JPH09506709A - 不揮発性記憶装置を伴うピーク磁界検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ピーク電流検出及び不揮発性記憶装置（１０）は、穴（１８）を有する基板（１２）を有する。基板上に個別の磁界検出素子（２３〜２５）が配置され、それらの素子の位置は穴から半径方向にずれている。導体（３０）は穴を貫通している。磁界検出素子は所定の状態に磁化される。導体により搬送される電流は、導体の周囲に、磁界検出素子の所定の磁化状態を変化させる磁界を発生する。磁界を表わし、電流と容易に関連づけできる変化後の磁化状態を確定するために、様々な読出し技法を使用しうる。

Description

【発明の詳細な説明】 不揮発性記憶装置を伴うピーク磁界検出器 発明の背景 本発明は全体として磁界感知装置に関し、さらに特定すれば、ピーク磁界強度 の不揮発性記憶装置を含むピーク磁界感知装置に関する。 所定の期間中に起こったピーク磁界の値を測定し且つ保持する必要がある状況 は数多くある。その１例としては、所定の時間間隔の間に導体を通って流れる最 大電流を測定し且つ記録又は記憶するという要求がある。測定すべき電流は、持 続時間が非常に短い電流パルスのみから構成されていることもある。この電流値 の測定と保持は、電流の変化を最小限に抑え、配線の変更を最小限に抑え且つ導 体の伝送特性又はインピーダンスの変化を最小限に抑えつつ実行すべきであると いう要求を含んでいる。 この要求を満たす従来の方式の１つでは、導体を切断し、抵抗器を挿入して、 測定すべき電流が抵抗器を通過するようにし、その結果、電圧の降下を得ていた 。場合によっては、回路コネクタで抵抗器の挿入を実現できる。そこで、たとえ ば、電圧計によって抵抗器の両端の電圧を測定する。電圧降下は導体中の電流に 比例するので、その電流を確定することができる。この方式は回路と、電流経路 のインピーダンスを物理的に変化させるという点で、侵入形方式である。加えて 、この方式では、抵抗器を挿入し、電圧計を配置するためのスペースを必要とし ている。実際には、システム内での電流測定の際にシステム内に抵抗器と電圧計 を配置するために、十分なスペースを利用できない場合が多い。 電流の値を測定し且つ保持するもう１つの方式は、１つのループ又は多数のル ープから構成される誘導ピックアップを電流搬送導体の周囲に配置し、このピッ クアップに誘導された電圧を測定することとを含む。時間の経過に従ってこの誘 導電圧を積分することにより、導体中の電流を確定できる。 抵抗器挿入方式と誘導ピックアップ方式には欠陥がある。抵抗器挿入方式では 、電圧を測定しなければならない。誘導ピックアップ方式においては、電圧を時 間 の関数として測定し且つ記憶することが必要である。それらの要求は、たとえば 、電圧が短いパルスとして現れる場合には、さらに難しくなる。また、多くの実 際の適用用途では、データ記憶機器は必然的に電流測定ポイントから幾分かの距 離をおいた位置にある。 磁気センサは、従来の別の電流測定方式である。たとえば、ホール効果センサ は薄い導電性材料のシートから構成されたホール素子を使用でき、その出力接続 は素子を通る電流の流れの方向に対して垂直である。付近の導体の中の測定すべ き電流によって発生するような、素子に対し垂直な磁界にさらされると、素子は 磁界の強さに比例する出力電圧をもって応答する。その電圧出力は非常に小さく 、有用な電圧レベルを達成し且つ素子を通る励起電流を供給し、得られた情報を 記憶させるためには、オンチップ又はオフチップのいずれかで、追加の電子回路 が必要である。 電流測定のために、磁気抵抗センサを使用しても良い。パーマロイのような材 料の場合、付近の電流ストラップにより供給できる外部電界を印加することによ って、好ましい磁気の向きが得られる。そこで、パーマロイ薄膜の平面で、電流 に対し垂直に磁界を加えると、磁化の方向は磁界の方向に向かって回転する。磁 化の方向が回転する角度は、測定すべき電流により発生する外部電界の振幅によ って決まる。