JP5747564B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗素子を用いた電流センサに関するものである。

従来、電気配線に流れる電流を測定するセンサとしては、計器用変流器等で代表されるカレントトランスやクランプメータなどの可搬式のセンサが挙げられる。これらは原理的に、及び精度を確保するために鉄心が主に使用されていることから、大電流では磁気飽和が生じて電流測定範囲を大きく取れなかった。また、鉄心が発熱して火災の原因になることもあった。

そこで、これらに代わるものとして、磁気抵抗素子を用いたセンサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。例えば、巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive effect）を発現する巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）を電流が流れる電気配線の近傍（電流磁界中）に配置し、その電流を検出するようにした電流センサがある。このＧＭＲ素子は、図１に示すように、抵抗値が一定比率で増加する直線部分と抵抗値が飽和する飽和部分とからなる磁気抵抗特性を有しており、その磁気抵抗特性における直線部分を利用して電流を検出するものである。

しかしながら、このような電流センサによれば高精度な電流の検出は可能であるが、狭い電流レンジでしか検出ができなかった。すなわち、微弱な電流の検出が可能である一方、比較的大電流の検出ができなかった。

ここで、最近の電子機器の電源回路において電流制御や過電流防止用として設けられている電流センサには、広い電流レンジが要求されており、前述した電流センサでは対応が困難であったり、あるいは適用しても構成が複雑になったりして、問題であった。

本発明は、以上の従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、簡便な構成で電気配線に流れる電流を広いダイナミックレンジ（電流レンジ）で検知する電流センサを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために提供する本発明は、以下の通りである。なお、カッコ内に本発明を実施するための形態において対応する部位及び符号等を示す。
〔１〕 測定対象（測定対象Ａ）に接続される電気配線と、前記電気配線の近傍に配置され該電気配線に流れる電流により発生する磁界の強度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子（磁気抵抗素子１１）を用いる電流センサにおいて、抵抗値が一定比率で増加する増加部分と抵抗値が飽和する飽和部分とからなる磁気抵抗特性（図４，図５）を有し、それぞれが前記電気配線（電気配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｃ１、ｗａ，ｗｂ，ｗｃ、ｗｒａ，ｗｒｂ，ｗｒｃ）から異なる距離（距離ｄ１，ｄ２，ｄ３）で離間して配置される複数の磁気抵抗素子（磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）と、前記複数の磁気抵抗素子それぞれにセンス電流を流すセンス電流部（センス電流部１２）と、前記磁気抵抗素子におけるセンス電流値の変化から磁気抵抗特性の前記増加部分から飽和部分へ移行する抵抗値の飽和点に到達したことを検知し、前記電気配線に流れる電流がある規定値に到達したとして出力する検知手段（検知手段１３）と、を備え、前記検知手段は、前記電気配線に流れる電流について前記複数の磁気抵抗素子ごとに異なる規定値への到達を検知し、前記電気配線は、前記複数の磁気抵抗素子ごとに、前記磁気抵抗素子の近傍に配置される検知用電気配線（電気配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｃ１、ｗｒａ，ｗｒｂ，ｗｒｃ）と、検知対象とならないように前記磁気抵抗素子から離れて配置されるパス用電気配線（電気配線ｗｓ，ｗｂ２，ｗｃ２）と、前記検知用電気配線、パス用電気配線のいずれかに切替えて接続可能な切り替え手段（切替スイッチ部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）と、からなることを特徴とする電流センサ（電流センサ１０，２０，３０、図２，図６〜図９）。
〔２〕 測定対象（測定対象Ａ）に接続される電気配線と、前記電気配線の近傍に配置され該電気配線に流れる電流により発生する磁界の強度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子（磁気抵抗素子１１）を用いる電流センサにおいて、抵抗値が一定比率で増加する増加部分と抵抗値が飽和する飽和部分とからなる磁気抵抗特性（図４，図５）を有し、それぞれが前記電気配線（電気配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｃ１、ｗａ，ｗｂ，ｗｃ、ｗｒａ，ｗｒｂ，ｗｒｃ）から異なる距離（距離ｄ１，ｄ２，ｄ３）で離間して配置される複数の磁気抵抗素子（磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）と、前記複数の磁気抵抗素子それぞれにセンス電流を流すセンス電流部（センス電流部１２）と、前記磁気抵抗素子におけるセンス電流値の変化から磁気抵抗特性の前記増加部分から飽和部分へ移行する抵抗値の飽和点に到達したことを検知し、前記電気配線に流れる電流がある規定値に到達したとして出力する検知手段（検知手段１３）と、を備え、前記検知手段は、前記電気配線に流れる電流について前記複数の磁気抵抗素子ごとに異なる規定値への到達を検知し、前記複数の磁気抵抗素子は、前記測定対象に対して並列に結線された複数の前記電気配線（電気配線ｗａ，ｗｂ，ｗｃ）に１対１に対応して配置されていることを特徴とする電流センサ（電流センサ１０，２０，３０、図２，図６〜図９）。
〔３〕 前記複数の磁気抵抗素子は、１本の前記電気配線に沿って配置されていることを特徴とする前記〔１〕に記載の電気センサ（図２，図７）。
〔４〕 前記検知手段は、前記電気配線に流れる電流について前記複数の磁気抵抗素子ごとに異なる電流レンジの規定値への到達を検知することを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の電流センサ。
〔５〕 前記磁気抵抗特性として、前記増加部分と飽和部分との間に該増加部分とは抵抗値が増加する比率の異なる第２の増加部分がある場合には、前記増加部分から前記第２の増加部分に移行する点を前記抵抗値の飽和点とすることを特徴とする前記〔１〕〜〔４〕のいずれかに記載の電流センサ（図５）。
〔６〕 前記磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）または異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ素子）であることを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載の電流センサ（図３）。
〔７〕 前記磁気抵抗素子は、平面上にループ状に形成された前記電気配線（電気配線ｗｒａ，ｗｒｂ，ｗｒｃ）の近傍に配置されることを特徴とする前記〔１〕に記載の電流センサ（図７）。
〔８〕 前記電気配線は、前記磁気抵抗素子を挟むように配置した２つのループ（電気配線ｗｒ１，ｗｒ２）からなるヘルムホルツコイル構造を有していることを特徴とする前記〔１〕に記載の電流センサ（図９）。

