(57)【要約】【課題】  トリプレート型ストリップ線路構造を有するシールデッドループコイル型磁界センサにおいて、高分解能を得る。【解決手段】  トリプレート型ストリップ線路構造を有するシールデッドループコイル型磁界センサ１０では、その分解能は、被測定物に対して磁界の窓が近付けば近付くほど高くなるが、被測定物に近付けると、グランド導体のみを取り囲む磁束が発生して分解能が低下する。そこで、第一層及び第五層のグランド導体１１及び１５間を、被測定物に対向する面上において、メタライズ層２０でシールドすることにより、測定に寄与しない、グランド導体のみを取り囲む磁束の発生をなくして、被測定物と磁界センサ１０との距離をできるだけ近付けることができるようする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周上の同一位置にギャップを有する１ターンのループ状グランド導体からなる第一層及び第五層と、前記第一層及び第五層のグランド導体間に設けられた信号線路からなる第三層と、前記第一層と第三層との間及び前記第三層と第五層との間にそれぞれ設けられた誘電体からなる第二及び第四層とを含むトリプレート型のストリップ線路構造を有するシールデッドループコイル型磁界センサであって、前記第一層及び第五層のグランド導体間を、被測定物に対向する面上においてシールドしたことを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】
前記ループ状グランド導体のループにより得られる磁界の窓の部分において、前記第二層及び第四層はくりぬかれており、このくりぬかれた、前記被測定物に対向した面上にもシールドを行ってなることを特徴とする請求項１記載の磁界センサ。
【請求項３】
前記誘電体の前記面上において導体によるメタライズを施したことを特徴とする請求項１または２記載の磁界センサ。
【請求項４】
前記前記第一層及び第五層のグランド導体を、前記メタライズの層にて短絡したことを特徴とする請求項３記載の磁界センサ。
【請求項５】
特性インピーダンスを同軸ケーブルの特性インピーダンスに整合してなることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の磁界センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁界センサに関し、特にＧＨｚオーダの周波数帯域を有しかつ微小な磁界発生源からの磁界を高分解能で測定するための小形化に適した磁界センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧＨｚオーダの周波数帯域を有し、かつ微小な磁界発生源からの磁界を高分解能で測定するための小型の磁界センサが、例えば特許文献１に開示されており、その構造を図７〜図９に示している。図７はその斜視図、図８はその分解斜視図、図９はその導体パターンの一部の模式図を示している。
【０００３】
これら図７〜図９において、磁界センサ１０は、第１層１１、第３層１３、第５層１５の３層の導体層と、第１層１１と第３層１３との間及び第３層１３と第５層１５との間にそれぞれ配された第２層１２及び第４層１４の２層の誘電体層とを含む５層のプリント配線回路基板で作成された、トリプレート型のストリップ線路構造を有する。これはシールデッドループコイル型の磁界センサと呼ばれている。
【０００４】
このシールデッドループコイル型磁界センサ１０は、シールデッドループコイル１００中に、第１層１１〜第５層１５を貫通する開口（窓）１６を有している。この開口１６は被測定物（図示せず）からの磁界すなわち磁束を通すための窓となっている。このシールデッドループコイル１００を構成する開口１６の周囲に、周上の同一位置にギャップ１８ａ，１８ｂを有する１ターンのループ状グランド導体２２，２４が、第１層１１と第５層１５に対向して形成されている。
【０００５】
更に、これらグランド導体２２，２４の中央から外方に延在する出力リード部１０４を構成するグランド導体２６，２８が形成されている。これらグランド導体２６，２８の他端（一端はループ状導体２２，２４に接続されている）は、５０オームの同軸ケーブル（図示せず）と接続されるために、徐々にパターン幅が広げられたＵ字状グランド導体３６となっている。
【０００６】
第３層導体層１３は、その一端側がビア３０を介して第１層導体層１１と第５層導体層１５のループ状グランド導体２２，２４のギャップ端の近くに接続されている。そして、この一端側はギャップ１８ａ，１８ｂの部分に延び、更に、ループ状のグランド導体２２，２４の対向面の間に延びて、略半ターンのループ状の信号線路３２が形成されて、ストリップ線路となっている。このストリップ線路３２の他端は、外方に延びるグランド導体２６，２８の対向面の間を延び、出力リード部１０４を構成する信号線路３４の一端側に接続され、ストリップ線路となっている。
【０００７】
この信号線路３４の他端側は、先述した同軸ケーブルの信号線と接続されるための切欠きビア４４に接続されている。同軸ケーブルは特性インピーダンスが５０オームであり、このような磁界センサは損失が少なくかつ５０オームの同軸ケーブルとインピーダンス整合が極めて良好な構造となっている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−６９３３７号公報
