JP4360998B2

JP4360998B2 - 電流センサ

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Publication number: JP4360998B2
Application number: JP2004290596A
Authority: JP
Inventors: 茂庄司
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: JP2006105693A; US7394240B2; US20060071655A1

Description

本発明は、導体を流れる電流の変化を高感度に検知可能な小型の電流センサに関する。

一般に、制御機器等の制御をおこなうための制御電流を測定する方法としては、その制御電流によって発生する電流磁界の勾配を検出することによって間接的に測定する方法がある。具体的には、例えば、巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive effect）を発現する巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子）などの磁気抵抗効果素子を４つ用いてホイートストンブリッジを形成し、上記の電流磁界中に配置して、その勾配を検出する方法である（例えば、特許文献１参照。）。
米国特許第５６２１３７７号明細書

このように、ホイートストンブリッジを形成することにより、外部からのノイズ（妨害磁界）や環境温度による影響を比較的低く抑えることができる。特に、４つの磁気抵抗効果素子の特性が均一な場合は、より安定した検出特性を得ることができる。

また、補償電流ラインを設けることにより、環境温度や外部からのノイズに起因する出力電圧の変化をさらに低減するようにした例も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

米国特許第５９３３００３号明細書

ところで、最近では、より微弱な電流を検出する必要性が高まっていることから、磁気抵抗効果素子として、インピーダンスが大きく、より感度の高いものが求められるようになりつつある。しかしながら、このように高インピーダンスであり高感度な磁気抵抗効果素子を用いてホイートストンブリッジを形成することにより、大きなオフセットが発生したり、接続抵抗のばらつき等の影響が大きくなったりするので、４つの磁気抵抗効果素子のバランス調整が困難な場合が多かった。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、零磁界でのオフセット値の調整をより簡便におこなうことができ、検出対象電流による電流磁界を高感度、かつ、高精度に検出可能な電流センサを提供することにある。

本発明の電流センサは、導体を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互いに逆方向の変化を示すこととなるように導体に沿って配置された第１および第２の磁気抵抗効果素子と、第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに、互いに等しい値の定電流を供給する第１および第２の定電流源と、定電流によって第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに生ずる電圧降下の差分を検出する差分検出器とを備え、その電圧降下の差分に基づいて検出対象電流を検出するように構成されたものである。
ここで、第１および第２の磁気抵抗効果素子は、膜面内において電流磁界の方向と直交する方向に固着された磁化方向を有する固着層と、膜面内において固着層の磁化方向と平行な磁化容易軸を有すると共に電流磁界に応じて磁化方向が変化する自由層と、固着層および自由層の間に挟まれた中間層とをそれぞれ含んでいる。なお、自由層がいわゆる感磁部分である。
さらに、本発明の電流センサは、第１および第２の磁気抵抗効果素子に対し、膜面内において固着層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段を備えている。

本発明の電流センサでは、２つの磁気抵抗効果素子を用いて回路を構成するので、４つの磁気抵抗効果素子を用いた場合よりもバランスが取りやすく、零磁界でのオフセット値の低減が容易である。さらに、互いに等しい第１の定電流源および第２の定電流源によって、第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子とに対して、互いに等しい電流が流れるように構成されているので、第１および第２の磁気抵抗効果素子にそれぞれ接続される回路インピーダンスの相違に影響されず、第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子における抵抗値の相違に基づく出力電圧が得られ易くなる。
さらに、自由層が、膜面内において電流磁界の方向と直交する固着層の磁化方向と平行な磁化容易軸を有するので、電流磁界の変化に対する各磁気抵抗効果素子の抵抗変化率の変化に表れるヒステリシスが低減される。
さらに、バイアス印加手段によって、第１および第２の磁気抵抗効果素子に対し、膜面内において固着層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界が印加されるので、電流磁界の変化が、第１および第２の磁気抵抗効果素子の抵抗変化として、より高精度に検出される。

本発明の電流センサでは、電圧降下の差分に応じた補償電流が流れることにより、検出対象電流に基づいて第１および第２の磁気抵抗効果素子に印加される各電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を第１および第２の磁気抵抗効果素子の各々に付与するように構成された補償電流ラインをさらに備えるようにすることが望ましい。その場合、補償電流ラインを流れる補償電流に基づいて検出対象電流を検出するようにすることが望ましい。

