JP5518661B2 - 半導体集積回路、磁気検出装置、電子方位計 - Google Patents
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Description
クロック生成回路と、
このクロック生成回路から出力されるクロック信号に基づき、前記時間間隔に基づいた外部磁界強度の強度信号を出力する信号処理回路と、
少なくとも前記三角波の頂点より前に該三角波周期の1〜5%とされる前方停止時間、および、前記三角波の頂点から後に前記三角波周期の1〜5%とされる後方停止時間において、前記信号処理回路からの強度信号出力を停止するように制御するクロック制御回路と、
を有することにより上記課題を解決した。
本発明の請求項2にかかる半導体集積回路は、前記停止時間を除く時間における外部磁界強度信号をダイナミックレンジとして出力することを特徴とする請求項1記載の半導体回路である。
本発明の請求項3にかかる磁気検出装置路は、磁性体コアと、
前記磁性体コア内の磁束の変化を検出する検出コイルと、
供給される周期的な励磁電流に伴って前記磁性体コア内の磁束を変化させる励磁手段と、
前記励磁手段による前記磁性体コア内の磁束の変化に伴って前記検出コイルに発生する誘導出力を検出する検出手段と、
を有し、励磁電流として三角波電流を磁性体コアに対する励磁手段に通電し、磁性体コアに対して設けられた検出コイルから出力される正符号および負符号の各スパイク状電圧波形をそれぞれ検出し、一のスパイク状電圧波形と次に検出される逆符号のスパイク状電圧波形との時間間隔を計測し、この時間間隔に基づいて外部磁界の強度を検出するフラックスゲート型の磁気センサ部と
クロック生成回路と、
このクロック生成回路から出力されるクロック信号に基づき、
前記検出手段で検出された符号の異なる前記誘導出力の時間間隔に基づいた外部磁界強度の強度信号を出力する信号処理回路と、
少なくとも前記三角波の頂点より前に該三角波周期の1〜5%とされる前方停止時間、および、前記三角波の頂点から後に前記三角波周期の1〜5%とされる後方停止時間において、前記信号処理回路からの強度信号出力を停止するように制御するクロック制御回路と、
を有する半導体集積回路と、
を具備してなることにより上記課題を解決した。
本発明の請求項4にかかる磁気検出装置路は、前記半導体集積回路において、前記停止時間を除く時間における外部磁界強度信号をダイナミックレンジとして出力することを特徴とする請求項3記載の磁気検出装置である。
本発明の請求項5にかかる電子方位計は、基板と、
前記基板上に配置され、3軸のそれぞれに沿うように配置された第1、第2および第3のフラックスゲート型の磁気センサ部と、
半導体集積回路と、
を含み、
前記第1、第2および第3の磁気センサ部の各々は、
磁性体コアと、
前記磁性体コア内の磁束の変化を検出する検出コイルと、
供給される周期的な励磁電流に伴って前記磁性体コア内の磁束を変化させる励磁手段と、
前記励磁手段による前記磁性体コア内の磁束の変化に伴って前記検出コイルに発生する誘導出力を検出する検出手段と、
を有し、励磁電流として三角波電流を磁性体コアに対する励磁手段に通電し、磁性体コアに対して設けられた検出コイルから出力される正符号および負符号の各スパイク状電圧波形をそれぞれ検出し、一のスパイク状電圧波形と次に検出される逆符号のスパイク状電圧波形との時間間隔を計測し、この時間間隔に基づいて外部磁界の強度を検出するものとされ、
前記半導体集積回路は、
クロック生成回路と、
このクロック生成回路から出力されるクロック信号に基づき、
前記検出手段で検出された符号の異なる前記誘導出力の時間間隔に基づいた外部磁界強度の強度信号を出力する信号処理回路と、
少なくとも前記三角波の頂点より前に該三角波周期の1〜5%とされる前方停止時間、および、前記三角波の頂点から後に前記三角波周期の1〜5%とされる後方停止時間において、前記信号処理回路からの強度信号出力を停止するように制御するクロック制御回路と、
を有することにより上記課題を解決した。
