WO2015019534A1 - 磁気センサおよびこの磁気センサを用いた電流センサ - Google Patents

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cylindrical
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和弘 尾中
隆司 梅田
吉内　茂裕
亮 長部
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    • G01R15/205—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using magneto-resistance devices, e.g. field plates
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    • G01R19/0092—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring current only

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor for detecting a magnetic field and a current sensor for measuring a current flowing through a conductor using the magnetic sensor.
  • Magnetic sensors are known using magnetic fields as detection sensors.
  • a magnetic sensor a sensor using a Hall element or a magnetoresistive element is known.
  • a method using a bias magnet is known.
  • current sensors that detect an induced magnetic field generated by a current using a magnetic sensor are known.
  • Known magnetic sensors include Hall elements and magnetoresistive elements.
  • Patent Document 1 A magnetic sensor using a cylindrical magnet as such a bias magnet is known.
  • Patent Document 2 a technique in which a magnetic sensor is arranged in a bias magnet is known.
  • Patent Documents 3 to 12 are documents that disclose the relationship between a bias magnet and a magnetic sensor.
  • JP 2007-303891 A JP 2000-298134 A JP 2010-91346 A JP 2008-180603 A JP 2006-194837 A JP 2006-112801 A JP 2005-331295 A JP 2004-226091 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-300763 JP-A-8-5647 JP-A-6-76706 JP-A-1-175141
  • the magnetic sensor is disposed so as to protrude from the end portion of the cylindrical bias magnet, and the magnetic field at the end portion of the cylindrical bias magnet is affected by the magnetic material existing in the vicinity thereof, and the magnetic field is Is utilized to reverse.
  • the present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to obtain a highly accurate magnetic sensor suitable for a magnetic sensor for measuring the strength of an external magnetic field.
  • a magnetic sensor has a cylindrical shape, and includes a bottom surface, a top surface facing the bottom surface, an outer surface that is between the bottom surface and the top surface, and is an outer side surface of the tube.
  • a first cylinder bias magnet which is formed between an inner surface which is an inner side surface of the cylinder and which exists between the bottom surface and the upper surface, and one of the bottom surface and the upper surface is magnetized with an N pole and the other with an S pole.
  • the magnetic field in the internal space of the cylindrical tube bias magnet becomes uniform, so that detection of the external magnetic field can be realized with high accuracy even if the position accuracy of the magnetic sensor element in the internal space is low. Has a working effect.
  • the magnetic sensor according to the present disclosure has a cylindrical shape, and includes a bottom surface, an upper surface facing the bottom surface, an outer surface that is between the bottom surface and the upper surface, and is an outer side surface of the tube, and a bottom surface and an upper surface.
  • a first cylinder bias magnet which is formed between an inner surface which is an inner side surface of the cylinder and which has a bottom surface and an upper surface magnetized with an N pole and the other with an S pole;
  • a first magnetic sensor element located in an inner space surrounded by a plane including the upper surface and the inner surface; a cylindrical shape, which exists between the bottom surface, the upper surface facing the bottom surface, and the bottom surface and the upper surface; It consists of an outer surface that is the outer side surface of the cylinder and an inner surface that is an inner side surface between the bottom surface and the upper surface, and either the bottom surface or the upper surface is attached to the N pole and the other is attached to the S pole.
  • a magnetized second cylinder bias magnet, a plane including a bottom surface, and a plane including an upper surface in the second cylinder bias magnet And a second magnetic sensor element located in the interior space surrounded by the inner surface, may be characterized in that the current path is disposed between the first cylindrical biasing magnet and the second cylindrical biasing magnet.
  • the above configuration makes it possible to eliminate the influence of a disturbance magnetic field, for example. Also, since the magnetic sensor element is arranged in the internal space using a cylindrical bias magnet, it is possible to measure the current with high accuracy even if the arrangement position of the magnetic sensor element is low. Has a working effect.
  • the magnetic sensor of the present disclosure can detect an external magnetic field with high accuracy even if the arrangement accuracy of the magnetic sensor elements is low.
  • Embodiment 1 Side view of the magnetic sensor shown in FIG. Front sectional view of the magnetic sensor shown in FIG. The front view of the 1st magnetic sensor element of the magnetic sensor shown in FIG.
  • the perspective view of the magnetic sensor in Embodiment 2 Side view of the magnetic sensor shown in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view of the magnetic sensor according to the first embodiment
  • FIG. 2 is a side view of the magnetic sensor
  • FIG. 3 is a front sectional view of the magnetic sensor
  • FIG. 4 is a front view of the first magnetic sensor element of the magnetic sensor.
  • the axis indicating the direction is the X axis as the axial direction of the first cylindrical bias magnet 1, and the first magnetic sensor element 2 in the radial direction of the first cylindrical bias magnet 1.
  • the direction parallel to the plane of the first substrate 10 is the Y axis, and the direction perpendicular to the plane of the first substrate 10 of the first magnetic sensor element 2 is the Z direction in the radial direction of the first cylindrical bias magnet 1.
  • the X axis, Y axis, and Z axis are orthogonal to each other.
  • the first cylindrical bias magnet 1 has a cylindrical shape, and includes a bottom surface 1A, a top surface 1B that is a surface facing the bottom surface 1A, an outer surface 1C, and an inner surface 1D. ing.
  • the outer side surface 1C is located between the bottom surface 1A and the upper surface 1B and is the outer side surface of the cylinder.
  • the inner side surface 1D is located between the bottom surface 1A and the upper surface 1B, and is a side surface inside the cylinder.
  • the shape of the cylinder is preferably cylindrical as shown in FIG. 1, and the bottom surface 1A and the top surface 1B are preferably circular, but the present invention is not limited thereto. For example, it may be a cylinder whose appearance is a quadrangular prism.
  • the first cylindrical bias magnet 1 has a bottom surface 1A, which is an end portion in the X-axis positive direction, as an N pole, and an upper surface 1B, which is an end portion in the X-axis negative direction, as an S pole. There are magnetic fluxes that travel from the north pole to the south pole around the outside of the first cylindrical bias magnet 1 and those that travel from the north pole to the south pole through the internal space of the first cylindrical bias magnet 1.
