| 【発明の名称】 |
２軸フラックスゲート型磁気センサ |
| 【発明者】 |
【氏名】山田 康晴
【氏名】吉見 健一
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| 【要約】 |
【課題】１つのセンサ素子により２軸方向への磁気を独立的に検出することができ、方位センサ等に適用して、角度誤差が生じず、所要スペースが千種区、かつ、コスト的にも有利な２軸フラックスゲート型磁気センサを提供する。
【解決手段】基板上に、磁性体薄膜からなるループ状コアと、そのループ状コアに巻回された導電体薄膜からなる励振コイルおよび検出コイルが形成されたフラックスゲート型磁気センサにおいて、励振コイル２はループ状コア１に対して一様に巻回するとともに、検出コイルはループ状コア１の１／４周ずつ４つに分割して巻回し、そのうち互いに対向するものどうし（３ａと３ｂ，および３ｃと３ｄ）については、互いに逆向きに巻回して相互に接続した構造とすることで、共通のループ状コア１と共通の励振コイル２によって、実質的に２軸の感度軸を有する薄膜フラックスゲート型磁気センサを得る。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 基板上に、磁性体薄膜からなるループ状のコアと、そのコアの上下に絶縁層を介して積層された導電体薄膜およびその上下の導電体薄膜のコンタクト部を有して当該コアをループの内外を通りつつ螺旋状に周方向に巻回する励振コイルおよび検出コイルが形成されてなるフラックスゲート型磁気センサにおいて、上記励振コイルは上記ループ状コアに周方向に一様に巻回されているとともに、上記検出コイルは、ループ状コアの１／４周ずつ４つに分割して巻回され、かつ、そのうちの対向する２つの検出コイルどうしが互いに逆向きに巻回されて相互に接続されていることを特徴とする２軸フラックスゲート型磁気センサ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば地磁気等の微小磁界を測定するフラックスゲート型磁気センサに関し、更に詳しくは、薄膜を用いた１つのセンサにより２軸方向の磁界を検出することができ、例えばナビゲーション用等の方位センサに用いるのに適した２軸フラックスゲート型磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】フラックスゲート型磁気センサは、一般に、図６に模式的に示すように、磁性体からなるコア１１に１つの励振コイル１２と２つの検出コイル１３ａ，１３ｂを巻回した構造を持ち、２つの検出コイル１３ａ，１３ｂは相互に差動接続、つまり互いに逆向きに巻かれた状態でその一端どうしが接続される。
【０００３】このようなフラックスゲート型磁気センサにおいては、励振コイル１２に交流電流（励振電流）を流すことによってコア１１に沿って発生する交流磁束が、各検出コイル１３ａ，１３ｂの内部を互いに逆向きに貫くことになる。この状態でセンサに外部磁気が作用すると、その磁気による磁束は各検出コイル１３ａ，１３ｂに対して同方向に作用するため、各検出コイル１３ａ，１３ｂを貫いている交流磁束は、結局、外部磁気によって互いに逆向きにバイアスがかかった状態となり、その検出コイル１３ａ，１３ｂの両端から、外部磁気に比例し、かつ、励振電流の２倍の周波数の交流電圧信号を取り出すことができる。この交流電圧信号を例えば交流増幅器で増幅し、整流した後に検波することによって、外部磁気に比例した電圧信号を得ることができ、感度が良好で温度に対して安定した磁気センサとなる。
【０００４】また、この種の磁気センサは、図６に示したような棒状のコア１１を持ついわゆるソレノイド型と称されるもののほか、図７に示すようなリング状のコア２１を持つリングコア型と称されるものがある。なお、この図７では、図面の複雑化を避けるため励振コイルの図示を省略しているが、実際にはコア２１を均一に励振するために、コア２１の全体に、励振コイルが各検出コイル２３ａ，２３ｂの螺旋と交互の螺旋を描くように巻回される。
