(57)【要約】【課題】本発明は、電源から電流線に注入される電流が最終値に到達した時、電流センサからの出力電圧が少なくとも最終値の９０％に到達しているようにすることができる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】この目的を達成するために、本発明の電流センサは磁気検出素子２２の中心を電流線２１の電流の流れに対して垂直な幅方向内であって、前記電流線２１の表面から、前記電流線２１の幅Ｗに対して、０．４３Ｗ以上離れた位置に設けるように構成するものである。【選択図】図４
2015057582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
扁平な形状の電流線を流れる電流により発生する磁界を検出する磁気検出素子を含み、前記磁気検出素子によって検出した磁界に基づいて前記電流を測定する電流測定装置であって、前記磁気検出素子の中心は、前記電流線の電流の流れに対して垂直な幅方向内であって、前記電流線表面から、前記電流線の幅Ｗに対して、０．４３Ｗ以上離れた位置に設けることを特徴とする電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ものである。
【背景技術】
【０００２】
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。図８（ａ）は従来の電流センサの磁気検出素子を電流線上に載置した状態を示す斜視図である。また、図８（ｂ）はこの磁気検出素子の断面図である。図８（ａ）（ｂ）において、磁気検出素子１は、Ｘ軸方向の寸法（幅寸法）がＹ軸方向の寸法（厚さ寸法）の数倍以上である扁平な電流線２の上に載置されており、２つの磁束収束板３Ａ、３Ｂと、２つのホール素子４Ａ、４Ｂを含むセンサチップ５とからなる。前記磁束収束板３Ａ、３Ｂは前記センサチップ５の表面上に所定の間隔をおいて配置され、前記ホール素子４Ａ、４Ｂは前記磁束収束板３Ａ、３Ｂによって磁束密度が高まる領域に配置されている。
【０００３】
被測定電流Ｉにより発生する磁束６は、一方の磁束収束板３Ａから一方のホール素子４Ａを介し、さらに、他方のホール素子４Ｂおよび他方の磁束収束板３Ｂを介して、磁気検出素子１内を通過する。そして、前記ホール素子４Ａ、４Ｂは  この磁束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は電流線２の表面に水平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、被測定電流Ｉを計測するものである。
【０００４】
また、前記磁束収束板３Ａ、３Ｂと、２つのホール素子４Ａ、４Ｂを含むセンサチップ５とからなる磁気検出素子に代えて、ブリッジをなすように接続した磁気抵抗素子と、バイアス磁石とからなる磁気検出素子を用いても同様にして、電流線２に流れる電流Ｉを測定することができる。
【０００５】
なお、この出願の発明に関連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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３８８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図８（ａ）に示したような電流線２においては、電流線２に流れる直流電流ＩによりＸＺ面に平行な面２Ａ、２Ｂ近傍に発生する磁束密度ベクトルはＹＺ面に平行な面２Ｃ、２Ｄの近傍以外では、Ｘ軸に水平で、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軸方向の磁束密度に比例した電気信号を出力する。そのため、電流センサから出力される電気信号の大きさは、ＹＺ面に平行な面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。
【０００８】
しかしながら、電流線２に流れる電流Ｉが非定常な時、特に電流の立上り時に、電流センサから出力される電気信号が電流の変化に追随せず、長時間が経過して後、最終値に達するという現象があることが分かった。
【０００９】
