JP2012225872A

JP2012225872A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2012225872A
Application number: JP2011096101A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Suenaga; 健末永
Original assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Current assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2012-11-15

Abstract

【課題】被測定電流が通流する電流線に高周波領域の電圧変動が生じても電流測定精度の低下を抑制可能な電流センサを提供すること。
【解決手段】第１出力配線（１３１ａ、１３１ｂ）に対し電流線（２）を通流する電流（Ｉ）の誘導磁界（Ｈ）による第１出力信号を出力する第１磁気検出素子（１１ａ）と、第２出力配線（１３１ｃ、１３１ｄ）に対し第１出力信号と略逆相の関係にある第２出力信号を出力する第２磁気検出素子（１１ｂ）と、を備え、電流線（２）の電圧変動に起因する第１出力配線（１３１ａ、１３１ｂ）の電圧変動の影響と第２出力配線（１３１ｃ、１３１ｄ）の電圧変動の影響とが同等になるように、第１出力配線（１３１ａ、１３１ｂ）の導電パターン（１３２）へのインピーダンスと第２出力配線（１３１ｃ、１３１ｄ）の導電パターン（１３２）へのインピーダンスとを異ならせたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定電流を非接触で測定できる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提案されている。例えば、特許文献１には、演算部において２つの磁気センサのセンサ出力の差をとることで電流線の電流値を測定可能な電流センサが開示されている。

特開２００５−１９５４２７号公報

ところで、電流線に接続される回路などの影響で、電流線には電流値に殆ど影響を与えない高周波領域の電圧変動が生じることがある。電流線と磁気センサとは近接して配置されているため、電流線の電圧変動によって電流線の電流値は殆ど変動しないにもかかわらず磁気センサと接続する出力配線の電圧は大きく変動し得る。出力配線の電圧変動は電流測定に直接的に影響するが、特許文献１に記載の電流センサはこのような電流線の電圧変動を考慮しておらず当該電圧変動に起因するノイズ成分を除去することができないため、電流測定精度は大幅に低下してしまう。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、被測定電流が通流する電流線に高周波領域の電圧変動が生じても電流測定精度の低下を抑制可能な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、被測定電流が通流する電流線の延在方向に対して主表面が略直交するよう配置され、第１出力配線、第２出力配線、及び固定電位と接続される導電パターンを有する配線基板と、前記配線基板の主表面に配置され、前記第１出力配線に対し前記電流線を通流する電流の誘導磁界による第１出力信号を出力する第１磁気検出素子と、前記配線基板の主表面に配置され、前記第２出力配線に対し前記第１出力信号と略逆相の関係にある第２出力信号を出力する第２磁気検出素子と、を備え、前記電流線の電圧変動に起因する前記第１出力配線の電圧変動の影響と前記第２出力配線の電圧変動の影響とが同等になるように、前記第１出力配線の前記導電パターンへのインピーダンスと前記第２出力配線の前記導電パターンへのインピーダンスとを異ならせたことを特徴とする。

この構成によれば、電流線の電圧変動に起因する第１出力配線の電圧変動の影響と第２出力配線の電圧変動の影響とが同等になるように、第１出力配線の導電パターンへのインピーダンスと第２出力配線の導電パターンへのインピーダンスとを異ならせている。これにより、電流線の電圧変動に起因して生じる第１出力配線の電圧変動の影響と第２出力配線の電圧変動の影響とが略等しくなり、当該電圧変動によるノイズ成分をキャンセル可能になるため、電流線に電圧変動が生じても電流測定精度の低下を抑制可能になる。

本発明の電流センサにおいて、前記第１出力配線に近接する領域の前記導電パターンの面積と前記第２出力配線に近接する領域の前記導電パターンの面積とを異ならせることで、前記第１出力配線の前記導電パターンへのインピーダンスと前記第２出力配線の前記導電パターンへのインピーダンスとを異ならせても良い。

本発明の電流センサにおいて、前記第１出力配線は前記第２出力配線より前記電流線に近い位置に配置され、前記第２出力配線の導電パターンへのインピーダンスを前記第１出力配線の導電パターンへのインピーダンスより大きくしても良い。

