JPH01210877A - 磁界測定用プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は磁界測定装置の磁界測定プローブに係り、特に
ホール素子とさぐりコイルとを併用した広い範囲の周波
数に対応できる磁界測定装置に使用する磁界測定１０−
ブに関する。

（従来技１４１） 従来より磁界の測定には、検出素子としてホール素子を
用いたもの、交流磁界の場合にはさぐりコイルを用いた
もの等いくつかの測定方法及び測定装置が確立され、実
用化されている。

第８図は、従来技術によるホール素子を用いたホール素
子グローブの一例である■日本ビクター製Ｇ　ＨＰ　−
５の構造の概要を示す図である。プリント基板５０上に
ホール素子５１が配置され、導体パターン５２により入
出力端子５３に接続されている。５３ａは電流入力端子
側、５３ｂはホール電圧出力端側である。

ホール素子５１による磁界の測定について簡単に説明す
る２磁束密度ＢＨの磁界が加わっている半導体中に、電
流密度１１の電流が磁束に垂直に流れている時に、次式
で表わされるホール電界Ｅ、が電流及び磁界の両者に垂
直に発生する。

Ｅ、　−ＲＨｉ、ＢＨ＜ＲＨはホール係数）そこで　こ
のホール電界Ｅ、を半樽木累子の一方の側面から曲方の
側面まで幅Ｗに亘って積分すれば２９次式で表わされる
ホール電圧Ｖ１１が得られる。次式において、Ｘは半導
体素子上の位置とする。

二ＲＨＩ　ＨＢ　Ｈ、／　ｄ ここで、半導体の厚さｄは一定であり、ホール係数Ｒ１
１を一定とすれば、ホール電圧ＶＨはホール素子の入力
電流ＩＨと磁束密度ＢＨの積に比例したものとなる。従
って、所定の入力電流において、既知の磁束密度の磁界
中でホール素子に発生するホール電圧を測定し、構成し
ておくことにより、このポール素子を磁界測定装置とし
て用いることができる。

第９図は、従来技術によるさぐりコイルを用いて磁界を
測定する場合の説明図である。コイル５４中に磁束Ｂ１
が存在し、磁束Ｂ１の磁束密度の変化に伴い端子５５と
端子５６との間に電圧が発生する自己誘導現象を用いる
もので、磁束密度が変化する交流磁界の場合にのみ使用
できる磁界測定法である。

このさぐりコイルを用いた場合においては、コイル５４
の面積が既知であるので磁束密度を算出することも可能
であるが、コイル導体に太さがあるため、誘起電圧■。

を高くするためにターン数を多くすると、コイル５４が
厚みを持ち、すべてのターンを通過しない磁束Ｂ２が存
在し、こりため計算値と測定値とが正確には一致しなく
なる。

そこで、このさぐりコイルを用いる場合にも既知の均一
な磁束密度の磁界中で構成することが必要となる。

第９図において、磁束Ｂ１の変化に件って発生する誘起
電圧Ｖ、は、磁束を変化させまいとするコイル零ｍＩ　
ｃによりコイル５４の両端に発生する。磁束Ｂ１の変化
が、例えば、正弦波５ｉＩＩｌωｔに比例するとすると
、発生する電圧ｖ１は、コイルラ４のインダクタンスを
Ｌとすれば、次式で表わされる。

Ｖ　　＝Ｌ　　　Ｉ　ｏ　Ｓｉｎ　（Ｊ）　ｔ’　　　
　ｄｔ ＝Ｌ１１ωｃｏｓωを 従って１１発生する電圧Ｖ１は角周波数の上昇と共に大
きくなる。

（発明が解決しようとする課題） 前記したホール素子は直流磁界から交流磁界よで測定で
きるのに対し、さぐりコイルでは磁束が変化しない直流
磁界では用いることができない。

しかし、さぐりコイルを用いると誘起電圧が微分特性と
して得られるため、周波数が高い領域での交流磁界の測
定では、微小コイルでコイルのターン数が少なくても実
用になる。

