JP2023084140A - 磁気センサ装置、インバータ装置、バッテリ装置、電動モータおよび車両 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス状のノイズ磁界を検出することが可能な磁気センサ装置を実現する。
【解決手段】磁気センサ装置１は、第１の検出信号Ｓ１を生成する第１の検出回路５と、フィードバック電流Ｉｃｃが流されることによってキャンセル磁界Ｈ２を発生するコイル１２と、フィードバック電流Ｉｃｃの値と対応関係を有する第２の検出信号Ｓ２を生成する第２の検出回路６とを備えている。対象磁界の強度が第１の値よりも大きく第２の値未満の場合には、第１の検出信号Ｓ１が一定値になるようにフィードバック電流Ｉｃｃが制御される。対象磁界の強度が第１の値以下または第２の値以上の場合には、フィードバック電流Ｉｃｃが一定値になるように制御される。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気センサ装置、磁気センサ装置を備えたインバータ装置、磁気センサ装置を備えたバッテリ装置、インバータ装置が接続された電動モータ、バッテリ装置が接続された電動モータ、およびインバータ装置またはバッテリ装置と電動モータとを備えた車両に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車およびプラグインハイブリッド自動車等の電動モータを使用した車両には、電動モータを制御するインバータ装置や、インバータ装置を介して電動モータに高電圧の電力を供給するバッテリ装置が搭載されている。インバータ装置やバッテリ装置では、回路を流れる電流を測定するために、電流センサが用いられている。インバータ装置やバッテリ装置等の大電流が流れる回路で用いられる電流センサとしては、非接触の磁気式の電流センサが知られている。

磁気式の電流センサとしては、磁気比例方式の電流センサと、磁気平衡方式の電流センサが知られている。磁気比例方式の電流センサでは、磁気検出素子を含む磁気センサが、導体を流れる検出対象電流によって発生する対象磁界を検出して、対象磁界の強度と対応関係を有する検出値を生成する。磁気センサの検出値は、検出対象電流の値と比例関係にある。従って、磁気センサの検出値は、検出対象電流の検出値に相当する。

磁気平衡方式の電流センサは、導体を流れる検出対象電流によって発生する対象磁界をキャンセルするためのキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、対象磁界とキャンセル磁界との残差の磁界（以下、残差磁界と言う。）を検出して残差磁界の検出値を出力する磁気センサと、磁気センサから出力される検出値に応じて、フィードバックコイルに流すフィードバック電流を制御する制御回路と、フィードバック電流の電流路に挿入された抵抗器を含む検出回路とを備えている。抵抗器の両端の電位差は、フィードバック電流の検出値に相当する。フィードバック電流の検出値は、検出対象電流の値と比例関係にある。従って、フィードバック電流の検出値は、検出対象電流の検出値に相当する。この磁気平衡方式の電流センサは、残差磁界の強度がゼロに近づくように動作する。

インバータ装置やバッテリ装置では特に、測定範囲の広い電流センサが求められる。特許文献１ないし３には、磁気比例方式と磁気平衡方式とを組み合わせて、測定範囲を広くした電流センサが開示されている。

ところで、バッテリ装置においては、バッテリ容量の有効活用のために、測定した電流値の積算値からバッテリの残量を正確に推定したいという要求がある。バッテリの残量を正確に推定するためには、特に、検出対象電流の値が小さくなる領域、すなわち対象磁界の強度が小さくなる領域において、精度よく検出対象電流を測定することが求められる。磁気平衡方式は、原理的に、磁気検出素子のオフセットと、磁気検出素子の非線形性が解消される。そのため、対象磁界の強度が小さくなる領域においては、磁気平衡方式によって検出対象電流を測定することが望ましい。

特許文献２には、被検出電流が小さいときには、磁気平衡検出式による電流検出を選択することと、被検出電流が小さいときには、センサ出力に相当する集積チップからの出力信号（ホール電圧）の値が、被検出電流の値に比例することが記載されている。特許文献３には、磁気平衡式の電流センサの特性と一致する出力電圧を、相対的に電流入力範囲が狭い場合の出力として利用することと、低電流領域では、磁気平衡式の電流センサの特性と一致する出力電圧の値と、磁気比例式の電流センサにおける出力電圧の値が、いずれも、被測定電流の値に比例することが記載されている。

国際公開第２０１１／１０５２０９号 特開２００７－７８４１６号公報 特開２０１１－１６９８３３号公報

車両において使用される電流センサには、瞬間的に強度が変化するノイズ磁界が印加される場合がある。以下、このノイズ磁界を、パルス状のノイズ磁界と言う。パルス状のノイズ磁界の検出は、異常検出等の観点から有益である。しかし、従来は、電流センサにおいてパルス状のノイズ磁界を検出することは考慮されていなかった。また、磁気平衡方式の電流センサは、原理上、磁気比例方式の電流センサに比べて応答速度が遅くなる。すなわち、磁気平衡方式の電流センサでは、パルス状のノイズ磁界が印加されても、フィードバック電流の検出値はほとんど変化しないため、パルス状のノイズ磁界を検出することが難しい。

上記の問題は、電流センサに限らず、対象磁界を検出する磁気センサ装置全般に当てはまる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、パルス状のノイズ磁界を検出することが可能な磁気センサ装置、インバータ装置、バッテリ装置、電動モータおよび車両を提供することにある。