  • the outer shape of the first cylinder bias magnet 1 is a pillar.
  • the first cylinder bias magnet 1 is formed by forming a columnar internal space smaller than this inside the column.
  • the cross section of the first cylindrical bias magnet 1 in a plane parallel to the YZ plane is a ring, and both the outside and the inside are shaped.
  • the cross section of the first cylindrical bias magnet 1 in the XY plane has a straight line in the X-axis direction.
  • the magnetic flux passing through the internal space of the first cylinder bias magnet 1 passes so as to be substantially parallel to the extending direction of the cylinder.
  • the magnetic flux which passes through interior space becomes uniform in interior space. That is, the magnetic field is uniform in the internal space.
  • the inner surface of the first tube bias magnet 1 is preferably smooth. This is because if there are irregularities inside the first tube bias magnet 1, the magnetic flux passing through the inside of the first tube bias magnet 1 is not likely to be substantially parallel to the extending direction of the tube.
  • the 1st magnetic sensor element 2 will be arrange
  • the first magnetic sensor element 2 is preferably located at the center of the first cylindrical bias magnet 1 in plan view.
  • the magnetic field at the center of the internal space of the first cylindrical bias magnet has a higher magnetic field uniformity than the magnetic field at the end. Therefore, by arranging the first magnetic sensor element 2 in the center of the first cylindrical bias magnet 1 in plan view, it is possible to realize the detection of the external magnetic field with higher accuracy.
  • the first magnetic sensor element 2 is formed by forming a magnetoresistor on the surface of a first substrate 10 made of alumina, for example. Specifically, it has the following configuration. Four terminals of a first voltage application terminal 11, a first ground terminal 12, a first output terminal 13, and a second output terminal 14 are formed on the surface of the first substrate 10. The first magnetoresistive pattern 15 is formed between the first voltage application terminal 11 and the first output terminal 13, and the second magnetoresistive pattern 16 is formed between the first output terminal 13 and the first output terminal 13. The third magnetoresistive pattern 17 is formed between the first voltage application terminal 11 and the second output terminal 14, and is formed between the first ground terminal 12 and the fourth magnetoresistor.
  • the pattern 18 is formed between the second output terminal 14 and the first ground terminal 12.
  • the first magnetic sensor element 2 has a full bridge circuit by the first magnetoresistive pattern 15, the second magnetoresistive pattern 16, the third magnetoresistive pattern 17 and the fourth magnetoresistive pattern 18. ing.
  • magnetoresistive patterns are each composed of a magnetoresistor whose resistance value changes when a magnetic field is applied.
  • a magnetoresistor such as MR (Magneto Resistance) or GMR (Giant Magneto Resistance) is used. it can. In this embodiment, MR is used.
  • These magnetoresistive patterns are formed in a meander shape.
  • the first magnetoresistive pattern 15 and the fourth magnetoresistive pattern 18 are such that the longitudinal direction of the magnetoresistive pattern is inclined by 45 ° with respect to the X axis, and the X axis is positive from the X axis and negative from the Y axis. Direction and the Y axis negative direction.
  • the second magnetoresistive pattern 16 and the third magnetoresistive pattern 17 are such that the longitudinal direction of the magnetoresistive pattern is inclined by 45 ° with respect to the X axis, and the X axis is negative from the X axis positive direction and the Y axis negative direction.
  • the longitudinal direction of the first magnetoresistive pattern 15 is inclined by 90 degrees with respect to the longitudinal direction of the second magnetoresistive pattern 16.
  • the longitudinal direction of the third magnetoresistive pattern 17 is inclined by 90 degrees with respect to the longitudinal direction of the fourth magnetoresistive pattern 18).
  • the magnetic field perpendicular to the direction of current flow in the in-plane direction of the magnetoresistive pattern that is, the XY plane in FIG.
  • each magnetoresistive pattern has a meander shape, the direction perpendicular to the longitudinal direction of each pattern is the main magnetosensitive direction. Therefore, the magnetic sensitive direction of the first magnetoresistive pattern 15 is the same as the magnetic sensitive direction of the fourth magnetoresistive pattern 18, and the magnetic sensitive direction of the second magnetoresistive pattern 16 is the same as the third magnetic resistance.
  • the magnetosensitive direction of the body pattern 17 is the same, and the magnetosensitive directions of the first magnetoresistive pattern 15 and the fourth magnetoresistive pattern 18 are the same as the second magnetoresistive pattern 16 and the third magnetoresistive body.
  • the pattern 17 is perpendicular to the magnetic sensing direction.
  • the first magnetoresistive pattern 15, the second magnetoresistive pattern 16, the third magnetoresistive pattern 17, and the fourth magnetoresistive pattern 18 were applied with a resistance value and a magnetic field when no magnetic field was applied to each other. When the resistance change is equal. Accordingly, these four magnetoresistive patterns have the same resistance value when a magnetic field having the same magnitude is applied in the magnetic sensitive direction.
  • a predetermined voltage is applied between the first voltage application terminal 11 and the first ground terminal 12.
  • the first output terminal 13 outputs a midpoint potential V1 between the first magnetoresistive pattern 15 and the second magnetoresistive pattern 16, and the second output terminal 14 similarly outputs the third magnetoresistive pattern.
  • a midpoint potential V2 between 17 and the fourth magnetoresistive pattern 18 is output.
  • the first magnetoresistive pattern 15 and the fourth magnetoresistive pattern 18 have the same change in resistance when a magnetic field is applied.
  • the second magnetoresistive pattern 16 and the third magnetoresistive pattern The change in resistance value when a magnetic field is applied is the same as that of the pattern 17, and the increase and decrease in the former resistance value and the increase and decrease in the latter resistance value are in opposite directions.
  • the output fluctuation due to differential output with the output terminal 14 is twice the output fluctuation at the midpoint potential V1 or the midpoint potential V2.
  • the resistance value change of each resistor pattern at this time is determined by the magnitude and direction of the combined magnetic field of the bias magnetic field and the external magnetic field. Therefore, the magnitude of the magnetic field cannot be uniquely determined simply by obtaining the differential output of the first output terminal 13 and the second output terminal 14. However, for example, when it is known in advance that the direction of the magnetic field is the X-axis direction, a differential output corresponding to the magnitude of the magnetic field can be obtained, so that it can be used as a magnetic sensor.
