JP2015021881A - 電流検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】環境温度や外部磁界が変化した場合であっても、磁気抵抗素子の抵抗値のバラツキが原因となって現れるオフセット電圧を良好にキャンセルできるようにする。
【解決手段】電流検出センサ１は、導体２の近傍に配置された複数の磁気抵抗素子がブリッジ接続されたブリッジ回路３と、ブリッジ回路３の２つの中点Ａ，Ｂに発生する電位差ΔＶに基づいて導体２に流れる電流を検出する検出回路４と、複数の磁気抵抗素子と環境温度及び外部磁界に対する抵抗変動係数が等しい第２磁気抵抗素子２０と、第２磁気抵抗素子２０に基準電流Ｉｄを流し、該基準電流Ｉｄに基づいて複数の磁気抵抗素子の抵抗値のバラツキを補償するための補償電流Ｉｃを生成し、該補償電流Ｉｃを、ブリッジ回路３の２つの中点Ａ，Ｂのうちのいずれか一方に注入、又は、いずれか一方から引き込むことにより、オフセット電圧を補償するオフセットキャンセル回路５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、バスバーなどの電気伝導性を有する導体に流れる電流を検出する電流検出センサに関する。

従来、導体に流れる電流によって発生する磁界を検知することにより該電流を検出するようにした種々の電流検出センサが知られている。例えば特許文献１には、ホール素子を用いて磁界を検知するようにした磁気比例方式の電流検出センサが提案されている。

特開２０１１−２３２０４１号公報

電流検出センサでは、磁界を検知する素子として、ホール素子以外に磁気抵抗素子が用いられることもある。例えば図７は、４つの磁気抵抗素子１０１〜１０４をブリッジ接続したブリッジ回路を構成し、バスバー１００に流れる電流を検知するようにした電流検出センサの一例を示す図である。Ｕ字状のバスバー１００に電流Ｉが流れると、磁気抵抗素子１０１，１０２には同一方向の磁界Ｈ１が作用し、磁気抵抗素子１０３，１０４には磁界Ｈ１と逆方向の磁界Ｈ２が作用する。そのため、磁気抵抗素子１０１，１０２の抵抗値Ｒが増加すると、磁気抵抗素子１０３，１０４の抵抗値Ｒが減少し、ブリッジ回路の２つの中点Ａ，Ｂの電位Ｖａ，Ｖｂには、バスバー１００に流れる電流Ｉに応じた電位差ΔＶが現れる。したがって、この電位差ΔＶによりバスバー１００に流れる電流Ｉを検出することが可能である。

ところが、４つの磁気抵抗素子１０１〜１０４には抵抗値Ｒのバラツキがあるため、バスバー１００に電流Ｉが流れていないときでも、ブリッジ回路の２つの中点Ａ，Ｂの電位Ｖａ，Ｖｂは互いに等しくならず、抵抗値Ｒのバラツキに応じたオフセット電圧が発生する。そこで、このオフセット電圧をキャンセルするために、例えば図７に示すようにブリッジ回路の１つの中点Ａに対して電流源１０５を接続し、電流源１０５がブリッジ回路の中点Ａに対してオフセット電圧をキャンセルする一定の電流Ｉｏを注入する方法が考えられる。

しかし、磁気抵抗素子の抵抗値Ｒは環境温度や外部磁界に応じて変化するのに対し、電流源１０５がブリッジ回路の中点Ａに注入する電流Ｉｏは環境温度や外部磁界に応じて変化しない。そのため、環境温度や外部磁界がある一定の状態のときにオフセット電圧をキャンセルすることができたとしても、その状態から環境温度や外部磁界が変化すると、電流Ｉｏによりオフセット電圧をキャンセルすることができなくなるという問題がある。より具体的には、磁気抵抗素子の環境温度に基づく温度変動係数をＫｔ、外部磁界に基づく磁界変動係数をＫｆとすると、電流Ｉｏによりキャンセルされるオフセット電圧に相当する電位差Ｖｃは、Ｖｃ＝Ｉｏ・Ｒ・Ｋｔ・Ｋｆとなり、電位差Ｖｃに温度変動係数Ｋｔと磁界変動係数Ｋｆとが含まれる。そのため、抵抗値Ｒのバラツキは一定であるにもかかわらず、環境温度や外部磁界の変化によって電位差Ｖｃが変動してしまうという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、環境温度や外部磁界が変化した場合であっても、磁気抵抗素子の抵抗値のバラツキが原因となって現れるオフセット電圧を良好にキャンセルできるようにした電流検出センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１に、本発明は、導体に流れる電流を検出する電流検出センサであって、導体の近傍に配置された複数の第１磁気抵抗素子がブリッジ接続されたブリッジ回路と、導体に流れる電流によって発生する磁界によりブリッジ回路の２つの中点に発生する電位差に基づいて前記導体に流れる電流を検出する検出回路と、複数の第１磁気抵抗素子のそれぞれと環境温度及び外部磁界に対する抵抗変動係数が等しい第２磁気抵抗素子と、第２磁気抵抗素子に対して環境温度及び外部磁界に応じた基準電流を流し、該基準電流に基づいて複数の第１磁気抵抗素子の抵抗値のバラツキを補償するための補償電流を生成し、該補償電流を、ブリッジ回路の２つの中点のうちのいずれか一方に注入することにより、又は、２つの中点のうちのいずれか一方から引き込むことにより、ブリッジ回路の２つの中点に現れるオフセット電圧を補償するオフセットキャンセル回路と、を備えることを特徴とする構成である。

