JP2002156430A - 磁界プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数巻のコイルを用いても直交軸方向感度が
大きくなる虞れがなく、高精度で容易に微小化が図れる
ようにした複数巻コイル形磁界プローブを提供するこ
と。 【解決手段】 磁界検出用のコイル１０１を備えた磁界
プローブにおいて、そのコイル１０１の周囲に、このコ
イル１０１の軸方向の磁界を検出するに必要な磁束が遮
られないように、所定の距離隔てて、接地したシールド
材１０２を設けたもの。直交軸方向感度は、電界により
発現されるので、シールド材１０２を設けることにより
直交軸方向感度を抑えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コイル形の磁界検
出用プローブに係り、特に半導体の内部などにおける電
流経路の検出に好適な微小サイズの磁界プローブに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】磁界プローブとは、或る限定された領域
での磁界を検出するのに使用するツール(工具)の一種
で、幾つかの検出原理によるものが実用化されている
が、その一形式に、いわゆるコイル形のものがある。

【０００３】このコイル形の磁界プローブは、通常、ル
ープ状、ヘリカル状、或いはスパイラル状のコイルを検
出素子とし、このコイルに磁束が鎖交することにより誘
起される電圧を検出することにより、磁界を検出し計測
するものである。

【０００４】ところで、近年、この磁界プローブが、例
えばＬＳＩの開発や回路設計でも使用されるようになっ
ている。ＬＳＩの開発や回路設計には、その内部での電
源電流経路の探索が有効であるが、このとき、磁界プロ
ーブを使用すると、電流に伴う磁界が追跡でき、電流経
路が探索できるからである。

【０００５】この場合、対象とする電流経路探索の位置
精度、つまり位置の分解能は、使用する磁界プローブの
磁界検出領域の寸法で決まり、この領域の大きさは主と
してコイルの寸法に依存する。ところで、従来は、磁界
の測定対象領域が広く、要求される分解能も低かったの
で、例えば１回巻のループをコイルとし、これにより磁
界プローブを構成していた。

【０００６】しかし、検出対象が上記したＬＳＩの場
合、近年、その高密度実装が大きく進み、配線が高密度
化されるにつれ、磁界プローブに要求される測定対象領
域が狭くなり、小形化、高分解能化が強く要求されるよ
うになり、この場合、コイルの微小化により対応せざる
を得ず、この結果、コイル径も微小になる。

【０００７】しかしながら、コイル径を抑えてゆくと、
コイル１巻き当りの感度が低下するので、これを補償す
るため、例えば図２に示すように、導体を複数巻したコ
イル１０１を用いた、いわゆる複数巻コイル形の磁界プ
ローブが従来技術として知られていた。

【０００８】この図２に示した従来技術による磁界プロ
ーブは、多層基板(多層配線基板)を用いて構成した場合
の一例で、多層基板の第２層を信号層１０３とし、多層
基板の第１層と第３層をグランド層１０４ａ、１０４ｂ
とした上で、これらに複数巻したコイル１０１を接続し
て磁界プローブの検出素子本体としたものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、複数
巻コイル形磁界プローブの検出特性について配慮がされ
ているとはいえず、プローブの微小化に伴う高精度の保
持に問題があった。まず、このような磁界プローブの評
価として、コイルの軸方向の磁界だけが検出できるか否
かがある。

【００１０】つまり、磁界プローブでは、軸方向感度Ｓ
ｐ(コイルの軸方向の磁界に対する検出感度)と直交軸方
向感度Ｓｑ(軸方向と直交する軸方向の磁界に対する検
出感度)を見た場合、有限値の軸方向感度Ｓｐに対し
て、直交軸方向感度Ｓｑが０値に近いほど、つまり軸方
向を縦にした８字特性を示すほど、望ましいとされてい
る。

【００１１】ここで、従来技術のうち、１回巻ループを
用いた磁界プローブの場合には、コイル自体は１本の導
線なので、軸方向の寸法(厚さ)は、径方向の寸法に比較
して極めて小さく、このため直交軸方向感度Ｓｑも極く
低く抑えられるので、望ましい特性が簡単に得られる。

【００１２】しかし、上記した従来技術による複数巻コ
イル形磁界プローブでは、コイル巻数の増加に伴って直
交軸方向感度Ｓｑが大きくなってしまう(理由は後述)の
で、プローブの微小化と高精度の保持に問題が生じてし
まうのである。