  • the first magnetic sensor element 2 is disposed inside the first tube bias magnet 1, and the magnetic field inside the first tube bias magnet 1 is uniform.
  • the accuracy required for the arrangement position of one magnetic sensor element 2 may not be high. That is, since the magnetic field is uniform, the arrangement position may be arbitrary in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.
  • the end of the first cylindrical bias magnet 1 is not easily uniform at the end of the first cylindrical bias magnet 1 because the magnetic field is easily affected by the magnetic field from the outside. It is preferable to arrange the magnetic field sufficiently away from the part at a uniform position.
  • a bias magnetic field is uniformly applied to the first magnetic sensor element 2, so that the first magnetic resistor pattern 15, the second magnetic resistor pattern 16, and the third magnetic sensor pattern 2
  • a uniform magnetic field is also applied to each of the magnetoresistive pattern 17 and the fourth magnetoresistive pattern 18. Therefore, the direction and magnitude of the bias magnetic field to the four magnetoresistive patterns are equal.
  • the magnetic sensor according to the second embodiment uses the first magnetic sensor element 2 and the second magnetic sensor element 5.
  • the magnetic sensor can detect the current characteristic flowing through the current path, and functions as a current sensor.
  • FIG. 5 is a perspective view of the magnetic sensor according to the second embodiment
  • FIG. 6 is a side view of the magnetic sensor
  • FIG. 7 is a front view of a second magnetic sensor element of the magnetic sensor.
  • the same constituent elements as those in the first embodiment may be denoted by the same reference numerals.
  • a current bar 3 as a current path is arranged in the negative direction of the Z axis of the first cylinder bias magnet 1.
  • a second cylinder bias magnet 4 is arranged in the negative Z-axis direction of the current bar 3.
  • the shape of the second cylindrical bias magnet 4 is the same as that of the first cylindrical bias magnet 1 and is cylindrical, and includes a bottom surface 4A and an upper surface 4B, and an outer surface 4C and an inner surface 4D located between the bottom surface 4A and the upper surface 4B.
  • the shape of the cylinder is preferably cylindrical, and the bottom surface 4A and the top surface 4B are preferably circular, but are not limited thereto. For example, it may be a cylinder whose appearance is a quadrangular prism.
  • the second cylindrical bias magnet 4 As well, a space surrounded by a plane including the bottom surface 4A, a plane including the upper surface 4B, and the inner side surface 4D, that is, a space inside the cylinder is referred to as an internal space.
  • the axial direction of the cylinder of the second cylindrical bias magnet 4 is parallel to the axial direction of the cylinder of the first cylindrical bias magnet 1.
  • the direction of the magnetic pole of the second cylindrical bias magnet 4 is preferably opposite to that of the first cylindrical bias magnet 1.
  • the bottom surface 4A, which is the end portion in the X-axis positive direction, is the S pole
  • the top surface 4B which is the end portion in the X-axis negative direction, is the N pole.
  • the second magnetic sensor element 5 is disposed in the internal space of the second cylindrical bias magnet 4, and the second substrate 20 of the second magnetic sensor element 5 is parallel to the XY plane. It is arranged on the surface.
  • the second magnetic sensor element 5 is preferably located at the center of the second cylindrical bias magnet 4 in plan view.
  • the magnetic field at the center of the inner space of the second cylindrical bias magnet 4 has higher magnetic field uniformity than the magnetic field at the end. Therefore, by arranging the second magnetic sensor element 5 at the center of the second cylinder bias magnet 4 in plan view, it is possible to detect the external magnetic field with higher accuracy.
  • the second magnetic sensor element 5 is formed by forming a magnetoresistor on the surface of the second substrate 20 made of alumina, for example, and has the same configuration as the first magnetic sensor element 2.
  • the second substrate 20 has the following configuration.
  • Four terminals of a second voltage application terminal 21, a second ground terminal 22, a third output terminal 23, and a fourth output terminal 24 are formed on the surface of the second substrate 20.
  • a fifth magnetoresistive pattern 25 is provided between the second voltage application terminal 21 and the third output terminal 23, and a sixth magnetoresistive pattern is provided between the third output terminal 23 and the second ground terminal 22.
  • 26 has a seventh magnetoresistive pattern 27 between the second voltage application terminal 21 and the fourth output terminal 24, and an eighth magnetism between the fourth output terminal 24 and the second ground terminal 22.
  • Resistor patterns 28 are connected to each other.
  • the resistance values of the fifth magnetoresistive pattern 25, the sixth magnetoresistive pattern 26, the seventh magnetoresistive pattern 27, and the eighth magnetoresistive pattern 28 change when a magnetic field is applied.
  • a magnetic resistor such as MR or GMR can be used.
  • MR is used.
  • the longitudinal direction of the magnetoresistive pattern is inclined by 45 ° with respect to the X axis, and the X axis is positive from the X axis negative direction and the Y axis positive direction.
  • the sixth magnetoresistive pattern 26 and the seventh magnetoresistive pattern 27 are such that the longitudinal direction of the magnetoresistive pattern is inclined by 45 ° with respect to the X axis, and the X axis is negative and the X axis is negative from the positive direction of the Y axis.
  • the induced magnetic field caused by this current is applied to the first magnetic sensor element 2 positioned above the current bar 3 in the negative direction of the Y-axis.
  • the magnetic sensor element 5 is applied in the positive Y-axis direction. That is, the induction magnetic field is applied in the reverse direction.
  • the resistance value of each resistor pattern changes due to the combined magnetic field of the bias magnetic field generated by the second cylindrical bias magnet 4 and the induced magnetic field from the current bar 3.
  • the direction of the combined magnetic field approaches a direction parallel to the longitudinal direction of the first magnetoresistive pattern 15, and the longitudinal direction of the second magnetoresistive pattern 16. Accordingly, the resistance value of the first magnetoresistive pattern 15 relatively increases, and the resistance value of the second magnetoresistive pattern 16 decreases relatively. Accordingly, the midpoint potential V1 of the first output terminal 13 decreases. Similarly, the midpoint potential V2 of the second output terminal 14 rises. Therefore, the value obtained by subtracting the midpoint potential V2 from the midpoint potential V1, which is the output voltage V5 from the first magnetic sensor element 2, is in the decreasing direction, but the output voltage V5 before and after the current flowing through the current bar 3 increases. Fluctuations are larger than fluctuations in the output voltage V5 and midpoint potential V2.
