(57)【要約】磁界用の、具体的には飽和コアタイプの検知インダクタ（１）は、コア（20）を中心に平面の螺旋として巻回された少なくとも１つのインダクタコイル（10）を有し、より好適には、複数の平面螺旋（10ａ乃至ｄ）がコアの軸（50）に沿って積み重ねられ、１対の隣接するコイル（10ａ、10ｂ）は、ブリッジ（44）により互いに接続された内端部（32ａ、32ｂ）を備える反対向きの螺旋として巻回される。こうした対を２つまたは３つ使用できる。複数のコイル（10ａ乃至ｄ）および中心コア（20）は、半導体業界からの平面の選択的蒸着技法を使用して製造できる。磁性コア（50）は、積み重ねられたコイルを通して形成される軸ホール内に挿入される別のエンティティであってよい。好適なコア材料はパーマロイである。螺旋コイルの巻回幅（ｗ）、間隔（ｓ）、および厚さ（ｔ）は、コイル間の軸方向間隔（ｄ）およびコア直径（φ）と共に論じられる。
2004538467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可飽和コアと前記コアを通る軸廻りに延在する導電性巻線とを含む、可飽和インダクタ類の磁界検知装置であって、前記巻線は、
本質的にそれぞれの平面で螺旋状に巻回される少なくとも１つのコイルを含むことを特徴とする磁界検知装置。
【請求項２】
前記平面が前記軸に対して垂直であることを特徴とする請求項１に記載の磁界検知装置。
【請求項３】
前記巻線が、それぞれの外端部間に直列の電流経路を提供するために２つの螺旋コイルの内端部が互いに接続された、巻回方向が反対のそれぞれの螺旋状に巻回された２つの隣接するコイルを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の磁界検知装置。
【請求項４】
少なくとも前記螺旋コイルが１層ずつ製造され、絶縁材料によって間隔をあけて配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁界検知装置。
【請求項５】
前記螺旋コイルの数が少なくとも４つであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁界検知装置。
【請求項６】
前記コアがパーマロイ材料から作られることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁界検知装置。
【請求項７】
磁界を検知する検知回路であって、
磁界に反応する磁界検知装置と、
前記検知装置を飽和へまたは飽和から駆動させるための手段と
前記検知装置の前記駆動に応答して、検知された磁界の尺度としてそのような駆動のパラメータに依存する信号を生成する手段とを含むことを特徴とする検知回路。
【請求項８】
磁界を測定するための回路構成であって、
測定される磁界を検知するための可飽和インダクタと、
連続する半分のサイクルで反対方向にインダクタを飽和させる電圧波形をし、前記インダクタを駆動するために前記インダクタに接続された発振器回路と、
磁界により連続する半分のサイクルでの飽和の不均衡を表す出力信号を生成するために前記インダクタに接続された、電流電圧変換器を含む手段とを含み、
前記発振器回路が、前記不均衡の尺度である発振器サイクルあたりのインダクタ内の平均電流を生成するために、前記インダクタを駆動するように動作可能であり、
前記電流電圧変換器が、前記平均電流を表す電圧を生成するために前記平均電流に応答するものであって、
前記可飽和インダクタが、請求項１乃至６のいずれかに記載の少なくとも１つの磁界検知装置を含むことを特徴とする回路構成。
【請求項９】
磁界を測定するための回路構成であって、
測定される磁界を検知するための可飽和インダクタと、
連続する半分のサイクルで反対方向にインダクタを飽和させる電圧波形を有する、前記インダクタを駆動するために前記インダクタに接続された発振器回路と、
磁界により連続する半分のサイクルでの飽和の不均衡を表す出力信号を生成するために前記インダクタに接続された手段とを含み、
前記発振器回路が、前記電圧波形を生成するために２つの状態を切替え可能な手段と、前記切替え可能な手段に接続され、前記切替え可能な手段を連続する半分のサイクルのほぼ等しい大きさの電流で切り替えさせるように前記インダクタを通る電流に応答する、電流検知手段とを含むものであって、
