(57)【要約】【課題】本発明は、素子の小型化及び作動に必要な電力を最小化して携帯電話のような小型の電子機器内に取り付けられる薄膜型３軸フラックスゲートを提供する。【解決手段】３軸方向の磁界成分を検出する薄膜型フラックスゲートにおいて、磁界の水平２軸成分を感知するための同一平面上に配置された２つの１棒型薄膜フラックスゲートと、磁界の垂直成分を感知するための複数個で構成された薄膜フラックスゲートとを含み、前記各フラックスゲートは、電源印加のためのドライブコイル、電圧検出のためのピックアップコイル及び磁性薄膜を含むものであり、垂直成分感知用のフラックスゲートは、前記２つの水平成分感知用のフラックスゲートそれぞれと実質的に直交するように配置され、水平成分感知用のフラックスゲートより短い長さを有する複数個の磁性薄膜で構成され、各垂直成分感知用のフラックスゲートの磁性薄膜の形状は両端部が中心部より広い。
2009535616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３軸方向の磁界成分を検出する薄膜型３軸フラックスゲート（fluxgate）において、
磁界の水平２軸成分を感知するためのものとして、同一平面上に配置された２つの１棒型薄膜フラックスゲートと、
磁界の垂直成分を感知するための複数個で構成された薄膜フラックスゲートとを含み、
前記各フラックスゲートは、電源印加のためのドライブコイル、電圧検出のためのピックアップコイル及び磁性薄膜を含むものであり、
前記垂直成分感知用のフラックスゲートは、前記２つの水平成分感知用のフラックスゲートそれぞれと実質的に直交するように配置され、前記水平成分感知用のフラックスゲートより短い長さを有する複数個の磁性薄膜で構成され、前記各垂直成分感知用のフラックスゲートの磁性薄膜の形状は、両端部が中心部より広い形状である薄膜型３軸フラックスゲート。
【請求項２】
前記磁性薄膜は、強磁性体であるＮｉＦｅと絶縁薄膜であるＡｌ2Ｏ3薄膜又はＳｉＯ2薄膜を交互に成膜してなる積層薄膜で構成される請求項１に記載の薄膜型３軸フラックスゲート。
【請求項３】
前記垂直磁界感知用のフラックスゲートに使用する複数個の小型フラックスゲートに内蔵される磁性薄膜形状は、亜鈴状、アルファベットの「Ｉ」形状、両端部に穴があるアルファベットの「Ｉ」形状及び両端部の突出部を上下に連結して構成されたローマ数字の３の形状を含む請求項１に記載の薄膜型３軸フラックスゲート。
【請求項４】
前記垂直成分感知用のフラックスゲートは、前記複数個の磁性薄膜に巻線されたドライブコイルとピックアップコイルを各コイル別に相互連結することにより、１つのドライブコイルと１つのピックアップコイルで前記複数個の磁性薄膜を巻線した形状になるように構成される請求項１に記載の薄膜型３軸フラックスゲート。
【請求項５】
前記各フラックスゲートのドライブコイルに電源を印加し、前記各ピックアップコイルに示される出力信号の独立したボルトピーク間の距離を測定することにより、外部磁場の印加を測定する請求項４に記載の薄膜型３軸フラックスゲート。
【請求項６】
前記水平及び垂直成分感知用のフラックスゲートは、同一の１つの電源によってそれぞれに順次にドライブ電流が供給され、同一の１つの電圧界に連結されて前記１つの電圧界によって順次に検出される３つのフラックスゲートで発生する３種類のピックアップ信号間の距離を順次に計算して地表面における方位を算出する請求項５に記載の薄膜型３軸フラックスゲート。
【請求項７】
水平２軸方向の磁界成分をそれぞれ感知する少なくとも２つのフラックスゲートと、垂直１軸方向の磁界成分を感知するフラックスゲートとを含む薄膜型３軸フラックスゲートの製造方法において、シリコン基板上に形成され、下部コイル薄膜、下部絶縁薄膜、磁性薄膜、上部絶縁薄膜、側面絶縁薄膜、上部コイル薄膜の順に各薄膜を形成することにより、駆動電流印加のためのドライブコイル及び信号検出のためのピックアップコイルを含む導電性コイル層と、磁性薄膜と、前記コイルと磁性薄膜との間に介在されてこれらの間の漏電を防止する絶縁薄膜とを含むように構成された棒型薄膜フラックスゲートを２つ以上同一平面上に配置する段階と、
シリコン基板上に形成され、駆動電流印加のためのドライブコイル及び信号検出のためのピックアップコイルを含む導電性コイル層と、磁性薄膜と、前記コイルと磁性薄膜との間に介在されてこれらの間の漏電を防止する絶縁薄膜とを含み、前記コイル層、磁性薄膜及び絶縁薄膜が複数個に分割され、その幅方向に整列され構成されるフラックスゲートを前記平面と実質的に直交するように配置する段階とを含み、
前記それぞれの磁性薄膜は、磁性体であるＮｉＦｅと絶縁薄膜であるＡｌ2Ｏ3薄膜又はＳｉＯ2薄膜を交互に成膜し積層薄膜を形成して製造される薄膜型３軸フラックスゲートの製造方法 。
【請求項８】
前記平面と実質的に直交するように配置する段階は、その幅方向に配列された複数個の短い磁性薄膜を同一の形態の誘導磁界に磁化させるためにそれぞれの短い磁性薄膜の周りに配置されたドライブコイルを相互電気的に連結させる段階を含む請求項７に記載の薄膜型３軸フラックスゲートの製造方法 。
【請求項９】
前記下部コイル薄膜は、前記シリコン基板の表面に溝を形成した後、その溝の高さ分、導電性物質を配置させて形成する請求項７に記載の薄膜型３軸フラックスゲートの製造方法 。
【請求項１０】
前記下部絶縁薄膜は、前記下部コイル薄膜上に形成され、ＳｉＯ2絶縁膜とＡｌ2Ｏ3絶縁膜を連続的に成膜する２層構造を有し、各構成薄膜の厚みは、ＳｉＯ2絶縁薄膜は２０００Å（０.２μｍ）乃至２００００Å（２μｍ）の厚みを有するように成膜し、さらに連続的に形成されるＡｌ2Ｏ3絶縁薄膜は２００Å（０.０２μｍ）乃至１００００Å（１μｍ）の厚みで形成する請求項７に記載の薄膜型３軸フラックスゲートの製造方法 。
