JP2021148636A - 電流センサ及びその製造方法、電気制御装置、並びに電流センサの設計方法 - Google Patents

電流センサ及びその製造方法、電気制御装置、並びに電流センサの設計方法 Download PDF

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Abstract

【課題】導体非通電時の測定誤差を低減し、測定精度の向上が図れ、かつ、薄型化が可能な電流センサ及びその製造方法、当該電流センサを備える電気制御装置、並びに電流センサの設計方法を提供する。【解決手段】電流センサは、磁気を検出可能な磁気検出部と、第１磁気シールドと、第２磁気シールドとを備え、第１磁気シールドは、第１シールド部及びその両端部近傍のそれぞれに連続する２つの第２シールド部を有し、第２磁気シールドは、第３シールド部及びその両端部近傍のそれぞれに連続する２つの第４シールド部を有し、第１シールド部と第３シールド部との間には、導体配置領域が存在し、磁気検出部は、第１シールド部と導体配置領域との間に位置し、磁気検出部は、２つの第４シールド部の第３方向に沿った長さとの関係において、導体に所定の電流が流れた後の非通電時における第２方向の磁場が実質的にゼロとなる磁場相殺位置に設けられている。【選択図】 図１

Description

本発明は、電流センサ及びその製造方法、電気制御装置、並びに電流センサの設計方法に関する。
従来、例えば、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ: Hybrid Electric Vehicle）や電気自動車（ＥＶ: Electric Vehicle）等のバッテリの残量の測定、モータの駆動電流の測定や、コンバータ、インバータ等の電力制御機器に、電流センサが用いられている。この電流センサにおいて、例えば、ＭＲ素子やホール素子等の磁気検出素子により、バスバー等の導体に流れる電流が非接触状態で検出される。
電流センサにおいては、電流が流れることで導体から発生する磁界が磁気検出素子により検出されるが、外部からの磁界が磁気検出素子に印加されてしまうと、電流センサにおける検出精度が悪化してしまう。このような検出精度の悪化を抑制するため、ＭＲ素子やホール素子等の磁気検出素子及び導体の周囲を囲む磁気シールドを設けることが提案されている。特許文献１には、２つの磁気シールド間の空隙に生じる磁界が磁電変換素子に斜めに印加されて電流の検出精度が悪化することを防止するために、空隙の高さ位置と、磁電変換素子が形成されたセンサ基板の高さ位置とを同一にすることが開示されている。
特開２０１３−０１１４６９号公報
上記従来の電流センサのように、磁気シールドを設けることで、外部からの磁界を磁気シールドが吸収することができるため、その磁界により検出精度が悪化するのを抑制することができる。一方で、バスバー等の導体に被測定電流が流れることで発生する磁界の少なくとも一部は磁気シールドに吸収されるが、磁性体である磁気シールドはヒステリシス特性を有するため、導体が非通電状態になっても磁気シールドに磁化が残留する。この残留磁化によって磁気シールドから発生する磁界は、電流センサにおける検出精度を悪化させる原因となる。残留磁化によって磁気シールドから発生する磁界が相殺され、磁場強度がゼロとなる位置に磁気検出素子が設置されることで、電流センサにおける検出精度を向上させ得る。一方で、電流センサの薄型化が要求される中、上記従来の電流センサにおいては、Ｕ字状の２つの磁気シールドが互いに対向するため、磁気シールドの大きさにより電流センサのサイズが一意的に決まってしまい、電流センサのさらなる薄型化を進めるのが困難となる。
本発明は、上述のような実情を鑑みてなされたものであり、導体非通電時の測定誤差を低減し、測定精度の向上が図れ、かつ、薄型化が可能な電流センサ及びその製造方法、当該電流センサを備える電気制御装置、並びに電流センサの設計方法を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明は、第１方向に電流が流れる導体から発生する磁気を検出するために用いられる電流センサであって、前記磁気を検出可能な磁気検出部と、第１磁気シールドと、第２磁気シールドとを備え、前記第１磁気シールドは、第１シールド部及びその両端部近傍のそれぞれに連続する２つの第２シールド部を有し、前記第２磁気シールドは、第３シールド部及びその両端部近傍のそれぞれに連続する２つの第４シールド部を有し、前記第１シールド部と、前記第３シールド部とは、互いに実質的に平行に対向して位置し、前記第１シールド部と前記第３シールド部との間には、前記第１方向を前記第１シールド部に対して実質的に平行にさせるようにして前記導体が配置される導体配置領域が存在し、前記２つの第２シールド部は、前記第１シールド部における前記第１方向に直交する第２方向に沿った前記両端部近傍のそれぞれに、前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向と実質的に平行であって、前記第２磁気シールドに向かうようにして連続しており、前記２つの第４シールド部は、前記第３シールド部における前記第１方向に直交する第２方向に沿った前記両端部近傍のそれぞれに、前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向と実質的に平行であって、前記第１磁気シールドに向かうようにして連続しており、前記第１シールド部の前記第２方向に沿った長さは、前記第３シールド部の前記第２方向に沿った長さよりも長く、前記磁気検出部は、前記第１シールド部と前記導体配置領域との間に位置し、前記磁気検出部は、前記２つの第４シールド部の前記第３方向に沿った長さとの関係において、前記導体に所定の電流が流れた後の非通電時における前記第２方向の磁場が実質的にゼロとなる磁場相殺位置に設けられていることを特徴とする電流センサを提供する。
前記磁場相殺位置は、前記２つの第４シールド部の前記第３方向に沿った長さと前記第３方向に沿った前記導体配置領域からの距離との相関関係に基づいて決定される位置であってもよく、前記第２方向に沿って見たときに、前記第４シールド部の端部近傍が前記第２シールド部に重なっていてもよく、前記第１方向に沿って見たときに、前記磁気検出部と前記導体配置領域とは、前記第３シールド部及び前記２つの第４シールド部により囲まれた空間内に位置していてもよく、前記磁気検出部と前記導体配置領域とは、前記第３方向に沿って１．０ｍｍ以上離れていてもよく、前記磁気検出部と前記第１シールド部とは、前記第３方向に沿って１．０〜２．０ｍｍ離れていてもよい。
前記電流センサは、第１面及び当該第１面に対向する第２面を有する回路基板をさらに備え、前記回路基板の前記第１面は、前記第１シールド部に対向し、前記回路基板の前記第２面は、前記第３シールド部に対向し、前記磁気検出部が、前記回路基板の前記第２面に実装されていてもよく、前記磁気検出部と前記回路基板の前記第２面との間に、高さ調整部が設けられていてもよく、前記回路基板の前記第２面に、前記磁気検出部から出力される検出信号を処理する信号処理部が実装されていてもよい。
前記電流センサは、第１面及び当該第１面に対向する第２面を有する回路基板をさらに備え、前記回路基板の前記第１面は、前記第１シールド部に対向し、前記回路基板の前記第２面は、前記第３シールド部に対向し、前記磁気検出部が、前記回路基板の前記第１面に実装されていてもよく、前記回路基板の前記第１面に、前記磁気検出部から出力される検出信号を処理する信号処理部が実装されていてもよい。
前記磁気検出部は、磁気抵抗効果素子又はホール素子を含んでいてもよく、前記磁気抵抗効果素子が、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子であってもよく、前記磁気検出部、前記第１磁気シールド及び前記第２磁気シールドを一体的に封止する封止部をさらに備え、前記導体配置領域は、前記第１方向に沿って前記封止部に形成されている、前記導体を挿通可能な貫通孔であってもよく、前記導体配置領域に配置された前記導体をさらに備えていてもよい。
また、本発明は、上記電流センサを備える電気制御装置を提供する。
また、本発明は、上記電流センサを設計する方法であって、前記第４シールド部の長さと前記第３方向に沿った前記導体からの距離との相関関係に基づいて、前記電流センサ内において前記磁気検出部を設ける前記磁場相殺位置を決定することを特徴とする電流センサの設計方法を提供する。
また、本発明は、上記電流センサを製造する方法であって、前記第４シールド部の長さと前記第３方向に沿った前記導体配置領域からの距離との相関関係に基づいて決定される前記磁場相殺位置に前記磁気検出部を設けることを特徴とする電流センサの製造方法を提供する。
前記導体配置領域に前記導体を配置してもよい。
本発明によれば、導体非通電時の測定誤差を低減し、測定精度の向上が図れ、かつ、薄型化が可能な電流センサ及びそれらの製造方法、当該電流センサを備える電気制御装置、並びに電流センサの設計方法を提供することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る電流センサを第１方向に沿って見たときの概略構成を示す切断端面図である。 図２は、図１に示す電流センサを第２方向に沿って見たときの概略構成を示す側面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る電流センサの他の態様を第１方向に沿って見たときの概略構成を示す切断端面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る電流センサの他の態様を第１方向に沿って見たときの概略構成を示す切断端面図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る電流センサの概略構成を示すブロック図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る電流センサが有する回路構成の一態様の概略構成を示す回路図である。 図７は、本発明の一実施形態における磁気抵抗効果素子の概略構成を示す斜視図である。 