WO2017204151A1 - 磁気センサ - Google Patents

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WO2017204151A1
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magnetic
convergence
region
magnetic sensor
magnetosensitive
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健太郎 潮田
誠 亀野
承彬 林
秀一 大川
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TDK Corp
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TDK Corp
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    • G01R33/0011—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables comprising means, e.g. flux concentrators, flux guides, for guiding or concentrating the magnetic flux, e.g. to the magnetic sensor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
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    • G01R33/0047—Housings or packaging of magnetic sensors ; Holders
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor, and more particularly to a magnetic sensor in which four magnetosensitive elements are bridge-connected.
  • Magnetic sensors using magnetosensitive elements are widely used in ammeters and magnetic encoders.
  • the magnetic sensor may be provided with an external magnetic body for collecting magnetic flux in the magnetosensitive element.
  • it is difficult to increase the detection accuracy because the magnetic flux to be detected is not sufficiently concentrated on the magnetosensitive element.
  • the magnetic sensor described in Patent Document 2 is provided with a magnetic layer on a sensor substrate on which a magnetosensitive element is formed, thereby concentrating the magnetic flux to be detected on the magnetosensitive element.
  • a magnetic sensor described in Patent Document 2 two gaps are formed using three magnetic layers, and two magnetosensitive elements are arranged in each of the two gaps, so that a total of four magnetosensitive elements are provided. Constitutes a bridge circuit.
  • an object of the present invention is to provide an improved magnetic sensor in which four magnetosensitive elements are bridge-connected.
  • a magnetic sensor includes a sensor substrate, first, second, and third magnetic layers provided on the sensor substrate, and first, second, third, and fourth magnetosensitive elements that are bridge-connected.
  • the first magnetic layer includes: a first main region; and first, second, third, and fourth convergence regions that decrease in width as they move away from the first main region.
  • the second magnetic layer includes a second main region, and fifth and seventh convergence regions whose width decreases as the distance from the second main region increases.
  • the layer includes a third main region, and sixth and eighth convergence regions that become narrower as the distance from the third main region decreases, and the first, second, third, and fourth convergence regions And the ends of the fifth, sixth, seventh and eighth convergence regions are respectively connected to the first, second, third and fourth gaps.
  • the first, second, third and fourth magnetosensitive elements are arranged on magnetic paths formed by the first, second, third and fourth gaps, respectively. To do.
  • the magnetic flux generated by the current flowing through each magnetosensitive element affects the other magnetosensitive elements. There is no. This makes it possible to provide a magnetic sensor with higher detection accuracy.
  • the magnetic sensor according to the present invention preferably further includes a first external magnetic body provided on the sensor substrate so as to cover the first main region. According to this, the selectivity of the magnetic flux perpendicular to the sensor substrate can be enhanced.
  • the width of the first external magnetic body in the first direction which is the extending direction of the first to fourth gaps, is wider than the width of the first main region in the first direction.
  • the magnetic sensor according to the present invention further includes a second external magnetic body provided in the vicinity of the second main region and a third external magnetic body provided in the vicinity of the third main region. Is preferred. According to this, higher detection accuracy can be obtained.
  • the first convergence area and the fourth convergence area are lines having a first straight line extending in a first direction which is an extending direction of the first to fourth gaps as an axis of symmetry. It is preferable that the second convergence region and the third convergence region are symmetrical with respect to the first straight line as an axis of symmetry. According to this, since the balance of the magnetic flux applied to the 1st and 4th magnetosensitive elements and the balance of the magnetic flux applied to the 2nd and 3rd magnetosensitive elements are raised, higher detection accuracy is achieved. Can be obtained.
  • the first convergence region and the third convergence region may have a second straight line extending in a second direction orthogonal to the extending direction of the first to fourth gaps as a symmetry axis.
  • the second convergence region and the fourth convergence region are line symmetric with respect to the second straight line as an axis of symmetry
  • the fifth convergence region and the seventh convergence region are It is preferable that the second straight line is symmetric with respect to the axis of symmetry
  • the sixth convergence area and the eighth convergence area are line symmetric with respect to the second straight line as the axis of symmetry.
  • the first and third magnetosensitive elements overlap with the first and second magnetic layers
  • the second and fourth magnetosensitive elements are the first and second magnetosensitive elements. It may overlap with the third magnetic layer. According to this, since the leakage magnetic flux is reduced, higher detection accuracy can be obtained.
  • the first magnetic layer is preferably provided with a notch having a loop-shaped outer periphery. According to this, since the residual magnetic flux of the first magnetic layer circulates around the outer periphery of the notch portion, it is possible to prevent a decrease in detection accuracy due to the residual magnetic flux.
  • the first, second, third and fourth magnetosensitive elements each have a plurality of sensitive elements arranged on a magnetic path formed by the first, second, third and fourth gaps. Magnetic elements may be connected in series. According to this, higher detection accuracy can be obtained.
  • the magnetic sensor according to the present invention includes a fourth magnetic body disposed between the plurality of magnetic sensing elements that respectively constitute the first, second, third, and fourth magnetic sensing elements in a plan view. It is preferable to further comprise a layer. According to this, it becomes possible to reduce the magnetic flux leakage between the plurality of magnetosensitive elements. Furthermore, in this case, the fourth magnetic layer may have an overlap with the plurality of magnetosensitive elements respectively constituting the first, second, third and fourth magnetosensitive elements. According to this, it becomes possible to further reduce the leakage magnetic flux between the plurality of magnetosensitive elements.
  • the fourth magnetic layer may be divided in a first direction that is an extending direction of the first to fourth gaps. According to this, since the fourth magnetic layer has magnetic anisotropy, higher detection accuracy can be obtained.
  • each of the first to fourth magnetosensitive elements is a magnetoresistive element.
  • the sensitivity directions of the magnetoresistive elements constituting the first to fourth magnetosensitive elements are the same, and the magnetoresistive elements constituting the first to fourth magnetosensitive elements are spins.
  • a valve type GMR element is preferred.
  • the four magnetosensitive elements are arranged on magnetic paths formed by different gaps, a magnetic sensor with high detection accuracy is configured by bridge-connecting these four magnetosensitive elements. It becomes possible.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing an appearance of a magnetic sensor 100 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic exploded perspective view of the magnetic sensor 100.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view along the line AA shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic plan view for explaining the structure of the element formation surface 21 of the sensor substrate 20.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view along the line BB shown in FIG. It is a figure for demonstrating a mode that magnetic flux (phi) is equally distributed.
  • FIG. 7 is a circuit diagram for explaining the connection relationship between the magnetosensitive elements R1 to R4 and the bonding pads 51 to 54. In FIG. FIG. FIG.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 101 according to the first modification.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 102 according to the second modification.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 103 according to the third modification.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 104 according to the fourth modification.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 105 according to the fifth modification.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 106 according to the sixth modification.
  • FIG. 14 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 107 according to the seventh modification.
  • FIG. 15 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 108 according to the eighth modification.
  • FIG. 16 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 109 according to the ninth modification.
  • FIG. 17 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 110 according to the tenth modification.
  • FIG. 18 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 111 according to the eleventh modification.
  • FIG. 19 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 112 according to the twelfth modification.
  • FIG. 20 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 108 according to the eighth modification.
  • FIG. 21 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 114 according to the fourteenth modification.
  • FIG. 22 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 115 according to the fifteenth modification.
  • FIG. 23 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 116 according to the sixteenth modification.
  • FIG. 24 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of a magnetic sensor 117 according to the seventeenth modification.
  • FIG. 25 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of a magnetic sensor 118 according to an eighteenth modification.
  • FIG. 26 is a schematic perspective view for explaining the configuration of the main part of a magnetic sensor 119 according to a nineteenth modification.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing an appearance of a magnetic sensor 100 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • 2 is a schematic exploded perspective view of the magnetic sensor 100
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG.
  • the magnetic sensor 100 includes a circuit board 10 having an opening 11, a sensor board 20 disposed in the opening 11, and a first fixed to the sensor board 20.
  • the sensor substrate 20 is a chip component that is smaller than the circuit substrate 10 and has a magnetosensitive element to be described later.
  • the first to fourth external magnetic bodies 31 to 34 are blocks made of a soft magnetic material having high magnetic permeability such as ferrite.
  • the sensor substrate 20 has a substantially rectangular parallelepiped shape, and a first external magnetic body 31 is disposed on the element forming surface 21 constituting the xy plane.
