JP2012202721A

JP2012202721A - 磁気センサ並びにそれを用いた電流センサ

Info

Publication number: JP2012202721A
Application number: JP2011065017A
Authority: JP
Inventors: Teruo Kiyomiya; 照夫清宮
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: JP5761846B2

Abstract

【課題】小型で微小な磁極間の磁界評価や、評価対象近傍領域の磁界評価ができる磁気センサを提供すること
【解決手段】磁気センサ１０は、外径１２５μｍの光ファイバークラッドからなる円柱状のベース部材１１の外周面に磁気抵抗薄膜１２を被膜すると共に、その磁気抵抗効果膜１２の軸方向両端に導体膜１３を成膜して形成される。導体膜が電極部となる。導体膜間にセンス電流を流すことで、このセンス電流ベクトルと外部磁界による円柱周囲の確気抵抗薄膜の磁化ベクトルとの成す角度に応じて、磁気抵抗薄膜の抵抗変化が生じ、端子間の電圧変化として検出可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁界センサ及びそれを用いた電流センサに関するものである。

各種の製品（例えば電時式アクチュエータ等）を開発するに際し、その製品に搭載される部品（例えばマイクロモータ用の多極リング磁石等）について磁界評価を行う。この磁界評価を行う際に使用する磁気センサとして、従来ホール素子を用いた磁気センサが広く使用されている。このホール素子を用いた磁気センサは、ホール素子がＧａＡｓなどの化合部半導体から形成されることから非常に脆い材料であるため、表面を樹脂モールドして覆っている。この種の磁気センサは、例えば特許文献１等に開示されている。

また、電流センサは、環状で一部にギャップを備えた磁気コア（ヨーク材料）を用意し、そのギャップ内に上記の磁気センサ（ホール素子）を配置することで構成される。係る電流センサを用いて電流値を測定する場合、環状の磁気コアの中央を貫通するように被測定対象の電線を配置する。すると、当該電線に電流が流れると、それに伴い磁気コア内を周回するように磁界が発生する。この磁界は、電流の大きさに対応する。よって、ギャップに配置した磁気センサにてその磁界の大きさを検知することで、非接触で電流値を求めることができる。

特開２０１０−２４９６５５号公報

ホール素子を用いた磁気センサは、上述したように樹脂モールドされているためホール素子の表面に厚い保護被膜が形成されている。よって、係る保護被膜を含めたセンサ部の厚さは、３００μｍ以上となる。そのため、非常に狭い磁極間の磁界評価や、評価対象近傍領域の磁界評価が困難となる。特に製品の小型化に伴い、評価対象物のさらなる小型化が進み、上記の問題は顕著になってくる。

さらにホール素子は、温度特性（耐熱温度）にも問題がある。すなわち、高温タイプのＩｎＡｓ素子でも耐熱温度は１２５℃となっているため、使用環境（耐熱環境）が制限される。

電流センサの場合は、環状磁気コアのギャップ内にホール素子からなる磁気センサを配置する構成を採ることから、ホール素子が保護被膜のため厚くなり、その結果磁気コアのギャップを大きくする必要がある。従って、評価磁界感度が劣る問題がある。また、ホール素子を磁界方向に鉛直に精度良く配置でき.ないことから、電流値評価の誤差が生じる問題がある。

小型で微小な磁極間の磁界評価や、評価対象近傍領域の磁界評価、微小（狭小）な空間での計測等が行えるとともに、耐熱環境の良好な磁気センサを開発したいという課題がある。検出精度が高く耐熱環境の良好な電流センサを開発することも副次的課題としてある。

上述した課題を解決するため、本発明の磁気センサは、（１）非磁性体から形成される円柱状のベース部材と、そのベース部材の外周面に形成した磁気抵抗薄膜と、を備えて構成した。ホール素子のように樹脂モールドした保護被膜が不要となるので、小型・薄型な全体形状となり、小型で微小な磁極間の磁界評価や、評価対象近傍領域の磁界評価、微小（狭小）な空間での計測等が行える。磁気抵抗効果膜を平坦（平面）な薄膜形状にした場合、膜に垂直方向と面内方向で磁気抵抗効果に大きな差があり、印加磁界方向による磁気抵抗変化が大きいため、設置姿勢・向きも高精度に制御する必要があり汎用の磁気センサとして機能しない。これに対し、本発明では、円柱形状のベース部材の周囲に磁気抵抗薄膜を形成することで、円筒状（パイプ状）の磁気抵抗薄膜となり、外部より印加される磁界に対して２次元的に対象な磁界感度を有する磁気センサとなる。その結果、非常に狭い磁極間の磁界評価や評価対象近傍領域の磁界評価の際、磁気センサの配置において、２次元的に対象な構造を有するため、ホール素子のように外部磁界方向に対して鉛直に精度良く配置する必要が無く、設置をラフに行いつつ高精度な検出が行えるので作業性が良好となる。

