JP2014070911A - 磁気センサ及びその磁気検出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】四角形状の感磁材201aと、感磁部と長さの異なる四角形状の磁気収束材201bとを有し、感磁材の長手方向の中線Maと磁気収束材の長手方向の中線Mbとが、互いに交わらないように水平に配置された第1の磁気検知部201と、第1の磁気検知部と同一の構造を有する第2の磁気検知部202とを備え、第1の磁気検知部の感磁材と、第2の磁気検知部の感磁材との両方が、第1の磁気検知部の磁気収束材と第2の磁気検知部の磁気収束材とに挟まれるように点対称の位置関係で、かつ第1の磁気検知部と第2の磁気検知部とが互いに重ならないように配置されている。
【選択図】図20
Description
図1は、従来のGMR素子の動作原理を説明するための斜視図で、図2は、図1の部分断面図である。図中符号1は反強磁性層、2はピンド層(固定層)、3はCu層(スペーサ層)、4はフリー層(自由回転層)を示している。磁性材料の磁化の向きで電子のスピン散乱が変わり抵抗が変化する。つまり、ΔR=(RAP−RP)RP(RAP;上下の磁化の向きが反平行のとき、RP;上下の磁化の向きが反平行のとき)で表される。
固定層2の磁気モーメントは、反強磁性層1との磁気結合により方向が固定されている。漏れ磁場により磁化自由回転層4の磁気モーメントの方向が変化すると、Cu層3を流れる電流が変化し、漏れ磁場の変化が読み取れる。
また、特許文献2に記載のセンサでは、ホール素子の感度が低いため、地磁気を精度良く検知するために後段での増幅信号処理が必要となり、消費電流の増大を招くことが考えられる。
また、特許文献5に記載のGMR素子は、GMRチップ上に対して一本の折れ線状をなすパターンにて形成されたものが開示されているものの、本発明の磁気センサのような磁気抵抗素子と磁気収束板とを組み合わせた配置パターンについては何ら開示されていなく、しかも、スピン・バルブ構造を有していないため、磁場の極性を判別出来ず、磁気センサとしては使い辛いという問題がある。
また、請求項5に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記第2の配置パターン(212)と、該第2の配置パターンと同様の構造を有する第4の配置パターン(214)とが、基板平面に対し平行で、前記第2の配置パターンの磁気収束材の長手方向側の点に対し、前記第2の配置パターンと前記第4の配置パターンとが、互いに点Moに対し、対称の位置関係でかつ互いに重ならないように離間して対向配置された第3の構造(C)を有することを特徴とする。(図24)
また、請求項7に記載の発明は、請求項3乃至6のいずれかに記載の発明において、前記第1の構造(A)と前記第2の構造(B)、又は前記第1の構造(A)と前記第3の構造(C)、又は前記第2の構造(B)と前記第3の構造(C)、又は前記第1の構造(A)と前記第2の構造(B)と前記第3の構造(C)とが同一平面上に配置されていることを特徴とする。
また、請求項10に記載の発明は、請求項3乃至9のいずれかに記載の発明において、前記各配置パターン間における磁気収束材間の距離(D)が、前記各配置パターン内における2つの磁気収束材間の距離(E)よりも長いことを特徴とする。(図28)
また、請求項14に記載の発明は、請求項1乃至13のいずれかに記載の発明において、前記接続部(211a,213a)により電気的に接合されていない前記感磁材(201a,202a)の端部が、電極パッド(P1乃至P4)もしくは信号処理回路に電気的に接合されていることを特徴とする。(図32)
また、請求項16に記載の発明は、請求項1乃至15のいずれかに記載の発明において、同一基板上に前記感磁材(201a乃至204a)と前記磁気収束材(201b乃至204b)が形成され、前記感磁材の底面が前記磁気収束材の底面よりも下に配置されていることを特徴とする。(図34)
また、請求項18に記載の発明は、請求項1乃至17のいずれかに記載の発明において、前記感磁材の短手方向の幅が、0.1〜20ミクロンであることを特徴とする。
また、請求項19に記載の発明は、請求項1乃至18のいずれかに記載の発明において、前記磁気収束部が、NiFe、NiFeB、NiFeCo、CoFe等の軟磁性材料から成ることを特徴とする。
また、請求項20に記載の発明は、請求項1乃至19のいずれかに記載の発明において、前記磁気収束材の厚みが、1〜40ミクロンであることを特徴とする。
また、請求項23に記載の発明は、請求項21又は22に記載の発明において、前記磁気収束板(172,173)を取り除いた場合に、前記磁気収束板(172,173)の前記第1部分(172a)及び前記第2部分(173a)が、前記磁気抵抗素子よりも突出していることを特徴とする。(図17(b))
また、請求項25に記載の発明は、請求項21乃至24のいずれかに記載の発明において、前記磁気抵抗素子(171)の感磁部(171a,171b)の接続部が、前記感磁部(171a,171b)同じ材質ではないことを特徴とする。(図17(c))
また、請求項27に記載の発明は、請求項21乃至26のいずれかに記載の発明において、前記単一配置パターン(G,H)が、X軸方向に位置ずれして配置されていることを特徴とする。(図17(e))
