JP2010085338A - センシング素子、センシング装置、方位検出装置及び情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高コスト化を招くことなく、小型で高い信頼性を有し、加速度及び地磁気を同時に検出することができるセンシング素子を提供する。
【解決手段】４つの磁気発生部材と、対応する磁気発生部材からの磁気を検出するための４つのＴＭＲ素子と、３軸方向に関する地磁気を検出するための３つのＴＭＲ素子とが、形成されたセンサ基板１２１Ａと、センサ基板１２１Ａをカバーするカバー部材を有している。そして、センサ基板１２１Ａは、錘部と、可動部とを有し、錘部に４つの磁気発生部材が形成され、可動部にＺ軸方向に関する地磁気を検出するためのＴＭＲ素子が形成されている。また、カバー部材は、可動部に機械的な力を作用させ、可動部に形成されているＴＭＲ素子を傾斜させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、センシング素子、センシング装置、方位検出装置及び情報機器に係り、更に詳しくは、複数の磁気センサを有するセンシング素子、該センシング素子を備えるセンシング装置、方位検出装置、及び情報機器に関する。

近年、携帯端末の高機能化、高性能化が進展し、地図情報を元に、所望の位置に誘導するいわゆるナビゲーション機能を搭載した携帯電話も急速に普及しつつある。このようなアプリケーションでは、地磁気情報を有効に活用することにより、利便性が飛躍的に向上する。

また、この場合に、姿勢検知のために３軸の加速度センサを組み合わせることにより、さらに正確な情報の活用と、利便性の飛躍的な向上が図られる。

地磁気はベクトル量であり、その強度は、一般に０．３〜０．５Ｏｅ（エルステッド）と言われており非常に弱いものである。このように非常に弱い強度の地磁気を高精度に検知するために、検出素子の特性向上が図られた。

地磁気は地球上の両磁極から発生する磁力線によるものであるために、平面ではない地球上でこの地磁気を検知する場合には、水平面のみの情報（２次元情報）では不十分である。従って、地磁気に関する情報を有効に活用するためには、地磁気の情報を３次元で検知する必要がある。

例えば、特許文献１には、基板上に固定された第１Ｘ軸ＧＭＲ素子〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子と、基板上に移動可能に支持された可動コイルとを備え、検出素子として磁気検出素子のみを用いて外部磁界及び加速度等を測定できるセンサが開示されている。

また、特許文献２には、板バネと、検出方向の加速度と逆方向に変位するように、板バネに支持された検出用磁石と、検出用磁石が発生する磁界を検出する磁界検出素子からなる磁気式加速度センサが開示されている。

また、特許文献３及び特許文献４には、地磁気を検出する少なくとも３軸の磁気センサと、重力加速度を検出する２軸以上の加速度センサと、磁気センサからの出力信号及び加速度センサからの出力信号を処理する信号処理部とを備えた集積化方位センサが開示されている。

特開２００６−９８０７８号公報 特開２００６−３１７１８４号公報 特許第３９２８７７５号公報 特許第３９８２６１１号公報

最近、携帯端末は、高機能化及び高性能化だけでなく、小型化の要求も高まっている。そこで、携帯端末に搭載される方位検出装置も小型化する必要がある。

しかしながら、特許文献１に開示されているセンサでは、加速度と地磁気の両方の物理量を同時に検知することができないという不都合があった。また、特許文献１に開示されているセンサでは、可動コイルに電流を流す必要があるため、省エネルギを図ることができないという不都合があった。さらに、可動コイルに電流を流す／流さないを制御するための制御ユニットも必要となることから、回路も複雑となり、部品点数の増加やコストの上昇などを招くという不都合があった。

また、特許文献２に開示されている磁気式加速度センサでは、磁気回路や磁気センサなどをすべて実装技術を利用して組み立てているために、小型化には限界があった。

また、特許文献３及び４に開示されている集積化方位センサでは、加速度を検知するための応力検知素子と磁気情報を得るための磁気センサとが必要であり、結局二つの物理量を検知するのに、２種類の検知デバイスが必要である。そこで、それぞれを形成するための製造工程が必要になり、製造コストが上昇するという不都合があった。

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、高コスト化を招くことなく、小型で高い信頼性を有し、加速度及び地磁気を同時に検出することができるセンシング素子を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、高コスト化を招くことなく、小型で、精度良く３軸方向に関する加速度及び３軸方向に関する地磁気を同時に検出することができるセンシング装置を提供することにある。

また、本発明の第３の目的は、高コスト化を招くことなく、小型で、精度良く方位を検出することができる方位検出装置を提供することにある。

また、本発明の第４の目的は、高コスト化を招くことなく、小型で、ユーザの要求に最適な情報を得ることができる情報機器を提供することにある。

本発明は、第１の観点からすると、加速度によって変位する錘部と、外力によって可動する少なくとも１つの可動部とを有し、前記錘部に形成された少なくとも１つの磁気発生部材と、該磁気発生部材からの磁気を検出するための複数の磁気センサと、前記少なくとも１つの可動部を含む複数の位置に形成され３軸方向に関する地磁気を検出するための複数の磁気センサとが形成されたセンサ基板と；前記センサ基板をカバーするとともに、機械的な力を作用させて前記少なくとも１つの可動部を、該可動部以外に対して傾斜させるカバー部材と；を備えるセンシング素子である。

