JP5747294B1 - 電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子および電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＩ素子のコイルピッチを微細化してコイル巻数の増加を図り、高感度化・小型化を可能とするための技術を提供する。【解決手段】ＭＩ素子は、絶縁素材で被覆した磁性ワイヤとその周りに巻きつけたコイルとを電極配線基板上に設置するものであるが、コイルの製作に関して、凹形状のコイル下部と凸形状のコイル上部および両者を連結するジョイント部の３層構造または段差ゼロの場合の２層構造とすることと蒸着プロセスによる薄膜コイル線に着目ことによって、コイルピッチを１４μｍ以下にすることを実現した。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気センサとして用いられる電磁コイルを用いるマグネト・インピーダンス・センサ素子（以下、ＭＩ素子と記す。 ）のコイルピッチを小さくしてコイル巻数を増加してその高感度化あるいは感度を維持しながら小型化を可能とするための技術に関するものである。

現在、このＭＩ素子を使用した電子コンパスは3次元方位計としてスマートフォン、モーションキャプチャーなどの多くの用途で使用されているが、今後は動的3次元方位計として期待されており、そのためには一層の高性能化が要求されている。しかし、従来のＭＩ素子を使用した電子コンパス用磁気センサは、３次元方位計としては十分な性能を実現したが、市場が求めている動的3次元方位計に対しては、高感度化、小型化および高精度化に関して充分ではないという問題があった。ここで動的三次元方位計とは、任意の時間で回転中の対象物の３次元方位を測定する計測装置である。

ＭＩ素子の構造は、中心部に感磁体であるアモルファスワイヤを電極基板上に固定して、そのワイヤ周辺に電磁コイルを巻きつけたもので、ワイヤ端子接続電極とコイル端子接続電極が計４個あり配線がパターンニングされている。現在、大量生産されているＭＩ素子の大きさは、幅０．３ｍｍ、長さ０．６ｍｍで、そのＭＩ素子の電磁コイルは、厚みが３０〜５０μm程度（厚みは下部コイルと上部コイルの最大幅で定義した。）、コイルピッチ（コイル幅とコイル間隔の合計をいう。）が３０μm、コイル厚みとコイルピッチとの比、つまりコイル厚み／コイルピッチで定義されるコイルアスペクト比は１〜１．７程度、コイル巻数は１７回である。このＭＩ素子を使って電子コンパスとして使用されているＭＩセンサの感度は、２００ｍＶ／Ｇ程度、ノイズレベルは標準偏差で２ｍＧ程度、および測定レンジは±１２Ｇ程度である。

これに対して、エアマウス、モーションキャプチャーなどの用途で使用される動的3次元方位計としては、感度は１０００ｍＶ／Ｇ程度、ノイズレベルは標準偏差で０．４ｍＧ程度および±４８Ｇ以上の測定レンジが望まれている。また胃カメラなど生体内部で使用する機器に内蔵する方位計に関しては一層の小型化、望ましくは長さ０．３ｍｍ以下が望まれている。生体磁気などの検知の用途ではノイズレベルは０．１ｍＧ以下が求められている。これらの要望に対応するためには、現行のＭＩセンサの大幅な性能向上が求められている。

