JP4774472B2 - フラックスゲートセンサおよびそれを用いた電子方位計 - Google Patents
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Description
本願は、2009年5月21日に、日本に出願された特願2009−123110号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
前記第1の端部分と前記第2の端部分とが、前記磁気コアの終端をなしていることができる。
前記磁気コアが、フラックスゲートセンサの感磁方向と一致するその長手方向に沿って、前記第1の端部分、前記中央部分、前記第2の端部分のみからなることができる。
前記フラックスゲートセンサが、phase-delay methodを用いたフラックスゲートセンサとされてなることができる。
前記第1の端部分と前記第2の端部分とが、前記磁気コアの終端をなしていることができる。
前記磁気コアが、フラックスゲートセンサの感磁方向と一致するその長手方向に沿って、前記第1の端部分、前記中央部分、前記第2の端部分のみからなることができる。
前記フラックスゲートセンサが、phase-delay methodを用いたフラックスゲートセンサとされてなることができる。
前記第1の励磁部と前記第2の励磁部とが、前記磁気コアの終端をなしていることができる。
前記磁気コアが、フラックスゲートセンサの感磁方向と一致するその長手方向に沿って、前記第1の励磁部、前記検出部、前記第2の励磁部のみからなることができる。
上記フラックスゲートセンサが、phase-delay methodを用いたフラックスゲートセンサとされてなることができる。
以下、本発明の第1の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1A及び図1Bは、本発明の第1の実施形態に係るフラックスゲートセンサの磁気コアの形状の一例を示す平面図である。図1A及び図1Bに示すように、本発明の第1の実施形態のフラックスゲートセンサの磁気コアは、端部分1と、中央部分2を有する。端部分1の幅Bは、中央部分2の幅Cよりも広い。磁気コアの長手方向の長さAは、1mm以下、望ましくは0.5mm以下である。端部分1の幅Bと端部分1の長手方向の長さDの比B/Dの値は1よりも小さい。フラックスゲートセンサの磁気コアの長手方向は、フラックスゲートセンサの感磁方向と一致している。図1A及び図1Bでは図示していないが、端部分1の周囲には、励磁コイルが巻き回され、中央部分2の周囲には、ピックアップコイルが巻き回される。図1Aは、磁気コアの端部分の形状が角型の場合の例を示す平面図である。図1Bは、磁気コアが端部分1と中央部分2との境界にテーパー形状を有する場合の例を示す平面図である。角部での磁束の局所的な飽和を抑えるためには、図1Bに示すように、端部分1と中央部分2の境界が略テーパー状になっていることが望ましい。この場合、端部分1の長手方向の長さDは略テーパー状の部分を含む長さを表わすこととすると、端部分1の幅Bと端部分1の長手方向の長さDの比B/Dの値が、1よりも小さいことが望ましい。
図2は、本発明の第1の実施形態に係るフラックスゲートセンサの動作原理を示すグラフである。図2の(a)は、励磁コイルに通電する三角波電流の時間変化を示すグラフである。図2の(b)は、コアの磁化状態の時間変化を示すグラフである。図2の(c)は、ピックアップコイルに生じる出力電圧の時間変化を示すグラフである。図3は、本発明の第1の実施形態に係るフラックスゲートセンサの磁気コアの磁化状態の時間による変化を示すヒステリシス曲線である。励磁コイルに図2の(a)に示すような三角波電流を通電すると、励磁コイルの作る磁界Hexcにより磁気コアが励磁され、磁気コア内部の磁束密度B、すなわち磁気コアの磁化状態は、飽和特性を有するため、図2の(b)に示すような時間変化をする。ピックアップコイルには、磁気コアの磁束密度Bの時間微分すなわち時間変化dB/dtが存在する領域において、磁気コアの断面積S、ピックアップコイルの巻き数Nに比例した出力電圧Vpu=NS×dB/dtが生じる。ピックアップコイルの出力電圧Vpuは、図2の(c)に示すような時間変化をする。磁気コアの磁束密度Bの時間変化dB/dtが大きいほど、ピックアップ電圧波の高値は高く、パルス幅は狭くなり、より急峻なパルス電圧が得られる。図2の(c)における時間間隔t1は、外部磁界Hext、磁気コアの磁束密度Bが増加する時と減少する時との磁場の強さHのずれHc、励磁コイルの作る磁界Hexc、三角波の周期T及びコイルのインダクタンスによる遅延時間Tdを用いて、式(1)のように表される。
