JPWO2018143122A1 - 平衡式電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する磁気検出素子と、磁気検出素子の感度軸方向を面内方向とする基準面から離れた面に設けられたコイル配線部を個別に有する複数のコイルと、を備える磁気平衡式電流センサであって、複数のコイルのそれぞれは、コイル配線部の一方の端部にその一方の端部が接続される引き出し配線部、およびコイルの両端にそれぞれ位置してコイル配線部および引き出し配線部に電気的に接続される２つの電極部を有し、２つの電極部を印加部としてフィードバック電流を流したときキャンセル磁界を発生可能であって、引き出し配線部およびコイル配線部は、絶縁部を介してコイル配線部の巻回軸方向である第１方向に重なるように積層された交差部を有し、第１方向からみたときのコイル配線部の包絡線よりも外側に、２つの電極部が位置し、測定範囲などに関する多様な要求に効率的に応えることが可能である。【選択図】 図２

Description

本発明は、磁気センサとフィードバックコイルとを備える平衡式電流センサに関する。

特許文献１には、被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する磁気検出素子と、前記磁気検出素子の近傍において互いに直列に接続されて配置され、フィードバック電流が流れることにより前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生する複数のコイルと、前記複数のコイルの中から前記フィードバック電流の入力端子及び／又は出力端子と電気的に接続するコイルを選択し、前記フィードバック電流を流すコイルを制御するスイッチ回路と、を有する電流センサが開示されている。かかる電流センサによれば、磁気平衡コイル（フィードバックコイル）を２つ以上の複数に分割して設け、被測定電流の値に応じて組み合わせて使用することにより、コイル電流と発生磁場の関係比率を制御し、広い測定範囲にわたって高精度の測定と低消費電力を図ることが可能であり、しかも省スペース化を図ることができる（特許文献１）。

国際公開第２０１２／０１１３０６号

上記特許文献１に記載されるような磁気平衡式電流センサの場合、スイッチ回路を切り替えることでフィードバックコイルからの磁界強度を２パターンとすることが可能であるが、スイッチ回路が必要であり、磁気検出素子の小型化という観点で問題がある。

また、上記のような磁気検出素子はウエハー上にめっきやスパッタリング等の薄膜形成プロセスにより形成されるものであるが、上記特許文献１にはウエハーのマスクパターンを増加させることなく様々な測定範囲の要求に応えることや、コイルの小型化が可能なフィードバックコイルの配線等の構成については提案されていない。

本発明は、特許文献１に記載されるような複数のフィードバックコイルを有する磁気平衡式電流センサであって、測定範囲などに関する多様な要求に効率的に応えることが可能な磁気平衡式電流センサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために提供される本発明は、一態様において、被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する磁気検出素子と、前記磁気検出素子の感度軸方向を面内方向とする基準面から離れた面に設けられたコイル配線部を個別に有する複数のコイルと、を備える磁気平衡式電流センサであって、前記複数のコイルのそれぞれは、前記コイル配線部の一方の端部にその一方の端部が接続される引き出し配線部、および前記コイルの両端にそれぞれ位置して前記コイル配線部および前記引き出し配線部に電気的に接続される２つの電極部を有し、前記２つの電極部を印加部としてフィードバック電流を流したときに前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生可能であって、前記引き出し配線部および前記コイル配線部は、絶縁部を介して前記コイル配線部の巻回軸方向である第１方向に重なるように積層された交差部を有し、前記第１方向からみたときの前記コイル配線部の包絡線よりも外側に、前記２つの電極部が位置することを特徴とする磁気平衡式電流センサである。

かかる構成を備える磁気平衡式電流センサでは、複数のコイルの１つまたは複数のコイルの２つ以上を適宜組み合わせることにより、キャンセル磁界の範囲が異なる複数種類のフィードバックコイルを選択可能な磁気平衡式電流センサを得ることができる。具体的には、複数のコイルのそれぞれの電極部およびフィードバック電流を流すための配線の端子の結線関係を変更することにより、様々なフィードバックコイルを設定することができる。

そして、上記の磁気平衡式電流センサでは、複数のコイルのそれぞれについて、電極部がコイル配線部の外側に位置する。電極部がコイル配線部の内側に位置する内側電極部である場合には、フィードバック電流を流すための配線の端子と内側電極部とを接続するためにワイヤボンディングが行われていた。この内側電極部にワイヤボンディングを行う際に、ボンディングワイヤがコイル配線部に接触すると短絡が生じてしまうため、そのような不具合が防止されるように内側電極部の面積をある程度大きくする必要があった。そのように内側電極部の面積が大きくなる結果として、コイル配線部全体の面積が大きくなってしまい、磁気平衡式電流センサの小型化の阻害要因となっていた。これに対し、上記の磁気平衡式電流センサのように電極部がコイル配線部の外側に位置する場合には、上記のような不具合を防止するために電極部の面積を大きくすることが不要となるため、コイル配線部の面積を小さくすることができる。

したがって、第１方向視でコイルを小型化することができる。それゆえ、上記の磁気平衡式電流センサは、様々な測定範囲に効率的に対応可能であって、かつ小型化に対応可能な磁気平衡式電流センサである。

