JP6240994B1 - 3次元磁界検出素子および3次元磁界検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
近年、これらの装置の一層の高感度化、低ノイズ化、測定レンジのワイドレンジ化とともに小型化、薄型化が強く要求されている。特にスマートホンの薄型化に伴い、方位センサの高さを従来の1.0mmから0.6mmと40%以上の薄型化、サイズを従来の2.0mm角から1.5mm角と50%以上の小型化が求められている。またノイズに関しても、従来の10mG以下から1mG以下と10倍の性能アップが求められている。
通常、X軸、Y軸およびZ軸の磁界ベクトル成分Hx、Hy、Hzの強さを測定するために、X軸素子、Y軸素子およびZ軸素子の3つの素子を用いて行なう。ホール素子の場合は、素子面と垂直方向に磁界を検出するので、Z軸素子を面上に配置し、X軸素子、Y軸素子をセンサ基板に立てて組みつける必要がある。一方、MR素子やMI素子などは素子面と平行な磁界を検知するので、X軸素子とY軸素子は面上に配置してZ軸素子をセンサ基板(Z軸方向)に立て、組み付ける必要がある。3つの素子を組み立てて使う限り、センサの高さが大きくなるという問題があった。例えば、特許文献1にはMIセンサを使った組み立て式の3軸磁気センサが開示されている。
なお、ホール素子についてはノイズが大きく、性能アップを図ることが困難であることから、以下MI素子、GSR素子について絞ることにした。
基板面上にX軸方向とY軸方向にそれぞれ一対のX1軸素子とX2軸素子およびY1軸素子とY2軸素子をクロス状に配置しその中心点下部にパーマロイ心棒を配置したものである。
この3次元磁気検出素子は、3次元の磁界ベクトルを、まずX軸方向の磁界はX1軸素子とX2軸素子の出力を加算することによって検知し、Y軸方向の磁界はY1軸素子とY2軸素子の出力を加算することによって検知し、さらにZ軸方向の磁界はZ軸方向磁界をパーマロイ心棒によって平面方向に変向成分を発生させ、それをX1軸素子とX2軸素子の出力の差分とY1軸素子とY2軸素子の出力の差分とを加算することで検知するものである。
しかし、パーマロイ心棒によるZ軸方向磁界を平面方向に変向する力はきわめて弱い。そのため長くて直径の大きなパーマロイを必要とし、3次元磁気検出素子の厚みは0.5mm以上必要で実用的でなかった。
基板平面上に4つのMI素子を、基板の原点を中心にしてX軸方向に2つ配置し、X軸と交差するY軸に2つ配置し、さらに原点の下部の基板内と4つのMI素子の原点と反対側のMI素子の端部の上部に軟磁性体を配置することにより、磁界検出素子と軟磁性体とからなる磁気回路を形成するものである。これにより幅0.7mm、長さ0.7mm、厚さ0.3mmの3次元磁界検出素子が得られている。
また、左右の磁界検出素子からの測定値を加算してX軸磁界成分とY軸磁界成分を求め、減算してZ軸磁界成分を求めるので、左右の磁界検出素子は同一方向に対して同じ値になり、逆方向磁界に対して正負反対の同一値となる必要があり、構造上の対称性が極めて重要である。高精度になるほど両者のわずかな差異も大きな問題となる。
基板面上の磁界検出素子の配置、Z軸方向磁界の集磁界構造と軟磁性体の配置を検討して磁界検出力を改善する同時に3次元磁界検出素子の大きさを検討した結果、なされたものである。
さらに感度の優れたGSR素子を採用し素子の長さを短くして、素子全体の大きさを小さくすることができた。
磁界検出素子は、感磁体であるアモルファスワイヤ、アモルファスワイヤに周回する検出コイル、アモルファスワイヤおよび検出コイルのそれぞれの両端の端子、両端の端子およびそれらの端子と外部の集積回路と接合する電極パッドおよび端子と電極との配線から構成されている。
検出コイルは、コイル内径は30μm以下で好ましくは20μm以下である。コイル内径を小さくすることにより感度の向上になる。コイルピッチは5μm以下で好ましくは3μm以下である。これにより単位長さ当たりのコイル巻数の増加を図ることができ、
感度の向上、ひいては磁界検出素子を短くして小型にすることができる。
基板面上において、基板面と平行な磁界の測定の中心点を原点とする。その原点を通過する基板面上の第1軸方向(X軸方向)、第1軸方向(X軸方向)と直交する第2軸方向(Y軸方向)および基板面に対して垂直方向に直交する第3軸方向(Z軸方向)の3軸(X軸、Y軸およびZ軸)が交差している。
基板の長さ方向をX軸として、原点を中心にして磁界検出素子12および磁界検出素子13を点対称に配置する。幅方向をY軸として、原点を中心にして磁界検出素子14を点対称に配置する。
さらに、Y軸方向の磁界検出素子を1つとし、点対称に配置した結果、3次元磁界検出素子の幅方向のサイズは1/3程度に小さくすることができる。
