(57)【要約】【課題】本発明は、検出できる電流値の範囲が広く、かつ小型化が可能な電流センサを提供することを目的とするものである。【解決手段】本発明の電流センサは、第１、第３の磁気抵抗素子２ａ，２ｃと信号磁界Ｂとが互いに平行に、第２、第４の磁気抵抗素子２ｂ，２ｄと信号磁界Ｂとが互いに垂直になるように第１〜第４の磁気抵抗素子２ａ〜２ｄを配置し、前記第１、第２の磁気抵抗素子２ａ，２ｂと４５°の角度をなす方向に、前記第３、第４の磁気抵抗素子２ｃ，２ｄと４５°の角度をなす方向にそれぞれ第１、第２のバイアス磁界Ｂ１、Ｂ２を印加し、さらに第２のバイアス磁界Ｂ２の方向を、前記第１のバイアス磁界Ｂ１の方向と１８０°の角度をなす方向、または前記信号磁界Ｂと平行な成分が前記第１のバイアス磁界Ｂ１と逆向きになるように前記第１のバイアス磁界Ｂ１の方向と９０°の角度をなす方向にしたものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体を流れる電流から発生する信号磁界を検出して導体に流れる電流を検出するための電流センサにおいて、
延伸方向が直交しかつ端部で互いに接続された第１の磁気抵抗素子と第２の磁気抵抗素子からなる第１の検出部と、
延伸方向が直交しかつ端部で互いに接続された第３の磁気抵抗素子と第４の磁気抵抗素子からなる第２の検出部と、
前記第１、第２の磁気抵抗素子の接続部に形成された第１の出力部と、
前記第３、第４の磁気抵抗素子の接続部に形成された第２の出力部とを備え、
前記第１〜第４の磁気抵抗素子の前記接続部に接続されていない側の端部において、前記第１、第３の磁気抵抗素子は電圧端子に接続するとともに、前記第２、第４の磁気抵抗素子はグランドに接続し、
前記第１、第３の磁気抵抗素子と前記信号磁界とが互いに平行になるように前記第１、第３の磁気抵抗素子を配置するとともに、前記第２、第４の磁気抵抗素子と前記信号磁界とが互いに垂直になるように前記第２、第４の磁気抵抗素子を配置し、
前記第１の検出部において、前記第１、第２の磁気抵抗素子の延伸方向と４５°の角度をなす方向に第１のバイアス磁界を印加し、
前記第２の検出部において、前記第３、第４の磁気抵抗素子の延伸方向と４５°の角度をなす方向に第２のバイアス磁界を印加し、
この第２のバイアス磁界の方向を、前記第１のバイアス磁界の方向と１８０°の角度をなす方向、または前記信号磁界と平行な成分が前記第１のバイアス磁界と逆向きになるように前記第１のバイアス磁界の方向と９０°の角度をなす方向になるようにした電流センサ。
【請求項２】
第１の検出部、第２の検出部をそれぞれ構成する磁気抵抗素子をフルブリッジ回路になるように構成した請求項１記載の電流センサ。
【請求項３】
第１、第２のバイアス磁界の強さを、検出する最大の電流で発生する信号磁界の強さの２．５倍以上とした請求項１記載の電流センサ。
【請求項４】
第１の検出部と第２の検出部を互いに導体の反対側に位置させるようにした請求項１記載の電流センサ。
【請求項５】
基板にＣｏＰｔからなる磁石を薄膜で形成することにより第１、第２のバイアス磁界を印加するようにした請求項１記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は各種電子機器の導線に流れる電流を検出するための電流センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の電流センサは、互いの延伸方向が９０°の角度をもった２つの磁気抵抗素子を有し、全ての磁気抵抗素子の延伸方向が、導体を流れる電流から発生する信号磁界の方向と４５°の角度をなすように配置するとともに、バイアス磁界がこの信号磁界の方向と９０°の角度をなすように磁石を配置していた。そして、得られた出力信号（電圧）から信号磁界の強さを検知し、この信号磁界の強さから導体を流れる電流値を検出するようにしていた。
【０００３】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開２００４−２０３７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来の電流センサにおいては、検出できる電流値の範囲が狭く、かつ小型化が困難であるという課題を有していた。
【０００５】
すなわち、磁気抵抗素子は信号磁界に対する出力が非線形になる部分があるため、検出できる電流値の範囲が狭く、また、検出できる電流値の範囲を広くするために出力の線形部分を広くしようとすれば、バイアス磁界を強くすることが必要となるが、このためには大きな磁石を使用することが必要となるからである。
【０００６】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、検出できる電流値の範囲が広く、かつ小型化が可能な電流センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【０００８】
