JPWO2012029438A1 - 電流センサ - Google Patents

Abstract

外乱磁気からのノイズを低減でき、大電流の被測定電流を測定できると共に、小型化・薄型化を実現可能な電流センサを提供すること。本発明の電流センサ（１）は、被測定電流を通流する導電部材（１２）と、被測定電流からの誘導磁界により互いに逆相の出力信号を出力する第一の磁気センサ（１４ａ）及び第二の磁気センサ（１４ｂ）と、第一の磁気センサ（１４ａ）の出力信号と第二の磁気センサ（１４ｂ）の出力信号とを差動演算する制御部（２０）とを具備し、第一の磁気センサ（１４ａ）及び第二の磁気センサ（１４ｂ）の感度軸方向（Ｄ１）が、同一方向に固定されると共に、第一の磁気センサ（１４ａ）及び第二の磁気センサ（１４ｂ）に印加される被測定電流からの誘導磁界の印加方向に対して所定の角度をなし、第一の磁気センサ及び第二の磁気センサに互いに逆方向に誘導磁界が印加されるように固定されることを特徴とする。

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、外乱磁気からのノイズを低減可能な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、導体に流れる被測定電流を、導体周囲の磁界の変化を介して検出する磁気センサを備えたものが提案されている。また、電流センサとして、外乱磁気からのノイズを低減するものが開発されている。

外乱磁気からのノイズを低減する電流センサとしては、同一基板上に配置された一対の磁気センサの出力信号の差動をとるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかる電流センサにおいては、基板上において、基板に直交する電流線を挟んで対向する位置に一対の磁気センサが配置される。この一対の磁気センサは、感度軸方向が同一方向に向けられている。この電流センサにおいては、一対の磁気センサから互いに逆相の出力信号が出力されるため、差動演算により出力信号は加算処理されて出力感度が向上される。また、一対の磁気センサの出力信号以外のノイズ成分は同相であるため、差動演算により除去される。

特開２００２−２４３７６６号公報

ところで、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを電流センサで測定する場合、モータ駆動時には被測定電流が大電流となり、モータ停止時には微小電流となる。このため、大電流と微小電流とを共に高精度で測定可能な電流センサが望まれている。また、近年の電流センサの用途拡大に伴い、電流センサの更なる小型化・薄型化が望まれている。電流センサの小型化・薄型化の観点からは、電流線の近傍に磁気センサを配置することが望ましい。

しかしながら、特許文献１記載の電流センサにおいて、一対の磁気センサを電流線の近傍に配置する場合には、電流線を通流する被測定電流からの誘導磁界により一対の磁気センサが磁気飽和する問題がある。特に、測定対象となる被測定電流が大電流の場合においては、被測定電流からの誘導磁界が大きくなるため、磁気センサが磁気飽和しやすくなる。このように、従来の電流センサにおいては、大電流の被測定電流の測定と、電流センサの小型化・薄型化とを共に実現することは困難であった。

本発明は、かかる点に鑑みて為されたものであり、外乱磁気からのノイズを低減でき、大電流の被測定電流を測定できると共に、小型化・薄型化を実現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、被測定電流を通流する導電部材と、前記被測定電流からの誘導磁界により互いに逆相の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の感度軸方向が、同一方向に固定されると共に、前記第一の磁気センサ及び前記第二の磁気センサに印加される前記被測定電流からの誘導磁界の印加方向に対して所定の角度をなし、第一の磁気センサと第二の磁気センサに逆方向に誘導磁界が印加されるように固定されたことを特徴とする。

この構成によれば、被測定電流からの誘導磁界により互いに逆相の出力信号が出力されるので、第一の磁気センサ及び第二の磁気センサに共に印加される外乱磁気によるノイズを相殺でき、被測定電流の測定精度を向上することができる。また、被測定電流からの誘導磁界に対し、第一の磁気センサ及び第二の磁気センサから、感度軸方向の磁気ベクトルの大きさに応じた出力信号が出力されるので、被測定電流が大電流の場合においても第一の磁気センサ及び第二の磁気センサの磁気飽和を抑制することができる。これにより、導電部材に第一の磁気センサ及び第二の磁気センサを接近させて配置することが可能となり、電流センサの小型化・薄型化を実現することができる。

