JP5487403B2

JP5487403B2 - 電流センサ

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Publication number: JP5487403B2
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Authority: JP
Inventors: 学田村
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Publication date: 2014-05-07
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Description

本発明は、電流の大きさを測定する電流センサに関し、特に、導体を流れる電流を、磁電変換素子を介して検出する電流センサに関する。

近年、電気自動車やソーラー電池などの分野では、電気自動車やソーラー電池装置の大出力化・高性能化に伴って、取り扱う電流値が大きくなってきており、直流大電流を非接触で測定する電流センサが広く用いられている。このような電流センサとしては、検出対象となる導体に流れる電流を、導体周囲の磁界の変化を介して検出する磁電変換素子を備えたものが提案されている。また、電流センサとして、広い測定レンジを持つ電流センサが開発されている。

広い測定レンジを持つ電流センサとしては、導体からの距離を変えた位置に２つの磁気センサを配置し、電流により発生する磁界の強さの異なる場所で電流値を計測する電流センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、磁気高感度素子としての一対の磁気インピーダンス素子を被検出電流を通流する電流線を挟んで対向配置し、一対の磁気インピーダンスに生じた電圧を加算することにより微小電流を安定して計測する電流センサが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−１３２７９０号公報特開平１０−７３６１９号公報

しかしながら、特許文献１記載の電流センサでは、広範囲な測定レンジにするために、導体からの距離を広げる必要があるため、必要スペースが大きくなる。また、磁気センサを導体から離しすぎると、磁気センサ間で発生するノイズが異なってくるため、その対策が困難である。また、特許文献２記載の電流センサでは、一対の磁気インピーダンスの距離と電流線との間の距離の誤差により、被検出電流の測定誤差が生じる問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、広範囲の被測定電流を測定でき、外乱磁気によるノイズを低減できる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、被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する第一の磁気センサ及び第二の磁気センサと、前記第一の磁気センサの出力信号と前記第二の磁気センサの出力信号とを差動演算する差動部と、前記第一の磁気センサ及び前記第二の磁気センサと前記差動部との接続を切替える切替制御手段とを具備し、前記第一の磁気センサ及び前記第二の磁気センサは、感度軸方向が同一方向に固定されると共に、前記被測定電流を通流する導電部材の中心点との間の距離が互いに異なるように配置され、前記切替制御手段は、前記第一の磁気センサ又は第二の磁気センサの出力信号が所定の閾値より大きいか否かを判定し、判定結果に応じて前記第一の磁気センサ及び第二の磁気センサと前記差動部との接続を切替えることを特徴とする。

この構成によれば、被測定電流が小電流の場合には、第一の磁気センサ及び第二の磁気センサの出力信号を差動演算して被測定電流を測定でき、被測定電流が大電流の場合には、相対的に検出感度が低い第一の磁気センサ又は第二の磁気センサにより被測定電流を測定できる。この結果、被測定電流が小電流の場合には、第一の磁気センサ及び第二の磁気センサの出力信号に含まれる外乱磁気によるノイズが相殺されて測定精度が向上すると共に、被測定電流が大電流の場合においても、被測定電流の測定に用いる第一の磁気センサ又は第二の磁気センサの磁気飽和を抑制できる。したがって、広範囲の被測定電流を測定でき、外乱磁気によるノイズの影響を低減できる電流センサを実現できる。

本発明の電流センサにおいては、前記第一の磁気センサ及び第二の磁気センサは、前記第一の磁気センサと前記導電部材の中心点との間の距離が、前記第二の磁気センサと前記導電部材の中心点との間の距離より小さくなるように配置され、前記切替制御手段は、前記第一の磁気センサの出力信号が、所定の閾値より小さい場合には、前記第一の磁気センサ及び第二の磁気センサを前記差動部に共に接続し、前記第一の磁気センサの出力信号が、所定の閾値より大きい場合には、前記第二の磁気センサを前記差動部に接続することが好ましい。

この構成によれば、被測定電流が小電流の場合には、第一の磁気センサ及び第二の磁気センサの出力信号の差動演算により被測定電流を測定するので、外乱磁気によるノイズの影響を低減することができる。また、被測定電流の電流値が増大して第一の磁気センサの出力信号が所定の閾値を超えた場合には、第一の磁気センサに対して導電部材の中心から離れて設置された第二の磁気センサにより被測定電流を測定するので、第二の磁気センサの磁気飽和を抑制することが可能となる。したがって、広範囲の被測定電流を測定でき、外乱磁気によるノイズの影響を低減できる電流センサを実現できる。

