JP7754479B2 - 平行フラックスゲートセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、衣類や食品等に混入した磁性異物の検出装置用の検出センサに用いられる平行フラックスゲートセンサ及びその製造方法に関する。

フラックスゲートセンサは高透磁率材料の磁化飽和性を利用して磁場の１方向成分を検出するものである。フラックスゲートとは軟磁性体の高透磁率を利用したものであり、高透磁率の軟磁性体は外部磁界を吸収する。このため軟磁性体の磁芯にコイルを巻き、コイルに電流を流して磁気飽和させると、吸収していた外部磁界を放出する。そこで別のコイルを検出コイルとして巻いておき、励磁電流を加えると、軟磁性体は外部磁界の吸収・放出を繰り返すため、トランスと同原理で誘起電圧が発生する。
フラックスゲート方式の磁気センサは、微小な静磁界でも検出できるため、高感度な磁気センサなどに利用されている（例えば特許文献１に開示）。このうち平行フラックスゲートセンサは、高透磁材料からなる磁芯の周囲に励磁コイルを巻き、励磁コイルに通電することで発生する磁界によって、磁芯を磁気飽和させるので、磁芯に何等かの電気的な接合は必要なく、励磁コイル及び検出コイル（ピックアップコイルともいう）が同じ形態であるため製造が容易である利点がある。
通常、高透磁材料であるアモルファスのフィルムやワイヤなどによる磁芯は、何らかの方法で保持されており、これにコイルが回巻きされる。

しかしながら、小型のフラックスゲートセンサは、通常、磁芯がフィルム又はワイヤ状であるため、保持方法が適正でないと磁芯材料の質量によるたわみ、又は外部印加磁界の電磁力によるたわみが生じてしまう。これらのたわみによる応力は磁性体からなる磁芯の磁歪特性に影響を及ぼし、その結果磁性体の磁気特性を変化させてセンサの出力が安定しないなどの微小磁界の検出に支障を来たすことがある。
同様に保持方法が適正でない場合は、外部から印加される振動、又は励磁コイルから印加される電磁力による振動が磁芯に生じる。磁芯の振動は、磁芯の局所部分に断続的にたわみを生じさせることとなり、磁芯の磁歪特性に影響を及ぼし、その結果、磁性体の磁気特性を変化させてセンサの出力が安定しないなど微小磁界の検出に支障を来たしてしまう。また、磁芯が振動すると、検出磁界との相対位置が変化するため、センサ出力に磁芯の振動によるノイズが重畳されて微小磁界の検出に支障を来たしてしまう。
また高透磁材料であるアモルファスのフィルムやワイヤなどによる磁芯を備えた小型の平行フラックスゲートセンサは、構成部品が小さく製造する際に位置合わせ等が困難であった。

特開２０１４－８１３００号公報

本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑み、磁芯材料の質量によるたわみ又は外部印加磁界の電磁力による磁芯のたわみ、または外部から印加される振動又は励磁コイルから印加される電磁力による振動を抑制する平行フラックスゲートセンサ及びその製造方法を提供することにある。
また本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑み、平行フラックスゲートセンサの製造が容易な平行フラックスゲートセンサの製造方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するための第１の手段として、フィルム又はワイヤ状の磁性金属からなり直線状の磁芯を２個平行に配置し、それぞれの前記磁芯に励磁コイル及び検出コイルを設けた平行フラックスゲートセンサにおいて、
前記磁芯は、たわみ又は振動を抑制する大きさの非磁性物質の支持体の間に挟持して前記支持体の両端から前記励磁コイル及び前記検出コイルを差し込んだのみであり、
前記支持体の端部は、センサ構成部材の取付溝の縁に掛ける支持片を備えたことを特徴とする平行フラックスゲートセンサを提供することにある。
上記第１の手段によれば、磁芯を支持する支持体により磁芯のたわみ又は振動を抑制できる。また支持体は、前記励磁コイル又は前記検出コイルが巻き回されたボビン、空芯に巻き回された前記励磁コイル又は前記検出コイルの取り付けガイド、保持具のいずれかの役割を果たすことができる。また、磁芯及び支持体を基板等のセンサ構成部材に容易に取り付けて位置合わせすることができる。

