KR101235524B1

KR101235524B1 - 자기 검출 장치

Info

Publication number: KR101235524B1
Application number: KR1020117022227A
Authority: KR
Inventors: 요시노부 혼꾸라; 미찌하루 야마모또; 노리히꼬 하마다; 아끼히로 시모데; 마사유끼 가또오
Original assignee: 아이치 세이코우 가부시키가이샤
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2013-02-20
Also published as: JP4626728B2; EP2413153B1; EP2413153A1; WO2010110456A1; CN102356328B; KR20110120343A; EP2413153B9; JPWO2010110456A1; US8339132B2; CN102356328A; EP2413153A4; US20120013332A1

Abstract

본 발명의 자기 검출 장치는, 제1 축 방향으로 연장되는 연자성재로 이루어져 제1 축 방향의 외부 자기장에 감응하는 적어도 한 쌍의 제1 감자기체와, 제1 축 방향과는 다른 타축 방향의 외부 자기장을 제1 축 방향의 성분을 갖는 측정 자기장으로 변향하여 적어도 한 쌍의 제1 감자기체에 의해 감응시킬 수 있는 연자성재로 이루어지는 자기장 변향체를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다. 이 자기 검출 장치에 따르면, 제1 감자기체를 통하여 타축 방향의 외부 자기장도 검출할 수 있다. 그 결과, 고정밀도인 자기 검출을 가능하게 하면서, 타축 방향으로 길어지는 감자기체를 생략하여 자기 검출 장치의 소형화 또는 박형화가 도모된다.

Description

자기 검출 장치 {MAGNETIC DETECTION DEVICE}

본 발명은, 방위 센서 등에 사용되고, MI 소자에 의해 자기를 검출하는 자기 검출 장치에 관한 것이다.

종래부터 방위 등을 알기 위해 자기 측정이 이루어져 있다. 예를 들어, 전자 컴퍼스 등에서는, 정확한 방위를 알기 위해 3차원의 자기 벡터가 측정되어 있다. 이때, X, Y, Z의 3 방향의 자기 벡터를 개별로 측정하는 자기 센서가 필요해지고 있었다.

이와 같은 자기 센서에는 홀 소자, MR 소자 등이 사용된다. 다만 최근, 그러한 종래의 소자와는 구조나 원리가 전혀 다르며, 월등히 차이가 나는 고감도를 갖는 마그네토·임피던스 소자(Magneto-Impedance element : 적절하게「MI 소자」라고 함)가 주목을 받고 있다.

MI 소자는 아몰퍼스 와이어 등의 감자기체에 고주파의 펄스 전류 등을 흐르게 하면, 표피 효과에 의해 그 임피던스가 자기장에 따라서 변화되는 마그네토·임피던스 효과(「MI 효과」라고 함)를 이용한 것이다. 그 임피던스 변화를 측정하거나, 그 MI 효과의 기원이 되는 감자기체에 발생하는 자속량의 변화를 측정함으로써, 외부 자기장 등의 자기 검출이 가능해진다. 덧붙여서 임피던스의 변화는 직접 측정되지만, 자속량의 변화는 감자기체의 주위에 권회된 검출 코일(픽업 코일) 등으로 측정된다. 이러한 MI 소자는 MI 센서로서, 이미 각종 기기의 전자 컴퍼스 등에 이용되고 있다.

WO2005/008268

(1) 그런데 종래, MI 소자를 사용해서 3차원의 자기 벡터를 구할 경우, 검출하는 자기 벡터의 방향마다 개별 MI 소자가 사용되고 있었다. 예를 들어, 특허 문헌 1(WO2005/008268호 공보)은, 도 15에 도시한 바와 같이, 3차원의 자기 벡터를 구하기 위해, 기판(1000) 위에 적재한 3개의 MI 소자(101, 102, 103)를 사용하고 있다. 구체적으로는, 기판 평면(X-Y 평면) 위에서 서로 직교하여 적재된 X축용 MI 소자(101) 및 Y축용 MI 소자(102)와, 그 기판 평면에 수직으로 적재된 Z축용 MI 소자(103)이다.

MI 소자는, 통상, 아몰퍼스 와이어나 박막 등으로 이루어지고, 일축 방향으로 어느 정도의 길이가 연장되는 감자기체로 이루어진다. 이 감자기체는, 연장되는 축 방향의 자기장 성분을 검출하지만, 감자기체에 수직인 방향의 자기장 성분의 검출은 할 수 없다. 이로 인해, 기판에 수직인 방향의 Z축 방향의 자기장을 검출하기 위해서는, 그 방향으로 가늘고 길게 연장하는 감자기체를 설치할 필요가 있었다. 즉 기판에 수직으로 세워 설치된 Z축용 MI 소자가 필요하게 되었다. 이로 인해 MI 소자를 사용한 종래의 3차원 자기장 검출 장치의 높이는 Z축용 MI 소자의 길이에 의해 대략 결정되어 있었다. 여기서 Z축 방향의 높이를 억제하기 위해, 감자기체의 길이를 지나치게 짧게 하면, 자기의 검출 능력이 저하되어 고감도인 자기 검출이 곤란해진다. 이러한 이유로부터, MI 소자를 사용한 3차원 자기 검출 장치의 Z축 방향의 소형화, 박형화는 곤란하다고 여겨지고 있었다.

(2) 또한, 도 15에 도시한 바와 같은 종래의 3차원 자기 검출 장치의 경우, X축용 MI 소자(101), Y축용 MI 소자(102) 및 Z축용 MI 소자(103)의 3개의 MI 소자는, 그들 소자를 구동하는 전자 회로를 포함하는 집적 회로(200)가 표면에 형성된 기판(1000)의 측방에 배치되어 있었다. 이로 인해, 종래의 자기 검출 장치에서는 기판에 평행한 평면(X-Y 평면) 방향에 관해서도, 자기 검출 장치가 대형화하는 경향이 있어, 그 소형화를 도모하는 것은 곤란했다.

다시 말하면, 그들 MI 소자(101, 102, 103)와 집적 회로(200)와의 접속은, 소위 와이어 본딩에 의해 행해지고 있었다. 이로 인해, 본딩 와이어분의 공간이 더 필요해져, 종래의 자기 검출 장치에서는 소형화가 곤란했다. 특히 Z축 방향에 관해서 보면, 원래 긴 Z축용 MI 소자(103)가, 다시 Z축 방향으로부터 와이어 본딩 되어 있었으므로, 자기 검출 장치의 Z축 방향의 소형화, 박형화는 매우 곤란했다. 게다가 와이어 본딩은, 1개 1개 배선을 행하므로, 보다 많은 공정 시간을 필요로 했다. 이로 인해 종래 구조의 MI 소자를 사용한 자기 검출 장치에서는, 그 생산성의 향상에 한계가 있었다.

본 발명은 이러한 사정에 비추어 이루어진 것으로, MI 소자를 사용하면서, 종래보다도 각별히 소형화 또는 박형화할 수 있는 자기 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 예를 들어, 휴대 단말과 같은 박형의 하우징에 내장되는 경우이면, 기판에 수직인 방향(Z축 방향)의 높이를 억제하고, 또한 기판에 평행한 방향(X-Y 방향)의 크기도 억제하여, 전체적인 소형화를 도모할 수 있는 3차원 자기장 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 이 과제를 해결하기 위해 예의 연구하고, 시행 착오를 거듭한 결과, MI 소자와는 별도로 연자성체를 설치함으로써, 특정 방향의 자기를 검출하는 전용 MI 소자를 설치할 것까지는 없고, 그 특정 방향의 자기를 검출할 수 있는 것이 문뜩 떠올랐다. 예를 들어, Z축 방향의 자기를 검출하는 MI 소자(Z축용 MI 소자)를 설치하지 않아도, 적절하게 배치한 연자성체를 설치함으로써, X축 방향의 자기를 검출하는 MI 소자(X축용 MI 소자)나 Y축 방향의 자기를 검출하는 MI 소자(Y축용 MI 소자)를 사용하여, Z축 방향의 자기를 검출할 수 있는 것을 새롭게 발견했다. 이 성과를 더욱 발전시킴으로써, 이후에 서술하는 일련의 본 발명은 완성했다.

