JP5688572B2

JP5688572B2 - 電流センサ

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Publication number: JP5688572B2
Application number: JP2013524660A
Authority: JP
Inventors: 雅俊野村
Original assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Current assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2032-07-09
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Description

本発明は、非接触で電流を測定する電流センサに関する。

電気自動車やハイブリッドカーにおけるモータ駆動技術などの分野では比較的大きな電流が取り扱われるため、大電流を非接触で測定可能な電流センサが求められている。そして、このような電流センサとして、被測定電流によって生じる磁界の変化を磁気センサによって検出する方式のものが実用化されている。例えば、特許文献１には、磁気センサ用の素子として磁気抵抗効果素子を用いた電流センサが開示されている。

上述した磁界変化を検出する方式の電流センサにおいて、被測定電流が通流する導電体に近接して配置された導電体に電流が通流する場合、当該導電体を通流する電流による磁界の影響を受けて電流測定精度が低下することがある。この問題を解決するために、ｎ個の導電体のそれぞれに対して２個の磁気センサが隣接するようにｎ＋１個の磁気センサを配置した電流センサが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この構成によれば、近接する電流の影響を補正できるため、電流測定精度の低下を防ぐことができる。

特開２００２−１５６３９０号公報特表２００４−５０７７４７号公報

ところで、磁気抵抗効果素子をはじめとする磁気センサ用の素子には、プロセスばらつきなどに起因する特性ばらつきが存在する。例えば、複数の磁気抵抗効果素子の電圧降下を利用する磁気センサにおいて、各磁気抵抗効果素子の特性ばらつきの影響はゼロ磁場における磁気センサ出力（以下、オフセットと呼ぶ）となって現れる。オフセットは温度によって変化するが、電流センサ内における磁気センサの位置（例えば、熱のこもりやすい内側と、外気温の影響を受けやすい外側など）によって磁気センサの温度が異なる場合、各磁気センサのオフセットが異なるため、このような磁気センサを用いると電流センサの電流測定精度が低下する。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、磁気センサ出力のオフセットの影響による電流測定精度の低下を抑制可能な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、対象の電流線を挟むように配置された一組の磁気センサと、当該一組の磁気センサが配置される基板と、をそれぞれ含んで構成された複数の電流線に対応する複数の電流センサユニットと、各電流センサユニットにおける前記一組の磁気センサの出力の差を算出し、各電流センサユニットの出力から隣接する電流線の影響を除去して被測定電流の電流値を算出する演算装置と、を備え、前記電流センサユニットに含まれる一組の磁気センサは、その温度が略等しくなるように各磁気センサの接地端子及び基板に設けられた接地電極により互いに接続されていることを特徴とする。

この構成によれば、電流線を挟むように配置された一組の磁気センサにおいて、接地端子同士が接続されているため、磁気センサの温度が略等しくなり、温度に依存して変動する磁気センサ出力のオフセットがほぼ等しくなる。オフセットがほぼ等しいので、２つの磁気センサの出力差を演算すれば、オフセットが相殺され、その影響を低減することができる。また、複数の電流線に対応する電流センサユニットの出力を用いているため、被測定電流が通流する電流線以外の電流線を通流する電流の影響を低減することができる。

本発明の電流センサにおいて、前記電流センサユニットに含まれる一組の磁気センサは、オフセット変化の温度特性が等しいことが特に好ましい。オフセットの大きさは、基準温度（例えば２５℃）でのオフセットの大きさと、温度による変化に分けて考えることができる。基準温度でのオフセットの大きさは、一組の磁気センサで若干異なっていても演算で影響を取り除くことができる。一方、温度による変化量は、一組の磁気センサで異なっていれば、その差が誤差となり取り除くことは不可能である。よって、オフセット変化の温度特性を略等しくすることによって、誤差を最小にできる。

本発明の電流センサにおいて、前記電流センサユニットに含まれる一組の磁気センサは、前記電流線を通流する電流の影響が前記一組の磁気センサの出力において逆極性で現れるように感度軸を同一方向に向けて配置されることが好ましい。この構成によれば、磁気センサの出力の差を取ることでオフセットの影響を十分に低減することができる。

本発明の電流センサにおいて、被測定電流が通流する第１の電流線を挟むように配置された第１の磁気センサ及び第２の磁気センサを含む第１の電流センサユニットと、前記被測定電流とは異なる電流が通流する第２の電流線を挟むように配置された第３の磁気センサ及び第４の磁気センサを含む第２の電流センサユニットと、を備えても良い。

本発明の電流センサにおいて、第１の電流センサユニットの前記第１の電流線を通流する電流に関する感度係数Ｘ_１１、第２の電流センサユニットの前記第２の電流線を通流する電流に関する感度係数Ｘ_２２、第１の電流センサユニットの前記第２の電流線を通流する電流に関する感度係数Ｘ_１２、第２の電流センサユニットの前記第１の電流線を通流する電流に関する感度係数Ｘ_２１、前記第１の磁気センサの出力と前記第２の磁気センサの出力との差ΔＶ_１、及び前記第３の磁気センサの出力と前記第４の磁気センサの出力との差ΔＶ_２を用いて表される下記式（７）から前記第１の電流線を通流する前記被測定電流の電流値Ｉ_１を算出することができる。

本発明の電流センサにおいて、被測定電流が通流する第１の電流線を挟むように配置された第１の磁気センサ及び第２の磁気センサを含む第１の電流センサユニットと、前記被測定電流とは異なる第２の電流が通流する第２の電流線を挟むように配置された第３の磁気センサ及び第４の磁気センサを含む第２の電流センサユニットと、前記被測定電流及び前記第２の電流とは異なる第３の電流が通流する第３の電流線を挟むように配置された第５の磁気センサ及び第６の磁気センサを含む第３の電流センサユニットと、を備えても良い。

