JP2002286824A - 磁場センサ及びその用途 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 静磁場及び変動磁場の両方を高精度に検知す
ることができる磁場センサ及びその用途を提供する。 【解決手段】 磁場センサ１０は、コイル状炭素繊維１
１と、その両端に銅線を介して接続された電源１２と、
コイル状炭素繊維１１の両端に接続された測定器として
の電圧計１３とにより構成されている。コイル状炭素繊
維１１には前記電源１２により一定の電流が流れてお
り、その周囲に磁場が発生している。磁場センサ１０を
静磁場及び変動磁場の雰囲気中に配置すると、静磁場及
び変動磁場に影響されてコイル状炭素繊維１１の磁場の
強さが変化し、これに生ずる電圧及び電気抵抗が変動
し、その変動値が電圧計１３で測定可能となる。そし
て、前記電圧計１３から得られる測定結果を、この電圧
計１３に接続された、コンピュータ１４に入力し、磁束
密度を算出することにより、その高低が検知可能とな
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、静磁場及び変動
磁場の両磁場を検知可能なセンサ、マイクロマシンの方
位センサ、フロッピィディスクの読み取りのための磁気
ヘッド等に使用される磁場センサ及びその用途に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年になり、集積回路（ＩＣ）の集積技
術の進歩により、中央処理装置（ＣＰＵ）、メモリ等の
マイクロプロセッサや磁場センサを搭載したマイクロマ
シンが開発されるようになってきた。マイクロマシンと
しては例えば、マイクロモータの回転により移動可能な
マイクロ車が知られている。このマイクロ車には、静電
気力により回転可能なマイクロモータ、そのマイクロモ
ータの磁場の磁束の方向、磁束密度等を測定する磁場セ
ンサ等が搭載されている。

【０００３】そして、マイクロ車では前記磁場センサに
よって測定された値が電気信号等に変換される。この電
気信号等に依存してマイクロモータの静電気力等を変更
することにより回転速度等を変更して、マイクロ車の移
動速度等を調節することができる。

【０００４】前記磁場センサとしてはホール素子を使用
したものが知られ、このホール素子はＮ形半導体より形
成されたものである。そして、このホール素子に電源を
接続し、電子により電流を流した状態で、ホール素子の
上下位置に磁極を配置すると、電子の流れが直角方向に
曲げられ、ホール素子に接続されたホール端子間に前記
磁極の磁場の強さに比例した電流が流れ、ホール電圧が
信号等に変換されて表示される。

【０００５】また、その他の磁場センサとしては、直
径、長さ等のサイズがミリメートル大のコイルと、コイ
ルの両端に接続したオシロスコープとより構成され、金
属製のコイルの電磁誘導現象を利用したものが知られて
いる。この磁場センサを変動磁場に配置することによ
り、変動磁場に曝されたコイルに電磁誘導によって誘導
起電力が発生し、その誘導起電力が信号としてオシロス
コープに表示される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
磁場センサにおいて、コイルを利用した磁場センサで
は、そのコイルのサイズを小さくするには限度があり、
コイルによって検知可能な磁束密度の大きさ、即ち検知
可能な変動磁場の大きさには限度があり、その限界値よ
り小さい変動磁場では使用することができなくなるとい
う問題があった。また、この磁場センサでは、コイルを
静磁場に曝しても電磁誘導が発生しないことから、静磁
場の大きさを検知することができないという問題もあっ
た。

【０００７】前記ホール素子を利用した磁場センサなら
ば、変動磁場、静磁場にかかわらず、これらを検知可能
ではあるが、ホール電圧は直流電圧であり、得られる信
号は直流信号である。そのため、地磁気等の外部環境の
磁場や測定回路からの磁気発生に基づくノイズが直流信
号に入り、磁場センサの精度が低くなるという問題があ
った。

【０００８】この発明は、このような従来技術に存在す
る問題点に着目してなされたものである。その目的とす
るところは、静磁場及び変動磁場の両方を高精度に検知
することができる磁場センサ及びその用途を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の磁場センサの発明は、気相中に
おける金属触媒の存在下で炭化水素又は一酸化炭素を６
００〜３０００℃に加熱し、分解反応させる気相成長法
によって得られるコイル状炭素繊維と、このコイル状炭
素繊維の両端に接続されて電流を通電させる電源と、前
記コイル状炭素繊維を静磁場又は変動磁場の雰囲気中に
配置し、コイル状炭素繊維の周囲の磁場の強さを変化さ
せたときにコイル状炭素繊維に生じる電圧又は電気抵抗
の変動を測定可能な測定器とを備え、前記測定器により
測定された電圧又は電気抵抗の変動に基づいて静磁場及
び変動磁場の磁束密度の高低を検知可能とすることを特
徴とするものである。

