JP2019015550A

JP2019015550A - ３次元磁界検出素子

Info

Publication number: JP2019015550A
Application number: JP2017131571A
Authority: JP
Inventors: 本蔵　義信; Yoshinobu Motokura; 義信本蔵; 晋平本蔵; Shinpei Motokura
Original assignee: Magnedesign Co Ltd
Current assignee: Magnedesign Co Ltd
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2019-01-31

Abstract

【課題】
Ｘ軸Ｙ軸Ｚ軸の３つの磁界検出素子の機能を一つの基板上に実現して０．３ｍｍ以下の厚みの超高感度磁界検出素子を提供する。
【解決手段】
基板の磁界検出素子配置面と平行方向の磁界を検出するタイプの磁界検出素子を用いて、基板平面上に４つの磁界検出素子を、基板の原点を中心にして第１軸方向に二つ配置し、第１軸方向と交差する第２軸方向に二つ配置し、さらに原点の下部の基板内と４つの磁界検出素子の原点と反対側の磁界検出素子の端部の上部に軟磁性体を配置してなり、４つの磁界検出素子と５つの軟磁性体とを磁気的に間隙なしに結合して磁気回路を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、方位センサなどに用いられるＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の３つのＧＳＲ素子の機能をひとつの基板上に実現することにより、方位センサの高い感度、低いノイズ、広い測定レンジなどの基本性能を維持した状態で、３次元磁界検出素子の高さを薄くし、サイズを小さくすることを可能にする技術に関するものである。
ここで、ＧＳＲ素子とは超高速スピン回転効果（英語表記；ＧＨｚＳｐｉｎＲｏｔａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ）を基礎にした超高感度マイクロ磁気センサ素子をいう。

方位センサは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３つの磁気センサ素子と集積回路を組み合わせて地磁気ベクトルを測定し、その値から方位を計算するものである。スマートホン、タブレット、インターネットＴＶのリモコン、モーションゲーム、モーションキャプチャなどで、加速度センサ、振動式ジャイロセンサと組合せて３次元方位計として広く使用されているが、
近年これらの装置の一層の高感度化、低ノイズ化、測定レンジのワイドレンジ化とともに小型化、薄型化が強く要求されている。特にスマートホンの薄型化に伴い、方位センサの高さを従来の１．０ｍｍから０．６ｍｍと４０％以上の薄型化、サイズを従来の２．０ｍｍ角から１．５ｍｍ角と５０％以上の小型化が求められている。またノイズに関しても、従来の１０ｍＧ以下から１ｍＧ以下と１０倍の性能アップが求められている。

方位センサには、磁界検出用素子としてホール素子、ＭＲ素子、ＭＩ（Ｍａｇｎｅ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅの略）素子、ＧＳＲ素子が用いられる。通常、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の磁界ベクトル成分Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚの強さを測定するために、Ｘ軸素子、Ｙ軸素子、Ｚ軸素子の３つの素子を用いて測定を行う。
ホール素子の場合は素子面と垂直方向に磁界を検知するので、Ｚ軸素子を面上に配置し、Ｘ軸素子、Ｙ軸素子をセンサ基板に立てて組み付ける必要がある。一方、ＭＲ素子やＭＩ素子などは素子面と平行な磁界を検知するので、Ｘ軸素子とＹ軸素子は面上に配置して、Ｚ軸素子をセンサ基板（Ｚ軸方向）に立てて組み付ける必要がある。３つの素子を使う限り、センサの高さが大きくなるという問題があった。

この問題に対して、旭化成（株）社がホール素子を使って、ひとつの基板上にＺ軸素子４個を配置してＸ軸素子とＹ軸素子を使わずに３次元磁界検出素子の開発に成功し、方位センサ（品番ＡＫＭ８９７４）として生産販売している。その３次元磁界検出素子の構造は、基板上にＸ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ一対のＺＸ１素子とＺＸ２素子および一対のＺＹ１素子とＺＹ２素子をクロス状に配置しその中心部に磁性材料であるパーマロイの薄円盤を配置したものである。この装置は、３次元の磁界ベクトルを、まずＺ軸方向の磁界はＺＸ１素子、ＺＸ２素子、ＺＹ１素子、ＺＹ２素子の４つの出力を加算することによって検知し、Ｘ軸方向の磁界とＹ軸方向の磁界はそれぞれパーマロイ円盤によってＺ軸方向に変向成分を発生させて、Ｘ軸方向の磁界はＺＸ１素子とＺＸ２素子の出力の差分で、Ｙ軸方向の磁界はＺＹ１素子とＺＹ２素子の出力の差分で検知するものである。センサ基板面上に立てる素子が無いので、高さは薄く、サイズは小さくすることができる。ホール素子のように素子面と垂直の磁界を検知することができる磁界検出素子は容易に装置を薄くできるが、ホールセンサなどのこの種の磁界検出素子は、ノイズが１０ｍＧ程度と１ｍＧ以下の要求に対して大きすぎるという欠点があり、使用にあたっては大きな問題であった。

