JP5533244B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

この発明は、磁気抵抗素子およびバイアス磁石を用いて電流を検出する電流センサに関する。

本出願人は、この種の電流センサを先の出願において提案した（特願２００９−２４４７１７）。図１６はその電流センサの概略構成を示す説明図である。図１７は図１６に示すＭＲＥを構成する磁気抵抗の配置図であり、図１８はＭＲＥに作用する磁気ベクトルの説明図である。

図１６に示すように、電流センサ７０は、被検出電流Ｉが流れるバスバー９０を挾んで配置された一対のバイアス磁石７１，７２と、各バイアス磁石とバスバー９０との間に配置された一対のＭＲＥ（Magnetic Resistance Element：磁気抵抗素子)７３，７４とを備える。バイアス磁石７１，７２はＮ極同士を相対向させて配置されている。図１７に示すように、ＭＲＥ７３，７４は、ハーフブリッジ回路を構成する磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄをそれぞれ備える。

図１８に示すように、ＭＲＥ７３は、バイアス磁石７１が発生するバイアス磁界が印加されると、被検出電流Ｉと直交する方向に磁気ベクトルＢｍａｇ１を発生する。また、ＭＲＥ７３は、バスバー９０を流れる被検出電流Ｉが作り出す磁界が印加されると、磁気ベクトルＢｍａｇ１から反時計回りに９０度回転した磁気ベクトルＢｃｕｒ１を発生する。そして、ＭＲＥ７３は、磁気ベクトルＢｍａｇ１およびＢｃｕｒ１の合成磁気ベクトルＢ１に対応する検出信号を出力する。合成磁気ベクトルＢ１は、磁気ベクトルＢｍａｇ１と角度θを成す。

ＭＲＥ７４は、バイアス磁石７２が発生するバイアス磁界が印加されると、被検出電流Ｉと直交する方向に磁気ベクトルＢｍａｇ２を発生する。また、ＭＲＥ７４は、バスバー９０を流れる被検出電流Ｉが作り出す磁界が印加されると、磁気ベクトルＢｍａｇ２から反時計回りに９０度回転した磁気ベクトルＢｃｕｒ２を発生する。そして、ＭＲＥ７４は、磁気ベクトルＢｍａｇ２およびＢｃｕｒ２の合成磁気ベクトルＢ２に対応する検出信号を出力する。合成磁気ベクトルＢ２は、磁気ベクトルＢｍａｇ２と角度θを成す。

ＭＲＥ７３，７４は、磁気ベクトルＢｍａｇ１，Ｂｍａｇ２の大きさが同一であり、かつ、磁気ベクトルＢｃｕｒ１，Ｂｃｕｒ２の大きさが同一となるように構成されている。このため、合成磁気ベクトルＢ１，Ｂ２は、大きさが同一で向きが１８０度異なるので、両合成磁気ベクトルの和は０になる。被検出電流Ｉが増加すると、磁気ベクトルＢｃｕｒ１，Ｂｃｕｒ２が増大するため、位相θが増加し、合成磁気ベクトルＢ１，Ｂ２が増大する。また、被検出電流Ｉが減少すると、磁気ベクトルＢｃｕｒ１，Ｂｃｕｒ２が減少するため、位相θが減少し、合成磁気ベクトルＢ１，Ｂ２が減少する。

合成磁気ベクトルＢ１の大きさＶおよび位相θは検出信号Ｖａ（θ）として出力され、合成磁気ベクトルＢ２の大きさＶおよび位相θは検出信号Ｖｂ（θ）として出力され、電流センサに備えられた差動増幅回路は、両検出信号の差分を増幅して出力する。ここで、ＭＲＥ７３，７４に外来磁界が印加され、合成磁気ベクトルＢ１の位相θがα度進み、合成磁気ベクトルＢ２の位相θがα度遅れたとする。

合成磁気ベクトルＢ１の位相θがα度進んだときの合成磁気ベクトルＢ１の大きさＶの変化は、検出信号Ｖａ（θ）においてΔＶの増加になって現れる。また、合成磁気ベクトルＢ２の位相θがα度遅れたときの合成磁気ベクトルＢ２の大きさＶの変化は、検出信号Ｖｂ（θ）においてΔＶの増加になって現れる。そして、差動増幅回路は、両検出信号Ｖａ（θ），Ｖｂ（θ）の差分を出力するため、両信号においてそれぞれ増加したΔＶは０になる。

つまり、外来磁界が印加されて増加した増加分ΔＶが差動増幅回路から出力されないため、差動増幅回路の出力に基づいて検出する被検出電流Ｉの電流値に誤差が発生するおそれがない。なお、外来磁界が印加されて合成磁気ベクトルＢ１の位相θがα度遅れ、合成磁気ベクトルＢ２の位相θがα度進んだ場合も、上記と同様、検出する被検出電流Ｉの電流値に誤差が発生するおそれがない。

特開２００８−１２２０８３号公報（第２３〜２５段落、図４） 特開２００５−５５３０９号公報

本出願人は、前述した電流センサを提案した後、ＭＲＥおよびバイアス磁石の位置関係が被検出電流の検出精度に及ぼす影響について検討した。図１９は、ＭＲＥ７３の各磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄと、バイアス磁石７１から発生するバイアス磁界との関係を示す概念図である。図中で符号Ｍｆで示す矢印は、バイアス磁石７１のＮ極から発生したバイアス磁界における磁束を示す。バイアス磁石７１のＮ極から発生した磁束には、各磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄの磁化容易軸に対して４５°の入射角度で進むものと、４５°以外の入射角度で進むものとが混在している。つまり、直進する磁束が少なく、バイアス磁界の分布が一様でない。