【００１０】請求項２に記載の磁場センサの発明は、請
求項１に記載の発明において、前記コイル状炭素繊維
は、炭素が結晶化されることにより、グラファイト層が
存在していることを特徴とするものである。

【００１１】請求項３に記載の磁場センサの発明は、請
求項１又は請求項２に記載の発明において、前記電源
は、コイル状炭素繊維に常時一定の直流電流を通電させ
ることを特徴とするものである。

【００１２】請求項４に記載の磁場センサの発明は、請
求項３に記載の発明において、前記コイル状炭素繊維に
電流を通電させることによりコイル状炭素繊維に発生し
た磁場の磁束の方向と、静磁場及び変動磁場の磁束の方
向を同じ方向に揃えることを特徴とするものである。

【００１３】請求項５に記載の方位センサの発明は、請
求項３又は請求項４に記載の磁場センサを使用し、コイ
ル状炭素繊維に発生する磁場により、検知する磁場をコ
イル状炭素繊維の周囲で変化させ、このときの磁束密度
の高低又は磁束の方向を検知し、その検知結果に基づい
て東西南北の方位を検出可能とすることを特徴とするも
のである。

【００１４】請求項６に記載のマイクロマシンの発明
は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁場セン
サは、コイル状炭素繊維のコイルの直径が１ｎｍ〜１０
０μｍであり、コイルの長さが１ｎｍ〜１００ｍｍであ
るとともに、この磁場センサを使用して磁束密度の高低
又は磁束の方向を検知し、その検知結果に基づいて進行
方向を決定可能とすることを特徴とするものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を、図
面に基づいて詳細に説明する。磁気センサは、炭素繊維
によりコイル状に形成された１本のコイル状炭素繊維
と、このコイル状炭素繊維に接続された電源と、コイル
状炭素繊維に生じる電圧又は電気抵抗を測定可能な測定
器とより構成されたものである。

【００１６】まず、前記コイル状炭素繊維について説明
する。コイル状炭素繊維は、例えば触媒活性化ＣＶＤ
（化学気相成長）法等の気相成長法により得られるもの
である。この気相成長法は、アセチレン等の炭化水素又
は一酸化炭素を、金属触媒の存在下に６００〜３０００
℃に加熱し、気相中で炭化水素又は一酸化炭素を分解反
応させる方法である。触媒活性化ＣＶＤ法を例に挙げて
より具体的に説明すると、内部に金属触媒の存在する熱
化学気相合成装置（反応容器）内に基材を配置し、周期
律表の５Ｂ族又は６Ｂ族の化合物よりなる触媒ガス、水
素ガス及びシールガスを注入し、さらに、炭化水素又は
一酸化炭素を注入して所定温度で加熱分解したとき、前
記金属触媒からコイル状炭素繊維が成長する。

【００１７】この気相成長法により得られるコイル状炭
素繊維は、その大半が繊維の中心部分まで微細な炭素粒
が詰まった状態で形成されており、一部には中空状に形
成されたものも観察される。加えて、気相成長法により
得られるコイル状炭素繊維は、その炭素繊維の繊維径が
１ｎｍ〜１０μｍであり、コイルの直径が少なくとも２
ｎｍ〜１００μｍであることが好ましい。また、コイル
状炭素繊維のコイルのピッチは０．０１〜５０μｍであ
り、コイルの長さは３μｍ〜１０ｍｍであることが好ま
しい。

【００１８】また、コイル状炭素繊維は、１本の炭素繊
維で螺旋構造を形成する一重螺旋構造、又は２本の炭素
繊維がそれぞれ同じ巻き方向で螺旋構造を形成する二重
螺旋構造のいずれかの螺旋構造を有している。加えて、
炭素繊維の巻き方向にはコイルの軸線を中心として時計
方向（右巻き）と、反時計方向（左巻き）とがあるた
め、一重螺旋構造及び二重螺旋構造のコイル状炭素繊維
は、それぞれ右巻き又は左巻きのいずれかの形態を有し
ている。

【００１９】さらに、磁気センサに使用するコイル状炭
素繊維としては、加熱処理を施し、炭素繊維を形成する
炭素粒を規則正しく配列させることにより、その組織構
造が結晶化されたグラファイト層が存在するものを使用
することが好ましい。このグラファイト層が存在するコ
イル状炭素繊維を使用した場合、コイル状炭素繊維が静
磁場及び変動磁場に曝されたときに生じる電気抵抗の変
動が顕著なものとなり、磁場の測定精度が向上される。
また、加熱処理時の温度は１５００〜３０００℃が好ま
しい。１５００℃未満で加熱処理を行った場合、コイル
状炭素繊維の結晶化が充分に進行せず、３０００℃より
高い温度で加熱処理を行ってもコイル状炭素繊維の結晶
化は、これ以上進行しにくい。

