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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-09-12
(45)【発行日】2022-09-21
(54)【発明の名称】電流センサ、磁気センサ及び回路
(51)【国際特許分類】
G01R 15/20 20060101AFI20220913BHJP
G01R 33/09 20060101ALI20220913BHJP
H01L 43/08 20060101ALI20220913BHJP
G01R 15/18 20060101ALI20220913BHJP
【ＦＩ】
G01R15/20 B
G01R33/09
H01L43/08 A
H01L43/08 Z
G01R15/18 C
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020015443
(22)【出願日】2020-01-31
(65)【公開番号】P2021124289
(43)【公開日】2021-08-30
【審査請求日】2021-05-25
(73)【特許権者】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100123788
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 昭夫
(74)【代理人】
【識別番号】100127454
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 雅昭
(72)【発明者】
【氏名】齋藤 祐太
(72)【発明者】
【氏名】工藤 良弘
(72)【発明者】
【氏名】宮内 大助
(72)【発明者】
【氏名】阿部 聡
【審査官】田口 孝明
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１０／１４３６６６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１２－２４７１９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１３７８１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１２／００５０４２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０２０－００８５６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０７８５５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／００８０１６５（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
ＩＰＣ Ｇ０１Ｒ １５／００－１７／２２、
３３／００－３３／２６、
Ｈ０１Ｌ ２７／２２、
２９／８２、
４３／００－４３／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
導体の近傍に設置され、前記導体に流れる電流で誘起される被測定磁界が印加され、前記被測定磁界の変化に応じて電気抵抗が変化する磁気検出装置と、前記磁気検出装置の近傍に設けられ、前記被測定磁界を打ち消すキャンセル磁界を発生する２つのコイルと、
２つの前記コイルの間に直列に接続される、前記コイルに流れる電流を検出するためのシャント抵抗器と、
前記磁気検出装置の出力信号を増幅し、前記キャンセル磁界を誘起させる電流を前記コイルに供給する第１の差動増幅器と、
前記シャント抵抗器の両端電圧を増幅し、前記導体に流れる電流と比例する測定電圧を出力する第２の差動増幅器と、
を有し、
前記磁気検出装置、２つの前記コイル及び前記シャント抵抗器が同一の基板上に形成され、
前記コイルは、前記磁気検出装置を間に挟んで互いに対向して配置される、並列に接続された複数の信号線から成る下部コイル及び並列に接続された複数の信号線から成る上部コイルの少なくとも一方を有する電流センサ。
【請求項2】
２つの前記コイルがそれぞれトロイダル状に形成された請求項１記載の電流センサ。
【請求項3】
前記磁気検出装置が磁気抵抗効果素子を備え、前記磁気抵抗効果素子がトンネル磁気抵抗効果素子である請求項１または２記載の電流センサ。
【請求項4】
