JP2011038874A

JP2011038874A - 電流センサ

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Publication number: JP2011038874A
Application number: JP2009185590A
Authority: JP
Inventors: Koichi Imai; 考一今井
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2029-08-10
Also published as: JP5453994B2

Abstract

【課題】磁電変換回路の出力を飽和させることなく、簡易なセンサ構造で大電流を高精度に検出できる電流センサを提供する。
【解決手段】電流センサ１０は、被検出電流の一部が第一の分流電流として分流する第一の電流経路１０１と、被検出電流の一部が第二の分流電流として分流する第二の電流経路１０２と、第一の電流経路１０１から分岐し、第一の分流電流の一部が第三の分流電流として分流する第三の電流経路１０３と、第三の分流電流が発生する磁気信号を電気信号に磁電変換する磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄを備える。磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄは、第一の電流経路１０１と第二の電流経路１０２とが形成する閉曲線の内部であって、且つ第一の分流電流が発生する第一の磁界と、第二の分流電流が発生する第二の磁界とが相互に弱め合う領域に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検出電流が発生する磁界を磁電変換することにより電流値を検出する電流センサに関する。

米国特許５，２４７，２７８号は、複数の磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されてなる磁気センサを開示している。磁気抵抗効果素子は、磁化方向が特定の方向に設定されていて、外部磁界の変位に対して磁化状態（例えば、磁化方向及び磁化の強さ）が影響を受けないように構成された磁化固定層と、外部磁界の変化によって磁化状態が変位する磁化自由層とを備えている。磁気抵抗効果素子に外部磁界が作用すると、磁化自由層の磁化状態が変動し、磁化状態が予め固定されている磁化固定層の磁化状態と、磁化状態が変動する磁化自由層との間に磁化状態の変位差が発生する。この磁化状態の変位差は、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗の変化として現れる。磁気抵抗効果素子に所定のセンス電流を流しておくと、この磁気抵抗変化は、磁気抵抗効果素子の電圧変化として検出することができる。このため、磁気抵抗効果素子は、磁気信号を電気信号に変換する磁電変換素子として機能する。この種の磁気抵抗効果素子の応用例として、例えば、被測定電流が発生する磁界強度を検出することにより、被測定電流の電流値を計測する電流センサが知られている。

米国特許５，２４７，２７８号

しかし、磁気抵抗効果素子は、検出感度に優れているため、１００ｍＡ以下の微小電流の検出には向いているが、磁気抵抗効果素子の出力を飽和させてしまう程の強磁界を発生する数Ａ〜数１００Ａ程度の電流の検出には不向きである。

そこで、本発明は、磁電変換回路の出力を飽和させることなく、簡易なセンサ構造で電流を高精度に検出できる電流センサを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる電流センサは、被検出電流の一部が第一の分流電流として分流する第一の電流経路と、被検出電流の一部が第二の分流電流として分流する第二の電流経路と、第一の電流経路から分岐し、第一の分流電流の一部が第三の分流電流として分流する第三の電流経路と、第三の分流電流が発生する磁気信号を電気信号に磁電変換する磁電変換回路と、を備え、磁電変換回路は、第一の電流経路と第二の電流経路とが形成する閉曲線の内部であって、且つ第一の分流電流が発生する第一の磁界と、第二の分流電流が発生する第二の磁界とが相互に弱め合う領域に配置されている。

第三の電流経路を流れる電流は、被検出電流の一部であるため、磁電変換回路の出力を飽和させることなく、簡易なセンサ構造で被検出電流を高精度に検出することができる。また、磁電変換回路は、第一及び第二の磁界が相互に弱め合う領域に配置されているため、第一及び第二の磁界からの影響を殆ど受けることなく、第三の電流経路を流れる電流が発生する磁気信号を高精度に検出できる。

