WO2013105489A1 - 電流センサ - Google Patents

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WO2013105489A1
WO2013105489A1 PCT/JP2013/000024 JP2013000024W WO2013105489A1 WO 2013105489 A1 WO2013105489 A1 WO 2013105489A1 JP 2013000024 W JP2013000024 W JP 2013000024W WO 2013105489 A1 WO2013105489 A1 WO 2013105489A1
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WO
WIPO (PCT)
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current
current line
line
detection element
width
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/000024
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
正憲 鮫島
植松　秀典
Original Assignee
パナソニック株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by パナソニック株式会社 filed Critical パナソニック株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/207—Constructional details independent of the type of device used

Definitions

  • the present invention relates to a current sensor that measures a current to be measured by detecting a magnetic field generated around a current line through which the current to be measured flows.
  • Patent Document 1 discloses a conventional current sensor that detects a current by detecting a magnetic field generated by a current flowing in an electric wire.
  • the current sensor has a magnetic core having a structure surrounding an electric wire to collect the magnetic field.
  • the current detection result may vary greatly depending on the position of the current sensor.
  • the current sensor is configured to detect a current flowing through a flat current line.
  • the current sensor includes a magnetic detection element configured to face the surface of the current line.
  • the magnetic detection element is configured to detect a magnetic field generated by an electric current and output a signal corresponding to the detected magnetism.
  • the current line has a width W in the width direction perpendicular to the direction in which the current flows.
  • the center of the magnetic detection element is located within the width W in the width direction and is separated from the surface of the current line by a distance of 0.43 ⁇ W or more.
  • FIG. 1A is a perspective view of a current sensor of a comparative example.
  • 1B is a cross-sectional view of the magnetic detection element of the current sensor shown in FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a schematic perspective view of a current sensor of a comparative example.
  • FIG. 2B is a diagram illustrating the output voltage of the current sensor of the comparative example.
  • FIG. 3 is a diagram showing the rise time of the current sensor of the comparative example.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating a current injected into a current line of a current sensor of a comparative example.
  • FIG. 4B is a diagram showing the current density on the surface of the current line of the current sensor of the comparative example.
  • FIG. 4C is a diagram showing the current density on the surface of the current line of the current sensor of the comparative example.
  • FIG. 4D is a diagram showing the current density on the surface of the current line of the current sensor of the comparative example.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of the current sensor in the embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a current sensor according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a current sensor according to the embodiment.
  • FIG. 8A is a diagram showing a simulation result of time response of magnetic flux density of the current sensor in the embodiment.
  • FIG. 8B is a diagram illustrating a simulation result of the rise time of the magnetic flux density of the current sensor in the embodiment.
  • FIG. 8C is a diagram illustrating a simulation result of the rise time of the magnetic flux density of the current sensor in the embodiment.
  • FIG. 9A is a schematic cross-sectional view of the current sensor in the embodiment.
  • FIG. 9B is a diagram illustrating an output signal of the current sensor in the embodiment.
  • FIG. 10A is a top view of the magnetic detection element of the current sensor in the embodiment.
  • 10B is a cross-sectional view of the magnetic sensing element shown in FIG. 10A taken along line 10B-10B.
  • FIG. 11A is a diagram showing a simulation result of the rise time of the magnetic flux density of the current sensor in the embodiment.
  • FIG. 11B is a diagram illustrating a simulation result of the rise time of the magnetic flux density of the current sensor in the embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing a positional relationship between the center of the magnetic detection element of the current sensor and the current line in the embodiment.
  • FIG. 1A is a perspective view of a current sensor 500 of a comparative example.
  • the current sensor 500 includes the magnetic detection element 1 placed on the surface 2A of the current line 2.
  • the surface 2A is located on the XZ plane including the X axis and the Z axis, and the surface 2B is parallel to the XZ plane.
  • the surfaces 2C and 2D are parallel to the YZ plane including the Y axis and the Z axis.
  • the surface 2A and the surfaces 2C and 2D are connected by corner portions 2E and 2G, respectively.
  • the dimension (width dimension) in the X-axis direction of the current line 2 has a flat shape that is several times or more the dimension (thickness dimension) in the Y-axis direction, and is elongated in the Z-axis direction.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the magnetic detection element 1.
  • the magnetic detection element 1 is placed on the current line 2 and includes two magnetic flux converging plates 3A and 3B and a sensor chip 5.
  • the sensor chip 5 has two Hall elements 4A and 4B.
  • the magnetic flux converging plates 3A and 3B are arranged to face the surface of the sensor chip 5 with a predetermined interval, and the Hall elements 4A and 4B are arranged in a region where the magnetic flux density is increased by the magnetic flux converging plates 3A and 3B.
  • the magnetic flux 6 generated by the current Ia passes through the Hall element 4A from the magnetic flux converging plate 3A, passes through the Hall element 4B and the magnetic flux converging plate 3B, and passes through the magnetic detection element 1.
  • the Hall elements 4A and 4B generate an electric signal (Hall voltage) proportional to the density of the magnetic flux 6.
  • the magnetic detection element 1 outputs an electric signal proportional to the magnetic flux density in the direction parallel to the surface of the current line 2, the current Ia can be measured.
  • the magnetic flux density vector generated in the vicinity of the surfaces 2A and 2B by the direct current Ia flowing through the current line 2 is parallel to the X axis except for the vicinity of the surfaces 2C and 2D, and the magnitude thereof is It is inversely proportional to the distance from the surface of the current line 2 and is almost constant in the XZ plane.
  • the magnetic detection element 1 outputs an electric signal proportional to the magnetic flux density in the X-axis direction. Therefore, the magnitude of the electrical signal output from the current sensor 500 is inversely proportional to the distance from the surface of the current line 2 except in the vicinity of the surfaces 2C and 2D parallel to the YZ plane, and is substantially constant in the XZ plane. .
  • FIG. 2A is a schematic diagram of the current sensor 500.
  • the width W of the current line 2 is 14 mm
  • the thickness T is 1.6 mm
  • the length is 200 mm
  • a power source V is connected to the current line 2
  • the center of the magnetic detection element 1 is placed at the center in the width direction on the current line 2.
  • the current line 2 is connected to a terminating resistor RL for flowing current.
  • FIG. 2B shows the current Ia injected from the power source V into the current line 2 and the output voltage Vb of the current sensor 500.
  • the horizontal axis indicates time
  • the vertical axis indicates current Ia and output voltage Vb.
  • the difference obtained by subtracting the time until the output voltage Vb reaches 90% of the final value from the time until the current Ia reaches the final value is defined as the rise time of the current sensor 500. If the output voltage Vb reaches 90% or more of the final value when the current Ia reaches the final value, the rise time is defined as zero.
  • Hybrid cars, EV cars, and the like control the number of rotations of the motor, the current capacity of the storage battery, etc. by detecting the value of the current flowing in the current line. Therefore, as described above, when a large time delay is required until the measured current value reaches the final value, such control cannot be performed properly, and the travelable distance is shortened or the storage battery is The service life will be shortened.
  • FIG. 3 shows a change in the rise time depending on the position of the magnetic detection element 1 with respect to the current line 2.
  • the vertical axis represents the rise time
  • the horizontal axis represents the distance of the center of the magnetic detection element 1 from the center in the width direction of the current line 2.
  • the rise time decreases to 0 as the magnetic detection element 1 is moved from the center in the width direction of the current line 2 to the end thereof, and the magnetic detection element 1 is further increased in the width direction (X).
