(57)【要約】 【課題】  光ファイバーを介して遠方の磁場変化を高い空間分解能で検出することが可能な、かつ光ファイバー先端部に取り付けが可能な、狭所領域の微弱磁場を検出できる磁気センサを得る。【解決手段】  磁歪薄膜が堆積された片持ち梁２と、該片持ち梁２を支持する支持基板３からなる磁気検知構造体４と、光ファイバーと、該光ファイバー７の先端の集光レンズ８と、光源と、受光器と、分光器から成る磁気センサであって、前記光源より発射される入射光が、前記分光器を通過し、前記光ファイバーを介して前記磁気検知構造体の磁歪薄膜表面に入射し、該磁歪薄膜表面において、所定の角度により反射した反射光が、前記光ファイバー７を介し、分光器を通過し受光部に到達し、前記磁気検知構造体に係る外部磁場の変化により、前記磁歪薄膜の形状が変形し片持ち梁が撓み、反射光の光ファイバーに集光される光量が変化し、外部磁場変化量を算出する磁気センサとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的ミラーの機能を有する磁歪薄膜が堆積された片持ち梁と、該片持ち梁を支持する支持基板からなる磁気検知構造体と、入射光及び反射光の伝搬媒体となる光ファイバーと、該光ファイバー先端の集光レンズと、光源と、受光器と、分光器から成る磁気センサにおいて、前記光源より発射される入射光が、前記分光器を通過し、前記光ファイバーを介して該磁気検知構造体の磁歪薄膜表面に入射し、該磁歪薄膜表面において、所定の角度により反射した反射光が、前記光ファイバーを介し、分光器を通過し受光部に到達し、前記磁気検知構造体に係る外部磁場の変化により、前記磁歪薄膜の形状が変形し片持ち梁が撓むことにより、前記磁歪薄膜表面において反射する反射光の光ファイバーに集光される光量が変化し、外部磁場変化量を算出することを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
光学的ミラーの機能を有する磁歪薄膜が堆積された片持ち梁と、該片持ち梁を支持する支持基板からなる磁気検知構造体と、前記磁気検知構造体を振動させ、ついで磁歪薄膜を振動させるための加振機構と、入射光及び反射光の伝搬媒体となる光ファイバーと、該光ファイバー先端の集光レンズと、光源と、受光器と、分光器から成る磁気センサにおいて、前記光源より発射される入射光が、前記分光器を通過し、前記光ファイバーを介して該磁気検知構造体の磁歪薄膜表面に入射し、該磁歪薄膜表面で反射した反射光が、前記光ファイバーを介し、分光器を通過し受光部に到達し、かつ、前記加振機構により前記磁歪薄膜が堆積された片持ち梁が加振され共振状態にある場合、前記磁気検知構造体に係る外部磁場の変化により、片持ち梁の共振周波数が変化し、前記入射光に対する前記磁歪薄膜表面からの反射光の周波数変化を受光部で検出し、外部磁場変化量を算出することを特徴とする磁気センサ。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載の磁気センサにおいて、前記片持ち梁の面方向と平行になるように磁束収束用の磁性ヨークが配置されたことを特徴とする磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪効果を利用した高感度な小型の磁気センサに係り、特に光ファイバーを介して遠方あるいは狭所領域の微弱磁場を検出する磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光ファイバーを利用した磁気センサについて、以下に説明する。従来、光ファイバーを利用した磁気センサとしては、（１）磁歪素子を用いるもの、（２）ファラデー効果を用いるもの、（３）電磁力を用いるもの、の３種類に分類することができ、いずれの磁気センサにおいても、磁場が加わることによって光ファイバー内を伝搬する光の状態が変わったり、光ファイバーに歪みが発生したりすることを利用したものである。
【０００３】
一例として、電磁力を用いる方法について、その原理を説明する。図５は、特許文献１に記載されている光ファイバーを利用した磁気センサを示す図である。図５に示す磁気センサは、固定クランプ１４１に固定された金属被膜光ファイバー１３１と、交流電源１５１と導線１６１とからなる閉回路に一定の電流を流すものである。
【０００４】
また、図６は、特許文献１の従来例として引用された、他の光ファイバーを利用した磁気センサを示す図である。図６に示す磁気センサは、外部から磁場７１が加わると金属被膜光ファイバー８１に矢印方向の振動的な電磁力が発生することを利用している。
【０００５】
特許文献２には、光ファイバの周辺を導電性材料で被覆した光ファイバを用い、その被覆に電流を流し、これが周囲の磁界から受ける力を、光ファイバ内を伝搬する光の位相変化によって高感度に検出する磁気センサについて記載されている。