本発明の電流センサにおいて、第ｍの電流センサユニット（ｍは１〜３の自然数）の前記第ｎの電流線（ｎは１〜３の自然数）を通流する電流に関する感度係数Ｘ_ｍｎ、前記第１の磁気センサの出力と前記第２の磁気センサの出力との差ΔＶ_１、前記第３の磁気センサの出力と前記第４の磁気センサの出力との差ΔＶ_２、及び前記第５の磁気センサの出力と前記第６の磁気センサの出力との差ΔＶ_３を用いて表される下記式（１８）から前記第１の電流線を通流する前記被測定電流の電流値Ｉ_１を算出することができる。

ただし、Ｄは下記式（２１）を満たす。

本発明によれば、磁気センサ出力のオフセットの影響による電流測定精度の低下を抑制可能な電流センサを提供することができる。

実施の形態１に係る電流センサの構成例を示す模式図である。実施の形態１に係る電流センサの構成を示すブロック図である。実施の形態１に係る電流センサユニットの構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係る磁気センサの構成例を示す回路図である。実施の形態１に係る電流センサユニットの変形例を示すブロック図である。オフセットの影響が低減される様子を示す特性図である。実施の形態２に係る電流センサの構成例を示す模式図である。実施の形態２に係る電流センサの構成を示すブロック図である。

（実施の形態１）
以下、本発明の電流センサについて添付図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る電流センサ１の構成例を示す模式図である。以下、図１の紙面左下方向（Ｙ＋方向）に対応する方向を前、紙面右上方向（Ｙ−方向）に対応する方向を後、紙面左方向（Ｘ−方向）に対応する方向を左、紙面右方向（Ｘ＋方向）に対応する方向を右、紙面上方向（Ｚ＋方向）に対応する方向を上、紙面下方向（Ｚ−方向）に対応する方向を下、と呼ぶ。

図１に示す電流センサ１は、被測定電流Ｉａが通流する第１電流線２ａに近接して配置された第１電流センサユニット１ａと、隣接電流Ｉｂが通流する第２電流線２ｂに近接して配置された第２電流センサユニット１ｂとを備える。第１電流センサユニット１ａは、第１電流線２ａが配置可能なように一部が切り欠かれた薄板状の第１基板１２ａと、第１基板１２ａの主表面に配置された略直方体状の第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂとを含んで構成されている。第２電流センサユニット１ｂは、第２電流線２ｂが配置可能なように一部が切り欠かれた薄板状の第２基板１２ｂと、第２基板１２ｂの主表面に配置された略直方体状の第３磁気センサ１１ｃ及び第４磁気センサ１１ｄとを含んで構成されている。なお、図１中、各磁気センサに付される矢印は、それぞれの感度軸の向きを示し、各電流線に付される矢印は、各電流線を通流する電流の向きを示し、各電流線の周囲に配置される矢印は、各電流線を通流する電流による誘導磁界の向きを示す。また、ここでは計算式の簡略化のため、各電流センサユニットにおいて左右方向に対称にセンサユニットを配置した例を示すが、センサユニットの配置が左右方向に非対称であっても計算の本質は同じであり、得られる効果に変わりはない。

第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂは、上下方向に延在する第１電流線２ａからの距離が略等しくなるように第１基板１２ａの一方の主表面に配置されている。また、第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂは、感度軸が略同一方向を向くように配置されている。このため、第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂは、被測定電流Ｉａによる誘導磁界Ｈａを受けて互いに逆極性の出力を発生するようになっている。第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂをこのように配置することで、第１磁気センサ１１ａの出力と第２磁気センサ１１ｂの出力の差を取って外部磁界の影響を低減することができる。また、第１磁気センサ１１ａの出力のオフセットと、第２磁気センサ１１ｂの出力のオフセットとを相殺して、オフセットの影響を低減することができる。

第３磁気センサ１１ｃ及び第４磁気センサ１１ｄと、第２電流線２ｂとの関係も同様である。すなわち、第３磁気センサ１１ｃ及び第４磁気センサ１１ｄは、上下方向に延在する第２電流線２ｂからの距離が略等しくなるように第２基板１２ｂの一方の主表面に配置されている。また、第３磁気センサ１１ｃ及び第４磁気センサ１１ｄは、感度軸が略同一方向を向くように配置されており、隣接電流Ｉｂによる誘導磁界Ｈｂの影響を受けて互いに逆極性の出力を生じるようになっている。これにより、外部磁界の影響を低減することができる。また、オフセットの影響を低減することができる。

本実施の形態に係る電流センサ１は、上述したように、第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂを含んで構成される第１電流センサユニット１ａに加え、第２電流線２ｂに近接して配置され、第３磁気センサ１１ｃ及び第４磁気センサ１１ｄを含んで構成される第２電流センサユニット１ｂを備えている。これにより、第２電流線２ｂを通流する隣接電流Ｉｂの影響を考慮して補正することが可能になるため、被測定電流Ｉａを高い精度で算出することができる。なお、被測定電流Ｉａの算出に係る具体的な処理については後述する。

