JP6640571B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、電流センサに関する。

従来より、一次導体との絶縁を確保しながらこれに流れる電流を測定することのできる電流センサとして、ホール素子を用いるもの（ホール型）や磁気抵抗効果素子を用いるもの（ＭＲ型）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１１−３９０２１号公報 特開２０１４−１９０７７４号公報

しかしながら、ホール型の電流センサは、一般に感度が低いので、一次導体と電流センサとの距離を近づけなければならず、絶縁性が低くなるという課題があった。なお、集磁ヨークなどの磁気コアを用いて感度を高めることもできるが、このような従来手法では、電流センサのコストアップや大型化を招いてしまう。また、磁気コアを用いると外乱となる環境磁界の影響を受けやすくなるので、電流センサの取り付け位置によっては、磁気シールドを用意する必要があり、更なるコストアップや大型化を招くおそれもあった。

一方、ＭＲ型の電流センサであれば、ホール型の電流センサと比べて感度が高いので、磁気コアを用いる必要がなくなる。しかしながら、ＭＲ型の電流センサでは、バイアス磁界の印加手段（永久磁石）が必要となるので、電流センサのコスト削減や小型化を図る上では、更なる改善の余地があった。

なお、特許文献２では、磁気インピーダンス効果素子を用いるＭＩ型の磁気計測装置が提案されているが、電流センサへの応用については何ら言及されておらず、また、一対のＭＩセンサの感度差を是正する手法についても改善の余地があった。

本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者によって見出された上記の課題に鑑み、低コストで小型かつ高精度の電流センサを提供することを目的とする。

本明細書中に開示されている電流センサは、測定対象電流による磁界が互いに逆向きに印加されるように配置された第１ＭＩセンサ部及び第２ＭＩセンサ部と、前記測定対象電流による磁界を検出しないように配置された第３ＭＩセンサ部と、前記第１ＭＩセンサ部で生成される第１センサ信号と前記第２ＭＩセンサ部で生成される第２センサ信号との差分入力を受けて第１サンプル／ホールド信号を生成する第１サンプル／ホールド部と、前記第３ＭＩセンサ部で生成される第３センサ信号の入力を受けて第２サンプル／ホールド信号を生成する第２サンプル／ホールド部と、前記第１サンプル／ホールド信号またはその増幅信号を第１ゲインで増幅することにより第１増幅信号を生成する第１アンプ部と、前記第２サンプル／ホールド信号またはその増幅信号を第２ゲインで増幅することにより第２増幅信号を生成する第２アンプ部と、前記第１増幅信号から前記第２増幅信号を減算して出力信号を生成する減算部と、前記第１ＭＩセンサ部と前記第２ＭＩセンサ部との感度差を補正するように前記第１ゲイン及び前記第２ゲインを調整するゲイン調整部と、を有する構成（第１の構成）とされている。

第１の構成から成る電流センサにおいて、前記第１〜第３ＭＩセンサ部は、前記第１ＭＩセンサ部、前記第３ＭＩセンサ部、前記第２ＭＩセンサ部という順に、センサデバイス上で直列に並べられている構成（第２の構成）にするとよい。

第１又は第２の構成から成る電流センサにおいて、前記ゲイン調整部は、前記第１ゲイン及び前記第２ゲインの調整値を不揮発的に保持する構成（第３の構成）にするとよい。

第１〜第３いずれかの構成から成る電流センサは、前記第１〜第３ＭＩセンサ部の感度をそれぞれα、β、γとして、前記第１ゲイン及び前記第２ゲインをそれぞれＸ、Ｙとしたときに、Ｘ／Ｙ＝γ／（α−β）が成立する構成（第４の構成）にするとよい。

上記第４の構成から成る電流センサは、Ｘ＝２／（α＋β）、Ｙ＝｛２・（α−β）｝／｛（α＋β）・γ｝が成立する構成（第５の構成）にするとよい。

第１〜第５いずれかの構成から成る電流センサにおいて、前記第１〜第３ＭＩセンサ部は、それぞれ、磁気インピーダンス効果素子とコイルを含み、前記コイルの誘起電圧を前記第１〜第３センサ信号として出力する構成（第６の構成）にするとよい。

第６の構成から成る電流センサにおいて、前記第１〜第３ＭＩセンサ部は、単一の磁気インピーダンス効果素子を共有している構成（第７の構成）にするとよい。

第６または第７の構成から成る電流センサにおいて、前記磁気インピーダンス効果素子は、アモルファスワイヤである構成（第８の構成）にするとよい。

第６〜第８いずれかの構成から成る電流センサは、前記第１〜第３ＭＩセンサ部のコイルについて、それぞれの巻数をｍ１、ｍ２、ｍ３としたとき、ｍ１＝ｍ２＞ｍ３が成立する構成（第９の構成）にするとよい。

