磁场检测装置和磁场检测装置阵列的制作方法

1.本发明涉及一种磁场检测装置，特别是涉及一种能够在不使用屏蔽室的情况下检测微弱的磁场的磁场检测装置。另外，本发明涉及一种具备多个磁场检测装置的磁场检测装置阵列。


背景技术：

2.作为不使用屏蔽室而能够检测微弱的磁场的磁场检测装置，已知有专利文献1所记载的磁场检测装置。专利文献1的图1所记载的磁场检测装置使用参照用的磁传感器来检测环境磁场，并基于该环境磁场使消除电流流过消除线圈，由此消除施加于测定用的磁传感器的环境磁场。另外，专利文献1的图7所记载的磁场检测装置通过将来自多个磁传感器的输出信号相加来提取环境磁场分量，使消除电流流过分别设置于多个磁传感器的消除线圈，由此消除施加于多个磁传感器的环境磁场。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2017-133993号公报


技术实现要素：

6.发明所要解决的技术问题
7.但是，在专利文献1的图1所记载的磁场检测装置中，对测定用的磁传感器和参照用的磁传感器分别分配有不同的消除线圈，专利文献1的图7所记载的磁场检测装置由于对多个磁传感器分别分配了消除线圈，因此，存在部件数量多这样的问题。另外，专利文献1的图7所记载的磁场检测装置需要将来自多个磁传感器的输出信号相加，因此，还存在电路结构变得复杂的问题。
8.因此，本发明的目的在于在不使用屏蔽室而能够检测微弱的磁场的磁场检测装置以及磁场检测装置阵列中，削减部件数量，并且简化电路结构。
9.用于解决技术问题的手段
10.本发明的磁场检测装置的特征在于，具备：绕线管；消除线圈，其卷绕于绕线管的卷芯部；第一以及第二磁传感器，其固定于绕线管的相互不同的位置，并且检测相互相同的方向的磁场分量；以及反馈电路，其根据第一磁传感器的输出信号使消除电流流过消除线圈，由此抵消消除空间的环境磁场，第二磁传感器配置于消除空间内。
11.根据本发明，由于对第一以及第二磁传感器使用共用的消除线圈，因此，能够削减部件数量，并且能够简化电路结构。
12.在本发明中，第一以及第二磁传感器均可以配置在从消除线圈的轴向观察时与消除线圈的内径区域重叠的位置。由此，能够使装置整体的尺寸小型化。
13.在本发明中，第一以及第二磁传感器的传感器头也可以在消除线圈的轴向上的位置互不相同。由此，能够防止信号磁场分量被消除线圈抵消。在该情况下，绕线管的卷芯部
也可以具有在第一凸缘部开口的第一腔室和在第二凸缘部开口的第二腔室，第一磁传感器容纳于第一腔室，第二磁传感器容纳于第二腔室。由此，能够使第一磁传感器与第二磁传感器的距离充分地分离。此外，在该情况下，也可以是第一磁传感器的传感器头从绕线管的第一凸缘部突出，第二磁传感器的传感器头从绕线管的第二凸缘部突出。由此，能够使测定对象物与第二磁传感器的距离接近。
14.本发明的磁场检测装置还具备固定于第一或第二凸缘部的电路基板，反馈电路也可以设置于电路基板。由此，能够有效利用第一或第二凸缘部。
15.本发明的磁场检测装置也可以具备多个第二磁传感器。由此，能够测定信号磁场分量的空间分布。
16.本发明的磁场检测装置也可以还具备电阻，其与消除线圈并联连接，并且电阻值比消除线圈的等效串联电阻大。由此，能够防止由第一磁传感器、反馈电路以及消除线圈构成的反馈环路的振荡。
17.本发明的一个方面的磁场检测装置阵列的特征在于，具备多个上述磁场检测装置，上述磁场检测装置具备多个第二磁传感器，多个磁场检测装置以消除线圈的轴向相互一致的方式排列成矩阵状。根据本发明，能够在宽范围内测定信号磁场分量的空间分布。
18.本发明的另一个方面的磁场检测装置阵列是多个磁场检测装置以阵列状排列而成的磁场检测装置阵列，其特征在于，多个磁场检测装置中的至少一个具有与具备多个第二磁传感器的上述磁场检测装置相同的结构，多个磁场检测装置的剩余部分具有从具备多个第二磁传感器的上述磁场检测装置中删除第一磁传感器的结构，构成为通过在消除线圈中流过消除电流而消除消除空间的环境磁场，多个磁场检测装置以消除线圈的轴向相互一致的方式排列成矩阵状。根据本发明，能够在宽范围内测定信号磁场分量的空间分布，并且能够削减所使用的磁传感器的数量。