各磁気センサ（１１ａ〜１１ｄ）は、それぞれ複数の端子を備えており、各端子を介して第１基板１２ａ又は第２基板１２ｂと接続されている。各磁気センサ（１１ａ〜１１ｄ）が備える端子の少なくとも一つは接地端子であり、当該接地端子は第１基板１２ａに設けられた接地電極、又は第２基板１２ｂに設けられた接地電極に接続されている。具体的には、第１磁気センサ１１ａの接地端子１１ａ＿ＧＮＤは第１基板１２ａに設けられた接地電極１２ａ＿ＧＮＤに接続されており、第２磁気センサ１１ｂの接地端子１１ｂ＿ＧＮＤは第１基板１２ａに設けられた接地電極１２ａ＿ＧＮＤに接続されている。また、第３磁気センサ１１ｃの接地端子１１ｃ＿ＧＮＤは第２基板１２ｂに設けられた接地電極１２ｂ＿ＧＮＤに接続されており、第４磁気センサ１１ｄの接地端子１１ｄ＿ＧＮＤは第２基板１２ｂに設けられた接地電極１２ｂ＿ＧＮＤに接続されている。つまり、第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂは、接地端子１１ａ＿ＧＮＤ、接地端子１１ｂ＿ＧＮＤ、接地電極１２ａ＿ＧＮＤを介して接続されており、第３磁気センサ１１ｃ及び第４磁気センサ１１ｄは、接地端子１１ｃ＿ＧＮＤ、接地端子１１ｄ＿ＧＮＤ、接地電極１２ｂ＿ＧＮＤを介して接続されている。

第１基板１２ａ及び第２基板１２ｂは、配線パターンが形成された略Ｕ字型の平面形状を有する基板である。第１基板１２ａにおいて、略Ｕ字型の切り欠き部を構成する空間には、第１基板１２ａの第１主表面に対して略直交する方向に延在する第１電流線２ａが配置される。すなわち、第１基板１２ａは、被測定電流Ｉａの通流方向に略垂直な面内に配置される。また、第２基板１２ｂにおいて、略Ｕ字型の切り欠き部を構成する空間には、第２基板１２ｂの第１主表面に対して略直交する方向に延在する第２電流線２ｂが配置される。すなわち、第２基板１２ｂは、隣接電流Ｉｂの通流方向に略垂直な面内に配置される。

第１基板１２ａの第１主表面には、上述したように、接地電極１２ａ＿ＧＮＤが設けられている。また、第２基板１２ｂの第１主表面には、接地電極１２ｂ＿ＧＮＤが設けられている。接地電極１２ａ＿ＧＮＤ、及び接地電極１２ｂ＿ＧＮＤは不図示のグランドＧＮＤに接続されている。接地電極１２ａ＿ＧＮＤは、接地端子１１ａ＿ＧＮＤを介して接続される第１磁気センサ１１ａと、接地端子１１ｂ＿ＧＮＤを介して接続される第２磁気センサ１１ｂとにグランドＧＮＤによる接地電圧を与えると共に、接続された一方の磁気センサの熱が他方の磁気センサに移動できるように構成されている。接地電極１２ｂ＿ＧＮＤは、接地端子１１ｃ＿ＧＮＤを介して接続される第３磁気センサ１１ｃと、接地端子１１ｄ＿ＧＮＤを介して接続される第４磁気センサ１１ｄとにグランドＧＮＤによる接地電圧を与えると共に、接続された一方の磁気センサの熱が他方の磁気センサに移動できるように構成されている。これにより、同一の電流センサユニットに含まれる一組の磁気センサの温度は略等しくなる。なお、各磁気センサに接地電圧を与え、磁気センサ間の熱の移動が適切に行われるようにするためには、接地電極１２ａ＿ＧＮＤ、１２ｂ＿ＧＮＤは、導電率及び熱伝導率の高い材料を用いて構成されることが望ましい。このような材料としては、例えば、銀、銅、金、アルミニウムなどがある。

また、第１基板１２ａ及び第２基板１２ｂには、各磁気センサ（１１ａ〜１１ｄ）に電源電圧を与える配線（不図示）や、各磁気センサ（１１ａ〜１１ｄ）の入出力信号を伝送する配線（不図示）などが設けられている。第１基板１２ａ及び第２基板１２ｂには、上述した各磁気センサ（１１ａ〜１１ｄ）、接地電極１２ａ＿ＧＮＤ、１２ｂ＿ＧＮＤの他に、不図示の演算装置などが配置されていても良い。

図２は、第１電流センサユニット１ａと、第２電流センサユニット１ｂとを備える電流センサ１の構成例を示すブロック図である。図２に示すように、電流センサ１は、第１電流センサユニット１ａの出力と、第２電流センサユニット１ｂの出力とから、被測定電流Ｉａの電流値を算出する演算装置１ｄを備えている。このように、電流センサ１が、第１電流線２ａに対応する第１電流センサユニット１ａ、及び第２電流線２ｂに対応する第２電流センサユニット１ｂを有し、これらの出力を演算する演算装置１ｄを備えることで、後述するように隣接電流Ｉｂの影響を補正して被測定電流Ｉａの電流値を高精度に算出することができる。なお、演算装置１ｄは、電流センサ１の外部に設けられても良い。つまり、電流センサ１は、演算装置１ｄを含まない電流測定モジュールによって構成されていても良い。この場合、電流測定モジュールには、第１電流センサユニット１ａ、及び第２電流センサユニット１ｂが含まれる。

図３は、第１電流センサユニット１ａの具体的な構成例を示すブロック図である。図４は、第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂの構成例を示す回路図である。

図３に示すように、第１電流センサユニット１ａは、磁気平衡式の第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂと、第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂを制御する第１制御回路１３ａ及び第２制御回路１３ｂと、第１磁気センサ１１ａ側の出力と第２磁気センサ１１ｂ側の出力との電圧差を算出する演算装置１４ａとを備える。

第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂは、被測定電流Ｉａによって発生する誘導磁界Ｈａ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１１１ａ、１１１ｂと、４個の磁気抵抗効果素子Ｍ１〜Ｍ４で構成されるブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂとを含む。なお、第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂは、フィードバックコイル１１１ａ、１１１ｂを有しない磁気比例式の磁気センサであっても良い。また、ブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂを構成する磁気抵抗効果素子の数は４個に限られない。任意の数の磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子とを組み合わせてブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂを構成しても良い。

