(57)【要約】【課題】電流の検出精度の低下が抑制された電流センサ機構を提供する。【解決手段】センサ基板（１０）、交流電流の流れる導体（３０）、磁性体（４０）を有する電流センサ機構。導体（３０）における、センサ基板（１０）と対向する一面（３１）の裏面（３２）、及び、裏面（３２）と一面（３１）との間の側面（３３）それぞれが、磁性体（４０）の内面と対向し、高さ方向での裏面（３２）と磁性体（４０）の内面との間の距離が、横方向での側面（３３）と磁性体（４０）の内面との間の距離よりも短く、一面（３１）は、センサ基板（１０）との対向面（３１ａ）と、対向面（３１ａ）と側面（３３）との間に位置する連結面（３１ｂ）から成り、連結面（３１ｂ）と導体（３０）の幾何学的中心（ＧＣ）との距離は、対向面（３１ａ）と幾何学的中心（ＧＣ）との距離よりも長い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ基板（１０）と、
該センサ基板（１０）に形成された、印加磁界を電気信号に変換する磁電変換素子（２０）と、
被測定対象である交流電流の流れる導体（３０）と、
前記センサ基板（１０）への外部磁界の印加を抑制する磁性体（４０）と、を有し、
前記交流電流から生じる磁界による前記磁電変換素子（２０）の電気信号の変動に基づいて、前記交流電流を測定する電流センサ機構であって、
前記交流電流の流れ方向と直交する高さ方向にて、前記センサ基板（１０）、前記導体（３０）、及び、前記磁性体（４０）の一部が並び、
前記導体（３０）における、前記センサ基板（１０）と一部が対向する一面（３１）の裏面（３２）、及び、前記裏面（３２）と前記一面（３１）との間の側面（３３）それぞれが、前記磁性体（４０）の内面と対向し、
前記高さ方向における、前記導体（３０）の裏面（３２）と前記磁性体（４０）の内面との間の距離が、前記横方向における、前記導体（３０）の側面（３３）と前記磁性体（４０）の内面との間の距離よりも短くなっており、
前記高さ方向、及び、前記流れ方向と前記高さ方向とに直交する横方向によって規定される規定平面において、前記導体（３０）は、自身の幾何学的中心（ＧＣ）から、表面までの距離が不均一な平面形状を成し、
前記導体（３０）の一面（３１）は、前記センサ基板（１０）との対向面（３１ａ）と、該対向面（３１ａ）と前記側面（３３）との間に位置する連結面（３１ｂ）と、から成り、
前記連結面（３１ｂ）と前記幾何学的中心（ＧＣ）との距離は、前記対向面（３１ａ）と前記幾何学的中心（ＧＣ）との距離よりも長いことを特徴とする電流センサ機構。
【請求項２】
前記横方向における、前記対向面（３１ａ）の長さは、前記裏面（３２）の長さよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ機構。
【請求項３】
前記規定平面における、前記導体（３０）の断面形状が、台形を成していることを特徴とする請求項２に記載の電流センサ機構。
【請求項４】
前記規定平面における、前記導体（３０）の断面形状が、前記センサ基板（１０）側に凸となる凸形状を成していることを特徴とする請求項２に記載の電流センサ機構。
【請求項５】
前記磁性体（４０）における、前記導体（３０）の裏面（３２）との対向部位には、前記導体（３０）側に局所的に突起した突起部（４４）が形成されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の電流センサ機構。
【請求項６】
前記磁性体（４０）における、前記導体（３０）の裏面（３２）との対向部位と、前記導体（３０）の側面（３３）との対向部位との間には、両者を連結する、前記高さ方向に対して傾斜した傾斜面を有する傾斜部（４５）が形成されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の電流センサ機構。
【請求項７】
前記磁電変換素子（２０）は、磁化方向が固定されたピン層と、印加磁界に応じて磁化方向が変化する自由層と、該自由層と前記ピン層との間に設けられた非磁性の中間層と、を有する磁気抵抗効果素子であり、
前記磁性体（４０）内に、前記自由層にバイアス磁界を印加するバイアス磁石が設けられていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の電流センサ機構。
【請求項８】
複数の前記磁電変換素子（２０）を有し、
２つの前記磁電変換素子（２０）によって、ハーフブリッジ回路が構成されていることを特徴とする請求項７に記載の電流センサ機構。
【請求項９】
２つの前記ハーフブリッジ回路によって、フルブリッジ回路が構成されていることを特徴とする請求項８に記載の電流センサ機構。
【請求項１０】
前記磁性体（４０）は、磁気シールド機能を有することを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の電流センサ機構。
