JP4030246B2

JP4030246B2 - 広帯域近磁界プローブ

Info

Publication number: JP4030246B2
Application number: JP2000101044A
Authority: JP
Inventors: 太好高
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-04-03
Filing date: 2000-04-03
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2020-04-03
Also published as: JP2001289893A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、電子式複写機、ＦＡＸ、印刷機、パソコン等の事務機器、家庭用電気機器、産業機器等、各種電気電子機器からの電磁ノイズを検知し、また装置内に内在させるプリント配線基板等からのノイズを検知し、その対策を検討するために用いられる広帯域近磁界プローブ、殊に対象物に近接させ、ノイズ源になる電流を特定する際に必要な近接磁界検出を行って電流を検知するいわゆる近磁界プローブに関するものであり、各種電子機器のＥＭＣ規制対策を検討するための電磁障害対策用検査機器に利用して有効なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＥＭＣ（電磁環境適合性：Electromagnetic Compatibilty）対策、法的規制で定めているオープンサイトや電波暗室内で１０ｍ，３０ｍ等の遠方での電磁波を定められたアンテナを用いて計測した結果から対策を講じる方法がある。これとは別にこのような認証サイト等での計測の前に近接させたプローブで被検対象からの電磁界を検知し、これにより対象物への対策を講じる方法もある。また、従来のカレントプローブのようにケーブルに巻き付けて使用するタイプや巻き線をループコイルとした比較的大きな対象へ近接して電流検知を行うプローブがある（Credence社プローブ：ＵＳ５７７３９７４）。
また、対称なループコイルとそれに続くシールドボックス内の回路で磁界のみにより生じた信号を検出する「磁界測定プローブ」（特開昭６２−１０６３７９号公報）、フレキシブル基板上にエッチングで形成したセンサーとエルボーになった先に出力コネクターを備えた「広帯域マイクロ波本来位置テスト装置」（特開平７−１９１０５８号公報）、プリント基板で構成し、シールドを設けてある「電磁雑音測定用磁界プローブ、電磁雑音測定用電界プローブ、及び電磁雑音測定装置」（特開平８−２４８０８０公報）があり、また、金属線コイルとコネクターと抵抗からなるプローブにおいて、対象に対して、概ね開口を広げたコーン型のシールド板を設けている「ＥＭＩプローブ」（実開平４−６９７７１号公報）があり、さらに、電流プローブで通電ケーブルの同相ノイズで測定し、そのデータより遠方界での放射電界ノイズを近似演算して推定する「放射評価装置および方法」（特開平１０−３０７１５９号公報）、センサー部に高周波電流を流して、その時のインピーダンス変化が磁界強度に比例する素子に負帰還コイルを設け、磁界に対する出力の直線性を向上させるようにした「磁気インピーダンスセンサ」（特開平１１−１０９００６号公報）など、様々なものが公知である。
また、薄膜で、近磁界プローブを作製し、その伝送路にシールドを設け、また、伝送路をトリプレート構造とすることで、測定上の誤差を低減させるもので、プローブを並列におき、測定個所の位置決めの精度を高める構成とした「近磁界プローブ及び近磁界プローブユニット及び近磁界プローブシステム」がある（特願平９−５９２６７号）。
【０００３】
以上の従来技術で用いられているループコイル型近磁界プローブの構成概要は、基本的には本願図面の図１５に示すようなものであり、ループコイル部２、伝送線路部３、パッド部４を導電性金属（アルミ等の非磁性金属）箔１ａを切断して検知部を形成するのであるが、このものは、支持部材を兼ねたエポキシ基板等の絶縁シート１ｂと導電性金属箔１ａとを張り合わせたもの（（ａ）図）を上記のように所定形状に加工している。パッド部４にコネクター５の心線部を接続し、このコネクターに同軸ケーブル６を介して信号処理部７に接続している。