本発明の電流センサにおいては、前記第一の磁気センサ及び第二の磁気センサは、前記第一の磁気センサの感度軸方向と当該第一の磁気センサに印加される前記誘導磁界の印加方向とのなす角度θ１が、前記第二の磁気センサの感度軸方向と当該第二の磁気センサに印加される前記誘導磁界の印加方向とのなす角度θ２より小さくなるように配置されることが好ましい。

この構成によれば、第二の磁気センサに対して印加される被測定電流からの誘導磁界の磁気ベクトルが、第一の磁気センサに対して印加される被測定電流からの誘導磁界の磁気ベクトルに対して小さくなる。これにより、被測定電流が大電流の場合においても、第二の磁気センサの磁気飽和を抑制することが可能となる。

本発明の電流センサにおいては、前記第一の磁気センサと前記第二の磁気センサとが配置される基板を有し、前記導電部材は、断面視にて長軸方向と短軸方向とを有する形状をなしており、前記基板は、前記導電部材の短軸方向において前記導電部材に並設され、前記基板の面内方向と前記長軸方向とが一致するように配置されることが好ましい。

この構成によれば、第一の磁気センサ及び第二の磁気センサを同一基板上に配置するので、電流センサの小型化・薄型化が可能となる。また、第一の磁気センサ及び第二の磁気センサと導電部材との間の距離とを個別に調整せずに電流センサを製造できるので、電流センサの製造が容易となる。

本発明の電流センサにおいては、前記導電部材は、断面視にて矩形形状であることが好ましい。この構成によれば、導電部材の短軸方向の端部近傍における誘導磁界の印加方向の変化が大きくなるので、第一の磁気センサ及び第二の磁気センサの感度軸方向における磁気ベクトルの差を大きくすることができる。この結果、第二の磁気センサの磁気飽和を抑制でき、大電流の被測定電流の測定が可能となる。

本発明の電流センサにおいては、前記第一の磁気センサ及び第二の磁気センサが、ＧＭＲ素子であることが好ましい。

本発明によれば、広範囲の被測定電流を測定でき、外乱磁気によるノイズを低減できる電流センサを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る電流センサの平面模式図である。本発明の実施の形態に係る電流センサの断面模式図である。本発明の実施の形態に係る電流センサにおける誘導磁界の説明図である。本発明の実施の形態に係る電流センサにおける誘導磁界の説明図の部分拡大図である。本発明の実施の形態に係る電流センサを示す機能ブロック図である。本発明の実施の形態に係る電流センサの動作例を示すフロー図である。本発明の実施例及び比較例に係る電流センサの出力信号と被測定電流との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る電流センサの平面模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る電流センサ１は、内部に空間を有するケース１１と、このケース１１内に一部が配置され、一方向に延在する導電部材１２を備える。ケース１１内の導電部材１２上には、基板１３を介して、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｍ１（図４参照）により出力信号を出力する一対の第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂが配置される。本実施の形態に係る電流センサ１においては、被測定電流Ｉの大きさに応じて、被測定電流Ｉの測定に用いる第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを切替えながら導電部材１２を通流する被測定電流Ｉを測定する。

図２は、本実施の形態に係る電流センサ１の断面模式図であり、図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。図２に示すように、ケース１１は、絶縁体で形成されるが、一部が、例えば、珪素鋼、パーマロイなどの透磁率が高い材料で構成され、ケース１１内への外乱磁気を遮蔽するように構成されていても良い。ケース１１は、断面視にて矩形枠状をなしており、このケース１１内を貫通するように導電部材１２が配置される。導電部材１２は、断面視にて矩形形状をなしており、短軸方向Ｄ２の両端の一対の主面１２ａ、１２ｂと、長軸方向Ｄ３の両端の一対の端面１２ｃ、１２ｄとを有する。被測定電流Ｉは、導電部材１２により一方向に向けて通流される。

