JP2006071435A - 磁気平衡式電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 体格を小型化することができる磁気平衡式電流センサを提供すること。
【解決手段】 被検出電流Ｉが導通する導電部材２００と略並行に配置され、導電部材２００に被検出電流Ｉが導通したときに生じる被検出磁界による磁束を打ち消す向きの磁束を有する相殺磁界を発生するように、相殺電流ｉが導通される配線部１０と、導電部材２００及び配線部１０によって発生する各磁界による磁束が作用するように、導電部材２００及び配線部１０と直交する直線上に配置され、作用磁束の大きさに応じた電気信号を発生する磁電変換部２０と、磁電変換部２０が発生した電気信号に基づいて、相殺電流ｉを形成し、配線部１０に与える相殺電流形成部３０とを備え、相殺電流ｉが、被検出電流Ｉと相関して変化するように磁気平衡式電流センサ１００を構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気平衡式電流センサに関するものである。

例えば特許文献１に示すように、磁気平衡式電流センサが知られている。

特許文献１に代表される従来の磁気平衡式電流センサは、ギャップを有する略Ｃ字型のコアと、コアに巻装されたフィードバックコイルと、コアのギャップに配設された感磁素子（ホール素子）と、ギャップの磁束を打ち消す平衡電流をフィードバックコイルに与える信号処理回路を有している。

コアを内側に貫通させた導体に被測定電流が流れると、導体の周囲に被測定電流に比例した磁界が発生し、ギャップに生じた磁束に応じて、感磁素子が電気信号を出力する。信号処理回路は、この電気信号に基づいて平衡電流を形成し、フィードバックコイルに供給して、ギャップの磁束を常に消去する磁気平衡状態を形成する。このように、平衡電流は被検出電流と相関して変化するので、平衡電流を測定することにより、被測定電流を測定することができる。
特開２００３−１４９２７３号公報

しかしながら、上記構成の場合、導体を貫通させるコアと、コアに巻装されたフィードバックコイルが必要であるため、センサ体格が大きくなるという問題がある。

本発明は上記問題点に鑑み、体格を小型化することができる磁気平衡式電流センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に、請求項１〜７に記載の発明は磁気平衡式電流センサに関する発明である。

先ず、請求項１に記載の発明は、被検出電流が導通する導電部材と略並行に配置され、導電部材に被検出電流が導通したときに生じる被検出磁界による磁束を打ち消す向きの磁束を有する相殺磁界を発生するように、相殺電流が導通される配線部と、導電部材及び配線部によって発生する各磁界による磁束が作用するように、導電部材及び配線部と直交する直線上に配置され、作用磁束の大きさに応じた電気信号を発生する磁電変換部と、磁電変換部が発生した電気信号に基づいて、相殺電流を形成し、配線部に与える相殺電流形成部とを備え、相殺電流は、被検出電流と相関して変化することを特徴とする。

このように本発明によると、相殺電流が導通される配線部は、被検出電流が導通される導電部材に対して略並行に配置されるので、導電部材に被検出電流が導通したときに生じる被検出磁界による磁束を打ち消す向きの磁束を有する相殺磁界を発生する。また、磁電変換部は、導電部材及び配線部と直交する直線上に配置されるので、磁電変換部において、容易に磁気平衡状態を構成することができる。すなわち、本発明の構成によれば、磁気平衡状態のために従来必要であったコア及びフィードバックコイルを不要とできるので、センサ体格を小型化することができる。

また、フィードバックコイルは、通常コアに対して３０００回程度巻く必要があるが、それが不要となるので、製造コストを低減することができる。

請求項２に記載のように、同一の基板に対して、配線部及び磁電変換部が形成されていることが好ましい。このように同一のチップに配線部及び磁電変換部が形成（集積化）されていると、センサ体格をより小型化することができる。また、配線部及び磁電変換部の互いの位置関係を精度良く決定することができる。

具体的には、請求項３に記載のように、基板は半導体基板であり、配線部は半導体基板に対して拡散抵抗として形成され、配線部上に絶縁層を介して磁電変換部が形成された構成としても良い。それ以外にも、例えば半導体基板表面にＡｌ等からなる配線部が形成され、絶縁層を介して磁電変換部が形成された構成としても良い。

