JPWO2010110456A1 - 磁気検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)すなわち本発明の磁気検出装置は、第1軸方向に延びる軟磁性材からなり該第1軸方向の外部磁場に感応する少なくとも一対の第1感磁体と、該第1軸方向とは異なる他軸方向の外部磁場を該第1軸方向の成分をもつ測定磁場へ変向して少なくとも一対の前記第1感磁体により感応させ得る軟磁性材からなる磁場変向体とを備えてなり、該第1感磁体を介して該他軸方向の外部磁場を検出し得ることを特徴とする。
(1)さらに本発明は、次のような具体的な三次元の磁気検出装置でもよい。すなわち本発明は、基板と、基板に配設された軟磁性体(磁場変向体)と、主としてX軸方向(第1軸方向)の磁場成分を検出するための2つのX軸用MI素子(第1感磁体を含む素子)と、主としてY軸方向(第2軸方向)の磁場成分を検出するための2つのY軸用MI素子(第2感磁体を含む素子)を有する。2つのX軸用MI素子は、基板上で該軟磁性体を中心にして、その両側に同一直線(第1直線:第1軸線)上に載置され、2つのY軸用MI素子は、基板上で該軟磁性体を中心にして、その両側に同一直線(第2直線:第2軸線)上に載置されている。上記第1直線と上記第2直線とが所定の角度で交差している。第1X軸用MI素子、パルス発振回路及び信号処理回路からなる第1X軸用MIセンサからの検出電圧をVX1、第2X軸用MI素子、パルス発振回路及び信号処理回路からなる第2X軸用MIセンサからの検出電圧をVX2とする。第1Y軸用MI素子、パルス発振回路及び信号処理回路からなる第1Y軸用MIセンサからの検出電圧をVY1、第2Y軸用MI素子、パルス発振回路及び信号処理回路からなる第2Y軸用MIセンサからの検出電圧をVY2とする。ここで本発明の三次元磁気検出装置は、外部磁場のX軸方向成分に応じた出力電圧DX、外部磁場のY軸方向成分に応じた出力電圧DY、外部磁場のZ軸方向成分に応じた出力電圧DZをそれぞれ、下記の演算式([数1])を用いて演算する演算手段を有することを特徴とする。
(1)本明細書でいう「MI素子」は、アモルファスワイヤや薄膜等の感磁体に加えて、その感磁体が感応した磁気を検出する検出手段を有する。検出手段は、例えば、感磁体の周囲に設けられたピックアップコイルなどの検出コイルである。このようなコイルは、ワイヤを巻回したものでも、配線パターン等により形成されたものでもよい。勿論、検出手段は、感磁体のインピーダンスまたはその変化を直接測定するものでもよい。
2Y:Y軸用MI素子 21:感磁ワイヤ 22:検出コイル
23:絶縁体 251:感磁ワイヤ用端子 252:検出コイル用端子
3:軟磁性体 4:シリコン基板 5:絶縁コート層
6:第1直線 7:第2直線 8:MIセンサ
81:パルス発振回路 82:信号処理回路 9:演算手段
10:パルス電流波形
本発明の磁気検出装置は、磁気インピーダンス素子(MI素子)を用いて磁気を検出する装置である。MI素子は、前述したように、磁場(磁界)などの磁気に感応してインピーダンス変化や磁束量変化を生じ得る感磁体と、その感磁体の変化量を検出する検出手段とを有する。感磁体はその材質や形態を問わない。通常は軟磁性材からなり、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、感度やコスト等の点で、特に零磁歪アモルファスワイヤが好ましい。