19.在本发明中，也可以是，设置于多个磁场检测装置的多个第二磁传感器配置于在与消除线圈的轴向正交的第一方向上延伸的多个第一假想线、和在与消除线圈的轴向以及第一方向正交的第二方向上延伸的多个第二假想线的各交点，多个第一假想线的间距与多个第二假想线的间距相等。由此，能够以等间隔测定作为检测面的xy平面内的信号磁场分量的空间分布。
20.发明的效果
21.根据本发明，能够提供一种不使用屏蔽室而能够检测微弱的磁场，并且部件数量少且电路结构简单的磁场检测装置以及磁场检测装置阵列。
附图说明
22.图1是从测定面侧观察本发明的第一实施方式的磁场检测装置1的概略立体图。
23.图2是从背面侧观察磁场检测装置1的概略立体图。
24.图3是表示绕线管10的外观的概略立体图。
25.图4是表示磁传感器s1、s21～s24的内部结构的一个例子的示意图。
26.图5是表示磁场检测装置1的电路结构的框图。
27.图6是传感器芯片22的概略平面图。
28.图7是沿着图6所示的a-a线的概略截面图。
29.图8是包含磁传感器s1、反馈电路31以及消除线圈c2的反馈环路的电路图。
30.图9是磁传感器s21～s24以及检测电路32的电路图。
31.图10是用于说明设置有磁传感器s1、s21～s24的径向位置的示意图。
32.图11是用于说明消除空间40的位置的示意图。
33.图12是表示将多个磁场检测装置1排列成阵列状的例子的示意图。
34.图13是用于说明本发明的第二实施方式的磁场检测装置2的结构的概略截面图。
35.图14是表示磁场检测装置2的外观的概略分解立体图。
36.图15是包含磁传感器s1、反馈电路31以及消除线圈c2、c3的反馈环路的电路图。
37.图16是表示包含消除线圈c3的磁传感器s1、s21～s24的内部结构的一个例子的示意图。
38.图17是表示本发明的第三实施方式的磁场检测装置3的外观的概略立体图。
39.图18是表示本发明的第四实施方式的磁场检测装置4的外观的概略立体图。
40.图19是表示本发明的第五实施方式的磁场检测装置5的外观的概略立体图。
41.图20是表示本发明的第六实施方式的磁场检测装置6的外观的概略立体图。
42.图21是表示本发明的第七实施方式的磁场检测装置7的外观的概略立体图。
具体实施方式
43.以下，一边参照附图，一边对本发明的优选实施方式进行详细地说明。
44.图1及图2是表示本发明的第一实施方式的磁场检测装置1的外观的图，图1是从测定面侧观察的概略立体图，图2是从背面侧观察的概略立体图。
45.如图1及图2所示，第一实施方式的磁场检测装置1具备由树脂材料等构成的绕线管10、卷绕于绕线管10的消除线圈c2、以及固定于绕线管10的多个磁传感器s1、s21～s24。绕线管10的结构如图3所示，具有卷芯部13和设置于卷芯部13的z方向上的两端的凸缘部11、12。卷芯部13的外周面在从z方向观察时为圆形。消除线圈c2卷绕于绕线管10的卷芯部13，因此消除线圈c2的线圈轴向为z方向。卷芯部13为筒状，具有沿z方向延伸的中空部14。
46.在本实施方式中，在绕线管10的卷芯部13设置有8个腔室a1～a8。腔室a1～a8是沿z方向贯通卷芯部13的贯通孔，腔室a1～a8的z方向上的一端在凸缘部11开口，腔室a1～a8的z方向上的另一端在凸缘部12开口。腔室a1～a8的径向位置相互相同。而且，在本实施方式中，在腔室a6中容纳有磁传感器s1，在腔室a1、a3、a5、a7中分别容纳有磁传感器s21～s24。磁传感器s1的传感器头从凸缘部11向z方向突出，磁传感器s21～s24的传感器头从凸缘部12向z方向突出。磁传感器s1、s21～s24分别经由导线l0～l4与固定于绕线管10的凸缘部11的电路基板15连接。在图1和图2所示的例子中，腔室a2、a4、a8空，但也可以在腔室a2、a4、a8中容纳其他的磁传感器。即，能够将最多8个磁传感器固定于绕线管10。
47.根据该结构，磁传感器s1、s21～s24均配置在从z方向观察时与消除线圈c2的内径区域重叠的位置，且磁传感器s1的传感器头与磁传感器s21～s24的传感器头的z方向上的位置相互不同。磁传感器s21～s24的传感器头在z方向上的位置相互相同。另外，磁传感器s1的传感器头和磁传感器s21～s24的传感器头的以线圈轴为中心的径向位置相互相同。