被測定磁界の変化に応じて電気抵抗が変化する磁気検出装置と、前記磁気検出装置の近傍に設けられ、前記被測定磁界を打ち消すキャンセル磁界を発生する２つのコイルと、
２つの前記コイルの間に直列に接続される、前記コイルに流れる電流を検出するためのシャント抵抗器と、
前記磁気検出装置の出力信号を増幅し、前記キャンセル磁界を誘起させる電流を前記コイルに供給する第１の差動増幅器と、
前記シャント抵抗器の両端電圧を増幅し、前記電流と比例する測定電圧を出力する第２の差動増幅器と、
を有し、
前記磁気検出装置、２つの前記コイル及び前記シャント抵抗器が同一の基板上に形成され、
前記コイルは、前記磁気検出装置を間に挟んで互いに対向して配置される、並列に接続された複数の信号線から成る下部コイル及び並列に接続された複数の信号線から成る上部コイルの少なくとも一方を有する磁気センサ。
【請求項5】
２つの前記コイルがそれぞれトロイダル状に形成された請求項４記載の磁気センサ。
【請求項6】
前記磁気検出装置が磁気抵抗効果素子を備え、前記磁気抵抗効果素子がトンネル磁気抵抗効果素子である請求項４または５記載の磁気センサ。
【請求項7】
被測定磁界の変化に応じて電気抵抗が変化する磁気検出装置と、前記磁気検出装置の近傍に設けられ、前記被測定磁界を打ち消すキャンセル磁界を発生する２つのコイルと、
２つの前記コイルの間に直列に接続される、前記コイルに流れる電流を検出するためのシャント抵抗器と、
前記磁気検出装置の出力信号を増幅し、前記キャンセル磁界を誘起させる電流を前記コイルに供給する第１の差動増幅器と、
前記シャント抵抗器の両端電圧を増幅し、前記電流と比例する測定電圧を出力する第２の差動増幅器と、
を有し、
前記磁気検出装置、２つの前記コイル及び前記シャント抵抗器が同一の基板上に形成され、
前記コイルは、前記磁気検出装置を間に挟んで互いに対向して配置される、並列に接続された複数の信号線から成る下部コイル及び並列に接続された複数の信号線から成る上部コイルの少なくとも一方を有する回路。
【請求項8】
２つの前記コイルがそれぞれトロイダル状に形成された請求項７記載の回路。
【請求項9】
前記磁気検出装置が磁気抵抗効果素子を備え、前記磁気抵抗効果素子がトンネル磁気抵抗効果素子である請求項７または８記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁気検出装置を備えた電流センサ、磁気センサ及び回路に関する。
【背景技術】
【0002】
インバータやバッテリーマネージメントシステムにおいて、導体に流れる電流を非接触で検出する電流センサとして、磁気検出装置と、該磁気検出装置の近傍に配置されるフィードバックコイルとを備えた磁気平衡式電流センサが知られている。磁気検出装置には、例えば周知の磁気抵抗効果素子が用いられる。
【0003】
磁気平衡式電流センサは、導体に電流が流れることで誘起される被側定磁界をフィードバックコイルで発生する磁界（キャンセル磁界）で打ち消し、磁気検出装置に印加される磁界が０（零）となるように、フィードバックコイルへ供給する電流を制御する構成である。このような構成では、フィードバックコイルに流れる電流をシャント抵抗器等で電圧に変換することで、導体に流れる電流の測定値として、該電流と比例する測定電圧を得ることができる。磁気検出装置を備えた磁気平衡式電流センサについては、例えば特許文献１や特許文献２にも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】国際公開第２０１７／０９４３３６号
【文献】国際公開第２０１３／１２９２７６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述した磁気平衡式電流センサは、磁気検出装置に印加される磁界が常に０（零）となるように閉ループ制御する構成であるため、周囲温度変化に対する出力変化が少なく、導体に流れる電流に対する測定電圧の線形性も良好であり、比較的高い精度で該電流を測定できる。
【0006】
しかしながら、近年は、電流センサの利用分野の拡大に伴って、比較的大きい電流や小さい電流も測定対象となることがあるため、ノイズ耐性がより高い磁気平衡式電流センサが望まれている。なお、磁気平衡式電流センサは、電流で誘起される磁界だけでなく、磁石で発生する磁界や地磁気等、様々な磁界の強さを測定する磁気センサとしても用いることができる。このような磁気平衡方式の磁気センサ及び該センサを構成する回路についても、利用分野の拡大に伴って、ノイズ耐性がより高いものが望まれている。
【0007】
