(57)【要約】  磁界センサは、表面が少なくとも部分的に湾曲されている磁化可能なコアと、このコアを磁化するための磁化装置と、コア内の磁気領域を特定するための特定装置とを有している。
2013513117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
・磁化可能なコア（１３０）と、
・当該コア（１３０）を磁化するための磁化装置（１１０）と、
・コア（１３０）内の磁界を特定するための特定装置（１２０）とを有しており、
前記コア（１３０）の表面（Ｏ）が少なくとも部分的に湾曲されている、磁界センサ（１００）において、
前記コアは２つの終端部を有しており、当該２つの終端部の間の中央部分（Ｍ、Ｑ）において前記コアの幅は狭くなっている、
ことを特徴とする磁界センサ（１００）。
【請求項２】
前記コアの前記長手部分（３２０、３５０）は、幅が増した終端部分（Ｅ）を備えた終端部を有している、請求項１記載の磁界センサ（１００）。
【請求項３】
前記コアの前記長手部分（３５０）は中央部分（Ｍ）において顕著に幅が狭められており、
殊に、前記終端部の幅の約３７．５％に狭められている、請求項１または２記載の磁界センサ（１００）。
【請求項４】
前記コアの前記長手部分（３６０）は、セグメント化された中央部分（Ｍ）を有しており、
・当該セグメント化において、第１の幅を有するセグメント（Ａ１）と第２の幅を有するセグメント（Ａ２）とが水平方向に交互に配置されており、
・前記第１の幅を有するセグメント（Ａ１）の幅は狭くなっており、前記第２の幅を有するセグメント（Ａ２）は前記終端部と同じ幅を有している、請求項１記載の磁界センサ（１００）。
【請求項５】
前記コア（１３０）の前記長手部分（３７０）は、角が丸められている台形の形状を有している、請求項１記載の磁界センサ（１００）。
【請求項６】
前記コア（１３０）の前記長手部分（３１０〜３７０）は、正の曲率を備えた輪郭を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の磁界センサ（１００）。
【請求項７】
前記コア（１３０）は長手軸（Ｌ）を有しており、当該長手軸（Ｌ）に対して軸対称に形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の磁界センサ（１００）。
【請求項８】
前記コア（１３０）の前記長手部分（３３０）は、尖っている終端部分（Ｅ）を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の磁界センサ（１００）。
【請求項９】
前記コア（１３０）は、前記長手軸（Ｌ）上に垂直に延在している横軸（Ｑ）に関して非対称に形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の磁界センサ（１００）。
【請求項１０】
前記コア（１３０）の前記表面（Ｏ）は、前記区間（Ｍ、Ｅ、Ａ１、Ａ２）の間の移行領域において湾曲されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の磁界センサ（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
磁界を測定するためのフラックスゲートセンサが公知である。このようなフラックスゲートセンサの１つのバリエーションでは、軟磁性のコアが交番磁界にさらされる。この交番磁界は、交番する磁界方向によってこのコアを磁気的な飽和状態にする。コアの磁化反転（Ummagnetisierung）は常に、交番磁界が外部磁界を補償するときに行われる。この磁化反転の時点に基づいて、生成された交番磁界を基準に、外部磁界が特定される。このようなセンサは薄膜技術として、半導体基板上に製造される。これはしばしばＭＥＭＳセンサとも称される。
【０００２】
公開されていない特許出願ＤＥ１０２００９０２８５１５．５号は、ＭＥＭＳ技術による磁界センサを示している。ここではコイルが磁界を平行六面体状のコア内に生成する。
【０００３】
本発明の課題は、磁化反転の時点をより正確に特定することができる磁界センサを提供することである。
【０００４】
発明の開示内容
