JP5641276B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

この発明は、被測定電流が印加されるＵ字型一次導体の、Ｕ字型形状部の近傍において、被測定電流を測定する電流センサに関するものである。

従来、非接触で被測定電流を計測する手法としては、一般的に、磁気コアを用いたものがある。磁気コアを利用した電流センサは、磁気コアを被測定電流の流れる導体を取り囲む様に設置し、磁気コアに設けたギャップ部とともに磁気回路を形成する。ギャップ部に設置した磁電変換素子を通じて、被測定電流により磁気回路に生じた磁束の大きさを測定することで、非接触で被測定電流の大きさを測定する。

一方、小型化や軽量化、あるいは高精度化等を目的とした、磁気コアを用いない電流センサが提案されている。従来の磁電変換素子を利用した、磁気コアを用いない電流センサとして、複数の磁気抵抗効果素子からなるブリッジ回路を、絶縁体を介して所定の間隔を離してＵ字型の一次導体に配置したものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−２１１１３８

宮崎照宣他：日本応用磁気学会誌，Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．２（１９９０）２２１ 中村斉他：日本金属学会誌，Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．７（１９９２）８４９

上記特許文献１に開示されている電流センサまたは磁気センサの一次導体は、左右対称的なＵ字型構造で、磁気抵抗効果素子で構成するブリッジ回路の左右の各ハーフブリッジに逆方向磁界が印加され、一様な外部磁界を除去する利点がある。しかしながら、上記一次導体は左右対称的なＵ字型構造で、磁気抵抗効果素子の両側に位置する各一次導体は直線形状で固定されたものであり、各磁気抵抗効果素子の長手方向に対して、概ね直角となるある一方向からの磁界を印加する構成のため、電流センサの製造工程において一次導体の設置位置にずれが生じ、直角からずれた方向から磁界を印加した場合、磁気抵抗効果素子の応答、つまりは電流センサの出力に不連続な誤差が重畳する問題が生じる恐れがあった。この現象は、上記非特許文献１に開示されており、文献中の図３において、直角方向である９０°から＋２°、あるいは−２°といったわずかにずれた場合でも、磁気抵抗曲線に左右非対称な履歴が示されている。本文献では、蒸着による薄膜の磁気抵抗効果曲線の非対称性は、試料の磁気的不均一性に伴う一方向性の磁気異方性によるものと考えている。磁気抵抗効果素子の製造上、試料の磁気的不均一性を回避することは困難であり、不連続な誤差を低減するには直角となる方向から磁界を印加することが望ましいが、電流センサの製造工程において磁気抵抗効果素子の長手方向に対して一次導体の設置位置を正確に制御することは難しく、また一次導体から印加する磁界の方向を調整する手段は設けられていないため、作製した電流センサによって不連続な誤差の程度が異なる現象が生じ、結果として電流センサの性能がばらつくという問題点があった。

また、上記非特許文献２においては、形状磁気異方性の方向と誘導磁気異方性の方向に注目し、磁気抵抗曲線の左右非対称に生じる履歴について言及している。磁気抵抗効果素子の長軸方向、つまりは形状磁気異方性の方向に対する誘導磁気異方性の傾きをθとすると、磁気抵抗応答曲線における磁気抵抗効果素子の応答の不連続変化の影響が最小となる磁界の方向が、θの増大とともに、直角方向から増加する。このようにθの値に応じて、不連続な誤差を低減する、ある磁界の方向（本文献では、直角方向から数度程度以内）が存在する。不連続な誤差を低減するには、一次導体から印加する磁界の方向を少なくとも数度程度調整することが望ましいが、上記特許文献１には調整手段は設けられておらず、作製した電流センサによって不連続な誤差の程度が異なる現象が生じ、結果として電流センサの性能がばらつくという問題点があった。

この発明は上記のような課題を鑑み、解決するためになされたもので、一次導体から磁気抵抗効果素子に印加する磁界の方向を調整する手段を設けることで、磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を低減でき、性能のばらつきを抑制した電流センサを提供することを目的とする。

この発明に係る電流センサは、設置基板上に４つの磁気抵抗効果素子で、設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に第２のハーフブリッジ回路が配置された電流検知デバイスと、少なくとも１つのＵ字型形状を有する一次導体を有し、設置基板の中心線と一次導体のＵ字型形状の対称軸が略一致するように少なくとも一つの電流検知デバイスがＵ字型形状部の近傍に配置されるとともに、設置基板の中心線上に位置する設置基板の中心点を略中点として、一次導体に対して設置基板が回転可能な構造をとるものである。

また、この発明に係わる電流センサは、一次導体におけるＵ字型形状の対称軸上のＵ字型底部、またはその近傍に設けた貫通孔を基点として、電流検知デバイスに対して一次導体が回転可能な構造をとるものである。

また、この発明に係わる電流センサは、Ｕ字型形状を成す一次導体の上面、もしくは下面、もしくはその両面に円弧状のザグリ部を備え、前記ザグリ部を介してセンサ基板を連結した構造をとるものである。

