confidential 日本磁気学会 第１９７回研究会 高感度磁気センサの研究と製品 MIセンサの開発と電子コンパス・ 磁気ジャイロへの応用 １章 2章 3章 ４章 ５章 MIセンサ とは MIセンサの要素技術の進歩 MIセンサを利用した電子コンパスの開発 磁気ジャイロとモーションセンサ 将来展望 2014年７月11日 本蔵義信 マグネデザイン(株) 日本磁気学会 副会長 confidential Development History on MI Sensor 電子コンパス MIセンサ発明 80 85 90 00 95 Develop of MI Sensor Study of Amorphous WireMEMS type MI elemnt research of Amorphous Wire Prof. Masumoto invention of MI sensor amorphous wire 20μ 10 携帯電話用E-compass 1世代 ２世代 ３世代 ｺﾝﾊﾟｽ単体 G-ｾﾝｻ融合 Development of MEMS type MI element Prof. Mohri Fig.1Fe-Co base Amorphous wire MI sensor circuit human hair 150μm 05 MEMS type MI element Amorphous Wire 20μ 0.9mm×0.5mm Gyro融合 E-Compass, nT sensor Electronics compass 2×2×1㎜ 対象磁界 confidential 弱い← 磁場強度（Gauss） →強い pT 10-10 10-8 nT 10-6 生体磁気 μT 10-4 10-2 地球磁気 mT G 0 10 T 102 104 106 工業用磁気 Wire長さで調整 MIセンサ FGセンサ ホールセンサ MRセンサ confidential 2012.8.30 産官学連携功労者 文部科学大臣賞 Development of electronic compass and motion sensor with the use of MI sensor. 4 新しい磁気センサとその応用 トリケップス(株) 監修 毛利佳年雄 名古屋大学名誉教授(公財)名古屋産業科学研究所上席研究員 執筆者（担当章順） 毛利佳年雄：名古屋大学名誉教授 安藤康夫：東北大学大学院工学研究科応用物理学専攻教授 本蔵義信：愛知製鋼株式会社専務取締役技監 大兼幹彦：東北大学大学院工学研究科応用物理学専攻准教授 内山剛：名古屋大学大学院工学研究科電子情報システム専攻准教授 野々村裕：株式会社豊田中央研究所パワーエレクトロニクス研究部 MEMSデバイス研究室担当次長 confidential confidential 日本磁気学会 第１９７回研究会 高感度磁気センサの研究と製品 MIセンサの開発と電子コンパス・ 磁気ジャイロへの応用 １章 2章 3章 ４章 ５章 MIセンサ とは MIセンサの要素技術の進歩 MIセンサを利用した電子コンパスの開発 磁気ジャイロとモーションセンサ 将来展望 2014年７月11日 本蔵義信 マグネデザイン(株) 日本磁気学会 副会長 confidential Fig.2 Principle of MI sensor 7 特異な磁区構造のアモルファスワイヤに、ナノ秒のﾊﾟﾙｽ通電時 の驚異的な磁化変化をﾋﾟｯｸｱｯﾌﾟｺｲﾙで検出 Magnetic Field Pulse current Circular aligned spin 0.5 ns 10ns 2 nm Output voltage 0.5GHz 80mA a Z Rdc 1 j H exω 2 2 アモルファスワイヤの製造方法 confidential テンション・アニール confidential 結晶化温度と焼鈍温度 confidential 475℃ 530℃ confidential アモルファスワイヤのスピン配列構造 11 Co-Fe－B-Si合金、磁歪ゼロ＋tension annealing 外部磁界 H V パルス電流 outer shell intermediate inner core ：1n秒 a μ 表面：１nm domain wall Ks Ki Kc confidential M/Ms 1.5 as-cast 1 0.5 0 -2400-1600-800 0 -0.5 800 16002400 H (A/m) pick up coil voltage (mV) Fig.5 Magnetic Properties of amorphous wire 12 2000 as-cast 1500 1000 500 0 -2400-1600--800 0 -500 800 1600 2400 H (A/m) -1000 -1 measured by VSM -1.5 a) Longitudinal Magnetic Property -1500 Measured by MI sensor -2000 b) Circular Magnetic property confidential MIセンサの進化 13 ①00年 機械式コイル巻き coil : 40 回 S=9mm^2 ②08年 MEMS coil type coil : 15 回 0.3mm Pickup coil S=0.18mm^2 Amorpho us wire 3.0mm 0.6mm Coil terminal Source terminal ③14年微細MEMS coil type coil : 42 回 S=0.04mm^2 0.