JP2002082135A

JP2002082135A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2002082135A
Application number: JP2001039061A
Authority: JP
Inventors: Hajime Takada; 肇高田; Takuya Miyagawa; 拓也宮川; Eiji Nagatomo; 英治長友; Isamu Tei; 偉鄭; Yoshihiko Watanabe; 嘉彦渡辺
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2000-06-23
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2002-03-22

Abstract

(57)【要約】【課題】基板配線に流れる微小電流を精度良く検出で
き、しかも簡易な構造で基板実装に適した電流センサを
提供する。【解決手段】被測定電流が流れる被検出配線３が形成
されたプリント基板１と、被検出配線３の近傍に配置さ
れ且つ磁性層と非磁性層とが交互に複数回積層されたＧ
ＭＲ膜９を有し、該ＧＭＲ膜９に印加される磁界の変化
に応じて抵抗値が変化するＧＭＲ素子５と、このＧＭＲ
素子５に一定のバイアス磁界を印加するバイアス磁石１
３とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プリント基板配線
等に流れる微小電流を精度良く検出する電流センサに関
し、特に巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子を用いた簡易な構
造の電流センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】直流電流を測定するための電流センサに
利用する磁気検出素子としては、磁界とセンサ出力との
直線性の良さから、ホール素子が用いられている。しか
し、このホール素子では、出力がきわめて小さいため、
微小電流の検出には適していない。

【０００３】また、磁気抵抗素子には、異方性磁気抵抗
（ＡＭＲ）素子と、ＧＭＲ素子とがある。ＡＭＲ素子を
磁気検出素子に用いる場合には、特開昭６３−２７７９
７７号公報に記載されているように、感度及び電流方向
の認識を両立するため、図１８に示すように、バイアス
磁界ＢをＡＭＲ素子に印加し、該素子の動作点をＰ点と
して素子を動作させる。

【０００４】この場合、被測定磁界の値が正のときには
素子の抵抗値が増加し、被測定磁界の値が負のときには
素子の抵抗値が減少するので、素子の出力から、被測定
磁界の大きさ及び方向を検出できる。また、出力の極め
て大きいＧＭＲ素子の場合も、図１８に示すものと同傾
向の磁気抵抗変化を示すため、同様の手法が採用されて
いる。

【０００５】しかし、このＧＭＲ素子を磁気検出素子と
して用い、ＧＭＲ素子にバイアス磁界を印加する方法で
は、抵抗値が直線的に変化する領域が小さくなるという
問題点がある。

【０００６】そこで、特開２０００−５５９９７号公報
に記載された磁気センサ装置及び電流センサ装置は、前
記問題を解決するために、図１９に示すように、被測定
電流が通過する導電部１２１を囲うように設けられ一部
にギャップを有する磁気ヨーク１２２を備える。ＧＭＲ
素子１１１が磁気ヨーク１２２のギャップ内に、長手方
向が左右方向を向くように配置される。

【０００７】また、ＧＭＲ素子１１１に、値が連続的に
変化するバイアス磁界や３つ以上の値を含むバイアス磁
界や２つの値を含むバイアス磁界が印加される。ＧＭＲ
素子１１１は、定電流源１１２より供給される定電流に
よって駆動され、被測定磁界に対応した出力信号を発生
する。ＧＭＲ素子１１１の出力信号が増幅器１１３によ
って増幅されて、出力端子１１４より出力される。

【０００８】このような電流センサによれば、ＧＭＲ素
子１１１へのバイアス磁界を、値を連続的に変化させ
る、複数の値に変化させる、または周期的に変化させる
などして、磁界と出力との直線性を向上し、測定磁界範
囲を大きくしているため、測定精度を向上することがで
きる。

【０００９】一方、交流電流波形の周波数を検出可能な
非接触型交流電流センサ、例えば非接触クランプ型交流
電流センサが従来より知られている。この非接触クラン
プ型交流電流センサには、図２０に示すような変流器式
や図２１に示すような磁電変換素子式がある。

【００１０】図２０に示す変流器式では、測定導線１３
２が挿通された環状の磁気コア１３１には巻線１３３が
巻回されている。測定導線１３２に交流電流が流れる
と、該交流電流によって生ずる交流磁界が磁気コア１３
１を通る。このため、磁気コア１３１に巻回された巻線
１３３の両端からは、測定導線１３２に流れる交流電流
の大きさに応じた交流電圧出力が得られる。

【００１１】また、図２１に示す磁電変換素子式では、
測定導線１３２が挿通された環状の磁気コア１３１ａに
設けられたギャップ１３１ｂにはホール素子１３５が配
置され、該ホール素子１３５には制御電流１３６が流れ
ている。測定導線１３２に交流電流が流れると、該交流
電流によって生ずる交流磁界がギャップ１３１ｂを通
る。このため、ホール素子１３５の両端からは、測定導
線１３２に流れる交流電流の大きさに応じた交流電圧出
力が得られる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、直流電
流を測定する特開２０００−５５９９７号公報に記載さ
れた磁気センサ装置及び電流センサ装置を用いて、例え
ばプリント基板上の配線に流れる電流を検出する場合に
は、導電部１２１を磁気ヨーク１２２で囲う複雑な構造
をなしているため、基板上でかなりのスペースを必要と
する。すなわち、電流センサ装置が複雑な構造をなすた
め、基板実装には適していない。

