JP2020085480A - 磁気センサ及び位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱磁場によるノイズを小さくすることができ、被検出磁界の変化に応じて高精度な信号を出力可能な磁気センサ及び位置検出装置を提供する。【解決手段】磁気検出素子２０と、第１面３１Ａ及びそれに対向する第２面３１Ｂを有する第１磁性体３１と、第１磁性体の第１面３１Ａにおける短手方向略中央に位置する第２磁性体３２とを備え、磁気検出素子２０は、第１磁性体３１を間に挟んで第２磁性体３２と対向するようにして設けられ、第１磁性体３１の短手方向における略中央に位置し、磁気検出素子２０の感磁方向は、第１磁性体３１及び第２磁性体３２の短手方向と略平行な方向であり、第１磁性体３１の幅Ｗ１は、第２磁性体３２の幅Ｗ２よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサ及び位置検出装置に関する。

近年、種々の用途において、物理量（例えば、移動体の回転移動や直線的移動による位置や移動量（変化量）等）を検出するための物理量検出装置（位置検出装置）が用いられている。この物理量検出装置としては、外部磁場の変化を検出可能な磁気センサを備えるものが知られており、外部磁場の変化に応じた信号が磁気センサから出力される。

磁気センサは、被検出磁界を検出する磁気センサ素子を有しており、かかる磁気センサ素子としては、外部磁場の変化に応じて抵抗が変化する磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子等）や、いわゆるホール効果を利用したホール素子等が知られている。

このような磁気センサ素子は、所定の使用磁場範囲を有するため、磁気センサ素子に印加される磁界の磁場強度が、当該使用磁場範囲外である場合、当該磁界の磁場強度を使用磁場範囲内に調整する必要がある。従来、磁気センサ素子に印加される磁界の磁場強度を調整するために、当該磁場強度を減衰させるための磁気シールドを有する磁気センサが知られている（特許文献１〜２参照）。

特表２０１６−５３５８４５号公報 特表２０１７−５０２２９８号公報

上記磁気センサにおいては、検出すべき磁界（被検出磁界）の磁場方向と磁気センサ素子の感磁方向とを互いに一致させることで、被検出磁界の変化に応じた信号が出力される。当該磁気センサを有する位置検出装置は、被検出磁界を発生可能な磁界発生部（例えば磁石等）を有する。しかし、当該磁界発生部からは、被検出磁界のみならず、それと異なる磁場方向の磁場（外乱磁場）も発生する。この外乱磁場は、その磁場方向を変化させて、被検出磁界に重畳されて磁気センサ素子に印加されることがある。これにより、被検出磁界の変化に応じた信号にノイズが発生し、計測誤差の要因となってしまう。特に、位置検出装置の小型化の要請により、磁気センサ（磁気センサパッケージ）のさらなる小型化が要求されることで、磁気センサ素子と磁界発生部との距離が小さくなり、その結果として外乱磁場によるノイズが大きくなってしまうおそれがある。

上記磁気センサにおいては、磁気センサ素子に印加される磁界の磁場強度が磁気センサ素子の使用磁場範囲内に調整され得るものの、真に検出すべき磁界のみの磁場強度が調整され得るものではないため、外乱磁場による耐ノイズ性に問題がある。

上記課題に鑑みて、本発明は、外乱磁場によるノイズを小さくすることができ、被検出磁界の変化に応じて高精度な信号を出力可能な磁気センサ及び位置検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、磁気検出素子と、第１面及び前記第１面に対向する第２面を有し、平面視略長方形状の第１磁性体と、前記第１磁性体の前記第１面上であって、平面視において前記第１磁性体の短手方向略中央に位置する平面視略長方形状の第２磁性体とを備え、前記磁気検出素子は、前記第１磁性体を間に挟んで前記第２磁性体と対向するようにして設けられ、平面視にて前記第１磁性体の短手方向における略中央に位置しており、前記磁気検出素子の感磁方向は、前記第１磁性体及び前記第２磁性体の短手方向と略平行な方向であり、前記第１磁性体の短手方向の幅Ｗ１は、前記第２磁性体の短手方向の幅Ｗ２よりも大きいことを特徴とする磁気センサを提供する。

前記磁気センサにおいて、前記第１磁性体の短手方向の幅Ｗ１及び前記第２磁性体の短手方向の幅Ｗ２の関係は、前記磁気検出素子の感磁方向に直交する方向であって、前記第１磁性体及び前記第２磁性体の厚み方向に平行な方向の外部磁場を前記感磁方向の磁場に実質的に変換させない関係であればよい。

前記磁気センサにおいて、前記第１磁性体の短手方向の幅Ｗ１に対する前記第２磁性体の短手方向の幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ１が、０．２〜０．８であればよく、前記第１磁性体の厚みＴ１が、前記第２磁性体の厚みＴ２よりも小さければよく、前記第１磁性体の厚みＴ１に対する前記第２磁性体の厚みＴ２の比Ｔ２／Ｔ１が、２〜２０であればよい。