【０００６】
特許文献１、特許文献２に記載されているように、一定の張力を保つように固定クランプで両端を固定し、固定クランプに交流電源を導線で接続した系は、共振系として作用するため、特定周波数の交流電流を供給すると、系の共振効果によって磁気に対する感度が極めて良好となる。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３１６２６８号公報
【特許文献２】特開昭６３−０５２０７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、特許文献１、特許文献２に記載の光ファイバーを利用した磁気センサにおいては、光ファイバー内を伝搬する光の状態変化を干渉効果などにより検出するものであり、特に微弱な磁場を検出する場合には、数ｍ以上の十分な長さの光路長が必要となり、磁気検出システムの大型化は避けられない。
【０００９】
従って、本発明の課題は、光ファイバーを介して磁場変化を高い空間分解能で検出することが可能である小型で高感度の磁気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】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明によれば、光学的ミラーの機能を有する磁歪薄膜が堆積された片持ち梁と、前記片持ち梁を支持する支持基板からなる磁気検知構造体と、入射光及び反射光の伝搬媒体となる光ファイバーと、前記光ファイバー先端の集光レンズと、光源と、受光器と、分光器から成り、前記光源より発射される入射光が、前記分光器を通過し、前記光ファイバーを介して前記磁気検知構造体の磁歪薄膜表面に入射し、前記磁歪薄膜表面において、所定の角度により反射した反射光が、前記光ファイバーを介し、分光器を通過し受光部に到達する場合、前記磁気検知構造体に係る外部磁場の変化により、前記磁歪薄膜の形状が変形し片持ち梁が撓むことにより、前記磁歪薄膜表面において反射する反射光の光ファイバーに集光される光量が変化することにより、外部磁場変化量を算出することができる磁気センサが得られる。
【００１１】
即ち、本発明は、光学的ミラーの機能を有する磁歪薄膜が堆積された片持ちＣ梁と、該片持ち梁を支持する支持基板からなる磁気検知構造体と、入射光及び反射光の伝搬媒体となる光ファイバーと、該光ファイバー先端の集光レンズと、光源と、受光器と、分光器から成る磁気センサにおいて、前記光源より発射される入射光が、該分光器を通過し、該光ファイバーを介して該磁気検知構造体の磁歪薄膜表面に入射し、該磁歪薄膜表面において、所定の角度により反射した反射光が、該光ファイバーを介し、分光器を通過し受光部に到達し、前記磁気検知構造体に係る外部磁場の変化により、前記磁歪薄膜の形状が変形し片持ち梁が撓むことにより、前記磁歪薄膜表面において反射する反射光の光ファイバーに集光される光量が変化し、外部磁場変化量を算出する磁気センサである。
【００１２】
また、本発明は、光学的ミラーの機能を有する磁歪薄膜が堆積された片持ち梁と、該片持ち梁を支持する支持基板からなる磁気検知構造体と、前記磁気検知構造体を振動させ、ついで磁歪薄膜を振動させるための加振機構と、入射光及び反射光の伝搬媒体となる光ファイバーと、該光ファイバー先端の集光レンズと、光源と、受光器と、分光器から成る磁気センサにおいて、前記光源より発射される入射光が、前記分光器を通過し、前記光ファイバーを介して該磁気検知構造体の磁歪薄膜表面に入射し、該磁歪薄膜表面で反射した反射光が、該光ファイバーを介し、分光器を通過し受光部に到達し、かつ、該加振機構により該センサ構造体あるいは該磁歪薄膜が堆積された片持ち梁が加振され共振状態にある場合、該磁気検知構造体に係る外部磁場の変化により、該磁歪薄膜のヤング率が変化することにより片持ち梁の共振周波数が変化し、前記入射光の周波数に対する該磁歪薄膜表面からの反射光の周波数変化を受光部で検出し、外部磁場変化量を算出する磁気センサである。
【００１３】
また、本発明は、前記磁気センサにおいて、前記片持ち梁の幅方向あるいは長手方向に平行になるように磁束収束用の磁性ヨークを備えた磁気センサである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、小型であるが故に、光ファイバー先端部に取り付けが可能であり、狭所領域の微弱磁場を検出できる磁気センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施の形態による磁気センサについて、以下に説明する。本発明の磁気センサは、光学的ミラーの機能を有する磁歪薄膜が堆積された片持ち梁と、該片持ち梁を支持する支持基板からなる磁気検知構造体と、入射光及び反射光の伝搬媒体となる光ファイバーと、該光ファイバー先端の集光レンズと、光源と、受光器と、分光器から構成されている。