２mm 0.２mm 3.0mm confidential Fig.6 MI element with 30μm coil pitch 0.6mm wire 14 0.2mm coil 0.2mm 0.3mm Wire terminal Coil terminal Fig.6 MI element with 30μm coil pitch Fig.6 fine pitch MI element with 5μm coil pitch confidential 15 0.25 0.2 センサ出力(V) 0.15 0.1 0.05 捻りあり 0 捻りなし -0.05 -4 -2 0 2 4 外部磁場(Oe) 図 ６ アモルファスワイヤの磁気特性に及ぼす接合歪の影響 confidential Fig.7 Impedance detection circuit with Negative Feedback Circuit Fig.3 Symmetry Output Voltage of wire impedance Pulse Generator Signal processing S/H circuit E-out MI element Bias coil feedback coil Negative Feedback 16 Fig.8 Coil Voltage detection circuit with pulse annealing Fig.4 Linear Output voltage of pickup coil control Pulse Pulse Generator Signal processing S/H circuit Analog SW E-out MI element Vdd Fig.8 Coil Voltage detection circuit with pulse annealing confidential 17 パルス波形 confidential voltage (V) •ナノ秒レベルの励磁パルス・応答パルスを利 用 0.6 0.4 0.2 0 MI current at -3gauss at 0 gauss at +3gauss -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -10 0 10 20 time (ns) 30 40 出力特性 confidential • 検知範囲：±4G ・感度：500mV/G • 直線性 0.03%FS ・分解能：0.5mV output voltage (V) 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 external magnetic field (Oe) 4 5 confidential 図３－１０ 直線性・温度特性・測定レンジ 400 output出力電圧(V) voltage (V) 300 200 100 0 -100 85℃ -200 出力電圧(-40℃) 出力電圧(0℃) 出力電圧(30℃) 出力電圧(50℃) 出力電圧(85℃) -300 - 40℃ -400 -6 -4 -2 0 2 4 外部磁場(G) external magnetic field (G) 6 confidential Fig.9 Miniaturization from AMI304 to AMI306 0.6mm 0.5mm Area 1/3 Coil pitch：30μm,diameter：40μm 970um XVREG VD3_A VCM_C XV_TEMP PICKUP_C VSSMI ASIC PL0505 DRV_C PICKUP_C 1 VCM_C 2 DRV_C 3 VSSMI 4 VSSMI 5 DRV_B 6 VCM_B 7 SRES1 9 SRES2 10 SRES3 11 PICKUP_B 8 Coil pitch：50μm,diameter：100μm 0.3mm PICKUP_B 32 PICKUP_A VCM_B 27 VD_A Area 46％ 1620um 29 VSSMI 28 VS_A 2 mm 31 VCM_A 30 DRV_A DRV_B VSSMI VSSMI DRV_A XCLK TESTJ DVDD_IO I2C_AOPT DGND INT DRDY VDD_D SCK SDA RSTJ 26 XVREG 25 VD3_A 24 SCANJ VCM_A PICKUP_A VS_A VS_A 23 TESTJ VD_A 22 XCLK VPP Y axis capacitor 4 mm 2mm Z axis 4 mm X axis 1.1 mm 21 DGND 20 I2C_AOPT 19 DVdd_io 18 SDA 17 SCK 16 DRDY 15 INT 14 VDD_D 13 RSTJ 12 VPP 2 mm Sensor Assembly PL0515 1.7 