これによれば、高コスト化を招くことなく、小型で高い信頼性を有し、加速度及び地磁気を同時に検出することが可能となる。

本発明は、第２の観点からすると、本発明のセンシング素子と；前記センシング素子における複数の磁気センサの出力信号、及び前記センサ素子における前記少なくとも１つの可動部の傾斜角に基づいて、３軸方向に関する加速度情報及び３軸方向に関する地磁気情報をそれぞれ求める演算装置と；を備えるセンシング装置である。

これによれば、本発明のセンシング素子を有しているため、高コスト化を招くことなく、小型で、精度良く３軸方向に関する加速度及び３軸方向に関する地磁気を同時に検出することが可能となる。

本発明は、第３の観点からすると、本発明のセンシング装置と；前記センシング装置からの３軸方向に関する加速度情報と３軸方向に関する地磁気情報に基づいて、方位情報を求める方位取得装置と；を備える方位検出装置である。

これによれば、本発明のセンシング装置を備えているため、結果として、高コスト化を招くことなく、小型で、精度良く方位を検出することが可能となる。

本発明は、第４の観点からすると、位置情報を取得する位置検出装置と；本発明の方位検出装置と；前記方位検出装置からの方位情報と前記位置検出装置からの位置情報に基づいて、情報を取得する情報取得装置と；を備える情報機器である。

これによれば、本発明の方位検出装置を備えているため、結果として、高コスト化を招くことなく、小型で、ユーザの要求に最適な情報を得ることが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図２５に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る情報機器としての携帯電話１０の外観が示されている。

この携帯電話１０は、一例として図２に示されるように、キー入力装置１１、表示装置１２、メモリ１３、無線回路１４、アンテナ１５、スピーカ１６、マイク１７、カメラモジュール１８、インターフェース（ＩＦ）１９、方位検出装置２０、位置検出装置２１、電源装置２３、及び主制御装置２２などを備えている。

キー入力装置１１は、ユーザがデータを入力したり、携帯電話１０に対する指示内容を選択したりするのに用いられ、テンキーや各種ファンクションキーなどを有している。ここで入力されたキー情報は主制御装置２２に通知される。なお、キーとしては、ハードウェアキー、ソフトウェアキーのいずれであっても良いし、それらが併用されても良い。

表示装置１２は、ユーザへの各種メッセージやユーザが入力した各種情報などを表示する。また、表示装置１２は、各種アプリケーション及びカメラモジュール１８での表示手段としても用いられる。

メモリ１３は、複数種類の記憶媒体を有し、それぞれに適した各種データが格納される。

無線回路１４は、アンテナ１５を介して、外部との双方向の無線通信を制御する。なお、音声データだけではなく、文字データや画像データも、通信データとして送受信することが可能である。さらに、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）信号も受信することができる。

スピーカ１６は、音声データや音楽データなどを音に変換して出力する。

マイク１７は、入力される音を電気信号に変換する。

カメラモジュール１８は、画像を撮像する。

インターフェース（ＩＦ）１９は、複数種類のインターフェースドライバを有し、外部機器（例えば、メモリチップ、ＵＳＢ機器など）との双方向のデータ通信を制御する。

方位検出装置２０は、携帯電話１０の長手方向が向いている方位情報を取得し、主制御装置２２に通知する。この方位検出装置２０の構成については後述する。

位置検出装置２１は、ＧＰＳ信号に基づいて携帯電話１０の位置情報を取得する。

電源装置２３は、各部に電力を供給する。

主制御装置２２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭを有し、携帯電話１０の全体を制御する。

ここで、前記方位検出装置２０について説明する。この方位検出装置２０は、一例として図３に示されるように、センシング装置１２０及び方位情報変換装置１３０を有している。

センシング装置１２０は、センシング素子１２１と演算装置１２２を有し、３軸方向に関する地磁気データ及び３軸方向に関する加速度データを出力する。

このセンシング素子１２１は、一例として図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示されるように、センサ基板１２１Ａ、センサ基板１２１Ａをカバーするカバー部材１２１Ｂ、センサ基板１２１Ａを支持する支持部材１２１Ｃを有している。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、センサ基板１２１Ａの表面に垂直な方向をＺ軸方向として説明する。

ここでは、カバー部材１２１Ｂは、センサ基板１２１Ａの＋Ｚ側の面をカバーしている。そして、支持部材１２１Ｃは、センサ基板１２１Ａの−Ｚ側の面を介してセンサ基板１２１Ａを支持している。

また、カバー部材１２１Ｂとセンサ基板１２１Ａ、及び支持部材１２１Ｃとセンサ基板１２１Ａは、接着剤によって接着されている。なお、それらは、いわゆる陽極接合によって接合されても良い。

センサ基板１２１Ａは、一例として図５に示されるように、基板２０１を有し、地磁気を検出するための領域（以下では、「地磁気検出領域」という）２０１ｍと、加速度を検出するための領域（以下では、「加速度検出領域」という）２０１ｓが設けられている。

地磁気検出領域２０１ｍには、図６に示されるように、ＴＭＲ素子１２１_Ｘ、ＴＭＲ素子１２１_Ｙ、ＴＭＲ素子１２１_Ｚ、複数の電極パッド２０２、及び複数の配線２０３が形成されている。