  • a method for producing the sensor substrate 20 a method is generally used in which a large number of sensor substrates 20 are simultaneously formed on a collective substrate, and a large number are separated by separating them, but the present invention is not limited thereto.
  • the individual sensor substrates 20 may be manufactured separately.
  • four magnetosensitive elements R1 to R4 and three magnetic layers 41 to 43 are formed on the element forming surface 21.
  • four bonding pads 51 to 54 are provided on the element forming surface 21 and are connected to bonding pads 61 to 64 provided on the circuit board 10 through corresponding bonding wires BW, respectively.
  • the second and third external magnetic bodies 32 and 33 are respectively disposed on both sides of the sensor substrate 20 in the x direction.
  • the second and third external magnetic bodies 32 and 33 are connected via a fourth external magnetic body 34 located at the bottom of the sensor substrate 20, whereby the second to fourth external magnetic bodies 32 to 32 are connected.
  • 34 constitutes a single magnetic block 35.
  • the magnetic block 35 is disposed so as to be inserted into the opening 11 of the circuit board 10.
  • the magnetic block 35 is provided with a concave portion 36 for accommodating the sensor substrate 20. When the sensor substrate 20 is accommodated in the concave portion 36, the element forming surface 21 of the sensor substrate 20 and the second and third elements are formed.
  • the tips of the external magnetic bodies 32 and 33 are close to each other and form substantially the same plane.
  • FIG. 4 is a schematic plan view for explaining the structure of the element formation surface 21 of the sensor substrate 20.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view along the line BB shown in FIG.
  • first to third magnetic layers 41 to 43 are formed on the element formation surface 21 of the sensor substrate 20.
  • the first magnetic layer 41 is located approximately at the center of the element formation surface 21, and the second and third magnetic layers 42 and 43 are disposed on both sides in the x direction.
  • the magnetic layers 41 to 43 may be a film made of a composite magnetic material in which a magnetic filler is dispersed in a resin material, or made of a soft magnetic material such as nickel or permalloy. It may be a thin film or foil, or may be a thin film or bulk sheet made of ferrite or the like.
  • the first magnetic layer 41 includes a first main region M1 located in the center and first to fourth convergence regions S1 to S4 whose width in the y direction becomes narrower as they move away from the first main region M1 in the x direction. Includes S4.
  • the first main region M ⁇ b> 1 is a part covered with the first external magnetic body 31.
  • the width of the first external magnetic body 31 in the y direction is wider than the width of the first main region M1 in the y direction, and thereby the y direction of the first main region M1.
  • a rotational shift can be considered.
  • the first to fourth convergence regions S1 to S4 are tapered portions whose width in the y direction becomes narrower as they move away from the first main region M1 in the x direction.
  • the third convergence regions S1, S3 are positioned on the negative side (left side) in the x direction with respect to the first main region M1, and the second and fourth convergence regions S2, S4 are relative to the first main region M1. Located on the x direction plus side (right side).
  • the first magnetic layer 41 has a two-fold symmetrical shape.
  • the first convergence region S1 and the fourth convergence region S4 are axisymmetric with respect to the virtual straight line L1 extending in the y direction, and the second convergence region S2 and the third convergence region S4
  • the convergence region S3 is line symmetric.
  • the first convergence region S1 and the third convergence region S3 are axisymmetric with respect to a virtual straight line L2 extending in the x direction, and the second convergence region S4 and the fourth convergence region.
  • the region S4 is line symmetric. Due to such a symmetrical shape, when the magnetic flux taken in via the first external magnetic body 31 is incident on the first main region M1, the magnetic flux ⁇ is changed from the first to the first as shown in FIG.
  • the four convergence regions S1 to S4 are distributed almost evenly.
  • the distributed magnetic flux ⁇ passes through the first to fourth converging regions S1 to S4 having a tapered shape, so that the magnetic flux density is increased.
  • the second magnetic layer 42 includes a second main region M2, and fifth and seventh convergence regions whose width in the y direction becomes narrower as they move away from the second main region M2 in the x direction (plus side). Includes S5 and S7.
  • the third magnetic layer 43 has a third main region M3 and sixth and eighth convergences whose width in the y direction becomes narrower as they move away from the third main region M3 in the x direction (minus side). Regions S6 and S8 are included.
  • the second main region M2 is located in the vicinity of the end of the sensor substrate 20 on the minus side in the x direction, and thereby approaches the second external magnetic body 32.
  • the third main region M3 is located in the vicinity of the end of the sensor substrate 20 on the positive side in the x direction, and thereby close to the third external magnetic body 33.
  • the front end portion of the fifth convergence region S5 is opposed to the front end portion of the first convergence region S1 via the first gap G1.
  • the tip of the seventh convergence region S7 is opposed to the tip of the third convergence region S3 via the third gap G3.
  • the fifth convergence region S5 and the seventh convergence region S7 are line symmetric with respect to a virtual straight line L2 extending in the x direction. Due to such a symmetrical shape, when the magnetic flux taken in via the second external magnetic body 32 is incident on the second main region M2, this magnetic flux enters the fifth and seventh convergence regions S5 and S7. It is distributed almost evenly.
  • the tip of the sixth convergence region S6 is opposed to the tip of the second convergence region S2 via the second gap G2.
  • the tip of the eighth convergence region S8 is opposed to the tip of the fourth convergence region S4 via the fourth gap G4.
  • the sixth convergence region S6 and the eighth convergence region S8 are line symmetric with respect to a virtual straight line L2 extending in the x direction. Due to such a symmetrical shape, when the magnetic flux taken in via the third external magnetic body 33 enters the third main region M3, this magnetic flux enters the sixth and eighth convergence regions S6 and S8. It is distributed almost evenly.
  • first to fourth magnetosensitive elements R1 to R4 extending in the y direction are arranged in the first to fourth gaps G1 to G4, respectively.
  • the widths of the first to fourth gaps G1 to G4 in the x direction are the same.
  • the first to fourth magnetosensitive elements R1 to R4 are not in contact with the first to third magnetic layers 41 to 43.
  • the magnetosensitive elements R1 to R4 are not particularly limited as long as their physical characteristics change depending on the magnetic flux density, but are preferably magnetoresistive elements whose electrical resistance changes according to the direction of the magnetic field, and are spin valve GMR elements. It is particularly preferred that In the present embodiment, the sensitivity directions (fixed magnetization directions) of the magnetosensitive elements R1 to R4 are all aligned in the direction indicated by the arrow C in FIGS. 4 and 5 (plus side in the x direction).
  • the first external magnetic body 31 plays a role of collecting the magnetic flux ⁇ in the z direction and releasing it to the first main region M ⁇ b> 1 of the first magnetic layer 41.
  • the height of the first external magnetic body 31 in the z direction is not particularly limited, but the selectivity of the magnetic flux in the z direction can be increased by increasing the height in the z direction. However, if the height of the first external magnetic body 31 in the z direction is too high, the support of the first external magnetic body 31 may become unstable. It is preferable to do.
  • the magnetic flux ⁇ collected in the first main region M1 via the first external magnetic body 31 is distributed substantially evenly to the first to fourth convergence regions S1 to S4. After that, they are emitted to the fifth to eighth convergence regions S5 to S8 through the first to fourth magnetosensitive elements R1 to R4, respectively.
  • magnetic fluxes in opposite directions are applied to the magnetic sensitive elements R1, R3 and the magnetic sensitive elements R2, R4.
  • the magnetization fixed directions of the magnetosensitive elements R1 to R4 are oriented in the x plus direction indicated by the arrow C, the magnetic sensitive elements R1 to R4 are sensitive to the component in the x direction of the magnetic flux.
  • the magnetic flux that has reached the fifth and seventh convergence regions S5 and S7 is collected by the second external magnetic body 32 via the second main region M2.
  • the magnetic flux that has reached the sixth and eighth convergence regions S6 and S8 is recovered by the third external magnetic body 33 via the third main region M3.
  • FIG. 7 is a circuit diagram for explaining the connection relationship between the magnetosensitive elements R1 to R4 and the bonding pads 51 to 54.
  • the bonding pads 51 and 54 are supplied with the ground potential Gnd and the power supply potential Vdd from the circuit board 10 side, respectively. Further, between the bonding pads 51 and 54, the magnetosensitive elements R1 and R2 are connected in series, and the magnetosensitive elements R4 and R3 are connected in series. The connection points of the magnetic sensitive elements R3 and R4 are connected to the bonding pad 52, and the connection points of the magnetic sensitive elements R1 and R2 are connected to the bonding pad 53.
  • the connection points of the magnetic sensitive elements R1 and R2 are connected to the bonding pad 53.