【００１３】また、測定磁界範囲を大きくするために、
複数の値を含むバイアス磁界を印加するなど、バイアス
磁界印加方法が単純でないため、磁気抵抗値としての出
力が製品間でばらつきを生じやすいという問題もある。

【００１４】一方、図２０及び図２１に示す非接触型交
流電流センサにあっては、磁気コアが必要であるため、
電流センサを小型化することができない。また、変流器
式では、磁気コアの寸法の制限があり、容量が小さいた
め、二次側負担を大きくすると、良好な特性が得られな
くなる。また、磁気材料のＢ−Ｈ特性の飽和現象があ
り、大電流を検出するには、磁気材料の選択、磁気回路
の設計等の工夫が必要であった。さらには、環状あるい
はＵ字状の磁気コアを用いているため、取り付けの自由
度が制限される。また、磁電変換素子式では、磁気コア
を介した磁界を間接的に検出するため、誤差要因が多く
なる。

【００１５】本発明の第１の課題は、基板配線に流れる
微小電流を精度良く検出でき、しかも簡易な構造で基板
実装に適した電流センサを提供することにある。

【００１６】また、本発明の第２の課題は、磁気コアを
用いず、軽量、小型、取り付け自由で且つ交流電流波形
の周波数を検出できる電流センサを提供することにあ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の電流センサは、
前記課題を解決するために以下の構成とした。請求項１
の発明の電流センサは、被測定電流が流れる被検出配線
が形成された基板と、前記被検出配線の近傍に配置され
且つ磁性層と非磁性層とが交互に複数回積層された多層
膜を有し、該多層膜に印加される磁界の変化に応じて抵
抗値が変化する磁気抵抗手段と、この磁気抵抗手段に一
定のバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段とを
備えることを特徴とする。

【００１８】請求項１の発明によれば、磁気抵抗手段を
被検出配線の近傍に配置したので、被検出配線に流れる
被測定電流により生ずる被測定磁界は、磁気抵抗手段に
対してより大きな値で印加される。また、バイアス磁界
印加手段により一定のバイアス磁界が磁気抵抗手段に印
加され、バイアス磁界と被測定磁界との合成磁界の変化
に応じて抵抗値が大きく変化する。従って、基板配線に
流れる微小電流を精度良く検出でき、一定のバイアス磁
界を印加するバイアス磁界印加手段は簡易に構成できる
から、簡易な構造で基板実装に適した電流センサを提供
することができる。

【００１９】請求項２の発明の電流センサは、被測定電
流である交流電流が流れる被検出配線が形成された基板
と、前記被検出配線の近傍に配置され且つ磁性層と非磁
性層とが交互に複数回積層された多層膜を有し、該多層
膜に印加される磁界の変化に応じて抵抗値が変化する磁
気抵抗手段とを備えることを特徴とする。

【００２０】請求項２の発明によれば、磁気抵抗手段を
被検出配線の近傍に配置したので、被検出配線に流れる
交流電流により生ずる交流磁界は、磁気抵抗手段に対し
てより大きな値で印加され、交流磁界の変化に応じて抵
抗値が大きく変化する。従って、磁気コアを用いず、軽
量、小型、取り付け自由で且つ交流電流波形の周波数を
検出でき、また、バイアス磁界印加手段を用いないか
ら、簡易な構造で基板実装に適した電流センサを提供す
ることができる。

【００２１】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
記載の電流センサにおいて、前記磁気抵抗手段は、前記
多層膜表面が前記被検出配線に流れる被測定電流によっ
て発生される磁界と略平行となるように配置されている
ことを特徴とする請求項３の発明によれば、磁気抵抗手
段は、多層膜表面が被検出配線に流れる被測定電流によ
って発生される磁界と略平行となるように配置されてい
るので、該磁界が多層膜に多く入るから、より大きなセ
ンサ出力を得ることができる。

【００２２】請求項４の発明は、請求項３記載の電流セ
ンサにおいて、前記バイアス磁界印加手段及び前記磁気
抵抗手段を一体的に支持する支持基板を有し、該支持基
板が前記基板に対して略平行に配置され、前記磁気抵抗
手段が前記被検出配線と向き合うように前記支持基板に
前記磁気抵抗手段が配置され、支持基板が接合部材を介
して前記基板に接合されてなることを特徴とする。

【００２３】請求項４の発明によれば、バイアス磁界印
加手段及び磁気抵抗手段を一体的に支持する支持基板が
基板に対して略平行に配置され且つ接合部材を介して基
板に接合されてなるので、実装スペースが少なくて済
み、電流センサの小型化を図ることができる。また、磁
気抵抗手段が被検出配線と向き合うように支持基板に磁
気抵抗手段が配置されているので、磁気抵抗手段が被検
出配線に近くなる。従って、磁気抵抗手段には、より大
きな磁界が印加されるので、より大きなセンサ出力を得
ることができる。

【００２４】請求項５の発明は、請求項３記載の電流セ
ンサにおいて、前記磁気抵抗手段を支持する支持基板を
有し、該支持基板が前記基板に対して略平行に配置さ
れ、前記磁気抵抗手段が前記被検出配線と向き合うよう
に前記支持基板に前記磁気抵抗手段が配置され、支持基
板が接合部材を介して前記基板に接合されてなる。