本発明は、請求項１の特徴部分に記載されている構成を有する磁界センサによって、上述の課題を解決する。従属請求項には、有利な実施形態が記載されている。
【０００５】
磁界センサは磁化可能なコアと、コアを磁化する磁化装置と、コア内の磁界を特定するための特定装置を有している。ここでこのコアの表面は少なくとも部分的に湾曲されている。殊に、微少磁界センサ（ＭＥＭＳ）では、コアの表面を湾曲化することによって、不良な磁化可能領域が生じることが回避される。従ってコアの磁区は、磁化反転のために著しく異なった磁界を必要としない。このようにして、磁化反転時点の静的な変動が低減され、磁界センサの測定精度が改善される。
【０００６】
コアは、正の曲率を有する長手部分を有する。ここでこの曲率は、長手部分全体にわたって正である。殊にこの湾曲は、長手部分に沿って、特定の値を超えない。従って、丸みが付けられた輪郭を有するコアが得られ、不良の磁化可能区がさらに低減される。
【０００７】
コアは、自身の長手軸に対して軸対称に形成される。平坦な実施形態とは異なり、このようにして、コアのさらなる角および辺が回避される。従って、コアの複数の区の磁化性は同じ形状になる。これによってさらに、磁界特定が改善される。
【０００８】
コアは、尖った終端部分ないしは円すい状の終端部分を有する。これと結び付いている閉鎖区（Abschlussdomaenen）の低減ないし回避によって、磁化反転が、さらに短い時間領域に移される。従って、磁界センサの測定精度がさらに向上する。
【０００９】
さらにコアを非対称に形成することができる。これは例えば、コアの長手軸に沿ったコアの幾何学形状的な重心が、コアの外寸を歪ませることによって、終端部分の方向に移されることによって行われる。これは例えば、コアを実質的に台形状に形成することによって行われる。これによってコアの磁化反転過程の開始がより良好に規定されて、コアの磁化反転の時間的な再現性がさらに改善される。
【００１０】
別の実施形態では、このコアは、自身の長手軸に沿って、異なる大きさの長手部分面積を備えた複数の部分を有している。従って定められた磁化の領域が、磁化反転プロセスを開始するときに、特定される。
【００１１】
以下で、本発明を、添付図面に関連してより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】フラックスゲート磁界センサの原理図
【図２】図１に示された磁界センサでの時間的な経過特性
【図３】図１に示された磁界センサのための種々のコアの図
【実施例】
【００１３】
図１は、磁界センサ１００の原理図を示している。磁界センサ１００は第１のコイル１１０と、第２のコイル１２０と、コア１３０とを有している。磁界センサ１００は薄膜システムとして形成されている。ここでコア１３０は、微少（ＭＥＭＳ）磁界センサ１００の実施例において、数１００μｍ〜数ｍｍの長さであり、典型的に２０〜２００μｍの幅を有する。第１のコイル１１０および第２のコイル１２０はそれぞれ１つまたは複数の巻き線を含んでおり、各巻き線は、磁界センサ１００の基板上に形成される。ここでこれらの巻き線はコア１３０を包囲している、またはコア１３０の隣に延在している。第２のコイル１２０によって、コア１３０内の磁界に対する指標が特定される。これは例えば磁束密度または磁束である。
【００１４】
第１のコイル１１０に周期的な（例えば三角形の）電圧経過特性が印加される。従って、コア１３０の領域において磁界が形成される。これは周期的に増減する。コア１３０は有利には、低いヒステリシスを伴う軟磁性材料から成る。
【００１５】
コア１３０の磁化の方向が変化すると、第１のコイル１１０によって生起された交番磁界によって、コア１３０は周期的に磁化反転される。磁化反転の時点で、第２のコイル１２０（ピックアップコイル）内に電圧Ｕ２が誘起される。このような電圧パルス２２０の時点に基づいて、後述するように、外部磁界が特定される。このパルスの時点をできるだけ正確に測定するために、このパルスの幅は三角電圧Ｕ１の周期に関して、できるだけ狭くなければならない。この目的のために通常は、コア１３０の材料は次のように選択される。すなわち、コア１３０のヒステリシスができるだけ小さくなるように選択される。
【００１６】
