JP5479796B2 - 磁気センサの部品配置構造 - Google Patents

Description

本発明は、自身にかかる磁界の向きや強さを検出し、その検出量に応じた検出信号を出力可能な磁気センサの部品配置構造に関する。

従来から周知のように、被検出体の位置や回転量等を検出するセンサの一種として、周囲に発生する磁界の変化量を検出することでこれらの位置変化を求める磁気センサが広く使用されている。磁気センサには、例えば磁石から磁気検出素子チップにバイアス磁界を付与し、被検出体の接近や離間により変化するバイアス磁界の変化を磁気検出素子で検出することで位置変化を見る種類のもの（例えば特許文献１〜６等参照）が周知である。この種の磁気センサは、例えば微弱な磁界でも検出可能であるので、極めて検出感度の高い磁気センサとして種々の分野で使用されている。

特開２００７−２１８７００号公報 特開２００６−３２９８８８号公報 特開２００６−２６７１１８号公報 特開平９−７９８６５号公報 特開平５−３４１０２６号公報 特開平５−１１３４７２号公報

この磁気センサは、磁気検出素子チップと磁石とが一体に組み付けられた構造をとるが、これら２者間には、製造精度の上限の関係から、どうしても実装バラツキが発生してしまう現状がある。ところが、このような実装バラツキが存在すると、磁石から磁気検出素子チップに付与されるバイアス磁界がばらつくことになるので、これが磁気センサの検出精度の低下に繋がる問題が発生してしまう。しかし、これら２者を寸分違わず組み付けることは、製造精度上、どうしても不可能であり、このような実装バラツキを許容して、センサの検出精度を確保することができる技術の開発が要望されていた。

本発明の目的は、磁気検出部材とバイアス磁界発生源の磁石との間に実装バラツキが存在していても、バイアス磁界のバラツキを低く抑えることができる磁気センサの部品配置構造を提供することにある。

前記問題点を解決するために、本発明では、くしば状の配置状態をとる少なくとも一対の検出素子を持った磁気検出部材と、前記検出素子にバイアス磁界を印加する磁石とを一体に備え、前記バイアス磁界の変化量を前記検出素子により検出する磁気センサの部品配置構造において、前記バイアス磁界の発生面である前記磁石の発磁面の幅を、一対の前記検出素子の並び方向の幅であるパターン幅よりも大きく設定し、かつ前記磁石の幅直交方向の端縁から前記検出素子の該幅直交方向の真ん中までの距離と、前記発磁面から前記磁気検出部材の実装面までの垂直方向の距離とを同じに設定したことを要旨とする。

この構成によれば、発磁面の幅を検出素子のパターン幅よりも大きく設定したので、発磁面の磁界の強い箇所に磁気検出部材を配置することが可能となる。よって、磁気検出部材と磁石とを一体組み付けするに際し、磁気検出部が磁石に対して幅方向においてばらついて実装バラツキが発生しても、このバラツキ前後で大きな差のない強度のバイアス磁界が磁石から磁気検出部材に付与される。このため、もし仮に磁気検出部材が磁石に対してその幅方向にばらついても、同方向におけるバイアス磁界のバラツキを少なく抑えることが可能となる。

また、磁石の幅直交方向の端縁から検出素子の同方向の真ん中までの距離と、発磁面から磁気検出部材の実装面までの垂直方向の距離とを同じに設定したので、バイアス磁界のうち水平部分をより多く磁気検出部材に印加することが可能となる。よって、磁気検出部材と磁石とを一体組み付けするに際し、磁気検出部材が磁石に対して長さ方向にばらついて実装バラツキが発生しても、センサ出力に変動の少ない磁界方向をとるバイアス磁界が磁気検出部材に変わらず印加される。このため、もし仮に磁気検出部材が磁石に対してその長さ方向にばらついても、同方向におけるバイアス磁界のバラツキを少なく抑えることが可能となる。

本発明では、前記一対の検出素子の組は、２組設けられていることを要旨とする。
この構成によれば、検出素子の組を２組設けたので、被検出体の検出範囲をより広くとることが可能となる。

本発明では、前記発磁面の前記幅直交方向に沿う長さを、当該幅直交方向に沿って２組設けた前記検出素子の同方向長さであるパターン間隔よりも小さく設定したことを要旨とする。