【請求項１１】
前記高さ方向における、前記導体（３０）の裏面（３２）と前記磁性体（４０）の内面との間の距離が、前記高さ方向における、前記導体（３０）の厚さよりも短いことを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項に記載の電流センサ機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定電流から生じる磁界による磁電変換素子の電気信号の変動に基づいて、被測定電流を測定する電流センサ機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、バスバーと、バスバーに流れる電流によって発生する磁界が感磁面に印加されるようにバスバーに対して固定配置された磁気検出素子と、磁気検出素子を磁気遮蔽する磁気シールド体と、を備える電流センサ機構が提案されている。バスバーは、自身の長手方向に対して垂直な断面形状が矩形を成し、その周囲が磁気シールド体によって囲まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したように、特許文献１に示される電流センサ機構では、バスバーの周囲が磁気シールド体によって囲まれている。これによれば、バスバーに交流電流が流れると、バスバーと磁気シールド体との相互インダクタンスのために、磁気シールド体に渦電流が生じ、その渦電流から、バスバーの電流を相殺する磁界が発生する。この磁界は、バスバーと磁気シールド体との距離が近いほど高くなる。したがって、磁気シールド体とバスバーとの位置によっては、バスバーの電流密度分布が不均一となり、磁気検出素子に印加される磁界を主として生じる、バスバーにおける磁気検出素子側の電流密度分布（素子側の電流密度分布）が不均一となる虞がある。また、バスバーに交流電流が流れると、表皮効果のために、電流密度が導体の中心から表面に向かうほど高まる。上記したように、バスバーは断面形状が矩形を成しているので、その角部の電流密度が局所的に高くなる。そのため、素子側の電流密度分布が不均一となる虞がある。
【０００５】
以上、示したように、バスバーに交流電流が流れる場合、磁気シールド体に生じる渦電流、及び、表皮効果のために、素子側の電流密度分布が不均一になる虞がある。この結果、電流の検出精度が低下する虞がある。
【０００６】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、電流の検出精度の低下が抑制された電流センサ機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、センサ基板（１０）と、該センサ基板（１０）に形成された、印加磁界を電気信号に変換する磁電変換素子（２０）と、被測定対象である交流電流の流れる導体（３０）と、センサ基板（１０）への外部磁界の印加を抑制する磁性体（４０）と、を有し、交流電流から生じる磁界による磁電変換素子（２０）の電気信号の変動に基づいて、交流電流を測定する電流センサ機構であって、交流電流の流れ方向と直交する高さ方向にて、センサ基板（１０）、導体（３０）、及び、磁性体（４０）の一部が並び、導体（３０）における、センサ基板（１０）と一部が対向する一面（３１）の裏面（３２）、及び、裏面（３２）と一面（３１）との間の側面（３３）それぞれが、磁性体（４０）の内面と対向し、高さ方向における、導体（３０）の裏面（３２）と磁性体（４０）の内面との間の距離が、横方向における、導体（３０）の側面（３３）と磁性体（４０）の内面との間の距離よりも短くなっており、高さ方向、及び、流れ方向と高さ方向とに直交する横方向によって規定される規定平面において、導体（３０）は、自身の幾何学的中心（ＧＣ）から、表面までの距離が不均一な平面形状を成し、導体（３０）の一面（３１）は、センサ基板（１０）との対向面（３１ａ）と、該対向面（３１ａ）と側面（３３）との間に位置する連結面（３１ｂ）と、から成り、連結面（３１ｂ）と幾何学的中心（ＧＣ）との距離は、対向面（３１ａ）と幾何学的中心（ＧＣ）との距離よりも長いことを特徴とする。
【０００８】
このように、本発明によれば、導体（３０）の裏面（３２）と側面（３３）とが、磁性体（４０）の内面と対向し、高さ方向における、裏面（３２）と磁性体（４０）の内面との間の距離が、横方向における、側面（３３）と磁性体（４０）の内面との間の距離よりも短くなっている。これによれば、磁性体（４０）に生じる渦電流のために、対向面（３１ａ）の電流密度が裏面（３２）や側面（３３）と比べて高くなる。
【０００９】
また、本発明では、導体（３０）の一面（３１）は、センサ基板（１０）との対向面（３１ａ）と、該対向面（３１ａ）と側面（３３）との間に位置する連結面（３１ｂ）と、から成り、連結面（３１ｂ）と幾何学的中心（ＧＣ）との距離が、対向面（３１ａ）と幾何学的中心（ＧＣ）との距離よりも長くなっている。これによれば、表皮効果のために、連結面（３１ｂ）の電流密度が、対向面（３１ａ）の電流密度よりも高くなる。