基板１３は、導電部材１２の長軸方向Ｄ３における一方の主面１２ａとケース１１の天板１１ａとの間に図示されない支持部材によって支持される。また、基板１３は、基板１３の面内方向と長軸方向Ｄ３とが平行になるように、導電部材１２の一方の主面１２ａ側に並設される。基板１３の面内方向と長軸方向Ｄ３とは完全に平行である必要はなく、本発明の効果を奏する範囲で略平行であれば良い。なお、基板１３は、基板面に対する垂直方向において、幅方向における中点Ｐ１の位置が、導電部材１２の長軸方向Ｄ３（幅方向）における中点（導電部材１２の中心点Ｐ２）の位置と同一の位置になるように配置されることが好ましい。なお、幅方向における中点Ｐ１の位置が、導電部材１２の長軸方向Ｄ３（幅方向）における中点（導電部材１２の中心点Ｐ２）の位置と完全に同一である必要はなく、本発明の効果を奏する範囲で略同一であれば良い。また、基板１３は、基板面の垂直方向において、幅方向における中点Ｐ１と導電部材１２の長軸方向Ｄ３における中点（導電部材１２の中心点Ｐ２）とが、揃うように（Ｆ１参照）配置されることが電流センサ１の小型化の観点からより好ましい。

基板１３上には、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂと、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂの出力信号を演算処理する制御部２１と（図５参照）が設けられる。第一の磁気センサ１４ａは、基板１３上面の中央部（中点Ｐ１の近傍）に配置され、第二の磁気センサ１４ｂは、基板１３上面の一端部に配置される。第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂは、感度軸方向Ｄ１が導電部材１２の長軸方向Ｄ３と同一方向になるように固定され、互いに検出感度が同一となるように構成される。なお、感度軸方向Ｄ１が導電部材１２の長軸方向Ｄ３と完全に同一である必要はなく、本発明の効果を奏する範囲で略同一であれば良い。

次に、図３及び図４を参照して本実施の形態に係る電流センサ１の被測定電流Ｉ測定時における誘導磁界Ｍ１について説明する。図３は、本実施の形態に係る電流センサ１における誘導磁界の説明図であり、図４は、図３に示す第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂの部分拡大図である。なお、図３においては、電流センサ１の断面模式図を示し、説明の便宜上、ケース１１を省略して示している。

図３に示すように、被測定電流Ｉが導電部材１２を通流すると、導電部材１２を中心として導電部材１２の外周縁から一定の範囲に誘導磁界Ｍ１が生じる。この誘導磁界Ｍ１は、被測定電流Ｉの通流方向（紙面手前から奥側方向）に対して右回りの方向となる。このため、導電部材１２の一方の主面１２ａの中央部近傍においては、誘導磁界Ｍ１の方向は右方向（左方向）となり、導電部材１２の他方の主面１２ｂの中央部近傍においては、誘導磁界Ｍ１の方向は左方向（右方向）となる。また、導電部材１２の端面１２ｃ、１２ｄの近傍においては、端面１２ｃ、１２ｄの一端側から他端側に向けて誘導磁界Ｍ１の方向が、断面視にて曲線状に変化する。このため、導電部材１２の主面１２ａの中央部近傍に配置される第一の磁気センサ１４ａに対しては、感度軸方向Ｄ１に対して平行に誘導磁界Ｍ１が印加され、端面１２ｃの近傍に配置される第二の磁気センサ１４ｂに対しては、感度軸方向Ｄ１に対する斜め方向から誘導磁界Ｍ１が印加される。

次に、図４を参照して第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂに対する誘導磁界Ｍ１の印加方向について詳細に説明する。図４に示すように、導電部材１２の主面１２ａの中央部近傍に配置される第一の磁気センサ１４ａに対しては、感度軸方向Ｄ１（右方向）と同一方向から誘導磁界Ｍ１が印加される。このため、第一の磁気センサ１４ａの感度軸方向Ｄ１と誘導磁界Ｍ１の印加方向とは同一方向となり、第一の磁気センサ１４ａの感度軸方向Ｄ１と誘導磁界Ｍ１の印加方向とがなす角度θ１は微小値となる。

また、導電部材１２の端面１２ｃの近傍に配置される第二の磁気センサ１４ｂに対しては、感度軸方向Ｄ１に対して所定の角度θ２をなす方向から誘導磁界Ｍ１が印加される。このため、第二の磁気センサ１４ｂの感度軸方向Ｄ１と誘導磁界Ｍ１の印加方向とのなす角度θ２は、第一の磁気センサ１４ａの感度軸方向Ｄ１と誘導磁界Ｍ１の印加方向とのなす角度θ１より相対的に大きくなる。

