(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、磁気検出素子と、励磁素子とを備え、
前記磁気検出素子は前記絶縁基板上に形成され、被測定磁束に応じて特性が変化して前記被測定磁束を検出することができ、
前記励磁素子は前記磁気検出素子の近傍に配置され、巻回されない単線配線であり、前記被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生し、
前記励磁素子は前記絶縁基板の内部に配置されていることを特徴とするゼロフラックス型磁気センサ。
【請求項２】
絶縁基板と、磁気検出素子と、励磁素子とを備え、
前記磁気検出素子は前記絶縁基板上に形成され、被測定磁束に応じて特性が変化して前記被測定磁束を検出することができ、
前記励磁素子は前記磁気検出素子の近傍に配置され、巻回されない単線配線であり、
前記磁気検出素子は４つの水平磁束検出素子を備え、
前記４つの水平磁束検出素子はブリッジ構成を形成し、
前記励磁素子は１本の直線であり、前記４つの水平磁束検出素子のうちの向かい合う１対の水平磁束検出素子の間において、他の向かい合う１対の水平磁束検出素子を結ぶ直線に対して平行に配置され、そして、前記他の向かい合う１対の水平磁束検出素子における前記被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することを特徴とするゼロフラックス型磁気センサ。
【請求項３】
請求項２に記載のゼロフラックス型磁気センサであって、
前記他の向かい合う１対の水平磁束検出素子の間において、前記励磁素子に中間端子が設けられていることを特徴とするゼロフラックス型磁気センサ。
【請求項４】
絶縁基板と、磁気検出素子と、励磁素子とを備え、
前記磁気検出素子は前記絶縁基板上に形成され、被測定磁束に応じて特性が変化して前記被測定磁束を検出することができ、
前記励磁素子は前記磁気検出素子の近傍に配置され、巻回されない単線配線であり、
前記磁気検出素子は４つの水平磁束検出素子を備え、
前記４つの水平磁束検出素子はブリッジ構成を形成し、
前記４つの水平磁束検出素子のうちの隣り合う２対の水平磁束検出素子はそれぞれ電源電圧ＶｃｃとＧＮＤの間を直列接続され、
前記励磁素子は２本のＬ字形であり、
Ｌ字形の前記励磁素子を構成する２本の直線部は、隣り合う１対の水平磁束検出素子に対してそれぞれ直角に配置され、
前記励磁素子は前記４つの水平磁束検出素子のうちの向かい合う１対の水平磁束検出素子における前記被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することを特徴とするゼロフラックス型磁気センサ。
【請求項５】
絶縁基板と、磁気検出素子と、励磁素子とを備え、
前記磁気検出素子は前記絶縁基板上に形成され、被測定磁束に応じて特性が変化して前記被測定磁束を検出することができ、
前記励磁素子は前記磁気検出素子の近傍に配置され、巻回されない単線配線であり、
前記磁気検出素子は２つの水平磁束検出素子を備え、
前記２つの水平磁束検出素子は電源電圧ＶｃｃとＧＮＤの間を直列接続され、
前記励磁素子は１本の直線であり、前記２つの水平磁束検出素子を結ぶ直線に対して平行に配置され、前記２つの水平磁束検出素子の間において、前記励磁素子に中間端子が設けられ、そして、前記２つの水平磁束検出素子における前記被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することを特徴とするゼロフラックス型磁気センサ。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれか１項に記載のゼロフラックス型磁気センサであって、
前記励磁素子は前記絶縁基板の内部に配置されていることを特徴とするゼロフラックス型磁気センサ。
【請求項７】
絶縁基板と、磁気検出素子と、励磁素子とを備え、
前記磁気検出素子は前記絶縁基板上に形成され、被測定磁束に応じて特性が変化して前記被測定磁束を検出することができ、
前記励磁素子は前記磁気検出素子の近傍に配置され、巻回されない単線配線であり、
前記磁気検出素子は４つの垂直磁束検出素子を備え、
前記４つの垂直磁束検出素子はブリッジ構成を形成し、
前記励磁素子は２本の直線であり、
前記励磁素子は、前記４つの垂直磁束検出素子のうちの向かい合う１対の垂直磁束検出素子にそれぞれ隣接し、前記向かい合う１対の垂直磁束検出素子を結ぶ直線に直角方向、かつ、前記絶縁基板上に配置され、そして、それぞれに隣接する垂直磁束検出素子における前記被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することを特徴とするゼロフラックス型磁気センサ。
【請求項８】
絶縁基板と、磁気検出素子と、励磁素子とを備え、
前記磁気検出素子は前記絶縁基板上に形成され、被測定磁束に応じて特性が変化して前記被測定磁束を検出することができ、