ＴＭＲ素子１２１_Ｘは、Ｘ軸方向の地磁気を検出するための磁気センサであり、ＴＭＲ素子１２１_Ｙは、Ｙ軸方向の地磁気を検出するための磁気センサであり、ＴＭＲ素子１２１_Ｚは、Ｚ軸方向の地磁気を検出するための磁気センサである。

また、地磁気検出領域２０１ｍには、図７（Ａ）及び図７（Ａ）のＡ−Ａ断面図である図７（Ｂ）に示されるように、カンチレバー構造（片持ち梁構造）の可動部２０１ｂが形成されている。そして、この可動部２０１ｂの自由端近傍にＴＭＲ素子１２１_Ｚが形成されている。

ＴＭＲ素子１２１_Ｙ及びＴＭＲ素子１２１_Ｙは、可動部２０１ｂの一端が支持されている非可動部に形成されている。そして、ここでは、ＴＭＲ素子１２１_ＸとＴＭＲ素子１２１_Ｙは、磁界の検知方向が互いにほぼ直交するように形成されている。

加速度検出領域２０１ｓには、図８に示されるように、ＴＭＲ素子１２１_１、ＴＭＲ素子１２１_２、ＴＭＲ素子１２１_３、ＴＭＲ素子１２１_４、４つの磁気発生部材（２０５_１〜２０５_４）、複数の電極パッド２０２、及び複数の配線２０３が形成されている。

ＴＭＲ素子１２１_１は磁気発生部材２０５_１の磁気を検出するための磁気センサであり、ＴＭＲ素子１２１_２は磁気発生部材２０５_２の磁気を検出するための磁気センサである。さらに、ＴＭＲ素子１２１_３は磁気発生部材２０５_３の磁気を検出するための磁気センサであり、ＴＭＲ素子１２１_４は磁気発生部材２０５_４の磁気を検出するための磁気センサである。

また、加速度検出領域２０１ｓには、図９（Ａ）及び図９（Ａ）のＡ−Ａ断面図である図９（Ｂ）に示されるように、４つの支持部２０１ｄによって支持された錘部２０１ｃが形成されている。

この錘部２０１ｃは、一例として図１０に示されるように、加速度の大きさや方向に応じて変位し、その位置及び姿勢が変化する。

４つの磁気発生部材（２０５_１〜２０５_４）は、錘部２０１ｃの表面における４隅近傍に形成されている。

ＴＭＲ素子１２１_１、ＴＭＲ素子１２１_２、ＴＭＲ素子１２１_３、及びＴＭＲ素子１２１_４は、支持部２０１ｄが支持されている非可動部であって、対応する磁気発生部材に近接する位置にそれぞれ形成されている。

カバー部材１２１Ｂには、一例として図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）に示されるように、センサ基板１２１Ａの可動部２０１ｂに機械的な力を作用させるための突起部２５０が形成されている。なお、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。

そこで、センサ基板１２１Ａがカバー部材１２１Ｂでカバーされると、一例として図１２（Ａ）及び図１２（Ａ）のＡ−Ａ断面図である図１２（Ｂ）に示されるように、カバー部材１２１Ｂの突起部２５０によって可動部２０１ｂに−Ｚ方向の押圧が作用する。すなわち、可動部２０１ｂに機械的な力が作用する。そして、ＴＭＲ素子１２１_Ｚとともに可動部２０１ｂは、ＸＹ平面に対して傾斜することとなる。このときの傾斜角θは、ＸＹ面内での突起部２５０の位置（すなわち、押圧の作用位置）、及びＺ軸方向に関する突起部２５０の長さ（すなわち、突出量）によって決定される。なお、本実施形態では、一例として可動部２０１ｂの傾斜角θが２５度となるように設定されている。

また、図１２（Ａ）のＢ−Ｂ断面図が、図１３に示されている。

ところで、ＴＭＲ素子は、磁界に応じてその抵抗値が変化するトンネル磁気抵抗効果素子であり、一例として図１４に示されるように、反強磁性体層としてＦｅ−Ｍｎ薄膜５２、強磁性体層（ピン層）としてＣｏ−Ｆｅ薄膜５３、絶縁体層として酸化アルミニウム膜５４、強磁性体層（フリー層）としてパーマロイ薄膜５５が、順に積層されたＴＭＲ構造膜を有している。なお、ＴＭＲ構造膜の層構成及び層材料は、これに限定されるものではない（例えば、宮崎照宣著、「スピントロニクス」、日刊工業新聞社、２００４年、参照）。

そこで、一例として図１５に示されるように、各ＴＭＲ素子には一定の電流が演算装置１２２から供給され、各ＴＭＲ素子の電圧がそれぞれの信号として演算装置１２２に出力される。

次に、センサ基板１２１Ａの作製方法について簡単に説明する。

ここでは、基板２０１には、表面が（１００）面であり、膜厚が５２５ｎｍの熱酸化膜が形成されている単結晶シリコン（Ｓｉ）のウエハを用いた（図１６（Ａ）参照）。

（１）マグネトロンスパッタリング法を用いて、基板２０１の熱酸化膜上に上記ＴＭＲ構造膜を成膜する（図１６（Ｂ）参照）。

（２）フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、ＴＭＲ素子に対応する領域以外のＴＭＲ構造膜を除去する（図１６（Ｃ）及び図１７（Ａ）参照）。ここでは、ＴＭＲ素子に対応する領域は長方形であり、短い辺の長さＤａを７０μｍ、長い辺の長さＤｂを２００μｍとした（図１７（Ｂ）参照）。