【００２５】請求項５の発明によれば、磁気抵抗手段を
支持する支持基板が基板に対して略平行に配置され且つ
接合部材を介して基板に接合されてなるので、実装スペ
ースが少なくて済み、電流センサの小型化を図ることが
できる。また、磁気抵抗手段が被検出配線と向き合うよ
うに支持基板に磁気抵抗手段が配置されているので、磁
気抵抗手段が被検出配線に近くなる。従って、磁気抵抗
手段には、より大きな磁界が印加されるので、より大き
なセンサ出力を得ることができる。

【００２６】請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５
のいずれか１項記載の電流センサにおいて、前記磁性層
は、ＣｏＦｅ薄膜であり、前記非磁性層は、Ｃｕ薄膜で
あることを特徴とする。

【００２７】請求項６の発明によれば、磁性層がＣｏＦ
ｅ薄膜であり、非磁性層がＣｕ薄膜であることで、基板
配線の微小電流の検出範囲を広げることができる。

【００２８】請求項７の発明は、請求項１乃至請求項５
のいずれか１項記載の電流センサにおいて、前記磁性層
は、ＮｉＦｅＣｏ薄膜であり、前記非磁性層は、Ｃｕ薄
膜であることを特徴とする。

【００２９】請求項７の発明によれば、磁性層がＮｉＦ
ｅＣｏ薄膜であり、非磁性層がＣｕ薄膜であることで、
微小電流における電流変化に対する検出感度を向上させ
ることができる。

【００３０】請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７
のいずれか１項記載の電流センサにおいて、前記非磁性
層の膜厚の変化に対して磁気抵抗変化率が複数のピーク
を持つ場合に、複数のピークの中から前記膜厚が２番目
に小さいときの第２ピークを選択し、前記非磁性層の膜
厚を、選択された第２ピークにおける膜厚に決定するこ
とを特徴とする。

【００３１】請求項８の発明によれば、非磁性層の膜厚
を、選択された第２ピークにおける膜厚としたので、約
１０Ａ程度の微小な直流電流や交流電流を確実に検出す
ることができる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の電流センサの実施
の形態を図面を参照して詳細に説明する。

【００３３】（第１の実施の形態）まず、第１の実施の
形態の電流センサの説明に先立って、図５及び図６を用
いて、第１の実施の形態の電流センサを採用した理由に
ついて説明する。

【００３４】まず、図５に示すように、磁気ヨークを用
いずホール素子５０だけを用いて電流センサを構成した
場合、ホール素子５０は、センサ出力を大きくするため
に、被検出配線３を流れる電流により生ずる磁界が素子
面（感磁面）に対して略垂直方向から入るように配置す
る必要がある。

【００３５】すなわち、被検出配線３の表面に対して素
子面が略垂直となるように配置する。このため、ホール
素子５０を用いた場合には、被検出配線３からホール素
子５０の素子面が遠くなるため、素子面に入る磁界の強
さが小さくなる。従って、小さな電流により生ずる小さ
い磁界に対しては出力がとれない。また、磁気ヨークで
磁界を高める場合は、センサの大型化につながる。

【００３６】一方、図６に示すように、ＧＭＲ素子５を
用いて電流センサを構成した場合、ＧＭＲ素子５は、セ
ンサ出力を大きくするために、被検出配線３を流れる電
流により生ずる磁界が素子面と略平行となるように配置
する必要がある。このため、図６に示すＧＭＲ素子５の
方が、被検出配線３の近傍の強い（電流値による変化割
合の大きい）磁界を検出できるとともに、センサを小型
化できる。そこで、実施の形態の電流センサは、図６に
示すような基本的な構成を採用している。

【００３７】次に、第１の実施の形態の電流センサの具
体的な構成を説明する。図１に第１の実施の形態の電流
センサの構成図を示す。図１に示す電流センサは、被検
出配線に流れる電流により生ずる磁界を測定することに
より該磁界に基づいて前記電流を検出するもので、被測
定電流が流れる被検出配線３が表面側に形成されたプリ
ント基板１と、このプリント基板１と略平行で且つ基板
表面の近傍に配置されたＧＭＲ素子５とを有して構成さ
れている。

【００３８】ＧＭＲ素子５は、基板７の表面で且つ被検
出配線３に対向する位置にＧＭＲ膜９が形成されてお
り、このＧＭＲ膜９の両端にはＧＭＲ電極１１ａ，１１
ｂが形成されている。基板７はプリント基板１に対して
略平行に配置されている。

【００３９】図２に実施の形態のＧＭＲ素子のパターン
形状図を示す。ＧＭＲ素子５は、両側に設けられたＧＭ
Ｒ電極１１ａ，１１ｂと、櫛状の電極パターンからなり
且つ多層膜からなるＧＭＲ膜９とを有している。

