JP2012052912A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】差動演算によって外部磁界の影響を十分に除去し、電流測定精度の低下を抑制することができる電流センサを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の電流センサ１１は、主電流線を通流する被測定電流から分流された分流電流を通流する電流線１０３と、電流線１０３の周囲に配置され、電流線１０３を通流する電流からの誘導磁界により略逆相の出力信号を出力する第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂと、が同一基板に設けられた磁気センサチップ１０１と、第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂに接続され、第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂの出力信号を差動演算する演算装置と、を具備し、磁気センサチップ１０１の電流線１０３は、配線１５ａ、１５ｂを介して、被測定電流を通流する主電流線１３と接続されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流の大きさを測定する電流センサに関する。特に、外乱磁界に起因する測定精度の低下が抑制された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、このような用途向けに、大電流を非接触で測定することが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。また、磁気センサを用いる電流センサは、外乱磁界の影響による測定精度の低下が問題となるため、これを抑制する方式が提案されている。

外乱磁界の影響による測定精度の低下を抑制する方式としては、例えば、二つの磁気センサの出力信号の差動をとるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この構成では、二つの磁気センサの出力信号において、被測定電流が形成する磁界の影響が逆相で現れ、外乱磁界の影響が同相で現れるため、その差動を取ることで外乱磁界の影響を除去することができる。

特開２００２−２４３７６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方式では、地磁気などの一様な磁界の影響を除去することは可能であるが、隣接する電流路のような局所的に発生する磁界の影響を完全には除去することができないという問題がある。例えば、隣接する電流路から発生する磁界は一様でないため、隣接する電流線と、差動をとる２つの磁気センサとの距離が異なると、２つの磁気センサが受ける外部磁界の影響が異なるため、外部磁界を完全に除去できない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、差動演算によって外部磁界の影響を十分に除去し、電流測定精度の低下を抑制することができ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、主電流線を通流する被測定電流から分流された分流電流を通流する電流線と、前記電流線の周囲に配置され、電流線を通流する電流からの誘導磁界により略逆相の出力信号を出力する一対の磁気センサと、が同一基板に設けられた磁気センサチップと、前記一対の磁気センサに接続され、前記一対の磁気センサの出力信号を差動演算する演算装置と、を具備し、前記磁気センサチップの前記電流線は、配線を介して、前記被測定電流を通流する前記主電流線と接続されることを特徴とする。

この構成によれば、一対の磁気センサが同一の基板に作り込まれているため、電流センサを小型化することができると共に、磁気センサ間の距離を十分に小さくすることができる。そして、磁気センサ間の距離を十分に小さくすることで、局所的な外部磁界（距離に応じて変化する外部磁界）からの影響を、一対の磁気センサ間で略等しく受けることが可能である。このため、差動演算によって外部磁界の影響を十分にキャンセルすることが可能であり、電流測定精度の低下を抑制することができる。なお、主電流線を分割する必要がある大電流用途の電流センサでは、主電流線を通流する電流が上述の局所的な外部磁界の発生源となり得る。このため、上述の一対の磁気センサが同一の基板に作り込まれる構成は、被測定電流を分流する必要があるような大電流用途において特に有効である。

なお、本明細書において、「電流線」の用語は、電流を導くことが可能な構成要素を示すにすぎず、その形状が「線」状であることを限定する趣旨で用いるものではない。たとえば、「電流線」には、板状の導電部材や、薄膜状の導電部材（導電パターン）などが含まれる。

本発明の電流センサにおいて、前記一対の磁気センサは、感度軸方向が同じになるように配置されることがある。この構成によれば、差動演算によって、外部磁界の影響を容易にキャンセルすることができる。

本発明の電流センサにおいて、前記磁気センサは、磁気抵抗効果素子を含むことがある。この構成によれば、磁気抵抗効果素子を用いることによって、十分な電流測定精度を確保することができる。

本発明の電流センサにおいて、前記磁気センサは、ブリッジ回路を含むことがある。この構成によれば、ブリッジ回路を採用することによって、十分な電流測定精度を確保することができる。

本発明の電流センサにおいて、前記電流線は、渦巻状（コイル状）に配置されることがある。電流線は、主電流線から分割されているため、電流線を通流する電流が不足し、測定に係る磁界の強度が不足する場合がある。この構成によれば、このような場合でも、電流線が複数回巻かれていることにより、電流線がコイルとして働き、発生する磁界の強度を強める事ができるため、電流測定精度を十分に確保することができる。

