JP7468178B2 - 磁気センサアレイ - Google Patents

Description

本発明は複数の磁気センサからなる磁気センサアレイに関し、特に、複数の磁気センサ間の角度が可変である磁気センサアレイに関する。

特許文献１の図２には、複数の磁気センサの位置を一方向にスライド可能な磁気センサアレイが開示されている。また、特許文献１の図１４には、複数の磁気センサを可撓性材料からなる保持部によって保持した磁気センサアレイが開示されている。これらの磁気センサアレイによれば、測定対象物の表面が曲面であっても、複数の磁気センサを測定対象物の表面に近接させることができる。

国際公開ＷＯ２０１８／０２５８２９号

しかしながら、特許文献１の図２に記載された磁気センサアレイは、磁気センサの位置を一方向にスライドできるのみであることから、測定対象物の表面が曲面である場合、磁気センサを測定対象物の表面に対して垂直に押し当てることができなかった。一方、特許文献１の図１４に記載された磁気センサアレイは、測定対象物の表面が曲面であっても磁気センサを測定対象物の表面に対して垂直に押し当てることが可能であるが、保持部が可撓性材料からなることから、磁気センサを測定対象物の表面に対して垂直に押し当てた状態を保持することが困難であった。

したがって、本発明は、測定対象物の表面が曲面であっても磁気センサを測定対象物の表面に対して垂直に押し当てることが可能であり、且つ、その状態を容易に維持することが可能な磁気センサアレイを提供することを目的とする。

本発明による磁気センサアレイは、複数の磁気センサを備える磁気センサアレイであって、複数の磁気センサのそれぞれは、センサチップと、センサチップを収容するセンサ収容体と、センサ収容体に設けられた第１及び第２の連結部とを含み、複数の磁気センサは、隣接する一方の磁気センサに設けられた第１の連結部と他方の磁気センサに設けられた第２の連結部が互いに軸支されることにより連結されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２の連結部を軸として隣接する２つの磁気センサの相対的な角度を変化させることができる。このため、測定対象物の表面が曲面であっても複数の磁気センサを測定対象物の表面に対して垂直に押し当てることが可能であり、且つ、その状態を容易に維持することが可能となる。

本発明において、センサ収容体は、磁気センサの感度軸方向に対して垂直なセンサヘッドと、感度軸方向と平行であり、互いに反対側に位置する第１及び第２の側面とを有し、第１の連結部は第１の側面のセンサヘッド近傍に設けられ、第２の連結部は第２の側面のセンサヘッド近傍に設けられても構わない。これによれば、一方向に連結した複数の磁気センサを扇形に変形させることが可能となる。

本発明において、複数の磁気センサは第１及び第２のグループ含む複数のグループを構成し、第１のグループに属する磁気センサの少なくとも一つはセンサ収容体に設けられた第３の連結部をさらに含み、第２のグループに属する磁気センサの少なくとも一つはセンサ収容体に設けられた第４の連結部をさらに含み、第１及び第２のグループは第３の連結部と第４の連結部が互いに軸支されることにより連結されていても構わない。これによれば、第１及び第２の連結部を軸として同一のグループに属する複数の磁気センサの相対的な角度を変化させることができるとともに、第３及び第４の連結部を軸として異なるグループに属する複数の磁気センサの相対的な角度を変化させることができる。

本発明において、センサ収容体は、感度軸方向と平行、且つ、第１及び第２の側面と直交し、互いに反対側に位置する第３及び第４の側面をさらに有し、第３の連結部は第３の側面のセンサヘッド近傍に設けられ、第４の連結部は第４の側面のセンサヘッド近傍に設けられていても構わない。これによれば、複数のセンサヘッドからなる測定面を球面状に変形させることが可能となる。

本発明において、第１の連結部と第２の連結部を軸支する回転軸が非磁性材料からなるものであっても構わない。回転軸が磁気ノイズの原因となることがなくなる。

このように、本発明によれば、測定対象物の表面が曲面であっても磁気センサを測定対象物の表面に対して垂直に押し当てることが可能であり、且つ、その状態を容易に維持することが可能な磁気センサアレイを提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサアレイ１の外観を示す略斜視図である。 図２は、磁気センサ１０の内部構造の一例を示す模式図である。 図３は、センサチップ２２の略平面図である。 図４は、図３に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。 図５は、磁気センサ１０の回路図である。 図６は、磁気センサアレイ１を変形させた状態を示す略斜視図である。 図７は、本発明の第２の実施形態による磁気センサアレイ２の外観を示す略斜視図である。 図８は、本発明の第３の実施形態による磁気センサアレイ３の外観を示す略斜視図である。 図９は、磁気センサアレイ３を変形させた状態を示す略斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサアレイ１の外観を示す略斜視図である。

図１に示すように、第１の実施形態による磁気センサアレイ１は、ｚ方向を長手方向とする複数の磁気センサ１０がｘ方向に配列された構成を有している。各磁気センサ１０の感度軸方向はｚ方向である。図１に示す例では、７個の磁気センサ１０によって磁気センサアレイ１が構成されているが、磁気センサアレイを構成する磁気センサ１０の数については特に限定されない。