また、請求項30に記載の発明は、請求項21乃至29のいずれかに記載の発明において、前記磁気収束板(172,173)に繋がっていない前記第1部分(172a,173a)の先端形状が、長方形であることを特徴とする。(図18(c))
また、請求項33に記載の発明は、請求項31又は32に記載の発明において、前記単一配置パターンの前記磁気収束板間の距離(E)が、隣接する同一の単一配置パターン間の距離(F)よりも狭いことを特徴とする。(図19(b))
また、請求項35に記載の発明は、請求項31乃至34のいずれかに記載の発明において、前記一方の磁気収束板(172)の第1部分(172a)と、前記他方の磁気収束板(173)の第1部分(173a)に、T字状の磁気収束部材(172c,173c)を設けるとともに、前記磁気収束部材(172c,173c)と隣接する前記磁気収束材との距離(A)が配置パターン内における2つの磁気収束材間の距離(B)よりも遠い位置関係に配置されていることを特徴とする。(図19(d))
また、請求項40に記載の発明は、請求項36乃至39のいずれかに記載の磁気検出方法を組み合わせることで、2軸又は3軸の磁場成分をそれぞれ独立して検知することを特徴とする。
図4は発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、磁気抵抗素子としてのGMR素子と磁気収束板の基本的な配置パターンを説明するための構成図である。
図5(a),(b)乃至図7(a),(b)は、本発明に係る磁気センサの前提となる磁気センサを説明するための構成図で、磁気抵抗素子としてのGMR素子と磁気収束板の基本的な配置パターンを説明するための構成図である。図5(a),(b)は、磁気収束板によるX軸方向の磁場変換の様子を説明するための図で、図6(a),(b)は、磁気収束板によるY軸方向の磁場変換の様子を説明するための図で、図7(a),(b)は、磁気収束板によるZ軸方向の磁場変換の様子を説明するための図である。
なお、磁気抵抗素子としてGMR素子を用いているが、GMR素子に限定されるものではなく、トンネル磁気抵抗(TMR)素子やその他磁気抵抗変化素子を用いても何ら構わない。また磁気収束板はNiFe、NiFeB乃至NiFeCo、CoFeなどの軟磁気特性を示す磁性材料であれば良い。
GMR素子21は、GMR素子の幅、長さはGMR素子の抵抗や感度に合わせて任意に調整出来るが、GMRの間に磁気収束板を配置する構造をとるためつづら折りのピッチは磁気収束板の幅よりも大きいことが好ましい。
また、一方の磁気収束部22は、GMR素子を挟む位置に配置される、互いに独立した2つの磁気収束部と、それに直交して結合する磁気収束部から成る。本明細書ではGMR素子を挟む位置に配置される磁気収束部を櫛歯状磁気収束板、櫛馬状磁気収束板に直交して結合する部分を梁状磁気収束板と定義する。
紙面の右方向を+X軸方向、上方向を+Y方向、紙面に垂直な方向を+Z方向と定義する。このような構成により、GMR21にX,Y、Zの磁場が掛かった時の抵抗変化について説明する。
ΔRx=aHx(aは磁性体による磁場変換効率)
磁場変換効率は、磁気収束板の形状やGMRと磁気収束板の相対位置により任意に調整でき、特に限定されるものではない。
ΔRy=cHy (cは磁性体による磁場変換効率)
ΔRz=dHz (dはZ軸磁場の変換効率)
GMR31と磁気収束板32、33からなる磁気検出部をR1、GMR41と磁気収束板42、43からなる磁気検出部をR2とし、それぞれ磁場がかからない時の抵抗値をRとする。
R’=R(1+ΔR/R)
R1,R2にZ/Y/Zの磁場が同時に印加されたときのR1とR2の差が、以下の関係式で表される。
R1=R(1+(ΔRx1+ΔRy1+ΔRz1)/R)
R2=R(1+(ΔRx2+ΔRy2+ΔRz2)/R
ΔR=R2−R1
=R(1+(ΔRx2+ΔRx2+ΔRz2)/R)
−R(1+(ΔRx2+ΔRy1+ΔRz1)/R)
=(ΔRx2−ΔRx2)+(ΔRx2−ΔRy1)+(ΔRz2
−ΔRz1)
Vout=(ΔR/R)×R1=ΔR×I
この実施形態では定電流駆動の例を示しているが、駆動方式はこれに限定されるものではない。
<実施形態1>
図9は、本発明に係る磁気センサの実施形態1を説明するための構成図で、X軸磁気センサのGMR素子と磁気収束板の配置パターンを説明するための構成図である。
図中符号50は第1の磁気センサ部、51はGMR素子、51aはGMR素子51の第1部分、51bはGMR素子51の第2部分、51cはGMR素子51の第3部分、51dはGMR素子51の第4部分、51eはGMR素子51の第5部分、51fはGMR素子51の第6部分、52は一方の磁気収束板、52aは一方の磁気収束板52の櫛歯の第1部分、52bは一方の磁気収束板52の櫛歯の第2部分、52cは一方の磁気収束板52の櫛歯の第3部分、53は他方の磁気収束板、53aは他方の磁気収束板53の櫛歯の第1部分、53bは他方の磁気収束板53の櫛歯の第2部分、53cは他方の磁気収束板53の櫛歯の第3部分を示している。
また、第1の磁気センサ部50には、第1のパターン内で接続された感磁部の一方の端と他方の端を直列に繋ぐことで第1のパターンを複数個隣接して配置出来るよう、GMR素子51eとGMR素子51d、GMR素子51cとGMR素子51bは直線的に接続されている。
