JP2019163934A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】外部磁性体によって集磁した磁束の漏洩を低減することが可能な磁気センサを提供する。【解決手段】感磁素子Ｒ１〜Ｒ４が形成された素子形成面２０ａを有するセンサ基板２０と、ｚ方向から見て感磁素子Ｒ１，Ｒ３と感磁素子Ｒ２，Ｒ４の間に配置された外部磁性体３０Ａとを備える。外部磁性体３０Ａは、素子形成面２０ａを覆う幅広部３１Ａと、幅広部３１Ａからｚ方向に突出し、ｘ方向における幅が幅広部３１Ａよりも狭い突出部３２Ａとを含む。幅広部３１Ａは、ｘｚ断面においてエッジ部Ｅ１と境界部Ｅ２を結ぶ外縁Ｌに角部が設けられていない。本発明によれば、外部磁性体３０Ａの幅広部３１Ａが角部を有していないことから、外部磁性体３０Ａによって集磁した磁束の漏洩を低減することが可能となる。その結果、より高い検出感度を得ることが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は磁気センサに関し、特に、感磁素子が形成されたセンサ基板と外部磁性体とを備えた磁気センサに関する。

磁気センサには、感磁素子が形成されたセンサ基板の他に、感磁素子に磁束を集めるための外部磁性体が用いられることがある。例えば、特許文献１に記載された磁気センサは、センサ基板の素子形成面に２つの感磁素子が形成されており、平面視でこれら２つの感磁素子間に外部磁性体が配置されている。特許文献１の外部磁性体は、素子形成面に対して垂直な方向に突出する形状を有するとともに、素子形成面の近傍における幅が拡大されている。これにより、外部磁性体によって集磁した磁束が感磁素子の近傍でより大きく曲げられ、これによって感磁素子の近傍における磁束の水平成分が増大することから、磁束の検出感度を高めることができる。

特開２０１６−１７０１６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された磁気センサは、外部磁性体の幅広部が角部を有していることから、角部に磁界が集中し、集磁された磁束が角部から漏洩するおそれがあった。

したがって、本発明は、外部磁性体によって集磁した磁束の漏洩を低減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。

本発明による磁気センサは、第１の方向に配列された第１及び第２の感磁素子が形成された素子形成面を有するセンサ基板と、素子形成面に対して垂直な第２の方向から見て、第１の感磁素子と第２の感磁素子の間に配置された外部磁性体とを備え、外部磁性体は、素子形成面を覆う幅広部と、幅広部から第２の方向に突出し、第１の方向における幅が幅広部よりも狭い突出部とを含み、幅広部は、第１又は第２の感磁素子に沿って、第１及び第２の方向と直交する第３の方向に延在するエッジ部と、突出部との境界である境界部とを有し、幅広部の第１及び第２の方向における断面において、エッジ部と境界部を結ぶ外縁に角部が設けられていないことを特徴とする。

本発明によれば、外部磁性体の幅広部が角部を有していないことから、外部磁性体によって集磁した磁束の漏洩を低減することが可能となる。その結果、より高い検出感度を得ることが可能となる。

本発明において、外縁は一直線であっても構わないし、凹型の円弧状であっても構わないし、凸型の円弧状であっても構わない。これらのいずれの形状においても、幅広部からの磁束の漏洩を低減することが可能となる。

このように、本発明によれば、外部磁性体によって集磁した磁束の漏洩を低減することが可能となる。その結果、より高い検出感度を得ることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１０Ａの外観を示す略斜視図である。 図２は、磁気センサ１０Ａの略上面図である。 図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。 図４は、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４と端子電極４１〜４４の接続関係を説明するための回路図である。 図５は、外部磁性体３０Ａの形状を説明するための部分的なｘｚ断面図である。 図６は、第１の比較例による外部磁性体３０ａの形状を説明するための部分的なｘｚ断面図である。 図７は、第２の比較例による外部磁性体３０ｂの形状を説明するための部分的なｘｚ断面図である。 図８は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ１０Ｂのｘｚ断面図である。 図９は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃのｘｚ断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１０Ａの外観を示す略斜視図である。また、図２は磁気センサ１０Ａの略上面図であり、図３は図２に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。

図１〜図３に示すように、本実施形態による磁気センサ１０Ａは、センサ基板２０と、センサ基板２０に付加された外部磁性体３０Ａとを備えている。センサ基板２０はチップ部品であり、ｘｙ平面を構成する素子形成面２０ａには、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４が形成されている。感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は、保護膜２１で覆われている。センサ基板２０の作製方法としては、集合基板に多数のセンサ基板２０を同時に形成し、これらを分離することによって多数個取りする方法が一般的であるが、本発明がこれに限定されるものではなく、個々のセンサ基板２０を別個に作製しても構わない。

感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は、磁束密度によって物理特性の変化する素子であれば特に限定されないが、磁界の向きに応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗素子であることが好ましい。本実施形態においては、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の感磁方向（固定磁化方向）は、図２の矢印Ｐが示す方向（ｘ方向におけるプラス側）に全て揃えられている。