本発明は、上記課題を解決するための第２の手段として、第１の手段において、前記磁芯は、長さ寸法及び幅寸法の少なくとも一部が同等以上の大きさの前記支持体で挟持されていることを特徴とする平行フラックスゲートセンサを提供することにある。
上記第２の手段によれば、磁芯を確実に挟持することができ、磁芯のたわみ又は振動を抑制できる。

本発明は、上記課題を解決するための第３の手段として、第１又は第２の手段において、前記支持体の厚みは、前記磁芯の厚みよりも３倍以上大きいことを特徴とする平行フラックスゲートセンサを提供することにある。
上記第３の手段によれば、磁芯のたわみ又は振動を十分に抑制できる。

本発明は、上記課題を解決するための第４の手段として、第１ないし第３のいずれか１の手段において、前記支持体は、前記励磁コイルと前記検出コイルを取り付け位置に位置合わせする幅方向に突出した突き当て部を備えたことを特徴とする平行フラックスゲートセンサを提供することにある。
上記第４の手段によれば、支持体及び磁芯に取り付ける励磁コイル及び検出コイルの位置合わせを容易に行うことができる。

本発明は、上記課題を解決するための第５の手段として、第１ないし第４のいずれか１の手段において、前記励磁コイル及び前記検出コイルは、同一方向及び同一回数で巻き回されていることを特徴とする平行フラックスゲートセンサを提供することにある。
上記第５の手段によれば、励磁コイル及び検出コイルを同一部品とすることができ、励磁コイル及び検出コイルが同一部品でない場合のように、制作時に励磁コイルと検出コイルを混同する事態の防止となり、また部品点数の削減による低コスト化を実現できる。

本発明は、上記課題を解決するための第６の手段として、第１ないし第５のいずれか１の手段において、２個の前記磁芯のそれぞれに設置された前記検出コイルは、並列接続されることを特徴とする平行フラックスゲートセンサを提供することにある。
上記第６の手段によれば、励磁コイルによって磁芯を逆方向に励磁した際に、検出コイルを並列接続して、それぞれの検出コイルに発生する誘導起電力の平均値を得ている。このため２個の磁芯の磁束変化による誘導起電力の励磁磁界成分を打ち消し、外部印加磁界を十分な精度で検出できる。

本発明は、上記課題を解決するための第７の手段として、第１ないし第５のいずれか１の手段において、２個の前記磁芯のそれぞれに設置された前記検出コイルは、直列接続されることを特徴とする平行フラックスゲートセンサを提供することにある。
上記第７の手段によれば、励磁コイルによって磁芯を逆方向に励磁した際に、検出コイルを直列接続して、それぞれの検出コイルの発生する誘導起電力の和を得ている。このため２個の磁芯の磁束変化による誘導起電力の励磁磁界成分を打ち消し、外部印加磁界を十分な精度で検出できる。

本発明は、上記課題を解決するための第８の手段として、第１ないし第７のいずれか１の手段において、前記磁芯に設置された前記励磁コイル及び前記検出コイルは、前記磁芯の全長の１／１０以下の距離で設置されていることを特徴とする平行フラックスゲートセンサを提供することにある。
上記第８の手段によれば、外部印加磁界を十分な精度で検出できる。

本発明は、上記課題を解決するための第９の手段として、第１ないし第８のいずれか１の手段において、前記励磁コイル及び前記検出コイルは、前記磁芯の長手方向中心から前記磁芯の端部までの距離の７割以下の範囲に設置されていることを特徴とする平行フラックスゲートセンサを提供することにある。
上記第９の手段によれば、磁芯の端部に発生する反磁界の効果に影響されることなく、外部印加磁界を十分な精度で検出できる。

