特許 7192227 磁気センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-12

(45)【発行日】2022-12-20

(54)【発明の名称】磁気センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/02 20060101AFI20221213BHJP

   G01R 33/09 20060101ALI20221213BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20221213BHJP

【ＦＩ】

G01R33/02 V

G01R33/09

H01L43/08 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018050414

(22)【出願日】2018-03-19

(65)【公開番号】P2019163935

(43)【公開日】2019-09-26

【審査請求日】2021-01-21

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115738

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲頭 光宏

(74)【代理人】

【識別番号】100121681

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 和文

(72)【発明者】

【氏名】大川 秀一

【審査官】青木 洋平

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１７００２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－００６１２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／２０４１５１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１６６９２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１０７３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００２２１９２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３３／０２

Ｇ０１Ｒ ３３／０９

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の方向に配列された第１及び第２の感磁素子が形成された素子形成面を有するセンサ基板と、
軟磁性材料からなるブロックからなり、前記素子形成面に対して垂直な第２の方向から見て、前記第１の感磁素子と前記第２の感磁素子の間に配置された外部磁性体と、を備え、
前記外部磁性体は、前記第２の方向に突出するアスペクト比が１以上である円柱部と、前記素子形成面を覆い、前記第１の方向における幅が前記円柱部よりも広い幅広部とを含み、
前記円柱部は、前記幅広部から前記第２の方向に突出しており、
前記幅広部は、前記第１又は第２の感磁素子に沿って、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向に延在するエッジ部と、前記円柱部との境界である境界部とを有し、
前記幅広部の前記第１及び第２の方向における断面において、前記エッジ部と前記境界部を結ぶ外縁に角部が設けられていないことを特徴とする磁気センサ。

【請求項2】

前記素子形成面と平行な前記円柱部の断面は、真円であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。

【請求項3】

前記素子形成面と平行な前記円柱部の断面は、楕円であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。

【請求項4】

前記外縁が一直線であ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。

【請求項5】

前記外縁が凹型の円弧状であ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。

【請求項6】

前記外縁が凸型の円弧状であ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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は磁気センサに関し、特に、感磁素子が形成されたセンサ基板と外部磁性体とを備えた磁気センサに関する。

【背景技術】

【0002】

磁気センサには、感磁素子が形成されたセンサ基板の他に、感磁素子に磁束を集めるための外部磁性体が用いられることがある。例えば、特許文献１に記載された磁気センサは、センサ基板の素子形成面に２つの感磁素子が形成されており、平面視でこれら２つの感磁素子間に外部磁性体が配置されている。特許文献１の外部磁性体は、素子形成面に対して垂直な方向に突出する形状を有するとともに、素子形成面と平行な断面が八角形または角部が面取りされた四角形である。これにより、外部磁性体の断面が単純な四角形である場合と比べて、感磁素子により多くの磁束が印加されることから、磁束の検出感度を高めることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－１７００２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載された磁気センサは、外部磁性体の角部や面取り部に磁界が集中し、集磁された磁束が角部や面取り部から漏洩するおそれがあった。

【0005】

したがって、本発明は、外部磁性体によって集磁した磁束の漏洩を低減することが可能な磁気センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明による磁気センサは、第１の方向に配列された第１及び第２の感磁素子が形成された素子形成面を有するセンサ基板と、素子形成面に対して垂直な第２の方向から見て、第１の感磁素子と第２の感磁素子の間に配置された外部磁性体とを備え、外部磁性体は、第２の方向に突出する円柱部を含むことを特徴とする。

【0007】

本発明によれば、外部磁性体が円柱状であることから、外部磁性体によって集磁した磁束が角部から漏洩することがない。このため、より高い検出感度を得ることが可能となる。

【0008】

本発明において、素子形成面と平行な円柱部の断面は、真円であっても構わないし、楕円であっても構わない。これらのいずれにおいても、漏洩磁束を低減することが可能となる。