特許第３６９３１１９号 特許第４８３５８０５号

ＭＩ素子としては、微細加工プロセスで製作したコイルで、コイルピッチが６０μmの特許文献１（図２）に記載されたワイヤを溝に埋設するタイプのもの、コイルピッチが３０μｍの特許文献２（図２）に記載されたワイヤを平面基板に液状樹脂で付着させるタイプのものが実用化されている。コイルピッチの微細化を図ることで、ＭＩセンサの高感度化、低ノイズ化、測定レンジの拡大およびマイクロサイズ化を図ることができると考えられる。
現在の微細加工プロセスで製作したコイルは、基板上に設置した溝付きタイプの凹状コイル方式（特許文献１）や、ワイヤ上部に凸状に形成したコイル方式（特許文献２）で製作されている。基板上に固定または仮固定するための深い溝や高いガイド用ポールを設け、それらを使ってワイヤを基板上に整列固定している。これらの方法だとマスクと基板底面との間に大きな間隙ができて、露光時に光の回折現象により微細な配線を焼き付けることができず、現状ではコイルピッチは３０μｍとなっている。また、液状樹脂を使ってワイヤを仮固定するため、樹脂がコイルとワイヤ間に介在する分、コイル厚みが大きくなり、コイルピッチの微細化の障害となっている。
よって、現状のコイル形成方式では、ワイヤ径１０μｍ〜１５μｍに対応したコイル厚みは３０μｍ〜５０μｍ程度で、コイルピッチは３０μｍが限界であった。つまりコイルアスペクト比を１．７から２以上に大幅に改善しない限り、コイルピッチ１４μｍ以下を実現することは困難である。
また、コイル線はコイル抵抗を小さくするために線厚み７μ程度とされているが、厚みをそのままでコイルピッチの微細化は困難である。コイルピッチの微細化を達成するためには、蒸着プロセスで薄膜コイルを製作する必要があるが、コイル線の断面積が小さくなるとコイル抵抗が大きくなって、コイル電圧はコイル電流による電圧降下で、出力電圧のアップは期待できない。
以上、基板面上に設置するコイルピッチの微細化については、コイルアスペクト比の改善を図る課題、およびコイル線の断面積の縮小によるコイル抵抗の増大に対処できる電子回路の考案、また素子を小型化できても集積回路とワイヤボンディング接合している限りＭＩセンサの小型化は困難である。同時に寄生容量の増加による出力電圧の低下などの問題があった。

本発明者は、上記の技術課題を鋭意検討した結果、絶縁素材で被覆された磁性ワイヤを用いて、基板上の３次元形状のコイルの形成は凹形状のコイル下部、凸形状のコイル上部および両者の間にある段差を介して両者を接続するジョイント部の３層または段差がゼロの特殊な場合は２層に分割して接合することで、コイルアスペクト比を小さくできて、コイルピッチの微細化が容易に実現できるという本発明の技術的思想に至った。
さらに、その微細ピッチコイル線の薄膜化に伴ってコイル抵抗が大幅アップする課題については、従来のサンプルホールド回路に代えて、パルス対応型のバッファー回路付のサンプルホールド回路と本素子を組合せることおよび寄生容量を大きくするワイヤボンディング接続を排して半田で直接集積回路チップに接続する方式を採用することによって解決するという着想を考案するに至った。

第１発明の電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子は、電極配線基板上に感磁体である絶縁素材で被覆された磁性ワイヤとその周りに巻きつけて形成したコイルが、凹形状のコイル下部と凸形状のコイル上部および両者の間にある段差を介して両者を連結するジョイント部の３層または段差がゼロの場合は２層に分割した多層構造からなり、磁性ワイヤの下部のみをコイル下部配線を施した基板溝に埋設し、それを接着機能およびレジスト機能を有する樹脂で固定し、ワイヤ上部は樹脂の表面張力で薄く覆われ、もしくは一部露出した状態で、コイル上部配線およびジョイント部の配線を行ってコイルを形成すること、および、ワイヤ端部の絶縁素材の被覆部については樹脂で埋もれているワイヤ下部を除いてワイヤ端部の絶縁素材を除去した後、露出したワイヤ上部とワイヤ電極とを配線を施すことを特徴とするものである。
多層凹凸の構造にすることにより３次元コイルのコイルアスペクト比を３倍に増加させ、コイル巻き数を増やすことが容易にできる。

