(57)【要約】【課題】ＧＭＩセンサにおいて、ワイヤ長さと磁界検出性能のトレードオフの問題を解決して、超小型・超薄肉型の高性能３次元ＧＭＩセンサを開発すること。【解決手段】本発明は、微細コイル、右巻きコイルと左巻コイルの組合せユニット素子、０．２ｍｍサイズのＧＭＩ素子および集積回路チップへ半田接合と導電性ポストなどの組立て工法を組み合わせることで、３次元ＧＭＩセンサの検出力改善とマイクロサイズ化を同時に実現するものである。【選択図】図１
2016003866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超薄型３次元ＧＭＩセンサにおいて必要とされる高さの低いＺ軸用ＧＭＩ素子において、
素子平面上に長さが０．２ｍｍ以下の２本の磁性ワイヤとそれに微細なコイルピッチの右巻きコイルと左巻きコイルをそれぞれ巻きつけたＧＭＩ素子ユニットを一個あるいは複数個とコイル用電極２個とワイヤ通電用電極２個の合計４個の電極とが存在し、かつ、電極と端子の接続については２個のワイヤ電極と４個のワイヤ端子をワイヤにパルス電流は反対方向に流れるように直列接続するとともに２個のコイル電極と４個のコイル端子を検出コイル出力電圧が反転するように直列接続した配線構造を有するＧＭＩ素子ユニットからなり、
さらに、４つの電極はこの素子平面を集積回路チップ面に立てて取り付けた時に集積回路チップとＧＭＩ素子の両者の電極が半田で接合できるように取付け面側に一列に並んで配置されており、Ｚ軸方向の素子高さが０．２０ｍｍ以下で、しかもコイル巻き数が３０回以上を有することを特徴とするＺ軸用ＧＭＩ素子
【請求項２】
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向の磁界を検出する３つのＧＭＩ素子と集積回路チップとを一つのパッケージとして組み合わせた超薄型３次元ＧＭＩセンサにおいて、
Ｘ軸用とＹ軸用のＧＭＩ素子ユニットは、請求項１に記載されたＺ軸用ＧＭＩ素子ユニットと構成は同じで４つの電極は素子平面上にワイヤの両側の片面側に二つのワイヤ電極が、他方の片面側に二つのコイル電極が配置されており、素子平面と集積回路チップ面は並行に配置して両者の電極を半田で接合し、
かつ、請求項１に記載したＺ軸用のＧＭＩ素子は、素子平面を集積回路チップ面に対して垂直に取り付けて両者の電極を半田で接合し、
さらに集積回路チップと外部の回路基板とを接続する電極には素子の厚みと同じ厚みの導電性材料ポストを取り付けて外部の回路基板の電極と半田接続を行うことを特徴とする超薄型３次元ＧＭＩセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ軸Ｙ軸Ｚ軸の３つのＧＭＩ素子をひとつの集積基板上に組み付けて方位センサなどの使用される３次元タイプのＧＭＩセンサの磁界検出性能を改善すると同時に３次元ＧＭＩセンサの厚みを薄くし、サイズを小さくすることを可能にする技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
方位センサは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３つの磁気センサ素子と集積回路を組み合わせて地磁気ベクトルを測定し、その値から方位を計算するものである。スマートホン、タブレット、インターネットＴＶのリモコン、モーションゲーム、モーションキャプチャなどで加速度センサ、振動式ジャイロセンサと組合せてリアルタイム３次元方位計として広く使用されているが、近年これらの装置の一層の高感度化、低ノイズ化、測定レンジのワイドレンジ化とともに小型化、薄型化が強く要求されている。
【０００３】
とくにスマートホンの薄型化に伴い、方位センサの高さを従来の１．０ｍｍから０．６ｍｍ以下と４０％以上の薄型化、サイズを従来の２．０ｍｍ角から１．５ｍｍ角以下と５０％以上の小型化が求められている。そのために３次元磁界検出素子に対しても厚み０．２ｍｍ以下が求められている。また磁界検出性能面でも、ノイズは、標準偏差で２ｍＧ以下から０．５ｍＧ以下と４倍の性能アップが、測定レンジに対しては±１２Ｇから±４８Ｇへの拡大が求められている。
