JPH05223848A - 電流検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回路に流れる交流及び直流の電流量を磁気抵
抗素子を用いて検出する電流検出器に関するものであ
る。構成を簡単化して小型化、低コスト化を図るととも
に、温度特性および出力バラツキの少ない電流検出器を
提供することを目的とする。 【構成】 第１と第３のエレメントおよび第２と第４の
エレメントはそれぞれ平行で、各組間でその電流方向が
互いにほぼ９０°になり、さらに各エレメントに対しほ
ぼ４５°の角度に静磁界を加えた磁気抵抗素子９と、こ
の磁気抵抗素子９のエレメントを形成した面に平行で静
磁界に沿って被測定電流を流すよう配置した電流通過導
体８により構成する。これにより従来に比べ形状の小型
化と周波数特性の改善が可能となり、組立構造の簡素化
でコストの低減を図ることができ、従来よりも優れた温
度特性を有する電流検出器を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は回路に流れる交流及び直
流の電流量を磁気抵抗素子を用いて検出する電流検出器
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電流検出器は電動機の回転やトル
クの制御をはじめとする電流値制御のための電流検出手
段として、また過電流保護回路などの電流スイッチに利
用する検出手段として広く利用されてきている。

【０００３】以下に従来の電流検出器について説明す
る。従来、電流の検出は主に電流通路の一部に直列に取
り付けた抵抗により生じる電圧降下を利用して測定する
ことにより行われてきた。しかしこの方法では電流を測
定しようとする回路から直接信号を得るため、そのまま
では電流回路と検出回路との絶縁ができないことによ
り、特に電圧の高い回路などでは他に絶縁の手段が必要
になる。また回路中に抵抗を挿入するため、検出電流量
が大きくなるにつれ、その抵抗からの発熱が問題となっ
てきた。

【０００４】このような絶縁性をもたせたり、入力抵抗
を低くすることを目的として利用されるようになってき
たのがホール素子を使った電流検出器である。図１１は
この電流検出器の構造を示すものである。図１１におい
て、１，１′は被測定電流の入力端子で、この入力端子
１，１′を通して測定しようとする電流を磁性体コア２
に巻いたコイル３に流す。前記磁性体コア２にはギャッ
プ２ａを設けており、そのギャップ２ａ中にホール素子
４を取り付けている。このホール素子４は、２個の端子
を電源５に、他の２個の端子を差動増幅器６にそれぞれ
接続している。また、７は出力端子である。

【０００５】以下その動作について説明する。まず、電
流Ｉを入力端子１，１′に入力し、磁性体コア２に巻か
れたコイル３に流すことによって、磁性体コア２とその
ギャップ２ａには磁界が発生する。この時、磁性体コア
２の磁路長をｌ、その断面積をｓ、ギャップ長をｌ′、
また磁性体コアの透磁率をμ、空気の透磁率をμ₀、コ
イル３の巻数をＮとすると、ギャップ２ａに発生する磁
束密度Ｂは次式によって表される。

【０００６】

【数１】

【０００７】次にホール素子の出力についてみる。ホー
ル素子４に電源５から供給されるホール電流をＩ_Hとし
てホール電流に垂直な方向へ磁界Ｂを加えると、ホール
電流と磁界の双方に直角な方向にホール電圧Ｖ_Hが発生
する。発生するホール電圧は定数Ｋを使うと次式によっ
て表される。

【０００８】Ｖ_H＝Ｋ・Ｉ_H・Ｂ……（２） したがって（２）式より入力電流Ｉとホール電圧Ｖ_Hは
次式のような比例関係にあることが分かる。

【０００９】

【数２】

【００１０】以上のように、発生したホール電圧は差動
増幅器６により増幅され、入力電流に比例した電圧とし
て出力端子７に出力され、その値から入力電流値を知る
ことができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の構成
では、検出素子であるホール素子４の磁気感度が小さい
ため、被測定電流により発生する磁界を大きくする必要
がある。検出器の出力を考えたとき入力に必要な磁束の
大きさは最低１００ｅである。例えば、１０Ａの電流を
検出する場合に必要なコイル３の巻数は約６回であり、
かつコイル３に使用する銅線がφ１．５mm程度と太いこ
ともあり、したがって磁性体コア２とコイル３の形状は
大きなものとなる。

【００１２】このことは検出器の小型化に対する障害に
なるばかりでなく、コストアップの要因、さらには磁性
体コア２とコイル３のインピーダンスによる周波数特性
の低下を招くこととなる。また、磁性体コア２の透磁率
μやホール素子４の温度特性の影響およびホール素子４
の出力ばらつきを吸収するためにその調整回路や補償回
路などの付加回路を必要とする問題点を持っている。

