JP2009539107A - 電気システム - Google Patents

Abstract

電気システム（１０）には、第１のモノリシック回路（２８）が含まれる。第１のモノリシック回路には、磁束（９２）を検出し、かつ検出された磁束に関連する出力信号を生成するように動作可能な第１の磁気抵抗センサ（１４）を含んでもよい。第１の磁気抵抗センサは、第１のモノリシック集積回路の１つまたは複数の導電体（１８）における制御電流によって発生された第１の制御磁束（１００）を検出するように配置してもよい。さらに、第１の磁気抵抗センサは、１つまたは複数の追加導電体（１２）を通して流れる検出された電流によって発生された磁束（９２）を検出するように配置してもよい。電気システムにはまた、第１の磁気抵抗センサの出力信号を受信するように、かつ第１の磁気抵抗センサからの出力信号を所定の目標とほぼ一致させるような方法で、第１の制御磁束を発生する制御電流を調整するように動作可能な制御回路（２６）を含んでもよい。

Description

本開示は、電気システム、特に、磁気抵抗検出を利用する電気システムに関する。

電気システムは、多くの仕事を実行するために、導電体を通して電流を伝送する。電気システムの多くの用途は、１つまたは複数の導電体を通して流れる電流の大きさを検出することを必要とする場合がある。いくつかの電気システムは、磁気抵抗センサを用いて、導電体における電流を検出するが、この磁気抵抗センサは、電流によって発生された磁束を検出して、磁束の大きさ、したがって電流の大きさに関連する出力信号を生成する。残念にも、磁気抵抗センサは、限られた範囲の磁束強度だけを正確に検出することが可能である。その結果、電流の検出のために磁気抵抗センサを用いる多くの電気システムは、磁気抵抗センサを用いて、限られた範囲の電流だけを正確に検出することができる。

リーンハルト（Ｌｉｅｎｈａｒｄ）らの（特許文献１）は電流検出方法を示しているが、この方法には、磁気抵抗センサを用いて、未知の電流および制御電流の両方からの磁束を検出することと、他方では、磁気抵抗センサによって検出される総磁束をほぼゼロに等しく維持するために制御電流を用いることと、が含まれる。（特許文献１）は、磁気抵抗センサに隣接して未知の電流を伝達する第１の導電体を含む電気システムを開示する。磁気抵抗センサに隣接して配置された第２の導電体が、制御された電流を伝達する。（特許文献１）の電気システムには、磁気抵抗センサと第２の導電体との間に接続された演算増幅器がさらに含まれる。演算増幅器は、磁気抵抗センサの出力信号を受信し、かつ磁気抵抗センサにおいて制御電流からの磁束が未知の電流からの磁束をほぼキャンセルするように、第２の導電体における制御電流の大きさを制御する。（特許文献１）の電気システムには、未知の電流の大きさを示す信号を生成するために制御電流を用いる追加アナログコンポーネントが含まれる。

（特許文献１）のシステムには、磁気抵抗センサによって電流を検出する一方で、磁気抵抗センサによって検出される総磁束をほぼゼロに等しく維持するための準備が含まれるが、ある不都合が存続する。例えば、（特許文献１）の電気システムは、磁気抵抗センサおよび第２の導電体を別個に設けることに関連するコンポーネントコストゆえに、望ましくないほど高価になる可能性がある。さらに、電気システムの適切な動作を保証するために、磁気抵抗センサに対して第２の導電体を正確に位置付けることは、困難で費用がかかる可能性がある。さらに、（特許文献１）の電気システムにおけるアナログコンポーネントは、未知の電流の大きさを比較的低い解像度で示す可能性がある。

米国特許第４，５２５，６６８号明細書

本開示の電気システムおよび方法は、上記の問題の１つまたは複数を解決する。

開示の一実施形態は、第１のモノリシック回路を有する電気システムに関する。第１のモノリシック回路には、磁束を検出し、かつ検出された磁束に関連する出力信号を生成するように動作可能な第１の磁気抵抗センサを含んでもよい。第１の磁気抵抗センサは、第１のモノリシック集積回路の１つまたは複数の導電体における制御電流によって発生された第１の制御磁束を検出するように配置してもよい。さらに、第１の磁気抵抗センサは、１つまたは複数の追加導電体を通して流れる、検出された電流によって発生された磁束を検出するように配置してもよい。電気システムにはまた、第１の磁気抵抗センサの出力信号を受信するように、かつ第１の磁気抵抗センサからの出力信号を所定の目標とほぼ一致させるような方法で、第１の制御磁束を発生する制御電流を調整するように動作可能な制御回路を含んでもよい。

別の実施形態は、電気システムを動作させる方法に関する。方法には、第１のモノリシック集積回路の一部である第１の磁気抵抗センサを用いて、１つまたは複数の導電体における検出された電流によって発生された磁束を検出することを始めとして磁束を検出し、かつ検出された磁束に関連する出力信号を生成することを含んでもよい。方法にはまた、検出された電流からの磁束を少なくとも部分的に相殺する第１の制御磁束を発生するような方法で、第１のモノリシック集積回路の１つまたは複数の導電体に制御電流を供給することによって、第１の磁気抵抗センサの出力信号を所定の目標にほぼ一致させることを含んでもよい。