【００２０】次に、前記電源について説明する。前記電
源は、銅線等を介してコイル状炭素繊維の両端に接続さ
れ、そのコイル状炭素繊維に常時一定の電流を通電させ
るように構成されている。そして、電源が接続されたコ
イル状炭素繊維は、静磁場及び変動磁場に曝されずと
も、その周囲に磁場を発生させている。また、この電源
からコイル状炭素繊維に通電される電流は、直流及び交
流のいずれであってもよい。コイル状炭素繊維に通電さ
れる電流を直流とした場合、前記磁場の磁束の方向を一
定方向に定めることができる。コイル状炭素繊維に通電
される電流を交流とした場合、コイル状炭素繊維の両端
において、銅線及びコイル状炭素繊維の間に生ずる接触
抵抗を相殺することができる。

【００２１】次いで、前記測定器について説明する。前
記測定器は、コイル状炭素繊維に接続され、そのコイル
状炭素繊維に発生する電圧を測定する電圧計及び電気抵
抗を測定する電気抵抗計の少なくとも一方が挙げられ
る。

【００２２】例えば、図１に示すように、電源１２が接
続された状態のコイル状炭素繊維１１の両端に銅線を介
して測定器としての電圧計１３を接続することにより、
磁場センサ１０が構成されている。

【００２３】この磁場センサ１０を静磁場及び変動磁場
の雰囲気中に配置すると、静磁場及び変動磁場に影響さ
れ、コイル状炭素繊維１１の周囲の磁場の強さが変化す
る。この状態で、コイル状炭素繊維１１には前記電源１
２により常時一定の電流が流れており、静磁場及び変動
磁場に曝されたコイル状炭素繊維１１に生ずる電圧及び
電気抵抗が変動するため、その変動値が電圧計１３で測
定可能となる。そして、前記電圧計１３から得られる測
定結果を、この電圧計１３に接続された、例えばコンピ
ュータ１４等の演算装置に入力し、磁束密度を算出する
ことにより、その高低が検知可能となる。

【００２４】なお、コイル状炭素繊維１１の電圧を増幅
器、ロックインアンプを経て測定するように構成するこ
ともできる。また、上記磁場センサ１０において、電圧
計１３に代えて測定器として電気抵抗計を接続してもよ
い。さらに、コイル状炭素繊維１１の周囲の温度を調整
する温度制御装置を設け、この温度制御装置を前記コン
ピュータ１４により制御してもよい。加えて、電圧計１
３及び電気抵抗計の２つを接続し、電圧及び電気抵抗の
両方の変動値を測定してもよい。

【００２５】続いて、前記磁束密度の算出方法について
説明する。荷電粒子の運動は一種の電流であるため、導
体を流れる電流と同じように電磁力（ローレンツ力）を
受ける。電荷ｑの粒子が速度ｖで強さＢの磁界と直角に
移動すると、電荷ｑに働く力Ｆは下記式（１）で示され
る。 Ｆ＝ｑ・ｖ・Ｂ……（１） また、電流Ｉが流れる導線の長さｌ当たりに働く力は、
下記式（２）で示される。 Ｆ＝Ｉ・ｌ・Ｂ……（２） （２）式は、磁界が強く、電流が大きく、導体の長さが
長いほど、ローレンツ力が大きくなることを示してい
る。ローレンツ力が働くと、荷電粒子、すなわち電流の
道筋が変化する。電流は磁束の影響がない場合には導体
中を直線状に進むが、磁束に影響されると道筋が歪曲
し、導体中で弧状に進むことから移動距離が長くなり、
電気抵抗が増加する。このため、ローレンツ力が大きく
なると電気抵抗も大きくなる。

【００２６】前記（１）及び（２）式において、電流Ｉ
と導体の長さｌは一定値であることから、電圧をＥ、電
気抵抗をＲとした場合、電圧Ｅ、電気抵抗Ｒ及び力Ｆの
関係は下記式（３）及び（４）で示される。 Ｆ∝Ｅ×Ｂ……（３） Ｆ∝（１／Ｒ）×Ｂ……（４） そして、（３）及び（４）式からＢ∝１／Ｅ、Ｂ∝Ｒが
導かれる。これより、導体の電圧又は電気抵抗を測定す
ることにより、磁界の強さＢが検知可能となる。