（３）一例として図１８（Ａ）〜図１８（Ｃ）に示されるように、ＴＭＲ構造膜の微細加工を行う。

（４）スパッタリング法を用いて、層間絶縁膜としてＳｉＯ_２膜を３００ｎｍの厚さで成膜する。

（５）公知の手段を用いてコンタクトホールを開口する。

（６）アルミニウムの成膜及びパターニング加工により配線２０３及び電極パッド２０２を形成する（図１９（Ａ）参照）。これによって、ＴＭＲ素子ができ上がる。なお、一例として図１９（Ｂ）に、ＴＭＲ構造膜における配線２０３のコンタクト位置が示されている。原理的には、１つのＴＭＲ素子には４つの端子が必要となるが、ここでは１つの端子を共有化し、３つの端子を設けている。

（７）磁気発生部材が所望の領域にのみ形成されるようにステンシルマスク（図２０（Ａ）参照）を用いたいわゆるマスクデポ手法を採用し、磁化用の磁界を加えながら、マグネトロンスパッタリング法により、磁気発生部材を形成する（図２０（Ｂ）参照）。ここでは、磁気発生部材としてコバルト（Ｃｏ）−鉄（Ｆｅ）合金を２００ｎｍの厚さで形成した。

（８）カンチレバー構造の可動部２０１ｂ、及び支持部２０１ｄによって支持された錘部２０１ｃを形成するため、レジストフィルムを用いてエッチングマスクを形成する（図２１（Ａ）参照）。

（９）シリコンのドライエッチング技術を用いて、マスクされていない部分のエッチングを行う。

（１０）エッチングマスクを取り除く（図２１（Ｂ）参照）。

ここでは、図２２（Ａ）におけるＤ１１は１ｍｍ、Ｄ１２は１ｍｍ、Ｄ１３は３ｍｍ、Ｄ１４は３ｍｍ、Ｄ１５は２ｍｍ、Ｄ１６は５ｍｍとした。また、図２２（Ｂ）におけるＤ１７は１．５ｍｍとした。

カバー部材１２１Ｂは、センサ基板１２１Ａと同様にＳｉウェハを用い、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより形成した。ここでは、図２３におけるＤ２１は１ｍｍ、Ｄ２２は２００μｍφとした。なお、突起部２５０は弾性を有している。

支持部材１２１Ｃは、センサ基板１２１Ａと同様にＳｉウェハを用い、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより形成した。ここでは、図２４におけるＤ３１は０．５ｍｍとした。

なお、カバー部材１２１Ｂ及び支持部材１２１Ｃは、センサ基板１２１Ａを保護する役割も有している。すなわち、カバー部材１２１Ｂ及び支持部材１２１Ｃは、いずれも磁気センシング素子１２１のパッケージング部材の一部を兼ねている。

従って、磁気センシング素子１２１は、厚さ（ここでは、Ｚ軸方向の長さ）が３ｍｍ未満となり、従来の磁気センシング素子よりも薄くすることができた。

演算装置１２２は、図２５に示されるように、演算回路１２２_１、各ＴＭＲ素子の出力電圧を増幅する増幅回路１２２_２、各ＴＭＲ素子に一定の電流を供給する定電流回路１２２_３を有している。

演算回路１２２_１は、増幅回路１２２_２で増幅されたＴＭＲ素子１２１_１〜ＴＭＲ素子１２１_４の出力電圧に基づいて３軸方向に関する加速度データを算出する。

また、演算回路１２２_１は、増幅回路１２２_２で増幅された、ＴＭＲ素子１２１_Ｘの出力電圧、ＴＭＲ素子１２１_Ｙの出力電圧、及びＴＭＲ素子１２１_Ｚの出力電圧を、増幅回路１２２_２で増幅されたＴＭＲ素子１２１_１〜ＴＭＲ素子１２１_４の出力電圧に基づいて補正する。

そして、演算回路１２２_１は、補正されたＴＭＲ素子１２１_Ｘの出力電圧に基づいてＸ軸方向に関する地磁気データを算出し、補正されたＴＭＲ素子１２１_Ｙの出力電圧に基づいてＹ軸方向に関する地磁気データを算出する。さらに、演算回路１２２_１は、補正されたＴＭＲ素子１２１_Ｚの出力電圧及び可動部２０１ｂの傾斜角に基づいてＺ軸方向に関する地磁気データを算出する。なお、可動部２０１ｂの傾斜角は、予め計測あるいは計算され、演算回路１２２_１の不図示のメモリに格納されている。

センシング素子１２１に加速度が生じると、該加速度の方向と大きさに応じて錘部２０１ｃの位置及び姿勢が変化し、それに伴って、４つの磁気発生部材（２０５_１〜２０５_４）も位置及び姿勢が変化する（図１０参照）。これにより、４つのＴＭＲ素子（１２１_１〜１２１_４）の出力電圧がそれぞれ変化する。そこで、４つのＴＭＲ素子（１２１_１〜１２１_４）の出力電圧から３軸方向に関する加速度データを算出することができる。

