JP3946629B2 - プリント回路基板に集積された磁界検出素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界検出素子に関し、特にＰＣＢ基板に集積された磁界検出素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁界検出素子は、目や耳のような人の感覚器官で直接的に感じることはできないが、様々な物理的現象を通じてその存在が立証された磁気エネルギーを人が間接的に感じることができるように具現した装置である。かかる磁界検出素子として、軟磁性体とコイルを用いた磁気センサーが長い間利用されてきた。磁気センサーは、比較的大きな棒状のコア体（core）または軟磁性リボンからなる環状コア体にコイルを巻線することで具現する。また、測定磁界に比例する磁界を得るために電子回路が用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の磁界検出素子は、大きな棒状のコア体または軟磁性リボンによる環状のコア体にコイルが巻線され利用されるため、製造コストが高く、またシステムの体積が増加するという問題点があった。また、励磁コイルにより発生する磁束変化及び検出磁界は、コア体による磁束漏れを避けることができないため、高感度の磁界検出が困難であるという問題点があった。
【０００４】
そこで、本発明は、前記のような問題点を解決するためのものであり、超小型で、かつより正確に磁界が検出できるようにＰＣＢ基板上に集積された高感度の磁界検出素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明は、また、外部測定磁界が零（zero）である時、磁束変化検出用コイルに誘導波形が現れないようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による磁界検出素子は、ＰＣＢ基板上に閉磁路を構成するように設けられた軟磁性コア体と、前記軟磁性コア体を巻線した形態の金属膜で形成される励磁コイルと、前記励磁コイルに積層し、前記軟磁性コア体を巻線した形態の金属膜で形成される磁界変化検出用コイルとを含む。
【０００７】
ここで、前記軟磁性コア体は、同一平面上に平行する２つの棒状に形成した棒体である。そして、前記２つの棒体は、その長さ方向が磁界検出軸方向に向けるように設ける。一方、前記軟磁性コア体は、四角リング状に形成することができ、この時、前記軟磁性コア体は、２つの棒状に形成した場合と同様に、その長さ方向を磁界検出軸方向にする。
【０００８】
前記励磁コイルは、前記２つの棒体を交互に‘8’の字形に巻線した構造を有するように設けることができ、また他には、前記２つの棒体をそれぞれソレノイド状に巻線した構造を有するように設けることができる。一方、前記軟磁性コア体を四角リング状に形成した場合、前記励磁コイルは、磁界検出軸方向に位置する対向する両辺を交互に‘8’の字形に巻線した構造、または前記対向する両辺をそれぞれ巻線した構造を有するように設けることができる。
【０００９】
前記磁界変化検出用コイルは、前記軟磁性コア体をなす前記２つの棒体または前記四角リング体の磁界検出軸方向に形成された両辺を交互に‘8’の字形に巻線するか、または前記２つの棒体または前記四角リング体の両辺をそれぞれソレノイド状に巻線した構造を有する励磁コイルに積層し、前記２つの棒体または前記四角リング体の両辺を一緒にソレノイド状に巻線した構造を有するように設ける。また他には、前記磁界変化検出用コイルは、前記２つの棒体または前記四角リング体の磁界検出軸方向に形成された両辺を‘8’の字形に巻線するか、または前記２つの棒体または前記四角リング体の両辺をそれぞれソレノイド状に巻線した構造を有する励磁コイルに積層し、前記２つの棒体または前記四角リング体の両辺をそれぞれソレノイド状に巻線した構造を有するように設けることができる。