第一の磁気センサ１４ａの中心点Ｐ３に対して印加される誘導磁界Ｍ１は、感度軸方向Ｄ１の磁気ベクトルＭ２と、基板１３面に垂直方向の磁気ベクトルＭ３とにベクトル分解される。ここで、第一の磁気センサ１４ａに対しては、感度軸方向Ｄ１と略同一方向から誘導磁界Ｍ１が印加されるので、誘導磁界Ｍ１と感度軸方向Ｄ１とがなす角度θ１は微小値となり、誘導磁界Ｍ１の大きさと磁気ベクトルＭ２の大きさが略同一となる。このため、第一の磁気センサ１４ａから出力される出力信号は、誘導磁界Ｍ１の大きさに応じた出力信号が出力される。

一方、第二の磁気センサ１４ｂの中心点Ｐ４に対して印加される誘導磁界Ｍ１は、感度軸方向Ｄ１の磁気ベクトルＭ２と、基板１３面に垂直方向の磁気ベクトルＭ３とにベクトル分解される。このため、第二の磁気センサ１４ｂから出力される出力信号は、誘導磁界Ｍ１がベクトル分解された磁気ベクトルＭ２の大きさに応じた出力信号が出力される。

すなわち、本実施の形態に係る電流センサ１においては、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂは、第一の磁気センサ１４ａと導電部材１２の中心点Ｐ２との間の距離が、第二の磁気センサ１４ｂと導電部材１２の中心点Ｐ２との間の距離より小さくなるように配置される。この構成により、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｍ１が、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂに対して、互いに異なる大きさの磁気ベクトルＭ２として印加されるので、誘導磁界Ｍ１により第一の磁気センサ１４ａから出力される出力信号が、第二の磁気センサ１４ｂから出力される出力信号に対して相対的に大きくなる。これにより、被測定電流Ｉが小電流の場合には、相対的に検出感度が高い第一の磁気センサ１４ａによって被測定電流Ｉを測定することが可能となる。また、被測定電流Ｉが大電流の場合には、誘導磁界Ｍ１の磁気ベクトルＭ２が第二の磁気センサ１４ａに印加されるので、第二の磁気センサ１４ｂの磁気飽和を抑制することが可能となる。したがって、被測定電流Ｉの測定範囲を拡大することが可能となる。

また、本実施の形態に係る電流センサ１においては、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂの感度軸方向Ｄ１が同一方向に固定され、同一方向からの磁界に対して第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂから出力される出力信号が同一となるように構成されているので、外乱磁気Ｈｃに対しては、同相かつ同一の出力信号が出力される。このため、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂの出力信号を差動演算することにより、外乱磁気からノイズ成分が同相で除去される。したがって、電流センサ１の測定精度を向上することが可能となる。

図５は、本発明の実施の形態に係る電流センサを示す機能ブロック図である。第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂは、それぞれ磁気平衡式センサであり、被測定電流Ｉによって発生する磁界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１４１ａ、１４１ｂと、磁気検出素子である２つの磁気抵抗効果素子及び２つの固定抵抗素子からなるブリッジ回路１４２ａ、１４２ｂとから構成されている。

制御部２１は、第一の磁気センサ１４ａのブリッジ回路１４２ａの差動出力を増幅し、フィードバックコイル１４１ａのフィードバック電流を制御する差動・電流アンプ２１１と、第一の磁気センサ１４ａのフィードバック電流を電圧に変換するＩ／Ｖアンプ２１２と、第二の磁気センサ１４ｂのブリッジ回路１４２ｂの差動出力を増幅し、フィードバックコイル１４１ｂのフィードバック電流を制御する差動・電流アンプ２１３と、第二の磁気センサ１４ｂのフィードバック電流を電圧に変換するＩ／Ｖアンプ２１４と、第一の磁気センサ１４ａからの出力信号の大きさに応じて第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂと差動アンプ２２２との接続を切替える切替制御回路２２１と、Ｉ／Ｖアンプ２１２、２１４の差動出力を増幅する差動アンプ２２２とを含む。