【請求項１１】
前記磁性薄膜は、磁性体であるＮｉＦｅと絶縁物質であるＡｌ2Ｏ3又はＳｉＯ2を交互に成膜して構成された積層薄膜であって、ＮｉＦｅ層は６００Å±３００Åの厚み範囲で形成し、Ａｌ2Ｏ3又はＳｉＯ2層は１５０Å±１００Åの厚み範囲内で形成させる請求項７に記載の薄膜型３軸フラックスゲートの製造方法 。
【請求項１２】
前記磁性薄膜は、ＮｉＦｅ／Ａｌ2Ｏ3積層薄膜又はＮｉＦｅ／ＳｉＯ2積層薄膜を１つの対（pair）とした時、少なくとも３対以上を積層して形成される請求項１１に記載の薄膜型３軸フラックスゲートの製造方法 。
【請求項１３】
前記上部絶縁薄膜は、その厚みを２００Å以上、１００００Å（１μｍ）以下の厚み範囲内で形成させる請求項７に記載の薄膜型３軸フラックスゲートの製造方法 。
【請求項１４】
前記垂直磁界感知用のフラックスゲートに使用する複数個の小型フラックスゲートに内蔵されるそれぞれの磁性薄膜の形状は、両端部の幅を中央部より相対的に広い形態で製作する請求項７に記載の薄膜型３軸フラックスゲートの製造方法 。
【請求項１５】
前記磁性薄膜の形状は、亜鈴状、アルファベットの「Ｉ」形状、両端部に穴があるアルファベットの「Ｉ」形状及び両端部の突出部を上下に連結して構成されたローマ数字の３の形状を含む請求項１４に記載の薄膜型３軸フラックスゲートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部磁場の印加方向を測定できる薄膜フラックスゲート（fluxgate）に関するものであって、さらに具体的には、水平２軸成分の磁界と垂直成分の磁界を全て測定できる３軸薄膜フラックスゲートに関する。
【背景技術】
【０００２】
フラックスゲートは磁界センサーの一種であって、地雷などのような鉄鋼含有埋設物の探索、電子コンパスなどの用途として用いられてきた。
【０００３】
フラックスゲートの基本構造は、図１と図３に示すように強磁性体とその強磁性体の周りを囲むドライブコイル、及びこれとは別途のピックアップコイルからなり、ドライブコイルに交流電流を印加するための交流電源とピックアップコイルに誘導される電圧を感知するための電圧界とを含む。
【０００４】
フラックスゲートの作動原理は次のとおりである。磁性体の周りにドライブコイルを巻き、該コイルに交流電流を印加すると、該電流によってコイルの周り、特にコイル内部に時変誘導磁界が発生し、該誘導磁界によって磁性体が磁化され、該磁性体はＮ極とＳ極を持つ電磁石になる。この時、誘導磁界は時間によって極性が反転される時変性を有するので、コイル内部に据え置かれた磁性体の磁極も時間によって反転され、磁性体によってフラックスゲートの周りに形成される磁界もまた時間によって変換することになる。かかる時変磁界によって誘導電流が形成され、これによりピックアップコイルでは図２及び図５に示すように時間の変化によって電圧波形又は電圧ピーク（peak）が検出される。
【０００５】
図１は、従来の３軸フラックスゲートを示す概念図である。従来のフラックスゲートは、地球磁界などの印加磁場の方向を測定するために３つのフラックスゲートが相互に直角構造となるように配置された構造を有した。図１のような従来のフラックスゲートの作動はＸ、Ｙ、Ｚ軸の各方向につき２つ、即ち、１対の棒型磁性体にドライブコイルとピックアップコイルとを同時に巻いておいた状態を構成した後、ドライブコイルの中に三角波又は正弦波を入力させて２つの磁性体がそれぞれ異なる方向に磁化されるようにし、この状態で２つの磁性体に同時に巻いておいたピックアップコイルで感知される電圧波形を読み取る方式を採択した。図２の（ａ）は図１の（ｂ）構造を有する２つの棒型フラックスゲートの磁性体Ａと磁性体Ｂに印加される入力電圧波形を示す図である。同一のドライブコイルに沿って入力される電流は磁性体Ａ、Ｂでそれぞれ他の方向に磁性体を磁化させる形態で電圧が印加される。
【０００６】
図２の（ｂ）は、２つの棒型フラックスゲートに巻かれているピックアップコイルで感知される出力ボルト波形を示す図面である。Ａで示される実線出力波形は磁性体Ａから発生される信号であり、Ｂで示される点線出力波形は磁性体Ｂから発生される信号である。２棒型フラックスゲートのピックアップ電圧は、図２の（ｂ）に示すようにそれぞれ異なる符号の出力信号を示す。図２の（ｂ）のように出力電圧が入力電圧と類似した形態になる理由は、従来の製品は本発明とは異なり、半導体技術を使用した薄膜製品ではなく、強磁性体の棒又は強磁性体の粉末をエポキシを用いて結合（binding）して製作された磁性体を使用したバルク形態の製品であるので、かかる方法にて製作された磁性体の磁気的特性が悪くて磁性体の磁化反転が完全な形にならないため、一種の単純な変圧器（トランス）のような電気的挙動を見せるからである。従来の製品は、入力波が三角波であれば出力波は三角波であり、入力波が正弦波であれば出力波は正弦波である特徴を有した。
【０００７】