微少化されたフラックスゲート磁界センサの場合には、コア１３０の材料および製造プロセスを相応に選択することによるコア１３０のヒステリシスの小ささの最適化には、微少化されたシステムの製造プロセスの範囲内に限界が設けられる。さらに、コイル１１０、１２０およびコア１３０の微少化が進むとともに、パルス２２０の強さが低減する。従って、信号電圧Ｕ２の評価が困難になる。
【００１７】
図２は、図１に示された磁界センサ１００での、電圧Ｕ１およびＵ２の時間的な経過特性のダイヤグラム２００を示している。ダイヤグラム２００の上方部分に示された経過特性２１０は、図１に示された第１のコイル１１０での電圧Ｕ１の経過特性をあらわしている。ダイヤグラム２００の下方部分に示されたパルス２２０は、図１に示された第２のコイル１２０でのＵ２の電圧パルスに相応する。
【００１８】
経過特性２１０は対称な三角信号である。コア１３０の磁化は、経過特性２１０に比例している。時点ｔ１、ｔ４、ｔ５およびｔ８では、経過特性２１０の電圧Ｕ１は値０を有している。外部磁界が印加されていない場合には、この時点で、図１に示されたコア１３０の磁化反転が行われる。これは図１に示されたコイル１２０の電圧Ｕ２のパルス２２０によって、その時点で検出される。
【００１９】
コア１３０が外部磁界によって事前に磁化されている場合には、この外部磁界が第１のコイル１１０によって生起された磁界によって補償された各時点で、コア１３０の磁化反転が行われる。図２では、第１の経過特性２１０が外部磁化２３０に相応する場合、すなわち時点ｔ２、ｔ３、ｔ６およびｔ７が常に、このような場合である。
【００２０】
パルス２２０相互の相対的な長さから、ないしは経過特性２１０に対するパルス２２０の相対的な長さから、外部磁界の強さないしは方向が特定される。パルス２２０ないしは時点ｔ１〜ｔ８の測定をできるだけ正確に実施することを可能にするために、電圧Ｕ２のパルス２２０が所定の電圧に達することが必要であり、ここでその幅ができるだけ狭いことが必要である。
【００２１】
コア１３０のような強磁性の物質は通常は、磁区を伴う結晶構造を有する。このような区は磁区（ワイス−区）と称され、約１０−８〜１０−４ｍの領域における拡がりを有している。これらの磁区の間の境界はブロッホ壁と称される。一般的に磁区は、飽和まで磁化される。ここで異なる磁区の磁化は、異なる方向を有する。磁界が上昇すると、ブロッホ壁は、外部磁界の方向に配向されている磁区のためにシフトする。外部磁界がさらに上昇すると、最終的には、ますます多くの磁区が自身の磁化配向を変える。
【００２２】
これらのブロッホ壁のシフト運動は、強磁性物質、粒界または磁気物質自体の境界の結晶内での格子損失によって、自身の運動において、阻止される。このような作用は「ピニング（ピン止め）」と称される。従って強磁性物質の磁化は、外部の常に上昇する磁界に従って上昇するのではなく、小さい差において、すなわちバークハウゼンジャンプで上昇する。これによって、強磁性物質の一様な磁化反転が阻止される。従って、図１に示されたコア１３０の場合には、図２に示されたパルス２２０は、時間（水平）方向において拡張される。本発明の核心部分は、コア１３０を次のように形成することである。すなわち、コア１３０のできるだけ均一かつ迅速な磁化反転が、微少磁界センサ１００において可能になるように形成することである。このために、コア１３０の境界は、ピニング作用が低減されるように形成されている。さらにコア１３０は、磁化反転プロセスがコア１３０の形状によって影響されるように形成される。
【００２３】
図３は、図１に示された磁界センサ１００に対する種々のコア１３０の長手部分を示している。図示された長手部分３１０〜３７０はそれぞれコア１３０に関する。このコアは実質的に平らである。従って長手部分３１０〜３７０は、コア１３０の平面図に相応する。このようなコアは有利には薄膜技術で製造される。
【００２４】
本発明の１つのバリエーションでは、コア１３０は例えば、コア１３０の長手軸Ｌに関して軸対称に形成されている。従って、コア１３０の三次元形状はそれぞれ、長手部分３１０〜３７０を自身の長手軸を中心に回転させることによって特定され、該当するコアは円形の横断面のみを有する。平らな成形と丸い成形との間の中間形状も可能であり、これは例えば平らにされた横断面ないしは楕円形状の横断面を有する。このようなコアを製造するために、薄膜技術を用いたものとは異なる製造方法が必要になることがある。