第２に、本発明は、上記第１の構成において、オフセットキャンセル回路は、基準電流をそれぞれ異なる倍率でミラーリングする複数のカレントミラー回路を有し、複数のカレントミラー回路のうちから選択した少なくとも１つのカレントミラー回路のミラー電流により補償電流を生成することを特徴とする構成である。

第３に、本発明は、上記第１又は第２の構成において、オフセットキャンセル回路は、ブリッジ回路の２つの中点のうち、第１の中点に接続され、第１の中点に対して補償電流の注入又は引き込みを行う第１オフセットキャンセル回路と、ブリッジ回路の２つの中点のうち、第１の中点とは異なる第２の中点に接続され、第２の中点に対して補償電流の注入又は引き込みを行う第２オフセットキャンセル回路と、を有し、第１オフセットキャンセル回路と第２オフセットキャンセル回路とのいずれか一方を動作させることを特徴とする構成である。

第４に、本発明は、上記第１又は第２の構成において、オフセットキャンセル回路は、ブリッジ回路の２つの中点のうち、第１の中点に接続され、第１の中点に対して補償電流を注入する第１オフセットキャンセル回路と、第１の中点に接続され、第１の中点から補償電流を引き込む第２オフセットキャンセル回路と、を有し、第１オフセットキャンセル回路と第２オフセットキャンセル回路とのいずれか一方を動作させることを特徴とする構成である。

第５に、本発明は、上記第１乃至第４のいずれかの構成において、検出回路は、複数の第１磁気抵抗素子のそれぞれの近傍位置に配置された複数のコイルを有し、複数のコイルに対して電位差を打ち消すコイル電流を出力し、該コイル電流に応じた信号を導体に流れる電流に応じた信号として出力することを特徴とする構成である。

本発明によれば、環境温度や外部磁界が変化した場合であっても、ブリッジ回路を構成する複数の磁気抵抗素子の抵抗値のバラツキが原因となってブリッジ回路の２つの中点に現れるオフセット電圧を良好にキャンセルすることができ、導体に流れる電流を正確に検出することができる。

電流検出センサの一構成例を示す図である。 補償電流生成回路の詳細な回路構成の一例を示す図である。 オフセットキャンセル回路の第１構成例を示す図である。 オフセットキャンセル回路の第２構成例を示す図である。 図２とは異なる補償電流生成回路の回路例を示す図である。 磁気抵抗素子の磁界変化に対する抵抗値変化の特性曲線の一例を示す図である。 磁気抵抗素子をブリッジ接続した電流検出センサの一例を示す図である。

以下、本発明に関する好ましい実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態において互いに共通する部材には同一符号を付しており、それらについての重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態における電流検出センサ１の一構成例を示す図である。この電流検出センサ１は、バスバー２に流れる電流Ｉによって発生する磁界を検知し、その磁界を打ち消すような逆方向の磁界を発生させることによりバスバー２に流れる電流Ｉを検出する磁気平衡方式のセンサである。バスバー２は、電気伝導性を有する導体の一種であり、本実施形態では電気伝導性を有する金属で略Ｕ字状に形成されたものを例示する。

電流検出センサ１は、４つの磁気抵抗素子（第１磁気抵抗素子）１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄがブリッジ接続されたブリッジ回路３と、ブリッジ回路３の第１及び第２の２つの中点Ａ，Ｂに現れる電位差ΔＶに基づきバスバー２に流れる電流Ｉに応じた信号Ｖｏｕｔを出力する検出回路４と、４つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄのそれぞれの抵抗バラツキによってブリッジ回路３の第１及び第２の中点Ａ，Ｂに発生するオフセット電圧をキャンセルするためのオフセットキャンセル回路５とを備えている。

磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、磁気抵抗効果によって電気抵抗が変化する素子である。例えば本実施形態では、そのような素子の中でも特に大きな磁気抵抗効果を示す巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）が用いられる。また各磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの抵抗値Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄはそれぞれ所定温度及び所定磁場の環境下において所定の抵抗値Ｒとなるように形成される。また各磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、環境温度及び外部磁場の変化に応じてそれらの抵抗値Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄを変化させる等しい特性を有している。そこで、環境温度に基づく温度変動係数をＫｔ、外部磁界に基づく磁界変動係数をＫｆとすると、各磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの抵抗値Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄは、それぞれＲ・Ｋｔ・Ｋｆと表すことができる。ただし、抵抗値Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄにはバラツキが生じるため、必ずしもＲ・Ｋｔ・Ｋｆの値には一致しない。

それら４つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、着磁方向を同一方向に揃えた状態でＵ字状に構成されたバスバー２の内側に配置される。すなわち、２つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂは、Ｕ字形状において互いに平行に延びる一対のバスバー２ａ，２ｂのうち第１のバスバー２ａの近傍位置に設けられ、別の２つの磁気抵抗素子１０ｃ，１０ｄは、第２のバスバー２ｂの近傍位置に設けられる。そして４つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄがブリッジ接続されたブリッジ回路３は、一端が第１の電源電圧Ｖｄｄに接続され、他端が第２の電源電圧Ｖｓｓに接続される。尚、第１の電源電圧Ｖｄｄと第２の電源電圧Ｖｓｓとの関係は、Ｖｄｄ＞Ｖｓｓである。またブリッジ回路３は、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｄを互いに接続すると共に、磁気抵抗素子１０ｃ，１０ｂを互いに接続したクロス配線によって構成される。

