JP2013047610A - Magnetic balance type current sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気平衡式電流センサに関するものである。 The present invention relates to a magnetic balance type current sensor.
従来、磁気平衡式の電流センサとして、特許文献1に示されるものが知られている。この電流センサは、バスバーと、バスバーに流れる電流(以下、被検出電流と示す)によって発生する第1の磁界(以下、被検出磁界と示す)が感磁面に印加されるようにバスバーに固定された磁気検出素子と、該磁気検出素子と近接するようにバスバーに対して固定され、磁気検出素子の感磁面に印加される被検出磁界を相殺する第2の磁界(以下、相殺磁界と示す)を発生するコイル(以下、電磁石と示す)と、を備える。そして、相殺磁界を発生するために電磁石に流れる電流(以下、相殺電流と示す)に基づいて、バスバーに流れる被検出電流を検出するようになっている。 Conventionally, what is shown by patent document 1 is known as a magnetic balance type current sensor. This current sensor is fixed to the bus bar so that a first magnetic field (hereinafter referred to as a detected magnetic field) generated by the bus bar and a current flowing through the bus bar (hereinafter referred to as a detected current) is applied to the magnetic sensitive surface. And a second magnetic field (hereinafter referred to as a cancellation magnetic field) that is fixed to the bus bar so as to be close to the magnetic detection element and cancels the detected magnetic field applied to the magnetic sensing surface of the magnetic detection element. A coil (hereinafter referred to as an electromagnet). The detected current flowing in the bus bar is detected based on the current flowing in the electromagnet (hereinafter referred to as the canceling current) to generate the canceling magnetic field.
このような磁気平衡式の電流センサは、他の一般的な電流センサ(シャント抵抗方式、カレントトランス方式、磁気比例方式)に較べて、被測定電流を精度良く検出することができる。 Such a magnetic balance type current sensor can detect the current to be measured with higher accuracy than other general current sensors (shunt resistance method, current transformer method, magnetic proportional method).
ところで、磁気平衡式の電流センサを構成する磁気検出素子としては、ホール素子と磁気抵抗効果素子が考えられるが、感度の点を考慮すると、磁気抵抗効果素子のほうが好ましい。また、磁気抵抗効果素子のうち、半導体磁気抵抗効果素子よりも、磁性体金属を用いて形成された磁性膜を有する磁気抵抗効果素子のほうが好ましい。 By the way, although a Hall element and a magnetoresistive effect element can be considered as the magnetic detection elements constituting the magnetic balance type current sensor, the magnetoresistive effect element is more preferable in consideration of sensitivity. Of the magnetoresistive effect elements, the magnetoresistive effect element having a magnetic film formed using a magnetic metal is more preferable than the semiconductor magnetoresistive effect element.
しかしながら、磁気検出素子として、磁性膜を有する磁気抵抗効果素子を用いると、感度は高いものの、残留磁化による磁気ヒステリシスが問題となる。具体的には、バスバーに被検出電流が流れて磁気検出素子に被検出磁界が作用し、その後、被検出電流がゼロとなることで被検出磁界(外部磁界)がゼロとなっても、磁気検出素子の磁性膜に磁化が残る。この残留磁化による磁気ヒステリシスは、磁気検出素子に作用する外部磁界がゼロから所定の範囲で発生し、外部磁界の大きさがゼロに近いほど大きい。 However, when a magnetoresistive effect element having a magnetic film is used as the magnetic detection element, although the sensitivity is high, magnetic hysteresis due to residual magnetization becomes a problem. Specifically, even if the current to be detected flows to the bus bar and the magnetic field to be detected acts on the magnetic sensing element, and then the current to be detected becomes zero, the magnetic field to be detected (external magnetic field) becomes zero. Magnetization remains in the magnetic film of the detection element. The magnetic hysteresis due to the residual magnetization is increased as the external magnetic field acting on the magnetic detection element is generated in a predetermined range from zero, and the magnitude of the external magnetic field is closer to zero.
特許文献1の構成では、被検出電流がゼロとなると、被検出磁界、すなわち磁気検出素子に作用する外部磁界がゼロとなる。しかしながら、上記した磁性膜の残留磁化により、磁界が生じる。このため、残留磁化による磁界を相殺するために、電磁石に相殺電流が流れる。したがって、被検出電流の値がゼロ付近において誤差が生じ、被検出電流と相殺電流との比例関係がずれて、被検出電流の検出精度が低下する。 In the configuration of Patent Document 1, when the detected current becomes zero, the detected magnetic field, that is, the external magnetic field acting on the magnetic detection element becomes zero. However, a magnetic field is generated due to the residual magnetization of the magnetic film. For this reason, in order to cancel the magnetic field due to residual magnetization, a canceling current flows through the electromagnet. Therefore, an error occurs when the value of the detected current is near zero, the proportional relationship between the detected current and the cancellation current is shifted, and the detection accuracy of the detected current is lowered.
被検出電流は、測定環境下において、所定期間ゼロの値をとる。このため、外部磁界も所定期間ゼロとなり、相殺電流も所定期間誤差が生じることとなる。このように、相殺電流に所定期間誤差が生じるのは、外部磁界が連続的に変化して瞬間的にゼロの値をとり、これにより相殺電流に瞬間的な誤差が生じる場合に較べて、被検出電流の検出精度上、好ましいものではない。 The detected current takes a value of zero for a predetermined period in the measurement environment. For this reason, the external magnetic field is also zero for a predetermined period, and the canceling current also has an error for a predetermined period. As described above, the error occurs in the cancellation current for a predetermined period as compared to the case where the external magnetic field continuously changes and takes an instantaneous value of zero, thereby causing an instantaneous error in the cancellation current. This is not preferable in terms of detection accuracy of the detection current.
本発明は上記問題点に鑑み、感度を向上しつつ、被検出電流の値がゼロ付近において被検出電流を精度良く検出することの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。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a magnetic balance type current sensor capable of detecting a detected current with high accuracy when the value of the detected current is near zero while improving sensitivity.
上記目的を達成するために請求項1に記載の磁気平衡式電流センサは、
バスバー(11)に流れる被検出電流(Ia)が形成する被検出磁界(Ha)に応じて出力が変化するように、バスバー(11)の一面(11a)上に設けられた磁気検出素子(21,50)と、
バスバー(11)の一面(11a)上に設けられ、磁気検出素子(21,50)に作用する被検出磁界(Ha)を相殺するための相殺磁界(Hb)を発生する電磁石(14)と、
相殺磁界(Hb)を形成するための相殺電流を電磁石(14)に供給する供給手段(40)と、を備え、
相殺電流に基づいて、バスバー(11)に流れる被検出電流(Ia)を検出するものである。
In order to achieve the above object, a magnetic balanced current sensor according to claim 1,
Magnetic detection elements (21) provided on one surface (11a) of the bus bar (11) so that the output changes according to the detected magnetic field (Ha) formed by the detected current (Ia) flowing through the bus bar (11). , 50) and
An electromagnet (14) which is provided on one surface (11a) of the bus bar (11) and generates a canceling magnetic field (Hb) for canceling the detected magnetic field (Ha) acting on the magnetic detection elements (21, 50);
Supply means (40) for supplying a canceling current for forming a canceling magnetic field (Hb) to the electromagnet (14),
The detected current (Ia) flowing through the bus bar (11) is detected based on the canceling current.
そして、磁気検出素子(21,50)は、磁性体金属を用いて形成された磁性膜を有する磁気抵抗効果素子であり、
バスバー(11)の一面(11a)上に設けられ、磁気検出素子(21,50)に作用する被検出磁界(Ha)の向きと平行な磁界成分を有し、該磁界成分の向き及び大きさが一定のバイアス磁界(Hc)を発生するバイアス磁石(13)を備え、
電磁石(14)は、相殺磁界(Hb)として、被検出磁界(Ha)とバイアス磁界(Hc)との合成磁界(Hd)を相殺する磁界を生じることを特徴とする。
The magnetic detection elements (21, 50) are magnetoresistive elements having a magnetic film formed using a magnetic metal,
There is a magnetic field component provided on one surface (11a) of the bus bar (11) and parallel to the direction of the detected magnetic field (Ha) acting on the magnetic detection elements (21, 50), and the direction and size of the magnetic field component. Comprises a bias magnet (13) that generates a constant bias magnetic field (Hc),
The electromagnet (14) generates a magnetic field that cancels a combined magnetic field (Hd) of a detected magnetic field (Ha) and a bias magnetic field (Hc) as a canceling magnetic field (Hb).
本発明では、磁気検出素子(21,50)として、磁性膜を有する磁気抵抗効果素子を用いる。このため、ホール素子や半導体磁気抵抗効果素子を用いる構成に較べて、センサの感度を向上することができる。 In the present invention, a magnetoresistive effect element having a magnetic film is used as the magnetic detection element (21, 50). For this reason, the sensitivity of the sensor can be improved as compared with a configuration using a Hall element or a semiconductor magnetoresistive effect element.
また、電磁石(14)とは別にバイアス磁石(13)を備え、このバイアス磁石(13)は、被検出磁界(Ha)の向きと平行な磁界成分を有するバイアス磁界(Hc)を発生する。したがって、被検出電流(Ia)の値がゼロとなり、これにともなって被検出磁界(Ha)がゼロとなっても、磁気検出素子(21,50)に作用する外部磁界としての合成磁界(Hd)はゼロにならない。 Further, a bias magnet (13) is provided separately from the electromagnet (14), and the bias magnet (13) generates a bias magnetic field (Hc) having a magnetic field component parallel to the direction of the detected magnetic field (Ha). Therefore, even if the value of the detected current (Ia) becomes zero and the detected magnetic field (Ha) becomes zero accordingly, the combined magnetic field (Hd) as an external magnetic field acting on the magnetic detection elements (21, 50). ) Is not zero.
このように、被検出電流(Ia)の値がゼロのときに、合成磁界(Hd)としてバイアス磁界(Hc)が磁気検出素子(21,50)に作用するため、感度を向上しつつ、被検出電流(Ia)の値がゼロ付近において、被検出電流(Ia)を精度良く検出することができる。したがって、被検出電流(Ia)がゼロでない値をとった後に、所定期間ゼロの値をとっても、被検出電流(Ia)を精度良く検出することができる。 Thus, when the value of the detected current (Ia) is zero, the bias magnetic field (Hc) acts on the magnetic detection elements (21, 50) as the combined magnetic field (Hd), so that the sensitivity is improved while improving the sensitivity. The detected current (Ia) can be accurately detected when the value of the detected current (Ia) is near zero. Therefore, even if the detected current (Ia) takes a non-zero value and then takes a value of zero for a predetermined period, the detected current (Ia) can be detected with high accuracy.
上記発明では、バイアス磁界(Hc)の分、被検出電流(Ia)の値がゼロのときの合成磁界(Hd)をゼロからオフセットさせるため、オフセット方向によっては、被検出電流(Ia)がゼロでない値のときに、合成磁界(Hd)がゼロとなることも考えられる。 In the above-described invention, the detected magnetic current (Ia) is zero because of the bias magnetic field (Hc), because the combined magnetic field (Hd) when the value of the detected current (Ia) is zero is offset from zero. It is also conceivable that the composite magnetic field (Hd) becomes zero when the value is not.
