(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界検出エレメントに通電し、その通電中での外部磁界による前記磁界検出エレメントのインピ−ダンス変化より外部磁界を検出するセンサであり、絶縁基板の電極間に磁界検出エレメントをたるみを付与して接続したことを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】
磁界検出エレメントのたるみによる余長が、たるみがないときの磁界検出エレメントの長さをＩ０、磁界検出エレメントの熱膨張収縮係数をα１、絶縁基板の熱膨張収縮係数をα２、平温をＴ０ 、使用時の温度をＴ１して｜Ｉ０（α１−α２）（Ｔ１−Ｔ０）｜以上とされている請求項１記載の磁界センサ。
【請求項３】
絶縁基板がセラミックス基板であり、磁界検出エレメントのたるみによる余長が、たるみがないときの磁界検出エレメントの長さをＩ０、磁界検出エレメントの熱膨張収縮係数をα１、セラミックス基板の熱膨張収縮係数をα２、平温をＴ０としてＩ０（α１−α２）（Ｔ０＋３０）以上とされている請求項１記載の磁界センサ。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は磁界検出エレメント、例えばアモルファス磁性体の磁気インピ−ダンス効果を利用した磁界センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁界検出エレメントとして、自発磁化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向の磁区が交互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤが開発されている。
かかる零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス磁性ワイヤに高周波電流したときに発生するワイヤ両端間出力電圧中のインダクタンス電圧分は、ワイヤの横断面内に生じる円周方向磁束によって上記の円周方向に易磁化性の外殻部が円周方向に磁化されることに起因して発生する。従って、周方向透磁率μθは同外殻部の円周方向の磁化に依存する。
【０００３】
而るに、この通電中のアモルファスワイヤに外部磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁束と外部磁束との合成により、上記円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれ、それだけ円周方向への磁化が生じ難くなり、上記周方向透磁率μθが変化し、上記インダクタンス電圧分が変動することになる。
【０００４】
更に、上記通電電流の周波数がＭＨzオ−ダになると、高周波表皮効果を無視し得なくなり、表皮深さδ＝（２ρ／wμθ）１／２（μθは前記した通り、円周方向透磁率、ρは電気抵抗率、wは角周波数)がμθにより変化し、このμθが前記した通り、外部磁界によって変化するので、ワイヤ両端間出力電圧中の抵抗電圧分も外部磁界で変動するようになる。
【０００５】
而して、インピ−ダンスＺは
【数１】
Ｚ＝ｒａ／（２δ）＋ｊｗＬ０２δ／ａ                  ▲１▼
で与えられる。
ただし、ａはアモルファスワイヤの半径、ｒは直流抵抗値、Ｌ０はアモルファスワイヤの内部インダクタンス、δは前記した表皮深さであり、アモルファスワイヤの長さをＩとして
【数２】
ｒ＝ρ（Ｉ／πａ２）
【数３】
Ｌ０＝μθＩ／８π
で与えられる。
【０００６】