本発明の電流センサにおいては、前記第一の磁気センサが一方の面上に配置され、前記第二の磁気センサが他方の面上に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、前記長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平行に配置されることが好ましい。

この構成によれば、導電部材に並設された基板を挟んで第一の磁気センサ及び第二の磁気センサを配置するので、電流センサの厚みを低減することができ、電流センサの小型化・薄型化が可能となる。さらに、基板を介して第一の磁気センサ及び第二の磁気センサを配置するので、第一の磁気センサに印加される外乱磁気と第二の磁気センサに印加される外乱磁気との差を低減することができ、外乱磁気によるノイズの影響を効果的に低減することが可能となる。

本発明の電流センサにおいては、前記基板の厚さ方向における中央の位置が、前記導電部材の高さ方向における中央の位置に対して同一の位置に配置されることが好ましい。

この構成によれば、電流センサの厚みを低減することができ、電流センサの小型化・薄型化が可能となる。さらに、第一の磁気センサ及び第二の磁気センサに印加される誘導磁界の感度軸方向における磁気ベクトルの差を低減できるので、電流センサの検出精度を特に向上することができる。

本発明の電流センサにおいては、前記第一の磁気センサが配置される第一の基板と、前記第二の磁気センサが配置される第二の基板とを有し、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、前記第一の基板及び前記第二の基板は、前記長軸方向において前記導電部材を挟んで前記導電部材に並設され、前記第一の基板の面内方向及び前記第二の基板の面内方向と前記長軸方向とが平行に配置されることが好ましい。

この構成によれば、導電部材を挟んで、第一の基板及び第二の基板を導電部材に並設するので、電流センサの厚みを低減することができ、電流センサの小型化・薄型化が可能となる。

本発明の電流センサにおいては、前記第一の基板の厚み方向の中央の位置及び前記第二の基板の厚み方向の中央の位置が、前記導電部材の高さ方向における中央の位置に対して同一の位置に配置されることが好ましい。

この構成によれば、電流センサの厚みを低減することができ、電流センサの小型化・薄型化が可能となる。さらに、第一の磁気センサ及び第二の磁気センサに印加される誘導磁界の感度軸方向における磁気ベクトルの差を低減できるので、電流センサの検出感度を向上することができる。

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を小さくすることができ、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、磁気抵抗素子であることが好ましい。

本発明によれば、外乱磁気からのノイズを低減でき、大電流の被測定電流を測定できると共に、小型化・薄型化を実現可能な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他の構成例を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態に係る電流センサの他の構成例の部分拡大図である。 図７（ａ）は、本発明の実施の形態に係る電流センサの磁場強度と出力信号との関係を示す図であり、図７（ｂ）は、比較例に係る電流センサの磁場強度と出力信号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断面模式図である。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には、基板１３を介して配設された一対の第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂが配置され、この第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂにより導電部材１２を通流する被測定電流の大きさを測定する。なお、図１においては、導電部材１２の延在方向に対する垂直方向の断面模式図を示している。

ケース１１は、例えば、絶縁材料で形成されるが、一部、珪素鋼、パーマロイなどの透磁率が高い材料を含んで構成され、ケース１１内への外乱磁気を遮蔽するように構成されても良い。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。

基板１３は、導電部材１２の長軸方向Ｄ３における一方の端面１２ｃとケース１１との間に図示されない支持部材によって支持され、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に並設される。なお、基板１３の面内方向と長軸方向Ｄ３とは完全に平行でなくても良く、本発明の効果を奏する範囲で略平行であれば良い。また、基板１３は、厚み方向の中央の位置（点Ｐ１）が、導電部材１２の高さ方向（短軸方向Ｄ２）の中央の位置（点Ｐ２）と揃うように配置される（Ｆ１参照）。基板１３の一方の面（以下、「上面」という）には、第一の磁気センサ１４ａが配設され、基板１３の他方の面（以下、「下面」という）には、第二の磁気センサ１４ｂが配設される。また、基板１３上には、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２０（図４参照）が設けられている。