また、本明細書中において開示されている電流センサは、測定対象電流による磁界が互いに逆向きに印加されるように配置された第１ＭＩセンサ部及び第２ＭＩセンサ部と、前記第１ＭＩセンサ部で生成される第１センサ信号と前記第２ＭＩセンサ部で生成される第２センサ信号との差分入力を受けてサンプル／ホールド信号を生成するサンプル／ホールド部と、前記サンプル／ホールド信号を増幅して出力信号を生成するアンプ部と、を有する構成（第１０の構成）とされている。

また、本明細書中に開示されている電流センサは、測定対象電流による磁界が互いに逆向きに印加されるように配置された第１ＭＩセンサ部及び第２ＭＩセンサ部と、前記第１ＭＩセンサ部で生成される第１センサ信号の入力を受けて第１サンプル／ホールド信号を生成する第１サンプル／ホールド部と、前記第２ＭＩセンサ部で生成される第２センサ信号の入力を受けて第２サンプル／ホールド信号を生成する第２サンプル／ホールド部と、前記第１サンプル／ホールド信号またはその増幅信号を第１ゲインで増幅することにより第１増幅信号を生成する第１アンプ部と、前記第２サンプル／ホールド信号またはその増幅信号を第２ゲインで増幅することにより第２増幅信号を生成する第２アンプ部と、前記第１増幅信号から前記第２増幅信号を減算して出力信号を生成する減算部と、前記第１ＭＩセンサ部と前記第２ＭＩセンサ部との感度差を補正するように前記第１ゲイン及び前記第２ゲインを調整するゲイン調整部とを有する構成（第１１の構成）とされている。

第１１の構成から成る電流センサは、前記第１ＭＩセンサ部の感度と前記第２ＭＩセンサ部の感度をそれぞれα、βとし、前記第１ゲイン及び前記第２ゲインをそれぞれＸ、Ｙとしたときに、Ｘ／Ｙ＝β／αが成立する構成（第１２の構成）にするとよい。

第１２の構成から成る電流センサは、Ｘ＝１／α、Ｙ＝１／βが成立する構成（第１３の構成）にするとよい。

また、本明細書中に開示されている測定対象システムは、一次導体と、前記一次導体との絶縁を確保しながらこれに流れる測定対象電流を測定する上記第１〜第１３いずれかの構成から成る電流センサと、を有する構成（第１４の構成）とされている。

第１４の構成からなる測定対象システムにおいて、前記一次導体は、前記測定対象電流が互いに逆向きに流れるように敷設された往路部と復路部を含み、前記電流センサは、前記往路部と前記復路部からそれぞれ等距離となる位置に設けられて前記測定対象電流による磁界を検出するセンサデバイスを含む構成（第１５の構成）にするとよい。

本明細書中に開示されている発明によれば、低コストで小型かつ高精度の電流センサを提供することが可能となる。

電流センサが適用される測定対象システムの一例を示す模式図 電流センサの一配置例を示す模式図 電流センサの第１実施形態を示すブロック図 第１実施形態における各部信号レベルの一具体例を示すブロック図 第１実施形態の変形例を示すブロック図 電流センサの第２実施形態を示すブロック図 第２実施形態における各部信号レベルの一具体例を示すブロック図 電流センサの第３実施形態を示すブロック図

＜測定対象システム＞
図１は、電流センサが適用される測定対象システムの一例を示す模式図である。なお、本図上段には測定対象システム１の平面図（ｘｙ面）が描写されており、本図下段には本図上段におけるＰ１−Ｐ２断面図（ｘｚ面）が描写されている。本図に示すように、本構成例の測定対象システム１は、電流センサ１００と、一次導体２００と、を有する。

電流センサ１００は、センサデバイス１１０と、これを搭載するセンサ基板１２０とを含み、一次導体２００との絶縁を確保しながらこれに流れる測定対象電流Ｉを測定する。

一次導体２００は、測定対象電流Ｉが流れる電流経路である。本図の例において、一次導体２００は、ｙ軸と平行に敷設された往路部２０１及び復路部２０２と、両者を連結する連結部２０３とを含み、その平面視において、Ｕ字形状（ないしはコの字形状）となるように敷設されている。

本図の例示において、測定対象電流Ｉは、往路部２０１を介してｙ軸の正方向に流れ込み、連結部２０３を介してその向きを１８０°反転した後、復路部２０２を介してｙ軸の負方向に流れ出る。このように、往路部２０１と復路部２０２は、測定対象電流Ｉが互いに逆向きに流れるように敷設されている。

なお、測定対象電流Ｉの方向は、本図と逆（復路部２０２→連結部２０３→往路部２０１）でも構わない。また、連結部２０３は、必ずしも往路部２０１と復路部２０２を最短で結ぶ経路に敷設されている必要はなく、例えば、負荷に向けて連結部２０３を延伸させたり、障害物を避けて連結部２０３を迂回させたりすることも自由である。

センサ基板１２０は、その平面視において、ｘ軸方向を長手方向とする長矩形状の板部材であり、本図の例では、往路部２０１と復路部２０２の双方に対して左右均等に跨るように配設されている。なお、センサ基板１２０の裏面と往路部２０１及び復路部２０２との間は、絶縁されている。ただし、両者の接触／非接触については不問である。