前記可飽和インダクタが、請求項１乃至６のいずれかに記載の少なくとも１つの磁界検知装置を含むことを特徴とする回路構成。
【請求項１０】
磁界を測定するための回路構成であって、
測定される磁界を検知するための可飽和インダクタと、
インダクタ内の電流流れが、連続する半分のサイクルで反対方向にインダクタを飽和させる電圧波形を有する、前記インダクタを駆動するために前記インダクタに接続された発振器回路と、
磁界により連続する半分のサイクルでの飽和の不均衡を表す出力信号を生成するために前記インダクタに接続された、電流電圧変換器を含む手段とを含み、
前記発振器回路が、前記不均衡の尺度である発振器サイクルあたりのインダクタ内の平均電流を生成するために、前記インダクタを駆動するように動作可能であり、
前記電流電圧変換器が、インダクタの電流が流れる回路パス内で接続され、前記平均電流を表す電圧を生成するために前記インダクタ内の平均電流に応答するものであって、
前記可飽和インダクタが、請求項１乃至６のいずれかに記載の少なくとも１つの磁界検知装置を含むことを特徴とする回路構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界検知装置に関し、より具体的には、加えられたトルクまたは力の関数である磁界を発生させる磁化された変換素子と共に使用する検知装置に関するが、これに限定されるものではない。さらに本発明は、こうした検知装置を組み入れた検知回路にも関する。こうした回路は信号処理回路とも呼ばれる。
【背景技術】
【０００２】
磁気変換器は、近年、シャフトのトルクを測定するために応用される例が増えてきている。磁化された変換素子はシャフトに設けられ、その磁化された領域となる。１つまたは複数の検知デバイスからなる非接触の検知装置が、その領域に隣接して配置される。非接触検知装置は、トルクのかけられたシャフトが回転している場合に特に有利である。トルクに依存した磁界を発生させる永久的に磁化された変換素子は、変換素子を磁化するために能動的な励磁を必要としないという点で受動的であるとみなすことのできる、検知装置での動作に有利である。
【０００３】
ホール効果装置および磁気抵抗装置、ならびに飽和または可飽和コアインダクタとして知られるものを含む、様々なタイプの検知装置が知られている。現在使用可能な形式のこれらの装置には、それぞれ様々な実用上の問題が生じている。
【０００４】
ホール効果装置は基本的に平面の形で生産され、その最大感度は装置面に垂直である。装置面を、たとえばシャフトの回転軸に対して放射状にすると、ホール効果装置は磁界の軸方向に向けられた（インライン）構成要素に対して感度が高く、軸方向に高い横分解能が可能である。横分解能は、放射状の磁界構成要素を検出するために、装置が放射状面に対して９０°に配向された場合にはそれほど高くない。ホール効果装置の主要な欠点は、感度および分解能が低いこと、ならびに磁気変換素子によく見られる小さな磁界の適切な検出器でないことである。
【０００５】
磁気抵抗（ＭＲ）装置は、異方性磁気抵抗器（ＡＭＲ）および巨大磁気抵抗器（ＧＭＲ）の２種類に分類される。最近では、後者の方がより好まれている。どちらの種類の装置も、本来は平面の形をしており、装置の領域面積に応じた抵抗の変化が見られるため、分解能に対する感度のバランスを取らなければならない。こうした装置が薄いことからも、検出できる磁界の領域が限られる。周知の可飽和インダクタ装置よりも高い横分解能が可能であるが、ホール効果装置ほど良い範囲を有していないため、前述のように分解能と感度との妥協点を見つけなければならない。
【０００６】
可飽和コア検知装置は、コアに螺旋状に巻回されたコイルの形をしたインダクタを含む。たとえばコアは、名称２７０５Ｍでアライドシグナル社から入手可能な材料のものであってよい。これは可飽和高透磁性の、コバルト基非晶質ガラス状合金箔である。１つまたは複数のこうしたインダクタを、国際公開９８／５２０６３号（ＷＯ９８／５２０６３）に開示されたような信号処理回路に接続することができる。可飽和コア検知装置は高感度で作成可能であり、２つまたはそれ以上のインダクタを、地球磁場などの一般的な外部場によって相殺されるが、測定される磁界に対して加法的に作用するように、信号処理回路内に直列に接続することができる。可飽和コア検知装置は、コイルの軸方向に最大の感度を有する。応答パターンは、軸を中心にした円対称である。