【００４０】ＧＭＲ膜９は、印加された磁界の変化によ
り抵抗変化を生ずるもので、図３に示すように、Ｓｉか
らなる基板７の表面上に形成されたＳｉＯ_２薄膜２１、
このＳｉＯ_２薄膜２１上に積層されたＣｏＦｅ薄膜２３
（本発明の磁性層に対応）、このＣｏＦｅ薄膜２３上に
積層されたＣｕ薄膜２５（本発明の非磁性層に対応）を
有するとともに、ＣｏＦｅ薄膜２３及びＣｕ薄膜２５を
交互に各々３０層分積層（これをＳｉ／ＳｉＯ_２／［Ｃ
ｏＦｅ／Ｃｕ］３０と表す。）して構成されている。今
回は３０周期（６０層）で評価したが、電流センサの仕
様によって数は変えても良い。ただし、特性及び製造上
の問題から２０〜５０周期の範囲が適当である。

【００４１】また、図４にＧＭＲ素子のＣｕ層の厚さと
ＭＲ比との関係を示す。図４に示すＣｕ層はＣｕ薄膜２
５に対応する。図４に示すように、Ｃｕ層の厚さにより
ＭＲ比（本発明の磁気抵抗変化率（％）に対応）にピー
クが発生する。Ｃｕ層の厚さが約９ÅのときにＭＲ比の
第１ピークが発生し、Ｃｕ層の厚さが約２１Åのときに
ＭＲ比の第２ピークが発生する。通常、ＧＭＲ膜を回転
センサなどのセンサ素子として使用する場合は、１００
Ｏｅ前後の磁界変化で、１０〜２０％程度のＭＲ比を示
す特性を利用する。このため、第１の実施の形態では、
ＭＲ比の第２ピークを用い、Ｃｕ層の厚さを約２１Åに
設定する。

【００４２】また、基板７の表面左側で且つＧＭＲ膜９
の近傍には左右方向の両端部が両磁極となるように着磁
された平板状のバイアス磁石１３が固着されており、こ
のバイアス磁石１３は、本発明のバイアス磁界印加手段
に相当し、磁化方向が電流方向に対して直角方向（図１
の水平方向）であり、ＧＭＲ膜９に向けてバイアス磁界
を発生する。電流方向は、図１の紙面に対して垂直方向
である。

【００４３】また、ＧＭＲ電極１１ｂは、接地され、Ｇ
ＭＲ電極１１ａにはＧＭＲ素子５に定電流を供給するた
めの定電流源１５が接続され、ＧＭＲ電極１１ａ，１１
ｂは、接合面６を介してプリント基板１上に形成された
電極４ａ，４ｂに電気的に接続されている。このため、
ＧＭＲ電極１１ａ，１１ｂの両端電圧がセンサ出力とし
て取り出されて、接合面６、及び電極４ａ，４ｂを介し
て、プリント基板１上の図示しないセンサ信号処理部に
出力されるようになっている。接合面６は、本発明の接
合部材に対応し、ＧＭＲ電極１１ａ，１１ｂと電極４
ａ，４ｂとの半田接合部または超音波接合部である。

【００４４】次に、このように構成された第１の実施の
形態の電流センサの動作を図面を参照しながら説明す
る。まず、ＧＭＲ素子５は、バイアス磁石１３のバイア
ス磁界中に配置されるため、バイアス磁石１３で発生し
たバイアス磁界は、ＧＭＲ素子５のＧＭＲ膜９を貫く。

【００４５】一方、被検出配線３に被測定電流が流れる
と、この被測定電流によって、図６に示すような磁界Ｈ
が生ずる。この磁界ＨもＧＭＲ膜９を貫く。すなわち、
バイアス磁界と磁界Ｈとが印加磁界として、ＧＭＲ膜９
に印加される。このとき、ＧＭＲ素子５では、印加磁界
に対して抵抗値が直線的に変化する。

【００４６】また、定電流源１５から定電流をＧＭＲ素
子５に流すと、ＧＭＲ素子５の抵抗値と定電流とから決
定される電圧、すなわち、ＧＭＲ電極１１ａ，１１ｂの
両端電圧がセンサ出力として取り出される。そして、そ
のセンサ出力は、接合面６、及び電極４ａ，４ｂを介し
て、プリント基板１上の図示しないセンサ信号処理部に
送られ、センサ信号処理部により、センサ出力に基づい
て被検出配線３を流れる電流の値が求められる。

【００４７】ここで、被検出配線３及びＧＭＲ膜９間の
距離（間隔）は、ＧＭＲ膜９に印加される磁界強度と密
接な関係がある。図７に被検出配線３及びＧＭＲ膜９間
の距離と被検出配線３に流れる電流により生ずる磁界Ｈ
の強さとの関係を示す。図７において、磁界Ｈ（磁束密
度Ｘ方向成分、すなわち、ＧＭＲ膜９の面方向成分）
は、被検出配線３及びＧＭＲ膜９間の距離に反比例して
減少しており、また、磁界Ｈは、被検出配線３に流れる
電流Ｉの大きさに比例して増加している。これは、アン
ペアの周回定理から、磁界Ｈが、（１）式で表されるか
らである。

【００４８】Ｈ＝Ｉ／２πｒ・・・・（１）ここで、ｒは前記距離である。

【００４９】以上のことから、第１の実施の形態の電流
センサでは、ＧＭＲ膜９を被検出配線３の近傍に配置
し、より強い磁界ＨをＧＭＲ膜９に印加している。これ
によって、より大きなセンサ出力が得られるから、プリ
ント基板１上の微小電流を精度良く検出することができ
る。