一方、ＭＩ素子はノイズ１ｍＧ以下に改善することは可能であるが、Ｚ軸素子を基板面上に立てて組み付けた場合、ＭＩ素子の高さと検出感度は背反するためその高さを小さくすることは困難であった。というのは、ＭＩ素子は、アモルファスワイヤ等の感磁体に検出コイルを巻き付けたもので、感磁体に高周波のパルス電流等を流して、その時に発生する外部磁界に比例した検出コイル電圧を検知するものである。ＭＩ素子の検出感度はＭＩ素子の長さやコイルの巻数に比例するので検出磁界の方向に長さに依存するためである。

これに対して、特許文献１は、ひとつの基板上にＸ軸素子とＹ軸素子を配置してＺ軸素子機能を備えた一体型のＭＩセンサ装置が記載している。基板面上にＸ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ一対のＸ１軸素子とＸ２軸素子およびＹ１軸素子とＹ２軸素子をクロス状に配置しその中心点下部にパーマロイ心棒を配置したものである。この装置は、３次元の磁界ベクトルを、まずＸ軸方向の磁界はＸ１軸素子とＸ２軸素子の出力を加算することによって検知し、Ｙ軸方向の磁界はＹ１軸素子とＹ２軸素子の出力を加算することによって検知し、さらにＺ軸方向の磁界はＺ軸方向磁界をパーマロイ心棒によって平面方向に変向成分を発生させ、それをＸ１軸素子とＸ２軸素子の出力の差分とＹ１軸素子とＹ２軸素子の出力の差分とを加算することで検知するものである。
しかし、パーマロイ心棒によるＺ軸方向磁界を平面方向に変向する力はきわめて弱い。そのため長くて直径の大きなパーマロイを必要とし、装置の厚みは０．５ｍｍ以上必要で実用的でなかった。

ＷＯ２０１０／１１０４５６特許第６０２１２３９号

特許文献２には、先に本発明者が開示した３次元磁界検出素子に関するもので、磁界検出素子軸と並行方向の磁界を検出するタイプの磁界検出素子を使って、基板面上に４つの磁界検出素子を、原点を中心にして第１軸方向に沿って二つ、第１軸と交差する第２軸方向に沿って二つ配置し、さらに原点の下部の基板内と４つの素子の原点と反対側の端部の上部に軟磁性体を配置した構造により磁界検出素子と軟磁性体の間に磁気回路を形成する磁界検出ユニットを有することによって、４つの磁界検出素子の出力からＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の磁界の強さを効果的に検出する３次元磁界検出素子が開示されている。
その素子の上部の軟磁性体の高さは０．０５ｍｍから０．２ｍｍ程度でＭＩ素子とのギャップは０．０２ｍｍ以下とし、同様の下部の軟磁性体も同様の大きさと位置関係として、三つの部品はクランク状に配置されている。

そのクランク状の磁気回路の機能は、Ｚ軸方向の磁界は素子の片方の端にある軟磁性体から素子の中の磁性ワイヤを通過して、他方の軟磁性体に流れる。Ｚ軸方向の磁界がＸ軸とＹ軸の面内方向の放射線状に流れる磁界に変向される。この時、基板面上にあるアモルファスワイヤには、Ｚ軸方向の磁界に比例した強い磁界が流れることになる。このことにより、両端にある軟磁性体が小さくても、大きな出力を得ることができる。従って、この磁気回路を活用すれば素子の高さを、特許文献１の０．５ｍｍレベルから０．１０ｍｍ〜０．３０ｍｍ程度の小さなものにすることができる。

