JP2005291904A - 磁気測定素子群及び磁気方位測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサの励磁効率及び検出効率の向上を図る。
【解決手段】 軟磁性材料からなる磁気コア１０ａ、１０ｂの周囲に、第１の導電線１１と第２の導電線１２とが巻回されており、第１の導電線１１により外部磁界を検出する検出コイル１４が構成され、第２の導電線１２により磁気コア１０ａ、１０ｂを励磁する励磁コイル１３が構成される磁気検出素子２ａ、２ｂが、複数個、並列に並んでなっており、隣接する磁気検出素子２ａ、２ｂの磁気コア１０ａ、１０ｂの周囲を、第１の導電線１１及び第２の導電線１２が連続して巻回されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、地磁気方位測定する磁気測定素子群及び磁気方位測定装置に関する。

現在、各種電子回路で用いられるコイル素子において、デバイスに対する小型化要求の高まりから、半導体等の製造工程で利用されている薄膜プロセスを用いて、超小型化が図られている。

例えば、薄膜プロセスを用いて超小型磁気センサとして、薄膜フラックスゲート式磁気センサがある（特許文献１参照。）。この薄膜フラックスゲート式磁気センサ４０は、図１０に示すように、磁気コア４１の周囲に、磁気コア４０を励磁する励磁コイル４１と外部磁界を検出する検出コイル４２が形成されてなっている。また、励磁コイル４１の巻数は、励磁効率と比例し、検出コイル４２の巻数は、検出効率と比例する関係にある。

したがって、励磁コイル４１の巻数が増加すれば励磁電流が少なくてすみ、一方、検出コイル４２の巻数が増加すれば、同一の外部磁界強度に対する出力が大きくなり、検出感度が向上することになる。

特願２００２−３０４９９０号公報

ところで、薄膜プロセスを用いて巻線コイルを作成する場合、微細な導体が所定の間隔をおいて連続的に形成される必要があるため、フォトリソグラフィによるパターン分解能が、形成しようとするパターンの仕様（導体幅、導体間隔等）に対して十分とれていないお、導体が細すぎて断線（オープン）してしまったり、導体の間隔が狭すぎて分離不良（ショート）が発生してしまったりする。

すなわち、この分解能がコイルの巻数を制限（決定）することになる。そのため、同一の分解能下で巻数を増やそうとすれば、巻線部分を長くする、すなわち磁気コアの長手方向のサイズを大きくするか、パターン形成の層数を増す等の方法を採る必要がある。前者では、磁気センサのサイズが大きくなってしまう問題があり、後者では、プロセス数の増加に伴う製造コストの増加の問題につながってしまう。

特に、前者に関しては、磁気センサが実装される基板と垂直方向の磁界成分を検出する場合、大きな問題となる。すなわち、フラックスゲート型磁気センサにおいては、感度軸方向がコイル長手方向となるため、コイルの長手方向の大型化は、当該磁気センサが搭載される装置そのものを大きくすることになるため、部品実装の不安定さを増すばかりでなく、薄型化するセットにおいては搭載不可能となる場合がある。

これを回避するために、コイル長手方向のサイズを短くすると、巻数が減少してしまい、励磁効率と検出効率双方の低下を招くことになってしまう。

そこで、本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、感度軸方向であるコイルの長手方向のサイズの増大化を伴わずに、センサの励磁効率及び検出効率の向上を図る磁気検出素子群及び磁気検出システムを提供することを目的とする。

本発明に係る磁気検出素子群は、上記課題を解決するために、軟磁性材料からなる磁気コアの周囲に、第１の導電線と第２の導電線とが巻回されており、上記第１の導電線により外部磁界を検出する検出コイルが構成され、上記第２の導電線により上記磁気コアを励磁する励磁コイルが構成される磁気検出素子が、複数個、並列に並んでなっており、隣接する磁気検出素子の磁気コアの周囲を、上記第１の導電線及び上記第２の導電線が電気的に直列に接続されて巻回されている。

