JP3144051B2 - 電流検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は回路に流れる交流及び直
流の電流量を磁気抵抗素子を用いて検出する電流検出器
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電流検出器は電動機の回転やトル
クの制御をはじめとする電流値制御のための電流検出手
段として、また過電流保護回路などの電流スイッチに利
用する検出手段として広く利用されてきている。

【０００３】以下に従来の電流検出器について説明す
る。従来、電流の検出は主に電流通路の一部に直列に取
り付けた抵抗により生じる電圧降下を利用して測定する
ことにより行われてきた。しかしこの方法では電流を測
定しようとする回路から直接信号を得るため、そのまま
では電流回路と検出回路との絶縁ができないことによ
り、特に電圧の高い回路などでは他に絶縁の手段が必要
になる。また回路中に抵抗を挿入するため、検出電流量
が大きくなるにつれ、その抵抗からの発熱が問題となっ
てきた。

【０００４】このような絶縁性をもたせたり、入力抵抗
を低くすることを目的として利用されるようになってき
たのがホール素子を使った電流検出器である。図９はこ
の電流検出器の構造を示すものである。図９において、
１，１’は被測定電流の入力端子で、この入力端子１，
１’を通して測定しようとする電流を磁性体コア２に巻
いたコイル３に流す。前記磁性体コア２にはギャップ２
ａを設けており、そのギャップ２ａ中にホール素子４を
取り付けている。このホール素子４は、２個の端子を電
源５に、他の２個の端子を差動増幅器６にそれぞれ接続
している。また、７は出力端子である。

【０００５】以下その動作について説明する。まず、電
流Ｉを入力端子１，１’に入力し、磁性体コア２に巻か
れたコイル３に流すことによって、磁性体コア２とその
ギャップ２ａには磁界が発生する。この時、磁性体コア
２の磁路長をｌ、その断面積をｓ、ギャップ長をｌ’、
また磁性体コアの透磁率をμ、空気の透磁率をμ₀、コ
イル３の巻数をＮとすると、ギャップ２ａに発生する磁
束密度Ｂは次式（１）によって表される。

【０００６】

【数１】

【０００７】次にホール素子の出力についてみる。ホー
ル素子４に電源５から供給されるホール電流をＩ_Hとし
てホール電流に垂直な方向へ磁界Ｂを加えると、ホール
電流と磁界の双方に直角な方向にホール電圧Ｖ_Hが発生
する。発生するホール電圧は定数Ｋを使うと次式（２）
によって表される。

【０００８】Ｖ_H＝Ｋ・Ｉ_H・Ｂ……（２） したがって入力電流Ｉとホール電圧Ｖ_Hは次式（３）の
ような比例関係にあることが分かる。

【０００９】

【数２】

【００１０】このように発生したホール電圧は差動増幅
器６により増幅され、入力電流に比例した電圧として出
力端子７に出力され、その値から入力電流値を知ること
ができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の構成
では、検出素子であるホール素子４の磁気感度が小さい
ため、被測定電流により発生する磁界を大きくする必要
がある。検出器の出力を考えたとき入力に必要な磁束の
大きさは最低１０Ｏｅである。例えば１０Ａの電流を検
出する場合に必要なコイル３の巻数は約６回であり、か
つコイル３に使用する銅線がφ１．５mm程度と太いこと
もあり、したがって磁性体コア２とコイル３の形状は大
きなものとなる。

【００１２】このことは検出器の小型化に対する障害に
なるばかりでなく、コストアップの要因、さらには磁性
体コア２とコイル３のインピーダンスによる周波数特性
の低下を招くこととなる。また、磁性体コア２の透磁率
μやホール素子４の温度特性の影響およびホール素子４
の出力ばらつきを吸収するためにその調整回路や補償回
路などの付加回路を必要とする問題点を持っている。

