CN105974339B

CN105974339B - 磁传感器

Info

Publication number: CN105974339B
Application number: CN201610139780.7A
Authority: CN
Inventors: 田边圭
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2019-06-18
Anticipated expiration: 2036-03-11
Also published as: CN105974339A; JP2016170167A; JP6597370B2

Abstract

本发明涉及提高微弱的磁场的检测精度的磁传感器。本磁传感器在电阻值根据输入的磁场的方向而发生变化的磁阻效应元件的附近，配置有改变输入到上述磁阻效应元件的磁场的方向的磁性体，上述磁性体在形成有上述磁阻效应元件的一侧的面上具有凹部形状的凹部。另外，上述磁性体的凹部可以与上述磁性体的中心大致一致。再有，上述凹部形状可以至少含有边数为3条以上的多边形，也可以至少含有圆弧形状。

Description

磁传感器

技术领域

本发明涉及磁传感器，尤其涉及使用了磁阻效应元件的磁传感器。

背景技术

作为测量装置，开发有能够检测磁场的变化的磁传感器，例如，被用于电流表、磁性编码器等各种用途。这样的磁传感器的一个例子公开于下述专利文献1，作为检测磁场的变化的元件而使用GMR元件(巨磁阻效应元件(Giant Magneto Resistive effect元件)。另外，GMR元件是输出的电阻值根据输入的磁场而变化的元件，基于该输出的电阻值可以测量所检测的磁场的变化。

于是，作为使用了GMR元件的磁传感器的具体的结构的一个例子，正如专利文献1中所示，在基板上配置4个GMR元件，构成桥接电路。于是，通过检测桥接电路的差动电压，检测伴随着作为检测对象的磁场变化的GMR元件的电阻值的变化。这样，可以构成对磁场的变化高灵敏度的传感器。

具体而言，专利文献1中公开的磁传感器，作为检测磁场的变化的元件，具备使用了输出的电阻值根据输入的磁场的方向而变化的旋阀型的GMR元件(巨磁阻效应元件)的GMR芯片(磁场检测芯片)。于是，GMR元件分别在一个面上在规定方向上被磁化固定，使得能够检测规定方向的磁场。此时，为了使GMR芯片小型化并减小各电阻值的偏差，在1个GMR芯片上形成形成了桥接电路的4个GMR元件。因此，4个全部的GMR元件的磁化固定方向全部为同一方向。

图1、图2为说明GMR元件的特性的图。首先，对于本发明中使用的GMR元件的特性，参照图1、图2进行说明。GMR元件为输出的电阻值根据输入的磁场的方向变化的旋阀型的GMR元件(巨磁阻效应元件)。于是，在图1和图2中，示出了磁场H相对于GMR元件的侵入角与电阻值的关系。

图1的例子中的GMR芯片1在其上面形成有GMR元件。该GMR元件被构成为在箭头A方向上被磁化固定以至能够检测箭头A方向的磁场。

于是，在图1中，GMR元件配置于相对于该GMR元件的形成面垂直入射的磁场H中。在该情况下，GMR元件的电阻值如图2所示成为“Ro”。相对于此，如果磁场H的方向倾斜，则如图1的虚线所示，磁场H相对于GMR元件面的入射角从垂直方向倾斜仅-Δθ(Δ(Delta)：用来表示变化量)或者+Δθ的角度。于是，GMR元件如上述所示在一个方向上被磁化固定，因此在该方向上磁场的方向改变，如图2所示，GMR电阻值改变。这样，GMR元件具有下述特性，在将入射的磁场的方向为垂直的状态下的电阻值设定为Ro时，磁场H的方向仅倾斜微小角度时电阻值有特别大的变化。

图3、图4是现有的磁传感器的结构图。在使用形成如上所述的桥接电路的GMR芯片检测一个方向的磁场的情况下，在专利文献1中将该桥接电路中相互相邻而未连接的成对的GMR元件形成于基本上相同位置的元件形成部的附近，配置改变输入到GMR元件的磁场的方向的磁性体21。

