JP2007303860A - 磁気デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】小型、軽量でかつローコストに製造可能な、磁気素子を備えた磁気デバイスを提供する。
【解決手段】本発明の磁気デバイス１０は、磁気素子１１と、この磁気素子１１を挟んで配された第一磁界印加手段１２と第二磁界印加手段１３とを備えている。磁気素子１１は、例えば非磁性基板１１ａの表面に、軟磁性膜１１ｂをメアンダ状に形成したものである。第一磁界印加手段１２および第二磁界印加手段１３は、第一磁界印加手段１２から第二磁界印加手段１３に向けて一方向Ｓに磁界Ｍを形成する。これにより、第一磁界印加手段１２と第二磁界印加手段１３との間に配された磁気素子１１には、一方向に向けられたバイアス磁界Ｍが軟磁性膜１１ｂの全体に印加される。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサを備えた磁気デバイスに関する。

近年、コスト低減やチップ部品の削減を目的に、磁気インピーダンス素子等の誘導素子を、例えば半導体などの基板に集積化したものが提案されている。このような磁気インピーダンス素子を磁気センサとして利用する際には、インピーダンス変化の特性に起因して、磁気インピーダンス素子に対してバイアス磁界を印加することが必要である。

磁気インピーダンス素子に対してバイアス磁界を印加する手段としては、例えば、磁気インピーダンス素子の近傍に磁石を配置することが考えられる（特許文献１）。しかし、こうした磁石によるバイアス磁界の印加は、個々の磁石によって磁界強度が一定せず、安定して一定値のバイアス磁界を印加することが困難なために、磁気センサに適用するには課題がある。

一方、磁気インピーダンス素子に対して、一定の強度で安定してバイアス磁界を印加する手段として、磁気インピーダンス素子の近傍にスパイラル状やコイル状の導電層を形成し、この導電層に通電することによって、バイアス磁界を発生させる方法も知られている（特許文献２）。特に、コイル状に形成した導電層の巻き線中心軸に沿って磁気インピーダンス素子を配置した磁気センサは、磁気インピーダンス素子に対して強いバイアス磁界を安定して印加できる特性から、高精度な磁気センサとして好適である。
特開２００２−４３６４９号公報 特開２００１−２２１８３８号公報

しかしながら、磁気インピーダンス素子に対してバイアス磁界を印加するために、磁気インピーダンス素子を包み込むようにインピーダンス素子の周囲にコイル状の磁界印加手段を形成する場合、こうしたコイルによって磁気デバイス全体の外形が大きくなってしまい、磁気デバイスを搭載する機器の小型化、薄型化の障害になるといった課題があった。

本発明は、本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、小型、軽量でかつローコストに製造可能な、磁気素子を備えた磁気デバイスを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の磁気デバイスは、第一磁界印加手段と第二磁界印加手段が磁気素子を挟んで配され、前記第一磁界印加手段と第二磁界印加手段を用い前記磁気素子に一方向のバイアス磁界が印加されることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の磁気デバイスは、請求項１において、前記第一磁界印加手段と前記第二磁界印加手段は、それぞれ、独立した磁界発生手段と磁界誘導手段から構成されていることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の磁気デバイスは、請求項１において、前記第一磁界印加手段と前記第二磁界印加手段の磁界誘導手段と、前記磁気素子とは、略同一平面上に配されていることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の磁気デバイスは、第一導電層と第二導電層を有する第一基板と、第三導電層と第四導電層を有する第二基板と、前記第一基板と第二基板との間に配された磁気素子とを備えた磁気デバイスであって、前記第一導電層と前記第三導電層とを電気的に接続する第一連結部と、前記第二導電層と前記第四導電層とを電気的に接続する第二連結部とを有し、前記第一導電層、前記第三導電層および前記第一連結部は、コイル形状の第一磁界発生手段を構成するとともに、前記第二導電層、前記第四導電層および前記第二連結部は、コイル形状の第二磁界発生手段を構成し、前記第一磁界発生手段のコイル形状の中心を通る第一磁界誘導手段と、前記第二磁界発生手段のコイル形状の中心を通る第二磁界誘導手段とを備えたことを特徴とする。
本発明の請求項５に記載の磁気デバイスは、請求項４において、前記第一基板と前記第二基板との間には第三基板が配され、前記第三基板は、前記磁気素子を収める第一収納部と、前記第一収納部を挟んで、前記第一磁界誘導手段と前記第二磁界誘導手段をそれぞれ収める第二収納部と第三収納部とを備えたことを特徴とする。