【００１６】
ここで、前記光源より発射される入射光が、前記分光器を通過し、前記光ファイバーを介して前記磁気検知構造体の磁歪薄膜表面に入射し、前記磁歪薄膜表面において、所定の角度により反射した反射光が、前記光ファイバーを介し、分光器を通過し受光部に到達する場合、前記磁気検知構造体に係る外部磁場の変化により、前記磁歪薄膜の形状が変形し片持ち梁が撓むことにより、前記磁歪薄膜表面において反射する反射光の光ファイバーに集光される光量が変化することにより、外部磁場変化量を算出する。
【００１７】
また、本発明の実施の形態による磁気センサは、光学的ミラーの機能を有する磁歪薄膜が堆積された片持ち梁と、該片持ち梁を支持する支持基板からなる磁気検知構造体と、前記磁気検知構造体を振動させ、ついで磁歪薄膜を振動させるための加振機構と、入射光及び反射光の伝搬媒体となる光ファイバーと、該光ファイバー先端の集光レンズと、光源と、受光器と、分光器から構成されている。                  
【００１８】
ここで、前記光源より発射される入射光は、前記分光器を通過し、前記光ファイバーを介して該磁気検知構造体の磁歪薄膜表面に入射し、該磁歪薄膜表面で反射した反射光が、前記光ファイバーを介し、分光器を通過し受光部に到達し、かつ、前記加振機構により前記センサ構造体あるいは前記磁歪薄膜が堆積された片持ち梁が加振され共振状態にある場合、前記磁気検知構造体に係る外部磁場の変化により、前記磁歪薄膜のヤング率が変化する。これにより、片持ち梁の共振周波数が変化し、入射光の周波数が磁場が零の場合に対して変化し、受光部のドップラ周波数計によって、その差の周波数を検出し、この周波数の変化を外部磁場の変化量として算出する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明における実施例１の磁気センサの説明図である。図１（ａ）は、磁気センサの主要部分の説明図であり、図１（ｂ）は、磁気センサを含む測定系のブロック図である。図１に示す磁気センサは、光学的ミラーの機能を有する磁歪薄膜１が堆積された片持ち梁２と、片持ち梁２を支持する支持基板３からなる磁気検知構造体４と、入射光５及び反射光６の伝搬媒体となる光ファイバー７と、光ファイバー先端の集光レンズ８とで構成される。
【００２０】
図１（ｂ）に示すように、光源９より発射される入射光１２が、分光器１１を通過し、光ファイバーを介して磁気センサ３０の磁気検知構造体の磁歪薄膜の表面に入射し、磁歪薄膜の表面において、所定の角度により反射した反射光６が、光ファイバーを介し、分光器１１を通過し受光部１０に到達する。
【００２１】
図１に示す磁気センサは、磁気検知構造体４に係る外部磁場の変化により、磁歪薄膜１の形状が変形し片持ち梁２が撓むことにより、磁歪薄膜１の表面において反射する反射光６の光ファイバー７に集光される光量が変化することにより、外部磁場変化量を算出することが可能となる。
【００２２】
図２は、本発明における実施例１における磁気センサの磁界の検出原理の説明図である。図２に示すように、本実施例では、片持ち梁として、１００μｍ×５０μｍ×１μｍの単結晶シリコン上に、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｚｒ系磁性薄膜（組成比５５：３０：１５ａｔ％、厚み１μｍ）が堆積されている複合梁としている。
【００２３】
図２において、集光用レンズ８付き光ファイバー７より出射されたレーザビーム（入射光５）が、片持ち梁２の端部に入射し、その反射光の一部が同光ファイバー７に再入射する。このとき、片持ち端部における反射光が光ファイバー７に再入射する量は、磁歪薄膜１の磁歪効果による片持ち梁２の変形量βに依存する。反射光が光ファイバー７に再入射する量は、変形前の片持ち梁端部に入射する入射光の光軸に対する反射光の光軸の変位量ｓに関係し、その変位量ｓは、数１より算出される。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
ここで、ρは集光用レンズから片持ち梁端部までの距離、Ｌは片持ち梁長、ｈf，Ｅfは各々磁性膜の厚さ及びヤング率、θは検出磁場の片持ち梁に対する入射角、λsは磁性膜の飽和磁歪量、Ｅs，ｈsは片持ち梁のヤング率及び厚さである。片持ち梁の長さが５５μｍ、集光用レンズから片持ち梁端部までの距離ρが３ｍｍ、λsが３０×１０-6の場合、外部磁場１００×１０3／４π（Ａ／ｍ）が片持ち梁の幅方向に印加されると、その変形量ｓは２００μｍ程度となる。この変形量ｓは、シングルモード光ファイバのコア径が１０μｍであることなどから考えると、反射光が光ファイバに再入射する量は片持ち梁の変形量βにより大きく変化し、数百Ａ／ｍ程度の微弱な磁場に対して十分な磁気感度が得られることを示している。
