JPH04303707A - 電子式羅針盤 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路技術を
利用してＩＣチップ上に磁心付きコイルを形成し、従来
のフラックスゲート磁力計を集積化した簡易で小型の磁
力計に関する。本発明は、旧来の羅針盤を電子化するも
のであり、本発明によれば、例えばデジタル式腕時計の
ＬＣＤパネル上に地磁気の方向を指示できる。

【０００２】

【従来の技術】磁針盤（羅針盤とも言う）は、航海や測
量の用途に用いられ昔から親しまれている。言うまでも
なく、それは地磁気に感じてその磁極の方向を指示する
道具である。しかるに、地磁気の強度は極めて弱く、例
えば日本列島では０．２〜０．４［Ｇ］の磁束密度しか
ない。このため磁針盤においては、地磁気に基づく磁力
を有効に検出するため磁針を微妙なバランスを保ちつつ
軸の上に立て、軸における摩擦力を最少にする工夫をし
てある。最近では車載用磁針盤も登場した。これは液体
中に磁石を浮かべてその摩擦を粘性抵抗のみとするもの
である。［資科；理科年表，地学部，地磁気及び重力；
丸善株式会社］

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこれらの
磁針盤は、微弱な磁気をその唯一の動力とするが故に欠
点がないわけではない。第１に、磁極方向の決定に際し
磁針が安定するのを待たなければならない。即ち、磁針
の単振動のために方向決定の即時性がないのである。第
２に、外部振動に対して極めて弱いのである。磁針を支
える軸の振動や液体の揺れで中々方位が決定し得ない。 測定者が歩行等の運動をしていたのでは容易に方位を知
ることはできないのである。凡そ磁気を測定する道具と
しては、ホール素子、磁気抵抗素子などもあるが、これ
らの感度は通常数百［Ｇ］止まりで地磁気測定に本質的
に無力である。磁気抵抗素子には以下の欠点がある。第
１に、強磁性体特有の磁気異方性抵抗効果を使うので飽
和磁界以下で使用するとヒステリシスを生じて磁界の方
向を検出するのが困難である。第２に、原理的に磁界の
正負を判定できない。ホール素子には以下の欠点がある
。第１に、ホール効果も磁気抵抗効果もローレンツ力に
よるホール角を利用するが、これは立体的な現象であり
、特定方向の磁界にのみ生じるというものでない。それ
故、方向決定を精度良く行うのは困難である。第２に、
ホールＩＣなどにして感度を上げる方法はあるが、結局
は磁性体棒などを使わざるを得ないなど、弱地場の方向
決定を目的とする磁力計の集積化に無力である。他方、
専門家が測定する際に使う道具としてはフラックスゲー
ト（Ｆｌｕｘｇａｔｅ）磁力計、プロトン磁力計がある
。フラックスゲート磁力計は感度が１［γ］（１［γ］
＝１０−５［Ｇ］）もあり、小型で軽量という特徴があ
る。これに対しプロトン磁力計は地磁気の絶対測定がで
き感度も同程度であるが、バイアス磁界が必要など小型
化が難しく高価である。そこで、地磁気を測定し表示す
る手段で従来の磁針盤に替るものとして、フラックスゲ
ート磁力計を更に小型化することが考えられる。 これが本発明の動機であり目的である。［資料：センサ
