JP7215702B1 - 磁界ベクトルセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出磁界方向と素子の方向が平行である磁界検出素子は磁界検出能の高い超高感度マイクロ磁気センサであるＧＳＲセンサに着目して、１ｎＴ以下の微小な磁気ベクトルを微小空間範囲で測定する。【解決手段】４個の磁界検出素子を、少なくとも４面の傾斜面を４回対称的に有する台座であって、その傾斜角度２０～４５度の傾斜面よりなる傾斜面に４回対称かつ鏡像対象に貼り付けて、それら４個の素子の磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２を使って、ＨｘはＨｘ１とＨｘ２の減算から、ＨｙはＨｙ１とＨｙ２の減算から、そしてＨｚはＨｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ1、Ｈｙ２の加算によって、測定位置における磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を求められる磁界ベクトルセンサを提供する。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、医療、環境、ロボット分野など先端産業分野で求められている１０ｎＴ以下の微小磁界の計測を可能とする超小型の磁界ベクトルセンサに関するものである。
ここで、磁界ベクトルセンサとは、ピンポイントの測定位置における磁界（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）は各軸のＨｘ、Ｈｙ、Ｈｚと同じ感度、同じ精度で測定することを可能とするセンサである。

医療、環境、ロボット分野など先端産業分野において、生体磁気計測、生体内ナビゲーションシステム、ロボットの姿勢制御装置、地磁気異常など、微小磁界の計測あるいは微小空間における微小磁界の磁界分布の計測の必要が高まっている。磁界は３次元磁界ベクトルが広い空間に分布したものである。したがって磁界の測定は３次元磁界ベクトル測定装置で測定される。

３次元磁界ベクトル測定装置は、磁気センサ素子を３個以上組み合わせて、所定の位置の磁界ベクトルを測定する装置である。ＭＩセンサを使ったタイプとしては、愛知製鋼(株)の３次元磁気方位センサ（特許文献１）があるが、これは３個のＭＩ素子を組み立てたもので、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の磁界の測定位置が食い違っており、単純に３つの素子をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に配置するだけでは所定の位置の磁界ベクトルを測定できない。

ＦＧセンサを使ったタイプとしては、ＭＴＩ社のｎＴメータ（非特許文献１）があるが、サイズが３０ｍｍの立方体の６面に素子を張り付けたもので、磁界の傾斜が大きい場合の微小空間における特定の位置での磁界ベクトルの測定はできない。

ホールセンサを使った磁界測定器として旭化成(株)の磁界センサ（特許文献２）がある。４個のホール素子と１個のパーマロイ集磁体を組み合わせたもので、ピンポイントの所定の位置での磁界ベクトルの測定が可能であるが、磁界検出能が１０ｍＧ（＝１０００ｎＴ）程度で、しかもサイズは２ｍｍと小さく、微小磁界が計測できない問題がある。小型化した場合は、微小磁界検出能が低下し、つまり両者はトレードオフの関係にあり、解決は難しい。

磁気抵抗センサ（ＧＭＲ、ＴＭＲ）を使った磁界測定器としてサントル ナショナル ドゥ ラルシェルジ シアンティフィクの集積磁力計がある（特許文献３）。角錐台形からなるシリコン基板に角度θ＝５４．７°で傾斜している４つの斜面に４回対称かつ鏡像反対称性に蒸着形成された４個のＧＭＲ磁気抵抗センサと磁気抵抗センサの感度軸に対して平行に形成された４個の磁束集中器を組み合わせたもので、ピンポイントの所定の位置での磁界ベクトルの測定が可能である。
角錐台形の台座の傾斜角度５４．７度としている理由は、シリコン基板を化学エッチングすると結晶の方位に沿って溶けて５４．７度となるためである。シリコン基板を使用すると簡単に台座を製作することができるが、傾斜角度は５４．７度に固定されるという欠点を伴う。

本特許文献３では、Ｈｘ、Ｈｙ、 Ｈｚ は、４個の磁界検出素子で検知する磁気測定値をＨｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２とすると、
Ｈｘ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｘ１－Ｈｘ２）、
Ｈｙ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｙ１－Ｈｙ２）、
Ｈｚ＝（１／４ｓｉｎθ）｛（Ｈｘ１＋Ｈｘ２）―（Ｈｙ１＋Ｈｙ２）｝、
として求めている。

上計算式に測定値と傾斜角度θ＝５４．７度を入力すると、測定位置における磁界（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を求めることができる。Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚの測定誤差σｘ、σｙ、σｚは、分散加法性と上計算式の係数を考慮して計算すると、σｘ＝σｙ＝１．６σ、σｚ＝０．８σとなる。ここでσは使用したセンサの磁気ノイズである。つまり、Ｈｘ，Ｈｙの測定精度は、Ｈｚの測定精度に比べて、２倍も悪くなっている。しかも、Ｈｘ、Ｈｚの測定精度が用いたセンサの測定精度に比べて６０％も大幅に低下する。
磁気ベクトルセンサとしての条件は、ピンポイントで磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、 Ｈｚ）が測定できることと各軸の測定値の感度および精度がほぼ同じ（σｘ＝σｙ＝σｚ）であることが必要である。その意味では、これらの不均一性が、本磁界ベクトルセンサは、Ｈｚ軸とＨｘ，Ｈｙ軸の測定精度とが大幅に違っており、磁界ベクトルセンサとは言えない。この点が本磁界ベクトルセンサの最大の欠点である。

また、本センサが使用している磁気抵抗センサは、磁界検出能は５ｍＧ（＝５００ｎＴ）程度で微小磁界の計測には適していない。小型化と微小磁界検出能とはトレードオフの関係にあり、解決は難しい。
ここで、ＧＭＲ素子は検出磁界方向と素子長手方向（出力電圧方向）が直交しているために、素子を四角錐体の４つの斜面に４回対称かつ鏡像反対称に配置して、出力電極とグランド電極の配線の対称的配置の確保に努めている。Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを算出する計算式は、センサ素子を４回対称かつ鏡像反対称に配置に対応した数式としている。

ＧＳＲセンサ（特許文献４）を使ったタイプとしては、マグネデザイン(株)の三次元磁界検出装置（特許文献５）がある。４個のＧＳＲ素子と一対のパーマロイ集磁体を組み合わせたもので、ピンポイントの所定の位置の磁界ベクトルの測定が可能であるが、磁界検出能が０．５ｍＧ（＝５０ｎＴ）程度で、一層の高感度化が必要である。

磁界ベクトルセンサは、ピンポイントの測定位置における磁界（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）は各軸の磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを同じ感度、同じ精度で測定するものであると定義すると、これまでは磁界ベクトルセンサの開発には成功していない。さらに微小磁界１０ｎＴ以下の検出能を持ち、微小空間内（例えば６ｍｍ立方以下）の所定の位置の磁界ベクトルをピンポイントで測定でき磁界ベクトルセンサは実用化されておらず、その開発が求められている。

特許第３７８１０５６号公報 特開２００４－６１３８０号公報 特表２０１３－５１８２７３号公報 特許第６５０６４６６号公報 特許第６０２１２３９号公報

(株)エムティアイ社ホームページ 製品情報ＦＧＳ３－１０００

本発明は、超高感度マイクロ磁気センサであるＧＳＲセンサをはじめとしてＭＩセンサ、ＦＧセンサなどの検出磁界方向と素子の方向（素子長手方向）が平行である磁界検出素子は磁界検出能が高い点に着目して、ピンポイントの所定の位置における１０ｎＴ以下の微小な３次元磁界ベクトルを微小空間範囲（６ｍｍ×６ｍｍ×３ｍｍ以下）で測定するものである。そのためには、磁界検出素子の最適構造、独特な磁界検出ヘッドの考案、素子とヘッド部台座との組み立て方法および電子回路と磁界検出ヘッドのセンサ配線構造を考案することが主な課題となる。
特に、ＧＳＲセンサはこれらの磁界検出素子のなかで磁界検出能が高いので代表的事例として以下に説明する。

