WO2011155527A1

WO2011155527A1 - フラックスゲートセンサおよびそれを利用した電子方位計ならびに電流計

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Publication number: WO2011155527A1
Application number: PCT/JP2011/063135
Authority: WO
Inventors: 勝文長洲
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2012-12-09
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Abstract

　フラックスゲートセンサは、中央部分と、前記中央部分と連続してかつ前記中央部分の幅よりも広い幅を持ち、前記中央部分の両端に位置する第１および第２の端部分と、を有する磁気コアを少なくとも備え、前記第１および第２の端部分に巻き回される第１のソレノイドコイルと、前記中央部分に巻き回される第２のソレノイドコイルを構成してなるフラックスゲートセンサであって、前記第１のソレノイドコイルの巻き回し数をＴ１、前記第２のソレノイドコイルの巻き回し数をＴ２としたとき、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が境界値より小さい場合には前記第１のソレノイドコイルが励磁コイルとして機能し、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が前記境界値より大きい場合には前記第２のソレノイドコイルが前記励磁コイルとして機能し、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が前記境界値と等しい場合には前記第１および第２のソレノイドコイルのいずれもが前記励磁コイルとして機能することができる。

Description

フラックスゲートセンサおよびそれを利用した電子方位計ならびに電流計

　本発明は、フラックスゲートセンサおよびそれを利用した電子方位計ならびに電流計に関する。特に、励磁効率が高く、かつ磁界依存性の低いフラックスゲートセンサおよびそれを利用した電子方位計ならびに電流計に関する。
　本願は、２０１０年６月９日に、日本に出願された特願２０１０－１３２４４８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　携帯電話や、ポータブルナビゲーションデバイス、ゲームコントローラ等に用いられている電子方位計としては、センサの感磁方向が互いに交わるように配置される３つの磁気センサを組み合わせた電子方位計が用いられている。また、電線ケーブルなどの導体に流れる電流を測定する電流計としては、電流が発生させる磁界を磁気センサによって検知し電流値に換算する電流計が用いられている。

　その磁気センサとしては、従来、ホール効果を利用したものや、磁気抵抗効果（ＭＲ：Magneto Resistive effect）または巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive effect）を利用したものがある。これらは、薄膜プロセスで作製されるため、小型化や集積化が可能であり、携帯機器などに広く用いられている。しかしながら、これらのセンサは、小型化した場合に感度が低くなり、電子方位計で検出されるべき０．３Ｏｅ程度の地磁気レベルを高精度に検出することが難しい。したがって、これらのセンサを用いた電子方位計では、その方位精度は１０度程度が限界であった。また、電流計として用いる場合においても、小型化した場合に感度が低くなり、電流値を高精度に測定することが困難であった。

　一方、近年、アモルファスワイヤを用いた磁気インピーダンス（ＭＩ：Magneto-Impedance）センサ（以下、ＭＩセンサと称す）や直交フラックスゲートセンサによる電子方位計が提案されており、方位精度が２．５度程度と高精度なものが実現されている。また、薄膜プロセスにて作製された小型のフラックスゲートセンサを用いた電子方位計が、例えば特許文献１乃至４により開示されている。また、ＭＩセンサを用いた電流センサ（電流計）が、例えば特許文献５により開示されている。

　ところで、特に磁気検出の精度を高めるためには、センサの感度により決められる検出分解能とリニアリティ誤差が重要な要素となる。ＭＩセンサや直交フラックスゲートセンサと、薄膜プロセスにて作製された小型のフラックスゲートセンサとでは、分解能が同程度である。ＭＩセンサや直交フラックスゲートセンサの場合、磁気コアのヒステリシスに起因して出力電圧にもそのヒステリシスの影響が表れてしまう。そのため、リニアリティ誤差が悪化する可能性があった。また、リニアリティを改善するために負帰還回路を用いる方法もあるが、消費電力が大きくなり、回路が複雑になる。

　一方、フラックスゲートセンサにおいては、例えば非特許文献１に開示されているphase-delay methodを用いることにより、磁気コアのヒステリシスの影響を受けずに良好なリニアリティを有する磁気センサを実現することができる。この方法によると、センサの出力はタイムドメインに基づいて行われ、センサを構成する磁気コアの保磁力に起因するヒステリシスの影響を取り除くことができるうえに、カウンタを用いたデジタル検出が可能であるため、アナログ／デジタル変換時の誤差の影響を取り除くことができ、リニアリティの良好なセンサを構成することができる。例えば非特許文献２によれば、この方法を用いることにより、０．０６％ＦＳのリニアリティを実現している。アモルファスワイヤを用いたＭＩセンサでは、リニアリティ誤差は１～２％程度であるため、このようにリニアリティの良好なフラックスゲートセンサを用いることで、より方位精度の高い電子方位計やより測定精度の高い電流計を実現することが可能となる。

　上述した通り、分解能が高く、リニアリティの良好な、phase-delay methodを用いたフラックスゲートセンサにより、より方位精度の高い電子方位計やより測定精度の高い電流計を構成することができる。
　しかしながら、かかるフラックスゲートセンサは、励磁コイルおよび検出コイルを磁性体コアの周囲に巻き回す必要がある。したがって、バイアスコイルもしくはピックアップコイルのみを巻き回す構造のＭＩセンサや直交フラックスゲートセンサと比較して小型化が難しい。