そこで、請求項2に記載のように、
バイアス磁石(13)は、合成磁界(Hd)がゼロとならず、且つ、同一極性内で変化するようなバイアス磁界(Hc)を発生することが好ましい。
Therefore, as described in claim 2,
The bias magnet (13) preferably generates a bias magnetic field (Hc) in which the combined magnetic field (Hd) does not become zero and changes within the same polarity.
これによれば、被検出電流(Ia)の測定範囲において、合成磁界(Hd)がゼロとならない。したがって、被検出電流(Ia)の値によらず、被検出電流(Ia)を精度良く検出することができる。 According to this, the combined magnetic field (Hd) does not become zero in the measurement range of the detected current (Ia). Therefore, the detected current (Ia) can be accurately detected regardless of the value of the detected current (Ia).
被検出電流(Ia)が同一極性内で変化する場合には、請求項3に記載のように、
磁気検出素子(21,50)に作用するバイアス磁界(Hc)の磁束密度の絶対値が、磁気検出素子(21,50)を構成する磁性膜の残留磁束密度の絶対値よりも大きい構成とすると良い。
When the detected current (Ia) varies within the same polarity, as described in claim 3,
When the absolute value of the magnetic flux density of the bias magnetic field (Hc) acting on the magnetic detection element (21, 50) is larger than the absolute value of the residual magnetic flux density of the magnetic film constituting the magnetic detection element (21, 50). good.
上記したように、残留磁化による磁気ヒステリシスは、磁気検出素子(21,50)に作用する外部磁界が0から所定の範囲で発生し、外部磁界の大きさがゼロに近いほど大きくなる。これに対し、本発明では、上記構成とすることで、外部磁界である合成磁界(Hd)の変化範囲が、被検出電流(Ia)によらず、残留磁化によるヒステリシスが生じない領域となる。したがって、被検出電流(Ia)をより精度良く検出することができる。また、バイアス磁石(13)によるオフセット量が、後述する請求項4よりも小さくてすむので、磁力の弱い安価なバイアス磁石(13)を採用することができる。 As described above, the magnetic hysteresis due to the remanent magnetization is increased when the external magnetic field acting on the magnetic detection elements (21, 50) is generated within a predetermined range from 0, and the magnitude of the external magnetic field is close to zero. On the other hand, in the present invention, with the above configuration, the range of change of the composite magnetic field (Hd), which is an external magnetic field, becomes a region where hysteresis due to residual magnetization does not occur regardless of the detected current (Ia). Therefore, the detected current (Ia) can be detected with higher accuracy. Further, since the offset amount by the bias magnet (13) can be smaller than that of claim 4 described later, an inexpensive bias magnet (13) having a weak magnetic force can be employed.
また、被検出電流(Ia)の極性が、プラスとマイナスに変化する場合には、請求項4に記載のように、
磁気検出素子(21,50)に作用するバイアス磁界(Hc)の磁束密度の絶対値が、磁気検出素子(21,50)を構成する磁性膜の残留磁束密度の絶対値と、被検出電流(Ia)が取り得る下限値に相当する磁束密度の絶対値との和よりも大きい構成とすると良い。
Further, when the polarity of the detected current (Ia) changes between plus and minus, as described in claim 4,
The absolute value of the magnetic flux density of the bias magnetic field (Hc) acting on the magnetic detection element (21, 50) is the absolute value of the residual magnetic flux density of the magnetic film constituting the magnetic detection element (21, 50) and the detected current ( It is preferable that the configuration be larger than the sum of the absolute value of the magnetic flux density corresponding to the lower limit that Ia) can take.
これによれば、請求項3同様、外部磁界である合成磁界(Hd)の変化範囲が、被検出電流(Ia)によらず、残留磁化によるヒステリシスが生じない領域となる。したがって、被検出電流(Ia)をより精度良く検出することができる。 According to this, as in the third aspect, the range of change of the composite magnetic field (Hd), which is an external magnetic field, is a region where hysteresis due to residual magnetization does not occur regardless of the detected current (Ia). Therefore, the detected current (Ia) can be detected with higher accuracy.
一方、被検出電流(Ia)の極性が、プラスとマイナスに変化する場合には、請求項5に記載のように、
磁気検出素子(21,50)に作用するバイアス磁界(Hc)の磁束密度の絶対値が、磁気検出素子(21,50)を構成する磁性膜の残留磁束密度の絶対値よりも大きい構成としても良い。
On the other hand, when the polarity of the detected current (Ia) changes between plus and minus, as described in claim 5,
Even if the absolute value of the magnetic flux density of the bias magnetic field (Hc) acting on the magnetic detection element (21, 50) is larger than the absolute value of the residual magnetic flux density of the magnetic film constituting the magnetic detection element (21, 50). good.
これによれば、被検出電流(Ia)が所定期間ゼロの値をとったとしても、残留磁化によるヒステリシスが生じないように、バイアス磁界(Hc)によって、外部磁界である合成磁界(Hd)がオフセットされるため、被検出電流(Ia)を精度良く検出することができる。なお、被検出電流(Ia)の値がゼロのときの合成磁界(Hd)をゼロからオフセットするため、被検出電流(Ia)がゼロでない所定の値のときに、合成磁界(Hd)がゼロとなることも有り得る。しかしながら、被検出電流(Ia)は、ゼロ以外の値において連続的に変化しており、合成磁界(Hd)がゼロとなっても瞬間的である。すなわち、被検出電流(Ia)の値がゼロの所定期間に較べて、合成磁界(Hd)がゼロとなる期間のほうが短い。このため、残留磁化による相殺電流の誤差を、従来に較べて抑制することができる。 According to this, even if the detected current (Ia) takes a value of zero for a predetermined period, the composite magnetic field (Hd), which is an external magnetic field, is generated by the bias magnetic field (Hc) so that hysteresis due to residual magnetization does not occur. Since it is offset, the detected current (Ia) can be detected with high accuracy. Note that since the combined magnetic field (Hd) when the value of the detected current (Ia) is zero is offset from zero, the combined magnetic field (Hd) is zero when the detected current (Ia) is a predetermined value that is not zero. It can be. However, the detected current (Ia) continuously changes at a value other than zero, and is instantaneous even when the combined magnetic field (Hd) becomes zero. That is, the period in which the combined magnetic field (Hd) is zero is shorter than the predetermined period in which the value of the detected current (Ia) is zero. For this reason, the error of the cancellation current due to the residual magnetization can be suppressed as compared with the conventional case.
請求項6に記載のように、磁気検出素子が、異方性磁気抵抗効果素子(21)を有する構成を採用することができる。 As described in claim 6, a configuration in which the magnetic detection element has an anisotropic magnetoresistive element (21) can be adopted.
なかでも、請求項7に記載のように、
磁気検出素子(21)は、4つの異方性磁気抵抗効果素子(21a〜21d)を有し、
4つの異方性磁気抵抗効果素子(21a〜21d)のうち、第1異方性磁気抵抗効果素子(21a)を高電位側、第2異方性磁気抵抗効果素子(21b)を低電位側として第1ハーフブリッジが形成され、第3異方性磁気抵抗効果素子(21c)を高電位側、第4異方性磁気抵抗効果素子(21d)を低電位側として第2ハーフブリッジが形成されて、これらハーフブリッジによりフルブリッジ回路が構成され、
4つの異方性磁気抵抗効果素子(21a〜21d)のうち、第1異方性磁気抵抗効果素子(21a)及び第4異方性磁気抵抗効果素子(21d)は、該素子(21,21d)に流れる電流の方向が被検出磁界(Ha)と平行となるように設けられ、第2異方性磁気抵抗効果素子(21b)及び第3異方性磁気抵抗効果素子(21c)は、該素子(21b、21c)に流れる電流の方向が被検出磁界(Ha)と垂直となるように設けられ、
供給手段(40)は、各ハーフブリッジの中点電位(V1,V2)の差分に基づく相殺電流を、電磁石(14)に供給する構成を採用することが好ましい。
Above all, as described in claim 7,
The magnetic detection element (21) has four anisotropic magnetoresistive elements (21a to 21d),
Of the four anisotropic magnetoresistive elements (21a to 21d), the first anisotropic magnetoresistive element (21a) is on the high potential side, and the second anisotropic magnetoresistive element (21b) is on the low potential side. The first half bridge is formed, and the second half bridge is formed with the third anisotropic magnetoresistive element (21c) on the high potential side and the fourth anisotropic magnetoresistive element (21d) on the low potential side. These half bridges form a full bridge circuit,
Of the four anisotropic magnetoresistive elements (21a to 21d), the first anisotropic magnetoresistive element (21a) and the fourth anisotropic magnetoresistive element (21d) are the elements (21, 21d). ) Is provided so that the direction of the current flowing in parallel to the detected magnetic field (Ha), the second anisotropic magnetoresistive element (21b) and the third anisotropic magnetoresistive element (21c) The direction of the current flowing through the element (21b, 21c) is provided to be perpendicular to the detected magnetic field (Ha),
The supply means (40) preferably employs a configuration for supplying a canceling current based on the difference between the midpoint potentials (V1, V2) of each half bridge to the electromagnet (14).
これによれば、合成磁界(Hd)の作用により、第1ハーフブリッジと第2ハーフブリッジの各中点電位(V1,V2)は、逆に振れるため、各ハーフブリッジの中点電位(V1,V2)の差分、すなわち磁気検出素子(21)の出力の変化量を大きくすることができる。これにより、磁気検出素子(21)の出力の変化量が小さい構成に較べて、相殺電流の精度、すなわち被検出電流(Ia)の検出精度を向上することができる。 According to this, since the midpoint potentials (V1, V2) of the first half bridge and the second half bridge swing in reverse due to the action of the combined magnetic field (Hd), the midpoint potentials (V1, V2) of the half bridges are reversed. The difference in V2), that is, the amount of change in the output of the magnetic detection element (21) can be increased. Thereby, the accuracy of the offset current, that is, the detection accuracy of the detected current (Ia) can be improved as compared with the configuration in which the amount of change in the output of the magnetic detection element (21) is small.
請求項8に記載のように、4つの異方性磁気抵抗効果素子(21a〜21d)は、同一のチップ(12)における同一面(12a)上に形成されると良い。これによれば、4つの異方性磁気抵抗効果素子(21a〜21d)が受ける温度の影響が互いにほぼ等しくなるため、温特の影響をキャンセルすることができる。また、同一チップ(12)に作りこむため、各異方性磁気抵抗効果素子(21a〜21d)の製造ばらつきを抑制することができる。また、小型化することもできる。 As described in claim 8, the four anisotropic magnetoresistive elements (21a to 21d) are preferably formed on the same surface (12a) of the same chip (12). According to this, since the influence of the temperature which four anisotropic magnetoresistive elements (21a-21d) receive becomes substantially equal mutually, the influence of a temperature characteristic can be canceled. Moreover, since it forms in the same chip | tip (12), the manufacturing dispersion | variation of each anisotropic magnetoresistive effect element (21a-21d) can be suppressed. Moreover, it can also be reduced in size.