本発明の磁気デバイスによれば、磁気素子を挟んで両側に第一磁界印加手段と第二磁界印加手段とを配したことで、磁気素子に対して、一方向に効率よく、かつ強いバイアス磁界を印加することができ、高精度な磁気センサを実現することが可能になる。そして、磁気素子に対してバイアス磁界を印加するための磁界発生手段を、磁気素子から離して配することができるため、磁気素子周辺に磁界発生手段を形成しなくても良いので、磁気デバイス全体の小型化、特に薄型化を達成でき、磁気デバイスを搭載する機器のレイアウト上の自由度を高めることができる。

以下、本発明に係る磁気デバイスの一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。図１は、本発明の磁気デバイス（磁気センサ）の一例を示す斜視図である。本発明の磁気デバイス１０は、磁気素子１１と、この磁気素子１１を挟んで配された第一磁界印加手段１２と第二磁界印加手段１３とを備えている。

磁気素子１１は、例えば非磁性基板１１ａの表面に、軟磁性膜１１ｂをメアンダ状に形成したものである。第一磁界印加手段１２および第二磁界印加手段１３は、第一磁界印加手段１２から第二磁界印加手段１３に向けて一方向Ｓに磁界Ｍを形成する。これにより、第一磁界印加手段１２と第二磁界印加手段１３との間に配された磁気素子１１には、一方向に向けられたバイアス磁界Ｍが軟磁性膜１１ｂの全体に印加される。

このような構成の磁気デバイス１０によれば、磁気素子１１を挟んで両側に第一磁界印加手段１２と第二磁界印加手段１３とを配したことで、磁気素子１１に対して、一方向に効率よく、かつ強いバイアス磁界を印加することができ、高精度な磁気センサを実現することが可能になる。

そして、磁気素子１１に対してバイアス磁界を印加するための磁界発生手段を、磁気素子１１から離して配することができるので、磁気素子周辺に磁界発生手段を形成しなくても良いので、磁気デバイス１０全体の小型化、特に薄型化を達成でき、磁気デバイス１０を搭載する機器のレイアウト上の自由度を高めることができる。

第一磁界印加手段１２および第二磁界印加手段１３は、それぞれ、独立した磁界発生手段と磁界誘導手段から構成されていればよい。第一磁界印加手段１２は、第一磁界発生手段１５と第一磁界誘導手段１６とを有する。また、第二磁界印加手段１３は、第二磁界発生手段１７と第二磁界誘導手段１８とを有する。

第一磁界発生手段１５および第二磁界発生手段１７は、例えば、両端が電源１４に接続され、コイル形状に巻回した導電体から構成されていれば良い。また、第一磁界誘導手段１６および第二磁界誘導手段１８は、例えば、リボン状（薄帯状）に形成した高透磁率材料を、それぞれ第一磁界発生手段１５や第二磁界発生手段１７のコイル形状の中心軸Ｐを通るように配したものであればよい。

こうしたリボン状（薄帯状）の第一磁界誘導手段１６および第二磁界誘導手段１８の一端１６ａ，１８ａは、磁気素子１１に隣接する位置まで延長されている。また、第一磁界誘導手段１６および第二磁界誘導手段１８の他端１６ｂ，１８ｂは、磁気素子１１で外部磁界の変化を検出するために、開磁路とされている。

このように、第一磁界印加手段１２および第二磁界印加手段１３を、それぞれ独立した磁界発生手段と磁界誘導手段から構成することによって、磁界印加手段として例えばソレノイドコイルを用いる場合に、比較的にサイズの大きい磁気素子１１を包み込むように磁界発生手段であるコイルを磁気素子近傍に形成しなくても、高透磁率材料から形成されたリボン状の薄くて小さい第一磁界誘導手段１６および第二磁界誘導手段１８を包むように小型のコイルからなる第一磁界発生手段１５や第二磁界発生手段１７を形成すればよいので、磁気デバイス１０の薄型化を図ることができる。

また、第一磁界誘導手段１６および第二磁界誘導手段１８の一端１６ａ，１８ａを、磁気素子１１に隣接する位置まで延長することで、磁気素子１１から離れた位置に第一磁界発生手段１５や第二磁界発生手段１７を形成しても、こうした磁界発生手段１５，１７で発生させたバイアス磁界を第一磁界誘導手段１６および第二磁界誘導手段１８によって減衰させることなく磁気素子１１に印加することが可能になる。