上記の磁気平衡式電流センサにおいて、前記複数のコイルから選ばれる２つを直列に接続して前記フィードバック電流を流したときに、一方のコイルが前記磁気検出素子に及ぼす前記キャンセル磁界の強さと、他方のコイルが前記磁気検出素子に及ぼす前記キャンセル磁界の強さとが相違していてもよい。このように、異なる２つのコイルについて、それぞれのコイル配線部から発生するキャンセル磁界が磁気検出素子に及ぼす強さを相違させることにより、基本構造は共通でありながら、多様な測定範囲を有する電流センサを得ることが容易となる。

上記の磁気平衡式電流センサにおいて、前記複数のコイルの少なくとも１つである第１コイルが有する第１コイル配線部は、前記基準面から第１距離だけ離れた第１面上に設けられ、前記複数のコイルの別の少なくとも１つである第２コイルが有する第２コイル配線部は、前記基準面からの距離が前記第１距離とは異なる第２距離だけ離れた第２面上に設けられ、前記第１コイルの１つと前記第２コイルの１つとを直列につないで前記フィードバック電流を流したときに、前記第１コイルの１つが前記磁気検出素子に及ぼす前記キャンセル磁界の強さと、前記第２コイルの１つが前記磁気検出素子に及ぼす前記キャンセル磁界の強さとは相違することが好ましい。

このように異なる面にコイル配線部を設けることにより、コイル配線部のデザインルールは共通とし、ウエハーのマスクパターンを増加させることなくそれぞれのコイル配線部から発生するキャンセル磁界が磁気検出素子に及ぼす強さを相違させることができる。したがって、上記の構成を備える電流センサは、シンプルな構造でありながら、多様な測定範囲を設定可能である。

上記の磁気平衡式電流センサにおいて、前記第１コイルおよび前記第２コイルはいずれも、前記磁気検出素子からみて同じ面側に位置していてもよい。かかる構成を備える場合には、磁気平衡式電流センサが複数の磁気検出素子を有していても、基準面のずれが生じにくい構造とすることが容易である。したがって、検出感度に優れる高品質な電流センサが得られる。

上記の磁気平衡式電流センサにおいて、前記第１コイルは、前記磁気検出素子に対する磁気的影響の程度が等しい２つ以上のコイルからなり、前記第２コイルは、前記磁気検出素子に対する磁気的影響の程度が等しい２つ以上のコイルからなることが好ましい場合がある。このように、第１コイルおよび第２コイルのそれぞれが磁気的に等価な２つ以上のコイルからなる場合には、これらを直列につなぐ、並列につなぐ、いずれかを使用しない、磁気的に等価な一方のコイルを他方の予備コイルとする、といった多様な使用方法が可能となり、多様な要求に応えることができる磁気平衡式電流センサが提供される。

上記の磁気平衡式電流センサにおいて、前記第１コイルの２つ以上のコイルおよび前記第２コイルの２つ以上のコイルは、いずれも抵抗値が等しいことが、電流センサの品質管理の観点から好ましい場合がある。

上記の磁気平衡式電流センサにおいて、前記複数のコイルの少なくとも１つの前記コイル配線部は、前記第１方向に沿った方向の巻回軸を有する渦巻き形状（スパイラル形状）の部分を有していてもよい。コイル配線部がこのような渦巻き形状の部分を有することにより、コイルにキャンセル電流を流したときに発生するキャンセル磁界が等しい領域を広く確保することが容易となる。

上記の渦巻き形状の部分を有する磁気平衡式電流センサにおいて、前記複数のコイルのそれぞれについて、前記コイル配線部は、前記第１方向からみたときにそれぞれの端部が巻回されたコイル配線の内側に位置する８の字巻きであって、前記コイル配線部のそれぞれの端部に前記引き出し配線部の一方の端部が接続されており、前記引き出し配線部の他方の端部には、前記２つの電極部のいずれかが個別に接続され、前記複数のコイルが備える複数の前記２つの電極部は、前記第１方向からみたときに複数の電極部が並置されて電極アレイ部を構成してもよい。このように、電極アレイ部に並置される複数の電極部から選ばれた２つの電極部をフィードバック電流を流すための配線に対して電気的に接続し、残りの複数の電極部の間を必要に応じて短絡することにより、様々な測定範囲を有する磁気平衡式電流センサを得ることができる。したがって、かかる構成を備えることにより、様々な測定範囲を有する磁気平衡式電流センサを容易に得ることができる。

本発明によれば、測定範囲などに関する多様な要求に効率的に応えることが可能な磁気平衡式電流センサが提供される。

本発明の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサの構成を概念的に示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサの構成を概念的に示す上面図である。 （ａ）図２のＶ１−Ｖ１線の断面図であり、（ｂ）図２のＶ２−Ｖ２線の断面図であり、（ｃ）図２のＶ３−Ｖ３線の断面図である。 本発明の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサの使用状態の例を示す上面図であり、（ａ）直列接続、（ｂ）並列接続、および（ｃ）単独使用の状態を示している。 本発明の他の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサの構成を概念的に示す上面図である。 図５のＶ４−Ｖ４線の部分断面図である。 本発明の他の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサと同様の構造を有する磁気平衡式電流センサの４つのコイルの配置を概念的に示す斜視図である。 本発明の他の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサの使用状態の構成を示すブロック図であり、（ａ）全直列接続、（ｂ）並列−直列接続、および（ｃ）直列−並列接続の状態を示している。 本発明の他の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサの使用状態の構成を示すブロック図であり、（ｄ）並列（直列）接続、（ｅ）直列接続、および（ｆ）並列接続の状態を示している。 本発明の他の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサの使用状態における磁場強度と抵抗値との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサの構成を概念的に示す回路図である。図２は、本発明の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサの構成を概念的に示す上面図である。図３は、（ａ）図２のＶ１−Ｖ１線の断面図であり、（ｂ）図２のＶ２−Ｖ２線の断面図であり、（ｃ）図２のＶ３−Ｖ３線の断面図である。