チップ(12)は、請求項9に記載のように、異方性磁気抵抗効果素子(21)の形成された一面(12a)が、バスバー(11)の一面(11a)と平行となるように配置されても良い。また、請求項10に記載のように、異方性磁気抵抗効果素子(21)の形成された一面(12a)が、バスバー(11)の一面(11a)と垂直となり、且つ、被検出磁界(Ha)と平行となるように配置されても良い。いずれの配置としても、第1異方性磁気抵抗効果素子(21a)及び第4異方性磁気抵抗効果素子(21d)を、該素子(21a,21d)に流れる電流の方向が被検出磁界(Ha)と平行となるように設け、第2異方性磁気抵抗効果素子(21b)及び第3異方性磁気抵抗効果素子(21c)を、該素子(21b,21c)に流れる電流の方向が被検出磁界(Ha)と垂直となるように設けることができる。
As described in claim 9, the chip (12) has a surface (12a) on which the anisotropic magnetoresistive element (21) is formed in parallel with a surface (11a) of the bus bar (11). It may be arranged. In addition, as defined in
また、請求項11に記載のように、
磁気検出素子は、非磁性層(53)を介して、磁化方向が固定された固定層(52)の一面上に、合成磁界(Hd)に対して磁化方向が変動するフリー層(54)が配置された、スピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果、又は、トンネル磁気抵抗効果を奏する磁気抵抗効果素子(50)を有する構成を採用することもできる。なお、巨大磁気抵抗効果を奏する磁気抵抗効果素子(50)の場合、非磁性層(53)は導電性を有し、トンネル磁気抵抗効果を奏する磁気抵抗効果素子(50)の場合、非磁性層(53)は、電気絶縁性を有する。
Further, as described in
In the magnetic detection element, a free layer (54) whose magnetization direction varies with respect to the combined magnetic field (Hd) is provided on one surface of the fixed layer (52) whose magnetization direction is fixed via the nonmagnetic layer (53). It is also possible to employ a configuration having a magnetoresistive effect element (50) that exhibits a spin valve type giant magnetoresistive effect or tunnel magnetoresistive effect. In the case of the magnetoresistive effect element (50) exhibiting the giant magnetoresistive effect, the nonmagnetic layer (53) has conductivity, and in the case of the magnetoresistive effect element (50) exhibiting the tunnel magnetoresistive effect, the nonmagnetic layer. (53) has electrical insulation.
この場合も、請求項12に記載のように、
磁気検出素子(50)は、4つの磁気抵抗効果素子(50a〜50d)を有し、
4つの磁気抵抗効果素子(50a〜50d)のうち、第1磁気抵抗効果素子(50a)を高電位側、第2磁気抵抗効果素子(50b)を低電位側として第1ハーフブリッジが形成され、第3磁気抵抗効果素子(50c)を高電位側、第4磁気抵抗効果素子(50d)を低電位側として第2ハーフブリッジが形成されて、これらハーフブリッジによりフルブリッジ回路が構成され、
4つの磁気抵抗効果素子(50a〜50d)は、各固定層(52)の磁化方向が被検出磁界(Ha)と平行となり、且つ、第1磁気抵抗効果素子(50a)及び第4磁気抵抗効果素子(50d)における固定層(52)の磁化方向と、第2磁気抵抗効果素子(50b)及び第3磁気抵抗効果素子(50c)における固定層(52)の磁化方向とが逆方向となるように設けられ、
供給手段(40)は、各ハーフブリッジの中点電位(V1,V2)の差分に基づく相殺電流を、電磁石(14)に供給する構成を採用することが好ましい。
Again, as described in
The magnetic detection element (50) includes four magnetoresistive elements (50a to 50d),
Of the four magnetoresistive elements (50a to 50d), the first half bridge is formed with the first magnetoresistive element (50a) as the high potential side and the second magnetoresistive element (50b) as the low potential side, A second half bridge is formed with the third magnetoresistive element (50c) on the high potential side and the fourth magnetoresistive element (50d) on the low potential side, and these half bridges form a full bridge circuit,
In the four magnetoresistive elements (50a to 50d), the magnetization direction of each fixed layer (52) is parallel to the detected magnetic field (Ha), and the first magnetoresistive element (50a) and the fourth magnetoresistive effect The magnetization direction of the fixed layer (52) in the element (50d) is opposite to the magnetization direction of the fixed layer (52) in the second magnetoresistive element (50b) and the third magnetoresistive element (50c). Provided in
The supply means (40) preferably employs a configuration for supplying a canceling current based on the difference between the midpoint potentials (V1, V2) of each half bridge to the electromagnet (14).
その作用効果は、請求項7に記載の発明の作用効果と同じであるので、その記載を省略する。 Since the function and effect are the same as the function and effect of the invention described in claim 7, the description is omitted.
請求項13に記載のように、バイアス磁石(13)は筒状をなし、筒状内部に磁気検出素子(21,50)が配置された構成としても良い。また、請求項14に記載のように、バイアス磁石(13)は筒状をなし、筒状内部に電磁石(14)が配置された構成としても良い。さらには、請求項15に記載のように、電磁石(14)はコイル(30)を有し、該コイル(30)内に磁気検出素子(21,50)が配置された構成としても良い。いずれにおいても、センサの体格を小型化することができる。
According to a thirteenth aspect of the present invention, the bias magnet (13) may have a cylindrical shape, and the magnetic detection elements (21, 50) may be disposed inside the cylindrical shape. Further, as described in
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。また、バスバー11の一面11aに沿い、且つ、被検出電流Iaに沿う方向をx方向、上記一面11aに沿い、且つ、x方向に垂直な方向をy方向、x方向及びy方向の両方向に垂直な方向をz方向と示す。以下の実施形態では、バスバー11の長手方向がx方向、バスバー11の幅方向がy方向、バスバー11の厚み方向がz方向となっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, common or related elements are given the same reference numerals. The direction along the one
(第1実施形態)
図1に示すように、本実施形態に係る磁気平衡式電流センサ10(以下、単に電流センサ10と示す)は、バスバー11と、磁気検出素子が形成されたセンサチップ12と、バイアス磁石13と、フィードバック用の電磁石14と、制御回路などが形成された回路チップ15とを備えている。本実施形態では、バイアス磁石13を備える点を主たる特徴とする。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, a magnetic balanced current sensor 10 (hereinafter simply referred to as a current sensor 10) according to this embodiment includes a
センサチップ12、バイアス磁石13、電磁石14、及び回路チップ15は、合成樹脂などの電気絶縁材料からなるベース16を介して、バスバー11の一面11aに固定されている。本実施形態では、PPSからなる平板状のベース16が、バスバー11の一面11aに接着固定されている。そして、ベース16における接着面と反対の面に、センサチップ12、バイアス磁石13、電磁石14、及び回路チップ15が、例えば接着固定されている。また、合成樹脂などの電気絶縁材料からなるケース17が、ベース16に組み付けられており、ベース16及びケース17により、センサチップ12、バイアス磁石13、電磁石14、及び回路チップ15が保護されている。
The
バスバー11は、銅などの導電性に優れた金属材料を用いて形成されており、取り付け対象に取り付けられた状態で、被検出電流Iaの経路をなす部材である。本実施形態では、バスバー11が平板状に形成されており、バスバー11のxy面に沿う平面形状が、x方向に長い長方形となっている。バスバー11の長手方向両端付近には、図示しない取り付け穴がそれぞれ形成されており、バスバー11は、取り付け穴を介して取り付け対象に取り付けられた状態で、被検出電流Iaの経路をなす。このように、バスバー11の長手方向、すなわちx方向に沿って被検出電流Iaが流れるようになっている。本実施形態では、x方向のうち、図2に示すように、紙面奥から手前の方向にのみ、被検出電流Iaが流れる。このため、図2において、被検出磁界Haは、バスバー11周りを反時計方向に一周するように発生し、これによりセンサチップ12の一面12a、すなわち磁気検出素子には、紙面右から左に向かう被検出磁界Haが印加される。
The
センサチップ12は、バスバー11に流れる被検出電流Iaを検出するための磁気検出素子を有する。本実施形態では、磁気検出素子として、異方性磁気抵抗効果素子21(以下、AMR素子21と示す)を有している。また、AMR素子21として、図3に示すように、同一の基板20の一面12a(以下、センサチップ12の一面12aと示す)上の同一面に形成された4つのAMR素子21a〜21dを有している。
The
本実施形態では、AMR素子21a〜21dの形成された一面12aが、バスバー11の一面11aと平行となるように、センサチップ12がバスバー11の一面11a上に平置きされている。詳しくは、センサチップ12における一面12aと反対の面が、ベース16と対向するように、センサチップ12がバスバー11の一面11a上に配置されている。これにより、図2に示すように、被検出電流Iaが形成する被検出磁界Haは、センサチップ12の一面12aに対して略平行に作用するようになっている。なお、センサチップ12の一面12aに対して、被検出磁界Haを略平行に作用させるには、図1及び図2に示すように、バスバー11の幅方向略中央にセンサチップ12を配置するのが好ましい。
In the present embodiment, the
本実施形態では、被検出磁界Haだけでなく、後述する相殺磁界Hb及びバイアス磁界Hcも、センサチップ12の一面12aに沿って作用するように、電気絶縁性の材料からなるスペーサ(図中符号省略)により、センサチップ12の、バスバー11の一面11aに対するz方向の位置が調整されている。
In the present embodiment, not only the detected magnetic field Ha, but also a canceling magnetic field Hb and a bias magnetic field Hc, which will be described later, are made of spacers made of an electrically insulating material so as to act along the one
