JP2006125962A - 電流センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 この電流センサは、第1の階層L1においてX方向に延在すると共に検出対象電流Imが供給されるバスライン10と、第2の階層L2におけるバスライン10と対応する領域においてX方向に延在する磁気抵抗効果素子21と、第3の階層L3におけるバスライン10と対応する領域においてX方向に延在する磁気抵抗効果素子22とを備えている。磁気抵抗効果素子21の抵抗値R1と磁気抵抗効果素子22の抵抗値R2とは、検出対象電流Imにより生ずる電流磁界Hmに応じて互いに逆方向に変化するように構成されている。磁気抵抗効果素子21,22とバスライン10とを近接して配置することができ、コンパクト化を図りつつ電流磁界Hmを感度良く検出することができる。
【選択図】 図2
Description
(A)第1の階層において第1の方向に延在すると共に検出対象電流が供給される導体
(B)第1の階層と異なる第2の階層の上記導体と対応する領域において第1の方向に延在すると共に、導体に流れる検出対象電流により生ずる電流磁界に応じて抵抗値が変化する第1の磁気抵抗効果素子
(C)第1の階層を基準として、第2の階層と反対側に位置する第3の階層の導体と対応する領域において第1の方向に延在すると共に、電流磁界に応じて第1の磁気抵抗効果素子とは逆方向に抵抗値が変化する第2の磁気抵抗効果素子
ここでいう「逆方向」とは、抵抗値の増減の方向が逆であることを意味する。したがって、第1の磁気抵抗効果素子の抵抗値が増加したときには第2の磁気抵抗効果素子の抵抗値は減少し、第1の磁気抵抗効果素子の抵抗値が減少したときには第2の磁気抵抗効果素子の抵抗値は増加する、という関係にある。
最初に、図1および図2を参照して、本発明の第1の実施の形態としての電流センサの構成について説明する。図1は、本実施の形態の電流センサ1の斜視構成を表す概略図である。図2は、図1の電流センサ1に示したII−II切断線における矢視方向(−X方向)の断面構成を表したものである。この電流センサ1は、例えば、産業機械や民生機器などにおいて動作の制御を行う制御機器に搭載され、制御信号としての電流を正確に測定するために用いられるものである。なお、後述する第2の実施の形態との区別を行うため、本実施の形態では電流センサ1Aと呼ぶ。
V1=I0・R1
であり、第4の接続点P4(電極膜45)における電位V2は、
V2=I0・R2
となる。よって、第3の接続点P3と第4の接続点P4との間の電位差は、
V0=V1−V2
=I0・R1−I0・R2
=I0・(R1−R2) …(1)
V0=V1−V2
=I0・(R1−R2)
=I0・{(R1+ΔR1)−(R2+ΔR2)} …(2)
となる。
R1=R2=R
かつ
ΔR1=−ΔR2=ΔR
であると仮定した場合、式(3)は、
V0=I0・(R1+ΔR1−R2−ΔR2)
=I0・(R+ΔR−R+ΔR)
=I0・(2ΔR) …(4)
となる。したがって、予め外部磁界と抵抗変化量との関係を把握した磁気抵抗効果素子21,22を用いるようにすれば、電流磁界Hmの大きさを求めることができ、その大きさの電流磁界Hmを発生する検出対象電流Imの大きさを推定することができる。この場合、2つの磁気抵抗効果素子21,22を用いてセンシングを行っているので、磁気抵抗効果素子21または磁気抵抗効果素子22を単独で用いてセンシングを行う場合と比べて2倍の抵抗変化量を取り出すことができ、測定値の高精度化に有利となる。
続いて、図9および図10を参照して、本発明の第2の実施の形態としての電流センサ1Bについて説明する。
V=I1・R4+I1・R1=I2・R3+I2・R2
=I1(R4+R1)=I2(R3+R2) ……(5)
と表すことができる。
また、第3の接続点P3における電位V1および第4の接続点P4における電位V2は、それぞれ、
V1=V−V4
=V−I1・R4
V2=V−V3
=V−I2・R3
と表せる。よって、第3の接続点P3と第4の接続点P4との間の電位差V0は、
V0=V1−V2
=(V−I1・R4)−(V−I2・R3)
=I2・R3−I1・R4 ……(6)
ここで、(5)式から
V0=R3/(R3+R2)・V−R4/(R4+R1)・V
={R3/(R3+R2)−R4/(R4+R1)}・V ……(7)
となる。このブリッジ回路では、電流磁界Hmが印加されたときに、上記の式(7)で示された第3および第4の接続点P3,P4間の電圧V0を測定することにより、抵抗変化量が得られる。電流磁界Hmが印加されたときに、抵抗値R1〜R4がそれぞれ変化量ΔR1〜ΔR1だけ増加したとすると、すなわち、抵抗値R1〜R4がそれぞれ、
