JP6927044B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は磁気センサに関し、特に、センサチップに磁束を集めるための磁性体を備えた磁気センサに関する。

巨大磁気抵抗効果素子など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。磁気センサには、センサチップに磁束を集めるための磁性体が設けられることがあり、この場合、磁性体はセンサチップの素子形成面に載置される（特許文献１参照）。

特開２００９−２７６１５９号公報

しかしながら、一般にセンサチップは小型であることから、センサチップ上に磁性体を載置することは容易でなく、センサチップと磁性体を確実に固定することは困難であった。また、センサチップの素子形成面に磁性体を載置すると、磁気センサの全体の高さが高くなるため、低背化が困難であった。

したがって、本発明は、センサチップと磁性体をより確実に固定するとともに、低背化を実現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、少なくとも一つの磁気検出素子が形成された素子形成面及び前記素子形成面に対して略垂直な側面を有するセンサチップと、前記センサチップの前記側面に設けられた第１の磁性体と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、センサチップの側面に第１の磁性体が設けられていることから、センサチップと磁性体の接触面積を拡大することができる。このため、両者の固定をより確実に行うことができる。しかも、低背化を実現することも可能となる。

本発明による磁気センサは、前記センサチップの前記素子形成面であって、前記側面の近傍に設けられた第２の磁性体をさらに備えることが好ましい。これによれば、素子形成面に対して垂直方向の磁束をさらに水平方向に曲げることができることから、検出感度を高めることが可能となる。

本発明において、前記磁気検出素子は第１及び第２の磁気検出素子を含み、前記第１及び第２の磁気検出素子は、前記側面からの距離が互いに異なることが好ましい。これによれば、第１の磁気検出素子と第２の磁気検出素子の出力差を利用して磁気検出を行うことが可能となる。

この場合、前記磁気検出素子は、前記側面からの距離が前記第１の磁気検出素子と等しい第３の磁気検出素子と、前記側面からの距離が前記第２の磁気検出素子と等しい第４の磁気検出素子とをさらに含むことが好ましい。これによれば、第１〜第４の磁気検出素子を用いた差動ブリッジ回路を形成することが可能となり、この場合、より高感度な磁気検出を行うことが可能となる。

本発明による磁気センサは、前記センサチップが搭載された搭載面を有する回路基板をさらに備えることが好ましい。この場合、前記センサチップの前記素子形成面は、前記回路基板の前記搭載面と略平行であっても構わないし、前記回路基板の前記搭載面に対して略垂直であっても構わない。

本発明によれば、センサチップと磁性体をより確実に固定できるとともに、磁気センサの低背化を実現することが可能となる。

図１は、本発明の好ましい第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を用いた磁界検出装置の回路図である。 図３は、本発明の好ましい第２の実施形態による磁気センサ１０Ｂの外観を示す略斜視図である。 図４は、第１の磁性体４１と第２の磁性体４２を一体化した例を示す図である。 図５は、本発明の好ましい第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃの外観を示す略斜視図である。 図６は、本発明の好ましい第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄの外観を示す略斜視図である。 図７は、本発明の好ましい第５の実施形態による磁気センサ１０Ｅの外観を示す略斜視図である。 図８は、磁気センサ１０Ｅを用いた磁界検出装置の回路図である。 図９は、本発明の好ましい第６の実施形態による磁気センサ１０Ｆの外観を示す略斜視図である。 図１０は、本発明の好ましい第７の実施形態による磁気センサ１０Ｇの外観を示す略斜視図である。 図１１は、本発明の好ましい第８の実施形態による磁気センサ１０Ｈの外観を示す略斜視図である。 図１２は、本発明の好ましい第９の実施形態による磁気センサ１０Ｉの外観を示す略斜視図である。 図１３は、磁気センサ１０Ｉを用いた磁界検出装置の回路図である。 図１４は、本発明の好ましい第１０の実施形態による磁気センサ１０Ｊの外観を示す略斜視図である。 図１５は、本発明の好ましい第１１の実施形態による磁気センサ１０Ｋの外観を示す略斜視図である。 図１６は、本発明の好ましい第１２の実施形態による磁気センサ１０Ｌの外観を示す略斜視図である。