【００１３】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、構成を簡単化して小型化、低コスト化を図るととも
に、温度特性および出力バラツキの少ない電流検出器を
提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の電流検出器は、絶縁基板上に４個のエレメン
トを形成してなる磁気抵抗素子及びこの磁気抵抗素子の
エレメントを形成した面に対して平行に静磁界を印加す
る手段からなる磁気検出手段と、前記磁気抵抗素子のエ
レメントを形成した面に平行に配置されかつ前記静磁界
に沿った方向でかつ互いに逆向きに被測定電流が流れる
２本の第１，第２の電流通過導体とを有し、前記４個の
エレメントの第１と第２のエレメントは第１の電流通過
導体により生じる磁界の影響を強く受け、かつ第３と第
４のエレメントは第２の電流通過導体により生じる磁界
の影響を強く受けるように前記絶縁基板上に配置し、さ
らに前記４個のエレメントの第１と第３の組および第２
と第４の組はそれぞれエレメントを流れる電流の方向が
平行でかつ各組間ではその電流方向が互いに直交する角
度をなし、第１と第２のエレメントとおよび第３と第４
のエレメントとはそれぞれ電流方向が直交する角度をな
すように構成したものである。

【００１５】

【作用】この構成のように、低磁界で動作する磁気抵抗
素子を使うことにより、被測定電流を入力端子から電流
通過導体に流して発生する磁界の大きさが従来より小さ
な値においても検出器として使うことができる。従っ
て、従来のような大型の巻数の多いコイルや大型コアを
使用する必要がなくなり、電流検出器の形状の小型化を
図ることができる。また特性面では周波数特性の改善が
でき、より高い周波数の電流に対応できる。

【００１６】さらに構造的にコイルが不要になるか、も
しくは簡単な組立構造を実現できることで、組立工数の
低減、すなわちコストの低減を図ることができる。

【００１７】また、被測定電流により常に逆向きの２つ
の磁界を発生するとともに、磁気抵抗素子のエレメント
構成配置の最適化と、出力電圧を磁気抵抗素子の２つの
出力の差動電圧とすることにより外部磁界の影響を除
き、磁気抵抗素子の電源に定電流源を使うことによって
従来よりも優れた温度特性を有する電流検出器を得るこ
とができる。

【００１８】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１９】（実施例１）図１は本発明の第１の実施例
における電流検出器の構造図である。図１において従来
例と同じ部分には同一の番号を付している。８は被測定
電流を流す電流通過導体、９はこの電流通過導体８に電
流を流すことにより発生した磁界を検出する磁気抵抗素
子、１０は磁気抵抗素子９に静磁界を加えるために取り
付けた磁石、１１は磁気抵抗素子９を動作させるための
定電流源である。前記磁気抵抗素子９は、アルミナ基板
上に数１００〜２０００ÅのＮｉＦｅ薄膜を蒸着した
後、フォトリソ工程を経て幅が数１０μｍで折り返し状
のパターンを形成することにより構成する。すなわち、
図２のようにほぼ同じ抵抗値からなる４個のエレメント
１３ａ〜１３ｄを相互に接続したもので、各エレメント
１３ａ〜１３ｄの接続点から基板周辺の４個の電極１２
に対して取り出し用の配線も同時に形成する。この４個
の電極１２のうち、第１と第２のエレメント１３ａ，１
３ｂの接続点および第３と第４のエレメント１３ｃ，１
３ｄの接続点につながる電極１２は、磁気抵抗素子９の
出力端子であり、また残りの２つの接続点につながる電
極１２は磁気抵抗素子９を駆動する定電流源１１に接続
される。また、絶縁基板９ａの裏面にはバイアス磁界を
印加するための磁石１０を取り付ける。

【００２０】ここで、各エレメント１３ａ〜１３ｄは、
第１のエレメント１３ａと第２のエレメント１３ｂおよ
び第４のエレメント１３ｄに流れる電流の方向は互いに
ほぼ９０℃の角度すなわち直交する角度を持つととも
に、第１のエレメント１３ａとそれに接続される第３の
エレメント１３ｃの電流方向は同じ向きで、かつ全ての
エレメントの電流方向がバイアスの静磁界に対しほぼ４
５°になるようにすなわち、第１と第２のエレメント１
３ａ，１３ｂと、および第３と第４のエレメント１３
ｃ，１３ｄとはそれぞれ電流方向が直交する角度に形成
している。また、バイアス用磁石は磁気抵抗素子９の全
てのエレメント１３ａ〜１３ｄにほぼ均等に加わるよう
に大きさを選んでいる。