【０００４】
方位センサには、磁界検出用素子としてホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅの略）素子、ＧＭＩ（Ｇｉａｎｔ―Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ素子）等が用いられる。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向の磁界ベクトル成分Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚの強さを測定するために、Ｘ軸素子、Ｙ軸素子およびＺ軸素子の３つの素子を用いて測定を行う。
【０００５】
ホール素子タイプの方位センサは、サイズ要求を満たすことができるが、ノイズが標準偏差で１０ｍＧ程度と１ｍＧ以下の要求に対して大きすぎるという欠点があり、ホールセンサの感度を改善してノイズを低減することは原理上困難である。ＭＩ素子タイプの方位センサは、Ｚ軸素子の高さは０．６ｍｍと高い。これは素子の長さと磁界検出性能とがトレードオフの関係にあるため、この高さを低くすることは困難である。
【０００６】
これに対して、ＭＩ素子と磁性材料を組み合わせた３次元一体素子が特許文献１に開示されているが、パーマロイ心棒によるＺ軸方向磁界を平面方向に変向する力はきわめて弱い。そのため長くて直径の大きなパーマロイ心棒を必要とし、一体素子の厚みが０．５ｍｍ以上必要でセンサ厚みを薄くすることはできていない。現在、３次元方位センサの磁界検出性能とセンサ小型化・薄肉化を同時に実現するために、以上述べたような多くの開発が取り組まれているが、いまだに実現に至っていない。
【０００７】
超高感度マイクロ磁気センサであるＭＩセンサの検出原理は、感磁体であるアモルファスワイヤに高周波通電して、そのインピーダンス変化から磁界を測定するセンサである。あるいはワイヤに検出コイルを巻きつけ、そのワイヤにパルス通電しワイヤ表面にスピン波を惹起してその際に生じる検出コイル電圧で磁界を測定するタイプとふたつの検出方式がある。ここでは前者をＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）センサと呼称し、後者をＧＭＩセンサと呼称する。なお、本センサの原理をめぐって異なった学術的見解と高周波キャリアセンサとか縦型ＦＧセンサなどの呼称が提唱されている。本発明はＧＭＩセンサの検知方式をベースに取り組んだものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４６２６７２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者は、長年３次元ＧＭＩセンサの磁界検出性能と超小型化・超薄肉化のトレードオフの問題について解決を試みた。その経過の中で明らかになった課題について以下に説明する。
ＧＭＩセンサの検出原理は、感磁体であるアモルファスワイヤに検出コイルを巻きつけ、そのワイヤにパルス通電しワイヤ表面にスピン波を惹起してその際に生じる検出電圧を検出コイルで検知するものである。
【００１０】
したがって検磁体であるアモルファスワイヤの長さを短くすると、ワイヤ内に作用する反磁界が強くなると同時にコイル巻き数も少なくなってセンサの検出性能は大幅に低下する。
このセンサの磁界検出性能を改善するためには、コイルピッチを微細化してコイル巻き数を大幅に増加させる必要がある。しかし、コイル巻数を増やすと、コイル抵抗、コイルの寄生容量、およびパルス通電による寄生電圧が大きくなって、磁化に比例した検出電圧が低減し、その結果、磁界検出性能の向上は見られなかった。
【００１１】