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、本発明の好ましい第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１に示すように、本発明による磁気センサ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チップ３０及び第１の磁性体４１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ｘｙ平面を構成し、この搭載面２１にセンサチップ３０及び第１の磁性体４１が搭載される。回路基板２０の搭載面２１には、センサチップ３０との電気的接続を取るためのランドパターンが設けられているが、図１においては図示されていない。ランドパターンには、図２に示す定電圧源５１、オペアンプ５２、固定抵抗５３及び電圧検出回路５４などが接続される。定電圧源５１、オペアンプ５２、固定抵抗５３及び電圧検出回路５４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。

センサチップ３０は略直方体形状を有しており、素子形成面３１には磁気検出素子ＭＲが形成されている。図１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、センサチップ３０は、素子形成面３１が回路基板２０の搭載面２１と略平行となるよう、平置きして搭載されている。

磁気検出素子ＭＲ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、入力される磁界の向きに応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子が用いられる。磁気検出素子ＭＲの磁化固定方向は、図１の矢印Ａが示す方向（ｘ方向におけるマイナス側）に設定されている。センサチップ３０は、集合基板を用いて多数同時に作製され、これをダイシングすることによって多数個取りされる。したがって、ダイシングにより形成された４つの側面３２は、素子形成面３１に対して略垂直である。

第１の磁性体４１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、本実施形態では略直方体形状である。そして、本実施形態においては、第１の磁性体４１がセンサチップ３０の素子形成面３１ではなく、１つの側面３２に設けられている。より具体的には、センサチップ３０のｙｚ面と第１の磁性体４１のｙｚ面が対向するよう、互いに固定されている。ここで、センサチップ３０のｙ方向における長さと、第１の磁性体４１のｙ方向における長さについては、互いに同じであっても構わないし、両者に差があっても構わない。また、センサチップ３０のｚ方向における高さと、第１の磁性体４１のｚ方向における高さについては、互いに同じであっても構わないし、両者に差があっても構わない。但し、第１の磁性体４１のｚ方向における高さについては、センサチップ３０のｚ方向における高さと同等か、それ以下であることが好ましい。

センサチップ３０と第１の磁性体４１の固定は、接着剤を用いて行うことができる。この場合、センサチップ３０の側面３２には磁気検出素子ＭＲが設けられていないことから、側面３２のほぼ全面を覆うように第１の磁性体４１を固定することができ、これにより両者の固定をより確実に行うことができる。さらに、回路基板２０と第１の磁性体４１との間にも接着剤を塗布すれば、第１の磁性体４１は回路基板２０とセンサチップ３０の両方に固定されることから、第１の磁性体４１がより強固に固定される。

このように、本実施形態による磁気センサ１０Ａは、センサチップ３０が回路基板２０に平置きされており、且つ、センサチップ３０の側面３２に第１の磁性体４１が設けられている。これにより、センサチップ３０と第１の磁性体４１との接着面積を十分に確保することができることから、センサチップ３０と第１の磁性体４１をより確実に固定することができる。しかも、従来の磁気センサに比べて、ｚ方向における高さをより低背化することも可能となる。

図２は、磁気センサ１０Ａを用いた磁界検出装置の回路図である。

図２に示す磁界検出装置は、磁気センサ１０Ａに接続された定電圧源５１、オペアンプ５２、固定抵抗５３及び電圧検出回路５４を備える。図２に示すように、磁気センサ１０Ａに含まれる磁気検出素子ＭＲと固定抵抗５３は、オペアンプ５２の出力端子とグランドとの間に直列に接続されており、その接続点は、オペアンプ５２の反転入力端子（−）に接続されている。オペアンプ５２の非反転入力端子（＋）には、定電圧源５１によって所定の入力電圧が印加される。

かかる構成により、定電圧源５１、オペアンプ５２及び固定抵抗５３は定電流源として機能することから、磁気検出素子ＭＲの抵抗値が変化すると、磁気検出素子ＭＲの両端間の電圧が変化する。この変化は、電圧検出回路５４によって検出される。これにより、図２に示す磁界検出装置は、磁気検出素子ＭＲに与えられる磁界を検出することが可能となる。そして、本実施形態においては、センサチップ３０の側面３２に設けられた第１の磁性体４１によって集磁されることから、検出感度が高められる。