本発明の電流センサにおいて、前記電流線は薄膜状であり、前記磁気センサは、前記電流線の上方または下方に、前記電流線と重畳する態様で配置されることがある。この構成によれば、電流線の上方または下方に磁気センサが作り込まれることになるため、電流線と磁気センサとの位置合わせを、極めて高い精度で行うことができる。よって、電流線と磁気センサとの位置ずれに起因する電流測定精度の低下を抑制することができる。

本発明の電流センサにおいて、前記演算装置は、前記同一基板に一体に設けられることがある。この構成によれば、演算装置を別体で設ける場合と比較して部品点数を低減し、作製工程を簡略化することができる。

本発明の電流センサは、一対の磁気センサが同一の基板に作り込まれているため、電流センサを小型化することができると共に、磁気センサ間の距離を十分に小さくすることができる。このため、差動演算によって外部磁界の影響を十分に除去することが可能であり、電流測定精度の低下を抑制することができる。

本発明の電流センサの構成例を示す模式図である。 本発明の電流センサの回路構成例を示す図である。 本発明の磁気センサチップの構成例を示す断面模式図である。

本発明者らは、一対の磁気センサを同一の基板に作り込んで、磁気センサ間の距離を十分に小さくすることで、地磁気などの一様な外部磁界の影響をキャンセルすることができると共に、距離に依存して変動する局所的な外部磁界の影響を十分にキャンセルすることができることを見出した。すなわち、本発明の骨子は、差動演算によって外部磁界の影響を除去すると共に、被測定電流を分流して測定する方式の電流センサにおいて、磁気センサ間の距離を十分に小さくすることで、磁気センサ間の距離に依存して変化し得る局所的な外部磁界の影響をも抑制しようとするものである。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、本発明の電流センサについて示す模式図である。図１（Ａ）は電流センサおよびその周辺の構成を模式的に示した斜視図であり、図１（Ｂ）は電流センサを構成する磁気センサチップの構成を模式的に示した平面図である。また、図１（Ａ）および図１（Ｂ）において、破線の矢印は電流の向きを示し、図１（Ｂ）において、細い実線の矢印は磁気センサの感度軸方向を示し、太い矢印は電流によって発生する磁界であって、磁気センサが影響を受ける磁界の向きを示す。つまり、ここでは、磁気センサが電流線の上方に配置されている場合を示している。なお、図１は模式図であるから、各構成の大きさ、数量、配置などは適宜変更され得る。例えば、電流の向きや磁気センサの感度軸方向などは、図１に示す態様に限定されず、適宜変更することができる。また、図１においては、構成の一部が省略されていることがある。

図１（Ａ）に示されるように、電流センサ１１は、被測定電流が通流する主電流線１３に配線１５ａおよび配線１５ｂを介して接続された磁気センサチップ１０１を含む。なお、ここでは、主電流線１３や、配線１５ａ、配線１５ｂなどは、電流センサ１１の構成要素ではないものとして扱うが、これらを電流センサ１１の構成要素としても良い。

また、図１（Ｂ）に示されるように、電流センサ１１に含まれる磁気センサチップ１０１は、上記配線１５ａおよび配線１５ｂと接続された電流線１０３や、電流線１０３と重畳するように配置された第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂを含む。なお、図１には示していないが、磁気センサチップ１０１は、第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂに接続された演算装置を含むことがある。当該演算装置は、例えば、第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂの出力信号を差動演算する。このように、磁気センサチップ１０１が演算装置を含む場合には、演算装置を別体で設ける場合と比較して部品点数を低減し、作製工程を簡略化することができる。ただし、当該演算装置は、磁気センサチップ１０１とは別体に設けられても良い。

電流線１０３は、アルミニウム、チタン、タングステン、銅、銀、などの導電材料を含んで構成される。ここで、電流線１０３の上方または下方には、電流線１０３と重畳するように第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂが配置されるから、電流線１０３は薄膜状に形成されていることが望ましい。また、図１（Ｂ）からも分かるように、電流線１０３の平面形状は渦巻状（コイル状）である。このように、電流線が複数回巻かれた構成とすることにより、電流線１０３がコイルとして働き、発生する磁界の強度を強める事ができるため、電流測定精度を十分に確保することができる。もちろん、電流線１０３の形状は、コイルとしての機能を発揮できるものであれば、渦巻状であることに限られない。

