JP2015155796A

JP2015155796A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2015155796A
Application number: JP2012124096A
Authority: JP
Inventors: 正憲鮫島; Masanori Samejima; 澄夫前川; Sumio Maekawa; 隆司梅田; Takashi Umeda
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2015-08-27
Also published as: WO2013179613A1

Abstract

【課題】本発明は、形状を小形化できるとともに、外部磁界が存在する場合であっても、非接触で電流路に流れる電流を正確に測定することができる電流センサを提供することを目的とするものである。【解決手段】この目的を達成するために、本発明の電流センサは電流路２２を挾んで磁気抵抗素子２３、２５と、磁石２４、２６とを電流路２２に対して平行かつ対称に配置し、磁石２４のＮ極からＳ極に向かう方向と、磁石２６のＳ極からＮ極に向かう方向とを被検出電流の流れる方向と一致させるようにしたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、被測定電流が流れる電流線の周囲に発生する磁界を検出することにより、被測定電流を測定する電流センサに関するものである。

近年、ハイブリッドカー、ＥＶ車等のバッテリーの充放電電流や、電気モーターの駆動電流等の数十Ａから数百Ａレベルの大電流を高精度に計測するための電流センサが求められている。図７は従来の電流センサの概略構成を示す平面図である。ＸＹＺ座標を図のようにとったとき、この電流センサ１はＸＹ平面に平行に置かれた基板２を備えており、その基板２には基板２の表面２ａおよび裏面２ｂを貫通するスリット３が形成されている。スリット３には、被検出電流Ｉが流れる板状の電流路４が挿通されている。電流路４を流れる被測定電流Ｉの向きは、Ｚ軸の負方向、すなわち紙面の表面から裏面に垂直に貫通する方向である。また、図８は電流センサに作用する磁束密度ベクトルの説明図である。

基板２の表面２ａには磁気抵抗素子５ａ、６ａが取付けられている。磁気抵抗素子５ａ、６ａは電流路４に対して対称な位置に設けられている。基板２の裏面２ｂには磁気抵抗素子５ａにバイアス磁界を印加するバイアス磁石５ｂと、磁気抵抗素子６ａにバイアス磁界を印加するバイアス磁石６ｂとが取付けられている。磁気抵抗素子５ａは基板２を挟んでバイアス磁石５ｂの真上に配置されており、磁気抵抗素子６ａは基板２を挟んでバイアス磁石６ｂの真上に配置されている。各バイアス磁石５ｂ、６ｂの横断面の面積は、直上に配置された磁気抵抗素子の横断面の面積よりも大きくしている。また、バイアス磁石５ｂ、６ｂは、Ｎ極同士を相対向させて配置されている。

磁気抵抗素子５ａ、６ａはハーフブリッジ回路を構成する磁気抵抗Ｒａ、Ｒｂをそれぞれ備えている。各磁気抵抗は同一の基板面に形成されている。また、各磁気抵抗の磁化容易軸（電流の流れる方向）は、各磁気抵抗の形成方向と同一であり、各磁化容易軸はそれぞれ基板面と平行である。また、各磁気抵抗Ｒａ、Ｒｂは、それぞれ磁化容易軸と被検出電流Ｉの方向とが４５°を成すように配置されている。磁気抵抗素子５ａにおける磁気抵抗Ｒａと磁気抵抗Ｒｂは接続点７ａで接続され、磁気抵抗Ｒａの一端はグランドに接続され、磁気抵抗Ｒｂの一端は電源Ｖｃｃに接続されている。また、磁気抵抗素子６ａにおける磁気抵抗Ｒａと磁気抵抗Ｒｂは接続点７ｂで接続され、磁気抵抗Ｒａの一端はグランドに接続され、磁気抵抗Ｒｂの一端は電源Ｖｃｃに接続されている。接続点７ａ、７ｂは差動増幅器（図示せず）の入力端子に接続されている。

図８（ａ）において、磁気抵抗素子５ａにはバイアス磁石５ｂからの磁束密度ベクトルＢｍ１がＹ軸の正方向に印加されており、磁気抵抗素子６ａにはバイアス磁石６ｂからの磁束密度ベクトルＢｍ２がＹ軸の負方向に印加されている。電流路４に被測定電流Ｉが流れていない時、磁気抵抗Ｒａ、Ｒｂの抵抗値は磁束密度ベクトルＢｍ１、Ｂｍ２の作用により一様に減少する。その結果、磁気抵抗素子５ａ、６ａで構成されるフルブリッジ回路は平衡するため、差動増幅器の出力Ｖ_OUTはたとえばＶｃｃ／２のいわゆる０点電位に留まることになる。