本発明の磁気センサ装置は、印加磁界を検出する磁気検出素子を含み、印加磁界の強度と対応関係を有する第１の検出信号を生成する第１の検出回路と、フィードバック電流が流されることによって、検出対象の磁界である対象磁界の少なくとも一部を相殺するためのキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、フィードバック電流の値と対応関係を有する第２の検出信号を生成する第２の検出回路とを備えている。

対象磁界の強度が第１の値よりも大きく第２の値未満の第１の場合には第１の検出信号が一定値になるようにフィードバック電流が制御され、対象磁界の強度が第１の値以下または第２の値以上の第２の場合にはフィードバック電流が一定値になるように制御される。第１の場合には、第２の検出信号に基づいて生成された検出値が対象磁界の強度と対応関係を有し、第２の場合には、第１の検出信号に基づいて生成された検出値が対象磁界の強度と対応関係を有する。

本発明の磁気センサ装置において、フィードバック電流は、第２の場合には、キャンセル磁界の強度の絶対値が第１の値の絶対値または第２の値の絶対値と等しくなるように、一定値に維持されてもよい。

また、本発明の磁気センサ装置において、磁気検出素子は、磁気抵抗効果素子であってもよい。磁気抵抗効果素子は、トンネル磁気抵抗効果素子であってもよい。

また、本発明の磁気センサ装置は、更に、制御回路を備えていてもよい。制御回路は、第１の検出信号、または第１の検出信号と第２の検出信号の両方を用いて、ノイズ磁界を検出するように構成されていてもよい。ノイズ磁界の強度の最大値は、第２の値よりも大きくてもよい。ノイズ磁界の強度の最小値は、第１の値よりも小さくてもよい。

また、本発明の磁気センサ装置において、第２の場合における対象磁界の強度の変化に対する第１の検出信号の変化の勾配は、第１の場合における対象磁界の強度の変化に対する第２の検出信号の変化の勾配とは異なっていてもよいし、この勾配よりも小さくてもよい。

また、本発明の磁気センサ装置は、更に、磁気検出素子の近傍において磁束を集めるシールドを備えていてもよい。

また、本発明の磁気センサ装置において、対象磁界は、導体を流れる検出対象電流によって発生する磁界であってもよい。この場合、検出値は、検出対象電流と対応関係を有していてもよい。また、導体には、検出対象電流によって発生する磁束を集める磁気コアが設けられていなくてもよい。

本発明のインバータ装置は、本発明の磁気センサ装置と、導体を含むインバータ回路とを備えている。本発明の第１の態様の電動モータは、本発明のインバータ装置が接続され、インバータ装置によって制御されるように構成されている。本発明の第１の態様の車両は、本発明のインバータ装置と、電動モータとを備えた車両であって、インバータ装置が、電動モータを制御するように構成されている車両である。

本発明のバッテリ装置は、本発明の磁気センサ装置と、導体を含む電源回路と、電源回路に接続されたバッテリとを備えている。本発明の第２の態様の電動モータは、本発明のバッテリ装置が接続され、バッテリ装置によって電流が供給されるように構成されている。本発明の第２の態様の車両は、本発明のバッテリ装置と、電動モータとを備えた車両であって、バッテリ装置が、電動モータに電流を供給するように構成されている車両である。

本発明の磁気センサ装置、インバータ装置、バッテリ装置、電動モータおよび車両では、対象磁界の強度が第１の値よりも大きく第２の値未満の第１の場合には、第１の検出信号が一定値になるようにフィードバック電流が制御される。これにより、本発明によれば、パルス状のノイズ磁界を検出することが可能になるという効果を奏する。

本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサ装置を含む電流センサシステムの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態における磁気センサを示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサ装置の磁気抵抗効果素子を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態における対象磁界とフィードバック電流との関係を示す特性図である。 本発明の第１の実施の形態における対象磁界と第２の検出信号との関係を示す特性図である。 本発明の第１の実施の形態における対象磁界と第１の検出信号との関係を示す特性図である。 本発明の第１の実施の形態における印加磁界とパルス状のノイズ磁界を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態における印加磁界にパルス状のノイズ磁界が重畳したときの第１および第２の検出信号を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係るインバータ装置およびバッテリ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態における磁気センサを示す断面図である。

［第１の実施の形態］
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。始めに、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサ装置を含む電流センサステムの構成について説明する。本実施の形態に係る磁気センサ装置１は、導体を流れる検出対象電流の値を検出する電流センサとして用いられる。図１には、検出対象電流が流れる導体がバスバー２である例を示している。磁気センサ装置１は、バスバー２の近傍に配置される。以下、検出対象電流を、対象電流Ｉｔｇと記す。バスバー２の周囲には、対象電流Ｉｔｇによって磁界３が発生する。磁気センサ装置１は、磁界３が印加される位置に配置されている。

なお、バスバー２には、対象電流Ｉｔｇによって発生する磁束を集める磁気コアが設けられていない。これにより、磁気センサ装置１を小型化することが可能になる。

次に、図１ないし図３を参照して、磁気センサ装置１の構成について詳しく説明する。図２は、磁気センサ装置１の構成を示すブロック図である。図３は、磁気センサを示す断面図である。磁気センサ装置１は、第１の検出回路５と、フィードバックコイル（以下、単にコイルと記す。）１２と、第２の検出回路６と、制御回路２３とを備えている。

