(57)【要約】荷電粒子の流れ（３）によって生じる磁場（８）を測定するための電流センサ（１）であって、荷電粒子の流れによって生じる磁場を囲繞するための少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子（２；６；１２；１６）を有し、前記磁気抵抗センサが使用中に電流に対して垂直に配置される電流センサ（１）が開示されている。電流センサ（１）を使用して荷電粒子の流れを正確に測定するための方法も開示されている。また、前述した電流センサ（１）を備え、電気装置の故障の際に前記電気装置への供給電流をＯＦＦに切換えることにより前記電気装置のユーザ（３１）を保護するための保護スイッチ装置（３０）が開示されている。
2005529338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子の流れによって生じる磁場を測定するためのセンサであって、荷電粒子の流れによって生じる磁場を囲繞するための少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子を備え、前記磁気抵抗センサ素子が使用中に電流に対して垂直に配置される、センサ。
【請求項２】
前記磁気抵抗センサ素子が円状の形状を有している、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記磁気抵抗センサ素子がフレキシブル基板上に存在している、請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記磁気抵抗センサ素子がストリップである、請求項１、２または３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記磁気抵抗センサ素子がリニアＲ（Ｈ）特性を有している、請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記磁気抵抗センサ素子がホイートストンブリッジの構成に配置されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記ホイートストンブリッジの構成の２つの磁気抵抗センサ素子が前記フレキシブル基板の一方側に存在し、他の２つの磁気抵抗センサ素子が前記フレキシブル基板の他方側に存在している、請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記フレキシブル基板の一方側における２つの前記磁気抵抗素子が同じ磁化方向を有している、請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記ホイートストンブリッジ構成の２つの前記磁気抵抗センサ素子の１つの対は、磁気抵抗センサ素子の他の対の上に積み重ねられており、これら２つの対の間には、絶縁材料が存在し、前記荷電粒子の流れを運ぶための導体が存在している、請求項６に記載のセンサ。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載のセンサを使用して荷電粒子の流れを測定するための方法であって、
−前記荷電粒子の流れによって生じる磁場により引き起こされる本発明に係る前記センサにおける抵抗の変化を決定するステップと、
−前記抵抗の変化と、抵抗−磁場間の前記センサの基準特性とを比較するとともに、前記磁場の大きさを決定するステップと、
−前記磁場の大きさから電流の大きさを計算するステップと、
を含んでいる、方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の前記センサを使用する方法であって、残留電流を測定するために、第１の導体を介して電流が送出されるとともに、前記第１の導体と並列に位置された第２の導体を介して反対の符号を有する電流が送出される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１から９のいずれか一項に記載のセンサを備え、前記電気装置の故障の場合に前記電気装置への供給電流をＯＦＦに切換えることにより、前記電気装置のユーザを保護するための保護スイッチ装置であって、
−前記電流センサの出力電流または出力電圧と、基準電流または基準電圧とをそれぞれ比較する比較回路と、
−前記比較回路の出力電流または電圧に応じて前記供給電流を切換えるリレー装置と、
を更に備える、保護スイッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子の流れによって生じる磁場を測定するためのセンサに関する。