図２の（ｂ）は、外部から磁場が全く印加されない状態の出力信号を示すものであって、２つの信号を合算すると、符号の異なる電圧出力が相互相殺され「０」ボルトの状態になる。図２の（ｃ）は、外部から磁場が印加された場合、従来のフラックスゲートで感知される出力信号を示す図である。外部磁場が印加されることにより、出力電圧信号は水平移動が相対的に発生して電圧が「０」であった状態で出力電圧が新たに生じる特性を有する。従来のフラックスゲートはＸ、Ｙ、Ｚ軸につきそれぞれ２つの棒型フラックスゲートを配列した構造を有し、それぞれのフラックスゲートは磁場印加によって新しい出力電圧が発生する原理を使用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような作動原理及び構造を有する従来のフラックスゲート製品の問題点は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸につきそれぞれ２つの棒型磁性体又は磁性薄膜を形成しなければならないため、広い面積を占めて製品の面積が大きいだけでなく、Ｚ軸方向へも大面積のフラックスゲートを据え置かなければならないため、小さくて平たい電子コンパスを求める携帯電話などの電子製品への搭載が困難であるということである。また、図２に示すように出力される信号が一種の変圧器（トランス）の形態をとるため、相互信号を相殺させる信号処理回路がさらに必要となり、尚、２種類のピックアップ信号を相互減殺させて生じた信号の大きさが小さいので、雑信号（Noise)を除去できる高容量のアンプを取り付けなければならない問題があり、このような問題を解決するために、即ち、出力信号を高めるためには、フラックスゲートの作動に多くの電流を流入させる必要があった。正確な方位測定のために多くの電気量を必要とするのは、低電力消耗が必須である携帯電話などのモバイル機器への製品搭載を遮る制約要件となった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の従来技術の問題点を解決するために、本発明は携帯電話などのような小型の電子機器内に取り付けられるように３軸フラックスゲートの電子コンパスを小型に製作し、素子作動に必要な電力を最小化できる薄膜型３軸フラックスゲートの基本構造、作動方法及びその製造方法を提供することにその目的がある。
【００１０】
上述の目的を達成するために、３軸方向の磁界成分を検出する薄膜型３軸フラックスゲートにおいて、磁界の水平２軸の成分を感知するためのものとして同一平面上に配置された２つの１棒型薄膜フラックスゲートと、磁界の垂直成分を感知するための複数個で構成された薄膜フラックスゲートとを含み、前記各フラックスゲートは、電源印加のためのドライブコイル、電圧検出のためのピックアップコイル及び磁性薄膜とを含むものであり、前記垂直成分感知用のフラックスゲートは、前記２つの水平成分感知用のフラックスゲートそれぞれと実質的に直交するように配置され、前記水平成分感知用のフラックスゲートより短い長さを有する複数個の磁性薄膜で構成され、前記各垂直成分感知用のフラックスゲートの磁性薄膜の形状は、両端部が中心部より広い形状である薄膜型３軸フラックスゲートが提供される。
【００１１】
前記磁性薄膜は、強磁性体であるＮｉＦｅと絶縁薄膜であるＡｌ2Ｏ3薄膜又はＳｉＯ2薄膜を交互に成膜してなる積層薄膜で構成できる。
【００１２】
また、水平２軸方向の磁界成分をそれぞれ感知する少なくとも２つのフラックスゲートと、垂直１軸方向の磁界成分を感知するフラックスゲートとを含む薄膜型３軸フラックスゲートの製造方法において、シリコン基板上に形成され、下部コイル薄膜、下部絶縁薄膜、磁性薄膜、上部絶縁薄膜、側面絶縁薄膜、上部コイル薄膜の順に各薄膜を形成することにより、駆動電流印加のためのドライブコイル及び信号検出のためのピックアップコイルとを含む導電性コイル層と、磁性薄膜と、前記コイルと磁性薄膜との間に介在され、これらの間の漏電を防止する絶縁薄膜とを含むように構成された棒型薄膜フラックスゲートを、２つ以上同一平面上に配置する段階と、シリコン基板上に形成され、駆動電流印加のためのドライブコイル及び信号検出のためのピックアップコイルを含む導電性コイル層と、磁性薄膜と、前記コイルと磁性薄膜との間に介在され、これらの間の漏電を防止する絶縁薄膜とを含み、前記コイル層、磁性薄膜及び絶縁薄膜が複数個に分割され、その幅方向に整列され構成されるフラックスゲートを前記平面と実質的に直交するように配置する段階とを含み、前記それぞれの磁性薄膜は、磁性体であるＮｉＦｅと絶縁薄膜であるＡｌ2Ｏ3薄膜又はＳｉＯ2薄膜を交互に成膜して積層薄膜を形成して製造される薄膜型３軸フラックスゲートの製造方法が提供される。
【００１３】
前記下部絶縁薄膜は、前記下部コイル薄膜上に形成され、ＳｉＯ2絶縁膜とＡｌ2Ｏ3絶縁膜を連続的に成膜する２層構造を有し、各構成薄膜の厚みは、ＳｉＯ2絶縁薄膜は２０００Å（０.２μｍ）乃至２００００Å（２μｍ）の厚みを有するように成膜し、さらに連続的に形成されるＡｌ2Ｏ3絶縁薄膜は２００Å（０.０２μｍ）乃至１００００Å（１μｍ）の厚みで形成するのが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、携帯電話やＰＤＡなどのような小型の携帯用機器に取り付けられる非常に小さい３軸フラックスゲートを製作することができ、５Ｖ以下、具体的には、２Ｖ以下の電源でも正確な地表面上における方位検出が可能な電子コンパスを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明による薄膜型３軸フラックスゲートは、３つの棒型薄膜フラックスゲートを３方向にそれぞれ配置して磁界の水平成分と垂直成分を全て検出し、この検出結果に基づいて正確な磁界方向及び地表面上における方位を把握する構成を取る。
【００１６】
本発明の３軸フラックスゲートにおいて、各方向の磁界成分を検出するフラックスゲートは薄膜形態に製作される。特に、携帯電話のような小型電子機器に容易に取り付けられる平たい形に製造できるように磁界の垂直成分を検出するための薄膜フラックスゲートは、その幅方向に整列された短い複数個の磁性薄膜にドライブコイル及びピックアップコイルを巻線して構成される。
【００１７】
