(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間の磁界の強度と方向を検出する磁界プローブであって、異方性磁気抵抗素子が複数形成された基板と磁極面の中心から放射状に磁力線が放出される永久磁石とを具備したセンサと、導電率の高い素材で被われている配線部を備えた前記センサを固定するためのセンサ固定基板とからなり、
前記センサは、前記永久磁石の磁極面に平行な基板上に、前記永久磁石の磁極面の磁気的中心を原点としてＸ軸及びＹ軸上の原点から同一距離の位置に４つの領域を形成し、この各々の領域に対して、軸線と４５°（又は１３５°）の角度をなす方向に延伸した異方性磁気抵抗素子をそれぞれ形成して、合計４つの異方性磁気抵抗素子から構成されるようにし、前記４つの異方性磁気抵抗素子は、対角に位置する同士を結線してその間から出力をとるようにしたことを特徴とする磁界プローブ。
【請求項２】
空間の磁界の強度と方向を検出する磁界プローブであって、異方性磁気抵抗素子が複数形成された基板と磁極面の中心から放射状に磁力線が放出される永久磁石とを具備したセンサと、導電率の高い素材で被われている配線部を備えた前記センサを固定するためのセンサ固定基板とからなり、
前記センサは、前記永久磁石の磁極面に平行な基板上に、前記永久磁石の磁極面の磁気的中心を原点としてＸ軸及びＹ軸上の原点から同一距離の位置に４つの領域を形成し、この各々の領域に対して、互いの延伸する方向が成す角度が垂直でかつ軸線と４５°（又は１３５°）の角度をなす方向に延伸した２つの異方性磁気抵抗素子を隣接させて形成して、合計８つの異方性磁気抵抗素子から構成されることを特徴とする磁界プローブ。
【請求項３】
前記異方性磁気抵抗素子が複数形成された基板は、低透磁率でかつ絶縁体であることを特徴とする請求項1又は２記載の磁界プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石、金属材料の残留磁気、コイル等から発生する空間の磁界など磁界の強さ、方向を検出する磁界プローブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電界の影響を排除し磁界のみを検出するための装置として磁界プローブが存在する。発生源が発生する電磁界には、放射電磁界以外に静電磁界、誘導電磁界の成分がある。発生源の近傍ではこれらも電磁雑音として影響する。磁界プローブは、発生源から略１／６波長以上離れたところの放射電磁界による電磁雑音を測定する目的や、その発生源を特定する目的で主に使用されるものである。この磁界プローブの種類としては、コイルをループ状にしたループアンテナを使用するもの（特許文献１、２）、発生源の近傍での電磁雑音を測定する技術としてのホールプローブ、異方性磁気抵抗素子とループアンテナとを組み合わせた磁界プローブ（特許文献３）などが存在する。
【特許文献１】特開２００２−１５６４３０号公報
【特許文献２】特開２００４−０８５４６５号公報
【特許文献３】特開２００１−２８９８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記特許文献１、２に記載のループアンテナを用いた磁界プローブの場合には、コイルからの出力は微分波形であり、すなわち誘起電圧が磁界の周波数に依存するため、１００ｋＨｚ以下の低周波の磁界では、ループの有効断面積を大きくするか巻き数を多くするかによって感度を大きくする必要がある。よって形状が大きくなり局所的な磁界を測定することが困難という問題がある。
詳細は省略するが、誘起電圧の最大値Ｖ０と、コイルの巻数ｎ、コイルの断面積Ｓ、周波数ｆでコイルに加わる磁界の最大値Ｂ０との間には、Ｖ０＝２πｆｎＳＢ０の関係が成り立つ。例えば、ｆ＝１００Ｈｚ、Ｂ０＝０．００２Ｔ、ｎ＝１０としたときに、誘起電圧の最大値Ｖ０として０．０９８Ｖを得るためには、コイルの半径を約５ｃｍとしなければならなくなってしまう。
【０００４】