図９（ａ）は幅Ｗ＝１４ｍｍ、厚さｔ＝１．６ｍｍ、長さ２００ｍｍの銅製の扁平な電流線２に電源Ｖを接続し、電流線２上の幅方向の中央に電流センサの磁気検出素子１の中心を載置した状態を示す模式図である。ここで、Ｒは終端抵抗である。図９（ｂ）は電源Ｖから電流線２に注入される電流ａと電流センサからの出力電圧ｂを時間的に重ねて表示したものである。実験によれば、電源Ｖから電流線に注入される電流ａは１００μｓｅｃで最終値３０Ａに到達しているのに対して、電流センサからの出力電圧ｂが最終値の９０％に到達するまでには２４０μｓｅｃを要していた。すなわち、電源Ｖから電流線に注入される電流ａが最終値に到達してから、電流センサからの出力電圧ｂが最終値の９０％に到達するまでには２４０μｓｅｃ−１００μｓｅｃ＝１４０μｓｅｃの時間が必要であった。この後、電流センサからの出力電圧が最終値の９０％に到達するまでの時間と電源Ｖから電流線に注入される電流ａが最終値に到達するまでの時間の差を電流センサの立上り時間と呼び、電源Ｖから電流線に注入される電流ａが最終値に到達した時点で、電流センサからの出力電圧が最終値の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。そして、この電流センサからの出力電圧ｂの、電源Ｖから電流線に注入される電流ａ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確認した。また、電源Ｖから電流線に注入される電流が１０μｓｅｃで最終値に到達するよう高速化しても、電流センサからの出力電圧ｂ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確認した。
【００１０】
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長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等の問題点があった。
【００１１】
図１０は電流センサの磁気検出素子１の中心を電流線２の中央から端部に向け移動させたときの立上り時間の変化を測定したものである。このデータより、電流センサを電流線の幅方向中央から端部に移動させるにつれ、立上り時間は減少して立上り時間が０になり電流センサをさらに電流線の端部に移動させると再び立上り時間が増加することが分かる。しかしながら、立上り時間が０になるのはたかだか１．５ｍｍの狭い範囲に過ぎないため、電流センサを配置する位置に制限があり、使い勝手が悪いという問題点がある。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、電流線に対して電流センサの磁気検出素子を配置する高さを適正化することにより、電流線に流れる電流に対する電流センサの応答を高速化できるとともに、電流センサを配置する電流線の幅方向位置の制限を大幅に緩和できる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】
【００１３】
本発明は上記課題を解決するために、扁平な形状の電流線を流れる電流により発生する磁界を検出する磁気検出素子を含み、前記磁気検出素子によって検出した磁界に基づいて前記電流を測定する電流測定装置であって、前記磁気検出素子の中心は、前記電流線の電流の流れに対して垂直な幅方向内であって、前記電流線表面から、前記電流線の幅Ｗに対して、０．４３Ｗ以上離れた位置に設けるように構成したもので、この構成によれば、電源から電流線に注入される電流が最終値に到達した時、電流センサからの出力電圧が少なくとも最終値の９０％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とともに、電流線に対して電流センサを配置する位置の制限を大幅に緩和できる電流センサを提供できるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように本発明は、扁平な形状の電流線を流れる電流により発生する磁界を検出する磁気検出素子を含み、前記磁気検出素子によって検出した磁界に基づいて前記電流を測定する電流測定装置であって、前記磁気検出素子の中心は、前記電流線の電流の流れに対して垂直な幅方向内であって、前記電流線表面から、前記電流線の幅Ｗに対して、０．４３Ｗ以上離れた位置に設けるように構成したもので、電源から電流線に注入される電流が最終値に到達した時、電流センサからの出力電圧が少なくとも最終値の９０％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とともに、電流センサを配置する電流線の幅方向位置の制限を大幅に緩和できる電流センサを提供できるという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）電流線に注入される電流の時間変化を示す模式図、（ｂ）ｔ＝ｔ1における電流線表面上の電流密度を示す模式図、（ｃ）ｔ＝ｔ2における電流線表面上の電流密度を示す模式図、（ｄ）ｔ＝ｔ3における電流線表面上の電流密度を示す模式図