《자기 검출 장치》

(1) 즉 본 발명의 자기 검출 장치는, 제1 축 방향으로 연장되는 연자성재로 이루어져 상기 제1 축 방향의 외부 자기장에 감응하는 적어도 한 쌍의 제1 감자기체와, 상기 제1 축 방향과는 다른 타축 방향의 외부 자기장을 상기 제1 축 방향의 성분을 갖는 측정 자기장으로 변향하여 적어도 한 쌍의 상기 제1 감자기체에 의해 감응시킬 수 있는 연자성재로 이루어지는 자기장 변향체를 구비하여 이루어지고, 상기 제1 감자기체를 통하여 상기 타축 방향의 외부 자기장을 검출할 수 있는 것을 특징으로 한다.

(2) 본 발명에 따르면, 자기장 변향체가 제1 감자기체에서는 본래 감응할 수 없는 타축 방향의 외부 자기장을, 제1 감자기체에 의해 감응할 수 있는 성분을 갖는 측정 자기장으로 변향한다. 그리고 제1 감자기체는 적어도 한 쌍 존재하므로, 그들 제1 감자기체와 연자성체를 적절하게 배치하면, 본래의 제1 축 방향의 외부 자기장과, 변향 되어 제1 축 방향의 측정 자기장이 된 타축 방향의 외부 자기장을 엄격히 구별해서 검출 가능해진다. 이렇게 해서 일축 방향으로 연장되는 감자기체로, 그것과는 다른 타축 방향의 외부 자기장의 검출이 가능해졌다. 이 결과, 감자기체 나아가서는 MI 소자를, 2차원적 배치로부터 1차원적 배치로, 또한 3차원적 배치로부터 2차원적 배치로 스케일다운한 자기 검출 장치로, 원하는 자기 검출이 가능해졌다. 이렇게 해서 본 발명의 자기 검출 장치는 현격하게 소형화 또는 박형화될 수 있다.

(3) 자기 검출 장치를 3차원적으로 고려한 경우, 본 발명의 자기 검출 장치는 상기 구성에다가, 또한 제2 축 방향으로 연장되는 연자성재로 이루어져 상기 제2 축 방향의 외부 자기장에 감응하는 적어도 한 쌍의 제2 감자기체를 구비하고, 상기 자기장 변향체는, 상기 제1 축 방향 및 상기 제2 축 방향과는 다른 타축 방향의 외부 자기장을 상기 제1 축 방향의 성분 및/또는 상기 제2 축 방향의 성분을 갖는 측정 자기장으로 변향하여 적어도 한 쌍의 상기 제1 감자기체 및/또는 상기 제2 감자기체에 의해 감응시킬 수 있는 것이면 적합하다.

《3차원 자기 검출 장치》

(1) 또한 본 발명은, 다음과 같은 구체적인 3차원의 자기 검출 장치라도 좋다. 즉 본 발명은, 기판과, 기판에 배치된 연자성체(자기장 변향체)와, 주로 X축 방향(제1 축 방향)의 자기장 성분을 검출하기 위한 2개의 X축용 MI 소자(제1 감자기체를 포함하는 소자)와, 주로 Y축 방향(제2 축 방향)의 자기장 성분을 검출하기 위한 2개의 Y축용 MI 소자(제2 감자기체를 포함하는 소자)를 갖는다. 2개의 X축용 MI 소자는 기판 위에서 상기 연자성체를 중심으로 하여, 그 양측에 동일 직선(제1 직선 : 제1 축선) 위에 적재되고, 2개의 Y축용 MI 소자는 기판 위에서 상기 연자성체를 중심으로 하여, 그 양측에 동일 직선(제2 직선 : 제2 축선) 위에 적재되어 있다. 상기 제1 직선과 상기 제2 직선이 소정의 각도로 교차하고 있다. 제1 X축용 MI 소자, 펄스 발진 회로 및 신호 처리 회로로 이루어지는 제1 X축용 MI 센서로부터의 검출 전압을 VX1, 제2 X축용 MI 소자, 펄스 발진 회로 및 신호 처리 회로로 이루어지는 제2 X축용 MI 센서로부터의 검출 전압을 VX2라 한다. 제1 Y축용 MI 소자, 펄스 발진 회로 및 신호 처리 회로로 이루어지는 제1 Y축용 MI 센서로부터의 검출 전압을 VY1, 제2 Y축용 MI 소자, 펄스 발진 회로 및 신호 처리 회로로 이루어지는 제2 Y축용 MI 센서로부터의 검출 전압을 VY2라 한다. 여기서 본 발명의 3차원 자기 검출 장치는, 외부 자기장의 X축 방향 성분에 따른 출력 전압(DX), 외부 자기장의 Y축 방향 성분에 따른 출력 전압(DY), 외부 자기장의 Z축 방향 성분에 따른 출력 전압(DZ)을 각각, 하기의 연산식([수학식 1])을 이용하여 연산하는 연산 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성으로 함으로써, 종래의 3차원 자기 검출 장치에 있어서 필수였던 기판에 수직인 Z축을 따른 Z축용 MI 소자를 이용하는 일 없이, X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향(타축 방향)의 3차원의 자기 벡터를 검출하는 것이 가능해졌다. 그 결과, 기판에 수직인 방향(Z축 방향)의 높이를 억제할 수 있어, 소형화의 3차원 자기장 검출 장치를 제공할 수 있다. 또 여기서, X축 방향이라 함은 기판에 평행한 임의의 1축 방향으로 하고, Y축 방향이라 함은 그 기판에 평행하며 X축 방향과 소정의 각도로 교차하는 방향으로 한다.

(2) 상술한 3차원 자기 검출 장치는, 또한, 예를 들어 다음과 같은 구성을 가지면 적합하다. 즉, 상기 기판은, 상기 각 MI 센서의 펄스 발진 회로, 신호 처리 회로 및 상기 연산 수단을 포함하는 집적 회로(구동 회로)가 형성되어 있는 실리콘 기판으로 이루어진다. 이 실리콘 기판은 상면에 절연 코트층을 갖는다. 절연 코트에는, 상기 MI 소자의 각 단자와, 상기 실리콘 기판 위의 상기 집적 회로의 각 단자를 도통시키기 위한 단자 구멍을 갖는다. 이러한 구성으로 함으로써, 종래, 집적 회로의 측방에 놓여져 있던 MI 소자를 집적 회로 위에 적재 가능해졌다. 이렇게 해서, 기판에 평행한 방향(X, Y축 방향)의 크기도 소형화한 3차원 자기장 검출 장치가 제공된다.

《기타》

(1) 본 명세서에서 말하는「MI 소자」는, 아몰퍼스 와이어나 박막 등의 감자기체에다가, 그 감자기체가 감응한 자기를 검출하는 검출 수단을 갖는다. 검출 수단은, 예를 들어 감자기체의 주위에 설치된 픽업 코일 등의 검출 코일이다. 이러한 코일은, 와이어를 권회한 것이라도, 배선 패턴 등에 의해 형성된 것이라도 좋다. 물론, 검출 수단은 감자기체의 임피던스 또는 그 변화를 직접 측정하는 것이라도 좋다.

(2) 본 명세서에서 말하는 「변향」이라 함은, 감자기체에 의해 감응되지 않는 자기장 또는 자기장 성분의 방향을, 그 감자기체가 감응할 수 있는 방향으로 바꾸는 것을 말한다. 이 변향에 의해, 본래라면 감자기체에 감응하지 않는 자기장이, 적어도 그 감자기체에 감응하는 방향 성분을 갖는 자기장이 되어, 그러한 자기장도 그 감자기체로 이루어지는 MI 소자에 의해 검출 가능해진다.