本発明は上述したような背景技術が有する課題を解決するためになされたものであり、背景技術よりもノイズ耐性が高い電流センサ、磁気センサ及び回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するため本発明の電流センサは、導体の近傍に設置され、前記導体に流れる電流で誘起される被測定磁界が印加され、前記被測定磁界の変化に応じて電気抵抗が変化する磁気検出装置と、
前記磁気検出装置の近傍に設けられ、前記被測定磁界を打ち消すキャンセル磁界を発生する２つのコイルと、
２つの前記コイルの間に直列に接続される、前記コイルに流れる電流を検出するためのシャント抵抗器と、
前記磁気検出装置の出力信号を増幅し、前記キャンセル磁界を誘起させる電流を前記コイルに供給する第１の差動増幅器と、
前記シャント抵抗器の両端電圧を増幅し、前記導体に流れる電流と比例する測定電圧を出力する第２の差動増幅器と、
を有し、
前記磁気検出装置、２つの前記コイル及び前記シャント抵抗器が同一の基板上に形成され、
前記コイルは、前記磁気検出装置を間に挟んで互いに対向して配置される、並列に接続された複数の信号線から成る下部コイル及び並列に接続された複数の信号線から成る上部コイルの少なくとも一方を有する。
前記磁気検出装置の近傍に設けられ、前記被測定磁界を打ち消すキャンセル磁界を発生する２つのコイルと、
２つの前記コイルの間に直列に接続される、前記コイルに流れる電流を検出するためのシャント抵抗器と、
前記磁気検出装置の出力信号を増幅し、前記キャンセル磁界を誘起させる電流を前記コイルに供給する第１の差動増幅器と、
前記シャント抵抗器の両端電圧を増幅し、前記導体に流れる電流と比例する測定電圧を出力する第２の差動増幅器と、
を有し、
前記磁気検出装置、２つの前記コイル及び前記シャント抵抗器が同一の基板上に形成され、
前記コイルは、前記磁気検出装置を間に挟んで互いに対向して配置される、並列に接続された複数の信号線から成る下部コイル及び並列に接続された複数の信号線から成る上部コイルの少なくとも一方を有する。
【0009】
本発明の磁気センサは、被測定磁界の変化に応じて電気抵抗が変化する磁気検出装置と、
前記磁気検出装置の近傍に設けられ、前記被測定磁界を打ち消すキャンセル磁界を発生する２つのコイルと、
２つの前記コイルの間に直列に接続される、前記コイルに流れる電流を検出するためのシャント抵抗器と、
前記磁気検出装置の出力信号を増幅し、前記キャンセル磁界を誘起させる電流を前記コイルに供給する第１の差動増幅器と、
前記シャント抵抗器の両端電圧を増幅し、前記電流と比例する測定電圧を出力する第２の差動増幅器と、
を有し、
前記磁気検出装置、２つの前記コイル及び前記シャント抵抗器が同一の基板上に形成され、
前記コイルは、前記磁気検出装置を間に挟んで互いに対向して配置される、並列に接続された複数の信号線から成る下部コイル及び並列に接続された複数の信号線から成る上部コイルの少なくとも一方を有する。
前記磁気検出装置の近傍に設けられ、前記被測定磁界を打ち消すキャンセル磁界を発生する２つのコイルと、
２つの前記コイルの間に直列に接続される、前記コイルに流れる電流を検出するためのシャント抵抗器と、
前記磁気検出装置の出力信号を増幅し、前記キャンセル磁界を誘起させる電流を前記コイルに供給する第１の差動増幅器と、
前記シャント抵抗器の両端電圧を増幅し、前記電流と比例する測定電圧を出力する第２の差動増幅器と、
を有し、
前記磁気検出装置、２つの前記コイル及び前記シャント抵抗器が同一の基板上に形成され、
前記コイルは、前記磁気検出装置を間に挟んで互いに対向して配置される、並列に接続された複数の信号線から成る下部コイル及び並列に接続された複数の信号線から成る上部コイルの少なくとも一方を有する。
【0010】
本発明の回路は、被測定磁界の変化に応じて電気抵抗が変化する磁気検出装置と、
前記磁気検出装置の近傍に設けられ、前記被測定磁界を打ち消すキャンセル磁界を発生する２つのコイルと、
２つの前記コイルの間に直列に接続される、前記コイルに流れる電流を検出するためのシャント抵抗器と、
前記磁気検出装置の出力信号を増幅し、前記キャンセル磁界を誘起させる電流を前記コイルに供給する第１の差動増幅器と、
前記シャント抵抗器の両端電圧を増幅し、前記電流と比例する測定電圧を出力する第２の差動増幅器と、
を有し、
前記磁気検出装置、２つの前記コイル及び前記シャント抵抗器が同一の基板上に形成され、
前記コイルは、前記磁気検出装置を間に挟んで互いに対向して配置される、並列に接続された複数の信号線から成る下部コイル及び並列に接続された複数の信号線から成る上部コイルの少なくとも一方を有する。