【００２７】ここで、前記導体としてコイル状炭素繊維
を用いた場合には、以下の（１）から（３）に示す利点
が得られる。 （１）コイル状炭素繊維は電気に対して半導体的性質を
示す。 （２）コイル形状であることから、どの方向から磁場を
照射しても電流方向と磁場方向が直交する箇所が存在す
る。 （３）コイルの直径、コイルの長さがナノメートルから
マイクロメートル大であり、このサイズで炭素繊維が緻
密な螺旋状に巻回されたコイルであるため、直線状をな
す導体よりも電流が通電される長さが長くなる。このた
め、ローレンツ力はより大きなものとなり、磁場の検知
感度が向上される。

【００２８】実際にコイル状炭素繊維の電気抵抗から磁
束密度を算出する、又はその逆を行う場合には、電圧Ｅ
及び電気抵抗Ｒ以外の、コイル状炭素繊維の他の特性評
価を行い、これを考慮する必要がある。このため、本明
細書中の磁場センサは、測定されたコイル状炭素繊維の
磁束密度と電気抵抗の関係又は磁束密度と電圧の関係を
校正して使用している。

【００２９】上記構成の磁場センサを、方位センサとし
て機能させてもよい。この方位センサを構成するコイル
状炭素繊維には電源から直流電流が給電されるようにな
っており、コイル状炭素繊維に発生する磁場の磁束の方
向が一定方向に定められる。そして、方位センサは、コ
イル状炭素繊維の磁場の磁束が、北方から南方に向かう
地磁気に対してどれだけずれているかを測定するもので
ある。

【００３０】即ち、方位センサとして使用される磁場セ
ンサにおいて、地磁気に対してコイル状炭素繊維の内側
を通る磁束が、例えば逆方向に延びているのであれば、
コイル状炭素繊維の周囲の磁場は最も弱められ、同方向
ならば磁場は最も強められる。そして、このコイル状炭
素繊維の周囲の磁場の強弱が電圧及び電気抵抗の変動値
の大小の測定による磁束密度の高低から検知されると、
これに基づいて地磁気に対するコイル状炭素繊維の軸線
のずれが導き出され、方位が判別できる。

【００３１】また、図２に示すように、磁場センサ（図
示せず）をマイクロマシンである自走型マイクロ車２１
に搭載し、そのマイクロ車２１における方向センサとし
て機能させてもよい。このマイクロ車２１にはマイクロ
モータ（図示せず）が搭載され、方向センサにより測定
された所定の方向へ二次元又は三次元的に自走するもの
である。

【００３２】即ち、マイクロ車２１を、その磁束の方向
が図中に３本の並列する矢印で示された静磁場及び変動
磁場に配置すると、コイル状炭素繊維１１の電圧及び電
気抵抗が変動する。これを磁場センサで測定し、磁束密
度の高低を検知することにより、マイクロ車２１はマイ
クロモータの回転により、例えば磁束密度の高い方から
低い方、これと逆方向、又は直行する横方向等に自走す
る。

【００３３】前記の実施形態によって発揮される効果に
ついて、以下に記載する。 ・ 気相成長法によるコイル状炭素繊維は、そのサイズ
が微小であるため、そのコイル状炭素繊維を利用するこ
とにより、従来のコイルを利用した磁気センサと比較し
て、磁場センサを小型化することができるとともに、従
来の磁場センサでは検知することができない微少な変動
磁場を検知可能とすることができる。加えて、コイル状
炭素繊維には、これに常時一定の電流を通電させる電源
を接続することにより、変動磁場に加えて静磁場をも検
知可能とすることができる。

【００３４】・ コイル状炭素繊維は、加熱処理が施さ
れることにより、炭素繊維を形成する炭素粒が規則正し
く配列され、その組織構造が結晶化されたグラファイト
層が存在するものが用いられる。このため、コイル状炭
素繊維が静磁場及び変動磁場に曝されたときに生じる電
気抵抗の変動が顕著なものとなり、磁場の測定精度をよ
り向上させることができる。また、コイル状炭素繊維を
１５００〜３０００℃で加熱処理することにより、結晶
化を効率よく行うことができる。

【００３５】・ また、上記電源からコイル状炭素繊維
に直流電流を通電させることにより、コイル状炭素繊維
に発生する磁場の磁束の方向を一定方向とすることがで
き、これに方向性を付与することができる。

【００３６】・ さらに、直流電流を使用することによ
って磁場に方向性を付与した磁場センサを、その磁場の
磁束の方向が静磁場及び変動磁場の磁束の方向と同じに
なるように配置することにより、測定される電圧及び電
気抵抗の変動値が最大となるため、測定を的確に行うこ
とができる。