次に、超小型化・超薄型化については、現在の３次元ＧＭＩセンサ（方位センサ）のサイズは、２×２×１．０ｍｍである。集積回路チップは、面積２平方ｍｍ以下、厚み０．２ｍｍのサイズ程度である。センサの厚みは、回路基板、集積回路チップ、ＧＭＩ素子厚み、およびＺ軸用ＧＭＩ素子の高さ、ワイヤボンディング高さおよび樹脂モールドなどで決まっている。ＧＭＩ素子、集積回路チップおよびセンサ基板の３つの部品をワイヤボンディングで接続して、最後に樹脂パッケージする方法では、センサ厚みおよびサイズを十分小さくすることができない。
【００１２】
したがって、まずコイルピッチの微細化と検出電圧対策、Ｘ軸、Ｙ軸とＺ軸用の超小型ＧＭＩ素子、とくに０，２ｍｍ高さのＺ軸用ＧＭＩ素子を考案して、その素子と集積回路チップとをワイヤボンディング接合せずに直接接合を行い、さらに回路基板を排して集積回路チップ電極と外部電子回路基板と直接接続する接続方法とを組み合わせる方式を考案することで、センサ厚みは素子と集積回路チップの厚みの合計にまで薄肉化することができる技術を開発することが求められている。
【００１３】
本発明は、以上のような技術背景に鑑みて、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３つの超小型ＧＭＩ素子と集積回路チップを組み合わせて、磁界検出性能の向上と同時にセンサの厚みを０．５ｍｍ以下に小さくする技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、上記課題を解決するために、ＧＭＩ素子のコイルピッチの微細化、微細化による検出電圧対策、ＧＭＩ素子のデザイン、電極位置、ワイヤボンディングに代わる接続法およびＧＭＩ素子を集積回路面上に設置したことによる凸面付の集積回路チップと電子回路基板との接続方法を多次元的に検討した結果、本発明に至った。
【００１５】
まず、コイルピッチの微細化によるコイル巻き数の増加のために、電極配線基板上に感磁体である磁性ワイヤとその周りに巻き付けて形成したコイルが、凹形状のコイル下部と凸形状のコイル上部およびジョイント部の３層の構造からなり、そのコイルと磁性ワイヤの間は絶縁材料で遮断する。この３層構造によりコイルピッチを３０μｍから５μｍと微細化する技術を考案して、ワイヤ長さを短くしてもコイル巻き数を大幅に増加させることを可能とした。
【００１６】
次に、これまでセンサの厚みを支配する要素は０．６ｍｍ程度もあるＺ軸素子の高さであった。これは磁界検出性能がワイヤ長さに依存しており、ワイヤ長さを短くするとコイル巻き数も減少して極端に磁界検出力が低下してしまうためであった。上述のコイルピッチの微細化技術の考案により、コイル巻き数を大幅に増加させて、ワイヤ長さを０．２ｍｍ以下で素子の高さも０．２ｍｍ以下のＺ軸用ＧＭＩを考案した。
【００１７】
さらに、コイル巻き数の増加に伴う寄生電圧に対しては、左巻きコイルタイプと右巻きコイルタイプの
二つのコイルを組み合わせて寄生電圧をキャンセルする技術を考案した。超ミクロの現象であるスピン波による磁化変化を検知するＧＭＩ素子においては、コイルの巻き数を増やすことは重要であるが、それに伴って寄生電圧も増加するので、左巻きコイルと右巻きコイルの二つのコイルを組み合わせたユニットが基本単位となる。そこで本発明では、この基本単位をＧＭＩ素子ユニットと呼称する。
【００１８】
コイル抵抗とコイルの寄生容量に対しては、検出コイル電圧をこれまでのサンプルホールド回路に直接
入力するのではなくパルス対応型バッファー回路を介して、コイル抵抗によるＩＲドロップ（電圧降下）
を抑制することを考案した。しかし、現実の回路ではコイル、電極、ワイヤボンディング配線などに小さな寄生容量が存在し、それを介してコイルに電流が流れて電圧降下が生じる。残存する寄生容量に対しては、電極サイズを小さくし、ワイヤボンディング配線から半田接続に切り替えるなどして電圧降下を無視できる程度まで低減した。
【００１９】
具体的にその構造を説明すると、Ｚ軸用ＧＭＩ素子は、２本の磁性ワイヤに微細なコイルピッチの右巻きコイルと左巻きコイルをそれぞれ巻きつけたＧＭＩ素子ユニットを一個あるいは複数個と４個の電極とからなり、電極と端子の接続については、２個のワイヤ電極とワイヤ端子をワイヤにパルス電流は反対方向に流れるように直列接続し、また２個のコイル電極とコイル端子を検出コイル出力電圧が逆極性になるように直列接続した配線構造とした。
