JP2013205308A

JP2013205308A - 磁界センサ

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Publication number: JP2013205308A
Application number: JP2012076148A
Authority: JP
Inventors: Makio Kitazawa; 真喜男北澤; Yuta Suzuki; 雄太鈴木
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-10-07

Abstract

【課題】製造コストを抑えつつ、磁束密度を正確に測定する。
【解決手段】絶縁ベース片２１、およびその上に並列された複数の導体パターン２２を有して、絶縁べース片２１を円環状に曲げて連結させた際に複数の導体パターン２２によって１本の周回導電路の形成が自在にそれぞれ構成された３つの磁気検出コイル素子２，３，４と、円環状に曲げられた状態で、互いの中心点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が一致し、かつ互いの中心軸Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が直交するように立体的に組み合わされた各磁気検出コイル素子２，３，４における交差部位を２枚重ね状態で保持する交差連結部５，６，７，８，９，１０とを備え、絶縁ベース片２１は、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内の厚みに形成されたガラスエポキシ基板で形成されると共に５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内の幅に形成され、かつ各導体パターン２２は１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内の厚みに形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、帯状の３つの磁気検出コイル素子がそれぞれ円環状に曲げられた状態で、互いの中心点が一致し、かつ互いの中心軸が直交する状態で組み合わされた磁界センサに関するものである。

この種の磁界センサとして、本願出願人は下記特許文献１に開示された磁界センサを既に提案している。この磁界センサは、略帯状を呈して円環状に曲げられる３つの磁気検出コイル素子と、円環状（同一半径であって、規格に規定された面積の円環状）に曲げられた各磁気検出コイル素子を直交配置した際にそれぞれの交差部分を連結する複数個の可撓連結片とを備えている。

この場合、磁気検出コイル素子は、可撓性を有して略帯状に形成された絶縁ベース片と、絶縁ベース片における一側面にその長さ方向に沿って互いに平行で、かつ等間隔に形成された複数列の導体パターン層とを備えて形成されている。なお、各導体パターン層は、絶縁ベース片の一側面に形成された絶縁層で覆われている。

また、絶縁ベース片は、絶縁樹脂フィルム薄片を用いて形成されている。また、各導体パターン層は、例えばサブトラクティブ法のような周知のプリント配線板製造法により絶縁ベース片上に残置された微細幅の銅箔層により各別に形成されている。また、１つの絶縁ベース片に形成された各導体パターン層は、絶縁ベース片を円環状に曲げてその一端側と他端側とを一体的に連結した際には、互いに電気的に接続されて、全体として複数巻きした巻線と同等の構造を有する１本の周回導電路に形成される。

これにより、各磁気検出コイル素子において形成される複数巻きした巻線が互いに直交配置されて構成された磁界センサ、つまり、３軸構造の磁界センサが製造される。

特開２００６−３４３１９６号公報（第４−５頁、第１−４図）

ところが、上記の磁界センサには、以下の改善すべき課題が存在している。すなわち、この磁界センサでは、各磁気検出コイル素子を円環状に曲げる際や、円環状に曲げられた状態の各磁気検出コイル素子を互いに直交配置する状態に組み合わせる際に、円環状の磁気検出コイル素子単体に対して、この磁気検出コイル素子を長円形状に歪ませる方向の外力が一時的に印加された場合において、外力の印加が停止したときには、磁気検出コイル素子は絶縁ベース片の弾性力によって、円環状に復帰する構成となっている。

しかしながら、上記の磁界センサでは、絶縁ベース片を形成する樹脂材料の種類およびその厚み、並びに絶縁ベース片に形成される導体パターン層の厚みについて何ら規定していないため、外力の停止に伴って磁気検出コイル素子が長円形状から円環状に戻った際に、真円に近い状態（規格に規定された面積の円環状）には戻らずに、歪みが残った状態（規格に規定された面積とは異なる面積の円環状）のままになる。この状態において各磁気検出コイル素子を直交配置した場合には、各磁気検出コイル素子において各軸方向の磁束密度を正確に測定することができないことになる。このため、製造段階において、各磁気検出コイル素子を手作業で真円に近い状態に整えつつ直交配置する必要があるため、製造に手間がかかる結果、製造コストが上昇するという改善すべき課題が存在している。

