JP2019174324A

JP2019174324A - 磁気センサ

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Publication number: JP2019174324A
Application number: JP2018063795A
Authority: JP
Inventors: 剛男五木田; Takeo Gokita
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2038-03-29
Also published as: US20210116518A1; EP3779490A1; EP3779490A4; CN112005126A; JP7069960B2; WO2019188186A1; US11442120B2

Abstract

【課題】測定対象となる磁界が微弱であってもクローズドループ制御によって磁界を検出可能な磁気センサを提供する。【解決手段】磁気ギャップＧ１を介して互いに対向する磁性体層４１，４２と、磁気ギャップＧ１によって形成される磁路上に配置された感磁素子Ｒ１と、感磁素子Ｒ１に印加される磁束φ２を打ち消すキャンセル磁束φ４を生成する補償コイル６０とを備える。本発明によれば、ヨークとして機能する磁性体層４１，４２に流れる磁束φ２が感磁素子Ｒ１に印加されることから、測定対象となる磁界が微弱であっても、これを検出することが可能となる。しかも、磁束φ２を打ち消す補償コイル６０を備えていることから、クローズドループ制御を行うことも可能となる。【選択図】図５

Description

本発明は磁気センサに関し、特に、感磁素子に印加される磁束を打ち消す補償コイルを備えた磁気センサに関する。

磁気センサの中には、感磁素子に印加される磁束を打ち消す補償コイルを設けることによって、クローズドループ制御を行うタイプの磁気センサが存在する。例えば、特許文献１に記載された磁気センサは、感磁素子と、測定対象となる磁界をシールドする磁気シールドと、磁気シールドと感磁素子の間に配置された補償コイルとを備えている。磁気シールドは、感磁素子に印加される磁界を減衰させる役割を果たし、これにより、測定対象となる磁界が強い場合であっても、補償コイルに流す電流を小さく抑えることができる。

特許第５５７２２０８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された磁気センサは、測定対象となる磁界が磁気シールドによって減衰されることから、測定対象となる磁界が微弱である場合には測定が困難であるという問題があった。

したがって、本発明は、測定対象となる磁界が微弱であってもクローズドループ制御によって磁界を検出可能な磁気センサを提供することを目的とする。

本発明による磁気センサは、第１の磁気ギャップを介して互いに対向する第１及び第２の磁性体層と、第１の磁気ギャップによって形成される磁路上に配置された第１の感磁素子と、第１の感磁素子に印加される磁束を打ち消す補償コイルとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ヨークとして機能する第１及び第２の磁性体層に流れる磁束が感磁素子に印加されることから、測定対象となる磁界が微弱であっても、これを検出することが可能となる。しかも、磁束を打ち消す補償コイルを備えていることから、クローズドループ制御を行うことも可能となる。

本発明において、第１の磁性体層は、平面視で補償コイルの内径領域と重なる位置に配置され、第２の磁性体層は、平面視で補償コイルの外側領域と重なる位置に配置されるものであっても構わない。これによれば、補償コイルに電流を流すことによって、第１の磁気ギャップを介して第１の磁性体層から第２の磁性体層へ、或いは、第１の磁気ギャップを介して第２の磁性体層から第１の磁性体層へキャンセル磁界を発生させることが可能となる。

本発明による磁気センサは、測定対象となる外部磁束を第１の磁性体層に集磁する外部磁性体をさらに備えるものであっても構わない。これによれば、外部磁束を効率よく第１の磁性体層に集磁することが可能となる。

本発明による磁気センサは、第２の磁気ギャップを介して第１の磁性体層と対向する第３の磁性体層と、第２の磁気ギャップによって形成される磁路上に配置された第２の感磁素子とをさらに備え、補償コイルは、第２の感磁素子に印加される磁束を打ち消し、第３の磁性体層は、平面視で補償コイルの外側領域と重なる位置に配置されるものであっても構わない。これによれば、第１の感磁素子と第２の感磁素子に対して互いに逆方向の磁界が与えられることから、第１の感磁素子と第２の感磁素子をブリッジ接続することによってより高い検出感度を得ることが可能となる。

本発明において、第１乃至第３の磁性体層、第１及び第２の感磁素子、並びに、補償コイルは、いずれもセンサ基板上に集積されていても構わない。これによれば、センサ基板上に外部磁性体を配置するだけで、高い検出感度を有する磁気センサを構成することが可能となる。

