JP6409970B2 - 電流センサ - Google Patents

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Description

本発明は、電流センサに関し、特に、大電流を計測する電流センサに関する。
電流センサまたは磁気センサの構成を開示した先行文献として、特開２００７−１０８０６９号公報(特許文献１)、特表２００５−５１７９３７号公報(特許文献２)および特開２０１３−８８３７０号公報(特許文献３)がある。
特許文献１に記載された電流センサは、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、これらの一端同士を繋ぐ連結部と、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対向して延在し、かつ、平行部よりも大きな断面積を有する一対の端子部とを含む導体を備える。
特許文献２に記載された磁気センサは、一体型導体によって第１方向にバイアスを受け且つ第１方向に垂直な方向の磁界成分に感応する少なくとも２つの磁気抵抗素子を含む。磁界に対する磁気センサの感度は、調節可能であり、且つバイアス電流のレベルに関連される。電流センサにおいては、２つの磁気センサが、測定されるべき電流を伝える導体に垂直な両側に装着される。
特許文献３に記載された電流センサは、被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する感磁素子を備える。感磁素子は、感度軸および感度軸と直交する感度影響軸を有し、感度軸が誘導磁界の方向に対して所定の角度をなすように配置され、感度影響軸が被測定電流の通流方向および誘導磁界の方向に対して直交して配置されている。
特開２００７−１０８０６９号公報 特表２００５−５１７９３７号公報 特開２０１３−８８３７０号公報
従来の電流センサは、ホール素子または磁気抵抗素子などを有する磁気センサにおいて検出した磁束密度と出力電圧とが比例する線形領域内で使用される。すなわち、従来の電流センサは、磁気センサの線形領域を超える磁界が生ずる大電流を測定した場合、測定誤差が大きくなり測定精度が低下する。
一方、大電流を測定するために線形領域の広い磁気センサを備える電流センサを用いた場合、磁気センサの感度が低いため、小電流の測定精度が低下する。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、感度を維持しつつ測定範囲の広い電流センサを提供することを目的とする。
本発明に基づく電流センサは、測定対象の電流が流れる１次導体と、１次導体を流れる上記電流により発生する磁界の強さを検出し、検出軸および検出軸に直交する感度変化軸を有する少なくとも１つの磁気センサとを備える。磁気センサは、感度変化軸に沿う第１の方向の磁界成分が含まれるように上記磁界が印加されて出力感度が低くなる第１磁気センサ領域と、第１の方向とは反対の第２の方向の磁界成分が含まれるように上記磁界が印加されて出力感度が高くなる第２磁気センサ領域とを含む。
本発明の一形態においては、磁気センサは、第１磁気センサ領域における出力と第２磁気センサ領域における出力とを合わせて上記磁界の強さを検出する。
本発明の一形態においては、磁気センサが少なくとも１つの磁気抵抗素子を含む。磁気抵抗素子の一部が第１磁気センサ領域に位置している。磁気抵抗素子の他の一部が第２磁気センサ領域に位置している。
本発明の一形態においては、磁気センサが複数の磁気抵抗素子を含む。複数の磁気抵抗素子のうちの一部の磁気抵抗素子が第１磁気センサ領域に位置している。複数の磁気抵抗素子のうちの他の一部の磁気抵抗素子が第２磁気センサ領域に位置している。
本発明の一形態においては、磁気センサにおいて、第１磁気センサ領域および第２磁気センサ領域が検出軸に沿う方向に並んでいる。磁気センサは、感度変化軸に沿う方向が１次導体の幅方向と交差するように、１次導体の厚さ方向にて１次導体と対向している。
本発明の一形態においては、磁気センサにおいて、第１磁気センサ領域および第２磁気センサ領域が検出軸に沿う方向に並んでいる。磁気センサは、感度変化軸に沿う方向が１次導体の厚さ方向と交差するように、１次導体の幅方向にて１次導体と対向している。
本発明の一形態においては、電流センサは、磁気センサとして第１磁気センサおよび第２磁気センサを有している。上記電流が、２つの流路に分流されて１次導体を１次導体の長さ方向に流れる。１次導体において、２つの流路のうちの１つの流路を構成する第１流路部と、２つの流路のうちの他の１つの流路を構成する第２流路部とが、１次導体の厚さ方向にて互いに間隔を置いて対向するように並んでいる。第１磁気センサおよび第２磁気センサの各々において、第１磁気センサ領域および第２磁気センサ領域が検出軸に沿う方向に並んでいる。第１磁気センサは、第１流路部と第２流路部との間にて、感度変化軸に沿う方向が１次導体の幅方向と交差するように、１次導体の厚さ方向にて第１流路部と対向している。第２磁気センサは、第１流路部と第２流路部との間にて、感度変化軸に沿う方向が１次導体の幅方向と交差するように、１次導体の厚さ方向にて第２流路部と対向している。
本発明の一形態においては、電流センサは、磁気センサとして第１磁気センサおよび第２磁気センサを有している。上記電流が、２つの流路に分流されて１次導体を１次導体の長さ方向に流れる。１次導体において、２つの流路のうちの１つの流路を構成する第１流路部と、２つの流路のうちの他の１つの流路を構成する第２流路部とが、１次導体の幅方向にて互いに間隔を置いてずれて位置しつつ１次導体の厚さ方向にて互いに間隔を置いてずれて位置している。第１磁気センサおよび第２磁気センサの各々において、第１磁気センサ領域および第２磁気センサ領域が感度変化軸に沿う方向に並んでいる。第１磁気センサは、１次導体の厚さ方向において第１流路部と第２流路部との間にて、感度変化軸に沿う方向が１次導体の幅方向と交差するように、１次導体の幅方向にて第２流路部寄りの第１流路部の一部と１次導体の厚さ方向にて対向している。第２磁気センサは、１次導体の厚さ方向において第１流路部と第２流路部との間にて、感度変化軸に沿う方向が１次導体の幅方向と交差するように、１次導体の幅方向にて第１流路部寄りの第２流路部の一部と１次導体の厚さ方向にて対向している。
本発明の一形態においては、第１磁気センサの検出値と第２磁気センサの検出値とを演算することにより上記電流の値を算出する算出部をさらに備える。１次導体を流れる上記電流により発生する磁界の強さについて、第１磁気センサの検出値の位相と第２磁気センサの検出値の位相とが逆相である。算出部が減算器または差動増幅器である。
本発明の一形態においては、第１磁気センサの検出値と第２磁気センサの検出値とを演算することにより上記電流の値を算出する算出部をさらに備える。１次導体を流れる上記電流により発生する磁界の強さについて、第１磁気センサの検出値の位相と第２磁気センサの検出値の位相とが同相である。算出部が加算器または加算増幅器である。
本発明によれば、電流センサの感度を維持しつつ測定範囲を広げることができる。
本発明の実施形態１に係る電流センサの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。 従来の磁気センサに検出軸方向の入力磁界が印加された際の出力特性を示すグラフである。 従来の磁気センサにおける入力磁界の磁束密度と出力電圧の誤差率との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサの被測定磁界が印加された際の出力特性を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサにおける入力磁界の磁束密度と出力電圧の誤差率との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態２に係る電流センサの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３に係る電流センサの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る電流センサが備える１次導体の周辺に発生する被測定磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す磁束線図である。 本発明の実施形態３に係る電流センサが備える第１磁気センサの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態３に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３の変形例に係る電流センサが備える第１磁気センサの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態３の変形例に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。 本発明の実施形態４に係る電流センサの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサに電流計および電圧計を接続した状態を示す回路図である。 仮想の第１ブリッジ回路および仮想の第２ブリッジ回路の回路構成を示す回路図である。
以下、本発明の各実施形態に係る電流センサについて図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る電流センサの構成を示す断面図である。図２は、本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサの構成を示す平面図である。図３は、本発明の実施形態１に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。図１，２においては、後述する１次導体１２０の幅方向をＸ軸方向、１次導体１２０の長さ方向をＹ軸方向、１次導体１２０の厚さ方向をＺ軸方向として、図示している。図１においては、１次導体１２０の幅の中央を通過して１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)に延びる仮想中央線Ｃを図示している。
図１に示すように、本発明の実施形態１に係る電流センサ１００は、測定対象の電流１２が流れる１次導体１２０と、１次導体１２０を流れる測定対象の電流１２により発生する磁界(以下、被測定磁界と称す)１２ｅの強さを検出し、検出軸１１１および検出軸１１１に直交する感度変化軸１１２を有する１つの磁気センサ１１０とを備える。測定対象の電流１２は、１次導体１２０を１次導体１２０の長さ方向(Ｙ軸方向)に流れる。
磁気センサ１１０は、感度変化軸１１２に沿う第１の方向の磁界成分が含まれるように被測定磁界１２ｅが印加されて出力感度が低くなる第１磁気センサ領域Ｔ１と、第１の方向とは反対の第２の方向の磁界成分が含まれるように被測定磁界１２ｅが印加されて出力感度が高くなる第２磁気センサ領域Ｔ２とを含む。磁気センサ１１０は、第１磁気センサ領域Ｔ１における出力と第２磁気センサ領域Ｔ２における出力とを合わせて被測定磁界１２ｅの強さを検出する。なお、第１の方向は、感度変化軸１１２の矢印方向である。
