磁场检测装置和磁场检测装置阵列

技术领域

本发明涉及磁场检测装置，特别涉及能够呈阵列状排列的磁场检测装置。

背景技术

在专利文献1的图12中，公开有能够通过将多个磁场检测装置排列成阵列状来测定面内的磁场分布的磁场检测装置阵列。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-133993号公报

发明内容

发明所要解决的问题

但是，在专利文献1的图12中记载的磁场检测装置阵列中，磁场检测装置的个数和布局的变更很不容易。

因此，本发明的目的在于在将磁场检测装置排列成阵列状的情况下使磁场检测装置的个数和布局的变更变得容易。

用于解决问题的方式

本发明的磁场检测装置的特征在于，包括：绕线架；卷绕于绕线架的消除线圈；固定于绕线架，从与轴向垂直的方向覆盖消除线圈的罩盖部件；和固定于绕线架或罩盖部件的第一磁传感器，罩盖部件具有沿消除线圈的轴向延伸且彼此位于相反侧的第一和第二侧面，在第一和第二侧面，分别设置有第一和第二卡合部，第一卡合部的形状为能够与第二卡合部的形状卡合的形状。

根据本发明，在从与轴向垂直的方向覆盖消除线圈的罩盖部件设置有第一和第二卡合部，因此能够在与第一和第二侧面正交的第一方向上排列任意个数的磁场检测装置。

在本发明中，也可以为如下结构：罩盖部件具有沿消除线圈的轴向延伸且彼此位于相反侧的第三和第四侧面，在第三和第四侧面分别设置有第三和第四卡合部，第三卡合部的形状为能够与第四卡合部的形状卡合的形状。由此，能够在与第三和第四侧面正交的第二方向上排列任意个数的磁场检测装置。在这种情况下，第一和第二侧面与第三和第四侧面也可以相互正交。由此，能够通过使在第一方向上相邻的2个磁场检测装置的第一和第二卡合部相互卡合，使在第二方向上相邻的2个磁场检测装置的第三和第四卡合部相互卡合，构成呈矩阵状排列有多个磁场检测装置的磁场检测装置阵列。

在本发明中，也可以为如下结构：罩盖部件具有沿消除线圈的轴向延伸且彼此位于相反侧的第五和第六侧面，在第五和第六侧面，分别设置有第五和第六卡合部，第五卡合部的形状是能够与第六卡合部的形状卡合的形状，第一和第二侧面、第三和第四侧面、第五和第六侧面，相互形成60°的角。由此，能够通过使在第一方向上相邻的2个磁场检测装置的第一和第二卡合部相互卡合，使在第二方向上相邻的2个磁场检测装置的第三和第四卡合部相互卡合，使在第三方向上相邻的2个磁场检测装置的第五和第六卡合部相互卡合，构成呈蜂窝状排列有多个磁场检测装置的磁场检测装置阵列。

本发明的磁场检测装置也可以为如下结构，即，包括：固定于绕线架或罩盖部件的第二磁传感器；和通过对应于第二磁传感器的输出信号而在消除线圈流动消除电流，来抵消消除空间的环境磁场的反馈电路，第一磁传感器配置在消除空间内。由此，能够消除地磁等均匀的环境磁场成分。而且，因为对第一和第二磁传感器使用共同的消除线圈，能够削减零件个数，并且能够简化电路结构。

在本发明中，第一和第二磁传感器的感测头中，消除线圈的轴向上的位置也可以相互不同。由此，能够防止信号磁场成分被消除线圈抵消。在这种情况下，绕线架的卷芯部具有在轴向上的一侧开口的第一空腔和在轴向上的另一侧开口的第二空腔，第一磁传感器收纳于第一空腔，第二磁传感器收纳于第二空腔。由此，能够使第一磁传感器与第二磁传感器距离充分地隔开间隔。进一步，在这种情况下，第一磁传感器的感测头也可以从绕线架或罩盖部件向轴向上的一侧突出，第二磁传感器的感测头也可以从绕线架或罩盖部件向轴向上的另一侧突出。由此，能够使测定对象物与第一磁传感器的距离靠近。

