JP2004069357A

JP2004069357A - ３軸磁気センサおよびアレイ型磁気センサ

Info

Publication number: JP2004069357A
Application number: JP2002226003A
Authority: JP
Inventors: Takashi Otsuki; 大槻　隆; Naoko Tachibana; 橘　　奈緒子; Junichi Hayasaka; 早坂　淳一
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】少数の磁気センサを配置することで、磁界を正確に検出できる３軸磁気センサおよびアレイ型磁気センサを得る。
【解決手段】磁気センサ素子を、取り付け基板面にほぼ垂直方向に配置し磁気を検出する３軸磁気センサにおいて、前記取り付け基板平面と約５５度のなす角を持つ３つの平面から構成される凹領域が形成され、前記凹領域を構成する３つの平面のそれぞれに磁気センサ素子が配置されており、前記磁気センサ素子の磁気検出方向が互いに、ほぼ直交している３軸磁気センサとする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として３軸磁気センサおよびアレイ型磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気センサにより磁石の位置を検出する方式は、例えば、磁気センサとしてホール素子や磁気抵抗素子を用いた場合には、その感度が磁石の有無を検出する程度となる。磁気センサとして、より高感度な磁気インピーダンス素子を３軸の磁気ベクトルを検出する構成として用いた場合、磁石の位置のほか、方向も検出できる。
【０００３】
図１３は、従来の磁気センサの説明図である。従来の磁気センサの方式では、３角柱の側面にセンサチップを張り付けて側面から電極を取る構成となっている。本発明では、３軸の磁気センサの取り付け構成が、より簡易化され、より小型化が可能な構成となっており、取付不良も発生しにくく、歩留が低下する。
【０００４】
前記構成により、例えば磁石を不透明で非磁性な対象、例えば人体などに埋め込んだ場合に、正確に位置を知ることができる。あるいは、磁石をペン型の入力手段（位置のほか、方向も指定できる）として、３Ｄコンピューターグラフィックの作成、編集などに使用できる。また、人体内部の生体磁気、あるいは生体内の磁性物質による磁場をある程度検出することが出来はじめており、磁石の双極子分布として生体磁気をとらえることで検出し、診断、造影などに活用できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
磁石の形状が棒状の場合は、１個の磁石の３次元座標位置、および磁石の方向、さらには磁石の種類（発生磁場強度、長さ）を検出する必要がある。磁石の形状が任意の形の場合（磁性微粒子、磁性原子等）、大きさと方向を持った磁気双極子の分布を検出する必要がある。
【０００６】
前者の場合は、検出する必要のある情報の数に応じて磁気センサを増やす必要がある、情報を正確に求めるためには、さらに磁気センサの数を増やす必要があるが、入力機器は小型であることが求められる。後者の場合は、磁気双極子分布を正確に求めるためには、多数の磁気センサを密度高く配置する必要がある。
【０００７】
従って、本発明の目的は、少数の磁気センサを配置することで、磁界を正確に検出できる３軸磁気センサおよびアレイ型磁気センサを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、磁気センサ素子を、取り付け基板面にほぼ垂直方向に配置し磁気を検出する３軸磁気センサにおいて、前記取り付け基板平面となす角度が約５５度である３つの平面から構成される凹領域が形成され、前記凹領域を構成する３つの平面のそれぞれに磁気センサ素子が配置されており、前記磁気センサ素子の磁気検出方向が互いにほぼ直交している３軸磁気センサである。
【０００９】
また、本発明は、磁気センサ素子を、取り付け基板面にほぼ垂直方向に配置し磁気を検出する３軸磁気センサにおいて、前記取り付け基板に、取り付け基板平面と約３５度である３つの平面から構成される凸領域が形成され、前記凸領域を構成する３つの平面のそれぞれに磁気センサ素子が配置されており、前記３つの磁気センサ素子の磁気検出方向が互いに、ほぼ直交している３軸磁気センサである。
【００１０】