磁気センサ１１０において、第１磁気センサ領域Ｔ１および第２磁気センサ領域Ｔ２が検出軸１１１に沿う方向に並んでいる。磁気センサ１１０は、感度変化軸１１２に沿う方向が１次導体１２０の幅方向(Ｘ軸方向)と交差するように、１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)にて１次導体１２０と対向している。
本実施形態においては、感度変化軸１１２に沿う方向が、１次導体１２０の幅方向(Ｘ軸方向)と直交している。磁気センサ１１０は、仮想中央線Ｃ上に配置され、１次導体１２０の表面と対向している。第１磁気センサ領域Ｔ１と第２磁気センサ領域Ｔ２との間に、仮想中央線Ｃが位置している。
以下、各構成について詳細に説明する。
本実施形態においては、１次導体１２０は、短冊状の形状を有している。１次導体１２０の幅はＷｂである。
１次導体１２０は、銅で構成されている。ただし、１次導体１２０の材料はこれに限られず、銀、アルミニウムなどの金属またはこれらの金属を含む合金でもよい。
１次導体１２０は、表面処理が施されていてもよい。たとえば、ニッケル、錫、銀、銅などの金属またはこれらの金属を含む合金からなる、少なくとも１層のめっき層が、１次導体１２０の表面に設けられていてもよい。
本実施形態においては、薄板をプレス加工することにより１次導体１２０を形成している。ただし、１次導体１２０の形成方法はこれに限られず、切削または鋳造などの方法によって１次導体１２０を形成してもよい。
次に、本実施形態に係る電流センサ１００が備える磁気センサ１１０の構成について説明する。
図２，３に示すように、本実施形態に係る電流センサ１００が備える磁気センサ１１０は、基板１１３上に設けられた８個の磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎが電気的に接続されたホイートストンブリッジ型回路(フルブリッジ回路)を含む。
磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎは、基板１１３の幅方向(Ｘ軸方向)に沿って並んでいる。磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ２Ｐ，Ｒ３Ｐ，Ｒ４Ｐの各々は、第１磁気センサ領域Ｔ１に位置している。磁気抵抗素子Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｎの各々は、第２磁気センサ領域Ｔ２に位置している。
磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎが位置している範囲の基板１１３の幅方向(Ｘ軸方向)の長さはＷｓである。Ｗｓ≧０．０５Ｗｂを満たすことが好ましい。図１に示すように、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々と１次導体１２０の表面との、１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)の最短距離はＬｍである。Ｌｍ≦Ｗｂを満たすことが好ましい。
磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々は、ＡＭＲ(Anisotropic Magneto Resistance)素子である。ただし、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々が、ＧＭＲ(Giant Magneto Resistance)、ＴＭＲ(Tunnel Magneto Resistance)、ＢＭＲ(Ballistic Magneto Resistance)、または、ＣＭＲ(Colossal Magneto Resistance)などであってもよい。
基板１１３上には、出力電圧Ｖｏｕｔ１を取り出すための電極パッドＰ１、出力電圧Ｖｏｕｔ２を取り出すための電極パッドＰ２、電源電圧Ｖｃｃを印加するための電極パッドＰ３、および、接地された電極パッドＰ４が設けられている。基板１１３上には、電極パッドと一緒にパターニングされて形成された接続配線１１６が設けられている。
磁気抵抗素子Ｒ１Ｐの一端側は、電極パッドＰ３に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子Ｒ１Ｐの他端側は、磁気抵抗素子Ｒ１Ｎの他端側に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子Ｒ１Ｎの一端側は、電極パッドＰ１に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子Ｒ２Ｎの一端側は、電極パッドＰ１に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子Ｒ２Ｎの他端側は、磁気抵抗素子Ｒ２Ｐの他端側に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子Ｒ２Ｐの一端側は、電極パッドＰ４に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。
上記のように、電極パッドＰ３、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ、磁気抵抗素子Ｒ１Ｎ、電極パッドＰ１、磁気抵抗素子Ｒ２Ｎ、磁気抵抗素子Ｒ２Ｐ、および電極パッドＰ４が電気的に直列に接続されることにより、第１ハーフブリッジ回路が構成されている。
磁気抵抗素子Ｒ３Ｎの他端側は、電極パッドＰ３に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子Ｒ３Ｎの一端側は、磁気抵抗素子Ｒ３Ｐの一端側に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子Ｒ３Ｐの他端側は、電極パッドＰ２に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子Ｒ４Ｐの他端側は、電極パッドＰ２に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子Ｒ４Ｐの一端側は、磁気抵抗素子Ｒ４Ｎの一端側に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子Ｒ４Ｎの他端側は、電極パッドＰ４に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。
上記のように、電極パッドＰ３、磁気抵抗素子Ｒ３Ｎ、磁気抵抗素子Ｒ３Ｐ、電極パッドＰ２、磁気抵抗素子Ｒ４Ｐ、磁気抵抗素子Ｒ４Ｎ、および電極パッドＰ４が電気的に直列に接続されることにより、第２ハーフブリッジ回路が構成されている。
第１ハーフブリッジ回路と第２ハーフブリッジ回路とが、互いに電気的に並列に接続されることにより、ホイートストンブリッジ型回路(フルブリッジ回路)が構成されている。本実施形態においては、磁気センサ１１０は、フルブリッジ回路を含んでいるが、第１ハーフブリッジ回路のみを含んでいてもよいし、１つの磁気抵抗素子のみを含んでいてもよい。
磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々は、基板１１３上に形成された強磁性体の薄膜からなる磁気抵抗膜１１４と、磁気抵抗膜１１４上に設けられたバーバーポール型電極１１５とを含む。磁気抵抗膜１１４は、基板１１３の長さ方向(Ｚ軸方向)に沿って延在し、矩形状の外形を有している。磁気抵抗膜１１４の形状異方性により、磁気抵抗膜１１４の磁化方向が決まっている。感度変化軸１１２は、磁気抵抗膜１１４の磁化方向に沿っており、本実施形態においては磁気抵抗膜１１４の長手方向に沿っている。
なお、磁気抵抗膜１１４の磁化方向を決定する方法として、磁気抵抗膜１１４の形状異方性を用いる方法に限られず、磁気抵抗膜１１４の近傍に永久磁石若しくは薄膜磁石を設ける方法、磁気抵抗膜１１４において交換結合若しくは相間結合を設ける方法、磁気抵抗膜１１４の近傍に設けられたコイルの誘導磁界を用いる方法、または、磁気抵抗膜１１４の近傍に設けられた磁性体の残留磁束を用いる方法などを採用してもよい。磁気抵抗膜１１４の近傍に設けられたコイルの誘導磁界を用いる方法を採用する場合、コイルに流される電流の大きさ変更することにより、磁気抵抗膜１１４に印加されるバイアス磁界の強さを調整することができる。磁気抵抗膜１１４の磁化の強さ(バイアス磁界の強さ)は、被測定磁界における感度変化軸１１２に沿う磁界成分の強さの２倍以上であることが好ましい。
磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々におけるバーバーポール型電極１１５は、磁気抵抗膜１１４の長手方向と斜めに交差するように延在する複数の第１電極部から構成されている。複数の第１電極部は、互いに間隔を置いて磁気抵抗膜１１４の長手方向に並んでいる。
磁気抵抗素子Ｒ２Ｐ、磁気抵抗素子Ｒ２Ｎ、磁気抵抗素子Ｒ３Ｐおよび磁気抵抗素子Ｒ３Ｎの各々におけるバーバーポール型電極１１５は、磁気抵抗膜１１４の長手方向と斜めに交差するように延在する複数の第２電極部から構成されている。複数の第２電極部は、互いに間隔を置いて磁気抵抗膜１１４の長手方向に並んでいる。
第１ハーフブリッジ回路と第２ハーフブリッジ回路との間にてＺ軸方向に延びる仮想中心線に関して、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐのバーバーポール型電極１１５と磁気抵抗素子Ｒ３Ｎのバーバーポール型電極１１５とは線対称に位置し、磁気抵抗素子Ｒ２Ｐのバーバーポール型電極１１５と磁気抵抗素子Ｒ４Ｎのバーバーポール型電極１１５とは線対称に位置し、磁気抵抗素子Ｒ３Ｐのバーバーポール型電極１１５と磁気抵抗素子Ｒ１Ｎのバーバーポール型電極１１５とは線対称に位置し、磁気抵抗素子Ｒ４Ｐのバーバーポール型電極１１５と磁気抵抗素子Ｒ２Ｎのバーバーポール型電極１１５とは線対称に位置している。
磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々は、バーバーポール型電極１１５を含むことによって、奇関数入出力特性を有している。具体的には、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々は、バーバーポール型電極１１５を含むことにより、磁気抵抗膜１１４の磁化方向に対して所定の角度(たとえば４５°)をなす方向に電流が流れるようにバイアスされている。
これにより、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々の抵抗特性と、磁気抵抗素子Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎの各々の抵抗特性とが、互いに反対になる。たとえば、検出軸１１１の矢印方向の磁界成分が印加されている時、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々の抵抗値が増加し、磁気抵抗素子Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎの各々の抵抗値は減少する。
