JP2013053903A

JP2013053903A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2013053903A
Application number: JP2011191592A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Ide; 洋介井出
Original assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Current assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2013-03-21
Also published as: US20130057273A1

Abstract

【課題】外部磁界を低減し、ヒステリシスの影響を抑制可能なシールドを備える電流センサを提供すること。
【解決手段】磁気抵抗効果素子（１２２ａ〜１２２ｄ）と、電流線と磁気抵抗効果素子（１２２ａ〜１２２ｄ）との間に配置された磁気シールド（１２４）と、を備え、磁気シールド（１２４）は、磁気抵抗効果素子（１２２ａ〜１２２ｄ）に印加される誘導磁界の強度を弱めるように配置された平板状の第１磁気シールド（１２４ａ）と、磁気抵抗効果素子（１２２ａ〜１２２ｄ）に印加される誘導磁界の強度を弱めると共に、第１磁気シールド（１２４ａ）の残留磁化の影響を低減するように第１磁気シールド（１２４ａ）の主表面の面内方向において第１磁気シールド（１２４ａ）から離間して配置された平板状の第２磁気シールド（１２４ｂ、１２４ｃ）と、を含んで構成されたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、非接触で電流を測定する電流センサに関する。

電気自動車やハイブリッドカーにおけるモータ駆動技術などの分野では比較的大きな電流が取り扱われるため、大電流を非接触で測定可能な電流センサが求められている。そして、このような電流センサとして、被測定電流によって生じる磁界の変化を磁気センサによって検出する方式のものが実用化されている。この方式の電流センサにおいて、磁気センサが受ける外部磁界を低減するため、外部磁界に対してシールドとなる部材を設けることがある（例えば、特許文献１参照）。このようなシールドを設けることにより、磁気センサが受ける磁界強度が小さくなって実質的に測定できる磁界強度の上限が高くなり、電流センサの電流測定範囲を広くすることができる。

特表２０００−５１６７１４号公報

ところで、上述したシールドは磁気に対してヒステリシスを持つため、このシールドによって低減された外部磁界を受けるとセンサ出力もヒステリシスを持つことになり、電流測定精度が低下してしまう。そこで、シールドの磁界方向の幅を小さくすることで、シールドのヒステリシスを抑えて電流測定精度の低下を抑制する方法が検討されている。シールドの磁界方向の幅を小さくするとシールドの形状異方性（形状磁気異方性）が大きくなるため、ヒステリシスを抑制できる。これにより、シールドのヒステリシスに起因する電流測定精度の低下を抑制できる。

しかしながら、上述のようにシールドの磁界方向の幅を小さくすると、シールドの面積が小さくなり、磁界を低減する効果が低下してしまう。その結果、電流センサの電流測定範囲を十分に広くできない等の問題が生じる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、外部磁界を低減し、かつ、ヒステリシスの影響を抑制可能な磁気シールドを備える電流センサを提供することを目的とする。

本発明の電流センサは、電流線を通流する被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気抵抗効果素子と、前記電流線と前記磁気抵抗効果素子との間に配置された磁気シールドと、を備え、前記磁気シールドは、前記磁気抵抗効果素子に印加される前記誘導磁界の強度を弱めるように配置された平板状の第１磁気シールドと、前記磁気抵抗効果素子に印加される前記誘導磁界の強度を弱めると共に、前記第１磁気シールドの残留磁化の影響を低減するように前記第１磁気シールドの主表面の面内方向において前記第１磁気シールドから離間して配置された平板状の第２磁気シールドと、を含んで構成されたことを特徴とする。

この構成によれば、磁気シールドが、平板状の第１磁気シールドと、第１磁気シールドから離間して配置された平板状の第２磁気シールドとを含んで構成されているため、第１磁気シールドのみで磁気シールドを構成する場合と比較して外部磁界を低減できる。また、第１磁気シールドから離間して配置された平板状の第２磁気シールドにより、第１磁気シールドの残留磁化の影響を低減できるため、第１磁気シールドのみで磁気シールドを構成する場合と比較してヒステリシスの影響を抑制できる。これにより、外部磁界を低減し、かつ、ヒステリシスの影響を抑制可能なシールドを備える電流センサが実現できる。