【００２６】
本実施例による磁気センサを製造する場合、ポリシリコンの構造体層と二酸化珪素などの犠牲層の組合せによる標準化された２層、あるいは３層ポリシリコンＭＥＭＳプロセスが利用でき、ＩＣ回路技術との適合性もよく、Ｓ／Ｎ比の向上が期待でき、結果として、センサモジュール全体の小型化にも有利である。
【００２７】
また、他の製造法としては、シリコンや水晶の結晶面によるエッチングレートの差を利用するバルクエッチング技術が適用でき、振動子の母材として、振動体を支持するための支持基板として、振動体と同様の材料を使用することができ、同様の効果が得られる。
【実施例２】
【００２８】
図３は、本発明の実施例２の磁気センサの説明図である。図３に示す磁気センサは、光学的ミラーの機能を有する磁歪薄膜が堆積された片持ち梁２と、該片持ち梁２を支持する支持基板３からなる磁気検知構造体４と、該磁気検知構造体４、あるいは該磁歪薄膜１が堆積された片持ち梁２を加振させるための加振器２００と、入射光及び反射光の伝搬媒体となる光ファイバー７と、該光ファイバー先端の集光レンズ８と、該センサ構造体と該光ファイバーを接続するための接続治具（ガイド１００、セパレータ３１）と、光源と、受光器と、分光器から構成されている。
【００２９】
光源より発射される入射光が、分光器を通過し、光ファイバーを介して磁気検知構造体の磁歪薄膜表面に入射し、磁歪薄膜表面で反射した反射光がファイバーを介し、分光器を通過し受光部に到達する。更に、前記加振器によりセンサ構造体あるいは磁歪薄膜が堆積された片持ち梁が加振され共振状態にある。
【００３０】
磁気検知構造体に係る外部磁場の変化と磁歪薄膜のヤング率の変化により、片持ち梁の共振周波数が変化し、入射光に対する磁歪薄膜表面からの反射光の周波数変化を受光部で検出し、外部磁場変化量を算出することができる。
【００３１】
本実施例では、片持ち梁として１００μｍ×５０μｍ×１μｍのポリシリコンを用いた。機械的共振周波数は、約１０．８０９ＭＨｚとなり、外部磁場が約０．３×１０3／４π（Ａ／ｍ）変化した場合の共振周波数の変化量は、約−３．２１ｋＨｚである。ここで、片持ち梁上に積層された磁性膜としては、化学量論的組成比が、おおよそ５５：４５：１５のＣｏ−Ｆｅ−Ｚｒ系磁性薄膜を使用している。尚、磁性薄膜の飽和磁歪定数λsは、２５×１０-6程度である。この場合の磁性薄膜としては、微小磁場の測定のためには、できるだけ保磁力が小さい材料を適用することが望ましい。
【００３２】
尚、上記磁気センサにおいて、静電遮蔽体として、センサ構造体を包む構造の非磁性金属導体を付加することで、寄生容量に起因するノイズが低減され、精度の向上が可能である。
【実施例３】
【００３３】
図４は、本発明の実施例３の磁気センサの説明図である。センサ構造体の片持ち梁２の面方向に平行になるように磁束収束用の磁性体ヨーク１０５を備えることにより、磁歪薄膜１に磁束を集中させ、磁気センサとして磁気感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明における実施例１の磁気センサの説明図。図１（ａ）は、磁気センサの主要部分の説明図、図１（ｂ）は、磁気センサを含む測定系のブロック図。
【図２】本発明における実施例１の磁気センサの検出原理の説明図。
【図３】本発明における実施例２の磁気センサの説明図。
【図４】本発明における実施例３の磁気センサの説明図。
【図５】特許文献１に記載の光ファバーを利用した磁気センサを示す図。
【図６】特許文献１の従来例として引用された他の光ファバーを利用した磁気センサを示す図。
【符号の説明】
【００３５】
１    磁歪薄膜
２    片持ち梁
３    支持基板
４    磁気検知構造体  
５    入射光
６    反射光
７    光ファイバー
８    集光用レンズ
９    光源
１０    受光部
１１    分光器
１２    入射光
１３    反射光
３０    磁気センサ
３１    セパレータ
７１    コア  
７２    クラッド
８１，１３１    金属被膜光ファイバー
１００    ガイド
１０１，１０４    固定点クランプ
１０５    磁性体ヨーク
１６１    導線
２００    加振器
【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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