さらなる実施形態は、磁束を検出し、かつ検出された磁束に関連する出力信号を提供するように動作可能な磁気抵抗センサを有する電気システムに関する。磁気抵抗センサは、１つまたは複数の導電体を通して流れる、検出された電流によって発生された磁束を検出するように配置してもよい。磁気抵抗センサはまた、１つまたは複数の追加導電体を通して流れる制御電流によって発生される制御磁束を検出するように配置してもよい。さらに、電気システムには、所定の目標とほぼ一致するような方法で１つまたは複数の追加導電体における制御電流を調整するように動作可能なデジタル情報プロセッサを有する制御回路を含んでもよい。

本開示による電気システムの第１の実施形態の概略図である。 本開示による電気システムを含む移動機械の概略図である。 動作中の図１の電気システムを示す。 本開示による電気システムを動作させる方法の一実施形態を示すフローチャートである。

図１は、本開示による電気システム１０の一実施形態を示す。電気システム１０には、導電体１２、フレーム１３、磁気抵抗センサ１４、１６、導電体１８、２０、２２、２４、および制御回路２６を含んでもよい。導電体１２は、限定するわけではないが、モノリシック集積回路におけるワイヤ、母線およびトレースを含む、電流を伝達するように構成された任意のタイプの構造であってもよい。導電体１２は、フレーム１３内の開口部２７を通って延在してもよい。

磁気抵抗センサ１４、１６および導電体１８、２０、２２、２４は、フレーム１３に実装してもよい。磁気抵抗センサ１４、１６は、導電体１２からほぼ等距離であってもよい。導電体１８、２０は、磁気抵抗センサ１４に隣接して配置してもよく、導電体２２、２４は、磁気抵抗センサ１６に隣接して配置してもよい。図１に示すように、いくつかの実施形態において、磁気抵抗センサ１４、導電体１８および導電体２０は、モノリシック集積回路２８の一部であってもよい。同様に、磁気抵抗センサ１６、導電体２２および導電体２４は、モノリシック集積回路２９の一部であってもよい。

各磁気抵抗センサ１４、１６は、それらが、磁束を検出し、かつ検出された磁束に関連する出力信号を生成できるようにする方法で、少なくとも１つの他の電気回路素子に接続された少なくとも１つの磁気抵抗器を有する任意のタイプのコンポーネントであってもよい。図１に示すように、いくつかの実施形態において、各磁気抵抗センサには、複数の磁気抵抗器３０、３１、３２、３３および４０、４１、４２、４３を含んでもよい。各磁気抵抗器３０〜３３、４０〜４３は、磁気抵抗器３０〜３３、４０〜４３の感度方向Ｓ_ｒに流れる磁束の強さと、磁気抵抗器３０〜３３、４０〜４３の電気抵抗との間の比較的強い相関性を提供する任意の方法で、構成してもよい。いくつかの実施形態において、各磁気抵抗器３０〜３３、４０〜４３は、パーマロイ（Ｐｅｒｍａｌｌｏｙ）で構成してもよい。さらに、いくつかの実施形態において、各磁気抵抗器３０〜３３、４０〜４３は、「バーバーポール」バイアスを用いて構成してもよい。図１に示すように、各磁気抵抗器３０〜３３、４０〜４３は、それが磁束に対して異方性の感度を有するように、構成してもよい。

図１に示すように、磁気抵抗器３０〜３３は、ホイートストーンブリッジに配置してもよい。ホイートストーンブリッジの入力端子３６は、定電圧ＤＣ電源などの電源に接続してもよい。ホイートストーンブリッジの出力端子３８は、直接か、または出力端子３８とグランドとの間に接続された１つまたは複数の他の回路素子を用いて、グランドに接続してもよい。磁気抵抗器３０〜３３の「容易」軸Ｅ_ｒおよび感度方向Ｓ_ｒは、磁気抵抗センサ１４の感度方向Ｓ_ｓが、導電体１２に対してある角度で延びるような向きにしてもよい。図１に示すように、いくつかの実施形態において、磁気抵抗器３０および３３の感度方向Ｓ_ｒは、ほぼ同じであってもよく、磁気抵抗器３１および３２の感度方向Ｓ_ｒは、ほぼ同じで、磁気抵抗器３０および３３の感度方向とほぼ反対であってもよい。さらに、磁気抵抗器３０および３１は、ほぼ等しい既定の電気抵抗（磁束に曝されていないときのそれらの電気抵抗）を有してもよく、磁気抵抗器３２および３３もまた、ほぼ等しい既定の電気抵抗を有してもよい。

さらに、磁気抵抗センサ１４には、ホイートストーンブリッジの中間端子４８、５０に接続された導電体４４、４６を含んでもよい。下記でより詳細に論じるように、図１に示す実施形態において、導電体４４、４６は、磁気抵抗センサ１４によって検出された磁束に関連する出力信号を制御回路２６に集合的に提供してもよい。

磁気抵抗センサ１４と同様に、磁気抵抗センサ１６は、その磁気抵抗器４０〜４３を、ホイートストーンブリッジに、すなわち、入力端子５２を電源に接続し、出力端子５４をグランドに接続し、導電体６０、６２を中間端子５６、５８に接続したホイートストーンブリッジに配置してもよい。さらに、図１に示すように、磁気抵抗器４０〜４３の感度方向Ｓ_ｒおよび磁気抵抗センサ１６の感度方向Ｓ_ｓは、磁気抵抗器３０〜３３および磁気抵抗センサ１６の感度方向と同様の向きにしてもよい。