この構成によれば、磁石の形状が直方体形状で済み、また検出素子の組数も２組で済むので、磁気センサを構造が簡素なものとして提供することが可能となる。
本発明では、前記一対の検出素子の組は、前記幅直交方向に沿って同一直線上に配置されるとともに、当該幅直交方向において前記磁石を挟んだ両側に配置されていることを要旨とする。

この構成によれば、磁石を挟んでその両側に移動する被検出体の動きを検出することが可能となるので、被検出体の位置をより広い範囲で検出することが可能となる。

本発明によれば、磁気検出部材とバイアス磁界発生源の磁石との間に実装バラツキが存在していても、バイアス磁界のバラツキを低く抑えることができる。

一実施形態における磁気センサの外観を示す斜視図。 磁気検出素子チップの回路構成を示す回路図。 磁気センサの内部構成を示す斜視図。 検出素子と磁石との配置関係を示す平面図。 （ａ）〜（ｄ）は磁気センサの製造手順を示す説明図。 Ｙ−Ｚ平面視の部品配置関係と磁界強度の分布とを示す説明図。 Ｘ−Ｚ平面視の部品配置関係と磁界方向の分布とを示す説明図。 別例における磁気センサの一例を示す模式図。

以下、本発明を具体化した磁気センサの部品配置構造の一実施形態を図１〜図７に従って説明する。
図１及び図３に示すように、外部からの印加磁界を検出するセンサとして、周囲発生磁界の変化量を見ることで被検出体の位置変化を検出する磁気センサ１がある。本例の磁気センサ１は、図３に示すように、周囲発生磁界を検出する磁気検出素子チップ２と、この磁気検出素子チップ２にバイアス磁界Ｈｂ（図６や図７等参照）を印加する磁石３とが一体に組み付けられている。磁気センサ１は、外部磁界によって変化するバイアス磁界Ｈｂの変化量を磁気検出素子チップ２で検知することにより、印加磁界を検出する。この磁気センサ１は、例えば電流センサ等に使用されている。なお、磁気検出素子チップ２が磁気検出部材に相当する。

図３に示すように、磁気センサ１には、各種部品の取り付け先としてリードフレーム４が設けられている。このリードフレーム４は、例えば金属板からなり、周縁に磁気センサ１の接続端子５が複数（本例は８つ）形成されている。本例の場合、図１及び図３の紙面左上から時計回りの順に、第１接続端子５ａ、第２接続端子５ｂ、第３接続端子５ｃ、第４接続端子５ｄ、第５接続端子５ｅ、第６接続端子５ｆ、第７接続端子５ｇ、第８接続端子５ｈとなっている。磁気センサ１は、これら接続端子５ａ〜５ｈを残してリードフレーム４を樹脂６によりモールドされることでパッケージ化されている。

図３及び図４に示すように、リードフレーム４の上面中心には、ワイヤボンディングによって磁気検出素子チップ２が実装されている。磁気検出素子チップ２は、例えば１つのチップ部品からなるとともに、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）が使用されている。磁気検出素子チップ２のチップ基板７には、同チップ２の検出素子８が複数（本例は４つ）実装されている。磁気検出素子チップ２は、これら検出素子８，８…で磁石３のバイアス磁界を検出することにより検出信号を出力する。

これら検出素子８，８…は、磁気抵抗から形成されるとともに、２つで１つの組をなしている。このように、検出素子８を２つで１組とするのは、磁気検出素子チップ２を２重系とするためである。本例の場合、第１検出素子８ａと第２検出素子８ｂとが組をなし、第３検出素子８ｃと第４検出素子８ｄとが組をなすとともに、８ａ，８ｂの組と８ｃ，８ｄの組とが互いに対向する位置に配置されている。これら検出素子８ａ〜８ｄは、くしば状（つづら折り形状）に折り返されたパターン形状をとり、組をなすもの同士が互い違いに折り返されて１つの組を形成している。なお、くしば状とは、組をなす検出素子８，８同士が違いに向き合うとともに、矩形状に互い違いに折り返された形状をいう。

また、第１検出素子８ａと第２検出素子８ｂとの組は、チップ基板７の一方側の半面９（図４の紙面上側の半面）に取り付けられ、ともに同一方向の磁界を検出する。第１検出素子８ａは、その一端Ｐ１がボンディングワイヤ１０を介して第１接続端子５ａに接続され、その他端Ｐ８がボンディングワイヤ１１を介して第８接続端子５ｈに接続されている。第２検出素子８ｂは、その一端Ｐ２がボンディングワイヤ１２を介して第２接続端子５ｂに接続され、その他端Ｐ７がボンディングワイヤ１３を介して第７接続端子５ｇに接続されている。なお、パターン長さ方向Ｘとは検出素子８の長手方向の向きのことをいい、幅直交方向に相当する。

