JP4224483B2

JP4224483B2 - 電流センサ

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Publication number: JP4224483B2
Application number: JP2005300554A
Authority: JP
Inventors: 茂庄司
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2025-10-14
Also published as: JP2007108069A; US7463016B2; US20070096716A1

Description

本発明は、導体を流れる電流を精密に測定することのできる電流センサに関する。

一般に、制御機器の回路に流れる微小な制御電流を正確に検知するにあたっては、その回路内に抵抗を直列接続し、この抵抗の電圧降下を測定する方法を用いる。しかし、この場合には、制御系とは異なる負荷が加わることとなり制御系に対して何らかの悪影響を与える可能性が生じてしまう。このため、制御電流によって発生する電流磁界の勾配を検出することによって間接的に測定する方法が用いられている。具体的には、例えば、トロイダルコアに測定線を巻き、制御電流をその測定線に供給することによりトロイダルコアの中心部分に生じる磁束をホール素子によって検出する方法である。

ところが、上記の方法を実現する電流センサでは、小型化が困難であることや直線性あるいは高周波応答性の面で不十分であるなどの問題点が指摘されるようになった。このため、巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive effect）を発現する巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子）を制御電流による電流磁界中に配置し、その勾配を検出するようにした電流センサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、これに関連するものとして、ＧＭＲ素子を備えた磁気センサを利用し、金属基板の表面等の探傷を行うようにした技術も開示されている。このようなＧＭＲ素子を用いた電流センサであれば、比較的検出感度や応答性が向上するうえ、温度変化に対しても安定した検出特性が得られる。
米国特許第５６２１３７７号明細書

さらに、ＧＭＲ素子を用いたものではないが、互いに対向する一対の平行部分を含むＵ字状に湾曲した導体を備え、その平行部分上にそれぞれ磁気感応抵抗（バーバーポール構造）を配置するようにした電流センサが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この電流センサでは、Ｕ字状導体に検出対象電流を流すことにより電流磁界を発生させ、それを磁気感応抵抗によって検知するようになっている。これによれば、Ｕ字状導体の平行部分の中心位置からの距離に比例して電流磁界が変化するので、磁気感応抵抗の配置位置を調整することにより、比較的広範囲に亘る測定対象電流を、精密かつ容易に測定することができる。
特開平６−２９４８５４号公報

ところで、最近では、導体を流れる電流の僅かな変化を高精度に検出可能であると共によりいっそうコンパクトな全体構成を有する電流センサが強く求められるようになっている。しかしながら、上記したようなＧＭＲ素子を用いた電流センサであっても、寸法の小型化に伴い、周囲からの磁気的なノイズや発熱などの影響を受けやすくなる傾向にあるので、検出感度や応答性の面での安定性向上が課題となっている。これまでにも、ＧＭＲ素子の形状を細長い短冊状として形状異方性を高めるなど、いくつかの試みがなされているが、十分に安定した性能レベルに達しているとは言い難い状況である。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、コンパクトでありながら、１０アンペアから２００アンペア程度の検出対象電流を高精度に、かつ安定して測定することの可能な電流センサを提供することにある。

本発明の電流センサは、基体上に導体と、この導体を流れる検出対象電流により生ずる電流磁界に応じて抵抗値が変化する磁気センサとを備えたものであり、導体が、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の各構成要件を備えるようにしたものである。
（Ａ）互いに同等かつ一定の断面を有すると共に第１の距離を隔てて互いに平行をなすように延在する一対の平行部。
（Ｂ）一対の平行部の一端同士を繋ぐ連結部。
（Ｃ）一対の平行部の他端とそれぞれ接続されて第１の距離よりも大きな第２の距離を隔てるように互いに対向して延在し、かつ、一対の平行部の各々よりも大きな断面積をそれぞれ有する一対の端子部。ここで、磁気センサは、一対の平行部に沿って配置されている。また、「断面」および「断面積」とは自らの延在する方向と直交する断面およびその面積を意味する。

本発明の電流センサでは、全体としてほぼＵ字型をなす導体における一対の端子部のうちの一方から他方へと検出対象電流が流れたときに、一対の平行部の各々を中心軸とした電流磁界が生じ、磁気センサに印加される。このとき、一対の平行部は互いに同等かつ一定の断面積を有することから、その電流磁界は、一対の平行部の各々から等距離にある仮想面を中心として対称分布をなし、安定化する。さらに、一対の端子部は第１の距離よりも大きな第２の距離を隔てるように互いに対向して延在しているので、一対の端子部を流れる電流によって発生する電流磁界による磁気センサへの影響は弱まる。そのうえ、一対の端子部が一対の平行部の各々よりも大きな断面積をそれぞれ有しているので、検出対象電流に伴うジュール熱が効率的に外部へ放出され、磁気センサへの悪影響が回避される。

本発明の電流センサでは、一対の平行部、連結部および一対の端子部が、全て同一階層内に形成され、かつ、全体に亘って均一な厚みを有していることが望ましい。こうすることで、よりコンパクトな構成となる。「厚み」とは、一対の平行部を含む面と直交する方向の寸法を意味する。

本発明の電流センサでは、電気抵抗を低減すると共に一対の平行部で発生した熱の放熱性を高めるために、連結部が、各平行部よりも大きな幅を有していることが望ましい。ここで「幅」とは、延在方向および厚みと直交する方向の寸法を意味する。

