JP2002296304A - 磁気センサを用いた電流センサ - Google Patents

磁気センサを用いた電流センサ

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JP2002296304A
JP2002296304A JP2001095058A JP2001095058A JP2002296304A JP 2002296304 A JP2002296304 A JP 2002296304A JP 2001095058 A JP2001095058 A JP 2001095058A JP 2001095058 A JP2001095058 A JP 2001095058A JP 2002296304 A JP2002296304 A JP 2002296304A
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Kazuhiko Ueno
一彦 上野
Hiroyuki Sano
寛幸 佐野
Yasuo Itatsu
康雄 板津
Takuya Kazama
拓也 風間
Kimihiro Iritono
公浩 入戸野
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Stanley Electric Co Ltd
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Stanley Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】従来の電流センサでは、電流による発生する磁
界が強いために磁気センサに用いる磁気検出素子の動作
範囲を超えてしまっていた。また、平板導体に開口部を
開け、その開口部の中に磁気センサを配置し、開口部内
の磁界をキャンセルし微小磁界とすると、平板導体に開
口部を設るため、平板導体のコストが高くなっていた。 【解決手段】磁気検出素子に磁気検出回路に合せもつ磁
気センサ1を用いた電流センサ3である。その構成は、
電流が流れる平板導体2の表面に対しY方向に微小磁界
が発生するので、そのY方向の磁界のみを検出する。電
流が流れる平板導体2の幅方向をX、電流が流れる方向
をZ、高さ方向をY、平板導体2の表面の中央線をOと
する。そのとき、磁気センサ1のY方向が微小磁界とな
ることを利用し電流が流れる平板導体2の表面の中心線
Oよりずらし、磁気センサ1を平板導体2の表面の近傍
垂直方向に配置し、垂直方向の微小磁界のみを検出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、大電流が流れても
微小磁界が発生する個所を用い検出磁界が得られる磁気
センサを用いた超小型の電流センサに関する。
【0002】
【従来の技術】近年小型・低コストで高感度・高速応答の
磁気センサの要求がますます大きくなっている。それに
ともない、微弱な外部磁界を感度良く検出できるMI素
子が必要となってきている。また、非破壊検出や紙幣検
査に用いることができる高感度の需要も大きくなってい
る。更に、自動車用の電流センサ等として高感度で且つ
広範囲の検出磁界に渡って感知できる電流センサの需要
が多くなっている。
【0003】MI素子を、磁気センサ41として用い電
流センサ43にするには、図4に示すように導体42に
流れる電流に比例する円周磁界を磁気センサ41で検出
し電流値を計測する構成とする電流センサ43が一般的
である。
【0004】また、MI素子を、磁気センサ51として
用い電流センサ53にするには、図5に示すように導体
52に開けた穴の中の磁界を磁気センサ51で検出し、
電流値を計測するものもある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図4に示す電流センサ
43では発生する磁界が強いため大きな電流を通電した
ときには素子の動作範囲を超えてしまい検出できなくな
るという問題がある。磁界を弱める方法としては素子と
導体との距離を長くする方法もあるがサイズが大きくな
ってしまう。
【0006】図5に示す電流センサ53では平板導体5
2に開けた穴の中の磁界を検出するため発生する磁界が
キャンセルされて弱くなり大きな電流でも検出できる。
