(57)【要約】【課題】  小型化及び軽量化が可能であると共に、磁性体の反磁界の影響による磁気感度の低下を抑制可能であり、しかも極めて高感度な特性を持つ携帯用方位センサへの適用が好適な磁気センサを提供すること。【解決手段】  この磁気センサの場合も、従来のタイプのものと比べ、薄い板状の弾性材による弾性体１１上に磁歪材による磁歪薄膜１２を積層して振動体１を構成した基本構造は同様であるが、ここでの振動体１は、磁歪薄膜１２及び弾性体１１の積層の方向と垂直な平面上における一方向を長さ方向とし、磁歪薄膜１２については、振動体１の長さ方向に平行に設けられた一つのスリットＳにより全体として分割された構造を持たせることで磁性体の反磁界の影響による磁気感度の低下を抑制可能としている。【選択図】      図１
2005055393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪材と弾性材とが積層された振動体から成り、該振動体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴って該振動体の機械的な共振周波数が変化し、該共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する磁気センサにおいて、前記振動体は、前記磁歪材及び前記弾性材の積層の方向と垂直な平面上における一方向を長さ方向とし、前記磁歪材は、前記振動体の前記長さ方向に平行に設けられた少なくとも一つのスリットにより全体として分割された構造を持つ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、主として携帯端末機器，家電機器，自動車，計測機器等の各種産業機器に搭載される地磁気検出が検出可能な小型で高感度な磁気センサであって、詳しくは磁歪現象と共振周波数検出方式とを組み合わせたタイプの磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば地磁気程度の磁場を検出可能な小型で高感度な磁気センサとしては、数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ帯の表皮効果を利用した磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）を用いたＭＩセンサ、或いは軟磁性体の透磁率変化を利用したフラックスゲートセンサ等が挙げられる。これらの磁気センサの場合、磁気感度に関しては、一般に磁性体の反磁界の影響により、センサを小型化するに伴って磁気感度が著しく低下する傾向にある。従って、こうしたＭＩセンサやフラックスゲートセンサを例えば地磁気を利用した携帯用方位センサ等に適用しようとすると、小型で高感度であるという２つの条件を満たすことができないため、適用が困難となっている。
【０００３】
そこで、上述したＭＩセンサやフラックスゲートセンサとは異なる原理に基づく磁気センサとして、磁歪現象と圧電検出方式とを組み合わせたタイプのものが開発されている。
【０００４】
このようなタイプの磁気センサの一例としては、例えば特許文献１記載の磁歪素子を用いて成る磁気センサが挙げられる。
【０００５】
図３は、この従来の一例に係る磁気センサ３の基本構成を示した概略図である。この磁気センサ３は、変電所又は送電線における電流計測に適用されるもので、距離ｒの位置にある導体２３に流れる電流Ｊを磁場Ｈとの関係式Ｈ＝Ｊ／２πｒ（Ａ／ｍ）に基づいて検出可能であるように、磁歪素子２１及び圧電素子２２を組み合わせて磁歪素子２１の伸びにより圧電素子２２を歪ませて電圧に変換する機能を持つもので、更に電圧計２４で圧電素子２２からの電圧値を計測するように構成されている。
【０００６】
即ち、特許文献１記載の磁気センサ３の基本原理は、外部磁場変化による磁歪素子２１の伸び（形状変化）をそれに一体化された圧電素子２２に発生する電圧として検出するものである。従って、磁気感度の高低は圧電素子２２に発生する電圧に大きく依存し、その発生電圧Ｖは圧電応力定数ｇ３１，圧電素子２２における厚さｔ及び印加される圧力Ｐとの間でＶ＝ｇ３１×ｔ×Ｐなる関係式１により表現される。この関係式１によれば、磁気感度に係る発生電圧Ｖは、圧電素子２２の厚さｔに比例し、圧電素子２２の薄膜化に伴って低下することになる。又、発生電圧Ｖの低下を抑制するために圧電素子２２の膜厚を維持しながら圧電素子２２の小型化を図る場合、小型化に伴って相対的に振動子の厚みに対して長さ及び幅が短くなり、振動子が曲がり難い構造となるため、関係式１中の圧力Ｐが低下し、結果として発生電圧Ｖが一層低下することになる。従って、振動子における小型化と高感度化とを同時に満たすことは困難であるといえる。