【００２０】
Ｚ軸用ＧＭＩ素子の電極は、素子平面を集積回路チップ面に立てて取り付けた時に、集積回路チップとＧＭＩ素子の両者の電極が半田で接合できるように４つの電極が取付け面側に並んで配置する構造とした。
【００２１】
つぎに３つのＧＭＩ素子を集積回路チップ上面（1ｍｍ角から１．５ｍｍ角）に設置を可能とするために、そのサイズは０．２ｍｍ角程度の超小型サイズとした。代表的サイズは、Ｘ軸用とＹ軸用は同じで０．２×０．２×０．２ｍｍ（厚み０．２ｍｍ）である。Ｚ軸用は、０．２×０．３×０．２ｍｍ（高さ０．２ｍｍ）である。
【００２２】
Ｘ軸用とＹ軸用のＧＭＩ素子は、Ｚ軸用素子のＧＭＩ素子ユニットと同じ構造、同じサイズとした。４つの電極については、素子の縦方向と横方向に対して対称になるように配置し、素子平面と集積回路チップ面は対面して両者の電極を半田で接合した時に、固定維持力のバランスを確保した。
【００２３】
センサの厚みはワイヤボンディング接合によって厚くなっていたが、ＧＭＩ素子と集積回路チップの両者の電極を直接半田接合することで、センサの厚みを薄くした。
【００２４】
さらに集積回路チップと外部の回路基板との接続については、ＧＭＩ素子の高さと同じ厚みの導電性材料ポストを集積回路チップ上の外部接続用電極に取り付けて行うことにした。最後に樹脂モールドを行い、電極面を研磨して平坦化した。その上でポスト電極に半田を付けて電極とした。
その結果、従来２×２×１ｍｍのサイズから１．２×１．２×０．４ｍｍの小型・薄型の３次元ＧＭＩセンサを製作することが可能となった。
【００２５】
性能面では、微細コイルを使ってコイル巻き数を増やし、右巻きコイルと左巻きコイルを使ってパルス電流が作る寄生電圧を除去してＳＮ比を改善とノイズを低減して、また素子面のコイル電極サイズを最小化する、と同時にワイヤボンディングを省略することによってコイルの寄生容量を低減し、さらにパルス対応型のバッハー回路にコイル電圧を直接入力することによって、微細コイル化により増大した抵抗によるＩＲドロップ（電圧降下）を抑制して、検出力の大幅アップを実現した。具体的にはノイズは標準偏差で２ｍＧから０．５ｍＧ，測定レンジは±１２Ｇから±４８Ｇへと改善した。
【００２６】
以上述べたように、超薄型３次元ＧＭＩセンサは、コイルピッチの微細化、コイル巻き数の増加による寄生電圧のキャンセル、およびコイルの寄生容量に対してはパルス対応型のバッファー回路などからなる
要素技術を活用して、薄型Ｚ軸用ＧＭＩ素子とセンサ厚みを増加させない組み付け方法を組み合わせた本発明によってはじめて実現できる。
【発明の効果】
【００２７】
３次元方位計において、磁界検出力の向上と超薄型化の両特性の改善が求められているが、両者はトレードオフ関係にあって実現が困難であった。本発明は、コイルピッチの微細化、右巻き左巻きコイルの組合せユニット化、半田接合法を可能とする電極配置、センサと外部電子回路基板へ取り付けるポスト構造の採用およびパルス対応型のバッハー回路を介しての信号処理などの新技術を有機的に組合せて、磁界検出性能を損なうことなく超薄型３次元方位計の実現に成功したもので、スマートホン、ウェアラブルコンピュータなどの超薄型モバイル端末への搭載を可能にする産業上極めて有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施例１に係るＺ軸用のＧＭＩ素子の配線図
【図２】実施例２に係るＸ軸用およびＹ軸用のＧＭＩ素子の配線図
【図３】実施例２に係る３次元ＧＭＩセンサの組立て図
【図４】実施例２に係るアナログ信号処理の回路図
【図５】実施例２に係るセンサの電子回路図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。