本発明の電流センサでは、一対の端子部が、一対の平行部の他端から遠ざかるほど互いに離れ、かつ、断面積を拡大するように構成されていることが望ましい。

本発明の電流センサでは、磁気センサが、導体を流れる検出対象電流により生ずる電流磁界に応じて抵抗値が互いに逆方向の変化を示すこととなるように一対の平行部に沿って各々配置された第１および第２の磁気抵抗効果素子を有するものであってもよい。その場合、第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに、互いに等しい値の定電流を供給する第１および第２の定電流源と、定電流によって第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに生ずる電圧降下の差分を検出する差分検出器とをさらに備え、電圧降下の差分に基づいて検出対象電流を検出するようにするとよい。

本発明の電流センサでは、第１および第２の磁気抵抗効果素子が、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する自由層とを順に含んでいることが望ましい。その場合、外部磁界が零のときの自由層の磁化方向に直交するバイアス磁界を、第１および第２の磁気抵抗効果素子に対してそれぞれ印加する一対のバイアス印加手段をさらに備えるようにするとよい。あるいは、外部磁界が零のときの自由層の磁化方向に平行な平行成分と、この平行成分に直交する直交成分とを有するバイアス磁界を、第１および第２の磁気抵抗効果素子に対してそれぞれ印加する一対のバイアス印加手段をさらに備えるようにしてもよい。

本発明の電流センサによれば、互いに同等かつ一定の断面積を有すると共に第１の距離を隔てて互いに平行に延在する一対の平行部の一端同士を連結部によって接続し、さらに、第２の距離を隔てるように対向して延在する一対の端子部を一対の平行部の他端とそれぞれ接続することにより導体を構成するようにしたので、この導体に検出対象電流を流すことにより、一対の平行部の各々を中心軸とした安定した電流磁界を発生させ、その電流磁界を磁気センサに印加することができる。この際、一対の端子部において発生する電流磁界が磁気センサへ与える影響を低減することができる。そのうえ、一対の端子部が一対の平行部の各々よりも大きな断面積をそれぞれ有するようにしたので、検出対象電流の通過に伴うジュール熱による悪影響を低減することができる。したがって、小型化を図りつつ、導体を流れる検出対象電流を高精度に、かつ安定して測定することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

最初に、図１〜図３を参照して、本発明における一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１０の斜視構成を表す概略図であり、図２は、図１の電流センサ１０における導体４（後出）の概略構成を表す平面図および側面図である。さらに図３は、電流センサ１０における回路構成を表したものである。なお、図３における検出対象電流Ｉｍ、補償電流Ｉｄ、電流磁界Ｈｍ、補償電流磁界Ｈｄ、バイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２および電流Ｉ０（いずれも後出）のすべての矢印の方向は、第１および第２の磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂ（後出）との相対的な方向を示している。

電流センサ１０は、基体３上に配設された導体４と、この導体４に近接して配置された磁気センサとしての第１および第２の磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂ（以下、単にＭＲ素子１Ａ，１Ｂと記す。）を含む回路基板５とを備えたものであり、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂを用いて導体４に供給される検出対象電流Ｉｍを測定する電流計として機能する。

導体４は、一対の平行部４１Ａ，４１Ｂと、これら一対の平行部４１Ａ，４１Ｂの一端同士を繋ぐ連結部４２と、一対の平行部４１Ａ，４１Ｂの他端部とそれぞれ接続された一対の端子部４３Ａ，４３Ｂとを有するものである。導体４を構成する平行部４１Ａ，４１Ｂ、連結部４２および端子部４３Ａ，４３Ｂは、全て同一の厚みＴ（例えば、１．２ｍｍ）を有すると共に全て同一階層内に形成されている。

平行部４１Ａ，４１Ｂは、ＭＲ素子１ＡおよびＭＲ素子１Ｂを含む面と平行な面において中心線ＣＬを対称軸として線対称に配置され、第１の距離ΔＹ１（例えば１．８ｍｍ）を隔てて中心線ＣＬに沿って互いに平行に延在している。さらに、平行部４１Ａ，４１Ｂは、幅Ｗ４１および厚みＴで規定される、互いに同等かつ一定の断面を有している。これにより、図３に矢印で示したように、検出対象電流Ｉｍによって生じる同等の大きさの電流磁界ＨｍがＭＲ素子１Ａに対して−Ｙ方向へ印加されると共にＭＲ素子１Ｂに対して＋Ｙ方向へ印加されることとなる。すなわち、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂは、電流センサ１０の駆動時において、電流磁界Ｈｍによって各々の抵抗値Ｒ１，Ｒ２が互いに逆方向の変化を示すように配置されている。この場合、導体４の平行部４１ＡからＭＲ素子１Ａまでの距離と、平行部４１ＢからＭＲ素子１Ｂまでの距離とが等しいので、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂにそれぞれ印加される電流磁界Ｈｍの絶対値は互いに等しくなっている。また、幅Ｗ４１は厚みＴと等しいことが望ましい。こうすることにより、平行部４１Ａ，４１Ｂの周囲に生ずる電流磁界Ｈｍが、平行部４１Ａ，４１Ｂの延在方向と直交する断面においてより対称な分布を有すると共に、より高い磁束密度を有するようになる。

連結部４２は、第１の距離ΔＹ１および自らの厚みＴよりも大きな寸法である幅Ｗ４２（例えば、１．８ｍｍ）を有しており、基体３との接触面積を大きくすることにより放熱性を高めている。