第１の検出回路５は、印加磁界を検出する磁気検出素子を含み、印加磁界の強度と対応関係を有する第１の検出信号Ｓ１を生成する。ここで、対象電流Ｉｔｇによって発生する磁界３のうち、第１の検出回路５の磁気検出素子に印加される磁界を、検出対象の磁界または対象磁界Ｈ１と言う。コイル１２は、フィードバック電流Ｉｃｃが流されることによって、対象磁界Ｈ１の少なくとも一部を相殺するためのキャンセル磁界Ｈ２を発生するためのものである。第２の検出回路６は、フィードバック電流Ｉｃｃの値と対応関係を有する第２の検出信号Ｓ２を生成する。

制御回路２３は、フィードバック電流Ｉｃｃを制御すると共に対象磁界Ｈ１の強度と対応関係を有する検出値Ｖｓを生成する。後で詳しく説明するが、制御回路２３は、第１の検出信号Ｓ１または第２の検出信号Ｓ２に基づいて、検出値Ｖｓを生成する。

磁気検出素子とコイル１２を含む部分と、制御回路２３を含む部分は、一体化されていてもよいし、別体であってもよい。本実施の形態では、上記２つの部分が別体となっている。以下、磁気検出素子とコイル１２を含む部分を磁気センサ１０と言い、制御回路２３を含む部分をプロセッサ２０と言う。磁気センサ１０は、バスバー２とは独立している。プロセッサ２０は、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）あるいはマイクロコンピュータによって構成されている。プロセッサ２０は、磁気センサ１０に近接した位置に配置されていてもよいし、磁気センサ１０から離れた位置に配置されていてもよい。

図２に示したように、磁気センサ１０は、コイル１２の他に、ホイートストンブリッジ回路１１と、抵抗器１３とを含んでいる。ホイートストンブリッジ回路１１は、それぞれ磁気検出素子を含む抵抗部Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を含んでいる。

図３に示したように、磁気センサ１０は、更に、磁気検出素子（図３ではホイートストンブリッジ回路１１）の近傍に設けられたシールド１４を含んでいる。シールド１４は、磁性材料よりなり、磁束を集める機能を有している。シールド１４を設けることにより、磁気検出素子によって検出可能な印加磁界の強度の範囲を広げる、すなわちダイナミックレンジを大きくすることができる。ホイートストンブリッジ回路１１、コイル１２およびシールド１４は、複数の絶縁層によって一体化されている。抵抗器１３は、最も外側に位置する絶縁層の表面に取り付けられていてもよいし、複数の絶縁層に埋め込まれていてもよい。

ここで、図１および図２に示したように、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を定義する。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、互いに直交する。なお、本出願において、「直交」とは、完全に９０°で直交することに加え、ほぼ直交すること、すなわち９０°からわずかにずれて直交することも含む概念であるものとする。この本実施の形態では、図１に示した対象電流Ｉｔｇが流れる方向をＹ方向とする。また、Ｘ方向とは反対の方向を－Ｘ方向とし、Ｙ方向とは反対の方向を－Ｙ方向とし、Ｚ方向とは反対の方向を－Ｚ方向とする。また、以下、基準の位置に対してＺ方向の先にある位置を「上方」と言い、基準の位置に対して「上方」とは反対側にある位置を「下方」と言う。

磁気センサ１０は、バスバー２の上方または下方に配置される。図１は、磁気センサ１０を含む磁気センサ装置１が、バスバー２の上方に配置された例を示している。

図３に示したように、磁気センサ１０は、更に、基板６１と、絶縁層６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８とを含んでいる。絶縁層６２，６３，６４は、基板６１の上に積層されている。ホイートストンブリッジ回路１１は、絶縁層６４の上に配置されている。絶縁層６５は、ホイートストンブリッジ回路１１を覆うように、絶縁層６４の上に配置されている。絶縁層６６，６７は、絶縁層６５の上に積層されている。シールド１４は、絶縁層６７の上に配置されている。絶縁層６８は、シールド１４を覆うように、絶縁層６７の上に配置されている。コイル１２は、絶縁層６３～６６に埋め込まれている。

図２に示したように、磁気センサ１０は、ポートＥ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４，Ｇ１，Ｐ１，Ｖ１を有している。ホイートストンブリッジ回路１１の抵抗部Ｒ１，Ｒ２の各一端は、ポートＥ１１に接続されている。ホイートストンブリッジ回路１１の抵抗部Ｒ３，Ｒ４の各一端は、ポートＥ１２に接続されている。抵抗部Ｒ１，Ｒ３の各他端は、ポートＶ１に接続されている。抵抗部Ｒ２，Ｒ４の各他端は、ポートＧ１に接続されている。

コイル１２の一端は、ポートＰ１に接続されている。コイル１２の他端と抵抗器１３の一端は、ポートＥ１３に接続されている。抵抗器１３の他端は、ポートＥ１４に接続されている。

図２に示したように、プロセッサ２０は、ポートＥ２０，Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ２３，Ｅ２４，Ｇ２，Ｐ２，Ｖ２を有している。ポートＥ２１，Ｅ２２，Ｅ２３，Ｅ２４，Ｇ２，Ｐ２，Ｖ２は、それぞれ、磁気センサ１０のポートＥ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４，Ｇ１，Ｐ１，Ｖ１に接続されている。ポートＶ２には、磁気センサ１０のホイートストンブリッジ回路１１に供給するための、所定の大きさの電源電圧が印加される。ポートＧ２は、グランドに接続される。制御回路２３は、ポートＥ２０に対して検出値Ｖｓを出力する。