電流路４に被測定電流Ｉが流れると、磁気抵抗素子５ａにはＸ軸の正方向を向く磁束密度ベクトルＢｃ１がさらに印加される。これにより、磁気抵抗素子５ａにはバイアス磁石５ｂからの磁束密度ベクトルＢｍ１と、被測定電流Ｉによる磁束密度ベクトルＢｃ１の合成磁束密度ベクトルＢ１が印加される。合成磁束密度ベクトルＢ１は磁束密度ベクトルＢｍ１と角度θをなす。同様にして、被測定電流Ｉが流れると、磁気抵抗素子６ａにはＸ軸の負方向に磁束密度ベクトルＢｃ２がさらに印加される。これにより、磁気抵抗素子６ａには磁束密度ベクトルＢｍ２およびＢｃ２の合成磁束密度ベクトルＢ２が印加される。合成磁束密度ベクトルＢ２は磁束密度ベクトルＢｍ２と角度θをなす。このとき、磁束密度ベクトルＢｍ１の大きさは磁気抵抗素子５ａ内で略一様であるが、磁束密度ベクトルＢｃ１、Ｂｃ２の大きさは電流路４からの距離に略反比例して小さくなる。

磁気抵抗素子５ａ、６ａは磁束密度ベクトルＢｍ１、Ｂｍ２の大きさが同一であり、かつ磁気抵抗素子５ａ、６ａ内の電流路４に対して対称な位置における磁束密度ベクトルＢｃ１、Ｂｃ２の大きさが同一となるように構成されている。このため、磁気抵抗素子５ａ、６ａ内の電流路４に対して対称な位置、たとえば磁気抵抗素子５ａ、６ａの中心における合成磁束密度ベクトルＢ１、Ｂ２は、大きさが同一で向きが１８０度異なるので、両合成磁束密度ベクトルの和は０になる。

被検出電流Ｉが増加すると、磁束密度ベクトルＢｃ１、Ｂｃ２が増大するため、位相θが増加するとともに、合成磁束密度ベクトルＢ１、Ｂ２が増大する。このため、磁気抵抗素子５ａの磁気抵抗Ｒａの抵抗値が増加し、磁気抵抗Ｒｂの抵抗値が減少する。これにより、接続点７ａの電位は上昇する。また、磁気抵抗素子６ａの磁気抵抗Ｒａの抵抗値が減少し、磁気抵抗Ｒｂの抵抗値が増加する。これにより、接続点７ｂの電位は低下する。その結果、磁気抵抗素子５ａ、６ａで構成されるフルブリッジ回路の平衡が崩れ、差動増幅器の出力Ｖ_OUTは、たとえばＶｃｃ／２の０点電位より大きいＶ１となる。

被検出電流Ｉが減少すると、磁束密度ベクトルＢｃ１、Ｂｃ２が減少するため、位相θが減少するとともに、合成磁束密度ベクトルＢ１、Ｂ２が減少する。その結果、差動増幅器の出力Ｖ_OUTは、たとえばＶｃｃ／２の０点電位より大きいＶ２（Ｖ２＜Ｖ１）となる。こうして、差動増幅器の出力Ｖ_OUTから電流路４に流れる被測定電流Ｉを検出することができるものである。

次に、磁気抵抗素子５ａ、６ａに一様な外部密度ベクトルＢｅｘが印加された場合を考える。簡単のために、図８（ｂ）に示すように、電流路４には被測定電流Ｉが流れておらず、外部磁界密度ベクトルＢｅｘはＸ軸の正方向に印加されているものとする。このとき、合成磁束密度ベクトルＢ１、Ｂ２の大きさは等しいが、合成磁束密度ベクトルＢ１は磁束密度ベクトルＢｍ１に対して位相αだけ進み、合成磁束密度ベクトルＢ２は磁束密度ベクトルＢｍ２に対して位相αだけ遅れることになる。このため、磁気抵抗素子５ａの磁気抵抗Ｒａの抵抗値が増加し、磁気抵抗Ｒｂの抵抗値が減少する。これにより、接続点７ａの電位は上昇する。しかしながら、磁気抵抗素子６ａの磁気抵抗Ｒａの抵抗値は増加し、磁気抵抗Ｒｂの抵抗値が減少する。これにより、接続点７ｂの電位が上昇する。その結果、磁気抵抗素子５ａ、６ａで構成されるフルブリッジ回路は平衡状態を維持するため、差動増幅器の出力Ｖ_OUTはたとえばＶｃｃ／２のいわゆる０点電位に留まることになる。

すなわち、この電流センサは外部磁界が存在する場合であっても、被測定電流Ｉの電流値に誤差が発生することがなく、非接触で電流路に流れる電流を形成することができるものである。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２０１１−２４２２７０号公報