なお、ＧＳＲセンサは、基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤとそれに巻回した周回コイルで形成した検出用コイルとワイヤ通電用の電極２個とコイル電圧検出用電極２個の計４個の電極で構成されるＧＳＲ素子と、その磁性ワイヤに０．５～４ＧＨｚの周波数からなるパルス電流を流す手段とパルス電流を流した時に生じるコイル電圧を検知し、コイル電圧を外部磁界Ｈに変換する電子回路とからなる超高感度マイクロ磁気センサである。
ＧＳＲセンサについては、特許文献３（本発明者による）に詳細に記載されおり、本発明において引用する。
ここで、パルス周波数は、パルス電流の「立下り時間」Δｔの２倍をその周期としてその逆数をパルス周波数として便宜上定義している。すなわち、ｆ＝１／２Δｔである。

ＧＳＲセンサの検出能は長さに比例して向上する。本発明者は、１０ｎＴ以下の微小磁界を微小空間範囲で測定するために、長さ０．４ｍｍ～３ｍｍで幅が０．２ｍｍ～０．４ｍｍの小型のＧＳＲ素子を設計した。ＧＳＲセンサの検出能は０．１ｎＴ～１ｎＴの範囲にあった。

ここで、ＧＳＲセンサとは、ＧＳＲ素子とＧＳＲセンサ用の電子回路とからなるセンサである。
センサを構成するＧＳＲ素子について、図１により説明する。ＧＳＲ素子１は、長さが０．４ｍｍ～３ｍｍ、幅０．２ｍｍ～０．４ｍｍの基板１１上に、磁界検出用に直径５～３０μｍのアモルファスの磁性ワイヤ１２を基板１１に形成した溝に配置し、その周りに検出コイル（以下、コイルという。）１３を形成する。磁性ワイヤ１２は、両端にワイヤ端子１４を設けて接続配線（ワイヤ電極用）１６を介してワイヤ電極（ワイヤ通電用の電極）１５に接続する。コイル１３は、両端にコイル端子１７を設けて接続配線（コイル電極用）１９を介してコイル電極（コイル通電用の電極）１８に接続する。なお、ワイヤ端子１４または／およびコイル端子１７を省略して、磁性ワイヤ１２の両端または／およびにコイルの両端に電極を形成してもよい。

次に、ＧＳＲセンサ用の電子回路は、図２により説明する。
電子回路２（図２）は、ＧＳＲ素子２２の磁性ワイヤ１２に０．５～４ＧＨｚの周波数からなるパルス電流を流すパルス発振器２１、入力側回路２３、出力側回路（サンプルホールド回路）２４、寄生容量２５、電子スイッチ２６、コンデンサ２７、増幅器２８からなり、コイル電圧として出力する。入力側回路２３と出力側回路２４の間にバッファー回路を設けてもよい。

このＧＳＲ素子（以下、素子という。）を、傾斜角度θ＝３５．２度（ｔａｎθ＝√２／２、ｓｉｎθ＝１／√３、ｃｏｓθ＝√２／√３）を持つ４面の傾斜面を有する台座に４個を４回対称に貼り付けて、それら４個の素子の磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２を用いて、Ｈｘ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｘ１－Ｈｘ２）、Ｈｙ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｙ１－Ｈｙ２）、Ｈｚ＝（１／４ｓｉｎθ）（Ｈｘ１＋Ｈｘ１＋Ｈｙ１＋Ｈｙ２）を算出して、測定位置における磁界（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を求めることができること、およびＨｘ、Ｈｙ、Ｈｚの測定値の測定誤差がσｘ＝σｙ＝σｚになることに思い至った。

ＧＳＲ素子を貼り付ける傾斜角度θ＝３５．２度を持つ４面の傾斜面を有する台座の形状としては、次の４つの形状が挙げられる。図３Ａ～図３Ｃを用い、平面図および断面図を示して説明する。

先ず、図３Ａに示す四角錐台である。台座の上下面は四角形状の上面と上面より大きな面積からなる下面とからなる。その側面は台形状の傾斜面（台形斜面）の４面からなる。ＧＳＲ素子は台形斜面に貼り付ける。

次に、図３Ｂに示す八角錐台である。台座の上下面は八角形状の上面と上面より大きな面積からなる下面とからなる。その側面は台形状の傾斜面（台形斜面）の８面からなる。ＧＳＲ素子は台形斜面に貼り付ける。

そして、図３Ｃに示す変則八面錐台である。台座の上下面は、正四角形状の上面（四角面という。）と上面より大きな面積からなる八角形状の下面（底面）とからなる。その側面は交互に長方形状の傾斜面（長方形斜面という。）と三角形状の傾斜面（三角形斜面という。）とからなる。長方形斜面は、上面の四角面の一辺と底面の八角形の一辺とが同じ幅よりなり、４個形成している。三角形斜面は、上面の四角面の頂点と底面の八角形の一辺よりなり、４個形成している。ＧＳＲ素子は長方形斜面に貼り付ける。

ここで、変則八面錐台の定義について補足説明する。
錐台（wikipedia）によると錐台とは、錐台（すいだい、英: Frustum）は、錐体から、頂点を共有し相似に縮小した錐体を取り除いた立体図形である。
しかし、本発明の変則八面錐台とは、「変則」の意味は「錐台」の上面は正四角形状で下面は八角形状（正八角形状ではない。）の異なる形状からなって不規則であること、また「錐台」の側面である傾斜面は交互に長方形状が４面と三角形状が４面と異なる形状からなって不規則であること、そして長方形状の傾斜面の４面と三角形状の傾斜面の４面との合計が「八面」であることから「変則八面錐台」と定義する。

初めに、四角錐台の台座の斜面にそれぞれＧＳＲ素子を貼り付けて磁界（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を求める計算式について説明する。比較として、ＧＭＲ素子については四角錐台に貼り付けて同様に説明する。
前提として、ＧＳＲ素子およびＧＭＲ素子について、Ｘ軸磁界、Ｙ軸磁界およびＺ軸磁界の向きと素子の向きで＋／－が決まる。ＧＳＲ素子では、磁界の向きを出力電圧（信号電圧）の＋と定義する。ＧＭＲ素子では、磁界の向きの左ひねりの向きを出力電圧（信号電圧）の＋と定義する。

ＧＳＲ素子は、素子の方向（素子長手方向）が検出磁界方向と平行しており、４回対称にて鏡像（ミラー）対称性となる。これにより、Ｘ軸方向の磁界ＨｘはＸ１（＋）－Ｘ２（－）により、Ｙ軸方向の磁界ＨｙはＹ１（＋）－Ｙ２（－）により求められる。そして、Ｚ軸方向の磁界ＨｚはＸ１（＋）＋Ｘ２（＋）＋Ｙ１（＋）＋Ｙ２（＋）により求められる。ここで、ＧＳＲ素子は検出磁界方向と素子長手方向（出力電圧方向）が平行しているために、ＧＳＲ素子を四角錐台の４つの長方形斜面に４回対称かつ鏡像対称に配置して、出力電極とグランド電極の配線の対称的配置の確保に努めている。

一方、ＧＭＲ素子は、素子の方向（素子長手方向）は検出磁界方向と直交しており、４回対称にて鏡像（ミラー）反対称性となる。これにより、Ｘ軸方向の磁界ＨｘはＸ１（＋）－Ｘ２（－）により、Ｙ軸方向の磁界ＨｙはＹ１（＋）－Ｙ２（－）により求められる。そして、Ｚ軸方向の磁界Ｈｚは（Ｘ１（＋）＋Ｙ１（＋））－（Ｘ２（－）＋Ｙ２（－））により求められる。磁界センサを鏡像対称性に配置した場合と鏡像反対称性に配置した場合で、計算式が異なることを明記すべきである。
ここで、ＧＭＲ素子は検出磁界方向と素子長手方向（出力電圧方向）が直交しているために、素子を四角錐台の４つの斜面に４回対称かつ鏡像反対称に配置して、出力電極とグランド電極の配線の対称的配置の確保に努めている。