一対の端子部４３Ａ，４３Ｂは、第１の距離ΔＹ１よりも大きな第２の距離ΔＹ２を隔てるように対向して延在し、かつ、それぞれが平行部４１Ａ，４１Ｂの各々よりも大きな断面積を有している。ここでは、特に、平行部４１Ａ，４１Ｂとの接続部分から遠ざかるほど互いに離れ（すなわち、第２の距離ΔＹ２が徐々に増大し）、かつ、断面積を拡大するように一対の端子部４３Ａ，４３Ｂが形成されている。このため、検出対象電流Ｉｍの通過に伴い、特に断面積の小さな一対の平行部４１Ａ，４１Ｂにおいて主に発生するジュール熱が一対の端子部４３Ａ，４３Ｂを介して基体３などへ効率的に放出される。また、端子部４３Ａは、側面４７Ａ，４８Ａが平行部４１Ａの側面４５Ａ，４６Ａと、それぞれ９０度よりも大きな角度をなすように屈曲している。同様に、端子部４３Ｂの側面４７Ｂ，４８Ｂは、平行部４１Ｂの側面４５Ｂ，４６Ｂと、それぞれ９０度よりも大きな角度をなしている。具体的には、側面４５Ａと側面４７Ａとが１４０度をなし、側面４６Ａと側面４８Ａとが１３０度をなし、側面４５Ｂと側面４７Ｂとが１６０度をなし、側面４６Ｂと側面４８Ｂとが１７０度をなしている。これらの角度は、可能な限り１８０度に近いことが望ましい。９０度に近づくほど、端子部４３Ａ，４３Ｂにおいて生ずる電流磁界がノイズとなり、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂに対してより大きな悪影響を与えるからである。なお、一対の端子部４３Ａ，４３Ｂにおける一対の平行部４１Ａ，４１Ｂと反対側の端部には、それぞれ、２つの端子４４が設けられている。

ＭＲ素子１Ａ，１Ｂは、いずれも導体４の上に設けられた回路基板５の上に、以下の条件式（１）を満足する位置に形成されている。

Ｉｍ・ΔＹ１／Ｘ²＜１０×１０^-3［Ａ／ｍ］ ……（１）

但し、Ｉｍは検出対象電流（Ａ）であり、ΔＹ１はＭＲ素子１ＡとＭＲ素子１Ｂとの距離（すなわち、側面４５Ａと側面４５Ｂとの間隔）であり、ＸはＸ軸方向における連結部４２の側面４２ＳからＭＲ素子１ＡおよびＭＲ素子１Ｂまでの距離である。ここで、距離Ｘは、例えば１５Ａの検出対象電流Ｉｍを流す場合には３ｍｍ以上であることが望ましい。

ＭＲ素子１Ａ，１Ｂは、図３に示したように、第１の接続点Ｐ１において互いに接続されており、互いを結ぶ仮想直線上の中間点を通る中心線ＣＬを対称軸として線対称に配置され、かつ、中心線ＣＬに沿って（図中Ｘ軸方向へ）延在している。

電流センサ１０は、図３に示したように、互いの一端同士が第２の接続点Ｐ２において接続された、定電流源２Ａ（第１の定電流源）および定電流源２Ｂ（第２の定電流源）をさらに備えている。定電流源２Ａは、第３の接続点Ｐ３において、ＭＲ素子１Ａにおける第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部と接続されており、一方の定電流源２Ｂは、第４の接続点Ｐ４において、ＭＲ素子１Ｂにおける第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部と接続されている。すなわち、ＭＲ素子１Ａと定電流源２Ａとが直列接続されていると共に、ＭＲ素子１Ｂと定電流源２Ｂとが直列接続されており、それらが中心線ＣＬを対称軸として線対称となるように互いに並列接続された状態となっている。ここで、定電流源２Ａおよび定電流源２Ｂは、互いに等しい値の定電流Ｉ０をＭＲ素子１ＡおよびＭＲ素子１Ｂにそれぞれ供給するように構成されている。なお、定電流源２Ａ，２Ｂは、基体３の上に設けられた回路基板６の内部に形成されている。

また、ＭＲ素子１Ａ，１ＢをＸ−Ｙ平面において挟んで対向するように、バイアス印加手段としての永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２が配置されている（図１，図３参照）。さらに、電流センサ１０は補償電流ラインＣを備えており、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときの第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差に基づく補償電流Ｉｄが、これに供給されるようになっている（図３）。補償電流ラインＣは、入力側が第３および第４の接続点Ｐ３，Ｐ４と接続された差分検出器としての差動増幅器ＡＭＰの出力側と接続されており、それと反対側の端部は抵抗体ＲＬを介して接地されている。抵抗体ＲＬにおける差動増幅器ＡＭＰの側には、補償電流検出手段Ｓが接続点Ｔ１において接続されている。ここで、補償電流ラインＣは、補償電流Ｉｄが磁気抵抗効果素子１Ａ，１Ｂに対して補償電流磁界Ｈｄをそれぞれ付与するように構成されている。補償電流磁界Ｈｄは、検出対象電流Ｉｍによって生じる電流磁界Ｈｍとは逆方向となっている。すなわち、補償電流Ｉｄによる補償電流磁界Ｈｄは、図３に矢印で示したように、ＭＲ素子１Ａに対して＋Ｙ方向へ印加されると共にＭＲ素子１Ｂに対して−Ｙ方向へ印加される。

