JP4315759B2 - ポインティングデバイス用磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、パーソナルコンピュータや携帯電話等の入力手段として使用されるポインティングデバイス用磁気センサに関し、より詳細には、マグネットの移動による周囲の磁界変化を検出することにより、座標検知を行う磁気検出方式のポインティングデバイスで使用される磁気センサに関する。

図７は、従来の磁気検出式ポインティングデバイスを示す回路ブロック図である。検出部１は、Ｘ軸及びＹ軸に沿って２個ずつ対称に配置された４個の磁気センサ（例えば、ホール素子）１１からなり、ホール素子１１の上方に配置されたマグネットの移動によるＸ軸方向とＹ軸方向の各ホール素子１１の出力をそれぞれ差動アンプ２が差動的に増幅し、その出力（アナログ値）を検出制御部３がＸ座標値及びＹ座標値に変換し、これを出力制御部４が出力するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２０９９９号公報

しかしながら、検出部１に用いられる４個の磁気センサ１１は、１つずつパッケージされた磁気センサをそれぞれ実装基板上に配置しているので、磁気センサ１１を実装する装置の位置精度が悪いと、信号出力として所望の値が得られないという問題がある。

また、別々の磁気センサ１１を用いているので、４個の磁気センサ間に特性のばらつきが生じやすく、Ｘ軸方向の感度とＹ軸方向の感度が異なることがある。また、ポインティングデバイスの０点の位置がずれることがある。

さらに、磁気センサ１１と検出制御部３を別々の部品にしているので、磁気センサ１１の出力から検出制御部３の入力までを配線で接続する必要がある。この配線の距離が長くなると、ノイズ等の影響を受けやすくなり、ポインティングデバイスの出力精度が低下する。

また、磁気センサ１１を封止する際、エポキシ樹脂を用いるのが一般的であるが、磁気センサ部分に加わる樹脂の圧力（応力）で、ピエゾ効果が発生し、その結果、出力電圧やオフセット電圧が変動する問題がある。磁気センサにシリコンを用いる場合、特にこの効果は顕著になる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、特性ばらつきの小さいホール素子を用い、同時にホール素子の配置場所の位置精度を向上させ、かつホール素子から検出制御部へ信号を伝送する際にノイズの影響を受けにくくし、また、ピエゾ効果によるホール素子の感度及びオフセットの変動を抑制することにより、精度良くマグネットの座標を検知することのできる小型のポインティングデバイス用磁気センサを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、Ｘ軸及びＹ軸上に対称に配設された４個のホール素子と、該ホール素子の信号を用いてマグネットの座標位置を検出する検出制御部と、該検出制御部の信号を出力する出力制御部とを備え、前記ホール素子と前記検出制御部と前記出力制御部とがモールド樹脂で一体に形成されてなるポインティングデバイス用磁気センサにおいて、該ポインティングデバイス用磁気センサの最大面積を有する面に垂直な方向からみて、該最大面積を有する面に対して辺の長さ比で３０％以内であり、かつ中心を同一にする前記最大面積を有する面の相似形状内部に、前記４個のホール素子の感磁部の中心が、すべて配置されていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明にお置いて、前記ホール素子と前記検出制御部と前記出力制御部とを、同一のシリコンチップ上に形成したことを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記４個のホール素子におけるそれぞれの感磁部の中心間の距離の最小値が、０．０５〜１．５０ｍｍの範囲内であることを特徴とする。

なお、アナログ出力型のポインティングデバイスには、アナログ出力型の磁気センサが望ましく、デジタル出力型のポインティングデバイスには、デジタル出力型の磁気センサが望ましい。

マグネットについては、特に種類の限定はないが、通常量産されているフェライト系、サマリウム−コバルト系、ネオジ系など様々なマグネットが適用可能である。ポインティングデバイスの小型化を進める上では、マグネットの小型化が必須であるので、小さくても強磁場を発生するサマリウム−コバルト系やネオジ系などのマグネットが好ましい。

また、検出制御部３や出力制御部４は、シリコン等を用いた集積回路が適用可能である。さらに、この集積回路上に磁気センサ１１を配置することができれば、磁気センサ１１から検出制御部３へ信号を伝送する際に、配線距離を短くすることができるので、外乱ノイズの影響を受けにくくすることができる。また、磁気センサ１１の配置場所も、半導体プロセスで用いるマスクの精度で制御可能になるので、配置場所の位置精度が向上する。