  • the rise time increases again from the center in the direction of the axis toward the end.
  • the rise time is only 0 in a narrow range having a width of only 1.5 mm, the position of the magnetic detection element 1 is limited and the usability is poor.
  • FIG. 4A is a diagram showing the current Ia injected into the current line 2.
  • the vertical axis represents current Ia
  • the horizontal axis represents time t.
  • 4B to 4C show the current density J on the surface 2A of the current line 2 at time points t 1 , t 2 , and t 3 , respectively.
  • the vertical axis indicates the current density J
  • the horizontal axis indicates the position in the width direction (X-axis direction) with reference to the center of the surface 2A in the width direction.
  • the current line 2 is caused by electromagnetic induction.
  • An induced magnetic flux is generated around the current flowing through each part.
  • This induced magnetic flux generates a back electromotive force in a direction interlinking with the current in the current line 2 and preventing the current Ia from changing.
  • FIG. 4D schematically shows the current density in the width direction of the current line 2 after a sufficient time has elapsed (t >> t 2 ).
  • the current density at the center in the width direction of the surface 2A of the current line 2 is small as shown in FIG. 4B, and the width direction of the surface 2A of the current line 2
  • the current density at the end of is large. Therefore, the magnetic flux density sensed at a position very close to the surface 2A of the current line 2 is dominantly affected by the current density immediately below that position, and becomes smaller at the central portion of the current line 2.
  • the output voltage Vb from the current sensor 500 having the magnetic detection element 1 disposed substantially at the center in the width direction of the surface 2A of the current line 2 is reduced.
  • the magnetic detection element 1 when the magnetic detection element 1 is arranged at substantially the center in the width direction of the surface 2A of the current line 2, when the current Ia flowing through the current line 2 is unsteady, particularly when the current Ia rises, The electric signal output from the sensor 500 does not follow the change of the current Ia and reaches the final value after a long time has elapsed.
  • FIG. 5 is a perspective view of the current sensor 1000 according to the embodiment. 5, the X axis, the Y axis, and the Z axis that are perpendicular to each other are defined similarly to FIG. 2A, and the same reference numerals are given to the same portions as those of the current sensor 500 of the comparative example shown in FIG. 2A.
  • the current sensor 1000 according to the embodiment includes a magnetic detection element 22 instead of the magnetic detection element 1 of the current sensor 500 of the comparative example.
  • the surface 2A of the current line 2 is connected to the surfaces 2C and 2D and the end portions 2E and 2G, respectively. Further, the surface 2B of the current line 2 is connected to the surfaces 2C and 2D and the end portions 2F and 2H, respectively.
  • the magnetic detection element 22 has a detection area 22a in which a magnetic field to be detected enters, and the detection area 22a has a center 22c.
  • the magnetic detection elements 22 are arranged to face each other with a predetermined distance from the surface 2A of the current line 2 in the Y-axis direction.
  • a current Ia flows through the current line 2 in the Z-axis direction. As described below, with this arrangement, it is expected that the output signal of the current sensor 1000 can follow the change of the current Ia without delay.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of the current sensor 1000. Below, with reference to FIG. 6, at time t 1 shown in FIG. 4A, determine the magnitude of the direction of the component B X X-axis of the magnetic flux density B in the upper position P A of the surface 2A of the current line 2 . Here the position P A is in the middle of the upper width direction of the surface 2A of the current line 2 (the direction of the X axis). In FIG. 6, the magnitude of the current density on the surface 2A of the current line 2 is represented by the number “+”.
  • the position P A is separated by the center and the distance r of the surface 2A of the current line 2, the current line 2 (surface 2A) has a width W direction of the X axis.
  • the position P A forms an angle ⁇ that is an acute angle with the X axis.
  • the current flowing to the surface 2A of the current lines 2 Ia is to include only the total current i 2 of the end of the central current i 1 and the surface 2A of the current lines 2 (corner 2E, 2G) To do.
  • the magnetic flux density B 0 is generated at the position P A by a central current i 1 of the surface 2A of the current line 2 in a direction facing the direction of the X-axis, represented by the Ampere's law using the proportionality constant k (Equation 1).
  • the end portion of the surface 2A of the current lines 2 (corner 2E, 2G) is a direction component B 1X of X-axis of the magnetic flux density B 1 and the magnetic flux density B 1 generated at the position P A by the current i 2, respectively ( It is represented by (Expression 2) and (Expression 3).
  • component B X of the magnetic flux density B is the first term of equation (4) That is, it is determined by the current i 1 at the center of the surface 2A of the current line 2.
  • the direction of the component B X is the current density on the current line 2 in the X-axis of the magnetic flux density B generated in the position P A by the current lines 2 Not affected by the distribution of.
  • the magnetic flux generated at the position P A by the current lines 2 component B X density B is not only the magnetic flux density generated by current i 1 flowing through the center of the surface 2A of the current line 2, also affected the magnetic flux density generated by current i 2 flowing through the end portion of the surface 2A Can be expected to be almost constant.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a current sensor 1000 for this simulation.
  • Position P A are separated by a distance h from the surface 2A of the current line 2.
  • Position P A is separated by a distance x in the direction (width direction) of the X-axis.
  • FIG. 8A shows the change of the component B X in the direction of the X axis of the magnetic flux density B at the position P A with respect to time when the distance x is 0, that is, the position P A is above the center of the surface 2A. The result obtained by calculating for various values is shown.
  • the width W in the X-axis direction of the surface 2A of the current line 2 is 14 mm
  • the thickness T in the Y-axis direction is 1.6 mm
  • the length in the Z-axis direction is 200 mm. It is made of copper.
  • the current Ia is injected into the current line 2 so as to reach the final value 30A in a time of 50 ⁇ sec.
  • FIG. 8A The following can be understood from FIG. 8A.
  • FIG. 8B shows the distance x is of when it is 0 mm, the simulation results of the relationship between the rise time and the distance h of the components B X of the magnetic flux density B.
  • current distance h from the surface 2A of the current line 2 to be injected into the component B X rise time is 0, that is, the current lines 21 of the magnetic flux density B above 5.2mm reaches the final value component B X at the time of the it can be seen that has reached more than 90% of the final value.
  • FIG. 9A is a schematic cross-sectional view of the current sensor 1000.
  • the width W of the current line 2 is 14 mm
  • the thickness T is 1.6 mm
  • the length is 200 mm
  • FIG. 9B shows a current Ia injected into the current line 2 from the power supply and an output signal Vc that is a voltage output from the current sensor 1000. As shown in FIG.
  • the output signal Vc of the current sensor 1000 reaches 90% of the final value. That is, the rise time of the current sensor 1000 becomes zero.
  • the distance h which is the height of the current line 2 from the surface 2A, is fixed to 6 mm
  • the current line 2 should be within the width W of the center 22c of the detection area 22a of the magnetic detection element 22 in the X-axis direction. For example, the rise time of the current sensor 1000 becomes zero.
  • FIG. 10A is a top view of the magnetic detection element 22.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line 10B-10B of the magnetic detection element 22 shown in FIG. 10A.
  • the lengths of the magnetic detection element 22 in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions are about 3 mm, 1 mm, and 3 mm, respectively.