【００１３】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、構成を簡単化して小型化、低コスト化を図るととも
に、温度特性および出力バラツキの少ない電流検出器を
提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の電流検出器は、絶縁基板上に４個のエレメン
トを形成してなる磁気抵抗素子及びこの磁気抵抗素子の
エレメントを形成した面に対して平行に静磁界を印加す
る手段とからなる磁気検出手段と、前記磁気抵抗素子の
エレメントを形成した面に平行に配置されかつ前記静磁
界と同じ方向に被測定電流が流れる電流通過導体とを有
し、前記４個のエレメントは前記絶縁基板上に電流通過
導体により生じる磁界の影響を受けるように配置し、か
つ前記４個のエレメントの第１と第４の組および第２と
第３の組はそれぞれエレメントを流れる電流の方向が平
行でありかつ各組間ではその電流方向が互いにほぼ９０
°の角度をなし各エレメントを流れる電流方向と前記静
磁界の方向とがほぼ４５°の角度をなすように構成した
ものである。

【００１５】

【作用】この構成のように、低磁界で動作する磁気抵抗
素子を使うことにより、被測定電流を入力端子から電流
通過導体に流して発生する磁界の大きさが従来より小さ
な値にしても検出器として使うことができる。従って、
従来のような大型の巻数の多いコイルや大型コアを使用
する必要がなくなり、電流検出器の形状の小型化を図る
ことができる。また特性面では周波数特性の改善がで
き、より高い周波数の電流に対応できる。

【００１６】さらに構造的にコイルが不用になるか、も
しくは簡単な組立構造を実現できることで、組立工数の
低減すなわちコストの低減を図ることができる。また、
磁気抵抗素子のエレメント構成配置の最適化と、出力電
圧を磁気抵抗素子の２つの出力の差動電圧とすること、
磁気抵抗素子の電源に定電流源を使うことによって従来
よりも優れた温度特性を有する電流検出器を得ることが
できる。

【００１７】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１８】（実施例１）図１は本発明の第１の実施例
における電流検出器の構造図である。図１において従来
例と同じ部分には同一の番号を付している。８は被測定
電流を流す電流通過導体、９はこの電流通過導体８に電
流を流すことにより発生した磁界を検出する磁気抵抗素
子、１０は磁気抵抗素子９に静磁界を加えるために取り
付けた磁石、１１は磁気抵抗素子９を動作させるための
定電流源である。

【００１９】前記磁気抵抗素子９は、アルミナ基板上に
数１００〜２０００ÅのＮｉＦｅ薄膜を蒸着した後、フ
ォトリソ工程を経て幅が数１０μｍで折り返し状のパタ
ーンを形成することにより構成する。すなわち、図２の
ようにほぼ同じ抵抗値からなる４個のエレメント１３ａ
〜１３ｄを相互に接続したもので、各エレメント１３ａ
〜１３ｄの接続点から基板周辺の４個の電極１２に対し
て取り出し用の配線も同時に形成する。この４個の電極
１２のうち第１と第２のエレメント１３ａ，１３ｂの接
続点および第３と第４のエレメント１３ｃ，１３ｄの接
続点につながる電極１２は磁気抵抗素子９の出力端子で
あり、また残りの２つの接続点につながる電極１２は磁
気抵抗素子９を駆動する定電流源１１に接続される。ま
た、絶縁基板９ａの裏面にはバイアス磁界を印加するた
めの磁石１０を取り付ける。

【００２０】ここで、各エレメント１３ａ〜１３ｄは、
第１のエレメント１３ａとそれに接続される第２，第３
のエレメント１３ｂ，１３ｃに流れる電流の方向は互い
にほぼ９０°の角度を持つとともに、第１のエレメント
１３ａとその対角の位置にある第４のエレメント１３ｄ
の電流方向は同じ向きで、かつ全てのエレメントの電流
方向がバイアスの静磁界に対しほぼ４５°になるように
形成している。また、バイアス用磁界は磁気抵抗素子９
の全てのエレメント１３ａ〜１３ｄにほぼ均等に加わる
ように大きさを選んでいる。

【００２１】また、電流通過導体８は磁気抵抗素子９の
基板面に平行でかつ磁気抵抗素子９のほぼ中央線上ａ−
ａ′を通り、前記バイアス磁界に沿って電流が流れるよ
うな方向に配設している。すなわち、この電流通過導体
８を中心に前記エレメント１３ａと１３ｃが対向し、エ
レメント１３ｂと１３ｄが対向するように配置してお
り、これにより電流通過導体８に流れる電流が検知され
ることとなる。