【0009】

本発明において、外部磁性体は、素子形成面を覆い、第１の方向における幅が円柱部よりも広い幅広部をさらに含み、円柱部は、幅広部から第２の方向に突出していても構わない。これによれば、外部磁性体によって集磁した磁束が感磁素子の近傍でより大きく曲げられ、感磁素子の近傍における磁束の水平成分が増大することから、磁束の検出感度を高めることができる。

【0010】

本発明において、幅広部は、第１又は第２の感磁素子に沿って、第１及び第２の方向と直交する第３の方向に延在するエッジ部と、円柱部との境界である境界部とを有し、幅広部の第１及び第２の方向における断面において、エッジ部と境界部を結ぶ外縁に角部が設けられていなくても構わない。これによれば、外部磁性体によって集磁した磁束が幅広部から漏洩しにくいことから、より高い検出感度を得ることが可能となる。

【0011】

本発明において、外縁は一直線であっても構わないし、凹型の円弧状であっても構わないし、凸型の円弧状であっても構わない。これらのいずれの形状においても、幅広部からの磁束の漏洩を低減することが可能となる。

【発明の効果】

【0012】

このように、本発明によれば、外部磁性体によって集磁した磁束の漏洩を低減することが可能となる。その結果、より高い検出感度を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１０Ａの外観を示す略斜視図である。

【図2】図２は、磁気センサ１０Ａの略上面図である。

【図3】図３は、感磁素子Ｒ１，Ｒ２の接続関係を説明するための回路図である。

【図4】図４は、比較例による外部磁性体３０ａ，３０ｂ，３０ｃのｘｙ断面図である。

【図5】図５は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ１０Ｂの外観を示す略斜視図である。

【図6】図６は、磁気センサ１０Ｂの略上面図である。

【図7】図７は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃの外観を示す略斜視図である。

【図8】図８は、磁気センサ１０Ｃの略上面図である。

【図9】図９は、本発明の第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄの外観を示す略斜視図である。

【図10】図１０は、磁気センサ１０Ｄの略上面図である。

【図11】図１１は、図１０に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。

【図12】図１２は、外部磁性体３０Ｄの形状を説明するための部分的なｘｚ断面図である。

【図13】図１３は、本発明の第５の実施形態による磁気センサ１０Ｅのｘｚ断面図である。

【図14】図１４は、本発明の第６の実施形態による磁気センサ１０Ｆのｘｚ断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。

【0015】

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１０Ａの外観を示す略斜視図である。また、図２は磁気センサ１０Ａの略上面図である。

【0016】

図１及び図２に示すように、本実施形態による磁気センサ１０Ａは、センサ基板２０と、センサ基板２０に付加された外部磁性体３０Ａとを備えている。センサ基板２０はチップ部品であり、ｘｙ平面を構成する素子形成面２０ａには、感磁素子Ｒ１，Ｒ２が形成されている。センサ基板２０の作製方法としては、集合基板に多数のセンサ基板２０を同時に形成し、これらを分離することによって多数個取りする方法が一般的であるが、本発明がこれに限定されるものではなく、個々のセンサ基板２０を別個に作製しても構わない。

【0017】

感磁素子Ｒ１，Ｒ２は、磁束密度によって物理特性の変化する素子であれば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、感磁素子Ｒ１，Ｒ２の感磁方向（固定磁化方向）は、図２の矢印Ｐが示す方向（ｘ方向におけるプラス側）に揃えられている。

【0018】

素子形成面２０ａのｘ方向における略中央部には、円柱状の外部磁性体３０Ａが配置されている。外部磁性体３０Ａ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、接着剤などを用いてセンサ基板２０に接着されていても構わないし、センサ基板２０とともに図示しない他の基板に搭載され、センサ基板２０との相対的な位置関係が固定されているものであっても構わない。外部磁性体３０Ａの高さについては特に限定されないが、アスペクト比が１未満である円盤状は除外される。つまり、本発明が規定する「円柱」とは、アスペクト比が１以上である形状を指す。

