CN102356328B

CN102356328B - 磁检测装置

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Publication number: CN102356328B
Application number: CN201080012402.3A
Authority: CN
Inventors: 本藏义信; 山本道治; 滨田典彦; 下出晃广; 加藤诚之
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: JPWO2010110456A1; EP2413153B9; US20120013332A1; JP4626728B2; EP2413153A4; WO2010110456A1; EP2413153A1; KR101235524B1; EP2413153B1; KR20110120343A; US8339132B2; CN102356328A

Abstract

本发明的磁检测装置的特征在于，具备：至少一对第一磁敏体，该第一磁敏体由沿第一轴向延伸的软磁性材料构成且对第一轴向的外部磁场进行感应；由软磁性材料构成的磁场变向体，将与第一轴向不同的其他轴向的外部磁场向具有第一轴向的分量的测定磁场变向而能够由至少一对第一磁敏体进行感应。根据该磁检测装置，还能通过第一磁敏体检测其他轴向的外部磁场。其结果是，能够进行高精度的磁检测，并且省略在其他轴向上变长的磁敏体而实现磁检测装置的小型化或薄型化。

Description

磁检测装置

技术领域

本发明涉及使用于方位传感器等并通过MI元件检测磁的磁检测装置。

背景技术

一直以来，为了获知方位等而进行磁测定。例如在电子罗盘等中，为了获知正确的方位而测定三维的磁向量。此时，需要分别测定X、Y、Z这三方向的磁向量的磁传感器。

在此种磁传感器中使用霍尔元件、MR元件等。最近，与此种以往的元件的结构和原理完全不同、具有相差悬殊的高灵敏度的磁阻抗元件(Magneto-Impedance element：适当称为“MI元件”)引起关注。

MI元件利用了磁阻抗效果(称为“MI效果”)，该磁阻抗效果是当高频的脉冲电流等流过非晶丝等磁敏体时，由于趋肤效应而其阻抗根据磁场进行变化。通过测定其阻抗变化或作为该MI效果的起源的磁敏体上产生的磁通量的变化，而能够进行外部磁场等的磁检测。另外，阻抗的变化是直接测定，但磁通量的变化通过卷绕在磁敏体的周围的检测线圈(捕捉线圈，pick-up coil)等进行测定。此种MI元件作为MI传感器已经利用在各种设备的电子罗盘等中。

专利文献1：WO2005/008268

发明内容

(1)以往使用MI元件而求出三维的磁向量时，按照检测的磁向量的方向而使用不同的MI元件。例如，专利文献1(WO2005/008268号公报)中，如图15所示，为了求出三维的磁向量，而使用载置在基板1000上的三个MI元件101、102、103。具体而言，是在基板平面(X-Y平面)上相互正交载置的X轴用MI元件101及Y轴用MI元件102、以及垂直载置在该基板平面上的Z轴用MI元件103。

MI元件通常由非晶丝和薄膜等构成，且由沿一轴向延伸某种程度的长度的磁敏体构成。该磁敏体虽然检测延伸的轴向的磁场分量，但无法检测与磁敏体垂直的方向的磁场分量。因此，为了检测与基板垂直的方向的Z轴方向的磁场，而需要设置沿该方向细长地延伸的磁敏体。即需要垂直地直立设置在基板上的Z轴用MI元件。因此使用了MI元件的以往的三维磁场检测装置的高度大致由Z轴用MI元件的长度决定。在此，为了抑制Z轴方向的高度而过多地缩短磁敏体的长度时，磁检测能力下降而高灵敏度的磁检测变得困难。从此种理由出发，可认为，使用了MI元件的三维磁检测装置的Z轴方向的小型化、薄型化较困难。

(2)另外在图15所示那样的以往的三维磁检测装置的情况下，X轴用MI元件101、Y轴用MI元件102及Z轴用MI元件103这三个MI元件配置在基板1000的侧方，该基板1000在表面形成有集成电路200，该集成电路200包含驱动上述元件的电子电路。因此，在以往的磁检测装置中，即使在与基板平行的平面(X-Y平面)方向上，磁检测装置也存在大型化的倾向，难以实现其小型化。

进一步说，上述MI元件101、102、103与集成电路200的连接通过所谓的引线键合来进行。因此，还需要键合引线的空间，在以往的磁检测装置中，难以实现小型化。尤其是从Z轴方向来看，本来就长的Z轴用MI元件103由于还从Z轴方向进行引线键合，因此磁检测装置的Z轴方向的小型化、薄型化非常困难。而且，引线键合由于一根一根地进行配线，因此需要更多的工序时间。因此在使用了现有结构的MI元件的磁检测装置中，其生产率的提高存在界限。

本发明鉴于这种情况而作出，其目的在于提供一种使用MI元件且与以往相比能实现显著的小型化或薄型化的磁检测装置。其目的在于，例如提供一种三维磁场检测装置，在内置于便携式终端那样的薄型的框体中时，能抑制与基板垂直的方向(Z轴方向)的高度，而且还能抑制与基板平行的方向(X-Y方向)的尺寸，从而实现整体的小型化。

本发明人为了解决该课题而进行努力研究，在反复进行试验的基础上，想到了通过设置与MI元件不同的软磁性体，则无需设置检测特定方向的磁性的专用的MI元件，也能进行该特定方向的磁检测。例如，新发现了即使不设置检测Z轴方向的磁性的MI元件(Z轴用MI元件)，而通过设置适当配置的软磁性体，也能够使用检测X轴方向的磁性的MI元件(X轴用MI元件)和检测Y轴方向的磁性的MI元件(Y轴用MI元件)来检测Z轴方向的磁性。通过对该成果进一步发展，而完成了以下所述的一连串的本发明。