前記磁気検出装置の近傍に設けられ、前記被測定磁界を打ち消すキャンセル磁界を発生する２つのコイルと、
２つの前記コイルの間に直列に接続される、前記コイルに流れる電流を検出するためのシャント抵抗器と、
前記磁気検出装置の出力信号を増幅し、前記キャンセル磁界を誘起させる電流を前記コイルに供給する第１の差動増幅器と、
前記シャント抵抗器の両端電圧を増幅し、前記電流と比例する測定電圧を出力する第２の差動増幅器と、
を有し、
前記磁気検出装置、２つの前記コイル及び前記シャント抵抗器が同一の基板上に形成され、
前記コイルは、前記磁気検出装置を間に挟んで互いに対向して配置される、並列に接続された複数の信号線から成る下部コイル及び並列に接続された複数の信号線から成る上部コイルの少なくとも一方を有する。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、背景技術よりもノイズ耐性が高い電流センサ、磁気センサ及び回路が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】磁気検出装置の一構成例を示す回路図である。
【図2】本発明の電流センサの電流検出原理を示す模式図である。
【図3A】コイルドライバ回路の一例を示す回路図である。
【図4】本発明の電流センサの一構成例を示すブロック図である。
【図5】本発明の電流センサの一構成例を示すブロック図である。
【図6A】電流センサの比較例の構成を示す回路図である。
【図6B】電流センサの比較例の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
次に本発明について図面を用いて説明する。
【0014】
まず、本発明の電流センサ（磁気センサ）が備える磁気検出装置について説明する。
【0015】
磁気検出装置は、磁気抵抗効果によって生じる電気抵抗の変化に基づいて外部磁界を検出する磁気抵抗効果素子を備える。磁気抵抗効果素子としては、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗効果：Anisotropic Magneto-Resistance effect）素子、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果：Giant Magneto-Resistance effect）素子、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果：Tunnel Magneto-Resistance effect）素子が知られている。本発明では、ＭＲ（Magneto-Resistive）比が大きく温度ドリフト（周囲温度変化に対する出力変化）が少ない等の優れた特性を有するため、ＴＭＲ素子を用いることが好ましい。磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）は、磁化方向が固定の固定層と、絶縁体から成る絶縁層と、外部磁界の向きに応じて磁化方向が変化する自由層とを有し、固定層、絶縁層及び自由層がこの順で積層された構造である。磁気抵抗効果素子は、自由層の磁化の向きに応じて電気抵抗が変化し、自由層と固定層の磁化方向が一致したときに電気抵抗が最も小さくなる。
【0016】
図１は、磁気検出装置の一構成例を示す回路図である。
【0017】
図１で示すように、磁気検出装置１０は、４つの磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子１１、第２の磁気抵抗効果素子１２、第３の磁気抵抗効果素子１３、第４の磁気抵抗効果素子１４）を備え、これらを相互に接続してブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）を形成した構成である。４つの磁気抵抗効果素子１１～１４は、直列に接続された２つの組１１，１２、並びに１３、１４に分割され、それぞれの組の磁気抵抗効果素子１１、１２、並びに磁気抵抗効果素子１３、１４が直列に接続されている。磁気抵抗効果素子の組１１、１２、並びに１３、１４は、それぞれの一端が接続されて不図示の電圧源から一定の電源電圧（Ｖｄｄ）が供給され、他端がそれぞれ接地（ＧＮＤ）されている。ホイートストンブリッジ回路は、各組の２つの磁気抵抗効果素子の接続点からそれぞれ中点電圧（Ｖ１、Ｖ２）を取り出すことが可能である。なお、図１で示す矢印は、各磁気抵抗効果素子の固定層の磁化方向の一例を示している。図１で示すＸ方向は磁気センサの感磁方向であり、固定層の磁化方向と一致する。Ｙ方向は磁気センサの感磁方向（Ｘ方向）と直交する方向である。以下では、図１におけるＸ方向を示す矢印を＋Ｘ方向と称し、該矢印と反対の向きを－Ｘ方向と称す。