技術，１９８２年１１月号，ＶＯＬ．２．Ｎｏ．１２，
Ｐ１８−３１］以下に、フラックスゲート磁力計の原理
について簡単に説明する。第１図は、フラックスゲート
磁力計の原理図を示している。第１図において、１−１
は飽和特性を有する磁性体であって磁気閉回路を構成す
る。１−２は１次コイルで励磁用である。１−３は２次
コイルで双方の磁気回路に捲かれている。磁性体１−１
は、外部磁界に対して対称の構造を持ち、１次コイルを
流れる励磁電流により、その各々に大きさが同じで逆向
きの磁束を生じる。第１図において、フラックスゲート
磁力計の動作を以下に説明する。１次コイルに正弦波電
流（ＩＯ）を流し、磁気回路中を外部磁界（ＨＸ）に対
し左右逆向きの磁束（ФＯ及び−ΦＯ）生じさせると、
これが外部磁界による磁束（ΦＸ）と重ね合わさること
になる。このとき、励磁電流を１−１の磁性体が飽和磁
束となるように選ぶ。外部磁界による磁束が加わる場合
（ΦＯ＋ΦＸ）は、磁性体のＢ−Ｈ曲線が奇関数である
ことから、正の半周期で飽和している時間が長く負の半
周期で飽和している時間が短くなる。減じる場台（−Φ
Ｏ＋ΦＸ）は、これと全く逆の状態となる。２次コイル
には電磁誘導の法則により全磁束の変化に逆らう向きに
起電力を生じるが、飽和状態では磁束の変化はないので
残りの時間のみ起電力を生じる。しかるに、２次コイル
１−３は対称な磁気回路の双方の起電力が加わるように
捲かれているので、一方の磁束が飽和している時間のみ
他方の磁束変化による起電力が相殺せずに出力される。 双方が正弦的に変化する場合、双方が飽和磁束となる場
合は、その起電力は相殺するか０となる。そこで、外部
磁界に比例して起電力を生じる時間が増し、その出力は
励磁電流の半周期に対して正負に分れた波形となる。こ
の出力は外部磁界に比例する２次高調波が主成分となる
。［資料：Ｈ．Ａｓｃｈｅｎｂｒｅｎｎｅｒ　　ａｎｄ
　　Ｇ．Ｇｏｕｂａｕ，ＨＦＴＥＡ，４７−６，Ｐ１７
７（１９３６）］さて、この様な原理を有するフラック
スゲート磁力計を如何にして集積できるであろうか。こ
れを半導体集積回路で実現しようとすると以下の困難が
考えられる。第１に、平面回路で空心コイルを形成する
のが容易でない。スパイラル状のコイルなら形成可能で
あるが、立体的なものは難しい。第２に、ＩＣプロセス
により磁性薄膜を形成することは可能であるが、まず、
熱処理が難しい。飽和特性を有する磁性体は、通常高温
で熱処理し、時には急冷処理も必要となる。例えば、７
８パーマロイは１０５０℃で熱処理し、６００℃から急
冷する必要がある。次に、磁性薄膜に特有の一軸性異方
性のために、オンチップに異なる磁化困難方向の組み合
わせを実現するのが困難である。この組み合わせが必要
な理由は、ＸとＹの２方向の磁力測定で始めて地磁気の
方向が決定されることにある。第３に、至近距離に回路
電流が流れそのノイズが地磁気測定の障害となることが
考えられる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】以上の困難にたってなさ
れたのが本発明であって、半導体集債回路上に後処理的
工程により磁性体を磁心とするコイルを形成し、フラッ
クスゲート磁力計を実現しようとする。