本発明は、上記課題を解決するための第１０の手段として、支持体の間に磁芯を差し込んで挟持する挟持工程と、
支持体の両端から励磁コイル及び検出コイルを差し込んで中心の突き当て部に突き当てるまで移動するコイルの装着工程と、
支持体の支持片をセンサ構成部材の取付溝の縁に掛けて支持体の下部を取付溝に収納する実装工程と、
を有することを特徴とする平行フラックスゲートセンサの製造方法を提供することにある。
上記第１０の手段によれば、支持体に差し込むコイルの位置合わせが突き当て部に突き当てるだけで容易に行える。また支持体を基板に実装するときには、支持体の本体から突出した支持片を引っ掛けるだけで容易に位置合わせができる。

本発明によれば、磁芯を支持する支持体により磁芯のたわみ又は振動を抑制できる。
また支持体は、前記励磁コイル又は前記検出コイルが巻き回されたボビン、空芯に巻き回された前記励磁コイル又は前記検出コイルの取り付けガイド、保持具のいずれかの役割を果たすことができる。

本発明の平行フラックスゲートセンサの概略図である。 支持体及び磁芯の正面図である。 コイル内径ｄと、支持体の幅寸法ｂ、磁芯及び支持体の厚み寸法（ｍ、ｌ）の関係を示す説明図である。 本発明の平行フラックスゲートセンサの製造工程図である。 変形例の平行フラックスゲートセンサの説明図である。

本発明の平行フラックスゲートセンサ及びその製造方法の実施形態について、図面を参照しながら、以下詳細に説明する。
［平行フラックスゲートセンサ１０］
図１は、本発明の平行フラックスゲートセンサの概略図である。図２は支持体及び磁芯の正面図である。図示のように本発明の平行フラックスゲートセンサ１０は、フィルム又はワイヤ状の磁性金属からなり直線状の磁芯１２を２個平行に配置し、それぞれの磁芯１２に励磁コイル１４及び検出コイル１６を設けている。各磁芯１２は、たわみ又は振動を抑制する大きさの非磁性物質の支持体２０で支持されている。励磁コイル１４は直列で互いに逆極性となるように接続され、駆動電源１７により電流を流すと互いに磁界は逆向きとなるようになっている。また検出コイル１６同士は並列又は直列接続され、それらは検出器１８によって検出できるようになっており、励磁電流で誘起される磁界を検知できる。例えば磁性体が近くを通ることにより磁界の変動が生じて、この変動成分を検出できる。

（磁芯１２）
磁芯１２は、高透磁率、かつ軟磁性のアモルファス金属を用い、その形状は、フィルム又はワイヤ状である。磁芯１２に対して周期的に磁気非飽和状態（＝高透磁率）と、磁気飽和状態（磁気非飽和状態よりも著しく小さい透磁率）または、磁気飽和に近い状態（磁気非飽和状態に比較し、小さい透磁率）を繰り返し発生させて、磁芯１２に通過する周辺磁界による磁束通過と排出を繰り返し発生させることで、周辺磁界の変化量を磁束の通過と排出の変化量に変換し、これを検出コイル１６の誘導起電力の変化量に変換することで、周辺磁界の変化を検出することができる。