ここで各磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの抵抗値Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄにバラツキがなく、所定温度及び所定磁場の環境下において、いずれも所定の抵抗値Ｒで一致していると仮定する。この場合においてバスバー２に電流Ｉが流れていないときには、ブリッジ回路３の第１及び第２の中点Ａ，Ｂの電位は互いに等しくなり、電位差は生じない。これに対し、バスバー２に電流Ｉが流れると、そのバスバー２の周囲には右回り方向の磁界が発生する。このとき、第１のバスバー２ａの近傍位置にある磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂには、例えば図１に示すように右向き方向の磁界Ｈ１が作用し、第２のバスバー２ｂの近傍位置にある磁気抵抗素子１０ｃ，１０ｄには、その磁界Ｈ１と大きさが等しく、且つ、逆向きの磁界Ｈ２が作用する。そして第１のバスバー２ａの近傍位置にある磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂの抵抗値が磁界Ｈ１によってΔＲだけ増加すると、第２のバスバー２ｂの近傍位置にある磁気抵抗素子１０ｃ，１０ｄの抵抗値は磁界Ｈ２によってΔＲだけ減少し、ブリッジ回路３の第１及び第２の中点Ａ，Ｂのうち、第１の中点Ａの電位が下がり、第２の中点Ｂの電位が上昇する。したがって、第１及び第２の中点Ａ，Ｂにはバスバー２に流れる電流Ｉに応じた電位差ΔＶが現れる。

また４つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄには、バスバー２から発生する磁界Ｈ１，Ｈ２だけではなく、外部環境から一定の磁界が作用する。ところが、そのような外部磁界は、４つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄのそれぞれに対して同一方向で且つ均一に作用するため、各磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの抵抗値は、外部磁界に対して等しい割合で増減し、ブリッジ回路３の第１及び第２の中点Ａ，Ｂには外部磁界による電位差は発生しない。それ故、本実施形態の電流検出センサ１は、電流Ｉが流れる略Ｕ字状のバスバー２から発生する磁界Ｈ１，Ｈ２に対して感度を有し、外部磁界に対しては感度を有さないセンサとして実現される。

検出回路４は、差動アンプ１１と、出力抵抗１２と、４つのコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄとを備えており、ブリッジ回路３の第１及び第２の中点Ａ，Ｂに現れる電位差ΔＶに基づきバスバー２に流れる電流Ｉに応じた信号Ｖｏｕｔを出力する回路である。４つのコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、各磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの近傍位置に１対１で設けられている。そして差動アンプ１１は、電位差ΔＶに応じたコイル電流Ｉcoilをそれら４つのコイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに出力することにより各コイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄから各磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄに作用している磁界Ｈ１又はＨ２を打ち消す磁界を発生させる。したがって、差動アンプ１１が電位差ΔＶに応じたコイル電流Ｉcoilを出力することにより、バスバー２に電流Ｉが流れることによって各磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄに作用する磁界Ｈ１，Ｈ２が相殺され、ブリッジ回路３の第１及び第２の中点Ａ，Ｂに現れる電位差ΔＶが０となって安定する。出力抵抗１２は、差動アンプ１１から出力されるコイル電流Ｉcoilを電圧に変換して信号Ｖoutを生成するための抵抗である。検出回路４は、この信号Ｖoutをバスバー２に流れる電流Ｉに応じた信号として出力する。

ところが、実際には抵抗値Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄは必ずしも所定の抵抗値Ｒには一致しないため、ブリッジ回路３の第１及び第２の中点Ａ，Ｂに現れる電位差ΔＶには抵抗バラツキによるオフセット電圧が含まれることになる。オフセットキャンセル回路５は、そのようなオフセット電圧をキャンセルする回路である。図１に示すオフセットキャンセル回路５は、例えば磁気抵抗素子１０ａの抵抗値Ｒａが所定温度及び所定磁場の環境下において（Ｒ＋ｒ）であり、他の磁気抵抗素子１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの抵抗値Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが所定の抵抗値Ｒである場合のオフセット電圧をキャンセルする回路例を示している。つまり、磁気抵抗素子１０ａの抵抗値が他の磁気抵抗素子１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの抵抗値よりも大きい場合、ブリッジ回路３の第１の中点Ａの電位が第２の中点Ｂの電位よりも低くなってオフセット電圧が現れるため、図１のオフセットキャンセル回路５は、第１の中点Ａの電位を引き上げるための補償電流Ｉｃを生成して第１の中点Ａに注入するように構成される。

このオフセットキャンセル回路５は、４つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄのうちの１つの磁気抵抗素子の近傍位置に配置される第２磁気抵抗素子２０と、差動アンプ２１と、ＭＯＳトランジスタ２２と、補償電流生成回路２３とを備えて構成される。

第２磁気抵抗素子２０は、各磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄのそれぞれと特性が等しくなるように構成され、例えば磁気抵抗素子１０ｄの近傍位置において、着磁方向がその磁気抵抗素子１０ｄと同一方向となり、且つ、磁気抵抗素子１０ｄに作用する磁界と同じ磁界が作用するように配置される。すなわち、第２磁気抵抗素子２０には、磁気抵抗素子１０ｄに作用する外部磁界と同じ外部磁界がかかる。またバスバー２に電流Ｉが流れることによって磁気抵抗素子１０ｄに磁界Ｈ２が作用するときには、第２磁気抵抗素子２０にもそれと同じ磁界Ｈ２がかかり、更にはコイル１３ｄから発生する磁界が磁気抵抗素子１０ｄに作用するときには、第２磁気抵抗素子２０にもそれと同じ磁界がかかるように配置される。そのため、第２磁気抵抗素子２０は、磁気抵抗素子１０ｄと同じ磁界及び温度の環境下で動作するようになる。そして第２磁気抵抗素子２０の一端は、差動アンプ２１の非反転入力端子と、ＭＯＳトランジスタ２２とに接続され、他端は第２の電源電圧Ｖｓｓに接続される。