【００１３】本発明の目的は、複数巻コイルを用いても
直交軸方向感度が大きくなる虞れがなく、高精度で容易
に微小化が図れるようにした複数巻コイル形磁界プロー
ブを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、磁界検出用
にコイルを用いた磁界プローブにおいて、前記コイルの
周囲に、当該コイルに鎖交する磁束が確保された状態で
配置されたシールドを備えているようにして達成され
る。

【００１５】このとき、前記コイルに対する接続線路
と、前記シールドを保持する部材が、多層基板で構成さ
れているようにしてもよく、ここで更に、前記接続線路
が、前記多層基板に形成されたストリップラインで構成
されるようにしてもよく、同じく更に、前記コイルが、
前記多層基板に形成された導体パターンとスルーホール
で構成されているようにしてもよい。

【００１６】一方、このとき、前記コイルに対する接続
線路と、前記シールドを形成する部材が、同軸ケーブル
で構成されるようにしてもよい。ここで、これらの手段
により、上記目的が達成される理由について、図４によ
り説明する。

【００１７】この図４で、Ｈは磁界で、Ｅは電界を表わ
すが、ここで磁界プローブ用のコイルとして、図４の
(a)に示すように、複数巻きしたコイル４０１を用いた
場合、このコイル４０１は、それが或る程度の長さを有
するので、同図(b)に示すように、巻数個のループ４０
２ａと、軸方向に向かって同じ長さに延びた微小ダイポ
ール４０２ｂからなるコイル４０２と等価的に置換して
考えることができる。

【００１８】このとき、上記した軸方向感度Ｓｐは、図
４(c)に示すように、主としてループ４０２ａを鎖交す
る磁束４０３によって与えられる。これに対して、直交
軸方向感度Ｓｑが現われてしまうのは、コイルが等価的
には微小ダイポール４０２ｂと看做せるため、同図(d)
に示すように、コイルの軸と直交する方向の電流成分か
ら放射される電界成分４０４が、微小ダイポール４０２
ｂにより受信されてしまうことに起因する。

【００１９】ここで、図３は、複数巻コイル形磁界プロ
ーブの検出素子である複数巻コイルの検出感度と角度の
関係を示したもので、理想的な状態では、実線の特性３
０２で示すように、８字特性となる。

【００２０】しかし、図３の右上に示してあるように、
裸のままのコイルの場合には、破線の特性３０１で示す
ように、８字特性の中点における検出値が０ではなくな
っている。これは、図４で説明した微小ダイポール４０
２ｂが電界成分４０４を検出してしまったことに起因す
る。

【００２１】そこで、図３の右下に示してあるように、
コイルにシールドを施してやれば、微小ダイポール４０
２ｂが電界から遮蔽されるので、電界の検出が起こらな
いようにでき、この結果、複数個のループ４０２ａ(図
４)による磁界の検出だけが得られることになり、従っ
て、上記手段によれは、図３の実線の特性３０２で示し
たように、中点で０値を示す所望の８字特性が得られる
ことになる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明による磁界プローブ
について、図示の実施の形態により詳細に説明する。こ
こで、本発明は、基本的には、グランド(接地)された導
体板をコイルの近傍に設けて鏡像を形成させ、これによ
りダイポールの感度を低減させるようにしたものなの
で、まず、いくつかの実施形態に共通する基本的な構成
について、第１の実施形態として、図１により説明す
る。

【００２３】この図１において、１０２は筒状の導体部
材からなるシールド材であり、その他の点は、この本発
明に係る磁界プローブも、信号層１０３とグランド層１
０４ａ、１０４ｂのそれぞれの終端に複数巻きのコイル
１０１を接続し、コイル１０１の軸方向の磁界による磁
束がコイル１０１と鎖交することにより誘起される電圧
を検出し、磁界を検出するように構成した点では、図２
で説明した従来技術の場合と同じである。

【００２４】しかして、この実施形態においては、一方
のグランド層１０４ａから、コイル１０１を包むように
して、他方のグランド層１０４ｂにまで延長された形で
筒状の導体部材１０２が設けられている点で、図２の従
来技術とは大きく異なっている。