更に、第３検出素子８ｃと第４検出素子８ｄとの組は、チップ基板７の他方側の半面１４（図４の紙面下側の半面）に取り付けられ、第１検出素子８ａ及び第２検出素子８ｂとは逆方向を向く磁界を検出する。８ａ，８ｂの組と、８ｃ，８ｄの組とは、検出素子８のパターン長さ方向（図３及び図４の矢印Ｘ方向）において同一直線上に配置されている。第３検出素子８ｃは、その一端Ｐ３がボンディングワイヤ１５を介して第３接続端子５ｃに接続され、その他端Ｐ６がボンディングワイヤ１６を介して第６接続端子５ｆに接続されている。また、第４検出素子８ｄは、その一端Ｐ４がボンディングワイヤ１７を介して第４接続端子５ｄに接続され、その他端Ｐ５がボンディングワイヤ１８を介して第５接続端子５ｅに接続されている。

また、リードフレーム４の裏面には、例えば接着剤等により磁石３が取り付けられている。磁石３は、例えば永久磁石が使用され、チップ基板７の垂直方向（図３の矢印Ｚ方向）に着磁されている。本例の場合、磁石３の上面がＮ極で、下面がＳ極に着磁されている。磁石３は、自身の上面を磁界発生面、即ち発磁面１９としてバイアス磁界Ｈｂを検出素子８に付与する。発磁面１９は、チップ基板７の実装面７ａに対して平行に沿う平面をとっている。また、磁石３は、検出素子８のパターン長さ方向Ｘにおいて長く、パターン幅方向（図３及び図４の矢印Ｙ方向）において短い直方体形状をとっている。なお、パターン幅方向Ｙとは組をなす検出素子８，８のパターの重なり方向に沿う向きのことをいい、並び方向に相当する。

ここで、磁気検出素子チップ２に磁界が付与された際は、図２に示すように、第１検出素子８ａ及び第２検出素子８ｂには、同じ方向の磁界が印加され、第３検出素子８ｃ及び第４検出素子８ｄには、第１検出素子８ａ及び第２検出素子８ｂとは逆方向の磁界が付与される。そして、第１検出素子８ａと第３検出素子８ｃとの間の電位差ΔＶａ、或いは第２検出素子８ｂと第４検出素子８ｄの間の電位差ΔＶｂが、磁気検出素子チップ２（磁気センサ１）の検出信号として出力される。

また、磁気センサ１を製造する際、まずは図５（ａ）に示すように、用意したリードフレーム４の上面中央に磁気検出素子チップ２を乗せ、この磁気検出素子チップ２をワイヤボンディングによりリードフレーム４に実装する。続いて、同図（ｂ）に示すように、リードフレーム４の裏面において、磁気検出素子チップ２の直下位置に未着磁の磁石３を実装する。そして、同図（ｃ）に示すように、リードフレーム４を樹脂６によりパッケージ化し、パッケージ化の後、磁石３を着磁する。続いて、同図（ｄ）に示すように、リードフレーム４から不要な箇所を切断し、切り残した箇所を接続端子５ａ〜５ｈとする。以上の工程を経て、磁気センサ１が製造される。

図６に示すように、磁石３の発磁面１９の幅（以下、発磁面幅Ｗａと記す）は、検出素子８のパターン幅Ｗｂよりも大きく設定されている。なお、検出素子８のパターン幅Ｗｂよりも大きくとは、同図を見ても分かるように、非常に大きな差をもってサイズを大きくすることをいう。また、発磁面幅Ｗａの中心とパターン幅Ｗｂの中心とは一致するここで、発磁面幅Ｗａは、磁石３の発磁面１９におけるパターン幅方向Ｙのサイズ（大きさ）に相当する。また、検出素子８のパターン幅Ｗｂは、同一の組の２つの検出素子８，８においてそのパターン幅方向Ｙに沿う部材厚さに相当する。

