JP7115224B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は磁気センサに関し、特に、磁気検出素子に磁束を集める磁性体と補償コイルを備えた磁気センサに関する。

磁気検出素子に磁束を集める磁性体と補償コイルを備えた磁気センサとしては、特許文献１に記載された磁気センサが知られている。特許文献１に記載された磁気センサは、センサチップに集積された磁気検出素子及び補償コイルと、センサチップ上に配置された磁性体とを備えている。そして、磁性体によって集磁された磁界が磁気検出素子に印加されるとともに、磁気検出素子に印加される磁界を補償コイルによってキャンセルすることによって、いわゆるクローズドループ制御が行われる。これにより、磁気検出素子に印加される磁界が常にゼロの状態が保たれることから、温度変化などに起因するオフセットが生じず、正確な磁界測定が可能となる。

しかしながら、特許文献１に記載された磁気センサでは、補償コイルがセンサチップに集積された構造を有していることから、補償コイルのターン数を十分に確保することが困難であるとともに、補償コイルに流すことができる電流量も比較的小さい。このため、測定対象となる磁界が比較的強い場合には、磁気検出素子に印加される磁界をキャンセルすることが困難であった。また、補償コイルと磁性体の距離が離れていることから、測定対象となる磁界が強いと磁性体が磁気飽和してしまうことも考えられる。磁性体が磁気飽和すると、集磁能力の低下によって、磁界の強度とセンサ出力との間のリニアリティがなくなり、正確な磁界測定ができなくなるという問題があった。

このような問題を解決する方法として、図１２に示す磁気センサ６のように、センサチップ６１が搭載された基板６２上に、センサチップ６１を取り囲むような大型の補償コイル６３を別途付加する方法が考えられる。この方法によれば、磁気検出素子Ｒ及び磁性体６４に強いキャンセル磁界を印加することができるため、測定対象となる磁界が比較的強い場合であっても、磁気検出素子Ｒに印加される磁界を正しくキャンセルすることができるとともに、磁性体６４の磁気飽和を防止することが可能となる。

特開２０１５－２１９０６１号公報

しかしながら、図１２に示すように、補償コイル６３を基板６２上に搭載する方法では、磁気センサ全体のサイズが大型化するという問題があった。

したがって、本発明は、磁気検出素子に印加される磁界を補償コイルによって正しくキャンセルすることができ、且つ、磁性体の磁気飽和を防止することが可能な小型の磁気センサを提供することを目的とする。

本発明による磁気センサは、第１及び第２の磁気検出素子を含む、ブリッジ接続された複数の磁気検出素子が形成された素子形成面を有するセンサチップと、素子形成面上に位置し、素子形成面に対して垂直な方向から見て、第１の磁気検出素子と第２の磁気検出素子の間に配置された第１の磁性体と、素子形成面に対して垂直な方向が軸方向となるよう、第１の磁性体に巻回された第１の補償コイルとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１の補償コイルが第１の磁性体に巻回されていることから、磁気センサ全体のサイズの大型化を防止しつつ、キャンセル磁界を第１の磁性体に効率よく印加することが可能となる。これにより、磁気検出素子に印加される磁界を正しくキャンセルすることができるとともに、第１の磁性体の磁気飽和を防止することが可能となる。

本発明において、第１の磁性体は、素子形成面に対して垂直な方向を長手方向とする棒状体であっても構わない。これによれば、素子形成面に対して垂直な方向の磁界を選択的に集磁することが可能となる。

本発明において、第１の磁性体は、第１の補償コイルが巻回された巻芯部と、長手方向における両端部に設けられ、巻芯部よりも径の大きい鍔部を有するものであっても構わない。これによれば、第１の補償コイルの巻回作業が容易となるとともに、巻回した第１の補償コイルの脱落を防止することが可能となる。

本発明による磁気センサは、センサチップ及び第１の磁性体が搭載された基板をさらに備え、センサチップは、素子形成面が基板に対して垂直となるよう寝かせて搭載されていても構わない。これによれば、第１の磁性体の長さが長い場合であっても、基板に第１の磁性体を安定して支持することが可能となる。

本発明による磁気センサは、素子形成面の反対側に位置するセンサチップの裏面を覆う第２の磁性体と、裏面に対して垂直な方向が軸方向となるよう、第２の磁性体に巻回された第２の補償コイルとをさらに備えるものであっても構わない。これによれば、磁気検出素子に印加される磁界の強度がより高められるとともに、第２の磁性体の磁気飽和を防止することが可能となる。