(3) 본 명세서「외부 자기장」이라 함은, 외부로부터 자기 검출 장치에 작용하는 자기장(환경 자기장)이며, 자기 검출 장치의 검출 대상이 되는 자기장이다. 「측정 자기장」이라 함은, 외부 자기장 중에서 감자기체에 감응하여 MI 소자에 의한 검출 또는 측정 대상이 되는 자기장이다.

도 1a는 제1 실시예에 관한 3차원 자기장 검출 장치의 평면도이다.
도 1b는 그 평면도 중에 나타낸 A-A로 절단한 단면도이다.
도 2는 제1 실시예에 관한 MI 소자의 개요를 도시하는 평면도이다.
도 3은 그 평면도 중에 나타낸 B-B로부터 본 단면 화살표도이다.
도 4는 제1 실시예에 관한 MI 소자를 이용한 MI 센서의 전기 회로도이다.
도 5a는 그 MI 소자, MI 센서에 가하는 펄스 전류 파형을 도시하는 파형도이다.
도 5b는 그 펄스 전류 파형의 상승, 하강 시간으로부터 주파수를 구하는 방법을 설명하는 설명도이다.
도 6은 제1 실시예에 관한 3차원 자기장 검출 장치의 전기 회로도이다.
도 7a는 XZ 방향의 성분을 갖는 똑같은 외부 자기장(H)의 X축 방향 성분(Hx) 및 Z축 방향 성분(Hz)을 도시하는 벡터 분해도이다.
도 7b는 그 X축 방향 성분(Hx)에 의해 제1 실시예에 관한 3차원 자기장 검출 장치 주위에 형성되는 측정 자기장의 자력선도이다.
도 7c는 그 Z축 방향 성분(Hz)에 의해 제1 실시예에 관한 3차원 자기장 검출 장치 주위에 형성되는 측정 자기장의 자력선도이다.
도 8은 제2 실시예에 관한 3차원 자기 검출 장치의 평면도이다.
도 9는 제3 실시예에 관한 3차원 자기 검출 장치의 단면도이다.
도 10은 제4 실시예에 관한 3차원 자기 검출 장치의 단면도이다.
도 11은 제5 실시예에 관한 3차원 자기 검출 장치의 단면도이다.
도 12a는 제6 실시예에 관한 3차원 자기 검출 장치의 평면도이다.
도 12b는 그 단면도이다.
도 13은 제7 실시예에 관한 3차원 자기 검출 장치의 단면도이다.
도 14는 제8 실시예에 관한 3차원 자기 검출 장치의 단면도이다.
도 15는 종래의 3차원 자기장 검출 장치의 사시도이다.

발명의 실시 형태를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 상술한 본 발명의 구성에, 본 명세서 중에서 임의로 선택한 1개 또는 2개 이상의 구성을 부가할 수 있다. 어떠한 실시 형태가 최선인지의 여부는, 대상, 요구 성능 등에 따라서 다르다.

본 발명의 자기 검출 장치는, 자기 임피던스 소자(MI 소자)를 사용해서 자기를 검출하는 장치이다. MI 소자는, 전술한 바와 같이 자기장(자계) 등의 자기에 감응해서 임피던스 변화나 자속량 변화를 발생할 수 있는 감자기체와, 그 감자기체의 변화량을 검출하는 검출 수단을 갖는다. 감자기체는 그 재질이나 형태와 상관없다. 보통은 연자성재로 이루어지고, 상응한 길이를 갖는 와이어 또는 박막으로 이루어진다. 감자기체는, 감도나 비용 등의 점에서, 특히 영자왜(零磁歪) 아몰퍼스 와이어가 바람직하다.

검출 수단의 종류나 형태는, 감자기체의 종류나 형태, 검출하는 감자기체의 변화량의 종류, 사양 등에 따라서 적절하게 선택된다. 검출 수단은 예를 들어, 감자기체의 임피던스 또는 그 양단부의 전압을 직접 검출하는 것이라도, 연장하는 감자기체의 주위에 권회되어 자속량 변화에 따른 기전력을 출력하는 픽업 코일(검출 코일) 등이라도 좋다.

감자기체는 탑재면으로부터 부상하여 설치되어도, 탑재면에 접해서 설치되어도, 또한 홈 등에 매설되어도 좋다. 검출 코일은, 감자기체를 보유 지지하는 보유 지지체(절연체, 기판, 하우징 등)의 외주면에 권회된 것이라도, 홈 등의 내주면에 권회된 것이라도 좋다.

<자기장 변향체>

자기장 변향체는 감자기체가 배치되지 않은 타축 방향의 자기장을 변향하여, 타축 방향과 다른 축 방향에 배치된 감자기체 또한 MI 소자에 의한 자기의 검출을 가능하게 하는 것이다. 이와 같이 감자기체에 의한 검출이 가능한 한, 자기장 변향체의 재질, 형태는 상관없다. 자기장 변향체는 연자성재로 이루어지지만, 고 투자율일수록, 자기장의 집자 효과가 커서 바람직하다. 그리고 자기장 변향체는, 자기장을 감자기체를 향해 변향하기 쉬운 형상이면 바람직하다. 또한, 변향된 자기장이 감자기체에 감수되기 쉬운 상대 위치에 자기장 변향체가 배치되면 바람직하다. 예를 들어, 자기장을 수렴 또는 방사하는 자기장 변향체의 단부(기둥 형상체의 단부면 코너부)가, 감자기체에 지향한 형상이면 바람직하다. 그러한 자기장 변향체의 단부와 감자기체가 근접 배치되어 있으면 더욱 바람직하다. 바꾸어 말하면, 자기장을 거의 변향하지 않는 자기장 변향체의 연장축의 중앙 근방에, 교차하는 축 방향 위에 감자기체를 설치하는 것은 바람직하지 않다.

<배치>

본 발명의 취지를 따르는 한, 감자기체 또는 자기장 변향체의 배치는 상관없다. 다만, 일축 방향에 배치된 적어도 한 쌍의 감자기체로 타축 방향의 자기를 검출하기 위해서는, 많든 적든 간에, 그들 감자기체를 포함하는 MI 소자의 검출량을 기초로 한 연산이 필요해진다. 고정밀도인 자기 검출을 저비용으로 행하기 위해서는, 그 연산은 간소하게 이루어질수록 바람직하다. 예를 들어, 한 쌍의 감자기체에 대응한 한 쌍의 MI 소자 각각의 검출량을 가산 또는 감산한 값을 기초로 하여, 외부 자기장의 다른 축 방향의 성분이 각각 구해지면 바람직하다.

그로 인해 예를 들어, 검출 특성이 동일한 한 쌍의 MI 소자가 있는 1점(특정점)에 관해서 점대칭으로 배치되어 있으면 바람직하다. 이에 의해, 각각의 MI 소자가, 그들을 구성하는 각 감자기체의 연장축 방향(제1 축 방향)의 외부 자기장을 동일하게 검출할 수 있다. 게다가 또한, 그 한 쌍의 MI 소자 중 한쪽은, 자기장 변향체에 의해 변향된 타축 방향의 외부 자기장을, 제1 축 방향의 역방향 성분으로서 검출할 수 있도록, 자기장 변향체가 존재하고 있으면 바람직하다.

예를 들어, 자기장 변향체가 상기 특정점에 관해서 점 대칭으로 존재하고 있으면 바람직하다. 구체적으로 말하면, 자기장 변향체가 하나이면, 자기장 변향체는 그 특정점에 배치되면 좋다. 자기장 변향체가 2개 이상이면, 그 형태를 포함하여 특정점에 관해서 점대칭으로 배치되어 있으면 바람직하다. 예를 들어, 자기장 변향체는 1축 위에 배치한 한 쌍의 감자기체의 중간점(특정점)을 통과하는 직선 위에서, 그 특정점으로부터 등거리(즉 균등)로 배치되면 좋다. 또한, 한 쌍의 동등한 감자기체를 평행하게 배치한 경우, 그것들이 대칭이 되는 점(특정점)에 자기장 변향체를 배치하거나, 그 특정점을 통과하는 직선 위에 자기장 변향체를, 특정점에 관해서 균등하게 배치해도 좋다.