また製造容易性を考慮すると軟磁性体の直径D(楕円形状の場合には直径相当径とする。)に対して高さHにより求められるアスペクト比(H/D)は1以下が好ましい。
なお、上述の磁気回路を形成してZ軸方向の磁界を検出することができる限り、原点の上部の1つ軟磁性体を原点の下部に配置し、原点と反対側の端部の下部に配置している2つの軟磁性体を上部にすることも可能である。
例えば、軟磁性体の磁極面とアモルファスワイヤ端部とをできるだけ近づけて磁気回路抵抗を小さくするようにする。断面積と厚みで表現される軟磁性体の大きさは、磁界検出素子の長さや直径に相対的関係があり、磁界検出素子が長いほど軟磁性体の厚みを厚くすることが好ましい。
軟磁性体が加工端面の表面になる。これにより3次元磁界検出素子の長さを短くすることができる。なお、磁性体の半分程度が除去されると集磁機能の低下につながるので軟磁性体の断面積を大きくすることである。この場合には幅方向を大きくする楕円形状にすることにより3次元磁界検出素子の長さを短くすることへの影響は少ない。
すなわち、本発明の3次元磁界検出素子と集積回路チップとの接合は、ワイヤボンディングを使って行うこともできるが、ワイヤボンディングのための余分な面積や高さが必要となる。そこで3次元磁界検出素子と集積回路チップとを積層してパッドをより接合することによって両者を電気的に接合することが、全体的な小型化または薄型化をより進めるために望ましい。
[実施例1]
実施例1に係る3次元磁界検出素子1を図1に示す。図1は3次元磁界検出素子の平面図であり、図2は図1中に示すA−A’線における断面図である。図3はGSR素子の基本構造を示す平面図である。
すなわち、GSR素子の2つは基板面上のX軸におけるX1素子12とX2素子13であり、1つはY軸におけるY素子14である。X軸、Y軸およびZ軸は原点でお互いに直交しており、X1素子12とX2素子13は原点を中心にして点対称にあり、Y素子14は1つで原点を中心にして点対称にある。
1つの軟磁性体22は原点の上部(Y素子14の上部に相当する。)にボタン状に形成され、2つの軟磁性体22は基板11の長手方向の両外縁である素子X1および素子X2の各端部の基板11の中にボタン状に形成されている。
3つの素子3の構造は直径10μmにて、X軸用の素子12および素子13は長さ120μmのアモルファスワイヤ(以下、ワイヤという。)を用い、Y軸用の素子14は長さ200μmのワイヤを用いる。ワイヤ31を中心部に配置し、その周囲を内径20μm、コイルピッチ3μm、巻数30回の検出コイル(以下、コイルという。)32を配置し、さらにワイヤ31と検出コイル32の両端にはそれぞれワイヤ用端子33、コイル用端子35が取り付けられている。ワイヤ用端子33からのワイヤ用電極パッド34、検出コイル用端子35からのコイル用電極パッド36をそれぞれ使って集積回路端子(図示せず)に対応している。各素子3の上記各端子と集積回路の各端子とは、電極パッドで電気的に接合される。
軟磁性体21は、基板11の原点の上部に素子14とは絶縁被膜を挟んで、Z軸線を軸として直径30μm、厚み30μmのボタン状に形成されている。その組成は45at%Ni−Feのメッキ法で形成したパーマロイ合金である。
軟磁性体22は、基板11に長径80μm、短径40μmの楕円形状にて深さ40μmの穴を設け、そこにメッキ法で45at%−Fe組成のパーマロイ合金を埋め込んだもので、素子12および素子13とは絶縁されている。
なお、軟磁性体21、22には、純Ni、純鉄、他組成のパーマロイ合金、センダスト、パーメンジュール等の公知軟磁性材料を用いることができ、また形成方法もスパッタリング等を用いることができる。
これらの2つのクランク状の磁気回路は原点を対称にして形成されることにより、Z軸方向の磁界の強さを効果的に検出することができる。
Z軸方向の磁界HzはX1素子12およびX2素子13の両端にある軟磁性体22を磁化する。軟磁性体22の下面の磁極をS極とすると、原点の上部にある軟磁性体21の上面の磁極はN極となっており、その間にある素子のワイヤ31を介してクランク状の磁気回路4を形成する。この時、ワイヤ31にはZ軸方向の磁界Hzに比例した強い磁界が流れることになる。この磁気回路の形成によって効果的に大きな出力を得ることができるので、原点の上部にある軟磁性体21の厚みを0.03mmと薄くすることができる。その結果、3次元磁界検出素子1の高さ16を0.13mmとすることができる。
Hx=(Hx1+Hx2) (1)
Hy=Hy1 (2)
Hz=K(Hx1−Hx2) (3)
Y軸方向の磁界の強さは、Y素子14の1つの出力であるのでそのままY軸方向の強さとなる。
