JP3516645B2 - 磁気センサ素子、磁気センサ装置および電流センサ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、比較的大きな磁界
を測定するための磁気センサ素子、磁気センサ装置およ
びこれらを利用して大電流を非接触で測定するための電
流センサ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境問題や資源エネルギー問題に
関する社会的要請から、電気ハイブリッド自動車、燃料
電池、太陽光発電等が実用化されてきている。これらの
技術は、直流大電流を取り扱うため、直流大電流を測定
するための電流センサ装置を必要とする点で共通してい
る。そのため、安価で信頼性の高い直流大電流センサ装
置の開発は社会的要請となっている。

【０００３】一般に、直流大電流を非接触で測定する方
法としては、電流が作る磁界を磁気センサ素子で検出す
る方法が採られる。従来、このための磁気センサ素子と
してはホール素子が多く用いられていた。

【０００４】また、本発明者等によって、安定性に優れ
るインダクタンス変化型の磁気センサ素子、すなわちフ
ラックスゲート素子を用いた磁気センサ装置や電流セン
サ装置も提案されている。ここで、フラックスゲート素
子を用いた磁界の検出の原理について簡単に説明する。
フラックスゲート素子は、磁芯入りコイルを有してい
る。磁芯入りコイルは、コイル電流がある値より大きく
なると磁芯が飽和するので、そのインダクタンスが減少
する。ここで、インダクタンスが例えば半減するような
バイアス電流をコイルに流しておき、磁芯に外部から磁
界を与えると、与えた磁界の方向および大きさに応じた
インダクタンス変化が生じる。そのため、このインダク
タンス変化から与えられた磁界を検出することができ
る。磁芯には、棒状磁芯またはドラム型磁芯が用いられ
ている。

【０００５】ところが、上記の磁芯入りコイルのインダ
クタンス変化は、外部磁界に対し直線性が悪い上に、か
なり急峻である。このことは、磁気センサ装置や電流セ
ンサ装置のリニアリティを悪くすると共に、測定範囲を
狭める。

【０００６】この欠点を避けるための技術としては負帰
還法がある。負帰還法は、被測定磁界と絶対値が等し
く、被測定磁界に対して逆極性となる帰還磁界を磁気セ
ンサ素子に加え、磁気センサ素子が常にゼロに近い磁界
の中で動作するようにしたものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、負帰還
法を採用した場合には、回路構成が複雑になりセンサ装
置が高価になること、センサ装置の動作を高速化しにく
いこと、帰還ループが新たな動作不安定要因をもたらす
こと等の不具合がある。

【０００８】一方、自動車用等の用途では、応答が速
く、安価なことが優先され、リニアリティの優先順位が
低い場合がある。この場合には、負帰還法を採用するの
は価格的に困難である。

【０００９】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、簡単な構成で、測定範囲を広げるこ
とができるようにした磁気センサ素子、磁気センサ装置
および電流センサ装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気センサ素子
は、磁芯と、磁芯に巻回されたコイルとを備え、被測定
磁界を含む印加磁界に応じてコイルのインダクタンスが
変化する磁気センサ素子であって、コイルが発生する磁
界の方向に沿った磁気センサ素子の位置によって、イン
ダクタンスが変化する被測定磁界の範囲が異なるもので
ある。

【００１１】本発明の磁気センサ素子では、コイルが発
生する磁界の方向に沿った磁気センサ素子の位置によっ
てインダクタンスが変化する被測定磁界の範囲が異なる
ことから、磁気センサ素子全体として測定可能な磁界の
範囲が広くなる。

【００１２】本発明の磁気センサ素子において、コイル
が発生する磁界の方向に沿った磁気センサ素子の位置に
よってインダクタンスが変化する被測定磁界の範囲が異
なるように、コイルが発生する磁界の方向に沿った磁気
センサ素子の位置によってコイルが巻回されている部分
の磁芯の断面積が変化していてもよい。この場合、磁芯
の断面積は、段階的に変化していてもよいし、連続的に
変化していてもよい。

【００１３】また、本発明の磁気センサ素子において、
コイルは、バイアス磁界を発生させるためのバイアス電
流が供給されるものであると共に、コイルが発生する磁
界の方向に沿った磁気センサ素子の位置によってインダ
クタンスが変化する被測定磁界の範囲が異なるように、
コイルが発生する磁界の方向に沿った磁気センサ素子の
位置によってコイルの形態が変化していてもよい。この
場合、コイルが発生する磁界の方向に沿った磁気センサ
素子の位置によって、コイルの形態として磁芯の単位長
さ当たりの巻数が変化していてもよい。

【００１４】また、本発明の磁気センサ素子において、
コイルが発生する磁界の方向に沿った磁気センサ素子の
位置によってインダクタンスが変化する被測定磁界の範
囲が異なるように、コイルが発生する磁界の方向に沿っ
た磁気センサ素子の位置によって磁芯の磁気特性が変化
していてもよい。

【００１５】本発明の磁気センサ装置は、磁芯と、磁芯
に巻回されたコイルとを有し、被測定磁界を含む印加磁
界に応じてコイルのインダクタンスが変化する磁気セン
サ素子と、コイルのインダクタンスの変化を検出するこ
とにより、被測定磁界を検出する検出手段とを備え、磁
気センサ素子として、上記の本発明の磁気センサ素子を
用いるものである。