磁気抵抗センサ１４、１６は、図１に示し上記した構成には限定されない。例えば、磁気抵抗センサ１４、１６には、図１に示すよりも多数または少数の磁気抵抗器を含んでもよい。いくつかの実施形態において、磁気抵抗センサ１４、１６には、図１に示す磁気抵抗器３０〜３３、４０〜４３の１つまたは複数の代わりに従来の抵抗器を含んでもよい。さらに、いくつかの実施形態において、磁気抵抗センサ１４、１６の磁気抵抗器は、図１に示すのと異なるブリッジ構成に配置してもよい。さらに、いくつかの実施形態において、磁気抵抗センサ１４、１６の磁気抵抗器は、ブリッジ以外の構成に配置してもよい。例えば、磁気抵抗センサ１４、１６には、１つまたは複数の従来の抵抗器と直列に接続された単一の磁気抵抗器を含んでもよい。さらに、電気システム１０は、磁気抵抗センサ１４、１６の１つを省略するか、または図１に示していない追加の磁気抵抗センサを含んでもよい。さらに、いくつかの実施形態において、磁気抵抗センサ１４、１６における磁気抵抗器の１つまたは複数は、磁束に対して等方性の感度を有してもよい。

各導電体１８、２０、２２、２４は、電流を伝達するように構成された任意の構造であってもよい。導電体１８は、導電体１８における電流によって発生された磁束の少なくとも一部が、少なくとも１つの磁気抵抗器３０〜３３の感度方向Ｓ_ｒにか、または感度方向Ｓ_ｒと反対に少なくとも部分的に流れるように、構成してもよい。例えば、図１に示すように、いくつかの実施形態において、導電体１８は、各磁気抵抗器３０〜３３の感度方向Ｓ_ｒに対して直角に延びる１つまたは複数の部分を有してもよい。導電体２０は、導電体２０における電流によって発生された磁束の少なくとも一部が、磁気抵抗器３０〜３３の容易軸Ｅ_ｒに沿って少なくとも部分的に流れるように、構成してもよい。例えば、図１に示すように、いくつかの実施形態において、導電体２０は、各磁気抵抗器３０〜３３の容易軸Ｅ_ｒに対してほぼ直角に延びる１つまたは複数の部分を有してもよい。導電体２２、２４は、導電体２２、２４における電流によって発生された磁束が、導電体１８、２０における電流によって発生された磁束と磁気抵抗器３０〜３３との間における上記の関係と同じ関係を、磁気抵抗器４０〜４３に対して有するように、配置してもよい。

制御回路２６は、磁気抵抗センサ１４、１６および導電体１８、２０、２２、２４に接続してもよい。制御回路２６には、下記で説明するように、磁気抵抗センサ１４、１６によって生成された出力信号を受信し、かつ導電体１８、２０、２２、２４における電流を制御するように動作可能な電気回路素子の任意の組み合わせを含んでもよい。図１に示すように、いくつかの実施形態において、制御回路２６には、演算増幅器６４、６６、基準電圧源６８、情報プロセッサ７０、低域通過フィルタ７２、７４、およびフリップ回路７６を含んでもよい。演算増幅器６４、６６は、入力部を、導電体４４、４６および導電体６０、６２にそれぞれ接続してもよい。さらに、基準電圧源６８は、ほぼ一定のＤＣ電圧などの基準電圧を、各演算増幅器６４、６６の入力部に供給してもよい。演算増幅器６４、６６の出力部８１、８３は、情報プロセッサ７０の入力部８２、８４に接続してもよい。さらに、低域通過フィルタ７２および７４は、情報プロセッサ７０の出力部と導電体１８および２２との間にそれぞれ接続してもよい。

情報プロセッサ７０は、演算増幅器６４、６６から出力信号を受信し、かつ導電体１８、２２への電流の供給を制御するように動作可能な任意のタイプの回路であってもよい。情報プロセッサ７０は、デジタル回路またはアナログ回路であってもよい。情報プロセッサ７０は、モノリシック集積回路、または別個の電気回路素子の集合であってもよい。いくつかの実施形態において、情報プロセッサ７０は、デジタルマイクロコントローラであってもよい。情報プロセッサ７０は、パルス幅変調電圧を低域通過フィルタ７２、７４に供給するように動作可能であってもよい。今度は、低域通過フィルタ７２、７４が、情報プロセッサ７０から受信したパルス幅変調電圧をＤＣ電流に変換し、それを導電体１８、２２に供給してもよい。

フリップ回路７６は、情報プロセッサ７０の出力部と導電体２０、２４との間に接続してもよい。フリップ回路７６は、情報プロセッサ７０がフリップ回路７６を作動させると、各導電体２０、２４に電流パルスを生じるように動作可能であってもよい。さらに、フリップ回路７６は、それが導電体２０、２４に生成する各電流パルスが、前の電流パルスと反対の方向に流れるように、構成してもよい。

制御回路２６は、図１に示す構成に限定されない。例えば、制御回路２６は、図１に示す回路素子に加えて、またはその代わりに他の電気回路素子を含んでもよい。さらに、制御回路２６は、図１に示す回路素子のいくつかを省略してもよい。いくつかの実施形態において、制御回路２６には、アナログ回路素子だけを含んでもよい。

さらに、一般に、電気システム１０は、図１に示す構成に限定されない。例えば、電気システム１０は、導電体２０および／または導電体２４を省略してもよい。さらに、電気システム１０には、導電体１８の代わりに多数の導電体を含んでもよく、かつ／または電気システム１０には、導電体２２の代わりに多数の導電体を含んでもよい。さらに、電気システム１０には、導電体１２の代わりに多数の導電体を含んでもよい。さらに、いくつかの実施形態において、電気システム１０は、磁気抵抗センサ１６および導電体２２を省略してもよい。