第一磁界誘導手段１６および第二磁界誘導手段１８を構成する高透磁率材料としては、例えば、コバルト系アモルファス薄帯や、焼結フェライト薄膜などを用いればよい。特に、柔軟性のあるコバルト系アモルファス薄帯を第一磁界誘導手段１６や第二磁界誘導手段１８に用いれば、磁気素子１１から離れた位置に第一磁界発生手段１５や第二磁界発生手段１７を配置して、第一磁界誘導手段１６や第二磁界誘導手段１８を自在に屈曲させて磁気素子１１にバイアス磁界を誘導できるので、磁気デバイス１０を組み込む機器の形状に応じて、自由なレイアウトで磁気デバイス１０を配置することが可能になる。

第一磁界誘導手段１６および第二磁界誘導手段１８と磁気素子１１とは、略同一の平面Ｆ上に配されていれば良い。磁界誘導手段１６，１８と磁気素子１１とを略同一平面上に配することによって、第一磁界発生手段１５や第二磁界発生手段１７で発生させたバイアス磁界を、磁気素子１１に向けて減衰を抑えて効率よく印加することができ、高感度な磁気素子１１を得ることができる。

上述した実施形態では、磁界発生手段として、電源に接続されたコイル形状の導電体、すなわち電磁石を用いたが、これ以外にも、磁界発生手段として永久磁石などを用いることもできる。図２は、本発明の磁気デバイス（磁気センサ）の別な一例を示す斜視図である。この実施形態の磁気デバイス２０は、磁気素子２１を挟んで、第一磁界印加手段２２と第二磁界印加手段２３とが配されている。この第一磁界印加手段２２は、第一磁界発生手段２４と第一磁界誘導発生手段２５から、第二磁界印加手段２３は第二磁界発生手段２６と第二磁界誘導発生手段２７から、それぞれ独立して構成されている。

そして、第一磁界発生手段２４および第二磁界発生手段２６は、永久磁石、例えばＮｄＦｅＢ、ＳｍＣｏなどが用いられる。こうした永久磁石で生じたバイアス磁界を第一磁界誘導発生手段２５や第二磁界誘導発生手段２７によって磁気素子２１に誘導し、磁気素子２１に一方向のバイアス磁界を印加する。第一磁界発生手段２４や第二磁界発生手段２６に永久磁石を用いることで、通電しなくてもバイアス磁界を発生できるので、ソレノイドコイルなどを用いた磁気素子などに比べて構成を簡略化して、小型、軽量化できる。

次に、本発明の磁気デバイスを多層構造のパッケージとして形成した例を説明する。図３は、本発明の磁気デバイスの他の一例を示す分解斜視図である。磁気デバイス３０は、第一基板３１と、第二基板３２と、この第一基板３１と第二基板３２との間に配された磁気素子３４と、この磁気素子３４を両側から挟むように配された第一磁界誘導手段４８および第二磁界誘導手段４９とを有する。また、第一基板３１と第二基板３２との間には、ドライバチップ３５が更に配されるとともに、これら磁気素子３４やドライバチップ３５を収容する第三基板３３が更に配されていれば良い。

第一基板３１の一面３１ａには、第一導電層４１、第二導電層４２、および引出導電層４５が形成されている。また、第二基板３２の一面３２ａには、第三導電層４３および第四導電層４４が形成されている。磁気素子３４は、例えば非磁性基板３４ａの表面に、軟磁性膜３４ｂをメアンダ状に形成したものであり、軟磁性膜３４ｂの両端には、電極パッド４６ａ，４６ｂが形成されている。このような磁気素子３４は、バイアス磁界が印加された際に、磁界の大きさに応じて、出力信号が変化する。

また、ドライバチップ３５は、磁気素子３４を制御する集積回路であり、表面に電極パッド４７ａ，４７ｂが形成されている。第一磁界誘導手段４８および第二磁界誘導手段４９の第二基板３２側には、第一磁界誘導手段４８および第二磁界誘導手段４９を、第三導電層４３および第四導電層４４に対して絶縁させるために、第一絶縁層５４および第二絶縁層５５がそれぞれ形成される。

第一基板３１には、第一基板３１の一面３１ａから他面３１ｂに向けて貫通し、引出導電層４５と、磁気素子３４の電極パッド４６ａ，４６ｂ、およびドライバチップ３５の電極パッド４７ａ，４７ｂとをそれぞれ電気的に接続する、導電ペーストや銅めっきなどからなる第三連結部５３が形成されている。