前記磁気センサにおいて、前記第２磁性体の厚み方向に沿った切断面の形状が、略台形状又は略逆台形状であればよく、前記第２磁性体の短手方向の幅Ｗ２が、１５μｍ以上３０μｍ未満であればよく、前記第２磁性体の厚みＴ２が、３〜２０μｍであればよい。

前記磁気センサにおいて、前記第２磁性体は、前記第１磁性体の前記第１面上に接面して設けられていてもよいし、前記第１磁性体の前記第１面との間に所定の間隔をあけて設けられていてもよい。

前記磁気センサにおいて、複数の前記磁気検出素子が、前記第１磁性体の長手方向に沿って所定の間隔で並設され、電気的に直列に接続されていてもよいし、前記第１磁性体の短手方向に沿って所定の間隔で並設され、電気的に直列に接続されていてもよく、後者の場合に、平面視において、前記第１磁性体の短手方向に沿って並設されてなる前記複数の磁気検出素子からなる群が前記第１磁性体の略中央に位置していればよい。また、前記磁気センサにおいて、複数の前記磁気検出素子が、前記第１磁性体の長手方向及び短手方向に沿って所定の間隔で行列状に並設され、電気的に直列に接続されていてもよい。

前記磁気センサにおいて、複数の前記第１磁性体が、前記第１磁性体の短手方向に沿って所定の間隔をあけて並設されており、前記各第１磁性体の前記第１面上に前記第２磁性体が位置しており、前記磁気検出素子は、前記各第１磁性体を間に挟んで前記各第２磁性体と対向するようにして位置することができる。

また、本発明は、移動体の移動に伴う外部磁場の変化に基づき検出信号を出力する磁気検出部と、前記磁気検出部から出力された前記検出信号に基づき、前記移動体の位置を検出する位置検出部とを備え、前記磁気検出部は、上記磁気センサを有することを特徴とする位置検出装置を提供する。

本発明によれば、外乱磁場によるノイズを小さくすることができ、被検出磁界の変化に応じて高精度な信号を出力可能な磁気センサ及び位置検出装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す側面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す側面図である。 図４は、本発明の一実施形態における磁気センサ素子部の概略構成を示す斜視図である。 図５は、本発明の一実施形態における磁気センサ素子の概略構成を示す断面図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概略構成を示すブロック図である。 図７は、本発明の一実施形態に係る磁気センサが有する回路構成の一態様の概略構成を示す回路図である。 図８は、本発明の一実施形態に係る磁気センサが有する回路構成の他の態様の概略構成を示す回路図である。 図９は、本発明の他の実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す側面図である。 図１０は、本発明の他の実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す側面図である。 図１１は、図１０に示す磁気センサにおける磁気センサ素子部の概略構成を示す斜視図である。 図１２は、本発明の一実施形態における位置検出装置の概略構成を示す側面図である。 図１３は、試験例１におけるシミュレーション結果を示すグラフである。 図１４は、試験例２におけるシミュレーション結果を示すグラフである。

本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す側面図であり、図２は、本実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す斜視図であり、図３は、本実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す側面図であり、図４は、本実施形態における磁気センサ素子部の概略構成を示す斜視図であり、図５は、本実施形態における磁気センサ素子の概略構成を示す断面図であり、図６は、本実施形態に係る磁気センサの概略構成を示すブロック図であり、図７は、本実施形態に係る磁気センサが有する回路構成の一態様の概略構成を示す回路図であり、図８は、本実施形態に係る磁気センサが有する回路構成の他の態様の概略構成を示す回路図である。

なお、本実施形態に係る磁気センサにおいて、必要に応じ、いくつかの図面中、「Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向」を規定している。ここで、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、磁気センサ部の面内における互いに直交する方向であり、Ｚ軸方向は、磁気センサ部の厚さ方向である。

本実施形態に係る磁気センサ１は、外部磁場の変化に基づいてセンサ信号Ｓを出力する少なくとも一つの磁気検出素子部２と、磁気検出素子部２のＺ軸方向における上方に設けられてなる磁気シールド３と、センサ信号Ｓに基づいて物理量を算出する演算部４とを備える。

磁気シールド３は、第１面３１Ａ及び第１面３１Ａに対向する第２面３１Ｂを有し、平面視略長方形状の第１磁気シールド３１と、第１磁気シールド３１の第１面３１Ａ上であって、第１磁気シールド３１の短手方向における略中央に位置する第２磁気シールド３２とを含む。第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２は、一体化されているものであってもよいし、別体のものであってもよい。

磁気シールド３（第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２）は、相対的に高い透磁率（例えば、２×１０^-5〜８×１０^-4（Ｈ／ｍ）程度の透磁率）を有する軟磁性材料により構成されるのが好ましく、例えば、ＭｎＺｎフェライト、ＮｉＺｎフェライト、ＣｕＺｎフェライト等のスピネルフェライト；バリウムフェライト、ストロンチウムフェライト等の六方晶フェライト；ＹＩＧ（イットリウム・鉄・ガーネット）等のガーネットフェライト；γ−Ｆｅ₂Ｏ₃（マグヘマイト）；パーマロイ（ＮｉＦｅ）；ＣｏＦｅ；ＣｏＦｅＳｉＢ；ＣｏＺｒＮｂ等が挙げられる。