図２は、電気システム１０を含む移動機械７８を示す。移動機械７８は、移動機械７８を推進するように動作可能な推進システム８０を有してもよい。推進システム８０には、推進装置８５、８７、および推進装置８５、８７に動作可能に接続された電源システム８６を含んでもよい。推進装置８５、８７は、電源システム８６から電力を受信し、かつその力電力の少なくとも一部を、限定するわけではないが、車輪、トラックユニットおよび推進器を含む、移動機械７８を囲む環境に伝送することによって、移動機械７８を推進するように構成された任意のタイプの装置であってもよい。

図２に示す実施形態などのいくつかの実施形態において、推進システム８０は、少なくとも部分的に電力を用いて移動機械７８を推進するように構成してもよく、導電体１２は、推進システム８０の電力線であってもよい。図２に示す実施形態において、電源システム８６には、原動機８９（内燃機関またはガスタービンなど）、原動機８９に駆動可能に接続された電動機／発電機８８、および推進装置８５、８７に駆動可能に接続された電動機／発電機９０が含まれる。さらに、電動機／発電機８８および電動機／発電機９０は、導電体１２を介して電気的に接続してもよい。

電気システム１０は、１つまたは複数の仕事を実行するために電気が要求される場合はいつでも用途があり得る。電気システム１０の動作を下記で説明する。

電気システム１０の動作中に、導電体１２は、様々な目的のために２つ以上のコンポーネント間で電流を伝達してもよい。例えば、図２に示す電気システム１０のインプリメンテーションにおいて、導電体１２は、移動機械を推進する電力を電動機／発電機９０に供給する目的で、電動機／発電機８８から電動機／発電機９０に電流を伝達してもよい。多くの状況において、電気システム１０の動作の様々な態様を制御する際に用いるためなどの様々な目的で、導電体１２を通して流れる電流の大きさを知ることは望ましいことであり得る。

導電体１２を通して電流が流れると、磁気抵抗センサ１４、１６は、導電体１２を通して流れる電流の大きさに関連する信号を生成するために制御回路２６が利用可能な出力信号を、生成してもよい。図３は、図１から電気システム１０の動作中の構成を示す。導電体１２を通して流れる電流は、電流に比例する大きさを備えた磁束９２を発生することができる。導電体１２における電流の方向に依存して、磁束９２は、導電体１２の回りを反時計回りにか、または導電体１２の回りを時計回りに流れることができる。磁束９２が、磁気抵抗センサ１４、１６を通して流れている場合に、それは、磁気抵抗センサ１４、１６における磁気抵抗器のそれぞれの電気抵抗、およびそれによって、各磁気抵抗センサ１４、１６の出力信号に影響を与え得る。磁束９２が、磁気抵抗センサにおける磁気抵抗器の電気抵抗、およびその磁気抵抗器の出力に影響する程度は、磁束９２の大きさ、および導電体１２と磁気抵抗器の空間的関係に依存する。

図３に示す状況において、磁束９２は、磁気抵抗センサ１４、１６におけるホイートストーンブリッジの中間端子４８、５０、５６、５８における電圧に影響する可能性がある。磁気抵抗器３０〜３３が等しい既定の電気抵抗を有する実施形態において、磁気抵抗センサ１４が磁束に曝されていない場合には、各磁気抵抗器３０〜３３は、等しい電圧降下を引き起こす可能性があり、中間端子４８、５０における電圧は、等しくなり得る。しかしながら、磁束９２が、磁気抵抗器３０〜３３を通して流れている場合には、磁気抵抗器３０〜３３の電気抵抗は、磁束９２の大きさの関数として変化する可能性がある。これは、磁束９２に比例した、中間端子４８、５０間の電圧差を生成する可能性がある。図３に示す実施形態において、この電圧差異（またはその欠如）が、磁気抵抗センサ１４の出力信号を構成する。磁気抵抗センサ１６は、同様に、中間端子５６、５８間の電圧差で磁束９２に応じてもよく、この電圧差（またはその欠如）が、その出力信号である。

図３に示すように磁気抵抗器１４、１６が配置されると、磁束９２は、常に、磁気抵抗センサ１４、１６の出力信号を反対方向に駆動する。これは、磁束９２が、磁気抵抗器３０および磁気抵抗器４０など、各磁気抵抗センサ１４、１６の対応する磁気抵抗器の感度方向Ｓ_ｒに対して反対方向に流れるからである。

地球の磁極からの磁束などの周囲磁束９４がまた、磁気抵抗器３０〜３３、４０〜４３の電気抵抗、およびしたがって磁気抵抗センサ１４、１６の出力信号に影響する可能性がある。磁束９２と異なり、周囲磁束９４は、一般に、磁気抵抗器３０〜３３、４０〜４３の全てを通して同じ方向（必ずしも図３に示す方向にではないが）に流れる。その結果、周囲磁束９４は、一般に、磁気抵抗センサ１４、１６の１つによって検出される磁束９２を増加させ、他方で、もう一方の磁気抵抗センサ１４、１６によって検出される磁束９２のいくらかまたは全てをキャンセルする。図３に示す例示的な状況において、周囲磁束９４は、磁気抵抗センサ１６によって検出される磁束９２を増加させ、磁気抵抗センサ１４によって検出される磁束９２の少なくとも一部をキャンセルする。