물론, 대칭으로 배치되는 감자기체끼리, MI 소자끼리 또는 자기장 변향체끼리는, 각각 감응 특성, 검출 특성 또는 집자 특성 등은, 실질적으로 동일한 것이 전제가 된다. 구체적으로는, 감자기체끼리이면, 재질이나 형태(와이어 지름이나 와이어 길이 또는 막 두께나 막 폭 등) 등이 동일하면 좋다. MI 소자끼리이면, 감자기체끼리의 특성이 동일한 동시에 임피던스를 측정하는 회로 구성이나 자속량을 검출하는 코일 형태(권취수, 권회 반경 등) 등이 동일하면 좋다. 자기장 변향체끼리이면, 동일한 재질로 각 감자기체측으로부터 봤을 때의 형태 등이 동일하면 좋다.

이와 같은 상황을 종합해서 본 명세서에서는 「한 쌍의 감자기체가 특정점에 관해서 점대칭으로 존재하고 있다」 또는 「자기장 변향체가 특정점에 관해서 점대칭으로 존재하고 있다」라고 한다. 또 본 명세서에서 말하는「점대칭」은, 1차원적 점대칭(직선 위에 있어서의 점대칭)이라도, 2차원적 점대칭(평면 위에 있어서의 점대칭)이라도, 3차원적 점대칭(입체 위에 있어서의 점대칭)이라도 좋다.

1차원적 점대칭이라 함은, 예를 들어 일축 위에 배치된 한 쌍의 동등한 감자기체가 대칭이 되는 특정점(통상은 양 감자기체의 중간점)에 자기장 변향체가 배치되거나, 그 특정점의 양단부측에 그 특정점으로부터 등거리 위치(균등 위치)에 자기장 변향체가 배치되는 경우이다. 2차원적 점대칭이라 함은, 예를 들어 대칭 배치된 한 쌍의 동등한 감자기체가 존재하는 평면 상(상면 상 또는 하면 상)에서, 그들의 대칭점인 특정점에 관해서, 동등한 자기장 변향체가 점 형상, 선 형상 또는 링 형상으로 균등하게 배치되는 경우이다. 3차원적 점대칭이라 함은, 예를 들어 대칭 배치된 한 쌍의 동등한 감자기체가 존재하는 평면의 양면측에, 그들의 대칭점인 특정점에 관해서, 동등한 자기장 변향체가 점 형상, 선 형상, 면 형상 또는 링 형상으로 균등하게 배치되어 있는 경우이다.

어쨌든, 한 쌍의 MI 소자 또는 한 쌍의 감자기체와 자기장 변향체와의 대칭성을 교묘하게 이용하여, 연산식 중의 보정 계수 또는 보정항 등을 간략화할 수 있도록 하면, 고정밀도인 자기 검출이 용이해져 바람직하다.

<적층>

본 발명은, 자기장 변향체를 설치함으로써 타축 방향의 자기장을 전용으로 검출하는 감자기체 나아가서는 MI 소자를 생략할 수 있어, 자기 검출 장치의 소형화 또는 박형화를 도모할 수 있는 점에 특징이 있다. 그렇다면, 현실에 배치되는 감자기체 또한 MI 소자와, 그 구동 회로 등 다른 전자 회로와의 배치는 반드시 본질적인 특징은 없다. 다만, 자기 검출 장치의 전체적인 소형화 또는 박형화를 더욱 진행시키기 위해, 감자기체가 배치되는 감자기층과 그 구동 회로가 배치되는 회로층이 적층 상태에 있으면 바람직하다. 이와 같이 하면, 양자의 전기적 접속은 감자기층과 회로층과의 적층 사이를 통해 행할 수 있고, 종래 행해지고 있던 여분의 공간을 필요로 하는 와이어 본딩을 회피할 수 있다. 따라서 자기 검출 장치의 소형화 또는 박형화를 한층 더 도모할 수 있다. 또, 감자기층과 회로층은 인접하여 적층되어 있을 필요는 없으며, 양층 사이에 중간층이 별도로 개재되어도 좋다.

또한 적층 또는 집적되는 층은, 감자기층 및 회로층에는 한정되지 않는다. 한 쌍의 감자기체와는 다른 별도의 검출 소자가 배치된 적어도 1개 이상의 검출층이, 감자기층이나 회로층에 적층되어서 있어도 된다. 이 경우도 적층 관계는 상관없으므로, 그들 각 층이 인접하여 적층되어 있을 필요는 없다. 또한, 검출 소자를 구동하는 검출 회로층이 더 적층되어서 있어도 된다. 이때, 검출층과 검출 회로층의 전기적 접속이 그들 적층 사이를 통해 행해지면, 센서 장치 전체로서의 소형화 또는 박형화가 도모된다. 이와 같이 함으로써, 본 발명의 자기 검출 장치는 단순한 자기 센서로서뿐만 아니라, 가속도 센서, 온도 센서 등이 적층된 빌드업형 센서로 발전할 수 있다.

도면을 참조하면서 이하에 든 실시예를 기초로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

[제1 실시예]

제1 실시예에 관한 3차원 자기 검출 장치(1)를 도 1에 도시한다. 도 1a는 3차원 자기 검출 장치(1)의 평면도이며, 도 1b는 도 1a 중에 도시한 A-A선에 있어서의 단면도이다.

<3차원 자기 검출 장치>

(1) 3차원 자기 검출 장치(1)는 지자기(외부 자기장)를 검출하는 4개의 MI 소자(2)와, 막대 형상의 연자성체(3)(자기장 변향체)와, 집적 회로(41)(구동 회로를 포함함)가 형성된 실리콘 기판(4)과, 절연 코트층(5)과, MI 소자(2)의 각 단자와 집적 회로(41)의 각 단자를 각각 연결하는 단자 구멍(도시 생략)으로 이루어진다. 4 개의 MI 소자(2)는, 2개의 X축용 MI 소자(2X1, 2X2)(양쪽 모두 적절하게「X축용 MI 소자(2X)」라고 함)와, 2개의 Y축용 MI 소자(2Y1, 2Y2)(양쪽 모두 적절하게 「Y축용 MI 소자(2Y)」라고 함)로 이루어진다.

실리콘 기판(4)의 중앙에 Z축을 축선으로 하는 원기둥 형상의 구멍이 마련되어 있다. 이 구멍에 원기둥 형상의 연자성체(3)가 기판(4)에 대하여 수직으로 매립되어 배치되어 있다. 연자성체(3)는, 45at% Ni-Fe 조성의 퍼멀로이 합금으로 이루어진다. 연자성체(3)에는, 그밖에 순Ni, 순철, 다른 조성의 퍼멀로이 합금, 센더스트, 파멘쥴 등의 공지의 연자성 재료를 사용할 수 있다.

실리콘 기판(4)의 상부에는, 각 MI 소자(2)의 구동 회로(도시 생략)나 후술하는 연산 수단(9)(도 6 참조)을 포함하는 전자 회로 등의 집적 회로(41)가 형성되어 있다. 구동 회로는 펄스 발진 회로(81)와 신호 처리 회로(82)(도 6 참조)로 이루어진다. 이들의 회로 형성은 주지의 집적 회로의 제조 방법을 기초로 하여 형성했다.

실리콘 기판(4)의 상방에는 실리콘 기판(4)을 보호하면서, 집적 회로(41)와 MI 소자(2)와의 절연을 확보하는 절연 코트층(5)이 형성된다. 절연 코트층(5)은, 유기 수지나 SiO₂ 등의 무기 재료를 실리콘 기판(4) 위에 코팅함으로써 형성했다.