ここで、ＭＲＥ７３の取付位置として図１９（ａ）に示す取付位置が正規の取付位置であるとする。そして、同図（ｂ）に示すように、ＭＲＥ７３の取付位置が図中の右方向へずれたとすると、各磁気抵抗に印加されるバイアス磁界の分布状態が変化するため、磁気抵抗の磁化容易軸に対する磁束の入射角度が変化する。このため、バスバー９０を挾んで配置された１対のＭＲＥおよび１対のバイアス磁石のペア性が崩れてしまう。したがって、両ＭＲＥの合成磁気ベクトルの和が０にならないので、外乱磁界が発生した場合に、それによって発生する電圧差を打ち消すことができなくなり、検出精度が低下するおそれがある。
つまり、ＭＲＥおよびバイアス磁石の取付位置がずれると、外乱磁界の影響を打ち消すことができず、検出精度が低下するおそれのあることが分かった。

そこでこの発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、磁気抵抗素子およびバイアス磁石の取付位置の誤差による検出精度の低下を少なくすることができる電流センサを実現することを目的とする。

上記の目的を達成するため、この発明の請求項１に係る発明では、被検出電流（Ｉ）が流れる電路（９０）を挾んで配置された第１および第２の磁気抵抗素子（２１，２２）と、前記第１の磁気抵抗素子にバイアス磁界（Ｍｆ１）を与える第１のバイアス磁石（３１）と、前記第２の磁気抵抗素子にバイアス磁界（Ｍｆ２）を与える第２のバイアス磁石（３２）とを備えており、前記第１および第２の磁気抵抗素子の検出信号の差分を出力するように構成された電流センサ（５０）であって、前記第１および第２のバイアス磁石は、それぞれ自身のＳ極の中心（Ｐ１）およびＮ極の中心（Ｐ２）を結ぶ線が前記被検出電流の流れる方向と直交し、かつ、同じ磁極同士が相対向するように配置されており、前記第１の磁気抵抗素子は、自身が有する磁気抵抗（Ｒａ〜Ｒｄ）の磁化容易軸を含む平面（２１ａ）と前記第１のバイアス磁石のＳ極の中心およびＮ極の中心を結ぶ線を含む平面（３１ａ）とが平行になるように配置されており、前記第２の磁気抵抗素子は、自身が有する磁気抵抗の磁化容易軸を含む平面と前記第２のバイアス磁石のＳ極の中心およびＮ極の中心を結ぶ線を含む平面とが平行になるように配置されているという技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、第１の磁気抵抗素子は、自身が有する磁気抵抗の磁化容易軸を含む平面と、第１のバイアス磁石のＳ極の中心およびＮ極の中心を結ぶ線を含む平面とが平行になるように配置されているため、第１のバイアス磁石のＮ極から発生する磁束同士が平行になっている一様な分布のバイアス磁界を第１の磁気抵抗素子に印加することができる。
したがって、第１の磁気抵抗素子の取付位置が、第１のバイアス磁石のＳ極の中心およびＮ極の中心を結ぶ線と直交する方向にずれた場合であっても、第１の磁気抵抗素子に備えられた磁気抵抗に印加される磁束の磁化容易軸に対する入射角度が変化しないため、電路を挾んで配置された１対のＭＲＥおよび１対のバイアス磁石のペア性が崩れるおそれがない。第２の磁気抵抗素子および第２のバイアス磁石についても同様である。
つまり、磁気抵抗素子およびバイアス磁石の取付位置の誤差による検出精度の低下を少なくすることができる。

この発明の請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の電流センサ（５０）において、前記第１の磁気抵抗素子（２１）および第１のバイアス磁石（３１）は基板（５１）を挾んで設けられており、前記第２の磁気抵抗素子（２２）および第２のバイアス磁石（３２）も基板を挾んで設けられているという技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明によれば、第１の磁気抵抗素子および第１のバイアス磁石の間に基板を挾むことにより、第１のバイアス磁石が発生するバイアス磁界の磁力を調整することができるため、そのバイアス磁界と電路の周囲に発生する磁界との合成磁界、つまり、合成磁気ベクトルを適切な大きさに調整することができる。また、第２の磁気抵抗素子および第２のバイアス磁石の関係についても同様である。

この発明の請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の電流センサ（５０）において、前記第１のバイアス磁石（３１）は基板（５１）上に形成された位置決め用の凹部（５１ｄ）に設けられており、前記第２のバイアス磁石（３２）も基板（５１）上に形成された位置決め用の凹部（５１ｄ）に設けられているという技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明によれば、第１および第２のバイアス磁石をそれぞれ位置決め用の凹部に取付ければ自動的に位置決めがなされるため、取付け位置の誤差により、被検出電流の検出精度が低くなるおそれがない。また、各バイアス磁石の取付けを行う毎に位置決めをする必要がないので、取付け作業効率を高めることができる。