次に、四角錐台の台形斜面の傾斜角度、サイズについて説明する。
台形斜面の傾斜角度θが、３５．２度の時、Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚの測定誤差σｘ、σｙ、σｚがすべて同じ、つまりσｘ＝σｙ＝σｚ＝０．８６σとなる。しかも各軸の測定誤差が使用したセンサの測定誤差σよりも改善する。実用的にはσｚがσｘ（＝σｙ）に比べて、２５％程度の差を許容できるとすると、傾斜角度θは２０度から４５度程度となる。水平面方向の磁界精度を重視する場合には、３５．２度から２０度程度へと少し小さくし、垂直方向の磁界の精度を重視する場合は、３５．２度から４５度へと少し大きくすることができる。

ＧＳＲ素子（以下、素子という。）の長さを０．４ｍｍ～３ｍｍとすると、四角錐台の上面の四角面の一辺の長さは素子の幅に相当し、０．２ｍｍ～０．４ｍｍである。
台座の高さは、素子の長さのｓｉｎθ倍である。つまり、θが３５．２度の場合、ｓｉｎ３５．２°＝０．５８倍であるから、高さは０．２４ｍｍ～１．８ｍｍである。傾斜角度θ＝４５度の場合、最大の高さは２．１ｍｍである。

各素子間の整列方位のミスマッチによる干渉性を排除して、素子間の４回対称性を確保するためには、台座の加工精度および素子と台座を組み合わせたときの４回対称性が重要である。台座の加工誤差は１０μｍ以下とする。その上で、台座の台形斜面に４回対称に素子を設置するための基軸線マークを上下端部の位置誤差±１μｍで刻印し、その線と素子のアモルファスワイヤとを顕微鏡を使って誤差±１μｍで一致させることによって、４個の素子の４回対称性を確保した。なお素子と台座とは接着剤で固定する。

以上、四角錐台を例として、磁界（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を求める計算式、傾斜角度について説明してきた。他の八角錐台および変則八面錐台においても、ＧＳＲ素子は傾斜面に鏡像対称に貼り付けられ、その貼り付けられる傾斜面の形状は異なるが計算式、傾斜角度は同じである。サイズは、ＧＳＲ素子のサイズと傾斜角度θにより自動的に求められる。

磁界ベクトルセンサの組み立ては、図４に示すように、 磁界ベクトルセンサ用基板（以下、センサ基板という。）にＧＳＲ素子とＧＳＲ素子を貼り付けた台座よりなる素子台座とＡＳＩＣを搭載して行なう。素子台座の底辺がＡＳＩＣよりも十分大きい場合、つまり底辺が２ｍｍ以上の場合には、底辺側（底面）の中央部を中空として、そこにＡＳＩＣを取り付け、素子台座とＡＳＩＣの両者をセンサ基板上に設置した。

ここで、磁界ベクトルセンサ用の電子回路を特定用途集積回路（以下、ＡＳＩＣという。）として、図５に示すように、ＡＳＩＣは、電子回路に４個の素子のコイル電圧を信号処理回路により４個の素子の磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２に変換し、内部でそれらの値から磁界ベクトル値Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを計算する演算処理装置を含んでいる。

なお、図６に示すように、１個のパルス発信器から１個の素子にパルス電流を流し、１つのコイル電圧を１個の素子の磁気測定値（例えば、Ｈｘ１）に変換する信号処理回路までの特定用途集積回路をＡＳＩＣ－ｘ１として、４個のＡＳＩＣ－ｘ１、ＡＳＩＣ－ｘ２、ＡＳＩＣ－ｙ１、ＡＳＩＣ－ｙ２により磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２に変換し、それらの磁気測定値を１個の演算処理装置に送信して磁界ベクトル値Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを計算してもよい。

センサ基板には、表面側には１６個の素子電極と１６個のＡＳＩＣ用電極および複数個の外部接続電極を設け、表面側の外部接続電極はスルーホールを介して裏面側の対応する外部接続電極に接続する配線構造を有している。
配線は、各素子の４つの電極と基板表面上の１６個の素子電極とを導線で接続する。センサ基板上の１６個のＡＳＩＣ用電極とＡＳＩＣ側の素子電極とをハンダ接合する。さらに、ＡＳＩＣ側の外部接続電極とセンサ基板表面側の外部接続電極とをハンダ接合する。
これにより素子で検知した外部磁界をＡＳＩＣで信号処理して、磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を求め、それをセンサ基板裏面側の外部接続電極から取り出すことができる（図７～図９）。

本発明において、ＧＳＲ素子を単体で斜面に設置してコイル電圧をＡＳＩＣまで配線した場合には、コイル電圧が低下したり、外部ノイズを感じる場合がある。このような場合、ＧＳＲ素子を特定用途集積回路（例えば、ＡＳＩＣ－ｘ１）の上に直接形成して、ＧＳＲセンサ（ｏｎ―ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサと呼称する。）とし、それを四角錐台の台形斜面に貼り付けて磁界ベクトルセンサとしてもよい（図１０～図１４）。

本発明により、医療、環境、ロボット分野など先端産業分野を中心に、生体磁気計測、生体内ナビゲーションシステム、ロボットの姿勢制御装置、地磁気異常、火星など地磁気測定など、微小磁界の計測あるいは微小空間における微小磁界の磁界分布の計測のニーズに対応することが可能になった。
なお、本発明の微小空間内で所定の位置の磁界ベクトルの測定を可能ならしめる磁界ベクトルセンサにおいては、微小空間は一様磁界として、すなわちＨｘ１＝Ｈｘ２、Ｈｙ１＝Ｈｙ２を前提としている。厳密に言えば、一様の程度はＨｘ１とＨｘ２の両者およびＨｙ１とＨｙ２の両者の違いが１％以下と考え、両者の平均値が、両素子のほぼ中央の磁界であると見なしている。

ＧＳＲ素子の平面図である。 ＧＳＲセンサ用の電子回路図である。 四角錐台の平面図およびその断面図である。 八角錐台の平面図およびその断面図である。 変則八面錐台の平面図およびその断面図である。 磁界センサの組み立て図である。 電子回路図で、パルス発信器～信号処理回路～演算処理装置からなるＡＳＩＣある。 電子回路図で、パルス発信器～信号処理回路の各軸に対応する４個のＡＳＩＣと演算処理装置等からなる。 四角錐台および八角錐台のＧＳＲ素子の電極とセンサ基板の電極との配線図である。 ＡＳＩＣ４０Ａの表面の電極配置図を示す。 四角錐台および八角錐台のセンサ基板の表面の電極配置および配線を示す図である。 変則八面錐台のＧＳＲ素子の電極とセンサ基板の電極との配線図である。 変則八面錐台のセンサ基板の表面の電極配置および配線を示す図である。 素子台座に貼り付けるｏｎ―ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサの平面図である。 素子台座にｏｎ―ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサを貼り付けた平面図である。 素子台座にｏｎ―ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサを貼り付けたＥ１－Ｅ２線の断面図である。