【００１０】
以上、示したように、渦電流のために対向面（３１ａ）の電流密度が高くなり、表皮効果のために連結面（３１ｂ）の電流密度が高くなる。この結果、磁電変換素子（２０）に印加される磁界を主として生じる、導体（３０）の一面（３１）の電流密度が高まり、電流密度分布が均一化される。これにより、電流の検出精度の低下が抑制される。
【００１１】
請求項２に記載のように、横方向における、対向面（３１ａ）の長さは、裏面（３２）の長さよりも短い構成が好ましい。これによれば、交流電流の周波数に応じて、対向面（３１ａ）（一面（３１））、及び、裏面（３２）それぞれの長さを調整することで、一面（３１）の電流密度分布を調整することができる。また、一面（３１）の電流密度が高まるので、電流の検出精度の低下が抑制される。
【００１２】
請求項２に記載の具体的な構成としては、請求項３に記載のように、規定平面における、導体（３０）の断面形状が、台形を成した構成や、請求項４に記載のように、規定平面における、導体（３０）の断面形状が、センサ基板（１０）側に凸となる凸形状を成した構成を採用することができる。
【００１３】
請求項５に記載のように、磁性体（４０）における、導体（３０）の裏面（３２）との対向部位には、導体（３０）側に局所的に突起した突起部（４４）が形成された構成が良い。これによれば、交流電流の周波数に応じて、突起部（４４）の高さ方向の長さを調整することで、一面（３１）の電流密度分布を調整することができる。
【００１４】
請求項６に記載のように、磁性体（４０）における、導体（３０）の裏面（３２）との対向部位と、導体（３０）の側面（３３）との対向部位との間には、両者を連結する、高さ方向に対して傾斜した傾斜面を有する傾斜部（４５）が形成された構成が良い。これによれば、交流電流の周波数に応じて、傾斜部（４５）の傾斜を調整することで、一面（３１）の電流密度分布を調整することができる。
【００１５】
請求項７に記載のように、磁電変換素子（２０）は、磁化方向が固定されたピン層と、印加磁界に応じて磁化方向が変化する自由層と、該自由層とピン層との間に設けられた非磁性の中間層と、を有する磁気抵抗効果素子であり、磁性体（４０）内に、自由層にバイアス磁界を印加するバイアス磁石が設けられた構成が良い。これによれば、自由層の磁化方向の初期値（ゼロ点）がバイアス磁界によって定まる。
【００１６】
請求項８に記載のように、複数の磁電変換素子（２０）を有し、２つの磁電変換素子（２０）によって、ハーフブリッジ回路が構成された構成が良い。これによれば、ハーフブリッジ回路の中点電位を測定することで、被測定電流を測定することができる。
【００１７】
請求項９に記載のように、２つのハーフブリッジ回路によって、フルブリッジ回路が構成された構成が良い。これによれば、２つの中点電位の変化量に基づいて、被測定電流を測定することができるので、ハーフブリッジ回路と比べて、電流の検出精度が向上される。
【００１８】
請求項１０に記載のように、磁性体（４０）は、磁気シールド機能を有する構成が良い。これによれば、磁電変換素子（２０）への外部磁界の印加が抑制され、電流の検出精度の低下が抑制される。
【００１９】
請求項１１に記載のように、高さ方向における、導体（３０）の裏面（３２）と磁性体（４０）の内面との間の距離が、高さ方向における、導体（３０）の厚さよりも短い構成を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る電流センサ機構の概略構成を示す断面図である。
【図２】第２実施形態に係る電流センサ機構の概略構成を示す断面図である。
【図３】電流センサ機構の変形例を示す断面図である。
【図４】電流センサ機構の変形例を示す断面図である。
【図５】電流センサ機構の変形例を示す断面図である。
【図６】電流センサ機構の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。なお、図１〜図６では、後述する形成面１０ａ側の電流密度分布をハッチングで示し、導体３０を白抜きで示している。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電流センサ機構の概略構成を示す断面図である。以下においては、後述する形成面１０ａに沿い、互いに直交する方向をｘ方向、ｙ方向と示し、形成面１０ａに直交する方向をｚ方向と示す。なお、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向が、特許請求の範囲に記載の横方向、流れ方向、高さ方向に相当する。
【００２２】
図１に示すように、電流センサ機構１００は、要部として、センサ基板１０と、該センサ基板１０に形成された磁電変換素子２０と、被測定電流が流れる導体３０と、センサ基板１０及び導体３０それぞれの周囲を囲む磁性体４０と、を有する。電流センサ機構１００は、被測定電流から生じる磁界（以下、被測定磁界と示す）による磁電変換素子２０の電気信号の変動に基づいて、被測定電流を測定するものである。