しかし、平板導体52の構造が複雑になり、平板導体5
2のコストが高くなってしまう問題がある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本出願人は、電流を流れ
る方向をZ、その幅方向をXとするとその導体のY方向
の磁界が微小磁界となることを利用し、磁気センサの配
置位置を導体の中央線よりずらして、その平板導体に対
し垂直方向に平板導体表面の近傍又は離さず配置し、微
小磁界となるY成分のみを検出する磁気センサを用いた
電流センサにより小型化可能で平板導体のコストが非常
に安くなることで課題を解決している。
【0008】又、磁気センサを配置する位置を導体の中
央線を跨ぎ、その平板導体に対し垂直方向に平板導体表
面の近傍又は離さず配置する二つの磁気センサを用いた
電流センサを提供することで外乱磁界をキャンセルする
磁気センサを用いた電流センサを提供することで課題を
解決している。
【0009】本発明は、平板導体に電流を流したとき
に、電流を流す方向をZ、平板導体表面の幅方向をX、
高さ方向をYとするとY方向の磁界が微小磁界となる。
そのY方向成分の微小磁界のみを磁気センサで検知する
電流センサである。
【0010】請求項1は、磁気検出素子に、磁気検出回
路を合せもつ磁気センサを用いた電流センサにおいて、
前記磁気検出素子は、磁気に対し強い指向性をもち、電
流が流れる平板導体表面の中央線よりずらした位置に前
記磁気センサを配置し、且つ、前記平板導体に対し垂直
方向に該磁気センサを該平板導体の近傍又は離さず配置
することで、該平板導体表面に対して垂直方向の磁界の
み検出することを特徴とする磁気センサを用いた電流セ
ンサである。
【0011】請求項2は 磁気検出素子に、磁気検出回
路を合せもつ磁気センサを用いた電流センサにおいて、
前記磁気検出素子は、磁気に対し強い指向性をもち、電
流が流れる平板導体表面の中央線を跨ぎ二つの磁気セン
サを配置し、且つ、前記平板導体に対し垂直方向に夫々
の該二つの磁気センサを同距離だけずらし、該平板導体
の近傍又は離さず配置することで、該平板導体表面に対
し垂直方向の磁界のみ検出することを特徴とする磁気セ
ンサを用いた電流センサである。
【0012】請求項3は、前記磁気に対し強い指向性を
もつ磁気検出素子は、MI素子であることを特徴とする
請求項1、2記載の磁気センサを用いた電流センサであ
り、請求項4は、前記MI素子は、絶縁性基板に単層の
磁性薄膜を成膜し、該磁性薄膜の幅方向に磁化容易軸を
整えることを特徴とする請求項3記載の磁気センサを用
いた電流センサであり、請求項5は、前記MI素子は、
絶縁性基板に二層の磁性薄膜を二層成膜し、該二層の磁
性薄膜には、夫々磁化容易軸が、交差するように整えら
れていることを特徴とする請求項3記載の磁気センサを
用いた電流センサ。
【0013】請求項6は、前記磁性薄膜は、CoFeN
i、NiFeのメッキ膜及び蒸着膜、或いはFeCoS
iB,CoZrNb,FeSiB,CoSiB,NiF
eを主成分とするアモルファス膜又は、結晶系磁性膜を
成膜し、回転磁場中、及び静止磁場中でアニールするこ
とで幅方向に磁化容易軸を整えるMI素子であることを
特徴とする請求項4記載の磁気センサを用いた電流セン
サであり、請求項7は、前記磁性薄膜は、FeCoSi
B、CoZrNb、FeSiB、CoSiB、NiFe
を主原料とするアモルファス膜又は、結晶系磁性膜で成
膜し、磁場中により磁化容易軸を整えるMI素子である
ことを特徴とする請求項5記載の磁気センサを用いた電
流センサである。
【0014】
【発明の実施の形態】ここでは、磁気検出素子に磁気検
出回路を合せもつ磁気センサとし、その磁気検出素子が
強い指向性をもった、磁性薄膜を使用したMI素子で実
施形態を説明するが、指向性の強い磁気検出素子を用い
た磁気センサであれば、どのような磁気センサにおいて
も同様な効果が得られる。本発明の各実施形態を図面に
て説明する。本発明の第一の実施形態を図1に沿って説
明する。図1は、本発明に係わる電流センサを示す図で
ある。1が、磁気センサ(MIセンサ)を示し、2が、
平板導体を示している。尚、導体の中心線をOとする。
これらによって、電流センサ3が構成されている。
【0015】図2で示すように、平板導体2のZ方向に
電流100[A]を流した場合、導体の周回方向に電流