発生源の近傍での電磁雑音を測定する技術としてのホールプローブの場合は、検出部としてホール素子を使用しているため、永久磁石のような静磁界から１０ｋＨｚの低周波の磁界まで検出が可能であり、磁界範囲も数百ｍＴまで可能であり広い。しかしながら、１０ｋＨｚ以上の周波数域帯域の磁界検出が物性上困難という問題点がある。またホール素子では、磁界分解能として０．０５ｍＴ以下は難しいという問題点がある。
すなわち、前記ループアンテナを用いた磁界プローブやホールプローブでは、発生源の近傍での電磁雑音について、１００ｋＨｚ以下の周波数全域をカバーする効率的な測定を行うことは困難であるという問題があった。
【０００５】
これに対して、特許文献３に記載されたような異方性磁気抵抗素子とループアンテナとを組み合わせた磁界プローブでは、静磁界から１００ｋＨｚ以下の低周波数帯域の磁界を異方性磁気抵抗素子によって測定し、１００ｋＨｚ以上の周波数の磁界をループアンテナによって測定するため、幅広い周波数に対応した磁界検出が可能である。一般に、異方性磁気抵抗素子はＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等の強磁性金属を主成分とする合金の薄膜で構成され、磁界の強さ方向に応じて抵抗値が変化する。強磁性薄膜金属の応答は、ΔＲ／Ｒ０（ΔＲ＝強磁性薄膜金属の抵抗の変化、Ｒ０＝強磁性薄膜金属の公称抵抗）として測定される。
図９（ａ）、（ｂ）に示すように、電流の方向に対して垂直方向の磁界の強さ（Ｈ）とΔＲ／Ｒ０との関係は、釣鐘形状（ΔＲ／Ｒ０はＨ２に略比例して減少）のグラフとなる。
【０００６】
この異方性磁気抵抗素子とループアンテナとを組み合わせた磁界プローブの問題点は、図９（ｂ）に示すように動作点がゼロ磁界にあるため、強磁性薄膜金属の材質、膜厚、膜幅を検討し感度を上昇させても、場合によっては０．０１ｍＴの磁界分解能を得る事は難しいということである。さらに、図９（ｃ）は同図（ｂ）のゼロ磁界近辺の拡大図であるが、この図９（ｃ）に示すように、動作点がゼロ磁界の場合には必ずヒステリシスが生じるため、正確な検出が出来ない、若しくは、ヒステリシスによる影響を除いた結果を得るための処理回路が必要になり構成が複雑になるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、静磁界からＭＨｚの周波数帯域において磁界の強さと方向を高精度に検出し、小型で安価で簡単な回路で実現できる磁界プローブを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１は、空間の磁界の強度と方向を検出する磁界プローブであって、異方性磁気抵抗素子が複数形成された基板と磁極面の中心から放射状に磁力線が放出される永久磁石とを具備したセンサと、導電率の高い素材で被われている配線部を備えた前記センサを固定するためのセンサ固定基板とからなり、前記センサは、前記永久磁石の磁極面に平行な基板上に、前記永久磁石の磁極面の磁気的中心を原点としてＸ軸及びＹ軸上の原点から同一距離の位置に４つの領域を形成し、この各々の領域に対して、軸線と４５°（又は１３５°）の角度をなす方向に延伸した異方性磁気抵抗素子をそれぞれ形成して、合計４つの異方性磁気抵抗素子から構成されるようにし、前記４つの異方性磁気抵抗素子は、対角に位置する同士を結線してその間から出力をとるようにしたことを特徴とする磁界プローブである。
【００１０】
本発明の請求項２は、空間の磁界の強度と方向を検出する磁界プローブであって、異方性磁気抵抗素子が複数形成された基板と磁極面の中心から放射状に磁力線が放出される永久磁石とを具備したセンサと、導電率の高い素材で被われている配線部を備えた前記センサを固定するためのセンサ固定基板とからなり、前記センサは、前記永久磁石の磁極面に平行な基板上に、前記永久磁石の磁極面の磁気的中心を原点としてＸ軸及びＹ軸上の原点から同一距離の位置に４つの領域を形成し、この各々の領域に対して、互いの延伸する方向が成す角度が垂直でかつ軸線と４５°（又は１３５°）の角度をなす方向に延伸した２つの異方性磁気抵抗素子を隣接させて形成して、合計８つの異方性磁気抵抗素子から構成されることを特徴とする磁界プローブである。