48.磁传感器s1是用于检测地磁等环境磁场分量的传感器，磁传感器s21～s24是用于检测从测定对象物发出的信号磁场分量的传感器。磁传感器s1、s21～s24的灵敏度轴向均
为z方向，其大部分位于消除线圈c2的内径区域，如上所述，磁传感器s21～s24的传感器头从凸缘部12突出。这是为了使磁传感器s21～s24的传感器头更接近测定对象物。即，是因为，如果磁传感器s21～s24的传感器头被埋入绕线管10，则测定对象物与磁传感器s21～s24的传感器头的距离变大。另一方面，磁传感器s1的传感器头不需要从凸缘部11突出，但为了提高与磁传感器s21～s24的对称性，优选使磁传感器s1从凸缘部11突出的突出量与磁传感器s21～s24从凸缘部12突出的突出量一致。
49.图4是表示磁传感器s1、s21～s24的内部结构的一个例子的示意图。
50.在图4所示的例子中，磁传感器s1、s21～s24具有彼此相同的结构，均具备：传感器容纳体20、容纳于传感器容纳体20的基板21、搭载于基板21的传感器芯片22以及集磁体23。集磁体23是沿z方向延伸的棒状体，由铁氧体等高导磁率材料构成。集磁体23的z方向上的一端构成传感器头h，在集磁体23的z方向上的另一端配置传感器芯片22。由此，从位于传感器头h附近的测定对象物发出的z方向的信号磁场分量被集磁体23集磁，并施加于传感器芯片22。
51.图5是表示本实施方式的磁场检测装置1的电路结构的框图。
52.如图5所示，本实施方式的磁场检测装置1具备与磁传感器s1连接的反馈电路31和与磁传感器s21～s24连接的检测电路32。反馈电路31是生成用于抵消环境磁场分量的反馈电流f1的电路，由反馈电路31生成的反馈电流f1被提供给消除线圈c2。由此，磁传感器s1、反馈电路31以及消除线圈c2构成抵消环境磁场分量的反馈环路。另一方面，检测电路32根据来自磁传感器s21～s24的输出信号，生成表示从测定对象物发出的信号磁场分量的检测信号vout。
53.图6是传感器芯片22的概略平面图，图7是沿着图6所示的a-a线的概略截面图。
54.如图6及图7所示，在传感器芯片22的元件形成面集成有四个磁阻效应元件m1～m4和消除线圈c1。消除线圈c1被绝缘膜24覆盖，在绝缘膜24上形成有磁阻效应元件m1～m4。磁阻效应元件m1～m4被绝缘膜25覆盖。并且，从z方向观察，集磁体23配置于磁阻效应元件m1、m2与磁阻效应元件m3、m4之间。由此，被集磁体23集磁的z方向的磁场在传感器芯片22的元件形成面上向 x方向及-x方向分配。其结果，对磁阻效应元件m1、m2和磁阻效应元件m3、m4施加相互反向的磁场分量。在此，磁阻效应元件m1～m4的固定磁化方向均在 x方向或-x方向上对齐。
55.另外，消除线圈c1以与磁阻效应元件m1～m4重叠的方式配置，当在消除线圈c1中流过消除电流时，对磁阻效应元件m1、m2和磁阻效应元件m3、m4施加相互反向的消除磁场。
56.图8是包含磁传感器s1、反馈电路31以及消除线圈c2的反馈环路的电路图。
57.如图8所示，磁传感器s1所包含的磁阻效应元件m1～m4被桥式连接，由此生成的差分信号被提供给反馈电路31所包含的差动放大器31a。差动放大器31a基于差分信号生成反馈电流f1。反馈电流f1流过串联连接的消除线圈c1、c2。由此，消除线圈c1、c2以作为磁传感器s1的输出信号的差分信号分量成为零的方式产生消除磁场。
58.另外，在本实施方式中，在消除线圈c2并联连接有电阻r1。电阻r1的电阻值设定为大于消除线圈c2的等效串联电阻(esr)，优选设定为esr的10倍以上，更优选设定为esr的100倍以上。由此，反馈电流f1中的由地磁等引起的低频分量流过消除线圈c2，另一方面，对于成为振荡的原因的高频分量，绕过电阻r1。其结果，能够防止反馈环路的振荡，并且能够
正确地消除地磁等环境磁场分量。
59.图9是磁传感器s21～s24以及检测电路32的电路图。