また、本発明に係る磁気方位測定装置は、上記課題を解決するために、指向性を有する２個以上の磁気検出素子を、並列に所定距離離間して配置してなる磁気検出手段と、上記磁気検出手段で検出された磁気信号を増幅し、磁気方位情報を出力する増幅手段とを備え、上記磁気検出手段は、軟磁性材料からなる磁気コアの周囲に、第１の導電線と第２の導電線とが巻回されており、上記第１の導電線により外部磁界を検出する検出コイルが構成され、上記第２の導電線により上記磁気コアを励磁する励磁コイルが構成される磁気検出素子が、複数個、並列に並んでなっており、隣接する磁気検出素子の磁気コアの周囲を、上記第１の導電線及び上記第２の導電線が電気的に直列に接続されて巻回されている。

本願発明に係る磁気検出素子群は、所定間隔を置いて並列に配置された各磁気コアの周囲に、連続して各磁気コアを励磁する励磁コイルと、外部磁界を検出する検出コイルが形成されてなる磁気検出素子群と、磁気検出素子群で検出された信号を増幅する検出・増幅回路を有するので、この磁気検出素子群を磁気方位測定装置に適用することにより、磁気検出素子群の感度軸方向のサイズの増大化を伴わずに外部磁界に対する出力感度を高めることができる。

また、本願発明に係る磁気検出素子群の各磁気検出素子が、各磁気検出素子により発生された漏洩磁束が互いに作用し合う距離に近接して配置されてなり、漏洩磁束がループをなすので、この磁気検出素子群を磁気方位測定装置に適用することにより、互いの励磁を補助し合い、磁気検出素子群の感度軸方向の増大化を伴わずに、励磁効率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。この実施の形態は、図１に概略構成を示すように、指向性を有する複数の磁気検出素子からなる磁気検出素子群２を備え、磁気検出素子群２の各磁気検出素子の電磁出力を、検出・増幅回路３により増幅し、外部磁界の方位情報ＤＩを生成する磁気方位測定装置１である。

磁気検出素子群２としては、後述するようにフラックスゲート方式、磁気抵抗素子、ホール素子等を用いることができる。この磁気検出素子群２と検出・増幅回路３とが、磁気検出部４を構成している。

制御部５は、磁気検出素子群２の後述する励磁コイルを励磁するための励磁信号や、検出・増幅回路３にて磁気検出素子群２の電磁出力を取り出し、方位情報ＤＩを出力するための制御信号を生成して、各部に供給する。

なお、この実施の形態では、説明の便宜上磁気検出素子の数を２個とするが、２個以上であっても良い。なお、磁気検出素子の数の増加は、検出感度の向上に繋がるが、一方で、磁気検出素子群２のサイズの大型化に結びつくが、後述する薄膜化を利用することにより小型化を図ることができる。

磁気検出素子群２内の例えば２個の磁気検出素子２ａ、２ｂは、並列に配置されている。すなわち、磁気検出素子群２は、磁気検出素子２ａ、２ｂの配置の仕方や、後述する励磁コイルや、検出コイルの巻き方などに特徴がある。ここで、磁気検出素子群２の具体的な構成を説明する。

磁気検出素子群２は、図２に示すように、軟磁性材料からなる磁気コア１０ａと、磁気コア１０ｂとが所定距離離間し、感度軸方向に対して並列に配置され、磁気コア１０ａと磁気コア１０ｂの周囲に第１の導電線１１と、第２の導電線１２が巻回されてなっている。第１の導電線１１及び第２の導電線１２は、磁気コア１０ａと磁気コア１０ｂ間を連続して巻回されており、第１の導電線１１により磁気コア１０ａ及び磁気コア１０ｂを励磁する励磁コイル１３が構成され、第２の導電線１２により外部磁界を検出する検出コイル１４が構成されている。

また、第１の導電線１１は、図３に示すように、電圧が印加されたときに、Ａ方向に漏洩磁束Ｂが発生するように、磁気コア１０ａの周囲に巻回され、また、同様に、Ａ方向に漏洩磁束Ｂが発生するように、磁気コア１０ｂの周囲に巻回されている。つまり、第１の導電線１１は、磁気コア１０ａと磁気コア１０ｂに対して巻回し方向が同一となっている。また、第２の導電線１２も第１の導電線１１と同様に、図３に示すように、磁気コア１０ａに対する巻回し方向と磁気コア１０ｂに対する巻回し方向が同一となっている。また、磁気検出素子２ａと磁気検出素子２ｂは、発生した漏洩磁束Ｂが互いに作用し合わないだけ離間されて配置されている。