また、プロセッサ２０は、制御回路２３の他に、第１の増幅回路２１と、第２の増幅回路２２と、駆動回路２４とを含んでいる。第１および第２の増幅回路２１，２２の各々は、２つの入力端と１つの出力端とを有している。第１の増幅回路２１の２つの入力端は、それぞれポートＥ２１，Ｅ２２に接続されている。第２の増幅回路２２の２つの入力端は、それぞれポートＥ２３，Ｅ２４に接続されている。第１の増幅回路２１の出力端と第２の増幅回路２２の出力端は、制御回路２３に接続されている。

駆動回路２４は、コイル１２に対してフィードバック電流Ｉｃｃを供給する回路である。制御回路２３は、駆動回路２４を制御することによって、フィードバック電流Ｉｃｃを制御する。フィードバック電流Ｉｃｃは、ポートＰ１，Ｐ２を介してコイル１２に供給される。

第１の検出回路５は、磁気センサ１０のホイートストンブリッジ回路１１と、プロセッサ２０の第１の増幅回路２１とによって構成されている。第２の検出回路６は、磁気センサ１０の抵抗器１３と、プロセッサ２０の第２の増幅回路２２とによって構成されている。

次に、第１の検出回路５に含まれる磁気検出素子について説明する。磁気検出素子は、ホール素子であってもよいし、磁気抵抗効果素子であってもよい。しかし、応答速度の観点から、磁気検出素子は、磁気抵抗効果素子であることが好ましい。以下、磁気抵抗効果素子を、ＭＲ素子と記す。ＭＲ素子は、スピンバルブ型のＭＲ素子でもよいし、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗効果）素子でもよい。本実施の形態では特に、第１の検出回路５は、磁気検出素子として、スピンバルブ型のＭＲ素子５０を含んでいる。

図４は、ＭＲ素子５０を示す斜視図である。ＭＲ素子５０は、方向が固定された磁化を有する磁化固定層５２と、印加磁界の方向に応じて方向が変化可能な磁化を有する自由層５４と、磁化固定層５２と自由層５４の間に配置されたギャップ層５３とを含んでいる。ＭＲ素子５０は、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子でもよいし、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子でもよいが、応答速度および精度の観点から、ＴＭＲ素子であることが好ましい。ＴＭＲ素子では、ギャップ層５３はトンネルバリア層である。ＧＭＲ素子では、ギャップ層５３は非磁性導電層である。ＭＲ素子５０では、自由層５４の磁化の方向が磁化固定層５２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°のときに抵抗値は最小値となり、角度が１８０°のときに抵抗値は最大値となる。ＭＲ素子５０において、自由層５４は、磁化容易軸方向が、磁化固定層５２の磁化の方向に直交する方向となる形状異方性を有している。

ＭＲ素子５０は、更に、反強磁性層５１を含んでいる。反強磁性層５１、磁化固定層５２、ギャップ層５３および自由層５４は、この順に積層されている。なお、ＭＲ素子５０における層５１～５４の配置は、図４に示した配置とは上下が反対でもよい。反強磁性層５１は、反強磁性材料よりなり、磁化固定層５２との間で交換結合を生じさせて、磁化固定層５２の磁化の方向を固定する。なお、磁化固定層５２は、いわゆるセルフピン止め型の固定層（Synthetic Ferri Pinned層、ＳＦＰ層）であってもよい。セルフピン止め型の固定層は、強磁性層、非磁性中間層および強磁性層を積層させた積層フェリ構造を有し、２つの強磁性層を反強磁性的に結合させてなるものである。磁化固定層５２がセルフピン止め型の固定層である場合、反強磁性層５１を省略してもよい。

ホイートストンブリッジ回路１１の抵抗部Ｒ１～Ｒ４の各々は、少なくとも１つのＭＲ素子５０を含んでいる。抵抗部Ｒ１，Ｒ４の各々におけるＭＲ素子５０の磁化固定層５２の磁化の方向は第１の磁化方向である。抵抗部Ｒ２，Ｒ３の各々におけるＭＲ素子５０の磁化固定層５２の磁化の方向は、第１の磁化方向とは反対方向の第２の磁化方向である。

次に、磁気センサ１０の位置および姿勢について説明する。磁気センサ１０には、対象電流Ｉｔｇによって発生する磁界３とコイル１２が発生する磁界が印加される。磁気センサ１０は、印加される上記の２つの磁界の方向が互いに反対方向またはほぼ反対方向になる位置に配置されている。

ここで、磁気センサ１０に印加される上記の２つの磁界の方向に平行な方向を、感磁方向と言う。対象磁界Ｈ１は、対象電流Ｉｔｇによって発生して磁気センサ１０に印加される磁界３の、感磁方向に平行な方向の成分である。また、キャンセル磁界Ｈ２は、コイル１２が発生して磁気センサ１０に印加される磁界の、感磁方向に平行な方向の成分である。

一般的に、平面ホール素子は、基板に対して垂直な感度軸を有する傾向があり、ＭＲ素子や垂直ホール素子は、基板に対して平行な感度軸を有する傾向がある。ＭＲ素子がＴＭＲ素子またはＧＭＲ素子の場合には、一般的に、磁化固定層の磁化方向に平行な方向を感磁方向とする。従って、ＭＲ素子５０がＴＭＲ素子またはＧＭＲ素子の場合、磁気センサ１０は、第１および第２の磁化方向が、感磁方向に平行またはほぼ平行になる姿勢で配置される。