本発明の電流センサでは、第１および第２の磁気抵抗効果素子が、互いを結ぶ仮想直線上の中間点を通る中心線を対称軸として線対称に配置され、かつ、その中心線の延在方向と同じ方向に延在しており、導体が、互いに平行に延在すると共にその中心線を対称軸として線対称に配置された一対の平行部分を有するＵ字形部分を含むようにするとよい。より厳密には、第１および第２の磁気抵抗効果素子におけるそれぞれの感磁部分が上記中心線と対称軸として対称に配置されていることが好ましい。その場合、補償電流ラインは、導体のＵ字形部分に対して逆Ｕ字形をなすように構成されることとなる。ここで、Ｕ字形部分とは、一対の平行部分とそれらを繋ぐ折り返し部分とを含む形状であり、逆Ｕ字形とは、このＵ字形とは上下反転した形状である。さらに、一対の平行部分を繋ぐ折り返し部分は、曲線部分に限られず１箇所以上の屈曲部分を含むようにしてもよい。また、「平行」とは、幾何学上でいうところの厳密な平行（互いのなす角度が０°である状態）を意味すると共に、製造上の誤差などに起因して０°からずれている状態をも含む意である。

本発明の電流センサでは、永久磁石や、固着層の磁化方向に延びるバイアス電流ラインをバイアス印加手段として用いることができる。

本発明の電流センサでは、第１および第２の磁気抵抗効果素子が、それぞれの固着層の磁化方向が互いに平行をなすように配置されていることが望ましい。さらに、第１の磁気抵抗効果素子と第１の定電流源とが、第１の磁気抵抗効果素子における固着層の磁化方向に延びる直線上に配置されており、第２の磁気抵抗効果素子と第２の定電流源とが、第２の磁気抵抗効果素子における固着層の磁化方向に延びる直線上に配置されていることが望ましい。

本発明の電流センサによれば、導体を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互いに逆方向の変化を示すこととなるように導体に沿って配置された第１および第２の磁気抵抗効果素子と、これら第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに、互いに等しい値の定電流を供給する第１および第２の定電流源と、定電流によって第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに生ずる電圧降下の差分を検出する差分検出器とを備え、その差分に基づいて検出対象電流を検出するように構成したので、４つの磁気抵抗効果素子を用いた場合よりも零磁界でのオフセット値の調整を簡便におこなうことができ、第１および第２の磁気抵抗効果素子として、より高感度なものを用いることができる。さらに、第１および第２の磁気抵抗効果素子に対して互いに等しく安定した電流を供給することができる。したがって、微弱な検出対象電流であっても、その電流磁界を高感度、かつ、高精度に検出することができる。
また、磁気抵抗効果素子における自由層の磁化容易軸を、電流磁界の方向と直交する固着層の磁化方向と平行としたので、電流磁界の変化に対する各磁気抵抗効果素子の抵抗変化率の変化に表れるヒステリシスが低減され、それに起因する１／ｆノイズが極めて小さくなり、高感度で安定した検出動作が可能となる。
さらに、第１および第２の磁気抵抗効果素子に対し、膜面内において固着層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するようにしたので、検出対象電流による電流磁界をより高精度に検出することができる。

特に、電圧降下の差分に応じた補償電流が流れることにより、検出対象電流に基づいて第１および第２の磁気抵抗効果素子に印加される各電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を第１および第２の磁気抵抗効果素子の各々に付与するように構成された補償電流ラインをさらに備えるようにした場合には、第１および第２の磁気抵抗効果素子同士の特性のばらつきや回路中の接続抵抗のばらつき、あるいは温度分布などに起因した出力電圧の変化をキャンセルすることができ、検出対象電流によって生じる電流磁界を、より高感度かつ、より高精度に検出可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

最初に、図１および図２を参照して、本発明の一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１０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１０における回路構成を表したものである。なお、図２における検出対象電流Ｉｍ、補償電流Ｉｄ、電流磁界Ｈｍ、補償電流磁界Ｈｄ、バイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２および電流Ｉ０（いずれも後出）のすべての矢印の方向は、第１および第２の磁気抵抗効果素子との相対的な方向を示している。

