WO2011043193A1

WO2011043193A1 - 磁気平衡式電流センサ

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Publication number: WO2011043193A1
Application number: PCT/JP2010/066447
Authority: WO
Inventors: 正路斎藤; 彰高橋; 雅博飯塚; 竜矢小暮; 洋介井出; 義弘西山; 健司一戸; 直樹坂詰; 剛野島; 茂信宮島; 秀和小林
Original assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Current assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Priority date: 2009-10-05
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2012-04-05
Also published as: JP5411285B2; US8269492B2; JPWO2011043193A1; US20110080165A1

Abstract

　取り扱う電流値が大きくなっても、高精度に電流値を測定することができる磁気平衡式電流センサを提供すること。本発明の磁気平衡式電流センサは、被測定電流（Ｉ）からの誘導磁界に応じた電圧差によりフィードバックコイル（１２１）に通電して誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル（１２１）に流れる電流に基づいて被測定電流（Ｉ）を測定するものであり、一対のセンサ素子（Ａ，Ｂ）は、被測定電流（Ｉ）から等磁界となる位置に配置され、一方のセンサ素子（Ａ）の磁気抵抗効果素子における固定磁性層の磁化方向が被測定電流（Ｉ）により形成される磁界と順方向に配向され、他方のセンサ素子（Ｂ）の磁気抵抗効果素子における固定磁性層の磁化方向が被測定電流（Ｉ）により形成される磁界と逆方向に配向されていることを特徴とする。

Description

磁気平衡式電流センサ

　本発明は、磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子）を用いた磁気平衡式電流センサに関する。

　電気自動車においては、エンジンで発電した電気を用いてモータを駆動しており、このモータ駆動用の電流の大きさは、例えば電流センサにより検出される。この電流センサとしては、例えば、特許文献１に開示された磁気平衡式電流センサがある。

　この磁気平衡式電流センサにおいては、一次導体に被測定電流が流れると、被測定電流に応じた一次磁界により磁気検出素子に出力電圧が生じ、この磁気検出素子から出力された電圧信号が電流に変換されて二次導体に流れる。この二次導体に流れる電流により発生する磁界（キャンセル磁界）と被測定電流により生じる磁界とが打ち消しあって磁界が常に０になるように動作する。このとき、二次導体に流れる電流を電圧変換させて出力として取り出す。特許文献１において、磁気検出素子としては、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子のような磁気抵抗効果素子が用いられ、磁気抵抗効果素子でブリッジ回路が構成される。また、ブリッジ回路は、特許文献２のように磁気抵抗効果素子と固定抵抗とで構成される場合もある。

特開２００６－１２５９６２号公報特開２００８－５１６２５５号公報

　近年、電気自動車の大出力化・高性能化に伴って、取り扱う電流値が大きくなってきている。このように取り扱う電流値が大きくなると、磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子との間の温度特性の違い（抵抗温度係数の違い）により、測定精度に誤差が生じる恐れがある。

　本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、取り扱う電流値が大きくなっても、高精度に電流値を測定することができる磁気平衡式電流センサを提供することを目的とする。

　本発明の磁気平衡式電流センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化し、固定磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、固定抵抗素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、を有し、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を構成する一対のセンサ素子を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記キャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときの前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記一対のセンサ素子は、前記被測定電流から等磁界となる位置に配置され、一方のセンサ素子の磁気抵抗効果素子における前記固定磁性層の磁化方向が前記被測定電流により形成される磁界と順方向に配向され、他方のセンサ素子の磁気抵抗効果素子における前記固定磁性層の磁化方向が前記被測定電流により形成される磁界と逆方向に配向されていることを特徴とする。

　この構成によれば、一対のセンサ素子を、被測定電流（被測定電流電線の中心）から等磁界となる位置に配置し、一方のセンサ素子の磁気抵抗効果素子における固定磁性層（ピンド層）の磁化方向を被測定電流により形成される磁界と順方向（同方向）に配向し、他方のセンサ素子の磁気抵抗効果素子における固定磁性層（ピンド層）の磁化方向を被測定電流により形成される磁界と逆方向に配向するので、一対のセンサ素子で求められるそれぞれの被測定電流の差分を求めることにより、温度上昇により生じる誤差をキャンセルすることができ、高精度の測定値を得ることができる。