ホトリソグラフィ技術で凹凸のある基板にコイル配線をパターニングする場合、凹凸によりマスクと基板に間隔が生じて、露光時の回折現象により線幅が制限される。ワイヤの半分（ワイヤ断面の半分をいう。）を基板上の溝に埋設し、残り半分を凸状の絶縁被膜で覆って露光することによって、さらに絶縁被膜の厚みを最小化することによって、凹凸を小さくすることができ、その結果コイルピッチの増大が実現する。
絶縁素材で被覆した磁性ワイヤを採用することで、コイルとワイヤ間の絶縁問題は無くなり、ワイヤを基板に固定するにあたって、磁石を埋め込んだ基板固定台を使ってワイヤを基板に仮止めして、コイル下部の上面とワイヤとの間並びにコイル上部とワイヤとの間には接着材を介せずに固定して、コイル厚みをワイヤ径とコイル線厚みの合計程度まで薄くすることができる。ワイヤ端部の絶縁被膜については固定後溝内にあるワイヤ上部に存在する絶縁被膜を除去して金属表面を露出させて、露出したワイヤ上部とワイヤ電極とを接続する。
本発明では、ワイヤを浅い溝に整列固定することが必要であるが、接着仮止め用の液状樹脂を塗布すると溝を浅くしてしまうので好ましくない。基板固定台に磁石を取り付けて、磁力によってワイヤを仮止めして、その後樹脂を薄く塗布すると、表面張力の力で溝面とワイヤ間に樹脂が浸透し、その状態でキュア処理を行ってワイヤを固定する。磁石と浅い溝のガイド機能を活用して接着材を極力薄くすることで、コイル厚みを小さくしマスクと基板底面の間隙を小さくしてコイルピッチの微細化を容易にする。

第２発明の電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子は、第１発明において、その感磁体は直径１から２０μmのアモルファスの導電性の磁性ワイヤからなり、コイルはコイルピッチ１４μm以下、コイル厚み３０μm以下、コイル厚みは前記感磁体のワイヤ径に対して２．５倍以下、かつ、コイルアスペクト比２以上のコイルで、コイル線の厚さを２μｍ以下で、ワイヤ長さが０．３０ｍｍ以下で、コイル巻数２０回以上有して、ＭＩセンサ素子のミニサイズ化と高感度化を同時に実現することを特徴としたものである。

ワイヤの直径とコイル厚みを小さくし、蒸着プロセスによる薄膜コイルおよび３層構造を採用することにより、コイルピッチを微細化できる。また、コイル線の厚みを２μｍ以下に薄くすることによりコイルピッチの微細化を容易にする。一方、コイル抵抗の増加の問題については、バッファー回路付サンプルホールド回路と組み合わせることによって解決できる。
これら組み合わせることにより、ワイヤ長さとＭＩ素子の長さを、従来の０．６０ｍｍから０．３０ｍｍ以下と小さくすることができる。測定レンジは、ワイヤ長さに反比例するので、±１２Ｇから±４８Ｇ以上に大幅に改善できる。しかもワイヤ長さを短くしてもコイル巻き数は逆に増加させることができて、センサ感度の向上を図ることができる。つまり従来品のＭＩセンサに比べて１０倍以上の機能性の向上が実現する。生体内など超小型センサが要求される用途において、性能を維持したままで小型化することが必要であるが、コイルピッチの微細化により容易に実現できる。

第３発明の電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子は、第１発明において、その感磁体は直径１から２０μmのアモルファスの導電性の磁性ワイヤからなり、コイルはコイルピッチ７μm以下、コイル厚み２５μm以下、コイル厚みは前記感磁体のワイヤ径に対して２倍以下、かつコイルアスペクト比５以上のコイル、コイル線の厚さを２μｍ以下で、ワイヤ長さが１．００ｍｍ以上でコイル巻数２００回以上に設定するものである。
生体磁気のようなピコテスラレベルの超微小磁界を検知する場合、２００回以上のコイル巻き数が必要であるが、この巻き数は、コイルピッチを７μm以下とさらに微細化して、素子の長さ（ワイヤ長さ）を１ｍｍ以上とすることで実現することができる。

第４発明の電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子は、第１発明から第３発明において、磁性ワイヤの端部の絶縁被膜を除去したワイヤ上部の金属表面とワイヤ用電極とを直接金属蒸着層で結合したことを特徴とするものである。

