JP2009222542A - 磁気センサ素子および電子方位計 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気を安定して精度良く検出し、かつ消費電力の少ない磁気センサ素子を提供する。
【解決手段】磁気センサ素子１は、磁性コア材８の周囲に薄膜コイルが巻回された構成を備える。磁性コア材８は、長片状の感磁部８ａの両端から、感磁部８ａと直交する方向に延出して集磁部８ｂが形成されたＨ型の形状を有する。磁性コア材８は、感磁部８ａの両端部の近傍で、感磁部８ａと集磁部８ｂの形状の変化が滑らかとなるように丸みを帯びて形成されている。磁性コア材８の感磁部８ａには、薄膜コイルである検出コイル１２が巻回されて、検出部１３を形成する。磁性コア材８の集磁部８ｂには、薄膜コイルである励磁コイル４が巻回されて励磁部５を形成する。これにより、検出コイル１２と励磁コイル４のそれぞれの巻数を多くすることができ、磁気を安定して精度良く検出し、かつ消費電力の少なくすることが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、小型の平行フラックスゲート型の磁気センサ素子と、その磁気センサ素子を搭載した電子方位計に関する。

従来から、複数の磁気センサ素子を配置して構成され、電気的に方位を検出可能な電子方位計が知られている。直交配置された複数の磁気センサ素子の出力から得られたデータを演算することで、基準に決めた方向からの角度、すなわち方位角を算出することができる。

この方位角から得られた方位は、アナログ、デジタルの電気信号として処理できるため、携帯電話、ＰＤＡ(Personal Digital Assistant)といった携帯情報端末や腕時計、カーナビゲーション装置、航空機の姿勢検出装置、視覚障害者向け機器、ゲーム機といった様々な電子機器への応用が期待されている。

また近年、ＧＰＳ(Global Positioning System)等を利用した携帯情報端末向けの位置情報提供サービスが始まっている。このサービスによれば、利用者は現在の位置情報を端末の画面表示などにより知ることができる。この端末に電子方位計を組み合わせることで、位置情報に加えて、利用者がどの方位を向いているのか、歩行中であるならばどこに向かっているのかといった情報を知ることができる。
この位置情報と電子方位計とを用いたサービスは、利用者に有益な情報をもたらすものであり、今後多くの産業界に新しいビジネスを生み出すものと考えられる。

一方、上述した携帯情報端末は、小型薄型の傾向にあり、その中に搭載される電子デバイスとしては小型低背が求められている。ここで望まれる磁気センサ素子の幅は数ｍｍ程度であり、高さとしては、特に１．５ｍｍ以下が必須であり、好ましくは１．０ｍｍ以下のサイズが求められている。

この様な問題を解決するために、小型化が可能な平行フラックスゲート型の磁気センサ素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図５は、特許文献１に記載の磁気センサ素子１００の構成を示す平面図である。
磁気センサ素子１００は、磁性コア材１０８の周囲に薄膜コイルが巻回された構成を備える。磁性コア材１０８は、感磁部１０８ａと、感磁部１０８ａの両端に配置された集磁部１０８ｂとからなる。薄膜コイルは、感磁部１０８ａの磁化飽和を繰り返すための励磁コイル１０４と、磁化が反転する際のパルス出力を検出するための検出コイル１１２とからなる。励磁コイル１０４と検出コイル１１２とは、ともに磁性コア材１０８の感磁部１０８ａに交互に巻回されている。

この様な構成を備える平行フラックスゲート型の磁気センサ素子は、以下の検出原理により磁界に比例した出力を得る。
まず、磁性コア材に巻回した励磁コイルに三角波電流を印加する。三角波電流によって生じた三角波状の磁界により、励磁コイルの中の磁性コアはＢ−Ｈカーブに沿って、磁化飽和と反転とを繰り返す。この磁性コアの磁化の反転を、検出コイルによって検出パルスとして取り出す。

ここで、励磁コイルに印加する三角波電流の周波数が変わらなければ、外部磁界の大きさに応じて、検出コイルで検出するパルスのタイミングがシフトする。そのパルス発生の
時間変化を検出回路で取り出すことで、外部磁界の大きさに応じた出力を得ることができる。

