(57)【要約】【課題】対向する２つの平面を有する磁性体をコアとする基本波型磁界センサにおいて、当該磁性体に応力を付加することで異方性を揃えてオフセットを低減する磁界センサを提供する。【解決手段】磁性薄帯の長手方向の少なくとも一部に収縮及び／又は伸長の応力が付加された磁性コア１１０と、磁性コア１１０に巻回される検出コイル１１と、磁性コア１１０に励磁用の交流電流及びバイアス直流電流を供給する電源部４０と、検出コイル１１に生じる誘起電圧を検出するセンサ回路３とを備える。磁性コア１１０は、磁性薄帯の長手方向に対して垂直で、且つ、幅広面に平行な方向を軸として所定の曲率で湾曲させて、収縮及び／又は伸長の応力が付加されるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する２面を有する磁性体の長手方向の少なくとも一部に収縮及び／又は伸長の応力が付加されたコア部と、
前記コア部に巻回される検出コイルと、
前記コア部に励磁用の交流電流及びバイアス直流電流を供給する電源部と、
前記検出コイルに生じる誘起電圧を検出する検出手段とを備えることを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁界センサにおいて、
前記コア部が、前記磁性体の長手方向に対して垂直で、且つ、前記対向する２面に平行な方向を軸として所定の曲率で湾曲させて、前記収縮及び／又は伸長の応力が付加される磁界センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁界センサにおいて、
前記コア部が、予め湾曲した磁性薄帯で形成される磁界センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の磁界センサにおいて、
前記コア部が、予め湾曲している凹面側には伸長の応力が付加され、凸面側には収縮の応力が付加されている磁界センサ。
【請求項５】
請求項３に記載の磁界センサにおいて、
前記コア部が、予め湾曲した磁性薄帯を直線状に矯正した状態で基板の電極に固着して接続される第１コア部として形成される磁界センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の磁界センサにおいて、
前記第１コア部に対して前記基板を挟んで反対側の面に、予め湾曲した磁性薄帯を直線状に矯正した状態で、基板の電極に固着して接続される第２コア部が形成され、前記第１コア部が接続される前記基板の第１電極と、前記第２コア部が接続される前記基板の第２電極とがビアで接続されている磁界センサ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の磁界センサにおいて、
前記バイアス直流電流が、前記磁性薄帯に存在する無秩序な異方性に束縛された磁化が象限を超えて跳躍させる磁界を生じる値近傍に調整されている磁界センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本波型磁界センサのセンサヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微弱磁界を高感度で検出する磁界センサに関する技術として、例えば、特許文献１に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、検出コイル２１、２２が巻回される磁心１に正又は負の少なくとも一方にバイアスされた脈流からなる励磁電流ｉを流し、この磁心１に印加される被検出磁界Ｈｅｘが存在しないときに検出コイル２１、２２に発生する誘起電圧Ｖ１、Ｖ２を相殺し、且つ前記被検出磁界Ｈｅｘが存在するときに検出コイル２１、２２に発生する被検出磁界Ｈｅｘで誘起される誘起電圧Ｖ１、Ｖ２を出力するものである。
【０００３】
また、センサヘッドのコアに磁性薄帯を用いた直交フラックスゲート磁界センサが非特許文献１に開示されている。ここでは、代表的なＣｏ基無磁歪組成のアモルファス磁性薄帯であるＭｅｔｇｌａｓ２７１４Ａ（参考文献：Metgals  Technical  Bulletin  ref：2714A04202011）のａｓ−ｃａｓｔ製品（製造後に磁気特性改質のために熱処理等を施してない製品）をセンサヘッドのコアに用いることで、高感度・低雑音の磁界センサ特性が実現されている。
【０００４】
図１９は、磁性薄帯をコアとして用いた場合の基本波型直交フラックスゲートの動作のモデル図である。図１９において、細長い磁性薄帯をコアとし、その周囲には検出コイルが巻かれ、磁性薄帯には交流励磁電流とその振幅以上の直流バイアス電流が通電されている。この場合、直流バイアス電流の大きさＩｄｃは、交流電流振幅Ｉａｃ以上とする。
【０００５】