  • the output voltage V5 which is a differential output obtained by subtracting the midpoint potential V2 from the midpoint potential V1 can obtain a large output fluctuation with respect to a change in current.
  • the output voltage V6 which is a differential output obtained by subtracting the midpoint potential V4 from the midpoint potential V3, can obtain a large output fluctuation with respect to the change in current, and the increase and decrease is opposite to the output voltage V5.
  • the output voltage V7 which is a differential output obtained by subtracting the output voltage V6 from the output voltage V5, is obtained, a larger output fluctuation can be obtained.
  • a magnetic field such as geomagnetism other than the magnetic field due to the current to be measured may be applied to the magnetic sensor.
  • Such a magnetic field is called a disturbance magnetic field. Since the disturbance magnetic field increases measurement error, it is preferable to eliminate the influence of this.
  • the magnetic field induced from the current bar 3 is applied to the first magnetic sensor element 2 and the second magnetic sensor element 5 in the opposite directions to each other by the above configuration, and the bias magnetic field Are applied in opposite directions to each other, but the influence of the disturbance magnetic field can be canceled in the output voltage V7 by utilizing the fact that the disturbance magnetic field is applied in the same direction.
  • the application direction of the induced magnetic field due to the current flowing through the current path such as the current bar 3 be different by 180 ° between the first magnetic sensor element 2 and the second magnetic sensor element 5.
  • the first cylindrical bias magnet 1 and the second cylindrical bias magnet 4 are used as means for generating the bias magnetic field, the first magnetic sensor element 2 and the second magnetic sensor are the same as in the first embodiment. Even if the arrangement position of the element 5 is not highly accurate, highly accurate measurement can be performed.
  • the magnetic sensor according to the present invention is useful as a sensor for measuring magnetism. It can also be used as a current sensor based on the principle of detecting an induced magnetic field caused by a current using a magnetic sensor.

Abstract

　磁気センサは、第１の筒バイアス磁石と、第１の磁気センサ素子とを有する。第１の筒バイアス磁石は筒形状であって、底面と、底面と対向する上面と、底面と上面との間に存在し筒の外側の側面である外側面と、底面と上面との間に存在し筒の内側の側面である内側面とで構成され、底面と上面のいずれか一方がＮ極、他方がＳ極に着磁されている。第１の磁気センサ素子は、第１の筒バイアス磁石の底面を含む平面と、上面を含む平面と、内側面とに囲まれた内部空間に位置する。この磁気センサは高精度に外部の磁界の強さを検出可能である。

Description

磁気センサおよびこの磁気センサを用いた電流センサ
　本発明は、磁界を検出する磁気センサ、およびこの磁気センサを用いて導体を流れる電流を測定する電流センサに関する。
　磁界を検出センサとして、磁気センサは知られている。磁気センサとしては、ホール素子や磁気抵抗素子などを用いられたものが知られている。また、磁気センサを使用する際には、バイアス磁石を用いる方法が知られている。さらに、磁気センサを用いて電流が作る誘導磁界を検出する電流センサは知られている。磁気センサとしては、ホール素子や磁気抵抗素子などが知られている。