また、図示しないが、このような磁気センサ素子を、例えば、感磁部の方向が互いに直交する向きをなすように２個または３個配置することにより、電子方位計が構成される。
磁気センサ素子を同一平面内で一回転させたとき、磁気センサ素子の出力は正弦曲線を示す。直交する向きに配置された各磁気センサの出力は、互いに位相の異なる出力関係となり、この各磁気センサ素子の出力から方位角を算出することができる。

特開２００７−２７９０２９号公報（第６−８頁、図１）

しかしながら、上述した従来の磁気センサ素子では、次のような問題がある。図５に示す従来の磁気センサ素子は、励磁コイルと検出コイルとが、磁性コア材の感磁部に交互に巻回される。このため、励磁コイルと検出コイルとが巻回された数（巻数）を多くすることができない。特に、小型化等のために磁性コア材の感磁部を短くした場合、励磁コイルと検出コイルのそれぞれの巻数が少なくなってしまう。

検出パルスの大きさは、検出コイルの巻数に比例する。このため、検出コイルの巻数が少なくなると、検出パルスが小さくなり、磁界を検出する精度が低減してしまう問題があった。また、磁性コア材に形成される磁束は、励磁コイルの巻数と励磁電流に比例する。このため、励磁コイルの巻数が少なくなるほど、励磁電流を増やさなければならず、消費電力が大きくなってしまう問題があった。

磁気センサの検出精度が低下することは、安定して磁界を測定できないことを意味しており、電子方位計を構成した場合には方位を正しく得ることができなくなる。また、消費電力が大きくなることは、当然電池寿命を短くすることを意味しており、いずれも携帯情報端末などに搭載する磁気センサ素子としては、好ましくない問題であった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑み、小型化しても磁気を安定して精度良く検出し、かつ消費電力の少ない磁気センサ素子と、その磁気センサを搭載した電子方位計とを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の磁気センサ素子および電子方位計は、下記に記載の構成を備えるものである。

本発明の磁気センサ素子は、長片状の感磁部の両端から該感磁部と直交する方向に延出して集磁部が形成されたＨ型の磁性コア材と、感磁部に巻き回された検出コイルと、
集磁部に巻き回された励磁コイルと、を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の磁気センサ素子は、前述した構成に加えて、励磁コイルを、集磁部の異なる箇所に複数備えることを特徴とするものである。

さらに、本発明の磁気センサ素子は、前述した構成に加えて、集磁部は、感磁部の端部の近傍で丸みを帯びて形成されたことを特徴とするものである。

さらに、本発明の磁気センサ素子は、前述した構成に加えて、検出コイル及び励磁コイルは、薄膜コイルで形成されたことを特徴とするものである。

本発明の電子方位計は、上述したいずれかの磁気センサ素子が、非磁性基台上に２個以上配設されてなることを特徴とするものである。

また、本発明の電子方位計は、前述した構成に加えて、非磁性基台上に３個の磁気センサが配設され、各磁気センサは、検出部の長手方向が互いに直交する向きをなし、３軸磁気センサを構成することを特徴とするものである。

本発明の磁気センサ素子では、検出コイルが巻回された検出部と、励磁コイルが巻回された励磁部とが、磁性コア材の異なる箇所に形成される。これにより、検出コイルと励磁コイルのそれぞれの巻数を多くすることが可能となる。よって本発明によれば、磁気を安定して精度良く検出でき、かつ消費電力の少ない磁気センサ素子と、その磁気センサを搭載した電子方位計とを提供することが可能となる。

［磁気センサ素子の説明］
本発明の磁気センサ素子は、基本的に、軟磁性体からなる磁性コア材と、薄膜コイルとによって構成され、その磁性コア材は磁気的に結合された感磁部と集磁部を有する構成を採用したものである。その具体的な構成について、以下の各実施例にて詳細に説明をする。
［実施例１：図１］

まず、本発明の実施例１の磁気センサ素子について説明する。図１は、実施例１の磁気センサ素子１の構成を示す平面図である。実施例１の磁気センサ１は、後述するように、励磁部５と検出部１３をそれぞれ１つ備えるものである。

