JP6544338B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本明細書は、集磁コアと磁電変換素子を備えた電流センサを開示する。

集磁コアと磁電変換素子を備えた電流センサが知られている。集磁コアは、電流が流れる導体を囲むリング形状をなしている。集磁コアは、リングの一か所が分断されてギャップが形成されている。磁電変換素子はセンサチップに内蔵されており、そのセンサチップは集磁コアのギャップに配置される。センサチップは、内部の磁電変換素子の感磁方向がギャップに面する集磁コアの端面の法線方向を向くように配置される。集磁コアは、導体を流れる電流に起因して発生する磁束を集める。磁電変換素子は、集磁コアのギャップを通る磁束を計測する。センサチップに接続しているセンサコントローラは、磁電変換素子が計測した磁束の大きさに基づいて導体に流れる電流を特定する。

特許文献１に、集磁コアのギャップに同タイプの２個のセンサチップを配置した電流センサが開示されている。センサチップは、導体の延設方向に沿って並べて配置されている。センサコントローラは、同じタイプの２個のセンサチップ（２個の磁電変換素子）の出力差が所定の閾値（エラー判定閾値）を超えたとき、いずれかのセンサチップで異常が生じていることを示すエラー信号を出力する。

特開２０１３−１３１６９号公報

２個のセンサチップをギャップに配置する場合、２個のセンサチップは、ギャップに面する集磁コアの端面の法線方向からみて、端面中心に対して左右対称（あるいは上下対称）の位置に配置される。ただし、２個のセンサチップは同じ姿勢で配置される。集磁コアの端面の面積が十分に大きければ、２個のセンサチップは一様な磁場にさらされ、２個のセンサチップが正常であれば、それらは同一の計測結果を出力する。

一方、センサチップの製造上あるいは設計上の要請により、磁電変換素子が、センサチップの中心からいずれかの方向に偏った位置に収容される場合がある。例えば、端面中心に対して左右対称の位置に同じ姿勢で配置された２個のセンサチップを集磁コアの端面の法線方向からみたとき、磁電変換素子がチップ内で右寄りに位置していたとする。このとき、端面中心の左側のセンサチップ内の磁電変換素子は、右側のセンサチップ内の磁電変換素子よりも端面中心の近くに位置することになる。即ち、センサチップを端面中心に対して対称の位置に配置しても、２個のセンサチップ内の磁電変換素子は端面中心からの距離が相違する。集磁コアの端面の面積が大きく、２個のセンサチップの全体が一様な磁場に晒される場合は良い。しかし、センサの小型化を目指して集磁コアの端面の面積を小さくすると、ギャップ間で磁場が一様な範囲が狭くなってくる。そうすると、２個の磁電変換素子の端面中心からの距離のわずかな相違が、夫々の受ける磁場の相違を生じさせ、２個の磁電変換素子の出力（センサチップの出力）に差が生じる。本明細書は、センサチップ内の磁電変換素子のチップ中心からのずれに起因する２個のセンサチップの出力差を抑える技術を提供する。

本明細書が開示する電流センサは、集磁コアと、２個のセンサチップを備えている。集磁コアは、計測対象の電流が流れる導体を囲むリング形状をなしている。リングの一か所が分断され、ギャップが形成されている。２個のセンサチップは、ギャップに配置されている。夫々のセンサチップは磁電変換素子を収容している。磁電変換素子は、集磁コアのギャップに面する端面の法線方向からみてセンサチップのチップ中心からずれて配置されている。２個のセンサチップは、感磁方向が集磁コアのギャップに面する端面の法線方向に延びるように配置されている。さらに、２個のセンサチップは、上記法線方向からみて、センサチップの姿勢（磁電変換素子の位置）を含めて端面中心に対して点対称になるように配置されている、または、センサチップの姿勢（磁電変換素子の位置）を含めて端面中心を通る直線に対して線対称になるように配置されている。なお、ここでいう「点対称」及び「線対称」とは、センサチップの位置だけでなく、その姿勢（チップ中心に対する磁電変換素子の位置）を含めて「点対称」及び「線対称」となっていることを言う。

例えば、センサチップの右側面が端面中心寄りに位置し、左側面が端面中心から遠い側に位置するように、２個のセンサチップが端面中心を挟んで線対称に配置されているとする。そして、磁電変換素子がセンサチップ内で中心よりも右側面寄りに位置しているとする。その場合、上記の配置によれば、２個のセンサチップの磁電変換素子はいずれもチップの中心よりも端面中心の近くに位置する。２個のセンサチップの磁電変換素子は、端面の法線方向からみて端面中心から等距離に位置する。従って、２個の磁電変換素子は等しい磁場に晒され、２個の磁電変換素子（センサチップ）の出力差は大きくならない。

なお、「２個のセンサチップが端面中心を通る直線に対して線対称（姿勢を含む）に配置されている」とは、次の通りに別言できる。即ち、２個のセンサチップは、端面の法線方向からみて、センサチップ中心の垂直二等分線が端面中心を通るとともに、２個のセンサチップの姿勢が垂直二等分線に対して鏡像の関係となるように配置される。