（支持体２０）
支持体２０は、磁芯１２を両側からサンドイッチ状に挟む非磁性物質である樹脂板である。支持体２０は、素材に一例として安価、入手容易、加工容易性を考慮してガラスエポキシ板を用いることができる。
また支持体２０は、非磁性物質である樹脂板と、絶縁性の樹脂材料を成形、塗布などの手法により樹脂モールド状に形成したものとの組み合わせとしても良い。
支持体２０の厚みに関して、支持体２０の厚みが大きすぎると、励磁コイル１４及び検出コイル１６のコイル径が大きくなりセンサ全体の小型化が図れない。一方、支持体２０の厚みが小さすぎると、強度が弱く磁芯１２のたわみ又は振動を抑制できないばかりか、磁芯１２を支持体２０で挟持して基板上に組み付けることが困難となる。
そこで本発明の支持体２０の厚みは、磁芯１２の厚みよりも３倍以上大きく設定している。磁芯１２は通常アモルファスフィルムなどで構成され、これらアモルファスフィルムのヤング率Ｅ（ａ）は通常１００Ｇｐａ程度である。一方、支持体２０は例えばガラスエポキシ板で構成され、ヤング率Ｅ（ｇ）は、通常２０Ｇｐａ程度である。したがって、支持体２０の厚みを磁芯１２の厚みの３倍以上とすると、外部応力が加わった場合のひずみ量が半分以下となり、支持体を用いる効果が顕著になる。これにより、磁芯１２のたわみ又は振動を十分に抑制できる。
また支持体２０は、磁芯１２のたわみ又は振動を抑制できるように、長さ寸法及び幅寸法の少なくとも一部、換言すると最大長が同等以上の大きさに設定している。
図３はコイル内径ｄと、支持体の幅寸法ｂ、磁芯及び支持体の厚み寸法（ｍ、ｌ）の関係を示す説明図である。ここで励磁コイル１４及び検出コイル１６の内径をｄ、支持体２０の幅寸法をｂ、支持体２０の厚み寸法をｌ、磁芯１２の厚み寸法をｍとする。磁芯１２を支持体２０で挟持したときの厚み寸法をｘとする。ｘ＝２ｌ＋ｍ、かつｌ＞３ｍを満たす必要がある。
またｄ^２≧ｂ^２＋ｘ^２を満たすように設定すると良い。

支持体２０は、両端に基板の取付溝の縁に掛ける支持片２２Ａ，２２Ｂを備えている。支持片２２Ａ，２２Ｂは、支持体２０の正面視で端部下方を一部切り欠いた鍵状に形成した箇所であり、支持体２０と一体形成している。鍵状の支持片２２Ａ，２２Ｂの下方側面間の距離は、基板の取付溝の長さ寸法よりも短く設定し、支持体２０を基板に取り付けるときに、支持片２２Ａ，２２Ｂの上方が取付溝の縁に掛かり、支持片２２Ａ，２２Ｂの下方が取付溝内に収まる。また両端の支持片２２Ａ，２２Ｂの長さは、支持体２０の取り付け方向の識別が必要な場合に備え、長い片２２Ｂと短い片２２Ａに変えている。例えば、長い片２２Ｂを検出コイル１６側、短い片２２Ａを励磁コイル１４側などとする。これにより、基板に取り付ける磁芯１２及び支持体２０の取り付け方向（向き）を容易に合わせることができ、取り付け間違いを防止できる。

支持体２０は、励磁コイル１４と検出コイル１６を取り付け位置に位置合わせする幅方向に突出した突き当て部２４を備えている。突き当て部２４は、支持体２０の中心位置から上下（幅方向）に突出した箇所であり、支持体２０と一体形成している。突き当て部２４を設けることにより、支持体２０で挟持した磁芯１２に、励磁コイル１４及び検出コイル１６を取り付けるときに、励磁コイル１４を支持体２０の一端から挿入し、検出コイル１６を支持体２０の他端から挿入すると、励磁コイル１４及び検出コイル１６は、中心の突き当て部２４に突き当たる。このようにコイルを突き当て部２４に突き当たるまで挿入することで、容易に位置合わせを行うことができる。

（励磁コイル１４及び検出コイル１６）
励磁コイル１４及び検出コイル１６は、同一方向及び同一回数で巻き回されている。これにより励磁コイル１４および検出コイル１６を同一部品とすることができ、励磁コイル１４及び検出コイル１６が同一部品ではない場合のように、制作時に励磁コイル１４と検出コイル１６を混同する事態の防止となり、また部品点数の削減による低コスト化を実現できる。