センサデバイス１１０は、センサ基板１２０の表面上において、センサ基板１２０の長手方向中央位置ｘ０（＝往路部２０１及び復路部２０２からそれぞれ等距離となる位置）に中心を合わせて設けられている。センサデバイス１１０は、測定対象電流Ｉによる磁界（本図下段の破線矢印を参照）を検出することにより、測定対象電流Ｉの大きさに応じた電気信号（例えば電圧信号）を出力する。

なお、本図では、センサ基板１２０の表面側にセンサデバイス１１０が搭載され、センサ基板１２０の裏面側に一次導体２００が敷設された例を挙げたが、センサ基板１２０に対するセンサデバイス１１０と一次導体２００との位置関係については逆でも構わない。

図２は、電流センサ１００の一配置例を示す模式図である。本図の測定対象システム１では、一次導体２００の往路部２０１と復路部２０２を形成するために、電源３００の正極端から負荷４００に至る電流経路部分をＵ字形状に屈曲させて一次導体２００が敷設されている。電流センサ１００は、往路部２０１と復路部２０２との間に配置されており、電源３００から負荷４００に流れ込む測定対象電流Ｉを測定する。

なお、測定対象システム１のレイアウトは、これに限定されるものではなく、例えば、負荷４００から電源３００の負極端に至る電流経路部分をＵ字形状に屈曲させて一次導体２００を敷設してもよい。この場合、電流センサ１００では、負荷４００から電源３００に戻ってくる測定対象電流Ｉを測定することになる。

＜電流センサ（第１実施形態）＞
図３は、電流センサ１００の第１実施形態を示すブロック図である。本実施形態の電流センサ１００は、ＭＩ［magneto-impedance］センサ部１１及び１２と、サンプル／ホールド部２１及び２２と、メインアンプ部３１及び３２と、サブアンプ部４１及び４２と、減算部５０と、ゲイン調整部６０と、発振部７０と、パルス駆動部８０と、を含む。これらの構成要素のうち、少なくともＭＩセンサ部１１及び１２については、センサデバイス１１０に組み込まれている。一方、他の構成要素については、センサデバイス１１０に組み込んでもよいし、センサ基板１２０上に設けてもよい。

ＭＩセンサ部１１及び１２は、それぞれ、共有の磁気インピーダンス効果素子ＭＩ（例えば磁気異方性材料により形成されたアモルファスワイヤ）と、これに捲回されたコイルＬ１及びＬ２と、を含み、コイルＬ１及びＬ２の両端間に生じる誘起電圧をセンサ信号Ｓ１１及びＳ１２として出力する。

なお、コイルＬ１の巻数ｍ１とコイルＬ２の巻数ｍ２は同数である。ただし、ｍ１≠ｍ２であっても構わない。また、ＭＩセンサ部１１及び１２は、単一の磁気インピーダンス効果素子ＭＩを共有している。このような構成とすることにより、ＭＩセンサ部１１及び１２のペア性を高めることが可能となる。

ＭＩセンサ部１１及び１２は、センサデバイス１１０上で、ｘ軸に沿って直列に配置されている。より具体的に述べると、ＭＩセンサ部１１及び１２は、センサ基板１２０の長手方向中央位置ｘ０を基準として線対称となる位置（例えば、センサデバイス１１０のｘ軸方向両端部近傍）に設けられている。従って、ＭＩセンサ部１１及び１２と一次導体２００との位置関係を鑑みると、ＭＩセンサ部１１及び１２のうち、一方が往路部２０１寄りに配置された状態となり、他方が復路部２０２寄りに配置された状態となる。

上記のセンサ配置により、ＭＩセンサ部１１及び１２には、それぞれ、測定対象電流Ｉによる磁界（以下では測定対象磁界と呼ぶ）が互いに逆向きに印加される。本図の例示では、ＭＩセンサ部１１に対してｘ軸正方向の測定対象磁界（＋ｂ）が印加されており、ＭＩセンサ部１２に対してｘ軸負方向の測定対象磁界（−ｂ’）が印加されている。すなわち、ＭＩセンサ部１１及び１２に対してそれぞれ印加される測定対象磁界は、互いに逆相（＋ｂ、−ｂ’）となる。なお、ＭＩセンサ部１１及び１２にそれぞれ印加される測定対象磁界の絶対値（ｂ、ｂ’）については、ＭＩセンサ部１１及び１２の位置ずれなどにより、ｂ≠ｂ’であることが普通である。

一方、ＭＩセンサ部１１及び１２には、測定対象システム１の置かれた環境に依存して外乱となる環境磁界が印加され得る。この場合、ＭＩセンサ部１１及び１２に対してそれぞれ印加される環境磁界は、互いに同相（＋ａ）となる。

サンプル／ホールド部２１及び２２は、いずれも、クロック信号ＣＬＫに同期して所定の位相におけるセンサ信号Ｓ１１及びＳ１２の信号値（例えばピーク値）をサンプル／ホールドすることにより、サンプル／ホールド信号Ｓ２１及びＳ２２をそれぞれ生成する。