本発明は、かかる課題を改善するためになされたものであり、製造コストを抑えつつ、磁束密度を正確に測定し得る磁界センサを提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の磁界センサは、可撓性を有する帯状の絶縁ベース片、および当該絶縁ベース片上に当該絶縁ベース片の長さ方向に沿ってそれぞれ延設されると共に当該絶縁べース片の幅方向に間隔を空けて並列された複数の導体パターンを有して、当該絶縁べース片を円環状に曲げてその一端部側と他端部側とを連結させた際に前記複数の導体パターンにおける前記一端部側の端部が隣接する他の導体パターンにおける前記他端部側の端部に接続されることで当該複数の導体パターンによって１本の周回導電路の形成が自在にそれぞれ構成された３つの磁気検出コイル素子と、前記円環状に曲げられた状態で、互いの中心点が一致し、かつ互いの中心軸が直交するように立体的に組み合わされた前記各磁気検出コイル素子における交差部位を２枚重ね状態で保持する交差連結部とを備えている磁界センサであって、前記絶縁ベース片は、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内の厚みに形成されたガラスエポキシ基板で形成されると共に前記連結される一端部側および他端部側を除く部位が５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内の幅に形成され、かつ前記各導体パターンは、１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内の厚みに形成されている。

請求項１記載の磁界センサでは、各磁気検出コイル素子は円環状に形成したときには絶縁ベース片の良好な可撓性と弾性復元力とが相まって自動的にほぼ真円に近い形状になり、またこの状態から一旦歪ませられたとしても絶縁ベース片の弾性力（弾性復元力）により、ほぼ真円に近い円環状に自動的に復帰する。したがって、この磁界センサによれば、従来の構成の磁界センサとは異なり、各磁気検出コイル素子を直交配置する際に、各磁気検出コイル素子を真円に近い状態に手作業で整えるという手間を省くことができる結果、製造コストを大幅に低減することができる。また、この磁界センサによれば、各磁気検出コイル素子がそれぞれ自動的に真円に近い状態になって各中心軸方向の磁束密度を正確に検出できるため、互いに直交する３軸方向の磁束密度を正確に測定することができる。

磁界センサ１の斜視図である。なお、各導体パターン２２および接続ランド２３については、一例として磁気検出コイル素子２についてのみ表記している。図１の各磁気検出コイル素子２，３，４の斜視図である。図２のＷ−Ｗ線断面図である。図２の磁気検出コイル素子２，３，４に形成されている各導体パターン２２（２２ａ〜２２ｅ）、および一対の接続ランド２３の構成を説明するための平面図である。図１の交差連結部５，６，７，８，９，１０の斜視図である。図１の磁界センサ１の組み立て手順を説明するための説明図である。なお、孔３２については、一例として交差連結部５の孔３２のみを表記している。磁気検出コイル素子の面積復元率を測定する方法を説明するための説明図である。

以下、磁界センサの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、磁界センサ１の構成について、図面を参照して説明する。

磁界センサ１は、図１に示すように、円環状に形成された３つの磁気検出コイル素子２，３，４と、各磁気検出コイル素子２，３，４の交差部分に配設された６つの交差連結部５，６，７，８，９，１０とを備え、３軸構造の磁界センサとして構成されている。

各磁気検出コイル素子２，３，４は、同一の構成を有し（同じ材料で、同一形状および同一構造に形成され）、それぞれ個別に曲げられて円環状に形成されると共に、互いの中心点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が一致し、かつ互いの中心軸Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が直交するように組み合わされている。

磁気検出コイル素子２を例に挙げて、具体的な構成について説明する。磁気検出コイル素子２は、図２，３，４に示すように、絶縁ベース片２１、複数の導体パターン２２、一対の接続ランド２３、絶縁層２４およびコネクタ２５を備えている。絶縁ベース片２１は、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内の一定の厚み（本例では一例として、０．２ｍｍ）に形成された可撓性および弾性を有するガラスエポキシ基板で形成されると共に、連結される一端部２１ａ側および他端部２１ｂ側を除く中間部位が５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内の一定の幅（本例では一例として、１０ｍｍ）に形成され、かつ全長が約３６ｃｍの帯状に形成されている。本例では一例として、絶縁ベース片２１は、一端部２１ａが中間部位よりも幅広に形成されて、この一端部２１ａに一対の接続ランド２３およびコネクタ２５が配設されている。また、本例では、絶縁ベース片２１の他端部２１ｂについては、一例として中間部位と同じ幅に形成されている。

複数の導体パターン２２は、図２，４に示すように、絶縁ベース片２１の一方の面（図２の上面）上に絶縁ベース片２１の長さ方向に沿って、絶縁ベース片２１の一端部２１ａから他端部２１ｂに至る長さでそれぞれ延設されると共に、絶縁ベース片２１の幅方向に互いに等間隔（予め決められた一定長の間隔））で並設されている。本例では一例として、５本の導体パターン２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ（特に区別しないときには「導体パターン２２」ともいう）が、この順に並設されている。また、各導体パターン２２は、１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内の一定の厚み（本例では一例として、１８μｍ）に形成されている。

