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

磁気電流センサおよび電流測定方法 Download PDF

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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IINは電流の入力端子である。端子のIOUT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VCC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。IIN端子からIOUT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(IIN→IOUT)に流れる場合、正方向磁界5aが発生する。電流が逆方向(IOUT→IIN)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(IIN→IOUT)に対しては正方向の出力電圧4a、逆方向の電流(IOUT→IIN)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VCC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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