本発明の請求項6にかかる電子方位計は、前記半導体集積回路において、前記停止時間を除く時間における外部磁界強度信号をダイナミックレンジとして出力することを特徴とする請求項5記載の電子方位計である。
図1は、本実施形態における磁気センサ部および半導体集積回路からなる磁気検出装置の機能要素と、各機能要素同士の関係を示す模式図であり、図において、符号Mは、磁気検出装置である。
磁気センサ部M1と半導体集積回路M2とは、磁性体コアM12と、磁性体コアM12内の磁束の変化を検出する検出コイルM13と、供給される周期的な励磁電流に伴って磁性体コア内の磁束を変化させる励磁手段と、励磁手段による磁性体コアM12内の磁束の変化に伴って検出コイルM13に発生する誘導出力を検出する検出手段(検出部)M14と、クロック生成回路M21と、このクロック生成回路M21から出力されるクロック信号に基づき、検出手段M14で検出された符号の異なる誘導出力の時間間隔に基づいて外部磁界強度の強度信号を演算・出力する信号処理回路M23と、少なくとも前記三角波の頂点より前に該三角波周期の特定の割合(%)とされる前方停止時間tA、および、前記三角波の頂点から後に前記三角波周期の特定の割合(%)の時間とされる後方停止時間tBにおいて、信号処理回路M23からの強度信号出力Soutを停止する停止信号を出力するように制御するクロック制御回路M22と、を有する。
励磁手段は、磁気コアM12近傍に設けられ励磁コイルとされる励磁部M11とこの励磁部M11に励磁電流を供給し励磁部の励磁状態を制御するドライブ部M15とからなる構成とすること、または、励磁手段は、磁気コアM12そのものとされこれに励磁電流を印加して磁気コアM12および検出コイルM13近傍を励磁する構成とすることなど、必要な励磁が可能な構成であればその構成は限定されない。
ドライブ部M15から供給された三角波電流により磁気コアM12が励磁され、図2(d)に示すように、磁気コアM12にB−Hカーブに沿った磁束が生じる。この軟磁性体からなる磁気コアM12における磁化状態(磁束密度)の経時変化を図2(b)に示す。図2(b)に示すように、磁気コアM12には、長手方向の磁束が向きを変えて交互に生じる。ここで、図2(b)中の実線は、磁気センサ部M1を外部磁界が実質的に存在しない環境(Hex=0)に置いた場合の磁気コアM12の磁化状態の経時変化、図2(b)中の二点鎖線は、磁気センサ部M1を正方向の外部磁界中(Hex>0)に置いた場合の磁気コアM12の磁化状態の経時変化、図2(b)中の点線は、磁気センサ部M1を負方向の外部磁界中(Hex<0)に置いた場合の磁気コアM12の磁化状態の経時変化である。
このとき、図2(c)に示すように、各出力端子から検出される出力電圧波形としては、磁気コアM12に生じる磁束の向きが正方向から負方向に反転するタイミングと、負方向から正方向に反転するタイミングとで、互いに逆向きのスパイク状の電圧波形(スパイク波)が出力される。半導体集積回路M2中の検出部M14は、このスパイク波を増幅するとともに、カウント可能なように信号処理回路M23に出力する。
この出力電圧波形において、一のスパイク状電圧波形と次に検出される逆符号のスパイク状電圧波形との時間間隔を計測し、この時間間隔に基づいて式(1)〜(3)に従い、所定の演算を行うことにより、外部磁界強度を算出することができる。この式(1)〜(3)において、t1は、正の誘導電圧が発生する時間を示し、t2は、負の誘導電圧が発生する時間を示し、Hexcは、励磁磁界(励磁手段にて発生する磁界)を示し、Hcは、磁気コアの保磁力を示し、Hextは、外部磁界を示し、Tdは遅延時間を示す。
後方停止時間tBは、周期Tの0.1〜5%とされることができ、より好ましくは、周期Tの0.1〜3%とされ、また、周期Tの0.1〜1%とすることができる。
前方停止時間tAと後方停止時間tBとは等しい長さに設定することや、どちらか片方を短くする、連続する三角波ごとに異なる長さとするといった各種の設定とすることができる。また、前方停止時間tAと後方停止時間tBとのどちらかのみ停止信号を出力することも可能である。