【０００２】
また、本発明は、本発明のセンサを使用して荷電粒子の流れを測定するための方法に関する。
【０００３】
更に、本発明は、本発明のセンサおよび方法が使用される保護スイッチ装置に関する。
【背景技術】
【０００４】
荷電粒子ビームは、ビームの外側で磁場を引き起こし、この磁場は、磁場測定用電流センサによって測定することができる。磁気センサ、例えばホール効果に基づくセンサ、または、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）に基づく素子、または、「磁気抵抗センサ“Ｔｈｅ  ｍａｇｎｅｔｏ  ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｓｅｎｓｏｒ”」（Ｔｅｃｈ．  Ｐｕｂｌ．  ２６８，  Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）から知られた異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果に基づくセンサ、または、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）に基づくセンサ（「強力な巨大磁気抵抗センサ“Ｒｏｂｕｓｔ  ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｓｅｎｓｏｒｓ”」（Ｋ．−Ｍ．Ｈ．  Ｌｅｎｓｓｅｎ，  Ｄ．Ｊ．  Ａｄｅｌｅｒｈｏｆ，  Ｈ．Ｊ．  Ｇａｓｓｅｎ，  Ａ．Ｅ．Ｔ．  Ｋｕｉｐｅｒ，  Ｇ．Ｈ．Ｊ．  Ｓｏｍｅｒｓ  ａｎｄ  Ｊ．Ｂ．Ａ．Ｄ．  ｖａｎ  Ｚｏｎ，  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ＆  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａ８５，  １（２０００））参照）を使用してこの磁場を測定することにより、「非侵襲的な（ｎｏｎ−ｉｎｔｒｕｓｉｖｅ）」方法で電流を決定することができる。
【０００５】
磁場Ｈの大きさは、電流Ｉの中心からの距離の関数として、以下のように与えられる。
【数１】
2005529338.tif 000003
【０００６】
ここで、電流が円形断面であると仮定する（図１参照）。センサは、測定用の導体の周りで単にクランプされる電流クランプによって設けられていることができ、あるいは、電流を運ぶ導体も備えているチップ内に含まれていることができる。電流センサチップは、例えば、米国特許第５６２１３７７号から知られている。米国特許第５６２１３７７号においては、導体のトップの上のＡＭＲ素子が使用されることにより、「非接触な」方法で、この導体中の電流が測定される。
存在する全ての電流センサの限界は、厄介（ｄｉｓｔｕｒｂｉｎｇ）な外部場に影響されるという点である。これらのセンサの殆どは、電流を運ぶ導体の外側の１点だけの磁場の測定に依存している。センサと電流との間の距離が正確に分かっている場合に限り、また、磁場を乱さない場合に、電流の大きさの正確な決定を行なうことができる。しかしながら、実際には、例えば地磁場等の他の磁場が常に存在する。
【０００７】
実際には、電流クランプは、軟磁性ヨークにより、１つの特定のライン上にわたって磁場を「平均化する」が、センサが配置される非磁性ギャップを通じて侵入する依然として厄介な磁場は、通常、性能を制限する。また、磁気抵抗センサにおける電流クランプの幾何学的構成は、ホールセンサほど有利ではない。なぜなら、ホールセンサは垂直磁場において感度があるが、ホールセンサの感度は非常に低いためである。
【０００８】
多数のホールセンサを使用して、導体の外側の幾つかの位置で磁場を測定することにより、この問題を緩和しようとしてきた（Ｖ．  Ｖ．  Ｓｅｒｋｏｖ，  「Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ  ｄｃ  ａｍｍｅｔｅｒ」，  Ｐｒｉｂｏｒｙ  ｉ  Ｔｅｋｈｎｉｋａ  Ｅｋｓｐｅｒｉｍｅｎｔａ  ５，  ｐｐ．  １６９−１７１，  １９９１参照）。しかしながら、この構成および必要なエレクトロニクスが複雑且つ高価であり、また、以下のループ積分を理論的に測定しなければならないため、依然として、基本的に、電流測定値が正確ではない。
【数２】
2005529338.tif 000004