差動アンプ２１は、反転入力端子に基準電圧Ｖｒｅｆが接続されており、非反転入力端子に第２磁気抵抗素子２０の一端側のＣ点が接続される。差動アンプ２１の出力端子は、ＭＯＳトランジスタ２２のゲート端子に接続されており、その出力信号によりＭＯＳトランジスタ２２を駆動する。差動アンプ２１及びＭＯＳトランジスタ２２は、第２磁気抵抗素子２０の一端側のＣ点の電位を基準電圧Ｖｒｅｆで保持する。そしてＭＯＳトランジスタ２２は、第２磁気抵抗素子２０に対して基準電流Ｉｄを出力する。

第２磁気抵抗素子２０の抵抗値Ｒｅは、所定の抵抗値Ｒから環境温度や外部から作用する磁界に応じて変化する。そこで環境温度に基づく温度変動係数をＫｔ、外部磁界に基づく磁界変動係数をＫｆとすると、抵抗値Ｒｅは、Ｒｅ＝Ｒ・Ｋｔ・Ｋｆと表すことができる。よって、ＭＯＳトランジスタ２２によって第２磁気抵抗素子２０に流れる基準電流Ｉｄは、次式１によって表される。

上記式１によれば、第２磁気抵抗素子２０に流れる基準電流Ｉｄは、環境温度や外部磁界に応じた電流となり、第２磁気抵抗素子２０の周辺温度や第２磁気抵抗素子２０に作用する磁界が変化するとそれに応じて電流値も変化するようになる。

補償電流生成回路２３は、ＭＯＳトランジスタ２２から出力される基準電流Ｉｄを任意の倍率でミラーリングしてブリッジ回路３の第１の中点Ａに注入する補償電流Ｉｃを生成する回路である。図２は、補償電流生成回路２３の詳細な回路構成の一例を示す図である。図２に示すように補償電流生成回路２３は、基準電流Ｉｄをそれぞれ異なる倍率でミラーリングする複数のカレントミラー回路２６，２７，２８，２９を備えている。例えば、第１のカレントミラー回路２６は、ＭＯＳトランジスタ２２の１／１６のサイズで構成されたＭＯＳトランジスタ３１を備えており、基準電流Ｉｄの１／１６の電流Ｉ１を出力する。また第２のカレントミラー回路２７は、ＭＯＳトランジスタ２２の１／８のサイズで構成されたＭＯＳトランジスタ３２を備えており、基準電流Ｉｄの１／８の電流Ｉ２を出力する。また第３のカレントミラー回路２８は、ＭＯＳトランジスタ２２の１／４のサイズで構成されたＭＯＳトランジスタ３３を備えており、基準電流Ｉｄの１／４の電流Ｉ３を出力する。更に第４のカレントミラー回路２９は、ＭＯＳトランジスタ２２の１／２のサイズで構成されたＭＯＳトランジスタ３４を備えており、基準電流Ｉｄの１／２の電流Ｉ４を出力する。そのため、これら複数のカレントミラー回路２６〜２９から一又は複数の任意のカレントミラー回路を選択することにより、基準電流Ｉｄに対して１／１６倍〜１５／１６倍の任意の補償電流Ｉｃを生成することができる。尚、本実施形態では４つのカレントミラー回路２６，２７，２８，２９を設けた場合を例示しているが、これに限られるものではなく、ＭＯＳトランジスタ２２に対してサイズ比の異なるＭＯＳトランジスタを更に多く配置してカレントミラー回路の数を増やせば、基準電流Ｉｄに対して任意の倍率の補償電流Ｉｃを生成することが可能である。

また各カレントミラー回路２６，２７，２８，２９には、デコーダー３９からの出力信号に応じて個別にオン状態となるＭＯＳトランジスタ３５，３６，３７，３８が接続されている。デコーダー３９は、不揮発性メモリ４０に接続されており、不揮発性メモリ４０に書き込まれるオンオフ情報に基づいて各ＭＯＳトランジスタ３５，３６，３７，３８を個別にオン状態に駆動する。したがって、不揮発性メモリ４０に予め複数のカレントミラー回路２６，２７，２８，２９から出力される電流Ｉ１〜Ｉ４を選択する情報を書き込んでおくことにより、補償電流生成回路２３は、基準電流Ｉｄのα倍の補償電流Ｉｃを生成し、その補償電流Ｉｃをブリッジ回路３の第１の中点Ａに注入することができる。すなわち、オフセットキャンセル回路５によって第１の中点Ａに注入される補償電流Ｉｃは、次式２によって表される。