【００１０】
前記目的を達成するべく、本発明による磁界検出素子のＰＣＢ製造方法は、第１の金属板の上にプリプレグと軟磁性体膜とを接合する段階と、前記軟磁性体膜をエッチングして軟磁性コア体を形成する段階と、前記軟磁性コア体の上部にプリプレグと第２の金属板とを接合して第１の基板を形成する段階と、前記第１の基板の前記軟磁性コア体から延びた両側にそれぞれ第１の貫通孔を形成する段階と、前記第１の貫通孔のそれぞれにメッキを施す段階と、前記基板の両面にエッチングにより励磁コイルを形成する段階と、前記励磁コイルの上部にプリプレグと第３の金属板とを接合して第２の基板を形成する段階と、前記第２の基板の前記第１の貫通孔の外郭に第２の貫通孔を形成する段階と、前記第２の貫通孔にメッキを施す段階と、前記第２の基板の両面にエッチングにより磁界変化検出用コイルを形成する段階と、前記磁界変化検出用コイルの上部にプリプレグと第４の金属板とを接合して第３の基板を形成する段階、及び前記第３の基板の両面のエッチングにより電気的な通電のためのパッドを形成する段階とを含む。
【００１１】
ここで、前記各基板上の磁界検出素子をなす各部品を形成するためのエッチング過程の以前に感光性塗布剤と露光現象を用いた前記各部品のパターンを形成する段階が更に含まれる。また、前記パッドを形成した後、前記パッドにゴールドのメッキを施す段階を更に含む。
【００１２】
上述のような本発明のＰＣＢ基板に集積された磁界検出素子及びその製造方法によると、軟磁性コア体を検出軸方向に長く形成して反磁界成分を減少することができ、また、磁界変化検出用コイルを、軟磁性コア体を巻線している励磁コイルの上に積層して巻線した構造にすることにより、磁束変化検出用コイルで誘導波形が現れなくなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照し、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態によるＰＣＢ基板に集積された磁界検出素子を模式的に示す図である。磁界検出素子では、２つの平行する棒状の第１及び第２の軟磁性コア体１、２を励磁コイル３が‘８’の字形に巻線しており、磁界変化検出用コイル４が励磁コイル３上で第１及び第２の軟磁性コア体１、２を一緒に巻線している。
【００１４】
前記のように、２つの棒体を‘８’の字形に巻線した構造を便宜上、‘結合型構造’と称する。そして、下記で説明するまた他の実施の形態である四角リング状の軟磁性コア体においても同一の巻線構造に対して‘結合型構造’と称する。また、上記の２つの棒体または四角リング体の対向する両辺のそれぞれを巻線した構造を‘分離型構造’と称する。
【００１５】
図２（Ａ）乃至図２（Ｆ）は、図１に示した磁界検出素子の動作を説明するためのタイミング図である。図２（Ａ）は、第１の軟磁性コア体１で発生した磁界の波形図、図２（Ｂ）は、第２の軟磁性コア体２で発生した磁界の波形図、図２（Ｃ）は、第１の軟磁性コア体１で発生した磁束密度の波形図、図２（Ｄ）は、第２の軟磁性コア体２で発生した磁束密度の波形図、そして図２（Ｅ）及び図２（Ｆ）は、磁界変化検出用コイルに誘導される第１及び第２の誘導電圧（Vind１、Vind２）と、第１の誘導電圧と第２の誘導電圧の和（Vind１＋Vind２）をそれぞれ示す波形図である。
【００１６】