したがって、図３に示すように構成される磁気検出素子群２は、感度軸方向が同一方向となり、磁気的に並列に配置され、かつ、電気的には縦続的に接続されている。

また、第１の導電線１１は、図４に示すように、電圧が印加されたときに、Ａ方向に漏洩磁束Ｂが発生するように、磁気コア１０ａの周囲に巻回され、また、Ｂ方向に漏洩磁束Ｂが発生するように、磁気コア１０ｂの周囲に巻回されている構成であっても良い。このときには、第１の導電線１１は、磁気コア１０ａと磁気コア１０ｂに対して巻回し方向が逆向きとなっている。また、第２の導電線１２も第１の導電線１１と同様に、図４に示すように、磁気コア１０ａに対する巻回し方向と磁気コア１０ｂに対する巻回し方向が逆向きとなっている。また、磁気検出素子２ａと磁気検出素子２ｂは、発生した漏洩磁束Ｂが互いに作用し合う距離に近接して配置されている。

したがって、図４に示すように構成される磁気検出素子群２は、感度軸方向が反対向きとなり、磁気検出素子２ａの一方端側から発生した漏洩磁束Ｂが磁気検出素子２ｂの一方端側へ入力され、磁気検出素子２ｂの他方端側から発生した漏洩磁束Ｂが磁気検出素子２ａの他方端側へ入力するように漏洩磁束Ｂがループをなし、互いの励磁を補助する関係にある。

つぎに、磁気検出素子群２の具体的な動作原理について説明する。なお、基本的には、磁気検出素子２ａ及び磁気検出素子２ｂの動作原理は同じなので、以下では、磁気検出素子２ａの動作原理について述べる。

励磁コイル１３に電流ieを流すと、磁気コア１０ａ内には図５に示すような励磁磁界（磁束）Hieが発生する。励磁電流ieを交流信号とすることにより、磁気コア１０ａ内磁束Hieも時間tに対して交流的に変化し、各々の検出コイル１４には電磁誘導の法則により誘導電圧eが発生する。励磁電流の振幅を大きくし、磁化力をある程度以上に大きくしても磁気コア１０ａの磁束密度Bは図６に示すように増加しなくなり飽和状態となって、検出コイル誘導電圧eが大きく歪むこととなる。ここで、磁気検出素子群２に外部から磁界Hが印加された場合、磁気コア１０ａ内磁束は励磁磁束Hieと外部磁界Hによる磁束が加算されたものとなる（Hie＋H）。

このため、外部磁界Hの強度に応じ、磁気コア１０ａの飽和点が図７に示すように正または負側にシフトする。これにより、検出コイル誘導電圧eは、正負非対称な波形となる。これは誘導電圧の２次高調波成分が変化することと等価である。このため、誘導電圧信号を励磁信号の２倍の周波数で同期検波することにより、外部磁界強度Hに応じた電圧変化を取り出すことが可能となる。

ここで、薄膜プロセスにより上述した磁気検出素子群２が形成される具体例について図８を用いて以下に説明する。

先ず、Ｓｉ等の非磁性材料よりなる基板２０上に、Ｃｕを例えば２μｍメッキして下層コイル２１を形成する。この下層コイル２１は、後述の上層コイル２５と接続され、磁気コア２３にスパイラル状に巻回しされることになる。下層コイル２１上と基板２０上の一部には、下層コイル２１を保護すると共に、この下層コイル２１と磁気コア２３との絶縁を図るためのコイル絶縁層２２を例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

コイル絶縁層２２の上には、例えばＣｏ系アモルファス合金をリフトオフしてなる磁気コア２３を形成する。このＣｏ系アモルファス合金は、熱処理と磁場によって誘導磁気異方性を付与及び除去できる材料である。