发明的效果

根据本发明，能够在将磁场检测装置排列成阵列状的情况下，容易地进行磁场检测装置的个数和布局的变更。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的磁场检测装置1的外观概略立体图。

图2是表示罩盖部件100的外观概略立体图。

图3是从测定面侧看主体部200时的概略立体图。

图4是从背面侧看主体部200时的概略立体图。

图5是表示绕线架10的外观概略立体图。

图6是表示磁传感器S1、S21～S24的内部结构的一个例子示意图。

图7是表示主体部200的电路结构框图。

图8是传感器芯片22的概略俯视图。

图9是沿着图8所示的A-A线的概略截面图。

图10是包含磁传感器S1、反馈电路31和消除线圈C2的反馈环的电路图。

图11是磁传感器S21～S24和检测电路32的电路图。

图12是用于说明设置有磁传感器S1、S21～S24的径向位置的示意图。

图13是用于说明消除空间40的位置的示意图。

图14是表示将2个磁场检测装置1组合得到的磁场检测装置阵列概略立体图。

图15是表示将9个磁场检测装置1组合得到的磁场检测装置阵列概略立体图。

图16是表示第一变形例的磁场检测装置阵列概略立体图。

图17是表示第二变形例的磁场检测装置阵列概略立体图。

图18是表示第三变形例的磁场检测装置阵列概略立体图。

图19是表示第四变形例的磁场检测装置阵列概略立体图。

图20是表示将本发明的第二实施方式的磁场检测装置2组合4个而得到的磁场检测装置阵列概略立体图。

图21是表示本发明的第三实施方式的磁场检测装置3的外观概略立体图。

图22是表示将14个磁场检测装置3组合得到的磁场检测装置阵列概略立体图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细说明本发明的优选实施方式。

图1是表示本发明的第一实施方式的磁场检测装置1的外观概略立体图。

如图1所示，第一实施方式的磁场检测装置1由罩盖部件100和收纳于罩盖部件100的主体部200构成。罩盖部件100的结构如图2所示，具有4个侧面110、120、130、140和上表面150以及下表面160，设置有从上表面150至下表面160在z方向上贯通的收纳部170。主体部200收纳于罩盖部件100的收纳部170。罩盖部件100的侧面110、120构成yz面，彼此位于相反侧。罩盖部件100的侧面130、140构成xz面，彼此位于相反侧。罩盖部件100的上表面150和下表面160构成xy面，彼此位于相反侧。侧面110、120与侧面130、140相互正交，侧面110、120的y方向上的宽度与侧面130、140的x方向上的宽度彼此相同。即，从z方向看罩盖部件100的外形大致为正方形。

侧面110具有第一部分111、第二部分112和第三部分113。第一部分111被第二部分112和第三部分113在y方向上夹持，与第二和第三部分112、113相比在x方向上更突出。由第一部分111和第二部分112形成的台阶差以及由第一部分111和第三部分113形成的台阶差均沿z方向延伸，构成侧面110的卡合部。

侧面120具有第一部分121、第二部分122和第三部分123。第一部分121被第二部分122和第三部分123在y方向上夹持，与第二和第三部分122、123相比在x方向上更凹陷。由第一部分121和第二部分122形成的台阶差以及由第一部分121和第三部分123形成的台阶差均沿z方向延伸，构成侧面120的卡合部。侧面120的卡合部具有能够与侧面110的卡合部卡合的形状。即，侧面120的第一部分121的y方向上的宽度与侧面110的第一部分111的y方向上的宽度大致相同或稍宽地设计。

侧面130第具有一部分131、第二部分132和第三部分133。第一部分131被第二部分132和第三部分133在x方向上夹持，与第二和第三部分132、133相比在y方向上更凹陷。由第一部分131和第二部分132形成的台阶差以及由第一部分131和第三部分133形成的台阶差均沿z方向延伸，构成侧面130的卡合部。