本発明の電流センサにおいて、前記磁気抵抗効果素子が検出する誘導磁界を相殺するようにキャンセル磁界を発生させるフィードバックコイルを備えても良い。

本発明の電流センサにおいて、前記第２磁気シールドは、前記第１磁気シールドから前記誘導磁界の方向に離間して配置されることが好ましい。この構成によれば、外部磁界をより低減し、ヒステリシスの影響をより抑制できる。

本発明の電流センサにおいて、前記第２磁気シールドの前記誘導磁界の方向に対して垂直な方向の幅は、前記第１磁気シールドの前記誘導磁界の方向に対して垂直な方向の幅以上であることが好ましい。この構成によれば、第２磁気シールドの形状異方性が第１磁気シールドの形状異方性より大きくなるため、第２磁気シールドの飽和磁界が第１磁気シールドの飽和磁界より大きくなって、外部磁界をより効果的に低減できる。

本発明の電流センサにおいて、前記第２磁気シールドの前記キャンセル磁界に平行な方向の幅は、前記第１磁気シールドの前記キャンセル磁界に平行な方向の幅以下であることが好ましい。この構成によれば、第２磁気シールドの形状異方性が第１磁気シールドの形状異方性より大きくなるため、第２磁気シールドの飽和磁界が第１磁気シールドの飽和磁界より大きくなって、外部磁界をより効果的に低減できる。

本発明の電流センサにおいて、前記第１磁気シールドと前記第２磁気シールドとの間隔は、２μｍ〜４０μｍであることが好ましい。この構成によれば、ヒステリシスの影響を十分に抑制することができる。

本発明によれば、外部磁界を低減し、ヒステリシスの影響を抑制可能な磁気シールドを備える電流センサを提供することができる。

本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの構成例を示す模式図である。本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの具体的構成を示す平面図である。本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を拡大して示す部分拡大図である。本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの積層構造を示す断面模式図である。本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおけるヒステリシスの影響と、第２磁気シールドを有しない磁気平衡式電流センサにおけるヒステリシスの影響とを比較して示す断面模式図である。本実施の形態の効果を確認するために行ったシミュレーションモデルを示す模式図である。第２磁気シールドの有無と磁気抵抗効果素子が受ける実効的な磁界強度との関係について示す特性図である。第１磁気シールドと第２磁気シールドとの間隔と、実効的な磁界強度との関係、及び第１磁気シールドと第２磁気シールドとの間隔と、磁気シールドのヒステリシスとの関係について示す特性図である。

本発明者は、磁気抵抗効果素子及び磁気シールドを備える電流センサにおいて、磁気抵抗効果素子と重なる領域に配置される第１磁気シールドと、第１磁気シールドの周囲において第１磁気シールドと離間して配置される第２磁気シールドとを含むように磁気シールドを構成することで、磁気シールドが持つヒステリシスの影響を抑制しつつ、外部磁界を低減できることを見出した。以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの構成例を示す模式図である。図１では、主に、磁気平衡式電流センサを構成する磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄなどの接続関係について示し、その具体的な構成や配置などは図２以降で詳述する。図１に示されるように、本実施の形態の磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉが通流する導体（電流線）１１の近傍に配置されている。この磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ａを打ち消すキャンセル磁界Ｂを生じさせるフィードバック回路１２を備えている。フィードバック回路１２は、フィードバックコイル１２１と、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄとを含んで構成されている。なお、本実施の形態では、磁気平衡式電流センサについて示すが、本発明は、フィードバックコイル１２１を用いない磁気比例式電流センサに対して適用することもできる。

フィードバックコイル１２１は渦巻状の平面的な配線パターンによって構成されており、当該配線パターンに電流が通流することで、誘導磁界Ａに対応する逆向きのキャンセル磁界Ｂを発生可能になっている。

磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、外部磁界が印加されることで抵抗値が変化する素子である。このような素子として、ＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、ＴＭＲ（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などを用いることができる。本実施の形態の磁気平衡式電流センサにおいて、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは所定の関係で接続されており、これにより外部磁界の変動を検出する磁界検出ブリッジ回路が構成されている。磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを含む磁界検出ブリッジ回路を用いることで、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ａを高感度に検出可能な磁気平衡式電流センサを実現できる。なお、磁界検出ブリッジ回路は、図１に示すものに限られない。磁界検出ブリッジ回路は、外部磁界による抵抗値変化のない固定抵抗素子などを含んで構成されても良い。

