JP2015179042A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】バイアス磁界を増幅しつつ、体格の増大が抑制された電流センサを提供する。【解決手段】磁電変換素子（１０）と、バイアス磁石（２０）と、磁気シールド（３０）と、を有する電流センサ。磁気シールド、バイアス磁石、および、磁電変換素子それぞれは、被測定電流の流動方向に直交する高さ方向にて並び、バイアス磁石は、高さ方向に磁化方向が沿う第１Ｎ極（２１）と第１Ｓ極（２２）、および、高さ方向に磁化方向が沿う第２Ｓ極（２３）と第２Ｎ極（２４）を有する。流動方向において第１Ｎ極と第２Ｓ極とが隣接し、第１Ｓ極と第２Ｎ極とが隣接することで、バイアス磁界が閉磁路を成している。第１Ｎ極と第２Ｓ極それぞれの底面（２１ａ，２３ａ）が磁気シールドに接着され、第１Ｓ極と第２Ｎ極それぞれの底面（２２ａ，２４ａ）が磁電変換素子と対向している。【選択図】図１

Description

本発明は、被測定磁界を電気信号に変換する磁電変換素子、磁電変換素子にバイアス磁界を透過させるバイアス磁石、および、磁電変換素子に外部磁界が透過することを抑制する磁気シールドを備える電流センサに関するものである。

特許文献１に示されるように、センサ基板に磁電変換素子が形成され、センサ基板の周囲が磁気シールドによって囲まれた電流センサが従来技術として知られている。磁気シールド内に、バイアス磁界を印加するバイアス磁石が設けられており、このバイアス磁界によって磁電変換素子の初期値が定められている。

特開２０１３−１１４６９号公報

上記したように特許文献１に示される電流センサでは、バイアス磁界によって磁電変換素子の初期値が定められている。このバイアス磁界の強さを大きくする場合、バイアス磁石の体格が大きくなり、それによって電流センサの体格が増大する虞がある。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、バイアス磁界を増幅しつつ、体格の増大が抑制された電流センサを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために本発明は、被測定電流の流動によって生じる被測定磁界を電気信号に変換する磁電変換素子（１０）と、磁電変換素子にバイアス磁界を透過させるバイアス磁石（２０）と、被測定磁界およびバイアス磁界それぞれとは異なる外部磁界が磁電変換素子を透過することを抑制する、磁性材料から成る磁気シールド（３０）と、を有し、磁気シールド、バイアス磁石、および、磁電変換素子それぞれは、被測定電流の流動方向に直交する高さ方向にて並び、バイアス磁石は、高さ方向に磁化方向が沿う第１Ｎ極（２１）と第１Ｓ極（２２）、および、高さ方向に磁化方向が沿う第２Ｓ極（２３）と第２Ｎ極（２４）を有し、流動方向において第１Ｎ極と第２Ｓ極とが隣接し、第１Ｓ極と第２Ｎ極とが隣接することで、バイアス磁界が閉磁路を成しており、第１Ｎ極と第２Ｓ極それぞれの底面（２１ａ，２３ａ）が磁気シールドに接着され、第１Ｓ極と第２Ｎ極それぞれの底面（２２ａ，２４ａ）が磁電変換素子と対向していることを特徴とする。

このように本発明によればバイアス磁石（２０）は高さ方向に磁化方向が沿い、磁化方向に直交する底面（２１ａ，２３ａ）が磁気シールド（３０）に接着されている。これによればバイアス磁界が磁気シールド（３０）に集磁され、磁気シールド（３０）の一部がバイアス磁石（２０）としての機能を果たすこととなる（集磁ヨーク）。そのためにバイアス磁石（２０）の高さ方向における長さが擬似的に厚くなり、バイアス磁界が増幅される。このようにバイアス磁石（２０）（電流センサ（１００））の体格を増大しなくとも、バイアス磁界が増幅される。

磁気シールドは、高さ方向に主面が直交する平板形状の第１シールド（３１）と第２シールド（３２）を有し、第１シールドと第２シールドそれぞれが高さ方向に並び、その間の空間にバイアス磁石、磁電変換素子、および、被測定電流の流動する被測定導体が設けられており、バイアス磁石は第１シールドが有する２つの主面の内、第２シールドと対向する第１主面（３１ａ）に設けられている。