　本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記一方のセンサ素子についての前記フィードバックコイルに流れる電流と前記他方のセンサ素子についての前記フィードバックコイルに流れる電流との間の差分を求める演算手段を備えたことが好ましい。

　本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記誘導磁界を減衰させると共に前記キャンセル磁界をエンハンスする磁気シールドを有し、前記フィードバックコイル、前記磁気シールド及び前記磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなることが好ましい。

　本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記フィードバックコイルが、前記磁気シールドと前記磁界検出ブリッジ回路の間に配置されることが好ましい。

　本発明の磁気平衡式電流センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化し、固定磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、固定抵抗素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、を有し、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を構成する一対のセンサ素子を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記キャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときの前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定するものであって、前記一対のセンサ素子は、前記被測定電流から等磁界となる位置に配置され、一方のセンサ素子の磁気抵抗効果素子における前記固定磁性層の磁化方向が前記被測定電流により形成される磁界と順方向に配向され、他方のセンサ素子の磁気抵抗効果素子における前記固定磁性層の磁化方向が前記被測定電流により形成される磁界と逆方向に配向されているので、取り扱う電流値が大きくなっても、高精度に電流値を測定することができる。

（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサを示す図であり、（ｂ）は、磁気抵抗効果素子であるＧＭＲ素子の拡大図である。図１に示す磁気平衡式電流センサを示す断面図である。（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおけるセンサ素子の配置を示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサを示す回路図である。本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサを測定するための測定条件を説明するための図である。（ａ）は、コイル温度とコイル電流との間の関係を示す図であり、（ｂ），（ｃ）は、コイル電流と被測定電流との間の関係を示す図である。参考例としての磁気平衡式電流センサの構成を示す図である。（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサについての測定出力を示す図であり、（ｂ）は、参考例に係る磁気平衡式電流センサについての測定出力を示す図である。

　以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
　図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサを示す図である。図１（ａ）に示す磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に一対のセンサ素子Ａ，Ｂを配設してなるものである。この磁気平衡式電流センサの一対のセンサ素子Ａ，Ｂは、導体１１に流れる被測定電流Ｉによる誘導磁界を打ち消す磁界（キャンセル磁界）を生じさせるフィードバック回路１２をそれぞれ備えている。また、一方のセンサ素子についてのフィードバックコイルに流れる電流と他方のセンサ素子についてのフィードバックコイルに流れる電流との間の差分を求める演算部１３を含む。

　このフィードバック回路１２は、被測定電流Ｉによって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されたフィードバックコイル１２１と、磁気検出素子である２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂ及び２つの固定抵抗素子１２３ａ，１２３ｂと、２つの出力を増幅する増幅器１２４と、を有する。また、フィードバック回路１２’は、被測定電流Ｉによって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されたフィードバックコイル１２１’と、磁気検出素子である２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ’，１２２ｂ’及び２つの固定抵抗素子１２３ａ’，１２３ｂ’と、２つの出力を増幅する増幅器１２４’と、を有する。

　フィードバックコイル１２１，１２１’は平面コイルで構成されている。この構成においては、磁気コアを有しないので、低コストでフィードバックコイルを作製することができる。また、トロイダルコイルの場合に比べて、フィードバックコイルから生じるキャンセル磁界が広範囲に拡がることを防止でき、周辺回路に影響を与えることを回避できる。さらに、トロイダルコイルの場合に比べて、被測定電流が交流の場合に、フィードバックコイルによるキャンセル磁界の制御が容易であり、制御のために流す電流もそれほど大きくならない。これらの効果については、被測定電流が交流で高周波になるほど大きくなる。フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成する場合において、平面コイルの形成面と平行な面内で誘導磁界とキャンセル磁界の両方が生じるように平面コイルが設けられていることが好ましい。

　磁気抵抗効果素子１２２，１２２’は、被測定電流Ｉからの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する。センサ素子Ａにおいては、２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂは、２つの固定抵抗素子１２３ａ，１２３ｂと共に磁界検出ブリッジ回路を構成している。センサ素子Ｂにおいては、２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ’，１２２ｂ’は、２つの固定抵抗素子１２３ａ’，１２３ｂ’と共に磁界検出ブリッジ回路を構成している。このように磁気抵抗効果素子を有する磁界検出ブリッジ回路を用いることにより、高感度の磁気平衡式電流センサを実現することができる。

