JP6370768B2 - 磁界検出センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁界検出センサに関する。

従来、例えば磁気インピーダンス効果を利用したＭＩ（Magneto-Impedance）素子を備えた磁界検出センサが提案されている。このような磁界検出センサは例えば測定対象となる電流が流れる電線等に隣接配置され、電線等に流れる電流により発生する磁界を検出することで電流値を計測する電流センサとして応用することができる。

また、このような磁界検出センサには、ゼロ磁界をピークとして単調減少するインピーダンス特性となるようにＭＩ素子を作製したものも提案されている。このような磁界検出センサは、Ｍ型のインピーダンス特性を有するＭＩ素子を備えるものと比較して、傾きが全域に亘って所定の傾斜を有していることから、検出範囲を広くすることができる等の優れた面を有している（例えば特許文献１〜３参照）。

特開２００１−１１６８１４号公報 特許第４０１６７５０号公報 特開２０１５−９２１４４号公報

しかし、特許文献１〜３に記載のように、ゼロ磁界をピークとして単調減少するインピーダンス特性となるようにＭＩ素子を作製することは簡単ではなく、ゼロ磁界のピーク付近においてインピーダンス特性が乱れてしまい、上記の所定の傾斜が得られなくなってしまうことがあった。そして、このような場合には、ゼロ磁界付近を避けるようにＭＩ素子を動作させなければならず検出範囲が狭くなってしまうと共に、傾斜が大きくなるはずであるピーク付近を使うことができず感度の低下も招いてしまう。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ゼロ磁界をピークとして単調減少するインピーダンス特性となるような磁気インピーダンス素子を有する場合において、ピーク付近において所定の傾斜のインピーダンス特性を確保することができる磁界検出センサを提供することにある。

本発明に係る磁界検出センサは、磁気インピーダンス効果を利用した磁気インピーダンス素子に交流電流を印加して得られる出力から外部磁界を検出する磁界検出センサであって、前記磁気インピーダンス素子は、非磁性基板と、前記非磁性基板の表面に形成された磁性膜と、を有し、当該磁性膜の長手方向が外部磁界の検出方向とされ、前記磁性膜の磁化容易軸が前記外部磁界の検出方向と同方向となるように磁気異方性がつけられており、さらに、前記磁性膜の厚み方向に磁界を発生させてゼロ磁界におけるインピーダンス特性のピークを先鋭化させる磁界発生手段を備えることを特徴とする。

本発明に係る磁界検出センサによれば、磁気インピーダンス素子は、非磁性基板と、非磁性基板の表面に形成された磁性膜と、を有し、磁性膜の長手方向が外部磁界の検出方向とされ、磁性膜の磁化容易軸が外部磁界の検出方向と同方向となるように磁気異方性がつけられている。このため、ゼロ磁界をピークとして単調減少するインピーダンス特性となるような磁気インピーダンス素子が作製されている。ここで、本件発明者らは、このような磁気インピーダンス素子の磁性膜の厚み方向に磁界を発生させることにより、ゼロ磁界のピーク付近においてインピーダンス特性が乱れていたとしても、この乱れを改善できることを見出した。このため、磁界発生手段を備えることにより、ゼロ磁界をピークとして単調減少するインピーダンス特性となるような磁気インピーダンス素子を有する場合において、ピーク付近において所定の傾斜のインピーダンス特性を確保することができる。

また、本発明に係る磁界検出センサにおいて、前記磁気インピーダンス素子に対してバイアス磁界を印加するためのバイアスコイルと、前記磁性膜の厚み方向と直交する平面上の方向であって、前記外部磁界の検出方向と直交する方向に電流が流れる金属の板部材であるバスバと、をさらに備え、前記磁気インピーダンス素子は、前記バスバの一面に取り付けられ、前記磁界発生手段は、磁石であって前記バスバの他面に前記磁気インピーダンス素子から所定距離離間して取り付けられていることが好ましい。

この磁界検出センサによれば、磁気インピーダンス素子がバスバの一面に取り付けられ、磁界発生手段である磁石がバスバの他面に取り付けられているため、両者の位置関係がバスバにより固定的となり、振動等によって両者の位置関係が崩れて磁性膜の厚み方向に磁界を発生させることができなくなってしまう事態を防止することができる。