再有，上述磁性体21可以将一个方向的外部磁场在GMR元件间改变为不同的方向。这样，以相对于桥接电路以内的4个GMR元件，对一个元件为磁化固定方向，对另一个元件为其相反方向而导出磁场的方式配置。这样从桥接电路输出大的差动电压，可以谋求一个方向的磁场的检测精度的提高。

图5是在专利文献1中通过磁性体21向GMR元件部11、12导入的磁场H的示意图。磁场H由于磁性体21而弯曲，在GMR元件部11、12中，产生朝向GMR元件部11、12的磁感应方向的磁场成分(X轴方向磁场)，如上所述GMR电阻值发生变化。由此，可以构成对磁场的变化高灵敏度的传感器。另外，在以下的全部说明中，将与GMR元件的磁化固定方向平行的方向定义为X轴方向，将在GMR元件形成面内与GMR元件的磁化固定方向垂直的方向定义为Y轴方向，并将与GMR元件形成面垂直的方向定义为Z轴方向。

另外，在专利文献2中，公开有对磁阻效应元件，配置多个将来自外部的垂直磁场转换为朝向水平方向的磁场成分而给予的磁性体，从而检测垂直磁场成分的传感器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5500785号公报

专利文献2：日本专利第5597206号公报

然而，在上述专利文献1、专利文献2中公开的技术中，存在下述问题，即，为了检测微弱的磁场，导出到元件部的磁场的量不充分，从而有必要提高磁检测精度。

发明内容

因此，本发明的目的是为了解决上述技术问题，即，以简便的构成提高磁传感器的磁检测精度。

在此，作为本发明的一个方式的磁传感器，在电阻值根据输入的磁场的方向而发生变化的磁阻效应元件的附近配置改变输入到磁阻效应元件的磁场的方向的磁性体，该磁性体在形成有上述磁阻效应元件的一侧的面上具有凹部形状的凹部，从而将检测磁场高效地导出到磁阻元件，从而可以提高磁检测精度。