以下、添付図面を参照して本発明の構成について詳しく説明するが、まず、従来のフラックスゲートと本発明による薄膜フラックスゲートの構成方法及び作動方法について説明し、続いて本発明による薄膜フラックスゲートの製造方法及び構造について説明する。尚、小型の製作が求められる垂直磁場測定用のＺ軸フラックスゲートの磁性薄膜のデザインによる製品の磁気的特性について説明する。
【００１８】
図３は、本発明による新しい形態のフラックスゲートを採用した電子コンパスの構造を示す図面である。本発明によるフラックスゲートは従来の１軸につき２棒型フラックスゲートとは異なり、Ｘ、Ｙ軸には各軸につき１つの棒型フラックスゲートを配置し、Ｚ軸には小さいフラックスゲートを複数個配置した構造を有し、薄い厚みの電子コンパスチップを作るために製作されるＺ軸用フラックスゲートには、磁性体を亜鈴状又はアルファベットの「Ｉ」形状を有する形状を採用する構造を有する。図３の（ｂ）は、水平成分の磁界を測定するフラックスゲートの形状を示す図であり、図３の（ｃ）は、垂直成分の磁界を測定するフラックスゲートの単位素子の形状を示す図である。垂直成分の磁界を測定するために、複数個に分割された薄膜の長さは前記水平成分感知用のフラックスゲートの長さより短く形成することにより、全体的な３軸フラックスゲートの形状を平たくする。
【００１９】
図４は、本発明による薄膜フラックスゲートを立体的に示す図である。本発明のフラックスゲートは、絶縁薄膜１６がコーティングされたシリコン基板１５上に薄膜技術と食刻（エッチング）工程を通じて薄膜フラックスゲートを製作する。薄膜フラックスゲートの製作のためにはシリコン基板上の絶縁膜にコイルの下部側、即ちコイルの半分を形成できるように溝を作り、その中にアルミニウムなどの導電性材料を挿入させて下部コイル１７を製作した後、絶縁膜で囲まれた磁性体を下部コイル上に形成させ、最終的に上部コイル１８を形成させて下部コイルと上部コイルとが同時に薄膜磁性体を囲むようにドライブ及びピックアップコイルを形成させる。
【００２０】
本発明による薄膜フラックスゲートの詳細構造は図４の（ｂ）に示した。図４の（ｂ）は図４の（ａ）に表記されたＡ−Ａ’線に沿って切断した切断面を示す図面である。薄膜フラックスゲートの製作のためには、まず絶縁薄膜１６が形成されたシリコン基板に下部コイル１７を形成させる部分をフォトリソ工程とエッチング工程で除去した後、その中に導電性薄膜であるアルミニウムを位置させる。その後、下部コイルの両端を一定の部分露出させてフラックスゲートゲートの長手方向の全体を塗布する下部絶縁薄膜１９を形成させる。下部コイルの両端に絶縁薄膜などを形成させないのは、最終工程である上部コイルの製作工程において端部分を相互連結させて絶縁薄膜で囲まれた磁性薄膜の周りに巻線をする構造をとるためである。その後、下部絶縁薄膜１９より長さ及び幅が狭い強磁性体薄膜２０を形成させ、引き続き上部コイルと強磁性体間との漏電を防止するための上部絶縁薄膜２１を形成させる。その次に、強磁性体薄膜２０側面と今後形成される上部コイル薄膜１８との間の漏電を防止するための側面絶縁薄膜２２を形成させた後、上部コイル薄膜１８を形成させ、上部コイル端の端子を既に形成済みの下部コイルの端子と連結させて薄膜フラックスゲート製作を完成する。
【００２１】
本発明の薄膜フラックスゲートを製作するためには下部コイル薄膜１７、下部絶縁薄膜１９、磁性薄膜２０、上部絶縁薄膜２１、側面絶縁薄膜２２、上部コイル薄膜１８を順次に形成するべきであり、電気的及び亀裂防止などのための機械的特性を確保するためには、それぞれの薄膜を製作することにおいて特定の材料を使用するとともに積層構造の磁性薄膜２０の形成が必要である。
【００２２】
薄膜フラックスゲートの全体で発生する応力を除去するために、下部絶縁薄膜１９の材料として例えばＴａ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2などの絶縁体薄膜より衝撃抵抗強さ（toughness）が高い特性を有するＳｉＯ2を使用して薄膜形成による薄膜内部の応力発生を最小化し、優れた磁気的特性を維持させるためには、下部絶縁薄膜の厚みを少なくとも２０００Å以上の厚みで形成させるのが望ましい。さらに望ましくは、下部絶縁薄膜の厚みは２０００Å（0.２μｍ）から２００００Å（２μｍ）の範囲内であることがよい。
【００２３】
他の一実施例では、下部絶縁薄膜を２層膜構造で形成する。薄膜フラックスゲートがそれぞれ熱膨張係数などにおいて差がある様々な種類の材料が成膜され形成されることにより、薄膜内部の応力及び亀裂が発生することがあるが、本実施例によると、応力及び亀裂発生の抑制と、応力と亀裂による磁性薄膜の磁気的特性の低下を抑えることができて薄膜フラックスゲートの全体的な性能向上を図ることができる。
【００２４】
具体的には、下部絶縁薄膜１９の構成を１次にＳｉＯ2薄膜を形成し、２次にＡｌ2Ｏ3薄膜を連続的に成膜する２層膜構造で製作する。下部絶縁薄膜を構成する一番目の絶縁薄膜は、例えばＴａ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2などの絶縁体薄膜より衝撃抵抗強さが高くて軟質の特性を有するＳｉＯ2を使用して薄膜内部で発生する応力の大きさを最小化する。これのために、１次下部絶縁薄膜であるＳｉＯ2薄膜の厚みを少なくとも２０００Å以上の厚みで形成させるのが望ましい。さらに望ましくは、１次下部絶縁薄膜であるのＳｉＯ2薄膜の厚みは２０００Å（０.２μｍ）から２００００Å（２μｍ）の範囲内であることがよい。下部絶縁薄膜を形成する２次絶縁薄膜は、軟質絶縁薄膜であるＳｉＯ2薄膜に比べて薄膜の硬度が高いＡｌ2Ｏ3薄膜を形成させる。硬質のＡｌ2Ｏ3薄膜を形成させる理由は、下部絶縁薄膜１９上に形成される磁性薄膜の磁気的特性が軟質のＳｉＯ2薄膜より硬質のＡｌ2Ｏ3薄膜上で格段に優れているからである。これのために、２次下部絶縁薄膜であるＡｌ2Ｏ3薄膜の厚みを少なくとも２００Å以上の厚みで形成させるのが望ましい。さらに望ましくは、２次下部絶縁薄膜であるＡｌ2Ｏ3薄膜の厚みは２００Å（０.０２μｍ）から１００００Å（１μｍ）の範囲内であることがよい。