本発明の好適な実施形態において、磁電変換回路は、ブリッジ接続された複数の磁気抵抗効果素子を備え、第一及び第二の電流経路は、所定の対称軸に関して線対称配置されており、複数の磁気抵抗効果素子の各々は、その長手方向が対称軸に平行になるように配列されている。第一及び第二の電流経路は、所定の対称軸に関して線対称配置されているので、複数の磁気抵抗効果素子の各々に作用する第一及び第二の磁界は、相殺される。このため、磁電変換回路は、第一及び第二の磁界からの影響を殆ど受けることなく、第三の電流経路を流れる電流が発生する磁気信号を高精度に検出できる。

本発明の好適な実施形態において、磁電変換回路は、ブリッジ接続された複数の磁気抵抗効果素子を備え、第一及び第二の電流経路は、所定の対称軸に関して線対称配置されており、複数の磁気抵抗効果素子の各々は、その長手方向が対称軸に平行になるように配列され、第一の電流経路及び第二の電流経路のそれぞれは、対称軸に平行な直線経路を有し、直線経路の長さは、複数の磁気抵抗素子が配置される領域の当該直線経路に平行な部分の長さと同等又はそれ以上であることが望ましい。斯かる構成によれば、磁気抵抗素子は、第一及び第二の電流経路の直線経路を流れる電流が発生する平行磁界が磁気抵抗素子の長手方向に垂直となり、かつ、この平行磁界の方向が概ね一方向であるので、磁気抵抗素子は、第一及び第二の電流経路のそれぞれを流れる電流が発生する磁界の影響を殆ど受けることなく、第三の電流経路を流れる電流が発生する磁気信号をより高精度に検出できる。

本発明の好適な実施形態において、第三の電流経路は、第一及び第二の部分経路を含み、磁電変換回路は第一の部分経路を流れる第三の分流電流が発生する第三の磁界と、第二の部分経路を流れる第三の分流電流が発生する第四の磁界とが相互に弱め合う領域に配置されている。磁電変換回路は、第三及び第四の磁界が相互に弱め合う領域に配置されているため、第三及び第四の磁界からの影響を殆ど受けることなく、第三の電流経路を流れる電流が発生する磁気信号を高精度に検出できる。

本発明の他の側面に係わる電流センサは、点対称な閉曲線を形成し、被検出電流が流れる主電流経路と、主電流経路から分岐し、被検出電流の一部が分流電流として分流する分流経路と、分流電流が発生する磁気信号を電気信号に磁電変換する磁電変換回路と、を備え、磁電変換回路は、閉曲線の内部であって、且つ主電流経路の点対称中心を含む領域に配置されている。

分流経路を流れる電流は、被検出電流の一部であるため、磁電変換回路の出力を飽和させることなく、簡易なセンサ構造で被検出電流を高精度に検出することができる。また、主電流経路の点対称中心を含む領域では、主電流経路の各部を流れる電流が発生する磁界が相互に弱め合うので、磁電変換回路は、主電流経路の各部を流れる電流が発生する磁界の影響を殆ど受けることなく、分流経路を流れる電流が発生する磁気信号を高精度に検出することができる。なお、閉曲線として、例えば、六角形、楕円形、四角形、円形、又は長方形が好ましい。

本発明に係わる電流センサは、直流バッテリから出力される直流電流を被検出電流としてその電流値を検出することができる。主電流経路の周波数特性と分流経路の周波数特性の相違を利用することにより、本発明に係わる電流センサは、高周波ノイズを効果的に除去するノイズフィルタとして機能する。

本発明によれば、磁電変換回路の出力を飽和させることなく、簡易なセンサ構造で大電流を高精度に検出できる。

実施例１に係わる電流センサの一部省略平面図である。図１の２−２線断面図である。実施例１に係わる磁電変換回路の回路図である。実施例１に係わる電流センサの一部省略断面図である。実施例１に係わる電流センサの説明図である。実施例１に係わる電流センサの使用例を示す説明図である。実施例２に係わる電流センサの一部省略平面図である。実施例２に係わる磁電変換回路の回路図である。実施例３に係わる電流センサの一部省略平面図である。実施例３に係わる電流センサの一部省略平面図である。実施例３に係わる電流センサの一部省略平面図である。実施例３に係わる電流センサの一部省略平面図である。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施例について説明する。同一の部材については、同一の符号を付すものとし、重複する説明を省略する。

