KR100529290B1 - 이차원 자기센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2차원 자기센서이고, 예를 들어, 휴대전화 등의 모바일기기의 전자 컴퍼스로서 사용하기 적합한, 넓은 자기측정범위, 저소비전력, 및 매우 소형인 크기를 가지고 있는, 2개의 소형화된 MI 소자 및 집적회로를 포함한다.

Description

이차원 자기센서 {TWO-DIMENSIONAL MAGNETIC SENSOR}

본 발명은 지자가 등을 검출하는 고감도의 이차원 자기센서에 관한 것이다.

지자기를 검출하는 자계검출장치에 관해서, 고감도의 MI 소자를 사용한 발명이 일본 특개(Kokai)2001-296127호에 공개되어 있다. 상기 문헌에 기재된 발명은 MI 소자를 2축으로 설치하고, 네거티브 피드백 회로(negative feedback circuit) 등을 이용하거나, 차동회로에 의한 온도보상을 행하고 있다.

휴대성 때문에 소형의 크기와 효율적인 전력 사용을 갖는 전자 컴퍼스(electronic compass)가 휴대전화를 포함하는 모바일기기(mobile devices)에 필요하다. 상기한 전자 컴퍼스는 이차원의 고감도 자기센서를 필요로 한다.

상기한 자기센서는 출력 전압이 ±2.7G의 자계강도로 응답하고 직진성인 범위(이하, 자기측정가능범위라고 함)를 요구한다. 이차원 자기센서가 휴대전화 등에서 사용되는 경우는, 여러 가지 장소에서 불가피하게 사용되고, 일부의 자계강도는 ± 2.7G보다 매우 큰 자계강도를 갖게 된다.

종래의 일본 특개(Kokai) 2001-296127호의 자계검출장치는, 네거티브 피드백 회로를 설치하지 않은 경우에, ±40A/m(즉 ± 0.5G)의 직진성 자기측정가능범위를 가지고 있으며, 따라서 전자 컴퍼스로 사용하기에 적합하지 않았다. 상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 네거티브 피드백을 구비한 코일을 설치하고, 전류를 계속 흐르게 하는 회로를 사용하고 있다.

상기 기술은 1축당 2개의 MI 소자뿐만 아니라 이 2개의 신호의 차이연산을 행하기 위하여 차동회로를 이용하고 있으며, 그리고 네거티브 피드백 회로를 사용하기 때문에 전자회로의 규모가 증가되고, 소형화에 바람직하지 못하다. 또, 자기측정가능범위를 확대하기 위해 사용되는 네거티브 피드백 전류의 흐름 때문에 소비 전력이 증가된다. 마지막으로, 종래의 MI 소자의 사이즈는 폭 3mm, 높이 2mm, 길이 4mm로 크고, 소형전자 기기에의 응용이 어려웠다.

따라서, 상기한 문제점을 해결하기 위해, 이차원 자기센서를 더 소형이고, 더 적은 전력을 사용하고, 더 넓은 자기측정가능범위를 갖도록 개발할 필요가 있다.

<과제를 해결하기 위한 수단과 그 효과>

따라서, 본 발명자들은 MI 소자의 소형화를 예의 검토하여, 하기의 구성을 착상하게 되었다.

본 발명인, 외부자계를 검출하는 이차원 자기센서는, 상기 외부자계의 제1 축성분을 검출하기 위해 제공되며, 길이가 2mm 보다 짧은 제1 자기감지부재와 상기 제1 자기감지부재의 주위에 감긴 제1 전자코일을 포함하는 제1 자기-임피던스 센서소자(magneto-impedance sensor element),

상기 외부자계의 제2 축성분을 검출하기 위해 제공되며, 길이가 2mm보다 짧은 제2 자기감지부재와 상기 제2 자기감지부재의 주위에 감긴 제2 전자코일을 포함하는 제2 자기-임피던스 센서소자, 그리고

펄스전류 또는 고주파 전류를 공급하는 발진수단, 상기 제1 및 제2 MI 소자에 교번하여 전류를 통과시키기 위한 스위치수단(switching means), 상기 제1 및 제2 MI 소자의 전자코일에서 출력 전압을 검출하는 검출수단(detecting means), 및 상기 검출수단의 출력 전압을 증폭하는 증폭기(amplifier)를 포함한다.