【0018】
図１で示した磁気検出装置１０では、＋Ｘ方向に外部磁界が印加されると、第１及び第４の磁気抵抗効果素子１１、１４の電気抵抗が減少し、第２及び第３の磁気抵抗効果素子１２、１３の電気抵抗が増大する。これにより中点電圧Ｖ１が上昇し、中点電圧Ｖ２が下降する。一方、－Ｘ方向に外部磁界が印加されると、第１及び第４の磁気抵抗効果素子１１、１４の電気抵抗が増大し、第２及び第３の磁気抵抗効果素子１２、１３の電気抵抗が減少する。これにより中点電圧Ｖ１が下降し、中点電圧Ｖ２が上昇する。したがって、中点電圧Ｖ１、Ｖ２の差Ｖ１－Ｖ２を検出することで、中点電圧Ｖ１またはＶ２のいずれか一方を検出する場合と比べて２倍の感度が得られる。また、中点電圧Ｖ１、Ｖ２がオフセットしている場合もＶ１－Ｖ２を検出することで、該オフセットの影響を排除できる。
【0019】
図２は、本発明の電流センサの電流検出原理を示す模式図である。
【0020】
図２で示すように、本発明の電流センサは、図１で示した磁気検出装置１０と、磁気検出装置１０の近傍に設けられた２つのフィードバックコイル２１，２２と、２つのフィードバックコイル２１，２２に流れる電流Ｉｆｂを検出するためのシャント抵抗器３０と、磁気検出装置１０の出力信号を増幅し、キャンセル磁界を誘起させるための電流をフィードバックコイル２１，２２へ供給する第１の差動増幅器４０とを有する。
【0021】
磁気検出装置１０は電流Ｉｐが流れる導体１の近傍に配置され、電流Ｉｐが流れることで誘起される被測定磁界が、図１で示した磁気抵抗効果素子１１～１４にそれぞれ印加される。
【0022】
２つのフィードバックコイル２１，２２はシャント抵抗器３０を間に有して直列に接続され、一方のフィードバックコイル２１は直列に接続された磁気抵抗効果素子１１及び１２の近傍に配置され、他方のフィードバックコイル２２は直列に接続された磁気抵抗効果素子１３及び１４の近傍に配置される。磁気抵抗効果素子１１及び１２には、一方のフィードバックコイル２１に電流が流れることで誘起される磁界（キャンセル磁界）がそれぞれ印加され、磁気抵抗効果素子１３及び１４には、他方のフィードバックコイル２２に電流が流れることで誘起される磁界（キャンセル磁界）がそれぞれ印加される。
【0023】
第１の差動増幅器４０は、磁気検出装置１０の中点電圧（Ｖ１、Ｖ２）の差Ｖ１－Ｖ２を増幅し、増幅後の信号に応じた電流Ｉｆｂを、直列に接続されたフィードバックコイル２１、シャント抵抗器３０及びフィードバックコイル２２の一端から供給する。直列に接続されたフィードバックコイル２１、シャント抵抗器３０及びフィードバックコイル２２の他端は接地されている。
【0024】
このような構成では、導体１に電流Ｉｐが流れることで誘起された被測定磁界をフィードバックコイル２１，２２で発生する磁界（キャンセル磁界）で打ち消し、磁気検出装置１０に印加される磁界が０（零）となるように、第１の差動増幅器４０によってフィードバックコイル２１，２２へ供給する電流Ｉｆｂが制御される。このとき、シャント抵抗器３０の両端電圧を検出することで、フィードバックコイル２１，２２に流れる電流Ｉｆｂと比例する測定電圧を得ることができる。フィードバックコイル２１，２２に流れる電流Ｉｆｂは導体１に流れる電流Ｉｐと比例するため、該測定電圧は導体１に流れる電流Ｉｐとも比例している。
【0025】
図２は、電流Ｉｐによって誘起される被測定磁界が磁気検出装置１０に直接印加される構成例を示しているが、電流Ｉｐの値が大きい場合、すなわち、被測定磁界が強い場合は、周知の磁気シールドを形成することで、磁気検出装置１０に印加される被測定磁界を減衰させてもよい。また、図２は、第１の差動増幅器４０の出力から２つのフィードバックコイル２１，２２へ直接電流Ｉｆｂを供給する構成例を示しているが、第１の差動増幅器４０の出力側には、フィードバックコイル２１，２２へ所要の電流を供給するためのコイルドライバ回路を備えていてもよい。
【0026】
図３Ａは、コイルドライバ回路の一例を示す回路図である。図３Ｂ及び図３Ｃは、図３Ａで示したコイルドライバ回路の動作例を示す模式図である。図３Ａ～Ｃでは、簡略化のために、直列に接続された２つのフィードバックコイル２１，２２を１つのコイルで記載している。
【0027】