演算回路１２２_１で算出された３軸方向に関する地磁気データ及び３軸方向に関する加速度データは、方位情報変換装置１３０に出力される。

図３に戻り、方位情報変換装置１３０は、センシング装置１２０からの３軸方向に関する地磁気データと３軸方向に関する加速度データとに基づいて、公知の演算処理を行い、携帯電話１０の長手方向が向いている方位情報（例えば、方位角）を取得する。ここで得られた方位情報は、主制御装置２２に通知される。

図２に戻り、主制御装置２２は、ユーザの要求に応じて、方位検出装置２０で取得された方位情報及び位置検出装置２１で取得された位置情報に基づいて、ユーザの要求に最適な情報（例えば、ナビゲーション情報）を表示装置１２に表示する（例えば、特開２００１−２８９６４６号公報参照）。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係るセンシング素子１２１では、ＴＭＲ素子１２１_ＸとＴＭＲ素子１２１_ＹとＴＭＲ素子１２１_Ｚとによって、３軸方向に関する地磁気を検出するための複数の磁気センサが構成されている。

また、ＴＭＲ素子１２１_１とＴＭＲ素子１２１_２とＴＭＲ素子１２１_３とＴＭＲ素子１２１_４とによって、磁気発生部材からの磁気を検出するための複数の磁気センサが構成されている。

また、本実施形態に係る方位検出装置２０では、方位情報変換装置１３０によって方位取得装置が構成されている。

また、本実施形態に係る携帯電話１０では、主制御装置２２によって情報取得装置が構成されている。

以上説明したように、本実施形態に係るセンシング素子１２１によると、４つの磁気発生部材（２０５_１〜２０５_４）と、該磁気発生部材（２０５_１〜２０５_４）からの磁気を検出するための４つのＴＭＲ素子（１２１_１〜１２１_４）と、３軸方向に関する地磁気を検出するための３つのＴＭＲ素子（１２１_Ｘ、１２１_Ｙ、１２１_Ｚ）とが、形成されたセンサ基板１２１Ａと、該センサ基板１２１Ａをカバーするカバー部材１２１Ｂを有している。

そして、センサ基板１２１Ａは、加速度によって変位する錘部２０１ｃと、カンチレバー構造の可動部２０１ｂとを有し、錘部２０１ｃに４つの磁気発生部材（２０５_１〜２０５_４）が形成され、可動部２０１ｂにＴＭＲ素子１２１_Ｚが形成されている。

また、カバー部材１２１Ｂには、センサ基板１２１Ａをカバーしたときに、可動部２０１ｂに機械的な力を作用させ、可動部２０１ｂを、該可動部２０１ｂ以外に対して傾斜させる突起部２５０が形成されている。

この場合、各ＴＭＲ素子は基板２０１上に形成されているため、従来の磁気センシング素子のように、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向それぞれに対応する磁気センサ素子（磁気センサチップ）を個別に接着する必要がない。そこで、従来の接着工程が不要となり、低コスト化を図ることが可能となる。また、接着部分がないため、接着強度のばらつきや経時変化（経時劣化）の心配がない。さらに、磁気センサ素子の大きさに制約がない。

また、錘部２０１ｃ、可動部２０１ｂ及び各ＴＭＲ素子は、マイクロマシニング技術を利用して作製されているため、磁気センシング素子１２１の小型化、特に高さ方向（ここでは、Ｚ軸方向）の小型化を図ることが可能である。

さらに、ＴＭＲ素子の形成時に配線及び電極パッドも形成することができるため、従来のように、磁気センサ素子の実装後に配線部材によって磁気センサと電極パッドとを接続する必要がなく、長期の安定性や信頼性に対して十分に対応することが可能である。

すなわち、高コスト化を招くことなく、３軸方向に関する加速度及び３軸方向に関する地磁気を同時に検出することができ、信頼性を高く維持したまま小型化を図ることが可能である。

また、可動部２０１ｂを傾斜させるのにエネルギを必要としないため、省エネルギ化を図ることが可能である。

また、磁気センサとしてＴＭＲ素子を使用しているため、消費電力を小さくすることができる。

また、カバー部材１２１Ｂ及び支持部材１２１Ｃがパッケージ部材の一部を兼ねているため、更に製造工程の簡略化と低コスト化を同時に満足させることが可能である。

さらに、センサ部材１２１Ａ、カバー部材１２１Ｂ及び支持部材１２１Ｃが、いずれも同じ材質であるため、熱膨張率の差による応力の発生や機械的強度の低下などパッケージングの際に懸念される問題を解消することができる。

また、Ｚ軸方向の地磁気を検出するためのＴＭＲ素子１２１_Ｚを基板２０１の（１００）面に形成しているため、傾斜面にＴＭＲ素子１２１_Ｚを形成する場合（例えば、特開２００４−３５４１８２号公報及び特開２００４−００６７５２号公報参照）に比べて、容易に良好なＴＭＲ素子を形成することができる。そして、各ＴＭＲ素子の感度を互いにほぼ等しくすることができる。