従来、外部磁界による上記インダクタンス電圧分、または抵抗電圧分あるいはインダクタンス電圧分と抵抗電圧分の双方、すなわち、アモルファスワイヤ両端間出力電圧の変動（この外部磁界による出力電圧の変動は磁気インピ−ダンス効果と称されている）から外部磁界を検出する方法が提案されている（例えば、特開平７−１８１２３９号）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記アモルファスワイヤの磁気インピ−ダンス効果を利用した磁界検出法は、屋外機器の磁界制御や高温度環境での機器の磁界制御、例えば工業用ロボットの磁界制御、自動車用磁気方位センサ等での使用が期待されており、その使用温度範囲としては少なくとも−３０℃〜８０℃程度を予定しておくことが必要である。
而るに、上記インピ−ダンスが温度により変化することは予測されるところであるが、本発明者の検討結果によれば、アモルファスワイヤを用いた従来の磁界センサでは、上記−３０℃〜８０℃の温度領域において、平温（２０℃）を境にし上記インピ−ダンス中のインダクタンスが温度変化に対して急変する。
すなわち、図３の（イ）の点線で示すように−３０℃→８０℃→−３０℃の温度変化において、ほぼ２０℃〜８０℃の間ではｄＬ／ｄＴが負となるのに対し、ほぼ２０℃〜−３０℃の間ではｄＬ／ｄＴが正となり、ほぼほぼ２０℃境にしてインダクタンスの変化状態が急変する。
【０００８】
そこで本発明者はこの原因について鋭意究明したところ、磁界センサの支持基板とアモルファスワイヤとの熱膨張収縮係数、ヤング率及び断面積の相違に起因してアモルファスワイヤに作用する熱応力が原因と推定される。
すなわち、基板上の電極間にアモルファスワイヤを接続したときの温度をＴ０とし、アモルファスワイヤの熱膨張収縮係数、ヤング率並びに断面積をそれぞれα１、ｅ１及びｓ１とし、基板の熱膨張収縮係数、ヤング率並びに断面積をそれぞれα２、ｅ２及びｓ２とすれば、ある温度Ｔでのアモルファスワイヤの熱応力δは、
【数４】
δ＝−ｅ１（α１−α２）（Ｔ−Ｔ０）／〔１＋（ｅ１ｓ１）／（ｅ２ｓ２）〕
で与えられ、アモルファスワイヤの断面積ｓ１が基板の断面積ｓ２に対し、ｓ１《ｓ２であるため
【数５】
δ＝−ｅ１（α１−α２）（Ｔ−Ｔ０）
が成立する。
而るに、アモルファスワイヤの熱膨張収縮係数α１は、例えば基板にアルミナセラミックスを使用した場合の熱膨張収縮係数α２よりも大であり、平温Ｔ０よりも低い温度領域ではアモルファスワイヤに引張り応力が作用し、その温度が低くなるに従いその引張り応力が増大していく。平温Ｔ０よりも高い温度領域では式  の応力が圧縮性になるが、アモルファスワイヤが長さ方向圧縮によりたるみ、そのたるみにより圧縮力が吸収されるからアモルファスワイヤの応力は実質上０となる。而して、上記インダクタンスが平温である２０℃を基点とし温度低下に従い減少していく状態は、上記引張り応力が同２０℃を基点とし温度低下に従い増大していく状態によく一致する。
【０００９】
周知の通り、磁性体においては、温度が上昇するにつれて磁気分子が回転し易くなってその回転損失が小さくなっていくために、温度上昇につれ透磁率が減少してインダクタンスが低減していく。また、温度が上昇するにつれて自由電子の運動が激しくなっていくために、温度上昇につれ抵抗値が増大していく。
而るに、アモルファスワイヤの抵抗値−温度特性は図３の（ロ）に示す通りであり、インダクタンスの場合とは異なり、上記引張り力の影響を受けることはないと推定される。
ところがインダクタンスについては、引張力が作用しない温度領域では、通常通りの変化（温度上昇につれてインダクタンスが減少していく変化）を呈しているが、引張り応力が作用する温度領域では、温度上昇につれてインダクタンスが増加していき、通常とは逆の変化を呈している。
【００１０】
アモルファスワイヤの磁気インピ−ダンス効果を利用して外部磁界を検出する磁界センサにおいて、ある温度でインダクタンスが急変すれば出力も急変するから、上記平温でのインダクタンスの急変は検出誤差を招く原因となる。