ここで、対象磁界Ｈ１の方向とキャンセル磁界Ｈ２の方向を、Ｘ方向に平行な方向とする。この場合、磁気センサ１０は、例えば、第１の磁化方向がＸ方向になり、第２の磁化方向が－Ｘ方向になるような姿勢で配置される。なお、第１および第２の磁化方向は、ＭＲ素子５０の作製の精度および磁気センサ１０のアライメントの精度等の観点から、上述の方向からわずかにずれていてもよい。

ＭＲ素子５０の自由層５４は、感磁方向と交差する方向を容易軸とする形状異方性を有することが好ましい。また、ＭＲ素子５０の自由層５４に対してバイアス磁界を印加する磁石を設けることにより、感磁方向と交差する方向を容易軸とすることができる。

次に、制御回路２３の動作について説明する。制御回路２３は、クローズドループ動作とオープンループ動作とを選択可能である。クローズドループ動作は、制御回路２３が、第１の検出信号Ｓ１が一定値になるようにフィードバック電流Ｉｃｃを制御する動作である。オープンループ動作は、制御回路２３が、フィードバック電流Ｉｃｃを一定値に維持する動作である。クローズドループ動作の実行時には、磁気センサ装置１が磁気平衡方式の電流センサとして動作する。オープンループ動作の実行時には、磁気センサ装置１が磁気比例方式の電流センサとして動作する。

印加磁界の強度が変化すると、磁気センサ１０のポートＥ１１，Ｅ１２間の電位差が変化する。これにより、プロセッサ２０のポートＥ２１，Ｅ２２間の電位差が変化する。第１の増幅回路２１は、ポートＥ２１，Ｅ２２間の電位差に対応する信号を、第１の検出信号Ｓ１として出力する。ノイズ磁界が存在しない場合には、印加磁界は、対象磁界Ｈ１とキャンセル磁界Ｈ２との残差の磁界（以下、残差磁界と言う。）である。制御回路２３は、クローズドループ動作の実行時には、残差磁界の強度がゼロに近づくように、第１の検出信号Ｓ１の値に応じて、フィードバック電流Ｉｃｃを制御する。これにより、クローズドループ動作の実行時には、第１の検出信号Ｓ１の値は、一定値（例えばゼロ）に維持される。

フィードバック電流Ｉｃｃの値が変化すると、磁気センサ１０のポートＥ１３，Ｅ１４間の電位差が変化する。これにより、プロセッサ２０のポートＥ２３，Ｅ２４間の電位差が変化する。第２の増幅回路２２は、ポートＥ２３，Ｅ２４間の電位差に対応する信号を、第２の検出信号Ｓ２として出力する。クローズドループ動作の実行時には、第２の検出信号Ｓ２の値は、対象磁界Ｈ１の強度および対象電流Ｉｔｇの値と対応関係を有する。制御回路２３は、クローズドループ動作の実行時には、第２の検出信号Ｓ２に基づいて検出値Ｖｓを生成する。検出値Ｖｓは、例えば、第２の検出信号Ｓ２に対してゲイン調整およびオフセット調整等の所定の補正を加えることによって生成される。

オープンループ動作の実行時には、制御回路２３は、フィードバック電流Ｉｃｃを一定値に維持する。そのため、オープンループ動作の実行時には、残差磁界の強度は、対象磁界Ｈ１の強度に応じて変化する。オープンループ動作の実行時には、第１の検出信号Ｓ１の値は、対象磁界Ｈ１の強度および対象電流Ｉｔｇの値と対応関係を有する。制御回路２３は、オープンループ動作の実行時には、第１の検出信号Ｓ１に基づいて検出値Ｖｓを生成する。検出値Ｖｓは、例えば、第１の検出信号Ｓ１に対してゲイン調整およびオフセット調整等の所定の補正を加えることによって生成される。

本実施の形態では特に、制御回路２３は、対象磁界Ｈ１の強度が第１の値よりも大きく第２の値未満の場合にはクローズドループ動作を実行し、対象磁界Ｈ１の強度が第１の値以下または第２の値以上の場合にはオープンループ動作を実行するように構成されている。クローズドループ動作の実行時には、制御回路２３は、残差磁界の強度がゼロになるように、すなわちキャンセル磁界Ｈ２によって対象磁界Ｈ１が完全に相殺されるように、フィードバック電流Ｉｃｃを制御する。オープンループ動作の実行時には、制御回路２３は、キャンセル磁界Ｈ２によって対象磁界Ｈ１の一部が相殺されるように、フィードバック電流Ｉｃｃを一定値に維持する。

ここで、磁界の方向がＸ方向になるときの磁界の強度を正の値で表し、磁界の方向が－Ｘ方向になるときの磁界の強度を負の値で表す。本実施の形態では、第１の値は負の値であり、第２の値は正の値である。

図５は、対象磁界Ｈ１の強度とフィードバック電流Ｉｃｃとの関係を示す特性図である。図５において、横軸は対象磁界Ｈ１の強度を示し、縦軸はフィードバック電流Ｉｃｃを示している。なお、図５では、対象磁界Ｈ１の強度を、対象磁界Ｈ１の強度に対応する磁束密度の値で示している。以下の説明では、磁界の強度を、磁界の強度に対応する磁束密度の値で表す。また、対象磁界Ｈ１の方向が－Ｘ方向（キャンセル磁界Ｈ２の方向がＸ方向）の場合、コイル１２を流れるフィードバック電流Ｉｃｃの方向は、対象磁界Ｈ１の方向がＸ方向（キャンセル磁界Ｈ２の方向が－Ｘ方向）の場合とは反対方向になる。しかし、図５では、フィードバック電流Ｉｃｃの方向に関わらず、フィードバック電流Ｉｃｃの値を正の値で示している。

