(57)【要約】【課題】高温プロセスが必要なＭＥＭＳ構造を用いることなく、磁路を機械的に変位させることによって１／ｆノイズを低減することが可能な磁気センサを提供する。【解決手段】磁気センサ１は、感磁素子Ｒ１が設けられた素子形成面１１を有するセンサチップ１０と、センサチップ１０とは別に設けられ、検出対象となる磁束を感磁素子Ｒ１に与える集磁部材２４と、集磁部材２４の先端２４ａの素子形成面上における平面位置を変位させる圧電構造体Ｐとを備える。これによれば、ＭＥＭＳ構造とは異なり、センサチップとは別に設けられた集磁部材の先端を駆動部によって変位させる構造を有していることから、感磁素子を形成した後に高温プロセスを行う必要がない。このため、高温プロセスによる感磁素子の特性劣化を防止しつつ、１／ｆノイズを低減することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の感磁素子が設けられた素子形成面を有するセンサチップと、
センサチップとは別に設けられ、検出対象となる磁束を前記第１の感磁素子に与える集磁部材と、
前記集磁部材の先端の前記素子形成面上における平面位置を変位させる駆動部と、を備える磁気センサ。
【請求項２】
前記駆動部は、前記集磁部材の先端を前記素子形成面上の第１の平面位置と第２の平面位置の間で往復させることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記集磁部材から前記第１の感磁素子に与えられる磁束の感磁方向における成分は、前記集磁部材の先端が前記第１の平面位置にある場合と前記第２の平面位置にある場合とで相違することを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記第１の感磁素子の感磁方向は前記素子形成面と平行であり、
前記第１の感磁素子と前記集磁部材の先端の平面視における距離は、前記集磁部材の先端が前記第１の平面位置にある場合よりも前記第２の平面位置にある場合の方が大きい、請求項２又は３に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記集磁部材の先端が前記第１の平面位置にある場合、前記集磁部材の先端が平面視で前記第１の感磁素子と重なることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記センサチップは、前記素子形成面と平行な方向に延在する磁性体層をさらに有することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記磁性体層は、平面視で、前記第１の平面位置から見て前記第２の平面位置とは反対側に位置する第１の磁性体層を含むことを特徴とする請求項６に記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記磁性体層は、平面視で、前記第１の平面位置から見て前記第２の平面位置と同じ側に位置する第２の磁性体層をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の磁気センサ。
【請求項９】
前記第２の磁性体層は、前記第１の磁性体層よりも面積が小さいことを特徴とする請求項８に記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記素子形成面には第２の感磁素子がさらに設けられており、
前記集磁部材の先端が前記第１の平面位置にある場合、前記集磁部材の先端は、平面視で前記第２の感磁素子よりも前記第１の感磁素子の近くに位置し、
前記集磁部材の先端が前記第２の平面位置にある場合、前記集磁部材の先端は、平面視で前記第１の感磁素子よりも前記第２の感磁素子の近くに位置する、請求項２乃至８のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
前記集磁部材の先端が前記第１の平面位置にある場合、前記集磁部材の先端が平面視で前記第１の感磁素子と重なり、
前記集磁部材の先端が前記第２の平面位置にある場合、前記集磁部材の先端が平面視で前記第２の感磁素子と重なる、請求項１０に記載の磁気センサ。
【請求項１２】
センサチップとは別に設けられ、平面視で、前記第１の平面位置から見て前記第２の平面位置とは反対側に位置する外部磁性体をさらに備えることを特徴とする請求項２乃至１１のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項１３】
前記駆動部は、前記集磁部材に積層された圧電体層を含む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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気センサに関し、特に、磁路を機械的に変位させることによって１／ｆノイズを低減した磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、感磁素子を用いた磁気センサは様々な分野で利用されているが、極めて微弱な磁界を検出するためには、Ｓ／Ｎ比の高い磁気センサが必要となる。ここで、磁気センサのＳ／Ｎ比を低下させる要因として、１／ｆノイズが挙げられる。１／ｆノイズは、測定対象となる磁界の周波数成分が低いほど顕著となることから、例えば１ｋＨｚ以下といった低周波領域の磁界を高感度に検出するためには、１／ｆノイズを低減させることが重要となる。
【０００３】
磁気センサにおいて１／ｆノイズを低減させる方法としては、非特許文献１〜３に記載されているように、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いて磁路を機械的に変位させることによって、測定対象となる磁界を振幅変調する方法が提案されている。
【０００４】