  • This difference is doubled by the differential bridge circuit shown in FIG. 7 and appears on the bonding pads 52 and 53.
  • the circuit board 10 is provided with a voltage detection circuit (not shown), and the magnetic flux density can be measured by detecting the difference between the potentials Va and Vb appearing at the bonding pads 52 and 53.
  • the first to third magnetic layers 41 to 43 are provided on the element forming surface 21 of the sensor substrate 20, and 4 formed by these magnetic layers 41 to 43. Since the magnetic sensing elements R1 to R4 are respectively disposed in the two gaps G1 to G4, the magnetic flux generated by the current flowing through one magnetic sensing element does not affect the other magnetic sensing elements. This makes it possible to obtain higher detection accuracy than before.
  • the eight converging regions S1 to S8 constituting the gaps G1 to G4 all have a tapered shape whose width becomes narrower toward the corresponding magnetosensitive elements R1 to R4.
  • the density of magnetic flux applied to R4 is increased.
  • the first main region M1 included in the first magnetic layer 41 has a wide area connected to all the root portions of the four convergence regions S1 to S4, the first external region The magnetic flux collecting effect of the magnetic flux ⁇ via the magnetic body 31 is high, which makes it possible to obtain high detection accuracy.
  • the magnetic sensor 100 according to the present embodiment includes the first external magnetic body 31, it can selectively detect the magnetic flux in the z direction. Moreover, since the second external magnetic body 32 and the third external magnetic body 33 are integrated in the magnetic sensor 100 according to the present embodiment, the magnetic resistance of the magnetic flux that circulates behind the sensor substrate 20 is reduced. You can also.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 101 according to the first modification.
  • insulating layers 22 and 23 are laminated in this order on the surface of the sensor substrate 20, and the surface of the insulating layer 22 constitutes the element forming surface 21.
  • Magnetosensitive elements R1 to R4 are provided on the surface of the insulating layer 22, which is the element forming surface 21, and magnetic layers 41 to 43 are provided on the surface of the insulating layer 23 located on the upper layer.
  • the magnetosensitive elements R1 to R4 and the magnetic layers 41 to 43 are located in different layers, and the gap G1 formed by the magnetic layers 41 and 42 ( G3) is disposed at a position overlapping with G3) in plan view, and the magnetosensitive element R4 (R2) is disposed at a position overlapping with gap G4 (G2) formed by the magnetic layers 41 and 43 in plan view. Be placed.
  • the positions of the magnetosensitive elements R1 to R4 and the magnetic layers 41 to 43 in the z direction may be different from each other.
  • the magnetic sensing elements R1 to R4 are not strictly located between the gaps G1 to G4, but are arranged on the magnetic path formed by the gaps G1 to G4, the magnetic flux passing through the gaps G1 to G4. Can be detected correctly.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 102 according to the second modification.
  • a part of the magnetosensitive element R1 (R3) overlaps with the magnetic layers 41 and 42 in the z direction
  • a part of the magnetosensitive element R4 is the magnetic layer 41. 43 in the z direction.
  • the magnetic sensitive elements R1 to R4 are not strictly located between the gaps G1 to G4, they are arranged on the magnetic path formed by the gaps G1 to G4.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 103 according to the third modification.
  • insulating layers 24, 25, and 26 are laminated in this order on the surface of the sensor substrate 20, and the surface of the insulating layer 25 constitutes the element formation surface 21.
  • Magnetic sensing elements R1 to R4 are provided on the surface of the insulating layer 25, which is the element formation surface 21, and magnetic layers 42 and 43 are provided on the surface of the insulating layer 24 located in the lower layer, and the insulating layer located in the upper layer. 26 is provided with a magnetic layer 41.
  • the magnetic layer 41 and the magnetic layers 42 and 43 are located in different layers, and the three-dimensional gaps G1 to G4 are formed by overlapping these parts. Is formed.
  • the magnetic sensing elements R1 to R4 are arranged between the gaps G1 to G4. As illustrated by the magnetic sensor 103 according to the third modification, the gaps G1 to G4 do not have to be planar, and may be three-dimensional.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 104 according to the fourth modification.
  • the magnetic layer 41 and the magnetic layers 42 and 43 are located in different layers and do not overlap each other. Therefore, oblique gaps G1 to G4 are formed by the magnetic layer 41 and the magnetic layers 42 and 43, and the magnetosensitive elements R1 to R4 are arranged at positions corresponding to the gaps G1 to G4. In this case, the magnetosensitive elements R1 to R4 and the magnetic layers 41 to 43 may or may not overlap.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 105 according to the fifth modification.
  • the second external magnetic body 32 and the third external magnetic body 33 are not integrated and are separated from each other.
  • the magnetic resistance of the magnetic flux that circulates behind the sensor substrate 20 slightly increases, the same effect as that of the magnetic sensor 100 described above can be obtained.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 106 according to the sixth modification.
  • the second and third external magnetic bodies 32 and 33 are omitted.
  • the magnetic collection effect by the second and third external magnetic bodies 32 and 33 is eliminated, substantially the same effect as the magnetic sensor 100 described above can be obtained.
  • FIG. 14 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 107 according to the seventh modification.
  • the magnetic layers 41 to 43 are provided with slits, and each of the magnetic layers 41 to 43 is divided into a plurality of pieces by the slits.
  • the magnetic layer 41 is provided with a cross-shaped slit, whereby the first to fourth convergence regions S1 to S4 are separated from each other.
  • the magnetic layers 42 and 43 are provided with slits extending in the x direction, whereby the fifth and seventh convergence regions S5 and S7 are separated from each other, and the sixth and eighth convergence regions S6. , S8 are separated from each other.
  • FIG. 15 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 108 according to the eighth modification.
  • the notch portion 71 is an independent space pattern having a loop-shaped outer periphery, and each of the cutout portions 71 is an ellipse having a major axis direction in the y direction.
  • An independent space pattern means that the outer periphery is closed.
  • four notches 71 are provided in the first magnetic layer 41, and two notches 71 are provided in the second and third magnetic layers 42 and 43, respectively. .
  • a notch 71 is arranged avoiding the first main region M1, thereby preventing a reduction in the magnetic flux collecting effect in the first main region M1. If such a notch 71 is provided, the residual magnetic flux of the first to third magnetic layers 41 to 43 circulates around the outer periphery of the notch 71, thereby preventing a decrease in detection accuracy due to the residual magnetic flux. It becomes possible.
  • FIG. 16 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 109 according to the ninth modification.
  • the example shown in FIG. 16 is different from the example shown in FIG. 15 in that island-like independent patterns 72 are provided in the inner diameter region of the notch 71.
  • the independent pattern 72 is separated from the first to third magnetic layers 41 to 43 through the notch 71. If such an independent pattern 72 is added, an increase in magnetic resistance due to the formation of the notch 71 can be minimized.
  • FIG. 17 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 110 according to the tenth modification.
  • the example shown in FIG. 17 is different from the example shown in FIG. 15 in that two notches 73 are provided in the first magnetic layer 41.
  • the notch 73 is also an independent space pattern having a loop-shaped outer periphery, and all of them are elliptical with the x direction as the major axis direction. Even with such a configuration, the same effect as the example shown in FIG. 15 can be obtained.
  • FIG. 18 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 111 according to the eleventh modification.
  • the example shown in FIG. 18 is different from the example shown in FIG. 17 in that island-like independent patterns 74 are provided in the inner diameter region of the notch 73.
  • the independent pattern 74 is separated from the first magnetic layer 41 through the notch 73. If such an independent pattern 74 is added, an increase in magnetic resistance due to the formation of the notch 73 can be minimized.
  • FIG. 19 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 112 according to the twelfth modification.
  • the edges of the first to eighth convergence regions S1 to S8 are curvilinear. With such a configuration, the flow of magnetic flux in the first to eighth convergence regions S1 to S8 becomes smoother and the magnetic resistance decreases.
  • FIG. 20 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 113 according to the thirteenth modification.
  • the first to fourth magnetosensitive elements R1 to R4 are constituted by two magnetosensitive elements arranged in the first to fourth gaps G1 to G4, respectively.
  • the first magnetosensitive element R1 is configured by the two magnetosensitive elements R11 and R12 connected in series
  • the second magnetosensitive element R2 is configured by the two magnetosensitive elements R21 and R22 connected in series
  • the third magnetosensitive element R3 is configured by the two magnetosensitive elements R31 and R32 configured and connected in series
  • the fourth magnetosensitive element R4 is configured by the two magnetosensitive elements R41 and R42 connected in series. ing.