図１に示す磁界検出ブリッジ回路において、磁気抵抗効果素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２２ｃとの接続点には電源電圧Ｖｄｄを与える電源が接続されている。また、磁気抵抗効果素子１２２ａの一端と磁気抵抗効果素子１２２ｄの一端には接地電圧ＧＮＤを与えるグランドが接続されている。磁気抵抗効果素子１２２ａと磁気抵抗効果素子１２２ｂとの接続点から第１の出力電圧Ｏｕｔ１が取り出され、磁気抵抗効果素子１２２ｃと磁気抵抗効果素子１２２ｄとの接続点から第２の出力電圧Ｏｕｔ２が取り出される。これら２つの出力の電圧差は、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄに加わる外部磁界に対応するようになっている。

第１の出力電圧Ｏｕｔ１と第２の出力電圧Ｏｕｔ２との電圧差は増幅器１２３で増幅され、フィードバックコイル１２１に電流（フィードバック電流）として与えられる。つまり、フィードバック電流は第１の出力電圧Ｏｕｔ１と第２の出力電圧Ｏｕｔ２との電圧差に対応する大きさになる。フィードバックコイル１２１にフィードバック電流が通流すると、フィードバックコイル１２１の周囲には被測定電流Ｉによる誘導磁界Ａを相殺するようにキャンセル磁界Ｂが発生する。誘導磁界Ａの磁界強度が強い状態では、磁界検出ブリッジ回路の電圧差が大きくなり、フィードバックコイル１２１を通流するフィードバック電流が大きくなるため、キャンセル磁界Ｂも大きくなる。誘導磁界Ａの磁界強度が弱い状態では、磁界検出ブリッジ回路の電圧差が小さくなり、フィードバックコイル１２１を通流するフィードバック電流が小さくなるため、キャンセル磁界Ｂも小さくなる。このように、フィードバックコイル１２１は誘導磁界Ａを相殺するようなキャンセル磁界Ｂを発生する。そして、誘導磁界Ａとキャンセル磁界Ｂとが相殺される平衡状態のフィードバック電流の電流値に基づいて、検出部である検出抵抗Ｒおいて被測定電流Ｉが算出される。

図２は、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの具体的構成を示す平面図である。図２の中央には、Ｘ方向に延在する磁気検出パターン（以下、長尺パターンと呼ぶ）を含む磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが、磁気抵抗効果素子１２２ｂ、１２２ａ、１２２ｄ、１２２ｃの順に配置されている。各磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄにおいて、磁気検出感度が最大となる方向Ｓ（以下、感度軸方向と呼ぶ）は、長尺パターンの延在方向（Ｘ方向）に対して垂直な方向（Ｙ方向）である。このため、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、電流線１１を通流する被測定電流Ｉからの誘導磁界Ａの向きに対し、感度軸方向となる方向Ｓ（長尺パターンの延在方向と直交する方向（Ｙ方向））が一致するように配置されている。

磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄには、配線などを介して各種端子（電極）が接続されている。例えば、磁気抵抗効果素子１２２ｂは、電源が接続される電源端子Ｖ、及び第１の出力端子Ｏ１と接続されており、磁気抵抗効果素子１２２ａは、グランドが接続される接地端子Ｇ１、及び第１の出力端子Ｏ１と接続されている。磁気抵抗効果素子１２２ｄは、グランドが接続される接地端子Ｇ２、及び第２の出力端子Ｏ２と接続されており、磁気抵抗効果素子１２２ｃは、電源が接続される電源端子Ｖ、及び第２の出力端子Ｏ２と接続されている。なお、磁気平衡式電流センサにおいて、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄ、配線、各種端子（電極）などの具体的構成は図２に示すものに限られない。

図３は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを拡大して示す部分拡大図である。図３に示すように、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、複数の長尺パターン３１を、当該長尺パターン３１の長手方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）に、略平行に配列させた磁気検出パターンを含む。図３において、感度軸方向（方向Ｓ）は、長尺パターン３１の長手方向と直交する方向（Ｙ方向）である。このため、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが受ける誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂの方向が方向Ｓ（Ｙ方向）に一致するように配置される。図３では、７個の長尺パターン３１ａ〜３１ｇを含む磁気検出パターンを示しているが、長尺パターン３１の数はこれに限定されない。