【００２２】以上のように構成した電流検出器の動作を
示す。図１の入力端子１，１′から電流通過導体８に被
測定電流Ｉを流すと、図３に示すように電流通過導体８
の回りに磁界１４が発生する。磁気抵抗素子９の感磁面
と電流通過導体８の中心との距離をｒとすると磁気抵抗
素子９の感磁面における被測定電流Ｉによる発生磁界１
４の大きさは次式によって表される。

【００２３】

【数３】

【００２４】一方、磁気抵抗素子９のエレメント１３ａ
〜１３ｄの抵抗値は、エレメントに流れる電流により発
生したエレメントの磁化方向が被測定電流Ｉによる発生
磁界とバイアス磁界の合成磁界により受けた回転の角度
θによって決まり、次式で表される。

【００２５】Ｒ＝Ｒ₀−ΔＲ・ｓｉｎ²θ……（５） ここでＲ₀は磁化が回転を受けていないときのエレメン
トの抵抗値、ΔＲは磁化が９０°回転を受けたときの抵
抗値変化量である。

【００２６】図４に示すように磁化の方向は被測定電流
Ｉによる発生磁界とバイアス磁界の合成磁界によって回
転する。バイアス磁界は一定であることから磁化の方向
は被測定電流Ｉによる発生磁界によって回転することに
なり、その結果エレメント１３ａ〜１３ｄの抵抗値が被
測定電流の大きさに従って変化することになる。

【００２７】図２において、被測定電流Ｉをバイアス磁
界の方向に流した場合、第１と第４のエレメント１３
ａ，１３ｄは抵抗値が増加し第２と第３のエレメント１
３ｂ，１３ｃは抵抗値が減少する。これにより第１と第
２のエレメント１３ａ，１３ｂの接続点の出力電圧は減
少し、第３と第４のエレメント１３ｃ，１３ｄの接続点
の出力電圧は増加することになる。

【００２８】このような被測定電流Ｉに対する前記２つ
の接続点での出力電圧変化をそれぞれ表したのが図５で
ある。このような２つの出力端子の電圧の変化をその電
位差の変化として検出することにより被測定電流Ｉの大
きさを知ることができる。また上記のように構成した４
個のエレメント１３ａ〜１３ｄの差動電圧を出力にする
ことからエレメントの初期抵抗の持つ温度特性は互いに
相殺されるため、温度特性の面でも優れた出力特性を得
ることができる。

【００２９】さらに本実施例のように磁気抵抗素子９の
エレメント１３ａ〜１３ｄの抵抗値をほぼ同一な値に設
定し、駆動方式として定電流源１１を選ぶことによりエ
レメント１３ａ〜１３ｄの初期抵抗の温度特性を相殺す
る効果が増し出力電圧の温度特性は更に改善される。ま
た、磁気抵抗素子９の磁気に対する感度はホール素子と
比較すると、１０倍から１００倍近く良く、そのため本
実施例のように単に一本の電流通過導体８によって発生
される磁界１４でも動作し十分な出力が得られることか
ら大型のコアやコイルも不用になり大幅に形状を小さく
することができる。

【００３０】このように本実施例によれば、磁気抵抗素
子９の各エレメントと電流通過導体８とバイアス用静磁
界の組合せと配置を選ぶことにより構造の簡素化及び小
型化が可能となり、コストダウンが図れるとともに、電
流通過導体８の周囲に発生する磁界を磁気抵抗素子９を
使って感度良く検出することができ、出力の取り出し方
法によって温度特性の改善が図れ、さらには電流通過導
体における入力抵抗を下げるとともに周波数特性の優れ
た電流検出器を得ることができる。

【００３１】（実施例２）図６は本発明の第２の実施例
を示す構成図で、上記実施例１の検出部に磁性体ヨーク
２０を付加した構造となっている。この磁性体ヨーク２
０は、肉厚が１mmで長さが約５mm、またその開口部の間
隔が磁気抵抗素子９のエレメント１３ａ〜１３ｄの形成
される領域より広くしたＵ字形の軟フェライト材より構
成している。この磁性体ヨーク２０は、その開口部側が
磁気抵抗素子９のエレメント１３ａ〜１３ｄを形成した
面に当接するように取り付けられ、そしてこの磁性体ヨ
ーク２０と磁気抵抗素子９とにより形成されるトンネル
状の穴に電流通過導体８が貫通している。