前記励磁素子は前記磁気検出素子の近傍に配置され、巻回されない単線配線であり、
前記磁気検出素子は４つの垂直磁束検出素子を備え、
前記４つの垂直磁束検出素子はブリッジ構成を形成し、
前記４つの垂直磁束検出素子のうちの隣り合う２対の垂直磁束検出素子はそれぞれ電源電圧ＶｃｃとＧＮＤの間を直列接続され、
前記励磁素子は２本のＬ字形であり、
Ｌ字形の前記励磁素子を構成する２本の直線部は、隣り合う１対の垂直磁束検出素子に対してそれぞれ隣接して平行に、かつ、前記絶縁基板上に配置され、そして、それぞれに隣接する垂直磁束検出素子における前記被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することを特徴とするゼロフラックス型磁気センサ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のゼロフラックス型磁気センサであって、
前記被測定磁束を発生する測定対象は前記絶縁基板の下面よりも前記磁気検出素子の逆側に配置されることを特徴とするゼロフラックス型磁気センサ。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のゼロフラックス型磁気センサであって、
前記励磁素子は両端に外部端子を備えることを特徴とするゼロフラックス型磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゼロフラックス型磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサは、磁束の密度・方向を計測することを目的としたセンサである。磁気センサの用途は、磁束の計測だけでなく、非接触電流センサ、磁気ヘッド、回転センサ等、多岐にわたる。磁束を検出する磁気検出素子は、原理に応じて電圧、電流等の特性の変化を出力する。磁気検出素子の種類としては、例えば、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子、ＡＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子、ホール素子、コイル等が挙げられる。なお、本明細書では、素子が形成される面（素子面）に水平方向の磁束に対して特性が変化し、素子面に水平方向の磁束を検出する素子を「水平磁束検出素子」といい、素子面に垂直方向の磁束に対して特性が変化し、素子面に垂直方向の磁束を検出する素子を「垂直磁束検出素子」という。例えば、水平磁束検出素子には磁気抵抗効果素子が含まれ、垂直磁束検出素子にはホール素子が含まれる。
【０００３】
＜磁気比例方式＞
図１に代表的な磁気検出素子１０の例を示す。代表的な磁気検出素子１０は４つのＧＭＲ素子（第１のＧＭＲ素子１１〜第４のＧＭＲ素子１４）を備え、４つのＧＭＲ素子は矩形のブリッジ構成を形成する。電源電圧Ｖｃｃ１５とＧＮＤ１６の間において第１のＧＭＲ素子１１と第３のＧＭＲ素子１３、第２のＧＭＲ素子１２と第４のＧＭＲ素子１４がそれぞれ直列に接続される。代表的な磁気検出素子１０の出力は、第１のＧＭＲ素子１１と第３のＧＭＲ素子１３の第１の中間電位Ｖｏｕｔ１７と、第２のＧＭＲ素子１２と第４のＧＭＲ素子１４の第２の中間電位Ｖｏｕｔ１８との差電圧（出力電圧）Ｖｏｕｔである。
【０００４】
代表的な磁気検出素子１０は、４つのＧＭＲ素子が形成する面方向の磁束を検出する。例えば、磁束の向きが第２のＧＭＲ素子１２及び第３のＧＭＲ素子１３の長手方向（Ｘ軸方向）の場合、第２のＧＭＲ素子１２、第３のＧＭＲ素子１３の初期抵抗ＲはΔＲ減少し、Ｒ−ΔＲとなる。このとき、他方の第１のＧＭＲ素子１１及び第４のＧＭＲ素子１４は長手方向がこの磁束の向きに直交するため、初期抵抗Ｒのままである。
【０００５】
第１のＧＭＲ素子１１と第３のＧＭＲ素子１３の間の第１の中間電位Ｖｏｕｔ１７は、ＧＮＤ１６側の第３のＧＭＲ素子１３の抵抗が減少した分低くなり、第２のＧＭＲ素子１２と第４のＧＭＲ素子１４の間の第２の中間電位Ｖｏｕｔ１８は、電源電圧Ｖｃｃ１５側の第２のＧＭＲ素子１２の抵抗が減少した分高くなる。第１の中間電位Ｖｏｕｔ１７と第２の中間電位Ｖｏｕｔ１８の差電圧（出力電圧）Ｖｏｕｔより磁束の変化を測定することができる。ただし、磁束の方向がＸ軸のプラス方向／マイナス方向のいずれであっても第２のＧＭＲ素子１２、第３のＧＭＲ素子１３の抵抗は同じように減少する（偶関数）ため、磁束の向きを判別することはできない。
【０００６】
磁気センサの用途として、電流Ｉｘの非接触電流センサを考える。電流Ｉｘと、電流Ｉｘが距離ｄｘに作る磁界強度Ｈｘとの関係を（式１）に示す。
Ｈｘ＝Ｉｘ／ｄｘ＋ｃ１      （式１）
【０００７】
磁界強度Ｈｘは電流Ｉｘに比例し、距離ｄｘに反比例する。地磁気等の誤差ｃ１がある場合、Ｉｘ＝０でもＨｘは０にならない。
【０００８】
磁束密度Ｂｘと磁界強度Ｈｘの関係を（式２）に示す。
Ｂｘ＝μ・Ｈｘ＋ｃ２        （式２）
【０００９】