この構成によれば、第１出力配線は第２出力配線より電流線に近いため、第１出力配線は第２出力配線より電流線の電圧変動の影響を受けやすい。そこで、第２出力配線の導電パターンへのインピーダンスを第１出力配線の導電パターンへのインピーダンスより大きくすることで、第２出力配線側では導電パターンとの容量結合が弱められ、第２出力配線が電流線の電圧変動の影響を強く受けるようになる。これにより、第１出力配線の電圧変動と第２出力配線の電圧変動とを略等しくしてノイズ成分を除去可能になるため、電流線に電圧変動が生じても電流測定精度の低下を抑制可能になる。

本発明の電流センサにおいて、前記第２出力配線に近接する領域の前記導電パターンの面積を前記第１出力配線に近接する領域の前記導電パターンの面積より小さくすることで、前記第２出力配線の導電パターンへのインピーダンスを前記第１出力配線の導電パターンへのインピーダンスより大きくしても良い。

この構成によれば、第２出力配線に近接する領域の導電パターンの面積を第１出力配線に近接する領域の導電パターンの面積より小さくすることで、第２出力配線の導電パターンへのインピーダンスを第１出力配線の導電パターンへのインピーダンスより容易に大きくできる。これにより、第１出力配線の電圧変動と第２出力配線の電圧変動とを容易に合わせることができ、容易に電流測定精度の低下を抑制可能になる。

本発明の電流センサにおいて、前記第２出力配線と前記電流線との間に、導電パターンが設けられていない領域を有しても良い。

この構成によれば、電圧変動の抑制に効果的な電流線側に導電パターンのない領域を設けることで、第２出力配線における電流線の電圧変動の影響を効果的に大きして第１出力配線の電圧変動と第２出力配線の電圧変動とを容易に合わせることができる。

本発明の電流センサにおいて、前記第１磁気検出素子の出力と前記第２磁気検出素子の出力との差を算出する演算回路を備えても良い。

この構成によれば、第１出力配線の電圧変動と第２出力配線の電圧変動とを略等しくした上で、演算回路によって出力差をとることで、電圧変動の影響を確実にキャンセルして電流測定精度の低下を抑制できる。

本発明の電流センサにおいて、前記第１出力配線及び前記第２出力配線にそれぞれ接続される第１制御回路素子及び第２制御回路素子を備えても良い。

本発明により、被測定電流が通流する電流線に高周波領域の電圧変動が生じても電流測定精度の低下を抑制可能な電流センサを提供することができる。

本実施の形態に係る電流センサの構成例を示す模式図である。電流線と出力配線及び導電パターンとの関係を示す平面模式図である。本実施の形態に係る電流センサの構成例を示すブロック図である。本実施の形態に係る磁気検出素子の構成例を示す回路図である。本実施の形態に係る電流センサの出力特性を示す図である。第１比較例に係る電流センサの構成を示す平面模式図である。第１比較例に係る電流センサの出力特性を示す図である。第２比較例に係る電流センサの構成を示す平面模式図である。第２比較例に係る電流センサの出力特性を示す図である。

本発明者は、２つの磁気検出素子を用いる電流センサにおいて、電流線に接続した回路が発生する高周波領域の電圧変動（特に、急激な電圧変動）によって、電流線の電流量は殆ど変動しないにもかかわらず電流センサ出力が大きく変動して測定誤差が生じることを見出した。これは、磁気検出素子の出力端子に接続される配線基板の出力配線が電流線に関して対称に配置されないことにより、高周波領域の電圧変動に起因して生じる磁気検出素子の出力配線の電圧変動が第１磁気検出素子側と第２磁気検出素子側とで異なり、当該電圧変動の影響を十分にキャンセルできないためである。