また、本発明は、磁気センサ素子を、取り付け基板面にほぼ垂直方向に配置し磁気を検出する３軸磁気センサにおいて、前記取り付け基板となす角度が約４５度である平面を含む凹領域が形成され、前記凹領域に含まれる前記２つの平面と、基板と平行な面のそれぞれに磁気センサ素子が配置され、３つの磁気センサ素子の磁気検出方向が互いに、ほぼ直交していること３軸磁気センサである。
【００１１】
また、本発明は、前記の３軸磁気センサにおいて、前記各磁気センサ素子は、磁性線の高周波インピーダンス変化を検出する磁気インピーダンスセンサ素子である３軸磁気センサである。
【００１２】
また、本発明は、前記の３軸磁気センサにおいて、前記磁気センサ素子の取り付けられている領域の外側に、コイルが巻き回された３軸磁気センサである。
【００１３】
また、本発明は、前記の３軸磁気センサにおいて、前記磁気センサ素子の取り付けられている領域の上層に、絶縁膜を介して渦巻き状にコイルパターンが形成された３軸磁気センサである。
【００１４】
また、本発明は、前記の３軸磁気センサを直列に並べたアレイ型磁気センサである。
【００１５】
また、本発明は、前記の３軸磁気センサを２次元に並べたアレイ型磁気センサである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による３軸磁気センサおよびアレイ型磁気センサについて、以下に説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による３軸磁気センサの説明図である。図１の３軸磁気センサは、基板１に、前記基板１の平面となす角度が約５５度である３つの平面から構成される凹領域１０が形成されていて、前記各々の凹領域１０に、単一の磁気センサ素子３が、各１個を配置した構成となっていて、またバイアスコイルが前記３つの凹領域を回周して巻かれており、前記磁気センサ素子の磁気検出方向が、互いに、ほぼ直交した構成である。ここで、磁気センサ素子３は、磁性コア２にて形成されている。
【００１８】
また、基板１は、ガラス成型あるいは樹脂成型により傾斜面を形成しており、基板垂直方向を（１，１，１）方向とした場合に、傾斜面は、それぞれ（１，０，０）、（０，１，０）、（０，０，１）を垂直方向とする面となるように形成する。傾斜面３面で基板内に凹となっており、傾斜面と基板との成す角は、ほぼ５５度である。
【００１９】
ここで、磁気センサ素子は、磁気インピーダンスセンサであって、磁性コア２１は、ガラス材などの誘電体ウェハ上に細長いパターンの磁性線をスパッタと、フォトリソグラフィ技術により形成する。具体的には、磁気検出コアのネガパターンでフォトレジストをマスキングし、アモルファス軟磁性膜を形成し、フォトレジストの洗浄を行う。
【００２０】
さらに、回転磁場中熱処理を行って磁歪を除去し、その後、静磁場を幅方向に印加して熱処理を行うことで、磁化容易軸を形成することで磁気検出コアが形成される。保磁力は、０．１Ｏｅ［０．１×４π／１０^３（Ａ／ｍ）］以下が望ましいが、１Ｏｅ［１×４π／１０^３（Ａ／ｍ）］以下であっても、実用に耐える。磁化容易軸方向に磁石などで５Ｏｅ［５×４π／１０^３（Ａ／ｍ）］以上、望ましくは１００Ｏｅ［１００×４π／１０^３（Ａ／ｍ）］以上の静磁場を印加した状態でアモルファス軟磁性膜を形成すると、熱処理工程を省くことが出来る。
【００２１】
図２は、実施の形態１による３軸磁気センサの磁気センサ素子の説明図である。図２のごとく、磁気センサ素子は、ストライプ状の磁性コア２１が、導体膜７によって、直列に接続され、両端部が電極４１に接続されている。ここで、検出磁界は、矢印のごとく、磁性コア２１と平行する場合が、最大感度を示す。
【００２２】
このように、磁性コアを、図２のように複数並列に並べて電気的に直列になるように導体膜で接続することで、信号レベルを上げることが出来る。接続部を非磁性の導体とすることで、磁性コアの磁化の乱れが無くなり、特性が安定する。
【００２３】
さらに、アルミ、金、銅などの電極を形成し、電極部を除く領域を、酸化珪素のスパッタ膜や、樹脂フィルムなどにより保護し、図２のように誘電体ウェハを磁性線長手方向が凸頂点となり、磁性線長手方向と成す角が６０度であるように切断することで、傾斜基板に実装する際の検出軸ずれがなくなる。誘電体ウェハが、５００ミクロン以下１００ミクロン以上の薄さであれば、取り付け時の検出軸ずれが少なく望ましい。また、電極が頂点付近にあることで、電極の占める面積が最小限となるため、チップの小型化によるコスト削減が容易となる。
