、１２ａ，１２
ｂとしては、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂアモルファス合金だ
けでなく、Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂや、Ｃｏ−Ｎｂ−Ｚｒ等のア
モルファス合金、またＦｅ−Ｃｒ−Ｏ、Ｃｏ−Ｒｈ−Ｃ
ｒ−Ｏ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｎ等の微結晶軟磁性合金を用いて
も同様な効果が得られる。また、導電層４、１４として
ＣｕのかわりにＡｇ等の導電性の高い材料を用いても実
現できる。

【００２７】（構成例２）図４（ａ）、（ｂ）は、本発
明の磁界検出センサの他の基本構成例（構成例２）を示
している。上記構成例１との相違は、磁界検出センサの
磁界収束部及び磁界検出部の構造であり、他の構成につ
いては構成例１と同様であるため同一符号を付して説明
を省略する。

【００２８】可撓性基板９上に形成された磁界検出セン
サ１１において、磁界検出部１２は、図４（ａ）のＢ−
Ｂ断面を示す図４（ｂ）のように、上下磁性体層１２
ａ，１２ｂと、その間に形成された導電層１４を有し、
更に導電層１４を取り囲むように絶縁層１５が形成され
ている。上下磁性体層１２ｂ，１２ａとしては、例えば
Ｃｏ−Ｎｂ−Ｚｒアモルファス軟磁性合金が用いられ、
導電層１４としては例えばＡｇが用いられ、更に絶縁層
１５としては例えばＳｉＯ₂が用いられている。

【００２９】導電層１４は、構成例１と同様に、ほぼコ
の字状の折り返された形状である。一方、上下磁性体層
１２ｂ，１２ａは、図１のように導電層１４の非形成領
域においても取り除かれておらず、磁界検出部１２の形
成領域全面に形成されている。ここで、導電層１４が絶
縁層１５によって取り囲まれているため、電気的には図
４の構成は、図１の構成と等価である。

【００３０】また、本構成例２において、磁界を収束し
て平均化する磁界収束部１３は、図１の台形状の磁界収
束部３と異なり、椀型形状（パラボラ形状）を有してい
る。また、磁界収束部１３は、磁界検出部１２の上下磁
性層１２ｂ，１２ａと直結され（一体的に形成され）、
椀の上縁に相当する端部が被検出体に向けられる端部と
なり、磁界検出部１２との接続部分における幅よりもそ
の幅が拡大している。

【００３１】また、上下磁性体層１２ｂ，１２ａ及び磁
界収束部１３を構成する磁性体材料であるＣｏ−Ｎｂ−
Ｚｒ合金は、面内に一軸磁気異方性を有し、その磁化容
易軸は、磁界検出部１２と磁界収束部１３のいずれにお
いても磁界検出部１２の幅方向、すなわち高周波電流の
印加方向に直交する方向である。

【００３２】本構成例２においても、導電層１４の端部
に接続されたインピーダンス成分検出器５により、外部
磁界の大きさに応じて、磁界検出部１２の透磁率μが変
化することでインピーダンス｜Ｚ｜の変化が検出され
る。なお、センサ１１全体の大きさは、構成例１と同
様、例えば約５ｍｍ×５ｍｍであり、総膜厚は７μｍで
ある。

【００３３】図５は、このような本構成例２において、
センサ１１の長さ方向（即ち、磁界検出部１２の幅方向
或いは磁化容易軸方向に対し、直交する方向）に加えら
れた一様な磁界中での出力特性を示している。駆動電流
は９．５ｍＡ、周波数が１０ＭＨｚである。本構成例２
においては、２０Ｏｅの外部磁界変化に対し、インピー
ダンス値が４．０Ω変化する。従って、磁界感度は０．
２０Ω／Ｏｅと構成例１に比較しても非常に大きくなっ
ている。これは、導体層を絶縁層で取り囲む構造である
ことによる。

【００３４】なお、本構成例２においても、磁界収束部
及び磁界検出部の磁化容易軸を互いに一致させている
が、磁界収束部の磁化容易軸を磁界検出部の磁化容易軸
と直交させた構成としても、上記同様の効果が得られ
る。