磁界検出素子は、図１のように、励磁コイル３が２つの軟磁性コア体1、２を‘８’の字形に巻線すると、交流の励磁電流により各コア体１、２の内部の磁界‘Hext（外部磁界）＋Hexc（励磁コイルによる磁界）’と‘Hext−Hexc’及び磁速密度‘Bext（外部磁界による磁速密度）＋Bexc（励磁コイルによる磁速密度）’と‘Bext−Bexc’が互いに逆方向に発生する（図２（Ａ）、２（Ｂ）、２（Ｃ）、２（Ｄ）参照）。一方、磁界変化検出用コイル４は、２つのコア体１、２のそれぞれから発生する磁速変化の和をとるようにして巻線されており、励磁交流電流による電子誘導により発生する磁速変化を検出する。この時、磁界変化検出用コイル４で検出される誘導電圧は、２つのコア体１、２のそれぞれの内部磁界が逆方向であるため、対称的に発生した両誘導電圧‘Vind１’、‘Vind２’の発生電圧が相殺され検出される（図２（Ｆ））。即ち、各コア体１、２の軸方向から外部磁界‘Hext’は両コア体１、２に対し同一方向に印加されるため、励磁磁界‘Hexc’とする時、両コア体１、２のそれぞれの内部磁界は、‘Hext＋Hexc’と‘Hext−Hexc’になる。この時、図２（Ｅ）に示したように、磁界変化検出用コイルにぞれぞれ電圧（Vind１、Vind２）が誘導され、誘導電圧（Vind１、Vind２）を測定することにより、外部磁界‘Hext’の大きさが分かる。
【００１７】
前記のように、ＰＣＢ基板に集積された磁界検出素子においては、２つの軟磁性コア体１、２と‘８’の字形の結合型構造を有する励磁コイル３と、２つの軟磁性コア体１、２で発生する磁速変化の和が得られるようにソレノイド状に巻線した構造の磁界変化検出用コイル４を励磁コイル３上に積層する構造が重要である。ここで、磁界変化検出用コイル４は、励磁コイル３の上に２つの軟磁性コア体１、２をそれぞれ巻線した構造を有するように設けることができる。前記のような磁界検出素子の構造は、外部磁界‘Hext’がない時、軟磁性コア体１、２から発生した磁界による誘導波形を相殺し、励磁コイルにより発生した磁速は、軟磁性コア体で閉磁路を形成するためである。
【００１８】
一方、図１に示した軟磁性コア体は、四角リング（Retangular−ring）の形態を有することができ、四角リング体の両辺に‘８’の字形に励磁コイルを巻線し、磁界変化検出用コイルを四角リング体の両辺にソレノイド状に巻線して同一の効果を得ることができる。また、磁界変化検出用コイルを四角リング体の両辺にそれぞれソレノイド状に巻線することもできる。
【００１９】
ここで、１つの棒状のコア体に励磁コイルと磁界変化検出用コイルを配設することによっても磁界検出は可能であるが、この場合には、外部磁界がなくても検出コイルには励磁コイルによる大きな誘導電圧波形が発生し、増幅、フィルタリングなどの検出コイル出力に対する信号処理が煩わしくなる。従って、２つの棒状コア体や１つの四角リング状コア体を使用することが信号処理上において大きな長所となる。
【００２０】
図３（Ａ）乃至図３（Ｍ）は、磁界検出素子のＰＣＢ基板への集積過程を説明するための工程図であって、図１に示した模式的な磁界検出素子のＹ−Ｙ’線に沿う断面に対する製造工程図である。磁界検出素子は、先ず、第１の銅板２１の上にプリプレグ（prepreg）２２と軟磁性体膜２４を接合する（図３（Ａ））。そして、軟磁性体膜２４の上に感光性塗布剤と露光現象を用いて軟磁性コア体１、２のパターンを形成した後（図３（Ｂ））、感光性塗布剤を用いて軟磁性体膜をエッチングすることで軟磁性コア体１、２の形状を具現する（図３（Ｃ））。この時、軟磁性コア体１、２は、磁界検出軸方向を長さ方向とする。この後、軟磁性コア体１、２の上部に更にプリプレグ２５と銅板２６を接合する（図３（Ｄ））。そして、軟磁性コア体が形成された第１の基板に、第１及び第２の軟磁性コア体１、２のそれぞれの両側にドリル加工を通じて第１の貫通孔２７を形成し（図３（Ｅ））、その形成された第１の貫通孔２７の壁にメッキを施す（図３（Ｆ））。その後、外部銅板の両面に感光性塗布剤２８と露光現象を用いて励磁コイルパターンを形成し（図３（Ｇ））、感光性塗布剤を用いて銅板２６をエッチングすることで励磁コイル配線を形成する（図３（Ｈ））。