第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂとしては、出力のオフセット変化の温度特性が略等しい磁気センサを用いる。これは、磁気センサ出力におけるオフセットの影響を十分に抑えるためである。具体的には、例えば、同一基板を用いて製造された磁気センサや、同一ロットによって製造された磁気センサのように、素子特性のばらつきが小さい磁気センサを用いればよい。このように、同一の電流センサユニットに含まれる一組の磁気センサにおいてオフセット変化の温度特性が略等しくなっていると、この一組だけでの簡単な補正で磁気センサのオフセットの影響を相殺できる。

第１制御回路１３ａ及び第２制御回路１３ｂは、ブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂの差動出力を増幅し、フィードバックコイル１１１ａ、１１１ｂのフィードバック電流を制御する差動・電流アンプ１３１ａ、１３１ｂと、フィードバック電流を電圧に変換するＩ／Ｖアンプ１３２ａ、１３２ｂとを含む。また、第１制御回路１３ａ及び第２制御回路１３ｂは、オフセット電圧の絶対値を補正する機能を有している。これにより、第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂにおけるオフセットの影響を十分に低減できる。オフセットの補正は、例えば、基準となる所定温度（例えば２５℃）におけるオフセットの絶対値が略等しくなるように各出力の電圧値を増減することで行う。なお、オフセット電圧の絶対値を補正する機能は、演算装置１４ａや演算装置１ｄが有していても良い。

演算装置１４ａは、制御回路１３ａ、１３ｂからの出力電圧（すなわち、Ｉ／Ｖアンプ１３２ａ、１３２ｂの出力電圧）の差をとって出力できるように構成されている。演算装置１４ａは、例えば、差動アンプで構成される。演算装置１４ａにおける演算処理によって、地磁気などの外部磁場の影響を相殺することができる。また、第１磁気センサ１１ａ側の出力のオフセットと、第２磁気センサ１１ｂ側の出力のオフセットとを相殺することができる。これにより、電流値を高精度に測定できる。

図４に示すように、フィードバックコイル１１１ａ、１１１ｂは、ブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂを構成する磁気抵抗効果素子Ｍ１〜Ｍ４の近傍に配置されており、被測定電流Ｉａにより発生する誘導磁界Ｈａを相殺するキャンセル磁界を発生する。ブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂの磁気抵抗効果素子Ｍ１〜Ｍ４としては、ＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＴＭＲ（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などが用いられる。磁気抵抗効果素子は、被測定電流からの誘導磁界により抵抗値が変化するという特性を有する。このような特性を有する磁気抵抗効果素子を用いてブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂを構成することで、高感度の電流センサ１を実現できる。

ブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂの一方の電源端子ａは電源Ｖｄｄと接続され、もう一方の電源端子ｂはグランドＧＮＤと接続される。この電源端子ｂは、図１に示す接地端子１１ａ＿ＧＮＤ及び接地端子１１ｂ＿ＧＮＤに対応するものである。ブリッジ回路１１２ａ、１１２ｂがそれぞれ有する２個の出力端子ｃ、ｄからの出力は、差動・電流アンプ１３１ａ、１３１ｂで差動増幅され、フィードバックコイル１１１ａ、１１１ｂには端子ｅ、ｆを通じてフィードバック電流が流れる。フィードバック電流がフィードバックコイル１１１ａ、１１１ｂを流れると、当該フィードバック電流によって、誘導磁界Ｈａを相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界Ｈａ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にフィードバックコイル１１１ａ、１１１ｂを流れる電流が、Ｉ／Ｖアンプ１３２ａ、１３２ｂで電圧に変換され、それぞれ、第１磁気センサ１１ａ側の出力、及び第２磁気センサ１１ｂ側の出力となる。

なお、図３では、演算装置１４ａを含む第１電流センサユニット１ａを例示したが、電流センサユニットの構成はこれに限定されない。例えば、図５に示すように、演算装置１４ａを含まない構成としても良い。この場合、図２に示す演算装置１ｄに、演算装置１４ａの機能を持たせれば良い。また、各磁気センサは、磁気抵抗効果素子を用いる磁気センサに限られない。例えば、ホール素子を用いる磁気センサを適用しても良い。

第２電流センサユニット１ｂの構成は、第１電流センサユニット１ａと同様である。すなわち、第２電流センサユニット１ｂは、第３磁気センサ１１ｃ及び第４磁気センサ１１ｄと、第３磁気センサ１１ｃ及び第４磁気センサ１１ｄを制御する第３制御回路１３ｃ及び第４制御回路１３ｄと、第３磁気センサ１１ｃ側の出力と第４磁気センサ１１ｄ側の出力との電圧差を算出する演算装置１４ｂとを備える。また、第３磁気センサ１１ｃ及び第４磁気センサ１１ｄの構成は、第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂの構成と同様であり、第３制御回路１３ｃ及び第４制御回路１３ｄの構成は第１制御回路１３ａ及び第２制御回路１３ｂと同様である。つまり、第３磁気センサ１１ｃ及び第４磁気センサ１１ｄは、隣接電流Ｉｂによって発生する誘導磁界Ｈｂ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１１１ｃ、１１１ｄと、４個の磁気抵抗効果素子Ｍ１〜Ｍ４で構成されるブリッジ回路１１２ｃ、１１２ｄとを含む。また、第３制御回路１３ｃ及び第４制御回路１３ｄは、ブリッジ回路１１２ｃ、１１２ｄの差動出力を増幅し、フィードバックコイル１１１ｃ、１１１ｄのフィードバック電流を制御する差動・電流アンプ１３１ｃ、１３１ｄと、フィードバック電流を電圧に変換するＩ／Ｖアンプ１３２ｃ、１３２ｄとを含む。また、第３制御回路１３ｃ及び第４制御回路１３ｄは、第１制御回路１３ａ及び第２制御回路１３ｂと同様にオフセット電圧の絶対値を補正する機能を有している。