【０００７】
現在の可飽和インダクタ検知装置の欠点は、その横分解能が欠如していることにある。典型的には、これらデバイスは長さ４乃至８ｍｍ、直径２ｍｍである。長さ寸法が、軸方向の磁界構成要素に対する横分解能を決定する。センサの応答は、実質上、デバイスの長さに沿って検知された場の統合であり、場はその長さにわたって大きさおよび方向のどちらも変化する可能性がある。
【特許文献１】
国際公開９８／５２０６３号（ＷＯ９８／５２０６３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、依然として、分解能が高くさらに感度も高い磁界検知装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明により、コアを中心にして形成された螺旋コイルによって、こうした検知装置を提供することが提案される。螺旋は本質的に平面であり、好ましいことにその平面はコアを通る軸に対して直角である。こうした技術は、半導体製造で知られている製作技法を使用して、本質的に平面の形で実現することができる。検知装置は複数の空間的に平行な螺旋コイルを有することが可能であり、好ましくは偶数であって、すべてが全体の長さ寸法が小さい単一のコア素子に作用する。
【００１０】
以下で論じるように、コイルおよびコイルを支持する絶縁（分離）材料は半導体製造技法を使用して形成可能であり、コアは軸ホールに挿入される別個の物として提供することができる。ホールは電気的構造に関する製造プロセス中に、または製造後にドリルによって形成される。コアは、パーマロイなどの適切な磁気材料のワイヤの一部であってよい。必要な磁気特性については、以下でさらに論じる。
【００１１】
本発明を実施する検知装置は、検知装置を飽和へまたは飽和から駆動するための手段、および検知装置の駆動に応答して、検知された磁界の尺度としてそのような駆動のパラメータに依存する信号を生成する手段を含む、センサ回路内の磁界検知素子として接続することが可能である。
【００１２】
本発明を実施する検知装置は、前述の国際公開９８／５２０６３号で開示された信号処理回路内の可飽和インダクタとしての、特定の応用例を見つけることができる。
本発明の態様および特徴については、添付の特許請求の範囲に記載される。
本発明に従って可飽和インダクタを使用するために磁界を測定するための好ましい回路構成については、請求項８、９、および１０に記載される。回路構成それ自体については、参照により本明細書に組み込まれた国際公開９８／５２０６３号に記載される。
【００１３】
本発明の実施で使用されるコイルは、マイクロコイルと呼ばれる小さい寸法で製造することが可能である。マイクロコイルを製造するための提案もすでに行われている。これらは、データ記憶アプリケーションの薄膜書込みヘッドの一部として応用されているが、感度が極端に低いため、磁界を検知する読取りヘッドとしては使用されない。他の提案は、向かい合った１組の螺旋コイルを使用して、コイルを通じて流れる電流によって作られる磁界の局所的な相互作用により、コイルの巻回の間に力を発生させるアクチュエータを提供することである。ドイツ、ブラウンシュヴァイク大学のマイクロ技術研究所（ＩＭＴ）は、そのための１対のマイクロコイルを製作することに成功した。このコイル・システムには磁気コアがない。アクチュエータに関して興味深いものは、一方のコイルの巻回内の電流と他方のコイルの巻回内の電流との間に生成可能な力である。これまでに行われた研究は、平面状の螺旋コイル構造を製造する実現可能性の検証であるが、実用的なアクチュエータがすでに作成されたかどうかはわかっていない。
【００１４】
