JP5037492B2

JP5037492B2 - 磁気センサー素子及び磁気センサー

Info

Publication number: JP5037492B2
Application number: JP2008509697A
Authority: JP
Inventors: 孝蓮沼
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: CN101410723B; WO2007116583A1; CN101410723A; DE112007000774T5; US8098067B2; TWI390229B; JPWO2007116583A1; US20090243609A1; TW200739115A

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサー素子及び磁気センサーに関し、更に詳しくは、平面状に形成された直交型フラックスゲート磁気センサー素子と、この磁気センサー素子を備えた磁気センサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、地磁気等の弱小磁界を検出するための磁気センサーとして、例えば、特開２００５−１１４４８９号公報、特開２００４−２７１４８１号公報、特開２００４−１９８３７９号公報および特開２００４−１８４０９８号公報のそれぞれに開示されているような直交型フラックスゲート磁気センサーが知られている。
【０００３】
このような直交型フラックスゲート磁気センサーは、導電体と、この導電体の周囲に配置された磁性体と、この磁性体の周囲に巻きつけられた検出コイルとを有する磁気センサー素子を備えている。
【０００４】
しかしながら、このような構造を有する直交型フラックスゲート磁気センサーでは、磁気センサー素子を小型化、特に厚さを薄くすることが困難であり且つＩＣ化することができないという問題があった。
【０００５】
他方、特開２００３−００４８３１号公報には、スパイラル状に形成されたコイルと、このコイルに設けられた磁性体からなる矩形状のストライプとを有する磁気センサーが開示されている。
【０００６】
しかしながら、このような磁気センサーでは、磁性体の一つのストライプ（縞あるいは帯）が２．５ｍｍ四方のスパイラルのコイルに配置されるので、発生する磁界の長軸方向の長さが長くなってしまい、磁気センサーを小型化及び薄型化することが困難であるという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
［０００７］
本発明の第１の目的は、直交型フラックスゲート磁気センサー素子の小型化及び薄型化を図ることである。
［０００８］
本発明の第２の目的は、直交型フラックスゲート磁気センサー素子を組み込んだ磁気センサーのパッケージの小型化及び薄型化を図ることである。
課題を解決するための手段
［０００９］
上記第１の目的を達成するため、本発明の一実施例に係る磁気センサー素子は、基板と、この基板上に設けられた磁界を発生する励磁パターンと、励磁パターンに隣接して設けられた検出用磁性薄膜パターンと、この検出用磁性薄膜パターンに隣接して設けられた検出コイルパターンとを備え、前記検出用磁性薄膜パターンは、前記基板上に絶縁して配置された複数の磁性薄膜部を有し、前記励磁パターンは、前記複数の磁性薄膜部の間に配置されて磁界を発生する複数のストライプ部を有し、前記検出コイルパターンは、前記基板上に絶縁して配置された複数の第一の導体と該第一の導体に対向するように前記検出コイルパターン上に配置された複数の第二の導体とを有している。
［００１０］
また、上記第２の目的を達成するため、本発明の一実施例に係る磁気センサーは、請求項１に記載の磁気センサー素子が互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸線上に配置されている。
発明の効果
［００１１］