《磁检测装置》

(1)即，本发明的磁检测装置的特征在于，具备：至少一对第一磁敏体，该第一磁敏体由沿第一轴向延伸的软磁性材料构成且对该第一轴向的外部磁场进行感应；由软磁性材料构成的磁场变向体，将与该第一轴向不同的其他轴向的外部磁场向具有该第一轴向的分量的测定磁场变向而能够由至少一对所述第一磁敏体进行感应，通过该第一磁敏体能检测该其他轴向的外部磁场。

(2)根据本发明，磁场变向体将在第一磁敏体中本来不能感应的其他轴向的外部磁场变向成具有能通过第一磁敏体进行感应的分量的测定磁场。并且第一磁敏体至少存在一对，因此若将这些第一磁敏体和软磁性体适当配置，则能够分别检测出本来的第一轴向的外部磁场和变向而成为第一轴向的测定磁场的其他轴向的外部磁场。这样利用沿一轴向延伸的磁敏体能够进行与其不同的其他轴向的外部磁场的检测。其结果是，通过从二维的配置向一维的配置以及从三维的配置向二维的配置使规模下降后的磁检测装置，能够对磁敏体进而对MI元件进行所希望的磁检测。如此，本发明的磁检测装置能显著实现小型化或薄型化。

(3)三维性地考虑磁检测装置时，本发明的磁检测装置除了上述的结构之外，优选还具备至少一对第二磁敏体，该第二磁敏体由沿第二轴向延伸的软磁性材料构成且对该第二轴向的外部磁场进行感应，所述磁场变向体将与所述第一轴向及该第二轴向不同的其他轴向的外部磁场向具有该第一轴向的分量及/或该第二轴向的分量的测定磁场变向而能够由至少一对所述第一磁敏体及/或所述第二磁敏体进行感应。

《三维磁检测装置》

(1)而且，本发明也可以是如下的具体的三维磁检测装置。即，本发明具有基板、配置在基板上的软磁性体(磁场变向体)、主要用于检测X轴方向(第一轴向)的磁场分量的两个X轴用MI元件(包含第一磁敏体的元件)、主要用于检测Y轴方向(第二轴向)的磁场分量的两个Y轴用MI元件(包含第二磁敏体的元件)。两个X轴用MI元件在基板上以该软磁性体为中心，在其两侧载置在同一直线(第一直线：第一轴线)上，两个Y轴用MI元件在基板上以该软磁性体为中心，在其两侧载置在同一直线(第二直线：第二轴线)上。上述第一直线与上述第二直线以规定的角度交叉。设来自由第一X轴用MI元件、脉冲振荡电路及信号处理电路构成的第一X轴用MI传感器的检测电压为VX1，设来自由第二X轴用MI元件、脉冲振荡电路及信号处理电路构成的第二X轴用MI传感器的检测电压为VX2。设来自由第一Y轴用MI元件、脉冲振荡电路及信号处理电路构成的第一Y轴用MI传感器的检测电压为VY1，设来自由第二Y轴用MI元件、脉冲振荡电路及信号处理电路构成的第二Y轴用MI传感器的检测电压为VY2。在此，本发明的三维磁检测装置的特征在于，具有运算单元，该运算单元使用下述的运算式([数学式1])分别运算与外部磁场的X轴方向分量对应的输出电压DX、与外部磁场的Y轴方向分量对应的输出电压DY、与外部磁场的Z轴方向分量对应的输出电压DZ。

通过形成为此种结构，无需使用以往的三维磁检测装置中必须的沿着与基板垂直的Z轴的Z轴用MI元件，而能够检测X轴方向、Y轴方向及Z轴方向(其他轴向)的三维的磁向量。其结果是，能够抑制与基板垂直的方向(Z轴方向)的高度，能够提供一种小型化的三维磁场检测装置。需要说明的是，在此，X轴方向是指与基板平行的任意的1轴的方向，Y轴方向是指与该基板平行且与X轴方向以规定的角度交叉的方向。

(2)上述的三维磁检测装置还优选具有例如下面的结构。即，所述基板由形成有包含所述各MI传感器的脉冲振荡电路、信号处理电路及所述运算单元的集成电路(驱动电路)的硅基板构成。该硅基板在上表面具有绝缘涂层。在绝缘涂层上具有所述MI元件的各端子和用于使所述硅基板上的所述集成电路的各端子导通的端子孔。通过形成为此种结构，能够将以往放置在集成电路的侧方的MI元件载置在集成电路上。如此，能提供一种与基板平行的方向(X、Y轴方向)的尺寸也小型化了的三维磁场检测装置。

《其他》

(1)本说明书中所说的“MI元件”除了非晶丝或薄膜等磁敏体之外，还具有对该磁敏体所感应到的磁性进行检测的检测单元。检测单元例如是设置在磁敏体的周围的捕捉线圈等检测线圈。此种线圈既可以是卷绕线而形成的线圈，也可以是由配线图案等形成的线圈。当然，检测单元也可以是直接测定磁敏体的阻抗或其变化的单元。

(2)本说明书中所说的“变向”是指使通过磁敏体无法感应的磁场或磁场分量的方向向该磁敏体能感应的方向改变的情况。通过该变向，本来磁敏体未感应的磁场成为至少具有该磁敏体所感应的方向分量的磁场，此种磁场也能够通过该磁敏体所构成的MI元件检测。

