JP3542183B2 - 磁界センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はパーミアンス測定装置の検出コイルなどに利用することができる磁界センサに関し、さらに言えばマイクロストリップ線路を用いた磁界センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の磁界センサとしては、磁気抵抗素子やホール素子が一般的に知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記した磁界センサは、使用周波数帯域が低く、例えばホール素子の場合１００ｋＨｚ程度の高周波磁界の検出が限度であって、ＧＨｚ帯域の高周波磁界の検出はできず、ＧＨｚ帯域の高周波磁界の検出可能な磁界センサはなかった。
【０００４】
本発明は、ＧＨｚ帯域の高周波磁界の検出も可能な磁界センサを提供することを目的とする。
【０００５】
前記の目的を達成するために、本発明の磁界センサは、裏面に接地導体が形成された誘電体基板と、前記誘電体基板の表面に形成したほぼ１ターンのマイクロストリップ導体と、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスの抵抗値とほぼ等しい抵抗値を有し、かつ前記マイクロストリップ導体の先端部と前記接地導体とを電気的に接続する抵抗とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
【作用】
本発明の磁界センサは、マイクロストリップ線路によって形成されるコイルに磁界を鎖交させることにより誘起するマイクロストリップ線路の誘起電圧に基づいて高周波磁界を検出することができる。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明する。
【０００８】
図１は本発明にかかる磁界センサの一実施例の斜視図である。
【０００９】
本実施例の磁界センサ１は、裏面に接地導体２が形成された誘電体基板３の表面に、１ターンのマイクロストリップ導体４を形成し、マイクロストリップ導体４の終端側に、マイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスの値にほぼ等しい抵抗値のチップ抵抗５を形成して、チップ抵抗５の一端とマイクロストリップ導体４と電気的に接続し、チップ抵抗５の他端はマイクロストリップ導体４との間に僅かの間隙を有するように形成するとともに、誘電体基板３を貫通して接地導体２と電気的に接続して、マイクロストリップ導体４をチップ抵抗５によって終端してある。
【００１０】
マイクロストリップ導体４は誘電体基板３上に形成した導体をいう。マイクロストリップ線路４０はマイクロストリップ導体４と、マイクロストリップ導体４と同心状にマイクロストリップ導体４の導体幅の数倍の幅を持った誘電体基板３の部分と、誘電体基板３の前記部分を投影した位置にある接地導体２の部分とを含む総称である。
【００１１】
一般にマイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0 を求める近似式は、Ｗｈｅｅｌｅｒによって（１）〜（４）式で与えられている。
【００１２】
【数１】
【００１３】
【数２】
【００１４】
【数３】
【００１５】
【数４】
【００１６】
（１）〜（４）式において、εｒは誘電体基板３の比誘電率、ｔｄは誘電体基板３の膜厚、ｔｃは導体の膜厚、すなわちマイクロストリップ線路４０の膜厚、ｗｃは導体の幅、すなわちマイクロストリップ導体４の幅である。
【００１７】
マイクロストリップ導体４の幅は、マイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスが５０Ωとなるように（１）〜（４）式より決定し、エッチングにより１ターン形状に加工した。
【００１８】
さらにいえば、磁界センサ１は、接地導体２の面上に誘電体基板３を密着させ、その上に特性インピーダンスが５０Ωとなるような幅のマイクロストリップ導体４を１ターン形状に加工したものである。本実施例のマイクロストリップ導体４では、１ターン形状を図１に示すように窓幅ｘ、窓高ｙ、ｄはコイル終端部分、すなわちチップ抵抗５と近接線路との空隙長ｄに形成してある。マイクロストリップ線路４０の形状例は、表１に示すごとくである。
【００１９】
【表１】
【００２０】
誘電体基板３としてテフロンのプリント基板およびガラス基板を用い、テフロン基板の場合は空隙長ｄを１ｍｍに一定として窓幅ｘを４〜３２ｍｍと変化させた場合、および窓幅ｘを８ｍｍに一定として空隙長ｄを１〜８ｍｍと変化させたものを示している。ここで、導体幅は隣接する線路の影響を無視して決定した。
【００２１】
マイクロストリップ線路４０の基礎的特性の測定において、マイクロストリップ導体４の一端をＨＰ８７５２Ａ（ヒューレットパッカード社製）ネットワークアナライザ（入力インピーダンス５０Ω）へ接続し、反射法により特性を計測した。
【００２２】
マイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスＺ0 はマイクロストリップ導体４の終端を短絡、開放した場合の入力インピーダンスをそれぞれをＺshort 、Ｚopenとすると、（５）式により算出される。
【００２３】
Ｚ0 ＝√（Ｚshort ×Ｚopen） ……（５）
本実施例におけるマイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスの測定時にはチップ抵抗５を除去して、終端を開放、短絡して入力インピーダンスＺshort 、Ｚopenをそれぞれ測定し、上記（５）式による演算によって求めた。この場合、マイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスは５０Ωであった。
【００２４】
磁界センサ１による磁界検出の説明に先立って、まず、誘電体基板３にテフロン基板を用いた場合のマイクロストリップ線路４０の基礎的特性について説明する。
【００２５】
一般に、マイクロストリップ線路４０における電磁界の存在範囲は導体幅の７倍程度であると言われている。マイクロストリップ線路４０においては図１に示したようにマイクロストリップ導体４の終端部においてマイクロストリップ導体４同士の近接した領域が存在するので、この部分における電磁界の振舞いについて説明する。
【００２６】
図２はマイクロストリップ導体４の終端部分の様子を説明したものである。マイクロストリップ導体４の終端部分にホールを開けてチップ抵抗５を設けた。いま、マイクロストリップ導体４の窓高ｙが８ｍｍであるため、空隙長ｄが１〜７ｍｍの場合は図２（ａ）に示すようにチップ抵抗５の電極が図２（ａ）の図面上において上下方向に向いているのに対し、空隙長ｄが８ｍｍで３辺構造の場合は図２（ｂ）のようにチップ抵抗５の電極は図２（ｂ）の図面上において左右方向を向いている。
【００２７】
窓幅１０ｍｍ、窓高６ｍｍのマイクロストリップ導体４において、空隙長ｄを変化させた場合、図３に示したようにマイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスＺ0Cは増加し、直線状のストリップ線路４０の特性インピーダンスＺ0 より大きくなるが、変化は高々１０％程度である。空隙長ｄが８ｍｍの場合、すなわち、図２（ｂ）のように３辺構造となっている場合は特性インピーダンスＺ0Cが直線状のストリップ線路４０の特性インピーダンスＺ0 の値とほぼ等しかった。この場合、マイクロストリップ線路４０の面内における上下の線路（マイクロストリップ線路４０の終端部とマイクロストリップ線路４０と）の結合がきわめて小さいため、特性インピーダンスは直線状のマイクロストリップ線路と等しかったと推察される。
【００２８】
空隙長ｄが８ｍｍの場合と１〜７ｍｍの場合とで特性インピーダンスの傾向が異なる理由としては、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、マイクロストリップ線路４０の終端部のホールを開ける方向が図２（ａ）の場合と図２（ｂ）の場合とで異なっていることが影響していると考えられる。
【００２９】