本発明の磁気センサー素子によれば、励磁パターン、検出用磁性薄膜パターン及び検出コイルパターンを基板上に設けることによって、磁気センサー素子を平坦状に形成することができ、また、発生する磁界の長軸方向の長さも短くなるので、素子自体の小型化及び薄型化が図られる。
［００１２］
本発明の磁気センサーによれば、上記の磁気センサー素子を磁気センサーのパッケージにコンパクトに組み込むことができるので、パッケージそのものの小型化及び薄型化が図られる。
【図面の簡単な説明】
［００１３］
［図１］本発明の第１の実施例に係る直交型フラックスゲート磁気センサー素子を示す斜視図である。
［図２］本発明の第１実施例に係る直交型フラックスゲート磁気センサー素子を、検出コイルパターンの一部を除去した状態で示す平面図である。
【図３】本発明の第１実施例に係る直交型フラックスゲート磁気センサー素子の断面図である。
【図４】本発明の第１実施例に係る直交型フラックスゲート磁気センサー素子を、主要構成部に分解した分解平面図である。
【図５】本発明の第１実施例に係る直交型フラックスゲート磁気センサー素子の動作パターンを説明するためのパターン図である。
【図６Ａ】本発明の第２実施例に係る直交型フラックスゲート磁気センサー素子の断面図である。
【図６Ｂ】本発明の第２実施例に係る直交型フラックスゲート磁気センサー素子の平面図である。
【図７】本発明に係る磁気センサーの構成例を示す斜視図である。
【図８】本発明に係る磁気センサーの駆動回路を説明するための回路図である。
【図９】本発明に係る磁気センサーの駆動パターン例を示すパターン図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る磁気センサーの最良の形態を、図面に示された実施例について詳細に説明する。
【第１実施例】
【００１５】
図１乃至図４は、本発明に係る磁気センサー素子の第１実施例を示す。この第１実施例における磁気センサー素子は、例えば、直交型フラックスゲート磁気センサー素子１からなり、図１および図３に示されるように、例えば、厚さの薄い直方体形状の基板１１を有する。この基板１１は絶縁性のガラス等の各種材料から形成されている。
【００１６】
この基板１１上には、磁界を発生する励磁パターン１３と、この励磁パターンに隣接して設けられた検出用磁性薄膜パターン１５と、この検出用磁性薄膜パターンに隣接して設けられた検出コイルパターン１７とが設けられている。これら励磁パターン１３、検出用磁性薄膜パターン１５及び検出コイルパターン１７は、特に、基板１１上に平面状に配置される。
【００１７】
図１乃至図３に示されるように、検出用磁性薄膜パターン１５は、この実施例では、基板１１上に配置された複数の磁性薄膜部１５１を有する。これら複数の磁性薄膜部１５１は、それぞれ矩形の形状を有し、基板１１の一方向に間隔をあけて配置されている。この第１実施例では、励磁パターン１３は、複数の磁性薄膜部１５１の間に配置された複数の矩形状のストライプ部１３１を有する。従って、この励磁パターン１３のストライプ部１３１と複数の矩形状の磁性薄膜部１５１とは基板上に交互に並んで配置される。
【００１８】
これら複数のストライプ部１３１は、例えば、複数の磁性薄膜部１５１に沿って延びる一つの帯状部材から形成することができる。更に詳細に述べると、この帯状部材は、複数の磁性薄膜部１５１の最初の磁性薄膜部の一側面に沿って延び、この最初の磁性薄膜部１５１の一端を通って、この最初の磁性薄膜部１５１と隣接する次の磁性薄膜部１５１との間を通り、この次の磁性薄膜部１５１の上記最初の磁性薄膜部１５１の一端とは反対の端部を通るように、複数の磁性薄膜部１５１の間を縫うようにジグザグ状に配置される（図２参照）。
【００１９】
この励磁パターン１３のストライプ部１３１のそれぞれは、通常の各種金属材料、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ等から、厚さが０．１〜５０μｍ、特に、１〜２０μｍ程度、横方向寸法（幅）が５〜５０μｍ、特に、５〜２０μｍ程度、長さ方向寸法（長さ）が８０〜１０００μｍ、特に１００〜８００μｍ程度に設定されている。