本発明の請求項１に記載の発明は、導体を流れる電流から発生する信号磁界を検出して導体に流れる電流を検出するための電流センサにおいて、延伸方向が直交しかつ端部で互いに接続された第１の磁気抵抗素子と第２の磁気抵抗素子からなる第１の検出部と、延伸方向が直交しかつ端部で互いに接続された第３の磁気抵抗素子と第４の磁気抵抗素子からなる第２の検出部と、前記第１、第２の磁気抵抗素子の接続部に形成された第１の出力部と、前記第３、第４の磁気抵抗素子の接続部に形成された第２の出力部とを備え、前記第１〜第４の磁気抵抗素子の前記接続部に接続されていない側の端部において、前記第１、第３の磁気抵抗素子は電圧端子に接続するとともに、前記第２、第４の磁気抵抗素子はグランドに接続し、前記第１、第３の磁気抵抗素子と前記信号磁界とが互いに平行になるように前記第１、第３の磁気抵抗素子を配置するとともに、前記第２、第４の磁気抵抗素子と前記信号磁界とが互いに垂直になるように前記第２、第４の磁気抵抗素子を配置し、前記第１の検出部において、前記第１、第２の磁気抵抗素子の延伸方向と４５°の角度をなす方向に第１のバイアス磁界を印加し、前記第２の検出部において、前記第３、第４の磁気抵抗素子の延伸方向と４５°の角度をなす方向に第２のバイアス磁界を印加し、この第２のバイアス磁界の方向を、前記第１のバイアス磁界の方向と１８０°の角度をなす方向、または前記信号磁界と平行な成分が前記第１のバイアス磁界と逆向きになるように前記第１のバイアス磁界の方向と９０°の角度をなす方向になるようにしたもので、この構成によれば、第１の検出部で得られる出力と第２の検出部で得られる出力を電圧（出力）軸に対して対称にすることができるため、両者を差動処理すれば磁気抵抗素子の特性の非線形部分を打ち消すことができ、これにより、信号磁界に対する差動処理で得られた出力の直線性が向上するため、大きな磁石を用いなくても、検出できる電流値の範囲を広くすることができるという作用効果が得られるものである。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、第１の検出部、第２の検出部をそれぞれ構成する磁気抵抗素子をフルブリッジ回路になるように構成したもので、この構成によれば、第１、第２の検出部のそれぞれにおいて２つの出力部の差動をとれば２倍の出力が得られるため、第１の検出部で得られた出力と第２の検出部で得られた出力を差動処理すれば、この差動処理で得られる出力の信号磁界の変動に対応する変化が大きくなり、これにより、より正確な電流値検出が可能になるという作用効果が得られるものである。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、第１、第２のバイアス磁界の強さを、検出する最大の電流で発生する信号磁界の強さの２．５倍以上としたもので、この構成によれば、直線性誤差を１％未満にすることができるという作用効果が得られるものである。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の発明は、特に、第１の検出部と第２の検出部を互いに導体の反対側に位置させるようにしたもので、この構成によれば、第１の検出部で得られる出力と第２の検出部で得られる出力を差動処理すれば、外部磁界をキャンセルできるという作用効果が得られるものである。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の発明は、特に、基板にＣｏＰｔからなる磁石を薄膜で形成することにより第１、第２のバイアス磁界を印加するようにしたもので、この構成によれば、電流センサの薄型化、小型化が可能になるという作用効果が得られるものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように本発明の電流センサは、第１、第３の磁気抵抗素子と信号磁界とが互いに平行になるように前記第１、第３の磁気抵抗素子を配置するとともに、第２、第４の磁気抵抗素子と前記信号磁界とが互いに垂直になるように前記第２、第４の磁気抵抗素子を配置し、第１の検出部において、前記第１、第２の磁気抵抗素子の延伸方向と４５°の角度をなす方向に第１のバイアス磁界を印加し、第２の検出部において、前記第３、第４の磁気抵抗素子の延伸方向と４５°の角度をなす方向に第２のバイアス磁界を印加し、この第２のバイアス磁界の方向を、前記第１のバイアス磁界の方向と１８０°の角度をなす方向、または前記信号磁界と平行な成分が前記第１のバイアス磁界と逆向きになるように前記第１のバイアス磁界の方向と９０°の角度をなす方向になるようにしているため、第１の検出部（第