  • a fourth magnetic layer 44 may be added between two magnetosensitive elements (for example, R11 and R12) connected in series. Further, each of the magnetosensitive elements R1 to R4 may be constituted by three or more magnetosensitive elements connected in series.
  • FIG. 21 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 114 according to the fourteenth modification.
  • the magnetosensitive element R1 includes two magnetosensitive elements R11 and R12, and a part of the magnetosensitive element R11 overlaps the magnetic layers 41 and 44. The portion overlaps the magnetic layers 42 and 44.
  • the other magnetosensitive elements R2 to R4 (not shown) have the same configuration. As described above, when the fourth magnetic layer 44 is provided and the magnetic sensitive elements R1 to R4 and the magnetic layers 41 to 44 are arranged so as to overlap with each other, the leakage magnetic flux is reduced, so that higher detection accuracy is obtained. It becomes possible.
  • FIG. 22 is a schematic plan view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 115 according to the fifteenth modification.
  • the fourth magnetic layer 44 is divided into a large number in the y direction, which is the extending direction of the gap G1.
  • the other gaps G2 to G4 (not shown) have the same configuration.
  • the flow of magnetic flux through the gaps G1 to G4 is limited to the x direction, which is the magnetosensitive direction, and hardly flows in the y direction. That is, since the magnetic anisotropy is generated by dividing the fourth magnetic layer 44 in the y direction, higher detection accuracy can be obtained.
  • FIG. 23 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 116 according to the sixteenth modification.
  • the first to third magnetic layers 41 to 43 have a structure in which the film thickness continuously decreases toward the gaps G1 to G4. According to such a configuration, since the magnetic flux is more concentrated on the first to fourth magnetosensitive elements R1 to R4, the detection accuracy can be improved.
  • FIG. 24 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 117 according to the seventeenth modification.
  • the first to third magnetic layers 41 to 43 have a step structure in which the film thickness is reduced in the vicinity of the gaps G1 to G4. Even with such a configuration, the magnetic flux is more concentrated on the first to fourth magnetosensitive elements R1 to R4, so that the detection accuracy can be improved.
  • FIG. 25 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the main part of the magnetic sensor 118 according to the eighteenth modification.
  • the first to third magnetic layers 41 to 43 have a step-like structure in which the film thickness gradually decreases toward the gaps G1 to G4. Even with such a configuration, the magnetic flux is more concentrated on the first to fourth magnetosensitive elements R1 to R4, so that the detection accuracy can be improved.
  • FIG. 26 is a schematic perspective view for explaining the configuration of the magnetic sensor 119 according to the nineteenth modification.
  • the sensor substrate 20 is mounted on the surface of the circuit substrate 10 having an xy plane. That is, the element formation surface 21 of the sensor substrate 20 forms an xz plane, and the first external magnetic body 31 extends in the y direction. According to such a configuration, it is not necessary to provide the opening 11 in the circuit board 10 and the magnetic flux in the direction parallel to the main surface of the circuit board 10 can be selectively detected. Further, even if the height (the length in the y direction) of the first external magnetic body 31 is increased, the support of the first external magnetic body 31 does not become unstable.

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Abstract

【課題】４つの感磁素子がブリッジ接続されてなる磁気センサの検出精度を高める。 【解決手段】センサ基板２０の表面に設けられた磁性体層４１～４３と、ブリッジ接続される感磁素子Ｒ１～Ｒ４とを備える。磁性体層４１は、主領域Ｍ１と、主領域Ｍ１から離れるに従って幅が狭くなる収束領域Ｓ１とを含み、磁性体層４２は、主領域Ｍ２と、主領域Ｍ２から離れるに従って幅が狭くなる収束領域Ｓ５，Ｓ７とを含み、磁性体層４３は、主領域Ｍ３と、主領域Ｍ３から離れるに従って幅が狭くなる収束領域Ｓ６，Ｓ８とを含む。収束領域Ｓ１～Ｓ４の端部と収束領域Ｓ５～Ｓ８の端部は、それぞれギャップＧ１～Ｇ４を介して対向し、感磁素子Ｒ１～Ｒ４はそれぞれギャップＧ１～Ｇ４によって形成される磁路上に配置される。本発明によれば、各感磁素子に流れる電流によって生じる磁束が他の感磁素子に影響を与えることがないので、検出精度が高められる。

Description

磁気センサ
　本発明は磁気センサに関し、特に、４つの感磁素子がブリッジ接続されてなる磁気センサに関する。
　感磁素子を用いた磁気センサは、電流計や磁気エンコーダなどに広く用いられている。特許文献１に記載されているように、磁気センサには、感磁素子に磁束を集めるための外部磁性体が設けられることがある。しかしながら、特許文献１に記載された磁気センサでは、検出すべき磁束が感磁素子に十分に集中しないことから、検出精度を高めることは困難である。