이 절연 코트층(5) 위에 도 1a에 도시한 바와 같이, 2개의 X축용 MI 소자(2X) 및 2개의 Y축용 MI 소자(2Y)가 적재된다. 즉, 2개의 X축용 MI 소자(2X)는, 연자성체(3)를 중심으로 해서 그 양측으로 대칭적으로 연장되고, 동일 직선[제1 직선(6) : 제1 축선] 위에 적재된다. 2개의 Y축용 MI 소자(2Y)도 마찬가지로, 연자성체(3)를 중심으로 하여, 그 양측으로 대칭적으로 연장되어, 동일 직선[제2 직선(7) : 제2 축선] 위에 적재된다.

(2) 여기서 X축용 MI 소자(2X)가 연장되는 제1 직선(6)(X축선)과 Y축용 MI 소자(2Y)가 연장되는 제2 직선(7)(Y 축선)과는 90도로 교차(직교)하고 있다. 양자는 반드시 직교하고 있을 필요는 없지만, 직교하고 있으면 후처리(보정 처리) 등을 간략화할 수 있다. 본 실시예의 경우, 2개의 X축용 MI 소자(2X) 및 2개의 Y축용 MI 소자(2Y)는, 각각 연자성체(3)의 중심으로부터 등간격으로 배치되어 있다. 이 경우도 그들이 반드시 등간격일 필요는 없지만, 등간격인 처리를 간략화할 수 있어, 고정밀도로 자기를 검출할 수 있다.

(1) X축용 MI 소자(2X1, 2X2) 및 Y축용 MI 소자(2Y1, 2Y2)를 구성하는 MI 소자(2)의 구조를 도 2 및 도 3을 이용해서 상세하게 설명한다.

MI 소자(2)는, 비자성체로 이루어지는 실리콘 기판(4)의 기판 표면에 형성된 집적 회로(41)(도 1b 참조)를 피복하는 절연 코트층(5) 위에 적재된다. 이 MI 소자(2)는, 절연 코트층(5)의 평탄면에 배열된 복수의 제1 도체막(222a)으로 이루어지는 평면 패턴(222)과, 복수의 제1 도체막(222a)을 횡단하도록 평면 패턴(222)의 배열 방향을 따라서 배치된 단면 원 형상의 아몰퍼스 와이어로 이루어지는 감자기 와이어(21)(감자기체)와, 감자기 와이어(21)의 외주면을 덮는 동시에 감자기 와이어(21)를 평면 패턴(222) 위에 고정하는 절연체(23)와, 절연체(23)의 외표면과 평면 패턴(222)의 표면에 걸쳐 형성되는 동시에 감자기 와이어(21)의 상방을 횡단하도록 배열된 복수의 제2 도체막(221a)으로 이루어지는 입체 패턴(221)을 구비한다.

평면 패턴(222)과 입체 패턴(221)은, 감자기 와이어(21)의 양쪽에서, 제1 도체막(222a)의 단부와 제2 도체막(221a)의 단부가 적층 상태에서 접합되어 적층 접합부를 형성한다. 이와 같이 평면 패턴(222)과 입체 패턴(221)이 일체화함으로써, 절연 코트층(5)의 평탄면 위에 감자기 와이어(21) 및 절연체(23)를 둘러싸는 검출 코일(22)이 형성된다.

절연체(23)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 감자기 와이어(21)의 축선에 수직인 단면이 평면 패턴(222)에 가까울수록 넓어지는 옷자락 퍼짐 형상을 나타내고 있다. 즉 절연체(23)는, 평면 패턴(222)에 평행한 방향의 폭 치수가 평면 패턴(222)측일수록 커지고 있다. 구체적으로 말하면 절연체(23)는, 평면 패턴(222)의 표면을 덮어 감자기 와이어(21)과 평면 패턴(222)을 절연하는 평면 절연부(231)와, 평면 절연부(231)와 감자기 와이어(21) 사이에 개재해서 감자기 와이어(21)를 평면 패턴(222)을 개재하면서 절연 코트층(5) 위에 고정하는 와이어 고정부(232)와, 감자기 와이어(21)와 입체 패턴(221) 사이에 개재하여 양자 사이를 절연하는 입체 절연부(233)를 갖는 3 부분 구성으로 되어 있다.

적어도 와이어 고정부(232)는 액상 수지를 고화시켜서 형성된다. 평면 절연부(231)는, 와이어 고정부(232)의 형성 전에 그것과는 별개로 형성된 막 형상을 하고 있다. 입체 절연부(233)도, 와이어 고정부(232)와는 별개로 형성된 막 형상을 하고 있다.

감자기 와이어(21)는 영자왜의 아몰퍼스 와이어로 이루어진다. 감자기 와이어(21)의 양단부는, 펄스 전류를 인가하기 위한 전극(251)에 접속되어 있다. 검출 코일(22)은 외부 자기장에 따라서 변화되는 전압을 검출하기 위해 전극(252)에 접속되어 있다. 도 2에 일례를 나타낸 단자 배치는 실리콘 기판(4) 위의 집적 회로(41)에 대응하고 있다. 각 MI 소자(2)의 각 단자와 실리콘 기판(4) 위의 집적 회로(41)의 각 단자는, 절연 코트(5)에 마련된 단자 구멍(도시 생략)을 통해 전기적으로 접속된다. 본 실시예에서는, 감자기 와이어(21)의 지름을 20㎛, 길이를 0.6㎜, 검출 코일(22)의 권취 수를 15턴으로 했다.

(2) 이 MI 소자(2)는 절연 코트층(5) 위에 바로 적재된다. 이로 인해 아몰퍼스 감자기 와이어를, 적재하는 기판의 홈에 수납하는 공지의 홈형 구조의 MI 소자(특허 문헌 1 참조)에 비해, MI 소자(2)는 실장 시의 Z축 방향의 높이를 대폭으로 줄여, Z축 방향의 소형화에 기여한다.

<구동 회로>

(1) 상술한 MI 소자(2)를 사용한 MI 센서 회로(8)(구동 회로)를 도 4에 도시했다. MI 센서 회로(8)는, 집적 회로(41)에 내장된 펄스 발진 회로(81) 및 신호 처리 회로(82)를 갖는다. 신호 처리 회로(82)는 샘플 타이밍 조정 회로(821)와, 아날로그 스위치(822)와, 증폭기(823)로 이루어진다. 이 MI 센서 회로(8)는 다음과 같이 동작한다.

펄스 발진 회로(81)에 의해 발생한 약 200MHz 상당의 고주파 펄스 전류를 MI 소자(2) 중의 감자기 와이어(21)에 공급한다. 그러면, 펄스 전류에 의해 감자기 와이어(21)의 와이어 원주 방향에 발생한 자기장과 외부 자기장이 작용하여, 그 외부 자기장에 대응한 전압이 검출 코일(22)에 발생한다. 또 여기에서 말하는 주파수는, 도 5a에 도시한 펄스 전류 파형(10)의 펄스의 「상승」혹은「하강」의 시간 Δt를 구하고, 그 Δt가 도 5b에 도시한 바와 같이 4분의 1 주기에 상당하는 것으로서 구했다.

다음에, 샘플 타이밍 조정 회로(821)에 의해, 상기 펄스 전류가 상승된 후에, 소정의 타이밍에서, 아날로그 스위치(822)를 단시간 스윗칭(온-오프)한다. 이에 의해 아날로그 스위치(822)는, 검출 코일(22)에 발생한 외부 자기장에 대응한 전압을 샘플링한다. 샘플링 전압은, 증폭기(823)에 의해 증폭되어서 출력된다. 펄스 전류를 차단할 때(펄스 전류가 하강할 때)도 마찬가지로 처리된다. 이 구성예에 한정되지 않고, 그 밖의 공지의 MI 센서에 이용되는 전자 회로에서도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

(2) 3차원 자기장 검출 장치(1)의 구동 회로를 도 6에 도시했다. 3차원 자기장 검출 장치(1)의 구동 회로는, 4개의 MI 소자(2)[제1 X축용 MI 소자(2X1), 제2 X축용 MI 소자(2X2), 제1 Y축용 MI 소자(2Y1) 및 제2 Y축용 MI 소자(2Y2)]에 각각 대응하는 4개의 MI 센서 회로(8)[제1 X축용 MI 센서 회로(8X1), 제2 X축용 MI 센서 회로(8X2), 제1 Y축용 MI 센서 회로(8Y1) 및 제2 Y축용 MI 센서 회로(8Y2)]와, 연산 수단(9)으로 이루어진다.

