JP3961265B2

JP3961265B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP3961265B2
Application number: JP2001342222A
Authority: JP
Inventors: 俊徳高塚
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: JP2003149312A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気センサに関し、特に、地磁気による磁力線の方位を検出する方位センサに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
２次元それぞれの方向の磁気を検知する２次元磁気センサの主な用途として方位センサ等が挙げられる。方位センサは、地磁気等の外部磁界を単独で測定できるので、車載用コンパス及びナビゲーションシステム等の自己位置検出手段として広く使われている。
【０００３】
上述の方位センサのうち、特に、フラックスゲートセンサは、その動作原理上安定性に優れ、磁界の検出感度も１０^-8〜１０^-7ｍＴ程度と高いので、広く用いられている。
フラックスゲートセンサを用いて方位センサを構成する場合、フラックスゲートセンサ２つの検出方向を互いに直交するように配置する。そして、検出磁界が南北方向から角度θだけずれている場合、それぞれのセンサ出力がＡ・ｓｉｎθ、Ａ・ｃｏｓθとなることを利用して、その計測結果をマイコンで演算処理を行うことにより、地磁気の方向角度を算出することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フラックスゲートセンサは、環状の磁心と、この磁心に巻回して磁場を印加する励磁巻線と、磁心の磁束密度を検出する検出巻線とからなる構造であるため、形状が塊状となり、小型化が困難であるという問題がある。
また、フラックスゲートセンサに適用される薄膜プロセスは、半導体ウエハ工程でのプロセスほどは完成度が高くないため、生産性はやや低く、また部品点数も多いので、コストも高くつくという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、小型化が可能で、生産性および組立性を向上させてコストを抑えることが可能な磁気センサを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の磁気センサは、面対称な第１の磁性体と、前記第１の磁性体の表面と平行な感磁面を有し、前記感磁面に対して垂直な感磁軸方向の磁束を検出すると共に、前記第１の磁性体の対称面に対して、対称に、かつその感磁面が同一面上となるように配置される少なくとも２つの感磁部と、前記感磁部の出力を互いに加算する加算手段と、前記感磁部の出力を減算する減算手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
これにより、外部磁気が感磁面に対して垂直に向いている場合だけでなく、外部磁気が感磁面に対して平行に向いている場合においても感磁面に対して垂直方向に磁路を形成することができ、感磁軸とは異なる方向に向いている外部磁気であっても効率よく検出することができる。
このため、外部磁気の方向に対して感磁面の向きを自由に設定することが可能となり、形状を薄形化させて、小型化が可能となるとともに、生産性および組立性を向上させてコストを抑えることが可能となる。
また、磁性体の対称面に対して対称に配置された感磁部から、この対称面に対して垂直な外部磁束成分、すなわち感磁面に対して水平な外部磁束成分は、それぞれ逆符号、かつ、同じ絶対値で出力されるようになる。
また、感磁面に対して垂直な外部磁束成分は、それぞれ同符号、かつ、同じ絶対値で出力されるようになる。
このため、それぞれの出力を、加算・減算することによって、外部磁束の２つの方向成分を分離計算することが可能になる。
【０００８】
また、請求項２記載の磁気センサは、前記感磁部は前記第１の磁性体の端より内側に配置されていることを特徴とする。これにより、磁性体端部で極度に集中する磁束を感磁部が直接検出しなくなる。
【０００９】