  • an application electrode 24, output electrodes 25 and 26, a ground electrode 27, and magnetoresistive elements 28a to 28d are provided on the insulating substrate 23, an application electrode 24, output electrodes 25 and 26, a ground electrode 27, and magnetoresistive elements 28a to 28d are provided.
  • a magnetoresistive element 28 a made of a magnetoresistor is connected between the application electrode 24 and the output electrode 25.
  • Magnetoresistive elements 28b, 28c and 28d made of magnetoresistors are connected between the output electrode 25 and the ground electrode 27, between the application electrode 24 and the output electrode 26, and between the output electrode 26 and the ground electrode 27, respectively.
  • the magnetoresistive elements 28a, 28b, 28c, and 28d constitute a bridge circuit.
  • the magnetoresistive elements 28a, 28b, 28c and 28d are magnetoresistive thin films having a thickness of approximately 0.1 ⁇ m made of a ferromagnetic material such as Ni—Co.
  • the magnetoresistive elements 28a, 28b, 28c and 28d are arranged in a matrix of 2 rows and 2 columns. In the matrix shape, the magnetoresistive elements 28a and 28b are adjacent to each other, the magnetoresistive elements 28b and 28d are adjacent to each other, the magnetoresistive elements 28c and 28d are adjacent to each other, and the magnetoresistive elements 28a and 28c are adjacent to each other. .
  • magnetoresistive elements 28a and 28d are located diagonally to each other, and the magnetoresistive elements 28b and 28c are located diagonally to each other.
  • the magnetoresistive elements 28a, 28b, 28c and 28d have meandering shapes extending in the longitudinal directions D28a, D28b, D28c and D28d while meandering.
  • the longitudinal directions D28a, D28b, D28c, D28d of the magnetoresistive elements 28a, 28b, 28c, 28d are inclined by 45 ° with respect to the X axis and the Z axis.
  • the longitudinal directions of the magnetoresistive elements adjacent to each other are perpendicular to each other, and the longitudinal directions of the magnetoresistive elements positioned diagonally to each other are parallel to each other. That is, the longitudinal directions D28a and D28b of the mutually adjacent magnetoresistive elements 28a and 28b are perpendicular to each other. The longitudinal directions D28b and D28d of the magnetoresistive elements 28b and 28d adjacent to each other are perpendicular to each other. The longitudinal directions D28c and D28d of the magnetoresistive elements 28c and 28d adjacent to each other are perpendicular to each other. The longitudinal directions D28a and D28c of the magnetoresistive elements 28a and 28c adjacent to each other are perpendicular to each other.
  • the longitudinal directions D28a and D28d of the magnetoresistive elements 28a and 28d positioned diagonally to each other are parallel to each other.
  • the longitudinal directions D28b and D28c of the magnetoresistive elements 28b and 28c positioned diagonally to each other are parallel to each other.
  • the magnetoresistive elements 28a, 28b, 28c, and 28d detect magnetic fields in directions perpendicular to the longitudinal directions D28a, D28b, D28c, and D28d, and have resistance values that change in accordance with the detected magnetic field strength.
  • the insulating layer 30 is provided on the insulating substrate 23, is made of a SiO 2 thin film having a thickness of about 1 ⁇ m, and covers the magnetoresistive elements 28a, 28b, 28c and 28d.
  • a plurality of thin film magnets 31 are provided on the insulating layer 30.
  • the insulating layer 30 electrically insulates the magnetoresistive elements 28 a, 28 b, 28 c and 28 d from the thin film magnet 31.
  • the thin film magnet 31 is made of a thin film magnet member such as CoPt having a thickness of about 0.6 ⁇ m. After a thin film magnet member is formed on the insulating layer 30 by vapor deposition, sputtering, or the like, a plurality of thin film magnets 31 are formed which are divided into substantially rectangular parallelepipeds elongated in the Z-axis direction by patterning by exposure and etching. Is done.
  • the direction of the magnetic field generated by the thin-film magnet 31 is a direction perpendicular to the longitudinal direction (the Z-axis direction) of the thin-film magnet 31, that is, the X-axis direction in FIG. 10A.
  • the thin film magnet 31 is divided into a plurality of substantially rectangular parallelepiped elongated in the longitudinal direction of 45 ° with respect to the longitudinal direction of the pattern of the magnetoresistive elements 28a, 28b, 28c, 28d.
  • the Z-axis is inclined by 45 ° with respect to the direction of the magnetic field detected by the magnetoresistive elements 28a, 28b, 28c, and 28d, and extends in the longitudinal directions D28a, D28b, D28c, and D28d of the magnetoresistive elements 28a, 28b, 28c, and 28d. It is inclined 45 ° with respect to it.
  • the thin film magnet 31 is arranged such that the magnetic field generated by the thin film magnet 31 is in the same direction as the current Ia flowing through the current line 2, that is, the longitudinal direction is perpendicular to the magnetic field generated by the current Ia.
  • the insulating layer 32 is formed on the insulating layer 30 and is made of a SiO 2 thin film having a thickness of about 1 ⁇ m and covers the thin film magnet 31.
  • the direction of the X axis of the magnetic flux density B at a position away from the center in the width direction (X axis direction) of the surface 2A of the current line 2 having a predetermined dimension by a predetermined distance h in the Y axis direction.
  • the rise time of the signal output from the current sensor 1000 can be estimated when the center 22c of the magnetic detection element 22 of the current sensor is placed at this position.
  • the center 22c is a geometric center of the detection area 22a, which is an area where the magnetoresistive elements 28a to 22d are arranged and surrounded to detect magnetism.
  • Figure 11A is a simulation the rise time of the X direction component B X of the magnetic flux density B at a position separated from the center by a predetermined distance h in the width direction of the surface 2A of the current line 2 in the current sensor 1000 (direction of the X axis) Results are shown.
  • the width W of the current line 2 is 20 mm
  • the thickness T in the Y-axis direction is 5 mm
  • the length in the Z-axis direction is 200 mm
  • Current is injected into the current line 2 so as to reach the final value of 30 A in 50 ⁇ sec.
  • the magnetic flux density at the rise time of the component B X of the magnetic flux density B 0, i.e. current injected to the current line 2 reaches the final value at the position the distance h is not less than 8.4mm
  • the component B X of B is expected to reach 90% or more of the final value.
  • Figure 11B was simulated rise time of X-direction component B X of the magnetic flux density B at a position separated from the center by a predetermined distance h in the width direction of the surface 2A of the current line 2 in the current sensor 1000 (direction of the X axis) Results are shown.
  • the width W in the X-axis direction of the current line 2 is 40 mm
  • the thickness T in the Y-axis direction is 2.5 mm
  • the length in the Z-axis direction is 200 mm
  • Current is injected into the current line 2 so as to reach the final value of 30 A in 50 ⁇ sec.
  • the result of simulation of the rise time of the direction component B X X-axis of the magnetic flux density B at the central from the predetermined distance h apart position in the width direction of the surface 2A of the current line 2 (the direction of the X axis) Indicates.
  • the rise time of the distance h is X direction component B X of the magnetic flux density B at the position of more than 16.4mm from the center in the width direction of the surface 2A of the current line 2 (the direction of the X axis) 0, i.e. component B X of the magnetic flux density B at the time when the current Ia reaches the final value to be injected to the current line 2 is expected to reach more than 90% of the final value.
  • FIG. 12 shows a simulation of the ratio hmin / W of the minimum distance hmin to the width W, which is the minimum value of the distance h at which the rise time of the signal output from the current sensor 1000 becomes zero with three current lines having different widths W and thicknesses T. These results and the measured values obtained in the experiment are shown.