　磁気抵抗効果素子１２２，１２２’としては、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）などを用いることができる。例えば、ＧＭＲ素子として、反強磁性層、固定磁性層（ピンド層）、非磁性層、フリー磁性層を有する多層膜で構成されるスピンバルブ型ＧＭＲ素子や反強磁性層、固定磁性層（ピンド層）、非磁性層、フリー磁性層を有する多層膜で構成されるスピンバルブ型ＴＭＲ素子を用いることができる。

　スピンバルブ型ＧＭＲ素子としては、図１（ｂ）に示すようなミアンダ形状を有するＧＭＲ素子であることが好ましい。この場合において、リニアリティを考慮すると、長手方向が誘導磁界の方向及びキャンセル磁界の方向に対して共に垂直になる（長手方向がピンド（Ｐｉｎ）方向と直交する）ことが望ましい。このようなミアンダ形状にすることにより、ホール素子よりも少ない端子数（２端子）で磁気抵抗効果素子の出力を採ることができる。

　図２は、図１に示す磁気平衡式電流センサを示す断面図である。図２は、センサ素子Ａのみについて図示しているが、センサ素子Ｂも同様の構成である。図２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においては、フィードバックコイル１２１、磁気シールド３０及び磁界検出ブリッジ回路が同一基板２１上に形成されている。図２に示す構成においては、フィードバックコイル１２１が、磁気シールド３０と磁界検出ブリッジ回路の間に配置され、磁気シールド３０が被測定電流Ｉに近い側に配置されている。すなわち、導体１１に近い側から磁気シールド３０、フィードバックコイル１２１、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂの順に配置する。これにより、被測定電流Ｉから磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界を小さくすることができる。また、磁気シールド３０により被測定電流Ｉから磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界を小さくすることで、フィードバックコイル１２１からのキャンセル磁界を小さくすることができる。

　図２に示す層構成について詳細に説明する。図２に示す磁気平衡式電流センサにおいては、基板２１上に絶縁層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が形成されている。アルミニウム酸化膜２３は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。また、基板２１としては、シリコン基板などが用いられる。

　アルミニウム酸化膜２３上には、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂが形成されている。このとき、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂと共に固定抵抗素子１２３ａ，１２３ｂも設けられ、磁界検出ブリッジ回路が作り込まれる。

　また、アルミニウム酸化膜２３上には、電極２４が形成されている。電極２４は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。

　磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂ及び電極２４を形成したアルミニウム酸化膜２３上には、絶縁層としてポリイミド層２５が形成されている。ポリイミド層２５は、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。

　ポリイミド層２５上には、シリコン酸化膜２７が形成されている。シリコン酸化膜２７は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。

　シリコン酸化膜２７上には、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は、コイル材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。あるいは、フィードバックコイル１２１は、下地材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。

　また、シリコン酸化膜２７上には、フィードバックコイル１２１の近傍にコイル電極２８が形成されている。コイル電極２８は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。

　フィードバックコイル１２１及びコイル電極２８を形成したシリコン酸化膜２７上には、絶縁層としてポリイミド層２９が形成されている。ポリイミド層２９は、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。

　ポリイミド層２９上には、磁気シールド３０が形成されている。磁気シールド３０を構成する材料としては、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ることができる。

　ポリイミド層２９上には、シリコン酸化膜３１が形成されている。シリコン酸化膜３１は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。ポリイミド層２９及びシリコン酸化膜３１の所定の領域（コイル電極２８の領域及び電極２４の領域）にコンタクトホールが形成され、そのコンタクトホールに電極パッド３２，２６がそれぞれ形成されている。コンタクトホールの形成には、フォトリソグラフィ及びエッチングなどが用いられる。電極パッド３２，２６は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。

　本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、図２に示すように、フィードバックコイル１２１に隣接して磁気シールド３０を有する。磁気シールド３０は、被測定電流Ｉから生じ磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂに印加される誘導磁界を減衰させる（磁気抵抗効果素子においては誘導磁界Ｃの方向とキャンセル磁界Ｄの方向が逆方向）と共に、フィードバックコイル１２１からのキャンセル磁界Ｄをエンハンスする（磁気シールドにおいては誘導磁界Ｃの方向とキャンセル磁界Ｄの方向が同方向）ことができる。したがって、磁気シールド３０が磁気ヨークとして機能するため、フィードバックコイル１２１に流す電流を小さくすることができ、省電力化を図ることができる。また、この磁気シールド３０により、外部磁界の影響を低減させることができる。また、上記構成を有する磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル１２１、磁気シールド３０及び磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなるので、小型化を図ることができる。さらに、この磁気平衡式電流センサは、磁気コアを有しない構成であるので、小型化、低コスト化を図ることができる。