【００３７】・ 磁場センサを方位センサとして応用し
た場合、従来の磁場センサを方位センサとして使用した
場合と比較して検知される方位の精度を向上することが
できる。

【００３８】・ 磁場センサをマイクロマシンの方向セ
ンサとして使用した場合、従来の磁場センサを方向セン
サとして使用した場合と比較して検知される方位の精度
を向上することができる。

【００３９】

【実施例】以下、前記実施形態をさらに具体化した実施
例について説明する。 （コイル状炭素繊維の基礎特性評価）まず、コイル長
２．５ｍｍのコイル状炭素繊維、電源、電気抵抗計から
なる磁場センサを構成し、温度３００ケルビン（Ｋ）の
雰囲気下において、電源からコイル状炭素繊維に２７Ｈ
ｚ、１０μＡの交流電流を通電させた。この磁場センサ
のコイル表炭素繊維に対し、その軸線方向と直行する方
向から超伝導マグネットを使用して磁場をその磁束密度
を変化させながら照射し、照射時における電気抵抗の変
動を測定した。

【００４０】このとき、磁場はコイル状炭素繊維の軸線
と直交する方向で対向する２方向、例えば軸線をＸ軸と
仮定した場合、Ｙ軸方向及び―Ｙ軸方向から照射する。
なお、これに倣って以後、磁束密度を表記する場合には
そのベクトル、つまり照射方向を正負の符号で示すもの
とする。

【００４１】コイル状炭素繊維には、磁場の磁束密度を
１度目は０〜５テスラ（Ｔ）まで増加させ、２度目は５
〜０Ｔまで減少、３度目は０〜−５Ｔまで増加、４度目
は−５〜０Ｔまで減少させて照射した。その結果、磁束
密度が０Ｔでコイル状炭素繊維の電気抵抗が４４．６３
ｋΩ、５Ｔで４４．６０ｋΩ、−５Ｔで４４．６０ｋΩ
であった。これより、電気抵抗の変動率を算出した。

【００４２】この変動率は、コイル状炭素繊維に磁場を
照射していないときの電気抵抗に対して磁場を照射した
後には電気抵抗がどれだけ変動したかを割合で示す値で
あり、０Ｔでの電気抵抗をＲ（０）、磁場を照射したと
きの電気抵抗をＲ（Ｂ）とし、｛Ｒ（Ｂ）−Ｒ（０）｝
／Ｒ（０）の式から算出した。なお、この式により算出
される変動率は、コイル状炭素繊維のコイル長、コイル
径に影響されない数値であり、コイル長、コイル径の異
なるものであっても比較可能な値である。そして、５Ｔ
及び−５Ｔの磁場を照射したときの電気抵抗の変動率は
０．０７％であった。

【００４３】上記と同様の測定を温度９０Ｋの雰囲気下
にて行い、電気抵抗の変動率を測定した。その結果、磁
束密度が０Ｔでコイル状炭素繊維の電気抵抗が６７．２
０ｋΩ、５Ｔで６７．１３ｋΩ、−５Ｔで６７．１３で
あり、その変動率は０．１０％であった。

【００４４】次いで、コイル長さ０．６５ｍｍのコイル
状炭素繊維に対し、アルゴン雰囲気下で３０００℃、６
時間の加熱処理を施し、これを結晶化した。結晶化され
てグラファイト層が存在するコイル状炭素繊維の０Ｔに
おける電気抵抗は、３００Ｋで５０３Ω、１５０Ｋで５
４０Ω、４Ｋで５９６Ωであり、結晶化されていないコ
イル状炭素繊維と比較して２３分の１であった。

【００４５】また、結晶化されたコイル状炭素繊維を温
度１５０Ｋ及び９０Ｋの雰囲気下にて前に挙げたのと同
様の測定を行い、電気抵抗の変動率を測定した。それぞ
れの結果は、温度１５０Ｋの場合、磁束密度０Ｔで電気
抵抗５４０Ω、５Ｔで５６９Ω、−５Ｔで５６６Ωであ
り、その変動率は４．７％であり、温度９０Ｋの場合、
磁束密度０Ｔで電気抵抗５３５Ω、５Ｔで５６１Ω、−
５Ｔで５６０Ωであり、その変動率は４．７％であっ
た。

【００４６】そして、上記した結果より、結晶化された
コイル状炭素繊維は、磁束密度の微小な変化に対し、そ
の電気抵抗が大きく変動することから、磁場センサとし
て使用した場合、精度の高いものとなることが示され
た。