【００２３】
センサ基板１０は、半導体基板であり、その一面１０ａに、磁電変換素子２０が形成されている（以下、一面１０ａを形成面１０ａと示す）。図示しないが、センサ基板１０は、形成面１０ａの裏面を搭載面として支持基板に搭載されている。
【００２４】
センサ基板１０に形成された磁電変換素子２０は、図示しないが、形成面１０ａに沿う印加磁界に応じて磁化方向が変化する自由層と、非磁性の中間層と、磁化方向が固定されたピン層と、ピン層の磁化方向を固定する磁石層と、が順次積層されて成る。本実施形態に係る中間層は、絶縁性を有しており、磁電変換素子２０は、トンネル磁気抵抗効果素子である。自由層と固定層との間に電圧が印加されると、トンネル効果によって、自由層と固定層との間の中間層に電流（トンネル電流）が流れる。トンネル電流の流れ易さは、自由層と固定層の磁化方向に依存しており、自由層と固定層それぞれの磁化方向が平行の場合に最も流れ易く、反平行の場合に最も流れ難い。したがって、自由層と固定層それぞれの磁化方向が平行の場合に磁電変換素子２０の抵抗値が最も小さく変化し、反平行の場合に抵抗値が最も大きく変化する。
【００２５】
本実施形態では、２つの磁電変換素子２０によって、ハーフブリッジ回路が構成され、２つのハーフブリッジ回路によって、フルブリッジ回路が構成されている。ハーフブリッジ回路を構成する２つの磁電変換素子２０の固定層の磁化方向が反平行となり、２つの磁電変換素子２０の抵抗値の変化が、反対方向となっている。すなわち、２つの磁電変換素子２０の内の一方の抵抗値が小さくなる場合、他方の抵抗値が大きくなるようになっている。フルブリッジ回路を構成する、２つのハーフブリッジ回路の中点電位の差分が図示しない回路基板に出力される。なお、自由層の磁化方向の初期値（ゼロ点）は、図示しないバイアス磁石によって定められている。
【００２６】
導体３０は、被測定電流（交流電流）がｙ方向に流れるものである。導体３０は、ｚ方向とｘ方向とによって規定されるｚ−ｘ平面において、自身の幾何学的中心ＧＣから、表面までの距離が不均一な平面形状を成し、ｙ方向に延びた形状を成している。本実施形態に係る導体３０は、ｚ−ｘ平面での断面形状が矩形を成しており、一面３１にて、センサ基板１０の裏面と対向し、その反対側の裏面３２にて、磁性体４０の内底面と対向し、一面３１と裏面３２との間の側面３３にて、磁性体４０の内側面と対向している。
【００２７】
磁性体４０は、透磁率の高い材料から成り、筒状を成し、磁気シールド機能を有する。磁性体４０は、ｚ−ｘ平面の断面形状が凹形状を成す、上磁性体４１、及び、下磁性体４２を有し、内部空間を構成するように、磁性体４１，４２それぞれの端部が対向している。内部空間に、電流センサ機構１００の構成要素１０〜３０が配置され、内部と外部とが磁気的に遮蔽されている。図１に示すように、上磁性体４１の端部と下磁性体４２との間には、磁性体４０内の磁気飽和を抑制するための空隙４３が形成されており、磁性体４０内を流れる磁束は空隙４３にて放出される。本実施形態では、２つの空隙４３が磁性体４０に形成されている。
【００２８】
次に、本実施形態に係る電流センサ機構１００の特徴点を説明する。図１に示すように、導体３０の一面３１は、センサ基板１０の裏面とｚ方向にて対向する対向面３１ａと、該対向面３１ａと側面３３との間に位置する連結面３１ｂと、から成る。そして、連結面３１ｂと幾何学的中心ＧＣとの距離が、対向面３１ａと幾何学的中心ＧＣとの距離よりも長くなっている。また、ｚ方向における、導体３０の裏面３２と下磁性体４２の内底面との間の距離が、ｘ方向における、導体３０の側面３３と下磁性体４２の内側面との間の距離よりも短くなっている。なお、本実施形態では、ｘ方向における、対向面３１ａ（一面３１）の中心と下磁性体４２の内側面との間の距離が、対向面３１ａと下磁性体４２の内底面との間の距離よりも短くなっている。更に、ｚ方向における、導体３０の裏面３２と下磁性体４２の内底面との間の距離が、ｚ方向における、導体３０の厚さよりも短くなっている。
【００２９】
次に、本実施形態に係る電流センサ機構１００の作用効果を説明する。上記したように、導体３０の裏面３２と側面３３とが、磁性体４０の内面と対向し、ｚ方向における、導体３０の裏面３２と下磁性体４２の内底面との間の距離が、ｘ方向における、導体３０の側面３３と下磁性体４２の内側面との間の距離よりも短くなっている。これによれば、磁性体４０に生じる渦電流のために、対向面３１ａの電流密度が、裏面３２や側面３３と比べて高くなる。
【００３０】
また、本実施形態では、連結面３１ｂと幾何学的中心ＧＣとの距離が、対向面３１ａと幾何学的中心ＧＣとの距離よりも長くなっている。これによれば、表皮効果のために、連結面３１ｂの電流密度が、対向面３１ａの電流密度よりも高くなる。