本発明において、第１及び第２の感磁素子は、センサ基板上の積層方向において、補償コイルと第１乃至第３の磁性体層の間に形成されていても構わない。これによれば、第１乃至第３の磁性体層と第１及び第２の感磁素子の距離を短くすることができるとともに、外部磁性体と第１の磁性体層との間に形成される磁気ギャップを小さくすることが可能となる。

本発明において、第１乃至第３の磁性体層は、センサ基板上の積層方向において、補償コイルと第１及び第２の感磁素子の間に形成されていても構わない。これによれば、第１乃至第３の磁性体層と第１及び第２の感磁素子の距離を短くすることができるとともに、補償コイルと第１乃至第３の磁性体層の距離を短くすることができることから、補償コイルに流す電流をより小さくすることが可能となる。

本発明において、補償コイルは、センサ基板上の複数の配線層に亘って巻回されていても構わない。これによれば、補償コイルを構成する導体パターンのレイアウト自由度を高めることが可能となる。

このように、本発明によれば、測定対象となる磁界が微弱であってもクローズドループ制御によって高感度に磁界を検出することが可能となる。

図１は、本発明の好ましい実施形態による磁気センサ１０の構造を説明するための略平面図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。図３は、補償コイル６０の形状を説明するための略平面図である。図４は、端子電極５１〜５６と感磁素子Ｒ１〜Ｒ４及び補償コイル６０との接続関係を説明するための回路図である。図５は、外部磁束とキャンセル磁束との関係を説明するための模式図である。図６は、第１の変形例による磁気センサ１１の主要部の構成を示す略断面図である。図７は、下層の導体パターン６０Ａと上層の導体パターン６０Ｂからなる補償コイル６０の形状を説明するための略平面図である。図８は、第２の変形例による磁気センサ１２の主要部の構成を示す略断面図である。図９は、第３の変形例による磁気センサ１３の主要部の構成を示す略断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による磁気センサ１０の構造を説明するための略平面図である。また、図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態による磁気センサ１０は、センサ基板２０と外部磁性体３１〜３３を備えている。センサ基板２０は、略直方体形状を有するチップ部品であり、その素子形成面２０ａには感磁素子Ｒ１〜Ｒ４、磁性体層４１〜４３、端子電極５１〜５６及び補償コイル６０が設けられている。端子電極５１〜５６は、ボンディングワイヤなどを介して図示しない回路基板に接続される。

本実施形態においては、素子形成面２０ａ上に補償コイル６０、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４及び磁性体層４１〜４３がこの順に積層されている。そして、補償コイル６０と感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は絶縁膜２１によって分離され、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４と磁性体層４１〜４３は絶縁膜２２によって分離されている。

外部磁性体３１〜３３は、フェライトなど透磁率の高い軟磁性材料からなるブロックである。外部磁性体３１は素子形成面２０ａの略中央部に配置され、ｚ方向に突出する形状を有している。これに対し、外部磁性体３２，３３は、センサ基板２０のｘ方向における両側にそれぞれ配置され、その先端はＬ字状に折れ曲がって素子形成面２０ａを覆っている。

センサ基板２０の絶縁膜２２上には、第１〜第３の磁性体層４１〜４３が形成されている。第１の磁性体層４１は、素子形成面２０ａの略中央に位置し、そのｘ方向における両側に第２及び第３の磁性体層４２，４３が配置される。特に限定されるものではないが、磁性体層４１〜４３としては、樹脂材料に磁性フィラーが分散された複合磁性材料からなる膜であっても構わないし、ニッケル又はパーマロイなどの軟磁性材料からなる薄膜もしくは箔であっても構わないし、フェライトなどからなる薄膜又はバルクシートであっても構わない。

第１の磁性体層４１は、中央に位置し、外部磁性体３１によって覆われる主領域Ｍ１と、主領域Ｍ１からｘ方向に離れるに従ってｙ方向における幅が狭くなる収束領域Ｓ１〜Ｓ４を含む。図１に示すように、収束領域Ｓ１，Ｓ３は主領域Ｍ１に対してｘ方向マイナス側（左側）に位置し、収束領域Ｓ２，Ｓ４は主領域Ｍ１に対してｘ方向プラス側（右側）に位置する。第１の磁性体層４１と外部磁性体３１は、直接接触していても構わないし、両者間に薄い絶縁膜や接着層が介在していても構わない。