しかし、ＭＩ素子の感磁体と軟磁性体とのギャップが０．０２ｍｍ以下と完全に接続されていないために磁気漏洩が大きく一層の改善が必要である。また、感磁体の電極端子が別途設定されているため素子が大きくなる。

本発明者は、上記の磁気回路の効率を高めるために、素子の感磁体導電性ワイヤ（磁性ワイヤという。）にその表面に直接に導電性軟磁性体をメッキ法又は金属蒸着法で形成して両者の接合部において磁気かつ電気的に結合することに想到した。
磁性ワイヤと軟磁性体がギャップ（間隙）なしで磁気的に結合することにより磁気回路からの磁束の漏洩を最小限にして磁気回路の効率を最大限に高めることができる。

また、その結合部が電気的接続部を兼ねることにより、電気的接続部と磁気的接続部の両方を設置する場合に比べて大幅に素子を小型化することができる。同時に磁性ワイヤの両端部の磁気的接続部の間隔を短くすることができて、磁気回路の長さを短くして磁気抵抗を小さくし、磁気回路の効率を改善することができる。

両者の接続部を磁気的かつ電気的に結合するために、磁性ワイヤの両端部は金属面が露出した状態にしてその上にパーマロイなどの導電性磁性材料でメッキ又は金属蒸着して金属結合を形成すると同時にワイヤ電極とワイヤ端子とを連結する導線のワイヤ端子側の端部との金属結合を形成する。

素子としてＭＩ素子やＧＳＲ素子が対象となるが、感度の優れたＧＳＲ素子を使用した場合にはワイヤ長さを相対的に短くできる。これにより磁気抵抗が減少し、磁気回路の効率を改善することができる。それ故にＧＳＲ素子への適用がより好ましい。

磁気回路に流れる磁束については、ワイヤ端部にある４つの軟磁性体に集磁され、軟磁性体の上側から下側に磁束を形成して流れ、軟磁性体下部から４つの磁性ワイヤに流れて中央部の軟磁性体上部に集まり、その下部から放磁される。

ここで４つの軟磁性体に流れる磁束φ_１＝４×Ｂ_１×Ｓ_１、４つの磁性ワイヤに流れる磁束φ_２＝４×Ｂ_２×Ｓ_２、中央部の磁性体を流れる磁束φ_３＝Ｂ_３Ｓ_３とすると、
この磁気回路の起磁力を磁気方向の磁界Ｈｚと考えるとＢ_１＝μ_１Ｈｚ≦１０００Ｇ、ここで μ_１＝２０００Ｈｚ＝０．５Ｇ（最大）。この磁性ワイヤはこの磁束φ_１を通す能力が必要で、能力としてのφ_２は最大のφ_１がより大きい必要がある。Ｂ_２≦１３，０００、断面積をＳ_１は直径３０μｍ、Ｓ_２は直径１０μｍとするとＳ_１はＳ_２の９倍なので、最大のφ_１＝３６，０００Ｓ_２、能力としてのφ_２は、φ_２＝５２，０００Ｓ_２となって能力φ_２＞最大のφ_１となって、磁性ワイヤは端部で集磁した磁束を流すことができる。

また、Ｓ３の直径６０μｍとするとＳ３はＳ１の４倍となるので、最大のφ１＝最大のφ２となる。集磁され、磁性ワイヤを通過した磁束φ１が中央部磁性体から放磁される。この関係は、中央部で集磁され、４つの端部から放磁されると考えられる。中央部の磁性体の断面積は４つの端部の軟磁性体の断面積の４倍を要する。

両者のパーミァン係数を同じとするために高さ／断面積の比を同じとする。ワイヤ直径は磁性ワイヤの飽和磁束を考慮して、磁性体で集磁された磁束を全て通すことができる大きさとすることが好ましい。
以上の関係を維持することによって磁束漏洩の少ない磁気回路を形成することができる。

本発明の３次元磁界検出素子は、同サイズの集積回路チップとＣＳＰ（チップサイズパッケージ）法で電極用半田パッドなどを用いて接合して使用することが好ましい。ＧＳＲセンサの集積回路は、パルス発振回路、信号処理回路、及び、前記演算手段を含む電子回路で形成されている。信号処理回路の一例としてはバッファ回路、サンプルタイミング調整回路、電子スイッチ、ホールド回路および増幅回路からなっている。

