JP2770538B2 - 磁性流体磁気センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は磁気センサ、特に磁性流体を用いて地磁気の
ような微弱磁界の検出を行う磁気センサに関する。

［従来の技術］ 磁性微粉末を溶液中に安定分散させた磁性流体が知ら
れており、現在その応用が期待されている。この磁性流
体は、例えばFe₃O₄,Fe−Co合金等の微粉子（径、0.01〜
0.02μｍ程度）を油、水などの中に分散させ、更に沈
殿、凝集が起らないように界面活性剤を添加した流体で
あり、流体にもかかわらず磁石に強く吸引されるという
特性をもつ。

そして、この磁性流体の種々の性質の中でも、いわゆ
る磁気光学効果は、磁性流体特有のミクロな物理的性質
であり、この性質を応用したものに磁気センサがある。
（例えば「センサ技術」1987年４月号（Vol,7,No.4）P3
8〜41参照）。

まず、以下に磁気光学効果について説明する。

磁性流体を数十ミクロンの厚みとした薄膜を形成する
と、その厚み方向から来る光を透過するようになる。こ
の時、この光と直交方向（膜の面方向）から磁界を加え
ると光に対して複屈折性を生じるようになる。すなわ
ち、光は磁性流体中で入射前と異なる速さで通過する。
しかし、この複屈折性は、磁界の強さに依存し、また磁
界の方向と所定関係にある光の成分（振動モード）のみ
に対して作用を及ぼすため、例えば、３次元Ｘ−Ｙ−Ｚ
系において入射光方向をＸ軸とし、また磁界方向をＺ軸
とすると、Ｘ軸方向に進む光の２つの振動モード、すな
わちＺ軸方向に振動する光とＹ軸方向に振動する光のう
ち、Ｚ軸方向に振動する光はそのまま透過し、一方Ｙ軸
方向に振動する光は前記複屈折性により速度が変化する
ため、前記磁性流体を透過した光（透過光）の２つの振
動モードには位相差が生じる。

従って、以上の磁気光学効果に基づく透過光の位相差
を検出すれば、未知の磁界を検出することが可能であ
る。

以下に、上記効果を用いた従来の磁気センサについて
説明する。

上記磁性流体の薄膜（磁気センサ素子）は、参照光を
発する光源と、センサ素子を透過した透過光を受光する
受光器との間に配置される。そして、更に前記光源と前
記センサ素子の間には、偏光子が設けられ、またセンサ
素子と前記受光器との間には、検光子が配置される。

光源を出た参照光は、まず偏光子にて所定の偏光、例
えば検出磁界（Ｚ軸）方向に対して45度（Ｙ−Ｚ面）の
直線偏光がされ、センサ素子に到達する。その時、セン
サ素子に磁界が加わっている場合には、前述の如く、磁
気光学効果により一方の軸の振動成分のみに複屈折性が
働き、この結果透過参照光の２つの振動モードには位相
差が生じ、Ｘ軸方向から見た円偏光となる。従って、こ
の円偏光の成分、すなわち前記偏光子の偏光角度と90度
異なる偏光角度の成分のみを前記検光子にて通過させ、
その通過した光を前記受光器にて検出することにより、
検出される受光量から前記位相差を求めることができ
る。

なお、この位相差と光量との関係は次式で表わされる
ことが知られている。

Ｉ∝sin²θ/2 ここで、Ｉは光量、θは位相差である。

従って、磁性流体を磁気検出素子としたこの磁気セン
サを用いれば、磁界の強さ、あるいは方向が検出でき
る。

なお、磁気センサに関しては、例えば特公昭53−1921
4号公報記載のものがある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の磁性流体磁気センサにおい
ては、微弱な磁界に対して上記磁気光学効果を得られ難
く、十分な検出感度を得ることが困難であるという問題
を有していた。つまり、例えば地磁気（0.5ガウス）の
ような微小磁界の検出においては、透過光の位相差が得
られ難く、これにより精度の高い磁界検出を行うことが
困難であり、従って、例えば自動車用ナビケーションシ
ステムの方向検出器として磁性流体磁気センサを用いる
ことができなかった。