60.如图9所示，磁传感器s21～s24所包含的磁阻效应元件m1～m4被桥式连接，由此生成的差分信号被供给至检测电路32所包含的差动放大器32a。差动放大器32a基于差分信号生成反馈电流f2。反馈电流f2流向消除线圈c1。由此，消除线圈c1以作为磁传感器s21～s24的输出信号的差分信号分量成为零的方式产生消除磁场。
61.进而，在检测电路32中设置有对反馈电流f2进行电流电压转换的电阻r2和对电阻r2的两端间电压进行测定的电压测定电路33。由此，当反馈电流f2流动时，生成与该电流量成比例的检测信号vout。
62.图10是用于说明设置有磁传感器s1、s21～s24的径向位置的示意图。
63.如图10所示，从消除线圈c2的轴向(z方向)观察，磁传感器s1配置于从消除线圈c2的内径区域的中心偏移的位置。如上所述，消除线圈c2以施加于磁传感器s1的环境磁场分量成为零的方式产生消除磁场。但是，环境磁场分量成为零的不仅是配置有磁传感器s1的位置，在与消除线圈c2呈同心圆状分布的消除空间40中，环境磁场分量也成为零。这是因为，由于消除磁场的强度分布为同心圆状，所以如果环境磁场分量相同，则在与磁传感器s1径向位置相同的区域中，环境磁场分量被完全抵消。
64.如图11所示，消除空间40不仅对称地形成在磁传感器s1的传感器头所在的凸缘部11侧，还对称地形成在磁传感器s21～s24的传感器头所在的凸缘部12侧。并且，在本实施方式中，在形成于凸缘部12侧的消除空间40内配置磁传感器s21～s24。由此，施加于磁传感器s21～s24的环境磁场分量也成为零，因此，仅对磁传感器s21～s24施加从测量对象物发出的信号磁场分量。因此，能够在不使用屏蔽室的情况下检测微弱的磁场。而且，由于对5个磁传感器s1、s21～s24分配共用的消除线圈c2，因此，能够削减部件数量，并且能够简化电路结构。
65.在本实施方式中，腔室a1～a8的径向位置相互相同，因此，即使在哪个腔室内容纳磁传感器s21～s24，施加于磁传感器s21～s24的环境磁场分量也为零。而且，在本实施方式中，将用于检测环境磁场分量的磁传感器s1的传感器头设置于凸缘部11侧，将用于检测信号磁场分量的磁传感器s21～s24的传感器头设置于凸缘部12侧，因此，从测定对象物发出的信号磁场分量几乎不施加于磁传感器s1，所以，信号磁场分量的一部分或全部不会被消除。而且，如果在使产生微弱的磁场的测定对象物接近磁传感器s21～s24的传感器头的状态下进行测定，则能够实时地检测从测定对象物发出的信号磁场分量。另外，由于消除线圈c2与磁传感器s1、s21～s24固定于相同的绕线管10，因此，也几乎不产生消除线圈c2与磁传感器s1、s21～s24之间的位置偏移。
66.这样，如果使用本实施方式的磁场检测装置1，则能够通过简单的结构高灵敏度地检测微弱的磁场。另外，如图12所示，如果以消除线圈的轴向相互一致的方式将本实施方式的磁场检测装置1排列成阵列状，则能够将用于检测信号磁场分量的磁传感器s21～s24矩阵状地排列在xy平面上。在图12所示的例子中，在沿x方向延伸的假想线x1～x6和沿y方向延伸的假想线y1～y6的各交点配置有磁传感器s21、s22、s23或s24。在此，如果以假想线x1～x6的间距p与假想线y1～y6的间距p相等的方式进行设计，则能够大范围地测定信号磁场分量的空间分布。
67.在将多个磁场检测装置1排列成阵列状的情况下，不需要将用于检测环境磁场分量的磁传感器s1设置于所有的磁场检测装置1，也可以在任意一个磁场检测装置1中设置磁传感器s1，将反馈电流f1供给到各磁场检测装置1的消除线圈c2。由此，能够削减所使用的磁传感器的数量。
68.图13是用于说明本发明的第二实施方式的磁场检测装置2的结构的概略截面图。另外，图14是表示磁场检测装置2的外观的概略分解立体图。
69.如图13所示，第二实施方式的磁场检测装置2具备插入于绕线管10的中空部14的其他绕线管50和卷绕于绕线管50的卷芯部53的消除线圈c3。其他基本的结构与第一实施方式的磁场检测装置1相同，因此，对相同的要素标注相同的符号，并省略重复的说明。
70.绕线管50具有卷芯部53和设置于卷芯部53的z方向上的两端的凸缘部51、52。消除线圈c3卷绕于绕线管50的卷芯部53，因此，消除线圈c3的线圈轴向为z方向。如图15所示，消除线圈c3与消除线圈c2串联连接。由此，与第一实施方式的磁场检测装置1相比，能够产生更强的消除磁场。