また、この発明に係わる電流センサは、設置基板上に４つの磁気抵抗効果素子で、設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に第２のハーフブリッジ回路が配置された電流検知デバイスと、少なくとも１つのＵ字型形状を有する一次導体と、少なくとも２つのバイアス磁界発生部を有し、前記電流検知デバイスは複数の前記バイアス磁界発生部によって挟まれた領域内に、かつ前記電流検知デバイスの前記設置基板の中心線と前記一次導体のＵ字型形状の対称軸が略一致するように配置されるとともに、一次導体に対して電流検知デバイスが、Ｕ字型形状部の対称軸に対して直角方向に移動可能な構造をとるものである。

また、この発明に係わる電流センサは、少なくとも一つの一次導体が、一次導体におけるＵ字型形状部の対称軸に対して直角方向に移動可能な構造をとるものである。

この発明の電流センサによると、一つの設置基板上に四つの磁気抵抗効果素子にて、設置基板上の中心線に対して分けられた一方の領域に第一のハーフブリッジ回路が配置されるとともに、他方の領域に第二のハーフブリッジ回路が配置され、それぞれのハーフブリッジ回路に逆方向の磁界が印加される構造のため、一様な外部磁界を除去する効果がある。
また、磁気抵抗効果素子の面内に印加する磁界の方向が可変可能であり、それに伴い磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差が低減するように調整可能なため、電流センサの出力ばらつき、出力誤差が減少する効果がある。

また、この発明の電流センサによると、一次導体の直線的な移動のみで磁気抵抗効果素子に印加する磁界の方向を調整する手段を得られ、それに伴い磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を低減できるため、小型化、ならびに低コスト化の効果もある。

この発明の実施形態１による電流センサの平面図である。 この発明の実施形態１による電流センサの一次導体を示す斜視図である。 この発明の実施形態１による電流センサの断面図である。 この発明の実施形態１による電流センサの図３に示す電流検知デバイス部近傍の磁界ベクトルとその分解ベクトルである。 この発明の実施形態１による電流センサの電流検知デバイス部を示す平面図である。 この発明の実施形態１による電流センサの電流検知デバイス部を示す構成概略図である。 この発明の実施形態１による電流センサの調整時に被測定電流を印加する方向を示す平面図である。 この発明の実施形態１による電流センサの調整時に被測定電流を印加する別の方向を示す平面図である。 この発明の実施形態１による電流センサの補償導電線を配置した構成図である。 この発明の実施形態１による電流センサの、異なる一次導体を用いたときの電流検知デバイス部近傍の磁界ベクトルとその分解ベクトルである。 この発明の実施形態２による電流センサの平面図である。 この発明の実施形態２による電流センサの一次導体を示す斜視図である。 この発明の実施形態３による電流センサの平面図である。 この発明の実施形態３による電流センサの一次導体を示す斜視図である。 この発明の実施形態４による電流センサの平面図である。 この発明の実施形態４による電流センサの断面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電流センサの平面図を示すもので、図２は図１の一次導体のみを示す斜視図、図３は図１におけるＡＡ’断面（ＸＺ面）の一部を示す断面図である。図において、電流センサ１は、電流検知デバイス部７、センサ回路部９を有するセンサ基板２と、一次導体３により構成される。
本実施の形態１における一次導体３は、電気伝導性を有する金属板から作製される。一次導体３の形状はＺ方向から見てＵ字型となっており、Ｕ字形状を示すＵ字部４、左右対称な導体部分を接続するＵ字底部５、および面内方向に伸長する接続導体部６によって構成される。Ｕ字部４における一次導体３の表面は円弧状のザグリ部８を有し、センサ基板２はこのザグリ部８上に設置される。
まず、電流検知デバイス部７の構成について説明する。
図５は電流検知デバイス部７の平面図を示すもので、設置基板１７上において、設置基板１７の中心線１１によって２つの領域に分けられ、それぞれの領域に磁気抵抗効果素子１４ａ、１４ｂ、磁気抵抗効果素子１４ｃ、１４ｄが線対称に等しく配置される。ここで、磁気抵抗効果素子１４の感磁方向はＸ方向とし、長手方向はＹ方向とする。４つの磁気抵抗効果素子１４ａ〜１４ｄは、設置基板１７の中心線１１に対して相互に平行方向に配置され、磁気抵抗効果素子１４ａ、１４ｄは、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有するように、また、磁気抵抗効果素子１４ｂ、１４ｃは、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有するように、図には省略したが、磁気抵抗効果素子上にはバーバーポール電極構造が形成されている。なお、４つの磁気抵抗効果素子１４はそれぞれ１本で構成したが、クランク形状に複数の磁気抵抗効果素子を接続し、線路長を長く構成してもよい。また、中心線１１上の中心点に対して点対称に構成してもよい。接続電流線１５は、４つの磁気抵抗効果素子１４間を接続することにより、ブリッジ回路１８を構成するものであり、接続エリア１６は、外部とブリッジ回路１８の入出力用の端子部として用いる。