図８は、本発明の一実施形態における磁気抵抗効果素子の概略構成を示す断面図である。 図９は、本発明の一実施形態に係る電流センサの他の態様を第１方向に沿って見たときの概略構成を示す切断端面図である。 図１０は、図９に示す電流センサの概略構成を示す斜視図である。 図１１は、本実施形態に係る電流センサの第２シールド部の長さと磁場相殺位置との相関関係を示すグラフである。 図１２は、本実施形態に係る電流センサの第４シールド部の長さと磁場相殺位置との相関関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部材の寸法、部材間の大きさの比等は、必ずしも現実のものと同一とは限らず、また、同じ部材等を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比が異なって表される場合もある。また、本明細書に添付した図面においては、理解を容易にするために、各部の形状、縮尺、縦横の寸法比等を、実物から変更したり、誇張したりしている場合がある。
なお、本実施形態において、必要に応じ、いくつかの図面中、「第１方向、第２方向及び第３方向」を規定している。ここで、第１方向は、導体に流れる電流の方向である。第２方向は、第１方向に直交する方向であり、導体の幅方向である。第３方向は、第１方向及び第２方向に直交する方向である。
図１は、本実施形態に係る電流センサの第１方向に沿って見たときの概略構成を示す切断端面図であり、図２は、図１に示す電流センサを第２方向に沿って見たときの概略構成を示す側面図である。図１に示すように、電流センサ１は、磁気を検出可能な磁気検出部２と、第１磁気シールド３と、第２磁気シールド４とを備える。
第１磁気シールド３は、第１シールド部３１と第２シールド部３２とを有する。第２シールド部３２は、第１シールド部３１の第２方向Ｄ２における両端部３１Ｅの近傍のそれぞれに連続し、第３方向Ｄ３に沿って第２磁気シールド４に向かって延びている。第２磁気シールド４は、第３シールド部４１と第４シールド部４２とを有する。第４シールド部４２は、第３シールド部４１の第２方向Ｄ２における両端部４１Ｅの近傍のそれぞれに連続し、第３方向Ｄ３に沿って第１磁気シールド３に向かって延びている。なお、本実施形態において、第１シールド部３１の第２方向Ｄ２における両端部３１Ｅの近傍とは、第１磁気シールド３の製造時における製造誤差等を含む趣旨であって、電流センサ１を第１方向Ｄ１に沿って見たとき、第１シールド部３１の端部３１Ｅから第２方向Ｄ２に沿って第１シールド部３１の内側に向かう、第１シールド部３１の第２方向Ｄ２における長さＷ３１に対する４％程度の長さの範囲内を意味するものとする。また、第３シールド部４１の両端部４１Ｅの近傍とは、第２磁気シールド４の製造時における製造誤差等を含む趣旨であって、第１方向Ｄ１に沿って見たとき、第３シールド部４１の端部４１Ｅから第２方向Ｄ２に沿って第３シールド部４１の内側に向かう、第３シールド部４１の第２方向Ｄ２における長さＷ４１に対する５％程度の長さの範囲内を意味するものとする。
第１シールド部３１と第３シールド部４１とは、互いに実質的に平行に対向して位置している。なお、第１シールド部３１と第３シールド部４１とが、互いに実質的に平行とは、第１磁気シールド３及び第２磁気シールド４等の製造時における製造誤差等を含む趣旨であって、第１シールド部３１を含む平面と第３シールド部４１を含む平面とにより形成される角度が４°以下となるように２つの平面が交差することを許容する趣旨である。
第１シールド部３１と第３シールド部４１との間には、導体５１（図９参照）が配置される導体配置領域５が位置している。導体５１は、その長手方向を第１方向Ｄ１に対して実質的に平行にするようにして導体配置領域５に配置され得る。電流センサ１の第２方向Ｄ２及び第３方向Ｄ３に沿った切断面において、導体配置領域５の形状は、略矩形状であるが、これに限定されるものではなく、導体配置領域５に配置される導体５１の形状に応じて適宜設定され得るものであればよく、例えば、略円形状等であってもよい。
導体５１の長手方向が第１方向Ｄ１に対して実質的に平行であるとは、電流センサ１等の製造時における製造誤差等を含む趣旨であって、電流センサ１の第２方向Ｄ２及び第３方向Ｄ３に沿った切断面において、導体５１の長手方向が第１方向Ｄ１に対して２°以下の角度で交差することを許容する趣旨である。また、導体配置領域５が略円形状の場合、第２方向Ｄ２及び第３方向に沿った切断面において、導体５１の軸線（導体５１の中心を通る線）が第１方向Ｄ１に対して２°以下の角度で交差することを許容する趣旨である。
２つの第２シールド部３２は、第１シールド部３１の第２方向Ｄ２における両端部３１Ｅの近傍のそれぞれから、第３方向Ｄ３と実質的に平行であって、第２磁気シールド４に向かうようにして連続し、２つの第２シールド部３２の端部３２Ｅは、第２磁気シールド４側に位置している。なお、第２シールド部３２が、第３方向Ｄ３と実質的に平行であるとは、第１磁気シールド３等の製造時における製造誤差等を含む趣旨であって、第２方向Ｄ２に沿って見たときに、第２シールド部３２の延長線が１°以下の角度で第３方向Ｄ３に交差することを許容する趣旨である。