각 MI 센서 회로(8)는, 각각 펄스 발진 회로(81)와 신호 처리 회로(82)로 구성된다. 또, 각 MI 센서 회로(8) 중 하나[예를 들어 도 6의 가장 위에 도시한 펄스 발진 회로(81) 및 신호 처리 회로(82)의 1세트]만을 구동 회로로서 사용해도 된다. 이때, 그 하나의 구동 회로를 시분할 스위칭에 의해 시분할하면서, 각 MI 소자(2)마다의 전압을 검출해도 좋다.

<자기장의 검출>

(1) 본 실시예에서 말하는 「외부 자기장」이라 함은, MI 소자가 측정해야 할 위치에 있어서의 환경 자기장이다. 외부 자기장 중에 3차원 자기장 검출 장치(1)를 두면, 연자성체(3)(도 1 참조)에 의해, 각 감자기 와이어(21)를 포함하는 주위에 있어서, 그 외부 자기장의 자기장 분포가 변화된다. 그 자기장을, 각 MI 소자(2)가 측정하는 자기장이라고 하는 의미에서 「측정 자기장」이라 한다.

(2) 제1 X축용 MI 소자(2X1)로 연자성체(3)에 의해 변화된 측정 자기장이 작용하면, 제1 X축용 MI 센서 회로(8X1)의 출력 단자에 검출 전압(VX1)이 출력된다. 마찬가지로, 제2 X축용 MI 소자(2X2)로 측정 자기장이 작용하면 제2 X축용 MI 센서 회로(8X2)의 출력 단자에 검출 전압(VX2)이, 제1 Y축용 MI 소자(2Y1)로 측정 자기장이 작용하면 제1 Y축용 MI 센서 회로(8Y1)의 출력 단자에 검출 전압(VY1)이, 제2 Y축용 MI 소자(2Y2)로 측정 자기장이 작용하면 제2 Y축용 MI 센서 회로(8Y2)의 출력 단자에 검출 전압(VY2)이 각각 출력된다.

연산 수단(9)은, 그들 각 MI 센서(2)로부터의 검출 전압(VX1, VX2, VY1, VY2)을 받아, 하기의 연산식([수학식 1])에 준해서 연산을 행하여, 외부 자기장의 X, Y, Z축 방향 성분에 따른 출력 전압(DX, DY, DZ)을 출력한다.

이와 같이 본 실시예의 3차원 자기장 검출 장치(1)에 따르면, 감자기 와이어를 기판에 수직으로 배치하는 MI 소자(소위 Z축 소자)를 설치하지 않고, Z축 방향의 자기장 측정이 가능해진다. 즉, Z축 방향의 소형화를 도모하면서 3차원의 자기장 검출이 가능해진다. 또한 본 실시예의 경우, 종래라면 집적 회로의 측방에 적재하고 있던 MI 소자가 집적 회로 위에 적층되어 있다. 이로 인해, 기판에 평행한 방향(X축 방향, Y축 방향)이라도 3차원 자기 검출 장치를 소형화할 수 있다.

(3) 외부 자기장(H)가 작용할 때의 3차원 자기장 검출 장치(1)의 동작을 설명한다. 대표적인 예로서 도 1a의 A-A 절단 단면도 위에 연자성체(3) 및 3차원 자기장 검출 장치(1)를 포함하는 주위의 자력선을 도 7에 도시한다. 우선 실리콘 기판(4)에 대하여 평행한 한쪽의 축인 X축과 실리콘 기판(4)에 수직인 축인 Z축에 의해 구성되는 Z-X 평면 내에서 생각한다. Y축 방향 성분을 갖지 않는 외부 자기장(H)를 상정하면, 그 자기장(H)는 도 7a에 도시한 바와 같이 X축 방향 성분(Hx)과 Z축 방향 성분(Hz)에 벡터 분해할 수 있다.

<X축 방향 성분(Hx)>

(1) 처음에 외부 자기장의 X축 방향 성분(Hx)에 대해서 생각한다. MI 소자(2X1, 2X2)의 감자기 와이어(21x1, 21x2) 및 연자성체(3) 사이에 있어서의 X축 방향 성분(Hx)의 행동을 도 7b를 이용하여 검토한다.

연자성체(3)가 없는 경우, 외부 자기장의 X축 방향 성분(Hx)은, 감자기 방향인 감자기 와이어(21x1, 21x2)의 축 방향(제1 축 방향)과 일치하므로, 그들에 의해 그대로 검출된다.

본 실시예에서는, X축 방향 성분(Hx)은 연자성체(3)에 집자된다. 이로 인해 X축 방향 성분(Hx)은, 감자기 와이어(21x1) 중에 있어서 약간 Z축 하방으로 경사지고, 감자기 와이어(21x2) 중에 있어서 약간 Z축 상방으로 경사진다. 이들의 감자기체 내에서 경사진 자기 벡터를 각각 Hx1', Hx2'라고 한다. 여기서 MI 소자(2X1, 2X2)를 감지할 수 있는 자기장은 자기 벡터(Hx1', Hx2')의 X축 방향[감자기 와이어(21x1)와 감자기 와이어(21x2)의 축선 방향]으로의 사영 성분뿐이다. 이로 인해 경사진 자기 벡터(Hx1', Hx2')의 X축 방향으로의 사영 성분만이, 검출 코일(22x1, 22x2)(도시 생략)을 거쳐 검출된다. 그리고 MI 센서 회로(8X1, 8X2)(도 6 참조)는 그 X축 방향 성분(Hx)에 대응한 검출 전압(VX1, VX2)을 출력한다.

여기서 자기 벡터(Hx1', Hx2')는 Z축 방향에 관해서 극성이 다른 사영 성분을 갖는다. 그러나 이들의 성분은 원래 MI 소자(2X1, 2X)의 감자기 방향이 아닌 직교 성분이므로 검출되지 않는다. 또한, X축 방향 성분(Hx)은 MI 소자(2Y1, 2Y2)의 감자기 와이어(21y1, 21y2)에 대해서도 수직이므로, 검출 전압(VY1, VY2)은 발생하지 않는다.

(2) 이들에 의거하여 X축 방향 성분(Hx)에 대응한 출력 전압(DX, DY, DZ)은, 하기의 연산식([수학식 1])으로부터 다음과 같이 하여 구한다.

출력 전압(DX)은, 연산식의 제1식과 같이, 검출 전압(VX1, VX2)의 가산 평균에 계수를 부여하여 구할 수 있다. 여기서 검출 전압(VX1, VX2)은 외부 자기장의 X축 방향 성분(Hx)에 따른 전압이며, 이론적으로 동일한 값으로 극성도 같다.

상술한 내용은, X축 방향 성분을 갖지 않는 외부 자기장(H)를 상정했을 때의 Z-Y 평면에 있어서도 성립된다. 따라서 출력 전압(DY)은 연산식의 제2식과 같이 기술된다. 여기서 검토하고 있는 것 같이 Y축 방향 성분을 갖지 않는 외부 자기장(H)를 상정한 자기장 환경 하에서는, 전술한 바와 같이 검출 전압(VY1, VY2)은 발생하지 않으므로 출력 전압(DY)은 0이 된다.