一方、第２の磁性体層４２は、外部磁性体３２によって覆われる主領域Ｍ２と、主領域Ｍ２からｘ方向（プラス側）に離れるに従ってｙ方向における幅が狭くなる収束領域Ｓ５，Ｓ７を含む。同様に、第３の磁性体層４３は、外部磁性体３３によって覆われる主領域Ｍ３と、主領域Ｍ３からｘ方向（マイナス側）に離れるに従ってｙ方向における幅が狭くなる収束領域Ｓ６，Ｓ８を含む。

外部磁性体３１は、ｚ方向の外部磁束を取り込む役割を果たす。外部磁性体３１を介して取り込まれた磁束は、第１の磁性体層４１の主領域Ｍ１に入射され、収束領域Ｓ１〜Ｓ４に対してほぼ均等に分配される。収束領域Ｓ１〜Ｓ４に達した磁束は、それぞれｙ方向に延在する磁気ギャップＧ１〜Ｇ４を介して、収束領域Ｓ５〜Ｓ８に供給される。収束領域Ｓ５，Ｓ７に到達した磁束は、主領域Ｍ２を介して外部磁性体３２に回収される。同様に、収束領域Ｓ６，Ｓ８に到達した磁束は、主領域Ｍ３を介して外部磁性体３３に回収される。

図１に示すように、磁気ギャップＧ１〜Ｇ４によって形成される磁路上には、それぞれｙ方向を長手方向とする感磁素子Ｒ１〜Ｒ４が配置されている。感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は、磁気ギャップＧ１〜Ｇ４内に配置されていても構わないが、磁気ギャップＧ１〜Ｇ４外であっても、当該磁気ギャップによって形成される磁路上に配置されていれば足りる。また、磁気ギャップＧ１〜Ｇ４の幅方向はｘ方向であっても構わないし、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４にｘ方向成分を有する磁束を印加可能である限り、磁気ギャップＧ１〜Ｇ４の幅方向がｚ方向成分を有していても構わない。

感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は、磁束密度によって物理特性の変化する素子であれば特に限定されないが、磁界の向きに応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗素子であることが好ましい。本実施形態においては、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の感磁方向（固定磁化方向）は、図１の矢印Ｐが示す方向（ｘ方向におけるプラス側）に全て揃えられている。

かかる構成により、外部磁性体３１を介して第１の磁性体層４１の主領域Ｍ１に集められた磁束は、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４を介してほぼ均等に分配される。このため、感磁素子Ｒ１，Ｒ３と感磁素子Ｒ２，Ｒ４には、互いに逆方向の磁束が与えられることになる。上述の通り、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の磁化固定方向は、矢印Ｐが示すｘプラス方向に向けられていることから、磁束のｘ方向における成分に対して感度を持つ。

さらに、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の下方には、補償コイル６０が設けられている。補償コイル６０は、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に印加される磁束を打ち消すことによって、クローズドループ制御を行うために設けられる。

図３は、補償コイル６０の形状を説明するための略平面図である。

図３に示すように、補償コイル６０は５ターンの導体パターンによって構成され、ｙ方向に延在する導体パターン６１，６２と、ｘ方向に延在する導体パターン６３，６４とを有している。また、補償コイル６０の一端は端子電極５１に接続され、補償コイル６０の他端は端子電極５２に接続される。但し、補償コイル６０のターン数がこれに限定されるものではない。

平面視における補償コイル６０と第１〜第３の磁性体層４１〜４３の位置関係は、図１に示すとおりである。つまり、第１の磁性体層４１は、平面視で補償コイル６０の内径領域６０ａと重なる位置に配置され、第２及び第３の磁性体層４２，４３は、平面視で補償コイル６０の外側領域と重なる位置に配置されている。また、磁気ギャップＧ１，Ｇ３及び感磁素子Ｒ１，Ｒ３は、平面視で補償コイル６０の導体パターン６１と重なる位置に配置され、磁気ギャップＧ２，Ｇ４及び感磁素子Ｒ２，Ｒ４は、平面視で補償コイル６０の導体パターン６２と重なる位置に配置される。

図４は、端子電極５１〜５６と感磁素子Ｒ１〜Ｒ４及び補償コイル６０との接続関係を説明するための回路図である。

図４に示すように、感磁素子Ｒ１は端子電極５３，５６間に接続され、感磁素子Ｒ２は端子電極５３，５４間に接続され、感磁素子Ｒ３は端子電極５４，５５間に接続され、感磁素子Ｒ４は端子電極５５，５６間に接続されている。端子電極５６には電源電位Ｖｃｃが与えられ、端子電極５４には接地電位ＧＮＤが与えられる。そして、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は全て同一の磁化固定方向を有していることから、外部磁性体３１からみて一方側に位置する感磁素子Ｒ１，Ｒ３の抵抗変化量と、外部磁性体３１からみて他方側に位置する感磁素子Ｒ２，Ｒ４の抵抗変化量との間には差が生じる。これにより、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は差動ブリッジ回路を構成し、磁束密度に応じた感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の電気抵抗の変化が端子電極５３，５５に現れることになる。