図６はこの発明の実施の形態１による電流センサ１の電流検知デバイス７を示す構成概略図であり、図６において、４つの磁気抵抗効果素子１４間を接続電流線１５で接続することにより、磁気抵抗効果素子１４ａ、１４ｂの直列接続からなるハーフブリッジ回路（第１のハーフブリッジ回路）１９ａ、磁気抵抗効果素子１４ｃ、１４ｄの直列接続からなるハーフブリッジ回路（第２のハーフブリッジ回路）１９ｂの並列接続からなるブリッジ回路１８を構成するものである。
接続エリア（第１の接続エリア）１６ａは、ブリッジ回路１８の磁気抵抗効果素子１４ａ、１４ｃ間の接続電流線１５に接続され、もう一方の接続エリア（第２の接続エリア）１６ｂは、ブリッジ回路１８の磁気抵抗効果素子１４ｂ、１４ｄ間の接続電流線１５に接続されており、接続エリア１６ａ、１６ｂからブリッジ回路１８に電圧が供給されるものである。接続エリア（第３の接続エリア）１６ｃは、ブリッジ回路１８の磁気抵抗効果素子１４ａ、１４ｂ間の接続電流線１５に接続され、もう一方の接続エリア（第４の接続エリア）１６ｄは、ブリッジ回路１８の磁気抵抗効果素子１４ｃ、１４ｄ間の接続電流線１５に接続されており、接続エリア１６ｃ、１６ｄからブリッジ回路１８の出力電圧が検出されるものである。

なお、図５および図６には示していないが、設置基板１７上の４つの磁気抵抗効果素子１４ａ〜１４ｄの上方、または下方、またはその両方に絶縁層を介して補償導電線２０を配置し、ブリッジ回路１８の出力電圧に基づいて、それらの補償導電線２０に４つの磁気抵抗効果素子１４の近傍に発生する磁界を打ち消すような電流を供給する磁気平衡型の構成としてもよい。

次に、電流センサ１の全体構成について説明する。
図１および図２に示すように、一次導体３の形状はＺ方向から見てＵ字型となっており、Ｕ字部４の導体上に円弧状のザグリ部８を設けている。このザグリ部８を介してセンサ基板２を設置し、後述の調整時、ザグリ部８に沿ってセンサ基板２を回転移動するため、ザグリ部８はセンサ基板２の移動時のガイドとなる。なお本実施の形態１に示した図では、Ｕ字底部５の両脇部分が直角形状に構成されているが、電流検知デバイス部７にＵ字部４の両側に位置する一次導体から安定して逆方向の磁界が印加される構造であれば丸みを帯びた形状などでもよく、これに限るものではないが、安定して逆方向の磁界を印加するためにはＵ字部４が少なくとも電流検知デバイス部７の近傍において左右対称であることが望ましい。
図１に示すように、Ｕ字部４を有する一次導体３の一点鎖線で示した対称軸、および電流検知デバイス部７の中心線１１が略一致するように、センサ基板２はザグリ部８を介しての一次導体３の上方にまずは設置する。本実施の形態においては、電流検知デバイス７をセンサ基板２の上面側に設置した例を示しており、設置位置は上面に限るものではないが、後述するセンサ基板２の内層に設けた電界シールド層１２を有効利用するためには、上面に設置するのが望ましい。電流検知デバイス部７は、機械的な設置だけでなく、後述のセンサ回路部９と電気的に接続されるようにワイヤボンディングやバンプ等を用いて電気的にも接続される。電流検知デバイス部７を含むセンサ基板２の設置位置（特にＺ方向）は、磁気抵抗効果素子１４に付与したい磁界、つまりは被測定電流の大きさに応じて決定するが、Ｚ方向における１次導体３の中央となる位置（図３ 破線Ｏ）では感磁方向の付与磁界が０となるため、中央からずらして設置するのがよい。その決定された位置に応じてセンサ基板２を設置する。また、一次導体３の断面積は、印加する被測定電流値に応じて決定される。このような一次導体３は、例えば電気伝導性の良好な銅などの金属板材からの打ち抜き加工により作製されるが、作製方法はこれに限るものではなく、例えば板厚を拡大する場合などは、鋳造等により作製してもよい。
図１にのみ示したが、センサ基板２上には、電流検知デバイス部７とともにセンサ回路部９を配置する。センサ回路部９は、電流検知デバイス部７の接続エリア１６ａ、１６ｂにブリッジ回路１８の電圧を供給すると共に、ブリッジ回路１８の出力電圧を適度な増幅を施して出力するが、電流センサ１と外部の入出力端を電気的に接続するには、端子１０を利用する。
センサ基板２と１次導体３は、後述する調整後に、特に図示しないが接着剤や取付部材等を用いて固定する。取付部材は特に材料を限定しないが、非磁性で経時劣化の少ないものが望ましく、絶縁性や耐圧の効果を上げるために全体、あるいは一部を樹脂モールドしてもよい。
図３の断面図に示したように、センサ基板２の内層には導電性を有する電界シールド層１２を設置する。電界シールド層１２は、電流センサとしての性能を低下させるノイズとして、外部から磁気抵抗効果素子１４やセンサ回路部９へ印加される電界ノイズを、除去あるいは低減するためのもので、少なくとも磁気抵抗効果素子１４やセンサ回路部９と一次導体３の間に設置する必要があり、可能であれば磁気抵抗効果素子１４やセンサ回路部９を覆うように設置するのが望ましい。電界シールド層１２の材料は、導電性を有すればよく、例えば銅、アルミニウム等が考えられ、センサ基板２に設けた電気的なグランドと接続される。設置の形態としては、例えば多層基板の内層の少なくとも１層にグランド層を設けたものでもよい。