第１発明の磁界ベクトルセンサは、
ＧＳＲセンサと素子台座と演算処理装置とを備える磁界ベクトルセンサにおいて、
前記ＧＳＲセンサは、ＧＳＲ素子と電子回路とからなり、
前記ＧＳＲ素子は、基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤ（以下、磁性ワイヤという。）と、前記磁性ワイヤに巻回した周回コイルで形成される検出用コイルと、磁性ワイヤ通電用のワイヤ電極２個およびコイル電圧検出用のコイル電極２個からなる４個の電極とを備え、かつ、検出磁界方向と素子長手方向とは前記磁性ワイヤ方向で一致しており、
前記電子回路は、パルス発信器と信号処理回路とからなり、
前記パルス発信器は、前記磁性ワイヤに０．５～４ＧＨｚの周波数のパルス電流を流し、
前記信号処理回路は、前記磁性ワイヤに前記パルス電流を流した時に生じる前記検出用コイルに発生するコイル電圧を検知し、その電圧を外部磁界Ｈに比例した出力信号に変換し、
前記素子台座は、少なくとも４面の傾斜面を４回対称に有する台座であって、
前記傾斜面のうち４面は傾斜角度θが２０～４５度よりなり、
４個の前記ＧＳＲ素子が前記４面の傾斜面に前記ＧＳＲ素子の前記磁性ワイヤの方向を傾斜方向に向け、かつ４回対称で鏡像対称に貼り付けられており、
前記４個のＧＳＲ素子は４個の前記電子回路に接続され、前記信号処理回路は前記パルス電流を流した時に生じる前記コイル電圧を検知し、前記コイル電圧を磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２に変換して前記演算処理装置に入力し、
前記演算処理装置は、前記磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２を用いて、
Ｈｘ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｘ１－Ｈｘ２）、
Ｈｙ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｙ１－Ｈｙ２）、
Ｈｚ＝（１／４ｓｉｎθ）（Ｈｘ１＋Ｈｘ２＋Ｈｙ１＋Ｈｙ２）、
を算出し、
上記式で算出された磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚでもって各軸のピンポイントの測定位置における磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を、各軸の磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを同じ感度、同じ精度で測定することを特徴とする。

本発明は、少なくとも４面の傾斜面を４回対称に有する台座を用いて検出磁界方向と素子長手方向（出力電圧方向）とが一致する磁界検出素子を台座の傾斜角度θが２０～４５度からなる４つの斜面に４回対称かつ鏡像対象に貼り付け、電子回路により磁界検出素子の磁性ワイヤへ電流を流したときに生じるコイル電圧を検知し、変換して得られる磁気測定値を用いてピンポイントの測定位置における磁界（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を、各軸の磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを同じ感度、同じ精度で求めるものである。

これにより、ピンポイントの測定位置における磁界（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を、各軸の磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを同じ感度、同じ精度で求めることが可能となり、真の磁界ベクトルセンサが得ることが可能となる。
台座の傾斜角度θが２０～４５度とすることにより、磁界ベクトルセンサのＨｘ、Ｈｙ、Ｈｚの測定精度が同じとなることを見出したのである。
また、検出磁界方向と素子長手方向が異なることから、4個の素子の配置が鏡像対称とすることにより、演算処理装置にて各軸の磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを求める計算式は、上記の式となる。
すなわち、ＧＳＲ素子の特徴を生かした磁界ベクトルセンサを考案したものである。

第２発明の磁界ベクトルセンサは、
ｏｎ－ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサと素子台座と演算処理装置とを備える磁界ベクトルセンサにおいて、
前記ｏｎ－ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサは、ＧＳＲ素子と特定用途集積回路（以下、ＡＳＩＣという。）を備え、かつ前記ＧＳＲ素子と前記ＡＳＩＣとは、前記ＧＳＲ素子は前記ＡＳＩＣの表面上に設置されるとともに両者はスルーホールを介して連結されており、
前記ＧＳＲ素子は、基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤ（以下、磁性ワイヤという。）と、前記磁性ワイヤに巻回した周回コイルで形成される検出用コイルと、磁性ワイヤ通電用のワイヤ電極２個およびコイル電圧検出用のコイル電極２個からなる４個の電極とを備え、かつ、検出磁界方向と素子長手方向とは前記磁性ワイヤ方向で一致しており、
前記ＡＳＩＣは、パルス発信器と信号処理回路とを備え、
前記パルス発信器は、前記磁性ワイヤに０．５～４ＧＨｚの周波数のパルス電流を流し、
前記信号処理回路は、前記ＧＳＲ素子に前記パルス電流を流した時に生じる前記検出用コイルに発生するコイル電圧を検知し、その電圧を外部磁界Ｈに比例した出力信号に変換し、
前記素子台座は、少なくとも４面の傾斜面を４回対称に有する台座であって、
前記傾斜面のうち４面は傾斜角度θが２０～４５度よりなり、
４個の前記ｏｎ－ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサが前記４面の傾斜面に前記ＧＳＲ素子の磁性ワイヤの方向を傾斜方向に向け、かつ４回対称で鏡像対称に貼り付けられており、
前記４個のｏｎ－ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサは、前記磁性ワイヤに前記パルス電流を流した時に生じる前記コイル電圧を検知し、前記コイル電圧を磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２に変換して、前記演算処理装置に入力し、
前記演算処理装置は、前記磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２を用いて、
Ｈｘ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｘ１－Ｈｘ２）、
Ｈｙ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｙ１－Ｈｙ２）、
Ｈｚ＝（１／４ｓｉｎθ）（Ｈｘ１＋Ｈｘ２＋Ｈｙ１＋Ｈｙ２）、
を算出し、
上記式で算出された磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚでもって各軸のピンポイントの測定位置における磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を、各軸の磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを同じ感度、同じ精度で測定することを特徴とする。

本発明は、４面の傾斜面に貼り付ける単体のＧＳＲ素子に変えて、ＧＳＲ素子を特定用途集積回路（例えば、ＡＳＩＣ－ｘ１）の上に直接形成して、ＧＳＲセンサ（ｏｎ―ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサをいう。）とし、それを傾斜面に貼り付けた磁界ベクトルセンサである。

これにより、第１発明におけるＧＳＲ素子を単体で斜面に設置してコイル電圧をＡＳＩＣまで配線した場合に比べて、配線の長さが短くなってコイル電圧の低下防止や外部ノイズの影響防止が可能となる。また、磁界ベクトルセンサの組み立てが容易となる。

第１発明および第２発明における４面以上の傾斜面を有し、その傾斜面のうち４面は傾斜角度θが２０～４５度よりなるＧＳＲ素子またはＧＳＲセンサを貼り付ける台座の形状として、上記の３つの形状が挙げられる。

先ず、図３Ａに示す四角錐台３Ａである。台座３０Ａの上下面は四角形状の上面３１Ａと上面より大きな面積からなる下面３２Ａとからなる。その側面は台形状の傾斜面（台形斜面）３３Ａの４面からなる。ＧＳＲ素子３５またはＧＳＲセンサは台形斜面に貼り付ける。

次に、図３Ｂに示す八角錐台３Ｂである。台座３０Ｂの上下面は八角形状の上面３１Ｂと上面より大きな面積からなる下面３２Ｂとからなる。その側面は台形状の傾斜面（台形斜面３０Ｂ）の８面からなる。ＧＳＲ素子３５またはＧＳＲセンサは台形斜面に貼り付ける。

そして、図３Ｃに示す変則八面錐台３Ｃである。台座の上下面は、正四角形状の上面３１Ｃ（四角面という。）と上面より大きな面積からなる八角形状の下面３２Ｃ（底面）とからなる。その側面は交互に長方形状の傾斜面３４Ｃ（長方形斜面という。）と三角形状の傾斜面３３Ｃ（三角形斜面という。）とからなる。長方形斜面３４Ｃは、上面の四角面の一辺と底面の八角形の一辺とが同じ幅よりなり、４個形成している。三角形斜面３３Ｃは、上面の四角面の頂点と底面の八角形の一辺よりなり、４個形成している。ＧＳＲ素子３５またはＧＳＲセンサは長方形斜面３４Ｃに貼り付ける。

上記のいずれの台座も、検出方向とＧＳＲ素子またはＧＳＲセンサの長手方向が異なっても傾斜角度３７を確保し、磁界ベクトルセンサの機能を果たすともに検出感度を０．１ｎＴ～１０ｎＴの微小磁界の検出が可能にする。