ここで、磁性薄帯内での通電電流による磁束密度分布について、図２１を用いて説明する。図２１においては、アモルファス磁性薄帯を考え、その比透磁率を２０，０００、導電率を銅の１／８５とすると、幅１ｍｍ、厚さ２０μｍの厚み方向断面の磁束密度（絶対値）分布は図２１のようになる。磁束は長手方向に垂直な断面内で一巡し、その経路は磁性薄帯の幅広面に平行になる。図２１において、値が大きい方（点線で示す方）が直流電流に対する磁束密度で、値が小さい方が１００ｋＨｚの電流に対する磁束密度分布である。１００ｋＨｚ程度では、分布は幅中心の０に向かって直線的に減衰する。１００ｋＨｚで磁束密度が直流の場合に比べて小さくなるのは、磁性薄帯に通電する電流に対し、ｚ＝Ｒ＋ｊωＬの第二項（インダクタンス）が増加するため、同じ印加電圧に対しては減少するためである。３００ｋＨｚ以上になると、表皮効果の影響で薄帯の幅広面から厚み中心に向けて磁束密度分布が指数関数的に減衰するようになる。磁束密度を磁性薄帯の透磁率で割れば磁界になる。
【０００６】
図２０において、磁性薄帯に加わる磁界は、交流磁界と直流バイアス磁界の和であるＨｅｘ(＝Ｈｄｃ＋Ｈａｃ×ｓｉｎ（ωｔ）)が薄帯面に平行且つ幅方向にあり、外部から印加される計測したい磁界Ｈｉｎは薄帯長手方向に加わる。磁性薄帯にはさらに磁気異方性（ジュール／ｍ３）が存在する。非特許文献１に示すＭｅｔｇｌａｓ２７１４Ａのａｓ−ｃａｓｔ製品では、保磁力が１０ｍＯｅ程度と小さく、かつ弾性特性に優れ、スリット加工やセンサのコアとして利用する場合のハンドリングが容易である。
【０００７】
ａｓ−ｃａｓｔ製品のＭｅｔｇｌａｓ２７１４Ａのヒステリシスループは、角形であるが、ループの上端あるいは下端での磁化の値は材料本来の飽和磁化の約半分程度でしかない。これは、薄帯全体にわたって均一な磁気異方性が存在せず、逆に薄帯の局所的な場所毎にその大きさやその容易軸方向が無秩序に存在していることを示すものである。このような特性はＭｅｔｇｌａｓ２７１４Ａに限らず、高透磁率でかつ優れた高周波特性を持つように製造されたアモルファス磁性薄帯においても一般的に見られる。
【０００８】
そこで、磁場中熱処理、あるいは薄帯の長手方向に加える張力の下での熱処理によって、磁気異方性を薄帯全体にわたって均一に付けることができるが、薄帯が脆くなったり磁気異方性の強度が増して磁界センサの感度が低下するなどの問題が生じる。
【０００９】
図２１に示すように、磁性薄帯に通電される交流励磁電流や直流バイアス電流が作る磁界は、磁性薄帯の厚み中心面近傍ではほぼ０となり、磁性薄帯面で最大となる。その間はほぼ直線的に分布する。交流励磁磁界Ｈａｃより大きな直流バイアス磁界Ｈｄｃにより磁性薄帯は、その面近傍では磁化飽和し（回転磁化過程に従う）、飽和磁化Ｊｓの方向は図２０に示すように、Ｋ、Ｈｅｘ、Ｈｉｎによって決定される。Ｋ、Ｈｅｘ、Ｈｉｎそれぞれが、Ｊｓをそれぞれの方向に接近するように回転させようと飽和磁化Ｊｓにトルクを及ぼすが、安定方向は次式で与えられるエネルギーＥが最小になる角度として決定される。
【００１０】
【数１】
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【００１１】
Ｈｅｘの中の交流成分Ｈａｃｓｉｎ(ωt)が正のピークの時は、Ｈｅｘの大きさが最大（Ｈｄｃ＋Ｈａｃ）となり、Ｊｓが最もＨｅｘ方向（θが小さくなる方向）に向くように回転させられる。逆に、負のピークの時は、Ｈｅｘの大きさが最小（Ｈｄｃ−Ｈａｃ）となり、Ｊｓが最もＨｅｘ方向から遠い方向（Ｋ及びＨｉｎがある方向＝θが大きくなる方向）に回転させられる。このようにして、Ｊｓの幅方向からの角θは交流励磁の一周期の間に一度増減し、Ｊｓは上下に小さく回転振動する。Ｊｓに実効断面積を乗じたものが磁束で、そのｓｉｎθ成分が検出コイルに鎖交し、その時間変化が誘起電圧を与える。この時、Ｈｉｎの大きさが誘起電圧振幅を決定し、その極性が誘起電圧の位相を決めるので、同期検波回路を用いれば磁界の大きさと方向を直流電圧として得ることができる（非特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−３１５８１２号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】K.Goleman  and  I.Sasada,  “High  Sensitive  Orthogonal  Fluxgate  Magnetometer  Using  a  Metglas  Ribbon”,  IEEE  TRANSACTIONS  ON  MAGNETICS,  VOL.42,  NO.10,  OCTOBER  2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記の特許文献及び非特許文献のいずれにおいても、Ｈｉｎ＝０である時、センサ出力電圧が０にならないオフセット問題を有する。図２０のモデルで言うと、Ｋの角度αが０でない場合、たとえＨｉｎ＝０であってもθが０ではなく、Ｈｅｘの振動に合わせて、Ｊｓが上下に小さく振動するため、そのｓｉｎ成分も振動して誘起電圧を生じ、これがオフセットの原因となってしまう。
【００１５】
なお、実際にはａｓ−ｃａｓｔ状態のアモルファス磁性薄帯では、場所ごとにＫの大きさと方向が異なるので、それら全体の平均となる。
