JP6107942B2 - 磁気電流センサおよび電流測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子回路などに流れる電流を磁気抵抗効果によって検出する磁気電流センサおよび電流測定方法に関する。

近年、電気自動車の普及、またはスマートメーターや電力の見える化システムの導入などにより、これらを用途とする電流センサの市場が急速に拡大している。市場で使用されている電流センサの主な方式としては、（１）シャント抵抗方式、（２）カレントトランス方式、（３）ホール式の磁気電流センサ、（４）磁気抵抗（Ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、以下ＭＲと略す）式の磁気電流センサの４種類がある。

（１）の電流センサに関しては、電気的絶縁が容易ではないという問題がある。（２）の電流センサに関しては、原理的に交流しか測定できないという問題がある。（３）の電流センサに関しては、磁気的なヒステリシスが存在するために再現性が悪いことと、ホール素子の感度がＭＲ素子に比べて低いために電流センサのサイズを大きくする必要がある、という問題がある。（４）の電流センサに関しては、バーバーポール型のＭＲ素子を利用していることから、磁気的なヒステリシスが存在するために再現性が悪いという問題がある。

図１は、磁気ヒステリシスにより磁気電流センサの出力電圧にヒステリシスが生じる様子を示す。磁気電流センサにおいては、使用されるＭＲ素子などの磁気的なヒステリシスにより、電流のＵＰ方向とＤＯＷＮ方向とで出力電圧に差分が発生する。この差分が磁気電流センサの出力電圧のヒステリシスとなる。この原因である磁気ヒステリシスを抑制するために、特許文献１には、ＭＲ素子にバイアス磁界を印加する方法が開示されている。

特開Ｈ６−１４８３０１号公報

電気自動車やスマートメーター、電力の見える化システムなどの新しい領域に用いられる電流センサには、益々の高度化が求められている。すなわち、第１に、入力電流に対する出力電圧のリニアリティ（直線性）の更なる向上が求められている。第２に、入力電流の極性（流れる方向性）の正確な判別機能が求められている。第３に、入力電流が低電流から高電流に推移する場合（ＵＰ方向という）と、高電流から低電流に推移する場合（ＤＯＷＮという）との、出力電圧のヒステリシスの低減が求められている。第４に、更なる大電流化と小型化とが求められている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流をＭＲ効果によって検出する磁気電流センサにおいて、磁気ヒステリシスを抑制することで０ｍＡ付近の電流と出力電圧のリニアリティに優れ、電流回路側とＭＲ素子側との絶縁性に優れていることで大電流化と小型化および低コスト化を可能とする磁気電流センサおよび電流測定方法を提供することにある。

本発明の磁気電流センサは、４つの磁気抵抗素子で構成されたホイートストンブリッジ回路と、前記磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段と、前記ホイートストンブリッジ回路の両側に設けられた空芯コイルと、を有し、前記ホイートストンブリッジ回路が、前記空芯コイルを流れる被測定電流により発生する誘導磁界に対応した電圧を発生することを特徴とする。

本発明の電流測定方法は、バイアス磁界を印加した４つの磁気抵抗素子で構成したホイートストンブリッジ回路に、前記ホイートストンブリッジ回路の両側に設けた空芯コイルを流れる被測定電流により発生する誘導磁界に対応した電圧を発生させることで電流測定を行うことを特徴とする。

本発明の磁気電流センサおよび電流測定方法によれば、磁気ヒステリシスを抑制することで０ｍＡ付近の電流と出力電圧のリニアリティに優れ、電流回路側とＭＲ素子側との絶縁性に優れていることから大電流化と小型化および低コスト化を可能とする。