출력 전압(DZ)은, 연산식의 제3식에 의해 구할 수 있다. 제3식 중의 검출 전압(VX1, VX2)은, X축 방향 성분(Hx)에 따른 전압이며, 이론적으로 동일한 값으로 극성도 같다. 제3식 중의 제1항에서 양자를 감산함으로써 외부 자기장 X축 방향 성분에 관한 전압은 상쇄된다. 또한, 제3식 중의 제2항의 검출 전압(VY1, VY2)은 발생하지 않는다. 이로 인해 출력 전압(DZ)은 0이 된다. 따라서, 출력 전압(DZ)은 연산식의 제3식에 의해, Z축 방향 성분의 외부 자기장이 없는 경우에 일치하여 0이 된다.

<Z축 방향 성분(Hz)>

(1) 다음에 외부 자기장의 Z축 방향 성분(Hz)에 대해서 생각한다. MI 소자(2X1, 2X2)의 감자기 와이어(21x1, 21x2) 및 연자성체(3)와의 사이에 있어서의 Z축 방향 성분(Hz)의 행동을 도 7c를 이용해서 검토한다.

연자성체(3)가 없는 경우, 외부 자기장의 Z축 방향 성분(Hz)은, 감자기 와이어(21x1, 21x2)의 수직 방향 성분만이 되므로, 그것들에는 전혀 검출되지 않는다.

본 실시예와 같이 연자성체(3)가 있는 경우, Z축 방향 성분(Hz)에 상당하는 자기장은, 연자성체(3)에 집자된 후, 연자성체(3)의 표면(31)으로부터 도면 상방(Z축 정방향)으로 방사 형상으로 확대된다. 이로 인해 도 7c의 절단면에 도시한 바와 같이, X축 방향으로 자기장의 방향이 경사진다. 이 자기장이 감자기 와이어(21x1, 21x2) 내를 통과하는 경사진 자기 벡터를 Hz1', Hz2'라고 한다.

여기서 감자기 와이어(21x1, 21x2)를 감지할 수 있는 자기장은, 자기 벡터(Hz1', Hz2')의 X축 방향으로의 사영 성분뿐이다. 그 사영 성분은 검출 코일(22x1, 22x2)(도시 생략)을 거쳐 검출된다. 그리고 MI 센서 회로(8X1, 8X2)는, 그 Z축 방향 성분(Hz)에 대응한 검출 전압(VX1, VX2)을 출력한다. 덧붙여서, 그것들의 사영 성분은 절대치가 같아서 극성이 반대로 되어 있다. 또 자기 벡터(Hz1', Hz2')의 Z축 방향의 사영 성분은, 원래 MI 소자(2X1, 2X2)의 감자기 방향이 아니므로 검출되지 않는다.

또한, Z축 방향 성분(Hz)은 Z-Y 평면에도 같은 자기장 분포를 형성한다. 이로 인해, MI 센서 회로(8Y1, 8Y2)는 검출 전압(VX1, VX2)과 마찬가지로, 자기장 Z축 방향 성분(Hz)에 대응한 검출 전압(VY1, VY2)을 출력한다.

(2) 이들에 의거하여 Z축 방향 성분(Hz)에 대응한 출력 전압(DX, DY, DZ)이, X축 방향 성분(Hx)의 경우와 마찬가지로 하기의 연산식([수학식 1])으로부터 구해진다. 검출 전압(VX1, VX2)은 외부 자기장의 Z축 방향 성분(Hz)에 따른 전압이며, 이론적으로 동일한 값으로 극성이 반대이다. 이들을 가산하면 상쇄되어 0이 된다. 따라서, 출력 전압(DX)은 하기의 연산식의 제1식으로부터 X축 방향 성분의 외부 자기장이 없는 경우에 일치해서 0이 된다.

검출 전압(VY1, VY2)은, 외부 자기장의 Z축 방향 성분(Hz)에 따른 전압이며, 이론적으로 동일한 값으로 극성이 반대이다. 이들을 가산하면 상쇄되어 0이 된다. 따라서, 출력 전압(DY)은 하기의 연산식의 제2식으로부터 Y축 방향 성분의 외부 자기장이 없는 경우에 일치해서 0이 된다. 출력 전압(DZ)은, 하기의 연산식의 제3식에 의해, 검출 전압(VX1, VX2)과 검출 전압(VY1, VY2)에 대해서 감산한 후에 평균하여 계수를 부여하는 것으로 구할 수 있다. 이렇게 해서 Z축 방향의 MI 소자 또는 MI 센서를 사용하는 일 없이, Z축 방향 자기장 성분(Hz)에 따른 전압을 출력할 수 있다.

<외부 자기장(H)>

그런데 외부 자기장(H)는, X축 방향 자기장 성분(Hx)과 Z축 방향 자기장 성분(Hz)의 벡터 합이다. 또한, Z-X 평면 위에 있어서의 외부 자기장의 검토는 Z-Y 평면 위에 있어서의 외부 자기장의 검토에도 타당한다. 결국, 외부 자기장(H)에 대응한 출력 전압은, 각 출력 전압의 합 혹은 차로서 구해지고, 본 실시예에 의해 3차원의 자기가 검출 가능해진다.

또, 출력 전압(DX, DY, DZ)을 [수학식 1]과 같은 간단한 연산식으로 구할 수 있었던 것은, 한 쌍의 X축용 MI 소자(2X)와 한 쌍의 Y축용 MI 소자(2Y)를 직교하는 축선 위에 배치하는 동시에, 그들 MI 소자(2)와 연자성체(3)를 대칭적으로 배치했기 때문이다.

다만, 외부 자기장의 Z축 방향 성분(Hz)의 X축 방향 및 Y축 방향으로의 사영 성분이 0이 되는 연자성체의 배치를 하지 않는 한, 마찬가지로 특정 축 방향의 MI 소자 또는 MI 센서를 사용하는 일 없이, 그 축 방향 자기장 성분에 따른 출력 전압을 얻을 수 있다. 또, 연자성체와 MI 소자의 배치가 비대칭이 되는 경우, 혹은 MI 소자 사이의 배치가 비대칭이 되는 경우, 검출 전압에 다른 계수를 곱하거나 보정 항을 더하거나 한 연산식을 사용함으로써, 외부 자기장에 따른 각 출력 전압을 얻을 수 있다. 그러한 경우에 사용할 수 있는 연산식의 일례를 하기의 [수학식 2]에 나타냈다. 또, [수학식 2] 중의 각 α, β, γ는 계수이다.

[제2 실시예]

MI 소자(2)의 배치를 3차원 자기 검출 장치(1)(도 1)로부터 변경한 3차원 자기 검출 장치(20)의 평면도를 도 8에 도시했다. 또, 상술한 3차원 자기 검출 장치와 같은 부재에는, 편의상 동일한 부호를 부여하여 나타낸다(이후에서도 동일함).

3차원 자기 검출 장치(20)에서는, 정사각형의 실리콘 기판(4) 위에, 그 각 변과 45도를 이루는 대각선 위에 MI 소자(2)를 배치했다. 이와 같이 MI 소자(2)를 배치하면, 동일 크기의 기판에 대하여, MI 소자의 길이를 길게 취한다. 즉, 감자기체(아몰퍼스 와이어 등)의 길이나 검출 코일의 권취 수를 크게 할 수 있어, 출력 전압의 향상을 도모할 수 있다.

[제3 실시예]

연자성체(3)보다도 Z축 방향으로 짧은 연자성체(33)를, 연자성체(3)와는 다른 위치에 배치한 3차원 자기 검출 장치(30)의 단면도를 도 9에 도시했다. 즉, 3차원 자기 검출 장치(30)에서는, 짧은 연자성체(33)를 실리콘 기판(34)에 매립하지 않고, 절연 코트층(5) 위에 적재했다. 이에 의해 실리콘 기판(34)으로의 구멍 가공 등이 불필요해진다. 또한, 그 구멍의 크기에 상당하는만큼, 실리콘 기판(34) 위의 전자 회로의 집적도를 향상시키는 것도 가능해진다. 또, 평면적인 배치는 3차원 자기 검출 장치(1)와 마찬가지로 실리콘 기판(4)의 중앙으로 했다.