【０００７】
そこで、こうした問題を対策した磁気センサとして、特願２００３−２７３６２に記載されたものでは、「磁歪素子であるセンサ構造体から成り、センサ構造体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴ってセンサ構造体の機械的な共振周波数が変化し、この共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する」タイプのものが提案されている。
【０００８】
図４は、このタイプの従来の他例に係る磁気センサの原理的な基本構成を示したもので、同図（ａ）は振動体２の上面方向からの平面図に関するもの，同図（ｂ）は振動体２の側面方向（長手方向）での断面図に関するものである。
【０００９】
この磁気センサは、薄い板状の弾性材による弾性体１１上に磁歪材による磁歪薄膜１２を積層してセンサ構造体としての振動体２を構成したもので、外部磁場Ｈｅｘが印加されると磁歪薄膜１２の磁歪効果によって磁歪薄膜１２のヤング率Ｅが変化（以下、所謂△Ｅ効果と呼ばれるヤング率Ｅの変化量を△Ｅとする）し、結果として振動体２の共振周波数ｆ０が変化する。
【００１０】
ここで、振動体２自体は、磁歪薄膜１２と弾性体１１との複合梁として考えることができるので、その共振周波数ｆ０の変化量△ｆは、それぞれ磁歪薄膜１２についての厚さをｔｆ，ヤング率をＥｆ，密度をρｆとし、弾性体１１についての厚さをｔｓ，ヤング率をＥｓ，密度をρｓとした場合、Δｆ＝（ｔｆ・ｆ０／２ｔｓ）×［（３Ｅｆ／Ｅｓ）−（ρｆ／ρｓ）］＝ａ′（ｂ′・Ｅｆ−ｃ′）なる関係式２として表わされる。
【００１１】
但し、ここでは、ａ′＝ｔｆ・ｆ０／２ｔｓなる関係式３と、ｂ′＝３／Ｅｓなる関係式４と、ｃ′＝ρｆ／ρｓなる関係式５とが成立する。
【００１２】
以上の関係式２〜関係式５からは、磁歪薄膜１２のヤング率Ｅｆが外部磁場Ｈｅｘによって変化することで振動体２の共振周波数ｆ０の変化量△ｆが変化することが判り、この変化量△ｆから磁気を検出して磁気センサとして用いることができる。
【００１３】
ここで、強磁性体のΔＥ効果は、公知文献「近角著、強磁性体の物理（下）、裳華房、ｐ．１４４」によれば、「強磁性体では磁歪λの正負に関係なく、張力による自発磁化の回転のために余分な伸びを生じる。そのためにヤング率Ｅｆが低下する。この効果をΔＥ効果という。ΔＥ効果は磁歪λの存在のために生じるので当然λに比例する。」という具合に説明されている。
【００１４】
図５は、この磁気センサにおける外部磁場Ｈｅｘに対する共振周波数ｆ０の関係で示される出力特性（センサ出力）を示したものである。
【００１５】
ここでは、センサ出力が外部磁場Ｈｅｘの変化に対して共振周波数ｆ０の変化量として検出されることを示している。図５からは、数Ｏｅ以下の非常に低い磁場に対しても数百Ｈｚ以上の周波数変化を示しており、磁気感度としては例えば地磁気程度の磁気信号を検出することも可能であることが判る。
【００１６】
即ち、振動体２に外部磁場Ｈｅｘが印加されると、外部磁場Ｈｅｘに沿うような自発磁化の変化によって磁歪薄膜１２に伸びが生じ、磁歪薄膜１２のヤング率Ｅｆが低下し、このために外部磁場Ｈｅｘが変化すると振動体２の共振周波数ｆ０は関係式２に従って低下する。ここで、振動体２の共振周波数ｆ０の変化は、磁歪薄膜１２の形状的な変化によって生じるものであり、センサ出力としての共振周波数ｆ０の変化量△ｆは、振動体２の一体的振動変化によるものである。
【００１７】
一般に、強磁性材料の磁歪量とヤング率との関係は比例関係にあり、磁気センサのセンサ感度Δｆ／Ｈｅｘを高めるためには、センサ設計上、関係式２に示すａ′の値を大きくすることである。即ち、磁歪薄膜１２の厚さｔｆと弾性体１１の厚さｔｓとの比ｔｆ／ｔｓを大きくすること、及び振動体２の複合梁の共振周波数ｆ０を大きくすれば良い。磁気センサを小型化する際、上述した比ｔｆ／ｔｓは小型化に関係無く選択することができ、振動体２を小型化すれば共振周波数ｆ０が大きくなる傾向にあるため、この原理に基づく磁気センサによれば、高感度を維持しつつ小型化するには有利なものとなっている。