図４は窓幅ｘとマイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスとの関係を示したものである。図４は窓高ｙが６ｍｍ、空隙長ｄが０．５ｍｍの場合の例である。窓幅ｘの増加とともに特性インピーダンスは増加している。図３の場合と同様に、直線状線路の場合に対して特性インピーダンスの変化は高々１０％程度である。
【００３０】
図５（ａ）、（ｂ）はマイクロストリップ導体４を５０Ωで終端した場合の入力インピーダンスを測定し、その抵抗分およびリアクタンス分を示したものである。図５はマイクロストリップ導体４の窓幅ｘが８ｍｍ、窓高ｙが８ｍｍ、空隙長ｄが１ｍｍの場合の例である。比較のためマイクロストリップ導体４によるコイルと寸法が等しい２端子コイルについても測定して比較できるように表示した。図５（ａ）から２端子コイルの抵抗は共振の影響で１２Ω〜２１０Ωの範囲で大きく変化するのに対し、マイクロストリップ線路４０の抵抗は１ＭＨｚ〜３ＧＨｚの周波数において４２〜５９Ωの小さな変化にとどまっている。これに加え、図５（ｂ）から線路のリアクタンスは２端子コイルの場合よりも小さく、ＬＣ共振によって急増することもない。これよりマイクロストリップ線路４０のインピーダンスは抵抗分によってほぼ決定され、共振の影響が少なく、高周波特性が優れていることがわかる。
【００３１】
次に、磁界センサ１による磁界検出について説明する。
【００３２】
図６に示すように、磁界発生のための厚さ２ｍｍ、長さ７０ｍｍの板状導体を２０ｍｍ×４０ｍｍの断面矩形状に巻き回し、かつ巻き回された板状導体の対向する端部間は電気的に絶縁するべく間隙部１１が設けてある断面矩形状の中空矩形筒を形成して励磁コイル１０とし、励磁コイル１０を形成する中空矩形筒内に磁界センサ１を突出して設け、通電することにより励磁コイル１０によって発生する磁界の方向とマイクロストリップ線路４０によるコイル面とが直交するように磁界センサ１を取り付け、ネットワークアナライザ１２（前記ＨＰ８７５２Ａ）から同軸ケーブル１３を介して励磁コイル１０を励磁し、マイクロストリップ線路４０のコイル面と垂直な外部磁界を印加し、マイクロストリップ線路４０からの誘起電圧を同軸ケーブル１４を介してネットワークアナライザ１２に導いて測定した。
【００３３】
この磁界検出の場合における電気的等価回路は図７に示すごとくである。磁界検出において、検出コイルとしてのマイクロストリップ線路４０を除去したバックグランド電圧も測定し、マイクロストリップ線路４０の誘起電圧からバックグランド電圧を差し引いて誘起電圧とした。
【００３４】
この場合、励磁コイル１０の共振周波数は７００ＭＨｚであり、接地導体２の面を含めて、励磁コイル１０によって生じた磁界の均一性は±８．９％以内であった。
【００３５】
ネットワークアナライザ１２から励磁コイル１０へ印加した電圧とマイクロストリップ線路４０において誘起された電圧とのＳ２１を測定した。Ｓ２１のゲインより誘起電圧の振幅を求め、Ｓ２１の位相から磁界に対する誘起電圧の位相差を求めた。１００ＭＨｚ以下であれば同軸ケーブル１３、１４中の位相変化が無視できるため、Ｓ２１の位相が磁界と誘起電圧との位相差と考えることができる。
【００３６】
図８はマイクロストリップ導体４の窓幅ｘを変化させた場合の励磁コイル１０への印加電圧と誘起電圧との関係を表している。図８は窓幅ｘが８ｍｍ、空隙長ｄが１ｍｍ、印加電圧の周波数が１００ＭＨｚの場合を例示している。図８から印加電圧と誘起電圧はほぼ比例していることから、この場合も磁界検出が可能であることが明らかである。また、マイクロストリップ導体４の窓幅ｘと誘起電圧とはほぼ比例している。窓高ｙは一定であるから、コイルの断面積と誘起電圧は比例していることになる。このような意味ではマイクロストリップ線路４０は２端子磁界検出コイルと共通の性質を有していることがわかる。
【００３７】
さらに、入力電圧に対する誘起電圧の位相変化は十分小さかった。以上の結果より、マイクロストリップ線路４０は磁界検出特性に関しては通常の２端子コイルと同様の特性を有していることがわかった。
【００３８】
一方、図９はマイクロストリップ線路４０と２端子コイルとで誘起電圧を比較したものである。図９はマイクロストリップ線路４０の窓幅ｘが８ｍｍ、窓高ｙが８ｍｍ、空隙長ｄが１ｍｍ、印加電圧の周波数が１００ＭＨｚの場合の例である。図９は窓幅ｘが導体線路の形状、寸法は同一であり、２端子コイルはマイクロストリップ線路４０から接地導体面を除去した構造である。マイクロストリップ線路４０の誘起電圧は２端子コイルの場合の約１０％に減少する。すなわちマイクロストリップ線路４０は入力インピーダンスが共振の影響をほとんど受けずにＧＨｚ帯域の周波数まで安定である一方で、２端子コイルに比較して交番磁界による誘起電圧が小さい点が特徴である。
【００３９】
次に、マイクロストリップ線路４０の磁界検出のときの誘起電圧、直線状マイクロストリップ線路との比較、接地導体面の影響について説明する。
【００４０】
この場合、マイクロストリップ線路４０の基本寸法として、窓幅ｘを１０ｍｍ、窓高ｙを６．０ｍｍ、空隙長ｄを０．５ｍｍ、接地導体２の高さｙｇを１２ｍｍとし、それぞれ表２に示す範囲で変化させた。前記表１に示した例の場合と同様に、（１）式〜（４）式および（５）式に基づき、マイクロストリップ導体４の線路幅ｗｃはマイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスが５０Ωとなるように０．８ｍｍとした。
【００４１】
【表２】
【００４２】
磁界センサ１、すなわち、マイクロストリップ線路４０の誘起電圧について説明する。
【００４３】
図１０はマイクロストリップ線路４０の誘起電圧と周波数との関係を示したもので、同一寸法の２端子コイルと比較している。図１０はマイクロストリップ線路４０の窓幅ｘが１０ｍｍ、窓高ｙが６ｍｍ、空隙長ｄが０．５ｍｍ、誘電体基板３（εｒ＝５．０、基板厚さｔｄ＝０．５ｍｍのテフロン）の高さｙｇが１２ｍｍ、印加電圧０．５Ｖの場合の例である。図１０（ａ）はその振幅、図１０（ｂ）は位相差を表している。図１０（ａ）から誘起電圧の振幅は周波数に比例して増加し、かつマイクロストリップ線路４０の場合、誘起電圧の振幅は２端子コイルよりおよそ１桁小さいことがわかる。また、図１０（ｂ）から誘起電圧の位相は印加磁界よりおよそ９０°進んでいることがわかる。ただし、マイクロストリップ線路４０において１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚにおいて位相差が９０°より小さくなっている点については、接地導体面が影響していると考えられる。
【００４４】
次に、マイクロストリップ導体４の寸法を変えて誘起電圧との関係から電圧発生機構について説明する。変数はマイクロストリップ導体４の窓幅ｘ、窓高ｙ、空隙長ｄとした。図６の測定系において接地導体面の高さｙｇを１２ｍｍに固定し、マイクロストリップ線路４０の寸法を変化させて磁界検出を行った。図１１（ａ）はマイクロストリップ導体４の窓高ｙを一定として、窓幅ｘと誘起電圧の振幅との関係を示したものであり、両者は比例する。また、図１１（ｂ）は窓幅ｘを一定として、窓高ｙと誘起電圧の振幅との関係を示したものであり、両者はほぼ比例する。ただし、隣接した導体の間隔が小さくなって結合線路の影響が強まる場合は比例傾向からややずれており、磁界検出の機構が複雑化していると考えられる。
【００４５】
また、マイクロストリップ線路４０の場合、マイクロストリップ線路４０の終端部分と近接する線路との間には必ず空隙が存在するため、この影響について説明する。図１１（ｃ）に空隙長ｄと誘起電圧の振幅との関係を示す。空隙長ｄに関してマイクロストリップ導体４の４辺のうち１辺を除去するところまでｄを増加させても、誘起電圧は変化しない。
【００４６】
以上のマイクロストリップ線路４０の寸法を変えた場合における測定結果から誘起電圧の振幅はマイクロストリップ導体４で囲まれる面積にほぼ比例していることがわかる。これから誘起電圧の振幅が２端子コイルに比較して約１桁小さくなる点を除けば、誘起電圧はファラデーの電磁誘導則によって説明できる。さらに、図１１（ｃ）に示した結果は誘起電圧発生時の電流経路が１ターンのマイクロストリップ導体４が切れた終端部分では接地導体面内を通っていることを示している。
【００４７】
次に、マイクロストリップ線路４０の形状と誘起電圧との関係を明らかにするとともに、１ターンループ以外の形状における誘起電圧の有無について説明する。