【0019】

外部磁性体３０Ａは、ｚ方向から見て、感磁素子Ｒ１と感磁素子Ｒ２の間に配置される。これにより、外部磁性体３０Ａによって集磁された磁束φは、左右にほぼ均等に分配される。この時、磁束φの一部が感磁素子Ｒ１，Ｒ２を通過するため、感磁素子Ｒ１と感磁素子Ｒ２には、互いに逆方向の磁束が与えられることになる。上述の通り、感磁素子Ｒ１，Ｒ２の磁化固定方向は、矢印Ｐが示すｘプラス方向に揃えられていることから、磁束のｘ方向における成分に対して感度を持つことになる

【0020】

図３は、感磁素子Ｒ１，Ｒ２の接続関係を説明するための回路図である。

【0021】

図３に示すように、感磁素子Ｒ１，Ｒ２は、電源電位Ｖｄｄとグランド電位ＧＮＤの間に直列に接続され、感磁素子Ｒ１，Ｒ２の接続点は端子電極４０に接続される。このようなハーフブリッジ接続により、端子電極４０に現れる電位Ｖを参照することにより、磁束密度に応じた感磁素子Ｒ１，Ｒ２の電気抵抗の変化を高感度に検出することが可能となる。

【0022】

具体的には、感磁素子Ｒ１，Ｒ２が同一の磁化固定方向を有していることから、外部磁性体３０Ａの左側に位置する感磁素子Ｒ１の抵抗変化量と、外部磁性体３０Ａの右側に位置する感磁素子Ｒ２の抵抗変化量との間には差が生じる。この差は、図３に示したハーフブリッジ回路によって増幅され、端子電極４０に現れる。したがって、端子電極４０に現れる電位Ｖの差を検出することによって、磁束密度を測定することが可能となる。

【0023】

しかも、本実施形態においては、外部磁性体３０Ａが円柱状であり、そのｘｙ断面が真円であることから、外部磁性体３０Ａに取り込まれた磁束の漏洩が少ない。

【0024】

図４は、比較例による外部磁性体３０ａ，３０ｂ，３０ｃのｘｙ断面図である。

【0025】

図４（ａ）に示すように、外部磁性体３０ａのｘｙ断面が四角形である場合、直角である角部Ｅａが存在することから、外部磁性体３０ａに取り込まれた磁束の一部が角部Ｅａから漏洩してしまう。また、図４（ｂ）に示すように、外部磁性体３０ｂのｘｙ断面が八角形である場合、角部Ｅｂが鈍角となることから磁界の集中は緩和されるものの、やはり磁束の一部が角部Ｅｂから漏洩する。さらに、図４（ｃ）に示すように、外部磁性体３０ｃのｘｙ断面が四角形であり、その角部Ｅｃが面取りされている場合には、磁界の集中はより緩和されるものの、それでも磁束の一部が角部Ｅｃから漏洩する。

【0026】

これに対し、本実施形態においては、外部磁性体３０Ａが円柱状であり、そのｘｙ断面が真円であることから、外部磁性体３０Ａに取り込まれた磁束の漏洩が少なく、より多くの磁束を感磁素子Ｒ１，Ｒ２に印加することが可能となる。その結果、より高い検出感度を得ることが可能となる。

【0027】

＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ１０Ｂの外観を示す略斜視図である。また、図６は磁気センサ１０Ｂの略上面図である。

【0028】

図５及び図６に示すように、本実施形態による磁気センサ１０Ｂは、外部磁性体３０Ａの代わりに外部磁性体３０Ｂが用い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１０Ａと相違している。その他の構成は、第１の実施形態による磁気センサ１０Ａ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。

【0029】

外部磁性体３０Ｂは、ｘｙ断面が真円ではなく楕円であり、長軸方向に感磁素子Ｒ１，Ｒ２が配置されている。これにより、外部磁性体３０Ｂに取り込まれた磁束が効率よく感磁素子Ｒ１，Ｒ２に印加されることから、より高い検出感度を得ることが可能となる。しかも、第１の実施形態と同様、外部磁性体３０Ｂが円柱状であることから、外部磁性体３０Ｂに取り込まれた磁束の漏洩も少ない。