本明細書が開示する電流センサは、さらに、２個の磁電変換素子の出力差が所定の閾値を超えたときにエラー信号（少なくとも一方のセンサチップで異常が発生したことを示す信号）を出力するセンサコントローラを備えているとよい。上記した電流センサは、正常時の２個のセンサチップの出力差が小さいので、所定の閾値を小さくすることができ、異常検知の精度が高くなる。

２個のセンサチップの出力差で異常検知を行うセンサコントローラを備える場合、２個のセンサチップは、ギャップを通る磁束に対して正値を出力する感磁方向がお互いに逆方向を向くように配置されているとよい。その場合、２個のセンサチップの出力は正負が互いに逆になる。それゆえ、２個のセンサチップの出力を単純に足し合わせるだけで、２個のセンサチップの出力差（出力値の絶対値の差）が得られる。センサコントローラの回路が簡単になる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電流センサを採用した電気自動車の電力系のブロック図である。 図２（Ａ）は、電流センサユニットの正面図である。図２（Ｂ）は、電流センサユニットの平面図である。 図３（Ａ）は、ギャップ周辺の拡大平面図である。図３（Ｂ）は、端面の法線方向からみたセンサチップの配置を示す図である。 ギャップにおける磁界とセンサチップの関係を説明する図である。 磁界の強さに応じた２個のセンサチップの出力を示すグラフである。 ２個のセンサチップの別の配置例を示す図である。図６（Ａ）は、ギャップ周辺の拡大平面図である。図６（Ｂ）は、端面の法線方向からみたセンサチップの配置を示す図である。 ２個のセンサチップのさらに別の配置例を示す図である（ギャップ周辺の拡大平面図）。 ２個のセンサチップのさらに別の配置例を示す図である（端面の法線方向からみた図）。

図面を参照して実施例の電流センサを説明する。まず、実施例の電流センサを採用した電気自動車を説明する。図１は、電気自動車１００の電力系のブロック図である。電気自動車１００は、バッテリ３の電力でモータ２１を駆動して走行する。電力制御器２は、バッテリ３の直流電力の電圧を昇圧した後に交流に変換し、モータ２１へ供給する。運転者がブレーキを踏むとモータ２１は、車両の減速エネルギを使って発電する。発電で得られた交流電力は、電力制御器２で直流に変換され、さらに降圧され、バッテリ３の充電に使われる。バッテリ３には、電流センサ１３が備えられている。

電力制御器２は、２組の電圧コンバータ１０ａ、１０ｂと、インバータ２０と、２個のコンデンサ（フィルタコンデンサ１４、及び、平滑コンデンサ１５）を備えている。２組の電圧コンバータ１０ａ、１０ｂは、低電圧端１７と高電圧端１８の間で並列に接続されている。

電圧コンバータ１０ａ、１０ｂは、低電圧端１７に印加されるバッテリ３の電圧を昇圧して高電圧端１８から出力する昇圧機能と、高電圧端１８に印加されるインバータ２０からの電力の電圧を降圧して低電圧端１７に出力する降圧機能を有する。即ち、電圧コンバータ１０ａ、１０ｂは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。インバータ２０からの電力とは、モータ２１が発電した交流電力をインバータ２０が直流電力に変換した電力である。

第１電圧コンバータ１０ａは、２個のトランジスタ５ａ、６ａ、２個のダイオード７ａ、８ａ、リアクトル４ａ、電流センサ１２ａで構成される。２個のトランジスタ５ａ、６ａは直列に接続されている。２個のトランジスタ５ａ、６ａの直列接続は、高電圧端１８の正極１８ａと負極１８ｂの間に接続されている。２個のダイオード７ａ、８ａの夫々は、夫々のトランジスタ５ａ、６ａに逆並列に接続されている。リアクトル４ａの一端は、２個のトランジスタ５ａ、６ａの直列接続の中点に接続されている。リアクトル４ａの他端は、低電圧端１７の正極１７ａに接続されている。低電圧端１７の正極１７ａと負極１７ｂの間にフィルタコンデンサ１４が接続されている。低電圧端１７の負極１７ｂと高電圧端１８の負極１８ｂは直接に接続されている。トランジスタ５ａとダイオード８ａが主に降圧動作に関与し、トランジスタ６ａとダイオード７ａが主に昇圧動作に関与する。図１の電圧コンバータ１０ａの回路構成と動作は良く知られているので詳しい説明は省略する。電流センサ１２ａは、リアクトル４ａを流れる電流を計測する。

第２電圧コンバータ１０ｂは、２個のトランジスタ５ｂ、６ｂ、２個のダイオード７ｂ、８ｂ、リアクトル４ｂ、電流センサ１２ｂで構成される。第２電圧コンバータ１０ｂの構成と機能は第１電圧コンバータ１０ａと同じであるので説明は省略する。電力制御器２は、同じタイプの２組の電圧コンバータ１０ａ、１０ｂを並列に接続し、負荷の分散を図っている。

高電圧端１８の正極１８ａと負極１８ｂの間には、平滑コンデンサ１５が接続されている。平滑コンデンサ１５は、２組の電圧コンバータ１０ａ、１０ｂとインバータ２０の間を流れる電流の脈動を抑制する。