　一方、特許文献２に記載された磁気センサは、感磁素子が形成されるセンサ基板上に磁性体層が設けられており、これにより検出すべき磁束を感磁素子に集中させている。特許文献２に記載された磁気センサでは、３つの磁性体層を用いて２つのギャップを形成し、これら２つのギャップのそれぞれに２つの感磁素子を配置することにより、合計４つの感磁素子によるブリッジ回路を構成している。
特許第５５００７８５号公報 特許第４９６４３０１号公報
　しかしながら、特許文献２に記載された磁気センサでは、磁性体層によって形成されるギャップの数が２つであることから、ブリッジ回路を構成する２つの感磁素子が同じギャップ内に配置されることになる。これら２つの感磁素子に流れる電流は、一方が減少すると他方が増加する関係にあることから、一方の感磁素子に流れる電流によって生じる磁束が他方の感磁素子に無視できない影響を与え、その結果、検出精度が低下するおそれがあった。
　したがって、本発明は、４つの感磁素子がブリッジ接続されてなる改良された磁気センサを提供することを目的とする。
　本発明による磁気センサは、センサ基板と、センサ基板上に設けられた第１、第２及び第３の磁性体層と、ブリッジ接続される第１、第２、第３及び第４の感磁素子と、を備え、前記第１の磁性体層は、第１の主領域と、前記第１の主領域から離れるに従って幅が狭くなる第１、第２、第３及び第４の収束領域とを含み、前記第２の磁性体層は、第２の主領域と、前記第２の主領域から離れるに従って幅が狭くなる第５及び第７の収束領域とを含み、前記第３の磁性体層は、第３の主領域と、前記第３の主領域から離れるに従って幅が狭くなる第６及び第８の収束領域とを含み、前記第１、第２、第３及び第４の収束領域の端部と、前記第５、第６、第７及び第８の収束領域の端部は、それぞれ第１、第２、第３及び第４のギャップを介して対向し、前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子は、それぞれ前記第１、第２、第３及び第４のギャップによって形成される磁路上に配置されることを特徴とする。
　本発明によれば、４つの感磁素子が互いに異なるギャップによって形成される磁路上に配置されていることから、各感磁素子に流れる電流によって生じる磁束が他の感磁素子に影響を与えることがない。これにより、より検出精度の高い磁気センサを提供することが可能となる。
　本発明による磁気センサは、前記第１の主領域を覆うよう、前記センサ基板上に設けられた第１の外部磁性体をさらに備えることが好ましい。これによれば、センサ基板に対して垂直方向の磁束の選択性を高めることができる。
　この場合、前記第１乃至第４のギャップの延在方向である第１の方向における前記第１の外部磁性体の幅は、前記第１の主領域の前記第１の方向における幅よりも広く、これにより、前記第１の主領域の前記第１の方向における全幅が前記第１の外部磁性体によって覆われていることが好ましい。これによれば、第１の外部磁性体に位置ずれに起因する検出精度の低下を抑制することが可能となる。
　本発明による磁気センサは、前記第２の主領域の近傍に設けられた第２の外部磁性体と、前記第３の主領域の近傍に設けられた第３の外部磁性体とをさらに備えることが好ましい。これによれば、より高い検出精度を得ることが可能となる。
　本発明において、前記第１の収束領域と前記第４の収束領域は、前記第１乃至第４のギャップの延在方向である第１の方向に延在する第１の直線を対称軸として線対称であり、前記第２の収束領域と前記第３の収束領域は、前記第１の直線を対称軸として線対称であることが好ましい。これによれば、第１及び第４の感磁素子に印加される磁束のバランス、並びに、第２及び第３の感磁素子に印加される磁束のバランスが高められることから、より高い検出精度を得ることが可能となる。
　本発明において、前記第１の収束領域と前記第３の収束領域は、前記第１乃至第４のギャップの延在方向と直交する第２の方向に延在する第２の直線を対称軸として線対称であり、前記第２の収束領域と前記第４の収束領域は、前記第２の直線を対称軸として線対称であり、前記第５の収束領域と前記第７の収束領域は、前記第２の直線を対称軸として線対称であり、前記第６の収束領域と前記第８の収束領域は、前記第２の直線を対称軸として線対称であることが好ましい。これによれば、第１及び第３の感磁素子に印加される磁束のバランス、並びに、第２及び第４の感磁素子に印加される磁束のバランスが高められることから、より高い検出精度を得ることが可能となる。
　本発明において、前記第１及び第３の感磁素子は、前記第１及び第２の磁性体層と重なりを有しており、前記第２及び第４の感磁素子は、前記第１及び第３の磁性体層と重なりを有していても構わない。これによれば、漏れ磁束が低減されるため、より高い検出精度を得ることが可能となる。
　本発明において、前記第１の磁性体層には、ループ状の外周を有する切り欠き部が設けられていることが好ましい。これによれば、第１の磁性体層の残留磁束が切り欠き部の外周を周回することから、残留磁束による検出精度の低下を防止することが可能となる。
　本発明において、前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子は、それぞれ前記第１、第２、第３及び第４のギャップによって形成される磁路上に配置された複数の感磁素子が直列接続されてなるものであっても構わない。これによれば、より高い検出精度を得ることが可能となる。
　この場合、本発明による磁気センサは、平面視で、前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子をそれぞれ構成する前記複数の感磁素子間に配置された第４の磁性体層をさらに備えることが好ましい。これによれば、複数の感磁素子間における漏れ磁束を低減することが可能となる。さらにこの場合、前記第４の磁性体層は、前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子をそれぞれ構成する前記複数の感磁素子と重なりを有していても構わない。これによれば、複数の感磁素子間における漏れ磁束をよりいっそう低減することが可能となる。また、前記第４の磁性体層は、前記第１乃至第４のギャップの延在方向である第１の方向に分割されていても構わない。これによれば、第４の磁性体層が磁気的に異方性を持つことから、より高い検出精度を得ることが可能となる。
　本発明において、前記第１乃至第４の感磁素子は、いずれも磁気抵抗素子であることが好ましい。この場合、前記第１乃至第４の感磁素子を構成する磁気抵抗素子の感度方向は互いに同一であることが好ましく、前記第１乃至第４の感磁素子を構成する磁気抵抗素子は、スピンバルブ型ＧＭＲ素子であることが好ましい。
　本発明によれば、４つの感磁素子が互いに異なるギャップによって形成される磁路上に配置されることから、これら４つの感磁素子をブリッジ接続することにより、検出精度の高い磁気センサを構成することが可能となる。
図１は、本発明の好ましい実施形態による磁気センサ１００の外観を示す略斜視図である。 図２は、磁気センサ１００の略分解斜視図である。 図３は、図１に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。 図４は、センサ基板２０の素子形成面２１の構造を説明するための略平面図である。 図５は、図４に示すＢ－Ｂ線に沿った略断面図である。 磁束φが均等に分配される様子を説明するための図である。 図７は、感磁素子Ｒ１～Ｒ４とボンディングパッド５１～５４の接続関係を説明するための回路図である。 図８は、第１の変形例による磁気センサ１０１の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図９は、第２の変形例による磁気センサ１０２の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図１０は、第３の変形例による磁気センサ１０３の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図１１は、第４の変形例による磁気センサ１０４の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図１２は、第５の変形例による磁気センサ１０５の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図１３は、第６の変形例による磁気センサ１０６の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図１４は、第７の変形例による磁気センサ１０７の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図１５は、第８の変形例による磁気センサ１０８の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図１６は、第９の変形例による磁気センサ１０９の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図１７は、第１０の変形例による磁気センサ１１０の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図１８は、第１１の変形例による磁気センサ１１１の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図１９は、第１２の変形例による磁気センサ１１２の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図２０は、第８の変形例による磁気センサ１０８の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図２１は、第１４の変形例による磁気センサ１１４の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図２２は、第１５の変形例による磁気センサ１１５の主要部の構成を説明するための略平面図である。 図２３は、第１６の変形例による磁気センサ１１６の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図２４は、第１７の変形例による磁気センサ１１７の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図２５は、第１８の変形例による磁気センサ１１８の主要部の構成を説明するための略断面図である。 図２６は、第１９の変形例による磁気センサ１１９の主要部の構成を説明するための略斜視図である。