しかしながら、上記従来の電流センサにおいては、磁気検出素子５ａ、６ａが電流路４を流れる被測定電流Ｉに垂直な面（ＸＹ面）内に配置されているために、電流センサのＹ軸方向の寸法が大きくなってしまうという問題点があった。また、磁気検出素子５ａ、６ａが電流路４を流れる被測定電流Ｉに垂直な面内に配置されているとともに、磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄをそれぞれ磁化容易軸と被検出電流Ｉの方向とが４５°を成すように配置する必要があるために、磁気検出素子５ａ、６ａを電流路４に近接して配置するには限界がある。そのため、電流路４に流れる被測定電流Ｉにより発生する磁界を有効に捉えることが困難であり、電流測定のＳ／Ｎが低下するという問題点もあった。さらに、電流路４に流れる被測定電流Ｉにより発生する磁束密度は電流路からの距離に反比例して減少するため、磁気検出素子５ａ、６ａ内での磁束密度が一様とはならない。そのため、磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄの位置にばらつきがあると磁気検出素子５ａ、６ａで構成されるブリッジ回路の抵抗変化に誤差が生じ、測定される電流値に誤差が発生するという問題点もあった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、形状を小形化できるとともに、電流路に流れる被測定電流Ｉにより発生する磁界を有効に検出してＳ／Ｎ比を高めることができ、さらに前記磁気抵抗素子を構成する磁気検出素子の平面内での位置に対する制約を解消でき、外部磁界が存在する場合であっても、被測定電流Ｉの電流値に誤差が発生することがなく、非接触で電流路に流れる電流を正確に測定することができる電流センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。

請求項１に記載の発明は、電流路を挾んで配置された第１および第２の磁気抵抗素子と、前記第１の磁気抵抗素子にバイアス磁界を与える第１の磁界発生手段と、前記第２の磁気抵抗素子にバイアス磁界を与える第２の磁界発生手段と、を備え、前記第１および第２の磁気抵抗素子の出力信号から前記電流路を流れる電流を検出するように構成された電流センサであって、前記第１の磁界発生手段のＮ極の中心からＳ極の中心に向かう方向が前記被検出電流の流れる方向と一致するとともに、前記第２の磁界発生手段のＳ極の中心からＮ極の中心に向かう方向が前記被検出電流の流れる方向と一致するように配置されており、前記第１の磁気抵抗素子の磁気抵抗を含む平面および前記第２の磁気抵抗素子の磁気抵抗を含む平面は、前記電流路と平行に配置されるとともに、前記第１の磁気抵抗素子の磁気抵抗を含む平面と前記電流路との距離が、前記第２の磁気抵抗素子の磁気抵抗を含む平面と前記電流路との距離と等しいように構成したもので、この構成によれば、電流センサのＹ軸方向の寸法を小さくすることができ、さらに磁気抵抗素子を電流路に近接して配置できるため、電流路に流れる被測定電流Ｉにより発生する磁界を有効に検出してＳ／Ｎ比を高めることができ、さらに電流路に流れる被測定電流Ｉにより発生する磁束密度が前記磁気抵抗素子内で一定となるため、前記磁気抵抗素子を構成する磁気検出素子の平面内での位置に対する制約を解消できるとともに、外部磁界が存在する場合であっても、被測定電流Ｉの電流値に誤差が発生することがなく、非接触で電流路に流れる電流を正確に測定できるという作用効果を有するものである。

請求項２に記載の発明は、特に、前記第１および第２の磁界発生手段を薄膜磁石としたもので、この構成によれば、磁気抵抗素子にさらに一様で高い磁束密度を与えることができるとともに、磁気検出素子上に一体に形成でき、きわめて小形の電流センサが実現できるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明は、電流路を挾んで配置された第１および第２の磁気抵抗素子と、前記第１の磁気抵抗素子にバイアス磁界を与える第１の磁界発生手段と、前記第２の磁気抵抗素子にバイアス磁界を与える第２の磁界発生手段と、を備え、前記第１および第２の磁気抵抗素子の出力信号から前記電流路を流れる電流を検出するように構成された電流センサであって、前記第１の磁界発生手段のＮ極の中心からＳ極の中心に向かう方向が前記被検出電流の流れる方向と一致するとともに、前記第２の磁界発生手段のＳ極の中心からＮ極の中心に向かう方向が前記被検出電流の流れる方向と一致するように配置されており、前記第１の磁気抵抗素子の磁気抵抗を含む平面および前記第２の磁気抵抗素子の磁気抵抗を含む平面は、前記電流路と平行に配置されるとともに、前記第１の磁気抵抗素子の磁気抵抗を含む平面と前記電流路との距離が、前記第２の磁気抵抗素子の磁気抵抗を含む平面と前記電流路との距離と等しいように構成したもので、形状を小形化できるとともに、電流路に流れる被測定電流Ｉにより発生する磁界を有効に検出してＳ／Ｎ比を高めることができ、さらに前記磁気抵抗素子を構成する磁気検出素子の平面内での位置に対する制約を解消でき、外部磁界が存在する場合であっても、被測定電流Ｉの電流値に誤差が発生することがなく、非接触で電流路に流れる電流を正確に測定することができる電流センサを提供できるという優れた効果を奏するものである。