【００１６】本発明の電流センサ装置は、磁芯と、磁芯
に巻回されたコイルとを有し、被測定電流によって発生
する被測定磁界を含む印加磁界に応じてコイルのインダ
クタンスが変化する磁気センサ素子と、コイルのインダ
クタンスの変化を検出することにより、被測定磁界を検
出する検出手段とを備え、磁気センサ素子として、上記
の本発明の磁気センサ素子を用いるものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】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。 ［第１の実施の形態］図１は、本発明の第１の実施の形
態に係る磁気センサ素子および磁気センサ装置を示す回
路図である。本実施の形態に係る磁気センサ装置は、磁
気飽和特性を有する磁芯１と、この磁芯１に巻回された
コイル２とを備えている。磁芯１およびコイル２は、本
実施の形態に係る磁気センサ素子を構成している。ま
た、磁芯１およびコイル２は、被測定磁界を含む印加磁
界に応じてコイル２のインダクタンスが変化するインダ
クタンス変化型の磁気センサ素子、すなわちフラックス
ゲート素子を構成している。コイル２の一端には、後述
する駆動部が接続されている。

【００１８】磁気センサ装置は、更に、コイル２に対し
て直列に接続されたインダクタンス素子４を備えてい
る。インダクタンス素子４は、コイル２のインダクタン
ス値の変化を検出するための素子である。インダクタン
ス素子４は、例えば、一端がコイル２の他端に接続さ
れ、他端が接地されたコイルよりなる。

【００１９】磁気センサ装置は、更に、コイル２に励振
電流を供給してコイル２を駆動する駆動部を備えてい
る。励振電流は、ピーク時には磁芯１が飽和領域に入る
ような交流電流とする。なお、本出願において、磁芯の
飽和領域とは、磁界の絶対値が、磁芯の透磁率が最大透
磁率となるときの磁界の絶対値より大きい領域をいう。

【００２０】駆動部は、以下のように構成された自励発
振回路となっている。すなわち、この自励発振回路は、
発振の継続のために用いられる増幅素子として、発振波
形が正側のときに動作するＮＰＮ型トランジスタ２１
と、発振波形が負側のときに動作するＰＮＰ型トランジ
スタ３１とを有している。ＮＰＮ型トランジスタ２１と
ＰＮＰ型トランジスタ３１は、同一の半導体基板（ウェ
ハ）上に形成されているのが好ましい。

【００２１】ＮＰＮ型トランジスタ２１のベースは、共
振用コンデンサ２２の一端に接続されている。ＰＮＰ型
トランジスタ３１のベースは、共振用コンデンサ３２の
一端に接続されている。共振用コンデンサ２２，３２の
各他端はコイル２の一端に接続されている。

【００２２】また、ＮＰＮ型トランジスタ２１のベース
は、帰還用コンデンサ２３の一端に接続されている。Ｐ
ＮＰ型トランジスタ３１のベースは、帰還用コンデンサ
３３の一端に接続されている。帰還用コンデンサ２３，
３３の各他端は帰還用コンデンサ３０の一端に接続され
ている。帰還用コンデンサ３０の他端は接地されてい
る。

【００２３】ＮＰＮ型トランジスタ２１のエミッタとＰ
ＮＰ型トランジスタ３１のエミッタは、互いに接続され
ていると共に、帰還用コンデンサ２３，３３の接続点に
接続されている。

【００２４】ＮＰＮ型トランジスタ２１のベースは、バ
イアス用抵抗２４を介して電源入力端２５に接続されて
いる。また、ＮＰＮ型トランジスタ２１のコレクタは電
源入力端２５に接続されている。

【００２５】ＰＮＰ型トランジスタ３１のベースは、バ
イアス用抵抗３４を介して接地されている。また、ＰＮ
Ｐ型トランジスタ３１のコレクタは接地されている。

【００２６】このような構成の駆動部において、コイル
２、インダクタンス素子４およびコンデンサ２２，２
３，３０，３２，３３は、自励発振回路における直列共
振回路を構成している。すなわち、直列共振回路は、コ
イル２を一部に含んでいる。

【００２７】図１におけるコンデンサ２２，２３，３
０，３２，３３のキャパシタンスをそれぞれＣ_S1，
Ｃ_B1，Ｃ_E，Ｃ_S2，Ｃ_B2とすると、Ｃ_S1，Ｃ_S2<<Ｃ_B1，
Ｃ_B2およびＣ_S1，Ｃ_S2<<Ｃ_Eとした場合には、図１に示
した自励発振回路はクラップ発振回路となる。また、Ｃ
_S1，Ｃ_S2>>Ｃ_B1，Ｃ_B2およびＣ_S1，Ｃ_S2>>Ｃ_Eとした場
合には、図１に示した自励発振回路はコルピッツ発振回
路となる。

【００２８】本実施の形態に係る磁気センサ装置は、更
に、コイル２のインダクタンスの変化を検出することに
より被測定磁界を検出する検出手段としての検出部を備
えている。この検出部は、一端がコイル２とインダクタ
ンス素子４との接続点に接続されたコンデンサ４１と、
一端がコンデンサ４１の他端に接続され、他端が接地さ
れた抵抗４２とを有している。コンデンサ４１と抵抗４
２は、インダクタンス素子４の両端に発生する電圧を微
分する微分回路を構成している。