ホール素子の周波数限界は、ホール効果が物理的な榎和
時間τで支配されることから交流磁界の角周波数ωが、
ω＝１／τとなるまで変化がないと考えられており、微
小パターンでＧＨｚのオーダーまで磁界の測定が行えた
という報告もある。

これは、１１．Ｆ、ＢａｒｌＯｗ　ａｎｄ　ｓ、にａｔ
ａｏｋａ″Ｔｈｅ　ＨａｌｌＥｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｉ
ｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏ　ＰｏｗｅｒＭｅ
ａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｔ　１０　ＧＣ／Ｓ、Ｐｒｏｃ
、”ＩＥＥ、Ｖｏｌ。

１０５Ｂ、　ＰＰ、　５３〜６０．１９５８．に述べら
れている。

しかし、実用的な測定装置として形状を１０−ブ状とす
る場合には、第５図に示す入出力用の導体パターン３０
を介してホール素子を接続し、磁束測定プローブを構成
する。

第４図は、第１図及び第８図に示すホール素子１０−ブ
を用いて交流磁界を測定した場合の周波数特性を示す図
である。

ホール素子５１は、第８図に示す如く、ホール素子５１
の電流入力端子５３ａと電圧出力端子５３ｂの４端子構
造となっているため、測定状態においては、電流入力端
子５３ａ側と電圧出力端子５３ｂ側かそれぞれ独立した
ワンターンさぐりコイルとなっている。従って、測定磁
界中にホール素子５１を挿入した場合、交流磁界の周波
数が上昇するとホール電圧出力よりワンターンコイルの
誘起電圧が大きくなり一部４図中にａで示す如く、ある
周波数を越えると測定電圧が異常に上昇してしまう。従
って、ホール素子５１自体は周波数応答性が良くても、
プローブ形状にしたために測定用入出カバターンのワン
ターンコイルにより誤差が大きくなり、測定周波数の事
実上の上限が決定されてしまう。

第４図中ａに示す周波数特性は、パターンリード長ｐが
約５０關のプローブのもので一実効測定周波数限界は約
１ｋｌｌＺである。

以上の様に、ホール素子は直流磁界に対しては優れた特
性を有し、さぐりコイルは高周波交流磁界においては優
れた特性を有している。しかし、従来技術による磁界測
定装置においては、この両者の長所を合わせ持つものが
なく、広い周波数範囲に亘る正確な磁界測定が困難であ
るといった問題点がある。

そこで、本発明は前記した従来技術の問題点を解決し、
直流磁界から高周波数の交流磁界までを正確に測定する
ことができるようにした磁界測定装置の磁界測定プロー
ブを提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は前記課題を解決するためになされたものであり
基板上に磁界検出コイルとホール素子とを対向配設する
ことによりホール素子の磁気感応部を垂直に通過した磁
束を前記磁界検出コイルの中空部を通過させ、前記ホー
ル素子からの出力電圧をこの磁界検出コイルからの誘起
電圧により較正し、磁界測定を行う磁界測定装置の磁界
測定用プローブにおいて、前記磁界検出コイルが、この
磁界検出コイルのパターンを包囲する如く形成したシー
ルドパターンにその一端が接続されていることを特徴と
する磁界測定用プローブを提供しようとするものである
。

（実施例） 本発明になる磁界測定用１０−ブの実施例について以下
、添付図面と共に説明する。

第１図（ａ）は磁界測定装置に使用される本発明になる
磁界Ｊ１定用プローブの第１実施例を示す正面図、同図
（ｂ）は同図（ａ）の平面図、第２図は第１図（ｂ）の
要部拡大図である。第１図（ａ）、（ｂ）において１は
ホール素子２を搭載するための絶縁材からなる第１の基
板である。第２図に示す様に、第１の基板１上には、平
面状の検出コイル３がボンディングバット４とホール素
子２を搭載するための中空部５を取り巻く様に螺旋状に
形成され、一端子３ａはポンディングパッド４に電気的
に接続されており、ｅ端子３ｂは上記検出コイル２を包
囲する如く形成されたシールド板６に電気的に接続され
ている。

