JP6822127B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は磁気センサに関し、特に、磁束を感磁素子に集めるための磁性体を備えた磁気センサに関する。

感磁素子を用いた磁気センサは、電流計や磁気エンコーダなどに広く用いられている。例えば、特許文献１に記載された磁気センサは、感磁素子に磁束を集めるための磁性体を備えており、これにより磁束の検出精度が高められている。

特許第５５００７８５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、磁性体の形状が単純なブロック形状であることから集磁力が十分ではなく、このため、近年求められている非常に高い検出精度を実現することは困難である。

磁気センサの検出精度を高める方法としては、磁性体の形状を工夫し、感磁素子の近傍における径よりも感磁素子から遠い部分における径を拡大する方法が考えられる。しかしながら、このような形状を有する磁性体を用いると、複数の磁気センサをアレイ状に配列して使用する場合に磁気センサごとに検出精度がばらつき、その結果、一様な磁場中においても各磁気センサからの出力に差が生じるという現象が生じることがあった。

したがって、本発明は、非常に高い検出精度を得ることができるとともに、複数の磁気センサをアレイ状に配列して使用する場合であっても、検出精度のばらつきを抑制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、感磁素子と、前記感磁素子に磁束を集める磁性体とを備え、前記磁性体は、第１の磁性体と、前記感磁素子と前記第１の磁性体との間に位置する第２の磁性体とを含み、前記第１及び第２の磁性体の集磁方向に対して垂直な断面における断面積をそれぞれＳ１及びＳ２とし、前記第１及び第２の磁性体の前記集磁方向における長さをそれぞれＬ１及びＬ２とした場合、
Ｓ１＞Ｓ２、且つ
Ｌ１／Ｌ２≦２
を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、第１の磁性体の方が第２の磁性体よりも断面積が大きいことから、より多くの磁束を集磁することができ、これにより非常に高い検出精度を得ることが可能となる。しかも、第１の磁性体の長さが第２の磁性体の長さの２倍以下であることから、複数の磁気センサをアレイ状に配列して使用する場合であっても、磁性体間における干渉が抑えられ、その結果、感度分布のばらつきを例えば２０％以下に抑制することが可能となる。

本発明において、前記第１及び第２の磁性体の前記断面における中心は、互いに略同一軸上にあることが好ましい。これによれば、第１の磁性体から第２の磁性体への磁束の流れがスムーズとなることから、検出精度を高めることが可能となる。また、中心軸周辺の磁場分布が均一化されることから、複数の磁気センサをアレイ状に配列して使用する場合において、感度分布にひずみが生じにくくなる。

本発明において、前記感磁素子はブリッジ接続される複数の感磁素子を含むことが好ましい。これによれば、ブリッジ接続によって検出精度を高めることが可能となる。この場合、前記複数の感磁素子はセンサ基板の素子形成面に形成されており、前記センサ基板の前記素子形成面は磁性体層で覆われていることが好ましい。これによれば、磁気抵抗が低下することから、よりいっそう検出精度を高めることが可能となる。

本発明において、前記感磁素子の感度方向は前記集磁方向と略平行であっても構わないし、前記感磁素子の感度方向は前記集磁方向に対して略垂直であり、前記第２の磁性体が前記集磁方向から見て前記感磁素子に対してオフセットして配置されていても構わない。前者の場合、前記感磁素子は互いに感度方向が１８０°異なる複数の感磁素子を含むことが好ましく、後者の場合、前記集磁方向から見て、前記第２の磁性体は前記感磁素子と重ならないことが好ましい。

本発明において、前記磁性体は第３の磁性体をさらに含み、前記感磁素子は、前記集磁方向から見て前記第２の磁性体と前記第３の磁性体の間に位置することが好ましい。これによれば、感磁素子を通過する磁束の密度が高められることから、よりいっそう検出精度を高めることが可能となる。

本発明において、前記磁性体は、第４の磁性体と、前記感磁素子と前記第４の磁性体との間に位置する第５の磁性体とをさらに含み、前記感磁素子は、前記第１及び第２の磁性体と前記第４及び第５の磁性体の間に位置し、前記第４及び第５の磁性体の前記集磁方向に対して垂直な断面における断面積をそれぞれＳ４及びＳ５とし、前記第４及び第５の磁性体の前記集磁方向における長さをそれぞれＬ４及びＬ５とした場合、
Ｓ４＞Ｓ５、且つ
Ｌ４／Ｌ５≦２
を満たすことが好ましい。これによれば、垂直方向における磁束の選択性をより高めることが可能となる。この場合、前記第１の磁性体と前記第４の磁性体は互いに略同一形状を有し、前記第２の磁性体と前記第５の磁性体は互いに略同一形状を有することが好ましい。これによれば、第１の磁性体側からの磁束に対する精度と第４の磁性体側からの磁束に対する精度をほぼ等しくすることができる。