電流センサ１０は、基体３上に形成された導体４に供給される検出対象電流Ｉｍを測定する電流計であり、第１の接続点Ｐ１において互いに接続された第１および第２の磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂ（以下、単に磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂと記す。）を備えている。これらの磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂは、互いを結ぶ仮想直線上の中間点を通る中心線ＣＬを対称軸として線対称に配置され、かつ、中心線ＣＬに沿って（図中Ｙ軸方向へ）延在している。導体４は、一対の平行部分４Ａ，４Ｂを有するＵ字形部分を含むものである。この一対の平行部分４Ａ，４Ｂは、磁気抵抗効果素子１Ａおよび磁気抵抗効果素子１Ｂを含む面と平行な面において中心線ＣＬを対称軸として線対称に配置されると共に、中心線ＣＬに沿って互いに平行に延在している。これにより、検出対象電流Ｉｍによって生じる電流磁界Ｈｍが、図２に矢印で示したように、磁気抵抗効果素子１Ａに対して−Ｘ方向へ印加されると共に磁気抵抗効果素子１Ｂに対して＋Ｘ方向へ印加されることとなる。すなわち、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂは、電流センサ１０の駆動時において、電流磁界Ｈｍによって各々の抵抗値Ｒ１，Ｒ２が互いに逆方向の変化を示すように配置されている。その上、導体４の平行部分４Ａから磁気抵抗効果素子１Ａまでの距離と、平行部分４Ｂから磁気抵抗効果素子１Ｂまでの距離とが等しいので、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂにそれぞれ印加される電流磁界Ｈｍの絶対値は互いに等しくなっている。なお、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂは、いずれも導体４の上に設けられた回路基板５の上に形成されている。

電流センサ１０は、さらに、互いの一端同士が第２の接続点Ｐ２において接続された、定電流源２Ａ（第１の定電流源）および定電流源２Ｂ（第２の定電流源）を備えている。定電流源２Ａは、第３の接続点Ｐ３において、磁気抵抗効果素子１Ａにおける第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部と接続されており、一方の定電流源２Ｂは、第４の接続点Ｐ４において、磁気抵抗効果素子１Ｂにおける第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部と接続されている。より具体的には、磁気抵抗効果素子１Ａと定電流源２Ａとが中心線ＣＬに沿って直列接続されていると共に、磁気抵抗効果素子１Ｂと定電流源２Ｂとが中心線ＣＬに沿って直列接続されており、それらが、中心線ＣＬと直交する方向（Ｘ軸方向）へ並ぶように配列され、互いに並列接続された状態となっている。ここで、定電流源２Ａおよび定電流源２Ｂは、互いに等しい値の定電流Ｉ０を磁気抵抗効果素子１Ａおよび磁気抵抗効果素子１Ｂにそれぞれ供給するように構成されている。なお、定電流源２Ａ，２Ｂは、基体３の上に設けられた回路基板６の内部に形成されている。

また、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂの近傍には、これらの磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂに対して−Ｘ方向のバイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２を印加するバイアス印加手段としての永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２が配置されている。さらに、電流センサ１０は補償電流ラインＣを備えており、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときの第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差に基づく補償電流Ｉｄが、これに供給されるようになっている。補償電流ラインＣは、入力側が第２および第３の接続点Ｐ２，Ｐ３と接続された差分検出器としての差動増幅器ＡＭＰの出力側と接続されており、それと反対側の端部は抵抗体ＲＬを介して接地されている。抵抗体ＲＬにおける差動増幅器ＡＭＰの側には、補償電流検出手段Ｓが接続点Ｔ１において接続されている。ここで、補償電流ラインＣは、補償電流Ｉｄが磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂに対して補償電流磁界Ｈｄをそれぞれ付与するように構成されている。補償電流磁界Ｈｄは、検出対象電流Ｉｍによって生じる電流磁界Ｈｍとは逆方向となっている。すなわち、補償電流Ｉｄによる補償電流磁界Ｈｄは、図２に矢印で示したように、磁気抵抗効果素子１Ａに対して＋Ｘ方向へ印加されると共に磁気抵抗効果素子１Ｂに対して−Ｘ方向へ印加される。

次に、図３を参照して、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂの構成について、より詳しく説明する。図３は、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂの構成を分解して示す分解斜視図である。

