JP2021101168A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】外部磁性体による集磁能力をより高めることによって、極めて微弱な磁界を検出する。【解決手段】磁気センサ１は、ｘ方向に配列された感磁素子が形成された素子形成面を有するセンサチップ２０と、素子形成面と向かい合う端面を有する外部磁性体３１とを備える。外部磁性体３１の端面は、ｚ方向から見て、ｘ方向に配列された２つの感磁素子の間に位置し、且つ、ｙ方向における幅よりもｘ方向における幅の方が広い。このように、外部磁性体３１が幅広形状を有していることから、外部磁性体３１の集磁能力がより高められ、極めて微弱な磁界を検出す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、感磁素子に磁束を集める外部磁性体を備えた磁気センサに関する。

感磁素子に磁束を集める外部磁性体を備えた磁気センサとしては、特許文献１に記載された磁気センサが知られている。特許文献１に記載された磁気センサは、センサチップに集積された感磁素子と、センサチップ上に配置された外部磁性体とを備えている。

特開２０１８−１７９７３８号公報

しかしながら、極めて微弱な磁界の検出が求められる磁気センサにおいては、特許文献１に記載されたような一般的な形状を有する外部磁性体では集磁能力が不足することがあった。

したがって、本発明は、感磁素子に磁束を集める外部磁性体を備えた磁気センサにおいて、外部磁性体による集磁能力をより高めることによって、極めて微弱な磁界を検出することを目的とする。

本発明による磁気センサは、互いに直交する第１及び第２の方向に延在する素子形成面であって、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チップと、素子形成面と向かい合う端面を有する外部磁性体とを備え、外部磁性体の端面は、素子形成面に対して垂直な第３の方向から見て、第１の感磁素子と第２の感磁素子の間に位置し、且つ、第２の方向における幅よりも第１の方向における幅の方が広いことを特徴とする。

本発明によれば、外部磁性体が幅広形状を有していることから、外部磁性体の集磁能力がより高められる。これにより、極めて微弱な磁界を検出することが可能となる。

本発明において、外部磁性体の端面は、第１の方向における幅が第２の方向における幅の２倍以上であっても構わない。これによれば、外部磁性体の集磁能力がよりいっそう高められることから、より微弱な磁界を検出することが可能となる。

本発明において、センサチップは素子形成面上に設けられた第１、第２及び第３の磁性体層をさらに有し、第１の感磁素子は第１の磁性体層と第２の磁性体層からなる磁気ギャップの近傍に配置され、第２の感磁素子は第１の磁性体層と第３の磁性体層からなる磁気ギャップの近傍に配置され、外部磁性体の端面は、第３の方向から見て、第２及び第３の磁性体層を覆うことなく第１の磁性体層を覆っていても構わない。これによれば、外部磁性体によって集磁した磁界が感磁素子に集中することから、より高い感度を得ることが可能となる。

本発明による磁気センサは、第３の方向から見て、第１の磁性体層を覆うことなく第２及び第３の磁性体層を覆う別の外部磁性体をさらに備えていても構わない。これによれば、感磁素子に印加される磁界の強度をより高めることが可能となる。

このように、本発明による磁気センサは、感磁素子に磁束を集める外部磁性体が幅広形状を有していることから、外部磁性体による集磁能力がより高められる。これにより、極めて微弱な磁界を高感度に検出することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態による磁気センサ１の外観を示す略斜視図である。 図２は、磁気センサ１から外部磁性体３１を削除した状態を示す略斜視図である。 図３は、磁気センサ１から外部磁性体３１〜３３を削除した状態を示す略斜視図である。 図４は、センサチップ２０の略平面図である。 図５は、図４のＡ−Ａ線に沿った略断面図である。 図６は、磁性体層と感磁素子が重なりを有している例を説明するための略断面図である。 図７は、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の接続関係を説明するための回路図である。 図８は、外部磁性体３１を図１とは反対側から見た構造を示す略斜視図である。 図９は、外部磁性体３１の端面３１ｂに切り欠き部３１ｃが設けられている場合における幅Ｗ１，Ｗ２を定義について説明するための模式図である。 図１０は、外部磁性体３１の端面３１ｂの幅Ｗ１と検出感度との関係を示すグラフである。

