JPWO2010143666A1 - 磁気平衡式電流センサ - Google Patents
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Abstract
小型化を図ることができ、しかも高感度である電流センサを提供すること。本発明の磁気平衡式電流センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子（１４１）と、前記磁気抵抗効果素子（１４１）の近傍に配置された磁気コア（１３）と、前記磁気抵抗効果素子（１４１）の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイル（１２）と、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路（１４）と、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイル（１２）に通電して前記誘導磁界と前記キャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときの前記フィードバックコイル（１２）に流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記フィードバックコイル（１２）、前記磁気コア（１３）及び前記磁界検出ブリッジ回路（１４）が同一基板上に形成されてなることを特徴とする。
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子）を用いた磁気平衡式電流センサに関する。
電気自動車においては、エンジンで発電した電気を用いてモータを駆動しており、このモータ駆動用の電流の大きさは、例えば電流センサにより検出される。この電流センサとしては、導体の周囲に、一部に切り欠き（コアギャップ）を有する磁気コアを配置し、このコアギャップ内に磁気検出素子を配置してなるものである。このような電流センサとして、例えば、図１３に示すような磁気平衡式電流センサがある（特許文献１）。
図１３に示す磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉによって発生する磁界Ｂ１を打ち消す方向に磁気コア１に巻回されたフィードバックコイル２を有している。磁気平衡式電流センサにおいては、被測定電流Ｉが流れると、電流に応じた磁界Ｂ１により磁気検出素子３に出力電圧が生じ、この磁気検出素子３から出力された電圧信号が電流に変換されてフィードバックコイル２にフィードバックされる。このフィードバックコイル２により発生する磁界（キャンセル磁界）Ｂ２と被測定電流Ｉにより生じる磁界Ｂ１とが打ち消しあって磁界が常に０になるように動作する。このとき、フィードバックコイルに流れるフィードバック電流を電圧変換させて出力として取り出す。図１３において参照符号４は増幅器を示し、Ｒは検出抵抗を示す。
近年、電気自動車の大出力化・高性能化に伴って、取り扱う電流値が大きくなってきており、そのため大電流時の磁気飽和を回避する必要がある。磁気飽和を回避するためには磁気コアを大きくする必要があるが、磁気コアを大きくすると電流センサ自体が大型化するという問題がある。また、電気自動車の高性能化に伴って、電流をより正確に測定する必要があり、高感度の電流センサが求められている。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小型化を図ることができ、しかも高感度である磁気平衡式電流センサを提供することを目的とする。
本発明の磁気平衡式電流センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置された磁気コアと、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記キャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときの前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記フィードバックコイル、前記磁気コア及び前記磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなることを特徴とする。
この構成によれば、フィードバックコイル、磁気コア及び磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなるので、磁気コアを有する構造であっても小型化を図ることができる。これにより、キャンセル磁界の大きさを大きくすることができ、被測定電流が大電流であっても測定することが可能となる。また、磁気検出素子として磁気抵抗効果素子を用いるので、電流センサの感度を高くすることができる。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記フィードバックコイルがトロイダル型であり、前記磁気コアが前記フィードバックコイルの内側に設けられていることが好ましい。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記フィードバックコイルがスパイラル型であり、前記磁気コアが前記フィードバックコイルの上方及び下方に設けられていることが好ましい。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子が２つの磁気コアの間に配置され、前記磁気抵抗効果素子と前記磁気コアとが同一平面に形成されたことが好ましい。