図５に示した例では、第１の値を－１０ｍＴとし、第２の値を１０ｍＴとしている。図５に示したように、対象磁界Ｈ１の強度が０から大きくなる場合、対象磁界Ｈ１の強度が１０ｍＴに達するまでは、対象磁界Ｈ１の強度が大きくなるに従って、フィードバック電流Ｉｃｃが大きくなる。対象磁界Ｈ１の強度が１０ｍＴ以上になると、フィードバック電流Ｉｃｃは、一定値に維持される。制御回路２３は、対象磁界Ｈ１の強度が１０ｍＴ以上になる場合、キャンセル磁界Ｈ２の強度の絶対値が第２の値の絶対値（１０ｍＴ）と等しくなるように、フィードバック電流Ｉｃｃを一定値に維持する。

同様に、対象磁界Ｈ１の強度が０から小さくなる場合、対象磁界Ｈ１の強度が－１０ｍＴに達するまでは、対象磁界Ｈ１の強度が小さくなるに従って、フィードバック電流Ｉｃｃが大きくなる。対象磁界Ｈ１の強度が－１０ｍＴ以下になると、フィードバック電流Ｉｃｃは、一定値に維持される。制御回路２３は、対象磁界Ｈ１の強度が－１０ｍＴ以下になる場合、キャンセル磁界Ｈ２の強度の絶対値が第１の値の絶対値（１０ｍＴ）と等しくなるように、フィードバック電流Ｉｃｃを一定値に維持する。

図６は、対象磁界Ｈ１の強度と第２の検出信号Ｓ２との関係を示す特性図である。図６において、横軸は対象磁界Ｈ１の強度を示し、縦軸は第２の検出信号Ｓ２を示している。図６に示したように、対象磁界Ｈ１の強度が－１０ｍＴよりも大きく１０ｍＴ未満の場合には、第２の検出信号Ｓ２は、対象磁界Ｈ１の強度に応じて変化する。対象磁界Ｈ１の強度が－１０ｍＴ以下または１０ｍＴ以上の場合には、第２の検出信号Ｓ２は、対象磁界Ｈ１の強度に関わらず一定値になる。

図７は、対象磁界Ｈ１の強度と第１の検出信号Ｓ１との関係を示す特性図である。図７において、横軸は対象磁界Ｈ１の強度を示し、縦軸は第１の検出信号Ｓ１を示している。図７に示したように、対象磁界Ｈ１の強度が－１０ｍＴよりも大きく１０ｍＴ未満の場合には、第１の検出信号Ｓ１は、対象磁界Ｈ１の強度に関わらず一定値になる。対象磁界Ｈ１の強度が－１０ｍＴ以下または１０ｍＴ以上の場合には、第１の検出信号Ｓ１は、対象磁界Ｈ１の強度に応じて変化する。

なお、オープンループ動作の実行時の対象磁界Ｈ１の強度の変化に対する第１の検出信号Ｓ１の変化の勾配は、クローズドループ動作の実行時の対象磁界Ｈ１の強度の変化に対する第２の検出信号Ｓ２の変化の勾配とは異なっていてもよい。図６および図７に示した例では、オープンループ動作の実行時の対象磁界Ｈ１の強度の変化に対する第１の検出信号Ｓ１の変化の勾配は、クローズドループ動作の実行時の対象磁界Ｈ１の強度の変化に対する第２の検出信号Ｓ２の変化の勾配よりも小さい。

次に、本実施の形態に係る磁気センサ装置１の作用および効果について説明する。本実施の形態では、制御回路２３は、対象磁界Ｈ１の強度が第１の値よりも大きく第２の値未満の場合にはクローズドループ動作を実行するように構成されている。すなわち、本実施の形態では、対象磁界Ｈ１の強度の絶対値が小さくなる領域では、磁気センサ装置１が磁気平衡方式の電流センサとして動作するように構成されている。これにより、本実施の形態によれば、対象磁界Ｈ１の強度が小さくなる領域において、精度よく対象電流Ｉｔｇを検出することが可能になる。クローズドループ動作の実行時には、第２の検出信号Ｓ２は、磁気平衡方式の電流センサの検出値に相当する。

また、本実施の形態では、制御回路２３は、対象磁界Ｈ１の強度が第１の値以下または第２の値以上の場合にはオープンループ動作を実行するように構成されている。すなわち、本実施の形態では、対象磁界Ｈ１の強度の絶対値が大きくなる領域では、磁気センサ装置１が磁気比例方式の電流センサとして動作するように構成されている。これにより、本実施の形態によれば、対象電流Ｉｔｇの測定範囲を広げることができる。オープンループ動作の実行時の第１の検出信号Ｓ１は、磁気比例方式の電流センサの検出値に相当する。

また、本実施の形態によれば、瞬間的に強度が変化するノイズ磁界（パルス状のノイズ磁界）を検出することができる。以下、この効果について、図８および図９を参照して説明する。図８は、印加磁界とパルス状のノイズ磁界を示す模式図である。図８（ａ）は、パルス状のノイズ磁界が重畳した印加磁界を示している。図８（ｂ）は、パルス状のノイズ磁界を拡大して示している。