磁気シールド３において、第１磁気シールド３１の短手方向の幅Ｗ１は、第２磁気シールド３２の短手方向の幅Ｗ２よりも大きければよく、それらの幅Ｗ１，Ｗ２の関係が、外部磁場のうちのＺ軸方向の磁場（外乱磁場）をＸ軸方向（磁気センサ素子の感磁方向）の磁場に実質的に変換させないような関係であればよい。なお、「Ｚ軸方向の磁場をＸ軸方向の磁場に実質的に変換させない」とは、Ｚ軸方向の磁場のＸ軸方向の磁場への変換率が１．１％以下であることを意味し、当該変換率が０．８％以下であるのが好ましく、０．５％以下であるのが特に好ましい。なお、「Ｚ軸方向の磁場のＸ軸方向の磁場への変換率」は、磁気センサ１に対して所定の磁場強度のＺ軸方向の磁場を印加させたときにおける、感磁方向がＸ軸方向の磁気検出素子２０を有する磁気検出素子部２により感知されたＸ軸方向の磁場強度の、Ｚ軸方向の印加磁場の磁場強度に対する百分率として求められる値である。

第１磁気シールド３１の短手方向の幅Ｗ１に対する第２磁気シールド３２の短手方向の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ１）は、０．２〜０．８であるのが好ましく、０．２〜０．７であるのがより好ましい。当該比（Ｗ２／Ｗ１）が０．２〜０．８であれば、Ｚ軸方向の磁場のＸ軸方向の磁場への変換率を０．８％以下にすることができ、磁気センサ１にて検出すべきＸ軸方向の磁場（被検出磁界）の変化に応じて高精度な信号が磁気検出素子部２から出力され得る。一方で、上記比（Ｗ２／Ｗ１）が０．８を超えると、Ｚ軸方向の磁場のＸ軸方向の磁場への変換率が大きくなる傾向にあり、磁気検出素子部２から出力される信号にノイズが含まれてしまうおそれがある。

第２磁気シールド３２の短手方向の幅Ｗ２は、１５μｍ以上３０μｍ未満であるのが好ましく、２２〜２６μｍであるのがより好ましい。第２磁気シールド３２の短手方向の幅Ｗ２が１５μｍ未満であると、磁気シールド３と磁気検出素子部２（磁気検出素子２０）とのＸ軸方向における位置ずれ（製造時におけるバラつきにより生じ得る位置ずれ）等により磁気センサ１の特性が大きく変動してしまうおそれがあり、３０μｍ以上であると、磁気シールド３が飽和してしまうおそれがある。

第１磁気シールド３１の厚みＴ１は、第２磁気シールド３２の厚みＴ２よりも小さいのが好ましく、厚みＴ１に対する厚みＴ２の比（Ｔ２／Ｔ１）が２〜２０であるのがより好ましく、２〜１６．７であるのが特に好ましい。厚みＴ１が厚みＴ２よりも小さく、上記比（Ｔ２／Ｔ１）が２〜２０であれば、Ｚ軸方向の磁場をＸ軸方向の磁場に実質的に変換させないようにすることができ、磁気センサ１にて検出すべきＸ軸方向の磁場（被検出磁界）の変化に応じて高精度な信号が磁気検出素子部２から出力され得る。一方、上記比（Ｔ２／Ｔ１）が２未満又は２０を超えると、Ｚ軸方向の磁場のＸ軸方向の磁場への変換率が大きくなりやすく、磁気検出素子部２から出力される信号にノイズが含まれてしまうおそれがある。

第２磁気シールド３２の厚みＴ２は、３〜２０μｍであるのが好ましく、６〜１５μｍであるのがより好ましい。第２磁気シールド３２の厚みＴ２が３μｍ未満であると第２磁気シールド３２がＸ軸方向の磁場により飽和され、第２磁気シールド３２におけるＸ軸方向の磁場に対するシールドとしての機能が低減するおそれがあり、２０μｍを超えると半導体製造における一般的なウェハプロセスを利用した第２磁気シールド３２の作製が困難になるおそれがある。

磁気シールド３（第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２）の長手方向の長さは特に限定されるものではなく、例えば、３０〜３００μｍ程度であればよい。なお、本実施形態において、第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２は、互いに同一の長手方向の長さを有するが（図２参照）、この態様に限定されるものではなく、本実施形態における磁気シールド３の効果が発揮され得る限りにおいて、第１磁気シールド３１の長手方向の長さが第２磁気シールド３２の長手方向の長さよりも長くてもよい。

第２磁気シールド３２の短手側の側面を見たときに、第２磁気シールド３２の両側面（長手側の両側面）と底面（第１磁気シールド３１の第１面３１Ａ）とのなす角度θは、８０〜１００°程度であればよく、８５〜９５°程度であるのが好ましい。

本実施形態において、磁気検出素子部２は、第１磁気シールド３１を間に挟んで第２磁気シールド３２と対向するように、かつ第１磁気シールド３１との間に所定の間隔Ｇ１をあけて設けられ、平面視にて第１磁気シールド３１の短手方向（Ｘ軸方向）における略中央に位置している。なお、間隔Ｇ１は、第１磁気シールド３１の第２面３１Ｂと磁気検出素子部２（磁気検出素子２０）との間のＺ軸方向における長さである。