71.如图16所示，消除线圈c3也可以卷绕于磁传感器s1内的集磁体23。由此，即使在环境磁场分量比较强的情况下，也能够防止集磁体23的磁饱和。图16所示的结构也能够应用于磁传感器s21～s24。
72.图17～图19分别是表示本发明的第三～第五实施方式的磁场检测装置3～5的外观的概略立体图。
73.如图17所示，第三实施方式的磁场检测装置3在从z方向观察的绕线管10的形状为四边形这一点上，与第一实施方式的磁场检测装置1不同。如图18所示，第四实施方式的磁场检测装置4在从z方向观察的绕线管10的形状为八边形这一点上与第一实施方式的磁场检测装置1不同。如图19所示，第五实施方式的磁场检测装置5在从z方向观察的绕线管10的形状为椭圆形这一点上与第一实施方式的磁场检测装置1不同。
74.如第三～第五实施方式的磁场检测装置3～5所例示的那样，在本发明中，绕线管的形状并不限定于圆形。
75.图20是表示本发明的第六实施方式的磁场检测装置6的外观的概略立体图。
76.如图20所示，第六实施方式的磁场检测装置6与第一实施方式的磁场检测装置1的不同点在于，磁传感器s1与磁传感器s21～s24的z方向上的位置相同，且磁传感器s1与磁传感器s21～s24的以线圈轴为中心的径向位置相互不同。在图20所示的例子中，磁传感器s1位于线圈轴的中心。
77.如第六实施方式的磁场检测装置6所例示的那样，在本发明中，磁传感器s1与磁传感器s21～s24的z方向上的位置也可以相同。另外，在本实施方式中，磁传感器s1和磁传感器s21～s24的以线圈轴为中心的径向位置相互不同，因此，如果在设置有磁传感器s1的位置(线圈轴的中心)完全消除环境磁场分量，则在设置有磁传感器s21～s24的位置(从线圈轴的中心偏移的位置)残留环境磁场分量。因此，在本实施方式中，不需要在设置有磁传感器s1的位置完全消除环境磁场分量，而需要调整反馈环路的增益，使得在设置有磁传感器s21～s24的位置处环境磁场分量被完全消除。
78.图21是表示本发明的第七实施方式的磁场检测装置7的外观的概略立体图。
79.如图21所示，第七实施方式的磁场检测装置7与第一实施方式的磁场检测装置1的
不同点在于，扩大了凸缘部11、12的径向上的面积，在比卷芯部13靠径向上的外侧设置有其他腔室b1～b8。在图21所示的例子中，在位于径向上的内侧的腔室a1～a8中容纳有四个磁传感器s21～s24，在位于径向上的外侧的腔室b1～b8中容纳有四个磁传感器s1。
80.如第七实施方式的磁场检测装置7所例示的那样，不需要用于容纳磁传感器的腔室的径向位置全部相同，也可以在绕线管上设置径向位置不同的多个腔室。另外，用于检测环境磁场分量的磁传感器s1的数量并不限定于一个，也可以使用多个。
81.以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更，当然这些也包含在本发明的范围内。
82.例如，在第一实施方式的磁场检测装置1中，具备四个检测信号磁场分量的磁传感器和一个检测环境磁场分量的磁传感器，但检测信号磁场分量的磁传感器的数量、检测环境磁场分量的磁传感器的数量没有特别限定。
83.符号的说明
84.1～7
…
磁场检测装置
85.10、50
…
绕线管
86.11、12、51、52
…
凸缘部
87.13、53
…
卷芯部
88.14
…
中空部
89.15
…
电路基板
90.20
…
传感器容纳体
91.21
…
基板
92.22
…
传感器芯片
93.23
…
集磁体
94.24、25
…
绝缘膜
95.31
…
反馈电路
96.31a
…
差动放大器
97.32
…
检测电路
98.32a
…
差动放大器
99.33
…
电压测定电路
100.40
…
消除空间
101.a1～a8、b1～b8
…
腔室
102.c1～c3
…
消除线圈
103.f1、f2
…
反馈电流
104.h
…
传感器头
105.l0～l4
…
导线
106.m1～m4
…
磁阻效应元件
107.r1、r2
…
电阻
108.s1、s21～s24
…
磁传感器