JP2020046234A - 3次元磁界検出素子および3次元磁界検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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極めて弱いため、長くて直径の大きなパーマロイを必要とし、装置の厚さは0.5mm以上必要で実用的でなかった。
その素子の上部の軟磁性体の高さは0.05mmから0.2mm程度であり、下部の軟磁性体も同様の大きさとして、上部の軟磁性体と磁界検出素子と下部の軟磁性体の3つの部品はクランク状に配置されている。
しかし、特許文献1の検出力と比べれば遙かに効果的な検出ができるものの、X軸方向およびY軸方向の磁界検出感度に比べて十分なZ軸方向の磁界検出感度を得るのは困難である。十分なZ軸方向の磁界検出感度を得るには、各軟磁性体を大きくする必要があるが、そうすると大型化した軟磁性体がX軸方向およびY軸方向の磁界に対しても磁気回路を形成してX軸方向およびY軸方向の磁界を過度に集めて検出してしまうことでZ軸方向の磁界検出力との釣り合いが悪くなり、さらにX軸方向およびY軸方向の測定レンジが狭くなってしまう問題があった。また複雑な形状と大きな部品により製造上にも困難が生じる問題があった。
また、磁界検出素子は、小型、高感度、低ノイズ、ワイドレンジを実現できるGSR素子を対象としているが、感磁体として導電性ワイヤ(磁性ワイヤという)を使用し、磁気回路を形成することができるFGセンサ素子やMIセンサ素子にも適用可能である。
なお、製造上の都合その他の事情で、理想的な点対称が確保できない場合、X軸、Y軸、Z軸の感度について、感度の増減および相互干渉が生じる。それらの問題については感度補償および相互干渉補償することで解決することが望ましい。
すなわち、第二の発明は、外部の電子回路と接合可能な空間を、原点を中心とした点対称形状で有し、かつ下部軟磁性体プレートの面積を上部の4つの軟磁性体プレートの総面積よりも広くとることで、下部軟磁性体プレートと4つの磁界検出素子と上部軟磁性体プレートで形成される磁気回路により、効果的にZ軸方向磁界を検出し、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向の3つの方向の磁界成分を同じ感度で測定し、原点位置における磁界ベクトルを検出することを特徴とする3次元磁界検出素子である。
なお、3次元磁界検出装置においては電子回路の増幅度により磁気感度の調整ができるため、3次元磁界検出素子においてZ軸方向の磁気感度とX軸方向およびY軸方向の磁気感度が同じとは、X軸方向およびY軸方向の磁気感度に対するZ軸方向の磁気感度の比が、理想的な感度比の±70%の範囲に収まると言う意味である。つまり、ΔZは0.35から0.85の範囲が許容される。
なお、集積回路チップを底として上に積み上げていく方式において、3次元磁界検出素子の外部の電子回路との接続側つまり集積回路チップに面した側が3次元磁界検出素子の上部となる定義であるため、集積回路チップに近い側つまり下側に上部軟磁性体プレート、集積回路チップから遠い側、つまり上側に下部軟磁性体プレートと言う表記の逆転があるが、3次元磁界検出素子の構造は同じである。
本発明の3次元磁界検出素子は、基板面上に4つ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、基板の原点を中心とした点対称の位置に、X軸方向に2つ、Y軸方向に2つを配置し、磁界検出素子配置面と平行に、磁界検出素子配置面の下部に下部軟磁性体プレート、4つの磁界検出素子の上部に4つの上部軟磁性体プレートを配置して、原点位置において下部軟磁性体プレートと4つの磁界検出素子を磁気的に接続し、原点と反対側の端部で4つの磁界検出素子と4つの上部軟磁性体プレートを磁気的に接続して、Z軸方向磁界を上部と下部の軟磁性体プレートの一方で効果的に集磁して、X軸方向およびY軸方向の各素子に磁束を流し、他方のプレートで放磁する磁気回路を形成することで、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向の3つの方向の磁界成分を測定し、原点位置における磁界ベクトルを検出するものである。
[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(a)は3次元磁界検出素子1のXY平面図であり、図1(b)は図1(a)から抜き出した下部軟磁性体プレートの図である。図2は3次元磁界検出素子1をY軸方向から見たZX平面図であり、簡単のためY軸方向の構造物は省略している。図3はGSR素子の基本構造を示す平面図である。
上部軟磁性体プレート13と磁性ワイヤ21を接続する軟磁性体32は、磁性ワイヤ21の基板10の外縁側の端部に、磁性ワイヤ21からメッキ法で大きさ20μm角、高さ10μmで形成される45at%Ni−Fe組成のパーマロイ合金である。