第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂは、導電部材１２を通流する被測定電流からの誘導磁界Ｍ１（図２参照）に応じて出力信号を出力する。また、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に対して同一方向に固定され、被測定電流からの誘導磁界Ｍ１（図２参照）が、感度軸方向Ｄ１に対して所定の角度θをなして印加されるように配設されている。なお、感度軸方向Ｄ１は導電部材１２の長軸方向Ｄ３に対して完全に同一方向でなくても良く、本発明の効果を奏する範囲で略同一方向であれば良い。

次に、図２及び図３を参照して本実施の形態に係る電流センサ１の被測定電流測定時における誘導磁界Ｍ１について説明する。図２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３は、図２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２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２に示すように、被測定電流が導電部材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、被測定電流の通流方向に対して右回りの方向となる。このため、導電部材１２の上面側の主面１２ａの中央部近傍においては、誘導磁界Ｍ１の方向が右方向（左方向）となり、導電部材１２の下面側の主面１２ｂの中央部近傍においては、誘導磁界Ｍ１の方向が左方向（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の端面１２ｃの近傍に配置される第一及び第二の磁気センサ１４ａ、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３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３に示すように、導電部材１２の上面側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）に対して所定の角度θをなす方向から誘導磁界Ｍ１が印加される。また、導電部材１２の下面側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の逆方向（左方向）に対して所定の角度θをなす方向から誘導磁界Ｍ１が印加される。

ここで、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。このため、第一の磁気センサ１４ａから出力される出力信号は、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。

また、第二の磁気センサ１４ｂの中心点Ｐ４に対して印加方向から印加される誘導磁界Ｍ１は、感度軸方向Ｄ１の逆方向の磁気ベクトルＭ４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、磁気ベクトルＭ４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、被測定電流からの誘導磁界Ｍ１が、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂに対して、互いに逆方向の磁気ベクトルＭ２、Ｍ４に分解されて印加される。このため、被測定電流が大電流の場合においても、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂの磁気飽和を抑制することができる。

また、第一の磁気センサ１４ａに対しては、感度軸方向Ｄ１から所定の角度θをなす方向より誘導磁界Ｍ１が印加され、第二の磁気センサ１４ｂに対しては、感度軸方向Ｄ１の逆方向から所定の角度θをなす方向より誘導磁界Ｍ１が印加される。このため、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂからは互いに逆相の出力信号が出力される。さらに、第一の及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂの感度軸方向Ｄ１に対して略同一の角度θから誘導磁界Ｍ１が印加されるので、感度軸方向Ｄ１の磁気ベクトルＭ２、Ｍ４の大きさは略同一となる。このため、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は、互いに略同一の大きさとなる。さらに、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂは、感度軸方向Ｄ１が略同一方向に固定されているので、外乱磁気Ｈｃに対しては、互いに同相の略同一の出力信号が出力される。したがって、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、誘導磁界Ｍ１からの出力信号が加算処理され、外乱磁気からノイズ成分が同相で除去される。これにより、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４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。第一の磁気センサ１４ａ及び第二の磁気センサ１４ｂは、それぞれ磁気平衡式センサであり、被測定電流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２０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、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１４２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（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）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２１２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１４２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。

差動アンプ２２２は、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。本実施例では、磁気平衡式での一例を示したが、第一及び第二の磁気センサの出力をそのまま差動を取る磁気比例式としても良い。

なお、上記実施の形態に係る電流センサ１においては、導電部材１２の一方の端面１２ｃの近傍に基板１３を介して第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを配置する構成について説明したが、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂは、導電部材１２を挟むように配置してもよい。図５は、本実施の形態に係る電流センサの他の構成例を示す断面模式図であり、図６は、図５に示す第一及び第二の磁気センサ２２ａ、２２ｂをそれぞれ拡大した部分拡大図である。なお、図５、図６においては、図２及び図３に示した電流センサ１と同一の構成要素には、同一の符号を付している。また、以下の説明においては、電流センサ１との相違点を中心に説明し、説明の重複を避ける。