図１は実施例１に係わる電流センサ１０の平面図（一部透視図）であり、図２は図１の２−２線断面図である。電流センサ１０は、被検出電流を流すための主電流経路１００と、被検出電流の電流値を検出するセンサチップ２００と、主電流経路１００及びセンサチップ２００を搭載する配線基板３００とを備える。

主電流経路１００は、被検出電流の一部が第一の分流電流として分流する第一の電流経路１０１と、被検出電流の一部が第二の分流電流として分流する第二の電流経路１０２とを備える。第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２は、対称軸５００に関して線対称な閉曲線となるように設計されており、主電流経路１００の上流側の分岐点Ａにて二股に分岐し、下流側の合流点Ｂにて合流する。図１では、線対称な閉曲線の一例として、長方形を例示している。センサチップ２００は、第一の電流経路１０１から分岐して、第一の電流経路１０１を流れる電流の一部が第三の分流電流として分流する分流経路（第三の電流経路）２０３と、分流経路２０３を流れる分流電流が発生する磁気信号を電気信号に磁電変換するための磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄとを備える。磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄとして、例えば、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）型、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）型、弾道磁気抵抗（ＢＭＲ）型、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）型などの各種の磁気抵抗効果素子を用いることができる。

センサチップ２００は、分流経路２０３と磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄとを１チップに一体化したモジュールであり、磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄを保護するための保護層２０５と、磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄをブリッジ接続するための配線が形成される配線層２０６と、磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄが形成される素子層２０７と、磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄと分流経路２０３とを絶縁するための絶縁層２０８と、分流経路２０３が形成される分流経路層２０９と、分流経路２０３と配線基板３００とを絶縁するための絶縁層２１０とが積層されたデバイス構造を有する。このように、分流経路２０３と磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄとを１チップに一体化することによって、分流経路２０３と磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄとの相対的に位置ずれに起因する電流検出誤差を低減できる。なお、図２では、分流経路２０３は、絶縁層２０８を介して磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄの下方（−Ｚ方向）に形成される場合を例示しているが、分流経路２０３は、絶縁層（図示せず）を介して磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄの上方（＋Ｚ方向）に形成されてもよい。

センサチップ２００は、第一の電流経路１０１から引き出されたワイヤ４０１，４０２と、分流経路２０３とを接続するための接続端子２０４を備える。第一の電流経路１０１を流れる電流の一部は、第一の電流経路１０１から上流側のワイヤ４０１を介して分流経路２０３を流れ、その後、分流経路２０３から下流側のワイヤ４０２を介して第一の電流経路１０１に合流する。センサチップ２００は、配線３０２に接続する接続端子３０１から引き出されたワイヤ４０３と、磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄとを接続するための接続端子２０２を更に備える。配線３０２は、磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄに電源電位及び接地電位を供給するための電源配線と、磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄから電気信号を出力するための信号配線とを含む。配線基板３００は、配線３０２と、配線３０２絶縁するための絶縁層３０３とを備える。

図３は、実施例１に係わる磁電変換回路６００の回路図を示す。磁電変換回路６００は、図１に示す二つの磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｃが直列接続された第一のハーフブリッジ回路と、図１に示す二つの磁気抵抗効果素子２０１Ｂ，２０１Ｄが直列接続された第二のハーフブリッジ回路とを備え、第一及び第二のハーフブリッジ回路が並列接続されたブリッジ回路である。磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｄのそれぞれの一端は、電源電位Ｖｄｄに接続され、磁気抵抗効果素子２０１Ｂ，２０１Ｃのそれぞれの一端は、接地電位Ｖｇｎｄに接続される。磁気抵抗効果素子２０１Ａと磁気抵抗効果素子２０１Ｃとの接続点は、電圧Ｖ１を出力し、磁気抵抗効果素子２０１Ｂと磁気抵抗効果素子２０１Ｄとの接続点は、電圧Ｖ２を出力する。ここで、電圧Ｖ１は、磁気抵抗効果素子２０１Ｃの磁気抵抗とセンス電流との積により得られる電圧値、又は、磁気抵抗効果素子２０１Ａの磁気抵抗とセンス電流との積により得られる電圧値を電源電位Ｖｄｄから差し引いた電圧値である。一方、電圧Ｖ２は、磁気抵抗効果素子２０１Ｂの磁気抵抗とセンス電流との積により得られる電圧値、又は、磁気抵抗効果素子２０１Ｄの磁気抵抗とセンス電流との積により得られる電圧値を電源電位Ｖｄｄから差し引いた電圧値である。なお、電圧Ｖ１及びＶ２は、分流経路２０３を流れる分流電流が発生する磁気信号を磁電変換して得られる電気信号である。尚、電源電位Ｖｄｄを供給する電源は、定電圧源又は定電流源の何れでもよい。