第一の磁気センサ１０５ａ、第二の磁気センサ１０５ｂは、磁界によって特性が変化する磁気センサ素子を備えている。磁気センサ素子には、磁気抵抗効果素子やホール素子などがあるが、ここでは磁気抵抗効果素子を用いる。磁気抵抗効果素子は、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化するという性質を有している。磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などを挙げることができる。このような磁気抵抗効果素子を磁気センサ素子として用いることにより、十分な電流測定精度を確保することができる。

磁気センサチップ１０１内において、第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂは、電流線１０３を通流する電流からの誘導磁界により、略逆相の出力信号が出力されるように配置される。例えば、図１（Ｂ）では、渦巻状の電流線１０３の左右に第一の磁気センサ１０５ａおよび第一の磁気センサ１０５ｂが配置されている。この場合には、磁界の向きが、第一の磁気センサ１０５ａの近傍と第二の磁気センサ１０５ｂの近傍とで逆向きになるため、第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂは、その感度軸方向が同じになるように配置される。このような配置により、略逆相の出力信号が得られるため、差動演算による外部磁界の影響のキャンセルが容易になる。ここで、「略逆相の出力信号」とは、ノイズ成分などを除いて、電圧の正負が反転した関係にある出力信号のことをいう。ただし、所望の精度で電流測定をおこなうことができる程度の関係にあれば良いから、厳密に正負が反転した電圧値となることは要求されない。

上述の電流センサ１１では、被測定電流を分流させて電流測定に用いている。例えば、図１では、主電流線１３を通流する被測定電流から分流された分流電流は、配線１５ａを通じて電流線１０３を通流し、配線１５ｂを通じて主電流線１３へと戻る。分流電流が電流線１０３を通流すると、電流線１０３の周囲には、その電流に応じた磁界が発生する。そして、第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂは、発生した磁界の影響を受けて、磁界の強さに対応する電圧の出力信号を出力する。

ここで、電流線１０３を流れる電流の大きさは、電流経路の電気抵抗によって決定される。例えば、主電流線１３の電気抵抗がＲであり、配線１５ａ、配線１５ｂ、および電流線１０３を直列に接続した電流経路の電気抵抗がｒであれば、分流後に主電流線１３を通流する電流Ｉと、電流線１０３を通流する分流電流ｉとの関係は概ね、ｉ／Ｉ＝Ｒ／ｒとなる。被測定電流の値はＩ＋ｉであるから、分流電流ｉが決定されれば、電流Ｉが決定されて、被測定電流の値が決定されることが分かる。なお、各構成の接続如何によっては、上述の関係が得られないこともあるが、その場合には、他の適当な関係を用いて被測定電流の値を算出してやればよい。いずれにしても、第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂによって、電流線１０３を通流する分流電流ｉに関する情報を得ることで、被測定電流の値を求めることが可能である。

図２は、本発明の電流センサ１１の回路構成の例を示す図である。図２（Ａ）は、電流センサ１１の回路構成にかかるブロック図であり、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）は、第一の磁気センサ１０５ａや第二の磁気センサ１０５ｂとして使用可能な磁気センサの回路図である。なお、図２では、構成の一部が省略されていることがある。また、図２に、別の構成を付加してもよい。

まず、電流センサ１１の回路構成の例を説明する。図２（Ａ）に示されるように、電流センサ１１は、第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂの出力端子に接続された演算装置１０７を有する。ここで、演算装置１０７は、第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂの出力信号を差動演算する機能を少なくとも有している。つまり、上述のように電流線１０３に電流が通流して電流線１０３の周囲に磁界が発生し、第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂから電流に対応した出力信号が出力されると、出力信号を受けた演算装置１０７は、当該二つの出力信号の差分を計算して出力する。これにより、外部磁界の影響をキャンセルし、電流の測定精度を高めることができる。ここで、演算装置１０７は、磁気センサチップ１０１に一体に設けられていても良いし、磁気センサチップ１０１とは別体で設けられていても良い。

なお、外部磁界の影響のキャンセルは、次の原理によって実現する。まず、電流線１０３を通流する電流ｉによって電流線の周辺に磁束φが生じた場合の、磁束φのみに起因して生じる第一の磁気センサ１０５ａの出力をＯ_１とする。第一の磁気センサ１０５ａと第二の磁気センサ１０５ｂは、略逆相の出力信号が出力されるように配置されているため、磁束φのみに起因して生じる第二の磁気センサ１０５ｂの出力は−Ｏ_１である。一方で、一様な外部磁界による第一の磁気センサ１０５ａの出力（ノイズ）をＮ_１とすると、第二の磁気センサ１０５ｂの出力も同様にＮ_１である。よって、ノイズ成分を含めた第一の磁気センサ１０５ａの出力はＯ_１＋Ｎ_１となり、ノイズ成分を含めた第二の磁気センサ１０５ｂの出力は−Ｏ_１＋Ｎ_１となる。二つの磁気センサの出力の差は、（Ｏ_１＋Ｎ_１）−（−Ｏ_１＋Ｎ_１）＝２・Ｏ_１であるから、二つの磁気センサの出力の差動値をとることで一様な外部磁界によるノイズ成分が除去される。