（ａ）本発明の実施の形態１における電流センサの構成を示す断面図、（ｂ）同電流センサの構成を示す側面図（ａ）第１の磁気抵抗素子の平面図、（ｂ）第２の磁気抵抗素子の平面図（ａ）本発明の効果を確認するための実験装置の構成を示す断面図、（ｂ）同実験装置の構成を示す側面図（ａ）第１の磁気抵抗素子の上面図、（ｂ）同磁気抵抗素子の断面図（ａ）Ｘ軸方向の外部磁界の磁束密度を印加したときの加算器の出力変化率を示す測定データを示す図、（ｂ）Ｚ軸方向の外部磁界の磁束密度を印加したときの加算器の出力変化率を示す測定データを示す図（ａ）本発明の実施の形態２における電流センサにおける磁気抵抗素子の平面図、（ｂ）同磁気抵抗素子の断面図従来の電流センサの概略構成を示す平面図（ａ）、（ｂ）同電流センサに作用する磁束密度ベクトルの説明図

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の請求項１に記載の発明について、図面を参照しながら説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１における電流センサ２１の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は同電流センサ２１の構成を示す側面図である。図１（ａ）（ｂ）において、ＸＹＺ座標を図のようにとったとき、２２はＺ軸方向に延びる電流路であり、銅等の良導電体からなる。この電流路２２にはＺ軸の負方向に被検出電流Ｉが流れている。この電流路２２の上方、すなわちＹ軸の正方向には第１の磁気抵抗素子２３と、この第１の磁気抵抗素子２３にバイアス磁界を与える第１の磁石２４が第１の磁気抵抗素子２３の直上に配置されている。また電流路２２の下方、すなわちＹ軸の負方向には第２の磁気抵抗素子２５と、この第２の磁気抵抗素子２５にバイアス磁界を与える第２の磁石２６が第２の磁気抵抗素子２５の直下に配置されている。第１の磁石２４のＮ極の中心からＳ極の中心に向かう方向は被検出電流Ｉの流れる方向と一致するとともに、第２の磁石のＳ極の中心からＮ極の中心に向かう方向が前記被検出電流の流れる方向と一致するように配置されている。２７は電流路２２に流れる被測定電流Ｉによって電流路２２の周りに発生する磁界である。さらに、２８、２９は各々第１、第２の磁石２４、２６の周りに発生する磁界である。

図２（ａ）（ｂ）は各々第１および第２の磁気抵抗素子２３、２５の平面図である。第１および第２の磁気抵抗素子２３、２５はフルブリッジ回路を構成する磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄをそれぞれ備えている。３１はセラミック等の絶縁基板であり、磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは同一の基板面に形成されている。磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄはＮｉ−Ｃｏ等の強磁性体からなる厚み約０．１μｍの磁気抵抗薄膜である。そして、前記磁気抵抗３０ａ、３０ｂおよび磁気抵抗３０ｃ、３０ｄは各々直列に接続され、感磁方向に垂直な方向であるパターンの長手方向は互いに直交するとともに、被検出電流Ｉの方向と４５°を成すように配置されている。第１の磁気抵抗素子２３における磁気抵抗３０ａと磁気抵抗３０ｂは接続点３２で接続され、磁気抵抗３０ｃと磁気抵抗３０ｄは接続点３３で接続されている。磁気抵抗３０ａと磁気抵抗３０ｄの他端は電源Ｖｃｃに接続され、磁気抵抗３０ｂと磁気抵抗３０ｃの他端はグランドに接続されている。同様に、第２の磁気抵抗素子２５における磁気抵抗３０ａと磁気抵抗３０ｂは接続点３４で接続され、磁気抵抗３０ｃと磁気抵抗３０ｄは接続点３５で接続されている。磁気抵抗３０ａと磁気抵抗３０ｄの他端は電源Ｖｃｃに接続され、磁気抵抗３０ｂと磁気抵抗３０ｃの他端はグランドに接続されている。また、接続点３２、３３は第１の差動増幅器（図示せず）の入力端子に接続されている。さらに、接続点３４、３５は第２の差動増幅器（図示せず）の入力端子に接続されている。さらに、第１の差動増幅器と第２の差動増幅器との出力は加算器（図示せず）に入力されている。