【００３５】また、本構成例２において、基板は構成例
１と同様ガラス、室温付近で強磁性を有する材料でなけ
れば、シリコンなどの単結晶、セラミック等、その他ど
の様なものを用いても実現できる。また、磁性体材料と
しては、Ｃｏ−Ｎｂ−Ｚｒアモルファス合金の代わりに
Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ等のアモルファ
ス合金、また、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｏ、Ｃｏ−Ｒｈ−Ｃｒ−
Ｏ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｎ等の微結晶軟磁性合金を用いても同
様な効果が得られる。また、導電材料としては、Ａｇの
かわりにＣｕ等の導電性の高い材料を用いても実現でき
る。

【００３６】［実施形態１］本実施形態１では上記構成
例１の磁界検出センサ１をトルクセンサとして用いてい
る。図６は、シャフトを被検出体とする本実施形態１に
かかるトルクセンサの構成例を示す。

【００３７】本実施形態１において、被検出体であるシ
ャフト１０６上には、磁歪部材として磁歪管１０７を配
し、この磁歪管１０７の周上端部と平行となるようにシ
ャフト１０６の周面上に磁界検出センサ１００を非接触
で配置している。

【００３８】磁界検出センサ１００は、可撓性を示す例
えばポリイミド基板１０９上にスパッタリングにより作
製した図１と同じ構成の磁界検出センサ素子１０１を複
数並列して構成され、各センサ素子１０１の磁界収束部
１０３の幅広端部が、磁歪管１０７の周上端部に向くよ
うに配置されている。複数の磁界検出センサ素子１０１
は、それぞれから引き出された各導電層１０４がそれぞ
れ隣接するセンサ素子１０１の導電層１０４と接続され
ている。更に、該導電層１０４の一対の端部がインピー
ダンス成分検出装置１０５に接続され、各センサ素子１
０１が、インピーダンス成分検出装置１０５に対して並
列接続されている。

【００３９】上述のように、本実施形態１において、磁
界検出センサ１００の基板１０９とシャフト１０６は非
接触、つまり分離されており、シャフト１０６が回転し
たときでも磁界検出センサ１００は回転しない構造とな
っている。

【００４０】このような構成において、シャフト１０６
に捩りトルクが印加されると、磁歪管１０７の端部に磁
極が発生し、捩りトルク非印加時にはシャフト１０６の
円周方向に向く磁歪管１０７の磁化モーメントが変化
し、漏れ磁界は、磁歪管１０７の幅方向成分を多く含む
こととなる。ところが、この洩れ磁界は、磁歪管１０７
の磁化モーメントの不均一性や、シャフト１０６への磁
歪管１０７の取り付け時応力の不均一性によって、周上
で変動している。しかし、本実施形態１の磁界検出セン
サ１００によれば周上の磁界を複数のセンサ素子１０１
によって、そして、各センサ素子１０１の磁界収束部１
０３によって、磁界変化を平均化して検出でき、洩れ磁
界の周上変動の影響を受け難い。よって、シャフト１０
６が回転していても捩りトルク値を正確に検出すること
ができる。

【００４１】図７は、シャフト１０６を回転させ、シャ
フト１０６に印加する捩りトルクを０Ｎｍ、５０Ｎｍと
した場合における本実施形態１のセンサ１００による検
出インピーダンスを示している。図７に示されているよ
うに、捩りトルクが０、５０Ｎｍのいずれの場合も、検
出されるインピーダンスは、シャフトの周上０゜〜３６
０゜のいずれの位置においてほぼ一定であり、本実施形
態１のようなセンサ１００とすることにより、周上での
出力変動が大幅に低減されていることが理解できる。

【００４２】また、本実施形態１では、駆動電力が小さ
な高感度の磁界検出センサを回転するシャフト周上に配
し、しかも磁界検出部よりも幅の広い磁界収束部１０３
が存在していることから磁界検出センサ素子１０１の数
を大幅に低減できるため、センサ部の発熱を低く抑える
ことができる。更に、周上磁界変動の補正を信号処理等
により行う必要がないため、安価に捩りトルク検出セン
サを構築することができる。