侧面140具有第一部分141、第二部分142和第三部分143。第一部分141被第二部分142和第三部分143在x方向夹持，与第二和第三部分142、143相比在y方向上更突出。由第一部分141和第二部分142形成的台阶差以及第一部分141和第三部分143形成的台阶差均沿z方向延伸，构成侧面140的卡合部。侧面140的卡合部具有能够与侧面130的卡合部卡合的形状。即，侧面140的第一部分141的x方向上的宽度与侧面130的第一部分131的x方向上的宽度大致相同或稍窄地设计。

图3和图4是表示主体部200的外观图，图3是从测定面侧看时的概略立体图，图4是从背面侧看时的概略立体图。

如图3和图4所示，主体部200包括由树脂材料等构成的绕线架10、卷绕于绕线架10的消除线圈C2和固定于绕线架10的多个磁传感器S1、S21～S24。绕线架10收纳固定于罩盖部件100的收纳部170。由此，消除线圈C2从与轴向垂直的方向(径方向)被罩盖部件100覆盖而保护。如图5所示，绕线架10的结构包括卷芯部13和设置在卷芯部13的z方向上的两端的凸缘部11、12。卷芯部13的外周面从z方向看为圆形。消除线圈C2卷绕于绕线架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。不过，卷芯部13的外周面并非一定为圆形，既可以是四边形，也可以是八边形，还可以是椭圆形。

在本实施方式中，在绕线架10的卷芯部13设置有5个空腔A0～A4。空腔A0～A4是在z方向上贯通卷芯部13的贯通孔，空腔A0～A4的z方向上的一端在凸缘部11开口，空腔A0～A4的z方向上的另一端在凸缘部12开口。空腔A0～A4的径方向位置彼此相同。而且，在本实施方式中，在空腔A0收纳有磁传感器S1，在空腔A1～A4分别收纳有磁传感器S21～S24。磁传感器S1的感测头从凸缘部11向z方向突出，磁传感器S21～S24的感测头从凸缘部12向z方向突出。磁传感器S1、S21～S24与固定于绕线架10的凸缘部11的电路基板15连接。

根据该结构，磁传感器S1、S21～S24均配置在从z方向看与消除线圈C2的内径区域重叠的位置，且磁传感器S1的感测头与磁传感器S21～S24的感测头的z方向上的位置彼此不同。磁传感器S21～S24的感测头的z方向上的位置彼此相同。此外，磁传感器S1的感测头与磁传感器S21～S24的感测头的以线圈轴为中心的径方向位置彼此相同。

磁传感器S1是用于检测地磁等环境磁场成分的传感器，磁传感器S21～S24是用于检测由测定对象物发出的信号磁场成分的传感器。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的感测头从凸缘部12突出。这是为了使磁传感器S21～S24的感测头更靠近测定对象物。即，这是因为当磁传感器S21～S24的感测头埋入绕线架10时，测定对象物与磁传感器S21～S24的感测头的距离变大。另一方面，磁传感器S1的感测头不需从凸缘部11突出，不过为了提高与磁传感器S21～S24的对称性，磁传感器S1自凸缘部11的突出量优选与磁传感器S21～S24自凸缘部12的突出量一致。

图6是表示磁传感器S1、S21～S24的内部结构的一个例子示意图。

在图6所示的例子中，磁传感器S1、S21～S24具有彼此相同的结构，均包括传感器收纳体20、收纳于传感器收纳体20的基板21、以及搭载于基板21的传感器芯片22和聚磁体23。聚磁体23是沿z方向延伸的棒状体，由铁氧体等高磁导率材料构成。聚磁体23的z方向上的一端构成感测头H，在聚磁体23的z方向上的另一端配置传感器芯片22。由此，从位于感测头H的附近的测定对象物发出的z方向的信号磁场成分被聚磁体23聚磁，并施加至传感器芯片22。