磁気検出素子部２は、磁気シールド３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿って並設された複数の磁気検出素子２０（図示例においては第１磁気検出素子２１、第２磁気検出素子２２及び第３磁気検出素子の３個）が上部電極６２及び下部電極６１を介して電気的に直列に接続されて構成される（図２参照）。

磁気検出素子部２を構成する各磁気検出素子２０（第１磁気検出素子２１、第２磁気検出素子部２２及び第３磁気検出素子２３）として、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子等のＭＲ素子を用いることができ、特にＴＭＲ素子を用いるのが好ましい。ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、印加される磁界の方向に応じて磁化方向が変化する自由層と、磁化固定層及び自由層の間に配置される非磁性層とを有する。

各磁気検出素子２０（第１磁気検出素子２１、第２磁気検出素子２２及び第３磁気検出素子２３）としてのＭＲ素子は、基板（図示せず）上に設けられている下部電極６１の上面における長手方向の両端近傍に一つずつ設けられている。各磁気検出素子２０（第１磁気検出素子２１、第２磁気検出素子２２及び第３磁気検出素子２３）としてのＭＲ素子は、下部電極６１側から順に積層された自由層５１、非磁性層５２、磁化固定層５３及び反強磁性層５４を含む。自由層５１は、下部電極６１に電気的に接続されている。反強磁性層５４は、反強磁性材料により構成され、磁化固定層５３との間で交換結合を生じさせることで、磁化固定層５３の磁化の方向を固定する役割を果たす。複数の上部電極６２は、複数のＭＲ素子（磁気検出素子２０（第１磁気検出素子２１、第２磁気検出素子２２及び第３磁気検出素子２３））上に設けられている。なお、ＭＲ素子（磁気検出素子２０（第１磁気検出素子２１、第２磁気検出素子２２及び第３磁気検出素子２３））は、上部電極６２側から順に自由層５１、非磁性層５２、磁化固定層５３及び反強磁性層５４が積層されてなる構成を有していてもよい。

ＴＭＲ素子においては、非磁性層５２はトンネルバリア層である。ＧＭＲ素子においては、非磁性層５２は非磁性導電層である。ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子において、自由層５１の磁化の方向が磁化固定層５３の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が０°（互いの磁化方向が平行）のときに抵抗値が最小となり、１８０°（互いの磁化方向が反平行）のときに抵抗値が最大となる。

本実施形態に係る磁気センサ１が有する回路構成としては、例えば、直列に接続された一対の磁気センサ素子部を含むホイートストンブリッジ回路Ｃ１０（図７参照）が挙げられる。ホイートストンブリッジ回路Ｃ１０は、電源ポートＶ１０と、グランドポートＧ１０と、２つの出力ポートＥ１１，Ｅ１２と、直列に接続された第１の一対の磁気センサ素子部Ｒ１１，Ｒ１２と、直列に接続された第２の一対の磁気センサ素子部Ｒ１３，Ｒ１４とを含む。磁気センサ素子部Ｒ１１，Ｒ１３の各一端は、電源ポートＶ１０に接続される。磁気センサ素子部Ｒ１１の他端は、磁気センサ素子部Ｒ１２の一端と出力ポートＥ１１とに接続される。磁気センサ素子部Ｒ１３の他端は、磁気センサ素子部Ｒ１４の一端と出力ポートＥ１２とに接続される。磁気センサ素子部Ｒ１２，Ｒ１４の各他端は、グランドポートＧ１０に接続される。電源ポートＶ１０には、所定の大きさの電源電圧が印加され、グランドポートＧ１０はグランドに接続される。各磁気センサ素子部Ｒ１１〜Ｒ１４は、磁気検出素子部２（複数の磁気検出素子２０）により構成される。なお、磁気センサ１が有する回路構成は、第１の一対の磁気センサ素子部Ｒ１１，Ｒ１２のみを含み、第２の一対の磁気センサ素子部Ｒ１３，Ｒ１４を含まないハーフブリッジ回路Ｃ１０’であってもよい（図８参照）。

磁気センサ素子部Ｒ１１〜Ｒ１４を構成する各磁気検出素子２０がＴＭＲ素子又はＧＭＲ素子である場合、その磁化固定層５３の磁化の方向を塗りつぶした矢印で表す。磁気センサ素子部Ｒ１１〜Ｒ１４の磁化固定層５３の磁化の方向は第１方向Ｄ１（図７参照）に平行であって、磁気センサ素子部Ｒ１１，Ｒ１４の磁化固定層５３の磁化の方向と、磁気センサ素子部Ｒ１２，Ｒ１３の磁化固定層５３の磁化の方向とは、互いに反平行方向である。

ホイートストンブリッジ回路Ｃ１０において、外部磁場の変化に応じて、出力ポートＥ１１，Ｅ１２から磁界強度を表す信号としてのセンサ信号Ｓが出力される。差分検出器ＤＤは、出力ポートＥ１１，Ｅ１２の電位差に対応する信号をセンサ信号Ｓとして演算部４に出力する。