フィードバックコイル１４１ａ、１４１ｂは、ブリッジ回路１４２ａ、１４２ｂの磁気抵抗効果素子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を相殺するキャンセル磁界を発生する。ブリッジ回路１４２ａ、１４２ｂの磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＴＭＲ（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などを挙げることができる。磁気抵抗効果素子は、被測定電流Ｉからの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する。２つの磁気抵抗効果素子と２つの固定抵抗素子によりブリッジ回路１４２ａ、１４２ｂを構成することにより、高感度の電流センサを実現することができる。また、磁気抵抗効果素子を用いることにより、電流センサを設置する基板面と平行な方向に感度軸を配置し易く、平面コイルを使用することが可能となる。

ブリッジ回路１４２ａ、１４２ｂは、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界Ｍ１に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。ブリッジ回路１４２ａ、１４２ｂの２つの出力は差動・電流アンプ２１１、２１３で増幅され、増幅された出力がフィードバックコイル１４１ａ、１４１ｂに電流（フィードバック電流）として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界Ｍ１に応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１４１ａ、１４１ｂには、誘導磁界Ｍ１を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界Ｍ１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のフィードバックコイル１４１ａ、１４１ｂに流れる電流がＩ／Ｖアンプ２１２、２１４で電圧に変換され、この電圧がセンサ出力となる。

なお、差動・電流アンプ２１１においては、電源電圧を、Ｉ／Ｖ変換の基準電圧（フィードバックコイル抵抗の定格内最大値×フルスケール時フィードバックコイル電流）に近い値に設定することで、フィードバック電流が自動的に制限され、磁気抵抗効果素子やフィードバックコイルを保護する効果が得られる。また、ここではブリッジ回路１４２ａ、１４２ｂの二つの出力の差動を増幅してフィードバック電流に用いたが、ブリッジ回路からは中点電位のみを出力とし、所定の基準電位との電位差をもとにフィードバック電流としてもよい。

切替制御回路２２１は、第一の磁気センサ１４ａからの出力信号の大きさが所定の閾値より大きいか否かを判断する判定回路を備えており、第一の磁気センサ１４ａの出力信号の大きさに応じて、Ｉ／Ｖアンプ２１２及びＩ／Ｖアンプ２１４と差動アンプ２２２との接続を切替える。切替制御回路２２１は、第一の磁気センサ１４ａの出力信号が所定の閾値より小さい場合には、Ｉ／Ｖアンプ２１２、２１４を共に差動アンプ２２２に接続し、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂからの出力信号を差動アンプ２２２に共に出力する。また、切替制御回路２２１は、第一の磁気センサ１４ｂの出力信号が所定の閾値より大きい場合には、Ｉ／Ｖアンプ２１４を差動アンプ２２２に接続し、第二の磁気センサ１４ｂからの出力信号を出力する。

差動アンプ２２２は、Ｉ／Ｖアンプ２１２の出力信号を基準電圧との間で増幅してセンサ出力として処理すると共に、Ｉ／Ｖアンプ２１２、２１４の出力信号の差動値をセンサ出力として処理する。このような処理を行うことにより、第一の磁気センサ１４ａ、第二の磁気センサ１４ｂの出力信号における地磁気などの外部磁場の影響はキャンセルされ、より高精度に電流を測定できる。