【００３２】このとき磁性体ヨーク２０は、この開口部
の電流通過導体８に沿った方向が電流通過導体８に平行
となるように調整し、開口部の間隔部分に磁気抵抗素子
９のエレメント１３ａ〜１３ｄが全て納まるようにして
接着している。これにより、被測定電流Ｉによって発生
した磁界の多くは磁性体ヨーク２０により集束され、磁
気抵抗素子９表面に導かれることになる。従って磁性体
ヨーク２０を使用しない場合に比べ磁気抵抗素子９表面
上で３〜１０倍の磁界強度を得ることができるため、被
測定電流Ｉの小さな領域に対しても入力抵抗を大きくす
ることなく、すなわち電流通過導体８の巻数を多くする
ことなく電流検出器を構成することができる。

【００３３】また従来例で示したコアのように電流通過
導体８をコアに巻き付ける構造ではないため、形状を小
型化することができ、またコアへ電流通過導体８を巻き
付けるといった作業が不用であるため組立工数を大幅に
削減できる。電流検出器の動作は実施例１と同じである
ため省略する。

【００３４】以上のように本実施例によれば被測定電流
Ｉを流す電流通過導体８を挟みその開口部が磁気抵抗素
子９に向くように配置した磁性体ヨーク２０を付けるこ
とによって小さな被測定電流Ｉにも対応できる小形で出
力特性の安定した電流検出器を低コストで得ることがで
きる。

【００３５】（実施例３）図７は本発明の第３の実施例
を示す構成図である。この第３の実施例のものは、構成
は第２の実施例とほぼ同じであるが、図７のようにめっ
き工法によって電流通過導体８の周辺部位に磁性体ヨー
ク２１を形成したものである。図８はその断面図であ
る。電流通過導体８である銅線の長さ約５mmの周囲にＮ
ｉＦｅ合金を約１５μｍの厚さに電気めっきすることに
より磁性体ヨーク２１を形成する。

【００３６】これは比較的大型の電流通過導体８におい
て有効な磁界集束手段であり、磁性体ヨーク２１の一体
形成により検出部の小型化と組立時における電流通過導
体８と磁性体ヨーク２１の位置決め工数の低減、さらに
出力ばらつきの低減に対し効果がある。電流検出器とし
ての動作は前記実施例１および実施例２と同様なので説
明は省略する。

【００３７】以上のように電流通過導体８の表面の一部
にめっきなどの厚膜や薄膜を形成する手段によって作っ
た磁性体ヨーク２１によると第２の実施例と同様な効果
が得られるだけでなく被測定電流通過導体８と磁性体ヨ
ーク２１の位置が再現性よく作れることおよび部品点数
の削減による組立および調整コストの低減を図ることが
できるとともに、出力ばらつきの少ない電流検出器を得
ることができる。

【００３８】（実施例４）図９は本発明の第４の実施例
を示す構成図である。この第４の実施例のものは、第１
の実施例で示した電流検出部及び磁気抵抗素子９を駆動
する定電流源と磁気抵抗素子９の２つの出力電圧の電位
差を増幅する差動増幅器６を含む回路部２３を同一の基
板２４上に組立てた電流検出器である。なお、８は電流
通過導体、９は磁気抵抗素子、１０は基板２４の裏面に
取り付けたバイアス磁石、２５は出力及び電源の接続端
子である。前記基板２４にはガラスエポキシ基板を使用
した。また、電流通過導体８は磁気抵抗素子９を跨ぐよ
うにして基板２４にはんだ付けにより取り付けている。

【００３９】ここで、回路の一例を図１０に示す。磁気
抵抗素子９にはツェナーダイオード２７の電圧と検出抵
抗２８によって決まる電流が供給される。本実施例では
約１０ｍＡである。磁気抵抗素子９の２つの出力は第１
の抵抗２９と第２の抵抗３０を通り差動増幅器６の入力
に接続され、ここでその電位差を検出する。この差動増
幅器６における回路の増幅度は、第１の抵抗２９と第３
の抵抗３２および可変抵抗３４ａ，３４ｂからなる調整
部３４の抵抗値の比によって決定される。また可変抵抗
３５ａ，３５ｂからなる調整部３５における抵抗値の比
を変えることにより出力の零点を調整することができ
る。