磁束密度Ｂｘは磁界強度Ｈｘと透磁率μに比例する。残留磁束等の誤差ｃ２がある場合、Ｈｘ＝０でもＢｘは０にならない。
【００１０】
磁気検出素子の出力電圧Ｖｘと磁束密度Ｂｘと感度ａの関係を（式３）に示す。
Ｖｘ＝ａ・Ｂｘ＋ｃ３        （式３）
【００１１】
磁気検出素子の出力電圧Ｖｘは磁束密度Ｂｘと感度ａに比例する。しかし、例えば、磁気検出素子が４つのＧＭＲ素子からなるブリッジ構成の場合、４つのＧＭＲ素子にアンバランスが生じ、即ち、Ｒ１〜Ｒ４が同じ抵抗値にはならず、オフセット電圧等の誤差ｃ３が残ることがある。このとき、Ｂｘ＝０でもＶｘは０にならない。
【００１２】
（式１）〜（式３）より、電流Ｉｘと出力電圧Ｖｘの関係を（式４）に示す。
Ｉｘ＝ｄｘ／（ａ・μ）×（Ｖｘ−（ａ・μ・ｃ１＋ａ・ｃ２＋ｃ３））  （式４）
【００１３】
電流Ｉｘは出力電圧Ｖｘと無関係な誤差成分ｄｘ／（ａ・μ）×（ａ・μ・ｃ１＋ａ・ｃ２＋ｃ３）を含む。一般的にはこの誤差成分は無視できると考え、（式５）で近似し、出力電圧Ｖｘと変換感度ｄｘ／（ａ・μ）から電流Ｉｘを求める。
Ｉｘ＝ｄｘ／（ａ・μ）×Ｖｘ    （式５）
【００１４】
このように出力電圧Ｖｘから直接電流Ｉｘを求めることを磁気比例方式という。磁気比例方式は、（式４）より、変換感度が変化すると距離ｄｘ、感度ａ、透磁率μによる誤差が生じる。また、出力電圧Ｖｘが小さくなると、誤差成分が無視できなくなり、誤差が相対的に大きくなる。さらに、磁気比例方式はＩｘが大きくなると磁気飽和の問題が生じるため、ダイナミックレンジは磁気飽和を生じさせない範囲に限られる。したがって、磁気比例方式は、高い精度が求められる磁気センサには用いられない。
【００１５】
＜ゼロフラックス法（磁気平衡方式）＞
高い精度が求められる磁気センサには、ゼロフラックス法（磁気平衡方式）が高級な非接触電流計等によく用いられてきた。図２に、特許文献１に記載されている従来のゼロフラックス型磁気センサ２０を示す。従来のゼロフラックス型磁気センサ２０は、導体２１に通流される被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する磁気検出素子２２と、磁気検出素子２２の近傍に配置され、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイル（励磁素子）２３とを備える。磁気検出素子２２の構造は、特許文献１には記載されていないが、図３に概要を示すように、機械的強度とフィードバックコイル２３との絶縁性を確保するため、絶縁基板２４と、その上に形成されたＧＭＲ素子やホール素子等の磁束検出素子２５を備え、絶縁基板２４はフィードバックコイル２３の上に配置されると考えられる。
【００１６】
従来のゼロフラックス型磁気センサ２０は、フィードバックコイル２３にキャンセル電流−Ｉｙを流すことにより、磁束密度Ｂｘと大きさが同じで向きが逆のキャンセル磁束−Ｂｙを作り出す。キャンセル電流−Ｉｙは、Ｂｘと−Ｂｙによる合計出力電圧がゼロになるように制御される。
【００１７】
ゼロフラックス型磁気センサ２０の制御方法を、図４を用いてさらに説明する。測定対象の電流Ｉｘが作る磁束密度Ｂｘは、Ｂ／Ｖ変換（磁気検出素子）２２においてキャンセル磁束−Ｂｙと加算され、出力電圧（差電圧）Ｖｏｕｔに変換される。出力電圧Ｖｏｕｔはノイズ除去等の処理をされ、差動アンプ２６で０Ｖと比較された後、増幅器２７でＡ倍に増幅され、Ｖ／Ｉ変換２８でキャンセル電流−Ｉｙに変換される。キャンセル電流−Ｉｙは、Ｂ／Ｖ変換（磁気検出素子）２２との距離ｄｙに設けられたフィードバックコイル（励磁素子）に負帰還される。キャンセル電流−Ｉｙは、差動アンプ２６の出力が０Ｖになるように制御される。したがって、Ｉｙにｄｘ／ｄｙとコイルのターン数ｎをかけることでＩｘを求めることができる。また、制御中はキャンセル電流−Ｉｙの向きにより、被測定磁束の向きを判別することができる。この関係を（式６）〜（式９）に示す。
−Ｈｙ＝−Ｉｙ／ｄｙ＋ｃ１’    （式６）
−Ｂｙ＝−μ・Ｈｙ＋ｃ２’      （式７）
−Ｖｙ＝−ａ・Ｂｙ＋ｃ３’      （式８）
Ｖｘ−Ｖｙ＝ａ（Ｂｘ−Ｂｙ）＋ｃ３＋ｃ３’    （式９）
【００１８】
各変換時にそれぞれｃ１’〜ｃ３’の誤差が生じる。一般的にはｃ１≒ｃ１’、ｃ２≒ｃ２’、ｃ３≒ｃ３’が成り立つ。
【００１９】
ゼロフラックス法のデメリットは、（式９）のＶｘ−Ｖｙがゼロになるように制御するため、制御回路が複雑になることと、磁気検出素子と電流Ｉｙの位置精度が高い必要があることである。一方、誤差成分（ｃ１〜ｃ３、ｃ１’〜ｃ３’）を無視できる場合、Ｂｘ−Ｂｙ＝０であるから、出力電圧Ｖｘ−Ｖｙは感度ａのずれや非直線性に左右されない。つまり、ゼロフラックス法のメリットは、感度ａの誤差に伴うゲイン誤差がゼロになるため、測定の精度を非常に高くできることである。さらに、ゼロフラックス法はＢｘ−Ｂｙ＝０であるため、磁気飽和の問題が生じず、ダイナミックレンジを広くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２０１２−２１７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