メインアンプ部３１は、サンプル／ホールド信号Ｓ２１を固定ゲインＡで増幅することにより、増幅信号Ｓ３１を生成する。サブアンプ部４１は、増幅信号Ｓ３１を可変ゲインＸで増幅することにより、増幅信号Ｓ４１を生成する。なお、メインアンプ部３１とサブアンプ部４１は、一元化してもよい。

メインアンプ部３２は、サンプル／ホールド信号Ｓ２２を固定ゲインＡで増幅することにより、増幅信号Ｓ３２を生成する。サブアンプ部４２は、増幅信号Ｓ３２を可変ゲインＹで増幅することにより、増幅信号Ｓ４２を生成する。なお、メインアンプ部３２とサブアンプ部４２は、一元化してもよい。

減算部５０は、増幅信号Ｓ４１から増幅信号Ｓ４２を減算して出力信号Ｓ５０を生成する。このような減算処理を行うことにより、環境磁界（＋ａ）の影響がキャンセルされた出力信号をＳ５０を得ることができる。

ゲイン調整部６０は、ＭＩセンサ部１１及び１２の感度差を補正するように、サブアンプ部４１及び４２それぞれの可変ゲインＸ及びＹを調整する。より具体的に述べると、ＭＩセンサ部１１及び１２の感度をそれぞれα、βとしたときに、ゲイン調整部６０は、Ｘ／Ｙ＝β／α（例えば、Ｘ＝１／α、Ｙ＝１／β）が成立するように、可変ゲインＸ及びＹを調整する。なお、感度α及びβは、それぞれ、センサ信号Ｓ１１及びＳ１２の理想出力レベルに対する実出力レベルの比として定義することができる。

特に、ゲイン調整部６０は、可変ゲインＸ及びＹの調整値を不揮発的に保持する機能を備えている。このような構成とすることにより、例えば、電流センサ１００の出荷前に可変ゲインＸ及びＹの調整を行い、その調整結果をゲイン調整部６０に保持させておくことにより、電流センサ１００の検出精度を向上することが可能となる。なお、調整値の保持手段については、ＯＴＰＲＯＭ［one time programmable read only memory］などの半導体メモリを用いてもよいし、或いは、レーザトリミングなどの手法を用いてもよい。

発振部７０は、所定周波数のクロック信号ＣＬＫを生成し、これをサンプル／ホールド部２１及び２２とパルス駆動部８０に供給する。

パルス駆動部８０は、クロック信号ＣＬＫに同期してパルス波状の駆動電流Ｉｐを生成し、これを磁気インピーダンス効果素子ＭＩに供給する。駆動電流Ｉｐが流されると、磁気インピーダンス効果素子ＭＩの表皮効果により、コイルＬ１及びＬ２には、印加磁界に応じた一過性の誘起電圧が生じる。従って、これをセンサ信号Ｓ１１及びＳ１２として検出することにより、測定対象磁界の強度（延いては測定対象電流Ｉの大きさ）を測定することができる。

図４は、第１実施形態における各部信号レベルの一具体例を示すブロック図である。なお、以下では、α＝１、β＝０．９、Ａ＝１０、Ｘ＝１（＝１／α）、Ｙ＝１０／９（＝１／β）であるものとして詳細な説明を行う。なお、このようなＭＩセンサ部１１及び１２の感度差（＝感度α及びβの不一致）は、ＭＩセンサ部１１及び１２の位置ずれやマッチングばらつきなどにより、ほぼ不可避的に生じる。ただし、ＭＩセンサ部１１及び１２にそれぞれ印加される測定対象磁界の絶対値（ｂ、ｂ’）については、理解を容易とするために、ｂ＝ｂ’とする。

本図の例において、サンプル／ホールド信号Ｓ２１の信号レベルは、環境磁界（＋ａ）に応じた電圧値（＝＋１Ｖ）と、測定対象磁界（＋ｂ）に応じた電圧値（＝＋１０ｍＶ）とを足し合わせた電圧値（＝＋１．０１Ｖ）となっている。メインアンプ部３１は、サンプル／ホールド信号Ｓ２１を１０倍に増幅して出力するので、増幅信号Ｓ３１の信号レベルは＋１０．１Ｖとなる。また、サブアンプ部４１は、増幅信号Ｓ３１を等倍（１倍）のまま出力するので、増幅信号Ｓ４１の信号レベルは＋１０．１Ｖとなる。