(3)本说明书中所说的“外部磁场”是指从外部向磁检测装置作用的磁场(环境磁场)，是作为磁检测装置的检测对象的磁场。“测定磁场”是指在外部磁场中由磁敏体感应而成为通过MI元件进行检测或测定的对象的磁场。

附图说明

图1A是实施例1的三维磁场检测装置的俯视图。

图1B是在该俯视图中所示的A-A处剖切的剖视图。

图2是表示实施例1的MI元件的概要的俯视图。

图3是从该俯视图中所示的B-B观察到的剖视图。

图4是使用了实施例1的MI元件的MI传感器的电路图。

图5A是表示向该MI元件、MI传感器施加的脉冲电流波形的波形图。

图5B是说明根据该脉冲电流波形的上升沿、下降沿时间求出频率的方法的说明图。

图6是实施例1的三维磁场检测装置的电路图。

图7A是表示具有XZ方向的分量的均匀的外部磁场H的X轴方向分量Hx及Z轴方向分量Hz的向量分解图。

图7B是通过该X轴方向分量Hx在实施例1的三维磁场检测装置周围形成的测定磁场的磁力线图。

图7C是通过该Z轴方向分量Hz在实施例1的三维磁场检测装置周围形成的测定磁场的磁力线图。

图8是实施例2的三维磁检测装置的俯视图。

图9是实施例3的三维磁检测装置的剖视图。

图10是实施例4的三维磁检测装置的剖视图。

图11是实施例5的三维磁检测装置的剖视图。

图12A是实施例6的三维磁检测装置的俯视图。

图12B是其剖视图。

图13是实施例7的三维磁检测装置的剖视图。

图14是实施例8的三维磁检测装置的剖视图。

图15是以往的三维磁场检测装置的立体图。

标号说明

1：三维磁检测装置 2：MI元件 2X：X轴用MI元件

2Y：Y轴用MI元件 21：磁敏线 22：检测线圈

23：绝缘体 251：磁敏线用端子 252：检测线圈用端子

3：软磁性体 4：硅基板 5：绝缘涂层

6：第一直线 7：第二直线 8：MI传感器

81：脉冲振荡电路 82：信号处理电路 9：运算单元

10：脉冲电流波形

具体实施方式

以下列举发明的实施方式更详细地说明本发明。可以在上述的本发明的结构中附加从本说明书中任意选择的一个或两个以上的结构。哪一个实施方式最佳根据对象、要求性能等而不同。

<MI元件>

本发明的磁检测装置是使用磁阻抗元件(MI元件)来检测磁性的装置。如上所述，MI元件具有能够感应磁场等的磁性而产生阻抗变化或磁通量变化的磁敏体和检测该磁敏体的变化量的检测单元。磁敏体无论其材质或形态。通常由软磁性材料构成，由具有相应的长度的线或薄膜构成。磁敏体在灵敏度或成本等方面上，尤其优选零磁致伸缩的非晶丝。

检测单元的种类或形态根据磁敏体的种类或形态、检测的磁敏体的变化量的种类、规格等而适当选择。检测单元例如既可以是直接检测磁敏体的阻抗或其两端的电压的部件，也可以是卷绕在延伸的磁敏体的周围并输出与磁通量变化相应的电动势的捕捉线圈(检测线圈)等。

磁敏体既可以从搭载面浮起设置，也可以与搭载面相接设置，还可以埋设于槽等。检测线圈既可以卷绕在保持磁敏体的保持体(绝缘体、基板、壳体等)的外周面，也可以卷绕在槽等的内周面。

<磁场变向体>

磁场变向体是使未配置有磁敏体的其他轴向的磁场变向，而能够由配置在与其他轴向不同的轴向上的磁敏体、具体而言由MI元件进行磁性的检测。只要能够如此通过磁敏体进行检测，就无论磁场变向体的材质、形态。磁场变向体由软磁性材料构成，但越是高导磁率，磁场的集磁效果越大，从而优选。并且，磁场变向体优选为容易使磁场朝向磁敏体变向的形状。而且，优选在变向后的磁场容易被磁敏体感受的相对位置配置磁场变向体。例如，优选为收敛或放射磁场的磁场变向体的端部(柱状体的端面角部)指向磁敏体的形状。更优选此种磁场变向体的端部和磁敏体接近配置。反过来说，不优选在与几乎使磁场不变向的磁场变向体的延伸轴的中央附近交叉的轴向上设置磁敏体。

<配置>

只要按照本发明的主旨，则无论磁敏体或磁场变向体的配置。不过，为了利用沿一轴向配置的至少一对磁敏体检测其他轴向的磁性，或多或少地需要基于包含这些磁敏体的MI元件的检测量进行运算。为了以低成本进行高精度的磁检测，该运算越简单地进行越优选。例如，优选基于对与一对磁敏体对应的一对MI元件的各自的检测量进行加法运算或减法运算后的值，分别求出外部磁场的不同轴向的分量。

因此，例如优选检测特性相同的一对MI元件关于某一点(特定点)配置成点对称。由此，各个MI元件能够相等地检测构成它们的各磁敏体的延伸轴向(第一轴向)的外部磁场。在此基础上，进而优选的是，磁场变向体以这一对MI元件的一方能够将通过磁场变向体变向后的其他轴向的外部磁场作为第一轴向的反向分量而检测出的方式存在。