図９は、印加磁界にパルス状のノイズ磁界が重畳したときの第１および第２の検出信号Ｓ１，Ｓ２を示す模式図である。図９（ａ）は、第２の検出信号Ｓ２を示している。図９（ｂ）は、第１の検出信号Ｓ１を示している。なお、図９（ａ）では、ノイズ磁界が存在しない場合における第２の検出信号Ｓ２の最大値が１になり、ノイズ磁界が存在しない場合における第２の検出信号Ｓ２の最小値が－１になるように、第２の検出信号Ｓ２を規格化している。また、図９（ｂ）では、ノイズ磁界が存在しない場合における第１の検出信号Ｓ１の最大値が１になり、ノイズ磁界が存在しない場合における第１の検出信号Ｓ１の最小値が－１になるように、第１の検出信号Ｓ１を規格化している。

図８および図９には、クローズドループ動作の実行時に、瞬間的に印加磁界の強度を大きくするパルス状のノイズ磁界が発生した例を示している。第２の検出信号Ｓ２は、フィードバック電流Ｉｃｃに応じて変化する。フィードバック電流Ｉｃｃは、制御回路２３および駆動回路２４によって制御される。そのため、第２の検出信号Ｓ２は、原理上、応答速度が遅くなる。そのため、図９（ａ）に示したように、パルス状のノイズ磁界が重畳しても、第２の検出信号Ｓ２は、ほとんど変化しない。

一方、第１の検出信号Ｓ１は、制御回路２３および駆動回路２４による制御が割り込まないため、第２の検出信号Ｓ２に比べて応答速度が速くなる。本実施の形態では特に、磁気検出素子として、応答速度が速く高精度のＭＲ素子５０（ＴＭＲ素子）を用いている。そのため、図９（ａ）に示したように、パルス状のノイズ磁界が重畳すると、パルス状のノイズ磁界に応じて第１の検出信号Ｓ１の値が変化する。図示しないが、オープンループ動作の実行時に、パルス状のノイズ磁界が重畳した場合にも、パルス状のノイズ磁界に応じて第１の検出信号Ｓ１の値が変化する。従って、第１の検出信号Ｓ１を監視することによって、パルス状のノイズ磁界を検出することが可能になる。

制御回路２３は、ポートＥ２０または図示しないポートに対してパルス状のノイズ磁界を検出したことを示す信号Ｓｐを出力することができるように構成されていてもよい。

なお、図８および図９には、印加磁界の強度が大きくなるパルス状のノイズ磁界が重畳する場合を示している。しかし、図８および図９を参照した一連の説明は、印加磁界の強度が小さくなるパルス状のノイズ磁界が重畳する場合にも当てはまる。

パルス状のノイズ磁界が、瞬間的に印加磁界の強度を大きくする磁界である場合、パルス状のノイズ磁界の強度の最大値は、第２の値よりも大きくてもよい。同様に、パルス状のノイズ磁界が、瞬間的に印加磁界の強度を小さくする磁界である場合、パルス状のノイズ磁界の強度の最小値は、第１の値よりも小さくてもよい。

また、本実施の形態では特に、クローズドループ動作の実行時には、制御回路２３は、第１の検出信号Ｓ１が一定値になるようにフィードバック電流Ｉｃｃを制御している。そのため、本実施の形態によれば、対象磁界Ｈ１に応じて変化する信号に基づいてパルス状のノイズ磁界を検出する場合に比べて、強度の小さなパルス状のノイズ磁界を検出することが容易になる。

また、図６および図７に示した例のように、オープンループ動作の実行時の対象磁界Ｈ１の強度の変化に対する第１の検出信号Ｓ１の変化の勾配は、クローズドループ動作の実行時の対象磁界Ｈ１の強度の変化に対する第２の検出信号Ｓ２の変化の勾配よりも小さくてもよい。これによっても、強度の小さなパルス状のノイズ磁界を検出することが容易になる。

なお、パルス状のノイズ磁界を検出するために、制御回路２３は、第１の検出信号Ｓ１に加えて、あるいは第１の検出信号Ｓ１の代わりに、第１の検出信号Ｓ１と第２の検出信号Ｓ２とを合成して得られる信号を用いてもよい。

次に、本実施の形態に係るインバータ装置およびバッテリ装置について説明する。ここでは、電動モータを使用した車両に用いられるインバータ装置およびバッテリ装置を例にとって説明する。図１０は、インバータ装置およびバッテリ装置の構成を示すブロック図である。図１０に示したように、電動モータ１０１には、電動モータ１０１を制御するインバータ装置１０２が接続されている。インバータ装置１０２には、バッテリ装置１０３が接続されている。バッテリ装置１０３は、インバータ装置１０２を介して電動モータ１０１に高電圧の電力を供給する。また、インバータ装置１０２には、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０４が接続されている。

インバータ装置１０２は、インバータ回路１２１と、磁気センサ装置１Ａとを備えている。インバータ回路１２１は、検出対象電流が流れる導体を含んでいる。磁気センサ装置１Ａは、インバータ回路１２１の導体を流れる検出対象電流を検出して、この検出対象電流と対応関係を有する検出値を生成する。磁気センサ装置１Ａの構成は、図１ないし図４を参照して説明した磁気センサ装置１の構成と同様である。