【００１６】
本発明は、対向する２つの平面を有する磁性体をコアとする基本波型磁界センサにおいて、当該磁性体に応力を付加することで異方性を揃えてオフセットを低減する磁界センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る磁界センサは、対向する２面を有する磁性体の長手方向の少なくとも一部に収縮及び／又は伸長の応力が付加されたコア部と、前記コア部に巻回される検出コイルと、前記コア部に励磁用の交流電流及びバイアス直流電流を供給する電源部と、前記検出コイルに生じる誘起電圧を検出する検出手段とを備えるものである。
【００１８】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、対向する２面を有する磁性体の長手方向の少なくとも一部に収縮及び／又は伸長の応力が付加されたコア部を備えるため、収縮及び／又は伸長の応力により、磁性体に無秩序に存在している異方性を揃えることで磁気モーメントＪｓを安定化させ、オフセットを低減することができるという効果を奏する。
【００１９】
本発明に係る磁界センサは、前記コア部が、前記磁性体の長手方向に対して垂直で、且つ、前記対向する２面に平行な方向を軸として所定の曲率で湾曲させて、前記収縮及び／又は伸長の応力が付加されるものである。
【００２０】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、コア部が、磁性体の長手方向に対して垂直で、且つ、対向する２面に平行な方向を軸として所定の曲率で湾曲させて、収縮及び／又は伸長の応力が付加されるため、収縮及び／又は伸長の応力を磁性体の長手方向に生じることができ、異方性を揃えて磁気モーメントＪｓを安定化させることができるという効果を奏する。
【００２１】
本発明に係る磁界センサは、前記コア部が、予め湾曲した磁性薄帯で形成されるものである。
【００２２】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、コア部が、予め湾曲した磁性薄帯で形成されるため、例えば、湾曲している磁性薄帯を直線状に固定するだけで、収縮及び／又は伸長の応力を磁性薄帯の長手方向全体に亘って付加することができ、異方性を揃えて磁気モーメントＪｓを安定化させることができるという効果を奏する。
【００２３】
本発明に係る磁界センサは、前記コア部が、予め湾曲している凹面側には伸長の応力が付加され、凸面側には収縮の応力が付加されているものである。
【００２４】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、コア部が、予め湾曲している凹面側には伸長の応力が付加され、凸面側には収縮の応力が付加されているため、例えば、コア部の飽和磁歪定数が正の場合は、予め湾曲している凹面側の厚み半分における磁気異方性の容易軸方向をコア部の長手方向に対して平行にすると共に、予め湾曲している凸面側の厚み半分における容易軸方向を垂直にし、また、コア部の飽和磁歪定数が負の場合は、予め湾曲している凹面側の厚み半分における磁気異方性の容易軸方向をコア部の長手方向に対して垂直にすると共に、予め湾曲している凸面側の厚み半分における容易軸方向を平行にすることで、異方性を揃えて磁気モーメントＪｓを安定化させることができるという効果を奏する。
【００２５】
本発明に係る磁界センサは、前記コア部が、予め湾曲した磁性薄帯を直線状に矯正した状態で基板の電極に固着して接続される第１コア部として形成されるものである。
【００２６】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、コア部が、予め湾曲した磁性薄帯を直線状に矯正した状態で、基板の電極に固着して接続される第１コア部として形成されるため、湾曲の凹面側の厚み半分には伸長の応力、湾曲の凸面側の厚み半分には収縮の応力を付加することができ、その状態で基板の電極に固着することで、磁性薄帯の異方性を揃えて磁気モーメントＪｓを安定化させることができるという効果を奏する。
【００２７】
本発明に係る磁界センサは、前記第１コア部に対して前記基板を挟んで反対側の面に、予め湾曲した磁性薄帯を直線状に矯正した状態で、基板の電極に固着して接続される第２コア部が形成され、前記第１コア部が接続される前記基板の第１電極と、前記第２コア部が接続される前記基板の第２電極とがビアで接続されているものである。
【００２８】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、第１コア部に対して基板を挟んで反対側の面に、予め湾曲した磁性薄帯を直線状に矯正した状態で、基板の電極に固着して接続される第２コア部が形成され、前記第１コア部が接続される前記基板の第１電極と、前記第２コア部が接続される前記基板の第２電極とがビアで接続されているため、高性能なセンサヘッドを実現すると共に、製造工程を簡素化して量産を容易にすることができるという効果を奏する。
【００２９】