図５に示すように、電流センサ２においては、導電部材１２の一方の端面１２ｃの近傍に第一の基板２１ａが並設され、この第一の基板２１ａとの間で導電部材１２を挟んで導電部材１２の他方の端面１２ｄの近傍に第二の基板２１ｂが並設される。第一の基板２１ａの上面には第一の磁気センサ２２ａが配置され、第二の基板２１ｂの下面には第二の磁気センサ２２ｂが配置される。第一の基板２１ａの面内方向及び第二の基板２１ｂの面内方向と導電部材１２の長軸方向Ｄ３とは、平行に配置される。また、第一及び第二の基板２１ａ、２１ｂは、厚み方向の中央の位置が導電部材１２の高さ方向（短軸方向Ｄ２）における中央の位置と同一平面内になるように、図示されない支持部材によってケース１１内に支持される。

次に、本実施の形態に係る電流センサ２における第一及び第二の磁気センサ２２ａ、２２ｂに対する誘導磁界Ｍ１の印加方向について説明する。図６に示すように、電流センサ２においては、導電部材１２の一方の端面１２ｃ近傍に配置された第一の磁気センサ２２ａに対しては、感度軸方向Ｄ１（右方向）に対して所定の角度θから斜めに誘導磁界Ｍ１が印加される。また、導電部材１２の他方の端面１２ｄ近傍に配置された第二の磁気センサ２２ｂに対しては、感度軸方向Ｄ１と逆方向（左方向）に対して所定の角度θをなす方向から斜めに誘導磁界Ｍ１が印加される。

第一及び第二の磁気センサ２２ａ、２２ｂに印加される誘導磁界Ｍ１は、第一及び第二の基板２１ａ、２１ｂの面内方向に平行な磁気ベクトルＭ２、Ｍ４と、第一及び第二の基板２１ａ、２１ｂ面に垂直な磁気ベクトルＭ３とに分解される。したがって、上述した電流センサ１と同様に、第一及び第二の磁気センサ２２ａ、２２ｂからは、磁気ベクトルＭ２、Ｍ４に応じた出力信号が出力される。

このように、導電部材１２を挟んで一対の第一及び第二の磁気センサ２２ａ、２２ｂを配置した電流センサ２においても、第一の磁気センサ２２ａからは感度軸方向Ｄ１の磁気ベクトルＭ２に応じた出力信号が出力され、第二の磁気センサ２２ｂからは感度軸方向Ｄ１の逆方向の磁気ベクトルＭ４に応じた出力信号が出力される。したがって、電流センサ１と同様に第一及び第二の磁気センサ２２ａ、２２ｂの磁気飽和を抑制することが可能となる。

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。
ここでは、本実施の形態に係る電流センサ１の被測定電流の測定範囲と、比較例としての従来の電流センサの被測定電流の測定範囲とを比較しつつ説明する。図７（ａ）は、本実施の形態に係る電流センサ１の磁場強度と出力信号との関係を示す図であり、図７（ｂ）は、比較例に係る電流センサの磁場強度と出力信号との関係を示す図である。なお、図７（ａ）、図７（ｂ）においては、本実施の形態に係る電流センサ１と比較例に係る電流センサとに共に同一強度の誘導磁界を印加させた場合の出力信号を示している。

図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る電流センサ１においては、被測定電流からの誘導磁界によって印加される磁場強度に対して線形に出力信号が変化する。一方、比較例に係る電流センサにおいては、磁場強度が大きくなるにつれ、出力信号の増加が小さくなる磁気飽和が生じる。このように、本実施の形態に係る電流センサ１によれば、被測定電流が大電流の場合においても磁気飽和が抑制できることが分かる。

