(57)【要約】【課題】本発明は、ＭＲ素子個々の出力バラツキの影響を排除し、精度のよい電流検出を実現する電流検出装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の電流検出装置は、強磁性磁気抵抗体よりなる感磁部と温度補償部を互いに直交させて構成した第１のハーフブリッジと同様に感磁部と温度補償部で構成され、第１のハーフブリッジと４５度の角度を持たせて配置した第２のハーフブリッジを含み、電流の流れる電線１に近接して配置したＭＲ素子３と、このＭＲ素子３に近接して配置したバイアス磁石５とを備え、電線の電流方向にバイアス磁石５の磁極方向、第１のハーフブリッジの強磁性磁気抵抗体の長手方向を合わせたものである。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に同じ抵抗値を持つ強磁性磁気抵抗体よりなり磁界に感磁する感磁部と温度補償を行う補償部を互いに直交させて構成した第１のハーフブリッジと、同様に互いに直交する同じ抵抗値を持つ感磁部と補償部とで構成され、第１のハーフブリッジと４５度の角度を持たせて配置した第２のハーフブリッジを含み電流の流れる電線に近接して配置したＭＲ素子と、このＭＲ素子に近接して配置したバイアス磁石とを備え、第１のハーフブリッジの感磁部を構成する抵抗体の長手方向を電線の電流方向に合わせ、バイアス磁石の磁極方向を電流方向に合わせ、バイアス磁界量Ｈｂと電流で発生する磁界Ｈとの合成磁界Ｈｃを第１、第２のハーフブリッジで検出し、電流供給時の夫々のハーフブリッジの中点出力をｖ１，ｖ２とすると、電線を流れる電流の大きさは
【数１】
2004020371.tif 000012
で表されることを特徴とする電流検出装置。
【請求項２】
強磁性磁気抵抗体に電流を供給する電流源と、第１、第２のハーフブリッジの中点出力ｖ１，ｖ２を処理するためのＤ／Ａコンバータ、演算処理部、Ａ／Ｄコンバータ、任意数発生器よりなる信号処理回路を設けた請求項１記載の電流検出装置。
【請求項３】
強磁性磁気抵抗体に接続したトリミング抵抗の抵抗値をトリミングによって調整し、通電、無磁界バイアス時における第１と第２のハーフブリッジの中点電圧を等しくするように構成した請求項１記載の電流検出装置。
【請求項４】
信号処理回路の出力部に温度特性を持つ素子を使い、バイアス磁石の持つ温度特性を補償するように構成した請求項２記載の電流検出装置。
【請求項５】
信号処理回路とＭＲ素子とを同一のシリコン基板上に構成した請求項２記載の電流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイアス磁界を用い、電線等の電流路に流れる電流が作る磁界の大きさをＡＭＲ等の強磁性磁気抵抗素子（以下ＭＲ素子）を利用して検出し、検出信号を信号処理回路で処理することによって電線に流れる電流の電流値を検出する電流検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電線等の電流路に流れる電流を検知する方法は、従来から種々な方法が存在する。その中でも磁気デバイスを用いる従来例としては、コイルを用いる方法、ホールＩＣを用いる方法、ＭＲ素子を用いる方法等があるが、代表的な例としてＭＲ素子を用いる従来例（特開平５−２２３８４８号公報）について述べる。
【０００３】
検知される電流の流れる電線の中心からｒの距離をおいた任意の点Ｐには磁界強度Ｈを発生し、その磁界強度Ｈの方向は電線を中心とした円周方向で、向きは電流の流れる方向に右ネジを回転させた時の回転方向である。磁界強度Ｈは、アンペアの法則から（１）式で表される。
【０００４】
【数２】
2004020371.tif 000003
【０００５】
代表的な従来例では、絶縁基板上に強磁性抵抗体のエレメント群を形成し、同じ抵抗値を持つ２つのエレメント群を互いに直交配置した第１のハーフブリッジと第１のハーフブリッジと線対称に配置された同様なハーフブリッジとで形成されたフルブリッジのエレメント群で構成されたＭＲ素子で上記磁界強度Ｈを検出し、電流検知を行っている。
【０００６】
