JP6800458B2 - ３次元磁界検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、方位センサなどに用いられるＸ軸Ｙ軸Ｚ軸の３つの磁界検出素子の機能を一つの基板上に実現することにより、方位センサの高い感度、低いノイズ、広い測定レンジなどの基本性能を維持した状態で、３次元磁界検出素子の高さと縦幅と横幅を小さくすることを可能として、薄く小さく高性能な３次元磁界検出装置を可能にする技術に関するものである。

方位センサは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３つの磁気センサ素子と集積回路を組み合わせて地磁気ベクトルを測定し、その値から方位を計算するものである。スマートフォン、タブレット、インターネットＴＶのリモコン、ゲーム、モーションキャプチャなどで、加速度センサ、振動式ジャイロセンサと組み合わせて３次元方位計として広く使用されているが、近年これらの装置の一層の高感度化、低ノイズ化、測定レンジの広域化とともに小型化、薄型化が強く要求されている。特にスマートフォンの薄型化に伴い、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倍の性能向上が求められている。

方位センサには、磁界検出用素子としてホール素子、ＭＲ素子、ＭＩ（Ｍａｇｎｅｔ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅの略）素子、ＧＳＲ（ＧＨｚ−Ｓｐｉｎ−Ｒｏｔａｔｉｏｎの略）素子が用いられる。通常、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向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、Ｚ軸素子の３つの素子を用いて測定を行う。ホール素子の場合は素子面と垂直方向に磁界を検知するので、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付ける必要がある。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に立てて組み付ける必要がある。３つの素子を使う限り、センサの高さが大きくなるという問題があった。

この問題に対して、旭化成（株）社がホール素子を使って、ひとつの基板上にＺ軸素子４個を配置してＸ軸素子とＹ軸素子を使わない３次元磁界検出素子の開発に成功し、方位センサとして生産販売している。その３次元磁界検出素子の構造は、基板上にＸ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ一対となるＺＸ１素子とＺＸ２素子および一対となるＺＹ１素子とＺＹ２素子をクロス状に配置しその中心部に磁性材料であるパーマロイの薄円盤を磁界変向体として配置したものである。この装置は、３次元の磁界ベクトルを、まずＺ軸方向の磁界はＺＸ１素子、ＺＸ２素子、ＺＹ１素子、ＺＹ２素子の４つの出力を加算することによって検知し、Ｘ軸方向の磁界とＹ軸方向の磁界はそれぞれパーマロイ円盤によってＺ軸方向に変向成分を発生させて、Ｘ軸方向の磁界はＺＸ１素子とＺＸ２素子の出力の差分で、Ｙ軸方向の磁界はＺＹ１素子とＺＹ２素子の出力の差分で検知するものである。センサ基板上に立てる素子が無いので、高さは薄く、サイズは小さくすることができる。ホール素子のように素子面と垂直の磁界を検知することができる磁界検出素子は容易に装置を薄くできるが、ホールセンサなどのこの種の磁界検出素子は、ノイズが１０ｍＧ程度と１ｍＧの要求に対して大きすぎるという欠点があり、使用に当たっては大きな問題であった。

一方、ＭＩ素子はノイズ１ｍＧ以下に改善することは可能であるが、Ｚ軸素子を基板面上に立てて組み付けた場合、ＭＩ素子の高さと検出感度は背反するためその高さを小さくすることは困難であった。というのは、ＭＩ素子は、アモルファスワイヤ等の感磁体に検出コイルを巻き付けたもので、感磁体に高周波のパルス電流等を流して、その時に発生する外部磁界に比例した検出コイル電圧を検知するものである。ＭＩ素子の検出感度はＭＩ素子の長さやコイルの巻数に比例するので、検出磁界の方向に長さが必要なためである。

これに対して、特許文献１は、一つの基板上にＸ軸素子とＹ軸素子を配置してＺ軸素子機能を備えた一体型のＭＩセンサ装置を記載している。基板面上にＸ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ一対のＸ１素子とＸ２素子およびＹ１素子とＹ２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磁界変向体として配置したものである。この装置は、３次元の磁界ベクトルを、まずＸ軸方向の磁界はＸ１素子とＸ２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素子とＹ２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素子とＸ２素子の出力の差分とＹ１素子とＹ２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極めて弱いため、長くて直径の大きなパーマロイを必要とし、装置の厚さは０．５ｍｍ以上必要で実用的でなかった。

特許文献２には、磁界検出素子軸と平行方向の磁界を検出するタイプの磁界検出素子を使って、基板面上に４つの磁界検出素子を、原点を中心にして第１軸方向に沿って２つ、第１軸と交差する第２軸方向に沿って２つ配置し、さらに原点の下部の基板内と４つの素子の原点と反対側の端部の上部に軟磁性体を配置した構造による磁界検出素子と軟磁性体の間に磁気回路を形成する磁界検出ユニットを有することによって、４つの磁界検出素子の出力からＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の磁界の強さを効果的に検出する３次元磁界検出素子を記載している。
その素子の上部の軟磁性体の高さは０．０５ｍｍから０．２ｍｍ程度であり、下部の軟磁性体も同様の大きさとして、上部の軟磁性体と磁界検出素子と下部の軟磁性体の３つの部品はクランク状に配置されている。

そのクランク状の磁気回路の機能は、Ｚ軸方向の磁界は素子の片方の端にある軟磁性体から素子の中の感磁体を通過して、他方の軟磁性体に流れる。Ｚ軸方向の磁界はＸ軸とＹ軸の方向に変向されて各素子の中の感磁体を通過するため、各素子はＺ軸方向の磁界に比例した強い磁界を検出できることになる。このことにより、両端にある軟磁性体が小さくても、大きな出力を得ることができる。従って、この磁気回路を活用すれば３次元磁界検出素子の高さを、特許文献１の０．５ｍｍレベルから０．１０ｍｍ〜０．３０ｍｍ程度の小さなものにすることができる。
しかし、特許文献１の検出力と比べれば遙かに効果的な検出ができるものの、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁界検出感度に比べて十分なＺ軸方向の磁界検出感度を得るのは困難である。十分なＺ軸方向の磁界検出感度を得るには、各軟磁性体を大きくする必要があるが、そうすると大型化した軟磁性体がＸ軸方向およびＹ軸方向の磁界に対しても磁気回路を形成してＸ軸方向およびＹ軸方向の磁界を過度に集めて検出してしまうことでＺ軸方向の磁界検出力との釣り合いが悪くなり、さらにＸ軸方向およびＹ軸方向の測定レンジが狭くなってしまう問題があった。また複雑な形状と大きな部品により製造上にも困難が生じる問題があった。

ＷＯ２０１０／１１０４５６ 特許第６０２１２３９号

本発明者らは、電子コンパス搭載モバイル機器の薄型化に鑑み、３次元磁界検出素子の高さを０．１０ｍｍ以下で、しかもＺ軸方向の磁界検出感度がＸ軸およびＹ軸方向の磁界検出感度と等しくなる３次元磁界検出素子を実現することを目指すことにした。従来の磁界変向体や磁気回路の構造では、非常に薄い素子構造ではＺ軸方向の磁界検出感度をＸ軸およびＹ軸方向の磁界検出感度と等しくすることは困難であった。