【００２５】このとき、この導体部材１０２は、図示の
ように、複数巻きのコイル１０１の周囲に所定の間隙が
残されるようにして設けてあり、これにより、コイル１
０１と鎖交する磁束の全てに対して導体部材１０２が短
絡回路を形成することなく、電界成分だけが遮蔽される
ように働く。

【００２６】従って、この第１の実施形態によれば、図
４で説明した電界成分４０４が導体部材１０２により遮
蔽されてしまうので、この電界成分４０４が微小ダイポ
ール４０２ｂにより検出されてしまう虞れがなくなり、
この結果、図３に実線３０２で示すように、中点で０値
を示す典型的な８字形の検出特性が得られることにな
る。

【００２７】また、このとき、導体部材１０２は、複数
巻きのコイル１０１の周囲に所定の間隙が残されるよう
にして設けてあるので、コイル１０１と鎖交する磁束
を、このコイル１０１の周囲に極限する働きが得られ、
この結果、分解能の高い検出が得られることになる。

【００２８】次に、図５は、本発明の第２の実施形態
で、複数巻きコイルとしてチップインダクタ(チップイ
ンダクタンス)５０１を用い、これに多層基板で給電す
るようにしたものであり、このとき、チップインダクタ
５０１には、それを包むようにして折り曲げたシールド
材５０２が設けてある。

【００２９】ここで、このように多層基板で給電する場
合には、その構造上、偶数層構成の多層基板を用いるの
が望ましい。そこで、この第２の実施形態では、第１層
５１１、第２層５１２、第３層５１３、それに第４層５
１４の４(偶数)層を有する多層基板５１０を用いてい
る。

【００３０】そして、第１層５１１と第４層５１４をグ
ランド層、第２層５１２と第３層５１３を信号層として
用い、第２層５１２と第３層５１３の端部にチップイン
ダクタ５０１を接続し、その近傍で第１層５１１と第４
層５１４をスルーホール５２０で接続したものである。

【００３１】ここで、チップインダクタ５０１の信号層
となっている第２層５１２のパターン５２１と第３層５
１３のパターン５２２に対する接続部は、第１層５１１
のスルーホールで構成し、更にこのスルーホールの近傍
でも、スルーホール５４０により第１層５１１と第４層
５１４を接続し、共通にグランドしてある。

【００３２】このとき、シールド材５０２は、銅(Cu)な
どの適当な導電材の薄板で作られ、図示のように、チッ
プインダクタ５０１の周囲に所定の隙間を残した状態
で、両端部が第１層５１１と第４層５１４に接続されて
いる。そして、この後、全体が所定の材質の樹脂(プラ
スチック)などにより、所定の形状にモールドされ、磁
界プローブとして完成される。

【００３３】従って、この図５に示した第２の実施形態
によれば、チップインダクタ５０１が、図４で説明した
電界成分４０４から、シールド材５０２により遮蔽され
るので、この電界成分４０４が微小ダイポール４０２ｂ
により検出されてしまう虞れがなくなり、この結果、図
３に実線３０２で示すように、中点で０値を示す典型的
な８字形の検出特性が得られることになり、微小サイズ
で高精度の磁界プローブを容易に得ることができる。

【００３４】次に、図６は、本発明の第３の実施形態
で、同じく第１層５１１、第２層５１２、第３層５１
３、それに第４層５１４を備えた４層の多層基板５１０
を用い、これらによりチップインダクタ５０１と、シー
ルド材５０２の接続が得られるようにしたものである
が、しかし、ここでは、第１層５１１と第４層５１４に
加えて第３層５１３もグランド層としたものである。

【００３５】この第３層５１３は、スルーホール６０１
により第４層５１４に接続されてグランド層となるが、
この結果、第２層５１２の信号層と共にマイクロストリ
ップラインを形成することになり、これによりチップイ
ンダクタ５０１に対する接続が得られるようにしたもの
である。

【００３６】従って、この第３の実施形態によれば、上
記した第２の実施形態と同様な効果が得られる上、チッ
プインダクタ５０１がマイクロストリップラインを介し
て接続されているので、バランスが考慮された給電系を
備えた磁界プローブを得ることができる。

【００３７】次に、図７は、本発明の第４の実施形態
で、これも、第１層５１１と第４層５１４がグランド層
になり、第２層５１２と第３層５１３がチップインダク
タ５０１に対する信号層になっている点では、図５で説
明した第２の実施形態と同じである。