図６に示すように、電線１の電流の流れる方向に対してＭＲ素子３の各エレメント群を４５度方向に配置し、バイアス磁界を電流方向に印加する。このように配置することにより、図７に示すＭＲ磁気特性の直線性の良い部分を利用して、電流路の電流によって発生する電流磁界Ｈの大きさをＭＲ素子の磁気抵抗変化として検出し、電圧に変換するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電線に流れる電流検知には、非接触では、通常、磁気デバイスが用いられる。パーマロイ、珪素鋼板で磁気回路を構成し、コイル、ホール素子を用いる従来の方式では、磁気回路にコアを用いるので形状的に大きくなり、小型化が困難であるという課題があった。同時にコイル、ホール素子、磁気回路の使用温度範囲での特性変化が大きく、精度の高い磁界検出が困難であるという課題があった。
【０００８】
これに比べて、小型化に適しているのはＭＲの強磁性磁気抵抗素子とＳＭＲの半導体磁気抵抗素子である。しかし、ＳＭＲは温度変化に対する特性変化が大きく、且つ素子個々の変化の傾向がばらつくので温度補償には回路が複雑になりコストアップになる。
【０００９】
また、ＳＭＲは膜面に垂直に入射する磁界は検知するが、膜面の横方向に入射する磁界は検知しないために、ＳＭＲによる電流検知は電線表面直近から離れた点での微弱電流磁界を検知することになるため電流磁界検出には不利である。
【００１０】
一方、ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）は、膜面に平行方向で、側面に垂直方向に入射する電流磁界を検知し、膜面に垂直方向に入射する磁界は検知しないため、電線表面直近の磁界を検知するには優れている。且つ、温度に対する特性変化がＳＭＲに比べると小さく、素子個々の特性バラツキも小さい。従って、ＭＲ素子は、電流検出する素子の１つとして優れた特性を持っている。しかし、ＭＲ素子を用いた従来例では、次のような課題があった。
【００１１】
▲１▼ＭＲ磁気抵抗変化特性は、感度がＭＲ素子個々によりばらつくのでハーフブリッジ出力が個々になり異なる。更にフルブリッジ差動出力なので出力バラツキが拡大する。
【００１２】
▲２▼電線表面とＭＲ素子の感磁部との取り付け距離は０．１〜０．２ｍｍ程度と小さく、電線表面にＭＲ素子を取り付けた時の取り付けバラツキはＭａｘ．１０μｍとすると、０〜５％の誤差として電流検知精度に影響してくる。通常、ＭＲ素子取り付け後、信号処理回路で増幅度の調整を行うが、温度の変化によって増幅度が変化するために高い電流検出精度が得られない。
【００１３】
本発明は、ＭＲ素子個々の出力バラツキの影響を排除し、精度の良い電流検出が可能である電流検出装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の発明は、基板上に同じ抵抗値を持つ強磁性磁気抵抗体よりなり磁界に感磁する感磁部と温度補償を行う補償部を互いに直交させて構成した第１のハーフブリッジと、同様に互いに直交する同じ抵抗値を持つ感磁部と補償部とで構成され、第１のハーフブリッジと４５度の角度を持たせて配置した第２のハーフブリッジとを含み電流の流れる電線に近接して配置したＭＲ素子と、このＭＲ素子に近接して配置したバイアス磁石を備え、第１のハーフブリッジの感磁部を構成する抵抗体の長手方向を電線の電流方向に合わせ、バイアス磁石の磁極方向を電流方向に合わせ、バイアス磁界量Ｈｂと電流で発生する磁界Ｈとの合成磁界Ｈｃを第１、第２のハーフブリッジで検出し、電流供給時の夫々の第１、第２のハーフブリッジの中点出力をｖ１，ｖ２とすると、電線を流れる電流の大きさは
【００１５】
【数３】
2004020371.tif 000004
【００１６】
で表されるように構成したものである。
【００１７】
この構成によれば、ＭＲ素子の持つ磁気抵抗変化特性のバラツキ要因を減少させ、精度の良い電流検出が可能であるという作用を有する。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、強磁性磁気抵抗体に電流を供給する電流源と、第１、第２のハーフブリッジの中点出力ｖ１，ｖ２を処理するためのＤ／Ａコンバータ、演算処理部、Ａ／Ｄコンバータ、任意数発生器よりなる信号処理回路を設けるように構成されたものである。
【００１９】
この構成によれば、検出信号のディジタル信号処理なので回路の経時ドリフト、温度ドリフトの影響を軽減して精度の良い電流検出が可能である。また電線とＭＲ素子面との取り付け距離のバラツキは任意数発生器によって調整できるという作用を有する。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、強磁性磁気抵抗体に接続したトリミング抵抗の抵抗値をトリミングによって調整し、通電、無磁界バイアス時における第１と第２のハーフブリッジの中点電圧を等しくするように構成されたものである。