梁状磁気収束板の長手方向の長さは、櫛歯状の磁気収束板52cと53cの間隔とよりも長くなるように配置されている。また、櫛歯状の磁気収束板52cと53cの間隔が櫛歯状の磁気収束板52bと53cの間隔よりも短くなるように配置されている。
梁状磁気収束板の長手方向の長さは、櫛歯状の磁気収束板62aと63aの間隔とよりも長くなるように配置されている。また、櫛歯状の磁気収束板62aと63aの間隔が櫛歯状の磁気収束板62bと63aの間隔よりも短くなるように配置されている。
つまり、本発明に係る磁気センサにおけるX軸磁気センサは、第1の磁気センサ部50と第2の磁気センサ部60とからなり、この第1の磁気センサ部50と第2の磁気センサ部60とはお互いにB−B線において線対称、つまり、対称軸B−B線を境に2つの部分に分けられた第1のセンサ部50と第2の磁気センサ60の一方を折り返すともう一方に重なるように配置されている。
ΔRx=aHx
ΔRy=cHy
ΔRz=dHz−dHz=0
X1=ΔRx+ΔRy+ΔRz=aHx+Hy
ΔRx=−aHx
ΔRy=cHy
ΔRz=dHz−dHz=0
X2=ΔRx+ΔRy+ΔRz=−aHx+Hy
したがって、X1とX2を演算すると、X2−X1=2aHxとなる。
同様に、磁気センサの櫛状の磁気収束板により、X軸方向とY軸方向とZ軸方向が変換され、Y軸方向の磁場は、第1及び第2のGMR素子に対し反対の向きで磁場がかかるように磁場変換され、X軸方向の磁場は、同一方向に変換されるのに対し、Z軸方向の磁場はコ字状部分の磁気収束板の内側に配置された第1及び第2のGMR素子で+/−になるように磁場が掛かるため相殺され、第1のGMR素子と第2のGMR素子の抵抗の差を演算することで、X軸方向の磁場を消去し、Y軸方向の磁場を2倍に増幅する。
図12は、本発明に係る磁気センサの実施形態2を説明するための構成図で、Z軸磁気センサのGMR素子と磁気収束板の配置パターンを説明するための構成図である。また、Z軸磁気センサについて説明するための図である。
図中符号90は第5の磁気センサ部、91はGMR素子、91aはGMR素子91の第1部分、91bはGMR素子91の第2部分、91eはGMR素子91の第3部分、91fはGMR素子91の第4部分、92は一方の磁気収束板、92aは一方の磁気収束板92の第1部分、92bは一方の磁気収束板92の第2部分、93は他方の磁気収束板、93aは他方の磁気収束板93の第1部分、93bは他方の磁気収束板93の第2部分を示している。
このような構成により、感磁部であるGMR素子91eの長手方向に櫛歯状の磁気収束板93bが隣接され、GMR素子91eの中点よりも、櫛歯状の磁気収束板93bの中点が外側に配置された第3の磁気感知部をもち、また感磁部であるGMR素子91fの長手方向に櫛歯状の磁気収束板92bが隣接され、GMR素子91fの中点よりも、櫛歯状の磁気収束板92bの中点が外側に配置された第四の磁気感知部をもち、第3の磁気感知部と第四の磁気感知部の感磁部同士が直列接合されている単一パターンである第3のパターンを有している。
また、第3のパターンを有する第5の磁気センサ部90には、第3のパターン内で接続された感磁部の一方の端と他方の端を直列に繋ぐことで第3のパターンを複数個隣接して配置出来るよう、GMR91eとGMR91bは直線的に接続されている。
梁状磁気収束板の長手方向の長さは、櫛歯状の磁気収束板91eと91fの間隔とよりも長くなるように配置されている。また、櫛歯状の磁気収束板91eと91fの間隔が櫛歯状の磁気収束板91eと91bの間隔よりも短くなるように配置されている。
梁状磁気収束板の長手方向の長さは、櫛歯状の磁気収束板102aと103aの間隔とよりも長くなるように配置されている。また、櫛歯状の磁気収束板102aと103aの間隔が櫛歯状の磁気収束板102aと103bの間隔よりも短くなるように配置されている。
ΔRx=cHx
ΔRy=aHy
ΔRz=−dHz
Z1=ΔRx+ΔRy+ΔRz=Hx+aHy−dHz
ΔRx=cHx
ΔRy=aHy
ΔRz=dHz
Z2=ΔRx+ΔRy+ΔRz=Hx+aHy+dHz
したがって、Z1とZ2を演算すると、Z2−Z1=2dHzとなる。
図13は、本発明に係る磁気センサの実施形態2の他の例を説明するための構成図である。なお、図13に示すようにGMR91bと91eの間にGMR91cと91dを配置することや、GMR101bと101eの間にGMR101cと101dを配置することで、GMRの抵抗を調整することも可能である。
また、第5の磁気センサ部90の長手方向の軸と、第6の磁気センサ部100の長手方向の軸とが互いに平行で、かつ異なる軸上に設けることも出来る。
このような各X、Y、Z軸のセンサからの検出出力は組立体両端の抵抗を測定し、抵抗を後段のIC回路等で演算することで算出出来る。
X軸センサ150の第1の磁気センサ部50の電極112−113間での抵抗変化X1はaHx+cHy、X軸センサ150の第2の磁気センサ部60の113−114間での抵抗変化X2は−aHx+cHyで、X軸センサ150の検出出力は、磁気センサ部50と60の抵抗変化を後段のIC等で差を演算することで、X2−X1=2aHxとなる。