  • a current line having a width W of 14 mm, a thickness T of 1.6 mm, and a length of 200 mm a current line having a width W of 20 mm, a thickness T of 5 mm, a length of 200 mm, and a width W of A current line of 40 mm, a thickness T of 2.5 mm, and a length of 200 mm was used.
  • the ratio hmin / W is 0.43
  • the rise time of the signal output from the current sensor 1000 is zero. That is, when the distance h is 0.43 ⁇ W or more, the rise time of the signal output from the current sensor 1000 becomes zero.
  • the center 22c of the magnetic detection element 22 is within the width W in the width direction (X-axis direction) perpendicular to the Z-axis direction in which the current of the current line 2 flows, and from the surface 2A of the current line 2 , 0.43 ⁇ W or more, the signal output from the current sensor 1000 when the current Ia injected into the current line 2 reaches the final value is 90% of the final value of the signal. % Or more, and the substantial rise time can be reduced to zero.
  • the current sensor 1000 is configured to detect the current Ia flowing through the flat current line 2.
  • the current sensor 1000 is configured to face the surface 2A of the current line 2, and includes a magnetic detection element 22 that detects a magnetic field generated by the current Ia and outputs a signal Vc corresponding to the detected magnetism.
  • the current line 2 has a width W in the width direction (X-axis direction) perpendicular to the direction in which the current Ia flows (Z-axis direction).
  • the center 22c of the magnetic detection element 22 is located within the width W in the width direction (X-axis direction) and is separated from the surface 2A of the current line 2 by a distance h of 0.43 ⁇ W or more.
  • the magnetic detection element 22 is not a structure that collects the magnetic current with a core made of a magnetic material surrounding the current line 2, and is very useful for a current sensor that does not have such a magnetic collection core. Therefore, due to the high sensitivity, a magnetoresistive element such as a magnetoresistive (MR) element or a giant magnetoresistive (GMR) element that does not require the use of such a magnetic collecting core is used as a magnetic detecting element. This is particularly useful when used as 22.
  • MR magnetoresistive
  • GMR giant magnetoresistive
  • the current sensor according to the present invention has high response characteristics, it is particularly useful as a current sensor for detecting current in vehicles, industrial equipment, and the like.

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Abstract

　電流センサは、扁平な形状の電流線を流れる電流を検出するように構成されている。その電流センサは、電流線の表面に対向するように構成された磁気検出素子を備える。その磁気検出素子は、電流により発生する磁界を検出し、検出した磁気に応じた信号を出力するように構成されている。電流線は、電流が流れる方向に直角の幅方向の幅Ｗを有する。磁気検出素子の中心は幅方向において幅Ｗ内であって、かつ電流線の表面から０．４３・Ｗ以上の距離だけ離れて位置する。

Description

電流センサ
　本発明は、被測定電流が流れる電流線の周囲に発生する磁界を検出することにより、被測定電流を測定する電流センサに関する。
　近年、ハイブリッドカー、ＥＶ車等のバッテリーの充放電電流や、電気モーターの駆動電流等の数十Ａから数百Ａレベルの大電流を高精度に計測するための電流センサが求められている。
　特許文献１は、電線に流れる電流が発生する磁界を検出することでその電流を検出する従来の電流センサを開示している。その電流センサはその磁界を集めるために電線を囲む構造を有する磁心を有する。そのような構造の磁心を配置できない場合には、電流センサの位置に依存して電流の検出結果が大きく変わる場合がある。
特開２００６－３８８３４号公報