また、図７に示すように、磁石３の発磁面１９においてパターン長さ方向Ｘの端縁２０から検出素子８の同方向の真ん中２１までの距離（以下、第１距離Ｌ１と記す）と、発磁面１９からチップ基板７の実装面７ａまでの垂直方向Ｚの距離（以下、第２距離Ｌ２と記す）とが同程度に設定されている。即ち、磁石３の発磁面１９の長さ（以下、発磁面長さＫ１と記す）は、検出素子８のパターン間隔Ｋ２よりも小さく設定されている。また、発磁面長さＫ１の中心とパターン間隔Ｋ２の中心とは一致する。なお、発磁面長さＫ１は、磁石３のパターン長さ方向Ｘにおけるサイズ（大きさ）に相当する。また、検出素子８のパターン間隔Ｋ２は、一方の組の検出素子８ａ（８ｂ）の真ん中２１から他方の組の検出素子８ｃ（８ｄ）の真ん中２１の間の距離に相当する。

さて、図６の磁界強度の分布図に示すように、発磁面１９のバイアス磁界Ｈｂは、パターン長さ方向Ｘの中央部分に高い値が集まって出力される傾向がある。そこで、本例においては、発磁面幅Ｗａを検出素子８のパターン幅Ｗｂよりも大きく設定したので、もし仮に実装時において磁気検出素子チップ２と磁石３との間に実装バラツキが発生しても、結果として検出素子８が磁界強度の高い箇所に位置する状態が保たれる。よって、磁気検出素子チップ２と磁石３との間に実装バラツキが発生しても、常に高いバイアス磁界Ｈｂが検出素子８に付与されるので、実装バラツキがバイアス磁界Ｈｂのバラツキに影響を及ぼし難くなる。

また、図７の磁界方向の分布図に示すように、発磁面１９から発生するバイアス磁界Ｈｂは、磁石３の端縁２０から少し外側に離れた箇所において水平成分２２が多くとれる傾向にある。検出素子８は水平成分２２の検出時に高出力を出すので、水平成分２２の分布帯に検出素子８が位置していれば、検出素子８の安定した出力の確保に効果が高い。よって、本例の場合、発磁面長さＫ１を検出素子８のパターン間隔Ｋ２よりも小さく設定したので、バイアス磁界Ｈｂの水平成分２２を、より多く検出素子８に付与可能となる。このため、磁気検出素子チップ２と磁石３との間に実装バラツキが発生しても、これがバイアス磁界Ｈｂのバラツキに影響を及ぼし難くなる。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）発磁面幅Ｗａを検出素子８のパターン幅Ｗｂよりも大きく設定し、磁石３の端縁２０から検出素子８の真ん中２１までの第１距離Ｌ１と、発磁面１９から実装面７ａまでの第２距離Ｌ２とを同程度に設定した。このため、磁気検出素子チップ２と磁石３とを一体に組み付けた際に、これら２者の間に実装バラツキが発生しても、これがバイアス磁界Ｈｂのバラツキに影響を与え難くなる。よって、部品組み付けの実装バラツキが発生しても、位置検出精度の悪化に影響を及ぼし難くすることができる。

（２）磁石３を挟んでチップ基板７の長さ方向の両側に検出素子８を配置し、これら検出素子８によって被検出体の位置を測定する。このため、検出素子８による検知エリアをより広くとることが可能となるので、被検出体を広い範囲で位置検出することができる。

（３）磁石３により磁気検出素子チップ２にバイアス磁界Ｈｂを印加し、このバイアス磁界Ｈｂの変化を見ることで被検出体の位置を見る形式をとる。よって、僅かな磁界変化でも反応するバイアス磁界Ｈｂにより位置検出を行うので、被検出体の位置をより感度よく測定することができる。

（４）磁気検出素子チップ２に同じ機能を持つ検出素子８を２つ設けて二重系としたので、もし仮に一方の検出素子８が故障しても、他方の検出素子８によって正確な位置検出を継続することが可能となる。よって、磁気センサ１が故障してもフェールセーフを確保することができる。

（５）本例の場合、検出素子８及び磁石３の形状（大きさ）や配置位置を工夫することにより、バイアス磁界Ｈｂのバラツキを低く抑える。よって、部品の形状や配置位置を変えるという簡素な方式によって、バイアス磁界Ｈｂのバラツキを低く抑えることができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・ 磁気センサ１は、検出素子８，８の組が２組からなり、しかも磁石３が立方体形状をとるものに限定されない。例えば、図８に示すように、磁石３として円板形状のものを使用し、検出素子８，８の組が隣同士のものに対して等間隔の角度をとって複数（ここでは６組）配置されるもの、即ち検出素子，８の組が円板中心を基準に放射状に配置されるものでもよい。