請求項４に記載のように、配線部は、磁電変換部と導電部材との間に配置されていることが好ましい。ここで、磁電変換部に作用する、導電部材及び配線部によって発生する被検出磁界及び相殺磁界による磁束密度Ｂ１，Ｂ２、及び、磁気平衡状態における磁束密度Ｂ１，Ｂ２の関係は、次式で示すことができる。
（数１） Ｂ１＝μ₀Ｉ／２πｒ₁
（数２） Ｂ２＝μ₀ｉ／２πｒ₂
（数３） Ｂ１＝Ｂ２
尚、μ₀：真空透磁率（４π×１０^-7Ｎ／Ａ²）、Ｉ：被検出電流、ｉ：相殺電流、ｒ₁：導電部材と磁電変換部との間の距離、ｒ₂：配線部と磁電変換部との間の距離である。

そして、数式１〜数式３に示す関係から、相殺電流ｉと被検出電流Ｉとの関係を次式で示すことができる。
（数４） ｉ＝ｒ₂／ｒ₁×Ｉ
磁電変換部を挟んで、導電部材と配線部を配置した構成としても良いが、この場合、配線部と導電部材との距離はｒ₁＋ｒ₂となる。例えば磁電変換部と配線部が同一チップに形成され、チップを保護するケースの厚さによって磁電変換部と導電部材との間の距離ｒ₁を調整する構成のように、距離ｒ₁をセンサ側で調整する場合には、センサ体格が大きくなる。

それに対して、磁電変換部と導電部材との間に配線部を配置した構成とすると、配線部と導電部材との距離はｒ₁−ｒ₂となる。従って、磁電変換部を挟んで、導電部材と配線部を配置した構成よりも、センサ体格を小さくすることができる。

尚、磁電変換部と導電部材との間に配線部が配置された構成の場合、配線部には相殺電流として被検出電流と逆向きの電流が導通され、磁電変換部を挟んで導通部材と配線部が配置された構成の場合、配線部には相殺電流として被検出電流と同方向の電流が導通される。

磁電変換部はホール素子から構成されても良い。しかしながら、ホール素子の場合、作用磁束に対して垂直に配置しなければならないため、例えば配線部とホール素子が同一のチップ（基板）に形成された場合、導電部材に対してチップを立てて配置する必要がある。すなわち、平置きした場合よりもホール素子と導電部材との距離ｒ₁が長くなるため、相殺電流ｉが小さくなり感度が低下する。

それに対し、請求項５に記載のように、磁電変換部を、磁気抵抗素子から構成すると、導電部材に対してチップを平置きできるので、感度低下を防ぐことができる。

また、導電部材が連結部材であり、磁気平衡式電流センサを固定して配置するような場合には、請求項６に記載のように、導電部材と磁電変換部との間隔が所定の値となるように、導電部材を配線部及び磁電変換部と一体的に設けられた構成とすると良い。この場合、配線部、磁電変換部、及び導電部材の、互いの位置関係をさらに精度良く決定することができる。

具体的には、請求項７に記載のように、導電部材が、インサート成形によって配線部及び磁電変換部と一体的に設けられた構成とすると良い。それ以外にも例えば接着、嵌合等によって、導電部材が配線部及び磁電変換部と一体的に設けられた構成とすることもできる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施形態における磁気平衡式電流センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は回路構成を示す図、（ｂ）は構造を示す図である。

尚、磁電変換部が発生した電気信号に基づいて、配線部に供給する相殺電流を形成する相殺電流形成部の構成については、本実施形態の特徴部分ではなく、例えば特開２００２−２２８６８９号公報等により公開された公知の構成を適用できるので、詳しい説明を省略する。

図１（ａ）に示すように、本実施形態における磁気平衡式電流センサ１００は、配線部１０、磁電変換部２０、及び相殺電流形成部３０とを有しており、導電部材２００を流れる被検出電流Ｉを検出する。

配線部１０は、被検出電流Ｉが導通する導電部材２００と略並行（すなわち互いの電流の導通方向が略並行）に配置されている。そして、導電部材２００に被検出電流Ｉが導通したときに生じる被検出磁界による磁束を打ち消す向きの磁束を有する相殺磁界を発生するように、相殺電流ｉが導通される。

磁電変換部２０は、導電部材２００及び配線部１０によって発生する各磁界による磁束が作用するように、導電部材２００及び配線部１０（電流の導通方向）と直交する直線上に配置されている。そして、作用磁束の大きさに応じた電気信号を相殺電流形成部３０に出力する。