この時、励磁コイルは、両軟磁性コア体を‘８’の字形に巻線したような結合型構造を有するように設ける。この後、励磁コイルの両面に更にプリプレグ２９と銅板３０を取付ける（図３（Ｉ））。また、第１の貫通孔２７形成位置の外郭に第２の貫通孔３１を形成し、第２の貫通孔の壁にメッキを施し、感光性塗布剤と露光現象を用いて磁界変化検出用コイル配線を形成する（図３（Ｊ））。この時、磁界変化検出用コイルは、励磁コイルに積層して両軟磁性コア体を一緒にソレノイド状に巻線したような構造を有するように設ける。そして、プリプレグ３２と銅板３３を更に取付け（図３（Ｋ））、露光現象とエッチングを通じて外部との通電のためのパッド３４を形成する（図３（Ｌ））、また、銅板からなるパッド３４の上にゴールド３５のメッキを施す（図３（Ｍ））。
【００２１】
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の第１の実施形態によるＰＣＢ基板上に具現された磁界検出素子の平面図である。図４Ａは、同一平面上に平行して設けた２つの軟磁性コア体に結合型構造の励磁コイルが設けられた模様を示す平面図であり、図４Ｂは、図４Ａの軟磁性コア体にソレノイド状に磁界変化検出用コイルが巻線されている模様を示す平面図である。また、図４Ｃは、同一平面上に設けた四角リング状の軟磁性コア体に結合型構造にて励磁コイルが設けられた模様を示す平面図であり、図４Ｄは、図４Ｃの軟磁性コア体にソレノイド状に磁界変化検出用コイルが設けられた模様を示す平面図である。
【００２２】
図５は、本発明の第２の実施形態によるＰＣＢ基板に集積された磁界検出素子を模式的に示す図である。磁界検出素子は、２つの平行する棒状の第１及び第２の軟磁性コア体１、２に励磁コイル３が分離された形態で巻線されており、即ち、分離型構造をなしており、磁界変化検出用コイル４が励磁コイル３の上で第１及び第２の軟磁性コア体１、２を一緒に巻線している。この時、磁界変化検出用コイル４が励磁コイル３の上で第１及び第２の軟磁性コア体１、２をそれぞれ巻線した構造に設けることができる。一方、図５に示した軟磁性コア体は、四角リング（rectangular-ring）の形態を有することができ、四角リング体の磁界変化検出軸方向に位置した両辺に、分離された形態で巻線された結合構造にて励磁コイルを設け、磁界変化検出用コイルを四角リング体の両辺にソレノイド状に巻線して誘導電圧を相殺させると同様な効果を得ることができる。また、磁界変化検出用コイルを四角リング体の両辺にそれぞれソレノイド状に巻線することもできる。
【００２３】
前記した第２の実施形態による磁界検出素子は、磁界変化検出用コイルで検出される誘導電圧が、第１の実施形態による励磁コイルの結合型構造で検出される誘導電圧と類似し、外部磁界が零である時、第１の実施形態と同様に誘導電圧を相殺させるようになる。
【００２４】
図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の第２の実施形態によるＰＣＢ基板に具現された磁界検出素子の平面図である。図６Ａは、同一平面上に平行して設けた２つの軟磁性コア体に分離型構造の励磁コイルが設けられた模様を示す平面図であり、図６Ｂは、図６Ａの軟磁性コア体にソレノイド状に磁界変化検出用コイルが設けられた模様を示す平面図である。そして、図６Ｃは、同一平面上に設けた四角リング状の軟磁性コア体に分離型構造の励磁コイルが設けられた模様を示す平面図であり、図６Ｄは、四角リング状の軟磁性コア体にソレノイド状に磁界変化検出用コイルが設けられた模様を示す平面図である。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明による磁界検出素子は、地球磁気検出によるナビゲーションシステム、磁気変動モニタ（地震予測）、生体磁気計測、金属材料の欠陥検出などに利用され得る。また、磁気エンコーダー、無接点ポテンションメーター、電流センサー、トルクセンサー、変位センサーなどに間接的に応用できる。