第１の磁気抵抗素子２３の磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを含む平面、すなわち基板面および第２の磁気抵抗素子２５の磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを含む平面、すなわち基板面は電流路２２に対して平行に配置されるとともに、第１の磁気抵抗素子２３の磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを含む平面と電流路２２との距離が、第２の磁気抵抗素子２５の磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを含む平面と電流路２２との距離と等しくなるように配置されている。

このとき、前記第１の磁気抵抗素子２３の中心と前記第１の磁石２４の中心とが同軸であって互いに近接するように配置するとともに、前記第２の磁気抵抗素子２５の中心と前記第２の磁石２６の中心とが同軸であって互いに近接するように配置することが望ましい。このように構成することにより、前記第１および第２の磁気抵抗素子２３、２５に一様で高い磁束密度を与えることができ、電流路に流れる電流をさらに高精度で測定できる。

図２（ａ）（ｂ）を参照して、本発明の実施の形態１における電流センサ２１の動作を説明する。図２において、第１の磁気抵抗素子２３には第１の磁石２４からの磁束密度ベクトルＢｍ１がＺ軸の正方向に印加され、第２の磁気抵抗素子２５には第２の磁石２６からの磁束密度ベクトルＢｍ２がＺ軸の負方向に印加されている。

電流路２２に被測定電流Ｉが流れていない時、磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの抵抗値は磁束密度ベクトルＢｍ１、Ｂｍ２の作用により一様に減少する。このとき、磁気抵抗３０ａ、３０ｃの抵抗値の積と、磁気抵抗３０ｂ、３０ｄの抵抗値の積が等しくなるように設定していると、磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄで構成されるフルブリッジ回路は平衡するため、第１および第２の差動増幅器の出力Ｖ_OUT1、Ｖ_OUT2は０となる。そして、これら第１および第２の差動増幅器の出力Ｖ_OUT1、Ｖ_OUT2の出力を加算する加算器の出力はたとえばＶｃｃ／２のいわゆる０点電位に留まることになる。

電流路２２に被測定電流Ｉが流れると、第１の磁気抵抗素子２３にはＸ軸の正方向を向く磁束密度ベクトルＢｃ１がさらに印加される。これにより、第１の磁気抵抗素子２３には第１の磁石２４からの磁束密度ベクトルＢｍ１と、被測定電流Ｉによる磁束密度ベクトルＢｃ１の合成磁束密度ベクトルＢ１が印加される。合成磁束密度ベクトルＢ１は磁束密度ベクトルＢｍ１と角度θ１をなす。同様にして、被測定電流Ｉが流れると、第２の磁気抵抗素子２５にはＸ軸の負方向に磁束密度ベクトルＢｃ２がさらに印加される。これにより、第２の磁気抵抗素子２５には磁束密度ベクトルＢｍ２およびＢｃ２の合成磁束密度ベクトルＢ２が印加される。合成磁束密度ベクトルＢ２は磁束密度ベクトルＢｍ２と角度θ２をなす。ここで、磁束密度ベクトルＢｍ１の大きさは磁束密度ベクトルＢｍ２の大きさと一致するように第１の磁石２４の強さ、第２の磁石２６の強さ、第１の磁石２４と第１の磁気抵抗素子２３との距離、第２の磁石２６と第２の磁気抵抗素子２５との距離が調整されている。また、前記のように、第１の磁気抵抗素子２３の磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを含む平面および第２の磁気抵抗素子２５の磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを含む平面は電流路２２と平行に配置されるとともに、第１の磁気抵抗素子２３の磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを含む平面と電流路２２との距離が、第２の磁気抵抗素子２５の磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを含む平面と電流路２２との距離と等しくなるように配置しているために、磁束密度ベクトルＢｃ１、Ｂｃ２の大きさは各々第１および第２の磁気抵抗素子２３、２５の面内で一定であるとともに、互いに等しくなる。このため、第１および第２の磁気抵抗素子２３、２５の面内の合成磁束密度ベクトルＢ１、Ｂ２は、大きさが同一で向きが１８０度異なることになる。

被検出電流Ｉが増加すると、磁束密度ベクトルＢｃ１、Ｂｃ２が増大するため、第１の磁気抵抗素子２３の磁気抵抗３０ａ、３０ｃの抵抗値が減少し、磁気抵抗３０ｂ、３０ｄの抵抗値が増加する。これにより、接続点３２の電位は上昇し、接続点３３の電位は低下する。その結果、フルブリッジ回路の平衡が崩れ、第１の差動増幅器の出力Ｖ_OUT1が発生する。同様にして、第２の磁気抵抗素子２５の磁気抵抗３０ａ、３０ｃの抵抗値が減少し、磁気抵抗３０ｂ、３０ｄの抵抗値が増加する。これにより、接続点３４の電位は上昇し、接続点３５の電位は低下する。その結果、フルブリッジ回路の平衡が崩れ、第２の差動増幅器の出力には第１の差動増幅器の出力Ｖ_OUT1と同符号の出力Ｖ_OUT2が発生する。そして、これら第１および第２の差動増幅器の出力Ｖ_OUT1、Ｖ_OUT2の出力を加算する加算器の出力はたとえばＶｃｃ／２のいわゆる０点電位より大きいＶ１となる。