例如，优选磁场变向体关于上述特定点呈点对称地存在。具体来说，磁场变向体若为一个，则磁场变向体配置在该特定点即可。若磁场变向体为两个以上，则优选包含上述形态而关于特定点呈点对称地配置。例如，磁场变向体在通过配置于一轴上的一对磁敏体的中间点(特定点)的直线上，距该特定点等距离(即均等)地配置即可。另外，将一对相同的磁敏体平行配置时，也可以在它们成为对称的点(特定点)上配置磁场变向体，或在通过该特定点的直线上关于特定点均等地配置磁场变向体。

当然，对称配置的磁敏体彼此、MI元件彼此或磁场变向体彼此以感应特性、检测特性或集磁特性等分别实质上相同为前提。具体而言，若为磁敏体彼此，则材质及形态(线径及线长、或膜厚及膜宽等)等相同即可。若为MI元件彼此，则磁敏体彼此的特性相同并且测定阻抗的电路结构及检测磁通量的线圈形态(匝数、卷绕半径等)等相同即可。若为磁场变向体彼此，则相同材质且从各磁敏体侧观察时的形态等相同即可。

综合此种状况，在本说明书中称为“一对磁敏体关于特定点呈点对称地存在”或“磁场变向体关于特定点呈点对称地存在”。需要说明的是，在本说明书中所谓的“点对称”既可以是一维的点对称(直线上的点对称)，也可以是二维的点对称(平面上的点对称)，还可以是三维的点对称(立体上的点对称)。

一维的点对称是指例如在一轴上配置的一对相同的磁敏体成为对称的特定点(通常为两磁敏体的中间点)上配置磁场变向体、或在该特定点的两端侧距该特定点等距离的位置(均等位置)上配置磁场变向体的情况。二维的点对称是指例如在对称配置的一对相同的磁敏体所存在的平面上(上表面上或下表面上)，关于作为它们的对称点的特定点，将相同的磁场变向体均等地配置成点状、线状或环状的情况。三维的点对称是指例如在对称配置的一对相同的磁敏体所存在的平面的两面侧，关于作为它们的对称点的特定点，将相同的磁场变向体均等地配置成点状、线状、面状或环状的情况。

不管怎样，若能够巧妙地利用一对MI元件或一对磁敏体与磁场变向体的对称性，而简化运算式中的校正系数或校正项等，则高精度的磁检测变得容易，从而优选。

<层叠>

本发明在能够通过设置磁场变向体而省略专门用于检测其他轴向的磁场的磁敏体甚至是MI元件，从而实现磁检测装置的小型化或薄型化这一点上具有特征。若如此，则实际配置的磁敏体甚至是MI元件和其驱动电路等其他电子电路的配置不一定是本质的特征。不过，为了进一步发展磁检测装置的整体的小型化或薄型化，优选配置有磁敏体的磁敏层和配置有其驱动电路的电路层处于层叠状态。若如此，则两者的电连接能够通过磁敏层与电路层的叠层间进行，从而能够避免以往进行的需要多余空间的引线键合。因此能实现磁检测装置的进一步的小型化或薄型化。需要说明的是，无需将磁敏层和电路层相邻层叠，也可以在两层之间另外夹设中间层。

另外，层叠或集成的层并不限于磁敏层及电路层。也可以将配置有与一对磁敏体不同的其他检测元件的至少一个以上的检测层层叠在磁敏层或电路层上。这种情况下也无论层叠关系如何，因此上述各层无需相邻层叠。而且，还可以层叠用于驱动检测元件的检测电路层。此时，若检测层与检测电路层的电连接通过上述叠层间进行，则能实现作为传感器装置整体的小型化或薄型化。由此，本发明的磁检测装置不仅能作为磁传感器，还能向层叠有加速度传感器、温度传感器等的组合型传感器发展。

实施例

参照附图并基于以下列举的实施例对本发明进行详细说明。

[实施例1]

实施例1的三维磁检测装置1如图1所示。图1A是三维磁检测装置1的俯视图，图1B是图1A中所示的A-A线的剖视图。

<三维磁检测装置>

(1)三维磁检测装置1包括：检测地磁(外部磁场)的四个MI元件2；棒状的软磁性体3(磁场变向体)；形成有集成电路41(包含驱动电路)的硅基板4；绝缘涂层5；将MI元件2的各端子和集成电路41的各端子分别连接的端子孔(未图示)。四个MI元件2包括两个X轴用MI元件2X1、2X2(将两者合在一起适当称为“X轴用MI元件2X”)和两个Y轴用MI元件2Y1、2Y2(将两者合在一起适当称为“Y轴用MI元件2Y”)。

在硅基板4的中央设有以Z轴为轴线的圆柱状的孔。圆柱状的软磁性体3相对于基板4垂直地埋入而配置在该孔中。软磁性体3由45at％Ni-Fe组成的坡莫合金构成。除此之外，软磁性体3可以使用纯Ni、纯铁、其他组成的坡莫合金(permalloy)、铁硅铝磁合金(sendust)、坡明德合金(permendure)等公知的软磁性材料。

在硅基板4的上部形成有各MI元件2的驱动电路(未图示)及包含后述的运算单元9(参照图6)的电路等集成电路41。驱动电路由脉冲振荡电路81和信号处理电路82(参照图6)构成。上述的电路形成基于周知的集成电路的制造方法而形成。

