JP2011196798A - 電流センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】導体に沿って互いに同方向へ延在するように配置され、導体を流れる検出対象電流が生ずる誘導磁界に応じて各々の抵抗値が変化を示すGMR素子11〜14と、補償電流が流れることにより、誘導磁界とは逆方向の補償磁界をGMR素子11〜14の各々に付与する補償電流線30とを備える。GMR素子11〜14は、互いに接続されることによりブリッジ回路を形成する。補償電流は、そのブリッジ回路の中点から取り出される電位の差分によって生じる。補償電流線30における帯状部分31〜34は、GMR素子11〜14と同方向へ延在すると共に厚さ方向においてそれらとそれぞれ重なり合い、かつ、GMR素子11〜14の幅W11〜W14よりもそれぞれ小さな幅W31〜34を有する。
【選択図】図4
Description
さらに、検出可能な検出対象電流の範囲が拡大する。すなわち、補償電流を大きくすることなく、より広範囲に亘る検出対象電流を検出することができる。
最初に、図1〜図4を参照して、本発明における第1の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の全体構成を表す斜視図であり、図2は、その要部であるセンサユニット3の構成を表す分解斜視図である。図3は、センサユニット3における補償電流線30の詳細な構成などを表す斜視図である。さらに、図4は、図2に示したIV-IV切断線に対応する断面図である。
次に、図3に加えて図5を参照して、この電流センサの回路構成について説明する。
次に、図7(A),7(B)を参照して、GMR素子11〜14の構成について、より詳しく説明する。図7(A),7(B)は、GMR素子11の構成を分解して表す分解斜視図である。なお、磁化J61(後述)の向きを除いてGMR素子11〜14は全て同様の構成を有しているので、ここではGMR素子11を例に挙げて説明する。
次に、本実施の形態の電流センサを使用し、誘導磁界Hmを測定することにより検出対象電流Imを求める方法について説明する。
V=I1×r4+I1×r1=I2×r3+I2×r2
=I1(r4+r1)=I2(r3+r2) ……(1)
と表すことができる。
また、第3の接続点P3における電位V1および第4の接続点P4における電位V2は、それぞれ、
V1=V−V4
=V−I1×r4
V2=V−V3
=V−I2×r3
と表せる。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V0は、
V0=V2−V1
=(V−I2×r3)−(V−I1×r4)
=I1×r4−I2×r3 ……(2)
ここで、(1)式から
V0=r4/(r4+r1)×V−r3/(r3+r2)×V
={r4/(r4+r1)−r3/(r3+r2)}×V ……(3)
となる。このブリッジ回路では、誘導磁界Hmが印加されたときに、上記の式(3)で示された接続点P3と接続点P4との間の電圧V0を測定することにより、抵抗変化量が得られる。ここで、誘導磁界Hmが印加されたときに、抵抗値r1〜r4がそれぞれ変化量ΔR1〜ΔR1だけ増加したとすると、すなわち、誘導磁界Hmを印加したときの抵抗値R1〜R4がそれぞれ、
R1=r1+ΔR1
R2=r2+ΔR2
R3=r3+ΔR3
R4=r4+ΔR4
であるとすると、誘導磁界Hmを印加した際の電位差V0は、式(3)より、
V0={(r4+ΔR4)/(r4+ΔR4+r1+ΔR1)+(r3+ΔR3)/(r3+ΔR3+r2+ΔR2)}×V ……(4)
となる。すでに述べたように、この電流センサでは、GMR素子11,13の抵抗値R1,R3とGMR素子12,14の抵抗値R2,R4とが逆方向に変化するので、変化量ΔR3と変化量ΔR2とが打ち消し合うと共に変化量ΔR4と変化量ΔR1とが打ち消し合うこととなる。このため、誘導磁界Hmの印加前後を比較した場合、式(4)の各項における分母の増加はほとんど無い。一方、各項の分子については、変化量ΔR3と変化量ΔR4とは必ず反対の符号を有するので、打ち消し合うことなく増減が現れることとなる。誘導磁界Hmが印加されることにより、GMR素子12,14では、抵抗値は変化量ΔR2,ΔR4(ΔR2,ΔR4<0)の分だけそれぞれ変化する(実質的に低下する)一方で、GMR素子11,13では、抵抗値は変化量ΔR1,ΔR3(ΔR1,ΔR3>0)の分だけそれぞれ変化する(実質的に増加する)からである。