本発明に係る磁界センサは、前記バイアス直流電流が、前記磁性薄帯に存在する無秩序な異方性に束縛されていた磁化が象限を超えて跳躍させる磁界を生じる値近傍に調整されているものである。
【００３０】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、バイアス直流電流が、前記磁性薄帯に存在する無秩序な異方性に束縛されていた磁化が象限を超えて跳躍させる磁界を生じる値近傍に調整されているため、オフセットを引き起こす磁化の長手方向の成分を打ち消して、オフセットを低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１の実施形態に係る磁界センサの構成を示す回路ブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る磁界センサの磁性コアの応力を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る磁界センサにおいて、磁性コアの薄帯の磁歪が負の場合における応力誘導磁気異方性の磁化容易軸方向とその大きさを示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る磁界センサにおいて、長手方向について対称関係にある磁気異方性を示す図である。
【図５】図４（Ａ）において、αを１０°間隔で大きくしていった時に、エネルギーの最小値を与える角度θを計算し、ｓｉｎθ＝Ｊ／Ｊｓについてプロットした結果を示す図である。
【図６】図４（Ｂ）において、βが１０°間隔で大きくしていった時に、エネルギーの最小値を与える角度θを計算し、ｓｉｎθ＝Ｊ／Ｊｓについてプロットした結果を示す図である。
【図７】図４（Ｂ）において、Ｊが一旦大きくなった後、急激に第４象限へジャンプする現象が現れた後の状態を示す図である。
【図８】第１の実施形態に係る磁界センサにおけるセンサヘッドの構造を示す第１の図である。
【図９】第１の実施形態に係る磁界センサにおけるセンサヘッドの構造を示す第２の図である。
【図１０】第１の実施形態に係る磁界センサにおけるセンサヘッドの構造を示す第３の図である。
【図１１】第１の実施形態に係る磁界センサにおけるセンサヘッドの構造を示す第４の図である。
【図１２】第１の実施形態に係る磁界センサにおける磁性コアの形状を示す図である。
【図１３】第１の実施形態に係る磁界センサにおいて、捻れ方向の応力を付加しないように加工する方法を示す図である。
【図１４】第１の実施形態に係る磁界センサにおける磁性コアの断面形状の一例を示す図である。
【図１５】比較例のセンサヘッドの構造を示す図である。
【図１６】比較例において、オフセットを引き起こす検出コイルの誘起電圧を同期検波し、バイアス電流に対してプロットした結果を示す図である。
【図１７】比較例において、直流バイアス電流を−１９０ｍＡとした場合の検出コイルの誘起電圧波形を示す図である。
【図１８】本発明に係る磁界センサにおいて、オフセットを引き起こす検出コイルの誘起電圧を同期検波し、バイアス電流に対してプロットした結果を示す図である。
【図１９】本発明に係る磁界センサにおいて、直流バイアス直流電流を−９９ｍＡとした場合の検出コイルの誘起電圧波形を示す図である。
【図２０】磁性薄帯をコアとして用いた場合の基本波型直交フラックスゲートの動作のモデル図である。
【図２１】磁性薄帯内での通電電流による磁束密度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
【００３３】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る磁界センサについて、図１ないし図１４を用いて説明する。本実施形態に係る磁界センサは、基本波型磁界センサのセンサヘッドに用いる磁性体の磁気歪みを利用することで、オフセットを効果的に低減するものである。
【００３４】
図１は、本実施形態に係る磁界センサの構成を示す回路ブロック図である。磁界センサ１はセンサヘッド１０を備え、このセンサヘッド１０は、磁性コア１１０と、検出コイル１１とを有する。磁性コア１１０は、例えば、Ｕ字型（又はヘアピン型）やＷ型に形成された磁性薄帯により構成される。検出コイル１１は、磁性コア１１０の周囲を包むように、その延在方向（Ｚ軸線）回りに巻回されるコイルである。検出コイル１１は、例えば、巻き数を１０００ターンとされる。
【００３５】
なお、磁性コア１１０は、Ｕ字型やＷ型以外にＩ字型（棒状）であってもよい。その場合、折り返し部分を導線などの配線で構成するようにしてもよい。また、磁性コア１１０に用いる材料は、例えば、磁気歪みが小さい、Ｃｏ基無磁歪組成のアモルファス磁性薄帯やパーマロイ薄帯等を用いるようにしてもよい。
【００３６】