本発明は、少なくとも４面の傾斜面を有し、傾斜面のうち４面は傾斜角度θが２０～４５度よりなる台座（上記の４種類の台座）を用いて、検出磁界方向と素子長手方向（出力電圧方向）とが一致するＧＳＲ素子（ＧＳＲセンサのＧＳＲ素子を含む。）を台座の４つの傾斜面に４回対称かつ鏡像対象に貼り付け、電子回路によりＧＳＲ素子の磁性ワイヤへ電流を流したときに生じるコイル電圧を検知し、変換して磁気測定値を用いてピンポイントの測定位置における磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を各軸の磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚと同じ感度、同じ精度で求めるものである。これは、ＧＳＲ素子の特徴を生かした磁界ベクトルセンサを考案したものである。
ここでＧＳＲ素子とは、周波数０．５ＧＨｚ～４ＧＨｚで駆動し、コイルピッチが１０μｍ以下であることを特徴とする素子と定義する。なお、ＭＩ素子も検出磁界方向と素子長手方向（出力電圧方向）とが一致する素子であることから、ＧＳＲ素子を使用する場合に比べて検出感度は低下するが、本発明の技術思想（検出磁界方向と素子長手方向（出力電圧方向）とが一致する素子で台座に４回ミラー反対称に取り付け、台座の傾斜角度が２０度から４０度で、磁界ベクトルとピンポイントに同じ感度で同じ精度で測定できる）に含まれるものである。
以下、発明の詳細について説明する。

＜ＧＳＲ素子＞
ＧＳＲ素子は、図１および上記の説明より、基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤ（以下、磁性ワイヤという。）と、磁性ワイヤに巻回した周回コイルで形成される検出用コイルと、磁性ワイヤ通電用のワイヤ電極２個およびコイル電圧検出用のコイル電極２個からなる４個の電極とから構成されており、検出磁界方向と出力電圧方向とは同じワイヤ方向で一致している。
なお、磁性ワイヤの両端および検出コイルの両端に端子を設け、これらの端子と電極との間を接続配線により接続してもよい。
以上の構成からなるＧＳＲセンサ素子は、その構成が同じＭＩセンサ素子およびＦＧセンサ素子なども範疇に含むものである。

＜電子回路＞
電子回路２Ａは、図５に示すように、パルス発信器～信号処理回路～演算処理装置からなるＡＳＩＣの電子回路図である。
電子回路２Ａ（図５）は、ＧＳＲセンサの電子回路２を採用した集積回路（以下、ＡＳＩＣという。）で、パルス電流を流す１個のパルス発振器２２１、４個のＧＳＲ素子（２２Ｘ１、２２Ｘ２、２２Ｙ１、２２Ｙ２）、４個の信号処理回路２２２と４個の信号を切り替える切替スイッチ２２３、次いでＡＤコンバータ２２４、演算処理回路２２５およびデータ通信回路２２６から構成されている。

１個のパルス発信器２２１は４個のＧＳＲ素子（２２X１、２２X２、２２Ｙ１、２２Ｙ２）の各磁性ワイヤに０．５～４ＧＨｚの周波数のパルス電流を流し、信号処理回路２２２はＧＳＲ素子にパルス電流を流した時に生じる磁性コイルに発生するコイル電圧を検知し、その電圧を外部磁界Ｈに比例した出力信号に変換して、Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１およびＨｙ２の４個の磁気測定値を求める。

演算処理装置は、求めた４個の磁気測定値を用いて、
Ｈｘ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｘ１－Ｈｘ２）、
Ｈｙ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｙ１－Ｈｙ２）、
Ｈｚ＝（１／４ｓｉｎθ）（Ｈｘ１＋Ｈｘ２＋Ｈｙ１＋Ｈｙ２）、
により磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を算出する。
Ｚ軸方向の磁界Ｈｚは、磁界検出素子が４回対称かつ鏡像対象に貼り付けられていることからＨｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１およびＨｙ２の４個の磁気測定値の和となる。

なお、本発明では、磁性ワイヤに流す電流としてはパルス電流について説明しているが、磁性ワイヤに電流を流した時に生じるコイル電圧を検知し、コイル電圧を外部磁界Ｈに変換することができる高周波電流も本発明に含まれるものである。

これにより、ピンポイントで所定の位置の磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を高い検出能でもって測定することが可能となる。また、微小空間における微小磁界の磁界分布の計測も可能となる。さらに、Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚの測定誤差は、θ＝３５．２度とすると、σｘ＝σｙ＝σｚ＝０．８６σとすべて同じになる。しかも使用したＧＳＲセンサの測定誤差σより１４％小さくなることが分かる。

次に、電子回路２Ｂは、図６に示すように、パルス発信器～信号処理回路の各軸に対応する４個のＡＳＩＣと演算処理装置等からなる。
1個のパルス発信器２２１と１個の信号処理回路２２２とに対応する１個のＧＳＲ素子からなる１個のＡＳＩＣ、すなわちＧＳＲ素子２２Ｘ１に対応するＡＳＩＣ Ａ－ｘ１、ＧＳＲ素子２２Ｘ２に対応するＡＳＩＣ Ａ－ｘ２、ＧＳＲ素子２２Ｙ１に対応するＡＳＩＣ Ａ－ｙ１、ＧＳＲ素子２２Ｙ２に対応するＡＳＩＣ Ａ－ｙ２の４個のＡＳＩＣとする。
４個のＡＳＩＣのそれぞれの磁性ワイヤに０．５～４ＧＨｚの周波数のパルス電流を流し、信号処理回路２２２はＧＳＲ素子にパルス電流を流した時に生じる磁性コイルに発生するコイル電圧を検知し、その電圧を外部磁界Ｈに比例した出力信号に変換して、Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１およびＨｙ２の４個の磁気測定値を求める。

演算処理装置２２５は、求めた４個の磁気測定値を用いて、上式により磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を算出する。

＜台座＞
台座とは、磁界を検出するためにＧＳＲ素子３５またはＧＳＲセンサを貼り付ける台をいい、その種類は四角錐台３Ａ、変形四角錐台３Ｂ、八角錐台３Ｃおよび変則八面錐台３Ｄの４種類があり、いずれの台座もその傾斜面の４面にＧＳＲ素子またはＧＳＲセンサが鏡像対称に貼り付けられる。台座の傾斜面の特徴は以下のとおりである。

台座の傾斜面の傾斜角度３７の傾斜角度θは３５．２度を基準にして、２０度～４５度の範囲とする。この角度は、磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚの検出感度と検出能力（＝磁気センサのノイズ）を同じとするために重要である。さらに、ＧＳＲ素子は検出磁界方向とＧＳＲ素子の長手方向が同じであるため、台座３０（３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ）のＧＳＲ素子を貼り付ける形斜面は長い緩やかな斜面とすることが磁界ベクトルセンサの小型化にとっても望ましいからである。

上面３１の四角形または八角形（四角形等という。）の一片を素子３５の幅相当とし、底辺３２の長さは、上面３１の四角形等の一辺の長さとＧＳＲ素子３５の長さの２ｃｏｓθ倍との合計の長さに相当し、最小は０．６ｍｍで最大は６ｍｍであり、好ましくは１ｍｍ～６ｍｍである。台座３０の高さは、素子３５の長さのｓｉｎθ倍である。つまり、θが３５．２度の場合、台座３０の高さは、０．１５ｍｍ～１．５ｍｍである。
なお、ＧＳＲ素子のサイズ３５と長方形斜面３４Ｃのサイズは、必ずしも同一である必要はない。

台座３０の傾斜面は、２０～４５度で緩やかな斜面からなる。傾斜角度θが３５．２度の時、Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚの測定誤差σｘ、σｙ、σｚがすべて同じ、つまりσｘ＝σｙ＝σｚ＝０．８６σとなる。実用的にはσｚがσｘ（＝σｙ）に比べて、２５％程度の差を許容できるとすると、傾斜角度θは２０度から４５度程度となる。水平面方向の磁界精度を重視する場合には、傾斜角度θは３５．２度から２０度程度へと少し小さくし、垂直方向の磁界の精度を重視する場合は、傾斜角度θは３５．２度から４５度へと少し大きくすることもできる。