ここで、磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を低減する調整方法について詳細に説明する。
磁気抵抗効果素子の長軸方向、つまりは形状磁気異方性の方向に対する誘導磁気異方性の傾きθが０の場合、磁気抵抗効果素子の長軸方向に対して直角方向である９０°方向から磁界を印加すれば、不連続な誤差を低減できる。また、形状磁気異方性の方向に対する誘導磁気異方性の傾きθが０ではない場合、直角方向から数度程度以内にある、一つの方向から磁界を印加すれば、不連続な誤差を低減できる。形状磁気異方性の方向に対する誘導磁気異方性の傾きθが既知であれば、自ずと決まる、不連続な誤差を低減できる印加磁界方向となるように、センサ基板２をザグリ部８に沿って回転させ、固定すればよい。しかしながら、例えば蒸着等による磁気抵抗効果素子の製造上、形状磁気異方性の方向に対する誘導磁気異方性の傾きθを０、あるいは一定値に完全に固定することは困難であり、できあがった磁気抵抗効果素子によって形状磁気異方性の方向に対する誘導磁気異方性の傾きθはばらつく場合が多い。
そのため、磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を低減する調整が必要となる。まずは図１に示すように、Ｕ字部４を有する一次導体３の一点鎖線で示した対称軸、および電流検知デバイス部７の中心線１１が略一致するように、センサ基板２を設置する。その状態で各磁気抵抗効果素子の磁気抵抗応答曲線を取得するわけだが、ここでは電流センサを構成しているため、図７の矢印で示すように、一次導体３ｂ側から被測定電流を印加し、電流値を可変し、外部端子１０を介して電流センサの出力として、各磁気抵抗効果素子の磁気抵抗応答の結果を得る。次に図８の矢印で示すように、一次導体３ａ側から被測定電流を印加し、電流値を可変し、外部端子１０を介して電流センサの出力として、各磁気抵抗効果素子の磁気抵抗応答の結果を得る。このように被測定電流の方向を逆転して得られた電流センサ出力の絶対値に、差異が生じていたならば、不連続な誤差が確認できたといえる。そのときは、センサ基板２をザグリ部８に沿って、センサ基板２の中心点を基点として回転させ、上述の測定を繰り返し、被測定電流の方向を逆転して得られた電流センサ出力の絶対値に差異が生じないセンサ基板２の設置位置が得られたところで測定を止め、センサ基板２を固定する。このような調整を実施することで、磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を確実に低減することが可能となる。
なお不連続な誤差が顕著に確認できる被測定電流値が既知であれば、被測定電流値を可変せず、ある一定の値に固定して調整してもよく、その結果、調整工程が簡素化される効果が得られる。
また、センサ基板２の回転角は数度程度であるため、一次導体３に設けたザグリ部８を逸脱することはなく、センサ基板２が数度程度移動できる部分にだけザグリ部８を限定して設けてもよい。

次に、電流センサ１の動作について、図３、図４、図５により説明する。
一次導体３に被測定電流を印加すると、例えば第１の一次導体部３ａには電流の方向に対して図３の破線に示すように左回転の磁界が、また第２の一次導体部３ｂには電流の方向に対して図３の破線に示すように右回転の磁界が、印加される被測定電流の大きさに応じて発生する。図には簡単のために各一次導体あたり２本の磁束線によって発生磁界を示した。その結果、電流検知デバイス部７を図３に示す位置に設置した場合、電流検知デバイス部７の左側に位置する磁気抵抗効果素子１４ａ、１４ｂには、図４に示す磁界ベクトル１３ａが印加され、右側に位置する磁気抵抗効果素子１４ｃ、１４ｄには、磁界ベクトル１３ｂが印加される。よって磁気抵抗効果素子１４ａ、１４ｂの感磁方向（Ｘ軸方向）には分解ベクトル１３ａｘが、磁気抵抗効果素子１４ｃ、１４ｄの感磁方向（Ｘ軸方向）には分解ベクトル１３ｂｘが加わることになる。つまり、電流検知デバイス部７のＸＹ面における、図５に示した磁気抵抗効果素子１４ａ、１４ｂには、中心線１１より紙面左側の向きに磁界が加わり、磁気抵抗効果素子１４ｃ、１４ｄには、中心線１１より紙面右側の向きに磁界が加わる。