mm MI-element AMI306 in 2010 AMI304 in 2008 0.9mm Area 1/4 2.mm MI element ASIC confidential 22 ■ With Negative Feedback Circuit ■ Without type since 2002 Signal processing P/H circuit Signal processing P/H circuit control Pulse Generator Analog SW Pulse Pulse Generator Analog SW E-out MI element MI element Feedback 図19 負帰還回路の省略 7mA / G の負帰還電流を省略 Vdd confidential 日本磁気学会 第１９７回研究会 高感度磁気センサの研究と製品 MIセンサの開発と電子コンパス・ 磁気ジャイロへの応用 １章 2章 3章 ４章 ５章 MIセンサ とは MIセンサの要素技術の進歩 MIセンサを利用した電子コンパスの開発 磁気ジャイロとモーションセンサ 将来展望 2014年７月11日 本蔵義信 マグネデザイン(株) 日本磁気学会 副会長 自動車用電子コンパス confidential FGセンサ活用 正確さ5度以下 携帯電話用コンパス 60mm 24 confidential 1世代 Product No. 携帯電話用電子コンパス 25 Aichi Steel Hitachi Metals Asahi kasei YAMAHA Honeywell Sensation AMI201 HM55B AK8970N YAS529 HCS01 AM-45P MI sensor AMR sensor Hall sensor GMR sensor AMR sensor FG sensor 2 2 3 3 3 2 2×2×1mm 6.5×6.5×1.2 mm 8.5×8.5×1.4 mm Appearance Principle No. of axis size 3.1×3.4×0.8 mm Magnetic resolution 2mG(5mG/bit) 10mG/bit 10mG/bit 6mG/LSB - 10mG Azimuth accuracy ±3° 32 direction （11.25°） 32 direction （11.25°） ±5° ±3° 32 direction （11.25°） 0.1msec (Analog) 30msec (Digital) 38msec (Digital) 10msec (Digital) (Digital) 30msec (Digital) Measuring time (output type) 5.3×4.6×0.85 5×5×1mm mm confidential MIセンサを使った２軸電子コンパスAMI201 外形寸法 3.1×3.4×0.8mm MI sensor chip (X axis) 26 02年米国Sensor ExpoでSilver賞を受賞 0.5mm 2D Type 1.5mm 1.5mm L/S：25/25μｍ IC MI sensor chip (Y axis) confidential AMI201 回路ブロックダイヤグラム 27 XYin Pulse generator CS Sample hold Timing signal generator Differential Amplifier Power regulator Y axis sensor X axis sensor OUT VDD SGND PGND confidential MIセンサを使った携帯電話向け電子コンパスの開発経緯 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 201４ 201５ 第１世代の電子コンパス 磁気センサのみ 3軸 第２世代の電子コンパス （3軸加速度センサと 6軸Fusion) モーションセンサ 2002年米国センサ展 ：銀賞 2006年米国センサ展 ：金賞 第３世代の電子コンパス （加速度センサ、 MEMジャイロと ９軸Fusion) 2013年米国センサ展 ：金賞 28 市販されている主な電子コンパス（第2世代） confidential 29 Sensor principle MI Hall MR GMR product AMI306 AKM8974 HMC5843 YS525 Specific item Target Spec. Aichi Steel Asahi Honywell Yamaha Hard Accuracy <2.5 ° 0.6 2° 2° 2° Total accuracy <10 ° <10 ° <10 ° <10 ° <10 ° Noise level (σ） <10mG 2 mG 11 mG ５ mG 2 mG Measuring range ±12G ±12G ±12G ±8G ±８G resolution <６mG 1.5 mG 6 mG 6 mG 6 mG 2 Measuring time <20ms 0.5 ms 7ms 7ms 10ms 3 Current consumption <1mA @50Hz 