この場合、第２の磁性体は、センサチップの素子形成面に対して垂直な第１及び第２の側面をさらに覆っても構わない。これによれば、磁気検出素子に印加される磁束の水平方向成分を高めることが可能となる。また、第１及び第２の補償コイルは直列に接続されていても構わない。これによれば、第１及び第２の補償コイルに同じ補償電流を流すことが可能となる。

このように、本発明による磁気センサは、磁気検出素子に印加される磁界を補償コイルによって正しくキャンセルすることができ、且つ、磁性体の磁気飽和を防止することが可能となる。しかも、補償コイルが磁性体に巻回されていることから、磁気センサ全体のサイズの大型化を防止することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１の外観を示す略斜視図である。 図２は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１の略上面図である。 図３は、図２に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。 図４は、磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４と補償コイル３１の接続関係を説明するための回路図である。 図５は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１の特性を示す模式的なグラフである。 図６は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ２の外観を示す略斜視図である。 図７は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ２の略断面図である。 図８は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ３の外観を示す略斜視図である。 図９は、本発明の第４の実施形態による磁気センサ４の外観を示す略斜視図である。 図１０は、磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４と補償コイル３１，３２の接続関係を説明するための回路図である。 図１１は、本発明の第５の実施形態による磁気センサ５の外観を示す略斜視図である。 図１２は、補償コイル６３を基板６２上に搭載した例による磁気センサ６の外観を示す略斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１の外観を示す略斜視図である。また、図２は磁気センサ１の略上面図であり、図３は図２に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。

図１～図３に示すように、第１の実施形態による磁気センサ１は、基板８と、基板８に搭載されたセンサチップ１０と、センサチップ１０の素子形成面１２上に設けられた磁性体２０と、磁性体２０に巻回された補償コイル３１とを備えている。センサチップ１０はｘｙ平面を構成する素子形成面１２を有し、素子形成面１２にはブリッジ接続された４つの磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４が形成されている。

磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４の種類については特に限定されないが、磁界の向きに応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗素子であることが好ましい。本実施形態においては、磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４の感度方向（固定磁化方向）は、図２の矢印Ｐが示す方向（ｘ方向）に全て揃えられている。ここで、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３はｙ方向における位置が等しく、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４はｙ方向における位置が等しい。また、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ４はｘ方向における位置が等しく、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ３はｘ方向における位置が等しい。

磁性体２０は、フェライトなど透磁率の高い軟磁性材料からなるブロックであり、ｚ方向から見て、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ４と磁気検出素子Ｒ２，Ｒ３との間に位置するよう、センサチップ１０の素子形成面１２上に配置される。磁性体２０は、センサチップ１０に直接固定されていても構わないし、センサチップ１０とは別の部材に固定されていても構わない。磁性体２０は、垂直方向（ｚ方向）の磁束を選択的に集磁する役割を果たし、磁性体２０によって集磁された磁束は、ｘ方向にほぼ均等に分配される。このため、垂直方向の磁束は、磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４に対してほぼ均等に与えられることになる。本実施形態においては、磁性体２０がｚ方向を長手方向とする棒状体であり、これにより、磁界のｚ方向成分を選択性が高められている。磁性体２０のｚ方向における高さについては特に限定されないが、ｚ方向における高さをより高くすることによって、ｚ方向の磁束の選択性をより高めることができる。

補償コイル３１は、ｚ方向が軸方向となるよう磁性体２０に巻回されたワイヤ（被服導電）からなる。補償コイル３１は、磁性体２０に直接巻回しても構わないし、樹脂などからなるボビンを介して磁性体２０に巻回しても構わない。また、巻崩れを防止するために、磁性体２０に巻回した補償コイル３１を接着剤で固めても構わない。補償コイル３１を構成するワイヤのターン数については特に限定されず、目的とするキャンセル磁界の発生に必要なターン数とすれば良い。本実施形態においては、補償コイル３１を磁性体２０に巻回していることから、センサチップ１０に補償コイルを集積する方式と比べて、ターン数を大幅に増やすことが可能であるとともに、より大きな電流を流すことが可能である。また、図８に示した磁気センサ３のように、基板上に補償コイルを別途配置する方式のように、磁気センサ全体のサイズが大型化することもない。

図４は、磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４と補償コイル３１の接続関係を説明するための回路図である。

図４に示すように、磁気検出素子Ｒ１は端子電極４１，４３間に接続され、磁気検出素子Ｒ２は端子電極４２，４３間に接続され、磁気検出素子Ｒ３は端子電極４１，４４間に接続され、磁気検出素子Ｒ４は端子電極４２，４４間に接続されている。端子電極４１には電源電位Ｖｃｃが与えられ、端子電極４２には接地電位ＧＮＤが与えられる。そして、磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４は全て同一の磁化固定方向を有していることから、磁性体２０からみて一方側に位置する磁気検出素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗変化量と、磁性体２０からみて他方側に位置する感磁素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗変化量との間には差が生じる。これにより、磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４は差動ブリッジ回路を構成し、磁束密度に応じた磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４の電気抵抗の変化が端子電極４３，４４に現れることになる。