なお、磁気抵抗効果素子１４ａ、１４ｄでは、共に磁界の増加に応じて抵抗値が増加すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が減少する磁気抵抗効果特性を有するように、また、磁気抵抗効果素子１４ｂ、１４ｃでは、逆に磁界の増加に応じて抵抗値が減少すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が増加する磁気抵抗効果特性を有するように構成されている。
よって、一次導体３に流れる電流の増加に応じて磁気抵抗効果素子１４ａ、１４ｄの抵抗値が増加すると共に、磁気抵抗効果素子１４ｂ、１４ｃの抵抗値が減少し、一次導体３に流れる電流の減少に応じて磁気抵抗効果素子１４ａ、１４ｄの抵抗値が減少すると共に、磁気抵抗効果素子１４ｂ、１４ｃの抵抗値が増加する。このように、一次導体３に印加される被測定電流の大きさに応じてブリッジ回路１８の平衡が崩れ、これが電流検知デバイス部７のブリッジ回路１８の出力となる。

さらに、電流センサ１の動作について、補償導電線２０を有する場合について説明する。補償導電線２０を配置した電流検知デバイス部７とセンサ回路部９の概略構成を図９に示す。
一次導体３に印加される被測定電流の大きさに応じてブリッジ回路１８の平衡が崩れる。このとき、センサ回路部９に設置された増幅回路部（例えばオペアンプ２１）では、電流検知デバイス部７の接続エリア１６ｃ、１６ｄから検出される出力電圧に基づいて、磁気抵抗効果素子１４ａ〜１４ｄ近傍に発生する磁界を打ち消すような電流（制御電流）を補償導電線２０に供給する。具体的には接続エリア１６ｃ、１６ｄの出力電圧が０になるように、制御電流の大きさを調整する。補償導電線２０は、その制御電流の大きさに応じて４つの磁気抵抗効果素子１４ａ〜１４ｄ近傍に発生する磁界、すなわち一次導体３に印加される被測定電流の大きさに応じた磁界を相殺するような磁界を発生する。
したがって、一次導体３に印加される被測定電流の大きさに応じたブリッジ回路１８の平衡の崩れを、センサ回路部９から供給される制御電流により修復することができる。ゆえに、センサ回路部９から供給した制御電流の大きさが、一次導体３に印加される被測定電流の大きさに相関のある値として検出することができる。
なお、一次導体３以外において発生した外部磁界（外乱磁界）は、磁気抵抗効果素子１４ａ、１４ｂと磁気抵抗効果素子１４ｃ、１４ｄ（ブリッジ回路１８の左右の各ハーフブリッジ回路１９）に同相の影響となるため相殺され、測定精度に影響を与えない。

最後に一次導体３の詳細について、補足する。本実施の形態１に示した図では、一次導体３のＵ字底部５の両側である外周コーナー部分は、特に加工を施さず直角形状に構成されているが、被測定電流は一次導体３の内部において一次導体３の入出力端となる接続導体部６から最短距離で流れるため、外周部分の形状は特にどのようなものであっても問題とならず、加工工数の低減、および被測定電流印加時の発熱の低減つまりは放熱作用のために、未加工であることがむしろ望ましい。
また、本実施の形態においては、Ｕ字部４における一次導体３の断面形状はＸ方向に長軸を有する長方形としたが、Ｕ字部４における一次導体３の断面形状を面外方向（Ｚ方向）に長軸を有する長方形としてもよい。その場合、図１０に示すように、ｘ軸方向（感磁方向）へ分解した磁界ベクトル１３ｘとｚ方向へ分解した磁界ベクトル１３ｚの大きさは、１３ｘ＜１３ｚの関係が成立し、それぞれの磁気抵抗効果素子１４の感磁方向には低められた磁界が印加されることになる。一次導体３の断面形状は面外方向（Ｚ方向）に長軸を有する長方形にすると、被測定電流が大電流であっても磁気抵抗効果素子１４に印加される磁界が抑制され、出力の飽和などを気にすることなく、かつ電流センサとしての外形寸法を大型化することなく、大電流の計測が容易に行える。

以上のように、この実施の形態１によれば、設置基板上に４つの磁気抵抗効果素子で、設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に第２のハーフブリッジ回路が配置され、それぞれのハーフブリッジ回路に逆方向の磁界が印加される構造のため、一様な外部磁界を除去することができる効果がある。

また、磁気抵抗効果素子の面内に印加する磁界の方向が可変可能であり、それに伴い磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差が低減するように調整可能なため、電流センサの出力ばらつき、出力誤差が減少する効果がある。

また、センサ基板の内層面に導電性を有する電界シールド層を設置したため、一次導体や外部からの電界ノイズを除去あるいは低減でき、測定精度を向上する効果がある。

実施の形態２．
図１１は、この発明の実施の形態２による電流センサの平面図を示すもので、図１２は図１１の一次導体のみを示す斜視図である。図において、一次導体３は、電気伝導性を有する金属にて作製され、実施の形態１と同様にＵ字部４、Ｕ字底部５、接続導体部６より構成され、新たにＵ字底部５に貫通孔２２を設けたものである。
実施の形態２は、実施の形態１に示した一次導体３に貫通孔２２を設置した構成であり、実施の形態１では、一次導体３に比べてセンサ基板２が小さい例にてセンサ基板２を回転移動して調整する手法を示したが、実施の形態２では、一次導体３に比べてセンサ基板２が大きい例にて一次導体３を回転移動して調整する手法を示すものである。なお、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。