　電流センサは、扁平な形状の電流線を流れる電流を検出するように構成されている。その電流センサは、電流線の表面に対向するように構成された磁気検出素子を備える。その磁気検出素子は、電流により発生する磁界を検出し、検出した磁気に応じた信号を出力するように構成されている。電流線は、電流が流れる方向に直角の幅方向の幅Ｗを有する。磁気検出素子の中心は幅方向において幅Ｗ内であって、かつ電流線の表面から０．４３・Ｗ以上の距離だけ離れて位置する。
　この電流センサは応答を高速化できるとともに、位置の制限を大幅に緩和できる。
図１Ａは比較例の電流センサの斜視図である。 図１Ｂは図１Ａに示す電流センサの磁気検出素子の断面図である。 図２Ａは比較例の電流センサの模式斜視図である。 図２Ｂは比較例の電流センサの出力電圧を示す図である。 図３は比較例の電流センサの立上り時間を示す図である。 図４Ａは比較例の電流センサの電流線に注入される電流を示す図である。 図４Ｂは比較例の電流センサの電流線の表面の電流密度を示す図である。 図４Ｃは比較例の電流センサの電流線の表面の電流密度を示す図である。 図４Ｄは比較例の電流センサの電流線の表面の電流密度を示す図である。 図５は実施の形態における電流センサの模式斜視図である。 図６は実施の形態における電流センサの模式図である。 図７は実施の形態における電流センサの模式図である。 図８Ａは実施の形態における電流センサの磁束密度の時間応答のシミュレーション結果を示す図である。 図８Ｂは実施の形態における電流センサの磁束密度の立上り時間のシミュレーション結果を示す図である。 図８Ｃは実施の形態における電流センサの磁束密度の立上り時間のシミュレーション結果を示す図である。 図９Ａは実施の形態における電流センサの模式断面図である。 図９Ｂは実施の形態における電流センサの出力信号を示す図である。 図１０Ａは実施の形態における電流センサの磁気検出素子の上面図である。 図１０Ｂは図１０Ａに示す磁気検出素子の線１０Ｂ－１０Ｂにおける断面図である。 図１１Ａは実施の形態における電流センサの磁束密度の立上り時間のシミュレーション結果を示す図である。 図１１Ｂは実施の形態における電流センサの磁束密度の立上り時間のシミュレーション結果を示す図である。 図１２は実施の形態における電流センサの磁気検出素子の中心と電流線との位置関係を示す図である。
　図１Ａは比較例の電流センサ５００の斜視図である。図１Ａにおいて互いに直角のＸ軸とＹ軸とＺ軸とを定義する。電流センサ５００は電流線２の表面２Ａ上に載置された磁気検出素子１を有する。表面２ＡはＸ軸とＺ軸とを含むＸＺ面上に位置し、表面２ＢはＸＺ面に平行である。表面２Ｃ，２ＤはＹ軸とＺ軸とを含むＹＺ面に平行である。表面２Ａと表面２Ｃ、２Ｄは角部２Ｅ、２Ｇでそれぞれ繋がっている。電流線２のＸ軸の方向の寸法（幅寸法）はＹ軸の方向の寸法（厚さ寸法）の数倍以上である扁平な形状を有し、Ｚ軸の方向に細長く延びる。
　図１Ｂは磁気検出素子１の断面図である。磁気検出素子１は電流線２の上に載置されており、２つの磁束収束板３Ａ、３Ｂとセンサチップ５とからなる。センサチップ５は２つのホール素子４Ａ、４Ｂを有する。磁束収束板３Ａ、３Ｂはセンサチップ５の表面に所定の間隔をおいて対向配置され、ホール素子４Ａ、４Ｂは磁束収束板３Ａ、３Ｂによって磁束密度が高まる領域に配置されている。
　電流Ｉａにより発生する磁束６は、磁束収束板３Ａからホール素子４Ａを通り、ホール素子４Ｂおよび磁束収束板３Ｂを通って、磁気検出素子１内を通過する。ホール素子４Ａ、４Ｂは磁束６の密度に比例する電気信号（ホール電圧）を発生する。磁気検出素子１が電流線２の表面に平行な方向の磁束密度に比例した電気信号を出力することにより、電流Ｉａを計測することができる。
　図１Ａに示す電流線２においては、電流線２に流れる直流電流Ｉａにより表面２Ａ、２Ｂ近傍に発生する磁束密度ベクトルは、表面２Ｃ、２Ｄの近傍以外ではＸ軸に平行で、その大きさは電流線２の表面からの距離に反比例し、ＸＺ面内ではほぼ一定となる。また、上記のように磁気検出素子１はＸ軸の方向の磁束密度に比例した電気信号を出力する。したがって、電流センサ５００から出力される電気信号の大きさは、ＹＺ面に平行な表面２Ｃ、２Ｄの近傍以外では、電流線２の表面からの距離に反比例し、ＸＺ面内ではほぼ一定となる。
　電流線２に流れる電流Ｉａが変化時、特に電流の立上り時には電流センサから出力される電気信号が電流Ｉａの変化に追随せず、長時間が経過した後、その信号の最終値に達する。
　図２Ａは電流センサ５００の模式図である。図２Ａでは、電流線２の幅Ｗが１４ｍｍであり、厚さＴが１．６ｍｍであり、長さが２００ｍｍであり、銅製で扁平である。電流線２に電源Ｖが接続され、電流線２上の幅方向の中央に磁気検出素子１の中心が載置されている。電流線２には電流を流すための終端抵抗ＲＬが接続されている。図２Ｂは電源Ｖから電流線２に注入される電流Ｉａと電流センサ５００の出力電圧Ｖｂとを示す。図２Ｂにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は電流Ｉａと出力電圧Ｖｂとを示す。実験によれば、電流Ｉａは１００μｓｅｃで最終値３０Ａに到達しているのに対して、出力電圧Ｖｂが最終値の９０％に到達するまでには２４０μｓｅｃを要している。すなわち、電流Ｉａが最終値に到達してから出力電圧Ｖｂが最終値の９０％に到達するまでには１４０μｓｅｃ（＝２４０μｓｅｃ－１００μｓｅｃ）の時間を要する。以後、電流Ｉａが最終値に到達するまでの時間から出力電圧Ｖｂが最終値の９０％に到達するまでの時間を引いた差を電流センサ５００の立上り時間と定義する。電流Ｉａが最終値に到達した時点で出力電圧Ｖｂが最終値の９０％以上に到達していれば、立上り時間が０であると定義する。出力電圧Ｖｂの電流Ｉａに対する遅れは最終電流値の大きさに関わらずほぼ一定であることを実験で確認した。また、電流Ｉａが１０μｓｅｃで最終値に到達するよう高速化しても、出力電圧Ｖｂが最終値の９０％に到達するまでに要する時間はほぼ一定であることも実験で確認した。
　ハイブリッドカー、ＥＶ車等においては、電流線に流れる電流の値を検出することによって、モーターの回転数、蓄電池の電流容量等の制御を行なっている。したがって、上記のように、測定電流値が最終値に到達するまでに大きい時間遅れを要する場合には、このような制御を適正に行なうことができなくなり、走行可能距離が短くなったり、蓄電池の寿命が短くなったりする。
　図３は磁気検出素子１の電流線２に対する位置による立上り時間の変化を示す。図３において、縦軸は立ち上がり時間を示し、横軸は電流線２の幅方向の中央からの磁気検出素子１の中心の距離を示す。図３に示すように、磁気検出素子１を電流線２の幅方向の中央から端部に向かうにつれて立上り時間は減少して０になり、磁気検出素子１がさらに電流線２の幅方向（Ｘ軸の方向）の中央から端部に向かうと再び立上り時間が増加する。図３に示すように、立上り時間が０になるのはたかだか１．５ｍｍの幅の狭い範囲に過ぎないので、磁気検出素子１の位置に制限があり、使い勝手が悪い。
　図２Aに示すように、磁気検出素子１が電流線２の表面上の幅方向のほぼ中央に配置されている場合には、電流線２に流れる電流Ｉａが変化する時、特に電流の立上り時に、電流センサ５００から出力される信号が電流の変化に追随せず、長時間が経過して後、最終値に達する。以下その理由を定性的に説明する。
　図４Aは電流線２に注入される電流Ｉａを示す図である。図４Ａにおいて、縦軸は電流Ｉａを示し、横軸は時間ｔを示す。図４Ｂから図４Ｃはそれぞれ時点ｔ１、ｔ２、ｔ３における電流線２の表面２Ａ上の電流密度Ｊを示す。図４Ｂから図４Ｃにおいて、縦軸は電流密度Ｊを示し、横軸は幅方向（Ｘ軸の方向）の位置を幅方向の表面２Ａの中央を基準に示す。