本発明の電流センサによれば、簡便な構成で電気配線に流れる電流について任意の規定値に到達したことを検知することができ、とくに広い電流レンジを区分して検知することが可能となる。

磁気抵抗素子の磁気抵抗特性を示す概念図である。 本発明に係る電流センサの第１の実施形態における構成を示す概略図である。 本発明で用いる磁気抵抗素子の構成を示す断面概略図である。 図３の磁気抵抗素子の磁気抵抗特性（１）の要部を示す概略図である。 図３の磁気抵抗素子の磁気抵抗特性（２）の要部を示す概略図である。 本発明に係る電流センサの第２の実施形態における構成を示す概略図である。 本発明に係る電流センサの第３の実施形態における構成を示す概略図である。 本発明に係る電流センサの第４の実施形態における要部構成を示す概略図である。 本発明に係る電流センサの第５の実施形態における要部構成を示す概略図である。

以下に、本発明に係る電流センサの構成について説明する。
（第１実施形態）
図２は、本発明に係る電流センサの第１の実施形態における構成を示す概略図である。
図２に示すように、電流センサ１０は、測定対象Ａに接続される電気配線ｗａ、ｗｂ１，ｗｂ２，ｗｃ１，ｗｃ２と、前記電気配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｃ１の近傍に配置され該電気配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｃ１に流れる電流により発生する磁界の強度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、前記複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃそれぞれにセンス電流を流すセンス電流部１２と、前記複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃそれぞれと接続しその検知結果を出力する検知手段１３と、電気配線ｗａ、ｗｂ１，ｗｂ２，ｗｃ１，ｗｃ２の接続を切替える切替スイッチ部１４ａ，１４ｂ，１４ｃと、検知手段１３の出力を受けて切替スイッチ部１４ａ，１４ｂ，１４ｃを制御する検知制御部１５と、を備える。なお、図２では、センス電流部１２と磁気抵抗素子１１ｂ，１１ｃとの接続、検知手段１３と磁気抵抗素子１１ｂ，１１ｃとの接続は省略している。