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気コアは、磁化容易軸が前記フィードバックコイルの電流方向と一致するように設けられたことが好ましい。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記フィードバックコイルは、前記被測定電流の流れる方向に直交する方向が軸心方向となるように設けられ、前記磁気コアは、磁化容易軸が前記軸心方向と直交するように設けられていることが好ましい。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子が、スピンバルブ型のＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子であることが好ましい。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記ＧＭＲ素子は、幅が１μｍ〜１０μｍのミアンダ形状を有し、長手方向の長さが幅の２倍以上であり、前記長手方向が前記誘導磁界の方向及び前記キャンセル磁界の方向に対して共に垂直になるように配置されたことが好ましい。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記ＴＭＲ素子は、幅が１μｍ〜１０μｍの長方形であり、長手方向の長さが幅の２倍以上であり、前記長手方向が前記誘電磁界の方向及び前記キャンセル磁界の方向に対して共に垂直になるように配置されたことが好ましい。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気コアは、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、及び鉄系微結晶材料からなる群より選ばれた高透磁率材料で構成されていることが好ましい。
本発明の磁気平衡式電流センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置された磁気コアと、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記キャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときの前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記フィードバックコイル、前記磁気コア及び前記磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなるので、小型化であり、しかも高感度な電流センサである。
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態においては、フィードバックコイルがトロイダル型であり、磁気コアがフィードバックコイルの内側に設けられている場合について説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態においては、フィードバックコイルがトロイダル型であり、磁気コアがフィードバックコイルの内側に設けられている場合について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る磁気平衡式電流センサを示す図である。図１に示す磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に配設される。被測定電流Ｉの流れる方向に直交する方向が軸心方向Ｘとなるようにフィードバックコイル１２が配設されている。このフィードバックコイル１２は、被測定電流Ｉが流れることにより発生する誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生する。
また、フィードバックコイル１２の軸心方向と直交する方向Ｙ（フィードバックコイル１２の電流方向と一致する方向）が磁化容易軸となるように磁気コア１３が配設されている。被測定電流Ｉから発生した誘導磁界とキャンセル磁界とがフィードバックコイル１２内部で釣り合っている（平衡状態である）とき、磁気抵抗効果素子１４１に印加される磁界が零になるように、磁気コア１３の磁化容易軸方向をフィードバックコイル１２の軸心方向と直交させることにより、残留磁化による磁界が磁気抵抗効果素子１４１に加わらないようにすることができる。また、これにより、フィードバックコイル１２からのキャンセル磁界が飽和し難くなるように、磁気コア１３の反転磁界（Ｈｋ）を大きくし、飽和磁界を適度に大きくすることができる。
また、２つの磁気コア１３の間に磁気抵抗効果素子１４１が配置されている。この磁気抵抗効果素子１４１は、被測定電流Ｉからの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する。この磁気抵抗効果素子１４１は、３つの固定抵抗素子１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃと共に磁界検出ブリッジ回路１４を構成している。このように磁気抵抗効果素子１４１を有する磁界検出ブリッジ回路１４を用いることにより、高感度の磁気平衡式電流センサを実現することができる。また、このような構成によれば、磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子のＴＣＲ（Temperature Coefficient Resistivity）を一致させつつ、抵抗変化率の温度変化が小さいＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いることで出力の温度依存を小さくできるので、温度特性を向上させることができる。