このようなループコイル部を備えた近磁界プローブは、ループコイル部が非磁性金属であるから、高周波帯域での感度は高いが、低周波帯域での感度は低い。したがってこのものは低周波帯域での電磁ノイズを検知するには不向きであるので、これらのループコイル型近磁界プローブを使用するについては低周波帯域ノイズ検知のためのループコイル型近磁界プローブを別途使用する必要がある。
【０００４】
【解決しようとする課題】
そこで、この発明は、ループコイル部、導電線路及びパッド部、信号処理部を備えたループコイル型近磁界プローブについて、低周波帯域での感度をも向上させるように、その機構を工夫することをその課題とするものである。
【０００５】
【課題解決のために講じた手段】
上記課題を解決するために講じた手段は、ループコイル部、導電線路及びパッド部、信号処理部を備えたループコイル型近磁界プローブを前提として、上記ループコイル部の一部を磁性金属部材による磁気抵抗効果素子としたことである。
【０００６】
【作用】
アルミ等の非磁性金属のループ基体部と磁性金属部材による磁気抵抗効果素子が一体になってループコイル部を構成しているが、これは例えば、１００ｋＨｚ以上の高周波帯域では一体のループコイルとして機能し、ループコイル内に鎖交した磁束密度の変化に応じて、高周波信号である誘起電圧が発生し、これを信号処理部で検出する。そして、磁性金属部材による磁気抵抗効果素子に流れる電流値が外部磁界の影響によって変化し、当該薄膜の抵抗値が変化する。
例えば１００ｋＨｚ以下の低周波帯域では、磁性金属部材による磁気抵抗効果素子が、十分磁界強度に応じた抵抗変化率を持つので、信号処理回路部から与えた直流電流の変動を基準抵抗で検知することができる。
したがって、高周波帯域、低周波帯域におけるそれぞれの感度域の差を予め決めて、補正した出力を校正しておき、それぞれの出力を合成することで、高周波帯域から低周波帯域の広帯域での近磁界ノイズを検出することができる。なお、発生する電磁波の周波数が予め分かっている対象用には、出力を切り替える方式を採用することもできる。
この近磁界プローブをスペクトラムアナライザーなどの計測器に接続して、実稼動状態のＰＣＰ等の電磁波ノイズや電流値を１００ｋＨｚから１ＧＨｚまで、あるいはそれよりも広い帯域を高感度で検知することができる。
【０００７】
【実施態様１】
実施態様１は、上記解決手段における磁気抵抗効果素子に、ループコイルの磁気抵抗効果素子以外の部分を使って電流を与えることである。
【作用】
ループコイルの一部の配線とそれに続く伝送線路、およびパッドを設け、このループコイルの一部とそれに続く伝送線路、およびパッド部を、ループコイルの一部が上記磁気抵抗効果素子に電流を与えるのに兼用されるから、構造を簡素化、簡略化することができる。
【０００８】
【実施態様２】
実施態様２は、上記解決手段または実施態様１におけるループコイル部分の一部を磁気抵抗効果素子としたループコイル、伝送線路部、パッド部を薄膜で構成し、かつ、信号処理回路部を有する半導体基板上に一体で構成したことである。
【作用】
チップ部品でモノリシックに構成することができるから、これによりさらに小型化することができる。
【０００９】
【実施態様３】
実施態様３は、上記解決手段、実施態様１または実施態様２の、ループコイルと伝送路よりなる近磁界プローブについて、ループコイルからの信号を積分する回路部を設けたことである。
【作用】
ループコイルで得られる信号は微分波形であるので、ループコイルからの出力を積分することで、磁気抵抗効果素子による検知波形については実時間電流波形が得られ、検知できる全周波数範囲について、実時間電流波形が得られる。
【００１０】
【実施例】
次いで、図面を参照しつつ実施例について説明する。
１．実施例１
実施例１は、解決手段（請求項１に対応）の範囲のものである。