ここで、測定対象Ａは、電源から電力が供給されて種々の動作や処理を行う電子・電機機器のユニット（あるいは部品）であり、その内部の異常や劣化などにより負荷が増大して流れる電流が増加する場合があるものである。また、図２では、測定対象Ａは、通常は電気配線ｗｓに接続されており、電流検知を行う場合に切替スイッチ部１４ａにより電流センサ１０に接続されるようになっている。

磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ（磁気抵抗素子１１と総称する。）は、高い抵抗変化率をもつ電流検知用素子であり、例えば巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ素子）のいずれかである。図３にその構成例を示す。
図３に示す磁気抵抗素子１１は、基板１、シード層２、磁化固定層３、トンネル障壁層４、フリー層５、キャップ層６からなるＴＭＲ層構成を有している。

基板１としては、例えばＳｉやＳｉ上熱酸化基板を用いる。また、超高真空スパッタ装置やイオンビームスパッタ装置、ＥＢ蒸着装置などを用いて、Ｔａなどのシード層２、ＦｅＭｎ，ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ，ＮｉＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＣｒＰｔＭｎ，ＣｏＭｎなどやそれらの合金などからなる磁化固定層３を構成する。このとき、その厚みは各設計値によって、３ｎｍ〜４００ｎｍ程度か、それ以上に設定されるが、１０ｎｍ〜１００ｎｍが好適である。

トンネル障壁層４は、例えばＡｌ−ＯやＭｇＯで構成され、その厚みは０．５ｎｍ〜６ｎｍの間で設計されるが、１ｎｍ〜４ｎｍが好適である。特に、ＭｇＯで構成すると、比較的厚い膜厚であっても優れた磁気抵抗変化率特性が得られるので、抵抗値を大きくとりたい場合には厚みを厚くすることで実現可能となるメリットを有する。なお、図示はしないが、ＭｇＯ層をトンネル障壁層４とする場合には、例えばＣｏＦｅＳｉＢなどのアモルファス膜をアズデポ（析出まま）で作製後、アニール時に結晶化することも好ましい。これにより、ＭｇＯの再配列を促し、結晶性を高めることで磁気抵抗変化率を著しく向上されることが可能となり、さらに検知性能の向上を図ることができる。

フリー層５は、例えばＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，ＣｏＮｉＦｅ，ＣｏＺｒＮｂ等の軟磁気特性を有するもので構成することにより、センサ特性を発揮することができる。また、キャップ層６としてＴａなどを成膜する。

磁気抵抗素子１１は、所望の形状にフォトリソ、ＥＢ露光等を用いた微細加工により形状を作製し、上下に電極を配して完成させる。

なお、本実施形態では、センス電流を一定電圧源（センス電流部１２）より発生させて、センス電流値自身の変化をもって、出力としているが、一定電流源として磁気抵抗素子１１の発生電圧をもって、出力とすることも可能である。
さらに、本発明における磁気抵抗素子１１は、図３に示すＴＭＲ層構成に限られるものではなく、ＧＭＲ層構成でもよい。すなわち、図３において、トンネル障壁層４に代えて、非磁性金属層とし、それ以外の層構成は同様のものとする。このとき、非磁性金属層は、例えばＣｕ，Ａｇなどが適する。また、図３において、磁化固定層３の上部にシンセティックフェリ層を設ける構成とすることも好ましい。

ところで通常、磁気センシングを用いて、電流センサとする場合、直接磁界等を測定する場合など磁気センサの感度が小さなため、ホール素子も含んで比較的大きな素子をする必要があった。これに対して、本発明の電流センサでは、近年格段に特性が向上したＴＭＲ素子やＧＭＲ素子などの磁気抵抗素子を用いるものとしている。すなわち、ＴＭＲ素子では、磁界の検知に関して、フリー層５の磁界に対する変化を基準とする磁化固定層３との磁化の相対角によってトンネル電流の流れ方が異なることで磁気抵抗変化としている。したがって、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子においても磁界の変化に追随して変化するフリー層か、ＡＭＲ素子においては通常は検知層一層でフリー層そのものであるため、微弱な磁界の検知においてはフリー層の特徴をうまく利用することで、磁気抵抗素子特性の向上を図ることができる。以下、必要に応じてＴＭＲ層構成の磁気抵抗素子１１を例に取り、説明する。