長尺パターン３１の配列方向（Ｙ方向）において、最も外側に設けられた長尺パターン３１ａの一端部側（図３に示す左側端部）は、接続端子３２ａと接続されている。一方、長尺パターン３１ａの配列方向において、長尺パターン３１ａから最も離れて設けられた長尺パターン３１ｇの他端部（図３に示す右側端部）は、接続端子３２ｂと接続されている。

長尺パターン３１ａの他端部と、この長尺パターン３１ａに隣接する長尺パターン３１ｂの他端部とは、接続部３３ａによって接続され、長尺パターン３１ｂの一端部と、この長尺パターン３１ｂに隣接する長尺パターン３１ｃの一端部とは接続部３３ｂによって接続されている。同様に、長尺パターン３１ｃの他端部と、隣接する長尺パターン３１ｄの他端部とは、接続部３３ｃによって接続され、長尺パターン３１ｄの一端部と、隣接する長尺パターン３１ｅの一端部とは接続部３３ｄによって接続されている。このように、長尺パターン３１の端部は、接続部３３ａ〜３３ｆによって隣接する長尺パターン３１と接続されており、これによってミアンダ形状の磁気検出パターンが構成されている。

上述したミアンダ状の磁気検出パターンを通じて電源（電源電圧Ｖｄｄ）とグランド（接地電圧ＧＮＤ）との間に電流が流れると、ミアンダ状の磁気検出パターンでは、その電気抵抗値に応じて電圧降下が生じる。ミアンダ状の磁気検出パターンの電気抵抗値は外部磁界により変動するようになっているため、磁気検出パターンにおける電圧降下は、誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂに応じて変動する。磁気検出パターンの接続端子３２ａ、３２ｂの一方は、配線などを介して第１の出力端子Ｏ１、第２の出力端子Ｏ２の一方と接続されている。これにより、第１の出力電圧Ｏｕｔ１又は第２の出力電圧Ｏｕｔ２として、磁気検出パターンにおいて生じた電圧降下に対応する電圧値が得られる。

図２に示すように、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの上方（紙面手前）には、絶縁膜などを介して渦巻状の配線パターンによるフィードバックコイル１２１が形成されている。フィードバックコイル１２１の配線パターンは、平面視において一部が下方（紙面奥）の磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄと重なるように配置されている。磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄと重なる領域においてフィードバックコイル１２１の配線パターンは長尺パターンの延在方向（Ｘ方向）に略平行に延在するように設けられている。これにより、フィードバックコイル１２１は、長尺パターンの延在方向に略垂直な方向（Ｙ方向）のキャンセル磁界Ｂを発生できるようになっている。つまり、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄと重なる領域において、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが受けるキャンセル磁界Ｂの向きは、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの感度軸方向に一致するようになっている。なお、磁気平衡式電流センサにおいて、フィードバックコイル１２１の具体的構成は図２に示すものに限られない。

磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄと重なる領域において、フィードバックコイル１２１の上方（紙面手前）には、絶縁膜などを介して高透磁率材料でなる平板状の第１磁気シールド１２４ａが設けられている。また、第１磁気シールド１２４ａの周囲には、第１磁気シールドと離間して配置された第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃが設けられている。第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃは、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの長尺パターンの延在方向（又はフィードバックコイル１２１の配線パターンの延在方向）に対して直交する方向（Ｙ方向）において、第１磁気シールド１２４ａと離間して配置されている。すなわち、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃは、第１磁気シールド１２４ａから誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂの方向に離間して配置されている。

第１磁気シールド１２４ａ、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃは、いずれも平面形状が略長方形であり、その長手方向が磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの長尺パターンの延在方向（Ｘ方向）と一致するように構成されている。つまり、長手方向に垂直な方向が、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの長尺パターンの延在方向に垂直な方向（Ｙ方向）を向いている。このため、平面視における第１磁気シールド１２４ａの誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂに平行な方向の幅（長さ）ＷＹ１は、第１磁気シールド１２４ａの誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂに垂直な方向の幅（長さ）ＷＸ１より短くなっている。また、平面視における第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃの誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂに平行な方向の幅（長さ）ＷＹ２、ＷＹ３は、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃの誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂに垂直な方向の幅（長さ）ＷＸ２、ＷＸ３より短くなっている。このように、第１磁気シールド１２４ａ、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃの磁界方向の幅ＷＹ１、ＷＹ２、ＷＹ３を小さくすると、その形状異方性（形状磁気異方性）が大きくなるため、ヒステリシスを抑制できる。