本発明において、前記感磁素子は磁気抵抗素子であることが好ましい。この場合、前記感磁素子を構成する磁気抵抗素子は、スピンバルブ型ＧＭＲ素子であることがより好ましい。

本発明による磁気センサは、前記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、前記センサ基板及び前記第２の磁性体が搭載された搭載面を有する回路基板と、をさらに備え、前記センサ基板は、前記素子形成面が前記回路基板の前記搭載面に対して略直交するよう、前記回路基板に搭載されていることが好ましい。これによれば、センサ基板及び第２の磁性体を寝かせた状態で回路基板に搭載していることから、第２の磁性体の長さが長い場合であっても、これを安定的に支持することが可能となる。

本発明において、前記感磁素子は、前記集磁方向に延在する磁性体と、前記磁性体の周囲に巻回されたコイル導体とを含むものであっても構わない。この場合、前記磁性体はバルク状であっても構わないし、基板上に形成されているものであっても構わない。

このように、本発明によれば、非常に高い検出精度を得ることができるとともに、複数の磁気センサをアレイ状に配列して使用する場合であっても、検出精度のばらつきを抑制す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の分解斜視図である。 図３は、磁性体４０の形状を説明するための略斜視図である。 図４（ａ）は磁性体４０のｘｚ断面図であり、図４（ｂ）は磁性体４０のｚ方向から見た上面図である。 図５は、センサ基板３０の断面図である。 図６は、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４と端子電極Ｅ１１〜Ｅ１４の接続関係を説明するための回路図である。 図７は、複数の磁気センサ１０Ａをアレイ状に配列したシミュレーションモデルである。 図８（ａ）はモデルＡの測定領域４における略斜視図であり、図８（ｂ）はモデルＢの測定領域４における略斜視図である。 図９は、シミュレーション結果を示す図である。 図１０は、Ｌ１／Ｌ２の値と感度分布のばらつきとの関係を示すシミュレーション結果である。 変形例による磁性体４０の構造を示す略斜視図である。 図１２は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ１０Ｂの構成を示す略斜視図である。 図１３は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃの構成を示す略斜視図である。 図１４は、本発明の第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄの構成を示す略斜視図である。 図１５は、本発明の第５の実施形態による磁気センサ１０Ｅの構成を示す略斜視図である。 図１６は、本発明の第６の実施形態による磁気センサ１０Ｆの構成を示す略斜視図である。 図１７は、本発明の第７の実施形態による磁気センサ１０Ｇの構成を示す略斜視図である。 図１８は、本発明の第８の実施形態による磁気センサ１０Ｈの構成を示す略斜視図である。 図１９は、センサ基板８０の主要部の構造を説明するための略分解斜視図である。

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。

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の分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態による磁気センサ１０Ａは、回路基板２０と、回路基板２０の搭載面２１に搭載されたセンサ基板３０と、センサ基板３０の素子形成面３１に接続された磁性体４０によって構成される。

回路基板２０は、樹脂などの絶縁性基体に配線パターンが形成された基板であり、一般的なプリント基板やインターポーザ基板などを用いることができる。回路基板２０の搭載面２１はｘｚ平面を構成し、この搭載面２１にセンサ基板３０及び磁性体４０の一部が搭載される。回路基板２０の搭載面２１には４つのランドパターンＥ２１〜Ｅ２４が設けられており、これらランドパターンＥ２１〜Ｅ２４には、後述する定電圧源及び電圧検出回路が接続される。定電圧源及び電圧検出回路は、回路基板２０自体に設けられていても構わないし、回路基板２０とは別の基板に設けられていても構わない。

センサ基板３０は略直方体形状を有しており、素子形成面３１には４つの感磁素子Ｒ１〜Ｒ４が形成されている。図１及び図２に示すように、素子形成面３１はｘｙ面を構成している。つまり、センサ基板３０は、素子形成面３１が回路基板２０の搭載面２１に対して略直交するよう、回路基板２０の実装領域２２に寝かせて搭載されている。センサ基板３０の作製方法としては、集合基板に多数のセンサ基板３０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３０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、本実施形態においては磁界の向きに応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗素子を用いており、スピンバルブ型ＧＭＲ素子を用いることが特に好ましい。本実施形態においては、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の感度方向（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。

