JP2012093267A

JP2012093267A - 電流検出装置

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Publication number: JP2012093267A
Application number: JP2010241643A
Authority: JP
Inventors: Masanori Samejima; 正憲鮫島; Sumio Maekawa; 澄夫前川; Nobuo Fuse; 伸夫布施
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-05-17

Abstract

【課題】本発明は、外乱磁界の中でも微小電流を感度よく測定することができる電流検出装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明は導体に流れる電流を検出する電流検出装置であって、ブリッジを構成するように接続した４つの磁気抵抗エレメント２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの磁気検出方向を互いに平行に配置するとともに、前記各磁気抵抗エレメントの直上または直下をつづら折りに折り返す導体エレメント２５ａ、２５ｂを直列に接続して被測定電流を導通させることにより、各導体エレメントの周りに強い磁界を発生させるとともに、外乱磁界によるオフセット電圧を発生させないようにすることができ、これにより、外乱磁界の中でも微小電流による微小な磁界を正確に検出することができるという優れた効果を奏する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子機器等に搭載され、電流の監視や制御のために使用される電流検出装置、特に回路基板等に流れる微小な電流を検出するための電流検出装置に関するものである。

近年、電子機器の小形化とともに、低消費電力化、低電流化が強く要望されるに伴い、より小形で高感度の電流検出装置が求められるようになっている。図３(ａ)は磁気抵抗素子を用いた従来の電流検出装置の斜視図である。図３(ａ)において、１は被測定電流を流す電流通過導体、２はこの電流通過導体１に電流を流すことにより発生した磁界を検出する磁気抵抗素子、３は磁気抵抗素子２にバイアス磁界を加えるために取り付けた磁石、４は磁気抵抗素子２を動作させるための定電流源、５は差動増幅器、６は出力端子である。図３（ｂ）は前記磁気抵抗素子の平面図である。前記磁気抵抗素子２は、絶縁基板２ａ上にＮｉＦｅやＮｉＣｏ薄膜等を蒸着した後、フォトリソ工程を経て折り返し状のパターンを形成することにより構成されている。すなわち、図３（ｂ）のようにほぼ同じ抵抗値からなる４個のエレメント７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを相互に接続してブリッジ回路を形成したもので、各エレメント７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの接続点から基板周辺の４個の電極８ａ〜８ｄに対して取り出し用の配線も同時に形成する。これら４個の電極のうち第１と第２のエレメント７ａ、７ｂの接続点につながる電極８ｂおよび第３と第４のエレメント７ｃ、７ｄの接続点につながる電極８ｃは磁気抵抗素子２の出力端子であり、また残りの２つの接続点につながる電極８ａ、８ｄは磁気抵抗素子２に駆動電流を供給する定電流源４に接続される。ここで、各エレメント７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、第１のエレメント７ａとそれに接続される第２、第３のエレメント７ｂ、７ｃに流れる電流の方向は互いにほぼ９０°の角度を持つとともに、第１のエレメント７ａとその対角の位置にある第４のエレメント７ｄの電流方向は同じ向きで、かつ全てのエレメントの電流方向がバイアス磁界に対しほぼ４５°になるように形成している。ここで、バイアス磁界は磁気抵抗素子２の全てのエレメント７ａ〜７ｄにほぼ均等に加わるように設定されている。また、磁気抵抗素子２の各エレメントの磁気検出方向は前記絶縁基板２ａ内で各エレメントに流れる電流に垂直な方向となるため、この磁気検出方向に印加される磁界が増減するに伴い、各エレメント７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの抵抗は変化することになる。電流通過導体１は磁気抵抗素子２の絶縁基板面に平行でかつ磁気抵抗素子２のほぼ中央線上を通り、前記バイアス磁界に沿って電流が流れるような方向に配設している。

電流通過導体１に被測定電流Ｉが流れていない場合、前記のように各エレメント７ａ〜７ｄにはこれらのエレメントに流れる電流方向とほぼ４５°をなし、ほぼ均等なバイアス磁界が印加されているため、各エレメント７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの抵抗の減少分はほぼ一定となるから、ブリッジ回路は平衡して差動増幅器５の出力端子６には出力電圧が現れない。次に、電流通過導体１に被測定電流Ｉがバイアス磁界と同一方向に流れた場合、各エレメント７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄには前記バイアス磁界に直交する方向に被測定電流Ｉによる誘起磁界が印加されるため、第１と第４のエレメント７ａ、７ｄの磁気検出方向に印加される磁界は減少するのに対して、第２と第３のエレメント７ｂ、７ｃの磁気検出方向に印加される磁界は増加する。これにより、第１と第４のエレメント７ａ、７ｄの抵抗は増加し、第２と第３のエレメント７ｂ、７ｃの抵抗は減少するために、ブリッジ回路の平衡が破れて差動増幅器５の出力端子６に現れる出力電圧から被測定電流Ｉの大きさが検出されるものである。この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開平５−２２３８４８号公報