本発明者は、基板面を広く覆う軟磁性体プレートでＺ軸方向の磁界を効果的に集磁することを思いつき、磁界検出素子を配置する面（以下、磁界検出素子配置面という。）の下部と上部に、磁界検出素子配置面と平行に軟磁性体プレートを設けて、磁界検出素子配置面において原点を中心に点対称で配置された各磁界検出素子の中心寄りの端部と下部の軟磁性体プレートを磁気的に接続し、各磁界検出素子の他方の端部と上部の軟磁性体プレートを磁気的に接続することで、Ｚ軸方向に広い集磁面と放磁面を有した磁気回路を形成して、Ｚ軸方向の磁界を効果的に検出するとともにＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の磁界検出感度を同等として、さらに３次元磁界検出素子の高さを非常に小さくすることを考案した。
また、磁界検出素子は、小型、高感度、低ノイズ、ワイドレンジを実現できるＧＳＲ素子を対象としているが、感磁体として導電性ワイヤ（磁性ワイヤという）を使用し、磁気回路を形成することができるＦＧセンサ素子やＭＩセンサ素子にも適用可能である。

第１の発明は、基板面上に磁界検出素子配置面と平行方向の磁界を検出するタイプの４つの磁界検出素子を、基板の原点を中心とした点対称の位置に、Ｘ軸方向の磁界を検出するために２つ、Ｙ軸方向の磁界を検出するために２つを配置し、磁界検出素子配置面と平行に、磁界検出素子配置面の下部に下部軟磁性体プレート、４つの磁界検出素子の上部に４つの上部軟磁性体プレートをそれぞれ配置して、原点位置において下部軟磁性体プレートと４つの磁界検出素子の感磁体とを下部軟磁性体を介して磁気的に接続し、原点と反対側の端部で４つの磁界検出素子の感磁体と４つの上部軟磁性体プレートとを上部軟磁性体ワイヤを介して磁気的に接続して、Ｚ軸方向磁界を上部と下部の軟磁性体プレートの一方で効果的に集磁して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の各素子の感磁体に磁束を流し、他方の軟磁性体プレートで放磁する磁気回路を形成することで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３つの方向の磁界成分を測定し、原点位置における磁界ベクトルを検出することを特徴とする３次元磁界検出素子である。
ここで、下部軟磁性体とは下部軟磁性体プレートと磁界検出素子を構成する感磁体とを接続する軟磁性体をいい、上部軟磁性体とは上部軟磁性体プレートと磁界検出素子を構成する感磁体とを接続する軟磁性体をいう。

この磁気回路は、下部と上部の軟磁性体プレートで、基板全面の広い面積を大胆に使ってＺ軸方向の磁束を多く集磁・放磁することで、効果的にＺ軸方向磁界の検出を可能とするものである。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の磁界検出素子の磁界検出感度を等しくすることが望ましいが、違いがある場合は、電子回路および補償プログラムで調整するものとする。

磁界検出素子は、出力用の＋側電極と−側電極と内部の感磁体である磁性ワイヤへの通電用の＋側電極と−側電極の４つの電極を有しており、基板面上の磁界検出素子と外部の電子回路を接続するための電極のために基板上に電極面が必要であり、上部軟磁性体プレートはこの電極面を覆わないように配置する必要がある。各磁界検出素子内部の磁性ワイヤへの通電用の−側電極については、原点位置に電極を設けて、４つの磁界検出素子で共通として、残りの各３つ、合計１２個の電極は原点対称に基板面上に配置し、磁界検出素子と基板面上で配線する必要がある。

上部軟磁性体プレートは、各磁界検出素子内部の磁性ワイヤの原点と反対側の端部で接続される。つまり、磁性ワイヤの＋側電極配線部近辺に上部軟磁性体プレートが接続されるため、上部軟磁性体プレート同士が接触すると、各磁界検出素子が電気的に短絡してしまうため、４つの上部軟磁性体プレートは互いに接触してはならない。

上記の通り、電極のための空間の確保、電気的短絡の防止のため、上部軟磁性体プレートが使うことのできる面積は限られている。これによりＺ軸方向の磁界検出力が落ちてしまうが、下部軟磁性体プレートの面積を４つの上部軟磁性体プレートの総面積よりも広く取ることでＺ軸方向の磁界検出力を保つことができる。また、各磁界検出素子へ流れる磁束を安定させるためには磁気回路が対称であることが必要である。上部軟磁性体プレートが原点を中心に点対称な形状で配置されることから、電極のための空間も原点を中心とした点対称な形状で確保することができるので、各磁界検出素子への電極配線も原点を中心とした点対称な形状とすることが望ましい。
なお、製造上の都合その他の事情で、理想的な点対称が確保できない場合、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の感度について、感度の増減および相互干渉が生じる。それらの問題については感度補償および相互干渉補償することで解決することが望ましい。
すなわち、第２の発明は、外部の電子回路と接合可能な空間を、原点を中心とした点対称形状で有し、かつ下部軟磁性体プレートの面積を上部の４つの軟磁性体プレートの総面積よりも広くとることで、下部軟磁性体プレートと４つの磁界検出素子と上部軟磁性体プレートで形成される磁気回路により、効果的にＺ軸方向磁界を検出し、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３つの方向の磁界成分を同じ感度で測定し、原点位置における磁界ベクトルを検出することを特徴とする３次元磁界検出素子である。

この基板面上に４つの磁界検出素子配置面と平行方向の磁界を検出するタイプの磁界検出素子を配置して、磁界検出素子配置面と平行に、磁界検出素子配置面の上部と下部に軟磁性体プレートを配置する３次元磁界検出素子においては、磁界検出素子と軟磁性体プレートが近接しており、さらに磁界検出素子と軟磁性体プレートが磁気的に接続して磁気回路を形成していることから、各軟磁性体プレートが各磁界検出素子の磁気感度に与える影響を無視することはできない。

上部軟磁性体プレートと下部軟磁性体プレートの面積の大小はＺ軸方向の磁束を集める能力に直結しており、両者ともに面積が大きくなるほどＺ軸方向の磁束を多く集め、多くの磁束を各磁界検出素子に流すため、Ｚ軸方向の磁気感度が高くなり、面積が小さいほどＺ軸方向の磁束を少ししか集められなくなるため、少しの磁束しか各磁界検出素子に流れなくなり、Ｚ軸方向の磁気感度が低くなる。

Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁気感度への影響については、磁界検出素子と上部軟磁性体プレートと下部軟磁性体プレートの各々の形状と位置関係が関係している。

Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁束は、磁界検出素子内部の磁性ワイヤおよび上部軟磁性体プレート、下部軟磁性体プレートに沿って流れるが、上部と下部の軟磁性体プレートが磁束を吸収するため、上部と下部の軟磁性体プレートが存在しない場合よりも、磁性ワイヤに流れる磁束が減少するが、上部と下部の軟磁性体プレートと磁性ワイヤとから磁気回路を形成することで磁束の増減を防ぐことができる。

上部軟磁性体プレートは、それぞれ各磁界検出素子の原点と反対側の端部で接続されており、磁界検出素子とともに各軸方向で原点を中心に点対称で配置されており、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁束を集磁すると、他方の磁界検出素子と上部軟磁性体プレートに向かって磁束を流す磁気回路を形成し、集磁された磁束の一部が磁界検出素子内部の磁性ワイヤに流れ込んで各軸方向に流れる磁束を増加させるため、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁界検出素子に対する増幅器として働く。上部軟磁性体プレートが吸収する磁束の量は、上部軟磁性体プレートの大きさによって決まるため、上部軟磁性体プレートが大きいほど磁界検出素子に流れる磁束が増えて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のる磁気感度が高くなる。