インバータ２０は、電圧コンバータ１０ａ、１０ｂで昇圧されたバッテリ３の直流電力を三相交流電力に変換してモータ２１に供給する。また、インバータ２０は、モータ２１が発電した三相交流電力を直流電力に変換して電圧コンバータ１０ａ、１０ｂに供給する。インバータ２０の具体的な回路構成については図示と説明を省略する。インバータ２０の三相交流出力線の夫々に電流センサ１９ａ−１９ｃが備えられている。

電圧コンバータ１０ａ、１０ｂとインバータ２０は、コントローラ９によって制御される。コントローラ９は、バッテリ３の電流センサ１３、及び、電圧コンバータ１０ａ、１０ｂに備えられた電流センサ１２ａ、１２ｂの計測値に基づいて電圧コンバータ１０ａ、１０ｂのトランジスタ５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂを駆動する。また、コントローラ９は、インバータ２０の三相交流出力線の夫々に備えられた電流センサ１９ａ−１９ｃの計測値に基づいて、インバータ２０を制御する。

電力制御器２は、合計５個の電流センサ１２ａ、１２ｂ、１９ａ−１９ｃを備えている。電力制御器２は、電流センサ１２ａ、１２ｂ、１９ａ−１９ｃの故障を検知する故障検知機能を備えている。次に、故障検知機能について説明する。三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流の合計は常にゼロであるから、三相交流の各出力線に設けられた３個の電流センサ１９ａ−１９ｃの計測値の合計がゼロでない場合、電流センサ１９ａ−１９ｃのいずれかが故障していることが検知できる。一方、バッテリ３と電力制御器２の間には、不図示の別の負荷装置が接続されているため、バッテリ３の電流センサ１３の計測値は、２組の電圧コンバータ１０ａ、１０ｂの電流センサ１２ａ、１２ｂの計測値の合計にはならない。電流センサ１２ａ、１２ｂの夫々は、別の故障検知機能を備えている。電流センサ１２ａ、１２ｂの故障検知機能については後述する。

５個の電流センサ１２ａ、１２ｂ、１９ａ−１９ｃは、一つのセンサユニットにまとめられている。図２を参照して電流センサユニット３０を説明する。図２（Ａ）は、電流センサユニット３０の正面図であり、図２（Ｂ）は、電流センサユニット３０の平面図である。符号４０は、電圧コンバータ１０ａのリアクトル４ａと２個のトランジスタ５ａ、６ａの直列接続をつなぐバスバ４０を示している。「バスバ」とは、大電流を低損失で伝達する導体であり、具体的には銅の細長金属板である。符号４１は、電圧コンバータ１０ｂのリアクトル４ｂと２個のトランジスタ５ｂ、６ｂの直列接続をつなぐバスバ４０を示している。符号４２ａ−４２ｃは、インバータ２０の三相交流出力線のバスバを示している。

図２（Ａ）、（Ｂ）に示すＸ０Ｙ０Ｚ０座標系は、グローバル座標系を示している。グローバル座標系のＸ０軸は、バスバ４０、４１、４２ａ−４２ｃの延設方向に一致している。後に、各センサチップに固有のローカル直交座標系を定義するが、以降の図では、グローバル座標系（Ｘ０Ｙ０Ｚ０座標系）のバスバ４０、４１、４２ａ−４２ｃ及び、後述する集磁コア３５、３６、３７ａ−３７ｃに対する相対的な向きは常に同じであることに留意されたい。別言すれば、本明細書におけるグローバル座標系とは、集磁コアに固定された座標系である。

電流センサユニット３０は、各バスバを囲むリング状の集磁コア３５、３６、３７ａ−３７ｃと、集磁コアのギャップに配置されるセンサチップ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ−３４ｃ、センサコントローラ３１、及び、それらを封止している樹脂モールドで構成されている。各バスバも樹脂モールドを貫通している。図２では、樹脂モールドの図示は省略した。また、図２（Ｂ）では、樹脂モールドに加えてセンサコントローラ３１の図示も省略した。集磁コア３５、３６、３７ａ−３７ｃと、センサチップ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ−３４ｃと、センサコントローラ３１は、樹脂モールドにより、バスバに対する相対位置が固定される。

集磁コア３５は、リング形状をなしており、そのリングがバスバ４０を囲むように配置されている。集磁コア３５のリングは、その一か所が分断されている。分断によって生じた空間をギャップと称する。集磁コア３５のギャップには２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂが配置されている。集磁コア３６も、一か所が分断されたリング形状をなしており、そのリングがバスバ４１を囲むように配置されている。集磁コア３６のギャップにも２個のセンサチップ３３ａ、３３ｂが配置されている。集磁コア３７ａは、バスバ４２ａを囲むように配置されており、集磁コア３７ａのギャップに１個のセンサチップ３４ａが配置されている。集磁コア３７ｂは、バスバ４２ｂを囲むように配置されており、集磁コア３７ｂのギャップに１個のセンサチップ３４ｂが配置されている。集磁コア３７ｃは、バスバ４２ｃを囲むように配置されており、集磁コア３７ｃのギャップに１個のセンサチップ３４ｃが配置されている。集磁コア３５、３６のギャップには、バスバ延設方向に沿って２個のセンサチップが配置されているので、集磁コア３５、３６は、他の集磁コア３７ａ−３７ｃよりもＸ０軸方向の幅が大きい。グローバル座標系のＹ０軸の方向は、集磁コア３５（及び他の集磁コア）のギャップに面する端面３５１、３５２の法線方向に相当する。