【００５０】また、ＧＭＲ素子５の磁気抵抗曲線等の特
性は、ＧＭＲ膜９の材料やその構造等に大きく依存して
いる。図８にＧＭＲ膜９の構造をＳｉ／ＳｉＯ_２／［Ｃ
ｏＦｅ／Ｃｕ］３０とした場合の磁気抵抗曲線を示す。
図８において、横軸は印加磁界であり、縦軸はＧＭＲ素
子の抵抗値である。ＭＲ比は２４％である。

【００５１】図８に示す例では、バイアス磁石１３によ
りＧＭＲ膜９に約８０エルステッド（０ｅ）のバイアス
磁界を印加するとともに、被検出配線３及びＧＭＲ膜９
間のギャップ（距離）を約２００μｍ程度に保持した。

【００５２】また、このときの電流値と抵抗値との関係
を図９に示す。図９に示すように、電流値を０→５Ａに
変化した場合と、電流値を５→０Ａに変化した場合との
それぞれについて、電流の変化に対して抵抗値が直線的
に変化しており、１Ａ当たりの抵抗変化は５Ω以上であ
る。このＧＭＲ素子５に定電流源１５から１ｍＡの電流
を流した場合、５ｍＶ以上の電圧変化が出力として得ら
れる。この出力変化は、直線的である。この出力を図示
しないセンサ信号処理部で処理して、１Ａの差異を判断
する。これにより、０〜５Ａの範囲で１Ａの差異を確実
に判断できる出力を得た。

【００５３】さらに、被検出配線３に１０Ａの電流を流
したとき、ＧＭＲ膜９に印加される磁界（被測定磁界）
は、図７からもわかるように、５０エルステッド（Ｏ
ｅ）弱である。バイアス磁界が約８０エルステッド（Ｏ
ｅ）だけ印加されており、図８において、バイアス磁界
に対応する抵抗値をＱとする。

【００５４】また、バイアス磁界８０（Ｏｅ）＋被測定
磁界５０（Ｏｅ）に対応する抵抗値Ｓと、バイアス磁界
８０（Ｏｅ）−被測定磁界５０（Ｏｅ）に対応する抵抗
値Ｒとの間は、磁界変化に対して抵抗が直線的に変化し
ており、感度の良い領域である。

【００５５】すなわち、このような構成のＧＭＲ膜９を
用い且つ一定のバイアス磁界を印加することで、プリン
ト基板１上に流れる０〜１０Ａ程度の範囲（バイアス磁
界内において磁界が発生する電流範囲）の電流値を、確
実に検出することができる。また、第１の実施の形態の
電流センサでは、従来のような複数の値のバイアス磁界
を印加することなく、単純に一定のバイアス磁界を印加
するのみで済み、構造が簡易となる。また、抵抗値がＱ
を中心としてＲ−Ｓ間で変化するので、抵抗値により電
流方向も検出することができる。

【００５６】また、前述した図８の例では、ＧＭＲ膜９
として、Ｓｉ／ＳｉＯ_２／［ＣｏＦｅ／Ｃｕ］３０を用
いたが、ＧＭＲ膜９として、例えば、Ｓｉ／ＳｉＯ_２／
ＮｉＦｅＣｏ［ＮｉＦｅＣｏ／Ｃｕ］２０を用いても良
い。図１０にＧＭＲ膜の構造をＳｉ／ＳｉＯ_２／ＮｉＦ
ｅＣｏ［ＮｉＦｅＣｏ／Ｃｕ］２０とした場合の磁気抵
抗曲線を示す。図１０において、横軸は印加磁界であ
り、縦軸はＧＭＲ素子の抵抗値である。ＭＲ比は７．６
％である。

【００５７】このＧＭＲ膜９は、基板上にＳｉＯ_２薄
膜、このＳｉＯ_２薄膜上に積層されるＮｉＦｅＣｏ薄
膜、このＮｉＦｅＣｏ薄膜上に、さらにＮｉＦｅＣｏ薄
膜（本発明の磁性層に対応）とＣｕ薄膜（本発明の非磁
性層に対応）とが交互に２０層分積層されて構成されて
いる。

【００５８】図８に示す磁気抵抗曲線と図１０に示す磁
気抵抗曲線とを比較すると、図１０に示す磁気抵抗曲線
の方が、低磁界領域での感度（磁界の変化に対する抵抗
値の変化割合）に優れている。すなわち、ＧＭＲ膜９の
構造をＳｉ／ＳｉＯ_２／ＮｉＦｅＣｏ［ＮｉＦｅＣｏ／
Ｃｕ］２０とした場合には、低磁界領域において、電流
変化に対する検出感度を向上させることができる。

【００５９】但し、ＧＭＲ膜９の構造をＳｉ／ＳｉＯ_２
／ＮｉＦｅＣｏ［ＮｉＦｅＣｏ／Ｃｕ］２０とした場合
には、高感度を有する範囲は、ＧＭＲ膜９の構造をＳｉ
／ＳｉＯ_２／［ＣｏＦｅ／Ｃｕ］３０とした場合よりも
狭いため、これに伴って、検出電流範囲も小さくなる。

【００６０】このように第１の実施の形態の電流センサ
によれば、センサ出力及び感度の大きいＧＭＲ素子５の
材料を選択するとともにＧＭＲ素子５を基板への簡易な
実装形態としたので、プリント基板１に形成された被検
出配線３に流れる０〜１０Ａ程度の範囲の電流値を、約
１Ａステップで確実に検出することができる。すなわ
ち、プリント基板上の微小電流を極めて簡易な構成で検
出することができる。