磁化の方向が磁気抵抗素子の電流の流れの方向から離れて回転する につれて、パーマロイ素子の抵抗は減少し、この抵抗の変化は測定すべき電流に 起因する磁界を表わす。磁気抵抗センサは、センサに電流を供給するために電力 を必要とし、また、信号調節と読出しのための電子回路が必要になるであろう。 また、電流を測定するために、フラックスゲート形磁力計並びに他の種類の磁 力計が使用されていた。ところが、これらの方式は、いずれも、別個の信号調節 回路と記憶回路を必要とする。 従って、単純な非侵入方式の電流感知記憶能力に対する要求がある。 発明の概要 本発明は、導体の中の電流により供給されるピーク磁界を感知するピーク磁界 感知装置を提供することにより、これらの要求及びその他の要求を満足する。基 板上に、複数の磁界検出素子が配置される。導体は基板の穴を貫通し、ほぼ基板 に対し垂直であるか、あるいは、導体は基板の付近にあり、基板と平行であるか 又は基板に対し垂直である。磁界検出素子は所定の磁化状態を有し、穴又は電流 （電界）源から半径方向にずれた位置にある。導体中の電流は、磁界検出素子の 所定の磁化状態を変化させる磁界を発生させる。読出し方法を使用して、ピーク 磁界を表わし、ピーク電流と直接に関連づけることができる変化後の磁化状態を 確定する。 図面の簡単な説明 図１は、いくつかの部分を想像線で示した本発明の教示に従ったピーク磁界検 出記憶装置の部分斜視図を示す。 図２は、いくつかの部分を想像線で示したピーク磁界検出記憶装置の別の実施 例の部分斜視図を示す。 好ましい実施例の説明 導体の中を流れる電流Ｉによって生じるピーク磁界を測定し且つ記憶するピー ク磁界感知装置を図面に示し、その全体を図中符号１０により指示している。 図１に示す形態では、本発明の教示に従った装置１０は基板１２を含む。基板 １２はシリコン、ガラス、セラミック又は他の適切な材料であれば良い。ここで は、説明の便宜上、基板１２はシリコンであると想定する。基板１２は表面１４ を有し、その厚さ１６は重大ではない。基板は中心２０を有する穴１８をさらに 有する。本発明の第１の実施例に従えば、シリコン基板１２の表面１４に一連の 同心円リング２２を形成するように、薄膜磁性材料のパターンを形成する。リン グ２２は穴１８を取り巻いており、個別のリング２３、２４、２５及び２６を含 む。穴２８は、たとえば、装置１０が電気コネクタ２９の複数のピンにはめ込む ように設計されている場合に必要になると思われる第２の穴である。導体３０は 基板１２にある穴１８を貫通する。導体３０は穴１８の中心２０を通過し且つ基 板１２に対し垂直であるように配置されるのが理想的である。導体３０はコネク タ２９のピンであっても良く、また、導体３２はコネクタ２９の第２のピンであ っても良い。 以上、装置１０の基本構成を開示したので、その使用方法と精巧な特徴を明示 し、理解することができる。図１に示すように、リング２２の形態をとる薄膜磁 性材料は導体３０の付近に配置されている。装置１０は、コネクタ部分２９と図 示されていない第２のコネクタ部分との間で、ピン３０及び３２にはめ込まれる ように整形又は形成されている。当初、リング２２の磁性材料は完全に消磁され ているか、又は何らかの既知の初期方向、たとえば、測定すべき電流Ｉによって 起こるであろう磁化の方向には逆の方向に磁化されているかのいずれかである。 この逆方向の初期磁化は、たとえば、初期化電流を測定すべき電流である電流Ｉ とは逆の方向に導体３０に流すことにより起こりうるであろう。初期化が十分に 大きい場合、全てのリング２２は、初期化電流の方向に応じて、時計回り方向又 は反時計回り方向のいずれかに磁化される。 導体の付近の磁界の強さと、導体中の電流との関係は数多くの幾何学的構造に 対して良く知られており、ほぼ全ての幾何学的構造についてその関係を計算でき る。従って、導体３０の中に電流Ｉが流れたとき、電流Ｉに起因するピーク磁界 はリング２２の形態をとる薄膜磁性材料によって記録されるということが容易に わかる。 同心リング２２の幾何学的数値、たとえば、薄膜の厚さ、リング２２の幅、リ ング２２の半径及びその他の幾何学的特性は、保磁度、異方性、矩形比及びその 他の磁気特性などの薄膜の磁気特性と共に、導体３０の電流Ｉに起因する磁界が 存在しているときに、それぞれのリング２３、２４、２５及び２６の磁化がどの ように切替わるかを決定する。