この発明の請求項４に記載の発明では、請求項２または請求項３に記載の電流センサ（５０）において、前記第１の磁気抵抗素子（２１）は基板（５１）上に形成された位置決め用の凹部（５１ｃ）に設けられており、前記第２の磁気抵抗素子（２２）も基板（５１）上に形成された位置決め用の凹部（５１ｃ）に設けられているという技術的手段を用いる。

請求項４に記載の発明によれば、第１および第２の磁気抵抗素子をそれぞれ位置決め用の凹部に取付ければ自動的に位置決めがなされるため、取付け位置の誤差により、被検出電流の検出精度が低くなるおそれがない。また、各磁気抵抗素子の取付けを行う毎に位置決めをする必要がないので、取付け作業効率を高めることができる。

この発明の請求項５に記載の発明では、請求項１に記載の電流センサ（５０）において、前記第１の磁気抵抗素子（２１）は基板（５１）上に設けられた前記第１のバイアス磁石（３１）と密着して設けられており、前記第２の磁気抵抗素子（２２）は基板（５１）上に設けられた前記第２のバイアス磁石（３２）と密着して設けられているという技術的手段を用いる。

請求項５に記載の発明によれば、第１の磁気抵抗素子は基板上に設けられた第１のバイアス磁石と密着して設けられているため、第１のバイアス磁石のバイアス磁界を第１の磁気抵抗素子に効率良く印加することができる。第２の磁気抵抗素子および第２のバイアス磁石についても同様である。したがって、第１および第２の磁気抵抗素子の磁電変換効率を高めることができる。

この発明の請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の電流センサ（５０）において、前記第１のバイアス磁石（３１）は基板（５１）上に形成された位置決め用の凹部（５１ｅ）に設けられており、前記第２のバイアス磁石（３２）も基板（５１）上に形成された位置決め用の凹部（５１ｅ）に設けられているという技術的手段を用いる。

請求項６に記載の発明によれば、第１および第２のバイアス磁石をそれぞれ位置決め用の凹部に取付ければ自動的に位置決めがなされるため、取付け位置の誤差により、被検出電流の検出精度が低くなるおそれがない。また、各バイアス磁石の取付けを行う毎に位置決めをする必要がないので、取付け作業効率を高めることができる。

この発明の請求項７に記載の発明では、請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の電流センサ（５０）において、前記第１の磁気抵抗素子（２１）の中心（Ｃ２）および第１のバイアス磁石（３１）の中心（Ｃ１）が同軸（Ｌ１）上に配置されており、前記第２の磁気抵抗素子（２２）の中心および第２のバイアス磁石（３２）の中心も同軸上に配置されていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明によれば、第１の磁気抵抗素子の中心および第１のバイアス磁石の中心が同軸上に配置されているため、第１のバイアス磁石が一様な分布のバイアス磁界を第１の磁気抵抗素子に印加することができる。第２の磁気抵抗素子および第２のバイアス磁石についても同様である。したがって、被検出電流の検出精度を高めることができる。

この発明の請求項８に記載の発明では、請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の電流センサ（５０）において、前記第１のバイアス磁石（３１）の面積が前記第１の磁気抵抗素子（２１）よりも大きく、前記第２のバイアス磁石（３２）の面積が前記第２の抵抗素子（２２）よりも大きいという技術的手段を用いる。

請求項８に記載の発明によれば、第１のバイアス磁石の面積が第１の磁気抵抗素子よりも大きいため、第１のバイアス磁石が発生するバイアス磁界のうち、磁束同士が平行な一様な分布のバイアス磁界を第１の磁気抵抗素子に印加することができる。第２のバイアス磁石および第２の磁気抵抗素子についても同様である。したがって、磁気抵抗素子およびバイアス磁石の取付位置の誤差による検出精度の低下をより一層少なくすることができる。

この発明の請求項９に記載の発明では、請求項２ないし請求項６のいずれか１つに記載の電流センサ（５０）において、前記電路（９０）は、前記基板（５１）に貫通形成された空間（５２）に挿通されているという技術的手段を用いる。

請求項９に記載の発明によれば、電路は、基板に貫通形成された空間に挿通されているため、その空間に電路を挿通すれば、各磁気抵抗素子および各バイアス磁石が電路を挾んで配置された状態にすることができる。したがって、各磁気抵抗素子および各バイアス磁石を個別に取付ける必要がないため、電流センサの取付け作業効率を高めることができる。

この発明の請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載の電流センサ（５０）において、前記第１および第２の磁気抵抗素子（２１，２２）が出力する各検出信号は、振幅が同一で、かつ、位相が９０°異なるという技術的手段を用いる。

請求項１０に記載の発明によれば、第１および第２の磁気抵抗素子が出力する各検出信号は、振幅が同一で、かつ、位相が９０°異なるため、外乱磁界の影響を受けて検出信号の位相がずれた場合であっても、その位相のずれによる検出信号の差分を打ち消すことができるため、被検出電流の検出精度が低下しないようにすることができる。

この発明の請求項１１に記載の発明では、請求項１ないし請求項１０のいずれか１つに記載の電流センサ（５０）において、前記第１および第２の磁気抵抗素子（２１，２２）は、複数の磁気抵抗（Ｒａ〜Ｒｄ）から成るブリッジ回路を構成しており、前記ブリッジ回路の２つの中点（２１ｃ，２２ｃ）から出力される各検出信号を差動増幅して出力する差動増幅回路（５３）を備えるという技術的手段を用いる。