１の出力部）で得られる出力と第２の検出部（第２の出力部）で得られる出力を電圧（出力）軸に対して対称にすることができ、これにより、両者を差動処理すれば磁気抵抗素子の特性の非線形部分を打ち消すことができるため、信号磁界に対する差動処理で得られた出力の直線性は向上することになり、その結果、大きな磁石を用いなくても、検出できる電流値の範囲を広くすることができるという優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施の形態における電流センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は本発明の一実施の形態における電流センサの主要部の上面図、図２は同電流センサを側面から見たときの模式図である。
【００１６】
本発明の一実施の形態における電流センサは、図１、図２に示すように、基台１ａの上面に設けられアルミナ等で構成された絶縁性の基板１ｂに、第１、第２の磁気抵抗素子２ａ、２ｂと第３、第４の磁気抵抗素子２ｃ，２ｄとが備えられている。そして、第１、第２の磁気抵抗素子２ａ，２ｂは延伸方向が互いに直交するように接続して構成され、そして、この第１、第２の磁気抵抗素子２ａ，２ｂと、第１、第２の磁気抵抗素子２ａ，２ｂの接続部３に形成された第１の出力部４とにより第１の検出部５が構成されている。また、第３、第４の磁気抵抗素子２ｃ，２ｄも延伸方向が互いに直交するように接続して構成され、そして、この第３、第４の磁気抵抗素子２ｃ，２ｄと、第３、第４の磁気抵抗素子２ｃ，２ｄの接続部６に形成された第２の出力部７とにより第２の検出部８が構成されているものである。このとき、第１〜第４の磁気抵抗素子２ａ〜２ｄにおける前記接続部３，６に接続されていない側の端部において、前記第１、第３の磁気抵抗素子２ａ，２ｃは電圧端子に接続するとともに、前記第２、第４の磁気抵抗素子２ｂ，２ｄはグランドに接続しているものである。
【００１７】
なお、前記第１〜第４の磁気抵抗素子２ａ〜２ｄは、基板１ｂ上に蒸着などの方法で形成され、その形状は、図１では矩形状に示されているが、実際は長手方向の辺で折り返すように蛇行状に構成されているものである。そして、磁界が印加されていないとき、第１〜第４の磁気抵抗素子２ａ〜２ｄのそれぞれの抵抗値は略同一である。さらに、第１〜第４の磁気抵抗素子２ａ〜２ｄ（第１、第２の検出部５，８）は保護膜９により保護されている。なお、図２では、第１〜第４の磁気抵抗素子２ａ〜２ｄは示されていないが、この第１〜第４の磁気抵抗素子２ａ〜２ｄは基板１ｂと保護膜９との間に位置している。
【００１８】
また、導体１０を流れる電流から信号磁界Ｂが発生するが、この信号磁界Ｂの方向については、第１、第３の磁気抵抗素子２ａ，２ｃと信号磁界Ｂとが互いに平行に、そして、第２、第４の磁気抵抗素子２ｂ，２ｄと信号磁界Ｂとが互いに垂直になるように第１〜第４の磁気抵抗素子２ａ〜２ｄを配置する。なお、図１では、導体１０を流れる電流の方向のみを示す。また、電流の方向は必ずしも図１の方向に限定されるものではない。
【００１９】
ここで、電流センサと接するように、あるいは一定の距離を介して導体１０が設けられ、そして、この導体１０を流れる電流によって信号磁界Ｂが発生する。このとき、第１〜第４の磁気抵抗素子２ａ〜２ｄにおいて電圧端子とグランド間に電圧を印加し、第１の出力部４から得られる出力（電圧Ｖ０１）と第２の出力部７から得られる出力（電圧Ｖ０２）を差動処理して得られた出力によってこの信号磁界Ｂを検出する。そして、この信号磁界Ｂから導体１０を流れる電流値を算出する。なお、図１では、基板１ｂを省略するとともに信号磁界Ｂの方向も示す。
【００２０】
さらに、図１では示されていないが、第１の検出部５に第１のバイアス磁界Ｂ１、第２の検出部８に第２のバイアス磁界Ｂ２を印加するために、基台１ａの下面にＢａＦｅ、ＳｒＦｅ等からなる磁石１１が設けられている。なお、この磁石１１は第１〜第４の磁気抵抗素子２ａ〜２ｄの上方または下方に形成されればよく、また、磁石１１をＣｏＰｔで構成するとともに、薄膜技術により形成すれば、電流センサの薄型化、小型化が可能になる。このとき、前記基板１ｂ上に磁石１１を設け、そして、その上に絶縁膜を介して第１〜第４の磁気抵抗素子２ａ〜２ｄを形成するようにしてもよいし、あるいは、基板１ｂ上に第１〜第４の磁気抵抗素子２ａ〜２ｄを設け、そして、その上に絶縁膜を介して磁石１１を形成するようにしてもよい。
【００２１】
次に、第１のバイアス磁界Ｂ１、第２のバイアス磁界Ｂ２の印加される方向について説明する。
【００２２】
図３に示すように、第１のバイアス磁界Ｂ１は、第１、第２の磁気抵抗素子２ａ，２ｂの延伸方向と４５°の角度をなす方向に印加されている。
【００２３】