２つの第４シールド部４２は、第３シールド部４１の第２方向Ｄ２における両端部４１Ｅの近傍のそれぞれから、第３方向Ｄ３と実質的に平行であって、第１磁気シールド３に向かうようにして連続し、２つの第４シールド部４２の端部４２Ｅは、第１磁気シールド３側に位置している。なお、第４シールド部４２が、第３方向Ｄ３と実質的に平行であるとは、第２磁気シールド４の製造時における製造誤差等を含む趣旨であって、第４シールド部４２の延長線が１°以下の角度で第３方向Ｄ３に交差することを許容する趣旨である。
第１シールド部３１の第２方向Ｄ２に沿った長さＷ３１は、第３シールド部４１の第２方向Ｄ２に沿った長さＷ４１よりも長い。好ましくは、２つの第４シールド部４２の各端部４２Ｅが、第１シールド部３１及び第２シールド部３２によって画定される空間内に位置し得る程度に、第１シールド部３１の長さＷ３１は第３シールド部４１の長さＷ４１よりも長い。第１シールド部３１及び第３シールド部４１がこのような長さ関係を有することにより、第２方向Ｄ２における第２シールド部３２の中心位置と第２方向Ｄ２における第４シールド部４２の中心位置とを第３方向Ｄ３に沿って一致させて第１磁気シールド３及び第２磁気シールド４を配置したときに、電流センサ１の第３方向Ｄ３における高さを薄くすることが可能となる。
本実施形態における第１磁気シールド３及び第２磁気シールド４の材質としては、純鉄や珪素鋼、パーマロイ合金等の磁性材料が挙げられる。第１磁気シールド３と第２磁気シールド４とは互いに同じ磁性材料で構成されていてもよいが、第１磁気シールド３と第２磁気シールド４とは互いに異なる磁性材料で構成されていてもよい。
磁気検出部２は、第１シールド部３１と導体配置領域５との間（第３方向Ｄ３における間）に位置している。磁気検出部２と第１シールド部３１との間の長さＣ１（第３方向Ｄ３に平行な長さ）は、０〜２．０ｍｍ程度であればよく、１．０〜２．０ｍｍ程度であるのが好ましい。また、磁気検出部２と導体配置領域５との間の長さＣ２（第３方向Ｄ３に平行な長さ）は、電気的な絶縁性を考慮した距離であればよく、例えば、１．０ｍｍ以上であればよい。
磁気検出部２は、２つの第４シールド部４２の第３方向Ｄ３に沿った長さＨ４２との関係において、導体５１に所定の電流が流れた後における第２方向Ｄ２の残留磁化が実質的にゼロとなる磁場相殺位置に設けられている。磁性体である第１磁気シールド３及び第２磁気シールド４はヒステリシス特性を有するため、導体５１に電流が流れることで発生する磁界が第１磁気シールド３及び第２磁気シールド４に吸収された後、導体５１が非通電状態になっても第１磁気シールド３及び第２磁気シールド４に磁化が残留する。第１磁気シールド３及び第２磁気シールド４に残留する磁化（残留磁化）が磁気検出部２に印加されると、導体５１に電流が流れていない状態においても、当該残留磁化に対応する信号が磁気検出部２から出力されてしまう。本実施形態においては、磁気検出部２が磁場相殺位置に設けられていることで、導体の非通電時の測定誤差を低減することができる。磁場相殺位置は、後述するように、２つの第４シールド部４２の第３方向Ｄ３に沿った長さＨ４２と、導体配置領域５からの第３方向Ｄ３に沿った長さＣ２との相対関係に基づいて決定される位置であればよい。
第１方向Ｄ１に沿って見たときに、磁気検出部２と導体配置領域５とは、第３シールド部４１及び２つの第４シールド部４２により画定される空間内に位置していてもよい。このように位置させることで、導体５１の非通電時の残留磁化に起因する測定誤差を低減することができるとともに、電流センサ１の第３方向における寸法を低減し、薄型化を図ることができる。
図２に示すように、第２方向Ｄ２に沿って見たときに、第４シールド部４２の端部４２Ｅの近傍が第２シールド部３２の端部３２Ｅの近傍に重なっていてもよい。これにより、電流センサ１の第３方向Ｄ３における寸法を小さくすることができ、薄型化を図ることができる。また、第２シールド部３２の端部３２Ｅの近傍と第４シールド部４２の端部４２Ｅの近傍とが重なっていることで、電流センサ１の外部からの磁界（第２方向に沿った磁界）が第１磁気シールド３及び第２磁気シールド４により吸収されるため、当該外部からの磁界に起因する測定誤差が生じるのを抑制することができる。第２シールド部３２と第４シールド部４２との重なり部分の第３方向Ｄ３に沿った長さＣ３は、特に限定されるものではない。なお、第２シールド部３２の端部３２Ｅと第４シールド部４２の端部４２Ｅとが、第２方向Ｄ２に平行な平面上に位置していてもよい。
図５は、本実施形態に係る電流センサの概略構成を示すブロック図である。図５に示すように、本実施形態に係る電流センサ１（図９及び図１０参照）は、磁気検出部２と信号処理部７とを備える。信号処理部７は、磁気検出部２から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換部７１と、Ａ／Ｄ変換部７１によりデジタル変換されたデジタル信号を演算処理する演算部７２とを含む。なお、演算部７２にて演算処理された演算処理結果をアナログ信号として出力する場合には、信号処理部７は、演算部７２の下流側にＤ／Ａ（デジタル−アナログ）変換部（図示を省略）をさらに含んでいればよい。