本実施例では、磁気抵抗効果素子２０１Ａの長手方向を±Ｙ方向とし、その磁化固定層が磁気抵抗効果素子２０１Ａの長手方向に垂直な＋Ｘ方向に向くように予め調整するものとする。他の磁気抵抗効果素子２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄについても同様である。また、分流経路２０３は、分流経路２０３を流れる分流電流が発生する磁界の向き８０２が磁気抵抗効果素子２０１Ａ、２０１Ｂのそれぞれの磁化固定層の磁化方向８０１と平行であり、かつ同一方向（＋Ｘ方向）を向くように調整され、分流経路２０３を流れる分流電流が発生する磁界の向き８０２が磁気抵抗効果素子２０１Ｃ、２０１Ｄのそれぞれの磁化固定層の磁化方向８０１と平行であり、かつ逆方向（−Ｘ方向）を向くように調整されている。従って、分流経路２０３に分流電流が流れると、磁気抵抗効果素子２０１Ａの磁気抵抗変化によってその抵抗値が小さくなる一方、磁気抵抗効果素子２０１Ｃの磁気抵抗変化によってその抵抗値が大きくなるので、電圧Ｖ１は昇圧する。同様に、磁気抵抗効果素子２０１Ｂの磁気抵抗変化によってその抵抗値が小さくなる一方、磁気抵抗効果素子２０１Ｄの磁気抵抗変化によってその抵抗値が大きくなるので、電圧Ｖ２は降圧する。磁電変換回路６００の差動出力（Ｖ１−Ｖ２）は、分流経路２０３を流れる分流電流の大きさに比例する電気信号として信号処理される。磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄのそれぞれの磁化固定層の磁化方向を予め同一方向に調整しておくことで、外部磁界が入力されたとしも、差動出力（Ｖ１−Ｖ２）を演算することで、外乱を相殺できる利点を有する。ここで、磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄのそれぞれの磁化固定層の磁化方向８０１は、分流経路２０３を流れる分流電流が発生する磁界の向き８０２に対して平行又は反平行であることが、電流測定感度を向上させる上で望ましい。また、磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄの磁化固定層の磁化方向８０１を磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄの長手方向に垂直に設定し、分流経路２０３を流れる分流電流が発生する磁界の向き８０２を磁化固定層の磁化方向８０１に対して平行又は反平行に印加することにより、電流測定時のヒステリスを低減させることが可能となる。

さて、主電流経路１００に流れる被検出電流を分岐点Ａにて二等分に分流させ、第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２のそれぞれに等しい分流電流が流れるように調整すると、図４に示すように、第一の電流経路１０１の断面中心点及び第二の電流経路１０２の断面中心点のそれぞれから等距離にある領域では、第一の電流経路１０１を流れる第一の分流電流が発生する第一の磁界Ｈ１と、第二の電流経路１０２を流れる第二の分流電流が発生する第二の磁界Ｈ２とが相互に打消し合う。センサチップ２００内の素子層２０７の断面中心点が第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２のそれぞれの断面中心点から等距離に位置するようにセンサチップ２００を配置すると、センサチップ２００内の素子層２０７は、第一の電流経路１０１を流れる第一の分流電流が発生する第一の磁界Ｈ１と、第二の電流経路１０２を流れる第二の分流電流が発生する第二の磁界Ｈ２とが相互に弱め合う磁界減衰領域に配置される。磁界減衰領域に作用する合成磁界強度（Ｈ１＋Ｈ２）を、分流経路２０３を流れる分流電流が発生する磁界信号を磁電変換回路６００が電気信号に変換する上で実用上問題とならない範囲内に調整することにより、磁電変換回路６００は、第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２からの磁界の影響を殆ど受けることなく、分流経路２０３を流れる分流電流が発生する磁界を高精度に検出できる。

磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄの出力を飽和させてしまう程度の強磁界を発生する被測定電流（例えば１００Ａ）を測定するには、第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２のそれぞれに被測定電流を二等分に分流させ、磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄの出力を飽和させない程度の弱磁界を発生する微小電流（例えば５０ｍＡ）を第一の電流経路１０１から分流経路２０３に分流させればよい。これにより、磁界減衰領域に配置された磁電変換回路６００は、第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２からの磁界の影響を殆ど受けることなく、分流経路２０３を流れる微小電流が発生する磁界を高精度に検出できる。主電流経路１００を流れる被測定電流と分流経路２０３を流れる分流電流との比率から、被測定電流の電流値を求めることができる。

ここで、磁界検出に好適な微小電流を分流経路２０３に流すための配線抵抗の設計方法について、図５を参照しながら説明する。同図において、Ｌは、第一の電流経路１０１とワイヤ４０１との接続点と第一の電流経路１０１とワイヤ４０２との接続点との間の距離を示し、ＲＳは、距離Ｌに沿った第一の電流経路１０１上の抵抗値を示し、ＲＤ１は、第一の電流経路１０１の抵抗値からＲＳを差し引いた抵抗値を示し、ＲＤ２は、第二の電流経路１０２の抵抗値を示し、ＲＣは、分流経路２０３の抵抗値を示す。第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２のそれぞれに被測定電流を二等分に分流させるには、（ＲＤ１＋ＲＳ）：ＲＤ２＝１：１の条件を満たす必要がある。磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄの検出感度を考慮に入れて、分流経路２０３に流す電流の上限値を設定し、第一の電流経路１０１から分流経路２０３に流れ込む分流電流の分流比ＲＳ：ＲＣを決定する。ＲＳは、ＲＣと分流比とから計算できる。ここで、第一の電流経路１０１の抵抗率をρとし、第一の電流経路１０１の断面積をＳとすると、Ｌ＝ＲＳ×Ｓ／ρの関係が成立する。例えば、被測定電流の電流値を１００Ａとし、分流経路２０３に流す電流の上限値を５０ｍＡとし、分流比を１０００：１とすると、抵抗ＲＳには、４９．９５Ａの電流が流れる。分流経路２０３の抵抗値を２Ωとすると、抵抗ＲＳの値は、２ｍΩとなる。Ｓ＝１ｍｍ²とし、ρ＝１．６８×１０^-8とすると、Ｌ＝１２ｃｍとなる。ここで、第一の電流経路１０１を流れる電流と分流経路２０３を流れる分流電流との比率（分流比）を１０００：１〜１００：１の範囲に調整すると、第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２のそれぞれから略等距離にある位置では、第一の電流経路１０１を流れる第一の分流電流が発生する第一の磁界と、第二の電流経路１０２を流れる第二の分流電流が発生する第二の磁界とを相殺させ、その合成磁界を概ねゼロにすることが可能になる。従って、分流経路２０３から発生する磁界は、磁気抵抗効果素子などの磁界検出素子を用いて容易に測定することが可能となる。また、分流経路２０３を流れる分流電流が発生する磁界を磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄが検出する際に、第一の電流経路１０１を流れる第一の分流電流が発生する第一の磁界と、第二の電流経路１０２を流れる第二の分流電流が発生する第二の磁界とが悪影響を及ぼさないようにするために、第一の電流経路１０１と第二の電流経路１０２とが形成する閉曲線の内部に磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄが位置することが望ましい。

