JP2006003116A

JP2006003116A - 磁気センサ

Info

Publication number: JP2006003116A
Application number: JP2004177176A
Authority: JP
Inventors: Osamu Shimoe; 治下江
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】方位検出に関して高い感度を有し、小型で量産性にも優れた３軸磁気センサを提供する。
【解決手段】直交する２軸を含む面方向に感度を有するように形成された磁気抵抗効果素子を備えた２軸磁気センサ部と、２軸磁気センサ部に前記直交２軸を含む面から突出するように設けられ、前記直交２軸と直交する第３軸方向の磁気成分を、直交２軸を含む面方向に曲げて前記２軸磁気センサ部で検知させる磁性部材と、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をもとに３軸方向の出力を検出する信号処理手段とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサに係わり、特に、地磁気を検知して方位を検出する方位センサに好適な磁気センサに関する。

方位センサは、磁気を検知する感磁素子を用いて地磁気を基準とした地磁気方位を検出する磁気センサである。地磁気方位とは地磁気ベクトルの地面に対する水平方向の向きであり、通常、方位センサの一表面を基準とし、該表面に平行或いは直交する２軸方向で地磁気成分を検知し、これより地磁気方位を求める２軸磁気センサが用いられている。しかし、方位検出に当り、方位センサの基準表面が地面に対して傾いていると、その変動量に応じて検知される地磁気成分は変わってしまい、正しい方位が得られなくなる。また、実際には、日本国内では地磁気自身が地表面に対して水平ではなく、３５度〜６０度の範囲にわたり傾いており（伏角）、方位を地磁気から求めるためには、この傾きも考慮する必要がある。これら方位センサ自体の地表面からの傾きや伏角による誤差を補正して、より精度の高い方位を検出するためには、３軸方向で地磁気成分を検知すればよく、例えば特許文献１にはホール素子を用いた３軸方位センサが提案されている。

ホール素子は素子面に垂直な磁界成分を検出する感磁素子であり、特許文献１に記載の３軸磁気センサは、支持体の表面上に、該表面に直交するＺ軸方向を感磁方向とした一対のホール素子を該表面内で直交するＸ軸とＹ軸の各々の軸方向に配置するとともに、ホール素子の上方に磁気集束板を支持体表面に平行に配置し、磁気収束板をその外周端部がホール素子の近傍になるように配設している。このため、支持体表面に平行なＸ軸、Ｙ軸方向の磁束は、磁気集束板で収束されて磁気収束板端部近傍でＺ軸方向に広がるため、ホール素子で検知することができる。この時の例えばＸ軸方向に配置された一対のホール素子は、Ｘ軸方向の磁束だけでなくＺ軸方向の磁束も検知し、その総量分が出力される。しかし、Ｘ軸方向の磁束は磁気収束板の両端部では逆向きのＺ軸方向磁束として検知されるので、一対のホール素子の出力の差分をとることで、Ｚ軸方向の磁束分をキャンセルしてＸ軸方向の磁束だけを検出することができると説明されている。また、Ｙ軸方向の磁束も同様にして検出することができ、Ｚ軸方向の磁束は全ホール素子の出力の和をとることで、Ｘ軸及びＹ軸方向の磁束分をキャンセルして検出できると説明されている。
特開２００３−１７２６３３号公報（段落番号００２９〜００３４）

方位センサをモバイル端末機器に搭載するためには、外形が小さいこと、地磁気を検知できる感度をもつこと、安価に大量生産できることなどが求められる。特許文献１に開示されている３軸方位センサは、感磁素子としてホール素子を用いており、ホール素子は小型化、量産性には優れているが、１００μＴ以下の地磁気に対して得られる出力電圧は１ｍＶ以下であり、半導体を用いているため抵抗体の熱雑音以外にホール素子自身の発生する雑音１／ｆ雑音等があり、検知可能な分解能がｍＴ程度と低く、地磁気の磁束密度がおよそ３０μＴ前後であることを考えると、地磁気の測定を十分なＳ／Ｎで行うことは困難であり、精度高く方位を検出するという点では不十分である。また、検出すべき地磁気信号との相対比であるＳＮ比を向上させ精度良く測定するためには、ランダムな雑音成分を長時間平均化すればよいが、測定に時間がかかるという問題がある。