本発明によれば、ゼロ磁界をピークとして単調減少するインピーダンス特性となるような磁気インピーダンス素子を有する場合において、ピーク付近において所定の傾斜のインピーダンス特性を確保することができる磁界検出センサを提供することができる。

本実施形態に係る磁界検出センサの構成図である。 本実施形態に係る磁界検出センサと比較例に係る磁界検出センサとのインピーダンス特性とを示す図である。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。

図１は、本実施形態に係る磁界検出センサの構成図である。なお、図１に示す例において磁界検出センサが電流センサの一要素として用いられる例を説明するが、磁界検出センサは電流センサの一要素として用いられる場合に限らず、方位センサ、トルクセンサ及び回転角センサの一要素として用いられてもよい。

図１に示すように、本実施形態に係る磁界検出センサ１は、磁気インピーダンス素子１０と、磁石（磁界発生手段）２０と、バスバ３０とから構成されている。磁気インピーダンス素子１０は、磁気インピーダンス効果を有するものであって、磁性薄膜（磁性膜）１２を有して構成されている。また、磁気インピーダンス効果とは、例えば高周波電流を通電したときに、周回方向の透磁率が外部磁界の印加により大幅に変化することに起因して表皮深さが変化することにより、インピーダンスが変化する現象である。

このような磁気インピーダンス素子１０は、上記磁性薄膜１２に加えて、非磁性基板１１と、電極１３，１４とを備えて構成されている。

非磁性基板１１は、非磁性体から構成される基板であって、プリント基板１００に載置されている。この非磁性基板１１は、チタン酸カルシウム、酸化物ガラス、チタニア、アルミナ等によって構成されており、本実施形態では略直方体に構成されている。

磁性薄膜１２は、高透磁率金属磁性膜によって構成されており、図１に示すように、非磁性基板１１の表面のうち、プリント基板１００が設けられる面の反対面において平面視してミアンダ形状（つづら折れ形状）となるように形成されている。

また、磁性薄膜１２は、その磁化容易軸方向が膜面内で磁性薄膜１２の長手方向（ミアンダ形状を矩形波として見た場合の、矩形波の立ち上り及び立ち下り方向）と同方向となるように磁気異方性がつけられている。また、この方向は、外部磁界の検出方向と同じとなっている。以下、この方向をＹ方向とする。

なお、磁性薄膜１２は、ミアンダ形状に限らず、直線形状であってもよいし、山型のインピーダンス特性を実現できるのであれば他の形状であってもよい。

電極１３，１４は、非磁性基板１１の表面、且つ、磁性薄膜１２の両端に設けられており、プリント基板１００上の電極１００ａ，１００ｂとボンディングワイヤにて接続されるものである。プリント基板１００上の電極１００ａ，１００ｂの一方は、発振回路等に接続され、交流電流が印加されることとなる。

なお、磁気インピーダンス素子１０は、プリント基板１００に切り欠き等が設けられて、プリント基板１００ごとバイアスコイルが巻き回されていてもよい。さらに、磁性薄膜１２は、非磁性基板１１の裏面、すなわちプリント基板１００が設けられる側の面に形成されてもよい。この場合、電極１３，１４は、非磁性基板１１の裏面、且つ、磁性薄膜１２の両端に設けられることとなる。また、プリント基板１００上の電極１００ａ，１００ｂについても、非磁性基板１１の裏面側に設けられる。

磁石２０は、磁界を発生させるものであって、本実施形態では磁性薄膜１２の厚み方向（厚み方向は正負を問う方向ではない。以下、厚み方向をＺ方向と称する）に磁界を発生させるように、その位置及び向きが決定されて配置されている。

バスバ３０は、図１に示すＸ方向（磁性薄膜１２の厚み方向と直交する平面上の方向であって、外部磁界の検出方向と直交する方向）に電流が流れる金属の板部材である。磁気インピーダンス素子１０は、このバスバ３０に電流が流れることで変化する磁界を検知することとなる。

ここで、磁気インピーダンス素子１０は、プリント基板１００を介して、バスバ３０の一面に取り付けられている。さらに磁石２０は、バスバ３０の他面に取り付けられている。なお、磁石２０は、他の部材を介してバスバ３０の他面に取り付けられていてもよい。

より詳細に、磁石２０は、磁気インピーダンス素子１０からＸ方向に所定距離だけ離れてバスバ３０の他面に設けられており、磁極を結ぶ方向がＹ方向となっている。なお、磁石２０は、磁気インピーダンス素子１０の裏面側に設けられ、磁極を結ぶ方向がＺ方向となっていてもよいし、他の取付方法であってもよい。