本発明者はこの知見を元に、配線基板に設けられ固定電位が与えられる導電パターンへの出力配線のインピーダンスを第１磁気検出素子側と第２磁気検出素子側とで異ならせることにより、上記電圧変動の影響を第１磁気検出素子側と第２磁気検出素子側とで略等しくできること、及び、第１磁気検出素子側と第２磁気検出素子側とで上記電圧変動の影響を略等しくすることにより、上記電圧変動を十分にキャンセルできることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の骨子は、電流線の電圧変動の影響が第１磁気検出素子側と第２磁気検出素子側とで略等しくなるように出力配線の導電パターンへのインピーダンスを第１磁気検出素子側と第２磁気検出素子側とで異ならせることである。以下、本発明の電流センサについて添付図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る電流センサ１の構成例を示す模式図である。図１Ａは電流センサ１及びその周辺の構成を模式的に示す斜視図であり、図１Ｂは電流センサ１を図１Ａの上方（紙面上方向）から見た平面図である。以下、斜視図の紙面左下方向に対応する方向を前、紙面右上方向に対応する方向を後、紙面左方向に対応する方向を左、紙面右方向に対応する方向を右、紙面上方向に対応する方向を上、紙面下方向に対応する方向を下、と呼ぶ。

図１に示される電流センサ１は、被測定電流Ｉが通流する電流線２の周囲に配置された略直方体状の第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂと、第１磁気検出素子１１ａに接続される略直方体形状の第１制御回路素子１２ａと、第２磁気検出素子１１ｂに接続される略直方体形状の第２制御回路素子１２ｂと、主表面にこれらの素子が配置される薄板状の配線基板１３とを含んで構成される。なお、図１中、第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂに付される矢印は、それぞれの感度軸の向きを示し、電流線２に付される矢印は、電流線２を通流する被測定電流Ｉの向きを示し、電流線２の周囲に配置される矢印は、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈの向きを示す。

第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂは、上下方向に延在する電流線２からの距離が略等しくなるよう配線基板１３の第１主表面１３ａに配置されており、当該配置位置における誘導磁界Ｈを検出可能に構成されている。第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂは、電流線２に関して略対称な位置に配置されている。また、第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂは、感度軸が互いに同じ方向を向くように配置されている。ただし、第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂから誘導磁界Ｈによる略逆相の出力が得られるのであれば、第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂの配置、それぞれの感度軸の向きなどはこれに限られない。

第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂは、それぞれ複数の端子（ここでは８個）を備えており、当該端子を介して配線基板１３と接続されている。複数の端子のうち、端子ａ、ｂは出力端子であり、磁気検出素子の配置位置における誘導磁界Ｈの大きさに略比例する出力差が得られるよう構成されている。残りの端子のうちの２個は所定電位（例えば、＋Ｖ、−Ｖ）と接続される電源端子である。また、別の２個は各磁気検出素子内のフィードバックコイル（図１において不図示）の電流端子である。なお、これら磁気検出素子が備える端子は、磁気検出素子の機能、構成等に応じて変更可能である。このため、端子の機能や配置、数などは上述したものに限られない。

第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂは略同一の構成の素子である。このため、略逆相の出力が得られるように第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂを配置すると、図１Ｂに示されるように第１磁気検出素子１１ａの端子ａと電流線２との距離は、第２磁気検出素子１１ｂの端子ａと電流線２との距離より大きくなり、第１磁気検出素子１１ａの端子ｂと電流線２との距離は、第２磁気検出素子１１ｂの端子ｂと電流線２との距離より小さくなる。つまり、端子の配置は、電流線２に関して対称ではない。

第１制御回路素子１２ａ及び第２制御回路素子１２ｂは、それぞれ、第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂに接続されており、第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂの動作を制御すると共にその出力を増幅して後段の演算部（図１において不図示）に出力できるよう構成されている。第１制御回路素子１２ａ及び第２制御回路素子１２ｂは、それぞれ複数の端子（ここでは８個）を備えており、当該端子を介して配線基板１３と接続されている。複数の端子のうち、端子Ａ、Ｂは、第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂの端子ａ、ｂと接続される入力端子である。なお、これら制御回路素子が備える端子は、制御回路素子の機能、構成等に応じて変更可能である。このため、端子の機能や配置、数などは上述したものに限られない。