　また、小型集積化を実現するために、前述のように薄膜プロセスでフラックスゲートセンサを作製する試みもなされているが、小型化することにより反磁界が大きくなり、感度が低下してしまう。特に、３つの互いに直交する方向に感度を有する電子方位計を実現しようとした場合、電子方位計を構成する基板に対して垂直方向に感磁方向を設定する必要がある。そのため、電子方位計を構成する基板にセンサ素子を垂直に立てた状態で実装する必要がある。
　そのため、電子方位計を薄型化するにあたり、基板に垂直に立てるセンサ素子は、その感磁方向の長さを短くする必要がある。例えば電子方位計の厚さを１ｍｍ以下とする場合においては、基板やモールド樹脂の厚さを考慮すると、センサの感磁方向長さを０．５～０．７ｍｍ程度にする必要がある。しかし、軟磁性体コアの長さが１ｍｍ以下となると、反磁界が大きくなり、感度が著しく低下する。

　例えば特許文献１や特許文献４においては、磁気コアの外側部分の幅を広くしたＨ型形状の磁気コアを用いている。この構成では、励磁コイルとピックアップコイルは磁気コア中心部の細い部分にのみ巻き回されている。そのため、センサ素子のサイズを小さくすると、励磁コイルおよびピックアップコイルともに巻き数が限られてしまい、十分な巻き数を確保するのが難しい。また、励磁コイルとピックアップコイルとが交互に巻き回された構造である。そのため、コイルの巻き数は、素子サイズとコイルピッチにより決まってしまい、励磁コイルとピックアップコイルのそれぞれの巻き数を独立に設定することが難しく、設計の自由度が低い。

　本出願人は、磁気コアの両端部の幅広い領域と中央部の幅細い領域において、それぞれ別個のコイルを巻き回すことにより、小型化しても高い励磁効率を確保することができるフラックスゲートセンサを検討している。具体的には、中央の幅の狭い部分（中央部分）に第２のソレノイドコイルを巻き回し、中央部分よりも幅の広い端の部分（端部分）に第１のソレノイドコイルを巻き回し、前記第１のソレノイドコイルと前記第２のソレノイドコイルが、それぞれ、励磁コイルとピックアップコイル、またはピックアップコイルと励磁コイル、として機能するフラックスゲートセンサについて検討を行った。その結果、ピックアップコイルの巻き回しの数（ターン数）と励磁コイルの巻き回しの数の比率と、磁気効率との関係については、フラックスゲートセンサのフレキシビリティまで考慮して決定すべきであることが分かった。

特開２００７－２７９０２９号公報特開２００６－２３４６１５号公報特開２００４－１８４０９８号公報国際公開２００７／１２６１６４号パンフレット特開２００６－１７２５０４号公報

Pavel Ripka, "Magnetic sensors and magnetometers" p.94, ARTECH HOUSE, INC (2001) IEEE TRABSACTION ON INSTRUCTION AND MEASUREMENT, VOL.42, NO.2, p.635, APRIL 1993

　本発明は、励磁コイルとピックアップコイルの巻き回し数の比率と励磁効率との関係を考慮することにより、フレキシビリティのあるフラックスゲートセンサおよびそれを利用した電子方位計ならびに電流計を提供する。

　本発明の一様態に係るフラックスゲートセンサは、基板上に形成された第１配線層と、前記第１配線層を覆うように形成された第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に形成され、中央部分と、前記中央部分と連続してかつ前記中央部分の幅よりも広い幅を持ち、前記中央部分の両端に位置する第１および第２の端部分と、を有する磁気コアと、前記磁気コアを覆うように前記第１絶縁層上に形成された第２絶縁層と、前記第２絶縁層上に形成された第２配線層と、を少なくとも備えるフラックスゲートセンサであって、前記第１配線層と前記第２配線層とが電気的に接続されることにより、前記第１および第２の端部分に巻き回される第１のソレノイドコイルと、前記中央部分に巻き回される第２のソレノイドコイルを構成し、前記第１のソレノイドコイルの巻き回し数をＴ１、前記第２のソレノイドコイルの巻き回し数をＴ２としたとき、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が境界値より小さい場合には前記第１のソレノイドコイルが励磁コイルとして機能し、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が前記境界値より大きい場合には前記第２のソレノイドコイルが前記励磁コイルとして機能し、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が前記境界値と等しい場合には前記第１および第２のソレノイドコイルのいずれもが前記励磁コイルとして機能することができる。
　前記境界値は、０．２５乃至０．３５であってもよい。
　前記磁気コアを構成する第１および第２の端部分の、幅をＢ、長手方向の長さをＤとしたとき、比率Ｂ／Ｄが１より小さくてもよい。
　前記第１のソレノイドコイルは、前記第１の端部分に巻き回された第３のソレノイドコイルと、前記第２の端部分に巻き回された第４のソレノイドコイルとを含み、前記第３のソレノイドコイルおよび前記第４のソレノイドコイルは、直列に接続され、かつ各々の巻き回し数が略同一であってもよい。
　前記第１および第２の端部分において、前記中央部分に連なる部位は、曲率が連続的に変化する曲線形状を有してもよい。
　本発明の一様態に係る電子方位計は、基板と、上述のフラックスゲートセンサを少なくとも１つ含む３つのフラックスゲートセンサと、を備える電子方位計であって、前記３つのフラックスゲートセンサは、各フラックスゲートセンサの感磁方向が互いに交わるように前記基板上に配置されている。
　前記各フラックスゲートセンサの感磁方向は、互いに直交してもよい。

　上記フラックスゲートセンサおよび電子方位計によれば、励磁コイルとピックアップコイルの巻き回し数の比率と励磁効率との関係を考慮してフラックスゲートセンサのフレキシビリティを持たせることができる。