具体的には、図6(a)に示すように、三角波において負符号の励磁磁界が−2mT付近までの場合に、図6(b)に示すように、−1.9mT付近から−2mT付近までとなる停止時間tAだけ停止信号を出力して、信号処理回路M23において外部磁界強度の強度信号を出力しないことにより、全出力範囲において線形性を維持することが可能となることがわかる。なお、図6においては、三角波頂点付近、すなわち、ダイナミックレンジ端近傍のみを示しておりこれ以外では線形性を維持している。また、図6に対応する強度信号としてのデジタル出力を図7に示す。負符号の励磁磁界が−2mT付近までの場合、この範囲の出力が、たとえば14bitとされるデジタル出力(LSB;Least Significant Bit)に出力していた場合、デジタル出力の上限は15984程度となる。
第1配線層104の厚さは、0.2μm〜2μm程度が好ましい。第1絶縁層105の厚さは、第1配線層104の凹凸を緩和するだけの十分な厚さ、具体的には第1配線層104の厚さの3〜10倍程度であることが望ましい。これらの配線層は、Cu、Al、Auとすることができる。磁気コア103となる軟磁性体膜としては、CoNbZrおよびCoTaZr等に代表される零磁歪のCo系アモルファス膜や、NiFe合金、CoFe合金などが望ましい。第2配線層107は、Ti、Cr、TiWなどのバリアメタル膜から形成されることができる。必要に応じて外部に接続するための電極パッドおよび端子としては、はんだバンプおよび金バンプ、ならびにワイヤボンディング等の一般的な半導体デバイスや薄膜デバイスに用いられる手法を適用することができる。
磁気コア3は、図11に拡大して示す如く平面視帯状をなす通電部(励磁部)9と、通電部9の両端部に設けられた一対の集磁部10、10とを有し、全体が軟磁性薄膜によって構成されている。
軟磁性薄膜としては、一軸異方性を付与できるものであれば特に限定されないが、アモルファス組成のCo85Nb12Zr3膜、FeNi合金膜、FeSiAl合金膜、CoFeSiB合金膜などの軟磁性薄膜等を用いることができる。
また、この磁気センサ部において、磁気コア3は、2つのスパイラルコイル部7、8の渦巻き中心間より外側の逆相磁界発生部28A、31Aに平面視重なるように集磁部10、10を配置し、2つのスパイラルコイル部7、8の渦巻き中心を結ぶ直線に平行になるように通電部9を配置するように非磁性基板2上に形成されている。
各集磁部10は通電部9よりも幅が広くなったパターンとして形成されるが、この幅が広がった形状とは、図4に示す如く通電部9と集磁部10との境界部分またはその近傍において、これらを構成する軟磁性薄膜の幅がテーパを有して徐々に広がっている形状や段階的(ステップ状)に広がっている形状を問わない。なお、一方の集磁部10と他方の集磁部10はそれらの平面形状が違っていても差し支えなく、非対称であっても対称形状であっても良い。
第1通電用導体部11は、その一部が通電部9の長手方向に沿う一方の辺縁部(図9の左側の辺縁部)と重なるように設けられた第1通電用電極15と、ドライブ部の交流電源に接続される第1通電用電極パッド16と、第1通電用電極15と第1通電用電極パッド16とを接続する第1通電用配線17とによって構成されている。
第1コイル部7および第2コイル部8で生じた誘導電圧は、第1出力用電極21と第2出力用電極24との間の出力電圧として検出回路で検出される。
絶縁層5は、非磁性基板2、磁気コア3および導体層4の上に全面的に設けられ、各出力用電極21、24に対応する位置にスルーホールが設けられている。スルーホール内には上下導通用の導体が充填され、これにより、各出力用電極21、24と第1コイル部7および第2コイル部8の各出力端7a、8aとが電気的に接続されている。
絶縁層5を構成する材料は、感光性ポリイミドなどの絶縁性樹脂の他、SiO2やAl2O3等の金属酸化物、Si3N4やAlN等の金属窒化物などを例示することができる。
また、第2コイル部8の配線も、同様に、複数の順方向ライン30よりなる順方向ライン群(同相磁界発生部)30A、複数の逆方向ライン31よりなる逆方向ライン群(逆相磁界発生部)31Aとを有し、順方向ライン群30Aが逆方向ライン群31Aよりも第1コイル部7側となるように配されている。