【００２９】検出部は、更に、アノードがコンデンサ４
１と抵抗４２との接続点に接続されたダイオード４３
と、一端がダイオード４３のカソードに接続され、他端
が接地されたコンデンサ４４と、カソードがコンデンサ
４１と抵抗４２との接続点に接続されたダイオード４５
と、一端がダイオード４５のアノードに接続され、他端
が接地されたコンデンサ４６とを有している。ダイオー
ド４３とコンデンサ４４は、微分回路の出力信号の正の
ピーク値をホールドする正ピークホールド回路を構成し
ている。ダイオード４５とコンデンサ４６は、微分回路
の出力信号の負のピーク値をホールドする負ピークホー
ルド回路を構成している。

【００３０】検出部は、更に、一端がダイオード４３と
コンデンサ４４との接続点に接続され、他端が出力端４
９に接続された抵抗４７と、一端がダイオード４５とコ
ンデンサ４６との接続点に接続され、他端が出力端４９
に接続された抵抗４８とを有している。抵抗４７，４８
は、正ピークホールド回路の出力信号と負ピークホール
ド回路の出力信号とを加算する抵抗加算回路を構成して
いる。

【００３１】本実施の形態では、コイル２が発生する磁
界の方向に沿った磁気センサ素子の位置によってインダ
クタンスが変化する被測定磁界の範囲が異なるように、
コイル２が発生する磁界の方向に沿った磁気センサ素子
の位置によってコイル２が巻回されている部分の磁芯１
の断面積が変化している。磁芯１の断面積は、段階的に
変化していてもよいし、連続的に変化していてもよい。
図１には、特に、磁芯１の断面積が段階的に変化する例
を示している。すなわち、図１に示した磁芯１は、軸方
向に垂直な断面が所定の第１の断面積を有する第１の芯
部１ａと、軸方向に垂直な断面が第１の断面積よりも大
きな所定の第２の断面積を有する第２の芯部１ｂとを含
んでいる。第１の芯部１ａと第２の芯部１ｂは、磁気特
性が同じ磁性材料よりなり、軸方向に沿って配置されて
いる。また、コイル２は、第１の芯部１ａに巻回された
第１のコイル部２ａと、第２の芯部１ｂに巻回された第
２のコイル部２ｂとを含んでいる。第１のコイル部２ａ
と第２のコイル部２ｂは直列に接続されている。なお、
磁芯１の軸方向は、コイル２が発生する磁界の方向と一
致する。

【００３２】ここで、本発明において磁界の測定範囲を
広げるための原理について説明する。インダクタンス変
化型の磁気センサ素子におけるコイルのインダクタンス
の変化は、磁芯が磁気飽和するために起こる現象であ
る。磁芯に加わる印加磁界はバイアス磁界と被測定磁界
の和である。バイアス磁界は、通常、コイルに流すバイ
アス電流によって、コイルより発生される。

【００３３】ところで、コイルが発生するバイアス磁界
は、コイルの形状に従った強度分布を持つので、被測定
磁界が一定だとしても磁芯に加わる磁界は強度分布を持
つ。従って、磁芯は、全体が同じように飽和するのでは
なく、磁界の強度に応じて、部分毎に飽和領域の大きさ
および飽和の程度が変化する。磁芯全体が同じように飽
和するのであれば、磁気センサ素子における印加磁界の
変化に対するコイルのインダクタンスの変化を表すイン
ダクタンス変化曲線は、磁芯のＢ（磁束密度）−Ｈ（磁
界）曲線（Ｈ−μ（透磁率）曲線と等価）で定まってし
まう。しかし、実際には、上記のように磁芯は部分毎に
異なる態様で飽和し得る。そこで、磁芯の部分毎に飽和
の態様を変えることにより、インダクタンスが変化する
被測定磁界の範囲がより大きくなるように、磁気センサ
素子全体におけるインダクタンス変化曲線の形を変える
ことができる。

【００３４】磁気センサ素子全体について、インダクタ
ンスが変化する被測定磁界の範囲がより大きくなるよう
にするには、コイルが発生する磁界の方向に沿った磁気
センサ素子の位置によって、インダクタンスが変化する
被測定磁界の範囲が異なるようにすればよい。そのため
の方法としては、以下のような方法が考えられる。第１
の方法は、コイルが発生する磁界の方向に沿った磁気セ
ンサ素子の位置によってコイルが巻回されている部分の
磁芯の断面積を変化させる方法である。第２の方法は、
コイルが発生する磁界の方向に沿った磁気センサ素子の
位置によってコイルの形態を変化させて、磁気センサ素
子の位置によってバイアス磁界を変化させる方法であ
る。第３の方法は、コイルが発生する磁界の方向に沿っ
た磁気センサ素子の位置によって磁芯の磁気特性を変化
させる方法である。本実施の形態は第１の方法を用い、
後述する第２の実施の形態は第２の方法を用い、後述す
る第３の実施の形態は第３の方法を用いている。