第１実施形態のＺ軸用ＧＭＩ素子は、素子平面上に２本の磁性ワイヤとそれに微細なコイルピッチの右巻きコイルと左巻きコイルをそれぞれ巻きつけたＧＭＩ素子ユニットを一個あるいは複数個および４個の電極とが存在し、電極と端子の接続については、２個のワイヤ電極と４個のワイヤ端子をワイヤにパルス電流は反対方向に流れるように直列接続し、また２個のコイル電極と４個のコイル端子を検出コイル出力電圧が反転するように直列接続した配線構造を有し、ワイヤの長さが０．２ｍｍ以下のＧＭＩ素子ユニットからなり、さらに４つの電極は、この素子平面を集積回路チップ面に立てて取り付けた時に集積回路チップとＧＭＩ素子の両者の電極が半田で接合できるように取付け面側に一列に並んで配置されており、Ｚ軸方向の素子高さが０．２０ｍｍ以下で、しかもコイル巻き数が３０回以上を有することを特徴としている。
【００３０】
コイル巻き数に比例してパルス電流によって誘引される寄生電圧が増加する。この対策としては、右巻きコイルにプラス方向にパルス電流を流し、左巻きコイルにマイナス方向にパルス電流を流して、その上でふたつの検出コイルの出力電圧極性を逆にして直列接続すると、外部磁界に比例した出力電圧は同符号になって直列接合した出力は２倍に増える。同時にパルス通電が作る円周方向磁界により発生する寄生電圧は異符号になってその出力をキャンセルして消失させることができる。また二つのコイル端子の取り出し位置のワイヤ電位の電位差によっても寄生電圧が生じるが、コイル端子をその電位が同程度になる位置に設置して、パルス通電時に生じる寄生電圧の軽減を図る。
【００３１】
測定レンジについては、磁性ワイヤの長さを０．２ｍｍ以下と短く制御することで、±３Ｇから±２００Ｇに調整することが可能である。検出力については、ワイヤ長さが短くなってもコイルピッチを１μｍから２０μｍの範囲で微細化することによって、またＧＭＩ素子ユニット個数を増やすことによってコイルの巻き総数を増加させて改善することができる。この時コイルの抵抗は、既存のＧＭＩ素子の抵抗１Ωから１００Ω〜１ＫΩと増加するので、パルス対応型バッファー回路でコイル電圧を検知することが必要である。コイルの寄生容量については、ワイヤボンディング省略することと電極サイズを小さくしで寄生容量の低減を図ることが望ましい。
【００３２】
Ｚ軸用ＧＭＩ素子は集積回路チップ面上立てて取り付けられ接着剤で固定される。４つの電極は取付け面側に一列に並んで設置されており、集積回路チップ面上の相対する電極に半田で直接接続される。この接続法により、センサの厚みは、集積回路チップの厚さとＺ軸用ＧＭＩ素子の高さでの合計とすることができる。通常集積回路チップの厚さは０．２０ｍｍ以下であるので、本発明のＺ軸用ＧＭＩ素子の高さは０．２０ｍｍ以下とすると、ＧＭＩセンサの厚みは、０．４０ｍｍ以下とすることができる。
【００３３】
第２の実施形態の超薄型３次元ＧＭＩセンサは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向の磁界を検出する３つのＧＭＩ素子と集積回路チップとを一つのパッケージとして組み合わせたものである。Ｚ軸用のＧＭＩ素子は、請求項１のそれを使用し、素子平面を集積回路チップ面に対して垂直に取り付けて両者の電極を半田で接合する。望ましいサイズは、０．２０ｍｍ以下×０，３０ｍｍ以下×０，２０ｍｍ以下である。Ｘ軸とＹ軸用のＧＭＩ素子は、第１の実施形態に記載されたＧＭＩ素子ユニットと同じ配線構造をもったもので、望ましいサイズは０．２０ｍｍ以下×０．３０ｍｍ以下×０．２０ｍｍ以下である。４つの電極に関しては素子のＸ軸とＹ軸の軸に対して対称になるように配置し、素子平面と集積回路チップ面は対面して両者の電極を半田で接合する時に、固定維持力のバランスを確保できる。
【００３４】
さらに集積回路チップと外部の回路基板とを接続する電極には素子の厚みと同じ厚みの導電性材料ポストを取り付けて外部の回路基板の電極と半田接続を行う。最後に樹脂でモールドした後、ポスト面を研磨して平滑面を確保する。この結果、３次元センサの厚みは集積回路チップの厚さとＺ軸用ＧＭＩ素子の高さでの合計となり、０．４０ｍｍ以下が実現する。また素子面積は、集積回路チップ面積と同一となり、望ましくは１．５ｍｍ以下×１．５ｍｍ以下である。