被検出電流Ｉが減少すると、磁束密度ベクトルＢｃ１、Ｂｃ２が減少するため、合成磁束密度ベクトルＢ１、Ｂ２が減少する。これにより、第１の差動増幅器の出力Ｖ_OUT1および第２の差動増幅器の出力Ｖ_OUT2は小さくなる。そして、これら第１および第２の差動増幅器の出力Ｖ_OUT1、Ｖ_OUT2の出力を加算する加算器の出力は、たとえばＶｃｃ／２の０点電位より大きいＶ２（Ｖ２＜Ｖ１）となる。こうして、加算器の出力から電流路２２に流れる被測定電流Ｉを検出することができるものである。

次に、第１および第２の磁気抵抗素子２３、２５に一様な外部密度ベクトルＢｅｘが印加された場合を考える。このとき、外部密度ベクトルＢｅｘの作用により、第１の磁気抵抗素子２３のフルブリッジ回路の平衡が崩れ、第１の差動増幅器の出力Ｖ_OUT1に△Ｖ１の増分が発生する。同様にして、外部密度ベクトルＢｅｘの作用により、第２の磁気抵抗素子２５のフルブリッジ回路の平衡が崩れ、第２の差動増幅器の出力Ｖ_OUT2に△Ｖ２の増分が発生する。しかしながら、増分△Ｖ１の符号と増分△Ｖ２の符号は異なるため、加算器の出力はたとえばＶｃｃ／２のいわゆる０点電位に留まることになる。

図３（ａ）は本発明の効果を確認するための実験装置の構成を示す断面図であり、図３（ｂ）は同実験装置の構成を示す側面図である。

図３（ａ）（ｂ）において、ＸＹＺ座標を図のようにとったとき、４０はＺ軸方向に延びる電流路であり、直径３ｍｍの銅製丸棒である。この電流路４０にはＺ軸方向に被検出電流Ｉが流れている。この電流路４０の上方、すなわちＹ軸の正方向には第１の磁気抵抗素子４１と、この第１の磁気抵抗素子４１にバイアス磁界を与える第１の磁石４２が第１の磁気抵抗素子４１の直上に配置されている。また電流路４０の下方、すなわちＹ軸の負方向には第２の磁気抵抗素子４３と、この第２の磁気抵抗素子４３にバイアス磁界を与える第２の磁石４４が第２の磁気抵抗素子４３の直下に配置されている。４５は電流路４０に流れる被測定電流Ｉによって電流路４０の周りに発生する磁界である。さらに、４６、４７は各々第１、第２の磁石４２、４４の周りに発生する磁界である。

第１の磁石４２のＮ極の中心からＳ極の中心に向かう方向はＺ軸の負方向と一致するとともに、第２の磁石のＳ極の中心からＮ極の中心に向かう方向がＺ軸の負方向と一致するように配置されている。第１および第２の磁石４２、４４は３ｍｍ□、厚み０．４ｍｍでゴム中にフェライト粉を混練・成形されたいわゆるゴム磁石であり、表面磁束密度は２００ガウスのものを使用した。