本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサを概略的に示す上面図。図１におけるラインａ－ａ’に沿って切った断面図。本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサにおける磁気コアの形状の例を示す平面図。本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサにおける磁気コアの形状の例を示す平面図。本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサにおける磁気コアの形状の例を示す平面図。図１におけるラインｂ－ｂ’に沿って切った断面図で、フラックスゲートセンサの作成工程を示す図。図１におけるラインｂ－ｂ’に沿って切った断面図で、フラックスゲートセンサの作成工程を示す図。図１におけるラインｂ－ｂ’に沿って切った断面図で、フラックスゲートセンサの作成工程を示す図。図１におけるラインｂ－ｂ’に沿って切った断面図で、フラックスゲートセンサの作成工程を示す図。図１におけるラインｂ－ｂ’に沿って切った断面図で、フラックスゲートセンサの作成工程を示す図。本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサの動作原理を示すグラフ。本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサの磁気コアの磁化状態の磁界による変化を示すヒステリシス曲線。第２のソレノイドコイルの巻き回し数（内側ターン数）の、第１および第２のソレノイドコイルの巻き回し数の総数（全ターン数）に対する比率と、励磁効率との関係を示すグラフ。本発明のピックアップコイルを利用した電子方位計の一例を示す概略斜視図。本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計の一使用例を示す概略斜視図。本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計の構造を示す概略斜視図。本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計の別の使用例を示す概略斜視図。

　以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

　図１は、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサを概略的に示す上面図である。図２は、図１におけるラインａ－ａ’に沿って切った断面図である。図３Ａ～図３Ｃは、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサにおける磁気コアの形状の例を示す上面図である。図４Ａ～図４Ｅは、図１におけるラインｂ－ｂ’に沿って切った断面図で、フラックスゲートセンサの作成工程を示す。

　本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサは、図１および図２に示すように、磁気コア３と、第１配線層４と、第１絶縁層５と、第２絶縁層６と、第２配線層７と、開口部８と、基板１００とを含む。磁気コア３は、端部分１と、中央部分２と、を含む。第１配線層４及び第２配線層７は、端部分１に巻き回された第１のソレノイドコイル９および中央部分２に巻き回された第２のソレノイドコイル１０を構成している。

　なお、後述のように、第１のソレノイドコイルは、励磁コイルにもピックアップ（検出）コイルにもなり得る。第２のソレノイドコイルは、ピックアップコイルにも励磁コイルにもなり得る。

　図４Ａ～図４Ｅを用いて、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサの作製工程について説明する。まず、図４Ａのように、非磁性の基板１００の上に、ソレノイドコイルの下側配線を形成するための第１配線層４が形成される。次に、図４Ｂのように、第１配線層４の上に、磁気コア３とソレノイドコイルを絶縁するための第１絶縁層５とが形成される。ここで、この第１絶縁層５においては、第１配線層４と、後に形成されるソレノイドコイルの上側配線となる第２配線層７とが接続される部分に、開口部８が設けられる。
　次に、図４Ｃのように、第１絶縁層５の上には、軟磁性体膜からなる磁気コア３が形成される。

　図３Ａ～図３Ｃは、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサの磁気コアの形状の一例を示す平面図である。図３Ａ～図３Ｃに示すように、本発明の１実施形態に係るフラックスゲートセンサの磁気コアは、端部分１と、中央部分２を有する。端部分１の幅Ｂは、中央部分２の幅Ｃよりも広い。磁気コアの長手方向の長さＡは、１ｍｍ以下、望ましくは０．５ｍｍ以下である。端部分１の幅Ｂと端部分１の長手方向の長さＤの比Ｂ／Ｄの値は１よりも小さい。フラックスゲートセンサの磁気コアの長手方向は、フラックスゲートセンサの感磁方向と一致している。図３Ａ～図３Ｃでは図示していないが、端部分１の周囲には、前述のように、第１のソレノイドコイルが巻き回され、中央部分２の周囲には、第２のソレノイドコイルが巻き回される。但し、前述のように、第１のソレノイドコイルは、励磁コイルにもピックアップ（検出）コイルにもなり得る。第２のソレノイドコイルは、ピックアップコイルにも励磁コイルにもなり得る。

　図３Ａは、磁気コアの端部分の形状が角型の場合の例を示す平面図である。図３Ｂは、磁気コアが端部分１と中央部分２との境界にテーパー形状を有する場合の例を示す平面図である。図３Ｃは、磁気コアが端部分１と中央部分２との境界を、端部分１から中央部分２に渡って滑らかに変化する（曲率が連続的に変化する）曲線形状を有する場合の例を示す平面図である。

　角の部分での磁束の局所的な飽和を抑えるためには、図３Ｂに示すように、端部分１と中央部分２の境界が略テーパー状になっていることが望ましい。この場合、端部分１の長手方向の長さＤは略テーパー状の部分を含む長さを表わすこととすると、端部分１の幅Ｂと端部分１の長手方向の長さＤの比Ｂ／Ｄの値が、１よりも小さいことが望ましい。

　また、更に、磁束の局所的な飽和を抑えるためには、図３Ｃに示すように、端部分１と中央部分２の境界は、曲率が連続的に変化する曲線形状になっていることが望ましい。
　磁性薄膜においては、膜厚方向と面内方向の比率が、数１００～数１０００程度と大きい。従って、反磁界係数は膜厚方向と面内方向で数１００～数１０００倍の違いがあり、面内方向の反磁界係数は非常に小さい。磁性薄膜を、長手方向を有する形状にパターニングした場合、長手方向と幅方向の寸法比によって反磁界係数が決定される。この場合、長手方向の反磁界係数は小さく、幅方向の反磁界係数は大きくなるため、形状異方性は、長手方向が容易軸となる。