例えば非特許文献２には、図２５に示すように、ＧＭＲ素子７の両側にＭＥＭＳ構造を有する一対のカンチレバー８，９を設け、カンチレバー８，９の先端を同期させながら往復運動させることによって、ＧＭＲ素子７を通過する磁束の割合を変化させる方法が提案されている。これによれば、カンチレバー８，９を高速に駆動することにより、測定対象となる磁界が振幅変調されることから、１／ｆノイズを低減することが可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Hybrid Integration of Magnetoresistive Sensors with MEMS as a Strategy to Detect Ultra-Low Magnetic Fields, Micromachines 2016, 7, 88
【非特許文献２】Hybrid GMR Sensor Detecting 950 pT/sqrt(Hz) at 1 Hz and Room Temperature, Sensors 2018, 18, 790
【非特許文献３】FABRICATION OF MICROMECHANICALLY-MODULATED MGO MAGNETIC TUNNEL JUNCTION SENSORS, Gerardo Jaramillo, Mei Lin Chan, Andre Guedes, David A. Horsley
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１〜３に記載されたＭＥＭＳ構造を得るためには、ウェーハ上にＭＲ素子などの感磁素子を形成した後、スパッタリングやミリングなどの高温プロセスを行う必要があることから、高温プロセスによって感磁素子の特性が劣化するという問題があった。
【０００７】
したがって、本発明は、高温プロセスが必要なＭＥＭＳ構造を用いることなく、磁路を機械的に変位させることによって１／ｆノイズを低減することが可能な磁気センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による磁気センサは、第１の感磁素子が設けられた素子形成面を有するセンサチップと、センサチップとは別に設けられ、検出対象となる磁束を第１の感磁素子に与える集磁部材と、集磁部材の先端の素子形成面上における平面位置を変位させる駆動部とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、ＭＥＭＳ構造とは異なり、センサチップとは別に設けられた集磁部材の先端を駆動部によって変位させる構造を有していることから、感磁素子を形成した後に高温プロセスを行う必要がない。このため、高温プロセスによる感磁素子の特性劣化を防止しつつ、１／ｆノイズを低減することが可能となる。しかも、集磁部材及び駆動部は、センサチップとは別部品であることから、センサチップと集磁部材及び駆動部を別個に作製することができ、形状・構造などの仕様変更も容易である。
【００１０】
本発明において、駆動部は、集磁部材の先端を素子形成面上の第１の平面位置と第２の平面位置の間で往復させるものであっても構わない。これによれば、往復運動を高速に行うことによって、１／ｆノイズを低減することが可能となる。
【００１１】
本発明において、集磁部材から第１の感磁素子に与えられる磁束の感磁方向における成分は、集磁部材の先端が第１の平面位置にある場合と第２の平面位置にある場合とで相違するものであっても構わない。これによれば、例えば集磁部材の先端が第１の平面位置にある場合を非検出状態とし、集磁部材の先端が第２の平面位置にある場合を検出状態することが可能となる。
【００１２】
本発明において、第１の感磁素子の感磁方向は素子形成面と平行であり、第１の感磁素子と集磁部材の先端の平面視における距離は、集磁部材の先端が第１の平面位置にある場合よりも第２の平面位置にある場合の方が大きくても構わない。これによれば、集磁部材の先端が第１の平面位置にある場合よりも第２の平面位置にある場合の方が感磁方向における磁束成分が多くなることから、集磁部材の先端が第１の平面位置にある場合を非検出状態とし、集磁部材の先端が第２の平面位置にある場合を検出状態することが可能となる。ここで、集磁部材の先端が第１の平面位置にある場合、集磁部材の先端が平面視で第１の感磁素子と重なっても構わない。これによれば、集磁部材の先端が第１の平面位置にある場合において、第１の感磁素子に印加される感磁方向の磁束成分を非常に少なくすることができる。
【００１３】
本発明において、センサチップは、素子形成面と平行な方向に延在する磁性体層をさらに有していても構わない。これによれば、第１の感磁素子に印加される磁束を増やすことが可能となる。この場合、磁性体層は、平面視で、第１の平面位置から見て第２の平面位置とは反対側に位置する第１の磁性体層を含んでいても構わない。これによれば、集磁部材の先端が第２の平面位置にある場合において、第１の感磁素子に印加される感磁方向の磁束成分を増やすことが可能となる。また、磁性体層は、平面視で、第１の平面位置から見て第２の平面位置と同じ側に位置する第２の磁性体層をさらに含んでいても構わない。これによれば、集磁部材の先端が第１の平面位置にある場合において、第１の感磁素子に印加される感磁方向の磁束成分を減らすことが可能となる。この場合、第２の磁性体層は、第１の磁性体層よりも面積が小さくても構わない。これによれば、第１の磁性体層と第２の磁性体層の面積が同じである場合と比べ、集磁部材の先端が第２の平面位置にある場合において、第１の感磁素子に印加される感磁方向の磁束成分を増やすことが可能となる。
【００１４】