本発明の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサ１００は、図１に示されるような基本構成を備える。本実施形態では、被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する４つの磁気検出素子は、いずれも磁気抵抗効果素子である。感度軸方向が互いに反平行である２つの磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１の一端に入力端子（Ｖｄｄ）からの配線が接続される。磁気抵抗効果素子Ｇ１１の他端に対して、磁気抵抗効果素子Ｇ１１とは感度軸方向が反平行である磁気抵抗効果素子Ｇ１２の一端が接続され、磁気抵抗効果素子Ｇ１２の他端は接地されている。同様に、磁気抵抗効果素子Ｇ２１の他端に対して、磁気抵抗効果素子Ｇ２１とは感度軸方向が反平行である磁気抵抗効果素子Ｇ２２の一端が接続され、磁気抵抗効果素子Ｇ２２の他端は設置されている。こうして４つの磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２によりブリッジ回路５０が形成されている。

磁気抵抗効果素子Ｇ１１と磁気抵抗効果素子Ｇ１２との間の出力Ｖ１および磁気抵抗効果素子Ｇ２１と磁気抵抗効果素子Ｇ２２との間の出力Ｖ２はオペアンプ４３の入力端子にそれぞれ接続される。オペアンプ４３の出力はフィードバックコイル４２の一端に接続され、フィードバックコイル４２を流れる電流はオペアンプ４３により制御されている。フィードバックコイル４２の他端は抵抗４４を介して接地され、抵抗４４とフィードバックコイル４２との間のグランド端子（ＧＮＤ）に対する電位が出力電圧Ｖｏｕｔとなる。

オペアンプ４３は、ブリッジ回路５０の２つの出力（Ｖ１，Ｖ２）からの電圧を入力として、フィードバックコイル４２を流れる電流による誘導磁界と被測定電線２０１を流れる電流（被測定電流）による誘導磁界とフィードバックコイル４２を流れる電流による誘導磁界（本明細書において、被測定電流による誘導磁界との相違を明確にする観点から、「キャンセル磁界」ともいう。）とが相殺して、ブリッジ回路５０の２つの出力（Ｖ１，Ｖ２）からの電圧が等しくなるように、フィードバックコイル４２に対して出力する電圧を制御する。

このように、磁気平衡式電流センサ１００は、被測定電流による誘導磁界をキャンセルするように誘導磁界（キャンセル磁界）を生じさせるフィードバックコイル４２の電流値を、磁気検出素子（磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２）の検出値に基づいて調整することにより、被測定電流に相関性を有する出力電圧Ｖｏｕｔを出力する方式の電流センサである。

上記の測定原理から明らかなように、フィードバックコイル４２から発生させるキャンセル磁界の強さは、被測定電流による誘導磁界の強さとほぼ同等であることが求められる。したがって、想定される被測定電流の大きさに応じて、キャンセル磁界の強さも異なるべきであり、これを実現しうるように、フィードバックコイル４２の構造、具体的には、コイルの巻き数や磁気検出素子からの距離は異なることが好ましい。しかしながら、想定される被測定電流の大きさは多様であるから、この多様なニーズに合わせてフィードバックコイル４２の構造が異なる磁気平衡式電流センサ１００を多数種類用意することは、必ずしも容易なことでなく、経済的観点からも有効とはいえない。

本発明の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサ１００は、次に説明するように、フィードバックコイル４２によるキャンセル磁界の強さの範囲を容易に変更できるように、複数のコイルを備える。

図３に示されるように、磁気平衡式電流センサ１００では、基板ＳＢ上に磁気検出素子（磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２）が設けられている。そして、磁気検出素子（磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２）を覆うように絶縁層Ｍ１が設けられている。磁気抵抗効果素子Ｇ１２，Ｇ２２も同様に基板ＳＢ上に設けられ、これらを覆うように絶縁層Ｍ１が設けられている。

図２および図３に示されるように、磁気平衡式電流センサ１００は２つのコイル１０，２０を有する。そして、図３（ｃ）に示されるように、２つのコイル１０，２０は、磁気検出素子（磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２）の感度軸方向（Ｙ１−Ｙ２方向）を面内方向とする基準面ＳＳから離れた面（具体的には、絶縁層Ｍ１のＺ１−Ｚ２方向Ｚ２側の面）ＳＡに設けられたスパイラル形状のコイル配線部１０Ｃ，２０Ｃを個別に有する。磁気平衡式電流センサ１００では、２つのコイル配線部１０Ｃ，２０Ｃはいずれも同一面（面ＳＡ）上に位置する。図２に示されるように、コイル配線部１０Ｃ，２０Ｃの巻回軸方向である第１方向（Ｚ１−Ｚ２方向）からみたときに、コイル配線部１０Ｃまたはコイル配線部２０Ｃと重なるように、磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２は配置されている。このように配置されることにより、コイル１０，２０からなるフィードバックコイル４２からのキャンセル磁界の向きが、感度軸方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に揃いやすい。