再有，优选磁性体的凹部配置于磁性体的配置面侧，在磁阻效应元件的配置面的垂直方向上，凹部的中心和磁性体的中心大致一致。

另外，上述凹部形状可以至少含有边数为3条以上的多边形，也可以至少含有圆弧形状。进一步优选磁性体为软磁性体。

根据上述的发明，通过由上述磁性体的上述凹部形状高效地将检测磁场导出到磁阻元件，从而可以提高磁传感器的磁检测精度。

附图说明

图1是表示GMR芯片的结构的图。

图2是说明GMR元件的特性的图。

图3是表示现有的磁传感器结构(X-Z轴面)的图。

图4是表示现有的磁传感器结构(X-Y轴面)的图。

图5是导入到现有例中的GMR元件部的磁通的示意图。

图6是表示实施方式1中的磁传感器的结构(X-Z轴面)的图。

图7是表示实施方式1中的磁传感器的结构(X-Y轴面)的图。

图8是导入到实施方式1中的GMR元件部的磁通的示意图。

图9是现有例中的GMR元件部的放大图。

图10是实施方式1中的GMR元件部的放大图。

图11现有例与实施方式1中的磁阻元件部的X轴方向的磁场量的模拟结果。

图12是表示实施方式2中的磁传感器的结构(X-Z轴面)的图。

图13是表示实施方式2中的磁传感器的结构(X-Y轴面)的图。

图14是实施方式2中的导入到GMR元件部的磁通的示意图。

图15是现有例与实施方式2中的磁阻元件部的X轴方向的磁场量的模拟结果。

图16是表示实施方式3中的磁传感器的结构(X-Z轴面)的图。

图17是表示实施方式3中的磁传感器的结构(X-Y轴面)的图。

图18是导入到实施方式3中的GMR元件部的磁通的示意图。

图19是现有例与实施方式3中的磁阻元件部的X轴方向的磁场量的模拟结果。

符号的说明

1 GMR芯片

10 现有例中的GMR芯片

11、12 现有例中的元件形成部

21 现有例中的磁性体

110 实施方式1中的GMR芯片

111、112 实施方式1中的元件形成部

121 实施方式1中的磁性体

131 实施方式1中的磁场变化作用凹部

210 实施方式2中的GMR芯片

211、212 实施方式2中的元件形成部

221 实施方式2中的磁性体

231 实施方式2中的磁场变化作用凹部

310 实施方式3中的GMR芯片

311、312 实施方式3中的元件形成部

321 实施方式3中的磁性体

331 实施方式3中的磁场变化作用凹部

A 磁化固定方向

H 磁场

具体实施方式

在实施方式中说明本发明的具体结构。以下，在实施方式1中说明本发明中的磁传感器的基本结构，在实施方式2～3中说明本发明中的磁传感器的应用结构。

另外，作为磁阻元件以GMR为例进行说明，不过也能够适用包括TMR、AMR等在内的具有磁阻效应的元件。

(实施方式1)

参照图6～图11说明本发明的第1的实施方式。图6是本实施方式中的磁传感器中在X-Z轴方向上的结构图。图7是本实施方式中的磁传感器中在X-Y轴方向上的结构图。图8是本实施方式中由磁性体入射到GMR元件部的磁场的示意图。图9是现有例中的由磁性体入射到GMR元件部的磁场的示意图中，GMR元件部中的放大图。图10是本实施方式中的由磁性体入射到GMR元件部的磁场的示意图中GMR元件部中的放大图。图11是现有例和本实施方式中的磁阻元件部的X轴方向的磁场量的模拟结果。

[结构]

参照图6、图7说明本实施方式的软磁性体的形状。在GMR芯片110形成有GMR元件111，112。进一步这些GMR元件构成桥接电路，在该桥接电路的附近，配置有改变输入到磁阻元件的磁场的方向的磁性体121。另外，在磁性体121，在形成有GMR元件111、112的一侧的面具有改变磁场的方向的凹部形状的磁场变化作用凹部131。

再有，磁性体121的磁场变化作用凹部131的在由X轴和Z轴形成的平面中的形状优选为将元件配置面侧作为底边的三角形，不过在能够改变磁场H的方向的范围内，也可以为边的数目为3条以上的多边形。

磁性体121为例如铁氧体、坡莫合金(Ni-Fe合金)或铁硅铝(Sendust)(Fe-Si-Al合金)等的软磁性体，只要是在作为上述磁性体121的功能能够改变上述磁场H的方向的范围内，对其材料没有限定。

再有，在构成磁性体121时，优选由1个部件构成，不过只要在作为上述磁性体121的功能能够改变上述磁场H的方向的范围内，对其部件数目没有限定。

[动作]

接下来，参照图8～图10，说明由上述结构导入到GMR元件部111、112的磁场H。入射到磁性体121的来自Z轴方向上的纸面、上方向的磁场与现有例的作用同样通过磁性体121被弯曲，并导入到磁性体121内部。

导入到磁性体121内部的磁场H在磁性体121的磁场变化作用凹部131附近由其凹部形状导出到磁性体121的X轴方向上的外侧方向。这样，结果集磁到GMR元件111、112附近的磁场H被入射，从而检测的磁场量増加。进一步参照图9、图10，从现有例和本实施例中的GMR元件部的放大图中，可以确认在本实施方式中，通过由磁场变化作用凹部131产生的作用，GMR元件部111中的磁场H通过由磁场变化作用凹部131产生的集磁效果而磁场量会增加。另外，如果比较通过上述的作用入射到GMR元件部的磁场H的入射角，则在本实施方式中，通过由磁场变化作用凹部131产生的作用，磁场H会向X轴方向弯曲。这样，入射到GMR元件111的磁场H不仅在磁场量上増加，而且通过磁性体121以及磁场变化作用凹部131的作用从而磁场H弯曲，由此在作为GMR元件的磁感应方向的磁场H的X轴方向的成分増加，可以提高磁传感器的检测精度。虽然未图示，不过即便在X轴上的相反侧，通过磁性体121以及磁场变化作用凹部131的作用，入射到GMR元件112的磁场H也起到同样的作用，在作为GMR元件的磁感应方向的磁场H的X轴方向的成分増加，从而可以提高磁传感器的检测精度。