ループコイル１０４は基本的には、図１５に示す従来のものと違いはないが、ループの一部をＦｅ_２０−Ｎｉ_８０の膜による磁気抵抗効果素子１０１で構成した点において違うものである。
この実施例のループコイル１０４の作製方法の一例は次のとおりである。
石英、ガラスなどの絶縁基板上にＦｅ_２０−Ｎｉ_８０膜をスパッタ成膜する。このＦｅ_２０−Ｎｉ_８０膜は磁気抵抗効果膜であって、薄膜に流れる電流値が外部磁界の影響によって変化し、その結果、薄膜の抵抗値が変化するものである（図１）。
この場合に磁気抵抗効果素子は磁性金属部材であれば、目的とする磁界強度に応じて適宜選択すればよい。なお、Ｆｅ_２０−Ｎｉ_８０膜以外にＮｉ−Ｆｅ膜、ＣｕＭｏパーマロイ膜、ＣｏＦｅＢアモルファス膜、ＦｅＳｉＣｏＢアモルファス薄膜などでもよい。また、Ｆｅ_２０−Ｎｉ_８０膜に関してはメッキ法によっても作製できる。さなに、今回膜厚を５μｍとしたが、感度その他の必要に応じて適宜設定することが可能である。
【００１１】
次に半導体製作工程に用いられる一般的なフォトリソグラフィ技術とＣＦ_４＋Ｈ_２を用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によりパターンを形成する。このパターンは直線状にループコイル１０４の先端の一部となるもので、磁気抵抗効果素子として機能できる幅１０μｍ×長さ２００μｍの形状をしている。磁気抵抗効果素子１０１の幅、長さの具体的な寸法は目的によって適宜選択できる。また、磁気抵抗効果素子による上記パターンの形成法としては他にエッチング法またはウェットエッチング法を採用することもできる。この場合、エッチング液は王水を用いるとよいが、組成については別の液を採用することもできる（図２）。
上記磁気抵抗効果素子１０１のパターン形成後、絶縁層１０２としてのＳｉＯ_２膜をスパッタで成膜する。このＳｉＯ_２の成膜にはＥＢ蒸着法（Electron Beam）やＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）などの他の成膜方法を用いることもできる。同様に一般的なフォトリソグラフィ技術とＣＦｅ＋Ｈ_２を用いたＲＩＥにより、磁気抵抗効果素子１０１上にスルーホール１０３を開ける（図３）。
絶縁層材料としてはＳｉ_３Ｎ_４などの他の絶縁材料でもよい。絶縁層のエッチングとしてはウェットエッチングでもよいが、基板もエッチングされる場合には基板の裏面をレジストなどで保護することが必要である。
基板としては石英以外の絶縁基板やポリエチレンテレフタレートやポリイミドなどのフレキシブル絶縁基板を採用することもできる。
フォトリソ工程によっては絶縁層を必要としない工程にすることもできる。また、絶縁層はＳｉ窒化膜などのほかの材料でもよい。
次に、ループコイル１０４の一部とそれに続く伝送線路１０５、ループコイル用パッド１０６と磁気抵抗効果素子１０１に直流電流を与える磁気抵抗効果素子用ケーブル１０８および磁気抵抗効果素子用パッド１０７をスパッタにより成膜し、その後、Ｆｅ_２０−Ｎｉ_８０膜と同様にフォトリソ法により作製する。Ａｌの成膜法は蒸着法などの他の成膜方法でもよい。ループコイル基部を構成する非磁性金属は、上記のＡｌの他にＣｕ，Ａｇ，Ａｕ及びその合金などでもよい（図４，５）。
この実施例における伝送線路部１０５の構造は、平行線路型であるが、他にマイクロストリップ型、トリプレート型等の伝送路にすることもできる。
以上のようにして形成されたものに、図６に示すようなブロックダイアグラムをもつ信号処理回路部をガラスエポキシ基板上で接続する（図５）。なお、この例の図においては演算回路用のＤＣ電源の配置を省略している。
【００１２】
図６に示した信号処理回路部は、磁気抵抗効果素子用ケーブル（磁気抵抗効果素子に電流を与えるケーブル）とループコイル用ケーブルとを別にしたタイプである。ループコイル１０４に誘起される高周波信号は、同軸ケーブル１０９、同軸ケーブル用コネクター１２１を介し、ハイパスフィルタ１２２により低周波ノイズが除去され、ループコイル感度補正用回路１２３にて感度が調節される。一方、磁気抵抗効果素子１０１に誘起される信号は、磁気抵抗効果素子用ケーブル１０８、磁気抵抗効果素子用ケーブルコネクタ１２４を介し、インピーダンス変化検知回路１２５内のローパスフィルタ１２６にて高周波ノイズが除去され、インピーダンス変化が検出されて低周波信号が取り出される。またこのケーブル１０８を介して直流電源より磁気抵抗効果素子に直流を印加する（図６では不示）。