従来のゼロフラックス型磁気センサはフィードバックコイルを備えるため、回路が複雑になるだけでなく、小型化が難しい。また、キャンセル磁界を発生するフィードバックコイルは基板の下に配置されるため、距離ｄｘ、ｄｙが長くなり、誤差を含みやすい。さらに、距離ｄｘ、ｄｙが長くなるため、透磁率μの誤差も含みやすい。これらの誤差を含まないようにするには、特性のよい材料や高い精度での製造が求められ、製造コストが増大しやすい。
【００２２】
本発明の態様は、回路が簡素になり、小型化が容易であり、距離ｄｘ、ｄｙ、透磁率μの誤差を含みにくく、製造コストを低減しやすいゼロフラックス型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】
【００２３】
（１）本発明の態様は、絶縁基板と、磁気検出素子と、励磁素子とを備え、磁気検出素子は絶縁基板上に形成され、被測定磁束に応じて特性が変化し、励磁素子は磁気検出素子の近傍に配置され、巻回されない単線配線であり、被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することを特徴とするゼロフラックス型磁気センサに関する。このゼロフラックス型磁気センサを用いると、励磁素子は巻回されない単線配線であり、回路を簡素にすることができる。したがって、製造コストを低減しやすい。
【００２４】
（２）本発明の態様では、励磁素子は絶縁基板の下面よりも磁気検出素子の側に配置されていることが好ましい。励磁素子は磁気検出素子の近傍、かつ、絶縁基板の下面よりも磁気検出素子の側に配置されており、磁気検出素子との距離ｄｙを小さくすることができる。また、測定対象を絶縁基板の下面に接することができるため、磁気検出素子との距離ｄｘを小さくすることができる。したがって、ゼロフラックス型磁気センサの小型化が容易である。また、距離ｄｘ、ｄｙ及び透磁率μの誤差を含みにくい。さらに、（式１）より、より小さなＩｘを検出することができる。
【００２５】
（３）本発明の態様では、励磁素子は両端に外部端子を備えることが好ましい。励磁素子は両端に外部端子を備えることにより、励磁素子に発生させる被測定磁束のキャンセル磁束の大きさと向きを容易に制御することができる。
【００２６】
（４）本発明の態様では、励磁素子は絶縁基板の内部に配置されていることが好ましい。励磁素子は絶縁基板の内部に配置され、励磁素子と磁気検出素子との距離ｄｙを小さくすることができるとともに、励磁素子の位置精度を高くすることができる。したがって、ゼロフラックス型磁気センサの小型化が容易である。さらに、ｄｙ及び透磁率μの誤差を含みにくく、製造コストを低減しやすい。
【００２７】
（５）本発明の態様では、磁気検出素子は４つの水平磁束検出素子を備え、４つの水平磁束検出素子はブリッジ構成を形成し、励磁素子は１本の直線であり、４つの水平磁束検出素子のうちの向かい合う１対の水平磁束検出素子の間において、他の向かい合う１対の水平磁束検出素子を結ぶ直線に対して平行に配置され、そして、他の向かい合う１対の水平磁束検出素子における被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することが好ましい。ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子、ＴＭＲ素子といった水平磁束検出素子を用いてゼロフラックス型磁気センサを製造することにより、小型化が容易で、誤差を含みにくく、製造コストを低減しやすい。
【００２８】
（６）本発明の態様では、他の向かい合う１対の水平磁束検出素子の間において、励磁素子に中間端子が設けられていることが好ましい。他の向かい合う１対の水平磁束検出素子の間に設けられている中間端子により、他の向かい合う１対の水平磁束検出素子に異なるキャンセル磁束を発生することができる。被測定磁束の向きによって他の向かい合う１対の水平磁束検出素子の応答が異なることから、被測定磁束の向きを判別することができる。
【００２９】
（７）本発明の態様では、磁気検出素子は４つの水平磁束検出素子を備え、４つの水平磁束検出素子はブリッジ構成を形成し、４つの水平磁束検出素子のうちの隣り合う２対の水平磁束検出素子はそれぞれ電源電圧ＶｃｃとＧＮＤの間を直列接続され、励磁素子は２本のＬ字形であり、Ｌ字形の励磁素子を構成する２本の直線部は、隣り合う１対の水平磁束検出素子に対してそれぞれ直角に配置され、励磁素子は４つの水平磁束検出素子のうちの向かい合う１対の水平磁束検出素子における被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することが好ましい。励磁素子がＬ字形であり、隣り合う１対の水平磁束検出素子に対してそれぞれ直角に配置されているため、被測定磁束の方向が４つの水平磁束検出素子のうちの、いずれの向かい合う１対の水平磁束検出素子に平行であっても、被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することができる。また、２本の励磁素子は、別々に制御することにより、直列接続される隣り合う２対の水平磁束検出素子において異なるキャンセル磁束を発生することができる。