図１に示すように、磁性コア１１０は、交流電源ＶＥＸと、その振幅より大きな値を持つ直流電源Ｅとを有する電源部４０と直列に接続される。交流電源ＶＥＸ及び直流電源Ｅが、所定の交流電圧及び直流電圧を印加して通電することで、センサヘッド１０が励磁される。これにより、センサヘッド１０は、その延在方向に沿う磁界に応じた検出電圧を出力可能な、いわゆる直交フラックスゲートセンサ（基本波型直交フラックスゲート（ＭＦ−ＯＦＧ：Fundamental  mode  orthogonal  fluxgate））をなす。これにより、バルクハウゼンノイズの低減及びセンサの高感度化を図ることができる。
【００３７】
また、図１に示すように、磁性コア１１０には検出コイル１１が巻回されており、検出コイル１１の一端側はセンサ回路３に接続され、他端側はグラウンドに接続される。センサ回路３は、同期検波回路３０（ＰＳＤ：Phase  Sensitive  Detector）、平滑回路３１（smoothing  filter）、及び誤差増幅器３２（Error  Amplifier）を有して負帰還回路（参考文献：笹田一郎・村上雅則：「負帰還構成にした基本波型直交フラックスゲートの動作と特性」，電気学会研究会資料，MAG-08-133 (2008)を参照）を構成する。センサヘッド１０からのセンサ出力Ｖは、コンデンサＣ、同期検波回路３０及び平滑回路３１を通じて、センサ出力Ｖに応じた所定電圧となって、誤差増幅器３２に送られる。その後、誤差増幅器３２への入力（センサ出力Ｖ）が０になるように、帰還抵抗Ｒｆを通して帰還電流ｉｆが検出コイル１１に流れる。このときに帰還抵抗Ｒｆに生じる電圧の変位（局所磁界検出信号Ｖｏ）がセンサ出力Ｖに相当する。
【００３８】
図２は、本実施形態に係る磁界センサの磁性コアの応力を示す図である。一般的に、高い透磁率を有する磁性体は磁気歪み（磁気歪みの大きさは飽和磁歪定数λｓで表現される）が小さくなるように組成設計される。上記に示したＭｅｔｇｌａｓ２７１４Ａもそのようにして得られたものであるが、このλｓを厳密に０にすることは不可能であり、Ｍｅｔｇｌａｓ２７１４Ａの場合であれば、λｓ＝０．５ｐｐｍ近い値を持つ（参考文献：Metglas  Technical  Bulletin）。アモルファス磁性薄帯は結晶構造を持たないので、磁気異方性は本来大きくはない。製造技術は異なるものの、類似の組成を持つアモルファス磁性薄帯について計測された一例では、磁気異方性定数Ｋ＝３７Ｊ／ｍ３が報告されている（参考文献：M.Tejedor,  H.Rubio,  L.Elbaile  and  R.Iglesias、”Surface  Magnetic  Anisotropy  in  Amorphous  Alloys”、IEEE  TRANSACTIONS  ON  MAGNETICS,VOL.29.  NO.6,NOV  1993  pp.3466-3468）。高透磁率特性であるＭｅｇｌａｓ２７１４Ａでは、磁気異方性がさらに小さいものと想定される。例えば、１桁程度の大きさの磁気異方性であれば、λｓ＝０．５ｐｐｍ程度であっても、磁気歪みを通して応力が同薄帯の磁化過程に影響を与える。
【００３９】
本実施形態においては、図２（Ａ）に示すように、予め所定の曲率で湾曲している磁性薄帯を磁性コア１１０として利用し、これを図２（Ｂ）に示すように直線状に固定するか、又は、図２（Ｃ）に示すように元々の湾曲方向とは逆方向に湾曲させてＵ字型のコアとして固定する。このとき、磁気異方性を揃えるために、磁性薄帯を変形させる際に長手方向に捻れが生じないように変形する必要がある。すなわち、磁性薄帯の長手方向に垂直で、且つ、幅広面Ｂに平行な軸Ａを中心に湾曲させる必要がある。
【００４０】
上記軸Ａを中心として図２（Ａ）の状態から図２（Ｂ）又は（Ｃ）の状態に湾曲して変形させた場合に、磁性薄帯の厚さ方向中心面Ｏから凹面側（湾曲内側）に相当する凹面側領域Ｓと凸面側（湾曲外側）に相当する凸面側領域Ｔにおけるそれぞれの応力は、図２（Ｄ）のようになる。つまり凹面側領域Ｓでは、磁性薄帯の長手方向に伸長する方向の応力Ｐ１が付加され、凸面側領域Ｔでは、磁性薄帯の長手方向に収縮する方向の応力Ｐ２が付加される。
【００４１】
図２（Ｄ）における応力をσとすると、ヤング率Ｙと、図２（Ａ）における湾曲の曲率半径ρ、及び厚さ方向中心面Ｏから幅広面Ｂ方向に変位ｄ（厚さ方向中心面Ｏから幅広面に向かう方向を正とする）を取ると、応力σは次式で与えられる。
【００４２】
【数２】
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【００４３】
そして、磁性薄帯の飽和磁歪定数をλsとすれば、応力によって誘導される磁気異方性Ｋσは、次式で与えられる。表面近傍では、ｄ＝１０μｍ程度であるので、曲率半径が０．１ｍ、Ｍｅｔｇｌａｓ２７１４Ａのヤング率１１０ＧＰａを用いると、Ｋσ＝８．２５Ｊ／ｍ３と磁化過程に影響を及ぼすのに十分な大きさになる。
【００４４】
【数３】
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【００４５】