この磁界検出ブリッジ回路１４は、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。図１に示す磁界検出ブリッジ回路においては、固定抵抗素子１４２ａ，１４２ｂ間の接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１４１と固定抵抗素子１４２ｃとの間の接続点にグランド（ＧＮＤ）が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１４１と固定抵抗素子１４２ｂとの間の接続点から一つの出力を取り出し、固定抵抗素子１４２ａと固定抵抗素子１４２ｃとの間の接続点からもう一つの出力を取り出している。これらの２つの出力は増幅器１４３で増幅され、フィードバックコイル１２に電流（フィードバック電流）として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界に応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１２には、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル１２に流れる電流に基づいて検出部（検出抵抗Ｒ）で被測定電流を測定する。
図２（ａ）は、図１に示す磁気平衡式電流センサを示す断面図であり、図２（ｂ）は、磁気抵抗効果素子であるＧＭＲ素子の拡大図である。図２（ａ）に示すように、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおいては、フィードバックコイル１２、磁気コア１３及び磁界検出ブリッジ回路１４が同一基板２１上に形成されている。図２（ａ）に示す構成においては、磁気コア１３及びフィードバックコイル１２が磁気抵抗効果素子１４１の近傍に配置されている。ここでは、フィードバックコイル１２の間に磁気コア１３が配設された２つの構造の間に磁気抵抗効果素子１４１が配置された構成を採っている。さらに、磁気抵抗効果素子１４１が２つの磁気コア１３の間に配置され、磁気抵抗効果素子１４１と磁気コア１３とが同一平面に形成されている。磁気抵抗効果素子１４１が２つの磁気コア１３の間に配置されることにより、被測定電流Ｉから発生する誘導磁界を磁気抵抗効果素子１４１に効率良く印加することができる。また、フィードバックコイル１２の内部に磁気コア１３が配設され、磁気抵抗効果素子１４１が２つの磁気コア１３の間に配置されているので、２つの磁界（誘導磁界及びキャンセル磁界）を共に、地磁気などの不要磁場に対して相対的に大きくでき、電流センサ自体をより高精度化することができる。
この場合においては、フィードバックコイル１２の軸心方向が被測定電流Ｉの流れる方向に直交する方向がとなるようにフィードバックコイル１２が配設されており、フィードバックコイル１２の軸心方向と直交する方向（フィードバックコイル１２の電流方向と一致する方向）が磁化容易軸となるように磁気コア１３が配設されている。
図２（ａ）に示す層構成について詳細に説明する。図２（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおいては、基板２１上に絶縁層であるシリコン酸化膜２２が形成されている。シリコン酸化膜２２には、熱酸化によるシリコン酸化膜やＣＶＤ成膜されたシリコン酸化膜が用いられる。また、基板２１としては、シリコン基板などが用いられる。
シリコン酸化膜２２上には、下部コイル層１２ａが形成されている。下部コイル層１２ａは、コイル材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。あるいは、下部コイル層１２ａは、下地材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
下部コイル層１２ａを設けたシリコン酸化膜２２上には、絶縁層としてポリイミド層２３が形成されている。ポリイミド層２３は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。ポリイミド層２３上には、シリコン酸化膜２４が形成されている。シリコン酸化膜２４は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。
シリコン酸化膜２４上には、磁気コア１３が形成されている。磁気コア１３は、コア材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。あるいは、磁気コア１３は、下地材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。磁気コア１３を構成する材料としては、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、又は鉄系微結晶材料等の高透磁率材料を用いることができる。
また、シリコン酸化膜２４上には、磁気抵抗効果素子１４１が形成されている。このとき、磁気抵抗効果素子１４１と共に固定抵抗素子も設けられ、磁界検出ブリッジ回路が作り込まれる。磁気抵抗効果素子１４１としては、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）などを用いることができる。例えば、ＧＭＲ素子として、反強磁性層、固定磁性層、非磁性層、フリー磁性層を有する多層膜で構成されるスピンバルブ型ＧＭＲ素子や反強磁性層、固定磁性層、非磁性層、フリー磁性層を有する多層膜で構成されるスピンバルブ型ＴＭＲ素子を用いることができる。