また、台座３０の底面３２（３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ）には、底面にＡＳＩＣを設置する広さがある場合、底面３２に中空部３８を設けてＡＳＩＣを取り付けることができる。これにより、コンパクトな磁界ベクトルセンサを得ることができる。

台座３０にて、上面３１を挟んでＧＳＲ素子を貼り付ける４個の台座斜面 (台形斜面または長方形斜面)に４個の素子３５を４回対称に接着剤で固定し、素子台座３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ）とする。
４回対称性を確保するために、台座３０の加工誤差は、１０μｍ以下とした上で、台座斜面に４回対称に素子３５を設置するための基軸線マーク３６を台座斜面の上下端部の位置誤差±１μｍで刻印し、その基軸線マーク３６とＧＳＲ素子３５の磁性ワイヤ３５１とを顕微鏡を使って誤差±１μｍで一致させる。

これにより、４個の素子ＧＳＲ３５の４回対称性を確保が図れる。

＜磁界ベクトルセンサの組み立て＞
図４を用いて、磁界ベクトルセンサの組み立て４を説明する。
磁界ベクトルセンサの基板であるセンサ基板４０の上に、ＡＳＩＣ４０Ａとそれを内挿した台座３０と素子３５とからなる素子台座４０Ｇを載置して組み立てる。

＜配線構造＞
図４は、さらに組み立て後の配線構造も示している。
センサ基板４０の表面の素子電極４１、素子電極４１と素子３５の電極を接続する連結配線４２、素子電極４１とＡＳＩＣ用電極の電極を接続する連結配線４３、センサ基板４０の表面側から裏面側に貫通するスルーホール４４およびセンサ基板４０の裏面にはスルーホール４４から裏面配線４５を介して裏面出力電極４６に接続されている。

また、配線構造は、四角錐台および八角錐台については、図７にＧＳＲ素子３５の電極とセンサ基板４０の電極４１との配線を示し、図８はＡＳＩＣ４０Ａの表面の電極配置図を示す。図９にセンサ基板４０の表面の電極配置および配線を示している。
変則八面錐台については、図１０にＧＳＲ素子３５の電極とセンサ基板４０の電極４１との配線を示し、図１１にセンサ基板４０の表面の電極配置および配線を示している。
なお、ＡＳＩＣ４０Ａの表面の電極配置図は図８と同じである。

センサ基板４０には、表面側には１６個の素子電極と１６個のＡＳＩＣ４０Ａの素子電極および複数個の外部接続電極を設け、表面側の外部接続電極はスルーホールを介して裏面側の対応する外部接続電極に接続する構造からなっている。

配線は、各素子３５の４つの電極とセンサ基板４０の表面上の１６個の素子電極とを導線で接続する。センサ基板４０上の１６個のＡＳＩＣ４０Ａの素子電極とＡＳＩＣ側の素子電極とをハンダ接合する。さらに、ＡＳＩＣ側の外部接続電極とセンサ基板表面側の外部接続電極とをハンダ接合する。
これにより素子３５で検知した外部磁界をＡＳＩＣ４０Ａで信号処理して、磁界ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ、Ｈｚ）を求め、それをセンサ基板４０の裏面側の外部接続電極４６から取り出すことができる。

＜信号処理＞
ＡＳＩＣ４０Ａ内での信号処理は、４個の素子３５の磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２を計測し、その値を使って、Ｈｘ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｘ１－Ｈｘ２）、Ｈｙ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｙ１－Ｈｙ２）、Ｈｚ＝（１／４ｓｉｎθ）（Ｈｘ１+Ｈｘ２＋Ｈｙ１+Ｈｙ２）を算出して、測定位置における磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を求める。台座の斜面の傾斜角度を３５．２度にした場合、各軸の検出感度と微小磁界検出能（＝磁界センサのσノイズ）が同じとなる。

測定位置は、Ｘ軸とＹ軸方向は、台座の中央部である。Ｚ軸方向は、台座の高さＨの１／２の位置（＝Ｈ／２）である。台座の底面の中央位置を座標原点（０、０、０）として表現すれば、測定位置Ｐ点は、（０、０、Ｈ／２）である。
測定範囲は、台座の面積×台座の高さである。その測定空間の平均値を計測していると考えられる。

ＧＳＲセンサの検出能は、素子の長さに比例し大きくなり、本発明に用いたＧＳＲセンサの検出能は０．１ｎＴ～１０ｎＴの範囲である。

＜ｏｎ―ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサ＞
ＧＳＲ素子を単体で４面の傾斜面に設置して、コイル電圧をＡＳＩＣまで配線した場合、例えば図７または図１０における接続配線４２の場合には、コイル電圧が低下したり、外部ノイズを感じたりする場合がある。このような場合、ＧＳＲ素子を特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）の上に直接形成したｏｎ―ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサを使用して、それを４面の傾斜面に貼り付けて、ＧＳＲ素子で検知したコイル電圧をＡＳＩＣにおいて信号処理を行って磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２に変換して出力する。

このＡＳＩＣより出力された磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２をＡＳＩＣの外部に連結した演算処理装置にて磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを算出して磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を測定する。

このｏｎ―ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサは、本発明者らが特開２０１９－１９１０１６号公報（超薄型高感度磁気センサ）にて開示している。本発明においてこの技術を引用するものである。
図１２に構造を簡単に説明し、一例としてこのＧＳＲセンサを貼り付けた変則八面錐台の構造を図１３および図１４を用いて説明する。
ＧＳＲセンサ７は、ＡＳＩＣ７０の表面上に長手方向に溝７２を有する絶縁性レジスト層７１を形成し、その溝７２に検出コイル７４が巻回されている磁性ワイヤ７３が整列されている。磁性ワイヤ７３および検出コイル７４はそれぞれ電極（７３３、７４１）を有しており、各電極は絶縁性レジスト層７１内に形成されたスルーホールを介して直接ＡＳＩＣと接続される。
これにより、素子の電極とＡＳＩＣの電極との素子の外部配線からスルーホールを介した内部配線になるとともに両電極間の配線距離が短縮されて上記の問題の解消が可能となる。

変則八面錐台８の構造は、図１３および図１４（図１３のＥ１－Ｅ２線における断面図）に示すように、台座８０の上下面は四角形の上面８０１と八角形の下面（底面）８０２よりなり、台座８０の側面は長方形斜面８０３と三角形斜面８０４が交互に形成されて各々４個よりなる。また、長方形斜面８０３の傾斜角度θは傾斜角度８０６よりなる。
長方形斜面８０３の４個にはそれぞれＧＳＲセンサ８１が貼り付けられている。ここではＧＳＲセンサ８１としてＡＳＩＣ８１１、絶縁性レジスト８１２、磁性ワイヤ８１３および磁性ワイヤ用電極と検出コイル用電極が図示されている。

［実施例１］
本発明の実施例１について、図１～９により説明する。
ＧＳＲ素子（以下、素子という。）１は、図１に示す構成にてサイズは長さが３ｍｍ、幅が０．２ｍｍである。磁性ワイヤ１３は、ガラス被覆付きの直径１０μｍ、長さ２．５ｍｍのＣｏＦｅ系のアモルファス合金からなり、両端にワイヤ端子１４が形成され、接続配線１６を介してワイヤ電極１５に接続されている。コイル１３は、両端にコイル端子１７を設けて接続配線１９を介してコイル電極１８に接続されている。

電子回路は、図２に示すＧＳＲセンサの電子回路２を採用し、図５に示すＡＳＩＣ（電子回路２Ａ）を製作して用いた。パルス発振器２２１から周波数１．５ＧＨｚのパルス電流をＧＳＲ素子（２２Ｘ１、２２Ｘ２、２２Ｙ１、２２Ｙ２）に通電する。
信号処理回路２２２はＧＳＲ素子にパルス電流を流した時に生じる磁性コイルに発生するコイル電圧を検知し、その電圧を外部磁界Ｈに比例した出力信号に変換して、Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１およびＨｙ２の４個の磁気測定値を求める。