その後、低周波信号は磁気抵抗効果素子感度補正用回路１２８にて感度を調節し、
上記高周波信号と出力合成用回路１２８にて合成され、合成信号を同軸ケーブル用コネクタ１２９、同軸ケーブル１３０を介し計測器へ送出する。
この実施例の近磁界プローブでは、およそ１００ｋＨｚ以上の高周波域ではＦｅ_２０−Ｎｉ_８０膜による磁気抵抗効果素子部及び及びＡｌによるループコイル基部が一体のループコイルとして機能し、そのループ内に鎖交した磁束に比例した出力電圧を信号処理部で高周波磁界強度に比例した電圧として検出する。
また、およそ１００ｋＨｚ以下でＦｅ_２０−Ｎｉ_８０膜は十分磁界強度に応じた抵抗変化率を持つので、信号処理回路部から与えた直流電流の変動を基準抵抗で検知することができる。それぞれの感度域の差を予め決めて補正した出力を校正しておき、それぞれの出力を合成することで高周波帯域から低周波帯域の広帯域での電磁ノイズを検出できる。
なお、発生周波数が予め分かっている対象用には、出力を切り換える方式を採ればよい。
この近磁界プローブをスペクトラムアナライザーなどの計測器に接続することで、実稼動状態のＰＣＰ等の電磁ノイズやその電流値を１００ｋＨｚ以下の周波数から１１ＧＨｚ以上まで高感度に検知できる近磁界プローブが実現される。
【００１３】
２．実施例２
この実施例２は、実施態様２（請求項２に対応）の具体例であるが、これを図７乃至図９を参照しつつ説明する。
実施例２のプローブの製造方法は、上記のとおりの実施例１におけるそれと同じ方法で成形される。構造を簡素化するために、磁気抵抗効果素子２０１に直流電流を与えるものとして、ループコイル２０４の一部の配線とそれに続く伝送線路２０５、およびパッド２０６を設けている。このループコイル２０４の一部とそれに続く伝送線路２０５、およびパッド部２０６はループコイル部の一部を兼ねるようにしてあり、実施例１と同様に、低周波信号を磁気抵抗効果素子２０１によって検知し、高周波信号をループコイル２０４で検知することができるような信号処理回路部を、図９に示すような構成として設けている。他の構成は実施例１と同様であるので説明を省略する。
この構成では、直流電流２３１がスペクトラムアナライザーなどの計測器に流れない可能性があるので、これを回避して十分に所要の機能を奏することができるようにする必要がある。構造を簡素化することで、全体を小型化でき、また、プローブをアレー化することが容易である。
【００１４】
３．実施例３
実施例３は実施態様２（請求項３に対応）の具体例であるが、これを図１０乃至図１２を参照しつつ説明する。
予め、図４に示すものと同様の信号処理回路部３２０をＳｉ半導体基板上に通常の半導体プロセスにより形成し、さらに絶縁層３０２及びスルーホール３０３を形成する。実施例２で作製したプローブ部を、同様にして絶縁層３０２を形成したＳｉ基板上に形成する。プローブ部とＳｉ基板上に形成した信号処理回路部３２０の接続を、通常の半導体プロセスにおける配線プロセスで行なう。この場合、検出する電磁ノイズの周波数帯域の如何によってはＧａＡｓ半導体基板を用いる必要がある。
この実施例３によれば、実施例２と同様な機能を有する近磁界プローブをさらにコンパクトな構成にすることができる。この実施例３では、アンプ部により信号源の近傍で増幅できるため、さらに、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、微小信号を測定することが可能となる。
【００１５】
４．実施例４
実施例４は上記実施態様３（請求項４に対応するもの）の具体例であるが、これを図１３，１４を参照しつつ説明する。
この実施例４は、ループコイルで得られる信号が微分波形であるので、ループコイルからの出力だけを積分する構成としている。磁気抵抗効果素子による検知波形については実時間電流波形が得られており、検知できる全周波数範囲について、実時間電流波形が得られる。具体的な積分回路としては図１４に示すようなものが考えられる。