上記AMR素子21a〜21dは、Ni−Co系やNi−Fe系の強磁性材料を、スパッタリングや蒸着法にて基板20上に堆積し、パターニングすることで形成されている。図3では、各AMR素子21a〜21dの平面形状が、電流の流れる方向を長手方向とする矩形状となっているが、ミアンダ形状としてもよい。これらAMR素子21a〜21dは、構成材料、形状、大きさ、膜厚が、互いにほぼ同じとなっており、磁界が全く作用しない状態で、各抵抗値が略等しくなっている。
The
また、4つのAMR素子21a〜21dのうち、第1AMR素子21aと第2AMR素子21bが直列に接続されて、第1ハーフブリッジが形成されている。この第1ハーフブリッジでは、第1AMR素子21aが電源パッド22a側、第2AMR素子21bがグランドパッド22b側となっている。一方、第3AMR素子21cと第4AMR素子21dが直列に接続されて、第2ハーフブリッジが形成されている。この第2ハーフブリッジでは、第3AMR素子21cが電源パッド22a側、第4AMR素子21dがグランドパッド22b側となっている。そして、これら2つのハーフブリッジにより、フルブリッジ構成の外部磁界検出回路が構成されている。
Of the four
なお、図3に示す符号22cは、第1AMR素子21aと第2AMR素子21bとの接続点に接続された出力パッドであり、符号22dは、第3AMR素子21cと第4AMR素子21dとの接続点に接続された出力パッドである。図4に示すように、電源パッド22aとグランドパッド22dとの間に所定電圧Vccが印加された状態で、出力パッド22cから、AMR素子21a,21bの中点電位V1が取り出され、出力パッド22dから、AMR素子21c,21dの中点電位V2が取り出される。本実施形態では、図1に示すように、各パッド22a〜22dにボンディングワイヤ18が接続され、該ボンディングワイヤ18を介して、センサチップ12と回路チップ15とが、電気的に接続されている。
3 is an output pad connected to a connection point between the
第1AMR素子21a及び第4AMR素子21dは、その長手方向が互いに略平行となるように形成されている。すなわち、AMR素子21a,21dに流れる電流の方向(図4中の破線矢印の方向)が、互いに略平行となるように形成されている。第2AMR素子21b及び第3AMR素子21cも、その長手方向が互いに略平行となるように形成されている。すなわち、AMR素子21b,21cに流れる電流の方向(図4中の破線矢印の方向)が、互いに略平行となるように形成されている。さらに、第1AMR素子21a及び第4AMR素子21dに流れる電流の方向と、第2AMR素子21b及び第3AMR素子21cに流れる電流の方向が、互いに略垂直となるように形成されている。
The
センサチップ12は、図4に示すように、第1AMR素子21a及び第4AMR素子21dに流れる電流の方向が、AMR素子21a,21dに作用する被検出磁界Haの向きと略平行となるように、バスバー11に対して配置される。換言すれば、第2AMR素子21b及び第3AMR素子21cに流れる電流の方向が、AMR素子21b,21cに作用する被検出磁界Haの向きと略垂直となるように、バスバー11に対して配置される。具体的には、第1AMR素子21a及び第4AMR素子21dに流れる電流の方向が、y方向と略平行となり、第2AMR素子21b及び第3AMR素子21cに流れる電流の方向が、z方向と略平行となるように、センサチップ12がバスバー11上に配置される。
As shown in FIG. 4, the
なお、後述する合成磁界Hdは、被検出磁界Haと、バイアス磁界Hcにおける被検出磁界Haと平行な成分との合成磁界である。したがって、第1AMR素子21a及び第4AMR素子21dに流れる電流の方向が、合成磁界Hdの向きと略平行となり、第2AMR素子21b及び第3AMR素子21cに流れる電流の方向が、合成磁界Hdの向きと略垂直となるように、センサチップ12がバスバー11に対して配置されるとも言える。
A combined magnetic field Hd described later is a combined magnetic field of the detected magnetic field Ha and a component parallel to the detected magnetic field Ha in the bias magnetic field Hc. Therefore, the direction of the current flowing through the
ここで、センサチップ12の一面12aに対して、合成磁界Hdが平行に作用する場合、AMR素子21に流れる電流の方向に対して合成磁界Hdがなす角度と、AMR素子21の抵抗値との関係は、周知のようにサインカーブ状の特性を示す。そして、電流の方向と合成磁界Hdとのなす角度が0度(180度)のとき、抵抗値は最大となり、なす角度が90度(270度)のとき、抵抗値は最小となる。また、角度θが30度(150度)付近で、抵抗値がゼロとなる。また、抵抗値変化率は、自身に流れる電流の向きと合成磁界Hdの向きが平行の場合、図5(a)に示す実線のようになる。一方、自身に流れる電流の向きと合成磁界Hdの向きが垂直の場合、図5(a)に示す破線のようになる。
Here, when the combined magnetic field Hd acts parallel to the one
本実施形態における第1AMR素子21a及び第4AMR素子21dは、図5(a)に実線で示すように、作用する合成磁界Hdの強さ(磁界強度)に応じて抵抗値変化率が正の値の範囲(ゼロを含む)で変化する。特に、ゼロから所定の磁界強度(絶対値約20mT)までは、その絶対値が、磁界強度の絶対値に比例して大きくなる。一方、第2AMR素子21b及び第3AMR素子21cは、図5(a)に破線で示すように、作用する合成磁界Hdの強さ(磁界強度)に応じて抵抗値変化率が負の値の範囲(ゼロを含む)で変化する。特に、ゼロから所定の磁界強度(絶対値約20mT)までは、その絶対値が、磁界強度の絶対値に比例して大きくなる。なお、抵抗値変化率とは、合成磁界Hdがゼロのときの抵抗値を基準とする抵抗値の変化率である。
As shown by the solid line in FIG. 5A, the
このため、図4では、第1AMR素子21a及び第4AMR素子21dに、右上がりの矢印を付与している。一方、第2AMR素子21b及び第3AMR素子21cに、右下がりの矢印を付与している。
For this reason, in FIG. 4, the
バイアス磁石13は、AMR素子21に作用する被検出磁界Haの向きと平行な磁界成分を有し、向き及び大きさが一定のバイアス磁界Hcを、被検出電流Iaの測定中において常時発生するものである。換言すれば、AMR素子21に作用する外部磁界を、被検出磁界Haのみの場合に比べてオフセットさせるためのものである。本実施形態では、外部磁界(合成磁界Hd)がゼロとならないように、バイアス磁石13を設定している。また、バイアス磁界Hcの、AMR素子21に作用するy方向の磁界成分の磁束密度の絶対値が、AMR素子21を構成する磁性膜の残留磁束密度の絶対値よりも大きくなるように、バイアス磁石13を設定している。
The
このようなバイアス磁石13としては、永久磁石及び電磁石のいずれも採用することができる。本実施形態では、バイアス磁石13として柱状の永久磁石を採用しており、磁極をなす両端面に対して垂直な側面の1つが、ベース16に接着固定されている。また、バイアス磁石13は、センサチップ12の側面と対向する端面がN極、他方の端面がS極に着磁されている。また、z軸方向において、バイアス磁石13の端面(N極)の中心と、センサチップ12におけるAMR素子21の形成位置と略一致している。すなわち、図2に示すように、センサチップ12の一面12a上において、被検出磁界Ha同様、紙面右から左に向かうバイアス磁界Hcが、AMR素子21に印加される。このように、センサチップ12(AMR素子21)には、外部磁界として、被検出磁界Haと、バイアス磁界Hcのうち、被検出磁界Haと平行な磁界成分との合成磁界Hdが作用する。
As such a
電磁石14は、通電により、AMR素子21に作用する外部磁界を打ち消すための相殺磁界Hbを発生するものであり、コイル30を少なくとも有する。本実施形態では、外部磁界としての合成磁界Hdを打ち消すための相殺磁界Hbを発生する。
The
本実施形態では、コイル30が、導線を巻き回してなる。また、電磁石14が、コイル30だけでなく、コイル30が巻回された軟磁性のコア31を有する。そして、コイル30の軸方向が、バスバー11の長手方向と略垂直、且つ、幅方向と略平行となるように、電磁石14がバスバー11に対して配置されている。すなわち、コイル30の軸方向及びコア31の延伸方向は、y方向に略平行となっており、センサチップ12の一面12aとも略平行となっている。また、z方向及びx方向において、コイル30の軸心が、バイアス磁石13の端面(N極)の中心と略一致するとともに、z方向において、センサチップ12におけるAMR素子21の形成位置と略一致している。すなわち、センサチップ12は、バイアス磁石13のN極側の端面と電磁石14との対向領域内に位置している。
In the present embodiment, the
そして、図2に示すように、センサチップ12の一面12a、すなわちAMR素子21に作用する合成磁界Hdを相殺するように、合成磁界Hdの向きと逆向き(紙面左から右向き)の相殺磁界Hbが、センサチップ12の一面12a、すなわちAMR素子21に印加される。この相殺磁界Hbにより、AMR素子21に印加される磁界はゼロとなる。
Then, as shown in FIG. 2, the canceling magnetic field Hb in the direction opposite to the direction of the combined magnetic field Hd (from the left to the right in the drawing) so as to cancel the combined magnetic field Hd acting on one
このような電磁石14において、コイル30は、回路チップ15と電気的に接続されている。すなわち、相殺磁界Hbを生成するための相殺電流が、回路チップ15から電磁石14(コイル30)に供給される。
In such an
回路チップ15は、相殺磁界Hbを生成するための相殺電流を供給する回路などを有している。本実施形態では、図6に示す、相殺電流を供給する供給手段としてのオペアンプ40と、外部磁界検出回路に定電流を供給するための定電流源41を有している。また、回路チップ15は、図1に示すように、外部接続端子としてのリード19と接続されており、電流センサ10はリード19を介して外部機器と電気的に接続されるようになっている。
The
ここで、電流センサ10の回路構成について説明する。本実施形態では、図6に示すように、被検出電流Iaに比例する相殺電流を、電流値として検出する構成となっている。
Here, the circuit configuration of the
図6に示すように、電源パッド22aとグランドパッド22bとの間、すなわち、4つのAMR素子21a〜21dをフルブリッジ接続してなる外部磁界検出回路には、定電流源41により、一定の電流が供給される。そして、各AMR素子21a〜21dに電流が供給された状態で、出力パッド22cから、第1AMR素子21a及び第2AMR素子21bの中点電位V1が取り出される、この中点電位V1は、電源パッド22aとグランドパッド22bとの間の電源電圧をVcc、第1AMR素子21aの抵抗値をR1、第2AMR素子21bの抵抗値をR2とすると、次式で示される。
As shown in FIG. 6, a constant
(数1)V1=Vcc×R2/(R1+R2)
同様に、出力パッド22dから、第3AMR素子21c及び第4AMR素子21dの中点電位V2が取り出される、この中点電位V2は、第3AMR素子21cの抵抗値をR3、第4AMR素子21dの抵抗値をR4とすると、次式で示される。
(Expression 1) V1 = Vcc × R2 / (R1 + R2)
Similarly, the midpoint potential V2 of the
(数2)V2=Vcc×R4/(R3+R4)
オペアンプ40の反転入力端子(−)には、出力パッド22cが接続され、非反転入力端子(+)には、出力パッド22dが接続されている。また、オペアンプ40の出力端子には、電磁石14を構成するコイル30が接続されている。オペアンプ40は、その出力端子から電流を吸い込む又は吐き出すことにより、出力パッド22c,22d間の電位差(V1−V2)が常にゼロとなるように、電磁石14のコイル30に相殺電流を供給する。すなわち、センサチップ12の一面12a上において、AMR素子21に作用する合成磁界Hdを相殺磁界Hbにて相殺するように、電磁石14のコイル30に相殺電流を供給する。このときコイル30に供給される相殺電流は、リード19を介して接続された外部の電流計100によって検出することができる。バイアス磁界Hcの向き及び大きさは常に一定であるので、相殺電流から、被検出電流Iaを検出することができる。なお、図6に示す一点鎖線は、磁気検出素子としてのAMR素子21a〜21dとコイル30とが、磁気的に結合されることを示している。
(Expression 2) V2 = Vcc × R4 / (R3 + R4)
An
次に、本実施形態に係る電流センサ10の特徴部分の効果について説明する。
Next, the effect of the characteristic part of the
本実施形態では、磁気検出素子として、磁性膜を有するAMR素子21を用いている。このAMR素子21は、ホール素子や半導体磁気抵抗効果素子に比べて、高感度である。したがって、本実施形態によれば、従来のホール素子や半導体磁気抵抗効果素子を用いる構成に比べて、電流センサ10の感度を向上することができる。
In the present embodiment, an