본 발명의 최대의 특징은 제1 및 제2 자기감지부재의 길이를 종래보다 짧은 2mm 이하로 줄임으로써, 출력전압이 자계강도에 대하여 직선성인 범위(즉, 자기측정가능범위)가, 네거티브 피드백 회로를 이용하지 않고 ±10G에 도달한다는 것이다. 이에 따라, 종래에 불가능한 광범위한 자기측정가능범위의 확장, MI 소자의 소형화 및 네거티브 피드백 회로의 생략, 그리고 네거티브 피드백 회로의 생략에 의해 상당한 소비 전력을 저감이 모두 실현된다.

또한, 전류를 상기 소자 사이의 앞뒤로 전류를 연결하는 스위치수단의 사용은 더욱 소비전력의 저감을 가능하게 한다.

또한, 상기의 각각의 MI 소자에 있어서, 상기 제1 및 제2 자기감지부재와 제1 및 제2 전자코일의 사이에 자기감지부재를 고정하는 회로 기판이 존재하지 않으며, 절연물(insulator)만이 상기 제1 및 제2 자기감지부재의 주위를 둘러싸고 있다는 사실에 의하여, 상기 제1 전자코일은 200μm 이하의 내부직경 및 100μm/권(turn) 이하의 단위길이당의 권선 간격을 가지고 있다.

상기 구성에서, 상기 전자코일이 상기 자기감지부재의 주위에 절연물만을 사용하여 유지되기 때문에, 그 내부직경이 200μm 이하로 감소될 수 있고, MI 소자의 더욱더 전체적인 소형화를 달성할 수 있는 반면, 출력 전압을 향상할 수 있다.

마지막으로, 단위 길이당 권선수가 전자코일의 단위길이당 권선 간격의 축소에 따라 증가하기 때문에 출력 전압이 증가한다. 실용적으로는, 100μm/권 이하인 것이 바람직하다. 본 출력 전압이 충분하다면, MI 소자가 짧게 될 수 있다.

본 발명의 MI 소자의 바람직한 실시예가 도 1, 도 2를 참조하여 설명된다.

기판(substrate)(1)은 폭 0.5mm, 높이 0.5mm, 길이 2mm의 크기를 갖는다. 자기감지부재(magneto-sensitive element)는 30μm 직경의 CoFeSiB계 합금으로 이루어진 비정질 와이어(amorphous wire)(2)이다. 전자코일(3)은 홈면(111)에 배치된 코일의 편측(31)과 상부 홈면(112)[수지(resin)(4)의 상면(41)]에 배치된 코일의 나머지 편측의 코일(32)로 이루어진 2층 구조로 형성되고, 평균 66μm에 상당하는 내부직경(높이와 폭으로 형성되는 면적과 상기 면적을 결정하는 원의 직경)을 가지고 있다. 전자코일(3)의 단위길이당 권선 간격이 1권당 50μm이다.

도전성 자성 비정질 와이어(2)와 전자코일(3)의 사이에, 절연성을 가지는 수지(4)가 배치되고, 상기 비정질 와이어를 전자코일과 절연시킨다. 전극(5)은 기판 상면에 설치된, 전자코일용 단자(51) 2개와 비정질 와이어(2)용 자기감지부재용 단자(52) 2개로 이루어지는, 합계 4개의 부품을 가지고 있다. 상기 전극(5)에 있어서 비정질 와이어(2)의 양단과 단자(52)가 접속되며, 전자코일(3)의 양단과 단자(51)가 접속되어 있다. 상기와 같은 구성을 갖는 것은 본 발명의 전자코일 부착 MI 소자(10)이다. 말하자면, 본 소자의 크기는 전극회로 기판의 크기와 동일하다.

다음에, 도 3의 상기 MI 소자(10)를 이용한 이차원 자기센서의 전자회로 도면을 검토한다.

발진수단(oscillating means)인 신호발생기(7)는 X, Y의 2개의 출력단자를 가지고, 상기 출력단자는 각각 X축 및 Y축의 MI 소자에 접속되어 있다. 신호발생기(7)는 축출력 전환회로의 제어신호에 의해 펄스를 X, Y축의 MI 소자에 교대로 통전시킨다. 이에 따라, 2개의 MI 소자의 사용은 2분의 1로 되며, 그 때문에 전력절약화를 실현할 수 있다.

신호발생기(6)는 1μsec의 간격으로 200MHz, 170mA 펄스 신호를 발생한다. 펄스 신호는 MI 소자의 비정질 와이어(2)에 발송되고, 그 시점에서 외부자계(지자기)에 비례한 전압이 전자코일(3)에 발생한다.

검출수단인 동기검파회로(8)는 MI 소자 전류에 동기하여 전자코일(3)에 발생된 상기 전압을 검출한다.