本実施形態において、配線部１０は、図１（ｂ）に示すように、例えばｎ型シリコンからなる半導体基板５０に、ｐ型不純物をイオン注入し、イオン注入後、活性化のための熱処理を行って形成された拡散抵抗として構成されている。そして、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜５１を介して、配線部１０上に磁電変換部２０が形成されている。本実施形態においては、磁電変換部２０として、磁気抵抗素子の中でも感度が良い強磁性体磁気抵抗素子（例えばＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなる）を適用している。

このように、同一の半導体基板５０（チップ）に対して、配線部１０及び磁電変換部２０が形成（集積化）されていると、センサ体格をより小型化することができる。また、配線部１０と磁電変換部２０が別個に設けられた構成よりも、配線部１０と磁電変換部２０の互いの位置関係を精度良く決定することができる。

尚、図１（ｂ）中において、符号６０は、例えば樹脂からなるセンサケースであり、半導体基板５０の磁電変換部形成面の裏面を、センサケース６０を介して、導電部材２００に当接させた状態で、導電部材２００に流れる被検出電流Ｉを磁気平衡式電流センサ１００にて検出するように構成されている。

相殺電流形成部３０は、磁電変換部２０と、磁電変換部２０が発生した電気信号に基づいて、相殺電流ｉを形成し、配線部１０に供給する。尚、図１（ａ）中において、符号３１は磁電変換部２０の出力電圧を差動増幅乃至出力電圧の向きを検出する比較器、符号３２は、比較器３１の出力を電流増幅して配線部１０の一端に印加する相補エミッタホロワ回路、符号３３ａ，３３ｂは、比較器８及び相補エミッタホロワ回路３２に所定の電源電圧（正負両電圧ＶＳ＋，ＶＳ−）を印加する正電源及び負電源である。相補エミッタホロワ回路３２は、２つのトランジスタ３２ａ，３２ｂとを直列接続して構成されている。また、符号４０は、配線部１０の一端とＧＮＤとの間に配置され、配線部１０に導通する相殺電流ｉを、電圧に変換してＶＯＵＴとして検出するための負荷抵抗である。

比較器３１の出力は、被検出電流Ｉの向きによって正負に反転し、それに応じて後段の２つのトランジスタ３２ａ，３２ｂのいずれかが導通される。トランジスタ３２ａ，３２ｂの導通によって負荷抵抗４０に流れる相殺電流ｉの方向が切り替わり、出力電圧ＶＯＵＴは正負の両極性を持つこととなる。従って、被検出電流Ｉの導通方向を出力電圧ＶＯＵＴの正負によって判別することができるので、磁気平衡式電流センサ１００は双方向の電流検出が可能である。

次に、本実施形態の特徴部分である配線部１０、磁電変換部２０、及び導電部材２００の配置構成について、図１（ａ），（ｂ）、及び、図２を用いて説明する。図２は、配線部、磁電変換部、及び導電部材の配置構成を説明するための図である。

導電部材２００に被検出電流Ｉが流れると、導電部材２００の周囲に被検出電流Ｉに比例した被検出磁界（図２中の一点鎖線であり、矢印が磁界の向き）が発生する。この被検出磁界による磁束を、磁電変換部２０により検出し、磁電変換部２０は、作用磁束に応じた電気信号を相殺電流形成部３０に出力する。

相殺電流形成部３０は、磁電変換部２０の電気信号に基づいて相殺電流ｉを形成し、相殺電流ｉを配線部１０に供給する。そして、配線部１０の周囲に相殺電流ｉに比例した相殺磁界（図２中の二点鎖線であり、矢印が磁界の向き）が発生する。

ここで、本実施形態においては、上述したように、配線部１０（相殺電流ｉの導通方向）は導電部材２００（被検出電流Ｉの導通方向）と略並行に配置されており、導電部材２００（被検出電流Ｉの導通方向）及び配線部１０（相殺電流ｉの導通方向）と直交する直線上に磁電変換部２０が配置されている。また、磁電変換部２０と導電部材２００との間に配線部１０が配置されており、配線部１０には、導電部材２００を導通する被検出電流Ｉとは逆方向に、相殺電流ｉが導通している。

従って、図２に示すように、磁電変換部２０において、被検出電流Ｉによる磁束を相殺電流ｉによる磁束で打ち消すことができ、従来のようにコア及びフィードバックコイルが無くても、磁気平衡状態を形成することができる。