図６は、本実施形態に係る電流センサが有する回路構成の一態様の概略構成を示す回路図であり、図７は、本実施形態における磁気抵抗効果素子の概略構成を示す斜視図であり、図８は、本実施形態における磁気抵抗効果素子の概略構成を示す断面図である。
磁気検出部２は、磁気抵抗効果素子を含んでいてもよい。本実施形態においては、磁気検出部２の回路構成は、第１抵抗部Ｒ１、第２抵抗部Ｒ２、第３抵抗部Ｒ３及び第４抵抗部Ｒ４の４つの抵抗部をブリッジ接続してなるホイートストンブリッジ回路２Ａであればよく、第１〜第４抵抗部Ｒ１〜Ｒ４が単一の磁気抵抗効果素子を含んでいてもよいし、複数の磁気抵抗効果素子を含んでいてもよい。
図６に示すように、磁気検出部２が有するホイートストンブリッジ回路２Ａは、電源ポートＶ１と、グランドポートＧ１と、２つの出力ポートＥ１，Ｅ２と、直列に接続された第１及び第２抵抗部Ｒ１，Ｒ２と、直列に接続された第３及び第４抵抗部Ｒ３，Ｒ４とを含む。第１及び第３抵抗部Ｒ１，Ｒ３の各一端は、電源ポートＶ１に接続される。第１抵抗部Ｒ１の他端は、第２抵抗部Ｒ２の一端と出力ポートＥ１とに接続される。第３抵抗部Ｒ３の他端は、第４抵抗部Ｒ４の一端と出力ポートＥ２とに接続される。第２及び第４抵抗部Ｒ２，Ｒ４の各他端は、グランドポートＧ１に接続される。電源ポートＶ１には、所定の大きさの電源電圧が印加され、グランドポートＧ１はグランドに接続される。
本実施形態において、ホイートストンブリッジ回路２Ａに含まれる第１〜第４抵抗部Ｒ１〜Ｒ４は、ＡＭＲ素子、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子等のＭＲ素子により構成されていてもよいし、ホール素子により構成されていてもよい。ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、印加される磁場の方向に応じて磁化方向が変化する自由層と、磁化固定層及び自由層の間に配置される非磁性層とを含む。ＡＭＲ素子は、形状異方性を有する磁性層を含む。
図７及び図８に示すように、第１〜第４抵抗部Ｒ１〜Ｒ４を構成するＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子等のＭＲ素子は、複数の下部電極２１と、複数のＭＲ膜２２と、複数の上部電極２３とを有していればよい。複数の下部電極２１は、基板（図示せず）上に設けられている。各下部電極２１は細長い形状を有する。下部電極２１の長手方向に隣接する２つの下部電極２１の間には、間隙が形成されている。下部電極２１の上面における、長手方向の両端近傍にそれぞれＭＲ膜２２が設けられている。ＭＲ膜２２は、平面視略円形状であり、下部電極２１側から順に積層された自由層２２１、非磁性層２２２、磁化固定層２２３及び反強磁性層２２４を含む。自由層２２１は、下部電極２１に電気的に接続されている。反強磁性層２２４は、反強磁性材料により構成され、磁化固定層２２３との間で交換結合を生じさせることで、磁化固定層２２３の磁化の方向を固定する役割を果たす。複数の上部電極２３は、複数のＭＲ膜２２上に設けられている。各上部電極２３は細長い形状を有し、下部電極２１の長手方向に隣接する２つの下部電極２１上に配置され、隣接する２つのＭＲ膜２２の反強磁性層２２４同士を電気的に接続する。なお、ＭＲ膜２２は、上部電極２３側から順に自由層２２１、非磁性層２２２、磁化固定層２２３及び反強磁性層２２４が積層されてなる構成を有していてもよい。また、磁化固定層２２３を、強磁性層／非磁性中間層／強磁性層の積層フェリ構造とし、両強磁性層を反強磁性的に結合させてなる、いわゆるセルフピン止め型の固定層（Synthetic Ferri Pinned層，ＳＦＰ層）とすることで、反強磁性層２２４が省略されていてもよい。
ＴＭＲ素子においては、非磁性層２２２はトンネルバリア層である。ＧＭＲ素子においては、非磁性層２２２は非磁性導電層である。ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子において、自由層２２１の磁化の方向が磁化固定層２２３の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が０°（互いの磁化方向が平行）のときに抵抗値が最小となり、１８０°（互いの磁化方向が反平行）のときに抵抗値が最大となる。
図６に示すように、第１〜第４抵抗部Ｒ１〜Ｒ４がＴＭＲ素子又はＧＭＲ素子により構成される場合、磁気検出部２のホイートストンブリッジ回路２Ａにおいて、第１及び第２抵抗部Ｒ１，Ｒ２の磁化固定層２２３の磁化方向は第２方向Ｄ２に平行であって、第１抵抗部Ｒ１の磁化固定層２２３の磁化方向と、第２抵抗部Ｒ２の磁化固定層２２３の磁化方向とは、互いに反平行方向である。また、第３及び第４抵抗部Ｒ３，Ｒ４の磁化固定層２２３の磁化方向は第２方向Ｄ２に平行であって、第３抵抗部Ｒ３の磁化固定層２２３の磁化方向と、第４抵抗部Ｒ４の磁化固定層２２３の磁化方向とは、互いに反平行方向である。磁気検出部２において、導体５１から発生する第２方向Ｄ２の磁場の磁界強度の変化に応じて、出力ポートＥ１，Ｅ２の電位差が変化し、磁界強度を表す信号としてのセンサ信号Ｓが信号処理部７に出力される。出力ポートＥ１，Ｅ２の電位差に対応する信号がセンサ信号Ｓとして信号処理部７に出力される。差分検出器９は、出力ポートＥ１，Ｅ２の電位差に対応する信号Ｓ１，Ｓ２を増幅し、センサ信号Ｓとして信号処理部７のＡ／Ｄ変換部７１に出力する。