ところで、磁性膜を有するAMR素子21を用いると、感度を高くできる反面、残留磁化による磁気ヒステリシスが問題となる。AMR素子21に外部磁界(≠ゼロ)が作用し、その後、外部磁界がゼロとなると、AMR素子21の磁性膜に磁化が残る。このため、図5(b)に示すように、例えば磁界強度をゼロから正の所定値まで変化させる場合(図中実線)と、正の所定値からゼロまで変化させる場合(図中破線)とで、ヒステリシスが生じる。この残留磁化による磁気ヒステリシスは、図5(b)に示すように、AMR素子21に作用する外部磁界がゼロから所定の範囲(図中の磁界強度ゼロからAの範囲)で発生し、外部磁界の大きさがゼロに近いほど大きくなる。
By the way, when the
ここで、本実施形態同様、被検出電流Iaが同一極性内のみで変化する、すなわち、被検出電流Iaの極性が変化しない場合について考える。図7(a)に示すように、バスバー11に流れる被検出電流Iaが、0[A]〜+X[A]の範囲で変化するものとする。
Here, as in the present embodiment, a case is considered where the detected current Ia changes only within the same polarity, that is, the polarity of the detected current Ia does not change. As shown in FIG. 7A, it is assumed that the detected current Ia flowing through the
バイアス磁石13を有さない従来の構成では、図7(a)に実線で示す被検出電流Iaが、例えば正の値からゼロとなると、図7(b)に実線で示す、外部磁界としての被検出磁界Haも、被検出電流Iaに応じてゼロとなる。しかしながら、AMR素子21には、上記した磁性膜の残留磁化による磁界が生じるため、AMR素子21にあたかも被検出磁界Haが作用しているかのような状態となる。このため、図7(b)に破線で示す相殺磁界Hbは、残留磁化による磁界を相殺するためにゼロとはならず、電磁石14のコイル30に流れる相殺電流Ibも、図7(a)に破線で示すようにゼロとならない。このように、残留磁化の影響があると、被検出電流Iaの値がゼロ付近において相殺電流Ibに誤差が生じるため、被検出電流Iaと相殺電流Ibとの比例関係がずれて、被検出電流Iaの検出精度が低下してしまう。
In the conventional configuration that does not have the
なお、図7(a)に示す時間ゼロでは、残留磁化の影響がないため、被検出電流Iaの値ゼロに対応する相殺電流Ibの値はゼロである。一方、残留磁化の影響がある所定期間T1において、被検出電流Iaの値ゼロに対応する相殺電流Ibの値はゼロではなく、正の値を示している。このように、被検出電流Iaの値が同じゼロでも、残留磁化の影響の有無により、相殺電流Ibの値は異なるものとなり、この差が上記した相殺電流Ibの誤差である。 Note that, at time zero shown in FIG. 7A, there is no influence of residual magnetization, so the value of the canceling current Ib corresponding to zero of the detected current Ia is zero. On the other hand, in the predetermined period T1 having the influence of the residual magnetization, the value of the canceling current Ib corresponding to the value zero of the detected current Ia is not zero but shows a positive value. Thus, even if the value of the detected current Ia is the same zero, the value of the canceling current Ib varies depending on whether there is an influence of residual magnetization, and this difference is the error of the canceling current Ib.
被検出電流Iaは、測定環境下においてその値が連続的に変化するが、図7(a)に示すように、所定期間T1の間、ゼロの値をとる。このため、相殺電流Ibも、所定期間T1の間、誤差が生じることとなる。このように、相殺電流Ibに所定期間誤差が生じるのは、被検出電流Iaの検出精度上、好ましいものではない。なお、図7(a)においては、便宜上、被検出電流Iaが上限の+X[A]で所定期間一定であるかのように図示しているが、実際には、被検出電流Iaは、ゼロ以外の値において連続的に変化している。 The detected current Ia continuously changes in the measurement environment, but takes a value of zero for a predetermined period T1, as shown in FIG. 7A. For this reason, the cancellation current Ib also has an error during the predetermined period T1. Thus, the occurrence of an error for a predetermined period in the canceling current Ib is not preferable in terms of the detection accuracy of the detected current Ia. In FIG. 7A, for the sake of convenience, the detected current Ia is shown as if it is constant for a predetermined period at the upper limit + X [A], but in actuality, the detected current Ia is zero. It is continuously changing at other values.
一方、本実施形態では、電磁石14とは別に、バイアス磁界Hcを生じるバイアス磁石13を設けている。このバイアス磁石13は、被検出磁界Haの向きと平行な磁界成分を有するバイアス磁界Hcを、被検出電流Iaの測定中において常時発生する。このように、バイアス磁界Hcの分、AMR素子21に作用する外部磁界がオフセットされる。したがって、図8(a)に実線で示す被検出電流Iaの値が、例えば正の値から変化して、所定期間T1の間、その値がゼロとなっても、図8(b)に実線で示すように、外部磁界としてAMR素子21に作用する合成磁界Hdはゼロにならない。このように、本実施形態に係る電流センサ10によれば、測定精度に影響の大きい被検出電流Iaの値がゼロとなる所定期間T1において、合成磁界Hdがゼロとなるのを抑制することができ、被検出電流Iaの検出精度を従来よりも向上することができる。
On the other hand, in this embodiment, a
ところで、バイアス磁界Hcの分、被検出電流Iaの値がゼロのときの合成磁界Hdをゼロからオフセットさせるため、オフセット方向によっては、被検出電流Iaがゼロでない値のときに、合成磁界Hdがゼロとなることも考えられる。これに対し、本実施形態では、図8(b)に示すように、上記した所定期間T1に限らず、外部磁界である合成磁界Hdの値がゼロとならないように、バイアス磁石13を設定している。詳しくは、被検出電流Iaが、0[A]〜+X[A]の範囲で変化し、AMR素子21に作用する被検出磁界Haの向きも一定であるため、AMR素子21に対し、被検出磁界Haと同じ向きのバイアス磁界Hcが作用するようにしている。このため、被検出電流Iaの測定範囲において、合成磁界Hdはゼロとならない。したがって、被検出電流Iaの値によらず、被検出電流Iaを精度良く検出することができる。
By the way, in order to offset the combined magnetic field Hd when the value of the detected current Ia is zero by the amount of the bias magnetic field Hc, depending on the offset direction, when the detected current Ia is a non-zero value, the combined magnetic field Hd is It may be zero. On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 8B, the
上記したように、残留磁化による磁気ヒステリシスは、AMR素子21に作用する外部磁界が0から所定の範囲で発生し、外部磁界の大きさがゼロに近いほど大きくなる(図5(b)参照)。これに対し、本実施形態では、AMR素子21上における、バイアス磁界Hcのy方向の磁界成分の磁束密度の絶対値が、AMR素子21を構成する磁性膜の残留磁束密度の絶対値よりも大きくなるように、バイアス磁石13を設定している。これにより、図8(a)に実線で示す被検出電流Iaが、例えば正の値から所定期間T1の間ゼロとなっても、図8(b)に実線で示す、外部磁界としての合成磁界Hdは、所定期間T1において、磁気ヒステリシスの影響が無い値をとる。このように、所定期間T1において、磁気ヒステリシスの影響がなくなるため、被検出電流Iaを精度良く検出することができる。なお、図8(b)に示す一点鎖線は、磁気ヒステリシスを生じる磁界の上限値であり、一点鎖線から磁界がゼロまでの領域において、残留磁化による磁気ヒステリシスが生じる。
As described above, the magnetic hysteresis due to the remanent magnetization is increased when the external magnetic field acting on the
特に本実施形態の場合、被検出電流Iaが同一極性内のみで変化するため、外部磁界である合成磁界Hdの値がゼロとならず、且つ、残留磁化による磁気ヒステリシスが生じる領域を使わないようにするための、バイアス磁界Hcによるオフセット量が、小さくてすむ。したがって、磁力の弱い安価なバイアス磁石13を採用することができる。
In particular, in the case of the present embodiment, since the detected current Ia changes only within the same polarity, the value of the combined magnetic field Hd that is an external magnetic field does not become zero, and a region in which magnetic hysteresis due to residual magnetization occurs is not used. Therefore, the offset amount by the bias magnetic field Hc can be small. Therefore, an
また、本実施形態では、上記したように、合成磁界Hdの作用により、第1ハーフブリッジと第2ハーフブリッジの各中点電位V1,V2が逆に振れるように、4つのAMR素子21a〜21dにより、フルブリッジ構成の外部磁気検出回路を形成している。したがって、各ハーフブリッジの中点電位V1,V2の差分、すなわちAMR素子21(外部磁気検出回路)の出力の変化量を大きくすることができる。これにより、AMR素子21の出力の変化量が小さい構成に較べて、相殺電流の精度、すなわち被検出電流Iaの検出精度を向上することができる。
Further, in the present embodiment, as described above, the four
また、本実施形態では、同一のセンサチップ12における同一面12a上に、外部磁気検出回路を構成する全てのAMR素子21a〜21dが形成されている。このため、4つのAMR素子21a〜21dが受ける温度の影響が互いにほぼ等しくなり、温特の影響をキャンセルすることができる。また、同一のセンサチップ12に作りこむため、各AMR素子21a〜21dの製造ばらつきを抑制することができる。また、小型化することもできる。
In the present embodiment, all the
(変形例)
上記実施形態では、電流センサ10として、電流出力型の回路構成を示した。しかしながら、電圧出力型の回路構成を採用することができる。図9に、電圧出力型の電流センサ10の一例を示す。図6の電流出力型と異なる点は、電流計100に替えて、検出抵抗42及び差動増幅回路43を設け、差動増幅回路43の出力電圧をセンサ出力とする点である。これら検出抵抗42及び差動増幅回路43は、回路チップ15に形成されており、差動増幅回路43の出力電圧が、リード19を介して外部に出力されるようになっている。
(Modification)
In the above embodiment, a current output type circuit configuration is shown as the
検出抵抗42は、電磁石14を構成するコイル30への相殺電流を電圧に変換するための微小抵抗であり、その抵抗値は、差動増幅回路43の入力インピーダンスよりも十分小さいものとする。差動増幅回路43は、検出抵抗42の両端の電圧を増幅して電圧を出力する。この差動増幅回路43は、オペアンプ44と、4つの固定抵抗45〜48と、定電圧源49を有している。定電圧源49の電圧は、例えば電源電圧Vccの1/2となっている。各固定抵抗45〜48の抵抗値R1〜R4は、R1=R3、R2=R4でなっており、差動増幅回路43の増幅度は、R2/R1である。増幅度は例えば1程度とする。
The