すなわち、補償電流Ｉｃは、環境温度や外部磁界に応じて変化するようになり、しかも第２磁気抵抗素子２０の感度に応じた変化を示す。このような補償電流Ｉｃは、ブリッジ回路３を構成する磁気抵抗素子１０ｄに流れる。そのため、磁気抵抗素子１０ｄにおいて補償電流Ｉｃに応じた電圧降下が発生し、ブリッジ回路３の第１の中点Ａの電位が引き上げられる。ここで、磁気抵抗素子１０ｄの抵抗値Ｒｄは上述のように所定温度及び所定磁場の環境下において所定の抵抗値Ｒとなるように生成されるが、その抵抗値Ｒｄは第２磁気抵抗素子２０と同様に環境温度や外部から作用する磁界に応じて変化する。そして磁気抵抗素子１０ｄの温度変動係数Ｋｔ、及び、外部磁界に基づく磁界変動係数Ｋｆは、第２磁気抵抗素子２０と等しい。したがって、磁気抵抗素子１０ｄの抵抗値ＲｄをＲｄ＝Ｒ・Ｋｔ・Ｋｆと表すことができるので、補償電流Ｉｃによって磁気抵抗素子１０ｄで発生する電位差、すなわち補償電流Ｉｃによってキャンセルされるオフセット電圧に相当する電位差Ｖｃは、次式３で表される。

上記のように補償電流Ｉｃが第１の中点Ａに注入されることによってキャンセルされるオフセット電圧に相当する電位差Ｖｃは、温度変動係数Ｋｔ及び磁界変動係数Ｋｆを含まない。そのため、電流検出センサ１の出荷時において、バスバー２に電流を流さない状態で、補償電流Ｉｃの値が、磁気抵抗素子１０ａにおける抵抗値Ｒａのバラツキ（抵抗値ｒ）によって生じるオフセット電圧を打ち消す値となるように予め不揮発性メモリ４０に情報を書き込んでおくことにより、出荷後、環境温度や外部磁界が変化した場合であっても、常に抵抗値Ｒａのバラツキによって生じるオフセット電圧を良好にキャンセルすることができるようになる。

ところで、上記においては説明を簡単にするため、ブリッジ回路３を構成する一の磁気抵抗素子１０ａが他の磁気抵抗素子１０ｂ，１０ｃ，１０ｄと異なる抵抗値となっている場合を例示した。しかし、実際には４つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄがそれぞれバラツキを含んでいる。そのため、上述したようにブリッジ回路３の第１の中点Ａの電位が第２の中点Ｂの電位よりも低くなってオフセット電圧が発生するケースとは逆に、ブリッジ回路３の第１の中点Ａの電位が第２の中点Ｂの電位よりも高くなってオフセット電圧が発生するケースもあり、いずれのケースであってもオフセット電圧をキャンセルできるように構成することが必要である。以下、そのような構成について幾つかの具体例を説明する。

図３は、オフセットキャンセル回路５の具体的な第１構成例を示す図である。尚、図３では、ブリッジ回路３の第１及び第２の中点Ａ，Ｂに現れる電位差ΔＶに基づいてバスバー２に流れる電流Ｉに応じた出力信号Ｖoutを出力する検出回路４の図示を省略している。

図３に示すオフセットキャンセル回路５は、ブリッジ回路３の２つの中点Ａ，Ｂのうち、第１の中点Ａに接続され、その第１の中点Ａに対して補償電流Ｉｃを注入する第１オフセットキャンセル回路５ａと、第２の中点Ｂに接続され、その第２の中点Ｂに対して補償電流Ｉｃを注入する第２オフセットキャンセル回路５ｂとを備えている。

第１オフセットキャンセル回路５ａは、ブリッジ回路３を構成する一の磁気抵抗素子１０ｄの近傍位置に配置される第２磁気抵抗素子２０ａと、差動アンプ２１ａと、ＭＯＳトランジスタ２２ａと、補償電流生成回路２３ａと備えており、上述したように環境温度や外部磁界に応じた基準電流Ｉｄを第２磁気抵抗素子２０ａに流し、その基準電流Ｉｄのα倍の補償電流Ｉｃをブリッジ回路３の第１の中点Ａに注入する構成を有している。尚、補償電流生成回路２３ａの詳細は図２に示したものと同様である。

また第１オフセットキャンセル回路５ａは、オンオフ状態を切り替え可能なＭＯＳトランジスタ４１ａ，４２ａを備えている。これらＭＯＳトランジスタ４１ａ，４２ａは、例えば補償電流生成回路２３ａのデコーダー３９から出力されるオンオフ信号Ｓａをゲート端子に入力する。そしてＭＯＳトランジスタ４１ａ，４２ａにオン信号（Ｌｏ信号）が入力されるときには、第１オフセットキャンセル回路５ａが動作状態となり、第２磁気抵抗素子２０ａに流れる基準電流Ｉｄのα倍の補償電流Ｉｃを第１の中点Ａに注入し、第１の中点Ａの電位を引き上げるように動作する。これに対し、ＭＯＳトランジスタ４１ａ，４２ａにオフ信号（Ｈｉ信号）が入力するときには、第１オフセットキャンセル回路５ａが非動作状態となり、補償電流Ｉｃの注入は行われない。

一方、第２オフセットキャンセル回路５ｂは、ブリッジ回路３を構成する一の磁気抵抗素子１０ｂの近傍位置に配置される第２磁気抵抗素子２０ｂと、差動アンプ２１ｂと、ＭＯＳトランジスタ２２ｂと、補償電流生成回路２３ｂと備えており、上述したように環境温度や外部磁界に応じた基準電流Ｉｄを第２磁気抵抗素子２０ｂに流し、その基準電流Ｉｄのα倍の補償電流Ｉｃをブリッジ回路３の第２の中点Ｂに注入する構成を有している。尚、補償電流生成回路２３ｂの詳細は図２に示したものと同様である。