Ａ／Ｄ変換部７１は、磁気検出部２から出力されるセンサ信号Ｓ（移動量に関するアナログ信号）をデジタル信号に変換し、当該デジタル信号が演算部７２に入力される。演算部７２は、Ａ／Ｄ変換部７１によりアナログ信号から変換されたデジタル信号についての演算処理を行う。この演算部７２は、例えば、マイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等により構成される。
本実施形態において、磁気検出部２はＭＲ素子を有している態様で説明したが、これに限定されるものではなく、ホール素子等であってもよい。
図３は、本実施形態に係る電流センサの他の態様の概略構成を示す切断端面図である。図３に示す電流センサ１は、第１面６１及び当該第１面６１に対向する第２面６２を有する回路基板６をさらに備える。回路基板６の第１面６１は、第１シールド部３１に対向し、回路基板６の第２面６２は、第３シールド部４１に対向する。本実施形態において、磁気検出部２は、回路基板６の第２面６２に実装されているが、回路基板６の第１面６１に実装されていてもよい。この態様において、回路基板６の第２方向Ｄ２における長さが第４シールド部４２の長さＷ４２よりも小さく、かつ磁気検出部２が回路基板６の第２面６２に実装されていれば、第３シールド部４１及び２つの第４シールド部４２により画定される空間内に磁気検出部２及び回路基板６を位置させ易くなり、電流センサ１の薄型化を進めることで、回路基板６の第２面６２に磁気検出部２以外の電子部品を実装する面積を十分に確保できなかったとしても、回路基板６の第１面６１に、信号処理部７等の電子部品を実装する面積を確保できる。
図４は、本実施形態に係る電流センサの他の態様の概略構成を示す切断端面図である。図４に示す電流センサ１は、磁気検出部２と回路基板６の第２面６２との間に設けられた高さ調整部８を有する。磁気検出部２と回路基板６の第２面６２との間に高さ調整部８が設けられることで、磁気検出部２を第３シールド部４１及び２つの第４シールド部４２により画定される空間内に位置させるとともに、回路基板６を第１シールド部３１及び２つの第２シールド部３２により囲まれた空間内に位置させ、回路基板６の第２方向Ｄ２における長さを第３シールド部４１の第２方向Ｄ２における長さ以上にすることができる。その結果、図３に示す態様よりも、回路基板６の第１面６１や第２面６２に、信号処理部７等の電子部品を実装する面積を大きく確保することができる。
回路基板６の第１面６１に信号処理部７を実装する態様について説明したが、この態様に限定されるものではなく、回路基板６の第２面６２に、磁気検出部２から出力される検出信号を処理する信号処理部７等の電子部品が実装されていてもよい。
電流センサ１は、磁気検出部２、第１磁気シールド３及び第２磁気シールド４を一体的に封止する封止部（図示を省略）をさらに備えていてもよい。電流センサ１が有する封止部は、磁気検出部２、第１磁気シールド３及び第２磁気シールド４を一体的に封止して保護することができるものであればよく、例えば樹脂やガラス繊維を配合した樹脂等により構成されていてもよい。封止部は、磁気検出部２（磁気検出部２が実装された回路基板６）、第１磁気シールド３及び第２磁気シールド４と、導体５１（図９参照）とを保持するもの（筐体）であればよい。なお、この態様において、導体配置領域５は、例えば、第１方向Ｄ１に沿って導体を挿通可能な貫通孔として封止部に設けられていればよい。
以上説明した電流センサ１は、導体配置領域５に導体５１を配置することで、第１方向Ｄ１に電流が流れる導体５１から発生する磁気を検出することができる。導体配置領域５に配置される導体５１としては、例えば、被測定電流の経路となればよく、材質や形状等特に限定されるべきものではない。本実施形態における電流センサ１の導体５１の材質としては、銅やアルミニウム等が挙げられる。また、本実施形態における電流センサ１の導体５１としては、電流路となれば特に限定されるものではなく、平板状のバスバーや略円柱状の電線等が挙げられるが、薄型化の観点から平板状のバスバーであることが好ましい。
本実施形態に係る電流センサ１（図９及び図１０参照）は、電気制御装置に備えられる。なお、本実施形態に係る電気制御装置としては、例えば、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ: Hybrid Electric Vehicle）や電気自動車（ＥＶ: Electric Vehicle）等のバッテリマネジメントシステム、インバータ及びコンバータ等が挙げられる。本実施形態に係る電流センサ１は、電源から入出力される電流量を測定して、測定された電流に関する情報を電気制御装置に出力すること等に用いられる。