と比例した磁界が発生する。その磁界の導体表面方向で
の磁界強度を示し、Y方向の磁界強度が微小磁界となっ
ていることがわかる。この磁界は、導体表面の中心部で
は0で幅方向に行くほど強くなる。また中心から幅方向
に、−X方向に行くと正磁界、+X方向に行くと負磁界
となっている。
【0016】図1の電流センサ3では、導体2の表面方
向の磁界を指向性の強い高感度の磁気センサ1(MIセ
ンサなど)を垂直に平板導体2の近傍又は離さずに測定
することで、X方向成分の磁界を検出せず、Y方向成分
の磁界のみを検出し、平板導体2に流れる電流を検出し
ている。
【0017】磁気センサ1としてMIセンサを用いる場
合は、膜厚方向がX方向に向くように配置した方がよ
い。大電流用センサでは導体2の表面中心近くの磁界が
弱い場所に配置し、微小電流測定では磁界の強いX方向
(幅側)に配置する。
【0018】従って、平板導体2の表面に磁界の強い場
所、弱い場所があるため従来のように、平板導体と磁気
センサを離して磁界を弱くする必要なく、大電流でも小
型化が可能である。また、従来のように小型化を狙った
大電流センサ用の複雑な形状の穴を開けた平板導体に比
べ、平板導体の形状がただの平板でよいため平板導体の
コストが非常に安くなる。
【0019】本発明の第二の実施形態を、図3に沿って
説明する。中心線Oを跨ぎ磁界を検出する方向が逆にな
るように、二つの磁気センサ1が、中心線から同距離の
X方向、Y方向の場所に夫々配置し、その磁気センサ間
の勾配磁界を検出する。これにより外乱磁界をキャンセ
ルし電流による磁界のみを検出できる。大電流用のセン
サの場合はセンサ間の距離を短くし、微小電流の場合は
磁気センサ間の距離を長くとる。これによって、電流セ
ンサ3が構成されている。
【0020】特にMI素子の構成は特に図示しないが、
薄膜MI素子は、単層の磁性薄膜からなるMI素子も二
層の磁性薄膜からなるMI素子も基板は、Al
セラミックウエハ、Siウエハ、ガラスウエハ等の表面
平滑性を高めた非磁性体基板である。また、表面平滑性
を高めなくとも非磁性基板であればよい。
【0021】単層の磁性薄膜からなるMI素子の場合、
絶縁性基板上に軟磁性体薄膜であるCoFeNi,Ni
Fe等のメッキ膜及び蒸着膜、或いはFeCoSiB,
CoZrNb,FeSiB,CoSiB,NiFeを主
成分とするアモルファス膜、結晶系磁性膜を成膜し、回
転磁場中、及び静止磁場中でアニールすることで薄膜の
幅方向に磁化容易軸を整え薄膜MI素子とすることで磁
気特性の向上がはかれる。
【0022】磁化容易軸が交差するように二層成膜され
た交差異方性MI素子の場合、絶縁性基板上に軟磁性体
薄膜であるFeCoSiB,CoZrNb,FeSi
B,CoSiB,NiFeを主成分とするアモルファス
膜、結晶系磁性膜を成膜し、磁場中で二層の磁性薄膜
が、交差するように磁化容易軸が整えられる。その方法
としては、磁場中スパッタ法がある。
【0023】従って、導体に電流を流したときのY成分
の微小磁界を検出するように磁気センサ(MIセンサ)
を導体の中央部を除く位置に垂直方向に配置すること
で、MI素子を用いた磁気センサ(MIセンサ)を用い
た電流センサとするか、外乱磁界の影響を受けず磁気セ
ンサを二つ用いる電流センサとすることで、常に微小磁
界となる磁界を検知できる。
【0024】
【発明の効果】このように本発明では、電流が流れる平
板導体表面の垂直方向が微小磁界となるので、平板導体
表面の近傍又は離さずに磁気センサを該平板導体表面に
対して、その中央線を除く位置に垂直方向となるよう配
置して磁界を検出し、電流センサとするので、従来のよ
うに平板導体表面と磁気センサを離して磁界を弱くする
必要がなく、大電流センサとして用いても小型化が可能
である。また、小型化を狙った大電流用の穴を開け磁界
をキャンセルする複雑な平板導体に比べ、平板導体に穴
を開ける必要がなく平板導体のコストが非常に安くな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施形態を示す磁気センサを用
いた電流センサの構造である。
【図2】本発明の平板導体のZ方向に電流100[A]
を流した場合の導体表面での磁界強度を示した図であ
る。
【図3】本発明の第二の実施形態を示す二つの磁気セン