【００１１】
本発明の請求項３は、請求項１又は２に加えて、前記異方性磁気抵抗素子が複数形成された基板は、低透磁率でかつ絶縁体であることを特徴とする磁界プローブである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の発明によれば、前記センサは、前記永久磁石の磁極面に平行な基板上に、前記永久磁石の磁極面の磁気的中心を原点としてＸ軸及びＹ軸上の原点から同一距離の位置に４つの領域を形成し、この各々の領域に対して、軸線と４５°（又は１３５°）の角度をなす方向に延伸した異方性磁気抵抗素子をそれぞれ形成して、合計４つの異方性磁気抵抗素子から構成されるようにし、前記４つの異方性磁気抵抗素子は、対角に位置する同士を結線してその間から出力をとるようにしたので、磁界の方向を精度良く検出することが可能となる。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、前記センサは、前記永久磁石の磁極面に平行な基板上に、前記永久磁石の磁極面の磁気的中心を原点としてＸ軸及びＹ軸上の原点から同一距離の位置に４つの領域を形成し、この各々の領域に対して、互いの延伸する方向が成す角度が垂直でかつ軸線と４５°（又は１３５°）の角度をなす方向に延伸した２つの異方性磁気抵抗素子を隣接させて形成して、合計８つの異方性磁気抵抗素子から構成されるようにしたので、８つの異方性磁気抵抗素子をホイートストンブリッジ構成とすることで出力が２倍となり、かつ２次高調波成分が打ち消され出力の直線域が広がる。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、前記異方性磁気抵抗素子が複数形成された基板を低透磁率でかつ絶縁体である材料、例えば、セラミック又はガラス材で形成することで、高周波数帯域において磁界プローブ自身が発生する渦電流等を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明による磁界プローブは、空間の磁界の強度と方向を検出する磁界プローブであって、異方性磁気抵抗素子が複数形成された基板と永久磁石とを具備したセンサと、導電率の高い素材で被われている配線部を備えた前記センサを固定するためのセンサ固定基板とからなることを特徴とするものであり、前記センサは、前記永久磁石の磁極面に平行な基板上に、前記永久磁石の磁極面の磁気的中心を原点としてＸ軸及びＹ軸上の原点から同一距離の位置に４つの領域を形成し、この各々の領域に対して、互いの延伸する方向が成す角度が垂直でかつ軸線と４５°（又は１３５°）の角度をなす方向に延伸した２つの異方性磁気抵抗素子を隣接させて形成して、合計８つの異方性磁気抵抗素子から構成されることを特徴とするものである。以下、図面に基づいて詳細な説明を行う。
【００１７】
本発明の実施の形態について説明する。図１（ａ）は本発明の磁界プローブ１０の構成を表した斜視図であり、図１（ｂ）は側面図である。異方性磁気抵抗素子が複数形成された基板１２の上に永久磁石１３が具備されたセンサ１１と、導電率の高い素材で出来たシールド膜１８で被われている配線部１５を備えたセンサ固定基板１４から構成されている。センサ１１とセンサ固定基板１４は、配線端部１６とセンサ１１との間を金線１７にてワイヤーボンディングして電気的に接続している。図面上は表現されていないが、各配線端部１６と配線１５は電気的に導通している。本図での図解は省略してあるが、センサ１１は一般的な電子部品材であるシリコン、エポキシ、ウレタン樹脂の単層若しくは多層にて保護されている。センサ固定基板１４は、ガラスエポキシ材若しくはＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）からなり、配線部１５はＣｕ材からなり、配線端部１６はＮｉ鍍金とＡｕ鍍金が施されている。シールド膜１８は、例えば銅薄膜で構成されており、このシールド膜１８と配線部１５との間は絶縁されている。配線部１５が導電率の高い素材で被われていることで、電界の影響を排除することが可能となる。