配線基板１３は、第１主表面１３ａ側に出力配線１３１ａ〜１３１ｄなどの配線パターンが形成され、第１主表面１３ａと反対の第２主表面１３ｂ側に導電パターン１３２が形成された略Ｕ字型の基板である。配線基板１３の略Ｕ字型（又は略コの字型）の形状を構成する切り欠き部１３ｃ内には、配線基板１３の第１主表面１３ａに対して電流線２の延在方向が略直交するよう電流線２が配置されている。すなわち、配線基板１３は、被測定電流Ｉの通流方向（電流線２の延在方向）に略垂直な面内に配置されている。また、切り欠き部１３ｃは、切り欠き部１３ｃ内の電流線２（特に電流線２の中心軸）に関して略対称な位置に第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂを配置できるよう形成されている。なお、配線基板１３には、第１磁気検出素子１１ａ、第２磁気検出素子１１ｂ、第１制御回路素子１２ａ、第２制御回路素子１２ｂ以外に、演算部を構成する演算回路素子（図１において不図示）などの回路要素が配置されている。

配線基板１３の第１主表面１３ａには出力配線１３１ａ〜１３１ｄなどの配線パターンが形成されている。出力配線１３１ａ、１３１ｂは、第１磁気検出素子１１ａの端子ａ、ｂ、及び第１制御回路素子１２ａの端子Ａ、Ｂと接続され、これらを電気的に接続する。出力配線１３１ｃ、１３１ｄは、第２磁気検出素子１１ｂの端子ａ、ｂ、及び第１制御回路素子１２ｂの端子Ａ、Ｂと接続され、これらを電気的に接続する。上述したように、第１磁気検出素子１１ａの端子ａ、ｂと第２磁気検出素子１１ｂの端子ａ、ｂとは電流線２に関して対称に配置されていない。このため、出力配線１３１ａ、１３１ｂと出力配線１３１ｃ、１３１ｄとは、電流線２に関して対称でない。

図２は、電流線２と出力配線１３１ａ〜１３１ｄ、及び導電パターン１３２との関係を示す平面模式図である。図２に示されるように、出力配線１３１ａと電流線２との距離Ｄ（ａ）は、出力配線１３１ｃと電流線２との距離Ｄ（ｃ）より大きくなっている。また、出力配線１３１ｂと電流線２との距離Ｄ（ｂ）は、出力配線１３１ｄと電流線２との距離Ｄ（ｄ）より小さくなっている。距離Ｄ（ｂ）と距離Ｄ（ｄ）との差は距離Ｄ（ａ）と距離Ｄ（ｃ）との差より大きいため、距離Ｄ（ａ）と距離Ｄ（ｂ）との平均値Ｄ（１）は距離Ｄ（ｃ）と距離Ｄ（ｄ）との平均値Ｄ（２）より小さくなる。出力配線１３１ａと出力配線１３１ｂとを電流線２からの距離がＤ（１）の１本の出力配線（以下、第１出力配線）と考え、出力配線１３１ｃと出力配線１３１ｄとを電流線２からの距離がＤ（２）の１本の出力配線（以下、第２出力配線）と考えると、第２出力配線より第１出力配線の方が電流線１に近い。つまり、第１磁気検出素子１１ａ側の出力配線１３１ａ、１３１ｂと、第２磁気検出素子１１ｂ側の出力配線１３１ｃ、１３１ｄとにおける電流線２の電圧変動の影響を距離の平均値によって総合的に評価すると、その影響は、第１磁気検出素子１１ａ側において第２磁気検出素子１１ｂ側より強い。

配線基板１３の第２主表面１３ｂには、上述した電流線２の電圧変動の影響を低減するため、電流線２に関して非対称な形状を有し、接地電位などの固定電位と接続される導電パターン１３２が形成されている。具体的には、第１出力配線（すなわち、出力配線１３１ａ、１３１ｂ）に近接する領域１３３ａには導電パターン１３２を構成する導電部材が配置され、第２出力配線（すなわち、出力配線１３１ｃ、１３１ｄ）に近接する領域１３３ｂの一部には、導電パターン１３２を構成する導電部材が配置されない。つまり、第２出力配線に近接する領域１３３ｂの導電パターン１３２の面積は、第１出力配線に近接する領域１３３ａの導電パターン１３２の面積より小さくなっている。このように、第２出力配線に近接する領域１３３ｂの導電パターン１３２の面積を、第１出力配線に近接する領域１３３ａの導電パターン１３２の面積より小さくすることで、第２出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスを第１出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスより大きくできる。導電パターン１３２へのインピーダンスが大きくなると、導電パターン１３２との電気的な結合が弱まり、導電パターン１３２による電圧変動抑制の効果が低下する。つまり、この場合、第２出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスが大きくなることにより、第２出力配線における電圧変動の影響は相対的に大きくなる。本実施の形態の電流センサ１では、このようにして、第１出力配線と第２出力配線とにおける電流線２の電圧変動の影響を略等しくしている。