図３は、本実施形態に係る磁界センサにおいて、磁性コアの薄帯の磁歪が負の場合における応力誘導磁気異方性の磁化容易軸方向とその大きさを示す図である。図３は、飽和磁歪定数λｓが負の場合の応力に対する磁化容易軸方向を示している。λｓが負の場合、収縮する応力σが付加されると、その収縮方向にスピンが揃いやすくなる。逆に、伸長する応力σが付加されると、その伸長方向に垂直な方向にスピンが揃いやすくなる。図３の場合、λｓが負であることから、図２（Ａ）における凹面側領域Ｓにおいては、伸長方向と垂直な方向が磁化容易軸方向となり、凸面側領域Ｔにおいては収縮方向が磁化容易軸方向となる。
【００４６】
なお、λｓが正の場合は、逆に、収縮する応力σが付加されると、その収縮方向と垂直な方向にスピンが揃いやすくなり、伸長する応力σが付加されると、その伸長方向にスピンが揃いやすくなる。
【００４７】
オフセットが発生する原因は、磁界入力Ｈｉｎがない場合であっても、何らかの原因で磁性薄帯の長手方向に磁化がわずかながら残留し、それが交流電流の励磁による振動を受けて誘起電圧を検出コイルに引き起こすためである。図３に示したように、λｓが正又は負のいずれかに応じて、磁性薄帯の凹面側領域Ｓ又は凸面側領域Ｔのいずれか半分の領域においては、磁性薄帯の幅方向（Ｈｅｘの方向）に磁気異方性が誘導されるため、磁気モーメントＪｓの振動を抑えてオフセットを低減する効果を発揮することができる。一方、磁性薄帯の長手方向（Ｈｉｎの方向）に誘導される磁気異方性によるオフセット低減の効果を以下に説明する。
【００４８】
図４は、本実施形態に係る磁界センサにおいて、長手方向について対称関係にある磁気異方性を示す図である。図４（Ａ）は、一軸磁気異方性が第１，第３象限にある場合を示し、図４（Ｂ）は、一軸磁気異方性が第２，第４象限にある場合を示している。磁性薄帯に元々存在していた磁気異方性は、大きさと方向が無秩序に分布していると考えると、応力によって誘導される磁気異方性は、磁性薄帯の長手方向を中心に磁性薄帯の各場所ごとに異なる大きさと方向を持つが、それらは長手方向の左右に対称に分布すると考えることができる。図４（Ａ）及び（Ｂ）は対称関係にあるペアの一例を示しており、図４（Ａ）のαと図４（Ｂ）のβとはα＋β＝１８０°の関係である。図４では、オフセットを考慮するために、Ｊｓが共に磁性薄帯長手方向を向いたものを示している。オフセットを小さくするためには、Ｈｄｃを調整して、磁性薄帯の各所のＪ＝Ｊｓ・ｓｉｎθを磁性薄帯全体で総和が０となるようにすることである。
【００４９】
図４（Ａ）の場合において、αが９０°から１０°までを１０°間隔で、Ｈｄｃを０から大きくしていった時に、エネルギーの最小値を与える角度θを計算し、ｓｉｎθ＝Ｊ／Ｊｓ（Ｊは検出コイルに鎖交する磁束を決定する）についてプロットした。その結果を図５に示す。図５からわかるように、α＝９０°の時だけＪ／Ｊｓは厳密に０になり、その他の角度のときは０にはならない。なお、このときの磁界の強さは２Ｋ／Ｊｓ（計算モデルではＫ＝１，Ｊｓ＝０．７としている）＝２．８５７．．．であるが、計算点間隔が粗いのでグラフ上は０には到達していない。また、αが小さいほど、０へ漸近する速度が遅くなっている。これは直流バイアス磁界を大きくしても、なかなかオフセットが小さくならないことを意味している。なお、α＝０の場合は、磁化は最初から磁性薄帯の幅方向にあるため、オフセットは生じない。
【００５０】
同様に、図４（Ｂ）の場合において、βが１００°から１７０°までを１０°間隔で、Ｈｄｃを０から大きくしていったときに、エネルギーの最小値を与える角度θを計算し、ｓｉｎθ＝Ｊ／Ｊｓについてプロットした。その結果を図６に示す。図６に示すように、いずれのβに対してもＨｄｃを大きくしていくと、Ｊが一旦大きくなった後（磁性薄帯の長手方向に一旦立ち上がった後）、急激に第４象限へジャンプする現象が現れる。このジャンプする現象が現れた後の状態を図７に示す。すなわち、ジャンプする理由は、当初安定となる角度が２箇所にあり（１つは右斜め方向でかつＫの方向に近い初期状態での角度、もう１つは図７の配置）、Ｈｄｃが大きくなっていく途中で、より低エネルギー状態である図７の配置との間のエネルギー障壁が消失するからである。
【００５１】
図５及び図６の磁化過程は、曲げによる応力で誘導される一軸磁気異方性が磁性薄帯の長手方向にある磁性薄帯の領域の各場所ごとに同時に進行する。したがって、図６のジャンプが起きるときのＨｄｃよりも大きい直流バイアス磁界を与えると、オフセットを引き起こす磁化の軸方向成分間には正と負の互いのキャンセル効果が出現する。しかも、この状態を引き起こすＨｄｃの大きさは、曲げ応力による磁気異方性がない場合において図５又は図６の状態が単独であるときにオフセットを小さくするために必要なＨｄｃに比べるとかなり小さくなる。
【００５２】
したがって、このようなオフセットを引き起こす磁化の相殺機構を基本波型直交フラックスゲートのセンサヘッドに組み込むことができれば、オフセットの小さいセンサヘッドを実現することができる。
【００５３】