磁場変向体は感磁体が配設されない他軸方向の磁場を変向して、他軸方向と異なる軸方向に配設された感磁体さらにはMI素子による磁気の検出を可能とするものである。このように感磁体による検出が可能である限り、磁場変向体の材質、形態は問わない。磁場変向体は軟磁性材からなるが、高透磁率であるほど、磁場の集磁効果が大きくて好ましい。そして磁場変向体は、磁場を感磁体に向けて変向し易い形状であると好ましい。また、変向された磁場が感磁体に感受され易い相対位置に磁場変向体が配置されると好ましい。例えば、磁場を収束または放射する磁場変向体の端部(柱状体の端面角部)が、感磁体に指向した形状であると好ましい。そのような磁場変向体の端部と感磁体とが近接配置されているとより好ましい。逆にいえば、磁場を殆ど変向しない磁場変向体の延在軸の中央近傍へ、交叉するような軸方向上に感磁体を設けるのは好ましくない。
本発明の趣旨に沿う限り、感磁体または磁場変向体の配置は問わない。もっとも、一軸方向に配設された少なくとも一対の感磁体で他軸方向の磁気を検出するには、多かれ少なかれ、それら感磁体を含むMI素子の検出量に基づいた演算が必要となる。高精度な磁気検出を低コストで行うには、その演算は簡素になされるほど好ましい。例えば、一対の感磁体に対応した一対のMI素子のそれぞれの検出量を加算または減算した値に基づいて、外部磁場の異なる軸方向の成分がそれぞれ求まると好ましい。
本発明は、磁場変向体を設けることにより他軸方向の磁場を専用に検出する感磁体ひいてはMI素子を省略でき、磁気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。そうすると、現実に配置される感磁体さらにはMI素子と、その駆動回路など他の電子回路との配置は必ずしも本質的な特徴ではない。もっとも、磁気検出装置の全体的な小型化または薄型化をより進めるために、感磁体が配置される感磁層とその駆動回路が配置される回路層とが積層状態にあると好ましい。このようにすると、両者の電気的接続は感磁層と回路層との積層間を通じて行うことができ、従来行われていた余分なスペースを必要とするワイヤボンディングを回避できる。従って磁気検出装置のさらなる小型化または薄型化を図れる。なお、感磁層と回路層とは隣接して積層されている必要はなく、両層間に中間層が別途介在してもよい。
[実施例1]
実施例1に係る三次元磁気検出装置1を図1に示す。図1Aは三次元磁気検出装置1の平面図であり、図1Bは図1A中に示したA−A線における断面図である。
(1)三次元磁気検出装置1は、地磁気(外部磁場)を検出する4つのMI素子2と、棒状の軟磁性体3(磁場変向体)と、集積回路41(駆動回路を含む)が形成されたシリコン基板4と、絶縁コート層5と、MI素子2の各端子と集積回路41の各端子とをそれぞれつなぐ端子穴(図略)とからなる。4つのMI素子2は、2つのX軸用MI素子2X1、2X2(両方併せて適宜「X軸用MI素子2X」という)と、2つのY軸用MI素子2Y1、2Y2(両方併せて適宜「Y軸用MI素子2Y」という)とからなる。
(1)X軸用MI素子2X1、2X2およびY軸用MI素子2Y1、2Y2を構成するMI素子2の構造を図2および図3を用いて詳細に説明する。
MI素子2は、非磁性体からなるシリコン基板4の基板表面に形成された集積回路41(図1B参照)を被覆する絶縁コート層5上に載置される。このMI素子2は、絶縁コート層5の平坦面に配列された複数の第1導体膜222aからなる平面パターン222と、複数の第1導体膜222aを横断するように平面パターン222の配列方向に沿って配設された断面円形状のアモルファスワイヤからなる感磁ワイヤ21(感磁体)と、感磁ワイヤ21の外周面を覆うとともに感磁ワイヤ21を平面パターン222上に固定する絶縁体23と、絶縁体23の外表面と平面パターン222の表面とに渡って形成されると共に感磁ワイヤ21の上方を横断するように配列された複数の第2導体膜221aからなる立体パターン221とを備える。