そして、第２のバイアス磁界Ｂ２は、第３、第４の磁気抵抗素子２ｃ，２ｄの延伸方向と４５°の角度をなす方向で、かつ第１のバイアス磁界Ｂ１の方向と１８０°の角度をなす方向に印加されている。
【００２４】
なお、この場合、図４に示すように、第２のバイアス磁界Ｂ２の方向を、導体１０を流れる電流から発生する信号磁界Ｂと平行な成分が前記第１のバイアス磁界Ｂ１と逆向きになるように前記第１のバイアス磁界Ｂ１の方向と９０°の角度をなす方向になるようにしてもよい。
【００２５】
上記した本発明の一実施の形態における電流センサにおいては、第１の検出部５において、第１、第２の磁気抵抗素子２ａ，２ｂの延伸方向と４５°の角度をなす方向に第１のバイアス磁界Ｂ１を印加し、そして、第２の検出部８において、第３、第４の磁気抵抗素子２ｃ，２ｄの延伸方向と４５°の角度をなす方向に第２のバイアス磁界Ｂ２を印加し、この第２のバイアス磁界Ｂ２の方向を、前記第１のバイアス磁界Ｂ１の方向と１８０°の角度をなす方向、または信号磁界Ｂと平行な成分が前記第１のバイアス磁界Ｂ１と逆向きになるように前記第１のバイアス磁界Ｂ１の方向と９０°の角度をなす方向になるようにしているため、第１の検出部５（第１の出力部４）で得られる電圧Ｖ０１と第２の検出部８（第１の出力部７）で得られる電圧Ｖ０２を電圧（出力）軸に対して対称にすることができ、これにより、両者を差動処理すれば磁気抵抗素子の特性の非線形部分を打ち消すことができるため、信号磁界Ｂに対する差動処理で得られた出力の直線性が向上し、この結果、大きな磁石を用いなくても、検出できる電流値の範囲を広くすることができるという効果が得られるものである。
【００２６】
すなわち、上記のように第１、第２のバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を印加すると、第１の検出部５の第１の出力部４で出力される電圧Ｖ０１と導体１０を流れる電流から発生する信号磁界Ｂとの関係は、図５の実線で示されるように下に凸の非線形部分が生じ、一方、第２の検出部８の第２の出力部７で出力される電圧Ｖ０２と信号磁界Ｂとの関係は、図５の破線で示されるように下に凸の非線形部分が生じ、かつ電圧（出力）軸に対して互いに対称となるため、電圧Ｖ０１と電圧Ｖ０２を差動処理すれば、電圧Ｖ０２における下に凸の非線形部分が上に凸の非線形部分となり、これを電圧Ｖ０１における下に凸の非線形部分と足し合わせることになり、これにより、図６に示すように、信号磁界Ｂと、第１の検出部５と第２の検出部８とにおける差動処理から得られる出力との関係は直線性を有するようになる。
【００２７】
この結果、出力の直線部分の範囲が広くなるため、検出できる電流値の範囲が広くなり、さらに、このとき、大きな磁石、強力な磁石を用いる必要もないため、小型化が可能で、かつ安価に電流センサを生産できる。
【００２８】
次に、信号磁界Ｂの強さと、第１、第２のバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２の強さとの関係、および信号磁界Ｂの方向と第１、第２のバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２の方向とがなす角度について説明する。
【００２９】
（表１）は、導体１０を流れる電流から発生する信号磁界Ｂの強さを±１００ガウス（±０．０１Ｔ）としたときの、第１、第２のバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２の強さ、および第１、第２のバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２の方向と信号磁界Ｂの方向とのなす角度についての直線性誤差を示した表である。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
ここで、第１、第２の出力部４，７の差動処理から得られる出力と実際の直線との差の割合の最大値を直線性誤差として表している。
【００３２】
（表１）から明らかなように、第１、第２のバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２の強さを強くすれば、直線性が向上することがわかる。また、信号磁界Ｂの方向と第１、第２のバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２の方向とのなす角度は、９０°ではなく４５°にする必要があることがわかる。ここで、この角度が９０°のときでも、第１、第２のバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２の強さを強くすれば直線性は向上するが、バイアス磁界Ｂ１，Ｂ２を強くしようとすると磁石１１を大型化する必要が生じ、小型化が困難になったりコスト面で不利になったりして好ましくない。