【０００９】
また、前述した問題は、これまで、ヘアードライヤ等の家庭用電化製品での使用に適した「残留電流スイッチ」の実現を妨げてきたが、本格的な需要が存在するとともに、そのような装置のための巨大な市場が潜在的にある。そのような装置のセンサは、家庭内で使用される残留電流スイッチの場合と同様に、最大で１６Ａの大きさを有する電流の２ｍＡまたは１０ｍＡの差を検出できなければならず、また、大きい部品を含んでいてはならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明の目的は、本質的に外部の厄介な磁場に影響されない、荷電粒子の流れを更に正確に測定するためのセンサおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、荷電粒子の流れによって生じる磁場を測定するための本発明に係るセンサは、荷電粒子の流れによって生じる磁場を囲繞するための少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子を備え、前記磁気抵抗センサは使用中に電流に対して垂直に配置される。
【００１２】
電流を正確に決定するためには、荷電粒子の流れを取り囲む経路８に沿って、前述した積分方程式（２）を測定しなければならない。実際には、これを殆どのタイプのセンサによって達成することは不可能であるが、この目的のために、磁気抵抗センサの固有の特性（ＴＭＲ、ＡＭＲ、または、ＧＭＲ）を利用することができる。適切なセンサ素子構成を用いると、磁場が「自動的に」センサに沿って積分される。荷電粒子の流れは、例えば、電子、ホール、または、イオンの流れであっても良い。
【００１３】
そのような磁気抵抗ストリップの抵抗は、以下の式によって与えられる。
【数３】
2005529338.tif 000005
方程式、すなわち、
【数４】
2005529338.tif 000006
が有効であるため、方程式（２）の基本原理に基づいて、電流センサを実現することができる。本発明のセンサにおいては、クローズドループに沿う前記積分を決定することができるため、厄介な外部場に影響されないで済む。少なくともセンサが荷電粒子の流れの面に対して垂直である限り、磁気抵抗効果に固有の方向性感度は、必要なインプロダクト（ｉｎｐｒｏｄｕｃｔ）を自動的にもたらす。外部場は、測定結果に全く影響を及ぼさず、また、荷電粒子の流れの経路の形状およびループ内における位置は重要ではない。本発明に係るセンサの更なる利点は、積分がセンサに組み込まれるため、付加的な電子回路を簡略化できるという点である。
【００１４】
本発明の好適な実施形態において、磁気抵抗センサ素子は、円形の形状を有する。この好適な実施形態は、ループに沿う積分を容易にする円の円周をうまく規定できるという利点を有している。また、そのような円形状の製造は比較的簡単である。
【００１５】
したがって、磁気抵抗センサ素子は、フレキシブル基板上に形成されることが好ましい。この特徴により、荷電粒子の流れの周囲に磁気抵抗センサ素子を巻き付けて、磁場を測定することができる。荷電粒子は、例えば導体中を流れる電子であっても良い。磁気抵抗素子が導体の磁場を取り囲む場合、外部場は、測定結果に全く影響を与えない。また、経路の形状、および、磁気抵抗センサ素子のループ内における１または複数の導体の位置は重要ではない。
【００１６】
本発明の好適な実施形態において、磁気抵抗センサ素子はストリップである。磁気抵抗材料のそのようなストリップの抵抗はうまく規定され、特定の抵抗はρである。方程式（３）および（４）に基づいて、荷電粒子の流れを決定することができる。通常、材料の多層構造が使用される。
【００１７】
薄膜技術でセンサを形成できるという利点がある。この有利な特徴により、屋内電気器具において使用できる非常に小さく且つ非常に軽い素子を製造することができる。
【００１８】
磁気抵抗センサ素子は、リニア抵抗対磁場Ｒ（Ｈ）特性を有していることが好ましい。これにより、電流の磁場を正確に決定することができる。
【００１９】
温度の影響を補償するため、磁気抵抗センサ素子は、ホイートストンブリッジ構成を成して配置されていることが好ましい。ホイートストンブリッジ回路により、温度補償された磁場測定が可能になる。
【００２０】
本発明の好適な実施形態においては、ホイートストンブリッジ構成の２つの磁気抵抗センサ素子がフレキシブル基板の一方側に存在し、他の２の磁気抵抗センサ素子がフレキシブル基板の他方側に存在している。２つの磁気抵抗素子は、通常、ストリップであり、互いに並列に配置される。