【特許文献１】特開２０００−８８９３７号公報（要約、第２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述した従来の磁気センサの場合、一般に小型で高感度なタイプとされるＭＩセンサやフラックスゲートセンサ、或いは特許文献１に係るタイプのものの場合、小型化に伴って磁性体の反磁界の影響により磁気感度が著しく低下する傾向にあり、図４及び図５で説明した従来の他例に係る磁気センサにおいても、それ以前の他のタイプのもの程度ではないにせよ、磁歪薄膜を使用している限り原理的に反磁界の影響がないわけでなく、少なからず磁性体の反磁界の影響により磁気感度が低下されてしまうという問題がある。
【００１９】
図６は、上述した従来の他例に係る磁気センサにおける振動体２上の磁歪薄膜１２にあっての外部磁場Ｈｅｘの印加の有無に応じた磁区構造と磁化方向１３との状態推移を示した平面図であり、同図（ａ）は外部磁場Ｈｅｘが印加されていない状態に関するもの，同図（ｂ）は外部磁場Ｈｅｘが印加されたときの非磁化飽和状態に関するもの，同図（ｃ）は外部磁場Ｈｅｘが印加されたときの磁化飽和状態に関するものである。
【００２０】
この振動体２において、外部磁場Ｈｅｘが印加されていなければ、図６（ａ）に示されるように、磁歪薄膜１２表面上の長方形状にあって、長手方向に沿った向きでほぼ中央部分に１８０度磁壁１４が線分状に存在し、且つその両端側からそれぞれ４つの隅部へ直線状に延びるように９０度磁壁１５が存在するような磁区構造をとり、磁壁エネルギーが極小となって安定した状態となっている。又、磁化方向１３は、このような磁区構造にあって、各磁区内で全体的な繋がりとして時計回りを成すようにほぼ磁壁エネルギーの均衡した位置に存在している。
【００２１】
これに対し、外部磁場Ｈｅｘが印加されて非磁化飽和状態であれば、図６（ｂ）に示されるように、振動体２における磁歪薄膜１２表面上の長方形状にあっての磁区構造は、外部磁場Ｈｅｘと同じ方向に磁化している磁区である１８０度磁壁１４の磁壁エネルギーが増大し、１８０度磁壁１４が一方の長辺側へ移動すると共に、この１８０度磁壁１４の両端側から延びた９０度磁壁１５にあっての他方の長辺側の隅部へ延びた部分も移動するため、結果として磁壁全体が一方の長辺側寄りに変形して偏った磁区構造となる。又、磁化方向１３は、このように偏った磁区構造にあっても、変形された各磁区内で全体的な繋がりとして時計回りを成すようにほぼ磁壁エネルギーの均衡した位置に存在している。
【００２２】
更に、外部磁場Ｈｅｘが印加されて磁化飽和状態になれば、図６（ｃ）に示されるように、振動体２における磁歪薄膜１２表面上の長方形状にあっての磁区構造は、１８０度磁壁１４及び９０度磁壁１５の移動が進んで磁壁が消滅してしまって単一の磁区となり、この一つの磁区内で磁化方向１３が長手方向に沿ったほぼ中央部分の左向きのみの位置に存在する。
【００２３】
即ち、この磁気センサの場合、磁歪薄膜１２が飽和磁化に達するまでに１８０度磁壁１４の移動距離が大きく、飽和磁化されるまでに必要な外部磁場Ｈｅｘが大きいことにより、感度が鈍くなっており、しかも９０度磁壁１５で囲まれた磁区の領域の大きさが反磁界の大きさと考えることができるため、反磁界の影響が或る程度大きく、反磁界の影響を抑制できないことを示している。
【００２４】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、小型化及び軽量化が可能であると共に、磁性体の反磁界の影響による磁気感度の低下を抑制可能であり、しかも極めて高感度な特性を持つ携帯用方位センサへの適用が好適な磁気センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明によれば、磁歪材と弾性材とが積層された振動体から成り、該振動体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴って該振動体の機械的な共振周波数が変化し、該共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する磁気センサにおいて、振動体は、磁歪材及び弾性材の積層の方向と垂直な平面上における一方向を長さ方向とし、磁歪材は、振動体の長さ方向に平行に設けられた少なくとも一つのスリットにより全体として分割された構造を持つ磁気センサが得られる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の磁気センサによれば、磁歪材と弾性材とが積層された振動体から成り、振動体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴って振動体の機械的な共振周波数が変化し、共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する磁気センサにおいて、振動体については、磁歪材及び弾性材の積層の方向と垂直な平面上における一方向を長さ方向とし、磁歪材については、振動体の長さ方向に平行に設けられた少なくとも一つのスリットにより全体として分割された構造とすることで磁性体の反磁界の影響による磁気感度の低下を抑制し得るため、小型化及び軽量化が可能であり、且つ高感度な特性を持つ携帯用方位センサへの適用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
磁歪材と弾性材とが積層された振動体から成り、この振動体が一体となって機械的に振動している状態中にあって、外部磁場変化に伴って振動体の機械的な共振周波数が変化し、この共振周波数の変化量から外部磁場量を算出する磁気センサにおいて、振動体については磁歪材及び弾性材の積層の方向と垂直な平面上における一方向を長さ方向とし、磁歪材については、振動体の長さ方向に平行に設けられた少なくとも一つのスリットにより全体として分割された構造を持たせたものである。
【実施例１】
【００２８】
図１は、本発明の実施例１に係る磁気センサの基本構成を示したもので、同図（ａ）は振動体１の上面方向からの平面図に関するもの，同図（ｂ）は振動体１の側面方向（長手方向）での断面図に関するものである。
【００２９】
この磁気センサの場合も、図４（ａ），（ｂ）に示したタイプのものと比べ、薄い板状の弾性材による弾性体１１上に磁歪材による磁歪薄膜１２を積層してセンサ構造体としての振動体１を構成した基本構造は同様であるが、ここで振動体１は磁歪薄膜１２及び弾性体１１の積層の方向と垂直な平面上における一方向を長さ方向とし、磁歪薄膜１２については、振動体１の長さ方向に平行に設けられた一つのスリットＳにより全体として分割された構造を持たせることで磁性体の反磁界の影響による磁気感度の低下を抑制可能とした点が相違している。
【００３０】
即ち、この振動体１の場合、弾性体１１の主面上に長手方向に沿ってほぼ中央に延在するスリットＳにより全体として２分割された磁歪薄膜１２が積層された構造であり、外部磁場Ｈｅｘが印加されると磁歪薄膜１２の磁歪効果によって磁歪薄膜１２のヤング率Ｅが変化し、結果として振動体１の共振周波数ｆ０が変化し、この共振周波数ｆ０の変化量△ｆから磁気を検出して磁気センサとして用いることができるものである。
【００３１】
図２は、この磁気センサにおける振動体１上の磁歪薄膜１２にあっての外部磁場Ｈｅｘの印加の有無に応じた磁区構造と磁化方向１３との状態推移を示した平面図であり、同図（ａ）は外部磁場Ｈｅｘが印加されていない状態に関するもの，同図（ｂ）は外部磁場Ｈｅｘが印加されたときの非磁化飽和状態に関するもの，同図（ｃ）は外部磁場Ｈｅｘが印加されたときの磁化飽和状態に関するものである。
【００３２】
この振動体１において、外部磁場Ｈｅｘが印加されていなければ、図２（ａ）に示されるように、長手方向に沿って中央部分に延在する一つのスリットＳにより２分割された磁歪薄膜１２表面上の各長方形状にあって、それぞれ分離された領域における長手方向に沿った向きでほぼ中央部分に１８０度磁壁１４が線分状に存在し、且つその両端側からそれぞれ４つの隅部へ直線状に延びるように９０度磁壁１５が存在するような２つの磁区構造をとり、磁壁エネルギーが極小となって安定した状態となっている。又、磁化方向１３は、このような２つの磁区構造にあって、それぞれ各磁区内で全体的な繋がりとして時計回りを成すようにほぼ磁壁エネルギーの均衡した位置に存在している。
【００３３】