【００２１】また、電流通過導体８は、磁気抵抗素子９
の基板面に平行でかつ磁気抵抗素子９の第１のエレメン
ト１３ａと第２のエレメント１３ｂのほぼ中央線ａ−
ａ’上と第３のエレメント１３ｃと第４のエレメント１
３ｄのほぼ中央線ｂ−ｂ’上を通り、かつａ−ａ’とｂ
−ｂ’を流れる電流が互いに逆向きで、前記バイアス磁
界に沿った方向に電流が流れるように配設している。す
なわち、第１，第２のエレメント１３ａ，１３ｂは電流
通過導体８のａ−ａ’上の部分において生じる磁界の影
響を強く受け、第３，第４のエレメント１３ｃ，１３ｄ
はｂ−ｂ’上の部分において生じる磁界の影響を強く受
ける配置となっている。

【００２２】以上のように構成した電流検出器の動作を
示す。図１の入力端子１，１’から電流通過導体８に被
測定電流Ｉを流すと、図３に示すように電流通過導体８
の回りに互いに逆向きの磁界１４ａ，１４ｂが発生す
る。磁気抵抗素子９の感磁面と電流通過導体８の中心と
の距離をｒとすると磁気抵抗素子９の感磁面における被
測定電流Ｉによる発生磁界１４ａと１４ｂの大きさは次
式（４）によって表される。

【００２３】

【数３】

【００２４】一方、磁気抵抗素子９のエレメント１３ａ
〜１３ｄの抵抗値は、エレメントに流れる電流により発
生したエレメントの磁化方向が被測定電流Ｉによる発生
磁界とバイアス磁界の合成磁界により受けた回転の角度
θによって決まり、次式（５）で表される。

【００２５】Ｒ＝Ｒ₀−ΔＲ・ＳＩＮ²θ……（５） ここでＲ₀は磁化が回転を受けていないときのエレメン
トの抵抗値、ΔＲは磁化が９０°回転を受けたときの抵
抗値変化量である。

【００２６】図４に示すように磁化の方向は被測定電流
Ｉによる発生磁界とバイアス磁界の合成磁界によって回
転する。バイアス磁界は一定であることから磁化の方向
は被測定電流Ｉによる発生磁界によって回転することに
なり、その結果エレメント１３ａ〜１３ｄの抵抗値が被
測定電流の大きさに従って変化することになる。

【００２７】図２において、ａ−ａ’に被測定電流Ｉを
バイアス磁界の方向に流した場合、ｂ−ｂ’にはバイア
ス磁界に逆向きの被測定電流Ｉが流れるため、第１と第
４のエレメント１３ａ，１３ｄは抵抗値が減少し第２と
第３のエレメント１３ｂ，１３ｃは抵抗値が増加する。
これにより第１と第２のエレメント１３ａ，１３ｂの接
続点の出力電圧は増加し、第３と第４のエレメント１３
ｃ，１３ｄの接続点の出力電圧は減少する。被測定電流
Ｉに対する前記２つの接続点での出力電圧変化をそれぞ
れ表したのが図５である。このような２つの出力端子の
電圧の変化をその電位差の変化として検出することによ
り被測定電流Ｉの大きさを知ることができる。

【００２８】また、上記のように構成した４個のエレメ
ント１３ａ〜１３ｄに一様な外部磁界が加わる場合は、
第１と第３のエレメント１３ａ，１３ｃと第２と第４の
エレメント１３ｂ，１３ｄの抵抗値変化が同じになり、
第１と第２のエレメント１３ａ，１３ｂの接続点の出力
電圧と第３と第４のエレメント１３ｃ，１３ｄの接続点
の出力電圧の変化は等しくなる。そのため上記接続点の
差動電圧は変化しない。すなわち、外部磁界の影響を除
くことができる。また、差動電圧を出力にすることから
エレメントの初期抵抗の持つ温度特性は互いに相殺さ
れ、温度特性の面でも優れた出力特性を得ることができ
る。さらに本実施例のように磁気抵抗素子９のエレメン
ト１３ａ〜１３ｄの抵抗値をほぼ同一な値に設定し、駆
動方式として定電流源を選ぶことによりエレメント１３
ａ〜１３ｄの初期抵抗の温度特性を相殺する効果が増し
出力電圧の温度特性は更に改善される。また、磁気抵抗
素子９の磁気に対する感度はホール素子と比較すると１
０倍から１００倍近く良く、そのため本実施例のように
単に一本の電流通過導体８によって発生される磁界１４
でも動作し十分な出力が得られることから大型のコアや
コイルも不要になり大幅に形状を小さくすることができ
る。