【００２１】
多層構造の堆積中または堆積後、磁場を加えることにより、多層構造中のピンド層の磁化方向を設定することができる。フレキシブル基板の一方側にある２つの磁気抵抗素子は、磁化方向が同じである。その後、フレキシブル基板が回転され、同一の多層構造がフレキシブル基板の他方側に磁化方向を反対にして堆積される。
【００２２】
ホイートストンブリッジ構成の２つの磁気抵抗センサ素子から成る１つの対が、磁気抵抗センサ素子から成る他の対の上に積み重ねられ、これら２つの対の間に、絶縁材料が存在し、荷電粒子流を運ぶための導体が存在していることが好ましい。センサは、薄膜技術によって形成され、したがって、ＩＣ上への集積に非常に適している。電流センサは、僅かな電流を非常に正確に測定することができるため、例えば読み取り又は書き込み電流を正確に測定するための磁気メモリにおいて非常に有用である。
【００２３】
本発明の目的を達成するため、前述したセンサを使用して荷電粒子の流れを測定するための方法は、
−荷電粒子の流れによって生じる磁場により引き起こされる本発明に係るセンサの抵抗変化を決定するステップと、
−前記抵抗変化と、抵抗−磁場間のセンサにおける基準特性とを比較するとともに、磁場の大きさを決定するステップと、
−磁場の大きさから電流の大きさを計算するステップと、
を含んでいる。
【００２４】
本発明に係るセンサの更なる利点は、積分がセンサに組み込まれるため、電子回路を簡略化できるという点である。磁気抵抗センサ素子の周知のＲ（Ｈ）曲線を、比較回路における基準として使用することができる。リニアＲ（Ｈ）曲線によれば、抵抗変化から、磁場の値を正確に決定することができる。磁気抵抗センサ素子がホイートストンブリッジ構成で配置され、磁気抵抗センサ素子がストリップの形態の円形の形状を有する場合、荷電粒子の囲繞電流（ｅｎｃｌｏｓｅｄ  ｃｕｒｒｅｎｔ）は、磁気抵抗センサ素子の円周とＨ値との積から得られる。
【００２５】
残留電流を正確に測定するため、ホイートストンブリッジの構成における磁気抵抗素子の２つの対の間に１つの導体を有するセンサを使用することができる。第１の導体を通じて電流が送出されるとともに、前記第１の導体と並列に位置された第２の導体を通じて符合が反対の電流が送出される。そのような原理は、残留電流スイッチにおいて有用である。
【００２６】
本発明の目的を達成するため、電気装置の故障の際に前記電気装置への供給電流をＯＦＦに切換えることにより前記電気装置のユーザを保護するための保護スイッチ装置は、ここで前述したセンサを備えるとともに、
−前記電流センサの出力電流または出力電圧と、基準電流または基準電圧とをそれぞれ比較する比較回路と、
−前記比較回路の出力電流または電圧に応じて前記供給電流を切換えるリレー装置と、
を更に備えている。
【００２７】
この保護スイッチ装置は、小型・軽量であり且つ大きい素子を有していないため、例えばヘアードライヤ等の屋内電気器具に内蔵するのに適している。
【００２８】
比較回路の出力信号はリレーに接続可能であり、このリレーは、導体を流れる電流間の決定された差が非常に大きい場合に、少なくとも１つのスイッチを開いて、電流を遮断する。
【００２９】
本発明を特徴付けるこれらの利点および様々な他の利点並びに新規な特徴的構成は、本明細書に添付され且つ本明細書の一部を形成する請求の範囲に特に示されている。しかしながら、本発明、本発明の利点、本発明の使用によって得られる物を更に良く理解するためには、本発明の更なる一部を形成する図面、および、本発明の好ましい実施形態が例示的に説明された付随する記述的内容を参照しなければならない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、電流Ｉの磁場を示している。磁場Ｈの大きさ（振幅）は、導体中を流れる電流Ｉまでの距離ｒが増大するとき減少する。図１の矢印の長さは、磁場Ｈの大きさを特徴付けている。磁場が強くなればなるほど、矢印が長くなる。描かれている円は、磁場Ｈの大きさが等しいラインを示している。磁場Ｈを測定することによって、導体中を流れる電流Ｉを決定することができる。磁場Ｈは、方程式１によって、電流Ｉおよび距離ｒに関連付けられる。
【００３１】