【００２５】
下部絶縁薄膜１９上に形成される強磁性体薄膜は、フラックスゲート磁性薄膜として要求される特性である低保磁力、高透磁率、高飽和磁化を有する、即ち磁性体の磁気履歴曲線（hysteresis loop）の幅が狭くて、四角状の高角形比（squareness）を有する磁性薄膜に製作するために、磁性薄膜として通常使用されるＮｉＦｅ薄膜をＡｌ2Ｏ3及びＳｉＯ2絶縁体薄膜と交互に積層する形態で構成する。本発明による一実施例では薄膜フラックスゲート製作に使用される積層磁性薄膜はＮｉＦｅ／Ａｌ2Ｏ3積層薄膜とＮｉＦｅ／ＳｉＯ2積層薄膜の形で構成される。積層薄膜を構成するＮｉＦｅ強磁性体薄膜とＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2絶縁体薄膜の厚みは、磁性体薄膜は６００Å±３００Å、絶縁体薄膜は１５０Å±１００Åの範囲内であるのが薄膜フラックスゲートに適した磁気的特性を有するのに望ましい。磁性薄膜と絶縁薄膜を前記の厚み条件で積層薄膜を形成すると、磁気履歴曲線が四角状を呈し、磁気履歴曲線の幅が狭く形成される。薄膜フラックスゲートで発生する出力ボルトを大きくするために、即ち磁性体の量を増やすためには、ＮｉＦｅ強磁性体薄膜とＡｌ2Ｏ3絶縁体薄膜、又はＮｉＦｅ強磁性体薄膜とＳｉＯ2絶縁体薄膜を１つの対（pair）とした時、少なくとも３対以上の積層膜を形成するのがよい。尚、図４の（ｂ）の上部絶縁薄膜２１は磁性薄膜とピックアップコイルとの間の漏電防止のための絶縁体を形成させる目的で製造される薄膜であり、その厚みが薄ければ薄いほど磁化反転が生じている積層磁性薄膜とそれを囲んでいるピックアップコイルとの間の距離が短くなる効果があるので、他の条件を同様にしてフラックスゲートを製作した時、上部絶縁薄膜の厚みを薄く製作する分、高い出力ピークが得られる。よって、ピックアップコイルを通じて出力を読み取ることにおいて、上部絶縁薄膜の厚みは２００Å以上、２００００Å（２μｍ）以下の厚みが望ましく、かかる条件で駆動回路で分析可能な大きさの高いボルトの出力信号が容易に感知される。上部絶縁薄膜の厚みがあまり薄いと、磁性薄膜とピックアップコイルとの間に電気的な漏電が発生し、ピックアップ信号を読み取るのが難しいことがあり、２００００Å（２μｍ）以上に厚くなると、積層磁性薄膜とピックアップコイルとの間の距離が遠くなる効果によってピックアップコイルで測定されるボルトピークの量が減少し、薄膜フラックスゲートの作動性能が低くなることがあるからである。
【００２６】
図４の（ｃ）は本発明によるＺ軸フラックスゲートを示す図である。Ｚ軸フラックスゲートは、携帯電話などのモバイル機器に搭載するためにフラックスゲート全体の長さが短くなければならない。よって、本発明では短い長さのフラックスゲートを複数個配列し、各フラックスゲートのドライブコイル及びピックアップコイルは１つのコイルを用いて構成するか、別途のコイルを相互接続させることにより、各フラックスゲートのドライブコイル及びピックアップコイルは、相互連結された１つのドライブコイルと１つのピックアップコイルとして動作する構造を有する。本発明の形状にフラックスゲートを構成してドライブコイルに電気を流すと、複数個の磁性薄膜で同時に同一方向に磁化反転が生じ、ピックアップコイルにはそれぞれの小さい薄膜フラックスゲートで発生するピックアップボルトが合算されてあらわれるため、外部印加磁場を感知するために必要な孤立したピークの大きさが方位判定に十分な大きさであらわれるようになる。
【００２７】
本発明による３軸薄膜フラックスゲートの作動原理をさらに詳しく説明するために、まず１棒を使用したフラックスゲートの作動原理を図５及び図６をもって説明し、続けて垂直磁場測定に特殊なデザインが必要な原理及び測定結果について説明する。
【００２８】
図５の（ａ）は、外部磁界がない場合の入力及び出力信号を１つの図面に示す図である。図５の（ａ）の電気的信号は、フラックスゲートをコンパスとして用いる場合には、フラックスゲートの長手方向が東西方向に配置されている時を示し、この時の（＋）、（−）ボルトピーク間の距離はＡ（単位：時間、実際的にはμsec水準）で示される。このような状況から外れてフラックスゲートの周りに外部磁界が印加されると（例えば、フラックスゲートが回転して南北方向に形成された地球磁界の影響を受けることになる場合）磁性体から発生する時変磁界と外部磁界のベクトル合によってフラックスゲートの周りに新たな誘導電界が形成され、これにより図５の（ｂ）（フラックスゲートが南の方向に向かう場合）の場合のピーク間の距離は「Ｂ」のように広がり、図５の（ｃ）（フラックスゲートが北の方向に向かう場合）の場合は、ピーク間の距離は「Ｃ」のように縮まる。このように、外部磁場が印加されると電圧ピークが左右に移動するピーク変位（peak shift）現象が発生するため、図５に示すように地球磁界以外に別途の外部磁界がない場合であれば、ピックアップコイルで検出される電圧のピーク変位程度を解釈して外部磁界の存在可否及び磁界の方向を正確に把握することができる。本発明によるフラックスゲートの出力信号で孤立したピークが生じる理由は、本発明によるフラックスゲート製作に半導体技術を用いた薄膜技術を使用することにより、磁性体を囲んでいるコイルと磁性体との距離をバルク組み立て製品に比べて格段に減らすことができ、これにより、ドライブコイルに引入される少ない電流だけでも薄い厚みの磁性薄膜の磁化及び磁化反転を容易にすることができ、磁化反転結果による微細電圧の発生を、ピックアップコイルがバルク組み立て製品に比べて精密に読み取ることができたからである。