参照图11，通过模拟由上述结构产生的导入到GMR元件部111、112的磁场H的强度，针对与现有例比较的结果进行说明。可以确认在实施方式1中，与现有例相比导入到GMR元件部111、112的磁场H的强度增加。

由于如上所示的作用，结果可以通过增加GMR元件部的磁场量来提高磁传感器的磁检测精度。

(实施方式2)

参照图12～图15说明本发明的第2的实施方式。图12是本实施方式中的磁传感器中在X-Z轴方向上的结构图。图13是本实施方式中的磁传感器中在X-Y轴方向上的结构图。图14是本实施方式中的通过磁性体入射到GMR元件部的磁场的示意图。图15是现有例与本实施方式中的磁阻元件部的X轴方向的磁场量的模拟结果。

[结构]

参照图12、图13说明本实施方式的软磁性体的形状。在GMR芯片210形成有GMR元件211、212。进一步这些GMR元件构成桥接电路，在该桥接电路的附近配置有改变输入到磁阻元件的磁场的方向的磁性体221。另外，在磁性体221，在形成有GMR元件211、212的一侧的面具有改变磁场的方向的凹部形状的磁场变化作用凹部231。

再有，磁性体221的磁场变化作用凹部231的在由X轴和Z轴形成的平面中的形状优选为四边形，不过在作为磁场变化作用凹部231的功能能够改变上述磁场H的方向的范围内，也可以为边的数目为4条以上的多边形。

磁性体221例如为铁氧体、坡莫合金(Ni-Fe合金)或铁硅铝(Sendust)(Fe-Si-Al合金)等的软磁性体，只要是在作为上述磁性体121的功能能够改变上述磁场H的方向的范围内，对其材料没有限定。

再有，在构成磁性体221时，优选由1个部件构成，不过只要在作为上述磁性体221的功能能够改变上述磁场H的方向的范围内，对其部件数目没有限定。

[动作]

接下来，参照图14，说明由上述结构导入到GMR元件部211、212的磁场H。入射到磁性体221的来自Z轴方向上的纸面、上方向的磁场与现有例的作用同样通过磁性体221而被弯曲，并导入到磁性体221内部。

导入到磁性体221内部的磁场H在磁性体221的磁场变化作用凹部231附近由其凹部形状导出到磁性体221的X轴方向上的外侧方向。这样，结果集磁到GMR元件211、212附近的磁场H被入射，从而检测的磁场量増加。进一步在本实施方式中，和实施方式1同样，入射到GMR元件部的磁场H的入射角大幅向GMR元件的磁感应方向(X轴方向)弯曲。这样，入射到GMR元件211的磁场H不仅在磁场量上増加，而且通过磁性体221以及磁场变化作用凹部231的作用而使磁场H弯曲，从而在作为GMR元件的磁感应方向的磁场H的X轴方向的成分増加，这样可以提高磁传感器的检测精度。

参照图15，通过模拟由上述结构产生的导入到GMR元件部211、212的磁场H的强度，针对与现有例比较的结果进行说明。可以确认在实施方式2中，与现有例相比导入到GMR元件部211、212的磁场H的强度增加。

(实施方式3)