また、本実施例では各GMR素子の両端に電極パッドを接続させているが、GND端子など共通出来る端子は共用することも可能である。
図16を用いてX軸センサ180の構造を説明した図であるXセンサ180はGMR素子51および、一方の磁気収束板52、および他方の磁気収束板53からなり、前記第一のパターンから成っている。更に、第一のパターンが有する櫛歯状磁気収束板52aの構造中心点を通り、櫛歯状磁気収束板の52aの構造中心線に対し、線対称な位置に配置されるGMR素子61が配置されている。GMR素子61はGMR素子62と同じ一方の磁気収束板52、および他方の磁気収束板53に隣接され、GMR素子61は、GMR素子61c、61dを電気的に接合する接合部が、第1のパターンと逆方向に配置される第6のパターンからなる。
このようにすることにより、X軸センサとY軸センサの投影面積が小さくなるため、チップのセンサ搭載面積が少なくなり、磁気センサのコンパクト化を図ることができる。
図17(a)乃至(e)は、本発明に係る磁気センサの実施形態3を説明するための構成図で、X軸及びY軸磁気センサのGMR素子と磁気収束板の配置パターンを説明するための構成図である。
単一配置パターンG,Hは、図17(a)に示すように、互いに線対称の配置パターンになっている。単一配置パターンGの構成は、GMR素子(感磁部171a,171b)171のコ字状部分の一方の外側には、磁気収束板172の第1部分172aが接しており、GMR素子171のコ字状部分の他方の外側には、磁気収束板173の第1部分173aが接している。この配置パターンの2パターン以上の繰り返し構造で、単一配置パターンGと単一配置パターンHとは、互いに線対称の配置パターンになっている。なお、磁気収束板(梁)は必須ではないが、あった方が効率的に磁気収束可能となる。
図17(a)においては、単一配置パターンG,Hは、繋がっていたが、図17(e)においては、X方向に位置ずれして配置されている。
図18(a)乃至(c)は、本発明に係る磁気センサの実施形態4を説明するための構成図で、X軸及びY軸磁気センサのGMR素子と磁気収束板の配置パターンを説明するための構成図である。
図17(a)においては、GMR素子(感磁部171a,171b)171のコ字状部分の一方の外側には、磁気収束板172の第1部分172aが接しており、GMR素子171のコ字状部分の他方の外側には、磁気収束板173の第1部分173aが接しているが、図18(a)に示すように、磁気収束板172の第1部分172aと感磁部171a、磁気収束板173の第1部分173aと感磁部171baとは必ずしも接していなくても良い。磁気収束板172の第1部分172aと磁気収束板173の第1部分173aとを、2つの感磁部171a,171bと等距離に配置されていれば、磁気収束板は感磁部と接触していなくともよい。
図18(c)に示すように、梁と繋がっていない磁気収束板の先端形状は、半円のような角がない形状であってもよいし、三角形状でもあってもよい。四角形(長方形や矩形)である必要はない。
図19(a)乃至(d)は、本発明に係る磁気センサの実施形態5を説明するための構成図で、Z軸磁気センサのGMR素子と磁気収束板の配置パターンを説明するための構成図である。
単一配置パターンI,Jは、図19(a)に示すように、互いに点対称の配置パターンになっている。単一配置パターンIの構成は、GMR素子(感磁部171a,171b)171のコ字状部分の一方の内側には、磁気収束板173の第1部分173aが接しており、GMR素子171のコ字状部分の他方の外側には、磁気収束板172の第1部分172aが接している。この配置パターンの2パターン以上の繰り返し構造で、単一配置パターンIと単一配置パターンJとは、互いに点対称の配置パターンになっている。
図19(c)に示すように、図19(a)における磁気収束板(梁)72,73を除いた構成を示す図で、磁気収束板172の第1部分172aは、磁気収束板172側に突出している。同様に、磁気収束板173の第1部分173aは、磁気収束板173側に突出している。この単一配置パターンは、複数接続されていた方が感度はアップする。図19(c)における磁気収束板172の第1部分172aと、磁気収束板173の第1部分173aに、T字状の磁気収束部材172c,173cが取り付けられている。この場合、磁気収束部材172c,173cと隣接する磁気収束材との距離Aが配置パターン内における2つの磁気収束材間の距離Bよりも遠い位置関係に配置されている。距離Aは梁の端と櫛歯の最短距離である。
図20(a)乃至(c)は、基板平面に対して平行な任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサの基本配置パターンの構成図で、同一基板上で基板平面に対して垂直方向の磁場を検知できるようにした磁気センサである。
図21(a)乃至(d)は、基板平面に対して垂直方向の磁場を検知できるようにした磁磁気センサの基本配置パターンの構成図で、同一基板上で基板平面に対して垂直方向の磁場を検知できるようにした磁気センサである。
図22は、基板平面に対して平行な任意の軸方向の磁場(図22においては、基板平面に対して平行かつ磁気収束材の長手方向に垂直な軸)を検知できるようにした磁気センサの基本構造を示す図である。第1の配置パターンと、この第1の配置パターンの磁気収束材201b,202bの長手方向と平行に線対称の位置関係で、かつ互いに重ならないように離間して対向配置された第1の配置パターン211と同じ構造を有する第3の配置パターン213とからなる第1の構造Aを有している。