　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。
　図１は、本発明の好ましい実施形態による磁気センサ１００の外観を示す略斜視図である。また、図２は磁気センサ１００の略分解斜視図であり、図３は図１に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。
　図１～図３に示すように、本実施形態による磁気センサ１００は、開口部１１を有する回路基板１０と、開口部１１に配置されたセンサ基板２０と、センサ基板２０に固定された第１～第４の外部磁性体３１～３４とを備えている。センサ基板２０は、回路基板１０よりも小さいチップ部品であり、後述する感磁素子を有している。また、第１～第４の外部磁性体３１～３４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る。
　センサ基板２０は略直方体形状を有し、ｘｙ平面を構成する素子形成面２１には第１の外部磁性体３１が配置されている。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。詳細については後述するが、素子形成面２１には４つの感磁素子Ｒ１～Ｒ４及び３つの磁性体層４１～４３が形成されている。また、素子形成面２１には４つのボンディングパッド５１～５４が設けられており、対応するボンディングワイヤＢＷを介して、回路基板１０に設けられたボンディングパッド６１～６４にそれぞれ接続されている。
　さらに、第２及び第３の外部磁性体３２，３３は、センサ基板２０のｘ方向における両側にそれぞれ配置されている。第２及び第３の外部磁性体３２，３３は、センサ基板２０の底部に位置する第４の外部磁性体３４を介して接続されており、これにより第２～第４の外部磁性体３２～３４は単一の磁性ブロック３５を構成する。そして、この磁性ブロック３５が回路基板１０の開口部１１に挿入されるよう配置されている。磁性ブロック３５には、センサ基板２０を収容するための凹部３６が設けられており、この凹部３６にセンサ基板２０が収容されると、センサ基板２０の素子形成面２１と、第２及び第３の外部磁性体３２，３３の先端が近接し、ほぼ同一平面を構成する。
　次に、センサ基板２０の素子形成面２１に形成される各構成要素について詳細に説明する。
　図４は、センサ基板２０の素子形成面２１の構造を説明するための略平面図である。また、図５は、図４に示すＢ－Ｂ線に沿った略断面図である。
　図４及び図５に示すように、センサ基板２０の素子形成面２１には、第１～第３の磁性体層４１～４３が形成されている。第１の磁性体層４１は、素子形成面２１の略中央に位置し、そのｘ方向における両側に第２及び第３の磁性体層４２，４３が配置される。特に限定されるものではないが、磁性体層４１～４３としては、樹脂材料に磁性フィラーが分散された複合磁性材料からなる膜であっても構わないし、ニッケル又はパーマロイなどの軟磁性材料からなる薄膜もしくは箔であっても構わないし、フェライトなどからなる薄膜又はバルクシートであっても構わない。
　第１の磁性体層４１は、中央に位置する第１の主領域Ｍ１と、第１の主領域Ｍ１からｘ方向に離れるに従ってｙ方向における幅が狭くなる第１～第４の収束領域Ｓ１～Ｓ４を含む。第１の主領域Ｍ１は、第１の外部磁性体３１によって覆われる部分である。特に限定されるものではないが、第１の外部磁性体３１のｙ方向における幅は、第１の主領域Ｍ１のｙ方向における幅よりも広く、これにより、第１の主領域Ｍ１のｙ方向における全幅が第１の外部磁性体３１によって覆われていることが好ましい。これによれば、製造時において、第１の外部磁性体３１と第１の外部磁性体３１との相対的な位置関係にずれが生じたとしても、検出精度が大幅に低下することがない。位置ずれとしては、ｘｙ方向におけるずれの他、回転ずれも考えられる。
　上述の通り、第１～第４の収束領域Ｓ１～Ｓ４は、第１の主領域Ｍ１からｘ方向に離れるに従ってｙ方向における幅が狭くなるテーパー形状部分であり、本実施形態では、第１及び第３の収束領域Ｓ１，Ｓ３が第１の主領域Ｍ１に対してｘ方向マイナス側（左側）に位置し、第２及び第４の収束領域Ｓ２，Ｓ４が第１の主領域Ｍ１に対してｘ方向プラス側（右側）に位置する。
　ここで、第１の磁性体層４１は二回対称形状を有している。このため、ｙ方向に延在する仮想的な直線Ｌ１を対称軸として、第１の収束領域Ｓ１と第４の収束領域Ｓ４は線対称であり、且つ、第２の収束領域Ｓ２と第３の収束領域Ｓ３は線対称である。さらに、ｘ方向に延在する仮想的な直線Ｌ２を対称軸として、第１の収束領域Ｓ１と第３の収束領域Ｓ３は線対称であり、且つ、第２の収束領域Ｓ４と第４の収束領域Ｓ４は線対称である。このような対称形状のため、第１の外部磁性体３１を介して取り込まれた磁束が第１の主領域Ｍ１に入射されると、図６に示すように、この磁束φが第１～第４の収束領域Ｓ１～Ｓ４に対してほぼ均等に分配される。そして、分配された磁束φは、テーパー形状を有する第１～第４の収束領域Ｓ１～Ｓ４を通過することにより、磁束密度が高められる。
　一方、第２の磁性体層４２は、第２の主領域Ｍ２と、第２の主領域Ｍ２からｘ方向（プラス側）に離れるに従ってｙ方向における幅が狭くなる第５及び第７の収束領域Ｓ５，Ｓ７を含む。同様に、第３の磁性体層４３は、第３の主領域Ｍ３と、第３の主領域Ｍ３からｘ方向（マイナス側）に離れるに従ってｙ方向における幅が狭くなる第６及び第８の収束領域Ｓ６，Ｓ８を含む。第２の主領域Ｍ２は、センサ基板２０のｘ方向マイナス側における端部近傍に位置し、これにより、第２の外部磁性体３２と近接する。一方、第３の主領域Ｍ３は、センサ基板２０のｘ方向プラス側における端部近傍に位置し、これにより、第３の外部磁性体３３と近接する。
　第５の収束領域Ｓ５の先端部は、第１のギャップＧ１を介して第１の収束領域Ｓ１の先端部と対向している。また、第７の収束領域Ｓ７の先端部は、第３のギャップＧ３を介して第３の収束領域Ｓ３の先端部と対向している。ここで、第５の収束領域Ｓ５と第７の収束領域Ｓ７は、ｘ方向に延在する仮想的な直線Ｌ２を対称軸として線対称である。このような対称形状のため、第２の外部磁性体３２を介して取り込まれた磁束が第２の主領域Ｍ２に入射されると、この磁束が第５及び第７の収束領域Ｓ５，Ｓ７に対してほぼ均等に分配される。
　第６の収束領域Ｓ６の先端部は、第２のギャップＧ２を介して第２の収束領域Ｓ２の先端部と対向している。また、第８の収束領域Ｓ８の先端部は、第４のギャップＧ４を介して第４の収束領域Ｓ４の先端部と対向している。ここで、第６の収束領域Ｓ６と第８の収束領域Ｓ８は、ｘ方向に延在する仮想的な直線Ｌ２を対称軸として線対称である。このような対称形状のため、第３の外部磁性体３３を介して取り込まれた磁束が第３の主領域Ｍ３に入射されると、この磁束が第６及び第８の収束領域Ｓ６，Ｓ８に対してほぼ均等に分配される。
　図４に示すように、第１～第４のギャップＧ１～Ｇ４には、それぞれｙ方向に延在する第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４が配置されている。第１～第４のギャップＧ１～Ｇ４のｘ方向における幅は互いに同一である。第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４は、第１～第３の磁性体層４１～４３とは接していない。
　感磁素子Ｒ１～Ｒ４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く、スピンバルブ型ＧＭＲ素子であることが特に好ましい。本実施形態においては、感磁素子Ｒ１～Ｒ４の感度方向（固定磁化方向）は、図４及び図５の矢印Ｃ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。
　図５に示すように、第１の外部磁性体３１はｚ方向の磁束φを集め、これを第１の磁性体層４１の第１の主領域Ｍ１に放出する役割を果たす。第１の外部磁性体３１のｚ方向における高さについては特に限定されないが、ｚ方向における高さをより高くすることによって、ｚ方向の磁束の選択性を高めることができる。但し、第１の外部磁性体３１のｚ方向における高さが高すぎると、第１の外部磁性体３１の支持が不安定となるおそれがあることから、安定的な支持を確保できる範囲において高くすることが好ましい。
　第１の外部磁性体３１を介して第１の主領域Ｍ１に集められた磁束φは、図６に示すように、第１～第４の収束領域Ｓ１～Ｓ４に対してほぼ均等に分配された後、第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４を介してそれぞれ第５～第８の収束領域Ｓ５～Ｓ８へと放出される。これにより、感磁素子Ｒ１，Ｒ３と感磁素子Ｒ２，Ｒ４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～Ｒ４の磁化固定方向は、矢印Ｃが示すｘプラス方向に向け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。
　第５及び第７の収束領域Ｓ５，Ｓ７に到達した磁束は、第２の主領域Ｍ２を介して第２の外部磁性体３２に回収される。同様に、第６及び第８の収束領域Ｓ６，Ｓ８に到達した磁束は、第３の主領域Ｍ３を介して第３の外部磁性体３３に回収される。
　図７は、感磁素子Ｒ１～Ｒ４とボンディングパッド５１～５４の接続関係を説明するための回路図である。
　図７に示すように、ボンディングパッド５１，５４には、回路基板１０側からそれぞれグランド電位Ｇｎｄ及び電源電位Ｖｄｄが供給される。また、ボンディングパッド５１，５４間には、感磁素子Ｒ１，Ｒ２が直列に接続されるとともに、感磁素子Ｒ４，Ｒ３が直列に接続される。そして、感磁素子Ｒ３，Ｒ４の接続点はボンディングパッド５２に接続され、感磁素子Ｒ１，Ｒ２の接続点はボンディングパッド５３に接続される。このようなブリッジ接続により、ボンディングパッド５３に現れる電位Ｖａとボンディングパッド５２に現れる電位Ｖｂを参照することにより、磁束密度に応じた感磁素子Ｒ１～Ｒ４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。