【００４７】（実施例１〜５）コイル長さ１．５ｍｍの
コイル状炭素繊維に対し、アルゴン雰囲気下で１５００
℃、３時間の加熱処理を施し、結晶化して実施例１のコ
イル状炭素繊維を得た。加えて、コイル長さ３．０ｍｍ
のものに２０００℃で３時間、コイル長さ１．５ｍｍの
ものに２５００℃で３時間、コイル長さ０．５ｍｍのも
のに３０００℃で６時間の加熱処理を施し、それぞれ結
晶化して前から順番に実施例２〜４を得た。コイル長さ
１．５ｍｍの加熱処理を施さないコイル状炭素繊維を実
施例５とした。 （結晶化されたコイル状炭素繊維の基礎特性評価）実施
例１〜５に対し、前記コイル状炭素繊維の基礎特性評価
に倣って温度３００Ｋの雰囲気下で２〜１２Ｔの磁場を
照射し、それぞれの電気抵抗の変動率を測定した。その
結果を実施例１〜４の順番に、図３〜６のグラフに示し
た。なお、磁場はコイル状炭素繊維の軸線方向、及び軸
線と直行する方向から照射し、図３〜６中で軸線方向か
ら磁場を照射した場合の電気抵抗の変動率を■、軸線と
直行する方向から照射した場合の電気抵抗の変動率を●
で示した。

【００４８】上記測定の結果、実施例１、２及び５は磁
束密度の上昇に伴い、電気抵抗が減少した。また、照射
される磁束密度の大きさにより、実施例１では変動率が
−０．１６〜０％、実施例２では−１．１〜０％、実施
例５では−０．０３〜０％の範囲で変化した。加えて、
磁場の照射方向による変動率の変化は若干量にとどまっ
た。

【００４９】実施例３及び４は磁束密度の上昇に伴い、
電気抵抗が増加した。また、照射される磁束密度の大き
さにより、実施例３は変動率が０〜７％、実施例４は０
〜４０％の範囲で変化した。加えて、磁場の照射方向に
よる変動率の変化は、実施例３では軸線と直行する方向
から照射した方が変化が大きく、実施例４では軸線方向
から照射した方が変化が大きいという結論が得られた。

【００５０】上記実施例１〜４で得られた結果を実施例
５で得られた結果と比較すると、コイル状炭素繊維を結
晶化し、グラファイト層を存在させることで、電気抵抗
の変動率の変化が大きくなり、測定精度がさらに向上さ
れることが示された。さらに加えて、コイル状炭素繊維
を結晶化する場合、加熱処理の温度は２５００〜３００
０℃がより好ましいことが示された。 （マイクロマシンへの応用）まず、コイル状炭素繊維を
３０００℃、６時間加熱処理して結晶化し、これを使用
して電源及び測定器よりなる磁場センサを構成した。前
記電源には２７Ｈｚ、１０μＡの交流電流を出力する交
流電源を使用し、前記測定器には交流出力の可能な電気
抵抗計を使用した。なお、コイル状炭素繊維は、照射さ
れる磁場の磁束密度が高いほど、電気抵抗が増大するも
のであり、その軸線が照射される磁場の磁束に対して同
方向に延びるように配置したとき、最も電気抵抗が高く
なった。

【００５１】上記磁場センサを方向センサとして、マイ
クロモータを内蔵した自走型のマイクロマシンに搭載し
た。また、このマイクロマシンはコイル状炭素繊維の電
気抵抗が増大する方向、つまり磁束密度の高い方向へ、
磁力線に沿って自走するように設定されている。このマ
イクロマシンを平滑な面上に載せ、自走させると、磁場
センサにより地磁気が検知され、これに従うように自走
し始めた。そして、マイクロマシンは、その進行方向側
の端部を先端とすると、先端を緯線に対して少しでも北
に向けると北方に進行し、少しでも南に向けると南方に
進行した。

【００５２】このマイクロマシンの先端面に赤外線発光
源を取り付け、磁気的に北極方向（真北方向）に赤外線
方位検知器を設置し、マイクロマシンの直進性を評価し
た。その結果、コイル状炭素繊維の電気抵抗が最も高く
なったとき、コイル状炭素繊維の軸線の地磁気に対する
ずれは±０．１゜であった。以上より、地磁気に対する
磁場センサの精度は、１／５゜で保証されることが示さ
れた。