上記で概説した提案で調査された螺旋コイルは、磁界の検知には応用されていないことを理解されよう。これに対して、本発明は磁界検知応用に関する構造を対象としている。検知装置は、可飽和コアを使用するものである。本発明を具体化する検知装置は、すでに論じたような高感度と高分解能とを組み合わせることを対象とするものである。本発明およびその実施について、添付の図面を参照しながらより詳細に論じる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１（ａ）は、外端部３１から内端部３２へと時計回り（ｃｗ）に伸びる単一の螺旋平面巻線１０で形成された、単層螺旋コイル状の可飽和インダクタ１を示す図である。巻線は複数の巻回を含み、１巻回は、巻線が放射状線１２などを基準に、中心軸５０の周りを３６０°旋回したものとみなすことができる。図示された例では、巻線は、図１（ｂ）でよりわかりやすく示された均一の幅ｗおよび間隔ｓの均一の巻回と、図４に示された平面に垂直の均一の厚さｔとを有する、導電性材料の層で形成される。図３および図４を見るとよくわかるように、中心軸５０と位置合わせして配置されるのが、断面が丸いと想定される可飽和コア２０である。コア２０の断面を横切る磁化が均質（均一）になるように、コイル巻線はどの１巻回もほぼ円形になるように比較的きっちりと巻回することが好ましく、これにより半径は、軸を中心とした角度の関数として比較的ゆっくりと変化する。これについては以下でより詳細に論じる。
【００１６】
したがって、巻回のピッチは（ｗ＋ｓ）であり、その結果、半径は１巻回（角度２Π）に（ｗ＋ｓ）ずつ増加することになる。他の関連する寸法パラメータは図４に示されており、以下に、本発明を具体化する可飽和インダクタの設計および製造について説明し、一定のパラメータにおける相対的な変化の影響について論じる。パラメータｓおよびｗは、螺旋１０の隣接する２巻回の一部を示す図１（ｂ）に示されており、巻回は影付きで示されている。
【００１７】
端部３１から端部３２へと正の電流が流れると、コイルは、コア２０に対して作用するように軸５０に沿ってコイルに垂直の磁界を生成する。図に示されたｃｗの巻線方向の場合、軸の磁界方向は図１（ａ）の平面の中から外へとなる。
【００１８】
好ましくは、コア材料は飽和磁化ＢＳが１テスラ（１０４ガウス）未満の磁性を有する。さらに、記載される蒸着プロセス中にコア材料内に誘導される内部応力によるノイズ発生源を最小限にするために、コア材料の結晶異方性定数（Ｋ）および磁気歪み定数（λ）は小さくなければならない。これらの要件に合致する好適な材料は、パーマロイ（他の重要度の低い成分を備えたＮｉ／Ｆｅ合金（Ｎｉ７８  Ｆｅ２２））であり、そのＫ値およびλ値はゼロに近い。パーマロイは電気めっき、スパッタリング、および他の蒸着技法によって蒸着可能であり、その後エッチングすることができる。
【００１９】
記載される平面製造技法では、螺旋コイル１の内端部３２よりも外端部３１への外部接続を作る方が便利である。インダクタの外側に外部接続があることの利便性は、軸５０を中心に反対方向（１つはｃｗ、１つはｃｃｗ）に巻回された１対の立体的に平行な螺旋コイルにもあてはまる。内端部は互いに接続され、励磁電源が外端部に印加されて、直列のコイルを励磁する。反対方向の螺旋を有することで、コア内に同じ方向の磁束が生成される。複数の螺旋コイルを使用することは、コアの望ましい飽和を達成するためにも有利である。また、複数の平行なコイルを使用することは、コアの減磁を減らすのに有利な軸方向に長いコアを使用することと一致する。これらの要素については、以下で詳細に論じる。
【００２０】
図２は、一方の上に他方を重ねて示された（したがって、干渉パターン）、反対方向に巻回された１対の螺旋コイル１０ａおよび１０ｂを示す正面図であり、それぞれの内端部３２ａおよび３２ｂで接続され、それぞれの外端部３１ａおよび３１ｂで励磁可能である。コイルは共通のコア２０内に同じ方向の磁束を生成するように作用する。実際には、図３および４を見るとよくわかるように、コイル１０ａおよび１０ｂは、軸５０に対して垂直な、間隔を置いて平行な平面内にある。
【００２１】
図３は、４１ａ、４１ｂ、および４２ａ、４２ｂなどの巻線が影付きで示された、１対のコイル１０ａおよび１０ｂの直径方向の軸を示す図である。巻回４１ａ、４２ａは同じ螺旋コイル（１０ａ）内にあるが、それらの中の電流の向きが図の平面を基準として反対であることから別々に示されており、コイル１０ｂの巻回４１ｂ、４２ｂも同様である。図示された直径方向の断面では、コイルの巻回１０ａ、１０ｂは軸方向に位置合わせされており、図２の正面図を見ればわかるように、重ねられている。図２の直径方向の断面図に対して９０°のそれでは、巻回が互い違いまたは交互に配置されていることがわかるであろう。図４は、図３の構造の中央部分を示す拡大図である。図４は、コイル層の厚さパラメータｔも示し、これはすなわち軸方向の厚さである。