【図２】ｔ＝ｔ1における電流線上の位置Ａにおけるｘ方向磁束密度Ｂｘの大きさを見積もるための模式図
【図３】（ａ）幅Ｗ＝１４ｍｍ、厚さｔ＝１．６ｍｍ、長さ２００ｍｍの電流線の幅方向表面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のｘ方向成分Ｂｘの時間応答のシミュレーション結果を示す図、（ｂ）同電流線の幅方向表面の中央からの距離ｈに対する、磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘの立上り時間のシミュレーション結果を示す図、（ｃ）同電流線表面からＹ軸方向に５．２ｍｍ（ｈ＝５．２ｍｍ）、Ｘ軸方向に距離ｘだけ離れた位置Ａにおける磁束密度のｘ方向成分Ｂｘの立上り時間のシミュレーション結果を示す図、（ｄ）図３（ａ）〜（ｃ）のシミュレーションを示す模式図
【図４】（ａ）幅Ｗ＝１４ｍｍ、厚さｔ＝１．６ｍｍ、長さ２００ｍｍの電流線の幅方向表面の中央からｈ＝６ｍｍの位置に電流センサの磁気検出素子を配置した状態を示す断面模式図、（ｂ）電源から電流線に注入される電流波形ａおよび電流センサからの出力電圧波形ｂの測定結果を示す図
【図５】（ａ）磁気検出素子の上面図、（ｂ）同磁気検出素子の縦断面図
【図６】（ａ）幅Ｗ＝２０ｍｍ、厚さｔ＝５ｍｍ、長さ２００ｍｍの電流線の幅方向表面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のｘ方向成分Ｂｘの立上り時間のシミュレーション結果を示す図、（ｂ）幅Ｗ＝４０ｍｍ、厚さｔ＝２．５ｍｍ、長さ２００ｍｍの電流線の幅方向表面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のｘ方向成分Ｂｘの立上り時間のシミュレーション結果を示す図
【図７】幅と厚さの異なる３つの電流線の各々の幅Ｗに対して、電流センサの立上り時間が０となるような、電流センサの磁気検出素子の中心と電流線との最小距離ｈｍｉｎとＷの比、ｈｍｉｎ／Ｗの実測値とシミュレーション値をプロットした図
【図８】（ａ）従来の電流センサの磁気検出素子を電流線上に載置した状態を示す斜視図、（ｂ）同磁気検出素子の断面図
【図９】（ａ）幅Ｗ＝１４ｍｍ、厚さｔ＝１．６ｍｍ、長さ２００ｍｍの電流線上の幅方向の中央に磁気検出素子の中心を載置した状態を示す模式図、（ｂ）電流線に注入される電流ａおよび電流センサからの出力電圧ｂの測定結果を示す図
【図１０】電流センサの磁気検出素子の中心を電流線の中央から端部に向け移動させたときの立上り時間の変化を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
最初に、図９に示したように、磁気検出素子１を電流線２の幅方向表面のほぼ中央に近接して配置した時、電流線２に流れる電流Ｉが非定常な時、特に電流の立上り時に、電流センサから出力される電気信号が電流の変化に追随せず、長時間が経過して後、最終値に達するという現象が発生する原因を図を用いて定性的に説明する。
【００１７】
図１（ａ）は幅寸法Ｗの電流線２１に注入される電流Ｉの時間変化を示す模式図であり、図１（ｂ）（ｃ）（ｄ）は所定の時間（ｔ1、ｔ2、ｔ3）における電流線表面上の電流密度Ｊを示す模式図である。
【００１８】
電流線２１に電流が流れ始め（ｔ＝０）、電流線２１に流れる電流が時間に対して一定の割合で増加すると（０＜ｔ＜ｔ1）、電磁誘導により電流線２１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２１内の前記電流に鎖交して電流の変化を妨げる向きに逆起電力を発生する。電流線２１の中心部の電流ほどこの鎖交磁束数が大きく逆起電力も大きいため電流密度は小さくなり、電流は導体の周辺部に集中して流れる。これにより、０＜ｔ≦ｔ1においては、電流線２１の表面、特に角部の電流密度が大きく、電流線２１の中央部の電流密度が小さい状態が持続する。図１（ｂ）はｔ＝ｔ1における電流線２１の幅方向の電流密度を模式的に示したものである。
