JP2011024168A - ループアンテナおよび磁界プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 ２つの軸方向の磁界を同程度の感度で測定し、測定時間を短くする。
【解決手段】 磁界プローブ１のループアンテナ３は、多層基板５の表面と平行に設けられた第１のループパターン１０と、多層基板５の厚さ方向と平行に設けられた第２のループパターン１５とによって構成する。第１のループパターン１０は、多層基板５の厚さ方向の中間位置に配置されたコ字形ループパターン１１，１２によって形成する。また、コ字形ループパターン１１，１２の間には第２のループパターン１５を直列に接続し、１本の導体線路ＣＬを形成する。そして、第１，第２のループパターン１０，１５は、中心軸Ｏを中心として回転対称な形状に形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、互いに交差した２つのループパターンを備えたループアンテナおよび該ループアンテナを用いた磁界プローブに関する。

従来技術によるループアンテナとして、例えば多層基板に互いに直交した３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に直交した３つのループパターンを設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この場合、各ループパターンは互いに独立して設け、３軸方向の磁界を３つのループパターンを用いてそれぞれ独立して検出する構成となっている。また、他の従来技術として、互いに直交した３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に直交した３つのコイルを設けると共に、これら３つのコイルを１本の巻線を用いて互いに接続して形成したものも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−２９５４０２号公報 特開２００１−１４８６０８号公報

ところで、特許文献１によるループアンテナでは、各軸に独立したループパターンを形成して、３軸方向の磁界をそれぞれ独立して検出している。しかし、ループアンテナで磁界を検出する場合には、磁界強度の最大値が得られるように、ループアンテナが取り付けられたプローブを回転させる必要がある。このとき、３軸方向に対してそれぞれ同様な回転操作を行う必要があるから、測定時間が長くなる。

また、３つのループパターンが重ならないように配置するから、非接触な状態で各ループパターンを交差させるために、基板の端面から各ループパターンまでの距離は互いに異なる。このため、被測定物を基板の端面近傍に配置したときには、被測定物と各ループパターンとの間の距離が互いに異なり、磁界を検出する軸方向に応じて測定値が異なるという問題がある。この結果、異なる軸方向の磁界を同時に測定しても、各ループパターンの感度等を考慮して各軸方向毎の検出結果を換算して評価する必要があり、装置が複雑化するという問題もある。

特許文献２によるループアンテナでは、１本の巻線を用いて３つのコイルを形成しているから、巻線が重なり合う位置では、巻線の間が絶縁を確保する必要がある。この結果、上述と同様に、被測定物と各コイルとの間の距離が互いに異なり、軸方向毎に測定感度が異なるという問題がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、２つの軸方向の磁界を同程度の感度で測定し、測定時間を短くすることができるループアンテナおよび磁界プローブを提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、基板と、該基板に設けられ該基板の表面と平行な開口面を有する第１のループパターンと、該基板に設けられ該基板の表面と垂直な開口面を有する第２のループパターンとを備えたループアンテナにおいて、前記第１のループパターンおよび第２のループパターンは、互いに接続されて１本の導体線路を形成し、前記第１のループパターンおよび第２のループパターンは、前記基板の端面近傍に位置して、該端面までの距離寸法が互いに同じ位置に配置したことを特徴としている。

請求項２の発明では、前記第１のループパターンおよび第２のループパターンは、その開口面積が互いに同じで中心軸の位置で互いに交差し、該中心軸に関してそれぞれ線対称な形状に形成している。

請求項３の発明では、本発明のループアンテナを用いて磁界プローブを構成している。

請求項１の発明によれば、第１のループパターンおよび第２のループパターンは、互いに接続されて１本の導体線路を形成するから、２つのループパターンの出力信号を１本の導体線路を用いて一緒に検出することができる。このため、２つの軸方向の磁界を単一の出力信号を用いて検出することができ、軸方向毎に独立して磁界を検出した場合に比べて、磁界の検出時間を短くすることができる。