【００２０】
このようにして形成された複数のストライプ部１３１が、１０〜１００μｍ、特に１０〜５０μｍ程度のピッチで基板１１上に並べて配置される。この場合、ストライプ部１３１の数は、２個以上であれば、その数に制限はないが、特に磁気に対する感度の点から考慮すると、２個以上、特に３〜２０個程度有することが好ましい。
【００２１】
複数のストライプ部１３１は、相互に直列に連結される。尚、ストライプ部が一つの帯状部材から形成されている場合にはこのような連結は必要でない。このように複数のストライプ部１３１が連結されてストライプ組立体が形成され、このストライプ組立体の一端および他端は各引き出し線１３３を介して電極１３５にそれぞれ接続され、これら一対の電極１３５には直流あるいは交流の電源（図示せず）が接続される。この実施例では、励磁パターン１３には、例えば、交番電流が印加される。
【００２２】
磁性薄膜部１５１のそれぞれは、各種パーマロイ、各種アモルファス材料等の各種軟磁性体から矩形状に形成されており、その寸法およびピッチ（磁性薄膜部１５１間の距離）は、上述した励磁パターン１３のストライプ部１３１のそれらと同程度である。厚みは１〜５０μｍ程度、特に５〜２０μｍ程度とされ、長さは８０〜１０００μｍ、特に１００〜８００μｍ程度に設定されている。
【００２３】
このように形成された磁性薄膜部１５１のそれぞれは、その長手方向が磁化感度軸に設定されている。磁性薄膜部１５１の数は、２個以上であれば特に制限はないが、磁気検出感度の点で、通常２〜１００本程度、特に３〜２０本程度に設定されることが好ましい。複数の磁性薄膜部１５１が設けられるときのピッチ（隣接する磁性薄膜部間の距離）は１０〜１００μｍ程度、特に１０〜５０μｍ程度に設定されることが好ましい。
【００２４】
検出コイルパターン１７は、基板１１上に配置される第一の導体１６１と、前記ストライプ部１３１および磁性薄膜部１５１の上部に配置される第二の導体１７１とを有する。これら第一の導体および第二の導体は、共に検出コイルを形成し、それぞれ細長い矩形の形状を有する。複数の第一の導体１６１のそれぞれは、複数の第二の導体１７１のそれぞれに対向するように配置されている（図１参照）。ここで、これら第一の導体１６１及び第二の導体１７１は、複数のストライプ部１３１及び複数の磁性薄膜部１５１の配列方向に対して横切るように、例えば、略直角方向に延びるように配置されている（図１および図２参照）。各第一の導体１６１の両端と各第二の導体１７１の両端は、接着剤等の適宜の手段によって互いに結合される（図１参照）。
【００２５】
これら第一の導体１６１のそれぞれ及び第二の導体１７１のそれぞれの材質、厚さ等の寸法やピッチ等は、励磁用のストライプ部１３１のそれらと略同一である。第一の導体１６１のそれぞれ及び第二の導体１７１のそれぞれは、通常の各種金属材料、例えば、Ａｌ等から、厚さが０．１〜５０μｍ、特に、２〜２０μｍ程度であり、横方向の寸法（幅）が２〜６０μｍ、特に５〜２０μｍ程度であり、長さが８０〜１０００μｍ、特に１００〜８００μｍ程度の帯状体として形成されている。このように形成された複数の細長い第一の導体１６１及び複数の細長い第二の導体１７１は、それぞれピッチ２〜５０μｍ、特に５〜２０μｍ程度で並べて配置される。この場合、第一の導体１６１及び第二の導体１７１のそれぞれの数は、２個以上であれば、その数に制限はないが、その電極の配置パターン、特に磁気感度の点から考慮すると、２個以上、特に３〜２０個程度であることが好ましい。
【００２６】
この場合、特に、検出コイルパターン１７の第二の導体１７１が、励磁パターン１３および検出用磁性薄膜パターン１５に対し直交するように設けられなければならない。これにより、良好な磁気感度特性が得られる。
【００２７】
また、検出コイルパターン１７の内側には励磁パターン１３および検出用磁性薄膜パターン１５を覆うように適宜の絶縁薄膜層１２ａ，１２ｂが形成されなければならない。