【００４８】
図１２は直線状マイクロストリップ線路２０の概観図であり、誘電体基板２２の表面上に直線状マイクロストリップ線路２０を形成し、直線状マイクロストリップ線路２０の一端をチップ抵抗２１に接続し、チップ抵抗２１の他端を誘電体基板２２の裏面に形成した接地導体２３に接続して、直線状マイクロストリップ線路２０をチップ抵抗２１により終端する。この場合、直線状マイクロストリップ線路２０の特性インピーダンスは５０Ωであり、チップ抵抗２１は５０Ωの抵抗である。磁界は図１２に示すように直線状マイクロストリップ線路２０の面に直角な方向に印加した。
【００４９】
図１３（ａ）に励磁周波数と誘起電圧の振幅との関係を、図１３（ｂ）に励磁周波数と磁界に対する誘起電圧の位相差との関係を示す。
【００５０】
マイクロストリップ線路４０の場合と比較すると、誘起電圧の振幅が周波数に対して比例していないこと、および磁界と誘起電圧との位相差が０〜３０°であり、マイクロストリップ線路４０の場合の９０°と異なっていること等から磁界検出原理が異なっていることが明らかである。
【００５１】
次に、マイクロストリップ線路４０の広帯域性について説明する。
【００５２】
マイクロストリップ線路４０を広帯域で使用するには、特性インピーダンスを５０Ω付近に保持することが望ましい。ここではマイクロストリップ線路４０の寸法を変えた時の特性インピーダンスの変化を説明する。図１４は窓高ｙの異なるマイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスＺ0Cを測定により求め、直線状マイクロストリップ線路２０の特性インピーダンスＺC で基準化して示したものである。図１４はマイクロストリップ線路４０の窓幅ｘが１０ｍｍ、空隙長ｄが０．５ｍｍ、接地導体２の高さｙｇを１２ｍｍとした場合の例である。隣接する導体の間隔が３ｍｍ未満となると線路の結合が起こり、特性インピーダンスが減少する。特性インピーダンスは無損失線路を仮定すると線路の一次定数としてのインダクタンスＬａ、静電容量Ｃａによって、Ｚ0 ＝√（Ｌａ／Ｃａ）となる。ここで逆方向の電流が流れている平行な線路が接近すると負の相互インダクタンスが増加するためにＬａが減少し、Ｃａが増加するため、図１４の結果は定性的に妥当である。上記の特性インピーダンスのずれは結合線路の影響を考慮した上で特性インピーダンスが５０Ωとなる線路幅とすることで解決できる。
【００５３】
また、図示していないが、平行なストリップ導体の間隔が３ｍｍ以上の場合、および空隙長ｄを０．３ｍｍからコイルの４辺のうち１辺を切り取った３辺構造とするまで変化させたいずれの場合についても特性インピーダンスはほぼ一定であった。
【００５４】
図１５はマイクロストリップ線路４０と通常の２端子コイルとの入力インピーダンスを比較したものである。マイクロストリップ導体４の窓幅ｘと窓高ｙとはそれぞれ１０．０ｍｍと６．０ｍｍであって、２端子コイルの寸法は１０．０ｍｍ×６．０ｍｍで、２端子コイルには５０Ωの抵抗を直列に接続した。図１５（ａ）は抵抗分を示し、２端子コイルが共振の影響で２０Ω〜１８０Ωの範囲で大きく変動しているのに対して、マイクロストリップ線路４０の場合は４０Ω〜６０Ωに保たれている。また、図１５（ｂ）はリアクタンス分を示し、マイクロストリップ線路４０のリアクタンス分は抵抗分に比べて１／１０以下であるため入力インピーダンスはほぼ純抵抗とみなせる。
【００５５】
入力インピーダンスがほぼ５０Ωの純抵抗であることによって広帯域性が得られることは伝送線路の回路理論ではよく知られており、次の通り説明されている。磁界検出の測定系の回路図を示した図７において、Ｖｃは交番磁界によって発生する電圧、Ｖｒはネットワークアナライザ１２の内部で観測される５０Ω抵抗の端子電圧である。マイクロストリップ線路４０の場合、マイクロストリップ線路４０を見た入力インピーダンスＺinが伝送性の特性インピーダンスＺ0 に整合されているため、高周波にわたって観測される電圧ＶｒはＶｒ≒Ｖｃ／２となる。これが広帯域に誘起電圧を測定する上での利点である。
【００５６】
次に、接地導体面の影響について説明する。
【００５７】
マイクロストリップ導体４の寸法を、窓幅ｘを１０．０ｍｍ、窓高ｙを３．０ｍｍ、空隙長ｄを０．５ｍｍに固定し、接地導体面の寸法を変化させたときにおける誘起電圧および入力インピーダンスについて説明する。図１６は接地導体面の寸法の説明図である。図１６（ａ）はマイクロストリップ線路４０側の表面であり、図１６（ｂ）は接地導体面側である。ｙｇは接地導体面の高さであり、ｈはマイクロストリップ導体４のパターンの内側に設けた開口部３０の高さである。開口部３０の横幅は１０．０ｍｍとマイクロストリップ導体４の窓幅ｘと等しくした。これはパーミアンス測定装置用の検出コイルにおける開口部３０の影響を調べるためである。さらに、図１６（ｂ）のｗｇは開口部３０がある場合における接地導体面の幅を表している。測定では接地導体面の寸法を次の３段階にわたって順次小さくした。
（イ） 接地導体面の高さｙｇを１２．０ｍｍから５．０ｍｍまで小さくした。
（ロ） マイクロストリップ導体４の内側に幅が１０．０ｍｍ、高さがｈの開口部３０を作り、開口部３０の高さｈを０ｍｍから３．０ｍｍまで大きくした。
（ハ） マイクロストリップ導体４の幅ｗｃ０．８ｍｍに対して接地導体面の幅ｗｇを１ｍｍから０．３ｍｍまで小さくした。この手順により変化させた寸法の範囲を表３に示した。
【００５８】
【表３】
【００５９】
（イ） 接地導体面の高さｙｇの影響について説明する。
【００６０】
図１７は地導体面の高さｙｇとマイクロストリップ線路４０の誘起電圧の振幅との関係を示したもので、電圧の値はマイクロストリップ導体４と同一寸法の２端子コイルによる誘起電圧の値Ｖ0 で基準化して示した。図１７は励磁コイル１０に印加した電圧の周波数が１０ＭＨｚ、５ＭＨｚ、１ＭＨｚの場合の例である。図１７から接地導体面の高さｙｇが減少するとマイクロストリップ線路４０の誘起電圧はほぼ反比例して増大する。これは接地導体面の高さｙｇを減少させると接地導体面の内部を環流する渦電流が減少することを示唆している。
【００６１】
この考察に基づきマイクロストリップ導体４によるコイルパターンに鎖交する磁束量をＴ−Ω法による３次元の電磁界解析から求め、誘起電圧ＶC をＶC ＝（ｄφ／ｄｔ）／２により計算した結果を図１７に示した。ｄφ／ｄｔを２で除したのは、終端のチップ抵抗５（５０Ω）とネットワークアナライザ１２の入力抵抗とで分圧するためである。図１７によって示した接地導体面の高さｙｇとマイクロストリップ線路４０の誘起電圧の振幅の関係は測定結果とよく一致し、解析結果より接地導体面で渦電流が発生し、かつ導体部分の端部に局在化されていることが判った。これより交番磁界の印加により渦電流が生じて、マイクロストリップ導体４を鎖交する磁界強度が減少することが定量的に明らかになった。一方、図１７に対応する入力インピーダンスは、図１８に示すように、抵抗分が支配的であり接地導体面の高さｙｇによる変化は４０Ω〜６０Ωの範囲にとどまりインピーダンス整合上問題は少ないことが判る。
（ロ） 開口部の高さｈの影響について説明する。
【００６２】
図１９は接地導体面の開口部３０の高さｈとマイクロストリップ線路４０の誘起電圧の振幅とを示したもので、開口部３０の高さｈを変えてもマイクロストリップ線路４０の誘起電圧の振幅は変化しない。これは渦電流が接地導体面内の端部に集中しているためである。
【００６３】
図２０は開口部３０の高さｈを変化させたときの磁界センサ１、すなわち、マイクロストリップ線路４０の入力インピーダンスの周波数依存性を示したもので、開口部３０の高さｈを大きくするにしたがって入力インピーダンスの変化は大きくなる。開口部３０の高さｈが３ｍｍの場合、すなわち図１６（ｂ）のように接地導体面の幅ｗｇがマイクロストリップ導体４の幅ｗｃとほぼ等しい１ｍｍの場合、入力抵抗は３５Ω〜７０Ωの範囲で大きく変化する。
（ハ） 接地導体面の幅ｗｇの影響について説明する。
【００６４】
図２１は接地導体面の幅ｗｇとマイクロストリップ線路４０の誘起電圧の振幅との関係を示したものであり、接地導体面の幅ｗｇを小さくするとマイクロストリップ線路４０の誘起電圧は増加する。接地導体面の幅ｗｇが０ｍｍの値は２端子コイルの場合のマイクロストリップ線路４０の誘起電圧を示している。
【００６５】