【００１９】
電流線２１に流れる電流が最終値に到達し、もはや電流が増加しなくなると（ｔ1≦ｔ）、電流線２１の表面、角部の電流密度が低下するとともに、電流線２１の中央部の電流密度が上昇して、電流線２１各部の電流密度は一様化に向かうことになる。しかしながら、電流線２１の表面、角部の電流密度が低下しようとすると、再び逆起電力が発生してこの変化を抑制するように働く。同様に、電流線２１の中央部の電流密度が上昇しようとすると、再び逆起電力が発生してこの変化を抑制するように働く。その結果、電流線２１内の電流密度が一様になるまでには一定の経過時間が必要となる。図１（ｃ）は電流線２１に流れる電流が最終値に到達してから後、ｔ＝ｔ2における電流線２１の幅方向の電流密度を模式的に示したものである。そして、十分な時間が経過した後には電流線２１内の電流密度は一定となる。図１（ｄ）は十分な時間が経過した後（ｔ→∞）における電流線２１の幅方向の電流密度を模式的に示したものである。
【００２０】
電流線２１に流れる電流が最終値に到達した時点では、図１（ｂ）に示すように電流線２１の幅方向表面の中央部分の電流密度が小さく、電流線２１の幅方向表面の端部の電流密度が大きいため、電流線２１表面に近接した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２１の中央部分では小さくなる。その結果、電流線２１の幅方向表面のほぼ中央部分に磁気検出素子を配置した電流センサからの出力電圧は小さくなる。
【００２１】
電流線２１に流れる電流が一定となった直後より、図１（ｃ）に示すように電流線２１の幅方向表面の中央部分の電流密度が徐々に増加し、電流線２１の幅方向表面の端部の電流密度が徐々に減少する。これに伴い、電流線２１の幅方向表面のほぼ中央部分に磁気検出素子を配置した電流センサからの出力電圧は徐々に大きくなり最終値に漸近することになる。
【００２２】
以上が磁気検出素子を電流線２１の幅方向表面のほぼ中央に載置した時、電流線２１に流れる電流Ｉが非定常な時、特に電流の立上り時に、電流センサから出力される電気信号が電流の変化に追随せず、長時間が経過して後、最終値に達するという現象が発生する原因である。
【００２３】
我々は磁気検出素子を電流線２１上に載置させるのではなく、電流線２１表面から一定の距離をおいて配置すれば、この現象を回避できるのではないかと考えた。
【００２４】
図２を用いてその理由を説明する。図２は図１（ａ）のｔ＝ｔ1の時点での、電流線２１上の位置Ａにおけるｘ方向磁束密度Ｂｘの大きさを見積もるための模式図である。ここで位置Ａは電流線２１の幅方向表面上の中央部にあるものとする。また、電流線２１表面上の電流密度の大小を＋の数で表わしている。
【００２５】
図２において、磁気検出素子を配置する位置Ａと電流線２１表面の中央部分との距離をｒ、電流線２１の幅をＷ、位置ＡがＸ軸となす鋭角をθとし、簡単に説明するために電流線２１表面に流れる電流は中央部分の電流ｉ1、電流線２１表面の端部の電流をｉ2のみであるとすると、電流線２１表面の中央部分の電流ｉ1によって位置Ａに発生する磁束密度Ｂ０はｋを比例定数として、アンペールの法則から、
【００２６】
【数１】
2015057582.tif 000003
【００２７】
と表わせる。また、電流線２１表面の端部の電流をｉ2によって位置Ａに発生する磁束密度Ｂ1、および磁束密度Ｂ1のｘ方向成分Ｂ1xは
【００２８】
【数２】
2015057582.tif 000004
【００２９】
【数３】
2015057582.tif 000005
【００３０】
と表わせる。よって、電流線２１によって位置Ａに発生する磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘは
【００３１】
【数４】
2015057582.tif 000006
【００３２】
となる。
【００３３】
位置Ａが電流線２１に近接している場合、すなわちｒが十分小さい場合には、式４の第２項は０に漸近するため、Ｂｘは第１項、すなわち電流線２１表面の中央部分の電流ｉ1によって決まることになる。
【００３４】
一方、位置Ａが電流線２１から離れている場合、すなわちｒがＷに比べて十分に大きい場合には、電流線２１に流れる全電流をｉとすれば、式５は
【００３５】
【数５】
2015057582.tif 000007