素子形成面２０ａのｘ方向における略中央部には、外部磁性体３０Ａが配置されている。外部磁性体３０Ａは、フェライトなど透磁率の高い軟磁性材料からなるブロックであり、接着剤などを用いてセンサ基板２０の保護膜２１に接着されていても構わないし、センサ基板２０とともに図示しない他の基板に搭載され、センサ基板２０との相対的な位置関係が固定されているものであっても構わない。

外部磁性体３０Ａは、ｚ方向から見て、感磁素子Ｒ１，Ｒ３と感磁素子Ｒ２，Ｒ４の間に配置される。これにより、外部磁性体３０Ａによって集磁された磁束φは、左右にほぼ均等に分配される。この時、磁束φの一部が感磁素子Ｒ１〜Ｒ４を通過するため、感磁素子Ｒ１，Ｒ３と感磁素子Ｒ２，Ｒ４には、互いに逆方向の磁束が与えられることになる。上述の通り、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の磁化固定方向は、矢印Ｐが示すｘプラス方向に揃えられていることから、磁束のｘ方向における成分に対して感度を持つことになる

図４は、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４と端子電極４１〜４４の接続関係を説明するための回路図である。

図４に示すように、端子電極４１，４４には、それぞれグランド電位ＧＮＤ及び電源電位Ｖｄｄが供給される。また、端子電極４１，４４間には、感磁素子Ｒ１，Ｒ２が直列に接続されるとともに、感磁素子Ｒ４，Ｒ３が直列に接続される。そして、感磁素子Ｒ３，Ｒ４の接続点は端子電極４２に接続され、感磁素子Ｒ１，Ｒ２の接続点は端子電極４３に接続される。このようなフルブリッジ接続により、端子電極４３に現れる電位Ｖａと端子電極４２に現れる電位Ｖｂを参照することにより、磁束密度に応じた感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の電気抵抗の変化を高感度に検出することが可能となる。

具体的には、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４が全て同一の磁化固定方向を有していることから、外部磁性体３０Ａの左側に位置する感磁素子Ｒ１，Ｒ３の抵抗変化量と、外部磁性体３０Ａの右側に位置する感磁素子Ｒ２，Ｒ４の抵抗変化量との間には差が生じる。この差は、図４に示したフルブリッジ回路によって２倍に増幅され、端子電極４２，４３に現れる。したがって、端子電極４２，４３に現れる電位Ｖａ，Ｖｂの差を検出することによって、磁束密度を測定することが可能となる。

図５は、外部磁性体３０Ａの形状を説明するための部分的なｘｚ断面図である。

図５に示すように、本実施形態において使用する外部磁性体３０Ａは、素子形成面２０ａを覆う幅広部３１Ａと、幅広部３１Ａからｚ方向に突出する突出部３２Ａを含んでいる。幅広部３１Ａは、素子形成面２０ａに対してｚ方向に近づくほどｘ方向における幅が拡大するテーパー形状を有しており、そのｘ方向における最大幅はＷ１である。これに対し、突出部３２Ａのｘ方向における幅Ｗ２は一定であり、幅広部３１Ａのｘ方向における幅Ｗ１よりも狭い。このような形状を有していることから、外部磁性体３０Ａの突出部３２Ａによって集磁されたｚ方向の磁束φは、幅広部３１Ａによって水平方向に曲げられ、ｘ方向成分が増大する。これにより、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４にｘ方向成分の磁束がより多く印加されることから、検出感度が高められる。

さらに、外部磁性体３０Ａのｘｚ断面は、幅広部３１Ａの先端であるエッジ部Ｅ１と、幅広部３１Ａと突出部３２Ａの境界である境界部Ｅ２を有し、エッジ部Ｅ１と境界部Ｅ２を結ぶ外縁Ｌに角部が設けられておらず、一直線である。ここで、エッジ部Ｅ１とは、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に沿ってｙ方向に延在する先端部であり、そのｘｚ断面は鋭角であることから、エッジ部Ｅ１に磁界が集中し、多くの磁束がここから放出される。そして、エッジ部Ｅ１は、素子形成面２０ａの直上に位置し、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４との距離が非常に近いことから、エッジ部Ｅ１から放出される磁束のｘ方向成分が感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に効率よく印加される。

しかも、エッジ部Ｅ１と境界部Ｅ２を結ぶ外縁Ｌが一直線であり、角部が設けられていないことから、外部磁性体３０Ａに取り込まれた磁束の漏洩が低減される。

図６は、第１の比較例による外部磁性体３０ａの形状を説明するための部分的なｘｚ断面図である。

図６に示す外部磁性体３０ａは、図５に示す外部磁性体３０Ａと同様、素子形成面２０ａを覆う幅広部３１ａと、幅広部３１ａからｚ方向に突出する突出部３２ａを含んでいるものの、幅広部３１ａのｘｚ断面が矩形であり、ｘ方向における幅がほぼ一定である。このような形状を有する外部磁性体３０ａは、エッジ部Ｅ１と境界部Ｅ２を結ぶ外縁Ｌ１，Ｌ２に角部Ｅ３が含まれることから、外部磁性体３０ａに取り込まれた磁束の一部が角部Ｅ３に集中し、ここから漏洩磁束が発生する。その結果、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に印加される磁束が減少することから、検出感度が低下する。