ここで、電気配線に電流を流すと、その電気配線の周りには磁界が発生するが、このとき、電気配線の近傍に磁気抵抗素子１１を配置すると、マイナーループを描く磁気ヒステリシスをもつことから、その磁界の影響を受けてフリー層５が磁化し、結果として所定の抵抗値を示す。また、電流の増加に伴い磁界の強度が増加すると、フリー層５において、マイナーループに沿って磁化が増大するがあるところから磁化が飽和する特徴をもつ。これは、フリー層５とするパーマロイ（ＮｉＦｅ）、スーパーマロイ、ＣｏＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＡｌＳｉ等の各材料に応じてそれぞれ特徴あるマイナーループをとりながらも磁化飽和に達するものである。このとき、磁気抵抗素子１１においてはフリー層５の磁化状態に応じて、磁気抵抗変化も得られることとなることから、磁気飽和時にはそれ以上抵抗値は変化しないという特徴を有することとなる。

図４に、磁気抵抗素子１１の磁気抵抗特性を示す。図４において、電気配線に流す電流を増加させると磁界強度が増加するが、電気配線近傍に配置された磁気抵抗素子１１は、その磁界強度の増加に応じて抵抗値が一定比率で増加する直線部分と抵抗値が飽和する飽和部分とからなる磁気抵抗特性を有する。ここで、磁気抵抗特性の前記直線部分から飽和部分へ移行する臨界部分を抵抗値の飽和点と称する。この飽和点は磁気抵抗特性の前記直線部分から飽和部分へ移行する部分の勾配が急激に変化する部分（屈曲点）でもあることからその検知が容易である。また、飽和点は磁性体の物性や反強磁性体と磁性体との界面で発生する交換相互作用によって一義的に決まる量であるので、非常に精度のよい臨界点となる。さらに、通常の磁気抵抗素子１１の作製プロセスでも、その飽和点が再現性よく得られる。

このような磁気抵抗特性を有する磁気抵抗素子１１を電気配線に対して一定の距離ｄだけ離間させて配置した場合、磁気抵抗素子１１に流すセンス電流の変化から前記抵抗値の飽和点に到達したことを検知することが可能である。またこのとき、磁気抵抗素子１１の抵抗値の飽和点の磁界強度、及び磁気抵抗素子１１−電気配線の距離ｄが既知であると、電気配線に流れる電流がある電流値となったこと（到達電流値）を検知することができる。

図２に示す電流センサ１０では、検知手段１３が磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃそれぞれにおけるセンス電流値の変化から磁気抵抗特性の前記直線部分から飽和部分へ移行する抵抗値の飽和点に到達したことを検知し、対応する電流配線（電気配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｃ１）に流れる電流がある規定値に到達したとして出力する。

また、磁気抵抗素子１１と磁界の発生源（電気配線）との距離ｄが大きくなるほど、同一の磁界発生源（同一電流）で考えた場合、磁気抵抗素子１１により検知される到達電流値は大きくなる。

図２に示す電流センサ１０では、複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、１本の電気配線（電気配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｃ１が繋がっている場合）に沿って配置されており、磁気抵抗素子１１ａと電気配線ｗａとの距離ｄ１、磁気抵抗素子１１ｂと電気配線ｗｂ１との距離ｄ２、磁気抵抗素子１１ｃと電気配線ｗｃ１との距離ｄ３をこの順番で大きくなるように異なる距離としている。これにより、検知手段１３は、電流配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｃ１に流れる電流について複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃごとに異なる規定値への到達を検知することが可能となる。特に、距離ｄ１，ｄ２，ｄ３を調整すれば、検知手段１３は、電流配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｃ１に流れる電流について複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃごとに異なる電流レンジの規定値への到達を検知することができる。例えば、電流配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｃ１に流れる電流について、磁気抵抗素子１１ａにより１０ｍＡの到達が検知され、磁気抵抗素子１１ｂにより１００ｍＡの到達が検知され、磁気抵抗素子１１ｃにより１０００ｍＡの到達が検知される。