　図１（ａ）においては、導体１１として断面円形の導体を用いた場合について説明しているが、本発明は、断面が矩形状の導体を用いた場合にも同様に適用することができる。また、図１（ａ）においては、センサ素子において２つの磁気抵抗効果素子と２つの固定抵抗素子で磁気検出ブリッジ回路を構成する場合について説明しているが、本発明は、センサ素子において１つの磁気抵抗効果素子と３つの固定抵抗素子で磁気検出ブリッジ回路を構成する場合にも同様に適用することができる。

　本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、一方のセンサ素子の磁気抵抗効果素子における固定磁性層の磁化方向が被測定電流により形成される磁界と順方向に配向され、他方のセンサ素子の磁気抵抗効果素子における固定磁性層の磁化方向が被測定電流により形成される磁界と逆方向に配向されている。すなわち、図３（ａ），（ｂ）に示すように、センサ素子Ａの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂにおける固定磁性層（ピンド層）の磁化方向が被測定電流Ｉにより形成される磁界と逆方向に配向され、センサ素子Ｂの磁気抵抗効果素子１２２ａ’，１２２ｂ’における固定磁性層（ピンド層）の磁化方向が被測定電流Ｉにより形成される磁界と同方向に配向されている。

　一対のセンサ素子Ａ，Ｂが配置される位置は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、被測定電流Ｉ（被測定電流電線の中心）から等しい磁界強度となる位置であれば特に制限はない。このような配置にすることにより、センサ素子Ａ，Ｂでの出力に含まれる温度に起因する誤差（ノイズ）をキャンセルすることができる。

　ここで、本発明の原理について説明する。
　図５に示すように、被測定電流Ｉが流れる導体１１（被測定電流Ｉ）を中心に対称な位置に一対のセンサ素子Ａ，Ｂを配設して（図３（ｂ）に示す配置）、本発明に係る磁気平衡式電流センサを作製した。このとき、導体１１の長さを２５ｍｍとし、厚さを３ｍｍとした。一対のセンサ素子Ａ，Ｂは、導体１１の長さ方向の中央で、０．６ｍｍ離れた位置に配設した。また、センサ素子Ａ，Ｂはそれぞれ、図４に示すように、約８．５ｋΩである１つのＧＭＲ素子１４１と、約８．５ｋΩである３つの固定抵抗素子１４２ａ～１４２ｃとで構成されている。また、それぞれのフィードバックコイル１２１，１２１’は１６ターンで６５Ωとした。

　図５に示す構成において、導体１１に被測定電流Ｉを流して検出電流を求めた。フィードバックコイル１２１に流れる測定電流の増加により上昇するフィードバックコイル１２１の温度は、図６（ａ）に示すようになる。このような関係において、被測定電流Ｉが７０Ａである場合の誤差を求めると、図６（ｂ）の上側の直線に示すようになる。センサ素子Ａの場合、発熱が少ない領域で引いた直線（Ｘ)から被測定電流Ｉが７０Ａのときの本来の検出電流は２７．２ｍＡであるが、実測値は２４．６ｍＡであり、誤差を求めると９．６％であった。

　このように誤差が生じるのは次の理由による。すなわち、センサ素子Ａにおいて、被測定電流が増加すると測定電流（Ｉcoil）が増加して、Ｉcoilによりフィードバックコイル１２１が発熱する。このフィードバックコイル１２１の発熱により、ＧＭＲ１４１と固定抵抗１４２ａ～１４２ｃの温度が上昇する。ここで使用したＧＭＲ素子１４１と固定抵抗１４２ａ～１４２ｃは、ＴＣＲ（Temperature Coefficient Resistivity）で固定抵抗＞ＧＭＲ素子の関係であるので、温度が高くなると、図３（ｂ）におけるセンサ素子Ａの出力１の出力が小さくなる。そして、図３（ｂ）におけるセンサ素子Ａの出力２の出力は、固定抵抗だけであるので温度が上がっても変化しない。