しかしながら、一般的には、抵抗値r1〜r4および変化量ΔR1〜ΔR4はGMR素子11〜14の個体差により相互に異なっているうえ、回路中の接続抵抗のばらつきや温度分布の偏り、あるいは外部からの妨害磁界などが存在することから、電位差Vは上記要因による誤差成分を含んでいる。そこで、この電流センサでは、補償磁界Hdを利用して電位差Vの誤差成分を除去するようにしている。具体的には、この電流センサでは、接続点P3において検出される電位V1と接続点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、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、GMR素子11〜14の近傍に配置された帯状部分31〜34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、誘導磁界Hmとは逆方向の補償磁界Hdを発生させる。この補償磁界Hdは、回路中の接続抵抗のばらつきやGMR素子11〜14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成分をキャンセルするように作用する。このため、補償電流Idは、結果として誘導磁界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、誘導磁界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。また、後出の図10に示すように、GMR素子11〜14は外部磁界に対して非線形性を示すが、このようなフィードバック回路(フルブリッジ回路の出力に基づいて補償磁界Hdを印加する回路)を形成することにより、非線形性を示すことの影響(出力の誤差)をキャンセルすることができ、高精度な測定を可能としている。
次に、図13(A)を参照して、本発明における第2の実施の形態としての電流センサについて説明する。図13(A)は、本実施の形態の電流センサの要部(GMR素子周辺)の断面構成を表しており、上記第1の実施の形態の図4(A)の一部に対応するものである。なお、図13(A)では、帯状部分31およびGMR素子11を代表して例示しているが、他の帯状部分32〜34およびGMR素子12〜14についても同様の構成である。この点については、後出の図13(B)および図13(C)についても同様である。
また、本実施の形態では、図13(B)に示したように、一対の帯状部分31A,31Bを、厚さ方向においてGMR素子11を挟むように配置してもよい。この場合、一対の帯状部分31A,31Bは、幅方向において、各々の中心点がGMR素子11における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられているとよい。GMR素子11に対し、幅方向において、より均質化された有効磁界を付与することができるからである。その場合、例えば図13(C)に示したように、一対の帯状部分31A,31Bを、厚さ方向においてGMR素子11から互いに等しい距離に配置しつつ、各々の幅W31A,W31Bを拡大することができる。すなわち、一対の帯状部分31A,31Bを、厚さ方向において互いの一部が重複しあう配置関係とすることができる。この場合には、図13(C)に示したように、合成の補償磁界Hdが幅方向においてより平坦な分布となり、GMR素子11の全体に亘ってより均質化された有効磁界を付与することができ、検出精度の向上に有利となる。
Claims (12)
- 導体に沿って互いに同方向へ延在するように配置され、前記導体を流れる検出対象電流により生ずる誘導磁界に応じて各々の抵抗値が変化を示す第1から第4の磁気抵抗効果素子と、
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から第4の磁気抵抗効果素子に対して印加される各誘導磁界とは逆方向の補償磁界を前記第1から第4の磁気抵抗効果素子の各々に付与する補償電流線と
を備え、
前記第1および第2の磁気抵抗効果素子の一端同士が第1の接続点において接続され、前記第3および第4の磁気抵抗効果素子の一端同士が第2の接続点において接続され、前記第1の磁気抵抗効果素子の他端と前記第4の磁気抵抗効果素子の他端とが第3の接続点において接続され、前記第2の磁気抵抗効果素子の他端と前記第3の磁気抵抗効果素子の他端とが第4の接続点において接続されることによりブリッジ回路が形成されており、
前記第1および第3の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、前記誘導磁界に応じて互いに同じ向きに変化し、
前記第2および第4の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、いずれも、前記誘導磁界に応じて前記第1および第3の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化し、
前記補償電流は、前記第3の接続点と前記第4の接続点との間に電圧が印加されたときの前記第1の接続点と前記第2の接続点の間の電位差によって生じるものであり、
前記補償電流線は、前記第1から第4の磁気抵抗効果素子の延在方向と同方向へそれぞれ延在すると共に厚さ方向において前記第1から第4の磁気抵抗効果素子とそれぞれ重なり合い、かつ、前記第1から第4の磁気抵抗効果素子よりもそれぞれ小さな幅を有する第1から第4の帯状部分を含み、