スピンバルブ型ＧＭＲ素子としては、図２（ｂ）に示すようなミアンダ形状を有するＧＭＲ素子であることが好ましい。このミアンダ形状においては、リニアリティを考慮すると、ピン方向の幅Ｄが１μｍ〜１０μｍであり、長手方向の長さ（Ｌ）が幅（Ｄ）の２倍以上であることが好ましい。この場合において、リニアリティを考慮すると、長手方向が誘導磁界の方向及びキャンセル磁界の方向に対して共に垂直になることが望ましい。このようなミアンダ形状にすることにより、ホール素子よりも少ない端子数（２端子）で磁気抵抗効果素子の出力を採ることができる。
また、スピンバルブ型ＴＭＲ素子としては、リニアリティを考慮すると、ピン方向の幅が１μｍ〜１０μｍの長方形であり、長手方向の長さが幅の２倍以上であることが好ましい。この場合において、リニアリティを考慮すると、長手方向が誘導磁界の方向及びキャンセル磁界の方向に対して共に垂直になることが望ましい。
磁気コア１３及び磁気抵抗効果素子１４１を設けたシリコン酸化膜２４上には、絶縁層としてポリイミド層２５が形成されている。ポリイミド層２５は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。ポリイミド層２５上には、シリコン酸化膜２６が形成されている。シリコン酸化膜２６は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。
シリコン酸化膜２６上には、上部コイル層１２ｂが形成されている。上部コイル層１２ｂは、コイル材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。あるいは、上部コイル層１２ｂは、下地材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
上部コイル層１２ｂを設けたシリコン酸化膜２６上には、絶縁層としてポリイミド層２７が形成されている。ポリイミド層２７は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。ポリイミド層２７上には、保護層としてシリコン酸化膜２８が形成されている。シリコン酸化膜２８は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。
このような構成を有する磁気平衡式電流センサにおいては、図３（ａ）に示すように、被測定電流Ｉから発生した誘導磁界Ａを、磁気コア１３を通して磁気抵抗効果素子１４１で受け、図３（ｂ）に示すように、その誘導磁界をフィードバックしてフィードバックコイル１２からキャンセル磁界Ｂを発生し、図３（ｃ）に示すように、２つの磁界（誘導磁界Ａ、キャンセル磁界Ｂ）を相殺して磁気抵抗効果素子１４１に印加する磁場が零になるように適宜調整する。
上記構成を有する磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル１２、磁気コア１３及び磁界検出ブリッジ回路１４が同一基板上に形成されてなるので、磁気コア１３を有する構造であっても小型化を図ることができる。これにより、キャンセル磁界の大きさを大きくすることができ、被測定電流が大電流であっても測定することが可能となる。また、磁気検出素子として磁気抵抗効果素子、特にＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いるので、電流センサの感度を高くすることができる。
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
図４は、被測定電流に対する磁気抵抗効果素子が受ける磁界の大きさを測定するための磁気平衡式電流センサの構成を示す図である。図４に示す磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル（Ｃｕ）１２の内部に、厚さ１０μｍ、長さ１００μｍの２つの磁気コア（ＮｉＦｅ）１３が配設されている。磁気コア１３間の距離は９０μｍである。２つの磁気コア１３の間には、長さが５０μｍである磁気抵抗効果素子１４１が配設されている。この構成において、フィードバックコイル１２、磁気コア１３及び磁界検出ブリッジ回路（図示せず）が同一基板上に形成されている。
図４は、被測定電流に対する磁気抵抗効果素子が受ける磁界の大きさを測定するための磁気平衡式電流センサの構成を示す図である。図４に示す磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル（Ｃｕ）１２の内部に、厚さ１０μｍ、長さ１００μｍの２つの磁気コア（ＮｉＦｅ）１３が配設されている。磁気コア１３間の距離は９０μｍである。２つの磁気コア１３の間には、長さが５０μｍである磁気抵抗効果素子１４１が配設されている。この構成において、フィードバックコイル１２、磁気コア１３及び磁界検出ブリッジ回路（図示せず）が同一基板上に形成されている。
このような電流センサに対して、半径が１７ｍｍの導体１１から磁気抵抗効果素子１４１までの距離を５ｍｍ、５０ｍｍとして、被測定電流に対する磁気抵抗効果素子が受ける磁界の大きさをシミュレーションにより求めた。その結果を図５に示す。また、図４に示す構成において、磁気コア１３を除いた構成において、半径が１７ｍｍの導体１１から磁気抵抗効果素子１４１までの距離を５ｍｍ、５０ｍｍとして、被測定電流に対する磁気抵抗効果素子が受ける磁界の大きさをシミュレーションにより求めた。その結果を図５に併記する。