ホール素子それぞれの感磁部の中心間の距離については、０.０５〜１.５０ｍｍにする。さらに望ましくは０.０５〜０.５０ｍｍにすることが好ましい。ホール素子間の距離が近くなると、半導体プロセスでの面内バラツキもなく、ホール素子の特性はほぼ同様のものとなる。また、上述した距離内に配置することにより、ホール素子のばらつきの要因となりうるエポキシ樹脂からの応力もほぼ等しくなり、ピエゾ効果によるホール素子の感度及びオフセットの変動も均一になる。つまり、エポキシ樹脂からの応力がたとえ生じたとしても、ほぼ均一とみなせる領域にすべてのホール素子を配置するのが好ましい。上述した配置をとることにより、ホール素子１つ１つの特性変動を完全にキャンセルすることが可能になる。

また、ダイパッドとモールド樹脂の境界部には特に応力が発生しやすく、その近傍にホール素子を配置するのは好ましくない。したがって、できるだけダイの中心部にホール素子を配置するのが好ましくなる。リードフレームとダイの形状にもよるが、一般的にポインティングデバイス用磁気センサの最大面積を有する面に垂直な方向からみて、その面に対して辺の長さ比で３０％以内であり、かつ中心を同一にする相似形状面内部に、磁気センサの感磁部の中心をすべて配置することにより、上述した問題を解決することができる。

従来のポインティングデバイス用磁気センサにおいては、原理上、磁気センサ間の差磁界を検出して出力するため、磁気センサ間の距離を２〜６ｍｍ程度にしているものしか存在しなかったが、本発明の方式を採用することにより、ポインティングデバイス用磁気センサのみならずポインティングデバイスの小型化も可能になる。

上述した構成を採ることにより、特性ばらつきの小さいホール素子を使用することになり、同時にホール素子１１の配置場所の位置精度を向上でき、かつホール素子から検出制御部３へ信号を伝送する際にノイズの影響を受けにくくし、また、ピエゾ効果によるホール素子１１の感度及びオフセット変動を抑制できるので、精度良くマグネットの座標を検知でき、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な小型のポインティングデバイス用磁気センサを実現することができる。

以上説明したように、本発明によれば、Ｘ軸及びＹ軸上に対称に配設された４個のホール素子と、該ホール素子の信号を用いてマグネットの座標位置を検出する検出制御部と、該検出制御部の信号を出力する出力制御部とを備え、前記ホール素子と前記検出制御部と前記出力制御部とがモールド樹脂で一体に形成されてなるポインティングデバイス用磁気センサにおいて、該ポインティングデバイス用磁気センサの最大面積を有する面に垂直な方向からみて、該最大面積を有する面に対して辺の長さ比で３０％以内であり、かつ中心を同一にする前記最大面積を有する面の相似形状内部に、前記４個のホール素子の感磁部の中心が、すべて配置されているので、特性ばらつきの小さいホール素子を使用することになり、同時にホール素子の配置場所の位置精度を向上でき、かつホール素子から検出制御部へ信号を伝送する際にノイズの影響を受けにくくできるので、精度良くマグネットの座標を検知でき、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なポインティングデバイス用磁気センサを実現することができる。

また、ポインティングデバイス用磁気センサの最大面積を有する面に垂直な方向からみて、辺の長さ比で３０％以内であり、かつ中心を同一にする相似形状内部に、４個のホール素子の感磁部の中心が、すべて配置されるようにしたので、特性ばらつきの小さいホール素子を用いることになり、同時にホール素子の配置場所の位置精度を向上させ、かつホール素子から検出制御部へ信号を伝送する際にノイズの影響を受けにくくし、またピエゾ効果によるホール素子の感度及びオフセットの変動を抑制することにより、精度良くマグネットの座標を検知でき、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なポインティングデバイス用磁気センサを実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
本発明のポインティングデバイス用磁気センサの実施例を示す回路ブロック図は、図７に示した従来例の構成と同様である。つまり、検出部１は、４個の磁気センサ（例えば、ホール素子）１１からなり、このホール素子１１は、Ｘ軸及びＹ軸に沿って２個ずつ対称に配置されている。Ｘ軸及びＹ軸上に対称に配設された４個のホール素子の中央付近にマグネットが配置されている。このマグネットの移動による磁界の変化によりホール素子１１の出力電圧が変化する。

差動アンプ２は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の各ホール素子１１の出力をそれぞれ差動的に増幅する。Ｚ軸方向の磁界が原点Ｏについて対称、すなわちマグネットの着磁方向が鉛直方向にあるとき、出力が０になるようにしてあり、マグネットが移動すると、これに応じて差動アンプ２に出力が発生し、その出力（アナログ値）を検出制御部３がＸ座標値及びＹ座標値に変換し、これを出力制御部４が出力するように構成されている。このように、本発明は、検出部１と差動アンプ２と検出制御部３と出力制御部４とを１つの筐体に収納したポインティングデバイス用磁気センサである。