２つのコイル１０，２０のそれぞれは、コイル配線部１０Ｃ，２０Ｃの一方の端部にその一方の端部が接続される引き出し配線部１０Ｌ，２０Ｌを有する。引き出し配線部１０Ｌ，２０Ｌおよびコイル配線部１０Ｃ，２０Ｃは、絶縁部ＩＭを介して第１方向（Ｚ１−Ｚ２方向）に重なるように積層された交差部ＸＰを有する。Ｖ１−Ｖ１線の断面図である図３（ａ）では交差部ＸＰは２つ表されており、Ｖ２−Ｖ２線の断面図である図３（ｂ）では交差部ＸＰは１つ表されている。磁気平衡式電流センサ１００では、引き出し配線部１０Ｌ，２０Ｌは基板ＳＢのＺ１−Ｚ２方向Ｚ２側の面に設けられており、絶縁層Ｍ１のＺ１−Ｚ２方向Ｚ２側の面ＳＡに設けられたコイル配線部１０Ｃと引き出し配線部１０Ｌとは、絶縁層Ｍ１に設けられた貫通孔を充填する導電性物質ＦＭにより接続されている。

コイル１０の両端には、コイル配線部１０Ｃおよび引き出し配線部１０Ｌに電気的に接続される２つの電極部１０Ｅ１，１０Ｅ２が設けられている。２つの電極部１０Ｅ１，１０Ｅ２は、第１方向（Ｚ１−Ｚ２方向）からみたときのコイル配線部１０Ｃの包絡線ＥＬ１よりも外側に位置する。同様に、コイル２０の両端には、コイル配線部２０Ｃおよび引き出し配線部２０Ｌに電気的に接続される２つの電極部２０Ｅ１，２０Ｅ２が設けられている。２つの電極部２０Ｅ１，２０Ｅ２は、第１方向（Ｚ１−Ｚ２方向）からみたときのコイル配線部２０Ｃの包絡線ＥＬ２よりも外側に位置する。

磁気平衡式電流センサ１００は出入力端子３０を有し、その一方である入力端子３１にはオペアンプ４３の出力からの配線（図示せず。）が接続され、他方の端子である出力端子３２には抵抗４４へとつながる配線（図示せず。）が接続される。

磁気平衡式電流センサ１００の使用時には、コイル１０，２０の電極部１０Ｅ１，１０Ｅ２，２０Ｅ１，２０Ｅ２と出入力端子３０（入力端子３１、出力端子３２）との接続を適切に設定することにより、次に説明するように、同じ電圧を印加した場合であってもキャンセル磁界の強さの範囲が異なる複数種類のフィードバックコイル４２を得ることができる。

図４は、本発明の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサの使用状態の例を示す上面図であり、（ａ）直列接続、（ｂ）並列接続、および（ｃ）単独使用の状態を示している。

図４（ａ）に示されるように、コイル１０の一方の電極部１０Ｅ１と入力端子３１とを配線Ｗ１により接続し、コイル１０の他方の電極部１０Ｅ２とコイル２０の一方の電極部２０Ｅ１とを配線Ｗ２により接続し、コイル２０の他方の電極部２０Ｅ２と出力端子３２とを配線Ｗ３により接続することにより、コイル配線部１０Ｃとコイル配線部２０Ｃとが直列に接続されたフィードバックコイル４２を備える磁気平衡式電流センサ１０１が得られる。

図４（ｂ）に示されるように、コイル１０の一方の電極部１０Ｅ１と入力端子３１とを配線Ｗ１により接続し、コイル２０の一方の電極部２０Ｅ１と入力端子３１とを配線Ｗ２により接続し、コイル１０の他方の電極部１０Ｅ２と出力端子３２とを配線Ｗ３により接続し、コイル２０の他方の電極部２０Ｅ２と出力端子３２とを配線Ｗ４により接続することにより、コイル配線部１０Ｃとコイル配線部２０Ｃとが並列に接続されたフィードバックコイル４２を備える磁気平衡式電流センサ１０２が得られる。

図４（ｃ）に示されるように、コイル１０の一方の電極部１０Ｅ１と入力端子３１とを配線Ｗ１により接続し、コイル１０の他方の電極部１０Ｅ２と出力端子３２とを配線Ｗ２により接続することにより、磁気平衡式電流センサ１００はコイル１０のみを使用した状態となる。図示しないが、同様に、コイル２０の一方の電極部２０Ｅ１と入力端子３１とを配線Ｗ１により接続し、コイル２０の他方の電極部２０Ｅ２と出力端子３２とを配線Ｗ１により接続することによって、磁気平衡式電流センサ１０３のフィードバックコイル４２はコイル２０のみを使用した状態となる。