また第２オフセットキャンセル回路５ｂは、オンオフ状態を切り替え可能なＭＯＳトランジスタ４１ｂ，４２ｂを備えている。これらＭＯＳトランジスタ４１ｂ，４２ｂは、例えば補償電流生成回路２３ｂのデコーダー３９から出力されるオンオフ信号Ｓｂをゲート端子に入力する。そしてＭＯＳトランジスタ４１ｂ，４２ｂにオン信号（Ｌｏ信号）が入力するときには、第２オフセットキャンセル回路５ｂが動作状態となり、第２磁気抵抗素子２０ｂに流れる基準電流Ｉｄのα倍の補償電流Ｉｃを第２の中点Ｂに注入し、第２の中点Ｂの電位を引き上げるように動作する。これに対し、ＭＯＳトランジスタ４１ｂ，４２ｂにオフ信号（Ｈｉ信号）が入力されるときには、第２オフセットキャンセル回路５ｂが非動作状態となり、補償電流Ｉｃの注入は行われない。

したがって、４つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの抵抗値バラツキにより、ブリッジ回路３の第１の中点Ａの電位が第２の中点Ｂの電位よりも低いオフセット電圧が生じているときには、第１オフセットキャンセル回路５ａを動作状態にしてそのオフセット電圧を打ち消すような補償電流Ｉｃを第１の中点Ａに注入し、第２オフセットキャンセル回路５ｂを非動作状態とすることにより、そのようなオフセット電圧を良好にキャンセルすることができる。これに対し、ブリッジ回路３の第１の中点Ａの電位が第２の中点Ｂの電位よりも高いオフセット電圧が生じているときには、第２オフセットキャンセル回路５ｂを動作状態にしてそのオフセット電圧を打ち消すような補償電流Ｉｃを第２の中点Ｂに注入し、第１オフセットキャンセル回路５ａを非動作状態とすることにより、そのようなオフセット電圧を良好にキャンセルすることができる。

次に図４は、オフセットキャンセル回路５の具体的な第２構成例を示す図である。尚、図４でも、ブリッジ回路３の２つの中点Ａ，Ｂに現れる電位差ΔＶに基づいてバスバー２に流れる電流Ｉに応じた出力信号Ｖoutを出力する検出回路４の図示を省略している。

図４に示すオフセットキャンセル回路５は、ブリッジ回路３を構成する一の磁気抵抗素子１０ｄの近傍位置に配置された第２磁気抵抗素子２０に対して環境温度や外部磁界に応じた基準電流Ｉｄを流すための差動アンプ２１及びＭＯＳトランジスタ２２を有し、その基準電流ＩｄをミラーリングするＭＯＳトランジスタ５１ａ，５１ｂを備えている。またオフセットキャンセル回路５は、ブリッジ回路３の２つの中点Ａ，Ｂのうち、第１の中点Ａに接続され、その第１の中点Ａに対して補償電流Ｉｃを注入する第１オフセットキャンセル回路５ｃと、その第１の中点Ａから補償電流Ｉｃを引き込む第２オフセットキャンセル回路５ｄとを備えている。

第１オフセットキャンセル回路５ｃは、ＭＯＳトランジスタ５１ａによって生成される基準電流Ｉｄのα倍の補償電流Ｉｃを生成して第１の中点Ａに注入する補償電流生成回路２３ｃを有している。尚、補償電流生成回路２３ｃの詳細は図２に示したものと同様である。また第１オフセットキャンセル回路５ｃは、オンオフ状態を切り替え可能なＭＯＳトランジスタ５２ａを備えており、このＭＯＳトランジスタ５２ａのゲート端子には例えば補償電流生成回路２３ｃのデコーダー３９から出力されるオンオフ信号Ｓｃが入力する。そしてＭＯＳトランジスタ５２ａにオン信号（Ｌｏ信号）が入力されるときには、第１オフセットキャンセル回路５ｃが動作状態となり、第２磁気抵抗素子２０に流れる基準電流Ｉｄのα倍の補償電流Ｉｃを第１の中点Ａに注入して第１の中点Ａの電位を引き上げるように動作する。これに対し、ＭＯＳトランジスタ５２ａにオフ信号（Ｈｉ信号）が入力されるときには、第１オフセットキャンセル回路５ｃが非動作状態となり、第１の中点Ａへの補償電流Ｉｃの注入は行われない。

一方、第２オフセットキャンセル回路５ｄは、ＭＯＳトランジスタ５１ｂによって生成される基準電流Ｉｄのα倍の補償電流Ｉｃを生成し、ブリッジ回路３の第１の中点Ａからその補償電流Ｉｃを引き込む補償電流生成回路２３ｄを有している。図５は、補償電流生成回路２３ｄの詳細な回路構成の一例を示す図である。図５に示すように補償電流生成回路２３ｄは、基準電流Ｉｄをそれぞれ異なる倍率でミラーリングする複数のカレントミラー回路２６，２７，２８，２９を備えている。例えば、第１のカレントミラー回路２６は、ＭＯＳトランジスタ５１ｂの１／１６のサイズで構成されたＭＯＳトランジスタ６１を備えており、基準電流Ｉｄの１／１６の電流Ｉ１を出力する。第２のカレントミラー回路２７は、ＭＯＳトランジスタ５１ｂの１／８のサイズで構成されたＭＯＳトランジスタ６２を備えており、基準電流Ｉｄの１／８の電流Ｉ２を出力する。第３のカレントミラー回路２８は、ＭＯＳトランジスタ５１ｂの１／４のサイズで構成されたＭＯＳトランジスタ６３を備えており、基準電流Ｉｄの１／４の電流Ｉ３を出力する。第４のカレントミラー回路２９は、ＭＯＳトランジスタ５１ｂの１／２のサイズで構成されたＭＯＳトランジスタ６４を備えており、基準電流Ｉｄの１／２の電流Ｉ４を出力する。そのため、これら複数のカレントミラー回路２６〜２９から一又は複数の任意のカレントミラー回路を選択することにより、基準電流Ｉｄに対して１／１６倍〜１５／１６倍の任意の補償電流Ｉｃを生成することができる。