第三基板３３には、磁気素子３４を収容する第一収納部３６ａ、ドライバチップ３５を収容する第二収納部３６ｂ、第一磁界誘導手段４８を収容する第三収納部３６ｃおよび第二磁界誘導手段４９を収容する第四収納部３６ｄがそれぞれ形成されている。また、第三基板３３の一面３３ａと他面３３ｂとの間を貫通し、第一導電層４１と第三導電層４３とを電気的に接続する、導電ペーストからなる第一連結部５１と、第二導電層４２と第四導電層４４とを電気的に接続する、導電ペーストからなる第二連結部５２とがそれぞれ形成されている。

このように、第一導電層４１と第三導電層４３とが第一連結部５１によって電気的に接続され、また、第二導電層４２と第四導電層４４とが第二連結部５２によって電気的に接続されることで、図４の模式図に示すように、第一磁界誘導手段４８の周囲を包み込むコイル形状の第一磁界発生手段５７と、第二磁界誘導手段４９の周囲を包み込むコイル形状の第二磁界発生手段５８とがそれぞれ形成される。こうした第一磁界発生手段５７と第一磁界誘導手段４８とで第一磁界印加手段６１が構成され、また、第二磁界発生手段５８と第二磁界誘導手段４９とで第二磁界印加手段６２が構成される。

そして、第一磁界発生手段５７の両端の電極パッド５７ａ，５７ｂ、および第二磁界発生手段５８の両端の電極パッド５８ａ，５８ｂにそれぞれ通電することで、第一磁界発生手段５７および第二磁界発生手段５８に磁界が生じる。第一磁界発生手段５７および第二磁界発生手段５に生じた磁界は、第一磁界誘導手段４８および第二磁界誘導手段４９によってそれぞれ磁気素子３４に誘導され、磁気素子３４に対して一方向に強いバイアス磁界Ｍが印加される。

このような構成の磁気デバイス３０によれば、磁気素子３４を挟むように両側に離間してコンパクトなコイル形状の第一磁界発生手段５７および第二磁界発生手段５８をそれぞれ形成し、この第一磁界発生手段５７および第二磁界発生手段５８で生じさせたバイアス磁界を第一磁界誘導手段４８および第二磁界誘導手段４９によって減衰させることなく誘導し、磁気素子３４に印加できる。よって、小型、軽量でかつローコストに製造可能な磁気デバイスを実現できる。

第一基板３１は、例えばポリイミドなどの絶縁性樹脂から形成されていれば良い。第一基板３１に形成される第一導電層４１、第二導電層４２および引出導電層４５は、第一基板３１の一面３１ａとは反対側の他面３１ｂに形成されていても良い。第一導電層４１、第二導電層４２および引出導電層４５は、例えば、銅、アルミニウム、金などの導電性に優れた材料から形成されていれば良い。

磁気素子３４を構成する軟磁性膜３４ｂは、例えば、アモルファス軟磁性であればよい。また、こうした軟磁性膜３４ｂの形状は、メアンダ形状以外にも、磁界を高精度に検出可能な形状であれば、どのような形状に形成されていても良い。第一連結部５１、第二連結部５２および第三連結部５３は、導電性金属の微粉末を接着性のある媒体に分散させた導電ペーストであればよい。第一磁界誘導手段４８および第二磁界誘導手段４９は、高透磁率材料、例えば、コバルト系アモルファス薄帯や、焼結フェライト薄膜などを用いればよい。

上述した実施形態では、第三基板３３を挟んで第一基板３１と第二基板３２とは、こうした接着性のある導電ペーストからなる第一連結部５１や第二連結部５２によって接合されているが、これ以外にも、第一基板３１と第三基板３３との間、および第三基板３３と第二基板３２との間に接着剤などによる接着層を形成することによって、各基板間を接合する構成であっても良い。

第二基板３２は、例えばポリイミドなどの絶縁性樹脂から形成されていれば良い。第二基板３２に形成される第三導電層４３や第四導電層４４は、第二基板３２の一面３２ａとは反対側の他面３２ｂに形成されていても良い。第三導電層４３や第四導電層４４は、例えば、銅、アルミニウム、金などの導電性に優れた材料から形成されていれば良い。

上述したような磁気デバイスを多層構造のパッケージとして形成した例においても、磁界発生手段として磁石を用いても良い。図５は、本発明の磁気デバイスの他の一例を示す分解斜視図である。この実施形態においては、磁気デバイス７０は、第一基板７１と、第二基板７２と、この第一基板７１と第二基板７２との間に配された磁気素子７３と、この磁気素子７３を両側から挟むように配された第一磁界印加手段７４および第二磁界印加手段７５とを有する。