下部軟磁性体プレートは、各磁界検出素子の原点側の端部で接続されているが、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁界に対しては、下部軟磁性体プレートは、上記の上部軟磁性体プレートと磁界検出素子とで形成される磁気回路の主な流路である各磁界検出素子内部の磁性ワイヤよりも下部にあり、かつＸ軸方向およびＹ軸方向の磁界に対して平行な平面上に広がっているため、高さの異なる平面上にある磁性ワイヤよりも同一平面上のプレート内部の方へ磁束が流れやすいため、下部軟磁性体プレートが一方の端部から集磁した磁束は、ほとんど各磁界検出素子内部の磁性ワイヤに影響を与えずに他方の端部へと通過して放磁される。つまり、下部軟磁性体プレートは磁界検出素子内部の磁性ワイヤに対する磁束の迂回路となって磁性ワイヤに流れる磁束を減少させるため、各磁界検出素子に対する減衰器として働く。下部軟磁性体プレートを大きくするほどＸ軸方向およびＹ軸方向の磁気感度が低くなる。

上記の通り、上部軟磁性体プレートを大きくするとＺ軸方向の磁気感度が高まるが、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁気感度に増幅がかかる。過度に磁気感度が増幅されることは、各軸方向の磁気感度の不均衡や測定レンジの縮小につながるため望ましくない。また、下部軟磁性体プレートを大きくすると、Ｚ軸方向の磁界成分の検出力が高まるが、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁気感度に減衰がかかる。磁界検出素子としては高感度が望まれており、磁気感度に減衰がかかるのは望ましくない。

そこで、この３次元磁界検出素子において、上部軟磁性体プレートと下部軟磁性体プレートの形状を調整することで、上部軟磁性体プレートがＸ軸方向およびＹ軸方向の磁気感度に増幅をかける効果と、下部軟磁性体プレートがＸ軸方向およびＹ軸方向の磁気感度に減衰をかける効果がちょうど打ち消し合い、かつＺ軸方向の磁気感度とＸ軸方向およびＹ軸方向の磁気感度が同じとなるようにした。

つまり、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の各磁界検出素子が、磁気回路を構成する軟磁性体が存在しない時のＸ軸方向の磁界およびＹ軸方向の磁界を受けて出力する値を１とすると、この３次元磁界検出素子としては、各軸方向に配置された２つの磁界検出素子の出力を加算して出力とするため、３次元磁界検出素子としてのＸ軸方向およびＹ軸方向の出力は２となり、Ｚ軸方向の磁界を磁気回路によって各磁界検出素子に流すことによって各磁界検出素子で得られるＺ軸方向磁界分の出力をΔＺとすると、４つの素子の出力を加算して出力とするため、３次元磁界検出素子としてのＺ軸方向出力は４ΔＺであるから、４ΔＺ＝２つまりΔＺ＝０．５であればよいから、各磁界検出素子の各軸方向の感度とＺ軸方向の感度との比が１：０．５となり、かつ各磁界検出素子の各軸方向の磁気感度を増幅も減衰もしないように、上部軟磁性体プレートと下部軟磁性体プレートの形状を調整した。
なお、３次元磁界検出装置においては電子回路の増幅度により磁気感度の調整ができるため、３次元磁界検出素子においてＺ軸方向の磁気感度とＸ軸方向およびＹ軸方向の磁気感度が同じとは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁気感度に対するＺ軸方向の磁気感度の比が、理想的な感度比の±７０％の範囲に収まると言う意味である。つまり、ΔＺは０．３５から０．８５の範囲が許容される。

Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の素子の磁界検出感度を上記のように調整することによって、この３次元磁界検出素子によって構成される３次元磁界検出装置は、３次元の磁界ベクトルを、まずＸ軸方向の磁界はＸ１素子とＸ２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素子とＹ２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、集磁したＺ軸方向磁界を磁気回路によってＸ軸方向およびＹ軸方向に変向して各磁界検出素子に流して、Ｘ１素子とＸ２素子の出力の差分とＹ１素子とＹ２素子の出力の差分とを加算することで検知することができる。

すなわち、第３の発明は、基板面上に４つの磁界検出素子配置面と平行方向の磁界を検出するタイプの磁界検出素子を配置して、磁界検出素子配置面と平行に、磁界検出素子配置面の上部と下部に軟磁性体プレートを配置して磁気回路を形成する３次元磁界検出素子において、各軟磁性体プレートがＸ軸方向およびＹ軸方向の磁気感度に与える影響を打ち消し、かつＺ軸方向の磁界を効果的に検出して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各軸方向の磁気感度が等しいことを特徴とする３次元磁界検出素子である。

下部軟磁性体プレートと上部軟磁性体プレートは、それぞれ磁界検出素子配置面と平行に磁界検出素子配置面の下部と上部に配置されるが、３次元磁界検出素子としては薄型化が望まれており、下部軟磁性体プレートと上部軟磁性体プレートの間の距離は小さい方が望ましい。

しかし、各磁界検出素子と各軟磁性体プレートは、その接続部において、磁界検出素子と軟磁性体プレートの間に軟磁性体を配置することで磁気的に接続するが、この軟磁性体の高さが小さいと反磁界が強くなるため磁気抵抗が大きくなって、磁気回路を流れる磁束が減少して、Ｚ軸方向の磁気感度が減少してしまうため、各磁界検出素子と各軟磁性体プレートを接続する軟磁性体はある程度の高さが必要となる。

そこで、各軟磁性体プレートを大きくして、集磁面および放磁面をさらに大きくして磁気回路に流れる磁束を増やすことによって、軟磁性体の高さが小さくなることで磁気回路に磁束が流れにくくなる効果を上回るほどの磁束を磁気回路に流し込めば、Ｚ軸方向の磁気感度を減少させることなく、下部軟磁性体プレートと上部軟磁性体プレートの間の距離を小さくすることができる。

磁性ワイヤの直径が１０μｍの場合、両軟磁性体プレートは基板面から５μｍ以上離れていることが必要であるので、両軟磁性体プレート間の距離は最低でも０．０１ｍｍ以上となる。両軟磁性体プレート間の距離が大きいほどＺ軸の感度を容易に増加させることができるが、極力小さくすることを目標とする場合には、０．０８ｍｍ以下が望ましい。

すなわち、第４の発明は、基板面上に磁界検出素子配置面と平行方向の磁界を検出するタイプの４つの磁界検出素子を配置して、磁界検出素子配置面と平行に、磁界検出素子配置面の上部と下部に軟磁性体プレートを配置して磁気回路を形成する３次元磁界検出素子において、各磁界検出素子と各軟磁性体プレートを磁気的に接続する接続部に配置される軟磁性体の高さを小さくして下部軟磁性体プレートと上部軟磁性体プレートの間の距離を０．０１ｍｍ以上で０．０８ｍｍ以下と縮小して、全体の高さを低くすることができることを特徴とする３次元磁界検出素子である。

第４の発明のサイズは、前記３次元磁界検出素子は、長さ０．２ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下、幅０．２ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下，および厚さ０．０１ｍｍ以上で０．３５ｍｍ以下で、下部軟磁性体プレートの下面から上部軟磁性体プレートの上面までの高さが０．０１ｍｍ以上で０．０８ｍｍ以下である。