これによれば、磁気シールド（３０）が筒形状を成す構成と比べて、バイアス磁界の磁界分布が磁気シールド（３０）によって歪まされることが抑制される。したがって磁電変換素子（１０）を透過する磁界の設計が容易となる。

磁電変換素子には、バイアス磁界における流動方向に沿う磁界成分、および、被測定磁界における高さ方向および流動方向それぞれに直交する横方向に沿う磁界成分それぞれが透過され、磁電変換素子は、流動方向と横方向とによって規定される規定平面に沿う磁界のみを検出する。

上記したように磁気シールド（３０）は主面が高さ方向に沿う平板形状を成す。したがって高さ方向に直交する外部磁界が電流センサ（１００）を透過しようとした際、その外部磁界は磁気シールド（３０）のために曲げられ、磁電変換素子（１０）を透過することが抑制される。しかしながら外部磁界が高さ方向に沿う場合、外部磁界は磁気シールド（３０）によって曲げられずに透過するため、磁電変換素子（１０）を透過することとなる。これに対して磁電変換素子（１０）は高さ方向に直交する規定平面に沿う磁界のみを検出する。したがって高さ方向に沿う外部磁界が磁気シールド（３０）を介して磁電変換素子（１０）を透過したとしても、それによって被測定磁界の検出精度が低下することが抑制される。なお、上記したように磁気シールド（３０）の形状を単純な平板形状を採用するため、磁気シールド（３０）の製造が容易となる。

なお、特許請求の範囲に記載の請求項、および、課題を解決するための手段それぞれに記載の要素に括弧付きで符号をつけているが、この括弧付きの符号は実施形態に記載の各構成要素との対応関係を簡易的に示すためのものであり、実施形態に記載の要素そのものを必ずしも示しているわけではない。括弧付きの符号の記載は、いたずらに特許請求の範囲を狭めるものではない。

電流センサの概略構成を示す断面図である。 磁電変換素子を透過する磁界を説明するための模式図である。 磁気シールドの一部がバイアス磁石として機能することを説明するための断面図である。 電流センサの変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図３に基づいて、本実施形態に係る電流センサを説明する。以下においては互いに直交の関係にある３方向を、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向と示す。またｘ方向とｙ方向とによって規定される平面を規定平面と示す。ｘ方向が特許請求の範囲に記載の横方向に相当し、ｙ方向が特許請求の範囲に記載の流動方向に相当し、ｚ方向が特許請求の範囲に記載の高さ方向に相当する。

電流センサ１００は、磁電変換素子１０、バイアス磁石２０、および、磁気シールド３０を有し、被測定導体９０を流れる被測定電流を検出するものである。磁電変換素子１０にはバイアス磁石２０から発生されるバイアス磁界、および、被測定電流の流動によって生じる被測定磁界それぞれが透過する。したがって磁電変換素子１０はこれらバイアス磁界および被測定磁界から成る合成磁界に応じた電気信号を生成する。

図１に示すように磁電変換素子１０、バイアス磁石２０、および、磁気シールド３０それぞれはｚ方向にて並んでおり、磁気シールド３０によって被測定磁界およびバイアス磁界それぞれとは異なる外部磁界が磁電変換素子１０を透過することが抑制されている。そしてバイアス磁石２０は磁気シールド３０に接着され、これによってバイアス磁界が増幅されている。

本実施形態に係る電流センサ１００は上記した構成要素の他に、算出部４０、支持基板５０、および、固定部６０を有する。算出部４０は磁電変換素子１０から出力される電気信号に基づいて被測定電流を算出するものであり、磁電変換素子１０とともに支持基板５０に搭載されている。支持基板５０は絶縁性の基板に配線パターンが形成されたものであり、磁電変換素子１０と算出部４０とを搭載するだけではなく、両者を電気的に接続する。図１に示すように支持基板５０は被測定導体９０に搭載されており、その搭載面５０ａの裏面５０ｂに磁電変換素子１０と算出部４０とが搭載されている。固定部６０は非導電性であり非磁性の樹脂材料から成るものである。固定部６０は、磁電変換素子１０および算出部４０が搭載された支持基板５０、および、バイアス磁石２０が接着された磁気シールド３０それぞれを被測定導体９０に固定している。