一方、サンプル／ホールド信号Ｓ２２の信号レベルは、環境磁界（＋ａ）に応じた電圧値（＝＋０．９Ｖ（＝＋１Ｖ×０．９））と測定対象磁界（−ｂ’）に応じた電圧値（＝−９ｍＶ（＝−１０ｍＶ×０．９））を足し合わせた電圧値（＝＋０．８９１Ｖ）となっている。このように、ＭＩセンサ部１２の感度βが１でないときには、サンプル／ホールド信号Ｓ２２の信号レベルが理想値（＝＋０．９９Ｖ（＝＋１Ｖ−１０ｍＶ））からずれる。メインアンプ部３２は、サンプル／ホールド信号Ｓ２２を１０倍に増幅して出力するので、増幅信号Ｓ３２の信号レベルは＋８．９１Ｖとなる。また、サブアンプ部４２は、増幅信号Ｓ３２を１．１１倍（＝１０／９倍）に増幅して出力するので、増幅信号Ｓ４２の信号レベルは＋９．９Ｖとなる。このように、サブアンプ部４１での増幅処理により、増幅信号Ｓ４２の信号レベルが理想値（＝＋０．９９Ｖ×１０）に補正される。

減算部５０は、増幅信号Ｓ４１から増幅信号Ｓ４２を減算して出力信号Ｓ５０を生成する。従って、出力信号Ｓ５０の信号レベルは＋２００ｍＶ（＝０．２Ｖ）となる。この電圧値は、測定対象磁界（±ｂ）に応じた電圧値（＝±１０ｍＶ）を固定ゲインＡで１０倍し、さらに差動増幅で２倍した電圧値に等しい。

このように、本実施形態の電流センサ１００であれば、ホール型の電流センサと比べて感度が非常に高いので、磁気コアを使用することなく一次導体２００から十分に離れた位置でも電流測定を行うことが可能となる。また、ＭＲ型の電流センサと異なり、バイアス磁界の印加手段（永久磁石）も不要となる。

さらに、本実施形態の電流センサ１００であれば、ＭＩセンサ部１１及び１２の近傍に別途の調整部材（磁性体、磁石、導体、コイルなど）を設けたり、或いは、両者の方向を相対的に変更する機械的機構を設けたりすることなく、サブアンプ部４１及び４２の可変ゲインＸ及びＹを個別に調整するだけで、容易にＭＩセンサ部１１及び１２の感度差を補正することができる。従って、電流センサ１００のコストアップや大型化を招かずに環境磁界（＋ａ）の影響をキャンセルして高精度の電流測定を行うことが可能となる。

図５は、第１実施形態の変形例を示すブロック図である。本変形例の電流センサ１００において、ＭＩセンサ部１１及び１２は、それぞれ独立した磁気インピーダンス効果素子ＭＩ１及びＭＩ２を有している。これらの磁気インピーダンス効果素子ＭＩ１及びＭＩ２には、それぞれ、パルス波状の駆動電流Ｉｐ１及びＩｐ２が供給される。本変形例を採用した場合には、ＭＩセンサ部１１及び１２の配置レイアウトについて、その自由度を高めることができる。ただし、先にも述べたように、ＭＩセンサ部１１及び１２のペア性向上を優先するのであれば、図１の構成を採用することが望ましい。

なお、これまでに説明してきた第１実施形態の電流センサ１００では、比較的大きな環境磁界（＋ａ）が印加された場合に、増幅信号Ｓ３１及びＳ３２、ないしは、増幅信号Ｓ４１及びＳ４２が過大となり、減算部５０の入力ダイナミックレンジを外れてしまうおそれがある（例えば図４を参照）。そのため、使用環境によっては、メインアンプ部３１及び３２の固定ゲインＡを予め引き下げておかねばならない場合もあり、ＳＮ比の悪化を招く懸念も否めない。以下では、このような懸念を払拭するための手法について提案する。

＜電流センサ（第２実施形態）＞
図６は、電流センサ１００の第２実施形態を示すブロック図である。第２実施形態の電流センサ１００は、先の第１実施形態をベースとしつつ、ＭＩセンサ部１１及び１２に加えて３つ目のＭＩセンサ部１３を含むほか、サンプル／ホールド部２１及び２２に代えてサンプル／ホールド部２３及び２４を含む点に特徴を有する。そこで、第１実施形態と同様の構成要素については、図３と同一の符号を付すことにより重複した説明を割愛し、以下では、第２実施形態の特徴部分について重点的な説明を行う。

ＭＩセンサ部１３は、ＭＩセンサ部１１〜１３により共有される磁気インピーダンス効果素子ＭＩと、これに捲回されたコイルＬ３とを含み、コイルＬ３の両端間に生じる誘起電圧をセンサ信号Ｓ１３として出力する。

なお、コイルＬ３の巻数ｍ３は、コイルＬ１及びＬ２の巻数ｍ１及びｍ２よりも少なく設定されている（ｍ１＝ｍ２＞ｍ３）。このような構成とすることにより、ＭＩセンサ部１３の感度γをＭＩセンサ部１１及び１２の感度α及びβよりも意図的に小さく設定することが可能となり、延いては、後述するゲイン調整が容易となる。ただし、巻数ｍ３を巻数ｍ１及びｍ２と同値に設定してもよい。