また、本発明の３次元磁界検出素子を用いる３次元磁界検出装置を駆動する電子回路は、パルス回路から同時に４つの素子にパルス電流を流して、４つの信号処理回路で同時にコイル電圧を検知した後で、所定の演算を行うことによってＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の磁界の強さを求めることが好ましい。ほかにも電子スイッチでＸ軸素子の測定とＹ軸素子の測定の切替えを瞬時、例えば１μ秒で行い、一つのパルス発振回路と二つの検波回路を使って測定し、測定値をデータ保存して所定の演算を行ってもよい。
本発明の３次元磁界検出素子と信号処理回路、集積回路のシリコン基板との組合せた磁界検出装置である方位センサの厚みの合計は、０．３〜０．６ｍｍときわめて薄くすることができる。

高い感度と適切な測定レンジの両立について説明すると、ＧＳＲ素子の出力はある磁界の強さでピーク値をとり、測定レンジはそのピーク間で制約される。測定レンジはＧＳＲ素子の長さを短くして磁性ワイヤの反磁界を大きくすることによって拡大することができる。このようにＧＳＲ素子の長さを調整して、感度と背反関係にある測定レンジを所定の範囲に調整するのが一般的な方法である。本発明においても、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の磁界測定にこの一般的方法が適用できる。さらにＺ軸方向の磁界測定についてはＧＳＲ素子の長さが短いほど、磁気抵抗の小さな磁気回路が形成できるので感度は向上し、より小さな軟磁性体で両者の両立を実現できることを意味する。言い換えれば本発明において、感度と測定レンジの両立は損なわれることはない。

実施例１に係る３次元磁界検出素子の平面図である。その平面図中に示したＡ−Ａで切断した断面図である。ＧＳＲ素子の基本構造を示す平面図である。実施例１に係るクランク状の磁気回路である。実施例１に係る素子の電子回路図である。

本発明の実施形態について説明する。
本発明の３次元磁界検出素子は、基板の磁界検出素子配置面と平行方向の磁界を検出するタイプの磁界検出素子を用いて、基板平面上に４つの磁界検出素子を、基板の原点を中心にして第１軸方向に二つ配置し、第１軸方向と交差する第２軸方向に二つ配置し、さらに原点の下部の基板内と４つの磁界検出素子の原点と反対側の磁界検出素子の端部の上部に軟磁性体を配置してなり、４つの磁界検出素子と５つの軟磁性体とを磁気的に間隙なしに結合して磁気回路を形成するものである。

また、本発明の３次元磁界検出素子は、４つの磁界検出素子の感磁体と５つの軟磁性体とを電気的に接続して、感磁体と前記軟磁性体との連結部を磁気的かつ電気的な接続部とするものである。

本発明のＧＳＲ素子は、前述したように磁場（磁界）などの磁気に感応してスピンの回転を生じ得るからなる感磁体と、その感磁体の変化量を検出する検出手段とを有する。感磁体はその材質や形態を問わない。また検知手段も感磁体の周囲に巻回され磁束量変化に応じた起電力を出力するピックアップコイル（検出コイル）である。感磁体は通常はアモルファスワイヤなどの軟磁性材からなり、相応の長さを有するワイヤまたは薄膜からなる。感磁体は、強度やコストなどの点で、特に零磁歪のアモルファスワイヤが好ましい。

軟磁性体は、基板上に配置されたＸ１軸素子、Ｘ２軸素子、Ｙ１軸素子、Ｙ２軸素子と４つのクランク状の磁気回路を形成して、Ｚ軸方向の磁界を基板上のＸ軸方向とＹ軸方向に変向して、Ｚ軸方向の磁界の強さを検出することを可能とするものである。ただし、このような軟磁性体による磁気回路形成が可能で導電性である限り、軟磁性体の材質、形態は問わない。軟磁性体は、高透磁率であるほど、磁場の集磁効果が大きくて好ましい、軟磁性体の形状は、反磁界係数を小さくしてＺ軸方向の磁界によって効果的に磁化しうる形状であると好ましい。

軟磁性体の配置位置は、磁気回路を効果的に形成されやすい位置に配置されると好ましい。例えば、軟磁性体の磁極面とアモルファスワイヤ端部とを直接接続して磁気回路抵抗を小さくする。また、ワイヤ端子部と素子上のワイヤ電極と電気的接続を行なう。