以上が電流センサ１００の概略構成である。以下、主として磁電変換素子１０、バイアス磁石２０、および、磁気シールド３０を個別に詳説した後、電流センサ１００の作用効果を説明する。

磁電変換素子１０は自身を透過する磁界を電気信号に変換するものである。図１に示すように被測定電流はｙ方向に流動するため、被測定磁界はその周りに発生する。またバイアス磁石２０はｘ方向の周りに閉磁路を形成しており、磁電変換素子１０はｚ方向においてバイアス磁石２０と被測定導体９０の間に位置する。したがって図２に示すように磁電変換素子１０には、被測定磁界におけるｘ方向に沿う磁界成分が透過し、バイアス磁石２０におけるｙ方向に沿う磁界成分が透過する。上記したように合成磁界はバイアス磁界と被測定磁界から成るので、被測定磁界がゼロの場合、合成磁界はバイアス磁界と等しくなる。したがってｚ方向に直交する規定平面にて合成磁界とバイアス磁界との成す角度θは被測定磁界がゼロの場合はゼロとなるが、被測定磁界が有限の場合、角度θもまた有限と成る。このように角度θは被測定磁界の強さによってその値が変動する。

磁電変換素子１０は規定平面に沿う磁界のみを検出する。図示しないが、磁電変換素子１０は、磁化方向の定まったピン層、磁化方向の定まらない自由層、および、両者の間に設けられる非磁性の中間層を有し、ピン層と自由層それぞれの磁化方向の成す角度によって抵抗値が定まる磁気抵抗効果素子である。ピン層の磁化方向は規定平面に沿っており、自由層の磁化方向は規定平面に沿う磁界によって定まる。上記したように磁電変換素子１０には合成磁界が透過する。したがって自由層の磁化方向は合成磁界の方向（角度θ）によって定まり、その抵抗値も定まる。上記したように角度θは被測定磁界に依存するので、磁電変換素子１０の抵抗値もまた角度θに依存する。図示しないが、複数の磁電変換素子１０が電源から中点にて直列接続されることでブリッジ回路が組まれており、その中点電位が磁電変換素子１０の電気信号として算出部４０に出力される。したがって磁電変換素子１０の電気信号もまた角度θに依存する。算出部４０は磁電変換素子１０の電気信号と角度θとの相関関係、および、角度θと被測定磁界（被測定電流）との相関関係を記憶している。算出部４０はその相関関係および磁電変換素子１０の電気信号に基づいて、被測定電流を算出する。

バイアス磁石２０は磁電変換素子１０にバイアス磁界を透過させるものである。バイアス磁石２０は、ｚ方向に磁化方向が沿う第１Ｎ極２１と第１Ｓ極２２、および、ｚ方向に磁化方向が沿う第２Ｓ極２３と第２Ｎ極２４を有する。ｙ方向において第１Ｎ極２１と第２Ｓ極２３とが隣接し、第１Ｓ極２２と第２Ｎ極２４とが隣接している。これによりバイアス磁界が閉磁路を成している。図３に示すように第１Ｎ極２１と第２Ｓ極２３それぞれの底面２１ａ，２３ａが磁気シールド３０に接着され、第１Ｓ極２２と第２Ｎ極２４それぞれの底面２２ａ，２４ａが磁電変換素子１０と対向している。より具体的に言えば、底面２１ａ，２３ａそれぞれは接着剤（図示略）を介して後述する第１シールド３１の第１主面３１ａに接着され、底面２２ａ，２４ａそれぞれは固定部６０を介して磁電変換素子１０と対向している。