0.15mA 0.9mA 0.95mA 2mA 4 Size ×height 4×4×1.0mm 2×2×1 2×2×0.8 4×4×1.35 2×2×1 9 Temp. stabilty (-20 to 85℃) Offset <50mG 50mG Max3mG/℃ 150mG 100mG 200mG Magnet shock of 1KG Origin Offset <50mG <30mG 1000mG 100mG broken 1 10 confidential AMI30６の外観、内部構造およびMI素子 0.3mm 30 ASIC 0.6mm 0.6mm a)センサ外観 サイズ：2×2×１ｍｍ b)内部構造 0.7mm コイル巻き数：1６回 confidential ３軸電子コンパスAMI306の回路ブロック図 - NC 3ch switch 12bit ADC Low current consumption Mini-CPU＋hardlogic Temperature offset X-axis MI-Sensor NC NC Y-axis MI-Sensors MI-Sensor Data NC NC 4mA → 0.25mA 1.0µF Circuit for Dropout Regulator PGA 6bit DAC Thermal Sensor NC Vpp For Factory Calibration OTP-ROM AVDD 12bit AD Converter MI-Sensor 256 Words C1 0.47µF VDD AGND Z-axis NC 31 Hardware Logic Circuit C2 0.01µF DVDD VID DGND INT DRDY Serial I/F (I2C) SCL R1_3.3k SDA R2_3.3k confidential Fig. 10 How to measure Azimuth Accuracy showing the performance of MI sensor type and Hall sensor type 0.2 0 0.4 tH ｙ(G) 16 Hy [G] 32 ｂ) Hall sensor type 0.2 0.0 0 -16 -0.2 -0.2 -32 -0.4 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 Hx [G] -0.4 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 Hx (G) 2) Azimuth Error through 360 degree rotation b) Hall sensor type a) AMI306(MI sensor) Azimuth Error [degree] 10 Error ±0.6degree Resolution ±0.8degree 4 0 -4 -10 0 10 Error ±1.7degree Amimuth error(deg.) Hy [A/m] 1) Measured raw data of Hx and Hy a) AMI306(MI sensor) 0.4 Resolution ±2.1degree 4 0 -4 120 240 360 Azimuth [degree] -10 0 120 240 360 Azimuth(deg.) confidential 基板上の磁界分布 （磁性材料の影響） 33 X-axis Magnetic Spectrum Soft magnetic parts: make ellipsoidal Hard Magnet: shit origin Data Output Ideal Output ソフト磁性部品は楕円歪をつくり、磁石は原点オフセットを作る。 磁界校正プログラムは楕円形状に歪んだ測定値を原点中心の真円に変換する ( x A 2 yB 2 zC 2 ) ( ) ( ) 1 a b c ＊楕円の傾き補正も必要 confidential 8 字モーションによる原点・感度校正 ( 34 x A 2 yB 2 zC 2 ) ( ) ( ) 1 a b c Magnetism(mGauss) 600 400 200 Hx Hy Hz 0 -200 -400 -600 0 a) 8 字モーション 1 2 3 Time(sec.) 4 b) XYZの3軸データ 5 6 Fig.11 Internal structure of 6 axis Fusion sensor fusion sensor with magnetometer and accelerometer Z axis MI element Y axis MI element ASIC accelerometer size: 3.0× 3.0 ×1.1mm X axis MI element ■ Internal structure confidential 35 confidential Fig.12 the circuit of 6 axis Fusion sensor confidential 3次元方位計 全方位・姿勢がわかる 地球は２つのベクトルを有するので、その測定により3次元方位が測定可能 G