【００４３】また、本構造は磁界検出センサが回転しな
いので、磁界検出センサ１００へ接続する電気系統のた
めにスリップリングを設ける必要もなく、またセンサ１
００とシャフト１０６が非接触であるから、シャフト１
０６の交換も容易で、汎用性の高い構造である。

【００４４】なお、本実施形態１において、センサ１０
０を構成する各磁界検出センサ素子１０１は、上記構成
例１のセンサ１に限らず、磁界収束部を椀型形状（パラ
ボラ形状）とした構成例２のセンサ１１を用いてもよ
い。各センサ素子１０１として構成例２のセンサ１１を
用いれば、検出感度の一層の向上を図ることが可能とな
る。

【００４５】また、本実施形態１において、インピーダ
ンスではなくインダクタンス、リアクタンス、抵抗を検
出しても同様な効果が得られる。基板１０９はポリイミ
ドに限らず、ガラス、シリコンなどの単結晶、セラミッ
ク等、室温付近で強磁性を有する材料でなければどの様
なものを用いても実現できる。但し、本実施形態１の場
合には、シャフト１０６と非接触でその周面上に基板１
０９を配置する必要があるため、非可撓性基板を用いる
場合には、基板をシャフトにはめ込み可能なリング状に
整形するか、又は個々のセンサ素子１０１を個別の非可
撓性基板上に形成し、これらの素子１０１を互いに回転
可能に連結してシャフト１０６の周面上に配置する必要
がある。

【００４６】また、上述の構成例１と同様、磁性体材料
として、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂアモルファス合金だけで
なく、Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ、Ｃｏ−Ｎｂ−Ｚｒ等のアモルフ
ァス合金、或いはＦｅ−Ｃｒ−Ｏ、Ｃｏ−Ｒｈ−Ｃｒ−
Ｏ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｎ等の微結晶軟磁性合金を用いること
ができ、導電性材料としては、ＣｕのかわりにＡｇ等の
導電性の高い材料を用いても実現できる。

【００４７】［実施形態２］図８は、実施形態２にかか
る磁界検出センサの構成を示し、図９はこのセンサの使
用例を示している。

【００４８】本実施形態２における磁界検出センサ１２
０は、ガラス基板１２９上に薄膜状に形成される。この
磁界検出センサ１２０は磁界検出部１２２と、２つの磁
界収束部１２３（１２３ａ，１２３ｂ）を有する。磁界
検出部１２２は、図８（ａ）のＣ−Ｃ断面である図８
（ｂ）に示すように、上下磁性体層１２２ｂ，１２２ａ
とその間に挟み込まれた導電層１２４を備え、上下磁性
体層１２２ｂ，１２２ａは、例えば、比抵抗ρが３５０
μΩｃｍと大きなＦｅ−Ｒｈ−Ｃｒ−Ｏグラニュラー軟
磁性合金が用いられ、導電層１２４は、例えばＣｕが用
いられている。２つの磁界収束部１２３は、磁界検出部
１２２の上下磁性体層１２２ｂ，１２２ａと一体の磁性
体材料により形成されて構成されて、磁気回路的に、磁
界検出部１２２と磁界収束部１２３とは直結している。
また、磁界収束部１２３はその検出側の端部に行くにつ
れて幅の拡大する略台形形状であり、端部における幅は
磁界検出部１２２との接続部における幅よりも大きくな
っている。なお、上述の構成例２に示すように磁界収束
部１２３の形状を椀型としてもよい。

【００４９】また、本実施形態２において、磁界検出部
１２２及び磁界収束部１２３の磁性体材料であるＦｅ−
Ｒｈ−Ｃｒ−Ｏは、膜面内に一軸磁気異方性を有し、そ
の磁化容易軸は、磁界検出部１２２と磁界収束部１２３
のいずれにおいても磁界検出部１２２の幅方向（高周波
電流の印加方向）に設定されている。

【００５０】導電層１２４の引き出し部にはセンサの透
磁率検出器１２５が接続され、外部磁界の大きさに応じ
て、磁界検出部の透磁率μが変化するとこれが検出器１
２５で検出される。センサ１２０全体の大きさは、約１
０ｍｍ（図８の横）×５ｍｍ（図８の縦）であり、総膜
厚は７μｍである。