【００３５】次に、図２を参照して、本実施の形態に係
る磁気センサ素子の作用について説明する。本実施の形
態に係る磁気センサ素子では、磁芯１は、第１の断面積
を有する第１の芯部１ａと、第１の断面積よりも大きな
第２の断面積を有する第２の芯部１ｂとを含む。また、
コイル２は、第１の芯部１ａに巻回された第１のコイル
部２ａと、第２の芯部１ｂに巻回された第２のコイル部
２ｂとを含んでいる。

【００３６】図２では、磁気センサ素子を、第１の芯部
１ａと第１のコイル部２ａからなる第１の部分素子と、
第２の芯部１ｂと第２のコイル部２ｂからなる第２の部
分素子とに分け、各部分素子毎に、軸方向の印加磁界の
変化に対するコイル部のインダクタンスの変化を表すイ
ンダクタンス変化曲線を示している。図２において、符
号１０１は第１の部分素子におけるコイル部２ａのイン
ダクタンス変化曲線を示し、符号１０２は第２の部分素
子におけるコイル部２ｂのインダクタンス変化曲線を示
している。簡単のため、印加磁界がゼロのときの第１の
コイル部２ａと第２のコイル部２ｂのインダクタンスは
同一値Ｌとする。また、図２では、印加磁界が正の値の
領域におけるインダクタンス変化曲線のみを示している
が、印加磁界が負の値の領域におけるインダクタンス変
化曲線は、印加磁界ゼロの位置を中心として、印加磁界
が正の値の領域におけるインダクタンス変化曲線と対称
となる。

【００３７】図２に示したように、第１の部分素子にお
けるインダクタンス変化曲線１０１と、第２の部分素子
におけるインダクタンス変化曲線１０２とでは、インダ
クタンスがほぼ直線的に変化する印加磁界の範囲が異な
っていると共に、これら２つの領域は隣接している。

【００３８】本実施の形態に係る磁気センサ素子は、第
１の芯部１ａと第２の芯部１ｂとを軸方向に沿って配置
し、第１のコイル部２ａと第２のコイル部２ｂとを直列
に接続したものに相当する。本実施の形態に係る磁気セ
ンサ素子におけるコイル２のインダクタンス変化曲線
を、図２において符号１０３で示す。このインダクタン
ス変化曲線１０３におけるインダクタンスは、インダク
タンス変化曲線１０１におけるインダクタンスとインダ
クタンス変化曲線１０２におけるインダクタンスとを加
算した値となる。インダクタンス変化曲線１０３では、
第１の部分素子におけるインダクタンス変化曲線１０１
や、第２の部分素子におけるインダクタンス変化曲線１
０２に比べて、インダクタンスがほぼ直線的に変化する
印加磁界の範囲がほぼ２倍になっている。インダクタン
スがほぼ直線的に変化する印加磁界の範囲では、インダ
クタンスの変化から被測定磁界を検出することが可能で
ある。例えば、図２に示したように、インダクタンスが
ほぼ直線的に変化する印加磁界の範囲のほぼ中心位置に
対応するバイアス磁界Ｂが磁気センサ素子に印加される
ように、コイル２にバイアス電流を供給し、被測定磁界
がゼロのときのインダクタンスを基準としてインダクタ
ンスの変化を検出すれば、正逆両方向の被測定磁界を検
出することができる。このように、本実施の形態に係る
磁気センサ素子によれば、磁芯の断面積を変化させない
場合に比べて、測定可能な磁界の範囲をほぼ２倍に拡大
することができる。

【００３９】なお、図２を用いた説明では、磁芯１の断
面積が段階的に変化する場合について説明したが、磁芯
１の断面積が連続的に変化する場合には、磁気センサ素
子を、軸方向に沿って配列された多数の微小部分に分け
て考えれば、磁芯１の断面積が段階的に変化する場合と
同様のことが言える。

【００４０】次に、図３ないし図７を参照して、本実施
の形態に係る磁気センサ素子の具体的な構成の５つの例
について説明する。

【００４１】図３は、磁芯の断面積が段階的に変化する
磁気センサ素子の一例を示している。この磁気センサ素
子では、ボビン５１内に磁芯１が配置されている。磁芯
１は、第１の断面積を有する第１の芯部１ａと、第１の
断面積よりも大きな第２の断面積を有する第２の芯部１
ｂからなる。ボビン５１は、第１の芯部１ａに対応する
部分と、第２の芯部１ｂに対応する部分とに仕切られ、
各部分にそれぞれコイル２の第１のコイル部２ａと第２
のコイル部２ｂが巻回されている。なお、この例では、
磁芯１において断面積が変化する箇所が１箇所である
が、断面積が変化する箇所が複数であってもよい。ま
た、第１のコイル部２ａと第２のコイル部２ｂとの間に
間隔を設けずに、第１のコイル部２ａと第２のコイル部
２ｂを連続的に配置してもよい。

【００４２】図４は、磁芯の断面積が段階的に変化する
磁気センサ素子の他の例を示している。この磁気センサ
素子では、磁芯１は、中間鍔付きのドラム型磁芯になっ
ている。すなわち、磁芯１は、外側鍔１ｃ、第１の芯部
１ａ、中間鍔１ｅ、第２の芯部１ｂ、外側鍔１ｄが、こ
の順に配置された構造になっている。第１の芯部１ａに
はコイル２の第１のコイル部２ａが巻回され、第２の芯
部１ｂにはコイル２の第２のコイル部２ｂが巻回されて
いる。なお、この例では、磁芯１において断面積が変化
する箇所（中間鍔が配置される箇所）が１箇所である
が、断面積が変化する箇所が複数であってもよい。ま
た、中間鍔を設けずに、断面積が段階的に変化する磁芯
１に、コイル２を連続的に巻回してもよい。