そこで、装置１０の設計者は、それらのパラメー タを適正に選択することにより、磁化が切替わっている出力、すなわち、リング ２２の数を入力電流の適切な関数とさせるような装置を設計できる。すなわち、 入力に正比例する関数、入力に対数比例する関数又は入力の他の何らかの適切な 関数となるように出力を設計すれば良い。導体３０を完全に包囲するリング２２ を有する図１に示す実施例は、穴１８の中心２０から外れている電流搬送導体３ ０と、均一な周囲磁界とのいずれにも最高の感度を示さない。 同心リング２２に記録された磁界情報を読出す方法には様々なものがある。た とえば、１つの方法は磁気光学的力−効果を利用する。偏光を磁性薄膜に入射さ せる極性力−効果、長手方向力−効果又は横方向力−効果を使用することかでき る。リング２２の薄膜の磁化の方向に従って、入射光の偏光は異なる量ずつ回転 する。この読出し方法は、薄膜に沿って偏光の細いビームで走査するか、あるい は薄膜領域全体の同時両像を形成する走査力−顕微鏡システムを使用することに よって実行可能であろう。ここまでに説明した読出し方法と関連する技術は良く 知られているので、詳細には説明しない。いずれの読出し方式も、薄膜磁性リン グ２２の中のどのリングが導体３０の中の電流Ｉによって磁気的に切替わったか を判定することを目標としている。もう１つの読出し方式は、磁気コアメモリ素 子における磁化を検出するために使用されているのに類似する方法を使用するも のであろう。 装置１０の別の実施例を図２に示すが、図２においては、図１の素子に対応す る素子は、たとえば、基板１２′として指示されている。図２では、一連の磁性 素子４０は、基板１２′の上にパターンを規定された個別の磁性素子４１、４２ 、４３、４４、４５及び４６から構成されている。一連の磁性素子４０は、導体 ３０′の中の電流によって切替わるように、導体３０′から離間して行く半径方 向の列４８を成してパターンを規定されている。単一の半径方向の列４０を使用 して、導体３０′の中のピーク電流を検出することができる。図２には、それに 対向する第２の半径方向の列５０も示されている。２つ以上の対向する列を設け ることにより、２つの対向する列の読出し値を平均して、基板１２の平面におけ る周囲磁界の影響を除去することができる。平面周囲磁界の影響を除去する目的 で、対向する列を平均するために、４つの列を利用できるように、さらに２つの 対向する列５２及び５４を使用することも可能である。基板１２′の平面で切替 え方向に沿って周囲磁界がゼロである１組の対向する列が存在するように、付加 的な対向する列を有する装置１０を設計することもできる。従って、それらの対 向する列における周囲磁界による切替え効果は最小になる。 図２の代替実施例においては、たとえば、一連の磁性感知素子４０の初期磁化 方向の設定、磁性素子の切替え及び読出しは、図１の実施例に関して説明したの と同じ一般的方法で実行されるであろう。 装置１０の構成と動作は明示したので、いくつかの利点をさらに明示し、理解 することができる。これまで、多くのシステムにおいて、ピーク電流値の測定と 記録はシステムのスペースと重量に制約があり、電流を測定している回路の妨害 を最小限に抑えつつ電流を測定記録する必要があり、測定箇所から離れた場所に ある計器類は複雑であり且つその他にも考慮すべき事項があるために困難であっ た。装置１０の使用によって、回路のピーク電流を非侵入方式で測定でき、また 、ピーク値を不揮発性記憶装置に記憶させることができる。 装置１０は、個々の事象状況を解析する際に要求されるような短い電流パルス の測定及び記録に特に適している。 また、直流又は交流の測定を要求する用途で装置１０を使用することができる 。 導体の中を流れる電流のピーク値を測定し且つ保持するという特定の用途に関 して、本発明を説明した。しかしながら、不揮発性記憶装置を有するピーク磁界 検出器という本発明は他にも数多くの用途を有しており、装置１０に限定される べきでないことを理解すべきである。