本発明において、素子形成面には第２の感磁素子がさらに設けられており、集磁部材の先端が第１の平面位置にある場合、集磁部材の先端は、平面視で第２の感磁素子よりも第１の感磁素子の近くに位置し、集磁部材の先端が第２の平面位置にある場合、集磁部材の先端は、平面視で第１の感磁素子よりも第２の感磁素子の近くに位置するものであっても構わない。これによれば、集磁部材の先端が第１の平面位置にある場合と第２の平面位置にある場合とで第１及び第２の感磁素子の特性を変化させることができる。ここで、集磁部材の先端が第１の平面位置にある場合、集磁部材の先端が平面視で第１の感磁素子と重なり、集磁部材の先端が第２の平面位置にある場合、集磁部材の先端が平面視で第２の感磁素子と重なっても構わない。これによれば、集磁部材の先端が第１の平面位置にある場合において、第１の感磁素子に印加される感磁方向の磁束成分を非常に少なくすることができるとともに、集磁部材の先端が第２の平面位置にある場合において、第２の感磁素子に印加される感磁方向の磁束成分を非常に少なくすることができる。
【００１５】
本発明による磁気センサは、センサチップとは別に設けられ、平面視で、第１の平面位置から見て第２の平面位置とは反対側に位置する外部磁性体をさらに備えるものであっても構わない。これによれば、集磁部材の先端から放出される磁束の多くが外部磁性体によって集磁されることから、集磁部材の先端が第２の平面位置にある場合において、第１の感磁素子に印加される感磁方向の磁束成分を増やすことが可能となる。
【００１６】
本発明において、駆動部は、集磁部材に積層された圧電体層を含むものであっても構わない。これによれば、集磁部材の先端位置を高速に変位させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
このように、本発明によれば、高温プロセスが必要なＭＥＭＳ構造を用いることなく、磁路を機械的に変位させることによって１／ｆノイズを低減することが可能な磁気センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施形態による磁気センサ１の外観を示す略斜視図である。
【図２】図２は、磁気センサ１から外部磁性体３１，３２を削除した状態を示す略斜視図である。
【図３】図３はセンサチップ１０の略平面図である。
【図４】図４は、図３のＡ−Ａ線に沿った略断面図である。
【図５】図５は、磁性体層と感磁素子が重なりを有している例を説明するための略断面図である。
【図６】図６は、センサチップ１０に形成される素子と端子電極Ｔ１１〜Ｔ１４の接続関係を示す回路図である。
【図７】図７は、可変磁路２０の変位部２２の構造を説明するための模式的な断面図である。
【図８】図８は、変形例による可変磁路２０の変位部２２の構造を説明するための模式的な断面図である。
【図９】図９は、可変磁路２０の変位部２２が変位するメカニズムを説明するための略斜視図である。
【図１０】図１０は、変形例による磁気センサの外観を示す略斜視図である。
【図１１】図１１は、変形例による磁気センサの外観を示す略斜視図である。
【図１２】図１２は、磁気センサ１の略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を加えていない状態を示している。
【図１３】図１３は、磁気センサ１の略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態を示している。
【図１４】図１４は、第１の変形例によるセンサチップ１０Ａの略平面図である。
【図１５】図１５は、センサチップ１０Ａを用いた第１の変形例による磁気センサ１Ａの略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態を示している。
【図１６】図１６は、第２の変形例によるセンサチップ１０Ｂの略平面図である。
【図１７】図１７は、センサチップ１０Ｂを用いた第２の変形例による磁気センサ１Ｂの略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態を示している。
【図１８】図１８は、第３の変形例による磁気センサ１Ｃの外観を示す略斜視図である。
【図１９】図１９は、第３の変形例による磁気センサ１Ｃの略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態を示している。
【図２０】図２０は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ２の略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を加えていない状態を示している。
【図２１】図２１は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ２の略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態を示している。
【図２２】図２２は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ３の略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を加えていない状態を示している。
【図２３】図２３は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ３の略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態を示している。
【図２４】図２４は、本発明の第４の実施形態による磁気センサに用いるセンサチップ１０Ｄの略平面図である。