【００６１】また、ＭＲ比の第２ピークを用い、Ｃｕ層
の厚さを約２１Åに設定したので、基板上の配線に流れ
る小さな電流、すなわち、０〜１０Ａ程度の範囲の電流
値を確実に検出することができる。

【００６２】また、バイアス磁石１３及びＧＭＲ素子５
を一体的に支持する基板７がプリント基板１に対して略
平行に配置され且つ接合面６、電極４ａ，４ｂを介して
プリント基板１に接合されてなるので、実装スペースが
少なくて済み、電流センサの小型化を図ることができ
る。

【００６３】また、図２に示すように、ＧＭＲ膜９の長
手方向の電極パターンが、被検出配線３に流れる電流に
より生ずる磁界Ｈに対して、略垂直となるように配置さ
れている。このように電極パターンを配置することで、
より大きなセンサ出力を取り出すことができる。

【００６４】また、第１の実施の形態では、バイアス磁
石１３を基板７左側で且つＧＭＲ膜９の近傍に固着した
が、図１１に示すようにバイアス磁石１３を基板７右側
でＧＭＲ膜９の近傍に固着し、磁化方向が電流方向に対
して直角方向であり、バイアス磁石１３からＧＭＲ膜９
に向けてバイアス磁界を印加しても良い。このような場
合でも、図１に示す電流センサと同様な効果が得られ
る。

【００６５】また、図１２に示すように、バイアス磁石
１３を基板７の裏面側でＧＭＲ膜９に対向する位置に固
着し、磁化方向が電流方向に対して同一方向または直角
方向であり、バイアス磁石１３からＧＭＲ膜９に向けて
バイアス磁界を印加しても良い。このような場合でも、
図１に示す電流センサと同様な効果が得られる。

【００６６】（第２の実施の形態）次に本発明の第２の
実施の形態の電流センサについて説明する。第１の実施
の形態では、直流電流を測定する電流センサについて説
明したが、第２の実施の形態の電流センサは、交流電流
波形の周波数を検出できる非接触型交流電流センサであ
る。

【００６７】図１３は本発明の第２の実施の形態の電流
センサの構成図である。図１３に示すように、第２の実
施の形態の電流センサは、図１に示す第１の実施の形態
の電流センサに対して、バイアス磁石１３がない点が異
なり、同一部分には同一符号を付し、その部分の説明は
省略する。

【００６８】図１４に示すように、ＧＭＲ素子のＭＲ比
は、印加磁界に対して、左右対称な特性を持つ。この特
性を利用すれば、交流電流の検出が可能である。そこ
で、第２ピークを持つＧＭＲ膜９を用いた第２の実施の
形態の電流センサの動作を説明する。

【００６９】まず、被検出配線３に被測定電流である交
流電流が流れると、この交流電流によって、交流磁界が
生ずる。この交流磁界は印加磁界として、ＧＭＲ膜９に
印加される。このとき、ＧＭＲ素子５では、交流磁界に
対して抵抗値が周期的に変化する。

【００７０】また、定電流源１５から定電流をＧＭＲ素
子５に流すと、ＧＭＲ素子５の抵抗値と定電流とから決
定される電圧、すなわち、ＧＭＲ電極１１ａ，１１ｂの
両端電圧がセンサ出力として取り出される。そして、そ
のセンサ出力は、接合面６、及び電極４ａ，４ｂを介し
て、プリント基板１上の図示しないセンサ信号処理部に
送られ、センサ信号処理部により、センサ出力に基づい
て被検出配線３を流れる交流電流の値が求められる。

【００７１】本出願人は、被検出配線３（電線に対応）
に交流電流を流し、磁気抵抗の変化を測定した。図１６
は電線に交流電流が流れている時に検出された磁気抵抗
の変化例を示す図である。図１６（ａ）は電線に流れて
いる商用周波数の電流波形を示す図、図１６（ｂ）は電
流波形に対して検出した磁気抵抗の交流成分の変化を示
す図である。図１６に示す例では、検出電流（交流電
流）の最大値から最小値までの電流値Ｉ_ｐ−ｐを１０
Ａ、２０Ａ、３０Ａ、４０Ａとした。検出電流が大きく
なると、抵抗の変化量も大きくなることがわかる。

【００７２】また、抵抗変化の周波数は、検出電流の周
波数の２倍となる。この理由は、図１７に示す磁気抵抗
曲線によって説明することができる。まず、磁気抵抗曲
線において、検出電流波形Ｉとこの検出電流波形Ｉの変
化に伴って変化する抵抗変化波形とを作成する。

【００７３】ここで、バイアス磁界がないので、初期状
態では、磁場強度はゼロ（図１７の原点Ｏに相当）であ
る。検出電流が１周期だけ変化する時、磁場強度Ｂは、
検出電流Ｉと同一周期である。このため、検出電流の変
化により、磁場強度Ｂは０→Ｂｍａｘ→０→−Ｂｍａｘ
→０のように変化する。この時、抵抗ＲはＲｍａｘ→Ｒ
ｍｉｎ→Ｒｍａｘ→Ｒｍｉｎ→Ｒｍａｘのように変化す
る。従って、抵抗変化の周波数は、検出電流の周波数の
２倍となる。その結果、測定された抵抗変化の周波数か
ら、検出電流の周波数を検出することができる。

