JP2016529499A - センサ素子を備えたセンサ、および当該センサ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、測定対象への距離に応じて変化するが一時的には一定である磁界を使用して経路または距離を測定する誘導センサのセンサ素子であって、薄い強磁性材料が基板に統合されたセンサ素子に関する。さらに、本発明は、当該センサ素子を含むセンサと、当該センサ素子の製造方法とに関する。【選択図】図３

Description

本発明は、経路または距離を測定するための誘導センサのセンサ素子、当該センサ素子を含むセンサ、ならびに、当該センサ素子および当該センサの製造方法に関する。

慣例より、ＰＣＢベース上の平面コイルにより実現される、標準用途用のＭＤＳセンサがよく知られている。
この種のＭＤＳでは、薄い強磁性箔を測定コイルまたはトランスミッタに取り付ける。
この取り付けは、さまざまな方法で行うことができる。
以下は、実際の用途でよく知られている、従来の解決策である。

強磁性箔は、粘着層（両面テープ、または粘着層を備えるキャリアストリップ）を利用して、箔キャリアに固定される。
箔キャリアは、箔が適用される領域の直下に銅表面（渦電流センサ）または追加のコイルもしくは互いに隣り合った２つの導体線（トランスミッタ）を備える回路板であることが好ましい。
接触等による干渉を最小化するため、銅表面は、評価電子機器に対して確認された電位に置かれるか、または、追加のコイルとの接触が存在していなければならない。
いずれの場合も、接触の可能性を作り出す必要がある。
少量の場合は、手動加工が、現実的である。

本発明は、特に大量数を生産する場合に、再現性のある結果を伴う自動生産を実現する、経路または距離の測定のための誘導センサのセンサ素子、当該センサ素子を含むセンサ、ならびに当該センサ素子および当該センサの製造方法を提供するという課題に基づく。

センサ素子およびセンサを、高いコスト効果で生産することが意図されている。

上述した目的は、請求項１、請求項８、および、請求項１３の特徴により、解決される。
よって、本発明に係るセンサ素子は、測定対象への距離に応じて変化するが一時的には一定である磁界により区別されるセンサ素子を表す。
方法では、強磁性材料が、基板に統合される。

本発明の有利な態様で装備および実装するための選択肢は、さまざまである。
この点に関しては、一方では、請求項１に従属する請求項が参酌され、他方では、本発明の実施形態についての図面を用いた以下の説明が参酌される。
図面に基づく本発明の実施形態に加えて、他の好ましい実施形態および実装についても説明する。

本発明に係るセンサ素子を備えた平面型センサ、具体的には、２つの強磁性箔および２つの導電箔をそれぞれ備えるＭＤＳの概略図。 磁界強度Ｈに対する透磁率μのグラフを示す概略図。 箔キャリアがコイルを具備する回路板に組み合わされた、本発明に係るセンサ素子を備えたセンサの概略図。 回路板に箔パケットが適用された実施形態の概略図。 回路板層構造の概略図。 回路板の生産時にストリップとして挿入される箔ストリップの概略図。 高温用途用のＭＤＳの概略図。

基になる課題から生じる要件に最も近いのは、平面型センサの実装である。
最も簡単な事例では、構造は、箔と、平面コイルとからなる。
この構造を、センサ感度という点で、コイルのまだ覆われていない側にさらなる箔を追加することにより改善することができる。
導電性の非強磁性箔（たとえば、銅またはアルミニウムでできたもの）を、軟磁性箔のコイルから離間する側にそれぞれ取り付けることで、効果をさらに高めることができる。
これを、図１に示す。