図５に示すように、導体１１から磁気抵抗効果素子１４１までの距離が５ｍｍの場合でも、５０ｍｍの場合でも、磁気コアを有する構成の方が被測定電流に対して磁気抵抗効果素子が受ける磁界が大きかった。
図６は、フィードバックコイルに流れる電流（フィードバック電流）に対する磁気抵抗効果素子が受ける磁界の大きさを測定するための磁気平衡式電流センサの構成を示す図である。図６に示す磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル（Ｃｕ）１２の内部に（トロイダル構造）、厚さ１０μｍ、長さ１００μｍの２つの磁気コア（ＮｉＦｅ）１３が配設されている。フィードバックコイル１２は、断面視において幅３μｍ、高さ２．２μｍであり、コイル間の距離が２μｍである。また、フィードバックコイルのターン数はそれぞれ２０ターンである。また、磁気コア１３間の距離は９０μｍである。２つの磁気コア１３の間には、長さが５０μｍである磁気抵抗効果素子１４１が配設されている。この構成において、フィードバックコイル１２、磁気コア１３及び磁界検出ブリッジ回路（図示せず）が同一基板上に形成されている。
このような電流センサに対して、フィードバック電流に対する磁気抵抗効果素子が受ける磁界の大きさをシミュレーションにより求めた。その結果を図７に示す。また、図６に示す構成において、磁気コア１３を除いた構成において、フィードバック電流に対する磁気抵抗効果素子が受ける磁界の大きさをシミュレーションにより求めた。その結果を図７に併記する。
図７に示すように、磁気コアを有する構成の方がフィードバック電流に対して磁気抵抗効果素子が受ける磁界が非常に大きかった。このように、磁気コアを有する構成によれば、被測定電流に対して磁気抵抗効果素子が受ける磁界も、フィードバック電流に対して磁気抵抗効果素子が受ける磁界も大きいので、高感度の磁気平衡式電流センサを実現することができる。また、本構成の磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル１２、磁気コア１３及び磁界検出ブリッジ回路１４が同一基板上に形成されてなるので、磁気コア１３を有する構造であっても小型化を図ることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態においては、フィードバックコイルがスパイラル型であり、磁気コアがフィードバックコイルの上方及び下方に設けられている場合について説明する。
本実施の形態においては、フィードバックコイルがスパイラル型であり、磁気コアがフィードバックコイルの上方及び下方に設けられている場合について説明する。
図８は、本発明の実施の形態２に係る磁気平衡式電流センサを示す図であり、図９は、図８に示す磁気平衡式電流センサを示す回路図である。図８に示す磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に配設される。被測定電流Ｉの流れる方向に直交する方向が軸心方向Ｘとなるようにフィードバックコイル（平面コイル）１２が配設されている。このフィードバックコイル１２は、被測定電流Ｉが流れることにより発生する誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生する。
また、フィードバックコイル１２の軸心方向と直交する方向Ｙ（フィードバックコイル１２の電流方向と一致する方向）が磁化容易軸となるように磁気コア１３が配設されている。被測定電流Ｉから発生した誘導磁界とキャンセル磁界とがフィードバックコイル１２内部で釣り合っている（平衡状態である）とき、磁気抵抗効果素子１４１に印加される磁界が零になるように、磁気コア１３の磁化容易軸方向をフィードバックコイル１２の軸心方向と直交させることにより、残留磁化による磁界が磁気抵抗効果素子１４１に加わらないようにすることができる。また、これにより、フィードバックコイル１２からのキャンセル磁界が飽和し難くなるように、磁気コア１３の反転磁界（Ｈｋ）を大きくし、飽和磁界を適度に大きくすることができる。
また、２つの磁気コア１３の間に磁気抵抗効果素子１４１が配置されている。この磁気抵抗効果素子１４１は、被測定電流Ｉからの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する。この磁気抵抗効果素子１４１は、３つの固定抵抗素子１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃと共に磁界検出ブリッジ回路１４を構成している。このように磁気抵抗効果素子１４１を有する磁界検出ブリッジ回路１４を用いることにより、高感度の磁気平衡式電流センサを実現することができる。また、このような構成によれば、磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子のＴＣＲ（Temperature Coefficient Resistivity）を一致させつつ、抵抗変化率の温度変化が小さいＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いることで出力の温度依存を小さくできるので、温度特性を向上させることができる。