なお、磁気センサ素子部Ｒ１１〜Ｒ１４を構成する各磁気検出素子２０の感度軸（感磁方向）は、平面視において第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２の短手方向（Ｘ軸方向）と略平行な方向である。後述するように、本実施形態においては、磁気シールド３（第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２）により、外部磁場のうちのＺ軸方向の磁場（外乱磁場）がＸ軸方向の磁場に実質的に変換されるのを防止することができる。その結果、磁気センサ１にて検出すべきＸ軸方向の磁場（被検出磁界）の強度に基づいた抵抗値変化が磁気センサ素子部Ｒ１１〜Ｒ１４において生じるため、被検出磁界の変化に応じて高精度な信号が磁気センサ１から出力され得る。

第１磁気シールド３１の第２面３１Ｂと磁気検出素子部２との間の距離（ギャップ）Ｇ１は、０．５〜５μｍ程度であればよく、０．５〜３μｍ程度であるのが好ましい。当該ギャップＧ１が０．５μｍ未満であると、第１磁気シールド３１を透過する磁場が磁気検出素子部２の特性に影響を及ぼすおそれがあり、５μｍを超えると磁気シールド３（第１磁気シールド３１）のシールドとしての効果が低減するおそれがある。

第２磁気シールド３２は、第１磁気シールド３１の第１面３１Ａ上に接面して設けられていてもよいが（図１参照）、第１磁気シールド３１の第１面３１Ａとの間に絶縁層を介在させて所定の間隔Ｇ２をあけるようにして設けられていてもよい（図９参照）。この場合において、第１磁気シールド３１の第１面３１Ａと第２磁気シールド３２との間の間隔Ｇ２は、例えば、０．０５〜４μｍ程度であればよい。当該間隔Ｇ２が４μｍを超えると、第２磁気シールド３２によるシールドとしての効果が低減するおそれがある。また、当該間隔Ｇ２が０．０５μｍ未満である磁気シールド３を製造するのは、非常に困難である。

本実施形態において、磁気センサ１が備える磁気検出素子部２は、第１磁気シールド３１の短手方向に沿って並設されてなる複数の磁気検出素子部２Ａ，２Ｂを有していてもよい。例えば、図１０及び図１１に示すように、磁気検出素子部２は、複数の磁気検出素子２０（第１磁気検出素子２１、第２磁気検出素子２２及び第３磁気検出素子２３）を電気的に直列に接続してなる第１磁気検出素子部２Ａと、複数の磁気検出素子２０（第１磁気検出素子２１、第２磁気検出素子２２及び第３磁気検出素子２３）を電気的に直列に接続してなる第２磁気検出素子部２Ｂとを有し、第１磁気検出素子部２Ａ及び第２磁気検出素子部２Ｂが、第１磁気シールド３１の短手方向に沿って並設されていてもよい。すなわち、複数の磁気検出素子２０が行列状に並設されていてもよい。この態様において、第１磁気検出素子部２Ａ及び第２磁気検出素子部２Ｂは、電気的に直列に接続されていてもよいし、電気的に並列に接続されていてもよい。この場合、磁気シールド３の短手側の側面を見たときに、第１磁気検出素子部２Ａ及び第２磁気検出素子部２Ｂからなる群の中心位置（磁気シールド３の短手方向における中心位置）と第１磁気シールド３１の短手方向の中心とが略一致しているのが好ましい。当該中心が互いに略一致し、かつ第１磁気検出素子部２Ａ及び第２磁気検出素子部２Ｂが電気的に直列に接続されていることで、第１磁気検出素子部２Ａに印加されるＺ軸方向の磁場（Ｘ軸方向に変換されて印加される磁場）の磁場強度の符号と、第２磁気検出素子部２Ｂに印加されるＺ軸方向の磁場（Ｘ軸方向に変換されて印加される磁場）の磁場強度の符号とが逆になるため、磁気検出素子部２から出力される信号においてＺ軸方向の磁場の磁場強度の影響をキャンセルすることができる。

演算部４は、磁気検出素子部２から出力されるアナログ信号（センサ信号Ｓ）をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部４１と、Ａ／Ｄ変換部４１によりデジタル変換されたデジタル信号を演算処理し、物理量を算出する演算処理部４２とを含む。

Ａ／Ｄ変換部４１は、磁気検出素子部２から出力されるセンサ信号Ｓ（物理量に関するアナログ信号）をデジタル信号に変換し、当該デジタル信号が演算処理部４２に入力される。

演算処理部４２は、Ａ／Ｄ変換部４１によりアナログ信号から変換されたデジタル信号についての演算処理を行い、物理量を算出する。この演算処理部４２は、例えば、マイクロコンピュータ等により構成される。

上述した構成を有する磁気センサ１は、位置検出装置の一構成要素として用いられ得る。図１２は、本実施形態に係る磁気センサを用いた位置検出装置の概略構成を示す側面図である。

本実施形態における位置検出装置１０は、本実施形態に係る磁気センサ１と、磁気センサ１（磁気シールド３）に対向して設けられている、Ｘ軸方向に着磁されている磁石７０とを備える。磁石７０が移動体（図示省略）に設けられていることで、移動体の移動による磁場の変化に伴い、磁気センサ１から所定の信号が出力される。本実施形態における位置検出装置１０としては、例えば、カメラ等の撮像装置におけるレンズ駆動機構（光学式手振れ補正機構）等に用いられ得る。