【００４３】図５は、磁芯の断面積が連続的に変化する
磁気センサ素子の一例を示している。この磁気センサ素
子では、ボビン５２内に磁芯１が配置されている。磁芯
１は、軸方向の一方の端部の面積が他方の端部の面積よ
りも大きく、両端部間において断面積が連続的に変化す
る形状をなしている。ボビン５２には、コイル２が連続
的に巻回されている。

【００４４】図６は、磁芯の断面積が連続的に変化する
磁気センサ素子の他の例を示している。この磁気センサ
素子では、ボビン５２内に磁芯１が配置されている。磁
芯１は、軸方向の中央部分の断面積が両端部の面積より
も小さく、中央部分と各端部との間において断面積が連
続的に変化する形状をなしている。ボビン５２には、コ
イル２が連続的に巻回されている。

【００４５】図７は、磁芯の断面積が連続的に変化する
磁気センサ素子の更に他の例を示している。この磁気セ
ンサ素子では、磁芯１は、軸方向の中央部分の断面積が
両端部の面積よりも小さく、中央部分と各端部との間に
おいて断面積が連続的に変化する形状をなしている。コ
イル２は、磁芯１に対して連続的に巻回されている。

【００４６】次に、本実施の形態に係る磁気センサ装置
の作用について説明する。本実施の形態に係る磁気セン
サ装置では、自励発振回路よりなる駆動部によって、磁
芯１が飽和領域に達するような交流の励振電流がコイル
２に供給されて、コイル２が駆動される。励振電流は、
電源電圧で制限される電流値に対して、自励発振回路に
おける直列共振回路のＱ値倍となる。励振電流によっ
て、コイル２より、絶対値が等しい正負のバイアス磁界
が交互に発生される。

【００４７】励振電流のピーク値付近で磁芯１が飽和領
域に達すると、コイル２のインダクタンス値が急減する
ため、励振電流は急増する。被測定磁界がないときに
は、励振電流の正負の各ピーク時におけるインダクタン
スは等しく、励振電流の正負の各ピーク値の絶対値は等
しい。コイル２に被測定磁界が加わると、励振電流の正
負の一方のピーク時におけるインダクタンスは減少し、
他方のピーク時におけるインダクタンスは増加するの
で、励振電流の正負の各ピーク時におけるインダクタン
スの差はゼロ以外の値を持つ。この値は、被測定磁界の
方向と大きさに依存するので、この値に検出することに
よって被測定磁界を測定することができる。

【００４８】励振電流の波形を２回微分すれば、急増し
た部分の電流波形に相似な逆位相の出力を検出すること
ができる。本実施の形態では、コイル２の励振電流は、
インダクタンス素子４および微分回路（コンデンサ４１
および抵抗４２）で２回微分され、励振電流の正負の各
ピーク値を表す、互いに逆極性のスパイク状電圧信号と
なる。この正負のスパイク状電圧信号の各ピーク値は、
正ピークホールド回路（ダイオード４３およびコンデン
サ４４）および負ピークホールド回路（ダイオード４５
およびコンデンサ４６）によってホールドされ、加算回
路（抵抗４７，４８）によって加算されて、被測定磁界
に対応した出力信号として出力端４９より出力される。

【００４９】本実施の形態では、前述のように、コイル
２が発生する磁界の方向に沿った磁気センサ素子の位置
によってインダクタンスが変化する被測定磁界の範囲が
異なるように、コイル２が発生する磁界の方向に沿った
磁気センサ素子の位置によってコイル２が巻回されてい
る部分の磁芯１の断面積が変化している。そのため、本
実施の形態によれば、簡単な構成で、磁界の測定範囲を
広げることができる。また、本実施の形態によれば、負
帰還法を用いないため、応答を速くすることができる。

【００５０】ところで、本実施の形態における自励発振
回路では、ＮＰＮ型トランジスタ２１は、ベースに印加
される発振電圧波形の正のピーク値付近でオンとなり、
そのエミッタ電流によってコンデンサ３０が充電され
る。コンデンサ３０に充電されたエネルギは発振の継続
のために使用される。ここで、発振電圧波形の正のピー
ク値付近では、共振エネルギの一部がＮＰＮ型トランジ
スタ２１のベース電流として消費されてしまうと共に、
クランプ現象が発生する。

【００５１】一方、ＰＮＰ型トランジスタ３１は、ベー
スに印加される発振電圧波形の負のピーク値付近でオン
となり、そのエミッタ電流によってコンデンサ３０が放
電、すなわち、発振電圧波形の正のときとは逆の向きに
充電される。コンデンサ３０に充電されたエネルギは発
振の継続のために使用される。ここで、発振電圧波形の
負のピーク値付近では、共振エネルギの一部がＰＮＰ型
トランジスタ３１のベース電流として消費されてしまう
と共に、クランプ現象が発生する。