図２２は磁界センサ１の入力インピーダンスの周波数依存性を示したものであり、接地導体面の幅ｗｇが１ｍｍ、０．８ｍｍ、０．６ｍｍ、０．３ｍｍの場合と２端子コイルの場合の例である。接地導体面の幅ｗｇが小さくなると磁界センサ１の入力インピーダンスの変化が大きくなる。接地導体面の幅ｗｇを０．３ｍｍまで小さくすると、磁界センサ１の誘起電圧は２端子コイルの約５０％まで増加する一方で、入力インピーダンスの変化は３０Ω〜１００Ωの範囲で大きく変化する。
【００６６】
以上、（イ）〜（ハ）から接地導体面を渦電流が環流することによって、マイクロストリップ導体４によるループを鎖交する磁界強度が２端子コイルの場合より減少し、誘起電圧が減少する。渦電流が接地導体面の端部に集中するため、誘起電圧は接地導体面に開口部を設けても変化しない。入力インピーダンスの変化は接地導体面の幅による影響が大きい。入力インピーダンスが５０Ωに対して±２０％の範囲までの変化を許容するならば、誘起電圧の振幅が２端子コイルの場合の約３７％まで増加させることができる。このときの接地導体面の寸法は接地導体面の高さｙｇがマイクロストリップ導体４のループ外形と同程度の大きさである。
【００６７】
次に、薄膜によるマイクロストリップ線路の場合について説明する。
【００６８】
１５０μｍ厚のカバーガラス基板上に銅を膜厚１μｍスパッタし、イオントリミングにより１ターン形状に加工してマイクロストリップ線路４０とした。マイクロストリップ導体４の幅はマイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスが５０Ωとなるように（１）式〜（４）式より求め、０．３１ｍｍとした。
【００６９】
図２３は、図２（ａ）に示した４辺構造であり、マイクロストリップ導体４の窓幅ｘ、窓高ｙがともに３ｍｍのマイクロストリップ線路４０の磁界検出特性を表している。励磁周波数はテフロン基板の場合と同様に１００ＭＨｚとした。励磁コイル１０への印加電圧とマイクロストリップ線路４０の誘起電圧はほぼ比例しており、薄膜で作成したマイクロストリップ線路４０についても磁界検出が可能であることが判る。また、単位面積当たりの誘起電圧は４辺構造のテフロン基板を用いた場合と比較すると、約３０％に低下していた。
【００７０】
しかし、上記の結果（図１７参照）をもとに、接地導体面の高さｙｇと誘起電圧の振幅が反比例することを仮定すると、接地導体面の寸法を縮小することで、広帯域性を損なわずに誘起電圧を少なくとも４倍以上に大きくできると考えられる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の磁界センサによれば、裏面に接地導体が形成された誘電体基板の表面にほぼ１ターンのマクロストリップ導体を形成し、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスの抵抗値とほぼ等しい抵抗値を有する抵抗によってマイクロストリップ導体の先端部と接地導体とを電気的に接続してマイクロストリップ導体の先端部を終端して構成したため、マイクロストリップ導体によって囲まれる面に鎖交する磁界によってマイクロストリップ線路に誘起電圧を発生し、この誘起電圧によって磁界の検出ができる効果がある。
【００７２】
さらに本発明によれば、マイクロストリップ導体が囲む面積にほぼ比例した誘起電圧を得ることができて磁界を検出することができる効果が得られる。
【００７３】
また、本発明の磁界センサによれば、マイクロストリップ導体を薄膜またはプリント基板で形成した場合も同様に磁界の検出ができる効果がある。
【００７４】
また、本発明の磁界センサによれば、マイクロストリップ線路の終端部と対向するマイクロストリップ線路との間の空隙長を変化させてもほぼ一定の誘起電圧が得られる効果がある。
【００７５】
本発明によれば、接地導体面はマイクロストリップ線路の特性インピーダンスを一定値（５０Ω）に保つ役割を果たしており、このためにＧＨｚ帯までの高周波の磁界センサとして使用できる。
【００７６】
また、本発明の磁界センサによれば、接地導体面の幅、高さを小さくするとマイクロストリップ線路によるコイルパターンの磁界強度が増大するため、大振幅の誘起電圧が得られる効果がある。
【００７７】
本発明によれば、接地導体面は特性インピーダンスを上述のように指定値（実施例では（５０Ω）に保つ効果（望ましい効果）と同面内の渦電流によりマイクロストリップ線路に誘起される電圧を減少させる効果（望ましくない効果）の双方の役割を有する。したがって、特性インピーダンスを指定値に保ちつつ、接地導体面の寸法を最適化する（幅と高さを小さくする）ことを最適設計の指針とする。
【００７８】
また、本発明の磁界センサによれば、特性インピーダンスを設計値に保持したままでマイクロストリップ導体と接地導体面との距離を大きくすれば、大振幅の誘起電圧を得ることができる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる磁界センサの一実施例の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明にかかる磁界センサの一実施例におけるマイクロストリップ線路の終端部とチップ抵抗との位置関係を示す平面図である。
【図３】本発明にかかる磁界センサの一実施例における空隙長とＺ0C／Ｚ0 との関係を示す特性図である。
【図４】本発明にかかる磁界センサの一実施例における窓幅とＺ0C／Ｚ0 との関係を示す特性図である。
【図５】本発明にかかる磁界センサの一実施例における入力インピーダンスの周波数特性図である。
【図６】本発明にかかる磁界センサの一実施例による磁界検出の測定系の概観図である。
【図７】本発明にかかる磁界センサの一実施例による磁界検出の測定系の等価回路図である。
【図８】本発明にかかる磁界センサの一実施例における窓幅をパラメータとしたときの印加電圧対誘起電圧の特性図である。
【図９】本発明にかかる磁界センサの一実施例におけるマイクロストリップ線路と２端子コイルとの磁界検出特性を示す印加電圧対誘起電圧の特性図である。
【図１０】本発明にかかる磁界センサの一実施例におけるマイクロストリップ線路と２端子コイルにおける誘起電圧の比較図である。
【図１１】本発明にかかる磁界センサの一実施例におけるマイクロストリップ線路のサイズと誘起電圧の振幅との関係を示す特性図である。
【図１２】直線状マイクロストリップ線路の斜視図である。
【図１３】直線状マイクロストリップ線路の周波数対誘起電圧特性図である。
【図１４】本発明にかかる磁界センサの一実施例におけるマイクロストリップ線路の窓高と特性インピーダンスとの関係を示す特性図である。
【図１５】本発明にかかる磁界センサの一実施例におけるマイクロストリップ線路の入力インピーダンスの周波数特性図である。
【図１６】本発明にかかる磁界センサの一実施例における接地導体面の形状の説明に供する平面図である。
【図１７】本発明にかかる磁界センサの一実施例における接地導体面の高さと誘起電圧の振幅との関係を示す特性図である。
【図１８】本発明にかかる磁界センサの一実施例における接地導体面の高さと入力インピーダンスとの関係を示す特性図である。
【図１９】本発明にかかる磁界センサの一実施例における開口部の高さと誘起電圧の振幅との関係を示す特性図である。
【図２０】本発明にかかる磁界センサの一実施例における開口部の高さと入力インピーダンスとの関係を示す特性図である。
【図２１】本発明にかかる磁界センサの一実施例における接地導体面の幅と誘起電圧の振幅との関係を示す特性図である。
【図２２】本発明にかかる磁界センサの一実施例における接地導体面と入力インピーダンスとの関係を示す特性図である。
【図２３】本発明にかかる磁界センサの一実施例における薄膜マイクロストリップ線路の誘起電圧の振幅と印加電圧との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１……磁界センサ
２……接地導体
３……誘電体基板
４……マイクロストリップ導体
５……チップ抵抗
１０…励磁コイル
４０……マイクロストリップ線路
【産業上の利用分野】