また、ＭＩセンサ部１１〜１３は、ＭＩセンサ部１１、ＭＩセンサ部１３、第２ＭＩセンサ部１２という順に、センサデバイス１１０上でｘ軸に沿って直列に配置されている。具体的に述べると、ＭＩセンサ部１３は、センサ基板１２０の長手方向中央位置ｘ０に設けられている。従って、ＭＩセンサ部１３と一次導体２００との位置関係を鑑みると、ＭＩセンサ部１３は、往路部２０１と復路部２０２の双方から等しい距離にあって測定対象磁界を検出しない位置（より正確には、往路部２０１から印加される測定対象磁界と復路部２０２から印加される測定対象磁界とが互いに打ち消し合うことにより、いずれの影響もほぼ受けずに済む位置）に配置された状態となる。

一方、ＭＩセンサ部１３には、ＭＩセンサ部１１及び１２と同様、測定対象システム１の置かれた環境に依存して外乱となる環境磁界が印加され得る。この場合、ＭＩセンサ部１１〜１３に対してそれぞれ印加される環境磁界は、いずれも同相（＋ａ）となる。

サンプル／ホールド部２３は、センサ信号Ｓ１１及びＳ１２との差分入力を受け付けており、クロック信号ＣＬＫに同期して所定の位相における差分センサ信号（＝Ｓ１１−Ｓ１２）の信号値（例えばピーク値）をサンプル／ホールドすることにより、サンプル／ホールド信号Ｓ２３を生成する。

サンプル／ホールド部２４は、クロック信号ＣＬＫに同期して所定の位相におけるセンサ信号Ｓ１３の信号値（例えばピーク値）をサンプル／ホールドすることにより、サンプル／ホールド信号Ｓ２４をそれぞれ生成する。

メインアンプ部３１は、サンプル／ホールド信号Ｓ２３を固定ゲインＡで増幅することにより、増幅信号Ｓ３１を生成する。サブアンプ部４１は、増幅信号Ｓ３１を可変ゲインＸで増幅することにより、増幅信号Ｓ４１を生成する。なお、メインアンプ部３１とサブアンプ部４１は、一元化してもよい。

メインアンプ部３２は、サンプル／ホールド信号Ｓ２４を固定ゲインＡで増幅することにより、増幅信号Ｓ３２を生成する。サブアンプ部４２は、増幅信号Ｓ３２を可変ゲインＹで増幅することにより、増幅信号Ｓ４２を生成する。なお、メインアンプ部３２とサブアンプ部４２は、一元化してもよい。

ゲイン調整部６０は、ＭＩセンサ部１１及び１２の感度差を補正するように、サブアンプ部４１及び４２それぞれの可変ゲインＸ及びＹを調整する。具体的に述べると、ＭＩセンサ部１１〜１３の感度をそれぞれα、β、γとしたときに、ゲイン調整部６０は、Ｘ／Ｙ＝γ／（α−β）（例えば、Ｘ＝２／（α＋β）、Ｙ＝｛２・（α−β）｝／｛（α＋β）・γ｝）が成立するように、可変ゲインＸ及びＹを調整する。なお、ＭＩセンサ部１３の感度γについては、センサ信号Ｓ１１及びＳ１２の理想出力レベルに対するセンサ信号Ｓ１３の実出力レベルの比として定義することができる。

Ｘ／Ｙの比率を上記のように確定しておけば、コイルＬ１及びＬ２の感度ずれに起因する環境磁界（＋α）の検知ずれを相殺することが可能となる（詳細は後述）。なお、Ｘ／Ｙの比率は、測定対象磁界の強度（＋ｂ、−ｂ’）に違いがあっても不変である。

図７は、第２実施形態における各部信号レベルの一具体例を示すブロック図である。なお、以下では、α＝１、β＝０．９、γ＝０．０５、Ａ＝１０、Ｘ＝２０／１９（＝２／（α＋β））、Ｙ＝４０／１９（＝｛２・（α−β）｝／｛（α＋β）・γ｝）であるものとして詳細な説明を行う。また、ＭＩセンサ部１１及び１２にそれぞれ印加される測定対象磁界の絶対値（ｂ、ｂ’）については、理解を容易とするために、ｂ＝ｂ’とする。

本図の例において、サンプル／ホールド信号Ｓ２３の信号レベルは、所定位相におけるセンサ信号Ｓ１１の信号値（＝＋１Ｖ＋１０ｍＶ）から、同位相におけるセンサ信号Ｓ１２の信号値（＝＋０．９Ｖ−９ｍＶ）を差し引いた電圧値（＝０．１１９Ｖ）となっている。メインアンプ部３１は、サンプル／ホールド信号Ｓ２３を１０倍に増幅して出力するので、増幅信号Ｓ３１の信号レベルは＋１．１９Ｖとなる。また、サブアンプ部４１は、増幅信号Ｓ３１を１．０５３倍（＝２０／１９倍）に増幅して出力するので、増幅信号Ｓ４１の信号レベルは、＋１．２５Ｖ（＝２Ａ・｛（α−β）／（α＋β）｝・ａ＋２Ａ・ｂ）となる。