【００５２】このように、本実施の形態では、発振波形
のクランプ現象は正側と負側で同様に発生する。従っ
て、本実施の形態では、発振波形は、正負対称になる
か、非対称性があっても非常に小さくなる。その結果、
本実施の形態によれば、フラックスゲート素子を用いた
磁気センサ装置におけるオフセット電圧を小さくするこ
とができる。

【００５３】また、本実施の形態では、トランジスタ２
１，３１の動作温度の変動に伴ってクランプ電位が変動
しても、クランプ電位は発振波形の正側と負側で同様に
変化するので、発振波形の正負の対称性は維持される。
従って、本実施の形態によれば、フラックスゲート素子
を用いた磁気センサ装置において、温度変化に伴うオフ
セット電圧の変動を小さくすることができる。

【００５４】また、本実施の形態によれば、ＮＰＮ型ト
ランジスタ２１のエミッタとＰＮＰ型トランジスタ３１
のエミッタが接続されているので、一方のトランジスタ
が他方のトランジスタのエミッタの負荷となり、各トラ
ンジスタ２１，３１毎の独立したエミッタの負荷が不要
になる。

【００５５】また、本実施の形態において、ＮＰＮ型ト
ランジスタ２１とＰＮＰ型トランジスタ３１が同一の半
導体基板上に形成されている場合には、トランジスタ２
１，３１が独立している場合に比べて、トランジスタ２
１，３１の温度変化に対する特性がより近似したものと
なるため、温度変化に対するオフセット電圧の変動をよ
り小さくすることができる。

【００５６】［第２の実施の形態］次に、本発明の第２
の実施の形態に係る磁気センサ素子および磁気センサ装
置について説明する。本実施の形態は、コイルが発生す
る磁界の方向に沿った磁気センサ素子の位置によってイ
ンダクタンスが変化する被測定磁界の範囲が異なるよう
に、コイルが発生する磁界の方向に沿った磁気センサ素
子の位置によってコイルの形態を変化させて、磁気セン
サ素子の位置によってバイアス磁界を変化させるように
したものである。本実施の形態では、特に、コイルの形
態として、磁芯の単位長さ当たりの巻数を変化させてい
る。

【００５７】図８は、本実施の形態に係る磁気センサ素
子の構成を示す断面図である。この磁気センサ素子で
は、磁芯１は、中間鍔付きのドラム型磁芯になってい
る。すなわち、磁芯１は、外側鍔１ｈ、第１の芯部１
ｆ、中間鍔１ｊ、第２の芯部１ｇ、外側鍔１ｉが、この
順に配置された構造になっている。第１の芯部１ｆと第
２の芯部１ｇの断面積は等しくなっている。また、第１
の芯部１ｆと第２の芯部１ｇの軸方向の長さの比は、例
えば５対３になっている。第１の芯部１ｆにはコイル２
の第１のコイル部２ａが巻回され、第２の芯部１ｇには
コイル２の第２のコイル部２ｂが巻回されている。第１
のコイル部２ａと第２のコイル部２ｂは直列に接続され
ている。第１のコイル部２ａと第２のコイル部２ｂの巻
数の比は、例えば１０対１２になっている。

【００５８】次に、本実施の形態に係る磁気センサ素子
の作用について説明する。コイルの起磁力は、磁芯の単
位長さ当たりの巻数に比例する。従って、上記のよう
に、第１の芯部１ｆと第２の芯部１ｇの軸方向の長さの
比を５対３とし、第１のコイル部２ａと第２のコイル部
２ｂの巻数の比を１０対１２とした場合には、第１のコ
イル部２ａと第２のコイル部２ｂとでは、磁芯１の単位
長さ当たりの巻数の比は１対２となり、起磁力の比も１
対２となる。従って、同じバイアス電流を供給した場
合、第２のコイル部２ｂで発生されるバイアス磁界が、
第１のコイル部２ａで発生されるバイアス磁界よりも大
きくなる。その結果、第１の芯部１ｆに比べて第２の芯
部１ｇの方が、より小さなバイアス電流で飽和領域に達
する。

【００５９】図９は、第１のコイル部２ａと第２のコイ
ル部２ｂの軸方向の印加磁界の変化に対するインダクタ
ンスの変化を表すインダクタンス変化曲線を示してい
る。このように、第１のコイル部２ａと第２のコイル部
２ｂとでは、インダクタンス変化曲線に違いはない。し
かし、第１のコイル部２ａと第２のコイル部２ｂとで
は、発生するバイアス磁界が異なる。ここで、図９に示
したように、第１のコイル部２ａが発生するバイアス磁
界をＢ１とし、第２のコイル部２ｂが発生するバイアス
磁界をＢ２とする。バイアス磁界Ｂ１は、印加磁界の増
加に伴うインダクタンスの減少開始直後における印加磁
界に対応し、バイアス磁界Ｂ２は、印加磁界の増加に伴
うインダクタンスの減少終了直前における印加磁界に対
応する。なお、図９では、印加磁界が正の値の領域にお
けるインダクタンス変化曲線のみを示しているが、印加
磁界が負の値の領域におけるインダクタンス変化曲線
は、印加磁界ゼロの位置を中心として、印加磁界が正の
値の領域におけるインダクタンス変化曲線と対称とな
る。