個々の磁気センサ１０は、センサ収容体２０と、センサ収容体２０の側面Ｓ１に設けられた連結部１１と、センサ収容体２０の側面Ｓ２に設けられた連結部１２とを有している。側面Ｓ１，Ｓ２はいずれもｙｚ面を構成し、互いに反対側に位置する。図１に示すように、一つのセンサ収容体２０には一対の連結部１２が設けられている。一対の連結部１２のｙ方向における間隔は、連結部１１のｙ方向における厚みとほぼ同じかやや小さく設計されており、ｘ方向に隣接する一方の磁気センサ１０に設けられた連結部１１が他方の磁気センサ１０に設けられた一対の連結部１２間に挿入される。そして、連結部１１，１２に設けられた貫通孔に回転軸１５が挿入されることにより、連結部１１，１２が回転軸１５によって互いに軸支される。回転軸１５の軸方向はｙ方向であり、回転軸１５の軸方向と磁気センサ１０が重ならないようレイアウトされている。回転軸１５は、連結部１１，１２を回転可能に軸支する部材であれば特に限定されず、ネジや弾性体を用いることができる。回転軸１５は、非磁性材料からなることが好ましい。

図２は、磁気センサ１０の内部構造の一例を示す模式図である。

図２に示すように、磁気センサ１０は、非磁性材料からなるセンサ収容体２０と、センサ収容体２０に収容された基板２１と、基板２１に搭載されたセンサチップ２２及び集磁体２３を備えている。集磁体２３はｚ方向に延在する棒状体であり、フェライトなどの高透磁率材料からなる。センサ収容体２０のうち、集磁体２３のｚ方向における一端が位置するｘｙ面はセンサヘッドＨを構成する。集磁体２３のｚ方向における他端にはセンサチップ２２が配置される。これにより、センサヘッドＨの近傍に位置する測定対象物から発せられるｚ方向の信号磁場成分が集磁体２３によって集磁され、センサチップ２２に印加される。

上述の通り、センサ収容体２０には連結部１１，１２が設けられている。ここで、連結部１１は側面Ｓ１のセンサヘッドＨ近傍に設けられ、連結部１２は側面Ｓ２のセンサヘッドＨ近傍に設けられている。

図３はセンサチップ２２の略平面図であり、図４は図３に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。

図３及び図４に示すように、センサチップ２２の素子形成面には、４つの磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４と、キャンセルコイルＣ１が集積されている。キャンセルコイルＣ１は絶縁膜２４で覆われ、絶縁膜２４上に磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４が形成されている。磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４は、絶縁膜２５で覆われる。そして、集磁体２３はｚ方向から見て、磁気抵抗効果素子Ｍ１，Ｍ２と磁気抵抗効果素子Ｍ３，Ｍ４の間に配置される。これにより、集磁体２３によって集磁されたｚ方向の磁界は、センサチップ２２の素子形成面上で＋ｘ方向及び－ｘ方向に分配される。その結果、磁気抵抗効果素子Ｍ１，Ｍ２と磁気抵抗効果素子Ｍ３，Ｍ４には、互いに逆方向の磁界成分が印加される。ここで、磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４の固定磁化方向はいずれも＋ｘ方向又は－ｘ方向に揃えられている。

また、キャンセルコイルＣ１は、磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４と重なるように配置されており、キャンセルコイルＣ１にキャンセル電流を流すと、磁気抵抗効果素子Ｍ１，Ｍ２と磁気抵抗効果素子Ｍ３，Ｍ４には、互いに逆方向のキャンセル磁界が印加される。

図５は、磁気センサ１０の回路図である。

図５に示すように、磁気センサ１０に含まれる磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４はブリッジ接続され、これにより生成される差動信号が差動アンプ３１に供給される。差動アンプ３１は、差動信号に基づいてフィードバック電流Ｆを生成する。フィードバック電流Ｆは、キャンセルコイルＣ１に流れる。これにより、キャンセルコイルＣ１は、磁気センサ１０の出力信号である差動信号成分がゼロとなるよう、キャンセル磁界を発生させる。フィードバック電流Ｆは、抵抗Ｒによって電流電圧変換される。そして、抵抗Ｒの両端間電圧を測定する電圧測定回路３２によって、フィードバック電流Ｆに比例した検出信号Ｖｏｕｔが生成される。

図６は、本実施形態による磁気センサアレイ１を変形させた状態を示す略斜視図である。

図６に示すように、本実施形態による磁気センサアレイ１は、回転軸１５を中心として磁気センサアレイ１を変形させることにより、隣接する２つの磁気センサ１０が成す角度θを変えることができる。図６に示す破線Ｚ１，Ｚ２は、隣接する２つの磁気センサ１０の感度軸方向である。このように、複数の磁気センサ１０を扇形に変形させれば、複数の磁気センサ１０のセンサヘッドＨからなる測定面を円弧状とすることができる。これにより、測定対象物の表面が曲面であっても複数のセンサヘッドＨを測定対象物の表面に対して垂直に押し当てることが可能となる。また、磁気センサアレイ１を変形させた状態は、回転軸１５の摩擦力によって維持することが可能である。磁気センサアレイ１の姿勢をより確実に維持するためには、回転軸１５としてネジを用い、ナットによってネジを固定すればよい。この場合であっても、ネジ及びナットの材料としては非磁性材料を用いることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態による磁気センサアレイ１は、複数の磁気センサ１０が回転軸１５を介して連結されていることから、測定対象物の表面形状に合わせて複数のセンサヘッドＨからなる測定面の形状を変化させることができる。