また、第１のループパターンおよび第２のループパターンは基板の端面までの距離寸法が互いに同じ位置に配置したから、例えば被測定物を基板の端面近傍に配置したときには、被測定物と２つのループパターンとの間の距離を同じ値にすることができる。このとき、互いに直交する２つのループパターンは、同程度の感度をもって被測定物の磁界を検出することができるから、例えば２つのループパターンのうちいずれか一方で最大磁界を検出すればよい。このため、２つのループパターンのうちいずれか一方を磁界と直交させればよいから、例えばループアンテナの回転角度を減少させて、磁界の検出時間を短縮することができる。

請求項２の発明によれば、第１のループパターンおよび第２のループパターンは、その開口面積が互いに同じで中心軸の位置で互いに交差し、該中心軸に関してそれぞれ線対称な形状に形成した。このため、中心軸を中心として２つのループパターンを最大９０°回転させることによって、中心軸に直交する方向の最大磁界を検出することができる。この結果、ループアンテナの回転角度を小さくして、測定時間を短くすることができる。

請求項３の発明によれば、本発明によるループアンテナを用いて磁界プローブを形成するから、磁界の検出時間を短縮して、検出作業の効率を高めることができる。

本発明の実施の形態による磁界プローブを示す斜視図である。 図１中のループアンテナを示す斜視図である。 図２中のループパターンを多層基板を透視した状態で示す斜視図である。 ループアンテナを図２中の矢示IV−IV方向からみた断面図である。 ループアンテナを図４中の矢示Ｖ−Ｖ方向からみた断面図である。 ループアンテナを図４中の矢示VI−VI方向からみた断面図である。 ループアンテナを図４中の矢示VII−VII方向からみた断面図である。

以下、本発明の実施の形態によるループアンテナを磁界プローブに適用した場合を例に挙げて、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１ないし図７は実施の形態による磁界プローブ１を示している。この磁界プローブ１は、筒状のケース２と、該ケース２の先端部分に収容された後述するループアンテナ３とによって大略構成されている。このとき、ケース２は、必ずしもループアンテナ３の全体を覆う必要はなく、例えば測定対象となる被測定基板Ｓ側が開口した構成としてもよい。

また、ループアンテナ３は、信号処理回路４に電気的に接続されている。この信号処理回路４は、ループアンテナ３に発生する電圧、電流等の検出信号に基づいて磁界の検出を行う。これにより、磁界プローブ１は、被測定基板Ｓの表面近傍に発生する磁界を測定する。

ループアンテナ３は、後述する絶縁層６〜９を備えた多層基板５および該多層基板５に設けられた第１，第２のループパターン１０，１５によって構成されている。そして、ループアンテナ３は、磁界プローブ１の先端側に配置されている。

多層基板５は、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向のうち例えばＸ軸方向およびＺ軸方向に対して平行に広がる平板状に形成されると共に、例えば４層の絶縁層６〜９を厚さ方向となるＹ軸方向に積層することによって構成されている。このとき、多層基板５は、幅方向となるＸ軸方向に対して例えば数ｍｍ程度の幅寸法を有すると共に、長さ方向となるＺ軸方向に沿って延びている。

また、各絶縁層６〜９は、例えば絶縁性の樹脂材料を用いて層状に形成されている。そして、多層基板５の先端面５Ａは、例えば四角形状の端面によって形成されると共に、磁界プローブ１の検出端となる先端部分（Ｚ軸方向の一端部分）に配置されている。一方、多層基板５の基端部分（Ｚ軸方向の他端部分）は磁界プローブ１の内部に向けて延びている。

また、多層基板５は、Ｙ軸方向に対して例えば数百μｍ〜数ｍｍの厚さ寸法Ｔを有している。このとき、第１，第４の絶縁層６，９は厚さ方向（Ｙ軸方向）の両端側に位置し、第１，第４の絶縁層６，９の厚さ寸法は、第２，第３の絶縁層７，８の厚さ寸法よりも大きな値に設定されている。