【００３６】
となり、全電流ｉが一定となった後では、電流線２１によって位置Ａに発生する磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘは電流線２１上の電流密度分布の影響を受けなくなることが理解できる。
【００３７】
以上から、磁気検出素子を電流線２１表面に近接させるのではなく、電流線２１表面から一定の距離をおいて配置すれば、電流線２１によって位置Ａに発生する磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘは電流線２１表面の中央部分に流れる電流によって発生する磁束密度による寄与だけでなく、電流線２１表面の端部に流れる電流によって発生する磁束密度による寄与が加わるため、ほぼ一定とできることが予想される。
【００３８】
この予想を検証するため、図３（ｄ）に示すシミュレーションを実施した。図３（ａ）は幅Ｗ＝１４ｍｍ、厚さｔ＝１．６ｍｍ、長さ２００ｍｍの銅製の電流線２１に５０μｓｅｃで最終値３０Ａに到達するように電流を注入するという設定で、電流線２１の幅方向表面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のｘ方向成分Ｂｘの時間に対する変化を計算したものである。
【００３９】
図３（ａ）から以下のことが分かる。
【００４０】
（１）電流線２１の幅方向表面の中央からの距離ｈ＝０ｍｍの時、電流が最終値に到達した後、磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘは最終値の９０％である１．１３ｍＴに到達するまでには１２５μｓｅｃを要している。以後、磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘが最終値の９０％に到達するまでの時間と電流線２１に注入される電流が最終値に到達するまでの時間の差を磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘの立上り時間と呼ぶ。図９（ｂ）に示した電流センサの実測立上り時間１４０μｓｅｃと磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘの立上り時間の計算値１２５μｓｅｃとの一致は良好であると考えられる。
【００４１】
（２）電流線２１の幅方向表面の中央からの距離ｈが大きくなるほど、磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘの立上り時間は小さくなるとともに、磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘの最終値も小さくなる。このことは上記の予想と一致している。
【００４２】
図３（ｂ）はこの電流線２１の幅方向表面の中央からの距離ｈと磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘの立上り時間との関係のシミュレーション結果を示す図である。図３（ｂ）より、電流線２１の幅方向表面の中央からの距離ｈが５．２ｍｍ以上で磁束密度Ｂのｘ方向成分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磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘは最終値の９０％以上に到達していることが分かる。
【００４３】
図３（ｃ）は電流線２１の幅方向の中央にＸＹ座標の原点を置いた時に、電流線２１表面からＹ軸方向に５．２ｍｍ（ｈ＝５．２ｍｍ）、Ｘ軸方向に距離ｘだけ離れた位置Ａにおける磁束密度のｘ方向成分Ｂｘの立上り時間を計算したものである。図３（ｃ）から、位置Ａが電流線２１の幅方向内にあれば、常に立上り時間が０となることが分かる。
【００４４】
図４（ａ）は幅Ｗ＝１４ｍｍ、厚さｔ＝１．６ｍｍ、長さ２００ｍｍの銅製の扁平な電流線２１の幅方向表面の中央からｈ＝６ｍｍの位置に電流センサの磁気検出素子２２を配置した状態を示す断面模式図である。図４（ｂ）は電源から電流線２１に注入される電流波形ａと電流センサからの出力電圧波形ｂを重ねて表示したものである。この実験結果から、電流線２１に注入される電流ａが最終値３０Ａに到達した１００μｓｅｃの時点で、電流センサの出力電圧ｂは電流センサ出力の最終値の９０％の値に到達している、すなわち電流センサの立上り時間が０となることを確認した。また、電流線２１表面からの高さを６ｍｍに固定すれば、電流線２１の幅方向内では電流センサの立上り時間が０となることも確認できた。