なお、図７又は図１に示すように、第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２のそれぞれは、対称軸５００に平行に延在する（又は磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄの長手方向に平行に延在する）直線経路を含むものが望ましい。第一の電流経路１０１の直線経路の部分を流れる電流が発生する平行磁界と、第二の電流経路１０２の直線経路の部分を流れる電流が発生する平行磁界とが相互に弱め合うことにより、合成磁界がほぼゼロになる磁界減衰領域の面積を広くすることが可能となり、細長い形状を有する磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄを磁界減衰領域に配置することができる。また、第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２のそれぞれが有する直線経路を長くすることにより、この直線経路に直交する経路を流れる電流が発生する磁界が電流測定に及ぼす影響を低減できる。第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２のそれぞれの直線経路の長さは、複数の磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄが配置される領域の当該直線経路（第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２の直線経路）に平行な部分の長さと同等又はそれ以上であることが望ましい。ここで、「複数の磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄが配置される領域の当該直線経路に平行な部分の長さ」とは、「複数の磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄが配置される領域」を第一の電流経路１０１又は第二の電流経路１０２に投影した部分の長さを意味する。例えば、図７に示す例では、第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２のそれぞれの直線経路の長さは、対称軸５００に平行に配列される四つの磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄの長手方向の長さの和と同等又はそれ以上であることが望ましい。

図６は電流センサ１０の使用例を示す説明図である。主電流経路１００の一端に直流バッテリ７００のプラス端子７０１を接続し、主電流経路１００の他端に負荷７０３の一端を接続し、負荷７０３の他端を直流バッテリ７００のマイナス端子７０２を接続することで、直流バッテリ７００から出力される直流電流を被測定電流としてその電流値を計測することができる。主電流経路１００の周波数特性と分流経路２０３の周波数特性の相違を利用することにより、電流センサ１０は、高周波ノイズを効果的に除去するノイズフィルタとして機能する。従って、ノイズを効果的に除去できるので直流電流を測定するには特に有効である。尚、直流バッテリ７００として、例えば、電気自動車用バッテリなどが好適である。

図７は実施例２に係わる電流センサ１１の一部省略平面図であり、図８は実施例２に係わる磁電変換回路６００の回路図を示す。実施例１，２の共通点については、重複説明を省略し、両者の相違点を中心に説明する。図７に示すように、磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄのそれぞれは、その長手方向が対称軸５００に平行となるように一列に配列されている。分流経路２０３は、渦状に屈曲しており、対称軸５００に関して線対称な位置に形成された第一の部分経路２０３Ａ及び第二の部分経路２０３Ｂと、対称軸５００に平行に形成された第三の部分経路２０３Ｃ及び第四の部分経路２０３Ｄとを備える。磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂは、第三の部分経路２０３Ｃを＋Ｙ方向に流れる分流電流が発生する磁気信号を電気信号に変換する。磁気抵抗効果素子２０１Ｃ，２０１Ｄは、第四の部分経路２０３Ｄを−Ｙ方向に流れる分流電流が発生する磁気信号を電気信号に変換する。上述の構成により、磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄが配置される磁界減衰領域では、第一の電流経路１０１を流れる第一の分流電流が発生する第一の磁界と、第二の電流経路１０２を流れる第二の分流電流が発生する第二の磁界とが相互に弱め合うだけでなく、第一の部分経路２０３Ａを流れる部分電流が発生する第三の磁界と、第二の部分経路２０３Ｂを流れる部分電流が発生する第四の磁界とが相互に弱め合う。

なお、本実施例では、磁気抵抗効果素子２０１Ａの長手方向を±Ｙ方向とした場合、その固定層が磁気抵抗効果素子２０１Ａの長手方向に垂直な＋Ｘ方向に向くように予め調整するものとする。他の磁気抵抗効果素子２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄについても同様である。

図８に示すように、磁電変換回路６００は、二つの磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｃが直列接続された第一のハーフブリッジ回路と、二つの磁気抵抗効果素子２０１Ｂ，２０１Ｄが直列接続された第二のハーフブリッジ回路とを備え、第一及び第二のハーフブリッジ回路が並列接続されたブリッジ回路である。