発明の目的 本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであ
り、その目的は、地磁気のような微弱な磁界に対して十
分な検出感度を有する磁性流体磁気センサを提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成させるために、本発明は、溶液中に磁
性微粉末が混入された磁性流体が、一対の平行配置され
た透光板に挟まれた薄膜状の中空セル内に充填封入され
た磁気センサ素子と、前記磁気センサ素子の前記透光板
面と直交方向から前記セルに所定の入力角度偏光された
参照光を照射する光源手段と、前記磁気センサ素子を透
過した透過参照光を所定の出力偏光角度で検出する受光
手段と、を有する磁性流体磁気センサにおいて、前記磁
気センサ素子は、一方端が幅の狭い磁気集中端を形成
し、また他方端が幅の広い磁気取入端を形成するテーパ
状の一対の磁気レンズを有し、前記一対の磁気レンズ
は、少なくとも前記各磁気集中端が前記一対の透光板に
挟まれ、かつ互いの磁気集中端が所定間隔をもって対向
し前記セルの側壁を形成したことを特徴とする。

［作用］ 上記構成によれば、一対の磁気レンズは、その磁気集
中端が対向して近接配置されているので、検出される磁
束（磁界）は、一方の磁気レンズの磁気取入端から取り
入れられ磁気集中端にかけて十分集中され、その後対向
する他方の磁気レンズの磁気集中端へ磁性流体が充填封
入されたセルを通って到達する。

この時、磁気レンズの各磁気集中端は、セルの側壁を
形成しているので、上記の集中された磁束は、参照光が
照射されるセル内の磁性流体をほぼもれなく有効に通過
する。

従って、光源手段によりこのセルへ所定の入力角度偏
光された参照光を照射し、セルを透過した透過参照光を
所定の出力偏光角度で検出すれば、その光量から磁界の
大きさを求められる。

［実施例］ 以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図には、本発明に係る磁性流体磁気センサにおけ
る磁気センサ素子の第１実施例が示され、第２図には、
この磁気センサ素子を用いた磁性流体磁気センサの主要
部構成が示されている。

第１図において、（Ａ）図には磁気センサ素子の全体
が示され、（Ｂ）図にはこの素子における後述する一対
の磁気レンズの磁気集中端近傍の部分拡大図が示され、
更に（Ｃ）図には（Ｂ）図のII−II断面が図示されてい
る。

この磁気センサ素子10は、（Ｃ）図から理解されるよ
うに一対の平行配置された薄いガラス板12、14にてその
両側面が形成されている。そして、このガラス板間に
は、その外周縁に沿ってスペーサ板16が配置され、更に
そのスペーサ板16内側には、後述する一対の磁気レンズ
18、20がスペーサ板16と同じ厚みをもってガラス板12、
14に挟まれて配置されている。また、ガラス板12、14間
において磁気レンズ18、20とスペーサ板16にて囲まれる
スリット空間には、上述した磁性流体が充填封入され、
磁性流体セル22が形成されている。

前記磁気レンズ18、20は、保持力の小さい強磁性体、
例えばパーマロイ等の軟磁性体で形成される。そして、
この磁気レンズ18、20は、磁束を十分に集中させるため
に、一方端が幅の狭い磁気集中端18a、20aを、他方端が
幅の広い磁気取入端18b、20bを形成し、互いにその磁気
集中端18a、20aを近接対向させてガラス板12、14間に配
置されている。なお、参考のために、この実施例の各部
材の大きさを述べると、磁気集中端の間隔Ｗは50μｍ、
磁気集中端の幅L1は50μｍ、磁気取入端の幅L2は5cm、
磁気レンズの厚み（ガラス板間）Ｄは10μｍである。

つまり、磁気集中端18a、20aの間隔は、極めて小さ
く、このことは一方の磁気レンズで取り込まれる磁束が
もれなく有効に他方の磁気レンズへ通過することを可能
としている。加えて、磁気集中端の幅L1は磁気取入端の
幅L2に比べ、極めて小さく形成され、これにより十分磁
束が磁気取入端から磁気集中端にかけて集中されること
が理解される。

従って、対向する磁気集中端を側壁として介在する磁
性流体には、前述したように検出磁界の磁束が効率良く
集中されてもれなく透過することとなり、上述した磁性
流体の磁気光学効果、すなわち複屈折性を用いた磁界の
検出、特に微弱磁界の検出を精度良く行える。なお、後
述するように参照光は、（Ｂ）図に示す磁気集中端近傍
に所定の光径（例えば、100μｍ）をもって照射され、
この時磁性流体セル22を参照光が透過できることが必要
であり、上記の厚みＤはこの条件を満足するように決め
られている。

また、ガラス板12、14は、参照光を透過する材質であ
ればガラスに限らず他のものに置換でき、例えば透明プ
ラスチック板を用いることも可能である。ここで、図中
24は、磁性流体封入口であり、図においては封止栓25に
より封入口に封止されている。