従って、本発明の目的は、方位検出に十分な感度を有し、小型で量産性にも優れた３軸磁気センサを提供することである。

一般に、磁気抵抗効果素子は基板上にパターニングされた薄膜強磁性体からなり、この薄膜の電気抵抗が磁気抵抗効果素子に印加されている磁界によって変化するため、磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化分Ｒは、薄膜磁性体の磁化方向と電流の方向との成す角度をθとして、Ｒ(θ)＝ΔＲ・ｃｏｓ^２θであらわされる（ΔＲは抵抗変化の最大値）。その金属薄膜の厚さは通常数十ナノメートルで、その面内寸法（数１０マイクロメートルから数百マイクロメートル）より十分に小さいため、磁化は薄膜の面内に向いている。電流も通常面方向を流れていることから、磁気抵抗効果素子は面に平行な磁界に対して感度を持ち、面に垂直方向には感度を持たないという特徴がある。これより、面内に感度を有する薄型化された２軸磁気センサを実現することができ、既にこのような２軸センサは市場に提供されている。また、磁気抵抗効果素子は、ホール素子より高い感度を持ち、地磁気に対して数ｍＶの出力を得ることができるばかりでなく、金属薄膜でできているため、発生する雑音も小さく高いＳ／Ｎで地磁気を検知できる。本発明者は、これらの技術的背景をもとに鋭意検討し、本発明を完成したものである。

本発明は、直交する２軸を含む面方向に感度を有するように形成された磁気抵抗効果素子を備えた２軸磁気センサ部と、２軸磁気センサ部に前記直交２軸を含む面から突出するように設けられ、前記直交２軸と直交する第３軸方向の磁気成分を、直交２軸を含む面方向に曲げて前記２軸磁気センサ部で検知させる磁性部材と、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をもとに３軸方向の出力を検出する信号処理手段とを有することを特徴としている。

さらに本発明は前記２軸磁気センサ部を挟んで前記磁性部材とは反対側にさらに第２の磁性部材を設けることを特徴とする。また、前記磁性部材は膜体であることが好ましい。

また、本発明における前記２軸磁気センサ部は、平行な対辺対を少なくとも２組有する平面コイルと、該コイル面に平行な平面に形成された４組の磁気抵抗効果素子対を有し、磁気抵抗効果素子対のうち２組の各一方の磁気抵抗効果素子２個それぞれの長手方向が前記平面コイルの対辺対の同じ１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗効果素子２個それぞれの長手方向が前記対辺対の前記１辺の対辺のみと交差しているとともに、前記磁気抵抗効果素子対のうち他の２組の各一方の磁気抵抗効果素子２個それぞれの長手方向が他の対辺対の同じ１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗効果素子２個それぞれの長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の対辺のみと交差して、平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗効果素子同士の長手方向は非平行になっていることが好ましい。
また、本発明における前記２軸磁気センサ部は、各磁気抵抗効果素子対の一方の端子同士は接続され、そこから取り出された中間電位出力が信号処理手段に入力されていることが望ましい。

さらに本発明は、前記４組の磁気抵抗効果素子対からなる集合体、前記平面コイルおよび前記磁性部材が２軸磁気センサ部の中心に対して４回対称性を有する形状であることを特徴とする。

本発明の磁気センサは、その基本構造は、面内に形成した磁気抵抗効果素子を備えた２軸センサ部と該面に垂直方向の磁界を面方向に導く磁性部材からなり、小型で薄型かつ高精度な３軸磁気センサを実現する。特に、方位センサとして地図情報を利用する携帯型の端末や携帯型電子機器等に搭載すると、搭載した機器自体の姿勢や測定場所に係わらず方位を精度高く検出することができ有効である。

本発明の磁気センサは、面内方向に感度を有する磁気抵抗効果素子を用いて一面の直交２軸（Ｘ、Ｙ）方向で磁気を検知する２軸磁気センサ部と、２軸磁気センサ部に前記直交２軸を含む面から突出するように設けられ、前記直交２軸と直交する第３軸方向（Ｚ方向）の磁気成分を、直交２軸を含む面方向に曲げて前記２軸磁気センサ部で検知させる磁性部材を備え、磁気抵抗効果素子の抵抗値変化を処理して磁気成分を３軸方向で検出するものである。すなわち、第３軸方向の磁気成分は磁性部材で収束されるため、該磁性部材端部近傍ではもともと第３軸方向であった磁気成分が曲げられて２軸（Ｘ、Ｙ）方向の成分を有することとなり、かかる成分が２軸磁気センサ部で検出されるのである。これによって、２軸磁気センサ部以外に新たな磁気センサ部を必要とすることなく３軸の磁気センサを構成することが可能となる。

また、前記２軸磁気センサ部を挟んで前記磁性部材とは反対側にさらに第２の磁性部材を設けることにより、第３軸方向の磁気成分をより効果的に２軸磁気センサ部に導き検出させることができる。この場合磁性部材と第２の磁性部材とを２軸平面方向によりずらして配置することによって、第３軸方向の磁気成分をより２軸平面方向に向けやすくなる。
以下、実施の形態をもとに、２軸センサ部と磁性部材の組み合わせや構成について具体的に説明する。なお、以降の説明では磁気抵抗効果素子をＭＲ素子と略す。