　上述したように、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサは、磁気コアに中央部分２よりも幅の広い端部分１を有し、端部分１の幅Ｂは端部分１の長手方向の長さＤよりも小さい。端部分１の形状異方性による容易軸は、フラックスゲートセンサの長手方向である。従って、感磁方向と直交する磁界による磁気コア内の磁束密度の変化が少なく、他軸感度特性が良好である。これにより、方位精度の優れた電子方位計や測定精度に優れた電流計を構成することが可能である。

　次に、図４Ｄのように、磁気コア３の上には、第１配線層４と第２配線層７の接続部に開口部８を設けた第２絶縁層６が形成される。さらに、図４Ｅのように、第２絶縁層６の上に、第２配線層７が、第１配線層４の隣接する配線どうしをその端部にて接続するように形成され、それによりソレノイドコイルを形成している。配線は、隣接する配線と接続されるため、断面におけるソレノイドコイルのループは閉じない。

　第１配線層４および第２配線層７により形成された第１のソレノイドコイル９及び第２のソレノイドコイル１０は、磁気コア３の両端の幅の広い端部分１と幅の狭い中央部分２において、それぞれ独立に巻き回されている。両端の幅の広い端部分１に巻き回されている第１のソレノイドコイル９は、一方の端の端部分１に巻き回されている第３のソレノイドコイルと、もう一方の端の端部分１に巻き回されている第４のソレノイドコイルとを含む。両端の端部における第３のソレノイドコイル及び第４のソレノイドコイルが直列に、かつ発生する磁界方向が同一となるように第１配線層４もしくは第２配線層７により接続されていて、それにより全体として第１のソレノイドコイル９を形成している。磁気コア３の中央部分２に巻き回された第２のソレノイドコイル１０の両端には、外部と接続するための電極パッド１１が形成されている。磁気コア３の両端の端部分１に巻き回された２つの直列に接続された第１のソレノイドコイル９の両端には、外部と接続するための電極パッド１２が形成されている。

　フラックスゲートセンサの構成としては、前述の構成に加えて、第２配線層７を覆う封止層が形成されていてもよい。
　磁気コア３の両端の端部分１にそれぞれ巻き回された第３のソレノイドコイル及び第４のソレノイドコイルは、巻き数が同じで対称であることが好ましい。

　なお、図１は、模式的に示されており、第１のソレノイドコイル９及び第２のソレノイドコイル１０に関し、磁気コア３の下側配線の１部が省略されている。また、第１のソレノイドコイル９および第２のソレノイドコイル１０の形状は、図１で示された形状に限定されない。

　図２は、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサを図１におけるラインａ－ａ’に沿って切った断面図の一例である。本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサにおける第１配線層４と第２配線層７の位置関係は、図２の形状に限定されない。
　図４Ａ～図４Ｅは、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサを図１におけるラインｂ－ｂ’に沿って切った断面図の一例である。本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサの形状は、図４Ａ～図４Ｅの形状に限定されない。

　次に、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサの動作原理について説明する。なお、以下の説明においては、第１のソレノイドコイル９を励磁コイルとし、第２のソレノイド１０をピックアップコイルとした場合で説明するが、原理的には、逆であっても同様である。
　磁気コア３の両端の幅の広い端部分１は、その周囲に巻き回された第１のソレノイドコイル９に通電することにより励磁される。一方、磁気コア３の幅の狭い中央部分２には誘導電圧がかかり、その誘導電圧は中央部分２の周囲に巻き回された第２のソレノイドコイル１０により検出される。

　外部より電極パッド１２を介して、時間的に変化する交流電流を、磁気コア３の端部分１の第１のソレノイドコイル（励磁コイル）９に対して通電することにより、磁気コア３が交流励磁される。端部分１において発生した磁束は、磁気コア３の中央部分２に導かれる。これにより磁気コア３の中央部分２も交流励磁されて、中央部分２の第２のソレノイドコイル（ピックアップコイル）１０に略パルス状の誘導電圧が発生する。この誘導電圧は第２のソレノイドコイル１０および電極パッド１１を介して外部の検出回路で検出できる。ここで、第１のソレノイドコイル９に通電される交流電流は、一定周波数の三角波であることが望ましい。

　このとき、外部磁界が印加されると、上述した略パルス状の誘導電圧の発生するタイミングは、時間的に変化する。三角波電流における正から負に切り替わるタイミングにおいて、正の誘導電圧が出力される。また、三角波電流における負から正に切り替わるタイミングにおいて、負の誘導電圧が出力される。従って、この正負のパルス状誘導電圧の発生するタイミングをカウンタで計測することにより、外部磁界に対する応答を得ることができる。

　以上の動作原理を更に詳細に説明する。
　図５は、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサの動作原理を示すグラフである。図５の（ａ）は、励磁コイルに通電する三角波電流の時間変化を示すグラフである。図５の（ｂ）は、磁気コアの磁化状態の時間変化を示すグラフである。図５の（ｃ）は、ピックアップ（検出）コイルに生じる出力電圧の時間変化を示すグラフである。図６は、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサの磁気コアの磁化状態の磁界による変化を示すヒステリシス曲線である。励磁コイルに図５の（ａ）に示すような三角波電流を通電すると、励磁コイルの作る磁界Ｈ_ｅｘｃにより磁気コアが励磁され、磁気コア内部の磁束密度Ｂ、すなわち磁気コアの磁化状態は、飽和特性を有するため、図５の（ｂ）に示すような時間変化をする。ピックアップコイルには、磁気コアの磁束密度Ｂの時間微分すなわち時間変化ｄＢ／ｄｔが存在する領域において、磁気コアの断面積Ｓ、ピックアップコイルの巻き数Ｎに比例した出力電圧Ｖ_ｐｕ＝ＮＳ×ｄＢ／ｄｔが生じる。ピックアップコイルの出力電圧Ｖ_ｐｕは、図５の（ｃ）に示すような時間変化をする。磁気コアの磁束密度Ｂの時間変化ｄＢ／ｄｔが大きいほど、ピックアップ電圧波の高値は高く、パルス幅は狭くなり、より急峻なパルス電圧が得られる。図５の（ｃ）における時間間隔ｔ_１は、外部磁界Ｈ_ｅｘｔ、磁気コアの磁束密度Ｂが増加する時と減少する時との磁場の強さＨのずれＨ_ｃ、励磁コイルの作る磁界Ｈ_ｅｘｃ、三角波の周期Ｔ及びコイルのインダクタンスによる遅延時間Ｔ_ｄを用いて、式（１）のように表される。