[제4 실시예]

연자성체(33)를 실리콘 기판(34)의 반대측(이면측)에 배치한 3차원 자기 검출 장치(40)의 단면도를 도 10에 도시했다. 이 경우도, 연자성체(33)의 크기 등을 적절하게 조정함으로써, 3차원 자기 검출 장치(30)와 같은 효과를 발휘한다.

[제5 실시예]

연자성체(3)의 전부를 실리콘 기판(54) 중에 매립하지 않고, 그 일부를 실리콘 기판(54) 및 절연 코트층(55)으로부터 돌출시킨 3차원 자기 검출 장치(50)의 단면도를 도 11에 도시했다. 게다가 3차원 자기 검출 장치(50)에서는, 그 연자성체(3)의 헤드부를 MI 소자(2)의 상부와 동일한 높이로 맞췄다. 이에 의해 3차원 자기 검출 장치(50)는, Z축 방향으로의 돌출이 없어, Z축 방향의 박형화나 소형화를 도모할 수 있다.

[제6 실시예]

3차원 자기 검출 장치(30)의 연자성체(33)를, 실리콘 기판(34)의 사방을 둘러싸는 사각 링 형상의 연자성체(63)로 변경한 3차원 자기 검출 장치(60)의 평면도를 도 12a에, 그 단면도를 도 12b에 도시했다. 이 3차원 자기 검출 장치(60)에 따르면, Z축 방향의 단축화를 도모하면서, 연자성체(63)의 체적의 증대를 도모할 수 있다.

[제7 실시예]

3차원 자기 검출 장치(70)의 단면도를 도 13에 도시했다. 3차원 자기 검출 장치(70)는 실리콘 기판(54)과, 실리콘 기판(54) 위에 형성된 MI 소자(2)의 구동 회로인 집적 회로층(51)(회로층)과, 그 집적 회로층(51)을 피복하는 절연 코트층(55)과, 절연 코트층(55) 위에 적재된 MI 소자(2)를 절연 수지(79)로 평탄 형상으로 피복한 감자기층(71)과, 감자기층(71) 위에 적층된 MI 소자(2)와는 다른 검출 소자를 구비하는 검출층(72)과, 검출층(72) 위에 적층된 검출 소자의 구동 회로인 집적 회로층(73)을 갖는다. 각 적층 사이의 도통은, 적절하게 비어 홀 또는 스루 홀 등의 단자 구멍(도시 생략)에 의해 이루어진다. 도 13에는, 각 층이 실리콘 기판(54)의 편면측에만 적층되는 경우를 도시했지만, 각 층은 실리콘 기판(54)의 양면측에 적층되어서 있어도 된다.

검출층(72)은, 구체적으로 말하면 예를 들어, MI 소자(2)와는 다른 자기 센서(3차원 자기 센서, 2차원 자기 센서 등), 방위 센서, 가속도 센서, 온도 센서, 자기 자이로를 포함하는 자이로 센서 등을 구성하는 검출 소자로 이루어진다. 도 13에는, 1세트의 검출층(72)과 집적 회로층(73)만 도시했지만, 또한 다종 다양한 검출층이 적층되어 있어도 된다. 이러한 적층 구조에 의해, 3차원 자기 검출 장치(70)는 복합 센서체가 된다.

또, 상술한 바와 같이 각 층이 일축 방향(소위 Z축 방향)으로 적층되는 경우 외에, 검출 장치(센서)의 평면적인 공간에 여유가 있으면, 각 층에 상당하는 회로가 적당히 조합되어, 동일층 중에 병렬 배치되어도 좋다. 이 경우, 각 회로 사이의 도통은 동일 층 내의 배선 패턴 등을 거쳐 이루어지면 센서 집적체의 박형화가 도모되어 바람직하다. 평면적인 공간에 여유가 없으면, 복수층이 적층되면 바람직하다.

[제8 실시예]

실리콘 기판(34) 위에 적재된 MI 소자(2)를 피복하는 절연 수지로 이루어지는 평탄 형상의 절연층(89)을 갖고, 그 절연층(89) 위의 중앙에 연자성체(33)를 배치한 3차원 자기 검출 장치(80)의 단면도를 도 14에 도시했다. 절연층(89)에 접합되는 연자성체(33)의 단부면 외주연부(코너부)는, 각 MI 소자(2)의 단부에 근접하고 있다. 이에 의해 연자성체(33)의 연장축 방향(Z축 방향)의 외부 자기장이, MI 소자(2)의 연장 방향(X축 방향, Y축 방향)으로 크게 변향되어, MI 소자(2)에 의한 효율적인 검출이 가능해진다.

본 발명의 3차원 자기장 검출 장치는, 예를 들어 전자 컴퍼스, 자기 자이로 등의 3차원의 지자기 측정을 필요로 하는 기기, 회전 센서 등의 모든 자기 센서에 사용할 수 있다. 특히 본 발명의 3차원 자기 검출 장치는, 휴대 전화를 시초로 하는 휴대 단말 등과 같이, 적재하는 기판에 수직인 방향(소위 Z축 방향)으로 소형화·박형화가 필요한 것에 적합하다.

1 : 3차원 자기 검출 장치
2 : MI 소자
2X : X축용 MI 소자
2Y : Y축용 MI 소자
21 : 감자기 와이어
22 : 검출 코일
23 : 절연체
251 : 감자기 와이어용 단자
252 : 검출 코일용 단자
3 : 연자성체
4 : 실리콘 기판
5 : 절연 코트층
6 : 제1 직선
7 : 제2 직선
8 : MI 센서
81 : 펄스 발진 회로
82 : 신호 처리 회로
9 : 연산 수단
10 : 펄스 전류 파형

Claims

제1 축 방향으로 연장되는 연자성재로 이루어져 상기 제1 축 방향의 외부 자기장에 감응하는 적어도 한 쌍의 제1 감자기체와,
상기 제1 축 방향과는 다른 타축 방향의 외부 자기장을 상기 제1 축 방향의 성분을 갖는 측정 자기장으로 변향하여 적어도 한 쌍의 상기 제1 감자기체에 의해 감응시킬 수 있는 연자성재로 이루어지는 자기장 변향체를 구비하여 이루어지고,
상기 제1 감자기체를 거쳐 상기 타축 방향의 외부 자기장을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는, 자기 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 제1 감자기체는, 모두 상기 제1 축 방향으로 연장되는 선 위에 배치되어 있는, 자기 검출 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 한 쌍의 제1 감자기체는, 특정점에 관해서 점대칭으로 존재하고 있으며,
상기 자기장 변향체는, 상기 특정점에 관해서 점대칭으로 존재하고 있는, 자기 검출 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 감자기체가 배치되는 감자기층과,
상기 제1 감자기체의 구동 회로가 배치되는 회로층을 갖고,
상기 감자기층과 상기 회로층은 적층시키고 있으며, 상기 제1 감자기체와 상기 구동 회로는 상기 감자기층과 상기 회로층과의 적층 사이를 통해 전기적으로 접속시키고 있는, 자기 검출 장치.
제4항에 있어서, 상기 한 쌍의 제1 감자기체와는 다른 검출 소자가 배치된 적어도 1개 이상의 검출층을 더 갖고,
상기 검출층은 상기 감자기층 또는 상기 회로층에 적층되어 있는, 자기 검출 장치.
제1항에 있어서, 제2 축 방향으로 연장되는 연자성재로 이루어져 상기 제2 축 방향의 외부 자기장에 감응하는 적어도 한 쌍의 제2 감자기체를 더 구비하고,
상기 자기장 변향체는, 상기 제1 축 방향 및 상기 제2 축 방향과는 다른 타축 방향의 외부 자기장을 상기 제1 축 방향의 성분과 상기 제2 축 방향의 성분 중 적어도 하나 이상의 성분을 갖는 측정 자기장으로 변향하여 상기 적어도 한 쌍의 제1 감자기체와 상기 적어도 한 쌍의 제2 감자기체 중 하나 이상에 의해 감응시킬 수 있는, 자기 검출 장치.