（第１の実施の形態）図１は、本発明の１実施形態を説明する方位センサの外観図である。基板１３表面に平行で互いに直交するように設定した２軸（Ｘ、Ｙ軸）方向で地磁気成分を検知する２軸磁気センサ部１０と、２軸磁気センサ部上に配置され前記２軸を含む面に対して垂直方向（Ｚ軸）の磁界を集める磁性部材１とを備えている。磁性部材１は、２軸磁気センサ部表面に形成された保護絶縁膜１２に例えばエポキシ系接着剤で固定され、表面には防錆コーティングが施されている。磁性部材１は、２軸磁気センサ部１０に配設された複数のＭＲ素子Ｒ（図４参照）に対し、後述する所定の位置関係になるように位置決めされており、磁性部材１で集められた磁束は前記２軸磁界センサ部１０に導かれ、増幅検知回路で３軸方向の地磁気成分に分離されて出力される。

まず、本発明の磁気センサに係る２軸磁気センサ部１０について詳しく説明する。２軸磁気センサ部１０は、感磁素子としてのＭＲ素子Ｒと、ＭＲ素子Ｒにバイアス磁界を印加する平面コイルＣを有しており、ウエハ状のシリコン基板上に半導体製造プロセス等を用いて多数個形成した後、切り離して個々の２軸磁気センサ部１０とするとよい。２軸磁気センサ部１０では、基板１３の表面部にＭＲ素子Ｒが形成され、その上に絶縁膜を介して平面コイルＣが形成されており、例えば基板のサイズは縦横が２ｍｍ×２ｍｍ、厚さが０．３ｍｍ、成膜したＭＲ素子Ｒや平面コイルＣなどの薄膜部分の厚さは０．１〜１０μｍである。図２はＭＲ素子Ｒと平面コイルＣの関係を示す展開斜視図である。

図２において、平面コイルＣは薄膜プロセスで作成されたもので、平行な対辺対を少なくとも２組有する平面コイルであり（ここでは正方形）、数十回巻かれている。この平面コイル面と対向した面に、平面コイルＣの外形寸法を放射状に８等分したような、略台形状の４組の磁気抵抗効果素子対（８個のＭＲ素子Ｒ）が配列されたＭＲ素子集合体が形成されている。１個のＭＲ素子は、ミアンダ（つづら折）状のパターンとするとよい。つづら折の長い方の部分が感磁部であり、感磁部の長手方向が略放射状となるように８個のＭＲ素子の各々が配置されている。図２に示すように、平面コイルＣ或いはＭＲ素子集合体の辺に沿った方向をＸ軸及びＹ軸方向とすると、前記８個のＭＲ素子は、対向する辺の向かい合うＭＲ素子を対と考えると、Ｘ軸方向の２組のＭＲ素子対（Ｒｘ１、Ｒｘ２），（Ｒｘ３、Ｒｘ４）と、Ｙ軸方向の２組のＭＲ素子対（Ｒｙ１、Ｒｙ２），（Ｒｙ３、Ｒｙ４）とになる。

ここでＭＲ素子の配置及び電気的な接続について、Ｘ軸方向の２組のＭＲ素子対（Ｒｘ１、Ｒｘ２）、（Ｒｘ３、Ｒｘ４）をもとに説明する。２組のＭＲ素子対の各一方のＭＲ素子Ｒｘ１、Ｒｘ４のそれぞれの感磁部長手方向（以降、単に長手方向と略す）は、平面コイルＣの対辺対の同じ１辺Ｃ１１のみと４５度の角度で交差している。他方のＭＲ素子Ｒｘ２、Ｒｘ３の長手方向は、平面コイルＣの前記対辺対の１辺の対辺すなわち辺Ｃ１２のみと４５度の角度で交差している。そして、平面コイルの同じ辺Ｃ１１（Ｃ１２）と交差している磁気抵抗効果素子同士Ｒｘ１、Ｒｘ４（Ｒｘ２、Ｒｘ３）の長手方向は非平行であり、図２の例では直交している。また、ＭＲ素子Ｒｘ１の長手方向とＭＲ素子Ｒｘ２の長手方向およびＲｘ３の長手方向とＲｘ４の長手方向はともに非平行であり、図２の例では直交している。これらＭＲ素子Ｒｘ１とＲｘ２の一方の端部同士およびＲｘ３とＲｘ４の一方の端部同士（図２でＭＲ素子集合体の内部側にある端部）は接続されており、ＭＲ素子Ｒｘ１およびＲｘ３の他方の端部（図２でＭＲ素子集合体の外部側にある端部）は電源（Ｖｃｃ）に接続され、ＭＲ素子Ｒｘ２およびＲｘ４の他方の端部（図２でＭＲ素子集合体の外部側にある端部）は接地端子（ＧＮＤ）に接続されている。即ち、ＭＲ素子Ｒｘ１とＭＲ素子Ｒｘ２およびＭＲ素子Ｒｘ３とＭＲ素子Ｒｘ４とはそれぞれ直列に接続されている。なお、本実施例ではＭＲ素子の長手方向とコイルの対辺対の１辺との交差角度は４５度としたが、３０度よりも大きく９０度以内であればよい。