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、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂの感度軸方向Ｄ１が、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂに印加される被測定電流からの誘導磁界Ｍ１の印加方向に対して所定の角度θをなすように配置される。これにより、第一の磁気センサ１４ａからは感度軸方向Ｄ１の磁気ベクトルＭ２に応じた出力信号が出力され、第二の磁気センサ１４ｂからは感度軸方向Ｄ１に対する逆方向の磁気ベクトルＭ４に応じた出力信号が出力される。この結果、被測定電流が大電流の場合においても、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂの磁気飽和を抑制することが可能となる。したがって、電流センサの測定範囲（ダイナミックレンジ）を拡大することが可能となると共に、導電部材に対して第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを接近させて配置することも可能となり、電流センサ１の小型化・薄型化を実現できる。

また、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、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂに対して互いに逆方向から誘導磁界Ｍ１の磁気ベクトルＭ２、Ｍ４が印加されるので、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂから互いに逆相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、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂの出力信号が加算されて検出感度を増大させることができる。さらに、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂに対して外乱磁気が同一方向から印加されるので、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、外乱磁気によるノイズを相殺することが可能となる。

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の端面１２ｃの近傍に基板１３を配置し、この基板１３を挟んで一対の第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを配置するので、第一の磁気センサ１４ａと第二の磁気センサ１４ｂとの間の距離を小さくすることができる。このように、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂを近接して配置することにより、第一の磁気センサ１４ａに印加される外乱磁気と第二の磁気センサ１４ｂに印加される外乱磁気Ｈｃとの差を低減でき、外乱磁気Ｈｃの影響を効果的に相殺することができる。

特に、本実施の形態に係る電流センサ１においては、基板１３の厚み方向の中央の位置（点Ｐ１）と導電部材１２の短軸方向Ｄ３の中央の位置（点Ｐ２）とを同一面Ｆ１内に配置することにより、第一の磁気センサ１４ａに印加される磁気ベクトルＭ２の大きさと、第二の磁気センサ１４ｂに印加される磁気ベクトルＭ４の大きさとが最大となる。この結果、被測定電流の検出感度を向上させることができる。

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大きさなどは適宜変更して実施することが可能である。また、上記実施の形態においては、磁気平衡式電流センサに磁気抵抗効果素子を用いた場合について説明しているが、磁気平衡式電流センサにホール素子やその他の磁気検出素子を用いて構成してもよい。その他、本発明は、本発明の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、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、この構成に限定されず適時変更可能である。導電部材１２の形状としては、例えば、断面視にて楕円形状や、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。

また、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂは、上記配置構成に限定されず、導電部材１２を通流する被測定電流からの誘導磁界が、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂの感度軸方向Ｄ１に対して所定の角度θをなして印加され、互いに逆相の出力信号を出力する配置構成であれば、どのような配置構成であってもよい。ここでいう、逆相とは、差動演算後に十分な出力信号が得られる程度に位相ズレした範囲を含むものである。

さらに、上記実施の形態に係る電流センサ１においては、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂに対して印加される誘導磁界Ｍ１の角度θは、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂの磁気飽和を抑制できる範囲であればそれぞれ異なる角度であってもよい。

また、基板１３並びに第一及び第二の基板２１ａ、２１ｂは、上記配置構成に限定されず、電流センサ１、２の小型化・薄型化が可能な範囲であればどのような配置構成であってもよい。例えば、基板１３並びに第一及び第二の基板２１ａ、２１ｂは、厚さ方向の中央の位置が、導電部材１２の高さ方向（短軸方向Ｄ２）における中央の位置に対して、同一の位置となるように配置すればよい。なお、導電部材１２の高さ方向（短軸方向Ｄ２）における中央の位置に対して完全に同一の位置である必要はなく、本発明の効果を奏する範囲で略同一であれば良い。さらに、基板１３及び第一及び第二の基板２１ａ、２１ｂ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の出力信号を演算処理する第一の制御部と、第二の磁気センサ１４ｂの出力信号を演算処理する第二の制御部とをそれぞれ設けてもよい。この場合においては、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂ並びに第一及び第二の制御部を、基板１３の上面及び下面に上下対称に設けることが好ましい。この構成により、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂ並びに第一及び第二の演算部に対して外乱磁気が均等に印加されるので、外乱磁気によるノイズを効果的に低減できる。