さらに、磁気コア２３の上には、磁気コア２３と後述する上層コイル２５とを絶縁するためのコイル絶縁層２４を例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

コイル絶縁層２４上には、上層コイル２５を前記下層コイル２１と同様にＣｕを例えば２μｍメッキして形成する。そして、上層コイル２５上とコイル絶縁層２４の一部上には、上層コイル２５を保護するための保護層２６を例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

このように、本発明の実施の形態で用いる磁気検出素子群２は、非磁性基板上に薄膜プロセスにより、磁気コアの周囲に励磁用コイル１３及び検出用コイル１４を形成することができる。

次に、上述したような磁気検出素子群２を備える磁気方位測定装置１の詳細な構成について図９を参照して説明する。特に図１の検出・増幅回路３に相当する部分や、制御部５に相当する部分の詳細な構成について説明する。なお、説明の便宜上、磁気検出素子群２は、地磁気を電気信号に変換する方式（公知技術であるフラックスゲート方式）を用い、検出素子数を２個とする。もちろん、磁電変換方式として他の方式（例えば磁気抵抗素子、ホール素子など）を用いることも可能である。

図１の検出・増幅回路３に相当する部分は、磁気検出素子群２の出力信号を後述する発振器３２から供給される信号に基づき同期検波を行う同期検波回路３０と、同期検波回路３０の出力信号を増幅する増幅回路３１からなる。また、制御部５に相当する部分は、同期検波回路３０と後述する分周回路３３に信号を供給する発振器３２と、発振器３２から供給された信号を分周し、後述するドライブ回路３４に供給する分周回路３３と、分周回路３３から供給された信号に基づき磁気検出素子群２を駆動するドライブ回路３４からなる。

図９において、磁気検出素子群２の検出出力である誘導電圧信号は、同期検波回路３０に供給される。

同期検波回路３０は、誘導電圧信号を励磁信号周波数（ｆ／２）の２倍の周波数（ｆ）で同期検波し、増幅回路３１に供給する。増幅回路３１は、同期検波された誘導電圧信号を後段回路で信号を処理するに十分なレベルに増幅するとともに、高周波成分を図示しないＬＰＦ（Low Pass Filter）により除去する。増幅回路３１の出力信号が方位情報ＤＩとなる。

発振器３２は、磁気検出素子群２の励磁コイルにドライブ回路３４を介して供給する信号、同期検波回路３０に供給されて同期検波用の制御信号の基になる周波数ｆの信号を発振する。

分周回路３３は、発振器３２からの周波数ｆの信号を、ｆ／２に分周してドライブ回路３４に供給する。

ドライブ回路３４は、分周回路３３からのｆ／２の信号を用いて磁気検出素子群２の励磁コイル１３を駆動する。励磁コイル１３は、磁気検出素子２ａ、２ｂに共通に設けられている。

分周回路３３の構成について詳細に説明する。分周回路３３は、バイナリカウンタにより構成され、発振器３２からの周波数ｆをクロックCLK端子から取り入れて、ｆ／２出力する。ｆ／２の信号は、ドライブ回路３４に供給される。

このように、本願発明に係る磁気方位測定装置１は、所定間隔を置いて並列に配置された各磁気コアの周囲に、連続して各磁気コアを励磁する励磁コイルと、外部磁界を検出する検出コイルが形成されてなる磁気検出素子群２と、磁気検出素子群２で検出された信号を増幅する検出・増幅回路３を有するので、磁気検出素子群２の感度軸方向の増大化を伴わずに外部磁界に対する出力感度を高めることができる。

また、本願発明に係る磁気方位測定装置１が有する磁気検出素子群２の各磁気検出素子が、各磁気検出素子により発生された漏洩磁束Ｂが互いに作用し合う距離に近接して配置されてなり、漏洩磁束Ｂがループをなすので、互いの励磁を補助し合い、磁気検出素子群２の感度軸方向の増大化を伴わずに、励磁効率を高めることができる。