電極パッドＰ３と電極パッドＰ４との間に電源電圧Ｖｃｃが印加されることにより、被測定磁界の強度に応じた、出力電圧Ｖｏｕｔ１が電極パッドＰ１から取り出され、出力電圧Ｖｏｕｔ２が電極パッドＰ２から取り出される。出力電圧Ｖｏｕｔ１と出力電圧Ｖｏｕｔ２とは、差動増幅器１３０によって差動増幅される。電源電圧Ｖｃｃは、直流の一定電圧であってもよいし、交流電圧またはパルス電圧であってもよい。
以下、電流センサ１００の動作について説明する。
図１に示すように、１次導体１２０に測定対象の電流１２が流れることにより、いわゆる右ねじの法則によって図中の左回りに周回する被測定磁界１２ｅが発生する。その結果、図１，２に示すように、第１磁気センサ領域Ｔ１には、入力磁界１２１ｅが印加され、第２磁気センサ領域Ｔ２には、入力磁界１２２ｅが印加される。
入力磁界１２１ｅは、検出軸１１１の矢印方向の磁界成分１２１ｘと、感度変化軸１１２に沿う第１方向の磁界成分１２１ｚとを含む。入力磁界１２２ｅは、検出軸１１１の矢印方向の磁界成分１２２ｘと、感度変化軸１１２に沿う第２方向の磁界成分１２２ｚとを含む。
磁界成分１２１ｚは磁気抵抗膜１１４の磁化方向(感度変化軸１１２の矢印方向)と同じ方向に進入するため、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ２Ｐ，Ｒ３Ｐ，Ｒ４Ｐの各々の出力感度は低くなる。磁界成分１２２ｚは磁気抵抗膜１１４の磁化方向(感度変化軸１１２の矢印方向)とは反対方向に進入するため、磁気抵抗素子Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｎの各々の出力感度は高くなる。
磁界成分１２１ｘと磁界成分１２２ｘとはともに検出軸１１１の矢印方向に進入するため、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々の抵抗値は増加し、磁気抵抗素子Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎの各々の抵抗値は減少する。
ここで、従来の磁気センサの出力特性についてシミュレーション解析した結果を説明する。図４は、従来の磁気センサに検出軸方向の入力磁界が印加された際の出力特性を示すグラフである。図４においては、縦軸に出力電圧(Ｖ)、横軸に入力磁界の磁束密度(ｍＴ)を示している。また、図４においては、従来の磁気センサの入力磁界の磁束密度に対する出力電圧を直線近似した仮想出力電圧を２点鎖線で示している。具体的には、従来の磁気センサの仮想出力電圧は、入力磁界の磁束密度と出力電圧との関係を最小二乗法を用いて１次関数にて近似して求めた。
従来の磁気センサのシミュレーション解析の条件としては、４つの磁気抵抗素子が電気的に接続されたホイートストンブリッジ型回路(フルブリッジ回路)において、４つの磁気抵抗素子の各々に、同じ方向に磁界が印加されるようにした。ブリッジ抵抗Ｒｂを６００Ω、電源電圧Ｖｃｃを３．００Ｖ、バイアス磁界Ｈｂを３００Ｏｅ、ＡＭＲ素子のＭＲ比(ΔＲ／Ｒ)を２．０％、バーバーポール型電極の第１電極部の延在方向θBBPを４５°、バーバーポール型電極の第２電極部の延在方向θBBPを−４５°、被測定磁界の印加方向θｅｘを９０°とした。上記の印加方向および延在方向の各々は、感度変化軸１１２の矢印方向を基準として時計回りに１８０°未満の範囲を正の値、反時計回りに１８０°以下の範囲を負の値で示している。
図４に示すように、従来の磁気センサに検出軸方向の入力磁界が印加された際の出力特性においては、入力磁界の磁束密度の絶対値が大きくなると、飽和して出力電圧の絶対値の増加率が小さくなり、出力電圧と仮想出力電圧との差が広がっている。
ここで、磁気センサの出力電圧の誤差率について定義する。被測定磁界の範囲における仮想出力電圧の最大値と最小値との間の間隔であるフルスケールに対する、出力電圧と仮想出力電圧との差の比率を、磁気センサの出力電圧の誤差率とする。
たとえば、被測定磁界の範囲が±２０ｍＴであり、磁束密度が２０ｍＴのときの仮想出力電圧が０．０３Ｖ、磁束密度が−２０ｍＴのときの仮想出力電圧が−０．０３Ｖである場合、フルスケールは０．０６Ｖとなる。磁束密度が１５ｍＴのとき、出力電圧が０．０２３５Ｖ、仮想出力電圧が０．０２２Ｖであった場合、磁気センサの出力の誤差率は、(０．０２３５−０．０２２)／０．０６×１００＝２．５％となる。
図５は、従来の磁気センサにおける入力磁界の磁束密度と出力電圧の誤差率との関係を示すグラフである。図５においては、縦軸に出力電圧の誤差率(％ＦＳ)、横軸に入力磁界の磁束密度(ｍＴ)を示している。
図５に示すように、従来の磁気センサにおいては、入力磁界の磁束密度の絶対値が約１０ｍＴを超えた時点から飽和状態となり、出力電圧の誤差率の絶対値が約５％ＦＳに達している。
次に、本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサの出力特性についてシミュレーション解析した結果を説明する。図６は、本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサの被測定磁界が印加された際の出力特性を示すグラフである。図６においては、縦軸に出力電圧(Ｖ)、横軸に入力磁界の磁束密度(ｍＴ)を示している。また、図６においては、第１磁気センサ領域Ｔ１における出力を１点鎖線、第２磁気センサ領域Ｔ２における出力を点線、磁気センサ１１０からの出力を実線で示している。図６においては、図１に示す磁気センサ１１０の検出軸１１１の矢印方向に進入する磁束の密度を正の値で示している。
本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサのシミュレーション解析の条件としては、ブリッジ抵抗Ｒｂを６００Ω、電源電圧Ｖｃｃを３．００Ｖ、バイアス磁界Ｈｂを３００Ｏｅ、ＡＭＲ素子のＭＲ比(ΔＲ／Ｒ)を２．０％、バーバーポール型電極の第１電極部の延在方向θBBPを４５°、バーバーポール型電極の第２電極部の延在方向θBBPを−４５°、第１磁気センサ領域Ｔ１における被測定磁界の印加方向θｅｘを３０°、第２磁気センサ領域Ｔ２における被測定磁界の印加方向θｅｘを１５０°とした。上記の印加方向および延在方向の各々は、感度変化軸１１２の矢印方向を基準として時計回りに１８０°未満の範囲を正の値、反時計回りに１８０°以下の範囲を負の値で示している。
図１，６に示すように、本実施形態に係る電流センサ１００が備える磁気センサ１１０に被測定磁界１２ｅが印加された際、第１磁気センサ領域Ｔ１には入力磁界１２１ｅが印加されて出力感度が低くなり、第２磁気センサ領域Ｔ２には入力磁界１２２ｅが印加されて出力感度が高くなっている。磁気センサ１１０の出力は、第１磁気センサ領域Ｔ１における出力と第２磁気センサ領域Ｔ２における出力との平均値であるため、出力感度の変動が抑制されている。
第１磁気センサ領域Ｔ１における出力は、出力感度が低下しているため明確な飽和状態が現れていない。第２磁気センサ領域Ｔ２における出力感度は、入力磁界の磁束密度が約５ｍＴを超えた時点から、第１磁気センサ領域Ｔ１の出力感度が低下する割合に比較して、高い割合で増加している。
図７は、本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサにおける入力磁界の磁束密度と出力電圧の誤差率との関係を示すグラフである。図７においては、縦軸に出力電圧の誤差率(％ＦＳ)、横軸に入力磁界の磁束密度(ｍＴ)を示している。また、図７においては、第１磁気センサ領域Ｔ１における出力を１点鎖線、第２磁気センサ領域Ｔ２における出力を点線、磁気センサ１１０からの出力を実線で示している。図７においては、図１に示す磁気センサ１１０の検出軸１１１の矢印方向に進入する磁束の密度を正の値で示している。
図７に示すように、本実施形態に係る電流センサ１００が備える磁気センサ１１０においては、入力磁界の磁束密度が約１４ｍＴを超えるまで飽和状態になっておらず、出力電圧の誤差率が２．５％ＦＳ以下に低減されている。すなわち、本実施形態に係る電流センサ１００が備える磁気センサ１１０においては、入力磁界と出力電圧との線形性が広い範囲で高く維持されている。よって、本実施形態に係る電流センサ１００は、感度を維持しつつ広い測定範囲を有する。
本実施形態に係る電流センサ１００が備える磁気センサ１１０においては、磁気抵抗膜１１４の磁化の強さ(バイアス磁界の強さ)が、被測定磁界における感度変化軸１１２に沿う磁界成分の強さの２倍以上であることにより、入力磁界と出力電圧との線形性を広い範囲で高く維持する効果を持続することができる。
本実施形態に係る電流センサ１００においては、Ｗｓ≧０．０５ＷｂおよびＬｍ≦Ｗｂを満たすことにより、感度を維持しつつ広い測定範囲を有する効果を安定して得ることができる。
(実施形態２)
以下、本発明の実施形態２に係る電流センサについて説明する。なお、本実施形態に係る電流センサ２００は、１次導体が２つの流路に分流されている点および２つの磁気センサを備える点が主に、実施形態１に係る電流センサ１００と異なるため、実施形態１に係る電流センサ１００と同様である構成については同一の参照符号を付してその説明を繰り返さない。
図８は、本発明の実施形態２に係る電流センサの構成を示す断面図である。図９は、本発明の実施形態２に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。図８においては、１次導体１２０の幅方向をＸ軸方向、１次導体１２０の長さ方向をＹ軸方向、１次導体１２０の厚さ方向をＺ軸方向として、図示している。図８においては、１次導体１２０の第１流路部１２０ａの幅の中央を通過して１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)に延びる仮想中央線Ｃａ、および、１次導体１２０の第２流路部１２０ｂの幅の中央を通過して１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)に延びる仮想中央線Ｃｂを図示している。
図８に示すように、本発明の実施形態２に係る電流センサ２００は、磁気センサ１１０として第１磁気センサ１１０ａおよび第２磁気センサ１１０ｂを有している。測定対象の電流１２ａ，１２ｂは、２つの流路に分流されて１次導体１２０を１次導体１２０の長さ方向(Ｙ軸方向)に流れる。
１次導体１２０において、２つの流路のうちの１つの流路を構成する第１流路部１２０ａと、２つの流路のうちの他の１つの流路を構成する第２流路部１２０ｂとが、１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)にて互いに間隔を置いて対向するように並んでいる。
第１磁気センサ１１０ａおよび第２磁気センサ１１０ｂの各々において、第１磁気センサ領域Ｔ１および第２磁気センサ領域Ｔ２が検出軸１１１に沿う方向に並んでいる。
第１磁気センサ１１０ａは、第１流路部１２０ａと第２流路部１２０ｂとの間にて、感度変化軸１１２に沿う方向が１次導体１２０の幅方向(Ｘ軸方向)と交差するように、１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)にて第１流路部１２０ａと対向している。本実施形態においては、第１磁気センサ１１０ａの感度変化軸１１２に沿う方向が、第１流路部１２０ａの幅方向(Ｘ軸方向)と直交している。第１磁気センサ１１０ａは、仮想中央線Ｃａ上に配置され、第１流路部１２０ａの表面と対向している。第１磁気センサ領域Ｔ１と第２磁気センサ領域Ｔ２との間に、仮想中央線Ｃａが位置している。