【００２５】
長手部分３１０〜３７０はそれぞれ、コア１３０の表面Ｏが湾曲されている部分を有している。この部分では、ブロッホ壁の移動が、コア１３０を制限することによって、低減された程度に阻止される。全ての長手部分３１０〜３７０において、各長手部分の長さと幅の比は、次のように選択されている。すなわち、ブロッホ壁の運動ができるだけ妨害されないように選択されている。このように形成されたコア１３０は、この文献では「幅が狭いコア」とされている。
【００２６】
第１の長手部分３１０は、終端部分Ｅが丸められている矩形の形状を有している。終端部分Ｅの丸め部分はそれぞれ対で融合されている。従って、終端部分Ｅは半円形状または楕円部分を有している。
【００２７】
第２の長手部分３２０は、第１の長手部分に相応しているが、付加的に、終端部の間の中央部分Ｍの幅は狭くなっている。終端部分Ｅと、幅が狭くなっている部分Ｍとの間の移行部は、有利には丸められて延在している。幅が狭くなっている部分Ｍによって、コア１３０の跳躍的な磁化に必要な磁界強度が、コア１３０の形状を介して制御される。幅が狭い部分Ｍの領域において、高い磁束密度が存在する。これは、部分Ｍの迅速な磁化反転を促す。厚さが増している終端部分Ｅによって、図２における電気信号形状２１０が同じ場合には、より小さい磁界が生じる。これは、測定領域および配向に関して構成部分に利点を提供する。このような効果によって、図２のパルス２２０の時間的な再現性も改善され、これによって、図１に示された、微少化された磁界センサ１００のノイズが低減される。
【００２８】
第３の長手部分３３０は、矩形の中央領域Ｍを含んでいる。この中央領域は、それぞれ２つの三角形終端部分Ｅに移行する。三角形終端部分Ｅの先端形状は、この領域における不良な磁化を回避し、さらに、コア１３０によってシフトするブロッホ壁に、開始点ないしは終端点を提供する。閉鎖区の欠損によって、コア１３０の全体的な材料は、長手部分３３０において信号２２０に寄与する。
【００２９】
第４の長手部分３４０は、対称な楕円形の形状を有している。このような長手部分の利点に関しては、上述した、第３の長手部分３３０に関する実施形態が当てはまる。付加的に、長手部分３４０のこの楕円形状によって、外部磁界にアクセス困難な領域の存在が回避される。
【００３０】
第５の長手部分３５０は、第１の長手部分３１０の中央部分Ｍの幅を顕著に狭めたものに相応する。このように顕著に幅を狭めることによって、この領域において極端な磁束密度上昇が生じる。これは、迅速に、接している領域の磁化反転を生じさせる。
【００３１】
第６の長手部分３６０は、第１の長手部分３１０の基本形状を基礎とし、さらにより平らに丸み付けられた終端部分Ｅ並びにセグメント化された中央領域Ｍを有している。セグメント化された中央領域Ｍにおいては、第１の幅を有するセグメントＡ１と、第２の幅を有するセグメントＡ２が（水平方向において）交互に配置されている。隣接するセグメントＡ１、Ａ２の間の移行部が、図示のように矩形に延在していても、または、第５の長手部分３５０の中央領域Ｍにおいて示されているように丸められて延在していてもよい。長手部分３６０の切り込みが入れられたこの縁部によって、ブロッホ壁のピニングが低減され、同時に、定められた磁化の領域が、磁化反転プロセスを開始するために提供される。隣接するセグメントＡ１、Ａ２の幅の比は任意に選択可能であり、示された比１：１を有している必要はない。
【００３２】
第７の長手部分３７０は、第１の長手部分３１０を台形状に歪めたものを基礎とする。この歪みによって、矩形は台形になる。ここで台形の基本線は、コア１３０の長手軸Ｌに対して平行に延在する、またはコア３７０のように、長手軸Ｌに対して垂直に延在する。長手軸３７０の所定の非対称性によって、磁化反転過程の改善された所定の開始、ひいては、図２に示されたパルス２２０の改善された時間的な再現性が得られる。コア１３０の面重心は、第７の長手部分の場合には、横軸Ｑの右側にある。この横軸は長手軸Ｌをコア１３０において半分にする。第７の長手部分３７０の所定の非対称性は基本的には、各長手部分３１０〜３６０に使用可能であり、相応の歪みによって実現される。