なお、磁気検出素子群２は、フラックスゲートを用いる他に、例えば磁気抵抗素子、磁気インピーダンス素子、ホール素子等を用いる事が出来る。

本発明の実施の形態となる、磁気方位測定装置の概略構成を示すブロック図である。 磁気検出素子群の構成を示す図である。 磁気検出素子群の第１の具体的な構成を示す図である。 磁気検出素子群の第２の具体的な構成を示す図である。 励磁磁界の変動を示す図である。 磁気コアのＢ−Ｈ特性図である。 外部磁界の影響を受けた磁気コアのＢ−Ｈ特性図である。 薄膜プロセスによる磁気検出素子の形成を説明するための図である。 磁気方位測定装置の詳細な構成を示す回路図である。 フラックスゲート式磁気センサの構成を示す図である。

符号の説明

１ 磁気方位測定装置、２ 磁気検出素子群、２ａ，２ｂ 磁気検出素子、３ 検出・増幅回路、４ 磁気検出部、５ 制御部、１０ａ，１０ｂ 磁気コア、１１ 第１の導電線、１２ 第２の導電線、１３ 励磁コイル、１４ 検出コイル、３０ 同期検波回路、３１ 増幅回路、３２ 発振器、３３ 分周回路、３４ ドライブ回路

Claims (10)

1. 軟磁性材料からなる磁気コアの周囲に、第１の導電線と第２の導電線とが巻回されており、上記第１の導電線により外部磁界を検出する検出コイルが構成され、上記第２の導電線により上記磁気コアを励磁する励磁コイルが構成される磁気検出素子が、複数個、並列に並んでなっており、
   隣接する磁気検出素子の磁気コアの周囲を、上記第１の導電線及び上記第２の導電線が電気的に直列に接続されて巻回されていることを特徴とする磁気検出素子群。
2. 上記第１の導電線及び上記第２の導電線は、隣接する磁気検出素子の磁気コアの周囲を、同一方向に巻回されていることを特徴とする請求項１記載の磁気検出素子群。
3. 上記第１の導電線及び上記第２の導電線は、隣接する磁気検出素子の磁気コアの周囲を、互いに反対方向に巻回されていることを特徴とする請求項１記載の磁気検出素子群。
4. 一の磁気検出素子と他の磁気検出素子は、互いに磁気的な相互作用を及ぼす距離だけ離間して形成されていることを特徴とする請求項３記載の磁気検出素子群。
5. 上記磁気コア、上記第１の導電線及び上記第２の導電線は、非磁性基板上に薄膜プロセスにより形成されることを特徴とする請求項１記載の磁気検出素子群。
6. 指向性を有する２個以上の磁気検出素子を、並列に所定距離離間して配置してなる磁気検出手段と、
   上記磁気検出手段で検出された磁気信号を増幅し、磁気方位情報を出力する増幅手段とを備え、
   上記磁気検出手段は、軟磁性材料からなる磁気コアの周囲に、第１の導電線と第２の導電線とが巻回されており、上記第１の導電線により外部磁界を検出する検出コイルが構成され、上記第２の導電線により上記磁気コアを励磁する励磁コイルが構成される磁気検出素子が、複数個、並列に並んでなっており、隣接する磁気検出素子の磁気コアの周囲を、上記第１の導電線及び上記第２の導電線が電気的に直列に接続されて巻回されていることを特徴とする磁気方位測定装置。
7. 上記第１の導電線及び上記第２の導電線は、隣接する磁気検出素子の磁気コアの周囲を、同一方向に巻回されていることを特徴とする請求項６記載の磁気方位測定装置。
8. 上記第１の導電線及び上記第２の導電線は、隣接する磁気検出素子の磁気コアの周囲を、反対方向に巻回されていることを特徴とする請求項６記載の磁気方位測定装置。
9. 一の磁気検出素子と他の磁気検出素子は、互いに磁気的な相互作用を及ぼす距離だけ離間して形成されていることを特徴とする請求項８記載の磁気方位測定装置。
10. 上記磁気検出手段は、上記磁気コア、上記第１の導電線及び上記第２の導電線が、非磁性基板上に薄膜プロセスにより形成されてなることを特徴とする請求項６記載の磁気検出装置。

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