入力端子３１に加えられる電圧が等しい場合であっても、図４（ａ）に示される直列接続の場合にフィードバックコイル４２から発生する誘導磁界（キャンセル磁界）の強さ、図４（ｂ）に示される並列接続の場合のキャンセル磁界の強さおよび図４（ｃ）に示されるコイル１０の単独使用の場合のキャンセル磁界の強さは、互いに異なる。コイル配線部１０Ｃおよびコイル配線部２０Ｃの抵抗率を異ならせれば、図４（ｃ）と同様の配線でありながら、コイル２０の単独使用の場合には、コイル１０の単独使用の場合とは異なる強さのキャンセル磁界を発生させることも可能である。

ここで、コイル配線部の形状がスパイラル形状の場合には、通常、その一方の端部は巻回されたコイル配線部の内側に位置する。このように、電極部がコイル配線部の内側に位置する内側電極部である場合には、フィードバック電流を流すための配線の端子と内側電極部とを接続するためにワイヤボンディングが行われていた。この内側電極部にワイヤボンディングを行う際に、ボンディングワイヤがコイル配線部に接触すると短絡が生じてしまうため、そのような不具合が防止されるように内側電極部の面積をある程度大きくする必要があった。そのように内側電極部の面積が大きくなる結果として、コイル配線部全体の面積が大きくなってしまい、磁気平衡式電流センサの小型化の阻害要因となっていた。これに対し、本実施形態に係る磁気平衡式電流センサ１００のように、電極部１０Ｅ１，１０Ｅ２，２０Ｅ１，２０Ｅ２がコイル配線部１０Ｃ，２０Ｃの外側（具体的には、コイル配線部１０Ｃ，２０Ｃの第１方向（Ｚ１−Ｚ２方向）からみた場合の包絡線ＥＬ１，ＥＬ２の外側）に位置する場合には、上記のような不具合を防止するために電極部の面積を大きくすることが不要となるため、コイル配線部１０Ｃ，２０Ｃにおける第１方向（Ｚ１−Ｚ２方向）からみたときの面積を小さくすることができる。それゆえ、本実施形態に係る磁気平衡式電流センサ１００は、様々な測定範囲に効率的に対応可能であって、かつ小型化に対応可能である。また、コイル１０，２０、引き出し配線部１０Ｌ，２０Ｌ、電極部１０Ｅ１，１０Ｅ２，２０Ｅ１，２０Ｅ２等のパターンを変えることなく、配線Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４の接続方法を変更するのみで、様々な測定範囲の磁気平衡式電流センサ１００を製造することができる。したがって、様々な測定範囲の磁気平衡式電流センサ１００をウエハー上に形成する場合であっても、マスクパターンが少なくて済み、効率の良い生産が可能となる。

図５は、本発明の他の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサの構成を概念的に示す上面図である。図６は、図５のＶ４−Ｖ４線の部分断面図である。具体的には、磁気検出素子が配置されている部分の断面図である。図７は、本発明の他の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサ（図５および図６に示される磁気平衡式電流センサ）と同様の構造を有する磁気平衡式電流センサの４つのコイルの配置を概念的に示す斜視図である。

図５から図７に示されるように、本発明の他の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサ２００は、磁気平衡式電流センサ１００と同様に複数のコイルを有するが、その数が４つである。具体的には、図６に示されるように、磁気平衡式電流センサ２００は基準面ＳＳからの距離が異なる２種類のコイルとして第１コイルおよび第２コイルを有し、さらに第１コイルは２つのコイル（第１外側コイル１１、第１内側コイル１２）を有し、第２コイルも２つのコイル（第２外側コイル２１、第２内側コイル２２）を有する。

いずれのコイルのコイル配線部１１Ｃ，１２Ｃ，２１Ｃ，２２Ｃも、２つのスパイラル形状（渦巻き形状）が連結してアラビア数字の８の形状を有する、いわゆる８の字巻きである。このため、いずれのコイル配線部１１Ｃ，１２Ｃ，２１Ｃ，２２Ｃについても、端部は巻回中心近傍に位置するが、それぞれ、引き出し配線部１１Ｌ１，１１Ｌ２，１２Ｌ１，１２Ｌ２，２１Ｌ１，２１Ｌ２，２２Ｌ１，２２Ｌ２に接続される。それゆえ、第１外側コイル１１の電極部１１Ｅ１，１１Ｅ２、第１内側コイル１２の電極部１２Ｅ１，１２Ｅ２、第２外側コイル２１の電極部２１Ｅ１，２１Ｅ２、第２内側コイル２２の電極部２２Ｅ１，２２Ｅ２は、各コイル配線部の包絡線の外に位置する。

具体的には、いずれの電極部も、各コイル配線部のＸ１−Ｘ２方向Ｘ２側に位置し、Ｙ１−Ｙ２方向に並んで配置されて、電極アレイ部ＥＡ１，ＥＡ２を構成している。このように、電極アレイ部ＥＡ１，ＥＡ２に並置される複数の電極部１１Ｅ１，１１Ｅ２，１２Ｅ１，１２Ｅ２，２１Ｅ１，２１Ｅ２，２２Ｅ１，２２Ｅ２から選ばれた２つの電極部を出入力端子３０に対して電気的に接続し、残りの複数の電極部の間を必要に応じて短絡することにより、様々な測定範囲を有する磁気平衡式電流センサを得ることができる。

図５に示されるように、２つのスパイラル形状（渦巻き形状）が隣り合って配置され、キャンセル磁界が最もＹ１−Ｙ２方向に揃うように生じやすい領域ＧＡ（図５では太線の二点破線により表されている。）内に、４つの磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２は設けられている。