第５発明のマグネト・インピーダンス・センサ素子は、第１発明から第４発明において、ワイヤ用電極の上に半田ボールを取り付け、この半田ボールでワイヤ電極と集積回路面の電極を接合し、またコイル用電極に半田ボールを取り付け、この半田ボールでコイル電極と集積回路の端子を接続することを特徴とするものである。
ワイヤボンディングを省略して、ＭＩセンサの小型化を実現すると同時に素子の寄生容量を低減してコイル抵抗の増加に伴うＩＲドロップ（電圧降下）を小さくして、ＭＩセンサの感度の向上を図るものである。

第６発明の電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサは、第１発明から第５発明において、電磁コイルの電圧出力を、パルス対応型のバッファー回路を介してサンプルホールド回路にて検知するものである。
従来のサンプルホールド回路では、ＭＩ素子の抵抗が大きくなると、ＩＲドロップによる電圧降下でコイル巻き数を増やしてもそれに比例した出力電圧を取り出すことができない。通常のバッファー回路では、周波数帯域が１ＭＨｚ程度で、ＭＩセンサ用のGHｚのパルス電圧に対応できないと考えられる。周波数帯域をＧＨｚに高めるためにはバッファー回路の消費電流が著しく増大し実用的ではない。この問題に対して、バッファー回路と入力側にＭＩ素子のみの高インピーダンス回路、出力側に電子スイッチとコンデンサ（容量は５ｐＦ程度）と増幅器からなる高インピーダンス回路を組み合わせた場合、コイルにパルス電圧が発生するナノ秒の一瞬のみ、出力側が低インピーダンスとなりバッファー回路として機能して、コンデンサにコイルと同様の電圧がホールドされることを見出した。つまりこの構成においては、ナノ秒の一瞬バッファー回路の周波数帯域がＧＨｚまで高まったとみなすことができる。この構成をパルス対応型のバッファー回路と呼ぶことにする。
第６発明は、微細コイルを持つＭＩ素子とパルス対応型のバッファー回路とを組み合わせることで、ＭＩセンサの感度を大幅に改善したものである。

第１発明の電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子は、絶縁素材で被覆された磁性ワイヤを採用することおよび電極配線基板上に感磁体とその周りに巻きつけて形成したコイルが、凹形状のコイル下部と凸形状のコイル上部およびそれを連結するジョイント部の３層構造からなることを特徴としたもので、コイルアスペクト比の増加、コイルのファインピッチ化を容易にでき、その結果、本素子とバッファー回路付のサンプルホールド回路、集積回路とＭＩ素子を半田で直接接続することとを組合せれば、ＭＩセンサの高感度化、低ノイズ化、測定レンジの拡大および小型化を可能にするという効果を奏する。

次に、第２発明の電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子は、０．３０ｍｍ以下で、コイル巻数２０回以上有して、ＭＩセンサ素子のミニサイズ化、高感度化および測定レンジの拡大を同時に実現することができるという効果を奏する。

また、第３発明の電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子は、２００回以上のコイル巻き数を持ち生体磁気のようなピコテスラレベルの超微小磁界を検知することができるという効果を奏する。

また、第４発明の電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子は、第１発明から第３発明において、磁性ワイヤの端部の絶縁被膜を除去したワイヤ上部の金属表面とワイヤ電極端子とを直接金属蒸着層で結合することで、磁性ワイヤと電極との電気的接続を安定化させてワイヤ通電を確実にすることができる。

さらに、第５発明のマグネト・インピーダンス・センサ素子は、第１発明から第４発明において、磁性ワイヤ端部およびコイル端子部に半田ボールを取り付けて直接集積回路の表面に接続することを可能にするものである。ワイヤボンディング接続の方法を排することによって、センサの小型化が実現できると同時にコイルの寄生容量を低減して、バッファー回路に入力される検出コイル電圧のＩＲドロップによる電圧降下を小さくするという効果を奏する。

また、第６発明の電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサは、第１発明から第５発明の素子の電磁コイル電圧出力を、パルス対応型のバッファー回路を介してサンプルホールド回路にて検知することによって、コイルに流れる電流を抑制し電圧降下を最小化することによってセンサの高感度化、低ノイズ化を可能にするという効果を奏する。