この３次元磁界検出素子において、下部軟磁性体プレートの配置にあたっては、基板上の磁界検出素子配置位置以外の広い面積を有する領域を掘り下げて、そこに下部軟磁性体プレートを形成する掘り下げ方式や、基板上の広い領域に下部軟磁性体プレートを形成してから樹脂等で磁界検出素子配置面を形成する積み上げ方式が考えられる。

磁界検出素子配置面上に外部の電子回路と接続するための電極を十分広い空間に配置し、電極が配置されている磁界検出素子配置面から上部軟磁性体プレートの上面までの高さが十分小さければ、この３次元磁界検出素子と外部の電子回路である集積回路チップをフリップチップはんだ接合することが可能となり、３次元磁界検出素子と外部の電子回路との簡単に接続することができる。集積回路チップと３次元磁界検出素子を接続して構成した３次元磁界検出装置全体としての薄型化が可能となる。

また、集積回路チップ上に直接３次元磁界検出素子を形成することも考えられる。
この場合は、集積回路チップ上面に上部軟磁性体プレートを形成し、その上に樹脂等で磁界検出素子配置面を形成、磁界検出素子配置後さらに上部に下部軟磁性体プレートを配置して、各磁界検出素子と集積回路チップの間を直接配線メッキ接合で接続することで、集積回路チップと３次元磁界検出素子とが一体化した３次元磁界検出装置を構成する。これにより、さらに薄型化が可能となる。
なお、集積回路チップを底として上に積み上げていく方式において、３次元磁界検出素子の外部の電子回路との接続側つまり集積回路チップに面した側が３次元磁界検出素子の上部となる定義であるため、集積回路チップに近い側つまり下側に上部軟磁性体プレート、集積回路チップから遠い側、つまり上側に下部軟磁性体プレートと言う表記の逆転があるが、３次元磁界検出素子の構造は同じである。

上記の通り、第５の発明は、集積回路チップ上に３次元磁界検出素子を形成して、直接配線メッキ接合することを特徴とする３次元磁界検出装置である。

実施例１に係る３次元磁界検出素子のＸＹ平面図である。 実施例１に係る３次元磁界検出素子のＺＸ平面図である。 ＧＳＲ素子の基本構造を示す平面図である。 実施例１に係るＺ軸方向磁界に対する磁気回路のＺＸ平面図である。 実施例１に係るＸ軸方向磁界に対する磁気回路のＺＸ平面図である。 実施例１に係る磁界検出素子の電子回路図である。 実施例１に係る３次元磁界検出素子の電子回路図である。 実施例１に係る３次元磁界検出素子と外部の電子回路との接合の図である。 実施例２に係る３次元磁界検出素子のＸＹ平面図である。 実施例３に係る３次元磁界検出素子と外部の電子回路との接合の図である。

発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。
本発明の３次元磁界検出素子は、
基板面上に、または基板を用いないで集積回路チップ上に（以下、基板等という。）磁界検出素子配置面と平行方向の磁界を検出するタイプの４つの磁界検出素子を、基板等の原点を中心とした点対称の位置に、Ｘ軸方向の磁界を検出するために２つ、Ｙ軸方向の磁界を検出するために２つを配置し、磁界検出素子配置面と平行に、磁界検出素子配置面の下部に下部軟磁性体プレート、４つの磁界検出素子の上部に４つの上部軟磁性体プレートを配置して、原点位置において下部軟磁性体プレートと４つの磁界検出素子の感磁体とを下部軟磁性体を介して磁気的に接続し、原点と反対側の端部で４つの磁界検出素子の感磁体と４つの上部軟磁性体プレートとを上部軟磁性体を介して磁気的に接続して、Ｚ軸方向磁界を上部と下部の軟磁性体プレートの一方で効果的に集磁して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の各磁界検出素子の感磁体（磁性ワイヤ）に磁束を流し、他方の軟磁性体プレートで放磁する磁気回路を形成することで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３つの方向の磁界成分を測定し、原点位置における磁界ベクトルを検出するものである。

また、本発明の３次元磁界検出装置は、
集積回路チップと、
前記集積回路チップの上面に、前記集積回路チップの原点を中心とする点対称の位置に、Ｘ軸方向の磁界方向に形成された２つの上部軟磁性体プレートとＹ軸方向の磁界方向に形成された２つの上部軟磁性体プレートとからなる４つの上部軟磁性体プレートと、前記上部軟磁性体プレートの上部に４つの前記上部軟磁性体プレートに対応して配置された前記Ｘ軸方向の磁界を検出するための２つの磁界検出素子と前記Ｙ軸方向の磁界を検出するための他の２つの磁界検出素子とからなる４つの磁界検出素子と、４つの前記磁界検出素子が配置されている面（磁界検出素子配置面という。）の上部に形成された１つの下部軟磁性体プレートと、４つの前記上部軟磁性体プレートの原点とは反対側の端部と４つの前記磁界検出素子の感磁体の端部とを磁気的に接続する上部軟磁性体と、４つの前記磁界検出素子の４つの前記感磁体の他方の端部と前記下部軟磁性体プレートの中心部とを磁気的に接続する下部軟磁性体とを備えることにより、
前記下部軟磁性体プレートと前記下部軟磁性体と前記磁界検出素子の前記感磁体と前記上部軟磁性体と前記上部軟磁性体プレートとからなる磁気回路を形成し、
前記集積回路チップと前記磁界検出素子とを接合する配線とからなることを特徴とする。

これにより、直接、集積回路チップ上にＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の磁界を検出する３次元磁界検出素子を形成することにより、３次元磁界検出装置の薄型化が可能となる。

この３次元磁界検出素子中の各磁界検出素子としてはＧＳＲ素子が望ましい。ＧＳＲ素子は磁気に感応して電子スピンの回転を生じ得る感磁体とその感磁体の磁気変化を検出する検出手段を有しており、感磁体はその材質や形態を問わない。また、検知手段は感磁体の周囲に巻回され、磁束量変化に応じた起電力を出力する検出コイルである。感磁体は通常はアモルファスワイヤ等の軟磁性材からなり、相応の長さを有するワイヤまたは薄膜からなる。感磁体は、磁界検出能力、強度、コスト等の点で、特に零磁歪のアモルファスワイヤが好ましい。

上部軟磁性体プレートおよび下部軟磁性体プレート（以下、軟磁性体プレートという。）は、基板等の原点を中心とした点対称の位置でＸ軸方向磁界に配置されたＸ１素子、Ｘ２素子、Ｙ軸方向磁界に配置されたＹ１素子、Ｙ２素子、また各素子と各軟磁性体プレートを接続する軟磁性体（上部軟磁性体および下部軟磁性体）により磁気回路を形成し、Ｚ軸方向磁界をＸ軸方向およびＹ軸方向に変向して各素子に流すことでＺ軸方向磁界の強さを効果的に検出することを可能とする。軟磁性体プレートおよび接続部の軟磁性体は、このような磁気回路形成が可能である限り、軟磁性体の材質は問わない。軟磁性体としては、高透磁率であるほど、集磁効果が大きいので、通常はパーマロイ合金が望ましい。