第１のループパターン１０は、図２ないし図４に示すように、例えば導電性金属材料を用いた細長い薄膜の電極パターンによって形成され、多層基板５の厚さ方向の中間位置として、第２の絶縁層７と第３の絶縁層８の間に配置されている。また、第１のループパターン１０は、例えば略コ字状に屈曲した２つのコ字形ループ線路１１，１２によって構成されている。このコ字形ループ線路１１，１２の基端側には、多層基板５の基端側に向けてＺ軸方向に沿って延びる配線部１３，１４がそれぞれ接続されている。そして、第１のループパターン１０は、配線部１３，１４を通じて信号処理回路４に接続されている。

ここで、コ字形ループ線路１１，１２は、図４に示すように、中心線Ｏを挟んでＸ軸方向の両側に互いに離間した状態でそれぞれ配置されると共に、中心線Ｏに関して線対称な形状に形成されている。また、コ字形ループ線路１１は、Ｚ軸方向の基端側に位置してＸ軸方向に沿って延びる第１のＸ方向線路部１１Ａと、該第１のＸ方向線路部１１Ａの先端に接続されＺ軸方向に沿って先端側に向けて延びるＺ方向線路部１１Ｂと、該Ｚ方向線路部１１Ｂの先端に接続されＸ軸方向に沿って延びる第２のＸ方向線路部１１Ｃとを備えている。さらに、第２のＸ方向線路部１１Ｃの先端部分は、後述する第１の接続パターン１６に接続されている。

コ字形ループ線路１２も、コ字形ループ線路１１とほぼ同様に、第１，第２のＸ方向線路部１２Ａ，１２Ｃと、これら第１，第２のＸ方向線路部１２Ａ，１２Ｃ間を接続するＺ方向線路部１２Ｂとによって構成されている。また、第２のＸ方向線路部１２Ｃの先端部分は、後述する第２の接続パターン１７に接続されている。

このとき、Ｚ方向線路部１１ＢとＺ方向線路部１２Ｂとの間の離間寸法Ｌ1は、多層基板５の厚さ寸法Ｔとほぼ同じ値となっている。また、Ｚ方向線路部１１Ｂ，１２Ｂの長さ寸法Ｌ2は、第１のＸ方向線路部１１Ａ，１２Ａと第２のＸ方向線路部１１Ｃ，１２Ｃとの間の離間寸法となり、例えば離間寸法Ｌ1と同じ値に設定されている。そして、第１のループパターン１０は、２つのコ字形ループ線路１１，１２によって略四角形（例えば正方形）の開口面Ｓaを有すると共に、この開口面Ｓaは多層基板５の表面（ＸＺ面）と平行に配置されている。

第２のループパターン１５は、図２、図３および図５に示すように、導電性金属材料を用いて細長い薄膜の電極パターンおよびビアホールを用いて形成され、多層基板５を貫通して多層基板５の厚さ方向（Ｙ軸方向）に平行に設けられている。また、ループパターン１５は、例えば多層基板５の厚さ方向の両側にそれぞれ設けられた直線状の電極パターンからなる第１，第２のＺ方向線路部１５Ａ，１５Ｂと、第１，第２のＺ方向線路部１５Ａ，１５Ｂの基端側に設けられ多層基板５を貫通するビアホールからなる第１のＹ方向線路部１５Ｃと、第１，第２のＺ方向線路部１５Ａ，１５Ｂの先端側に設けられ多層基板５の途中位置まで延びるビアホールからなる第２，第３のＹ方向線路部１５Ｄ，１５Ｅとによって構成されている。

ここで、第１のＺ方向線路部１５Ａは、第１の絶縁層６の表面に設けられＺ軸方向に沿って延びている。これに対し、第２のＺ方向線路部１５Ｂは、第４の絶縁層９の裏面に設けられ、第１のＺ方向線路部１５Ａと対向してＺ軸方向に沿って延びている。