少なくともワイヤ固定部232は液状樹脂を固化させて形成される。平面絶縁部231は、ワイヤ固定部232の形成前にそれとは別個に形成された膜状をしている。立体絶縁部233も、ワイヤ固定部232とは別個に形成された膜状をしている。
(1)上述したMI素子2を使用したMIセンサ回路8(駆動回路)を図4に示した。MIセンサ回路8は、集積回路41に組み込まれたパルス発振回路81および信号処理回路82を有する。信号処理回路82は、サンプルタイミング調整回路821と、アナログスイッチ822と、増幅器823とからなる。このMIセンサ回路8は次のように動作する。
(1)本実施例でいう「外部磁場」とは、MI素子が測定すべき位置における環境磁場である。外部磁場中に三次元磁場検出装置1を置くと、軟磁性体3(図1参照)により、各感磁ワイヤ21を含む周囲において、その外部磁場の磁場分布が変化する。その磁場を、各MI素子2が測定する磁場という意味で「測定磁場」とする。
(1)初めに外部磁場のX軸方向成分Hxについて考える。MI素子2X1、2X2の感磁ワイヤ21x1、21x2、及び軟磁性体3との間におけるX軸方向成分Hxのふるまいを図7Bを用いて検討する。
出力電圧DXは、演算式の第1式のように、検出電圧VX1、VX2の加算平均に係数を付して求めることができる。ここで検出電圧VX1、VX2は外部磁場のX軸方向成分Hxに応じた電圧であり、理論的に同じ値で極性も同じである。
(1)次に外部磁場のZ軸方向成分Hzについて考える。MI素子2X1、2X2の感磁ワイヤ21x1,21x2、及び軟磁性体3との間におけるZ軸方向成分Hzのふるまいを図7Cを用いて検討する。
ところで外部磁場Hは、X軸方向磁場成分HxとZ軸方向磁場成分Hzのベクトル和である。さらにZ−X平面上における外部磁場の検討はZ−Y平面上における外部磁場の検討にも妥当する。結局、外部磁場Hに対応した出力電圧は、各出力電圧の和若しくは差として求まり、本実施例により三次元の磁気の検出可能となる。
MI素子2の配置を三次元磁気検出装置1(図1)から変更した三次元磁気検出装置20の平面図を図8に示した。なお既述の三次元磁気検出装置と同様の部材には、便宜上、同じ符号を付して示す(以降でも同様である)。
軟磁性体3よりもZ軸方向に短い軟磁性体33を、軟磁性体3とは異なる位置に配置した三次元磁気検出装置30の断面図を図9に示した。すなわち、三次元磁気検出装置30では、短い軟磁性体33をシリコン基板34に埋め込まずに、絶縁コート層5上に載置した。これによりシリコン基板34への穴加工等が不要となる。また、その穴の大きさに相当する分、シリコン基板34上の電子回路の集積度を向上させることも可能となる。なお平面的な配置は三次元磁気検出装置1と同様にシリコン基板4の中央とした。
軟磁性体33をシリコン基板34の反対側(裏面側)に配置した三次元磁気検出装置40の断面図を図10に示した。この場合も、軟磁性体33のサイズ等を適宜調整することで、三次元磁気検出装置30と同様の効果を奏する。
軟磁性体3の全部をシリコン基板54中に埋め込まずに、その一部をシリコン基板54および絶縁コート層55から突出させた三次元磁気検出装置50の断面図を図11に示した。しかも三次元磁気検出装置50では、その軟磁性体3の頭部をMI素子2の上部と同じ高さに合わせた。これにより三次元磁気検出装置50は、Z軸方向への突き出しが無く、Z軸方向の薄型化や小型化を図れる。
三次元磁気検出装置30の軟磁性体33を、シリコン基板34の四方を囲繞する方形環状の軟磁性体63に変更した三次元磁気検出装置60の平面図を図12Aに、その断面図を図12Bに示した。この三次元磁気検出装置60によれば、Z軸方向の短縮化を図りつつ、軟磁性体63の体積の増大を図ることができる。