次に、図４を参照して、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂの構成について、より詳しく説明する。図４は、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂの構成を分解して示す分解斜視図である。

図４に示したように、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂは、磁性層を含む複数の機能膜が積層されたスピンバルブ構造をなすＧＭＲ素子であり、中心線ＣＬに沿った方向（図中＋Ｘ方向）に固着された磁化方向Ｊ１１を有する固着層１１と、電流磁界Ｈｍをはじめとする外部磁界Ｈに応じて磁化方向Ｊ１３が変化する自由層１３と、固着層１１と自由層１３との間に挟まれ、特定の磁化方向を示さない中間層１２とをそれぞれ含むものである。自由層１３は、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）などの軟磁性材料により構成されている。中間層１２は、銅（Ｃｕ）により構成され、上面が固着層１１と接すると共に下面が自由層１３と接している。中間層１２は、銅のほか、金（Ａｕ）などの導電率の高い非磁性金属により構成することができる。なお、固着層１１の上面（中間層１２と反対側の面）および自由層１３の下面（中間層１２と反対側の面）は、それぞれ図示しない保護膜によって保護されている。また、固着層１１と自由層１３との間には磁化方向Ｊ１１における交換バイアス磁界Ｈin（以下、単に「交換バイアス磁界Ｈin」と記す。）が生じており、中間層１２を介して互いに作用し合っている。交換バイアス磁界Ｈinの強度は、固着層１１と自由層１３との相互間隔（すなわち中間層１２の厚み）に応じて自由層１３のスピン方向が回転することにより変化する。交換バイアス磁界Ｈinの向きは、この場合、＋Ｘ方向である。なお、図４では、下から自由層１３、中間層１２、固着層１１の順に積層された場合の構成例を示しているが、これに限定されず、反対の順序で構成するようにしてもよい。

図５に、固着層１１の詳細な構成を示す。固着層１１は、中間層１２の側から磁化固定膜１４と反強磁性膜１５とが順に積層された構成となっている。磁化固定膜１４は、コバルト（Ｃｏ）やコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）などの強磁性材料によって構成されている。この磁化固定膜１４の示す磁化方向が固着層１１全体としての磁化方向Ｊ１１となる。反強磁性膜１５は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）やイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性材料により構成されている。反強磁性膜１５は、−Ｘ方向のスピン磁気モーメントと反対方向（＋Ｘ方向）のスピン磁気モーメントとが完全に打ち消し合った状態にあり、磁化固定膜１４の磁化方向Ｊ１１を固定するように機能するものである。

以上のように構成されたＭＲ素子１Ａ，１Ｂでは、電流磁界Ｈｍが印加されることにより自由層１３の磁化方向Ｊ１３が回転し、それによって磁化方向Ｊ１３と磁化方向Ｊ１１との相対角度が変化する。その相対角度は、電流磁界Ｈｍの大きさや向きによって決まるものである。

なお、図４は、電流磁界Ｈｍが零（Ｈｍ＝０）であり、かつ、永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２によるバイアス磁界Ｈｂを印加しない無負荷状態（すなわち、外部磁界Ｈが零の状態）を示している。自由層１３の磁化容易軸方向ＡＥ１３が固着層１１の磁化方向Ｊ１１と平行となるように形成されていることから、この状態では、磁化容易軸方向ＡＥ１３と、磁化方向Ｊ１３と、磁化方向Ｊ１１とが全て＋Ｘ方向に沿って互いに平行となっている。このため、自由層１３における各磁区のスピン方向がほぼ同一方向に揃うこととなる。図６は、自由層１３の各磁区におけるスピン方向を模式的に表した概念図である。図６に示したように、自由層１３は磁壁１３Ｗによって仕切られた複数の磁区１３Ｄを有しており、それぞれのスピン１３Ｓが、ほぼ同一方向（磁化方向Ｊ１３）に揃っている。

このように、スピン方向の揃った自由層１３を有するＭＲ素子１Ａ，１Ｂに対し、磁化方向Ｊ１１と直交する方向（＋Ｙ方向または−Ｙ方向）へ外部磁界Ｈを印加すると、図７に示したような特性が得られる。図７は、＋Ｙ方向への外部磁界Ｈを正として外部磁界Ｈと抵抗変化率ΔＲ／Ｒとの関係を示したものであるが、両者の関係は、外部磁界Ｈ＝０において極小（ΔＲ／Ｒ＝０）となり、ヒステリシスをほとんど示すことのない１本の曲線Ｃ１で表される。この場合、ヒステリシスに起因する１／ｆノイズが極めて小さくなるので、高感度かつ安定したセンシングが可能となる。

