(57)【要約】  【課題】  本発明は、使用環境が厳しい状態であっても使用することが可能な磁気センサを提供することを目的とする。  【解決手段】  磁気センサ１であって、セラミック基板２と、セラミック基板２上に設けられた、内部にコイル３を有する矩形状のセラミック基体４と、を備え、コイル３は、セラミック基板２の上面に対して垂直方向の第１軸に巻かれた第１コイル３ａと、セラミック基板２の上面に沿った平面方向の第２軸に巻かれた第２コイル３ｂと、第１軸および第２軸の両軸に直交する方向の第３軸に巻かれた第３コイル３ｃと、を含んでいるとともに、第１コイル３ａ、第２コイル３ｂおよび第３コイル３ｃのそれぞれは、各コイル３の一端および他端が、セラミック基板２にまで延在している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板と、
前記セラミック基板上に設けられた、内部にコイルを有する矩形状のセラミック基体とを備え、
前記コイルは、前記セラミック基板の上面に対して垂直方向の第１軸に巻かれた第１コイルと、前記セラミック基板の上面に沿った平面方向の第２軸に巻かれた第２コイルと、前記第１軸および前記第２軸の両軸に直交する方向の第３軸に巻かれた第３コイルとを含んでいるとともに、
前記第１コイル、前記第２コイルおよび前記第３コイルのそれぞれは、各コイルの一端および他端が、前記セラミック基板にまで延在していることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気センサであって、
前記セラミック基体は、前記セラミック基板上に位置する第１基体と、前記第１基体上に位置する第２基体とからなり、
前記第１コイル、前記第２コイルおよび前記第３コイルは、前記第１基体および前記第２基体にわたって含まれており、
前記第１基体と前記第２基体との間には複数の導体が介在しており、前記第１基体内のコイルおよび前記第２基体内のコイルのそれぞれの対応する巻き線が、前記導体を介して電気的に接続されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の磁気センサであって、
前記セラミック基板および前記セラミック基体内には、グランドが設けられており、
前記グランドは、上下に対向する部分が前記セラミック基体内の前記コイルを上下から挟むように設けられている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、磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、測定対象磁場の強さ、測定環境に応じて、様々な磁気センサが開発されている（例えば、特許文献１参照）。現在では、温度変化の激しい、あるいは空気圧が真空状態を含む低圧状態のような使用環境で用いることができるものが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２５７７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、温度変化が激しい、あるいは低圧状態のような使用環境で用いるものは、樹脂等の有機材料からなる磁気センサを用いることが困難である。さらに、このような使用環境で用いることができるとともに、大きな磁場の領域を検出することができる磁気センサは、そもそも開発すること自体が困難であった。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、使用環境が厳しい状態であっても使用することが可能な磁気センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に係る磁気センサは、セラミック基板と、前記セラミック基板上に設けられた、内部にコイルを有する矩形状のセラミック基体と、を備え、前記コイルは、前記セラミック基板の上面に対して垂直方向の第１軸に巻かれた第１コイルと、前記セラミック基板の上面に沿った平面方向の第２軸に巻かれた第２コイルと、前記第１軸および前記第２軸の両軸に直交する方向の第３軸に巻かれた第３コイルと、を含んでいるとともに、前記第１コイル、前記第２コイルおよび前記第３コイルのそれぞれは、各コイルの一端および他端が、前記セラミック基板にまで延在していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、使用環境が厳しい状態であっても使用することが可能な磁気センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る磁気センサの概観を示す斜視図である。