【００２４】
傾斜基板の水平面の領域には、磁気インピーダンスセンサチップとワイヤーボンディングなどの手段によって電気的に接続する電極パッドと、内周に磁気バイアス用の渦巻きコイルを形成する。渦巻きコイルは、傾斜面の直近を通電するように三角形のコイルとすることで、磁気インピーダンスセンサチップの磁性線に近接していることが磁気バイアスを加えるための電流効率が向上するため望ましい。
【００２５】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２による３軸磁気センサの説明図である。図３の実施の形態２による３軸磁気センサは、磁気インピーダンスセンサチップの一部が傾斜領域に固定されている構成とすることで、磁気バイアスを加えるための電流効率が向上し、形状もより小型となる。ここで、磁気インピーダンスセンサチップの電極は、傾斜領域上にあるようにする。しかし、磁気インピーダンスセンサチップへの衝撃による破損の可能性があるため、上部へのカバーか、もしくは樹脂による保護が必要となる。
【００２６】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３による３軸磁気センサの説明図である。図４の実施の形態３による３軸磁気センサは、磁気検出軸が通常の座標系の基板面内２軸と、垂直方向１軸の構成と異なっているが、座標変換によるか、あるいは、センサ自体を検出軸のうち一つが垂直方向１軸と同じ方向となるように検出用の基準面と約５５度傾かせることで合わせた３軸磁気センサである。
【００２７】
図５は、図４の本発明の実施の形態３による３軸磁気センサの特性図であり、コイルの磁気バイアス効率に関する特性図である。ここで、コイルパターン幅、ギャップ共に、数十ミクロン、通電電流は数十ｍＡとしている。
【００２８】
（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４による３軸磁気センサの説明図である。図６の実施の形態４による３軸磁気センサは、基板１ｃはシリコンの異方性エッチングにより傾斜面を形成しており、傾斜面は３面で基板に対して凸になっており、基板１ｃの垂直方向を（１，１，１）方向とした場合に、傾斜面は、それぞれ（１，０，０）、（０，１，０）、（０，０，１）を垂直方向とする面となる。傾斜面と基板面との成す角は、約３５度となっている。
【００２９】
磁気インピーダンス効果を示す磁性コアは、各傾斜面に形成し、導体電極も直接形成する。導体膜のバイアスコイルは、絶縁膜を介して形成しいる。図７は、図６の本発明の実施の形態４による３軸磁気センサの特性図である。ここで、図７の磁気バイアス効率は、図５の実施の形態３の３軸磁気センサよりも高い構成となっている。また、加工精度の面でも、より改善されている。
【００３０】
（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５による３軸磁気センサの説明図である。図８の実施の形態５の３軸磁気センサは、基板１ｄはシリコンの異方性エッチングにより傾斜面を形成しており、傾斜面は２面で基板に対して凹になっており、基板に対する垂直方向を（０，０，１）方向とした場合に、傾斜面は、それぞれ（１，０，０）、（０，１，０）を垂直方向とする面となる。傾斜面と基板面との成す各は、約４５度となっている。実施の形態１と同様に、磁気インピーダンス効果を示す磁性コアは、各傾斜面に形成し、導体電極も直接形成する。導体膜のバイアスコイルは、絶縁膜を介して形成しており、磁気バイアス効率は、実施の形態４の図７と同様の結果となっている。
【００３１】
（実施の形態６）
図９は、本発明の実施の形態６によるアレイ型磁気センサの説明図である。図９の実施の形態６によるアレイ型磁気センサの構成において、直線上に、ほぼ等間隔で磁気センサを形成している。図１１は、図９の実施の形態６によるアレイ型磁気センサの応用例の説明図である。図１１に示すように、磁石の発生磁場によって、各磁気センサは、図中の矢印のように磁場を検出する。
【００３２】
図１２は、図１１の応用例の説明図を直角方向から見た説明図である。図１２にて、磁気センサ配置直線に垂直な面での磁石の発生磁場分布である。このように、磁石の位置、方向、長さについては、各磁気センサにて検出される磁気ベクトルの方向および相対強度から求めることができる。
【００３３】
（実施の形態７）