第２磁気センサ１１０ｂは、第１流路部１２０ａと第２流路部１２０ｂとの間にて、感度変化軸１１２に沿う方向が１次導体１２０の幅方向(Ｘ軸方向)と交差するように、１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)にて第２流路部１２０ｂと対向している。本実施形態においては、第２磁気センサ１１０ｂの感度変化軸１１２に沿う方向が、第２流路部１２０ｂの幅方向(Ｘ軸方向)と直交している。第２磁気センサ１１０ｂは、仮想中央線Ｃｂ上に配置され、第２流路部１２０ｂの裏面と対向している。第１磁気センサ領域Ｔ１と第２磁気センサ領域Ｔ２との間に、仮想中央線Ｃｂが位置している。
１次導体１２０の第１流路部１２０ａに測定対象の電流１２ａが流れることにより、いわゆる右ねじの法則によって図中の左回りに周回する被測定磁界１２ｅａが発生する。その結果、第１磁気センサ１１０ａの第１磁気センサ領域Ｔ１には、入力磁界１２１ｅａが印加され、第１磁気センサ１１０ａの第２磁気センサ領域Ｔ２には、入力磁界１２２ｅａが印加される。
入力磁界１２１ｅａは、検出軸１１１の矢印方向の磁界成分１２１ｘａと、感度変化軸１１２に沿う第１方向の磁界成分１２１ｚａとを含む。入力磁界１２２ｅａは、検出軸１１１の矢印方向の磁界成分１２２ｘａと、感度変化軸１１２に沿う第２方向の磁界成分１２２ｚａとを含む。
磁界成分１２１ｚａは磁気抵抗膜１１４の磁化方向(感度変化軸１１２の矢印方向)と同じ方向に進入するため、第１磁気センサ１１０ａの磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ２Ｐ，Ｒ３Ｐ，Ｒ４Ｐの各々の出力感度は低くなる。磁界成分１２２ｚａは磁気抵抗膜１１４の磁化方向(感度変化軸１１２の矢印方向)とは反対方向に進入するため、第１磁気センサ１１０ａの磁気抵抗素子Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｎの各々の出力感度は高くなる。
磁界成分１２１ｘａと磁界成分１２２ｘａとはともに検出軸１１１の矢印方向に進入するため、第１磁気センサ１１０ａの磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々の抵抗値は増加し、第１磁気センサ１１０ａの磁気抵抗素子Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎの各々の抵抗値は減少する。
１次導体１２０の第２流路部１２０ｂに測定対象の電流１２ｂが流れることにより、いわゆる右ねじの法則によって図中の左回りに周回する被測定磁界１２ｅｂが発生する。その結果、第２磁気センサ１１０ｂの第１磁気センサ領域Ｔ１には、入力磁界１２１ｅｂが印加され、第２磁気センサ１１０ｂの第２磁気センサ領域Ｔ２には、入力磁界１２２ｅｂが印加される。
入力磁界１２１ｅｂは、検出軸１１１の矢印方向の磁界成分１２１ｘｂと、感度変化軸１１２に沿う第１方向の磁界成分１２１ｚｂとを含む。入力磁界１２２ｅｂは、検出軸１１１の矢印方向の磁界成分１２２ｘｂと、感度変化軸１１２に沿う第２方向の磁界成分１２２ｚｂとを含む。
磁界成分１２１ｚｂは磁気抵抗膜１１４の磁化方向(感度変化軸１１２の矢印方向)と同じ方向に進入するため、第２磁気センサ１１０ｂの磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ２Ｐ，Ｒ３Ｐ，Ｒ４Ｐの各々の出力感度は低くなる。磁界成分１２２ｚｂは磁気抵抗膜１１４の磁化方向(感度変化軸１１２の矢印方向)とは反対方向に進入するため、第２磁気センサ１１０ｂの磁気抵抗素子Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｎの各々の出力感度は高くなる。
磁界成分１２１ｘｂと磁界成分１２２ｘｂとはともに検出軸１１１の矢印方向に進入するため、第２磁気センサ１１０ｂの磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々の抵抗値は増加し、第２磁気センサ１１０ｂの磁気抵抗素子Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎの各々の抵抗値は減少する。
図９に示すように、本発明の実施形態２に係る電流センサ２００は、第１磁気センサ１１０ａの検出値と第２磁気センサ１１０ｂの検出値とを演算することにより測定対象の電流１２ａ，１２ｂの値を算出する算出部１３２をさらに備える。
算出部１３２は、第１磁気センサ１１０ａの出力電圧Ｖｏｕｔ１と出力電圧Ｖｏｕｔ２とを差動増幅して検出値を出力する第１差動増幅器１３０ａと、第２磁気センサ１１０ｂの出力電圧Ｖｏｕｔ１と出力電圧Ｖｏｕｔ２とを差動増幅して検出値を出力する第２差動増幅器１３０ｂと、第１磁気センサ１１０ａの検出値から第２磁気センサ１１０ｂの検出値を減算する第３差動増幅器１３１とを含む。算出部１３２は、第３差動増幅器１３１に代えて、減算器を含んでいてもよい。
上記のように、第１磁気センサ１１０ａに作用するＸ軸方向の磁束の向きと、第２磁気センサ１１０ｂに作用するＸ軸方向の磁束の向きとが反対であるため、１次導体１２０を流れる測定対象の電流１２ａ，１２ｂにより発生する被測定磁界１２ｅａ，１２ｅｂの強さについて、第１磁気センサ１１０ａの検出値の位相と、第２磁気センサ１１０ｂの検出値の位相とは、逆相である。
よって、第１磁気センサ１１０ａの検出した被測定磁界１２ｅａの強さを正の値とすると、第２磁気センサ１１０ｂの検出した被測定磁界１２ｅｂの強さは負の値となる。第１磁気センサ１１０ａの検出値と第２磁気センサ１１０ｂの検出値とは、算出部１３２にて演算される。
算出部１３２は、第１磁気センサ１１０ａの検出値から第２磁気センサ１１０ｂの検出値を減算する。その結果、第１磁気センサ１１０ａの検出値の絶対値と、第２磁気センサ１１０ｂの検出値の絶対値とが加算される。この加算結果から、１次導体１２０を流れた測定対象の電流１２ａ，１２ｂの値が算出される。
本実施形態に係る電流センサ２００においては、第１磁気センサ１１０ａと第２磁気センサ１１０ｂとの間隔が狭いため、外部磁界源は、物理的に第１磁気センサ１１０ａと第２磁気センサ１１０ｂとの間に位置することができない。
そのため、外部磁界源から第１磁気センサ１１０ａに印加される磁界のうちの検出軸１１１に沿う方向の磁界成分の向きと、外部磁界源から第２磁気センサ１１０ｂに印加される磁界のうちの検出軸１１１に沿う方向の磁界成分の向きとは、同じ向きとなる。よって、第１磁気センサ１１０ａの検出した外部磁界の強さを正の値とすると、第２磁気センサ１１０ｂの検出した外部磁界の強さも正の値となる。
その結果、算出部１３２が第１磁気センサ１１０ａの検出値から第２磁気センサ１１０ｂの検出値を減算することにより、第１磁気センサ１１０ａの検出値の絶対値と、第２磁気センサ１１０ｂの検出値の絶対値とが減算される。これにより、外部磁界源からの磁界は、ほとんど検出されなくなる。すなわち、外部磁界の影響が低減される。
本実施形態の変形例として、第１磁気センサ１１０ａおよび第２磁気センサ１１０ｂにおいて、検出値が正となる検出軸１１１の方向を互いに反対方向(１８０°反対)にしてもよい。この場合、第１磁気センサ１１０ａの検出する外部磁界の強さを正の値とすると、第２磁気センサ１１０ｂの検出する外部磁界の強さは負の値となる。
一方、１次導体１２０を流れる測定対象の電流１２ａ，１２ｂにより発生する被測定磁界１２ｅａ，１２ｅｂの強さについて、第１磁気センサ１１０ａの検出値の位相と、第２磁気センサ１１０ｂの検出値の位相とは同相となる。
本変形例においては、算出部１３２における第３差動増幅器１３１に代えて加算器または加算増幅器を用いる。外部磁界の強さについては、第１磁気センサ１１０ａの検出値と第２磁気センサ１１０ｂの検出値とを加算器または加算増幅器によって加算することにより、第１磁気センサ１１０ａの検出値の絶対値と、第２磁気センサ１１０ｂの検出値の絶対値とが減算される。これにより、外部磁界源からの磁界は、ほとんど検出されなくなる。すなわち、外部磁界の影響が低減される。
一方、１次導体１２０を流れる測定対象の電流１２ａ，１２ｂにより発生する被測定磁界１２ｅａ，１２ｅｂの強さについては、第１磁気センサ１１０ａの検出値と第２磁気センサ１１０ｂの検出値とを加算器または加算増幅器によって加算することにより、第１磁気センサ１１０ａの検出値の絶対値と、第２磁気センサ１１０ｂの検出値の絶対値とが加算される。この加算結果から、１次導体１２０を流れた測定対象の電流１２ａ，１２ｂの値が算出される。
このように、第１磁気センサ１１０ａと第２磁気センサ１１０ｂとの入出力特性を互いに逆の極性にしつつ、第３差動増幅器１３１に代えて加算器または加算増幅器を算出部１３２において用いてもよい。
(実施形態３)
以下、本発明の実施形態３に係る電流センサについて説明する。なお、本実施形態に係る電流センサ３００は、第１流路部と第２流路部とが互いにずれて位置している点、および、第１磁気センサ領域と第２磁気センサ領域とが感度変化軸に沿う方向に並んでいる点が主に、実施形態２に係る電流センサ２００と異なるため、実施形態２に係る電流センサ２００と同様である構成については同一の参照符号を付してその説明を繰り返さない。
図１０は、本発明の実施形態３に係る電流センサの構成を示す断面図である。図１１は、本発明の実施形態３に係る電流センサが備える１次導体の周辺に発生する被測定磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す磁束線図である。図１２は、本発明の実施形態３に係る電流センサが備える第１磁気センサの構成を示す平面図である。図１３は、本発明の実施形態３に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。図１１においては、図１０と同一の断面を示している。
図１０に示すように、本発明の実施形態３に係る電流センサ３００は、磁気センサ３１０として第１磁気センサ３１０ａおよび第２磁気センサ３１０ｂを有している。測定対象の電流１２ａ，１２ｂは、２つの流路に分流されて１次導体１２０を１次導体１２０の長さ方向(Ｙ軸方向)に流れる。
１次導体１２０において、２つの流路のうちの１つの流路を構成する第１流路部１２０ａと、２つの流路のうちの他の１つの流路を構成する第２流路部１２０ｂとが、１次導体１２０の幅方向(Ｘ軸方向)にて互いに間隔を置いてずれて位置しつつ１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)にて互いに間隔を置いてずれて位置している。第１流路部１２０ａの表面と第２流路部１２０ｂの裏面とは、互いに平行である。
第１磁気センサ３１０ａおよび第２磁気センサ３１０ｂの各々は、検出軸３１１および検出軸３１１に直交する感度変化軸３１２を有し、１次導体１２０の第１流路部１２０ａおよび第２流路部１２０ｂを流れる測定対象の電流１２ａ，１２ｂにより発生する被測定磁界１２ｅａ，１２ｅｂの強さを検出する。