一次導体よりセンサ基板が小さい場合、実施の形態１に示すように、一次導体３にザグリ部８を設け、ザグリ部８が調整におけるガイドの機能を果たし、センサ基板２の回転移動を容易にしている。しかしながら、一次導体よりセンサ基板が大きい場合、一次導体のザグリ部はセンサ基板の回転移動におけるガイドとして機能しない。
本実施の形態においては、一次導体３にザグリ部を設けずに、一次導体３の対象軸上のＵ字底部５内に貫通孔２２を設け、この貫通孔２２を基点として一次導体３を回転移動する構造とした。磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を低減する調整方法としては、磁気抵抗効果素子の長軸方向に対して被測定磁界の方向を可変すればよいため、センサ基板に対して一次導体を回転移動させても、一次導体に対してセンサ基板を回転移動させた実施の形態１と同等の効果が得られる。

この発明の実施の形態２による、磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を低減する調整方法について説明する。Ｕ字部４を有する一次導体３の一点鎖線で示した対称軸、および電流検知デバイス部７の中心線１１が略一致するように、貫通孔２２を利用してセンサ基板２に一次導体３を設置する。設置方法は、例えば貫通孔２２を用いたネジ止めやピン止めでよく、一次導体を一時的に保持し、かつ貫通孔２２を基点として一次導体３が回転移動できれば設置手段は問わない。その状態で磁気抵抗応答曲線を取得する。取得の方法は、実施の形態１と同様のため省略する。得られた電流センサ出力の絶対値に差異が生じていれば、不連続な誤差が確認できたといえる。そのときは、一次導体３を、一次導体３に設けた貫通孔２２を基点として回転させ、上述の測定を繰り返し、被測定電流の方向を逆転して得られた電流センサ出力の絶対値に差異が生じない一次導体３の設置位置が得られたところで測定を止め、一次導体３を固定する。このような調整を実施することで、磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を確実に低減することが可能となる。
なお不連続な誤差が顕著に確認できる被測定電流値が既知であれば、被測定電流値を可変せず、ある一定の値に固定して調整してもよく、その結果、調整工程が簡素化される効果が得られる。
また、一次導体３の回転角は数度程度であるため、センサ基板２から一次導体３が逸脱することはなく、電流センサとしての寸法が拡大することはない。

以上のように本実施の形態２によれば、一次導体３に比べてセンサ基板２が大きい場合も、一次導体３を回転移動することで磁気抵抗効果素子の面内に印加する磁界の方向が可変可能であり、それに伴い磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差が低減するように調整可能なため、電流センサの出力ばらつき、出力誤差が減少する効果がある。

実施の形態３．
図１３は、この発明の実施の形態２による電流センサの平面図を示すもので、図１４は図１３の一次導体のみを示す斜視図である。図において、一次導体３は、電気伝導性を有する金属にて作製され、実施の形態１と同様にＵ字部４、Ｕ字底部５、接続導体部６より構成され、ザグリ部８の形状を円弧状から長方形に変更したものである。また、新たにセンサ基板２上にバイアス磁界発生部２３を設けたものである。
実施の形態３は、実施の形態１に示したセンサ基板２にバイアス磁界発生部２３を設置した構成であり、実施の形態１では一次導体３に比べてセンサ基板２が小さい例にてセンサ基板２を回転移動して調整する手法を示したが、実施の形態３では実施の形態１と同じく一次導体３に比べてセンサ基板２が小さい例にて、一次導体３を直線的に移動して調整する手法を示すものである。なお、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。

バイアス磁界発生部を電流検知デバイス部の近傍に設置することで、磁気抵抗効果素子を形成する磁性金属膜の内部磁化方向を容易軸方向に維持し、バルクハウゼンジャンプ、ヒステリシスの抑制にも期待できる。
実施の形態１または２のように、センサ基板２にバイアス磁界発生部２３を設置しない場合、電流検知デバイス部７に印加される磁界は、１次導体３に流れる被測定電流に起因したもののみとなる。そのため、磁界の方向を変更するための手段は、電流検知デバイス部７を有したセンサ基板２、もしくは一次導体３の回転移動に限られていた。
しかしながら、センサ基板２にバイアス磁界発生部２３を設置した場合、電流検知デバイス部７に印加される磁界は、１次導体３に流れる被測定電流に起因したものとバイアス磁界発生部２３に起因したものの合成となる。そのため、磁界の方向を変更するための手段は、電流検知デバイス部７を有したセンサ基板２、もしくは一次導体３の回転移動に限られず、長方形で設けたザグリ部８に沿ったセンサ基板２の直線的な移動でも可能となり、センサ基板２を回転移動させた実施の形態１と同等の効果が得られる。