他のＭＲ素子対についても、そのＭＲ素子は前記ＭＲ素子対（Ｒｘ１、Ｒｘ２）、（Ｒｘ３、Ｒｘ４）で説明したと同様に配置、接続されている。即ち、前記ＭＲ素子対の各一方のＭＲ素子Ｒｙ１，Ｒｙ４の長手方向は平面コイルＣの対辺対の１辺Ｃ１３のみと、各他方のＭＲ素子Ｒｙ２，Ｒｙ３の長手方向は平面コイルＣの前記対辺対の１辺の対辺Ｃ１４のみと４５度の角度で交差している。そして、平面コイルの同じ辺Ｃ１３（Ｃ１４）と交差している磁気抵抗効果素子同士Ｒｙ１、Ｒｙ４（Ｒｙ２、Ｒｙ３）の長手方向は非平行であり、図２の例では直交している。そして、ＭＲ素子Ｒｙ１，Ｒｙ３それぞれの長手方向は、そのＭＲ素子対の対応するＭＲ素子Ｒｙ２，Ｒｙ４の長手方向と非平行であり、図２の例では直交している。また、ＭＲ素子Ｒｙ１とＲｙ２の一方の端部（図２でＭＲ素子集合体の内側にある端部）同士、ＭＲ素子Ｒｙ３とＲｙ４の一方の端部（図２でＭＲ素子集合体の内側にある端部）同士それぞれは接続されており、ＭＲ素子対（Ｒｙ１、Ｒｙ２）及び（Ｒｙ３、Ｒｙ４）は各々直列に接続されている。

図２で示す２軸磁気センサ部１０の電気的な構造模式図を図３に示す。図２から理解できるように、平面コイルＣに直流電流を流した時、平面コイル面に平行な面には、コイルの内側から外へ、あるいは外から内側へ向いた直流磁界が生じるので、ＭＲ素子に直流バイアス磁界が印加されることになる。直流バイアスをかけることによって、ＭＲ素子の動作点を磁界に対して感度の高い領域に設定することが可能となる。特に、高感度を得る観点からＭＲ素子の長手方向とバイアス磁界方向との角度を略４５度とすることが好ましい。図３に示すように、平面コイルＣに右回りの電流Ｉｃが流れるとＭＲ素子Ｒｘ１とＲｘ４には＋Ｘ方向の磁界が、ＭＲ素子Ｒｘ２とＲｘ３には−Ｘ方向の磁界が印加されて、Ｘ軸方向の地磁気成分を検知することができる。また、ＭＲ素子Ｒｙ１とＲｙ４には＋Ｙ方向の磁界が、ＭＲ素子Ｒｙ２とＲｙ３には−Ｙ方向の磁界が印加されて、Ｙ軸方向の地磁気成分を検知することができる。

ここで、リセットが負電流、バイアスを正電流とし、８個のＭＲ素子Ｒｘ１〜Ｒｘ４及びＲｙ１〜Ｒｙ４の抵抗値をｒｘ１〜ｒｘ４及びｒｙ１〜ｒｙ４として、図３及び図５の一部を参照しながら、より詳細に説明する。それぞれの抵抗値は、２軸の外部磁界Ｈｘ，Ｈｙに対して適切にバイアスを掛けられたＭＲ素子の線形領域で次のように変化させることができる。なお８個のＭＲ素子の動作点（バイアス磁界のみ）での抵抗値をすべて等しくｒ０とおいた。
ｒｘ１＝ｒ０−Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ
ｒｘ２＝ｒ０＋Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ
ｒｘ３＝ｒ０＋Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ
ｒｘ４＝ｒ０−Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ
ｒｙ１＝ｒ０＋Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ
ｒｙ２＝ｒ０＋Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ
ｒｙ３＝ｒ０−Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ
ｒｙ４＝ｒ０−Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ

Ｘ軸ブリッジからの二つの出力、すなわち磁気抵抗効果素子対ｒｘ１／ｒｘ２とｒｘ３／ｒｘ４の中間電位出力Ｖｘ_＋、Ｖｘ₋を信号処理手段に入力して演算させることにより以下に示すように容易にＸ軸方向の磁気成分に対応した出力を得ることができる。中間電位出力Ｖｘ_＋、Ｖｘ₋の差を増幅した電圧Ｘ１に比例する量は次式で求められる。
Ｘ１∝Ｖｘ_＋−Ｖｘ₋
∝(ｒｘ２−ｒｘ１)−(ｒｘ４−ｒｘ３)
＝(Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ＋Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ)
−(−Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ−Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ)
＝(２×Ｋｘ×Ｈｘ)−(−２×Ｋｘ×Ｈｘ)
＝４×Ｋｘ×Ｈｘ
同様にＹ軸ブリッジからの出力に比例する量は次式のように求められる。
Ｙ１∝Ｖｙ_＋−Ｖｙ₋
∝(ｒｙ２−ｒｙ１)−(ｒｙ４−ｒｙ３)
＝４×Ｋｙ×Ｈｙ
このように、２軸磁気センサ部を本発明の構成とすることにより、磁気抵抗効果素子対の中間電位出力を用いてＸ、Ｙ軸用出力端子からはそれぞれの軸に対応する出力を独立に得ることができる。また、パルス的なリセット電流とバイアス電流を反転してこの動作を行なうと、ブリッジから符号の反転した信号成分出力を得ることができる。この２回の測定出力の差をとることによって、直流的なオフセットや、雑音の減少を図れ、信号出力を２倍とすることができる。

次に、２軸磁気センサ部１０の感磁面に対して垂直方向（Ｚ軸）の磁界を集め２軸磁気センサ部に導く磁性部材１について説明する。磁性部材１は、Ｚ軸方向の地磁気成分を効率よくかき集めるとともにＸＹ方向へ曲げるための手段であり、図７にも示すように、Ｚ軸方向に突出するように取り付けられ、Ｚ軸方向の磁束を集めてＺ軸方向成分の磁束密度が最も高くなる平坦状或いは曲面状の端面を有している。図７に示すように、磁界が矢印方向にある場合、Ｚ軸方向に開放された上端面１ａがＺ軸方向の磁界を集める部位となり、２軸磁気センサ部１０の表面もしくはそれを構成する基板１３の表面に取り付けられる下端面１ｂが、前記上端面１ａで集めた磁界を２軸磁気センサ部側に放出する部位となる。下端面１ｂは、２軸磁気センサ部１０の表面もしくはそれを構成する基板１３の表面に対して平行であってもよいし、２軸磁界センサ部１０を構成するＭＲ素子Ｒの面方向を向くように形成してもよい。要は、ＭＲ素子Ｒに磁力線を有効に導く形状であればよい。

前記磁性部材１は、強磁性体で透磁率が高い材料を用いることが望ましい。例えば酸化物磁性材料、鉄系磁性材料の他、パーマロイ、軟磁性アモルファス材料、ナノ結晶軟磁性材料などであって、箔、細線、薄帯もしくは薄板の形状のものを用いるとよい。

前記磁性部材１は、前記２軸磁気センサ部１０の表面もしくは基板１３の表面に略平行な断面が十字型であり、４回の回転対称軸を持っている。十字型の磁性部材１は、例えば、高透磁率の薄板を張り合わせて組み立てたり、断面十字型の棒材もしくは線材を適当な長さに切断したり、十字型の基体の表面に高透磁率材料の膜をメッキ等の製膜方法により被着させたり、十字型の基体の表面に箔もしくは薄帯の高透磁率材料を貼り付けたりして形成することができる。磁性部材全体として集磁の機能を発揮するのであれば、前記基体は非磁性や低透磁率の材料で構成されていても良いが、高効率の集磁をなし、小型化を追求するためには、高透磁率材料のみで磁性部材を構成することが望ましい。特に、前記磁性部材をスパッタ、めっき等の成膜手段によって作製した膜体とすることによって製造工程を簡略化するとともに低背の磁気センサを構成することができる。

前記磁性部材１の高さ（Ｚ軸方向への突出高さ）ｈは、図１、７では誇張して示しているが、５００μｍ程度である。なお、より小型・低背の磁気センサとする場合には、前記磁性部材の高さは低いほうが有利であり、その場合好ましくは１０μｍ以下である。また、十字型断面における断面積（厚さｔ×長さｓ）はＭＲ素子集合体の大きさによって適宜設定されるが、第３軸（Ｚ）方向の磁気成分を高効率で２磁気センサ部に導く観点からは、厚さｔは十字型の一つの羽部分が一つのＭＲ素子からはみ出さない範囲とすることが好ましい。