【００３３】
図７は、導体１０を流れる電流から発生する信号磁界Ｂの方向と、第１、第２のバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２の方向とのなす角度を４５°とし、かつ信号磁界Ｂの強さを±１００ガウスとしたときの、信号磁界Ｂの強さの第１、第２のバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２の強さに対する比率と、直線性誤差との関係を示す図である。このときの信号磁界Ｂは、電流センサで検出できる電流のうち最大の電流で発生する磁界を示す。
【００３４】
図７から明らかなように、第１、第２のバイアス磁界Ｂ１，Ｂ２の強さが信号磁界Ｂの強さより２．５倍以上であれば、直線性誤差を１％未満にすることができる。このとき、直線性誤差が１％未満であれば、ユーザからの高精度な電流値検出の要望にも対応できる。
【００３５】
なお、上記した本発明の一実施の形態における電流センサにおいては、第１、第２の検出部５，８のそれぞれを構成する磁気抵抗素子をハーフブリッジ回路に構成したものについて説明したが、フルブリッジ回路に構成してもよい。この構成によれば、第１、第２の検出部５，８のそれぞれにおいて２つの出力部４，７の差動をとれば２倍の出力が得られるため、第１の検出部５で得られた出力と第２の検出部８で得られた出力をさらに差動処理すれば、この差動処理の結果、得られる出力の信号磁界Ｂの変動に対する変化は大きくなり、これにより、より正確な電流値検出が可能になる。
【００３６】
また、第１、第２の検出部５，８を同一面に配置するのではなく、図８に示すように、第１の検出部５と第２の検出部８を互いに導体１０の反対側に位置させるようにしてもよい。
【００３７】
通常、外部磁界Ｂｅｘは第１、第２の検出部５，８に同方向に印加されるため、このような構成にすることにより、第１の検出部５（第１の出力部４）で得られる出力と第２の検出部８（第２の出力部７）で得られる出力を差動処理すれば、外部磁界Ｂｅｘをキャンセルできる。さらに、第１の検出部５に印加される信号磁界Ｂの方向と第２の検出部８に印加される信号磁界Ｂの方向が逆方向（１８０°）になるため、２つの出力の差動処理をすることによって出力成分が増幅され、これにより、より正確な電流値検出が可能になるものである。なお、図８では、基台１ａ、磁石１１を省略している。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る電流センサは、検出できる電流値の範囲が広く、かつ小型化が可能になるという効果を有するものであり、特に、各種電子機器の導線に流れる電流を検出するための電流センサ等に適用することにより有用となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施の形態における電流センサの主要部の上面図
【図２】同電流センサを側面から見たときの模式図
【図３】同電流センサにおける第１のバイアス磁界、第２のバイアス磁界の方向を示す図
【図４】同電流センサにおける第１のバイアス磁界、第２のバイアス磁界の方向を示す図
【図５】同電流センサにおける第１、第２の出力部でそれぞれ得られる出力と信号磁界との関係を示す図
【図６】同電流センサにおける第１、第２の出力部で得られる出力を差動処理したときに得られる出力と信号磁界との関係を示す図
【図７】同電流センサにおける信号磁界の強さの第１、第２のバイアス磁界の強さに対する比率と、直線性誤差との関係を示す図
【図８】同電流センサを側面から見たときの他の例を示す主要部の模式図
【符号の説明】
【００４０】
１ｂ  基板
２ａ〜２ｄ  第１〜第４の磁気抵抗素子
３  第１の磁気抵抗素子と第２の磁気抵抗素子の接続部
４  第１の出力部
５  第１の検出部
６  第３の磁気抵抗素子と第４の磁気抵抗素子の接続部
７  第２の出力部
８  第２の検出部
１０  導体
１１  磁石
【図１】
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【図２】
2010243232.tif 000005
【図３】
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【図４】
2010243232.tif 000007
【図５】
2010243232.tif 000008
【図６】
2010243232.tif 000009
【図７】
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【図８】
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