このような問題は、図７に示す第２の比較例による外部磁性体３０ｂのように、幅広部３１ｂの角部を面取りすることによって、ある程度緩和することができる。しかしながら、この場合であっても、エッジ部Ｅ１と境界部Ｅ２を結ぶ外縁Ｌ３〜Ｌ５に、鈍角である角部Ｅ４，Ｅ５が含まれることから、突出部３２ｂ介して幅広部３１ｂに達した磁束の一部が角部Ｅ４，Ｅ５に集中し、ここから漏洩磁束が発生してしまう。

これに対し、本実施形態による磁気センサ１０Ａは、外部磁性体３０Ａが上述した形状を有していることから、外部磁性体３０Ａに取り込まれた磁束の漏洩が少なく、より多くの磁束を感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に印加することが可能となる。その結果、より高い検出感度を得ることが可能となる。

＜第２の実施形態＞
図８は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ１０Ｂのｘｚ断面図である。

図８に示すように、本実施形態による磁気センサ１０Ｂは、外部磁性体３０Ａの代わりに外部磁性体３０Ｂが用いられている点において、第１の実施形態による磁気センサ１０Ａと相違している。その他の構成は、第１の実施形態による磁気センサ１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態において使用する外部磁性体３０Ｂは、外部磁性体３０Ａと同様、素子形成面２０ａを覆う幅広部３１Ｂと、幅広部３１Ｂからｚ方向に突出する突出部３２Ｂを含んでいる。そして、幅広部３１Ｂは、素子形成面２０ａに対してｚ方向に近づくほどｘ方向における幅が拡大するとともに、その拡大量が増加する形状を有している。つまり、エッジ部Ｅ１と境界部Ｅ２を結ぶ外縁Ｌが凹型の円弧状であり、角部が設けられていない。このような形状を有する外部磁性体３０Ｂを用いた場合であっても、第１の実施形態による磁気センサ１０Ａと同様の効果を得ることができるとともに、エッジ部Ｅ１がより鋭角となることから、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に印加される磁束のｘ方向成分をより大きくすることが可能となる。

＜第３の実施形態＞
図９は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃのｘｚ断面図である。

図９に示すように、本実施形態による磁気センサ１０Ｃは、外部磁性体３０Ａの代わりに外部磁性体３０Ｃが用いられている点において、第１の実施形態による磁気センサ１０Ａと相違している。その他の構成は、第１の実施形態による磁気センサ１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態において使用する外部磁性体３０Ｃは、外部磁性体３０Ａと同様、素子形成面２０ａを覆う幅広部３１Ｃと、幅広部３１Ｃからｚ方向に突出する突出部３２Ｃを含んでいる。そして、幅広部３１Ｃは、素子形成面２０ａに対してｚ方向に近づくほどｘ方向における幅が拡大するとともに、その拡大量が減少する形状を有している。つまり、エッジ部Ｅ１と境界部Ｅ２を結ぶ外縁Ｌが凸型の円弧状であり、角部が設けられていない。このような形状を有する外部磁性体３０Ｃを用いた場合であっても、第１の実施形態による磁気センサ１０Ａと同様の効果を得ることができるとともに、エッジ部Ｅ１の角度が緩和されることから、外部磁性体３０Ｃの機械的強度を高めることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 磁気センサ
２０ センサ基板
２０ａ 素子形成面
２１ 保護膜
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０ａ，３０ｂ 外部磁性体
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１ａ，３１ｂ 幅広部
３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２ａ，３２ｂ 突出部
４１〜４４ 端子電極
Ｅ１ エッジ部
Ｅ２ 境界部
Ｅ３〜Ｅ５ 角部
Ｌ，Ｌ１〜Ｌ５ 外縁
Ｒ１〜Ｒ４ 感磁素子
φ 磁束

Claims (4)

1. 第１の方向に配列された第１及び第２の感磁素子が形成された素子形成面を有するセンサ基板と、
   前記素子形成面に対して垂直な第２の方向から見て、前記第１の感磁素子と前記第２の感磁素子の間に配置された外部磁性体と、を備え、
   前記外部磁性体は、前記素子形成面を覆う幅広部と、前記幅広部から前記第２の方向に突出し、前記第１の方向における幅が前記幅広部よりも狭い突出部とを含み、
   前記幅広部は、前記第１又は第２の感磁素子に沿って、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向に延在するエッジ部と、前記突出部との境界である境界部とを有し、
   前記幅広部の前記第１及び第２の方向における断面において、前記エッジ部と前記境界部を結ぶ外縁に角部が設けられていないことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記外縁が一直線であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記外縁が凹型の円弧状であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
4. 前記外縁が凸型の円弧状であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。

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