【００２２】
図３および４から、コアが両方のコイルを通って伸びていることがわかる。内端部分３２ａおよび３２ｂは、正面図を見るとわかるように好ましくは重なっており、コイルを直列に接続するために、軸方向スルーブリッジ４４によって接続される。外端部３１ａおよび３１ｂを励磁電源（図示せず）に接続することにより、軸５０の一方の側にある巻回内の電流は、４０ａおよび４０ｂで図の面に垂直な電流方向で示されるように、２つの螺旋１０ａ内と１０ｂ内では反対であり、軸５０の他方の側では、４０ａ’および４０ｂ’で示されるように逆であるため、２つのコイル内では依然として反対方向のままである。電流は、軸５０に沿った方向に、コア２０内に磁界Ｈを生成するために、加法的に作用する。その結果、コア２０内に生じる磁束および磁化も、本来は軸方向である。
【００２３】
図４には、以下で論じる他の寸法パラメータも示されている。それは、隣接する層の間の間隔ｄ、コア２０の直径φ、およびその軸方向長さｌである。
上記の概念は、図５および６に示されたような螺旋コイルの他の対にも拡大することができる。コイルの対１０ａ、１０ｂに加えて、他の同様のコイルの対１０ｃ、１０ｄがある。コア２０は間隔をあけて並行に配置された４つのコイルすべてを通って延在する。
【００２４】
図３および４の場合と同様に、巻線の巻回、たとえば４１ａ、４１ｄ、および４２ａ、４２ｄは影付きで示される。コイル１０ａ、１０ｂはそれらの内端部でブリッジ４４ａによって接続され、コイル１０ｃ、１０ｄは同様にブリッジ４４ｂで接続される。軸に沿って順番に並んだコイルは、巻回方向が交互、たとえばｃｗ−ｃｃｗ−ｃｗ−ｃｃｗである。コイル１０ｂの外端部は、軸方向に向けられたブリッジ４６によって、隣接するコイル１０ｃの外端部に接続され、その結果コイルは、端部３１ａおよび３１ｄに接続された電源（図示せず）による励磁に対して、電気的に直列接続となる。
【００２５】
同じ電流がそれぞれのコイル内を流れる。結果として生じる交互の電流の向きは、軸の上側は４０ａ乃至ｄ、軸の下側は４０ａ’乃至ｄ’で示され、向きは逆になる。各コイルがコア内に同じ向きの磁界を生成することを条件として、他の巻線方向および相互接続（たとえば並列および直列／並列の組合せ）が可能であることを理解されよう。奇数のコイルも使用可能であるが、偶数にすることによって、すべての外部接続がコイル・アセンブリの外周部で実行できることも理解されよう。
【００２６】
螺旋コイルは、任意の抵抗率の低い導電性材料であってよく、非磁性体が好ましい。こうした導体の中には、アルミニウム、銅、および金がある。非磁性体材料を選択することで、導体そのものの中に寄生磁界を発生させるのを防ぐ。
【００２７】
すでに上記で示したように、前述の螺旋コイル構造は、半導体分野および関連分野で知られた技法を使用することで実施可能であり、この構造は、図３乃至６に示された向きに対して９０°のコイルを使用して１層ずつ製造される。製造ステップは、図７（ａ）および（ｂ）に図示される。
【００２８】
図７（ａ）は、たとえばＡｌ、Ｃｕ、Ａｕなどの導電性材料の第１の層が蒸着され、フォトリソグラフィ、および該当する場合は当分野で周知のエッチング技法などの、マスキングを使用して、螺旋コイル１１０ａを形成する、絶縁層または基板１００を示す図である。第１の層には、パーマロイなどのコア材料の中央ボス１２０も蒸着される。次に、たとえばＡｌＯ２またはＳｉＯ２などの酸化物の絶縁材料の他の層１０２が続き、これは図７（ｂ）に示されるように１２２および１２４に開口部が設けられる。開口部１２２はコイル１１０ａの内端部に重なり、開口部１２２はコア１２４に重なる。
【００２９】