上記の記載内容を実現するための構造について、具体例を挙げて説明する。図８は、本実施形態に係る磁界センサにおけるセンサヘッドの構造を示す第１の図である。図８（Ａ）は、磁性コア１１０として利用するために用意した、予め湾曲した第１磁性薄帯７３ａ及び第２磁性薄帯７３ｂの形状を示しており、図８（Ｂ）は、第１磁性薄帯７３ａ及び第２磁性薄帯７３ｂに応力を付加して矯正した状態で形成したセンサヘッドを示している。
【００５４】
図８において、プリント基板７１の表面側及び裏面側に電極７２ａ，７２ｂが配設されている。予め湾曲している第１磁性薄帯７３ａ及び第２磁性薄帯７３ｂを一端側から直線状に矯正し、他端側をＳ字状に加工する。Ｓ字状の加工は、プリント基板７１の側端面近傍の領域に対応する箇所になされている。一端側は電極７２ａ，７２ｂに半田で接続され、他端側は第１磁性薄帯７３ａ及び第２磁性薄帯７３ｂがそれぞれ接合するように半田付けされている。電極７２ａ，７２ｂには、電源部４０からの配線が接続される。そして、プリント基板７１を挟んで固着されたそれぞれの磁性薄帯の周囲を覆うように検出コイル１１が巻回され、センサ回路３に接続されている。
【００５５】
このような構造とすることで、第１磁性薄帯７３ａ及び第２磁性薄帯７３ｂには、伸縮及び伸長の応力が全体的に付加され、上述したように、直流バイアス電流の値を磁性薄帯の長手方向の磁気異方性方向にあった磁化Ｊが象限を超えてジャンプするような値又はその近傍の値に設定することで、磁性薄帯の異方性を揃えて磁気モーメントを安定化し、オフセットを低減することが可能となる。
【００５６】
図９は、本実施形態に係る磁界センサにおけるセンサヘッドの構造を示す第２の図である。図９（Ａ）は、磁性コア１１０として利用する磁性薄帯８１の形状を示し、図９（Ｂ）は、磁性薄帯８１に応力を付加して矯正した状態で形成したセンサヘッドを示している。
【００５７】
図９において、プリント基板７１の表面側に電極７２ａ，７２ｂが配設されている。図９（Ａ）に示すような、予め湾曲した磁性薄帯８１を直線状に矯正し、それぞれの端部を電極７２ａ，７２ｂに半田付けで接合する。それぞれの端部は電源部４０（図示しない）からの配線が接続される。そして、電極７２ａと電極７２ｂとの間の部分に磁性薄帯８１の周囲を覆うように検出コイル１１が巻回され、センサ回路３（図示しない）に接続されている。
【００５８】
図１０は、本実施形態に係る磁界センサにおけるセンサヘッドの構造を示す第３の図である。ここでは、センサヘッドの上面図を示している。図１０において、プリント基板７１の表面側に電極７２ａ，７２ｂ，７２ｃが配設されている。電極７２ｃは２つの磁性薄帯（第１磁性薄帯７３ａ，第２磁性薄帯７３ｂ）が同時に接続できるように、大き目に形成されている。予め湾曲した第１磁性薄帯７３ａは、直線状に矯正されて電極７２ａ及び電極７２ｃに半田付けされる。また、予め湾曲した第２磁性薄帯７３ｂも、直線状に矯正されて電極７２ｂ及び電極７２ｃに半田付けされる。
【００５９】
電極７２ａ及び電極７２ｂは、それぞれ電源部４０（図示しない）からの配線が接続される。そして、電極７２ａ，７２ｂと電極７２ｃとの間の部分に第１磁性薄帯７３ａ及び第２磁性薄帯７３ｂの周囲を覆うように検出コイル１１が巻回され、センサ回路３（図示しない）に接続されている。
【００６０】
図１１は、本実施形態に係る磁界センサにおけるセンサヘッドの構造を示す第４の図である。図１１において、プリント基板７１の表面側に電極７２ａ，７２ｂが配設されており、裏面側に電極７２ｃ，７２ｄが配設されている。電極７２ｂと電極７２ｄとは、ビア１５で接続されている。予め湾曲した第１磁性薄帯７３ａを直線状に矯正し、それぞれの端部を電極７２ａ，７２ｂに半田付けで接合する。同様に、予め湾曲した第２磁性薄帯７３ｂを直線状に矯正し、それぞれの端部を電極７２ｃ，７２ｄに半田付けで接合する。電極７２ａ及び電極７２ｃは電源部４０（図示しない）からの配線が接続される。そして、電極７２ａ，７２ｃと電極７２ｂ，７２ｄとの間の部分に第１磁性薄帯７３ａ及び第２磁性薄帯７３ｂの周囲を覆うように検出コイル１１が巻回され、センサ回路３（図示しない）に接続されている。
【００６１】
図１２は、本実施形態に係る磁界センサにおける磁性コアの形状を示す図である。磁性コア１１０としての磁性薄帯の形状は、上述した以外にも、例えば図１２（Ａ），（Ｂ）に示すような形状としてもよい。図１２（Ａ）においては、予め湾曲した磁性薄帯を凸面側に逆の応力を付加し、中心部分で小さな曲率で湾曲させることで磁性コア１１０を形成している。また、図１２（Ｂ）においては、図１２（Ａ）と同様に、予め湾曲した磁性薄帯を凸面側に逆の応力を付加する。そして、中心部分では小さな曲率で湾曲させるのではなく、曲折させることで磁性コア１１０を形成している。
【００６２】
なお、上述したように、磁性薄帯の異方性を揃えて磁気モーメントを安定化させるためには、磁性薄帯の長手方向に対して垂直で、且つ、幅広面に平行な方向を軸として所定の曲率で湾曲させて、収縮及び／又は伸長の応力を付加する必要がある。すなわち、捻れ方向への応力は最小限に抑える必要がある。そこで、図１３に示すように、磁性薄帯の断面形状及びサイズに合わせたスリット１３１を平行に並べ、磁性薄帯に応力を掛けた状態でそれぞれの端部をスリット１３１に通して湾曲させることで、磁性薄帯に捻れ方向の応力を掛けることなく、磁性薄帯の長手方向に対して垂直で、且つ、幅広面に平行な方向を軸として湾曲させることが可能となる。