【００２８】
上記の如き構成の磁気センサー素子を作製するには、図４に示されるような通常の半導体プロセスに従えばよい。即ち、図４に示されるように、基板１１上に検出コイルパターン１７の第一の導体１６１を配置し、その上に絶縁薄膜層１２ａを介して励磁パターン１３と検出用磁性薄膜パターン１５とを配置し、さらにその上に再び絶縁薄膜層１２ｂを介して検出コイルパターン１７の第二の導体１７１を配置する。このように各シートを順次積層することで磁気センサー素子を作製することができる。なお、励磁パターン１３、検出用磁性薄膜パターン１５及び検出コイルパターン１７を基板１１上にプリント配線することで、直交型フラックスゲート磁気センサー素子１を作製することもできる。
【００２９】
このような構成で、電源から励磁パターン１３の電極に交流電流が印加されると、印可磁界の極性切換（１）が発生し、それに応じ検出用磁性薄膜パターン１５への長手方向の磁化が変化し、検出コイルに起電力（２）（３）が発生し、検出コイルパターン１７の出力電流が変化する（図５参照）。より具体的には、励磁パターン１３に電流を流すことによってストライプ部１３１を中心にして円周状に磁界が発生する。発生した磁界は矩形の磁性体薄膜部１５１に対して垂直に入射し、磁性薄膜部１５１と平行な外部磁界を遮断する。次に、励磁電流の極性を反転させると、反転時の励磁磁界が零となる時点でストライプ部１３１から発生する磁界も零となり、さらに反転した後は再度増加する。
【００３０】
その際、零磁界時をピークとして矩形状の磁性薄膜部１５１に外部磁界が進入していれば、その水平方向に磁界が侵入するので検出コイルパターン１７に外部磁界の強度に応じた起電力が発生する。
【００３１】
従って、電圧変化、即ち、起電力から外部磁界の強度と極性とが判別可能となる。
【００３２】
この第一実施例では、１．２ｍｍ×３ｍｍのガラス製基板を用い、それぞれが幅１０μｍ、長さ０．４ｍｍを有する１０本のストライプ部１３１をジグザグ状に配置して励磁パターン１３を形成した。次いで、それぞれが０．５μｍ厚さを有するパーマロイ薄膜から成る１０本の磁性薄膜部１５１を幅２０μｍ、長さ０．４ｍｍ、ピッチ５０μｍの態様で相互に平行に配置して検出用磁性薄膜パターン１５を形成した。さらに、励磁パターン１３と同サイズ、同一ピッチおよび本数で、励磁パターン１３と検出用磁性薄膜パターン１５のそれぞれに直交するように配置して検出コイルパターン１７を形成した。
【第２実施例】
【００３３】
図６Ａおよび図６Ｂは、本発明に係る磁気センサー素子の第２実施例を示す。
【００３４】
上記第１実施例における直交型フラックスゲート磁気センサー素子１は、１層の励磁パターン１３と１層の検出用磁性薄膜パターン１５を用いて、これを左右に並んで基板１１上に配置した例であるが、この第２実施例における直交型フラックスゲート磁気センサー素子１’は、励磁パターン１３と検出用磁性薄膜パターン１５とを上下に配置した例である。この場合、どちらのパターンが上にあってもよい。また、図示されているように、検出用磁性薄膜パターン１５を励磁パターン１３の上下に配置してもよい。このような配置により、磁気に対しより高感度となり、より低消費電流化を期待することができる。なお、検出用磁性薄膜パターン１５に限られることなく、励磁パターン１３や検出コイルパターン１７を２層に設けてもよい。
【００３５】
図７は、上記構成からなる磁気センサー素子が複数組み込まれた磁気センサー２０を示す。この磁気センサー２０は、矩形状の基板２１の上面中央にＩＣ２２が搭載され、その外周３方を囲むようにＸ，Ｙ，Ｚ軸上に３個の直交型フラックスゲート磁気センサー素子１ａ，１ｂ，１ｃがそれぞれ配置され、これらＩＣ２２及び直交型フラックスゲート磁気センサー素子１ａ，１ｂ，１ｃを透明樹脂体２３で封止したものである。
【００３６】