【００４５】
この実験で用いた電流センサの磁気検出素子を図５を用いて簡単に説明する。図５（ａ）は、磁気検出素子２２の上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の縦断面図である。ここで、磁気検出素子２２のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の長さは各々約３ｍｍ、３ｍｍ、１ｍｍである。
【００４６】
図５において、絶縁基板２３上に印加電極２４、第１の出力電極２５、第２の出力電極２６およびグランド電極２７の４個の電極が形成されている。また印加電極２４と第１の出力電極２５との間には磁気抵抗体からなり蛇行形状の磁気抵抗素子２８ａが形成されている。同様に第１の出力電極２５とグランド電極２７との間、印加電極２４と第２の出力電極２６との間、第２の出力電極２６とグランド電極２７との間には各々蛇行形状の磁気抵抗素子２８ｂ、２８ｃ、２８ｄが形成されている。このような電気的な接続を行なうことで、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。また、図５において、磁気抵抗素子２８ａは、紙面で右斜め上に傾いた４５°の方向に蛇行パターンの長手方向が位置しているが、これと隣接する磁気抵抗素子２８ｂは、紙面で左斜め上に傾いた４５°の方向に蛇行パターンの長手方向が位置しており、両者の角度は直角である。磁気抵抗素子２８ｃと磁気抵抗素子２８ｄとの位置関係も同様である。さらに、磁気抵抗素子２８ａと磁気抵抗素子２８ｃとの位置関係も同様である。ここで、磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄの感磁方向は各々の蛇行パターンの長手方向に直角な方向である。
【００４７】
絶縁層３０は厚さが約１μｍのＳｉＯ2薄膜からなり、磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを覆うことにより後述する薄膜磁石３１との電気的絶縁を行うものである。薄膜磁石３１は、厚さが約０．６μｍのＣｏＰｔ等からなり、絶縁層３０の上に蒸着、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長手方向を有する複数の略長方体に分割されている。その発生する磁界の方向は、薄膜磁石３１の長手方向の直角方向、図５における紙面左右方向である。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°をなす方向に長手方向を有する複数の略長方体に分割されている。この方向は、磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄの感磁方向に対しても４５°をなす方向である。なお、薄膜磁石３１が発生する磁界は、電流線２１を流れる電流と同じ方向、すなわち、電流線２１を流れる被測定電流による磁界の直角方向になるように配置される。３２は厚さが約１μｍのＳｉＯ2薄膜からなり、薄膜磁石３１を覆う絶縁層である。
【００４８】
以上のことから、所定の寸法を有する電流線２１の幅方向表面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のｘ方向成分Ｂｘの時間に対する変化をシミュレーションすれば、この位置に電流センサの磁気検出素子２２の中心を置いた場合に、電流センサの立上り時間を見積もることができることが分かった。なお、ここで言う「磁気検出素子２２の中心」とは図５に示した磁気検出素子２２の絶縁層３２上で磁気抵抗素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄで囲まれた領域の幾何的中心である。
【００４９】
図６（ａ）は幅Ｗ＝２０ｍｍ、厚さｔ＝５ｍｍ、長さ２００ｍｍの銅製の電流線２１に５０μｓｅｃで最終値３０Ａに到達するように電流を注入するという設定で、電流線２１の幅方向表面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のｘ方向成分Ｂｘの立上り時間をシミュレーションした結果を示す図である。図６（ａ）より、電流線２１の幅方向表面の中央からの距離ｈが８．４ｍｍ以上で磁束密度Ｂのｘ方向成分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磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘは最終値の９０％以上に到達することが予想される。