（２）前記ベース部材は、ガラスファイバーまたは光ファイバーで形成されるようにするとよい。ガラスファイバーは、円柱形状の周囲に磁気抵抗薄膜を形成するためのベース材として細くかつ容易に入手可能な材料であるので好ましい。光ファイバーは、真円に近く細くて入手可能な円柱形状材料であるので好ましい。

（３）前記磁気抵抗薄膜の軸方向に所定の距離をおいて導体膜を形成するとよい。この導体膜は、センサ抵抗評価用の導体端子部となる。導体膜間にセンス電流を流すことで、このセンス電流ベクトルと外部磁界による円柱周囲の確気抵抗薄膜の磁化ベクトルとの成す角度に応じて、磁気抵抗薄膜の抵抗変化が生じ、端子間の電圧変化として検出可能となる。もちろん、導体膜が無くても磁気抵抗薄膜にセンス電流を流すことで磁気センサとして作用するが、導体膜を設けることで外部回路との接続が容易となる。

（４）磁気抵抗薄膜材料のキュリー温度が１５０℃以上とするとよい。磁気抵抗薄膜のキュリー温度を１５０℃以上にすることで、ホール素子では評価不可能な高温領域の磁界評価が可能となる。

（５）本発明の電流センサは、被測定導線を貫通させる環状磁気コアにギャップを設け、このギャップに（１）〜（４）のいずれかに記載の磁気センサを配置した。（１）〜（４）に記載の磁気センサは、円柱のベース部材の周囲に磁気抵抗薄膜を形成した形状となるため、非常に細いファイバー状のセンサとなる。よって、環状磁気コアのギャップを狭くすることができ、磁界感度の高い評価が可能となる。また、２次元的に対象の構造のため、ギャップ空間への配置に精度がいらない。

本発明の磁気センサを用いれば、評価対象物に対して本磁気センサを近接配置することで、評価対象近傍領域の磁界を再現性良く評価可能となる効果を有する。また、電流センサも高精度の検出ができる。

本発明に係る磁気センサの好適な一実施形態を示す図である。実験結果を説明する図である。実験結果を説明する図である。本発明に係る電流センサの好適な一実施形態を示す図であり、（ａ）は全体図であり（ｂ）はその要部拡大図である。

図１は、本発明に係る磁気センサの好適な一実施形態を示している。磁気センサ１０は、外径１２５μｍの光ファイバークラッドからなる円柱状のベース部材１１の外周面に磁気抵抗薄膜１２を被膜すると共に、その磁気抵抗効果膜１２の軸方向両端に導体膜１３を成膜して形成される。

ベース部材１１は、上述したように光ファイバークラッドを用いたため、真円に近いとともに直径も細い円柱形状材料となる。磁気抵抗効果膜１２は、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０パーマロイ薄膜を用いた。円柱状のベース部材１１の外周囲に全周に渡り磁気抵抗効果膜１２を成膜することで、磁気抵抗効果膜は、薄膜構造のまま軸対称な円筒状（パイプ状）となる。これにより、反磁界係数の角度依存の影響が可及的に抑制でき、磁気センサの設置時の計測対象物との相対位置関係が比較的ラフに設定できる。

また、磁気抵抗効果膜１２の両端に成膜した導体膜１３は、電極部を構成する。よって、その一対の電極部（導体膜１３）を介して磁気センサ１０から出力される検出信号を取り出すことができる。