したがって、プローブをオシロスコープなどに接続することで、容易に広帯域電流プローブを実現することができる。
【００１６】
【効果】
本発明のプローブによれば、高周波帯域から低周波帯域の広い帯域の電磁ノイズを検出する近磁界プローブ及び電流プローブを実現することができ、さらに請求項２、請求項３の構成を採ることでこのプローブを小型化することができる。
また、請求項４の構成を採ることで実時間電流波形検知が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は実施例１のプローブの作製手順１を示す正面図である。
【図２】（ａ）は実施例１のプローブの作製手順２を示す正面図、（ｂ）は平面図である。
【図３】（ａ）は実施例１のプローブの作製手順３を示す正面図、（ｂ）は平面図である。
【図４】（ａ）は実施例１のプローブの作製手順４を示す正面図、（ｂ）は平面図である。
【図５】は実施例１のプローブの平面図である。
【図６】は実施例１の信号処理回路部のブロック図である。
【図７】（ａ）は実施例２のプローブ先端部の正面図、（ｂ）は平面図である。
【図８】は実施例２のプローブの平面図である。
【図９】は実施例２の信号処理回路部のブロック図である。
【図１０】は実施例３のプローブの製作工程１を示す平面図、（ｂ）は正面図である。
【図１１】（ａ）は実施例３の製作工程２の平面図、（ｂ）は正面図である。
【図１２】（ａ）は実施例３の製作工程３の平面図、（ｂ）は正面図である。
【図１３】は実施例４の信号処理回路部のブロック図である。
【図１４】は実施例４の積分回路部の等価回路図である。
【図１５】（ａ）はループコイルによる従来のプローブの作成低順１の平面図、（ｂ）は作成手順２の平面図である。
【符号の説明】
１ａ・・・・・・・導電性金属箔
１ｂ・・・・・・・絶縁層シート
２・・・・・・・・ループコイル
３・・・・・・・・伝送線路部
４・・・・・・・・パット部
５・・・・・・・・コネクター
６・・・・・・・・同軸ケーブル
７・・・・・・・・信号処理部
１００・・・・・・・・ガラス基板
１０１，２０１・・・・・・・・磁気抵抗効果素子
１０２，３０２・・・・・・・・絶縁膜
１０３，３０３・・・・・・・・スルーホール
１０４，２０４・・・・・・・・ループコイル
１０５，２０５・・・・・・・・伝送線路
１０６，２０６・・・・・・・・ループコイル用パッド
１０７・・・・・・・・磁気抵抗効果素子用パッド
１０８・・・・・・・・磁気抵抗効果素子用ケーブル
１０９，２０９・・・・・・・・同軸ケーブル
１２０，２２０，３２０・・・・・・・・信号処理回路部
１２１，２２１・・・・・・・・同軸ケーブル用コネクタ
１２２，２２２・・・・・・・・ハイパスフィルタ
１２３，２２３・・・・・・・・ループコイル感度補正用回路
１２４・・・・・・・・磁気抵抗効果素子用ケーブルコネクタ
１２５，２２５・・・・・・・・インピーダンス変化検知回路
１２６，２２６・・・・・・・・ローパスフィルタ
１２７，２２７・・・・・・・・磁気抵抗効果素子感度補正用回路
１２８，２２８・・・・・・・・出力合成用回路
１２９，２２９・・・・・・・・同軸ケーブル用コネクタ
１３０，２３０・・・・・・・・同軸ケーブル
１３１，２３１・・・・・・・・直流電源
４００・・・・・・・・積分回路

Claims

ループコイル部、伝送線路パッド部及び信号処理部を備えた近磁界プローブにおいて、
上記ループコイル部の一部を磁性金属部材による磁気抵抗効果素子としたことを特長とする広帯域近磁界プローブ。
上記磁気抵抗効果素子に、ループコイルの上記磁気抵抗効果素子以外の部分を使って電流を与えるようにした請求項１の広帯域近磁界プローブ。
上記ループコイル部分の一部を磁気抵抗効果素子としたループコイル、伝送線路部、パッド部を薄膜で構成し、かつ、信号処理回路部を有する半導体基板上に一体で構成した請求項１または請求項２の広帯域近磁界プローブ。
上記ループコイルからの信号を積分する回路部を設けた請求項１乃至請求項３の広帯域近磁界プローブ。