端子電極４３，４４から出力される差動信号は、基板８又はセンサチップ１０に設けられた差動アンプ５１に入力される。差動アンプ５１の出力信号は、端子電極４５にフィードバックされる。図４に示すように、端子電極４５と端子電極４６との間には補償コイル３１が接続されており、これにより、補償コイル３１は差動アンプ５１の出力信号に応じたキャンセル磁界を発生させる。かかる構成により、外部磁束の磁束密度に応じた磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４の電気抵抗の変化が端子電極４３，４４に現れると、これに応じた電流が補償コイル３１に流れ、逆方向のキャンセル磁界を発生させる。これにより、外部磁束が打ち消される。そして、差動アンプ５１から出力される電流を検出回路５２によって電流電圧変換すれば、外部磁束の強さを検出することが可能となる。

そして、本実施形態においては、補償コイル３１が磁性体２０に巻回されていることから、十分なターン数を確保することができるとともに、より大きな電流を流すことが可能である。これにより、強いキャンセル磁界を発生させることができるため、測定対象となる磁界が比較的強い場合であっても、磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４に印加される磁界を正しくキャンセルすることができるだけでなく、磁性体２０の磁気飽和を防止することが可能となる。

図５は、本実施形態による磁気センサ１の特性を示す模式的なグラフであり、横軸は測定対象となる磁界の強度を示し、縦軸はセンサの出力を示している。

図５の特性ａで示すように、本実施形態による磁気センサ１は、強いキャンセル磁界を磁性体２０に印加することができるため、測定対象となる磁界の強度に対してセンサの出力はほぼリニアとなる。これに対し、従来の磁気センサのように補償コイルをセンサチップに集積する方式では、特性ｂで示すように、測定対象となる磁界が比較的弱い場合にはリニアリティが確保されるものの、測定対象となる磁界が所定値を超えると、磁性体が磁気飽和してしまい、その結果、センサの出力も飽和してしまう。本実施形態においては、このような磁性体の磁気飽和が防止されることから、より強い磁界を正確に測定することが可能となる。

図６は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ２の外観を示す略斜視図である。また、図７は磁気センサ２の略断面図である。

図６及び図７に示すように、第２の実施形態による磁気センサ２は、磁性体２０が磁性体２０Ａに置き換えられている点において、第１の実施形態による磁気センサ１と相違している。その他の基本的な構成は、第１の実施形態による磁気センサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

磁性体２０Ａは、補償コイル３１が巻回された巻芯部２１と、巻芯部２１のｚ方向における両端部に設けられ、巻芯部２１よりも径の大きい鍔部２２，２３を有している。つまり、本実施形態において用いる磁性体２０Ａは、それ自体がボビン形状を有している。これにより、補償コイル３１を構成するワイヤの巻回作業が容易となるだけでなく、磁性体２０Ａに巻回された補償コイル３１の脱落が鍔部２２，２３によって防止される。尚、図６及び図７に示す例では、巻芯部２１のｚ方向における両端に鍔部を設けているが、いずれか一方の端部にのみ鍔部を設けても構わない。

図８は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ３の外観を示す略斜視図である。

図８に示すように、第３の実施形態による磁気センサ３は、素子形成面１２が基板８に対して垂直となるよう、センサチップ１０が寝かせて搭載されている点において、第１の実施形態による磁気センサ１と相違している。その他の基本的な構成は、第１の実施形態による磁気センサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、基板８の主面がｘｚ面を構成しており、センサチップ１０のｘｚ側面が基板８と向かい合うよう、基板８上にセンサチップ１０が搭載される。これにより、磁性体２０を基板８の表面に固定できることから、磁性体２０のｚ方向における長さが長い場合であっても、磁性体２０を安定して支持することが可能となる。また、本実施形態においては、端子電極４１～４６を素子形成面１２のエッジに配置することにより、基板８の表面に設けられた端子電極とハンダを介して直接接続することができる。

図９は、本発明の第４の実施形態による磁気センサ４の外観を示す略斜視図である。

図９に示すように、第４の実施形態による磁気センサ４は、別の磁性体２０Ｂ及びこれに巻回された補償コイル３２が追加されている点において、第２の実施形態による磁気センサ２と相違している。その他の基本的な構成は、第２の実施形態による磁気センサ２と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