上述した電流センサ１において、各磁気センサ（１１ａ〜１１ｄ）の出力には通常、オフセットが存在する。そして、このオフセットは、温度に依存して変動する。オフセットが温度に関わらず一定であれば、単純にセンサ出力の差を取るだけでオフセットの影響を十分に低減できるが、このようにオフセットが温度特性を有していると、単純に差を取るだけではオフセットの影響を十分に低減できない。これは、各磁気センサの温度に応じてオフセットの値も異なってくるためである。そこで、本実施の形態に係る電流センサ１では、同一の電流センサユニットに含まれる一組の磁気センサを接地端子及び接地電極によって接続し、これらの温度が略等しくなるようにした上で各センサ出力の差を取るようにする。これにより、温度に依存して変動するオフセットの影響を低減することができる。

各センサ出力の差を演算する前には、第１制御回路１３ａ、第２制御回路１３ｂ、演算装置１４ａ、演算装置１ｄなどによって、基準となる所定温度（例えば２５℃）におけるオフセットの絶対値が略等しくなるように補正を行っておく。これにより、オフセットの影響を十分に低減することができる。また、本実施の形態に係る電流センサ１では、同一の電流センサユニットに含まれる一組の磁気センサにおいて、出力のオフセット変化の温度特性が略等しくなっている。これにより、上記補正と組み合わせることで、同一の電流センサユニットに含まれる一組の磁気センサのオフセットを磁気センサの温度によらず略等しくできる。このため、各センサ出力の差を取ることで、温度に依存して変動するオフセットの影響を十分に低減することができる。

図６は、オフセットの影響が低減される様子を示す特性図である。図６Ａには、第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂにおけるオフセット電圧の温度特性を示す。図６Ａに示すように、第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂにおいて、同一温度でのオフセット電圧の値は異なっているが、温度特性を示す曲線の傾きは略等しくなっている。すなわち、オフセット変化の温度特性が略等しくなっている。図６Ｂには、補正後のオフセット電圧の温度特性、及びその差を示す。図６Ｂに示すように、温度特性の傾きが等しい場合、ある温度条件（例えば２５℃）においてオフセット電圧が略等しくなるように磁気センサの出力を補正することで、２個の磁気センサのオフセット電圧の温度特性を示す曲線を略一致させることができる。この場合、第１磁気センサ１１ａ及び第２磁気センサ１１ｂの温度を略等しくすることで、第１磁気センサ１１ａのオフセットと第２磁気センサ１１ｂのオフセットとの差をほぼゼロにできる。

次に、本実施の形態に係る電流センサ１の演算装置１４ａ、１４ｂ、及び演算装置１ｄにおいて被測定電流Ｉａを算出するために行われる演算処理について説明する。

まず、第１電流センサユニット１ａ側の演算装置１４ａにおける演算処理について説明する。演算装置１４ａに、第１磁気センサ１１ａ及び第１制御回路１３ａからの出力と、第２磁気センサ１１ｂ及び第２制御回路１３ｂからの出力とが入力されると、演算装置１４ａは、所定温度（例えば２５℃）において上記２個の出力のオフセット電圧が略等しくなるような補正値を出力に加えて、補正後の第１磁気センサ１１ａ側の出力（Ｖ_１Ａ）及び補正後の第２磁気センサ１１ｂ側の出力（Ｖ_１Ｂ）を得る。そして、演算装置１４ａは、出力（Ｖ_１Ａ）と出力（Ｖ_１Ｂ）との差を演算して第１電流センサユニット１ａの出力（ΔＶ_１）とする。

ここで、補正後の第１磁気センサ１１ａ側の出力（電圧）Ｖ_１Ａは、第１電流線２ａを通流する被測定電流Ｉａの電流値をＩ_１、第２電流線２ｂを通流する隣接電流Ｉｂの電流値をＩ_２、第１電流センサユニット１ａの第１電流線２ａを通流する電流に関する感度係数をＸ_１１、第１の電流センサユニット１ａの第２の電流線２ｂを通流する電流に関する感度係数をＸ_１２、補正後のオフセット電圧をＶ_Ｏ１として式（１）で表される。

また、第２磁気センサ１１ｂ側の出力（電圧）Ｖ_１Ｂは、同様に式（２）で表される。

なお、感度係数とは、ある電流線を通流する電流と各センサ出力との関係を示す係数である。例えば、「第１電流センサユニット１ａの第１電流線２ａを通流する電流に関する感度係数」は、第１電流線２ａを通流する電流値と、第１磁気センサ１１ａ側のセンサ出力（又は第２磁気センサ１１ｂ側のセンサ出力）との関係を示す。具体的には、感度係数は、センサ出力を、電流線を通流する電流値で割った値に相当する。このため、例えば、第１の電流センサユニット１ａの第２の電流線２ｂを通流する電流に関する感度係数がＸ_１２である場合、第２電流線２ｂを通流する隣接電流Ｉｂの電流値をＩ_２とすると、第１磁気センサ１１ａ側のセンサ出力（又は第２磁気センサ１１ｂ側のセンサ出力）はＸ_１２Ｉ_２で表される。

また、本実施の形態に係る電流センサ１において、同一の電流センサユニット内に存在する一組の磁気センサ（ここでは、第１磁気センサ１１ａと第２磁気センサ１１ｂ）のオフセット変化の温度特性が略等しくなっているため、上記式（１）、（２）で表されるように、第１磁気センサ１１ａ側のセンサ出力における補正後のオフセット電圧と、第２磁気センサ１１ｂ側のセンサ出力における補正後のオフセット電圧とは、所定温度以外においても略等しくなる。