在硅基板4的上方形成有保护硅基板4并确保集成电路41与MI元件2的绝缘的绝缘涂层5。绝缘涂层5通过将有机树脂或SiO₂等无机材料涂敷在硅基板4上而形成。

如图1A所示，在该绝缘涂层5上载置有两个X轴用MI元件2X及两个Y轴用MI元件2Y。即，两个X轴用MI元件2X以软磁性体3为中心而向其两侧对称延伸，并载置在同一直线(第一直线6：第一轴线)上。两个Y轴用MI元件2Y也同样地以软磁性体3为中心而向其两侧对称延伸，并载置在同一直线(第二直线7：第二轴线)上。

(2)在此，X轴用MI元件2X所延伸的第一直线6(X轴线)和Y轴用MI元件2Y所延伸的第二直线7(Y轴线)以90度交叉(正交)。两者未必非要正交，但正交时能够简化后处理(校正处理)等。在本实施例的情况下，两个X轴用MI元件2X及两个Y轴用MI元件2Y分别距软磁性体3的中心等间隔地配置。这种情况下，它们也未必非要等间隔地配置，但能够简化作为等间隔的处理，从而能够高精度地检测磁性。

<MI元件>

(1)使用图2及图3，详细地说明构成X轴用MI元件2X1、2X2及Y轴用MI元件2Y1、2Y2的MI元件2的结构。

MI元件2载置在绝缘涂层5上，该绝缘涂层5覆盖由非磁性体构成的硅基板4的基板表面上形成的集成电路41(参照图1B)。该MI元件2具备：由排列在绝缘涂层5的平坦面上的多个第一导体膜222a构成的平面图案222；以横穿多个第一导体膜222a的方式沿着平面图案222的排列方向配置的剖视圆形形状的非晶丝所构成的磁敏线21(磁敏体)；覆盖磁敏线21的外周面并将磁敏线21固定在平面图案222上的绝缘体23；由以在绝缘体23的外表面和平面图案222的表面上形成并横越磁敏线21的上方的方式排列的多个第二导体膜221a构成的立体图案221。

平面图案222和立体图案221在磁敏线21的两旁将第一导体膜222a的端部和第二导体膜221a的端部以层叠状态接合而形成层叠接合部。如此平面图案222和立体图案221一体化，从而在绝缘涂层5的平坦面上形成围绕磁敏线21及绝缘体23的检测线圈22。

如图3所示，绝缘体23的与磁敏线21的轴线垂直的剖视呈现出越接近平面图案222越宽的下部变宽的形状。即，绝缘体23的与平面图案222平行的方向的宽度尺寸越靠平面图案222侧越大。具体来说，绝缘体23成为三部分结构，具有：覆盖平面图案222的表面而使磁敏线21和平面图案222绝缘的平面绝缘部231；介于平面绝缘部231与磁敏线21之间而隔着平面图案222将磁敏线21固定在绝缘涂层5上的线固定部232；介于磁敏线21与立体图案221之间并使两者间绝缘的立体绝缘部233。

至少线固定部232使液状树脂固化而形成。平面绝缘部231在线固定部232的形成前形成与线固定部232分体形成的膜状。立体绝缘部233也形成与线固定部232分体形成的膜状。

磁敏线21由零磁致伸缩的非晶丝构成。磁敏线21的两端与用于施加脉冲电流的电极251连接。检测线圈22与电极252连接，该电极252用于检测根据外部磁场进行变化的电压。图2中示出一例的端子配置对应于硅基板4上的集成电路41。各MI元件2的各端子和硅基板4上的集成电路41的各端子通过设置在绝缘涂层5上的端子孔(未图示)而电连接。在本实施例中，设磁敏线21的直径为20μm，长度为0.6mm，检测线圈22的匝数为15圈。

(2)该MI元件2直接配置在绝缘涂层5上。因此与将非晶磁敏线收纳在载置的基板的槽中的公知的槽型结构的MI元件(参照专利文献1)相比，MI元件2大幅度地减少安装时的Z轴方向的高度，有助于Z轴方向的小型化。

<驱动电路>

(1)使用了上述的MI元件2的MI传感器电路8(驱动电路)如图4所示。MI传感器电路8具有装入集成电路41的脉冲振荡电路81及信号处理电路82。信号处理电路82由采样时间调整电路821、模拟开关822、放大器823构成。该MI传感器电路8如下所述进行动作。

由脉冲振荡电路81产生的约200MHz程度的高频的脉冲电流向MI元件2中的磁敏线21供给。若如此，则通过脉冲电流而在磁敏线21的线圆周方向产生的磁场和外部磁场起作用，在检测线圈22产生与该外部磁场对应的电压。需要说明的是，在此所说的频率是求出图5A所示的脉冲电流波形10的脉冲的“上升沿”或“下降沿”的时间Δt，并将该Δt如图5B所示对应于4分之1周期而求出。

接着，通过采样时间调整电路821，在上述脉冲电流上升后，在规定的时间，对模拟开关822进行短时间开关(接通—切断)。由此，模拟开关822对在检测线圈22产生的外部磁场所对应的电压进行采样。采样电压被放大器823放大而输出。在截断脉冲电流时(脉冲电流下降时)也同样地进行处理。并不局限于该结构例，在其他的公知的MI传感器所使用的电子电路中也能够得到同样的效果。