【図２５】図２５は、ＭＥＭＳ構造を有する従来の磁気センサの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の好ましい実施形態による磁気センサ１の外観を示す略斜視図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態による磁気センサ１は、ｘｚ面を主面とする回路基板６と、回路基板６の主面上に載置されたセンサチップ１０、可変磁路２０及び外部磁性体３１，３２を備えている。図２は、磁気センサ１から外部磁性体３１，３２を削除した状態を示している。尚、本発明による磁気センサが外部磁性体を備えることは必須でなく、図２に示す状態、つまり外部磁性体のない状態であっても構わない。センサチップ１０は、ｘｙ面を構成する素子形成面１１及び裏面１２と、ｙｚ面を構成する側面１３，１４を有している。センサチップ１０の素子形成面１１上には、感磁素子Ｒ１及び磁性体層Ｍ１，Ｍ２が形成されている。
【００２２】
図３はセンサチップ１０の略平面図であり、図４は図３のＡ−Ａ線に沿った略断面図である。
【００２３】
図３及び図４に示すように、センサチップ１０の素子形成面１１には、感磁素子Ｒ１が形成されている。感磁素子Ｒ１は、磁束の向きによって電気抵抗が変化する素子であれば特に限定されず、例えばＭＲ素子などを用いることができる。感磁素子Ｒ１の固定磁化方向（感磁方向）は、符号ＰＩＮが示す−ｘ方向である。感磁素子Ｒ１は絶縁層１５で覆われており、絶縁層１５の表面には、パーマロイなどからなる磁性体層Ｍ１，Ｍ２が形成されている。磁性体層Ｍ１，Ｍ２は、センサチップ１０の最表層に位置する保護層１６で覆われている。そして、平面視で（ｚ方向から見て）、磁性体層Ｍ１と磁性体層Ｍ２の間の磁気ギャップＧ１と重なる位置に感磁素子Ｒ１が配置されている。これにより、磁気ギャップＧ１を通過する磁界が感磁素子Ｒ１に印加されることになる。
【００２４】
但し、本発明において、感磁素子Ｒ１が厳密に磁気ギャップＧ１間に位置することは必須でなく、磁気ギャップＧ１によって形成される磁路上に感磁素子Ｒ１が配置されていれば足りる。また、磁気ギャップＧ１のｘ方向における幅が感磁素子Ｒ１のｘ方向における幅よりも広い必要はなく、磁気ギャップＧ１の幅が感磁素子Ｒ１よりも狭くても構わない。図５に示す例では、磁気ギャップＧ１のｘ方向における幅Ｇｘが感磁素子Ｒ１のｘ方向における幅Ｒｘよりも狭く、これにより、ｚ方向にから見て磁性体層Ｍ１，Ｍ２と感磁素子Ｒ１が重なりＯＶを有している。磁気ギャップＧ１と感磁素子Ｒ１との関係は、図５に示す関係であっても構わない。このように、磁性体層Ｍ１，Ｍ２は、感磁素子Ｒ１と同一平面上に位置している必要はなく、素子形成面１１と平行な方向（ｘｙ方向）に延在していれば足りる。
【００２５】
また、センサチップ１０の素子形成面１１上には、４つの端子電極Ｔ１１〜Ｔ１４が設けられている。
【００２６】
図６は、センサチップ１０に形成される素子と端子電極Ｔ１１〜Ｔ１４の接続関係を示す回路図である。
【００２７】
図６に示すように、端子電極Ｔ１１と端子電極Ｔ１２の間には感磁素子Ｒ１が接続され、端子電極Ｔ１３と端子電極Ｔ１４の間には補償コイルＣが接続される。これにより、感磁素子Ｒ１に印加される磁界の向き及び強度に応じて、端子電極Ｔ１１，Ｔ１２間の抵抗値が変化する。補償コイルＣには、端子電極Ｔ１１，Ｔ１２間の抵抗値に応じたフィードバック電流が与えられ、感磁素子Ｒ１に印加される磁界がキャンセルされる。これにより、いわゆるクローズドループ制御を行うことが可能となる。
【００２８】
図１に戻って、可変磁路２０は、回路基板６に固定された支持部２１と、支持部２１に固定された変位部２２を有している。可変磁路２０はセンサチップ１０とは別部品であり、両者は接していない。
【００２９】
図７は、可変磁路２０の変位部２２の構造を説明するための模式的な断面図である。
【００３０】
図７に示すように、可変磁路２０の変位部２２は、シリコンなどからなるバネ体２３と、バネ体２３の一方の表面に形成された圧電構造体Ｐと、バネ体２３の他方の表面に形成された集磁部材２４とを備えている。圧電構造体Ｐは、ＰＺＴなどの圧電材料からなる圧電体層２５と、その両面に形成された電極層２６，２７からなり、集磁部材２４を変位させる駆動部を構成する。集磁部材２４は、センサチップ１０の素子形成面１１に磁束を集める役割を果たす。集磁部材２４は、パーマロイなどの高透磁率材料によって構成され、バネ体２３の表面にメッキ形成されたメッキ膜であることが好ましい。ＰＺＴなどからなる圧電体層２５については、スパッタリング法によって形成された薄膜であることが好ましい。このように、集磁部材２４をメッキ膜とし、圧電体層２５を薄膜とすれば、バネ体２３の表面にバルク状の磁性体材料や圧電材料を接着する場合と比べて、全体の厚さを薄くすることができる。但し、可変磁路２０の変位部２２がシリコンなどからなるバネ体２３を備える点は必須でなく、図８に示す変形例による変位部２２ａのように、シリコンなどからなる非磁性のバネ体を省略し、パーマロイなどからなる集磁部材２４自体をバネ体として用いても構わない。
【００３１】
可変磁路２０は、集磁部材２４のｚ方向における先端２４ａが感磁素子Ｒ１と向かい合うよう位置決めされる。但し、集磁部材２４の先端２４ａは、センサチップ１０の保護層１６とは接触せず、両者間にはｚ方向の隙間が確保される。図７に示す例では、圧電構造体Ｐのｚ方向における長さが集磁部材２４のｚ方向における長さよりも短く、これにより、圧電構造体Ｐのｚ方向における先端Ｐａが集磁部材２４の先端２４ａまで達していないが、符号Ｂで示すように、圧電構造体Ｐの先端Ｐａの位置を集磁部材２４の先端２４ａまで伸ばしても構わない。
【００３２】
圧電構造体Ｐに含まれる電極層２６，２７は、図１に示す端子電極Ｔ１，Ｔ２にそれぞれ接続される。これにより、端子電極Ｔ１，Ｔ２に電圧を加えると、圧電構造体Ｐを含む変位部２２が機械的に変位する。具体的には、端子電極Ｔ１，Ｔ２に電圧を加えると圧電体層２５が収縮するため、変位部２２には図９に示す力Ｆが作用する。このため、端子電極Ｔ１，Ｔ２に電圧を加えていない状態においては、変位部２２の形状が直線的であり、集磁部材２４の先端２４ａは位置Ｐ１にあるのに対し、端子電極Ｔ１，Ｔ２に電圧を加えると変位部２２が反った状態となり、集磁部材２４の先端２４ａは位置Ｐ２に移動する。