【０００５】

【実施例】第２図は、本発明によるフラックスゲート磁
力計の構成図である。この構成ではＬＣＤパネル２−６
を除く総ての要素をワンチップ上に実現することを大き
な特徴とする。簡易な磁針盤の製造のため、その集積化
を図るからである。第２図で、２−７はＸ方向の２次コ
イル、２−９はＸ方向２次コイル出力を同期検波する回
路、２−１１はその検波出力を積分する回路、２−１３
はその積分出力を補正する回路である。２−８はＹ方向
の２次コイル、２−１０はＹ方向２次コイル出力を同期
検波する回路、２−１２はその検波出力を積分する回路
、２−１４はその積分出力を補正する回路である。補正
出力はＸ側とＹ側でその大きさが比較され、２−１５の
角度決定装置によって地磁気の方向が決定される。この
装置は簡易なコントローラーで十分であるが、次のＬＣ
Ｄドライバー２−１６を制御する機能を有しなければな
らない。このＬＣＤドライバーは、地磁気の方向を指示
する特殊なＬＣＤパネル２−６を駆動する。さて、フラ
ックスゲート磁力計においては２次コイル出力は外部磁
界に比例する倍周波出力であるので、この出力のみを取
り出すには同期検波する必要がある。ところが、本発明
では例えば腕時計の如く３２ＫＨｚ程度の水晶発信器を
前提とするものであるので、その時計回路が分周回路を
主要な構成とすることから、かかる倍周波検波を行うの
が比較的容易である。幸いなことに、フラックスゲート
磁力計の励磁周波数は数ＫＨｚ程度であるので、十分に
水晶発信器周波数の分周回路を利用することができる。 本発明では、同期検波出力は直接積分することにしてい
る。本来ならば、倍周波数におけるフィルターを使用し
て純粋にその周波数成分のみ積分すべきであるが、オン
チップでかかるフィルターを実現することは一般に困難
で、集積化の要請にも沿わない。しかしながら、この誤
差はそれ程大きくなく、むしろ周囲の磁気環境の影響の
方が大きいので、次の補正回路が有効に作用することに
なる。しかし、場合によってはこの補正回路も不要と考
えられる。何故なら、本発明の目的は一次的には磁気方
位の決定であり、磁気の絶対測定ではない。まして、高
精度の方位決定が要求されるものでもなく、極言すれば
、ＬＣＤ素子の素子間隔（角間隔）以上の精度は不要で
ある。ナビゲーションシステムなど、高い精度が要求さ
れる場台にのみ完全な磁力計の構成が要求されていると
言えよう。本発明では、例えば、腕時計のＬＣＤパネル
上に地磁気の方位を表示することを目的にするので、Ｌ
ＣＤパネルは時計表示と合わせて表示することが可能で
ある。その腕時計においては、消費電流の問題が重要で
ある。詳細は後記するが、励磁電流は一時的に１０［ｍ
Ａ］程度流す必要がある。そこで、実際的には、腕時計
の豆ライトの如く、釦を押したときのみ測定又は指示す
る方式が望ましい。第３図は、本発明における半導体集
積回路上にコイルを作成する方法に関するものである。 第３図で、３−２１は半導体集積回路基板、３−２２は
内部Ａｌ配線、３−２３はパッド、３−２４はＳｉＯ２
絶縁酸化膜、３−２５は外部Ａｌ線ワイヤ、３−２６は
磁性体のパーマロイで、絶縁樹脂膜３−２７で被覆され
ている。本発明のこの実施例ではでは後処理的工程によ
ってコイルを形成するものであるから、半導体集積回路
は既に基板上に形成されていて、金属配線及び酸化膜に
よる被覆が終了したものである。内部Ａｌ配線はそのパ
ッドと対面するパッドの隣のパッドに結線されており、
ワイヤボンド前には両端のパッドのみ集積回路内部と結
線されている。さて、第１の工程は、酸化膜上に接着剤
を用いてパーマロイを固定するものである。パーマロイ
は通常薄板状のものが供給されており、膜厚の薄いもの
ほど高周波特性が良い。その厚さは製造上の都合から２
５〜１００μｍであり幸いなことに集積回路基板上に据
え置くのに都合がよい。実施例ではこの薄板を打ち抜い