上記実施形態では、4つのAMR素子21a〜21dからなる外部磁気検出回路の例を示した。しかしながら、外部磁気検出回路の構成は、上記例に限定されるものではない。例えば図10(a)では、上記実施形態同様、第1AMR素子21aと第2AMR素子21bが直列に接続されて、第1ハーフブリッジが形成されている。一方、第2ハーフブリッジは、外部磁界により抵抗値が変化しない固定抵抗23a,23bにて構成されている。図10(a)では、上記実施形態同様、第1AMR素子21aが電源パッド22a側、第2AMR素子21bがグランドパッド22b側となっている。また、第1AMR素子21aに流れる電流の方向と、第2AMR素子21bに流れる電流の方向が、互いに略垂直となるように形成されている。この場合、ハーフブリッジの一方が固定抵抗23a,23bからなるため、外部磁気検出回路の出力の変化量は上記実施形態より小さくなるが、第1AMR素子21aと第2AMR素子21bの温度の影響が互いにほぼ等しく、これにより温特の影響をキャンセルすることができる。
In the above embodiment, an example of the external magnetic detection circuit including the four
また、フルブリッジ回路を構成する4つの抵抗のうち、1つのみをAMR素子21とし、残りを固定抵抗としても良い。例えば図10(b)では、AMR素子21として第1AMR素子21aのみを用い、残りを固定抵抗23a〜23cとしている。第1ハーフブリッジにおいて、第1AMR素子21aが電源パッド22a側、固定抵抗23cがグランドパッド22b側となっている。
Also, only one of the four resistors constituting the full bridge circuit may be the
また、外部磁界が作用しない状態での抵抗値が略等しく、自身に流れる電流の方向が同じAMR素子21によってハーフブリッジ回路を構成し、一方のAMR素子21を磁気シールドにて覆うようにしても良い。例えば図10(c)では、第1ハーフブリッジを構成する第1AMR素子21a及び第2AMR素子21bに流れる電流の方向が、ともに合成磁界Hdの向きと略垂直となっている。また、第2AMR素子21bは、磁気シールド24により覆われており、外部磁界が作用しないようになっている。これによれば、第1AMR素子21aと第2AMR素子21bの温度の影響が互いにほぼ等しいため、図10(b)の構成に較べて、温特の影響をキャンセルすることができる。
Further, the
(第2実施形態)
本実施形態において、上記実施形態に示した電流センサ10と共通する部分についての説明は割愛する。第1実施形態では、センサチップ12におけるAMR素子21の形成された一面12aが、バスバー11の一面11aと略平行となるように、センサチップ12がバスバー11に平置きされる例を示した。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, description of portions common to the
これに対し、本実施形態では、図11に示すように、センサチップ12の一面12a、すなわちAMR素子21の形成面が、バスバー11の一面11aに対して略垂直となり、且つ、被検出磁界Ha(合成磁界Hd)と略平行となるように、センサチップ12がバスバー11に縦置きされる点を特徴とする。
In contrast, in the present embodiment, as shown in FIG. 11, one
このような配置としても、第1実施形態の図4に示したように、第1AMR素子21a及び第4AMR素子21dを、これらAMR素子21a,21dに流れる電流の方向が合成磁界Hdと平行となるように設ける。そして、第2AMR素子21b及び第3AMR素子21cを、これらAMR素子21b,21cに流れる電流の方向が合成磁界Hdと垂直となるように設けることができる。すなわち、AMR素子21(外部磁気検出回路)の出力の変化量を大きくして、相殺電流の精度、すなわち被検出電流Iaの検出精度を向上することができる。なお、第1実施形態の図10(a)〜(c)に示した構成とすることもできる。
Even in such an arrangement, as shown in FIG. 4 of the first embodiment, the
なお、本実施形態においても、第1実施形態の変形例として図10(a)〜(c)に示した構成を採用することができる。 Also in this embodiment, the configuration shown in FIGS. 10A to 10C can be employed as a modification of the first embodiment.
(第3実施形態)
本実施形態において、上記実施形態に示した電流センサ10と共通する部分についての説明は割愛する。第1実施形態では、バスバー11に流れる被検出電流Iaの測定範囲が、0[A]〜+X[A]である場合において、バイアス磁石13は、合成磁界Hdがゼロとならず、且つ、同一極性内で変化するようなバイアス磁界Hcを発生する例を示した。
(Third embodiment)
In the present embodiment, description of portions common to the
これに対し、本実施形態では、被検出電流Iaの極性が、プラスとマイナスに変化する場合、すなわち被検出電流Iaの測定範囲が、−Y[A]〜+X[A]である場合において、バイアス磁石13は、合成磁界Hdがゼロとならず、且つ、同一極性内で変化するようなバイアス磁界Hcを発生する点を特徴とする。このため、本実施形態に係る電流センサ10は、例えばハイブリッドカーや電気自動車のバッテリー電流やモータ駆動電流を測定するのに好適である。
In contrast, in the present embodiment, when the polarity of the detected current Ia changes between plus and minus, that is, when the measurement range of the detected current Ia is -Y [A] to + X [A], The
バイアス磁石13を有さない従来の電流センサ10では、被検出電流Iaの測定範囲を、−Y[A]〜+X[A]とした場合も、測定範囲を0[A]〜+X[A]とする場合同様、残留磁化が問題となる。詳しくは、図12(a)に実線で示す被検出電流Iaが、例えば正の値からゼロとなると、図12(b)に実線で示す被検出磁界Haも、被検出電流Iaに応じてゼロとなる。しかしながら、AMR素子21には、上記した磁性膜の残留磁化による磁界が生じるため、AMR素子21にあたかも被検出磁界Haが作用しているかのような状態となる。このため、図12(b)に破線で示す相殺磁界Hbは、残留磁化による磁界を相殺するためにゼロとはならず、電磁石14のコイル30に流れる相殺電流Ibも、図12(a)に破線で示すようにゼロとならない。このように、残留磁化の影響があると、被検出電流Iaの値がゼロ付近において相殺電流Ibに誤差が生じるため、被検出電流Iaと相殺電流Ibとの比例関係がずれて、被検出電流Iaの検出精度が低下してしまう。
In the conventional
なお、図12(a)においては、時間がゼロの時点で−Y[A]となっており、この−Y[A]から+X[A]に連続的に電流値が変化する過程と、図中の所定期間T1とにおいて、電流値が瞬間的にゼロの値をとる。電流値が連続的に変化する過程で、電流値が瞬間的にゼロとなり、被検出磁界Haも瞬間的にゼロとなる場合、残留磁化の影響は殆ど生じない。しかしながら、図12(a)に示すように、所定期間T1の間、ゼロの値をとると、相殺電流Ibも、所定期間T1の間、誤差が生じることとなるため、被検出電流Iaの検出精度上、好ましいものではない。 In FIG. 12A, when the time is zero, −Y [A] is obtained, and the current value continuously changes from −Y [A] to + X [A]. During the predetermined period T1, the current value instantaneously takes a value of zero. In the process of continuously changing the current value, when the current value instantaneously becomes zero and the detected magnetic field Ha also instantaneously becomes zero, the influence of the residual magnetization hardly occurs. However, as shown in FIG. 12A, if the value is zero during the predetermined period T1, an error also occurs in the canceling current Ib during the predetermined period T1, so that the detection of the detected current Ia is detected. This is not preferable in terms of accuracy.
これに対し、本実施形態では、第1実施形態同様、電磁石14とは別に、バイアス磁界Hcを生じるバイアス磁石13を設けている。このバイアス磁石13は、被検出磁界Haの向きと平行な磁界成分を有するバイアス磁界Hcを、被検出電流Iaの測定中において常時発生する。このように、バイアス磁界Hcの分、AMR素子21に作用する外部磁界をオフセットさせる。したがって、図13(a)に実線で示す被検出電流Iaの値が、例えば正の値から変化して、所定期間T1の間、その値がゼロとなっても、図13(b)に実線で示すように、外部磁界としてAMR素子21に作用する合成磁界Hdはゼロにならない。このように、本実施形態に係る電流センサ10によれば、測定精度に影響の大きい被検出電流Iaの値がゼロとなる所定期間T1において、合成磁界Hdがゼロとなるのを抑制することができ、被検出電流Iaの検出精度を従来よりも向上することができる。
In contrast, in the present embodiment, a
また、本実施形態では、図13(b)に示すように、上記した所定期間T1に限らず、外部磁界である合成磁界Hdの値がゼロとならないように、バイアス磁石13を設定している。詳しくは、被検出電流Iaが、−Y[A]〜+X[A]の範囲で変化するため、AMR素子21に作用するバイアス磁界Hcの磁束密度の絶対値が、被検出電流Iaが取り得る下限値(−Y[A])に相当する磁束密度の絶対値よりも大きくなるように、バイアス磁石13を設定している。このため、被検出電流Iaの測定範囲において、合成磁界Hdがゼロとならず、一方の極性内のみで変化する。したがって、被検出電流Iaの値によらず、被検出電流Iaを精度良く検出することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 13B, the
さらに、本実施形態では、AMR素子21上における、バイアス磁界Hcのy方向の磁界成分の磁束密度の絶対値が、AMR素子21を構成する磁性膜の残留磁束密度の絶対値と、被検出電流Iaが取り得る下限値(−Y[A])に相当する磁束密度の絶対値との和よりも大きくなるように、バイアス磁石13を設定している。これにより、図13(a)に実線で示す被検出電流Iaが、例えば正の値から所定期間T1の間ゼロとなっても、図13(b)に実線で示す、外部磁界としての合成磁界Hdは、所定期間T1において、磁気ヒステリシスの影響が無い値をとる。このように、所定期間T1において、磁気ヒステリシスの影響がなくなるため、被検出電流Iaを精度良く検出することができる。なお、図13(b)に示す一点鎖線は、磁気ヒステリシスを生じる磁界の上限値であり、一点鎖線から磁界がゼロまでの領域において、残留磁化による磁気ヒステリシスが生じる。
Further, in this embodiment, the absolute value of the magnetic flux density of the magnetic field component in the y direction of the bias magnetic field Hc on the
(第4実施形態)
本実施形態において、上記実施形態に示した電流センサ10と共通する部分についての説明は割愛する。第3実施形態では、被検出電流Iaの測定範囲が、−Y[A]〜+X[A]である場合において、バイアス磁石13は、合成磁界Hdがゼロとならず、且つ、同一極性内で変化するようなバイアス磁界Hcを発生する例を示した。これに対し、本実施形態では、合成磁界Hdが瞬間的にゼロの値をとるように、バイアス磁石13が設定される。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, description of portions common to the
上記したように、電磁石14とは別にバイアス磁石13を設けると、バイアス磁界Hcの分、AMR素子21に作用する外部磁界がオフセットされる。したがって、測定精度に影響の大きい被検出電流Iaの値がゼロとなる所定期間T1において、合成磁界Hdがゼロとなるのを抑制することができる。すなわち、被検出電流Iaの検出精度を従来よりも向上することができる。
As described above, when the
また、本実施形態では、AMR素子21上における、バイアス磁界Hcのy方向の磁界成分の磁束密度の絶対値が、AMR素子21を構成する磁性膜の残留磁束密度の絶対値よりも大きくなるように、バイアス磁石13を設定している。これにより、図14(a)に実線で示す被検出電流Iaが、例えば正の値から所定期間T1の間ゼロとなっても、図14(b)に実線で示す、外部磁界としての合成磁界Hdは、所定期間T1において、磁気ヒステリシスの影響が無い値をとる。このように、所定期間T1において、磁気ヒステリシスの影響がなくなるため、被検出電流Iaを精度良く検出することができる。なお、図14(b)に示す一点鎖線は、磁気ヒステリシスを生じる磁界の上限値であり、一点鎖線から磁界がゼロまでの領域において、残留磁化による磁気ヒステリシスが生じる。