また、磁電変換部２０に作用する、導電部材２００及び配線部１０によって発生する被検出磁界及び相殺磁界による磁束密度Ｂ１，Ｂ２、及び、磁気平衡状態における磁束密度Ｂ１，Ｂ２の関係は、次式で示すことができる。
（数５） Ｂ１＝μ₀Ｉ／２πｒ₁
（数６） Ｂ２＝μ₀ｉ／２πｒ₂
（数７） Ｂ１＝Ｂ２
尚、μ₀：真空透磁率（４π×１０^-7Ｎ／Ａ²）、Ｉ：被検出電流、ｉ：相殺電流、ｒ₁：導電部材２００と磁電変換部２０との間の距離、ｒ₂：配線部１０と磁電変換部２０との間の距離である。

そして、数式５〜数式７に示す関係から、相殺電流ｉと被検出電流Ｉとの関係を次式で示すことができる。
（数８） ｉ＝ｒ₂／ｒ₁×Ｉ
数式８に示すように、相殺電流ｉは被検出電流Ｉと相関して変化する。従って、相殺電流ｉに基づく出力電圧ＶＯＵＴを検出することにより、被検出電流Ｉを検出することができる。

このように、本実施形態に示した構成の磁気平衡式電流センサ１００によれば、磁気平衡状態のために従来必要であったコア及びフィードバックコイルを不要とできるので、センサ体格を小型化することができる。

また、フィードバックコイルは、通常コアに対して３０００回程度巻く必要があるが、それが不要となるので、製造コストを低減することができる。

尚、配線部１０に導通される相殺電流ｉの大きさは、数式８に示すように、導電部材２００と磁電変換部２０との間の距離ｒ₁に反比例し、配線部１０と磁電変換部２０との間の距離ｒ₂に比例する。従って、配線部１０と磁電変換部２０及び導電部材２００との距離によって、配線部１０に導通される相殺電流ｉの大きさを調整することができる。

例えば、本実施形態に示すように、同一の半導体基板５０に配線部１０と磁電変換部２０とを形成した構成において、配線部１０に導通される相殺電流ｉを、発熱が問題にならない程度に設定することができる。

また、本実施形態においては、磁電変換部２０と導電部材２００との間に、配線部１０が配置された構成例を示した。しかしながら、配線部１０が導電部材２００と略並行に配置され、導電部材２００及び配線部１０と直交する直線上に磁電変換部２０が配置された構成であれば、磁電変換部２０において磁気平衡状態を形成することができる。従って、上記構成以外にも、例えば、図３に示すように、磁電変換部２０を挟んで、導電部材２００と配線部１０を配置した構成とすることもできる。この場合、配線部１０には相殺電流ｉとして被検出電流Ｉと同方向の電流が導通される。尚、図３は、配線部１０、磁電変換部２０、及び導電部材１００の配置構成の変形例を示す図である。また、図３中において、一点鎖線が導電部材２００によって発生する被検出磁界を示し、二点鎖線が配線部１０によって発生する相殺磁界を示しており、ともに磁界の向きを矢印で示している。

しかしながら、図３に示す構成の場合、配線部１０と導電部材２００との距離はｒ₁＋ｒ₂となる。それに対して、磁電変換部２０と導電部材２００との間に配線部１０を配置した構成（図２）の場合、配線部１０と導電部材２００との距離はｒ₁−ｒ₂となる。従って、磁電変換部２０と導電部材２００との間に配線部１０を配置した構成とすることで、センサ体格をより小さくすることができる。例えば本実施形態に示すように、配線部１０と磁電変換部２０が同一の半導体基板５０に形成され、センサケース６０を介して導電部材２００と当接する構成の場合、センサケース６０の厚さを調整することで、磁電変換部２０と導電部材２００との間の距離ｒ₁を容易に調整することができるが、磁電変換部２０と導電部材２００との間に配線部１０を配置した構成とすると、センサケース６０の厚さを薄くすることができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施することができる。

本実施形態において、同一の半導体基板５０に配線部１０及び磁電変換部２０が形成される例を示した。このように基板として半導体基板５０を用いると、一般的な半導体プロセスにより、磁気平衡式電流センサ１００を形成することができるので、製造コストを低減することができる。しかしながら、半導体基板５０以外にも、基板としてガラス基板等の絶縁基板を適用することも可能である。