さらに、センサ基板３０の素子形成面３１には、４つの端子電極Ｅ１１〜Ｅ１４が設けられている。これら端子電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、ハンダＳを介してそれぞれランドパターンＥ２１〜Ｅ２４に接続されている。端子電極Ｅ１１〜Ｅ１４と感磁素子Ｒ１〜Ｒ４との接続関係については後述する。感磁素子Ｒ１，Ｒ３と感磁素子Ｒ２，Ｒ４の間に位置する中央領域３２は、磁性体４０によって覆われる。

磁性体４０は、フェライトなどの高透磁率材料からなるブロックであり、本実施形態においては、第１の磁性体４１と第２の磁性体４２によって構成されている。第１の磁性体４１は回路基板２０の外側に位置するのに対し、第２の磁性体４２は回路基板２０上に搭載される。第２の磁性体４２は、第１の磁性体４１と感磁素子Ｒ１〜Ｒ４との間に位置しており、第１の磁性体４１によって集められたｚ方向の磁束を感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に集中させる役割を果たす。第２の磁性体４２は、センサ基板３０の中央領域３２に当接するよう配置される。中央領域３２は、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４が設けられていない部分である。このため、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４はｚ方向から見て第２の磁性体４２とは重ならないよう、ｘ方向にオフセットして配置されることになる。

磁性体４０は単一のブロックからなるものであっても構わないし、第１の磁性体４１と第２の磁性体４２がそれぞれ異なるブロックからなるものであっても構わないが、製造の容易さを考慮すれば、第１の磁性体４１と第２の磁性体４２をそれぞれ異なるブロックによって構成することが好ましい。この場合、第１の磁性体４１と第２の磁性体４２との間の磁気抵抗を低くすべく、両者を密着させることが好ましい。

図３は、磁性体４０の形状を説明するための略斜視図である。また、図４（ａ）は磁性体４０のｘｚ断面図であり、図４（ｂ）は磁性体４０のｚ方向から見た上面図である。

図３及び図４に示すように、第１の磁性体４１及び第２の磁性体４２はいずれも略直方体形状を有している。特に限定されるものではないが、第２の磁性体４２は、第１の磁性体４１のｘｙ面の略中央部に接続されていることが好ましい。この場合、図４に示すように、第１の磁性体４１と第２の磁性体４２の中心軸Ｃは互いに一致することが好ましい。これによれば、第１の磁性体４１から第２の磁性体４２への磁束の流れがスムーズとなることから、検出精度が高められる。また、多数の磁気センサ１０Ａをアレイ状に配列して使用する場合であっても、磁気センサ１０Ａごとの検出精度のばらつきを抑制することも可能となる。

ここで、第１及び第２の磁性体４１，４２のｘｙ断面、つまり、集磁方向であるｚ方向に垂直な断面における断面積をそれぞれＳ１及びＳ２とした場合、
Ｓ１＞Ｓ２
を満たしている。さらに、第１及び第２の磁性体４１，４２の集磁方向であるｚ方向における長さをそれぞれＬ１及びＬ２とした場合、
Ｌ１／Ｌ２≦２
を満たしている。

このように、第１の磁性体４１の断面積Ｓ１が第２の磁性体４２の断面積Ｓ２よりも大きいことから、ｚ方向における磁束を選択的に集め、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に集中させることができる。また、第１の磁性体４１のｚ方向における長さＬ１が第２の磁性体４２のｚ方向における長さの２倍以下であることから、後述するように、複数の磁気センサ１０Ａをアレイ状に配列して使用する場合であっても、磁性体間における干渉を抑えることができる。

特に限定されるものではないが、本実施形態においては、第２の磁性体４２が回路基板２０の搭載面２１に寝かせて配置されている。これにより、第２の磁性体４２の端面とセンサ基板３０の中央領域３２との位置関係を回路基板２０上において固定することが可能となる。第１の磁性体４１については回路基板２０の外部に位置しており、これにより、断面積Ｓ１の大きい第１の磁性体４１が回路基板２０と干渉することがない。

図５は、センサ基板３０の断面図である。

図５に示すように、センサ基板３０の素子形成面３１には、磁性体層５１〜５３が形成されている。磁性体層５１は、素子形成面３１の略中央に位置し、そのｘ方向における両側に磁性体層５２，５３が配置される。そして、磁性体層５１と磁性体層５２によって形成されるギャップに感磁素子Ｒ１，Ｒ３が配置され、磁性体層５１と磁性体層５３によって形成されるギャップに感磁素子Ｒ２，Ｒ４が配置される。特に限定されるものではないが、磁性体層５１〜５３としては、樹脂材料に磁性フィラーが分散された複合磁性材料からなる膜であっても構わないし、ニッケル又はパーマロイなどの軟磁性材料からなる薄膜もしくは箔であっても構わないし、フェライトなどからなる薄膜又はバルクシートであっても構わない。