【００４０】これらの抵抗値の調整は検出器の製造時に
レーザートリマなどを使用する機能修正により行われ
る。これにより無調整のまま電流検出器を使用できる。
また出力特性のバラツキを低減することができる。さら
に電流検出部と周辺の回路部２３をひとつの基板２４に
作ることにより磁気抵抗素子９の出力配線を短くできる
ため耐ノイズ性の向上を図ることができる。なお第１と
第２の抵抗２９，３０と第３と第４の抵抗３２，３３は
それぞれほぼ等しい抵抗値を有する。なお、図１０にお
いて、３６は差動増幅器、３７は抵抗であり、差動増幅
器３６及び抵抗３７はツェナーダイオード２７とともに
定電流源１１を構成している。

【００４１】以上のように電流検出部と周辺の回路部２
３をひとつの基板２４に作ることにより耐ノイズ性の向
上を図ることができ、検出器の組立時点での調整により
電流検出器として出力特性のバラツキなどをさらに低減
することができ、高精度な電流検出器を提供することが
できる。

【００４２】なお第１の実施例では基板にアルミナを使
用したが、他にガラス基板を用いてもよい。また磁性体
膜には他にＮｉＣｏなどが使用できる。また第２の実施
例では磁性体ヨークに軟フェライトを使用したが、これ
はＮｉＦｅのような金属を使用してもよい。第３の実施
例ではめっき工法を使用したが、他に蒸着や印刷工法を
使用してもよい。また第４の実施例においてガラスエポ
キシ基板を使用しているがこれはアルミナなどの絶縁基
板に導体および抵抗体などを印刷形成したものでもよい
ことは言うまでもない。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明は、磁気抵抗素子の
使用とエレメント構成により簡単な構造で小型化が図
れ、また電流通過導体における入力抵抗を下げ、かつ周
波数特性の改善を図ることができ、小さな被測定電流に
も対応できる電流検出器を得ることができる。さらに、
定電流駆動と差動増幅による耐ノイズ性の向上および出
力特性のバラツキおよび温度特性を改善した高精度な電
流検出器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による電流検出器を示す
構成図

【図２】第１の実施例による磁気抵抗素子の磁気検出パ
ターンを示す平面図

【図３】第１の実施例における磁界の発生を示す断面図

【図４】発生磁界による磁化の回転を説明するベクトル
図

【図５】本発明の磁気抵抗素子の出力変化を示す特性図

【図６】本発明の第２の実施例による電流検出部の構成
図

【図７】本発明の第３の実施例による電流検出部の構成
図

【図８】第３の実施例における断面図

【図９】本発明の第４の実施例による電流検出器を示す
構造図

【図１０】本発明の電流検出器の具体的回路を示す回路
図

【図１１】従来の電流検出器を示す構成図

【符号の説明】

６ 差動増幅器 ８ 電流通過導体 ９ 磁気抵抗素子 ９ａ 絶縁基板 １１ 定電流源 １３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ エレメント ２０，２１ 磁性体ヨーク

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁基板上に４個のエレメントを形成して
   なる磁気抵抗素子及びこの磁気抵抗素子のエレメントを
   形成した面に対して平行に静磁界を印加する手段とから
   なる磁気検出手段と、前記磁気抵抗素子のエレメントを
   形成した面に平行に配置されかつ前記静磁界と同じ方向
   に被測定電流が流れる電流通過導体とを有し、前記４個
   のエレメントは前記絶縁基板上に電流通過導体により生
   じる磁界の影響を受けるように配置し、かつ前記４個の
   エレメントの第１と第４の組および第２と第３の組はそ
   れぞれエレメントを流れる電流の方向が平行でありかつ
   各組間ではその電流方向が互いにほぼ９０°の角度をな
   し各エレメントを流れる電流方向と前記静磁界の方向と
   がほぼ４５°の角度をなすように構成したことを特徴と
   する電流検出器。
2. 【請求項２】Ｕ字形状の磁性体ヨークをその磁性体ヨー
   クの開口部側が磁気抵抗素子のエレメントを形成した面
   に当接するように配置し、かつ前記磁性体ヨークと前記
   磁気抵抗素子とにより形成されるトンネル状の穴内に電
   流通過導体を貫通させたことを特徴とする請求項１記載
   の電流検出器。
3. 【請求項３】電流通過導体の表面の一部にめっきなどの
   厚膜や薄膜を形成する手段によって磁性体ヨークを設け
   たことを特徴とする請求項１記載の電流検出器。
4. 【請求項４】磁気抵抗素子に一定の電流を供給する定電
   流源と、前記磁気抵抗素子の２つの出力端子の電位差を
   検出し増幅するための差動増幅器を設けた請求項１記載
   の電流検出器。