磁芯１２に設置された励磁コイル１４及び検出コイル１６の間の距離（隙間ΔＬ）と、磁芯１２の長さ寸法（Ｌ０）との比率を、Ｌ０の１／１０以下の距離で設定されている。これにより外部印加磁界を十分な精度で検出できる。
また励磁コイル１４及び検出コイル１６は、磁芯１２の長手方向の中心Ｏを基点として、磁芯１２の端部までの距離（Ｌ０／２）の７割以下の範囲に設置している。これにより磁芯の端部に発生する反磁界の効果に影響されることなく、外部印加磁界を十分な精度で検出できる。

２個の磁芯１２のそれぞれに設置された検出コイル１６は、並列又は直列接続される。これにより励磁コイル１４によって磁芯１２を逆方向に励磁した際、検出コイル１６を並列接続した場合は、それぞれの検出コイル１６に発生する誘導起電力の平均値を得て、また検出コイル１６を直列接続した場合は、それぞれの検出コイル１６の発生する誘導起電力の和を得ている。従って、並列直列いずれの場合でも２個の磁芯１２の磁束変化による誘導起電力の励磁磁界成分を打ち消して外部印加磁界を十分な精度で検出できる。
図５は変形例の平行フラックスゲートセンサの説明図である。同図（Ａ）に示す平行フラックスゲートセンサ１０Ａは、突き当て部２４を除き支持体２０と磁芯１２の長さ寸法及び幅寸法を同じ長さに設定している。
同図（Ｂ）に示す平行フラックスゲートセンサ１０Ｂは、支持体２０の長さ寸法が磁芯１２よりも大きく、幅寸法が一部（両端及びコイル内部）磁芯１２と同じ長さに設定している。
同図（Ｃ）に示す平行フラックスゲートセンサ１０Ｃは、支持片２２の形状が同じであり、支持体２０の長さ寸法の一部が磁芯１２よりも一部大きく形成している。また支持体２０の長手方向の一部に凹部４０を設けている。凹部４０は、支持体２０に挟持された磁芯１２が見える覗き窓、はみだし等の位置ズレを確認することができる。また突き当て部２４は上部のみ形成した構成であっても良い。

［製造方法］
上記構成による本発明の平行フラックスゲートセンサの製造方法について以下説明する。図４は本発明の平行フラックスゲートセンサの製造工程図である。

（支持体と磁芯の挟持工程）
フィルムまたはワイヤ状の磁芯１２と、ガラスエポキシ板を加工して長短の支持片２２Ａ，２２Ｂ及び突き当て部２４を備えた支持体２０を用意する（図４（１）参照）。
２枚の支持体２０の間に磁芯１２を差し込み、磁芯１２が支持体２０からはみ出ないように長さ方向及び幅方向の位置合わせを行う。

（コイルの装着工程）
磁芯１２を挟持した支持体２０の両端からコイルを差し込む（図４（２）参照）。支持体２０両端の支持片２２Ａ，２２Ｂは突出長さが異なり、励磁コイル１４及び検出コイル１６を差し込む側を任意に決められる。
差し込んだ励磁コイル１４及び検出コイル１６を支持体２０の中心に設けた突き当て部２４に突き当たるまで移動させる。これにより容易に位置合わせができる。

（基板上に実装工程）
励磁コイル１４及び検出コイル１６を組み上げた支持体２０を基板３０の取付溝３２に実装する（図４（３）参照）。
基板３０の取付溝３２は、あらかじめ支持体２０の支持片２２Ａ，２２Ｂを除く本体とコイルが嵌る大きさに設定してあり、鍵状の支持片２２Ａ，２２Ｂの凸部分を取付溝３２の縁に引っ掛けて支持体２０の下部及び励磁コイル１４及び検出コイル１６を溝内に収容する。必要があれば、突出長さが異なる支持片２２Ａ、２２Ｂの向きを確認することで、支持体２０の取り付け方向を揃えることができる。