この発明の実施の形態３による、磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を低減する調整方法について説明する。Ｕ字部４を有する一次導体３の一点鎖線で示した対称軸、および電流検知デバイス部７の中心線１１が略一致するように、センサ基板２をザグリ部８を介して設置する。その状態で磁気抵抗応答曲線を取得する。取得の方法は、実施の形態１と同様のため省略する。得られた電流センサ出力の絶対値に差異が生じていれば、不連続な誤差が確認できたといえる。そのときは、センサ基板２をザグリ部８に沿って、例えば本実施の形態ではＸ方向に直線的に移動し、上述の測定を繰り返し、被測定電流の方向を逆転して得られた電流センサ出力の絶対値に差異が生じないセンサ基板２の設置位置が得られたところで測定を止め、センサ基板２を固定する。このような調整を実施することで、磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を確実に低減することが可能となる。
なお不連続な誤差が顕著に確認できる被測定電流値が既知であれば、被測定電流値を可変せず、ある一定の値に固定して調整してもよく、その結果、調整工程が簡素化される効果が得られる。
また、センサ基板２の移動距離は一次導体との兼ね合いもあるが、概ね数ｍｍ程度以内であるため、一次導体３に設けたザグリ部８を逸脱することはなく、センサ基板２が数ｍｍ程度移動できる部分にだけザグリ部８を限定して設けてもよい。

以上のように、本実施の形態３によれば、センサ基板を直線的に移動することで磁気抵抗効果素子の面内に印加する磁界の方向が可変可能であり、それに伴い磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差が低減するように調整可能なため、電流センサの出力ばらつき、出力誤差が減少する効果がある。

また、一次導体の直線的な移動のみで磁気抵抗効果素子に印加する磁界の方向を調整する手段を得られ、それに伴い磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を低減できるため、小型化、ならびに低コスト化の効果もある。

実施の形態４．
図１５は、この発明の実施の形態４による電流センサの平面図を示すもので、図１６は図１５の中心線１１における断面図である。図１６は、簡単のために一部の構成のみを示した。図において、これまでの実施の形態に対して、一次導体３を設置するセンサ基板２の裏面側に新たに一次導体保持部２４を設けたものである。
実施の形態４は、実施の形態２に示した一次導体３の貫通孔２２を削除し、新たにバイアス磁界発生部２３と一次導体保持部２４を設置した構成であり、実施の形態３では、一次導体３に比べてセンサ基板２が小さい例にてセンサ基板２を直線的に移動して調整する手法を示したが、実施の形態４では、一次導体３に比べてセンサ基板２が大きい例にて一次導体３を直線的に移動して調整する手法を示すものである。なお、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。

一次導体よりセンサ基板が小さい場合、実施の形態３に示すように、一次導体３にザグリ部８を設け、ザグリ部８が調整におけるガイドの機能を果たし、センサ基板２の直線的な移動を容易にしている。しかしながら、一次導体よりセンサ基板が大きい場合、一次導体のザグリ部はセンサ基板の直線的な移動におけるガイドとして機能しない。
本実施の形態においては、一次導体３にザグリ部を設けずに、一次導体３を設置するセンサ基板２の裏面側に一次導体保持部２４を設け、この一次導体保持部２４をガイドとして一次導体３を直線的に移動する構造とした。磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を低減する調整方法としては、磁気抵抗効果素子の長軸方向に対して被測定磁界の方向を可変すればよいため、センサ基板に対して一次導体を直線的に移動させても、一次導体に対してセンサ基板を直線的に移動させた実施の形態３と同等の効果が得られる。

この発明の実施の形態４による、磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を低減する調整方法について説明する。Ｕ字部４を有する一次導体３の一点鎖線で示した対称軸、および電流検知デバイス部７の中心線１１が略一致するように、一次導体保持部２４を利用してセンサ基板２に一次導体３を設置する。一次導体保持部２４は、一次導体３を一時的に保持し、かつガイドとして機能し、一次導体３が直線的に移動できれば、構成材料や設置手段は問わないが非磁性材であることが望ましい。その状態で磁気抵抗応答曲線を取得する。取得の方法は、実施の形態１と同様のため省略する。得られた電流センサ出力の絶対値に差異が生じていれば、不連続な誤差が確認できたといえる。そのときは、一次導体３を、一次導体保持部２４をガイドとして直線的に移動させ、上述の測定を繰り返し、被測定電流の方向を逆転して得られた電流センサ出力の絶対値に差異が生じない一次導体３の設置位置が得られたところで測定を止め、一次導体３を固定する。このような調整を実施することで、磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を確実に低減することが可能となる。
なお不連続な誤差が顕著に確認できる被測定電流値が既知であれば、被測定電流値を可変せず、ある一定の値に固定して調整してもよく、その結果、調整工程が簡素化される効果が得られる。
また、センサ基板２の移動距離は一次導体との兼ね合いもあるが、概ね数ｍｍ程度以内であるため、センサ基板２から一次導体３が逸脱することはなく、電流センサとしての寸法が拡大することはない。

以上のように本実施の形態４によれば、一次導体３に比べてセンサ基板２が大きい場合も、一次導体３を直線的に移動することで磁気抵抗効果素子の面内に印加する磁界の方向が可変可能であり、それに伴い磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差が低減するように調整可能なため、電流センサの出力ばらつき、出力誤差が減少する効果がある。

