JP2007218760A - 磁気センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるとともに、磁界の強さの変化に対する感度の高いものを得ることが可能な磁気センサ装置を提供すること。
【解決手段】ダイヤフラム加工されてなるセンサチップ２０の上面には、ＧＭＲ素子２１及び圧電素子２２がそれぞれ薄膜形成されるとともに、アルミよりなる配線２３及び処理回路２４がそれぞれ設けられている。処理回路２４は、ＧＭＲ素子２１の電気抵抗値の変化を電圧変化として読み取るとともに、このように監視している電圧を指標として磁界の強さを特定する。圧電素子２２は、磁場中にあって配線２３に電流が流されることで薄肉部に働くローレンツ力により薄肉部が歪む方向によって極性の異なる電圧を発生する。そして、処理回路２４は、圧電素子２２から入力される電圧の極性を指標として磁界の方向を特定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁界の変化を検出する磁気センサ装置に関する。

従来より、磁界の強さの変化に対して高い磁気抵抗変化率を有するという特徴からＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子と称される磁気抵抗素子が知られている。特許文献１には、車両のハンドルのような回転体の回転角度をＧＭＲ素子を用いて磁気的に検出する回転角度検出装置に関する技術が開示されている。この種の磁気センサ装置にあっては、ＧＭＲ素子を用いることで磁界の強さの変化に対する感度が高く、それにより検出精度を高められる等の利点がある。
特開２００５−１９５４７１号公報

しかしながら、ＧＭＲ素子は、それ単独で磁界の強さを検出することはできるが、磁界の方向を検出することはできない。ここに、ＧＭＲ素子以外に磁界の変化を検出するものとしてホール素子が知られている。しかし、ホール素子は、それ単独で磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるが、その一方で磁界の強さの変化に対する感度がＧＭＲ素子に比べて低いということも否定できない。

このため、ＧＭＲ素子が用いられている磁気センサ装置において、ＧＭＲ素子からホール素子への置き換えを図ろうとすると、磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるが、磁界の強さの変化に対する感度の低いものしか得られないことになる。一方、ホール素子が用いられている磁気センサ装置において、ホール素子からＧＭＲ素子への置き換えを図ろうとすると、磁界の強さの変化に対する感度は高くなるが、磁界の方向を検出できないものしか得られないことになる。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、その目的は、磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるとともに、磁界の強さの変化に対する感度の高いものを得ることが可能な磁気センサ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、磁界の変化を検出する磁気センサ装置において、磁界の強さのみを検出するとともに、磁界の強さを示す第１の電気信号を出力する第１の検出手段と、磁界の方向のみを検出するとともに、磁界の方向を示す第２の電気信号を出力する第２の検出手段と、第１の検出手段から出力される第１の電気信号と第２の検出手段から出力される第２の電気信号とを指標として磁界の強さと磁界の方向との両者を特定する特定手段とを備えていることをその要旨としている。

同構成によると、磁界の強さが第１の検出手段により検出されるとともに、磁界の方向が第２の検出手段により検出されることで、磁界の強さと磁界の方向との両者を検出することが可能である。ここに、磁界の強さの変化に対する感度は第１の検出手段の性能に依存する。このため、例えばＧＭＲ素子の如く磁界の強さの変化に対する感度の高いものを第１の検出手段として用いれば、磁界の強さの変化に対する感度の高いものが得られる。そして、第２の検出手段については、単に磁界の方向のみを検出できるものであればよく、例えば圧電効果を利用したものを用いればよい。

尚、例えばホール素子の如く、それ単独で磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるものを第１の検出手段又は第２の検出手段の代わりに用いる構成は本発明に含まれない。

本発明に含まれない構成の例として、第１の検出手段としてＧＭＲ素子を用いるとともに、第２の検出手段に代えてホール素子を用いる構成を想定する。このような構成にあっては、第２の検出手段について単に磁界の方向のみを検出できるものであればよいところ、それ単独で磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるものが第２の検出手段の代わりに用いられている。つまり、第１の検出手段単独で磁界の強さを検出できるにも拘わらず、第２の検出手段に代わるホール素子にも磁界の強さを検出するために必要な構成が含まれている。従って、このような構成の磁気センサ装置にあっては、磁界の強さを検出するために必要な構成が重複して設けられていることに起因して小型軽量化の妨げとなるから好ましくない。