【００５３】次に、上記構成よりなるマイクロマシンが
地磁気に沿って自走する際、１．２Ｔの静磁場を発生す
るネオジウム系の永久磁石を地磁気とは異なる方向にそ
の磁束が延びるように配設した。このとき、マイクロマ
シンに対し、永久磁石は１００ｍｍだけ離間させた。す
ると、マイクロマシンは地磁気から永久磁石へと方向を
変え、自走した。これは永久磁石の磁束密度が地磁気の
磁束密度よりも高いためである。

【００５４】上記と同様に赤外線発光源及び赤外線方位
検知器を使用し、永久磁石、つまり静磁場の磁束に対す
るマイクロマシンの直進性を評価した。その結果、コイ
ル状炭素繊維の電気抵抗が最も高くなったとき、コイル
状炭素繊維の軸線の静磁場の磁束に対するずれは±０．
０００１゜であった。以上より、静磁場に対する磁場セ
ンサの精度は、１／５０００゜で保証される。従来例の
ホール素子の精度が１／１０００であることから、これ
と比較して高精度であることが示された。

【００５５】次いで、電源に１０μＡの直流電流を出力
する直流電源を使用し、磁場センサを構成した。また、
コイル状炭素繊維は前記同様にグラファイト化されたも
のを用いた。

【００５６】上記磁場センサに対し、室温にて永久磁石
を使用して１２Ｔの磁場を、その磁束の方向がコイル状
炭素繊維の内側に発生している磁場の磁束の方向と同方
向となるように照射した。その結果、電気抵抗の変動率
は４３．５５％となった。同様の操作を交流電源にて行
うと、変動率は４０．０５％であった。これに対し、１
２Ｔの磁場を、その磁束の方向がコイル状炭素繊維の内
側に発生している磁場の磁束の方向と逆方向となるよう
に照射した。その結果、電気抵抗の変動率は３９．７５
％となった。同様の操作を交流電源にて行うと、変動率
は４０．０５％であった。これらの結果より、直流電源
を使用した場合、互いの磁場の磁束の方向による相乗効
果が現れることが示された。

【００５７】続いて、上記磁場センサをコイル状炭素繊
維の軸線がマイクロマシンの進行方向に延びるように配
置し、マイクロマシンに搭載した。このマイクロマシン
を平滑な面上に載せ、地磁気を検知した方向に自走させ
た。このとき、コイル状炭素繊維の内部に発生する磁場
のＮ極が先頭となるようように構成した場合には、マイ
クロマシンは常時南方に自走し、Ｓ極が先頭となるよう
に構成した場合には常時北方に自走した。この結果よ
り、磁場センサに直流電源を用いることにより、方位を
検知する方位センサとして使用可能なことが示された。
また、赤外線発光源及び赤外線方位検知器を用い、マイ
クロマシンの直進性を評価したところ、コイル状炭素繊
維の軸線の地磁気に対するずれは±０．１゜であり、地
磁気に対する磁場センサの精度は、１／５゜で保証され
ることが示された。

【００５８】加えて、１．２Ｔの静磁場を発生するネオ
ジウム系の永久磁石を用い、前に挙げたものと同様の測
定を行った。すると、永久磁石のＮ極及びＳ極を検知し
ながらこれに接近した。また、静磁場の磁束に対するマ
イクロマシンの直進性を評価したところ、コイル状炭素
繊維の軸線の静磁場の磁束に対するずれは±０．０００
０５゜であった。以上より、静磁場に対する磁場センサ
の精度は、１／１００００゜で保証されることが示され
た。

【００５９】なお、本実施形態は、次のように変更して
具体化することも可能である。 ・ 本実施形態の磁場センサにおいて、複数本のコイル
状炭素繊維を使用してもよい。このとき、コイル状炭素
繊維には一重螺旋構造のみ又は二重螺旋構造のみを使用
することに限らず、一重螺旋構造及び二重螺旋構造を混
合して使用してもよい。しかし、右巻きの形態のものと
左巻きの形態のものとは混合せず、いずれか一方の形態
のみで使用することが好ましい。

【００６０】・ 本実施形態の磁場センサでは、変動磁
場によりコイル状炭素繊維１１に発生する誘導起電力が
影響を及ぼすことを抑制するため、電源１２は常時一定
の電流をコイル状炭素繊維１１に通電させるようになっ
ている。しかし、例えば誘導起電力により生ずる誘導起
電流以上の大きさの電流をコンピュータ１４で制御する
ことにより通電させたり、誘導起電力を含む状態で測定
される電圧又は電気抵抗をコンピュータ１４に記憶させ
たプログラムにより解析できるように構成されているの
であればこの限りではない。

【００６１】さらに、前記実施形態より把握できる技術
的思想について以下に記載する。 ・ 請求項５に記載の方位センサを使用して得られるマ
イクロマシン。このように構成した場合、方位に従って
移動可能なマイクロマシンを得ることができる。