サを用いた電流センサの構造である。
【符号の説明】
1、41、51・ ・ ・ ・ ・ 磁気センサ 2、42、52・ ・ ・ ・ ・ 平板導体 3、43、53・ ・ ・ ・ ・ 電流センサ O・ ・ ・ ・ ・ 中心線(導体の中心部)
【手続補正書】
【提出日】平成13年6月29日(2001.6.2
9)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図4
【補正方法】追加
【補正内容】
【図4】従来の導体に流れる電流に比例する円周磁界を
磁気センサで検出し電流値を計測する構成とする電流セ
ンサを示す図である。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図5
【補正方法】追加
【補正内容】
【図5】従来のMI素子を磁気センサとして用い電流セ
ンサとした場合の電流センサであり、導体に開けた穴の
中の磁界を磁気センサで検出し、電流値を測定する構成
とした電流センサを示す図である。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 風間 拓也 東京都目黒区中目黒2丁目9番地13号 ス タンレー電気株式会社内 (72)発明者 入戸野 公浩 東京都目黒区中目黒2丁目9番地13号 ス タンレー電気株式会社内 Fターム(参考) 2G017 AD51 AD62 AD65 2G025 AA05 AB01 2G035 AA17 AD00

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】磁気検出素子に、磁気検出回路を合せもつ
    磁気センサを用いた電流センサにおいて、前記磁気検出
    素子は、磁気に対し強い指向性をもち、電流が流れる平
    板導体表面の中央線よりずらした位置に前記磁気センサ
    を配置し、且つ、前記平板導体に対し垂直方向に該磁気
    センサを該平板導体の近傍又は離さず配置することで、
    該平板導体表面に対して垂直方向の磁界のみ検出するこ
    とを特徴とする磁気センサを用いた電流センサ。
  2. 【請求項2】磁気検出素子に、磁気検出回路を合せもつ
    磁気センサを用いた電流センサにおいて、前記磁気検出
    素子は、磁気に対し強い指向性をもち、電流が流れる平
    板導体表面の中央線を跨ぎ二つの磁気センサを配置し、
    且つ、前記平板導体に対し垂直方向に夫々の該二つの磁
    気センサを同距離だけずらし、該平板導体の近傍又は離
    さず配置することで、該平板導体表面に対し垂直方向の
    磁界のみ検出することを特徴とする磁気センサを用いた
    電流センサ。
  3. 【請求項3】前記磁気に対し強い指向性をもつ磁気検出
    素子は、MI素子であることを特徴とする請求項1、2
    記載の磁気センサを用いた電流センサ。
  4. 【請求項4】前記MI素子は、絶縁性基板に単層の磁性
    薄膜を成膜し、該磁性薄膜の幅方向に磁化容易軸を整え
    ることを特徴とする請求項3記載の磁気センサを用いた
    電流センサ。
  5. 【請求項5】前記MI素子は、絶縁性基板に二層の磁性
    薄膜を二層成膜し、該二層の磁性薄膜には、夫々磁化容
    易軸が、交差するように整えられていることを特徴とす
    る請求項3記載の磁気センサを用いた電流センサ。
  6. 【請求項6】前記磁性薄膜は、CoFeNi、NiFe
    のメッキ膜及び蒸着膜、或いはFeCoSiB,CoZ
    rNb,FeSiB,CoSiB,NiFeを主成分と
    するアモルファス膜、結晶系磁性膜を成膜し、回転磁場
    中、及び静止磁場中でアニールすることで幅方向に磁化
    容易軸を整えるMI素子であることを特徴とする請求項
    4記載の磁気センサを用いた電流センサ。
  7. 【請求項7】前記磁性薄膜は、FeCoSiB、CoZ
    rNb、FeSiB、CoSiB、NiFeを主原料と
    するアモルファス膜又は、結晶系磁性膜で成膜し、磁場
    中により磁化容易軸を整えるMI素子であることを特徴
    とする請求項5記載の磁気センサを用いた電流センサ。
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