層１０２の上に第２の螺旋１１０ｂを蒸着すると、開口部１２２を介して導電性材料が蒸着され、コイル１１０ａおよび１１０ｂの内端部のブリッジ接続１４４を形成することになる。コア材料が開口部１２４を介して蒸着され、コア１２０の延長１２０’を形成することになる。この製造ステップを繰り返して、隣接コイルに積み重ねられ軸方向に間隔を置いた、他の平面螺旋コイルを形成する。ただし、図５および６の方式によれば、１１０ｂより上の次のコイル層は内端部で層１１０ｂと分離され、外端部でブリッジ接続されることに留意されたい。
【００３０】
図７（ａ）および（ｂ）の構造体の電気的な構成要素の形成は、磁性コアを供給することとは別であってよい。構造体は、コア開口部１２４を備えるが、コア材料を蒸着せずに製造することができる。コアは別のエンティティ、たとえばコア材料のワイヤの一部としてホールに挿入することが可能である。１層ずつ製造する場合、初期には開口部１２４を省略してもよく、その結果、軸部分は絶縁材料から構成される。次に構造体に、前述のように別のエンティティとしてコアを受け入れるための穴をドリルで開けることができる。これらの状況では、コイルの内端部をコイルからさらに離して放射状に間隔をあけて配置し、コイルの厚さｔを増やすことによって、その後コア内の磁界が損失してもこれを補償することが望ましいことが証明できる。次に、前述の教示に従って作成される検知装置の様々なパラメータについて論じる。
【００３１】
記載された実施形態の螺旋コイルは「円形」、すなわちｒ＝ｐθの形であって、ｒは半径、θは軸を中心とした角度、およびｐは定数である。他の螺旋形状も適合可能であるが、コア内の磁化が均質であることが望ましいことに留意されたい。もちろん、コアの断面を円形以外にすることも可能であり、その断面の形状を基にして巻線の形状を選択することができる。
【００３２】
すでに説明した理由により、コイル・システムに好ましい最低限の構成は、共通のコアを備えた２つの螺旋（図２および３）からなるものである。原則としてコイル・システムでは、螺旋の巻方向および接続に制限はない。すでに述べたように、コイル・システムの好ましい設計は、巻回方向が交互になった連続する螺旋導体層を製造すること、対の内端部に作られた接続部によって対の螺旋を接続すること、ならびに連続する対（複数の対があるものと想定する）を隣接する螺旋の外端部で接続することである。これが図５で採用された設計方式である。次に、完全なグループのうちの一番外側の２つの螺旋の外端部が、グループの逐次励磁に使用される。この巻回方向および相互接続を組み合わせることによって、すべての螺旋に印加された電流が、共通のコアに誘導される同じ方向の磁束を生じさせる。コイル・システムに偶数の螺旋を使用することで、可飽和インダクタを接続することになる回路の接続リードを、常に螺旋の外部で接続することもできる。
【００３３】
これにより、螺旋の中心端を接続するために、励磁電源からのリード用に別の層を追加する必要がなくなる。各螺旋を個々に接触させるために別々のリードを使用することで、各コイルに同じ巻回方向を採用できるようになるが、追加の層が生じるため、結果として常に後で蒸着される層がより平坦でなくなる。層の平坦さは均質な場の分布を達成する際に重要である。一方でより多くのコイル層の対を使用し、コアをより適切に飽和させ、感度を上げることの利点と、他方で製造プロセスにおける寸法誤差を増加させ、コアが長くなるほど分解能が失われることの間で、釣り合いを取らなければならない。
【００３４】
螺旋の巻回数は、結果として生じるコアに誘導される束密度およびリードの抵抗（抵抗率およびリードの長さによって与えられる）に従って、最適化しなければならない。巻回数が多くなっても、結果として生じる束密度が必ずしも同じ割合で上がるとは限らないが、全体の抵抗、したがってコイル・システムの電力消費は増加する。たとえば１６μｍ（厚さ）×２０μｍ（幅）および銅製の、リードの所与の断面の場合、領域内にある各螺旋について２０の巻回数を選択することが、抵抗および達成可能な束密度に関して好ましい。リードの任意の他の断面により、結果として異なる巻回数が好ましくなる場合がある。
【００３５】