【００３０】
（８）本発明の態様では、磁気検出素子は２つの水平磁束検出素子を備え、２つの水平磁束検出素子は電源電圧ＶｃｃとＧＮＤの間を直列接続され、励磁素子は１本の直線であり、２つの水平磁束検出素子を結ぶ直線に対して平行に配置され、２つの水平磁束検出素子の間において、励磁素子に中間端子が設けられ、そして、２つの水平磁束検出素子における被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することが好ましい。２つの水平磁束検出素子を備える、いわゆるハーブブリッジ構成を形成する水平磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサを製造することにより、小型化が容易で、誤差を含みにくく、製造コストを低減しやすい。
【００３１】
（９）本発明の態様では、磁気検出素子は４つの垂直磁束検出素子を備え、４つの垂直磁束検出素子はブリッジ構成を形成し、励磁素子は２本の直線であり、励磁素子は、４つの垂直磁束検出素子のうちの向かい合う１対の垂直磁束検出素子にそれぞれ隣接し、向かい合う１対の垂直磁束検出素子を結ぶ直線に直角方向、かつ、絶縁基板上に配置され、そして、それぞれに隣接する垂直磁束検出素子における被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することが好ましい。ホール素子といった垂直磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサを製造することにより、小型化が容易で、誤差を含みにくく、製造コストを低減しやすい。
【００３２】
（１０）本発明の態様では、磁気検出素子は４つの垂直磁束検出素子を備え、４つの垂直磁束検出素子はブリッジ構成を形成し、４つの垂直磁束検出素子のうちの隣り合う２対の垂直磁束検出素子はそれぞれ電源電圧ＶｃｃとＧＮＤの間を直列接続され、励磁素子は２本のＬ字形であり、Ｌ字形の励磁素子を構成する２本の直線部は、隣り合う１対の垂直磁束検出素子に対してそれぞれ隣接して平行に、かつ、絶縁基板上に配置され、そして、それぞれに隣接する垂直磁束検出素子における被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することが好ましい。励磁素子がＬ字形であるため、被測定磁束の方向が４つの水平磁束検出素子のうちの、いずれの向かい合う１対の水平磁束検出素子に平行であっても、被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することができる。また、２本の励磁素子を別々に制御することにより、異なるキャンセル磁束を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】磁気検出素子の代表的な例を示す。
【図２】従来のゼロフラックス型磁気センサを示す。
【図３】磁気検出素子の構造の概要を示す。
【図４】ゼロフラックス型磁気センサの制御方法を示す。
【図５】本実施形態の、水平磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサを示す。
【図６】本実施形態の、水平磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサの変形例を示す。
【図７】本実施形態の、水平磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサの変形例を示す。
【図８】励磁素子に逆向きのキャンセル磁束を発生させたときの、Ｘ軸方向の被測定磁束に対する水平磁束検出素子の相対抵抗値を示す。
【図９】本実施形態のゼロフラックス型磁気センサの出力電圧Ｖｏｕｔを示す。
【図１０】本実施形態の、垂直磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサを示す。
【図１１】本実施形態の、垂直磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサの変形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成のすべてが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００３５】
＜ゼロフラックス型磁気センサ全般＞