【００３５】
信号処理用アナログ電子回路は、パルス発振器、ＧＭＩ素子、パルス対応型のバッファー回路、電子スイッチ、検波タイミング回路とサンプルホールド回路および増幅器で構成されている。コイル電圧は直接バッファー回路に入力する。
【００３６】
バッファー回路は、入力側と出力側の電位は同じで、入力側は高インピーダンスで、出力側は低インピーダンス回路を操作することができる回路であるが、通常その周波数帯域は１０ＭＨｚ以下で、ＧＭＩセンサで取り扱うＧＨｚオーダの信号に追従しない。しかしながら周波数帯域は１０ＭＨｚ以下のバッファー回路と出力側回路を高インピーダンスのサンプルホールド回路を結合した場合、パルス通電したナノ秒以下の一瞬の電子スイッチがＯＮ状態とすると出力側の電圧は入力側のパルス電位に追従して変化することを見出した。この構成を本発明においてはパルス対応型のバッファー回路と呼称する。
【００３７】
３次元ＧＭＩセンサの電子回路は、３つの信号処理回路に切り替えスイッチを介してデジタル回路と接続しており、デジタル回路は、ＡＤコンバータ、方位計算をする演算回路および通信回路から構成されている。
本発明の３次元ＧＭＩセンサは、厚み０．４ｍｍ以下、断面は１，５ｍｍ×１．５ｍｍ以下と超小型・超薄型で、しかも磁界検出性能としても、ノイズは標準偏差で０．５ｍＧ，測定レンジは±４８Ｇと優れた性能を実現することができている。
【実施例】
【００３８】
図面を参照しつつ以下に挙げる実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
［実施例１］
実施例１に係るＺ軸用のＧＭＩセンサ素子１の配線構造を図１に示す。
単位磁界検出素子の構造は、次のとおりである。基板の大きさは、長さ０．３ｍｍ、幅０．２ｍｍ、高さ０．２ｍｍである。感磁体は、ＣｏＦｅＳｉＢ系合金を使った直径１０μｍでガラス被覆されたアモルファス磁性ワイヤ１１である。磁性ワイヤ１１の一部を基板に形成された溝１２に埋設し、溝１２には底面に下部コイルを配置し、ワイヤ上部に上部コイルを配置し両者を樹脂で固定して基板の平面上で電気的に接合する構造である。コイルについては、コイル外径を３０μｍ、コイルの側面の平面接続部を５μｍ、コイルの凸部を２０μｍで、線幅２μｍ、コイルピッチを４μｍとした。単位磁界検出素子のサイズは、ワイヤ長さ２００μｍ、コイル長さ１６０μｍ、溝深さ６μｍ、コイル凸部の高さ７μｍと微細である。
【００３９】
素子１の配線構造は、２本のワイヤ１１を溝１２に沿って設置し、その一方に右巻きの検出コイル１３Ｒを、他方に左巻きの検出コイル１３Ｌを取り付ける。２本の磁性ワイヤは直列に接続して両者に流れるパルス電流を逆方向とする。集積回路チップ接続用入力電極１６から入った電流は、右巻きコイル側のワイヤ接続端子１４Ｒに入り、ワイヤを流れて他方のワイヤ接続端子１５Ｒから出て、つぎに直列接続された左巻きコイル側のワイヤ接続端子１５Ｌに入り、ワイヤを流れて他方のワイヤ接続端子１４Ｌから出て、集積回路チップ接続用グランド電極１７に流れ出る。
【００４０】
右巻きコイル１３Ｒにプラス方向にパルス電流が流れ、左巻きコイル１３Ｌにマイナス方向にパルス電流が流れる。この時のふたつの検出コイルの出力は、両者の出力電圧極性が逆になるように直列接続する。つまりコイル出力電極１８と右巻きコイルのプラス出力端子１８１を接続し、右側コイルのマイナス出力端子１８２を左側コイルのプラス出力端子１８３に接続し、最後に左側コイルのマイナス側出力端子１８４をコイルグランド電極１９に接続する。
【００４１】