本発明はパーミアンス測定装置の検出コイルなどに利用することができる磁界センサに関し、さらに言えばマイクロストリップ線路を用いた磁界センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の磁界センサとしては、磁気抵抗素子やホール素子が一般的に知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記した磁界センサは、使用周波数帯域が低く、例えばホール素子の場合１００ｋＨｚ程度の高周波磁界の検出が限度であって、ＧＨｚ帯域の高周波磁界の検出はできず、ＧＨｚ帯域の高周波磁界の検出可能な磁界センサはなかった。
【０００４】
本発明は、ＧＨｚ帯域の高周波磁界の検出も可能な磁界センサを提供することを目的とする。
【０００５】
前記の目的を達成するために、本発明の磁界センサは、裏面に接地導体が形成された誘電体基板と、前記誘電体基板の表面に形成したほぼ１ターンのマイクロストリップ導体と、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスの抵抗値とほぼ等しい抵抗値を有し、かつ前記マイクロストリップ導体の先端部と前記接地導体とを電気的に接続する抵抗とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
【作用】
本発明の磁界センサは、マイクロストリップ線路によって形成されるコイルに磁界を鎖交させることにより誘起するマイクロストリップ線路の誘起電圧に基づいて高周波磁界を検出することができる。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明する。
【０００８】
図１は本発明にかかる磁界センサの一実施例の斜視図である。
【０００９】
本実施例の磁界センサ１は、裏面に接地導体２が形成された誘電体基板３の表面に、１ターンのマイクロストリップ導体４を形成し、マイクロストリップ導体４の終端側に、マイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスの値にほぼ等しい抵抗値のチップ抵抗５を形成して、チップ抵抗５の一端とマイクロストリップ導体４と電気的に接続し、チップ抵抗５の他端はマイクロストリップ導体４との間に僅かの間隙を有するように形成するとともに、誘電体基板３を貫通して接地導体２と電気的に接続して、マイクロストリップ導体４をチップ抵抗５によって終端してある。
【００１０】
マイクロストリップ導体４は誘電体基板３上に形成した導体をいう。マイクロストリップ線路４０はマイクロストリップ導体４と、マイクロストリップ導体４と同心状にマイクロストリップ導体４の導体幅の数倍の幅を持った誘電体基板３の部分と、誘電体基板３の前記部分を投影した位置にある接地導体２の部分とを含む総称である。
【００１１】
一般にマイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0 を求める近似式は、Ｗｈｅｅｌｅｒによって（１）〜（４）式で与えられている。
【００１２】
【数１】
【数２】
【数３】
【数４】
（１）〜（４）式において、εｒは誘電体基板３の比誘電率、ｔｄは誘電体基板３の膜厚、ｔｃは導体の膜厚、すなわちマイクロストリップ線路４０の膜厚、ｗｃは導体の幅、すなわちマイクロストリップ導体４の幅である。
【００１７】
マイクロストリップ導体４の幅は、マイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスが５０Ωとなるように（１）〜（４）式より決定し、エッチングにより１ターン形状に加工した。
【００１８】
さらにいえば、磁界センサ１は、接地導体２の面上に誘電体基板３を密着させ、その上に特性インピーダンスが５０Ωとなるような幅のマイクロストリップ導体４を１ターン形状に加工したものである。本実施例のマイクロストリップ導体４では、１ターン形状を図１に示すように窓幅ｘ、窓高ｙ、ｄはコイル終端部分、すなわちチップ抵抗５と近接線路との空隙長ｄに形成してある。マイクロストリップ線路４０の形状例は、表１に示すごとくである。
【００１９】
【表１】
誘電体基板３としてテフロンのプリント基板およびガラス基板を用い、テフロン基板の場合は空隙長ｄを１ｍｍに一定として窓幅ｘを４〜３２ｍｍと変化させた場合、および窓幅ｘを８ｍｍに一定として空隙長ｄを１〜８ｍｍと変化させたものを示している。ここで、導体幅は隣接する線路の影響を無視して決定した。
【００２１】
マイクロストリップ線路４０の基礎的特性の測定において、マイクロストリップ導体４の一端をＨＰ８７５２Ａ（ヒューレットパッカード社製）ネットワークアナライザ（入力インピーダンス５０Ω）へ接続し、反射法により特性を計測した。
【００２２】
マイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスＺ0 はマイクロストリップ導体４の終端を短絡、開放した場合の入力インピーダンスをそれぞれをＺshort 、Ｚopenとすると、（５）式により算出される。
【００２３】
Ｚ0 ＝√（Ｚshort ×Ｚopen） ……（５）
本実施例におけるマイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスの測定時にはチップ抵抗５を除去して、終端を開放、短絡して入力インピーダンスＺshort 、Ｚopenをそれぞれ測定し、上記（５）式による演算によって求めた。この場合、マイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスは５０Ωであった。
【００２４】
磁界センサ１による磁界検出の説明に先立って、まず、誘電体基板３にテフロン基板を用いた場合のマイクロストリップ線路４０の基礎的特性について説明する。
【００２５】
一般に、マイクロストリップ線路４０における電磁界の存在範囲は導体幅の７倍程度であると言われている。マイクロストリップ線路４０においては図１に示したようにマイクロストリップ導体４の終端部においてマイクロストリップ導体４同士の近接した領域が存在するので、この部分における電磁界の振舞いについて説明する。
【００２６】
図２はマイクロストリップ導体４の終端部分の様子を説明したものである。マイクロストリップ導体４の終端部分にホールを開けてチップ抵抗５を設けた。いま、マイクロストリップ導体４の窓高ｙが８ｍｍであるため、空隙長ｄが１〜７ｍｍの場合は図２（ａ）に示すようにチップ抵抗５の電極が図２（ａ）の図面上において上下方向に向いているのに対し、空隙長ｄが８ｍｍで３辺構造の場合は図２（ｂ）のようにチップ抵抗５の電極は図２（ｂ）の図面上において左右方向を向いている。
【００２７】
窓幅１０ｍｍ、窓高６ｍｍのマイクロストリップ導体４において、空隙長ｄを変化させた場合、図３に示したようにマイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスＺ0Cは増加し、直線状のストリップ線路４０の特性インピーダンスＺ0 より大きくなるが、変化は高々１０％程度である。空隙長ｄが８ｍｍの場合、すなわち、図２（ｂ）のように３辺構造となっている場合は特性インピーダンスＺ0Cが直線状のストリップ線路４０の特性インピーダンスＺ0 の値とほぼ等しかった。この場合、マイクロストリップ線路４０の面内における上下の線路（マイクロストリップ線路４０の終端部とマイクロストリップ線路４０と）の結合がきわめて小さいため、特性インピーダンスは直線状のマイクロストリップ線路と等しかったと推察される。
【００２８】
空隙長ｄが８ｍｍの場合と１〜７ｍｍの場合とで特性インピーダンスの傾向が異なる理由としては、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、マイクロストリップ線路４０の終端部のホールを開ける方向が図２（ａ）の場合と図２（ｂ）の場合とで異なっていることが影響していると考えられる。
【００２９】
図４は窓幅ｘとマイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスとの関係を示したものである。図４は窓高ｙが６ｍｍ、空隙長ｄが０．５ｍｍの場合の例である。窓幅ｘの増加とともに特性インピーダンスは増加している。図３の場合と同様に、直線状線路の場合に対して特性インピーダンスの変化は高々１０％程度である。
【００３０】