たパ−マロイ板を前提としている。打ち抜きの際には薄
板の角を落としておくと、後の工程であるワイヤボンド
の際に都合がよい。良く知られたように、パーマロイは
合金であって良導体である。そこでパ−マロイは予め絶
縁被覆しておくのが望ましい。本発明では、板状パーマ
ロイ３−２６をこれも板状絶縁樹脂膜３−２７で真空被
覆したものとしている。半導体集積回路上部のＳｉＯ２
絶縁酸化膜３−２４に密着させて接着するからである。 パーマロイ板の配置においては、基板上に正確なマーク
を形成しておき配置の平行又は垂直を確実に達成する必
要がある。地磁気測定により磁極の正確な方位を決定す
る際に必要となる。第２の工程は、Ａｌ線ワイヤ３−２
５による対面パッド間のワイヤボンドである。この場台
、金線によるワイヤボンドとするときは結線を確実にす
るため少なくともフレーム側パッドは予め金蒸着する必
要がある。Ａｌ線ワイヤによる配線とするときはこの必
要はないが、その場合は十分な円弧を描いて配線しなけ
ればならない。この様な後処理の結果、外部パッド→内
部Ａ１配線→内部パッド→Ａｌ線ワイヤ→外部パッド、
という電気的ループが形成され、パーマロイ３−２６を
磁心とする磁心付きコイルが形成される。この様なコイ
ルは、洩れ磁束が多く効率の悪いものであるが、製造方
法としては簡易なものとなっている。第４図は、本発明
によるフラックスゲート磁力計であって、半導体集積回
路基板上に実現した場合の回路配置を示している。第４
図で、４−３１は半導体集積回路基板であって既に前処
理を終了したチップである。４−３２は、前記第２図の
同期検波回路、積分回路、補正回路、角度決定回路等の
フラックスゲート磁力計の主要部の配置を示す。ＬＣＤ
ドライバーは通常外部パッド４−３７と共にチップの周
辺に配置される。４−３３は、本発明による四角形の樹
脂被覆膜であって、その内部にパーマロイの薄板４−３
４が存し、Ｙ方向（第２図の上下方向）及びＸ方向（同
左右方向）の磁気測定のためにそれぞれ一組が被覆され
ている。また、被覆膜４−３３は、その一部（４か所）
を打ち抜きにして、四角形の窓４−３５を開けてある。 これは第３図によるコイルを形成するために内部パッド
４−３６と外部パッド４−３７をＡｌ配線でワイヤボン
ドする必要があるからである。被覆膜４−３３は、ほぼ
平板状であるので同じく平板状である半導体基板表面に
密着させることができ、粘着又は接着によって後処理的
に配置することができる。その際、顕微鏡下で半導体表
面に形成された位置合わせマークと合致させると正確な
配置が可能となる。第４図では、図の説明の都合上内部
及び外部パッドを一部を省略し、Ａｌ配線も描いていな
い。樹脂膜の配置及びＡｌ線のワイヤボンド等は総て暫
定的なものでもよい。最終的にはレジン等の遮光樹脂膜
を用いて封着させるからである。さて、本発明の主要部
はパーマロイ板４−３４と、これを磁心とするコイルに
あり、４−３８と４−４１は励磁用１次コイルを、４−
３９と４−４０は倍周波数検出用２次コイルを示してい
る。注意すべきことは、第１にパーマロイ板は全体とし
て磁気閉回路を形成していることである。これは、フラ
ックス磁力計で外部磁界による磁束と励磁磁束の和及び
差を作る必要があるからである。しかし、本実施例での
パーマロイ板は言わば変形のＬ字型をしている。この理
由は、平行線路の方向の地磁気成分が外部磁界として測
定されるのでこの方向の反磁係数が小さいようにするこ
と、及びチップ上での占有面積を最少にすることから決
められた。左右対称でないことから、これを原因として
誤差が生じるが、パーマロイの磁気抵抗は十分に小さい
ことから誤差も小さく、本発明の目的には十分である。 注意すべき点の第二は、Ｘ方向（４−４２の矢印方向）
及びＹ方向（４−４３の矢印の方向）の外部磁界を測定
するのて、２次コイル同志は接近していても、１次コイ
ル同志は離れていることである。これは、測定の際に互