軟磁性体プレートの形状は、その面積が広いほどプレート面に垂直な方向の磁束を多く集磁することができるので、できるだけ面積が広いことが好ましいが、ＧＳＲ素子内の感磁体の端部に近づくほど、基板面上の感磁体が集磁すべき磁束を軟磁性体プレートが吸収してしまってＧＳＲ素子の磁気感度に与える影響が大きくなってしまう。そのため、感磁体の端部付近では軟磁性体プレートに切り込みを入れるなどの方法で、ＧＳＲ素子の磁気感度に与える影響をコントロールすることが好ましい。

また、軟磁性体プレートの厚さは、薄い方が軟磁性体プレート面の垂直方向に対する反磁界が強くなり水平方向に磁束を流しやすくなるので、磁気回路の磁気抵抗を下げて、効果的に磁束を集めることができるようになり、かつ水平方向に対する面積が減るため、水平方向磁束の吸収量が減って、ＧＳＲ素子の磁気感度に与える影響が小さくなる。さらに、プレートが薄い方が３次元磁界検出素子全体の高さを縮小するのに有利であるから、軟磁性体プレートは薄い方が好ましい。ただし、あまりにも薄い場合にはプレート面の垂直方向に対する反磁界が強くなりすぎて磁束を集めにくくなってしまうので、適切な厚さが必要である。この厚さは０．００５ｍｍから０．０２０ｍｍ程度が望ましい。

本発明において２つのＸ軸素子と２つのＹ軸素子は直交する第１軸、第２軸に配置されるので、各素子が配置される各軸がなす角度は直角であるべきである。しかし、その角度にずれがある場合には、そのずれ角度を測定して補正演算を加えることで対応することができる。

対称に配置されるＧＳＲ素子同士または磁気回路を形成する上部軟磁性体プレートまたはＧＳＲ素子内部の感磁体と各軟磁性体プレートとの各接続部の軟磁性体は、それぞれ感応特性、検出特性または集磁特性などが、実質的に同一であり、磁気回路として対称性を持つことが望ましい。特性が異なる場合は、各素子の測定値は電子回路と演算処理装置に送られて補正して同一化することによって処理することができる。

いずれにせよ、Ｘ軸方向の一対のＧＳＲ素子またはＹ軸方向の一対のＧＳＲ素子と、磁気回路の対称性を巧みに利用して、演算式中の補正係数または補正項等を簡略化できるようにすることが、高精度な磁界検出を容易にすることができるため好ましい。

本発明は、Ｚ軸方向の磁界を基板上に設置したＸ軸素子とＹ軸素子と軟磁性体プレートとで磁気回路を形成することによって検出するため、３次元磁界検出装置の小型化または薄型化を図れる点に特徴がある。本発明の３次元磁界検出素子と外部の電子回路である集積回路チップとの配線は、ワイヤボンディングによって行うこともできるが、ワイヤボンディングのために余分に面積と高さが必要となり、３次元磁界検出素子の面積が小さく各電極同士が近接していることもあって製造上の困難も生じる。そこで、この３次元磁界検出素子は集積回路チップ上に積層してフリップチップはんだ接合をするか、または直接集積回路チップ上に３次元磁界検出素子を形成し、集積回路チップの電極と磁界検出素子の電極との配線は両者間をメッキや蒸着により接合することが、全体的な小型化または薄型化を進めるために望ましい。

また、集積される層は、３次元磁界検出素子と集積回路チップ層には限らない。本発明の３次元磁界検出素子は加速度センサ、温度センサなどと積層されて複合型センサとして組み立てて使用できる。

図面を参照しつつ以下に挙げる実施例に基づいて詳細に説明する。
［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（ａ）は３次元磁界検出素子１のＸＹ平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）から抜き出した下部軟磁性体プレートの図である。図２は３次元磁界検出素子１をＹ軸方向から見たＺＸ平面図であり、簡単のためＹ軸方向の構造物は省略している。図３はＧＳＲ素子の基本構造を示す平面図である。

３次元磁界検出素子１は、地磁気など微小磁界を検出することができる４つのＧＳＲ素子２、すなわちＸ１素子２Ｘ１、Ｘ２素子２Ｘ２、Ｙ１素子２Ｙ１、Ｙ２素子２Ｙ２と、それら４つのＧＳＲ素子２が配置された基板１０上の磁界検出素子配置面１２と、磁界検出素子配置面１２を掘り込んで設けた広いくぼみの中に配置された下部軟磁性体プレート１１と、基板の中心である原点位置で下部軟磁性体プレート１１と各ＧＳＲ素子２内部の感磁体である磁性ワイヤ２１を接続する軟磁性体（下部軟磁性体）３１と、各ＧＳＲ素子２を覆うように配置された４つの上部軟磁性体プレート１３と、磁性ワイヤ２１と上部軟磁性体プレート１３を、磁性ワイヤ２１の基板１０の外縁側の端部で接続する軟磁性体（上部軟磁性体）３２からなる３層構造、つまり下部軟磁性体プレート１１、磁界検出素子配置面１２および上部軟磁性体プレート１３からなる３層で、層間が軟磁性体３によって接続されている３層構造および、下部軟磁性体プレート１１が設けられたくぼみを絶縁性材料で埋めて磁界検出素子配置面１２と同じ高さとして、そこを電極配置面１４として、そこに配置された各ＧＳＲ素子２の電極２２からなる。

電極２２は、基板１０の原点位置に、４つのＧＳＲ素子２の感磁体である磁性ワイヤ２１それぞれに共通の−側電極となる電極パッド２２１が配置され、電極配置面１４の外縁部寄りに各磁性ワイヤ２１の＋側電極となる電極パッド２２２が配置され、磁性ワイヤ２１を挟んで電極パッド２２２が配置された電極配置面１４と向かい合う位置の電極配置面１４に、磁性ワイヤ２１沿いにＧＳＲ素子２の検出コイルの＋側と−側の２つの電極２２３が並べて設置される。また、図８で示すように、電極２２に接合用のはんだパッドを設置することで、外部の電子回路である集積回路チップ５とフリップチップはんだ接合８によって連結できる。

下部軟磁性体プレート１１は、基板１０に４つの開口部の大きさ２６０μｍ角、深さ２０μｍの広く浅い穴を掘り込んでくぼみとし、その底全体に、メッキ法で厚さ１０μｍにて４５ａｔ％Ｎｉ−Ｆｅ組成の４つのパーマロイ合金のプレートを形成し、さらに原点位置に深さ１０μｍ、大きさ８０μｍ角の穴を掘り込んでくぼみとし、４つに分かれているプレートを原点位置のくぼみを介して接合するように４５ａｔ％Ｎｉ−Ｆｅ組成のパーマロイ合金の厚さ５μｍの磁性膜をメッキ法で形成することで、１つの下部軟磁性体プレート１１となるものである。

下部軟磁性体プレート１１と磁性ワイヤ２１を接続する軟磁性体（下部軟磁性体）３１は、原点位置のくぼみの底から、磁性ワイヤ２１と接触するようにメッキ法で大きさ２０μｍ角、高さ１０μｍで形成される４５ａｔＮｉ−Ｆｅ組成のパーマロイ合金である。
上部軟磁性体プレート１３と磁性ワイヤ２１を接続する軟磁性体（上部軟磁性体）３２は、磁性ワイヤ２１の基板１０の外縁側の端部に、磁性ワイヤ２１からメッキ法で大きさ２０μｍ角、高さ１０μｍで形成される４５ａｔ％Ｎｉ−Ｆｅ組成のパーマロイ合金である。