磁気ヒステリシスにより磁気電流センサの出力電圧にヒステリシスが生じる様子を示す概念図である。 本発明の実施形態の磁気電流センサの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の磁気電流センサおよび電流測定方法のブリッジ回路１の中心点での電流と電流により発生する磁界との関係を示す図である。 本発明の実施形態の磁気電流センサおよび電流測定方法のブリッジ回路１に作用する磁界とブリッジ回路の出力電圧（Ｖ＋）−（Ｖ−）との関係を示す図である。 本発明の実施形態の磁気電流センサおよび電流測定方法の電流と出力電圧との関係を示す図である。 本発明の実施形態の磁気電流センサの組立図の平面図を示す。 本発明の実施形態の磁気電流センサのブリッジ回路１と磁石１（２ａ）と磁石２（２ｂ）との組立図を示す。 本発明の第実施形態の磁気電流センサのブリッジ回路１の構成図を示す。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。

図２は、本発明の実施形態の磁気電流センサの構成を示すブロック図である。端子のＩ_ＩＮは電流の入力端子である。端子のＩ_ＯＵＴは電流の出力端子である。端子のＶ＋とＶ−とは、電圧の出力の＋端子と出力の−端子とである。端子のＶ_ＣＣとＧＮＤとは、電源の＋側と接地（グランド）側との端子である。

ブリッジ回路１のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４はＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子であり、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）合金（パーマロイ）の薄膜を用いることができる。感度の向上と同相ノイズを除去する目的で、４個のＭＲ素子によるブリッジ回路、いわゆるホイートストン・ブリッジ（Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ ｂｒｉｄｇｅ）回路を構成する。

磁石１（２ａ）と磁石２（２ｂ）とは、一組の異極同士を対向させた永久磁石であり、ＭＲ素子にバイアス磁界を印加する。コイル１（３ａ）とコイル２（３ｂ）とは、２個の同じ空芯コイルである。Ｉ_ＩＮ端子からＩ_ＯＵＴ端子まで電流を流すと、コイル１（３ａ）とコイル２（３ｂ）とからは、同じ方向の極性を有する磁界が発生する。

図３は、本発明の実施形態の磁気電流センサおよび電流測定方法の、コイル１（３ａ）とコイル２（３ｂ）の中間点（ブリッジ回路１の中心点）での、電流と電流により発生する磁界との関係を示す。電流が正方向（Ｉ_ＩＮ→Ｉ_ＯＵＴ）に流れる場合、正方向磁界５ａが発生する。電流が逆方向（Ｉ_ＯＵＴ→Ｉ_ＩＮ）に流れる場合、逆方向磁界５ｂが発生する。

図４は、本発明の実施形態の磁気電流センサおよび電流測定方法の、ブリッジ回路１に作用する図３の磁界と、ブリッジ回路１の出力電圧（Ｖ＋）−（Ｖ−）との関係を示す。磁界が正方向の場合、正方向電圧６ａが、磁界が逆方向の場合、逆方向電圧６ｂが出力電圧として生じる。ブリッジ回路１を構成するＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４には、磁石１（２ａ）と磁石２（２ｂ）とによりバイアス磁界が印加されることにより、ヒステリシスのない出力電圧特性が得られる。なお、ＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４に印加されるバイアス磁界の方向と大きさは、略同等である。

図５は、本発明の実施形態の磁気電流センサおよび電流測定方法の、電流と出力電圧との関係を示す。正方向の電流（Ｉ_ＩＮ→Ｉ_ＯＵＴ）に対しては正方向の出力電圧４ａ、逆方向の電流（Ｉ_ＯＵＴ→Ｉ_ＩＮ）に対しては逆方向の出力電圧４ｂが得られる。ブリッジ回路１を構成するＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４には、磁石１（２ａ）と磁石２（２ｂ）によりバイアス磁界が印加されていることにより、ヒステリシスのない出力電圧特性が得られる。特に、０ｍＡ付近、すなわち電流による磁界がゼロの付近での、電流と出力電圧のリニアリティに優れる。