また、本発明に含まれない構成の別の例として、第１の検出手段に代えてホール素子を用いるとともに、第２の検出手段として圧電効果を利用したものを用いた構成を想定する。このような構成にあっては、第１の検出手段について単に磁界の強さのみを検出できるものであればよいところ、それ単独で磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるものが第１の検出手段の代わりに用いられている。つまり、第２の検出手段単独で磁界の方向を検出できるにも拘わらず、第１の検出手段に代わるホール素子にも磁界の方向を検出するために必要な構成が含まれている。

従って、このような構成の磁気センサ装置にあっては、磁界の方向を検出するために必要な構成が重複して設けられていることに起因して小型軽量化の妨げとなるから好ましくない。加えて、このような構成の磁気センサ装置にあっては、磁界の強さの変化に対する感度の低いものしか得られない点において本発明の磁気センサ装置よりも劣ることは言うまでもない。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気センサ装置において、第２の検出手段は、磁場中の磁気との間で磁力を発生させる磁力発生手段と、その磁力発生手段と磁場中の磁気との間で発生した磁力により磁気センサ装置が歪む方向によって極性の異なる電圧を発生する電圧発生手段とを含み、特定手段は、電圧発生手段にて発生した電圧の極性を指標として磁界の方向を特定することをその要旨としている。

同構成によると、磁場中にあって磁力発生手段と磁場中の磁気との間に磁力が発生する。すると、このように発生した磁力により磁気センサ装置が歪まされる。そして、このようにして磁気センサ装置が歪んだとき、磁気センサ装置が歪む方向によって極性の異なる電圧が電圧発生手段に発生する。そして、このように電圧発生手段に発生した電圧の極性を指標として磁界の方向が特定される。従って、第２の検出手段を備えることで第１の検出手段では検出できない磁界の方向を検出することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の磁気センサ装置において、第２の検出手段は、電流を流すための配線と、磁場中にあってその配線に電流が流されることで磁気センサ装置に働くローレンツ力により磁気センサ装置が歪む方向によって極性の異なる電圧を発生する電圧発生手段とを含み、特定手段は、電圧発生手段にて発生した電圧の極性を指標として磁界の方向を特定することをその要旨としている。

同構成によると、磁場中にあって配線に電流が流されたとき、磁気センサ装置にローレンツ力が働いて磁気センサ装置が歪む。そして、このようにして磁気センサ装置が歪んだとき、磁気センサ装置が歪む方向によって極性の異なる電圧が電圧発生手段に発生する。ここに、電流の流れる方向と、電圧発生手段にて発生する電圧の極性（ローレンツ力により磁気センサ装置が歪む方向）とが決まれば、フレミングの左手の法則から自ずと磁界の方向が求まる。そして、このような原理を用いることで磁界の方向を検出することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の磁気センサ装置において、第２の検出手段は、磁石と、磁場中にあってその磁石と磁場中の磁気とが互いに及ぼし合う磁力により磁気センサ装置が歪む方向によって極性の異なる電圧を発生する電圧発生手段とを含み、特定手段は、電圧発生手段にて発生した電圧の極性を指標として磁界の方向を特定することをその要旨としている。

同構成によると、磁場中に磁石が存在するとき、磁石と磁場中の磁気との間に磁力が働いて磁気センサ装置が歪む。そして、このようにして磁気センサ装置が歪んだとき、磁気センサ装置が歪む方向によって極性の異なる電圧が電圧発生手段に発生する。そして、このように電圧発生手段に発生した電圧の極性を指標として磁界の方向が特定される。従って、第２の検出手段を備えることで第１の検出手段では検出できない磁界の方向を検出することができる。

本発明は、以上のように構成されているため、次のような効果を奏する。
本発明によれば、磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるとともに、磁界の強さの変化に対する感度の高いものを得ることができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を説明する。
図１に示すように、磁気センサ装置１は、ガラスよりなる台座１０の上面に、シリコンがダイヤフラム加工されてなるセンサチップ２０が接合されるとともに、１チップ化されている。