第１磁気センサ３１０ａおよび第２磁気センサ３１０ｂの各々は、感度変化軸３１２に沿う第１の方向の磁界成分が含まれるように被測定磁界１２ｅａ，１２ｅｂが印加されて出力感度が低くなる第１磁気センサ領域Ｔ１と、第１の方向とは反対の第２の方向の磁界成分が含まれるように被測定磁界１２ｅａ，１２ｅｂが印加されて出力感度が高くなる第２磁気センサ領域Ｔ２とを含む。第１磁気センサ３１０ａおよび第２磁気センサ３１０ｂの各々は、第１磁気センサ領域Ｔ１における出力と第２磁気センサ領域Ｔ２における出力とを合わせて被測定磁界１２ｅａ，１２ｅｂの強さを検出する。なお、第１の方向は、感度変化軸３１２の矢印方向である。
第１磁気センサ３１０ａおよび第２磁気センサ３１０ｂの各々において、第１磁気センサ領域Ｔ１および第２磁気センサ領域Ｔ２が感度変化軸３１２に沿う方向に並んでいる。
第１磁気センサ３１０ａは、１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において第１流路部１２０ａと第２流路部１２０ｂとの間にて、感度変化軸３１２に沿う方向が１次導体１２０の幅方向(Ｘ軸方向)と交差するように、１次導体１２０の幅方向(Ｘ軸方向)にて第２流路部１２０ｂ寄りの第１流路部１２０ａの一部と１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)にて対向している。
本実施形態においては、第１磁気センサ３１０ａの感度変化軸３１２に沿う方向が、第１流路部１２０ａの幅方向(Ｘ軸方向)と直交している。第１磁気センサ３１０ａは、仮想中央線Ｃａ上から第１流路部１２０ａの幅方向(Ｘ軸方向)にずれて配置され、第１流路部１２０ａの表面と対向している。
第２磁気センサ３１０ｂは、１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において第１流路部１２０ａと第２流路部１２０ｂとの間にて、感度変化軸３１２に沿う方向が１次導体１２０の幅方向(Ｘ軸方向)と交差するように、１次導体１２０の幅方向(Ｘ軸方向)にて第１流路部１２０ａ寄りの第２流路部１２０ｂの一部と１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)にて対向している。
本実施形態においては、第２磁気センサ３１０ｂの感度変化軸３１２に沿う方向が、第２流路部１２０ｂの幅方向(Ｘ軸方向)と直交している。第２磁気センサ３１０ｂは、仮想中央線Ｃｂ上から第２流路部１２０ｂの幅方向(Ｘ軸方向)にずれて配置され、第２流路部１２０ｂの裏面と対向している。
次に、本実施形態に係る電流センサ３００が備える磁気センサの構成について説明する。
図１３に示すように、第１磁気センサ３１０ａは、基板３１３上に設けられた４個の磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４が電気的に接続されたホイートストンブリッジ型回路(フルブリッジ回路)を含む。
磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４は、基板３１３の幅方向(Ｘ軸方向)に沿って並んでいる。磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々の一部が、第１磁気センサ領域Ｔ１に位置している。磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々の他の一部が、第２磁気センサ領域Ｔ２に位置している。本実施形態においては、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々の長手方向(Ｚ軸方向)における半分が第１磁気センサ領域Ｔ１に位置し、残りの半分が第２磁気センサ領域Ｔ２に位置している。第２磁気センサ３１０ｂは、第１磁気センサ３１０ａと同一の構成を有している。
磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４が位置している範囲の基板３１３の長さ方向(Ｚ軸方向)の長さはＬｓである。Ｌｓ≧０．０５Ｗｂを満たすことが好ましい。図１０に示すように、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々と、第１流路部１２０ａの表面および第２流路部１２０ｂの裏面の各々との、１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)の最短距離はＬｍである。Ｌｍ≦Ｗｂを満たすことが好ましい。
磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々は、ＡＭＲ(Anisotropic Magneto Resistance)素子である。ただし、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々が、ＧＭＲ(Giant Magneto Resistance)、ＴＭＲ(Tunnel Magneto Resistance)、ＢＭＲ(Ballistic Magneto Resistance)、または、ＣＭＲ(Colossal Magneto Resistance)などであってもよい。
基板３１３上には、出力電圧Ｖｏｕｔ１を取り出すための電極パッドＰ１、出力電圧Ｖｏｕｔ２を取り出すための電極パッドＰ２、電源電圧Ｖｃｃを印加するための電極パッドＰ３、および、接地された電極パッドＰ４が設けられている。基板１１３上には、電極パッドと一緒にパターニングされて形成された接続配線１１６が設けられている。
磁気抵抗素子ＭＲ１の一端側は、電極パッドＰ３に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子ＭＲ１の他端側は、電極パッドＰ１に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子ＭＲ２の一端側は、電極パッドＰ４に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子ＭＲ２の他端側は、電極パッドＰ１に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。
上記のように、電極パッドＰ３、磁気抵抗素子ＭＲ１、電極パッドＰ１、磁気抵抗素子ＭＲ２および電極パッドＰ４が電気的に直列に接続されることにより、第１ハーフブリッジ回路が構成されている。
磁気抵抗素子ＭＲ３の一端側は、電極パッドＰ３に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子ＭＲ３の他端側は、電極パッドＰ２に、接続配線１１６を通じて電気的に接続されている。磁気抵抗素子ＭＲ４の一端側は、電極パッドＰ４に、接続配線１１６を通じて電気的に接続される。磁気抵抗素子ＭＲ４の他端側は、電極パッドＰ２と電気的に接続されている。
上記のように、電極パッドＰ３、磁気抵抗素子ＭＲ３、電極パッドＰ２、磁気抵抗素子ＭＲ４および電極パッドＰ４が電気的に直列に接続されることにより、第２ハーフブリッジ回路が構成されている。
第１ハーフブリッジ回路と第２ハーフブリッジ回路とが、互いに電気的に並列に接続されることにより、ホイートストンブリッジ型回路(フルブリッジ回路)が構成されている。本実施形態においては、磁気センサは、フルブリッジ回路を含んでいるが、第１ハーフブリッジ回路のみを含んでいてもよいし、１つの磁気抵抗素子のみを含んでいてもよい。
磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々は、基板３１３上に形成された強磁性体の薄膜からなる磁気抵抗膜１１４と、磁気抵抗膜１１４上に設けられたバーバーポール型電極１１５とを含む。磁気抵抗膜１１４は、基板３１３の長さ方向(Ｚ軸方向)に沿って延在し、矩形状の外形を有している。なお、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々が、ミアンダ状に折り返された磁気抵抗膜１１４を含んでいてもよい。この場合、磁気センサを集積化して小型にできる。
磁気抵抗膜１１４の形状異方性により、磁気抵抗膜１１４の磁化方向が決まっている。感度変化軸３１２は、磁気抵抗膜１１４の磁化方向に沿っており、本実施形態においては磁気抵抗膜１１４の長手方向に沿っている。磁気抵抗膜１１４の磁化の強さ(バイアス磁界の強さ)は、被測定磁界における感度変化軸３１２に沿う磁界成分の強さの２倍以上であることが好ましい。
磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ４の各々におけるバーバーポール型電極１１５は、磁気抵抗膜１１４の長手方向と斜めに交差するように延在する複数の第１電極部から構成されている。複数の第１電極部は、互いに間隔を置いて磁気抵抗膜１１４の長手方向に並んでいる。
磁気抵抗素子ＭＲ２，ＭＲ３の各々におけるバーバーポール型電極１１５は、磁気抵抗膜１１４の長手方向と斜めに交差するように延在する複数の第２電極部から構成されている。複数の第２電極部は、互いに間隔を置いて磁気抵抗膜１１４の長手方向に並んでいる。
第１ハーフブリッジ回路と第２ハーフブリッジ回路との間にてＺ軸方向に延びる仮想中心線に関して、磁気抵抗素子ＭＲ１のバーバーポール型電極１１５と磁気抵抗素子ＭＲ３のバーバーポール型電極１１５とは線対称に位置し、磁気抵抗素子ＭＲ２のバーバーポール型電極１１５と磁気抵抗素子ＭＲ４のバーバーポール型電極１１５とは線対称に位置している。
磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々は、バーバーポール型電極１１５を含むことによって、奇関数入出力特性を有している。具体的には、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々は、バーバーポール型電極１１５を含むことにより、磁気抵抗膜１１４の磁化方向に対して所定の角度(たとえば４５°)をなす方向に電流が流れるようにバイアスされている。
これにより、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ４の各々の抵抗特性と、磁気抵抗素子ＭＲ２，ＭＲ３の各々の抵抗特性とが、互いに反対になる。たとえば、検出軸３１１の矢印方向の磁界成分が印加されている時、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ４の各々の抵抗値が増加し、磁気抵抗素子ＭＲ２，ＭＲ３の各々の抵抗値は減少する。
電極パッドＰ３と電極パッドＰ４との間に電源電圧Ｖｃｃが印加されることにより、被測定磁界の強度に応じた、出力電圧Ｖｏｕｔ１が電極パッドＰ１から取り出され、出力電圧Ｖｏｕｔ２が電極パッドＰ２から取り出される。出力電圧Ｖｏｕｔ１と出力電圧Ｖｏｕｔ２とは、差動増幅器によって差動増幅される。電源電圧Ｖｃｃは、直流の一定電圧であってもよいし、交流電圧またはパルス電圧であってもよい。
以下、電流センサ３００の動作について説明する。