　一方、被測定電流Ｉによる磁界は、測定電流（Ｉcoil）が大きくなると、ＧＭＲ素子１４１の抵抗を大きくし、出力１を大きくする方に働くが、前述による温度上昇分の出力分が小さくなる。そして、Ｉcoilは出力１と出力２との間の差をなくすように流れるが、温度上昇がない状態より出力差は小さくなり、Ｉcoilの値は温度上昇がない状態より小さくなる。

　図５に示す構成において、導体１１に被測定電流Ｉを流して検出電流を求めた。フィードバックコイル１２１’に流れる測定電流の増加により上昇するフィードバックコイル１２１’の温度は、図６（ａ）に示すようになる。このような関係において、被測定電流Ｉが７０Ａである場合の誤差を求めると、図６（ｂ）の下側の直線に示すようになる。センサ素子Ａの場合、発熱が少ない領域で引いた直線（Ｙ)から被測定電流Ｉが７０Ａのときの本来の検出電流は２９．７ｍＡであるが、実測値は３３．０ｍＡであり、誤差を求めると１１．１％であった。

　このように誤差が生じるのは次の理由による。すなわち、センサ素子Ｂにおいて、被測定電流が増加すると測定電流（Ｉcoil）が増加して、Ｉcoilによりフィードバックコイル１２１’が発熱する。このフィードバックコイル１２１’の発熱により、ＧＭＲ１４１’と固定抵抗１４２ａ～１４２ｃの温度が上昇する。ここで使用したＧＭＲ素子１４１’と固定抵抗１４２ａ～１４２ｃは、ＴＣＲ（抵抗の温度変化率）で固定抵抗＞ＧＭＲ素子の関係であるので、温度が高くなると、図３（ｂ）におけるセンサ素子Ａの出力１の出力が小さくなる。そして、図３（ｂ）におけるセンサ素子Ａの出力２の出力は、固定抵抗だけであるので温度が上がっても変化しない。

　一方、被測定電流Ｉによる磁界は、測定電流（Ｉcoil）が大きくなると、ＧＭＲ素子１４１’の抵抗を小さくし、出力１を小さくする方に働くが、前述による温度上昇分の出力分がさらに小さくなる。そして、Ｉcoilは出力１と出力２との間の差をなくすように流れるが、温度上昇がない状態より出力差は大きくなり、Ｉcoilの値は温度上昇がない状態より大きくなる。

　図６（ｃ）は、センサ素子Ａ，Ｂの差動をとった場合の出力を示したものである。この関係において、被測定電流Ｉが７０Ａであるときの誤差を求める。被測定電流Ｉが７０Ａのときの回帰直線から求めた検出電流は５７．４ｍＡであり、実測値は５７．６ｍＡであり、誤差は０．３５％であった。このように、一対のセンサ素子Ａ，Ｂを、被測定電流Ｉ（被測定電流電線の中心）から等しい磁界強度となる位置に配置し、センサ素子Ａの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂにおける固定磁性層（ピンド層）の磁化方向を被測定電流Ｉにより形成される磁界と順方向（同方向）に配向し、センサ素子Ｂの磁気抵抗効果素子１２２ａ’，１２２ｂ’における固定磁性層（ピンド層）の磁化方向を被測定電流Ｉにより形成される磁界と逆方向に配向することにより、温度上昇に伴う出力誤差が１％以下になり、取り扱う電流値が大きくなっても、高精度に電流値を測定することができる。

　この磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。図１（ａ）に示すセンサ素子Ａの磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２２ｂと固定抵抗素子１２３ａとの間の接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１２２ａと固定抵抗素子１２３ｂとの間の接続点にグランド（ＧＮＤ）が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２２ａと固定抵抗素子１２３ａとの間の接続点から一つの出力を取り出し、磁気抵抗効果素子１２２ｂと固定抵抗素子１２３ｂとの間の接続点からもう一つの出力を取り出している。これらの２つの出力は増幅器１２４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。このフィードバック電流は、誘導磁界に応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１２１には、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル１２１に流れる電流に基づいて検出部（検出抵抗Ｒ）で被測定電流を測定する。