図２に示すように、センサチップ２０の上面には、磁性層と非磁性層とが交互に積層されてなるＧＭＲ素子２１及び圧電素子２２がそれぞれ薄膜形成されるとともに、アルミよりなる配線２３及び処理回路２４がそれぞれ設けられている。ＧＭＲ素子２１は、磁気センサ装置１の置かれている磁場中の磁界の強さの変化によって電気抵抗値が変化する。そして、図３に示すように、処理回路２４は、ＧＭＲ素子２１の電気抵抗値の変化を電圧変化として読み取るとともに、このように監視している電圧を指標として、磁気センサ装置１の置かれている磁場中の磁界の強さを特定する。

圧電素子２２は、磁場中にあって配線２３に電流が流されることで薄肉部２０ａに働くローレンツ力により、図４（ａ）に示すように、薄肉部２０ａが上側に凸の態様で湾曲するように歪まされたとき、極性がプラスとなる電圧を発生するとともに、その電圧を処理回路２４に出力する。一方、圧電素子２２は、同様にして、図４（ｂ）に示すように、薄肉部２０ａが下側に凸の態様で湾曲するように歪まされたとき、極性がマイナスとなる電圧を発生するとともに、その電圧を処理回路２４に出力する。そして、処理回路２４は、圧電素子２２から入力される電圧の極性を指標として、磁気センサ装置１の置かれている磁場中の磁界の方向を特定する。

次に、磁気センサ装置１の作用について説明する。
まず、図５（ａ）を用いて、磁気センサ装置１の置かれている磁場中の磁界の方向が矢印Ｂ１で示す方向である場合について説明する。そして、このような磁場中にあって、矢印Ｉ１で示す方向に沿って配線２３に電流が流されたとき、フレミングの左手の法則により、矢印Ｆ１で示す方向にローレンツ力が働いて薄肉部２０ａが上側に凸となるように歪まされる。すると、極性がプラスとなる電圧が圧電素子２２に発生するとともに、その電圧が圧電素子２２から処理回路２４に出力される。そして、このようにして圧電素子２２から入力される電圧の極性を指標として、磁気センサ装置１の置かれている磁場中の磁界の方向が矢印Ｂ１で示す方向である旨が処理回路２４により特定される。尚、磁気センサ装置１の置かれている磁場中の磁界の強さについては、ＧＭＲ素子２１の電気抵抗値に応じた監視電圧を指標として処理回路２４により特定される。

次いで、図５（ｂ）を用いて、磁気センサ装置１の置かれている磁場中の磁界の方向が矢印Ｂ２で示す方向である場合について説明する。そして、このような磁場中にあって、矢印Ｉ２で示す方向に沿って配線２３に電流が流されたとき、フレミングの左手の法則により、矢印Ｆ２で示す方向にローレンツ力が働いて薄肉部２０ａが下側に凸となるように歪まされる。すると、極性がマイナスとなる電圧が圧電素子２２に発生するとともに、その電圧が圧電素子２２から処理回路２４に出力される。そして、このようにして圧電素子２２から入力される電圧の極性を指標として、磁気センサ装置１の置かれている磁場中の磁界の方向が矢印Ｂ２で示す方向である旨が処理回路２４により特定される。尚、磁気センサ装置１の置かれている磁場中の磁界の強さについては、ＧＭＲ素子２１の電気抵抗値に応じた監視電圧を指標として処理回路２４により特定される。

本実施形態においてＧＭＲ素子２１は、磁界の強さのみを検出するとともに、磁界の強さを示す第１の電気信号を出力する第１の検出手段に相当する。一方、圧電素子２２と配線２３とにより、磁界の方向のみを検出するとともに、磁界の方向を示す第２の電気信号を出力する第２の検出手段が構成されている。他方、処理回路２４は、第１の電気信号と第２の電気信号とを指標として磁界の強さと磁界の方向との両者を特定する特定手段に相当する。