導電パターン１３２を構成する導電部材が配置されていない領域は、第２出力配線と電流線２との間の領域であることが望ましい。この領域に配置される導電パターン１３２は電圧変動抑制の効果が大きいため、この領域に導電パターン１３２を設けないことで、第２出力配線における電流線２の電圧変動の影響を大きくできる。このため、第１磁気検出素子１１ａ側の第１出力配線と第２磁気検出素子１１ｂ側の第２出力配線とで、電流線２の電圧変動の影響を揃えることが容易になる。ただし、第２出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスを第１出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスより大きくできるのであれば、導電パターン１３２を設けない領域はどこでも良い。

また、第２出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスを第１出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスより大きくできるのであれば、導電パターン１３２の形状を非対称にして、第１出力配線に近接する領域の面積と、第２出力配線に近接する領域の面積とを異ならせることに限られない。例えば、第１出力配線の配線パターンと第２出力配線の配線パターンとを異ならせることで、第１出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスと第２出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスとを制御しても良い。

電流線２は、上下方向に延在し、延在方向に垂直な断面が略長方形状の導電性部材である。ただし、電流線２の構成はこれに限られない。電流線２は、被測定電流Ｉを導くことが可能であればどのような構成態様でも良い。例えば、電流線２には、断面が略円形の導電部材や、薄膜状の導電部材（導電パターン）など、図示される電流線２とは構成の異なるものが含まれる。また、その材質も特に限定されない。なお、電流線２は電流センサ１の構成外であるが、電流センサ１は電流線２を含んで構成されても良い。

このように、電流センサ１は、第１出力配線、第２出力配線、及び固定電位と接続される導電パターン１３２を有する配線基板１３と、第１出力配線に対し誘導磁界Ｈによる第１出力信号を出力する第１磁気検出素子１１ａと、第２出力配線に対し第１出力信号と略逆相の関係にある第２出力信号を出力する第２磁気検出素子１１ｂとを備え、電流線２の電圧変動に起因する第１出力配線の電圧変動の影響と第２出力配線の電圧変動の影響とが同等になるように、第１出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスと第２出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスとを異ならせた構成を有している。言い換えれば、電流線２の電圧変動に起因する第１出力配線の電圧変動の影響と第２出力配線の電圧変動の影響とが同等になるように、第１出力配線に近接する領域１３３ａの導電パターン１３２の面積と、第２出力配線に近接する領域１３３ｂの導電パターン１３２の面積とを異ならせている。または、電流線２の電圧変動に起因する第１出力配線の電圧変動の影響と第２出力配線の電圧変動の影響とが同等になるように、第１磁気検出素子１１ａに重なる領域の導電パターン１３２の面積と、第２磁気検出素子１１ｂに重なる領域の導電パターン１３２の面積とを異ならせている。

このような構成の電流センサ１では、電流線の電圧変動に起因する第１出力配線の電圧変動の影響と第２出力配線の電圧変動の影響とが略等しくなることで、当該電圧変動によるノイズ成分を十分にキャンセルできるようになるため、電流線に電圧変動が生じても電流測定精度の低下を抑制可能になる。

図３は、第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂを含む電流センサ１の構成例を示すブロック図である。図４は、第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂの構成例を示す回路図である。

図３に示されるように、電流センサ１は、第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂと、第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂの制御を行う第１制御回路素子１２ａ及び第２制御回路素子１２ｂと、第１制御回路素子１２ａ及び第２制御回路素子１２ｂからの出力の差分をとってセンサ出力とする演算回路素子などで構成される演算部１４とを有する。