　そのようなバイアス磁石として筒の磁石を用いた磁気センサは知られている（特許文献１）。
　また、バイアス磁石中に磁気センサを配置した技術も知られている（特許文献２）。
　他にも、バイアス磁石と磁気センサとの関係を開示する文献として、特許文献３～１２がある。
特開２００７－３０３８９１号公報 特開２０００－２９８１３４号公報 特開２０１０－９１３４６号公報 特開２００８－１８０６０３号公報 特開２００６－１９４８３７号公報 特開２００６－１１２８０１号公報 特開２００５－３３１２９５号公報 特開２００４－２２６０９１号公報 特開平１０－３００７６３号公報 特開平８－５６４７号公報 特開平６－７６７０６号公報 特開平１－１７５１４１号公報
　近年、磁気センサには誤差の小さな高精度の特性が求められるようになってきている。高精度を実現するためには、磁気センサの特性に影響する項目のバラツキを小さくする方法がある。そのためには、磁気センサを構成する要素の配置の位置精度を高めることも重要であるが、配置の精度向上にも限界がある。
　特許文献１に記載の磁気センサは、筒のバイアス磁石の端部からはみ出すように磁気センサを配置し、筒バイアス磁石の端部における磁界は、その近傍に存在する磁性体の影響を受けて磁界が反転することを利用している。
　特許文献２に記載の磁気センサは、磁気抵抗素子を有するモールドＩＣの周囲を着磁させて磁性体がモールドされている。これらの文献に開示されているセンサでは、外部の磁界の強さを高精度に検出することが困難である。
　本発明は上記従来課題を解決するもので、外部の磁界の強さを測定する磁気センサに適し、高精度な磁気センサを得ることを目的とする。
　上記目的を達成するため、本開示に係る磁気センサは、筒形状であって、底面と、底面と対向する上面と、底面と上面との間に存在し筒の外側の側面である外側面と、底面と上面との間に存在し筒の内側の側面である内側面とからなり、底面と上面のいずれか一方がＮ極、他方がＳ極に着磁された第１の筒バイアス磁石と、底面を含む平面と、上面を含む平面と内側面に囲まれた内部空間に位置する第１の磁気センサ素子とを備えている。
　上記構成により、例えば、筒形状の筒バイアス磁石の内部空間の磁界が均一になるので、内部空間における磁気センサ素子の位置精度が低くても外部磁界の検出を高精度に実現することができるという作用効果を有する。
　また、本開示に係る磁気センサは筒形状であって、底面と、底面と対向する上面と、底面と上面との間に存在し筒の外側の側面である外側面と、底面と上面との間に存在し筒の内側の側面である内側面とからなり、底面と上面のいずれか一方がＮ極、他方がＳ極に着磁された第１の筒バイアス磁石と、底面を含む平面と、上面を含む平面と内側面に囲まれた内部空間に位置する第１の磁気センサ素子と、筒形状であって、底面と、底面と対向する上面と、底面と上面との間に存在し筒の外側の側面である外側面と、底面と上面との間に存在し筒の内側の側面である内側面とからなり、底面と上面のいずれか一方がＮ極、他方がＳ極に着磁された第２の筒バイアス磁石と、第２の筒バイアス磁石における、底面を含む平面と、上面を含む平面と内側面に囲まれた内部空間に位置する第２の磁気センサ素子とを備え、第１の筒バイアス磁石と第２の筒バイアス磁石の間に電流路が配置されることを特徴としてもよい。
　上記構成により、例えば、外乱磁界の影響を排除することが可能になる。また、筒形状のバイアス磁石を用い、その内部空間に磁気センサ素子を配置させているので、磁気センサ素子の配置位置の精度が低くても電流の測定を高精度に行なうことが可能になるという作用効果を有する。
　本開示の磁気センサは磁気センサ素子の配置精度が低くても外部磁界の検出を高精度に行なうことが可能となる。
実施の形態１における磁気センサの斜視図 図１に示す磁気センサの側面図 図１に示す磁気センサの正面断面図 図１に示す磁気センサの第１の磁気センサ素子の正面図 実施の形態２における磁気センサの斜視図 図５に示す磁気センサの側面図 図５に示す磁気センサの第２の磁気センサ素子の正面図
　（実施の形態１）
　以下、実施の形態１における磁気センサについて、図面を用いて説明する。図１は実施の形態１における磁気センサの斜視図、図２はこの磁気センサの側面図、図３はこの磁気センサの正面断面図、図４はこの磁気センサの第１の磁気センサ素子の正面図である。
　ここで、図１～図４において、方向を示す軸は、第１の筒バイアス磁石１の軸方向をＸ軸、第１の筒バイアス磁石１の半径方向のうち第１の磁気センサ素子２の第１の基板１０の面内に平行な方向をＹ軸、第１の筒バイアス磁石１の半径方向のうち第１の磁気センサ素子２の第１の基板１０の面内に垂直な方向をＺ軸としている。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交している。
　図１に示すように、第１の筒バイアス磁石１は、筒の形状であり、底面１Ａと、底面１Ａに対向する面である上面１Ｂと、外側面１Ｃと、内側面１Ｄとを有している。外側面１Ｃは底面１Ａと上面１Ｂとの間に位置し、筒の外側の側面である。内側面１Ｄは底面１Ａと上面１Ｂとの間に位置し、筒の内側の側面である。ここで、筒の形状は図１に示すように円筒形であることが好ましく、底面１Ａと上面１Ｂは円環形状であることが好ましいが、これに限定されない。例えば、外観が四角柱であるような筒であっても構わない。なお、底面１Ａを含む平面と上面１Ｂを含む平面と内側面１Ｄとに囲まれた空間、即ち筒の内側の空間を内部空間と呼ぶことにする。第１の筒バイアス磁石１は、Ｘ軸正方向の端部である底面１ＡをＮ極、Ｘ軸負方向の端部である上面１ＢをＳ極としている。磁束は、Ｎ極から第１の筒バイアス磁石１の外側を回ってＳ極へたどるものと、Ｎ極から第１の筒バイアス磁石１の内部空間を回ってＳ極へたどるものがある。
　第１の筒バイアス磁石１の外形は柱である。この柱の内部にこれより小さい柱状の内部空間を形成したものが第１の筒バイアス磁石１である。図２に示すようにＹＺ平面に平行な面における第１の筒バイアス磁石１の断面は、環となり、外側、内側いずれも形の形状である。図３に示すようにＸＹ平面における第１の筒バイアス磁石１の断面は、Ｘ軸方向が直線となっている。このような第１の筒バイアス磁石１の内部空間を通る磁束は筒の延伸方向と実質的に平行になるように通過する。そして、内部空間を通る磁束は、内部空間において均一になる。即ち、内部空間において磁界が均一である。ここで、第１の筒バイアス磁石１の内側面は滑らかであることが好ましい。第１の筒バイアス磁石１の内側に凹凸があると、第１の筒バイアス磁石１の内部を通る磁束は筒の延伸方向に実質的に平行になりにくいからである。