　具体的には、感磁素子Ｒ１～Ｒ４が全て同一の磁化固定方向を有していることから、第１の外部磁性体３１からみて一方側に位置する感磁素子Ｒ１，Ｒ３の抵抗変化量と、第１の外部磁性体３１からみて他方側に位置する感磁素子Ｒ２，Ｒ４の抵抗変化量との間には差が生じる。この差は、図７に示した差動ブリッジ回路によって２倍に増幅され、ボンディングパッド５２，５３に現れる。回路基板１０には、図示しない電圧検出回路が設けられており、ボンディングパッド５２，５３に現れる電位Ｖａ，Ｖｂ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。
　そして、本実施形態による磁気センサ１００は、センサ基板２０の素子形成面２１に第１～第３の磁性体層４１～４３が設けられており、これら磁性体層４１～４３によって形成される４つのギャップＧ１～Ｇ４にそれぞれ感磁素子Ｒ１～Ｒ４が配置されていることから、ある感磁素子に流れる電流によって生じる磁束が他の感磁素子に影響を与えることがない。これにより、従来よりも高い検出精度を得ることが可能となる。
　しかも、ギャップＧ１～Ｇ４を構成する８つの収束領域Ｓ１～Ｓ８は、いずれも対応する感磁素子Ｒ１～Ｒ４に向かって幅が狭くなるテーパー形状を有していることから、感磁素子Ｒ１～Ｒ４に与えられる磁束の密度が高められる。さらに、第１の磁性体層４１に含まれる第１の主領域Ｍ１は、４つの収束領域Ｓ１～Ｓ４の全ての根元部分に接続される広い面積を有していることから、第１の外部磁性体３１を介した磁束φの集磁効果が高く、これにより高い検出精度を得ることも可能となる。
　また、本実施形態による磁気センサ１００は、第１の外部磁性体３１を備えていることから、ｚ方向の磁束を選択的に検出することができる。しかも、本実施形態による磁気センサ１００は、第２の外部磁性体３２と第３の外部磁性体３３が一体化されていることから、センサ基板２０の背後に回り込む磁束の磁気抵抗を低減することもできる。
　以下、本実施形態による磁気センサ１００のいくつかの変形例について説明する。
　図８は、第１の変形例による磁気センサ１０１の主要部の構成を説明するための略断面図である。図８に示す例では、センサ基板２０の表面に絶縁層２２，２３がこの順に積層されており、絶縁層２２の表面が素子形成面２１を構成している。そして、素子形成面２１である絶縁層２２の表面に感磁素子Ｒ１～Ｒ４が設けられ、上層に位置する絶縁層２３の表面に磁性体層４１～４３が設けられている。このように、第１の変形例による磁気センサ１０１では、感磁素子Ｒ１～Ｒ４と磁性体層４１～４３が異なる層に位置しており、磁性体層４１，４２によって形成されるギャップＧ１（Ｇ３）と平面視で重なる位置に感磁素子Ｒ１（Ｒ３）が配置され、磁性体層４１，４３によって形成されるギャップＧ４（Ｇ２）と平面視で重なる位置に感磁素子Ｒ４（Ｒ２）が配置される。第１の変形例による磁気センサ１０１が例示するように、本発明において、感磁素子Ｒ１～Ｒ４と磁性体層４１～４３のｚ方向における位置は互いに異なっていても構わない。この場合、感磁素子Ｒ１～Ｒ４は、厳密にはギャップＧ１～Ｇ４間には位置しないが、ギャップＧ１～Ｇ４によって形成される磁路上に配置されることから、ギャップＧ１～Ｇ４を通過する磁束を正しく検出することが可能となる。
　図９は、第２の変形例による磁気センサ１０２の主要部の構成を説明するための略断面図である。図９に示す例では、感磁素子Ｒ１（Ｒ３）の一部が磁性体層４１，４２とｚ方向に重なりを有しており、感磁素子Ｒ４（Ｒ２）の一部が磁性体層４１，４３とｚ方向に重なりを有している。本例においても、感磁素子Ｒ１～Ｒ４は、厳密にはギャップＧ１～Ｇ４間には位置しないが、ギャップＧ１～Ｇ４によって形成される磁路上に配置されている。このように、感磁素子Ｒ１～Ｒ４と磁性体層４１～４３のｚ方向における位置が互いに異なっている場合、ギャップＧ１～Ｇ４の近傍において両者の一部がｚ方向に重なるよう配置すれば、漏れ磁束が低減されるため、より高い検出精度を得ることが可能となる。
　図１０は、第３の変形例による磁気センサ１０３の主要部の構成を説明するための略断面図である。図１０に示す例では、センサ基板２０の表面に絶縁層２４，２５，２６がこの順に積層されており、絶縁層２５の表面が素子形成面２１を構成している。そして、素子形成面２１である絶縁層２５の表面に感磁素子Ｒ１～Ｒ４が設けられ、下層に位置する絶縁層２４の表面に磁性体層４２，４３が設けられ、上層に位置する絶縁層２６の表面に磁性体層４１が設けられている。このように、第３の変形例による磁気センサ１０３では、磁性体層４１と磁性体層４２，４３が異なる層に位置しており、これらの一部が重なることによって立体的なギャップＧ１～Ｇ４が形成されている。そして、これらギャップＧ１～Ｇ４間に感磁素子Ｒ１～Ｒ４が配置される構成を有している。第３の変形例による磁気センサ１０３が例示するように、ギャップＧ１～Ｇ４は平面的なものである必要はなく、立体的なものであっても構わない。
　図１１は、第４の変形例による磁気センサ１０４の主要部の構成を説明するための略断面図である。図１１に示す例では、磁性体層４１と磁性体層４２，４３が異なる層に位置しており、且つ、互いに重なりを有していない。このため、磁性体層４１と磁性体層４２，４３によって斜め方向のギャップＧ１～Ｇ４が形成され、これらギャップＧ１～Ｇ４に相当する位置に感磁素子Ｒ１～Ｒ４が配置されている。この場合、感磁素子Ｒ１～Ｒ４と磁性体層４１～４３は、重なりを有していても構わないし、重なりを有していなくても構わない。
　図１２は、第５の変形例による磁気センサ１０５の主要部の構成を説明するための略断面図である。図１２に示す例では、第２の外部磁性体３２と第３の外部磁性体３３が一体化されておらず、互いに分離されている。このような構成においては、センサ基板２０の背後に回り込む磁束の磁気抵抗が若干増加するものの、上述した磁気センサ１００とほぼ同様の効果を得ることができる。
　図１３は、第６の変形例による磁気センサ１０６の主要部の構成を説明するための略断面図である。図１３に示す例では、第２及び第３の外部磁性体３２，３３が省略されている。このような構成においては、第２及び第３の外部磁性体３２，３３による集磁効果がなくなるものの、上述した磁気センサ１００とほぼ同様の効果を得ることができる。
　図１４は、第７の変形例による磁気センサ１０７の主要部の構成を説明するための略平面図である。図１４に示す例では、磁性体層４１～４３にスリットが設けられており、スリットによって磁性体層４１～４３がそれぞれ複数個に分割されている。具体的には、磁性体層４１には十字型のスリットが設けられており、これによって第１～第４の収束領域Ｓ１～Ｓ４が互いに分離している。また、磁性体層４２，４３にはｘ方向に延在するスリットが設けられており、これによって第５及び第７の収束領域Ｓ５，Ｓ７が互いに分離し、第６及び第８の収束領域Ｓ６，Ｓ８が互いに分離している。このようなスリットは磁気ギャップとなるものの、その幅が十分に狭ければ、検出精度を十分に確保することが可能となる。第７の変形例による磁気センサ１０７が例示するように、本発明において、磁性体層４１～４３のそれぞれが完全に一体的であることは必須でない。
　図１５は、第８の変形例による磁気センサ１０８の主要部の構成を説明するための略平面図である。図１５に示す例では、第１～第３の磁性体層４１～４３にいくつかの切り欠き部７１が設けられている。切り欠き部７１は、ループ状の外周を有する独立したスペースパターンであり、いずれもｙ方向を長軸方向とする楕円形である。独立したスペースパターンとは、外周が閉じていることを意味する。図１５に示す例では、第１の磁性体層４１に４つの切り欠き部７１が設けられ、第２及び第３の磁性体層４２，４３にそれぞれ２つの切り欠き部７１が設けられている。第１の磁性体層４１においては、第１の主領域Ｍ１を避けて切り欠き部７１が配置されており、これにより第１の主領域Ｍ１における集磁効果の低下を防止している。このような切り欠き部７１を設ければ、第１～第３の磁性体層４１～４３の残留磁束が切り欠き部７１の外周を周回することから、残留磁束による検出精度の低下を防止することが可能となる。
　図１６は、第９の変形例による磁気センサ１０９の主要部の構成を説明するための略平面図である。図１６に示す例では、切り欠き部７１の内径領域に島状の独立パターン７２が設けられている点において、図１５に示す例と相違している。独立パターン７２は、切り欠き部７１を介して第１～第３の磁性体層４１～４３と分離されている。このような独立パターン７２を追加すれば、切り欠き部７１を形成することによる磁気抵抗の増加を最小限に抑えることが可能となる。
　図１７は、第１０の変形例による磁気センサ１１０の主要部の構成を説明するための略平面図である。図１７に示す例では、第１の磁性体層４１に２つの切り欠き部７３が設けられている点において、図１５に示す例と相違している。切り欠き部７３もループ状の外周を有する独立したスペースパターンであり、いずれもｘ方向を長軸方向とする楕円形である。このような構成であっても、図１５に示す例と同様の効果を得ることができる。
　図１８は、第１１の変形例による磁気センサ１１１の主要部の構成を説明するための略平面図である。図１８に示す例では、切り欠き部７３の内径領域に島状の独立パターン７４が設けられている点において、図１７に示す例と相違している。独立パターン７４は、切り欠き部７３を介して第１の磁性体層４１と分離されている。このような独立パターン７４を追加すれば、切り欠き部７３を形成することによる磁気抵抗の増加を最小限に抑えることが可能となる。
　図１９は、第１２の変形例による磁気センサ１１２の主要部の構成を説明するための略平面図である。図１９に示す例では、第１～第８の収束領域Ｓ１～Ｓ８のエッジが曲線的である。このような構成とすれば、第１～第８の収束領域Ｓ１～Ｓ８における磁束の流れがよりスムーズとなり、磁気抵抗が低下する。