図３に示したように、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂは、磁性層を含む複数の機能膜が積層されたスピンバルブ構造をなすＧＭＲ素子であり、中心線ＣＬに沿った方向（図中＋Ｙ方向）に固着された磁化方向Ｊ１１を有する固着層１１と、電流磁界Ｈｍをはじめとする外部磁界Ｈに応じて磁化方向Ｊ１３が変化する自由層１３と、固着層１１と自由層１３との間に挟まれ、特定の磁化方向を示さない中間層１２とをそれぞれ含むものである。自由層１３は、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）などの軟磁性材料により構成されている。中間層１２は、銅（Ｃｕ）により構成され、上面が固着層１１と接すると共に下面が自由層１３と接している。中間層１２は、銅のほか、金（Ａｕ）などの導電率の高い非磁性金属により構成することができる。なお、固着層１１の上面（中間層１２と反対側の面）および自由層１３の下面（中間層１２と反対側の面）は、それぞれ図示しない保護膜によって保護されている。また、固着層１１と自由層１３との間には磁化方向Ｊ１１における交換バイアス磁界Ｈin（以下、単に「交換バイアス磁界Ｈin」と記す。）が生じており、中間層１２を介して互いに作用し合っている。交換バイアス磁界Ｈinの強度は、固着層１１と自由層１３との相互間隔（すなわち中間層１２の厚み）に応じて自由層１３のスピン方向が回転することにより変化する。さらに、図３では、下から自由層１３、中間層１２、固着層１１の順に積層された場合の構成例を示しているが、これに限定されず、反対の順序で構成するようにしてもよい。

図４に、固着層１１の詳細な構成を示す。固着層１１は、中間層１２の側から磁化固定膜１４と反強磁性膜１５とが順に積層された構成となっている。磁化固定膜１４は、コバルト（Ｃｏ）やコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）などの強磁性材料によって構成されている。この磁化固定膜１４の示す磁化方向が固着層１１全体としての磁化方向Ｊ１１となる。反強磁性膜１５は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）やイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性材料により構成されている。反強磁性膜１５は、＋Ｙ方向のスピン磁気モーメントと反対方向（−Ｙ方向）のスピン磁気モーメントとが完全に打ち消し合った状態にあり、磁化固定膜１４の磁化方向Ｊ１１を固定するように機能するものである。

以上のように構成された第１および第２の磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂでは、電流磁界Ｈｍが印加されることにより自由層１３の磁化方向Ｊ１３が回転し、それによって磁化方向Ｊ１３と磁化方向Ｊ１１との相対角度が変化する。その相対角度は、電流磁界Ｈｍの大きさや向きによって決まるものである。

なお、図３は、電流磁界Ｈｍが零（Ｈｍ＝０）であり、かつ、永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２によるバイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２を印加しない無負荷状態（すなわち、外部磁界Ｈが零の状態）を示している。自由層１３の磁化容易軸方向ＡＥ１３が固着層１１の磁化方向Ｊ１１と平行となるように形成されていることから、この状態では、磁化容易軸方向ＡＥ１３と、磁化方向Ｊ１３と、磁化方向Ｊ１１とが全て＋Ｙ方向に沿って互いに平行となっている。このため、自由層１３における各磁区のスピン方向がほぼ同一方向に揃うこととなるので、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂに対し、磁化方向Ｊ１１と直交する方向（＋Ｘ方向または−Ｘ方向）へ外部磁界Ｈが印加された場合には、図５に示したような特性が得られる。図５は、＋Ｘ方向への外部磁界Ｈを正として外部磁界Ｈと抵抗変化率ΔＲ／Ｒとの関係を示したものであるが、両者の関係は、外部磁界Ｈ＝０において極小（ΔＲ／Ｒ＝０）となり、ヒステリシスをほとんど示すことのない１本の曲線Ｃ１で表される。この場合、ヒステリシスに起因する１／ｆノイズが極めて小さくなるので、高感度かつ安定したセンシングが可能となる。