図１１は、本実施形態に係る電流センサの導体に５００Ａの電流を流したときにおける第２シールド部の長さと磁場相殺位置との相関関係を示すグラフであり、図１２は、本実施形態の電流センサの導体に５００Ａの電流を流したときにおける第４シールド部の長さと磁場相殺位置との相関関係を示すグラフである。
本実施形態に係る電流センサ１（図９及び図１０参照）において、磁場相殺位置は、第２シールド部３２の長さＨ３２（第３方向における長さ）との関係において図１１に示す相関関係を有する。すなわち、第２シールド部３２の長さＨ３２を変動させても、磁場相殺位置はほとんど変動しない（図１１参照）。一方、磁場相殺位置は、第４シールド部４２の長さＨ４２（第３方向における長さ）との関係において図１２に示す相関関係を有する。すなわち、第４シールド部４２の長さＨ４２を変動させると、それに伴い磁場相殺位置も変動する（図１２参照）。したがって、第４シールド部４２の長さＨ４２との相関関係に基づいて、磁場相殺位置、すなわち電流センサ１内において磁気検出部２を設置する位置を決定することで、電流センサ１を設計することができる。よって、本実施形態における電流センサの設計方法は、第４シールド部４２の長さＨ４２と第３方向Ｄ３に沿った導体５１からの距離との相関関係に基づいて、電流センサ１内において磁気検出部２を設ける磁場相殺位置を決定する工程を含む。この電流センサの設計方法により電流センサ内において磁気検出部２を設ける磁場相殺位置を決定することで、当該設計に基づいて作製された電流センサ１において、導体５１の非通電時の測定誤差を低減することができる。
本実施形態に係る電流センサ１の製造方法について説明する。
まず、例えば紙フェノール基板やガラス基板・エポキシ基板等の回路基板６、第１磁気シールド３及び第２磁気シールド４を準備する。回路基板６の第２面６２側には、磁気検出部２が実装されていればよい。
次に、第１シールド部３１と、第３シールド部４１とを、互いに実質的に平行に対向して位置させ、第１シールド部３１と第３シールド部４１との間に、第２磁気シールド４側に磁気検出部２を位置させるようにして回路基板６を配置する。回路基板６を配置する際に、第４シールド部４２の長さＨ４２との相対関係（図１２参照）に基づいて決定される磁場相殺位置に磁気検出部２が設けられるようにする。このようにして、本実施形態に係る電流センサ１が製造され得る。また、導体配置領域５に導体５１を配置してもよい（図９及び図１０参照）。
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
本実施形態において、回路基板６の第２面６２に磁気検出部２を備える態様で説明したが、この態様に限定されるものではなく、例えば、磁気検出部２がＳＩＰ（Single In-line Package）タイプのパッケージで実装されている場合等において、回路基板６の第１面６１に磁気検出部２が設けられていてもよい。このような態様の場合、磁気検出部２と第１シールド部３１との間の長さＣ１は、１．０〜２．０ｍｍであるのが好ましい。
１…電流センサ
２…磁気検出部
３…第１磁気シールド
３１…第１シールド部
３２…第２シールド部
４…第２磁気シールド
４１…第３シールド部
４２…第４シールド部
５…導体配置領域

Claims (19)

  1. 第１方向に電流が流れる導体から発生する磁気を検出するために用いられる電流センサであって、
    前記磁気を検出可能な磁気検出部と、第１磁気シールドと、第２磁気シールドとを備え、
    前記第１磁気シールドは、第１シールド部及びその両端部近傍のそれぞれに連続する２つの第２シールド部を有し、
    前記第２磁気シールドは、第３シールド部及びその両端部近傍のそれぞれに連続する２つの第４シールド部を有し、
    前記第１シールド部と、前記第３シールド部とは、互いに実質的に平行に対向して位置し、
    前記第１シールド部と前記第３シールド部との間には、前記第１方向を前記第１シールド部に対して実質的に平行にさせるようにして前記導体が配置される導体配置領域が存在し、
    前記２つの第２シールド部は、前記第１シールド部における前記第１方向に直交する第２方向に沿った前記両端部近傍のそれぞれに、前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向と実質的に平行であって、前記第２磁気シールドに向かうようにして連続しており、
    前記２つの第４シールド部は、前記第３シールド部における前記第１方向に直交する第２方向に沿った前記両端部近傍のそれぞれに、前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向と実質的に平行であって、前記第１磁気シールドに向かうようにして連続しており、
    前記第１シールド部の前記第２方向に沿った長さは、前記第３シールド部の前記第２方向に沿った長さよりも長く、
    前記磁気検出部は、前記第１シールド部と前記導体配置領域との間に位置し、