　図２０は、第１３の変形例による磁気センサ１１３の主要部の構成を説明するための略平面図である。図２０に示す例では、第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４がそれぞれ第１～第４のギャップＧ１～Ｇ４に配置された２つの感磁素子によって構成されている。具体的には、直列接続された２つの感磁素子Ｒ１１，Ｒ１２によって第１の感磁素子Ｒ１が構成され、直列接続された２つの感磁素子Ｒ２１，Ｒ２２によって第２の感磁素子Ｒ２が構成され、直列接続された２つの感磁素子Ｒ３１，Ｒ３２によって第３の感磁素子Ｒ３が構成され、直列接続された２つの感磁素子Ｒ４１，Ｒ４２によって第４の感磁素子Ｒ４が構成されている。これによれば、より大きな磁気抵抗効果を得ることができるため、センサ基板２０のサイズをほとんど大型化することなく、高い検出精度を得ることが可能となる。尚、直列接続される２つの感磁素子（例えばＲ１１とＲ１２）の間には、第４の磁性体層４４を追加しても構わない。また、各感磁素子Ｒ１～Ｒ４を直列接続された３以上の感磁素子によって構成しても構わない。
　図２１は、第１４の変形例による磁気センサ１１４の主要部の構成を説明するための略断面図である。図２１に示す例では、感磁素子Ｒ１が２つの感磁素子Ｒ１１，Ｒ１２によっているとともに、感磁素子Ｒ１１の一部が磁性体層４１，４４と重なりを有し、感磁素子Ｒ１２の一部が磁性体層４２，４４と重なりを有している。図示しない他の感磁素子Ｒ２～Ｒ４についても同様の構成を有している。このように、第４の磁性体層４４を設けるとともに、各感磁素子Ｒ１～Ｒ４と磁性体層４１～４４が重なるよう配置すれば、漏れ磁束が低減されるため、より高い検出精度を得ることが可能となる。
　図２２は、第１５の変形例による磁気センサ１１５の主要部の構成を説明するための略平面図である。図２２に示す例では、第４の磁性体層４４がギャップＧ１の延在方向であるｙ方向に多数分割されている。図示しない他のギャップＧ２～Ｇ４上においても同様の構成を有している。このように、第４の磁性体層４４をｙ方向に分割すれば、ギャップＧ１～Ｇ４を介した磁束の流れが感磁方向であるｘ方向に制限され、ｙ方向にはほとんど流れなくなる。つまり、第４の磁性体層４４をｙ方向に分割することによって磁気的な異方性が生じることから、より高い検出精度を得ることが可能となる。
　図２３は、第１６の変形例による磁気センサ１１６の主要部の構成を説明するための略断面図である。図２３に示す例では、第１～第３の磁性体層４１～４３の膜厚がギャップＧ１～Ｇ４に向かって連続的に薄くなる構造を有している。このような構成によれば、第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４に磁束がより集中することから、検出精度を高めることが可能となる。
　図２４は、第１７の変形例による磁気センサ１１７の主要部の構成を説明するための略断面図である。図２４に示す例では、第１～第３の磁性体層４１～４３の膜厚がギャップＧ１～Ｇ４の近傍において薄くなる段差構造を有している。このような構成であっても、第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４に磁束がより集中することから、検出精度を高めることが可能となる。
　図２５は、第１８の変形例による磁気センサ１１８の主要部の構成を説明するための略断面図である。図２５に示す例では、第１～第３の磁性体層４１～４３の膜厚がギャップＧ１～Ｇ４に向かって段階的に薄くなる階段状構造を有している。このような構成であっても、第１～第４の感磁素子Ｒ１～Ｒ４に磁束がより集中することから、検出精度を高めることが可能となる。
　図２６は、第１９の変形例による磁気センサ１１９の構成を説明するための略斜視図である。図２６に示す例では、ｘｙ平面を有する回路基板１０の表面にセンサ基板２０が横倒しで搭載されている。つまり、センサ基板２０の素子形成面２１がｘｚ面を構成しており、第１の外部磁性体３１がｙ方向に延在している。このような構成によれば、回路基板１０に開口部１１を設ける必要がなくなるとともに、回路基板１０の主面と平行な方向の磁束を選択的に検出することが可能となる。また、第１の外部磁性体３１の高さ（ｙ方向における長さ）を長くしても、第１の外部磁性体３１の支持が不安定となることがない。
　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。
１０　　　回路基板
１１　　　開口部
２０　　　センサ基板
２１　　　素子形成面
２２～２６　　絶縁層
３１～３４　　外部磁性体
３５　　　磁性ブロック
３６　　　凹部
４１～４４　　磁性体層
５１～５４，６１～６４　　ボンディングパッド
７１，７３　　切り欠き部
７２，７４　　独立パターン
１００～１１９　　磁気センサ
ＢＷ　　　ボンディングワイヤ
Ｇ１～Ｇ４　　ギャップ
Ｌ１，Ｌ２　　直線
Ｍ１～Ｍ３　　主領域
Ｒ１～Ｒ４　　感磁素子
Ｓ１～Ｓ８　　収束領域
φ　　　　磁束

Claims (15)

  1. 　センサ基板と、
    　センサ基板上に設けられた第１、第２及び第３の磁性体層と、
    　ブリッジ接続される第１、第２、第３及び第４の感磁素子と、を備え、
    　前記第１の磁性体層は、第１の主領域と、前記第１の主領域から離れるに従って幅が狭くなる第１、第２、第３及び第４の収束領域とを含み、
    　前記第２の磁性体層は、第２の主領域と、前記第２の主領域から離れるに従って幅が狭くなる第５及び第７の収束領域とを含み、
    　前記第３の磁性体層は、第３の主領域と、前記第３の主領域から離れるに従って幅が狭くなる第６及び第８の収束領域とを含み、
    　前記第１、第２、第３及び第４の収束領域の端部と、前記第５、第６、第７及び第８の収束領域の端部は、それぞれ第１、第２、第３及び第４のギャップを介して対向し、
    　前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子は、それぞれ前記第１、第２、第３及び第４のギャップによって形成される磁路上に配置されることを特徴とする磁気センサ。
  2. 　前記第１の主領域を覆うよう、前記センサ基板上に設けられた第１の外部磁性体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
  3. 　前記第１乃至第４のギャップの延在方向である第１の方向における前記第１の外部磁性体の幅は、前記第１の主領域の前記第１の方向における幅よりも広く、これにより、前記第１の主領域の前記第１の方向における全幅が前記第１の外部磁性体によって覆われていることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
  4. 　前記第２の主領域の近傍に設けられた第２の外部磁性体と、前記第３の主領域の近傍に設けられた第３の外部磁性体とをさらに備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の磁気センサ。
  5. 　前記第１の収束領域と前記第４の収束領域は、前記第１乃至第４のギャップの延在方向である第１の方向に延在する第１の直線を対称軸として線対称であり、
    　前記第２の収束領域と前記第３の収束領域は、前記第１の直線を対称軸として線対称であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  6. 　前記第１の収束領域と前記第３の収束領域は、前記第１乃至第４のギャップの延在方向と直交する第２の方向に延在する第２の直線を対称軸として線対称であり、
    　前記第２の収束領域と前記第４の収束領域は、前記第２の直線を対称軸として線対称であり、
    　前記第５の収束領域と前記第７の収束領域は、前記第２の直線を対称軸として線対称であり、
    　前記第６の収束領域と前記第８の収束領域は、前記第２の直線を対称軸として線対称であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  7. 　前記第１及び第３の感磁素子は、前記第１及び第２の磁性体層と重なりを有しており、
    　前記第２及び第４の感磁素子は、前記第１及び第３の磁性体層と重なりを有していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  8. 　前記第１の磁性体層には、ループ状の外周を有する切り欠き部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  9. 　前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子は、それぞれ前記第１、第２、第３及び第４のギャップによって形成される磁路上に配置された複数の感磁素子が直列接続されてなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  10. 　平面視で、前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子をそれぞれ構成する前記複数の感磁素子間に配置された第４の磁性体層をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の磁気センサ。
  11. 　前記第４の磁性体層は、前記第１、第２、第３及び第４の感磁素子をそれぞれ構成する前記複数の感磁素子と重なりを有していることを特徴とする請求項１０に記載の磁気センサ。
  12. 　前記第４の磁性体層は、前記第１乃至第４のギャップの延在方向である第１の方向に分割されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の磁気センサ。
  13. 　前記第１乃至第４の感磁素子は、いずれも磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  14. 　前記第１乃至第４の感磁素子を構成する磁気抵抗素子の感度方向は互いに同一であることを特徴とする請求項１３に記載の磁気センサ。
  15. 　前記第１乃至第４の感磁素子を構成する磁気抵抗素子は、スピンバルブ型ＧＭＲ素子であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の磁気センサ。
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