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300μmの上記磁性ワイヤ21であるアモルファスワイヤを中心部に配置し、その周りを内径16μm、コイルピッチ5μm、巻数30回の検出コイル23を配置し、さらに磁性ワイヤ21と検出コイル23の両端にはそれぞれ電極端子であるワイヤ接続用端子24と検出コイル接続用端子25が取り付けられている。ワイヤ用接続端子24は電極221および222に接続され、検出コイル用端子25は電極223に接続されている。GSR素子2は4つの電極22をそれぞれ使って、外部の電子回路(図示せず)に対応している。各GSR素子2の上記各端子と外部電子回路の各端子とは、電極パッドで電気的に接合される。
上記のことは、Y軸方向の磁界に対しても同じである。
Hx1=Hx’+ΔZ
Hx2=Hx’−ΔZ
Hy1=Hy’+ΔZ
Hy2=Hy’−ΔZ
これらの値の内、X軸方向の磁界の強さに比例した値がHx’、Y軸方向の磁界の強さに比例する値がHy’、Z軸方向の磁界の強さに比例する値がΔZである。一つの方向の磁界成分だけに比例する出力を得るように計算処理をすれば、X軸方向、Y軸方向、およびZ軸方向の磁界の強さHx、Hy、Hzを算出できる。
Hx=Hx1+Hx2=2Hx’
Hy=Hy1+Hy2=2Hy’
また、Z軸方向の磁界の強さHzを得るには、X軸方向およびY軸方向の磁界の強さに比例する成分を取り除けばよいので、X1素子2X1とX2素子2X2の出力の差分とY1素子2Y1とY2素子2Y2の出力の差分を加算すればよい。
Hz=(Hx1−Hx2)+(Hy1−Hy2)=4ΔZ
以上により、各軸方向の磁界成分の強さHx,Hy,Hzが算出できる。この時、Hx=Hy=Hz=2とすると、Hx’=Hy’=1、ΔZ=0.5である。各軸方向の磁気感度をそろえるためには、各X素子と各Y素子の感度比率がHx’:Hy’:ΔZ=1:1:0.5であればよく、この3次元磁界検出素子は磁気回路の機能によって、この感度比率を実現することができる。
まずGSRセンサの電子回路4の基本動作を、図6を使って説明する。電子回路4は、パルス発信器41および信号処理回路42を有する。信号処理回路42は、サンプルタイミング調整回路421と、電子スイッチ422と、サンプルホールド回路423および増幅器424からなる。パルス発信器41により発生した1.3GHz相当の高周波パルス電流を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23に発生する。
なお、ここでいるパルス周波数は、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して便宜上定義した。
本発明の3次元磁界検出素子1は各GSR素子2の電極22が配置される電極配置面14から上部軟磁性体プレートの上面までの高さが20μmと低く抑えられているため、電極22と集積回路チップ上の電極とは、集積回路チップ5に3次元磁界検出素子1を積層して高さ20μmのフリップチップはんだ接合8をすることによって容易に接続できる。これによって3次元磁界検出装置全体の厚さを、ASIC基板0.15mm、素子基板0.10mm、接合部0.02mm、全体で0.27mmと薄型化をすることができる。
実施例2に係る3次元磁界検出素子6を図9に示す。図9(a)はこの3次元磁界検出素子6のXY平面図であり、図9(b)は図9(a)から下部軟磁性体プレートを抜き出した図である。
実施例2は、基板60に穴を掘らずに、まず基板60全面を使って下部軟磁性体プレート61をメッキ法で形成し、その後樹脂等の絶縁材料で下部軟磁性体プレート61を覆って、この絶縁材料層の上面を磁界検出素子配置面62および電極配置面64として、実施例1と同様にGSR素子2、上部軟磁性体プレート63、原点位置で下部軟磁性体プレート61と磁性ワイヤ21を接続する軟磁性体33、磁性ワイヤ21と上部軟磁性体プレート63を接続する軟磁性体34を形成するものである。
実施例3は、3次元磁界検出素子の外部の電子回路4となる集積回路チップ5上に直接3次元磁界検出素子7を形成することで、実施例1および実施例2における3次元磁界検出素子の基板を無くし、さらなる薄型化をすることができる。図10はこの実施例3における3次元磁界検出素子7と集積回路チップ5との直接配線メッキ接合9を示している。
10:実施例1の3次元磁界検出素子の基板
11:実施例1の3次元磁界検出素子の下部軟磁性体プレート
12:実施例1の3次元磁界検出素子配置面
13:実施例1の3次元磁界検出素子の上部軟磁性体プレート
14:実施例1の3次元磁界検出素子の電極配置面
2:GSR素子(2X1、2X2、2Y1、2Y2の4つの素子)
21:GSR素子の感磁体である磁性ワイヤ(アモルファスワイヤ)
22:GSR素子の電極
221:GSR素子の磁性ワイヤ通電用の−側電極
222:GSR素子の磁性ワイヤ通電用の+側電極
223:GSR素子の検出コイル用電極
23:GSR素子の検出コイル
24:GSR素子の磁性ワイヤの接続用端子
25:GSR素子の検出コイルの接続用端子
3:軟磁性体
31:実施例1の磁性ワイヤと下部軟磁性体プレートを接続する軟磁性体
32:実施例1の磁性ワイヤと上部軟磁性体プレートを接続する軟磁性体
33:実施例2の磁性ワイヤと下部軟磁性体プレートを接続する軟磁性体
34:実施例2の磁性ワイヤと上部軟磁性体プレートを接続する軟磁性体
4:電子回路
41:パルス発信器
42:信号処理回路
