JP2005077100A - 磁気センサ - Google Patents

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Koichi Okamoto
幸一 岡本
Junichi Hayasaka
淳一 早坂
Yoshiaki Ikeda
義秋 池田
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Abstract

【課題】小型、軽量、かつ高感度な磁気センサを提供する。
【解決手段】磁歪材と弾性材から構成される振動体2から成り、前記振動体2が一体となって機械的に共振し、外部磁場14の変化に伴って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1であって、前記振動体2は片端を支持する支持体13を設けて、前記振動体2を長さ縦振動あるいは屈曲振動させる磁気センサである。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサに関し、特に、小型化も可能で、高感度で地磁気用としても構成できるような磁気センサの構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
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は、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)、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。
【0003】
一方、前述のMIセンサ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提案がなされている。
【0004】
つまり、図6に示すような磁歪素子を用いてなる磁気センサとして、例えば、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』がある。つまり、特開文献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、磁気感度の高低は、圧電素子22に発生する電圧に大きく依存する。発生電圧Vは、以下の式(1)により表現される。
【0005】
V=g31×t×P ・・・・・・・・・(1)
【0006】
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。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。
【0007】
【特許文献1】
特開2000−88937号公報
【0008】
更に、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22の小型化を図る場合、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更に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。
【0009】
また、特許文献2の請求項1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。
【0010】
【特許文献2】
特開2000−65908号公報
【0011】
図7に示すように、特許文献2に記載の磁気センサ4の基本原理は、(同特開2000−65908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。つまり、特許文献2に記載の磁気センサ4では、原理的に、磁石25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。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、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。
【0013】
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。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。
【0014】
つまり、特許文献1にて提案されている磁気センサ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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
そこで、本発明の目的としては、例えば、携帯用方位センサにも適用可能な、小型、軽量、かつ高感度にも構成できる磁気センサを提供することである。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、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中にあって、外部磁場変化に伴って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、前記振動体は片端あるいは両端を支持する支持体を設けて、前記振動体を長さ縦振動あるいは屈曲振動させることを特徴とする磁気センサが得られる。
【0019】
あるいは、前記振動体が両端自由の屈曲振動時の節点近傍に支持体を設けて、屈曲振動させることを特徴とする磁気センサが得られる。あるいは、前記振動体が両端自由の縦振動時の節点近傍に支持体を設けて、長さ縦振動させることを特徴とする磁気センサが得られる。あるいは、前記振動体の外周分の一部あるいは全周の近傍に支持体を設けて、エネルギー閉じ込め型厚みすべり振動させることを特徴とする磁気センサが得られる。
【0020】
即ち、本発明は、磁歪材と弾性材から構成される振動体から成り、前記振動体が一体となって機械的に共振している状態中にあって、外部磁場変化に伴って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、前記振動体は片端あるいは両端を支持する支持体を設けて、前記振動体を長さ縦振動あるいは屈曲振動させる磁気センサである。
【0021】
また、本発明は、磁歪材と弾性材から構成される振動体から成り、前記振動体が一体となって機械的に共振している状態中にあって、外部磁場変化に伴って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、前記振動体が両端自由の屈曲振動時の節点近傍に支持体を設けて、屈曲振動させる磁気センサである。
【0022】
また、本発明は、磁歪材と弾性材から構成される振動体から成り、前記振動体が一体となって機械的に共振している状態中にあって、外部磁場変化に伴って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、前記振動体が両端自由の縦振動時の節点近傍に支持体を設けて、長さ縦振動させる磁気センサである。
【0023】
また、本発明は、磁歪材と弾性材から構成される振動体から成り、前記振動体が一体となって機械的に共振している状態中にあって、外部磁場変化に伴って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、前記振動体の外周の一部あるいは全周の近傍に支持体を設けて、エネルギー閉じ込め型厚みすべり振動させる磁気センサである。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による磁気センサについて、以下説明する。
【0025】
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1の磁気センサの一例を示し、図4は本発明の振動体の一例を示す。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)、結果的に振動体2の共振周波数fo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foの変化量Δfは、以下の式(2)により表現される。
【0026】
Δf=1/2(t/t)f[3(E/E)−(ρ/ρ)]=a’(b’・E−c’)・・・・・・・・(2)
【0027】
ここで、tf、Ef、ρf、およびts、Es、ρsは、それぞれ、磁歪薄膜12の厚さ、ヤング率、密度、および、弾性体11の厚さ、ヤング率、密度を示している。
【0028】
a’=1t/2t・f ・・・・・・・(3)
【0029】
b’=3/E ・・・・・・・(4)
【0030】
c’=ρ/ρ ・・・・・・・(5)
【0031】
従って、磁歪薄膜12のヤング率Ef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f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。
【0032】
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Ef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Efが低下する。
【0033】
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は式(3)に従って低下する。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の一体的振動変化によるものである。
【0034】
具体的な一例を挙げると、弾性体11として長さ12mm×幅3mm×厚み0.5mmの−18.5°X−cut水晶板を用い、Co−Fe−Zrの組成比がおよそ55:30:15の磁歪薄膜12を、RFスパッタを用いて水晶板上に1μm程度の厚さで堆積させて、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とした。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。
【0035】
図5は、本発明における磁気センサの出力特性を示している。外部磁場14の変化に対して、センサ出力は共振周波数の変化量として検出される。数十μT以下の非常に低い磁場に対しても数百Hz以上の周波数変化を示しており、磁気感度としては、例えば、地磁気程度の磁気信号を検出することも可能である。
【0036】
センサ感度Δf/Hexを改善するためには、センサ設計上、式(3)に示すa’の値を大きくすることである。つまり、磁歪薄膜12の厚みtfと弾性体11の厚みtsの比tf/tsを大きくすること、および振動体2の複合梁の共振周波数fを大きくすればよい。本発明における磁気センサにおいても、反磁界の影響は、磁性薄膜を利用するかぎりにおいて原理的に避けられないが、上述のMIセンサあるいはフラックスゲートセンサに比べて、センサ感度に対する影響は少ない。式(2)に示すように、反磁界に関連する磁歪薄膜12のヤング率Efの項の変化量が小さくとも、弾性体11の厚さtsと磁歪薄膜12の厚さtfの比率tf/tsおよび共振周波数fが十分に大きければ、高いセンサ感度を維持することが可能である。
【0037】
(実施の形態2)
図2に、本発明の実施の形態2の磁気センサの一例を示す。両端自由時の屈曲振動の基本モードを利用した場合、振動の節点は振動体2の両端から各々0.224Lのところにある。ここでLは振動体2の長さである。本発明では、振動体2に、屈曲振動させた場合の節点近傍に支持体13を設け磁気センサとした。この振動体2に外部磁場14を印加すれば、磁歪薄膜12のΔE効果により振動体2の屈曲振動の共振周波数fが変化し、磁気を検知することができる。ここで、支持体13が、振動の節点近傍からずれて設けてしまうと、振動体2の振動を妨げてしまい、感度の低下を招いてしまう。よって本発明のように振動の節点で支持体13を設けることが望ましい。
【0038】
また、両端自由時の長さ縦振動の基本モードを利用する場合には、0.5Lのところに振動の節点があるため、この近傍に支持体13を設けるとよい。屈曲振動と長さ縦振動の共振周波数は、屈曲振動は振動体2の長さLの2乗に反比例、長さ縦振動の共振周波数は振動体2の長さLに反比例するので、センサの小型を図るために振動体2を小さくしていくと、共振周波数fが大きくなり、式(2)から分かるように磁気センサの感度である共振周波数変化Δfも大きくなり、磁気センサの小型化に有利であることがわかる。
【0039】
(実施の形態3)
図3に、本発明の実施の形態3の磁気センサの一例を示す。振動体2の振動手段にエネルギー閉じ込め型の厚みすべり振動を利用する。図3の斜線部が厚みすべり振動をする部分で、振動体2の一部分だけが振動していて、外周部近傍は振動していない。図示した例のように、振動体2の振動部15以外の外周部に支持体13を設けて磁気センサとした。この振動体2に外部磁場14を印加すれば、磁歪薄膜12のΔE効果により振動体2の厚みすべり振動の共振周波数が変化し、磁気を検知することができる。図示したように、エネルギー閉じ込め型厚みすべり振動の場合、振動体2の一部しか振動部15がないため、振動部15以外に支持体13を設ければ、振動を妨げることなく支持体13を容易に形成することができる。また、厚みすべり振動の共振周波数は、だいたい数百kHzから数十MHzと高いため、磁気センサの感度である共振周波数変化Δfも大きくなり、高感度な磁気センサを得ることができる。
【0040】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る磁気センサによれば、小型化および軽量化も可能な、高感度な磁気センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の磁気センサの一例を示す図。
【図2】本発明の実施の形態2の磁気センサの一例を示す図。
【図3】本発明の実施の形態3の磁気センサの一例
【図4】本発明の磁気センサの振動体の一例を示す図。
【図5】本発明の磁気センサの特性の一例を示す図。
【図6】従来の磁歪体を用いた磁気センサの一例を示す図。
【図7】従来の磁歪体を用いた磁気センサの一例を示す図。
【符号の説明】
1 磁気センサ
2 振動体
3 磁気センサ(従来)
4 磁気センサ(従来)
11 弾性体
12 磁歪薄膜
13 支持体
14 外部磁場
15 厚みすべり振動部
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