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ  ＯＮ  ＭＡＧＮＥＴＩＣＳ，  ＶＯＬ．３３，  ＮＯ．５，  ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ  １９９７，  ｐｐ．４０４４−４０４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、上記の非特許文献１を参照すると、マイクロストリップ線路を用いたマイクロストリップコイルと磁束との関係が開示されており、図１０にその関係を引用して示している。図１０において、マイクロストリップコイルは、マイクロストリップ導体１とグランドプレーン２とを有しており、磁束３ａ，３ｂの様な磁界に対しては、グランドプレーン２を取囲む磁束３ｃが存在することになり、このことは、図７〜図９に示した磁界センサの磁界の窓１６に相当する部分には、磁束は全く通らないことを意味している。すなわち、磁束３ｃは磁界の測定には寄与しないことになる。
【００１０】
この場合、グランドプレーン２は有限の幅を有しており、グランドプレーン２がマイクロストリップ導体の幅に対してより大であればある程（理論的には無限大であれば）、磁界の測定に寄与しないグランドプレーン２を取囲む磁束３ｃは存在しなくなり、窓１６を通る磁束が現れることになるのである。
【００１１】
かかる事実を考慮して、図７〜図９に示した構造の磁界センサにおいては、グランド導体２２，２４の幅は、信号線３２の幅の７〜８倍程度に設定される。よって、被測定磁界を発生する信号ライン（図示せず）とこの磁界センサの磁界の窓１６までの磁界を測定する場合には、できるだけ信号ラインに近づけて磁界の窓までの距離を短縮し、磁界センサとしての空間分解能を上げる必要があるが、上記の如く、当該距離はグランド導体２２，２４の幅により決定される。すなわち、この幅は、図１０にて説明した如く、大とならざるを得ず、よって磁界センサとしての空間分解能が低下するという欠点がある。
【００１２】
本発明の目的は、被測定信号ラインと磁界の窓までの距離をできるだけ短くして空間分解能を向上可能とした磁界センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による磁界センサは、周上の同一位置にギャップを有する１ターンのループ状グランド導体からなる第一層及び第五層と、前記第一層及び第五層のグランド導体間に設けられた信号線路からなる第三層と、前記第一層と第三層との間及び前記第三層と第五層との間にそれぞれ設けられた誘電体からなる第二及び第四層とを含むトリプレート型のストリップ線路構造を有するシールデッドループコイル型磁界センサであって、前記第一層及び第五層のグランド導体間を、被測定物に対向する面上においてシールドしたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の作用を述べる。トリプレート型のストリップ線路構造を有するシールデッドループコイル型磁界センサにおいては、その分解能は、被測定物に対して磁界の窓が近付けば近付くほど高くなるが、磁界センサを被測定物に近付けると、グランド導体のみを取り囲む磁束が発生して分解能が低下する。そこで、本発明では、第一層及び第五層のグランド導体間を、被測定物に対向する面上においてシールドすることにより、測定に寄与しない、グランド導体のみを取り囲む磁束の発生をなくして、被測定物と磁界センサとの距離をできるだけ近付けることができるようにしている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、磁界の窓を被測定物にできるだけ近づけるようにして、空間分解能を向上となるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ’線に沿う断面の一部拡大図である。なお、図１において、図７〜図９と同等部分は同一符号により示している。
【００１７】
図１の実施の形態を説明する前に、先ず磁界センサの空間分解能について、以下に説明することにする。図２を参照すると、誘電体３と、この誘電体３の一主面に設けられたマイクロストリップ導体１と、誘電体３の他主面に設けられたグランドプレーン２とからなるマイクロストリップ導波路を被測定物とし、このマイクロストリップ導体１に対して、磁界センサ１０を図の如く近づけて測定する場合を考える。このとき、ｘ，ｙ，ｚの各軸を図の如く定義するものとする。
【００１８】
このときのｘ−ｙ平面上での磁界分布は、図３の如く表わされる。図３のｘ−ｙ平面上における点ａは、マイクロストリップ導体１の直上の位置であり、このａ点では、図４のａに示す如く、磁界センサの磁界の窓（図７〜図１０の１６参照）に対して、右から左へ磁力線がほぼ直交するように鎖交していることが判る。図３のｃ点では、図４のｃに示す如く、磁界の窓に対して、左から右へ磁力線が斜めに鎖交している。そして、図３のｂ点では、図４のｂに示す如く、磁界の窓に対しては、磁力線が全く鎖交しておらず、よってヌル点となることが判る。
【００１９】
ここで、発明者は、図３に示したヌル点の存在に着目して、図２に示した磁界センサ１０を被測定物に近づける、すなわちｙ〓０の位置に磁界センサの窓をもってくると、空間分解能が最大となることを見出したもので、以下にそれを証明することにする。
【００２０】
図２に示す被測定物の磁力線の軌跡は、
｛（ｘ＋ａ）2  ＋ｙ2  ｝／｛（ｘ−ａ）2  ＋ｙ2  ｝＝ｔ  ……（１）
で与えられる。ｔは定数であり、ａはマイクロストリップ導体１とグランドプレーン２との間の距離であり、簡単化のためにａ＝１として、ｙについて解くと、（１）式は次式となる。