ここで、地磁気のような一様な外部磁界に起因するノイズ成分に加え、配線や回路を流れる電流などによる局所的な外部磁界に起因するノイズ成分が存在する場合を考える。例えば、電流に起因する磁界の強さは、電流と観測点との距離の関数として表現されるから、磁気センサと電流との距離が等しいという特殊な状況を除いて、二つの磁気センサが電流から受ける影響は、第一の磁気センサ１０５ａと第二の磁気センサ１０５ｂとの距離に応じて異なってくる。つまり、局所的な外部磁界による第一の磁気センサ１０５ａの出力をＮ_２とすると、第二の磁気センサ１０５ｂの出力は−Ｎ_２とはならないため、出力の差動値をとっても、局所的な外部磁界によるノイズ成分を十分といえる程度には除去できない。

上述の問題を解消するために、本発明では、一対の磁気センサを同一の基板に作り込んで、磁気センサ間の距離を十分に小さくしている。これによって、上述の局所的な外部磁界による第二の磁気センサ１０５ｂの出力をほぼ−Ｎ_２とすることができるため、出力の差動値をとることにより、局所的な外部磁界によるノイズ成分を十分に除去することができる。そしてこれにより、局所的な外部磁界の影響による電流測定精度の低下を抑制することができる。なお、本発明のように、主電流線を分割する必要がある大電流用途の電流センサでは、主電流線を通流する被測定電流が局所的な外部磁界の発生源となり得る。このため、本発明の、一対の磁気センサを同一の基板に作り込むという構成は、被測定電流を分流する必要がある大電流用途などにおいて特に有効である。

次に、電流センサ１１に用いられる磁気センサの回路構成の例について説明する。図２（Ｂ）や図２（Ｃ）に示されるように、第一の磁気センサ１０５ａや第二の磁気センサ１０５ｂとして用いることができる磁気センサは、磁気抵抗効果素子が所定の関係で接続されることで構成されている。なお、図２（Ｂ）や図２（Ｃ）において、細い実線の矢印は、磁気センサの感度方向を示しており、太い矢印は、測定磁界の向きを示している。

図２（Ｂ）に示す構成では、二つの磁気抵抗効果素子が用いられている。第一の磁気抵抗効果素子１２１ａの一方の端子と、第二の磁気抵抗効果素子１２１ｂの一方の端子とは、出力端子Ｏｕｔに接続されている。また、第一の磁気抵抗効果素子１２１ａの他方の端子には、電源電位Ｖｄｄが入力され、第二の磁気抵抗効果素子１２１ｂの他方の端子には接地電位Ｇｎｄが入力されている。

図２（Ｃ）に示す構成では、二つの磁気抵抗効果素子と二つの固定抵抗素子によってブリッジ回路が構成されている。第一の磁気抵抗効果素子１２３ａの一方の端子と、第一の固定抵抗素子１２５ａの一方の端子とは、出力端子Ｏｕｔ１に接続されている。また、第二の磁気抵抗効果素子１２３ｂの一方の端子と、第二の固定抵抗素子１２５ｂの一方の端子とは、出力端子Ｏｕｔ２に接続されている。そして、第一の磁気抵抗効果素子１２３ａの他方の端子には、第二の磁気抵抗素子１２３ｂの他方の端子が接続されて、電源電位Ｖｄｄが入力されている。また、第一の固定抵抗素子１２５ａの他方の端子には、第二の固定抵抗素子１２５ｂの他方の端子が接続されて、接地電位Ｇｎｄが入力されている。

第一の磁気抵抗効果素子１２３ａと、第二の磁気抵抗効果素子１２３ｂとが影響を受ける磁界（電流による磁界）の向きは１８０°異なっており、測定磁界の強度に応じた電圧が出力端子Ｏｕｔ１とＯｕｔ２から出力される。出力端子Ｏｕｔ１からの出力と、出力端子Ｏｕｔ２からの出力とを比較することで、より高い精度の磁界測定を行うことができる。つまり、この構成を用いることで、十分な電流測定精度を確保した電流センサ１１を実現することができる。