図１０，１１に示すように、１次導体１２０の第１流路部１２０ａに測定対象の電流１２ａが流れることにより、いわゆる右ねじの法則によって図中の左回りに周回する被測定磁界１２ｅａが発生する。１次導体１２０の第２流路部１２０ｂに測定対象の電流１２ｂが流れることにより、いわゆる右ねじの法則によって図中の左回りに周回する被測定磁界１２ｅｂが発生する。
その結果、第１磁気センサ３１０ａの第１磁気センサ領域Ｔ１には、入力磁界３２１ｅａが印加され、第１磁気センサ３１０ａの第２磁気センサ領域Ｔ２には、入力磁界３２２ｅａが印加される。第２磁気センサ３１０ｂの第１磁気センサ領域Ｔ１には、入力磁界３２１ｅｂが印加され、第２磁気センサ３１０ｂの第２磁気センサ領域Ｔ２には、入力磁界３２２ｅｂが印加される。
入力磁界３２１ｅａは、検出軸３１１の矢印方向の磁界成分３２１ｘａと、感度変化軸３１２に沿う第１方向の磁界成分３２１ｚａとを含む。入力磁界３２２ｅａは、検出軸３１１の矢印方向の磁界成分３２２ｘａと、感度変化軸３１２に沿う第２方向の磁界成分３２２ｚａとを含む。
磁界成分３２１ｚａは磁気抵抗膜１１４の磁化方向(感度変化軸３１２の矢印方向)と同じ方向に進入するため、第１磁気センサ３１０ａの磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々の一部(第１磁気センサ領域Ｔ１に位置する部分)の出力感度は低くなる。磁界成分３２２ｚａは磁気抵抗膜１１４の磁化方向(感度変化軸３１２の矢印方向)とは反対方向に進入するため、第１磁気センサ３１０ａの磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々の他の一部(第２磁気センサ領域Ｔ２に位置する部分)の出力感度は高くなる。
磁界成分３２１ｘａと磁界成分３２２ｘａとはともに検出軸３１１の矢印方向に進入するため、第１磁気センサ３１０ａの磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ４の各々の抵抗値は増加し、磁気抵抗素子ＭＲ２，ＭＲ３の各々の抵抗値は減少する。
入力磁界３２１ｅｂは、検出軸３１１の矢印方向の磁界成分３２１ｘｂと、感度変化軸３１２に沿う第１方向の磁界成分３２１ｚｂとを含む。入力磁界３２２ｅｂは、検出軸３１１の矢印方向の磁界成分３２２ｘｂと、感度変化軸３１２に沿う第２方向の磁界成分３２２ｚｂとを含む。
磁界成分３２１ｚｂは磁気抵抗膜１１４の磁化方向(感度変化軸３１２の矢印方向)と同じ方向に進入するため、第２磁気センサ３１０ｂの磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々の一部(第１磁気センサ領域Ｔ１に位置する部分)の出力感度は低くなる。磁界成分３２２ｚａは磁気抵抗膜１１４の磁化方向(感度変化軸３１２の矢印方向)とは反対方向に進入するため、第２磁気センサ３１０ｂの磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４の各々の他の一部(第２磁気センサ領域Ｔ２に位置する部分)の出力感度は高くなる。
磁界成分３２１ｘｂと磁界成分３２２ｘｂとはともに検出軸３１１の矢印方向とは反対方向に進入するため、第２磁気センサ３１０ｂの磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ４の各々の抵抗値は減少し、磁気抵抗素子ＭＲ２，ＭＲ３の各々の抵抗値は増加する。
図１３に示すように、本発明の実施形態３に係る電流センサ３００は、第１磁気センサ３１０ａの検出値と第２磁気センサ３１０ｂの検出値とを演算することにより測定対象の電流１２ａ，１２ｂの値を算出する算出部１３２をさらに備える。
算出部１３２は、第１磁気センサ３１０ａの出力電圧Ｖｏｕｔ１と出力電圧Ｖｏｕｔ２とを差動増幅して検出値を出力する第１差動増幅器１３０ａと、第２磁気センサ３１０ｂの出力電圧Ｖｏｕｔ１と出力電圧Ｖｏｕｔ２とを差動増幅して検出値を出力する第２差動増幅器１３０ｂと、第１磁気センサ３１０ａの検出値から第２磁気センサ３１０ｂの検出値を減算する第３差動増幅器１３１とを含む。算出部３３２は、第３差動増幅器１３１に代えて、減算器を含んでいてもよい。
上記のように、第１磁気センサ３１０ａに作用するＸ軸方向の磁束の向きと、第２磁気センサ３１０ｂに作用するＸ軸方向の磁束の向きとが反対であるため、１次導体１２０を流れる測定対象の電流１２ａ，１２ｂにより発生する被測定磁界１２ｅａ，１２ｅｂの強さについて、第１磁気センサ３１０ａの検出値の位相と、第２磁気センサ３１０ｂの検出値の位相とは、逆相である。
よって、第１磁気センサ３１０ａの検出した被測定磁界１２ｅａの強さを正の値とすると、第２磁気センサ３１０ｂの検出した被測定磁界１２ｅｂの強さは負の値となる。第１磁気センサ３１０ａの検出値と第２磁気センサ３１０ｂの検出値とは、算出部１３２にて演算される。
算出部１３２は、第１磁気センサ３１０ａの検出値から第２磁気センサ３１０ｂの検出値を減算する。その結果、第１磁気センサ３１０ａの検出値の絶対値と、第２磁気センサ３１０ｂの検出値の絶対値とが加算される。この加算結果から、１次導体１２０を流れた測定対象の電流１２ａ，１２ｂの値が算出される。
本実施形態に係る電流センサ３００においては、第１磁気センサ３１０ａと第２磁気センサ３１０ｂとの間隔が狭いため、外部磁界源は、物理的に第１磁気センサ３１０ａと第２磁気センサ３１０ｂとの間に位置することができない。
そのため、外部磁界源から第１磁気センサ３１０ａに印加される磁界のうちの検出軸３１１に沿う方向の磁界成分の向きと、外部磁界源から第２磁気センサ３１０ｂに印加される磁界のうちの検出軸３１１に沿う方向の磁界成分の向きとは、同じ向きとなる。よって、第１磁気センサ３１０ａの検出した外部磁界の強さを正の値とすると、第２磁気センサ３１０ｂの検出した外部磁界の強さも正の値となる。
その結果、算出部１３２が第１磁気センサ３１０ａの検出値から第２磁気センサ３１０ｂの検出値を減算することにより、第１磁気センサ３１０ａの検出値の絶対値から、第２磁気センサ３１０ｂの検出値の絶対値が減算される。これにより、外部磁界源からの磁界は、ほとんど検出されなくなる。すなわち、外部磁界の影響が低減される。
本実施形態に係る電流センサ３００が備える第１磁気センサ３１０ａおよび第２磁気センサ３１０ｂの各々の出力においては、第１磁気センサ領域Ｔ１における出力と第２磁気センサ領域Ｔ２における出力とが足し合わされているため、出力感度の変動が抑制されている。電流センサ３００が備える第１磁気センサ３１０ａおよび第２磁気センサ３１０ｂの各々においては、入力磁界と出力電圧との線形性が広い範囲で高く維持される。よって、本実施形態に係る電流センサ３００は、感度を維持しつつ広い測定範囲を有する。
本実施形態に係る電流センサ３００が備える第１磁気センサ３１０ａおよび第２磁気センサ３１０ｂの各々においては、磁気抵抗膜１１４の磁化の強さ(バイアス磁界の強さ)が、被測定磁界における感度変化軸３１２に沿う磁界成分の強さの２倍以上であることにより、入力磁界と出力電圧との線形性を広い範囲で高く維持する効果を持続することができる。
本実施形態に係る電流センサ３００においては、Ｌｓ≧０．０５ＷｂおよびＬｍ≦Ｗｂを満たすことにより、感度を維持しつつ広い測定範囲を有する効果を安定して得ることができる。
ここで、本発明の実施形態３の変形例に係る電流センサについて説明する。なお、本発明の実施形態３の変形例に係る電流センサが備える磁気センサにおいては、基板が支持体にダイボンディングされている点、および、バーバーポール型電極が設けられていない点が主に、本発明の実施形態３に係る電流センサ３００と異なるため、本発明の実施形態３に係る電流センサ３００と同様である構成については、同一符号を付してその説明を繰り返さない。
図１４は、本発明の実施形態３の変形例に係る電流センサが備える第１磁気センサの構成を示す平面図である。図１５は、本発明の実施形態３の変形例に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。図１４においては、第１磁気センサ３１０ｘａが含む基板３１３の幅方向をＸ軸方向、厚さ方向をＹ軸方向、長さ方向をＺ軸方向として、図示している。第２磁気センサ３１０ｘｂは、第１磁気センサ３１０ｘａと同一の構成を有している。
図１４に示すように、本発明の実施形態３の変形例に係る電流センサ３００ｘが備える第１磁気センサ３１０ｘａにおいては、支持体３３３上に基板３１３がダイボンディングされている。
支持体３３３上には、出力電圧Ｖｏｕｔ１を取り出すための電極パッドＰ１、出力電圧Ｖｏｕｔ２を取り出すための電極パッドＰ２、電源電圧Ｖｃｃを印加するための電極パッドＰ３、接地された電極パッドＰ４、および、中継電極である電極パッドＰ５，Ｐ６，Ｐ７が設けられている。電極パッドＰ１、電極パッドＰ２、電極パッドＰ６および電極パッドＰ７は、基板３１３の幅方向(Ｘ軸方向)に沿って並んでいる。電極パッドＰ３、電極パッドＰ４および電極パッドＰ５は、基板３１３の幅方向(Ｘ軸方向)に沿って並んでいる。基板３１３の長さ方向(Ｚ軸方向)において、電極パッドＰ１、電極パッドＰ２、電極パッドＰ６および電極パッドＰ７が並ぶ列と、電極パッドＰ３、電極パッドＰ４および電極パッドＰ５が並ぶ列との間に、基板３１３が配置されている。
第１磁気センサ３１０ｘａにおいては、バーバーポール型電極が設けられておらず、基板１１３上に設けられた８個の磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々は、基板３１３上に設けられた磁気抵抗膜３１４のみによって構成されている。磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ２Ｐ，Ｒ３Ｐ，Ｒ４Ｐの各々は、第１磁気センサ領域Ｔ１に位置している。磁気抵抗素子Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｎの各々は、第２磁気センサ領域Ｔ２に位置している。
磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々を構成する磁気抵抗膜３１４は、バイアス磁界が印加される方向に対して交差するように互いに平行に延在している。本実施形態においては、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々を構成する磁気抵抗膜３１４は、バイアス磁界が印加される方向に対してそれぞれ略４５°で交差している。
磁気抵抗素子Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎの各々を構成する磁気抵抗膜３１４は、バイアス磁界が印加される方向に対して交差するように互いに平行に延在している。本実施形態においては、磁気抵抗素子Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎの各々を構成する磁気抵抗膜３１４は、バイアス磁界が印加される方向に対してそれぞれ略４５°で交差している。
第１ハーフブリッジ回路と第２ハーフブリッジ回路との間にてＺ軸方向に延びる仮想中心線に関して、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐの磁気抵抗膜３１４と磁気抵抗素子Ｒ３Ｐの磁気抵抗膜３１４とは線対称に位置し、磁気抵抗素子Ｒ２Ｐの磁気抵抗膜３１４と磁気抵抗素子Ｒ４Ｐの磁気抵抗膜３１４とは線対称に位置し、磁気抵抗素子Ｒ１Ｎの磁気抵抗膜３１４と磁気抵抗素子Ｒ３Ｎの磁気抵抗膜３１４とは線対称に位置し、磁気抵抗素子Ｒ２Ｎの磁気抵抗膜３１４と磁気抵抗素子Ｒ４Ｎの磁気抵抗膜３１４とは線対称に位置している。