図２ａは磁気抵抗センサ１の側面図を示しており、図２ｂは、図２ａのII−II線に沿う磁気抵抗センサの断面図を示している。この実施形態において、センサは、４つの磁気抵抗素子（２，１２，６，１６）を備えている。図２ａの側面図は、荷電粒子流３が流れる導体１０を示している。２つの磁気抵抗センサ素子２，１２は、例えば箔等の絶縁フレキシブル基板４上に設けられている。磁気抵抗センサ素子２，１２は、例えば同じスパッタ成膜プロセス中に同時に形成される。磁気抵抗センサ素子２，１２の磁化方向５は同じである。磁気抵抗センサ素子２，１２は、例えばシリコン酸化物により互いに絶縁することができるとともに、保護層で覆うことができる。
【００３２】
磁気抵抗センサ素子２，１２上に描かれた矢印は、４つの磁気抵抗センサ素子がホイートストンブリッジ回路構成で接続されている時のバイアス方向を示している。ホイートストンブリッジ回路は、温度の影響から測定値を補償する。図２ａの矢印は、他の２つの磁気抵抗センサ素子６，１６上に配置された磁気抵抗センサ素子２，１２のバイアス方向を示している。なお、磁気抵抗センサ素子２，１２のバイアス方向は、磁気抵抗センサ素子６，１６と反対である。
【００３３】
図２ｂの断面図において、磁気抵抗センサ素子２は、絶縁フレキシブル基板４上に存在している。フレキシブル基板４の他の側には、ストリップ状のセンサ素子６が存在している。磁気抵抗センサ素子１２，１６は、深さ方向に存在している。導体１０は、断面図の中央に位置されている。導体１０中を流れる電流Ｉは、磁場８を形成する。原理を示すために、磁場８の１本の線だけが描かれている。磁場８は、磁気抵抗センサ素子２，６，１２，１６によって測定される。この実施形態において、磁気抵抗センサは、円形状を成しているが、センサの形状は、これに限定されず、例えば正方形または長方形であっても良い。
【００３４】
ストリップ状のセンサ素子２，６，１２，１６は、ＧＭＲ多層、例えばその交換バイアス方向がストリップ方向に沿っている交換バイアス型スピンバルブを構成していても良い。ＧＭＲ効果に基づくスピンバルブ構造は、以下のようにして製造することができる。
【００３５】
絶縁基板４上には、ライト（１１１）テクスチャ（ｒｉｇｈｔ  ｔｅｘｔｕｒｅ）を生じさせるための３．５ｎｍＴａ／２．０ｎｍＰｙから成るバッファ層と、
−１０ｎｍＩｒ１９Ｍｎ８１から成る交換バイアス層と３．５ｎｍＣｏ９０Ｆｅ１０／０，８ｎｍＲｕ／３．０ｎｍＣＯ９０Ｆｅ１０から成る人工反強磁性体とを備えた、ピンド層である磁化軸５を有する磁性層と、
−３ｎｍＣｕから成る非磁性スペーサ層と、
−５ｎｍＰｙから成る強磁性層、すなわち、フリー層（例えば、ＧＭＲ効果を高め且つ層間拡散を減少させて熱的安定性を高める１．０ｎｍＣＯ９０Ｆｅ１０から成る薄い層）と、
から成る多層構造が堆積される。多層上には、１０ｎｍＴａから成る保護層が堆積される。
【００３６】
また、磁気抵抗素子は、以下の多層構造、すなわち、３．５ｎｍＴａ／２．０ｎｍＮｉＦｅから成るバッファ層と、交換バイアス層および磁性層であるピンド層（ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）（ＡＡＦ）すなわち１５．０ｎｍＩｒＭｎ／４．０ｎｍＣｏＦｅ／０．８ｎｍＲｕ／４．０ｎｍＣｏＦｅと、２．０ｎｍＡｌ２Ｏ３から成る非磁性スペーサ層と、例えば６．０ｎｍＣｏＦｅから成る第２の強磁性層すなわちフリー層とから成る多層構造を備える磁気トンネル接合であっても良い。
【００３７】
ＧＭＲ多層のピンド層の磁化方向は、磁場内でスパッタ成膜中に加えられた。磁気抵抗センサ素子２，１２と磁気抵抗センサ素子６，１６は、異なるスパッタ成膜プロセス中に、互いの後に形成された。磁気抵抗センサ素子２，１２および磁気抵抗センサ素子６，１６の磁化方向５は互いに反対である。図２ｂの矢印は、絶縁フレキシブル基板４の両側のセンサ素子２，６におけるピンド層の磁化方向５を示している。
【００３８】
電流を正確に決定するためには、電流導体１０を取り囲む経路８に沿って、前述した方程式（２）を測定しなければならない。これを得ることができれば、外部場が測定結果に影響を及ぼすことは全く無く、また、前記経路の形状およびループ内における導体の位置は重要でなくなる。
【００３９】
この目的のために、磁気抵抗センサの固有の特性（ＴＭＲ、ＡＭＲ、または、ＧＭＲ）を利用することができる。すなわち、適切な構成が選択されると、磁場が「自動的に」センサに沿って積分される。
【００４０】
そのような磁気抵抗ストリップの抵抗は、以下の式によって与えられる。
【数５】
2005529338.tif 000007
方程式、すなわち、
【数６】
2005529338.tif 000008