【００３８】しかし、この第４の実施形態では、第２の
実施形態とは異なって、シールド部５０２が無く、これ
に代え、グランド層になっている第１層５１１と第４層
５１４を、チップインダクタ５０１の先まで延長させて
延長部５１１Ｅ、５１４Ｅとし、これらの間に複数のス
ルーホール７０１を密に並べて設けたものである。

【００３９】ここで、これらの延長部５１１Ｅ、５１４
Ｅと、スルーホール７０１は、何れも導電体でグランド
されていて、しかもチップインダクタ５０１の周りを囲
んだ形で存在しており、従って、これらにより、チップ
インダクタ５０１を電界成分からシールドする機能が得
られることになる。

【００４０】従って、この第４の実施形態によれば、こ
れも第２の実施形態と同様な効果が得られる上、別途、
シールド用の部材を設ける必要がないので、構成が簡素
化され、磁界プローブの微小化に一層容易に対応するこ
とができる。

【００４１】次に、図８は、本発明の第５の実施形態
で、図６に示した第３の実施形態と同様、マイクロスト
リップライン接続による磁界プローブにおいて、図７に
示した第４の実施形態における延長部５１１Ｅ、５１４
Ｅと、スルーホール７０１によるシールド構成を適用し
たものである。

【００４２】従って、この第５の実施形態によれば、こ
れも第３の実施形態と同様な効果が得られる上、別途、
シールド用の部材を設ける必要がないので、構成が簡素
化され、磁界プローブの微小化に一層容易に対応するこ
とができる。

【００４３】ところで、以上の実施形態では、磁界検出
用の複数巻きコイルとして、文字通りワイヤを巻いたコ
イルとチップインダクタの何れかを用いているが、本発
明は回路基板の導体パターンとスルーホールにより形成
したコイルを用いて実施することもでき、以下、このよ
うにした実施形態について説明する。

【００４４】図９は、本発明の第６の実施形態で、この
図において、９００が導体パターンとスルーホールによ
り形成したコイルであり、その他、多層基板５１０の第
１層５１１と第４層５１４をグランド層として、これに
シールド材５０２を設けると共に、第２層５１２と第３
層５１３を信号層とした点は、図７で説明した第４の実
施形態と同じである。

【００４５】ここで、コイル９００は、第２層５１２と
第３層５１３の各導体層に形成してある導体パターン９
００Ｐと、スルーホール９００Ｓで作られている。そし
て、導体パターン９００Ｐは、所定の長さの線分を、斜
めに複数本、平行に並べて配列したもので、スルーホー
ル９００Ｓは、導体パターン９００Ｐの各線分の端部を
接続した形で形成されている。

【００４６】このとき、導体パターン９００Ｐは、図示
のように、一方の層と他方の層で、各線分の傾き方向が
反対になるようにして、第２層５１２と第３層５１３の
各導体層に形成されている。

【００４７】そこで、導体パターン９００Ｐの各線分を
スルーホール９００Ｓで接続してやれば、導体パターン
９００Ｐの各線分は、第２層５１２と第３層５１３の間
を短辺とする偏平な矩形に巻かれた形になり、コイル９
００が形成され、磁束と鎖交して磁界が検出できること
になる。

【００４８】従って、この第６の実施形態によれば、こ
れも第７の実施形態と同様な効果が得られる上、回路基
板製造プロセスの中でコイルが形成できるので、別途、
個別部品としてコイルを設ける必要がなく、構成が更に
簡素化でき、磁界プローブの微小化にも更に容易に対応
することができる。

【００４９】次に、本発明の第７の実施形態について、
図１０により説明する。ここで、以上の第１の実施形態
から第６の実施形態までは、何れも多層基板を用いてい
るが、この第７の実施形態は、図示のように、同軸ケー
ブル１００１を用いて磁界プローブを構成した場合の一
実施形態である。

【００５０】まず、同軸ケーブル１００１の外部導体１
００４を端部に長く残した状態で、中心導体１００２を
露出させる。そして、この端部で、コイル１００３の一
方の引出線を、信号線となる中心導体１００２に接続す
ると共に、他方の引出線は、グランド線となる外部導体
１００４に接続する。