磁気センサ１における演算処理部４２（図６参照）は、Ａ／Ｄ変換部４１（図６参照）によってアナログ信号から変換されたデジタル信号についての演算処理を行い、移動体の相対移動量を物理量として算出する。

上述した構成を有する本実施形態における位置検出装置１０において、移動体（磁石７０）が磁気センサ１に対して相対的に移動するのに伴い外部磁場が変化すると、その外部磁場の変化に応じ、ホイートストンブリッジ回路Ｃ１０の磁気センサ素子部Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値が変化し、出力ポートＥ１１，Ｅ１２の電位差に応じてセンサ信号Ｓが出力される。

演算処理部４２により算出された相対移動量は、本実施形態における位置検出装置１０が設置されるアプリケーション（例えば、デジタルカメラ等）の電子制御ユニット（Electronic Control Unit，ＥＣＵ）に出力される。電子制御ユニットにおいては、上記相対移動量に基づいて、当該アプリケーションの動作（例えば、光学式手振れ補正機構等）が制御される。

本実施形態における位置検出装置１０において、磁気センサ１の磁気シールド３によりＺ軸方向の磁場（外乱磁場）がＸ軸方向の磁場に実質的に変換されるのを防止することができるため、ホイートストンブリッジ回路Ｃ１０から出力されるセンサ信号Ｓが、Ｚ軸方向の磁場による影響を受けることなく、検出すべきＸ軸方向の磁場に対応したものとなる。そのため、移動体（磁石７０）の相対移動量が精確に算出され得る。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

上記実施形態において、磁気検出素子部２を構成する複数の磁気検出素子２０（第１磁気検出素子２１、第２磁気検出素子２２及び第３磁気検出素子２３）が磁気シールド３の長手方向（Ｙ軸方向）に沿って並設されてなる態様を例に挙げて説明したが、この態様に限定されるものではない。例えば、複数の磁気検出素子２０は、磁気シールド３の短手方向（Ｘ軸方向）に沿って並設されていてもよい。この場合において、磁気シールド３の短手側の側面を見たときに、複数の磁気検出素子２０を有する磁気検出素子部２の中心位置（磁気シールド３の短手方向における中心位置）と第１磁気シールド３１の短手方向の中心とが略一致しているのが好ましい。これにより、磁気検出素子部２の中心位置から−Ｘ側に位置する磁気検出素子２０に印加されるＺ軸方向の磁場（Ｘ軸方向に変換されて印加される磁場）の磁場強度の符号と、磁気検出素子部２の中心位置から＋Ｘ側に位置する磁気検出素子２０に印加されるＺ軸方向の磁場（Ｘ軸方向に変換されて印加される磁場）の磁場強度の符号とが逆になるため、磁気検出素子部２から出力される信号においてＺ軸方向の磁場の磁場強度の影響をキャンセルすることができる。

上記実施形態において、磁気センサ１が一つの磁気検出素子部２と一つの磁気シールド３とを備える態様を例に挙げて説明したが、この態様に限定されるものではなく、例えば、複数の磁気検出素子部２と、複数の磁気検出素子部２のそれぞれのＺ軸方向における上方に設けられてなる複数の磁気シールド３（第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２）とを備えていてもよい。この場合において、例えば、磁気センサ１が４つの磁気検出素子部２及び４つの磁気シールド３を備え、磁気センサ１が有する回路構成としてのホイートストンブリッジ回路Ｃ１０（図７参照）における磁気センサ素子部Ｒ１１〜Ｒ１４のそれぞれが、４つの磁気検出素子部２のそれぞれにより構成されていてもよい。また、磁気センサ素子部Ｒ１１〜Ｒ１４のそれぞれが、電気的に直列又は並列に接続されてなる複数の磁気検出素子部２により構成されていてもよい。

以下、試験例等を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記の試験例等に何ら限定されるものではない。

〔試験例１〕
図１に示す磁気検出素子部２（第１磁気検出素子２１、第２磁気検出素子２２及び第３磁気検出素子２３）と磁気シールド３（第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２）とを備える磁気センサ１において、Ｚ軸方向の磁場Ｂｚ（Ｂｚ＝１００ｍＴ）を印加したときの当該磁場ＢｚのＸ軸方向の磁場Ｂｘへの変換率ＣＲ_Z-X（％）をシミュレーションにより求めた。かかるシミュレーションにおいて、第２磁気シールド３２の短手方向の幅Ｗ２を２３μｍとし、第１磁気シールド３１の短手方向の幅Ｗ１を２３〜１１５μｍとした（幅比Ｗ２／Ｗ１＝０．２〜１．０）。また、第２磁気シールド３２の厚みＴ２を１０μｍとし、第１磁気シールド３１の厚みＴ１を０．５〜５μｍとした（厚み比Ｔ２／Ｔ１＝０．５〜５）。さらに、第１磁気シールド３１の第２面３１Ｂと磁気検出素子部２との間の距離（ギャップ）Ｇ１を１μｍとした。結果を図１３及び表１に示す。