４つの螺旋セットを使用することで、巻回がより多くコアがより長いコイル・システムを達成することができる。すべてのコイルが直列に接続されると仮定した場合、螺旋の数を倍にすれば、可飽和インダクタの抵抗（および電力消費）が確実に増加するが、コア内に誘導される束密度は同じ係数で増加する。螺旋の数を増やすよりも実際に重要なのがコアの形状寸法である。どちらも同じコア直径の場合、軸方向の短いコアは、長いコアに比べて減磁係数Ｎが悪い（０＜Ｎ＜１）。減磁係数Ｎが大きいと、結果としてコアの開放端に減磁界を生じさせることになり、そのために、コイル・システムによって完全に飽和することができない。コアが長くなるほど、飽和できないコア容積の割合、したがってシステムの効率に与える影響が少なくなる。これらの係数に顧慮して、コアの許容可能な減磁係数Ｎを達成するためには、６またはそれ以上の螺旋（３対）が好ましいことになる。
【００３６】
本発明に従った磁界検知装置は、０．１から０．２ｍｍの範囲の軸方向長さ、および１から２ｍｍの範囲の直径を有するように製造可能であることが企図される。
本発明の１つまたは複数の可飽和コアインダクタを、前述の国際公開明細書９８／５２０６３号に記載された信号処理回路におけるインダクタＬとして使用することが可能であり、それによって、インダクタが検知した磁界を表す出力が与えられる。
【００３７】
以上、磁界に関する飽和コア検知装置として可飽和インダクタの性能に影響を与える可能性のある係数および寸法パラメータについて述べてきた。コアは、コアに関連付けられたコイル構造によって生成された磁界に関連して作用する外部磁界に対して感度の高い方法で動作するものでなければならない。検出される外部磁界がある中での飽和コアの動作は、検出された場の関数である出力信号を生成することである。このために飽和コアを動作する方法の１つが、前述の国際公開９８／５２０６３号で開示されている。
【００３８】
飽和インダクタの設計ならびにその中およびその周辺での磁界の分布の態様を調査するための研究が行われてきた。この研究は、コンピュータ・シミュレーションで行われてきた。一般に、できる限りコア全体が飽和される設計を採用することが重要である。完全に飽和されたコアは均質に飽和されたと言い表すことが可能であり、飽和の量的な程度は飽和の均質性として表すことができる。
【００３９】
コンピュータ・シミュレーションでは、コア材料に前述のＮｉ／Ｆｅ合金、Ｎｉ７８Ｆｅ２２を選択した。この材料には結晶異方性Ｋおよび磁気歪みλがない。以前に述べた製造プロセスでは、磁気特性を詳細に知ることはできないが、選択された寸法について適切な動作推定値、すなわち飽和磁化ＢＳ＝０．８Ｔ、飽和保磁力Ｈｃ＝２．４Ａ／ｍ、および透磁性μｒ＝１０００を、達成することができた。
【００４０】
コイルの導体材料には、断面（ｔ×ｗ）が８μｍ×２０μｍの銅が選択された。以下で論じるシミュレーションから取得された好ましい厚さは、１６ｍｍである。螺旋コイルの１巻回あたりのピッチ（ｗ＋ｓ）を３０μｍとすると、隣接する巻回との間の間隔ｓは１０μｍとして選択された。
【００４１】
シミュレーション手順では、電流密度は、均一（均質）な直流密度Ｊｈが存在する全巻線ピッチ（ｗ＋ｓ）となるように幅が取られた、巻線の中に存在するものとみなされた。Ｊｈの値は、前述の巻線の例で電流密度の関係Ｊｈ＝Ｊ．ｗ／（ｗ＋ｓ）＝Ｊ／１．５を得るための、実際の導体の幅ｗと全ピッチ（ｗ＋ｓ）との比率によって、巻回幅ｗの中の電流密度Ｊに関係付けられる。励磁電流Ｉは、シミュレーションモデル中の電流密度Ｊ＝０．９３７５ｋＡ／ｍｍ２が得られる１５０ｍＡと選択され、均一な電流密度Ｊｈ＝０．６２５ｋＡ／ｍｍ２に基づいて計算された。
【００４２】
実行されたシミュレーションは磁気特性のみに絞られ、電流密度による熱、巻回間の電気的分離の質、あるいは材料特性の不均質性または不完全性（たとえばＢＳ、μｒ、Ｈｃ）などのどんな影響も考慮の対象とはしなかった。以下の設計の態様が考慮された。
【００４３】
コア材料
外部磁界の影響の下で導体のコアを飽和することにより、外部磁界を測定するために、コアの飽和磁化ＢＳは低くなければならない。ノイズを減らすためには、コア内の磁気歪みの影響も低いことが望ましい。これは、ガラス状合金などの、好結晶軸を持たない非結晶材料を使用することで達成可能である。残念ながら、ガラス状合金を基板上に蒸着することはできない。基板上に蒸着する材料の候補には、すでに述べたＮｉ７８Ｆｅ２２合金（パーマロイ）、ニッケルそれ自体、および他のＮｅ６５Ｆｅ３５などのＮｉ／Ｆｅ合金がある。Ｎｉコアは十分に飽和しない。Ｎｅ６５Ｆｅ３５合金はパーマロイと同様に適切に飽和するが、結晶異方性または磁気歪みがないのはパーマロイのみである。