本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ３０を図５に示す。本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ３０は、絶縁基板２４と、磁気検出素子２２と、励磁素子３３とを備え、磁気検出素子２２は絶縁基板２４上に形成され、被測定磁束に応じて特性が変化し、励磁素子３３は磁気検出素子２２の近傍に配置され、巻回されない単線配線であり、被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生する。このゼロフラックス型磁気センサ３０を用いると、励磁素子３３は巻回されない単線配線であり、回路を簡素にすることができる。したがって、製造コストを低減しやすい。
【００３６】
本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ３０では、さらに、励磁素子３３は絶縁基板２４の下面よりも磁気検出素子２２の側に配置されている。励磁素子３３は磁気検出素子２２の近傍、かつ、絶縁基板２４の下面よりも磁気検出素子２２の側に配置されており、磁気検出素子２２との距離ｄｙを小さくすることができる。また、測定対象を絶縁基板２４の下面に接することができるため、磁気検出素子２２との距離ｄｘを小さくすることができる。したがって、ゼロフラックス型磁気センサ３０の小型化が容易である。また、距離ｄｘ、ｄｙ及び透磁率μの誤差を含みにくい。さらに、（式１）より、より小さなＩｘを検出することができる。
【００３７】
本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ３０では、さらに、励磁素子３３は両端に外部端子３４を備える。励磁素子３３は両端に外部端子３４を備えることにより、励磁素子３３に発生させる被測定磁束のキャンセル磁束の大きさと向きを容易に制御することができる。
【００３８】
本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ３０では、さらに、励磁素子３３は絶縁基板２４の内部に配置されている。励磁素子３３は絶縁基板２４の内部に配置され、励磁素子３３と磁気検出素子２２との距離ｄｙを小さくすることができるとともに、励磁素子３３の位置精度を高くすることができる。したがって、ゼロフラックス型磁気センサ３０の小型化が容易である。さらに、ｄｙ及び透磁率μの誤差を含みにくく、製造コストを低減しやすい。
【００３９】
＜水平磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサ＞
本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ３０では、さらに、磁気検出素子２２は４つの水平磁束検出素子（第１の水平磁束検出素子３５〜第４の水平磁束検出素子３８）を備え、４つの水平磁束検出素子はブリッジ構成を形成し、励磁素子３３は１本の直線であり、４つの水平磁束検出素子のうちの向かい合う１対の水平磁束検出素子（第１の水平磁束検出素子３５と第４の水平磁束検出素子３８）の間において、他の向かい合う１対の水平磁束検出素子（第２の水平磁束検出素子３６と第３の水平磁束検出素子３７）を結ぶ直線に対して平行に配置され、そして、他の向かい合う１対の水平磁束検出素子（第２の水平磁束検出素子３６と第３の水平磁束検出素子３７）における被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生する。ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子、ＴＭＲ素子といった水平磁束検出素子を用いてゼロフラックス型磁気センサを製造することにより、小型化が容易で、誤差を含みにくく、製造コストを低減しやすい。
【００４０】
本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ３０では、さらに、他の向かい合う１対の水平磁束検出素子（第２の水平磁束検出素子３６と第３の水平磁束検出素子３７）の間において、励磁素子３３に中間端子３９が設けられている。他の向かい合う１対の水平磁束検出素子の間に設けられている中間端子３９により、他の向かい合う１対の水平磁束検出素子（第２の水平磁束検出素子３６と第３の水平磁束検出素子３７）に異なるキャンセル磁束を発生させることができる。被測定磁束の向きによって第２の水平磁束検出素子３６と第３の水平磁束検出素子３７の応答が異なることから、被測定磁束の向きを判別することができる。
【００４１】