図６は、本実施形態の磁気電流センサの組立図の平面図を示す。また、図７は、図６において、４個のＭＲ素子からなるブリッジ回路１と、ブリッジ回路１にバイアス磁界を印加する磁石１（２ａ）と磁石２（２ｂ）との組立図を示す。コイル１（３ａ）、コイル２（３ｂ）、ＭＲ素子からなるブリッジ回路１、磁石１（２ａ）、磁石２（２ｂ）は一つの基板の上に固定される。コイルの空芯方向と、ＭＲ素子のＶ_ＣＣとＧＮＤ端子の方向とは、Ｘ軸方向に配置される。

図８は、ブリッジ回路１を構成するＭＲ素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の構成図を示す。Ｙ軸方向がＭＲ素子Ｒ１及びＲ４のパターンの長辺方向と一致し、Ｘ軸方向がＭＲ素子Ｒ２及びＲ３のパターンの長辺方向と一致するように配置される。すなわち、ＭＲ素子Ｒ１及びＲ４は、Ｘ軸方向の磁界が最大検出方向となるようにつづら折り形状で配置され、ＭＲ素子Ｒ２及びＲ３は、Ｙ軸方向の磁界が最大検出方向となるようにつづら折り形状で配置される。

ブリッジ回路１は薄膜プロセスで製造することができる。すなわち、スパッタ法や蒸着法などの薄膜形成法で、ＭＲ素子となるパーマロイ膜や、電極となる銅膜あるいは金膜を形成する。次に、前記の各膜上にフォトリソグラフィ法により所望の形状のフォトマスクを形成する。次に、イオンミリングなどのエッチング法により所望の形状のＭＲ素子パターンや電極パターンを形成する。

磁石１（２ａ）と磁石２（２ｂ）は、ブリッジ回路１のような薄膜プロセスでも、磁石材料を成形して組み立てるバルクプロセスでも作製することができる。磁石材料としては、フェライト磁石、ＳｍＣｏ磁石などのＣｏ系磁石、ＮｄＦｅＢ磁石などのＦｅ系磁石を使用することができる。

磁石１（２ａ）と磁石２（２ｂ）の図７での図上の長辺方向、すなわち、磁石１（２ａ）から磁石２（２ｂ）への磁力線の方向に垂直な方向は、Ｘ軸方向と所定の角度θを成すように配置する。この角度θは好適には５°から８５°の範囲に選ばれる。さらに好適にはθは２６°である。

すなわち、磁石１（２ａ）から磁石２（２ｂ）への磁力線の方向とＸ軸方向とが成す角度φは、好適には９５°から１７５°である。さらに好適にはφは１１６°である。

ＭＲ素子の両端に永久磁石１（２ａ）及び永久磁石２（２ｂ）を配置することにより、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方にバイアス磁界が印加される。Ｙ軸方向のバイアス磁界強度は飽和磁界強度とする。これにより、検出すべき外部磁界が無いときも、ＭＲ素子の磁化方向はＹ軸方向と一致することで、磁壁の不連続な動きは減少し、ヒステリシスも減少する。

好ましくは、Ｘ軸方向のバイアス磁界強度を飽和磁界強度の半分に設定する。Ｘ軸方向の磁界強度がＹ軸方向の磁界強度の１／２となる上記角度θは、ほぼ２６°である。飽和磁界強度は、ＭＲ素子のサイズ（長さ、幅、厚さ）により決めることができる。Ｘ軸のバイアス磁界強度はＭＲ素子の外部磁界ゼロでの動作ポイントを移動し、ＭＲ素子の磁界強度と出力電圧（Ｖ＋）−（Ｖ−）のリニアリティ（直線性）を改善することができる。

電流回路となるコイル１（３ａ）とコイル２（３ｂ）の巻線の太さ及び巻き数量は、流す電流の最大値を考慮して決めることができる。さらに、コイル部とＭＲ素子部とは重なる部分がないことから電気的に分離されており、絶縁状態にある。よって、コイルに流れる電流はＭＲ素子に影響しないため、コイルには大きな電流を流すことができる。また、コイル部とＭＲ素子部とは絶縁された配置にあるため、両者を絶縁するための構造体、例えば、厚い絶縁層を形成するなどの絶縁のための構造体が不要となるため、小型化、低コスト化に有利である。