そこで、本発明者はアモルファスワイヤに充分なたるみを与えアモルファスワイヤに引張り応力を発生させないようにして前記−３０℃〜８０℃の温度領域でインダクタンス−温度の関係を調べたところ、インダクタンスの変化が全温度領域において温度上昇と共に減少していき、通常のインダクタンス−温度特性を示すことを知った。
【００１１】
本発明の目的は、上記の鋭意検討結果に基づき、磁界検出エレメントの磁気インピ−ダンス効果を利用して外部磁界を検出する磁界センサにおいて、アモルファスワイヤのインダクタンスの温度変化に対する急変を防止し、温度の影響を充分に防止して外部磁界を適確に検出できるようにすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る磁界センサは、アモルファス磁性体に通電し、その通電中での外部磁界による前記アモルファス磁性体のインピ−ダンス変化より外部磁界を検出するセンサであり、絶縁基板の電極間にアモルファス磁性体をたるみを付与して接続したことを特徴とする構成である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１の（イ）は本発明に係る磁界センサの平面図を、図１の（ロ）は同じく側面図をそれぞれ示している。
図１において、１は絶縁基板、例えばアルミナセラミックス基板である。２，２は基板１に固着した電極であり、リ−ド部２１を備えている。３は電極２，２間に接続した磁界検出エレメント、例えばアモルファスワイヤであり、たるみ（基板に垂直な方向のたるみ量がｙ、水平な方向のたるみ量がｘ）４を付与し、アモルファスワイヤ３と各電極２との間は溶接により接合してある。
【００１４】
上記たるみは、例えば温度−３０℃〜８０℃の領域においてアモルファスワイヤに引張り応力を発生させることのない余長ΔＩを付与し得る大きさであり、たるみが０のときのアモルファスワイヤの溶接点間の長さをＩ０、アモルファスワイヤの熱膨張収縮係数をα１、基板の熱膨張収縮係数をα２、平温（電極にアモルファスワイヤを接続したときの温度）をＴ０とすると、
α１＞α２の場合（基板がセラミックス基板やガラスエポキシ基板の場合）、
【数６】
ΔＩ＞Ｉ０（α１−α２）（Ｔ０＋３０）                ▲２▼
α１＜α２の場合（基板が紙フェノ−ル基板の場合）、
【数７】
ΔＩ＞Ｉ０（α２−α１）（８０−Ｔ０）                ▲３▼
で与えられる。
これらの要件は、使用温度範囲の最低温度または最高温度をＴ１とすれば
【数８】
ΔＩ＞｜Ｉ０（α１−α２）（Ｔ１−Ｔ０）｜
で表わすことができる。
【００１５】
上記磁界検出エレメントとしては、例えば回転液中紡糸法（溶融合金を円形ノズルから噴出させ、これを高速回転の冷却液中に入射させて急冷凝固する方法）による得られる線径１００〜２０μｍのアモルファス細線を使用できる。アモルファスワイヤに代え、アモルファスリボン、例えばガン法（溶解炉に不活性ガスを吹き込み、溶解炉下方のスリットより溶融金属を吹き出させ、これを下方の金属すべり台に叩きつけて急冷凝固する方法）により得られるリボンを使用することもできる。
また、同様の方法で作られた微細晶質の細線やリボンも使用できる。
上記アモルファス合金としては、零磁歪乃至は負磁歪の鉄、コバルトまたはニッケル系の合金、例えばＦｅＣｏＳｉＢ合金を使用できる。
【００１６】
上記絶縁基板としては、セラミックス基板、ガラスエポキシ基板、紙フェノ−ル基板等を使用できる。
【００１７】
本発明に係る磁界センサは、高周波電流またはパルス電流を通電中の磁界検出エレメントに軸方向に通過する外部磁界により磁界検出エレメントの透磁率μθが変化し、その結果前記の式▲１▼で示したインピ−ダンスの抵抗分やインダクタンス分が変化する現象、すなわち磁気インピ−ダンス効果を利用して外部磁界を検出するものであり、例えばアモルファスワイヤをインダクティブ素子としてコルピッツ発振回路を組立て外部磁界によるインダクタンスの変化で発振波の振幅を変調させ、この変調波を復調し、この復調出力を増幅してセンサ出力とする方式、Ｃ−ＭＯＳインバ−タＩＣで構成した無安定マルチバイブレ−タの出力電流をアモルファスワイヤに流し、そのアモルファスワイヤの両端に現われるパルス電圧をショツトキ−ダイオ−ドとコンデンサ・抵抗並列回路とでホ−ルドしてセンサ出力とする方式等を使用できる。