【００３３】
長手部分３１０〜３７０によって示されたコア１３０の形状によって、殊に、丸められた部分を設けることによって、コア１３０の時間的に正確に定められかつ円滑な、コア１３０の磁化反転が、図１に示された微少化されたシステム１００において改善される。本発明に相応するコア１３０の形状によって効果的に、磁界センサ１００の測定精度が改善される。ここで付加的なさらなる措置、例えばコア１３０ないしは磁界センサ１００に対する材料の選択または製造プロセスの選択が、コア１３０の磁化反転のさらなる最適化のために用いられる。
【図１】
2013513117.tif 000003
【図２】
2013513117.tif 000004
【図３】
2013513117.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成24年7月4日(2012.7.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
・磁化可能なコア（１３０）と、
・当該コア（１３０）を磁化するための磁化装置（１１０）と、
・コア（１３０）内の磁界を特定するための特定装置（１２０）とを有しており、
前記コア（１３０）の表面（Ｏ）が少なくとも部分的に湾曲されている、磁界センサ（１００）において、
前記コアは２つの終端部を有しており、当該２つの終端部の間の中央部分（Ｍ）において前記コアの幅は狭くなっている、
ことを特徴とする磁界センサ（１００）。
【請求項２】
前記コアの長手部分（３２０、３５０）は、幅が増した終端部分（Ｅ）を備えた終端部を有している、請求項１記載の磁界センサ（１００）。
【請求項３】
前記コアの長手部分（３５０）は中央部分（Ｍ）において幅が前記終端部の幅の３７．５％に狭められている、請求項１記載の磁界センサ（１００）。
【請求項４】
前記コアの長手部分（３６０）は、セグメント化された中央部分（Ｍ）を有しており、
・当該セグメント化において、第１の幅を有する第１のセグメント（Ａ１）と第２の幅を有する第２のセグメント（Ａ２）とが水平方向に交互に配置されており、
・前記第１のセグメント（Ａ１）の幅は、前記終端部の幅よりも狭くなっており、前記第２のセグメント（Ａ２）は前記終端部と同じ幅を有している、請求項１記載の磁界センサ（１００）。
【請求項５】
前記コア（１３０）の長手部分（３７０）は、角が丸められている台形の形状を有している、請求項１記載の磁界センサ（１００）。
【請求項６】
前記コア（１３０）の長手部分（３５０）の少なくとも一部は、正の曲率を備えた輪郭を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の磁界センサ（１００）。
【請求項７】
前記コア（１３０）は長手軸（Ｌ）を有しており、当該長手軸（Ｌ）に対して軸対称に形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の磁界センサ（１００）。
【請求項８】
前記コア（１３０）の長手部分（３３０）は、尖っている終端部分（Ｅ）を有している、請求項１記載の磁界センサ（１００）。
【請求項９】
前記コア（１３０）は、前記長手軸（Ｌ）上に垂直に延在している横軸（Ｑ）に関して非対称に形成されている、請求項１記載の磁界センサ（１００）。
【請求項１０】
前記コア（１３０）の前記表面（Ｏ）は、前記中央部分（Ｍ）、前記終端部分（Ｅ）、前記第１のセグメント（Ａ１）及び前記第２のセグメント（Ａ２）のうちのいずれか一つと他の一つとの間の移行領域において湾曲されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の磁界センサ（１００）。
【手続補正書】
【提出日】平成24年7月5日(2012.7.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2013513117.tif 000006
【国際調査報告】
2013513117.tif 000007
2013513117.tif 000008
2013513117.tif 000009
2013513117.tif 000010