演算処理装置は、求めた４個の磁気測定値を用いて、上記計算式によりＨｘ、Ｈｙ、Ｈｚを求めて、磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を算出する。

素子台座３Ａは、図３Ａに示すように台座３０Ａと台座３０Ａに貼り付ける４個の素子３５とからなる。（３a）は素子台座３Ａの平面図を示し、（３ｂ）は（３ａ）の素子台座３ＡのＡ１－Ａ２線の断面図を示す。
台座３０Ａは、四角錐台で、その台形斜面の傾斜角度３７の傾斜角度θは３５．２度にして、台座３０Ａの上面３１Ａの四角形の一辺は台形斜面３３Ａの幅と同じにして素子３５の幅相当（０．２ｍｍ）とする。台形斜面３３Ａの長さは３．２ｍｍで、素子３５の長さ（３ｍｍ）にほぼ相当とする。台座３０の高さは１．８ｍｍである。

台座３０Ａに、４個の素子３５を４回対称に接着剤で固定した。４回対称性を確保するために、台座３０Ａの加工誤差は１０μｍとした上で、台座３０Ａの台形斜面３３Ａに４回対称に素子３５を設置するための基軸線マーク３６を上下端部の位置誤差±１μｍで刻印し、その基軸線３６と素子３５の磁性ワイヤ３５１とを顕微鏡を使って誤差±１μｍで一致させた。

磁界ベクトルセンサ４の組み立ては、図４に示すように、センサ基板４０の上面に台座３０Ａと素子３５とからなる素子台座４０Ｇ（３Ａ）およびＡＳＩＣ４０Ａにより行った。
素子台座３Ａの底辺３２１Ａの長さ７．６ｍｍは、ＡＳＩＣ４０Ａの幅２ｍｍよりも十分大きいので、底面３２Ａの中央部を中空部３８として、そこにＡＳＩＣ４０Ａが挿入できるようにして、素子台座３ＡおよびＡＳＩＣ４０Ａの両者をセンサ基板４０上に設置した。

センサ基板４０には、表面側には１６個の素子電極と１６個のＡＳＩＣの素子電極および複数個の外部接続電極を設け、表面側の外部接続電極はスルーホールを介して裏面側の対応する外部接続電極に接続する配線構造とした。

配線構造は、図７～９により説明する。
先ず、図７は素子台座３Ａの素子３５の電極とセンサ基板４０の素子電極４１を接続する配線図４Ａを示す。
各素子３５の４つの電極は、接続配線４２を介してセンサ基板４０の表面の１６個の素子電極４１と接続されている。

次に、図８はＡＳＩＣ４０Ａの表面の電極配置図を示す。
ＡＳＩＣ４０Ａの素子電極５１とＡＳＩＣ４０Ａの出力電極５２が配置されている。

最後に、図９にセンサ基板４０の表面の配線図６を示す。
センサ基板４０の素子電極６１（図６の素子電極４１に相当）は接続配線６４を介してＡＳＩＣ４０Ａ用電極６２と接続されている。センサ基板４０の出力電極６３が形成されている。

センサ基板４０の裏面の配線は、図４に示すように、表面の出力電極６３はスルーホール４４および裏面の接続配線４５を介して裏面の出力電極４６に接続されている。
ここで、センサ基板４０側の１６個のＡＳＩＣ用電極６２とＡＳＩＣ４０Ａ側の素子電極５１とをハンダ接合した。さらに、ＡＳＩＣ４０Ａ側の外部接続電極（出力電極５２）とセンサ基板４０の表面側の外部接続電極（出力電極６３）とをハンダ接合した。

これにより素子３５で検知した外部磁界をＡＳＩＣ４０Ａで信号処理して、磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を求め、それをセンサ基板４０の裏面側の外部接続電極（出力電極６３）から取り出すことができる。

ＡＳＩＣ内での信号処理は、４個の素子の磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２を求め、その値を使って、Ｈｘ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｘ１－Ｈｘ２）、Ｈｙ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｙ１－Ｈｙ２）、Ｈｚ＝（１／４ｓｉｎθ）（Ｈｘ１＋Ｈｘ２＋Ｈｙ１＋Ｈｙ２）を算出して、測定位置における磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を求めた。

測定位置は、Ｘ軸とＹ軸方向は、台座３０の中央部である。Ｚ軸方向は、台座の１／２の高さの位置である。台座の底面の中央位置を座標原点（０、０、０）として表現すれば、測定位置Ｐ点は、（０、０、１／２）である。
測定範囲は、台座３０の面積×台座の高さである。その測定空間の平均値を計測していると考えられる。
磁界センサの検出能は、０．２ｎＴである。

［実施例２］
実施例２は、図１１および図１２に示すように、変則八面錐体の素子台座８の長方形斜面８０３に４個のｏｎ―ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサ８１（図１２に示す。）を設置したものである。
ＡＳＩＣからの出力は接続用基板にワイヤボンディング接合した上で、接続用基板の電極と台座の電極とは半田接合で連結され、台座に埋め込まれた配線を使って、ＡＳＩＣ外部の演算処理装置に転送され、そこで磁界センサＨｘ、Ｈｙ、Ｈｚを計算し、それを外部の制御装置部に転送することを特徴とする磁界ベクトルセンサである。

ＧＳＲセンサのサイズは、長さ２．５ｍｍ、幅１．０ｍｍ、磁界ベクトルセンサのサイズは底辺が６ｍｍ、高さは１．５ｍｍ、その磁界検出力は０．１ｎＴで、実施例１に使用したＧＳＲセンサより５倍程度優れたものである。

本発明により、医療、環境、ロボット分野など先端産業分野を中心に、生体磁気計測、生体内ナビゲーションシステム、ロボットの姿勢制御装置、地磁気異常、火星など地磁気測定など、微小空間における微小磁界の計測に広く応用されるものと期待される。