しかしながら、図３に示した従来の電流検出装置においては、磁気検出素子の感度が低く、特に回路基板等に近接させて配置しても信号線路に流れるｍＡオーダーまたはそれ以下の微小な電流を検出することはきわめて困難であった。また、このような微小な電流を検出する場合には、被測定電流による磁界に対して外乱磁界が非常に大きくなるため、単に感度が高いだけでなく、外乱磁界を正確に分離して被測定電流による微小磁界のみを検出できるものでなければならない。しかしながら、図３に示した従来の電流検出装置においては、地磁気等の外乱磁界が印加されるとオフセット電圧が発生し、微小な電流の測定が困難になるという問題点があった。すなわち、図３（ｂ）において、たとえば電流通過導体１に被測定電流Ｉが流れていない状態で第１のエレメント７ａに流れる駆動電流の向きに垂直な平行な方向を持つ外乱磁界が全てのエレメント７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄにほぼ均等に加わったような場合には、第１と第４のエレメント７ａ、７ｄの磁気検出方向にはバイアス磁界とこの外乱磁界が印加されるのに対して、第２と第３のエレメント７ｂ、７ｃの磁気検出方向にはバイアス磁界のみが印加されることになる。これにより、第１と第４のエレメント７ａ、７ｄの抵抗値と第２と第３のエレメント７ｂ、７ｃの抵抗値とに差異が生ずるために、ブリッジ回路の平衡が破れて被測定電流Ｉが流れていないにもかかわらず差動増幅器５の出力端子６には出力電圧（オフセット電圧）が現れることになる。そして、このオフセット電圧によりｍＡオーダーまたはそれ以下の微小な電流を検出することが実質的に不可能になってしまうという問題点があった。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、外乱磁界の中でも微小電流による微小な磁界を正確に検出することができる電流検出装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、絶縁基板上に形成され磁気抵抗効果を有する短冊状の磁性薄膜をつづら折りに複数回折り返した第１、第２、第３、第４の磁気抵抗エレメントをブリッジを構成するように接続した磁気抵抗素子と、前記絶縁基板上に配設され前記各磁気抵抗エレメントの磁気検出方向に平行なバイアス磁界成分を与えるように前記磁気抵抗素子に近接させて設けた磁界発生手段と、絶縁層を介して前記第１の磁気抵抗エレメントの直上または直下と、第２の磁気抵抗エレメントの直上または直下との間を交互につづら折りに折り返す第１の導体エレメントと、絶縁層を介して前記第３の磁気抵抗エレメントの直上または直下と、第４の磁気抵抗エレメントの直上または直下との間を交互につづら折りに折り返す第２の導体エレメントとを直列に接続してなり、被測定電流を通電する導体とを有し、前記第１の磁気抵抗エレメントと前記第４の磁気抵抗エレメントとの結合部と、前記第２の磁気抵抗エレメントと前記第３の磁気抵抗エレメントとの結合部間に前記各磁気抵抗エレメントを駆動する電源を接続し、前記第１の磁気抵抗エレメントと前記第２の磁気抵抗エレメントとの結合部と、前記第３の磁気抵抗エレメントと前記第４の磁気抵抗エレメントとの結合部との間の電位差を検出する検出手段を接続し、前記各磁気抵抗エレメントはその駆動電流の方向が互いに平行になるよう配置されるとともに、前記各磁気抵抗エレメントの磁気検出方向は前記絶縁基板内でその駆動電流の方向に垂直な方向になるように配置され、前記第１の磁気