【0030】

＜第３の実施形態＞
図７は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃの外観を示す略斜視図である。また、図８は磁気センサ１０Ｃの略上面図である。

【0031】

図７及び図８に示すように、本実施形態による磁気センサ１０Ｃは、４つの感磁素子Ｒ１～Ｒ４を備えるとともに、外部磁性体３０Ａの代わりに円柱状である２つの外部磁性体３０Ｃ_１，３０Ｃ_２が用い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１０Ａと相違している。その他の構成は、第１の実施形態による磁気センサ１０Ａ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。

【0032】

感磁素子Ｒ１～Ｒ４の感磁方向（固定磁化方向）は、図８の矢印Ｐが示す方向（ｘ方向におけるプラス側）に全て揃えられている。そして、外部磁性体３０Ｃ_１は感磁素子Ｒ１と感磁素子Ｒ４の間に配置され、外部磁性体３０Ｃ_２は感磁素子Ｒ２と感磁素子Ｒ３の間に配置される。感磁素子Ｒ１～Ｒ４はフルブリッジ接続され、これにより、磁界強度に応じた信号レベルの変化がより大きくなる。そして、本実施形態においては、感磁素子Ｒ１，Ｒ４に磁束を印加する外部磁性体３０Ｃ_１と、感磁素子Ｒ２，Ｒ３に磁束を印加する外部磁性体３０Ｃ_２を別個に設けていることから、感磁素子Ｒ１～Ｒ４に磁束をより集中させることが可能となる。

【0033】

尚、図７及び図８に示す例では、外部磁性体３０Ｃ_１，３０Ｃ_２のｘｙ断面がいずれも真円であるが、楕円であっても構わない。

【0034】

＜第４の実施形態＞
図９は、本発明の第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄの外観を示す略斜視図である。また、図１０は磁気センサ１０Ｄの略上面図であり、図１１は図１０に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。

【0035】

図９～図１１に示すように、本実施形態による磁気センサ１０Ｄは、外部磁性体３０Ｃ_１，３０Ｃ_２の代わりに１つの外部磁性体３０Ｄが用いられている点において、第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃと相違している。その他の構成は、第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃ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。また、感磁素子Ｒ１～Ｒ４は、保護膜２１で覆われている。

【0036】

図１２は、外部磁性体３０Ｄの形状を説明するための部分的なｘｚ断面図である。

【0037】

図１２に示すように、本実施形態において使用する外部磁性体３０Ｄは、素子形成面２０ａを覆う幅広部３１Ｄと、幅広部３１Ｄからｚ方向に突出する円柱部３２Ｄを含んでいる。幅広部３１Ｄは、素子形成面２０ａに対してｚ方向に近づくほどｘ方向における幅が拡大するテーパー形状を有しており、そのｘ方向における最大幅はＷ１である。これに対し、円柱部３２Ｄのｘ方向における幅Ｗ２は一定であり、幅広部３１Ｄのｘ方向における幅Ｗ１よりも狭い。このような形状を有していることから、外部磁性体３０Ｄの円柱部３２Ｄによって集磁されたｚ方向の磁束φは、幅広部３１Ｄによって水平方向に曲げられ、ｘ方向成分が増大する。これにより、感磁素子Ｒ１～Ｒ４にｘ方向成分の磁束がより多く印加されることから、検出感度が高められる。本実施形態においては、円柱部３２Ｄのｘｙ断面が楕円であるが、真円であっても構わない。