一方、第１のＹ方向線路部１５Ｃは、Ｚ方向線路部１５Ａ，１５Ｂの基端側に位置して多層基板５を貫通して設けられ、Ｚ方向線路部１５Ａ，１５Ｂの間を電気的に接続している。また、第２のＹ方向線路部１５Ｄは、Ｚ方向線路部１５Ａの先端側に位置して第１の絶縁層６を貫通して設けられ、Ｚ方向線路部１５Ａの先端側に電気的に接続されている。さらに、第３のＹ方向線路部１５Ｅは、Ｚ方向線路部１５Ｂの先端側に位置して第４の絶縁層９を貫通して設けられ、Ｚ方向線路部１５Ｂの先端側に電気的に接続されている。

このとき、第１のＹ方向線路部１５Ｃは、図５および図６に示すように、第１のＸ方向線路部１１Ａ，１２Ａの間に位置して、中心軸Ｏを横切ってＹ軸方向に延びると共に、Ｚ軸方向に対して第１のＸ方向線路部１１Ａ，１２Ａと同じ位置に配置されている。一方、第２，第３のＹ方向線路部１５Ｄ，１５Ｅは、図５および図７に示すように、中心軸Ｏを横切ってＹ軸方向に延びる直線に沿って設けられると共に、Ｚ軸方向に対して第２のＸ方向線路部１１Ｃ，１２Ｃと同じ位置に配置されている。これにより、第１のループパターン１０および第２のループパターン１５は、多層基板５の先端面５Ａの近傍に位置して、それぞれの開口面Ｓa，Ｓbから先端面５Ａまでの距離寸法Ｌ3，Ｌ4が互いに同じ値となる位置に配置されている。

なお、第１，第２のループパターン１０，１５は、先端面５Ａに近付くに従って、被測定基板Ｓの近傍磁界に対する感度が高くなる。このため、距離寸法Ｌ3，Ｌ4は、例えば第２のＸ方向線路部１１Ｃ，１２Ｃの線路幅寸法と同程度（例えば数十μｍ〜数百μｍ）の値に設定されている。

また、第１のＺ方向線路部１５Ａと第２のＺ方向線路部１５Ｂとの間の離間寸法は、多層基板５の厚さ寸法Ｔと同じ値となると共に、Ｚ方向線路部１１ＢとＺ方向線路部１２Ｂとの間の離間寸法とほぼ同じ値となっている。そして、第２のループパターン１５は、第１，第２のＺ方向線路部１５Ａ，１５Ｂおよび第１〜第３のＹ方向線路部１５Ｃ〜１５Ｅによって囲まれた略四角形の開口面Ｓbを有すると共に、この開口面Ｓbは多層基板５の厚さ方向（ＹＺ面）と平行に配置されている。

また、第２のループパターン１５は、中心軸Ｏを通って第１のループパターン１０と交差している。さらに、第１，第２のループパターン１０，１５の開口面Ｓa，Ｓbは、いずれも中心軸Ｏに関して線対称な形状に形成されると、互いにほぼ同じ形状となっている。このため、開口面Ｓa，Ｓbは、中心軸Ｏを中心として互いに回転対称な形状となっている。

第１の接続パターン１６は、図２、図３および図７に示すように、第２の絶縁層７に設けられ、第２のＹ方向線路部１５Ｄと第２のＸ方向線路部１１Ｃとの間を電気的に接続している。また、第１の接続パターン１６は、第１の絶縁層６と第２の絶縁層７との間に設けられＸ軸方向に沿って延びた導電性の電極パターンからなるＸ方向接続部１６Ａと、第２の絶縁層７を貫通して設けられたビアホールからなるＹ方向接続部１６Ｂとによって構成されている。

ここで、Ｘ方向接続部１６Ａの基端側は、第２のループパターン１５の第２のＹ方向線路部１５Ｄに接続されている。一方、Ｘ方向接続部１６Ａの先端側は、コ字形ループ線路１１が位置するＸ軸方向の一側に向けて延び、Ｙ方向接続部１６Ｂを介して第１のループパターン１０の第２のＸ方向線路部１１Ｃに接続されている。また、第１の接続パターン１６は、Ｚ軸方向に対して第２のＸ方向線路部１１Ｃおよび第２のＹ方向線路部１５Ｄと同じ位置に配置され、中心軸Ｏの位置を回避して第２のＸ方向線路部１１Ｃと第２のＹ方向線路部１５Ｄとの間を接続している。