図１は、本発明のポインティングデバイス用磁気センサの実施例１を示す上面透視図である。図中符号２１は磁気センサ（この例ではホール素子）、２２は差動アンプ２と検出制御部３と出力制御部４を含むシリコンの集積回路である。ホール素子２１は、前述したようにＸ軸及びＹ軸に沿って２個ずつ対称に配置されている。この例では、同一のシリコンチップ上にホール素子２１と集積回路２２を形成している。集積回路２２をリードフレーム２３上にダイボンドし、集積回路２２はリードフレーム２３とワイヤ２５で電気的に接合している。そして、全体をモールド樹脂２４で一体に成形している。

上述した構成を採ることにより、２〜３ｍｍ角程度の大きさのシリコンチップ内に４個のホール素子２１を設けているので、膜特性など製造工程で生じる特性の分布が小さくなり、ホール素子２１の磁気特性も非常に似かよったものになるという利点がある。

また、ホール素子２１の配置場所を集積回路の製造工程で行うリソグラフィーの精度で制御できるので、サブμｍの位置ずれしか生じない。さらに、ホール素子２１の出力は、シリコンチップ上のアルミの配線層を介して検出制御部３に伝送されるので、配線距離を短くすることが可能になり、ノイズ等の影響をほぼ無視することができるようになる。

図２は、本発明におけるポインティングデバイス用磁気センサの実施例２を示す上面透視図で、図中符号３１は磁気センサ（この例ではホール素子）、３２は差動アンプ２と検出制御部３と出力制御部４を含むシリコンの集積回路である。ホール素子３１は、前述したようにＸ軸及びＹ軸に沿って２個ずつ対称に配置されている。

この実施例２では、あらかじめ配線層を設けておいたインターポーザー３６に、ホール素子３１と集積回路３２を、フリップチップボンダーを用いて接合している。インターポーザー３６をリードフレーム３３上にダイボンドし、インターポーザー３６は、リードフレーム３３とワイヤ３５で電気的に接合している。そして、全体をモールド樹脂３４で一体に成形している。

このインターポーザー３６を用いることにより、ホール素子３１に磁気感度の高い化合物半導体のものを利用することが可能になる。つまり、実施例２の構成を採ることにより、Ｓ／Ｎ比のよいポインティングデバイス用磁気センサが実現可能になる。

図３は、本発明のポインティングデバイス用磁気センサの実施例３を示す上面透視図である。図中符号４１は磁気センサ（この例ではシリコンウェハに形成された４個のホール素子）、４２は差動アンプ２と検出制御部３と出力制御部４を含むシリコンの集積回路である。ホール素子４１は、前述したようにＸ軸及びＹ軸に沿って２個ずつ対称に配置されている。この実施例３では、同一のシリコンチップ上にホール素子４１と集積回路４２を形成している。この集積回路４２をリードフレーム４３上にダイボンドし、集積回路４２はリードフレーム４３とワイヤ４５で電気的に接合している。そして、全体をモールド樹脂４４で一体に成形している。

図３に示した構成において、最大面積を有する面（図３において紙面上方から見たモールド樹脂４４で囲まれた範囲）に対して辺の長さ比が３０％で、かつ中心を同一にする相似形状４６の内部に、ホール素子４１の感磁部中心が、すべて配置されている。１つのシリコンチップ内に４個のホール素子４１を、距離をあけずに配置しているので、膜特性など製造工程で生じる特性の分布が小さくなり、ホール素子４１の磁気特性も非常に似かよったものになるという利点がある。

ホール素子間の距離は、絶対値では０．０５〜１．５０ｍｍにおさめるのが好ましい。さらに、０．０５〜０．５０ｍｍにおさめるのがより好ましい。そうすることにより、ピエゾ効果によるホール素子４１の感度及びオフセットの変動を均一にすることができ、特性変動を完全にキャンセルすることが可能になる。また、ダイパッドとモールド樹脂の境界部に集中する応力の影響を受けにくくできる。

また、ホール素子４１の配置場所を集積回路の製造工程で行うリソグラフィーの精度で制御できるので、サブμｍの位置ずれしか生じない。さらに、ホール素子４１の出力は、シリコンチップ上のアルミの配線層を介して検出制御部３に伝送されるので、配線距離を短くすることが可能になり、ノイズ等の影響をほぼ無視することができるようになる。