バッテリ装置１０３は、電源回路１３１と、バッテリ１３２と、磁気センサ装置１Ｂとを備えている。電源回路１３１は、検出対象電流が流れる導体を含んでいる。磁気センサ装置１Ｂは、電源回路１３１の導体を流れる検出対象電流を検出して、この検出対象電流と対応関係を有する検出値を生成する。磁気センサ装置１Ｂの構成は、図１ないし図４を参照して説明した磁気センサ装置１の構成と同様である。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１１は、本実施の形態に係る磁気センサ装置の磁気センサを示す断面図である。本実施の形態に係る磁気センサ装置１は、第１の実施の形態における磁気センサ１０の代わりに、磁気センサ１１０を備えている。磁気センサ１１０には、第１の実施の形態におけるシールド１４および絶縁層６８が設けられていない。代わりに、磁気センサ１１０は、絶縁層６７の上に配置された絶縁層６９を含んでいる。磁気センサ１１０のその他の構成は、第１の実施の形態における磁気センサ１０の構成と同じである。

本実施の形態では、シールド１４が設けられていない。これにより、本実施の形態によれば、対象磁界Ｈ１および印加磁界の各々の強度の変化に対する第１の検出信号Ｓ１の変化の勾配を大きくすることができる。これにより、本実施の形態によれば、より効果的に、パルス状のノイズ磁界を検出することが可能になる。

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明の磁気センサ装置は、対象磁界が、電流によって発生するものではない場合にも適用することができる。

１…磁気センサ装置、２…バスバー、３…磁界、５…第１の検出回路、６…第２の検出回路、１０…磁気センサ、１１…ホイートストンブリッジ回路、１２…フィードバックコイル、１３…抵抗器、１４…シールド、２０…プロセッサ、２１…第１の増幅回路、２２…第２の増幅回路、２３…制御回路、２４…駆動回路、５０…ＭＲ素子、１０１…電動モータ、１０２…インバータ装置、１０３…バッテリ装置、１２１…インバータ回路、１３１…電源回路、１３２…バッテリ。

Claims (18)

1. 印加磁界を検出する磁気検出素子を含み、前記印加磁界の強度と対応関係を有する第１の検出信号を生成する第１の検出回路と、
   フィードバック電流が流されることによって、検出対象の磁界である対象磁界の少なくとも一部を相殺するためのキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、
   前記フィードバック電流の値と対応関係を有する第２の検出信号を生成する第２の検出回路とを備え、
   前記対象磁界の強度が第１の値よりも大きく第２の値未満の第１の場合には前記第１の検出信号が一定値になるように前記フィードバック電流が制御され、前記対象磁界の強度が前記第１の値以下または前記第２の値以上の第２の場合には前記フィードバック電流が一定値になるように制御され、
   前記第１の場合には、前記第２の検出信号に基づいて生成された検出値が前記対象磁界の強度と対応関係を有し、前記第２の場合には、前記第１の検出信号に基づいて生成された検出値が前記対象磁界の強度と対応関係を有することを特徴とする磁気センサ装置。
2. 前記フィードバック電流は、前記第２の場合には、前記キャンセル磁界の強度の絶対値が前記第１の値の絶対値または前記第２の値の絶対値と等しくなるように、前記一定値に維持されることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ装置。
3. 前記磁気検出素子は、磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気センサ装置。
4. 前記磁気抵抗効果素子は、トンネル磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項３記載の磁気センサ装置。
5. 更に、制御回路を備え、
   前記制御回路は、前記第１の検出信号、または前記第１の検出信号と前記第２の検出信号の両方を用いて、ノイズ磁界を検出するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気センサ装置。
6. 前記ノイズ磁界の強度の最大値は、前記第２の値よりも大きいことを特徴とする請求項５記載の磁気センサ装置。
7. 前記ノイズ磁界の強度の最小値は、前記第１の値よりも小さいことを特徴とする請求項５または６記載の磁気センサ装置。
8. 前記第２の場合における前記対象磁界の強度の変化に対する前記第１の検出信号の変化の勾配は、前記第１の場合における前記対象磁界の強度の変化に対する前記第２の検出信号の変化の勾配とは異なることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気センサ装置。
9. 前記第２の場合における前記対象磁界の強度の変化に対する前記第１の検出信号の変化の勾配は、前記第１の場合における前記対象磁界の強度の変化に対する前記第２の検出信号の変化の勾配よりも小さいことを特徴とする請求項８記載の磁気センサ装置。
10. 更に、前記磁気検出素子の近傍において磁束を集めるシールドを備えたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の磁気センサ装置。
11. 前記対象磁界は、導体を流れる検出対象電流によって発生する磁界であり、
    前記検出値は、前記検出対象電流と対応関係を有することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の磁気センサ装置。
12. 前記導体には、前記検出対象電流によって発生する磁束を集める磁気コアが設けられていないことを特徴とする請求項１１記載の磁気センサ装置。
13. 請求項１１または１２記載の磁気センサ装置と、
    前記導体を含むインバータ回路とを備えたことを特徴とするインバータ装置。
14. 電動モータであって、請求項１３記載のインバータ装置が接続され、前記インバータ装置によって制御されるように構成されていることを特徴とする電動モータ。
15. 請求項１３記載のインバータ装置と、
    電動モータとを備えた車両であって、
    前記インバータ装置は、前記電動モータを制御するように構成されていることを特徴とする車両。
16. 請求項１１または１２記載の磁気センサ装置と、
    前記導体を含む電源回路と、
    前記電源回路に接続されたバッテリとを備えたことを特徴とするバッテリ装置。
17. 電動モータであって、請求項１６記載のバッテリ装置が接続され、前記バッテリ装置によって電流が供給されるように構成されていることを特徴とする電動モータ。
18. 請求項１６記載のバッテリ装置と、
    電動モータとを備えた車両であって、
    前記バッテリ装置は、前記電動モータに電流を供給するように構成されていることを特徴とする車両。

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