(2)三维磁场检测装置1的驱动电路如图6所示。三维磁场检测装置1的驱动电路包括与四个MI元件2(第一X轴用MI元件2X1、第二X轴用MI元件2X2、第一Y轴用MI元件2Y1及第二Y轴用MI元件2Y2)分别对应的四个MI传感器电路8(第一X轴用MI传感器电路8X1、第二X轴用MI传感器电路8X2、第一Y轴用MI传感器电路8Y1及第二Y轴用MI传感器电路8Y2)、以及运算单元9。

各MI传感器电路8分别由脉冲振荡电路81和信号处理电路82构成。需要说明的是，也可以仅使用各MI传感器电路8中的一个(例如图6的最上方所示的脉冲振荡电路81及信号处理电路82的一组)作为驱动电路。此时，也可以通过分时开关对该一个驱动电路进行分时并检测各MI元件2的电压。

<磁场的检测>

(1)在本实施例中所说的“外部磁场”是指MI元件应测定的位置的环境磁场。在外部磁场中放置三维磁场检测装置1时，由于软磁性体3(参照图1)，在包含各磁敏线21的周围，其外部磁场的磁场分布进行变化。在各MI元件2测定的磁场的意思下，将该磁场作为“测定磁场”。

(2)通过软磁性体3而变化的测定磁场作用于第一X轴用MI元件2X1时，向第一X轴用MI传感器电路8X1的输出端子输出检测电压VX1。同样地，测定磁场作用于第二X轴用MI元件2X2时，向第二X轴用MI传感器电路8X2的输出端子输出检测电压VX2，测定磁场作用于第一Y轴用MI元件2Y1时，向第一Y轴用MI传感器电路8Y1的输出端子输出检测电压VY1，测定磁场作用于第二Y轴用MI元件2Y2时，向第二Y轴用MI传感器电路8Y2的输出端子输出检测电压VY2。

运算单元9接受来自上述各MI传感器2的检测电压VX1、VX2、VY1、VY2，按照下述的运算式([数学式1])进行运算，输出与外部磁场的X、Y、Z轴方向分量对应的输出电压DX、DY、DZ。

如此，根据本实施例的三维磁场检测装置1，不用设置将磁敏线垂直配置在基板上的MI元件(所谓的Z轴元件)，而能够测定Z轴方向的磁场。即，能够实现Z轴方向的小型化并进行三维的磁场检测。而且在本实施例的情况下，将一直以来载置在集成电路的侧方的MI元件层叠在集成电路上。因此，即使在与基板平行的方向(X轴方向、Y轴方向)上也能够实现三维磁检测装置的小型化。

(3)对外部磁场H作用时的三维磁场检测装置1的动作进行说明。作为代表例，在图1A的A-A向剖视图上包含软磁性体3及三维磁场检测装置1的周围的磁力线如图7所示。首先在由与硅基板4平行的一个轴即X轴和与硅基板4垂直的轴即Z轴所构成的Z-X平面内进行考虑。设想不具有Y轴方向分量的外部磁场H时，该磁场H如图7A所示，可以向量分解成X轴方向分量Hx和Z轴方向分量Hz。

<X轴方向分量Hx>

(1)首先考虑外部磁场的X轴方向分量Hx。使用图7B来讨论MI元件2X1、2X2的磁敏线21x1、21x2、及与软磁性体3之间的X轴方向分量Hx的行为。

在没有软磁性体3的情况下，外部磁场的X轴方向分量Hx与感磁方向即磁敏线21x1、21x2的轴向(第一轴向)一致，因此通过它们直接进行检测。

在本实施例中，X轴方向分量Hx向软磁性体3集磁。因此，X轴方向分量Hx在磁敏线21x1中稍向Z轴下方倾斜，在磁敏线21x2中稍向Z轴上方倾斜。设在上述磁敏体内倾斜的磁向量分别为Hx1’、Hx2’。在此，MI元件2X1、2X2能够感应的磁场仅是磁向量Hx1’、Hx2’的向X轴方向(磁敏线21x1和磁敏线21x2的轴线方向)的投影分量。因此，通过检测线圈22x1、22x2(未图示)仅检测出倾斜的磁向量Hx1’、Hx2’的向X轴方向的投影分量。然后，MI传感器电路8X1、8X2(参照图6)输出与该X轴方向分量Hx对应的检测电压VX1、VX2。

在此，磁向量Hx1’、Hx2’具有关于Z轴方向极性不同的投影分量。然而，这些分量原本是MI元件2X1、2X2的非感磁方向的正交分量，因此未检测出。而且，X轴方向分量Hx相对于MI元件2Y1、2Y2的磁敏线21y1、21y2也垂直，因此未产生检测电压VY1、VY2。

(2)基于上述情况，与X轴方向分量Hx对应的输出电压DX、DY、DZ根据下述的运算式([数学式1])如下所述求出。

像运算式的第一式那样，输出电压DX可以对检测电压VX1、VX2的算术平均值附加系数而求出。在此，检测电压VX1、VX2是与外部磁场的X轴方向分量Hx对应的电压，理论上为相同值且极性也相同。

上述的内容在设想为不具有X轴方向分量的外部磁场H时的Z-Y平面上也成立。因此，输出电压DY如运算式的第二式所述。正如在此讨论那样，在设想为没有Y轴方向分量的外部磁场H的磁场环境下，如上所述，不产生检测电压VY1、VY2，因此输出电压DY成为0。