請求項１１に記載の発明によれば、第１および第２の磁気抵抗素子は、複数の磁気抵抗から成るブリッジ回路を構成しており、ブリッジ回路の２つの中点から出力される各検出信号を差動増幅して出力するため、被検出電流の検出感度を高めることができる。

なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

この発明の実施形態に係る電流センサの概略構成を示す平面説明図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 （ａ）は図２の一部を拡大して示す説明図であり、（ｂ）はＭＲＥを構成する磁気抵抗の配置を示す説明図である。 バイアス磁石３１，３２およびバスバー９０から発生する磁界の分布を示す説明図である。 バイアス磁石３１からバイアス発生する磁界の分布を拡大して示す説明図である。 各ＭＲＥを構成する磁気抵抗の配置を示す説明図である。 各ＭＲＥに発生する磁気ベクトルの説明図である。 電流センサ５０の主な電気的構成を示す説明図である。 従来の電流センサ７０の外乱磁界［ｍＴ］および誤差電流［％］の関係を示すグラフである。 本願発明の電流センサ５０の外乱磁界［ｍＴ］および誤差電流［％］の関係を示すグラフである。 シミュレーションの結果を示すグラフである。 第２実施形態に係る電流センサの断面図であり、（ａ）はＭＲＥ２１，２２を取付ける前の断面図、（ｂ）はＭＲＥ２１，２２を取付けた後の断面図である。 第３実施形態に係る電流センサの断面図であり、（ａ）はバイアス磁石３１，３２を取付ける前の断面図、（ｂ）はバイアス磁石３１，３２を取付けた後の断面図である。 第４実施形態に係る電流センサの断面図である。 第４実施形態の変更例に係る電流センサの断面図である。 本出願人が先の出願において提案した電流センサの概略構成を示す説明図である。 図１６に示すＭＲＥを構成する磁気抵抗の配置図である。 ＭＲＥに作用する磁気ベクトルの説明図である。 ＭＲＥ７３の各磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄと、バイアス磁石７１から発生する磁束との関係を示す概念図である。

〈第１実施形態〉
この発明に係る実施形態について図を参照して説明する。図１は、この実施形態に係る電流センサの概略構成を示す平面説明図であり、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。

［主要構成］
電流センサ５０は、基板５１を備えており、その基板５１には、基板５１の表面５１ａおよび裏面５１ｂを貫通するスリット５２が形成されている。スリット５２には、被検出電流Ｉが流れるバスバー９０が挿通されている。バスバー９０は、たとえば、車両に搭載されたバッテリーと接続されており、そのバッテリーから供給される電源を所定の電気回路へ供給する。

この実施形態では、バスバー９０は、板状に形成されており、バスバー９０の表裏の板面および一側面が、スリット５２の相対向する内壁面および底面に密着している。つまり、バスバー９０をその一側面がスリット５２の底面に当接するようにスリット５２に挿入することにより、バスバー９０のスリット５２に対する位置決めが自動的になされるように構成されている。

図１に示す例では、バスバー９０を流れる被検出電流Ｉの向きは、紙面の表面から裏面に垂直に貫通する方向である。基板５１の表面５１ａには、ＭＲＥ２１，２２が取付けられている。ＭＲＥ２１，２２は、バスバー９０を挾んで配置されている。ＭＲＥ２１，２２は、Ｎ極同士を相対向させて配置されており、バスバー９０からＮ極までの距離が同一となるように配置されている。つまり、ＭＲＥ２１，２２は、バスバー９０を中心にして点対称に配置されている。

図２に示すように、基板５１の裏面５１ｂには、ＭＲＥ２１にバイアス磁界を印加するバイアス磁石３１と、ＭＲＥ２２にバイアス磁界を印加するバイアス磁石３２とが取付けられている。ＭＲＥ２１は基板５１を挾んでバイアス磁石３１の直上に配置されており、ＭＲＥ２２は基板５１を挾んでバイアス磁石３２の直上に配置されている。各バイアス磁石３１，３２の横断面の面積は、直上に配置されたＭＲＥの横断面の面積よりも大きい。

また、ＭＲＥ２１，２２に配置された信号出力端子、電源供給端子およびグランド端子（図示省略）は、それぞれボンディングワイヤＷによって基板５１の表面５１ａに形成された回路（図示省略）と電気的に接続されている。この実施形態では、ＭＲＥ２１，２２はそれぞれ板状に形成されており、バイアス磁石３１，３２もそれぞれ板状に形成されている。

ここで、ＭＲＥおよびバイアス磁石の詳細な配置関係について図３を参照して説明する。図３（ａ）は図２の一部を拡大して示す説明図であり、（ｂ）はＭＲＥを構成する磁気抵抗の配置を示す説明図である。

最初に、ＭＲＥの製造方法を簡単に説明する。ＭＲＥを構成する磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄは、基板上に絶縁膜を介して形成される。また、各磁気抵抗は、蒸着法によって磁気抵抗材料を基板上に蒸着させ、その蒸着領域を電子ビーム露光して形成することができる。また、磁気抵抗材料としては、Ｎｉ−Ｃｏ系やＮｉ−Ｆｅ系などを用いることができる。また、基板としては、ガラスエポキシ基板などを用いることができる。