以上、詳述したように本実施形態によれば、次のような作用、効果を得ることができる。
（１）磁界の強さがＧＭＲ素子２１により検出されるとともに、磁界の方向が圧電素子２２により検出されることで、磁界の強さと磁界の方向との両者を検出することが可能である。ここに、磁界の強さの変化に対する感度はＧＭＲ素子２１の性能に依存する。このため、磁界の強さの変化に対する感度の高いＧＭＲ素子２１により磁界の強さを検出するようにした本実施形態の構成にあっては、磁界の強さの変化に対する感度の高い磁気センサ装置１が得られる。従って、磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるとともに、磁界の強さの変化に対する感度の高いものを得ることができる。

（２）磁場中にあって配線２３に電流が流されたとき、配線２３と磁場中の磁気との間に磁力（ローレンツ力）が発生する。すると、このように発生した磁力により薄肉部２０ａが歪まされる。そして、このようにして薄肉部２０ａが歪んだとき、薄肉部２０ａが歪む方向によって極性の異なる電圧が圧電素子２２に発生する。そして、このように圧電素子２２に発生した電圧の極性を指標として磁界の方向が特定される。従って、圧電素子２２及び配線２３を備えることでＧＭＲ素子２１では検出できない磁界の方向を検出することができる。

（３）磁場中にあって配線２３に電流が流されたとき、薄肉部２０ａにローレンツ力が働いて薄肉部２０ａが歪む。そして、このようにして薄肉部２０ａが歪んだとき、薄肉部２０ａが歪む方向によって極性の異なる電圧が圧電素子２２に発生する。ここに、電流の流れる方向と、圧電素子２２にて発生する電圧の極性（ローレンツ力により薄肉部２０ａが歪む方向）とが決まれば、フレミングの左手の法則から自ずと磁界の方向が求まる。そして、このような原理を用いることで磁界の方向を検出することができる。

（４）ＧＭＲ素子２１を用いるとともに、圧電素子２２及び配線２３に代えてホール素子を用いた場合、磁界の強さを検出するために必要な構成が重複して設けられていることに起因して小型軽量化の妨げとなるから好ましくない。これに対して、本実施形態の磁気センサ装置１にあっては、磁界の強さを検出するために必要な構成が重複して設けられていないため、磁気センサ装置１の小型軽量化に貢献できる。

（５）ＧＭＲ素子２１に代えてホール素子を用いるとともに、圧電素子２２及び配線２３を用いた場合、磁界の方向を検出するために必要な構成が重複して設けられていることに起因して小型軽量化の妨げとなるから好ましくない。加えて、このような構成の磁気センサ装置にあっては、磁界の強さの変化に対する感度の低いものしか得られない点において本実施形態の磁気センサ装置１よりも劣ることは言うまでもない。これに対して、本実施形態の磁気センサ装置１にあっては、磁界の方向を検出するために必要な構成が重複して設けられていないため、磁気センサ装置１の小型軽量化に貢献できる。

（６）それ単独で磁界の強さと磁界の方向との両者を検出できるホール素子が用いられている磁気センサ装置から磁気センサ装置１への置き換えを図ることができる。しかも、このような置き換えにより、磁界の強さの変化に対する感度の高いものを得ることができる。

（７）ホール素子が用いられている磁気センサ装置にあっては、ホール素子の出力信号を増幅する際の増幅率を大きくすることで、磁界の強さの変化に対する感度が低いことをカバーしている。つまり、このような磁気センサ装置にあっては、処理回路として複雑なものが必要である。これに対して、本実施形態の磁気センサ装置１にあっては、磁界の強さの変化に対する感度が高いことから、ＧＭＲ素子２１の出力信号を増幅する必要があるにしろ、増幅率を小さなものとして差し支えない。従って、処理回路２４の構成を簡略化できるとともに、このことによっても磁気センサ装置１の小型軽量化に貢献できると言える。

（８）ホール素子が用いられている磁気センサ装置にあっては、磁界の強さの変化に対する感度が低いことから、磁気回路に工夫を凝らす必要がある。これに対して、本実施形態の磁気センサ装置１にあっては、磁界の強さの変化に対する感度が高いことから、磁気回路にさほど工夫を凝らさなくてもよく簡便である。

尚、前記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ダイヤフラム加工されたセンサチップ２０に代えて梁を有するセンサチップを用いてもよい。この場合、その梁に圧電素子２２及び配線２３が設けられていればよい。