フラックスゲートセンサの構成としては、前述の構成に加えて、第2配線層7を覆う封止層が形成されていてもよい。
まず、非磁性の基板100上にTi、Cr、TiWなどのバリアメタルをスパッタ成膜した後にCuをスパッタにより成膜する。次に、フォトリソグラフィにより第1配線層4となるレジストパターンを形成し、ウェットエッチングにより配線パターンを形成する。あるいは上記のスパッタ膜をシード膜として電解めっきにより第1配線層4を形成してもよい。このとき、後に形成される絶縁層上に磁気コア3を形成するため、第1配線層4の厚さは、その配線による絶縁層表面の凹凸が磁気コアの厚さに比べて十分小さくなるような厚さであって、かつコイルの抵抗が小さくなるような厚さであることが望ましい。具体的には、その厚さは、0.2μm〜2μm程度が好ましい。
また、レジストフレームを用いた電解めっき法を利用して、NiFe合金やCoFe合金を所望の形状に成形することにより、磁気コア3を形成してもよい。
図8に示した電子方位計は、第1フラックスゲート(X軸)センサ20、第2フラックスゲート(Y軸)センサ30、第3フラックスゲート(Z軸)センサ40、および信号処理用IC50を、1つの基板上に配置することにより構成される。具体的には、第1フラックスゲートセンサ20および第2フラックスゲートセンサ30は、電子方位計を構成する基板面に対して、その形成された面が略平行となるように、かつ感磁方向が互いに直交するように配置される。また、第3フラックスゲートセンサ40は、電子方位計を構成する基板面に対して略垂直となるように配置される。このとき、第1フラックスゲートセンサ20、第2フラックスゲートセンサ30および第3フラックスゲートセンサ40は、外部との接続端子を除いた領域、すなわち磁気コア3およびコイル61、71を形成する部分の形状が同一であることが望ましい。これは、第1フラックスゲートセンサ20、第2フラックスゲートセンサ30および第3フラックスゲートセンサ40のそれぞれの特性を揃えることにより、各センサの特性のばらつきを補正する必要がなく、電子回路を簡略化できるようにするためである。また、第3フラックスゲートセンサ40は、基板面に対して略垂直に実装されるので、電子方位計の厚さを薄くするためには、その感磁方向の長さが、1mm以下、さらに好ましくは0.5mm程度であることが望ましい。
実施例として、上記のようにしてフラックスゲートセンサを作製した。フラックスゲートセンサの磁気コアの形状は、磁気コアの長手方向の長さA=480μm、端部分1の幅B=80μm、中央部分2の幅C=20μm、端部分1の長手方向の長さD=140μm、励磁コイルの巻き数は16.5、ピックアップコイルの巻き数は6.5とした。
図9は、上記実施例のフラックスゲートセンサに、振幅100mA、周波数30kHzの三角波電流を通電したときの、正負のパルス状ピックアップ電圧の出力波形を示すグラフである。図10は、図9の正負のパルス状ピックアップ電圧がそれぞれの基準電圧Vthを超える時間間隔tの外部磁界依存性、すなわち外部磁界に対するフラックスゲートセンサの出力を示すグラフである。
図12は、本発明の第2の実施形態に係るフラックスゲートセンサにおける励磁コイルおよび検出コイルの巻き回し方を説明するための図である。
第1の実施形態においては、磁気コアの両端の幅の広い端部分1のみに励磁コイルを巻き回した。これに対して、第2の実施形態においては、両端部の幅の広い端部分1のみならず、幅の狭い中央部分2にも、励磁コイルである第1のソレノイドコイル9を巻き回した。すなわち、励磁コイルは磁気コアの全体の周囲に巻き回し、検出コイルである第2のソレノイドコイル10は磁気コアの中央部分2のみに巻き回した。かかる巻き回し方でも、前述の第1の実施形態と同様の作用効果が得られる。
本発明の第3の実施形態について、説明する。