これらの検出コイル３、ポンディングパッド４及びシー
ルド板６は第１の基板１上に形成した導電性薄膜を既知
のホトリソグラフィ技術等を利用して不要部を除去した
くり抜き構造として一体的に形成することが出来る。

第１の基板上にはホール素子２が、ホール素子２の中央
部に配設された磁気感応部と検出コイル３の中空部５と
が同軸、Ｌに合致するように取付けられている。

７は第２の基板であり、ガラス等の絶縁膜８を介して第
１の基板１のシールド板６上に接合されているが、シー
ルド板６の一部は検出コイル３の接続端子を形成するよ
うに露出部か設けられホンディングバッド６ａを形成し
ている。

第２の基板７上には５本の電極９−１〜９−５が形成さ
れており、ポンディングパッド４はワイヤボンディング
１０−１によって＝ｌｉ９−１−の一端と電気的に接着
されると共にホール素子２の電圧出力端子１１．１１’
及び電流入力端子１２゜１２′はワイヤボンディング１
０−３．１０−５及び１０−２．１０−４によってそれ
ぞれ電極９−３．９−５及び９−２．９−４に接続され
ている。１３はガラス等からなる絶縁状のｃＡ護膜であ
り、電極９−１〜９−５の接続部（斜線部）を除き全面
的に第２の基板７を覆っている。

第３図は本発明になる磁界測定用プローブが使用される
磁界測定装置の一実施例の構成ブロックを示す図である
。以下、この図面と共に本発明になる磁界測定装置の一
実施例について説明する。

第３図において一定電流回路Ａの電流出力端子２０は、
ホール素子２の電流入力端子９−４に接続され、所定の
電流が供給されている。ホール素子２の電圧出力端子９
−５及び９−３はそれぞれ差動増幅器Ｅの正入力端子２
１及び負入力端子２２に接続されるとともに、不平衡電
圧補正回路りを構成する抵抗２３及び２４を介して、２
５に接続されている。この演算増幅器Ｆの出力端子２４
は帰還抵抗２７を介して、同じく反転入力端子２５に接
続されるとともに、ホール素子２の電流入力端子９−２
へ接続されている。演算増幅器Ｆの非反転入力端子２８
は接地されている。不平衡電圧補正回路りは、ホール素
子２に磁界を印加しないにもかかわらずホール電圧出力
端子９−５及び９−３の電位がオフセット電圧となるの
を補正するためのもので、無磁界時における中点電位が
接地電位になるように、ホール素子２の直流入力端子９
−２の直流電位を変化させる動作を行う。

差動増幅器Ｅの出力は、抵抗２８を介して反転増幅器ト
■の反転入力端子２９に供給される。

ホール素子２の中央部の同軸上に配置された検出コイル
３は、その中空部をホール素子２の中央部を通過してい
る磁束Ｂ。が通過している。その出力端子６ａは接地さ
れ、もう一方の出力端子９−１は、抵抗３０を介して前
記した反転増幅器Ｈの反転入力端子２９に接続されると
とらに、二乗補正回路Ｇに接続されている。二乗補正回
路Ｇは、アナログマルチプライヤとフェイズシフタとか
らなる演算回路であり、ここで検出コイル３よりの信号
の二乗成分を演算生成する。この出力は、抵抗３１を介
して前記した反転増幅器Ｈの反転入力端子２９に供給さ
れ、ホール素子２よりの信号の誤差成分である第二次高
調波成分を逆相補正する。

反転増幅器Ｈの出力は、絶対値増幅回路Ｉへ供給される
。

この絶対値増幅回路Ｉの出力は、ピークホールド回路Ｊ
に供給されるとともに、コンパレータにの負入力端子３
２に供給される。ピークホールド回１ｉＪの出力は、サ
ンプルアンドホールド回路りに供給されるとともに、コ
ンパレータにの正入力端子３３にも供給される。

コンパレータには、絶対値増幅回路Ｉの出力信号波形の
正のピーク値の周期毎に、論理“０”の出力信号パルス
を発生し、その出力信号はサンプルアンドホールド回路
りの制御信号として供給される。