図26は、配置パターンを複数個配列した磁気センサの基本構造を示す図である。第1の配置パターン211から第4の配置パターン214において、それぞれの配置パターンにおいて、全く同じ構造の配置パターンが複数個存在して配置パターン群を構成し、この配置パターン群が、互いに並行にかつ重ならないように配置され、かつ同一の配置パターンがそれぞれ有する感磁部同士が、1つの直列接続となるように電気的に接続されている。
図28は、磁気収束板間と磁気抵抗(GMR)素子の距離を説明するための図である。各配置パターン間における磁気収束材間の距離Dが、各配置パターン内における2つの磁気収束材間の距離Eよりも長くなるように構成されている。
図32は、電極パッドと信号処理回路との電気的接合を示す図である。接続部211a,213aにより電気的に接合されていない感磁材201a,202aの端部が、電極パッド(P1乃至P4)もしくは信号処理回路(IC)に電気的に接合されている。
図34は、磁気収束材と感磁材との高さ方向の位置関係を示す図である。同一平面基板上に感磁材201a乃至204aと磁気収束材201b乃至204bが形成され、感磁材の底面が磁気収束材の底面よりも下に配置されている。
また、磁気抵抗素子の短手方向の幅が、0.1〜20ミクロンであることが望ましい。また、磁気収束部が、NiFe、NiFeB、NiFeCo、CoFe等の軟磁性材料から成ることが望ましい。さらに、磁気収束材の厚みが、1〜40ミクロンであることが望ましい。
また、上述した磁気検出方法を組み合わせることで、同一平面上で、X磁場,Y磁場,Z磁場を3軸の混成磁場を分離して単独で検知できるようにすることも可能である。
2 ピンド層(固定層)
3 Cu層(スペーサ層)
4 フリー層(自由回転層)
21,31,41,51,61,71,81,91,101,171 GMR素子
22,52,62,72,82,92,102 一方の磁気収束板
23,53,63,73,83,93,103 他方の磁気収束板
32,33,42,43 磁気収束板
50 第1の磁気センサ部
51a GMR素子51の第1部分
51b GMR素子51の第2部分
51c GMR素子51の第3部分
51d GMR素子51の第4部分
51e GMR素子51の第5部分
51f GMR素子51の第6部分
52a 一方の磁気収束板52の櫛歯の第1部分
52b 一方の磁気収束板52の櫛歯の第2部分
52c 一方の磁気収束板52の櫛歯の第3部分
53a 他方の磁気収束板53の櫛歯の第1部分
53b 他方の磁気収束板53の櫛歯の第2部分
53c 他方の磁気収束板53の櫛歯の第3部分
60 第2の磁気センサ部
61a GMR素子61の第1部分
61b GMR素子61の第2部分
61c GMR素子61の第3部分
61d GMR素子61の第4部分
61e GMR素子61の第5部分
61f GMR素子61の第6部分
62a 一方の磁気収束板62の櫛歯の第1部分
62b 一方の磁気収束板62の櫛歯の第2部分
62c 一方の磁気収束板62の櫛歯の第3部分
63a 他方の磁気収束板63の櫛歯の第1部分
63b 他方の磁気収束板63の櫛歯の第2部分
63c 他方の磁気収束板63の櫛歯の第3部分
90 第5の磁気センサ部
91a GMR素子91の第1部分
91b GMR素子91の第2部分
91e GMR素子91の第3部分
91f GMR素子91の第4部分
92a 一方の磁気収束板92の第1部分
92b 一方の磁気収束板92の第2部分
93a 他方の磁気収束板93の第1部分
93b 他方の磁気収束板93の第2部分
100 第6の磁気センサ部
101a GMR素子101の第1部分
101b GMR素子101の第2部分
101e GMR素子101の第3部分
101f GMR素子101の第4部分
102a 一方の磁気収束板102の第1部分
102b 一方の磁気収束板102の第2部分
103a 他方の磁気収束板103の第1部分
103b 他方の磁気収束板103の第2部分
110,200 同一平面基板
111乃至122 電極パッド
112,113,115,116,117,118,119,120,121,122 電極
131乃至142 配線
150,180 X軸センサ
160,190 Y軸センサ
170 Z軸センサ
171a,171b 感磁部
172,173 磁気収束板
172a 磁気収束板172の第1部分
173a 磁気収束板173の第1部分
201 第1の磁気検知部
201a,203a 感磁材
201b,203b 磁気収束材
202 第2の磁気検知部
203 第3の磁気検知部
204 第4の磁気検知部
204b 磁気収束材
211 第1の配置パターン
211a,211b,212a,213a,216b 接続部
211c 磁気収束部材
212 第2の配置パターン
214 第4の配置パターン
215 第5の配置パターン
216 第6の配置パターン
Claims (40)
- 基板平面に対して平行な任意の軸方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、