演算装置１４ａは、上記式（１）で表される出力（Ｖ_１Ａ）と、上記式（２）で表される出力（Ｖ_１Ｂ）との差を演算する。これにより、式（３）で表される第１電流センサユニット１ａの出力（ΔＶ_１）を得る。式（３）に示されるように、第１電流センサユニット１ａの出力（ΔＶ_１）において、オフセット電圧の項はキャンセルされている。このように、出力（Ｖ_１Ａ）と、出力（Ｖ_１Ｂ）との差を演算することによって、オフセットの影響を十分に除去して電流測定精度を高めることができる。

同様に、第２電流センサユニット１ｂ側の演算装置１４ｂに、第３磁気センサ１１ｃ及び第３制御回路１３ｃからの出力と、第４磁気センサ１１ｄ及び第４制御回路１３ｄからの出力とが入力されると、演算装置１４ｂは、所定温度（例えば２５℃）において上記２個の出力のオフセット電圧が略等しくなるような補正値を出力に加えて、補正後の第３磁気センサ１１ｃ側の出力（Ｖ_２Ａ）及び補正後の第４磁気センサ１１ｄ側の出力（Ｖ_２Ｂ）を得る。そして、演算装置１４ａは、出力（Ｖ_２Ａ）と出力（Ｖ_２Ｂ）との差を演算して第２電流センサユニット１ｂの出力（ΔＶ_２）とする。

第３磁気センサ１１ｃ側の出力（電圧）Ｖ_２Ａは、第１電流線２ａを通流する被測定電流Ｉａの電流値をＩ_１、第２電流線２ｂを通流する隣接電流Ｉｂの電流値をＩ_２、第２電流センサユニット１ｂの第１電流線２ａを通流する電流に関する感度係数をＸ_２１、第２の電流センサユニット１ｂの第２の電流線２ｂを通流する電流に関する感度係数をＸ_２２、補正後のオフセット電圧をＶ_Ｏ２として式（４）で表される。

また、第４磁気センサ１１ｄ側の出力（電圧）Ｖ_２Ｂは、同様に式（５）で表される。

演算装置１４ｂは、上記式（４）で表される出力（Ｖ_２Ａ）と、上記式（５）で表される出力（Ｖ_２Ｂ）との差を演算して、式（６）で表される第２電流センサユニット１ｂの出力（ΔＶ_２）を得る。

演算装置１４ａは、上述した演算処理によって得られた第１電流センサユニット１ａの出力（ΔＶ_１）を演算装置１ｄに出力する。また、演算装置１４ｂは、第２電流センサユニット１ｂの出力（ΔＶ_２）を演算装置１ｄに出力する。被測定電流Ｉａの電流値Ｉ_１、及び隣接電流Ｉｂの電流値Ｉ_２は、ΔＶ_１、及びΔＶ_２を用いて式（７）、（８）のように表される。このため、演算装置１ｄは、第１電流センサユニット１ａの出力（ΔＶ_１）、及び第２電流センサユニット１ｂの出力（ΔＶ_２）を用いて、被測定電流Ｉａの電流値Ｉ_１を算出することができる。

演算装置１ｄは、上記式（７）に基づいて被測定電流Ｉａの電流値Ｉ_１を算出すると、算出結果を外部に出力する。なお、演算装置１ｄは、上記式（８）に基づいて隣接電流Ｉｂの電流値Ｉ_２を算出し、被測定電流Ｉａの電流値Ｉ_１の算出結果とともに外部に出力しても良い。

このように、本実施の形態に係る電流センサ１は、電流線を挟むように配置された一組の磁気センサの温度が略等しくなるように構成されているため、温度に依存して変動する磁気センサ出力のオフセットの影響を適切に除去することができる。また、複数の電流線のそれぞれに対応する電流センサユニットの出力を用いているため、被測定電流が通流する電流線以外の電流線を通流する電流の影響を除去することができる。その結果、電流測定精度の低下を抑制することが可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態では、図１に示される電流センサ１の変形例について説明する。なお、以下の説明において、実施の形態１と共通する部分の説明は省略する。

図７は、本実施の形態に係る電流センサ１´の構成例を示す模式図である。図７に示すように、電流センサ１´は、測定電流Ｉａが通流する第１電流線２ａに近接して配置された第１電流センサユニット１ａと、隣接電流Ｉｂが通流する第２電流線２ｂに近接して配置された第２電流センサユニット１ｂと、隣接電流Ｉｃが通流する第３電流線２ｃに近接して配置された第３電流センサユニット１ｃと、を備える。各電流センサユニット（１ａ〜１ｃ）の構成は、実施の形態１における各電流センサユニット（１ａ、１ｂ）の構成と同様である。

図８は、第１電流センサユニット１ａと、第２電流センサユニット１ｂと、第３電流センサユニット１ｃと、を備える電流センサ１´の構成例を示すブロック図である。図８に示すように、電流センサ１´は、第１電流センサユニット１ａの出力と、第２電流センサユニット１ｂの出力と、第３電流センサユニット１ｃの出力とから、被測定電流Ｉａの電流値を算出する演算装置１ｄを備えている。なお、演算装置１ｄは、電流センサ１´の外部に設けられても良い。つまり、電流センサ１´は演算装置１ｄを含まなくとも良い。