【００２９】
図６は、図５に示した出力電圧の孤立又は独立したピークが生じる原理を示す図面である。出力信号を感知するピックアップコイルを通じて独立したピークが生じるのは、薄膜フラックスゲートを構成している磁性薄膜の磁気的特性と密接な関係を持つ。フラックスゲート用途として製作された磁性薄膜の磁気的挙動が図６の（ａ）のような形態の磁気履歴曲線を有する場合、フラックスゲートのドライブコイルに入力される三角波又は正弦波は、ドライブコイルが巻いている磁性体に、入力周期によって棒型のフラックスゲート用の磁性薄膜の長手方向に、即ち右側方向と左側方向に交互に磁場を印加することになる。
【００３０】
入力される交流は、例えば図６の（ａ）に表記されている丸付き数字１から丸付き数字７までの磁気的挙動を持たせる。即ち、磁性体は入力交流によってヒステリシス特性を見せる。図６の（ａ）の点線は、地球磁界などの外部印加磁場が全くない場合の磁気的挙動を示し、図６の（ｂ）の点線もまた外部印加磁場がない場合の電圧ピークが生じる位置を示した図である。独立ピークが生じる理由は、出力ボルトが時間当り変化する磁化（Magnetization）値、即ち（ｄ（M）／ｄｔ）と比例するからである。図６の（ａ）の実線は棒型フラックスゲートが水平に置かれている状態で、右側から磁場が印加される時の磁気的挙動の変化を示す図である。右側から地球磁界のようなＤＣ成分の磁場が印加されると、磁気履歴曲線は左側に変位（shift）する。よって、外部磁場が右側から印加される場合、（+）出力ボルトのピークは印加磁場がない時に比べてもっと短い時間に発生し、磁気履歴を経て磁化値が下れる位置に発生される（−）出力ボルトはもっと後の時間に発生されるので、出力ピーク間の距離は磁場がない場合に比べて広いピーク間距離を持つようになる。図６の（ｃ）、（ｄ）は水平に置かれたフラックスゲートの左から外部磁場が印加される場合の出力ピークが生じる形状を示した図である。前述の場合とは異なり、ピーク間の間隔は短くなる。
【００３１】
本発明が従来のフラックスゲートとは異なり、１つの磁性体棒のみを使用して３軸フラックスゲートを製作できる理由は、磁性薄膜技術を使用して狭くて四角状の磁気履歴曲線を持つ強磁性体薄膜を用いることにより、小さい磁場（Ｈ）の変化範囲内で磁化反転（Magnetization Reversal）が起こされるようにすることができるからである。磁気履歴曲線が横になると、即ち磁化反転が広い範囲にかけて発生されると、出力信号の波形が独立したピークにあらわれず、小さいピーク高さを有する信号が広い幅であらわれる。従来のフラックスゲートに採用された強磁性体は図６に示した四角状の磁気履歴曲線を持つことができず、磁気履歴曲線が印加磁場（Ｈ）に沿って長く横になっている形を有するため、磁化反転時に−Ｍから＋Ｍに変わるのにより長い時間が掛かることにより、孤立したポルトピークがあらわれず、一種のトランスのように作動して図２の（ａ）のような他の形態の三角波又は正弦波の出力信号が検出される。
【００３２】
本発明は、図５と図６のような出力信号を有するので、つまり、独立したボルトピークが発生する構造を有するので、３軸フラックスゲートそれぞれで発生する出力ボルトピークを検出し、それぞれのフラックスゲートの長手方向成分に印加される外部磁場の大きさを算出して最終的に外部印加磁場の方向を測定することが可能である。
【００３３】
方位測定はＸ、Ｙ、Ｚ軸に印加される外部磁場、即ち地球磁界（総大きさは地域別に差があるが、おおよそ０.５ガウス水準）によるそれぞれのフラックスゲートの出力ピークの変位を読み取る過程を通じて遂行される。フラックスゲートは棒の長手方向に印加される磁場のみに反応する。磁場はベクタ成分であり、フラックスゲートは棒の長手方向に掛かる成分のみを感知する。よって、一例に地球磁界がＸ軸フラックスゲートの長手方向に、即ちＸ軸方向に印加されると、Ｘ軸素子は０.５ガウス分ピーク変位が生じ、Ｙ軸、Ｚ軸素子には素子の長手方向に磁場が全く印加されないため、ピーク変位が全く生じない。この場合、即ちＸ軸素子には０.５ガウス分ピーク変位が生じ、Ｙ、Ｚ軸素子にはピーク変位が全く生じない場合、地球磁界印加方向をＸ軸方向と判定する。
【００３４】
即ち、任意の方向から印加される地球磁界がＸ、Ｙ、Ｚ軸フラックスゲートそれぞれの長手方向に印加された磁場の大きさをそれぞれ読み取って別途に製作したＳ／Ｗを使用して、３次元空間座標で磁場印加方向を最終的に判定する。
【００３５】
一方、本発明は、超小型製品を製作するためにチップ形にフラックスゲートを製作するためのものであって、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸用フラックスゲートの駆動に必要な入力電圧をＸ、Ｙ、Ｚ軸フラックスゲートに同時に印加せず、入力交流電源を図７のように電源セレクターを使用してＸ、Ｙ、Ｚ軸フラックスゲートに順次に電流を流入させる方法を使用する。即ち、Ｘ軸に電流が流入される場合にはＹ、Ｚ軸への電流の流入を止めて、Ｘ軸フラックスゲートで作動時に発生されるＸ軸フラックスゲート磁場が周りのＹ、Ｚ軸フラックスゲートの作動に支障を与えない電力印加方式を使用する。Ｘ、Ｙ、Ｚ軸用フラックスゲートに同時に電流を流入させて作動させる場合には、それぞれが１つの電磁石になるフラックスゲートが相互間に磁場を印加させて出力電圧ピークの変位を惹起して電子コンパスの作動に支障を与える。
【００３６】