また、本実施形態においては、同一の半導体基板５０に配線部１０と磁電変換部２０が形成された例を示した。しかしながら、配線部１０と磁電変換部２０が別個に配置された構成としても良い。

また、本実施形態においては、磁電変換部２０が磁気抵抗素子からなる例を示したが、作用磁束に応じた電気信号を発生するものであれば適用が可能である。例えば磁気抵抗素子以外にも、ホール素子を適用することができる。

しかしながら、ホール素子の場合、作用磁束に対して直交するように配置する必要がある。すなわち、例えば同一の半導体基板５０にホール素子と配線部１０が形成された構成の場合、導電部材２００に対して半導体基板５０を立てて配置する必要がある。従って、平置きした場合よりもホール素子と導電部材２００との距離ｒ₁が長くなるため、相殺電流ｉが小さくなり感度が低下する。それに対し、本実施形態に示すように、磁電変換部２０を、磁気抵抗素子から構成すると、導電部材２００に対して半導体基板５０を平置きできるので、感度低下を防ぐことができる。

また、本実施形態においては、同一の半導体基板５０に配線部１０と磁電変換部２０が形成され、センサケース６０を介して、磁気平衡式電流センサ１００が導電部材２００上に配置された構成の例を示した。しかしながら、導電部材２００が、連結部材であり、磁気平衡式電流センサ１００を固定して配置するような場合には、配線部１０及び磁電変換部２０とともに、導電部材２００を一体的に設けてもよい。このような構成とすると、磁電変換部２０における磁気平衡状態を形成するための、配線部１０、磁電変換部２０、及び導電部材２００の、互いの位置関係をさらに精度良く決定することができる。

具体的には、図４に示すように、導電部材２００が、インサート成形によって配線部１０及び磁電変換部２０と一体的に設けられた構成としても良い。それ以外にも例えば接着、嵌合等によって、導電部材２００が配線部１０及び磁電変換部２０と一体的に設けられた構成とすることもできる。尚、図４は、構造の変形例を示す図であり、符号７０は樹脂である。

また、本実施形態においては、配線部１０は、半導体基板５０に対して拡散抵抗として構成される例を示した。しかしながら、半導体基板５０表面に、Ａｌ等を堆積させて配線部１０を構成しても良い。

本発明の第１の実施形態における磁気平衡式電流センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は回路構成を示す図、（ｂ）は構造を示す図である。 配線部、磁電変換部、及び導電部材の配置構成を説明するための図である。 配線部、磁電変換部、及び導電部材の配置構成の変形例を示す図である。 構造の変形例を示す図である。

符号の説明

１０・・・配線部
２０・・・磁電変換部
３０・・・相殺電流形成部
３１・・・比較器
３２・・・相補エミッタホロワ回路
４０・・・負荷抵抗
５０・・・半導体基板
６０・・・センサケース
７０・・・樹脂
１００・・・磁気平衡式電流センサ
２００・・・導電部材

Claims (7)

1. 被検出電流が導通する導電部材と略並行に配置され、前記導電部材に被検出電流が導通したときに生じる被検出磁界による磁束を打ち消す向きの磁束を有する相殺磁界を発生するように、相殺電流が導通される配線部と、
   前記導電部材及び前記配線部によって発生する各磁界による磁束が作用するように、前記導電部材及び前記配線部と直交する直線上に配置され、作用磁束の大きさに応じた電気信号を発生する磁電変換部と、
   前記磁電変換部が発生した電気信号に基づいて、前記相殺電流を形成し、前記配線部に与える相殺電流形成部とを備え、
   前記相殺電流は、前記被検出電流と相関して変化することを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
2. 同一の基板に対して、前記配線部及び前記磁電変換部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気平衡式電流センサ。
3. 前記基板は半導体基板であり、前記配線部は前記半導体基板に対して拡散抵抗として形成され、前記配線部上に絶縁層を介して前記磁電変換部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気平衡式電流センサ。
4. 前記配線部は、前記磁電変換部と前記導電部材との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の磁気平衡式電流センサ。
5. 前記磁電変換部は、磁気抵抗素子から構成されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の磁気平衡式電流センサ。
6. 前記導電部材は、前記磁電変換部との間隔が所定の値となるように、前記配線部及び前記磁電変換部と一体的に設けられていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の磁気平衡式電流センサ。
7. 前記導電部材は、インサート成形によって、前記配線部及び前記磁電変換部と一体的に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の磁気平衡式電流センサ。

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