図７は、本発明の第２の実施形態による磁気センサアレイ２の外観を示す略斜視図である。

図７に示すように、第２の実施形態による磁気センサアレイ２は、ｘ方向における両端部に位置する磁気センサ１０のセンサ収容体２０に連結部１３，１４が設けられている点において、第１の実施形態による磁気センサアレイ１と相違している。その他の基本的な構成は第１の実施形態による磁気センサアレイ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

連結部１３，１４は、それぞれセンサ収容体２０の側面Ｓ３，Ｓ４に設けられており、そのｚ方向位置は連結部１１，１２と同じである。連結部１３の形状は連結部１１と同じであり、連結部１４の形状は連結部１２と同じである。側面Ｓ３，Ｓ４はいずれもｘｚ面を構成し、互いに反対側に位置する。これにより、第２の実施形態による磁気センサアレイ２をｙ方向に複数個連結することが可能となる。

図８は、本発明の第３の実施形態による磁気センサアレイ３の外観を示す略斜視図である。

図８に示すように、第３の実施形態による磁気センサアレイ３は、第２の実施形態による磁気センサアレイ２をｙ方向に複数個連結した構成を有している。図８に示す例では、第２の実施形態による磁気センサアレイ２と同じ構成を有するグループＧ１～Ｇ４を備えており、ｙ方向に隣接する一方のグループ（例えばグループＧ１）に設けられた連結部１３と他方のグループ（例えばグループＧ２）に設けられた連結部１４が回転軸１６によって互いに軸支されることにより、複数のグループＧ１～Ｇ４がｙ方向に連結されている。回転軸１６の軸方向はｘ方向であり、回転軸１６の軸方向と磁気センサ１０が重ならないようレイアウトされている。回転軸１６は、回転軸１５と同じ材料を用いることができる。

図９は、本実施形態による磁気センサアレイ３を変形させた状態を示す略斜視図である。図９に示すように、本実施形態による磁気センサアレイ３は、回転軸１５，１６を中心として複数の磁気センサ１０の角度を変化させることにより、複数のセンサヘッドＨからなる測定面を球面状に変形させることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１～３ 磁気センサアレイ
１０ 磁気センサ
１１～１４ 連結部
１５，１６ 回転軸
２０ センサ収容体
２１ 基板
２２ センサチップ
２３ 集磁体
２４，２５ 絶縁膜
３１ 差動アンプ
３２ 電圧測定回路
Ｃ１ キャンセルコイル
Ｆ フィードバック電流
Ｇ１～Ｇ４ グループ
Ｈ センサヘッド
Ｍ１～Ｍ４ 磁気抵抗効果素子
Ｒ 抵抗
Ｓ１～Ｓ４ 側面

Claims (4)

1. 複数の磁気センサを備える磁気センサアレイであって、
   前記複数の磁気センサのそれぞれは、センサチップと、前記センサチップを収容するセンサ収容体と、前記センサ収容体に設けられた第１の連結部及び一対の第２の連結部とを含み、
   前記センサ収容体は、前記磁気センサの感度軸方向に対して垂直なセンサヘッドと、前記感度軸方向と平行であり、互いに反対側に位置する第１及び第２の側面とを有し、
   前記第１の連結部は、前記第１の側面の前記センサヘッド近傍に設けられ、
   前記一対の第２の連結部は、前記第２の側面の前記センサヘッド近傍に設けられ、
   前記複数の磁気センサは、隣接する一方の磁気センサに設けられた前記第１の連結部が他方の磁気センサに設けられた前記一対の第２の連結部間に挿入されて互いに軸支されることにより連結されていることを特徴とする磁気センサアレイ。
2. 前記複数の磁気センサは、第１及び第２のグループ含む複数のグループを構成し、
   前記第１のグループに属する前記磁気センサの少なくとも一つは、前記センサ収容体に設けられた第３の連結部をさらに含み、
   前記第２のグループに属する前記磁気センサの少なくとも一つは、前記センサ収容体に設けられた第４の連結部をさらに含み、
   前記第１及び第２のグループは、前記第３の連結部と前記第４の連結部が互いに軸支されることにより連結されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサアレイ。
3. 前記センサ収容体は、前記感度軸方向と平行、且つ、前記第１及び第２の側面と直交し、互いに反対側に位置する第３及び第４の側面をさらに有し、
   前記第３の連結部は、前記第３の側面の前記センサヘッド近傍に設けられ、
   前記第４の連結部は、前記第４の側面の前記センサヘッド近傍に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサアレイ。
4. 前記第１の連結部と前記一対の第２の連結部を軸支する回転軸が非磁性材料からなり、ナットによって固定可能なネジであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気センサアレイ。

Images