ただし、図５から明らかなように、外部磁界Ｈが零（Ｈ＝０）の近傍においては直線的な変化が得られないので、実際に電流磁界Ｈｍを測定する場合には永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２によるバイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２を磁化方向Ｊ１１と直交する方向へ印加し、図６に示したように、磁化方向Ｊ１３を回転させ、＋Ｘ方向の成分または−Ｘ方向の成分を含むように僅かに傾ける（図６では＋Ｘ方向へ傾けた場合を例示する）。こうすることにより、図５に示したバイアスポイントＢＰ１，ＢＰ２を中心とする線形領域Ｌ１，Ｌ２において電流磁界Ｈｍの変化を精度良く検出することができる。電流センサ１０においては、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂの各々の固着層１１における磁化方向Ｊ１１が同一方向（＋Ｙ方向）であるので、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂの双方に対して同一方向（図２では−Ｘ方向）のバイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２を印加するようにする。こうすることにより、電流磁界Ｈｍを検出したときに、磁気抵抗効果素子１Ａの抵抗値Ｒ１と磁気抵抗効果素子１Ｂの抵抗値Ｒ２とが互いに逆の変化を生じることとなる。例えば、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂに対して、予め＋Ｘ方向へバイアスポイントＢＰ１（図５参照）に相当する強度のバイアス磁界を印加しておく。図２に示したように検出対象電流Ｉｍを流すと、磁気抵抗効果素子１Ａは、−Ｘ方向の電流磁界Ｈｍが印加されることにより、図５から明らかなように抵抗変化率が減少する（抵抗値Ｒ１が減少する）。これに対し、磁気抵抗効果素子１Ｂは、＋Ｘ方向の電流磁界Ｈｍが印加されることにより、図５から明らかなように抵抗変化率が増加する（抵抗値Ｒ２が増加する）のである。

このような構成の電流センサ１０では、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときの第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差Ｖ０（磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂのそれぞれに生ずる電圧降下の差分）に基づく補償電流Ｉｄが差分検出器としての差動増幅器ＡＭＰを介して補償電流ラインＣを流れ、その補償電流Ｉｄが補償電流検出手段Ｓによって検出されるようになっている。差動増幅器ＡＭＰは、差分Ｖ０が零となるように補償電流Ｉｄを調整するものである。

以下、図２を参照して、検出対象電流Ｉｍによって形成される電流磁界Ｈｍを測定する方法について説明する。

図２において、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に所定の電圧を印加した際の定電流源２Ａ，２Ｂからの定電流をＩ０とし、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂの抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ２とする。電流磁界Ｈｍが印加されていない場合、第３の接続点Ｐ３における電位Ｖ１は、
Ｖ１＝Ｉ０・Ｒ１
であり、第４の接続点Ｐ４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）

この回路では、電流磁界Ｈｍが印加されたときに、電位差Ｖ０を測定することにより抵抗変化量が得られる。例えば電流磁界Ｈｍが印加されたときに、抵抗値Ｒ１，Ｒ２がそれぞれ変化量ΔＲ１，ΔＲ２だけ増加したとすると、式（１）は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝Ｉ０・（Ｒ１−Ｒ２）
＝Ｉ０・｛（Ｒ１＋ΔＲ１）−（Ｒ２＋ΔＲ２）｝ …（２）
となる。

すでに述べたように、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂは電流磁界Ｈｍによって各々の抵抗値Ｒ１，Ｒ２が互いに逆方向の変化を示すように配置されていることから、変化量ΔＲ１と変化量ΔＲ２とは互いの正負が逆の符号となる。したがって、式（２）において、電流磁界Ｈｍが印加される前の抵抗値Ｒ１および抵抗値Ｒ２は互いに打ち消し合う一方で、変化量ΔＲ１および変化量ΔＲ２はそのまま維持される。

仮に、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂが全く同一の特性を有するとした場合、すなわち、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ
かつ
ΔＲ１＝−ΔＲ２＝ΔＲ
であると仮定した場合、式（２）は、
Ｖ０＝Ｉ０・（Ｒ１＋ΔＲ１−Ｒ２−ΔＲ２）
＝Ｉ０・（Ｒ＋ΔＲ−Ｒ＋ΔＲ）
＝Ｉ０・（２ΔＲ） …（３）
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１Ａ，１Ｂを用いるようにすれば、電流磁界Ｈｍの大きさを測定することができ、その電流磁界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１Ａ，１Ｂ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１Ａまたは磁気抵抗効果素子１Ｂ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。また、４つの磁気抵抗効果素子を用いてブリッジ回路を構成してセンシングを行う場合と比べ、磁気抵抗効果素子同士の特性のばらつきや接続抵抗のばらつき等を小さく抑えることができるので、感度が高い磁気抵抗効果素子を用いた場合であってもバランス調整が容易である。また、磁気抵抗効果素子自体の個数を減らすことができ、それに伴い端子の数も減るので、省スペース化に有利となる。