以上、本実施形態の磁気電流センサおよび電流測定方法によれば、磁気ヒステリシスが抑制されたことで、０ｍＡ付近（すなわち電流による磁界がゼロの付近）での電流と出力電圧のリニアリティに優れ、電流回路側とＭＲ素子側との絶縁性に優れていることで、大電流化と小型化および低コスト化を可能とする磁気電流センサおよび電流測定方法が実現する。

また、本発明の磁気電流センサおよび電流測定方法は、磁界でバイアスされたＭＲ素子を使用しているため、電流の流れる方向（極性）の判別が可能であり、直流と交流の双方に対応でき、薄膜プロセスでも製造できることから小型化と低コスト化とに有利である。
（実施例）
図６、図７、図８を参照して、本発明の実施例の磁気電流センサおよび電流測定方法を説明する。ブリッジ回路１を構成するＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）合金（パーマロイ）の薄膜からなる。パーマロイ薄膜の厚さは４００ｎｍである。各ＭＲ素子はつづら折り形状を有し、長辺の長さは２３０μｍ、幅は９μｍのパターンである。このパターンが２１本、つづら折り形状で繋がっている。隣のパターンとの間隔は２μｍである。

一組の永久磁石である磁石１（２ａ）と磁石２（２ｂ）はそれぞれ、長さ（磁石同士が対向する面の幅）が１．１ｍｍ、高さ（磁石同士が対向する面の奥行き）が０．６ｍｍ、厚さが０．２ｍｍである。永久磁石の材料はサマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）マグネットである。永久磁石の長さ（磁石同士が対向する面の幅）方向とＸ軸方向との成す角度θは２６°である。したがって、対向する永久磁石のＮ極からＳ極へ向かう磁力線とＸ軸方向との成す角度φは略１１６°である。

１０Ａの電流が流せるコイル１（３ａ）とコイル２（３ｂ）として、巻線の直径は０．８ｍｍ、巻き数量は２層の４回である。巻線の材質は銅である。

以上のＭＲ素子、永久磁石、及びコイルは、封止工程を有する電流センサの組立工程で、同一基板上に固定、配置される。

本実施例の磁気電流センサおよび電流測定方法によれば、磁気ヒステリシスが抑制されることで０ｍＡ付近、すなわち、電流による発生磁界がゼロの付近での電流と出力電圧のリニアリティに優れ、電流回路側とＭＲ素子側との絶縁性に優れていることから大電流化と小型化および低コスト化を可能とする磁気電流センサおよび電流測定方法が実現する。

本発明は、上記実施形態や実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。

付記
（付記１）
４つの磁気抵抗素子で構成されたホイートストンブリッジ回路と、前記磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段と、前記ホイートストンブリッジ回路の両側に設けられた空芯コイルと、を有し、前記ホイートストンブリッジ回路が、前記空芯コイルを流れる被測定電流により発生する誘導磁界に対応した電圧を発生する、磁気電流センサ。
（付記２）
前記ホイートストンブリッジ回路において隣り合う前記磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向が互いに直交する、付記１記載の磁気電流センサ。
（付記３）
前記被測定電流により生じる誘導磁界の方向は、前記磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向に平行な方向を有する、付記１または２記載の磁気電流センサ。
（付記４）
前記バイアス磁界の方向と前記磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向との成す角度が、９５°〜１７５°の角度を有する、付記１から３の内の１項記載の磁気電流センサ。
（付記５）
前記バイアス磁界の方向と前記磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向との成す角度が、略１１６°の角度を有する、付記１から４の内の１項記載の磁気電流センサ。
（付記６）
前記磁気抵抗素子には略同一方向で略同一の大きさの前記バイアス磁界が印加される、付記１から５の内の１項記載の磁気電流センサ。
（付記７）
前記バイアス磁界印加手段は永久磁石である、付記１から６の内の１項記載の磁気電流センサ。
（付記８）
バイアス磁界を印加した４つの磁気抵抗素子で構成したホイートストンブリッジ回路に、前記ホイートストンブリッジ回路の両側に設けた空芯コイルを流れる被測定電流により発生する誘導磁界に対応した電圧を発生させることで電流測定を行う、電流測定方法。
（付記９）
前記ホイートストンブリッジ回路において隣り合う前記磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向が互いに直交するよう配置する、付記８記載の電流測定方法。
（付記１０）
前記被測定電流により生じる誘導磁界の方向は、前記磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向に平行な方向を有する、付記８または９記載の電流測定方法。
（付記１１）
前記バイアス磁界の方向と前記磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向との成す角度が、９５°〜１７５°の角度を有する、付記８から１０の内の１項記載の電流測定方法。
（付記１２）
前記バイアス磁界の方向と前記磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向との成す角度が、略１１６°の角度を有する、付記８から１１の内の１項記載の電流測定方法。
（付記１３）
前記磁気抵抗素子には略同一方向で略同一の大きさの前記バイアス磁界を印加する、付記８から１２の内の１項記載の電流測定方法。
（付記１４）
前記バイアス磁界を永久磁石により印加する、付記８から１３の内の１項記載の電流測定方法。

