JP2005077100A

JP2005077100A - 磁気センサ

Info

Publication number: JP2005077100A
Application number: JP2003209644A
Authority: JP
Inventors: Koichi Okamoto; 幸一岡本; Junichi Hayasaka; 淳一早坂; Yoshiaki Ikeda; 義秋池田
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-03-24

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＝ｇ_３１×ｔ×Ｐ・・・・・・・・・（１）
【０００６】
ここで、ｇ_３１、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_ｆ／ｔ_ｓ）ｆ_０［３（Ｅ_ｆ／Ｅ_ｓ）−（ρ_ｆ／ρ_ｓ）］＝ａ’（ｂ’・Ｅ_ｆ−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_ｆ／２ｔ_ｓ・ｆ_ｏ・・・・・・・（３）
【００２９】
ｂ’＝３／Ｅ_ｓ・・・・・・・（４）
【００３０】
ｃ’＝ρ_ｆ／ρ_ｓ・・・・・・・（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_ｏ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_ｏは式（３）に従って低下する。ここで、共振周波数ｆ_ｏ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_ｏ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_ｏ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_ｏ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_ｏ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_ｏ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

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。
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。
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。
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。