　同様に、図５の（ｃ）における時間間隔ｔ_２は、式（２）のように表される。

　式（１）及び式（２）より、外部磁界に対する時間間隔の変化量ｔ_２－ｔ_１は、式（３）のように表される。

　式（３）より、外部磁界に対する時間間隔の変化ｔ_２－ｔ_１は、外部磁界Ｈ_ｅｘｔと励磁コイルの作る磁界Ｈ_ｅｘｃの比Ｈ_ｅｘｔ／Ｈ_ｅｘｃおよび三角波の周期Ｔに依存することが分かる。外部磁界に対する感度Ｓ＝ｄ（ｔ_２－ｔ_１）／ｄＨ_ｅｘｔは、励磁コイルに通電する電流振幅Ｉ_ｅｘｃ、励磁コイルに流れる単位電流当たりの発生磁界すなわち励磁効率α、及び三角波の周期Ｔを用いて、Ｓ＝Ｔ／（２・Ｉ_ｅｘｃ×α）で表される。よって、励磁電流が大きいほど、センサの感度Ｓは小さくなる。三角波の周期Ｔが大きい、すなわち励磁周波数ｆ_ｅｘｃが小さいほど、センサの感度Ｓは大きくなる。

　励磁効率αは、フラックスゲートセンサを構成する磁気コアとコイルの巻き数によって決定される。励磁効率αが大きいほど、少ない電流でフラックスゲートセンサを駆動することができる。また、式（３）において、Ｈ_ｅｘｔ＝Ｈ_ｅｘｃのとき式（３）はＴ／２となり、このときのＨ_ｅｘｔが測定磁界範囲の上限となる。Ｈ_ｅｘｃ＝α×Ｉ_ｅｘｃで表されることから、励磁効率αが大きいほど、同一の電流で駆動した場合に広い測定磁界範囲を有することとなる。

　次に、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサの作製方法について説明する。
　まず、非磁性の基板１００上にチタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）などのバリアメタルをスパッタ成膜した後に銅（Ｃｕ）をスパッタにより成膜する。次に、フォトリソグラフィにより第１配線層４となるレジストパターンを形成し、ウェットエッチングにより配線パターンを形成する。あるいは上記のスパッタ膜をシード膜として電解めっきにより第１配線層４を形成してもよい。このとき、後に形成される絶縁層上に磁気コア３を形成するため、第１配線層４の厚さは、その配線による絶縁層表面の凹凸が磁気コアの厚さに比べて十分小さくなるような厚さであって、かつコイルの抵抗が小さくなるような厚さであることが望ましい。具体的には、その厚さは、０．２μｍ～２μｍ程度が好ましい。

　次に、感光性樹脂を塗布し、露光、現像および熱硬化処理を行うことにより、第１絶縁層５を形成する。このとき、第１配線層４と後に形成される第２配線層７とが接続される部分が開口され、第１配線層４と後に形成される磁気コア３とが絶縁されるようにする。
　このとき、第１絶縁層５の厚さは、第１配線層４の凹凸を緩和するだけの十分な厚さを有することが望ましい。具体的には、第１配線層４の厚さの３～１０倍程度であることが望ましい。なお、図２においては、第１配線層４の図面上での表示の便宜上、そのような比率にはなっていない。

　また、このとき、感光性ポリイミドは、後の工程での熱履歴による収縮や変形により磁気コア３に歪みが生じるのを防ぐ必要がある。そのため、感光性ポリイミドは、例えば実装時のはんだリフローや磁気コアに誘導磁気異方性を付与するための磁場中熱処理による熱収縮や変形が起こらないだけの十分な耐熱性を有する樹脂であることが望ましい。具体的には、感光性ポリイミドのガラス転移点（Ｔｇ：Glass Transition Temperature）は摂氏３００度以上であることが望ましい。すなわち、ここで用いられる樹脂は、高い耐熱性を有するポリイミドやポリベンゾオキサゾール、熱硬化したノボラック系樹脂であることが望ましい。

　次に、磁気コア３となる軟磁性体膜をスパッタにより成膜し、所望の形状になるように、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いてパターニングを行う。軟磁性体膜としては、ＣｏＮｂＺｒおよびＣｏＴａＺｒ等に代表される零磁歪のＣｏ系アモルファス膜や、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金などが望ましい。これらの軟磁性体膜は難エッチング材料であるため、レジストを形成した後にスパッタ成膜を行い、レジストを除去することで所望のパターンを得るリフトオフ法により形成してもよい。また、磁気コア３となる磁性膜を成膜した後に、応力や成膜時に付与された不均一な１軸異方性を除去し、均一な誘導磁気異方性を付与するために、回転磁場中熱処理または静磁場中熱処理を行うことが望ましい。
　また、レジストフレームを用いた電解めっき法を利用して、ＮｉＦｅ合金やＣｏＦｅ合金を所望の形状に成形することにより、磁気コア３を形成してもよい。