が有効であるため、方程式（２）の基本原理に基づいて、電流プローブを実現することができる。本発明の実施形態においては、クローズドループに沿うこの積分を決定することができるため、厄介な外部場に影響されないで済む。積分がセンサに組み込まれるため、エレクトロニクスを簡略化できる。少なくともセンサが導体の断面に対して垂直である限り、磁気抵抗効果に固有の方向性感度は、必要なインプロダクト（ｉｎｐｒｏｄｕｃｔ）を自動的にもたらす。また、全ての素子が連続的である。すなわち、電機接点のための小さな隙間を除き、センサ部分同士の間に隙間が無い。
【００４１】
図３は、ホイートストン測定ブリッジの配列で接続された磁気抵抗センサ素子の等価回路図を示している。測定ブリッジは、４つの磁気抵抗センサ素子２，１２，６，１６を備えている。２つの磁気抵抗センサ素子６，１２は、ブリッジの第１の端子２０に接続されている。第１の端子２０は、センス電流Ｉｓｅｎｓｅの入力端子である。磁気抵抗センサ素子１２は、ブリッジの第２の端子すなわち測定端子２４に接続されている。磁気抵抗センサ素子６は、第３の端子すなわち測定端子２６に接続されている。磁気抵抗センサ素子２，１６は、出力電流が存在する場合には、ブリッジの第４の端子すなわち測定端子２２に接続される。一方、測定電圧が存在する場合には、磁気抵抗素子２が測定端子２６に接続される。磁気抵抗素素子１６は、測定端子２４に接続されている。
【００４２】
測定された磁場Ｈを特徴付ける電圧値を決定するために、端子２４，２６間で電圧が測定される。ホイートストン測定ブリッジの利点は、測定値への温度の影響を補償するという点である。磁場センサにおいては、多くの場合、温度変化の影響を排除し且つホイートストン測定ブリッジ構成の使用によって両極出力を実現することが望ましい。ブリッジの２つの分岐部における磁気抵抗素子は、図３に矢印の方向で示されるように、磁場に対する応答が他の２つの素子とは反対でなければならない。矢印は、磁気抵抗センサ素子の磁気バイアス方向を示している。ＡＭＲ素子の場合には、２対の磁気抵抗センサ素子に−４５度および＋４５度を下回る磁気バイアス方向を設定することにより、反対の応答を得ることができる。
【００４３】
図４は、図２の実施形態のＧＭＲホイートストンブリッジ構成の出力電圧を示している。５Ｖのバイアス電圧（２．５ｍＡのセンス電流および２ｋΩのブリッジの抵抗に対応している）において、センサは、２０〜２００℃の広い温度範囲にわたり、小さな磁場においてリニア出力特性を有している。小さな磁場は、正確に測定することができる。ＧＭＲ効果は６％であり、僅かなヒステリシスおよび０．７μＶ／Ｋという非常に僅かなオフセット電圧ドリフトを伴っている。
【００４４】
ホイートストンブリッジ構成における磁気抵抗センサ素子のリニア出力特性１３から、磁場の値が決定される。
【００４５】
円形の磁気抵抗センサ素子の場合、囲繞電流は、磁場×２πｒの値から得られる。
【００４６】
図５は、１つの導体の磁場を測定する磁気抵抗センサ素子の薄膜の実施形態を示している。センサ素子２，１２およびセンサ素子６，１６は、互いの上に積み重ねられている。２つのセンサ素子２，６だけが示されている。センサ素子２，１２は、電気絶縁材料７により、センサ素子６，１６から分離された。家庭用電化製品の場合には、薄膜デバイスを有していることが望ましい場合がある。この場合、実用的な方法で導体を連続的に取り囲むことができるが、２つの磁気抵抗素子を使用することにより、それにうまく近づけることができる。
【００４７】
図５の実施形態は、ホイートストンブリッジ構成を成す４つの磁気抵抗センサ素子２，１２，６，１６と、非磁性ワイヤ１５と、電流を運ぶ導体１０と、絶縁材料７とを備えている。ブリッジの半分の磁気抵抗センサ素子２，６は、直列に接続されている。磁気抵抗センサ素子２，６は、反対のバイアス方向を有しているとともに、非磁性ワイヤ１５、例えばＡｌまたはＣｕ等の金属により、電気的に直列に接続されている。磁気抵抗センサ素子２，６の長さが、これらのセンサ素子間の距離よりも十分に長く且つセンサ素子の端部が導体１０から比較的大きく離れている場合、２つの磁気抵抗センサ素子２，６の直列抵抗は、導体を流れる電流における非常に良好な指標となる。抗磁性（非磁気抵抗）ギャップを減らすために、必要に応じて、特定形状の端部をセンサ素子に加えることができる。
【００４８】