本実施形態の、水平磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサの変形例を図６に示す。本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ４０では、磁気検出素子２２は４つの水平磁束検出素子（第１の水平磁束検出素子３５〜第４の水平磁束検出素子３８）を備え、４つの水平磁束検出素子はブリッジ構成を形成し、４つの水平磁束検出素子のうちの隣り合う２対の水平磁束検出素子（第１の水平磁束検出素子３５と第３の水平磁束検出素子３７、第２の水平磁束検出素子３６と第４の水平磁束検出素子３８）はそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ１５とＧＮＤ１６の間を直列接続され、励磁素子は２本のＬ字形（第１の励磁素子４１と第２の励磁素子４２）であり、Ｌ字形の励磁素子を構成する２本の直線部は、隣り合う１対の水平磁束検出素子（第１の水平磁束検出素子３５と第３の水平磁束検出素子３７、第２の水平磁束検出素子３６と第４の水平磁束検出素子３８）に対してそれぞれ直角に配置され、励磁素子は４つの水平磁束検出素子のうちの向かい合う１対の水平磁束検出素子（第１の水平磁束検出素子３５と第４の水平磁束検出素子３８、第２の水平磁束検出素子３６と第３の水平磁束検出素子３７のいずれか一方）における被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生する。励磁素子はＬ字形（第１の励磁素子４１と第２の励磁素子４２）であり、隣り合う１対の水平磁束検出素子（第１の水平磁束検出素子３５と第３の水平磁束検出素子３７、第２の水平磁束検出素子３６と第４の水平磁束検出素子３８）に対してそれぞれ直角に配置されているため、被測定磁束の方向が４つの水平磁束検出素子のうちの、いずれの向かい合う１対の水平磁束検出素子に平行であっても、被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生することができる。また、２本の励磁素子を別々に制御することにより、２本の励磁素子は、直列接続される隣り合う２対の水平磁束検出素子（第１の水平磁束検出素子３５と第３の水平磁束検出素子３７、第２の水平磁束検出素子３６と第４の水平磁束検出素子３８）において異なるキャンセル磁束を発生することができる。
【００４２】
本実施形態の、水平磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサの変形例を図７に示す。本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ４３では、磁気検出素子２２は２つの水平磁束検出素子（第２の水平磁束検出素子３６と第３の水平磁束検出素子３７）を備え、２つの水平磁束検出素子は電源電圧Ｖｃｃ１５とＧＮＤ１６の間を直列接続され、励磁素子３３は１本の直線であり、２つの水平磁束検出素子を結ぶ直線に対して平行に配置され、２つの水平磁束検出素子の間において、励磁素子３３に中間端子３９が設けられ、そして、２つの水平磁束検出素子における被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生する。２つの水平磁束検出素子を備える、いわゆるハーブブリッジ構成を形成する水平磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサを製造することにより、小型化が容易で、誤差を含みにくく、製造コストを低減しやすい。また、中間端子３９により、励磁素子３３は第２の水平磁束検出素子３６と第３の水平磁束検出素子３７に逆向きのキャンセル磁束を発生することができる。なお、本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ４３の出力は、２つの水平磁束検出素子の間の出力電圧Ｖｏｕｔ４４である。
【００４３】
図８に、本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ４３の励磁素子３３に、中間端子３９により逆向きのキャンセル磁束を発生させたときの、Ｘ軸方向の被測定磁束に対する水平磁束検出素子の相対抵抗値を示す。第２の水平磁束検出素子３６にプラス方向のキャンセル磁束（＋バイアス）を発生させ、第３の水平磁束検出素子３７にはマイナス方向のキャンセル磁束（−バイアス）を発生させる。すると、Ｘ軸方向の被測定磁束に対する水平磁束検出素子の相対抵抗値は、第２の水平磁束検出素子３６はキャンセル磁束がゼロ（０バイアス）のときよりもマイナス方向にオフセットし、第３の水平磁束検出素子３７はキャンセル磁束がゼロ（０バイアス）のときよりもプラス方向にオフセットする。
【００４４】
図９に、本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ４３の出力電圧Ｖｏｕｔを示す。出力電圧Ｖｏｕｔは被測定磁束ゼロを中心に負の傾きを有する奇関数特性を有し、オフセット量と一致する被測定磁束が加わると出力電圧Ｖｏｕｔはピークを示し、いわゆるＳ字カーブの特性を示す。出力電圧Ｖｏｕｔが単調減少の領域を磁気センサとして用いることができ、キャンセル磁束の大きさ（バイアスの大きさ）でその範囲を調整することができる。
【００４５】