コイルは、浸透深さが箔の厚さと同じ大きさである周波数範囲で動作する。
磁界強度に依存し、影響元の磁界に依存する比透磁率のグラフが、図２に示されている。
磁石が近づくと、比透磁率は、最大値を超えた後で下降する。
この下降傾斜が、ＭＤＳの動作範囲である。
結果として、渦電流に対する浸透深さの計算を通じて容易に理解されるように、軟磁性箔での浸透深さが増加する。
軟磁性箔は、導電性を有するため、軟磁性箔の内部に、渦電流センサの磁界に対する反磁界（ｏｐｐｏｓｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）に発展する渦電流が形成される。
このことから生じる事前減衰（ｐｒｅ−ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ）を可能な限り低く抑えるために、軟磁性箔の導電性を可能な限り低くする必要がある。

動作範囲の開始時点で、すなわち、磁石が離れているときに、透磁率は高く、浸透深さは低い。よって、渦電流センサは、箔の透磁率により事実上独占的に影響される。
これにより、コイルの誘導性が高まる。
動作範囲の終了時点で、すなわち、磁石がはるかに近づいているときに、透磁率は、きわめて低く、導電性の減衰特性（反磁界）が優勢となる。
同時に、浸透深さが、箔の厚さを越えて増加する。
このことは、渦電流が減少し、反磁界も弱くなるという結果を招く。
これにより、測定効果が低下する。
図１の実施形態に係る、追加の導電性の非強磁性箔は、軟磁性箔の厚さを超える浸透深さの場合、追加の渦電流につながる。
この追加の渦電流は、低比抵抗で、比透磁率がほぼ１であるという利点により、浸透深さが強磁性箔を超える場合でも、コイルに影響を与える。
このことは、透磁率の変化により決定された測定効果の減少を弱める。

よって、渦電流センサは、磁石の距離がごくわずかである場合に、ごくわずかな距離で導電材料を測定する場合と同様に動作し、強磁性箔が存在しないかのように動作する。
このとき、渦電流センサコイルは、最低限の誘導性を有する。
渦電流センサの両側が対称構造になっていることが、磁石の影響下で、１００％超に容易に達し得るインピーダンスのきわめて大きな変化を引き起こす。
そのような大きな測定効果は、高い分解能およびセンサ感度につながる。
このことから、最終的なセンサ特性が構造に関連するパラメータにも依存することが明確に理解される。
コイルおよび箔の熟練した配置と、形状および形式の設計とを通じて、透磁率の下降傾斜にわたり、磁石距離と測定信号との間のほぼ直線的な関係を作り出すことができる。

「トランスミッタ」として構築された場合、ＭＤＳの機能は、浸透深さおよび遮蔽効果について、同様に説明される。
経済的な解決策を提供するために、それぞれが印刷回路技術を使用して実装された２つのコイルの間に、強磁性箔が配置される。
図２に示す主要特性曲線において、μ_ｍａｘの右側のみで作業が発生すると仮定した場合、以下の効果が生じる。

磁石距離が大きい場合、箔の有効μ_ｒも大きく、遮蔽効果も大きい。
第２のコイル（二次コイル）の上にある第１のコイル（一次コイル）の結合係数は、小さい。
よって、送信される電圧振幅は、小さい。
磁石が近づくと、比透磁率は、磁石の考えられる最も近い位置に対応する最低値まで減少する。
この場合、比透磁率は、最小であり、一次側と二次側との間の電磁結合は、最大である。
よって、二次コイルで測定可能な電圧振幅は、最大となる。
２つのコイル間の巻数比を単純に利用して、信号増幅を実現することができる。
さらに、この構造は、磁石の位置に対するきわめて高い感度を示し、また、インピーダンスではなく電流または電圧の増幅のみを分析すればよいという追加の利点を提供する。
ここでも、構造的な許容誤差がセンサ素子の再現性に直接対応することは、明らかである。
トランスミッタは、最低限の構成の場合、相互に近接して配置され軟磁性箔を介して連結された２つのストリップ導体のみの形式で実現することもできる。