図３（ｂ）に示すように、ＭＲＥ２１は、ハーフブリッジ接続された磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄを備える。各磁気抵抗は同一の基板面に形成されている。また、各磁気抵抗の磁化容易軸（電流の流れる方向）は、各磁気抵抗の形成方向と同一であり、各磁化容易軸はそれぞれ基板面と平行である。また、各ＭＲＥの磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄは、それぞれ磁化容易軸と被検出電流Ｉの方向とが４５°を成すように配置されている。

図３（ａ）において、符号２１ａで示す破線は、ＭＲＥ２１を構成する磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄの各磁化容易軸を含む面である。つまり、その面２１ａは、各磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄが形成されている基板面と平行であり、ＭＲＥ２１の表面２１ｂにも平行である。以下、符号２１ａで示す面を磁気抵抗形成平面という。また、符号Ｐ１はバイアス磁石３１のＳ極の中心であり、符号Ｐ２はＮ極の中心である。符号３１ａは、Ｓ極の中心Ｐ１とＮ極の中心Ｐ２とを結ぶ線を含む面（以下、磁極中心間平面という）であり、バイアス磁石３１の表面３１ｂにも平行である。

磁気抵抗形成平面２１ａおよび磁極中心間平面３１ａは平行になっている。基板５１の表面５１ａおよび裏面５１ｂが平行であるため、ＭＲＥ２１の表面２１ｂ、磁気抵抗形成面２１ａ、基板５１の表面５１ａ、裏面５１ｂ、磁極中心間平面３１ａおよびバイアス磁石３１の表面３１ｂは総て相互に平行である。また、バイアス磁石３１の中心Ｃ１とＭＲＥ２１の中心Ｃ２とは、直線Ｌ１を通っている。つまり、バイアス磁石３１およびＭＲＥ２１は同軸上に配置されている。

［磁界の分布とＭＲＥの位置関係］
次に、磁界の分布とＭＲＥの位置関係について図を参照して説明する。図４は、バイアス磁石３１，３２およびバスバー９０から発生する磁界の分布を示す説明図である。図５は、バイアス磁石３１から発生するバイアス磁界の分布を拡大して示す説明図である。図６は、各ＭＲＥを構成する磁気抵抗の配置を示す説明図である。図７は、各ＭＲＥに発生する磁気ベクトルの説明図である。

バイアス磁石３１は、Ｎ極から出てＳ極に戻るバイアス磁界Ｍｆ１を発生し、バイアス磁石３２もＮ極から出てＳ極に戻るバイアス磁界Ｍｆ２を発生する。また、バスバー９０の周囲には、被検出電流Ｉが流れることにより、磁界が発生する。説明の都合上、その磁界のうち、ＭＲＥ２１に印加される磁界を磁界Ｍｆ３とし、ＭＲＥ２２に印加される磁界を磁界Ｍｆ４とする。ＭＲＥ２１には、バイアス磁界Ｍｆ１および磁界Ｍｆ３が印加され、ＭＲＥ２２には、バイアス磁界Ｍｆ２および磁界Ｍｆ４が印加される。

図５に示すように、バイアス磁石３１から発生したバイアス磁界Ｍｆ１のうち、ＭＲＥ２１に印加されるバイアス磁界は、相互に平行な磁束により構成されている。換言すると、ＭＲＥ２１は、相互に平行な磁束により構成され、一様に分布したバイアス磁界の中におかれている。したがって、ＭＲＥ２１を構成する各磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄ（図６）には、それぞれバイアス磁界Ｍｆ１が入射角度４５°で印加される。

このため、ＭＲＥ２１の取付位置がＸ軸方向にずれた場合であっても、ＭＲＥ２１に印加されるバイアス磁界Ｍｆ１の入射角度は変化しないため、合成磁気ベクトルＢ１（図７）の大きさおよび位相θは変化しない。また、ＭＲＥ２２にもバイアス磁石３２から発生したバイアス磁界Ｍｆ２の相互に平行な磁束が印加されるため、磁気抵抗に対するバイアス磁界の入射角度の変化によっては、合成磁気ベクトルＢ２の大きさおよび位相θは変化しない。

つまり、バスバー９０を挾んで配置された１対のＭＲＥ２１，２２および１対のバイアス磁石３１，３２のペア性が崩れるおそれがないため、ＭＲＥおよびバイアス磁石の取付位置の誤差による被検出電流Ｉの検出精度の低下を少なくすることができる。

［電気的構成］
次に、電流センサ５０の主な電気的構成について、それを示す図８を参照して説明する。

ＭＲＥ２１，２２は、磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄを直列接続したハーフブリッジ回路をそれぞれ有し、両ハーフブリッジ回路は並列接続され、全体としてフルブリッジ回路を構成している。ＭＲＥ２１のハーフブリッジ回路の中点２１ｃおよびＭＲＥ２２のハーフブリッジ回路の中点２２ｃは、差動増幅回路５３の入力に接続されている。各中点から出力される検出信号は、振幅が同一で、かつ、位相が９０°異なる。

差動増幅回路５３は、中点２１ｃの電位Ｖａおよび中点２２ｃの電位Ｖｂの差分を所定の利得で増幅し、その増幅信号を出力する。したがって、各ＭＲＥに外乱磁界が印加された場合であっても、その印加により発生する検出信号の電圧変動を打ち消すことができるため、外乱磁界によって検出精度が低下するおそれがない。