　図４Ａに示すように、時点ｔ０で電流線２に電流Ｉａが流れ始め、電流Ｉａが時間に対して一定の割合で増加すると（ｔ０＜ｔ＜ｔ１）、電磁誘導により電流線２内の各部分を流れる電流の周囲には誘導磁束が発生する。この誘導磁束は電流線２内の電流に鎖交して電流Ｉａの変化を妨げる方向の逆起電力を発生する。電流線２の中心に近い部分ほどその部分に流れる電流に鎖交する磁束数が大きく逆起電力も大きいので電流密度Ｊは小さくなり、電流は導体の周辺部に集中して流れる。これにより、ｔ０＜ｔ≦ｔ１においては、電流線２の表面２Ａ特に表面２Ａと表面２Ｃ、２Ｄがそれぞれ繋がる角部２Ｅ、２Ｇ（図１Ａ参照）で電流密度Ｊが大きく、電流線２の中央の電流密度Ｊが小さい。図４Ｂはｔ＝ｔ１における電流線２の幅方向（Ｘ軸の方向）の電流密度を模式的に示す。
　電流線２に流れる電流Ｉａが最終値に到達して増加しなくなると（ｔ１≦ｔ）、電流線２の表面や角部の電流密度が低下するとともに、電流線２の中心２Ｊの電流密度が上昇して、電流線２各部の電流密度Ｊは一様化に向かう。しかし、電流線２の表面、角部の電流密度が低下しているときに再び逆起電力が発生して電流密度の低下を抑制するように働く。同様に、電流線２の中央部の電流密度が上昇しているときに再び逆起電力が発生してこの電流密度の上昇を抑制するように働く。その結果、電流線２内の電流密度が一様になるまでにはある程度の経過時間が必要となる。図４Ｃは電流線２に流れる電流Ｉａが最終値に到達してから後、ｔ＝ｔ２における電流線２の幅方向の電流密度Ｊを模式的に示す。その後、十分な時間が経過した後には電流線２内の電流密度は一様となる。図４Ｄは十分な時間が経過した後（ｔ＞＞ｔ２）における電流線２の幅方向の電流密度を模式的に示す。
　電流線２に流れる電流Ｉａが最終値に到達した時点ｔ１では、図４Ｂに示すように電流線２の表面２Ａの幅方向の中央の電流密度が小さく、電流線２の表面２Ａの幅方向の端部の電流密度が大きい。したがって、電流線２の表面２Ａのごく近い位置で感知される磁束密度はその位置の直下の電流密度の影響を支配的に受け、電流線２の中央部分では小さくなる。その結果、電流線２の表面２Ａの幅方向のほぼ中央に配置された磁気検出素子１を有する電流センサ５００からの出力電圧Ｖｂは小さくなる。
　電流線２に流れる電流Ｉａが一定となった直後より、図４Ｃに示すように電流線２の表面２Ａの幅方向の中央の電流密度が徐々に増加し、電流線２の表面２Ａの幅方向の端部の電流密度が徐々に減少する。これに伴い、電流線２の表面２Ａの幅方向のほぼ中央に配置された磁気検出素子１を有する電流センサ５００からの出力電圧Ｖｂは徐々に大きくなり最終値に到る。
　このように、磁気検出素子１が電流線２の表面２Ａの幅方向のほぼ中央に配置されている場合に、電流線２に流れる電流Ｉａが非定常な時、特に電流Ｉａの立上り時に、電流センサ５００から出力される電気信号が電流Ｉａの変化に追随せず、長時間が経過して後、最終値に達する。
　図５は実施の形態における電流センサ１０００の斜視図である。図５において、図２Ａと同様に互いに直角のＸ軸とＹ軸とＺ軸とを定義し、図２Ａに示す比較例の電流センサ５００と同じ部分には同じ参照番号を付す。実施の形態における電流センサ１０００は、比較例の電流センサ５００の磁気検出素子１の代わりに磁気検出素子２２を備える。電流線２の表面２Ａは表面２Ｃ、２Ｄと端部２Ｅ、２Ｇでそれぞれ繋がっている。また、電流線２の表面２Ｂは表面２Ｃ、２Ｄと端部２Ｆ、２Ｈでそれぞれ繋がっている。磁気検出素子２２は、検出する磁界が入る検出域２２ａを有し、検出域２２ａは中心２２ｃを有する。磁気検出素子２２は電流線２の表面２ＡからＹ軸の方向に所定の距離を空けて対向して配置されている。電流線２にはＺ軸の方向に電流Ｉａが流れる。以下に述べるように、この配置により、電流センサ１０００の出力信号を電流Ｉａの変化に遅延なく追随させることができると予想される。
　図６は電流センサ１０００の模式図である。以下に、図６を参照して、図４Ａに示す時点ｔ１での、電流線２の表面２Ａの上方の位置ＰＡにおける磁束密度ＢのＸ軸の方向の成分ＢＸの大きさを求める。ここで位置ＰＡは電流線２の表面２Ａの上方の幅方向（Ｘ軸の方向）の中央にある。また、図６では電流線２の表面２Ａ上の電流密度の大きさを「＋」の数で表わしている。
　図６において、位置ＰＡは電流線２の表面２Ａの中央と距離ｒだけ離れており、電流線２（表面２Ａ）はＸ軸の方向の幅Ｗを有する。位置ＰＡがＸ軸と鋭角である角度θをなす。簡単に説明するために、電流線２の表面２Ａに流れる電流Ｉａは中央の電流ｉ１と電流線２の表面２Ａの端部（角部２Ｅ、２Ｇ）の合計の電流ｉ２のみを含むとする。電流線２の表面２Ａの中央の電流ｉ１によって位置ＰＡに発生する磁束密度Ｂ０はＸ軸の方向に向き、比例定数ｋを用いてアンペールの法則から（数１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　また、電流線２の表面２Ａの端部（角部２Ｅ、２Ｇ）の電流ｉ２によって位置ＰＡに発生する磁束密度Ｂ１と磁束密度Ｂ１のＸ軸の方向の成分Ｂ１Ｘはそれぞれ（数２）と（数３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　よって、電流線によって位置ＰＡに発生する磁束密度ＢのＸ軸の方向の成分ＢＸは（数４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　位置ＰＡが電流線２に近接している場合、すなわち距離ｒが十分小さい場合には、（数４）の第２項は０に近似するので、磁束密度Ｂの成分ＢＸは第１項、すなわち電流線２の表面２Ａの中央の電流ｉ１によって決まる。
　一方、位置ＰＡが電流線２から離れている場合、すなわち距離ｒが幅Ｗに比べて十分に大きい場合には、磁束密度Ｂの成分ＢＸは電流線２に流れる全電流ｉ（＝ｉ１＋ｉ２）を用いて（数５）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　（数５）に示すように、全電流ｉが一定となった後では、電流線２によって位置ＰＡに発生する磁束密度ＢのＸ軸の方向の成分ＢＸは電流線２上の電流密度の分布の影響を受けない。
　以上から、磁気検出素子２２を電流線２の表面２Ａに近接させるのではなく、電流線２の表面２Ａから所定の距離をおいて配置することで、電流線２によって位置ＰＡに発生する磁束密度Ｂの成分ＢＸは電流線２の表面２Ａの中央に流れる電流ｉ１によって発生する磁束密度だけでなく、表面２Ａの端部に流れる電流ｉ２によって発生する磁束密度にも影響を受けて、ほぼ一定にすることが予想できる。
　この予想を検証するためにシミュレーションを実施する。図７はこのシミュレーションのための電流センサ１０００の模式図である。位置ＰＡは電流線２の表面２Ａから距離ｈだけ離れている。位置ＰＡはＸ軸の方向（幅方向）において距離ｘだけ離れている。図８Ａは、距離ｘが０すなわち位置ＰＡが表面２Ａの中央の上方にあるときの、位置ＰＡでの磁束密度ＢのＸ軸の方向の成分ＢＸの時間に対する変化を距離ｈの様々な値について計算して得られた結果を示す。このシミュレーションにおいて、電流線２の表面２ＡのＸ軸の方向の幅Ｗは１４ｍｍであり、Ｙ軸の方向の厚さＴは１．６ｍｍであり、Ｚ軸の方向の長さは２００ｍｍであり、銅製である。また、このシミュレーションにおいては、電流線２に５０μｓｅｃの時間で最終値３０Ａに到達するように電流Ｉａを注入する。
　図８Ａから以下のことが分かる。