図３及び図４に示されるように、第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂは磁気平衡式の磁気検出素子であり、被測定電流Ｉによって発生する誘導磁界Ｈを打ち消す方向の磁界を発生可能に配置されたフィードバックコイル１１１ａ、１１１ｂと、４つの磁気抵抗効果素子Ｍ１〜Ｍ４で構成されるブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂと、を含んで構成されている。なお、ブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂを構成する磁気抵抗効果素子の数は４つに限られない。任意の数の磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子とを組み合わせてブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂを構成しても良い。

また、第１制御回路素子１２ａ及び第２制御回路素子１２ｂは、ブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂの差動出力を増幅し、フィードバックコイル１１１ａ、１１１ｂのフィードバック電流を制御する差動・電流アンプ１２１ａ、１２１ｂと、フィードバック電流を電圧に変換するＩ／Ｖアンプ１２２ａ、１２２ｂとを含んで構成されている。

フィードバックコイル１１１ａ、１１１ｂは、ブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂの磁気抵抗効果素子Ｍ１〜Ｍ４の近傍に配置されており、被測定電流Ｉにより発生する誘導磁界Ｈを相殺するキャンセル磁界を発生する。ブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂの磁気抵抗効果素子Ｍ１〜Ｍ４としては、ＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＴＭＲ（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などが用いられる。磁気抵抗効果素子は、被測定電流からの誘導磁界により抵抗値が変化するという特性を有する。このような特性を有する磁気抵抗効果素子を用いてブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂを構成することで、高感度の電流センサ１を実現できる。

ブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂの電源端子は＋Ｖ及び−Ｖと接続されている。ブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂがそれぞれ有する２つの端子ａ、ｂの出力は、差動・電流アンプ１２１ａ、１２１ｂがそれぞれ有する２つの端子（端子Ａ、Ｂに相当）に入力されて差動増幅され、フィードバックコイル１１１ａ、１１１ｂにフィードバック電流が流れる。フィードバック電流がフィードバックコイル１１１ａ、１１１ｂを流れると、当該フィードバック電流によって、誘導磁界Ｈを相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界Ｈ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にフィードバックコイル１１１ａ、１１１ｂを流れる電流が、Ｉ／Ｖアンプ１２２ａ、１２２ｂで電圧に変換され、センサ出力となる。

演算部１４は、第１制御回路素子１２ａ及び第２制御回路素子１２ｂからの出力電圧（すなわち、Ｉ／Ｖアンプ１２２ａ、１２２ｂの出力電圧）の差をとって出力する。演算部１４は、例えば、差動アンプで構成される。この演算処理によって、地磁気などの外部磁場の影響はキャンセルされ、高精度に電流を測定できる。

なお、電流センサ１は上述した構成に限定されない。例えば、電流センサ１の第１磁気検出素子１１ａ及び第２磁気検出素子１１ｂとしてフィードバックコイル等を用いない磁気比例式のセンサを用いても良い。

図５は、本実施の形態に係る電流センサ１の出力特性を示す図である。図５において、横軸は時間を、縦軸は電圧を示している。図５のＶ_１に示されるように、電流線２にノイズ電圧（２０Ｖ、４５ｋＨｚ）を与えても、電流センサ１の出力には電圧変動の影響がほとんど見られない。これは、第１出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスと第２出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスとを異ならせて、電流線２の電圧変動の影響を第１出力配線と第２出力配線とで略等しくすることで、当該電圧変動の影響を十分にキャンセルできていることを示す。

図６は、第１比較例に係る電流センサ３の構成を示す平面模式図である。図６に示される電流センサ３は、導電パターンの構成のみが電流センサ１と異なっている。すなわち、電流センサ３は、被測定電流Ｉが通流する電流線２の周囲に配置された略直方体状の第１磁気検出素子３１ａ及び第２磁気検出素子３１ｂと、第１磁気検出素子３１ａに接続される略直方体形状の第１制御回路素子３２ａと、第２磁気検出素子３１ｂに接続される略直方体形状の第２制御回路素子３２ｂと、主表面にこれらの素子が配置される薄板状の配線基板３３とを含んで構成されている。第１制御回路素子３２ａ及び第２制御回路素子３２ｂの後段には不図示の演算部が設けられている。