図３は、本発明の好ましい第２の実施形態による磁気センサ１０Ｂの外観を示す略斜視図である。

図３に示す磁気センサ１０Ｂは、センサチップ３０の素子形成面３１に第２の磁性体４２がさらに設けられている点において、図１に示した磁気センサ１０Ａと相違する。その他の点については、図１に示した磁気センサ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２の磁性体４２はｙ方向を長手方向とする棒状体であり、センサチップ３０の素子形成面３１であって、第１の磁性体４１が設けられた側面３２の近傍に設けられている。第１の磁性体４１と第２の磁性体４２が接触している必要はないが、両者はできる限り近接していることが好ましい。第２の磁性体４２は、第１の磁性体４１と同じ材料からなるものであっても構わないし、異なる材料からなるものであっても構わない。第２の磁性体は、第１の磁性体４１と比べてサイズが小さいため、第１の磁性体４１と同じ材料からなる部材（例えばフェライトのブロック）を接着する代わりに、厚膜工程又は薄膜工程を用いてセンサチップ３０の素子形成面３１に直接形成しても構わない。また、第１の磁性体４１と第２の磁性体が別部材である必要はなく、図４に示すように両者が一体化していても構わない。

本実施形態による磁気センサ１０Ｂは、かかる構成により、第１の磁性体４１によって集磁したｚ方向の磁束を第２の磁性体４２によってｘ方向に曲げることができる。これにより、磁気検出素子ＭＲの感度方向（ｘ方向）における磁束成分が増加することから、第１の実施形態による磁気センサ１０Ａよりも高い検出感度を得ることが可能となる。

図５は、本発明の好ましい第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃの外観を示す略斜視図である。

図５に示す磁気センサ１０Ｃは、センサチップ３０及び第１の磁性体４１が９０°回転した状態で回路基板２０に搭載されている点において、図１に示した磁気センサ１０Ａと相違する。その他の点については、図１に示した磁気センサ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。

本実施形態においては、センサチップ３０及び第１の磁性体４１が９０°回転しているため、センサチップ３０の素子形成面３１がｙｚ面を構成し、磁気検出素子ＭＲの磁化固定方向（矢印Ａ）がｚ方向におけるマイナス側に設定されている。このように、本実施形態では、ダイシングしたセンサチップ３０を９０°横に寝かせた状態で回路基板２０に搭載されている。

そして、第１の磁性体４１は、センサチップ３０の側面３２であるｘｙ面に設けられている。図５に示す例では、センサチップ３０の上側に第１の磁性体４１が設けられているが、センサチップ３０の下側、つまり、回路基板２０とセンサチップ３０との間に第１の磁性体４１を配置しても構わない。

本実施形態による磁気センサ１０Ｃは、センサチップ３０をより小さくダイシングすることによってｚ方向における高さを低くすれば、第１の実施形態による磁気センサ１０Ａと同様の低背化を実現することが可能となる。

図６は、本発明の好ましい第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄの外観を示す略斜視図である。

図６に示す磁気センサ１０Ｄは、センサチップ３０の素子形成面３１に第２の磁性体４２がさらに設けられている点において、図５に示した磁気センサ１０Ｃと相違する。その他の点については、図５に示した磁気センサ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。

本実施形態による磁気センサ１０Ｄは、第１の磁性体４１によって集磁したｘ方向の磁束を第２の磁性体４２によってさらにｚ方向に曲げることができる。これにより、磁気検出素子ＭＲの感度方向（ｚ方向）における磁束成分が増加することから、第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃよりも高い検出感度を得ることが可能となる。

図７は、本発明の好ましい第５の実施形態による磁気センサ１０Ｅの外観を示す略斜視図である。

図７に示す磁気センサ１０Ｅは、センサチップ３０の素子形成面３１に２つの磁気検出素子ＭＲ１，ＭＲ２が設けられている点において、図１に示した磁気センサ１０Ａと相違する。その他の点については、図１に示した磁気センサ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。

図７に示すように、磁気検出素子ＭＲ１，ＭＲ２は、ｘ方向に並べて配置されており、且つ、磁化固定方向が矢印Ａに示す方向（ｘ方向におけるマイナス側）に揃えられている。そして、磁気検出素子ＭＲ１は第１の磁性体４１から見て近くに配置され、磁気検出素子ＭＲ２は第１の磁性体４１から見て遠くに配置されている。