【００３３】
したがって、端子電極Ｔ１，Ｔ２に所定の周波数を有する駆動電圧を印加すれば、集磁部材２４の先端２４ａを位置Ｐ１と位置Ｐ２の間で往復運動させることが可能となる。図９に示すように、集磁部材２４の先端２４ａは、位置Ｐ１にある場合と位置Ｐ２にある場合とでｘ方向における位置が相違する。
【００３４】
再び図１に戻って、外部磁性体３１，３２は、センサチップ１０に磁束を集める役割を果たし、いずれもフェライトなどの高透磁率材料によって構成される。このうち、外部磁性体３１は、磁性体層Ｍ１の一部を覆うとともに、センサチップ１０の側面１３及び裏面１２を覆っており、ｚ方向を長手方向とする棒状形状を有している。同様に、外部磁性体３２は、磁性体層Ｍ２の一部を覆うとともに、センサチップ１０の側面１４及び裏面１２を覆っており、ｚ方向を長手方向とする棒状形状を有している。かかる構成により、ｚ方向の磁界が選択的に集磁され、集磁された磁界がセンサチップ１０に印加されることになる。
【００３５】
図１に示す例では、外部磁性体３１，３２のｘ方向における幅がセンサチップ１０の裏面１２側において一定であるが、図１０に示す例のように、外部磁性体３１，３２のｘ方向における幅が所定のｚ方向位置において絞られた形状を有していても構わない。また、図１に示す例では、外部磁性体３１と外部磁性体３２を別部品としているが、図１１に示す例のように、これらが一体化された外部磁性体３３を用いても構わない。
【００３６】
図１２は、本実施形態による磁気センサ１の略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を加えていない状態を示している。図１２においては、バネ体２３が省略されている。以下に説明する図１３、図１５、図１７、図１９〜図２３においても同様である。
【００３７】
図１２に示すように、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を加えていない状態においては、集磁部材２４の先端２４ａは位置Ｐ１にある。位置Ｐ１は、ｚ方向から見た平面視で、磁気ギャップＧ１及び感磁素子Ｒ１と重なる平面位置である。この状態においては、集磁部材２４に取り込まれた磁束φは、磁性体層Ｍ１，Ｍ２に対してほぼ均等に分配される。このため、感磁素子Ｒ１に印加される磁束φはほぼｚ方向成分のみとなり、ｘ方向成分はほとんど含まれない。したがって、この状態においては感磁素子Ｒ１の抵抗値は、磁束φによってほとんど変化しない。
【００３８】
図１３は、本実施形態による磁気センサ１の略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態を示している。
【００３９】
図１３に示すように、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態においては、集磁部材２４の先端２４ａは位置Ｐ２にある。位置Ｐ２は、ｚ方向から見た平面視で、磁気ギャップＧ１及び感磁素子Ｒ１からｘ方向にオフセットした平面位置であり、本例では集磁部材２４の先端２４ａが磁性体層Ｍ２上に位置している。この状態においては、集磁部材２４に取り込まれた磁束φの一部が磁性体層Ｍ２から磁性体層Ｍ１に向かって流れるため、磁気ギャップＧ１を通過する磁界が感磁素子Ｒ１に印加される。別の一部の磁束φについては、磁性体層Ｍ１に向かうことなく、外部磁性体３２に取り込まれる。これにより、感磁素子Ｒ１には−ｘ方向成分の磁束φが加わるため、感磁素子Ｒ１の抵抗値は、集磁部材２４に取り込まれた磁束φに応じて変化する。
【００４０】
したがって、端子電極Ｔ１，Ｔ２に所定の周波数を有する駆動電圧を印加すれば、駆動電圧の周波数をサンプリング周波数として感磁素子Ｒ１の抵抗値が振幅変調される。感磁素子Ｒ１の抵抗値の変化は、端子電極Ｔ１１とＴ１２の間に所定の電流を流すことによって電圧変換すれば、出力信号として取り出すことができる。そして、振幅変調された出力信号を復調することにより、１／ｆノイズが低減された測定結果を得ることが可能となる。一例として、測定対象となる磁界の周波数成分が０．１Ｈｚ〜１ｋＨｚといった低周波帯である場合、１／ｆノイズによってＳ／Ｎ比が低下するため、測定対象となる磁界が特に微弱である場合には測定困難となる。しかしながら、本実施形態による磁気センサ１を用いれば、出力信号を任意のサンプリング周波数にて振幅変調できることから、例えばサンプリング周波数を数ｋＨｚに設定することにより、１／ｆノイズの影響をほとんど除去することが可能となる。
【００４１】
サンプリング周波数を高めるためには、可変磁路２０の変位部２２をより高速に駆動する必要があるが、上述の通り、集磁部材２４をメッキ膜とし、圧電体層２５を薄膜とすれば、全体の厚さが薄くなり軽量化されることから、変位部２２を数ｋＨｚ以上の周波数で駆動することが可能となる。但し、集磁部材２４や圧電体層２５が薄膜である必要はなく、バルク状であっても構わない。
【００４２】
また、本実施形態において用いる可変磁路２０は、センサチップ１０とともに回路基板６上に実装される部品であり、センサチップ１０とは別部品であることから、センサチップ１０にＭＥＭＳ構造を持たせる場合のように、感磁素子Ｒ１を形成した後に高温プロセスを行う必要がない。このため、高温プロセスによる感磁素子Ｒ１の特性劣化も生じない。また、可変磁路２０が別部品であることから、センサチップ１０とは別に設計可能である。このため、本実施形態による磁気センサ１は、設計変更なども容易である。
【００４３】