本発明の趣旨に沿う限り、Ｘ軸素子とＹ軸素子または軟磁性体の配置は、両軸は直角であることが望ましいが、直角からある角度ずれている場合は素子出力にその角度ずれに応じた適切な補正演算を行うことによって処理することができる。

Ｘ軸方向とＹ軸方向は、素子基板形状の縦方向と横方向に一致していることが望ましいが、一致していない場合はそのズレ角度を測定して補正演算を加えることで対応することができる。

勿論、対称に配置されるＧＳＲ素子同士または磁気回路を形成する軟磁性体同士は、それぞれ感応特性、検出特性または集磁特性などは、実質的に同一であることが好ましい。特性が異なる場合は、各素子の測定値は電子回路と演算処理装置に送られて補正して同一化することによって処理することができる。

いずれにしろ、Ｘ方向の一対のＧＳＲ素子またはＹ方向の一対のＧＳＲ素子と軟磁性体との対称性を巧みに利用して、演算式中の補正係数または補正項等を簡略化できるようにすると、高精度な磁界検出が容易となり好ましい。

図面を参照しつつ以下に挙げる実施例に基づいて詳細に説明する。
［実施例１］
実施例１に係る３次元磁界検出素子１を図１に示す。図１は３次元磁界検出素子１の平面図であり、図２は図１中に示したＡ−Ａ線における断面図である。図３はＧＳＲ素子の基本構造を示す平面図である。

３次元磁界検出素子１は、地磁気など微小磁界を検出することができる４つのＧＳＲ素子２、すなわちＸ１軸素子２Ｘ１、Ｘ２軸素子２Ｘ２、Ｙ１軸素子２Ｙ１およびＹ２軸素子２Ｙ２と、それらＧＳＲ素子に配置された基板１０と、４つの素子の共通の原点位置の下側方向に基板１０に形成されたホールに配置された棒状の軟磁性体１３１と、４つの素子の基板１０の外縁方向の端部の上部に配置された棒状の軟磁性体１３２の３層構造、および電極からなる。

電極は、４つの素子の磁性ワイヤと連結したワイヤ用端子と接続されている電極パッド（１１１および１１２）と、４つの検出コイルの検出コイル用端子と接続されている電極パッド（１２１および１２２）とから成り立っている。４つの素子の感磁体の磁性ワイヤ１１と軟磁性体１３２とは端部で直接接合していて、磁気的かつ電気的に結合している。
上部位置に配置される集積回路シリコン基板（図示せず）とは上記電極に接合用の半田パッドを設置して連結することができる。

基板１１の原点位置に設置される軟磁性体１３１は、基板１０の原点位置にＺ軸を軸線とする直径１５０μｍ、深さ１００μｍの円筒状の穴を設け、そこにメッキ法で４５ａｔ％Ｎｉ−Ｆｅ組成のパーマロイ合金を埋め込んだものである。
基板上面１０の端部に設置される軟磁性体１３２は、磁性ワイヤ１１の端部に直径３０μｍ、厚み３０μｍのボタン状の４５ａｔ％Ｎｉ−Ｆｅ組成のメッキ法で形成したパーマロイ合金である。軟磁性体（１３１および１３２）には、純Ｎｉ、純鉄、他組成のパーマロイ合金、センダスト、パーメンジュール等の公知の導電性軟磁性材料を使用することができる。

ＧＳＲ素子２の構造を、図３を用いて説明する。
４つの素子は同じ構造を有しており、その構造は直径１０μｍ、長さ２６０μｍの磁性ワイヤ２１を中心部に配置し、その周りを内径１７μｍ、コイルピッチ５μｍ、巻数３４回の検出コイル２２を配置し、さらにワイヤ２１とコイル２２の両端にはそれぞれ電極端子であるワイヤ用端子２１１、検出コイル用端子２２１が取り付けられている。ワイヤ用端子２１１からの電極パッド２１２および検出コイル用端子２２１からの電極パッド２２２をそれぞれ使って集積回路端子（図示せず）に対応している。各ＧＳＲ素子２の上記各端子と集積回路のシリコン基板の各端子とは、電極パッドで電気的に接合される。