图7是表示主体部200的电路结构框图。

如图7所示，主体部200包括与磁传感器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成分的反馈电流F1的电路，由反馈电路31生成的反馈电流F1供给至消除线圈C2。由此，磁传感器S1、反馈电路31和消除线圈C2构成抵消环境磁场成分的反馈环。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成分的检测信号Vout。

图8是传感器芯片22的概略俯视图，图9是沿着图8所示的A-A线的概略截面图。

如图8和图9所示，在传感器芯片22的元件形成面，集成有4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。而且，聚磁体23从z方向看，配置在磁阻效应元件M1、M2与磁阻效应元件M3、M4之间。由此，由聚磁体23聚磁的z方向的磁场在传感器芯片22的元件形成面上向+x方向和-x方向分配。其结果是，在磁阻效应元件M1、M2与磁阻效应元件M3、M4，被施加彼此相反方向的磁场成分。此处，磁阻效应元件M1～M4的固定磁化方向均在+x方向或-x方向上一致。

此外，消除线圈C1以与磁阻效应元件M1～M4重叠的方式配置，当向消除线圈C1流动消除电流时，在磁阻效应元件M1、M2与磁阻效应元件M3、M4，被施加彼此相反方向的消除磁场。

图10是包含磁传感器S1、反馈电路31和消除线圈C2的反馈环的电路图。

如图10所示，磁传感器S1中包含的磁阻效应元件M1～M4被桥接，由此生成的差动信号被供给至反馈电路31中包含的差动放大器31a。差动放大器31a基于差动信号生成反馈电流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以使得作为磁传感器S1的输出信号的差动信号成分成为零的方式产生消除磁场。

此外，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，源于地磁等的低频成分流过消除线圈C2，而成为振荡的原因的高频成分绕过电阻R1。其结果是，能够防止反馈环的振荡，准确地消除地磁等环境磁场成分。

图11是磁传感器S21～S24和检测电路32的电路图。

如图9所示，磁传感器S21～S24中包含的磁阻效应元件M1～M4被桥接，由此生成的差动信号被供给至检测电路32中包含的差动放大器32a。差动放大器32a基于差动信号生成反馈电流F2。反馈电流F2流过消除线圈C1。由此，消除线圈C1以使得作为磁传感器S21～S24的输出信号的成为差动信号成分零的方式产生消除磁场。

进一步，在检测电路32，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流过时，生成与其电流量成比例的检测信号Vout。

图12是用于说明设置磁传感器S1、S21～S24的径向位置的示意图。

如图12所示，从消除线圈C2的轴向(z方向)看，磁传感器S1配置在从消除线圈C2的内径区域的中心偏移的位置。如上所述，消除线圈C2以使得施加于磁传感器S1的环境磁场成分成为零的方式产生消除磁场。但是，环境磁场成分成为零的不仅是配置了磁传感器S1的位置，在与消除线圈C2同心圆状地分布的消除空间40环境磁场成分也成为零。这是因为，由于消除磁场的强度分布为同心圆状，所以只要环境磁场成分均匀，在与磁传感器S1径向位置相同的区域，环境磁场成分就会被完全抵消。

如图13所示，消除空间40不仅在磁传感器S1的感测头所在的凸缘部11侧，而且在磁传感器S21～S24的感测头所在的凸缘部12侧也对称地形成。而且，在本实施方式中，磁传感器S21～S24配置在形成于凸缘部12侧的消除空间40内。由此，施加于磁传感器S21～S24的环境磁场成分也成为零，因此在磁传感器S21～S24，仅被施加从测定对象物发出的信号磁场成分。因此，能够不使用屏蔽室地检测微弱的磁场。并且，因为对5个磁传感器S1、S21～S24分配共同的消除线圈C2，所以能够削减零件个数，并且能够简化电路结构。