図６に示される電流センサ３において、導電パターン３３２は配線基板３３の略全面に形成されており、電流線２に関して対称な形状を有している。つまり、第１磁気検出素子３１ａの第１出力配線に近接する導電パターンの面積と第２磁気検出素子３１ｂの第２出力配線に近接する導電パターンの面積とは略等しくなっている。このため、第１出力配線の導電パターン３３２へのインピーダンスと第２出力配線の導電パターン３３２へのインピーダンスとは略等しくなっている。

図７は、図５の場合と同様のノイズ電圧を電流線２に与えた場合の電流センサ３の出力特性を示す図である。図７において、横軸は時間を、縦軸は電圧を示している。図７のＶ_２に示されるように、第１比較例に係る電流センサ３では電流線２の電圧変動の影響を受けて出力電圧が大きく変動している。これは、電流センサ３の電流測定精度が、電流センサ１と比べて低いことを示す。

図８は、第２比較例に係る電流センサ４の構成を示す平面模式図である。図８に示される電流センサ４は、導電パターンの構成のみが電流センサ１と異なっている。すなわち、電流センサ４は、被測定電流Ｉが通流する電流線２の周囲に配置された略直方体状の第１磁気検出素子４１ａ及び第２磁気検出素子４１ｂと、第１磁気検出素子４１ａに接続される略直方体形状の第１制御回路素子４２ａと、第２磁気検出素子４１ｂに接続される略直方体形状の第２制御回路素子４２ｂと、主表面にこれらの素子が配置される薄板状の配線基板４３とを含んで構成されている。第１制御回路素子４２ａ及び第２制御回路素子４２ｂの後段には不図示の演算部が設けられている。

図８に示される電流センサ４において、導電パターン４３２は第１磁気検出素子４１ａと重なる領域の面積と第２磁気検出素子４１ｂと重なる領域の面積が小さくなるように設けられている。また、導電パターン４３２は電流線２に関して対称な形状を有している。つまり、第１磁気検出素子４１ａの第１出力配線に近接する導電パターンの面積と第２磁気検出素子４１ｂの第２出力配線に近接する導電パターンの面積とは略等しくなっている。このため、第１出力配線の導電パターン４３２へのインピーダンスと第２出力配線の導電パターン４３２へのインピーダンスとは略等しくなっている。

図９は、図５の場合と同様のノイズ電圧を電流線２に与えた場合の電流センサ４の出力特性を示す図である。図９において、横軸は時間を、縦軸は電圧を示している。図９のＶ_３に示されるように、第２比較例に係る電流センサ４では電流線２の電圧変動の影響を受けて出力電圧が大きく変動している。これは、電流センサ４の電流測定精度が、電流センサ１と比べて低いことを示す。

ここで、図５、図７、図９に示される特性の電流センサを、電気自動車やハイブリッドカーのモータ駆動電流の制御に用いる場合について考察する。ここでは、電流線２に接続される車載用のインバータから、３００Ｖ程度のパルス電圧（ノイズ電圧）が印加される状況を想定する。この場合、パルス電圧印加後１０μｓ後の出力誤差は、図７や図９に示される比較例の電流センサで約１．２８Ａ程度である。

モータのトルクＴは、モータのトルク定数をＫｔ、モータを流れる電流をＩａとして次のように表される。
Ｔ＝Ｋｔ×Ｉａ

通常の加速においてモータを流れる電流値は最大で２００Ａ程度であるから、１．２８Ａの測定誤差は、通常の加速においてモータを流れる電流の０．６４％に相当する誤差である。電気自動車などでは、測定された電流Ｉａをフィードバックすることでトルク制御を行っている。このため、図７、図９のような比較例の電流センサを用いる場合、通常の加速の際のトルクの０．６４％に相当するトルク制御誤差が生じることになる。このように、図７や図９に示される測定誤差の大きい電流センサを用いてモータ駆動電流の制御を行えば、急加速などが生じて安全性や快適性が低下する恐れがある。