磁性体２０Ｂは、センサチップ１０の裏面及び両側面を覆っている。裏面は、素子形成面１２の反対側に位置するｘｙ面であり、側面はｙｚ面である。このような磁性体２０Ｂを設けることにより、磁性体２０Ａに取り込まれた磁束は、磁性体２０Ｂのうちセンサチップの両側面を覆う部分に向かって強く曲げられた後、磁性体２０Ｂのうちセンサチップの裏面を覆う部分に回収される。これにより、磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４に印加される磁束のｘ方向成分が増加することから、検出感度をより高めることが可能となる。

そして、本実施形態においては、磁性体２０Ｂのうちセンサチップの裏面を覆う部分に別の補償コイル３２が巻回されている。補償コイル３２のコイル軸はｚ方向であり、磁性体２０Ａに巻回された補償コイル３１と同方向に巻回される。補償コイル３２は、磁性体２０Ｂに直接巻回しても構わないし、樹脂などからなるボビンを介して磁性体２０Ｂに巻回しても構わない。また、巻崩れを防止するために、磁性体２０Ｂに巻回した補償コイル３２を接着剤で固めても構わない。補償コイル３２を構成するワイヤのターン数については特に限定されず、目的とするキャンセル磁界の発生に必要なターン数とすれば良い。

図１０は、磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４と補償コイル３１，３２の接続関係を説明するための回路図である。

図１０に示すように、補償コイル３１と補償コイル３２は、端子電極４５，４６間に直列に接続される。これにより、補償コイル３１，３２に同じ補償電流が流れることから、補償コイル３１によって磁性体２０Ａに流れる磁束がキャンセルされるとともに、補償コイル３２によって磁性体２０Ｂに流れる磁束がキャンセルされる。このため、磁性体２０Ａだけでなく、磁性体２０Ｂの磁気飽和も防止される。

図１１は、本発明の第５の実施形態による磁気センサ５の外観を示す略斜視図である。

図１１に示すように、第５の実施形態による磁気センサ５は、素子形成面１２が基板８に対して垂直となるよう、センサチップ１０が寝かせて搭載されている点において、第４の実施形態による磁気センサ４と相違している。その他の基本的な構成は、第４の実施形態による磁気センサ４と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、磁性体２０Ａ，２０Ｂを基板８の表面に固定することができることから、磁性体２０Ａ，２０Ｂのｚ方向における長さが長い場合であっても、磁性体２０Ａ，２０Ｂを安定して支持することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記の各実施形態では、４つの磁気検出素子Ｒ１～Ｒ４をブリッジ接続しているが、本発明において４つの磁気検出素子を用いることは必須でなく、ブリッジ接続された少なくとも２つの磁気検出素子を用い、ｚ方向から見てこれら２つの磁気検出素子の間に補償コイルが巻回された磁性体を配置すれば足りる。

１～６ 磁気センサ
１０，６１ センサチップ
８，６２ 基板
３１，３２，６３ 補償コイル
２０，２０Ａ，２０Ｂ，６４ 磁性体
１２ 素子形成面
２１ 巻芯部
２２，２３ 鍔部
４１～４６ 端子電極
５１ 差動アンプ
５２ 検出回路
Ｒ，Ｒ１～Ｒ４ 磁気検出素子

Claims (7)

1. 第１及び第２の磁気検出素子を含む、ブリッジ接続された複数の磁気検出素子が形成された素子形成面を有するセンサチップと、
   前記素子形成面上に位置し、前記素子形成面に対して垂直な方向から見て、前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子の間に配置された第１の磁性体と、
   前記素子形成面に対して垂直な方向が軸方向となるよう、前記第１の磁性体に巻回された第１の補償コイルと、を備えることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１の磁性体は、前記素子形成面に対して垂直な方向を長手方向とする棒状体であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１の磁性体は、前記第１の補償コイルが巻回された巻芯部と、前記長手方向における両端部に設けられ、前記巻芯部よりも径の大きい鍔部を有することを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記センサチップ及び前記第１の磁性体が搭載された基板をさらに備え、
   前記センサチップは、前記素子形成面が前記基板に対して垂直となるよう寝かせて搭載されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
5. 前記素子形成面の反対側に位置する前記センサチップの裏面を覆う第２の磁性体と、
   前記裏面に対して垂直な方向が軸方向となるよう、前記第２の磁性体に巻回された第２の補償コイルと、をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 前記第２の磁性体は、前記センサチップの前記素子形成面に対して垂直な第１及び第２の側面をさらに覆うことを特徴とする請求項５に記載の磁気センサ。
7. 前記第１及び第２の補償コイルが直列に接続されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の磁気センサ。

Images