本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサでは、磁気シールド１２４により、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが受ける誘導磁界Ａの磁界強度が小さくなる。これにより、実質的に測定できる磁界強度の上限が高くなり、磁気平衡式電流センサの電流測定範囲を広くできる。また、第１磁気シールド１２４ａと、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃとが誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂの方向に離間して配置されているため、誘導磁界Ａやキャンセル磁界Ｂなどの影響で第１磁気シールド１２４ａに磁化が残留し、残留磁化に起因する還流磁界が生じる場合でも、第１磁気シールド１２４ａから発生する還流磁界を、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃによってシールドすることができる。このため、第１磁気シールド１２４ａによる磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄへの還流磁界の影響を抑制できる。つまり、誘導磁界Ａの磁界強度を低減して電流センサの電流測定範囲を広くできると共に、第１磁気シールド１２４ａのヒステリシスの影響を緩和することができる。

さらに、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおいて、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが受ける誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂに平行な方向に関する第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃの幅ＷＹ２、ＷＹ３は、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが受ける誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂに平行な方向に関する第１磁気シールド１２４ａの幅ＷＹ１より短くなっている。また、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが受ける誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂに垂直な方向に関する第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃの幅ＷＸ２、ＷＸ３は、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが受ける誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂに垂直な方向に関する第１磁気シールド１２４ａの幅ＷＸ１と等しくなっている。このようにすることで、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃの形状異方性が第１磁気シールド１２４ａの形状異方性より大きくなるため、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃの飽和磁界が第１磁気シールド１２４ａの飽和磁界より大きくなる。この結果、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃは第１磁気シールド１２４ａと比較して磁化が残留しにくくなる。このため、第１磁気シールド１２４ａに磁化が残留し、当該残留磁化に起因する還流磁界が生じる場合でも、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃによって磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄへの還流磁界の影響を抑制できる。つまり、第１磁気シールド１２４のヒステリシスの影響をさらに抑制できる。

なお、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃの誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂに平行な方向の幅ＷＹ２、ＷＹ３を、第１磁気シールド１２４ａの誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂに平行な方向の幅ＷＹ１以下とする場合、又は第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃの誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂに垂直な方向の幅ＷＸ２、ＷＸ３を、第１磁気シールド１２４ａの誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂに垂直な方向の幅ＷＸ１以上とする場合も、同様に、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃの形状異方性を第１磁気シールド１２４ａの形状異方性より大きくできる。よって、この場合も、第１磁気シールド１２４のヒステリシスの影響をさらに抑制できる。

第１磁気シールド１２４ａと第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃとの間隔Ｄ１、Ｄ２は、２μｍ〜４０μｍであることが好ましい。この範囲において、ヒステリシスの影響を特に効果的に抑制できるためである。なお、本実施の形態において、第１磁気シールド１２４ａを挟み込むように２個の第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃを配置しているが、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃのいずれか一方のみを配置しても良い。また、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃに代えて、それぞれ複数の第２磁気シールドを配置しても良い。

本実施の形態に示すような磁気平衡式電流センサにおいては、上述した磁気シールド１２４がキャンセル磁界Ｂに対する磁気ヨークとしても機能する。これにより、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが受けるキャンセル磁界Ｂの磁界強度が大きくなるため、フィードバックコイル１２１に流れる電流が小さくとも、十分な磁界強度のキャンセル磁界Ｂを発生させることが可能である。このように、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサでは消費電力低減の効果も得られる。

図４は、磁気平衡式電流センサの積層構造を示す断面模式図である。図４では、フィードバックコイル１２１、磁気抵抗効果素子１２２ａ、及び磁気シールド１２４を含む断面（図２のＥＥ矢視断面）を示している。なお、図４では、積層構造全体を示すためにフィードバックコイル１２１、磁気抵抗効果素子１２２ａの構成は簡略化しており、配線などの構成の一部は省略している。

図４に示すように、シリコンを含んで構成される基板２１上に絶縁膜である熱シリコン酸化膜２２が形成されている。熱シリコン酸化膜２２上には、アルミニウム酸化膜２３が形成されており、アルミニウム酸化膜２３上に磁気抵抗効果素子１２２ａが設けられている。なお、図４では磁気抵抗効果素子１２２ａを１個のブロックで示しているが、実際には、Ｘ方向に延在する複数の長尺パターンがＹ方向に並列された構成になっている。