第１実施形態および第１実施例のＭＩ素子を示す正面の概念図である。 第１実施形態および第１実施例のＭＩ素子を示す図１のＡ１−Ａ２線に沿う断面の概念図である。 第１実施形態および第１実施例におけるコイル下部の概念図である。 第１実施形態および第１実施例におけるコイル上部の概念図である。 第１実施形態および第１実施例における図２のB1-B2線に沿う断面の上下コイルの概念図である。 第１実施形態および第１実施例のＭＩ素子を示す図１のＡ３−Ａ４線に沿う断面の概念図である。 第２実施形態および実施例におけるＭＩセンサの電子回路を示すブロック回路図である。 第２実施例および比較例１と比較例２におけるセンサ出力電圧対外部磁場の特性を示す線図である。

以下本発明の実施の形態につき、図を用いて説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態の電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子は、図１、図２および図６に示されるＭＩ素子において、電極配線基板１上に磁界を検知するCo合金の絶縁被膜付アモルファス磁性ワイヤ２と絶縁物を介して３層構造の電磁コイル３、つまり凹状のコイル下部と凸状のコイル上部およびそれを連結するジョイント部からなる構造のコイルを形成し、このときの電磁コイル３はコイルピッチ１４μｍ以下、内径４０μｍ以下、コイルアスペクト比２以上として、ワイヤ２とコイル３の端子を基板１上のそれぞれの電極２２、３６に接続し、そこに半田ボールを設置して集積回路と接続する。ワイヤ２に高周波またはパルス電流を流した時、電磁コイル３に発生する外部磁界の強度に応じた電圧を出力する。その電圧を集積回路で検知するものである。

また、本実施形態は、前記のＭＩ素子において、前記ワイヤ２の直径は１〜２０μｍである。前記電極基板１の溝１１はワイヤ径の１／２程度（１５μｍ以下）の深さであり、当該ワイヤ２の下部のみを電磁コイル３の凹状のコイル下部３１配線が施された当該溝１１に埋設し、それを接着機能およびレジスト機能を有する樹脂で固定し、ワイヤ上部は樹脂の表面張力で薄く覆われ、もしくは一部露出した状態で、その上に高さ２５μｍ以下の凸状のコイル上部３２が配置され、その間を段差０．５〜２０μｍに対してはジョイント部３３で連結する３層構造とするものである。この３層構造によりコイルアスペクト比を２以上確保して、コイルピッチを１４μｍ以下にすることができる。なお、本発明の３層構造は上下コイル間の段差が０μmの特殊な場合、事実上２層構造も３層構造の特殊なケースとして本発明に包含しうる。

本実施形態において、望ましいワイヤ径は６〜１５μｍである。この場合３層の高さ比率は原則三等分とする。この時、溝深さは２〜１０μmが望ましい。上コイル側の凸部の高さは同じく２〜１０μmが望ましい。この場合コイル厚みは１０〜３０μｍ、コイルアスペクト比を３〜５、コイルピッチは２〜１０μｍとすることができる。

本実施形態において、Co合金の絶縁被膜付アモルファス磁性ワイヤは感磁性能が優れているため、電磁コイル１巻あたりの出力電圧が増加してセンサの高感度化を可能にすることができる。
また、本実施形態は、コイル厚みは、ワイヤ径に対して１．００５ないし１０倍に設定することによって、コイルアスペクト比が同じでも、いろいろな径のワイヤを使った場合においてもコイルピッチを小さくすることができて、高感度化と低ノイズ化を可能にする素子となる。

さらに、本実施形態は、コイル線の厚みを２μｍ以下とすることで、コイルピッチを１４μｍ以下に容易に実現することができる。
また、本実施形態は、コイルピッチを１４μｍ以下にすることで、前記のＭＩ素子において素子の長さを０．３０ｍｍ以下としても、現行ＭＩ素子と同等のコイル巻数を確保することが出来て、高い感度を保持した状態で、小型化を可能にする素子となる。

また、本実施形態は、コイルピッチを１４μｍ以下にすることで、前記のＭＩ素子の長さを１ｍｍ以上、コイル数が200回以上に設定することによって、小型でありながら、ノイズレベルを標準偏差で０．１ｍG以下の超高感度化を可能にする素子となる。