    前記磁気検出部は、前記２つの第４シールド部の前記第３方向に沿った長さとの関係において、前記導体に所定の電流が流れた後の非通電時における前記第２方向の磁場が実質的にゼロとなる磁場相殺位置に設けられていることを特徴とする電流センサ。
  2. 前記磁場相殺位置は、前記２つの第４シールド部の前記第３方向に沿った長さと前記第３方向に沿った前記導体配置領域からの距離との相関関係に基づいて決定される位置であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
  3. 前記第２方向に沿って見たときに、前記第４シールド部の端部近傍が前記第２シールド部に重なっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
  4. 前記第１方向に沿って見たときに、前記磁気検出部と前記導体配置領域とは、前記第３シールド部及び前記２つの第４シールド部により囲まれた空間内に位置していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電流センサ。
  5. 前記磁気検出部と前記導体配置領域とは、前記第３方向に沿って１．０ｍｍ以上離れていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電流センサ。
  6. 前記磁気検出部と前記第１シールド部とは、前記第３方向に沿って１．０〜２．０ｍｍ離れていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電流センサ。
  7. 第１面及び当該第１面に対向する第２面を有する回路基板をさらに備え、
    前記回路基板の前記第１面は、前記第１シールド部に対向し、
    前記回路基板の前記第２面は、前記第３シールド部に対向し、
    前記磁気検出部が、前記回路基板の前記第２面に実装されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電流センサ。
  8. 前記磁気検出部と前記回路基板の前記第２面との間に、高さ調整部が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の電流センサ。
  9. 前記回路基板の前記第２面に、前記磁気検出部から出力される検出信号を処理する信号処理部が実装されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の電流センサ。
  10. 第１面及び当該第１面に対向する第２面を有する回路基板をさらに備え、
    前記回路基板の前記第１面は、前記第１シールド部に対向し、
    前記回路基板の前記第２面は、前記第３シールド部に対向し、
    前記磁気検出部が、前記回路基板の前記第１面に実装されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電流センサ。
  11. 前記回路基板の前記第１面に、前記磁気検出部から出力される検出信号を処理する信号処理部が実装されていることを特徴とする請求項１０に記載の電流センサ。
  12. 前記磁気検出部は、磁気抵抗効果素子又はホール素子を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の電流センサ。
  13. 前記磁気抵抗効果素子が、ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子であることを特徴とする請求項１２に記載の電流センサ。
  14. 前記磁気検出部、前記第１磁気シールド及び前記第２磁気シールドを一体的に封止する封止部をさらに備え、
    前記導体配置領域は、前記第１方向に沿って前記封止部に形成されている、前記導体を挿通可能な貫通孔であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の電流センサ。
  15. 前記導体配置領域に配置された前記導体をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の電流センサ。
  16. 請求項１５に記載の電流センサを備えることを特徴とする電気制御装置。
  17. 請求項１５に記載の電流センサを設計する方法であって、
    前記第４シールド部の長さと前記第３方向に沿った前記導体からの距離との相関関係に基づいて、前記電流センサ内において前記磁気検出部を設ける前記磁場相殺位置を決定することを特徴とする電流センサの設計方法。
  18. 請求項１〜１４のいずれかに記載の電流センサを製造する方法であって、
    前記第４シールド部の長さと前記第３方向に沿った前記導体配置領域からの距離との相関関係に基づいて決定される前記磁場相殺位置に前記磁気検出部を設けることを特徴とする電流センサの製造方法。
  19. 前記導体配置領域に前記導体を配置することを特徴とする請求項１８に記載の電流センサの製造方法。
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