【０００５】更に、このリングコア型のフラックスゲート型磁気センサとして、リングコア並びに励振コイルおよび各検出コイルを半導体製造技術を利用して薄膜で形成することにより、センサ素子を小型化し、かつ、磁気検出特性を向上させた、いわゆる薄膜フラックスゲート型磁気センサが提案されている（特開平７−１９１１１８号）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のような各フラックスゲート型磁気センサにおいては、外部磁界の磁束が検出コイルの内部を貫かなければこれを検出することはできず、従ってこの種の磁気センサには、図６，図７にそれぞれ矢印Ｓで示す感度軸が存在する。よってこの種の磁気センサを用いて地磁気を測定することにより、方位センサを得ようとする場合には、２軸方向の磁気を測定すべく、２つのフラックスゲート型磁気センサを互いに直交する姿勢で配置し、個々に信号を取り出す必要がある。このような手法によると、機械的な配置であるが故に誤差が生じ、方位に変換した場合の角度誤差が大きくなるという問題がある。
【０００７】本発明の目的は、１つの素子により２軸方向への磁気を独立的に測定することができ、もって方位センサ等に適用して、角度誤差が生じず、しかも所要スペースが小さく、かつ、コスト的にも有利な２軸フラックスゲート型磁気センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するため、本発明の２軸フラックスゲート型磁気センサは、基板上に、磁性体薄膜からなるループ状のコアと、そのコアの上下に絶縁層を介して積層された導電体薄膜およびその上下の導電体薄膜のコンタクト部を有して当該コアをループの内外を通りつつ螺旋状に周方向に巻回する励振コイルおよび検出コイルが形成されてなるフラックスゲート型磁気センサにおいて、以下の構成を採用している。
【０００９】すなわち、励振コイルはループ状コアにそのループの内外を通りつつ螺旋状に周方向に一様に巻回する一方、検出コイルは、ループ状コアの１／４周ずつ４つに分割して巻回し、かつ、そのうちの対向する２つの検出コイルどうしは、互いに逆向きに巻回して相互に接続する、という構成を採用している。
【００１０】ここで、本発明においては、ループ状のコアは２軸対称の形状をしていれば、その平面形状は正方形、円形等、任意である。本発明は、半導体製造技術を利用して、高精度の加工が可能な薄膜フラックスゲート型磁気センサにおいて、１つのループ状コアに、互いに直交する２軸用の検出コイルを巻回することにより、２軸の直交精度を向上させると同時に、１つのコアとその励振コイルを共通にして、実質的に１つのセンサで直交２軸の磁気を検出することを可能とし、所要スペースの削減とコストダウンを達成しようとするものである。
【００１１】本発明の構成によると、検出コイルはループ状コアの１／４周ずつ４分割されて巻回され、そのうち互いに対向するものどうしが逆巻きで相互に接続された構成を有し、これは、１軸用のフラックスゲート型磁気センサの一組の検出コイルを、互いに直交させて共通のループ状コアに巻回したものであり、各組の検出コイルの出力を独立的に取り出すことで、実質的に１つのセンサ素子によって、互いに直交する２軸をそれぞれ感度軸とする２つのフラックスゲート型磁気センサを構築することができる。そして、ループ状コアを１／４周ずつ巻回する４つの検出コイルは、コアおよび励振コイルを含めて、フォトリソグラフィ技術等をはじめとする半導体製造技術を利用して薄膜によって形成されているため、相互の角度（姿勢）誤差を極めて小さくすることができ、所期の目的を達成できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態の構成を示す模式図であり、（Ａ）はループ状コア１に励振コイル２のみを巻回した状態、（Ｂ）は同ループ状コア１に第１軸用の２つの検出コイル３ａ，３ｂのみを巻回した状態、（Ｃ）は同ループ状コア１に第２軸用の検出コイル３ｃ，３ｄのみを巻回した状態で示している。また、これらの図では、各コイル２，３ａ，３ｂ，３ｃおよび３ｄは線状に図示しているが、実際には、これら各コイルは、後述するように、ループ状コア１を含めて薄膜によって形成されている。
【００１３】磁性体からなるループ状コア１は、この例においては正方形であって、その周方向に励振コイル２がループの内外を通りつつ螺旋状に一様に一貫して同一の向きに巻回さている。