各センサチップには磁電変換素子が収容されている。磁電変換素子は、具体的には、検知した磁界の大きさに応じて起電力が変化するホール素子である。集磁コアは、バスバを流れる電流に起因して発生する磁界を集める。発生する磁界の大きさはバスバを流れる電流に比例する。集磁コアのギャップに配置されたセンサチップの磁電変換素子は、集磁コアのギャップを通る磁界（磁束）を計測する。センサチップ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ−３４ｃは、センサコントローラ３１に接続されている。センサコントローラ３１は、夫々のセンサチップ（磁電変換素子）が計測した磁界（磁束）の大きさから、夫々のバスバを流れる電流の大きさを特定し、特定した結果をコントローラ９へ出力する。集磁コア３５とセンサチップ３２ａ、３２ｂとセンサコントローラ３１が、図１の電流センサ１２ａに相当する。集磁コア３６とセンサチップ３３ａ、３３ｂとセンサコントローラ３１が、図１の電流センサ１２ｂに相当する。集磁コア３７ａとセンサチップ３４ａとセンサコントローラ３１が、図１の電流センサ１９ａに相当する。集磁コア３７ｂとセンサチップ３４ｂとセンサコントローラ３１が、図１の電流センサ１９ｂに相当する。集磁コア３７ｃとセンサチップ３４ｃとセンサコントローラ３１が、図１の電流センサ１９ｃに相当する。

センサチップ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ−３４ｃは、内部の磁電変換素子が検知した磁界の大きさに応じて出力電流が変化するように構成されている。磁電変換素子は、感知できる磁界の方向が決まっており、その方向は感磁方向と呼ばれる。感磁方向には正負があり、その正の方向とは、センサチップ（磁電変換素子）を通過する磁束に対してセンサ出力が正値となる向きである。別言すれば、センサチップ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ−３４ｃは、感磁方向と等しい方向の磁界を受けると正値の電流を出力し、感知方向と逆方向の磁界を受けると負値の電流を出力する。

電流センサの故障検知機能について説明する。先に述べたように、三相交流出力の合計は常にゼロである。センサコントローラ３１は、センサチップ３４ａ−３４ｃの計測値の合計の絶対値が所定の閾値を超えた場合、センサチップ３４ａ−３４ｃのいずれかで異常が発生していることを示す信号（エラー信号）をコントローラ９へ出力する。

集磁コア３５とセンサチップ３２ａ、３２ｂとセンサコントローラ３１で構成される電流センサ、及び、集磁コア３６とセンサチップ３３ａ、３３ｂとセンサコントローラ３１で構成される電流センサは、別の故障検知機能を備えている。集磁コア３５とセンサチップ３２ａ、３２ｂとセンサコントローラ３１で構成される電流センサの故障検知機能について説明する。なお、以下の説明は、集磁コア３６とセンサチップ３３ａ、３３ｂとセンサコントローラ３１で構成される電流センサについても該当する。

センサチップ３２ａ、３２ｂは同タイプ（同形状）であり、ともに集磁コア３５のギャップに配置されている。センサチップ３２ａ、３２ｂが正常であれば、両センサチップの出力は等しい。センサチップ３２ａ、３２ｂの出力に所定値以上の差があれば、センサチップ３２ａ、３２ｂのどちらかが故障していることがわかる。センサコントローラ３１は、集磁コア３５のギャップに配置された２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの出力差（出力の絶対値の差）が所定の閾値を超えたらエラー信号（異常が発生していることを示す信号）を出力する。所定の閾値は、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂが正常に動作しているときの出力差の許容値に基づいて設定される。

集磁コア３５のギャップに配置される２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの出力差は正常時はゼロに近いほどよい。そのため、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、同じ大きさの磁場が加わるように、集磁コア３５のギャップに配置される。具体的には、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、集磁コア３５のギャップに面する端面３５１、３５２の法線方向からみて、ギャップ中心を通る直線の両側に一つずつ配置されるとともに、ギャップ中心から等距離の位置に配置される。この点については、図３、図４を参照して後に詳しく説明する。なお、法線方向からみたときのギャップ中心とは、別言すれば、端面中心である。以下では、「端面の法線方向からみたときのギャップ中心」を単に「端面中心」と表記する場合がある。

ところで、製造上の、あるいは、設計上の事情により、各センサチップ内の磁電変換素子は、チップ中心から所定の方向に偏った位置に置かれることが起こり得る。２個のセンサチップを同じ姿勢でギャップ内に並べた場合、端面の法線方向からみて、一方のセンサチップ内の磁電変換素子はチップ中心よりもギャップ中心に近くなり、他方のセンサチップ内の磁電変換素子はチップ中心よりもギャップ中心から離れることになる。すなわち、法線方向からみて２個のセンサチップをギャップ中心に対して対称の位置に配置したとしても、２個のセンサチップ内の磁電変換素子の端面中心からの距離が相違してしまうことが起こり得る。２個のセンサチップ内の磁電変換素子のギャップ中心からの距離が相違すると、２個の磁電変換素子（センサチップ）の出力の絶対値が相違する。２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの出力差に基づく故障検知機能においては、故障を判定する閾値は小さい方が望ましい。２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、センサチップ内の磁電変換素子の位置がセンサチップの中心から偏っていても、２個のセンサチップの出力差が大きくならないように工夫して配置されている。以下、センサチップ３２ａ、３２ｂのギャップ内での配置について説明する。