制御回路２６は、磁気抵抗センサ１４、１６によって提供される出力信号を用いて様々な動作を実行してもよい。演算増幅器６４は、中間端子５０における電圧から中間端子４８における電圧を引き、その結果に演算増幅器６４の利得を掛け、その結果を、基準電圧源６８から受信された基準電圧に加え、結果として得られた電圧を、出力部８１から情報プロセッサ７０の入力部８２に出力してもよい。演算増幅器６６は、中間端子５６および中間端子５８からの電圧を用いて同じ動作を実行し、その結果を、出力部８３から情報プロセッサ７０の入力部８４に出力してもよい。

演算増幅器６４、６６からの入力に基づいて、情報プロセッサ７０は、導電体１８、２２における電流を制御し、導電体１２を通して流れる電流の大きさを計算してもよい。そのようにできるように情報プロセッサ７０が従う方法の一実施形態を図４は示す。最初に、情報プロセッサ７０は、導電体１８、２２への制御電流の供給を開始してもよい（ステップ９６）。例えば、情報プロセッサ７０は、パルス幅変調制御電圧を低域通過フィルタ７２、７４に供給し始めてもよく、低域通過フィルタ７２、７４は、制御電流をＤＣ電流に変換し、それを導電体１８、２２に供給してもよい。導電体１８を通して流れる制御電流は、制御磁束１００を発生してもよく（図３）、この磁束は、磁気抵抗センサ１４を通して流れ、その出力信号に影響してもよい。同様に、導電体１６における制御電流は、制御磁束１０２を発生してもよく（図３）、この磁束は、磁気抵抗センサ１６を通して流れ、その出力信号に影響してもよい。

次に、情報プロセッサ７０は、カウンタをゼロに等しく設定してもよい（ステップ９７）。続いて、情報プロセッサ７０は、フリップ回路７６を作動してもよい（ステップ９８）。それに応じて、フリップ回路７６は、各導電体２０、２４における、十分な大きさを有する電流パルスに、各磁気抵抗器３０〜３３、４０〜４３の感度方向Ｓ_ｒを反転する磁束パルスを発生させてもよい。

続いて、情報プロセッサ７０は、演算増幅器６４、６６からの出力信号に依存して、導電体１８、２２に流れる制御電流の大きさを制御してもよい。情報プロセッサ７０は、磁気抵抗センサ１４からの出力信号が、第１の所定の目標に等しいかどうかを計算してもよい（ステップ１０４）。情報プロセッサ７０が、演算増幅器６４の出力信号を用いて、そのようにできるのは、磁気抵抗センサ１４の出力信号と演算増幅器６４の出力信号との間の周知の関係ゆえである。第１の所定の目標は、磁気抵抗センサ１４がゼロ磁束を検出することに対応する、磁気抵抗センサ１４の出力信号値などの単数の目標値であってもよい。代替として、第１の所定の目標は、目標範囲であってもよく、この場合には、磁気抵抗センサ１４の出力信号は、出力信号がこの範囲内にある場合には常に、第１の所定の目標に等しいと見なしてもよい。第１の所定の目標は、固定の数値（単複）であってもよく、またはそれは、様々な他の要因の関数として定義してもよい。

磁気抵抗センサ１４の出力信号が、第１の所定の目標内にない場合には、情報プロセッサ７０は、導電体１８への制御電流の供給を調整して、磁気抵抗センサ１４の出力信号を、第１の所定の目標の方へ駆動してもよい（ステップ１０６）。情報プロセッサ７０が、パルス幅変調電圧を低域フィルタ７２に送出する実施形態において、情報プロセッサ７０は、パルス幅変調電圧の負荷サイクルを調整することによって、導電体１８における制御電流を調整してもよい。導電体１８における制御電流の調整は、磁気抵抗センサ１４を通して流れる制御磁束１００の大きさを変化させることによって、磁気抵抗センサ１４の出力信号を変化させることが可能になる。

続いて、情報プロセッサ７０は、磁気抵抗センサ１６の出力信号が、第２の所定の目標内にあるかどうかを計算してもよい（ステップ１０８）。第１の所定の目標と同様に、第２の所定の目標は、単数の目標値または目標範囲であってもよい。さらに、第１の所定の目標は、固定数値（単複）であってもよく、またはそれは、様々な他の要因の関数として定義してもよい。

磁気抵抗センサ１６の出力信号が、第２の所定の目標内にない場合には、情報プロセッサ７０は、導電体２２における制御電流を調整して、磁気抵抗センサ１６の出力信号を第２の所定の目標の方へ駆動してもよい（ステップ１１０）。

情報プロセッサ７０は、磁気抵抗センサ１４の出力信号が第１の所定の目標と等しく（ステップ１０４）、磁気抵抗センサ１６の出力信号が第２の所定の目標に等しい（ステップ１１２）と、情報プロセッサ７０が判定するまで、導電体１８、２２の１つまたは両方における制御電流を調整し続けてもよい。これらの条件が満たされると、情報プロセッサ７０は、電気システム１０の現在の動作条件に関連する情報を記憶してもよい（ステップ１１４）。例えば、情報プロセッサ７０は、低域通過フィルタ７２、７４に送出されるパルス幅変調電圧の負荷サイクルなど、導電体１８、２２における制御電流に関連する情報を記憶してもよい。さらに、いくつかの実施形態において、情報プロセッサ７０は、磁気抵抗センサ１４、１６の現在の出力信号に関連する情報、および／または電気システム１０の様々な他の動作条件に関連する情報を記憶してもよい。