本発明においてこのような磁性体層５１〜５３を設けることは必須でないが、磁性体層５１〜５３を設けることにより磁気抵抗が低下し、磁性体４０から供給される磁束φが効率よく感磁素子Ｒ１〜Ｒ４を通過することから、検出精度を高めることが可能となる。

図６は、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４と端子電極Ｅ１１〜Ｅ１４の接続関係を説明するための回路図である。

図６に示すように、端子電極Ｅ１１，Ｅ１４には、定電圧源から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Ｅ１１，Ｅ１４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Ｅ１２に接続され、感磁素子Ｒ１，Ｒ２の接続点は端子電極Ｅ１３に接続される。このようなブリッジ接続により、端子電極Ｅ１３に現れる電位Ｖａと端子電極Ｅ１２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精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（図２に示すＰ方向）を有していることから、第２の磁性体４２からみて一方側に位置する感磁素子Ｒ１，Ｒ３の抵抗変化量と、第２の磁性体４２からみて他方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６に示した差動ブリッジ回路によって２倍に増幅され、端子電極Ｅ１２，Ｅ１３に現れる。回路基板２０又は図示しないマザーボードには電圧検出回路が設けられており、端子電極Ｅ１２，Ｅ１３に現れる電位Ｖａ，Ｖｂの差を電圧検出回路によって検出することにより、磁束密度を測定することが可能となる。

そして、本実施形態による磁気センサ１０Ａは、磁性体４０が断面積Ｓ１の大きな第１の磁性体４１と断面積Ｓ２の小さな第２の磁性体４２によって構成されており、第１の磁性体４１から第２の磁性体４２に集められた磁束が感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に分配されることから、磁性体４０が単純なブロック形状である場合と比べて、高い検出精度を得ることが可能となる。

しかも、第１の磁性体４１のｚ方向における長さＬ１が第２の磁性体４２のｚ方向における長さの２倍以下であることから、複数の磁気センサ１０Ａをアレイ状に配列して使用する場合であっても、磁性体間における干渉を抑えることができる。

図７は、複数の磁気センサ１０Ａをアレイ状に配列したシミュレーションモデルである。図７に示すモデルは、ｘ方向に６個、ｙ方向に６個の磁気センサ１０Ａがアレイ状に配列されている。このようなモデルを用いて、ｚ方向における均一磁場を複数の磁気センサ１０Ａによって測定した場合に検出される磁束密度の分布をシミュレーションした。シミュレーションの結果は、測定領域１〜４において共通となるはずであるから、測定領域４のデータのみを評価した。

ここで、モデルＡは、図８（ａ）に示すように第１の磁性体４１のｚ方向における長さＬ１が短く、
Ｌ１／Ｌ２＝０．１４
である。一方、モデルＢは、図８（ｂ）に示すように第１の磁性体４１のｚ方向における長さＬ１が長く
Ｌ１／Ｌ２＝３
である。つまり、モデルＡは本発明に規定する条件を満たしている一方、モデルＢは本発明に規定する条件を満たしていない。尚、モデルＡ，Ｂともに、断面積Ｓ１，Ｓ２については共通であり、いずれも
Ｓ１＞Ｓ２
である。

また、モデルＡ，Ｂとも、３６個の磁気センサ１０Ａをｚ方向にミラー配置し、これにより合計で７２個の磁気センサ１０Ａによって構成した。

シミュレーション結果を図９に示す。尚、シミュレーション結果は、図７に示す測定領域１〜４に対して共通となることから、図９には測定領域４におけるシミュレーション結果のみが示されている。

モデルＡのシミュレーション結果である図９（ａ）に示す磁束密度の値は、モデルＢのシミュレーション結果である図９（ｂ）に示す磁束密度の値よりもばらつきが小さいことが分かる。ここで、各モデルにおける最大磁束密度をＢｍａｘ、最小磁束密度をＢｍｉｎ、平均磁束密度をＢａｖｅとした場合、
（Ｂｍａｘ−Ｂｍｉｎ）／Ｂａｖｅ
によって得られる値を感度分布のばらつきと定義した。

その結果、モデルＡにおける感度分布のばらつきは約１４％に抑えられているのに対し、モデルＢにおける感度分布のばらつきは約２４％に達した。しかも、図９に示すように、最大磁束密度ＢｍａｘについてはモデルＡとモデルＢとの間にほとんど差がないことも確認できる。