また、上記実施の形態に係る電流センサ１においては、制御部２０を基板１３面内において、導電部材１２から離れた位置に設けることが導電部材１２からのノイズを軽減する観点から好ましい。

さらに、上記実施の形態に係る電流センサ１においては、導電部材１２と基板１３との間に遮蔽部材（電磁シールド）を設けてもよい。このように遮蔽部材を設けることにより、導電部材１２の電圧に由来するノイズを吸収でき、被測定電流の測定精度を向上できる。

さらにまた、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。磁気センサは、電流線を通る被測定電流からの誘導磁界により互いに逆相の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、外乱磁気からのノイズを低減でき、大電流の被測定電流を測定できると共に、小型化・薄型化を実現可能であ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２０１０−１９４１７５に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

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（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）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。

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。

特に、本実施の形態に係る電流センサ１においては、基板１３の厚み方向の中央の位置（点Ｐ１）と導電部材１２の短軸方向Ｄ２の中央の位置（点Ｐ２）とを同一面Ｆ１内に配置することにより、第一の磁気センサ１４ａに印加される磁気ベクトルＭ２の大きさと、第二の磁気センサ１４ｂに印加される磁気ベクトルＭ４の大きさとが最大となる。この結果、被測定電流の検出感度を向上させることができる。

また、基板１３並びに第一及び第二の基板２１ａ、２１ｂは、上記配置構成に限定されず、電流センサ１の小型化・薄型化が可能な範囲であればどのような配置構成であってもよい。例えば、基板１３並びに第一及び第二の基板２１ａ、２１ｂは、厚さ方向の中央の位置が、導電部材１２の高さ方向（短軸方向Ｄ２）における中央の位置に対して、同一の位置となるように配置すればよい。なお、導電部材１２の高さ方向（短軸方向Ｄ２）における中央の位置に対して完全に同一の位置である必要はなく、本発明の効果を奏する範囲で略同一であれば良い。さらに、基板１３及び第一及び第二の基板２１ａ、２１ｂ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の出力信号を演算処理する第一の制御部と、第二の磁気センサ１４ｂの出力信号を演算処理する第二の制御部とをそれぞれ設けてもよい。この場合においては、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂ並びに第一及び第二の制御部を、基板１３の上面及び下面に上下対称に設けることが好ましい。この構成により、第一及び第二の磁気センサ１４ａ、１４ｂ並びに第一及び第二の制御部に対して外乱磁気が均等に印加されるので、外乱磁気によるノイズを効果的に低減できる。

Claims (7)

1. 被測定電流を通流する導電部材と、前記被測定電流からの誘導磁界により互いに逆相の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の感度軸方向が、同一方向に固定されると共に、前記第一の磁気センサ及び前記第二の磁気センサに印加される前記被測定電流からの誘導磁界の印加方向に対して所定の角度をなし、第一の磁気センサ及び第二の磁気センサに互いに逆方向に誘導磁界が印加されるように固定されたことを特徴とする電流センサ。
2. 前記第一の磁気センサが一方の面上に配置され、前記第二の磁気センサが他方の面上に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、前記長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平行に配置されることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
3. 前記基板の厚さ方向における中央の位置が、前記導電部材の高さ方向における中央の位置に対して同一の位置に配置されることを特徴とする請求項２記載の電流センサ。
4. 前記第一の磁気センサが配置される第一の基板と、前記第二の磁気センサが配置される第二の基板とを有し、
   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、前記第一の基板及び前記第二の基板は、前記長軸方向において前記導電部材を挟んで前記導電部材に並設され、前記第一の基板の面内方向及び前記第二の基板の面内方向と前記長軸方向とが平行に配置されることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
5. 前記第一の基板の厚み方向の中央の位置及び前記第二の基板の厚み方向の中央の位置が、前記導電部材の高さ方向における中央の位置に対して同一の位置に配置されることを特徴とする請求項４記載の電流センサ。
6. 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５のいずれかに記載の電流センサ。
7. 前記第一の磁気センサ及び第二の磁気センサが、磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の電流センサ。

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