しかも、本実施形態による磁気センサ１によれば、ｚ方向の磁場は振幅変調により高い周波数に変調される一方、ｘ方向の磁場は変調されないことから、ｚ方向の磁場に対して指向性を持たせることが可能となる。また、ｘ方向の磁場については、低い周波数成分としてそのまま検出することも可能であり、この場合、ｚ方向及びｘ方向の２軸検知を行うことができる。例えば、微小な磁気信号についてはｚ方向から高感度に検出しつつ、大きな外乱磁場などの環境磁場についてはｘ方向から検出するという使い方も可能である。
【００４４】
図１４は、第１の変形例によるセンサチップ１０Ａの略平面図である。
【００４５】
図１４に示すセンサチップ１０Ａは、磁性体層Ｍ２が省略されている点において、図３に示したセンサチップ１０と相違している。その他の構成は、図３に示したセンサチップ１０と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４６】
図１５は、センサチップ１０Ａを用いた第１の変形例による磁気センサ１Ａの略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態を示している。
【００４７】
図１５に示すように、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態においては、集磁部材２４の先端２４ａは位置Ｐ２にある。位置Ｐ２は、ｚ方向から見た平面視で、磁気ギャップＧ１及び感磁素子Ｒ１からｘ方向にオフセットした平面位置であり、本例では集磁部材２４の先端２４ａと向かい合う平面位置には磁性体層が存在しない。このため、集磁部材２４に取り込まれた磁束φのほとんどが磁性体層Ｍ１に向かって−ｘ方向に流れる。したがって、センサチップ１０Ａを用いた磁気センサ１Ａは、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ２にある場合において、より大きな出力信号を得ることが可能となる。但し、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ１にある場合における磁束φのｘ方向成分が非対称となることから、これがノイズとならないよう、位置Ｐ１の微調整することが好ましい。
【００４８】
図１６は、第２の変形例によるセンサチップ１０Ｂの略平面図である。
【００４９】
図１６に示すセンサチップ１０Ｂは、磁性体層Ｍ２のサイズが縮小されている点において、図３に示したセンサチップ１０と相違している。図１６に示すように、磁性体層Ｍ２は、磁気ギャップＧ１及び感磁素子Ｒ１から離れた部分が削除されており、磁気ギャップＧ１及び感磁素子Ｒ１の近傍における形状は、図３に示したセンサチップ１０と同じである。つまり、磁気ギャップＧ１及び感磁素子Ｒ１の近傍においては、磁気ギャップＧ１及び感磁素子Ｒ１を中心として、磁性体層Ｍ１，Ｍ２がｘ方向に対称形である。その他の構成は、図３に示したセンサチップ１０と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５０】
図１７は、センサチップ１０Ｂを用いた第２の変形例による磁気センサ１Ｂの略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態を示している。
【００５１】
図１７に示すように、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態においては、集磁部材２４の先端２４ａは位置Ｐ２にある。位置Ｐ２は、平面視で、磁気ギャップＧ１及び感磁素子Ｒ１からｘ方向にオフセットした平面位置であり、本例では集磁部材２４の先端２４ａが縮小された磁性体層Ｍ２上に位置している。このため、集磁部材２４に取り込まれた磁束φの多くが磁性体層Ｍ２から磁性体層Ｍ１に向かって流れるため、磁気ギャップＧ１を通過する磁界が感磁素子Ｒ１に印加される。一部の磁束φについては、磁性体層Ｍ１に向かうことなく外部磁性体３２に取り込まれるが、本例では、磁性体層Ｍ２の端部が除去されているため、図３に示したセンサチップ１０に比べて外部磁性体３２に向かう磁束φは少なくなる。しかも、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ１にある場合においては、磁束φのｘ方向成分がほぼ対称となることから、高いＳ／Ｎ比を確保することが可能となる。
【００５２】
図１８は、第３の変形例による磁気センサ１Ｃの外観を示す略斜視図である。
【００５３】
図１８に示すように、第３の変形例による磁気センサ１Ｃは、一方の外部磁性体３２が削除されている点において、第１の実施形態による磁気センサ１と相違している。その他の構成は、第１の実施形態による磁気センサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５４】
図１９は、第３の変形例による磁気センサ１Ｃの略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態を示している。
【００５５】
図１９に示すように、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態においては、集磁部材２４の先端２４ａは位置Ｐ２にある。位置Ｐ２は、平面視で、磁気ギャップＧ１及び感磁素子Ｒ１からｘ方向にオフセットした平面位置であり、本例では集磁部材２４の先端２４ａが磁性体層Ｍ２上に位置している。この状態においては、集磁部材２４に取り込まれた磁束φの一部が磁性体層Ｍ２から磁性体層Ｍ１に向かって流れるため、磁気ギャップＧ１を通過する磁界が感磁素子Ｒ１に印加される。別の一部の磁束φについては、磁性体層Ｍ１に向かうことなく逆方向に流れるが、第３の変形例による磁気センサ１Ｃでは外部磁性体３２が削除されていることから、第１の実施形態による磁気センサ１に比べ、逆方向に流れる磁束φが少なくなり、より多くの磁束φが感磁素子Ｒ１に加わる。このため、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ２にある場合において、より大きな出力信号を得ることが可能となる。