図６は、電流方向が反対の２つの導体１０，１１の磁場を測定するセンサの薄膜の実施形態を示している。図５の実施形態は、ホイートストンブリッジ構成を成す４つの磁気抵抗センサ素子２，１２，６，１６と、非磁性ワイヤ１５と、電流を反対方向で運ぶ２つの導体１０，１１と、絶縁材料７とを備えている。ブリッジの半分の２つの磁気抵抗センサ素子２，６は、非磁性ワイヤ１５によって直列に接続されている。図６の実施形態と図５の実施形態との間の違いは、図６の実施形態が電流を運ぶ２つの導体１０，１１の２つの磁場の差を測定する点である。図６の実施形態は、感度が高いため、残留電流スイッチに非常にうまく適用できる。反対方向の２つの電流の両者がセンサループによって囲まれている場合、それらの付随する磁場の総和は、結果として、自動的に、両方の電流間の差の測定値になる。また、これは、磁気抵抗の飽和の実施形態を回避するのに役立つ。両方の電流の大きさが等しいが方向が反対である場合、センサ出力はゼロである。したがって、差が生じる場合には、結果として、出力がゼロにならない。誘導センサとは異なり、ｄｃ電流においても磁気抵抗センサ素子を使用することができる。
【００４９】
図７は、電気装置のユーザを保護するための保護スイッチ装置３０のブロック図を示している。このブロック図は、電力供給のための２つの端子３４，３５を含んでいる。端子３４は、スイッチ３６によって切換えられる。端子３５は、スイッチ３７によって切換えられる。２つのスイッチ３６，３７は、リレー３３によってパラレルに切換えられる。２つのスイッチ３６，３７の他方側は、例えばモータである負荷３１に対して接続されている。
【００５０】
センサ１は、負荷へと流れ且つ負荷から流れる２つの電流の差を測定する。２つの端子２０，２２は、センサ１のための僅かなセンス電流を供給する。センス電流とは、センサの抵抗を測定するために必要なセンサ１のための入力電流のことである。２つの端子２４，２６によって供給されるセンサ１の出力信号は、比較回路３２へと送られる。比較回路３２は、磁気抵抗電流センサ１の出力と、端子３８によって供給される閾値とを比較する。故障の場合、電流センサ１は、２つの電流間の差を決定するとともに、出力信号を比較回路３２に与える。比較回路３２は、出力と基準値３８とを比較する。故障の場合、比較回路３２は、出力信号をリレー３３に与えて、２つのスイッチ３６，３７を開く。保護スイッチ装置のブロック図は、例えば、ヘアードライヤや、車のヘッドライトのＯＮ状態を検出するための回路において適用することができる。この場合、電流が流れないということは、ヘッドライトが壊れていることを表わしている。
【００５１】
本発明の前述した実施形態の電流センサは、例えば１つの導体、ケーブル、集積回路の導体経路の磁場、および、電子やイオンといった荷電粒子のビームによって与えられる電流を測定するための多くの様々な環境において適用可能である。集積回路内の導体経路の磁場の測定は、例えば電流接点を検査するためのオンチップ技術に組み込むことができる。
【００５２】
以上、この文書によって網羅される本発明の新規な特徴および利点について説明してきた。しかしながら、多くの点で、この開示内容が単なる一例にすぎないことは言うまでもない。本発明の範囲を超えることなく、部品の形状、サイズ、配置に関して細かく変更することができる。無論、本発明の範囲は、添付の請求項で表わされる言語において規定される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】電流の周囲の磁場を示している。
【図２ａ】フレキシブル基板上に形成されたストリップ状のセンサ素子の側面図を示している。
【図２ｂ】図２ａのII−II線に沿うストリップ状のセンサ素子の断面図を示している。
【図３】ホイートストンブリッジ構成で接続された磁気抵抗センサ素子の等価回路図を示している。
【図４】ホイートストンブリッジ構成で接続された磁気抵抗センサ素子の出力特性を示している。
【図５】１つの導体の磁場を測定する磁気抵抗センサ素子の薄膜の実施形態を示している。
【図６】電流方向が互いに反対の２つの導体の磁場を測定する磁気抵抗センサ素子の薄膜の実施形態を示している。
【図７】電気装置のユーザを保護するための保護スイッチ装置のブロック図を示している。
【符号の説明】
【００５４】
１  磁気抵抗センサ
２，６，１２，１６  磁気抵抗素子
４  絶縁フレキシブル基板
８  磁場
１０  導体
２０  第１の端子
２４，２６  測定端子
３０  保護スイッチ装置
３３  リレー
３４，３５  端子
３６，３７  スイッチ
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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