右巻コイルに外部磁界に比例した出力電圧がプラス電圧を出力すると、左巻コイルはマイナス電圧を出力するが、出力電圧極性を逆にして直列接続しているので、出力電圧は同符号になって２倍に増える。一方パルス通電が作る円周方向磁界によって発生する寄生電圧は、右巻コイルにプラス電圧が出力されると、左巻コイルには、コイル巻きの向きと電流の向きの両方が反対なのでプラス電圧となり、極性を逆にして直列接続しているので、両者は異符号になってその出力は消失する。言い換えれば、右巻コイルに派生する寄生電圧と左巻きコイルに派生する寄生電圧の極性が逆接続でキャンセルされることを意味している。結局組合せコイル（基本ユニット素子）の出力は、磁界に比例した成分のみが出力することになる。
【００４２】
さらにコイル電圧の出力電極１８とグランド電極１９の位置をワイヤ入力端子１６とグランド端子１７から遠ざけ通電時のワイヤ電圧による寄生電圧の発生を軽減する必要がある。そこで両コイル端子をワイヤ電位の電位が同じになる右巻きコイル側のワイヤ接続用端子２５Ｒと左巻きコイル側のワイヤ接続用端子２５Ｌの近傍の位置に設置して、パルス通電時に生じるふたつの検出コイル電極間の電位差によって生じる寄生電圧の軽減を図った。
【００４３】
４個の電極の配置については、集積回路チップ面に立てて固定する時の端面に整列して配置した。電極に半田を取り付けて集積回路チップ面上の電極に直接半田接合できる構造とした。
【００４４】
コイル抵抗は２００Ωであったが、図４に示すパルス対応型のバッファー回路４に接続して出力電圧を測定した結果、出力は所定の出力電圧を得ることができた。
本素子と集積回路チップとの接続は、ワイヤおよび検出コイルの４つの電極と集積回路チップ側の接続用電極とを半田で直接接続した。
【００４５】
パルス発振器４１から１ＧＨｚの換算周波数をもつパルス電流をＧＭＩ素子１に通電し、その時に発生するコイル電圧をパルス対応型バッファー回路４３で検知する。この時コイル抵抗は大きいが、コイルの寄生容量が極限的に抑制されているため、コイルには極微小電流が流れるだけで、その電圧降下はコイル出力電圧の５％と非常に小さい。バッファー回路の入力側回路と出力側回路ともに高インピーダンスで、通常のバッファー回路の概念、つまり入力側回路は高インピーダンスで出力側回路は低インピーダンスと大きく異なっている。しかしワイヤのパルス電流によってコイルに一瞬の電流が流れ、電子スイッチ４５が開閉した一瞬のみ、つまり出力側のコンデンサーが充電されるナノ秒以下の時間間隔のみバッファー回路として機能するパルス対応型バッファー回路４３によってコイル電圧は減衰することなくコンデンサー４６にサンプルホールドされ増幅器４７を介して出力される。
【００４６】
測定レンジについては、磁性ワイヤの長さを０．２ｍｍとして、±４８Ｇとした。検出力については、ワイヤ長さが短くなってもコイルピッチを４μｍと微細化し、コイルの巻き数を８０回と増加させて、検出能力をノイズの標準偏差σで０．２ｍＧと改善した。素子のサイズは、ワイヤ間を４０μｍとすることによって、０．２０ｍｍ×０．３０ｍｍ×０．２０ｍｍとした。
【００４７】
［実施例２］
実施例２に係るＸ軸用およびＹ軸用のＧＭＩ素子の平面図を図２に、３次元ＧＭＩセンサの組立て図を図３に、信号処理用にアナログ回路図を図４に、および３次元ＧＭＩセンサの回路図を図５に示す。
Ｚ軸用のＧＭＩ素子は、実施例１のものを採用し、Ｘ軸用とＹ軸用のＧＭＩ素子の磁界検出部であるＧＭＩ素子ユニットの構造はＺ軸用のものと同じとした。４つの電極２１，２５、２６、２９はＸ軸とＹ軸に対称になるように配置した。Ｚ軸用のＧＭＩ素子のサイズは、０．２０ｍｍ×０．３０ｍｍ×０．２０ｍｍで、Ｘ軸用素子とＹ軸用素子のサイズは０．２０ｍｍ×０．２０ｍｍ×０．２０ｍｍとした。
【００４８】
集積回路チップのサイズは、１．２ｍｍ×１．２ｍｍ×０．２０ｍｍとして、その上面にＧＭＩ素子と連結するためのＸ軸用とＹ軸用の電極３５を８個およびＺ軸用の電極３４を４個の計１２個取り付けた。また、１２個の導電性ポスト３６をチップ端部に沿って対称に取り付けた。
【００４９】
３個のＧＭＩ素子を集積回路チップ上に組み付けた後で、樹脂モールド３７を行った後に、ポスト上面を研磨して平滑面として、銅ポストが露出してできた電極部に半田を塗布した。
以上の工法で組み立てられた実施例２の３次元ＧＭＩセンサは、断面１．２ｍｍ×１．２ｍｍで厚み０．４０ｍｍのサイズであった。