この実験で用いた第１の磁気抵抗素子４１の構成を図４を用いて説明する。図４（ａ）は、第１の磁気抵抗素子４１の上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の縦断面図である。ここで、第１の磁気抵抗素子４１のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の長さは各々３ｍｍ、０．８ｍｍ、３ｍｍである。図４において、セラミック絶縁基板５０上に電源印加電極５１、第１の出力電極５２、第２の出力電極５３およびグランド電極５４の４個の電極が形成されている。また電源印加電極５１と第１の出力電極５２との間には磁気抵抗体からなり蛇行形状の磁気抵抗５５ａが形成されている。同様に第１の出力電極５２とグランド電極５４との間、電源印加電極５１と第２の出力電極５３との間、第２の出力電極５３とグランド電極５４との間には各々蛇行形状の磁気抵抗５５ｂ、５５ｃ、５５ｄが形成されている。このような電気的な接続を行なうことで、磁気抵抗５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄはブリッジ回路を構成する。磁気抵抗５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄはＮｉ−Ｃｏ等の強磁性体からなる厚さ約０．１μｍの磁気抵抗薄膜である。また、図４において、磁気抵抗５５ａは、紙面で右斜め上に傾いた４５°の方向に蛇行パターンの長手方向が位置しているが、これと隣接する磁気抵抗５５ｂは、紙面で左斜め上に傾いた４５°の方向に蛇行パターンの長手方向が位置しており、両者の角度は直角である。磁気抵抗５５ｃと磁気抵抗５５ｄとの位置関係も同様である。さらに、磁気抵抗５５ａと磁気抵抗５５ｃとの位置関係も同様である。ここで、磁気抵抗５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄの感磁方向はセラミック絶縁基板５０面内で各々の蛇行パターンの長手方向に直角な方向である。６０は厚さが約１μｍのＳｉＯ₂薄膜からなる絶縁層であり、磁気抵抗５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄを覆うことにより磁気抵抗５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄを保護するものである。第２の磁気抵抗素子４３の構成は第１の磁気抵抗素子４１の構成と同様であるため、説明を省略する。第１の磁気抵抗素子４１の第１および第２の出力電極５２、５３は第１の差動増幅器（図示せず）に接続され、第２の磁気抵抗素子４３の第１および第２の出力電極は第２の差動増幅器（図示せず）に接続されている。そして、第１および第２の差動増幅器の出力は加算器（図示せず）に接続されている。

第１の磁気抵抗素子４１の磁気抵抗５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄを含む平面、すなわち基板５０表面および第２の磁気抵抗素子４３の磁気抵抗を含む平面、すなわち基板表面は電流路４０と平行に配置されるとともに、第１の磁気抵抗素子４１の基板表面と電流路４０との距離および、第２の磁気抵抗素子４３の基板表面と電流路４０との距離はともに１．７６ｍｍである。

上記実験装置全体をヘルムホルツコイル内の軸上中心部に配置した。最初に、このヘルムホルツコイルに電流を印加せず、電流路４０に１０アンペアの電流を流したとき、加算器の出力は２．７７ボルトであった。このとき第１、第２の磁気抵抗素子４１、４３に印加される電流磁界の磁束密度は約０．２ｍＴである。次に、ヘルムホルツコイルの軸方向と電流路４０の電流方向を直交させ、電流路４０に１０アンペアの電流を流した状態で、ヘルムホルツコイルに電流を流すことにより、図３のＸ軸方向、すなわち電流路４０に流れる被測定電流Ｉによって第１、第２の磁気抵抗素子４１、４３に印加される電流磁界と同じ方向を向く外部磁界を印加した。

図５（ａ）はヘルムホルツコイルに流す電流を調整して、図３のＸ軸方向を向く外部磁界の磁束密度を０ｍＴ（テスラ）から２ｍＴまで変化させたときの加算器の出力変化率を示す測定データである。

次に、ヘルムホルツコイルの軸方向と電流路４０の電流方向を一致させ、電流路４０に１０アンペアの電流を流した状態で、ヘルムホルツコイルに電流を流すことにより、図３のＺ軸方向、すなわち電流路４０に流れる被測定電流Ｉによって第１、第２の磁気抵抗素子４１、４３に印加される電流磁界４５と直交する外部磁界を印加した。

図５（ｂ）はヘルムホルツコイルに流す電流を調整して、図３のＺ軸方向を向く外部磁界の磁束密度を０ｍＴ（テスラ）から２ｍＴまで変化させたときの加算器の出力変化率を示す測定データである。

図５（ａ）（ｂ）によれば、電流路４０に流れる被測定電流Ｉ＝１０アンペアによって第１、第２の磁気抵抗素子４１、４３に印加される電流磁界４５の磁束密度、約０．２ｍＴの２．５倍に当る０．５ｍＴの外部磁界が印加されたときに発生する誤差電圧は０．０５％以下であり、電流磁界の磁束密度の１０倍に当る２ｍＴの外部磁界が印加された際であっても、発生する誤差電圧は０．１５％以下であり、外部磁界が存在する場合であっても、被測定電流Ｉの電流値に発生する誤差はきわめて小さく、非接触で電流路に流れる電流を正確に測定できることが確認できた。