【図２】本実施形態に係る磁気センサのセラミック基体の概観を示す斜視図であって、セラミック基体内の第１コイル、第２コイル、第３コイルおよびグランドを示している。
【図３】本実施形態に係る磁気センサのセラミック基体の概観を示す斜視図であって、セラミック基体内の第１コイルを示している。
【図４】本実施形態に係る磁気センサのセラミック基体の概観を示す斜視図であって、セラミック基体内の第２コイルを示している。
【図５】本実施形態に係る磁気センサのセラミック基体の概観を示す斜視図であって、セラミック基体内の第３コイルを示している。
【図６】本実施形態に係る磁気センサのセラミック基体内の平面図であって、セラミック基体内の第１コイル、第２コイルおよび第３コイルを示している。
【図７】本実施形態に係る磁気センサのセラミック基体の概観を示す斜視図であって、セラミック基体内のグランドを示している。
【図８】本実施形態に係る磁気センサの平面図である。
【図９】図７に示した仮想切断線Ｘ−Ｘ’に沿って磁気センサを切断した断面図であって、コイルを示している。
【図１０】図７に示した仮想切断線Ｙ−Ｙ’に沿って磁気センサを切断した断面図であって、グランドを示している。
【図１１】本実施形態に係る磁気センサのセラミック基体の概観を示す斜視図であって、第１基体および第２基体を示している。
【図１２】本実施形態に係る磁気センサのセラミック基体の概観を示す斜視図であって、第２コイルが導体で接続されている状態を示している。
【図１３】本実施形態に係る磁気センサのセラミック基体の概観を示す斜視図であって、第３コイルが導体で接続されている状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態に係る磁気センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００１０】
＜磁気センサの構成＞
磁気センサ１は、磁場を検出するためのものであって、磁場を発生させる対象物の近くに配置して、磁場を正確に検知するのに用いられる。例えば、磁気センサ１は、プラズマが発生させる磁場を正確に検知して、プラズマをコントロールするのに用いられる。プラズマが発生させる磁場を検知する使用環境は、環境温度が数百度から数千度にもなり、真空に近い低圧状態である。
【００１１】
磁気センサ１は、セラミック基板２と、セラミック基板２上に設けられた、内部にコイル３を有する矩形状のセラミック基体４と、を備えている。また、コイル３は、セラミック基板２の上面に対して垂直方向の第１軸に巻かれた第１コイル３ａと、セラミック基板２の上面に沿った平面方向の第２軸に巻かれた第２コイル３ｂと、第１軸および第２軸の両軸に直交する第３軸に巻かれた第３コイル３ｃと、を含んでいる。そして、第１コイル３ａ、第２コイル３ｂおよび第３コイル３ｃのそれぞれは、各コイルの一端および他端が、セラミック基板２にまで延在されている。
【００１２】
セラミック基板２は、セラミック基体４を固定するためのものであって、外部と接続することができる。セラミック基板２は、矩形状の板体であって、その上面にセラミック基体３が設けられる。セラミック基板２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化イットリウム等のセラミック材料からなる。なお、セラミック基板２は、例えば、平面視して一辺の長さが２０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であって、上下方向の長さが２ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定されている。
【００１３】
また、セラミック基板２は、外部の部材に固定するための螺子孔（図示せず）が設けられている。そして、セラミック基板２と外部の部材とが螺子等を介して固定される。
【００１４】
また、セラミック基体４は、内部にコイル３を設けたものであって、セラミック基板２上に設けられる。なお、コイル３およびグランド５の一部は、セラミック基板２とセラミック基体４との間で連続して電気的に接続されている。
【００１５】