図５（ａ）、（ｂ）はマイクロストリップ導体４を５０Ωで終端した場合の入力インピーダンスを測定し、その抵抗分およびリアクタンス分を示したものである。図５はマイクロストリップ導体４の窓幅ｘが８ｍｍ、窓高ｙが８ｍｍ、空隙長ｄが１ｍｍの場合の例である。比較のためマイクロストリップ導体４によるコイルと寸法が等しい２端子コイルについても測定して比較できるように表示した。図５（ａ）から２端子コイルの抵抗は共振の影響で１２Ω〜２１０Ωの範囲で大きく変化するのに対し、マイクロストリップ線路４０の抵抗は１ＭＨｚ〜３ＧＨｚの周波数において４２〜５９Ωの小さな変化にとどまっている。これに加え、図５（ｂ）から線路のリアクタンスは２端子コイルの場合よりも小さく、ＬＣ共振によって急増することもない。これよりマイクロストリップ線路４０のインピーダンスは抵抗分によってほぼ決定され、共振の影響が少なく、高周波特性が優れていることがわかる。
【００３１】
次に、磁界センサ１による磁界検出について説明する。
【００３２】
図６に示すように、磁界発生のための厚さ２ｍｍ、長さ７０ｍｍの板状導体を２０ｍｍ×４０ｍｍの断面矩形状に巻き回し、かつ巻き回された板状導体の対向する端部間は電気的に絶縁するべく間隙部１１が設けてある断面矩形状の中空矩形筒を形成して励磁コイル１０とし、励磁コイル１０を形成する中空矩形筒内に磁界センサ１を突出して設け、通電することにより励磁コイル１０によって発生する磁界の方向とマイクロストリップ線路４０によるコイル面とが直交するように磁界センサ１を取り付け、ネットワークアナライザ１２（前記ＨＰ８７５２Ａ）から同軸ケーブル１３を介して励磁コイル１０を励磁し、マイクロストリップ線路４０のコイル面と垂直な外部磁界を印加し、マイクロストリップ線路４０からの誘起電圧を同軸ケーブル１４を介してネットワークアナライザ１２に導いて測定した。
【００３３】
この磁界検出の場合における電気的等価回路は図７に示すごとくである。磁界検出において、検出コイルとしてのマイクロストリップ線路４０を除去したバックグランド電圧も測定し、マイクロストリップ線路４０の誘起電圧からバックグランド電圧を差し引いて誘起電圧とした。
【００３４】
この場合、励磁コイル１０の共振周波数は７００ＭＨｚであり、接地導体２の面を含めて、励磁コイル１０によって生じた磁界の均一性は±８．９％以内であった。
【００３５】
ネットワークアナライザ１２から励磁コイル１０へ印加した電圧とマイクロストリップ線路４０において誘起された電圧とのＳ２１を測定した。Ｓ２１のゲインより誘起電圧の振幅を求め、Ｓ２１の位相から磁界に対する誘起電圧の位相差を求めた。１００ＭＨｚ以下であれば同軸ケーブル１３、１４中の位相変化が無視できるため、Ｓ２１の位相が磁界と誘起電圧との位相差と考えることができる。
【００３６】
図８はマイクロストリップ導体４の窓幅ｘを変化させた場合の励磁コイル１０への印加電圧と誘起電圧との関係を表している。図８は窓幅ｘが８ｍｍ、空隙長ｄが１ｍｍ、印加電圧の周波数が１００ＭＨｚの場合を例示している。図８から印加電圧と誘起電圧はほぼ比例していることから、この場合も磁界検出が可能であることが明らかである。また、マイクロストリップ導体４の窓幅ｘと誘起電圧とはほぼ比例している。窓高ｙは一定であるから、コイルの断面積と誘起電圧は比例していることになる。このような意味ではマイクロストリップ線路４０は２端子磁界検出コイルと共通の性質を有していることがわかる。
【００３７】
さらに、入力電圧に対する誘起電圧の位相変化は十分小さかった。以上の結果より、マイクロストリップ線路４０は磁界検出特性に関しては通常の２端子コイルと同様の特性を有していることがわかった。
【００３８】
一方、図９はマイクロストリップ線路４０と２端子コイルとで誘起電圧を比較したものである。図９はマイクロストリップ線路４０の窓幅ｘが８ｍｍ、窓高ｙが８ｍｍ、空隙長ｄが１ｍｍ、印加電圧の周波数が１００ＭＨｚの場合の例である。図９は窓幅ｘが導体線路の形状、寸法は同一であり、２端子コイルはマイクロストリップ線路４０から接地導体面を除去した構造である。マイクロストリップ線路４０の誘起電圧は２端子コイルの場合の約１０％に減少する。すなわちマイクロストリップ線路４０は入力インピーダンスが共振の影響をほとんど受けずにＧＨｚ帯域の周波数まで安定である一方で、２端子コイルに比較して交番磁界による誘起電圧が小さい点が特徴である。
【００３９】
次に、マイクロストリップ線路４０の磁界検出のときの誘起電圧、直線状マイクロストリップ線路との比較、接地導体面の影響について説明する。
【００４０】
この場合、マイクロストリップ線路４０の基本寸法として、窓幅ｘを１０ｍｍ、窓高ｙを６．０ｍｍ、空隙長ｄを０．５ｍｍ、接地導体２の高さｙｇを１２ｍｍとし、それぞれ表２に示す範囲で変化させた。前記表１に示した例の場合と同様に、（１）式〜（４）式および（５）式に基づき、マイクロストリップ導体４の線路幅ｗｃはマイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスが５０Ωとなるように０．８ｍｍとした。
【００４１】
【表２】
磁界センサ１、すなわち、マイクロストリップ線路４０の誘起電圧について説明する。
【００４３】
図１０はマイクロストリップ線路４０の誘起電圧と周波数との関係を示したもので、同一寸法の２端子コイルと比較している。図１０はマイクロストリップ線路４０の窓幅ｘが１０ｍｍ、窓高ｙが６ｍｍ、空隙長ｄが０．５ｍｍ、誘電体基板３（εｒ＝５．０、基板厚さｔｄ＝０．５ｍｍのテフロン）の高さｙｇが１２ｍｍ、印加電圧０．５Ｖの場合の例である。図１０（ａ）はその振幅、図１０（ｂ）は位相差を表している。図１０（ａ）から誘起電圧の振幅は周波数に比例して増加し、かつマイクロストリップ線路４０の場合、誘起電圧の振幅は２端子コイルよりおよそ１桁小さいことがわかる。また、図１０（ｂ）から誘起電圧の位相は印加磁界よりおよそ９０°進んでいることがわかる。ただし、マイクロストリップ線路４０において１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚにおいて位相差が９０°より小さくなっている点については、接地導体面が影響していると考えられる。
【００４４】
次に、マイクロストリップ導体４の寸法を変えて誘起電圧との関係から電圧発生機構について説明する。変数はマイクロストリップ導体４の窓幅ｘ、窓高ｙ、空隙長ｄとした。図６の測定系において接地導体面の高さｙｇを１２ｍｍに固定し、マイクロストリップ線路４０の寸法を変化させて磁界検出を行った。図１１（ａ）はマイクロストリップ導体４の窓高ｙを一定として、窓幅ｘと誘起電圧の振幅との関係を示したものであり、両者は比例する。また、図１１（ｂ）は窓幅ｘを一定として、窓高ｙと誘起電圧の振幅との関係を示したものであり、両者はほぼ比例する。ただし、隣接した導体の間隔が小さくなって結合線路の影響が強まる場合は比例傾向からややずれており、磁界検出の機構が複雑化していると考えられる。
【００４５】
また、マイクロストリップ線路４０の場合、マイクロストリップ線路４０の終端部分と近接する線路との間には必ず空隙が存在するため、この影響について説明する。図１１（ｃ）に空隙長ｄと誘起電圧の振幅との関係を示す。空隙長ｄに関してマイクロストリップ導体４の４辺のうち１辺を除去するところまでｄを増加させても、誘起電圧は変化しない。
【００４６】
以上のマイクロストリップ線路４０の寸法を変えた場合における測定結果から誘起電圧の振幅はマイクロストリップ導体４で囲まれる面積にほぼ比例していることがわかる。これから誘起電圧の振幅が２端子コイルに比較して約１桁小さくなる点を除けば、誘起電圧はファラデーの電磁誘導則によって説明できる。さらに、図１１（ｃ）に示した結果は誘起電圧発生時の電流経路が１ターンのマイクロストリップ導体４が切れた終端部分では接地導体面内を通っていることを示している。
【００４７】
次に、マイクロストリップ線路４０の形状と誘起電圧との関係を明らかにするとともに、１ターンループ以外の形状における誘起電圧の有無について説明する。
【００４８】
図１２は直線状マイクロストリップ線路２０の概観図であり、誘電体基板２２の表面上に直線状マイクロストリップ線路２０を形成し、直線状マイクロストリップ線路２０の一端をチップ抵抗２１に接続し、チップ抵抗２１の他端を誘電体基板２２の裏面に形成した接地導体２３に接続して、直線状マイクロストリップ線路２０をチップ抵抗２１により終端する。この場合、直線状マイクロストリップ線路２０の特性インピーダンスは５０Ωであり、チップ抵抗２１は５０Ωの抵抗である。磁界は図１２に示すように直線状マイクロストリップ線路２０の面に直角な方向に印加した。