【００５０】
実施例２の信号処理については、３つの素子いずれもコイル抵抗は２００Ωであったが、図４に示すパルス対応型のバッファー回路４３に接続して出力電圧を測定した結果、出力は所定の出力電圧を得ることができた。Ｘ軸素子、Ｙ軸素子およびＺ軸素子の出力特性の微妙な差異については各々の信号処理回路４２でゲインを調整して、同じ出力特性にしてから、切替スイッチ５２でＸ，Ｙ、Ｚの順に切替ながら、信号をＡＤコンバータ５３に送り、デジタル変換されたデータを演算回路５４で所定の演算をして、方位や角速度に変換し、通信回路５５を経由して、外部の電子回路に転送することにした。
【００５１】
センサの磁界検出性能は、ワイヤ長さが短くなってもコイルピッチを４μｍと微細化し、コイルの巻き数を８０回と増加させて、検出能力を高め、そのノイズを標準偏差σで０．２ｍＧと改善した。また測定レンジについては、磁性ワイヤの長さを０．２ｍｍとして、±４８Ｇであった。
【００５２】
実施例２の３次元ＧＭＩセンサは、断面１．２ｍｍ×１．２ｍｍで厚み０．４０ｍｍと市販のＧＭＩセンサのサイズ２×２×１ｍｍに比べて体積で１／７と超小型化・超薄肉化を実現すると同時に、磁界検出性能もノイズは標準偏差で２ｍＧから０．５ｍＧへと改善し、測定レンジも±１２Ｇから±４８Ｇへと拡大しており、検出性能の大幅改善に成功した。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明のＺ軸用ＧＭＩ素子とそれを使って組立てた３次元ＧＭＩセンサは、微小な地磁気を測定して、電子コンパスと磁気ジャイロ機能を使った長薄型リアルタイム三次元方位計を実現する。本発明の素子とそれを用いた３次元ＧＭＩセンサは、ウェアラブルコンピュータのモーション入力装置の要求特性、超小型化・超薄肉化およびノイズ低減と方位精度の向上とリアルタイム性の向上の要求に応えるもので、将来携帯電話やウェアラブルコンピュータのモーション入力装置として広く使用されると期待される。
【符号の説明】
【００５４】
１：Ｚ軸用のＧＭＩ素子
１１：磁性ワイヤ、１２：基板溝、１３Ｒ  ：右巻きコイル、１３Ｌ：左巻コイル
１４Ｒ：右巻コイル側ワイヤ入力側端子、１４Ｌ：左巻コイル側ワイヤグランド側端子、
１５Ｒ：右巻コイル側ワイヤ接続用端子、１５Ｌ：左巻コイル側ワイヤ接続用端子、
１６：ＡＳＩＣ接続用入力電極、１７：ＡＳＩＣ接続用グランド電極
１８：コイル出力電極、
１８１：右巻コイルのプラス出力端子、１８２：右巻コイルのマイナス出力端子、
１８３：左巻コイルのプラス出力端子、１８４：左巻コイルのマイナス側出力端子
１９：コイルグランド電極
２：Ｘ軸用およびＹ軸用のＧＭＩ素子
２１：ＡＳＩＣ接続用入力電極、２２：右巻コイル側ワイヤ入力側端子、２３：両ワイヤ接続端子、
２４：左巻コイル側ワイヤ接続用端子、２５：ＡＳＩＣ接続用グランド電極
２６：コイル出力電極、
２７：右巻コイルのプラス出力端子、２７１：両コイルの接続部
２８：左巻コイルのマイナス側出力端子
２９：コイルグランド電極
３：集積回路チップ
３１：Ｚ軸素子、３２：Ｘ軸素子、３３：Ｙ軸素子、３４：Ｚ軸素子用の電極
３５：Ｘ軸、Ｙ軸用の電極、３６：導電性ポスト、３７：モールド樹脂
４：電子回路
４１：パルス発振器、４２：信号処理回路、４３：パルス対応型バッファー回路、
４４：検波タイミング調整回路、４５：電子スイッチ、４６：サンプルホールド回路
４７:増幅器
５：３次元ＧＭＩセンサの電子回路
５１：デジタル回路、５２：Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の切替スイッチ、５３：ＡＤコンバータ、
５４：演算回路、５５：通信回路、５６：出力端子
【図１】
2016003866.tif 000003
【図２】
2016003866.tif 000004
【図３】
2016003866.tif 000005
【図４】
2016003866.tif 000006
【図５】
2016003866.tif 000007