また、図２に示す電流センサ１０では、前記電気配線は、複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃごとに、前記磁気抵抗素子の近傍に配置される検知用電気配線と、検知対象とならないように前記磁気抵抗素子から離れて配置されるパス用電気配線と、前記検知用電気配線、パス用電気配線のいずれかに切替えて接続可能な切替スイッチ部と、から構成されている。例えば、磁気抵抗素子１１ａに対応して、磁気抵抗素子１１ａの近傍に配置される検知用電気配線ｗａと、検知対象とならないように磁気抵抗素子１１ａから離れて配置されるパス用電気配線（電気配線ｗｓ）と、検知用電気配線ｗａ、パス用電気配線ｗｓのいずれかに切替えて接続可能な切替スイッチ部１４ａと、から構成されている。また、磁気抵抗素子１１ｂに対応して、磁気抵抗素子１１ｂの近傍に配置される検知用電気配線ｗｂ１と、検知対象とならないように磁気抵抗素子１１ｂから離れて配置されるパス用電気配線ｗｂ２と、検知用電気配線ｗｂ１、パス用電気配線ｗｂ２のいずれかに切替えて接続可能な切替スイッチ部１４ｂと、から構成されている。また、磁気抵抗素子１１ｃに対応して、磁気抵抗素子１１ｃの近傍に配置される検知用電気配線ｗｃ１と、検知対象とならないように磁気抵抗素子１１ｃから離れて配置されるパス用電気配線ｗｃ２と、検知用電気配線ｗｃ１、パス用電気配線ｗｃ２のいずれかに切替えて接続可能な切替スイッチ部１４ｃと、から構成されている。

このような構成の電流センサ１０では、次の手順で電気配線の電流検知が行われる。
（Ｓ１１） 検知制御部１５の制御により、切替スイッチ部１４ａは電気配線ｗａに接続し、切替スイッチ部１４ｂ，１４ｃはそれぞれ電気配線ｗｂ２，ｗｃ２に接続する。また、センス電流部１２から磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃそれぞれに一定のセンス電流が流される。
（Ｓ１２） 検知手段１３は、磁気抵抗素子１１ａにおいて、センス電流値の変化から磁気抵抗特性の前記抵抗値の飽和点に到達したことを検知し、対応する電流配線ｗａに流れる電流が第１規定値（例えば１０ｍＡ）に到達したとして検知制御部１５に出力する。
（Ｓ１３） 検知制御部１５は、電気配線に流れる電流が第１規定値に到達したことを報知し（しなくてもよい）、切替スイッチ部１４ｂが電気配線ｗｂ１に接続するように制御する。
（Ｓ１４） 検知手段１３は、磁気抵抗素子１１ｂにおいて、センス電流値の変化から磁気抵抗特性の前記抵抗値の飽和点に到達したことを検知し、対応する電流配線ｗｂ１に流れる電流が第２規定値（例えば１００ｍＡ）に到達したとして検知制御部１５に出力する。
（Ｓ１５） 検知制御部１５は、電気配線に流れる電流が第２規定値に到達したことを報知し（しなくてもよい）、切替スイッチ部１４ｃが電気配線ｗｃ１に接続するように制御する。
（Ｓ１６） 検知手段１３は、磁気抵抗素子１１ｃにおいて、センス電流値の変化から磁気抵抗特性の前記抵抗値の飽和点に到達したことを検知し、対応する電流配線ｗｃ１に流れる電流が第３規定値（例えば１０００ｍＡ）に到達したとして検知制御部１５に出力する。
（Ｓ１７） 検知制御部１５は、電気配線に流れる電流が第３規定値に到達したことを報知する。

以上のように、本発明の電流センサ１０によれば、簡便な構成で電気配線に流れる電流について任意の規定値に到達したことを検知することができ、とくに広い電流レンジを区分して検知することが可能となる。
なお、本発明では、電気配線に流される電流は直流（ＤＣ）に限らず、交流（ＡＣ）であっても測定可能である。