在本实施方式中，因为空腔A0～A4的径向位置彼此相同，所以施加于磁传感器S21～S24的环境磁场成分为零。并且，在本实施方式中，因为将用于检测环境磁场成分的磁传感器S1的感测头设置在凸缘部11侧，将用于检测信号磁场成分的磁传感器S21～S24的感测头设置在凸缘部12侧，所以从测定对象物发出的信号磁场成分几乎不被施加至磁传感器S1，因此，信号磁场成分的一部分或全部不被消除。而且，只要在使产生微弱的磁场的测定对象物接近了磁传感器S21～S24的感测头的状态进行测定，就能够实时地检测从测定对象物发出的信号磁场成分。此外，因为消除线圈C2与磁传感器S1、S21～S24固定在相同的绕线架10，所以也几乎不会产生消除线圈C2与磁传感器S1、S21～S24之间的错位。

图14是表示将2个磁场检测装置1组合得到的磁场检测装置阵列概略立体图。

如图14所示，在将2个磁场检测装置1在x方向上连结的情况下，通过使一个磁场检测装置1的侧面110与另一个磁场检测装置1的侧面120相向，使彼此的卡合部卡合。即，由于侧面110的第一～第三部分111～113与侧面120的第一～第三部分121～123分别紧贴，2个磁场检测装置1的y方向位置被固定。虽然未图示，但是在将2个磁场检测装置1在y方向上连结的情况下，通过使一个磁场检测装置1的侧面130与另一个磁场检测装置1的侧面140相向，使彼此的卡合部卡合即可。由此，2个磁场检测装置1的x方向位置被固定。

图15是表示将9个磁场检测装置1组合得到的磁场检测装置阵列概略立体图。

在图15所示的例子中，将9个磁场检测装置1呈3×3的阵列状连结。在这种情况下，设置在x方向上相邻的2个磁场检测装置1的侧面110、120的卡合部相互卡合，设置在y方向上相邻的2个磁场检测装置1的侧面130、140的卡合部相互卡合。

这样，只要将多个磁场检测装置1呈阵列状排列，就能够将用于检测信号磁场成分的磁传感器S21～S24在xy平面呈矩阵状排列。在图15所示的例子中，在沿x方向延伸的假想线x1～x6与沿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。此处，只要以使得假想线x1～x6的间距P与假想线y1～y6的间距P相等的方式来设计，就能够大范围地测定信号磁场成分的空间分布。

在将多个磁场检测装置1排列成阵列状的情况下，不需要在所有磁场检测装置1设置用于检测环境磁场成分的磁传感器S1，可以在任一个磁场检测装置1设置磁传感器S1，将反馈电流F1供给至各磁场检测装置1的消除线圈C2。由此，能够削减使用的磁传感器的个数。

多个磁场检测装置1的组合方式是任意的，也可以如图16～图19所示的例子那样组合。图16是磁场检测装置1的个数根据x方向位置和y方向位置而不同的例子。图17是磁场检测装置1的z方向位置根据x方向位置和y方向位置而不同的例子。图18是将12个磁场检测装置1呈环状配置的例子，图19是将由12个磁场检测装置1构成的环组合3个的例子。

如以上说明的那样，本实施方式的磁场检测装置1在收纳主体部200的罩盖部件100的侧面110、120、130、140分别设置有卡合部，因此能够不产生错位地，在x方向和y方向上排列任意个数的磁场检测装置1。由此，能够容易地进行磁场检测装置1的个数和布局的变更。

图20是表示组合了4个本发明的第二实施方式的磁场检测装置2的磁场检测装置阵列概略立体图。

如图20所示，第二实施方式的磁场检测装置2侧面130、140的x方向上的宽度比侧面110、120的y方向上的宽度相比大，这与第一实施方式的磁场检测装置1不同。即，在本实施方式中，从z方向看时的罩盖部件100的外形大致为长方形。如第二实施方式的磁场检测装置2所例示的那样，在本发明中，从z方向看的罩盖部件100的外形并不限定于正方形。