【００１４】ループ状コア１にはまた、各辺に対応して合成４つの検出コイル３ａ，３ｂ，３ｃおよび３ｄが巻回されており、そのうち、互いに対向する２辺の検出コイル３ａと３ｂ、および、３ｃと３ｄは、それぞれ逆向きに巻回されて相互に接続されており、検出コイル３ａと３ｂが第１軸用の検出コイル対を、検出コイル３ｃと３ｄがその第１軸と直交する第２軸用の検出コイル対を構成している。ここで、図１では図面の複雑化を避けるために（Ａ）〜（Ｃ）それぞれに励振コイル２のみ、第１軸用の検出コイル対３ａ，３ｂのみ、および第２軸用の検出コイル対３ｃ，３ｄのみを個別に巻回した状態で示しているが、実際には検出コイル３ａ〜３ｄと励振コイル２は、一つのループ状コア１を共有した状態で巻回されている。
【００１５】すなわち、各検出コイル３ａ〜３ｄは、ループ状コア１に対して、励振コイル２の螺旋と交互の螺旋を描くように巻回されている。以上のループ状コア１、励振コイル２、および各検出コイル３ａ〜３ｄは、基板上に薄膜を積層することによって形成されているのであるが、以下、その具体的な積層構造と製造手順について述べる。
【００１６】この例においては、ループ状コア１を形成した層の上下に、図２（Ａ）に部分的に示すようなパターンを有する上部配線層Ｕと、同図（Ｂ）に部分的に示すようなパターンを有する下部配線層Ｌを、それぞれ絶縁層（図示せず）を介して形成し、その上下の配線層ＵとＬを適宜箇所において接続することにより、励振コイル２および各検出コイル３ａ〜３ｄを形成している。
【００１７】すなわち、上部配線層Ｕは上部の励振コイル用パターンＵ２と上部の検出コイル用パターンＵ３によって構成され、下部配線層Ｌは下部の励振コイル用パターンＬ２と下部の検出コイル用パターンＬ３とからなっている。そして、上下の励振コイル用パターンＵ２，Ｌ２は、図３（Ａ）に該当部分だけ抽出した模式的斜視図を示すように、上下の配線層Ｕ，Ｌ間に介在する層を貫通するコンタクトホール内に形成されたコンタクト部Ｃ２によって接続され、全体としてループ状コア１を巻回する励振コイル２を構成している。また、上下の検出コイル用パターンＵ３とＬ３は、図３（Ｂ）に該当部分だけ抽出した模式的斜視図を示すように、同じく上下の配線層Ｕ，Ｌ間に介在する層を貫通するコンタクトホール内に形成されたコンタクト部Ｃ３によって接続され、全体としてループ状コア１を巻回する検出コイル３ａ（または３ｂ，３ｃ，３ｄ）を構成している。
【００１８】ここで、ループ状コア１は、等方性膜を用いるか、あるいは直交する第１および第２軸方向への等磁率が互いに等しくなるように異方性をつけた膜が使用される。
【００１９】以上の薄膜を用いた３次元構造は、以下の手順により得ることができる。図４はその製造手順の説明図である。まず、（Ａ）に示すように、例えば溶融石英からなる基板１００の表面に、例えばＣｕ薄膜をｄｃマグネトロンスパッタ等により成膜（膜厚２μｍ）し、例えばフォトリソグラフィとイオンビームエッチングを用いたパターニングにより、下部の励振コイル用パターンＬ２および検出コイル用パターンＬ３からなる下部配線層Ｌを形成するとともに、その配線間の溝は例えば蒸着ＳｉＯ2 膜にて埋め、リフトオフ方によって平坦化する。
【００２０】次に、例えばＳｉＯ2 とパーマロイを順にスパッタ法によって成膜し、上記と同様の方法によってパーマロイをパターニングして、（Ｂ）に示すように下部絶縁層ＬＩと、正方形状のループ状コア１を形成する。
【００２１】次に、ＳｉＯ2 をスパッタ成膜して（Ｃ）のように上部絶縁層ＵＩを形成し、その上部絶縁層ＵＩおよび下部絶縁層ＬＩに対して、（Ｄ）に示すように、例えばイオンビームエッチングにて、下部配線層Ｌの各パターンＬ２，Ｌ３の一端部に相当する位置にそれぞれコンタクトホールＣを穿った後、Ｃｕ薄膜２００をスパッタ成膜する。その後、そのＣｕ薄膜２００をフォトリソグラフィとイオンビームエッチング等によってパターニングすることで、（Ｅ）に示すように、上部の励振コイル用パターンＵ２および検出コイル用パターンＵ３からなる上部配線層Ｕと、コンタクトホールＣ内に形成されて上下の励振コイル用パターンＵ２，Ｌ３を繋ぐコンタクト部Ｃ２と、同じくコンタクトホールＣ内に形成されて上下の検出コイル用パターンＵ３とＬ３を繋ぐコンタクト部Ｃ３を形成する。