続いて、情報プロセッサ７０は、カウンタを増分し（ステップ１１５）、カウンタが２に等しいかどうかを計算してもよい（ステップ１１６）。カウンタが２に等しくない場合には、情報プロセッサ７０は、フリップ回路７６を作動させる（ステップ９８）ことで始まる一連の動作を繰り返してもよい。

カウンタが２に等しいと情報プロセッサ７０が判定する（ステップ１１６）ことによって示されるように、ひとたび情報プロセッサ７０が、このシーケンスを２度実行したならば、情報プロセッサ７０は、２つのサイクルからの記憶データを用いて、導電体１０に流れる電流を計算してもよい（ステップ１１８）。情報プロセッサ７０は、導電体１２における電流の大きさに様々な要因を関連づける情報を用いて、導電体１２における電流の大きさを、これらの要因の関数として計算してもよい。例えば、情報プロセッサ７０は、導電体１８、２２における制御電流、および磁気抵抗センサ１４、１６の出力信号の関数として、導電体１２における電流の大きさを計算してもよい。情報プロセッサ７０は、そうするために様々なアルゴリズムを用いてもよい。

いくつかの実施形態において、導電体１２における電流の大きさを計算する場合に、情報プロセッサ７０は、磁気抵抗センサ１４、１６からの出力信号を、変数ではなく定数として扱ってもよい。下記で詳細に説明する例示的なアルゴリズムは、このアプローチを取る。かかるアプローチは、各磁気抵抗センサ１４、１６の出力信号用の所定の目標が、単一の目標値または比較的小さな値域だけを含む実施形態において、導電体１２における電流の大きさの特に正確な推定値を提供可能である。

情報プロセッサ７０は、磁気抵抗センサ１４、１６の出力信号に影響する他の要因を明らかにするような方法で、導電体１２における電流の大きさを計算してもよい。かかる一要因は、磁気抵抗器３０〜３３の設計仕様からの、それらのばらつきであり得る。上記のように、磁気抵抗器３０および３１は、正確に等しい既定の抵抗を有するように設計してもよく、磁気抵抗器３２および３３は、正確に等しい既定の抵抗を有するように設計してもよい。この設計目標が、実際に達成されれば、中間端子４８、５０は、磁束が磁気抵抗器３０〜３３を通して流れない場合には等しい電圧であり、中間端子４８、５０間のどんな電圧差も、検出された磁束の関数である。しかしながら、実際には、製造ばらつきが、一般に、磁気抵抗器３０および３１の既定の抵抗間におけるいくらかの未知のアンバランス量、ならびに磁気抵抗器３２および３３の既定の抵抗間におけるいくらかの未知のアンバランスを引き起こす。これは、検出された磁束に起因しない、中間端子４８、５０間の未知の電圧差を引き起こす可能性がある。この電圧差は、「ブリッジオフセット」と呼ばれることが多い。磁気抵抗センサ１６もまた、ブリッジオフセットを有する可能性がある。

磁気抵抗器３０〜３３、４０〜４３の感度方向Ｓ_ｒを周期的に反転することによって、情報プロセッサ７０がどんなブリッジオフセットも除外できる状況を作ることが可能になる。入力端子３６が定電圧を受信する限り、どんなブリッジオフセットも、磁気抵抗センサ１４の出力信号に対して一定の影響を有する。それに反して、磁気抵抗器３０〜３３の感度方向Ｓ_ｒを反転することによって、磁気抵抗センサ１４の出力信号に対する磁束９２および９４の影響が反転される。その結果、磁気抵抗器３０〜３３の感度方向Ｓ_ｒを反転することによって、磁気抵抗センサ１４の出力信号に対する磁束９２および９４の全体的影響の２倍に等しい、磁気抵抗センサ１４の出力信号における変化が引き起こされる。

情報プロセッサ７０は、この事実、および磁気抵抗器３０〜３３、４０〜４３の感度方向Ｓ_ｒの反転前後の情報を利用し、様々なアルゴリズムを用いて、磁気抵抗器３０〜３３を通して流れる正味磁束を示す値（磁束９２、９４のベクトル和）を計算してもよい。例えば、いくつかの実施形態において、情報プロセッサ７０は、磁気抵抗センサ１４、１６によって検出された正味磁束に関連する値Ｘ１およびＸ２を、それぞれ以下のように計算してもよい。すなわち、

ここで、ΔＤＣ１は、磁気抵抗器３０〜３３の感度方向Ｓ_ｒの反転前に低域フィルタ７２に送出されたパルス幅変調電圧の負荷サイクルと、磁気抵抗器３０〜３３の感度方向Ｓ_ｒの反転後に低域フィルタ７２に送出されたパルス幅変調電圧の負荷サイクルとの間の差である。ΔＤＣ２は、磁気抵抗器４０〜４３の感度方向Ｓ_ｒの反転前に低域フィルタ７４に送出されたパルス幅変調電圧の負荷サイクルと、磁気抵抗器４０〜４３の感度方向Ｓ_ｒの反転後に低域フィルタ７４に送出されたパルス幅変調電圧の負荷サイクルとの間の差である。情報プロセッサ７０が、磁気抵抗センサ１４、１６を通って流れる正味磁束の効果を決定するための採用する数々の他の方法があることを理解されたい。