図６に示されるように、磁気平衡式電流センサ２００では、基板ＳＢの上に磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２が形成され、絶縁層Ｍ１がその上に形成され、絶縁層Ｍ１のＺ１−Ｚ２方向Ｚ２側の面（第２面）Ｓ２の上に第２コイル（第２外側コイル２１、第２内側コイル２２）のコイル配線部２１Ｃ，２２Ｃが形成されている。これらのコイル配線部２１Ｃ，２２Ｃを覆うように、絶縁層Ｍ２が形成されている。絶縁層Ｍ２のＺ１−Ｚ２方向Ｚ２側の面は、コイル配線部２１Ｃ，２２Ｃの影響を受けて凹凸を有する。第１方向（Ｚ１−Ｚ２方向）からみて並置されているコイル配線部２１Ｃとコイル配線部２２Ｃとの間に位置するように、第１コイル（第１外側コイル１１、第１内側コイル１２）のコイル配線部１１Ｃ，１２Ｃが形成されている。このように、Ｘ１−Ｘ２方向からみて互い違い（千鳥）になるように第１コイルのコイル配線部１１Ｃ，１２Ｃと第２コイルのコイル配線部２１Ｃ，２２Ｃとが配置されることにより、フィードバックコイル４２によるキャンセル磁界の向きが感度軸方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に揃いやすくなる。なお、図６に示されるように、第１コイルのコイル配線部１１Ｃ，１２ＣのＺ１−Ｚ２方向Ｚ１側の面が位置する面が第１面Ｓ１となる。

第１コイル（第１外側コイル１１、第１内側コイル１２）のコイル配線部１１Ｃ，１２Ｃが設けられている第１面Ｓ１と基準面ＳＳとの距離（第１距離Ｄ１）は、第２コイル（第２外側コイル２１、第２内側コイル２２）のコイル配線部２１Ｃ，２２Ｃが設けられている第２面Ｓ２と基準面ＳＳとの距離（第２距離Ｄ２）よりも大きい。このため、第１コイルの１つ（例えば第１外側コイル１１）と第２コイルの１つ（例えば第２外側コイル２１）とを直列につないでフィードバック電流を流したときに、第１コイルの１つ（第１外側コイル１１）が磁気検出素子（磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２）に及ぼすキャンセル磁界の強さと、第２コイルの１つ（第２外側コイル２１）が磁気検出素子（磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２）に及ぼすキャンセル磁界の強さとは相違する。

このように、基準面ＳＳに対する距離が異なる面にコイル配線部１１Ｃ，１２Ｃ，２１Ｃ，２２Ｃを設けることにより、コイル配線部１１Ｃ，１２Ｃ，２１Ｃ，２２Ｃのデザインルール（比抵抗、断面積、巻回数など）は共通であっても、コイル配線部１１Ｃ，１２Ｃ，２１Ｃ，２２Ｃから発生するキャンセル磁界が磁気検出素子（磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２）に及ぼす強さを、コイル配線部２１Ｃ，２２Ｃの場合とは相違させることができる。したがって、磁気平衡式電流センサ２００は、コンパクトかつシンプルな構造でありながら、多様な測定範囲を設定可能である。

図８は、本発明の他の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサの使用状態の構成を示すブロック図であり、（ａ）全直列接続、（ｂ）並列−直列接続、および（ｃ）直列−並列接続の状態を示している。図９は、本発明の他の一実施形態に係る磁気平衡式電流センサの使用状態の構成を示すブロック図であり、（ｄ）並列（直列）接続、（ｅ）直列接続、および（ｆ）並列接続の状態を示している。

磁気平衡式電流センサ２００では、図５に示されるように、全てのコイルの電極部１１Ｅ１，１１Ｅ２，１２Ｅ１，１２Ｅ２，２１Ｅ１，２１Ｅ２，２２Ｅ１，２２Ｅ２が出入力端子３０（入力端子３１、出力端子３２）の近傍に並置されているため、これらの電極部と出入力端子３０との接続方法を変更するだけで、キャンセル磁界の強さの範囲が異なる様々なフィードバックコイル４２を用意することができる。

図８（ａ）に示されるブロック図では、全てのコイルのコイル配線部１１Ｃ，１２Ｃ，２１Ｃ，２２Ｃが直列に接続されている（全直列接続）。図８（ｂ）に示されるブロック図では、第１コイルのコイル配線部１１Ｃ，１２Ｃが並列に接続され、その後、第２コイルのコイル配線部２１Ｃ，２２Ｃが直列に接続されている（並列−直列接続）。図８（ｃ）に示されるブロック図では、第１コイルのコイル配線部１１Ｃ，１２Ｃが直列に接続され、その後、第２コイルのコイル配線部２１Ｃ，２２Ｃが並列に接続されている（直列−並列接続）。