本実施例１の基板上に配置されたＸ１軸素子２Ｘ１、Ｘ２軸２Ｘ１、Ｙ１軸素子２Ｙ１、Ｙ２軸素子２Ｙ２の４つの素子と原点位置の導電性軟磁性体１３１と４つのワイヤ端部の４つの導電性軟磁性体１３２とは、ワイヤ両端で直接金属接触して結合する。

クランク状の磁気回路の機能を、図４（図１のＡ−Ａ断面図）を使って詳細に説明すると、Ｚ軸方向の磁界Ｈｚ１６はＧＳＲ素子の両端にある軟磁性体を集磁１７により磁化する。ＧＳＲ素子端部の上部側にある軟磁性体１３２の下面の磁極をＮ極とすると、原点位置にある軟磁性体１３１の上面の磁極はＳ極となっており、その間にあるＧＳＲ素子のアモルファスワイヤ１１を介してクランク状の磁気回路１９を形成する。この時アモルファスワイヤ１１には、Ｚ軸方向の磁界に比例した強い磁界が流れることになる。

この磁気回路形成によって効果的に大きな出力を得ることができるので、端部にある軟磁性体の高さは０．０３ｍｍ、原点にある軟磁性体の高さは０．１０ｍｍと小さくすることができる。その結果、ＧＳＲ素子の厚み０．０５ｍｍと合わせて、３次元磁界検出素子の全体の高さを０．２５ｍｍとすることができる。

４つのＧＳＲ素子の出力は個々に測定され、Ｘ１軸素子、Ｘ２軸素子、Ｙ１軸素子およびＹ２軸素子の各素子の測定値をＨｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、およびＨｙ２とすると式（１）、式（２）および式（３）の計算によって、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の磁界の強さＨｘ、ＨｙおよびＨｚが算出される。なお、式（３）のｋは係数である。

Ｈｘ＝（Ｈｘ１＋Ｈｘ２）（１）
Ｈｙ＝（Ｈｙ１＋Ｈｙ２）（２）
Ｈｚ＝ｋ（Ｈｘ１−Ｈｘ２）＋ｋ（Ｈｙ１−Ｈｙ２）（３）

Ｘ１軸素子とＸ２軸素子は反対称的にクランク状の磁気回路を形成しており、両者の素子の出力は、その大きさＺ軸方向の磁界の強さに比例し符号は反対である。従って両出力の差分を取れば、その差分はＺ軸方向の磁界の強さに比例する。同様にＹ１軸素子とＹ２軸素子はＺ軸方向の磁界成分に対し反対称的にクランク状の磁気回路を形成しており、その出力の差分を取れば、Ｚ軸素子の強さに比例する。このＸ軸出力の差分とＹ軸出力の差分を合計すれば、Ｚ軸方向の磁界の強さを算出することができる（式（３））。

また、Ｘ１軸素子とＸ２軸素子の出力は、Ｘ軸方向の磁界成分に対し対称的に磁気回路をしており、その大きさはＸ軸方向の磁界の強さに比例した値で、その符号は同符号である。両者の出力の加算値からＸ軸方向の磁界の強さを求めることができる（式（１））。
同様にＹ軸方向の磁界の強さもＹ１軸素子とＹ２軸素子の出力の加算値から求めることができる（式（２））。

本実施例で使用した３次元磁界検出素子１の駆動用の電子回路について図５を使って説明する。
まずＧＳＲセンサの電子回路３の基本動作を、図５を使って説明する。電子回路３は、パルス発振回路（パルス発信器）３１および信号処理回路３２を有する。信号処理回路３２は、バッファ回路３３、検波タイミング調整回路３４、電子スイッチ３５、サンプルホールド回路３６および増幅器３７とからなる。パルス発振回路３１により発生した１．３ＧＨｚ相当の高周波のパルス電流をＧＳＲ素子２のアモルファスワイヤ２１へ供給する。そうすると、パルス電流によりアモルファスワイヤ２１のワイヤ円周方向に生じた磁場と外部磁場とが作用して、その外部磁場に対応した電圧が検出コイル２２に発生する。
なお、ここでいうパルス周波数は、パルス電流の「立ち下がり」時間Δｔの２倍をその周期としてその逆数をパルス周波数と便宜上定義した。