【００４４】
コア直径（φ）
コアの飽和を達成するために、コアの長さは、積み重ねた平面螺旋コイルの軸長さとほぼ同じでなければならない。直径が長くなると減磁係数が減少することになるため、コアのアスペクト比（直径／長さ）は重要である。これは、飽和保磁力Ｈｃの高いコア材料によって打ち消すことができる。ただし、そのためには磁気歪みにつながる結晶異方性の高い材料を使用することになる。そこで、上記の「コア材料」で論じた問題が生じる。
【００４５】
コア長さ（ｌ）
螺旋コイルは比較的平坦、すなわち軸方向に薄く、放射状に広がっている。これにより、コイル内および密接な間隔をあけて積み重ねられたコイル内に、磁界が強力に集中することになる。したがって、積み重ねられた螺旋コイルが占有する軸長さと同じ軸長さのコアを使用することが好ましい。コアの長さを短く維持することも、検知装置の軸方向または長さ方向の適切な分解能を達成する際に有利である。
【００４６】
螺旋コイルの数（Ｃ）
複数のまたは積み重ねられた、軸方向に分離した螺旋コイルを使用することについては、すでに本発明の実施形態例で例証した。直近の各螺旋に与える影響はかなり大きいものである。各螺旋の力線はその隣の螺旋の力線に近いため、コア内の軸方向の場を増大させる。すでに述べたように、時計回りに巻回された対の中に偶数の螺旋があることが好ましく、Ｃ＝４の値が有利であるが、Ｃ＝６以上であればさらに良い。図７（ａ）および（ｂ）を参照しながら述べたように、蒸着プロセスによって形成される螺旋数が増加するにつれて、形成される各螺旋コイルの寸法が不正確となる確率が増加し、その結果、Ｃ＝６を超えても期待された恩恵をもたらすとは限らない場合がある。さらに、コア長さも増加することになる。
【００４７】
コイルあたりの巻回数（ｎ）
螺旋コイルの巻回数が増加するにつれて、外側の巻回がコア内の磁束に与える影響は少なくなる。本発明の実施において企図された寸法では、現在のところ、２０から３０までの巻回数を使用するのが好ましい。巻回数３０を超えると、コア磁束が強化される程度は小さくなっていく。
【００４８】
導体層の厚さ（ｔ）
層厚さが増加するにつれて、たとえコア材料の容積が増加しても、コアの磁化の均一性（均質な磁化）を損なうことなく、積み重ねられたコイル全体の長さは増加する。さらに、導体層が厚くなる（ただし同じ幅ｗ）と、同じ許容電流密度に対する巻回中の電流は増加する。これにより、コア内の飽和された材料の量が増加する。現在のところ、導体層厚さはｔ＝１６μｍが好ましい。
【００４９】
螺旋コイル間隔（ｄ）
導体層厚さの増加の影響に対して、隣接する導体層間の間隔または分離が増加すると、同様にコア長さも増加するが、コア磁化の均質性は低下することになる。前述の実施形態では、間隔はｄ＝１０μｍが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】（ａ）は、本発明に従った可飽和インダクタを形成するための、コアを備えた平面螺旋コイルの構造を示す図であり、（ｂ）は、寸法パラメータの注釈が付けられた螺旋コイルの一部を示す拡大図である。
【図２】互いに重ねられた巻回方向が反対の１対の螺旋コイルの正面図である。
【図３】本発明に従った可飽和インダクタを提供する、中心コア内に同じ方向の軸方向場を生成するように構造化および相互接続された、１対の平行な平面螺旋コイルの軸断面図である。
【図４】図３の構造の中央部分を示す拡大図である。
【図５】２対の４つの平行な平面螺旋コイルを使用する本発明に従った可飽和インダクタの他の実施形態を示す、軸方向断面図である。
【図６】図５の構造の中央部分を示す拡大図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、螺旋コイルおよびコアの製造プロセスにおける各段階を示す図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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