【００６３】
また、本実施形態においては、予め湾曲している磁性薄帯ではなく、直線状の磁性薄帯の一部を湾曲してＵ字状に形成したり、全体を円形状又は楕円形状に湾曲させてもよい。
【００６４】
さらに、本実施形態においては、図１４に示すように、断面が長方形の磁性薄帯ではなく、断面が円形のワイヤを上下方向から押圧して対向する２面を形成したような形状であってもよい。
【００６５】
さらにまた、上記に示した磁性薄帯の形状やセンサヘッドの構造は、あくまで一例を示したものであり、この形状や構造に限定されるものではない。
【００６６】
このように、本実施形態に係る磁界センサにおいては、磁性薄帯の長手方向の少なくとも一部に収縮及び／又は伸長の応力が付加されたコア部を備えることで、収縮及び／又は伸長の応力により、磁性体に無秩序に存在している異方性を揃えて磁気モーメントを安定化させ、オフセットを低減することができる。
【実施例】
【００６７】
本発明に係る磁界センサを使って、以下の実験を行った。まず、本発明との比較例として、図１５に示す構造のセンサヘッドを作成して実験を行った。図１５に示すセンサヘッドは、予め湾曲したアモルファス磁性薄帯に応力を掛けることなく、一点を曲折して磁性コアとしたものである。この図１５に示すセンサヘッドにおいて、オフセットを引き起こす検出コイルの誘起電圧を同期検波し、バイアス電流に対してプロットした結果を図１６に示す。なお、ここでは、検出コイルの自己共振周波数の関係で励磁周波数を２０ｋＨｚとしている。
【００６８】
図１６のグラフは、励磁周波数を２０ｋＨｚ、交流励磁振幅を２３ｍＡにおいて、オフセットの直流バイアス電流依存性を示している。基本波型直交フラックスゲートの動作となるのは、直流バイアス電流の絶対値が２３×√２ｍＡ以上となるところである。この場合、アモルファス磁性薄帯に応力が付加されておらず、直流バイアス電流０を中心として、直流バイアス電流の絶対値が大きくなるほど、オフセットが小さくなっている。これは、直流バイアス電流が大きい程、その磁界の影響により無秩序な方向にある磁気異方性に束縛されていた磁化が幅方向に向くためである。また、図１６のグラフにおいて、オフセットの値が最小となっている直流バイアス電流−１９０ｍＡにおける検出コイルの誘起電圧波形を図１７に示す。図１７に示すように、基本波の誘起電圧が生じていることがわかる。
【００６９】
これに対して、本発明に係る磁界センサを作成して同様の実験を行った。本発明に係る磁界センサとして、図８に示す構造のセンサヘッドを作成した。図８における奥行方向１．２ｍｍ、厚さ１．６ｍｍのＧＦＲＰ基板を用い、アモルファス磁性薄帯幅１ｍｍ、長さ４５ｍｍのもので、図８のように湾曲加工して半田付けを行った。ここでは、励磁周波数を４０ｋＨｚ、交流励磁振幅幅を２３ｍＡの実効値とし、センサヘッドを５重磁気シールド内に入れて、オフセットを計測した。オフセットを引き起こす検出コイルの誘起電圧を同期検波し、バイアス電流に対してプロットした結果を図１８に示す。なお、この図１８の実施例においては、励磁周波数を４０ｋＨｚ（図１６の場合は２０ｋＨｚ）としており、検出コイルの誘起電圧が周波数に比例することから、図１６の結果との比較においては、図１６の電圧値を約２倍にして読むものとする。
【００７０】
図１８に示すように、直流バイアス電流の正及び負において、オフセットを小さくする極小値が存在していることがわかる。これは、図４において示した対称性によるものである。また、図１６の場合と比較して、極小値近傍及びそれよりも少し大きい直流バイアス電流においては、オフセットを効果的に低減できていることがわかる。
【００７１】
図１８のグラフにおいて、オフセットの値が最小となっている直流バイアス電流−９９ｍＡにおける検出コイルの誘起電圧波形を図１９に示す。図１９に示すように、基本波がほぼ消失し、同期検波するとオフセットはほぼゼロになることがわかる。
【００７２】
以上の実験結果から、磁性薄帯の長手方向に収縮及び／又は伸長の応力が付加されることで、異方性を揃えて磁気モーメントを安定化させ、オフセットを格段に低減することができることが明らかとなった。
【符号の説明】
【００７３】
１  磁界センサ
３  センサ回路
１０  センサヘッド
１１  検出コイル
３０  同期検波回路
３１  平滑回路
３２  誤差増幅器
４０  電源部
７１  プリント基板
７２（７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ）  電極
７３ａ  第１磁性薄帯
７３ｂ  第２磁性薄帯
８１  磁性薄帯
１１０  磁性コア
１３１  スリット
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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