図８は上記磁気センサー２０の駆動回路を示したものである。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸上の各直交型フラックスゲート磁気センサー素子１ａ，１ｂ，１ｃに対して、ＩＣ２２内の発振回路２８のタイミングにより、励磁電流発生回路２６で電流を発生させ、アナログスイッチ２５を介して、各直交型フラックスゲート磁気センサー素子１ａ，１ｂ，１ｃの駆動タイミングにより、該当する各磁気センサー素子の励磁パターン１３に電流を印加する。その時に、各磁気センサー素子の検出コイルパターン１７に発生する起電力による電流が別回路からアナログスイッチ２５を経由して検波回路２７に入力され、さらに発振回路２８のタイミングにより、励磁電流発生回路２６で発生する電流と同期したタイミングで、検波回路２７から増幅回路２９を経て出力するように構成されている。
【００３７】
そして、図９に示されるように、１０ｍＡの励磁電流が７５０μｓのタイミングでＸ，Ｙ，Ｚ軸に配置された各直交型フラックスゲート磁気センサー素子１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに１００μｓづつ印加される。これにより、平均消費電流２５０μＡで良好な地磁気検出が行われる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によれば、半導体プロセスを応用して平面上に小型化および薄型化した直交型フラックスゲート磁気センサー素子を備えた磁気センサーを実現することができる。その際、極めて小さな検出素子が得られる。３軸上の磁気センサーとして用いる場合でもこれら直交型フラックスゲート磁気センサー素子を用いることが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１直交型フラックスゲート磁気センサー素子
１１基板
１３励磁パターン
１３１ストライプ部
１３５電極
１５検出用磁性薄膜パターン
１５１磁性薄膜部
１７検出コイルパターン
１６１第一の導体
１７１第二の導体

Claims

基板と、
該基板に設けられた磁界を発生する励磁パターンと、
該励磁パターンに隣接して設けられた検出用磁性薄膜パターンと、
該検出用磁性薄膜パターンに隣接して設けられた検出コイルパターンとを備え、
前記検出用磁性薄膜パターンは、前記基板上に絶縁して配置された複数の磁性薄膜部を有し、
前記励磁パターンは、前記複数の磁性薄膜部の間に配置されて磁界を発生する複数のストライプ部を有し、
前記検出コイルパターンは、前記基板上に絶縁して配置された複数の第一の導体と該第一の導体に対向するように前記検出コイルパターン上に配置された複数の第二の導体とを有している磁気センサー素子。
前記励磁パターンおよび前記検出用磁性薄膜パターンは、前記基板上に互いに並んで配置されている請求項１記載の磁気センサー素子。
前記励磁パターンおよび前記検出用磁性薄膜パターンは、上下方向に重ねて配置されている請求項１記載の磁気センサー素子。
前記複数のストライプ部は、前記複数の磁性薄膜部のそれぞれの周囲に沿って連続して延びる一つの帯状部材から形成されている請求項１記載の磁気センサー素子。
前記複数の磁性薄膜部は、基板の一方向に沿って配列され、前記第一の導体および第二の導体は、前記基板の一方向に対して交差するように配置されている請求項１記載の磁気センサー素子。
前記磁性薄膜部のそれぞれの長手方向に沿って磁化感度軸が形成されている請求項１記載の磁気センサー素子。
前記複数の磁性薄膜部は少なくとも２つの矩形状の薄膜部材から形成されている請求項１記載の磁気センサー素子。
前記検出コイルパターンは、１ターン以上の矩形状の導体から形成されている請求項１記載の磁気センサー素子。
前記励磁パターン、前記検出用磁性薄膜パターン及び前記検出コイルパターンのいずれか一つ或いは２つ以上が２層以上に形成されている請求項１記載の磁気センサー素子。
請求項１に記載の磁気センサー素子が互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸線上に配置されている磁気センサー。