端子電極５３，５５から出力される差動信号は、本実施形態による磁気センサ１０が搭載される実装基板に設けられた差動アンプ７１に入力される。差動アンプ７１の出力信号は、端子電極５２にフィードバックされる。図４に示すように、端子電極５１と端子電極５２との間には補償コイル６０が接続されており、これにより、補償コイル６０は差動アンプ７１の出力信号に応じたキャンセル磁界を発生させる。かかる構成により、外部磁束の磁束密度に応じた感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の電気抵抗の変化が端子電極５３，５５に現れると、これに応じた電流が補償コイル６０に流れ、逆方向の磁束を発生させる。これにより、外部磁束が打ち消される。そして、差動アンプ７１から出力される電流を検出回路７２によって電流電圧変換すれば、外部磁束の強さを検出することが可能となる。

図５は、外部磁束とキャンセル磁束との関係を説明するための模式図である。

図５に示す例では、ｚ方向の外部磁束φ１が外部磁性体３１に取り込まれ、これが第１の磁性体層４１を介して左右に分配されている。そして、左側に分配された磁束φ２は磁気ギャップＧ１，Ｇ３を介して第２の磁性体層４２に流れ、右側に分配された磁束φ３は磁気ギャップＧ２，Ｇ４を介して第３の磁性体層４３に流れる。この時、磁気ギャップＧ１，Ｇ３を介して流れる磁束φ２の一部は感磁素子Ｒ１，Ｒ３に印加され、磁気ギャップＧ２，Ｇ４を介して流れる磁束φ３の一部は感磁素子Ｒ２，Ｒ４に印加される。これにより、図４を用いて説明したとおり、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４からなる差動ブリッジ回路によって端子電極５３，５５に電位差が現れる。

端子電極５３，５５の電位差は端子電極５２にフィードバックされ、これにより補償コイル６０に電流が流れる。図５に示す例では、補償コイル６０の導体パターン６１を中心に右回り（時計回り）のキャンセル磁束φ４が発生し、補償コイル６０の導体パターン６２を中心に左回り（反時計回り）のキャンセル磁束φ５が発生する。キャンセル磁束φ４は、磁気ギャップＧ１，Ｇ３を介して第２の磁性体層４２から第１の磁性体層４１へと流れ、これにより外部磁束φ２が打ち消される。同様に、キャンセル磁束φ５は、磁気ギャップＧ２，Ｇ４を介して第３の磁性体層４３から第１の磁性体層４１へと流れ、これにより外部磁束φ３が打ち消される。

このようなクローズドループ制御により、外部磁性体３１に取り込まれた外部磁束φ１がキャンセルされることから、補償コイル６０に流れる電流、つまり、検出回路７２に現れる電圧をモニタすることによって、外部磁束φ１の強さを検出することが可能となる。

そして、本実施形態においては、補償コイル６０、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４及び磁性体層４１〜４３がセンサ基板２０上にこの順に積層されていることから、磁性体層４１〜４３と感磁素子Ｒ１〜Ｒ４のｚ方向における距離を短くすることができる。これにより、磁気ギャップＧ１〜Ｇ４を通過する磁束が効率よく感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に印加されることから、高い検出感度を得ることが可能となる。しかも、外部磁性体３１と第１の磁性体層４１との間に形成される磁気ギャップを小さくすることができるため、外部磁性体３１に取り込まれた外部磁束φ１を効率よく第１の磁性体層４１に供給することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態による磁気センサ１０は、磁気ギャップＧ１〜Ｇ４によって形成される磁路上に感磁素子Ｒ１〜Ｒ４が配置されていることから、測定対象となる磁界が微弱であっても、これを高感度に検出することが可能となる。しかも、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４及び磁性体層４１〜４３だけでなく、補償コイル６０もセンサ基板２０上に集積されていることから、センサ基板２０上に外部磁性体３１を配置するだけで、高い検出感度を有する磁気センサを構成することが可能となる。