この場合、導体パターン２２ａは、図４に示すように、その絶縁ベース片２１の一端部２１ａ側の端部（一端部）Ａ１が、一対の接続ランド２３のうちの近接する一方の接続ランド２３に接続されている。また、導体パターン２２ｂは、その絶縁ベース片２１の一端部２１ａ側の端部（一端部）Ｂ１が、コネクタ２５の例えば不図示の１番ピンに接続されている。導体パターン２２ｃは、その絶縁ベース片２１の一端部２１ａ側の端部（一端部）Ｃ１が、コネクタ２５の不図示の２番ピンに接続されている。また、導体パターン２２ｄは、その絶縁ベース片２１の一端部２１ａ側の端部（一端部）Ｄ１が、コネクタ２５の不図示の３番ピンに接続されている。さらに、導体パターン２２ｅは、その絶縁ベース片２１の一端部２１ａ側の端部（一端部）Ｅ１が、コネクタ２５の不図示の４番ピンに接続されている。また、コネクタ２５の５番ピンは、一対の接続ランド２３のうちの他方の接続ランド２３に接続されている。

一対の接続ランド２３は、円環状の磁気検出コイル素子２において形成される後述の周回導電路内を磁束が通過した際に、この周回導電路に誘起される電圧を出力するための端子として機能する。この一対の接続ランド２３および上記の各導体パターン２２は、サブトラクティブ法のような周知のプリント配線板製造法により絶縁ベース片２１上に残置された銅箔によって形成されている。

絶縁層２４は、絶縁ベース片２１における各導体パターン２２が形成された表面であって、一対の接続ランド２３が形成されている絶縁ベース片２１の一端部２１ａの表面と、後述するように、コネクタ２５に挿入される絶縁ベース片２１の他端部２１ｂの表面を除く表面とに、各導体パターン２２を覆って形成されている。

コネクタ２５は、導体パターン２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅの各端部（他端部）Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２，Ｅ２が並設された絶縁ベース片２１の他端部２１ｂ（カードエッジ）を挿入可能なカードエッジコネクタとして構成されている。このコネクタ２５では、その１番ピン、２番ピン、３番ピン、４番ピンおよび５番ピンが、挿入された絶縁ベース片２１の他端部２１ｂに形成されている導体パターン２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅの各端部（他端部）Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２，Ｅ２にそれぞれ接続される。

この構成により、絶縁ベース片２１を円環状に曲げて、絶縁ベース片２１の一端部２１ａと他端部２１ｂとをコネクタ２５を介して接続した状態では、導体パターン２２ａの端部Ａ２（一対の接続ランド２３のうちの一方の接続ランド２３に接続されている端部）が、隣接する導体パターン２２ｂの端部Ｂ１にコネクタ２５の１番ピンを介して接続され、導体パターン２２ｂの端部Ｂ２が、隣接する導体パターン２２ｃの端部Ｃ１にコネクタ２５の２番ピンを介して接続され、導体パターン２２ｃの端部Ｃ２が、隣接する導体パターン２２ｄの端部Ｄ１にコネクタ２５の３番ピンを介して接続され、導体パターン２２ｄの端部Ｄ２が、隣接する導体パターン２２ｅの端部Ｅ１にコネクタ２５の４番ピンを介して接続され、導体パターン２２ｅの端部Ｅ２がコネクタ２５の５番ピンを介して一対の接続ランド２３のうちの他方の接続ランド２３に接続される。したがって、一対の接続ランド２３間に、各導体パターン２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅによって１本の周回導電路（複数ターンのコイル）が形成される。

各交差連結部５，６，７，８，９，１０は、同一の構成を有している（同じ材料で、同一形状および同一構造に形成されている）。以下、交差連結部５を例に挙げて、具体的な構成について説明する。

交差連結部５は、図５に示すように、可撓性を有する薄い樹脂フィルム（例えば、０．２ｍｍ程度の厚みのポリエステルフィルムなど）を用いて、一例として短寸の十字形状に形成されている。また、交差連結部５の４つの先端部３１には、絶縁ベース片２１が挿入可能な平面視長方形の孔３２が形成されている。各孔３２は、交差連結部５の中心を基準として対向する一対が互いに平行となるように形成されている。また、隣接する一対の各孔３２は、その仮想延長線同士が直交するように形成されている。この交差連結部５には、図６に示すように、対向する一対の孔３２に１つの磁気検出コイル素子（例えば、磁気検出コイル素子２）が挿通されて取り付けられ、他の対向する一対の孔３２に他の１つの磁気検出コイル素子（例えば、磁気検出コイル素子３（または４））が挿通されて取り付けられる。この構成により、交差連結部５は、この交差連結部５に直交する状態で挿通された２つの磁気検出コイル素子２，３（または４）における交差部位を２枚重ね状態で保持する。