磁気抵抗素子Ｒ１Ｐの磁気抵抗膜３１４と磁気抵抗素子Ｒ４Ｐの磁気抵抗膜３１４とは、互いに沿って位置している。磁気抵抗素子Ｒ２Ｐの磁気抵抗膜３１４と磁気抵抗素子Ｒ３Ｐの磁気抵抗膜３１４とは、互いに沿って位置している。磁気抵抗素子Ｒ１Ｎの磁気抵抗膜３１４と磁気抵抗素子Ｒ４Ｎの磁気抵抗膜３１４とは、互いに沿って位置している。磁気抵抗素子Ｒ２Ｎの磁気抵抗膜３１４と磁気抵抗素子Ｒ３Ｎの磁気抵抗膜３１４とは、互いに沿って位置している。
これにより、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々の抵抗特性と、磁気抵抗素子Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎの各々の抵抗特性とが、互いに反対になる。
基板３１３上には、磁気抵抗膜３１４の両端にそれぞれ接続されたワイヤボンディング用のパッド３１６と、パッド３１６同士を接続する接続配線３４６とが設けられている。
磁気抵抗素子Ｒ１Ｎの一端側のパッド３１６は、ワイヤ３３４により電極パッドＰ３と接続されている。磁気抵抗素子Ｒ１Ｎの他端側のパッド３１６は、接続配線３４６により磁気抵抗素子Ｒ１Ｐの一端側のパッド３１６と接続されている。磁気抵抗素子Ｒ１Ｐの他端側のパッド３１６は、ワイヤ３３４により電極パッドＰ１と接続されている。電極パッドＰ１は、ワイヤ３３４により電極パッドＰ６と接続されている。電極パッドＰ６は、ワイヤ３３４により磁気抵抗素子Ｒ２Ｐの他端側のパッド３１６と接続されている。磁気抵抗素子Ｒ２Ｐの一端側のパッド３１６は、接続配線３４６により磁気抵抗素子Ｒ２Ｎの他端側のパッド３１６と接続されている。磁気抵抗素子Ｒ２Ｎの一端側のパッド３１６は、ワイヤ３３４により電極パッドＰ４と接続されている。
磁気抵抗素子Ｒ３Ｎの一端側のパッド３１６は、ワイヤ３３４により電極パッドＰ５と接続されている。電極パッドＰ５は、ワイヤ３３４により電極パッドＰ３と接続されている。磁気抵抗素子Ｒ３Ｎの他端側のパッド３１６は、接続配線３４６により磁気抵抗素子Ｒ３Ｐの一端側のパッド３１６と接続されている。磁気抵抗素子Ｒ３Ｐの他端側のパッド３１６は、ワイヤ３３４により電極パッドＰ２と接続されている。電極パッドＰ２は、ワイヤ３３４により電極パッドＰ７と接続されている。電極パッドＰ７は、ワイヤ３３４により磁気抵抗素子Ｒ４Ｐの他端側のパッド３１６と接続されている。磁気抵抗素子Ｒ４Ｐの一端側のパッド３１６は、接続配線３４６により磁気抵抗素子Ｒ４Ｎの他端側のパッド３１６と接続されている。磁気抵抗素子Ｒ４Ｎの一端側のパッド３１６は、ワイヤ３３４により電極パッドＰ４と接続されている。
以下、電流センサ３００ｘの動作について説明する。
図１０，１１，１４，１５に示すように、第１磁気センサ３１０ｘａの第１磁気センサ領域Ｔ１には、入力磁界３２１ｅａが印加され、第１磁気センサ３１０ｘａの第２磁気センサ領域Ｔ２には、入力磁界３２２ｅａが印加される。第２磁気センサ３１０ｘｂの第１磁気センサ領域Ｔ１には、入力磁界３２１ｅｂが印加され、第２磁気センサ３１０ｘｂの第２磁気センサ領域Ｔ２には、入力磁界３２２ｅｂが印加される。
入力磁界３２１ｅａは、検出軸３１１の矢印方向の磁界成分３２１ｘａと、感度変化軸３１２に沿う第１方向の磁界成分３２１ｚａとを含む。入力磁界３２２ｅａは、検出軸３１１の矢印方向の磁界成分３２２ｘａと、感度変化軸３１２に沿う第２方向の磁界成分３２２ｚａとを含む。
磁界成分３２１ｚａは磁気抵抗膜３１４の磁化方向(感度変化軸３１２の矢印方向)と同じ方向に進入するため、第１磁気センサ３１０ｘａの磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ２Ｐ，Ｒ３Ｐ，Ｒ４Ｐの各々の出力感度は低くなる。磁界成分３２２ｚａは磁気抵抗膜３１４の磁化方向(感度変化軸３１２の矢印方向)とは反対方向に進入するため、第１磁気センサ３１０ｘａの磁気抵抗素子Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｎの各々の出力感度は高くなる。
磁界成分３２１ｘａと磁界成分３２２ｘａとはともに検出軸３１１の矢印方向に進入するため、第１磁気センサ３１０ｘａの磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々の抵抗値は増加し、磁気抵抗素子Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎの各々の抵抗値は減少する。
入力磁界３２１ｅｂは、検出軸３１１の矢印方向の磁界成分３２１ｘｂと、感度変化軸３１２に沿う第１方向の磁界成分３２１ｚｂとを含む。入力磁界３２２ｅｂは、検出軸３１１の矢印方向の磁界成分３２２ｘｂと、感度変化軸３１２に沿う第２方向の磁界成分３２２ｚｂとを含む。
磁界成分３２１ｚｂは磁気抵抗膜３１４の磁化方向(感度変化軸３１２の矢印方向)と同じ方向に進入するため、第２磁気センサ３１０ｂの磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ２Ｐ，Ｒ３Ｐ，Ｒ４Ｐの各々の出力感度は低くなる。磁界成分３２２ｚａは磁気抵抗膜３１４の磁化方向(感度変化軸３１２の矢印方向)とは反対方向に進入するため、第２磁気センサ３１０ｂの磁気抵抗素子Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｎの各々の出力感度は高くなる。
磁界成分３２１ｘｂと磁界成分３２２ｘｂとはともに検出軸３１１の矢印方向とは反対方向に進入するため、第２磁気センサ３１０ｂの磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々の抵抗値は減少し、磁気抵抗素子Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎの各々の抵抗値は増加する。
本実施形態の変形例に係る電流センサ３００ｘが備える第１磁気センサ３１０ｘａおよび第２磁気センサ３１０ｘｂの各々の出力においては、第１磁気センサ領域Ｔ１における出力と第２磁気センサ領域Ｔ２における出力とが足し合わされているため、出力感度の変動が抑制されている。電流センサ３００ｘが備える第１磁気センサ３１０ｘａおよび第２磁気センサ３１０ｘｂの各々においては、入力磁界と出力電圧との線形性が広い範囲で高く維持される。よって、本実施形態の変形例に係る電流センサ３００ｘは、感度を維持しつつ広い測定範囲を有する。
(実施形態４)
以下、本発明の実施形態４に係る電流センサについて説明する。なお、本実施形態に係る電流センサ４００は、磁気センサが１次導体の幅方向にて１次導体と対向している点が主に、実施形態１に係る電流センサ１００と異なるため、実施形態１に係る電流センサ１００と同様である構成については同一の参照符号を付してその説明を繰り返さない。
図１６は、本発明の実施形態４に係る電流センサの構成を示す断面図である。図１６においては、１次導体１２０の幅方向をＸ軸方向、１次導体１２０の長さ方向をＹ軸方向、１次導体１２０の厚さ方向をＺ軸方向として、図示している。図１６においては、１次導体１２０の幅の中央を通過して１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)に延びる仮想中央線Ｃ、および、１次導体１２０の厚さの中央を通過して１次導体１２０の幅方向(Ｘ軸方向)に延びる仮想中央線Ｃｃを図示している。
図１６に示すように、本発明の実施形態４に係る電流センサ４００は、測定対象の電流１２が流れる１次導体１２０と、１次導体１２０を流れる測定対象の電流１２により発生する被測定磁界１２ｅの強さを検出し、検出軸４１１および検出軸４１１に直交する感度変化軸４１２を有する１つの磁気センサ４１０とを備える。測定対象の電流１２は、１次導体１２０を１次導体１２０の長さ方向(Ｙ軸方向)に流れる。１次導体１２０は、短冊状の形状を有している。１次導体１２０の幅はＷｂである。１次導体１２０の厚さはＴｂである。
磁気センサ４１０において、第１磁気センサ領域Ｔ１および第２磁気センサ領域Ｔ２が検出軸４１１に沿う方向に並んでいる。磁気センサ４１０は、感度変化軸４１２に沿う方向が１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)と交差するように、１次導体１２０の幅方向(Ｘ軸方向)にて１次導体１２０と対向している。
本実施形態においては、感度変化軸４１２に沿う方向が、１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)と直交している。磁気センサ４１０は、仮想中央線Ｃｃ上に配置され、１次導体１２０の側面と対向している。第１磁気センサ領域Ｔ１と第２磁気センサ領域Ｔ２との間に、仮想中央線Ｃｃが位置している。
磁気センサ４１０は、図２に示す磁気センサ１１０と同一の構成を有し、配置される際の向きのみ磁気センサ１１０とは異なる。具体的には、磁気センサ４１０は、基板１１３の主面に平行な面内において磁気センサ１１０を９０°回転させた向きで配置される。
磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎが位置している範囲の基板１１３の幅方向の長さはＷｓである。Ｗｓ≧０．０５Ｔｂを満たすことが好ましい。図１６に示すように、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々と１次導体１２０の側面との、１次導体１２０の厚さ方向(Ｚ軸方向)の最短距離はＬｎである。Ｌｎ≦Ｗｂを満たすことが好ましい。
以下、電流センサ４００の動作について説明する。
図１６に示すように、１次導体１２０に測定対象の電流１２が流れることにより、いわゆる右ねじの法則によって図中の左回りに周回する被測定磁界１２ｅが発生する。その結果、第１磁気センサ領域Ｔ１には、入力磁界４２１ｅが印加され、第２磁気センサ領域Ｔ２には、入力磁界４２２ｅが印加される。
入力磁界４２１ｅは、検出軸４１１の矢印方向の磁界成分４２１ｚと、感度変化軸４１２に沿う第１方向の磁界成分４２１ｘとを含む。入力磁界４２２ｅは、検出軸４１１の矢印方向の磁界成分４２２ｚと、感度変化軸４１２に沿う第１の方向とは反対の第２方向の磁界成分４２２ｘとを含む。なお、第１の方向は、感度変化軸４１２の矢印方向である。
磁界成分４２１ｘは磁気抵抗膜の磁化方向(感度変化軸４１２の矢印方向)と同じ方向に進入するため、第１磁気センサ領域Ｔ１に位置する磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ２Ｐ，Ｒ３Ｐ，Ｒ４Ｐの出力感度は低くなる。磁界成分４２２ｘは磁気抵抗膜の磁化方向(感度変化軸４１２の矢印方向)とは反対方向に進入するため、第２磁気センサ領域Ｔ２に位置する磁気抵抗素子Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｎの出力感度は高くなる。