磁気センサ素子１は、磁性コア材８の周囲に薄膜コイルが巻回された構成を備える。図１に示す様に、磁性コア材８は、長片状の感磁部８ａの両端から、感磁部８ａと直交する方向に延出して集磁部８ｂが形成されたＨ型の形状を有する。また、磁性コア材８は、感磁部８ａの両端部の近傍で、感磁部８ａと集磁部８ｂの形状の変化が滑らかとなるように丸みを帯びて形成されている。
さらに磁性コア材８の材料は、後述する動作時において磁界の反転が起こり易い透磁率の高い軟磁性材料が良く、パーマロイ、アモルファス材料などが適する。

磁性コア材８の感磁部８ａには、薄膜コイルである検出コイル１２が巻回されて、検出部１３を形成する。また、磁性コア材８の集磁部８ｂには、薄膜コイルである励磁コイル４が巻回されて励磁部５を形成する。それぞれの薄膜コイルの両端には、外部回路と接続するための電極パッドが設けられている。検出コイル１２の両端には電極パッド１５、１６が設けられている。また、励磁コイル４の両端には電極パッド１７、１８が設けられている。
また、磁性コア材８とそれぞれのコイルを電気的に絶縁する図示しない絶縁層が、磁性コア材８を覆う様に形成されている。

上述した構成を備える磁気センサ素子１により、以下のように、外部磁界の大きさに応じた出力を得ることができる。
電極パッド１７と１８より励磁コイル４に三角波電流を印加する。これにより、励磁コイル４が巻き回された集磁部８ｂに磁束が形成される。励磁コイル４が巻き回された集磁部８ｂで形成された磁束は、感磁部８ａに伝達される。ここで、集磁部８ｂと感磁部８ａは、一体の磁性コア材８で形成され、かつ集磁部８ｂから感磁部８ａへの形状の変化が滑
らかである。このため、集磁部８ｂで形成された磁束が円滑に感磁部８ａに伝達される。

励磁コイル４に流れる電流が正（電極パッド１７から１８に電流が流れる）の場合には、図１の実線の矢印の向きの磁束が磁性コア材８に流れる。また逆に、２つの励磁コイル４に流れる電流が負（電極パッド１８から１７に電流が流れる）の場合には、図１の破線の矢印の向きの磁束が磁性コア材８に流れる。

印加された三角波電流による三角波状の磁界により、磁性コア材８はＢ−Ｈカーブに沿って磁化飽和と反転を繰り返し、その磁化が反転する際に検出コイル１２に誘導起電力による検出パルスが発生する。この検出パルスの時間変化を検出回路で取り出すことで、外部磁界の大きさに応じた出力を得ることができる。
検出する外部の磁界は、磁性コア材８の集磁部８ｂで集められて、感磁部８ａに収束する様になる。よって、集磁部８ｂは外部からの磁束を集める機能と、励磁の機能を兼ねた役割を果たす。

実施例１の磁気センサ素子１では、検出コイル１２が巻回された検出部１３と、励磁コイル４が巻回された励磁部５とが、磁性コア材８の異なる箇所に形成される。これにより、検出コイル１２と励磁コイル４とを磁性コア材８の同一の箇所に交互に巻回す従来技術と比較して、検出コイル１２と励磁コイル４のそれぞれの巻数を多くすることが可能となる。

例えば、図１に示す実施例１の感磁部８ａと、図５に示す従来技術の感磁部１０８ａとを同じ長さであるとした場合、実施例１では、従来技術と比較して、検出コイル１２及び励磁コイル４の巻数を２倍程度にすることが可能となる。

前述したように、検出コイル１２で検出する検出パルスの大きさは、検出コイル１２の巻数に比例する。このため、実施例１の磁気センサ素子１では、検出コイル１２の巻数を多くすることにより検出パルスが大きくなり、磁界検出の精度を向上させることが可能となる。

また、磁性コア材８に形成される磁束は、励磁コイル４の巻数と励磁電流に比例する。このため、実施例１の磁気センサ素子１では、励磁コイル４の巻数を多くすることにより、同じ磁界を作る場合でも励磁電流を減らすことができるため、消費電力を少なくすることが可能となる。