　図１（ａ）に示すセンサ素子Ｂの磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２２ｂ’と固定抵抗素子１２３ａ’との間の接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１２２ａ’と固定抵抗素子１２３ｂ’との間の接続点にグランド（ＧＮＤ）が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２２ａ’と固定抵抗素子１２３ａ’との間の接続点から一つの出力を取り出し、磁気抵抗効果素子１２２ｂ’と固定抵抗素子１２３ｂ’との間の接続点からもう一つの出力を取り出している。これらの２つの出力は増幅器１２４’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。このフィードバック電流は、誘導磁界に応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１２１’には、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル１２１’に流れる電流に基づいて検出部（検出抵抗Ｒ’）で被測定電流を測定する。

　上記検出抵抗Ｒから求められる被測定電流と検出抵抗Ｒ’から求められる被測定電流とを用いて演算部１３で差分を求め、これを被測定電流とする。これにより、温度上昇により生じる誤差をキャンセルすることができ、高精度の測定値を得ることができる。

　このような構成を有する磁気平衡式電流センサにおいては、図１（ａ）に示すように、被測定電流Ｉから発生した誘導磁界を、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂで受け、その誘導磁界をフィードバックしてフィードバックコイル１２１からキャンセル磁界を発生し、２つの磁界（誘導磁界、キャンセル磁界）を相殺して磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂに印加する磁場が零になるように適宜調整する。

　次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
　被測定電流Ｉが流れる導体１１（被測定電流Ｉ）を中心に対称な位置に一対のセンサ素子Ａ，Ｂを配設して（図３（ｂ）に示す配置）、本発明に係る磁気平衡式電流センサを作製した。このような構成において、被測定電流を－７０Ａ～７０Ａまで変えたときのフィードバックコイル電流（測定電流（Ｉcoil））を調べた。その結果を図８（ａ）に示す。

　比較として、図７に示すように、被測定電流Ｉが流れる導体１１（被測定電流Ｉ）近傍に一つのセンサ素子を配設して磁気平衡式電流センサを作製した。この構成において、被測定電流を－７０Ａ～７０Ａまで変えたときのフィードバックコイル電流（測定電流（Ｉcoil））を調べた。その結果を図８（ｂ）に示す。

　図８（ａ）から分かるように、本発明に係る磁気平衡式電流センサにおいては、フィードバックコイル電流と被測定電流との間の線形性が高く、被測定電流が大きくなって温度上昇があっても、高精度に被測定電流を測定できる。これは、一対のセンサ素子により、温度上昇に起因する誤差がキャンセルできたためであると考えられる。一方、センサ素子が一つである磁気平衡式電流センサにおいては、フィードバックコイル電流と被測定電流との間の線形性が低かった。これは、一つのセンサ素子のため、温度上昇に起因する誤差がキャンセルできなかったためであると考えられる。

　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は、センサ素子を一対で用いる場合について説明しているが、本発明はこれに限定されず、センサ素子を複数対で用いる場合にも同様に適用することができる。また、上記実施の形態における材料、各層の配置位置、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。上記実施の形態においては、被測定電流７０Ａまでの測定について説明しているが、本発明においては、導体の中心からの距離を離すことにより、さらに大きな被測定電流を検出することが可能となる。

　本発明は、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。

　本出願は、２００９年１０月５日出願の特願２００９-２３１６３３に基づく。この内容は全てここに含めておく。

Claims

　被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化し、固定磁性層を有する磁気抵抗効果素子と、固定抵抗素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、を有し、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を構成する一対のセンサ素子を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記キャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときの前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記一対のセンサ素子は、前記被測定電流から等磁界となる位置に配置され、一方のセンサ素子の磁気抵抗効果素子における前記固定磁性層の磁化方向が前記被測定電流により形成される磁界と順方向に配向され、他方のセンサ素子の磁気抵抗効果素子における前記固定磁性層の磁化方向が前記被測定電流により形成される磁界と逆方向に配向されていることを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
　前記一方のセンサ素子についての前記フィードバックコイルに流れる電流と前記他方のセンサ素子についての前記フィードバックコイルに流れる電流との間の差分を求める演算手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気平衡式電流センサ。
　前記誘導磁界を減衰させると共に前記キャンセル磁界をエンハンスする磁気シールドを有し、前記フィードバックコイル、前記磁気シールド及び前記磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の磁気平衡式電流センサ。
　前記フィードバックコイルが、前記磁気シールドと前記磁界検出ブリッジ回路の間に配置されることを特徴とする請求項３記載の磁気平衡式電流センサ。