上部軟磁性体プレート１３は、軟磁性体（上部軟磁性体）３２の上面と接触するように、メッキ法で厚さ５μｍ、基板１０の外縁沿いの長さである横幅が１００μｍ、磁性ワイヤ２１沿いの長さである縦幅が１７５μｍの４５ａｔ％Ｎｉ−Ｆｅ組成のパーマロイ合金のプレートを形成するものである。

下部軟磁性体プレート１１、上部軟磁性体プレート１３、軟磁性体３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使用することができる。

ＧＳＲ素子２の構造について、図３を用いて説明する。
４つのＧＳＲ素子は同じ構造を有しており、その構造は直径１０μｍ、長さ３００μｍの上記磁性ワイヤ２１であるアモルファスワイヤを中心部に配置し、その周りを内径１６μｍ、コイルピッチ５μｍ、巻数３０回の検出コイル２３を配置し、さらに磁性ワイヤ２１と検出コイル２３の両端にはそれぞれ電極端子であるワイヤ接続用端子２４と検出コイル接続用端子２５が取り付けられている。ワイヤ用接続端子２４は電極２２１および２２２に接続され、検出コイル用端子２５は電極２２３に接続されている。ＧＳＲ素子２は４つの電極２２をそれぞれ使って、外部の電子回路（図示せず）に対応している。各ＧＳＲ素子２の上記各端子と外部電子回路の各端子とは、電極パッドで電気的に接合される。

本実施例１の基板上に配置されたＧＳＲ素子２Ｘ１、２Ｘ２、２Ｙ１、２Ｙ２の４つの素子と原点位置で接続される下部軟磁性体プレート１１と各素子の外縁側の端部で接続される４つの上部軟磁性体プレート１３によって磁気回路を形成して、Ｚ軸方向の磁界の強さを効果的に検出することを可能にする。

この磁気回路のＺ軸方向の磁界に対する機能について図４を使って説明する。
Ｚ軸方向の磁界Ｈｚは軟磁性体３、軟磁性体プレート１１および１３を磁化する。各軟磁性体および軟磁性体プレートの下面がＳ極となるとすると、下部軟磁性体プレート１１の下面が集磁面となって集めた磁束は、プレート面に垂直な方向に対する強い反磁界と、プレート１１の中心部に接続されて磁束を吸い寄せる軟磁性体３１のＳ極によって、プレート１１の面に対して平行にプレート１１の中心部に向かう方向に変向され、軟磁性体３１を通して磁界検出素子配置面１２へと上がり、軟磁性体３１のＮ極で接続されているＸ軸およびＹ軸方向の磁性ワイヤ２１に向けて流れ込み、磁性ワイヤ２１の他方の端部で上部軟磁性体プレート１３と接続する軟磁性体３２のＳ極へと流れ込み、軟磁性体３２のＮ極から上部軟磁性体プレート１３へ流れ込んで、上部軟磁性体プレート１３から放磁される。

この時、ＧＳＲ素子の磁性ワイヤ２１には、Ｚ軸方向磁界に比例した強い磁界が流れることになり、この磁気回路形成によって効果的に大きなＺ軸方向の磁気感度を得ることができる。下部軟磁性体プレート１１の下面から上部軟磁性体プレート１３の上面までの高さは、磁界検出素子配置面１２から掘り込んだ２０μｍ、磁性ワイヤ２１が磁界検出素子配置面１２から飛び出す高さ５μｍ、軟磁性体３２、上部軟磁性体プレート１３の厚さ５μmを合わせて４０μｍとなり、下部軟磁性体プレート１１は基板１０を掘り込んで配置されるため、３次元磁界検出素子１の実質の高さは磁界検出素子配置面１２から上部軟磁性体プレート１３の上面までの高さ２０μｍであり、基板１０の厚さ０．１ｍｍも合わせて、３次元磁界検出素子１全体の高さを０．１２ｍｍとすることができた。

この磁気回路のＸ軸方向およびＹ軸方向の磁界に対する機能について、図５を使って説明する。
Ｘ軸方向の磁界Ｈｘは軟磁性体３、軟磁性体プレート１１および１３、Ｘ１素子とＸ２素子の磁性ワイヤ２１を磁化する。各磁性体の図５中の左側をＳ極とすると、まずＳ極側の上部軟磁性体プレート１３が集磁した磁束の一部が軟磁性体（上部軟磁性体）３２を通って磁性ワイヤ２１に流れ込み、集磁側の磁性ワイヤ２１を通った磁束は原点位置で軟磁性体３１および下部軟磁性体プレート１１の中心部を介して放磁側の磁性ワイヤ２１に流れ込み、Ｎ極となる右側端部で軟磁性体（上部軟磁性体）３２および上部軟磁性体プレート１３から放磁される。上部軟磁性体プレート１３と磁性ワイヤ２１は磁気回路を形成し、磁性ワイヤ２１に流れる磁束を増加させてＸ軸方向の磁気感度に対する増幅器として働き、この効果の大きさは上部軟磁性体プレート１３の形状によって決まる。

一方、下部軟磁性体プレート１１は、上記の上部軟磁性体プレート１３と磁性ワイヤ２１とで形成される磁気回路の主な流路である磁性ワイヤ２１よりも下部にあり、かつＸ軸方向の磁界に対して平行な平面上に広がっているため、高さの異なる平面上にある磁性ワイヤ２１よりも同一平面上のプレート１１内部の方へ磁束が流れやすいため、下部軟磁性体プレート１１のＳ極が集磁した磁束は、ほとんど磁性ワイヤ２１に影響を与えずに下部軟磁性体プレート１１のＮ極へと通過して放磁される。つまり、下部軟磁性体プレート１１は磁性ワイヤ２１に対する磁束の迂回路となって磁性ワイヤ２１に流れる磁束を減少させるため、Ｘ軸方向の磁気感度に対する減衰器として働き、この効果の大きさは下部軟磁性体プレート１１の形状によって決まる。
上記のことは、Ｙ軸方向の磁界に対しても同じである。

上部軟磁性体プレート１３と下部軟磁性体プレート１１、磁性ワイヤ２１が形成する磁気回路のＸ軸方向およびＹ軸方向の磁界に対する機能は、上記の通り上部軟磁性体プレート１３の形状により増幅器としての効果があり、下部軟磁性体プレート１１の形状により減衰器としての効果があるので、この両者の効果を打ち消しあわせて、磁性ワイヤに影響を与えないようにすることである。つまりＸ軸方向およびＹ軸方向の磁気感度に影響を与えないことである。

４つのＧＳＲ素子２の出力は個々に測定され、Ｘ１素子２Ｘ１、Ｘ２素子２Ｘ２、Ｙ１素子２Ｙ１、Ｙ２素子２Ｙ２の各素子の測定値をＨｘ１、Ｈｘ２、Ｈｙ１、Ｈｙ２とすると計算処理によって、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の磁界の強さＨｘ、Ｈｙ、Ｈｚが算出される。