抵抗エレメントの直上または直下と前記第３の磁気抵抗エレメントとの直上または直下を流れる被測定電流の方向と、前記第２の磁気抵抗エレメントの直上または直下と前記第４の磁気抵抗エレメントの直上または直下を流れる被測定電流との方向とを互いに逆方向にするように構成したもので、この構成によれば、絶縁層を介して前記第１の磁気抵抗エレメントの直上または直下と、絶縁層を介して前記第２の磁気抵抗エレメントの直上または直下とをつづら折りに折り返す第１の導体エレメントと、絶縁層を介して前記第３の磁気抵抗エレメントの直上または直下と、絶縁層を介して前記第４の磁気抵抗エレメントの直上または直下とをつづら折りに折り返す第２の導体エレメントとが直列に接続されてなる導体に被測定電流を通電するために、導体に流れる電流が微小であっても各導体エレメントの電流密度は大きくなり、各導体エレメントの周りに強い磁界が発生するため各磁界抵抗エレメントの抵抗が大きく変化することにより被測定電流に比例する大きな出力電圧が得られることになる。また、前記第１、第２、第３、第４の磁気抵抗エレメントの磁気検出方向が互いに平行になるように配置されているため、地磁気等のほぼ一様な外乱磁界がこれらの磁気エレメントに加えられてもオフセット電圧が発生することがない。これにより、外乱磁界の中でも微小電流による微小な磁界を正確に検出することができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明は、絶縁基板上に形成され磁気抵抗効果を有する短冊状の磁性薄膜をつづら折りに複数回折り返した第１、第２、第３、第４の磁気抵抗エレメントをブリッジを構成するように接続した磁気抵抗素子と、前記絶縁基板上に配設され前記各磁気抵抗エレメントの磁気検出方向に平行なバイアス磁界成分を与えるように前記磁気抵抗素子に近接させて設けた磁界発生手段と、絶縁層を介して前記第１の磁気抵抗エレメントの直上または直下と、第２の磁気抵抗エレメントの直上または直下との間を交互につづら折りに折り返す第１の導体エレメントと、絶縁層を介して前記第３の磁気抵抗エレメントの直上または直下と、第４の磁気抵抗エレメントの直上または直下との間を交互につづら折りに折り返す第２の導体エレメントとを直列に接続してなり、被測定電流を通電する導体とを有し、前記第１の磁気抵抗エレメントと前記第４の磁気抵抗エレメントとの結合部と、前記第２の磁気抵抗エレメントと前記第３の磁気抵抗エレメントとの結合部間に前記各磁気抵抗エレメントを駆動する電源を接続し、前記第１の磁気抵抗エレメントと前記第２の磁気抵抗エレメントとの結合部と、前記第３の磁気抵抗エレメントと前記第４の磁気抵抗エレメントとの結合部との間の電位差を検出する検出手段を接続し、前記各磁気抵抗エレメントはその駆動電流の方向が互いに平行になるよう配置されるとともに、前記各磁気抵抗エレメントの磁気検出方向は前記絶縁基板内でその駆動電流の方向に垂直な方向になるように配置され、前記第１の磁気抵抗エレメントの直上または直下と前記第３の磁気抵抗エレメントとの直上または直下を流れる被測定電流の方向と、前記第２の磁気抵抗エレメントの直上または直下と前記第４の磁気抵抗エレメントの直上または直下を流れる被測定電流との方向とを互いに逆方向にするように構成したもので、導体に流れる電流が微小であっても被測定電流に比例する大きな出力電圧が得られるとともに、地磁気等のほぼ一様な外乱磁界がこれらの磁気エレメントに加えられてもオフセット電圧が発生することがないという優れた効果を奏するものである。