输出电压DZ可以通过运算式的第三式求出。第三式中的检测电压VX1、VX2是与X轴方向分量Hx对应的电压，理论上为同值且极性也相同。在第三式中的第一项中对两者进行减法运算，从而与外部磁场X轴方向分量有关的电压相抵消。此外，第三式中的第二项的检测电压VY1、VY2不产生。因此输出电压DZ成为0。由此，根据运算式的第三式，输出电压DZ在没有Z轴方向分量的外部磁场时一致而成为0。

<Z轴方向分量Hz>

(1)接下来考虑外部磁场的Z轴方向分量Hz。使用图7C来讨论MI元件2X1、2X2的磁敏线21x1、21x2、及与软磁性体3之间的Z轴方向分量Hz的行为。

在没有软磁性体3的情况下，外部磁场的Z轴方向分量Hz仅成为磁敏线21x1、21x2的垂直方向分量，因此它们完全未被检测出来。

像本实施例那样具有软磁性体3时，与Z轴方向分量Hz相当的磁场向软磁性体3集磁后，从软磁性体3的表面31向图上方(Z轴正方向)呈放射状地扩散。因此如图7C的剖切面所示，磁场的方向向X轴方向倾斜。设该磁场通过磁敏线21x1、21x2内的倾斜的磁向量为Hz1’、Hz2’。

在此，磁敏线21x1、21x2能够感应的磁场仅是磁向量Hz1’、Hz2’的向X轴方向的投影分量。该投影分量通过检测线圈22x1、22x2(未图示)检测出。然后，MI传感器电路8X1、8X2输出与该Z轴方向分量Hz对应的检测电压VX1、VX2。此外，上述投影分量的绝对值相同而极性相反。需要说明的是，磁向量Hz1’、Hz2’的Z轴方向的投影分量原本不是MI元件2X1、2X2的感磁方向，因此未被检测出。

而且，Z轴方向分量Hz在Z-Y平面上也形成同样的磁场分布。因此，MI传感器电路8Y1、8Y2与检测电压VX1、VX2同样地输出与磁场Z轴方向分量Hz对应的检测电压VY1、VY2。

(2)基于上述情况，与Z轴方向分量Hz对应的输出电压DX、DY、DZ与X轴方向分量Hx的情况同样地根据下述的运算式([数学式1])求出。检测电压VX1、VX2是与外部磁场的Z轴方向分量Hz对应的电压，理论上为相同值而极性相反。若对它们进行加法运算则相抵消而成为0。由此，根据下述的运算式的第一式，输出电压DX在没有X轴方向分量的外部磁场时一致而成为0。

检测电压VY1、VY2是与外部磁场的Z轴方向分量Hz对应的电压，理论上为相同值而极性相反。对它们进行加法运算后相抵消而成为0。由此，根据下述的运算式的第二式，输出电压DY在没有Y轴方向分量的外部磁场时一致而成为0。输出电压DZ可以根据下述的运算式的第三式，在对检测电压VX1、VX2与检测电压VY1、VY2进行减法运算后，进行平均并附加系数从而求出。如此不使用Z轴方向的MI元件或MI传感器，能够输出与Z轴方向磁场分量Hz对应的电压。

<外部磁场H>

此外，外部磁场H是X轴方向磁场分量Hx与Z轴方向磁场分量Hz的向量和。而且Z-X平面上的外部磁场的讨论对于Z-Y平面上的外部磁场的讨论也妥当。结果是，与外部磁场H对应的输出电压作为各输出电压的和或差而求出，通过本实施例能够检测出三维的磁性。

需要说明的是，通过[数学式1]那样的简单的运算式能够求出输出电压DX、DY、DZ是因为，将一对X轴用MI元件2X和一对Y轴用MI元件2Y配置在正交的轴线上，并将这些MI元件2和软磁性体3对称地配置。

不过，外部磁场的Z轴方向分量Hz的向X轴方向及Y轴方向的投影分量只要未进行成为零那样的软磁性体的配置，就同样地无需使用特定轴向的MI元件或MI传感器，而能够得到与该轴向磁场分量对应的输出电压。需要说明的是，软磁性体与MI元件的配置为非对称时，或MI元件间的配置为非对称时，通过使用对检测电压附加了其他系数或添加了校正项的运算式，能够得到与外部磁场对应的各输出电压。这种情况下能够使用的运算式的一例如下述的[数学式2]所示。需要说明的是，[数学式2]中的各α、β、γ是系数。

[实施例2]

将MI元件2的配置从三维磁检测装置1(图1)变更后的三维磁检测装置20的俯视图如图8所示。需要说明的是，对于与已述的三维磁检测装置同样的部件，为了简便起见，附加相同标号表示(以下也同样)。

在三维磁检测装置20中，在正方形的硅基板4上的与其各边成45度的对角线上配置MI元件2。如此配置MI元件2时，对于相同尺寸的基板，能较长地取得MI元件的长度。即，能够增大磁敏体(非晶丝等)的长度和检测线圈的匝数，提高输出电压。

[实施例3]

将在Z轴方向上比软磁性体3短的软磁性体33配置在与软磁性体3不同的位置上的三维磁检测装置30的剖视图如图9所示。即，在三维磁检测装置30中，不将短的软磁性体33埋入硅基板34，而载置在绝缘涂层5上。由此，不需要向硅基板34的孔加工等。而且，还能够将硅基板34上的电子电路的集成度提高与该孔的尺寸相当的量。需要说明的是，俯视的配置与三维磁检测装置1同样设为硅基板4的中央。

[实施例4]