図２は、本実施形態に係る磁界検出センサ１と比較例に係る磁界検出センサとのインピーダンス特性とを示す図である。図２に示すように、比較例に係る磁界検出センサは、インピーダンス特性が山型となっており、ゼロ磁界をピークとして単調減少するインピーダンス特性となっている。しかし、比較例においてはゼロ磁界のピーク付近においてインピーダンス特性が乱れてしまう。

これに対して、本実施形態に係る磁界検出センサ１は磁石２０を備えており、磁石２０により磁性薄膜１２の厚み方向に磁界がかけられている。このため、不安定な磁気モーメントが磁石２０による磁束の束縛を受けて安定化し、ゼロ磁界付近において尖ったピークを有するインピーダンス特性とすることができる。これにより、ピーク付近において所定の傾斜を確保することができる。

このようにして、本実施形態に係る磁界検出センサ１によれば、磁気インピーダンス素子１０は、非磁性基板１１と、非磁性基板１１の表面に形成された磁性薄膜１２と、を有し、磁性薄膜１２の長手方向が外部磁界の検出方向とされ、磁性薄膜１２の磁化容易軸が外部磁界の検出方向と同方向となるように磁気異方性がつけられている。このため、ゼロ磁界をピークとして単調減少するインピーダンス特性となるような磁気インピーダンス素子１０が作製されている。ここで、本件発明者らは、このような磁気インピーダンス素子１０の磁性薄膜１２の厚み方向に磁界を発生させることにより、ゼロ磁界のピーク付近においてインピーダンス特性が乱れていたとしても、この乱れを改善できることを見出した。このため、磁石２０を備えることにより、ゼロ磁界をピークとして単調減少するインピーダンス特性となるような磁気インピーダンス素子１０を有する場合において、ピーク付近において所定の傾斜のインピーダンス特性を確保することができる。

また、磁気インピーダンス素子１０がバスバ３０の一面に取り付けられ、磁石２０がバスバ３０の他面に取り付けられているため、両者の位置関係がバスバ３０により固定的となり、振動等によって両者の位置関係が崩れて磁性薄膜１２の厚み方向に磁界を発生させることができなくなってしまう事態を防止することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、可能な範囲で適宜他の技術を組み合わせてもよい。

例えば、上記実施形態においては磁石２０を磁界発生手段として説明したが、これに限らず、コイルにより磁界を発生させてもよい。さらに、本実施形態ではバスバ３０に対して磁気インピーダンス素子１０及び磁石２０等の磁界発生手段が固定的に設けられているが、これに限らず、いずれか一方のみが固定的に設けられていてもよいし、双方がバスバ３０と離間等して固定的に設けられていなくともよい。

１ ：磁界検出センサ
１０ ：磁気インピーダンス素子
１１ ：非磁性基板
１２ ：磁性薄膜（磁性膜）
１３，１４：電極
２０ ：磁石（磁界発生手段）
３０ ：バスバ
１００ ：プリント基板
１００ａ ：電極
１００ｂ ：電極

Claims (2)

1. 磁気インピーダンス効果を利用した磁気インピーダンス素子に交流電流を印加して得られる出力から外部磁界を検出する磁界検出センサであって、
   前記磁気インピーダンス素子は、非磁性基板と、前記非磁性基板の表面に形成された磁性膜と、を有し、当該磁性膜の長手方向が外部磁界の検出方向とされ、前記磁性膜の磁化容易軸が前記外部磁界の検出方向と同方向となるように磁気異方性がつけられており、
   さらに、前記磁性膜の厚み方向に磁界を発生させてゼロ磁界におけるインピーダンス特性のピークを先鋭化させる磁界発生手段を備える
   ことを特徴とする磁界検出センサ。
2. 前記磁気インピーダンス素子に対してバイアス磁界を印加するためのバイアスコイルと、
   前記磁性膜の厚み方向と直交する平面上の方向であって、前記外部磁界の検出方向と直交する方向に電流が流れる金属の板部材であるバスバと、をさらに備え、
   前記磁気インピーダンス素子は、前記バスバの一面に取り付けられ、
   前記磁界発生手段は、磁石であって前記バスバの他面に前記磁気インピーダンス素子から所定距離離間して取り付けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁界検出センサ。

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