上述のように、Ｘ１素子２Ｘ１、Ｘ２素子２Ｘ２、Ｙ１素子２Ｙ１、Ｙ２素子２Ｙ２は原点を中心とした点対称に配置され、下部軟磁性体プレート１１が集磁した磁束は原点から各磁界検出素子の磁性ワイヤに点対称で流れ込むと言う磁気回路が形成されているので、Ｚ軸方向の磁界は、Ｘ１素子２Ｘ１とＸ２素子２Ｘ２およびＹ１素子２Ｙ１とＹ２素子２Ｙ２に、それぞれ対向する向きで影響する。つまり、Ｘ１素子２Ｘ１とＸ２素子２Ｘ２およびＹ１素子２Ｙ１とＹ２素子２Ｙ２のＺ軸方向の磁界成分に対応した出力は、Ｚ軸方向の磁界の強さに比例し、その符号は反対である。

よって、Ｚ軸方向の磁界により各素子の出力が変化した分をΔＺとし、本来の出力をＨｘ’、Ｈｙ’とすると、以下の通りである。
Ｈｘ１＝Ｈｘ’＋ΔＺ
Ｈｘ２＝Ｈｘ’−ΔＺ
Ｈｙ１＝Ｈｙ’＋ΔＺ
Ｈｙ２＝Ｈｙ’−ΔＺ
これらの値の内、Ｘ軸方向の磁界の強さに比例した値がＨｘ’、Ｙ軸方向の磁界の強さに比例する値がＨｙ’、Ｚ軸方向の磁界の強さに比例する値がΔＺである。一つの方向の磁界成分だけに比例する出力を得るように計算処理をすれば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の磁界の強さＨｘ、Ｈｙ、Ｈｚを算出できる。

Ｚ軸方向の磁界成分の影響を取り除いてＸ軸方向およびＹ軸方向の磁界の強さＨｘおよびＨｙを得るには、まずＸ１素子２Ｘ１とＸ２素子２Ｘ２およびＹ１素子２Ｙ１とＹ２素子２Ｙ２の出力をそれぞれ加算してΔＺを消去すればよい。
Ｈｘ＝Ｈｘ１＋Ｈｘ２＝２Ｈｘ’
Ｈｙ＝Ｈｙ１＋Ｈｙ２＝２Ｈｙ’
また、Ｚ軸方向の磁界の強さＨｚを得るには、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁界の強さに比例する成分を取り除けばよいので、Ｘ１素子２Ｘ１とＸ２素子２Ｘ２の出力の差分とＹ１素子２Ｙ１とＹ２素子２Ｙ２の出力の差分を加算すればよい。
Ｈｚ＝（Ｈｘ１−Ｈｘ２）＋（Ｈｙ１−Ｈｙ２）＝４ΔＺ
以上により、各軸方向の磁界成分の強さＨｘ，Ｈｙ，Ｈｚが算出できる。この時、Ｈｘ＝Ｈｙ＝Ｈｚ＝２とすると、Ｈｘ’＝Ｈｙ’＝１、ΔＺ＝０．５である。各軸方向の磁気感度をそろえるためには、各Ｘ素子と各Ｙ素子の感度比率がＨｘ’：Ｈｙ’：ΔＺ＝１：１：０．５であればよく、この３次元磁界検出素子は磁気回路の機能によって、この感度比率を実現することができる。

本実施例で使用した３次元磁界検出素子１の駆動用の電子回路４について、図６と図７を使って説明する。
まずＧＳＲセンサの電子回路４の基本動作を、図６を使って説明する。電子回路４は、パルス発信器４１および信号処理回路４２を有する。信号処理回路４２は、サンプルタイミング調整回路４２１と、電子スイッチ４２２と、サンプルホールド回路４２３および増幅器４２４からなる。パルス発信器４１により発生した１．３ＧＨｚ相当の高周波パルス電流をＧＳＲ素子２のアモルファスワイヤ２１へ供給する。そうすると、パルス電流によりアモルファスワイヤ２１のワイヤ円周方向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検出コイル２３に発生する。
なお、ここでいるパルス周波数は、パルス電流の「立ち下がり」時間Δｔの２倍をその周期としてその逆数をパルス周波数として便宜上定義した。

検出コイル２３の出力電圧は、サンプルタイミング調整回路４２１により、パルス電流の立ち下がりから所定のタイミングで、電子スイッチ４２２を０．１ｎ秒の短時間スイッチング（オン−オフ）することでサンプルホールド回路４２３へ供給される。この時、検出コイル２３に発生した電圧はサンプルホールド回路４２３のコンデンサ電圧としてホールドされ、このサンプリング電圧は、増幅器４２４により増幅されて出力される。

次に、４つのＧＳＲ素子を有する本実施例の電子回路４の機能を、図７を使って説明する。本回路は、パルス発信器４１は一つで、信号処理回路４２は各素子出力を同時に測定するために４つを備えている。４つのＧＳＲ素子からの出力は、切替スイッチ４３を使って順番にＡＤコンバータ４４でデジタル信号に変換された後、演算回路４５に転送され、適当に演算処理され、３次元の磁界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処理装置にデータ通信回路４６を介して転送される。

図８を使って、本実施例の３次元磁界検出素子１と外部の電子回路４である集積回路チップ５との接合を説明する。
本発明の３次元磁界検出素子１は各ＧＳＲ素子２の電極２２が配置される電極配置面１４から上部軟磁性体プレートの上面までの高さが２０μｍと低く抑えられているため、電極２２と集積回路チップ上の電極とは、集積回路チップ５に３次元磁界検出素子１を積層して高さ２０μｍのフリップチップはんだ接合８をすることによって容易に接続できる。これによって３次元磁界検出装置全体の厚さを、ＡＳＩＣ基板０．１５ｍｍ、素子基板０．１０ｍｍ、接合部０．０２ｍｍ、全体で０．２７ｍｍと薄型化をすることができる。

［実施例２］
実施例２に係る３次元磁界検出素子６を図９に示す。図９（ａ）はこの３次元磁界検出素子６のＸＹ平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）から下部軟磁性体プレートを抜き出した図である。
実施例２は、基板６０に穴を掘らずに、まず基板６０全面を使って下部軟磁性体プレート６１をメッキ法で形成し、その後樹脂等の絶縁材料で下部軟磁性体プレート６１を覆って、この絶縁材料層の上面を磁界検出素子配置面６２および電極配置面６４として、実施例１と同様にＧＳＲ素子２、上部軟磁性体プレート６３、原点位置で下部軟磁性体プレート６１と磁性ワイヤ２１を接続する軟磁性体（下部軟磁性体）３３、磁性ワイヤ２１と上部軟磁性体プレート６３を接続する軟磁性体（上部軟磁性体）３４を形成するものである。

下部軟磁性体プレート６１は、基板１０に穴を掘って配置された下部軟磁性体プレート１１よりも広い面積を有することができ、Ｚ軸方向磁界に対する磁気感度を高めやすい。ただし、磁性ワイヤ２１の基板６０の外縁側の端部と下部軟磁性体プレート６１との距離が近すぎるとＸ軸方向およびＹ軸方向の磁気感度に対する減衰効果が大きくなるため、磁性ワイヤ２１の下部では下部軟磁性体プレート６１に切れ込みを入れて距離を調整している。

下部軟磁性体プレート６１の大きさは５６０μｍ角で厚さは５μｍであり、４本の磁性ワイヤ２１の基板６０の外縁側の端部の下側では、下部軟磁性体プレート６１に切れ込みが入っており、切れ込みの形は磁性ワイヤ２１を中心とした線対称で、切れ込みの大きさは基板６０の外縁沿いの幅が１００μｍ、磁性ワイヤ２１沿いの長さが５０μｍである。