図９（ｄ）に示されるブロック図では、第１外側コイル１１のコイル配線部１１Ｃと第２外側コイル２１のコイル配線部２１Ｃとが直列に接続され（第１直列接続）、第１内側コイル１２のコイル配線部１２Ｃと第２内側コイル２２のコイル配線部２２Ｃとが直列に接続され（第２直列接続）、これらの第１直列接続と第２直列接続とが並列に接続されている（並列（直列）接続）。図９（ｅ）に示されるブロック図では、第１外側コイル１１のコイル配線部１１Ｃと第１内側コイル１２のコイル配線部１２Ｃとが直列に接続され、この直列接続が入力端子３１および出力端子３２に接続されている（直列接続）。すなわち、この直列接続では、第２コイルは使用されていない。図９（ｆ）に示されるブロック図では、第１外側コイル１１のコイル配線部１１Ｃと第１内側コイル１２のコイル配線部１２Ｃとが並列に接続され、この並列接続が入力端子３１および出力端子３２に接続されている（並列接続）。すなわち、この並列接続では、第２コイルは使用されていない。

上記の６種類の接続により形成されたフィードバックコイル４２を備える磁気平衡式電流センサ２００について、フィードバックコイル４２の抵抗値および磁気検出素子の感度軸の位置におけるキャンセル磁界の大きさについてシミュレーションした。その結果を図１０に示した。図１０の横軸は、図８（ａ）に示されるブロック図に係るフィードバックコイル４２の抵抗値で規格化した各フィードバックコイル４２の抵抗値（抵抗値比、単位：％）であり、図１０の縦軸は、図８（ａ）に示されるブロック図に係るフィードバックコイル４２によるキャンセル磁界の強さで規格化した各フィードバックコイル４２によるキャンセル磁界の強さ（磁界強度比、単位：％）である。なお、図１０には、上記の（ａ）から（ｆ）のいずれのブロック図に係るフィードバックコイル４２の結果であるかを識別可能に符号を示した。

図１０に示されるように、第１コイルのコイル配線部１１Ｃ，１２Ｃおよび第２コイルのコイル配線部２１Ｃ，２２Ｃと出入力端子３０（入力端子３１、出力端子３２）との接続関係を変更することにより、様々な強さのキャンセル磁界を発生させることができる。特に、図８（ｂ）に示されるブロック図に係るフィードバックコイル４２の抵抗値と図８（ｃ）に示されるブロック図に係るフィードバックコイル４２の抵抗値とは等しい（抵抗値比にして６３％）が、第１面Ｓ１と基準面ＳＳとの距離（第１距離Ｄ１）と第２面Ｓ２と基準面ＳＳとの距離（第２距離Ｄ２）とが異なるため、キャンセル磁界の強さは異なる（磁界強度比にして、７８．６％と７１％）。

図示していないが、第２コイルのみが使用され、第１コイルが使用されていない直列接続により形成されたフィードバックコイル４２は、図９（ｅ）に示されるブロック図に基づくフィードバックコイル４２と、抵抗値は共通であるが、それぞれのキャンセル磁界が磁気検出素子に及ぼす強さは異なる。図９（ｆ）に関しても同様に、第２コイルのみを使用する構成とすることにより、抵抗値は共通であるが、それぞれのキャンセル磁界が磁気検出素子に及ぼす強さが異なるフィードバックコイル４２を用意することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、磁気平衡式電流センサ２００では、第１面Ｓ１および第２面Ｓ２は、いずれも、基準面ＳＳに対して、Ｚ１−Ｚ２方向Ｚ２側に位置しているが、これに限定されない。一方がＺ１−Ｚ２方向Ｚ１側に位置し、他方がＺ１−Ｚ２方向Ｚ１側に位置していてもよい。磁気検出素子から最遠位に位置するコイルの上に絶縁層が形成されていてもよい。

磁気平衡式電流センサ２００では、図６に示されるように、第１コイルのコイル配線部（コイル配線部１１Ｃ、コイル配線部１２Ｃ）と、第２コイルのコイル配線部（コイル配線部２１Ｃ、コイル配線部２２Ｃ）とに関し、第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２とが相違している。かかる構成を備えることにより、磁気平衡式電流センサ２００では、第１コイルのコイル配線部（コイル配線部１１Ｃ、コイル配線部１２Ｃ）および第２コイルのコイル配線部（コイル配線部２１Ｃ、コイル配線部２２Ｃ）に流れるキャンセル電流の大きさが等しくても、それぞれのコイルが磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２に及ぼすキャンセル磁界の強さが異なるようにしているが、これに限定されない。例えば、磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２と第１コイルのコイル配線部（コイル配線部１１Ｃ、コイル配線部１２Ｃ）との間に位置する材料の透磁率と、磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２と第２コイルのコイル配線部（コイル配線部２１Ｃ、コイル配線部２２Ｃ）との間に位置する材料の透磁率とが相違する構造にして、第１コイルのコイル配線部（コイル配線部１１Ｃ、コイル配線部１２Ｃ）および第２コイルのコイル配線部（コイル配線部２１Ｃ、コイル配線部２２Ｃ）に流れるキャンセル電流の大きさが等しくても、それぞれのコイルが磁気抵抗効果素子Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２に及ぼすキャンセル磁界の強さが異なるようにしてもよい。