　（１）電流線２の表面の幅方向（Ｘ軸の方向）の中央からの距離ｈが０ｍｍの場合すなわち比較例の電流センサ５００では、電流が最終値に到達した後、磁束密度ＢのＸ軸の方向の成分ＢＸの大きさがその最終値の９０％である１．１３ｍＴに到達するまでには１２５μｓｅｃを要している。以後、電流線２に電流Ｉａが注入されてから磁束密度Ｂの成分ＢＸが最終値の９０％に到達するまでの時間より電流Ｉａが注入されてから電流Ｉａが最終値に到達するまでの時間を引いた差を成分ＢＸの立上り時間と定義する。図２Ｂに示す電流センサ５００の実測の立上り時間１４０μｓｅｃと図８Ａに示す磁束密度Ｂの成分ＢＸの立上り時間の計算値１２５μｓｅｃとは良好に一致している。
　（２）距離ｈが大きくなるほど磁束密度Ｂの成分ＢＸの立上り時間は小さくなるとともに、成分ＢＸの最終値は小さくなる。このことは上記の予想と一致している。
　図８Ｂは、距離ｘが０ｍｍであるときの、磁束密度Ｂの成分ＢＸの立上り時間と距離ｈとの関係のシミュレーション結果を示す。図８Ｂに示すように、電流線２の表面２Ａからの距離ｈが５．２ｍｍ以上で磁束密度Ｂの成分ＢＸの立上り時間は０、すなわち電流線２１に注入される電流が最終値に到達した時点で成分ＢＸは最終値の９０％以上に到達していることが分かる。
　図８Ｃは、電流線２の表面２ＡからのＹ軸の方向の距離ｈが５．２ｍｍであるときの、位置ＰＡの距離ｘに対する磁束密度Ｂの成分ＢＸの立上り時間を計算して得られた結果を示す。図８Ｃに示すように、位置ＰＡの距離ｘが７ｍｍ（＝１．４ｍｍ／２＝Ｗ／２）以下であれば、すなわち位置ＰＡがＸ軸の方向において電流線２の幅Ｗ内にあれば立上り時間が０となることが分かる。
　図９Ａは電流センサ１０００の模式断面図である。図９Ａに示す電流センサ１０００では、電流線２の幅Ｗが１４ｍｍであり、厚さＴが１．６ｍｍであり長さが２００ｍｍであり、銅製の扁平な形状を有する。磁気検出素子２２は電流線２の表面２Ａの幅方向（Ｘ軸の方向）の中央からｈ＝６ｍｍの位置に配置されている。図９Ｂは電源から電流線２に注入される電流Ｉａと電流センサ１０００から出力される電圧である出力信号Ｖｃを示す。図９Ｂに示すように、電流線２に注入される電流Ｉａが最終値３０Ａに到達した１００μｓｅｃの時点で、電流センサ１０００の出力信号Ｖｃはその最終値の９０％の値に到達している、すなわち電流センサ１０００の立上り時間が０となる。また、電流線２の表面２Ａからの高さである距離ｈを６ｍｍに固定した状態では、磁気検出素子２２の検出域２２ａの中心２２ｃのＸ軸の方向で電流線２の幅Ｗ内にあれば電流センサ１０００の立上り時間が０となる。
　電流センサ１０００の磁気検出素子２２を説明する。図１０Ａは磁気検出素子２２の上面図である。図１０Ｂは図１０Ａに示す磁気検出素子２２の線１０Ｂ－１０Ｂにおける断面図である。磁気検出素子２２のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向の長さは各々約３ｍｍ、１ｍｍ、３ｍｍである。
　絶縁基板２３上には印加電極２４、出力電極２５、２６、グランド電極２７、および磁気抵抗素子２８ａ～２８ｄが設けられている。印加電極２４と出力電極２５との間には磁気抵抗体からなる磁気抵抗素子２８ａが接続されている。出力電極２５とグランド電極２７との間、印加電極２４と出力電極２６との間、出力電極２６とグランド電極２７との間には磁気抵抗体からなる磁気抵抗素子２８ｂ、２８ｃ、２８ｄがそれぞれ接続されている。磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄはブリッジ回路を構成する。磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄはＮｉ－Ｃｏ等の強磁性体からなる厚さ約０．１μｍの磁気抵抗薄膜である。磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄは２行２列のマトリクス形状に配置されている。そのマトリクス形状において、磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂは互いに隣り合い、磁気抵抗素子２８ｂ、２８ｄは互いに隣り合い、磁気抵抗素子２８ｃ、２８ｄは互いに隣り合い、磁気抵抗素子２８ａ、２８ｃは互いに隣り合っている。また、磁気抵抗素子２８ａ、２８ｄは互いに対角に位置し、磁気抵抗素子２８ｂ、２８ｃは互いに対角に位置する。磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄは蛇行しながらそれぞれ長手方向Ｄ２８ａ、Ｄ２８ｂ、Ｄ２８ｃ、Ｄ２８ｄに延びる蛇行形状を有する。磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄの長手方向Ｄ２８ａ、Ｄ２８ｂ、Ｄ２８ｃ、Ｄ２８ｄはＸ軸とＺ軸に対して４５°だけ傾斜している。互いに隣り合う磁気抵抗素子の長手方向は互いに直角であり、互いに対角に位置する磁気抵抗素子の長手方向は互いに平行である。すなわち、互いに隣り合う磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂの長手方向Ｄ２８ａ、Ｄ２８ｂは互いに直角である。互いに隣り合う磁気抵抗素子２８ｂ、２８ｄの長手方向Ｄ２８ｂ、Ｄ２８ｄは互いに直角である。互いに隣り合う磁気抵抗素子２８ｃ、２８ｄの長手方向Ｄ２８ｃ、Ｄ２８ｄは互いに直角である。互いに隣り合う磁気抵抗素子２８ａ、２８ｃの長手方向Ｄ２８ａ、Ｄ２８ｃは互い直角である。また、互いに対角に位置する磁気抵抗素子２８ａ、２８ｄの長手方向Ｄ２８ａ、Ｄ２８ｄは互いに平行である。互いに対角に位置する磁気抵抗素子２８ｂ、２８ｃの長手方向Ｄ２８ｂ、Ｄ２８ｃは互いに平行である。磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄは長手方向Ｄ２８ａ、Ｄ２８ｂ、Ｄ２８ｃ、Ｄ２８ｄに直角な方向の磁界を検出し、検出した磁界の強さに応じて変化する抵抗値を有する。
　絶縁層３０は絶縁基板２３上に設けており、厚さが約１μｍのＳｉＯ２薄膜からなり、磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを覆う。絶縁層３０上には複数の薄膜磁石３１が設けられている。絶縁層３０は磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを薄膜磁石３１から電気的に絶縁する。
　薄膜磁石３１は、厚さが約０．６μｍのＣｏＰｔ等の薄膜磁石部材からなる。絶縁層３０の上に薄膜磁石部材を蒸着、スパッタ法等により形成した後、露光、エッチングによりパターニングしてＺ軸の方向に細長く延びる略長方体に分割されている複数の薄膜磁石３１が形成される。薄膜磁石３１が発生する磁界の方向は、薄膜磁石３１の長手方向（Ｚ軸の方向）に直角な方向、図１０ＡにおけるＸ軸の方向である。また、薄膜磁石３１は磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄのパターンの長手方向に対し４５°をなす方向の長手方向に細長く延びる複数の略長方体に分割されている。Ｚ軸は、磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄが検出する磁界の方向に対して４５°だけ傾斜し、磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄの長手方向Ｄ２８ａ、Ｄ２８ｂ、Ｄ２８ｃ、Ｄ２８ｄに対して４５°だけ傾斜している。なお、薄膜磁石３１が発生する磁界が電流線２を流れる電流Ｉａと同じ方向、すなわち、電流Ｉａにより発生する磁界に長手方向が直角な方向になるように薄膜磁石３１が配置される。
