説明

磁気センサ

【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。

【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

【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。

【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】
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【図12】
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【図13】
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【公開番号】特開2013−40907(P2013−40907A)
【公開日】平成25年2月28日(2013.2.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−179864(P2011−179864)
【出願日】平成23年8月19日(2011.8.19)
【出願人】(000006633)京セラ株式会社 (13,660)
【Fターム(参考)】