第２の接続パターン１７は、第３の絶縁層８に設けられ、第３のＹ方向線路部１５Ｅと第２のＸ方向線路部１２Ｃとの間を電気的に接続している。また、第２の接続パターン１７は、第３の絶縁層８と第４の絶縁層９との間に設けられＸ軸方向に沿って延びた導電性の電極パターンからなるＸ方向接続部１７Ａと、第３の絶縁層８を貫通して設けられたビアホールからなるＹ方向接続部１７Ｂとによって構成されている。

ここで、Ｘ方向接続部１７Ａの基端側は、第２のループパターン１５の第３のＹ方向線路部１５Ｅに接続されている。一方、Ｘ方向接続部１７Ａの先端側は、コ字形ループ線路１２が位置するＸ軸方向の他側に向けて延び、Ｙ方向接続部１７Ｂを介して第１のループパターン１０の第２のＸ方向線路部１２Ｃに接続されている。また、第２の接続パターン１７は、Ｚ軸方向に対して第２のＸ方向線路部１２Ｃおよび第３のＹ方向線路部１５Ｅと同じ位置に配置され、中心軸Ｏの位置を回避して第２のＸ方向線路部１２Ｃと第３のＹ方向線路部１５Ｅとの間を接続している。

そして、第１，第２の接続パターン１６，１７は、中心軸Ｏを中心として互いに１８０°回転した形状となっている。また、第１，第２の接続パターン１６，１７は、第１のループパターン１０のコ字形ループ線路１１とコ字形ループ線路１２との間に第２のループパターン１５を直列に接続している。これにより、第１，第２のループパターン１０，１５は、互いに接続されて１本の導体線路ＣＬを形成している。

本実施の形態による磁界プローブ１は上述の如き構成を有するもので、次にその作動について説明する。

まず、磁界プローブ１の先端部分を、測定対象となる被測定基板Ｓの表面に近接した状態で配置する。そして、磁界プローブ１を被測定基板Ｓの表面のうち任意の測定位置に固定し、中心軸Ｏを中心として回転させる。ここで、磁界プローブ１の近傍に位置して被測定基板Ｓの表面（ＸＹ平面）に平行な磁界が発生すると、この磁界はループアンテナ３の第１，第２のループパターン１０，１５の内部を通過する。これにより、例えば第１，第２のループパターン１０，１５に電圧、電流等の検出信号が生じるため、この検出信号によって被測定基板Ｓの表面と平行な磁界を検出することができる。

然るに、第１，第２のループパターン１０，１５の開口面Ｓa，Ｓbのうちいずれか一方に対して磁界が垂直方向に入射したときに、ループアンテナ３は最大感度となる。このとき、第１，第２のループパターン１０，１５は、中心軸Ｏを中心として互いに直交した状態で設けられている。また、第１，第２のループパターン１０，１５は、その開口面Ｓa，Ｓbの面積が互いに等しく、かつ被測定基板Ｓからの離間寸法を決める先端面５Ａまでの距離寸法Ｌ3，Ｌ4が互いに等しくなっている。このため、第１，第２のループパターン１０，１５は、磁界の検出感度が互いに等しくなっている。従って、ループアンテナ３は、第１，第２のループパターン１０，１５の開口面Ｓa，Ｓbと直交する２つの方向の磁界を、互いに同じ感度で同時に検出することができる。

この結果、被測定基板Ｓの表面の磁界に対して、第１，第２のループパターン１０，１５の開口面Ｓa，Ｓbのうちいずれか一方が直交すればよいから、例えば１つのループパターンを用いて磁界を測定した場合に比べて、中心軸Ｏを中心とする磁界プローブ１の回転角度を小さくすることができる。これにより、最大磁界の測定時間を短縮することができるから、例えば被測定基板Ｓの複数箇所で最大磁界を測定する場合でも、短時間で効率的な測定が可能となる。