いの励磁コイルによる洩れ磁束による干渉を防止するた
めである。従って、第４図の半導体チップの左上部が主
要な地磁気検出部であり、外部磁気環境の影響を十分避
けなければならない部分である。さて、一般にＩＣ上で
取り扱う電流には大きな制限があり、本発明の如く腕時
計上のＬＣＤパネルに地磁気の方向を指示しようとする
応用を前提とする場合には、特に電池上の制約が厳しい
。また、この様な制約下で、使用する磁性体としてのパ
ーマロイの物質的特性が地磁気測定の目的に合致するか
も検討する必要がある。例えば、ＣＭＯＳのＩＣを使用
した腕時計ではボタン型電池を使用するが、この消費電
流は通常１００［μＡ］程度が限度である。しかし、一
時的なら数［ｍＡ］程度流すことはでき、現に豆ランブ
による夜間照明に使用されている。仮に、ＩＯ＝１［ｍ
Ａ］の励磁電流を流して、パーマロイを飽和させること
ができるであろうか。前記７８パーマロイでは飽和磁界
が８［ＡＴ／ｍ］程度で、オンチップ上でのコイルとし
てコイル直径２００［μｍ］、コイル密度ｎ＝１［本］
／１００［μｍ］の場合、磁界Ｈ＝ｎ×ＩＯ＝１０［Ａ
Ｔ／ｍ］となり十分飽和が可能なことが知れる。処が、
地磁気の東京での強度の絶対値はおよそ３８［ＡＴ／ｍ
］であって、高透磁率の軟磁性パーマロイでは飽和して
いることも珍しくはない。従って、飽和磁界が少なくと
も８０［ＡＴ／ｍ］程度、それを飽和させるための励磁
電流も１０［ｍＡ］程度は必要となる。同じパーマロイ
と言っても、この様な特性を持つものを選ばなければな
らない。周波数特性について言えば、一般にパーマロイ
の薄板は１０ＫＨｚ程度までは十分な透磁率を持つ。次
に、本発明の後処理工程につき検討するに、本発明のフ
ラックスゲート磁力計を組み込んだＩＣチップをどのよ
うに組み立てるのがよいか問題である。ダイボンドにつ
いて言えば、鉄フレーム上へのボンドは地磁気を歪める
ことになるので、第２図の補正回路で十分な補正ができ
ないことも起こる。樹脂性絶縁基板上への接着剤による
固定はこの不都合がない。ポリイミドフィルムによるテ
ープキャリアへのバンプによる一括配線もよい。何れに
しても、コイル等を固定することが必要で、チップ上へ
のシリコンコート及びレジン等によるプラスチック封止
などの手段が欠かせない。腕時計に採用される円形薄型
基板はチップオンボードなので、本発明によるＩＣチッ
プの搭載に向いている。重要なことは、徒に加熱処理す
るとパーマロイの特性が変化するおそれがあることであ
る。さて、ＩＣ基板表面上に搭載される電子回路は、様
々な電気的苦しくは電磁的ノイズを発生する。これらの
電子回路は集積化の故に非常に近接しているので、地磁
気測定に重大な影響を及ぼす可能性がある。通常時計用
ＩＣ内部では、特にクロックの変位時に、瞬間的に１［
ｍＡ］程度の電流が流れることも少なくない。処が、幸
いなことに総ての電子回路は一平面上に形成されている
ので、どの枝電流もその発生する磁界は基板平面と直交
する関係にある。そこで、基板平面内の磁界測定に対し
て理論的に言えば何らの影響もない。しかし、実際には
理論通りでないので、その寄生磁界のおよその大きさを
推定しておく必要がある。今仮にＩＯ＝１０［ｍＡ］の
励磁電流を流した場合に密度ｎ：１［本］／１００［μ
ｍ］のソレノイドコイルの内部磁界Ｈは、Ｈ＝１００［
ＡＴ／ｍ］であるのに対し、ノイズ電流Ｉｎ＝１［ｍＡ
］による１００［μｍ］離れた直線状電流からの垂直磁
界ＨｎはおよそＨｎ＝１．６［ＡＴ／ｍ］であって、比
較的小さい。従って集積回路上で１００［μｍ］程度内
部回路をパーマロイから離しておけば、その影響を小さ
くすることができるし、本発明の目的には十分と考えら
れる。仮にこのノイズが無視できないときであっても、
フラックスゲート磁力計の同期検波回路や積分回路は、
このノイズによる誤差の積み重ねを防ぐ機能を有してい
るので、やはりその影響は小さい。