図１に示す磁界センサ１は、上記の３つの磁気検出コイル素子２，３，４と、６つの交差連結部５，６，７，８，９，１０とを使用して、一例として、次のようにして組み立てられる。

まず、図６に示すように、１つの磁気検出コイル素子４を４つの交差連結部１０，９，６，８にこの順で挿通すると共に、各交差連結部１０，９，６，８を等間隔で配置する。次いで、磁気検出コイル素子２を交差連結部５に挿通し、この交差連結部５が挿通されたこの磁気検出コイル素子２を交差連結部６に磁気検出コイル素子４と直交する状態で挿通する。また、磁気検出コイル素子２を交差連結部７に挿通し、磁気検出コイル素子２を挿通した３つの交差連結部５，６，７を等間隔で配置する。続いて、残りの磁気検出コイル素子３を交差連結部８に磁気検出コイル素子４と直交する状態で挿通する。これにより、３つの磁気検出コイル素子２，３，４が交差連結部６，８を介して、図６に示すように連結される。

次いで、図示はしないが、磁気検出コイル素子４を曲げて、磁気検出コイル素子４を構成する絶縁ベース片２１の他端部２１ｂをその一端部２１ａに配設されているコネクタ２５に挿入することにより、磁気検出コイル素子４を円環状にする。続いて、磁気検出コイル素子２を曲げて、磁気検出コイル素子２を構成する絶縁ベース片２１の他端部２１ｂを交差連結部１０に挿通し、さらに、この絶縁ベース片２１の一端部２１ａに配設されているコネクタ２５に挿入することにより、磁気検出コイル素子２を円環状にする。最後に、磁気検出コイル素子３を曲げて、磁気検出コイル素子３を構成する絶縁ベース片２１の他端部２１ｂを、交差連結部７、交差連結部９および交差連結部５に順次挿通し、さらに、この絶縁ベース片２１の一端部２１ａに配設されているコネクタ２５に挿入することにより、磁気検出コイル素子３を円環状にする。これにより、図１に示すように、円環状に形成された各磁気検出コイル素子２，３，４が互いに直交配置されてなる磁界センサ１が完成する。

この磁界センサ１では、各磁気検出コイル素子２，３，４が、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内の一定の厚み（本例では一例として、０．２ｍｍ）に形成されたガラスエポキシ基板で形成されると共に、連結される一端部２１ａ側および他端部２１ｂ側を除く中間部位が５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内の一定の幅（本例では一例として、１０ｍｍ）に形成され、かつ一端部２１ａ側および他端部２１ｂ側を連結して円環状（平面視真円）に形成した際の面積が１００平方ｃｍとなる長さ（約３６ｃｍ）の帯状に形成されることで、良好な可撓性と弾性復元力とを備えた絶縁ベース片２１と、絶縁ベース片２１の可撓性および弾性復元力に殆ど影響を与えない１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内の一定の厚み（本例では一例として、１８μｍ）で絶縁ベース片２１の表面に形成された複数の導体パターン２２とで構成されている。

この構成により、各磁気検出コイル素子２，３，４は、磁界センサ１の組み立て工程において、円環状に形成されたときには、絶縁ベース片２１の良好な可撓性と弾性復元力とが相まってほぼ真円に近い形状になり、またこの状態において外力の印加によって長円形状に歪ませられたとしても（扁平な状態（長円形状）に変形させられたとしても）、この外力の印加が解除されたときには、非弾性材である銅箔で構成された導体パターン２２の影響を殆ど受けることなく、絶縁ベース片２１の弾性力（弾性復元力）により、高い面積復元率で元のほぼ真円に近い円環状に復帰することができる。

したがって、この磁界センサ１によれば、従来の構成の磁界センサとは異なり、各磁気検出コイル素子を直交配置する際に、各磁気検出コイル素子を真円に近い状態に手作業で整えるという手間を省くことができる結果、製造コストを大幅に低減することができる。また、この磁界センサ１によれば、各磁気検出コイル素子２，３，４がそれぞれ自動的に真円に近い状態になって各軸方向（中心軸Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３方向）の磁束密度を正確に検出できるため、互いに直交する３軸方向の磁束密度を正確に測定することができる。