ただし、図７から明らかなように、外部磁界Ｈが零（Ｈ＝０）の近傍においては直線的な変化が得られない。このため、実際に電流磁界Ｈｍを測定する場合には永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２によるバイアス磁界ＨｂをＭＲ素子１Ａ，１Ｂに対して印加し、図８に示したように、磁化方向Ｊ１３を回転させ、＋Ｙ方向の成分または−Ｙ方向の成分を含むように僅かに傾ける（図８では＋Ｙ方向へ傾けた場合を例示する）。こうすることにより、図７に示したバイアスポイントＢＰ１，ＢＰ２を中心とする線形領域Ｌ１，Ｌ２において電流磁界Ｈｍの変化を精度良く検出することができる。電流センサ１０においては、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂの各々の固着層１１における磁化方向Ｊ１１が互いに同一方向（＋Ｘ方向）であるので、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂの双方に対して同一方向（−Ｙ方向）のバイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２を印加するようにする（図３参照）。こうすることにより、電流磁界Ｈｍを検出したときに、ＭＲ素子１Ａの抵抗値Ｒ１とＭＲ素子１Ｂの抵抗値Ｒ２とが互いに逆の変化を生じることとなる。例えば、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂに対して、予め−Ｙ方向へバイアスポイントＢＰ２（図７参照）に相当する強度のバイアス磁界Ｈｂ１，Ｈｂ２を印加しておく。図３に示したように検出対象電流Ｉｍを流すと、ＭＲ素子１Ａは、−Ｙ方向の電流磁界Ｈｍが印加されることにより、図７から明らかなように抵抗変化率が増加する（抵抗値Ｒ１が増加する）。これに対し、ＭＲ素子１Ｂは、＋Ｙ方向の電流磁界Ｈｍが印加されることにより、図７から明らかなように抵抗変化率が減少する（抵抗値Ｒ２が減少する）のである。

このような構成の電流センサ１０では、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときの第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差Ｖ０（ＭＲ素子１Ａ，１Ｂのそれぞれに生ずる電圧降下の差分）に基づく補償電流Ｉｄが差分検出器としての差動増幅器ＡＭＰを介して補償電流ラインＣを流れ、その補償電流Ｉｄが補償電流検出手段Ｓによって検出されるようになっている。差動増幅器ＡＭＰは、差分Ｖ０が零となるように補償電流Ｉｄを調整するものである。

以下、図３を参照して、検出対象電流Ｉｍによって形成される電流磁界Ｈｍを測定する方法について説明する。

図３において、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に所定の電圧を印加した際の定電流源２Ａ，２Ｂからの定電流をＩ０とし、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂの抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ２とする。電流磁界Ｈｍが印加されていない場合、第３の接続点Ｐ３における電位Ｖ１は、
Ｖ１＝Ｉ０・Ｒ１
であり、第４の接続点Ｐ４における電位Ｖ２は、
Ｖ２＝Ｉ０・Ｒ２
となる。よって、第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝Ｉ０・Ｒ１−Ｉ０・Ｒ２
＝Ｉ０・（Ｒ１−Ｒ２） …（２）

この回路では、電流磁界Ｈｍが印加されたときに、電位差Ｖ０を測定することにより抵抗変化量が得られる。例えば電流磁界Ｈｍが印加されたときに、抵抗値Ｒ１，Ｒ２がそれぞれ変化量ΔＲ１，ΔＲ２だけ増加したとすると、式（２）は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝Ｉ０・（Ｒ１−Ｒ２）
＝Ｉ０・｛（Ｒ１＋ΔＲ１）−（Ｒ２＋ΔＲ２）｝ …（３）
となる。

すでに述べたように、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂは電流磁界Ｈｍによって各々の抵抗値Ｒ１，Ｒ２が互いに逆方向の変化を示すように配置されていることから、変化量ΔＲ１と変化量ΔＲ２とは互いの正負が逆の符号となる。したがって、式（３）において、電流磁界Ｈｍが印加される前の抵抗値Ｒ１および抵抗値Ｒ２は互いに打ち消し合う一方で、変化量ΔＲ１および変化量ΔＲ２はそのまま維持される。

仮に、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂが全く同一の特性を有するとした場合、すなわち、
Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ
かつ
ΔＲ１＝−ΔＲ２＝ΔＲ
であると仮定した場合、式（３）は、
Ｖ０＝Ｉ０・（Ｒ１＋ΔＲ１−Ｒ２−ΔＲ２）
＝Ｉ０・（Ｒ＋ΔＲ−Ｒ＋ΔＲ）
＝Ｉ０・（２ΔＲ） …（４）
となる。したがって、予め外部磁界と抵抗変化量との関係を把握したＭＲ素子１Ａ，１Ｂを用いるようにすれば、電流磁界Ｈｍの大きさを測定することができ、その電流磁界Ｈｍを発生する検出対象電流Ｉｍの大きさを推定することができる。この場合、２つのＭＲ素子１Ａ，１Ｂを用いてセンシングを行っているので、ＭＲ素子１ＡまたはＭＲ素子１Ｂを単独で用いてセンシングを行う場合と比べて２倍の抵抗変化量を取り出すことができ、測定値の高精度化に有利となる。また、４つのＭＲ素子を用いてブリッジ回路を構成してセンシングを行う場合と比べ、ＭＲ素子同士の特性のばらつきや接続抵抗のばらつき等を小さく抑えることができるので、感度が高いＭＲ素子を用いた場合であってもバランス調整が容易である。また、ＭＲ素子自体の個数を減らすことができ、それに伴い端子の数も減るので、省スペース化に有利となる。

さらに、電流センサ１０では、第３の接続点Ｐ３において検出される電位Ｖ１と第４の接続点Ｐ４において検出される電位Ｖ２とが差動増幅器ＡＭＰに供給されて、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、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂの近傍を検出対象電流Ｉｍとは正反対の方向へ流れることにより電流磁界Ｈｍとは逆方向の補償電流磁界Ｈｄを生じ、回路中の接続抵抗のばらつきやＭＲ素子１Ａ，１Ｂ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分をキャンセルするように作用するので、結果として電流磁界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、電流磁界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、条件式（１）を満足するようにしたので、連結部４２において生ずる不要な電流磁界がＭＲ素子１Ａ，１Ｂに及ぶのを抑制することができる。特に、距離Ｘを３ｍｍ以上とした場合には、連結部４２において生ずる不要な電流磁界の影響を十分に低減することができる。