また、磁気抵抗素子１１はその構成によっては、磁気抵抗特性として、前記直線部分と飽和部分との間、あるいは飽和部分の代わりに、該直線部分とは抵抗値が増加する比率の異なる第２の直線部分がある場合がある。この第２の直線部分は、図５に示すように、緩やかに増大が続き準飽和的な変化をする。この場合には、図５に示すように前記直線部分から前記第２の直線部分に移行する点（飽和点に近い漸近点）を前記抵抗値の飽和点とする。このとき、この飽和点の設定により必要な精度が得られることを確認しておくことが好ましい。

（第２実施形態）
図６は、本発明に係る電流センサの第２の実施形態における構成を示す概略図である。
本発明の電流センサ２０は、第１の実施形態と比べて、電気配線及び切替スイッチ部の構成が異なる。すなわち、電気配線は、測定対象Ａに対して並列に結線された複数（ここでは３本）の電気配線ｗａ，ｗｂ，ｗｃからなり、測定対象Ａからの電流は電気配線ｗａ，ｗｂ，ｗｃに均等に分配される。また、電気配線ｗａ，ｗｂ，ｗｃが測定対象Ａに対して接続可能な切替スイッチ部２４と、検知手段１３の出力を受けて切替スイッチ部２４を制御する検知制御部２５が設けられている。
なお、電流センサ２０のそれ以外の構成は第１の実施形態と同じであり、図６において第１の実施形態と同じものは同じ符号を付している。

また、複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、電気配線ｗａ，ｗｂ，ｗｃに１対１に対応して、それぞれ所定の距離ｄ１，ｄ２，ｄ３だけ離間して配置されている。

このような構成の電流センサ２０では、次の手順で電気配線の電流検知が行われる。
（Ｓ２１） 検知制御部２５の制御により、切替スイッチ部２４は測定対象Ａに対して電気配線ｗａ，ｗｂ，ｗｃに接続する。また、センス電流部１２から磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃそれぞれに一定のセンス電流が流される。
（Ｓ２２） 検知手段１３は、磁気抵抗素子１１ａにおいて、センス電流値の変化から磁気抵抗特性の前記抵抗値の飽和点に到達したことを検知し、対応する電流配線ｗａに流れる電流が第１規定値（例えば１０ｍＡ）に到達したとして検知制御部２５に出力する。
（Ｓ２３） 検知制御部２５は、電気配線に流れる電流が所定の規定値（第１規定値×３）に到達したことを報知する（しなくてもよい）。
（Ｓ２４） 検知手段１３は、磁気抵抗素子１１ｂにおいて、センス電流値の変化から磁気抵抗特性の前記抵抗値の飽和点に到達したことを検知し、対応する電流配線ｗｂに流れる電流が第２規定値（例えば１００ｍＡ）に到達したとして検知制御部２５に出力する。
（Ｓ２５） 検知制御部２５は、電気配線に流れる電流が所定の規定値（第２規定値×３）に到達したことを報知する（しなくてもよい）。
（Ｓ２６） 検知手段１３は、磁気抵抗素子１１ｃにおいて、センス電流値の変化から磁気抵抗特性の前記抵抗値の飽和点に到達したことを検知し、対応する電流配線ｗｃに流れる電流が第３規定値（例えば１０００ｍＡ）に到達したとして検知制御部２５に出力する。
（Ｓ２７） 検知制御部２５は、電気配線に流れる電流が警報値（第３規定値×３）に到達したことを報知する。

以上のように、本発明の電流センサ２０によれば、簡便な構成で電気配線に流れる電流について任意の規定値に到達したことを検知することができ、とくに広い電流レンジを区分して検知することが可能となる。
なお、電気配線ｗａ，ｗｂ，ｗｃへの電流の分流のさせ方は前述のように均等でもよいし、配線部材の設計により比率が既知であるような所定の比率での分流でもよい。最終的に各電流値を総計することで全電流値レベルが検知可能となる。