セラミック基体４は、例えば、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化イットリウム等のセラミック材料からなる。なお、セラミック基体４は、例えば、平面視して一辺の長さが２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であって、上下方向の長さが５ｍｍ以上４０ｍｍ以下に設定されている。
【００１６】
セラミック基板２およびセラミック基体４は、セラミック基板２の内外を電気的に接続するためのコイル３およびグランド５の一部がそれぞれに設けられている。コイル３およびグランド５は、例えば、タングステン、モリブデン、マンガンまたは銅等の導電材料からなる。コイル３およびグランド５は、例えば、タングステン等の粉末に有機溶剤を添加して得た金属ペーストを、セラミック基板２となるセラミックグリーンシートに所定パターンで印刷し、複数のセラミックグリーンシートを積層して焼成することにより形成することができる。なお、セラミック基板２の内外に露出するコイル３およびグランド５の表面には、酸化防止のためにニッケルまたは金等の鍍金層が形成されている。
【００１７】
また、コイル３およびグランド５のそれぞれは、セラミック基板２内とセラミック基体４内とで連続して形成されている。そして、コイル３は、一端および他端が、セラミック基板２にまで延在されている。
【００１８】
図２は、セラミック基体３内のコイル３およびグランド５を模式的に示しており、各コイル３およびグランド５は互いに絶縁している関係にある。図３は、セラミック基体３内にある第１コイル３ａを模式的に示している。図４は、セラミック基体３内にある第２コイル３ｂを模式的に示している。図５は、セラミック基体３内にある第３コイル３ｃを模式的に示している。図６は、セラミック基体３内の平面図であって、セラミック基体３内のコイル３の関係を示しており、各コイル３が互いに絶縁している関係を示している。なお、図２から図５において、セラミック基体３内で示した実線および一点鎖線が、第１コイル３ａ、第２コイル３ｂまたは第３コイル３ｃであって、コイルの巻き線同士が離れているが、実際は巻き線が１本のラインを複数回巻いたものであって、連続したものである。
【００１９】
コイル３は、セラミック基板２の上面に対して垂直方向の第１軸に巻かれた第１コイル３ａと、セラミック基板２の上面に沿った平面方向の第２軸に巻かれた第２コイル３ｂと、第１軸および第２軸に直交する方向の第３軸に巻かれた第３コイル３ｃと、を含んでいる。
【００２０】
第１コイル３ａ、第２コイル３ｂおよび第３コイル３ｃのそれぞれは、電気的に絶縁された関係にある。また、第１コイル３ａ、第２コイル３ｂおよび第３コイル３ｃのそれぞれは、各コイル３の一端および他端が、セラミック基体４内からセラミック基板２にまで延在している。そして、各コイル３の一端が、セラミック基板２の上面に露出している。また、各コイル３の他端が、セラミック基板２内をとおって、第１凹部４ａにまで到達している。
【００２１】
また、各コイル３は、図６に示すように、第１コイル３ａの周囲に第２コイル３ｂおよび第３コイル３ｃが取り囲むように配置されて、各コイル３が電気的に絶縁している。
【００２２】
各コイル３の一端は、セラミック基板２の上面にまで延在しており、該一端のそれぞれが、外部の電子機器に接続される。また、各コイル３の他端は、セラミック基板２内の第１凹部４ａの底面にまで延在しており、該他端のそれぞれが、第１凹部４ａに挿入されるコネクタを介して外部の電子機器に接続される。また、各コイル３の一端と各コイル３の他端とを高さ位置が異なるように形成されることで、コネクタと各コイル３の他端との位置ずれを抑制することができる。仮に、各コイル３の一端と各コイル３の他端とが、同じ高さ位置に設けられていた場合は、環境温度が数百度から数千度にもなり、真空に近い低圧状態の動作環境で、コネクタと磁気センサとに作用する応力によってコネクタが変形したり、位置ずれが生じたりし、電気的な接続不良が発生する虞があり、コイル３がショートまたはオープンになることで電子機器に異常が発生してしまう。そこで、各コイル３の他端を第１凹部４ａの底面に形成することで、各コイル３の一端と各コイル３の他端との高さ位置を異ならせて、磁気センサに接続されるコネクタの位置ずれを抑制することができ、ひいては電子機器に異常が発生するのを抑制することができる。
【００２３】
図７は、セラミック基体３内にあるグランド５を示している。なお、図７において、セラミック基体３内で示した実線および一点鎖線が、グランド５であって、平面視したときに各コイル３の大部分を覆っている。
【００２４】