モデルＡ，Ｂにおいて感度分布にばらつきが生じるのは、ｚ方向に一様な磁場中であっても、より中心部に近い磁気センサ１０Ａについては、他の磁気センサ１０Ａに吸い込まれる磁束が多いため検出される磁束密度が低下しやすい一方、より端部に近い磁気センサ１０Ａについては、他の磁気センサ１０Ａに吸い込まれる磁束が少ないため、検出される磁束密度が低下しにくいからである。したがって、感度分布のばらつきを小さくするためには、他の磁気センサ１０Ａに吸い込まれる磁束をできる限り少なくする必要があり、そのためには、Ｓ１及びＬ１の値を小さくすることが有効である。しかしながら、Ｓ１の値を小さくすると集磁できる磁束が減少するため、高い検出精度を得ることが困難となる。そこで、本発明においてはＬ１の値を小さくし、これにより高い検出精度を確保しつつ、感度分布にばらつきを抑制している。

但し、Ｌ１の値に合わせてＬ２の値を小さくしてしまうと、ｚ方向の磁束に対する選択性が低下してしまう。このため、ｚ方向の磁束に対する選択性を確保するためには、Ｌ２の値を小さくすることなく、Ｌ１の値を小さくする必要がある。

図１０は、Ｌ１／Ｌ２の値と感度分布のばらつきとの関係を示すシミュレーション結果である。図１０に示すように、感度分布のばらつきはＬ１／Ｌ２の値が小さくなるに従って低下する傾向が見られ、その値が２以下になると、感度分布のばらつきが２０％以下になることが分かる。

磁気センサをアレイ状に配列する場合、感度分布のばらつきをゼロにすることは現実的ではなく、どのようなレイアウトを採用しても感度分布にある程度のばらつきが生じる。このようなばらつきは信号処理によってある程度補正可能であるが、ばらつきが２０％を超えると、信号処理によって補正した場合であって感度分布にひずみが残りやすく、正しい測定結果を得ることが困難となる。これに対し、感度分布のばらつきが２０％以下であれば、信号処理によってかなり正確な測定結果を得ることが可能となる。

そして、本実施形態においては、Ｌ１／Ｌ２の値が２以下となるよう、第１の磁性体４１と第２の磁性体４２の長さを設計していることから、感度分布のばらつきを２０％以下とすることができ、これにより、正確な測定結果を得ることが可能となる。

尚、第１の磁性体４１の断面積Ｓ１については、第２の磁性体４２の断面積Ｓ２よりも大きい限り特に限定されない。また、第１の磁性体４１の断面積Ｓ１はｚ方向に一定であることは必須でなく、図１１に示すように、ｚ方向における位置が第２の磁性体４２に近づくにつれて小さくなるテーパー形状であっても構わない。このように、第１の磁性体４１の断面積Ｓ１がｚ方向における位置によって変化する形状を有している場合、第１の磁性体４１の断面積Ｓ１は最大の断面積を指す。

同様に、第２の磁性体４２の断面積Ｓ２についてもｚ方向に一定である必要はなく、ｚ方向における位置がセンサ基板３０に近づくについて小さくなるテーパー形状であっても構わない。このような場合も、第２の磁性体４２の断面積Ｓ２は最大の断面積を指す。

以下、本発明の他のいくつかの実施形態による磁気センサについて説明する。

図１２は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ１０Ｂの構成を示す略斜視図である。

図１２に示す磁気センサ１０Ｂは、磁性体４０が第３の磁性体４３を含む点において、図１に示した第１の実施形態による磁気センサ１０Ａと相違する。その他の構成は、図１に示した第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。

第３の磁性体４３は、第１及び第２の磁性体４１，４２と同様、フェライトなどの高透磁率材料からなるブロックであり、センサ基板３０の素子形成面３１とは反対側に位置するｘｙ面及び一対のｙｚ面を覆うよう、コの字型を有している。このため、感磁素子Ｒ１，Ｒ３はｚ方向から見て第２の磁性体４２と第３の磁性体４３の一部との間に位置し、感磁素子Ｒ２，Ｒ４はｚ方向から見て第２の磁性体４２と第３の磁性体４３の別の一部との間に位置することになる。かかる構成により、第１及び第２の磁性体４１，４２を介してセンサ基板３０の素子形成面３１に入力された磁束は、ｘ方向に曲がりやすくなるため、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４による検出感度を高めることが可能となる。

図１３は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃの構成を示す略斜視図である。

図１３に示す磁気センサ１０Ｃは、磁性体４０が第４及び第５の磁性体４４，４５を含む点において、図１に示した第１の実施形態による磁気センサ１０Ａと相違する。その他の構成は、図１に示した第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。