このため、磁性体端部と感磁部の位置関係が製造上多少ずれるようなことがあっても、磁気センサの感度がばらつくような問題が起きにくくなるとともに、磁性体を基板として感磁部を配置する構造が可能となり、生産性および組立性を向上させてコストを抑えることが可能となる。
また、請求項３記載の磁気センサは、前記感磁部をそれぞれ挟むように前記第１の磁性体の反対側に設けられる第２の磁性体を、さらに備えたことを特徴とする。
【００１０】
これにより、磁性体の内部で感磁面と平行になる磁束を、第２の磁性体の側に効率よく収束させることができ、感磁面に対して平行に向いている外部磁気を、効率よく垂直方向に変換し検出することが可能となる。
【００１１】
また、請求項４記載の磁気センサによれば、前記感磁部が、ホール効果を利用した感磁部であることを特徴とする。
これにより、感磁部を小型化することが可能となるとともに、感磁面を磁性体と一体的に形成することが可能となり、磁気センサの小型化が可能となるとともに、生産性および組立性を向上させてコストを抑えることが可能となる。
【００１２】
また、請求項５記載の磁気センサによれば、前記感磁部と、前記第１の磁性体または前記第２の磁性体とが、モールド樹脂で一体成形されていることを特徴とする。
これにより、モールド樹脂を金型に流し込むだけで、感磁部および磁性体を封止することが可能となり、組み立て工程を簡易化して、磁気センサのコストを抑えることが可能となる。
【００１５】
また、請求項６記載の磁気センサによれば、請求項１乃至５記載の磁気センサを２組備え、前記第１の磁性体の対称面が直交し、かつ、前記感磁部の感磁面が同一平面上に配置されることを特徴とする。
【００１６】
これにより、３次元方向の磁気を検出することが可能となり、３次元方向の外部磁気を検出する場合においても、形状を塊状にする必要がなくなることから、３次元センサを小型化することが可能となるとともに、生産性および組立性を向上させて、コストを抑えることが可能となる。
このため、感磁部の配置位置の自由度を向上させることが可能となり、磁気センサの測定精度を維持しつつ、磁気センサを小型化することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る磁気センサについて図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る２次元磁気センサの構成を示す断面図である。
【００１８】
図１において、２次元磁気センサには、外部磁界を検出する２つの感磁部１、２が設けられ、感磁部１、２間には磁路を形成する磁性体３が設けられている。
また、感磁部１、２は、磁性体であるフェライトチップ１１、２１とフェライト基板１２、２２でそれぞれ挟まれている。
ここで、感磁部１、２として、例えば、ホール効果を利用したホール素子を用いることができ、集磁フェライトを用いたホール素子では、感磁部１、２とフェライトチップ１１、２１をフェライト基板１２、２２上に一体的に形成することができる。
【００１９】
また、感磁部１、２は、所定間隔だけ隔てて同一平面上に配置され、感磁部１、２上に設けられたフェライトチップ１１、２１上には、別の磁路形成用の磁性体３が設けられている。そして、２つの感磁部１、２では同方向の磁場が検出される。
ここで、フェライトチップ１１、２１およびフェライト基板１２、２２は、ホール素子に磁気を収束させるためのものである。
【００２０】
なお、これらの位置関係としては、磁路形成用磁性体３、フェライトチップ１１、２１、感磁部１、２、他の磁性体であるフェライト基板１２、２２の関係にある。
また、フェライト基板１２、２２は、リードフレーム４上にマウントされ、感磁部１、２は、ワイヤー６、７を介して、リードフレーム４と接続されている。
【００２１】
さらに、リードフレーム４上にマウントされたフェライト基板１２、２２および磁性体３はモールド樹脂５で封止されている。
そして、感磁面に対する外部磁場の垂直成分は、フェライトチップ１１、２１およびフェライト基板１２、２２を介して感磁部１、２を貫通し、感磁部１、２からは、絶対値および符号の等しい感磁部電気出力を得ることができる。
【００２２】
一方、感磁面に対する外部磁場の水平成分は、磁性体３の両端で垂直方向に曲げられ、フェライトチップ１１、２１およびフェライト基板１２、２２を介して感磁部１、２を貫通する。そして、感磁部１、２からは、絶対値が等しく、符号が反対の感磁部電気出力を得ることができる。