以上説明したように、第１の実施形態の磁気センサは、２軸磁気センサ部１０上に、十字型の磁性部材１を保護絶縁膜１２を介して配置した構成である。図４は前記した２軸磁気センサ部１０におけるＭＲ素子Ｒと磁性部材１との平面的な配置を示す図であり、図５はＭＲ素子からの出力を加減算し振幅を大きくするための増幅器の回路接続図である。図４に示すように、磁性部材１は、２軸磁気センサ部１０の有するＭＲ素子集合体の中心にその十字の中心をほぼ一致させるとともに、十字の羽（フィン）をＸ、Ｙ軸から角度φ回転させて配置される。角度φは０度より大きく、４５度未満の範囲とするが、略中間の２３度程度に設定することが望ましい。さらに、対称性を考えて４５度の整数倍を加えても同様である。従って、1個おきの４個のＭＲ素子（ｒｘ１、ｒｙ４、ｒｘ３、ｒｙ２：第１感磁素子）の上に磁性部材１の十字の羽（フィン）が配置され、他の４個のＭＲ素子（ｒｙ１、ｒｘ２、ｒｙ３、ｒｘ４：第２感磁素子）の上にはフィンは配置されないことになる。即ち、第１感磁素子は前記磁性部材１から大きな磁界を受け、第２感磁素子が磁性部材１から受ける磁界は第１の感磁素子より小さい。なお、第１感磁素子または第２感磁素子のいずれか一方のグループについて、つづら折の向きを変えて感磁部の長手方向が中心を向く方向とは略直交するように配置して、第１感磁素子と第２感磁素子のＺ軸方向磁界成分に対する感度を変えることも可能である。また、第１感磁素子と第２感磁素子を交互に隣り合うように配置しているので、測定信号のノイズを相殺してより高精度の測定を行うことができる。また、図２、図４に示すようにＭＲ素子集合体および平面コイルをＸ，Ｙ平面方向において２軸磁気センサ部の中心に対して４回対称性を有する形状とし、磁性部材も同様に４回対称性を有する形状とすることで、以下に示すようにＸ、Ｙ軸に加えてＺ軸方向の磁気成分も容易に演算・検出することができる。なお、４回対称性を有する磁性部材の形状は、上記十字形状の他、例えば正方形等を用いることができる。

次に、３軸方向の地磁気成分の検知方法について図４、５をもとに説明する。
上記構造の磁気センサにおいては、磁性部材１の近傍では磁力線が曲がり、磁気抵抗素子はＺ軸磁界Ｈｚに対しても抵抗変化を引き起こすようになる。十字の磁性体からの距離の差によって、第１感磁素子と第２感磁素子とでは異なる抵抗値となるが、ここでは簡単化するために、第１感磁素子の４個のＭＲ素子のみが等しく影響を受け、第２感磁素子の４個のＭＲ素子は影響を受けないものとすると、各ＭＲ素子は次のように抵抗変化が起きる。なお、十字形の対称性から明らかなように、Ｈｚに対する感度の係数の差があれば同様の結論を得ることができる。
ｒｘ１＝ｒ０−Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ−Ｋｚ×Ｈｚ
ｒｘ２＝ｒ０＋Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ
ｒｘ３＝ｒ０＋Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ−Ｋｚ×Ｈｚ
ｒｘ４＝ｒ０−Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ
ｒｙ１＝ｒ０＋Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ
ｒｙ２＝ｒ０＋Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ−Ｋｚ×Ｈｚ
ｒｙ３＝ｒ０−Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ
ｒｙ４＝ｒ０−Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ−Ｋｚ×Ｈｚ

図５をもとに、前述した２軸の場合と同様に各軸の出力を求める。
１）Ｘ軸に対して
Ｘ１∝Ｖｘ_＋−Ｖｘ₋
∝(ｒｘ２−ｒｘ１)−(ｒｘ４−ｒｘ３)
＝(Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ＋Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ＋Ｋｚ×Ｈｚ)
−(−Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ−Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ−Ｋｚ×Ｈｚ)
＝４×Ｋｘ×Ｈｘ
２）Ｙ軸に対して
Ｙ１∝Ｖｙ_＋−Ｖｙ₋
∝(ｒｙ２−ｒｙ１)−(ｒｙ４−ｒｙ３)
＝(Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ−Ｋｚ×Ｈｚ−Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ)
−(−Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ−Ｋｚ×Ｈｚ＋Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ)
＝４×Ｋｙ×Ｈｙ
３）Ｚ軸に対して
Ｚ１∝Ｖｚ_＋−Ｖｚ₋
∝(ｒｘ２＋ｒｘ４−ｒｘ１−ｒｘ３)−(ｒｙ２＋ｒｙ４−ｒｙ１−ｒｙ３)
＝(Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ−Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ＋Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ
＋Ｋｚ×Ｈｚ−Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ＋Ｋｚ×Ｈｚ）
−(Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ−Ｋｚ×Ｈｚ−Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ−Ｋｚ×Ｈｚ
−Ｋｘ×Ｈｘ＋Ｋｙ×Ｈｙ＋Ｋｘ×Ｈｘ−Ｋｙ×Ｈｙ)
＝(＋Ｋｚ×Ｈｚ＋Ｋｚ×Ｈｚ)−(−Ｋｚ×Ｈｚ−Ｋｚ×Ｈｚ)
＝４×Ｋｚ×Ｈｚ
以上、Ｘ軸、Ｙ軸と同様、Ｚ軸に対しても独立な出力が得られることがわかる。このように、４組の磁気抵抗効果素子対の中間電位出力を信号処理手段に入力し、演算させることによって、２つのブリッジで素子数や端子数を増やさずに１つの増幅器の追加のみで３軸の磁界検出を可能としている。