本発明の実施の形態１における電流センサにおいては、第１の磁気抵抗素子４１の磁気抵抗を含む平面および第２の磁気抵抗素子４３の磁気抵抗を含む平面は、電流路４０と平行に配置されているため、Ｙ軸方向の寸法を小さくすることができる。また、磁気抵抗素子を電流路４０に近接して配置できるため、電流路に流れる被測定電流Ｉにより発生する磁界を有効に検出してＳ／Ｎ比を高めることができる。第１の磁石４２と第２の磁石４４とを接近させて、第１の磁石４２のＮ極と第２の磁石４４のＳ極、および第１の磁石４２のＳ極と第２の磁石４４のＮ極との間に働く吸引力を利用すれば、第１の磁気抵抗素子４１と第２の磁気抵抗素子４３を電流路４０に簡便に取付けることもできる。さらに電流路に流れる被測定電流Ｉにより発生する磁束密度が前記磁気抵抗素子内で一定となるため、前記磁気抵抗素子を構成する磁気検出素子の平面内での位置に対する制約を解消できるという効果が得られるものである。さらにまた、前記第１の磁気抵抗素子４１の磁気抵抗を含む平面と前記電流路４０との距離が、前記第２の磁気抵抗素子４３の磁気抵抗を含む平面と前記電流路４０との距離と等しいように構成しているため、外部磁界が存在する場合であっても、被測定電流Ｉの電流値に誤差が発生することがなく、非接触で電流路に流れる電流を正確に測定することができるという効果が得られるものである。

なお、上記実施の形態１の電流センサにおいては、第１および第２の磁気抵抗素子２３、２５の磁気抵抗３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄをフルブリッジ接続しているが、第１および第２の磁気抵抗素子２３、２５の磁気抵抗を各々ハーフブリッジに接続しても同様の効果が得られるものである。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の請求項２に記載の発明について、図面を参照しながら説明する。図６（ａ）は本発明の実施の形態２における電流センサで使用する磁気抵抗素子７１の平面図である。なお、この本発明の実施の形態２における磁気抵抗素子７１においては、上記した本発明の実施の形態１における磁気抵抗素子の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。図６（ａ）（ｂ）において、本発明の実施の形態２における磁気抵抗素子７１が上記した本発明の実施の形態１における磁気抵抗素子４１と相違する点は、絶縁層６０上に薄膜磁石６１を配置した点である。図６（ｂ）は実施の形態２における電流センサで使用する磁気抵抗素子７１の断面図である。

図６において、この薄膜磁石６１は厚みが約０．６μｍのＣｏＰｔ等からなり、前記絶縁層６０の上に蒸着、スパッタ法等により形成した後、露光、エッチングによりパターニングすることにより、前記磁気抵抗素子５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄの感磁方向と４５度をなす方向に長手方向を有する複数の略長方体に分割されているものである。そして、この複数の略長方体形状の薄膜の幅方向に大きな磁界を印加することにより、略長方体形状の薄膜が幅方向に磁化されて、薄膜磁石６１を得ることができる。６２は第２の絶縁層で、この第２の絶縁層６２は厚みが約１μｍのＳｉＯ₂薄膜からなり、前記薄膜磁石６１を覆うことにより薄膜磁石６１を保護するものである。この構成によれば、磁気抵抗素子７１にさらに一様で高い磁束密度を与えることができるとともに、磁気検出素子７１上に一体に形成でき、きわめて小形の電流センサが実現できるという効果が得られるものである。

本発明に係る電流センサは、形状を小形化できるとともに、電流路に流れる被測定電流Ｉにより発生する磁界を有効に検出してＳ／Ｎ比を高めることができ、さらに前記磁気抵抗素子を構成する磁気検出素子の平面内での位置に対する制約を解消できるとともに、外部磁界が存在する場合であっても、被測定電流Ｉの電流値に誤差が発生することがなく、非接触で電流路に流れる電流を正確に測定することができるという効果を有するものであり、特に、車両、産業機器等内における電流を検出する電流検出装置として有用なものである。

２１電流センサ
２２電流路
２３第１の磁気抵抗素子
２４第１の磁石
２５第２の磁気抵抗素子
２６第２の磁石
６１薄膜磁石

Claims

電流路を挾んで配置された第１および第２の磁気抵抗素子と、
前記第１の磁気抵抗素子にバイアス磁界を与える第１の磁界発生手段と、
前記第２の磁気抵抗素子にバイアス磁界を与える第２の磁界発生手段と、を備え、
前記第１および第２の磁気抵抗素子の出力信号から前記電流路を流れる電流を検出するように構成された電流センサであって、
前記第１の磁界発生手段のＮ極の中心からＳ極の中心に向かう方向が前記被検出電流の流れる方向と一致するとともに、
前記第２の磁界発生手段のＳ極の中心からＮ極の中心に向かう方向が前記被検出電流の流れる方向と一致するように配置されており、
前記第１の磁気抵抗素子の磁気抵抗を含む平面および前記第２の磁気抵抗素子の磁気抵抗を含む平面は、前記電流路と平行に配置されるとともに、
前記第１の磁気抵抗素子の磁気抵抗を含む平面と前記電流路との距離が、前記第２の磁気抵抗素子の磁気抵抗を含む平面と前記電流路との距離と等しいことを特徴とする電流センサ。
前記第１および第２の磁界発生手段は薄膜磁石であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。