［実施例２：図２、実施例３：図３］
以下において、本発明の他の実施形態である実施例２と実施例３の磁気センサ素子について、図面を用いて説明する。以下の説明において、すでに説明した同一の構成には同一の符号を付与しており、その説明は一部省略する。図２は、実施例２の磁気センサ素子２の構成を示す平面図であり、図３は、実施例３の磁気センサ素子３の構成を示す平面図である。

実施例２と実施例３の磁気センサ素子は、実施例１と同様に、磁性コア材８は、長片状の感磁部８ａの両端から、感磁部８ａと直交する方向に延出して集磁部８ｂが形成されたＨ型の形状を有する。磁性コア材８の感磁部８ａには、薄膜コイルである検出コイル１２が巻回されて検出部１３が形成される。また、磁性コア材８は、感磁部８ａの両端部の近傍で、感磁部８ａと集磁部８ｂの形状の変化が滑らかとなるように丸みを帯びて形成されている。

図２に示すように、実施例２の磁気センサ素子２は、感磁部８ａを挟む様に対角状に位
置する２つの集磁部８ｂに励磁コイル４が巻き回されて、２つの励磁部５が形成される。一方の励磁コイル４の両端には電極パッド１７と１７ａが設けられ、他方の励磁コイル４の両端には電極パッド１８、１８ａが設けられている。電極パッド１７ａと１８ａとを接続することで、２つの励磁コイル４は接続される。

また、図３に示すように、実施例３の磁気センサ素子３は、４つの集磁部８ｂに励磁コイル４が巻き回されて、４つの励磁部５が形成される。例えば、図３に示すように、感磁部８ａを挟んで隣り合う２つの励磁コイル４どうしが接続され、それぞれの両端に電極パッド１７と１７ａ、１８と１８ａが設けられる。電極パッド１７ａと１８ａとを接続することで、４つの励磁コイル４は接続される。

上述した構成を備える実施例２と実施例３の磁気センサ素子により、実施例１と同様に、次のように外部磁界の大きさに応じた出力を得ることができる。
電極パッド１７と１８より励磁コイル４に三角波電流を印加することにより、励磁コイル４が巻き回された集磁部８ｂに磁束が形成され、形成された磁束が感磁部８ａに伝達される。このとき、励磁コイル４に流れる電流の向きに応じて、図２及び図３の実線および破線の矢印で示すそれぞれの向きに磁束が流れる。

印加された三角波電流による三角波状の磁界により、磁性コア材８はＢ−Ｈカーブに沿って磁化飽和と反転を繰り返し、その磁化が反転する際に検出コイル１２に誘導起電力による検出パルスが発生する。この検出パルスの時間変化を検出回路で取り出すことで、外部磁界の大きさに応じた出力を得ることができる。

実施例２と実施例３の磁気センサ素子は、実施例１と同様に、検出コイル１２が巻回された検出部１３と、励磁コイル４が巻回された励磁部５とが、磁性コア材８の異なる箇所に形成される。これにより、検出コイル１２と励磁コイル４のそれぞれの巻数を多くすることができる。実施例１と比較して、実施例２の磁気センサ素子は励磁コイル４の巻数をおよそ２倍とすることができ、実施例２の磁気センサ素子は励磁コイル４の巻数をおよそ４倍とすることができる。これにより、実施例２と実施例３の磁気センサ素子は、磁界検出の精度を向上させるとともに、消費電力を更に少なくすることが可能となる。

また、実施例２と実施例３の磁気センサ素子は、励磁コイル４が巻き回された複数の励磁部５が、検出部１３を挟んで位置している。これにより、励磁コイル４により形成された磁束を、中央の検出部１３により効率良く伝達することができ、同じ磁界を作るのに少ない電流で生成することができるため、消費電力を低減することが可能となる。

また、従来技術では、検出コイル１２と励磁コイル４とを磁性コア材８の同一の箇所に交互に巻回されており、コイル間隔が短くなってくると絶縁不良などによりショートしてしまう問題があった。ショートしてしまうと検出パルスに三角波が重畳されてしまい、精度良く外部磁界を検出することが出来なかった。
しかし、上述した本発明の実施例１から３の磁気センサ素子では、検出コイル１２と励磁コイル４とが、磁性コア材８の異なる箇所に分離して形成されているため、検出コイル１２と励磁コイル４とがショートすることがなく、精度良く外部磁界を検出することが可能となる。