さらに、磁気抵抗センサ１４および磁気抵抗センサ１６の両方から情報を受信することによって、情報プロセッサ７０は、導電体１２における電流の大きさを計算する場合に周囲磁束９４を除外することが可能になる。上記のように、周囲磁束９４は、磁気抵抗センサ１４、１６の両方の出力信号を同じ方向に駆動し、磁束９２は、磁気抵抗センサ１４、１６の出力信号を反対方向に駆動する。その結果、磁気抵抗センサ１４の出力信号と磁気抵抗センサ１６の出力信号との間の差は、磁気抵抗センサ１４に対する磁束９２の影響および磁気抵抗センサ１６に対する磁束９２の影響の合計に相当する。さらに、磁気抵抗センサ１４、１６が、導電体１２からほぼ等距離なので、磁気抵抗センサ１４の出力信号に対する磁束９２の影響は、磁気抵抗センサ１６に対する磁束９２の影響とほぼ等しくなり得る。

これらの事実を用いて、情報プロセッサ７０は、周囲磁束９４からのバイアスなしに導電体１２における電流の大きさを計算するための様々なアルゴリズムを実行してもよい。例えば、導電体１２における電流の大きさを計算する場合に、情報プロセッサ７０は、以下のように、各磁気抵抗センサ１４、１６に対する磁束９２の影響に関連する値Ｙを計算してもよい。すなわち、

ここで、Ｘ１およびＸ２は、磁気抵抗センサ１４、１６の出力信号に対する磁束９２および周囲磁束９４の正味の影響にそれぞれ対応する、前に計算された値である。情報プロセッサ７０は、各磁気抵抗センサ１４、１６の出力信号に対する磁束９２の影響についての知識と共に、様々な較正データを用いて、導電体１２における電流の大きさを計算してもよい。

導電体１２における電流の大きさを計算した後で、情報プロセッサ７０は、電流の大きさを示す信号を生成してもよい（ステップ１２０）。この信号は、情報プロセッサ７０内に維持される内部信号であってもよく、または情報プロセッサ７０は、この信号を別の電気回路素子に送信してもよい。

続いて、情報プロセッサ７０は、カウンタをゼロにリセットし（ステップ９７）、フリップ回路７６を周期的に作動させるサイクルを再開し（ステップ９８）、必要に応じて導電体１８、２２における制御電流を調整し（ステップ１０４、１０６、１０８および１１０）、電気システム１０の動作条件に関連する情報を記憶してもよい（ステップ１１４）。情報プロセッサ７０が、図４に示すアルゴリズムを引き続き実行するにつれて、情報プロセッサ７０は、導電体１２における電流の大きさを、多数の異なる時間に計算してもよい。いくつかの実施形態において、情報プロセッサ７０は、各計算された値を記憶し、計算された値の移動平均を維持してもよく、これは、データ収集プロセスにおける雑音の影響を減少させるのに役立ち得る。

電気システム１０の動作は、図４および上記の説明で提供される例に限定されない。例えば、制御回路２６は、図４に示すのとは異なる順序で上記の動作を実行してもよい。場合によっては、制御回路２６は、動作のいくつかを同時に実行してもよい。さらに、制御回路２６は、上記の動作のいくつかを省略し、かつ／または上記で説明されず図４に示されてもいない様々な動作を実行してもよい。

制御回路２６はまた、上記のものとは異なるパラメータおよび／またはアルゴリズムを用いて、図４に示す動作を実行してもよい。さらに、制御回路２６は、上記のもの以外の様々な方程式および／またはアルゴリズムを用いて、導電体１２における電流の大きさを計算してもよい。

さらに、電気システム１０の動作は、電気システム１０の物理的構成が図１および２に示す構成と異なる実施形態において、上記の例と異なってもよい。例えば、電気システム１０が、導電体１２の代わりに多数の導電体を含む実施形態において、制御回路２６は、これらの導電体に流れる総電流を計算し、かつ／またはこれらの導電体に流れる総電流を示す信号を生成してもよい。同様に、電気システム１０が、導電体１８の代わりの多数の導電体、および／または導電体２２の代わりの多数の導電体を含む実施形態において、制御回路２６は、必要に応じて、これらの多数の導電体における制御電流を調整して、上記と同じ結果を達成してもよい。さらに、情報プロセッサ７０以外の様々な電気回路素子が、上記の動作のいくつかまたは全てを実行してもよい。

開示の実施形態は、導電体１２における広範な電流を正確に検出することができる。導電体１８、２２における制御電流を用いて、磁気抵抗センサ１４、１６の出力信号を所定の目標に調整することによって、制御回路２６は、信頼できる出力信号を磁気抵抗センサ１４、１６が提供する動作範囲において、磁気抵抗センサ１４、１６の動作を保証することが可能である。磁気抵抗センサ１４、１６がかかる動作範囲内にある場合はいつでも、導電体１２における電流の大きさは、導電体１８、２２の制御電流および磁気抵抗センサ１４、１６の出力信号の関数として、正確に計算することが可能である。かかる動作範囲内で磁気抵抗センサ１４、１６の動作を保証する制御回路２６の能力は、導電体１８、２２における制御電流を調整する制御回路２６の能力の限界によってのみ制限される。したがって、導電体１８、２２における制御電流を調整する制御回路２６の能力の限界だけが、正確に検出できる電流の範囲を制限する。