【００５６】
＜第２の実施形態＞
図２０は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ２の略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を加えていない状態を示している。
【００５７】
第２の実施形態による磁気センサ２は、センサチップ１０に２つの感磁素子Ｒ１，Ｒ２が設けられているとともに、３つの磁性体層Ｍ１〜Ｍ３が設けられている点において、第１の実施形態による磁気センサ１と相違する。その他の構成については、第１の実施形態による磁気センサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５８】
図２０に示すように、磁性体層Ｍ３は、磁性体層Ｍ１と磁性体層Ｍ２の間に配置される。磁性体層Ｍ１と磁性体層Ｍ３の隙間は磁気ギャップＧ１を構成し、磁気ギャップＧ１によって形成される磁路上に感磁素子Ｒ１が配置される。また、磁性体層Ｍ２と磁性体層Ｍ３の隙間は磁気ギャップＧ２を構成し、磁気ギャップＧ２によって形成される磁路上に感磁素子Ｒ２が配置される。感磁素子Ｒ１，Ｒ２の固定磁化方向（感磁方向）は互いに同一方向であっても構わないが、感磁素子Ｒ１の固定磁化方向（感磁方向）を−ｘ方向とし、感磁素子Ｒ２の固定磁化方向（感磁方向）を＋ｘ方向としても構わない。つまり、感磁素子Ｒ１と感磁素子Ｒ２は、感磁方向が互いに１８０°異なっていても構わない。
【００５９】
そして、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を加えていない状態においては、集磁部材２４の先端２４ａは位置Ｐ１にある。位置Ｐ１は、平面視で、磁気ギャップＧ１及び感磁素子Ｒ１と重なる平面位置である。この状態においては、集磁部材２４に取り込まれた磁束φは、磁性体層Ｍ１，Ｍ３に対してほぼ均等に分配される。このため、感磁素子Ｒ１に印加される磁束φはほぼｚ方向成分のみとなり、ｘ方向成分はほとんど含まれない。したがって、この状態においては、感磁素子Ｒ１の抵抗値はほとんど変化しない。しかしながら、磁性体層Ｍ３に流れた磁束φは、磁気ギャップＧ２を介して磁性体層Ｍ２に流れるため、磁気ギャップＧ２を＋ｘ方向に通過する磁界が感磁素子Ｒ２に印加される。これにより、感磁素子Ｒ２には＋ｘ方向成分の磁束φが加わるため、感磁素子Ｒ２の抵抗値は、集磁部材２４に取り込まれた磁束φに応じて変化する。
【００６０】
図２１は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ２の略断面図であり、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態を示している。
【００６１】
図２１に示すように、端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態においては、集磁部材２４の先端２４ａは位置Ｐ２にある。位置Ｐ２は、平面視で、磁気ギャップＧ２及び感磁素子Ｒ２と重なる平面位置である。この状態においては、集磁部材２４に取り込まれた磁束φは、磁性体層Ｍ２，Ｍ３に対してほぼ均等に分配される。このため、感磁素子Ｒ２に印加される磁束φはほぼｚ方向成分のみとなり、ｘ方向成分はほとんど含まれない。したがって、この状態においては、感磁素子Ｒ２の抵抗値はほとんど変化しない。しかしながら、磁性体層Ｍ３に流れた磁束φは、磁気ギャップＧ１を介して磁性体層Ｍ１に流れるため、磁気ギャップＧ１を−ｘ方向に通過する磁界が感磁素子Ｒ１に印加される。これにより、感磁素子Ｒ１には−ｘ方向成分の磁束φが加わるため、感磁素子Ｒ１の抵抗値は、集磁部材２４に取り込まれた磁束φに応じて変化する。
【００６２】
このように、本実施形態による磁気センサ２は、２つの感磁素子Ｒ１，Ｒ２が磁界を交互に検出することから、第１の実施形態による磁気センサ１と比べ、サンプリング周波数を２倍とすることが可能となる。
【００６３】
＜第３の実施形態＞
図２２及び図２３は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ３の略断面図であり、図２２は端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を加えていない状態を示し、図２３は端子電極Ｔ１，Ｔ２に駆動電圧を印加した状態を示している。
【００６４】
第３の実施形態による磁気センサ３においては、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ１にある場合、平面視で集磁部材２４の先端２４ａが磁性体層Ｍ１と重なりを有し、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ２にある場合、平面視で集磁部材２４の先端２４ａが磁性体層Ｍ２と重なりを有している。その他の構成については、第１の実施形態による磁気センサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６５】
本実施形態においては、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ１にある場合、感磁素子Ｒ１には＋ｘ方向の磁束φが印加される一方、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ２にある場合、感磁素子Ｒ１には−ｘ方向の磁束φが印加される。また、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ１と位置Ｐ２の中間位置にある場合、感磁素子Ｒ１に印加される磁束φはほぼｚ方向成分のみとなり、ｘ方向成分はほとんど含まれなくなる。