図１０は、本発明の実施の形態７によるアレイ型磁気センサの説明図である。図１０の実施の形態７によるアレイ型磁気センサは、二次元に配置された構成である。
【００３４】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、少数の磁気センサを配置することで、磁界を正確に検出できる３軸磁気センサおよびアレイ型磁気センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による３軸磁気センサの説明図。
【図２】本発明の実施の形態１による３軸磁気センサの磁気センサ素子の説明図。
【図３】本発明の実施の形態２による３軸磁気センサの説明図。
【図４】本発明の実施の形態３による３軸磁気センサの説明図。
【図５】図４の本発明の実施の形態３による３軸磁気センサの特性図。
【図６】本発明の実施の形態４による３軸磁気センサの説明図。
【図７】図６の本発明の実施の形態４による３軸磁気センサの特性図。
【図８】本発明の実施の形態５による３軸磁気センサの説明図。
【図９】本発明の実施の形態６によるアレイ型磁気センサの説明図。
【図１０】本発明の実施の形態７によるアレイ型磁気センサの説明図。
【図１１】図９の本発明の実施の形態６によるアレイ型磁気センサの応用例の説明図。
【図１２】図１１の応用例の説明図を直角方向から見た説明図。
【図１３】従来の磁気センサの説明図。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ　　基板
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ　　磁性コア
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ　　磁気センサ素子
４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ　　電極
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ　　バイアスコイル
６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ　　ボンデイングワイヤ
１０，１０ａ，１０ｂ，１３　　凹領域
１１　　凸領域
２１　　磁性コア
４１　　電極

Claims

磁気センサ素子を、取り付け基板面にほぼ垂直方向に配置し、磁気を検出する３軸磁気センサにおいて、前記取り付け基板平面となす角度が約５５度である３つの平面から構成される凹領域が形成され、前記凹領域を構成する３つの平面のそれぞれに磁気センサ素子が配置されており、前記磁気センサ素子の磁気検出方向が互いにほぼ直交していることを特徴とする３軸磁気センサ。
磁気センサ素子を、取り付け基板面にほぼ垂直方向に配置し、磁気を検出する３軸磁気センサにおいて、前記取り付け基板に、取り付け基板平面となす角度が約３５度である３つの平面から構成される凸領域が形成され、前記凸領域を構成する３つの平面のそれぞれに磁気センサ素子が配置されており、前記３つの磁気センサ素子の磁気検出方向が互いにほぼ直交していることを特徴とする３軸磁気センサ。
磁気センサ素子を、取り付け基板面にほぼ垂直方向に配置し、磁気を検出する３軸磁気センサにおいて、前記取り付け基板となす角度が約４５度である２つの平面を含む凹領域が形成され、前記凹領域に含まれる前記２つの平面と、基板と平行な面のそれぞれに磁気センサ素子が配置され、３つの磁気センサ素子の磁気検出方向が互いにほぼ直交していることを特徴とする３軸磁気センサ。
請求項１ないし３のいずれかに記載の３軸磁気センサにおいて、前記各磁気センサ素子は、磁気インピーダンスセンサ素子であることを特徴とする３軸磁気センサ。
請求項１ないし４のいずれかに記載の３軸磁気センサにおいて、前記磁気センサ素子の取り付けられている領域の外側に、コイルが巻き回されたことを特徴とする３軸磁気センサ。
請求項１ないし４のいずれかに記載の３軸磁気センサにおいて、前記磁気センサ素子の取り付けられている領域の上層に、絶縁膜を介して渦巻き状にコイルパターンが形成されたことを特徴とする３軸磁気センサ。
請求項１ないし６のいずれかに記載の３軸磁気センサを、単一基板内にて、直列に配置されたことを特徴とするアレイ型磁気センサ。
請求項１ないし７のいずれかに記載の３軸磁気センサを、単一基板内にて、２次元に配置されたことを特徴とするアレイ型磁気センサ。