图21是表示本发明的第三实施方式的磁场检测装置3的外观概略立体图。

如图21所示，第三实施方式的磁场检测装置3从z方向看时的罩盖部件300的外形为六角形，这与第一实施方式的磁场检测装置1不同。在本实施方式中，罩盖部件300具有6个侧面310、320、330、340、350、360，侧面310、320与a方向正交，侧面330、340与b方向正交，侧面350、360与c方向正交。a方向、b方向和c方向相互形成60°(或120°)的角。因此，侧面310、320，侧面330、340，侧面350、360，相互形成60°(或120°)的角。

进一步，设置在侧面310的卡合部与设置在位于其相反侧的侧面320的卡合部具有能够相互卡合的形状，设置在侧面330的卡合部与设置在位于其相反侧的侧面340的卡合部具有能够相互卡合的形状，设置在侧面350的卡合部与设置在位于其相反侧的侧面360的卡合部具有能够相互卡合的形状。在图21所示的例子中，在绕线架10的中央部设置有空腔B0，呈同心圆状设置有6个空腔B1～B6。在空腔B1，插入有用于检测信号磁场成分的磁传感器S21。在其它空腔B2～B6，也可以插入用于检测信号磁场成分的其它磁传感器S22～S24、用于检测环境磁场成分的磁传感器S1。在将磁传感器S1插入至空腔B0的情况下，需要调整反馈环的增益，以在设置有磁传感器S1的位置不完全消除环境磁场成分，而在设置有磁传感器S21的位置完全消除环境磁场成分。

图22是表示组合了14个磁场检测装置3的磁场检测装置阵列概略立体图。在图22所示的例子中，设置在a方向上相邻的磁场检测装置3的侧面310、320的卡合部相互卡合，设置在b方向上相邻的磁场检测装置3的侧面330、340的卡合部相互卡合，设置在c方向上相邻的磁场检测装置3的侧面350、360的卡合部相互卡合。如图22所示，使用本实施方式的磁场检测装置3，能够将多个磁场检测装置3排列成蜂窝状。

以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，不过本发明并不限定于上述的实施方式，而能够在不脱离本发明的主旨的范围进行各种变更，这些变更当然也包含在本发明的范围内。

例如，在上述各实施方式中将磁传感器固定于绕线架，不过也可以通过在罩盖部件设置空腔，将磁传感器固定于罩盖部件。

此外，在上述各实施方式中卡合部由沿z方向延伸的台阶差构成，不过卡合部的形状并不限定于此。例如，也可以通过使侧面110的第一部分111和侧面120的第一部分121的y方向上的宽度根据z方向位置不同，将卡合的2个磁场检测装置不仅在y方向上固定而且在z方向上也固定。进一步，也可以将一个磁场检测装置的侧面110与另一个磁场检测装置的侧面120通过进行螺纹接合而将两者卡合。

此外，在第一实施方式的磁场检测装置1中设有4个检测环境磁场成分的磁传感器，不过检测环境磁场成分的磁传感器的个数并没有特别限定。

附图标记的说明

1～3磁场检测装置

10绕线架

11、12凸缘部

13卷芯部

14中空部

15电路基板

20传感器收纳体

21基板

22传感器芯片

23聚磁体

24、25绝缘膜

31反馈电路

31a差动放大器

32检测电路

32a差动放大器

33电压测定电路

40消除空间

100罩盖部件

110、120、130、140侧面

111、121、131、141第一部分

112、122、132、142第二部分

113、123、133、143第三部分

120侧面

121第一部分

122第二部分

150上表面

160下表面

170收纳部

200主体部

300罩盖部件

310、320、330、340、350、360侧面

A0～A4、B0～B6空腔

C1、C2消除线圈

F1、F2反馈电流

H感测头

L0～L4配线

M1～M4磁阻效应元件

R1、R2电阻

S1、S21～S24磁传感器。