・配線２３に代えて磁石が薄肉部２０ａに設けられた構成を採用してもよい。つまり、圧電素子２２と磁石とにより第２の検出手段を構成してもよい。同構成によると、磁場中に磁石が存在するとき、磁石と磁場中の磁気との間に磁力が働いて薄肉部２０ａが歪む。そして、このようにして薄肉部２０ａが歪んだとき、薄肉部２０ａが歪む方向によって極性の異なる電圧が圧電素子２２に発生する。そして、このように圧電素子２２に発生した電圧の極性を指標として磁界の方向が特定される。従って、圧電素子２２及び磁石を備えることでＧＭＲ素子２１では検出できない磁界の方向を検出することができる。

・単一の圧電素子２２を備える構成に代えて、２つの圧電素子がハーフブリッジ接続された構成、或いは４つの圧電素子がフルブリッジ接続された構成を採用してもよい。
・電圧発生手段は、圧電素子２２に限定されない。例えば、ひずみセンサ（ひずみ抵抗素子と処理回路）を電圧発生手段としてもよい。この場合、ひずみ抵抗素子をブリッジ接続すれば、薄肉部２０ａの変形に応じて電気抵抗値が変化するとともに、薄肉部２０ａの変形方向に応じて極性の異なる電圧が処理回路から出力されることになる。

磁気センサ装置の断面図。 磁気センサ装置の平面図と信号の流れを示したブロック図とを兼ねた説明図。 磁界の強さに対する監視電圧を示す特性図。 （ａ）薄肉部が上側に凸の態様で湾曲するように歪まされている様子を示す磁気センサ装置の断面図。

（ｂ）薄肉部が下側に凸の態様で湾曲するように歪まされている様子を示す磁気センサ装置の断面図。
（ａ）磁気センサ装置の作用を説明するための説明図であって、薄肉部が上側に凸となるように歪まされている様子を示す斜視図。

（ｂ）磁気センサ装置の作用を説明するための説明図であって、薄肉部が下側に凸となるように歪まされている様子を示す斜視図。

符号の説明

１…磁気センサ装置、２１…ＧＭＲ素子（第１の検出手段）、２２…圧電素子（第２の検出手段、電圧発生手段）、２３…配線（第２の検出手段、磁力発生手段）、２４…処理回路（特定手段）。

Claims (4)

1. 磁界の変化を検出する磁気センサ装置において、
   磁界の強さのみを検出するとともに、磁界の強さを示す第１の電気信号を出力する第１の検出手段と、
   磁界の方向のみを検出するとともに、磁界の方向を示す第２の電気信号を出力する第２の検出手段と、
   第１の検出手段から出力される第１の電気信号と第２の検出手段から出力される第２の電気信号とを指標として磁界の強さと磁界の方向との両者を特定する特定手段とを備えていることを特徴とする磁気センサ装置。
2. 請求項１に記載の磁気センサ装置において、
   第２の検出手段は、磁場中の磁気との間で磁力を発生させる磁力発生手段と、その磁力発生手段と磁場中の磁気との間で発生した磁力により磁気センサ装置が歪む方向によって極性の異なる電圧を発生する電圧発生手段とを含み、
   特定手段は、電圧発生手段にて発生した電圧の極性を指標として磁界の方向を特定することを特徴とする磁気センサ装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の磁気センサ装置において、
   第２の検出手段は、電流を流すための配線と、磁場中にあってその配線に電流が流されることで磁気センサ装置に働くローレンツ力により磁気センサ装置が歪む方向によって極性の異なる電圧を発生する電圧発生手段とを含み、
   特定手段は、電圧発生手段にて発生した電圧の極性を指標として磁界の方向を特定することを特徴とする磁気センサ装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の磁気センサ装置において、
   第２の検出手段は、磁石と、磁場中にあってその磁石と磁場中の磁気とが互いに及ぼし合う磁力により磁気センサ装置が歪む方向によって極性の異なる電圧を発生する電圧発生手段とを含み、
   特定手段は、電圧発生手段にて発生した電圧の極性を指標として磁界の方向を特定することを特徴とする磁気センサ装置。

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