この電流センサ１´において、被測定電流Ｉａの算出は以下の演算処理によって行われる。

第１電流センサユニット１ａの演算装置１４ａに、第１磁気センサ１１ａ及び第１制御回路１３ａからの出力と、第２磁気センサ１１ｂ及び第２制御回路１３ｂからの出力とが入力されると、演算装置１４ａは、所定温度（例えば２５℃）において上記２個の出力のオフセット電圧が略等しくなるように補正して、補正後の第１磁気センサ１１ａ側の出力（Ｖ_１Ａ）及び補正後の第２磁気センサ１１ｂ側の出力（Ｖ_１Ｂ）を得る。そして、演算装置１４ａは、出力（Ｖ_１Ａ）と出力（Ｖ_１Ｂ）との差を演算して第１電流センサユニット１ａの出力（ΔＶ_１）とする。

ここで、補正後の第１磁気センサ１１ａ側の出力（電圧）Ｖ_１Ａは、第１電流線２ａを通流する被測定電流Ｉａの電流値をＩ_１、第２電流線２ｂを通流する隣接電流Ｉｂの電流値をＩ_２、第３電流線２ｃを通流する隣接電流Ｉｃの電流値をＩ_３、第１電流センサユニット１ａの第１電流線２ａを通流する電流に関する感度係数をＸ_１１、第１の電流センサユニット１ａの第２の電流線２ｂを通流する電流に関する感度係数をＸ_１２、第１の電流センサユニット１ａの第３の電流線２ｃを通流する電流に関する感度係数をＸ_１３、補正後のオフセット電圧をＶ_Ｏ１として式（９）で表される。

第２磁気センサ１１ｂ側の出力（電圧）Ｖ_１Ｂは、同様に式（１０）で表される。

次に、演算装置１４ａは、上記式（９）で表される出力（Ｖ_１Ａ）と、上記式（１０）で表される出力（Ｖ_１Ｂ）との差を演算する。これにより、式（１１）で表される第１電流センサユニット１ａの出力（ΔＶ_１）を得る。

同様に、第２電流センサユニット１ｂの演算装置１４ｂに、第３磁気センサ１１ｃ及び第３制御回路１３ｃからの出力と、第４磁気センサ１１ｄ及び第４制御回路１３ｄからの出力とが入力されると、演算装置１４ｂは、所定温度（例えば２５℃）において上記２個の出力のオフセット電圧が略等しくなるように補正して、補正後の第３磁気センサ１１ｃ側の出力（Ｖ_２Ａ）及び補正後の第４磁気センサ１１ｄ側の出力（Ｖ_２Ｂ）を得る。そして、演算装置１４ａは、出力（Ｖ_２Ａ）と出力（Ｖ_２Ｂ）との差を演算して第２電流センサユニット１ｂの出力（ΔＶ_２）とする。

第３磁気センサ１１ｃ側の出力（電圧）Ｖ_２Ａは、第１電流線２ａを通流する被測定電流Ｉａの電流値をＩ_１、第２電流線２ｂを通流する隣接電流Ｉｂの電流値をＩ_２、第３電流線２ｃを通流する隣接電流Ｉｃの電流値をＩ_３、第２電流センサユニット１ｂの第１電流線２ａを通流する電流に関する感度係数をＸ_２１、第２の電流センサユニット１ｂの第２の電流線２ｂを通流する電流に関する感度係数をＸ_２２、第２の電流センサユニット１ｂの第３の電流線２ｃを通流する電流に関する感度係数をＸ_２３、補正後のオフセット電圧をＶ_Ｏ２として式（１２）で表される。

第４磁気センサ１１ｄ側の出力（電圧）Ｖ_２Ｂは、同様に式（１３）で表される。

演算装置１４ｂは、上記式（１２）で表される出力（Ｖ_２Ａ）と、上記式（１３）で表される出力（Ｖ_２Ｂ）との差を演算して、式（１４）で表される第２電流センサユニット１ｂの出力（ΔＶ_２）を得る。

同様に、第３電流センサユニット１ｃの演算装置（不図示）に、第５磁気センサ１１ｅ及び第５制御回路（不図示）からの出力と、第６磁気センサ１１ｆ及び第６制御回路（不図示）からの出力とが入力されると、第３電流センサユニット１ｃの演算装置は、所定温度（例えば２５℃）において上記２個の出力のオフセット電圧が略等しくなるように補正して、補正後の第５磁気センサ１１ｅ側の出力（Ｖ_３Ａ）及び補正後の第６磁気センサ１１ｆ側の出力（Ｖ_３Ｂ）を得る。そして、演算装置は、出力（Ｖ_３Ａ）と出力（Ｖ_３Ｂ）との差を演算して第３電流センサユニット１ｃの出力（ΔＶ_３）とする。

第５磁気センサ１１ｅ側の出力（電圧）Ｖ_３Ａは、第１電流線２ａを通流する被測定電流Ｉａの電流値をＩ_１、第２電流線２ｂを通流する隣接電流Ｉｂの電流値をＩ_２、第３電流線２ｃを通流する隣接電流Ｉｃの電流値をＩ_３、第３電流センサユニット１ｃの第１電流線２ａを通流する電流に関する感度係数をＸ_３１、第３の電流センサユニット１ｃの第２の電流線２ｂを通流する電流に関する感度係数をＸ_３２、第３の電流センサユニット１ｃの第３の電流線２ｃを通流する電流に関する感度係数をＸ_３３、補正後のオフセット電圧をＶ_Ｏ３として式（１５）で表される。

第６磁気センサ１１ｆ側の出力（電圧）Ｖ_３Ｂは、同様に式（１６）で表される。

第３電流センサユニット１ｃの演算装置は、上記式（１５）で表される出力（Ｖ_３Ａ）と、上記式（１６）で表される出力（Ｖ_３Ｂ）との差を演算して、式（１７）で表される第３電流センサユニット１ｃの出力（ΔＶ_３）を得る。