【００７４】また、この交流電流センサを用いて、広い
周波数範囲の交流電流を検出することができる。図１５
に示すように、例えば、検出電流が１０Ａである場合
に、数Ｈｚ〜１ｋＨｚの広い周波数範囲にわたって、抵
抗変化量が変わらない。すなわち、広い周波数範囲にわ
たって、交流電流を検出することができる。

【００７５】このようにＧＭＲ材料を用いて、磁気コア
を使用せず、軽量、小型、取り付け自由で且つ非接触で
交流電流を検出することができる。また、電流の周波数
も検出することができる。さらに、バイアス磁石１３を
用いないから、さらに、軽量且つ小型化された電流セン
サを提供することができる。

【００７６】なお、本発明は前述した第１及び第２の実
施の形態の電流センサに限定されるものではない。第１
の実施の形態では、バイアス磁界印加手段として、バイ
アス磁石１３を例示したが、このバイアス磁石に限定さ
れることなく、一定の電流を流すことにより生ずる一定
のバイアス磁界をＧＭＲ膜９に印加させてもよい。

【００７７】また、第１及び第２の実施の形態の電流で
は、ＧＭＲ膜９として、Ｓｉ／ＳｉＯ_２／ＮｉＦｅＣｏ
［ＮｉＦｅＣｏ／Ｃｕ］２０、Ｓｉ／ＳｉＯ_２／［Ｃｏ
Ｆｅ／Ｃｕ］３０を例示したが、これらのＧＭＲ膜９に
限定されることなく、その他のＧＭＲ膜９を用いても良
い。

【００７８】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、磁気抵抗手段
を被検出配線の近傍に配置したので、被検出配線に流れ
る被測定電流により生ずる被測定磁界は、磁気抵抗手段
に対してより大きな値で印加される。また、バイアス磁
界印加手段により一定のバイアス磁界が磁気抵抗手段に
印加され、バイアス磁界と被測定磁界との合成磁界の変
化に応じて抵抗値が大きく変化する。従って、基板配線
に流れる微小電流を精度良く検出でき、一定のバイアス
磁界を印加するバイアス磁界印加手段は簡易に構成でき
るから、簡易な構造で基板実装に適した電流センサを提
供することができる。

【００７９】請求項２の発明によれば、磁気抵抗手段を
被検出配線の近傍に配置したので、被検出配線に流れる
交流電流により生ずる交流磁界は、磁気抵抗手段に対し
てより大きな値で印加され、交流磁界の変化に応じて抵
抗値が大きく変化する。従って、磁気コアを用いず、軽
量、小型、取り付け自由で且つ交流電流波形の周波数を
検出でき、また、バイアス磁界印加手段を用いないか
ら、簡易な構造で基板実装に適した電流センサを提供す
ることができる。

【００８０】請求項３の発明によれば、磁気抵抗手段
は、多層膜表面が被検出配線に流れる被測定電流によっ
て発生される磁界と略平行となるように配置されている
ので、該磁界が多層膜に多く入るから、より大きなセン
サ出力を得ることができる。

【００８１】請求項４の発明によれば、バイアス磁界印
加手段及び磁気抵抗手段を一体的に支持する支持基板が
基板に対して略平行に配置され且つ接合部材を介して基
板に接合されてなるので、実装スペースが少なくて済
み、電流センサの小型化を図ることができる。また、磁
気抵抗手段が被検出配線と向き合うように支持基板に磁
気抵抗手段が配置されているので、磁気抵抗手段が被検
出配線に近くなる。従って、磁気抵抗手段には、より大
きな磁界が印加されるので、より大きなセンサ出力を得
ることができる。

【００８２】請求項５の発明によれば、磁気抵抗手段を
支持する支持基板が基板に対して略平行に配置され且つ
接合部材を介して基板に接合されてなるので、実装スペ
ースが少なくて済み、電流センサの小型化を図ることが
できる。また、磁気抵抗手段が被検出配線と向き合うよ
うに支持基板に磁気抵抗手段が配置されているので、磁
気抵抗手段が被検出配線に近くなる。従って、磁気抵抗
手段には、より大きな磁界が印加されるので、より大き
なセンサ出力を得ることができる。

【００８３】請求項６の発明によれば、磁性層がＣｏＦ
ｅ薄膜であり、非磁性層がＣｕ薄膜であることで、基板
配線の微小電流の検出範囲を広げることができる。

【００８４】請求項７の発明によれば、磁性層がＮｉＦ
ｅＣｏ薄膜であり、非磁性層がＣｕ薄膜であることで、
微小電流における電流変化に対する検出感度を向上させ
ることができる。

【００８５】請求項８の発明によれば、非磁性層の膜厚
を、選択された第２ピークにおける膜厚としたので、約
１０Ａ程度の微小な直流電流や交流電流を確実に検出す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の電流センサの構成図であ
る。