【0038】

さらに、外部磁性体３０Ｄのｘｚ断面は、幅広部３１Ｄの先端であるエッジ部Ｅ１と、幅広部３１Ｄと円柱部３２Ｄの境界である境界部Ｅ２を有し、エッジ部Ｅ１と境界部Ｅ２を結ぶ外縁Ｌに角部が設けられておらず、一直線である。ここで、エッジ部Ｅ１とは、感磁素子Ｒ１～Ｒ４に沿ってｙ方向に延在する先端部であり、そのｘｚ断面は鋭角であることから、エッジ部Ｅ１に磁界が集中し、多くの磁束がここから放出される。そして、エッジ部Ｅ１は、素子形成面２０ａの直上に位置し、感磁素子Ｒ１～Ｒ４との距離が非常に近いことから、エッジ部Ｅ１から放出される磁束のｘ方向成分が感磁素子Ｒ１～Ｒ４に効率よく印加される。

【0039】

しかも、エッジ部Ｅ１と境界部Ｅ２を結ぶ外縁Ｌが一直線であり、角部が設けられていないことから、外部磁性体３０Ｄに取り込まれた磁束の漏洩が低減される。その結果、より多くの磁束が感磁素子Ｒ１～Ｒ４に印加されるため、より高い検出感度を得ることが可能となる。

【0040】

＜第５の実施形態＞
図１３は、本発明の第５の実施形態による磁気センサ１０Ｅのｘｚ断面図である。

【0041】

図１３に示すように、本実施形態による磁気センサ１０Ｅは、外部磁性体３０Ｄの代わりに外部磁性体３０Ｅが用いられている点において、第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄと相違している。その他の構成は、第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄ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。

【0042】

本実施形態において使用する外部磁性体３０Ｅは、外部磁性体３０Ｄと同様、素子形成面２０ａを覆う幅広部３１Ｅと、幅広部３１Ｅからｚ方向に突出する円柱部３２Ｅを含んでいる。そして、幅広部３１Ｅは、素子形成面２０ａに対してｚ方向に近づくほどｘ方向における幅が拡大するとともに、その拡大量が増加する形状を有している。つまり、エッジ部Ｅ１と境界部Ｅ２を結ぶ外縁Ｌが凹型の円弧状であり、角部が設けられていない。このような形状を有する外部磁性体３０Ｅを用いた場合であっても、第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄと同様の効果を得ることができるとともに、エッジ部Ｅ１がより鋭角となることから、感磁素子Ｒ１～Ｒ４に印加される磁束のｘ方向成分をより大きくすることが可能となる。

【0043】

＜第６の実施形態＞
図１４は、本発明の第６の実施形態による磁気センサ１０Ｆのｘｚ断面図である。

【0044】

図１４に示すように、本実施形態による磁気センサ１０Ｆは、外部磁性体３０Ｄの代わりに外部磁性体３０Ｆが用いられている点において、第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄと相違している。その他の構成は、第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄ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。

【0045】

本実施形態において使用する外部磁性体３０Ｆは、外部磁性体３０Ｄと同様、素子形成面２０ａを覆う幅広部３１Ｆと、幅広部３１Ｆからｚ方向に突出する円柱部３２Ｆを含んでいる。そして、幅広部３１Ｆは、素子形成面２０ａに対してｚ方向に近づくほどｘ方向における幅が拡大するとともに、その拡大量が減少する形状を有している。つまり、エッジ部Ｅ１と境界部Ｅ２を結ぶ外縁Ｌが凸型の円弧状であり、角部が設けられていない。このような形状を有する外部磁性体３０Ｆを用いた場合であっても、第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄと同様の効果を得ることができるとともに、エッジ部Ｅ１の角度が緩和されることから、外部磁性体３０Ｆの機械的強度を高めることが可能となる。

【0046】

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。

【符号の説明】

【0047】

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ 磁気センサ
２０ センサ基板
２０ａ 素子形成面
２１ 保護膜
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ_１，３０Ｃ_２，３０Ｄ，３０Ｅ，３０Ｆ，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 外部磁性体
３１Ｄ，３１Ｅ，３１Ｆ 幅広部
３２Ｄ，３２Ｅ，３２Ｆ 円柱部
４０ 端子電極
Ｅ１ エッジ部
Ｅ２ 境界部
Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ 角部
Ｌ 外縁
Ｒ１～Ｒ４ 感磁素子
φ 磁束

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】