磁気シールド３０は外部磁界が磁電変換素子１０を透過することを抑制するものである。磁気シールド３０は磁性材料から成るシールド３１，３２を有する。シールド３１，３２それぞれは面積の最も大きい主面がｚ方向に直交する平板形状を成している。そしてシールド３１，３２それぞれがｚ方向に並び、その間の空間に磁電変換素子１０とバイアス磁石２０が搭載された支持基板５０、および、被測定導体９０が設けられている。図１に示すように第１シールド３１の第１主面３１ａと第２シールド３２の第１主面３２ａとがｚ方向にて対向しており、第１主面３１ａにバイアス磁石２０が設けられている。

次に、本実施形態に係る電流センサ１００の作用効果を説明する。図３に両端矢印で示すように第１Ｎ極２１と第１Ｓ極２２、および、第２Ｓ極２３と第２Ｎ極２４それぞれはｚ方向に磁化方向が沿い、磁化方向に直交する第１Ｎ極２１と第２Ｓ極２３それぞれの底面２１ａ，２３ａが磁気シールド３０に接着されている。これによればバイアス磁界が磁気シールド３０（第１シールド３１）に集磁され、磁気シールド３０の一部がバイアス磁石２０としての機能を果たすこととなる（集磁ヨーク）。そのため図３に破線で示すようにバイアス磁石２０のｚ方向における長さが擬似的に厚くなり、バイアス磁界が増幅される。このように本実施形態に係る電流センサ１００の場合、バイアス磁石２０（電流センサ１００）の体格を増大しなくとも、バイアス磁界が増幅される。

磁気シールド３０は主面がｚ方向に直交する平板形状のシールド３１，３２を有し、第１シールド３１の第１主面３１ａにバイアス磁石２０が設けられている。これによれば、磁気シールドが筒形状を成す構成と比べて、バイアス磁界の磁界分布が磁気シールド３０によって歪まされることが抑制される。したがって磁電変換素子１０を透過する磁界の設計が容易となる。

磁電変換素子１０には、被測定磁界におけるｘ方向に沿う磁界成分、および、バイアス磁石２０におけるｙ方向に沿う磁界成分が透過する。そして磁電変換素子１０はｚ方向に直交する規定平面に沿う磁界のみを検出する。

上記したようにシールド３１，３２は主面が高さ方向に沿う平板形状を成す。したがって図１に白抜き矢印で示すように、ｚ方向に直交する外部磁界が電流センサ１００を透過しようとした際、その外部磁界は磁気シールド３０のために曲げられ、磁電変換素子１０を透過することが抑制される。しかしながら外部磁界がｚ方向に沿う場合、外部磁界は磁気シールド３０によって曲げられずに透過するため、磁電変換素子１０を透過することとなる。これに対して磁電変換素子１０はｚ方向に直交する規定平面に沿う磁界のみを検出する。したがってｚ方向に沿う外部磁界が磁気シールド３０を介して磁電変換素子１０を透過したとしても、それによって被測定磁界の検出精度が低下することが抑制される。なお、上記したように磁気シールド３０の形状を単純な平板形状を採用するため、磁気シールド３０の製造が容易となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記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。

本実施形態に係る電流センサ１００は、算出部４０、支持基板５０、および、固定部６０を有する例を示した。しかしながら電流センサ１００はこれらの少なくとも１つを有していても良いし、１つも有していなくともよい。

本実施形態に係る磁電変換素子１０は規定平面に沿う磁界のみを検出する例を示した。しかしながら磁気シールド３０がｚ方向に沿う外部磁界が磁電変換素子１０を透過することを抑制する形状の場合、磁電変換素子１０は規定平面だけではなくｚ方向に沿う磁界を検出してもよい。

本実施形態に係る磁電変換素子１０は、ピン層、自由層、および、中間層を有する磁気抵抗効果素子である例を示した。しかしながら磁電変換素子１０としては上記例に限定されず、例えば異方性磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ）やホール素子を採用することもできる。なお中間層が導電性を有する場合、磁電変換素子１０は巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）であり、中間層が絶縁性を有する場合、磁電変換素子１０はトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）である。

本実施形態に係る算出部４０は磁電変換素子１０の電気信号と角度θとの相関関係、および、角度θと被測定磁界（被測定電流）との相関関係を記憶している例を示した。しかしながら算出部４０は磁電変換素子１０の電気信号と被測定電流との相関関係を記憶していてもよい。要するに算出部４０は磁電変換素子１０の電気信号に基づいて被測定電流を算出するのに必要なデータを持っていればよい。