図３Ａで示すように、コイルドライバ回路５０は４つのスイッチ５１～５４を備え、それらを相互に接続してブリッジ回路（Ｈブリッジ回路）を形成した構成である。４つのスイッチ５１～５４は、直列に接続された２つの組５１，５２、並びに５３，５４に分割され、それぞれの組のスイッチ５１，５２、並びにスイッチ５３，５４が直列に接続されている。スイッチの組５１，５２、並びに５３，５４は、それぞれの一端が接続されて不図示の電圧源から一定の電源電圧（Ｖｄｄ）が供給され、他端がそれぞれ接地（ＧＮＤ）される。
【0028】
フィードバックコイル２１，２２は、各組の２つのスイッチの接続点の間に接続され、図３Ｂ及びＣで示すように、オンさせるスイッチの組み合わせによって流れる電流Ｉｆｂの方向が切り換えられる。４つのスイッチ５１～５４のオン／オフは、差動増幅器４０の出力電圧によって制御される。
【0029】
スイッチ５１～５４には、周知のバイポーラトランジスタまたは電解効果トランジスタ（FET: Field Effect Transistor）を用いればよい。
【0030】
【0031】
図４は、２つのフィードバックコイル２１，２２が、磁気検出装置１０が形成されたＭＲ基板２０に形成され、第１の差動増幅器４０、コイルドライバ回路５０、コイルドライバ回路５０の動作を制御するための制御回路６０及びシャント抵抗器３０に流れる電流Ｉｆｂに比例した測定電圧を出力する第２の差動増幅器７０が回路基板８０にそれぞれ形成された構成である。図４に示す電流センサでは、シャント抵抗器３０がＭＲ基板２０及び回路基板８０に搭載されずに外付けされている。
【0032】
制御回路６０は、例えば第１の差動増幅器４０の出力電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器及び各種の信号処理を実行するＤＳＰ（Digital Signal Processing）を備えたＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等で実現できる。その場合、該ＡＳＩＣには、第１の差動増幅器４０、コイルドライバ回路５０及び第２の差動増幅器７０の機能を備えていてもよい。
【0033】
図５は、２つのフィードバックコイル２１，２２及びシャント抵抗器３０が、磁気検出装置１０が形成されたＭＲ基板２０に形成され、第１の差動増幅器４０、コイルドライバ回路５０、制御回路６０及び第２の差動増幅器７０が回路基板８０にそれぞれ形成された構成である。
【0034】
図４は、ＭＲ基板２０、シャント抵抗器３０及び回路基板８０をそれぞれ個別に備え、図５は、ＭＲ基板２０及び回路基板８０をそれぞれ個別に備える構成例を示しているが、図４及び図５で示すＭＲ基板２０及び回路基板８０は１つのパッケージに収容してもよい。
【0035】
また、図４及び図５では、フィードバックコイル２１，２２とシャント抵抗器３０との位置関係に対応してコイルドライバ回路５０が２つに分割されて記載されているが、図３Ａ～Ｃで示したようにコイルドライバ回路５０は１つの回路である。
【0036】
図６Ａ及びＢは、電流センサの比較例の構成を示す回路図である。図６Ａ及びＢは、特許文献１に記載された電流センサであり、図６Ａは２つのフィードバックコイル（Ｃ１，Ｃ２）が直列に接続された回路例を示し、図６Ｂは２つのフィードバックコイル（Ｃ１，Ｃ２）が並列に接続された回路例を示している。図６Ａ及びＢでは特許文献１に記載された電流センサを示しているが、特許文献２に記載された電流センサも同様の構成である。なお、図６Ａ及びＢにおいて、Ｒ１～Ｒ４は磁気検出装置１０が備える磁気抵抗効果素子である。また、図６Ａ及びＢにおいて、１８は本発明の第１の差動増幅器４０に相当し、１９は本発明のコイルドライバ回路５０及び制御回路６０に相当し、２１は本発明の第２の差動増幅器７０に相当する。
【0037】
図６Ａ及びＢで示すように、背景技術の電流センサは、直列に接続された２つのフィードバックコイル（Ｃ１，Ｃ２）または並列に接続された２つのフィードバックコイルと接地電位との間にシャント抵抗器（Ｒ）が接続された構成である。このような構成では、測定電圧を出力する第２の差動増幅器２１の２つの入力端子に接続される信号線の抵抗値が非対称となるため、第２の差動増幅器２１における、２つの入力端子に入力される同相のノイズ成分（コモン・モード・ノイズ）を除去する能力が低下する。すなわち、シャント抵抗器（Ｒ）の両端電圧を増幅して測定電圧を出力する第２の差動増幅器２１におけるＣＭＭＲ（Common Mode Rejection Ratio：同相信号除去比）が低下する。
【0038】