サングルアンドホールド回路りは、制御信号として、Ｔ
　Ｔ　ｔ、　ｉｂ理“０″をサンプルホールドとし、論
理“１″をホールドモールドとして動作するもので、ピ
ークホールド回路Ｊのトルーグレートを改善するために
設けた保持回路である５サンプルアンドホ一ルド回Ｆｐ
＆Ｌの出力は、直流電圧計に接続されるか、Ａ／Ｄコン
バータに接続され、デジタル信号に変換された後、磁界
の測定値として表示される。

上記のように構成された本発明になる磁界測定装置の一
実施例による磁界測定の周波数特性を、第４図中のｄに
示す。本実施例において、検出コイルの誘起電圧を、第
４図中のｂで示す振幅−周波数特性を以って逆相補正す
ることにより第４図中ａに示す従来技術によるホール素
子プローブのみによる磁界測定装置の周波数特性に比べ
、大幅に改善されていることがわかる。

第４図中Ｃは、ホール素子の二乗特性により出力された
誤差信号であり、第３図に示されている二乗補正回路Ｇ
で逆相補正される信号成分である。

第５図は本発明になる磁界測定装置の一実施例の広帯域
化された周波数応答特性である。

また−検出コイル３部以外を全面シールド構造にしであ
るため、不要な磁束はシールド板６により渦電流として
吸収され、検出コイル３の出力が歪波形電圧となること
を防ぐことが出来る。

本実施例においては、検出コイル３、シールド板６には
比較的比抵抗の高い薄膜ポリシリコンを用いているため
、測定に際して、特に強磁場に磁界測定プローブを置い
ても、渦電流による過度の発熱を防ぐことが出来る。

第６図（ａ）は本発明になる磁界測定グローブの第２実
施例を示す正面図、同図（ｂ）は同図＜ａ）の平面図、
第７図は第６図（ｂ）要部拡大図であるが、前記第１実
施例の構成要素と同一構成要素には同一符号を付し、説
明を省略すると共に前記第１実施例と異なる点のみを説
明する。

本実施例と第１実施例とが異なる点は、？ｊＳ１実施例
では検出コイル３の他端３ｂは検出コイルを取り巻く様
に形成したシールド板に接続されていたが、本実施例に
おいては、引き出し用の電極４０に接続されている点で
ある。

しかもこの引き出し用のｔ　Ｆｆｉ　４０は検出コイル
３９の−ｆ４Ａ３ａと接続するボンディングパット４に
ボンディングされたワイヤボンディング１〇−１と対向
する様に、かつ、第２の基板７上に形成した上記ワイヤ
ボンディング１０−１と接続する検出コイル３引き出し
用の電極り−１と対向するようにこの＠、電極　　１と
同一パターンとして形成した点である。

このように検出コイル３の引き出し用の電極４０と９−
１とを互に対向するようにＶ１層状に形成したことによ
り、検出コイル３の中空部５以外を通る磁束が極力配線
空間を通過しにくい４ｉ造となるため、検出コイルの誘
起電圧に波形歪を生じることがない、また、検出コイル
３の引き出し用の電極４０だけではなく、ホール素子２
からの引き出し用の電極９−２と９−４及び９−３と９
−５等を互に対向するように形成するのも波形歪を改善
するのに更に効果がある。なおこの実施例では、シール
ド板６を用いていないため引き出し用の電極４０、検出
コイル３等は導電性の優れた薄膜アルミ等が使用出来る
。

上記実施例では４端子ホール素子の例で説明したが３＠
子ホール素子を用いても略同様の構成が可能であること
は言うまでもない。

（発明の効果） 上述の第１の実施例で述べた如く、本発明になる磁界’
ＪＲＩ定用プローブは基板上に磁界検出コイルとホール
素子とを対向配設することによりホール素子の磁気感応
部を垂直に通過した磁束を前記磁界検出コイルの中空部
を通過させ、前記ホール素子からの出力電圧をこの磁界
検出コイルからの誘起電圧により較正し、磁界測定を行
う磁界測定装置の磁界測定用プローブにおいて、前記磁
界検出コイルが、この磁界検出コイルのパターンを包囲
する如く形成したシールドパターンにその一端が接続さ
れているため、検出コイル３の出力が歪波形電圧となる
ことを防ぐことが出来、直流磁界はもとより高周波磁界
の測定を精度良く行える磁界測定プローブの提供を可能
とする。