本発明の第3の実施形態に係るフラックスゲートセンサの磁気コアは、本発明の第1の実施形態に係るフラックスゲートセンサと同じ構成であるが、ソレノイドコイルの動作が異なる。すなわち、本発明の第3の実施形態に係るフラックスゲートセンサの磁気コアは、本発明の第1の実施形態と同様に、図1A−図1BのようなH型の形状をしている。本発明の第3の実施形態のフラックスゲートセンサの磁気コアは、端部分1と、中央部分2を有する。端部分1の幅Bは、中央部分2の幅Cよりも広い。本発明の第1の実施形態とは異なり、本発明の第3の実施形態では、端部分1の周囲に巻き回されている第1のソレノイドコイルは、ピックアップコイルである。中央部分2の周囲に巻き回されている第2のソレノイドコイルは、励磁コイルである。
2 磁気コアの中央部分
3 磁気コア
4 第1配線層
5 第1絶縁層
6 第2絶縁層
7 第2配線層
8 開口部
9 第1のソレノイドコイル
10 第2のソレノイドコイル
11 電極パッド
12 電極パッド
20 第1フラックスゲート(X軸)センサ
30 第2フラックスゲート(Y軸)センサ
40 第3フラックスゲート(Z軸)センサ
50 信号処理用IC
100 基板
A 磁気コアの長手方向の長さ
B 端部分1の幅
C 中央部分2の幅
D 端部分1の長手方向の長さ
Claims (21)
- 基板上に形成された第1配線層と、
前記第1配線層を覆うように形成された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層上に形成され、中央部分と、前記中央部分と連続してかつ前記中央部分の幅よりも広い幅を持ち、前記中央部分の両端に位置する第1および第2の端部分と、を有する磁気コアと、
前記磁気コアを覆い、前記第1絶縁層上に形成された第2絶縁層と、
前記第2絶縁層上に形成された第2配線層と、
を含むフラックスゲートセンサであって、
前記第1配線層および前記第2配線層は、複数の互いに略平行な配線を有し、
前記第1配線層の配線および前記第2配線層の配線の両端が、前記第1絶縁層および前記第2絶縁層の選択的に除去された部分を介して電気的に接続され、
前記第1および第2の端部分に、螺旋状の第1のソレノイドコイルが巻き回されており、
前記中央部分に、螺旋状の第2のソレノイドコイルが巻き回されていることを特徴とする、フラックスゲートセンサ。 - 前記第1および第2の端部分の幅Bと、前記第1および第2の端部分の長手方向の長さDの比B/Dの値が1よりも小さいことを特徴とする、請求項1に記載のフラックスゲートセンサ。
- 前記第1のソレノイドコイルは、前記第1の端部分に巻き回された第3のソレノイドコイルおよび前記第2の端部分に巻き回された第4のソレノイドコイルを含み、前記第3のソレノイドコイルおよび前記第4のソレノイドコイルは、直列に接続され、かつ巻き数が略同一であることを特徴とする、請求項1または2のいずれかに記載のフラックスゲートセンサ。
- 前記第1のソレノイドコイルは、前記中央部分、前記第1および第2の端部分に巻き回されていることを特徴とする、請求項1または2のいずれかに記載のフラックスゲートセンサ。
- 前記第1の端部分と前記第2の端部分とが、前記磁気コアの終端をなしていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のフラックスゲートセンサ。
- 前記磁気コアが、フラックスゲートセンサの感磁方向と一致するその長手方向に沿って、前記第1の端部分、前記中央部分、前記第2の端部分のみからなることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のフラックスゲートセンサ。
- 請求項1から6のいずれかに記載のフラックスゲートセンサが、phase-delay methodを用いたフラックスゲートセンサとされてなることを特徴とするフラックスゲートセンサ。
- 基板と、
前記基板上に配置され、3軸のそれぞれに沿うように配置された第1、第2および第3のフラックスゲートセンサと、
を含み、
前記第1、第2および第3のフラックスゲートセンサの各々は、
基板上に形成された第1配線層と、
前記第1配線層を覆うように形成された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層上に形成され、中央部分と、前記中央部分と連続してかつ前記中央部分の幅よりも広い幅を持ち、前記中央部分の両端に位置する第1および第2の端部分と、を有する磁気コアと、