これにより、感磁部１、２からの出力の和および差をとることにより、感磁面に対して垂直方向および平行方向の磁束密度を算出することができ、感磁部１、２を同一平面上に配置した場合においても、２次元の外部磁気を検出することができる。
【００２３】
なお、感磁部１、２上にフェライトチップ１１、２１を設けず、直接感磁部１、２間に磁路を形成する磁性体３を設けてもよい。
このため、ホール素子を隔てて配置し、それらのホール素子上に磁性体３を配置するだけで、感磁面に平行な外部磁気環境下でも、感磁面に垂直に貫通する磁路を、感磁部１、２と磁性体３との間に形成することができる。
【００２４】
図２、３は、図１の２次元磁気センサの磁気シミュレーション結果を示す図である。なお、図２は、２次元磁気センサに対し垂直方向に地磁気が向いている場合、図３は、２次元磁気センサに対し平行方向に地磁気が向いている場合を示す。
ここで、図２、３の磁場シミュレーンョンでは、有限要素解析法を用い、感磁部１、２における垂直方向の磁束密度を計算した。
【００２５】
なお、感磁部１、２としては、旭化成電子（株）製のホール素子、ＨＷ−１０５Ａ（商品名）を用い、ホール素子の中心間の距離は、約３ｍｍに設定した。また、ホール素子の磁気収束チップ間に磁路形成用の比透磁率８０００の等方性フェライトを設けた。
図２において、感磁面に対し垂直方向に地磁気がある場合、磁性体３に入射した磁束はフェライトチップ１１、２１に入射し、フェライト基板１２、２２から出射する。このため、磁性体３およびフェライトチップ１１、２１で収束された磁束は感磁部１、２を垂直に貫通し、感磁部１、２にかかる磁束密度は等しくなる。
【００２６】
このため、感磁部１、２の出力の和をとることにより、縦方向磁束密度の２倍の値を求めることができる。
一方、図３において、感磁面に対し平行方向に地磁気がある場合、磁性体３に入射した磁束は、フェライトチップ１１、２１およびフェライト基板１２、２２により垂直方向に曲げられる。そして、垂直方向に曲げられた磁束はフェライトチップ１１、２１に入射し、フェライト基板１２、２２から出射する。このため、磁性体３およびフェライトチップ１１、２１で収束された磁束は感磁部１、２を垂直に貫通し、感磁部１、２にかかる磁束密度は、符号が異なり、絶対値の等しいものになる。
【００２７】
このため、感磁部１、２の出力の差をとることにより、平行方向磁束密度の２倍の値を求めることができる。
ここで、ホール素子では、地磁気のような低磁場での出力は小さいが、簡単な演算回路を用いて、オフセット電圧のキャンセルを行い、オベアンプで出力を増幅することにより、実用レベルの出力を得ることができる。
【００２８】
オフセット電圧のキャンセルを行なう方法としては、例えば、９０°チョッパ駆動や３６０°チョッパ駆動などを用いることができる。
なお、地磁気のような低磁場ではない磁場の測定には、前記増幅回路を用いる必要はない。
このように、上述した実施形態によれば、磁場入力を電気出力に変換可能な感磁部と磁性体を有する２次元磁気センサにおいて、複数の感磁部を用い、そのうち少なくとも２つの感磁部間に磁路を形成する磁性体を、前記磁路を形成する磁性体、前記感磁部、その他の磁性体の位置関係になるように設けたので、２次元磁気センサの一例であるフラックスゲートセンサに必要であったコイル等の部品を削減でき、磁気センサの検出方向を直交させる必要がなくなる。
【００２９】
このため、形状を小型化し、生産・組立性の向上した安価な２次元磁気センサを製造することができ、車載用コンパスや携帯用ナビゲーションシステムなどの多様なアプリケーションに対して好都合に対応することが可能となる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変形して実施することが可能である。
【００３０】
例えば、上述した実施形態では、ＩｎＳｂ系ホール素子を例にとって説明したが、ＩｎＡｓやＧａＡｓなどの他の化合物半導体系ホール素子を用いるようにしてもよい。
なお、感磁部１、２としては、ホール効果を利用したもの以外にも、磁気抵抗効果を利用したものなど様々な感磁部の適用が可能であり、アナログ出力型の感磁部が望ましい。
【００３１】
また、磁路を形成する磁性体３やその他の磁性体１１、２１、１２、２２についても、フェライトや鉄、パーマロイなど様々な磁性体の適用が可能であるが、フェライトのように小型成形が可能で安価なものが望ましい。
また、磁路を形成する磁性体３の代わりに、磁性体のリードフレームを用いることも可能である。