本発明の実施の形態における電流検出装置の構成を示す模式断面図同電流検出装置の模式平面図（ａ）従来の電流検出装置の斜視図、（ｂ）同電流検出装置で用いられる磁気抵抗素子の平面図

以下、実施の形態を用いて、本発明の請求項１に記載の発明について説明する。図１は本発明の実施の形態における電流検出装置２１の構成を示す模式断面図、図２はこの電流検出装置２１の模式平面図である。図１において、電流検出装置２１はアルミナ、ガラス、シリコン等の絶縁基板２２と、該絶縁基板２２上に形成した磁気抵抗効果を有する短冊状の磁性薄膜からなる磁気抵抗素子２３と、第１の絶縁薄膜２４ａを介して前記磁気抵抗エレメント２３の直上に形成した被測定電流を通電する導体２５と、第２の絶縁膜２４ｂを介して前記導体２５上に形成した磁界発生手段２６とからなる。

図２において、実線で示す磁気抵抗素子２３は前記絶縁基板２２上に設けられた第１の端子３０ａと第２の端子３０ｂとの間に形成された第１の磁気抵抗エレメント２３ａと、第２の端子３０ｂと第３の端子３０ｃとの間に形成された第２の磁気抵抗エレメント２３ｂと、第３の端子３０ｃと第４の端子３０ｄとの間に形成された磁気抵抗エレメント２３ｃと、第４の端子３０ｄと第１の端子３０ａとの間に形成された磁気抵抗エレメント２３ｄとからなるブリッジを形成し、これらの磁気抵抗エレメント２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄはＮｉＦｅ、ＮｉＣｏ等の強磁性体からなる幅約４０μｍ、厚み約５００Å、長さ約１ｍｍの磁性抵抗薄膜をつづら折りに複数回折り返して構成されている。前記第１の端子３０ａと、第３の端子３０ｃとの間には前記各磁気抵抗エレメント２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを駆動する電源３１が接続され、前記第２の端子３０ｂと、第４の端子３０ｄとの間にはこれらの端子間の電位差を検出して出力端子３２に出力する検出手段である差動増幅器３３が接続されている。そして、前記各磁気抵抗エレメント２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄはその駆動電流の方向が互いに平行になるよう配置されるとともに、前記各磁気抵抗エレメント２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの磁気検出方向は前記絶縁基板２２内でその駆動電流の方向に垂直な方向になるように配置されている。

また、点線で示す導体２５はＣｕ、Ａｇ等からなり、厚みが約１μｍのＳｉＯ₂薄膜等からなる絶縁層２４ａを介して前記第１の磁気抵抗エレメント２３ａの直上と、前記第２の磁気抵抗エレメント２３ｂの直上との間を交互につづら折りに折り返す第１の導体エレメント２５ａと、前記第４の磁気抵抗エレメント２３ｄの直上と、前記第３の磁気抵抗エレメント２３ｃの直上を交互につづら折りに折り返す第２の導体エレメント２５ｂとからなる。そして、前記第１の導体エレメント２５ａの一端４０ａと前記第２の導体エレメント２５ｂの一端４１ａはビア、引き出し線（図示せず）により接続され、これら２つの導体エレメント２５ａ、２５ｂが直列に接続される。さらに、前記第１の導体エレメント２５ａの他端４０ｂと、前記第２の導体エレメント２５ｂの他端４１ｂとはビア、引き出し線（図示せず）により各々第５、第６の端子４２、４３に接続される。そして、前記第５、第６の端子４２、４３間に被測定電流を通電した時、前記第１の磁気抵抗エレメント２３ａと前記第３の磁気抵抗エレメント２３ｃとの直上を流れる被測定電流の方向と、前記第２の磁気抵抗エレメント２３ｂと前記第４の磁気抵抗エレメント２３ｄとの直上を流れる被測定電流との方向とが互いに逆方向になるようにしている。

また、一点鎖線で示す磁界発生手段２６はＣｏＰｔ等からなる薄膜磁石やプラスチックマグネットであり、厚みが約１μｍのＳｉＯ₂薄膜等からなる絶縁層２４ｂを介して前記各磁気抵抗エレメント２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄにバイアス磁界Ｈ_Bを与えている。

図２において、ＸＹＺ座標系を図のようにとって本発明の実施の形態における電流検出装置の動作を説明する。回路基板内における所望の電流測定箇所に本発明の実施の形態における電流検出装置２１の第５、第６の端子４２、４３を半田付け等の手段で接続する。

前記第５の端子４２から導体２５を介して第６の端子４３に流れる被測定電流が零の時、前記磁界発生手段２６からのバイアス磁界Ｈ_Bのみが磁気抵抗エレメント２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに対して一定の角度（４５度）をなすように印加されるため、このバイアス磁界Ｈ_Bの磁気抵抗エレメント２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの磁気検出方向（Ｙ軸方向）成分により磁気抵抗エレメント２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの抵抗値は一様に低下するため実質的に同一の抵抗値となるため、ブリッジは平衡し、第２の端子３０ｂと第４の端子３０ｄは同電位となり、差動増幅器３３の出力端子３２には出力信号は現れないことになる。

前記第５の端子４２から導体２５を介して第６の端子４３に被測定電流が流れると、この被測定電流は前記第１の導体エレメント２５ａを通り第１の磁気抵抗エレメント２３ａの直上と第２の磁気抵抗エレメント２３ｂの直上とを交互につづら折りに折り返して流れた後、前記第２の導体エレメント２５ｂを通り第４の磁気抵抗エレメント２３ｄの直上と第３の磁気抵抗エレメント２３ｃの直上とを交互につづら折りに折り返して流れる。被測定電流が微小であっても導体エレメント２５ａ、２５ｂの幅寸法は磁気抵抗素子エレメントの幅寸法（約４０μｍ）と同程度としているため、電流密度が大きくなり、各導体エレメントの周りに強い誘起磁界が発生し各磁気抵抗エレメントの抵抗が大きく変化する。また、前記第１の磁気抵抗エレメント２３ａの直上を流れる電流と前記第３の磁気抵抗エレメント２３ｃの直上を流れる電流の方向（−Ｘ方向）は前記第２の磁気抵抗エレメント２３ｂの直上を流れる電流と前記第４の磁気抵抗エレメント２３ｄの直上を流れる電流の方向（＋Ｘ方向）は逆方向となる。これにより、磁気抵抗エレメント２３ａ、２３ｃの抵抗値が低下するとともに、磁気抵抗エレメント２３ｂ、２３ｄの抵抗値が増大する。このため、ブリッジの平衡が破れ、第２の端子３０ｂと第４の端子３０ｄとの間に電位差が発生する。この電位差は差動増幅器３３で増幅されて出力端子３２に出力信号が現れることになる。