【００２６】
前記のようなプリント回路基板に集積することができる磁界検出素子は、他のセンサー及び回路と共に集積されるため、システムの大きさを大きく低減させることができ、超小型であるにも拘わらず、各コア体または各辺から誘導される電圧を差動的に駆動することで微弱な外部磁界を高感度に検出することができる。
【００２７】
また、高価の棒状コア体や環状コア体に比べて低価で製造することができ、大量生産が容易である。
【００２８】
以上では、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明したが、本発明は、前記の実施形態に限られず、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、誰でも以下の請求範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、本発明の請求範囲内において様々な変更例が可能であることは言うまでもない。また、そのような変形は請求範囲の記載範囲内にあるものとみなす。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態による磁界検出素子を模式的に示す図。
【図２】 図１に示した磁界検出素子の動作を説明するための波形図。
【図３】 図１に示した模式的な磁界検出素子のＹ-Ｙ’線に沿う製造工程断面図。
【図４Ａ】 同一平面上に平行して設けた２つの軟磁性コア体に‘８’の字形の結合型構造を有する励磁コイルが設けられた模様を示す平面図。
【図４Ｂ】 図４Ａの２つの軟磁性コア体にソレノイド状に磁界変化検出用コイルが設けられた模様を示す平面図。
【図４Ｃ】 同一平面上に設けた四角リング状の軟磁性コア体に‘８’の字形の結合型構造を有する励磁コイルが設けられた模様を示す平面図。
【図４Ｄ】 図４Ｃの軟磁性コアにソレノイド状に磁界変化検出用コイルが設けられた模様を示す平面図。
【図５】 本発明の第２の実施形態によるＰＣＢ基板に集積された磁界検出素子を模式的に示す図。
【図６Ａ】 同一平面上に平行して設けた２つの軟磁性コア体にそれぞれ分離して巻線した形態の分離型構造を有する励磁コイルが設けられた模様を示す平面図。
【図６Ｂ】 図６Ａの２つの軟磁性コア体をソレノイド状に巻線している磁界変化検出用コイルが設けられた模様を示す平面図。
【図６Ｃ】 同一平面上に設けた四角リング状の軟磁性コア体の両辺にそれぞれ分離して巻線した形態の分離型構造を有する励磁コイルが設けられた模様を示す平面図。
【図６Ｄ】 図６Ｃの軟磁性コア体の両辺をソレノイド状に巻線している磁界変化検出用コイルが設けられた模様を示す平面図。
【符号の説明】
１，２…軟磁性コア体
３…励磁コイル
４…磁界変化検出用コイル
２１…第１の銅板
２２…プリプレグ
２５…感光性塗布剤
２７…第１の貫通孔

Claims (19)

1. 第１の金属板の上にプリプレグと軟磁性体膜とを接合する段階と、
   前記軟磁性体膜をエッチングして軟磁性コア体を形成する段階と、
   前記軟磁性コア体の上部にプリプレグと第２の金属板とを接合して第１の基板を形成する段階と、
   前記第１の基板の前記軟磁性コア体から延びた両側にそれぞれ第１の貫通孔を形成する段階と、
   前記第１の貫通孔のそれぞれにメッキを施す段階と、
   前記基板の両面にエッチングにより励磁コイルを形成する段階と、
   前記励磁コイルの上部にプリプレグと第３の金属板とを接合して第２の基板を形成する段階と、
   前記第２の基板の前記第１の貫通孔の外郭に第２の貫通孔を形成する段階と、
   前記第２の貫通孔にメッキを施す段階と、
   前記第２の基板の両面にエッチングにより励磁コイルを積層して巻線する磁界変化検出用コイルを形成する段階と、