このように、本実施の形態の電流センサ１０によれば、互いに同等かつ一定の断面積を有すると共に第１の距離ΔＹ１を隔てて互いに平行に延在する一対の平行部４１Ａ，４１Ｂの一端同士を連結部４２によって接続し、さらに、第２の距離ΔＹ２を隔てるように対向して延在する一対の端子部４３Ａ，４３Ｂを平行部４１Ａ，４１Ｂの他端とそれぞれ接続することにより導体４を構成するようにしたので、この導体４に検出対象電流Ｉｍを流すことにより、平行部４１Ａ，４１Ｂの各々を中心軸とした安定した電流磁界Ｈｍを発生させ、それをＭＲ素子１Ａ，１Ｂに印加することができる。この際、端子部４３Ａ，４３Ｂにおいて発生する電流磁界がＭＲ素子１Ａ，１Ｂへ与える影響を低減することができる。さらに、条件式（１）を満足するようにしたので、連結部４２において発生する電流磁界による悪影響を回避することもできる。そのうえ、端子部４３Ａ，４３Ｂが平行部４１Ａ，４１Ｂよりも大きな断面積を有するようにしたので、検出対象電流Ｉｍの通過に伴うジュール熱による悪影響を低減することができる。したがって、小型化しつつも、より大きな検出対象電流Ｉｍによる電流磁界Ｈｍを高精度に、かつ安定して検出することができる。

＜変形例＞
続いて、図９を参照して、本実施の形態における変形例としての電流センサの構成について説明する。上記実施の形態では、ＭＲ素子１Ａ，１ＢをＸ−Ｙ平面において挟んで対向するように永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２を配置し、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂに対して、無負荷状態における自由層１３の磁化方向Ｊ１３と直交する方向のバイアス磁界Ｈｂを印加するようにした例について説明した。これに対し、本変形例では、無負荷状態の自由層１３の磁化方向Ｊ１３に対して斜め方向のバイアス磁界Ｈｂを印加するようにした例について説明する。

図９は、本変形例としての電流センサ１０Ａの概略構成を表す平面図である。なお、本変形例では、永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２の配置状態以外の構成については上記実施の形態と同様である。よって、ここでは、主に永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２の配置状態およびその作用について説明し、他の構成部分およびその作用については適宜省略する。

図９に示したように、永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２は、各々のＮ極ＮＰおよびＳ極ＳＰが互いに同一方向に向くように平行をなすことで互いの磁束を強め合い、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂに対して斜め方向のバイアス磁界Ｈｂを印加するように構成されている。ＭＲ素子１Ａ，１Ｂに印加されるバイアス磁界Ｈｂは、自由層１３の磁化方向Ｊ１３と平行な平行成分Ｈｂｘと、自由層１３の磁化方向Ｊ１３と直交する直交成分Ｈｂｙとに分けることができる。さらに、固着層１１と自由層１３との間に生じる交換バイアス磁界Ｈinと、バイアス磁界Ｈｂにおける平行成分Ｈｂｘとの合成磁界の磁束密度は、２２×１０^-4テスラ（Ｔ）以上５２×１０^-4テスラ（Ｔ）以下であることが望ましい。一方、バイアス磁界における直交成分Ｈｂｙの磁束密度については、１５×１０^-4テスラ（Ｔ）以上４５×１０^-4テスラ（Ｔ）以下であることが望ましい。

また、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂの感度を互いに等しくするため、各々に印加されるバイアス磁界Ｈｂの磁束密度を等しくすることが望ましい。例えば、永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２を、互いの平行状態を維持したままそれぞれの延在方向に沿って互いに遠ざかるように適宜移動することにより、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂの各々を通過するバイアス磁界Ｈｂの磁束密度を調整するようにすればよい。すなわち、永久磁石ＨＭ１（またはＨＭ２）の中心位置と、比較的近い位置にあるＭＲ素子１Ａ（または１Ｂ）の中心位置とが互いに近づくように移動させる。具体的には、ＭＲ素子１ＡとＭＲ素子１Ｂとの中間点Ｏを通り、かつ永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２の延在方向と直交する直線ＬＯを基準とした場合に、ＭＲ素子１Ａの中心位置が外れた方向に（すなわちＮ極ＮＰ側へ）永久磁石ＨＭ１を移動させると共に、ＭＲ素子１Ｂの中心位置が外れた方向に（すなわちＳ極ＳＰ側へ）永久磁石ＨＭ２を移動させることが望ましい。

バイアス磁界Ｈｂの平行成分Ｈｂｘは、異方性磁界に相当するものとして自由層１３の一軸異方性を強め、ＭＲ素子１Ａ，１Ｂにおける磁界検出動作の安定化に寄与する。従来、ＭＲ素子そのものの形状を細長く伸ばすことで形状異方性を高め、さらに、それを複数本、所定の間隔を空けて並列配置するなどして抵抗変化率を高めるようにしていたが、その場合には比較的大きなスペースを必要とする上、補償電流線も大型化することとなる。ところが、本変形例の電流センサ１０Ａによれば、形状異方性を利用しないのでＭＲ素子１Ａ，１Ｂの形状の自由度が高く、かつ、それぞれを複数に分割する必要もない。したがって、よりコンパクトな構成を実現しつつ、電流磁界Ｈｍの検出を高精度に、かつ十分に安定して行うことができる。