【図２】第１の実施の形態のＧＭＲ素子のパターン形状
図である。

【図３】ＧＭＲ膜の詳細な構造図である。

【図４】ＧＭＲ素子のＣｕ層の厚さとＭＲ比との関係を
示す図である。

【図５】ホール素子を用いて構成した電流センサを示す
図である。

【図６】ＧＭＲ素子を用いて構成した電流センサを示す
図である。

【図７】被検出配線及びＧＭＲ膜間の距離と被検出配線
に流れる電流により生ずる磁界の強さとの関係を示す図
である。

【図８】ＧＭＲ膜の構造をＳｉ／ＳｉＯ_２／［ＣｏＦｅ
／Ｃｕ］３０とした場合の磁気抵抗曲線を示す図であ
る。

【図９】電流値と抵抗値との関係を示す図である。

【図１０】ＧＭＲ膜の構造をＳｉ／ＳｉＯ_２／ＮｉＦｅ
Ｃｏ［ＮｉＦｅＣｏ／Ｃｕ］２０とした場合の磁気抵抗
曲線を示す図である。

【図１１】第１の実施の形態の電流センサの第１の変形
例の構成図である。

【図１２】第１の実施の形態の電流センサの第２の変形
例の構成図である。

【図１３】第２の実施の形態の交流電流センサの構成図
である。

【図１４】印加磁界とＭＲ比との関係を示す磁気抵抗曲
線図である。

【図１５】周波数変化に対する抵抗変化量を示す図であ
る。

【図１６】電線に交流電流が流れている時に検出された
磁気抵抗の変化例を示す図で、（ａ）は電線に流れてい
る商用周波数の電流波形を示す図、（ｂ）は電流波形に
対して検出した磁気抵抗の交流成分の変化を示す図であ
る。

【図１７】電流変化に対する抵抗変化を説明するための
図である。

【図１８】従来の一般的な磁気抵抗曲線を示す図であ
る。

【図１９】従来の磁気センサ装置及び電流センサ装置の
一例の構成図である。

【図２０】従来の変流器式の非接触型交流電流センサの
一例を示す図である。

【図２１】従来の磁電変換素子式の非接触型交流電流セ
ンサの一例を示す図である。

【符号の説明】

１プリント基板３被検出配線４ａ，４ｂ電極５ＧＭＲ素子６接合面７基板９ＧＭＲ膜１１ａ，１１ｂＧＭＲ電極１３バイアス磁石１５定電流源２１ＳｉＯ_２薄膜２３ＣＯＦｅ薄膜２５Ｃｕ薄膜５０ホール素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者長友英治静岡県裾野市御宿1500 矢崎総業株式会社内 (72)発明者鄭偉静岡県裾野市御宿1500 矢崎総業株式会社内 (72)発明者渡辺嘉彦静岡県裾野市御宿1500 矢崎総業株式会社内Ｆターム(参考） 2G017 AA10 AC09 AD21 AD55 BA00 2G025 AA05 AA12 AA14 AB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定電流が流れる被検出配線が形成さ
れた基板と、前記被検出配線の近傍に配置され且つ磁性層と非磁性層
とが交互に複数回積層された多層膜を有し、該多層膜に
印加される磁界の変化に応じて抵抗値が変化する磁気抵
抗手段と、この磁気抵抗手段に一定のバイアス磁界を印加するバイ
アス磁界印加手段と、を備えることを特徴とする電流セ
ンサ。
【請求項２】被測定電流である交流電流が流れる被検
出配線が形成された基板と、前記被検出配線の近傍に配置され且つ磁性層と非磁性層
とが交互に複数回積層された多層膜を有し、該多層膜に
印加される磁界の変化に応じて抵抗値が変化する磁気抵
抗手段と、を備えることを特徴とする電流センサ。
【請求項３】前記磁気抵抗手段は、前記多層膜表面が
前記被検出配線に流れる被測定電流によって発生される
磁界と略平行となるように配置されていることを特徴と
する請求項１又は請求項２記載の電流センサ。
【請求項４】前記バイアス磁界印加手段及び前記磁気
抵抗手段を一体的に支持する支持基板を有し、該支持基
板が前記基板に対して略平行に配置され、前記磁気抵抗
手段が前記被検出配線と向き合うように前記支持基板に
前記磁気抵抗手段が配置され、支持基板が接合部材を介
して前記基板に接合されてなる請求項３記載の電流セン
サ。
【請求項５】前記磁気抵抗手段を支持する支持基板を
有し、該支持基板が前記基板に対して略平行に配置さ
れ、前記磁気抵抗手段が前記被検出配線と向き合うよう
に前記支持基板に前記磁気抵抗手段が配置され、支持基
板が接合部材を介して前記基板に接合されてなる請求項
３記載の電流センサ。
【請求項６】前記磁性層は、ＣｏＦｅ薄膜であり、前
記非磁性層は、Ｃｕ薄膜であることを特徴とする請求項
１乃至請求項５のいずれか１項記載の電流センサ。
【請求項７】前記磁性層は、ＮｉＦｅＣｏ薄膜であ
り、前記非磁性層は、Ｃｕ薄膜であることを特徴とする
請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の電流セン
サ。
【請求項８】前記非磁性層の膜厚の変化に対して磁気
抵抗変化率が複数のピークを持つ場合に、複数のピーク
の中から前記膜厚が２番目に小さいときの第２ピークを
選択し、前記非磁性層の膜厚を、選択された第２ピーク
における膜厚に決定することを特徴とする請求項１乃至
請求項７のいずれか１項記載の電流センサ。