　次に、第１配線層４と第２配線層７の接続部分が開口され、磁気コア３と第２配線層７とを電気的に絶縁するように、感光性樹脂に対して露光、現像および熱硬化処理を行うことにより、第２絶縁層６を形成する。

　次に、第２絶縁層６と第２絶縁層６の開口部とを含む基板上にチタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）などのバリアメタルをスパッタ成膜した後にＣｕをスパッタにより成膜することでシード膜を形成する。そして、レジストフレームを形成し、Ｃｕの電解めっきにより所望の配線パターンを形成し、上記シード層をエッチングすることにより第２配線層７を形成する。

　最後に、必要に応じて外部に接続するための電極パッドおよび端子、保護膜を形成することで本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサが構成される。ここで、外部に接続する端子としては、はんだバンプおよび金バンプ、ならびにワイヤボンディング等の一般的な半導体デバイスや薄膜デバイスに用いられる手法を適用することができる。

　また、ここでは第１および第２配線層１および５として、スパッタおよび電界めっきによる銅（Ｃｕ）を用いたが、無電解Ｃｕや電解Ａｕ（金）めっきなどにより形成してもよく、またスパッタ膜の銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）などによる良導電膜を用いてもよい。また、第１および第２絶縁樹脂層２および４は樹脂材料であるが、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などの絶縁膜をスパッタやＣＶＤを用いて成膜し、開口部をドライエッチングにより形成することでも作製可能である。

　次に、励磁効率が前述の動作原理の説明で理解されることを前提として、第２のソレノイドコイルの巻き回し数（内側ターン数）の、第１および第２のソレノイドコイルの巻き回し数の総数（全ターン数）に対する比率と、励磁効率（テスラ／電流）との関係を、全ターン数と内側／外側励磁のそれぞれをパラメータとして、説明する。

　図７は、第２のソレノイドコイルの巻き回し数（内側ターン数）の、第１および第２のソレノイドコイルの巻き回し数の総数（全ターン数）に対する比率と、励磁効率との関係のグラフを示す図である。なお、第１および第２のソレノイドコイルは、均等に巻き回されており、従って、巻き回しの数が増えるとともに、隣接する各コイルの間隔が狭まることになる。すなわち、内側ターン数の全ターン数に対する比率は、「磁気コアの中央部分の長さ」の「磁気コア全体の長さ」に対する比率と等価である。また、比率が同じであれば、全ターン数に依存せず、磁気コアの形状は同じである。

　図７においては、全ターン数が、３８ターンの場合と、２９ターンの場合のどちらであるかをパラメータとする。また、励磁するコイル（励磁コイル）について、第２のソレノイドコイル１０を励磁コイルとする場合と、第１のソレノイドコイル９を励磁コイルとする場合のどちらであるかをパラメータとする。つまり、それらの組み合わせで、４通りのパラメータでの関係が示されている。

　具体的には、全ターン数が３８ターンで、第２のソレノイドコイルを励磁コイルとする場合（略して「３８ターン内側励磁」と称す）を、ターン数比対励磁効率の２次元座標上にプロット（◇印で示す）すると、右上がりの直線上にのる。この直線を実線で示す。

　また、全ターン数が２９ターンで、第２のソレノイドコイルを励磁コイルとする場合（略して「２９ターン内側励磁」と称す）を、同様にターン数比対励磁効率の２次元座標上にプロット（□印で示す）すると、「３８ターン内側励磁」の場合と比較して傾きの緩やかな右上がりの直線上にのる。この直線を１点鎖線で示す。

　また、全ターン数が３８ターンで、第１のソレノイドコイルを励磁コイルとする場合（略して「３８ターン外側励磁」と称す）を、同様にターン数比対励磁効率の２次元座標上にプロット（○印で示す）すると、左上がりの直線上にのる。この直線を２点鎖線で示す。

　また、全ターン数が２９ターンで、第１のソレノイドコイルを励磁コイルとする場合（略して「２９ターン外側励磁」と称す）を、同様にターン数比対励磁効率の２次元座標上にプロット（＋印で示す）すると、「３８ターン外側励磁」の場合と比較して傾きの緩やかな左上がりの直線上にのる。この直線を破線（点線）で示す。

　これらの４本の直線に注目すると、「３８ターン内側励磁」に係る直線と、「３８ターン外側励磁」に係る直線は、内側ターン数／全ターン数が略０．３の値のところで交差している。また、「２９ターン内側励磁」に係る直線と、「２９ターン外側励磁」に係る直線も、同様に、内側ターン数／全ターン数が略０．３のところで交差している。このことから、同じ全ターン数であれば、内側励磁の係る直線と、外側励磁に係る直線とは、すべて、特定の値、すなわち略０．３のところで交差するであろうことが導出できる。

　図７を参照して、以上から理解できることは、フラックスゲートセンサは、励磁効率が高い方が性能がよいのであるから、交点における「内側ターン数／全ターン数」の特定の値（具体的には略０．３）を境として、交点の右側では、第２のソレノイドコイルを励磁コイル（つまり内側励磁）とし、交点の左側では、第１のソレノイドコイルを励磁コイル（つまり外側励磁）とすることが好ましい。

　また、交点のところ（「内側ターン数／全ターン数」が特定の値、すなわち略０．３）では、第１のソレノイドコイルおよび第２のソレノイドコイルのどちらを励磁コイルとしてもよい（つまり外側励磁でも内側励磁でもよい）。
　すなわち、ターン数について、実用領域（交点近傍）においては、励磁コイルのターン数は、より大きい場合が、励磁効率が高くなり望ましい。