図３（Ａ）は、集磁コア３５のギャップ周辺の拡大平面図であり、図３（Ｂ）は、ギャップに面する集磁コア３５の端面３５１の法線方向からみたセンサチップ３２ａ、３２ｂの配置図である。端面３５１の法線方向とは、グローバル座標系のＹ０軸の方向に相当する。センサチップ３２ａには磁電変換素子５２ａが内蔵されており、センサチップ３２ｂには磁電変換素子５２ｂが内蔵されている。磁電変換素子５２ａ、５２ｂは、ホール素子であり、素子を貫く特定方向の磁界（磁束）を検知することができる。先に述べたように、素子が検知する磁界（磁束）の方向は感磁方向と呼ばれている。

ここで、各センサチップに固有のローカル直交座標系を定義する。ローカル直交座標系は、集磁コア３５（グローバル座標系）に対する各センサチップの姿勢を特定するために導入する。ローカル直交座標系の原点はセンサチップの中心に設定する。ローカル直交座標系のＸ軸は、内蔵された磁電変換素子の感磁方向に一致させる。ローカル直交座標系のＸ軸の正方向は、その方向の磁界（磁束）の増加に対してセンサチップの出力が増加する方向にとる。別言すれば、Ｘ軸の正方向は、磁界（磁束）の強さとセンサチップの出力が正の相関を有する向きにとる。ローカル直交座標系のＹ軸は、感磁方向（即ちＸ軸）と直交する方向であり、センサチップの特定の向きに一致させる。Ｚ軸は、Ｘ軸とＹ軸に直交する方向にとる。図３に示すように、センサチップ３２ａのローカル直交座標系をＸａ、Ｙａ、Ｚａで表し、センサチップ３２ｂのローカル直交座標系をＸｂ、Ｙｂ、Ｚｂで表す。

センサチップ３２ａ、３２ｂは、同じタイプのチップであり、内部の磁電変換素子５２ａ、５２ｂの位置は、センサチップの中心から同じ方向に偏っている。磁電変換素子５２ａ、５２ｂの実際の位置は、ローカル直交座標系の原点からＹ軸（Ｙａ軸、Ｙｂ軸）の正方向にｄＹだけ偏っている。

２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、チップ内の中心（即ち、ローカル直交座標系の原点）が、集磁コア３５のギャップに面する一対の端面３５１、３５２の中間点に位置するように配置される。図３（Ａ）に示すように、磁電変換素子の中心（即ち、ローカル直交座標系の原点）は、端面３５１、３５２のいずれからも距離Ｗだけ離れている。

また、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、集磁コア３５のギャップに面する端面３５１、３５１の法線方向（図中のＹ０方向）からみたときに、ギャップ中心ＣＰ（端面中心）を通りバスバ４０と直交する直線（中心線ＣＬ）の両側に一つずつ配置される。さらに、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、端面３５１、３５２の法線方向からみたときに、ギャップ中心ＣＰから等距離の位置に配置される。すなわち、図３（Ａ）、（Ｂ）において、ギャップ中心ＣＰとセンサチップ３２ａのローカル直交座標系の原点との間の距離Ｌ１と、ギャップ中心ＣＰとセンサチップ３２ｂのローカル直交座標系の原点との間の距離Ｌ１が等しい。そして、センサチップ３２ａ、３２ｂは、夫々のローカル直交座標系のＹ軸（Ｙａ軸、Ｙｂ軸）が、互いに逆方向を向くように配置される。図３に示されているように、センサチップ３２ａのローカル直交座標系のＹａ軸と、センサチップ３２ｂのローカル直交座標系のＹｂ軸は、互いに逆を向いている。

上記の配置により、センサチップ３２ａ、３２ｂのいずれにおいても、磁電変換素子５２ａ、５２ｂは、ギャップ中心ＣＰから距離Ｌ１＋ｄＹのところに位置にする。図３（Ｂ）の配置は、別言すれば以下の通りである。２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、端面の法線方向からみてギャップ中心ＣＰ（端面中心）を通る直線（中心線ＣＬ）に対して、それらの姿勢を含めて線対称に配置されている。中心線ＣＬは、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの中心（ローカル座標系の原点）の垂直二等分線に相当する。従って２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの配置はさらに次の通りに別言することができる。２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、端面の法線方向からみて、それらの中心の垂直二等分線がギャップ中心ＣＰ（端面中心）を通り、それらの姿勢を含めて垂直二等分線に対して鏡像の関係となるように配置される。