両方の場合に、ばらつきを可能な限り低く抑え、かつ、トリミングなしで済ませるために、そのようなセンサの構造を、安全な生産方法で実装することが必要である。

箔キャリアが、図３のように、回路板として実現される場合、層状の銅箔を含むことができる。
プレートの裏側、すなわち、印刷回路板側に、軟磁性箔が適用される。
プレートは、回路板として組み立てられる。
コイルは、統合される。
はんだペーストまたははんだ付け工程を利用する場合、コイルに対するプレートの距離、すなわち、コイルに対する箔の距離は、条件付きでのみ再現可能である。

箔キャリアがプレートとして実現される場合、はんだ付け面を側方または裏側に取り付けることができる。
これらのはんだ付け面は、粘着層および強磁性箔によっては、測定平面コイルへの一定の間隙を有することに留意されたい。
この間隙は、上述した実施形態ではんだペーストを対応して適用することによってのみ、ブリッジングすることができる。
これにより、自動化および標準化された組み立てが可能となる。
測定コイルと強磁性箔との間の間隔は、測定結果に直接対応するため、この方法で工程の変動およびはんだペーストの適用の増加に起因して生じる、測定素子間のばらつきの増大を考慮しなければならない。
はんだ付け工程時に箔キャリアを追加で押下またはブレーシング（ｂｒａｃｉｎｇ）することにより、改善を図ることができる。
しかし、これは、追加的な手間であり、標準化された製造に反する。

図４に係る実施形態より、改善を導き出すことができる。
この実施形態によると、軟磁性箔が要素として銅箔に（プレートなしで）搭載されている。
より正確には、箔キャリアが、さらなる導電箔として実現されている（追加の導電層を具備する変種でのみ可能）。
上流の方法ステップで、強磁性箔が、粘着層を利用して導電箔（銅、アルミニウム等）に適用される。
これは、たとえば、ロールツーロール法で行うことができる。
この方法で得られる箔パケットも、同様に、自動的に組み立てることができる。
工程の安定性のために、追加の圧迫が有益である。
銅表面の接触は、銅箔へのはんだ付け点により与えられる。
これについては、以下の可能性が考えられる。

箔パケットは、縁部に印刷されたはんだペーストを覆う。
このとき、銅箔が、強磁性箔の上に突出しているか、または、追加の部分はんだ付けを実際のはんだ付け工程の下流で行う必要がある。
これにより、等しいサイズの箔部品間の確実な導電接続が保証される。
センサ素子間の間隔は、物質変動の効果に加えて、主として、箔パケットの測定コイルに対する配置精度による影響を受ける。
ただし、はんだ付け工程の上述した間隔に比べれば、はるかに小さいが、粘着層の厚さの変化も、制御に影響を与える。

製造工程を標準化された工程で行えるようにする重要なステップは、図５に関連して、詳述することができる。
図５では、コイルと、軟磁性箔と、該当する場合は銅箔とが、回路板またはプレートに統合されている。
この目的は、構成成分と同様に、任意の回路板またはより一般的には任意の回路キャリアに配置できるセンサモジュールを作成することである。
コイルは、ここでも、回路板の構築を通じて作成される。

コイル層および１つまたは複数の絶縁層の後に、強磁性箔が置かれる（図６を参照）。
１つ（または複数）のさらなる絶縁層が、強磁性箔の上に配置される。
この方法で、最も単純なセンサモジュールを構築することができる。
さらなる導電層またはコイル層は、冒頭で説明したような構造（トランスミッタまたは渦電流センサ）を実現する。

追加の銅層でセンサモジュールの感度を向上させるために、層構造を他の方向のコイル層に対称的に補足することができる。
外側の銅表面は、追加のワニス（はんだレジスト）を利用して保護することができる。
コイルおよび箔の形状、ならびに、モジュールの寸法、および、センサモジュールの機能部分間の間隔は、該当する測定要件に対して調整することができる。
導電面のコイル接続および接触面は、縁部を金属化することにより、側方で実現するか、または、表面で実現することができる。
側方で接触する選択肢は、自動工程で組み立て後の光学試験を簡素化し、個別の層の追加的な接続を通じて構造を安定させる。
また、この選択肢は、センサモジュールの最小限の大型化により実現することができる。
どちらの接触方法も、自動化された表面実装（ＳＭＤ）を可能にする。
強磁性材料は、テープ状または平坦箔状である。