演算装置１４ａは、上述した演算処理によって得られた第１電流センサユニット１ａの出力（ΔＶ_１）を演算装置１ｄに出力する。また、演算装置１４ｂは、第２電流センサユニット１ｂの出力（ΔＶ_２）を演算装置１ｄに出力する。また、第３電流センサユニット１ｃの演算装置は、第３電流センサユニット１ｃの出力（ΔＶ_３）を演算装置１ｄに出力する。被測定電流Ｉａの電流値Ｉ_１、隣接電流Ｉｂの電流値Ｉ_２、及び隣接電流Ｉｃの電流値Ｉ_３は、ΔＶ_１、ΔＶ_２、及びΔＶ_３を用いて式（１８）、（１９）、（２０）のように表される。演算装置１ｄは、第１電流センサユニット１ａの出力（ΔＶ_１）、第２電流センサユニット１ｂの出力（ΔＶ_２）、及び第３電流センサユニット１ｃの出力（ΔＶ_３）を用いて、被測定電流Ｉａの電流値Ｉ_１を算出することができる。

なお、式（１８）、（１９）、（２０）において、Ｄは式（２１）を満たす。

演算装置１ｄは、上記式（１８）、（２１）に基づいて被測定電流Ｉａの電流値Ｉ_１を算出すると、算出結果を外部に出力する。なお、演算装置１ｄは、上記式（１９）、（２１）に基づいて隣接電流Ｉｂの電流値Ｉ_２を算出し、上記式（２０）、（２１）に基づいて隣接電流Ｉｃの電流値Ｉ_３を算出し、被測定電流Ｉａの電流値Ｉ_１の算出結果とともに外部に出力しても良い。

なお、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、電流センサに含まれる電流センサユニットの数は４個以上であっても良い。この場合、全ての電流センサユニットの出力を用いることで、被測定電流の電流値を精度よく算出することができる。また、電流センサに含まれる各電流センサユニットの配置は上記実施の形態の配置に限られない。少なくとも、各電流センサユニットに対して各電流線を通流する電流の影響（感度係数）が分かっていれば、各電流センサユニットの配置は任意で良い。

また、上記実施の形態において、同一の電流センサユニットに含まれる一組の磁気センサの出力のオフセット変化の温度特性を略等しくしているが、この特性は、必ずしも略等しくなくて良い。必要とされる温度範囲において必要な電流測定精度が得られるのであれば、オフセットの温度特性は多少異なっていても良い。

本発明の電流センサは、例えば、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知するために用いることが可能である。

本出願は、２０１１年７月２１日出願の特願２０１１−１５９８１２に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims

対象の電流線を挟むように配置された一組の磁気センサと、当該一組の磁気センサが配置される基板と、をそれぞれ含んで構成された複数の電流線に対応する複数の電流センサユニットと、
各電流センサユニットにおける前記一組の磁気センサの出力の差を算出し、各電流センサユニットの出力から隣接する電流線の影響を除去して被測定電流の電流値を算出する演算装置と、を備え、
前記電流センサユニットに含まれる一組の磁気センサは、その温度が略等しくなるように各磁気センサの接地端子及び基板に設けられた接地電極により互いに接続されていることを特徴とする電流センサ。
前記電流センサユニットに含まれる一組の磁気センサは、オフセット変化の温度特性が等しいことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記電流センサユニットに含まれる一組の磁気センサは、前記電流線を通流する電流の影響が前記一組の磁気センサの出力において逆極性で現れるように感度軸を同一方向に向けて配置されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流センサ。
被測定電流が通流する第１の電流線を挟むように配置された第１の磁気センサ及び第２の磁気センサを含む第１の電流センサユニットと、前記被測定電流とは異なる電流が通流する第２の電流線を挟むように配置された第３の磁気センサ及び第４の磁気センサを含む第２の電流センサユニットと、を備えた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。
第１の電流センサユニットの前記第１の電流線を通流する電流に関する感度係数Ｘ_１１、第２の電流センサユニットの前記第２の電流線を通流する電流に関する感度係数Ｘ_２２、第１の電流センサユニットの前記第２の電流線を通流する電流に関する感度係数Ｘ_１２、第２の電流センサユニットの前記第１の電流線を通流する電流に関する感度係数Ｘ_２１、前記第１の磁気センサの出力と前記第２の磁気センサの出力との差ΔＶ_１、及び前記第３の磁気センサの出力と前記第４の磁気センサの出力との差ΔＶ_２を用いて表される下記式（７）から前記第１の電流線を通流する前記被測定電流の電流値Ｉ_１を算出することを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
被測定電流が通流する第１の電流線を挟むように配置された第１の磁気センサ及び第２の磁気センサを含む第１の電流センサユニットと、前記被測定電流とは異なる第２の電流が通流する第２の電流線を挟むように配置された第３の磁気センサ及び第４の磁気センサを含む第２の電流センサユニットと、前記被測定電流及び前記第２の電流とは異なる第３の電流が通流する第３の電流線を挟むように配置された第５の磁気センサ及び第６の磁気センサを含む第３の電流センサユニットと、を備えた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。
第ｍの電流センサユニット（ｍは１〜３の自然数）の前記第ｎの電流線（ｎは１〜３の自然数）を通流する電流に関する感度係数Ｘ_ｍｎ、前記第１の磁気センサの出力と前記第２の磁気センサの出力との差ΔＶ_１、前記第３の磁気センサの出力と前記第４の磁気センサの出力との差ΔＶ_２、及び前記第５の磁気センサの出力と前記第６の磁気センサの出力との差ΔＶ_３を用いて表される下記式（１８）から前記第１の電流線を通流する前記被測定電流の電流値Ｉ_１を算出することを特徴とする請求項６に記載の電流センサ。

ただし、Ｄは下記式（２１）を満たす。