上部軟磁性体プレート６３の大きさは、基板６０外縁沿いの幅が１４０μｍ、磁性ワイヤ２１沿いの長さが２２５μｍで、厚さは５μｍである。

下部軟磁性体プレート６１と磁性ワイヤ２１をつなぐ軟磁性体３３および上部軟磁性体プレート６３と磁性ワイヤ２１をつなぐ軟磁性体３４は、いずれも大きさ２０μｍ角、高さは５μｍである。

この３次元磁界検出素子６は、基板６０の全面を使って下部軟磁性体プレート６１の面積を広げてＺ軸方向の磁界に対する磁気感度を高めているため、下部軟磁性体プレート６１の下面と上部軟磁性体プレート６３の上面の間の距離を小さくすることができ、その間の距離は、磁性ワイヤの直径１０μｍも合わせて、３０μｍであり、実施例１よりも小さい。基板の厚さ０．１ｍｍも合わせて、３次元磁界検出素子６全体の厚さを、０．１３ｍｍとすることができた。磁界検出素子配置面６２および電極配置面６４は磁性ワイヤ２１が半分埋まる高さにあるので、電極配置面６４から上部軟磁性体プレート６３の上面までの高さは１５μｍとなり、高さ１５μｍのフリップチップはんだ接合することによって容易に外部の電子回路４である集積回路チップ５と接続できる。３次元磁界検出装置全体の厚さは、ＡＳＩＣ基板０．１５０ｍｍ、素子基板０．１００ｍｍ、電極配置面までの高さ０．０１５ｍｍ、接合部０．０１５ｍｍとすると、０．２８ｍｍとなる。

［実施例３］
実施例３は、３次元磁界検出素子の外部の電子回路４となる集積回路チップ５上に直接３次元磁界検出素子７を形成することで、実施例１および実施例２における３次元磁界検出素子の基板を無くし、さらなる薄型化をすることができる。
図１０は、この実施例３における３次元磁界検出素子７と集積回路チップ５との直接配線メッキ接合９を示している。

実施例３においては、集積回路チップ５の電極が配置される上面を底面として、層を積み上げるように３次元磁界検出素子７を形成する。この際３次元磁界検出素子は外部の電子回路との接続側が基板面の上面と定義されるので、３次元磁界検出素子７としては上下をひっくり返した形として下から形成していく。つまり、上部軟磁性体プレートが最も下側であり、下部軟磁性体プレートが最も上側となるように下から形成していくが、集積回路チップと３次元磁界検出素子を接合した３次元磁界検出装置としての各部の形状および位置関係は、実施例２における基板６０が無くなること以外は実施例２と同じである。また、この際集積回路チップ５との電極２２の接合は、素子形成と同時に直接配線メッキ接合９で行われる。

３次元磁界検出素子７の大きさ、高さは基板６０を除いて実施例２の３次元磁界検出素子６と同じである。つまり、３次元磁界検出素子７の高さは、下部軟磁性体プレートの下面から上部軟磁性体プレートの上面までの高さとしても、３次元磁界検出素子全体の高さとしても、３０μｍである。このため、３次元磁界検出装置の厚さとしては、実施例２から基板の厚さ０．１ｍｍを減じたものとなり、０．１８ｍｍと非常に薄型化ができる。

本発明の３次元磁界検出素子は、電子コンパス、磁気ジャイロ等の３次元の地磁気測定を必要とする３次元方位計に必要なもので、特に本発明の３次元磁界検出装置は、スマートフォンをはじめとする携帯端末等のように、載置する基板に垂直な方向（いわゆるＺ軸方向）に小型化、薄型化が必要なものに好適である。

１：実施例１の３次元磁界検出素子
１０：実施例１の３次元磁界検出素子の基板
１１：実施例１の３次元磁界検出素子の下部軟磁性体プレート
１２：実施例１の３次元磁界検出素子配置面
１３：実施例１の３次元磁界検出素子の上部軟磁性体プレート
１４：実施例１の３次元磁界検出素子の電極配置面
２：ＧＳＲ素子（２Ｘ１、２Ｘ２、２Ｙ１、２Ｙ２の４つの素子）
２１：ＧＳＲ素子の感磁体である磁性ワイヤ（アモルファスワイヤ）
２２：ＧＳＲ素子の電極
２２１：ＧＳＲ素子の磁性ワイヤ通電用の−側電極
２２２：ＧＳＲ素子の磁性ワイヤ通電用の＋側電極
２２３：ＧＳＲ素子の検出コイル用電極
２３：ＧＳＲ素子の検出コイル
２４：ＧＳＲ素子の磁性ワイヤの接続用端子
２５：ＧＳＲ素子の検出コイルの接続用端子
３：軟磁性体
３１：実施例１の磁性ワイヤと下部軟磁性体プレートを接続する軟磁性体（下部軟磁性体）
３２：実施例１の磁性ワイヤと上部軟磁性体プレートを接続する軟磁性体（上部軟磁性体）
３３：実施例２の磁性ワイヤと下部軟磁性体プレートを接続する軟磁性体（下部軟磁性体）
３４：実施例２の磁性ワイヤと上部軟磁性体プレートを接続する軟磁性体（上部軟磁性体）
４：電子回路
４１：パルス発信器
４２：信号処理回路
４２１：サンプルタイミング調整回路
４２２：電子スイッチ
４２３：サンプルホールド回路
４２４：増幅器
４３：切替スイッチ
４４：ＡＤコンバータ
４５：演算回路
４６：データ通信回路
５：集積回路チップ
６：実施例２の３次元磁界検出
６０：実施例２の基板
６１：実施例２の下部軟磁性体プレート
６２：実施例２の磁界検出素子配置面
６３：実施例２の上部軟磁性体プレート
６４：実施例２の電極配置面
７：実施例３の３次元磁界検出素子
８：フリップチップはんだ接合
９：直接配線メッキ接合

Claims (1)

1. 集積回路チップと、
   前記集積回路チップの上面に、前記集積回路チップの原点を中心とする点対称の位置に、Ｘ軸方向の磁界方向に形成された２つの上部軟磁性体プレートとＹ軸方向の磁界方向に形成された２つの上部軟磁性体プレートとからなる４つの上部軟磁性体プレートと、
   前記上部軟磁性体プレートの上部に４つの前記上部軟磁性体プレートに対応して配置された前記Ｘ軸方向の磁界を検出するための２つの磁界検出素子と前記Ｙ軸方向の磁界を検出するための他の２つの磁界検出素子とからなる４つの磁界検出素子と、
   ４つの前記磁界検出素子が配置されている面（磁界検出素子配置面という。）の上部に形成された１つの下部軟磁性体プレートと、
   ４つの前記上部軟磁性体プレートの原点とは反対側の端部と４つの前記磁界検出素子の感磁体の端部とを磁気的に接続する上部軟磁性体と、
   ４つの前記磁界検出素子の４つの前記感磁体の他方の端部と前記下部軟磁性体プレートの中心部とを磁気的に接続する下部軟磁性体とを備えることにより、
   前記下部軟磁性体プレートと前記下部軟磁性体と前記磁界検出素子の前記感磁体と前記上部軟磁性体と前記上部軟磁性体プレートとからなる磁気回路を形成し、
   前記集積回路チップと前記磁界検出素子とを接合する配線とからなることを特徴とする３次元磁界検出装置。
   

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