【００３２】
また、上述した実施形態では、２次元磁気センサを例にとって説明したが、３次元磁気センサに適用するようにしてもよい。
図４は、本発明の一実施形態に係る３次元磁気センサの概略構成を示す上面図である。
図４において、リードフレーム上には、２次元磁気センサ１１ａ、１１ｂが互いに直交するように配置されている。ここで、２次元磁気センサ１１ａには、ホール素子１２ａ、２２ａおよび磁性体３ａが設けられ、ホール素子１２ａ、２２ａは所定間隔を隔てて互いに同一平面上に配置されるとともに、ホール素子１２ａ、２２ａの間には磁性体３ａが配置されている。
【００３３】
また、２次元磁気センサ１１ｂには、ホール素子１２ｂ、２２ｂおよび磁性体３ｂが設けられ、ホール素子１２ｂ、２２ｂは所定間隔を隔ててホール素子１２ａ、２２ａと同一平面上に配置されるとともに、ホール素子１２ｂ、２２ｂの間には磁性体３ｂが配置されている。
そして、２次元磁気センサ１１ａにより、ｙ方向およびｚ方向に磁気を測定するとともに、２次元磁気センサ１１ｂにより、ｘ方向およびｚ方向に磁気を測定することにより、２次元磁気センサ１１ａ、１１ｂを同一平面上配置するだけで、３次元の磁気を測定することが可能となる。
【００３４】
このため、３次元の磁気を測定する場合においても、３次元磁気センサの小型化が可能となるとともに、生産性および組立性を向上させてコストを抑えることが可能となる。
なお、３次元磁気センサを構成するために、２次元磁気センサ１１ａ、１１ｂをリードフレーム１４上に形成し、これらの２次元磁気センサ１１ａ、１１ｂを一括してモールド化してもよいが、図１の構成の２次元磁気センサを２個用いるようにしてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、同方向の磁場を検出するように２つの感磁部を配置した場合においても、２次元の外部磁気を検出することができ、２つの感磁部を同一平面上に配置することが可能となることから、形状を薄形化させて、小型化が可能となるとともに、生産性および組立性を向上させてコストを抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る２次元磁気センサの構成を示す断面図である。
【図２】２次元磁気センサに対し垂直方向に地磁気が向いている場合の２次元磁気センサの磁気シミュレーション結果を示す図である。
【図３】２次元磁気センサに対し平行方向に地磁気が向いている場合の２次元磁気センサの磁気シミュレーション結果を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る３次元磁気センサの概略構成を示す上面図である。
【符号の説明】
１、２感磁部
３、３ａ、３ｂ磁性体
４、１４リードフレーム
５モールド樹脂
６、７ワイヤ
１１、２１フェライトチップ
１２、２２フェライト基板
１１ａ、１１ｂ２次元磁気センサ
１２ａ、２２ａ、１２ｂ、２２ｂホール素子

Claims

面対称な第１の磁性体と、
前記第１の磁性体の表面と平行な感磁面を有し、前記感磁面に対して垂直な感磁軸方向の磁束を検出すると共に、前記第１の磁性体の対称面に対して、対称に、かつその感磁面が同一面上となるように配置される少なくとも２つの感磁部と、
前記感磁部の出力を互いに加算する加算手段と、
前記感磁部の出力を減算する減算手段と、
を備えることを特徴とする磁気センサ。
前記感磁部は前記第１の磁性体の端より内側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
前記感磁部をそれぞれ挟むように前記第１の磁性体の反対側に設けられる第２の磁性体を、さらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。
前記感磁部はホール効果を利用した感磁部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
前記感磁部と、前記第１の磁性体または前記第２の磁性体とが、モールド樹脂で一体成形されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
請求項１乃至５記載の磁気センサを２組備え、前記第１の磁性体の対称面が直交し、かつ、前記感磁部の感磁面が同一平面上に配置されることを特徴とする磁気センサ。