磁気抵抗効果素子１２２ａの上方には、ポリイミド膜２４及びシリコン酸化膜２５を介してフィードバックコイル１２１が設けられている。ポリイミド膜２４は、例えば、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。シリコン酸化膜２５は、例えば、スパッタリング、プラズマＣＶＤなどの方法により形成することができる。フィードバックコイル１２１は、例えば、金属等の導電性材料を含む膜を形成した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いるパターン加工によって形成することができる。なお、図４ではフィードバックコイル１２１を１個のブロックで示しているが、実際には、Ｘ方向に延在する複数の配線パターンがＹ方向に並列された構成になっている。

フィードバックコイル１２１を覆うようにポリイミド膜２６が形成されている。ポリイミド膜２６上には、平面視において磁気抵抗効果素子１２２ａと重なる第１磁気シールド１２４ａ、及びＸ方向に離間して設けられた第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃを含む磁気シールド１２４が形成されている。磁気シールド１２４は、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、又は鉄系微結晶材料等の高透磁率材料を用いて形成することができる。ポリイミド膜２６及び磁気シールド１２４上には、シリコン酸化膜２７が形成されている。

図５は、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおけるヒステリシスの影響と、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃを有しない磁気平衡式電流センサにおけるヒステリシスの影響とを比較して示す断面模式図である。図５Ａは、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃを有しない磁気平衡式電流センサの場合を示しており、図５Ｂは、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの場合を示している。

図５Ａに示すように、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃを有しない磁気平衡式電流センサにおいて、第１磁気シールド１２４ａに磁化が残留した場合、当該残留磁化による還流磁界Ｃは、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄに対して直接的に影響を与える。この場合、還流磁界Ｃの影響により磁気平衡式電流センサの電流測定精度は大きく低下する。これに対し、図５Ｂに示すように本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの場合、第１磁気シールド１２４ａの残留磁化による還流磁界Ｃは、第１磁気シールド１２４ａと離間して配置された第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃによって吸収される。このため、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおいて、還流磁界Ｃは、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄに対してほとんど影響を与えない。

このように、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサは、第１磁気シールド１２４ａ、及びこれと離間して設けられた第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃを含んで構成されているため、磁気シールド１２４ａのヒステリシスの影響を緩和することができる。これにより、磁気シールドを用いて磁気平衡式電流センサの電流測定範囲を広くする場合に、電流測定精度が低下せずに済む。

図６は、本実施の形態の効果を確認するために行ったシミュレーションモデルを示す模式図である。図６Ａに示すように、平面視において磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄと重なるように第１磁気シールド１２４ａが配置されている。また、図６Ａ、Ｂに示すように、第１磁気シールドに対して外部磁界の方向（Ｙ方向）に離間する第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃが配置されている。ここでは、３００Ｏｅの外部磁界を想定してシミュレーションを行った。

図７は、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃの有無と磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが受ける実効的な磁界強度との関係について示す特性図である。ここでは、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが受ける実効的な磁界強度を、外部磁界強度に対する実効磁界強度の比α（％）によって評価した。αは、磁気シールド１２４を用いない場合（つまり、第１磁気シールド１２４ａ、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃをいずれも用いない場合）において、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄに生じる抵抗変化ΔＲ／Ｒｍｉｎを基準として、各条件における抵抗変化ΔＲ／Ｒｍｉｎから算出した。

第１磁気シールド１２４ａと磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄとの距離ＤＺ（Ｚ方向の距離）は１３．５μｍとし、第１磁気シールド１２４ａのＹ方向の幅ＷＹ１は２００μｍとした。第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃを有する条件では、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃのＹ方向の幅ＷＹ２、ＷＹ３をそれぞれ１００μｍとし、第１磁気シールド１２４ａと第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃとの間隔Ｄ１、Ｄ２をそれぞれ１０μｍとした。また、第１磁気シールド１２４ａ、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃの厚さＴ１、Ｔ２、Ｔ３は、いずれも１６．５μｍ、又は２５μｍとした。