＜垂直磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサ＞
本実施形態の、垂直磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサ５０を図１０に示す。本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ５０は４つの垂直磁束検出素子（第１の垂直磁束検出素子５１〜第４の垂直磁束検出素子５４）を備え、４つの垂直磁束検出素子はブリッジ構成を形成し、励磁素子は２本の直線（第１の励磁素子４１、第２の励磁素子４２）であり、励磁素子は、４つの垂直磁束検出素子のうちの向かい合う１対の垂直磁束検出素子（第１の垂直磁束検出素子５１と第４の垂直磁束検出素子５４）にそれぞれ隣接し、向かい合う１対の垂直磁束検出素子を結ぶ直線に直角方向、かつ、絶縁基板２４上に配置され、そして、それぞれに隣接する垂直磁束検出素子における被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生する。ホール素子といった垂直磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサを製造することにより、小型化が容易で、誤差を含みにくく、製造コストを低減しやすい。また、２本の励磁素子を別々に制御することにより、２本の励磁素子は、隣接し、かつ、向かい合う１対の垂直磁束検出素子（第１の垂直磁束検出素子５１と第４の垂直磁束検出素子５４）において異なるキャンセル磁束を発生することができる。
【００４６】
本実施形態の、垂直磁束検出素子を備えるゼロフラックス型磁気センサの変形例を図１１に示す。本実施形態のゼロフラックス型磁気センサ６０は４つの垂直磁束検出素子（第１の垂直磁束検出素子５１〜第４の垂直磁束検出素子５４）を備え、４つの垂直磁束検出素子はブリッジ構成を形成し、４つの垂直磁束検出素子のうちの隣り合う２対の垂直磁束検出素子（第１の垂直磁束検出素子５１と第３の垂直磁束検出素子５３、第２の垂直磁束検出素子５２と第４の垂直磁束検出素子５４）はそれぞれ電源電圧Ｖｃｃ１５とＧＮＤ１６の間を直列接続され、励磁素子は２本のＬ字形（第１の励磁素子４１、第２の励磁素子４２）であり、Ｌ字形の励磁素子を構成する２本の直線部は、隣り合う１対の垂直磁束検出素子に対してそれぞれ隣接して平行に、かつ、絶縁基板上に配置され、そして、それぞれに隣接する垂直磁束検出素子における被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生する。また、２本の励磁素子を別々に制御することにより、２本の励磁素子は、隣り合う１対の垂直磁束検出素子に対してそれぞれ異なるキャンセル磁束を発生することができる。
【００４７】
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書において、少なくとも一度、より広義又は同義の異なる用語とともに記載された用語は、明細書のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０  代表的な磁気検出素子、１１  第１のＧＭＲ素子、１２  第２のＧＭＲ素子、１３  第３のＧＭＲ素子、１４  第４のＧＭＲ素子、１５  電源電圧Ｖｃｃ、１６  ＧＮＤ、１７  第１の中間電位Ｖｏｕｔ、１８  第２の中間電位Ｖｏｕｔ、２０  従来のゼロフラックス型磁気センサ、２１  導体、２２  磁気検出素子（Ｂ／Ｖ変換）、２３  フィードバックコイル（励磁素子）、２４  絶縁基板、２５  磁束検出素子、２６  差動アンプ、２７  増幅器、２８  Ｖ／Ｉ変換、３０、４０、４３、５０、６０  ゼロフラックス型磁気センサ、３３  励磁素子、３４  外部端子、３５  第１の水平磁束検出素子、３６  第２の水平磁束検出素子、３７  第３の水平磁束検出素子、３８  第４の水平磁束検出素子、３９  中間端子、４１  第１の励磁素子、４２  第２の励磁素子、４４  出力電圧Ｖｏｕｔ、５１  第１の垂直磁束検出素子、５２  第２の垂直磁束検出素子、５３  第３の垂直磁束検出素子、５４  第４の垂直磁束検出素子
【要約】
【課題】  回路が簡素になり、小型化が容易であり、距離ｄｘ、ｄｙ、透磁率μの誤差を含みにくく、製造コストを低減しやすいゼロフラックス型磁気センサを提供すること。
【解決手段】  ゼロフラックス型磁気センサは、絶縁基板と、磁気検出素子と、励磁素子とを備え、磁気検出素子は前記絶縁基板上に形成され、被測定磁束に応じて特性が変化し、励磁素子は磁気検出素子の近傍に配置され、巻回されない単線配線であり、被測定磁束の一部又は全部を相殺するキャンセル磁束を発生する。
【選択図】  図５【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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