421:サンプルタイミング調整回路
422:電子スイッチ
423:サンプルホールド回路
424:増幅器
43:切替スイッチ
44:ADコンバータ
45:演算回路
46:データ通信回路
5:集積回路チップ
6:実施例2の3次元磁界検出
60:実施例2の基板
61:実施例2の下部軟磁性体プレート
62:実施例2の磁界検出素子配置面
63:実施例2の上部軟磁性体プレート
64:実施例2の電極配置面
7:実施例3の3次元磁界検出素子
8:フリップチップはんだ接合
9:直接配線メッキ接合
Claims (5)
- 基板平面上に4つ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、前記基板の原点を中心とした点対称の位置に、第1軸方向に2つを配置し、第1軸と直交する第2軸方向に2つを配置して磁界検出素子配置面とし、前記磁界検出素子と外部電子回路とを接続するための電極を有し、前記磁界検出素子と外部電子回路との接続側を基板面の上部と定義して、前記磁界検出素子配置面の下部に前記磁界検出素子配置面と平行に、前記原点を中心に点対称の形状を有する下部軟磁性体プレートを配置し、前記磁界検出素子それぞれの上部に前記磁界検出素子配置面と平行に、前記原点を中心に点対称の形状と位置で4つの上部軟磁性体プレートを配置し、前記磁界検出素子内部の感磁体を前記下部軟磁性体プレートと前記原点において磁気的に接続し、前記感磁体と前記上部軟磁性体プレートを前記磁界検出素子の前記原点と反対側の端部において磁気的に接続することにより、前記下部軟磁性体プレートと前記4つの磁界検出素子と前記4つの上部軟磁性体プレートからなる磁気回路を有することにより、前記基板平面に水平方向の第1軸、第2軸および前記基板平面に垂直方向の第3軸の3つの方向の磁界成分を測定して原点位置における磁界ベクトル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に記載されている原点位置の磁界ベクトルを検出する3次元磁界検出素子において、上部軟磁性体プレートに覆われていない外部電子回路と接続するために必要なスペースを、原点を中心とした点対称形状で有し、かつ下部軟磁性体プレートは前記4つの上部軟磁性体プレートの合計面積よりも広い面積を有することを特徴とする3次元磁界検出素子。
- 請求項1および請求項2に記載されている原点位置の磁界ベクトルを検出する3次元磁界検出素子において、第1軸方向および第2軸方向の磁束は磁界検出素子内部の感磁体および上部軟磁性体プレート、下部軟磁性体プレートに集磁されて、それらに沿って流れるが、
前記感磁体が集磁する磁束は、磁気回路構成部の部軟磁性体プレートと上部軟磁性体プレートに集磁される磁束の影響をうけるが、前記上部軟磁性体プレートが集磁した磁束の一部が、前記感磁体と前記上部軟磁性体プレートとの接続部を通って前記感磁体に流れ込み、前記感磁体の前記原点位置での前記下部軟磁性体プレートとの接続部を経由して、他方の側の前記感磁体に流れ込み、前記感磁体の前記原点と反対側の端部と、放磁側の前記感磁体に接続された前記上部軟磁性体プレートから放磁されることで、前記感磁体に流れる磁束を増加させる一方、前記下部軟磁性体プレートが集磁した磁束は、そのまま前記下部軟磁性体プレートを通過し、前記感磁体に対する磁束の迂回路として働き、前記感磁体に流れる磁束を減少させるので、前記下部軟磁性体プレートによる減少分と前記上部軟磁性体プレートによる増加分を打ち消し合わせることにして、第1軸方向および第2軸方向に配置された前記磁界検出素子の検出感度に対する磁気回路の影響を取り除き、さらに基板平面に垂直な第3軸方向の磁束は、前記下部軟磁性体プレートに集磁され、前記原点において磁気的に接続された4つの前記磁界検出素子内部の感磁体を通して磁束が流れて、各前記磁界検出素子の前記原点と反対側の端部において磁気的に接続された前記上部軟磁性体プレートに流れ込み放磁されるが、この際に4つの前記磁界検出素子の出力を合計した第3軸方向の磁気感度が、第1軸方向の2つの前記磁界検出素子の出力を合計した磁気感度および第2軸方向の2つの前記磁界検出素子の出力を合計した磁気感度と同じとなるように、前記上部軟磁性体プレートと前記下部軟磁性体プレートの形状を調整し、各軸方向の磁気感度が全て等しくなるようにしたことを特徴とする3次元磁界検出素子。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載されている、または、請求項2または請求項3に記載されている3次元磁界検出素子において、前記3次元磁界検出素子は、長さ0.2mm以上で1.0mm以下、幅0.2mm以上で1.0mm以下、および厚さ0.01mm以上で0.35mm以下、下部軟磁性体プレートの下面から上部軟磁性体プレートの上面までの高さが0.01mm以上で0.08mm以下からなることを特徴とする3次元磁界検出素子。
- 請求項1から請求項4のいずれかに記載されている3次元磁界検出素子と集積回路チップとをフリップチップはんだ接合または直接配線メッキ接合していることを特徴とする3次元磁界検出装置。
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