グランド５は、電気的に基準電位となり、各コイル３に上方または下方からセラミック基体４内に測定対象でない磁場が進入するのを防止するものである。グランド５は、セラミック基板２の上面に沿った平面方向の一対の層５ａと、一対の層の四隅を電気的に接続するビア導体５３からなる。
【００２５】
一対の層５ａの上層５１は、セラミック基体４内に設けられている。また、一対の層５ａの下層５２は、セラミック基板２内に設けられている。そして、上層５１と下層５２とは、ビア導体５３を介して電気的に接続されている。
【００２６】
また、セラミック基板２には、第２凹部４ｂが設けられている。第２凹部４ｂの側面には、下層５２が露出して形成されており、第２凹部４ｂが外部の電子機器と接続されて、例えばグランド等の基準電位に設定される。そして、グランド５が電界遮蔽のシールド効果を奏する。
【００２７】
グランド５は、セラミック基体４の側面には、ビア導体５３しか存在しない。そのため、セラミック基体４の側面を通る磁場は、セラミック基体４の側面の一方から他方に向かって通過するものがある。そして、セラミック基体４の側面を通る磁場を検出することができる。セラミック基体４の側面を通る磁場の変化は、コイル３の第１コイル３ａ、第２コイル３ｂおよび第３コイル３ｃのそれぞれで検知することができ、ＸＹＺ方向の３軸で検出することができる。
【００２８】
図１１は、セラミック基体４を示す概観斜視図であって、第１基体４１と、第２基体４２とからなるセラミック基体４を示している。また、図１２は、セラミック基体４を示す概観斜視図であって、第１基体４１内の第２コイル３ｂと第２基体４２内の第２コイル３ｂとを半田６を介して接続している状態を示している。また、図１３は、セラミック基体４を示す概観斜視図であって、第１基体４１内の第３コイル３ｃと第２基体４２内の第３コイル３ｃとを半田６を介して接続している状態を示している。
【００２９】
第１基体４１と第２基体４２とは、複数の導体６を介して接続されており、第１基体４１内のコイル３と、第２基体４２内のコイル３のそれぞれが、導体６と接続されている。つまり、第１基体４１と第２基体４２は、両者の内部に設けられたコイル３およびグランド５が上下で導通をとるために、両者の間に設けた導体６を介してそれぞれが個別に電気的に接続されている。なお、導体６は、例えば、ニッケル、インジウム、鉛、銀または錫等の金属を含む半田、あるいはろう材等の接合部材である。
【００３０】
セラミック基体４を大きくすることで、セラミック基体４の側面を通る磁場の量を多くすることができ、センシングの精度を向上させることができる。仮に、有機材料を用いて、セラミック基体に相当するものを大型化したとしても、温度環境が厳しい使用環境では、有機材料が破壊されるため、それを用いることができない。また、セラミック基体４そのものを大型化しようとしても、セラミックスの高度な焼成技術が必要となる。つまり、仮に、セラミック基体４を大きくするために、複数のセラミックグリーンシートを積層して、全てを一括に同時焼成しようとすると、グリーンシートに含まれる有機材料が焼成時に外部に放出されず、有機材料が焼成時に発するガスが内部に溜まって、導通不良を起こす虞が大きくなる。
【００３１】
そこで、セラミック基体４を大型化しても、導通不良が発生しないように、複数のセラミック基体を準備してから、セラミック基体内の巻き線のそれぞれを電気的に接続することで、セラミック基体４を大型化することができる。
【００３２】
事前に、第１基体４１と第２基体４２とをそれぞれ別々に焼成して準備しておく。そして、第１基体４１と第２基体４２とを、例えば半田ボールの導体６を介して、第１基体４１の下面に露出するコイル３の端部と、第２基体４２の上面に露出するコイル３の端部とを導体６で接続する。なお、半田ボールの直径は、例えば１００μｍ以上４００μｍ以下の大きさである。また、半田ボール同士の間の距離は、例えば０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下に設定されている。
【００３３】
セラミック基体４は、複数に分割したものを一つに組み立てることで、セラミック基体４を同時焼成して作製したものに比べて、内部に残存するガスを低減することができ、ガスによる内部応力を減少させることができる。その結果、高温の使用環境化でセラミック基体４を用いても、セラミック基体４が破壊されるのを抑制することができる。
【００３４】
また、第１基体４１と第２基体４２とを導体６を介して接続されている。そして、導体６によってセラミック基体４に加わる応力を吸収緩和することができ、セラミック基体４が破壊されるのを抑制することができる。