［電子方位計の説明：図４］
次に本発明の電子方位計の実施例について図面を用いて説明する。図４は、上述した本発明の磁気センサ素子を３個用い、非磁性基台２０上に実装して配置した本発明の実施例の電子方位計１９の構成を示す斜視図である。

図４に示すように、本実施例の電子方位計１９は、非磁性基台２０上に、本発明の磁気センサ素子と同じ構成の３個の磁気センサ素子であるＸ軸磁気センサ素子２２、Ｙ軸磁気センサ素子２４、およびＺ軸磁気センサ素子２６と、これらの各磁気センサ素子を駆動するための図示しない磁気センサ用ＩＣを実装配置して構成される。
Ｘ軸磁気センサ素子２２、Ｙ軸磁気センサ素子２４、およびＺ軸磁気センサ素子２６は、それぞれ検出部の長手方向がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って互いに直交するように配置されて、３軸磁気センサを構成している。
これらの各磁気センサ素子２２、２４、２６の励磁用コイルに励磁電流を流した時に、検出用コイルから出力される検出信号に基づいて、磁気センサ用ＩＣによって方位角を演算することができる。

そして、各磁気センサ素子２２、２４、２６を保護するために封止樹脂２８を被せ、さらに、これらの磁気センサ素子を載置した非磁性基台２０に、磁気センサ用ＩＣを駆動するための電源端子、各磁気センサ素子の検出信号に基づいて演算した方位角のデータ（信号）を出力するための出力端子などを設けて、電子方位計１９のパッケージを構成する。

このように、本発明による磁気センサ素子を３個搭載して３軸磁気センサの電子方位計を構成することにより、３軸磁気センサの電子方位計を小型化し且つ高さを低くすることができ、携帯情報端末へ搭載することが可能になる。
なお、本発明による磁気センサ素子を、２個互いに直交する方向に非磁性基台上に配設して、２軸磁気センサによる電子方位計を構成することもできる。あるいは、本発明による磁気センサ素子を、非磁性基台上に４個以上搭載して、より高精度の電子方位計を構成することもできる。

本発明の実施例１の磁気センサ素子の構成を示す平面図である。 本発明の実施例２の磁気センサ素子の構成を示す平面図である。 本発明の実施例３の磁気センサ素子の構成を示す平面図である。 本発明の実施例の電子方位計の構成を示す説明図である。 従来の磁気センサ素子の構成を示す平面図である。

符号の説明

１−３ 磁気センサ素子
４ 励磁コイル
５ 励磁部
８ 磁性コア材
８ａ 感磁部
８ｂ 集磁部
１２ 検出コイル
１３ 検出部
１５−１８ 電極パッド
１９ 電子方位計
２０ 非磁性基台
２２ Ｘ軸磁気センサ
２４ Ｙ軸磁気センサ
２６ Ｚ軸磁気センサ
２８ 封止樹脂

Claims (6)

1. 長片状の感磁部の両端から該感磁部と直交する方向に延出して集磁部が形成されたＨ型の磁性コア材と、
   前記感磁部に巻き回された検出コイルと、
   前記集磁部に巻き回された励磁コイルと、を備える
   ことを特徴とする磁気センサ素子。
2. 前記励磁コイルを、前記集磁部の異なる箇所に複数備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ素子。
3. 前記集磁部は、前記感磁部の端部の近傍で丸みを帯びて形成された
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ素子。
4. 前記検出コイル及び前記励磁コイルは、薄膜コイルで形成された
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気センサ素子。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センサ素子が、非磁性基台上に２個以上配設されてなる
   ことを特徴とする電子方位計。
6. 前記非磁性基台上に３個の前記磁気センサが配設され、
   前記各磁気センサは、前記検出部の長手方向が互いに直交する向きをなし、３軸磁気センサを構成する
   ことを特徴とする請求項５に記載の電子方位計。

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