ｙ＝［−ｘ2  ＋２｛（ｔ＋１）／（ｔ−１）｝ｘ−１］1/2    ……（２）
【００２１】
ここで、ヌルを与える点ｂの座標を得るために、（２）式が最小となる（ｘ，ｙ）を求める。すなわち、ｄｙ／ｄｘ＝０となる（ｘ，ｙ）を求めると、（３）式となる。
ｄｙ／ｄｘ＝−（１／２）［−ｘ2  ＋（２（ｔ＋１）／（ｔ−１）ｘ
−１］-3/2・｛−２ｘ＋２（ｔ＋１）／（ｔ−１）｝
……（３）
（３）式において、右辺の［］の項が０となる条件は虚数となるので、これについては考えない。
【００２２】
そこで、右辺の｛｝の項が０となる条件を求めると、（４）式となる。
ｘ0  ＝（ｔ＋１）／（ｔ−１）  ……（４）
このときのｙの値ｙ0  は（５）式となる。
ｙ0  ＝（ｘ2  −１）1/2    ……（５）
【００２３】
この式をグラフ化すると、図５のようになる。図５において、ｙを小とすると、つまり被測定物に磁界センサ１０を近づけると（Ｓ１）、ヌルの点がよりマイクロストリップ導体１に近づくことになり（Ｓ２）、空間分解能が上がることになる。
【００２４】
すなわち、被測定物のマイクロストリップ導体である信号ライン１と磁界センサ１０の磁界の窓との間の距離を極力短くすることにより、磁界センサ１０の空間分解能を向上させることができるのである。そこで、本発明においては、図７〜図９に示したトリプレート型ストリップ線路構造のシールデッドループコイル型磁界センサにおいて、図１に示す如く、第１層及び第５層導体層（グランドパターン）１１及び１５の１ターンのループ状グランド導体２２及び２４を、誘電体基板１２及び１２の側面（ギャップ１８ａ，１８ｂが存在する方の側面、すなわち、被測定物と対向する面）において、第１層及び第５層のグランド導体２２及び２４間をシールドする構造とする。
【００２５】
具体的には、誘電体１２及び１４の被測定物と対向する面上に、ギャップ１８ａ，１８ｂを除いて、メタライズ２０を施して、両グランド導体間を短絡するようにする。こうすることにより、グランド導体２２及び２４の幅を、従来例に比較して短くしても、図６に示すように、被測定物からの磁束が、グランド導体を取囲む（図１０の３ｃ参照）ことはなくなり、磁界の窓１６を通ることになる（図６の磁束３ｄ）。従って、磁界センサの空間分解能は、大幅に向上するのである。
【００２６】
また、上記実施の形態においては、特許文献１に習って、磁界の窓１６の部分で、第二層（誘電体層）と第四層（誘電体層）とをくりぬいた形状として示しているが、この部分の誘電体層を残しておいても磁界の窓として機能する。セラミックス（ＬＴＣＣ（低温焼結セラミック）を除く）の一部をくりぬくことは困難であり、一般的なセラミックスを誘電体層として用いる場合には、磁界の窓１６の部分にセラミックスを残すのが一般的である。さらに、誘電体層として、セラミックスを用い場合には、短絡層２０として、側面メタライズという、実用性の高い方法を用いることができる。
【００２７】
ＬＴＣＣを用いて磁界の窓１６の部分のセラミックスをくりぬいた場合には、被測定物に対向した部分のくりぬいた面にも短絡層を施すことができる。この場合には、磁界の窓１６がさらに被測定物に接近することになり、より高分解能な磁界センサが実現可能である。
【００２８】
なお、本実施例においては、第１層及び第５層のグランド層２２及び２４の幅が、従来例に比較して小となることから、第３層導体層１３と第２層及び第５層グランド層１１及び１５との間のキャパシティは小さくなって特性インピーダンス（５０オーム）が変化することから、同軸ケーブルとのインピーダンス整合を図るために、本例では、当該キャパシティを大として５０オームの特性インピーダンスとすれば良く、そのために、誘電体層１２及び１４の厚さをより小に設定すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態の構成図であり、（Ａ）はその斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ´線に沿う一部拡大断面図である。
【図２】磁界センサの高分解能を説明するための被測定対象と磁界センサとの関係を示す斜視図である。
【図３】図２において被測定対象のマイクロストリップライン上の磁界分布を示す図である。
【図４】図２において被測定対象のマイクロストリップラインと磁界センサと、更には磁束との関係を示す図である。
【図５】図２において磁界センサの高分解能を説明するための図である。
【図６】図１の実施の形態における磁界センサの磁界の窓と磁束との関係を示す図である。
【図７】従来の磁界センサの斜視図である。
【図８】従来の磁界センサの分解斜視図である。
【図９】従来の磁界センサの導体層のみの斜視図である。
【図１０】マイクロストリップ線路を用いたマイクロストリップコイルと磁束との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  磁界センサ
１１  第一層（導体層）
１２  第二層（誘電体層）
１３  第三層（導体層）
１４  第四層（誘電体層）
１５  第五層（導体層）
１６  磁界の窓
１８  ギャップ
２０  短絡層
２２，２４  ループ状グランド層
３０  ビア
３２  信号線路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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