［効果の検証］
次に、本願発明者が、本願発明の効果について行った検証結果について説明する。本願発明者は、外乱磁界の影響についてシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、従来の電流センサ７０と、本願発明の電流センサ５０とを用いた。そして、外乱磁界を０から０．５ｍＴまで増大させたときの電流センサにより検出された電流値の実際の電流値に対する誤差（誤差電流（％））の大小を比較した。

従来の電流センサ７０によるシミュレーションでは計９個（ｎ＝９）の電流センサ７０を用い、本願発明の電流センサ５０によるシミュレーションでは計２個（ｎ＝２）の電流センサ５０を用いた。図９および図１０は、シミュレーションの結果を示すグラフである。図９は、従来の電流センサ７０の外乱磁界［ｍＴ］および誤差電流［％］の関係を示すグラフであり、図１０は、本願発明の電流センサ５０の外乱磁界［ｍＴ］および誤差電流［％］の関係を示すグラフである。

図９および図１０を比較すると、外乱磁界の増大に伴う誤差電流の最大値および最小値の差分が、本願発明の電流センサ５０の方が、従来の電流センサ７０よりも小さい。外乱磁界が０．５ｍＴのときの誤差電流の範囲は、従来が約０．２〜−０．５％であるのに対し、本願発明が約０．２５〜−０．２５％であり、従来よりも本願発明の方が小さい。
つまり、本願発明の電流センサ５０の方が、従来の電流センサ７０よりも外乱磁界による影響が小さいことが分かった。

また、本願発明者は、磁性体の影響についてシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、計２個の電流センサ５０を用いた。また、磁性体として鉄板を用い、電流センサ５０のＭＲＥ２１，２２および鉄板間の距離と誤差電流［％］との関係を調べた。図１１は、シミュレーションの結果を示すグラフであり、電流センサ５０のＭＲＥ２１，２２および鉄板間の距離（ｍｍ）と誤差電流（％）との関係を示す。

同図に示すように、鉄板からの距離が０〜１０ｍｍのときは、僅かに誤差電流が発生しているが、鉄板からの距離が１０ｍｍを超えると、誤差電流は殆ど発生していない。つまり、本願発明の電流センサ５０は、鉄板などの磁性体による影響が小さいことが分かった。特に、本願発明の電流センサ５０を車載バッテリのバスバーに取付ける状況を考えた場合、ＭＲＥ２１，２２から１０ｍｍ以下の距離に鉄板などの磁性体が配置されることはないことから、本願発明の電流センサ５０が周囲の磁性体による影響を受けることは考えられない。このため、本願発明の電流センサ５０は、車載バッテリの電流検出に最適であることが分かる。

［第１実施形態の効果］
（１）上述した第１実施形態の電流センサ５０は、ＭＲＥ２１，２２およびバイアス磁石３１，３２が、ＭＲＥの磁気抵抗形成平面とバイアス磁石の磁極中心間平面とが平行になるように配置されているため、バイアス磁石のＮ極から発生する磁束同士が平行になっている一様な分布のバイアス磁界をＭＲＥに印加することができる。
したがって、ＭＲＥの取付位置が、バイアス磁石の磁極中心間を結ぶ線と直交する方向にずれた場合であっても、ＭＲＥに備えられた磁気抵抗Ｒａ〜Ｒｄに印加されるバイアス磁界の磁化容易軸に対する入射角度が変化しないため、バスバー９０を挾んで配置された１対のＭＲＥ２１，２２および１対のバイアス磁石３１，３２のペア性が崩れるおそれがない。
つまり、ＭＲＥおよびバイアス磁石の取付位置の誤差による検出精度の低下を少なくすることができる。

（２）また、ＭＲＥ２１，２２およびバイアス磁石３１，３２は基板５１を挾んで設けられているため、バイアス磁石が発生するバイアス磁界の磁力を調整することができる。したがって、バイアス磁界とバスバー９０の周囲に発生する磁界との合成磁界、つまり、合成磁気ベクトルを適切な大きさに調整することができる。

（３）さらに、ＭＲＥの中心およびバイアス磁石の中心が同軸上に配置されているため、一様な分布のバイアス磁界をＭＲＥに均一に印加することができる。したがって、被検出電流Ｉの検出精度を高めることができる。

（４）さらに、バイアス磁石の横断面の面積がＭＲＥの横断面の面積よりも大きいため、バイアス磁界のうち、磁束同士が平行な一様な分布のバイアス磁界をＭＲＥに印加することができる。したがって、ＭＲＥおよびバイアス磁石の取付位置の誤差による検出精度の低下をより一層少なくすることができる。

（５）さらに、バスバー９０は、基板５１に貫通形成されたスリット５２に挿通されているため、そのスリット５２にバスバー９０を挿通すれば、各ＭＲＥ２１，２２および各バイアス磁石３１，３２がバスバー９０を挾んで配置された状態にすることができる。したがって、各ＭＲＥおよび各バイアス磁石を個別に取付ける必要がないため、電流センサ５０の取付け作業効率を高めることができる。

（６）さらに、ＭＲＥ２１，２２が出力する各検出信号は、振幅が同一で、かつ、位相が９０°異なるため、外乱磁界の影響を受けて検出信号の位相がずれた場合であっても、その位相のずれによる検出信号の差分を打ち消すことができるため、被検出電流Ｉの検出精度が低下しないようにすることができる。