図４に、ギャップにおける磁電変換素子と磁界の関係を表す模式図を示す。矢印線Ｈが磁界（磁界Ｈ）を示す。磁界Ｈは、ギャップ中心ＣＰの上下（図中の上下）で対象となる。磁界Ｈは、ギャップ中心ＣＰの付近では、平行で一様あるが、ギャップ中心ＣＰから離れるにつれて湾曲する。センサチップ３２ａ、３２ｂのいずれも、磁電変換素子は、センサチップの中心（ローカル直交座標系の原点Ｏａ、Ｏｂ）からローカル直交座標系のＹａ、Ｙｂ方向にｄＹだけ偏った場所Ｐａ１、Ｐｂ１に位置する。ローカル直交座標系のＹａ軸とＹｂ軸は、互いに逆方向を向いているので、いずれのセンサチップ３２ａ、３２ｂでも、磁電変換素子５２ａ、５２ｂのギャップ中心ＣＰからの距離は、Ｌ１＋ｄＹとなり、磁界Ｈとの相対関係が同じとなる。従って、センサチップ内の磁電変換素子の位置がチップ中心からずれていても、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの出力差は大きくはならない。

図３（Ｂ）を参照して、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂに内蔵された磁電変換素子５２ａ、５２ｂのＺ０方向の関係について説明する。磁電変換素子のローカル直交座標系のＺ方向の位置がチップ中心からｄＺだけ偏っているとする。なお、チップ中心（ローカル直交座標系の原点）は、バスバ４０から距離Ｔ１の位置である。いずれの磁電変換素子５２ａ、５２ｂも、端面の法線方向からみたときのギャップ中心ＣＰ（端面中心）からｄＺだけ遠ざかることになり、バスバ４０からの距離は、Ｔ１＋ｄＺで等しい。また、磁電変換素子５２ａ、５２ｂのギャップ中心ＣＰに対するＺ０方向の距離は、いずれもｄＺで等しい。従って、２個の磁電変換素子５２ａ、５２ｂの並び方向と交差する方向（グローバル座標系のＺ０方向）では、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂのローカル直交座標系の軸（Ｚａ軸とＺｂ軸）が同じ方向を向いていても、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの出力差は大きくならない。

また、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、磁電変換素子５２ａ、５２ｂの感磁方向を示すＸ軸が、互いに反対方向を向くように配置されている。この特徴は、次の利点を与える。図５に、横軸に磁界の強さをとり、縦軸にセンサチップ出力をとったグラフを示す。先に述べたように、センサチップ３２ａ、３２ｂの出力は、磁界の向きが感磁方向（ローカル直交座標系のＸ軸正方向）と同じであれば、正値の出力となる。また、磁界の向きが感磁方向（ローカル直交座標系のＸ軸正方向）と逆であれば、センサチップ３２ａ、３２ｂの出力は負値となる。そうすると、ローカル直交座標系のＸ軸が互いに逆方向を向いているセンサチップ３２ａ、３２ｂの出力は、図５のごとく、原点で交差するグラフとなる。なお、グラフＧａがセンサチップ３２ａの出力グラフであり、グラフＧｂがセンサチップ３２ｂの出力グラフである。図５から、センサチップ３２ａとセンサチップ３２ｂの出力を加算器で単純に加算するだけで、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの出力差（出力の絶対値の差）が得られることが理解できる。このことにより、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの出力差が所定の閾値を超えたらエラー信号を出力するセンサコントローラ３１の回路構成がシンプルになる。

センサチップ３２ａ、３２ｂと集磁コア３５とセンサコントローラ３１で構成される電流センサの特徴をまとめると以下の通りである。集磁コア３５は、一か所が分断されてギャップが形成されているリング形状をなしている。そのリングがバスバ（計測対象の電流が流れる導体）を囲んでいる。センサチップ３２ａ、３２ｂは、同じタイプ（同形状）であり、集磁コア３５のギャップに配置されている。センサチップ３２ａは磁電変換素子５２ａを収容しており、センサチップ３２ｂは磁電変換素子５２ｂを収容している。２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、集磁コア３５のギャップに面する一対の端面３５１、３５２の法線方向からみて、ギャップ中心ＣＰ（端面中心）を通りバスバ４０と直交する直線（中心線ＣＬ）の両側に一つずつ配置される。２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、法線方向からみて、ギャップ中心ＣＰから等距離の位置に配置される。夫々のセンサチップ３２ａ、３２ｂに対して、その中心に原点が設定され、Ｘ軸が内蔵された磁電変換素子５２ａ、５２ｂの感磁方向を向き、Ｙ軸とＺ軸が夫々感磁方向と直交するローカル直交座標系を定義する。このとき、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、夫々のローカル直交座標系のＸ軸が端面３５１の法線方向を向き、Ｙ軸が２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの並び方向に平行に延びるとともにお互いに逆方向を向くように配置される。別言すれば、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、磁束に対して正値を出力する感磁方向が集磁コアの端面の法線方向で互いに逆方向を向き、法線方向からみてギャップ中心ＣＰ（端面中心）を通る直線（中心線ＣＬ）に対して、姿勢を含めて線対称となるように配置される。

センサコントローラ３１は、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂ（磁電変換素子５２ａ、５２ｂ）の出力差（出力の絶対値の差）が所定の閾値を超えたときにエラー信号を出力する。なお、センサコントローラ３１は、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの少なくとも一方の出力に基づいて、バスバ４０を流れる電流値を算定して出力する。

２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、夫々のローカル直交座標系のＸ軸がお互いに逆方向を向くように配置されている。この配置により、センサコントローラ３１は、簡単な回路構成で２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの出力差（出力の絶対値の差）を得ることができる。