【００６６】
このような構成であっても、端子電極Ｔ１，Ｔ２に所定の周波数を有する駆動電圧を印加することにより、１／ｆノイズが低減された測定結果を得ることが可能となる。本実施形態が例示するように、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ１にある場合と位置Ｐ２にある場合とで、感磁素子Ｒ１に印加される磁束φの座標が変化することは必須でなく、同一座標（本例ではｘ座標）内において方向が反転するものであっても構わない。
【００６７】
＜第４の実施形態＞
図２４は、本発明の第４の実施形態による磁気センサに用いるセンサチップ１０Ｄの略平面図である。
【００６８】
図２４に示すセンサチップ１０Ｄは、磁性体層Ｍ１，Ｍ２の代わりに磁性体層Ｍ４が設けられている点において、図３に示したセンサチップ１０と相違している。磁性体層Ｍ４は、図３に示したセンサチップ１０の磁性体層Ｍ１と同様、平面視で感磁素子Ｒ１の−ｘ方向側に形成される。これに加え、磁性体層Ｍ４は、ｙ方向位置が感磁素子Ｒ１と重ならない範囲において、感磁素子Ｒ１の＋ｘ方向側に位置する張り出し部分を有している。その他の構成は、図３に示したセンサチップ１０と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６９】
本実施形態においては、可変磁路２０の変位部２２がｙ方向に変位する。具体的には、平面視で、集磁部材２４の先端２４ａが図２４に示す位置Ｐ１と位置Ｐ２の間を往復運動する。図２４に示す位置Ｐ３は、位置Ｐ１と位置Ｐ２の中間位置である。これにより、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ１または位置Ｐ２にある場合には、ほとんどの磁束φが磁性体層Ｍ４に流れ、感磁素子Ｒ１には−ｘ方向の磁束がほとんど印加されない一方、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ３にある場合には、磁束φが感磁素子Ｒ１を介して磁性体層Ｍ４に流れるため、感磁素子Ｒ１には−ｘ方向の磁束が印加される。
【００７０】
このような構成であっても、端子電極Ｔ１，Ｔ２に所定の周波数を有する駆動電圧を印加することにより、１／ｆノイズが低減された測定結果を得ることが可能となる。本実施形態が例示するように、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ１にある場合が非検出状態、集磁部材２４の先端２４ａが位置Ｐ２にある場合が検出状態であることは必須でなく、位置Ｐ１，Ｐ２の両方が非検出状態であっても構わない。
【００７１】
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。
【００７２】
例えば、上記実施形態では、１つ又は２つの感磁素子Ｒ１，Ｒ２を用いているが、３以上の感磁素子を用いても構わない。
【００７３】
また、上記実施形態では、センサチップ１０に磁性体層Ｍ１，Ｍ２が設けられているが、本発明において磁性体層を用いることは必須でない。
【００７４】
さらに、上記実施形態では、外部磁性体３１，３２を用いているが、本発明において外部磁性体を用いることは必須でない。
【００７５】
さらに、上記実施形態では、集磁部材２４を変位させる駆動部として圧電構造体Ｐを用いているが、本発明がこれに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００７６】
１〜３，１Ａ〜１Ｃ    磁気センサ
６    回路基板
７    ＧＭＲ素子
８，９    カンチレバー
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｄ    センサチップ
１１    素子形成面
１２    裏面
１３，１４    側面
１５    絶縁層
１６    保護層
２０    可変磁路
２１    支持部
２２，２２ａ    変位部
２３    バネ体
２４    集磁部材
２４ａ    集磁部材の先端
２５    圧電体層
２６，２７    電極層
３１〜３３    外部磁性体
Ｃ    補償コイル
Ｆ    力
Ｇ１，Ｇ２    磁気ギャップ
Ｍ１〜Ｍ４    磁性体層
Ｐ    圧電構造体
Ｐ１〜Ｐ３    集磁部材の先端の平面位置
Ｐａ    圧電構造体の先端
Ｒ１，Ｒ２    感磁素子
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ１１〜Ｔ１４    端子電極
φ    磁束
【図１】
2020106309.tif 000003
【図２】
2020106309.tif 000004
【図３】
2020106309.tif 000005
【図４】
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【図５】
2020106309.tif 000007
【図６】
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【図７】
2020106309.tif 000009
【図８】
2020106309.tif 000010
【図９】
2020106309.tif 000011
【図１０】
2020106309.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2020106309.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2020106309.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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