【００１８】
本発明に係る磁界センサにおいては、例えば−３０℃〜８０℃の温度範囲で使用しても、磁界検出エレメントに引張り応力を発生させないようにしてあるから、次の実施例と比較例とのインダクタンスの測定結果からも明らかなように、温度変化に対するインダクタンス変化を前記温度範囲の全領域においてほぼ一様にでき、インダクタンスの急変点の発生を排除でき外部磁界を適確に検出できる。すなわち、インダクタンスの急変が生じる場合は、このためにセンサ出力が変化するから検出誤差の原因となるが、本発明に係る磁界センサによれば外部磁界を検出誤認の畏れなしに適確に検出できる。
【００１９】
なお、磁界検出エレメントのたわみの形状や方向により磁界検出エレメントの軸方向を通過する外部磁界量が変わり、センサ出力も影響を受けるので、たわみの形状や方向は一律とすることが望ましい。たるみの形状は円弧状に限定されない。例えば、図２の（イ）（平面図）及び図２の（ロ）に示すように、両端部を立ちあげた水平線の形状とすることもできる。
【００２０】
【実施例】
〔実施例〕
厚み３０ｍｍのアルミナセラミックス基板（熱膨張収縮係数７．０×１０ −６/℃)上に電極を電極間隔を３ｍｍにして設け、これらの電極間に外径３０μｍφのアモルファスワイヤ（熱膨張収縮係数１２．０×１０−６/℃)をたるみをもたせて接続した。余長は、前記式▲２▼中のＩ０（α１−α２）（Ｔ０＋３０）より求めたたるみの大きさのほぼ１．５倍とした。
【００２１】
〔比較例〕
アモルファスワイヤをたるみを付与せずに直線状で接続した以外、実施例に同じとした。
【００２２】
これらの実施例及び比較例のそれぞれにつき（試料数は各１０箇）、−３０℃→８０℃→−３０℃の温度変化のもとで周波数１００ｋＨｚでのインダクタンス及び抵抗値を測定したところ、図３の通りであった（平均値）。
【００２３】
図３から明らかな通り、比較例（従来例）では温度ほぼ２０℃でインダクタンス変化が急変しているが、実施例ではインダクタンスの急変点の発生がなく温度上昇に対し一様な変化を呈している。
この相違は、抵抗値には観られないインダクタンスに特有なものであり、比較例のインダクタンスの急変点と引張り応力の発生起点温度とが一致することから引張り応力に起因することが明らかであり、引張り応力の発生を排除した実施例ではインダクタンスの急変を防止できるのである。
【００２４】
【発明の効果】
本発明に係る磁界センサは、通電中の磁界検出エレメントに軸方向に通過する外部磁界により磁界検出エレメントの透磁率μθが変化して磁界検出エレメントのインピ−ダンスが変化する現象、すなわち磁気インピ−ダンス効果を利用して外部磁界を検出する磁界センサにおいて、−３０℃〜８０℃の範囲で周囲温度が変化しても温度変化に対するインダクタンス変化の急変を防止でき、センサ出力が急変してもそれは周囲温度の変化によるものではなく外部磁界の急変によるものであり、外部磁界を磁界検出エレメントの磁気インピ−ダンス効果により的確に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁界センサの一例を示す図面である。
【図２】本発明に係る磁界センサの別例を示す図面である。
【図３】本発明に係る磁界センサの温度−インピ−ダンス特性を示す図である。
【符号の説明】
１      絶縁基板
２      電極
３      磁界検出エレメント
【図１】
0004223124.tif 000002
【図２】
0004223124.tif 000003
【図３】
0004223124.tif 000004