そして、本実施形態に係るセンシング装置１２０によると、センシング素子１２１を有しているため、高コスト化を招くことなく、小型で、３軸方向に関する加速度及び３軸方向に関する地磁気を同時に精度良く検出することが可能である。

また、本実施形態に係る方位検出装置２０によると、センシング装置１２０を有しているため、高コスト化を招くことなく、小型で、方位を精度良く検出することが可能である。

また、本実施形態に係る携帯電話１０によると、方位検出装置２０を備えているため、高コスト化を招くことなく、小型で、ユーザの要求に最適な情報を得ることが可能である。

なお、上記実施形態では、センサ基板１２１Ａに４つの磁気発生部材が形成されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図２６に示されるように、錘部２０１ｃの表面の中央部に１つの磁気発生部材２０５が形成されていても良い。この場合であっても、錘部２０１ｃの位置及び姿勢が変化すると、それに伴って、磁気発生部材２０５も位置及び姿勢が変化するため、４つのＴＭＲ素子（１２１_１〜１２１_４）の出力電圧から３軸方向に関する加速度データを算出することができる。

また、上記実施形態では、可動部２０１ｂの傾斜角θが２５度の場合について説明したが、これに限定されるものではない。

また、上記実施形態において、一例として図２７に示されるように、可動部２０１ｂの傾斜角を検出するためのセンサとしてピエゾ抵抗素子２６０を可動部２０１ｂに形成しても良い。

ピエゾ抵抗素子２６０は、引張応力や圧縮応力が加わるとその抵抗値が変化するという特性を有している。そこで、可動部１０２ｂが傾斜して変形すると、その変形量に応じて抵抗値が変化する。このピエゾ抵抗素子２６０も、マイクロマシニング技術を用いて基板２０１上に形成することができる。なお、ピエゾ抵抗素子２６０は、可動部２０１ｂにおけるカバー部材１２１Ｂの突起部２５０が干渉しない領域に形成される。

なお、ピエゾ抵抗素子２６０として、ボロンが注入されているピエゾ抵抗素子を用いる場合には、ピエゾ抵抗素子を形成する際の、ボロンを注入したあとの熱拡散工程で、９００℃という高温プロセスが必要となる。ところで、ＴＭＲ素子は、３５０℃以上の高温では特性を失ってしまう。そこで、ピエゾ抵抗素子の形成は、ＴＭＲ素子の形成より前に行う必要がある。

この場合には、前記増幅回路１２２_２は、ピエゾ抵抗素子２６０の出力信号も増幅することとなる。そして、演算回路１２２_１は、増幅回路１２２_２で増幅されたピエゾ抵抗素子２６０の出力信号から可動部１０２ｂの傾斜角を求め、その傾斜角と増幅回路１２２_２で増幅されたＴＭＲ素子１２１_Ｚの出力電圧とから、Ｚ軸方向に関する地磁気データを算出する。これにより、地磁気の検出精度を更に向上させることができる。

なお、ピエゾ抵抗素子２６０の出力信号と可動部１０２ｂの傾斜角との関係は、予め実験等により求められ、演算回路１２２_１の不図示のメモリに格納されている。

また、上記実施形態において、一例として図２８に示されるように、可動部２０１ｂは、両端がトーションバー２０６によって支持されている平板であっても良い。この場合であっても、一例として図２９に示されるように、センサ基板１２１Ａがカバー部材１２１Ｂでカバーされると、カバー部材１２１Ｂの突起部２５０によって可動部２０１ｂに−Ｚ方向の押圧が作用し、トーションバー２０６がねじれて、可動部２０１ｂは、トーションバー２０６を軸として回動する。すなわち、ＴＭＲ素子１２１_Ｚとともに可動部２０１ｂは、ＸＹ平面に対して傾斜することとなる。ここでは、可動部２０１ｂの傾斜角を２５度としている。

このような可動部であっても、マイクロマシニング技術を用いて作製することができる。

また、一例として図３０及び図３１に示されるように、それぞれ両端がトーションバー２０６によって支持されている平板からなる２つの可動部２０１ｂが、互いに傾斜方向が異なるように形成され、それぞれにＴＭＲ素子１２１_Ｚが形成されても良い。但し、この場合には、各可動部に対応した突起部２５０がカバー部材１３１Ｂに形成される必要がある。

なお、２つの可動部の位置関係は、これに限定されるものではない。また、各可動部の傾斜角が互いに異なっていても良い

この場合には、演算回路１２２_１は、増幅回路１２２_２で増幅された２つのＴＭＲ素子１２１_Ｚの出力電圧及び各可動部の傾斜角に基づいてＺ軸方向に関する地磁気データを算出する。ここでは、互いに傾斜方向が異なる２つのＴＭＲ素子１２１_Ｚの検出結果を用いているため、検出精度を更に向上させることができるとともに、ＴＭＲ素子１２１_Ｚの不感領域を考慮する必要がない。

また、一例として図３２に示されるように、各トーションバー２０６に上記ピエゾ抵抗素子２６０を形成しても良い。

また、一例として図３３に示されるように、前記ＴＭＲ素子１２１_Ｘ、前記ＴＭＲ素子１２１_Ｙ、２つの前記ＴＭＲ素子１２１_Ｚが、いずれも両端がトーションバー２０６によって支持されている平板からなる可動部２０１ｂに形成されても良い。