次に、本発明の実施の形態における電流検出装置２１に地磁気のようなほぼ一様な外乱磁界Ｈ_dが加わった場合には、すべての磁気抵抗エレメント２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの磁気検出方向は互いに平行になるようにＹ軸方向に配置されているため、この外乱磁界Ｈ_dのＹ軸方向成分により磁気抵抗エレメント２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの抵抗値は一様に低下し、差動増幅器３３の出力端子３２にはこの外乱磁界Ｈ_dによる出力信号(オフセット電圧)は現れないことになり、これにより、外乱磁界が存在しても微小電流による微小な磁界を正確に検出することができるものである。

なお、導体２５は絶縁層を介して磁気抵抗素子の直下に配置しても同様の効果が得られるものである。

このように、本発明の実施の形態における電流検出装置においては、ブリッジを構成するように接続した第１、第２、第３、第４の磁気抵抗エレメントの磁気検出方向を互いに平行に配置するとともに、前記第１の磁気抵抗エレメントと第２の磁気抵抗エレメントの近傍とを交互につづら折りに折り返す第１の導体エレメントと、前記第４の磁気抵抗エレメントと第３の磁気抵抗エレメントの近傍とを交互につづら折りに折り返す第２の導体エレメントを直列に接続して、これらの導体エレメントに被測定電流を導通させることにより、各導体エレメントに流れる電流密度を増大して、各導体エレメントの周りに強い磁界を発生させるとともに、外乱磁界によるオフセット電圧を発生させないようにすることができ、これにより、外乱磁界の中でも微小電流による微小な磁界を正確に検出することができるものである。

本発明の電流検出装置は、外乱磁界の中でも微小電流を感度よく測定することができるという効果を有するものであり、特に、回路基板等に流れる微小な電流を検出する電流検出装置として有用なものである。

２１電流検出装置
２２絶縁基板
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ磁気抵抗エレメント
２５導体
２６磁界発生手段
３１電源
３３検出手段

Claims

絶縁基板上に形成され磁気抵抗効果を有する短冊状の磁性薄膜をつづら折りに複数回折り返した第１、第２、第３、第４の磁気抵抗エレメントをブリッジを構成するように接続した磁気抵抗素子と、
前記絶縁基板上に配設され前記各磁気抵抗エレメントの磁気検出方向に平行なバイアス磁界成分を与えるように前記磁気抵抗素子に近接させて設けた磁界発生手段と、
絶縁層を介して前記第１の磁気抵抗エレメントの直上または直下と、第２の磁気抵抗エレメントの直上または直下との間を交互につづら折りに折り返す第１の導体エレメントと、絶縁層を介して前記第３の磁気抵抗エレメントの直上または直下と、第４の磁気抵抗エレメントの直上または直下との間を交互につづら折りに折り返す第２の導体エレメントとを直列に接続してなり、被測定電流を通電する導体とを有し、
前記第１の磁気抵抗エレメントと前記第４の磁気抵抗エレメントとの結合部と、前記第２の磁気抵抗エレメントと前記第３の磁気抵抗エレメントとの結合部間に前記各磁気抵抗エレメントを駆動する電源を接続し、
前記第１の磁気抵抗エレメントと前記第２の磁気抵抗エレメントとの結合部と、前記第３の磁気抵抗エレメントと前記第４の磁気抵抗エレメントとの結合部との間の電位差を検出する検出手段を接続し、
前記各磁気抵抗エレメントはその駆動電流の方向が互いに平行になるよう配置されるとともに、前記各磁気抵抗エレメントの磁気検出方向は前記絶縁基板内でその駆動電流の方向に垂直な方向になるように配置され、
前記第１の磁気抵抗エレメントの直上または直下と前記第３の磁気抵抗エレメントとの直上または直下を流れる被測定電流の方向と、前記第２の磁気抵抗エレメントの直上または直下と前記第４の磁気抵抗エレメントの直上または直下を流れる被測定電流との方向とを互いに逆方向にするように構成した電流検出装置。