【００６０】図１０は、第１のコイル部２ａ、第２のコ
イル部２ｂおよびコイル２全体のそれぞれについての被
測定磁界の変化に対するインダクタンスの変化を表すイ
ンダクタンス変化曲線を示している。図１０において、
符号１１１は第１のコイル部２ａについてのインダクタ
ンス変化曲線を示し、符号１１２は第２のコイル部２ｂ
についてのインダクタンス変化曲線を示し、符号１１３
はコイル２全体についてのインダクタンス変化曲線を示
している。図１０に示したように、第１のコイル部２ａ
についてのインダクタンス変化曲線１１１と、第２のコ
イル部２ｂにおけるインダクタンス変化曲線１１２とで
は、インダクタンスがほぼ直線的に変化する被測定磁界
の範囲が異なっていると共に、これら２つの領域は隣接
している。そして、コイル２全体についてのインダクタ
ンス変化曲線１１３では、第１のコイル部２ａについて
のインダクタンス変化曲線１１１や、第２のコイル部２
ｂにおけるインダクタンス変化曲線１１２に比べて、イ
ンダクタンスがほぼ直線的に変化する印加磁界の範囲が
ほぼ２倍になっている。従って、本実施の形態に係る磁
気センサ素子によれば、コイル２において磁芯１の単位
長さ当たりの巻数を変化させない場合に比べて、測定可
能な磁界の範囲をほぼ２倍に拡大することができる。

【００６１】なお、本実施の形態において、磁芯１の単
位長さ当たりのコイル２の巻数を、１箇所にて段階的に
変化させているが、複数箇所にて段階的に変化させても
よいし、連続的に変化させてもよい。

【００６２】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。

【００６３】［第３の実施の形態］次に、本発明の第３
の実施の形態に係る磁気センサ素子および磁気センサ装
置について説明する。本実施の形態は、コイルが発生す
る磁界の方向に沿った磁気センサ素子の位置によってイ
ンダクタンスが変化する被測定磁界の範囲が異なるよう
に、コイルが発生する磁界の方向に沿った磁気センサ素
子の位置によって磁芯の磁気特性を変化させている。

【００６４】図１１は、本実施の形態に係る磁気センサ
素子の構成を示す断面図である。この磁気センサ素子で
は、ボビン５１内に磁芯１が配置されている。磁芯１
は、軸方向に連結された第１の芯部１ｋと第２の芯部１
ｍからなる。第１の芯部１ｋと第２の芯部１ｍの断面積
は等しくなっている。ボビン５１は、第１の芯部１ｋに
対応する部分と、第２の芯部１ｍに対応する部分とに仕
切られ、各部分にそれぞれコイル２の第１の部分２ａと
第２の部分２ｂが巻回されている。

【００６５】本実施の形態では、第１の芯部分１ｋと第
２の芯部分１ｍとでは、磁気特性、具体的にはＢ−Ｈ曲
線が異なっている。ここでは、第２の芯部１ｍに比べ
て、第１の芯部１ｋの方が、より小さな印加磁界で飽和
領域に達するものとする。その結果、コイル２の第１の
コイル部２ａと第２のコイル部２ｂとでは、インダクタ
ンスがほぼ直線的に変化する印加磁界の範囲が異なる。
例えば、第１のコイル部２ａについてのインダクタンス
変化曲線が図２における符号１０１で示した曲線とな
り、第２のコイル部２ｂについてのインダクタンス変化
曲線が図２における符号１０２で示した曲線となるよう
にすれば、コイル２全体についてのインダクタンス変化
曲線は図２における符号１０３で示した曲線となる。従
って、本実施の形態に係る磁気センサ素子は、第１の実
施の形態に係る磁気センサ素子と同様の作用をなす。

【００６６】なお、本実施の形態では、磁芯１を、磁気
特性の異なる２つの芯部１ｋ，１ｍで構成したが、磁芯
１を、磁気特性の異なる３つ以上の芯部で構成してもよ
い。また、コイル２の第１のコイル部２ａと第２のコイ
ル部２ｂとの間に間隔を設けずに、第１のコイル部２ａ
と第２のコイル部２ｂを連続的に配置してもよい。

【００６７】［第４の実施の形態］図１２は、本発明の
第４の実施の形態に係る電流センサ装置の構成を示す回
路図である。本実施の形態に係る電流センサ装置は、第
１ないし第３のいずれかの実施の形態に係る磁気センサ
装置を用いて構成されている。

【００６８】本実施の形態に係る電流センサ装置は、被
測定電流が通過する導電部６１を囲うように設けられ、
一部にギャップを有する磁気ヨーク６２を備えている。
そして、磁気ヨーク６２のギャップ内に、第１ないし第
３のいずれかの実施の形態に係る磁気センサ装置におけ
る磁気センサ素子が配置されている。なお、図１２で
は、便宜上、第１の実施の形態における磁気センサ素子
を示している。

【００６９】本実施の形態の電流センサ装置では、導電
部６１を図１２における紙面に垂直な方向に流れる被測
定電流によって発生する磁束が、磁気ヨーク６２によっ
て収束され、磁気ヨーク６２を通過する。その結果、磁
気ヨーク６２のギャップ内に、被測定磁界が発生する。
磁気ヨーク６２のギャップ内に配置された磁気センサ素
子を含む磁気センサ装置は、被測定電流によって発生す
る被測定磁界を測定する。これにより、被測定電流が非
接触で測定される。