平面コイルおよび４組のミアンダ状ＭＲ素子を有する２軸磁気センサ部ならびに磁性部材を用いた上述の実施形態の構造の磁気センサを試作し、３軸磁界検知性能を評価した。磁性部材１は、厚さｔが１０μｍのナノ結晶軟磁性材料（日立金属製ファインメット（登録商標））箔を、一辺の長さｓが５００μｍで、高さｈが４００μｍの十字形に形成した。また、ＭＲ素子にはパーマロイ膜を用いた。図６に図５に示すＸ１、Ｙ１、Ｚ１軸用増幅器からの出力電圧の例を示す。図６（ａ）はＸ軸方向に磁界を印加した時の各軸Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１に表われる出力を示す図である。図６（ｂ）、（ｃ）は、同様にＹ軸またはＺ軸に磁界を印加した時の各軸Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１に表われる出力を示す図である。いずれも、磁界印加軸の出力が、他の軸からほぼ独立して得られていることがわかる。なお、数式的に演算を行って必要のない軸からの不要な成分を消す処理などを行なうことで、より高精度な出力を得ることが可能である。なお、磁性部材として一辺が５００μｍの立方体フェライト磁性体を用い、そのコーナー部が前記十字形の一辺と同じ向きになるようにセットした磁気センサも試作し評価したが、上記十字型磁性部材の場合と同様にＺ軸方向の磁界も検出する３軸磁気センサとして機能することが確認された。

（第２の実施の形態）図８に示す第２の実施の形態の磁気センサは、第１の実施の形態の磁気センサに備えた磁性部材（以降、第１磁性部材と称する）１に、さらに第２の磁性部材１１を付加した構成である。第２の磁性部材は、第１磁性部材１から放出された磁束を２軸磁気センサ部１０のＭＲ素子が受けやすい向きに矯正するものである。即ち、かかる第２の磁性部材は、元はＺ軸の磁界成分であった磁界（磁性部材１からの磁界）をＭＲ素子の感磁方向（Ｘ、Ｙ平面方向）に導く作用を有しており、該Ｚ軸成分をよりいっそう感磁方向に近づけ、感度を向上する効果をもたらす。第２の磁性部材１１には第１磁性部材１と同様、透磁率の高い材料を用いることが望ましい。第２磁性部材１１は、前記２軸磁気センサ部を挟んで前記磁性部材とは反対側に設けられる。この場合第１磁性部材と第２の磁性部材とを２軸平面方向にずらして配置することによって、第３軸方向の磁気成分をより２軸平面方向に向けやすくなる。図８の例では、裏面側は図示されていないが、第２の磁性部材１１のＭＲ素子集合体部と対向する部分は中抜きされている。この第２磁性部材１１は、前記と同様、２軸磁気センサ部形成のウエハ製造工程で、フォトリソグラフィーやマスクパターニング等の手法を用いて成膜して形成するとよいが、ウエハ製造工程の後に軟磁性体のシートを貼り付けて形成してもよい。この第２の磁性部材１１の形状は、中抜きされた矩形或いは円形の一枚ものとした方が第１磁性部材１からの磁界を効率よくＭＲ素子Ｒに導くことができるが、面内磁界分布を乱さないようにするためには、複数の分割形状とすることが好ましい。さらにその分割形状を放射状とすることが望ましい。また、平面の総面積は第１磁性部材１の集磁面１ａの面積より大きい方が好ましい。また、磁気センサがプラスチック封止される場合、端子として用いられるリードフレーム材そのものを、又はリードフレーム材に接着された或いはリードフレーム材に成膜された磁性体を第２磁性部材として用いることもできる。この場合、チップ単価に直接関係するウエハのチップサイズにとらわれず、大きな面積を有効に利用できるため感度を高めることができる。