（第３実施形態）
図７は、本発明に係る電流センサの第３の実施形態における構成を示す概略図である。
本発明の電流センサ３０は、第１の実施形態と比べて、電気配線の構成が異なる。すなわち、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃそれぞれに対応して、磁気抵抗素子１１から所定の距離だけ離間した状態で該磁気抵抗素子１１の周りを周回するように一平面上をループ状の配線される電気配線ｗｒａ，ｗｒｂ，ｗｒｃが設けられている。詳しくは、磁気抵抗素子１１ａから所定の距離ｄ１だけ離間した状態で該磁気抵抗素子１１ａの周りを周回するように一平面上をループ状の配線される電気配線ｗｒａが設けられ、磁気抵抗素子１１ｂから所定の距離ｄ２だけ離間した状態で該磁気抵抗素子１１ｂの周りを周回するように一平面上をループ状の配線される電気配線ｗｒｂが設けられ、磁気抵抗素子１１ｃから所定の距離ｄ３だけ離間した状態で該磁気抵抗素子１１ｃの周りを周回するように一平面上をループ状の配線される電気配線ｗｒｃが設けられている。これにより、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、それぞれ電気配線ｗｒａ，ｗｒｂ，ｗｒｃで形成される平面ループ内に配置されるようになる。

なお、電流センサ３０のそれ以外の構成は第１の実施形態と同じであり、図７において第１の実施形態と同じものは同じ符号を付している。なお、センス電流部１２、検知手段１３、検知制御部１５は省略しているが、第１の実施形態と同じである。

また、電流センサ３０における電気配線の電流検知の手順は、第１の実施形態（電流センサ１０）と同じであり、本発明の電流センサ３０によれば、簡便な構成で電気配線に流れる電流について任意の規定値に到達したことを検知することができ、とくに広い電流レンジを区分して検知することが可能となる。特に、電気配線ｗｒａ，ｗｒｂ，ｗｒｃを平面ループ状に配線したので、電流による発生磁界のベクトル方向は基板面（＝膜面）に垂直となり、磁気抵抗素子１１の反磁界の影響の考慮した設計や発生する強度の精度が上がり（発生磁界強度と分布の誤差を低減でき）、より正確な測定を可能とすることが可能となる。

（第４実施形態）
図８は、本発明に係る電流センサの第４の実施形態における要部構成を示す概略図である。
本実施形態の電流センサの基本構成は、第１の実施形態と同じであるが、図８に示すように、磁気抵抗素子１１は、基板１上に所定の薄膜（シード層２、磁化固定層３、トンネル障壁層４、フリー層５、キャップ層６）が積層されてなり、電気配線ｗｒが前記薄膜の積層方向（図中上下方向）に沿ってループ状に配置されることを特徴とするものである。

この構成によれば、電流による発生磁界のベクトル方向は基板面（＝膜面）に平行となり、磁気抵抗素子１１の反磁界の影響の考慮した設計や発生する強度の精度が上がり、より正確な測定を可能となる。また、磁気抵抗素子１１及び電気配線ｗｒの作製を半導体ＬＳＩ工程の中に取り込むことが可能であり、ＬＳＩ等の多層配線中では磁気抵抗素子１１平面に対して垂直に配置した構成がとれることから、より近接した立体ループ構造が、比較的低面積で実現可能であり、電流センサの小型化と高感度化が実現可能である。

（第５実施形態）
図９は、本発明に係る電流センサの第５の実施形態における要部構成を示す概略図である。
本実施形態の電流センサの基本構成は、第１の実施形態と同じであるが、図９に示すように、電気配線ｗｒ１，ｗｒ２は、磁気抵抗素子１１を挟むように配置した２つのループからなるヘルムホルツコイル構造を有していることを特徴とするものである。

この構成によれば、第４の実施形態と同様に、電流による発生磁界のベクトル方向は基板面（＝膜面）に平行となり、磁気抵抗素子１１の反磁界の影響の考慮した設計や発生する磁界強度の精度の均一性が上がり、特に、磁気抵抗素子１１を挟むように配置した２つのループからなるヘルムホルツコイル構造の電気配線ｗｒ１，ｗｒ２とすることから、より正確な電流検知が可能となる。