同様に、装置１０を薄膜磁性素子に関連し て説明したが、薄膜でない磁性素子を使用しても良いことは理解される。限定す るわけではないが、たとえば、磁性厚膜、バルク磁性材料及び粒子状磁性材料を 使用して良い。 以上の説明に従って、出願人は、多くの用途で利用できる単純なピーク磁界測 定記憶装置を開発した。出願人の発明の特定の一実施例を例示を目的として示し 且つ説明したが、当業者にはいくつかの変形が明白であろう。本発明の範囲は開 示した実施例に限定されるのではなく、次の請求の範囲によってのみ限定される ものとする。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年１月２日 【補正内容】 補正明細書 電流測定のために、磁気抵抗センサを使用しても良い。パーマロイのような材 料の場合、付近の電流ストラップにより供給できる外部電界を印加することによ って、好ましい磁気の向きが得られる。そこで、パーマロイ薄膜の平面で、電流 に対し垂直に磁界を加えると、磁化の方向は磁界の方向に向かって回転する。磁 化の方向が回転する角度は、測定すべき電流により発生する外部電界の振幅によ って決まる。磁化の方向が磁気抵抗素子の電流の流れの方向から離れて回転する につれて、パーマロイ素子の抵抗は減少し、この抵抗の変化は測定すべき電流に 起因する磁界を表わす。磁気抵抗センサは、センサに電流を供給するために電力 を必要とし、また、信号調節と読出しのための電子回路が必要になるであろう。 また、電流を測定するために、フラックスゲート形磁力計並びに他の種類の磁 力計が使用されていた。ところが、これらの方式は、いずれも、別個の信号調節 回路と記憶回路を必要とする。 米国特許第４，１８０，７７５号は、磁界の影響の下にあるガラス基板の上面 に塗布された磁性薄膜を含む電流センサーレコーダを説明している。膜の隣接す る部分を１８０°の逆方向である磁界に同時にさらすことにより、この膜は中央 に境界をもつ２つの逆方向に磁化された連続する領域に分割される。 欧州特許第０３５０６６２号は、過渡電流が流れる電気導体に関して事前定義 済位置に配置される磁気テープキャリアを説明している。磁気テープキャリアは 、過渡電流により発生される磁界によって一部又は全体をクリアされるか、ある いは変化される信号又はデータを搬送する。 従って、単純な非侵入方式の電流感知記憶能力に対する要求がある。 発明の概要 本発明は、導体の中の電流により供給されるピーク磁界を感知するピーク磁界 感知装置を提供することにより、これらの要求及びその他の要求を満足する。基 板上に、複数の磁界検出素子が配置される。導体は基板の穴を貫通し、ほぼ基板 に対し垂直であるか、あるいは、導体は基板の付近にあり、基板と平行であるか 又は基板に対し垂直である。磁界検出素子は所定の磁化状態を有し、穴又は電流 （電界）源から半径方向にずれた位置にある。導体中の電流は、磁界検出素子の 所定の磁化状態を変化させる磁界を発生させる。読出し方法を使用して、ピーク 磁界を表わし、ピーク電流と直接に関連づけることができる変化後の磁化状態を 確定する。 補正請求の範囲 １．電気導体（３０）の中の電流（Ｉ）に起因する磁界を検出し且つその磁界 の値を記憶する装置において、 貫通する穴（１８）を有し、前記電気導体（３０）がその穴を貫通する基板（ １２）と； 前記基板上の複数の固定された場所に空間的に配分される個別の磁界検出素子 と； 前記電気導体に第１の電流を通すことにより、前記個別の素子で第１の磁化状 態を成立させる手段と； 前記電気導体に第２の電流を通すことにより、前記個別の素子を前記磁界にさ らす手段とを具備し、前記磁界は前記個別の磁界検出素子の中の少なくとも１つ における前記第１の磁化状態を第２の磁化状態に変化させ、前記第２の磁化状態 は前記磁界の値を表わすことを特徴とする装置。 ２．前記導体（３０）は前記基板に対しほぼ垂直である請求項１記載の装置。 ３．前記第２の磁化状態は前記第２の電流を表わす請求項２記載の装置。 ４．前記第１の磁化状態は、前記導体に前記第１の電流を第１の方向に通すこ とにより成立し、前記第２の電流は逆方向である請求項３記載の装置。 ５．前記磁性素子は前記穴を囲む複数の同心リング（２２）の形態をとる請求 項４記載の装置。 ６．前記磁性感知素子は不連続の半径方向に位置のずれた素子（４０）である 請求項４記載の装置。 ７．前記不連続の半径方向に位置のずれた素子は、前記穴から第１の方向に延 出する第１の列を成して形成される請求項６記載の装置。 ８．前記基板（１２）は電気コネクタ（２９）のピンにはめ込まれるような形 状である請求項５記載の装置。 ９．前記基板（１２）は電気コネクタ（２９）のピンにはめ込まれるような形 状である請求項６記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュナイダー，ロバート・ダブリュ アメリカ合衆国 55425 ミネソタ州・ブ ルーミントン・リバービュー アヴェニュ サウス・9508

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．磁界を検出し且つ前記磁界の値を記憶する装置において、 基板と； 前記基板上の複数の固定された場所に空間的に配分され、前記磁界にさらされ る前に所定の第１の磁化状態にある個別の磁界検出素子と； 前記個別の素子を前記磁界にさらす手段とを具備し、前記磁界は前記個別の磁 界検出素子の少なくとも１つで前記所定の第１の磁化状態を第２の磁化状態に変 化させ、前記第２の磁化状態は前記磁界の前記値を表わすような装置。 ２．前記基板を貫通する穴をさらに具備する請求項１記載の装置。 ３．前記磁界は、前記穴を通って延出し、第１の電流を搬送する導体により発 生される請求項１記載の装置。 ４．前記導体は前記基板に対しほぼ垂直である請求項３記載の装置。 ５．前記第２の磁化状態は前記第１の電流を表わす請求項４記載の装置。 ６．前記所定の第１の磁化状態は、前記導体に所定の電流を通すことにより確 定される請求項１記載の装置。 ７．前記磁性素子は前記穴を囲む複数の同心円の形態をとる請求項４記載の装 置。 ８．前記磁性感知素子は不連続の半径方向に位置のずれた素子である請求項４ 記載の装置。 ９．前記不連続の半径方向に位置のずれた素子は、前記穴から第１の方向に延 出する第１の列を成して形成されている請求項９記載の装置。 １０．前記穴から、前記第１の方向とは逆の第２の方向に延出する第２の列を 成して形成された不連続の半径方向に位置のずれた素子をさらに具備する請求項 ９記載の装置。 １１．前記基板は電気コネクタのピンにはめ込まれるような形状である請求項 ７記載の装置。 １２．前記基板は電気コネクタのピンにはめ込まれるような形状である請求項 ８記載の装置。 １３．電気導体の中の電流に起因する磁界を検出し且つ前記磁界の値を記憶す る装置において、 貫通する穴を有する基板であって、前記電気導体が前記穴を貫通しており、前 記電気導体が前記基板に対しほぼ垂直であるような基板と； 前記基板上の複数の固定された場所に空間的に配分され、前記磁界にさらされ る前は所定の第１の磁化状態にある個別の磁界検出素子とを具備し； 前記磁界は前記個別の磁界検出素子の中の少なくとも１つにおける前記所定の 第１の磁化状態を第２の磁化状態に変化させ、前記第２の磁化状態は前記磁界の 前記値及び前記電流を表わすような装置。 １４．前記所定の第１の磁化状態は、前記導体に所定の電流を通すことにより 確定される請求項１３記載の装置。 １５．前記磁性素子は前記穴を囲む複数の同心リングの形態をとる請求項１４ 記載の装置。 １６．前記磁性感知素子は不連続の半径方向に位置のずれた素子である請求項 １４記載の装置。 １７．前記不連続の半径方向に位置のずれた素子は、前記穴から第１の方向に 延出する第１の列を成して形成されている請求項１６記載の装置。 １８．前記穴から、前記第１の方向とは逆の第２の方向に延出する第２の列を 成して形成された不連続の半径方向に位置のずれた素子をさらに具備する請求項 １７記載の装置。 １９．前記基板は電気コネクタのピンにはめ込まれるような形状である請求項 １５記載の装置。 ２０．前記基板は電気コネクタのピンにはめ込まれるような形状である請求項 １６記載の装置。