本発明は、電気自動車やスマートメーター、電力システムなどでの電流モニターを行う電流センサに広く利用可能である。

１ ブリッジ回路
２ａ 磁石１
２ｂ 磁石２
３ａ コイル１
３ｂ コイル２

Claims (5)

1. ４つの磁気抵抗素子で構成されたホイートストンブリッジ回路と、
   前記４つの磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段と、
   前記ホイートストンブリッジ回路の両側に設けられた空芯コイルと、
   を有し、
   前記ホイートストンブリッジ回路において隣り合う磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向が互いに直交していることにより、前記４つの磁気抵抗素子のうちの２つの磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向と、前記４つの磁気抵抗素子のうちの他の２つの磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向とは、互いに直交しており、
   前記バイアス磁界は、前記２つの磁気抵抗素子の前記最大磁気感度軸方向において、前記２つの磁気抵抗素子の各々の飽和磁界強度を有し、
   前記バイアス磁界の方向と前記他の２つの磁気抵抗素子の前記最大磁気感度軸方向との成す角度は、略１１６°であり、
   前記ホイートストンブリッジ回路が、前記空芯コイルを流れる被測定電流により発生する誘導磁界に対応した電圧を発生する、磁気電流センサ。
2. 前記被測定電流により生じる誘導磁界の方向は、前記他の２つの磁気抵抗素子の前記最大磁気感度軸方向に平行である、請求項１に記載の磁気電流センサ。
3. 前記バイアス磁界印加手段は永久磁石である、請求項１または２に記載の磁気電流センサ。
4. バイアス磁界を印加した４つの磁気抵抗素子で構成したホイートストンブリッジ回路に、前記ホイートストンブリッジ回路の両側に設けた空芯コイルを流れる被測定電流により発生する誘導磁界に対応した電圧を発生させることで電流測定を行い、
   前記ホイートストンブリッジ回路において隣り合う磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向が互いに直交していることにより、前記４つの磁気抵抗素子のうちの２つの磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向と、前記４つの磁気抵抗素子のうちの他の２つの磁気抵抗素子の最大磁気感度軸方向とは、互いに直交しており、
   前記バイアス磁界は、前記２つの磁気抵抗素子の前記最大磁気感度軸方向において、前記２つの磁気抵抗素子の各々の飽和磁界強度を有し、
   前記バイアス磁界の方向と前記他の２つの磁気抵抗素子の前記最大磁気感度軸方向との成す角度は、略１１６°である、電流測定方法。
5. 前記被測定電流により生じる誘導磁界の方向は、前記他の２つの磁気抵抗素子の前記最大磁気感度軸方向に平行な方向である、請求項４に記載の電流測定方法。

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