テープ状である場合、強磁性材料は、最も簡単な事例では、適切なストリップに切断されてから導入される。
ストリップの長さは、センサモジュールの長さの倍数に対応し得る。
所望のモジュール長への切断は、製造パネルでの完成したセンサモジュールの分離を通じて行われる。
信号線を引くか、または、コイルが別の場所に続く場合のように、箔の領域で貫通接続が必要であり、箔への電気接点を回避しなければならない場合、強磁性ストリップを対応する領域で、たとえば、打ち抜きを通じて、加工しなければならない。
ただし、コイルの製造に必要な貫通接続は、「盲孔」として実装して、箔のさらなる機械的加工を不要にすることも可能である。
追加のストリップまたはフリーフォームの装填は、いわゆる、「フレックスリジッド回路板」の生産では特に一般的である。

材料が平坦である場合、所望の構造を打ち抜き、製造パネル全体の位置合わせマークを考慮することができる。
その後、材料を個別の層として、直接装填することができる。
こうすることで、既存の大量生産を、最小限の調整のみで、センサモジュールの構築および加工に使用することができる。
この技術は、センサモジュールおよび評価回路を同じ回路板に統合するためにも使用することができる。
その場合、センサ素子を追加で組み立てる必要は、なくなる。
ただし、回路の設計および数量によっては、２つの機能単位を分離することが有益であることを考慮する必要がある。

回路板への統合についてのさらなる関連特性は、以下を含む。
−センサ素子の保護／回路板への箔の統合、環境的影響からの保護
−自動工程が低い許容誤差を許容する。許容誤差の低下、再現性、箔とコイルの間の間隔の定義
−少量でもコスト効果の高い連続生産
−センサ素子が、評価回路と共に１つの回路板に統合される
−小型化および統合の向上（評価回路がセンサ素子の上に位置）。センサ素子を回路板に統合することで、評価電子機器を回路板の表面に配置することが可能となる
これにより、必要な空間が低減する
−追加の銅箔により、感度がさらに向上する。銅層のプレートへの導入は、製造の標準に対応し、コスト的な利点を生む
−箔の位置付けを通じて、直線性に影響を与えることができる。特性曲線を選択的に設定または左右するために、箔またはコイルの長さ、幅、または形状を使用することができる
−ストリップ導体センサの生産（２つの平行なストリップ導体も可能）。ブラインドトランスフォーマ（ｂｌｉｎｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）がトランスミッタとして実現される

確立された標準工程で製造でき、かつ、温度範囲の拡大という開発目標を達成する、センサモジュールのさらなる可能性は、測定に必要な強磁性材料をセラミック回路キャリアと組み合わせることで実現することができる。
これを実装できるようにするには、広い温度範囲をカバーできる強磁性材料を使用する必要がある。
アモルファス材料は、キュリー温度よりもはるかに低い温度で、磁気特性の根本的な変化をすでに示す。
ナノ結晶材料は、同等の特性を有し、高温での使用に適している。
さらに、これらの材料は、高い飽和磁気誘導（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）を示し、同等の形状（コイルおよび箔）で測定領域の拡大を可能にする。
ただし、これらの材料は、熱処理後に所望の磁気特性が確保されるものの、機械的にきわめて不安定になるという欠点を有する。
この状態で、さらに加工を行うのは難しく、高温センサ素子の生産のための安全な工程を損なう。
ただし、箔を熱処理前に可能なかぎり加工することができれば、この欠点の影響はなくなる。
ナノ結晶箔の主成分材料は、熱処理前にはアモルファス状態であり、機械的に十分堅牢であるため、取り扱いがきわめて容易だからからである。