第４及び第５の磁性体４４，４５は、第１及び第２の磁性体４１，４２と同様、フェライトなどの高透磁率材料からなるブロックであり、センサ基板３０を介して第１及び第２の磁性体４１，４２とは対称に配置されている。本実施形態においては、第２及び第５の磁性体４２，４５が回路基板２０に搭載されている一方、第１及び第４の磁性体４１，４４については回路基板２０の外部に配置されている。このような第４及び第５の磁性体４４，４５を用いれば、センサ基板３０からみて第１の磁性体４１とは反対側からの磁束についても集磁されることから、ｚ方向における磁束の選択性をより高めることが可能となる。

ここで、第４及び第５の磁性体４４，４５のｘｙ断面、つまり、集磁方向であるｚ方向に垂直な断面における断面積をそれぞれＳ４及びＳ５とした場合、
Ｓ４＞Ｓ５
を満たしていることが好ましい。さらに、第４及び第５の磁性体４４，４５の集磁方向であるｚ方向における長さをそれぞれＬ４及びＬ５とした場合、
Ｌ４／Ｌ５≦２
を満たしていることが好ましい。これによれば、ｚ方向の磁束に対する検出精度をより高めることが可能となるとともに、複数の磁気センサ１０Ｃをアレイ状に配列して使用する場合であっても、磁性体間における干渉を抑えることができる。

本実施形態においては、第１の磁性体４１と第４の磁性体４４が互いに略同一形状を有し、且つ、第２の磁性体４２と第５の磁性体４５が互いに略同一形状を有することが好ましい。これによれば、第１の磁性体４１側からの磁束に対する検出精度と第４の磁性体４４側からの磁束に対する検出精度をほぼ等しくすることが可能となる。また、第１の磁性体４１と第４の磁性体４４を作り分ける必要が無く、且つ、第２の磁性体４２と第５の磁性体４５を作り分ける必要が無くなるので、製造コストを削減することも可能となる。

図１４は、本発明の第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄの構成を示す略斜視図である。

図１４に示す磁気センサ１０Ｄは、磁性体４０が第３の磁性体４３を含む点において、図１３に示した第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃと相違する。その他の構成は、図１３に示した第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃ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。

第３の磁性体４３は、第２の実施形態において用いたものと同様であり、センサ基板３０の素子形成面３１とは反対側に位置するｘｙ面及び一対のｙｚ面を覆うよう、コの字型を有している。このような第３の磁性体４３を追加することにより、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４による検出感度をよりいっそう高めることが可能となる。

図１５は、本発明の第５の実施形態による磁気センサ１０Ｅの構成を示す略斜視図である。

図１５に示す磁気センサ１０Ｅは、センサ基板３０の搭載角度が９０°異なる点において、図１３に示した第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃと相違する。センサ基板３０の素子形成面３１には、２つの感磁素子Ｒ５，Ｒ６がｚ方向に並べて配置されており、これらの固定磁化方向は、それぞれ矢印Ｐ１，Ｐ２が示す方向（ｚ方向におけるマイナス側及びプラス側）に向いている。つまり、感磁素子Ｒ５，Ｒ６の固定磁化方向は互いに１８０°異なっている。その他の構成は、図３に示した第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃ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は、磁性体４０による集磁方向（ｚ方向）と感磁素子Ｒ５，Ｒ６の固定磁化方向（ｚ方向）が一致しているものの、感磁素子Ｒ５，Ｒ６の固定磁化方向は互いに１８０°異なっていることから、ｚ方向における磁束密度に応じて、感磁素子Ｒ５，Ｒ６の抵抗値に差が生じる。これにより、ｚ方向における磁束密度を検出することができる。

このように、本発明においてセンサ基板３０の素子形成面３１が集磁方向（ｚ方向）に対して略垂直である必要はなく、本実施形態が例示するように、センサ基板３０の素子形成面３１が集磁方向（ｚ方向）に対して略平行であっても構わない。

図１６は、本発明の第６の実施形態による磁気センサ１０Ｆの構成を示す略斜視図である。

図１６に示す磁気センサ１０Ｆは、センサ基板３０の代わりにｚ方向に延在するバルク状の磁性体６０を備える点において、図１５に示した磁気センサ１０Ｅと相違する。磁性体６０は、アモルファス磁性材料などの高透磁率磁性材料からなり、その周囲には励磁コイル６１及び検出コイル６２が巻回されている。その他の構成は、図１５に示した第５の実施形態による磁気センサ１０Ｅ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。

励磁コイル６１及び検出コイル６２は、それぞれ図示しない励磁回路及び検出回路に接続される。これにより、磁性体６０、励磁コイル６１及び検出コイル６２は、フラックスゲート型の感磁素子を構成する。