In the present embodiment, the absolute value of the magnetic flux density of the magnetic field component in the y direction of the bias magnetic field Hc on the
また、本実施形態では、第3実施形態に較べてバイアス磁石13によるオフセット量が小さいため、図14(b)に示すように、合成磁界Hdが瞬間的にゼロとなる。しかしながら、被検出電流Iaは、ゼロ以外の値において連続的に変化しており、合成磁界Hdがゼロとなっても瞬間的である。すなわち、被検出電流Iaの値がゼロの所定期間に較べて、合成磁界(Hd)がゼロとなる期間のほうが短い。このため、残留磁化による相殺電流の誤差を、従来に較べて抑制することができる。
Further, in this embodiment, since the offset amount by the
(第5実施形態)
本実施形態において、上記実施形態に示した電流センサ10と共通する部分についての説明は割愛する。上記実施形態では、磁気検出素子として、AMR素子21を用いる例を示した。これに対し、本実施形態では、磁気検出素子として、スピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子(以下、単にGMR素子と示す)、又は、トンネル磁気抵抗効果素子(以下、単にTMR素子と示す)を用いる点を特徴とする。
(Fifth embodiment)
In the present embodiment, description of portions common to the
図15は、電流センサ10のうち、センサチップ12周辺を拡大した断面図である。なお、センサチップ12に形成された磁気検出素子が異なる以外は、第1実施形態(図1及び図2参照)と同じ構成となっている。
FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view around the
図15に示す例では、センサチップ12にGMR素子50が設けられている。GMR素子50は、図15に示すように、バスバー11(ベース16)側から、反強磁性層51、固定層52、非磁性層53、フリー層54、保護層55の順に積層されてなる。
In the example shown in FIG. 15, the
反強磁性層51は、例えばIrMnを用いて形成されており、その結晶配向性を向上させるために、図示しない下地層上に形成されている。固定層52(ピン層とも言う)は、例えばCoFeからなる固定磁性層間に、例えばRuからなる非磁性中間層を配置してなる積層フェリ構造を有している。非磁性層53は、導電性を有する例えばCuを用いて形成され、フリー層54は、例えばCoFeとNiFeの積層で形成されている。また、保護層55は、Taを用いて形成されている。なお、GMR素子50の構成としては、上記例に限定されるものではない。固定層52、非磁性層53、及びフリー層54を有すれば良い。固定層52も、積層フェリ構造に限定されるものではない。
The
なお、非磁性層53が、Al2O3などの絶縁材料を用いて形成されると、TMR素子となる。TMR素子の場合は、電流を積層膜に対して垂直方向に流すように電極を形成する必要があるが、磁気抵抗効果素子としてはGMR素子50と基本的に同じである。
When the
周知の通り、固定層52の磁化方向は、所定方向に固定されている。一方、フリー層54の磁化方向は固定されておらず、外部磁界Hdによって磁化変動可能となっている。そしてフリー層54の磁化方向が、外部磁界Hdに対して変動することで、固定層52の磁化方向との関係で電気抵抗値が変動する。
As is well known, the magnetization direction of the fixed
固定層52の磁化方向とフリー層54の磁化方向が反平行となると、電気抵抗値が最大となる。一方、固定層52の磁化方向とフリー層54の磁化方向が平行となると、電気抵抗値が最小となる。図16は、磁界強度と抵抗値変化率との関係を示す。なお、図中において、実線がGMR素子50であり、破線がTMR素子を示している。GMR素子50,TMR素子いずれも、固定層52の磁化方向とフリー層54の磁化方向が平行の場合、抵抗値変化率は正の値となり、固定層52の磁化方向とフリー層54の磁化方向が反平行の場合、抵抗値変化率は負の値となる。そして、図示しないが、第1実施形態に示すAMR素子21同様、残留磁化による磁気ヒステリシスが生じる。
When the magnetization direction of the fixed
本実施形態において、磁気検出素子としてのGMR素子50は、図17に示すように、4つのGMR素子50a〜50dを有している。これらGMR素子50a〜50dは、それぞれ別のセンサチップ12に形成されても良いし、1チップに集積されても良い。
In the present embodiment, a
4つのGMR素子50a〜50dのうち、第1GMR素子50aを高電位側、第2GMR素子50bを低電位側として第1ハーフブリッジが形成されている。また、第3GMR素子50cを高電位側、第4GMR素子50dを低電位側として第2ハーフブリッジが形成されている。そして、これらハーフブリッジによりフルブリッジ構成の外部磁界検出回路が形成されている。
Of the four
4つのGMR素子50a〜50dは、各固定層52の磁化方向が、被検出磁界Ha(合成磁界Hd)と平行となり、且つ、第1GMR素子50a及び第4GMR素子50dにおける固定層52の磁化方向と、第2GMR素子50b及び第3GMR素子50cにおける固定層52の磁化方向とが逆方向となるように設けられている。
In the four
本実施形態では、図17に示すように、全てのGMR素子50a〜50dは、xy面に沿う平面形状が長方形となっている。なお、長方形(矩形)以外にも、例えばミアンダ形状とすることもできる。そして、平面長方形のGMR素子50a〜50dは、その長手方向が互いに平行となるように形成されており、長手方向、すなわち自身の電流の流れ方向がy方向に略平行となるように、センサチップ12がバスバー11に配置されている。このため、センサチップ12のGMR素子50a〜50dに作用する合成磁界Hdは、固定層52の磁化方向に対して平行、若しくは、反平行となる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 17, all the
第1GMR素子50aと第4GMR素子50dの固定層52の磁化方向とフリー層54の磁化方向Fは反平行となり、抵抗値は最大となる。また、第2GMR素子50bと第3GMR素子50cの固定層52の磁化方向とフリー層54の磁化方向は平行となり、抵抗値は最小となる。その結果、図17に示す外部磁界検出回路の中点電位V1,V2に差が生じる。したがって、第1実施形態に示した電流検出型の回路構成(図6参照)、電圧検出型の回路構成(図9参照)により、相殺電流、ひいては被検出電流Iaを検出することができる。
The magnetization direction of the fixed
このように本実施形態によっても、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。また、第1実施形態の変形例、第3実施形態、第4実施形態に示した構成を適用することもできる。 Thus, the present embodiment can achieve the same effects as those of the first embodiment. Moreover, the structure shown in the modification of 1st Embodiment, 3rd Embodiment, and 4th Embodiment is also applicable.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
上記実施形態では、樹脂製のベース16がバスバー11に接着固定され、ベース16に、バスバー11以外の電流センサ10の構成要素、具体的には、センサチップ12、バイアス磁石13、電磁石14、回路チップ15が接着固定される。そして、ケース17により保護される例を示した。しかしながら、バスバー11への、センサチップ12、バイアス磁石13、電磁石14、回路チップ15の配置は、上記例に限定されるものではない。例えば、図18(a)に示す例では、ベース16にセンサチップ12、バイアス磁石13、電磁石14、回路チップ15が接着固定された状態で、バスバー11及びセンサチップ12、バイアス磁石13、電磁石14、回路チップ15が、モールド樹脂60により被覆されている。一方、図18(b)に示す例では、ベース16にセンサチップ12、バイアス磁石13、電磁石14、回路チップ15が接着固定された状態で、螺子61を用いた締結により、ベース16がバスバー11に固定されている。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、電磁石14が、導線を巻回してなるコイル30と、軟磁性のコア31を有する例を示した。しかしながら、コイル30として、空芯コイルや薄膜コイルを採用しても良い。空芯コイルの場合、例えば図19(a)に示すように、コイル30内にセンサチップ12が配置された構成としても良い。これにより、電流センサ10の体格を小型化することができる。
In the said embodiment, the
上記実施形態では、柱状のバイアス磁石13の例を示した。しかしながら、筒状のバイアス磁石13を採用することもできる。例えば図19(b)に示すように、バイアス磁石13の筒状内部に、センサチップ12が配置された構成としても良い。また、バイアス磁石13の筒状内部に電磁石14が配置された構成としても良い。いずれにおいても、電流センサ10の体格を小型化することができる。
In the above embodiment, an example of the
上記実施形態では、センサチップ12の一面12a上において、被検出磁界Haとバイアス磁界Hcとが略平行となるように、柱状のバイアス磁石13のうち、着磁された端面に対して垂直な側面の1つが、ベース16に接着固定される例を示した。しかしながら、バイアス磁石13の配置は上記例に限定されるものではない。バイアス磁界Hcが、センサチップ12の一面12a上において、被検出磁界Haと略平行(反平行も含む)な成分を有すれば良い。例えば図19(c)に示すように、バスバー11の一面11aに対して斜めに配置されても良い。
In the above embodiment, the side surface perpendicular to the magnetized end surface of the
上記実施形態では、バイアス磁石13を1つのみ有する例を示した。しかしながら、バイアス磁石13の個数は特に限定されるものではない。例えば図20(a)に示すように、センサチップ12及び電磁石14を挟むように、2つのバイアス磁石13a,13bを設けても良い。なお、図20に示す例では、バイアス磁石13aのセンサチップ12側の端面がN極に着磁され、バイアス磁石13bのセンサチップ12側の端面がS極に着磁されている。これにより、バイアス磁石13の発生磁界(バイアス磁界)をより強くすることができる。
In the above embodiment, an example in which only one
また、電磁石14(コイル30)についても、その個数は1つに限定されない。例えば図20(b)に示すように、センサチップ12を挟むように、2つの電磁石14a,14bを設けても良い。これにより、電磁石14の発生磁界をより強くすることができる。なお、2つの電磁石14a,14bのコア31を一直線上に配置すると、磁気検出素子に対して、実質的に垂直な相殺磁界を印加することができる。
Further, the number of electromagnets 14 (coils 30) is not limited to one. For example, as shown in FIG. 20B, two
上記実施形態では、磁気検出素子を有するセンサチップ12とは別に、回路チップ15を有する例を示した。しかしながら、センサチップ12に形成される磁気検出素子と、回路チップ15の処理回路が、1チップに集積化されてもよい。
In the above embodiment, an example in which the
上記実施形態では、センサチップ12、バイアス磁石13、電磁石14、回路チップ15が、バスバー11に固定されており、バスバー11を電流センサ10の構成要素とする例を示した。しかしながら、電流センサ10としては、センサチップ12、バイアス磁石13、電磁石14、及び回路チップ15を有せば良い。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、バスバー11を平板状としたが、バスバー11の形状は上記例に限定されるものではない。例えば、丸棒その他の形状としても良い。
In the said embodiment, although the bus-
10・・・電流センサ装置(磁気平衡式電流センサ)
11・・・バスバー
11a・・・一面
12・・・センサチップ
12a・・・素子形成面
13,13a,13b・・・バイアス磁石
14,14a,14b・・・電磁石
15・・・回路チップ
116・・・ベース
17・・・ケース
18・・・ボンディングワイヤ
19・・・リード
20・・・基板
21,21a〜21d・・・AMR素子(異方性磁気抵抗効果素子)
22a・・・電源パッド
22b・・・グランドパッド
22c,22d・・・出力パッド
23a〜23c・・・固定抵抗
24・・・磁気シールド
30・・・コイル
31・・・ボビン
40・・・オペアンプ(供給手段)
41・・・定電流源
42・・・検出抵抗
43・・・差動増幅回路
44・・・オペアンプ
45〜48・・・抵抗
49・・・定電圧源
50,50a〜50d・・・磁気検出素子(スピンバルブ型GMR素子、TMR素子)
51・・・反強磁性層
52・・・固定層
53・・・非磁性層
54・・・フリー層
55・・・保護層
60・・・モールド樹脂
61・・・螺子
100・・・電流計
Ia・・・被検出電流
Ha・・・被検出磁界
Hb・・・相殺磁界
Hc・・・バイアス磁界
Hd・・・合成磁界
10 ... Current sensor device (magnetically balanced current sensor)
DESCRIPTION OF
22a ...