図７から、厚さＴ１、Ｔ２、Ｔ３が大きくなると、外部磁界強度に対する実効磁界強度の比αは小さくなることが分かる。また、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃを有する場合、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃを有しない場合と比較して、外部磁界強度に対する実効磁界強度の比αは小さくなることが分かる。このことから、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃにより、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが受ける誘導磁界の磁界強度を小さくできることが確認できる。

図８は、第１磁気シールド１２４ａと第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃとの間隔Ｄ１、Ｄ２と、実効的な磁界強度との関係、及び間隔Ｄ１、Ｄ２と、磁気シールド１２４のヒステリシスとの関係について示す特性図である。ここでは、図７の場合と同様に、第１磁気シールド１２４ａと磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄとの距離ＤＺ（Ｚ方向の距離）は１３．５μｍとし、第１磁気シールド１２４ａのＹ方向の幅ＷＹ１は２００μｍとした。また、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃのＹ方向の幅ＷＹ２、ＷＹ３をそれぞれ１００μｍとし、第１磁気シールド１２４ａ、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃの厚さＴ１、Ｔ２、Ｔ３は、いずれも２５μｍとした。

図８から、第１磁気シールド１２４ａと第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃとの間隔Ｄ１、Ｄ２が大きくなると、外部磁界強度に対する実効磁界強度の比αが大きくなることが分かる。これは、間隔Ｄ１、Ｄ２が大きくなることで、第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃによる磁界低減の効果が低下することを意味している。一方で、磁気シールド１２４のヒステリシスは、間隔Ｄ１、Ｄ２が２μｍ〜４０μｍの範囲において十分に小さくなる。ヒステリシスの影響を抑制するという観点からは、第１磁気シールド１２４ａと第２磁気シールド１２４ｂ、１２４ｃとの間隔Ｄ１、Ｄ２を、２μｍ〜４０μｍの範囲にすることが好ましい。

以上のように、本発明の電流センサは、磁気シールドが、第１磁気シールドと、第１磁気シールドから離間して配置された第２磁気シールドとを含んで構成されているため、第１磁気シールドのみで磁気シールドを構成する場合と比較して外部磁界を低減できる。また、第１磁気シールドから離間して配置された第２磁気シールドにより、第１磁気シールドの残留磁化の影響を低減できるため、第１磁気シールドのみで磁気シールドを構成する場合と比較してヒステリシスの影響を抑制できる。これにより、外部磁界を低減し、かつ、ヒステリシスの影響を抑制可能なシールドを備える電流センサが実現できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態において電流センサを構成する膜は、電流センサの機能に影響を与えない範囲において追加、省略が可能である。

本発明の電流センサは、例えば、電気自動車やハイブリッドカーのモータ駆動用の電流の大きさを検知するために用いることが可能である。

１１導体
１２フィードバック回路
２１基板
２２熱シリコン酸化膜
２３アルミニウム酸化膜
２４、２６ポリイミド膜
２５、２７シリコン酸化膜
１２１フィードバックコイル
１２２ａ〜１２２ｄ磁気抵抗効果素子
１２３増幅器
１２４磁気シールド

Claims

電流線を通流する被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気抵抗効果素子と、
前記電流線と前記磁気抵抗効果素子との間に配置された磁気シールドと、を備え、
前記磁気シールドは、前記磁気抵抗効果素子に印加される前記誘導磁界の強度を弱めるように配置された平板状の第１磁気シールドと、前記磁気抵抗効果素子に印加される前記誘導磁界の強度を弱めると共に、前記第１磁気シールドの残留磁化の影響を低減するように前記第１磁気シールドの主表面の面内方向において前記第１磁気シールドから離間して配置された平板状の第２磁気シールドと、を含んで構成されたことを特徴とする電流センサ。
前記磁気抵抗効果素子が検出する誘導磁界を相殺するようにキャンセル磁界を発生させるフィードバックコイルを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記第２磁気シールドは、前記第１磁気シールドから前記誘導磁界の方向に離間して配置されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流センサ。
前記第２磁気シールドの前記誘導磁界の方向に対して垂直な方向の幅は、前記第１磁気シールドの前記誘導磁界の方向に対して垂直な方向の幅以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電流センサ。
前記第２磁気シールドの前記キャンセル磁界に平行な方向の幅は、前記第１磁気シールドの前記キャンセル磁界に平行な方向の幅以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電流センサ。
前記第１磁気シールドと前記第２磁気シールドとの間隔は、２μｍ〜４０μｍであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流センサ。