本実施形態が例示するように、本発明において使用する感磁素子が磁気抵抗素子であることは必須でなく、フラックスゲート型の感磁素子を用いることも可能である。

図１７は、本発明の第７の実施形態による磁気センサ１０Ｇの構成を示す略斜視図である。

図１７に示す磁気センサ１０Ｇは、磁性体６０の代わりにｚ方向に延在するバルク状のアモルファスワイヤ７０を備える点において、図１６に示した磁気センサ１０Ｆと相違する。アモルファスワイヤ７０の両端には図示しない駆動回路によってパルス状の電圧が印加されるとともに、アモルファスワイヤ７０の周囲には検出コイル７１が巻回されている。その他の構成は、図１６に示した第６の実施形態による磁気センサ１０Ｆ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。

上述の通り、アモルファスワイヤ７０の両端には図示しない駆動回路によってパルス状の電圧が印加される。また、検出コイル７１は、図示しない検出回路に接続される。これにより、アモルファスワイヤ７０及び検出コイル７１は、磁気インピーダンス型の感磁素子を構成する。

本実施形態が例示するように、本発明において使用する感磁素子は、磁気インピーダンス型の感磁素子であっても構わない。

図１８は、本発明の第８の実施形態による磁気センサ１０Ｈの構成を示す略斜視図である。

図１８に示す磁気センサ１０Ｈは、センサ基板３０の代わりにセンサ基板８０を備える点において、図１５に示した磁気センサ１０Ｅと相違する。その他の構成は、図１５に示した第５の実施形態による磁気センサ１０Ｅ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。

図１９は、センサ基板８０の主要部の構造を説明するための略分解斜視図である。

図１９に示すように、センサ基板８０は、絶縁層８１〜８３と、絶縁層８２の表面に形成された磁性体８４と、磁性体８４の周囲に巻回された励磁コイル８５及び検出コイル８６とを備える。励磁コイル８５は、絶縁層８１の表面に形成された導体パターン８５ａと絶縁層８３の表面に形成された導体パターン８５ｂを含み、平面視で（ｙ方向から見て）互いに重なる端部同士をスルーホール導体８５ｃによって接続することにより、磁性体８４の周囲に巻回される。同様に、検出コイル８６は、絶縁層８１の表面に形成された導体パターン８６ａと絶縁層８３の表面に形成された導体パターン８６ｂを含み、平面視で（ｙ方向から見て）互いに重なる端部同士をスルーホール導体８６ｃによって接続することにより、磁性体８４の周囲に巻回される。磁性体８４としては、アモルファス磁性材料などの高透磁率磁性材料の薄膜又は箔を用いることができる。この場合、磁性体８４、励磁コイル８５及び検出コイル８６は、フラックスゲート型の感磁素子を構成する。

本実施形態が例示するように、本発明において使用する感磁素子は、基板上に形成された磁性体の周囲にコイル導体が巻回されたタイプの感磁素子であっても構わない。

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。

１〜４ 測定領域
１０Ａ〜１０Ｈ 磁気センサ
２０ 回路基板
２１ 搭載面
２２ 実装領域
３０ センサ基板
３１ 素子形成面
３２ 中央領域
４０ 磁性体
４１ 第１の磁性体
４２ 第２の磁性体
４３ 第３の磁性体
４４ 第４の磁性体
４５ 第５の磁性体
５１〜５３ 磁性体層
６０，７０，８４ 磁性体
６１，８５ 励磁コイル
６２，７１，８６ 検出コイル
８０ センサ基板
８１〜８３ 絶縁層
Ｃ 中心軸
Ｅ１１〜Ｅ１４ 端子電極
Ｅ２１〜Ｅ２４ ランドパターン
Ｌ１，Ｌ２ 長さ
Ｒ１〜Ｒ６ 感磁素子
Ｓ ハンダ
Ｓ１，Ｓ２ 断面積
φ 磁束

Claims (12)