【００３５】
また、第１基体４１と第２基体４２とが導体６を介して接続されるため、第１基体４１と第２基体４２との間には隙間が生じる。そのため、セラミック基体４内のコイル３部分の発する熱は、第１基体４１と第２基体４２の間の隙間から外部に放熱され、コイル部分３の温度が上昇するのを抑制することができる。
【００３６】
本実施形態によれば、セラミックスからなる基板および基体を用いることで、使用環境が厳しい状態であっても使用することが可能な磁気センサ１を提供することができる。また、コイル３の端部を除いて、セラミック基板２およびセラミック基体４内に設けて、グランド５でカバーすることで、外部かららの影響を受けにくい、センシングレベルの高い磁気センサ１を提供することができる。
【００３７】
なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、導体６は、銅等からなる球状の保持部材の表面が銀ろう等のろう材で被覆されるとともに、第１基体４１の下面に露出するコイル３の端部と、第２基体４２の上面に露出するコイル３の端部とがろう材で取着されてもよい。その結果、第１基体４１および第２基体４２の内部に形成されたコイル３が、球状の保持部材およびろう材からなる導体６を介して電気的に接続されるとともに、第１基体４１および第２基体４２とが球状の保持部材およびろう材を介して接合固定される。その結果、第１基体４１と第２基体４２とを導体６を介して接合固定する際に生じる、熱膨張係数差に起因にした応力が、導体６の内部に分散されることにより、導体６に生じるクラックや導体６のコイル３の端部からの剥がれが抑制される。
【００３８】
＜磁気センサの製造方法＞
ここで、図１に示す磁気センサ１の製造方法について説明する。まず、セラミック基板２を準備する。セラミック基板２が、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して混合物を得る。そして、混合物から複数のグリーンシートを作製する。
【００３９】
また、タングステンまたはモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。そして、セラミック基板２となるセラミックグリーンシートにコイル３およびグランド５となるメタライズパターンおよび必要に応じてセラミック基体５を接合するためのメタライズパターンをそれぞれ所定パターンで印刷し、複数のセラミックグリーンシートを積層した状態で焼成することにより、セラミック基板２を準備することができる。なお、セラミック基板２には、焼成前に所定個所に予め螺子孔を形成しておく。螺子孔は、焼成後に外部と接続するのに用いることができる。
【００４０】
また、セラミック基体４を準備する。セラミック基体４は、セラミック基板２と同じセラミック材料を用いる。そして、焼成時に有機材料が外部に抜け出すように、例えば、上下方向の厚みが１０ｍｍ以下になるように、複数層のセラミックグリーンシートを積層し、個別に焼成することで、複数個に分割した第１基体４１および第２基体４２を準備する。
【００４１】
その後、第１基体４１と第２基体４２とを導体６としての例えば半田ボールを介して、第１基体４１内のコイルおよびグランドと第２基体４２内のコイルおよびグランドとを導通接続して、セラミック基体４１を作製することができる。
【００４２】
さらに、セラミック基板２内のコイルおよびグランドと、セラミック基体４内のコイルおよびグランドとを導通接続することで、例えば半田ボールを介して導通接続することで、磁気センサ１を作製することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  磁気センサ
２  セラミック基板
３  コイル
３ａ  第１コイル
３ｂ  第２コイル
３ｃ  第３コイル
４  セラミック基体
４ａ  第１凹部
４ｂ  第２凹部
４１  第１基体
４２  第２基体
５  グランド
５ａ  層
５１  上層
５２  下層
５３  ビア導体
６  導体
【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】
2013040907.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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