この磁界検出ブリッジ回路１４は、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。図８に示す磁界検出ブリッジ回路においては、固定抵抗素子１４２ａ，１４２ｂ間の接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１４１と固定抵抗素子１４２ｃとの間の接続点にグランド（ＧＮＤ）が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１４１と固定抵抗素子１４２ｂとの間の接続点から一つの出力を取り出し、固定抵抗素子１４２ａと固定抵抗素子１４２ｃとの間の接続点からもう一つの出力を取り出している。これらの２つの出力は増幅器１４３で増幅され、フィードバックコイル１２に電流（フィードバック電流）として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界に応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１２には、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル１２に流れる電流に基づいて検出部（検出抵抗Ｒ）で被測定電流を測定する。
図１０（ａ）は、図８に示す磁気平衡式電流センサを示す断面図である。図１０（ａ）に示すように、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおいては、フィードバックコイル１２、磁気コア１３及び磁界検出ブリッジ回路（磁気抵抗効果素子１４１のみを図示）が同一基板２１上に形成されている。図１０（ａ）に示す構成においては、磁気コア１３及びフィードバックコイル１２が磁気抵抗効果素子１４１の近傍に配置されている。ここでは、断面視において、磁気コア１３の下方にフィードバックコイル１２が配設された構造と、磁気コア１３の上方にフィードバックコイル１２が配設された構造の２つの構造（フィードバックコイル１２のスパイラル構造）の間に磁気抵抗効果素子１４１が配置された構成を採っている。さらに、磁気抵抗効果素子１４１が２つの磁気コア１３の間に配置され、磁気抵抗効果素子１４１と磁気コア１３とが同一平面に形成されている。磁気抵抗効果素子１４１が２つの磁気コア１３の間に配置されることにより、被測定電流Ｉから発生する誘導磁界を磁気抵抗効果素子１４１に効率良く印加することができる。また、フィードバックコイル１２の内部に磁気コア１３が配設され、磁気抵抗効果素子１４１が２つの磁気コア１３の間に配置されているので、２つの磁界（誘導磁界及びキャンセル磁界）を共に、地磁気などの不要磁場に対して相対的に大きくでき、電流センサ自体をより高精度化することができる。
この場合においては、フィードバックコイル１２の軸心方向が被測定電流Ｉの流れる方向に直交する方向がとなるようにフィードバックコイル１２が配設されており、フィードバックコイル１２の軸心方向と直交する方向（フィードバックコイル１２の電流方向と一致する方向）が磁化容易軸となるように磁気コア１３が配設されている。
図１０（ａ）に示す層構成や構成材料については、下部コイル層１２ａ及び上部コイル層１２ｂのパターンがスパイラル型になっている以外は実施の形態１と同じであるので、詳細な説明は省略する。
このような構成を有する磁気平衡式電流センサにおいては、図１０（ａ）に示すように、被測定電流Ｉから発生した誘導磁界Ａを、磁気コア１３を通して磁気抵抗効果素子１４１で受け、図１０（ｂ）に示すように、その誘導磁界をフィードバックしてフィードバックコイル１２からキャンセル磁界Ｂを発生し、図１０（ｃ）に示すように、２つの磁界（誘導磁界Ａ、キャンセル磁界Ｂ）を相殺して磁気抵抗効果素子１４１に印加する磁場が零になるように適宜調整する。
上記構成を有する磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル１２、磁気コア１３及び磁界検出ブリッジ回路１４が同一基板上に形成されてなるので、磁気コア１３を有する構造であっても小型化を図ることができる。これにより、キャンセル磁界の大きさを大きくすることができ、被測定電流が大電流であっても測定することが可能となる。また、磁気検出素子として磁気抵抗効果素子、特にＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いるので、電流センサの感度を高くすることができる。
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
図１１は、フィードバックコイルに流れる電流（フィードバック電流）に対する磁気抵抗効果素子が受ける磁界の大きさを測定するための磁気平衡式電流センサの構成を示す図である。図１１に示す磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル（Ｃｕ）１２の上方及び下方に（スパイラル構造）、厚さ１０μｍ、長さ１００μｍの２つの磁気コア（ＮｉＦｅ）１３が配設されている。フィードバックコイル１２は、断面視において幅３μｍ、高さ２．２μｍであり、コイル間の距離が２μｍである。また、フィードバックコイルのターン数はそれぞれ２０ターンである。また、磁気コア１３間の距離は９０μｍである。２つの磁気コア１３の間には、長さが５０μｍである磁気抵抗効果素子１４１が配設されている。この構成において、フィードバックコイル１２、磁気コア１３及び磁界検出ブリッジ回路（図示せず）が同一基板上に形成されている。
図１１は、フィードバックコイルに流れる電流（フィードバック電流）に対する磁気抵抗効果素子が受ける磁界の大きさを測定するための磁気平衡式電流センサの構成を示す図である。図１１に示す磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル（Ｃｕ）１２の上方及び下方に（スパイラル構造）、厚さ１０μｍ、長さ１００μｍの２つの磁気コア（ＮｉＦｅ）１３が配設されている。フィードバックコイル１２は、断面視において幅３μｍ、高さ２．２μｍであり、コイル間の距離が２μｍである。また、フィードバックコイルのターン数はそれぞれ２０ターンである。また、磁気コア１３間の距離は９０μｍである。２つの磁気コア１３の間には、長さが５０μｍである磁気抵抗効果素子１４１が配設されている。この構成において、フィードバックコイル１２、磁気コア１３及び磁界検出ブリッジ回路（図示せず）が同一基板上に形成されている。