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。

図１は、本発明の一実施形態による磁気センサ１の外観を示す略斜視図である。

図１に示すように、本実施形態による磁気センサ１は、基板１０と、基板１０のｘｚ面を構成する表面１１に搭載されたセンサチップ２０及び外部磁性体３１〜３３とを備えている。図２には磁気センサ１から外部磁性体３１を削除した状態、図３には磁気センサ１から外部磁性体３１〜３３を削除した状態が示されている。センサチップ２０は、ｘｙ面を構成する素子形成面２１及び裏面２２と、ｙｚ面を構成する側面２３，２４を有しており、素子形成面２１上には後述する感磁素子及び磁性体層Ｍ１〜Ｍ３が形成されている。このように、本実施形態においては、基板１０の表面１１とセンサチップ２０の素子形成面２１が垂直である。但し、本発明おいて両者が完全に垂直であることは必須でなく、垂直に対して所定の傾きを有していても構わない。

外部磁性体３１〜３３は、センサチップ２０に磁束を集める役割を果たし、いずれもフェライトなどの高透磁率材料によって構成される。このうち、外部磁性体３１はｚ方向を長手方向とする棒状体であり、ｚ方向から見て磁性体層Ｍ１の一部を覆うよう、素子形成面２１のｘ方向における略中央部に位置決めされている。外部磁性体３２は、ｚ方向から見て磁性体層Ｍ２の一部を覆うとともに、センサチップ２０の側面２４及び裏面２２を覆っており、ｚ方向を長手方向とする棒状形状を有している。同様に、外部磁性体３３は、ｚ方向から見て磁性体層Ｍ３の一部を覆うとともに、センサチップ２０の側面２３及び裏面２２を覆っており、ｚ方向を長手方向とする棒状形状を有している。かかる構成により、ｚ方向の磁界が選択的に集磁され、集磁された磁界がセンサチップ２０に印加されることになる。

図４はセンサチップ２０の略平面図であり、図５は図４のＡ−Ａ線に沿った略断面図である。

図４及び図５に示すように、センサチップ２０の素子形成面２１には、４つの感磁素子Ｒ１〜Ｒ４が形成されている。感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は、磁束の向きによって電気抵抗が変化する素子であれば特に限定されず、例えばＭＲ素子などを用いることができる。感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の固定磁化方向は、互いに同じ向き（例えばｘ方向におけるプラス側）に揃えられている。感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は絶縁層２５で覆われており、絶縁層２５の表面には、パーマロイなどからなる磁性体層Ｍ１〜Ｍ３が形成されている。磁性体層Ｍ１〜Ｍ３は絶縁層２６で覆われている。そして、磁性体層Ｍ１〜Ｍ３のうち、ｙ方向における一方側（図４における上側）に位置する部分を磁性体層Ｍ１１，Ｍ２１，Ｍ３１と定義し、ｙ方向における他方側（図４における下側）に位置する部分を磁性体層Ｍ１２，Ｍ２２，Ｍ３２と定義した場合、平面視で（ｚ方向から見て）、感磁素子Ｒ１は磁性体層Ｍ１１と磁性体層Ｍ２１の間に位置し、感磁素子Ｒ２は磁性体層Ｍ１２と磁性体層Ｍ２２の間に位置し、感磁素子Ｒ３は磁性体層Ｍ１１と磁性体層Ｍ３１の間に位置し、感磁素子Ｒ４は磁性体層Ｍ１２と磁性体層Ｍ３２の間に位置している。これにより、磁気ギャップＧ１〜Ｇ４を通過する磁界が感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に印加される。

但し、本発明において、各感磁素子Ｒ１〜Ｒ４が平面視で２つの磁性体層間に位置することは必須でなく、２つの磁性体層からなる磁気ギャップＧ１〜Ｇ４の近傍、つまり、磁気ギャップＧ１〜Ｇ４によって形成される磁路上に各感磁素子Ｒ１〜Ｒ４が配置されていれば足りる。また、磁気ギャップＧ１〜Ｇ４の幅が感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の幅よりも広い必要はなく、磁気ギャップＧ１〜Ｇ４の幅が感磁素子Ｒ１〜Ｒ４よりも狭くても構わない。図６に示す例では、磁気ギャップＧ１のｘ方向における幅Ｇｘが感磁素子Ｒ１のｘ方向における幅Ｒｘよりも狭く、これにより、ｚ方向から見て磁性体層Ｍ１，Ｍ２と感磁素子Ｒ１が重なりＯＶを有している。磁気ギャップＧ１〜Ｇ４と感磁素子Ｒ１〜Ｒ４との関係は、図６に示す関係であっても構わない。