前記磁気コアを覆い、前記第1絶縁層上に形成された第2絶縁層と、
前記第2絶縁層上に形成された第2配線層と、
を含み、
前記第1配線層および前記第2配線層は、複数の互いに略平行な配線を有し、
前記第1配線層の配線および前記第2配線層の配線の両端が、前記第1絶縁層および前記第2絶縁層の選択的に除去された部分を介して電気的に接続され、
前記第1および第2の端部分に、螺旋状の第1のソレノイドコイルが巻き回されており、
前記中央部分に、螺旋状の第2のソレノイドコイルが巻き回されていることを特徴とする、電子方位計。 - 前記第1および第2の端部分の幅Bと、前記第1および第2の端部分の長手方向の長さDの比B/Dの値が1よりも小さいことを特徴とする、請求項8に記載の電子方位計。
- 前記第1のソレノイドコイルは、前記第1の端部分に巻き回された第3のソレノイドコイルおよび前記第2の端部分に巻き回された第4のソレノイドコイルを含み、前記第3のソレノイドコイルおよび前記第4のソレノイドコイルは、直列に接続され、かつ巻き数が同一であることを特徴とする、請求項8または9のいずれかに記載の電子方位計。
- 前記第1のソレノイドコイルは、前記中央部分、前記第1および第2の端部分に巻き回されていることを特徴とする、請求項8または9のいずれかに記載の電子方位計。
- 前記第1の端部分と前記第2の端部分とが、前記磁気コアの終端をなしていることを特徴とする請求項8から11のいずれかに記載の電子方位計。
- 前記磁気コアが、フラックスゲートセンサの感磁方向と一致するその長手方向に沿って、前記第1の端部分、前記中央部分、前記第2の端部分のみからなることを特徴とする請求項8から12のいずれかに記載の電子方位計。
- 請求項8から13のいずれかに記載のフラックスゲートセンサが、phase-delay methodを用いたフラックスゲートセンサとされてなることを特徴とする電子方位計。
- 第1配線層と、
前記第1配線層を覆うように形成された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層上に形成され、検出部と、前記検出部と連続してかつ前記検出部の幅よりも広い幅を持ち、前記検出部の両端に位置する第1および第2の励磁部と、を備える磁気コアと、
前記磁気コアを覆い、前記第一絶縁層上に形成された第2絶縁層と、
前記第2絶縁層上に形成された第2配線層と、
を少なくとも備えたフラックスゲートセンサにおいて、
前記第1配線層および前記第2配線層は、複数の互いに略平行な配線を有し、
前記第1配線層の配線および前記第2配線層の配線の両端が、前記第1絶縁層および前記第2絶縁層の選択的に除去された部分を介して電気的に接続され、
前記第1および第2の励磁部に、螺旋状の励磁コイルが巻き回されていることを特徴とするフラックスゲートセンサ。 - 前記励磁コイルは、前記第1の励磁部に巻き回された第1の励磁コイルと、前記第2の励磁部に巻き回された第2の励磁コイルとを含み、前記第1の励磁コイルと前記第2の励磁コイルは、発生する磁界が同一方向となるように直列に接続されていることを特徴とする請求項15に記載のフラックスゲートセンサ。
- 前記励磁コイルは、前記励磁部と、前記磁気コアの中央部に形成された検出部とに巻き回されていることを特徴とする請求項15に記載のフラックスゲートセンサ。
- 前記第1の励磁部と前記第2の励磁部とが、前記磁気コアの終端をなしていることを特徴とする請求項15から17のいずれかに記載のフラックスゲートセンサ。
- 前記磁気コアが、フラックスゲートセンサの感磁方向と一致するその長手方向に沿って、前記第1の励磁部、前記検出部、前記第2の励磁部のみからなることを特徴とする請求項15から18のいずれかに記載のフラックスゲートセンサ。
- 請求項15から19のいずれかに記載のフラックスゲートセンサが、phase-delay methodを用いたフラックスゲートセンサとされてなることを特徴とするフラックスゲートセンサ。
- 1つの基板上において、3軸のそれぞれに沿うように、3つの請求項15乃至20のいずれかに記載のフラックスゲートセンサを配置することにより構成されたことを特徴とする電子方位計。
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