また図５に示すように、各カレントミラー回路２６，２７，２８，２９には、デコーダー３９からの出力信号に応じて個別にオン状態となるＭＯＳトランジスタ６５，６６，６７，６８が接続されている。デコーダー３９は、不揮発性メモリ４０に接続されており、不揮発性メモリ４０に書き込まれるオンオフ情報に基づいて各ＭＯＳトランジスタ６５，６６，６７，６８を個別にオン状態に駆動する。したがって、不揮発性メモリ４０に予め複数のカレントミラー回路２６，２７，２８，２９から出力される電流Ｉ１〜Ｉ４を選択する情報を書き込んでおくことにより、補償電流生成回路２３ｄは、基準電流Ｉｄのα倍の補償電流Ｉｃを生成し、その補償電流Ｉｃをブリッジ回路３の第１の中点Ａから引き込むことができる。

図４に戻り、第２オフセットキャンセル回路５ｄは、オンオフ状態を切り替え可能なＭＯＳトランジスタ５２ｂを備えており、このＭＯＳトランジスタ５２ｂのゲート端子には例えば補償電流生成回路２３ｄのデコーダー３９から出力されるオンオフ信号Ｓｄが入力される。そしてＭＯＳトランジスタ５２ｂにオン信号（Ｈｉ信号）が入力されるときには、第２オフセットキャンセル回路５ｄが動作状態となり、第２磁気抵抗素子２０に流れる基準電流Ｉｄのα倍の補償電流Ｉｃを第１の中点Ａから引き込んで第１の中点Ａの電位を引き下げるように動作する。これに対し、ＭＯＳトランジスタ５２ｂにオフ信号（Ｌｏ信号）が入力されるときには、第２オフセットキャンセル回路５ｄが非動作状態となり、第１の中点Ａから補償電流Ｉｃの引き込み動作は行われない。

したがって、４つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの抵抗値バラツキにより、ブリッジ回路３の第１の中点Ａの電位が第２の中点Ｂの電位よりも低いオフセット電圧が生じているときには、第１オフセットキャンセル回路５ｃを動作状態にしてそのオフセット電圧を打ち消すような補償電流Ｉｃを第１の中点Ａに注入し、第２オフセットキャンセル回路５ｄを非動作状態とすることにより、そのようなオフセット電圧を良好にキャンセルすることができる。これに対し、ブリッジ回路３の第１の中点Ａの電位が第２の中点Ｂの電位よりも高いオフセット電圧が生じているときには、第２オフセットキャンセル回路５ｄを動作状態にしてそのオフセット電圧を打ち消すような補償電流Ｉｃを第１の中点Ａから引き込み、第１オフセットキャンセル回路５ｃを非動作状態とすることにより、そのようなオフセット電圧を良好にキャンセルすることができる。

以上のように図３又は図４に示したオフセットキャンセル回路５によれば、ブリッジ回路３を構成する４つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの抵抗値のバラツキによってブリッジ回路３の第１及び第２の中点Ａ，Ｂにどのようなオフセット電圧が生じる場合であっても、そのようなオフセット電圧を良好にキャンセルすることができるようになる。尚、上記図３の構成例では、第１オフセットキャンセル回路５ａが第１の中点Ａに対して補償電流Ｉｃを注入し、第２オフセットキャンセル回路５ｂが第２の中点Ｂに対して補償電流Ｉｃを注入する場合を例示したが、これに限られるものではなく、例えば図４に示したような構成を採用し、第１オフセットキャンセル回路５ａが第１の中点Ａから補償電流Ｉｃを引き込み、第２オフセットキャンセル回路５ｂが第２の中点Ｂから補償電流Ｉｃを引き込むようにしても良い。

そして本実施形態の電流検出センサ１は、上記のようなオフセットキャンセル回路５を備えることにより、環境温度や外部磁界が変化しても常にオフセット電圧を良好にキャンセルすることができ、バスバー２に流れる電流Ｉを常に正確に検出することができるようになる。

また本実施形態の電流検出センサ１は、バスバー２から発生する磁界Ｈ１，Ｈ２に応じてブリッジ回路３の第１及び第２の２つの中点Ａ，Ｂに現れる電位差ΔＶを検知し、各コイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに対してそれら磁界Ｈ１，Ｈ２を打ち消すような磁界を発生させるコイル電流Ｉcoilを出力することによりバスバー２に流れる電流Ｉを検出する磁気平衡行方式を採用している。磁気平衡方式は、従来の磁気比例方式とは異なり、ブリッジ回路３を構成する磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄのそれぞれには大きな磁界が作用しないので、磁界変化に対して抵抗値が比例して変化するリニアリティの優れた動作領域で各磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを使用することができる。