G x , G y , Gz M M x , M y , M z 測定値 センサ座標系 と地球座標系の関係 ' G M ( Ex , Ey , Ez ) （東） e x |G M | ' ' ' （北） e y e x e z ( Nx, Ny, Nz ) ' G （鉛直）e z (Ux, Uy, Uz ) |G | ex e y ez 1 A 0 0 0 0 1 0 A=RE e x' e y' e z' Ex 0 E Ey 1 Ez Nx Ux Ny Uy Nz Uz R( , , ) : ( Roll : , Pitch : , Yaw : ) confidential Max Azimuth Error(deg) 方位誤差に及ぼす傾斜の影響 38 Pitch 90deg. Pitch angle Pitch 60deg. Pitch 45deg. Pitch 30deg. 方位誤差 ±1.5 deg. 方位分解能 0.5 deg. 2deg. Pitch 0deg. 0 45 90 135 180 225 Azimuth(deg) 270 315 360 confidential 3軸の姿勢（方位、ロール、ピッチ角）を検知 精度2°（規格は3°以下） 1500 ROLL 規格：5以下 500 z 1500 ΔS： 球面画素 YAW 0 2 4 1000 6 8 10 12 規格：5以下 14 16 規格：5以下 方位誤差(deg.) y 500 1500 xx PITCH 0 0 2 4 6 1000 8 10 12 14 16 規格：5以下 方位誤差(deg.) 頻度(pcs) 0 頻度(pcs) 頻度(pcs) 1000 姿勢ベクトルの指示方位 方位、ロール、ピッチ 500 0 0 2 4 6 8 方位誤差(deg.) 10 12 14 16 球面画素数について →5軸3万 →6軸30万 →07年ﾓﾃﾞﾙ：100万画素 →14年ﾓﾃﾞﾙ：500万画素 confidential ARサービスの例（星座ナビ） 全天空星座マップ 3次元方位計 40 confidential 日本磁気学会 第１９７回研究会 高感度磁気センサの研究と製品 MIセンサの開発と電子コンパス・ 磁気ジャイロへの応用 １章 2章 3章 ４章 ５章 MIセンサ とは MIセンサの要素技術の進歩 MIセンサを利用した電子コンパスの開発 磁気ジャイロとモーションセンサ 将来展望 2014年７月11日 本蔵義信 マグネデザイン(株) 日本磁気学会 副会長 モーションFusionセンサの市場拡大 年15億個 confidential スマホに標準装備 6軸Fusion 電子コンパス＋加速度センサ 3×3×１ｍｍ 三次元方位姿勢 動き（回転＋直進） Before correction After correction 250m confidential 磁気ジャイロの開発の狙い アイデア： 高性能の電子コンパスを使えば 磁気ジャイロ を実現できる ■先行システム：９軸センサ ３軸 磁気センサ 合計 $3 ３軸 加速度センサ ＋ $0.5 ＋ 現行の9軸Fusion サイズ：4×4×１ｍｍ 消費電流：4.8mA ３軸 MEMSジャイロ $0.5 $2 ４ １ ４ ４ ■ 新提案：６軸センサ 合計 $１ ３軸 磁気センサ ＋磁気ジャイロ ＋ ３軸 加速度センサ 2. 0.6 2. 小型化 低消費電流化 低コスト化 磁気ジャイロ6軸Fusion ・サイズ：2×2.×0.6mm（１/4以下） ・消費電流：0.3mA (1/10以下） ・低コスト化：1＄ （１/３以下） ４ confidential 有限回転モデルの磁気ジャイロの原理 （回転軸が安定している場合に対応） センサが右回転すると、磁気ベクトルは左回転、回転速度は同じ 微小時間Δt 内で、微小磁界変化量ΔHが測定できれば、角速度ωを求めることができる。 H２ θ O‘ ２θ H１ H0 O 問題点： 固定軸回転軸が変動すると追従できない Rotation angle θ confidential 無限小回転モデルの磁気ジャイロの原理 （回転軸が変動する自由回転に対応） 無限小回転運動の方程式 問題点：無限小回転では回転軸が定まらない z 磁気ベクトルの無限小回転方程式に拡張 x Hｙ ω ＝（ ωｘ、ωｙ ωｚ ） Hz Hｘ ωz ω ωy ωx H0θ H1 H M Hｘ Hｙ (t ) M：geomagnetism vector H0 ：rotation radius R A もし仮定が正しいなら、b=0, c=0 仮定に微小なヅレがあると、b=ε１, c=ε２ ：角速度ベクトル b=0, ：回転マトリックス c=0になるように座標変換（ΔθとΔφ）して、 正しい回転軸 を求める ：姿勢ベクトル confidential 電子コンパスの基本性能 ノイズと測定時間 磁気ジャイロは、ホールセンサの1万倍、MIセンサの100倍の性能アップを要求 Hall sensorSemiconductor Noise σ ΔH（mG） 10 Magnetometer MI sensor AMI306 1 MR sensor AMI307 0.8ｍＧ 0.5ｍsec Sampling time 8ms Target 0.1 0.