【００２１】
この構成によれば、各エレメント群の抵抗値がバラツキのある場合でもハーフブリッジに挿入されたトリミング抵抗の抵抗値を調整することによりハーフブリッジの出力比率を精度良くするという作用を有する。
【００２２】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において、信号処理回路に線形の温度特性を持つ素子を使い、バイアス磁石の持つ温度特性を補償するように構成されたものである。
【００２３】
この構成によれば、バイアス磁石の磁界強度の温度変動特性を補償するためにダイオード等を用いた温度補償回路を使用するものであり、使用温度範囲（−４０℃〜１２５℃）にわたって見かけ上一定のバイアス磁界強度が得られるという作用を有する。
【００２４】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、信号処理回路とＭＲ素子とを同一のシリコン基板上に構成されたもので、集積化したものである。
【００２５】
この構成によれば、更に小型の電流検出装置を構成できるという作用を有する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の電流検出装置の実施の形態１について図を用いて説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施の形態１における電流検出装置の概観図、図２はＭＲ素子のパターン配置図、図３は検出信号の信号処理回路のブロック図を示している。図１において、１は検出される電流（Ｉ）が流れる電線、２は検出信号を処理する信号処理回路、３は電流磁界を検出するＭＲ素子、４は信号処理回路２とＭＲ素子３をマウントするプリント基板、５はバイアス磁石である。又、図４は本発明のＭＲ膜感磁部でのＭＲ膜電流、ＭＲ膜磁化と合成磁界との関係を表す図である。
【００２８】
図２において、磁界検知部であるＭＲ素子３は、ガラス、セラミック、シリコン等からなる素子基板６上に強磁性材料を蒸着し、パターニングを行い２つの同じ抵抗値を持つ抵抗体１ａ，１ｂを互いに直交するように配置して第１のハーフブリッジを構成し、磁界印加時の中点出力ｖ１が素子基板６の出力端子ＯＵＴ１に出力される。抵抗体１ａで感磁部、抵抗体１ｂで補償部となすハーフブリッジを構成することにより、中点出力の温度変化による中点電位の変位を防いでいる。また、第１のハーフブリッジと４５度の角度をおいて、同様に互いに直交する同じ抵抗値を持つ抵抗体２ａで感磁部、抵抗体２ｂで補償部となす第２のハーフブリッジを素子基板６上に構成し、磁界印加時の中点出力ｖ２が素子基板６の出力端子ＯＵＴ２に出力される。各エレメント群（抵抗体１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の抵抗値が不揃いの場合でも、第２のハーフブリッジのリターン側に接続されたトリミング用抵抗７を、無磁界時の２つのハーフブリッジの中点電圧が同じになるようにレーザでトリミングする。これは予めトリミング用抵抗８により第１のハーフブリッジの中心電位を高く設定しておき、トリミングすることで、第２のハーフブリッジの中心電位を高くし第１のハーフブリッジの中心電位と合わせ込むものである。
【００２９】
プリント基板４にマウントされた温度補償された信号処理回路２はＭＲ素子３の中点出力ｖ１，ｖ２の信号処理を行う。この信号処理回路２は、図３に示すように、Ａ／Ｄコンバータ１１、演算処理回路１２、Ｄ／Ａコンバータ１３、任意数発生器１４から構成されている。本電流検出装置を電流を検出する電線近傍に取り付けた後、電線に所定電流を流した時に本電流検出装置の出力が所定電圧を得られるように任意の数を発生させ、その値を固定する。
【００３０】
本発明の電流磁界検出原理を以下に述べる。
【００３１】
電線電流による磁界強度Ｈは（１）式で表され、図４に示すように磁界強度Ｈとバイアス磁界Ｈｂとの合成磁界Ｈｃが形成される。従って、検知電流磁界の大きさＨは、バイアス磁界を電流の流れる方向に加えた時、図４より次の（２）式から求められる。
【００３２】
【数４】
2004020371.tif 000005
【００３３】
電流磁界Ｈが検出されると、求める電流Ｉはアンペアの法則で求めた（１）式から（４）式で求められる。
【００３４】
【数５】
2004020371.tif 000006
【００３５】
従って、
【００３６】
【数６】
2004020371.tif 000007
【００３７】