１００，１０１，１０２，１０３，２００ 磁気平衡式電流センサ
Ｇ１１，Ｇ２１，Ｇ１２，Ｇ２２ 磁気抵抗効果素子
Ｖｄｄ ブリッジ回路５０への入力端子
ＧＮＤ グランド端子
５０ ブリッジ回路
Ｖ１ 磁気抵抗効果素子Ｇ１１と磁気抵抗効果素子Ｇ１２との間の出力
Ｖ２ 磁気抵抗効果素子Ｇ２１と磁気抵抗効果素子Ｇ２２との間の出力
４２ フィードバックコイル
４３ オペアンプ
４４ 抵抗
２０１ 被測定電線
Ｖｏｕｔ 出力電圧
ＳＢ 基板
Ｍ１，Ｍ２ 絶縁層
１０，２０ コイル
１１ 第１外側コイル
１２ 第１内側コイル
２１ 第２外側コイル
２２ 第２内側コイル
ＳＳ 基準面
ＳＡ 絶縁層Ｍ１のＺ１−Ｚ２方向Ｚ２側の面
１０Ｃ，２０Ｃ，１１Ｃ，１２Ｃ，２１Ｃ，２２Ｃ コイル配線部
１０Ｌ，２０Ｌ，１１Ｌ１，１１Ｌ２，１２Ｌ１，１２Ｌ２，２１Ｌ１，２１Ｌ２，２２Ｌ１，２２Ｌ２ 引き出し配線部
ＩＭ 絶縁部
ＸＰ 交差部
ＦＭ 導電性物質
１０Ｅ１，１０Ｅ２，２０Ｅ１，２０Ｅ２，１１Ｅ１，１１Ｅ２，１２Ｅ１，１２Ｅ２，２１Ｅ１，２１Ｅ２，２２Ｅ１，２２Ｅ２ 電極部
ＥＬ１，ＥＬ２ 包絡線
３０ 出入力端子
３１ 入力端子
３２ 出力端子
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４ 配線
ＧＡ 領域
Ｓ１ 第１面
Ｓ２ 第２面
Ｄ１ 第１距離
Ｄ２ 第２距離
ＥＡ１，ＥＡ２ 電極アレイ部

Claims (8)

1. 被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する磁気検出素子と、
   前記磁気検出素子の感度軸方向を面内方向とする基準面から離れた面に設けられたコイル配線部を個別に有する複数のコイルと、
   を備える磁気平衡式電流センサであって、
   前記複数のコイルのそれぞれは、
   前記コイル配線部の一方の端部にその一方の端部が接続される引き出し配線部、および前記コイルの両端にそれぞれ位置して前記コイル配線部および前記引き出し配線部に電気的に接続される２つの電極部を有し、
   前記２つの電極部を印加部としてフィードバック電流を流したときに前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生可能であって、
   前記引き出し配線部および前記コイル配線部は、絶縁部を介して前記コイル配線部の巻回軸方向である第１方向に重なるように積層された交差部を有し、
   前記第１方向からみたときの前記コイル配線部の包絡線よりも外側に、前記２つの電極部が位置すること
   を特徴とする磁気平衡式電流センサ。
2. 前記複数のコイルから選ばれる２つを直列に接続して前記フィードバック電流を流したときに、一方のコイルが前記磁気検出素子に及ぼす前記キャンセル磁界の強さと、他方のコイルが前記磁気検出素子に及ぼす前記キャンセル磁界の強さとが相違する、請求項１に記載の磁気平衡式電流センサ。
3. 前記複数のコイルの少なくとも１つである第１コイルが有する第１コイル配線部は、前記基準面から第１距離だけ離れた第１面上に設けられ、
   前記複数のコイルの別の少なくとも１つである第２コイルが有する第２コイル配線部は、前記基準面からの距離が前記第１距離とは異なる第２距離だけ離れた第２面上に設けられ、
   前記第１コイルの１つと前記第２コイルの１つとを直列につないで前記フィードバック電流を流したときに、前記第１コイルの１つが前記磁気検出素子に及ぼす前記キャンセル磁界の強さと、前記第２コイルの１つが前記磁気検出素子に及ぼす前記キャンセル磁界の強さとは相違する、請求項２に記載の磁気平衡式電流センサ。
4. 前記第１コイルおよび前記第２コイルはいずれも、前記磁気検出素子からみて同じ面側に位置する、請求項３に記載の磁気平衡式電流センサ。
5. 前記第１コイルは、前記磁気検出素子に対する磁気的影響の程度が等しい２つ以上のコイルからなり、
   前記第２コイルは、前記磁気検出素子に対する磁気的影響の程度が等しい２つ以上のコイルからなる、請求項２から４のいずれか一項に記載の磁気平衡式電流センサ。
6. 前記第１コイルの２つ以上のコイルおよび前記第２コイルの２つ以上のコイルは、いずれも抵抗値が等しい、請求項５に記載の磁気平衡式電流センサ。
7. 前記複数のコイルの少なくとも１つの前記コイル配線部は、前記第１方向に沿った方向の巻回軸を有する渦巻き形状の部分を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気平衡式電流センサ。
8. 前記複数のコイルのそれぞれについて、
   前記コイル配線部は、前記第１方向からみたときにそれぞれの端部が巻回されたコイル配線の内側に位置する８の字巻きであって、
   前記コイル配線部のそれぞれの端部に前記引き出し配線部の一方の端部が接続されており、
   前記引き出し配線部の他方の端部には、前記２つの電極部のいずれかが個別に接続され、
   前記複数のコイルが備える複数の前記２つの電極部は、前記第１方向からみたときに複数の電極部が並置されて電極アレイ部を構成する、請求項７に記載の磁気平衡式電流センサ。