参照图16～图19说明本发明的第3的实施方式。图16是本实施方式中的磁传感器中在X-Z轴方向上的结构图。图17是本实施方式中的磁传感器中在X-Y轴方向上的结构图。图18是本实施方式中通过磁性体入射到GMR元件部的磁场的示意图。图19是现有例与本实施方式中的磁阻元件部的X轴方向的磁场量的模拟结果。

[结构]

参照图16、图17对本实施方式的软磁性体的形状进行说明。在GMR芯片310形成有GMR元件311、312。进一步这些GMR元件构成桥接电路，在该桥接电路的附近配置有改变输入到磁阻元件的磁场的方向的磁性体321。另外，在磁性体321，在形成有GMR元件311、312的一侧的面具有改变磁场的方向的凹部形状的磁场变化作用凹部331。

再有，磁性体321的磁场变化作用凹部331的在由X轴和Z轴形成的平面中的形状优选为半圆形，不过在作为磁场变化作用凹部331的功能能够改变上述磁场H的方向的范围内，也可以为一部分或全部含有圆弧形状的形状，进一步也可以为复合圆弧形状和多边形后的合成形状。

磁性体321例如为铁氧体、坡莫合金(Ni-Fe合金)或铁硅铝(Sendust)(Fe-Si-Al合金)等的软磁性体，只要是在能够作为上述磁性体321的功能改变上述磁场H的方向的范围内，对其材料没有限定。

再有，在构成磁性体321时，优选由1个部件构成，不过只要在作为上述磁性体321的功能能够改变上述磁场H的方向的范围内，对其部件数目没有限定。

[动作]

接下来，参照图18，说明由上述结构导入到GMR元件部311、312的磁场H。入射到磁性体321的来自Z轴方向上的纸面、上方向的磁场与现有例的作用同样通过磁性体321而被弯曲，并导入到磁性体321内部。

导入到磁性体321内部的磁场H在磁性体321的磁场变化作用凹部331附近由其凹部形状导出到磁性体321的X轴方向上的外侧方向。这样，结果集磁到GMR元件311、312附近的磁场H被入射，从而检测的磁场量増加。进一步在本实施方式中，和实施方式1同样，入射到GMR元件部的磁场H的入射角大幅向GMR元件的磁感应方向(X轴方向)弯曲。这样，入射到GMR元件311的磁场H不仅在磁场量上増加，而且通过磁性体321以及磁场变化作用凹部331的作用而使磁场H弯曲，从而在作为GMR元件的磁感应方向的磁场H的X轴方向的成分増加，这样可以提高磁传感器的检测精度。

参照图19，通过模拟由上述结构产生的导入到GMR元件部311、312的磁场H的强度，针对与现有例比较的结果进行说明。可以确认在实施方式3中，与现有例相比导入到GMR元件部311、312的磁场H的强度增加。

产业上的利用可能性

本发明可以利用于磁传感器、电流表、编码器等各种测量设备中，具有在产业上利用的可能性。

Claims

1.一种磁传感器，其特征在于，

具备：

一对元件形成部，均配置于配置面；以及

磁性体，从垂直于所述元件形成部的配置面的方向观察，设置于所述一对元件形成部之间，

在所述元件形成部形成有磁阻效应元件，

所述磁性体改变输入到所述磁阻效应元件的磁场的方向，

所述磁阻效应元件的电阻值根据所输入的磁场的方向而发生变化，所述磁性体在形成有所述磁阻效应元件的一侧的面上具有凹部形状的凹部。

2.如权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，

所述磁性体的所述凹部配置于所述磁性体的配置面侧，在所述磁阻效应元件的配置面的垂直轴方向上，所述凹部的中心与所述磁性体的中心大致一致。

3.如权利要求1或2所述的磁传感器，其特征在于，

所述凹部形状至少包括边数为3条以上的多边形。

4.如权利要求1或2所述的磁传感器，其特征在于，

所述凹部形状至少包括圆弧形状。

5.如权利要求1或2所述的磁传感器，其特征在于，

所述磁性体为软磁性体。