【００２９】このように本実施例によれば、磁気抵抗素
子９の各エレメントと電流通過導体８とバイアス用静磁
界の組合せと配置を選ぶことにより構造の簡素化及び小
型化が可能となり、コストダウンが図れるとともに、電
流通過導体８の周囲に発生する磁界を磁気抵抗素子９を
使って感度良く検出することができ、出力の取り出し方
法によって外部磁場の影響を除くとともに温度特性の改
善が図れ、さらには電流通過導体における入力抵抗を下
げるとともに周波数特性の優れた電流検出器を得ること
ができる。

【００３０】（実施例２）図６は本発明の第２の実施例
を示す構成図で、上記実施例１の検出部に磁性体ヨーク
２０を付加した構造となっている。この磁性体ヨーク２
０は肉厚が１mmで長さが約５mm、またその２つの開口部
の間隔がそれぞれ磁気抵抗素子９のエレメント１３ａ，
１３ｂおよび１３ｃ，１３ｄの形成される領域より広く
したＥ字形の軟フェライト材より構成している。この磁
性体ヨーク２０は、その開口部側が磁気抵抗素子９のエ
レメント１３ａ〜１３ｄを形成した面に当接するように
取り付けられ、そしてこの磁性体ヨーク２０と磁気抵抗
素子９とにより形成されるトンネル状の穴に電流通過導
体８が貫通している。

【００３１】このとき磁性体ヨーク２０は、この開口部
の電流通過導体８に沿った方向が電流通過導体８に平行
となるように調整し、２つの開口部の間隔部分に磁気抵
抗素子９のエレメント１３ａ，１３ｂおよび１３ｃ，１
３ｄがそれぞれ納まるようにして接着している。これに
より、被測定電流Ｉによって発生した磁界の多くは磁性
体ヨーク２０により集束され、磁気抵抗素子９の表面に
導かれることになる。従って磁性体ヨーク２０を使用し
ない場合に比べ磁気抵抗素子９表面上で３〜１０倍の磁
界強度を得ることができるため、被測定電流Ｉの小さな
領域に対しても入力抵抗を大きくすることなく、すなわ
ち電流通過導体８の巻数を多くすることなく電流検出器
を構成することができる。

【００３２】また従来例で示したコアのように電流通過
導体８をコアに巻き付ける構造ではないため、形状を小
型化することができ、またコアへ電流通過導体８を巻き
付けるといった作業が不要であるため組立工数を大幅に
削減できる。電流検出器の動作は実施例１と同じである
ため省略する。

【００３３】以上のように本実施例によれば被測定電流
Ｉを流す電流通過導体８を挟みその開口部が磁気抵抗素
子９に向くように配置した磁性体ヨーク２０を付けるこ
とによって小さな被測定電流Ｉにも対応できる小形で出
力特性の安定した電流検出器を低コストで得ることがで
きる。

【００３４】（実施例３）図７は本発明の第３の実施例
を示す構造図である。この第３の実施例のものは、第１
の実施例で示した電流検出器及び磁気抵抗素子９を駆動
する定電流源と磁気抵抗素子９の２つの出力電圧の電位
差を増幅する差動増幅器６を含む回路部２３を同一の基
板２４上に組立てた電流検出器である。なお、８は電流
通過導体、９は磁気抵抗素子、１０は基板２４の裏面に
取り付けたバイアス磁石、２５は出力及び電源の接続端
子である。前記基板２４にはガラスエポキシ基板を使用
した。また、電流通過導体８は磁気抵抗素子９を跨ぐよ
うにして基板２４にはんだ付けにより取り付けている。

【００３５】ここで、回路の一例を図８に示す。磁気抵
抗素子９にはツェナーダイオード２７の電圧と検出抵抗
２８によって決まる電流が供給される。本実施例では約
１０ｍＡである。磁気抵抗素子９の２つの出力は第１の
抵抗２９と第２の抵抗３０を通り差動増幅器６の入力に
接続され、ここでその電位差を検出する。この差動増幅
器６における回路の増幅度は、第１の抵抗２９と第３の
抵抗３２および可変抵抗３４ａ，３４ｂからなる調整部
３４の抵抗値の比によって決定される。また可変抵抗３
５ａ，３５ｂからなる調整部３５における抵抗値の比を
変えることにより出力の零点を調整することができる。