図４（ａ），（ｂ）は、本発明におけるポインティングデバイス用磁気センサの実施例４を示す図で、図４（ａ）は上面透視図、図４（ｂ）は断面透視図である。図中符号５１は磁気センサ（この例では４個のホール素子）、５２は差動アンプ２と検出制御部３と出力制御部４を含むシリコンの集積回路である。ホール素子５１は、前述したようにＸ軸及びＹ軸に沿って２個ずつ対称に配置されている。

この実施例４では、磁石５３のサイズを３．０×３．０×０．６５ｍｍとし、磁石５３とシリコンの集積回路５２の距離を２．０ｍｍとした。磁石５３は、厚み方向にＮＳの着磁を行っている。磁石５３の残留磁束密度を９７０ｍＴ、対角に位置するホール素子間の距離を０．３ｍｍとしたとき、左右のホール素子５１部分に発生する磁束密度差は、図５に示すようになる。磁石５３をＸＹ平面上で移動させると、ポインティングデバイスとして必要な磁束密度の変化が生じていることがわかる。

図６は、対角に位置するホール素子間の距離を０．１〜０．５ｍｍに変化させたときの、ｙ座標が０のときの磁束密度差の変化を示す図である。ホール素子間の距離を大きくとる方が磁束密度差は大きくなることがわかる。また、ｘ座標で±１ｍｍ程度のストロークにおいては、磁束密度差がリニアに変化するので、この範囲の出力を用いてポインティングデバイスを構成すればよい。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、更に種々変形して実施することが可能である。

本発明は、マグネットの移動による周囲の磁界変化を検出することにより、座標検知を行う磁気検出方式のポインティングデバイスで使用される磁気センサに関し、特性ばらつきの小さいホール素子を用い、同時にホール素子の配置場所の位置精度を向上させ、かつホール素子から検出制御部へ信号を伝送する際にノイズの影響を受けにくくし、また、ピエゾ効果によるホール素子の感度及びオフセットの変動を抑制することにより、精度良くマグネットの座標を検知することのできる小型のポインティングデバイス用磁気センサを提供することができる。

本発明におけるポインティングデバイス用磁気センサの実施例１を示す上面透視図である。 本発明におけるポインティングデバイス用磁気センサの実施例２を示す上面透視図である。 本発明におけるポインティングデバイス用磁気センサの実施例３を示す上面透視図である。 本発明におけるポインティングデバイス用磁気センサの実施例４示す図で、（ａ）は上面透視図、（ｂ）は断面透視図である。 本発明におけるポインティングデバイス用磁気センサの実施例４での、左右のホール素子部に生じる磁束密度差の分布を示す図である。 本発明におけるポインティングデバイス用磁気センサの実施例４での、左右のホール素子部に生じる磁束密度差のホール素子間距離依存性を示す図である。 磁気検出方式のポインティングデバイスに係る従来例及び本発明におけるポインティングデバイスの一例を示す回路ブロック図である。

符号の説明

１ 検出部
２ 差動アンプ
３ 検出制御部
４ 出力制御部
１１，２１，３１，４１，５１ ホール素子
２２，３２，４２，５２ 集積回路
２３，３３，４３ リードフレーム
２４，３４，４４ モールド樹脂
２５，３５，４５ ワイヤ
３６ インターポーザー
４６ 辺の長さ比３０％を示す領域
５３ 磁石

Claims (3)

1. Ｘ軸及びＹ軸上に対称に配設された４個のホール素子と、該ホール素子の信号を用いてマグネットの座標位置を検出する検出制御部と、該検出制御部の信号を出力する出力制御部とを備え、前記ホール素子と前記検出制御部と前記出力制御部とがモールド樹脂で一体に形成されてなるポインティングデバイス用磁気センサにおいて、
   該ポインティングデバイス用磁気センサの最大面積を有する面に垂直な方向からみて、該最大面積を有する面に対して辺の長さ比で３０％以内であり、かつ中心を同一にする前記最大面積を有する面の相似形状内部に、前記４個のホール素子の感磁部の中心が、すべて配置されていることを特徴とするポインティングデバイス用磁気センサ。
2. 前記ホール素子と前記検出制御部と前記出力制御部とを、同一のシリコンチップ上に形成したことを特徴とする請求項１に記載のポインティングデバイス用磁気センサ。
3. 前記４個のホール素子におけるそれぞれの感磁部の中心間の距離の最小値が、０．０５〜１．５０ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載のポインティングデバイス用磁気センサ。