1. 感磁素子と、前記感磁素子に磁束を集める磁性体とを備え、
   前記磁性体は、第１の磁性体と、前記感磁素子と前記第１の磁性体との間に位置する第２の磁性体とを含み、
   前記第１及び第２の磁性体の集磁方向に対して垂直な断面における断面積をそれぞれＳ１及びＳ２とし、前記第１及び第２の磁性体の前記集磁方向における長さをそれぞれＬ１及びＬ２とした場合、
   Ｓ１＞Ｓ２、且つ
   Ｌ１／Ｌ２≦２
   を満たし、
   前記感磁素子は、ブリッジ接続される複数の感磁素子を含み、
   前記複数の感磁素子はセンサ基板の素子形成面に形成されており、前記センサ基板の前記素子形成面は磁性体層で覆われていることを特徴とする磁気センサ。
2. 感磁素子と、前記感磁素子に磁束を集める磁性体とを備え、
   前記磁性体は、第１の磁性体と、前記感磁素子と前記第１の磁性体との間に位置する第２の磁性体とを含み、
   前記第１及び第２の磁性体の集磁方向に対して垂直な断面における断面積をそれぞれＳ１及びＳ２とし、前記第１及び第２の磁性体の前記集磁方向における長さをそれぞれＬ１及びＬ２とした場合、
   Ｓ１＞Ｓ２、且つ
   Ｌ１／Ｌ２≦２
   を満たし、
   前記感磁素子の感度方向は、前記集磁方向と略平行であり、
   前記感磁素子は、互いに感度方向が１８０°異なる複数の感磁素子を含むことを特徴とする磁気センサ。
3. 感磁素子と、前記感磁素子に磁束を集める磁性体とを備え、
   前記磁性体は、第１の磁性体と、前記感磁素子と前記第１の磁性体との間に位置する第２の磁性体とを含み、
   前記第１及び第２の磁性体の集磁方向に対して垂直な断面における断面積をそれぞれＳ１及びＳ２とし、前記第１及び第２の磁性体の前記集磁方向における長さをそれぞれＬ１及びＬ２とした場合、
   Ｓ１＞Ｓ２、且つ
   Ｌ１／Ｌ２≦２
   を満たし、
   前記感磁素子の感度方向は前記集磁方向に対して略垂直であり、前記第２の磁性体は前記集磁方向から見て前記感磁素子に対してオフセットして配置されていることを特徴とする磁気センサ。
4. 前記集磁方向から見て、前記第２の磁性体は前記感磁素子と重ならないことを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
5. 前記磁性体は第３の磁性体をさらに含み、
   前記感磁素子は、前記集磁方向から見て前記第２の磁性体と前記第３の磁性体の間に位置することを特徴とする請求項３又は４に記載の磁気センサ。
6. 感磁素子と、前記感磁素子に磁束を集める磁性体とを備え、
   前記磁性体は、第１の磁性体と、前記感磁素子と前記第１の磁性体との間に位置する第２の磁性体とを含み、
   前記第１及び第２の磁性体の集磁方向に対して垂直な断面における断面積をそれぞれＳ１及びＳ２とし、前記第１及び第２の磁性体の前記集磁方向における長さをそれぞれＬ１及びＬ２とした場合、
   Ｓ１＞Ｓ２、且つ
   Ｌ１／Ｌ２≦２
   を満たし、
   前記磁性体は、第４の磁性体と、前記感磁素子と前記第４の磁性体との間に位置する第５の磁性体とをさらに含み、
   前記感磁素子は、前記第１及び第２の磁性体と前記第４及び第５の磁性体の間に位置し、
   前記第４及び第５の磁性体の前記集磁方向に対して垂直な断面における断面積をそれぞれＳ４及びＳ５とし、前記第４及び第５の磁性体の前記集磁方向における長さをそれぞれＬ４及びＬ５とした場合、
   Ｓ４＞Ｓ５、且つ
   Ｌ４／Ｌ５≦２
   を満たすことを特徴とする磁気センサ。
7. 前記第１の磁性体と前記第４の磁性体は互いに略同一形状を有し、前記第２の磁性体と前記第５の磁性体は互いに略同一形状を有することを特徴とする請求項６に記載の磁気センサ。
8. 感磁素子と、前記感磁素子に磁束を集める磁性体とを備え、
   前記磁性体は、第１の磁性体と、前記感磁素子と前記第１の磁性体との間に位置する第２の磁性体とを含み、
   前記第１及び第２の磁性体の集磁方向に対して垂直な断面における断面積をそれぞれＳ１及びＳ２とし、前記第１及び第２の磁性体の前記集磁方向における長さをそれぞれＬ１及びＬ２とした場合、
   Ｓ１＞Ｓ２、且つ
   Ｌ１／Ｌ２≦２
   を満たし、
   前記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、
   前記センサ基板及び前記第２の磁性体が搭載された搭載面を有する回路基板と、をさらに備え、
   前記センサ基板は、前記素子形成面が前記回路基板の前記搭載面に対して略直交するよう、前記回路基板に搭載されていることを特徴とする磁気センサ。
9. 前記第１及び第２の磁性体の前記断面における中心は、互いに略同一軸上にあることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の磁気センサ。
10. 前記感磁素子の感度方向は、前記集磁方向と略平行であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
11. 前記感磁素子は、磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の磁気センサ。
12. 前記感磁素子を構成する磁気抵抗素子は、スピンバルブ型ＧＭＲ素子であることを特徴とする請求項１１に記載の磁気センサ。

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