なお、これまで本発明を図面に示した実施形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
例えば、前述した実施形態では、センス電流を一定電圧源より発生させて、センス電流値自身の変化をもって、出力としているが、一定電流源として磁気抵抗素子部の発生電圧をもって、出力とすることも可能である。

１ 基板
２ シード層
３ 磁化固定層
４ トンネル障壁層
５ フリー層
６ キャップ層
１０，２０，３０ 電流センサ
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 磁気抵抗素子
１２ センス電流部
１３ 検知手段
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，２４ 切替スイッチ部
１５，２５ 検知制御部
Ａ 測定対象
ｗａ，ｗｂ，ｗｂ１，ｗｂ２，ｗｃ，ｗｃ１，ｗｃ２，ｗｒ，ｗｒ１，ｗｒ２，ｗｒａ，ｗｒｂ，ｗｒｃ，ｗｓ 電気配線

特開２００１−５０９８７号公報

Claims (8)

1. 測定対象に接続される電気配線と、前記電気配線の近傍に配置され該電気配線に流れる電流により発生する磁界の強度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子を用いる電流センサにおいて、
   抵抗値が一定比率で増加する増加部分と抵抗値が飽和する飽和部分とからなる磁気抵抗特性を有し、それぞれが前記電気配線から異なる距離で離間して配置される複数の磁気抵抗素子と、
   前記複数の磁気抵抗素子それぞれにセンス電流を流すセンス電流部と、
   前記磁気抵抗素子におけるセンス電流値の変化から磁気抵抗特性の前記増加部分から飽和部分へ移行する抵抗値の飽和点に到達したことを検知し、前記電気配線に流れる電流がある規定値に到達したとして出力する検知手段と、
   を備え、
   前記検知手段は、前記電気配線に流れる電流について前記複数の磁気抵抗素子ごとに異なる規定値への到達を検知し、
   前記電気配線は、前記複数の磁気抵抗素子ごとに、前記磁気抵抗素子の近傍に配置される検知用電気配線と、検知対象とならないように前記磁気抵抗素子から離れて配置されるパス用電気配線と、前記検知用電気配線、パス用電気配線のいずれかに切替えて接続可能な切り替え手段と、からなることを特徴とする電流センサ。
2. 測定対象に接続される電気配線と、前記電気配線の近傍に配置され該電気配線に流れる電流により発生する磁界の強度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子を用いる電流センサにおいて、
   抵抗値が一定比率で増加する増加部分と抵抗値が飽和する飽和部分とからなる磁気抵抗特性を有し、それぞれが前記電気配線から異なる距離で離間して配置される複数の磁気抵抗素子と、
   前記複数の磁気抵抗素子それぞれにセンス電流を流すセンス電流部と、
   前記磁気抵抗素子におけるセンス電流値の変化から磁気抵抗特性の前記増加部分から飽和部分へ移行する抵抗値の飽和点に到達したことを検知し、前記電気配線に流れる電流がある規定値に到達したとして出力する検知手段と、
   を備え、
   前記検知手段は、前記電気配線に流れる電流について前記複数の磁気抵抗素子ごとに異なる規定値への到達を検知し、
   前記複数の磁気抵抗素子は、前記測定対象に対して並列に結線された複数の前記電気配線に１対１に対応して配置されていることを特徴とする電流センサ。
3. 前記複数の磁気抵抗素子は、１本の前記電気配線に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電気センサ。
4. 前記検知手段は、前記電気配線に流れる電流について前記複数の磁気抵抗素子ごとに異なる電流レンジの規定値への到達を検知することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電流センサ。
5. 前記磁気抵抗特性として、前記増加部分と飽和部分との間に該増加部分とは抵抗値が増加する比率の異なる第２の増加部分がある場合には、前記増加部分から前記第２の増加部分に移行する点を前記抵抗値の飽和点とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電流センサ。
6. 前記磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗素子、トンネル磁気抵抗素子または異方性磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電流センサ。
7. 前記磁気抵抗素子は、平面上にループ状に形成された前記電気配線の近傍に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
8. 前記電気配線は、前記磁気抵抗素子を挟むように配置した２つのループからなるヘルムホルツコイル構造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。
   

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