（シリコン樹脂固定工程）
励磁コイル１４及び検出コイル１６のリード線を基板３０の端子（不図示）に半田付けする。センサの動作確認をした後、支持体２０と磁芯１２の位置合わせ、すなわち磁芯１２が支持体２０からはみ出していないかを確認し、励磁コイル１４及び検出コイル１６が突き当て部２４に接触しているかなどを確認する。このような位置合わせ確認をした後、シリコン樹脂３４を支持体２０の所定箇所に塗布して固定する（図４（４）参照）。

このような本発明の平行フラックスゲートセンサの製造方法によれば、支持体に差し込むコイルの位置合わせが突き当て部に突き当てるだけで容易に行える。また支持体を基板に実装するときには、支持体の本体から突出した支持片を引っ掛けるだけで容易に位置合わせができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能である。
また、本発明は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、種々の組み合わせによって実施可能である。

１０ 平行フラックスゲートセンサ
１２ 磁芯
１４ 励磁コイル
１６ 検出コイル
１７ 駆動電源
１８ 検出器
２０ 支持体
２２，２２Ａ，２２Ｂ 支持片
２４ 突き当て部
３０ 基板
３２ 取付溝
３４ シリコン樹脂
４０ 凹部

Claims (10)

1. フィルム又はワイヤ状の磁性金属からなり直線状の磁芯を２個平行に配置し、それぞれの前記磁芯に励磁コイル及び検出コイルを設けた平行フラックスゲートセンサにおいて、
   前記磁芯は、たわみ又は振動を抑制する大きさの非磁性物質の支持体の間に挟持して前記支持体の両端から前記励磁コイル及び前記検出コイルを差し込んだのみであり、
   前記支持体の端部は、センサ構成部材の取付溝の縁に掛ける支持片を備えたことを特徴とする平行フラックスゲートセンサ。
2. 請求項１に記載された平行フラックスゲートセンサであって、
   前記磁芯は、長さ寸法及び幅寸法の少なくとも一部が同等以上の大きさの前記支持体で挟持されていることを特徴とする平行フラックスゲートセンサ。
3. 請求項１又は請求項２に記載された平行フラックスゲートセンサであって、
   前記支持体の厚みは、前記磁芯の厚みよりも３倍以上大きいことを特徴とする平行フラックスゲートセンサ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１に記載された平行フラックスゲートセンサであって、
   前記支持体は、前記励磁コイルと前記検出コイルを取り付け位置に位置合わせする幅方向に突出した突き当て部を備えたことを特徴とする平行フラックスゲートセンサ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１に記載された平行フラックスゲートセンサであって、
   前記励磁コイル及び前記検出コイルは、同一方向及び同一回数で巻き回されていることを特徴とする平行フラックスゲートセンサ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１に記載された平行フラックスゲートセンサであって、
   ２個の前記磁芯のそれぞれに設置された前記検出コイルは、並列接続されることを特徴とする平行フラックスゲートセンサ。
7. 請求項１ないし請求項５のいずれか１に記載された平行フラックスゲートセンサであって、
   ２個の前記磁芯のそれぞれに設置された前記検出コイルは、直列接続されることを特徴とする平行フラックスゲートセンサ。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１に記載された平行フラックスゲートセンサであって、
   前記磁芯に設置された前記励磁コイル及び前記検出コイルは、前記磁芯の全長の１／１０以下の距離で設置されていることを特徴とする平行フラックスゲートセンサ。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１に記載された平行フラックスゲートセンサであって、
   前記励磁コイル及び前記検出コイルは、前記磁芯の長手方向中心から前記磁芯の端部までの距離の７割以下の範囲に設置されていることを特徴とする平行フラックスゲートセンサ。
10. 支持体の間に磁芯を差し込んで挟持する挟持工程と、
    支持体の両端から励磁コイル及び検出コイルを差し込んで中心の突き当て部に突き当てるまで移動するコイルの装着工程と、
    支持体の支持片をセンサ構成部材の取付溝の縁に掛けて支持体の下部を取付溝に収納する実装工程と、
    を有することを特徴とする平行フラックスゲートセンサの製造方法。