また、本実施形態は、前記ワイヤ２の端部の絶縁被覆については樹脂で埋もれているワイヤ２の下部を除いたワイヤ２の上部の絶縁被膜を除去した後、露出したワイヤ２の上部とワイヤ２の電極とを直接金属蒸着層で結合配線を施して、磁性ワイヤと電極との電気的接続を安定化させてワイヤ通電を確実にした。
さらに、本実施形態は、ワイヤ電極、コイル電極に半田ボールを接続して、直接集積回路に接続することによってＭＩセンサの小型化を実現することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態は、第１実施形態のＭＩ素子とバッファー回路付のサンプルホールド回路と組合せて使用するＭＩセンサに関するものである。ファインピッチコイルの電気抵抗は、コイル間隔を１／２としてコイル巻数を２倍とすると、コイル線厚みが同じならコイル線の断面積が１／２となり、しかもコイル長さは２倍となり、その結果電気抵抗は４倍となる。コイル出力電圧を、直接電子スイッチを介してサンプルホールドすると、コイルに電流が流れて降下電圧が４倍大きくなり、コイル出力電圧を大きく損なうことになる。そこでバッファー回路と電子スイッチを介してサンプルホールドする回路を採用することによって、電圧降下を抑制してコイル数に比例した出力電圧を得ることができるようにしたＭＩセンサである。

以下本発明の実施例につき、図を用いて説明する。
第１実施例の電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子について、図１〜図６を用いて以下に説明する。

基板１の大きさは、長さ０．３ｍｍ、幅０．２ｍｍ、高さ０．２ｍｍである。 感磁体は、ＣｏＦｅＳｉＢ系合金を使った直径１０μｍでガラス被覆されたアモルファスワイヤ２である。 基板１の凹形状のコイル下部３１は、深さ７μｍ、線幅２μｍ、コイル幅が４０μｍ、厚み１μｍである。ジョイント部３３は、高さ１μｍ、厚み１μｍ、凸形状のコイル上部３２は、高さは７μｍ、線幅２μｍ、コイル幅が４０μｍ、厚み１μｍである。電磁コイル３の厚みは１４μｍの三層構造である。コイルピッチは５μｍ、コイルアスペクト比は２．６で、コイル巻数は５０回である。

３層コイルの配線構造を図３〜図５を使って説明する。前記凹形状のコイル下部３１は、図３に示されるように電極配線基板１の長手方向に形成された溝１１の溝面の全面および電極配線基板１の上面の前記溝１１の近接部にコイル下部３１を構成する導電性の金属薄膜（厚み１μｍ）を蒸着により形成し、形成された金属薄膜がクランク状３１に残るように間隙部を構成する導電性金属薄膜部を選択エッチング手法により除去することにより形成される。

凹形状のコイル下部３１の配線をパターニングした溝にアモルファスワイヤ２を挿入した後に、厚さ1μｍの樹脂をスピンコートで塗布し硬化させて第２層面である樹脂層４を形成後、その第２層面上に厚さ1μｍのジョイント部３３とコイル下部３１のクランク部３４とは電気的に接合される。

凸形状のコイル上部３３は、第２層面の樹脂層４の上に、ワイヤ上部に沿って高さ７μｍの凸状の樹脂を塗布し、その面にコイルを構成する導電性の金属薄膜（厚み１μｍ）を蒸着により形成し、形成された金属薄膜がクランク状に残るように間隙部を構成する導電性金属薄膜部を選択エッチング手法により除去することにより形成される。コイル上部３２のクランク部はジョイント部３３と電気的に接合される。

アモルファスワイヤ２と電磁コイル３はアモルファスワイヤを被覆しているガラスで絶縁を保持している。アモルファスワイヤ２は樹脂によって基板に固定される。導電性のアモルファスワイヤ２と電磁コイルの電極はそれぞれ電極配線基板１の上面に電磁コイル３のコイル電極３６と感磁体であるアモルファスワイヤ２のワイヤ電極２２の計４個が焼付けられている。