〔試験例２〕
Ｚ軸方向の磁場Ｂｚ（Ｂｚ＝１００ｍＴ）に代えてＸ軸方向の磁場Ｂｘ（Ｂｘ＝３５０ｍＴ）を印加した以外は試験例１と同様の条件として、Ｘ軸方向の磁場Ｂｘの透過率ＴＲ_X（％）をシミュレーションにより求めた。結果を図１４及び表２に示す。なお、透過率ＴＲ_X（％）は、所定の磁場強度のＸ軸方向の磁場Ｂｘを印加させたときにおける、磁気検出素子部２から出力される信号を用いて算出される磁場強度（磁気検出素子部２に実際に印加されている実磁場の磁場強度）の印加磁場Ｂｘの磁場強度に対する百分率として求められる値である。

〔試験例３〕
第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２の短手方向の幅Ｗ２をともに４０μｍとした以外は、試験例１及び試験例２と同様にしてＺ軸方向の磁場ＢｚのＸ軸方向の磁場Ｂｘへの変換率ＣＲ_Z-X（％）及びＸ軸方向の磁場Ｂｘの透過率ＴＲ_X（％）をシミュレーションにより求めた。その結果、変換率ＣＲ_Z-X（％）が０．６％であり、透過率ＴＲ_X（％）が６０％であった。

図１１及び表１に示すように、第１磁気シールド３１の短手方向の幅Ｗ１に対する第２磁気シールド３２の短手方向の幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ１が１．０、すなわち第１磁気シールド３１の幅Ｗ１と第２磁気シールド３２の幅Ｗ２とが同一であり、磁気シールド３が全体として直方体状であると、Ｚ軸方向の磁場ＢｚのＸ軸方向の磁場Ｂｘへの変換率が相対的に高くなってしまい、磁気センサ１から出力される信号に含まれるノイズが大きくなってしまうと推察される。

しかし、上記比Ｗ２／Ｗ１が１．０未満（０．２〜０．９）であり、第１磁気シールド３１の幅Ｗ１が第２磁気シールド３２の幅Ｗ２よりも大きいことで、上記変換率を低減可能であることが明らかとなった。また、上記比Ｗ２／Ｗ１が０．２〜０．８であることで、上記変換率を０．８％以下にすることができることが明らかとなった。さらに、上記比Ｗ２／Ｗ１を０．２〜０．７とし、かつ第１磁気シールド３１の厚みＴ１に対する第２磁気シールド３２の厚みＴ２の比Ｔ２／Ｔ１を２．０〜１６．７とすることで、上記変換率を０．５％以下にすることができることが明らかとなった。

図１２及び表２に示すように、第１磁気シールド３１の厚みＴ１に対する第２磁気シールド３２の厚みＴ２の比Ｔ２／Ｔ１にかかわらず、Ｘ軸方向の磁場Ｂｘの透過率は略一定であることが明らかとなった。また、試験例３の透過率のシミュレーション結果と対比すると、試験例２においては透過率が低く抑えられていることが確認された。一般に、磁気シールド３が飽和すると上記透過率が上昇するが、試験例２においては、上記透過率が試験例３に比して低い値で略一定であることで、上記比Ｔ２／Ｔ１にかかわらず磁気シールド３の飽和が抑制され得ることが明らかとなった。一方で、試験例３の結果から、直方体状の磁気シールドにおいて、その厚みを相対的に厚くすることで上記変換率を低減可能であるものの、磁気シールド３が飽和してしまうものと推察される。

１…磁気センサ
２…磁気検出素子部
２０…磁気検出素子
２１…第１磁気検出素子
２２…第２磁気検出素子
２３…第３磁気検出素子
３…磁気シールド
３１…第１磁気シールド
３２…第２磁気シールド
１０…位置検出装置

図１は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す側面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す側面図である。 図４は、本発明の一実施形態における磁気検出素子部の概略構成を示す斜視図である。 図５は、本発明の一実施形態における磁気検出素子の概略構成を示す断面図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概略構成を示すブロック図である。 図７は、本発明の一実施形態に係る磁気センサが有する回路構成の一態様の概略構成を示す回路図である。 図８は、本発明の一実施形態に係る磁気センサが有する回路構成の他の態様の概略構成を示す回路図である。 図９は、本発明の他の実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す側面図である。 図１０は、本発明の他の実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す側面図である。 図１１は、図１０に示す磁気センサにおける磁気検出素子部の概略構成を示す斜視図である。 図１２は、本発明の一実施形態における位置検出装置の概略構成を示す側面図である。 図１３は、試験例１におけるシミュレーション結果を示すグラフである。 図１４は、試験例２におけるシミュレーション結果を示すグラフである。

本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す側面図であり、図２は、本実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す斜視図であり、図３は、本実施形態に係る磁気センサの概略構成を示す側面図であり、図４は、本実施形態における磁気検出素子部の概略構成を示す斜視図であり、図５は、本実施形態における磁気検出素子の概略構成を示す断面図であり、図６は、本実施形態に係る磁気センサの概略構成を示すブロック図であり、図７は、本実施形態に係る磁気センサが有する回路構成の一態様の概略構成を示す回路図であり、図８は、本実施形態に係る磁気センサが有する回路構成の他の態様の概略構成を示す回路図である。