１：ＧＳＲ素子（素子）
１１：基板、１２：磁性ワイヤ、１３：コイル、１４：ワイヤ端子、１５：ワイヤ電極、１６：接続配線（ワイヤ電極用）、１７：コイル端子、１８：コイル電極、１９：接続配線（コイル電極用）
２：電子回路（ＧＳＲセンサの電子回路）
２１：パルス発振器、２２：電子スイッチ、２３：ＧＳＲ素子、２４：電子スイッチ、２５：コンデンサ、２６：出力側回路（サンプルホールド回路）、２７：コンデンサ、２８：増幅器
２Ａ：電子回路（磁界ベクトルセンサの電子回路）
２２１：パルス発振器、（２２Ｘ１、２２Ｘ２、２２Ｙ１、２２Ｙ２）：ＧＳＲ素子、２２２：信号処理回路、２２３：切替スイッチ、２２４：ＡＤコンバータ、２２５：演算処理装置、２２６：データ通信回路
２Ｂ：電子回路（磁界ベクトルセンサの電子回路）
Ａ－ｘ１：ＧＳＲ素子２２Ｘ１のＡＳＩＣ、Ａ－ｘ２：ＧＳＲ素子２２Ｘ２のＡＳＩＣ、Ａ－ｙ１：ＧＳＲ素子２２Ｙ１のＡＳＩＣ、Ａ－ｙ２：ＧＳＲ素子２２Ｙ２のＡＳＩＣ、
２２１：パルス発振器、（２２Ｘ１、２２Ｘ２、２２Ｙ１、２２Ｙ２）：ＧＳＲ素子、２２２：信号処理回路、２２３：切替スイッチ、２２４：ＡＤコンバータ、２２５：演算処理装置、２２６：データ通信回路
３Ａ：素子台座３Ａ（四角錐台）
３０Ａ：台座、３１Ａ：上面、３２Ａ：下面（底面）、３２１Ａ：底辺、３３Ａ：台形斜面、３４：稜線、３５：ＧＳＲ素子 ３５１：磁性ワイヤ、３６：基軸線マーク、３７：傾斜角度、３８：中空部（中空）
３Ｂ：素子台座３Ｂ（八角錐台）
３０Ｂ：台座、３１Ｂ：上面、３２Ｂ：下面（底面）、３２１Ｂ：底辺、３３Ｂ：台形斜面、３４：稜線、３５：ＧＳＲ素子 ３５１：磁性ワイヤ、３６：基軸線マーク、３７：傾斜角度、３８：中空部（中空）
３Ｃ：素子台座３Ｃ（変則八面錐台）
３０Ｃ：台座、３１Ｃ：上面、３２Ｃ：下面（底面）、３２１Ｃ：底辺、３３Ｃ：三角形斜面、３４Ｃ：長方形斜面、３５：ＧＳＲ素子 ３５１：磁性ワイヤ、３６：基軸線マーク、３７：傾斜角度、３８：中空部（中空）
４：磁界ベクトルセンサ（組み立て）
４０：センサ基板、４０Ａ：ＡＳＩＣ、４０Ｇ：素子台座（台座３０とＧＳＲ素子からなる）、４１：素子電極（センサ基板４０の表面の素子電極）、４２：接続配線（素子３５の電極と素子電極４１との配線）、４３：接続配線（素子電極４１とＡＳＩＣ用電極との配線）、４４：スルーホール、４５：接続配線（センサ基板４０の裏面の配線）４６：出力電極（センサ基板４０の裏面の出力電極）
４Ａ：センサ基板の電極配置
４０：センサ基板、４１：素子電極（センサ基板４０の表面の素子電極）、４２：接続配線（素子３５の電極と素子電極４１との配線）
５：ＡＳＩＣの電極配置
５１：ＡＳＩＣの素子電極、５２：ＡＳＩＣの出力電極
６：センサ基板の表面の配線図
６１：素子電極（素子電極４１）、６２：ＡＳＩＣ用電極、６３：出力電極、６４：接続配線（素子電極６１とＡＳＩＣ用電極６２との配線）
７：ｏｎ－ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサ
７０：ＡＳＩＣ、７１：絶縁性レジスト層、７２：溝、７３：磁性ワイヤ、７３１：磁性ワイヤ用端子、７３２：ワイヤ電極接続部、７３３：ワイヤ電極、７４：検出コイル、７４１：コイル電極
８：素子台座（ＧＳＲセンサを貼り付けた変則八面錐体）
８０：台座、８０１：上面、８０２：下面（底面）、８０３：長方形斜面、８０４：三角形斜面、８０５：基準線マーク、８０６：傾斜角度θ、８１：ｏｎ－ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサ、８１１：ＡＳＩＣ、８１２：絶縁性レジスト層、８１３：磁性ワイヤ

Claims (5)

1. ＧＳＲセンサと素子台座と演算処理装置とを備える磁界ベクトルセンサにおいて、
   前記ＧＳＲセンサは、ＧＳＲ素子と電子回路とからなり、
   前記ＧＳＲ素子は、基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤ（以下、磁性ワイヤという。）と、前記磁性ワイヤに巻回した周回コイルで形成される検出用コイルと、磁性ワイヤ通電用のワイヤ電極２個およびコイル電圧検出用のコイル電極２個からなる４個の電極とを備え、かつ、検出磁界方向と素子長手方向とは前記磁性ワイヤ方向で一致しており、
   前記電子回路は、パルス発信器と信号処理回路とからなり、
   前記パルス発信器は、前記磁性ワイヤに０．５～４ＧＨｚの周波数のパルス電流を流し、
   前記信号処理回路は、前記磁性ワイヤに前記パルス電流を流した時に生じる前記検出用コイルに発生するコイル電圧を検知し、その電圧を外部磁界Ｈに比例した出力信号に変換し、
   前記素子台座は、少なくとも４面の傾斜面を４回対称に有する台座であって、
   前記傾斜面のうち４面は傾斜角度θが２０～４５度よりなり、
   ４個の前記ＧＳＲ素子が前記４面の傾斜面に前記ＧＳＲ素子の前記磁性ワイヤの方向を傾斜方向に向け、かつ４回対称で鏡像対称に貼り付けられており、
   前記４個のＧＳＲ素子は４個の前記電子回路に接続され、前記信号処理回路は前記パルス電流を流した時に生じる前記コイル電圧を検知し、前記コイル電圧を磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２に変換して前記演算処理装置に入力し、
   前記演算処理装置は、前記磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２を用いて、
   Ｈｘ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｘ１－Ｈｘ２）、
   Ｈｙ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｙ１－Ｈｙ２）、
   Ｈｚ＝（１／４ｓｉｎθ）（Ｈｘ１＋Ｈｘ２＋Ｈｙ１＋Ｈｙ２）、
   を算出し、
   上記式で算出された磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚでもって各軸のピンポイントの測定位置における磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を、各軸の磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを同じ感度、同じ精度で測定することを特徴とする磁界ベクトルセンサ。
   
2. ｏｎ－ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサと素子台座と演算処理装置とを備える磁界ベクトルセンサにおいて、
   前記ｏｎ－ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサは、ＧＳＲ素子と特定用途集積回路（以下、ＡＳＩＣという。）を備え、かつ前記ＧＳＲ素子と前記ＡＳＩＣとは、前記ＧＳＲ素子は前記ＡＳＩＣの表面上に設置されるとともに両者はスルーホールを介して連結されており、
   前記ＧＳＲ素子は、基板上に導電性を有する磁界検出用磁性ワイヤ（以下、磁性ワイヤという。）と、前記磁性ワイヤに巻回した周回コイルで形成される検出用コイルと、磁性ワイヤ通電用のワイヤ電極２個およびコイル電圧検出用のコイル電極２個からなる４個の電極とを備え、かつ、検出磁界方向と素子長手方向とは前記磁性ワイヤ方向で一致しており、
   前記ＡＳＩＣは、パルス発信器と信号処理回路とを備え、
   前記パルス発信器は、前記磁性ワイヤに０．５～４ＧＨｚの周波数のパルス電流を流し、
   前記信号処理回路は、前記ＧＳＲ素子に前記パルス電流を流した時に生じる前記検出用コイルに発生するコイル電圧を検知し、その電圧を外部磁界Ｈに比例した出力信号に変換し、
   前記素子台座は、少なくとも４面の傾斜面を４回対称に有する台座であって、
   前記傾斜面のうち４面は傾斜角度θが２０～４５度よりなり、
   ４個の前記ｏｎ－ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサが前記４面の傾斜面に前記ＧＳＲ素子の磁性ワイヤの方向を傾斜方向に向け、かつ４回対称で鏡像対称に貼り付けられており、
   前記４個のｏｎ－ＡＳＩＣタイプのＧＳＲセンサは、前記磁性ワイヤに前記パルス電流を流した時に生じる前記コイル電圧を検知し、前記コイル電圧を磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２に変換して、前記演算処理装置に入力し、
   前記演算処理装置は、前記磁気測定値Ｈｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２を用いて、
   Ｈｘ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｘ１－Ｈｘ２）、
   Ｈｙ＝（１／２ｃｏｓθ）（Ｈｙ１－Ｈｙ２）、
   Ｈｚ＝（１／４ｓｉｎθ）（Ｈｘ１＋Ｈｘ２＋Ｈｙ１＋Ｈｙ２）、
   を算出し、
   上記式で算出された磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚでもって各軸のピンポイントの測定位置における磁界ベクトル（Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）を、各軸の磁界Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを同じ感度、同じ精度で測定することを特徴とする磁界ベクトルセンサ。
   
3. 前記台座は、四角錐台の形状からなる、請求項１または請求項２に記載の磁界ベクトルセンサ。
4. 前記台座は、八角錐台の形状からなる、請求項１または請求項２に記載の磁界ベクトルセンサ。
5. 前記台座は、上下面が正四角形状の上面と八角形状の下面よりなり、側面が交互に長方形状の傾斜面と三角形状の傾斜面よりなる変則八面錐台の形状からなる、請求項１または請求項２に記載の磁界ベクトルセンサ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Images