【００５１】本実施形態２にかかる磁界検出センサ１２
０は、磁界検出センサ自身を磁路として磁気回路が構成
され、二つの磁界収束部１２３における磁極がＳとＮで
異なる場合に、被検出体の磁界を高感度に検出するのに
優れている。例えば、図９に示すように、被検出体がシ
ャフト１２６である場合に、シャフト１２６の周面上で
あって、シャフト１２６の回転軸に平行に２つの磁界収
束部１２３が並ぶように配置すれば、シャフト１２６が
捩られることにより生じる表面の磁気モーメントの変化
を感度よく検出できる。このとき、シャフト表面を予め
励磁する励磁電流は、例えば従来全周コイル型トルクセ
ンサの場合に必要な励磁電流よりも一桁小さくしたとし
ても、高い感度でシャフトの捩りトルクが検出できる。

【００５２】なお、本実施形態２において、基板、磁性
体材料、導電材料は、上述の構成例及び実施形態１と同
様、例示した材料には限られない。

【００５３】また、以上の構成例及び実施形態において
磁界検出センサは、その磁界検出部が導電層を上下磁性
体層で取り囲むように挟んだ構成である。しかし、この
構成に限らず、上下磁性体層の一方のみを形成して導電
層の上面又は下面の一方のみが磁性体層と接する構成
や、導電層の側面のみが磁性体層と接する構成、つま
り、導電層の表面（上下面、側面）の少なくとも一部が
磁性体層と接する構成であれば、同様の効果が得られる
（但し、導電層の上下面及び側面が磁性体層で取り囲ま
れる構成とした方が、センサ特性は高い）。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成例１にかかる磁界検出センサの
構成を示す平面及び断面図である。

【図２】本発明の構成例１の磁界検出センサに印加さ
れる外部磁界とセンサのインピーダンス変化との関係を
示す図である。

【図３】本発明の構成例１の磁界検出センサの磁界収
束部に磁石を対向配置させた時のその位置とセンサのイ
ンピーダンスの変化との関係を示す図である。

【図４】本発明の構成例２にかかる磁界検出センサの
構成を示す平面及び断面図である。

【図５】本発明の構成例２の磁界検出センサに印加さ
れる外部磁界とセンサのインピーダンス変化との関係を
示す図である。

【図６】本発明の実施形態１にかかるトルクセンサと
しての構成を示すｚである。

【図７】実施形態１にかかるトルクセンサの出力特性
を示す図である。

【図８】本発明の実施形態２にかかる磁界検出センサ
の構成を示す平面及び断面図である。

【図９】実施形態２のセンサのトルクセンサとしての
構成を示す図である。

【図１０】従来の磁気ヘッド型トルクセンサの構成を
示す概念図である。

【図１１】従来の全周コイル型トルクセンサの構成を
示す概念図である。

【符号の説明】

１，１１，１００，１２０磁界検出センサ、２，１
２，１２２磁界検出部、３，１３，１０３，１２３
磁界収束部、２ａ，１２ａ，１２２ａ下磁性体層、２
ｂ，１２ｂ，１２１ｂ上磁性体層、４，１４，１２４
導電層、５，１０５インピーダンス成分検出装置、
９，１０９，１２９基板、１５絶縁層、１０１磁
界検出センサ素子、１０６，１２６シャフト、１２５
透磁率測定装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山寺秀哉愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者太田則一愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者野々村裕愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 2F077 AA49 JJ06 JJ15 2G017 AA01 AA04 AA08 AB05 AC04 AC06 AD03 AD43 BA03 BA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検出体に非接触で配置され、該被検出
体における磁界の変化を検出する磁界検出センサであっ
て、基板上に形成された磁性体層とその表面の少なくとも一
部が該磁性体層に接するように形成され高周波電源に接
続される導電層とを備える磁界検出部と、前記磁界検出部に直結され、前記被検出体に向かって幅
が拡大し該被検出体から直接又は間接的に漏洩する磁束
を収束させて前記磁界検出部に伝える磁界収束部と、を
備え、前記磁界検出部における透磁率の変化に基づいて前記被
検出体における磁界の変化を検出することを特徴とする
磁界検出センサ。