この場合は、各ＴＭＲ素子が、それぞれ異なる平面上にあるようにすることができる。

また、上記実施形態において、前記センシング素子１２１に代えて、図３４〜図３８（Ｂ）に示されるセンシング素子１３１を用いても良い。

このセンシング素子１３１は、センサ基板１３１Ａ、カバー部材１３１Ｂ及び支持部材１３１Ｃを有し、図３５に示されるように、支持部材１３１Ｃの内部に傾斜面が形成されていることに特徴を有している。

カバー部材１３１Ｂは、図３６に示されるように、上記カバー部材１２１Ｂと同じカバー部材である。

センサ基板１３１Ａは、図３７（Ａ）のＡ−Ａ断面図である図３７（Ｂ）に示されるように、支持部材１３１Ｃで支持される部分の厚さ（ここでは、Ｚ軸方向の長さ）が上記センサ基板１２１Ａよりも薄くなっている。

この場合には、一例として図３８（Ａ）及び図３８（Ｂ）に示されるように、可動部２０１ｂを支持部材１３１Ｃの傾斜面に沿って傾斜させることができる。これにより、可動部２０１ｂの傾斜角の精度を担保することができる。

例えば、支持部材１３１Ｃの材料がシリコンの場合には、表面が（１００）面であれば、ＫＯＨ（水酸化カリウム）やＴＭＡＨ（水酸化テトラエチルアンモニウム）をエッチング液として用いる異方性エッチングを行うことにより｛１１１｝面の傾斜面を容易に形成することができる。このときの傾斜面の傾斜角は５４．７度である。

また、上記実施形態では、基板２０１の材料がシリコンの場合について説明したが、これに限定されるものではない。可動部が傾斜できる程度の弾性、マイクロマシニング技術を利用することができる程度の加工性、耐熱性、ＴＭＲ素子の形成に適した表面平坦性（例えば、Ｒａ≦１．０ｎｍ）を有していれば良い。

また、上記実施形態では、磁気センサがトンネル磁気抵抗効果素子の場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子であっても良い。

また、上記実施形態において、磁気発生部材が永久磁石であっても良い。

また、上記実施形態では、カバー部材の突起部が円柱状の場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。要するに、センサ部材の可動部に機械的な力を作用させ、可動部を傾斜させることができれば良い。

また、上記実施形態では、カバー部材の突起部によってセンサ部材の可動部に機械的な力を作用させる場合について説明したが、突起部以外でセンサ部材の可動部に機械的な力を作用させても良い。

また、上記実施形態における各寸法は一例であり、これらに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、情報機器が携帯電話の場合について説明したが、これに限定されるものではない。地磁気情報と加速度情報を必要とする情報機器であれば良い。例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）であっても良い。

以上説明したように、本発明のセンシング素子によれば、高コスト化を招くことなく、小型で高い信頼性を有し、加速度及び地磁気を同時に検出するのに適している。また、本発明のセンシング装置によれば、高コスト化を招くことなく、小型で、精度良く３軸方向に関する加速度及び３軸方向に関する地磁気を同時に検出するのに適している。また、本発明の方位検出装置によれば、高コスト化を招くことなく、小型で、方位を精度良く検出するのに適している。また、本発明の情報機器によれば、高コスト化を招くことなく、小型で、ユーザの要求に最適な情報を得るのに適している。

本発明の一実施形態に係る携帯電話の外観を説明するための図である。 図１の携帯電話の概略構成を説明するための図である。 図２の方位検出装置を説明するための図である。 図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、それぞれセンシング素子を説明するための図である。 センサ基板の地磁気検出領域と加速度検出領域を説明するための図である。 地磁気検出領域を説明するための図である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ可動部を説明するための図である。 加速度検出領域を説明するための図である。 図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、それぞれ錘部を説明するための図である。 錘部の変位を説明するための図である。 図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）は、それぞれカバー部材を説明するための図である。 図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、それぞれ可動部の傾斜を説明するための図である。 図１２（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 ＴＭＲ素子を説明するための図である。 ＴＭＲ素子の入出力を説明するための図である。 図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）は、それぞれセンサ基板の作製方法を説明するための図（その１）である。 図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）は、それぞれセンサ基板の作製方法を説明するための図（その２）である。 図１８（Ａ）〜図１８（Ｃ）は、それぞれセンサ基板の作製方法を説明するための図（その３）である。 図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）は、それぞれセンサ基板の作製方法を説明するための図（その４）である。 図２０（Ａ）及び図２０（Ｂ）は、それぞれセンサ基板の作製方法を説明するための図（その５）である。 図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）は、それぞれセンサ基板の作製方法を説明するための図（その６）である。 図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）は、それぞれセンサ基板の大きさを説明するための図である。 カバー部材の大きさを説明するための図である。 支持部材の大きさを説明するための図である。 演算装置を説明するための図である。 磁気発生部材の変形例を説明するための図である。 ピエゾ抵抗素子を説明するための図である。 地磁気検出領域の変形例１を説明するための図である。 変形例１における可動部の傾斜を説明するための図である。 地磁気検出領域の変形例２を説明するための図である。 変形例２における可動部の傾斜を説明するための図である。 地磁気検出領域の変形例３を説明するための図である。 地磁気検出領域の変形例４を説明するための図である。 センシング素子の変形例を説明するための図である。 図３４のセンシング素子における支持部材を説明するための図である。 図３４のセンシング素子におけるカバー部材を説明するための図である。 図３７（Ａ）及び図３７（Ｂ）は、それぞれ図３４のセンシング素子におけるセンサ基板を説明するための図である。 図３８（Ａ）及び図３８（Ｂ）は、それぞれ図３４のセンシング素子における傾斜面と可動部との関係を説明するための図である。