次に、図６を参照して本実施の形態に係る電流センサ１の動作例について説明する。図６は、本実施の形態に係る電流センサの動作例を示すフロー図である。

図６に示すように、被測定電流Ｉの測定開始後、まず、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを共に用いて被測定電流Ｉを測定する（ステップＳＴ１）。次に、第一の磁気センサ１４ａの出力信号の大きさが所定の閾値より大きいか否かを切替制御回路２２１の判定回路で判定する（ステップＳＴ２）。ステップＳＴ２において、第一の磁気センサ１４ａの出力信号が所定の閾値より小さい場合には、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを共に用いて被測定電流Ｉを測定する（ステップＳＴ１）。一方、ステップＳＴ２において、第一の磁気センサ１４ａの出力信号が、所定の閾値より大きい場合には、第二の磁気センサ１４ｂを用いて被測定電流Ｉを測定する（ステップＳＴ３）。次に、第一の磁気センサ１４ａの出力信号が所定の閾値より大きいか否かを切替制御回路２２１の判定回路で判定する（ステップＳＴ４）。第一の磁気センサ１４ａの出力信号が、所定の閾値より大きい状態では、第二の磁気センサ１４ｂを用いて被測定電流Ｉを測定する（ステップＳＴ３）。第一の磁気センサ１４ａの出力信号が所定の閾値より小さくなった場合には、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを共に用いて被測定電流Ｉの大きさを測定する（ステップＳＴ１）。以上の動作を繰り返して被測定電流を測定する。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
図１及び図２に示すように、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを、基板１３を介して導電部材１２の中心点Ｐ２とそれぞれ異なる距離に配置してなる電流センサ１を作製し、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを切替えながら、被測定電流Ｉを０Ａから１０００Ａまで変化させたときの電流センサ１の出力信号を調べた。その結果を図７に示す。また、比較例として、導電部材１２上に基板１３を介して一対の磁気センサ１４ａ、１４ｂを導電部材１２の中心点Ｐ２とそれぞれ等しい距離に配置してなる電流センサを作製し、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを共に用いて被測定電流Ｉを０Ａから１０００Ａまで変化させたときの電流センサの出力信号を調べた。その結果を図７に併記する。図７から分かるように、本実施の形態に係る電流センサ１によれば、小電流の被測定電流Ｉから大電流の被測定電流Ｉまで、電流センサの出力信号が線形に変化することがわかる。これに対し、比較例に係る電流センサでは、６００Ａより大きい被測定電流Ｉの範囲においては、磁気飽和が生じて電流センサの出力信号が一定となることが分かる。

以上説明したように、本実施の形態に係る電流センサ１においては、第一の磁気センサ１４ａと導電部材１２の中心点Ｐ２との間の距離が、第二の磁気センサ１４ｂと導電部材１２の中心点Ｐ２との間の距離より小さくなるように配置する。この構成により、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｍ１が、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂに対して、互いに異なる大きさの磁気ベクトルＭ２として印加されるので、誘導磁界Ｍ１により第一の磁気センサ１４ａから出力される出力信号が、第二の磁気センサ１４ｂから出力される出力信号に対して相対的に大きくなる。これにより、被測定電流Ｉが小電流の場合には、相対的に検出感度が高い第一の磁気センサ１４ａによって被測定電流Ｉを測定することが可能となる。また、被測定電流Ｉが大電流の場合には、誘導磁界Ｍ１の磁気ベクトルＭ２のみが第二の磁気センサ１４ａに印加されるので、第二の磁気センサ１４ｂの磁気飽和を抑制することが可能となる。したがって、被測定電流Ｉの測定範囲を拡大することが可能となる。

また、本実施の形態に係る電流センサ１においては、小電流の測定時には、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂの感度軸方向Ｄ１を同一方向に固定し、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂの出力信号を差動演算するので、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂに共に印加される外乱磁気Ｈｃによるノイズを相殺することができる。

さらに、本実施の形態に係る電流センサ１においては、導電部材１２上に基板１３を介して一対の第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを配置し、基板１３の面内方向と導電部材１２の長軸方向Ｄ３とを一致して配置するので、電流センサ１の小型化が可能となる。また、一枚の基板１３上に第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを配置するので、電流センサ１を簡易に製造することができ、製造コストを低減することが可能となる。

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、上記実施の形態における各素子の接続関係、大きさなどは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の効果が得られる範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。

例えば、上記実施の形態に係る電流センサ１においては、第一の磁気センサ１４ａと導電部材１２の中心点Ｐ２との間の距離が、第二の磁気センサ１４ｂと導電部材１２の中心点Ｐ２との間の距離より小さくなるように配置する例について説明したが、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂは、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｍ１が、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂに対して異なる強度で印加され、外乱磁気Ｈｃが第一及び第二の磁気センサ１４ｂに対して同一の強度で印加される配置であれば適時変更可能である。例えば、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂは、第一の磁気センサ１４ａに対する誘導磁界Ｍ１の印加方向と、第一の磁気センサ１４ａの感度軸方向Ｄ１とがなす角度θ１が、第二の磁気センサ１４ｂに対する誘導磁界Ｍ１の印加方向と、第二の磁気センサ１４ｂの感度軸方向Ｄ１とがなす角度θ２より小さくなるように配置してもよい。このように構成することによっても被測定電流Ｉが小電流の場合には、相対的に検出感度が高い第一の磁気センサ１４ａによって被測定電流Ｉを測定することが可能となる。また、被測定電流Ｉが大電流の場合には、誘導磁界Ｍ１の磁気ベクトルＭ２のみが第二の磁気センサ１４ａに印加されるので、第二の磁気センサ１４ｂの磁気飽和を抑制することが可能となる。