このように、本変形例の電流センサ１０Ａによれば、永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２によるバイアス磁界Ｈｂが、外部磁界Ｈが零のときの磁化方向Ｊ１３に平行な平行成分Ｈｂｘと、これと直交する直交成分Ｈｂｙとを有するようにしたので、形状異方性を利用しなくとも自由層１３の一軸異方性を強めることができる。したがって、ＭＲ素子の形状によらず、検出対象電流Ｉｍを高精度に、かつ安定して測定することができる。

次に、本発明の実施例について以下に説明する。

図１０は、上記実施の形態の電流センサにおいて、導体４に１５Ａ，２５Ａ，５０Ａの検出対象電流Ｉｍをそれぞれ供給したときに発生するＸ軸方向の磁界分布を表している。図１０では、連結部４２の側面４２Ｓを原点とする距離Ｘを横軸とし、Ｘ軸方向に沿った磁界Ｈｘを縦軸としている。図１０からわかるように、検出対象電流Ｉｍが５０Ａ以下の場合、距離Ｘが５ｍｍ以上であれば０．５×１０^-4Ｔ以下の磁界Ｈｘになる。特に、検出対象電流Ｉｍが２５Ａの場合には距離Ｘを４ｍｍ以上とし、検出対象電流Ｉｍが１５Ａの場合には距離Ｘを３ｍｍ以上とすれば、磁界Ｈｘを０．５×１０^-4Ｔ以下に抑えることができる。この０．５×１０^-4Ｔという値は、通常、地表面で観測される地磁気と同程度の大きさであり、電流センサの動作に影響を与えるレベルではない。

図１１は、同様に、導体４に７５Ａ，１００Ａ，１５０Ａの検出対象電流Ｉｍをそれぞれ供給したときに発生するＸ軸方向の磁界分布を表している。図１１からわかるように、検出対象電流Ｉｍが７５Ａ以下の場合には距離Ｘを１０ｍｍ以上とし、検出対象電流Ｉｍが１００Ａの場合には距離Ｘを１２ｍｍ以上とし、検出対象電流Ｉｍが１５０Ａの場合には距離Ｘを１５ｍｍ以上とすれば、磁界Ｈｘを０．５×１０^-4Ｔ以下に抑えることができる。

図１２は、導体４に１５Ａ，２５Ａ，５０Ａの検出対象電流Ｉｍをそれぞれ供給したときに発生するＸ軸方向の磁界Ｈｘと、条件式（１）のパラメータ（Ｉｍ・ΔＹ１／Ｘ²）との関係を表している。図１２では、Ｘ軸方向に沿った磁界Ｈｘを横軸とし、条件式（１）のパラメータ（Ｉｍ・ΔＹ１／Ｘ²）を縦軸としている。図１２に示したように、検出対象電流Ｉｍが５０Ａ以下の場合、パラメータ（Ｉｍ・ΔＹ１／Ｘ²）が６×１０^-4Ｔ以下であればＸ軸方向の磁界Ｈｘが０．５×１０^-4Ｔ以下となることが確認できた。

図１３は、同様に、導体４に７５Ａ，１００Ａ，１５０Ａの検出対象電流Ｉｍをそれぞれ供給したときに発生するＸ軸方向の磁界Ｈｘと、条件式（１）のパラメータ（Ｉｍ・ΔＹ１／Ｘ²）との関係を表している。図１３に示したように、検出対象電流Ｉｍが１５０Ａ以下の場合、パラメータ（Ｉｍ・ΔＹ１／Ｘ²）が３×１０^-4Ｔ以下であればＸ軸方向の磁界Ｈｘが０．５×１０^-4Ｔ以下となることが確認できた。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。例えば本実施の形態では、外部磁界が零のときの自由層の磁化方向が、固着層の磁化方向と平行であるように構成された磁気抵抗効果素子を採用するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、外部磁界が零のときの自由層の磁化方向が、固着層の磁化方向と直交するように構成された磁気抵抗効果素子を用いるようにしてもよい。

また、本発明の導体の形状は、図１および図２に示した導体４に限定されるものではない。例えば図１４に示した変形例としての導体４Ａのような形状であってもよい。具体的には、一方の平行部４１Ａにおける他方の平行部４１Ｂと対向する側面４５Ａの延長上に、平行部４１Ａと連結された端子部４３Ａにおける他方の端子部４３Ｂと対向する側面４７Ａが位置するようにしてもよい。この場合、端子部４３Ｂの側面４７Ｂが、平行部４１Ｂの側面４５Ｂの延長上よりも後退することにより、側面４５Ａと側面４５Ｂとの距離ΔＹ１よりも側面４７Ａと側面４７Ｂとの距離ΔＹ２が大きくなるようにしている。なお、側面４７Ａおよび側面４７Ｂは互いに平行であってもよいし、非平行であってもよい。また、連結部４２および端子部４３Ａ，４３Ｂの厚みは平行部４１Ａ，４１Ｂと同等であるが、連結部４２および端子部４３Ａ，４３Ｂの幅は平行部４１Ａ，４１Ｂよりもそれぞれ大きくなっており、検出対象電流を流したときの抵抗を下げると共に放熱性を高めている。このような形状の導体４Ａであっても、平行部４１Ａ，４１Ｂの各々を中心軸とした安定した電流磁界を発生させることができるうえ、電流の通過に伴うジュール熱を効率的に外部へ放出することができる。よって、この導体４Ａを用いた電流センサによれば、小型化を図りつつ、より大きな検出対象電流を、それによって発生する電流磁界を検出することにより、高精度に、かつ安定して測定することができる。