【００１８】
図１では基板１２の上に永久磁石１３を配置してセンサ１１を形成しているが、図２（ａ）又は（ｂ）に示すように、センサ固定基板１４の表若しくは裏に穴を空けて永久磁石１３を埋め込んだものも本発明の他の実施例として挙げることができる。
【００１９】
図３（ａ）は、図１におけるセンサ１１の異方性磁気抵抗素子の構成に関する実施例１であり、センサ１１における永久磁石１３と異方性磁気抵抗素子との位置関係を示した図である。異方性磁気抵抗素子を形成した基板１２は、永久磁石１３の磁極面に平行で、永久磁石１３の磁極の中心に基板１２の中心が一致するように配置される。基板１２上のＸ軸及びＹ軸上における中心（原点）から同一距離の４つの領域には、軸線に対して４５°（１３５°）の角度をなす方向に延伸した異方性磁気抵抗素子１９、２０、２１、２２がそれぞれ形成されている。異方性磁気抵抗素子（１９〜２２）は基板１２上で、図３（ｂ）に示すように結線される。
【００２０】
図４（ａ）は、図１におけるセンサ１１の異方性磁気抵抗素子の構成に関する実施例２であり、センサ１１における永久磁石１３と異方性磁気抵抗素子との位置関係を示した図である。異方性磁気抵抗素子を形成した基板１２は、永久磁石１３の磁極面に平行で、かつ永久磁石１３の磁極の中心に基板１２の中心が一致するように配置される。基板１２上のＸ軸及びＹ軸上における中心（原点）から同一距離の４つの領域にはそれぞれ、互いの延伸する方向が成す角度が垂直でかつ軸線に対して４５°（１３５°）の角度をなす方向に延伸した２つの隣接する異方性磁気抵抗素子が形成され、合計８つの異方性磁気抵抗素子２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂが形成されている。異方性磁気抵抗素子（２３ａ〜２６ａ及び２３ｂ〜２６ｂ）は基板１２上で、図４（ｂ）に示すように、ホイートストンブリッジを構成するように結線される。
【００２１】
次に、異方性磁気抵抗素子に常時バイアス磁界を印加することで特性改善がなされる原理を説明する。図９（ａ）で示した異方性磁気抵抗素子の抵抗変化において、常時バイアス磁界を印加することにより特性を改善する方法は、公知技術（例えば、特開昭５８−０１６５８０号公報）として知られている。
すなわち、図９（ａ）に示す異方性磁気抵抗素子のＹ方向にバイアス磁界を印加することで、図９（ｃ）でのヒステリシスが解消され、図９（ａ）に示す異方性磁気抵抗素子のＸ方向にバイアス磁界を印加することで、図５に示すように動作点が０（ゼロ）磁界からＰ点磁界に移動する。
【００２２】
発生源から発生する磁界を入力磁界とした場合の異方性磁気抵抗素子の抵抗変化を表す検出信号は、動作点がゼロ磁界の場合は図６（ａ）のような変化となり、動作点がＰ点に移動した場合は図６（ｂ）のような変化となる。この図６からも分かるように、図６（ａ）より図６（ｂ）の方が、釣鐘形状の波形（２次曲線波形）のうち感度の高い線形に近い波形部分に動作点が移動したことによって、同じ磁界変化であっても抵抗値の変化幅が大きくなるため、磁界分解能が向上することが分かる。これにより、０．０１ｍＴ以下の磁界においても測定が可能となる。
【００２３】
加えて本発明のバイアス磁界を印加する手段としての永久磁石について説明する。図７に示すのは、永久磁石１３の磁気ベクトルを表した模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は底面図である。この図７（ａ）（ｂ）に示すように、永久磁石１３の磁気ベクトルは、磁極面より放射状に発生する。このとき、永久磁石１３の磁極面と基板１２の中心を重ね合わせてセンサ１１を構成しているため、図３（ａ）又は図４（ａ）に示した全ての異方性磁気抵抗素子には、延伸方向に対して４５°の方向にバイアス磁界が印加される。すなわち、先に説明した図９（ａ）におけるＸ方向とＹ方向に同時にバイアス磁界が印加されることになる。よって、ヒステリシスが改善され、かつ、磁界分解能が向上する。
【００２４】