回路板への統合と同様に、以下のように標準的な技術で生産することができる。

図７の図に従い、セラミック基板に、一般的な厚膜技術を使用して、所望のコイル形状が塗布されて「刻印」される。
最終的な絶縁層（たとえば、オーバーグラス）が、コイルを覆う。
続いて、「オーバーグラス」（グレイジングコンパウンド。実際には、最後の層としてセラミックを保護するため）を備える１つまたは複数のさらなる印刷層が、コイルおよび後述するナノ結晶箔の位置の周囲に塗布される。
塗布の厚さは、予め適切なサイズに切断されたナノ結晶箔の厚さに適応させる必要がある。
箔片は、空いている領域に配置される。
さらなるセラミック基板で、上述した領域を覆う必要がある。
第２のセラミック基板は、第１のセラミック基板と同様に、コイルと共に印刷することができる。
それにより、一連の接続を通じて誘導性が向上するか、または、「トランスミッタ」構造を実装することができる。
アモルファスベースの必要な熱処理は、「オーバーグラス」の後続する硬化を同時にもたらす。
それにより、セラミックに統合された、密封されたナノ結晶箔ができあがる。
この方法のさらなる利点は、熱処理時のシールドガスが必ずしも必要ではないことである。
セラミックでの気密封止により、熱処理時に材料が腐食する危険性が大幅に軽減される。

高温に関連する要件を満たす構造は、ＬＴＣＣ技術を使用したセンサ素子の生産により実現することもできる。
ここでも、強磁性材料に対するコイルの相対位置を作り出すことが、同様に可能である。
強磁性材料は、理想的な事例では、アモルファス材料で置き換えられたセラミック箔であり、ＬＴＣＣ技術で慣例的である多層構造を使用してセンサと焼結される。
この場合も、利点は、効率的な解決策を信頼性の高い工程で提供するために、標準的な技術を使用できることである。
回路板の構築の場合と同様に、層構造をさらに最適化することができる。
たとえば、センサのトランスフォーマ構造の場合の層の順序は、以下のようになる。

表面層から始まり、コイル層、絶縁層、強磁性層、絶縁層、コイル層、表面層。これはＬＴＣＣ技術により実現されるが、回路板の生産で説明した、１つのコイルのみを備え、導電層を加えた構造も実現される。この場合は、表面層、導電層（場合によっては絶縁層。機能的には不要）、強磁性層、絶縁層、コイル層、絶縁層（場合によっては絶縁層。機能的には不要）、導電層、表面層となる。

強磁性材料の加工は、常に新たなアプローチを可能とするため、センサ原理をＩＣに統合することが次のステップとなる。
技術分野ですでに知られている集積誘導（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）を、ＭＤＳ原理に基づくセンサモジュールの基盤として使用することができる。
コイルは、標準的な工程で製造される。
強磁性層をウエハに直接適用することで、センサアプローチが完了する。
たとえば、技術分野では、わずか１５０μｍの誘導性を許容する新しい磁気材料が、知られている。
この方法により、チップに統合された電源が、ほぼ実現可能となる。
この材料は、アモルファス鉄−コバルト合金（Ｆｅ−Ｃｏ合金のＦＣＡ）を表す。
これについて興味深いのは、ＦＣＡ材料は、ハードディスクの生産でよく知られているように、ガルバニック工程を利用することにより、シリコンウエハ上で容易に分離することが可能だという点である。
この工程を利用して、生産コストを低く維持することができる。
完全に被覆されたウエハを磁石ダイに分離し、それらのダイが、銅スパイラルが既に適用された基板に移行する。
この時点で、残っているのは、ＭＯＳＦＥＴが統合されたコントローラＩＣを、この基板に設定するか、または、磁石チップに直接設定することだけである。
電源は、チップ上で完結する。
従来型のコイルや、これまでスイッチング電源のサイズを画定してきたインダクタンスは、不要となる。
この技術を使用した場合、集積回路をセンサコイルおよび強磁性材料と共に１つのチップで作成し、ＡＭＲ／ＧＭＲセンサと同様に、大量市場に送り出すことができる。
温度補償、直線化、および、較正を統合すると有益である。
寸法の著しい減少により、センサは、高い感度を備えるが、測定範囲も小さくなる。
ただし、センサ素子を容易にカスケード化またはオフセットすることができる。
評価回路によっては、誘導性の品質は、重要ではないため、コイルをシリコン上で直接製造することもできる。