증폭기(9)는 상기 전압을 소정의 레벨로 증폭하여 출력한다. 신호발생기 이후의 동작은 X, Y축의 MI 소자에 대하여 교대로 반복된다.

도 4에서, 도 3의 회로가 MI 소자와 동일기판 상에 장착된 집적 회로로서 도시된다. 이 도면에서, X, Y의 MI 소자(10)가 직교하여 배치되어 있다. 도 3의 회로는 집적회로(integrated circuit)(70)이다. 이 이차원 자기센서(100)의 크기는, 도시하지 않았지만, 전극을 설치하는 경우 5mm×5mm의 크기로 매우 소형이다. 공지된 방법을 사용하여 상기 X, Y축의 출력 전압에서 방위가 얻어진다.

상기 회로에서의 센서출력이 도 5에 도시된다.

외부자계의 강도가 수평으로 도시되고 센서출력이 수직으로 도시된다. 실선이 본 바람직한 실시예의 센서의 출력을 나타내고, ??10G와 ??10G 사이에서 거의 완벽한 직진성을 나타낸다. 또한, 바람직한 실시예는 전자 컴퍼스에 필요한 자기측정가능범위, ±2.7G를 충분히 여유를 가지고 얻는다. 비교로서, 점선은 일본 특개 2001-296127호의 회로(네거티브 피드백 회로를 갖지 않음)와 MI 소자가 이용될 때의 센서의 출력을 나타낸다. 종래 예의 출력의 피크를 1로 했다. 이 결과는 자기측정가능범위가 네거티브 피드백 회로를 이용하지 않고 ±10G로 확대할 수 있게 한다.

본 바람직한 실시예는 종래에 불가능한 광범위한 자기측정가능범위, MI 소자의 소형화뿐만 아니라 네거티브 피드백 코일, 네거티브 피브백 회로, 및 차동회로의 생략에 기인하는 소형화, 및, 네거티브 피드백 전류의 생략과 스위치수단의 사용으로 소비 전력의 상당한 저감을 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 MI 소자의 정면도를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예의 MI 소자의 단면도를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예의 MI 소자를 이용한 이차원 자기센서의 회로 도면을 나타낸다.

도 4는 집적된 회로로 이루어지고 MI 소자와 동일 기판상에 장착한 도 3의 회로의 부품 레이아웃을 나타낸다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예의 MI 소자를 이용한 이차원 자기센서에서의 센서출력 대 외부자계의 특성과, 일본 특개(Kokai) 2001-296127호의 회로(네거티브 피드백 회로를 갖지 않음)와 본 공보의 MI 소자를 이용할 때의 센서출력 대 외부자계의 특성을 나타낸다.

*도면의 주요부호에 대한 설명

1: 전극 기판, 2: 비정질 와이어, 3: 전자코일,

4: 절연 수지, 5: 전극, 6: 축출력 전환회로,

7: 신호발생기, 8: 동기검파회로, 9: 증폭기,

10: MI 소자, 111: 홈면, 112: 상부 홈면,

31: 전자코일의 편측, 32: 전자코일의 나머지 편측의 코일,

70: 집적회로, 100:이차원 자기센서

Claims (15)

1. 외부자계를 검출하기 위한 이차원 자기센서에 있어서,

   상기 외부자계의 제1 축성분을 검출하기 위해 제공되며, 길이가 2mm 이하인 제1 자기감지부재(magneto-sensitive element)와 상기 제1 자기감지부재의 주위에 감긴 제1 전자코일을 포함하는, 소위 제1 MI 소자로 불리는 제1 자기-임피던스 센서소자(magneto-impedance sensor element),

   상기 외부자계의 제2 축성분을 검출하기 위해 제공되며, 길이가 2mm 이하인 제2 자기감지부재와 상기 제2 자기감지부재의 주위에 감긴 제2 전자코일을 포함하는, 소위 제2 MI 소자로 불리는 제2 자기-임피던스 센서소자, 그리고

   펄스 또는 고주파 전류를 공급하며, 상기 제1 MI 소자와 제2 MI 소자에 펄스를 교대로 통전시키는 스위치 수단, 상기 제1 MI 소자 및 제2 MI 소자의 전자코일로부터의 출력 전압을 검출하는 검출수단, 및 상기 검출수단의 출력 전압을 증폭하는 증폭기를 포함하는 집적회로

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 자기센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 MI 소자는,