図２に示すセンサチップ３３ａ、３３ｂの配置も、センサチップ３２ａ、３２ｂの配置と同じであり、同様の利点が得られる。

図６を参照して、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの別の配置例を説明する。図６（Ａ）と図６（Ｂ）は、それぞれ、図３（Ａ）と図３（Ｂ）に対応する。図３では、センサチップ３２ａ、３２ｂのローカル直交座標系のＸ軸（Ｘａ軸とＸｂ軸）は、互いに反対方向を向いていた。図６の変形例では、センサチップ３２ａ、３２ｂのローカル直交座標系のＸ軸（Ｘａ軸とＸｂ軸）は、同じ方向を向いている。そのかわり、ロ―カル座標系のＺ軸（Ｚａ軸とＺｂ軸）が互いに反対方向を向いている。なお、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの並び方向に延びるローカル直交座標系のＹ軸（Ｙａ軸とＹｂ軸）は、図３の場合と同様に、互いに反対方向を向いている。図６の配置によっても、センサチップ内の磁電変換素子５２ａ、５２ｂの位置がチップ中心（ローカル直交座標系の原点）からローカル直交座標系のＹ軸方向にｄＹだけ偏っている場合、いずれのセンサチップ３２ａ、３２ｂの磁電変換素子５２ａ、５２ｂも、端面の法線方向からみたときのギャップ中心ＣＰ（端面中心）から等距離（Ｌ１＋ｄＹ）に位置することになる。この場合でも、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの出力差は大きくならない。

図６（Ｂ）の配置において、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、中心線ＣＬに対して線対称の位置ではあるが、ローカル座標系のＺ軸とＹ軸がともに反対方向を向いており、姿勢は鏡像の関係にはない。２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、端面の法線方向からみたときのギャップ中心ＣＰ（端面中心）に対して点対称に配置されていることになる。ここで「点対称」とは、センサチップの姿勢も含む。２個のセンサチップがそれらの姿勢を含んでギャップ中心ＣＰに対して点対称とは、２個のセンサチップの位置がギャップ中心ＣＰに対して点対称の位置にあることに加えて、一方のセンサチップをその中心回りに１８０度回転させて他方のセンサチップに重ね合わせると、両者の輪郭が一致することをいう。

図６の配置では、ローカル直交座標系のＺ軸（Ｚａ軸とＺｂ軸）が互いに逆方向を向いている。センサチップ３２ａ、３２ｂの中心（チップ中心）が、端面の法線方向からみてギャップ中心ＣＰに対して点対称の位置であれば、磁電変換素子の位置がチップ中心から偏っていても、２個のセンサチップの出力差は大きくならない。図６（Ｂ）に示すように、センサチップ３２ａ、３２ｂの磁電変換素子５２ａ、５２ｂの位置がチップ中心からローカル直交座標系のＺ軸正方向にｄＺだけずれても、夫々の磁電変換素子５２ａ、５２ｂのギャップ中心ＣＰからの距離は等しくなる。従って、夫々の磁電変換素子５２ａ、５２ｂに対する磁界の相対関係も等しくなり、夫々のセンサチップ３２ａ、３２ｂの出力差は大きくならない。この利点は、センサチップ３２ａ、３２ｂが、端面３５１の法線方向からみて、ギャップ中心ＣＰに対して点対称に配置されていれば得られる。

図７、図８を参照して、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂのさらに別の配置例を説明する。図７、図８の配置例では、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、集磁コア１３５の端面３５１、３５２の法線方向（グローバル座標系のＹ０方向）から見て、ギャップ中心ＣＰを通りバスバ４０と平行な直線（中心線ＣＬ２）の両側に一つずつ配置される。

２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、集磁コア１３５のギャップに面する一対の端面３５１、３５２の中間に位置するように配置される。図７に示すように、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、端面３５１、３５２のいずれからも距離Ｗの位置に配置される。また、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、端面３５１の法線方向からみてギャップ中心ＣＰ（端面中心）から等距離（距離Ｌ２）の位置に配置される。そして、夫々のセンサチップ３２ａ、３２ｂに対して、その中心に原点が設定され、Ｘ軸が内部の磁電変換素子５２ａ、５２ｂの感磁方向を向き、Ｙ軸とＺ軸の夫々が感磁方向と直交する方向を向くようにローカル直交座標系を定義する。このとき、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、夫々のローカル直交座標系のＸ軸が法線方向を向き、かつ、Ｙ軸が２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの並び方向に平行に延びるとともにお互いに逆方向を向くように配置される。図７、図８の例では、磁電変換素子５２ａ、５２ｂのチップ内での位置は、チップ中心からローカル直交座標系のＹ軸正方向にｄＹだけ偏っている。図７、図８に示すように、この場合、センサチップ３２ａ、３２ｂの中の磁電変換素子５２ａ、５２ｂは、いずれも、ギャップ中心ＣＰから距離Ｌ２＋ｄＹの距離に位置する。磁電変換素子５２ａ、５２ｂがギャップ中心ＣＰから等距離に位置するので、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの出力差は大きくはならない。