かかる構成により、ｘ方向の磁束に対するは磁気検出素子ＭＲ１，ＭＲ２の抵抗変化量はほぼ同じとなるが、ｚ方向の磁束に対しては、第１の磁性体４１からの距離が互いに異なるため、磁気検出素子ＭＲ１，ＭＲ２の抵抗変化量に差が生じる。したがって、この差を検出することにより、ｚ方向の磁束を選択的に検出することが可能となる。

図８は、磁気センサ１０Ｅを用いた磁界検出装置の回路図である。

図８に示す磁界検出装置は、図２に示した固定抵抗５３が磁気検出素子ＭＲ２に置き換えられている点において、図２に示した磁界検出装置と相違する。そして、図８に示す磁界検出装置は、磁気検出素子ＭＲ２をｚ方向の磁束に対する感度のほとんどない固定抵抗として使用できる。これにより、定電圧源５１、オペアンプ５２及び磁気検出素子ＭＲ２は定電流源として機能することから、磁気検出素子ＭＲ１の抵抗値が変化すると、磁気検出素子ＭＲ１の両端間の電圧が変化する。この変化は、電圧検出回路５４によって検出される。これにより、図８に示す磁界検出装置は、磁気検出素子ＭＲ１に与えられる磁界を検出することが可能となる。また、磁気検出素子ＭＲ２が固定抵抗として機能することから、磁界検出装置に固定抵抗を別個設ける必要が無くなる。

図９〜図１１は、それぞれ本発明の好ましい第６〜第８の実施形態による磁気センサ１０Ｆ〜１０Ｈの外観を示す略斜視図である。

図９に示す第６の実施形態による磁気センサ１０Ｆは、磁気センサ１０Ｅに第２の磁性体４２を追加したものであり、その意義は図３を参照しながら説明したとおりである。また、図１０に示す第７の実施形態による磁気センサ１０Ｇは、磁気センサ１０Ｅのセンサチップ３０及び第１の磁性体４１を９０°回転させたものであり、その意義は図５を参照しながら説明したとおりである。さらに、図１１に示す第８の実施形態による磁気センサ１０Ｈは、磁気センサ１０Ｅに第２の磁性体４２を追加し、且つ、センサチップ３０及び第１の磁性体４１を９０°回転させたものであり、その意義は図６を参照しながら説明したとおりである。

図１２は、本発明の好ましい第９の実施形態による磁気センサ１０Ｉの外観を示す略斜視図である。

図１２に示す磁気センサ１０Ｉは、センサチップ３０の素子形成面３１に４つの磁気検出素子ＭＲ１〜ＭＲ４が設けられている点において、図７に示した磁気センサ１０Ｅと相違する。その他の点については、図７に示した磁気センサ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１２に示すように、磁気検出素子ＭＲ１〜ＭＲ４は、磁化固定方向が矢印Ａに示す方向（ｘ方向におけるマイナス側）に全て揃えられている。また、磁気検出素子ＭＲ１と磁気検出素子ＭＲ２はｘ方向に並べて配置され、磁気検出素子ＭＲ３と磁気検出素子ＭＲ４はｘ方向に並べて配置されている。そして、磁気検出素子ＭＲ１，ＭＲ３は第１の磁性体４１から見て近くに配置され、磁気検出素子ＭＲ２，ＭＲ４は第１の磁性体４１から見て遠くに配置されている。ここで、第１の磁性体４１からの距離は、磁気検出素子ＭＲ１，ＭＲ３で互いに等しく、且つ、磁気検出素子ＭＲ２，ＭＲ４で互いに等しい。

かかる構成により、ｘ方向の磁束に対するは磁気検出素子ＭＲ１〜ＭＲ４の抵抗変化量はほぼ同じとなるが、ｚ方向の磁束に対しては、第１の磁性体４１からの距離が互いに異なるため、磁気検出素子ＭＲ１，ＭＲ２の抵抗変化量に差が生じるとともに、磁気検出素子ＭＲ３，ＭＲ４の抵抗変化量に差が生じる。そして、その差は互いに等しい。したがって、これらの差を検出することにより、ｚ方向の磁束を選択的に検出することが可能となる。