アモルファスワイヤ２の端部の構造について図６を使って説明する。樹脂によって基板に固定されているアモルファスワイヤ２の端部のガラス絶縁被膜部は、樹脂に埋もれているアモルファスワイヤ下部を除いて除去され、アモルファスワイヤ２の金属端部の金属表面とアモルファスワイヤ端子２１とは金属蒸着膜とで接合し、アモルファスワイヤ端子２１とワイヤ電極２２との接合部２３も金属蒸着膜で接合する。
ワイヤ電極２２の上に半田ボールを設置して、また、電磁コイル３のコイル端子３５からのびるコイル電極３６にも半田ボールを設置して、加熱して集積回路側の端子に直接接続する。これによりセンサの小型化が実現する。なおワイヤボンディングを廃止することで、パルス発振時の電磁ノイズの低減にも役立っている。さらにワイヤとＭＩ素子のワイヤ電極とは半田で強く接合されＭＩ素子の機械的強度が高いものとなった。

次に、前記ＭＩ素子１０の特性を図７に示すＭＩセンサ用の電子回路を用いて評価した。
電子回路は、パルス発信器６１と前記ＭＩ素子１０とバッファー回路６３を有する信号処理回路６２とからなる。 信号は、５００ＭＨｚに相当する１００ｍＡの強さのパルス信号で、信号間隔は１μｓｅｃである。 パルス信号はアモルファスワイヤ２に入力され、そのパルス印加中に電磁コイル３には外部磁界に比例した電圧が発生する。

信号処理回路６２は、電磁コイル３に発生したその電圧を、バッファー回路６３に入力し、そこからの出力に電子スイッチ６５を介してサンプルホールド回路６６に入力される。電子スイッチの開閉のタイミングは、検波タイミング整回路６４でパルス信号に対して適切なタイミングに調整し、その時の電圧をサンプルホールドする。その後その電圧を増幅器７２にて所定の電圧に増幅する。

前記回路からのセンサ出力を図８に示す。図８の横軸は外部磁場の大きさ、縦軸はセンサ出力電圧である。 センサの出力は磁界の強さ±１０Ｇの間で優れた直線性を示す。 さらにその感度は４２ｍＶ／Ｇであった。

比較例として、市販製品ＡＭＩ３０６に使用されているＭＩ素子を同一の電子回路にて測定評価した。その結果を図８の比較例１に示す。感度は１４ｍＶ／Ｇであった。比較例のＭＩ素子の寸法は、幅０．３ｍｍ、高さ０．２ｍｍ、長さ０．６ｍｍで本実施例より３倍大きいサイズである。また感磁体には本実施例と同じアモルファスワイヤが使
用されている。この結果から、本実施例の微細ピッチコイルによる感度改善効果してはコイル巻数３倍で、感度も３倍になることが分かる。
第１実施例で製作した電子コンパスは、動的３次元方位計が要求する高い感度と低いノイズを実現しており、その応用が期待される。

第２実施例は、実施例１の電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子とバッファー回路付の信号処理回路６２とを組み合わせたものである。ＭＩ素子のコイルは、コイルピッチは５μｍ、コイル巻数は５０回、長さは０．３ｍｍ、コイル抵抗は４８オームである。

電子回路６は、パルス発振器６１と信号処理回路６２からなっている。信号処理回路６２は、バッファー回路６３、検波タイミング調整回路６４、電子スイッチ６５とサンプルホールド回路６６および増幅回路６７からなっている。パルス発信器６１は５００MHｚ相当の振動数、電流の強さは１００ｍAのパルスをＭＩ素子のワイヤ部に入力する。ＭＩ素子のコイルに発生した電圧はバッファー回路６３に入力する。バッファー回路６３からの出力電圧は電子スイッチ６５を介してサンプルホールド回路６６でホールドされ、その後その電圧は増幅器６７にて増幅処理される。電子スイッチ６５の開閉は、検波タイミング調整回路６４でパルス信号に連動した適切なタイミングで開閉するよう調整され開閉する。閉じたタイミングの時の電圧をサンプルホールドする。