（７）さらに、ＭＲＥ２１，２２は、複数の磁気抵抗から成るブリッジ回路を構成しており、ブリッジ回路の２つの中点２１ｃ，２２ｃから出力される各検出信号を差動増幅して出力するため、被検出電流Ｉの検出感度を高めることができる。

〈第２実施形態〉
次に、この発明の第２実施形態について図を参照して説明する。図１２は、この実施形態に係る電流センサの断面図であり、（ａ）はＭＲＥ２１，２２を取付ける前の断面図、（ｂ）はＭＲＥ２１，２２を取付けた後の断面図である。

図１２（ａ）に示すように、基板５１の表面５１ａにおいてＭＲＥ２１，２２を取付ける位置には、位置決め用の凹部５１ｃ，５１ｃが形成されている。各位置決め用凹部５１ｃは、ＭＲＥ２１，２２のペア性を保持することができる位置にそれぞれ形成されており、位置決め用凹部５１ｃからバスバー９０までの距離が同一となるように形成されている。また、各位置決め用凹部５１ｃは、ＭＲＥ２１，２２の底面形状に合致した形状に形成されており、ＭＡＲＥを嵌め込んだときにＭＲＥの周面との間に隙間が形成されないように形成されている。

また、各ＭＲＥの埋込み深さは、検出感度が最大となるように同一の深さに設定する。図１２（ｂ）に示すように、ＭＲＥ２１，２２は、それぞれ位置決め用凹部５１ｃに嵌め込まれている。また、各ＭＲＥおよび位置決め用凹部５１ｃは、接着剤によって固定されている。そして、各ＭＲＥは、位置決め用凹部５１ｃに固定された後、ボンディングワイヤＷによって基板５１の回路（図示省略）と電気的に接続される。

上述した第２実施形態の電流センサ５０を用いれば、ＭＲＥ２１，２２をそれぞれ位置決め用凹部５１ｃに取付ければ自動的に位置決めがなされるため、取付け位置の誤差により、被検出電流Ｉの検出精度が低くなるおそれがない。また、各ＭＲＥの取付けを行う毎に位置決めをする必要がないので、取付け作業効率を高めることができる。また、第２実施形態の電流センサ５０は、基板５１に位置決め用凹部５１ｃが形成されている以外は、第１実施形態の電流センサ５０と同じ構成であるため、第１実施形態と同じ効果を奏することができる。

〈第３実施形態〉
次に、この発明の第３実施形態について図を参照して説明する。図１３は、この実施形態に係る電流センサの断面図であり、（ａ）はバイアス磁石３１，３２を取付ける前の断面図、（ｂ）はバイアス磁石３１，３２を取付けた後の断面図である。

図１３（ａ）に示すように、基板５１の裏面５１ｂにおいてバイアス磁石３１，３２を取付ける位置には、位置決め用の凹部５１ｄ，５１ｄが形成されている。各位置決め用凹部５１ｄは、バイアス磁石３１，３２のペア性を保持することができる位置にそれぞれ形成されており、位置決め用凹部５１ｄからバスバー９０までの距離が同一となるように形成されている。また、各位置決め用凹部５１ｄは、バイアス磁石３１，３２の底面形状に合致した形状に形成されており、バイアス磁石を嵌め込んだときにバイアス磁石の周面との間に隙間が形成されないように形成されている。

また、各バイアス磁石の埋込み深さは、検出感度が最大となるように同一の深さに設定する。図１３（ｂ）に示すように、バイアス磁石３１，３２は、それぞれ位置決め用凹部５１ｄに嵌め込まれている。また、各バイアス磁石および位置決め用凹部５１ｄは、接着剤によって固定されている。

上述した第３実施形態の電流センサ５０を用いれば、バイアス磁石３１，３２をそれぞれ位置決め用凹部５１ｄに取付ければ自動的に位置決めがなされるため、取付け位置の誤差により、被検出電流Ｉの検出精度が低くなるおそれがない。また、各バイアス磁石の取付けを行う毎に位置決めをする必要がないので、取付け作業効率を高めることができる。また、第３実施形態の電流センサ５０は、基板５１に位置決め用凹部５１ｄが形成されている以外は、第１実施形態の電流センサ５０と同じ構成であるため、第１実施形態と同じ効果を奏することができる。

〈第４実施形態〉
次に、この発明の第４実施形態について図を参照して説明する。図１４は、この実施形態に係る電流センサの断面図である。

基板５１の表面５１ａには、バイアス磁石３１，３２が取付けられている。バイアス磁石３１の直上にはＭＲＥ２１が密着して設けられており、バイアス磁石３２の直上にはＭＲＥ２２が密着して設けられている。各ＭＲＥおよび各バイアス磁石は、それぞれペア性を保持することができる位置に取付けられている。各ＭＲＥは、それぞれ接着剤によってバイアス磁石の直上に固定されている。

上述した第４実施形態の電流センサ５０を用いれば、ＭＲＥ２１，２２は基板５１に設けられたバイアス磁石３１，３２の直上に密着して設けられているため、バイアス磁界をＭＲＥに効率良く印加することができる。したがって、各ＭＲＥの磁電変換効率を高めることができる。また、第４実施形態の電流センサ５０は、ＭＲＥが基板上のバイアス磁石の直上に密着している以外は、第１実施形態の電流センサ５０と同じ構成であるため、第１実施形態と同じ効果を奏することができる。