なお、本実施形態において、第1コイル部7と第2コイル部8の同相磁界発生部とは、第1コイル部7と第2コイル部8のそれぞれの中心部の間の領域、すなわち、第1コイル部7の中心部と、第2コイル部8の中心部との間の領域である。これに対して、第1コイル部7と第2コイル部8のそれぞれの中心部から、非磁性基板2の外側よりの領域、例えば図9において、第1コイル部7の中心部より上側の領域および第2コイル部8の中心部より下側の領域は、逆相磁界発生部とされる。
ドライブ部M15の交流電源から供給された三角波電流は、各通電用電極15、18を介して通電部9に供給され、通電部9の幅方向に沿って流れる。これにより、通電部9が励磁され、その長手方向にB−Hカーブに沿った磁束が生じる。図2(b)に示すように、通電部9には、長手方向の磁束が向きを変えて交互に生じる。
通電部9に生じた磁束はピックアップコイル6の各順方向ライン27、30と交差し、各順方向ライン群(同相磁界発生部)27A、30Aに誘導電圧(誘導電流)を発生させる。そして、ピックアップコイル6に発生した誘導電圧は、ピックアップコイル6の各出力端7a、8aから出力電圧としてスパイク波が検出される。
(1)磁気コア3に励磁コイルを巻回すプロセスを省略でき、構造を単純にすることができる。
(2)励磁コイルを巻回すのに必要な領域を省略できるため、その分ピックアップコイル6を多く巻回すことができる。その結果、出力を大きくとることができるため、SN比を向上させることができる。
(3)磁気コア3を励磁コイルによって励磁する場合、磁気コア3の長さを短くすると、反磁界の影響が大きくなって励磁効率が低下するため、大電流による通電が必要となる。これに対して、磁気コア3に直接電流を通電することによって励磁すると、励磁の際に反磁界の影響を小さくすることができる。このため、小さい電流で動作させることができ、低消費電力化が可能となる。
(4)また、励磁の際に反磁界の影響が小さいため、センサ素子の小型化が可能であり、小型、薄型の電子方位計の構成が可能である。
(A)逆相磁界発生部28A、31Aにおける磁束変化の影響を取り除くことができ、SN比の向上が可能である。
(B)逆相磁界発生部28A、31Aに配した軟磁性薄膜の領域を集磁構造として用いることが可能となるため、感度の向上が可能である。
以上の理由から、感度、出力およびSN比を十分に確保しつつ、磁気センサ素子1の小型化が可能である。
図13は、磁気コアの端部分の形状が角型の場合の例を示す平面図である。図14は、磁気コアが端部分101と中央部分102との境界にテーパ形状を有する場合の例を示す平面図である。角部での磁束の局所的な飽和を抑えるためには、図14に示すように、端部分101と中央部分102の境界が略テーパ状になっていることが望ましい。この場合、端部分101の長手方向の長さDは略テーパ状の部分を含む長さを表わすこととすると、端部分101の幅Bと端部分101の長手方向の長さDの比B/Dの値が、1よりも小さいことが望ましい。
この場合、線形性を保った出力を第1フラックスゲートセンサM1x、第2フラックスゲートセンサM1yおよび第3フラックスゲートセンサM1zのそれぞれで行うことが可能となる。
図20または図21に示すように、ヘルムホルツコイルC内に、図15に示す第3実施形態と同様の磁気検出装置Mを載置して、−2〜+2mTで変動する外部磁界を印加して、スパイク状電圧波形のピーク間隔を直接出力するとともに、これを、外部磁界の強度信号となるデジタル出力として出力させた。
三角波電流は、振幅100mA、周波数30kHzとし、正負のパルス状ピックアップ電圧がそれぞれの基準電圧Vthを超える時間間隔tの外部磁界依存性、すなわち外部磁界に対する磁気検出装置Mの出力を示すグラフを図6(a)に示す。
Claims (6)
- 励磁電流として三角波電流を磁性体コアに対する励磁手段に通電し、磁性体コアに対して設けられた検出コイルから出力される正符号および負符号の各スパイク状電圧波形をそれぞれ検出し、一のスパイク状電圧波形と次に検出される逆符号のスパイク状電圧波形との時間間隔を計測し、この時間間隔に基づいて外部磁界の強度を検出するフラックスゲート型の磁気センサに用いられる半導体集積回路であって、