【００６２】・ 前記コイル状炭素繊維は、アルゴン雰
囲気下において２５００〜３０００℃で所定時間の加熱
処理を施すことによりグラファイト化されることを特徴
とする請求項２から請求項４のいずれかに記載の磁場セ
ンサ。このように構成した場合、コイル状炭素繊維のグ
ラファイト化を効率よく行うことができる。

【００６３】・ 前記電源は、コイル状炭素繊維に交流
電流を通電させることを特徴とする請求項１又は請求項
２に記載の磁場センサ。このように構成した場合、コイ
ル状炭素繊維と電源との間に生ずる接触抵抗を相殺する
ことができる。

【００６４】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、次のような効果を奏する。請求項１に記載の発明に
よれば、静磁場及び変動磁場の両方を高精度に検知する
ことができる。

【００６５】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明の効果に加えて、磁場の測定精度をより向
上させることができる。請求項３に記載の発明によれ
ば、請求項１又は請求項２に記載の発明の効果に加え
て、磁場の磁束の方向を一定方向とし、方向性を付与す
ることができる。

【００６６】請求項４に記載の発明によれば、請求項３
に記載の発明の効果に加えて、磁場の相乗効果により、
測定を的確に行うことができる。請求項５に記載の発明
によれば、方位精度を正確にすることができる。

【００６７】請求項６に記載の発明によれば、検知され
る方向の精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態の磁場センサを示す模式図。

【図２】 実施形態のマイクロマシンを示す模式図。

【図３】 コイル状炭素繊維の電気抵抗の変動率を示す
グラフ。

【図４】 コイル状炭素繊維の電気抵抗の変動率を示す
グラフ。

【図５】 コイル状炭素繊維の電気抵抗の変動率を示す
グラフ。

【図６】 コイル状炭素繊維の電気抵抗の変動率を示す
グラフ。

【符号の説明】 １０…磁場センサ、１１…コイル状炭素繊維、１２…電
源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 元島 栖二 岐阜県岐阜市福光東１丁目23−23 (72)発明者 菱川 幸雄 岐阜県各務原市須衛町四丁目179番地の１ シーエムシー技術開発 株式会社内 Ｆターム(参考） 2G017 AA04 AA14 AA15 AD51 AD69 BA02 BA03

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気相中における金属触媒の存在下で炭化
   水素又は一酸化炭素を６００〜３０００℃に加熱し、分
   解反応させる気相成長法によって得られるコイル状炭素
   繊維と、このコイル状炭素繊維の両端に接続されて電流
   を通電させる電源と、前記コイル状炭素繊維を静磁場又
   は変動磁場の雰囲気中に配置し、コイル状炭素繊維の周
   囲の磁場の強さを変化させたときにコイル状炭素繊維に
   生じる電圧又は電気抵抗の変動を測定可能な測定器とを
   備え、前記測定器により測定された電圧又は電気抵抗の
   変動に基づいて静磁場及び変動磁場の磁束密度の高低を
   検知可能とすることを特徴とする磁場センサ。
2. 【請求項２】 前記コイル状炭素繊維は、炭素が結晶化
   されることにより、グラファイト層が存在していること
   を特徴とする請求項１に記載の磁場センサ。
3. 【請求項３】 前記電源は、コイル状炭素繊維に常時一
   定の直流電流を通電させることを特徴とする請求項１又
   は請求項２に記載の磁場センサ。
4. 【請求項４】 前記コイル状炭素繊維に電流を通電させ
   ることによりコイル状炭素繊維に発生した磁場の磁束の
   方向と、静磁場及び変動磁場の磁束の方向を同じ方向に
   揃えることを特徴とする請求項３に記載の磁場センサ。
5. 【請求項５】 請求項３又は請求項４に記載の磁場セン
   サを使用し、コイル状炭素繊維に発生する磁場により、
   検知する磁場をコイル状炭素繊維の周囲で変化させ、こ
   のときの磁束密度の高低又は磁束の方向を検知し、その
   検知結果に基づいて東西南北の方位を検出可能とするこ
   とを特徴とする方位センサ。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項４のいずれかに記載
   の磁場センサは、コイル状炭素繊維のコイルの直径が１
   ｎｍ〜１００μｍであり、コイルの長さが１ｎｍ〜１０
   ０ｍｍであるとともに、この磁場センサを使用して磁束
   密度の高低又は磁束の方向を検知し、その検知結果に基
   づいて進行方向を決定可能とすることを特徴とするマイ
   クロマシン。