　そして、第１の磁気センサ素子２は、該内部空間に配置されることとなる。また、第１の磁気センサ素子２は、平面視において、第１の筒バイアス磁石１の中心に位置することが好ましい。第１の筒バイアス磁石の内部空間の中心における磁界は端部における磁界と比べて磁界の均一性がより高い。従って、第１の磁気センサ素子２を平面視において、第１の筒バイアス磁石１の中心に配置することで、外部磁界の検出をより高精度に実現することが可能となる。
　図４に示すように、第１の磁気センサ素子２は、例えば、アルミナからなる第１の基板１０の表面に磁気抵抗体を形成したものである。具体的には、以下の構成を有する。第１の基板１０の表面に第１の電圧印加端子１１、第１のグランド端子１２、第１の出力端子１３および第２の出力端子１４の４つの端子が形成されている。また、第１の磁気抵抗体パターン１５は第１の電圧印加端子１１と第１の出力端子１３の間に形成されており、第２の磁気抵抗体パターン１６は第１の出力端子１３と第１のグランド端子１２の間に形成されており、第３の磁気抵抗体パターン１７は第１の電圧印加端子１１と第２の出力端子１４の間に形成されており、第４の磁気抵抗体パターン１８は第２の出力端子１４と第１のグランド端子１２の間に形成されている。第１の磁気センサ素子２は第１の磁気抵抗体パターン１５、第２の磁気抵抗体パターン１６、第３の磁気抵抗体パターン１７および第４の磁気抵抗体パターン１８によってフルブリッジ回路を有している。
　これらの磁気抵抗体パターンは、それぞれ、磁界が印加されると抵抗値が変化する磁気抵抗体からなり、例えば、ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）やＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）などの磁気抵抗体を用いることができる。本実施の形態においてはＭＲを用いている。これらの磁気抵抗体パターンはミアンダ状に形成されている。第１の磁気抵抗体パターン１５と第４の磁気抵抗体パターン１８は、磁気抵抗体パターンの長手方向がＸ軸に対し４５°傾いており、Ｘ軸正方向かつＹ軸正方向からＸ軸負方向かつＹ軸負方向に向いた傾きである。第２の磁気抵抗体パターン１６と第３の磁気抵抗体パターン１７は、磁気抵抗体パターンの長手方向がＸ軸に対し４５°傾いており、Ｘ軸正方向かつＹ軸負方向からＸ軸負方向かつＹ軸正方向に向いた傾きである（つまり、第１の磁気抵抗体パターン１５の長手方向は、第２の磁気抵抗体パターン１６の長手方向に対して９０度傾いている。また、第３の磁気抵抗体パターン１７の長手方向は、第４の磁気抵抗体パターン１８の長手方向に対して９０度傾いている）。ＭＲの場合には、磁気抵抗体パターンの面内方向、即ち図４におけるＸＹ平面内で電流の流れる方向に対する垂直な方向の磁界が感磁方向となり抵抗値が変化する。各磁気抵抗体パターンはミアンダ状であるので、各パターンの長手方向の垂直方向が主たる感磁方向となる。従って、第１の磁気抵抗体パターン１５の感磁方向と第４の磁気抵抗体パターン１８の感磁方向は同一であり、第２の磁気抵抗体パターン１６の感磁方向と第３の磁気抵抗体パターン１７の感磁方向は同一であり、第１の磁気抵抗体パターン１５と第４の磁気抵抗体パターン１８の感磁方向は、第２の磁気抵抗体パターン１６と第３の磁気抵抗体パターン１７の感磁方向と互いに垂直な関係にある。
　第１の磁気抵抗体パターン１５、第２の磁気抵抗体パターン１６、第３の磁気抵抗体パターン１７、第４の磁気抵抗体パターン１８は、互いに無磁界時の抵抗値および磁界が印加されたときの抵抗変化が等しい。従って、これらの４個の磁気抵抗体パターンは、それぞれ感磁方向に同一の大きさの磁界が印加されると、同じ抵抗値になる。
　以上のような構成の磁気センサの動作原理について説明を行なう。
　第１の電圧印加端子１１と第１のグランド端子１２間に所定の電圧を印加しておく。第１の出力端子１３は第１の磁気抵抗体パターン１５および第２の磁気抵抗体パターン１６間の中点電位Ｖ１を出力し、同様に第２の出力端子１４は第３の磁気抵抗体パターン１７および第４の磁気抵抗体パターン１８間の中点電位Ｖ２を出力する。中点電位Ｖ１と中点電位Ｖ２の差動出力を求めることで第１の磁気センサ素子２における出力を得ることができる。
　外部からの磁界が印加されていないときには、第１の筒バイアス磁石１からのバイアス磁界だけが、それぞれの抵抗体パターンに印加される。この状態では、それぞれの抵抗体パターンの抵抗値は同じになり、第１の出力端子１３および第２の出力端子１４における電位は等しくなり、両者の差動出力は０Ｖとなる。
　外部から磁界が印加されると、第１の筒バイアス磁石１によるバイアス磁界との合成磁界が第１の磁気センサ素子２に印加される。第１の磁気抵抗体パターン１５と第４の磁気抵抗体パターン１８とは磁界が印加されたときの抵抗値の変化は同一であり、第２の磁気抵抗体パターン１６と第３の磁気抵抗体パターン１７とは磁界が印加されたときの抵抗値の変化も同一であり、前者の抵抗値の増減と後者の抵抗値の増減とは逆方向になるので、第１の出力端子１３と第２の出力端子１４との差動出力による出力変動は、中点電位Ｖ１または中点電位Ｖ２における出力変動の２倍となる。
　このときの各抵抗体パターンの抵抗値変化は、バイアス磁界と外部磁界との合成磁界の大きさと向きによって決定される。従って、第１の出力端子１３および第２の出力端子１４の差動出力を求めただけでは、磁界の大きさは一義的には定まらない。しかし、例えば、磁界の方向がＸ軸方向であることが予め分っている場合には、磁界の大きさに対応した差動出力を得ることが出来るので、磁気センサとして使用することができる。
　本実施の形態における磁気センサは、第１の磁気センサ素子２が第１の筒バイアス磁石１の内側に配置されており、第１の筒バイアス磁石１の内側の磁界は均一であるので、第１の磁気センサ素子２の配置位置に要求される精度が高くなくてもよい。即ち、磁界が均一なので、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に関しては、配置位置は任意でもよいことになる。ただし、第１の筒バイアス磁石１の端部は、磁界は外部からの磁界の影響を受けやすく、必ずしも均一ではない可能性があるので、Ｘ軸方向は、第１の筒バイアス磁石１の端部から十分離れた磁界が均一な位置に配置することが好ましい。