また、一次導体の直線的な移動のみで磁気抵抗効果素子に印加する磁界の方向を調整する手段を得られ、それに伴い磁気抵抗効果素子の応答における不連続な誤差を低減できるため、小型化、ならびに低コスト化の効果もある。

１ 電流センサ、２ センサ基板、３ 一次導体、４ Ｕ字部、５ Ｕ字底部、６ 接続導体部、７ 電流検知デバイス部、８ ザグリ部、９ センサ回路部、１０ 外部端子、１１ 中心線、１２ 電界シールド層、１３ 磁界ベクトル、１４ 磁気抵抗効果素子、１５ 接続電流線、１６ 接続エリア、１７ 設置基板、１８ ブリッジ回路、１９ ハーフブリッジ回路、２０ 補償導電線、２１ オペアンプ、２２ 貫通孔、２３ バイアス磁界発生部、２４ 一次導体保持部

Claims (8)

1. 設置基板上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有する第１および第４の磁気抵抗効果素子と、
   前記設置基板上に配置され、互いに逆方向の上記磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有する第２および第３の磁気抵抗効果素子と、
   前記設置基板上に配置され、前記第１から第４の磁気抵抗効果素子を接続することにより、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子による第１のハーフブリッジ回路、および前記第３および第４の磁気抵抗効果素子による第２のハーフブリッジ回路からなるブリッジ回路を構成する接続電流線とを備え、前記設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に前記第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に前記第２のハーフブリッジ回路が配置された電流検知デバイスと、少なくとも１つのＵ字型形状を有する一次導体とを備え、
   前記電流検知デバイスの前記設置基板の中心線と前記一次導体のＵ字型形状の対称軸が略一致するように少なくとも一つの前記電流検知デバイスがＵ字型形状部の近傍に配置されるとともに、前記設置基板の中心線上に位置する前記設置基板の中心点を略中点として、前記一次導体に対して前記設置基板が回転可能であることを特徴とする電流センサ。
2. 少なくとも一つの前記一次導体は、Ｕ字型形状の対称軸上のＵ字型底部近傍に設けた貫通孔を基点として、前記電流検知デバイスに対して前記一次導体が回転可能であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 少なくとも一つの前記電流検知デバイスは、センサ回路部とともにセンサ基板に設置され、前記センサ基板は前記一次導体のＵ字型形状部の近傍の少なくとも一箇所に、前記センサ基板に設置された前記電流検知デバイスの中心線と前記一次導体のＵ字型形状の対称軸が略一致するように配置されるとともに、前記電流検知デバイスの中心線上に位置する前記電流検知デバイスの中心点を略中点として、前記一次導体に対して前記電流検知デバイスもしくは前記センサ基板が回転可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
4. 少なくとも一つの前記一次導体は、Ｕ字型形状を成す前記一次導体の上面、もしくは下面、もしくはその両面に円弧状のザグリ部を備え、前記ザグリ部を介して前記センサ基板を連結したことを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
5. 設置基板上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有する第１および第４の磁気抵抗効果素子と、
   前記設置基板上に配置され、互いに逆方向の上記磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有する第２および第３の磁気抵抗効果素子と、
   前記設置基板上に配置され、前記第１から第４の磁気抵抗効果素子を接続することにより、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子による第１のハーフブリッジ回路、および前記第３および第４の磁気抵抗効果素子による第２のハーフブリッジ回路からなるブリッジ回路を構成する接続電流線とを備え、前記設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に前記第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に前記第２のハーフブリッジ回路が配置された電流検知デバイスと、少なくとも１つのＵ字型形状を有する一次導体と、少なくとも２つのバイアス磁界発生部を備え、
   前記電流検知デバイスは複数の前記バイアス磁界発生部によって挟まれた領域内に、かつ前記電流検知デバイスの前記設置基板の中心線と前記一次導体のＵ字型形状の対称軸が略一致するように少なくとも一つの前記電流検知デバイスがＵ字型形状部の近傍に配置されるとともに、前記一次導体に対して前記電流検知デバイスが、Ｕ字型形状部の対称軸に対して直角方向に移動可能であることを特徴とする電流センサ。
6. 少なくとも一つの前記一次導体は、Ｕ字型形状部の対称軸に対して直角方向に移動可能であることを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
7. 少なくとも一つの前記電流検知デバイスは、センサ回路部および少なくとも２つの前記バイアス磁界発生部とともにセンサ基板に設置され、前記センサ基板は前記一次導体の前記Ｕ字型形状近傍の少なくとも一箇所に、前記センサ基板に設置された前記電流検知デバイスの中心線と前記Ｕ字型形状の対称軸が略一致するように配置されるとともに、前記一次導体に対して前記電流検知デバイスもしくは前記センサ基板が、Ｕ字型形状の対称軸の直角方向に移動可能であることを特徴とする請求項５または６に記載の電流センサ。
8. 少なくとも一つの前記一次導体は、Ｕ字型形状を成す前記一次導体の上面、もしくは下面、もしくはその両面に長方形状のザグリ部を備え、前記ザグリ部を介して前記センサ基板を連結したことを特徴とする請求項７に記載の電流センサ。

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