これに対し、外部磁場Ｈｅｘが印加されて非磁化飽和状態であれば、図２（ｂ）に示されるように、振動体２における一つのスリットＳにより２分割された磁歪薄膜１２表面上の各長方形状にあっての２つの磁区構造は、外部磁場Ｈｅｘと同じ方向に磁化している磁区である１８０度磁壁１４の磁壁エネルギーが増大し、１８０度磁壁１４がそれぞれ一方の長辺側へ移動すると共に、これらの１８０度磁壁１４の両端側から延びた９０度磁壁１５にあっての他方の長辺側の隅部へ延びた部分も移動するため、結果として磁壁全体が一方の長辺側寄りに変形して偏った磁区構造となる。又、磁化方向１３は、このように偏った２つの磁区構造にあっても、それぞれ変形された各磁区内で全体的な繋がりとして時計回りを成すようにほぼ磁壁エネルギーの均衡した位置に存在している。
【００３４】
更に、外部磁場Ｈｅｘが印加されて磁化飽和状態になれば、図２（ｃ）に示されるように、振動体２における一つのスリットＳにより２分割された磁歪薄膜１２表面上の各長方形状にあっての２つの磁区構造は、それぞれ１８０度磁壁１４及び９０度磁壁１５の移動が進んで磁壁が消滅してしまって単一の磁区となり、それぞれ一つの磁区内で磁化方向１３が長手方向に沿ったほぼ中央部分の左向きのみの位置に存在する。
【００３５】
即ち、この磁気センサの場合、図６（ａ）〜（ｃ）で説明した従来の他例に係るタイプのものと比べ、磁歪薄膜１２が飽和磁化に達するまでに１８０度磁壁１４の移動距離が小さく、飽和磁化されるまでに必要な外部磁場Ｈｅｘが小さいことにより、感度が敏感になっており、しかも９０度磁壁１５で囲まれた磁区の領域の大きさが反磁界の大きさと考えることができるため、反磁界の影響がかなり小さく、反磁界の影響を格段に抑制できることを示している。
【００３６】
尚、上述した実施例１に係る磁気センサでは、振動体１の構造として、弾性体１１上に一つのスリットＳにより２分割された磁歪薄膜１２を積層した場合を説明したが、二つ以上のスリットＳにより３つ以上に分割された磁歪薄膜１２を積層した構造の振動体１としても良い。こうした場合の磁気センサは、一層高感度になり、反磁界の影響を小さくできるが、スリットＳの数は要求される感度（性能）に応じて設定されれば良いものである。従って、本発明の磁気センサは、実施例１で説明した形態のものに限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の磁気センサは、磁性体の反磁界の影響による磁気感度の低下を極力抑制し得る上、小型化及び軽量化が可能で極めて高感度な特性を持つため、特に携帯用方位センサへの適用が好適となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る磁気センサの基本構成を示したもので、（ａ）は振動体の上面方向からの平面図に関するもの，（ｂ）は振動体の側面方向（長手方向）での断面図に関するものである。
【図２】図１に示す磁気センサにおける振動体上の磁歪薄膜にあっての外部磁場の印加の有無に応じた磁区構造と磁化方向との状態推移を示した平面図であり、（ａ）は外部磁場が印加されていない状態に関するもの，（ｂ）は外部磁場が印加されたときの非磁化飽和状態に関するもの，（ｃ）は外部磁場が印加されたときの磁化飽和状態に関するものである。
【図３】従来の一例に係る磁気センサの基本構成を示した概略図である。
【図４】従来の他例に係る磁気センサの原理的な基本構成を示したもので、（ａ）は振動体の上面方向からの平面図に関するもの，（ｂ）は振動体の側面方向（長手方向）での断面図に関するものである。
【図５】図４に示す磁気センサにおける外部磁場に対する共振周波数の関係で示される出力特性（センサ出力）を示したものである。
【図６】図４に示す磁気センサにおける振動体上の磁歪薄膜にあっての外部磁場の印加の有無に応じた磁区構造と磁化方向との状態推移を示した平面図であり、（ａ）は外部磁場が印加されていない状態に関するもの，（ｂ）は外部磁場が印加されたときの非磁化飽和状態に関するもの，（ｃ）は外部磁場が印加されたときの磁化飽和状態に関するものである。
【符号の説明】
【００３９】
１，２  振動体
３  磁気センサ
１１  弾性体
１２  磁歪薄膜
１３  磁化方向
１４  １８０度磁壁
１５  ９０度磁壁
２１  磁歪素子
２２  圧電素子
２３  導体
２４  電圧計
Ｓ  スリット
【図１】
2005055393.tif 000003
【図２】
2005055393.tif 000004
【図３】
2005055393.tif 000005
【図４】
2005055393.tif 000006
【図５】
2005055393.tif 000007
【図６】
2005055393.tif 000008