図６は、第１の変形例による磁気センサ１１の主要部の構成を示す略断面図である。

図６に示す磁気センサ１１は、補償コイル６０が複数の配線層に亘って巻回されている点において、上記実施形態による磁気センサ１０と相違している。具体的には、補償コイル６０が下層の導体パターン６０Ａと上層の導体パターン６０Ｂによって構成されている。下層の導体パターン６０Ａは絶縁膜２１によって覆われ、上層の導体パターン６０Ｂは絶縁膜２２によって覆われ、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は絶縁膜２３によって覆われている。これによれば、補償コイル６０を構成する導体パターンのレイアウト自由度を高めることが可能となる。例えば、図７に示すように、下層の導体パターン６０Ａと上層の導体パターン６０Ｂの巻回方向を互いに逆とし、且つ、互いの内周端を接続すれば、補償コイル６０の両端を端子電極５１，５２に容易に接続することが可能となる。尚、図７に示す例では、端子電極５１から端子電極５２に電流を流すと、反時計回り（左回り）に電流が流れるが、図３に示した例と同様、時計回り（右回り）に電流が流れるよう巻回しても構わない。

図８は、第２の変形例による磁気センサ１２の主要部の構成を示す略断面図である。

図８に示す磁気センサ１２は、下層の導体パターン６０Ａと上層の導体パターン６０Ｂの間に感磁素子Ｒ１〜Ｒ４が積層されている点において、第１の変形例による磁気センサ１１と相違している。ここで、下層の導体パターン６０Ａは絶縁膜２１によって覆われ、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は絶縁膜２２によって覆われ、上層の導体パターン６０Ｂは絶縁膜２３によって覆われている。このように、補償コイル６０を複数の配線層に亘って巻回する場合、補償コイル６０によって感磁素子Ｒ１〜Ｒ４を積層方向に挟み込む構成としても構わない。

図９は、第３の変形例による磁気センサ１３の主要部の構成を示す略断面図である。

図９に示す磁気センサ１３は、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４と磁性体層４１〜４３の位置関係が逆転している点において、上記実施形態による磁気センサ１０と相違している。ここで、補償コイル６０は絶縁膜２１によって覆われ、磁性体層４１〜４３は絶縁膜２２によって覆われ、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は絶縁膜２３によって覆われている。これによれば、補償コイル６０と磁性体層４１〜４３のｚ方向における距離を短くすることができることから、補償コイル６０に流す電流をより小さくすることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１０〜１３磁気センサ
２０センサ基板
２０ａ素子形成面
２１〜２３絶縁膜
３１〜３３外部磁性体
４１第１の磁性体層
４２第２の磁性体層
４３第３の磁性体層
５１〜５６端子電極
６０補償コイル
６０Ａ導体パターン
６０Ｂ導体パターン
６０ａ内径領域
６１〜６４導体パターン
７１差動アンプ
７２検出回路
Ｇ１〜Ｇ４磁気ギャップ
Ｍ１〜Ｍ３主領域
Ｒ１〜Ｒ４感磁素子
Ｓ１〜Ｓ８収束領域
φ１〜φ３外部磁束
φ４，φ５キャンセル磁束

Claims

第１の磁気ギャップを介して互いに対向する第１及び第２の磁性体層と、
前記第１の磁気ギャップによって形成される磁路上に配置された第１の感磁素子と、
前記第１の感磁素子に印加される磁束を打ち消す補償コイルと、を備えることを特徴とする磁気センサ。
前記第１の磁性体層は、平面視で前記補償コイルの内径領域と重なる位置に配置され、
前記第２の磁性体層は、平面視で前記補償コイルの外側領域と重なる位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
測定対象となる外部磁束を前記第１の磁性体層に集磁する外部磁性体をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
第２の磁気ギャップを介して前記第１の磁性体層と対向する第３の磁性体層と、
前記第２の磁気ギャップによって形成される磁路上に配置された第２の感磁素子と、をさらに備え、
前記補償コイルは、前記第２の感磁素子に印加される磁束を打ち消し、
前記第３の磁性体層は、平面視で前記補償コイルの外側領域と重なる位置に配置されることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ。
前記第１乃至第３の磁性体層、前記第１及び第２の感磁素子、並びに、前記補償コイルは、いずれもセンサ基板上に集積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及び第２の感磁素子は、前記センサ基板上の積層方向において、前記補償コイルと前記第１乃至第３の磁性体層の間に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気センサ。
前記第１乃至第３の磁性体層は、前記センサ基板上の積層方向において、前記補償コイルと前記第１及び第２の感磁素子の間に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気センサ。
前記補償コイルは、前記センサ基板上の複数の配線層に亘って巻回されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の磁気センサ。