　因みに、外側励磁でも内側励磁でもよいという場合は、例えば、全ターン数が３８の場合は、概ね、内側ターン数が１２で、外側ターン数が２６（１３＋１３）のときである。全ターン数が２９の場合は、概ね、内側ターン数が９で、外側ターン数が２０（１０＋１０）のときである。

　次に、上述のピックアップコイルを利用した電子方位計の実施形態を説明する。図８は、その電子方位計の概略斜視図である。
　図８に示した電子方位計は、第１フラックスゲート（Ｘ軸）センサ２０、第２フラックスゲート（Ｙ軸）センサ３０、第３フラックスゲート（Ｚ軸）センサ４０、および信号処理用ＩＣ５０を、１つの基板上に配置することにより構成される。具体的には、第１フラックスゲートセンサ２０および第２フラックスゲートセンサ３０は、電子方位計を構成する基板面に対して、その形成された面が略平行となるように、かつ感磁方向が互いに直交するように配置される。また、第３フラックスゲートセンサ４０は、電子方位計を構成する基板面に対して略垂直となるように配置される。このとき、第１フラックスゲートセンサ２０、第２フラックスゲートセンサ３０および第３フラックスゲートセンサ４０は、外部との接続端子を除いた領域、すなわち磁気コア３およびコイル９、１０を形成する部分の形状が同一であることが望ましい。これは、第１フラックスゲートセンサ２０、第２フラックスゲートセンサ３０および第３フラックスゲートセンサ４０のそれぞれの特性を揃えることにより、各センサの特性のばらつきを補正する必要がなく、電子回路を簡略化できるようにするためである。また、第３フラックスゲートセンサ４０は、基板面に対して略垂直に実装されるので、電子方位計の厚さを薄くするためには、その感磁方向の長さが、１ｍｍ以下、さらに好ましくは０．５ｍｍ程度であることが望ましい。

　信号処理用ＩＣ５０は、各フラックスゲートセンサにおける励磁コイル９に一定周波数の三角波電流を通電する回路と、ピックアップコイル１０に現れる誘導電圧を検出するための検出回路と、誘導電圧が発生するタイミングを計数するためのカウンタと、第１フラックスゲートセンサ２０、第２フラックスゲートセンサ３０および第３フラックスゲートセンサ４０のそれぞれに対して上記２つの回路との接続を切り替えるためのセレクタとを備えている。かかる構成により、第１フラックスゲートセンサ２０、第２フラックスゲートセンサ３０および第３フラックスゲートセンサ４０で３軸方向それぞれの磁界を順次計測し、演算を行うことで方位誤差の小さい電子方位計を実現することができる。

　次に、本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計の一例を説明する。図９は、本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計９０の一例を示す概略斜視図である。図１０は、本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計９０の構造を示す概略斜視図である。

　電流計９０は、例えば、図１０に示すように、プリント基板６０上に、磁気センサ４１と、磁気センサ４１が検知した磁界を電流値に変換するための信号処理ＩＣ５０とを組み合わせたものである。この磁気センサ４１に、本発明のフラックスゲートセンサを採用し、電流計９０を構成する。

　図９に示すように、導体（導線）７０に電流Ｉが流れると、導体７０を中心として同心円状に磁界Ｈが発生する。Ｉを導体７０に流れる電流値、ｒを電流計９０と導体７０との距離とすると、磁界Ｈ＝Ｉ/（2πｒ）と表せる。この式に表されているように、導体（導線）７０に近いほど、磁界Ｈは強い（磁束密度が高い）。また、導体（導線）７０に流れる電流が大きいほど、大きい磁界Ｈが発生する。

　例えば、図９に示したように、直線状の導体（導線）７０に電流Ｉを流すと、導線７０に垂直な平面内において、導線７０を中心とする同心円状の磁界Ｈが発生する。図９において矢印Ｉの方向に電流が流れた場合、磁界の向きは矢印Ｈの方向となる。電流計９０を、導線７０近傍に配置し、導線７０に流れる電流Ｉが発生させる磁界Ｈの大きさを検出することで、導線７０に流れる電流Ｉの大きさを測定することができる。導線７０に近いほど電流Ｉが発生させる磁界Ｈの磁束密度が高い。したがって、電流計９０を導線７０に近付けるほど、効率よく高感度に電流値を測定することができる。

　また、電流計９０において、磁気センサ（フラックスゲートセンサ）４１の感磁方向Ｓが、電流Ｉが発生させる磁界Ｈの方向と平行となるように、磁気センサ（フラックスゲートセンサ）４１を配置すると良い。

　次に、本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計の別の例を説明する。図１１は、本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計の別の例を示す概略斜視図である。

　この例において、導線７０の近傍には、２つの電流計（第１の電流計９１および第２の電流計９２）が配置されている。第１の電流計９１および第２の電流計９２は、図１０で示した電流計９０と同様の構造を持つ。第１の電流計９１および第２の電流計９２には、演算回路８０が接続されている。第１の電流計９１および第２の電流計９２は、導線７０を流れる電流Ｉが発生させる磁界Ｈｉを検出する。具体的には、第１の電流計９１は磁界Ｈａを検出し、第２の電流計９２は磁界Ｈｂを検出し、演算回路８０に出力する。演算回路８０は、磁界Ｈａおよび磁界Ｈｂから磁界Ｈｉを算出し、磁界Ｈｉの強度から導線７０を流れる電流Ｉの大きさを出力する。

　第１の電流計９１および第２の電流計９２において、各電流計が具備するフラックスゲートセンサ４１は、フラックスゲートセンサ４１の感磁方向Ｓと磁界Ｈの方向とが平行となるように、基板６０上に配置されている。また、第１の電流計９１と第２の電流計９２とは、導線７０からの距離が同一であり、また、導線７０を挟んで対称な位置に配置されている。