さらに、磁気抵抗センサ１４を備えたモノリシック集積回路２８に導電体１８、２０を組み込むのと同様に、磁気抵抗センサ１６を備えたモノリシック集積回路２９に導電体２２、２４を組み込むことによって、様々な利点を提供することができる。このように電気システム１０を構成することによって、導電体１８、２０、２２、２４および磁気抵抗センサ１４、１６を別個に設けることに関連するコンポーネントコストを回避することが可能になる。さらに、この構成によって、磁気抵抗センサ１４、１６に対して、それぞれ、導電体１８、２０および導電体２２、２４の正確な位置決めを促進することが可能になり、これによって、導電体１２における電流の正確な計算を容易にすることが可能になる。さらに、この構成によって、導電体１８、２０および２２、２４を、それぞれ、磁気抵抗センサ１４、１６の非常に近くに配置することが可能になり、これによって、導電体１８、２０、２２、２４において必要な電流量を制限して、上記の機能を達成することが可能になる。

さらに、導電体１８、２２における制御電流を調整し、導電体１２における電流の大きさを計算し、かつ電流の計算された大きさを示す信号を生成するためにデジタル情報プロセッサを用いることによって、ある利点を提供することが可能になる。デジタル情報プロセッサは、電流の大きさを計算し、かつ非常に高い解像度で電流の大きさを示す信号を生成することができる。さらに、デジタル情報プロセッサは、様々な監視および／または制御プロセスにおいて用いるための他のデジタル情報プロセッサと容易に通信可能な信号を生成することができる。

開示の範囲から逸脱せずに、電気システムおよび方法において様々な修正および変更をなしえることが、当業者には明らかであろう。開示の電気システムおよび方法の他の実施形態は、本明細書で開示する電気システムおよび方法の明細および実施を考察することによって、当業者には明らかになろう。明細および例は、例示としてのみ考慮され、本開示の真の範囲が、以下の請求項およびそれらの均等物によって示されるように意図されている。

Claims (10)

1. 磁束（９２）を検出し、かつ検出された磁束に関連する出力信号を生成するように動作可能な第１の磁気抵抗センサ（１４）を含む第１のモノリシック集積回路（２８）であって、第１の磁気抵抗センサが、
   第１のモノリシック集積回路の１つまたは複数の導電体（１８）における制御電流によって発生される第１の制御磁束（１００）と、
   １つまたは複数の追加導電体（１２）を通して流れる検出された電流によって発生される磁束（９２）と、
   を検出するように配置された第１のモノリシック集積回路（２８）と、
   第１の磁気抵抗センサの出力信号を受信するように、かつ第１の磁気抵抗センサからの出力信号を所定の目標とほぼ一致させるような方法で、第１の制御磁束を発生する制御電流を調整するように動作可能な制御回路（２６）と、
   を含む電気システム（１０）。
2. 第１の磁気抵抗センサが、ホイートストーンブリッジに配置された複数の磁気抵抗器（３０）を含む、請求項１に記載の電気システム。
3. 制御回路が、第１のモノリシック集積回路における導電体（２０）の１つまたは複数において電流の周期パルスを引き起こすことによって、ホイートストーンブリッジの磁気抵抗器の感度方向を周期的に反転するように動作可能である、請求項２に記載の電気システム。
4. 第１の所定の目標が、第１の磁気抵抗センサがゼロ磁束を検出することに対応する単一値である、請求項１に記載の電気システム。
5. 第１の所定の目標が値域である、請求項１に記載の電気システム。
6. 制御回路が、第１の制御磁束を発生する電流を制御するように動作可能なデジタル情報プロセッサ（７０）を含む、請求項１に記載の電気システム。
7. 電気システム（１０）を動作させる方法であって、
   第１のモノリシック集積回路（２８）の一部である第１の磁気抵抗センサ（１４）を用いて、１つまたは複数の導電体（１２）における検出された電流によって発生された磁束（９２）を検出することを始めとして磁束（９２）を検出し、かつ検出された磁束に関連する出力信号を生成することと、
   検出された電流からの磁束を少なくとも部分的に相殺する第１の制御磁束（１００）を発生するような方法で、第１のモノリシック集積回路の１つまたは複数の導電体（１８）に制御電流を供給することによって、第１の磁気抵抗センサの出力信号を所定の目標にほぼ一致させることと、
   を含む方法。
8. 第１のモノリシック集積回路の１つまたは複数の導電体に供給された制御電流の大きさに少なくとも部分的に基づいて、検出された電流の大きさを計算することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 第１の磁気抵抗センサが、ホイートストーンブリッジに配置された複数の磁気抵抗器（３０）を含み、
   方法が、第１のモノリシック集積回路における導電体（２０）の１つまたは複数に、パルシングセンサ反転電流（ｐｕｌｓｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ−ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）を周期的に供給することによって、ホイートストーンブリッジにおける磁気抵抗器の感度方向（Ｓ_ｒ）を周期的に反転することと、
   制御電流の大きさに少なくとも部分的に基づいて、検出された電流の大きさを計算することが、センサ反転電流（ｓｅｎｓｏｒ−ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）の周期的なパルス間の少なくとも２つの連続期間中に、制御電流の大きさに少なくとも部分的に基づいて、検出された電流の大きさを計算することと
   をさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 第２のモノリシック集積回路（２９）の一部である第２の磁気抵抗センサ（１６）を用いて、検出された電流によって発生された磁束を検出することを始めとして磁束（９２）を検出し、かつ検出された磁束に関連する出力信号を生成することと、
    第２の磁気抵抗センサにおける検出された電流からの磁束を少なくとも部分的に相殺する第２の制御磁束（１０２）を発生するような方法で、第２のモノリシック集積回路の１つまたは複数の導電体（２２）に制御電流を供給することによって、第２の磁気抵抗センサの出力信号を所定の目標にほぼ一致させることと、
    をさらに含む、請求項７に記載の方法。

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