前記基板上に四角形状の感磁材と、該感磁部と長さの異なる四角形状の磁気収束材とを有し、基板に対して平行かつ、前記感磁材の長手方向の中点を通る中線と前記磁気収束材の長手方向の中線とが、互いに交わらないように水平に配置された第1の磁気検知部と、
該第1の磁気検知部と構成が同一である第2の磁気検知部とを備え、
前記第1の磁気検知部の感磁材と、前記第2の磁気検知部の感磁材との両方が、前記第1の磁気検知部の磁気収束材と前記第2の磁気検知部の磁気収束材とに挟まれるように点対称の位置関係で、かつ前記第1の磁気検知部と前記第2の磁気検知部とが互いに重ならないように配置され、
前記第1の磁気検知部の感磁材と、前記第2の磁気検知部の感磁材とを電気的に直列接続する接続部とからなる第1の配置パターンを有することを特徴とする磁気センサ。 - 基板平面に対して垂直方向の磁場を検知できるようにした磁気センサにおいて、
前記基板上に四角形状の感磁材と、該感磁部と長さの異なる四角形状の磁気収束材とを有し、基板に対して平行かつ、前記感磁材の長手方向の中点を通る中線とが、互いに交わらないように水平に配置された第3の磁気検知部と、
該第3の磁気検知部の前記磁気収束材の長手方向に垂直な線に対して、構造が線対称の第4の磁気検知部とを備え
前記第3の磁気検知部の感磁材が、前記第3の磁気検知部の磁気収束材と、前記第4の磁気検知部の磁気収束材とに挟まれるように配置され、かつ前記第3の磁気検知部と前記第4の磁気検知部とが互いに平行、かつ重ならないように配置され、
前記第3の磁気検知部の感磁材と、前記第4の磁気検知部の感磁材とを電気的に直列接続する接続部とからなる第2の配置パターンを有することを特徴とする磁気センサ。 - 前記第1の配置パターンと、基板平面に対し平行で、該第1の配置パターンの前記磁気収束材の長手方向に平行な線に対して、前記磁気収束材と感磁材の位置関係が対称になり、かつ互いに重ならないように離間して対向配置された前記第1の配置パターンと同じ構造を有する第3の配置パターンとからなる第1の構造を有することを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。
- 前記第1の構造と、該第1の構造と同様の構造を有する第2の構造とが、互いに平行でなくかつ互いに重ならないように配置されたことを特徴とする請求項3に記載の磁気センサ。
- 前記第2の配置パターンと、該第2の配置パターンと同様の構造を有する第4の配置パターンとが、基板平面に対し平行で、前記第2の配置パターンの磁気収束材の長手方向側の点に対し、前記第2の配置パターンと前記第4の配置パターンとが、互いに点Moに対し、対称の位置関係でかつ互いに重ならないように離間して対向配置された第3の構造を有することを特徴とする請求項2に記載の磁気センサ。
- 前記第1の構造と、前記第2の構造とが、互いに垂直な位置関係で配置されていることを特徴とする請求項4に記載の磁気センサ。
- 前記第1の構造と前記第2の構造、又は前記第1の構造と前記第3の構造、又は前記第2の構造と前記第3の構造、又は前記第1の構造と前記第2の構造と前記第3の構造とが同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項3乃至6のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記第1の配置パターンから前記第4の配置パターンにおいて、それぞれの配置パターンにおいて、全く同じ構造の配置パターンが複数個存在して配置パターン群を構成し、該配置パターン群が、互いに平行にかつ重ならないように配置され、かつ同一の配置パターンがそれぞれ有する感磁部同士が、1つの直列接続となるように電気的に接続されていることを特徴とする請求項3乃至7のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記第1の配置パターンから前記第4の配置パターンのそれぞれの磁気収束材において、磁気収束部材が、前記配置パターンの構造中心点から遠い位置の方の前記磁気収束材の短手側でT字状に接するように配置され、前記磁気収束部材と隣接する磁気収束材との距離(A)が前記配置パターン内における2つの磁気収束材間の距離よりも遠い位置関係に配置されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記各配置パターン間における磁気収束材間の距離が、前記各配置パターン内における2つの磁気収束材間の距離よりも長いことを特徴とする請求項3乃至9のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記第1の配置パターンと、基板の平面方向に対し平行で、該第1の配置パターンが有する2つの磁気収束材の内の一方の磁気収束材の構造中心点を通り、前記磁気収束材の長辺に平行な直線に対して、前記第1の配置パターンと対称な位置関係にある第5の配置パターンにおいて、前記感磁材を電気的に接続する接続部が、前記第5の配置パターンにおける接続部とは逆の前記感磁材の端部に配置された第6の配置パターンとからなる構造を有することを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。