符号の説明

１０…携帯電話、２０…方位検出装置、２１…位置検出装置、２２…主制御装置（情報取得装置）、１２０…センシング装置、１２１…センシング素子、１２１Ａ…センサ基板、１２１Ｂ…カバー部材、１２１Ｃ…支持部材、１２１_１…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２１_２…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２１_３…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２１_４…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２１_Ｘ…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２１_Ｙ…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２１_Ｚ…ＴＭＲ素子（磁気センサ）、１２２…演算装置、１３０…方位情報変換装置（方位取得装置）、１３１…センシング素子、１３１Ａ…センサ基板、１３１Ｂ…カバー部材、１３１Ｃ…支持部材、２０１ｂ…可動部、２０１ｃ…錘部、２０５…磁気発生部材、２０５_１…磁気発生部材、２０５_２…磁気発生部材、２０５_３…磁気発生部材、２０５_４…磁気発生部材、２０６…トーションバー、２６０…ピエゾ抵抗素子。

Claims (21)

1. 加速度によって変位する錘部と、外力によって可動する少なくとも１つの可動部とを有し、前記錘部に形成された少なくとも１つの磁気発生部材と、該磁気発生部材からの磁気を検出するための複数の磁気センサと、前記少なくとも１つの可動部を含む複数の位置に形成され３軸方向に関する地磁気を検出するための複数の磁気センサとが形成されたセンサ基板と；
   前記センサ基板をカバーするとともに、機械的な力を作用させて前記少なくとも１つの可動部を、該可動部以外に対して傾斜させるカバー部材と；を備えるセンシング素子。
2. 前記少なくとも１つの可動部は、カンチレバー構造を有していることを特徴とする請求項１に記載のセンシング素子。
3. 前記少なくとも１つの可動部は、両端がトーションバーによって支持されている平板であることを特徴とする請求項１に記載のセンシング素子。
4. 前記カバー部材は、前記少なくとも１つの可動部に押圧を作用させるための突起部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンシング素子。
5. 前記突起部は、弾性体を含むことを特徴とする請求項４に記載のセンシング素子。
6. 前記カバー部材は、パッケージ部材の一部を兼ねていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンシング素子。
7. 前記磁気発生部材は、磁化用の磁界を加えながら形成された磁性体の薄膜であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンシング素子。
8. 前記磁気発生部材は、永久磁石であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンシング素子。
9. 前記センサ基板を支持し、傾斜した前記少なくとも１つの可動部が当接する傾斜面を有する支持部材を、更に備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のセンシング素子。
10. 前記支持部材は、表面が（１００）面の単結晶シリコンからなり、前記傾斜面は異方性エッチングによって形成された｛１１１｝面のうちの一つの面であることを特徴とする請求項９に記載のセンシング素子。
11. 前記支持部材は、パッケージ部材の一部を兼ねていることを特徴とする請求項９又は１０に記載のセンシング素子。
12. 前記少なくとも１つの可動部は、複数の可動部であり、
    該複数の可動部は、互いに異なる方向に傾斜していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセンシング素子。
13. 前記センサ基板は、前記少なくとも１つの可動部に形成され、該可動部の傾斜角を計測するためのセンサを有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のセンシング素子。
14. 前記傾斜角を計測するためのセンサは、ピエゾ抵抗素子を含むことを特徴とする請求項１３に記載の磁気センシング素子。
15. 前記磁気センサは、磁気抵抗効果素子を含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のセンシング素子。
16. 前記磁気抵抗効果素子は、トンネル磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１５に記載のセンシング素子。
17. 前記磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１５に記載のセンシング素子。
18. 請求項１〜１７のいずれか一項に記載のセンシング素子と；
    前記センシング素子における複数の磁気センサの出力信号、及び前記センシング素子における前記少なくとも１つの可動部の傾斜角に基づいて、３軸方向に関する加速度情報及び３軸方向に関する地磁気情報をそれぞれ求める演算装置と；を備えるセンシング装置。
19. 前記演算装置は、３軸方向に関する地磁気情報を求める際に、前記磁気発生部材からの磁気を検出するための複数の磁気センサの出力信号に応じて、前記地磁気を検出するための複数の磁気センサの出力信号を補正することを特徴とする請求項１８に記載のセンシング装置。
20. 請求項１８又は１９に記載のセンシング装置と；
    前記センシング装置からの３軸方向に関する加速度情報と３軸方向に関する地磁気情報に基づいて、方位情報を求める方位取得装置と；を備える方位検出装置。
21. 位置情報を取得する位置検出装置と；
    請求項２０に記載の方位検出装置と；
    前記方位検出装置からの方位情報と前記位置検出装置からの位置情報に基づいて、情報を取得する情報取得装置と；を備える情報機器。

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