三次元磁気検出装置70の断面図を図13に示した。三次元磁気検出装置70は、シリコン基板54と、シリコン基板54上に形成されたMI素子2の駆動回路である集積回路層51(回路層)と、その集積回路層51を被覆する絶縁コート層55と、絶縁コート層55上に載置されたMI素子2を絶縁樹脂79で平坦状に被覆した感磁層71と、感磁層71上に積層されたMI素子2とは別の検出素子を備える検出層72と、検出層72上に積層された検出素子の駆動回路である集積回路層73とを有する。各積層間の導通は、適宜、ビアホールまたはスルーホールなどの端子穴(図略)によりなされる。図13には、各層がシリコン基板54の片面側のみに積層される場合を示したが、各層はシリコン基板54の両面側に積層されていてもよい。
シリコン基板34上に載置されたMI素子2を被覆する絶縁樹脂からなる平坦状の絶縁層89を有し、その絶縁層89上の中央に軟磁性体33を配置した三次元磁気検出装置80の断面図を図14に示した。絶縁層89に接合される軟磁性体33の端面外周縁部(角部)は、各MI素子2の端部に近接している。これにより軟磁性体33の延在軸方向(Z軸方向)の外部磁場が、MI素子2の延在方向(X軸方向、Y軸方向)へ大きく変向され、MI素子2による効率的な検出が可能となる。
(1)すなわち本発明の磁気検出装置は、第1軸方向に延びる軟磁性材からなり該第1軸方向の外部磁場に感応する少なくとも一対の第1感磁体と、該第1軸方向とは異なる他軸方向の外部磁場を該第1軸方向の成分をもつ測定磁場へ変向して少なくとも一対の前記第1感磁体により感応させ得る軟磁性材からなる磁場変向体とを備えてなり、該一対の第1感磁体は、特定点に関して点対称に存在しており、該磁場変向体は、該特定点に関して点対称に存在しており、該第1感磁体を介して該他軸方向の外部磁場を検出し得ることを特徴とする。
Claims (6)
- 第1軸方向に延びる軟磁性材からなり該第1軸方向の外部磁場に感応する少なくとも一対の第1感磁体と、
該第1軸方向とは異なる他軸方向の外部磁場を該第1軸方向の成分をもつ測定磁場へ変向して少なくとも一対の前記第1感磁体により感応させ得る軟磁性材からなる磁場変向体とを備えてなり、
該第1感磁体を介して該他軸方向の外部磁場を検出し得ることを特徴とする磁気検出装置。 - 前記一対の第1感磁体は、共に前記第1軸線上に配置されている請求項1に記載の磁気検出装置。
- 前記一対の第1感磁体は、特定点に関して点対称に存在しており、
前記磁場変向体は、該特定点に関して点対称に存在している請求項1または2に記載の磁気検出装置。 - 前記第1感磁体が配置される感磁層と、
該第1感磁体の駆動回路が配置される回路層とを有し、
該感磁層と該回路層は積層させており、該第1感磁体と該駆動回路は該感磁層と該回路層との積層間を通じて電気的に接続させている請求項1〜3のいずれかに記載の磁気検出装置。 - さらに前記一対の第1感磁体とは異なる検出素子が配置された少なくとも一以上の検出層を有し、
該検出層は前記感磁層または前記回路層に積層されている請求項4に記載の磁気検出装置。 - さらに、第2軸方向に延びる軟磁性材からなり該第2軸方向の外部磁場に感応する少なくとも一対の第2感磁体を備え、
前記磁場変向体は、前記第1軸方向および該第2軸方向とは異なる他軸方向の外部磁場を該第1軸方向の成分および/または該第2軸方向の成分をもつ測定磁場へ変向して少なくとも一対の前記第1感磁体および/または前記第2感磁体により感応させ得る請求項1〜5のいずれかに記載の磁気検出装置。
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