【００４９】
図１３（ａ）に励磁周波数と誘起電圧の振幅との関係を、図１３（ｂ）に励磁周波数と磁界に対する誘起電圧の位相差との関係を示す。
【００５０】
マイクロストリップ線路４０の場合と比較すると、誘起電圧の振幅が周波数に対して比例していないこと、および磁界と誘起電圧との位相差が０〜３０°であり、マイクロストリップ線路４０の場合の９０°と異なっていること等から磁界検出原理が異なっていることが明らかである。
【００５１】
次に、マイクロストリップ線路４０の広帯域性について説明する。
【００５２】
マイクロストリップ線路４０を広帯域で使用するには、特性インピーダンスを５０Ω付近に保持することが望ましい。ここではマイクロストリップ線路４０の寸法を変えた時の特性インピーダンスの変化を説明する。図１４は窓高ｙの異なるマイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスＺ0Cを測定により求め、直線状マイクロストリップ線路２０の特性インピーダンスＺC で基準化して示したものである。図１４はマイクロストリップ線路４０の窓幅ｘが１０ｍｍ、空隙長ｄが０．５ｍｍ、接地導体２の高さｙｇを１２ｍｍとした場合の例である。隣接する導体の間隔が３ｍｍ未満となると線路の結合が起こり、特性インピーダンスが減少する。特性インピーダンスは無損失線路を仮定すると線路の一次定数としてのインダクタンスＬａ、静電容量Ｃａによって、Ｚ0 ＝√（Ｌａ／Ｃａ）となる。ここで逆方向の電流が流れている平行な線路が接近すると負の相互インダクタンスが増加するためにＬａが減少し、Ｃａが増加するため、図１４の結果は定性的に妥当である。上記の特性インピーダンスのずれは結合線路の影響を考慮した上で特性インピーダンスが５０Ωとなる線路幅とすることで解決できる。
【００５３】
また、図示していないが、平行なストリップ導体の間隔が３ｍｍ以上の場合、および空隙長ｄを０．３ｍｍからコイルの４辺のうち１辺を切り取った３辺構造とするまで変化させたいずれの場合についても特性インピーダンスはほぼ一定であった。
【００５４】
図１５はマイクロストリップ線路４０と通常の２端子コイルとの入力インピーダンスを比較したものである。マイクロストリップ導体４の窓幅ｘと窓高ｙとはそれぞれ１０．０ｍｍと６．０ｍｍであって、２端子コイルの寸法は１０．０ｍｍ×６．０ｍｍで、２端子コイルには５０Ωの抵抗を直列に接続した。図１５（ａ）は抵抗分を示し、２端子コイルが共振の影響で２０Ω〜１８０Ωの範囲で大きく変動しているのに対して、マイクロストリップ線路４０の場合は４０Ω〜６０Ωに保たれている。また、図１５（ｂ）はリアクタンス分を示し、マイクロストリップ線路４０のリアクタンス分は抵抗分に比べて１／１０以下であるため入力インピーダンスはほぼ純抵抗とみなせる。
【００５５】
入力インピーダンスがほぼ５０Ωの純抵抗であることによって広帯域性が得られることは伝送線路の回路理論ではよく知られており、次の通り説明されている。磁界検出の測定系の回路図を示した図７において、Ｖｃは交番磁界によって発生する電圧、Ｖｒはネットワークアナライザ１２の内部で観測される５０Ω抵抗の端子電圧である。マイクロストリップ線路４０の場合、マイクロストリップ線路４０を見た入力インピーダンスＺinが伝送性の特性インピーダンスＺ0 に整合されているため、高周波にわたって観測される電圧ＶｒはＶｒ≒Ｖｃ／２となる。これが広帯域に誘起電圧を測定する上での利点である。
【００５６】
次に、接地導体面の影響について説明する。
【００５７】
マイクロストリップ導体４の寸法を、窓幅ｘを１０．０ｍｍ、窓高ｙを３．０ｍｍ、空隙長ｄを０．５ｍｍに固定し、接地導体面の寸法を変化させたときにおける誘起電圧および入力インピーダンスについて説明する。図１６は接地導体面の寸法の説明図である。図１６（ａ）はマイクロストリップ線路４０側の表面であり、図１６（ｂ）は接地導体面側である。ｙｇは接地導体面の高さであり、ｈはマイクロストリップ導体４のパターンの内側に設けた開口部３０の高さである。開口部３０の横幅は１０．０ｍｍとマイクロストリップ導体４の窓幅ｘと等しくした。これはパーミアンス測定装置用の検出コイルにおける開口部３０の影響を調べるためである。さらに、図１６（ｂ）のｗｇは開口部３０がある場合における接地導体面の幅を表している。測定では接地導体面の寸法を次の３段階にわたって順次小さくした。
（イ） 接地導体面の高さｙｇを１２．０ｍｍから５．０ｍｍまで小さくした。
（ロ） マイクロストリップ導体４の内側に幅が１０．０ｍｍ、高さがｈの開口部３０を作り、開口部３０の高さｈを０ｍｍから３．０ｍｍまで大きくした。
（ハ） マイクロストリップ導体４の幅ｗｃ０．８ｍｍに対して接地導体面の幅ｗｇを１ｍｍから０．３ｍｍまで小さくした。この手順により変化させた寸法の範囲を表３に示した。
【００５８】
【表３】
（イ） 接地導体面の高さｙｇの影響について説明する。
【００６０】
図１７は地導体面の高さｙｇとマイクロストリップ線路４０の誘起電圧の振幅との関係を示したもので、電圧の値はマイクロストリップ導体４と同一寸法の２端子コイルによる誘起電圧の値Ｖ0 で基準化して示した。図１７は励磁コイル１０に印加した電圧の周波数が１０ＭＨｚ、５ＭＨｚ、１ＭＨｚの場合の例である。図１７から接地導体面の高さｙｇが減少するとマイクロストリップ線路４０の誘起電圧はほぼ反比例して増大する。これは接地導体面の高さｙｇを減少させると接地導体面の内部を環流する渦電流が減少することを示唆している。
【００６１】
この考察に基づきマイクロストリップ導体４によるコイルパターンに鎖交する磁束量をＴ−Ω法による３次元の電磁界解析から求め、誘起電圧ＶC をＶC ＝（ｄφ／ｄｔ）／２により計算した結果を図１７に示した。ｄφ／ｄｔを２で除したのは、終端のチップ抵抗５（５０Ω）とネットワークアナライザ１２の入力抵抗とで分圧するためである。図１７によって示した接地導体面の高さｙｇとマイクロストリップ線路４０の誘起電圧の振幅の関係は測定結果とよく一致し、解析結果より接地導体面で渦電流が発生し、かつ導体部分の端部に局在化されていることが判った。これより交番磁界の印加により渦電流が生じて、マイクロストリップ導体４を鎖交する磁界強度が減少することが定量的に明らかになった。一方、図１７に対応する入力インピーダンスは、図１８に示すように、抵抗分が支配的であり接地導体面の高さｙｇによる変化は４０Ω〜６０Ωの範囲にとどまりインピーダンス整合上問題は少ないことが判る。
（ロ） 開口部の高さｈの影響について説明する。
【００６２】
図１９は接地導体面の開口部３０の高さｈとマイクロストリップ線路４０の誘起電圧の振幅とを示したもので、開口部３０の高さｈを変えてもマイクロストリップ線路４０の誘起電圧の振幅は変化しない。これは渦電流が接地導体面内の端部に集中しているためである。
【００６３】
図２０は開口部３０の高さｈを変化させたときの磁界センサ１、すなわち、マイクロストリップ線路４０の入力インピーダンスの周波数依存性を示したもので、開口部３０の高さｈを大きくするにしたがって入力インピーダンスの変化は大きくなる。開口部３０の高さｈが３ｍｍの場合、すなわち図１６（ｂ）のように接地導体面の幅ｗｇがマイクロストリップ導体４の幅ｗｃとほぼ等しい１ｍｍの場合、入力抵抗は３５Ω〜７０Ωの範囲で大きく変化する。
（ハ） 接地導体面の幅ｗｇの影響について説明する。
【００６４】
図２１は接地導体面の幅ｗｇとマイクロストリップ線路４０の誘起電圧の振幅との関係を示したものであり、接地導体面の幅ｗｇを小さくするとマイクロストリップ線路４０の誘起電圧は増加する。接地導体面の幅ｗｇが０ｍｍの値は２端子コイルの場合のマイクロストリップ線路４０の誘起電圧を示している。
【００６５】
図２２は磁界センサ１の入力インピーダンスの周波数依存性を示したものであり、接地導体面の幅ｗｇが１ｍｍ、０．８ｍｍ、０．６ｍｍ、０．３ｍｍの場合と２端子コイルの場合の例である。接地導体面の幅ｗｇが小さくなると磁界センサ１の入力インピーダンスの変化が大きくなる。接地導体面の幅ｗｇを０．３ｍｍまで小さくすると、磁界センサ１の誘起電圧は２端子コイルの約５０％まで増加する一方で、入力インピーダンスの変化は３０Ω〜１００Ωの範囲で大きく変化する。
【００６６】