さらに、電流センサ１０では、第３の接続点Ｐ３において検出される電位Ｖ１と第４の接続点Ｐ４において検出される電位Ｖ２とが差動増幅器ＡＭＰに供給されて、その差分（電位差Ｖ０）が零となるような補償電流Ｉｄが出力される。差動増幅器ＡＭＰからの補償電流Ｉｄは、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂの近傍を検出対象電流Ｉｍとは正反対の方向へ流れることにより電流磁界Ｈｍとは逆方向の補償電流磁界Ｈｄを生じ、回路中の接続抵抗のばらつきや磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂの相互間における特性のばらつき、温度分布の偏り、あるいは外部からの妨害磁界などに起因する誤差分をキャンセルするように作用するので、結果として電流磁界Ｈｍのみに比例した大きさに近づくこととなる。したがって、補償電流検出手段Ｓにおいて、出力電圧Ｖｏｕｔを測定し、既知の抵抗体ＲＬとの関係から補償電流Ｉｄを算出することにより、電流磁界Ｈｍをより正確に求めることができ、ひいては検出対象電流Ｉｍの大きさを高精度に推定することができる。

以上のように、本実施の形態の電流センサ１０によれば、導体４を流れる検出対象電流Ｉｍが発生する電流磁界Ｈｍにより抵抗値Ｒ１，Ｒ２が互いに逆方向の変化を示すこととなるように導体４に沿って配置され、互いに並列接続された磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂと、第３の接続点Ｐ３において磁気抵抗効果素子１Ａと直列接続された定電流源２Ａと、第４の接続点Ｐ４において磁気抵抗効果素子１Ｂと直列接続された定電流源２Ｂとを備え、定電流源２Ａと定電流源２Ｂとを第２の接続点Ｐ２において接続し、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときの第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差Ｖ０に基づいて検出対象電流Ｉｍが検出されるように構成したので、４つの磁気抵抗効果素子を用いた場合よりも零磁界でのオフセット値の調整を簡便におこなうことができ、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂとして、より高感度なものを用いることができる。さらに、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂに対して互いに等しく安定した電流を供給することができる。したがって、微弱な検出対象電流Ｉｍであっても、その電流磁界Ｈｍを高感度、かつ、高精度に検出することができる。なお、定電流源２Ａ，２Ｂを設けることにより磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂを含めたバランス調整は必要となるが、電気的に制御が可能であるので、４つの磁気抵抗効果素子を用いた場合よりもそのバランス調整は容易である。

特に、第３の接続点Ｐ３において検出される電位Ｖ１と第４の接続点Ｐ４において検出される電位Ｖ２との差分（磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂのそれぞれに生ずる電圧降下の差分）Ｖ０に基づいた補償電流Ｉｄが供給される補償電流ラインＣをさらに備え、補償電流Ｉｄが電流磁界Ｈｍとは逆方向の補償電流磁界Ｈｄを磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂに対してそれぞれ付与するように構成したので、磁気抵抗効果素子同士の特性のばらつきや回路中の接続抵抗のばらつき、あるいは温度分布などに起因した出力電圧Ｖｏｕｔの変化をキャンセルすることができ、電流磁界Ｈｍを、より高感度かつ、より高精度に検出可能となる。

さらに、電流センサ１０では、中心線ＣＬを対称軸として線対称をなすように磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂ、定電流源２Ａ，２Ｂおよび補償電流ラインＣを設けると共に、導体４における一対の平行部分４Ａ，４Ｂを、磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂを含む面と平行な面において中心線ＣＬを対称軸として線対称に配置すると共に中心線ＣＬに沿って互いに平行に延在するように配置したので、中心線ＣＬに対して対称な温度分布となるようにすることができる。したがって、温度分布に依存した零点ドリフトを抑制することができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば本実施の形態では、バイアス印加手段として永久磁石を用いるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、第１および第２の磁気抵抗効果素子における各固着層の磁化方向に延びるバイアス電流ラインを設け、これに所定の電流を流すことによりバイアス磁界を形成するようにしてもよい。また、補償電流ラインを設けなくともよい。その場合には、バイアス印加手段が不要となる。