【０００６】

【発明の効果】（１）請求項１について。 本発明による磁心何きコイルは、本発明独自のものであ
り、従来のＩＣ表面上に金属配線によるスパイラルコイ
ルを形成する方法等とは決定的に異なる。本発明によれ
ば、高透磁率磁性体の使用によって高いインダクタンス
を実現できる。前記スパイラルコイルによるインダクタ
ンスが１００［ｎＨ］程度が限界であるのに対し、本発
明によればこの１０倍以上を容易に実現できる。本発明
によれば、外部インダクタンスの省略できる応用例が増
え、特にＢｉＣＭＯＳ等によるアナログ混載ＩＣに威力
を発揮できる。なお、本発明による実施例においては、
板状磁性体の後処理的工程によったが、前処理的に磁性
体を形成した場合においても、ワイヤボンド技術を使う
後処理工程等を欠くものでないので、何ら本発明を損な
うものでない。さて、本発明にも若干の欠点がある。洩
れ磁束が大きいために効率的なインダクタンスの形成が
できないこと、ＩＣ上のパッドを使用するためコイルの
捲き数に大きな制限があること、内部ノイズを拾いやす
いこと、使用する磁性体によっては高周波特性が悪いこ
となどである。しかし、これらの欠点も高透磁率磁性体
の使用による高インダクタンスの実現や、本発明による
フラックスゲート磁力計の如く磁性体の特質を本質的に
利用する応用の途を開く点での利点が勝ると言えよう。 （２）請求項２について 本発明によるフラックスゲート磁力計は、言わば、簡易
なモノリシック磁気方位センサーを提供するものである
。本発明によれば、旧来の羅針盤を電子化でき、例えば
デジタル式腕時計のＬＣＤパネル上に地磁気の方位を指
示することができる。また、本発明を用いれば、容易に
簡易なナビゲーションシステムを構築できる。実用的に
は困難も多いが、例えばオモチヤ等への応用などなら考
えることができよう。仮に磁性体を外部に設け十分な精
度を確保すれば、例えば自動車に搭載するような本格的
な自律型ナビゲーションシステムも夢ではない。しかし
ながらワンチップ化による簡易な構成の利点を活かすた
めには、携帯式の電子機器への応用が優れていよう。 本発明によれば、出願人の知るかぎりにおいて、初めて
地磁気の方位を簡易に表示可能とするものであって、そ
の効果は顕著であり他の発明の追従を許さないものと考
える。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　フラックスゲート磁力計の原理図を示して
いる。

【符号の説明】

１…飽和特性を有する磁性体、２…１次コイル、３…２
次コイル。

【図２】　　本発明によるフラックスゲート磁力計の構
成図である。

【符号の説明】

６…ＬＣＤパネル、７…Ｘ方向２次コイル、８…Ｙ方向
２次コイル、９…Ｘ方向同期検波回路、１０…Ｙ方向同
期検波回路、１１…Ｘ方向積分回路、１２…Ｙ方向積分
回路、１３…Ｘ方向補正回路、１４…Ｙ方向補正回路、
１５…角度決定回路、１６…ＬＣＤドライバー。

【図３】　　半導体集積回路上に本発明によるコイルを
作成する方法に関する斜視図である。

【符号の説明】

２１…半導体集積回路基板、２２…内部Ａｌ配線、２３
…パッド、２４…ＳｉＯ２絶縁酸化膜、２５…外部Ａｌ
線ワイヤ、２６…パーマロイ、２７…絶縁樹脂膜。

【図４】　　本発明によるフラックスゲート磁力計を半
導体集積回路基板上に実現した場台の回路配置図を示し
ている。

【符号の説明】

３１…前処理終了後の半導体集積回路基板、３２…フラ
ックスゲート磁力計の主要回路部、３３…絶縁樹脂被覆
膜、３４…パーマロイ板、３５…被覆膜の窓、３６…内
部パッド、３７…外部パッド、３８…Ｘ方向励磁用１次
コイル、３９…Ｘ方向検出用２次コイル、４０…Ｙ方向
検出用２次コイル、４１…Ｙ方向励磁用１次コイル、４
２…Ｘ外部磁界検出方向、４３…Ｙ外部磁界検出方向。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体集積回路基板上に形成された一
   のパッドと他のパッド間を金属配線で結ぶ複数の回路と
   、前記一の回路の一のパッドと前記他の回路の一のパッ
   ドを金属ワイヤにより結線する回路とを有する空心コイ
   ルにおいて、その内部に前記半導体基板上に形成された
   板状磁性体を有することを特徴とする磁心付きコイル【
   請求項２】　　磁性体に捲かれたコイルと、半導体集積
   回路基板上に形成された同期検波回路、積分回路、角度
   合成回路、及びＬＣＤドライバーとを有し、外部のＬＣ
   Ｄ表示装置にその角度を表示することを特徴とするフラ
   ックスゲート磁力計