第一磁界印加手段７４は、第一磁界発生手段７６と第一磁界誘導手段７７から構成される。また、第二磁界印加手段７５は、第二磁界発生手段７８と第二磁界誘導手段７９から構成される。そして、第一磁界発生手段７６および第二磁界発生手段７８は、永久磁石が用いられる。

これにより、永久磁石である第一磁界発生手段７６および第二磁界発生手段７８で生じたバイアス磁界は、第一磁界誘導手段７７および第二磁界誘導手段７９によって減衰することなく磁気素子７３に印加される。こうして、磁界発生手段として磁石を用いることで、通電しなくてもバイアス磁界を発生できるので、ソレノイドコイルなどを用いた磁気素子などに比べて構成を簡略化して、磁気デバイス７０の小型、軽量化を達成できる。

本発明における高透磁率材料で構成した磁界誘導手段の効果を検証した。図１に示すような磁気デバイスにおいて、磁気素子としてチップサイズ2.5mm*1.2mm*625umのＳｉ基板上に、メアンダ形状のＣｏＺｒＮｂからなる膜を形成した。この磁気素子のバイアス磁界は８(Oe)である。磁界誘導手段は、幅約1mm 、厚み20umのリボン状のコバルト系アモルファス合金を用いた。巻き数が１２０ターンのコイル形状の磁界印加手段に０．２Ａの電流を流した。磁界誘導手段の端部と磁気素子との間隔は１ｍｍとした。そして、磁界誘導手段であるリボン状のコバルト系アモルファス合金を１枚、および３枚に重ねた場合と、磁界誘導手段を形成しない場合（比較例）とで、磁気素子に印加されるバイアス磁界の強度を測定した。こうした検証結果を表１に示す。

表１に示す結果によれば、磁界誘導手段を形成することによって磁気素子に印加されるバイアス磁界の強度を強くすることができ、また、その枚数を増加させることでバイアス磁界をより強くできることが確認された。

本発明の磁気デバイスの一例を示す斜視図である。 本発明の磁気デバイスの他の一例を示す斜視図である。 本発明の磁気デバイスの他の一例を示す分解斜視図である。 図３の磁界印加手段を示す説明図である。 本発明の磁気デバイスの他の一例を示す分解斜視図である。

符号の説明

１０ 磁気デバイス、１１ 磁気素子、１２ 第一磁界印加手段、１３ 第二磁界印加手段、１５ 第一磁界発生手段、１６ 第一磁界誘導手段、１７ 第二磁界発生手段、１８ 第二磁界誘導手段。

Claims (5)

1. 第一磁界印加手段と第二磁界印加手段が磁気素子を挟んで配され、前記第一磁界印加手段と第二磁界印加手段を用い前記磁気素子に一方向のバイアス磁界が印加されることを特徴とする磁気デバイス。
2. 前記第一磁界印加手段と前記第二磁界印加手段は、それぞれ、独立した磁界発生手段と磁界誘導手段から構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気デバイス。
3. 前記第一磁界印加手段と前記第二磁界印加手段の磁界誘導手段と、前記磁気素子とは、略同一平面上に配されていることを特徴とする請求項１記載の磁気デバイス。
4. 第一導電層と第二導電層を有する第一基板と、第三導電層と第四導電層を有する第二基板と、前記第一基板と第二基板との間に配された磁気素子とを備えた磁気デバイスであって、
   前記第一導電層と前記第三導電層とを電気的に接続する第一連結部と、前記第二導電層と前記第四導電層とを電気的に接続する第二連結部とを有し、
   前記第一導電層、前記第三導電層および前記第一連結部は、コイル形状の第一磁界発生手段を構成するとともに、前記第二導電層、前記第四導電層および前記第二連結部は、コイル形状の第二磁界発生手段を構成し、
   前記第一磁界発生手段のコイル形状の中心を通る第一磁界誘導手段と、前記第二磁界発生手段のコイル形状の中心を通る第二磁界誘導手段とを備えたことを特徴とする磁気デバイス。
5. 前記第一基板と前記第二基板との間には第三基板が配され、前記第三基板は、前記磁気素子を収める第一収納部と、前記第一収納部を挟んで、前記第一磁界誘導手段と前記第二磁界誘導手段をそれぞれ収める第二収納部と第三収納部とを備えたことを特徴とする請求項４記載の磁気デバイス。
   

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