（第３の実施の形態）本発明の第３実施の形態の磁気センサの磁性部材２は、ＭＲ素子Ｒを構成するミアンダ状の磁性体パターンに沿って重なるように形成されている。図９にミアンダ状パターンを短手方向に切断した断面略図を示すが、磁性部材２となる磁性体は、その幅が前記パターンの幅より狭く、その断面形状は略矩形状或いは正方形状とし、ミアンダ状パターンを構成する個々のＭＲ素子部の中心からずれた端部に位置するように形成されている。この構成では、磁性部材２は、２軸磁気センサ部を形成するウエハ製造工程において成膜によって形成することが好ましい。この場合、２軸磁気センサ部を形成した後に別工程で磁性部材を取り付ける必要がないので、製造効率が高く量産性に優れている。また、この構造の磁気センサは、磁性部材２が各ＭＲ素子に分散されて作用するので高さを小さくすることができ、よって磁気センサ全体の高さを前記の２軸磁界センサ部高さとほとんど同等に抑えることができる。例えば磁性部材を０．１〜１０μｍの膜厚の膜体とすることで低背の３軸磁気センサを構成することができる。また、磁力線の向きを正確に各ＭＲ素子のパターンに導入できるので、すべてのＭＲ素子がＺ軸磁界に対して抵抗変化を引き起こし、高い感度を得ることができる。また、すべてのＭＲ素子に磁界を導入し、その向きによって出力信号の変化方向が変わることを利用して出力を増大することも可能である。なお、図９では、磁性部材２はＭＲ素子Ｒの上部に成膜された平面コイルＣの上部に形成されているが、ＭＲ素子Ｒと平面コイルＣの間に形成してもよい。

第１の実施形態の磁気センサの外観略図である。第１の実施形態の磁気センサの磁気抵抗効果素子と平面コイルの配置を示す斜視図である。第１の実施形態の磁気センサの電気的構成を示す模式図である。第１の実施形態の磁気センサの磁気抵抗効果素子と磁性部材の配置を示す平面図である。第１の実施形態の磁気センサの増幅出力用電気回路図である。実施例１の磁気センサの３軸方向磁界検出出力の例である。図１の磁気センサの縦断面略図である。２軸磁気センサ部を挟んで第１の磁性部材とは反対側に第２の磁性部材を配置した磁気センサの外観略図である。磁性部材を磁気抵抗効果素子のパターンに沿って形成した磁気センサの断面略図である。

符号の説明

１、２：磁性部材、１ａ：磁性部材の上端面、１ｂ：磁性部材の下端面、
１０：２軸磁気センサ部、１１：第２の磁性部材、１２：保護絶縁膜、
１３：基板、１４：Ｚ軸方向磁気成分、Ｒ：磁気抵抗効果素子、Ｃ：平面コイル

Claims

直交する２軸を含む面方向に感度を有するように形成された磁気抵抗効果素子を備えた２軸磁気センサ部と、２軸磁気センサ部に前記直交２軸を含む面から突出するように設けられ、前記直交２軸と直交する第３軸方向の磁気成分を、直交２軸を含む面方向に曲げて前記２軸磁気センサ部で検知させる磁性部材と、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値をもとに３軸方向の出力を検出する信号処理手段とを有することを特徴とする磁気センサ。
前記２軸磁気センサ部を挟んで前記磁性部材とは反対側にさらに第２の磁性部材を設けることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
前記磁性部材は膜体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
前記２軸磁気センサ部は、平行な対辺対を少なくとも２組有する平面コイルと、該コイル面に平行な平面に形成された４組の磁気抵抗効果素子対を有し、磁気抵抗効果素子対のうち２組の各一方の磁気抵抗効果素子２個それぞれの長手方向が前記平面コイルの対辺対の同じ１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗効果素子２個それぞれの長手方向が前記対辺対の前記１辺の対辺のみと交差しているとともに、前記磁気抵抗効果素子対のうち他の２組の各一方の磁気抵抗効果素子２個それぞれの長手方向が他の対辺対の同じ１辺のみと交差していて、他方の磁気抵抗効果素子２個それぞれの長手方向が前記他の対辺対の前記１辺の対辺のみと交差して、平面コイルの同じ辺と交差している磁気抵抗効果素子同士の長手方向は非平行になっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気センサ。
各磁気抵抗効果素子対の一方の端子同士は接続され、そこから取り出された中間電位出力が信号処理手段に入力されていることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ。
前記４組の磁気抵抗効果素子対からなる集合体、前記平面コイルおよび前記磁性部材が２軸磁気センサ部の中心に対して４回対称性を有する形状であることを特徴とする請求項５に記載の磁気センサ。