１ｍＧ 0.1ｍsec sampling time 1 ms 1 10 0.1 Measuring time ： Δt (ms) confidential 検証 磁気ジャイロ試作機の作製 ● demo 機の 構成 ・ 電子コンパス： MIセンサタイプ 磁気ノイズ ０．８ｍG サンプリング ８ｍｓ ・ 加速度センサ （比較：MEMSジャイロ） ・ マイコン：Atmel の ミニマイコンUC3 250Kbite, 32bit, 66MHz ● demoプログラムの構成 ①地磁気と重力測定値を使った 姿勢計算プログラム ②磁気ジャイロプログラム ③リアルタイム姿勢計算プログラム confidential Ｔａｂｌｅ Z軸回転 ノイズを抑制 ｍGyroの方が 方位が滑らか （姿勢計算の度合いを強めているため） 低速側では、姿勢がベスト、 MEMSｇｙｒｏでも低速側は苦しい 1200 1000 800 600 400 200 0 -200 0 -400 -600 -800 -1000 MEMS_z[deg/sec] 200 400 w4_x 600 w4_y 800 w4_z 1000 1200 1400 1200 1400 400 yaw 350 MEMS_yaw 300 250 200 150 100 50 0 0 200 400 600 800 1000 フリーハンド x軸回転 方位変化で性能確認 confidential 角速度 1000 800 MEMS_x[deg/sec] w4_x 600 400 200 0 1100 -200 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 -400 -600 -800 -1000 方位変化 ＭＥＭＳは静止タイミングが不安定 ジャイロから姿勢への変化 磁気ジャイロは計算途中で、融合を実施している 100 方位変化 50 0 1100 -50 -100 -150 pitch MEMS_pitch 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 confidential confidential confidential 日本磁気学会 第１９７回研究会 高感度磁気センサの研究と製品 MIセンサの開発と電子コンパス・ 磁気ジャイロへの応用 １章 2章 3章 ４章 ５章 MIセンサ とは MIセンサの要素技術の進歩 MIセンサを利用した電子コンパスの開発 磁気ジャイロとモーションセンサ 将来展望 2014年７月11日 本蔵義信 マグネデザイン(株) 日本磁気学会 副会長 confidential 53 図1 平板基板タイプMIセンサ素子 に用いるV溝構造Si基板の模式図 図3 V溝を越えて形成したピッチ5.5m のライン-アンド-スペースパターン 図4 拡大したV溝段差部 confidential モーションFusionセンサの開発動向 6軸Fusion から9軸Fusionへ リアルタイム性の改善 電子コンパス＋加速度センサ＋ジャイロ 標準搭載は停滞 MEMSジャイロ の問題点 ・ 原点ドリフト ・ 高価 ・ 消費電力 大 ・ サイズ 大 スマホ タブレット ゲーム リモコン 腕バンド （健康モニータ） 9軸Fusionセンサ 4×4×1mm confidential Future progress of MI sensor 10-12 (pT) Weak Field 0.2nT 1μG Biomagnetism 10-9 (nT) 1mG Nano-particle Pico-Tesla Sensor 10-6 (μT) 10-3 (mT) 1G 1 (T) Industrial Magnetism Earth magnetism Compass Strong Field 1000000 100,000 smaller For AMI306 Bio magnetic signal MEMS PT element ③Biomagnetism 500 pT 20μV Prof. Nakayama and Prof. Uchiyama in Nagoya Univ.： 平滑筋細胞の細胞磁気 magnetic Noise density (pT/√Hz) 100000 10000 1000 1/3000 100 For AMI307 10 1 electric 5.0 × 3.5 mm For MI-CB-1DJ 0.1 0.1 For MI-CB-1DH 1 10 Frequency (Hz) 100 Fig.15 the progress of magnetic sensor size ×sensitivity 3rd generati on. MI sensor Performance GMR sensor nanotechnology 2nd generation Hall，MR sensor 1st generation semicon. technology Electromagnetic coil 1900 1960 FG Sensor 1990 2020 confidential 56 confidential 57 Thank you for your kind attention!
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