図４及び図５において、符号３１ａ〜３３ａで示す領域はそれぞれ外部磁性体３１〜３３によって覆われる領域を示している。図４及び図５に示すように、外部磁性体３１は磁性体層Ｍ２，Ｍ３を覆うことなく磁性体層Ｍ１を覆い、外部磁性体３２は磁性体層Ｍ１，Ｍ３を覆うことなく磁性体層Ｍ２を覆い、外部磁性体３３は磁性体層Ｍ１，Ｍ２を覆うことなく磁性体層Ｍ３を覆う。

図７は、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の接続関係を説明するための回路図である。

図７に示すように、感磁素子Ｒ１は端子電極Ｔ１１，Ｔ１３間に接続され、感磁素子Ｒ２は端子電極Ｔ１２，Ｔ１４間に接続され、感磁素子Ｒ３は端子電極Ｔ１１，Ｔ１２間に接続され、感磁素子Ｒ４は端子電極Ｔ１３，Ｔ１４間に接続されている。端子電極Ｔ１１〜Ｔ１４は、図２及び図３に示す端子電極群Ｔ１０を構成する端子電極である。端子電極Ｔ１１には電源電位Ｖｃｃが与えられ、端子電極Ｔ１４には接地電位ＧＮＤが与えられる。そして、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は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３１からみて一方側に位置する感磁素子Ｒ１，Ｒ２の抵抗変化量と、外部磁性体３１からみて他方側に位置する感磁素子Ｒ３，Ｒ４の抵抗変化量との間には差が生じる。これにより、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は差動ブリッジ回路を構成し、磁束密度に応じた感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の電気抵抗の変化が差動信号Ｖａとして端子電極Ｔ１２，Ｔ１３に現れることになる。

端子電極Ｔ１２，Ｔ１３から出力される差動信号Ｖａは、基板１０又はセンサチップ２０に設けられた差動アンプ４１に入力される。差動アンプ４１の出力信号は、補償コイル４２に供給される。これにより、補償コイル４２は差動アンプ４１の出力信号に応じたキャンセル磁界を発生させる。そして、差動アンプ４１から出力される電流を検出回路４３によって電流電圧変換すれば、検出対象磁界の強さを検出することが可能となる。このようなクローズドループ制御により、外部磁性体３１〜３３を介して集磁された磁界を高精度に検出することが可能となる。

図８は、外部磁性体３１を図１とは反対側から見た構造を示す略斜視図である。

図８に示すように、外部磁性体３１は、センサチップ２０の素子形成面２１と向かい合う端面３１ｂを有している。端面３１ｂはｘｙ面を構成し、図４及び図５の符号３１ａで示す領域を覆う。また、端面３１ｂには、端子電極群Ｔ１０との干渉を防ぐ切り欠き部３１ｃが設けられていても構わない。そして、外部磁性体３１の端面３１ｂは、ｙ方向における幅Ｗ２よりもｘ方向における幅Ｗ１の方が広い幅広形状を有している（Ｗ１＞Ｗ２）。これにより、一般的な形状を有する外部磁性体に比べ、非常に高い集磁効果が得られることから、検出対象磁界が微弱であってもこれを高感度に検出することが可能となる。幅Ｗ１と幅Ｗ２の関係については、Ｗ１＞Ｗ２を満たしている限り特に限定されないが、幅Ｗ１が幅Ｗ２の２倍以上、４倍以下であることが好ましい。これは、幅Ｗ１を幅Ｗ２の２倍以上とすることによって集磁能力が十分に高められる一方、幅Ｗ１が幅Ｗ２の４倍を超えると、磁気センサのサイズが非常に大型化してしまうからである。

ここで、外部磁性体３１の端面３１ｂに切り欠き部３１ｃが設けられている場合には、切り欠き部３１ｃを含めて幅Ｗ１，Ｗ２を定義しても構わない。例えば、図９（ａ）〜（ｃ）に示す例のように、端面３１ｂの下辺の全体又は一部に切り欠き部３１ｃが設けられている場合であっても、切り欠き部３１ｃを含めて幅Ｗ２を定義しても構わない。