R1→R1+ΔR1
R2→R2+ΔR2
R3→R3+ΔR3
R4→R4+ΔR4
のように変化したとすると、電流磁界Hmを印加後は、式(7)より、
V0={(R3+ΔR3)/(R3+ΔR3+R2+ΔR2)−(R4+ΔR4)/(R4+ΔR4+R1+ΔR1)}・V ……(8)
となる。すでに述べたように、電流センサ1Bでは、磁気抵抗効果素子21,23の抵抗値R1,R3と磁気抵抗効果素子22,24の抵抗値R2,R4とが逆方向に変化する(磁気抵抗効果素子21,23と磁気抵抗効果素子22,24とでは逆方向に電流磁界Hmが印加されることから、磁気抵抗効果素子21〜24の全てに対して、同一方向のバイアス磁界を予め印加するようにする。)ので、変化量ΔR3と変化量ΔR2とが打ち消し合うと共に変化量ΔR4と変化量ΔR1とが打ち消し合うこととなる。このため、電流磁界Hmの印加前後を比較した場合、式(8)の各項における分母の増加はほとんど無い。一方、各項の分子については、変化量ΔR3と変化量ΔR4とは必ず反対の符号を有するので、打ち消し合うことなく増減が現れることとなる。これは、図7から明らかなように、バイアス点BP1に対応するバイアス磁界が予め印加された状態において+Y方向の電流磁界Hmが印加されることにより、磁気抵抗効果素子22,24では、抵抗値は変化量ΔR2,ΔR4(ΔR2,ΔR4<0)の分だけそれぞれ変化する(実質的に低下する)一方で、磁気抵抗効果素子21,23では、抵抗値は変化量ΔR1,ΔR3(ΔR1,ΔR3>0)の分だけそれぞれ変化する(実質的に増加する)からである。
R=R1=R2=R3=R4
かつ
ΔR=ΔR1=−ΔR2=ΔR3=−ΔR4
であるとした場合、式(8)は、
V0={(R+ΔR)/(2R)−(R−ΔR)/(2R)}・V
=(ΔR/R)・V
となる。
Claims (14)
- 第1の階層において第1の方向に延在すると共に検出対象電流が供給される導体と、
前記第1の階層と異なる第2の階層の前記導体と対応する領域において前記第1の方向に延在すると共に、前記導体に流れる検出対象電流により生ずる電流磁界に応じて抵抗値が変化する第1の磁気抵抗効果素子と、
前記第1の階層を基準として、前記第2の階層と反対側に位置する第3の階層の前記導体と対応する領域において前記第1の方向に延在すると共に、前記電流磁界に応じて前記第1の磁気抵抗効果素子とは逆方向に抵抗値が変化する第2の磁気抵抗効果素子と
を備えたことを特徴とする電流センサ。 - 前記第1および第2の磁気抵抗効果素子の各々に対して互いに等しい値の定電流を流したときに生ずる電圧降下の差分に基づいて前記検出対象電流を検出する
ことを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。 - 前記第2の階層と隣接する第4の階層における前記第1の磁気抵抗効果素子と対応する領域に設けられ、前記電圧降下の差分に応じた補償電流が流れることにより、前記検出対象電流に基づいて前記第1の磁気抵抗効果素子に印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を前記第1の磁気抵抗効果素子に対して付与するように構成された第1の補償電流線と、
前記第3の階層と隣接する第5の階層における前記第2の磁気抵抗効果素子と対応する領域に設けられ、前記電圧降下の差分に応じた補償電流が流れることにより、前記検出対象電流に基づいて前記第2の磁気抵抗効果素子に印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を前記第2の磁気抵抗効果素子に対して付与するように構成された第2の補償電流線と
をさらに備えたことを特徴とする請求項2に記載の電流センサ。 - 前記第1および第2の磁気抵抗効果素子は、前記第1の方向と直交する第2の方向に互いに隣在し合うように配設されると共に互いに直列接続された複数の素子パターンをそれぞれ有する
ことを特徴とする請求項3に記載の電流センサ。 - 前記第1および第2の磁気抵抗効果素子は、前記第1の方向と直交する第2の方向に互いに隣在し合うように配設されると共に互いに並列接続された複数の素子パターンをそれぞれ有する
ことを特徴とする請求項3に記載の電流センサ。 - 前記第1の補償電流線は、前記第1の磁気抵抗効果素子の各素子パターンと対応して前記第1の方向に延在する複数の巻線体部分を含んで前記第4の階層内を巻回するように構成され、
前記第2の補償電流線は、前記第2の磁気抵抗効果素子の各素子パターンと対応して前記第1の方向に延在する複数の巻線体部分を含んで前記第5の階層内を巻回するように構成されている
ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の電流センサ。 - 前記第1および第2の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、いずれも、前記第1の方向に固着された磁化を有する磁化固着膜を含んでいる
ことを特徴とする請求項4から請求項6のいずれか1項に記載の電流センサ。 - 前記第2の階層における前記導体と対応する領域のうち、前記第1の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域において前記第1の方向に延在すると共に、前記電流磁界に応じて抵抗値が前記第1の磁気抵抗効果素子と同方向へ変化するように構成された第3の磁気抵抗効果素子と、
前記第3の階層における前記導体と対応する領域のうち、前記第2の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域において前記第1の方向に延在すると共に、前記電流磁界に応じて抵抗値が前記第1の磁気抵抗効果素子とは逆方向へ変化するように構成された第4の磁気抵抗効果素子と
をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。 - 前記第1および第2の磁気抵抗効果素子は、その一端同士が第1の接続点において接続され、
前記第3および第4の磁気抵抗効果素子は、その一端同士が第2の接続点において接続され、
さらに、前記第1の磁気抵抗効果素子の他端と前記第4の磁気抵抗効果素子の他端とが第3の接続点において接続され、かつ、前記第2の磁気抵抗効果素子の他端と前記第3の磁気抵抗効果素子の他端とが第4の接続点において接続されており、
前記第1の接続点と前記第2の接続点との間に電圧が印加されたときに生ずる前記第3の接続点と前記第4の接続点との間の電位差に基づいて前記検出対象電流が検出されるようにブリッジ回路が構成されている
ことを特徴とする請求項8に記載の電流センサ。 - 前記第2の階層と隣接する第4の階層における前記第1および第3の磁気抵抗効果素子の双方と対応する領域に設けられ、前記電位差に応じた補償電流が流れることにより、前記検出対象電流に基づいて前記第1および第3の磁気抵抗効果素子に印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を前記第1および第3の磁気抵抗効果素子に対して付与するように構成された第1の補償電流線と、
前記第3の階層と隣接する第5の階層における前記第2および第4の磁気抵抗効果素子の双方と対応する領域に設けられ、前記電位差に応じた補償電流が流れることにより、前記検出対象電流に基づいて前記第2および第4の磁気抵抗効果素子に印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を前記第2および第4の磁気抵抗効果素子に対して付与するように構成された第2の補償電流線と
をさらに備えたことを特徴とする請求項9に記載の電流センサ。 - 前記第1から第4の磁気抵抗効果素子は、前記第1の方向と直交する第2の方向に互いに隣在し合うように配設されると共に互いに直列接続された複数の素子パターンをそれぞれ有する
ことを特徴とする請求項10に記載の電流センサ。 - 前記第1から第4の磁気抵抗効果素子は、前記第1の方向と直交する第2の方向に互いに隣在し合うように配設されると共に互いに並列接続された複数の素子パターンをそれぞれ有する
ことを特徴とする請求項10に記載の電流センサ。 - 前記第1の補償電流線は、前記第1および第3の磁気抵抗効果素子の双方の素子パターンと対応して前記第1の方向へ延在する複数の巻線体部分を含んで前記第4の階層内を巻回するように構成され、
前記第2の補償電流線は、前記第2および第4の磁気抵抗効果素子の双方の素子パターンと対応して前記第1の方向へ延在する複数の巻線体部分を含んで前記第5の階層内を巻回するように構成されている
ことを特徴とする請求項11または請求項12に記載の電流センサ。 - 前記第1から第4の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、いずれも、前記第1の方向に固着された磁化を有する磁化固着膜を含んでいる
ことを特徴とする請求項11から請求項13のいずれか1項に記載の電流センサ。
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