図１３は、磁気センサ１０Ｉを用いた磁界検出装置の回路図である。

図１３に示す磁界検出装置は、４つの磁気検出素子ＭＲ１〜ＭＲ４がブリッジ回路を構成している。つまり、磁気検出素子ＭＲ１は端子Ｅ１，Ｅ３間に接続され、磁気検出素子ＭＲ２は端子Ｅ２，Ｅ３間に接続され、磁気検出素子ＭＲ３は端子Ｅ２，Ｅ４間に接続され、磁気検出素子ＭＲ４は端子Ｅ１，Ｅ４間に接続されている。そして、端子Ｅ１，Ｅ２間には、定電圧源５１によって所定の電圧が印加される。また、端子Ｅ３，Ｅ４間には電圧検出回路５４が接続され、これによって端子Ｅ３，Ｅ４間に現れる出力電圧のレベルが検出される。

そして、図１３に示すように、磁気検出素子ＭＲ１，ＭＲ２の接続順序と、磁気検出素子ＭＲ３，ＭＲ４の接続順序が互いに逆とされていることから、磁気検出素子ＭＲ１〜ＭＲ４は差動ブリッジ回路を構成する。これにより、磁束密度に応じた磁気検出素子ＭＲ１〜ＭＲ４の電気抵抗の変化が２倍に増幅されるため、より高感度な検出を行うことが可能となる。

図１４〜図１６は、それぞれ本発明の好ましい第１０〜第１２の実施形態による磁気センサ１０Ｊ〜１０Ｌの外観を示す略斜視図である。

図１４に示す第１０の実施形態による磁気センサ１０Ｊは、磁気センサ１０Ｉに第２の磁性体４２を追加したものであり、その意義は図３を参照しながら説明したとおりである。また、図１５に示す第１１の実施形態による磁気センサ１０Ｋは、磁気センサ１０Ｉのセンサチップ３０及び第１の磁性体４１を９０°回転させたものであり、その意義は図５を参照しながら説明したとおりである。さらに、図１６に示す第１２の実施形態による磁気センサ１０Ｌは、磁気センサ１０Ｉに第２の磁性体４２を追加し、且つ、センサチップ３０及び第１の磁性体４１を９０°回転させたものであり、その意義は図６を参照しながら説明したとおりである。

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。

１０Ａ〜１０Ｌ 磁気センサ
２０ 回路基板
２１ 搭載面
３０ センサチップ
３１ 素子形成面
３２ 側面
４１ 第１の磁性体
４２ 第２の磁性体
５１ 定電圧源
５２ オペアンプ
５３ 固定抵抗
５４ 電圧検出回路
Ｅ１〜Ｅ４ 端子
ＭＲ，ＭＲ１〜ＭＲ４ 磁気検出素子

Claims (5)

1. 回路基板と、
   前記回路基板の搭載面に搭載され、少なくとも一つの磁気検出素子が形成された素子形成面及び前記素子形成面に対して略垂直な４つの側面を有するセンサチップと、
   前記センサチップの前記４つの側面の１つである第１の側面に設けられた第１の磁性体と、
   前記センサチップの前記素子形成面であって、前記第１の側面の近傍に設けられた第２の磁性体と、を備え、
   前記第２の磁性体は、前記磁気検出素子と重ならないよう配置され、
   前記センサチップの前記４つの側面のうち前記第１の側面の反対側に位置する第２の側面には磁性体が設けられておらず、
   前記磁気検出素子は、第１及び第２の磁気検出素子を含み、
   前記第１及び第２の磁気検出素子は、前記第１の側面からの距離が互いに異なることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１及び第２の磁性体は、両者が一体化したブロックからなることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記磁気検出素子は、前記第１の側面からの距離が前記第１の磁気検出素子と等しい第３の磁気検出素子と、前記第１の側面からの距離が前記第２の磁気検出素子と等しい第４の磁気検出素子とをさらに含む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. 前記センサチップの前記素子形成面は、前記回路基板の前記搭載面と略平行であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
5. 前記センサチップの前記素子形成面は、前記回路基板の前記搭載面に対して略垂直であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気センサ。

Images