図１０は、外部磁性体３１の端面３１ｂの幅Ｗ１と検出感度との関係を示すグラフであり、外部磁性体３１のｚ方向における長さを１７．４ｍｍ、ｙ方向における幅Ｗ２を３．０ｍｍとした場合を示している。

外部磁性体３１のｙ方向における幅Ｗ２が３．０ｍｍである場合、一般的にはｘ方向における幅Ｗ１が０．８ｍｍ程度に設計される。そして、幅Ｗ１が０．８ｍｍである場合に得られる感度を基準とした場合、図１０に示すように、幅Ｗ１が大きくなるにつれて感度が高くなり、幅Ｗ１が約３．３ｍｍである場合に約２倍の感度が得られ、幅Ｗ１が約６．５ｍｍである場合に約４倍の感度が得られることが分かる。

以上説明したように、本実施形態による磁気センサ１は、外部磁性体３１のｘ方向における幅Ｗ１がｙ方向における幅Ｗ２よりも大きい幅広形状を有していることから、一般的な形状を有する外部磁性体を用いた場合と比べて高い集磁能力を得ることができる。これにより、微弱な検出対象磁界を高感度に検出することが可能となる。しかも、本実施形態においては、外部磁性体３１の長手方向がｚ方向であり、基板１０の表面１１に外部磁性体３１を寝かせて搭載することができることから、幅広形状を有する外部磁性体３１を基板１０上に安定して支持す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。

例えば、上記の実施形態では、４つの感磁素子Ｒ１〜Ｒ４をブリッジ接続しているが、本発明において４つの感磁素子を用いることは必須でなく、ｚ方向から見て外部磁性体３１のｘ方向における両側に位置する少なくとも２つの感磁素子を備えていれば足りる。

また、上記実施形態においては、外部磁性体３１のｘｙ断面形状がｚ方向位置によって変化しないが、本発明においてこの点は必須でなく、ｚ方向位置によって外部磁性体３１のｘｙ断面形状が変化しても構わない。このような場合であっても、上述の通り、素子形成面２１と向かい合う端面３１ｂにおいてＷ１＞Ｗ２を満たしていれば足りる。

１ 磁気センサ
１０ 基板
１１ 基板の表面
２０ センサチップ
２１ 素子形成面
２２ 裏面
２３，２４ 側面
２４ 側面
２５，２６ 絶縁層
３１〜３３ 外部磁性体
３１ａ〜３３ａ 領域
３１ｂ 端面
３１ｃ 切り欠き部
４１ 差動アンプ
４２ 補償コイル
４３ 検出回路
Ｇ１〜Ｇ４ 磁気ギャップ
Ｍ１〜Ｍ３，Ｍ１１，Ｍ２１，Ｍ３１，Ｍ１２，Ｍ２２，Ｍ３２ 磁性体層
Ｒ１〜Ｒ４ 感磁素子
Ｔ１０ 端子電極群
Ｔ１１〜Ｔ１４ 端子電極

Claims (4)

1. 互いに直交する第１及び第２の方向に延在する素子形成面であって、前記第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チップと、
   前記素子形成面と向かい合う端面を有する外部磁性体と、を備え、
   前記外部磁性体の端面は、前記素子形成面に対して垂直な第３の方向から見て、前記第１の感磁素子と前記第２の感磁素子の間に位置し、且つ、前記第２の方向における幅よりも前記第１の方向における幅の方が広いことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記外部磁性体の端面は、前記第１の方向における幅が前記第２の方向における幅の２倍以上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. 前記センサチップは、前記素子形成面上に設けられた第１、第２及び第３の磁性体層をさらに有し、
   前記第１の感磁素子は、前記第１の磁性体層と前記第２の磁性体層からなる磁気ギャップの近傍に配置され、
   前記第２の感磁素子は、前記第１の磁性体層と前記第３の磁性体層からなる磁気ギャップの近傍に配置され、
   前記外部磁性体の端面は、前記第３の方向から見て、前記第２及び第３の磁性体層を覆うことなく前記第１の磁性体層を覆うことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記第３の方向から見て、前記第１の磁性体層を覆うことなく前記第２及び第３の磁性体層を覆う別の外部磁性体をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。

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