まず、GSRセンサの電子回5Aの基本動作を図5により説明する。
電子回路5Aは、パルス発信回路(パルス発信器)51および信号処理回路52を有する。信号処理回路52は、バッファ回路53、検波タイミング調整回路54、電子スイッチ55、サンプルホールド回路56および増幅器57からなる。パルス発振回路51により発生した2GHz相当の高周波のパルス電流をGSR素子2のワイヤ31へ供給する。そうすると、パルス電流によりワイヤ31の表面に生じた磁場と外部磁場とが作用して、その外部磁場に対応した電圧がコイル32に発生する。なお、ここでいうパルス周波数は、パルス電流の「立ち下がり」時間Δtの4倍をその周期としてその逆数をパルス周波数と便宜上定義した。
本電子回路5Bは、パルス発振回路(パルス発信器)51、信号処理回路51およびデジタル回路58からなる。パルス発振回路(パルス発信器)51は1つで、信号処理回路52は各素子の出力を同時に測定しるために3つを備えている。3つのGSR素子(X1、X2およびY1)からの出力は、デジタル回路58に入り、切替スイッチ581を使って順番にADコンバータ582でデジタルデータに変換された後、演算回路583に転送され、適当な演算処理がなされる。そこで3次元ベクトルの強さに換算される。その後、スマートフォンなどのシステムを制御している中央演算装置にデータ通信回路584を介して転送される。
実施例2に係る3次元磁界検出素子の断面図を図7に示す。
本実施例の3次元磁界検出素子は、実施例1における3次元磁界検出素子1(図1)の両端部をB−B’線に沿って切断加工し、その切断面の状態を図1中に示すA−A’線における断面図として示す。なお、両端部の軟磁性体は逆円錐筒状からなり、切断加工したものである。
X1素子12の端部の軟磁性体32の中央部のB−B’線およびX2素子13の端部の軟磁性体22の中央部のB−B’線に沿って加工されることによって軟磁性体22の端面が3次元磁界検出素子の左右に表れている。
この加工によって、3次元磁界検出素子の長さを短くすることができる。なお、軟磁性体22を切断加工により基板11の一部とともに取り除いているが、十分に残存する軟磁性体によるクランク状の磁気回路は保存されているので磁界検出力には何らの影響を与えるものではない。
さらに将来的には超小型の3次元磁界検出装置は、医療用カテーテルのガイドワイヤの先端に取り付け、その先端部分が磁界空間における3次元的な位置を確定するセンサとしての期待がなされている。
11:基板
12:X軸におけるX1素子、13:X軸におけるX2素子、14:Y軸におけるY素子
21:原点の上部の軟磁性体
22:X1素子およびX2素子の原点とは反対側の端部の下部の軟磁性体
16:3次元磁界検出素子の厚み
3:GSR素子
31:アモルファスワイヤ、32:検出コイル、33:ワイヤ用端子、34:電極パッド、35:コイル用端子、36:電極パッド
4:クランク状の磁気回路
5A:GSRセンサの電子回路
51:パルス発振回路(パルス発信器)、52:信号処理回路、53:バッファ回路、54:検波タイミング調整回路、55:電子スイッチ、56:サンプルホールド回路、57:増幅器
5B:三次元磁界検出装置の電子回路
58:デジタル回路、581:切替スイッチ、582:ADコンバータ、583:演算回路、584:データ通信回路
Claims (3)
- 基板面と平行方向の磁界を検出する磁界検出素子と基板面と直交する磁界を集磁・放磁する軟磁性体からなる3次元磁界検出素子において、
前記基板面上における前記磁界の測定の中心点を原点として、
前記原点において、前記基板面上の第1軸方向、第1軸方向と直交する第2軸方向および前記基板面に垂直に直交する第3軸方向からなる3軸が交差してなり、
前記磁界検出素子は、前記原点を中心にして前記第1軸方向には2つの前記磁界検出素子と前記第2軸方向には1つの前記磁界検出素子を前記基板上にそれぞれ点対称に配置し、
かつ、
前記軟磁性体は、前記原点の上部および前記第1軸方向の2つの前記磁界検出素子の前記原点に対して反対側の端部の下部に配置してなり、
前記第1軸方向において2つの前記磁界検出素子と3つの前記軟磁性体とからなる磁気回路を形成することを特徴とする3次元磁界検出素子。 - 請求項1に記載されている3次元磁界検出素子において、
前記3次元磁界検出素子は、長さ0.6mm以下、幅0.3mm以下および厚み0.15mm以下からなることを特徴とする3次元磁界検出素子。 - 請求項1または請求項2に記載されている3次元磁界検出素子と集積回路チップとを積層してパッド接合することによって両者を電気的に接合していることを特徴とする3次元磁界検出装置。
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