- 前記第1の配置パターンと前記第6の配置パターンとが交互に繰り返し複数個配列され、前記第1の配置パターン内の感磁材同士が、電気的な1直列接続となるように接続部で接続され、前記第6の配置パターン内の感磁材同士が、電気的な1直列接続となるように接続部で接続され、
前記第1の配置パターン内の磁気収束材間の距離と、前記第6の配置パターン内の磁気収束材間の距離とが互いに等しいことを特徴とする請求項11に記載の磁気センサ。 - 前記各構造内における2つの配置パターンを構成するそれぞれの前記感磁材の面積が、互いに等しいことを特徴とする請求項3乃至12のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記接続部により電気的に接合されていない前記感磁材の端部が、電極パッドもしくは信号処理回路に電気的に接合されていることを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記単一の配置パターンにおいて、基板平面に対して平行で、該単一の配置パターンを構成する前記第1及び第2の磁気感知部の前記感磁材の長手方向の中線が、前記第1及び第2の磁気感知部の前記磁気収束材の長手方向の中線と、前記単一の配置パターン内の対称点又は対称線の間に配置されることを特徴とする請求項1乃至14のいずれかに記載の磁気センサ。
- 同一基板上に前記感磁材と前記磁気収束材が形成され、前記感磁材の底面が前記磁気収束材の底面よりも下に配置されていることを特徴とする請求項1乃至15のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記感磁材が、巨大磁気抵抗素子又はトンネル磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項1乃至16のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記感磁材の短手方向の幅が、0.1〜20ミクロンであることを特徴とする請求項1乃至17のいずれか記載の磁気センサ。
- 前記磁気収束部が、NiFe、NiFeB、NiFeCo、CoFe等の軟磁性材料から成ることを特徴とする請求項1乃至18のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記磁気収束材の厚みが、1〜40ミクロンであることを特徴とする請求項1乃至19のいずれかに記載の磁気センサ。
- 等間隔で複数の突起状部材が形成された櫛状の一方の磁気収束板と、
該一方の磁気収束板に対向するように設けられ、等間隔で複数の突起状部材の突起が形成された櫛状の他方の磁気収束板と、
前記一方及び他方の磁気収束板の前記突起状部材に沿ってつづら折り状に配置された磁気抵抗素子とを備え、
該磁気抵抗素子のコ字状部分の一方の外側には、前記一方の磁気収束板の第1部分が配置されており、前記磁気抵抗素子のコ字状部分の他方の外側には、前記他方の磁気収束板の第1部分が配置されている単一配置パターンを有することを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。 - 前記単一配置パターンが、互いに線対称になっていることを特徴とする請求項21に記載の磁気センサ。
- 前記磁気収束板を取り除いた場合に、前記磁気収束板の前記第1部分及び前記第2部分が、前記磁気抵抗素子よりも突出していることを特徴とする請求項21又は22に記載の磁気センサ。
- 前記磁気抵抗素子の感磁部を挟む前記一方の磁気収束板の第1部分と、前記他方の磁気収束板の第1部分との距離は、配置パターン間の磁気収束板間の距離よりも狭いことを特徴とする請求項21,22又は23に記載の磁気センサ。
- 前記磁気抵抗素子の感磁部の接続部が、前記感磁部同じ材質ではないことを特徴とする請求項21乃至24のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記一方の磁気収束板の第1部分と、前記他方の磁気収束板の第1部分に、T字状の磁気収束部材を設けるとともに、前記磁気収束部材と隣接する前記磁気収束材との距離が配置パターン内における2つの磁気収束材間の距離よりも遠い位置関係に配置されていることを特徴とする請求項21乃至25のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記単一配置パターンが、X軸方向に位置ずれして配置されていることを特徴とする請求項21乃至26のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記一方の磁気収束板の第1部分と前記感磁部及び前記他方の磁気収束板の第1部分と前記感磁部とが接触することなく、前記一方の磁気収束板の第1部分と前記他方の磁気収束板の第1部分とを、前記感磁部と等距離に配置されていることを特徴とする請求項21乃至27のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記感磁部が、断面において、前記一方の磁気収束板の第1部分と前記他方の磁気収束板の第1部分の下側に配置され、かつ前記磁気収束板の中線を越えていないことを特徴とする請求項21乃至28のいずれかに記載の磁気センサ。