   前記磁界変化検出用コイルの上部にプリプレグと第４の金属板とを接合して第３の基板を形成する段階と、
   前記第３の基板の両面のエッチングにより電気的な通電のためのパッドを形成する段階とを含むことを特徴とする磁界検出素子の製造方法。
2. 前記軟磁性コア体は、同一平面上に平行する２つの棒状に形成した棒体であることを特徴とする請求項１に記載の磁界検出素子の製造方法。
3. 前記２つの棒体は、その長さ方向を磁界検出軸方向にしたことを特徴とする請求項２に記載の磁界検出素子の製造方法。
4. 前記励磁コイルは、前記２つの棒体を交互に‘８’の字形に巻線した構造を有するように設けたことを特徴とする請求項３に記載の磁界検出素子の製造方法。
5. 前記磁界変化検出用コイルは、前記励磁コイルに積層し、前記２つの棒体を一緒にソレノイド状に巻線した構造を有するように設けたことを特徴とする請求項４に記載の磁界検出素子の製造方法。
6. 前記磁界変化検出用コイルは、前記励磁コイルに積層し、前記２つの棒体をそれぞれソレノイド状に巻線した構造を有するように設けたことを特徴とする請求項４に記載の磁界検出素子の製造方法。
7. 前記励磁コイルは、前記２つの棒体をそれぞれソレノイド状に巻線した構造を有するように設けたことを特徴とする請求項３に記載の磁界検出素子の製造方法。
8. 前記磁界変化検出用コイルは、前記励磁コイルに積層し、前記２つの棒体を一緒にソレノイド状に巻線した構造を有するように設けたことを特徴とする請求項７に記載の磁界検出素子の製造方法。
9. 前記磁界変化検出用コイルは、前記励磁コイルに積層し、前記２つの棒体をそれぞれソレノイド状に巻線した構造を有するように設けたことを特徴とする請求項７に記載の磁界検出素子の製造方法。
10. 前記軟磁性コア体は、四角リング状に形成した四角リング体であることを特徴とする請求項１に記載の磁界検出素子の製造方法。
11. 前記四角リング体は、その長さ方向を磁界検出軸方向にしたことを特徴とする請求項１０に記載の磁界検出素子の製造方法。
12. 前記励磁コイルは、前記四角リング体の対向する両辺を交互に‘８’の字形に巻線した構造を有するように設けたことを特徴とする請求項１１に記載の磁界検出素子の製造方法。
13. 前記磁界変化検出用コイルは、前記励磁コイルに積層し、前記対向する両辺を一緒にソレノイド状に巻線した構造を有するように設けたことを特徴とする請求項１２に記載の磁界検出素子の製造方法。
14. 前記磁界変化検出用コイルは、前記励磁コイルに積層し、前記対向する両辺をそれぞれソレノイド状に巻線した構造を有するように設けたことを特徴とする請求項１２に記載の磁界検出素子の製造方法。
15. 前記励磁コイルは、前記対向する両辺をそれぞれソレノイド状に巻線した構造を有するように設けたことを特徴とする請求項１１に記載の磁界検出素子の製造方法。
16. 前記磁界変化検出用コイルは、前記励磁コイルに積層し、前記対向する両辺を一緒にソレノイド状に巻線した構造を有するように設けたことを特徴とする請求項１５に記載の磁界検出素子の製造方法。
17. 前記磁界変化検出用コイルは、前記励磁コイルに積層し、前記対向する両辺をそれぞれソレノイド状に巻線した構造を有するように設けたことを特徴とする請求項１５に記載の磁界検出素子の製造方法。
18. 前記磁界検出素子をなす各部品を形成するべく、エッチング過程の以前に感光性塗布剤と露光現象を通して前記各部品のパターンを形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の磁界検出素子の製造方法。
19. 前記パッドにゴールドのメッキを施す段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の磁界検出素子の製造方法。

Images