また、上記実施の形態に係る電流センサ１においては、断面視にて矩形形状を有する導電部材１２を用いる構成について説明したが、導電部材１２の形状は、短軸方向Ｄ２及び長軸方向Ｄ３を有する形状であれば適時変更可能である。導電部材１２の形状としては、例えば、断面視にて矩形形状、楕円形状、扁平形状等、本発明の効果が得られる範囲であれば適時変更可能である。

さらに、上記実施の形態に係る電流センサ１においては、第二の磁気センサ１４ｂに対して印加される誘導磁界Ｍ１の角度θ２は、第二の磁気センサ１４ｂの磁気飽和を抑制できる範囲であれば適時変更可能である。なお、上記実施の形態においては、第一の磁気センサ１４ａの出力信号と所定の閾値とを比較して第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを切替える例について説明したが、第二の磁気センサ１４ｂの出力信号と所定の閾値とを比較して第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを切替える構成としてもよい。

また、基板１３は、上記配置構成に限定されず、適時変更可能である。例えば、基板１３が、導電部材１２の長軸方向に対して所定の角度、傾斜して配置されていてもよい。

さらに、上記本実施の形態では、第一の磁気センサ、第二の磁気センサとして、磁気平衡式センサを使用する構成としたが、この構成に限定されるものではない。磁気センサとしては、電流線を通る被測定電流Ｉからの誘導磁界により互いに出力信号を出力するものであればよく、例えば、磁気比例式センサ、ホール素子やその他の磁気検出素子を使用してもよい。磁気比例式センサを使用することで、磁気平衡式センサを使用する構成と比較して消費電力を低減することが可能である。

本発明は、広範囲の被測定電流を測定でき、外乱磁気によるノイズを低減できるという効果を有し、特に、電気自動車やハイブリッドカーのモータ駆動用の電流の大きさを検出する電流センサに好適に用いることが可能である。

本出願は、２０１０年８月３１日出願の特願２０１０−１９４１７６に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims

被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する第一の磁気センサ及び第二の磁気センサと、前記第一の磁気センサの出力信号と前記第二の磁気センサの出力信号とを差動演算する差動部と、前記第一の磁気センサ及び前記第二の磁気センサと前記差動部との接続を切替える切替制御手段とを具備し、
前記第一の磁気センサ及び前記第二の磁気センサは、感度軸方向が同一方向に固定されると共に、前記被測定電流を通流する導電部材の中心点との間の距離が互いに異なるように配置され、
前記切替制御手段は、前記第一の磁気センサ又は第二の磁気センサの出力信号が所定の閾値より大きいか否かを判定し、判定結果に応じて前記第一の磁気センサ及び第二の磁気センサと前記差動部との接続を切替えることを特徴とする電流センサ。
前記第一の磁気センサ及び第二の磁気センサは、前記第一の磁気センサと前記導電部材の中心点との間の距離が、前記第二の磁気センサと前記導電部材の中心点との間の距離より小さくなるように配置され、
前記切替制御手段は、前記第一の磁気センサの出力信号が、所定の閾値より小さい場合には、前記第一の磁気センサ及び第二の磁気センサを前記差動部に共に接続し、前記第一の磁気センサの出力信号が、所定の閾値より大きい場合には、前記第二の磁気センサを前記差動部に接続することを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
前記第一の磁気センサ及び第二の磁気センサは、前記第一の磁気センサの感度軸方向と当該第一の磁気センサに印加される前記誘導磁界の印加方向とのなす角度θ１が、前記第二の磁気センサの感度軸方向と当該第二の磁気センサに印加される前記誘導磁界の印加方向とのなす角度θ２より小さくなるように配置されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電流センサ。
前記第一の磁気センサと前記第二の磁気センサとが配置される基板を有し、
前記導電部材は、断面視にて長軸方向と短軸方向とを有する形状をなしており、
前記基板は、前記導電部材の短軸方向において前記導電部材に並設され、前記基板の面内方向と前記長軸方向とが一致するように配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電流センサ。
前記導電部材は、断面視にて矩形形状であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電流センサ。
前記第一の磁気センサ及び第二の磁気センサが、ＧＭＲ素子である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。