図８に示すのは、本発明の磁界プローブ１０に発生源からの磁界が入力された場合を表した模式図である。この図８の磁界プローブ１０は、図１に示したものの上面図であって、図３及び図４でのＸ軸、Ｙ軸を付記し、配線やシールド等は図から省略したものである。
入力磁界がイ、ロ、ハの方向からそれぞれ印加された場合、Ｘ軸方向に形成された異方性磁気抵抗素子の抵抗値変化とＹ軸方向に形成された異方性磁気抵抗素子の抵抗値変化には以下の関係が成り立つ。
イ：Ｘ軸方向の抵抗値変化＞Ｙ軸方向の抵抗値変化  
ロ：Ｘ軸方向の抵抗値変化＝Ｙ軸方向の抵抗値変化  
ハ：Ｘ軸方向の抵抗値変化＜Ｙ軸方向の抵抗値変化  
【００２５】
すなわち、実施例１又は実施例２に示すようにして基板１２上に異方性磁気抵抗素子を形成することで、入力磁界の方向が分かる。入力磁界の強さを表す振幅の大小と抵抗値変化の振幅は比例関係にある。実施例２ではホイートストンブリッジ構成になっているため、実施例１に比較して２倍の出力となり、かつ２次高調波成分が打ち消され出力の直線域が広がる。図６（ｂ）から入力磁界の周波数と同じ周波数で抵抗値変化が起こることも理解できる。
【００２６】
また、基板１２を低透磁率でかつ絶縁体であるセラミック又はガラス材で形成することで、高周波数帯域において磁界プローブ１０自身が発生する渦電流等を抑制することができる。
【００２７】
以上に示した本発明の磁界プローブによれば、静磁界からＭＨｚ単位の周波数帯域まで幅広く対応可能で、かつ小型でありながら磁界の強さと方向を高精度に検出することが可能となる。
本発明の磁界プローブを実際に構成する場合、異方性磁気抵抗素子を形成する基板１２は２ｍｍ×２ｍｍ程度の大きさ、バイアス磁石１３としてのフェライト焼結材はΦ１．５ｍｍ×０．３５ｍｍ程度の大きさで構成することが可能となり、前述した従来技術のループコイルの場合と異なり、周波数に依存することなく小型化が可能であるというメリットがある。また、全体を安価に構成できるというメリットもある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）は、本発明の磁界プローブ１０の構成を表した斜視図であり、（ｂ）は、側面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、図１におけるセンサ１１の他の実施例を表した模式図である。
【図３】（ａ）は、図１におけるセンサ１１の異方性磁気抵抗素子の構成に関する実施例１であり、（ｂ）は、異方性磁気抵抗素子の接続を表した回路図である。
【図４】（ａ）は、図１におけるセンサ１１の異方性磁気抵抗素子の構成に関する実施例２であり、（ｂ）は、異方性磁気抵抗素子の接続を表した回路図である。
【図５】バイアス磁界を印加した場合の異方性磁気抵抗素子の動作点の移動を表した説明図である。
【図６】発生源から発生する磁界を入力磁界とした場合の異方性磁気抵抗素子の抵抗変化を表した模式図であり、（ａ）は、動作点がゼロ磁界の場合であり、（ｂ）は、動作点がＰ点に移動した場合である。
【図７】永久磁石１３の磁気ベクトルを表した模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は底面図である。
【図８】本発明の磁界プローブ１０に発生源からの磁界が入力された場合を表した模式図である。
【図９】（ａ）乃至（ｃ）は、異方性磁気抵抗素子の抵抗値変化の一般的性質について説明した説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０…磁界プローブ、１１…センサ、１２…基板、１３…永久磁石、１４…センサ固定基板、１５…配線、１６…配線端部、１７…金線、１８…シールド膜、１９〜２２…異方性磁気抵抗素子、２３ａ〜２６ａ及び２３ｂ〜２６ｂ…異方性磁気抵抗素子。
【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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