また、上記実施の形態では、バイアス磁界を印加する手段として、永久磁石を対向配置するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、永久磁石の替わりにソレノイドコイルを使用するようにしてもよい。

また、上記実施の形態等では、交換バイアス磁界Ｈinの方向と、平行成分Ｈｂｘの方向とが互いに同一方向となるように構成したが、互いに反対方向となるようにしてもよい。但し、同一方向とした場合の方が、検出動作がより安定するので好ましい。

さらに、上記実施の形態では、磁気センサが２つのＭＲ素子によって構成された例について説明するようにしたが、本発明はこれに限定されるものでもない。例えば、４つのＭＲ素子を平行部の近傍に配設し、フルブリッジを構成するようにしてもよい。

本発明の一実施の形態に係る電流センサの構成を示す斜視図である。図１に示した電流センサにおける導体の概略構成を表す平面図および側面図である。図１に示した電流センサに対応する回路図である。図１に示した電流センサの要部である磁気抵抗効果素子の構成を示す分解斜視図である。図４に示した磁気抵抗効果素子における一部の構成を示す斜視図である。図４に示した磁気抵抗効果素子の自由層におけるスピン分布を表す模式図である。図４に示した磁気抵抗効果素子における抵抗変化率の磁界依存性を示す特性図である。図１に示した電流センサの要部である磁気抵抗効果素子の構成を示す他の分解斜視図である。図１に示した電流センサにおける変形例の概略構成を示す平面図である。図１に示した電流センサの導体が発生するＸ軸方向の磁界分布を表す第１の特性図である。図１に示した電流センサの導体が発生するＸ軸方向の磁界分布を表す第２の特性図である。図１に示した電流センサにおける条件式（１）に関する磁気特性を表す第３の特性図である。図１に示した電流センサにおける条件式（１）に関する磁気特性を表す第４の特性図である。図１に示した電流センサにおける変形例としての導体の形状を表す平面図および側面図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…磁気抵抗効果（ＭＲ）素子、２Ａ，２Ｂ…定電流源、３…基体、４…導体、４１Ａ，４１Ｂ…平行部、４２…連結部、４３Ａ，４３Ｂ…端子部、５，６…回路基板、１０…電流センサ、１１…固着層、１２…中間層、１３…自由層、ＡＥ１３…磁化容易軸、ＣＬ…中心線、Ｉｍ…検出対象電流、Ｈｂ…バイアス磁界、Ｈｂｘ…平行成分、Ｈｂｙ…直交成分、Ｈin…交換バイアス磁界、Ｈｍ…電流磁界、ＨＭ１，ＨＭ２…永久磁石、Ｊ１１，Ｊ１３…磁化方向。

Claims

基体上に導体と、前記導体を流れる検出対象電流により生ずる電流磁界に応じて抵抗値が変化する磁気センサとを備えた電流センサであって、
前記導体は、
互いに同等かつ一定の断面を有すると共に第１の距離を隔てて互いに平行をなすように延在する一対の平行部と、
前記一対の平行部の一端同士を繋ぐ連結部と、
前記一対の平行部の他端とそれぞれ接続されて前記第１の距離よりも大きな第２の距離を隔てるように互いに対向して延在し、かつ、前記一対の平行部の各々よりも大きな断面積をそれぞれ有する一対の端子部と
を含み、
前記磁気センサは、前記一対の平行部に沿って配置されている
ことを特徴とする電流センサ。
前記一対の平行部、連結部および一対の端子部は、全て同一階層内に形成され、かつ、全体に亘って均一な厚みを有している
ことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記連結部は、前記各平行部の幅よりも大きな幅を有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
前記一対の端子部は、前記一対の平行部の他端から遠ざかるほど互いに離れ、かつ、それぞれの断面積が増大するように構成されている
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電流センサ。
前記磁気センサは、前記導体を流れる検出対象電流により生ずる電流磁界に応じて抵抗値が互いに逆方向の変化を示すこととなるように前記一対の平行部に沿って各々配置された第１および第２の磁気抵抗効果素子を有する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電流センサ。
前記第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに、互いに等しい値の定電流を供給する第１および第２の定電流源と、
前記定電流によって前記第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに生ずる電圧降下の差分を検出する差分検出器と
をさらに備え、
前記電圧降下の差分に基づいて前記検出対象電流を検出する
ことを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
前記第１および第２の磁気抵抗効果素子は、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する自由層とを順に含むものである
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の電流センサ。
外部磁界が零のときの前記自由層の磁化方向に直交するバイアス磁界を、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子に対してそれぞれ印加する一対のバイアス印加手段をさらに備えた
ことを特徴とする請求項７に記載の電流センサ。
外部磁界が零のときの前記自由層の磁化方向に平行な平行成分と、前記平行成分に直交する直交成分とを有するバイアス磁界を、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子に対してそれぞれ印加する一対のバイアス印加手段をさらに備えた
ことを特徴とする請求項７に記載の電流センサ。