また、比較例として、現行品のＭＩ素子とバッファー回路付き回路を組合せたセンサを比較例１とした。さらに実施例１の発明ＭＩ素子とバッファー回路無しの回路と組合せたセンサを比較例２とした。本実施例の性能と二つ比較例の性能を比較した。その結果、比較例１の感度は１４ｍＶ／Ｇ、比較例２は２０ｍＶ／Ｇであった。これに対して実施例２は、感度は４２ｍＶ／Ｇと大幅に向上する。

なお、上述の実施形態および実施例は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。

以上のように、本発明のファインピッチの電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子は、非常に小型で高感度であるため、動的３次元方位計としてスマートファオンやモーションキャプチャなど幅広い分野で適用を可能にするものである。

１：ＭＩ素子の基板、１０：ＭＩ素子、１１：基板上の溝
２：アモルファスワイヤ、２１：ワイヤ端子、２２：ワイヤ電極、２３：接続部、
３：電磁コイル、３１：コイル下部、３２：コイル上部、３３：ジョイント部、
３４：クランク部、３５：コイル端子、３６：コイル電極
４：樹脂層
６： 電子回路
６１：パルス発振器 ６２:信号処理回路 ６３：バッファー回路 ６４：検波タイミング調整回路、６５：電子スイッチ、６６：サンプルホールド回路、６７：増幅器

Claims (6)

1. 電極配線基板上に、感磁体である絶縁素材で被覆された磁性ワイヤとその周りに巻きつけたコイルおよびそれらの端部に外部の集積回路と連結するための４つの端子を形成した電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子において、
   コイルは、凹形状のコイル下部と凸形状のコイル上部および両者の間にある段差を介して両者を連結するジョイント部の３層構造または段差がゼロの特殊な場合は２層の凹凸構造からなり、磁性ワイヤの下部のみをコイル下部配線を施した基板溝に埋設し、それを接着機能およびレジスト機能を有する樹脂で固定し、ワイヤ上部は樹脂の表面張力で薄く覆われ、もしくは一部露出した状態で、コイル上部配線を行ない、コイル下部の端部とコイル上部の端部を段差がある場合には両者を連結するジョイント部を介して電気的に接合し、また段差がない場合にはコイル下部の端部とコイル上部の端部を直接電気的に接合して電磁コイルを形成すること、
   および、ワイヤ端部の絶縁被覆については樹脂で埋もれているワイヤ下部を除いたワイヤ上部の絶縁被膜を除去した後、露出したワイヤ上部とワイヤ電極とを配線を施すことを特徴とする電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子。
2. 請求項１において、前記感磁体が、直径１μmから２０μmのアモルファスの導電性の磁性ワイヤからなり、コイルはコイルピッチ１４μm以下、コイル厚み３０μm以下、厚みは前記感磁体のワイヤ径に対して２．５倍以下、かつコイルアスペクト比２以上のコイルで、コイル線の厚さを２μｍ以下で、ワイヤ長さが０．３０ｍｍ以下でコイル巻数２０回以上に設定されていることを特徴とする電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子。
3. 請求項１において、前記感磁体が、直径１から２０μmのアモルファスの導電性の磁性ワイヤからなり、コイルはコイルピッチ７μm以下、コイル厚み２５μm以下、コイル厚みは前記感磁体のワイヤ径に対して２倍以下、かつコイルアスペクト比５以上のコイル、コイル線の厚さを２μｍ以下で、ワイヤ長さが１．００ｍｍ以上でコイル巻数２００回以上に設定されていることを特徴とする電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載された電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子において、磁性ワイヤの端部の絶縁被膜を除去したワイヤ上部の金属表面とワイヤ電極端子とを直接金属蒸着層で結合することを特徴とする電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載された電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子において、４つの電極上に半田ボールを取り付け、この半田ボールで当該素子の端子と集積回路面の端子を結合することを特徴とする電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ素子。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載された電磁コイル付マグネト・インピーダス・センサ素子において、電磁コイルの電圧出力をパルス対応型バッファー回路を介してサンプルホールド回路にて検知することを特徴とする電磁コイル付マグネト・インピーダンス・センサ。
   
   

Images