　絶縁層３２は絶縁層３０上に設けられて厚さが約１μｍのＳｉＯ２薄膜からなり、薄膜磁石３１を覆う。
　以上のように、所定の寸法を有する電流線２の表面２Ａの幅方向（Ｘ軸の方向）の中央から所定の距離ｈだけＹ軸の方向に離れた位置における磁束密度ＢのＸ軸の方向の成分ＢＸの時間に対する変化をシミュレーションすることで、この位置に電流センサの磁気検出素子２２の中心２２ｃを置いた場合に、電流センサ１０００の出力する信号の立上り時間を推定できる。中心２２ｃは、磁気抵抗素子２８ａ～２２ｄが配置され囲まれて磁気を検出する領域である検出域２２ａの幾何学的中心である。
　図１１Ａは電流センサ１０００で電流線２の表面２Ａの幅方向（Ｘ軸の方向）の中央から所定の距離ｈだけ離れた位置における磁束密度ＢのＸ方向の成分ＢＸの立上り時間をシミュレーションした結果を示す。電流線２の幅Ｗは２０ｍｍであり、Ｙ軸の方向の厚さＴは５ｍｍであり、Ｚ軸の方向の長さは２００ｍｍで銅製である。電流線２に５０μｓｅｃで最終値３０Ａに到達するように電流を注入する。図１１Ａに示すように、距離ｈが８．４ｍｍ以上である位置では磁束密度Ｂの成分ＢＸの立上り時間は０、すなわち電流線２に注入される電流が最終値に到達した時点で磁束密度Ｂの成分ＢＸは最終値の９０％以上に到達することが予想される。
　実験によれば、距離ｈが８．５ｍｍ以上の位置に磁気検出素子２２の中心２２ｃを配置した場合に、電流線２に注入される電流Ｉａが１００μｓｅｃで最終値３０Ａに到達した時点で電流センサ１０００の出力信号Ｖｃはその最終値の９０％の値に到達している、すなわちその信号の立上り時間が０となった。また、実験によれば、磁気検出素子２２の中心２２ｃの電流線２の表面２Ａからの高さが８．５ｍｍ以上であれば、電流線２の幅Ｗ内では電流センサ１０００の出力する信号の立上り時間が０となった。
　図１１Ｂは電流センサ１０００で電流線２の表面２Ａの幅方向（Ｘ軸の方向）の中央から所定の距離ｈだけ離れた位置における磁束密度ＢのＸ方向の成分ＢＸの立上り時間をシミュレーションした結果を示す。このシミュレーションでは、電流線２のＸ軸の方向の幅Ｗは４０ｍｍであり、Ｙ軸の方向の厚さＴが２．５ｍｍであり、Ｚ軸の方向の長さが２００ｍｍであり、銅製である。電流線２に５０μｓｅｃで最終値３０Ａに到達するように電流を注入する。この場合に、電流線２の表面２Ａの幅方向（Ｘ軸の方向）の中央から所定の距離ｈだけ離れた位置における磁束密度ＢのＸ軸の方向の成分ＢＸの立上り時間をシミュレーションした結果を示す。図１１Ｂに示すように、電流線２の表面２Ａの幅方向（Ｘ軸の方向）の中央からの距離ｈが１６．４ｍｍ以上の位置で磁束密度ＢのＸ方向の成分ＢＸの立上り時間は０である、すなわち電流線２に注入される電流Ｉａが最終値に到達した時点で磁束密度Ｂの成分ＢＸは最終値の９０％以上に到達することが予想される。
　実験によれば、電流線２の表面２Ａの幅方向（Ｘ軸の方向）の中央から１７ｍｍ以上の位置に磁気検出素子２２の中心２２ｃを配置した場合に、電流Ｉａが１００μｓｅｃで最終値３０Ａに到達した時点で電流センサの出力信号Ｖｃはその最終値の９０％の値に到達している、すなわちその信号の立上り時間が０となった。また、実験によれば、磁気検出素子２２の中心２２ｃの電流線２の表面２Ａからの距離を１７ｍｍ以上とすれば、電流線２の表面２Ａの幅Ｗ内では電流センサ１０００が出力する信号の立上り時間が０となった。
　図１２は幅Ｗと厚さＴの異なる３つの電流線で電流センサ１０００の出力する信号の立上り時間が０となる距離ｈの最小値である最小距離ｈｍｉｎの幅Ｗに対する比ｈｍｉｎ／Ｗのシミュレーションの結果と実験で得られた実測値とを示す。シミュレーションと実験では、幅Ｗが１４ｍｍ、厚さＴが１．６ｍｍ、長さが２００ｍｍの電流線と、幅Ｗが２０ｍｍ、厚さＴが５ｍｍ、長さが２００ｍｍの電流線と、幅Ｗが４０ｍｍ、厚さＴが２．５ｍｍ、長さが２００ｍｍの電流線とを用いた。図１２に示すように、比ｈｍｉｎ／Ｗが０．４３である場合に電流センサ１０００の出力する信号の立上り時間が０となった。すなわち距離ｈが０．４３・Ｗ以上である場合に、電流センサ１０００の出力する信号の立上り時間が０となる。
　以上の結果から、磁気検出素子２２の中心２２ｃを電流線２の電流の流れるＺ軸の方向に直角な幅方向（Ｘ軸の方向）の幅Ｗ内であって、電流線２の表面２Ａから、０．４３・Ｗ以上の距離だけ離れて位置させることにより、電流線２に注入される電流Ｉａが最終値に到達したときに電流センサ１０００から出力される信号がその信号の最終値の９０％以上に到達しているようにすることができ、実質的な立上り時間を０にすることができる。
　以上述べたように、電流センサ１０００は、扁平な形状の電流線２を流れる電流Ｉａを検出するように構成されている。電流センサ１０００は、電流線２の表面２Ａに対向するように構成され、電流Ｉａにより発生する磁界を検出し、検出した磁気に応じた信号Ｖｃを出力する磁気検出素子２２を備える。電流線２は、電流Ｉａが流れる方向（Ｚ軸の方向）に直角の幅方向（Ｘ軸の方向）の幅Ｗを有する。磁気検出素子２２の中心２２ｃは幅方向（Ｘ軸の方向）において幅Ｗ内であって、かつ電流線２の表面２Ａから０．４３・Ｗ以上の距離ｈだけ離れて位置する。電流線２に注入される電流Ｉａが最終値に到達したときに電流センサ１０００から出力される信号がその信号の最終値の９０％以上に到達しているようにすることができ、実質的な立上り時間を０にすることができる。
　なお、磁気検出素子２２は、電流線２を囲む磁性体からなるコアで集磁する構造ではなく、このような集磁のためのコアを有していない電流センサに非常に有用である。従って、感度が高いことによって、このような集磁のコアを使う必要のない磁気抵抗（Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＭＲ）素子や巨大磁気抵抗（Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＧＭＲ）素子などの磁気抵抗素子を磁気検出素子２２として用いる場合には特に有用となる。
　本発明に係る電流センサは高い応答特性を有するので、特に、車両、産業機器等内における電流を検出する電流センサとして有用である。
２　　電流線
２２　　磁気検出素子

Claims (2)

  1. 扁平な形状の電流線を流れる電流を検出するように構成された電流センサであって、
    前記電流線の表面に対向するように構成され、前記電流により発生する磁界を検出し、前記検出した磁気に応じた信号を出力する磁気検出素子を備え、
    前記電流線は、前記電流が流れる方向に直角の幅方向の幅Ｗを有し、
    前記磁気検出素子の中心は前記幅方向において前記幅Ｗ内であって、かつ前記電流線の前記表面から０．４３・Ｗ以上の距離だけ離れて位置する、電流センサ。
  2. 扁平な形状を有して、電流が流れるように構成された電流線と、
    前記電流線の表面に対向し、前記電流により発生する磁界を検出し、前記検出した磁気に応じた信号を出力する磁気検出素子と、
    を備え、
    前記電流線は、前記電流が流れる方向に直角の幅方向の幅Ｗを有し、
    前記磁気検出素子の中心は前記幅方向において前記幅Ｗ内であって、かつ前記電流線２の前記表面から０．４３・Ｗ以上の距離だけ離れて位置する、電流センサ。
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