・ 磁気検出素子チップ２は、必ずしもＧＭＲに限定されるものではなく、例えばＭＲＥ（Magneto Resistive Element）やホール素子等を採用可能である。
・ 磁気検出素子チップ２は、１チップ部品であることに限らず、例えば１チップ化されていないものでもよい。

・ 検出素子８は、必ずしも２組設けることに限らず、単に１組だけとしてもよい。即ち、実施形態で設けた２組の検出素子群を、単に片方のみとしてもよい。
・ 検出素子８の組は、必ずしも２組であることに限定されず、３組以上としてもよい。

・ 磁石３の形状は、必ずしも長細い立方体形状をとることに限定されず、例えば円柱形状としてもよい。
・ 磁石３のＮ極及びＳ極の着磁向きは、上がＮ極、下がＳ極であることに限らず、上下逆にしてもよい。

・ 磁石３の材料は、例えばフェライト磁石等の種々のものが採用可能である。
・ 発磁面１９の形状は、四角形状に限定されず、例えば円柱磁石を使用した場合に、円形状をとっていてもよい。

・ 第１距離Ｌ１と第２距離Ｌ２とを同程度に設定するが、これは必ずしも距離が正確に同じ値をとることに限定されず、若干差を含むものとする。要は、バイアス磁界Ｈｂの水平成分２２が多く検出素子８に付与される位置関係を、これら２者がとっていればよい。

・ 第２距離Ｌ２は発磁面１９と実装面７ａとの間と距離であるが、これは必ずしも正確に垂直方向Ｚに沿う距離をとることに限定されず、若干傾く状態を含むものとする。
・ 磁気センサ１は、電流センサとして使用されることに限らず、例えば磁石から発生する磁界や、磁性体の距離によるバイアス磁界分布の変化を見ることにより被検出部（磁石や磁性体）の位置を検出する、いわゆる位置検出センサとして使用してもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（イ）請求項３又は４において、前記パターン間隔は、２組ある前記検出素子のうち一方の該検出素子の長手方向の真ん中から、他方の該検出素子の長手方向の真ん中までの距離である。この構成によれば、バイアス磁界の水平成分を、より多く検出素子に印加することが可能となる。

１…磁気センサ、２…磁気検出部材としての磁気検出素子チップ、３…磁石、７ａ…実装面、８（８ａ〜８ｄ）…検出素子、１９…発磁面、２０…磁石の端縁、２１…検出素子の真ん中、Ｈｂ…バイアス磁界、Ｗａ…発磁面の幅（発磁面幅）、Ｗｂ…パターン幅、Ｘ…幅直交方向としてのパターン長さ方向、Ｙ…並び方向としてのパターン幅方向、Ｋ１…発磁面の幅直交方向に沿う長さとしての発磁面長さ、Ｋ２…パターン間隔、Ｌ１…端縁から真ん中までの距離としての第１距離、Ｌ２…発磁面から実装面までの距離としての第２距離、Ｚ…垂直方向。

Claims (4)

1. くしば状の配置状態をとる少なくとも一対の検出素子を持った磁気検出部材と、前記検出素子にバイアス磁界を印加する磁石とを一体に備え、前記バイアス磁界の変化量を前記検出素子により検出する磁気センサの部品配置構造において、
   前記バイアス磁界の発生面である前記磁石の発磁面の幅を、一対の前記検出素子の並び方向の幅であるパターン幅よりも大きく設定し、かつ前記磁石の幅直交方向の端縁から前記検出素子の該幅直交方向の真ん中までの距離と、前記発磁面から前記磁気検出部材の実装面までの垂直方向の距離とを同じに設定したことを特徴とする磁気センサの部品配置構造。
2. 前記一対の検出素子の組は、２組設けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサの部品配置構造。
3. 前記発磁面の前記幅直交方向に沿う長さを、当該幅直交方向に沿って２組設けた前記検出素子の同方向長さであるパターン間隔よりも小さく設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサの部品配置構造。
4. 前記一対の検出素子の組は、前記幅直交方向に沿って同一直線上に配置されるとともに、当該幅直交方向において前記磁石を挟んだ両側に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の磁気センサの部品配置構造。

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