一方、各フラックスゲートの各ピックアップコイルはそれぞれ別途の電圧界で連結して出力信号を読み取ることも可能であるが、図７のようにフラックスゲート素子出力段階にセレクターを取り付けて、３つのフラックスゲートにそれぞれ順次に入力されるのと同順序で選択出力させて順次にＸ、Ｙ、Ｚ軸フラックスゲートで発生する電圧ピーク間の距離を分析することによっても地表面における方位を算出することができる。
【００３７】
図８は本発明で考案した図３の（ｃ）に示した亜鈴状の磁性薄膜が垂直成分の磁場測定に必要とされる理由を説明するために強磁性体の内部で発生する磁化現象を示す図面であり、図９は通常の強磁性体が有する磁気的特性を磁気履歴曲線の分析結果で示す図面である。
【００３８】
本発明のような薄膜フラックスゲートに交流電流を流すと、図８の（ａ）に示すように、電流は１と２方向に交互に流れることになる。図８の（ａ）の１の方向に交流電流が流入される場合は、図８の（ｂ）のような方向に強磁性体の磁化（Magnetization）方向が形成され、２の方向に電流が流入される場合は、図８の（ｃ）方向に磁化方向が形成される。この現象が短時間内に発生すると、上述したような独立したボルトピークが生じ、それぞれの瞬間に強磁性体内で発生される磁化状態は図８の（ｄ）のような状態となる。図８の（ｄ）のようにドライブコイルに印加された電流がコイルに磁場を発生させると、コイル内部に位置した磁性体の磁化方向は左を向き、そこがＮ極となる。磁性体の左側がＮ極となると、磁性体そのものが１つの磁石になることであるので、Ｎ極から磁場が発生し、磁性体の外部は勿論のこと内部を通じても逆磁場Ｈｄ（demagnetizing field）が発生する。これは磁性体の全体、特に両端の磁化方向を磁性体の中間位置とは異なるようにすることで、磁性体において全体的に一方に磁化が形成されるのを妨害する。結局、磁性体が形成される瞬間、それによって逆方向に磁化が発生して磁性体の端部分の磁化は乱れ、本発明において使用するフラックスゲートの両端部は磁化反転によるボルトピークの形成に寄与できなくなる。図８の（ｅ）は一方に磁化された磁石棒、即ち永久磁石の磁場形状を示す図面である。磁性体の内部で発生する逆磁場によって、磁性体の内部において磁化方向が一定した部分は中央の一部に限られることが分かる。
【００３９】
図９は、フラックスゲートに使用できる強磁性体の大きさ及び形による磁化反転可能部分と該当デザインの磁性体を使用した時、あらわれる磁性体又は磁性薄膜の磁気履歴曲線を示す図面である。図９の（ａ）のように長い形の磁性体を使用する場合には、磁化反転が左右に１８０度回転する領域を安定に確保することができて磁化反転が容易となり、図９の（ｄ）の（ａ−１）のように幅が狭くて四角状の磁気履歴曲線を有する。図９の（ｂ）のように磁性体の長さが短くなる場合、即ち本発明の垂直磁界測定用のフラックスゲートに適用が必要である小さい磁性体を使用することになる場合には、磁化反転参与が可能な領域が格段に減らされ、逆磁場の影響が相対的に大きくなって磁気履歴曲線は広くなり磁気履歴曲線の勾配は小さくなる現象が発生する。磁気履歴曲線が広くなる場合には、独立したボルトピークを観察するためにフラックスゲートを構成する磁性体に５ガウス以上の強い磁場の印加が必要とされる。これはつまり、フラックスゲートに１０ボルト水準以上の大きい電圧をかけて多量の電流を流入させなければならないという意味となる。携帯電話などの小型モバイル機器に使用するための重要な制約のひとつは、低い駆動電圧で作動可能でなければならないということだ。低い駆動電圧下においてのフラックスゲートの作動のためには、単なる磁性体の大きさの縮小で対応するのは不可能である。図９の（ｃ）は、逆磁場を減らすために磁性薄膜分野において通常的に使用される楕円状の磁性薄膜の形状である。この場合は、逆磁場が発生される部分の磁性体を物理的に除去することにより磁性体内部の磁化方向を一方に反転されるように誘導できるが、逆磁場がないというのは、磁性体が一方に反転されるとそれがエネルギー的に安定化を成すということであり、高周波の交流電源を用いて磁性体を継続的に左右又は反対方向に磁化させること自体が難しくなる。図９の（ｃ）の楕円体の磁化反転は、図９の（ｄ）の（ｃ−１）に示すように短い長さの角型構造に比べては磁気履歴曲線の幅が狭くなるが、磁化反転が行われる中心点である保磁力が２５ガウス以上であって、やはり高い電圧で作動することが必要とされるので、携帯用の電子コンパスに使用するのは困難である。
【００４０】
図１０は、前記問題を解決するために本発明で考案した垂直磁界測定用のフラックスゲート、即ちＺ軸用フラックスゲートに使用される磁性体の形状を示す図面である。本発明の磁性体の形状又はデザインは、基本的に亜鈴状又はアルファベットの「I」形状を有し、本発明の採用結果、１ミリメートルより短い大きさの磁性体の場合に従来の楕円状磁性体に比べて磁化反転が行われる中心点である保磁力（Coercivity）が、従来の楕円状磁性体が有する保磁力２５ガウス（gauss）に比べて格段に減少して保磁力１.５ガウス以下の値を有した。小さい保磁力が必要である理由は、外部印加磁場が発生する場合、フラックスゲートの独立したボルトピークが左右に動くことになるが、このボルトピークの移動範囲がフラックスゲートが感知できる範囲の磁場の大きさより大きくなると、即ち測定可能な領域を超えると、ポルトピークが測定可能境界領域を超えることになって出力ピークがなくなる現象が発生するからである。例えばフラックスゲートに入力した電源が２ボルト、ドライブコイルで発生させられる磁場が２ガウス水準であると言えば、保磁力が１ガウスである磁性体は、外部で地球磁界の大きさである±０.５ガウス分磁力線が印加される時に０.５ガウスから１.