クロック生成回路と、
このクロック生成回路から出力されるクロック信号に基づき、前記時間間隔に基づいた外部磁界強度の強度信号を出力する信号処理回路と、
少なくとも前記三角波の頂点より前に該三角波周期Tの1〜5%とされる前方停止時間、および、前記三角波の頂点から後に前記三角波周期の1〜5%とされる後方停止時間において、前記信号処理回路からの強度信号出力を停止するように制御するクロック制御回路と、
を有することを特徴とする半導体集積回路。 - 前記停止時間を除く時間における外部磁界強度信号をダイナミックレンジとして出力することを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路。
- 磁性体コアと、
前記磁性体コア内の磁束の変化を検出する検出コイルと、
供給される周期的な励磁電流に伴って前記磁性体コア内の磁束を変化させる励磁手段と、
前記励磁手段による前記磁性体コア内の磁束の変化に伴って前記検出コイルに発生する誘導出力を検出する検出手段と、
を有し、励磁電流として三角波電流を磁性体コアに対する励磁手段に通電し、磁性体コアに対して設けられた検出コイルから出力される正符号および負符号の各スパイク状電圧波形をそれぞれ検出し、一のスパイク状電圧波形と次に検出される逆符号のスパイク状電圧波形との時間間隔を計測し、この時間間隔に基づいて外部磁界の強度を検出するフラックスゲート型の磁気センサ部と
クロック生成回路と、
このクロック生成回路から出力されるクロック信号に基づき、前記検出手段で検出された符号の異なる前記誘導出力の時間間隔に基づいた外部磁界強度の強度信号を出力する信号処理回路と、
少なくとも前記三角波の頂点より前に該三角波周期の1〜5%とされる前方停止時間、および、前記三角波の頂点から後に前記三角波周期の1〜5%とされる後方停止時間において、前記信号処理回路からの強度信号出力を停止するように制御するクロック制御回路と、
を有する半導体集積回路と、
を具備してなることを特徴とする磁気検出装置。 - 前記半導体集積回路において、前記停止時間を除く時間における外部磁界強度信号をダイナミックレンジとして出力することを特徴とする請求項3記載の磁気検出装置。
- 基板と、
前記基板上に配置され、3軸のそれぞれに沿うように配置された第1、第2および第3のフラックスゲート型の磁気センサ部と、
半導体集積回路と、
を含み、
前記第1、第2および第3の磁気センサ部の各々は、
磁性体コアと、
前記磁性体コア内の磁束の変化を検出する検出コイルと、
供給される周期的な励磁電流に伴って前記磁性体コア内の磁束を変化させる励磁手段と、
前記励磁手段による前記磁性体コア内の磁束の変化に伴って前記検出コイルに発生する誘導出力を検出する検出手段と、
を有し、励磁電流として三角波電流を磁性体コアに対する励磁手段に通電し、磁性体コアに対して設けられた検出コイルから出力される正符号および負符号の各スパイク状電圧波形をそれぞれ検出し、一のスパイク状電圧波形と次に検出される逆符号のスパイク状電圧波形との時間間隔を計測し、この時間間隔に基づいて外部磁界の強度を検出するものとされ、
前記半導体集積回路は、
クロック生成回路と、
このクロック生成回路から出力されるクロック信号に基づき、
前記検出手段で検出された符号の異なる前記誘導出力の時間間隔に基づいた外部磁界強度の強度信号を出力する信号処理回路と、
少なくとも前記三角波の頂点より前に該三角波周期の1〜5%とされる前方停止時間、および、前記三角波の頂点から後に前記三角波周期の1〜5%とされる後方停止時間において、前記信号処理回路からの強度信号出力を停止するように制御するクロック制御回路と、
を有することを特徴とする、電子方位計。 - 前記半導体集積回路において、前記停止時間を除く時間における外部磁界強度信号をダイナミックレンジとして出力することを特徴とする請求項5記載の電子方位計。
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