　本実施の形態の磁気センサは、第１の磁気センサ素子２に対してバイアス磁界が均一に印加されるので、第１の磁気抵抗体パターン１５、第２の磁気抵抗体パターン１６、第３の磁気抵抗体パターン１７および第４の磁気抵抗体パターン１８のそれぞれに対しても均一の磁界が印加される。従って、４つの磁気抵抗体パターンへのバイアス磁界の向きと大きさが等しくなる。
　これにより、各抵抗体パターンへ印加される外部からの磁界とバイアス磁界との合成磁界の向きおよび大きさが一定になるので、バイアス磁界のバラツキによる測定誤差を減少させることができる。
　（実施の形態２）
　実施の形態２における磁気センサについて説明する。実施の形態２における磁気センサは、第１の磁気センサ素子２と第２の磁気センサ素子５を利用している。そして、該磁気センサにより、電流路を流れる電流特性を検知することが可能となり、電流センサとして機能することとなる。
　図５は実施の形態２における磁気センサの斜視図、図６はその磁気センサの側面図、図７はその磁気センサの第２の磁気センサ素子の正面図である。図中の符号の内、実施の形態１と同じ構成要素のものには同じ符号を付すことがある。
　図５に示すように、第１の筒バイアス磁石１のＺ軸負方向には電流路としての電流バー３が配置されている。電流バー３のＺ軸負方向には第２の筒バイアス磁石４が配置されている。第２の筒バイアス磁石４の形状は第１の筒バイアス磁石１と同じで筒形状であり、底面４Ａおよび上面４Ｂと、底面４Ａおよび上面４Ｂ間に位置する外側面４Ｃおよび内側面４Ｄとを有する。ここで、筒の形状は円筒形であることが好ましく、底面４Ａと上面４Ｂは円環形状であることが好ましいが、これに限定されない。例えば、外観が四角柱であるような筒であっても構わない。なお、第２の筒バイアス磁石４においても底面４Ａを含む平面と上面４Ｂを含む平面と内側面４Ｄとに囲まれた空間、即ち筒の内側の空間を内部空間と呼ぶことにする。ここで、第２の筒バイアス磁石４の筒の軸方向は第１の筒バイアス磁石１の筒の軸方向と平行であることが好ましい。そして、第２の筒バイアス磁石４の磁極の方向は、第１の筒バイアス磁石１とは逆の方向であることが好ましい。なお、Ｘ軸正方向の端部である底面４ＡをＳ極、Ｘ軸負方向の端部である上面４ＢをＮ極としている。磁束は、Ｎ極から第２の筒バイアス磁石４の外側を回ってＳ極へたどるものと、Ｎ極から第２の筒バイアス磁石４の内部空間を回ってＳ極へたどるものがあるのも第１の筒バイアス磁石１と同様である。また、第２の筒バイアス磁石４においても内部空間の磁界は均一である。
　図６に示すように、第２の磁気センサ素子５は第２の筒バイアス磁石４の内部空間に配置されており、第２の磁気センサ素子５の第２の基板２０はＸＹ平面と平行となる面に配置されている。ここで、第２の磁気センサ素子５は、平面視において、第２の筒バイアス磁石４の中心に位置することが好ましい。第２の筒バイアス磁石４の内部空間の中心における磁界は端部における磁界と比べて磁界の均一性がより高い。従って、第２の磁気センサ素子５を平面視において、第２の筒バイアス磁石４の中心に配置することで、外部磁界の検出をより高精度に実現することが可能となる。
　図７に示すように、第２の磁気センサ素子５は、例えば、アルミナからなる第２の基板２０の表面に磁気抵抗体を形成したものであり、第１の磁気センサ素子２と同様な構成を有する。具体的には、以下の構成を有する。第２の基板２０の表面に第２の電圧印加端子２１、第２のグランド端子２２、第３の出力端子２３および第４の出力端子２４の４つの端子が形成されている。
　第２の電圧印加端子２１と第３の出力端子２３間には第５の磁気抵抗体パターン２５が、第３の出力端子２３と第２のグランド端子２２間には第６の磁気抵抗体パターン２６が、第２の電圧印加端子２１と第４の出力端子２４間には第７の磁気抵抗体パターン２７が、第４の出力端子２４と第２のグランド端子２２間には第８の磁気抵抗体パターン２８がそれぞれ接続されている。第５の磁気抵抗体パターン２５、第６の磁気抵抗体パターン２６、第７の磁気抵抗体パターン２７および第８の磁気抵抗体パターン２８は、それぞれ、磁界が印加されると抵抗値が変化する磁気抵抗体からなり、例えば、ＭＲやＧＭＲなどの磁気抵抗体を用いることができ、本実施の形態においてはＭＲを用いている。これらの磁気抵抗体パターンはミアンダ状に形成されている。第５の磁気抵抗体パターン２５と第８の磁気抵抗体パターン２８は、磁気抵抗体パターンの長手方向がＸ軸に対し４５°傾いており、Ｘ軸負方向かつＹ軸正方向からＸ軸正方向かつＹ軸負方向に向いた傾きである。第６の磁気抵抗体パターン２６と第７の磁気抵抗体パターン２７は、磁気抵抗体パターンの長手方向がＸ軸に対し４５°傾いており、Ｘ軸正方向かつＹ軸正方向からＸ軸負方向かつＹ軸負方向に向いた傾きである。
　電流バー３を流れる電流がＸ軸方向に流れているとすると、この電流による誘導磁界は、電流バー３の上方に位置する第１の磁気センサ素子２にはＹ軸負方向に、第２の磁気センサ素子５にはＹ軸正方向に印加されている。つまり誘導磁界が逆向きに印加されることになる。
　第２の磁気センサ素子５においても、第２の筒バイアス磁石４によるバイアス磁界と電流バー３からの誘導磁界との合成磁界によって、各抵抗体パターンの抵抗値が変化する。
　ここで、電流バー３を流れる電流が増加した場合、合成磁界の向きが第１の磁気抵抗体パターン１５の長手方向に対する平行な方向に近づき、第２の磁気抵抗体パターン１６の長手方向に対して直角方向に近づくので、相対的に第１の磁気抵抗体パターン１５の抵抗値は増加し、第２の磁気抵抗体パターン１６の抵抗値は減少する。従って、第１の出力端子１３の中点電位Ｖ１は低下する。同様に、第２の出力端子１４の中点電位Ｖ２は上昇する。従って、第１の磁気センサ素子２からの出力電圧Ｖ５である中点電位Ｖ１から中点電位Ｖ２を減じた値は減少方向であるが、電流バー３に流れる電流が増加する前後の出力電圧Ｖ５の変動は出力電圧Ｖ５の変動および中点電位Ｖ２の変動に比べて大きい。
　一方、電流バー３を流れる電流が減少した場合には、逆に中点電位Ｖ１が上昇し、中点電位Ｖ２が減少し、出力電圧Ｖ５は増加方向で、電流バー３に流れる電流が減少する前後の出力電圧Ｖ５の変動は出力電圧Ｖ５の変動および中点電位Ｖ２の変動に比べて大きい。
　従って、中点電位Ｖ１から中点電位Ｖ２を減じた差動出力である出力電圧Ｖ５は、電流の変化に対して大きな出力変動を得ることができる。