【００５０】
実験結果によれば、電流線２１の幅方向表面の中央から８．５ｍｍ以上の位置に電流センサの磁気検出素子２２の中心を配置したとき、電流線２１に注入される電流ａが１００μｓｅｃで最終値３０Ａに到達した時点で、電流センサの出力電圧ｂは電流センサ出力の最終値の９０％の値に到達している、すなわち電流センサの立上り時間が０となることを確認した。また、電流センサの磁気検出素子２２の中心の電流線２１表面からの高さを８．５ｍｍ以上とすれば、電流線２１の幅方向内では電流センサの立上り時間が０となることも確認できた。
【００５１】
同様にして、図６（ｂ）は幅Ｗ＝４０ｍｍ、厚さｔ＝２．５ｍｍ、長さ２００ｍｍの銅製の電流線２１に５０μｓｅｃで最終値３０Ａに到達するように電流を注入するという設定で、電流線２１の幅方向表面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のｘ方向成分Ｂｘの立上り時間をシミュレーションした結果を示す図である。図６（ｂ）より、電流線２１の幅方向表面の中央からの距離ｈが１６．４ｍｍ以上で磁束密度Ｂのｘ方向成分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磁束密度Ｂのｘ方向成分Ｂｘは最終値の９０％以上に到達することが予想される。
【００５２】
実験結果によれば、電流線２１の幅方向表面の中央から１７ｍｍ以上の位置に電流センサの磁気検出素子２２の中心を配置したとき、電流線２１に注入される電流ａが１００μｓｅｃで最終値３０Ａに到達した時点で、電流センサの出力電圧ｂは電流センサ出力の最終値の９０％の値に到達している、すなわち電流センサの立上り時間が０となることを確認した。また、電流センサの磁気検出素子２２の中心の電流線２１表面からの高さを１７ｍｍ以上とすれば、電流線２１の幅方向内では電流センサの立上り時間が０となることも確認できた。
【００５３】
図７は上記の幅と厚さの異なる３つの電流線、すなわち幅Ｗ＝１４ｍｍ、厚さｔ＝１．６ｍｍ、長さ２００ｍｍの電流線、幅Ｗ＝２０ｍｍ、厚さｔ＝５ｍｍ、長さ２００ｍｍの電流線、幅Ｗ＝４０ｍｍ、厚さｔ＝２．５ｍｍ、長さ２００ｍｍの電流線の各々の幅Ｗに対して、ｈｍｉｎ／Ｗの実測値とシミュレーション値をプロットした図である。ここで、ｈｍｉｎは各々の電流線に対して、電流センサの立上り時間が０となるような、電流センサの磁気検出素子２２の中心と電流線２１との最小距離であり、ｈｍｉｎ／Ｗは各々の電流線に対して、前記ｈｍｉｎを電流線２１の幅Ｗで規格化したものである。この図から、ｈｍｉｎ／Ｗを０．４３以上とする、すなわち磁気検出素子２２の中心を電流線２１の電流の流れに対して垂直な幅方向内であって、電流線２１表面から、電流線２１の幅Ｗに対して、０．４３Ｗ以上離れた位置に設けることにより、電源から電流線に注入される電流が最終値に到達した時、電流センサからの出力電圧が少なくとも最終値の９０％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という効果が得られるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明に係る電流センサは、電源から電流線に注入される電流が最終値に到達した時、電流センサからの出力電圧が少なくとも最終値の９０％に到達するようにすることができるとともに、電流線に対して電流センサを配置する位置の制限を大幅に緩和できるという効果を有するものであり、特に、車両、産業機器等内における電流を検出する電流検出装置として有用なものである。
【符号の説明】
【００５５】
２１  電流線
２２  磁気検出素子
【図１】
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【図２】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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