前記補償電流に基づいて前記検出対象電流を検出する
ことを特徴とする電流センサ。 - 前記補償磁界の強度は、
前記第1から第4の磁気抵抗効果素子の各々に含まれるフリー層の磁化を回転させることが可能な閾値以上の大きさであり、かつ、前記フリー層の飽和磁界未満である
ことを特徴とする請求項1記載の電流センサ。 - 前記補償電流線の第1から第4の帯状部分が、前記第1から第4の磁気抵抗効果素子に対してそれぞれ複数ずつ設けられている
ことを特徴とする請求項1または請求項2記載の電流センサ。 - 厚さ方向において前記第1から第4の磁気抵抗効果素子をそれぞれ挟むように、一対の前記第1の帯状部分、一対の前記第2の帯状部分、一対の前記第3の帯状部分、および一対の前記第4の帯状部分が配置されている
ことを特徴とする請求項3記載の電流センサ。 - 前記一対の第1の帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が前記第1の磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられており、
前記一対の第2の帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が前記第2の磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられており、
前記一対の第3の帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が前記第3の磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられており、
前記一対の第4の帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が前記第4の磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられている
ことを特徴とする請求項4記載の電流センサ。 - 前記第1から第4の磁気抵抗効果素子は、一定方向に固着された磁化方向を有するピンド層と、中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する前記フリー層とを順に含む積層体をそれぞれ有する
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項記載の電流センサ。 - 前記積層体に対し、前記ピンド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た
ことを特徴とする請求項6記載の電流センサ。 - 前記ピンド層の磁化方向は、前記導体ならびに前記第1から第4の帯状部分の延在方向と直交する方向である
ことを特徴とする請求項6または請求項7記載の電流センサ。 - 前記第1から第4の磁気抵抗効果素子と離間しつつ、それらの延在方向に沿って設けられたヨークを備えた
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項記載の電流センサ。 - 導体に沿って延在し、前記導体を流れる検出対象電流により生ずる誘導磁界に応じて各々の抵抗値が互いに逆方向の変化を示す第1および第2の磁気抵抗効果素子と、
読出電流の供給により前記第1の磁気抵抗効果素子において生じる電圧降下と前記第2の磁気抵抗効果素子において生じる電圧降下と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対して印加される各誘導磁界とは逆方向の補償磁界を前記第1および第2の磁気抵抗効果素子の各々に付与する補償電流線と
を備え、
前記補償電流線は、前記第1および第2の磁気抵抗効果素子の延在方向と同方向へそれぞれ延在すると共に厚さ方向において前記第1および第2の磁気抵抗効果素子とそれぞれ重なり合い、かつ、前記第1および第2の磁気抵抗効果素子よりもそれぞれ小さな幅を有する第1および第2の帯状部分を含み、
前記補償電流に基づいて前記検出対象電流を検出する
ことを特徴とする電流センサ。 - 前記第1および第2の磁気抵抗効果素子のそれぞれに、前記読出電流として互いに等しい値の定電流を供給する第1および第2の定電流源を備えた
ことを特徴とする請求項10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、
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、
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、
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11記載の電流センサ。
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