ＭＲ素子３を、第１ハーフブリッジの感磁部の抵抗体長手方向を電線に流れる電流方向に、また、バイアス磁石の磁界方向を、電線に流れる電流方向とは逆方向に（図４）配置する。この時、電流磁界Ｈとバイアス磁界Ｈｂとの合成磁界ＨｃによってＭＲ膜の磁化Ｍが影響を受け、ＭＲ磁気抵抗が変化する。ＭＲ膜に流れる電流と磁化のなす角度をθとすると、第１のハーフブリッジの中点出力ｖ１と第２のハーフブリッジの中点出力ｖ２の変動出力は、夫々次式で表される。
【００３８】
【数７】
2004020371.tif 000008
【００３９】
第１ハーフブリッジと第２ハーフブリッジは同一の素子基板６上に近接して配置してあるので、磁気抵抗の変化率、その温度特性は非常に近似しており、ａ≒ｂである。従って、使用温度範囲においてＡ≒Ｂとなるので、出力比率Ｄは、Ｄ≒ｖ１／ｖ２＝ｃｏｓ２θ／ｓｉｎ２θで、図５に示すようにＭＲ素子３の抵抗体に流れる電流と磁化Ｍとのなす角度θの関数だけで表される。
【００４０】
また、ＭＲ膜の反磁界の影響を軽減させるために、例えばＭＲ素子を使い、膜幅を３０〜５０μｍ程度、膜厚を１μｍ程度にし、バイアス磁界Ｈｂを３０ｋＡ／ｍ程度に設定すると、θはθ’にほぼ等しくなりθ≒θ’となる。また、バイアス磁界量Ｈｂは、ＭＲ膜の感磁部で検知される最大電流磁界の大きさ以上の磁界量に設定し、θ（θ’）を０〜４５度の範囲で検知するように設定されている。
【００４１】
従って、ＭＲ素子の第１ハーフブリッジの感磁部の抵抗体長手方向を電線電流の流れる方向に合わせておくと、出力比率Ｄは、合成磁界ＨｃとＭＲ膜に流れる電流がなす角度θ’の関数となる。
【００４２】
（４）式からｔａｎθ’（＝ｔａｎθ）をＤで表すと、電流Ｉが求まる。
【００４３】
【数８】
2004020371.tif 000009
【００４４】
ｔａｎθ＝ｔとおき、ｔをＤで表すと、
【００４５】
【数９】
2004020371.tif 000010
【００４６】
結局、電流の大きさＩは、次式（７）で表される。
【００４７】
【数１０】
2004020371.tif 000011
【００４８】
バイアス磁石５としては、温度変化が小さい特性を有するサマリウム・コバルト磁石を用いる。サマリウム・コバルト磁石の磁界強度の温度変化は、約−０．０３％／度で、使用温度範囲（−４０〜１２５℃）に対しては、温度上昇とともにほぼ直線的に磁力は減少する変化を示す。一方、図３に示すように、信号処理回路２の出力部にダイオードを用いた温度補償回路１５で、サマリウム・コバルト磁石の磁界強度の温度変化は温度補償することが可能である。
【００４９】
ハーフブリッジの出力信号を処理する温度補償された信号処理回路２は、ＭＲ素子３に近接して、プリント基板４上に配置されている。信号処理回路２は、図３に示すようにＡ／Ｄコンバータ１１、演算処理回路１２、Ｄ／Ａコンバータ１３、任意数発生器１４から構成されている。（７）式に示すＫは任意の数で、バイアス磁界強度Ｈｂを含めて、例えば小数点第２位迄の３桁の数で設定することができる。従って、回路が有する経時ドリフト、温度ドリフトの要因を排除する。
【００５０】
ＭＲ素子３と信号処理回路２を１つのシリコン基板上に構成することにより検出装置全体の大きさが更に小型になるとともに、耐久性に優れた電線電流の検出装置が実現可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ＭＲ素子で電流磁界を検出し、ディジタル演算回路を用いて信号処理を行い、また、ダイオードを用いた温度補償回路でバイアス磁石の磁界量の温度変動を補償することによって、広範囲な使用温度（−４０〜１２５℃）範囲に亘って、電線に流れる電流を精度良く電流値の検知が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電流検出装置の概観図
【図２】同装置に使用するＭＲ素子のＭＲパターン図
【図３】同装置に使用する信号処理回路のブロック図
【図４】同ＭＲパターンの電流磁界、バイアス磁界による合成磁界図
【図５】同ＭＲ素子の磁化Ｍと合成磁界Ｈｃの関係図
【図６】従来の電流検出装置の概念図
【図７】同装置の磁界−電圧関係図
【符号の説明】
１　電流電線
２　信号処理回路
３　ＭＲ素子
４　プリント基板
５　バイアス磁石
６　素子基板
７，８　トリミング用抵抗
【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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