従って、以上説明したように、磁気センサ素子10は極
めて薄く（薄膜状に）形成されている。そして、一対の
磁気レンズ18、20は、その薄膜内部のスリットに配置さ
れているのであるが、この実施例では、磁気レンズの厚
みをスペーサ板と同じに形成して素子内部に嵌合配置し
たため、素子形成時においては、ガラス板上のスペーサ
板16へ容易に当接して位置決めができる。すなわち、比
較的困難な磁気レンズの位置決めが容易に行えるという
利点を有している。また、磁気レンズ自体が磁性流体セ
ル22の側壁を形成し、磁束が何らケース材等を介さずに
磁性流体内を透過できるので、極めて効率の良い磁界の
検出が行える。

次に、第１図に示した第１実施例に係る磁気センサ素
子10を用いた磁性流体磁気センサの好適な実施例を第２
図に基づいて説明する。

第２図には、磁性流体磁気センサの主要部の構成が示
されている。なお、説明のため図において、Ｚ軸は検出
磁界方向、並びにＸ軸は参照光の進路方向を示してい
る。

磁気センサ素子10の両側には、素子に所定の参照光を
照射する光源手段30と素子を透過する透過参照光を受光
検出する受光手段40とがそれぞれ配置されている。

光源手段30は、参照光を発する光源32とこの光源32か
らの参照光を所定の角度で偏光させる偏光子34とからな
る。そして、この偏光子34は、本実施例ではＹ−Ｚ面45
度の傾きをもった直線偏光を行っている。

そして、この直線偏光された参照光は、磁性流体の磁
気光学効果により、磁気センサ素子10の透過の際に検出
磁界の強さに依存して偏光（円偏光）される。

前記受光手段40は、検光子42とこの検光子からの参照
光を受光する受光器44とからなる。検光子42は、磁気セ
ンサ素子10からの透過参照光のうち所定の偏光成分のみ
の光を透過させている。本実施例ではこの検光子42は、
前記偏光子34の偏光角度とＹ−Ｚ面において90度異なる
偏光角度に設定されている。

従って、受光器44では、磁気センサ素子10にて偏光が
加えられた変位成分のみを光量として検出することがで
きる。つまり、この光量から従来例で説明した如く光の
位相差を求めることができ、この位相差から磁界の強さ
を演算することが可能となる。

なお、ここで光源32及び受光器44への信号の入出力は
光ファイバケーブル等を用いることが好適であり、微弱
な検出磁界に対して外界からの電磁的なノイズの影響を
受けずに検出が行える。

また、磁気センサ素子自体には何ら電源が不要なた
め、例えば車載した場合でも物理的な振動等に強く堅牢
な磁気センサを提供できる。加えて、地磁気のようなそ
の大きさが既知の磁界に対しては磁界の方向を判別する
ことができ、それは受光器44の出力から容易に判断でき
る。

次に、磁気センサ素子の他の実施例について説明す
る。

第３図には、磁気センサ素子の第２実施例が示されて
いる。

この磁気センサ素子110は、磁気レンズ118、120の形
状及びスペーサ板116の配置に特徴を有する。すなわ
ち、磁気レンズ118、120はその胴中央付近から磁気集中
端にかけてなだらかな曲線をもって形成され、これによ
り磁束の集束効率を高めることが期待できる。また、ス
ペーサ板116は、各磁気レンズの磁気取入端側には配置
されず、これにより、例えば検出磁界の発生源である電
磁コイルや永久磁石等に磁気センサを近接させることが
できる。なお、この実施例及び以下に述べる実施例にお
いては、第１実施例同様にその両側面がガラス板で形成
されている。

次に、磁気センサ素子の第３実施例について第４図に
基づいて説明する。

第４図には、磁気センサ素子の第３実施例が示され、
この磁気センサ素子210は、磁性流体セル222の容積が第
１実施例及び第２実施例の磁気センサ素子に比べ小さく
形成されていることを特徴としている。

図から明らかなように、スペーサ板216は磁気レンズ
の外周縁に沿うように配置され、これにより磁気流体セ
ル222が小型化されている。なお、参照光の偏光は磁気
集中端間に磁性流体が介在していれば十分である。従っ
て、この第３実施例では、検出能力を低下させることな
く、第１及び第２実施例に比べ高価な磁性流体の封入量
を少なくできるという利点を有している。