また、第２の実施例で述べた如く一本発明になる磁界測
定用プローブは基板上に磁界検出コイルとホール素子と
を対向配設することによりホール素子の磁気感応部を垂
直に通過した磁束を前記磁界検出コイルの中空部を通過
させ、前記ホール素子からの出力電圧をこの磁界検出コ
イルからの誘起電圧により較正し、磁界計１定を行う磁
界測定装置の磁界測定用グローブにおいて、前記磁界検
出コイルは、この磁界検出コイルの一端か第１の電極配
線層の平面パターンに接着され、他端が、前記第１の電
極配線層の平面パターン上に絶縁層を介してこの平面パ
ターンと対向する如く形成した第２の電極配線層の平面
パターンに接続されているため、検出コイルの中空部以
外を通る磁束が配線空間を通過しにくい構造となり、検
出コイルの誘起電圧に波形歪を生じることがなく、精度
の高い直流及び交流磁界測定装置の磁界Ｊｌｌｌｌｌｌ
日用プローブを可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は磁界測定装置に使用される本発明になる
磁界測定用プローブの第１実施例を示す正面図、同図（
ｂ）は同図（ａ＞の平面図、第２図は第１図（ｂ）の要
部拡大図、第３図は本発明になる磁界測定用グローブが
使用される磁界測定装置の一実施例の構成ブロック図、
第４図は第１図及び第８図に示すホール素子プローブを
用いて交流磁界を測定した場合の周波数特性を示す図、
第５図は本発明になる磁界測定装置の一実施例の広帯域
化された周波数特性、第６図（ａ）は本発明になる磁界
測定プローブの第２実施例を示す正面図、同図（ｂ）は
同図（ａ）の平面図、第７図は第６図（ｂ）の要部拡大
図、第８図は従来技術によるホール素子を用いたホール
素子プローブの斜視図−第９図は従来技術によるさぐり
コイルを用いて磁界を測定する場合の説明図である。 １・・・第１の基板、２・・・ホール素子、３・・・検
出コイル＋　３ａ、３ｂ・・・端子、４・・・ボンディ
ングバット−５・・・中空部。 ６・・・シールド板、７・・・第２の基板、８．１３・
・・絶縁膜、９−１〜９−５．４０・・・電極、１０−
１〜１０−４・・・ワイヤボンディング、１１．１１’
・・・電圧出力端子、 １２．１２’・・・電流入力端子。 ぞ＋ｍ ￥５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に磁界検出コイルとホール素子とを対向配
   設することによりホール素子の磁気感応部を垂直に通過
   した磁束を前記磁界検出コイルの中空部を通過させ、前
   記ホール素子からの出力電圧をこの磁界検出コイルから
   の誘起電圧により較正し、磁界測定を行う磁界測定装置
   の磁界測定用プローブにおいて、前記磁界検出コイルが
   、この磁界検出コイルのパターンを包囲する如く形成し
   たシールドパターンにその一端が接続されていることを
   特徴とする磁界測定用プローブ。
2. （２）基板上に磁界検出コイルとホール素子とを対向配
   設することによりホール素子の磁気感応部を垂直に通過
   した磁束を前記磁界検出コイルの中空部を通過させ、前
   記ホール素子からの出力電圧をこの磁界検出コイルから
   の誘起電圧により較正し、磁界測定を行う磁界測定装置
   の磁界測定用プローブにおいて、前記磁界検出コイルは
   、この磁界検出コイルの一端が第１の電極配線層の平面
   パターンに接着され、他端が、前記第１の電極配線層の
   平面パターン上に絶縁層を介してこの平面パターンと対
   向する如く形成した第２の電極配線層の平面パターンに
   接続されていることを特徴とする磁界測定用プローブ。