磁界成分４２１ｚと磁界成分４２２ｚとはともに検出軸４１１の矢印方向に進入するため、磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々の抵抗値は増加し、磁気抵抗素子Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎの各々の抵抗値は減少する。
本実施形態に係る電流センサ４００が備える磁気センサ４１０の出力においては、第１磁気センサ領域Ｔ１における出力と第２磁気センサ領域Ｔ２における出力とが足し合わされているため、出力感度の変動が抑制されている。電流センサ４００が備える磁気センサ４１０においては、入力磁界と出力電圧との線形性が広い範囲で高く維持される。よって、本実施形態に係る電流センサ４００は、感度を維持しつつ広い測定範囲を有する。
本実施形態に係る電流センサ４００においては、Ｗｓ≧０．０５ＴｂおよびＬｎ≦Ｗｂを満たすことにより、感度を維持しつつ広い測定範囲を有する効果を安定して得ることができる。
以下、磁気センサが第１磁気センサ領域Ｔ１および第２磁気センサ領域Ｔ２を含んでいることを検証する方法について説明する。なお、以下の説明においては、実施形態１に係る電流センサ１００に適用した場合について例示して説明する。まず、電流計および電圧計を用いて、８個の磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々の抵抗値を測定する。
図１７は、本発明の実施形態１に係る電流センサに電流計および電圧計を接続した状態を示す回路図である。図１７に示すように、第１ハーフブリッジ回路および第２ハーフブリッジ回路の各々に、直列に電流計を接続する。また、８個の磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々に、並列に電圧計を接続する。電流計および電圧計の測定値から、８個の磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々の抵抗値を算出することができる。この状態において、フルブリッジ回路を流れる電流値を変化させて、８個の磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎの各々の抵抗値の推移を測定する。
次に、第１の方向の磁界成分が含まれる磁界が印加されている、４個の磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ２Ｐ，Ｒ３Ｐ，Ｒ４Ｐからなる仮想の第１ブリッジ回路の出力電圧の推移を算出する。同様に、第１の方向とは反対の第２の方向の磁界成分が含まれる磁界が印加されている、４個の磁気抵抗素子Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｎからなる仮想の第２ブリッジ回路の出力電圧の推移を算出する。図１８は、仮想の第１ブリッジ回路および仮想の第２ブリッジ回路の回路構成を示す回路図である。
図１８に示す仮想の第１ブリッジ回路の出力電圧が、図６の１点鎖線で示すように推移する場合、仮想の第１ブリッジ回路を構成する４個の磁気抵抗素子Ｒ１Ｐ，Ｒ２Ｐ，Ｒ３Ｐ，Ｒ４Ｐの各々が、第１磁気センサ領域Ｔ１に位置していると判断できる。図１８に示す仮想の第２ブリッジ回路の出力電圧が、図６の点線で示すように推移する場合、仮想の第２ブリッジ回路を構成する４個の磁気抵抗素子Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｎの各々が、第２磁気センサ領域Ｔ２に位置していると判断できる。その結果、磁気センサが、第１磁気センサ領域Ｔ１および第２磁気センサ領域Ｔ２を含んでいることを確認できる。上記の方法により、磁気センサが第１磁気センサ領域Ｔ１および第２磁気センサ領域Ｔ２を含んでいることを検証することが可能である。
上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１２，１２ａ，１２ｂ 測定対象の電流、１２ｅ，１２ｅａ，１２ｅｂ 被測定磁界、１００，２００，３００，３００ｘ，４００ 電流センサ、１１０，３１０，４１０ 磁気センサ、１１０ａ，３１０ａ，３１０ｘａ 第１磁気センサ、１１０ｂ，３１０ｂ，３１０ｘｂ 第２磁気センサ、１１１，３１１，４１１ 検出軸、１１２，３１２，４１２
感度変化軸、１１３，３１３ 基板、１１４，３１４ 磁気抵抗膜、１１５ バーバーポール型電極、１１６，３４６ 接続配線、１２０ １次導体、１２０ａ 第１流路部、１２０ｂ 第２流路部、１３０ 差動増幅器、１３０ａ 第１差動増幅器、１３０ｂ 第２差動増幅器、１３１ 第３差動増幅器、１３２，３３２ 算出部、３１６ パッド、３３３ 支持体、３３４ ワイヤ、Ｃ，Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃ 仮想中央線、ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４，Ｒ１Ｐ，Ｒ１Ｎ，Ｒ２Ｎ，Ｒ２Ｐ，Ｒ３Ｐ，Ｒ３Ｎ，Ｒ４Ｐ，Ｒ４Ｎ 磁気抵抗素子、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７ 電極パッド、Ｔ１ 第１磁気センサ領域、Ｔ２ 第２磁気センサ領域。

Claims (10)

  1. 測定対象の電流が流れる１次導体と、
    前記１次導体を流れる前記電流により発生する磁界の強さを検出し、検出軸および該検出軸に直交する感度変化軸を有する少なくとも１つの磁気センサとを備え、
    前記磁気センサは、前記感度変化軸に沿う第１の方向の磁界成分が含まれるように前記磁界が印加されて出力感度が低くなる第１磁気センサ領域と、前記第１の方向とは反対の第２の方向の磁界成分が含まれるように前記磁界が印加されて出力感度が高くなる第２磁気センサ領域とを含む、電流センサ。
  2. 前記磁気センサは、前記第１磁気センサ領域における出力と前記第２磁気センサ領域における出力とを合わせて前記磁界の強さを検出する、請求項１に記載の電流センサ。
  3. 前記磁気センサが少なくとも１つの磁気抵抗素子を含み、
    前記磁気抵抗素子の一部が前記第１磁気センサ領域に位置し、
    前記磁気抵抗素子の他の一部が前記第２磁気センサ領域に位置している、請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
  4. 前記磁気センサが複数の磁気抵抗素子を含み、
    前記複数の磁気抵抗素子のうちの一部の磁気抵抗素子が前記第１磁気センサ領域に位置し、
    前記複数の磁気抵抗素子のうちの他の一部の磁気抵抗素子が前記第２磁気センサ領域に位置している、請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
  5. 前記磁気センサにおいて、前記第１磁気センサ領域および前記第２磁気センサ領域が前記検出軸に沿う方向に並び、
    前記磁気センサは、前記感度変化軸に沿う方向が前記１次導体の幅方向と交差するように、前記１次導体の厚さ方向にて前記１次導体と対向している、請求項１から４のいずれか１項に記載の電流センサ。
  6. 前記磁気センサにおいて、前記第１磁気センサ領域および前記第２磁気センサ領域が前記検出軸に沿う方向に並び、
    前記磁気センサは、前記感度変化軸に沿う方向が前記１次導体の厚さ方向と交差するように、前記１次導体の幅方向にて前記１次導体と対向している、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。
  7. 前記磁気センサとして第１磁気センサおよび第２磁気センサを有し、
    前記電流が、２つの流路に分流されて前記１次導体を前記１次導体の長さ方向に流れ、
    前記１次導体において、前記２つの流路のうちの１つの流路を構成する第１流路部と、前記２つの流路のうちの他の１つの流路を構成する第２流路部とが、前記１次導体の厚さ方向にて互いに間隔を置いて対向するように並び、
    前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサの各々において、前記第１磁気センサ領域および前記第２磁気センサ領域が前記検出軸に沿う方向に並び、
    前記第１磁気センサは、前記第１流路部と前記第２流路部との間にて、前記感度変化軸に沿う方向が前記１次導体の幅方向と交差するように、前記１次導体の厚さ方向にて前記第１流路部と対向し、
    前記第２磁気センサは、前記第１流路部と前記第２流路部との間にて、前記感度変化軸に沿う方向が前記１次導体の幅方向と交差するように、前記１次導体の厚さ方向にて前記第２流路部と対向している、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。
  8. 前記磁気センサとして第１磁気センサおよび第２磁気センサを有し、
    前記電流が、２つの流路に分流されて前記１次導体を前記１次導体の長さ方向に流れ、
    前記１次導体において、前記２つの流路のうちの１つの流路を構成する第１流路部と、前記２つの流路のうちの他の１つの流路を構成する第２流路部とが、前記１次導体の幅方向にて互いに間隔を置いてずれて位置しつつ前記１次導体の厚さ方向にて互いに間隔を置いてずれて位置し、
    前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサの各々において、前記第１磁気センサ領域および前記第２磁気センサ領域が前記感度変化軸に沿う方向に並び、
    前記第１磁気センサは、前記１次導体の厚さ方向において前記第１流路部と前記第２流路部との間にて、前記感度変化軸に沿う方向が前記１次導体の幅方向と交差するように、前記１次導体の幅方向にて前記第２流路部寄りの前記第１流路部の一部と前記１次導体の厚さ方向にて対向し、
    前記第２磁気センサは、前記１次導体の厚さ方向において前記第１流路部と前記第２流路部との間にて、前記感度変化軸に沿う方向が前記１次導体の幅方向と交差するように、前記１次導体の幅方向にて前記第１流路部寄りの前記第２流路部の一部と前記１次導体の厚さ方向にて対向している、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。
  9. 前記第１磁気センサの検出値と前記第２磁気センサの検出値とを演算することにより前記電流の値を算出する算出部をさらに備え、
    前記１次導体を流れる前記電流により発生する磁界の強さについて、前記第１磁気センサの検出値の位相と前記第２磁気センサの検出値の位相とが逆相であり、
    前記算出部が減算器または差動増幅器である、請求項７または請求項８記載の電流センサ。
  10. 前記第１磁気センサの検出値と前記第２磁気センサの検出値とを演算することにより前記電流の値を算出する算出部をさらに備え、
    前記１次導体を流れる前記電流により発生する磁界の強さについて、前記第１磁気センサの検出値の位相と前記第２磁気センサの検出値の位相とが同相であり、
    前記算出部が加算器または加算増幅器である、請求項７または請求項８に記載の電流センサ。
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