【００３６】これらの抵抗値の調整は検出器の製造時に
レーザートリマなどを使用する機能修正により行われ
る。これにより無調整のまま電流検出器を使用できる。
また出力特性のバラツキを低減することができる。さら
に電流検出器と周辺の回路部２３をひとつの基板２４に
作ることにより磁気抵抗素子９の出力配線を短くできる
ため耐ノイズ性の向上を図ることができる。なお第１と
第２の抵抗２９，３０と第３と第４の抵抗３２，３３は
それぞれほぼ等しい抵抗値を有する。なお、図８におい
て、３６は差動増幅器、３７は抵抗であり、差動増幅器
３６及び抵抗３７はツェナーダイオード２７とともに定
電流源１１を構成している。

【００３７】以上のように電流検出器と周辺の回路部２
３をひとつの基板２４に作ることにより耐ノイズ性の向
上を図ることができ、検出器の組立時点での調整により
電流検出器として出力特性のバラツキなどをさらに低減
することができ、高精度な電流検出器を提供することが
できる。

【００３８】なお第１の実施例では基板にアルミナを使
用したが、他にガラス基板を用いてもよい。また磁性体
膜には他にＮｉＣｏなどが使用できる。また第２の実施
例では磁性体ヨークに軟フェライトを使用したが、これ
はＮｉＦｅのような金属を使用してもよい。また第３の
実施例においてガラスエポキシ基板を使用しているがこ
れはアルミナなどの絶縁基板に導体および抵抗体などを
印加形成したものでもよいことは言うまでもない。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、磁気抵抗
素子の使用とエレメント構成により簡単な構造で電流通
過導体部に大型なコアやコイルを使わないことにより小
型化が図れるとともに、電流通過導体における入力抵抗
を下げ、かつ周波数特性の改善を図ることができる。ま
た、外部磁場の影響を除き、小さな被測定電流にも対応
でき、しかも定電流駆動と差動増幅による耐ノイズ性の
向上および出力特性のバラツキおよび温度特性を改善し
た高精度な電流検出器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による電流検出器を示す
構成図

【図２】第１の実施例による磁気抵抗素子の磁気検出パ
ターンを示す平面図

【図３】第１の実施例における磁界の発生を示す断面図

【図４】発生磁界による磁化の回転を説明するベクトル
図

【図５】本発明の磁気抵抗素子の出力変化を示す特性図

【図６】本発明の第２の実施例による電流検出部の構成
図

【図７】本発明の第３の実施例による電流検出器を示す
構成図

【図８】本発明の電流検出器の具体的回路を示す回路図

【図９】従来の電流検出器を示す構成図

【符号の説明】

６ 差動増幅器 ８ 電流通過導体 ９ 磁気抵抗素子 ９ａ 絶縁基板 １１ 定電流源 １３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ エレメント ２０，２１ 磁性体ヨーク

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁基板上に４個のエレメントを形成し
   てなる磁気抵抗素子及びこの磁気抵抗素子のエレメント
   を形成した面に対して平行に静磁界を印加する手段から
   なる磁気検出手段と、前記磁気抵抗素子のエレメントを
   形成した面に平行に配置されかつ前記静磁界に沿った方
   向でかつ互いに逆向きに被測定電流が流れる２本の第
   １，第２の電流通過導体とを有し、前記４個のエレメン
   トの第１と第２のエレメントは第１の電流通過導体によ
   り生じる磁界の影響を強く受け、かつ第３と第４のエレ
   メントは第２の電流通過導体により生じる磁界の影響を
   強く受けるように前記絶縁基板上に配置し、さらに前記
   ４個のエレメントの第１と第３の組および第２と第４の
   組はそれぞれエレメントを流れる電流の方向が平行でか
   つ各組間ではその電流方向が互いに直交する角度をな
   し、第１と第２のエレメントとおよび第３と第４のエレ
   メントとはそれぞれ電流方向が直交する角度をなすよう
   に構成したことを特徴とする電流検出器。
2. 【請求項２】Ｅ字形状の磁性体ヨークをその磁性体ヨー
   クの開口部側が磁気抵抗素子のエレメントを形成した面
   に当接するように配置し、かつ前記磁性体ヨークと前記
   磁気抵抗素子とにより形成される２個のトンネル状の穴
   内に２本の電流通過導体を貫通させたことを特徴とする
   請求項１記載の電流検出器。
3. 【請求項３】磁気抵抗素子に一定の電流を供給する定電
   流源と、前記磁気抵抗素子の２つの出力端子の電位差を
   検出し増幅するための差動増幅器を設けた請求項１記載
   の電流検出器。