   자기감지부재와,

   상기 자기감지부재를 관통하도록 형성된 절연물과,

   상기 절연물의 외부 표면에 인접하며 내경 200㎛ 이하이고 단위길이 당 권선 간격이 100㎛/권(turn) 이하인 전자 코일

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차원 자기센서.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 전자코일은 홈면(111)에 형성된 코일의 편측(31)과, 홈의 상면(112)에 형성된 나머지 편측의 코일(32)로 이루어지며,

   상기 코일의 편측(31)과, 마주하는 코일의 편측(31)의 단부를 전기적으로 접속하는 편측의 코일(32)을 조합시키는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 이차원 자기센서.
4. 제3항에 있어서,

   상기 기판의 홈면에 위치되는 상기 전자코일의 편측과 상기 홈의 상면에 위치되는 상기 전자코일의 편측 사이의 공간을 채우며, 상기 제1 및 제2 전자코일을 유지하는 절연물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 자기센서.
5. 제4항에 있어서,

   상기 절연물 내에서 유지되는 상기 제1 및 제2 자기감지부재가 비정질 와이어(amorphous wire)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차원 자기센서.
6. 제5항에 있어서,

   상기 절연물이 수지(resin)인 것을 특징으로 하는 이차원 자기센서.
7. 제6항에 있어서,

   상기 비정질 와이어가 CoFeSiB 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차원 자기센서.
8. 제7항에 있어서,

   상기 기판의 상면에 소정 전극이 배치되며,

   상기 소정 전극은

   전자코일의 양단에 접속되는 전자코일용 단자와,

   상기 자기감지부재를 이루는 상기 비정질 와이어의 양단에 접속되는 자기감지부재용 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 자기센서.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제1 MI 소자는 이차원 자기센서 장착 보드의 X방향으로 장착되고 상기 제2 MI 소자는 상기 X방향에 직교하는 상기 이차원 자기센서 장착 보드의 Y방향으로 장착되는 반면, 상기 집적회로는 상기 이차원 자기센서 장착 보드의 다른 부품 상에 일체로 장착되는 이차원 자기센서.
10. 제3항에 있어서,

    상기 기판의 크기는 폭 0.5mm, 높이 0.5mm, 및 길이 2mm이고, 상기 기판 상에 형성된 상기 홈의 크기는 깊이 50μm, 폭 70μm 및 길이 2mm인 이차원 자기센서.
11. 제3항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 전자코일은 평균 66μm에 상당하는 내부직경(높이와 폭으로 형성되는 면적과 상기 면적을 결정하는 원의 직경) 및 50μm/권의 단위길이당 권선 간격을 가지고 있는 이차원 자기센서.
12. 제9항에 있어서,

    상기 이차원 자기센서 장착 보드는 5mm×5mm인 이차원 자기센서.
13. 외부자계를 검출하기 위한 이차원 자기센서에 있어서,

    상기 외부자계의 제1 축성분을 검출하기 위해 이차원 자기센서 장착 보드 상에 장착되는, 소위 제1 MI 소자로 불리는 제1 자기-임피던스 센서소자가 길이가 2mm 이하인 제1 자기감지부재와 상기 제1 자기감지부재의 주위에 감긴 제1 전자코일을 포함하고,

    상기 외부자계의 제2 축성분을 검출하기 위해 상기 이차원 자기센서 장착 보드 상에 장착되는, 소위 제2 MI 소자로 불리는 제2 자기-임피던스 센서소자가 길이가 2mm 이하인 제2 자기감지부재와 상기 제2 자기감지부재의 주위에 감긴 제2 전자코일을 포함하고,

    상기 제1 및 제2 전자코일은 홈면(111)에 형성된 코일의 편측(31)과, 홈의 상면(112)에 형성된 나머지 편측의 코일(32)로 이루어지며, 상기 코일의 편측(31)과, 마주하는 코일의 편측(31)의 단부를 전기적으로 접속하는 편측의 코일(32)을 조합시키는 구성으로 되어 있으며,

    상기 전자코일의 상기 양측 사이의 공간을 채우는 절연물 내에 위치되는 상기 제1 및 제2 자기감지부재는 비정질 와이어이며, 그리고

    상기 2차원 자기센서는 상기 제1 및 제2 MI 소자에 전류를 통과시켜, 상기 제1 및 제2 MI 소자의 전자코일의 출력 전압을 검출하는 검출수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 자기센서.
14. 제13항에 있어서,

    상기 검출수단은 상기 제1 및 제2 MI 소자 사이에서 교번하여 전류를 통과시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 자기센서.
15. 제14항에 있어서,

    상기 검출수단은 집적회로를 포함하며, 상기 이차원 자기센서 장착 보드 상에 장착되는 이차원 자기센서.