【００７０】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ないし第３の実施の形態と同様であ
る。

【００７１】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、磁気センサ
素子は、第１の実施の形態の特徴である磁芯１の断面積
の変化、第２の実施の形態の特徴であるコイル２の形態
の変化、第３の実施の形態の特徴である磁芯１の磁気特
性の変化のうちの２つまたは３つの特徴を組み合わせて
構成してもよい。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁気セン
サ素子、磁気センサ装置または電流センサ装置によれ
ば、コイルが発生する磁界の方向に沿った磁気センサ素
子の位置によって、インダクタンスが変化する被測定磁
界の範囲が異なるようにしたので、簡単な構成で、測定
範囲を広げることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサ素
子および磁気センサ装置を示す回路図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサ素
子の作用について説明するための説明図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサ素
子の構成の一例を示す断面図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサ素
子の構成の他の例を示す断面図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサ素
子の構成の更に他の例を示す断面図である。

【図６】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサ素
子の構成の更に他の例を示す断面図である。

【図７】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサ素
子の構成の更に他の例を示す断面図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサ素
子の構成を示す断面図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態における第１のコイ
ル部と第２のコイル部のインダクタンス変化曲線を示す
説明図である。

【図１０】本発明の第２の実施の形態における第１のコ
イル部、第２のコイル部およびコイル全体のそれぞれに
ついての被測定磁界の変化に対するインダクタンスの変
化を表すインダクタンス変化曲線を示す説明図である。

【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る磁気センサ
素子の構成を示す断面図である。

【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る電流センサ
装置の構成を示す回路図である。

【符号の説明】

１…磁芯、１ａ…第１の芯部、１ｂ…第２の芯部、２…
コイル、２ａ…第１のコイル部、２ｂ…第２のコイル
部、４…インダクタンス素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 33/02 - 33/10 G01R 15/18 - 15/26

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁芯と、前記磁芯に巻回されたコイルと
   を備え、被測定磁界を含む印加磁界に応じて前記コイル
   のインダクタンスが変化する磁気センサ素子であって、 前記コイルが発生する磁界の方向に沿った磁気センサ素
   子の位置によって、インダクタンスが変化する被測定磁
   界の範囲が異なることを特徴する磁気センサ素子。
2. 【請求項２】 前記コイルが発生する磁界の方向に沿っ
   た磁気センサ素子の位置によってインダクタンスが変化
   する被測定磁界の範囲が異なるように、前記コイルが発
   生する磁界の方向に沿った磁気センサ素子の位置によっ
   て前記コイルが巻回されている部分の磁芯の断面積が変
   化していることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ
   素子。
3. 【請求項３】 前記磁芯の断面積は段階的に変化してい
   ることを特徴とする請求項２記載の磁気センサ素子。
4. 【請求項４】 前記磁芯の断面積は連続的に変化してい
   ることを特徴とする請求項２記載の磁気センサ素子。
5. 【請求項５】 前記コイルは、バイアス磁界を発生させ
   るためのバイアス電流が供給されるものであると共に、
   前記コイルが発生する磁界の方向に沿った磁気センサ素
   子の位置によってインダクタンスが変化する被測定磁界
   の範囲が異なるように、前記コイルが発生する磁界の方
   向に沿った磁気センサ素子の位置によって前記コイルの
   形態が変化していることを特徴とする請求項１記載の磁
   気センサ素子。
6. 【請求項６】 前記コイルが発生する磁界の方向に沿っ
   た磁気センサ素子の位置によって、前記コイルの形態と
   して磁芯の単位長さ当たりの巻数が変化していることを
   特徴とする請求項５記載の磁気センサ素子。
7. 【請求項７】 前記コイルが発生する磁界の方向に沿っ
   た磁気センサ素子の位置によってインダクタンスが変化
   する被測定磁界の範囲が異なるように、前記コイルが発
   生する磁界の方向に沿った磁気センサ素子の位置によっ
   て前記磁芯の磁気特性が変化していることを特徴とする
   請求項１記載の磁気センサ素子。
8. 【請求項８】 磁芯と、前記磁芯に巻回されたコイルと
   を有し、被測定磁界を含む印加磁界に応じて前記コイル
   のインダクタンスが変化する磁気センサ素子と、 前記コイルのインダクタンスの変化を検出することによ
   り、被測定磁界を検出する検出手段とを備えた磁気セン
   サ装置であって、 前記磁気センサ素子として、請求項１ないし７のいずれ
   かに記載の磁気センサ素子を用いることを特徴とする磁
   気センサ装置。
9. 【請求項９】 磁芯と、前記磁芯に巻回されたコイルと
   を有し、被測定電流によって発生する被測定磁界を含む
   印加磁界に応じて前記コイルのインダクタンスが変化す
   る磁気センサ素子と、 前記コイルのインダクタンスの変化を検出することによ
   り、被測定磁界を検出する検出手段とを備えた電流セン
   サ装置であって、 前記磁気センサ素子として、請求項１ないし７のいずれ
   かに記載の磁気センサ素子を用いることを特徴とする電
   流センサ装置。