以上、（イ）〜（ハ）から接地導体面を渦電流が環流することによって、マイクロストリップ導体４によるループを鎖交する磁界強度が２端子コイルの場合より減少し、誘起電圧が減少する。渦電流が接地導体面の端部に集中するため、誘起電圧は接地導体面に開口部を設けても変化しない。入力インピーダンスの変化は接地導体面の幅による影響が大きい。入力インピーダンスが５０Ωに対して±２０％の範囲までの変化を許容するならば、誘起電圧の振幅が２端子コイルの場合の約３７％まで増加させることができる。このときの接地導体面の寸法は接地導体面の高さｙｇがマイクロストリップ導体４のループ外形と同程度の大きさである。
【００６７】
次に、薄膜によるマイクロストリップ線路の場合について説明する。
【００６８】
１５０μｍ厚のカバーガラス基板上に銅を膜厚１μｍスパッタし、イオントリミングにより１ターン形状に加工してマイクロストリップ線路４０とした。マイクロストリップ導体４の幅はマイクロストリップ線路４０の特性インピーダンスが５０Ωとなるように（１）式〜（４）式より求め、０．３１ｍｍとした。
【００６９】
図２３は、図２（ａ）に示した４辺構造であり、マイクロストリップ導体４の窓幅ｘ、窓高ｙがともに３ｍｍのマイクロストリップ線路４０の磁界検出特性を表している。励磁周波数はテフロン基板の場合と同様に１００ＭＨｚとした。励磁コイル１０への印加電圧とマイクロストリップ線路４０の誘起電圧はほぼ比例しており、薄膜で作成したマイクロストリップ線路４０についても磁界検出が可能であることが判る。また、単位面積当たりの誘起電圧は４辺構造のテフロン基板を用いた場合と比較すると、約３０％に低下していた。
【００７０】
しかし、上記の結果（図１７参照）をもとに、接地導体面の高さｙｇと誘起電圧の振幅が反比例することを仮定すると、接地導体面の寸法を縮小することで、広帯域性を損なわずに誘起電圧を少なくとも４倍以上に大きくできると考えられる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の磁界センサによれば、裏面に接地導体が形成された誘電体基板の表面にほぼ１ターンのマクロストリップ導体を形成し、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスの抵抗値とほぼ等しい抵抗値を有する抵抗によってマイクロストリップ導体の先端部と接地導体とを電気的に接続してマイクロストリップ導体の先端部を終端して構成したため、マイクロストリップ導体によって囲まれる面に鎖交する磁界によってマイクロストリップ線路に誘起電圧を発生し、この誘起電圧によって磁界の検出ができる効果がある。
【００７２】
さらに本発明によれば、マイクロストリップ導体が囲む面積にほぼ比例した誘起電圧を得ることができて磁界を検出することができる効果が得られる。
【００７３】
また、本発明の磁界センサによれば、マイクロストリップ導体を薄膜またはプリント基板で形成した場合も同様に磁界の検出ができる効果がある。
【００７４】
また、本発明の磁界センサによれば、マイクロストリップ線路の終端部と対向するマイクロストリップ線路との間の空隙長を変化させてもほぼ一定の誘起電圧が得られる効果がある。
【００７５】
本発明によれば、接地導体面はマイクロストリップ線路の特性インピーダンスを一定値（５０Ω）に保つ役割を果たしており、このためにＧＨｚ帯までの高周波の磁界センサとして使用できる。
【００７６】
また、本発明の磁界センサによれば、接地導体面の幅、高さを小さくするとマイクロストリップ線路によるコイルパターンの磁界強度が増大するため、大振幅の誘起電圧が得られる効果がある。
【００７７】
本発明によれば、接地導体面は特性インピーダンスを上述のように指定値（実施例では（５０Ω）に保つ効果（望ましい効果）と同面内の渦電流によりマイクロストリップ線路に誘起される電圧を減少させる効果（望ましくない効果）の双方の役割を有する。したがって、特性インピーダンスを指定値に保ちつつ、接地導体面の寸法を最適化する（幅と高さを小さくする）ことを最適設計の指針とする。
【００７８】
また、本発明の磁界センサによれば、特性インピーダンスを設計値に保持したままでマイクロストリップ導体と接地導体面との距離を大きくすれば、大振幅の誘起電圧を得ることができる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる磁界センサの一実施例の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明にかかる磁界センサの一実施例におけるマイクロストリップ線路の終端部とチップ抵抗との位置関係を示す平面図である。
【図３】本発明にかかる磁界センサの一実施例における空隙長とＺ0C／Ｚ0 との関係を示す特性図である。
【図４】本発明にかかる磁界センサの一実施例における窓幅とＺ0C／Ｚ0 との関係を示す特性図である。
【図５】本発明にかかる磁界センサの一実施例における入力インピーダンスの周波数特性図である。
【図６】本発明にかかる磁界センサの一実施例による磁界検出の測定系の概観図である。
【図７】本発明にかかる磁界センサの一実施例による磁界検出の測定系の等価回路図である。
【図８】本発明にかかる磁界センサの一実施例における窓幅をパラメータとしたときの印加電圧対誘起電圧の特性図である。
【図９】本発明にかかる磁界センサの一実施例におけるマイクロストリップ線路と２端子コイルとの磁界検出特性を示す印加電圧対誘起電圧の特性図である。
【図１０】本発明にかかる磁界センサの一実施例におけるマイクロストリップ線路と２端子コイルにおける誘起電圧の比較図である。
【図１１】本発明にかかる磁界センサの一実施例におけるマイクロストリップ線路のサイズと誘起電圧の振幅との関係を示す特性図である。
【図１２】直線状マイクロストリップ線路の斜視図である。
【図１３】直線状マイクロストリップ線路の周波数対誘起電圧特性図である。
【図１４】本発明にかかる磁界センサの一実施例におけるマイクロストリップ線路の窓高と特性インピーダンスとの関係を示す特性図である。
【図１５】本発明にかかる磁界センサの一実施例におけるマイクロストリップ線路の入力インピーダンスの周波数特性図である。
【図１６】本発明にかかる磁界センサの一実施例における接地導体面の形状の説明に供する平面図である。
【図１７】本発明にかかる磁界センサの一実施例における接地導体面の高さと誘起電圧の振幅との関係を示す特性図である。
【図１８】本発明にかかる磁界センサの一実施例における接地導体面の高さと入力インピーダンスとの関係を示す特性図である。
【図１９】本発明にかかる磁界センサの一実施例における開口部の高さと誘起電圧の振幅との関係を示す特性図である。
【図２０】本発明にかかる磁界センサの一実施例における開口部の高さと入力インピーダンスとの関係を示す特性図である。
【図２１】本発明にかかる磁界センサの一実施例における接地導体面の幅と誘起電圧の振幅との関係を示す特性図である。
【図２２】本発明にかかる磁界センサの一実施例における接地導体面と入力インピーダンスとの関係を示す特性図である。
【図２３】本発明にかかる磁界センサの一実施例における薄膜マイクロストリップ線路の誘起電圧の振幅と印加電圧との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１……磁界センサ
２……接地導体
３……誘電体基板
４……マイクロストリップ導体
５……チップ抵抗
１０…励磁コイル
４０……マイクロストリップ線路
Claims (3)
- 裏面に接地導体が形成された誘電体基板と、前記誘電体基板の表面に形成したほぼ１ターンのマイクロストリップ導体と、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスの抵抗値とほぼ等しい抵抗値を有し、かつ前記マイクロストリップ導体の先端部と前記接地導体とを電気的に接続する抵抗とを備えたことを特徴とする磁界センサ。
- 請求項１記載の磁界センサにおいて、マイクロストリップ導体はプリント基板表面に形成した薄膜からなることを特徴とする磁界センサ。
- 請求項１記載の磁界センサにおいて、抵抗は誘電体基板の表面に形成したチップ抵抗であることを特徴とする磁界センサ。
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