さらに、本実施の形態では、第１の定電流源と第２の定電流源とが第２の接続点において互いに接続されるようにしたが、互いに接続されず、それぞれ別々の電源電圧と接続されるようにしてもよい。

さらに、本実施の形態では、導体の形状をＵ字形状としたがこれに限定されるものではない。例えばコの字形状（一対の平行部分を１つの直線で結んだ形状）や、Ｖ字形状またはＭ字形状とすることもできる。

本発明の電流センサは、上記実施の形態において説明したように、電流値そのものを図ることを目的とする場合に用いられるほか、プリント配線の欠陥などの検査を行う渦電流探傷技術に応用可能である。例えば、磁気抵抗効果素子を直線上に多数個配置した電流センサとし、渦電流の変化を磁束の変化として捉えるような応用例が考えられる。

本発明の一実施の形態に係る電流センサの構成を示す斜視図である。図１に示した電流センサに対応する回路図である。図２に示した電流センサの要部である磁気抵抗効果素子の構成を示す分解斜視図である。図３に示した磁気抵抗効果素子における一部の構成を示す斜視図である。図３に示した磁気抵抗効果素子における抵抗変化率の磁界依存性を示す特性図である。図２に示した電流センサの要部である磁気抵抗効果素子の構成を示す他の分解斜視図である。

符号の説明

１Ａ…第１の磁気抵抗効果素子、１Ｂ…第２の磁気抵抗効果素子、２Ａ…第１の定電流源、２Ｂ…第２の定電流源、３…基体、４…導体、５，６…回路基板、１０…電流センサ、１１…固着層、１２…中間層、１３…自由層、ＡＥ１３…磁化容易軸、ＣＬ…中心線、Ｉｍ…検出対象電流、Ｈｍ…電流磁界、ＨＭ１，ＨＭ２…永久磁石、Ｊ１１，Ｊ１３…磁化方向。

Claims

導体を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互いに逆方向の変化を示すこととなるように前記導体に沿って配置され、膜面内において前記電流磁界の方向と直交する方向に固着された磁化方向を有する固着層と、膜面内において前記固着層の磁化方向と平行な磁化容易軸を有すると共に前記電流磁界に応じて磁化方向が変化する自由層と、前記固着層および前記自由層の間に挟まれた中間層とをそれぞれ含む第１および第２の磁気抵抗効果素子と、
前記第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに、互いに等しい値の定電流を供給する第１および第２の定電流源と、
前記定電流によって前記第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに生ずる電圧降下の差分を検出する差分検出器と、
前記第１および第２の磁気抵抗効果素子に対し、膜面内において前記固着層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段と
を備え、前記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
ことを特徴とする電流センサ。
前記バイアス印加手段は、永久磁石または前記固着層の磁化方向に延びるバイアス電流ラインのうちのいずれか一方である
ことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記第１および第２の磁気抵抗効果素子は、それぞれの前記固着層の磁化方向が互いに平行をなすように配置されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第１の定電流源とは、前記第１の磁気抵抗効果素子における固着層の磁化方向に延びる直線上に配置されており、
前記第２の磁気抵抗効果素子と前記第２の定電流源とは、前記第２の磁気抵抗効果素子における固着層の磁化方向に延びる直線上に配置されている
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、その一端同士が第１の接続点において接続され、
前記第１および第２の定電流源は、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１の定電流源の他端とが第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２の定電流源の他端とが第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の前記第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構成されている
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項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、互いを結ぶ仮想直線上の中間点を通る中心線を対称軸として線対称に配置され、かつ、前記中心線の延在方向と同じ方向に延在しており、
前記導体は、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子を含む面と平行な面において前記中心線を対称軸として線対称に配置されると共に前記中心線に沿って互いに平行に延在する一対の平行部分を有するＵ字形部分を含んでいる
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電流センサ。
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および第２の磁気抵抗効果素子に印加される各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２の磁気抵抗効果素子の各々に付与するように構成された補償電流ラインをさらに備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電流センサ。
前記補償電流ラインを流れる補償電流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７に記載の電流センサ。
前記補償電流ラインは、前記導体のＵ字形部分に対して逆Ｕ字形をなすように構成されている
ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の電流センサ。