将软磁性体33配置在硅基板34的相反侧(背面侧)的三维磁检测装置40的剖视图如图10所示。这种情况下，通过适当调整软磁性体33的尺寸等，也能起到与三维磁检测装置30同样的效果。

[实施例5]

不将软磁性体3的全部埋入硅基板54中，而使其一部分从硅基板54及绝缘涂层55突出的三维磁检测装置50的剖视图如图11所示。而且在三维磁检测装置50中，该软磁性体3的头部与MI元件2的上部对齐在相同高度。由此，三维磁检测装置50不向Z轴方向突出，而能实现Z轴方向的薄型化和小型化。

[实施例6]

将三维磁检测装置30的软磁性体33变更为围绕硅基板34的四方的方形环状的软磁性体63后的三维磁检测装置60的俯视图如图12A所示，其剖视图如图12B所示。根据该三维磁检测装置60，能实现Z轴方向的缩短化并实现软磁性体63的体积的增大。

[实施例7]

三维磁检测装置70的剖视图如图13所示。三维磁检测装置70具有：硅基板54；形成在硅基板54上的MI元件2的驱动电路即集成电路层51(电路层)；覆盖该集成电路层51的绝缘涂层55；利用绝缘树脂79平坦状地覆盖载置在绝缘涂层55上的MI元件2而成的磁敏层71；具备层叠在磁敏层71上的与MI元件2不同的检测元件的检测层72；层叠在检测层72上的检测元件的驱动电路即集成电路层73。各层叠间的导通适当地通过通孔(via hole)或贯通孔(through hole)等端子孔(未图示)进行。图13中表示了仅将各层层叠在硅基板54的单面侧的情况，但各层也可以层叠在硅基板54的两面侧。

检测层72具体而言由例如与MI元件2不同的构成磁传感器(三维磁传感器、二维磁传感器等)、方位传感器、加速度传感器、温度传感器、包含磁陀螺仪的陀螺仪传感器等的检测元件形成。图13仅示出了1组检测层72和集成电路层73，但此外还可以层叠多种多样的检测层。通过此种层叠结构，三维磁检测装置70成为复合传感器体。

需要说明的是，除了如上所述各层沿一轴向(所谓的Z轴方向)层叠的情况之外，若检测装置(传感器)的平面的空间存在富余，则也可以将与各层相当的电路适当组合，并列配置在同层中。这种情况下，各电路间的导通通过同层内的配线图案等进行时，实现传感器集成体的薄型化，从而优选。若平面的空间不富余，则优选将多层层叠。

[实施例8]

具有覆盖载置在硅基板34上的MI元件2的由绝缘树脂构成的平坦状的绝缘层89，且在该绝缘层89上的中央配置有软磁性体33的三维磁检测装置80的剖视图如图14所示。与绝缘层89接合的软磁性体33的端面外周缘部(角部)接近各MI元件2的端部。由此，软磁性体33的延伸轴向(Z轴方向)的外部磁场向MI元件2的延伸方向(X轴方向、Y轴方向)较大地变向，能够基于MI元件2高效地检测。

工业实用性

本发明的三维磁场检测装置能够使用于例如电子罗盘、磁陀螺仪等需要进行三维地磁测定的设备、旋转传感器等所有的磁传感器。尤其是本发明的三维磁检测装置适合于以手机为代表的便携式终端等那样需要在与载置的基板垂直的方向(所谓的Z轴方向)上进行小型化/薄型化的装置。

[数学式1]

DX = α \times \frac{VX 1 + VX 2}{2}

DY = β \times \frac{VY 1 + VY 2}{2}

DZ = γ \times {\frac{VX 2 - VX 1}{2} + \frac{VY 2 - VY 1}{2}}

[数学式2]

DX＝α₁VX1+α₂VX2

DY＝β₃VY1+β₄VY2

DZ＝γ₂VX2-γ₁VX1+γ₄VY2-γ₃VY1

Claims

1.一种磁检测装置，其特征在于，具备：

至少一对第一磁敏体，该第一磁敏体由沿第一轴向延伸的软磁性材料构成且对该第一轴向的外部磁场进行感应；

由软磁性材料构成的磁场变向体，将与该第一轴向不同的其他轴向的外部磁场向具有该第一轴向的分量的测定磁场变向而能够由至少一对所述第一磁敏体进行感应，

还具备至少一对第二磁敏体，该第二磁敏体由沿第二轴向延伸的软磁性材料构成且对该第二轴向的外部磁场进行感应，

所述磁场变向体将与所述第一轴向及该第二轴向不同的其他轴向的外部磁场向具有该第一轴向的分量及/或该第二轴向的分量的测定磁场变向而能够由至少一对所述第一磁敏体及/或所述第二磁敏体进行感应。

2.根据权利要求1所述的磁检测装置，其中，

所述一对第一磁敏体都配置在所述第一轴线上。

3.根据权利要求1或2所述的磁检测装置，其中，

所述一对第一磁敏体关于特定点呈点对称地存在，

所述磁场变向体关于该特定点呈点对称地存在。

4.根据权利要求1所述的磁检测装置，具有：

配置有所述第一磁敏体的磁敏层；

配置有该第一磁敏体的驱动电路的电路层，

使该磁敏层和该电路层层叠，该第一磁敏体和该驱动电路通过该磁敏层与该电路层的叠层间而电连接。

5.根据权利要求4所述的磁检测装置，其中，

还具有至少一个以上的检测层，该检测层配置有与所述一对第一磁敏体不同的检测元件，

该检测层层叠在所述磁敏层或所述电路层上。