【００２２】以上のような工程により、図１（Ａ）〜（Ｃ）に模式的に示したように、ループ状コア１と、その周囲を一様に螺旋状に巻回する励振コイル２と、その励振コイル２の螺旋と交互に配置されて同じくループ状コア１の周囲を１／４周ずつ巻回する検出コイル３ａ〜３ｄを、それぞれ薄膜によって形成することができ、しかも、リソグラフィ技術等を用いて各コイルパターンを形成するが故に、各検出コイル対３ａと３ｂ、および、３ｃと３ｄとの直交精度を極めて高精度にすることができる。
【００２３】さて、以上の構成において、１つの励振コイル２に交流電流を流すことによってループ状コア１が励振され、これによって発生する交流磁束が、第１軸用の検出コイル３ａと３ｂの内部を互いに逆向きに貫くと同時に、第２軸用の検出コイル３ｃと３ｄの内部をも互いに逆向きに貫く。
【００２４】この状態で外部磁気が作用すると、そのうちの第１軸方向への成分は検出コイル３ａ，３ｂに対して同方向に作用するから、これらの検出コイル３ａ，３ｂを貫いている交流磁束は第１軸方向への外部磁気により互いに逆向きにバイアスがかかった状態となり、その両端から第１軸方向への外部磁気に比例した交流電圧信号を取り出すことができる。また、外部磁気の第２軸方向への成分は、検出コイル３ｃ，３ｄに対して同方向に作用し、これはらの検出コイル３ｃ，３ｄを貫いている交流磁束は第２軸方向への外部磁気により互いに逆向きにバイアスがかかった状態となって、その両端から第２軸方向への外部磁気に比例した交流電圧信号を取り出すことができる。
【００２５】従って、この実施の形態によれば、実質的に１つのセンサ素子により、互いに直交する２軸方向への磁気を検出することができ、しかも、その各感度軸の交差精度は極めて高精度なものとなる。
【００２６】なお、以上の実施の形態においては、ループ状コア１を正方形状のループとした例を述べたが、本発明におけるループ状コアは正方形状に限定されることなく、他の２軸対称形状、例えば円形であってもよい。この場合、４つの検出コイル３ａ〜３ｄは、図５に示すように、円形のコアを４分割する領域Ａ１〜Ａ４のそれぞれに巻回すればよい。
【００２７】また、以上の実施の形態においては、励振コイル１と各検出コイル３ａ〜３ｄを共通の上部配線層および下部配線層に形成してそれぞれにコンタクトをとった例を示したが、励振コイル用の上部配線層並びに下部配線層と、検出コイル用の上部配線層並びに下部配線層とを、それぞれ別の層に形成してもよいことは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ループ状コア並びに励振コイルおよび検出コイルのそれぞれを薄膜によって形成したフラックスゲート型磁気センサにおいて、１つのループ状コアに一様に励振コイルを巻回するとともに、そのループ状コアの１／４周ずつにわたって合計４つの検出コイルを巻回し、そのうち互いに対向するものどうしについては、巻回の向きを逆向きにし、かつ、相互に接続した構造としているから、実質的に１つのフラックス型磁気センサによって、互いに直交する２軸の感度軸を有する磁気センサを得ることができ、しかも、その２つの感度軸の直交精度は、各検出コイルが薄膜を用いて形成されているが故に、フォトリソグラフィ技術等を適用して容易に高精度化することが可能である。
【００２９】以上のことから、本発明によれば、従来のように２個のフラックスゲート型磁気センサを直交配置して２軸方向への磁気成分を検出する場合に比して、所要スペースを削減し、かつ、製造コストを低減して、しかもその角度誤差を大幅に少なくすることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１９９３
【氏名又は名称】株式会社島津製作所
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）６月２７日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】倉内 義朗
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２３６８３ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１月２９日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−１７２３５６ |
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