［第４実施形態の変更例］
図１５は、第４実施形態の変更例に係る電流センサの断面図である。同図に示すように、基板５１の表面５１ａにバイアス磁石の位置決め用凹部５１ｅを形成し、ＭＲＥを直上に固定したバイアス磁石３１，３２を各位置決め用凹部５１ｅに嵌め込んで固定しても良い。また、各バイアス磁石を位置決め用凹部５１ｅに嵌め込んで固定した後に各バイアス磁石の直上にＭＲＥを密着固定しても良い。この構成を用いれば、前述した第４実施形態の効果に加えて、取付け作業効率を高めることができるという効果を奏することもできる。

〈他の実施形態〉
（１）ＭＲＥ２１，２２と基板５１上の回路との接続方法としてワイヤボンディングに代えてフリップチップ接続を用いることもできる。この接続方法を用いれば、ＭＲＥの実装面積を小さくできる。また，配線が短いためにＭＲＥの電気的特性を向上させることもできる。

（２）位置決め用凹部に代えて、位置決め用の凸部を基板５１の表面５１ａまたは裏面５１ｂに形成しても良い。たとえば、ＭＲＥまたはバイアス磁石の底面の角部のうち、少なくとも２つの角部と合致する横断面形状を有する凸部を形成すれば、容易に位置決めを行うことができる。

前述の実施形態では、この発明に係る電流センサを車両に適用した場合を説明したが、ロボット、航空機、鉄道車両、船舶、電気機器など、電路を有するものであれば、どんなものにも適用することができる。

２１・・ＭＲＥ（第１の磁気抵抗素子）、２１ａ・・磁気抵抗形成面、
２２・・ＭＲＥ（第２の磁気抵抗素子）、２１ｃ，２２ｃ・・中点、
３１・・バイアス磁石（第１のバイアス磁石）、３１ａ・・磁極中心間平面、
３２・・バイアス磁石（第２のバイアス磁石）、５０・・電流センサ、
５１・・基板、５１ｃ〜５１ｅ・・位置決め用凹部、５２・・スリット、
５３・・差動増幅回路、９０・・バスバー、Ｒａ〜Ｒｄ・・磁気抵抗。

Claims (11)

1. 被検出電流が流れる電路を挾んで配置された第１および第２の磁気抵抗素子と、前記第１の磁気抵抗素子にバイアス磁界を与える第１のバイアス磁石と、前記第２の磁気抵抗素子にバイアス磁界を与える第２のバイアス磁石とを備えており、前記第１および第２の磁気抵抗素子の検出信号の差分を出力するように構成された電流センサであって、
   前記第１および第２のバイアス磁石は、それぞれ自身のＳ極の中心およびＮ極の中心を結ぶ線が前記被検出電流の流れる方向と直交し、かつ、同じ磁極同士が相対向するように配置されており、
   前記第１の磁気抵抗素子は、自身が有する磁気抵抗の磁化容易軸を含む平面と前記第１のバイアス磁石のＳ極の中心およびＮ極の中心を結ぶ線を含む平面とが平行になるように配置されており、
   前記第２の磁気抵抗素子は、自身が有する磁気抵抗の磁化容易軸を含む平面と前記第２のバイアス磁石のＳ極の中心およびＮ極の中心を結ぶ線を含む平面とが平行になるように配置されていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記第１の磁気抵抗素子および第１のバイアス磁石は基板を挾んで設けられており、前記第２の磁気抵抗素子および第２のバイアス磁石も基板を挾んで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. 前記第１のバイアス磁石は基板上に形成された位置決め用の凹部に設けられており、前記第２のバイアス磁石も基板上に形成された位置決め用の凹部に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記第１の磁気抵抗素子は基板上に形成された位置決め用の凹部に設けられており、前記第２の磁気抵抗素子も基板上に形成された位置決め用の凹部に設けら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１の磁気抵抗素子は基板上に設けられた前記第１のバイアス磁石と密着して設けられており、前記第２の磁気抵抗素子は基板上に設けられた前記第２のバイアス磁石と密着して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。
6. 前記第１のバイアス磁石は基板上に形成された位置決め用の凹部に設けられており、前記第２のバイアス磁石も基板上に形成された位置決め用の凹部に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
7. 前記第１の磁気抵抗素子の中心および第１のバイアス磁石の中心が同軸上に配置されており、前記第２の磁気抵抗素子の中心および第２のバイアス磁石の中心も同軸上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の電流センサ。
8. 前記第１のバイアス磁石の面積が前記第１の磁気抵抗素子よりも大きく、前記第２のバイアス磁石の面積が前記第２の抵抗素子よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の電流センサ。
9. 前記電路は、前記基板に貫通形成された空間に挿通されていることを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれか１つに記載の電流センサ。
10. 前記第１および第２の磁気抵抗素子が出力する各検出信号は、振幅が同一で、かつ、位相が９０°異なることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載の電流センサ。
11. 前記第１および第２の磁気抵抗素子は、複数の磁気抵抗から成るブリッジ回路を構成しており、
    前記ブリッジ回路の２つの中点から出力される各検出信号を差動増幅して出力する差動増幅回路を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１つに記載の電流センサ。

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