図１３及び表１に示すように、第１磁気シールド３１の短手方向の幅Ｗ１に対する第２磁気シールド３２の短手方向の幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ１が１．０、すなわち第１磁気シールド３１の幅Ｗ１と第２磁気シールド３２の幅Ｗ２とが同一であり、磁気シールド３が全体として直方体状であると、Ｚ軸方向の磁場ＢｚのＸ軸方向の磁場Ｂｘへの変換率が相対的に高くなってしまい、磁気センサ１から出力される信号に含まれるノイズが大きくなってしまうと推察される。

図１４及び表２に示すように、第１磁気シールド３１の厚みＴ１に対する第２磁気シールド３２の厚みＴ２の比Ｔ２／Ｔ１にかかわらず、Ｘ軸方向の磁場Ｂｘの透過率は略一定であることが明らかとなった。また、試験例３の透過率のシミュレーション結果と対比すると、試験例２においては透過率が低く抑えられていることが確認された。一般に、磁気シールド３が飽和すると上記透過率が上昇するが、試験例２においては、上記透過率が試験例３に比して低い値で略一定であることで、上記比Ｔ２／Ｔ１にかかわらず磁気シールド３の飽和が抑制され得ることが明らかとなった。一方で、試験例３の結果から、直方体状の磁気シールドにおいて、その厚みを相対的に厚くすることで上記変換率を低減可能であるものの、磁気シールド３が飽和してしまうものと推察される。

Claims (15)

1. 磁気検出素子と、
   第１面及び前記第１面に対向する第２面を有し、平面視略長方形状の第１磁性体と、
   前記第１磁性体の前記第１面上であって、平面視において前記第１磁性体の短手方向略中央に位置する平面視略長方形状の第２磁性体と
   を備え、
   前記磁気検出素子は、前記第１磁性体を間に挟んで前記第２磁性体と対向するようにして設けられ、平面視にて前記第１磁性体の短手方向における略中央に位置しており、
   前記磁気検出素子の感磁方向は、前記第１磁性体及び前記第２磁性体の短手方向と略平行な方向であり、
   前記第１磁性体の短手方向の幅Ｗ１は、前記第２磁性体の短手方向の幅Ｗ２よりも大きいことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１磁性体の短手方向の幅Ｗ１及び前記第２磁性体の短手方向の幅Ｗ２の関係は、前記磁気検出素子の感磁方向に直交する方向であって、前記第１磁性体及び前記第２磁性体の厚み方向に平行な方向の外部磁場を前記感磁方向の磁場に実質的に変換させない関係であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１磁性体の短手方向の幅Ｗ１に対する前記第２磁性体の短手方向の幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ１が、０．２〜０．８であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記第１磁性体の厚みＴ１が、前記第２磁性体の厚みＴ２よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気センサ。
5. 前記第１磁性体の厚みＴ１に対する前記第２磁性体の厚みＴ２の比Ｔ２／Ｔ１が、２〜２０であることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ。
6. 前記第２磁性体の厚み方向に沿った切断面の形状が、略台形状又は略逆台形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の磁気センサ。
7. 前記第２磁性体の短手方向の幅Ｗ２が、１５μｍ以上３０μｍ未満であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の磁気センサ。
8. 前記第２磁性体の厚みＴ２が、３〜２０μｍであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の磁気センサ。
9. 前記第２磁性体は、前記第１磁性体の前記第１面上に接面して設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の磁気センサ。
10. 前記第２磁性体が、前記第１磁性体の前記第１面との間に所定の間隔をあけて設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の磁気センサ。
11. 複数の前記磁気検出素子が、前記第１磁性体の長手方向に沿って所定の間隔で並設され、電気的に直列に接続されてなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の磁気センサ。
12. 複数の前記磁気検出素子が、前記第１磁性体の短手方向に沿って所定の間隔で並設され、電気的に直列に接続されてなり、
    平面視において、前記第１磁性体の短手方向に沿って並設されてなる前記複数の磁気検出素子からなる群が前記第１磁性体の略中央に位置することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の磁気センサ。
13. 複数の前記磁気検出素子が、前記第１磁性体の長手方向及び短手方向に沿って所定の間隔で行列状に並設され、電気的に直列に接続されてなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の磁気センサ。
14. 複数の前記第１磁性体が、前記第１磁性体の短手方向に沿って所定の間隔をあけて並設されており、
    前記各第１磁性体の前記第１面上に前記第２磁性体が位置しており、
    前記磁気検出素子は、前記各第１磁性体を間に挟んで前記各第２磁性体と対向するようにして位置することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の磁気センサ。
15. 移動体の移動に伴う外部磁場の変化に基づき検出信号を出力する磁気検出部と、
    前記磁気検出部から出力された前記検出信号に基づき、前記移動体の位置を検出する位置検出部と
    を備え、
    前記磁気検出部は、請求項１〜１４のいずれかに記載の磁気センサを有することを特徴とする位置検出装置。

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