一方、同条件において、本実施の形態に係る電流センサ１の出力誤差は０．８４Ａ以下である。つまり、測定誤差は、通常の加速の際のトルクの０．４２％以下に抑えられる。このため、本実施の形態に係る電流センサ１を用いる場合、急加速などの問題は低減される。このように、本実施の形態の電流センサ１を用いることで、電気自動車などのトルク制御を適切に行うことができるため、安全性及び快適性を高めることができる。

以上のように、本実施の形態の電流センサ１は、電流線２の電圧変動に起因する第１出力配線の電圧変動と第２出力配線の電圧変動とが略等しくなるように、第１出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスと第２出力配線の導電パターン１３２へのインピーダンスとを異ならせている。これにより、電流線２の電圧変動に起因して生じる第１出力配線の電圧変動の影響と第２出力配線の電圧変動の影響とが略等しくなり、当該電圧変動によるノイズ成分をキャンセル可能になるため、電流線２に電圧変動（高周波領域の電圧変動、急激な電圧変動）が生じても電流測定精度の低下を抑制可能になる。

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、第１出力配線及び第２出力配線を制御回路素子の出力端子に接続される出力配線として、これらの電圧変動の影響が同等になるように出力配線の導電パターンへのインピーダンスを調節しても良い。さらに、上記実施の形態では磁気検出素子と制御回路素子とを別の素子で構成しているが、これらは１素子としてパッケージングされていても良い。この場合、インピーダンス調節の対象となる第１出力配線及び第２出力配線は、パッケージングされた素子の出力端子に接続される出力配線とすれば良い。また、導電パターンに接続される電位は、固定電位であれば接地電位でなくとも良い。電流センサとして、３個以上の磁気検出素子を用いる構成としても良い。

また、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、発明の趣旨を変更しない限りにおいて変更可能である。また、上記実施の形態に示す構成、方法などは、適宜組み合わせて実施可能である。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などのモータ駆動用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。

１電流センサ
２電流線
１１ａ第１磁気検出素子
１１ｂ第２磁気検出素子
１２ａ第１制御回路素子
１２ｂ第２制御回路素子
１３配線基板
１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ出力配線
１３２導電パターン
１３３ａ、１３３ｂ領域
１４演算部
ａ、ｂ、Ａ、Ｂ端子
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４磁気抵抗効果素子

Claims

被測定電流が通流する電流線の延在方向に対して主表面が略直交するよう配置され、第１出力配線、第２出力配線、及び固定電位と接続される導電パターンを有する配線基板と、
前記配線基板の主表面に配置され、前記第１出力配線に対し前記電流線を通流する電流の誘導磁界による第１出力信号を出力する第１磁気検出素子と、
前記配線基板の主表面に配置され、前記第２出力配線に対し前記第１出力信号と略逆相の関係にある第２出力信号を出力する第２磁気検出素子と、を備え、
前記電流線の電圧変動に起因する前記第１出力配線の電圧変動の影響と前記第２出力配線の電圧変動の影響とが同等になるように、前記第１出力配線の前記導電パターンへのインピーダンスと前記第２出力配線の前記導電パターンへのインピーダンスとを異ならせたことを特徴とする電流センサ。
前記第１出力配線に近接する領域の前記導電パターンの面積と前記第２出力配線に近接する領域の前記導電パターンの面積とを異ならせることで、前記第１出力配線の前記導電パターンへのインピーダンスと前記第２出力配線の前記導電パターンへのインピーダンスとを異ならせたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記第１出力配線は前記第２出力配線より前記電流線に近い位置に配置され、
前記第２出力配線の導電パターンへのインピーダンスを前記第１出力配線の導電パターンへのインピーダンスより大きくしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流センサ。
前記第２出力配線に近接する領域の前記導電パターンの面積を前記第１出力配線に近接する領域の前記導電パターンの面積より小さくすることで、前記第２出力配線の導電パターンへのインピーダンスを前記第１出力配線の導電パターンへのインピーダンスより大きくしたことを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
前記第２出力配線と前記電流線との間に、導電パターンが設けられていない領域を有することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電流センサ。
前記第１磁気検出素子の出力と前記第２磁気検出素子の出力との差を算出する演算回路を備えたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流センサ。
前記第１出力配線及び前記第２出力配線にそれぞれ接続される第１制御回路素子及び第２制御回路素子を備えたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の電流センサ。