係る構成の磁気センサ１０は、例えば以下のようにして製造する。ベース部材１１となる光ファイバーをアセトンとＩＰＡにより有機洗浄を行った後、耐熱テープにてベース部材１１を基板に固定する。ベース部材１１を基板に固定した状態で、スパッタ法によりＴｉ下地にＮｉ_８０Ｆｅ_２０パーマロイ薄膜を成膜する。膜厚は、例えば、ベタ膜条件で０．１μｍとする。成膜後、ベース部材１１を裏返し、同様に磁気紙抗薄膜を成膜する。これにより、ベース部材１１の外周囲の全周に渡り磁気抵抗効果膜１２が成膜される。

次に、アルミ箔にて磁気抵抗効果膜１２が成膜されたベース部材１１の一部を覆う。このとき、少なくとも磁気抵抗効果膜１２の軸方向中間部位がアルミ箔で覆われるとともに、両端が露出する設定とする。この状態でスパッタ法によりＴｉ下地膜の上にＣｕ膜と最上部にＡｕ膜を成膜する。成膜後、ベース部材１１を裏返し、同様の処理を実行する。これにより、スパッタ処理中に露出していた磁気抵抗効果膜１２の両端にその外周囲の全周に渡り導体膜１３が成膜される。その後、真空熱処理炉にて３００℃で１時間熱処理を施す。

次に、本発明の効果を実証するため下記の実験を行った。すなわち、製作した磁気センサ端子間に一定のセンス電流を流し、外部より磁界強度を変化させることで磁気抵抗薄膜の抵抗変化を端子間の電圧変化として検出した。同様の評価を、磁気センサを回転させて３回行った。すなわち、図２におけるθをパラメータとして変化させ、繰り返し実験を行った。

図３は、実験結果を示している。横軸が外部より与えた磁界強度であり、縦軸がそのときの端子間に出力された電圧である。系列１〜３は、異なる角度θについてのものである。図から明らかなように、系列１〜３は全て同様の系統を示しており、軸周りでの角度に対する感度依存性がない（きわめて少ない）ことが確認できる。

上述した実施形態では、端子部となる導電膜１３は、磁気抵抗効果膜１２の両端に配置したが、本発明はこれに限ることはなく、導体膜１３の外側にさらに磁気抵抗効果膜１２が突出したレイアウトをとることもできる。

また、上述した実施形態では、磁気抵抗効果膜１２は、軸方向につながった状態としているが、軸方向の途中で磁気抵抗効果膜を設けない領域を形成することで、軸方向に複数の磁気抵抗効果膜の領域が形成されるので、検出領域を複数設定することができる。また、磁気抵抗効果膜１２は、円周方向で全周に渡り全面に成膜したが、一部設けない領域を設けても良い。

磁気抵抗効果膜は、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０パーマロイ薄膜を用いて形成したが、材質は他ものでももちろん良い。また、磁気抵抗薄膜の材料のキュリー温度は、１５０℃以上のものとするとよい。
ベース部材１１は、光ファイバークラッドを用いたが、ガラスファイバーその他の材料で構成することができる。

図４は、本発明に係る電流センサの好適な一実施形態を示している。本実施形態では、環状磁気コア２０にギャップ２１を設け、そのギャップ２１内に磁気センサ１０を配置した構成を採る。環状磁気コア２０は、フェライトで構成する。磁気センサ１０は、上述したものである。計測時には、環状磁気コア２０の中央の空間内に被測定導線２５を挿入配置する。

図では、環状磁気コア２０の軸方向と磁気センサ１０の軸を平行に配置しているが、両者を直交させるなど、配置方向は任意である。本実施形態の電流センサは、小型高精度でかつ耐熱性に優れたものとなる。よって、屋外の蓄電デバイスや電気自動車の電流制御検出用途に多く利用することができる。

１０磁気センサ
１１ベース部材
１２磁気抵抗効果膜
１３導体膜
２０環状磁気コア
２１ギャップ
２５被測定導線

Claims

非磁性体から形成される円柱状のベース部材と、
そのベース部材の外周面に形成した磁気抵抗薄膜と、
を備えた磁気センサ。
前記ベース部材は、ガラスファイバーまたは光ファイバーで形成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
前記磁気抵抗薄膜の軸方向に所定の距離をおいて導体膜を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。
磁気抵抗薄膜材料のキュリー温度が１５０℃以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気センサ。
被測定導線を貫通させる環状磁気コアにギャップを設け、
このギャップに請求項１〜４のいずれかに記載の磁気センサを配置したことを特徴とする電流センサ。