次に、磁気センサ素子の第４実施例を第５図に基づい
て説明する。

第５図には、磁気センサ素子の第４実施例が示されて
おり、この磁気センサ素子310は、磁性流体セル322を第
３実施例から更に小型にしたことを特徴としている。

図に示すように、スペーサ板316は、ほぼ２つの磁気
レンズの外周囲を完全に囲む形状で形成されており、こ
れにより磁性流体セル322は、磁気レンズの磁気集中端
付近に極めて小形化されて形成されている。従って、磁
性流体が必要とされる磁気レンズの磁気集中端には十分
な磁性流体を介在させつつ、より磁性流体の封入量を少
なくした磁気センサ素子が形成されている。

また、磁気レンズの外周囲をスペーサ板316がほぼ完
全に囲むように形成されているため、磁気センサ素子形
成を各部材の貼着作用にて行う場合においては、２つの
磁気レンズの位置決めは他の実施例に比べ確実かつ容易
であり、また磁気集中端間の距離も高精度に設定でき
る。なお、素子の形成方法には、スパッタや印刷等も用
いられる。

次に、磁気センサ素子の第５実施例を第６図に基づい
て説明する。第６図には磁気センサ素子の第５実施例が
示されており、（Ａ）図には素子の一方の側面、（Ｂ）
図には（Ａ）図におけるIII−III断面が示されている。

この磁気センサ素子410は、（Ｂ）図から明らかなよ
うに、２つの平行配置されたガラス板412、414のうち一
方のガラス板412が小型に形成されたことを特徴として
いる。そして、２つの磁気レンズ418、420の磁気集中端
近傍には、スペーサ板416−１、416−２がそれぞれ磁性
流体セル422の上下壁を形成すべく配置されている。従
って、第１実施例から第５実施例までに示した磁気セン
サ素子に比べ、この第５実施例の磁気センサ素子は構成
が非常に簡易であり、また磁性流体の封入量も少なくで
きるという利点を有しており、軽量なかつ安価な磁気セ
ンサ素子を提供することができる。

なお、第２実施例から第５実施例に挙げた各磁気セン
サ素子の大きさは、ほぼ第１実施例に挙げた磁気センサ
素子と同等である。また、この磁気センサ素子の形状は
当然の如く平板状に限られず、例えば磁気レンズが円錐
形あるいは円筒形であってもよい。

以上説明したように、本発明に係る磁性流体磁気セン
サは、磁気センサ素子内部に一対の磁気レンズを配置し
たため、微弱な磁界を精度良く検出することが可能であ
る。また、磁気センサ組立時において比較的困難とされ
ていた磁気レンズの位置決めも容易に行え、精度の高い
磁気検出を行うことができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、一対の磁気レ
ンズの磁気集中端が、それぞれ磁気流体が封入されたセ
ルの側壁を形成し、かつその幅が狭く形成されているの
で、検出磁界の磁束を有効に磁性流体に透過させること
ができ、特に地磁気のような微弱磁界を精度良く検出す
ることが可能である。

また、この磁気レンズが磁気センサ素子内部に組み込
まれているので、この磁気レンズの位置決めも適確かつ
容易に行うことができる。従って、得られる磁界の検出
情報の信頼性も高く、有益な磁気センサを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁気センサ素子の第１実施例を示す図、 第２図は磁性流体磁気センサの主要部構成を示す説明
図、 第３図は磁気センサ素子の第２実施例を示す図、 第４図は磁気センサ素子の第３実施例を示す図、 第５図は磁気センサ素子の第４実施例を示す図、 第６図は磁気センサ素子の第５実施例を示す図 である。 10,110,210,310,410……磁気センサ素子 18,20,118,120,418,420……磁気レンズ 18a,20a……磁気集中端 18b,20b……磁気取入端 22,222,322,422……磁性流体セル 30……光源手段 40……受光手段

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶液中に磁性微粉末が混入された磁性流体
   が、一対の平行配置された透光板に挟まれた微小間隔の
   中空セル内に充填封入された磁気センサ素子と、 前記磁気センサ素子の前記透光板面と直交方向から前記
   セルに所定の入力角度偏光された参照光を照射する光源
   手段と、 前記磁気センサ素子を透過した透過参照光を所定の出力
   偏光角度で検出する受光手段と、 を有する磁性流体磁気センサにおいて、 前記磁気センサ素子は、 一方端が幅の狭い磁気集中端を形成し、また他方端が幅
   の広い磁気取入端を形成するテーパ状の一対の磁気レン
   ズを有し、 前記一対の磁気レンズは、 少なくとも前記各磁気集中端が前記一対の透光板に挟ま
   れ、かつ互いの磁気集中端が所定間隔をもって対向し前
   記セルの側壁を形成したことを特徴とする磁性流体磁気
   センサ。