　第２の磁気センサ素子５においても同様に、電流バー３を流れる電流が増加した場合、第３の出力端子２３の中点電位Ｖ３は上昇し、第４の出力端子２４の中点電位Ｖ４は減少し、電流バー３を流れる電流が減少した場合、中点電位Ｖ３は減少し、第４の出力端子２４の中点電位Ｖ４は上昇する。従って、中点電位Ｖ３から中点電位Ｖ４を減じた差動出力である出力電圧Ｖ６は、電流の変化に対して大きな出力変動を得ることができ、その増減は出力電圧Ｖ５と反対になるので、この出力電圧Ｖ５から出力電圧Ｖ６を減じた差動出力である出力電圧Ｖ７を求めると、さらに大きな出力変動が得られる。
　測定しようとする電流による磁界以外の例えば地磁気などの磁界が磁気センサに印加されることがある。このような磁界は、外乱磁界と呼ばれている。外乱磁界は測定誤差を大きくしてしまうので、これの影響を排除することが好ましい。
　本実施の形態の磁気センサは、上記の構成により、第１の磁気センサ素子２および第２の磁気センサ素子５に対して、電流バー３からの誘導磁界は互いに逆方向に印加され、バイアス磁界も互いに逆方向に印加されるが、外乱磁界は同方向に印加されることを利用して、出力電圧Ｖ７において外乱磁界の影響を打ち消すことができる。このように、電流バー３のような電流路を流れる電流による誘導磁界の印加方向が第１の磁気センサ素子２と第２の磁気センサ素子５とで１８０°異なる向きとなることが好ましい。
　そして、バイアス磁界を発生させる手段として第１の筒バイアス磁石１および第２の筒バイアス磁石４を用いているので、実施の形態１と同様に第１の磁気センサ素子２および第２の磁気センサ素子５の配置位置が高精度でなくても、高精度の測定を行なうことができる。
　本発明に係る磁気センサは、磁気を測定するセンサとして有用である。また、電流による誘導磁界を磁気センサで検出する原理の電流センサとして利用することもできる。
　１　第１の筒バイアス磁石
　１Ａ　底面
　１Ｂ　上面
　１Ｃ　外側面
　１Ｄ　内側面
　２　第１の磁気センサ素子
　３　電流バー
　４　第２の筒バイアス磁石
　４Ａ　底面
　４Ｂ　上面
　４Ｃ　外側面
　４Ｄ　内側面
　５　第２の磁気センサ素子
　１０　第１の基板
　１１　第１の電圧印加端子
　１２　第１のグランド端子
　１３　第１の出力端子
　１４　第２の出力端子
　１５　第１の磁気抵抗体パターン
　１６　第２の磁気抵抗体パターン
　１７　第３の磁気抵抗体パターン
　１８　第４の磁気抵抗体パターン
　２０　第２の基板
　２１　第２の電圧印加端子
　２２　第２のグランド端子
　２３　第３の出力端子
　２４　第４の出力端子
　２５　第５の磁気抵抗体パターン
　２６　第６の磁気抵抗体パターン
　２７　第７の磁気抵抗体パターン
　２８　第８の磁気抵抗体パターン

Claims (11)

  1. 筒形状であって、底面と、前記底面と対向する上面と、前記底面と前記上面との間に存在し筒の外側の側面である外側面と、前記底面と前記上面との間に存在し前記筒の内側の側面である内側面とを有し、前記底面と前記上面のいずれか一方がＮ極、他方がＳ極に着磁された第１の筒バイアス磁石と、
    前記底面を含む平面と、前記上面を含む平面と前記内側面に囲まれた内部空間に位置する第１の磁気センサ素子とを備えた磁気センサ。
  2. 　前記第１の磁気センサ素子は、平面視において、前記第１の筒バイアス磁石の中心に位置することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
  3. 前記第１の磁気センサ素子は第１の磁気抵抗体パターンを有し、
    　前記第１の磁気抵抗体パターンの長手方向は、前記第１の筒バイアス磁石の長手方向に対して４５度傾いていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
  4. 　前記第１の磁気センサ素子は、第２の磁気抵抗体パターンをさらに有し、
    　前記第１の磁気抵抗体パターンの長手方向は、前記第２の磁気抵抗体パターンの長手方向に対して９０度傾いていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の磁気センサ。
  5. 　前記第１の磁気センサ素子は、第３の磁気抵抗体パターン、第４の磁気抵抗体パターンをさらに有し、
    　前記第４の磁気抵抗体パターンの長手方向は、前記第１の筒バイアス磁石の長手方向に対して４５度傾いており、
    　前記第３の磁気抵抗体パターンの長手方向は、前記第４の磁気抵抗体パターンの長手方向に対して９０度傾いていることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ。
  6. 前記第１の筒バイアス磁石の前記内部空間の中心における磁界が均一であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１つに記載の磁気センサ。
  7. 筒形状であって、底面と、前記底面と対向する上面と、前記底面と前記上面との間に存在し筒の外側の側面である外側面と、前記底面と前記上面との間に存在し前記筒の内側の側面である内側面を有し、前記底面と前記上面のいずれか一方がＮ極、他方がＳ極に着磁されたる第２の筒バイアス磁石と、
    前記第２の筒バイアス磁石における、前記底面を含む平面と、前記上面を含む平面と前記内側面に囲まれた内部空間に位置する第２の磁気センサ素子とを備え、
    前記第１の筒バイアス磁石と前記第２の筒バイアス磁石の間に電流路が配置されることを特徴とする請求項１～６のいずれか１つに記載の磁気センサ。
  8. 前記第１の筒バイアス磁石の中心軸と前記第２の筒バイアス磁石の中心軸とは平行であることを特徴とする請求項７に記載の磁気センサ。
  9. 前記第１の筒バイアス磁石の内部空間を通る磁界と前記第２の筒バイアス磁石の内部空間を通る磁界との向きは逆方向であることを特徴とする請求項７又は８に記載の磁気センサ。
  10. 前記電流路を流れる電流による誘導磁界の印加方向が前記第１の磁気センサ素子と前記第２の磁気センサ素子とで１８０°異なる向きであることを特徴とする請求項７～９のいずれか１つに記載の磁気センサ。
  11. 請求項７～１０のいずれか１つに記載の磁気センサにより、前記電流路を流れる電流特性を検知することが可能であることを特徴とする電流センサ。
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