検出コイル２２の出力電圧はバッファ回路３３に入力される。バッファ回路３３の出力電圧は、サンプルタイミング調整回路３４により、パルス電流の立下りから所定のタイミングで、電子スイッチ３５を短時間スイッチング（オン−オフ）することでサンプルホールド回路３６へ供給される。この時、検出コイル２２に発生した電圧はサンプルホールド回路３６のコンデンサ電圧としてホールドされ、このサンプリング電圧は、増幅器３７により増幅されて出力される。

つぎに、４つの素子を有する本実施例の電子回路の機能について説明する。本回路は、パルス発振回路（パルス発信器）３１は一つで、信号処理回路３２は各素子の出力を同時に測定するために４つを備えている。４つのＧＳＲ素子からの出力は、切替スイッチを使って順番にＡＤコンバータでデジタルデータに変換された後、演算回路に転送され、適当な演算処理される。そこで３次元の磁界ベクトルの強さに換算される。その後、スマートホンなどのシステムを制御している中央演算装置にデータ通信回路を介して転送される。

本発明の３次元磁界検出素子は、電子コンパス、磁気ジャイロ等の３次元の地磁気測定を必要とする３次元方位計に必要なもので、特に本発明の３次元磁界検出装置は、携帯電話をはじめとする携帯端末等のように、載置する基板に垂直な方向（いわゆるＺ軸方向）に小型化、薄型化が必要なものに好適である。

１：実施例１の３次元磁界検出素子
１０：基板、１１：磁性ワイヤ（アモルファスワイヤ）、１１１：ワイヤ電極、１１２：電極パッド、１２：検出コイル、１２１：電極パッド、１２２：電極パッド、１３１：軟磁性体（原点軟磁性体）、１３２：軟磁性体（端部軟磁性体）、１４：ＧＳＲ素子絶縁保護用樹脂、
１５：３次元磁界検出素子の高さ、１６：Ｚ軸方向の磁界Ｈｚ、１７：集磁線、１８：放磁線、１９：クランク状の磁気回路

２：ＧＳＲ素子（２Ｘ１、２Ｘ２、２Ｙ１、２Ｙ２）
２０：基板、２１：磁性ワイヤ、２１１：ワイヤ用端子、２１２：電極パッド、２２：検出コイル、２２１：コイル用端子、２２２：電極パッド

３：電子回路
３１：パルス発信器、３２：信号処理回路、３３：バッファ回路、３４：検波タイミング調整回路、３５：電子スイッチ、３６：サンプルホールド回路、３７：増幅器

Claims

基板の磁界検出素子配置面と平行方向の磁界を検出するタイプの磁界検出素子を用いて、基板平面上に４つの前記磁界検出素子を、前記基板の原点を中心にして第１軸方向に二つ配置し、第１軸方向と交差する第２軸方向に二つ配置し、
さらに前記原点の下部の前記基板内と４つの前記磁界検出素子の前記原点と反対側の前記磁界検出素子の端部の上部に軟磁性体を配置してなり、
４つの前記磁界検出素子と５つの前記軟磁性体とを磁気的に間隙なしに結合して磁気回路を形成することを特徴とする３次元磁界検出素子。
請求項１に記載されている３次元磁界検出素子において、
４つの前記磁界検出素子の感磁体と５つの前記軟磁性体とを電気的に接続して、前記感磁体と前記軟磁性体との連結部を磁気的かつ電気的な接続部とすることを特徴とする３次元磁界検出素子。

磁界検出素子軸方向に延びた感磁体と前記感磁体と平行方向の磁界を検出するタイプの磁界検出素子を使って、
基板平面上に４つの磁界検出素子を、原点を中心にして任意の第１軸方向に沿って２つ配置し、第１軸と直交する第２軸方向に沿って２つ配置し、
さらに原点の下部の前記基板内と前記４つの磁界検出素子の原点と反対側の端部の上部に軟磁性体を配置した構造において、
前記４つの磁界検出素子の５つの軟磁性体とを磁気的に間隙なしに結合して磁気漏洩の少ない磁気回路を形成することによって、前記４つの磁界検出素子からにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の磁界の強さを検出することを特徴とする３次元磁界検出素子。
請求項１に記載の３次元磁界検出素子において、
前記４つの磁界検出素子の感磁体と前記５つの軟磁性体とを電気的に接続して、前記感磁体と前記軟磁性体の連結部を磁気的かつ電気的接続部とすることを特徴とする３次元磁界検出素子。