図６は磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの磁界変化に対する抵抗値変化の特性曲線ＴＣの一例を示す図である。図６に示すように、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの抵抗値は、一般に外部磁界が作用していないとき所定の抵抗値Ｒとなり、外部磁界が作用するとその外部磁界に応じて抵抗値が増減し、外部磁界の強度が大きくなると抵抗値変化のリニアリティが低下する。本実施形態のように磁気平衡方式を採用した場合には、バスバー２から発生する磁界Ｈ１，Ｈ２を打ち消すことができるため、各磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄには、周辺環境から作用する外部磁界だけが作用することになる。それ故、各磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを図中斜線で示す動作領域Ｘだけで動作させることができ、この動作領域Ｘでは磁界変化に対する抵抗値変化のリニアリティ特性が優れているので、電流検出センサ１の出力信号Ｖoutに対してリニアリティ補正などを行う必要がなくなるという利点もある。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述したものに限定されるものではなく、種々の変形例が適用可能である。例えば、上記実施形態では、検出対象である電流Ｉが流れるバスバー２が略Ｕ字状に形成されたものを例示したが、バスバー２は必ずしもＵ字状であるものに限られない。例えばバスバー２は、直線状に形成されたものであっても構わない。その場合、ブリッジ回路３を構成する４つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを直線状のバスバー２の周囲に配置するようにし、そのうちの２つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂには直線状のバスバー２から発生する一定方向の磁界Ｈ１が作用し、他の２つの磁気抵抗素子１０ｃ，１０ｄには磁界Ｈ１とは逆方向の磁界Ｈ２が作用するように配置すれば良い。また検出対象である電流Ｉが流れる導体は、バスバーに限定されるものでもない。

また上記実施形態では、電流検出センサ１が磁気平衡方式として構成された場合を例示したが、磁気比例方式で電流検出センサ１を構成してもよい。ただし、磁気比例方式を採用する場合は、バスバー２から発生する磁界強度が大きくなると抵抗値変化のリニアリティ特性が低下するため、電流検出センサ１の出力信号に対してリニアリティ補正などを行うことが必要となる。

また上述した電流検出センサ１の構成において、バスバー２を除く、ブリッジ回路３、検出回路４及びオフセットキャンセル回路５のそれぞれは、ひとつの半導体集積回路に形成されるものであっても良いし、製造工程や機能毎に複数の半導体集積回路に分割して形成されるものであっても良い。

１…電流検出センサ、２…バスバー（導体）、３…ブリッジ回路、４…検出回路、５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）…オフセットキャンセル回路、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…磁気抵抗素子（第１磁気抵抗素子）、２０（２０ａ，２０ｂ）…第２磁気抵抗素子、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ…コイル。

Claims (5)

1. 導体に流れる電流を検出する電流検出センサであって、
   前記導体の近傍に配置された複数の第１磁気抵抗素子がブリッジ接続されたブリッジ回路と、
   前記導体に流れる電流によって発生する磁界により前記ブリッジ回路の２つの中点に発生する電位差に基づいて前記導体に流れる電流を検出する検出回路と、
   前記複数の第１磁気抵抗素子のそれぞれと環境温度及び外部磁界に対する抵抗変動係数が等しい第２磁気抵抗素子と、
   前記第２磁気抵抗素子に対して環境温度及び外部磁界に応じた基準電流を流し、該基準電流に基づいて前記複数の第１磁気抵抗素子の抵抗値のバラツキを補償するための補償電流を生成し、該補償電流を、前記ブリッジ回路の２つの中点のうちのいずれか一方に注入することにより、又は、２つの中点のうちのいずれか一方から引き込むことにより、前記ブリッジ回路の２つの中点に現れるオフセット電圧を補償するオフセットキャンセル回路と、
   を備えることを特徴とする電流検出センサ。
2. 前記オフセットキャンセル回路は、前記基準電流をそれぞれ異なる倍率でミラーリングする複数のカレントミラー回路を有し、前記複数のカレントミラー回路のうちから選択した少なくとも１つのカレントミラー回路のミラー電流により前記補償電流を生成することを特徴とする請求項１に記載の電流検出センサ。
3. 前記オフセットキャンセル回路は、
   前記ブリッジ回路の２つの中点のうち、第１の中点に接続され、前記第１の中点に対して前記補償電流の注入又は引き込みを行う第１オフセットキャンセル回路と、
   前記ブリッジ回路の２つの中点のうち、前記第１の中点とは異なる第２の中点に接続され、前記第２の中点に対して前記補償電流の注入又は引き込みを行う第２オフセットキャンセル回路と、
   を有し、
   前記第１オフセットキャンセル回路と前記第２オフセットキャンセル回路とのいずれか一方を動作させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流検出センサ。
4. 前記オフセットキャンセル回路は、
   前記ブリッジ回路の２つの中点のうち、第１の中点に接続され、前記第１の中点に対して前記補償電流を注入する第１オフセットキャンセル回路と、
   前記第１の中点に接続され、前記第１の中点から前記補償電流を引き込む第２オフセットキャンセル回路と、
   を有し、
   前記第１オフセットキャンセル回路と前記第２オフセットキャンセル回路とのいずれか一方を動作させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流検出センサ。
5. 前記検出回路は、前記複数の第１磁気抵抗素子のそれぞれの近傍位置に配置された複数のコイルを有し、前記複数のコイルに対して前記電位差を打ち消すコイル電流を出力し、該コイル電流に応じた信号を前記導体に流れる電流に応じた信号として出力することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電流検出センサ。

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