このように、本実施形態の電流センサ１００では、メインアンプ部３１よりも前段でセンサ信号Ｓ１１及びＳ１２の差分処理が行われるので、比較的大きな環境磁界（＋ａ）が印加された場合であっても、増幅信号Ｓ３１及びＳ４１が過大とならない（例えば図７を参照）。より具体的に述べると、先の第１実施形態（図４）では、増幅信号Ｓ３１の信号レベルが＋１０．１Ｖであったのに対して、第２実施形態（図７）では、増幅信号Ｓ３１の信号レベルが＋１．１９Ｖであり、その信号レベルが約１／１０まで低減されている。従って、メインアンプ部３１の固定ゲインＡを予め引き下げておく必要がないので、ＳＮ比の悪化を招かずに済む。

一方、サンプル／ホールド信号Ｓ２４の信号レベルは、環境磁界（＋ａ）のみに応じた電圧値（＝＋５０ｍＶ（＝＋１Ｖ×０．０５））となっている。メインアンプ部３２は、サンプル／ホールド信号Ｓ２４を１０倍に増幅して出力するので、増幅信号Ｓ３２の信号レベルは＋０．５Ｖとなる。また、サブアンプ部４２は、増幅信号Ｓ３２を２．１０５倍（＝４０／１９倍）に増幅して出力するので、増幅信号Ｓ４２の信号レベルは＋１．０５Ｖ（＝２Ａ・｛（α−β）／（α＋β）｝・ａ）となる。

減算部５０は、増幅信号Ｓ４１から増幅信号Ｓ４２を減算して出力信号Ｓ５０を生成する。従って、出力信号Ｓ５０の信号レベルは＋２００ｍＶ（＝２Ａ・ｂ）となる。この電圧値は、測定対象磁界（±ｂ）に応じた電圧値（＝±１０ｍＶ）を固定ゲインＡで１０倍し、さらに差動増幅で２倍した電圧値に等しい。

このように、本実施形態の電流センサ１００であれば、先の第１実施形態と同様、電流センサ１００のコストアップや大型化を招かずに環境磁界（＋ａ）の影響をキャンセルして高精度の電流測定を行うことが可能となる。

また、先にも述べたように、環境磁界（＋ａ）のみを検出するＭＩセンサ部１３の感度γは、ＭＩセンサ部１１及び１２の感度α及びβよりも小さく設定されている。従って、メインアンプ部３２のゲインをメインアンプ部３１のゲインと同値（＝固定ゲインＡ）に設定しても、増幅信号Ｓ３２及びＳ４２が過大となることはない。ただし、必ずしも感度γを感度α及びβよりも小さく設定する必要はなく、γ＝０．５やγ＝１としても構わない。例えば、本図の例において、γ＝１とする場合には、メインアンプ部３２を省略し、Ｘ／Ｙ＝１０となるように、サブアンプ４１及び４２のゲイン調整を行えばよい。

＜電流センサ（第３実施形態）＞
図８は、電流センサ１００の第３実施形態を示すブロック図である。本実施形態は、第２実施形態（図６）をベースとしつつ、ＭＩセンサ部１３、サンプル／ホールド部２４、メインアンプ部３２、サブアンプ部４１及び４２、減算部５０、並びに、ゲイン調整部６０を省略し、増幅信号Ｓ３１を最終的な出力信号とする構成とされている。

すなわち、本実施形態の電流センサ１００は、メインアンプ部３１よりも前段でセンサ信号Ｓ１１及びＳ１２の差分処理を行う、という技術的思想のみを第２実施形態から抽出して具現化したものである。

このような構成であれば、第２実施形態と同様、比較的大きな環境磁界（＋ａ）が印加された場合であっても、増幅信号Ｓ３１が過大とならない。従って、メインアンプ部３１の固定ゲインＡを予め引き下げておく必要がないので、ＳＮ比の悪化を招かずに済む。ただし、ＭＩセンサ部１３などの省略に伴い、ＭＩセンサ部１１及び１２との感度差を補正することはできないので、感度差自体を低減しておく必要がある点に留意すべきである。

＜その他の変形例＞
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本明細書中に開示されている電流センサは、一次導体との絶縁を確保しながらこれに流れる電流を測定する必要のあるシステム全般（太陽光発電システムなど）に広く利用することが可能である。

１ 測定対象システム
１００ 電流センサ
１１０ センサデバイス
１２０ センサ基板
２００ 一次導体
２０１ 往路部
２０２ 復路部
２０３ 連結部
３００ 電源
４００ 負荷
１１、１２、１３ ＭＩセンサ部
２１、２２、２３、２４ サンプル／ホールド部
３１、３２ メインアンプ部
４１、４２ サブアンプ部
５０ 減算部
６０ ゲイン調整部
７０ 発振部
８０ パルス駆動部
ＭＩ、ＭＩ１、ＭＩ２ 磁気インピーダンス効果素子（アモルファスワイヤ）
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ コイル

Claims (15)