【００５１】次に、このコイル１００３を、この端部に
残されている同軸ケーブル１００１の外部導体１００４
で包み、シールド１００５を形成する。この後、コイル
１００３と鎖交する磁束が、この端部に残されている同
軸ケーブル１００１の外部導体１００４により遮蔽され
てしまうことがないように、コイル１００３の周囲に所
定の空隙を残して、シールド１００５で包むようにする
のである。

【００５２】このとき、コイル１００３には、図示のよ
うに、中央給電形のヘリカルコイルが用いられ、このコ
イルの巻き始めが中心導体１００２に接続され、巻き終
わりは外部導体１００４に接続したものである。

【００５３】ここで、中央給電形のヘリカルコイルと
は、コイルの巻き始め位置を、コイルの長さ方向の中央
におき、ここから一方(この図では左方)に向かって線を
巻いてゆき、所定の巻回数まで巻いたところで中央に戻
り、今度は、ここから他方(この図の場合は右方)に向か
って、同じ巻き方向に同じ回数、線を巻いたものであ
る。

【００５４】従って、この図１０に示した第７の実施形
態でも、シールド１００５により電界成分が遮蔽される
ので、中点で０値を示す典型的な８字形検出特性が得ら
れ、微小サイズで高精度の磁界プローブを容易に得るこ
とができる。

【００５５】なお、本発明においては、図１の実施形態
で説明したヘリカル構造のコイル１０１と、図５の実施
形態で説明したチップインダクタ５０１、図９の実施形
態で説明したスルーホールのコイル９００、更には図１
０の実施形態で説明した中央給電形ヘリカルコイル１０
０３の何れを用いて、上記実施形態のそれぞれを実施し
てもよいことはいうまでもない。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、複数巻コイルを用いて
も、電界成分に対する感度の発現が充分に抑えられるの
で、高精度で微小サイズの磁界プローブを容易に提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電界シールド形磁界プローブ

【図２】従来形磁界プローブ

【図３】電界シールド形磁界プローブと従来形磁界プロ
ーブの指向性特性

【図４】従来形磁界プローブの磁界・電界検出系

【図５】多層基板に作成した電界シールド形磁界プロー
ブ例１

【図６】多層基板に作成した電界シールド形磁界プロー
ブ例２

【図７】多層基板に作成した電界シールド形磁界プロー
ブ例３

【図８】多層基板に作成した電界シールド形磁界プロー
ブ例４

【図９】多層基板に作成した電界シールド形磁界プロー
ブ例５

【図１０】同軸ケーブルで作成した電界シールド形磁界
プローブ例

【符号の説明】

１０１ コイル(磁界検出用) １０２ シールド材 １０３ 信号層 １０４ａ グランド １０４ｂ グランド ３０１ 従来形プローブの指向特性性 ３０２ シールドを有する磁界プローブの指向特性 ４０１ コイル ４０２ コイル(等価的にみたコイル) ４０３ 磁束 ４０４ 電界成分 ５０１ チップインダクタ(チップインダクタンス) ５０２ シールド材 ５１０ 多層基板 ５１１ 多層基板の第１層 ５１２ 多層基板の第２層 ５１３ 多層基板の第３層 ５１４ 多層基板の第４層 ５２０ スルーホール ５２１、５２２ パターン ５４０ スルーホール ６０１、６０２、７０１ スルーホール ６０３ パターン ９００ パターンとスルーホールからなるコイル ９００Ｐ 導体パターン ９００Ｓ スルーホール １００１ 同軸ケーブル １００２ 同軸ケーブルの内部導体(信号線) １００３ 同軸ケーブルの外部導体(グランド) １００４ シールド

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁界検出用にコイルを用いた磁界プロー
   ブにおいて、 前記コイルの周囲に、当該コイルに鎖交する磁束が確保
   された状態で配置されたシールドを備えていることを特
   徴とする磁界プローブ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の発明において、 前記コイルに対する接続線路と、前記シールドを保持す
   る部材が、多層基板で構成されていることを特徴とする
   磁界プローブ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の発明において、 前記接続線路が、前記多層基板に形成されたストリップ
   ラインで構成されていることを特徴とする磁界プロー
   ブ。
4. 【請求項４】 請求項２に記載の発明において、 前記コイルが、前記多層基板に形成された導体パターン
   とスルーホールで構成されていることを特徴とする磁界
   プローブ。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の発明において、 前記コイルに対する接続線路と、前記シールドを形成す
   る部材が、同軸ケーブルで構成されていることを特徴と
   する磁界プローブ。