かくして、本実施の形態では、第１のループパターン１０および第２のループパターン１５は、互いに接続されて１本の導体線路ＣＬを形成するから、２つのループパターン１０，１５の出力信号を１本の導体線路ＣＬを用いて一緒に検出することができる。このため、２つの軸方向の磁界を単一の出力信号（検出信号）を用いて検出することができ、従来技術のように軸方向毎に独立して磁界を検出した場合に比べて、磁界の検出時間を短縮することができると共に、信号処理回路４等の構成を簡略化することができる。

また、第１のループパターン１０および第２のループパターン１５は多層基板５の先端面５Ａまでの距離寸法Ｌ3，Ｌ4が互いに同じ値となる位置に配置したから、例えば被測定基板Ｓを多層基板５の先端面５Ａの近傍に配置したときには、被測定基板Ｓと２つのループパターン１０，１５との間の距離を同じ値にすることができる。このとき、互いに直交する２つのループパターン１０，１５は、同程度の感度をもって被測定基板Ｓの磁界を検出することができるから、例えば２つのループパターン１０，１５のうちいずれか一方で最大磁界を検出すればよい。このため、２つのループパターン１０，１５のうちいずれか一方を磁界と直交させればよいから、例えばループアンテナ３の回転角度を減少させて、磁界の検出時間を短縮することができる。

また、第１のループパターン１０および第２のループパターン１５は、その開口面Ｓa，Ｓbの面積が互いに同じで中心軸Ｏの位置で互いに交差し、該中心軸Ｏに関してそれぞれ線対称な形状に形成した。このため、中心軸Ｏを中心として２つのループパターン１０，１５を最大９０°回転させることによって、中心軸Ｏに直交する方向の最大磁界を検出することができる。この結果、ループアンテナ３の回転角度を小さくして、測定時間を短くすることができる。

さらに、本実施の形態では、第１，第２のループパターン１０，１５を備えたループアンテナ３を用いて磁界プローブ１を形成するから、磁界の検出時間を短縮して、検出作業の効率を高めることができる。

なお、前記実施の形態では、第１，第２のループパターン１０，１５は略四角形に形成したが、例えば三角形、五角形等の他の多角形状としてもよく、円形、半円形、楕円形等に形成してもよい。

また、前記実施の形態では、４層の絶縁層６〜９を備えた多層基板５を用いてループアンテナ３を形成する構成としたが、５層以上の絶縁層を備えた多層基板を用いる構成としてもよい。

さらに、前記実施の形態では、ループアンテナ３を被測定基板Ｓの表面磁界を検出する磁界プローブ１に適用した場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、被測定基板Ｓのように平坦なものに限らず、他の立体的な形状の表面に生じる磁界を検出する構成としてもよい。

１ 磁界プローブ
３ ループアンテナ
５ 多層基板（基板）
５Ａ 先端面（端面）
１０ 第１のループパターン
１５ 第２のループパターン

Claims (3)

1. 基板と、該基板に設けられ該基板の表面と平行な開口面を有する第１のループパターンと、該基板に設けられ該基板の表面と垂直な開口面を有する第２のループパターンとを備えたループアンテナにおいて、
   前記第１のループパターンおよび第２のループパターンは、互いに接続されて１本の導体線路を形成し、
   前記第１のループパターンおよび第２のループパターンは、前記基板の端面近傍に位置して、該端面までの距離寸法が互いに同じ位置に配置したことを特徴とするループアンテナ。
2. 前記第１のループパターンおよび第２のループパターンは、その開口面積が互いに同じで中心軸の位置で互いに交差し、該中心軸に関してそれぞれ線対称な形状に形成してなる請求項１に記載のループアンテナ。
3. 前記請求項１または２に記載のループアンテナを用いた磁界プローブ。

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