【００３１】
以上、示したように、渦電流のために対向面３１ａの電流密度が高くなり、表皮効果のために連結面３１ｂの電流密度が高くなる。この結果、図１にてドットハッチングで示すように、磁電変換素子２０に印加される磁界を主として生じる、一面３１の電流密度が高まり、電流密度分布が均一化される。これにより、電流の検出精度の低下が抑制される。
【００３２】
２つの磁電変換素子２０によって、ハーフブリッジ回路が構成され、２つのハーフブリッジ回路によって、フルブリッジ回路が構成されている。そして、フルブリッジ回路を構成する、２つのハーフブリッジ回路の中点電位の差分が、図示しない回路基板に出力される。これによれば、１つのハーフブリッジ回路の中点電位に基づいて電流を検出する構成と比べて、電流の検出精度が向上される。
【００３３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図２に基づいて説明する。第２実施形態に係る電流センサ機構１００は、第１実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明を省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第１実施形態で示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与している。
【００３４】
第１実施形態では、ｚ−ｘ平面における導体３０の断面形状が矩形である例を示した。これに対し、本実施形態では、ｚ−ｘ平面における導体３０の断面形状が、ｘ方向における、対向面３１ａの長さが、裏面３２の長さよりも短い形状となっている点を特徴とする。より具体的に言えば、ｚ−ｘ平面における導体３０の断面形状が、台形形状を成している点を特徴とする。
【００３５】
これによれば、交流電流の周波数に応じて、対向面３１ａ（一面３１）、及び、裏面３２それぞれの長さを調整することで、一面３１の電流密度分布を調整することができる。また、一面３１の電流密度が高まるので、電流の検出精度の低下が抑制される。
【００３６】
なお、本実施形態に係る電流センサ機構１００と同一の作用効果を奏する構成としては、上記例に限定されない。例えば、図３に示すように、ｚ−ｘ平面における、導体３０の断面形状が、センサ基板１０側に凸となる凸形状を成した構成を採用することができる。
【００３７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００３８】
各実施形態では、下磁性体４２の内底面が、ｘ方向に一様に沿う例を示した。しかしながら、例えば図４に示すように、下磁性体４２における、導体３０の裏面３２との対向部位に、導体３０側に局所的に突起した突起部４４が形成され、下磁性体４２の内底面が、ｚ方向にて段差的に別れた構成を採用することもできる。又は、図５に示すように、下磁性体４２における、導体３０の裏面３２との対向部位と、導体３０の側面３３との対向部位との間に、両者を連結する、ｚ方向に対して傾斜した傾斜面を有する傾斜部４５が形成され、下磁性体４２の内底面が、短くなった構成を採用することができる。更に言えば、図６に示すように、傾斜部４５が曲線形状を有する構成も採用することができる。これらによれば、交流電流の周波数に応じて、突起部４４のｚ方向の長さや、傾斜部４５の傾斜及び曲率を調整することで、一面３１の電流密度分布を調整することができる。
【００３９】
本実施形態では、中間層が絶縁性を有し、磁電変換素子２０はトンネル磁気抵抗効果素子である例を示した。しかしながら、中間層が導電性を有し、磁電変換素子２０は巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）でも良い。また、磁電変換素子２０としては、ＡＭＲやホール素子を採用することもできる。
【００４０】
本実施形態では、磁電変換素子２０によって、フルブリッジ回路が構成された例を示した。しかしながら、磁電変換素子２０によって、ハーフブリッジ回路が構成された構成を採用することもできる。
【００４１】
本実施形態では、２つの空隙４３が磁性体４０に形成された例を示した。しかしながら、１つ、若しくは、３つ以上の空隙４３が磁性体４０に形成された構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００４２】
１０・・・センサ基板
２０・・・磁電変換素子
３０・・・導体
４０・・・磁性体
４１・・・上磁性体
４２・・・下磁性体
１００・・・電流センサ機構
【図１】
2013145165.tif 000003
【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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