５ガウスの範囲で移動するので独立ピークの距離測定が容易であるが、保磁力が２ガウスである磁性体を使用する場合は、該磁性体で発生されるボルトピークが薄膜フラックスゲートが作り出せる磁場である２ガウスより大きい距離でピーク変位が発生することになり、結局ピークが消えてしまい方位測定に必要な測定基準点がなくなる現象が発生する。図１０の（ａ）から（ｆ）は１ミリメートル以下の短い長さのフラックスゲートセンサーを使用するために発明された磁性体用デザインであって、それぞれが異なる形態のデザインを有しても、全体的には保磁力の幅が縮まっている四角状の磁気履歴曲線を作り出すことができ、磁性薄膜の長さが短いとしても薄膜フラックスゲート使用に適した小さい保磁力を有している。図１０の磁性体の形態、即ち磁性体の両端の幅が磁性体の中央部位の幅より相対的に大きい場合に磁性体全体の保磁力が低くなる理由は、磁性体を一方に磁化させた時、その瞬間に形成される磁石の磁極（Ｎ極又はＳ極）が広い範囲に分布することになり、磁性体の長手方向に形成される逆磁場を乱してしまい、即ち広い範囲に磁場を分布するようにし、磁性体の長手方向に発生される逆磁場を減殺させたからであると思われる。
【００４１】
図１１は、図１０の垂直磁界感知用のフラックスゲートの形状を改善してそれぞれのフラックスゲートで発生する磁場が周りに並列に据え置かれた薄膜フラックスゲートに及ぼす影響を最小化するためのデザインを示す図面である。亜鈴状の薄膜フラックスゲートを製作して図１１の（ａ）のようにドライブコイルのＣ−Ｃ’方向に電流が流入されると、ドライブコイル内部で発生する磁場は下方向に形成され、ドライブコイルの内部に据え置かれた磁性薄膜の磁化方向も下方を向くことになる。これとともにフラックスゲート素子の外部には、図１１の（ａ）に点線で示されたような磁力線が発生して周りのフラックスゲートが磁化されるべきである方向の反対方向に磁力線が印加され、周りのフラックスゲートの磁化及び磁化反転に悪い影響を及ぼすことがある。
【００４２】
かかる問題点を防止するために、本発明の他の一実施例においては、薄膜フラックスゲートの外郭部位に空気より透磁率が１０００倍以上高い同一のＮｉＦｅ／Ａｌ2Ｏ3或いはＮｉＦｅ／ＳｉＯ2積層薄膜を使用して強磁性体薄膜を図１１の（ｂ）のように１つの閉回路形態、即ちローマ数字の３のような形になるように構成して強磁性体薄膜の磁化に起因した外部磁場の発生を完全に除去する方法を採択することができる。この実施例による垂直磁界感知用の薄膜フラックスゲートを構成する複数個のフラックスゲートは、相互干渉なしに独立的に作動することができる。図１１の（ｃ）は、図１１の（ｂ）に示された薄膜を用いた垂直磁界感知用の薄膜フラックスゲートの形状を示す図面である。
【００４３】
本発明による薄膜フラックスゲートの製造は、図３乃至図４を参照して、上述のような製造方法によって製造できる。しかしながら、本発明による３軸フラックスゲートの技術的核心は、平たい形状を可能にするように垂直方向の磁界成分感知用のフラックスゲートを短い複数個の薄膜で構成することにあるので、図３乃至図４以外の他の方法にて薄膜フラックスゲートを製造しても本発明の範囲に含まれるのは当然である。
【００４４】
磁界の垂直成分感知用の薄膜フラックスゲートは、その幅方向に配列された複数個の短い磁性薄膜を同一形態の誘導磁界に磁化させるために、それぞれの短い磁性薄膜の周りに配置されたドライブコイルを相互電気的に連結させて図３に示すように１つのドライブコイルで複数個の短い薄膜を磁化させるのが望ましい。
【００４５】
以上、本発明の構成について、望ましい実施例と添付図面を参照して具体的に説明したが、本発明の保護範囲がこれに限られないのは当然である。即ち、本発明の技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想から外れず、多様な変形と設計変更が可能であることは自明である。よって、本発明の保護範囲は、以下の特許請求の範囲の記載によって定められるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明によると、携帯電話やＰＤＡなどのような小型の携帯用機器に取り付けられる非常に小さい３軸フラックスゲートを製作することができ、５Ｖ以下、具体的には２Ｖ以下の電源でも正確な地表面上における方位検出が可能な電子コンパスを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、従来の２棒型フラックスゲートの基本構造を示す図面である。
【図２】（ａ）,（ｂ）及び（ｃ）は、従来のフラックスゲートのピックアップコイルで検出される電圧波形の一例を示す図面である。
【図３】（ａ）,（ｂ）及び（ｃ）は、本発明による１棒型薄膜フラックスゲートの基本構造を示す概略図である。
【図４】（ａ）,（ｂ）及び（ｃ）は、本発明による薄膜フラックスゲート素子の詳細な構造を示す図面である。
【図５】（ａ）,（ｂ）及び（ｃ）は、本発明による薄膜フラックスゲートのピックアップコイルで検出される電圧波形の一例を示す図面である。
【図６】（ａ）,（ｂ）,（ｃ）及び（ｄ）は、本発明による薄膜フラックスゲートの作動原理を示す図面である。
【図７】薄膜フラックスゲートの電源供給方式とピックアップ方法を示す図面である。
【図８】薄膜フラックスゲート内部の磁性体の磁化挙動を示す図面である。
【図９】一般的な形態を有する磁性薄膜の磁気的特性を示す図面である。
【図１０】本発明によるフラックスゲートの磁性薄膜形状の磁気的特性を示す図面である。
【図１１】本発明によるフラックスゲートの磁性薄膜形状を示す図面である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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