本実施例によれば、磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄのそれぞれの長手方向が対称軸５００に平行となるように一列に配列することによって、対称軸５００に関して線対称配置された第一の電流経路１０１及び第二の電流経路１０２からの磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄへの磁界の影響を低減できるだけでなく、対称軸５００に関して線対称配置された第一の部分経路２０３Ａ及び第二の部分経路２０３Ｂからの磁気抵抗効果素子２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄへの磁界の影響をも低減できる。

図９乃至図１２は、実施例３に係わる電流センサ１２の一部省略平面図である。実施例１，３の共通点については、重複説明を省略し、両者の相違点を中心に説明する。主電流経路１００は、点対称中心Ｐに関して点対称な閉曲線を形成している。主電流経路１００の形状として、例えば、図９に示す六角形、図１０に示す楕円形、図１１に示す四角形、図１２に示す円形などが好適である。点対称な閉曲線として、例えば、図１に示すような長方形でもよい。磁電変換回路６００は、点対称中心Ｐを含む磁界減衰領域に配置される。点対称中心Ｐを含む磁界減衰領域では、主電流経路１００の各部分を流れる被測定電流が発生するそれぞれの磁界は相互に弱め合うので、磁電変換回路６００は、主電流経路１００から分流経路２０３に分流した分流電流が発生する磁界を高精度に検出できる。

本発明に係わる電流センサは、電流を検出する用途に幅広く使用できる。

１０…電流センサ１００…主電流経路１０１…第一の電流経路１０２…第二の電流経路２００…センサチップ２０３…分流経路６００…磁電変換回路

Claims

被検出電流の一部が第一の分流電流として分流する第一の電流経路と、
前記被検出電流の一部が第二の分流電流として分流する第二の電流経路と、
前記第一の電流経路から分岐し、前記第一の分流電流の一部が第三の分流電流として分流する第三の電流経路と、
前記第三の分流電流が発生する磁気信号を電気信号に磁電変換する磁電変換回路と、
を備え、
前記磁電変換回路は、前記第一の電流経路と前記第二の電流経路とが形成する閉曲線の内部であって、且つ前記第一の分流電流が発生する第一の磁界と、前記第二の分流電流が発生する第二の磁界とが相互に弱め合う領域に配置されている、電流センサ。
請求項１に記載の電流センサであって、
前記磁電変換回路は、ブリッジ接続された複数の磁気抵抗効果素子を備え、
前記第一及び第二の電流経路は、所定の対称軸に関して線対称配置されており、
前記複数の磁気抵抗効果素子の各々は、その長手方向が前記対称軸に平行になるように配列されている、電流センサ。
請求項２に記載の電流センサであって、
前記第一の電流経路及び前記第二の電流経路のそれぞれは、前記対称軸に平行な直線経路を有し、
前記直線経路の長さは、前記複数の磁気抵抗素子が配置される領域の前記直線経路に平行な部分の長さと同等又はそれ以上である、電流センサ。
請求項１乃至請求項３に記載の電流センサであって、
前記第三の電流経路は、第一及び第二の部分経路を含み、
前記磁電変換回路は、前記第一の部分経路を流れる前記第三の分流電流が発生する第三の磁界と、前記第二の部分経路を流れる前記第三の分流電流が発生する第四の磁界とが相互に弱め合う領域に配置されている、電流センサ。
点対称な閉曲線を形成し、被検出電流が流れる主電流経路と、
前記主電流経路から分岐し、前記被検出電流の一部が分流電流として分流する分流経路と、
前記分流電流が発生する磁気信号を電気信号に磁電変換する磁電変換回路と、
を備え、
前記磁電変換回路は、前記閉曲線の内部であって、且つ前記主電流経路の点対称中心を含む領域に配置されている、電流センサ。
請求項５に記載の電流センサであって、
前記閉曲線は、六角形、楕円形、四角形、円形、又は長方形である、電流センサ。
請求項１乃至請求項６のうち何れか１項に記載の電流センサであって、
前記被検出電流は、直流バッテリから出力される直流電流である、電流センサ。