一方、本発明では、図４及び図５で示すように、２つのフィードバックコイル２１，２２がシャント抵抗器３０を間に有して直列に接続され、該シャント抵抗器３０の両端が第２の差動増幅器７０の２つの入力に接続される構成である。そのため、本発明では、第２の差動増幅器７０の２つの入力端子に接続される信号線の抵抗値が対称となる。したがって、図６Ａ及びＢで示した背景技術の電流センサよりも第２の差動増幅器７０におけるＣＭＭＲが向上して、ノイズ耐性が高い電流センサを得ることができる。
【0039】
また、このとき図５で示すように磁気検出装置１０、フィードバックコイル２１，２２及びシャント抵抗器３０をＭＲ基板２０にそれぞれ形成すれば、図４で示すようなシャント抵抗器３０を外付けで実装する構成と比べて電流センサの小型化が可能であり、部品数が低減することで電流センサのコストも低減する。
【0040】
また、図４で示すようにシャント抵抗器３０を外付けで実装する構成では、フィードバックコイル２１，２２とシャント抵抗器３０との接続部で接触抵抗が増大するが、図５で示したＭＲ基板２０にフィードバックコイル２１，２２及びシャント抵抗器３０を形成する構成では接触抵抗の増大も抑制できる。そのため、図５で示す電流センサでは、フィードバックコイル２１、２２に流れる電流Ｉｆｂ、すなわち導体１に流れる電流Ｉｐを、図４で示した電流センサよりも精度よく検出できる。
【0041】
図７は図２で示したシャント抵抗器及びフィードバックコイルの構成の一例を示す模式図であり、図８は図７で示したシャント抵抗器及びフィードバックコイルの接続例を示す回路図である。図９は、図７で示したシャント抵抗器及び下部コイルの配置例を示す模式図である。図１０及び図１１は図７で示したシャント抵抗器及びフィードバックコイルの構造の一例を示す断面図であり、図１２は図７で示したシャント抵抗器及びフィードバックコイルの構造の他の例を示す断面図である。図１０は、図７で示したシャント抵抗器及びフィードバックコイルをＡ－Ａ’線に沿って切断した様子を示している。図１１及び図１２は、図７で示したシャント抵抗器及びフィードバックコイルをＢ－Ｂ’線に沿って切断した様子を示している。なお、図７～図１２は、フィードバックコイル２１，２２及びシャント抵抗器３０の配置関係の一例を模式的に示したものであり、形状や寸法を正確に示しているものではない。
【0042】
通常、基板上にコイルを形成する場合、基板の平面と平行に信号線をリング状（または螺旋状）に配置するパンケーキ状のコイル（特許文献１参照）と、基板の厚さ方向と平行にリング状（または螺旋状）に信号線を配置するトロイダル状のコイル（特許文献２参照）とが考えられる。このうち、パンケーキ状のコイルは基板平面における占有面積が大きくなるため、電流センサの大型化を招いてしまう。さらに、パンケーキ状のコイルは、トロイダル状のコイルと比べて抵抗値（直流抵抗値）が大きいため、電源から供給できる電流の最大値がトロイダル状のコイルよりも低下する。そのため、パンケーキ状のコイルで発生可能な磁界の強さ（最大値）は、トロイダル状のコイルよりも低下する。したがって、フィードバックコイル２１，２２をパンケーキ状に形成した構成では、図２で示した電流センサにおける検出磁界範囲（ダイナミックレンジ）が狭くなる。そこで、本発明では電流センサが備えるフィードバックコイル２１，２２をトロイダル状に形成する。
【0043】
図７で示すように、フィードバックコイル２１，２２は、シャント抵抗器３０が形成されたＭＲ基板２０（不図示）上に下部コイル２０１が配置され（図９参照）、該下部コイル２０１上に上部コイル２０２が配置された構成である。下部コイル２０１と上部コイル２０２とは、互いの端部で接続されている。下部コイル２０１及び上部コイル２０２は、図１で示した磁気検出装置１０が備える４つの磁気抵抗効果素子１１～１４（図７では不図示）に対応してそれぞれ４本ずつ備える。磁気抵抗効果素子１１～１４には、それぞれ１組の下部コイル２０１及び上部コイル２０２が対応して配置される。磁気抵抗効果素子１１～１４は、対応して配置された１組の下部コイル２０１と上部コイル２０２との間にそれぞれ設置される（図１１参照）。
【0044】
図４、図５、図７、図８及び図１０で示すように、シャント抵抗器３０は、該シャント抵抗器３０と平行に配置された４つの電極パッドのうち、両端の電極パッドＣ１Ｒ及びＣ２Ｒと接続され、電極パッドＣ１及びＣ２はコイルドライバ回路５０と接続される。図７で示すように、電極パッドＣ１Ｒは第１の延長配線２０３を介して上部コイル２０２と接続され、電極パッドＣ２Ｒは第２の延長配線２０４を介して下部コイル２０１と接続されている。また、電極パッドＣ１は第３の延長配線２０５を介して下部コイル２０１と接続され、電極パッドＣ２は第４の延長配線２０６を介して上部コイル２０２と接続されている。