Claims (4)

  1. 磁歪材と弾性材から構成される振動体から成り、外部磁場変化に伴う前記振動体の機械的な共振周波数の変化量から外部磁場量を測定する磁気センサであって、前記振動体は片端あるいは両端を支持する支持体を設けて、前記振動体を長さ縦振動あるいは屈曲振動させることを特徴とする磁気センサ。
  2. 磁歪材と弾性材から構成される振動体から成り、外部磁場変化に伴う振動体の機械的な共振周波数の変化量から外部磁場量を測定する磁気センサであって、前記振動体が両端自由の屈曲振動時の節点近傍に支持体を設けて、屈曲振動させることを特徴とする磁気センサ。
  3. 磁歪材と弾性材から構成される振動体から成り、外部磁場変化に伴う前記振動体の機械的な共振周波数の変化量から外部磁場量を測定する磁気センサであって、前記振動体が両端自由の縦振動時の節点近傍に支持体を設けて、長さ縦振動させることを特徴とする磁気センサ。
  4. 磁歪材と弾性材から構成される振動体から成り、外部磁場変化に伴う前記振動体の機械的な共振周波数の変化量から外部磁場量を測定する磁気センサであって、前記振動体の外周の一部あるいは全周の近傍に支持体を設けて、エネルギー閉じ込め型厚みすべり振動させることを特徴とする磁気センサ。
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Cited By (4)

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