なお、磁気センサの構成は、図２（Ｂ）や図２（Ｃ）に示すものに限定されない。例えば、固定抵抗素子を、第一の磁気抵抗効果素子および第二の磁気抵抗効果素子と感度方向が１８０度異なる磁気抵抗効果素子に置き換えることもできる。素子の接続関係なども適宜変更することができる。

図３は、本発明の電流センサ１１に用いられる磁気センサチップ１０１の構成の例を示す断面模式図である。なお、図３は模式図に過ぎないから、磁気センサチップ１０１の断面構成が図３に開示される断面構成に限定されるものではない。例えば、図中に表れていない絶縁体膜、導電体膜、半導体膜などの、付加、変更等は適宜可能である。また、図３は、磁気センサチップ１０１の断面の一部を示したものに過ぎず、磁気センサチップ１０１全体の断面構成はこれに限られない。

図３（Ａ）には、基板１３１の上方に磁気センサ１３３を有し、磁気センサ１３３の上方に、バッファ層１３５を介して薄膜状の電流線１３７を有する構成の磁気センサチップ１０１の例を示す。この場合には、基板１３１に磁気センサ１３３を作り込んだ後に、バッファ層１３５および電流線１３７が形成されることになる。なお、磁気センサ１３３の具体的な構造は適宜設定することができる。

図３（Ｂ）には、基板１３１の上方に薄膜状の電流線１３７を形成し、電流線１３７の上方に、バッファ層１３５を介して磁気センサ１３３が配置された構成の磁気センサチップ１０１の例を示す。この場合には、基板１３１に薄膜状の電流線１３７を形成した後に、バッファ層１３５を形成し、磁気センサ１３３を配置することになる。なお、磁気センサ１３３の具体的な構造は適宜設定することができる。

図３に示すように、電流線１３７を薄膜状に形成し、磁気センサ１３３を電流線１３７の上方または下方に重畳する態様で配置することにより、電流線１０３と、第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂとの位置合わせの精度を極めて高い水準に保つことができる。このため、電流線１０３と第一の磁気センサ１０５ａとの位置ずれや、電流線１０３と第二の磁気センサ１０５ｂとの位置ずれに起因する電流測定精度の低下を抑制することができる。また、電流線１０３と、第一の磁気センサ１０５ａおよび第二の磁気センサ１０５ｂとを磁気センサチップ１０１に一体に設けることで、電流センサを小型化することができる。

以上のように、本発明の電流センサは、一対の磁気センサが同一の基板に作り込まれているため、電流センサを小型化することができると共に、磁気センサ間の距離を十分に小さくすることができる。このため、差動演算によって外部磁界の影響を十分に除去することが可能であり、電流測定精度の低下を抑制することができる。

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ける各素子の接続関係、大きさ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。

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 電流センサ
１３ 主電流線
１５ａ，１５ｂ 配線
１０１ 磁気センサチップ
１０３ 電流線
１０５ａ 第一の磁気センサ
１０５ｂ 第二の磁気センサ
１０７ 演算装置
１２１ａ，１２３ａ 第一の磁気抵抗効果素子
１２１ｂ，１２３ｂ 第二の磁気抵抗効果素子
１２５ａ 第一の固定抵抗素子
１２５ｂ 第二の固定抵抗素子

Claims (7)

1. 主電流線を通流する被測定電流から分流された分流電流を通流する電流線と、
   前記電流線の周囲に配置され、電流線を通流する電流からの誘導磁界により略逆相の出力信号を出力する一対の磁気センサと、が同一基板に設けられた磁気センサチップと、
   前記一対の磁気センサに接続され、前記一対の磁気センサの出力信号を差動演算する演算装置と、
   を具備し、
   前記磁気センサチップの前記電流線は、配線を介して、前記被測定電流を通流する前記主電流線と接続されることを特徴とする電流センサ。
2. 前記一対の磁気センサは、感度軸方向が同じになるように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記磁気センサは、磁気抵抗効果素子を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記磁気センサは、ブリッジ回路を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一に記載の電流センサ。
5. 前記電流線は、渦巻状に配置されたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一に記載の電流センサ。
6. 前記電流線は薄膜状であり、
   前記磁気センサは、前記電流線の上方または下方に、前記電流線と重畳する態様で配置されたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一に記載の電流センサ。
7. 前記演算装置は、前記同一基板に一体に設けられたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一に記載の電流センサ。

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