1. 測定対象電流による磁界が互いに逆向きに印加されるように配置された第１ＭＩセンサ部及び第２ＭＩセンサ部と、
   前記測定対象電流による磁界を検出しないように配置された第３ＭＩセンサ部と、
   前記第１ＭＩセンサ部で生成される第１センサ信号と前記第２ＭＩセンサ部で生成される第２センサ信号との差分入力を受けて第１サンプル／ホールド信号を生成する第１サンプル／ホールド部と、
   前記第３ＭＩセンサ部で生成される第３センサ信号の入力を受けて第２サンプル／ホールド信号を生成する第２サンプル／ホールド部と、
   前記第１サンプル／ホールド信号またはその増幅信号を第１ゲインで増幅することにより第１増幅信号を生成する第１アンプ部と、
   前記第２サンプル／ホールド信号またはその増幅信号を第２ゲインで増幅することにより第２増幅信号を生成する第２アンプ部と、
   前記第１増幅信号から前記第２増幅信号を減算して出力信号を生成する減算部と、
   前記第１ＭＩセンサ部と前記第２ＭＩセンサ部との感度差を補正するように前記第１ゲイン及び前記第２ゲインを調整するゲイン調整部と、
   を有することを特徴とする電流センサ。
2. 前記第１〜第３ＭＩセンサ部は、前記第１ＭＩセンサ部、前記第３ＭＩセンサ部、前記第２ＭＩセンサ部という順に、センサデバイス上で直列に並べられていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記ゲイン調整部は、前記第１ゲイン及び前記第２ゲインの調整値を不揮発的に保持することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記第１〜第３ＭＩセンサ部の感度をそれぞれα、β、γとして、前記第１ゲイン及び前記第２ゲインをそれぞれＸ、Ｙとしたときに、Ｘ／Ｙ＝γ／（α−β）が成立することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電流センサ。
5. Ｘ＝２／（α＋β）、Ｙ＝｛２・（α−β）｝／｛（α＋β）・γ｝が成立することを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
6. 前記第１〜第３ＭＩセンサ部は、それぞれ、磁気インピーダンス効果素子とコイルを含み、前記コイルの誘起電圧を前記第１〜第３センサ信号として出力することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の電流センサ。
7. 前記第１〜第３ＭＩセンサ部は、単一の磁気インピーダンス効果素子を共有していることを特徴とする請求項６に記載の電流センサ。
8. 前記磁気インピーダンス効果素子は、アモルファスワイヤであることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の電流センサ。
9. 前記第１〜第３ＭＩセンサ部のコイルについて、それぞれの巻数をｍ１、ｍ２、ｍ３としたとき、ｍ１＝ｍ２＞ｍ３が成立することを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか一項に記載の電流センサ。
10. 測定対象電流による磁界が互いに逆向きに印加されるように配置された第１ＭＩセンサ部及び第２ＭＩセンサ部と、
    前記第１ＭＩセンサ部で生成される第１センサ信号と前記第２ＭＩセンサ部で生成される第２センサ信号との差分入力を受けてサンプル／ホールド信号を生成するサンプル／ホールド部と、
    前記サンプル／ホールド信号を増幅して出力信号を生成するアンプ部と、
    を有することを特徴とする電流センサ。
11. 測定対象電流による磁界が互いに逆向きに印加されるように配置された第１ＭＩセンサ部及び第２ＭＩセンサ部と、
    前記第１ＭＩセンサ部で生成される第１センサ信号の入力を受けて第１サンプル／ホールド信号を生成する第１サンプル／ホールド部と、
    前記第２ＭＩセンサ部で生成される第２センサ信号の入力を受けて第２サンプル／ホールド信号を生成する第２サンプル／ホールド部と、
    前記第１サンプル／ホールド信号またはその増幅信号を第１ゲインで増幅することにより第１増幅信号を生成する第１アンプ部と、
    前記第２サンプル／ホールド信号またはその増幅信号を第２ゲインで増幅することにより第２増幅信号を生成する第２アンプ部と、
    前記第１増幅信号から前記第２増幅信号を減算して出力信号を生成する減算部と、
    前記第１ＭＩセンサ部と前記第２ＭＩセンサ部との感度差を補正するように前記第１ゲイン及び前記第２ゲインを調整するゲイン調整部と、
    を有することを特徴とする電流センサ。
12. 前記第１ＭＩセンサ部の感度と前記第２ＭＩセンサ部の感度をそれぞれα、βとして、前記第１ゲインと前記第２ゲインをそれぞれＸ、Ｙとしたときに、Ｘ／Ｙ＝β／αが成立することを特徴とする請求項１１に記載の電流センサ。
13. Ｘ＝１／α、Ｙ＝１／βが成立することを特徴とする請求項１２に記載の電流センサ。
14. 一次導体と、
    前記一次導体との絶縁を確保しながらこれに流れる測定対象電流を測定する請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載の電流センサと、
    を有することを特徴とする測定対象システム。
15. 前記一次導体は、前記測定対象電流が互いに逆向きに流れるように敷設された往路部と復路部を含み、
    前記電流センサは、前記往路部と前記復路部からそれぞれ等距離となる位置に設けられて前記測定対象電流による磁界を検出するセンサデバイスを含むことを特徴とする請求項１４に記載の測定対象システム。

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