本実施形態では第１Ｎ極２１と第２Ｓ極２３それぞれの底面２１ａ，２３ａが第１シールド３１の第１主面３１ａに接着され、第１Ｓ極２２と第２Ｎ極２４それぞれの底面２２ａ，２４ａが磁電変換素子１０と対向している例を示した。しかしながら図４に示すように、第１シールド３１と第２シールド３２の位置が入れ替わった構成において、第１Ｓ極２２と第２Ｎ極２４それぞれの底面２２ａ，２４ａが被測定導体９０および支持基板５０を介して、磁電変換素子１０と間接的に対向する構成を採用することもできる。

１０・・・磁電変換素子、２０・・・バイアス磁石、２１・・・第１Ｎ極、２１ａ・・・底面、２２・・・第１Ｓ極、２２ａ・・・底面、２３・・・第２Ｓ極、２３ａ・・・底面、２４・・・第２Ｎ極、２４ａ・・・底面、３０・・・磁気シールド、１００・・・電流センサ

Claims (7)

1. 被測定電流の流動によって生じる被測定磁界を電気信号に変換する磁電変換素子（１０）と、
   前記磁電変換素子にバイアス磁界を透過させるバイアス磁石（２０）と、
   前記被測定磁界および前記バイアス磁界それぞれとは異なる外部磁界が前記磁電変換素子を透過することを抑制する、磁性材料から成る磁気シールド（３０）と、を有し、
   前記磁気シールド、前記バイアス磁石、および、前記磁電変換素子それぞれは、前記被測定電流の流動方向に直交する高さ方向にて並び、
   前記バイアス磁石は、前記高さ方向に磁化方向が沿う第１Ｎ極（２１）と第１Ｓ極（２２）、および、前記高さ方向に磁化方向が沿う第２Ｓ極（２３）と第２Ｎ極（２４）を有し、前記流動方向において前記第１Ｎ極と前記第２Ｓ極とが隣接し、前記第１Ｓ極と前記第２Ｎ極とが隣接することで、前記バイアス磁界が閉磁路を成しており、
   前記第１Ｎ極と前記第２Ｓ極それぞれの底面（２１ａ，２３ａ）が前記磁気シールドに接着され、前記第１Ｓ極と前記第２Ｎ極それぞれの底面（２２ａ，２４ａ）が前記磁電変換素子と対向していることを特徴とする電流センサ。
2. 前記磁気シールドは、前記高さ方向に主面が直交する平板形状の第１シールド（３１）と第２シールド（３２）を有し、
   前記第１シールドと前記第２シールドそれぞれが前記高さ方向に並び、その間の空間に前記バイアス磁石、前記磁電変換素子、および、前記被測定電流の流動する被測定導体が設けられており、
   前記バイアス磁石は前記第１シールドが有する２つの主面の内、前記第２シールドと対向する第１主面（３１ａ）に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記磁電変換素子には、前記バイアス磁界における前記流動方向に沿う磁界成分、および、前記被測定磁界における前記高さ方向および前記流動方向それぞれに直交する横方向に沿う磁界成分それぞれが透過され、
   前記磁電変換素子は、前記流動方向と前記横方向とによって規定される規定平面に沿う磁界のみを検出することを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記磁電変換素子を搭載する支持基板（５０）を有し、
   前記支持基板は前記被測定導体に搭載されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記第１Ｓ極と前記第２Ｎ極それぞれの底面は、前記被測定導体および前記支持基板を介して、前記磁電変換素子と間接的に対向していることを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
6. 前記磁電変換素子から出力される電気信号に基づいて前記被測定電流を算出する算出部（４０）を有し、
   前記算出部は前記支持基板に搭載されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電流センサ。
7. 非導電性であり非磁性の樹脂材料から成る固定部（６０）を有し、
   前記磁電変換素子および前記算出部が搭載された前記支持基板、および、前記バイアス磁石が接着された前記磁気シールドそれぞれは、前記固定部によって前記被測定導体に固定されていることを特徴とする請求項６に記載の電流センサ。

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