以下、上記の磁気検出コイル素子２，３，４、および比較例としての従来の構成の磁気検出コイル素子の各面積復元率を実験で確認した結果を示す。

なお、この実験では、これらの磁気検出コイル素子を真円に近い状態で円環状に形成したときの面積（円環状に形成された磁気検出コイル素子の内側領域の面積）が１００平方ｃｍとなるように、各磁気検出コイル素子の長さを規定した。また、磁気検出コイル素子２，３，４については、上記の構成、つまり、ガラスエポキシ基板を使用して、その厚みを０．２ｍｍに規定する構成を絶縁ベース片２１において採用し、かつ銅箔の厚みを１８μｍに規定する構成を各導体パターン２２において採用した。

一方、従来の磁気検出コイル素子については、ポリイミド基板を使用して、その厚みを０．３ｍｍに規定する構成を絶縁ベース片において採用し、かつ銅箔の厚みを５４μｍに規定する構成を各導体パターンにおいて採用した。

また、実験方法は、まず、円環状に形成した各磁気検出コイル素子を真円になるように形を整え、次いで、図７において実線で示すように、円の直径を結ぶ２点Ｓ，Ｔに円の中心に向かう外力を加えて、各磁気検出コイル素子の直径が真円のときの１／２になるように（長円形状に）変形させ、この状態を３０秒間維持する。続いて、各磁気検出コイル素子への外力の印加を解除する。この際に、各磁気検出コイル素子は、自らの弾性復元力（絶縁ベース片２１の弾性復元力）によって元の形状に近づく（復帰する）ように変形するため、この変形が止まる（形状が安定する）まで放置する。最後に、数秒後に変形が止まった（形状が安定した）ときの各磁気検出コイル素子の直径（上記２点Ｓ，Ｔ間の距離）を測定し、真円時の直径に対する比率（測定した２点Ｓ，Ｔ間の距離／（真円時の直径）×１００）を面積復元率として算出する。

この実験の結果、比較例としての従来の磁気検出コイル素子では、面積復元率が９５．７％に止まるのに対して、磁気検出コイル素子２，３，４では、面積復元率が９９．８％になり、ほぼ元の真円に極めて近い円環状（ほぼ真円。面積復元率が９９％以上の状態をいう）にまで復帰することが確認された。

また、ガラスエポキシ基板を用いた絶縁ベース片２１の幅および長さを上記の値としつつ、絶縁ベース片２１の厚みと、各導体パターン２２の厚みとを変化させたときの面積復元率をシミュレーションにて算出した。この結果、絶縁ベース片２１の厚みが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内であり、かつ各導体パターン２２の厚みが１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内であるときには、面積復元率が９９％以上になるものの、絶縁ベース片２１の厚みおよび各導体パターン２２の厚みの少なくとも一方が上記の対応する範囲外となるときには、面積復元率が９９％未満となることが確認された。

なお、上記の磁界センサ１では、絶縁ベース片２１におけるコネクタ２５の部位である一端部２１ａ側の幅を中間部位および他端部２１ｂよりも幅広に形成する構成を採用しているが、この一端部２１ａを含めて全体を一定の幅に規定する構成を採用することもできる。また、各交差連結部５，６，７，８，９，１０の外形を短寸の十字形状に形成する構成を採用しているが、上記した孔３１が４つ形成されている限り、その外形は任意の形状（四角形や円形や楕円形など）に構成することができる。

１磁気センサ
２，３，４磁気検出コイル素子
５，６，７，８，９，１０交差連結部
２１絶縁ベース片
２２導体パターン
２３接続ランド
２５コネクタ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３中心軸
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３中心点

Claims

可撓性を有する帯状の絶縁ベース片、および当該絶縁ベース片上に当該絶縁ベース片の長さ方向に沿ってそれぞれ延設されると共に当該絶縁べース片の幅方向に間隔を空けて並列された複数の導体パターンを有して、当該絶縁べース片を円環状に曲げてその一端部側と他端部側とを連結させた際に前記複数の導体パターンにおける前記一端部側の端部が隣接する他の導体パターンにおける前記他端部側の端部に接続されることで当該複数の導体パターンによって１本の周回導電路の形成が自在にそれぞれ構成された３つの磁気検出コイル素子と、
前記円環状に曲げられた状態で、互いの中心点が一致し、かつ互いの中心軸が直交するように立体的に組み合わされた前記各磁気検出コイル素子における交差部位を２枚重ね状態で保持する交差連結部とを備えている磁界センサであって、
前記絶縁ベース片は、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内の厚みに形成されたガラスエポキシ基板で形成されると共に前記連結される一端部側および他端部側を除く部位が５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内の幅に形成され、かつ前記各導体パターンは、１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内の厚みに形成されている磁界センサ。