図８の配置も、２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂは、ギャップに面する端面の法線方向からみたときのギャップ中心ＣＰ（端面中心）に対して、それらの姿勢を含めて点対称に配置されている。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図３の配置の特徴と図８の配置の特徴を合わせて次のように表現することができる。２個のセンサチップは、集磁コアのギャップに面する端面の法線方向からみてギャップ中心ＣＰを通りバスバ（導体）と直交する直線ＣＬ、あるいは、ギャップ中心ＣＰを通りバスバ（導体）と平行な直線ＣＬ２の両側に１個ずつ配置されていることが望ましい。ギャップ中心ＣＰとは、集磁コアのギャップに面する端面の法線方向からみて、端面の輪郭の中心（端面中心）を意味する。集磁コアのギャップに面する端面の輪郭が円形の場合、２個のセンサチップは、端面の法線方向からみて、ギャップ中心を通れば如何なる向きの直線であっても、その直線の両側に一つずつ配置されていればよい。

ギャップを挟んだ一対の端面の夫々の形状は、法線方向からみて左右上下が対称の形状であればよい。ギャップを挟む一対の端面は同形状でなくともよいが、いずれの端面も端面中心に対して上下左右が対称の形状であればよい。

実施例のいずれの配置例も、２個のセンサチップは、集磁コアの端面の法線方向からみて、２個のセンサチップのセンサ中心を結ぶ線分の中点にギャップ中心が位置するように配置されていた。図３と図６の配置例は、別言すると、２個のセンサチップは、それらの中心が、集磁コアの端面の法線方向からみて、ギャップ中心を通りバスバ４０の延設方向と平行な直線上に位置するように、配置されている。図７、図８の配置例は、別言すると、２個のセンサチップは、それらの中心が、集磁コアの端面の法線方向からみて、ギャップ中心を通りバスバ４０と直交する直線上に位置するように、配置されている。

集磁コアの端面の法線方向における２個のセンサチップの位置は、一対の端面の中間点であることが望ましいが、中間点に限られない。

２個のセンサチップ３２ａ、３２ｂの３種類の配置例とその利点は、図２に示すセンサチップ３３ａ、３３ｂと集磁コア３６についても該当する。

上記した実施例では、磁電変換素子はセンサチップ内でチップ中心からずれた位置に収容されている。磁電変換素子がセンサチップ内でチップ中心に配置されていれば、２個のセンサチップを同じ姿勢でギャップに配置してもよいと思える。しかしながら、磁電変換素子のチップ内での設計上の位置がチップ中心であっても、２個のセンサチップを線対称あるいは点対称に配置するのがよい。磁電変換素子のチップ内での設計上の位置がチップ中心であっても、製造装置あるいは製造工程の固有の特性により、磁電変換素子のチップ内での位置が設計位置からずれることが起こり得る。製造装置あるいは製造工程の固有の特性は、製造される全てのセンサチップに等しく及ぶから、複数のセンサチップにおいて、磁電変換素子のチップ内の実際の位置は、チップ中心から同じ方向にずれる。すなわち、上記した実施例と同じ状況となる。磁電変換素子のセンサチップ内での設計上の位置がチップ中心であっても、本明細書が開示する技術は有効である。

実施例における集磁コア３５とセンサチップ３２ａ、３２ｂで構成される電流センサが請求項の電流センサの一例に相当する。実施例のセンサコントローラ３１が請求項のセンサコントローラの一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力制御器
３：バッテリ
４ａ、４ｂ：リアクトル
５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ：トランジスタ
７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ：ダイオード
９：コントローラ
１０ａ、１０ｂ：電圧コンバータ
１２ａ、１２ｂ、１３、１９ａ−１９ｃ：電流センサ
１４：フィルタコンデンサ
１５：平滑コンデンサ
２０：インバータ
２１：モータ
３０：電流センサユニット
３１：センサコントローラ
３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ−３４ｃ：センサチップ
３５、３６、３７ａ−３７ｃ、１３５：集磁コア
４０、４１、４２ａ−４２ｃ：バスバ
５２ａ、５２ｂ：磁電変換素子
１００：電気自動車
３５１、３５２：端面
ＣＰ：ギャップ中心

Claims (3)

1. 導体を流れる電流を計測する電流センサであり、
   前記導体を囲むリング形状をなしているとともに、当該リング形状の一か所が分断されてギャップが形成されている集磁コアと、
   夫々が磁電変換素子を収容しており、前記ギャップに配置されている２個のセンサチップと、
   を備えており、
   前記磁電変換素子は、前記集磁コアの前記ギャップに面する端面の法線方向からみて前記センサチップのチップ中心からずれて配置されており、
   ２個の前記センサチップは、感磁方向が前記法線方向に延びるように配置されているとともに、前記法線方向からみて、前記端面の中心（端面中心）に対して前記磁電変換素子の位置を含めて点対称になるように配置されている、または、前記端面中心を通る直線に対して前記磁電変換素子の位置を含めて線対称になるように配置されている、電流センサ。
2. ２個の前記磁電変換素子の出力差が所定の閾値を超えたときにエラー信号を出力するセンサコントローラをさらに備えている請求項１に記載の電流センサ。
3. ２個の前記センサチップは、前記ギャップを通る磁束に対して正値を出力する感磁方向がお互いに逆方向を向くように配置されている、請求項２に記載の電流センサ。

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