41 ... constant
51 ...
Claims (15)
前記バスバー(11)の一面(11a)上に設けられ、前記磁気検出素子(21,50)に作用する被検出磁界(Ha)を相殺するための相殺磁界(Hb)を発生する電磁石(14)と、
前記相殺磁界(Hb)を形成するための相殺電流を前記電磁石(14)に供給する供給手段(40)と、を備え、
前記相殺電流に基づいて、前記バスバー(11)に流れる被検出電流(Ia)を検出する磁気平衡式電流センサであって、
前記磁気検出素子(21,50)は、磁性体金属を用いて形成された磁性膜を有する磁気抵抗効果素子であり、
前記バスバー(11)の一面(11a)上に設けられ、前記磁気検出素子(21,50)に作用する被検出磁界(Ha)の向きと平行な磁界成分を有し、該磁界成分の向き及び大きさが一定のバイアス磁界(Hc)を発生するバイアス磁石(13)を備え、
前記電磁石(14)は、前記相殺磁界(Hb)として、前記被検出磁界(Ha)と前記バイアス磁界(Hc)との合成磁界(Hd)を相殺する磁界を生じることを特徴とする磁気平衡式電流センサ。 Magnetic detecting elements (on the one surface (11a) of the bus bar (11) so that the output changes according to the detected magnetic field (Ha) formed by the detected current (Ia) flowing through the bus bar (11). 21, 50)
An electromagnet (14) which is provided on one surface (11a) of the bus bar (11) and generates a canceling magnetic field (Hb) for canceling the detected magnetic field (Ha) acting on the magnetic detection elements (21, 50). When,
Supply means (40) for supplying a canceling current for forming the canceling magnetic field (Hb) to the electromagnet (14),
A magnetic balance type current sensor for detecting a detected current (Ia) flowing through the bus bar (11) based on the offset current;
The magnetic detection element (21, 50) is a magnetoresistive effect element having a magnetic film formed using a magnetic metal,
A magnetic field component provided on one surface (11a) of the bus bar (11) and parallel to the direction of the detected magnetic field (Ha) acting on the magnetic detection elements (21, 50); A bias magnet (13) for generating a bias magnetic field (Hc) having a constant magnitude;
The electromagnet (14) generates a magnetic field that cancels a combined magnetic field (Hd) of the detected magnetic field (Ha) and the bias magnetic field (Hc) as the canceling magnetic field (Hb). Current sensor.
前記磁気検出素子(21,50)に作用するバイアス磁界(Hc)の磁束密度の絶対値が、前記磁気検出素子(21,50)を構成する磁性膜の残留磁束密度の絶対値よりも大きい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。 The detected current (Ia) varies within the same polarity,
The absolute value of the magnetic flux density of the bias magnetic field (Hc) acting on the magnetic detection element (21, 50) is larger than the absolute value of the residual magnetic flux density of the magnetic film constituting the magnetic detection element (21, 50). The magnetic balanced current sensor according to claim 2.
前記磁気検出素子(21,50)に作用するバイアス磁界(Hc)の磁束密度の絶対値が、前記磁気検出素子(21,50)を構成する磁性膜の残留磁束密度の絶対値と、前記被検出電流(Ia)が取り得る下限値に相当する磁束密度の絶対値との和よりも大きい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。 The polarity of the detected current (Ia) changes between plus and minus,
The absolute value of the magnetic flux density of the bias magnetic field (Hc) acting on the magnetic detection element (21, 50) is the absolute value of the residual magnetic flux density of the magnetic film constituting the magnetic detection element (21, 50), The magnetic balance type current sensor according to claim 2, wherein the detected current (Ia) is larger than a sum of absolute values of magnetic flux densities corresponding to a lower limit value that can be taken.
前記磁気検出素子(21,50)に作用するバイアス磁界(Hc)の磁束密度の絶対値が、前記磁気検出素子(21,50)を構成する磁性膜の残留磁束密度の絶対値よりも大きい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。 The polarity of the detected current (Ia) changes between plus and minus,
The absolute value of the magnetic flux density of the bias magnetic field (Hc) acting on the magnetic detection element (21, 50) is larger than the absolute value of the residual magnetic flux density of the magnetic film constituting the magnetic detection element (21, 50). The magnetic balanced current sensor according to claim 1.
前記4つの異方性磁気抵抗効果素子(21a〜21d)のうち、第1異方性磁気抵抗効果素子(21a)を高電位側、第2異方性磁気抵抗効果素子(21b)を低電位側として第1ハーフブリッジが形成され、第3異方性磁気抵抗効果素子(21c)を高電位側、第4異方性磁気抵抗効果素子(21d)を低電位側として第2ハーフブリッジが形成されて、これらハーフブリッジによりフルブリッジ回路が構成され、
前記4つの異方性磁気抵抗効果素子(21a〜21d)のうち、前記第1異方性磁気抵抗効果素子(21a)及び前記第4異方性磁気抵抗効果素子(21d)は、該素子(21,24)に流れる電流の方向が前記被検出磁界(Ha)と平行となるように設けられ、前記第2異方性磁気抵抗効果素子(21b)及び前記第3異方性磁気抵抗効果素子(21c)は、該素子(22,23)に流れる電流の方向が前記被検出磁界(Ha)と垂直となるように設けられ、
前記供給手段(40)は、各ハーフブリッジの中点電位(V1,V2)の差分に基づく前記相殺電流を、前記電磁石(14)に供給す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。 The magnetic detection element (21) has four anisotropic magnetoresistive elements (21a to 21d),
Of the four anisotropic magnetoresistive elements (21a to 21d), the first anisotropic magnetoresistive element (21a) is on the high potential side and the second anisotropic magnetoresistive element (21b) is on the low potential side. A first half bridge is formed on the side, and a second half bridge is formed with the third anisotropic magnetoresistive element (21c) on the high potential side and the fourth anisotropic magnetoresistive element (21d) on the low potential side. Then, a full bridge circuit is configured by these half bridges,
Of the four anisotropic magnetoresistive elements (21a to 21d), the first anisotropic magnetoresistive element (21a) and the fourth anisotropic magnetoresistive element (21d) are the elements ( 21, 24) and the second anisotropic magnetoresistive effect element (21 b) and the third anisotropic magnetoresistive effect element are provided so that the direction of the current flowing through the detected magnetic field (Ha) is parallel to the detected magnetic field (Ha). (21c) is provided such that the direction of the current flowing through the element (22, 23) is perpendicular to the detected magnetic field (Ha),
The magnetic balance according to claim 6, wherein the supply means (40) supplies the canceling current based on a difference between the midpoint potentials (V1, V2) of the half bridges to the electromagnet (14). Current sensor.
前記4つの磁気抵抗効果素子(50a〜50d)のうち、第1磁気抵抗効果素子(50a)を高電位側、第2磁気抵抗効果素子(50b)を低電位側として第1ハーフブリッジが形成され、第3磁気抵抗効果素子(50c)を高電位側、第4磁気抵抗効果素子(50d)を低電位側として第2ハーフブリッジが形成されて、これらハーフブリッジによりフルブリッジ回路が構成され、
前記4つの磁気抵抗効果素子(50a〜50d)は、各固定層(52)の磁化方向が前記被検出磁界(Ha)と平行となり、且つ、前記第1磁気抵抗効果素子(50a)及び前記第4磁気抵抗効果素子(50d)における固定層(52)の磁化方向と、前記第2磁気抵抗効果素子(50b)及び前記第3磁気抵抗効果素子(50c)における固定層(52)の磁化方向とが逆方向となるように設けられ、
前記供給手段(40)は、各ハーフブリッジの中点電位(V1,V2)の差分に基づく前記相殺電流を、前記電磁石(14)に供給することを特徴とする請求項11に記載の磁気平衡式電流センサ。 The magnetic detection element (50) has four magnetoresistive elements (50a to 50d),
Of the four magnetoresistive elements (50a to 50d), the first half bridge is formed with the first magnetoresistive element (50a) as the high potential side and the second magnetoresistive element (50b) as the low potential side. A second half bridge is formed with the third magnetoresistive element (50c) on the high potential side and the fourth magnetoresistive element (50d) on the low potential side, and these half bridges form a full bridge circuit,
In the four magnetoresistive elements (50a to 50d), the magnetization direction of each fixed layer (52) is parallel to the detected magnetic field (Ha), and the first magnetoresistive element (50a) and the first magnetoresistive element (50a) The magnetization direction of the fixed layer (52) in the four magnetoresistive effect element (50d), and the magnetization direction of the fixed layer (52) in the second magnetoresistive effect element (50b) and the third magnetoresistive effect element (50c) Is provided in the opposite direction,
The magnetic balance according to claim 11, wherein the supply means (40) supplies the electromagnet (14) with the canceling current based on a difference between the midpoint potentials (V1, V2) of the half bridges. Current sensor.
該コイル(30)内に前記磁気検出素子(21,50)が配置されていることを特徴とする請求項1〜12いずれか1項に記載の磁気平衡式電流センサ。 The electromagnet (14) has a coil (30);
The magnetic balance type current sensor according to any one of claims 1 to 12, wherein the magnetic detection element (21, 50) is disposed in the coil (30).
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