　測定系が上述の構成を持つことにより、測定系に外部からノイズ磁界Ｈｅｘが加わったとしても、第１の電流計９１および第２の電流計９２からの出力を演算することで、外部ノイズ磁界Ｈｅｘを相殺し、導線７０に流れる電流Ｉを正確に求めることができる。

　以下、詳細に説明する。導線７０に流れる電流Ｉが発生させる磁界Ｈｉを検出することで電流Ｉの電流値を測定する測定系において、この測定系に外部ノイズ磁界Ｈｅｘが加わった場合を考える。この時、第１の電流計９１が検出する磁界Ｈａは、Ｈａ＝Ｈｉ＋Ｈｅｘと表すことができる。第２の電流計９２が検出する磁界Ｈｂは、Ｈｂ＝－Ｈｉ＋Ｈｅｘと表すことができる。電流Ｉが発生させる磁界Ｈｉの方向は、第１の電流計９１の位置と第２の電流計９２の位置とで逆方向となる。

　上記の２式より、Ｈｅｘ＝（Ｈａ＋Ｈｂ）／２、Ｈｉ＝（Ｈａ－Ｈｂ）／２となる。すなわち、外部磁界ノイズＨｅｘの大きさを明らかにし、外部磁界ノイズＨｅｘを除いたＨｉの大きさを検出することができる。したがって、外部ノイズ磁界Ｈｅｘが加わったとしても、導線７０に流れる電流Ｉの電流値を正確に測定することができる。

　本発明は、携帯電話、ポータブルナビゲーションデバイス、ゲームコントローラ等に使用されるフラックスゲートセンサおよびそれを利用した電子方位計に適用することができる。また、本発明は、電線の近傍に本発明のフラックスゲートセンサを配置し、電線を流れる電流の作る磁界を検出して電流値を測定する電流計に適用することができる。

　１　磁気コアの端部分
　２　磁気コアの中央部分
　３　磁気コア
　４　第１配線層
　５　第１絶縁層
　６　第２絶縁層
　７　第２配線層
　８　開口部
　９　第１のソレノイドコイル
　１０　第２のソレノイドコイル
　１１　電極パッド
　１２　電極パッド
　２０　第１フラックスゲート（Ｘ軸）センサ
　３０　第２フラックスゲート（Ｙ軸）センサ
　４０　第３フラックスゲート（Ｚ軸）センサ
　５０　信号処理用ＩＣ
　１００　基板
　Ａ　磁気コアの長手方向の長さ
　Ｂ　端部分１の幅
　Ｃ　中央部分２の幅
　Ｄ　端部分１の長手方向の長さ

Claims

　基板上に形成された第１配線層と、
　前記第１配線層を覆うように形成された第１絶縁層と、
　前記第１絶縁層上に形成され、中央部分と、前記中央部分と連続してかつ前記中央部分の幅よりも広い幅を持ち、前記中央部分の両端に位置する第１および第２の端部分と、を有する磁気コアと、
　前記磁気コアを覆うように前記第１絶縁層上に形成された第２絶縁層と、
　前記第２絶縁層上に形成された第２配線層と、を少なくとも備えるフラックスゲートセンサであって、
　前記第１配線層と前記第２配線層とが電気的に接続されることにより、前記第１および第２の端部分に巻き回される第１のソレノイドコイルと、前記中央部分に巻き回される第２のソレノイドコイルを構成し、
　前記第１のソレノイドコイルの巻き回し数をＴ１、前記第２のソレノイドコイルの巻き回し数をＴ２としたとき、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が境界値より小さい場合には前記第１のソレノイドコイルが励磁コイルとして機能し、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が前記境界値より大きい場合には前記第２のソレノイドコイルが前記励磁コイルとして機能し、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が前記境界値と等しい場合には前記第１および第２のソレノイドコイルのいずれもが前記励磁コイルとして機能することができることを特徴とするフラックスゲートセンサ。
　前記境界値は、０．２５乃至０．３５であることを特徴とする請求項１に記載のフラックスゲートセンサ。
　前記第１および第２の端部分の、幅をＢ、長手方向の長さをＤとしたとき、比率Ｂ／Ｄが１より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載のフラックスゲートセンサ。
　前記第１のソレノイドコイルは、前記第１の端部分に巻き回された第３のソレノイドコイルと、前記第２の端部分に巻き回された第４のソレノイドコイルとを含み、前記第３のソレノイドコイルおよび前記第４のソレノイドコイルは、直列に接続され、かつ各々の巻き回し数が略同一であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフラックスゲートセンサ。
　前記第１および第２の端部分において、前記中央部分に接続する部位は、曲率が連続的に変化する曲線形状を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフラックスゲートセンサ。
　基板と、請求項１に記載のフラックスゲートセンサを少なくとも１つ含む３つのフラックスゲートセンサと、
　を備える電子方位計であって、
　前記３つのフラックスゲートセンサは、各フラックスゲートセンサの感磁方向が互いに交わるように前記基板上に配置されていることを特徴とする電子方位計。
　前記各フラックスゲートセンサの感磁方向は、互いに直交することを特徴とする、請求項６に記載の電子方位計。
　基板と、請求項１に記載のフラックスゲートセンサと、前記フラックスゲートセンサが検知した磁界を電流値に変換するための信号処理ＩＣと、を備える電流計。
　前記フラックスゲートセンサは、前記フラックスゲートセンサの感磁方向が電流から発生する磁界の方向と平行となるように前記基板上に配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の電流計。
　導線と、２つの、請求項９に記載の電流計を備え、
　前記２つの電流計は、前記導線からの距離が同一であり、また、前記導線を挟んで対称な位置に配置されていることを特徴とする、計測系。