【0045】
図１０で示すように、シャント抵抗器３０の一端には第１の延長配線２０３が形成され、第１の延長配線２０３は第１の導電層２０７を通して電極パッドＣ１Ｒと接続される。また、シャント抵抗器３０の他端には第２の延長配線２０４が形成され、第２の延長配線２０４は第１の導電層２０７を通して電極パッドＣ２Ｒと接続される。第３の延長配線２０５は第２の導電層２０８を通して電極パッドＣ１と接続され、第４の延長配線２０６は第２の導電層２０８を通して電極パッドＣ２と接続されている。
【0046】
図１１で示すように、磁気検出装置１０が備える磁気抵抗効果素子は、下部コイル２０１と上部コイル２０２との間に配置され、導体１で発生する上記被測定磁界が印加されると共に、下部コイル２０１及び上部コイル２０２に電流が流れることで誘起されるキャンセル磁界がそれぞれ印加される。
【0047】
なお、図７及び図９～図１１では、下部コイル２０１及び上部コイル２０２がそれぞれ１本の信号線で形成され、フィードバックコイル２１，２２の巻き数が１である例を示している。下部コイル２０１及び上部コイル２０２で形成するフィードバックコイル２１，２２の巻き数は複数であってもよく、下部コイル２０１及び上部コイル２０２は並列に接続された複数の信号線で形成されていてもよい。
【0048】
図１２は、下部コイル２０１が並列に接続された２本の信号線で形成され、上部コイル２０２が並列に接続された３本の信号線で形成される構成例を示している。下部コイル２０１及び上部コイル２０２が並列に接続された複数の信号線で形成される構成では、フィードバックコイル２１，２２の抵抗値（直流抵抗値）を低減できるため、図２で示した電流センサにおける検出磁界範囲（ダイナミックレンジ）を広くできる。
【0049】
上記説明では、磁気検出装置１０、フィードバックコイル２１及び２２、シャント抵抗器３０、第１の差動増幅器４０、並びに第２の差動増幅器７０を備える本発明の回路を、導体１に流れる電流Ｉｐを検出する電流センサとして用いる例を示した。磁気検出装置１０、フィードバックコイル２１及び２２、シャント抵抗器３０、第１の差動増幅器４０、並びに第２の差動増幅器７０を備える本発明の回路は、上述したように、様々な磁界の強さを測定する磁気センサとしても用いることができる。
【0050】
以上説明したように、本発明では、２つのフィードバックコイル２１，２２がシャント抵抗器３０を間に有して直列に接続され、該シャント抵抗器３０の両端が第２の差動増幅器７０の２つの入力に接続される構成であり、第２の差動増幅器７０の２つの入力端子に接続される信号線の抵抗値が対称となる。したがって、本発明によれば、背景技術よりも第２の差動増幅器７０におけるＣＭＭＲが向上して、ノイズ耐性が高い電流センサ、磁気センサ及び回路を得ることができる。
【0051】
特に本発明の電流センサは、周知の磁気シールドと併用することで、大きな電流を高速に測定する用途にも適している。さらに、本発明では、フィードバックコイル２１，２２、シャント抵抗器３０、磁気検出装置１０、並びに閉ループ制御に用いる回路（第１の差動増幅器４０、コイルドライバ回路５０、制御回路６０及び第２の差動増幅器７０等）を１つのパッケージに収容できるため、本発明のセンサや回路を備える機器の省スペース化に寄与する。
【符号の説明】
【0052】
１ 導体
１０ 磁気検出装置
１１～１４ 磁気抵抗効果素子
２０ ＭＲ基板
２１、２２ フィードバックコイル
３０ シャント抵抗器
４０ 差動増幅器
５０ コイルドライバ回路
５１～５４ スイッチ
６０ 制御回路
７０ 増幅器
８０ 回路基板
２０１ 下部コイル
２０２ 上部コイル
２０３ 第１の延長配線
２０４ 第２の延長配線
２０５ 第３の延長配線
２０６ 第４の延長配線
２０７ 第１の導電層
２０８ 第２の導電層
Ｃ１、Ｃ１Ｒ、Ｃ２、Ｃ２Ｒ 電極パッド
１０ 磁気検出装置
１１～１４ 磁気抵抗効果素子
２０ ＭＲ基板
２１、２２ フィードバックコイル
３０ シャント抵抗器
４０ 差動増幅器
５０ コイルドライバ回路
５１～５４ スイッチ
６０ 制御回路
７０ 増幅器
８０ 回路基板
２０１ 下部コイル
２０２ 上部コイル
２０３ 第１の延長配線
２０４ 第２の延長配線
２０５ 第３の延長配線
２０６ 第４の延長配線
２０７ 第１の導電層
２０８ 第２の導電層
Ｃ１、Ｃ１Ｒ、Ｃ２、Ｃ２Ｒ 電極パッド
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】