本発明に係るセンサ素子、センサ素子を備えるセンサ、およびセンサ素子の製造方法のさらなる有利な実施形態については、反復を避けるため、明細書の概要部分および添付の特許請求の範囲を参照されたい。

最後に、上述した本発明に係るセンサ素子、センサ素子を備えるセンサ、およびセンサ素子の製造方法の実施形態は、特許請求の範囲に記載された教示を説明するためのものに過ぎず、当該教示がこれらの実施形態に限定されるわけではないという事実が明示的に参照される。

Claims (19)

1. 測定対象への距離に応じて変化するが一時的には一定である磁界を使用して経路または距離を測定する誘導センサのセンサ素子であって、
   薄い強磁性材料が、基板に統合されたセンサ素子。
2. 平面コイルと、前記平面コイルを覆う軟磁性箔とを備えていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ素子。
3. 前記軟磁性箔が、前記平面コイルの両側に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載のセンサ素子。
4. 前記平面コイルから離間する方向を向く、少なくとも１つの側に、銅やアルミニウム等でできた軟磁性箔が、形成されていることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載のセンサ素子。
5. 前記平面コイルが、１つの層または複数の層で形成されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のセンサ素子。
6. ２つの平面コイルが提供され、好ましくは、印刷回路技術を使用して実装され、前記２つの平面コイルの間に強磁性箔が配置されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のセンサ素子。
7. 前記軟磁性箔が適用される銅箔である導電箔が、箔キャリアとして機能することを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のセンサ素子。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のセンサ素子を備えるセンサであって、
   層状である銅箔を含む回路板が、箔キャリアとして機能することを特徴とするセンサ。
9. 軟磁性箔が、プレートの裏側、すなわち、印刷回路板側に取り付けられており、詳細には固定されていることを特徴とする、請求項８に記載のセンサ。
10. 前記コイルが、はんだ付け技術を使用して、好ましくは、はんだペーストブリッジにより、印刷回路板構成に統合されていることを特徴とする、請求項８または請求項９に記載のセンサ。
11. 前記コイルと、前記軟磁性箔と、該当する場合は前記銅箔とが、回路板またはプレートに統合されていることを特徴とする、請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載のセンサ。
12. 前記センサが、前記回路板または回路キャリアに配置または統合されたセンサモジュールを形成していることを特徴とする、請求項８乃至請求項１１のいずれか一項に記載のセンサ。
13. 請求項１乃至請求項７に記載のセンサ素子を使用してセンサを製造する方法であって、
    少なくともコイル層と１つまたは複数の絶縁層との後に強磁性箔が挿入される多層構造を作成することを特徴とする方法。
14. 前記強磁性箔の上に、さらなる絶縁層が適用されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 層構造が、前記コイル層に対して対称的な態様で、たとえば、強磁性箔およびその上に配置される銅表面／銅箔を通じて、両側で両方向に補足されることを特徴とする、請求項１３または請求項１４に記載の方法。
16. 前記層構造が、両側で、ワニスの追加層により保護されていることを特徴とする、請求項１３乃至請求項１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 縁部を金属化することにより側方で、または金属貫通接続を利用して、コイル接続および接触領域が導電面に対して作成されることを特徴とする、請求項１３乃至請求項１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 材料が、最初はテープ上であり、適切なストリップに切断され、前記ストリップの長さが、センサモジュールの長さの倍数に対応し得ることを特徴とする、請求項１３乃至請求項１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 所望のモジュール長さへの前記切断が、製造パネルでの完成したセンサモジュールの分離を通じて行われることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。