このような電流センサに対して、フィードバック電流に対する磁気抵抗効果素子が受ける磁界の大きさをシミュレーションにより求めた。その結果を図１２に示す。また、図１１に示す構成において、磁気コア１３を除いた構成において、フィードバック電流に対する磁気抵抗効果素子が受ける磁界の大きさをシミュレーションにより求めた。その結果を図１２に併記する。
図１２に示すように、磁気コアを有する構成の方がフィードバック電流に対して磁気抵抗効果素子が受ける磁界が非常に大きかった。このように、磁気コアを有する構成によれば、被測定電流に対して磁気抵抗効果素子が受ける磁界も、フィードバック電流に対して磁気抵抗効果素子が受ける磁界も大きいので、高感度の磁気平衡式電流センサを実現することができる。また、本構成の磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル１２、磁気コア１３及び磁界検出ブリッジ回路１４が同一基板上に形成されてなるので、磁気コア１３を有する構造であっても小型化を図ることができる。
本発明は上記実施の形態１，２に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態１，２における材料、各層の配置位置、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。
本発明は、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。
本出願は、２００９年６月１２日出願の特願２００９−１４１７０７に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
Claims (10)
- 被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置された磁気コアと、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記キャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときの前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記フィードバックコイル、前記磁気コア及び前記磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなることを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
- 前記フィードバックコイルがトロイダル型であり、前記磁気コアが前記フィードバックコイルの内側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁気平衡式電流センサ。
- 前記フィードバックコイルがスパイラル型であり、前記磁気コアが前記フィードバックコイルの上方及び下方に設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁気平衡式電流センサ。
- 前記磁気抵抗効果素子が２つの磁気コアの間に配置され、前記磁気抵抗効果素子と前記磁気コアとが同一平面に形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気平衡式電流センサ。
- 前記磁気コアは、磁化容易軸が前記フィードバックコイルの電流方向と一致するように設けられたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気平衡式電流センサ。
- 前記フィードバックコイルは、前記被測定電流の流れる方向に直交する方向が軸心方向となるように設けられ、前記磁気コアは、磁化容易軸が前記軸心方向と直交するように設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の磁気平衡式電流センサ。
- 前記磁気抵抗効果素子が、スピンバルブ型のＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の磁気平衡式電流センサ。
- 前記ＧＭＲ素子は、幅が１μｍ〜１０μｍのミアンダ形状を有し、長手方向の長さが幅の２倍以上であり、前記長手方向が前記誘導磁界の方向及び前記キャンセル磁界の方向に対して共に垂直になるように配置されたことを特徴とする請求項７記載の磁気平衡式電流センサ。
- 前記ＴＭＲ素子は、幅が１μｍ〜１０μｍの長方形であり、長手方向の長さが幅の２倍以上であり、前記長手方向が前記誘電磁界の方向及び前記キャンセル磁界の方向に対して共に垂直になるように配置されたことを特徴とする請求項７記載の磁気平衡式電流センサ。
- 前記磁気コアは、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、及び鉄系微結晶材料からなる群より選ばれた高透磁率材料で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の磁気平衡式電流センサ。
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