- 前記磁気収束板に繋がっていない前記第1部分の先端形状が、長方形であることを特徴とする請求項21乃至29のいずれかに記載の磁気センサ。
- 等間隔で複数の突起状部材が形成された櫛状の一方の磁気収束板と、
該一方の磁気収束板に対向するように設けられ、等間隔で複数の突起状部材の突起が形成された櫛状の他方の磁気収束板と、
前記一方及び他方の磁気収束板の前記突起状部材に沿ってつづら折り状に配置された磁気抵抗素子とを備え、
該磁気抵抗素子のコ字状部分の一方の内側には、前記他方の磁気収束板の第1部分が接しており、前記磁気抵抗素子のコ字状部分の他方の外側には、前記一方の磁気収束板の第1部分が接している単一配置パターンを有することを特徴とする請求項2に記載の磁気センサ。 - 前記単一配置パターンが、互いに点対称になっていることを特徴とする請求項31に記載の磁気センサ。
- 前記単一配置パターンの前記磁気収束板間の距離が、隣接する同一の単一配置パターン間の距離よりも狭いことを特徴とする請求項31又は32に記載の磁気センサ。
- 前記磁気収束板を取り除いた場合に、前記磁気収束板の前記第1部分及び前記第2部分が、前記磁気抵抗素子よりも突出していることを特徴とする請求項31,32又は33に記載の磁気センサ。
- 前記一方の磁気収束板の第1部分と、前記他方の磁気収束板の第1部分に、T字状の磁気収束部材を設けるとともに、前記磁気収束部材と隣接する前記磁気収束材との距離が配置パターン内における2つの磁気収束材間の距離よりも遠い位置関係に配置されていることを特徴とする請求項31乃至34のいずれかに記載の磁気センサ。
- 請求項1乃至35のいずれかに記載の磁気センサを用いた磁気検出方法において、
空間中の磁場のそれぞれ異なる任意の3軸方向の磁場成分の内、2軸以上の方向の磁場成分が磁気収束材によって曲げられることを利用して、空間中の任意の軸方向の磁場を独立して検出することを特徴とする磁気検出方法。 - 請求項3,4,6乃至10,13乃至20のいずれかに記載の磁気センサを用いた磁気検出方法において、
前記第1の配置パターンと前記第3の配置パターンを有する第1の構造を有する磁気センサを用いて、前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場は、前記第1の配置パターンと前記第3の配置パターンに対し、各々反対の方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場は同一方向に磁場変換され、更に磁気収束材の平面方向に垂直な磁場は単一パターン内に隣接する前記感磁部で+/−になるように磁場が掛かるため相殺され、前記第1の配置パターンを有する前記磁気センサと前記第3の配置パターンからなる磁気センサの感磁部の抵抗の差を演算することで、前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場のみを単独で演算することのできるようにすることを特徴とする磁気センサの磁気検出方法。 - 請求項4,6乃至10,13乃至20のいずれかに記載の磁気センサを用いた磁気検出方法において、
前記第1の構造の配置パターンが互いに平行でなく、かつ互いに重ならないように配置された第2の構造を有する磁気センサを用いて、前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場は、前記第1の配置パターンと前記第3の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場は、同一方向に磁場変換され、更に前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場は単一パターン内に隣接する感磁部で+/−になるように磁場が掛かるため相殺され、前記第2の構造からなる磁気センサの抵抗の差を演算することで、前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場のみを単独で演算することのできるようにすることを特徴とする磁気センサの磁気検出方法。 - 請求項2,5,7乃至10,13乃至20のいずれかに記載の磁気センサを用いた磁気検出方法において、
前記第2の配置パターンと前記第4の配置パターンを有する磁気センサを用いて、前記磁気収束材の長手方向に平行な磁場は前記第2の配置パターンと前記第4の配置パターンに対し、各々同じの方向に変換され、前記磁気収束材の長手方向に垂直な磁場は同一方向に磁場変換され、更に前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場は、前記第2の配置パターンと前記第4の配置パターンに対して各々反対の方向に変換され、前記第4の配置パターンを有する磁気センサと前記第2の配置パターンからなる磁気センサの抵抗の差を演算することで、前記磁気収束材の平面方向に垂直な磁場のみを単独で演算することのできるようにすることを特徴とする磁気センサの磁気検出方法。 - 請求項36乃至39のいずれかに記載の磁気検出方法を組み合わせることで、2軸又は3軸の磁場成分をそれぞれ独立して検知することを特徴とする磁気センサの磁気検出方法。
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